(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一の金属又は合金からなる２本の素線の先端同士を２０°以下の交差角で突き合わせ、前記２本の素線の先端に、金属針の先端を１００μｍ以下に近づけてから、前記２本の素線の先端と前記金属針の先端との間に電界印加して、前記２本の素線の先端を高電圧放電溶接する工程を有することを特徴とするフィラメントの製造方法。
【請求項２】
前記２本の素線の先端同士を１ｍＮ以上の押付圧で突き合わせてから、前記２本の素線の先端を溶接するまで、押付圧が０にならないことを特徴とする請求項１に記載のフィラメントの製造方法。
【請求項３】
印加電界が５０Ｖ／μｍ以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のフィラメントの製造方法。
【請求項４】
前記２本の素線の直径が１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のフィラメントの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フィラメントの製造方法に関する。特に、高電界により液体が円錐状のテーラーコーンを形成する現象を利用して作られた、熱電子放出部の曲率半径が小さくて熱電子放出電流密度が大きくなる熱電子放出型フィラメントであって、１回の溶接で簡便に作製可能な製造方法に関する。 
【背景技術】
【０００２】
タングステンヘアピンフィラメントは、細線を折り曲げるだけで形成され、容易に作製できる熱電子放出型フィラメントなので、経済的であり、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の電子線源として最も多く使われている。
【０００３】
図１は、このタングステンヘアピンフィラメントを走査型電子顕微鏡の電子線源として用いたときに、タングステンヘアピンフィラメントから放射される熱電子の軌道の一例を示した模式図である。
Ｕ字状に折り曲げられたタングステンヘアピンフィラメント１５０を飛び出した熱電子は、ウェーネルト１５２のバイアス電圧による静電レンズ効果により、ウェーネルトの下方で一度集束してから、開き角αで広がる。電子線は完全に一点に集束するわけではなく、ある程度の広がりを持つ。最も集束した点がクロスオーバーポイント１５３と呼ばれ電子光学における光源となる。クロスオーバーポイント１５３は集束半径ｒｃの円で示される。クロスオーバーポイント１５３から見えるタングステンヘアピンフィラメント１５０の先端の近傍領域（以下、先端部）が熱電子の放出範囲とされている。
クロスオーバーポイントにおける輝度Ｂは、単位立体角度あたりの電流密度Ｉの関数として、次式（１）で表される。
【０００４】
【数１】
0005907522.tif 000002
【０００５】
開き角αは、タングステンヘアピンフィラメント１５０の先端の曲率半径ｒ０と、前記先端の曲率中心からクロスオーバーポイントまでの距離ｆの関数であり、次式（２）で表される。
【０００６】
【数２】
0005907522.tif 000003
【０００７】
電流密度Ｉは、リチャードソン・ダッシュマン（Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ−Ｄｕｓｈｍａｎ）の式により、フィラメント材質と動作温度のみで決定される。
以上により、輝度Ｂを大きくするためには、先端の曲率半径ｒ０を小さくすればよいことが分かる。先端の曲率半径ｒ０が小さくなると、クロスオーバーポイントの集束半径ｒｃも小さくなり，その結果輝度Ｂが明るくなり点光源に近似されてくるので高倍率での観察が可能となる。
なお、タングステンヘアピンフィラメント１５０はＶ字状に折り曲げた場合、折り曲げた部分での抵抗が高くなり、局所的な過熱が生じるので、折り曲げ作製では、フィラメントの寿命が短くなるという問題があった。
【０００８】
そのため、これまで輝度Ｂを高くするために、様々な別のフィラメントが提案されてきた（特許文献１）。
図２は、別のフィラメントの従来例である。
図２（ａ）に示したフィラメント１６１は、ポイントフィラメントの一例を示したものであり、図１に示したタングステンヘアピンフィラメントの先端部に、機械加工や電解研磨等で加工面１５５ａ、１５５ｂを形成し、先端を尖らせて、曲率半径を小さくしたものである。
