JPH08501270A - アルミナ発光管用シール部材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 アルミナ発光管用シール部材は酸化イットリウムと酸化マグネシウムとをドープされた高純度の微細アルミナを含む。シール部材は、、シールフリット又はろう付け合金を使用するか又は使用することなく、素地の半透明アルミナ発光管、予焼成された半透明アルミナ発光管又は十分に焼結された半透明アルミナ発光管とニオブリードアセンブリとに焼結ハーメチックシールを形成するのに使用される。

Description

【発明の詳細な説明】 アルミナ発光管用シール部材及びその製造方法 発明の背景 １．発明の属する分野 本発明は多結晶セラミック体用シール部材、特にアルミナから成る高圧放電ラ ンプ用シール部材の組成に関する。 ２．従来技術の説明 高圧ナトリウム（ＨＰＳ）ランプのような電気放電装置はアルミナ又はイット リアから成る透明又は半透明の高温耐熱管を一般的に使用する。アルミナは現在 の民間基準ではランプを包囲する好適な材料である。アルミナ管の内部では、ア ーク放電が気密に封着されたリードアセンブリによって電流を導かれる２つのタ ングステン電極間に生じる。 アルミナ及びニオブ金属はほぼ等しい熱膨張係数を有するので、ニオブ管又は ニオブ線がアルミナ発光管の端部を通して電流を導くためにＨＰＳランプ内で一 般的に使用される。タングステン電極はニオブ管に溶接される。一般的に、ニオ ブリード管はアルミナ発光管の各端部を気密に封着して閉塞するシール部材内の 軸方向孔を通って延びている。ニオブリードはフリット又はろう付けシールによ ってシール部材に気密に封着される。このようにして、リードアセンブリは放電 管をシールすると共に、アルミナ発光管の端部を通って電流を導く。 ニオブ金属リードとアルミナシール部材との間の境界はハーメチックシールを 形成するセラミック可溶性シールフリットを一般に充填される。幾つかの種類の シールフリットが知られている。例えば、Ａｌ₂Ｏ₃−ＣａＯ−ＭｇＯ−ＢａＯを 含むセラミックフリットはロスの米国特許第３２８１３０９号明細書に記載され 、カルシア、マグネシア及びアルミナの組成はサーバー他の米国特許第３４４１ ４２１号明細書に記載されている。しかしながら、通常のフリット処理条件下 で、リードは結晶粒成長を示しかつその延性に悪影響する再結晶を行い、それに より早期に亀裂が惹き起こされて、ランプ寿命が制限される。 製造時にシール部材内にリードを気密に封着する他の方法には共融金属合金を 用いたろう付けがある。このシール方法はリグデン他の米国特許第３４２８８４ ６号明細書及びリグデンの米国特許第４００４１７３号明細書に記載され、ニオ ブ、チタン、バナジウム及びジルコニウムの合金を利用する。しかしながら、こ のシール方法は、処理温度及び雰囲気によってニオブリードの長期脆弱化が惹き 起こされるために、あまり有効ではない。 上述した両シール方法ではシールフリット又はシール合金の軟化温度のために 発光管端部温度（一般に“コールドスポット温度”と称される）は８００℃に制 限される。さらに、ナトリウムランプ又は他のランプに充填される物質はシール フリット又はシール合金と反応するおそれがあり、それによってランプ寿命が制 限される。シール合金との反応率は当然のことながらコールドスポット温度の増 大と共に増大する。シール部からフリットを排除するとこの種の寿命制限反応が 起こらず、コールドスポット温度を高くすることができ、それによって低圧ラン プの全く新しい化学現象が生ぜしめられる。 ニオブとセラミックとを直接封着したランプはローデス他の米国特許第４５４ ５７９９号明細書に記載されている。組立られたシール部材又はインサート及び 発光管は部分的に焼結され、ニオブリードはインサートの軸方向孔内へ挿入され 、そしてアセンブリは半透明に十分に焼結され、インサート物質が焼結工程中に 収縮するにつれてシールを形成する。 簡単なシール方法はフオイアーサンガー他の米国特許第５０５７０４８号明細 書に記載されている。この米国特許明細書には、ランプアセンブリが延性のある 挟搾リードを持つことを可能にすると共に、リードの外端部に必要な延性を得る ためのシール法に用いられるシール部材のランプ製造に適するアルミナ又はイッ トリアを主成分とする他の物質が示されている。 酸化イットリウム及び酸化マグネシウムのような焼結促進材は光透過性Ａｌ₂ Ｏ₃を主成分とする半透明のランプ管の製造用として、ムタ他の米国特許第３７ １１５８５号明細書及びローデス他の米国特許第４７６２６５５号、第４７９７ ２３８号明細書に記載されている。これらの添加物は焼結率を高め、半透明にす るためのＡｌ₂Ｏ₃の焼結時の結晶粒成長を抑制する。