機能性傾斜材料、機能性傾斜材料の製造方法、管球
【課題】絶縁層から導電層までの各層内の酸化ケイ素を均一に十分な溶融・焼結することで、各層間の結合を強くさせる機能性傾斜材料を実現する。
【解決手段】絶縁性物質の酸化ケイ素を主成分とする絶縁層１１、絶縁性物質の酸化ケイ素および導電性物質のモリブデンまたはタングステンを混合した導電層１２、絶縁性物質の酸化ケイ素および導電性物質のモリブデンまたはタングステンを混合し、熱膨張率を段階的に変えた中間層１３を放電プラズマ焼結装置を用いて一体的に結合する。絶縁層１１の密度は、理論密度の９５％以上とした。
【解決手段】絶縁性物質の酸化ケイ素を主成分とする絶縁層１１、絶縁性物質の酸化ケイ素および導電性物質のモリブデンまたはタングステンを混合した導電層１２、絶縁性物質の酸化ケイ素および導電性物質のモリブデンまたはタングステンを混合し、熱膨張率を段階的に変えた中間層１３を放電プラズマ焼結装置を用いて一体的に結合する。絶縁層１１の密度は、理論密度の９５％以上とした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、機能性傾斜材料、この機能性傾斜材料の製造方法およびこの機能性傾斜材料を封止手段として用いた管球に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のハロゲン電球や高圧放電ランプ等の石英ガラスからなる気密容器を備えた管球類には、Ｍｏ箔を封着金属箔として用いられているが、封着金属箔における許容電流値の限界やＭｏ箔の酸化によるランプ短寿命などの理由から、封着金属箔に代えて放電プラズマ焼結法（ＳＰＳ：Spark Plasma Sintering）を用いて形成された機能性傾斜材料を用いる試みがなされている。機能性傾斜材料は、絶縁層（封着層）から導電層まで共通に含まれているＳｉＯ２を溶融・焼結することが可能で、層間の結合強度を強くすることが知れられている。（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開２００７−１１２６４２公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記した特許文献１の技術は、機能性傾斜材料の絶縁層から導電層までの各層に含まれるＳｉＯ２を均一に溶融させることができず、実用に供する層間の結合強度が得られない。このためランプの封着部として使用した場合、ランプの筐体となる石英バルブと機能性傾斜材料の絶縁層間の気密が保たれるよう、バーナーやレーザーにより両者を加熱して、両者に含まれるＳｉＯ２を溶融することで封着を行う必要がある。
【０００４】
しかしながら、機能性封着材料の製造方法に起因する原因により、機能性封着材料が単品としては製造可能であっても、ランプ筐体である石英ガラス製のバルブと封着を行った場合は、絶縁層とバルブとの気密封着ができないという現象がしばしば発生していた。
【０００５】
この発明の目的は、絶縁層から導電層までの各層内のＳｉＯ２を均一に十分な溶融・焼結することで、各層間の結合を強くさせることが可能な機能性傾斜材料、この機能性傾斜材料を用いた管球およびこの機能性傾斜材料の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記した課題を解決するために、この発明の機能性傾斜材料は、絶縁性物質の酸化ケイ素を主成分とする絶縁層と、絶縁性物質の酸化ケイ素および導電性物質のモリブデンまたはタングステンを混合した導電層と、絶縁性物質の酸化ケイ素および導電性物質のモリブデンまたはタングステンを混合し、熱膨張率を段階的に変えた中間層と、を具備し、前記絶縁層の密度は、理論密度の９５％以上であることを特徴とする。
【０００７】
また、絶縁性物質の酸化ケイ素を主成分とする絶縁層と、絶縁性物質の酸化ケイ素および導電性物質のモリブデンまたはタングステンを混合した導電層と、絶縁性物質の酸化ケイ素および導電性物質のモリブデンまたはタングステンを混合し、該絶縁性物質および該導電性物質間を熱膨張率を段階的に変えた中間層と、を具備し、前記絶縁層に接する前記中間層の密度は、理論密度の９５％以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、結合された状態の絶縁層の密度は理論密度の９５％以上、あるいは絶縁層に接する中間層の密度は理論密度の９５％以上にしたことにより絶縁層、中間層、導電層の各層のＳｉＯ２を均一に溶融、焼成することで各層間の結合の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、この発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１０】
図１は、この発明の機能性傾斜材料に関する一実施形態について説明するための構成図である。
【００１１】
図１は機能性傾斜材料（ＦＧＭ）の全体構成を示しており、機能性傾斜材料は、平均粒径５μｍのＳｉＯ２に平均粒径３μｍのＭｏを混合させ、放電プラズマ焼結法（ＳＰＳ法）作成したものである。図１において、１１は絶縁性物質である１００％のＳｉＯ２（酸化ケイ素）で形成された絶縁性の絶縁層である。１２はＳｉＯ２および導電性物質のＭｏ（モリブデン）またはＷ（タングステン）を混合した導電性の導電層である。
【００１２】
