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封止用機能性傾斜材料、封止用機能性傾斜材料製造方法および管球
説明

封止用機能性傾斜材料、封止用機能性傾斜材料製造方法および管球

【課題】
少ない層数でもクラックの発生を抑え、製造が容易な封止用機能性傾斜材料を得る。
【解決手段】
封止用機能性傾斜材料FGMは、絶縁層1と、絶縁性の物質および導電性の物質を有する導電層2との境界面Bが凹凸形状となるように両者を繋いで形成しているので、境界面Bに沿った方向に引っ張り応力が発生しても、この凹凸形状によって発生する抗力によって境界面B方向への過度の変形が抑制され、クラックの発生が効果的に抑制される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、封止用機能性傾斜材料、この封止用機能性傾斜材料の製造方法および封止用機能性傾斜材料を用いて封止した管球に関する。
【背景技術】
【0002】
ハロゲン電球や高圧放電ランプなどの石英ガラスからなる気密容器を備えた管球類には、一般にモリブデン箔を封着金属箔として用いて気密容器を封止する箔封止構造が従来から用いられている。しかしながら、封着金属箔における許容電流値の限界などの理由から、封着金属箔に代えて機能性傾斜材料を用いようとする試みがなされている(例えば、特許文献1参照。)。
【0003】
この機能性傾斜材料を容易に製造し、かつクラックの発生を抑制するためにプラズマ焼結法を用いることも検討されている(例えば、特許文献1参照。)。
【特許文献1】特開2000−260395号公報
【特許文献2】特開2006−49269号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上記特許文献1は、クラックを発生させないために緩衝層の層数を多くする必要があることから、機能性傾斜材料の層数が多くなり、製造が面倒であるばかりか焼結時の良品率が悪いために、高コストで、実用性に乏しいものであった。
【0005】
上記特許文献2のように、プラズマ焼結法を用いることで各層の形成材料である粉体を短時間で溶融して気密な封止用機能性傾斜材料とすることができるが、境界面でのクラックの発生を効果的に抑制するには至っていない。
【0006】
本発明は、少ない層数でクラックが発生しにくくて、製造が容易な封止用機能性傾斜材料、この封止用機能性傾斜材料を製造する方法およびこの封止用機能性傾斜材料を用いて封止した管球を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
請求項1の封止用機能性傾斜材料は、絶縁性の物質で封着機能を有する第1の層と、絶縁性の物質および導電性の物質を有する第2の層とを具備し、前記第1および第2の層の境界面が凹凸形状を形成するように前記第1および第2の層を繋いでなることを特徴とする。
【0008】
本発明において、封止用機能性傾斜材料は、少なくとも第1の層としての絶縁層と第2の層としての導電層とを有する多層構造からなり、主に管球用封止部材として使用される。第2の層としての導電層は、2層または3層以上の多層構造であってもよい。第2の層には、熱膨張率差を小さくしたり、強度を向上させたりするための中間層を用いることが可能であるが、中間層を用いると封止部材が大きくなるので、中間層はなるべく薄くするか、省略するのが好ましい。
【0009】
絶縁層と導電層との熱膨張率は明らかに相違しているので、大きな熱度変化が繰り返されると、絶縁層と導電層との境界面に沿った方向に引っ張り応力が発生し、この応力がクラック発生の大きな原因の一つと考えられる。
【0010】
本発明では、第1の層としての絶縁層と第2の層としての導電層との境界面が凹凸形状となるように両者を繋いで形成しているので、境界面に沿った方向に引っ張り応力が発生しても、この凹凸形状によって発生する抗力によって境界面方向への過度の変形が抑制され、クラックの発生が効果的に抑制される。また、境界面付近には各層を構成する物質が互いに拡散して拡散接合層が形成されるが、境界面を凹凸形状とすることによって拡散接合層の拡散分布を凹凸形状全体にわたって広げることができるので、各層間の熱膨張率差が傾斜的に増減するように機能性傾斜材料を形成することができる。
