機能性傾斜材料、機能性傾斜材料の製造方法および管球
【課題】層間の結合を強固にすることにより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】酸化ケイ素を主成分とする絶縁性の第1の機能性材料層１と、酸化ケイ素および導電性物質の混合物からなり導電性を有する第２の機能性材料層２とを備え、これらの第１および第２の機能性材料層を相互に接触させた状態で、放電プラズマ焼結法により通電加圧することにより、前記酸化ケイ素を溶融、焼結し、以って層間を結合したことを特徴とする。
【解決手段】酸化ケイ素を主成分とする絶縁性の第1の機能性材料層１と、酸化ケイ素および導電性物質の混合物からなり導電性を有する第２の機能性材料層２とを備え、これらの第１および第２の機能性材料層を相互に接触させた状態で、放電プラズマ焼結法により通電加圧することにより、前記酸化ケイ素を溶融、焼結し、以って層間を結合したことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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】
従来ハロゲン電球や高圧放電（ＨＩＤ）ランプなどの石英ガラスからなる発光管を備えた管球類においてはモリブデン箔を用いた気密容器の箔封止構造が一般に用いられている。近年、これらのランプに対する高効率化、小型化の要求が強まっている。この結果、ＨＩＤランプにおいては、小型化・電力密度の増加が進むことで、発光管にも一層の耐熱性、耐圧力性、耐薬品性が求まられている。一方、ハロゲンランプにおいても、高効率化・小型化により、封止部の温度上昇が顕著になり、Ｍｏ箔の酸化によるランプ短寿命が問題となっている。
【０００３】
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。
【０００４】
このような問題の対策として、封止時を従来のバーナーに替わりレーザーを使用し、封止部形状を精密にコントロールすることで耐圧性、耐熱性、耐薬品性の改善を行っている。しかし、Ｍｏ箔を封着材料とした現在の封止方法では、封着強度は酸化温度、耐薬品性等のＭｏの材料特性に依存するところが大きく、Ｍｏ箔封着では封着強度および信頼性の大幅な向上は望めない。
【０００５】
また、封着部の信頼性改善のため、機能性傾斜材を用いた封着材料が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。しかし従来の機能性傾斜材料は、傾斜材料層の層間の結合強度が弱く、使用中にクラックが発生する等、十分な信頼性が得られていないため、実際の使用例はほとんどない。
【０００６】
さらに、傾斜材料層の構造が多層となるため、封着部が大きくなる傾向があり製造も工程も複雑で高価であった。
【特許文献１】特開2000-260395号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記問題点を解決し、信頼性が高く、小型で製造も容易な機能性傾斜材料、この機能性傾斜材料を製造する方法およびこの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】
【０００８】
上記の課題を解決するために本発明の機能性傾斜材料は、酸化ケイ素を主成分とする絶縁性の第1の機能性材料層と、酸化ケイ素および粒径が15μm以下の導電性物質の混合物からなり導電性を有する第２の機能性材料層とを備え、これらの第１および第２の機能性材料層を相互に接触させた状態で、放電プラズマ焼結法により通電加圧することにより、前記酸化ケイ素を溶融、焼結し、以って層間を結合したことを特徴とするものである。粒径の加減としては制限は無く、現在実用化されているサブミクロンオーダーの粒径まで適切な範囲とする。
【０００９】
また、本発明の機能性傾斜材料においては、前記第２の機能性材料における導電性物質はMoまたはWであり、この導電性物質の前記酸化ケイ素に対する容量混合比を15%以上としたことを特徴とするものである。
【００１０】
さらに、本発明の機能性傾斜材料においては、前記第1の機能性材料層および前記第２の機能性材料層間に、酸化ケイ素および導電性物質からなる第３の機能性材料層を少なくとも１層以上備え、この第３の機能性材料層における前記導電性物質はMoまたはWからなり、この導電性物質の前記酸化ケイ素に対する導電物の容量混合比を15%以下とすることを特徴とするものである。
【００１１】
さらに、本発明の機能性傾斜材料においては、前記第１の機能性材料層を貫通し一端が前記第２の機能性材料層内に挿入された導電性電極軸を備えたことを特徴とするものである。
【００１２】
さらに、本発明の機能性傾斜材料においては、一端が前記第２の機能性材料層内に挿入され、他端が前記第２の機能性材料層から外側に導出された導電性の給電軸を備えたことを特徴とするものである。
【００１３】
本発明の管球は、上記の機能性傾斜材料を封着材料として用いたことを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明の機能性傾斜材料の製造方法は、酸化ケイ素を主成分とする絶縁性の第1の機能性材料層を形成する工程と、酸化ケイ素および導電性物質の混合物からなり導電性を有する第２の機能性材料層を形成する工程と、これらの第１および第２の機能性材料層を相互に接触させた状態で、放電プラズマ焼結法により通電・加圧する工程とを備え、前記酸化ケイ素を溶融、焼結し、以って層間を結合することを特徴とするものである。
【００１５】
また、機能性傾斜材料の製造方法は、酸化ケイ素を主成分とする絶縁性の第1の機能性材料層を形成する工程と、酸化ケイ素および導電性物質の混合物からなり導電性を有する第２の機能性材料層を形成する工程と、この第１の機能性材料層を貫通し第２の機能性材料層に挿入された導電性軸、又は前記導電性軸と第２の機能性材料層内に挿入され前記第２の機能性材料層から外側に導出された導電性軸を設ける工程と、前記第１および第２の機能性材料層を相互に接触させた状態で、放電プラズマ焼結法により通電・加圧する工程とを備え、前記酸化ケイ素を溶融、焼結し、以って層間を結合することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、放電プラズマ焼結法（ＳＰＳ）を用いて第１および第２の機能性傾斜材料層を相互に接触させた状態で、通電・加圧し焼成を行うことにより、これらの機能性傾斜材料層に共通に含まれている酸化ケイ素を溶融・焼結することが可能となり、層間の結合強度を強くすることが可能である。この結果、信頼性が高く、小型で製造も容易で、管球の封着材料として十分に実用に供しえる機能性傾斜材料が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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。
【００１８】