さらに、１３はＳｉＯ２とＭｏまたはＷを混合し、熱膨張率を段階的に変えた中間層で、この中間層１３は例えば１３１〜１３４の４層となっている。中間層１３１〜１３４は、ＳｉＯ２／Ｍｏの体積混合比を段階的に変化させ、結果熱膨張率を段階的に変化させている。中間層１３は、導電層１２よりも導電性物質の量が少なく、全体としては非導電性である。中間層１３は目的に応じて層数を変えることができる。
【００１３】
図１で説明した構成のサンプルを作成し、サンプルの各層の一部を切り出し、そのその体積と重量の比から層の密度を求めた。また、各層の比重σ（layer）は式（１）で定義されるため、得られた層の密度より式（１）を用いて、ＳｉＯ２とＭｏの体積混合比を求めることもできる。
【００１４】
σ(layer)＝１００／｛ａ／σ(Ｍｏ)＋ｂ／σ(ＳｉＯ２)｝ … （１）
（但し、ａ＋ｂ＝１００）
式（１）で、σ（Ｍｏ）はＭｏの密度、σ（ＳｉＯ２）はＳｉＯ２の密度で、それぞれ２．２２ｇ／ｃｍ３および１０．２２ｇ／ｃｍ３を使用している。また、ａはＭｏの体積、ｂはＳｉＯ２の体積を示している。なお、層の切り出しは、ＭｏがＳｉＯ２に対して均一に分布している部分を選ぶのが好ましい。
【００１５】
図２を参照し、ランプ筐体である石英ガラス製のバルブに図１のＦＧＭを封着材とした場合の概要について説明する。
【００１６】
絶縁層１１の長さは、約１０ｍｍとした。バルブ２１は厚みが１ｍｍのものを使用し、バーナー２２で上部から幅７ｍｍの範囲を加熱し、この時の封着幅は約７ｍｍとなっている。封着試験ではバルブ２１と絶縁層１１が十分溶融するよう赤外線温度計で絶縁層１１の表面温度が軟化点の１６７０℃以上であることを確認している。封止作業は１８００℃以上で行った。
【００１７】
ここで、図３、図４を参照し、放電プラズマ焼結装置を用いた場合のこの発明の機能性傾斜材料の製造方法の一実施形態について説明する。図３は概略構成図、図４は図３要部の構成図である。
【００１８】
水冷真空チャンバー３１内には、グラファイト製の円筒状焼結ダイ３２が配置され、その内部には機能性傾斜材料ＦＧＭが充填される。焼結ダイ３２の上下には内部に充填された被加工物である機能性傾斜材料ＦＧＭを上下から加圧するための上部パンチ３４および下部パンチ３５が設けられている。これらの上部パンチ３４および下部パンチ３５には、上部パンチ台３３および下部パンチ台３６がそれぞれ接触するように配置されている。上部パンチ電極３７および下部パンチ電極３８の上端部および下端部は、水冷真空チャンバー３１の外部に導出されている。上部パンチ電極３７および下部パンチ電極３８間には、焼結用パルス電源３９から大電流が供給される。このパルス電流は、上部パンチ３４および下部パンチ３５を介して機能性傾斜材料ＦＧＭに供給され、通電される。
【００１９】
また、下部パンチ電極３８には、焼結用加圧機構４１により上方向の圧力Ｐが印加される。下部パンチ電極３８は、上方向に移動可能に設けられており、圧力Ｐにより上方向に移動する。上部パンチ電極３７および下部パンチ電極３８のシリンダー部はそれぞれ焼結ダイ３２の中空部上端および下端から挿入され、圧力Ｐは上部パンチ電極３７および下部パンチ電極３８に伝達され、焼結ダイ３２内部に充填された機能性傾斜材料ＦＧＭを上下から圧縮する。制御装置４０は焼結用パルス電源３９および焼結用加圧機構４１を制御し、機能性傾斜材料ＦＧＭに対して供給パルス電流および加圧圧力を制御する。
【００２０】
図４は、電極軸４２が一体的に焼結形成された軸一体型の機能性傾斜材料ＦＧＭの製造装置の要部を拡大して示す断面図である。
【００２１】
焼結ダイ３２の中空部の上下には上部パンチ３４および下部パンチ３５が挿入されている。上部パンチ３４は焼結ダイ３２の中空部内で上下方向に移動するが、下部パンチ３５は中空部内では上下方向に対しては固定されている。上部パンチ３４にはその下端部に開口する細孔３４１が形成されており、その内部にＦＧＭ内に挿入された電極軸４２の端部４２ｂが挿入されている。細孔３４１はＦＧＭのＳＰＳ焼結開始の際には、上部に端部４２ｂが細孔３４１の上部に当接するように挿入されている。下部パンチ３５はＦＧＭの導電層１２に接している。
【００２２】
焼結ダイ３２の中空部内には、ＳＰＳ焼結の開始前において、前述した機能性傾斜材料ＦＧＭが粉末状態で充填される。すなわち、先ず、焼結ダイ３２を上下反転し、中に上部パンチ３４を挿入し、上部パンチ３４を下側にした状態で、電極軸４２の端部を細孔３４１に導入し電極軸４２を中心部に直立させる。次に、絶縁層１１を構成する１００％のＳｉＯ２粉末を充填する。次いで、中間層１３を構成するＳｉＯ２およびＭｏを例えば９０％対１０％の容積比で混合した粉末を焼結ダイ３２の中空部に充填し、絶縁層１１の上に積層する。さらに導電層１２を構成するＳｉＯ２及びＭｏを例えば７５％対２５％の容積比で混合した粉末を積層する。その後、下部パンチ３５により焼結ダイ３２の中空部上端を閉塞する。この際、電極軸４２の長さは、焼成後、電極の端部４２ａが導電層に到達し、しかもＦＧＭを貫通しないような長さにしておく。
【００２３】
さらに、上部パンチ３４と下部パンチ３５によって閉鎖された焼成ダイ３２を、上部パンチ３４が上側になるように取り付ける。なお、焼成ダイ３２、上部パンチ３４および下部パンチ３５とＦＧＭの間には、焼成ダイ及びパンチ材質とＦＧＭの熱膨張率の違いにより発生する応力を緩和するため、応力緩衝のグラファイトシートを挿入するのが一般的である。
【００２４】