【0011】
境界面の凹凸形状は、第1または第2の層の一方を形成する材料を予め成形型などを使用して所望の凹凸形状を形成しておき、その上から他方の材料を充填した後に焼結することによって製造することができるが、本発明の作用効果を達成可能な凹凸形状が形成可能であれば、他の方法を用いて凹凸形状を形成しても構わない。
【0012】
請求項2は、請求項1記載の封止用機能性傾斜材料において、前記第1および第2の層が軸方向に沿って繋がれて全体として筒状構造を形成しており、境界面は軸方向に直交していて凹凸形状はこの軸を中心とした回転対称形状をなしていることを特徴とする。
【0013】
筒状構造をなす封止用機能性傾斜材料にあっては、軸中心から境界面に沿って引っ張り応力によるずれが発生する。このため、凹凸形状を筒状構造の軸を中心とした回転対称形状とすることによって凹凸形状に基く抗力が均等に発生して、ずれの局所的発生に伴うクラックの発生を効果的に抑制することができる。
【0014】
請求項3は、請求項1または2記載の封止用機能性傾斜材料において、前記第1および第2の層がプラズマ焼結法によって繋がれるように形成されていることを特徴とする。
【0015】
本発明は、好適な製造方法により製造された信頼性の高い封止部材の構成を規定している。すなわち、放電プラズマ法によって封止部材を焼結することにより、良好な拡散接合層を形成して絶縁層と導電層とを直接的に強固で、確実に、しかも信頼性高く接合した封止部材を得ることができる。放電プラズマ法は、圧縮状態の粉末の粒子間隙に直流パルス状電圧を印加した際に粒子間隙に発生する火花放電のプラズマによる発熱および通電によるジュール熱によって焼結を行わせる方法である。
【0016】
放電プラズマ法によれば、圧縮状態の粉末の粒子表面に気化と溶融が生じて、粉末粒子間が緻密に溶着して、絶縁層と導電層が一体に接合した均質な焼結体を得ることができる。また、絶縁層と導電層の焼結が形成される過程で、絶縁層と導電層の接合部位において両層を構成する物質の一部が拡散による移動をして互いに相手方の層内に達し、かつ、両層を構成する物質が立体的に絡み合った状態となった拡散接合層を形成するので、絶縁層と導電層との間に熱膨張率の差があるにもかかわらず、強固で、しかも長期間にわたって信頼性の高い接合が得られる。
【0017】
請求項4の管球は開口部を備えた気密容器と;気密容器と同種の材料を主体とする第1の層を備え、当該第1の層の部位で気密容器の開口部を封止している請求項1ないし3いずれか一記載の封止用機能性傾斜材料と;気密容器の内部に封装され、かつ、前記封止用機能性傾斜材料の第2の層を経由して気密容器の外部から給電される管球作動部材と;を具備していることを特徴とする。
【0018】
管球は、気密容器の内部に封装部材が気密に封装されている電気作動手段である。本発明によれば、各種用途に適応する管球を得ることができる。例えば、照明用管球であれば、ハロゲン電球、高圧放電ランプなどがこれに含まれる。また、非照明用管球であれば、例えば各種電子管などがこれに含まれる。
【0019】
気密容器は、開口を備えている。気密容器内への封止用機能性傾斜材料の収納の際に、開口の開口を経由させることができる。また、開口は、封止用機能性傾斜材料によって封止されることにより、気密容器の内部が気密になる。さらに、気密容器は、照明用管球の場合、金属酸化物または金属窒化物を主体として透光性に構成することができる。金属酸化物としては、例えばシリカ(SiO2)、アルミナ(Al2O3)、イットリウム酸化物(YOX)およびイットリウム−アルミニウム−ガーネット(YAG)などを用いることができる。金属窒化物としては、アルミニウム窒化物(AlN)などを用いることができる。以上の各物質は、いずれも透光性および耐熱性を備えた材料であり、多結晶体すなわちセラミックスまたは単結晶として得ることができる。また、非照明用管球の場合、気密容器は、透光性および非透光性のいずれであってもよい。
【0020】