しかしながらこれらの添加 物は高温でＡｌ₂Ｏ₃と反応して第２相つまりＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂及びＭｇＡｌ₂Ｏ₄を形 成する。この相はそれらがＡｌ₂Ｏ₃素体内に形成されると光を散乱させる。それ ゆえ、焼結を高めるために必要な添加物の最少濃度のみが半透明のＡｌ₂Ｏ₃発光 管の製造に用いることができる。高濃度は光透過を抑制し、それによってＡｌ₂ Ｏ₃発光管の基本的な特徴が低められる。 ＨＰＳランプのようなアークランプ用の発光管はしばしば内部ワッシャ又はイ ンサートを用いて製造される。インサート（名目上は発光管と同じ組成を持つ） は未焼成状態つまり素地状態で発光管内の各端部に配置されている。インサート の出発粉末粒径又は予焼成は発光管がインサート上で３〜１０％の締めしろにて 収縮するように調整される。この収縮の差は固体状態の焼結によって２つの構成 要素に互いに一部分を結合させて封着させる。長寿命のランプを得るために必要 な標準的なハーメチックシールは発光管及びインサートに発光管と同一組成の第 ２外部Ａｌ₂Ｏ₃ワッシャを加えることによって形成される。セラミックシールフ リットは電極アセンブリにワッシャ及びインサートを封着するために使用される 。この構成は約７００℃の低温コールドスポット温度又は端部温度を必要とする ランプを十分に作動させるように見えるが、しかしながら特別なワッシャ及びシ ールフリットを用いるために高価になる。最大効率を得るための水銀−ナトリウ ムアマルガム温度はナトリウム対水銀比（アマルガム比）及び発光管端部直径（ コールドスポット）に関係して約６１５℃〜７５０℃の範囲内にある。 他のランプ構成は外部又は頂部ワッシャを省略している。この構成は安価であ り、それゆえ非常に望ましい。重大な難点は、外部ワッシャ及びフリットを使用 することなく、インサートが発光管壁とで、ランプ寿命、一般的に２４０００時 間に達するまで持ちこたえるハーメチックシールを形成しなければならない点で ある。このことは発光管の内径及びインサートの外径の平滑度の最大限のコント ロールを必要とし、それゆえ通し溝及び空隙は焼結後には形成されていない。さ らに、構成要素の収縮比は構成要素間の良好な結合を保証するために注意深くコ ントロールされなければならない。もし締まりばめがあまりにも小さいと、結合 は 不完全となり、気密性が得られない。隙間はインサートの厚みの１／３を越えて 延在してはならない。逆に、締まりばめがあまりにも大きいと、締まりばめに関 係した応力が発光管に亀裂を生じさせる。それゆえ、良好なハーメチックシール を得るための条件は達成するのが困難であり、もし満たされなければ、許容し得 る不良品率よりも高い不良品率を生じるか又は早期故障の原因となる。 そこで本発明の課題は、シールフリット又はろう付け合金を使用するか又は使 用することなく、キャップシール又はハーメチックインサートワッシャを含む放 電ランプの製造を可能にするアルミナ発光管用シール部材の組成を提供すること にある。さらに本発明の課題は、高信頼性ランプ内へ入れられるニオブリードア センブリのその後のフリットシールを簡単化して、素地の半透明アルミナ発光管 、予焼成された半透明アルミナ発光管又は十分に焼結された半透明アルミナ発光 管に焼結ハーメチックシールを形成することを可能にするアルミナ発光管用シー ル部材の組成を提供することにある。発明の要約 本発明によれば、約０．１〜約５．０重量％の酸化イットリウムと約０．０１ 〜約０．５重量％の酸化マグネシウムとをドープされた約９５．０〜約９９．９ 重量％の高純度微細アルミナを含むアルミナ発光管用シール部材が提供される。 このシール部材は、シールフリット又はろう付け合金を使用するか又は使用する ことなく、素地の半透明アルミナ発光管、予焼成された半透明アルミナ発光管又 は十分に焼結された半透明アルミナ発光管に焼結ハーメチックシールを形成する のに使用することができる。 シール部材は高純度Ａｌ₂Ｏ₃粉末を有する０．１〜５．０重量％のＹ₂Ｏ₃と０ ．０１〜０．５重量％のＭｇＯとの混合物によって調製される。キャップシール のようなシール部材がその混合物から形成される。これらの部材はニオブリード を受入れるための軸方向孔を備えている。未焼結シール部材が十分に焼結された 半透明アルミナ発光管上に設けられる。十分に焼結されたＡｌ₂Ｏ₃発光管及びＮ ｂリードでは約４％〜約１４％の締まりばめがＡｌ₂Ｏ₃−Ａｌ₂Ｏ₃間 及びＡｌ₂Ｏ₃−Ｎｂ間の両境界を気密にする。シール部材を備えた気密Ａｌ₂Ｏ₃ 発光管のためのシールサイクルは、気密に焼結された高密度のキャップを得るの に、また長寿命のハーメチックシールを達成するために各境界面を十分に結合す るのに十分である時間の間約１６４０℃〜約２０５０℃の温度を使用する。 