この状態において、ＳＰＳ装置の制御装置４０の制御の下に焼結用パルス電源３９および焼結用加圧機構４１が動作を開始し、機能性傾斜材料ＦＧＭのＳＰＳ焼結が開始される。すなわち、焼結ダイ３２の中空部の機能性傾斜材料ＦＧＭには、上部パンチ電極３７および下部パンチ電極３８を介して焼結用パルス電源３９から大電流のパルス電流が供給される。このパルス電流は、上部パンチ３４および下部パンチ３５を介して焼結ダイ３２の中空部に充填積層された粉末状の機能性傾斜材料ＦＧＭに供給され、通電される。
【００２５】
また、下部パンチ電極３８には、焼結用加圧機構４１により上方向の圧力Ｐが印加される。下部パンチ電極３８は上方向に移動可能にもうけられており、圧力Ｐにより上方に移動して下部パンチ３５を介して機能性傾斜材料ＦＧＭを押し上げる。上部パンチ３４および上部パンチ電極３７は上下方向に対しては固定されているため、機能性傾斜材料ＦＧＭは下方からの圧力Ｐにより圧縮される。機能性傾斜材料ＦＧＭに大電流パルス電流を流すことにより、圧粉体粒子間隙に生ずる火花放電およびジュール熱により、機能性傾斜材料ＦＧＭの各層に含まれるＳｉＯ２を均一に加熱溶融焼結する。これによって機能性傾斜材料ＦＧＭを構成する絶縁層１１、中間層１３、導電層１２を強固に結合させることが可能となる。
【００２６】
ＳＰＳ法は、試料に通電することで試料温度を上げ焼成を行うため、絶縁物としてＳｉＯ２粒子を使用した場合、ＳｉＯ２粒子の温度を溶融温度以上に上げることができる。このため、ＳｉＯ２からなる絶縁層１１と、ＳｉＯ２とＭｏまたはＷの混合物からなる非導電性の中間層１３との結合部、あるいは、中間層１３と導電層１２との結合部においてもＳｉＯ２が融解し結合し合い、二つの層を強く結合することが可能となり、強度の強い機能性傾斜材料を得ることができる。
【００２７】
さらに、この発明の機能性傾斜材料の製造方法によれば、電極軸４２を機能性傾斜材料ＦＧＭの軸方向に挿入した状態においても、機能性傾斜材料の焼結が可能となるため、封止用の機能性傾斜材料の製造が極めて容易になる。
【００２８】
上述した機能性傾斜材料の製造に際し、絶縁層１１の密度を変えたり、絶縁層１１と中間層１３の密度を変えたり、中間層１３のＳｉＯ２とＭｏの体積混合比を変えて最適な機能性傾斜材料の１〜３の実験を行った。以下にこれらの実験結果について説明する。
【００２９】
なお、これらの実験においては、電極軸４２を挿入せずに、複数の機能性傾斜材料層のみのＦＧＭを焼結作成した。この場合、図３のＳＰＳ製造装置としては、図４に示すような細孔３４１を有する上部パンチ３４を用いる必要はない。
【００３０】
（実験１）
この例では、ＳｉＯ２のみで製作した絶縁層１１の機能性傾斜材料の作成を行った。この実施例は、絶縁層１１の密度を変えたサンプルを作成したものである。
【００３１】
サンプルは、絶縁層１１の厚みが約１０ｍｍとなるようにＳｉＯ２粉体の量を調整している。また、サンプルは焼結温度を変え、絶縁層１１の密度を変えている。図５に製作した絶縁層１１の密度と気密性有無の関係を示した。図５に示すように、気密を得るためには、絶縁層１１の密度が９５％以上でなければならないことが分かる。
【００３２】
（実験２）
この例では、ＳｉＯ２のみで製作した絶縁層１１と中間層１３の２層からなる機能性傾斜材料の作成を行った。中間層１３はＳｉＯ２とＭｏで構成し、ＳｉＯ２／Ｍｏの体積混合比を９８／２としたものである。
【００３３】
サンプル作成に当たっては、絶縁層１１の厚みが約１０ｍｍ、中間層１３の厚みが、ほぼ３ｍｍとなるように粉体の全体量を調整している。また、サンプルは焼結温度を変えることで絶縁層１１の密度を変えている。ＳＰＳ法の特徴から焼結温度が上がり絶縁層１１の密度が上がると、これに近接する中間層１３の密度も上がることになる。
【００３４】
試験結果より、絶縁層の密度を９５％以上にするためには、図６に示すように、中間層１３の密度も９５％以上が必要なことが分かる。
【００３５】
（実験３）
この例では、ＳｉＯ２のみで製作した絶縁層１１と中間層１３の２層からなる機能性傾斜材料の作成を行った。サンプルは、中間層１３のＳｉＯ２／Ｍｏの体積混合比を、（１）８５／１５，（２）８７／１３，（２）９０／１０，（３）９３／７，（４）９３／７，（５）９５／５，（６）９８／２としたサンプルを作成した。サンプルの作成に当たっては、絶縁層１１の厚みが約１０ｍｍ、中間層の厚みが、ほぼ３ｍｍとなるように粉体の全体量を調整している。
【００３６】
また、サンプルの絶縁層１１の密度は９８％以上とした。試作したサンプルにおいて、絶縁層１１と中間層１３の層間にクラックが生じた場合を「有」、クラックの発生がない場合を「無」で示している。図７に示すように、絶縁層１１と中間層１３の層間にクラックが生じないための条件として、Ｍｏの体積混合比が１０％以下でなければならないことが分かる。
【００３７】
このように、石英バルブと機能性封着材料が気密を保って封着できない原因を検討し、気密を保って封着するに必要な条件を検討した。実験１〜３の結果からは、下記のことが分かった。
【００３８】
１．ランプ筐体の石英バルブを気密に封着すための条件としては、機能性傾斜材料のＳｉＯ２でできた絶縁層の密度が理論密度の９５％以上でなければ封着後の気密が保つことができない。
【００３９】
２．絶縁層の密度が９５％以上にするには、絶縁層に接する中間層の密度が理論密度の９５％以上でなければならない。
【００４０】