封止用機能性傾斜材料の絶縁層は、気密容器の材料と同種の材料を主体として構成されている。同様に金属酸化物または金属窒化物を主体として構成されているので、気密容器とほぼ同じ熱膨張率である。これに対して、導電層は、少なくとも導電体として機能できる程度の導電性を有していて、熱膨張率が絶縁層のそれとは相対的に相違している。また、導電層は、絶縁層を構成するのと同一物質であることが好ましいところの金属酸化物または金属窒化物と導電性金属との混合体により構成されることを許容する。この場合、導電性金属は、導電層の約30質量%以上混合していれば、所要の導電性を示すことが実験により確認されている。しかし、要すれば、導電層は、実質的に導電性金属のみから構成されていてもよい。封装部材は、気密容器内に収納されて封止部材の導電層を介して気密容器外部から給電され、気密容器内で所望の電気的動作を行う部材である。例えば、ハロゲン電球の場合、封装部材は白熱フィラメントである。高圧放電ランプの場合、封装部材は放電電極である。
【発明の効果】
【0021】
本発明によれば、第1の層と第2の層との境界面が凹凸形状となるように両者を繋いで形成しているので、熱膨張率差により境界面に沿った方向に引っ張り応力が発生しても、この凹凸形状によって発生する抗力によって境界面方向への過度の変形が抑制され、クラックの発生が効果的に抑制される。
【発明を実施するための最良の形態】
【0022】
以下、図面を参照して本発明を実施するための形態を説明する。
【0023】
図1は、本発明の封止用機能性傾斜材料を実施するための第1の形態を示し、図1(a)は概念的断面図、図1(b)は境界面を軸方向から見た概念的正面図である。本形態において、封止用機能性傾斜材料FGMは、第1の層(以下、絶縁層と記す。)1および第2の層(以下、導電層と記す。)2を具備した2層構成の焼結部材であり、放電プラズマ焼結法(以下、SPS法と記す。)を用いた焼結によって隣接するそれぞれの層が接合して筒状構造を有して一体化されている。
【0024】
絶縁層1は、封着機能を有している。この封着機能は、封止しようとする適宜の部材の被封止部、例えば管球の気密容器の開口部に上記絶縁層1を封着することで当該被封止部を封止する際に寄与する。上記絶縁層1は、絶縁性物質の粉末を圧縮し、焼結することによって気密な焼結体となっている。
【0025】
また、絶縁層1は、被封止部と同質の絶縁性物質、例えば金属酸化物または金属窒化物を主体として構成することができる。そうすれば、被封止部と絶縁層1の熱膨張率が接近するので、封着を確実に行いやすくなる。被封着部が石英ガラス製であれば、シリカ(SiO2)またはシリカを主体とする材料を用いて絶縁層1を形成するのがよい。また、透光性セラミックス、例えば透光性アルミナセラミックス製であれば、当該透光性セラミックスと同一の材料、例えばアルミナ(Al2O3)またはアルミナを主体とする材料を用いて絶縁層1を形成するのがよい。
【0026】
導電層2は、少なくとも導電体として機能できる程度の導電性を有しているものとする。このために、導電性物質と絶縁性物質とを適当な含有比率、一般的には導電性物質が導電層3全体の20質量%以上、好適には30質量%以上の含有比率となるように導電層2を構成するのがよい。導電層2内を流れる電流が比較的小さい場合には、導電性物質粉末が導電層の20質量%以上で含有されていればよい。これに対して、導電層2内を流れる電流が比較的大きい場合には、導電性物質の含有比率を30質量%以上に構成した方がよい。導電性物質の混合比率の上限はなく、要すれば実質的に導電性物質のみによって構成してもよい。しかし、適当な含有比率でバインダーとなる絶縁性物質を添加するのが好ましい。なお、導電性物質としては、焼結可能な耐熱性および比較的良好な導電率を有する金属、好ましくはモリブデン(Mo)やタングステン(W)などの耐熱性金属の粉末を用いるのがよい。これに対して、絶縁性物質としては、絶縁層1の構成物質と同一の物質を用いるのが好ましい。
【0027】