図1は、本発明の機能性傾斜材料（以下ＦＧＭと呼ぶ。）を放電ランプの封止部に適用した場合の実施の形態を示す断面図である。本実施形態において、ＦＧＭは、酸化ケイ素（以下ＳｉＯ２という。）を主成分とする絶縁性の第1の機能性材料層１と、ＳｉＯ２および導電性物質の混合物からなり導電性を有する第２の機能性材料層２と、これらの第1の機能性材料層１および第２の機能性材料層３の間に介在する第３の機能性材料層３とから構成されている。第３の機能性材料層３は同じくＳｉＯ２および導電性物質からなるが、第２の機能性材料層２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。第２の機能性材料層２および第３の機能性材料層３に含まれる導電性物質は、モリブデン（以下Ｍｏという。）またはタングステン（以下Ｗという。）であり、ＳｉＯ２に対して所定の混合比により混合することにより、機能性材料層２には導電性を付与し、機能性材料層３には付与しない。所定の混合比は例えば、第２の機能性材料層２においては容量比で２０％以上が望ましく、また、第３の機能性材料層３においては容量比で１５％以下が望ましい。また、各機能性材料層１〜３において、ＳｉＯ２の粒径は２０μｍ以下が望ましく、ＭｏまたはＷの粒径は１５μｍ以下が望ましい。
【００１９】
第1の機能性材料層１および第２の機能性材料層２の間に介在する第３の機能性材料層３は、両側の層１、２の熱膨張率の差を吸収する緩衝層として作用する。熱膨張率の調整は、ＳｉＯ２に対導電性物質の混合比を調整することにより行うことができる。緩衝層は１層のみでなく、複数層とすることもできる。この場合には、熱膨張率が絶縁層である第1の機能性材料層１から導電層である第２の機能性材料層２に向かって順次小さくなるように配列する。
【００２０】
これらの機能性材料層１〜３はそれぞれほぼ円柱状に成型され、それらの中心軸に沿って、導電性の電極軸４および導電性の給電軸５が挿入されている。これらの電極軸４および給電軸５はＭｏまたはＷにより構成されている。電極軸４はその一端４ａが第２の機能性材料層２内に挿入され、第1の機能性材料層１および第３の機能性材料層３を貫通して、他端は後述するように、放電ランプの気密容器内に設けられた放電電極に接続されている。給電軸５はその一端５ａが第２の機能性材料層２内に挿入され、他端は第２の機能性材料層２の外側に導出されている。第２の機能性材料層２内に挿入された電極軸４および給電軸５の端部４ａ、５ａは互いに離間配置されている。
【００２１】
図２は上記ＦＧＭを製造するための放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）装置の一例を示す概略構成図である。水冷真空チャンバー２１内には、グラファイト製の円筒状焼結ダイ２２が配置され、その内部には図１に示したＦＧＭが充填される。焼結ダイ２２の上下には内部に充填された被加工物であるＦＧＭを上下から加圧するための上部パンチ２３および下部パンチ２４が設けられている。これらの上部パンチ２３および下部パンチ２４には、上部パンチ電極２５および下部パンチ電極２６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２５および下部パンチ電極２６の上端部及び下端部は水冷真空チャンバー２１の外部に導出されている。上部パンチ電極２５および下部パンチ電極２６間には、焼結用パルス電源２７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２３および下部パンチ２４を介してＦＧＭに供給され、通電される。また、上部パンチ電極２５および下部パンチ電極２６には、焼結用加圧機構２８により下方向および上方向の圧力Ｐが印加される。上部パンチ電極２５および下部パンチ電極２６は上下方向に移動可能に設けられており、それぞれ圧力Ｐにより下方および上方に移動する。上部パンチ２３および下部パンチ２４のシリンダ部はそれぞれ焼結ダイ２２の中空部上端および下端から挿入され、上部パンチ電極２５および下部パンチ電極２６により圧力Ｐが伝達され、焼結ダイ２２内部に充填されたＦＧＭを上下から圧縮する。制御装置２９は焼結用パルス電源２７および焼結用加圧機構２８を制御し、ＦＧＭに対して供給するパルス電流および加圧圧力を制御する。
【００２２】
図３は、電極軸４および給電軸５が一体的に焼結形成された軸一体型ＦＧＭの製造装置の要部を拡大して示す断面図である。この装置の構成は全体として図２の装置と共通しているため、同図においては、図２の構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付している。焼結ダイ２２の中空部の上下には上部パンチ２３および下部パンチ２４が挿入されている。上部パンチ２３は焼結ダイ２２の中空部内で上下方向に移動するが、下部パンチ２４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２３にはその下端部に開口する細孔２３−１が形成されており、その内部にＦＧＭ内に挿入された電極軸４の端部４ｂが挿入されている。細孔２３−１はＦＧＭのＳＰＳ焼結の開始の際には、上部に端部４ｂが上方に移動可能な空間が形成されている。下部パンチ２４には上端部に開口する細孔２４−１が形成されており、その内部にＦＧＭ内に挿入された給電軸５の端部５ｂが挿入されている。給電軸５の端部５ｂは下部パンチ２４の細孔２４−１の底部に当接するように挿入されている。
【００２３】
焼結ダイ２２の中空部内には、ＳＰＳ焼結の開始前において、前述した機能性材料層１〜３が粉末状態で充填される。すなわち、先ず、上部パンチ２３を取り外して焼結ダイ２２の中空部内に上方から給電軸５を導入し、その端部を細孔２４−１内に挿入して、中空部内でそのほぼ中心軸に沿って直立させる。次に、機能性材料層２を構成するＳｉＯ２およびＭｏを７５％対２５％の容量比で混合した粉体を充填する。次いで、機能性材料層３を構成するＳｉＯ２およびＭｏを９０％対１０％の容量比で混合した粉末を焼結ダイ２２の中空部内に充填し、機能性材料層２の上に積層する。この場合、機能性材料層２は給電軸５の上端５ａが、機能性材料層２内に止まるような厚さで積層充填する。さらに、機能性材料層１を構成するＳｉＯ２１００％粉末を焼結ダイ２２の中空部内に充填し、機能性材料層３の上に積層する。その後、積層充填された機能性材料層１粉末内に機能性材料層１、３を貫通し、機能性材料層１に端部４ａが届くように電極軸４を挿入する。その後、上部パンチ２３により焼結ダイ２２の中空部上端を閉塞する。この際、上部パンチ２３は、電極軸４の端部４ａが細孔２３−１に挿入されるように中空部上端を閉塞する。
【００２４】
このような状態において、ＳＰＳ装置の制御装置２９の制御の下に焼結用パルス電源２７および焼結用加圧機構２８が動作を開始し、ＦＧＭのＳＰＳ焼結が開始される。すなわち、焼結ダイ２２の中空部ＦＧＭには、上部パンチ電極２５および下部パンチ電極２６を介して焼結用パルス電源２７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２３および下部パンチ２４を介して焼結ダイ２２の中空部に充填積層された粉末状のＦＧＭに供給され、通電される。また、上部パンチ電極２５には、焼結用加圧機構２８により下方向の圧力Ｐが印加される。上部パンチ電極２５は上下方向に移動可能にもうけられており、圧力Ｐにより下方に移動して上部パンチ２３を介してＦＧＭを押し下げる。下部パンチ２４および下部パンチ電極２６は上下方向に対しては固定されているため、ＦＧＭは上方からの圧力Ｐにより圧縮される。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、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ＦＧＭを構成する機能性材料層１〜３間の強固な結合が可能となる。