３．絶縁層に接する中間層のＳｉＯ２に対するＭｏの体積密度が１０％より大きくなるとクラックが発生する。
【００４１】
図８は、この発明の管球に関する一実施形態を説明するための図で、上記したこの発明の機能性傾斜材料を封止用に用いた管形ハロゲン電球の要部断面図である。図において、管形ハロゲン電球ＢＰは、気密容器８１、管球作動部材８２(フィラメント)および封止用機能性傾斜材料ＦＧＭを具備している。
【００４２】
気密容器８１は、封止されるべき開口８１ａを備えている。そして、開口８１ａは、封止用機能性傾斜材料ＦＧＭにより封止される。この形態の気密容器８１は、照明用管球の場合であるから、透光性で、かつ、耐火性の物質、例えば石英ガラスや透光性アルミナセラミックスなどからなるが、石英ガラス製で真っ直ぐな円筒状をなしていて、その両端が一対の開口８１ａとなっている。
【００４３】
管球作動部材８２は、気密容器８１の内部に気密に収納されていて、管球ＢＰとして所要の作動を行うもので、多様な構成であることが許容される。すなわち、管球ＢＰが外部から給電され、気密容器８１内で所望の電気的動作を行う部材であり、一例を示せば、ハロゲン電球の場合は、白熱フィラメントおよび付随的部材である。また、高圧放電ランプの場合は、放電電極および付随的部材である。
【００４４】
また、図示の管球作動部材８２は、白熱フィラメントを主体として、その両端からフィラメントレグ部８２ａ（一端のみ示す。）が延在し、フィラメントレグ部８２ａが気密容器８１の両端に配置される一対の電極軸４２（一方のみ示す。）に溶接などによって接続されることにより、気密容器８１の内部に張架されている。なお、フィラメントは、２重コイルフィラメントからなり、点灯中の下垂を防止するために複数のリングアンカー８２ｂが付設されている。
【００４５】
封止用機能性傾斜材料ＦＧＭは、図1に示すように絶縁層１１、導電層１２および中間層１３から構成され、絶縁層１１の部分で気密容器８１の内壁に溶接されている。絶縁層１１は１００％のＳｉＯ２で構成されているため、気密容器８１と熱膨張率が同じであり、ハロゲン電球の使用中に熱膨張率の差によるクラックを生ずる恐れがない。
【００４６】
なお、図８に示す管球ＢＰは、ハロゲン電球であるので、気密容器８１の内部に適量のハロゲンとして、例えばヨウ素または臭素などの有機ハロゲン化物とアルゴン(Ａｒ)が適当な圧力で封入されている。また、気密容器８１の外面には所望により赤外光反射・可視光透過形のダイクロイック反射膜を形成することができる。
【００４７】
この実施形態では、石英バルブと機能性封着材料との気密性がより保たれた封着の実現できる管形ハロゲン電球を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】この発明の機能性傾斜材料に関する一実施形態について説明するための構成図。
【図２】バルブに図１の機能性傾斜材料を封着材とした場合の概要について説明するための構成図。
【図３】この発明の機能性傾斜材料の製造方法の一実施形態について説明するための概略構成図。
【図４】図３の要部を拡大して説明するための断面図。
【図５】この発明の機能性傾斜材料の実験結果について説明するための説明図。
【図６】この発明の機能性傾斜材料の実験結果について説明するための説明図。
【図７】この発明の機能性傾斜材料の実験結果について説明するための説明図。
【図８】この発明の機能性傾斜材料を用いた管球に関する一実施形態について説明するための要部断面図。
【符号の説明】
【００４９】
ＦＧＭ 機能性傾斜材料
１１ 絶縁層
１２ 導電層
１３ 中間層
２１ バルブ
４２ 電極軸
３１ 水冷真空チャンバー
３２ 焼結ダイ
３４ 上部パンチ
３５ 下部パンチ
８１ 気密容器
８２ 管球作動部材
【技術分野】
【０００１】
この発明は、機能性傾斜材料、この機能性傾斜材料の製造方法およびこの機能性傾斜材料を封止手段として用いた管球に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のハロゲン電球や高圧放電ランプ等の石英ガラスからなる気密容器を備えた管球類には、Ｍｏ箔を封着金属箔として用いられているが、封着金属箔における許容電流値の限界やＭｏ箔の酸化によるランプ短寿命などの理由から、封着金属箔に代えて放電プラズマ焼結法（ＳＰＳ：Spark Plasma Sintering）を用いて形成された機能性傾斜材料を用いる試みがなされている。機能性傾斜材料は、絶縁層（封着層）から導電層まで共通に含まれているＳｉＯ２を溶融・焼結することが可能で、層間の結合強度を強くすることが知れられている。（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開２００７−１１２６４２公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記した特許文献１の技術は、機能性傾斜材料の絶縁層から導電層までの各層に含まれるＳｉＯ２を均一に溶融させることができず、実用に供する層間の結合強度が得られない。このためランプの封着部として使用した場合、ランプの筐体となる石英バルブと機能性傾斜材料の絶縁層間の気密が保たれるよう、バーナーやレーザーにより両者を加熱して、両者に含まれるＳｉＯ２を溶融することで封着を行う必要がある。
【０００４】