【０００９】
また、図２（ｂ）に示したフィラメント１６２は、シャープドフィラメントの一例を示したものであり、図１に示したタングステンヘアピンフィラメントの先端部に、機械加工や電解研磨等で別の加工面１５６ａを形成し、先端を尖らせて、曲率半径を小さくしたものである。
【００１０】
更にまた、図２（ｃ）に示したフィラメント１６３は、セミポイントフィラメントの一例を示したものであり、図１に示したタングステンヘアピンフィラメントの先端部に、針状部材１５７を溶接した後に、電解研磨で加工して、針状部材１５７の先端を尖らせて、曲率半径を小さくしたものである。
【００１１】
また、これらの従来例の関連技術は、例えば、特願２０１１−１０５５９２号、非特許文献１に記載されている。特願２０１１−１０５５９２号は、高融点の極細金属及び合金線の溶接方法及び高融点金属・合金細線接合体に関するものであり、金属針を用いた高電圧放電溶接法によるＲｅ−Ｗ極細熱電対の作製法が記載されている。非特許文献１は、タングステンポイントフィラメントの電界放出模様の観察に関するものであり、接合・研磨型のタングステンポイントフィラメントが記載されている。
【００１２】
図１に示したタングステンヘアピンフィラメントは折り曲げ作製のため容易に作製できるが、曲率半径を小さくすることが困難であり、高輝度電子線源として利用できない。また、図２（ａ）〜（ｃ）に示したフィラメントは、曲率半径を小さくできるが、タングステンヘアピンフィラメントに対しさらに機械加工や点溶接を行い、その後、電解研磨法で先端を尖鋭化する必要があり、作製が容易ではないという問題があった。更に、コストがかかるという問題があった。
【００１３】
フィラメントの作製法として、至近距離で高電圧を印加して、グロー放電を発生させて金属素線を突合せて溶接を行う溶接法も考えられる。高電圧印加により、溶融金属に大きな電界がかかり、電界強度が大きくなると溶融金属の界面張力に打ち勝ち、対向電極に引き寄せられて先端が尖った円錐状になることが知られており、この円錐はテーラーコーンと呼ばれる。
【００１４】
図３は、従来の高電圧放電を利用した金属素線の溶接装置の素線保持治具に素線を取り付けた状態の一例を示す斜視図である。この素線保持治具１８０は、平面視略矩形状の金属又は合金製の板部材１８１と、板部材１８１の一面に配置される磁石１８２とから概略構成されている。
【００１５】
板部材１８１には、両面に貫通する孔１８１ｃが設けられている。素線１２５の一端が板部材１８１の角部から飛び出すように配置し、板部材１８１の一面上で板部材１８１の角部から略対角方向に平行に、素線１２５を配置する。磁石１８２で素線１２５を固定して、素線を保持してから、貫通孔１８１ｃの中心を回転中心として、素線保持治具１８０を回転させ、同様の構成として、同様に回転させた保持治具の素線の先端と、先端同士を突き合わせた後、溶接する。
しかし、従来の溶接装置では、交差角βを２０°以下にできず、先端の曲率半径が小さいフィラメントを形成できなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開平１１−６７０５５号公報
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】竹松ら、タングステンポイントフィラメントの電界放出模様の観察、（５５−６０頁）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、曲率半径が小さくて熱電子放出電流密度が大きくなる熱電子放出型フィラメントであって、１回の溶接で簡便に作製可能な製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明者は、従来の溶接装置の仕組みを再検討して、２つの素線保持治具及び金属針用治具をそれぞれ、ｘ、ｙ、ｚ及びｔｉｌｔ軸の４軸で精密制御可能なステージに取り付けるとともに、素線保持治具の構成も再検討することにより、２本の高融点金属素線の先端の位置を精密に制御して、先端同士の交差角を小さくして、溶接可能とした。この装置を用いることにより、曲率半径１００μｍ以下の先端部を有するフィラメントを容易に作製できることを発見して、本発明を完成した。
本発明は、以下の構成を有する。
【００２３】
