(57)【要約】セラミックボディを形成するための方法が提供され、この方法ではセラミック構成部材が生状態で結合される。この方法は、バインダの局所的な溶融を生ぜしめるために、結合したい表面に熱を加えることを含む。次いで、表面は接触させられ、圧縮及び伸長を交互に提供することによって結合される。この方法は、高輝度放電（ＨＩＤ）照明用途のための一体的なセラミック発光管本体を形成するのに特に適している。
2004519820.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックボディを組み立てる方法において、該セラミックボディが、バインダ材料を含んでおり、また、少なくとも、第１の結合面を有する第１の区分と第２の結合面を有する第２の区分とを有しており、前記方法が、
（ａ）バインダ材料を局所的に溶融させるために第１の結合面と第２の結合面とを同時に加熱するステップと、
（ｂ）最初に、境界面領域を形成するために第１の結合面を第２の結合面と接触させるステップと、
（ｃ）第１の区分を第２の区分に結合するために境界面領域に圧縮及び伸長を交互に提供するステップ
とから成ることを特徴とする、セラミックボディを組み立てる方法。
【請求項２】
前記圧縮及び伸長の提供が、境界面領域にセラミック材料の正味集合を生ぜしめる、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記加熱が、強制高温空気を用いて達成される、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記加熱が、赤外線レーザ、白熱灯又は白熱抵抗素子によって達成される、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記圧縮及び伸長が、個々のサイクルにおいて、区分の変位振動によって提供される、請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記変位振動の振幅が、それぞれの連続するサイクル毎に減少する、請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記区分が加熱中に回転させられる、請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記結合面のうちの少なくとも一方が、湾曲又は傾斜した断面プロフィルを有している、請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記結合面のうちの少なくとも一方が、個々の区分の中央に向かってずらされた接触突端を有している、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
セラミック発光管を生状態で組み立てる方法であって、
（ａ）軸対称の第１の発光管区分を第１のホルダに固定し、前記第１の発光管区分が電極収容部材と第１のキャビティ形成部材とを有しており、該第１のキャビティ形成部材が第１の環状の結合面を有しており、
（ｂ）軸対称の第２の発光管区分を第２のホルダに固定し、前記第２の発光管区分が第２の電極収容部材と第２のキャビティ形成部材とを有しており、該第２のキャビティ形成部材が第２の環状の結合面を有しており、前記第１及び第２の発光管区分がバインダ材料を含んでおり、
（ｃ）バインダ材料を局所的に溶融させるために第１及び第２の環状の結合面を同時に加熱し、
（ｄ）最初に、境界面領域を形成するために第１の環状の結合面を第２の環状の結合面に接触させ、
（ｅ）最初に区分のうちの少なくとも一方を前方へ変位させ次いで区分のうちの少なくとも一方を逆方向へ変位させることによって第１の区分を第２の区分に結合させる
ことを特徴とする、セラミック発光管を生状態で組み立てる方法。
【請求項１１】
第１及び第２の発光管区分の相対的位置が、結合面が加熱される前に決定される、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記発光管区分が、電極収容部材に係合する抜取り可能なピンによってホルダに固定される、請求項１０記載の方法。
【請求項１３】
前記区分の逆方向変位の後に第２の前方変位が行われる、請求項１０記載の方法。
【請求項１４】
前記第２の前方変位が、境界面領域にセラミック材料の正味集合を生ぜしめる、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記前方変位及び逆方向変位が、繰り返されるサイクルにおいて提供される、請求項１０記載の方法。
【請求項１６】
前記変位の大きさが、それぞれの連続するサイクル毎に減少する、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記区分が加熱中に回転させられる、請求項１０記載の方法。
【請求項１８】
前記結合面のうちの少なくとも１つが、湾曲又は傾斜された断面プロフィルを有している、請求項１０記載の方法。
【請求項１９】
前記結合面の少なくとも一方が、個々の区分の中心に向かってずらされた接触突端を有している、請求項１０記載の方法。
【請求項２０】
セラミック発光管を生状態で組み立てる方法において、
