JP2009129637A

JP2009129637A - 封着部材、管球

Info

Publication number: JP2009129637A
Application number: JP2007301685A
Authority: JP
Inventors: Akio Watanabe; 昭男渡邊
Original assignee: Harison Toshiba Lighting Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2007-11-21
Filing date: 2007-11-21
Publication date: 2009-06-11

Abstract

【課題】ランプ電極の形状に融通性を持たせることを可能とすることで、放熱性と長寿命化を実現した封着部材を得る。
【解決手段】絶縁物を主成分とする絶縁層１１と、絶縁物および導電物を含有して導電性を有する導電層１２と、絶縁物および導電物を混合し、熱膨張率を段階的に変えた中間層１３とにより機能性傾斜材料ＦＧＭを形成する。機能性傾斜材料ＦＧＭの絶縁層１１から突出させるとともに、絶縁層１１および中間層１３を貫通させて導電層１２に到達させる状態で導電性の金属軸１４を埋設する。絶縁層１１から突出させた金属軸１４の部分に電気的に電極１５を接合した。機能性傾斜材料ＦＧＭを形成する段階に影響を与えない段階で電極１５を接合するようにしたことにより、電極１５の形成に自由度を持たせることが可能となる。
【選択図】図１

Description

この発明は、機能性傾斜材料を用いた封着部材およびこの封着部材で封着された管球に関する。

従来のハロゲン電球や高圧放電ランプ等の石英ガラス製の気密容器を備えた管球類には、封着金属箔としてモリブデン箔が使用されている。近年、ランプに対する高効率化、小型化の要求が強まっている。高圧放電ランプでは、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、耐薬品性が求められ、ハロゲンランプでは、高効率化・小型化により、封止部の温度上昇が顕著となり、モリブデン箔の酸化によるランプ短寿命が問題となっている。この問題を対策し信頼性の高い封着材料としては、放電プラズマ焼結法（Spark Plasma Sintering）による機能性傾斜材料が提案されている。（例えば、特許文献１）
特開２００７−１１２６４２公報

上記した特許文献１の技術は、ランプ電極となる金属軸と機能性傾斜材料を一体成形する場合に、金属軸と上部グラファイトの型穴に加圧時粉末の絶縁層のＳｉＯ_２が入り込み、焼成後に型から取り外したとき、型や傾斜材料が壊れる問題が発生する。このため、加圧時に可動させることが必要な上部グラファイトの型穴は金属軸に対してやや大きい程度に設定する必要がある。これにより金属軸の形状が制約されるため、放電による金属軸の減少を防止したり、発熱を抑えたりする手段を施すことができない等の問題があった。

この発明の目的は、ランプ電極の形状の融通性を持たせることのできる機能性傾斜材料を用いた封着部材およびこれを用いた管球を提供することにある。

上記した課題を解決するために、この発明の封着部材は、絶縁物を主成分とする絶縁層と、絶縁物および導電物を含有して導電性を有する導電層と、絶縁物および導電物を混合し、熱膨張率を段階的に変えた中間層と、前記絶縁層から突出させるとともに、前記絶縁層および前記中間層を貫通させて前記導電層に到達させた導電性の金属軸と、前記絶縁層から突出させた前記金属棒の部分に電気的に接合した電極と、を具備したことを特徴とする。

この発明によれば、機能性傾斜材料と一体成形された金属軸に、別部材の電極を接合することにより、任意の形状の電極を配置することができ、電極の折れを防止することが可能となる。

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。

図１〜図３は、この発明の封着部材に関する第１の実施形態について説明するための、図１は全体的な構成を示す斜視図、図２は図１の一部を断面で示した側断面図、図３は図２のｘ−ｘ’断面図である。

図１、図２において、ＦＧＭは機能性傾斜材料であり、機能性傾斜材料ＦＧＭは、平均粒径５μｍのＳｉＯ_２（酸化ケイ素）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ＳｉＯ_２で形成された絶縁性の絶縁層である。１２はＳｉＯ_２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。