高純度Ａｌ₂Ｏ₃の他に、同様の量のＹ₂Ｏ₃及びＭｇＯを含むハーメチックイン サートワッシャは常温圧縮成形又は機械加工のような標準成形技術に基づいて形 成することができる。これらのインサートは水素雰囲気中で１〜５時間の間１７ ５０℃〜１９００℃で行われるアルミナ管の焼結サイクル中にアルミナ管を気密 に封着する。この場合のニオブ電極アセンブリは外部シールワッシャを使用する ことなく標準フリット技術で気密に封着される。図面の簡単な説明 前述した課題及び他の課題と利点は次の図に基づいて十分に理解することがで きるであろう。 図１はキャップシールを使用した高圧発光管アセンブリの一端部の横断面図を 示す。 図２はインサートシールを使用した高圧発光管アセンブリの一端部の横断面図 を示す。 図３は標準フリット技術を用いて気密に封着されたニオブリードアセンブリを 備えた高圧発光管アセンブリの一端部の横断面図を示す。発明の詳細な説明 本発明は、シールフリット又はろう付け合金を使用するか又は使用することな く、焼結ハーメチックシールを形成するのに使用されるアルミナ発光管用シール 部材を提供する。 図面を参照するに、フリットのないシールは図１及び図２に示されているよう に構成される。図３はシールフリットを用いて作られたシールを示す。各図は高 圧放電ランプの発光管アセンブリ１０の一端部を示し、その反対側にある他端部 は同一であるか又は類似している。アセンブリ１０は透明アルミナ管１１によっ て包囲されている。管１１の各端部は図１に示されているようなキャップシール １２又は図２及び図３に示されているようなシールインサート１３、１３′に形 成することのできるシール部材によって密閉されている。このシール部材１２、 １３、１３′は円筒状金属リード１４を支持している。管１１とシール部材１２ 、１３、１３′との間の境界面１５はシールフリット又はろう付け合金を使用す ることなく直接気密に封着され、一方シール部材１２、１３とリード１４との間 の境界面１６は直接気密に封着することができるか又は図３に示されているよう に標準フリット技術によって気密に封着することができる。 シール部材１２、１３、１３′は、約０．１〜約５．０重量％の酸化イットリ ウムと約０．０１〜約０．５重量％の酸化マグネシウムとをドープされた約９５ ．０〜約９９．９重量％の高純度微細アルミナの圧縮混合物から作るのが有利で ある。組成は軸方向孔１７を有するキャップシール１２又はシールインサート１ ３に常温圧縮成形又は機械加工される。焼結によりシール部材１２、１３、１３ ′の容積は減少する。従ってその両外径及び内径は減少する。未焼結シール部材 １２、１３、１３′の寸法はセラミック管１１の寸法に応じて、特にキャップシ ール１２を使用する場合には管の外径に応じて、又はシールインサート１３、１ ３′を使用する場合には管の内径に応じて選定される。さらにリード１４の外径 が考慮される。当該技術上公知のように、焼結による構成要素の収縮の差は構成 要素を互いに結合させる締まりばめを生じさせる。一般的にシール部材１２、１ ３、１３′は管１１とリード１４との約４〜約１４％の締まりばめを有する。出 来れば境界面１５は管１１との４〜８％の締まりばめを有し、一方境界面１６は リード１４との５〜９％の締まりばめを有するのが良い。出来れば境界面１５と 境界面１６とはそれらのそれぞれの構成要素との、ハーメチックシールを作りか つ応力を減少させる４％〜５％の締まりばめを有するのが最も良い。 管１１及びシール部材１２、１３、１３′の材料は類似した熱膨張係数を有し かつ化学的に適合するように選定される。一般的に管１１は多結晶アルミナ（Ｐ ＣＡ）発光管である。標準ＰＣＡは一般的に焼結促進材として約０．０３５重量 ％の酸化イットリウム及び０．０５重量％の酸化マグネシウムを含んでいる。幾 つかのＰＣＡは焼結促進材の酸化マグネシウムだけ含んで焼結される。シール部 材１２、１３、１３′の組成は微細構造、反応性、ＰＣＡ発光管１１及びリード １４との結合性を基準にして選定される。出来ればシール部材１２、１３、１３ ′は約０．１〜約５．０重量％の酸化イットリウムと、約０．０１〜約０．５重 量％の酸化マグネシウムと、高純度（９９．８％以上）のアルミナ粉末とを含む のが良い。キャップシール１２を形成する場合出来れば約１．０〜約５．０重量 ％の酸化イットリウムと約０．０２〜約０．２５重量％の酸化マグネシウムとは アルミナ粉末と一緒に混合されるのが最も良い。出来れば約２．０〜約３．０重 量％の酸化イットリウムと約０．０５〜約０．１重量％の酸化マグネシウムとは アルミナ粉末と一緒に混合されるのが最も良い。しかしながら、シールインサー ト１３、、１３′を形成する場合、、類似の組成は、以下において説明するよう に、ＰＣＡ発光管壁内へ移動して光散乱を行う第２相を形成することによって発 光管１１に不透明性を与える。