JP2009176450A

JP2009176450A - 機能性傾斜材料、管球

Info

Publication number: JP2009176450A
Application number: JP2008011145A
Authority: JP
Inventors: Akio Watanabe; 昭男渡邊
Original assignee: Harison Toshiba Lighting Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2008-01-22
Filing date: 2008-01-22
Publication date: 2009-08-06

Abstract

【課題】機能性傾斜材料作成時に一体化される電極軸に起因とする機能性傾斜材料の破損を抑制する。
【解決手段】機能性傾斜材料ＦＧＭは、放電プラズマ焼結法を用いて絶縁層１１を１００％のＳｉＯ_２で構成し、中間層１３および導電層１２はＭｏとＳｉＯ_２とにより構成した。中間層１３および導電層１２のＭｏの体積混合比は、中間層１３の中間層１３１では３％、中間層１３２では５％、中間層１３３では１０％、中間層１３４では１５％、導電層１２では３０％とした。導電性の電極軸１４の一端を絶縁層１１から突出させ、他端を導電層１２まで埋設させた。電極軸１４は、タングステンにレニウムを混合したものとした。これにより、機能性傾斜材料作成過程で電極軸に起因して生じる破損を抑制することが可能となる。
【選択図】図１

Description

この発明は、ハロゲン電球や高圧放電ランプ等のバルブの気密化を図るための機能性傾斜材料および機能性傾斜材料を封着材料として使用した管球に関する。

従来のハロゲン電球や高圧放電ランプ等の石英ガラスからなる気密容器を備えた管球類には、モリブデン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モリブデン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、絶縁層から導電層まで共通に含まれているＳｉＯ_２を溶融・焼結することが可能で、層間の結合を強くすることが知れられている。（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、ＳＰＳ法の焼成条件から、焼成時、機能性傾斜材料に埋設させた電極軸は、高温化で上下から数ｋＮ程度の圧力を与えている。石英ガラスの軟化点が１７２０℃であることを考慮すると、電極軸が絶縁層と接する部分の温度は、電流が通電することと合わせて、石英ガラスの軟化点１７２０℃（１９９３Ｋ）を優に超えて２０００℃（２２７３Ｋ）程度の高温になっているものと推測できる。一方、タングステン部材として一般的なＫ、Ａｌ、Ｓｉが添加されたドープタングステンは、二次再結晶温度（１８００〜２０００℃程度）を超えると機械的強度が脆化することが知られている。機能性傾斜材料と電極軸の一体化する際、ドープタングステンを使用すると、焼成時の高温と加圧により、電極軸が絶縁層と接する部分で折れたり、絶縁層から突出させた電極軸の部分が上部パンチ内で曲がり型から抜けなくなったりし、機能性傾斜材料を構成する絶縁層の破壊を招く恐れがあった。

この発明の目的は、機能性傾斜材料内に埋設させた電極軸の曲がり等による機能性傾斜材料の破損を防止することの可能な機能性傾斜材料および機能性傾斜材料を封着材料として使用し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、一端を前記絶縁層から突出させ、他端を前記絶縁層および前記中間層、それに前記導電層まで埋設させた導電性の電極軸と、を具備し、前記電極軸は、タングステンにレニウムを混合したものであることを特徴とする。

また、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、一端を前記絶縁層から突出させ、他端を前記絶縁層および前記中間層、それに前記導電層まで埋設させた導電性の電極軸と、を具備し、前記電極軸は、タングステンに二酸化トリアを混合したものであることを特徴とする。

この発明によれば、機能性傾斜材料とタングステンにレニウムを混合あるいはタングステンに二酸化トリアを混合した電極軸を一体化したことにより、機能性傾斜材料作成過程で電極軸に起因して生じる破損を抑制することができる。

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２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もので、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面図である。

ＦＧＭは、機能性傾斜材料の全体構成を示しており、機能性傾斜材料ＦＧＭは、例えば平均粒径５μｍの酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）に例えば平均粒径３μｍのモリブデン（Ｍｏ）を混合させ、ＳＰＳ焼結法により作製したものである。機能性傾斜材料ＦＧＭは、絶縁層１１、導電層１２それに、絶縁層１１と導電層１２との間に中間層１３を配置し結合している。機能性傾斜材料ＦＧＭの直径は例えば６ｍｍである。