さらに、１３はＳｉＯ_２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、ＳｉＯ_２／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。

１４は、一端を絶縁層１１から突出させ、他端を導電層１２に届く例えばタングステン製の一体形成された金属軸である。１５は、図３にも示すように例えばタングステン製の電極であり、この電極１５の一端には数ターンのコイル１６が巻回されている。

金属軸１４と電極１５は、図３に示すように例えば抵抗溶接３１により接合されている。抵抗溶接３１は、金属の溶接材料に電極を当てて、加圧しながら数十アンペアから数万アンペアの強い電流を数ミリ秒から数百ミリ秒流し、金属の抵抗発熱を利用してナゲットを作り溶融することで金属同士との接合を行う。

なお、金属軸１４と電極１５との接合は、抵抗溶接の他にレーザーを用いた溶接でも構わない。また、金属軸１４の絶縁層１１から突出した部分には、焼成前の粉末状態の絶縁層１１が付着し、それが焼成される可能性がある。この場合は、電極１５との接合のときは、焼成された絶縁物を除去した状態で溶接する必要がある。

ここで、図４〜図６を参照し、放電プラズマ焼結装置を用いてこの発明の封着部材に使用する機能性傾斜材料の製造方法について説明する。図４は概略的な構成図、図５は図４の要部を拡大して示す断面図、図６は図５の破線枠内の部分をさらに拡大して示す断面図である。

図４において、水冷真空チャンバー４１内には、グラファイト製の円筒状焼結ダイ４２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４２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４４および下部パンチ４５が設けられている。これらの上部パンチ４４および下部パンチ４５には、上部パンチ台４３および下部パンチ台４６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４７および下部パンチ電極４８の上端部および下端部は、水冷真空チャンバー４１の外部に導出されている。上部パンチ電極４７および下部パンチ電極４８間には、焼結用パルス電源４９から大電流が供給される。このパルス電流は、上部パンチ４４および下部パンチ４５を介して機能性傾斜材料ＦＧＭに供給され、通電される。

また、下部パンチ電極４８には、焼結用加圧機構５１により上方向の圧力Ｐが印加される。下部パンチ電極４８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４７および下部パンチ電極４８のシリンダー部はそれぞれ焼結ダイ４２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４７および下部パンチ電極４８に伝達され、焼結ダイ４２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５０は焼結用パルス電源４９および焼結用加圧機構５１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。

図５は、金属軸１４と一体的に焼結形成させた機能性傾斜材料を用いた封着部材の製造について説明するための、図４の要部を拡大して示す断面図である。

焼結ダイ４２の中空部４２１の上下には上部パンチ４４および下部パンチ４５が挿入されている。下部パンチ４５は焼結ダイ４２の中空部４２１内で上下方向に移動するが、上部パンチ４４は中空部４２１内では上下方向に対しては固定されている。上部パンチ４４にはその下端部に開口する細孔４４１が形成されており、その内部に機能性傾斜材料ＦＧＭ内に一端部が埋設された金属軸１４の他端部が挿入されている。

細孔４４１は、図６に示すように機能性傾斜材料ＦＧＭの焼結開始の際には、金属軸１４の上部が細孔４４１の底部に接する形で挿入されている。細孔４４１の径Ｌ１は、金属軸１４の径Ｌ２との大きさは、Ｌ１＞Ｌ２の関係となっている。

焼結ダイ４２の中空部４２１内には、ＳＰＳ焼結の開始前において、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４２の中に上部パンチ４４を挿入し、上部パンチ４４を下側にした状態で、金属軸１４の端部１４ａを細孔４４１に導入し金属軸１４を中心部に直立させる。

次に、絶縁層１１を構成する１００％のＳｉＯ_２粉末を充填する。次いで、中間層１３を構成するＳｉＯ_２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４２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ＳｉＯ_２および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４５により焼結ダイ４２の中空部上端を閉塞する。この際、金属軸１４の長さは、焼成後、金属軸１４の端部１４ｂが導電層１２に到達し、しかもＦＧＭを貫通しないような長さにしておく。