【００２５】
ＳＰＳ法は、従来の常圧焼結法やＨＩＰ法のように外部から加熱せず、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からなる絶縁性の第1の機能性材料層と、ＳｉＯ２とＭｏまたはＷの混合物からなる非導電性の第３の機能性材料層との結合部、あるいは、第３の機能性材料層と第２の機能性材料層２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、従来の方法では得られなかった強度の強い機能性傾斜材料を得ることができる。
【００２６】
さらに、本発明の機能性傾斜材料の製造方法によれば、電極軸４あるいは給電軸５を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。従来の常圧焼結法やＨＩＰ法では、電極軸４あるいは給電軸５を挿入した状態において機能性傾斜材料の焼結を行うと、機能性傾斜材料の一部に割れあるいはクラックが発生するため、焼成後に機能性傾斜材料の一部に貫通孔を形成しその貫通孔に電極軸４あるいは給電軸５を挿入する等、複雑な製造工程を要した。
【００２７】
上述した機能性傾斜材料の製造に際し、各層の組成、平均粒径、焼成温等について最適な製造条件を見出すため、の種々の実験を行った。以下にこれらの実験結果について説明する。なお、これらの実験においては、電極軸４あるいは給電軸５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２のＳＰＳ製造装置としては、図３に示すような細孔２３−１あるいは２４−１を有する上部パンチ２３あるいは下部パンチ２４を用いる必要はない。また、焼結用加圧機構２８により下部パンチ２４に上方向の圧力Ｐを同時に印加してもよい。
【００２８】
（実験例１）
平均粒径５μｍＳｉＯ２に平均粒径３μｍのＭｏを混合し、ＳｉＯ２に対するＭｏの容量比を５−３０％間で変化させた２層構造のＦＧＭを放電プラズマ焼結法（ＳＰＳ法）で焼成し６個の試料を作成した。試料の焼成温度（表面温度）は１０００℃としている。焼成温度は赤外線温度計で測定している。焼成された各資料の導電を確認した結果を表１に示す。同表から、Ｍｏの容量混合比が２０％以上で導通が得られた。このため、導電層は１５％以上の導電物を含む必要があることが分かった。また、この容量比１５％を重量比に換算すると、ＭｏのＳｉＯ２に対する重量は約０．６７倍、Ｗの場合は約１．２８倍以上となる。
【表１】
【００２９】
（実験例２）
平均粒径５μｍのＳｉＯ２からなる絶縁層の第１の機能性材料層と、平均粒径５μｍのＳｉＯ２と平均粒径３μｍのＭｏを２５ｖｏｌ％混合した導電性の第２の機能性材料層とを、平均粒径５μｍのＳｉＯ２に平均粒径３μｍのＭｏを混合した第３の機能性材料層により繋いだ３層構造のＦＧＭ試料を作成した。中間層である第３の機能性材料層のＭｏの容量比を１−２５％の間で変化させ、同一の容量比の資料を４個（Ｎｏ．１−Ｎｏ．４）作成し、焼成された資料に割れ（クラック）が生じたか否かを調べた。その結果を表２に示す。試料の焼成温度（表面温度）は１０００℃としている。焼成温度は赤外線温度計で測定している。表２の試料の焼成状況に示されるように、Ｍｏ容量混合比が１５％以下では、試料に割れはなく良好であったが、１７％以上となると絶縁層である第１の機能性材料層と中間層である第３の機能性材料層の間で割れが発生してしまった。このように、絶縁層である第1の機能性材料層と結合可能な中間層における導電性物質Ｍｏの混合比は１５％以下であることが分かる。また、このＭｏのＳｉＯ２に対する容量比１５％を重量比に換算すると約０．６７倍である。なお、Ｗの場合の重量比は約１．２８倍となる。
【表２】
【００３０】
（実験例３）
平均粒径５μｍのＳｉＯ２からなる絶縁層である第１の機能性材料層と、平均粒径３μｍのＭｏを１０ｖｏｌ％、平均粒径５μｍのＳｉＯ２を９０ｖｏｌ％混合した第２の機能性材料層を結合した２層構造のＦＧＭ試料を焼成温度（表面温度）を７００℃から１３００℃まで変えながら焼成した。各温度に対して４個（No.1−No.4）のＦＧＭ試料を焼成した。焼成温度は赤外線温度計で測定している。焼成状況結果を表３に示す。焼成温度７００℃と８００℃では試料は割れ、このときの内断面を観察したところ、ＳｉＯ２が溶融せず粒子として残っている状態であった。焼成温度９００℃以上では、試料断面はＳｉＯ２が完全に溶融し、アモルファス状のＳｉＯ２の中にＭｏが均一に存在していた。
【表３】
【００３１】
（実験例４）
平均粒径が２５、２０、１５、１０、５、および１μｍのＭｏを２５ｖｏｌ％と平均粒径５μｍのＳｉＯ２を７５ｖｏｌ％混合した６種類の１層構造のＦＧＭ試料を焼成・作成した。焼成は焼成温度（表面温度）を１０００℃に固定している。作成されたＦＧＭ試料の導通状態を示す抵抗値あるいは導通の有無を表４に示す。Ｍｏ粒径１０μｍ以下では導通があったが、１５μｍ以上では導通がなかった。これは、Ｍｏ粒径が大きくなるとＳｉＯ２の中に存在しているＭｏの相互の接触がなくなるため導通がとれなくなるものと考えられる。下限値については制限は無く、粒径が小さいほど導通がとれやすくなる。現在実用化されているサブミクロンの導電物質で使用可能である。
【表４】
【００３２】
図４は、本発明の管球の一実施形態を示す図で、上記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１１、管球作動部材１２(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。
【００３３】
気密容器１１は、封止されるべき開口１１ａを備えている。そして、開口１１ａは、封止用機能性傾斜材料ＦＧＭにより封止される。本形態の気密容器１１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部１１ａとなっている。
【００３４】
管球作動部材１２は、気密容器１１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１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。
【００３５】
また、図示の管球作動部材１２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１２ａ（一端のみ示す。）が延在し、フィラメントレグ部１２ａが気密容器１１の両端に配置される一対の電極軸４（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１１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１２ｂが付設されている。
【００３６】
封止用ＦＧＭは、図1に示すように第1の機能性傾斜材料層１、第２の機能性傾斜材料層２および第３の機能性傾斜材料層３から構成され、絶縁層である第1の機能性傾斜材料層１の部分で気密容器１１の内壁に溶接されている。第1の機能性傾斜材料層１はＳｉＯ２１００％で構成されているため、気密容器１１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。
【００３７】
なお、図４に示す管球ＢＰは、ハロゲン電球であるので、気密容器１１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１１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。