絶縁層１１は、絶縁性物質であるＳｉＯ_２で形成された絶縁性物質である。導電層１２は、ＳｉＯ_２および導電性物質であるＭｏまたはタングステン（Ｗ）を混合した導電性物質である。

さらに、中間層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もので、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、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に届く一体成形の直径が例えば１．５ｍｍの電極軸である。この電極軸１４は、タングステンにレニウムを混合させて形成した、いわゆるレニウムタングステン製である。

図３は、放電プラズマ焼結装置を用いて電極軸が埋設された機能性傾斜材料の作製例について説明するための概略的な構成図である。
図３において、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。

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、上部パンチ電極３７および下部パンチ電極３８が伝達され、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。

図３の要部を拡大するとともにより詳細に示した図４の断面図を参照し、電極軸と機能性傾斜材料を一体的に焼結形成させることについてさらに説明する。

焼結ダイ３２の中空部３２１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。下部パンチ３５は焼結ダイ３２の中空部３２１内で上下方向に移動するが、上部パンチ３４は中空部３２１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φ２ｍｍ程度の細孔３４１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電極軸１４の他端部が挿入されている。細孔３４１は、機能性傾斜材料ＦＧＭの焼結開始の際には、電極軸１４の上部が細孔３４１の底部に接する形で挿入されている。

焼結ダイ３２の中空部３２１内には、ＳＰＳ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３２の中に上部パンチ３４を挿入し、上部パンチ３４を下側にした状態で、電極軸１４の端部１４ａを細孔３４１に導入し電極軸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。中間層１３は１３１〜１３４で構成され、ＳｉＯ_２およびＭｏを、中間層１３１を９７％対３％、中間層１３２を９５％対５％、中間層１３３を９０％対１０％、中間層１３４を８５％対１５％、の容積比でそれぞれ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ＳｉＯ_２およびＭｏを例えば７０％対３０％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１４の長さは、焼成後、電極軸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、焼成ダイおよびパンチ材質と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４０の制御に基づき焼結用パルス電源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。

また、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、サンプルに通電することでサンプル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、強固な機能性傾斜材料ＦＧＭを得ることができる。

このように機能性傾斜材料ＦＧＭに一部を残して埋設された電極軸１４は、タングステンにレニウムを混合させたレニウムタングステン製またはタングステンに二酸化トリアを混合させたトリエーテッドタングステン製である。レニウムタングステンまたはトリエーテッドタングステンの場合は、ドープタングステンよりそれぞれ電気比抵抗が大きいため、焼成時、上下パンチ３４，３５に電圧が印加されても、電極軸１４の抵抗値が高くなるため電極軸１４に分流される電流は少なくなる。このため電流による電極軸１４の発熱は小さくなり、この効果によっても電極軸１４の温度は低下するものと考えられる。

図５は、この発明のレニウムタングステンおよびトリエーテッドタングステンと従来のドープタングステンによりそれぞれ形成された電極軸の引張り強さについて説明するための説明図である。

図５からレニウムタングステンおよびトリエーテッドタングステンの引張り強さは、石英ガラスの融点１９９３Ｋ（１７２０℃）より温度が高い範囲では、ドープタングステンより強いことが分かる。

また、図６はレニウムタングステンの温度に対する比抵抗の変化について説明するための説明図である。図６からレニウムタングステンは、ドープタングステンより比抵抗が高く、電流を流しづらいことが分かる。

ここで、この発明の機能性傾斜材料の実施例について説明する。
（実施例１）
平均粒径が５μｍのＳｉＯ_２に、平均粒径が３μｍのＭｏを混合した機能性傾斜材料ＦＧＭをＳＰＳ法で図１に示した構成のサンプルの作成を行った。サンプルは、機能性傾斜材料ＦＧＭの直径が６ｍｍ、電極軸１４の直径が６ｍｍとした。

機能性傾斜材料ＦＧＭは、絶縁層を１００％のＳｉＯ_２で構成し、中間層１３および導電層１２は、ＭｏとＳｉＯ_２で構成した。中間層１３１〜１３４は、Ｍｏの体積混合比のそれぞれ３％、５％、１０％、１５％とした。導電層１２は、Ｍｏの体積混合比の３０％とした。