従って、約０．１０〜約０．５重量％の酸化イッ トリウムと、約０．０２〜約０．２５重量％の酸化マグネシウムと、アルミナ粉 末とを有する組成がシールインサート１３、１３′を形成するのに好適である。 出来ればシールインサートは約０．１５〜約０．２５重量％の酸化イットリウム と、約０．０５〜約０．１重量％の酸化マグネシウムと、アルミナ粉末とを含む のが最も良い。 シール部材１２、１３、１３′はシール部材組成の粉末を所望の寸法及び形状 に常温圧縮成形又は機械加工することによって一般に形成される。なお、シール 部材を形成するのに使用することのできる手段は他にもある。形成されると、未 焼結シール部材は未焼結の又は予焼成されたＰＣＡ発光管１１の各端部上又は各 端部内に置かれる。このアセンブリは管１１及びシール部材１２、１３、１３′ の両方が部分的に焼結されるまで加熱される。このような処理によって境界面１ ５での結合が生じる。なお未焼結シール部材１２は十分に焼結されたアルミナ発 光管１１と一緒に使用することができる。 円筒状金属リード１４は、シールフリット又はろう付け合金を使用するか又は 使用することなく、シール部材１２、１３、１３′を貫通する軸方向孔１７内に 直接に位置決めされる。ニオブ金属は、耐熱性及びアルミナとの化学的適合性が ありしかもアルミナに似た熱膨張係数を有するので、円筒状金属リード１４を構 成するのに好適な材料である。シールフリットを使用しない場合、管１１及びシ ール部材１２、１３の両方が十分に焼結するまでアセンブリ１０が加熱される間 、リード１４はその場所に一時的に保持される。シール部材１２、１３の直径は 焼結工程中収縮し続け、シール部材１２、１３の内面はリード１４に押付けられ る。シール部材はニオブリード１４よりも低い変形応力で変形し、従ってフリッ ト及びろう付けのないハーメチックシールを形成する境界面１６のところで僅か に変形して膨らむ。ここでは機械的接合及び拡散接合が生じているように見える 。 同様に、、標準フリット技術はシール部材１３′内にニオブリード１４を封着 するために使用することができる。一般的にシール物質２０のリングが軸方向孔 １７の周りに設けられる。電極アセンブリ１９を備えたニオブリード１４はシー ル部材１３′を貫通して管１１内に位置決めされる。シール物質２０は一般にア ルミン酸カルシウムを主成分とする可溶性フリットから圧縮成形されたリングで ある。アルミナ用シール材として有益である組成は技術上周知であり、ニオブリ ードアセンブリとの接合に使用される。このアセンブリは約１４００℃でリード 領域が加熱され、それによりシール物質２０が溶かされてリード１４とシール部 材１３′との間の空間内へその溶けたシール物質が流入し、それによってハーメ チックシールが形成される。 焼結工程の間、管、シール部材及びリードは管１１及びシール部材１２、１３ 、１３′に使用された種類のセラミック材料を焼結するために一般的に使用され る温度及び時間で加熱される。アルミナに関しては、高圧放電ランプを製造する ための一般的なシールサイクルは超高純度のアルゴン雰囲気内で１０分間で約１ ８００℃である。しかしながら、このシール部材の組成では約１６４０℃の温度 で三元共融混合物は構成要素間の空隙に流入して充填された液相の小さなコント ロールされた凝縮を生じ、その構成要素と僅かに反応し、強い気密性の化学的結 合を形成する。このコントロールされた液体形成は、液体が毛細管作用として知 られている表面力によって小ギャッブ、割れ目、窪み又は微小亀裂内へ吸込まれ てそれらに直ちに充填されるという理由で、シールフリットの使用に若干類似し ている。この液体は結晶成長を高め、本来の境界面を横切る連続的な微細構造の 形成を助成する。最終的な焼結製品では、微細構造はシール部材１２、１３、１ ３′ からＰＣＡ発光管１１まで連続しており、本来の境界面１５を描くのが不可能で ある。このことば高コールドスポット温度を可能にする放電ランプの製造を可能 にする。さらに、アーク管の亀裂による損失を減らす締まりばめを少しに設計す ることが可能である。それゆえ他のシール温度は、１６４０℃の酸化イットリウ ム−酸化マグネシウム−アルミナの三元共融温度を越えて、２０５０℃のアルミ ナ溶解温度を越えないようにされる。シール時間は、高密度で気密に焼結された シール部材と、長寿命のハーメチックシールを達成するための各境界面での十分 な結合とを得るという二重の目的を達成するために、上述した範囲内でシール温 度によって調整される。 焼結中の炉雰囲気はセラミック構成要素のためにだけでなく、ニオブリード１ ４の脆弱化を制限するためにも選定される。好適な実施例では炉雰囲気は真空、 窒素−水素混合ガス又は水素である。 