【００３８】
図５は本発明の他の実施形態を示すＦＧＭの断面図である。この実施形態においては、ＭｏまたはＷからなる給電軸５が、非導電性の第１および第３の機能性傾斜材料層１、３内においてその軸径（ａ）が、他の部分（ｂ）より大きく形成されている。給電軸５の軸径が拡大されている部分は、そこを流れる電流に対する抵抗が小さくなるため、発熱も少なくなる。この結果、管球の点灯中に導電性の第１の機能性傾斜材料層１と非導電性の第３の機能性傾斜材料層３との結合部軸付近で生ずる発熱を減少させ、熱衝撃による内部クラックを防止することができる。このことは実験的にも確認された。なお、給電軸５の第１の機能性傾斜材料層１と第３の機能性傾斜材料層３との結合部の軸径および第２の機能性傾斜材料層２の取り出し部近傍の軸径はほぼ同じ（ｂ）に形成されている。すなわち、非導電層である第１の機能性傾斜材料層１と第３の機能性傾斜材料層３の軸方向の長さ（Ａ）に対して、軸径が（ａ）に拡大された部分の軸方向の長さ（Ｂ）は、短く形成されている。
【００３９】
図６は、本発明のさらに他の実施形態を示すＦＧＭの断面図である。この実施形態においては、ＭｏまたはＷからなる電極軸４および給電軸５の端部が特殊な形状に形成されている。例えば、電極軸４の第２の機能性傾斜材料層２内における端部５ａは、図７の（Ｃ）に示すように、その径（ｂ）がテーパー状に小さくなり、先端部はより小径（ｃ）で平坦になっている。このような形状により、第２の機能性傾斜材料層２内における軸方向の発熱量の変化を緩やかにすることにより熱衝撃を緩和し、第２の機能性傾斜材料層２内における歪とこれに基づくクラックの発生を防止することができる。
【００４０】
また、給電軸５の第２の機能性傾斜材料層２内における端部４ａは、図８の（Ｃ）に示すように、軸径（ｂ）が階段的に拡大（ｄ）するとともに、先端部に向かってテーパー状に小さくなり、先端部は平坦になっている。このような形状により、ＦＧＭの製造時における圧縮焼結時あるいは風止部材として装着された管球の使用時において振動等により、給電軸５が第２の機能性傾斜材料層２内から移動しあるいはＦＧＭから抜け落ちることを防止することができる。
【００４１】
図７は電極軸端部の種々の形状を示す図であり、図８は給電軸端部の種々の形状を示す図である。図７（Ａ）の電極軸の端部は、軸径が端部に向かってテーパー状に小さくなり、先端は平坦ではなく、尖っている。図７（Ｂ）の電極軸の端部は球状に形成されている。図８（Ａ）の給電軸端部は前述した図８の（Ｃ）と同様に、軸径（ｂ）が階段的に拡大（ｄ）するとともに、先端部に向かってテーパー状に小さくなるが、先端部は平坦ではなく、尖っている。図８（Ｂ）の給電軸端部は同様に、軸径が（ｂ）階段的に拡大（ｄ）するとともに、端部に向かってテーパー状に小さくなるが、先端部は球状に形成されている。
【００４２】
以上本発明を種々の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内の種々の変形例についても適用し得るものである。例えば、本発明のＦＧＭの層数は少なくとも第１の機能性傾斜材料層および第２の機能性傾斜材料層からなり、これらの層間に必要に応じて介在させる第３の機能性傾斜材料層は１層に限らず複数層設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の機能性傾斜材料（以下ＦＧＭと呼ぶ。）を放電ランプの封止部に適用した場合の実施の形態を示す断面図である。
【図２】図１に示すＦＧＭを製造するための放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）装置の一例を示す概略構成図である。
【図３】電極軸４および給電軸５を一体的に焼結作成する、軸一体型ＦＧＭの製造装置の要部を拡大して示す断面図である。
【図４】本発明の管球の一実施形態を示す図で、上記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５】本発明の他の実施形態を示すＦＧＭの断面図である。
【図６】本発明のさらに他の実施形態を示すＦＧＭの断面図である。
【図７】図７は電極軸端部の種々の形状を示す図である。
【図８】図８は給電軸端部の種々の形状を示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
１…第１の機能性傾斜材料層、
２…第２の機能性傾斜材料層、
３…第３の機能性傾斜材料層、
４…電極軸
５…給電軸、
ＦＧＭ…機能性傾斜材料
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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】
従来ハロゲン電球や高圧放電（ＨＩＤ）ランプなどの石英ガラスからなる発光管を備えた管球類においてはモリブデン箔を用いた気密容器の箔封止構造が一般に用いられている。近年、これらのランプに対する高効率化、小型化の要求が強まっている。この結果、ＨＩＤランプにおいては、小型化・電力密度の増加が進むことで、発光管にも一層の耐熱性、耐圧力性、耐薬品性が求まられている。一方、ハロゲンランプにおいても、高効率化・小型化により、封止部の温度上昇が顕著になり、Ｍｏ箔の酸化によるランプ短寿命が問題となっている。
【０００３】
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。
【０００４】
このような問題の対策として、封止時を従来のバーナーに替わりレーザーを使用し、封止部形状を精密にコントロールすることで耐圧性、耐熱性、耐薬品性の改善を行っている。しかし、Ｍｏ箔を封着材料とした現在の封止方法では、封着強度は酸化温度、耐薬品性等のＭｏの材料特性に依存するところが大きく、Ｍｏ箔封着では封着強度および信頼性の大幅な向上は望めない。
【０００５】
また、封着部の信頼性改善のため、機能性傾斜材を用いた封着材料が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。しかし従来の機能性傾斜材料は、傾斜材料層の層間の結合強度が弱く、使用中にクラックが発生する等、十分な信頼性が得られていないため、実際の使用例はほとんどない。
【０００６】
さらに、傾斜材料層の構造が多層となるため、封着部が大きくなる傾向があり製造も工程も複雑で高価であった。
【特許文献１】特開2000-260395号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記問題点を解決し、信頼性が高く、小型で製造も容易な機能性傾斜材料、この機能性傾斜材料を製造する方法およびこの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】
【０００８】
上記の課題を解決するために本発明の機能性傾斜材料は、酸化ケイ素を主成分とする絶縁性の第1の機能性材料層と、酸化ケイ素および粒径が15μm以下の導電性物質の混合物からなり導電性を有する第２の機能性材料層とを備え、これらの第１および第２の機能性材料層を相互に接触させた状態で、放電プラズマ焼結法により通電加圧することにより、前記酸化ケイ素を溶融、焼結し、以って層間を結合したことを特徴とするものである。粒径の加減としては制限は無く、現在実用化されているサブミクロンオーダーの粒径まで適切な範囲とする。