（１）同一の金属又は合金からなる２本の素線の先端同士を２０°以下の交差角で突き合わせ、前記２本の素線の先端に金属針の先端を１００μｍ以下に近づけてから、前記２本の素線の先端と前記金属針の先端との間に電界を印加して、前記２本の素線の先端を溶接する工程を有することを特徴とするフィラメントの製造方法。
【００２４】
（２）前記２本の素線の先端同士を１ｍＮ以上の押付圧で突き合わせてから、前記２本の素線の先端を溶接するまで、押付圧が０にならないことを特徴とする（１）に記載のフィラメントの製造方法。
【００２５】
（３）印加電界が５０Ｖ／μｍ以上であることを特徴とする（１）又は（２）に記載のフィラメントの製造方法。
（４）前記２本の素線の直径が１００μｍ以下であることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載のフィラメントの製造方法。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の製造方法で製造されたフィラメントは、２本の素線を溶融接合することにより、接合部先端に向けて縮径され、前記先端の曲率半径が１００μｍ以下であり、２本の素線の材料が同一の金属又は合金である構成とすることで、容易に作製でき、高輝度な電子線源となる。汎用走査型電子顕微鏡に用いられているタングステンヘアピンフィラメントに置き換えるだけで、同じ装置であってもそれまでよりも高倍率での観察が可能となり、簡易に性能の向上が期待できる。またＥＰＭＡ等の電子ビームを用いた分析装置では、分析信号の増加が図れる。電界放射型の高分解能走査型電子顕微鏡（ＦＥ  ＳＥＭ）が１０-7の真空度で動作するのに比べ、１０−３から１０−４Ｐａ台の真空度で動作する。
【００２７】
本発明のフィラメントの製造方法は、同一の金属又は合金からなる２本の素線の先端同士を２０°以下の交差角で突き合わせ、前記２本の素線の先端に金属針の先端を１００μｍ以下に近づけてから、前記２本の素線の先端と前記金属針の先端との間に電界を印加して、前記２本の素線の先端を溶接する工程を有する構成なので、電界の作用により溶接部分の形状を尖鋭にでき、先端の曲率半径が１００μｍ以下のフィラメントを１回の溶接で簡便に作製できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】タングステンヘアピンフィラメントから放射される電子の広がりの一例を示した模式図である。
【図２】別のフィラメントの従来例である。
【図３】従来の素線保持治具に素線を取り付けた状態の一例を示す斜視図である。
【図４】本発明のフィラメントの一例を示す図である。
【図５】素線保持治具に素線を取り付けた状態の一例を示す斜視図である。
【図６】溶接工程を説明する図である。
【図７】溶接工程を説明する図である。
【図８】溶接工程を説明する図である。
【図９】実施例１のフィラメントの写真である。
【図１０】比較例１のフィラメントの写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
（本発明の第１の実施形態）
＜フィラメント＞
まず、本発明の第１の実施形態であるフィラメントについて説明する。
図４は、本発明の実施形態であるフィラメントの一例を示す図であって、図４（ａ）は平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ’線における断面図であり、図４（ｃ）は底面図である。
図４に示すように、本発明の実施形態であるフィラメント１１は、２本の素線２３、２４を溶融接合し、先端２１ａに向けて縮径されている形状をなす。
また、先端２１ａの曲率半径ｒ１１は１００μｍ以下とされている。
【００３０】
２本の素線２３、２４の材料は同一の金属又は合金である。
前記材料の融点が２４００℃以上であることが好ましい。同じ材料であっても高温にすることにより、熱電子放出量が大きくなり、輝度を高くできるためである。
例えば、高融点金属として、融点２４５４℃のＩｒを挙げることができる。
【００３１】
フィラメント材料は、仕事関数（Ｗｏｒｋ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ）が低い材料が好ましい。同じ温度であっても仕事関数が低いほど熱電子放出量が大きくなるので、輝度が高くなるからである。
【００３２】