高圧ナトリウムランプのような高輝度放電ランプへの適用のために、、発光管 のシール部材１２、１３、１３′は電極アセンブリ（図１及び図２には示されて いない）を備えなければならない。完全なシールを作るために、電極アセンブリ はニオブリード１４内へ溶接されるニオブ管（図１及び図２には示されていない ）の端部内へ気密に溶接される。リード１４は電極アセンブリが挿入される軸方 向孔１８を有している。−般的に電極アセンブリはバリウム−カルシウム−タン グステン酸塩製電子放出被覆を含んだタングステンコイルを取付けられる。滑り 嵌めされる電極アセンブリは電極先端部が発光管１１内に位置するようにニオブ リード１４内へ挿入され、電極に適当な後方空間が生ずるように位置決めされる 。ハーメチックシールはアセンブリと共に溶接することによって形成される。ニ オブ−ニオブ溶接は一般に真空下で電子ビーム溶接機によって行われる。ビーム 流はニオブ管を局部的に加熱して融解領域を出来る限り小さくするために十分小 さくされる。アルミナシール部に対するニオブの二次加熱は最小である。発光管 １１はニオブ−ニオブ溶接工程の間一般に回転チャック又は同様の手段に保持さ れる。この溶接は良くコントロールされたタングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶 接によって、又は不活性で乾燥した無酸素の雰囲気内でレーザ溶接によって行う こともできる。図３に示されている実施例の構成の場合、電極アセンブリ１９は ニ オブリード１４に気密に直接溶接することができる。 管１１は一般に固体及びガス状充填物質を入れられる。出来ればランプは水銀 −ナトリウムアマルガムを充填して完成されるのが良い。しかしながら、端部温 度に色々な種類の金属及び金属ハロゲン化物充填材料の温度上限値を高めさせる ニオブ−セラミック直接シールによって、その色々な種類の金属及び金属ハロゲ ン化物充填材料を使用することができるようになる。 このシール部材の組成は基礎化学での置換が可能である。酸化マグネシウムは 古典的かつ最良の結晶粒成長を抑制するアルミナの焼結促進材であり、それゆえ 幾つかの代替組成が存在する。しかしながら、酸化スカンジウム、酸化ランタン 、三二酸化プラセオジム、酸化ユーロピウム、酸化ガドリニウム、酸化テルビウ ム、酸化ジスプロシウム、酸化ツリウム、酸化イッテルビウム、酸化ジルコニウ ム、酸化ハフニウム、及び二酸化トリウムを含む幾つかの化合物は酸化イットリ ウムと置換することができるか、又は四元混合物を得るためにこの組成に加える ことができる。酸化セリウム、酸化ネオジムのような他の化合物及び残存希土類 元素は化学的微細構造の観点から十分満足に役目を果たす。しかしながらそれら は素体を着色する。 本発明を次の例によってさらに説明する。この例は事実を説明するものであり 、本発明の範囲を制限するものではない。例Ｉ 実験により、半透明Ａｌ₂Ｏ₃発光管のキャップシールの組成に関する好適な組 成が求められた。キャップシールの組成は微細構造、反応性、Ａｌ₂Ｏ₃及びＮｂ との結合性の評価を基準にして選定された。一連の組成は表１に示されているよ うに準備された。 これらの混合物は標準メタノール溶液内へ最初に溶かされる硝酸イットリウム、 及びその後別々に溶かされる硝酸マグネシウムによって作られた。これらの溶液 はＹ₂Ｏ₃及びＭｇＯをそれぞれ乾燥及びか撓して等価濃度を決定するために分析 された。 総量５０グラムの１回分は適当な量の高純度Ａｌ₂Ｏ₃を最初に計量することに よってポリエチレン容器内へ準備された。適当な濃度の標準硝酸イットリウム及 び硝酸マグネシウム溶液が添加された。追加メタノールが懸濁液をヘビークリー ムの稠度（〜１００センチポアズ）にするために添加された。ほぼ１２個のアル ミナ粉砕ボールが追加されて、懸濁液は成分の十分な混合を確実にするために１ 時間圧延機で延ばされた。懸濁液は濃いペースト濃度へ乾燥させることによって 均質混合を確実にするために磁気撹拌棒で撹拌しながらホットプレート上のペト リ皿内で乾燥された。この皿は完全に乾燥するまで７０℃の乾燥炉内に置かれた 。その中身はアルミナるつぼ内に置かれ、、硝酸塩を酸化物に分解してＡｌ₂Ｏ₃ と２つの添加物との同じ初期反応を得るために１２００℃で２時間の間か焼され た。粉末はその後炭化ホウ素乳ばち及び乳棒ですりつぶされ、、１００メッシュ ナイロン製ふるいを通された。１／２インチ直径のディスクが５０００ｐｓｉで 各粉末組成から圧縮成形された。このディスクは流動する乾燥Ｈ₂中で１時間１ ８６０℃で焼結された。Ｘ線回折によって大部分の第２相はＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂である ことが判明した。