さらに、上部パンチ４４と下部パンチ４５によって閉鎖された焼成ダイ４２を、上部パンチ４４が上側になるように取り付ける。なお、焼成ダイ４２、上部パンチ４４および下部パンチ４５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。

この状態において、ＳＰＳ装置の制御装置５０の制御に基づき焼結用パルス電源４９および焼結用加圧機構５１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４２の中空部の機能性傾斜材料ＦＧＭには、上部パンチ電極４７および下部パンチ電極４８を介して焼結用パルス電源４９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４４および下部パンチ４５を介して焼結ダイ４２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。

また、下部パンチ電極４８は上方向に移動可能に設けられており、圧力Ｐにより上方に移動して下部パンチ４５を介して機能性傾斜材料ＦＧＭを押し上げる。上部パンチ４４および上部パンチ電極４７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ＳｉＯ_２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。

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ＳｉＯ_２粒子を使用した場合、ＳｉＯ_２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、ＳｉＯ_２からなる絶縁層１１と、ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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。

機能性傾斜材料の製造方法によれば、金属軸１４が機能性傾斜材料ＦＧＭの軸方向に挿入された状態においても、機能性傾斜材料の焼結が可能となるため、封着用の機能性傾斜材料の製造が極めて容易になる。

このように一端部が機能性傾斜材料ＦＧＭに埋設された金属軸１４の他端部に電極１５を接合させたことにより、金属軸１４の形を変える必要がない。電極１５を目的に応じた形状に変えることで、放熱性や長寿命に優れた封着部材を実現することができる。

図７、図８は、この発明の封着部材に関する第２の実施形態について説明するためのもので、図７は側面図、図８は図７のｙ−ｙ’断面図である。上記の実施形態と同一の構成部分には同一の符号を付して説明する。

この実施形態は、金属軸１４の上端部にＬ字状部７１を、電極１５の下端部にＬ字状部７２を形成し、それぞれＬ字状部７１，７２の部分を互いに逆向きして両者の平面部を合わせた状態で溶接する。これにより、図７のｙ−ｙ’の断面は、図８に示すように同心円的な格好での接合ができる。

この場合は、金属軸１４と電極１５の接合面積が増え、確実な接合が実現する。また、電極１５は金属軸１４と同心的に配置することも可能であり、相手側の電極とを容易に対向配置させることが可能となる。

図９、図１０は、この発明の封着部材に関する第３の実施形態について説明するためのもので、図９は側面図、図１０は図９のｚ−ｚ’断面図である。上記の実施形態と同一の構成部分には同一の符号を付して説明する。

この実施形態は、金属軸１４の上端部に細孔１０１を形成し、この細孔１０１に電極１５を挿入したものである。

機能性傾斜材料ＦＧＭに金属軸１４を埋設して焼結させる場合に、上部パンチ４４が細孔１０１を塞ぐことになる。このため、焼結前の粉末状態にある絶縁層１１は、細孔１０１内に入り込むことがなく、細孔１０１の内周面が導電性を保った状態となる。この細孔１０１に電極１５を挿入し、溶接するだけの作業で電気的な接続を確実に行うことができる。

この実施形態では、金属軸１４の電極１５と接合される部分に、粉末状態時の絶縁層１１が付着することがないことから、焼成後の金属軸１４の細孔１０１と電極１５との接合がスムースとなる。この場合も、電極１５は金属軸１４と同心的に配置することができ、相手側の電極とを容易に対向配置させることができる。

次に、図１１を参照し、この発明の封着部材への給電について具体例について説明する。図１１（ａ）は一具体例を、図１１（ｂ）は他の具体例をそれぞれ示している。

図１１（ａ）は、金属軸１４を機能性傾斜材料ＦＧＭに埋設するとき同時に、一端が導電層１２から突出し、他端が機能性傾斜材料ＦＧＭの導電層１２に埋設させて給電軸１１１を取り付けたものである。なお、金属軸１４と給電軸１１１は非接触状態で、それぞれ導電層１２に埋設される。