【０００９】
また、本発明の機能性傾斜材料においては、前記第２の機能性材料における導電性物質はMoまたはWであり、この導電性物質の前記酸化ケイ素に対する容量混合比を15%以上としたことを特徴とするものである。
【００１０】
さらに、本発明の機能性傾斜材料においては、前記第1の機能性材料層および前記第２の機能性材料層間に、酸化ケイ素および導電性物質からなる第３の機能性材料層を少なくとも１層以上備え、この第３の機能性材料層における前記導電性物質はMoまたはWからなり、この導電性物質の前記酸化ケイ素に対する導電物の容量混合比を15%以下とすることを特徴とするものである。
【００１１】
さらに、本発明の機能性傾斜材料においては、前記第１の機能性材料層を貫通し一端が前記第２の機能性材料層内に挿入された導電性電極軸を備えたことを特徴とするものである。
【００１２】
さらに、本発明の機能性傾斜材料においては、一端が前記第２の機能性材料層内に挿入され、他端が前記第２の機能性材料層から外側に導出された導電性の給電軸を備えたことを特徴とするものである。
【００１３】
本発明の管球は、上記の機能性傾斜材料を封着材料として用いたことを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明の機能性傾斜材料の製造方法は、酸化ケイ素を主成分とする絶縁性の第1の機能性材料層を形成する工程と、酸化ケイ素および導電性物質の混合物からなり導電性を有する第２の機能性材料層を形成する工程と、これらの第１および第２の機能性材料層を相互に接触させた状態で、放電プラズマ焼結法により通電・加圧する工程とを備え、前記酸化ケイ素を溶融、焼結し、以って層間を結合することを特徴とするものである。
【００１５】
また、機能性傾斜材料の製造方法は、酸化ケイ素を主成分とする絶縁性の第1の機能性材料層を形成する工程と、酸化ケイ素および導電性物質の混合物からなり導電性を有する第２の機能性材料層を形成する工程と、この第１の機能性材料層を貫通し第２の機能性材料層に挿入された導電性軸、又は前記導電性軸と第２の機能性材料層内に挿入され前記第２の機能性材料層から外側に導出された導電性軸を設ける工程と、前記第１および第２の機能性材料層を相互に接触させた状態で、放電プラズマ焼結法により通電・加圧する工程とを備え、前記酸化ケイ素を溶融、焼結し、以って層間を結合することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、放電プラズマ焼結法（ＳＰＳ）を用いて第１および第２の機能性傾斜材料層を相互に接触させた状態で、通電・加圧し焼成を行うことにより、これらの機能性傾斜材料層に共通に含まれている酸化ケイ素を溶融・焼結することが可能となり、層間の結合強度を強くすることが可能である。この結果、信頼性が高く、小型で製造も容易で、管球の封着材料として十分に実用に供しえる機能性傾斜材料が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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。
【００１８】
図1は、本発明の機能性傾斜材料（以下ＦＧＭと呼ぶ。）を放電ランプの封止部に適用した場合の実施の形態を示す断面図である。本実施形態において、ＦＧＭは、酸化ケイ素（以下ＳｉＯ２という。）を主成分とする絶縁性の第1の機能性材料層１と、ＳｉＯ２および導電性物質の混合物からなり導電性を有する第２の機能性材料層２と、これらの第1の機能性材料層１および第２の機能性材料層３の間に介在する第３の機能性材料層３とから構成されている。第３の機能性材料層３は同じくＳｉＯ２および導電性物質からなるが、第２の機能性材料層２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。第２の機能性材料層２および第３の機能性材料層３に含まれる導電性物質は、モリブデン（以下Ｍｏという。）またはタングステン（以下Ｗという。）であり、ＳｉＯ２に対して所定の混合比により混合することにより、機能性材料層２には導電性を付与し、機能性材料層３には付与しない。所定の混合比は例えば、第２の機能性材料層２においては容量比で２０％以上が望ましく、また、第３の機能性材料層３においては容量比で１５％以下が望ましい。また、各機能性材料層１〜３において、ＳｉＯ２の粒径は２０μｍ以下が望ましく、ＭｏまたはＷの粒径は１５μｍ以下が望ましい。
【００１９】
第1の機能性材料層１および第２の機能性材料層２の間に介在する第３の機能性材料層３は、両側の層１、２の熱膨張率の差を吸収する緩衝層として作用する。熱膨張率の調整は、ＳｉＯ２に対導電性物質の混合比を調整することにより行うことができる。緩衝層は１層のみでなく、複数層とすることもできる。この場合には、熱膨張率が絶縁層である第1の機能性材料層１から導電層である第２の機能性材料層２に向かって順次小さくなるように配列する。
【００２０】
これらの機能性材料層１〜３はそれぞれほぼ円柱状に成型され、それらの中心軸に沿って、導電性の電極軸４および導電性の給電軸５が挿入されている。これらの電極軸４および給電軸５はＭｏまたはＷにより構成されている。電極軸４はその一端４ａが第２の機能性材料層２内に挿入され、第1の機能性材料層１および第３の機能性材料層３を貫通して、他端は後述するように、放電ランプの気密容器内に設けられた放電電極に接続されている。給電軸５はその一端５ａが第２の機能性材料層２内に挿入され、他端は第２の機能性材料層２の外側に導出されている。第２の機能性材料層２内に挿入された電極軸４および給電軸５の端部４ａ、５ａは互いに離間配置されている。
【００２１】
図２は上記ＦＧＭを製造するための放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）装置の一例を示す概略構成図である。水冷真空チャンバー２１内には、グラファイト製の円筒状焼結ダイ２２が配置され、その内部には図１に示したＦＧＭが充填される。焼結ダイ２２の上下には内部に充填された被加工物であるＦＧＭを上下から加圧するための上部パンチ２３および下部パンチ２４が設けられている。これらの上部パンチ２３および下部パンチ２４には、上部パンチ電極２５および下部パンチ電極２６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２５および下部パンチ電極２６の上端部及び下端部は水冷真空チャンバー２１の外部に導出されている。上部パンチ電極２５および下部パンチ電極２６間には、焼結用パルス電源２７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２３および下部パンチ２４を介してＦＧＭに供給され、通電される。また、上部パンチ電極２５および下部パンチ電極２６には、焼結用加圧機構２８により下方向および上方向の圧力Ｐが印加される。上部パンチ電極２５および下部パンチ電極２６は上下方向に移動可能に設けられており、それぞれ圧力Ｐにより下方および上方に移動する。上部パンチ２３および下部パンチ２４のシリンダ部はそれぞれ焼結ダイ２２の中空部上端および下端から挿入され、上部パンチ電極２５および下部パンチ電極２６により圧力Ｐが伝達され、焼結ダイ２２内部に充填されたＦＧＭを上下から圧縮する。制御装置２９は焼結用パルス電源２７および焼結用加圧機構２８を制御し、ＦＧＭに対して供給するパルス電流および加圧圧力を制御する。