焼結された密ディスクは金属組織検査のために切断されて磨か れた。各サンプルの写真が第２相含有量のための線分析によって分析された。第 ２相の量は昇順で表すと６．２％、９．４％、１２．６％及び２６．８％であっ た。２．０％Ｙ₂Ｏ₃＋０．０５％ＭｇＯの組成を持つサンプル３が継続作業のた めに選択された。というのは、高濃度は焼結／封着温度で過度に塑性になるかも 知れず、一方低濃度は粒境界へ浸透してＡｌ₂Ｏ₃発光管及びＮｂリードと反応し て結合するには不十分な液相を有すると信じられているからである。 サンプル３の組成を持つ固体の細棒が１２５００ｐｓｉで静水圧にて圧縮成形 された。図１に示された幾何形状を持つキャップは、封着により、十分に焼結さ れた半透明Ａｌ₂Ｏ₃発光管及びＮｂリードに４％、４．５％、５％、６％、７％ 、８％、９％、１０％、１２％及び１４％の締まりばめを得るために、未焼成 細棒から機械加工された。締めしろは一般的なシールサイクルにて気密結合及び 亀裂のない構成要素を得ることを基準にして選定された。Ａｌ₂Ｏ₃−Ａｌ₂Ｏ₃間 の境界面は８％の締めしろを持つべきであり、一方Ａｌ₂Ｏ₃−Ｎｂ間の境界面は ９％の締めしろを持つべきであることが判明した。ランプを製造するためにこの 種のシールを使用する後作業により、、締まりばめは４％〜５％へそれぞれ減少 して、ハーメチックシールを形成し、そして亀裂のない構成要素の高い歩留まり を有することができた。これらのシール部の磨かれた部分は金属組織学及び微小 探査技術により検査された。微細構造は本来のＡｌ₂Ｏ₃−Ａｌ₂Ｏ₃間の境界面を 連続的に横切っていることが判明した。シールキャップとＮｂリードとの間の境 界面は成分の相互拡散の徴候を示し、それによって強固な化学的結合が作られた 。例ＩＩ 実験により直接シールを０．０４８インチの直径のＮｂ線に作ることができる か否かが求められた。例Ｉにおいてサンプル３として示された２．０％Ｙ₂Ｏ₃及 び０．０５％ＭｇＯから成るディスクが５０００ｐｓｉで圧縮成形された。孔が 計算上９％の締まりばめを有するように明けられ、Ｎｂ線がその孔内へ挿入され た。アセンブリは焼結されて例Ｉのように封着された。この封着部はヘリウム漏 洩試験によって亀裂がなくしかも気密であることが判明した。このようなアセン ブリはそれゆえユニークな高輝度放電ランプを構成するのに利用することができ る例ＩＩＩ 実験により例Ｉのシール組成が発光管を構成するのに使用することができるか 否かが求められた。例Ｉにおいてサンプル３として示された２．０％Ｙ₂Ｏ₃及び ０．０５％ＭｇＯから成る２つの発光管が圧縮成形され、流動Ｈ₂中で２時間１ ８８０℃にて焼結された。全透過度は９０％にすぎず、インライン又は正透過度 は１％であった。このことは通常製造時に達成されて容認できる総量の９５〜９ ７％及び５〜７％以下であることを意味している。金属組織学により非常に小さ な残余の多孔性が明らかになったが、高濃度の第２相物質つまりＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂も 明らかになった。高濃度の第２相物質からの散乱は低透過値の原因になると 信じられている。このことは好適な直接シール部材の組成が発光管の製造に適さ ないことを示している。さらにこのシール部材の組成は半透明ＰＣＡ発光管用の 従来技術で述べたＹ₂Ｏ₃及びＭｇＯ焼結促進材の組成とは異なっている。例ＩＶ 実験により、図１に示されたキャップシールに好適な組成が図２に示されたシ ールインサートに使用することができるか否かが求められた。例Ｉにおいてサン プル３として示された粉末（２．０％Ｙ₂Ｏ₃＋０．０５％ＭｇＯ、残余Ａｌ₂Ｏ₃ ）の１回分は０．５％ポリビニールアルコール及び１．５％カーボワックス結合 剤と混合され、噴霧乾燥器内で噴霧乾燥された。インサートは圧縮成形され、焼 結された正規のＰＣＡ４００ワット発光管内で使用された。シールは気密であっ たが、第２相（Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂）がＰＣＡ発光管壁内へ移動し、好ましくない不透 明な状態にした。 一連の他の組成は表２に示されているように準備された。 粉末準備は例Ｉにおいて述べたように行われた。固体の細棒は１２５００ｐｓ ｉで静水圧にて圧縮成形された。この細棒はインサートに機械加工され、焼結に より、５〜７％の締まりばめを有するように設計され、０．０３５％Ｙ₂Ｏ₃＋０ ．０５％ＭｇＯの焼結促進材を含み噴霧乾燥されたバイコウスキーＣＲ−３０Ａ ｌ₂Ｏ₃粉末から圧縮成形されたＰＣＡ管内を十分に気密にした。一般的な焼結サ イクルは乾燥Ｈ₂中で９０分間１８２５℃にて行われ、引き続いて２３℃Ｈ₂Ｏを 通って泡立てたＨ₂内で９０分間行われた。加熱及び冷却比は１７℃／ｍｉｎで あった。