しかしながら、機能性封着材料の製造方法に起因する原因により、機能性封着材料が単品としては製造可能であっても、ランプ筐体である石英ガラス製のバルブと封着を行った場合は、絶縁層とバルブとの気密封着ができないという現象がしばしば発生していた。
【０００５】
この発明の目的は、絶縁層から導電層までの各層内のＳｉＯ２を均一に十分な溶融・焼結することで、各層間の結合を強くさせることが可能な機能性傾斜材料、この機能性傾斜材料を用いた管球およびこの機能性傾斜材料の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記した課題を解決するために、この発明の機能性傾斜材料は、絶縁性物質の酸化ケイ素を主成分とする絶縁層と、絶縁性物質の酸化ケイ素および導電性物質のモリブデンまたはタングステンを混合した導電層と、絶縁性物質の酸化ケイ素および導電性物質のモリブデンまたはタングステンを混合し、熱膨張率を段階的に変えた中間層と、を具備し、前記絶縁層の密度は、理論密度の９５％以上であることを特徴とする。
【０００７】
また、絶縁性物質の酸化ケイ素を主成分とする絶縁層と、絶縁性物質の酸化ケイ素および導電性物質のモリブデンまたはタングステンを混合した導電層と、絶縁性物質の酸化ケイ素および導電性物質のモリブデンまたはタングステンを混合し、該絶縁性物質および該導電性物質間を熱膨張率を段階的に変えた中間層と、を具備し、前記絶縁層に接する前記中間層の密度は、理論密度の９５％以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、結合された状態の絶縁層の密度は理論密度の９５％以上、あるいは絶縁層に接する中間層の密度は理論密度の９５％以上にしたことにより絶縁層、中間層、導電層の各層のＳｉＯ２を均一に溶融、焼成することで各層間の結合の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、この発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１０】
図１は、この発明の機能性傾斜材料に関する一実施形態について説明するための構成図である。
【００１１】
図１は機能性傾斜材料（ＦＧＭ）の全体構成を示しており、機能性傾斜材料は、平均粒径５μｍのＳｉＯ２に平均粒径３μｍのＭｏを混合させ、放電プラズマ焼結法（ＳＰＳ法）作成したものである。図１において、１１は絶縁性物質である１００％のＳｉＯ２（酸化ケイ素）で形成された絶縁性の絶縁層である。１２はＳｉＯ２および導電性物質のＭｏ（モリブデン）またはＷ（タングステン）を混合した導電性の導電層である。
【００１２】
さらに、１３はＳｉＯ２とＭｏまたはＷを混合し、熱膨張率を段階的に変えた中間層で、この中間層１３は例えば１３１〜１３４の４層となっている。中間層１３１〜１３４は、ＳｉＯ２／Ｍｏの体積混合比を段階的に変化させ、結果熱膨張率を段階的に変化させている。中間層１３は、導電層１２よりも導電性物質の量が少なく、全体としては非導電性である。中間層１３は目的に応じて層数を変えることができる。
【００１３】
図１で説明した構成のサンプルを作成し、サンプルの各層の一部を切り出し、そのその体積と重量の比から層の密度を求めた。また、各層の比重σ（layer）は式（１）で定義されるため、得られた層の密度より式（１）を用いて、ＳｉＯ２とＭｏの体積混合比を求めることもできる。
【００１４】
σ(layer)＝１００／｛ａ／σ(Ｍｏ)＋ｂ／σ(ＳｉＯ２)｝ … （１）
（但し、ａ＋ｂ＝１００）
式（１）で、σ（Ｍｏ）はＭｏの密度、σ（ＳｉＯ２）はＳｉＯ２の密度で、それぞれ２．２２ｇ／ｃｍ３および１０．２２ｇ／ｃｍ３を使用している。また、ａはＭｏの体積、ｂはＳｉＯ２の体積を示している。なお、層の切り出しは、ＭｏがＳｉＯ２に対して均一に分布している部分を選ぶのが好ましい。
【００１５】
図２を参照し、ランプ筐体である石英ガラス製のバルブに図１のＦＧＭを封着材とした場合の概要について説明する。
【００１６】
絶縁層１１の長さは、約１０ｍｍとした。バルブ２１は厚みが１ｍｍのものを使用し、バーナー２２で上部から幅７ｍｍの範囲を加熱し、この時の封着幅は約７ｍｍとなっている。封着試験ではバルブ２１と絶縁層１１が十分溶融するよう赤外線温度計で絶縁層１１の表面温度が軟化点の１６７０℃以上であることを確認している。封止作業は１８００℃以上で行った。
【００１７】
ここで、図３、図４を参照し、放電プラズマ焼結装置を用いた場合のこの発明の機能性傾斜材料の製造方法の一実施形態について説明する。図３は概略構成図、図４は図３要部の構成図である。
【００１８】
水冷真空チャンバー３１内には、グラファイト製の円筒状焼結ダイ３２が配置され、その内部には機能性傾斜材料ＦＧＭが充填される。焼結ダイ３２の上下には内部に充填された被加工物である機能性傾斜材料ＦＧＭを上下から加圧するための上部パンチ３４および下部パンチ３５が設けられている。これらの上部パンチ３４および下部パンチ３５には、上部パンチ台３３および下部パンチ台３６がそれぞれ接触するように配置されている。上部パンチ電極３７および下部パンチ電極３８の上端部および下端部は、水冷真空チャンバー３１の外部に導出されている。上部パンチ電極３７および下部パンチ電極３８間には、焼結用パルス電源３９から大電流が供給される。このパルス電流は、上部パンチ３４および下部パンチ３５を介して機能性傾斜材料ＦＧＭに供給され、通電される。
【００１９】