前記材料がＷ、Ｒｅの群から選択されるいずれか一の金属又はこれらの金属の２種以上からなる合金であることが好ましい。特に、前記材料が３％Ｒｅ―Ｗ合金であることが好ましい。これにより、高温にして輝度を高くできる。
【００３３】
溶融接合部２１は、先端２１ａでの垂線を含む断面において半楕円形状とされている。
【００３４】
２本の素線２３、２４の交差角βは２０°以下とされている。また、２本の素線２３、２４の直径ｍは１００μｍ以下とされている。これにより、フィラメントの先端２１ａの曲率半径ｒ１１を小さくできる。
【００３５】
＜フィラメントの製造方法＞
次に、本発明の第１の実施形態であるフィラメントの製造方法について説明する。
本発明の実施形態であるフィラメントの製造方法は、溶接工程Ｓ１を有する。
【００３６】
（溶接工程Ｓ１）
まず、同一の金属又は合金からなる２本の素線を用意する。素線の直径は１００μｍ以下であることが好ましい。これにより、溶接により、先端の曲率半径を小さくしたフィラメントを製造できる。
次に、１つの素線保持治具に１本の素線を取り付け、別の素線保持治具にもう１本の素線を取り付ける。
【００３７】
図５は、素線保持治具に素線を取り付けた状態の一例を示す斜視図である。
図５に示すように、素線保持治具６９は、平面視略矩形状の金属又は合金製の板部材７１と、板部材７１の側面７１ｄに取り付けられたチューブ７５と、板部材７１の一面７１ａに配置された板磁石７３とから概略構成されている。
【００３８】
板部材７１には、貫通する孔７１ｃが設けられている。
チューブ７５はチューブ孔方向が側面７１ｄ及び一面７１ａに平行となる方向に向けられ、チューブ７５の一端７５ａが板部材７１の角またはそれより上方に位置するように取り付けられている。チューブ７５は、例えば、接着剤によって取り付けられている。
【００３９】
チューブ７５の材料としては、耐熱性の高い高分子材料が用いられている。例えば、ポリイミド（商品名、カプトン）を挙げることができる。ポリイミド以外でも、絶縁性があり、耐熱温度が２００℃以上ある材料であれば利用できる。
チューブ７５の内径は、素線の直径に応じて決定する。例えば、５０μｍの素線では、８０μｍのものを用いる。
【００４０】
図５に示すように、チューブ孔内を通過させて、素線２５を配置する。より具体的には、素線２５の一端２５ａがチューブ７５の一端７５ａから２ｍｍ以上５ｍｍ以下の長さだけ飛び出すように配置する。
この長さは、２ｍｍ以上５ｍｍ以下とすることが好ましい。２ｍｍ以上５ｍｍ以下とすると、押付圧の制御及び突合せ制御も容易となり、素線２５、２６が溶融した際に突き合わせた部分が開くことを防ぐことができる。素線はチューブの一端７５ａで押さえられた片持ち梁と考えられるので、５ｍｍ超の場合には、突合せた時のたわみが大きくなりすぎて、突合せ制御が困難となる。逆に、２ｍｍ未満の場合には、放電により、チューブ７５が溶ける場合が発生する。
【００４１】
素線２５の一端２５ａもチューブ７５の他端７５ｂから飛び出すように配置する。チューブ７５の他端７５ｂから飛び出すように配置した素線２５の他端２５ｂを磁石７３で固定する。図５では、磁石７３の形状は円板状であるが、磁石７３の形状はこれに限られるものではない。
【００４２】
次に、同様にして、もう１本の素線２６を別の素線保持治具７０に取り付ける。
別の素線保持治具７０の板部材７２にも孔７２ｃが設けられており、チューブ７６が取り付けられ、素線２６が磁石７４で固定されている。
次に、２つの素線保持治具６９、７０をそれぞれｘ、ｙ、ｚ及びｔｉｌｔ軸の４軸で精密な位置制御可能なステージに取り付ける（図示略）。
【００４３】
図６〜８は、溶接工程を説明する図である。
図６に示すように、２つの素線保持治具６９、７０の板部材７１、７２に、それぞれ配線を取り付ける。これらの配線は電源７８の接地電極側に接続する。
電源７８には別の配線を介して先端を尖らせた金属針７７と電源７８の印加電極側の端子を接続する。金属針７７もまた、ｘ、ｙ、ｚ及びｔｉｌｔ軸の４軸で精密制御可能なステージに取り付けられており（図示略）、位置の制御が容易とされている。
【００４４】
電源７８には、例えば、定格１０ｋＶ、１０ｍＡのパルス方式直流高電圧電源を用いる。この定格値以下であれば電圧・電流値は自由に設定でき、kVオーダーの出力電圧を維持するように電圧降下を瞬時に復帰させることができる。
【００４５】