導電層2には、絶縁層1と導電層2との熱膨張率の差を吸収する緩衝層が設けられていてもよい。すなわち、緩衝層は、絶縁層1の熱膨張率と導電層2の熱膨張率との中間の熱膨張率に設定されている。なお、熱膨張率を調整するには、導電性物質を適当な含有比率で混合すればよい。緩衝層の数は、従来技術に比較して極端に少なくてよく、0〜2層であることを許容する。なお、本形態においては緩衝層は設けられていない。緩衝層を複数設ける場合は、熱膨張率が絶縁層1から導電層2に向かって順次大きくなるように変化させればよい。
【0028】
導電層2は、封止用機能性傾斜材料FGMが被封止部に封着されて被封止部を気密に封止した状態において、絶縁層1を気密に経由して封止部の内外を導電的に接続するための手段となる。例えば、後述するように絶縁層1を貫通して例えばモリブデンやタングステンなどの耐熱性金属からなる導電性金属部材4を上記導電層2に接続すれば、封止用機能性傾斜材料FGMの絶縁層1と導電層2との間が気密性に保持された状態で封止部の内側と外側を導電的に接続することができる。なお、導電性金属部材4と絶縁層1および導電層2との間は、それらの熱膨張率差が相対的に大きいので、焼結の際に融着しないように僅かな隙間を形成するなどの配慮をした方がよい。
【0029】
なお、外部から電流などを導入するために、導電性金属部材5を導電層2に接続することができる。また、導電性金属部材4、5は、本発明において、必須ではなく、所要に応じて同時に焼結することによって接続してもよいし、焼結後に接続してもよい。
【0030】
絶縁層1と導電層2との境界面Bは、凹凸形状となっており、この境界面Bを介して両者が接続されている。凹凸形状は、筒状の封止用機能性傾斜材料FGMの中心軸を中心として断面方向に円環状の凸部および凹部が径大になりながら交互に形成されている。すなわち、凹凸形状は筒状の封止用機能性傾斜材料FGMの中心軸を中心とした回転対象形状をなしている。このため、凹凸形状に基く抗力が均等に発生して、絶縁層1および導電層2間の境界面Bに発生するずれが局所的に発生してクラックが発生することを効果的に抑制することができる。
【0031】
境界面Bの突出高さ(凹部と凸部との差)は0.5〜5mmであり、凹部と凸部との間隔は0.5〜5mmである。このような凹凸形状を有する境界面Bを形成することで、境界面Bに沿った方向に引っ張り応力が発生しても、この凹凸形状によって発生する抗力によって境界面B方向への過度の変形が抑制され、クラックの発生が効果的に抑制される。また、境界面B付近には各層を構成する物質が互いに拡散して拡散接合層(図示しない)が形成されるが、境界面Bを凹凸形状とすることによって拡散接合層の拡散分布を凹凸形状全体にわたって広げることができるので、各層間の熱膨張率差が傾斜的に増減するように機能性傾斜材料を形成することができる。
【0032】
境界面Bの凹凸形状は、絶縁層1(または導電層2)を形成する微粒子材料を予め成形型などを用いて所望の凹凸形状を形成しておき、その上から導電層2(または絶縁層1)の微粒子材料を充填し、その後焼結することによって製造することができる。
【0033】
導電層2は、絶縁性物質(SiO2)と導電性物質(Mo)が混合しているが、導電性物質を30質量%含有しているので、絶縁性物質(SiO2)100%の絶縁層1との間に導電性金属の含有比率差が30%存在する。しかし、SPS法によって焼結されていることにより、良好な接合が形成される。
【0034】
実施例の封止用機能性傾斜材料FGMについて説明する。実施例の封止用機能性傾斜材料FGMは、直径10mm、厚み30mmの円柱状をなしている(厚みは各層10mm)。層構成は、絶縁層(SiO2 100%)+緩衝層(SiO2 85%、Mo 15%)+導電層(SiO2 70%、Mo 30%)の3層構としてもよい。製造法は、放電プラズマ焼結法(圧力40MPa、焼成温度1400℃、10分間)による。
【0035】
比較例として、境界面Bが軸方向に直交する平坦面となっているサンプルを20個製作し、400W形の高圧水銀ランプの封止部材料として適用し、500時間点灯させる試験を行った。その結果、実施例1は、全数良品であったが、比較例は50%近くのサンプル品にクラックの発生が認められた。
【0036】