また、下部パンチ電極３８には、焼結用加圧機構４１により上方向の圧力Ｐが印加される。下部パンチ電極３８は、上方向に移動可能に設けられており、圧力Ｐにより上方向に移動する。上部パンチ電極３７および下部パンチ電極３８のシリンダー部はそれぞれ焼結ダイ３２の中空部上端および下端から挿入され、圧力Ｐは上部パンチ電極３７および下部パンチ電極３８に伝達され、焼結ダイ３２内部に充填された機能性傾斜材料ＦＧＭを上下から圧縮する。制御装置４０は焼結用パルス電源３９および焼結用加圧機構４１を制御し、機能性傾斜材料ＦＧＭに対して供給パルス電流および加圧圧力を制御する。
【００２０】
図４は、電極軸４２が一体的に焼結形成された軸一体型の機能性傾斜材料ＦＧＭの製造装置の要部を拡大して示す断面図である。
【００２１】
焼結ダイ３２の中空部の上下には上部パンチ３４および下部パンチ３５が挿入されている。上部パンチ３４は焼結ダイ３２の中空部内で上下方向に移動するが、下部パンチ３５は中空部内では上下方向に対しては固定されている。上部パンチ３４にはその下端部に開口する細孔３４１が形成されており、その内部にＦＧＭ内に挿入された電極軸４２の端部４２ｂが挿入されている。細孔３４１はＦＧＭのＳＰＳ焼結開始の際には、上部に端部４２ｂが細孔３４１の上部に当接するように挿入されている。下部パンチ３５はＦＧＭの導電層１２に接している。
【００２２】
焼結ダイ３２の中空部内には、ＳＰＳ焼結の開始前において、前述した機能性傾斜材料ＦＧＭが粉末状態で充填される。すなわち、先ず、焼結ダイ３２を上下反転し、中に上部パンチ３４を挿入し、上部パンチ３４を下側にした状態で、電極軸４２の端部を細孔３４１に導入し電極軸４２を中心部に直立させる。次に、絶縁層１１を構成する１００％のＳｉＯ２粉末を充填する。次いで、中間層１３を構成するＳｉＯ２およびＭｏを例えば９０％対１０％の容積比で混合した粉末を焼結ダイ３２の中空部に充填し、絶縁層１１の上に積層する。さらに導電層１２を構成するＳｉＯ２及びＭｏを例えば７５％対２５％の容積比で混合した粉末を積層する。その後、下部パンチ３５により焼結ダイ３２の中空部上端を閉塞する。この際、電極軸４２の長さは、焼成後、電極の端部４２ａが導電層に到達し、しかもＦＧＭを貫通しないような長さにしておく。
【００２３】
さらに、上部パンチ３４と下部パンチ３５によって閉鎖された焼成ダイ３２を、上部パンチ３４が上側になるように取り付ける。なお、焼成ダイ３２、上部パンチ３４および下部パンチ３５とＦＧＭの間には、焼成ダイ及びパンチ材質とＦＧＭの熱膨張率の違いにより発生する応力を緩和するため、応力緩衝のグラファイトシートを挿入するのが一般的である。
【００２４】
この状態において、ＳＰＳ装置の制御装置４０の制御の下に焼結用パルス電源３９および焼結用加圧機構４１が動作を開始し、機能性傾斜材料ＦＧＭのＳＰＳ焼結が開始される。すなわち、焼結ダイ３２の中空部の機能性傾斜材料ＦＧＭには、上部パンチ電極３７および下部パンチ電極３８を介して焼結用パルス電源３９から大電流のパルス電流が供給される。このパルス電流は、上部パンチ３４および下部パンチ３５を介して焼結ダイ３２の中空部に充填積層された粉末状の機能性傾斜材料ＦＧＭに供給され、通電される。
【００２５】
また、下部パンチ電極３８には、焼結用加圧機構４１により上方向の圧力Ｐが印加される。下部パンチ電極３８は上方向に移動可能にもうけられており、圧力Ｐにより上方に移動して下部パンチ３５を介して機能性傾斜材料ＦＧＭを押し上げる。上部パンチ３４および上部パンチ電極３７は上下方向に対しては固定されているため、機能性傾斜材料ＦＧＭは下方からの圧力Ｐにより圧縮される。機能性傾斜材料ＦＧＭに大電流パルス電流を流すことにより、圧粉体粒子間隙に生ずる火花放電およびジュール熱により、機能性傾斜材料ＦＧＭの各層に含まれるＳｉＯ２を均一に加熱溶融焼結する。これによって機能性傾斜材料ＦＧＭを構成する絶縁層１１、中間層１３、導電層１２を強固に結合させることが可能となる。
【００２６】
ＳＰＳ法は、試料に通電することで試料温度を上げ焼成を行うため、絶縁物としてＳｉＯ２粒子を使用した場合、ＳｉＯ２粒子の温度を溶融温度以上に上げることができる。このため、ＳｉＯ２からなる絶縁層１１と、ＳｉＯ２とＭｏまたはＷの混合物からなる非導電性の中間層１３との結合部、あるいは、中間層１３と導電層１２との結合部においてもＳｉＯ２が融解し結合し合い、二つの層を強く結合することが可能となり、強度の強い機能性傾斜材料を得ることができる。
【００２７】
さらに、この発明の機能性傾斜材料の製造方法によれば、電極軸４２を機能性傾斜材料ＦＧＭの軸方向に挿入した状態においても、機能性傾斜材料の焼結が可能となるため、封止用の機能性傾斜材料の製造が極めて容易になる。
【００２８】
上述した機能性傾斜材料の製造に際し、絶縁層１１の密度を変えたり、絶縁層１１と中間層１３の密度を変えたり、中間層１３のＳｉＯ２とＭｏの体積混合比を変えて最適な機能性傾斜材料の１〜３の実験を行った。以下にこれらの実験結果について説明する。
【００２９】
なお、これらの実験においては、電極軸４２を挿入せずに、複数の機能性傾斜材料層のみのＦＧＭを焼結作成した。この場合、図３のＳＰＳ製造装置としては、図４に示すような細孔３４１を有する上部パンチ３４を用いる必要はない。
【００３０】
（実験１）
この例では、ＳｉＯ２のみで製作した絶縁層１１の機能性傾斜材料の作成を行った。この実施例は、絶縁層１１の密度を変えたサンプルを作成したものである。