【００２２】
図３は、電極軸４および給電軸５が一体的に焼結形成された軸一体型ＦＧＭの製造装置の要部を拡大して示す断面図である。この装置の構成は全体として図２の装置と共通しているため、同図においては、図２の構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付している。焼結ダイ２２の中空部の上下には上部パンチ２３および下部パンチ２４が挿入されている。上部パンチ２３は焼結ダイ２２の中空部内で上下方向に移動するが、下部パンチ２４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２３にはその下端部に開口する細孔２３−１が形成されており、その内部にＦＧＭ内に挿入された電極軸４の端部４ｂが挿入されている。細孔２３−１はＦＧＭのＳＰＳ焼結の開始の際には、上部に端部４ｂが上方に移動可能な空間が形成されている。下部パンチ２４には上端部に開口する細孔２４−１が形成されており、その内部にＦＧＭ内に挿入された給電軸５の端部５ｂが挿入されている。給電軸５の端部５ｂは下部パンチ２４の細孔２４−１の底部に当接するように挿入されている。
【００２３】
焼結ダイ２２の中空部内には、ＳＰＳ焼結の開始前において、前述した機能性材料層１〜３が粉末状態で充填される。すなわち、先ず、上部パンチ２３を取り外して焼結ダイ２２の中空部内に上方から給電軸５を導入し、その端部を細孔２４−１内に挿入して、中空部内でそのほぼ中心軸に沿って直立させる。次に、機能性材料層２を構成するＳｉＯ２およびＭｏを７５％対２５％の容量比で混合した粉体を充填する。次いで、機能性材料層３を構成するＳｉＯ２およびＭｏを９０％対１０％の容量比で混合した粉末を焼結ダイ２２の中空部内に充填し、機能性材料層２の上に積層する。この場合、機能性材料層２は給電軸５の上端５ａが、機能性材料層２内に止まるような厚さで積層充填する。さらに、機能性材料層１を構成するＳｉＯ２１００％粉末を焼結ダイ２２の中空部内に充填し、機能性材料層３の上に積層する。その後、積層充填された機能性材料層１粉末内に機能性材料層１、３を貫通し、機能性材料層１に端部４ａが届くように電極軸４を挿入する。その後、上部パンチ２３により焼結ダイ２２の中空部上端を閉塞する。この際、上部パンチ２３は、電極軸４の端部４ａが細孔２３−１に挿入されるように中空部上端を閉塞する。
【００２４】
このような状態において、ＳＰＳ装置の制御装置２９の制御の下に焼結用パルス電源２７および焼結用加圧機構２８が動作を開始し、ＦＧＭのＳＰＳ焼結が開始される。すなわち、焼結ダイ２２の中空部ＦＧＭには、上部パンチ電極２５および下部パンチ電極２６を介して焼結用パルス電源２７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２３および下部パンチ２４を介して焼結ダイ２２の中空部に充填積層された粉末状のＦＧＭに供給され、通電される。また、上部パンチ電極２５には、焼結用加圧機構２８により下方向の圧力Ｐが印加される。上部パンチ電極２５は上下方向に移動可能にもうけられており、圧力Ｐにより下方に移動して上部パンチ２３を介してＦＧＭを押し下げる。下部パンチ２４および下部パンチ電極２６は上下方向に対しては固定されているため、ＦＧＭは上方からの圧力Ｐにより圧縮される。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、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ＦＧＭを構成する機能性材料層１〜３間の強固な結合が可能となる。
【００２５】
ＳＰＳ法は、従来の常圧焼結法やＨＩＰ法のように外部から加熱せず、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からなる絶縁性の第1の機能性材料層と、ＳｉＯ２とＭｏまたはＷの混合物からなる非導電性の第３の機能性材料層との結合部、あるいは、第３の機能性材料層と第２の機能性材料層２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、従来の方法では得られなかった強度の強い機能性傾斜材料を得ることができる。
【００２６】
さらに、本発明の機能性傾斜材料の製造方法によれば、電極軸４あるいは給電軸５を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。従来の常圧焼結法やＨＩＰ法では、電極軸４あるいは給電軸５を挿入した状態において機能性傾斜材料の焼結を行うと、機能性傾斜材料の一部に割れあるいはクラックが発生するため、焼成後に機能性傾斜材料の一部に貫通孔を形成しその貫通孔に電極軸４あるいは給電軸５を挿入する等、複雑な製造工程を要した。
【００２７】
上述した機能性傾斜材料の製造に際し、各層の組成、平均粒径、焼成温等について最適な製造条件を見出すため、の種々の実験を行った。以下にこれらの実験結果について説明する。なお、これらの実験においては、電極軸４あるいは給電軸５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２のＳＰＳ製造装置としては、図３に示すような細孔２３−１あるいは２４−１を有する上部パンチ２３あるいは下部パンチ２４を用いる必要はない。また、焼結用加圧機構２８により下部パンチ２４に上方向の圧力Ｐを同時に印加してもよい。
【００２８】
（実験例１）
平均粒径５μｍＳｉＯ２に平均粒径３μｍのＭｏを混合し、ＳｉＯ２に対するＭｏの容量比を５−３０％間で変化させた２層構造のＦＧＭを放電プラズマ焼結法（ＳＰＳ法）で焼成し６個の試料を作成した。試料の焼成温度（表面温度）は１０００℃としている。焼成温度は赤外線温度計で測定している。焼成された各資料の導電を確認した結果を表１に示す。同表から、Ｍｏの容量混合比が２０％以上で導通が得られた。このため、導電層は１５％以上の導電物を含む必要があることが分かった。また、この容量比１５％を重量比に換算すると、ＭｏのＳｉＯ２に対する重量は約０．６７倍、Ｗの場合は約１．２８倍以上となる。
【表１】
【００２９】
（実験例２）
平均粒径５μｍのＳｉＯ２からなる絶縁層の第１の機能性材料層と、平均粒径５μｍのＳｉＯ２と平均粒径３μｍのＭｏを２５ｖｏｌ％混合した導電性の第２の機能性材料層とを、平均粒径５μｍのＳｉＯ２に平均粒径３μｍのＭｏを混合した第３の機能性材料層により繋いだ３層構造のＦＧＭ試料を作成した。中間層である第３の機能性材料層のＭｏの容量比を１−２５％の間で変化させ、同一の容量比の資料を４個（Ｎｏ．１−Ｎｏ．４）作成し、焼成された資料に割れ（クラック）が生じたか否かを調べた。その結果を表２に示す。試料の焼成温度（表面温度）は１０００℃としている。焼成温度は赤外線温度計で測定している。表２の試料の焼成状況に示されるように、Ｍｏ容量混合比が１５％以下では、試料に割れはなく良好であったが、１７％以上となると絶縁層である第１の機能性材料層と中間層である第３の機能性材料層の間で割れが発生してしまった。このように、絶縁層である第1の機能性材料層と結合可能な中間層における導電性物質Ｍｏの混合比は１５％以下であることが分かる。また、このＭｏのＳｉＯ２に対する容量比１５％を重量比に換算すると約０．６７倍である。なお、Ｗの場合の重量比は約１．２８倍となる。
【表２】
【００３０】
（実験例３）