サンプルはシール領域全体に亘るシールの連続性を後方照明によ って検査された。さらに、代表的なシールが縦方向及び横方向に切断されて、磨 かれ、、金属組織学的に検査された。断続的なシールの割れ目がサンプル１及び ２の組成（０．０５％及び０．１０％Ｙ₂Ｏ₃）で検出された。高重量％Ｙ₂Ｏ₃の 組成では割れ目、本来の境界面を横切る連続的な微細構造、及びＹ₂Ｏ₃含有量で 計ったＰＣＡ管壁内への第２相濃度移動の変化は検出されなかった。一般的に、 粒径はＰＣＡ壁内よりインサート内の方が大きく、インサートの一般的な粒径は ３９μｍであり、ＰＣＡ壁の一般的な粒径は２９μｍであった。インサート内の 大きな粒は発光管壁内の大きな粒とほぼ同じサイズであった。大きな粒は強度を 制限するひび割れの原因になると考えられるので、インサートの微細構造は強度 をＰＣＡ発光管にほぼ等しくするべきである。例Ｖ 実験により種々のシール部材組成の強度が比較された。 四点曲げ強度試験により周囲温度及び雰囲気で標準ＰＣＡと強度結果が比較さ れた。この結果は表３に示されている。 高Ｙ₂Ｏ₃組成はこの試験表ではＰＣＡより少し弱かった。これはある程度粒径 及び多孔性の差に起因している。ここに記載された粒径は、最大粒径がコントロ ールされていることから見ると、平均粒径である。０．１５％Ｙ₂Ｏ₃組成におい ては粒径が小さいほど一連のサンプルでは大きい強度を有し、小さい粒径（ １５分の焼結時間）の２％Ｙ₂Ｏ₃は同様に大きい強度を有する。例ＶＩ 例Ｖのグループの中の１つが全ての発光管ではなく幾つかの発光管にひび割れ を生ずるように設計された第２シール熱サイクルで耐熱衝撃性について試験され た。高重量％Ｙ₂Ｏ₃インサートが同時に加工された標準ＰＣＡインサートの基準 グループと比較された。厳しさの異なった４つの熱サイクルが用いられた。この 試験は表４に記載されている。 この試験によれば、高重量％Ｙ₂Ｏ₃インサートは少なくとも標準インサートと 同様である耐熱衝撃性を有する。表３に示された少し小さい強度は熱衝撃試験で は目立たなすぎるか、又は高重量％Ｙ₂Ｏ₃インサート及び管の加工は共に高強度 の微細構造になる。高重量％Ｙ₂Ｏ₃気密インサートはこの応用に機械的に適する と推測される。 これらの例は、シールフリット及びろう付け合金を使用することなく、半透明 アルミナ発光管に焼結ハーメチックシールを構成することができるように、アル ミナ発光管シール部材を成形することができることを示している。シール部材は 同様にニオブリードアセンブリの最終シールにフリットを使用するＰＣＡ管内の 気密インサートの構成を容易にする。これらの組成は、標準ＰＣＡシール部材に 極めて類似ししかも最小の締まりばめを有するシール部材の形成を可能にする。 その組成はアルミナ発光管及びニオブリードと強固に機械的及び化学的に結合す る。本発明の範囲内で、異なった組成がキャップシール及びシールインサートの ために必要とされる。このシール部材組成はＰＣＡ発光管の形成に適さない。 ＰＣＡ発光管の焼結中又は焼結後に形成される気密高温度シールの一般的なテ ーマを中心にして、他のシール構造の設計及び系列化が可能である。 本発明の特別な実施例を詳細に説明したが、、本発明の精神及び範囲から逸脱 することなく種々の変形例を作ることができる。従って、本発明は特許請求の範 囲を補正する場合を除いて実施例に限定されない。 定義： 高純度微細アルミナの“約９５．０〜約９９．９重量％”なる表現は少なくと も９４．９５％の値及び９９．９５％の値が含まれることを意味する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フオイアーサンガー、アルフレツド イー アメリカ合衆国 01701 マサチユセツツ フラニントン オバールツク ドライブ 66 (72)発明者 チボドー、ロドリグ アメリカ合衆国 01945 マサチユセツツ マーブルヘツド オーン ストリート 19

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．約０．１〜約５．０重量％の酸化イットリウムと約０．０１〜約０．５重量 ％の酸化マグネシウムとをドープされた約９５．０〜約９９．９重量％の高純度 微細アルミナを含むことを特徴とするアルミナ発光管用シール部材。 ２．シール部材の組成は、さらに、酸化スカンジウム、酸化ランタン、三二酸化 プラセオジム、酸化ユーロピウム、酸化ガドリニウム、酸化テルビウム、酸化ジ スプロシウム、酸化ツリウム、酸化イッテルビウム、酸化ジルコニウム、酸化ハ フニウム、及び二酸化トリウムを含むグループから選択された少なくとも１つの 成分を含むことを特徴とする請求項１記載のアルミナ発光管用シール部材。 ３．前記シール部材は約２．０〜約３．