【００３１】
サンプルは、絶縁層１１の厚みが約１０ｍｍとなるようにＳｉＯ２粉体の量を調整している。また、サンプルは焼結温度を変え、絶縁層１１の密度を変えている。図５に製作した絶縁層１１の密度と気密性有無の関係を示した。図５に示すように、気密を得るためには、絶縁層１１の密度が９５％以上でなければならないことが分かる。
【００３２】
（実験２）
この例では、ＳｉＯ２のみで製作した絶縁層１１と中間層１３の２層からなる機能性傾斜材料の作成を行った。中間層１３はＳｉＯ２とＭｏで構成し、ＳｉＯ２／Ｍｏの体積混合比を９８／２としたものである。
【００３３】
サンプル作成に当たっては、絶縁層１１の厚みが約１０ｍｍ、中間層１３の厚みが、ほぼ３ｍｍとなるように粉体の全体量を調整している。また、サンプルは焼結温度を変えることで絶縁層１１の密度を変えている。ＳＰＳ法の特徴から焼結温度が上がり絶縁層１１の密度が上がると、これに近接する中間層１３の密度も上がることになる。
【００３４】
試験結果より、絶縁層の密度を９５％以上にするためには、図６に示すように、中間層１３の密度も９５％以上が必要なことが分かる。
【００３５】
（実験３）
この例では、ＳｉＯ２のみで製作した絶縁層１１と中間層１３の２層からなる機能性傾斜材料の作成を行った。サンプルは、中間層１３のＳｉＯ２／Ｍｏの体積混合比を、（１）８５／１５，（２）８７／１３，（２）９０／１０，（３）９３／７，（４）９３／７，（５）９５／５，（６）９８／２としたサンプルを作成した。サンプルの作成に当たっては、絶縁層１１の厚みが約１０ｍｍ、中間層の厚みが、ほぼ３ｍｍとなるように粉体の全体量を調整している。
【００３６】
また、サンプルの絶縁層１１の密度は９８％以上とした。試作したサンプルにおいて、絶縁層１１と中間層１３の層間にクラックが生じた場合を「有」、クラックの発生がない場合を「無」で示している。図７に示すように、絶縁層１１と中間層１３の層間にクラックが生じないための条件として、Ｍｏの体積混合比が１０％以下でなければならないことが分かる。
【００３７】
このように、石英バルブと機能性封着材料が気密を保って封着できない原因を検討し、気密を保って封着するに必要な条件を検討した。実験１〜３の結果からは、下記のことが分かった。
【００３８】
１．ランプ筐体の石英バルブを気密に封着すための条件としては、機能性傾斜材料のＳｉＯ２でできた絶縁層の密度が理論密度の９５％以上でなければ封着後の気密が保つことができない。
【００３９】
２．絶縁層の密度が９５％以上にするには、絶縁層に接する中間層の密度が理論密度の９５％以上でなければならない。
【００４０】
３．絶縁層に接する中間層のＳｉＯ２に対するＭｏの体積密度が１０％より大きくなるとクラックが発生する。
【００４１】
図８は、この発明の管球に関する一実施形態を説明するための図で、上記したこの発明の機能性傾斜材料を封止用に用いた管形ハロゲン電球の要部断面図である。図において、管形ハロゲン電球ＢＰは、気密容器８１、管球作動部材８２(フィラメント)および封止用機能性傾斜材料ＦＧＭを具備している。
【００４２】
気密容器８１は、封止されるべき開口８１ａを備えている。そして、開口８１ａは、封止用機能性傾斜材料ＦＧＭにより封止される。この形態の気密容器８１は、照明用管球の場合であるから、透光性で、かつ、耐火性の物質、例えば石英ガラスや透光性アルミナセラミックスなどからなるが、石英ガラス製で真っ直ぐな円筒状をなしていて、その両端が一対の開口８１ａとなっている。
【００４３】
管球作動部材８２は、気密容器８１の内部に気密に収納されていて、管球ＢＰとして所要の作動を行うもので、多様な構成であることが許容される。すなわち、管球ＢＰが外部から給電され、気密容器８１内で所望の電気的動作を行う部材であり、一例を示せば、ハロゲン電球の場合は、白熱フィラメントおよび付随的部材である。また、高圧放電ランプの場合は、放電電極および付随的部材である。
【００４４】
また、図示の管球作動部材８２は、白熱フィラメントを主体として、その両端からフィラメントレグ部８２ａ（一端のみ示す。）が延在し、フィラメントレグ部８２ａが気密容器８１の両端に配置される一対の電極軸４２（一方のみ示す。）に溶接などによって接続されることにより、気密容器８１の内部に張架されている。なお、フィラメントは、２重コイルフィラメントからなり、点灯中の下垂を防止するために複数のリングアンカー８２ｂが付設されている。
【００４５】
封止用機能性傾斜材料ＦＧＭは、図1に示すように絶縁層１１、導電層１２および中間層１３から構成され、絶縁層１１の部分で気密容器８１の内壁に溶接されている。絶縁層１１は１００％のＳｉＯ２で構成されているため、気密容器８１と熱膨張率が同じであり、ハロゲン電球の使用中に熱膨張率の差によるクラックを生ずる恐れがない。
【００４６】
なお、図８に示す管球ＢＰは、ハロゲン電球であるので、気密容器８１の内部に適量のハロゲンとして、例えばヨウ素または臭素などの有機ハロゲン化物とアルゴン(Ａｒ)が適当な圧力で封入されている。また、気密容器８１の外面には所望により赤外光反射・可視光透過形のダイクロイック反射膜を形成することができる。
【００４７】
この実施形態では、石英バルブと機能性封着材料との気密性がより保たれた封着の実現できる管形ハロゲン電球を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】この発明の機能性傾斜材料に関する一実施形態について説明するための構成図。