平均粒径５μｍのＳｉＯ２からなる絶縁層である第１の機能性材料層と、平均粒径３μｍのＭｏを１０ｖｏｌ％、平均粒径５μｍのＳｉＯ２を９０ｖｏｌ％混合した第２の機能性材料層を結合した２層構造のＦＧＭ試料を焼成温度（表面温度）を７００℃から１３００℃まで変えながら焼成した。各温度に対して４個（No.1−No.4）のＦＧＭ試料を焼成した。焼成温度は赤外線温度計で測定している。焼成状況結果を表３に示す。焼成温度７００℃と８００℃では試料は割れ、このときの内断面を観察したところ、ＳｉＯ２が溶融せず粒子として残っている状態であった。焼成温度９００℃以上では、試料断面はＳｉＯ２が完全に溶融し、アモルファス状のＳｉＯ２の中にＭｏが均一に存在していた。
【表３】
【００３１】
（実験例４）
平均粒径が２５、２０、１５、１０、５、および１μｍのＭｏを２５ｖｏｌ％と平均粒径５μｍのＳｉＯ２を７５ｖｏｌ％混合した６種類の１層構造のＦＧＭ試料を焼成・作成した。焼成は焼成温度（表面温度）を１０００℃に固定している。作成されたＦＧＭ試料の導通状態を示す抵抗値あるいは導通の有無を表４に示す。Ｍｏ粒径１０μｍ以下では導通があったが、１５μｍ以上では導通がなかった。これは、Ｍｏ粒径が大きくなるとＳｉＯ２の中に存在しているＭｏの相互の接触がなくなるため導通がとれなくなるものと考えられる。下限値については制限は無く、粒径が小さいほど導通がとれやすくなる。現在実用化されているサブミクロンの導電物質で使用可能である。
【表４】
【００３２】
図４は、本発明の管球の一実施形態を示す図で、上記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１１、管球作動部材１２(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。
【００３３】
気密容器１１は、封止されるべき開口１１ａを備えている。そして、開口１１ａは、封止用機能性傾斜材料ＦＧＭにより封止される。本形態の気密容器１１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部１１ａとなっている。
【００３４】
管球作動部材１２は、気密容器１１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１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。
【００３５】
また、図示の管球作動部材１２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１２ａ（一端のみ示す。）が延在し、フィラメントレグ部１２ａが気密容器１１の両端に配置される一対の電極軸４（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１１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１２ｂが付設されている。
【００３６】
封止用ＦＧＭは、図1に示すように第1の機能性傾斜材料層１、第２の機能性傾斜材料層２および第３の機能性傾斜材料層３から構成され、絶縁層である第1の機能性傾斜材料層１の部分で気密容器１１の内壁に溶接されている。第1の機能性傾斜材料層１はＳｉＯ２１００％で構成されているため、気密容器１１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。
【００３７】
なお、図４に示す管球ＢＰは、ハロゲン電球であるので、気密容器１１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１１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。
【００３８】
図５は本発明の他の実施形態を示すＦＧＭの断面図である。この実施形態においては、ＭｏまたはＷからなる給電軸５が、非導電性の第１および第３の機能性傾斜材料層１、３内においてその軸径（ａ）が、他の部分（ｂ）より大きく形成されている。給電軸５の軸径が拡大されている部分は、そこを流れる電流に対する抵抗が小さくなるため、発熱も少なくなる。この結果、管球の点灯中に導電性の第１の機能性傾斜材料層１と非導電性の第３の機能性傾斜材料層３との結合部軸付近で生ずる発熱を減少させ、熱衝撃による内部クラックを防止することができる。このことは実験的にも確認された。なお、給電軸５の第１の機能性傾斜材料層１と第３の機能性傾斜材料層３との結合部の軸径および第２の機能性傾斜材料層２の取り出し部近傍の軸径はほぼ同じ（ｂ）に形成されている。すなわち、非導電層である第１の機能性傾斜材料層１と第３の機能性傾斜材料層３の軸方向の長さ（Ａ）に対して、軸径が（ａ）に拡大された部分の軸方向の長さ（Ｂ）は、短く形成されている。
【００３９】
図６は、本発明のさらに他の実施形態を示すＦＧＭの断面図である。この実施形態においては、ＭｏまたはＷからなる電極軸４および給電軸５の端部が特殊な形状に形成されている。例えば、電極軸４の第２の機能性傾斜材料層２内における端部５ａは、図７の（Ｃ）に示すように、その径（ｂ）がテーパー状に小さくなり、先端部はより小径（ｃ）で平坦になっている。このような形状により、第２の機能性傾斜材料層２内における軸方向の発熱量の変化を緩やかにすることにより熱衝撃を緩和し、第２の機能性傾斜材料層２内における歪とこれに基づくクラックの発生を防止することができる。
【００４０】
また、給電軸５の第２の機能性傾斜材料層２内における端部４ａは、図８の（Ｃ）に示すように、軸径（ｂ）が階段的に拡大（ｄ）するとともに、先端部に向かってテーパー状に小さくなり、先端部は平坦になっている。このような形状により、ＦＧＭの製造時における圧縮焼結時あるいは風止部材として装着された管球の使用時において振動等により、給電軸５が第２の機能性傾斜材料層２内から移動しあるいはＦＧＭから抜け落ちることを防止することができる。
【００４１】
図７は電極軸端部の種々の形状を示す図であり、図８は給電軸端部の種々の形状を示す図である。図７（Ａ）の電極軸の端部は、軸径が端部に向かってテーパー状に小さくなり、先端は平坦ではなく、尖っている。図７（Ｂ）の電極軸の端部は球状に形成されている。図８（Ａ）の給電軸端部は前述した図８の（Ｃ）と同様に、軸径（ｂ）が階段的に拡大（ｄ）するとともに、先端部に向かってテーパー状に小さくなるが、先端部は平坦ではなく、尖っている。図８（Ｂ）の給電軸端部は同様に、軸径が（ｂ）階段的に拡大（ｄ）するとともに、端部に向かってテーパー状に小さくなるが、先端部は球状に形成されている。
【００４２】
以上本発明を種々の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内の種々の変形例についても適用し得るものである。例えば、本発明のＦＧＭの層数は少なくとも第１の機能性傾斜材料層および第２の機能性傾斜材料層からなり、これらの層間に必要に応じて介在させる第３の機能性傾斜材料層は１層に限らず複数層設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の機能性傾斜材料（以下ＦＧＭと呼ぶ。）を放電ランプの封止部に適用した場合の実施の形態を示す断面図である。
【図２】図１に示すＦＧＭを製造するための放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）装置の一例を示す概略構成図である。