（ａ）発光管の第１及び第２の区分を互いに対向したホルダに固定し、前記第１及び第２の区分がそれぞれバインダ材料を含んでおりかつ第１及び第２の結合面を有しており、
（ｂ）前記バインダ材料を局所的に溶融させるために、第１及び第２の結合面を同時に加熱し、
（ｃ）第１の結合面を第２の結合面と接触させ、
（ｄ）前記区分を結合するために変位振動を提供する
ことを特徴とする、セラミック発光管を生状態で組み立てるための方法。
【請求項２１】
前記変位振動の振幅が、それぞれの連続するサイクル毎に減少する、請求項２０記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
関連のある出願のクロスリファレンス
本願は、２００１年２月２３日に出願された米国特許仮出願第６０／２７１１７４号の利益を請求する。
【０００２】
技術分野
本願は、セラミック構成部材を生状態で結合する方法に関する。特に、本願は、高輝度放電（ＨＩＤ）ランプのための一体型発光管ボディを形成するためにセラミック発光管部材を熱により結合する方法に関する。
【０００３】
発明の背景
概して、高輝度放電（ＨＩＤ）ランプにおいて使用される商業的なセラミック発光管は、粒子成長を制御するために１つ又は２つ以上の添加物を含有してよい多結晶アルミナセラミックから成る。第１のステップとして、アルミナ粉体がワックス又は熱可塑性プラスチック等のバインダ材料と混合され、次いで、静圧圧縮成形、押出し成形又は射出成形によって所望の形状に形成される。バインダ材料は、成形されたアルミナ片が“生状態”にある場合つまりバインダ除去及び焼結前に、その形状を保持することを助ける。バインダは、片を焼成することによって後で除去される。
【０００４】
発光管は２つ以上の片から製造されるので、片の間の境界面に、動作中の発光管に存在する高い応力、高い温度及び腐食性化学物質に耐えることができるハーメチックシールを形成する必要がある。セラミック発光管片を組み立てる慣用の方法は、複数の組立て及び予備焼結ステップを含み、このステップにおいて片は整列させられ、締りばめによって互いにシールされる。締りばめは、焼成時の片の収縮差によって生じる。組立て及び予備焼結ステップのそれぞれにおいて、整合誤差又はその他の誤差が生じる機会が存在する。焼成サイクルの回数を最小限にすることは、発光管製造プロセスの効率を改善することができる。さらに、ハーメチックシールを形成するために締りばめを使用する習慣は、寸法公差及び焼成中のセラミック片の収縮に対して高い程度の制御を必要とする。
【０００５】
発明の概要
本発明の目的は、従来技術の欠点を排除することである。
【０００６】
本発明の別の目的は、焼成及び組立てステップの数を最小限にする、発光管等のセラミックボディを組み立てる方法を提供することである。
【０００７】
本発明のさらに別の目的では、締りばめに依存しない、セラミック発光管にハーメチックシールを形成する方法を提供することである。
【０００８】
本発明の１つの目的によれば、セラミックボディを組み立てる方法であって、前記セラミックボディがバインダ材料を有しており、また、少なくとも第１の結合面を有する第１の区分と、第２の結合面を有する第２の区分とを有しており、前記方法が、
（ａ）バインダ材料を局所的に溶融させるために第１及び第２の結合面を同時に加熱するステップと、
（ｂ）最初に、境界面領域を形成するために最初に第１の結合面を第２の結合面と接触させるステップと、
（ｃ）第１の区分を第２の区分に結合させるために圧縮及び伸長を交互に境界面領域に提供するステップと
から成る方法が提供される。
【０００９】
本発明の別の目的によれば、セラミック発光管を生状態で組み立てる方法であって、
（ａ）軸方向で対称的な第１の発光管区分を第１のホルダに固定し、前記第１の発光管区分が、第１の電極収容部材と第１のキャビティ形成部材とを有しており、第１のキャビティ形成部材が第１の環状の結合面を有しており、
（ｂ）軸方向で対称的な第２の発光管を第２のホルダに固定し、前記第２の発光管が、第２の電極収容部材と第２のキャビティ形成部材とを有しており、第２のキャビティ形成部材が第２の環状の結合面を有しており、第１及び第２の発光管区分がバインダ材料を含んでおり、
（ｃ）バインダ材料を局所的に溶融させるために第１及び第２の環状の結合面を同時に加熱し、
（ｄ）最初に、境界面領域を形成するために第１の環状の結合面を第２の環状の結合面に接触させ、
（ｅ）まず区分の少なくとも一方を前方へ変位させ次いで区分の少なくとも一方を逆方向へ変位させることによって第１の区分を第２の区分に結合する
ステップから成る方法が提供される。
【００１０】
図面の簡単な説明
図１は、軸方向で対称的な、２つの片から成るセラミック発光管の区分を示す図である。
【００１１】
図２は、２つの区分が本発明の方法によって結合された後の図１のセラミック発光管を示す図である。
【００１２】
図３は、図１のセラミック発光管の区分を結合するために使用される装置を示す図である。
【００１３】
図４は、セラミック発光管区分の結合面を加熱するために使用される対流ヒータを示す図である。
【００１４】
図５は、結合面におけるバインダ材料が溶融された後の接触した発光管の２つの区分を示す断面図である。
【００１５】