０重量％の酸化イットリウムと約０．０ ５〜約０．１重量％の酸化マグネシウムとを含むキャップシールであることを特 徴とする請求項１記載のアルミナ発光管用シール部材。 ４．前記シール部材は約０．１５〜約０．２５重量％の酸化イットリウムと約０ ．０５〜約０．１重量％の酸化マグネシウムとを含むシールインサートであるこ とを特徴とする請求項１記載のアルミナ発光管用シール部材。 ５．シール部材は、約０．０１〜約０．５重量％の酸化マグネシウムと、酸化ス カンジウム、酸化ランタン、三二酸化プラセオジム、酸化ユーロピウム、酸化ガ ドリニウム、酸化テルビウム、酸化ジスプロシウム、酸化ツリウム、酸化イッテ ルビウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、及び二酸化トリウムを含むグル ープから選択された約０．０１〜約５．０重量％の少なくとも１つの成分とをド ープされた約９５．０〜約９９．９重量％の高純度微細アルミナを含むことを特 徴とするアルミナ発光管用シール部材。 ６．焼結に適する粒径を有する高純度微細アルミナと、酸化イットリウムと酸化 雰囲気内でのか焼によって酸化イットリウムに変換することのできるイットリウ ム化合物とを含むグループから選択されて量が約０．１〜約５．０重量％の酸化 イットリウムである少なくとも１つの成分と、酸化マグネシウムと酸化雰囲気内 でのか焼によって酸化マグネシウムに変換することのできるマグネシウム化合物 とを含むグループから選択されて量が約０．０１〜約０．５重量％の酸化マグネ シウムである少なくとも１つの他の成分とを主として含む均質粉末混合物を準備 する工程と、 前記混合物からアルミナ発光管用シール部材を形成する工程と、 長寿命で高密度でかつ気密に焼結されたシール部を得るのに十分である時間の 間約１６４０℃〜約２０５０℃の温度にて前記シール部材で前記アルミナ発光管 をシールする工程と、 を有することを特徴とするアルミナ発光管用シール部材の製造方法。 ７．前記シール部材はキャップシールであることを特徴とする請求項６記載の製 造方法。 ８．前記シール部材はシールインサートであることを特徴とする請求項６記載の 製造方法。 ９．前記均質粉末混合物は約２．０〜約３．０重量％の酸化イットリウムと約０ ．０５〜約０．１重量％の酸化マグネシウムとを含むことを特徴とする請求項７ 記載の製造方法。 １０．前記均質粉末混合物は約０．１５〜０．５重量％の酸化イットリウムと約 ０．０５〜約０．１重量％の酸化マグネシウムとを含むことを特徴とする請求項 ７記載の製造方法。 １１．シール部材を形成する工程は金属リードを受入れるための軸方向孔を形成 することを含み、前記リードの金属は耐熱性でありかつ前記シール部材と化学的 に適合し、アルミナに似た熱膨張係数を有することを特徴とする請求項６記載の 製造方法。 １２．前記リードの金属はニオブである特徴とする請求項１１記載の製造方法。 １３．前記シール部材は、焼結により、前記アルミナ発光管との約４％〜約１４ ％の締まりばめを得るように形成されることを特徴とする請求項６記載の製造方 法。 １４．前記イットリウム化合物は硝酸イットリウムであり、マグネシウム化合物 は硝酸マグネシウムであることを特徴とする請求項６記載の製造方法。 １５．前記均質粉末混合物は、酸化スカンジウム、酸化ランタン、三二酸化プラ セオジム、酸化ユーロピウム、酸化ガドリニウム、酸化テルビウム、酸化ジスプ ロシウム、酸化ツリウム、酸化イッテルビウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニ ウム、及び二酸化トリウムを含むグループから選択された少なくとも１つの成分 を含むことを特徴とする請求項６記載の製造方法。 １６．焼結に適する粒径を有する高純度微細アルミナと、酸化マグネシウムと酸 化雰囲気内でのか焼によって酸化マグネシウムに変換することのできるマグネシ ウム化合物とを含むグループから選択されて量が約０．０１〜約０．５重量％の 酸化マグネシウムである少なくとも１つの成分と、酸化スカンジウム、酸化ラン タン、三二酸化プラセオジム、酸化ユーロピウム、酸化ガドリウム、酸化テルビ ウム、酸化ジスプロシウム、酸化ツリウム、酸化イッテルビウム、酸化ジルコニ ウム、酸化ハフニウム、及び二酸化トリウムを含むグループから選択されて量が 約０．０１〜約０．５重量％である少なくとも１つの他の成分とを主として含む 均質粉末混合物を準備する工程と、 前記混合物からアルミナ発光管用シール部材を形成する工程と、 長寿命で高密度でかつ気密に焼結されたシール部を得るのに十分である時間の 間ほぼ共融混合物形成温度から約２０５０℃の温度にて前記シール部材で前記ア ルミナ発光管をシールする工程と、 を有することを特徴とするアルミナ発光管用シール部材の製造方法。