図７は、Ｋ（カリウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｓｉ（ケイ素）を添加物とした従来のドープタングステンの電極軸１４を用いて図１の電極軸と一体構成の機能性傾斜材料ＦＧＭをＳＰＳ法により４個作製した場合のサンプルの結果を示している。図８は、ドープタングステンにさらに添加物としてＲe（レニウム）を３％加えたレニウムタングステンの電極軸１４を用いて図１の電極軸と一体構成の機能性傾斜材料ＦＧＭをＳＰＳ法により４回作製した場合のサンプルの結果を示している。

ドープタングステン製の電極軸１４が埋設された機能性傾斜材料ＦＧＭの場合は、図７に示すように、４個のサンプルとも電極軸が曲がり、それにより機能性傾斜材料ＦＧＭに不具合に生じた。また、レニウムタングステン製の電極軸１４が埋設された機能性傾斜材料ＦＧＭの場合は、図８に示すように、４個のサンプルとも電極軸の曲がり等の不具合が発生せず、機能性傾斜材料ＦＧＭに問題が発生ないことがわかった。

（実施例２）
この実施例は、機能性傾斜材料ＦＧＭを実施例１と同条件とし、電極軸１４をタングステンに二酸化トリアを混合させたトリエーテッドタングステン製とした場合である。

この実施例のトリエーテッドタングステンもドープタングステンに比較して、高温度での機械的強度が強く、レニウムタングステンと同様に電極軸１４の変形がなく、図８に示すような良好な機能性傾斜材料ＦＧＭが得られることがわかった。

図９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、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９１、管球作動部材９２(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。

気密容器９１は、封止されるべき開口９１ａを備えている。そして、開口９１ａ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９１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９１ａとなっている。

管球作動部材９２は、気密容器９１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９１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。

また、図示の管球作動部材９２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９２ａ（一端のみ示す。）が延在し、フィラメントレグ部９２ａが気密容器９１の両端に配置される一対の電極軸１４（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９１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９２ｂが付設されている。

なお、図９に示す管球ＢＰは、ハロゲン電球であるので、気密容器９１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９１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。

この実施形態では、気密容器の封着に機能性傾斜材料とタングステンにレニウムを混合した電極軸、またはタングステンに二酸化トリアを混合した電極軸を一体化したものを用いたことにより、機能性傾斜材料作成過程で電極軸に起因して生じる破損を抑制することができる。

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斜視図。図１の一部を断面で示した側面図。放電プラズマ焼結装置を用いて電極軸が埋設された機能性傾斜材料の作製例について説明するための概略的な構成図。図３の要部を拡大するとともにより詳細に示した断面図。この発明と従来の電極軸の引張り強さについて説明するための説明図。この発明の電極軸の温度に対する比抵抗の変化について説明するための説明図。従来の電極軸と機能性傾斜材料をＳＰＳ法を用いて一体的に作製した場合のサンプル品について説明するための説明図。この発明の電極軸と機能性傾斜材料をＳＰＳ法を用いて一体的に作製した場合のサンプル品について説明するための説明図。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構成図。

符号の説明

ＦＧＭ機能性傾斜材料
１１絶縁層
１２導電層
１３，１３１〜１３４中間層
１４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
３９焼結用パルス電源
４０制御装置
４１焼結用加圧機構
ＢＰ管形ハロゲン電球
９１気密容器
９２管球作動部材
９１ａ開口

Claims

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、
一端を前記絶縁層から突出させ、他端を前記絶縁層および前記中間層、それに前記導電層まで埋設させた導電性の電極軸と、を具備し、
前記電極軸は、タングステンにレニウムを混合したものであることを特徴とする機能性傾斜材料。
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、
一端を前記絶縁層から突出させ、他端を前記絶縁層および前記中間層、それに前記導電層まで埋設させた導電性の電極軸と、を具備し、
前記電極軸は、タングステンに二酸化トリアを混合したものであることを特徴とする機能性傾斜材料。
請求項１または２記載の機能性傾斜材料を封着材として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。