図６は、結合面が接触された後の区分の更なる前方への変位を示す断面図である。
【００１６】
図７は、前方変位に続いて生じる、区分の逆方向移動を示す断面図である。
【００１７】
図８は、本発明の有利な変位振動を表すグラフである。
【００１８】
図９ａ〜ｆは、様々な結合面を示す断面図である。
【００１９】
発明の詳細な説明
本発明をその他の目的、利点及び能力と共によりよく理解するために、上記の図面に関連した以下の開示及び添付の請求項が参照される。
【００２０】
本発明の方法は、バインダ材料が依然として存在したままセラミック部材を生状態で熱により結合する。部材は生状態で結合されるので、この方法は、様々なセラミック材料に対して及び多数の用途のために使用されてよい。有利な用途においては、本発明は、高輝度放電ランプにおいて使用するための一体型発光管を形成するために生セラミック発光管片を結合するために使用される。この方法は、締りばめに関連した整合誤差及び歪みの問題なしに、発光管片の間にハーメチックシールを形成することができる。この方法は、２つの片が発光管の中央で結合されるような対称的な２片発光管構造に対して使用するのに特に適している。２つの同じ、発光管の半部を使用することによって製造装置が単純化される。なぜならば、それぞれ２つ及び３つの異なる幾何学的部材を必要とする３片及び５片構造とは対照的に１つの幾何学的部材しか必要とされないからである。
【００２１】
有利な２片セラミック発光管アセンブリが図１に示されている。各発光管区分１は、軸方向で対称的であり、一体的に形成された電極収容部材３とキャビティ形成部材５とを有している。各キャビティ形成部材の開放端部は、環状の結合面７を有している。この実施例では、平坦な結合面が示されているが、結合面は、湾曲、傾斜又はビード付けされていてもよい。様々な結合面が図９ａ〜９ｆに示されている。幾つかの対称的な結合面の断面プロフィルが図９ａ〜９ｃに示されている。平坦な結合面が図９ａに示されている。図９ｂ及び９ｃに示した結合面はそれぞれ、傾斜した又は湾曲した断面プロフィルを有しており、これにより接触突端４３が形成されている。図９ｄ〜９ｆは幾つかの非対称的な面の断面プロフィルを示しており、この場合、発光管の内部におけるシールを保証するために接触突端４３は区分の中心に向かってずらされている。
【００２２】
組立て中、生セラミック区分の結合面におけるバインダ材料は、結合面を同時に加熱することにより溶融される。成形部材の形状の完全性を保つために、熱は結合面にのみ提供されるので、局所的な溶融のみが生じる。有利には、面は、加熱されたガスの対流（例えば強制された高温空気）によって加熱される。その他の加熱方法は、赤外線レーザ、白熱灯又は白熱抵抗素子による放射加熱を含んでいてよい。加熱均一性を改善するために、区分は、加熱しながら軸線を中心に回転させられてよい。面におけるバインダ材料が溶融すると、区分は、結合面を接触させ、境界面領域に交互に圧縮及び伸長を加えることにより迅速に係合させられる。図２は、区分が熱により結合された後の発光管を示している。この組立て方法は、２つの区分の間の境界面領域に見える表面継目１１を備えた一体的な発光管を提供する。発光管が焼結されると、２つの区分の間に形成されたハーメチックシールは、動作する発光管の過酷な環境に耐えることができる。継目は、発光管が焼結された後も見えるが、継目は、完成された発光管の性能に不都合な影響をほとんど又は全く与えないことが分かった。
【００２３】
図３には、発光管区分１が、互いに対向したホルダ１５を使用することによって結合装置に固定されて示されている。発光管区分及び発光管区分の対応するホルダは、共通の軸線１２を共有するように配置されている。抜取り可能なピン３５が、結合作業中に区分を所定の位置に保持するために、各発光管区分の各電極収容部材３に係合する。発光管区分を固定する別の手段は、ホルダの内部に位置決めされた圧縮シールＯリングの使用を含む。装置に固定されると、２つの区分の相対的な位置は、両区分が正確に係合させられるように調節される。有利な方法では、２つの発光管区分は、加熱の前に区分の間に挿入された抜取り可能な基準板に対して押し付けられる。区分が適切に位置決めされると、抜取り可能なピン３５は、区分の相対位置を維持するために区分に係合し、基準板が抜き取られる。
【００２４】
次いで、ヒータ１９は、２つのホルダの間に、発光管区分の結合面７に隣接して配置される。ヒータ１９は面２０ａ，２０ｂを有しており、これらの面は、隣接する結合面の形状に対応したパターンで高温空気のジェットを噴射する。ヒータ１９の正面図が図４に示されている。面２０ａは、発光管区分の環状の結合面７に対応した円形パターンで配置されたピンホール２１を有している。高温空気は、ヒータと流体接続した加熱空気源（図示せず）からヒータ１９に送入される。ヒータ１９の互いに対向した面２０ａ，２０ｂに設けられたピンホールパターンから噴射された高温空気のジェットは、結合面におけるバインダ材料を局所的に溶融させる。バインダ材料が十分に軟化して粘着質になるとヒータ１９は除去される。加熱しすぎると、セラミック部材が、機械的な完全性が損失されかつ部材の過剰な変形が生じる程度にまで過熱される。許容可能な結合を生ぜしめる加熱温度及び時間の作業範囲は、各構成及びバインダシステムのために経験的に決定される。この２片構成のためには、加熱時間は４〜１０秒である。より大きな断面を有する部材は、同程度の可塑性及び粘着性に到達するためにより長い時間を必要とする。