【図２】バルブに図１の機能性傾斜材料を封着材とした場合の概要について説明するための構成図。
【図３】この発明の機能性傾斜材料の製造方法の一実施形態について説明するための概略構成図。
【図４】図３の要部を拡大して説明するための断面図。
【図５】この発明の機能性傾斜材料の実験結果について説明するための説明図。
【図６】この発明の機能性傾斜材料の実験結果について説明するための説明図。
【図７】この発明の機能性傾斜材料の実験結果について説明するための説明図。
【図８】この発明の機能性傾斜材料を用いた管球に関する一実施形態について説明するための要部断面図。
【符号の説明】
【００４９】
ＦＧＭ 機能性傾斜材料
１１ 絶縁層
１２ 導電層
１３ 中間層
２１ バルブ
４２ 電極軸
３１ 水冷真空チャンバー
３２ 焼結ダイ
３４ 上部パンチ
３５ 下部パンチ
８１ 気密容器
８２ 管球作動部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性物質の酸化ケイ素を主成分とする絶縁層と、
絶縁性物質の酸化ケイ素および導電性物質のモリブデンまたはタングステンを混合した導電層と、
絶縁性物質の酸化ケイ素および導電性物質のモリブデンまたはタングステンを混合し、熱膨張率を段階的に変えた中間層と、を具備し、
前記絶縁層の密度は、理論密度の９５％以上であることを特徴とする機能性傾斜材料。
【請求項２】
絶縁性物質の酸化ケイ素を主成分とする絶縁層と、
絶縁性物質の酸化ケイ素および導電性物質のモリブデンまたはタングステンを混合した導電層と、
絶縁性物質の酸化ケイ素および導電性物質のモリブデンまたはタングステンを混合し、該絶縁性物質および該導電性物質間を熱膨張率を段階的に変えた中間層と、を具備し、
前記絶縁層に接する前記中間層の密度は、理論密度の９５％以上であることを特徴とする機能性傾斜材料。
【請求項３】
前記絶縁層に接する前記中間層の前記絶縁性物質の酸化ケイ素に対する前記導電性物質のモリブデンまたはタングステンの体積混合比は、１０％以下としたことを特徴とする請求項２記載の機能性傾斜材料。
【請求項４】
石英ガラス製のバルブと封着部との密度が９５％以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の機能性傾斜材料。
【請求項５】
放電プラズマ焼結法により焼成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の機能性傾斜材料の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかの機能性封着材料を用いたことを特徴とする管球。
【請求項１】
絶縁性物質の酸化ケイ素を主成分とする絶縁層と、
絶縁性物質の酸化ケイ素および導電性物質のモリブデンまたはタングステンを混合した導電層と、
絶縁性物質の酸化ケイ素および導電性物質のモリブデンまたはタングステンを混合し、熱膨張率を段階的に変えた中間層と、を具備し、
前記絶縁層の密度は、理論密度の９５％以上であることを特徴とする機能性傾斜材料。
【請求項２】
絶縁性物質の酸化ケイ素を主成分とする絶縁層と、
絶縁性物質の酸化ケイ素および導電性物質のモリブデンまたはタングステンを混合した導電層と、
絶縁性物質の酸化ケイ素および導電性物質のモリブデンまたはタングステンを混合し、該絶縁性物質および該導電性物質間を熱膨張率を段階的に変えた中間層と、を具備し、
前記絶縁層に接する前記中間層の密度は、理論密度の９５％以上であることを特徴とする機能性傾斜材料。
【請求項３】
前記絶縁層に接する前記中間層の前記絶縁性物質の酸化ケイ素に対する前記導電性物質のモリブデンまたはタングステンの体積混合比は、１０％以下としたことを特徴とする請求項２記載の機能性傾斜材料。
【請求項４】
石英ガラス製のバルブと封着部との密度が９５％以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の機能性傾斜材料。
【請求項５】
放電プラズマ焼結法により焼成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の機能性傾斜材料の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかの機能性封着材料を用いたことを特徴とする管球。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−１２９６３６（Ｐ２００９−１２９６３６Ａ）
【公開日】平成２１年６月１１日（２００９．６．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３０１６８４（Ｐ２００７−３０１６８４）
【出願日】平成１９年１１月２１日（２００７．１１．２１）
【出願人】（０００１１１６７２）ハリソン東芝ライティング株式会社 (995)
【公開日】平成２１年６月１１日（２００９．６．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月２１日（２００７．１１．２１）
【出願人】（０００１１１６７２）ハリソン東芝ライティング株式会社 (995)
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