【図３】電極軸４および給電軸５を一体的に焼結作成する、軸一体型ＦＧＭの製造装置の要部を拡大して示す断面図である。
【図４】本発明の管球の一実施形態を示す図で、上記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５】本発明の他の実施形態を示すＦＧＭの断面図である。
【図６】本発明のさらに他の実施形態を示すＦＧＭの断面図である。
【図７】図７は電極軸端部の種々の形状を示す図である。
【図８】図８は給電軸端部の種々の形状を示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
１…第１の機能性傾斜材料層、
２…第２の機能性傾斜材料層、
３…第３の機能性傾斜材料層、
４…電極軸
５…給電軸、
ＦＧＭ…機能性傾斜材料
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化ケイ素を主成分とする絶縁性の第1の機能性材料層と、酸化ケイ素および粒径が15μm以下の導電性物質の混合物からなり導電性を有する第２の機能性材料層とを備え、これらの第１および第２の機能性材料層を相互に接触させた状態で、放電プラズマ焼結法により通電加圧することにより、前記酸化ケイ素を溶融、焼結し、以って層間を結合したことを特徴とする機能性傾斜材料。
【請求項２】
前記第２の機能性材料における導電性物質はMoまたはWであり、この導電性物質の前記酸化ケイ素に対する容量混合比を15%以上としたことを特徴とする請求項１記載の機能性傾斜材料。
【請求項３】
前記第1の機能性材料層および前記第２の機能性材料層間に、酸化ケイ素および導電性物質からなる第３の機能性材料層を少なくとも１層以上備え、この第３の機能性材料層における前記導電性物質はMoまたはWからなり、この導電性物質の前記酸化ケイ素に対する導電物の容量混合比を15%以下とすることを特徴とする請求項２に記載の機能性傾斜材料。
【請求項４】
前記第１の機能性材料層を貫通し一端が前記第２の機能性材料層内に挿入された導電性電極軸を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の機能性傾斜材料。
【請求項５】
一端が前記第２の機能性材料層内に挿入され、前記第２の機能性材料層から導出する導電性の給電軸を備えたことを特徴とする請求項４に記載の機能性傾斜材料。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載された機能性傾斜材料を封着材料として用いた管球。
【請求項７】
酸化ケイ素を主成分とする絶縁性の第1の機能性材料層を形成する工程と、酸化ケイ素および導電性物質の混合物からなり導電性を有する第２の機能性材料層を形成する工程と、これらの第１および第２の機能性材料層を相互に接触させた状態で、放電プラズマ焼結法により通電加圧する工程とを備え、前記酸化ケイ素を溶融、焼結し、以って層間を結合することを特徴とする機能性傾斜材料の製造方法。
【請求項８】
酸化ケイ素を主成分とする絶縁性の第1の機能性材料層を形成する工程と、酸化ケイ素および導電性物質の混合物からなり導電性を有する第２の機能性材料層を形成する工程と、これらの第１および第２の機能性材料層のいずれか一方を貫通し、一端が機能性材料層内に挿入された導電性軸を設ける工程と、前記第１および第２の機能性材料層を相互に接触させた状態で、放電プラズマ焼結法により通電加圧する工程とを備え、前記酸化ケイ素を溶融、焼結し、以って層間を結合することを特徴とする機能性傾斜材料の製造方法。
【請求項１】
酸化ケイ素を主成分とする絶縁性の第1の機能性材料層と、酸化ケイ素および粒径が15μm以下の導電性物質の混合物からなり導電性を有する第２の機能性材料層とを備え、これらの第１および第２の機能性材料層を相互に接触させた状態で、放電プラズマ焼結法により通電加圧することにより、前記酸化ケイ素を溶融、焼結し、以って層間を結合したことを特徴とする機能性傾斜材料。
【請求項２】
前記第２の機能性材料における導電性物質はMoまたはWであり、この導電性物質の前記酸化ケイ素に対する容量混合比を15%以上としたことを特徴とする請求項１記載の機能性傾斜材料。
【請求項３】
前記第1の機能性材料層および前記第２の機能性材料層間に、酸化ケイ素および導電性物質からなる第３の機能性材料層を少なくとも１層以上備え、この第３の機能性材料層における前記導電性物質はMoまたはWからなり、この導電性物質の前記酸化ケイ素に対する導電物の容量混合比を15%以下とすることを特徴とする請求項２に記載の機能性傾斜材料。
【請求項４】
前記第１の機能性材料層を貫通し一端が前記第２の機能性材料層内に挿入された導電性電極軸を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の機能性傾斜材料。
【請求項５】
一端が前記第２の機能性材料層内に挿入され、前記第２の機能性材料層から導出する導電性の給電軸を備えたことを特徴とする請求項４に記載の機能性傾斜材料。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載された機能性傾斜材料を封着材料として用いた管球。
【請求項７】
酸化ケイ素を主成分とする絶縁性の第1の機能性材料層を形成する工程と、酸化ケイ素および導電性物質の混合物からなり導電性を有する第２の機能性材料層を形成する工程と、これらの第１および第２の機能性材料層を相互に接触させた状態で、放電プラズマ焼結法により通電加圧する工程とを備え、前記酸化ケイ素を溶融、焼結し、以って層間を結合することを特徴とする機能性傾斜材料の製造方法。
【請求項８】
酸化ケイ素を主成分とする絶縁性の第1の機能性材料層を形成する工程と、酸化ケイ素および導電性物質の混合物からなり導電性を有する第２の機能性材料層を形成する工程と、これらの第１および第２の機能性材料層のいずれか一方を貫通し、一端が機能性材料層内に挿入された導電性軸を設ける工程と、前記第１および第２の機能性材料層を相互に接触させた状態で、放電プラズマ焼結法により通電加圧する工程とを備え、前記酸化ケイ素を溶融、焼結し、以って層間を結合することを特徴とする機能性傾斜材料の製造方法。
【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２００７−１１２６４２（Ｐ２００７−１１２６４２Ａ）
【公開日】平成１９年５月１０日（２００７．５．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３０３２１５（Ｐ２００５−３０３２１５）
【出願日】平成１７年１０月１８日（２００５．１０．１８）
【出願人】（０００１１１６７２）ハリソン東芝ライティング株式会社 (995)
【出願人】（０００００３７５７）東芝ライテック株式会社 (2,710)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年５月１０日（２００７．５．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１０月１８日（２００５．１０．１８）
【出願人】（０００１１１６７２）ハリソン東芝ライティング株式会社 (995)
【出願人】（０００００３７５７）東芝ライテック株式会社 (2,710)
【Ｆターム（参考）】
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