図2は、本発明の第2の実施形態である管球を示す正面断面図である。本実施形態は、管球として高圧放電ランプに適用した例であり、3は気密容器、FGMは封止部材、4は給電部材であり、これらが高圧放電ランプを構成している。気密容器3は、透光性で、かつ、耐火性の物質、例えば石英ガラスからなり、外形がほぼ紡錘形状をなした石英ガラス製で、その内部にほぼ回転楕円体形状をなした放電空間3aが形成されている。また、気密容器3の管軸方向の両端には一対の開口部3b、3bが形成されている。
【0037】
封止部材FGMは、第1の実施形態のものと同様であり、迅速焼結法に属する放電プラズマ焼結法により形成されている。なお、境界面Bは、第1の層である絶縁層1および第2の層である導電層2を構成する物質が相互に拡散して移動することによって立体的に絡み合って形成されたものである。
【0038】
封止部材FGMは、気密容器3の開口部3bに嵌め込まれて封着することにより、気密容器3を気密に封止している。なお、図2において、開口部3bと封止部材FGMとの間の当初の境界部が点線で示されている。
【0039】
封止部材FGMの絶縁層1は、金属酸化物または金属窒化物を主体として構成されるが、本形態においては気密容器3が石英ガラスからなるので、シリカ(SiO2)を主体として形成されている。これに対して、導電層2は、導電性金属と金属酸化物の混合を主体として構成されているが、本形態においては導電性金属がモリブデン(Mo)またはタングステン(W)からなり、金属酸化物が絶縁層1の構成材料と同じ材料であるシリカからなる。導電性金属と金属酸化物の混合比は、導電層2が所要の低い抵抗値を示すような導電率になるように、導電性金属が30質量%以上の範囲内において所定の割合に選択されている。
【0040】
封装部材5は、タングステン(W)製の棒状体からなる放電電極であり、その基端が封止部材FGMにおける導電層2の一方の端面から内部に挿入され固着して支持されて導電層2に導通している。
【0041】
給電部材4は、モリブデン製の棒状体からなるリード部材であり、その先端が封止部材FGMにおける導電層2の他方の端面から内部に挿入され固着して支持されているとともに絶縁層1を貫通している。
【0042】
したがって、以上の封止部材FGM、封装部材5および給電部材4は、封止部材FGMを中心として一体化されることにより、電極マウントを構成している。
【0043】
そうして、管球は、高圧放電ランプを構成しており、透光性の気密容器1内の放電空間3a内において、一対の封装部材5、5の放電電極が離間対向し、また放電空間3a内には放電媒体が封入されている。
【図面の簡単な説明】
【0044】
【図1】本発明の封止用機能性傾斜材料を実施するための第1の形態を示す概念的断面。
【図2】本発明の第2の実施形態である管球を示す正面断面図。
【符号の説明】
【0045】
1…第1の層としての絶縁層、2…第2の層としての導電層、4、5…導電性金属部材、FGM…機能性傾斜材料

【特許請求の範囲】
【請求項1】
絶縁性の物質で封着機能を有する第1の層と、絶縁性の物質および導電性の物質を有する第2の層とを具備し、前記第1および第2の層の境界面が凹凸形状を形成するように前記第1および第2の層を繋いでなることを特徴とする封止用機能性傾斜材料。
【請求項2】
前記第1および第2の層が軸方向に沿って繋がれて全体として筒状構造を形成しており、境界面は軸方向に直交していて凹凸形状はこの軸を中心とした回転対称形状をなしていることを特徴とする請求項1記載の封止用機能性傾斜材料。
【請求項3】
前記第1および第2の層がプラズマ焼結法によって繋がれるように形成されていることを特徴とする請求項1または2記載の封止用機能性傾斜材料。
【請求項4】
開口部を備えた気密容器と;
気密容器と同種の材料を主体とする第1の層を備え、当該第1の層の部位で気密容器の開口部を封止している請求項1ないし3いずれか一記載の封止用機能性傾斜材料と;
気密容器の内部に封装され、かつ、前記封止用機能性傾斜材料の第2の層を経由して気密容器の外部から給電される管球作動部材と;
を具備していることを特徴とする管球。

【図1】
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【図2】
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