【００２５】
加熱後、区分はすぐに、ホルダの一方又は両方を互いに向かって共通の軸線１２に沿って変位させることによって接触させられる。発光管区分１は、まず、図５に示したように境界面領域２７を形成した結合面７に沿って互いに接触する。次いで、区分を、互いに向かって前方へ、初期接触点を超えるように変位させ続けることによって圧縮が加えられる。図６に示したように、圧縮により境界面領域における軟化した材料は外方への膨らみ、見える継目１１を形成する。区分が接触させられかつ圧縮されると、溶融された表面は溶接結合し、一体的な発光管ボディを形成する。所定の箇所において、発光管区分の前方変位は逆転され、区分は互いから離れるように引っ張られ、境界面領域における材料の伸長を生じる。図７に示したように、伸長により、境界面領域におけるさらに柔軟な材料は薄くなり、継目の突出を減じる。伸長の間、逆方向の変位は有利には、区分の間の初期接触箇所を越えて継続される。圧縮及び伸長のサイクルは、材料が依然として可塑状態にある間に複数回繰り返されてよい。この変位振動は、境界面領域における見える継目の突出をさらに減じる。有利には、変位振動の振幅は、図８に示したように、それぞれの連続的なサイクル毎に減少する。この場合、起点は結合面の間の初期接触箇所を表している。曲線の傾斜は変位の方向を示している。負の傾斜は、区分の互いに向かう前方変位を示している。正の傾斜は、区分の互いから離れる逆方向変位を示している。各サイクルは、区分の第２の前方変位が、初期接触箇所（移動＝０）を越えた箇所において終わり、境界面領域におけるセラミック材料の正味集合（ｎｅｔ ｇａｔｈｅｒｉｎｇ）を生じる。通常、変位振動の各サイクルの長さは０．０５秒であり、サイクルは２回以上繰り返される。変位振動の振幅の典型的な値は０．００４ｉｎ（０．１０１６ｍｍ）であり、サイクルの最後における正味０．００２ｉｎの前方変位で終わる。変位振動の後、部材は数秒間冷却される。完成した一体的な発光管ボディには、次いで、バインダを除去しかつ部材を理論的密度に焼結するために一連の熱処理が行われる。
【００２６】
現時点で本発明の有利な実施例であると考えられるものを図示及び説明したが、添付の請求項によって定義された本発明の範囲から逸脱することなく前記実施例において様々な変更及び修正が行われてよいことが当業者に明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】
軸方向で対称的な、２つの片から成るセラミック発光管の区分を示す図である。
【図２】
２つの区分が本発明の方法によって結合された後の図１のセラミック発光管を示す図である。
【図３】
図１のセラミック発光管の区分を結合するために使用される装置を示す図である。
【図４】
セラミック発光管区分の結合面を加熱するための使用される対流ヒータを示す図である。
【図５】
結合面におけるバインダ材料が溶融された後の接触した発光管の２つの区分を示す断面図である。
【図６】
結合面が接触された後の区分の更なる前方への移動を示す断面図である。
【図７】
前方移動に続く区分の逆方向移動を示す断面図である。
【図８】
本発明の有利な変位振動を表すグラフである。
【図９】
様々な結合を示す断面図である。
【符号の説明】
１  発光管区分、  ３  電極収容部材、  ５  キャビティ形成部材、  ７  結合面、  １１  継目、  １２  軸線、  １５  ホルダ、  １９  ヒータ、  ２０ａ，２０ｂ  面、  ２１  ピンホール、  ２７  境界面領域、  ３５  ピン、  ４３  接触突端
【図６】
2004519820.tif 000003
【図７】
2004519820.tif 000004
【図８】
2004519820.tif 000005
【国際公開パンフレット】
2004519820.tif 000006
2004519820.tif 000007
2004519820.tif 000008
2004519820.tif 000009
2004519820.tif 000010
2004519820.tif 000011
2004519820.tif 000012
2004519820.tif 000013
2004519820.tif 000014
2004519820.tif 000015
2004519820.tif 000016
2004519820.tif 000017
2004519820.tif 000018
2004519820.tif 000019
2004519820.tif 000020
2004519820.tif 000021
2004519820.tif 000022
2004519820.tif 000023
2004519820.tif 000024
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004519820.tif 000025
2004519820.tif 000026
【国際調査報告】
2004519820.tif 000027