給電軸１１１に電力が供給されると、給電軸１１１、導電層１２、金属軸１４をそれぞれ介して電極１５に供給される。

図１１（ｂ）は、導電性の金属キャップ１１２を機能性傾斜材料ＦＧＭの導電層１２に被せたものである。この場合、金属キャップ１１２に電力が供給されると、導電層１２、金属軸１４をそれぞれ介して電極１５に供給される。

図１２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構成図であり、円柱形状のこの発明の封着部材を、放電灯の封着用に使用した状態を示す断面図である。

図１２において、放電灯１２１を構成する例えば石英ガラス製のバルブ１２２は大略楕円球状であり、その両端筒状部１２３が封着部材１００の外周面に溶着されることにより構成される。

この放電灯１２１においては、封着部材１００によって気密封着構造が形成されることにより、一端部が機能性傾斜材料ＦＧＭに埋設された金属軸１４の他端部に溶接により接合された電極１５はコイル１６を取り付けたり、バルブ１２２内に位置する電極１５の先端部の径を太くしたりすることができる。

この実施形態では、機能性傾斜材料と一体形成された電極から構成される封着部材を用いた放電灯であっても、電極の形状を目的に応じて変えることができることから、電極部の発熱を抑えつつ電極寿命を長くさせることが可能となる。

この発明の封着部材に関する第１の実施形態について説明するための斜視図。図１の一部を断面で示した側面図。図２のｘ−ｘ’断面図。放電プラズマ焼結装置を用いてこの発明の封着部材に用いる機能性傾斜材料の製造方法について説明する概略構成図。金属軸を一体的に焼結形成された機能性傾斜材料を用いた封着部材の製造について説明するための図４の要部を拡大して示す断面図。図５の破線枠をさらに拡大して示す図。この発明の封着部材に関する第２の実施形態について説明するための構成図。図７のｙ−ｙ’断面図。この発明の封着部材に関する第３の実施形態について説明するための構成図。図９のｚ−ｚ’断面図。この発明の封着部材の給電するための、（ａ）は一具体例、（ｂ）は他の具体例について説明するための説明図。この発明の封着部材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

ＦＧＭ機能性傾斜材料
１１絶縁層
１２導電層
１３中間層
１４金属軸
１５電極
３１溶接
４１水冷真空チャンバー
４２焼結ダイ
４３上部パンチ
４４下部パンチ
７１，７２Ｌ字状部
１００封着部材
１０１細孔
１１１給電軸
１１２金属キャップ
１２１放電灯
１２２バルブ

Claims

絶縁物を主成分とする絶縁層と、
絶縁物および導電物を含有して導電性を有する導電層と、
絶縁物および導電物を混合し、熱膨張率を段階的に変えた中間層と、
前記絶縁層から突出させるとともに、前記絶縁層および前記中間層を貫通させて前記導電層に到達させた導電性の金属軸と、
前記絶縁層から突出させた前記金属軸の部分に電気的に接合した電極と、を具備したことを特徴とする封着部材。
前記金属軸は、モリブデンまたはタングステンで形成してなることを特徴とする請求項１記載の封着部材。
前記金属軸と前記電極は、溶接により接合したことを特徴とする請求項１または２記載の封着部材。
前記金属軸の上端面に中空の係合孔を形成し、該係合孔に前記金属軸を挿入結合したことを特徴とする請求項１または２記載の封着部材。
前記金属軸の外周面に平面部を、前記電極の外周面に平面部をそれぞれ形成し、前記金属軸および前記電極のそれぞれの平面部と重ねた状態で溶接して接合したことを特徴とする請求項１または２記載の封着部材。
請求項１〜５のいずれかに記載の封着部材を用いて気密封止構造が形成されることを特徴とする管球。