次に、図７に示すように、それぞれ孔７１ｃ、７２ｃ中心を回転中心として、２つの素線保持治具６９、７０を回転させ、２本の素線２５、２６の先端同士を２０°以下の交差角βで突き合わせる。
交差角βは小さい方が好ましいが、フィラメントを接続する支柱の間隔により制限される。
【００４６】
先端同士の押付圧は、１ｍＮ以上とすることが好ましい。これにより、放電の際、素線２５、２６が離れることを抑制できる。
先端同士の押付の方向及び位置は、ｘ、ｙ、ｚ及びｔｉｌｔ軸の４軸で精密制御して、溶接により、先端が溶融しても押付圧が保持されるとともに、押付の方向及び位置も一定に保持されるようにする。例えば、押付の方向が素線の軸中心からずれると、分離してしまう。
【００４７】
２本の素線２５、２６の先端同士を１ｍＮ以上の押付圧で突き合わせてから、２本の素線の先端を溶接するまで、押付圧がなくならないことが必要である。これにより、放電の際、素線２５、２６が離れることを抑制して、先端の曲率半径を小さくしたフィラメントを確実に製造できる。
【００４８】
次に、２本の素線２５、２６の先端に、金属針７７の先端を１００μｍ以下に近づける。２本の素線２５、２６の先端と金属針の先端の間の距離ｋは、素線の直径程度とすることが好ましく、直径が５０μｍの素線を用いた場合には、５０μｍに近づけることが好ましい。これにより、電源７８を介して、金属針７７の先端と素線２５、２６の先端との間に高電圧を印加でき、印加電界を精密に制御できる。
【００４９】
次に、図８に示すように、金属針７７直上から加熱した雰囲気調整ガスを金属針と同軸に配置した円筒形のガスガイド７９から噴射させながら、印加電極側を金属針７７、接地電極側を素線２５、２６とし、金属針７７側に＋電圧を加えて、２本の素線２５、２６の先端と金属針７７の先端との間に高電圧を印加する。これにより、大気圧パルス放電プラズマを発生させる。
【００５０】
数ｋＶの高電圧、数ｍＡの小電流により発生したグロー放電により、２本の素線２５、２６の先端を高温にして短時間で溶解させ、２本の素線２５、２６の先端が溶接される。
【００５１】
数ｋＶの高電圧、数ｍＡの小電流により発生したグロー放電では、実際にはある程度の休止間隔をおいてナノ秒オーダーの短いパルス放電が生じている。これは放電により低下した電圧を急峻に元の電圧に戻すような電源の特性によるものであり、これにより、グロー放電もしくは異常グロー放電域で放電が継続でき、高融点金属又は合金からなる素線２５、２６を溶接できる。すなわち、一般に大気圧でのＤＣグロー放電は低気圧放電に比べて、電極が局部的に加熱されてアーク放電に移行しやすくなるが、本実施例のような放電形態では、休止期間に電極が冷却されるためグロー放電が継続するのである。
【００５２】
素線２５、２６が溶接される際には、素線の先端部が溶融し一体化する。この際に金属針との間の高電界の作用により、溶融部は金属針７７に引きつけられ、テーラーコーンを形成する。グロー放電が終了すると、溶融部は非常に小さく急速に冷却するために、テーラーコーンの形状をある程度残したまま固化するので、先端半径が１００μｍ以下の尖鋭な先端が得られる。
【００５３】
雰囲気調整ガスは、放電開始５秒前から放電終了５秒後まで、金属針７７と同軸に配置した円筒形のガスガイド７９から噴射する。
雰囲気調整ガスは、ＣＯ２等である。このガスは、高融点金属又は合金の酸化を防ぐシールドガスとして利用される。金属針７７と同軸に配置した円筒形のガスガイド７９から２本の素線２５、２６の先端に向けて噴射させることにより、シールドできる。雰囲気調整ガスを加熱することにより、シールド効果を高められる。
【００５４】
高融点金属又は合金は酸化されやすい。そのため、溶接の際の酸化を防ぐため、通常は、特別な容器中で、真空下、不活性や還元ガスの雰囲気下で溶接を行う必要がある。この構成は、連続処理に不向きで処理コスト上昇の要因となる。
しかし、本実施形態では、高融点金属又は合金の細線を用い、溶接工程において急峻な入熱量の制御を行い、局所に熱の影響をとどめ、かつ、ＣＯ２をシールドガスとして流しながら放電する構成なので、特別な容器を使わず、開放大気中でも酸化を抑制して、溶接できる。これにより、連続処理に容易に適用でき、処理コストを低減できる。
【００５５】
印加電界は５０Ｖ／μｍ以上とすることが好ましい。２本の素線２５、２６の先端と金属針７７の先端の間の距離ｋを１００μｍとしたときに、例えば、印加電圧は５ｋＶとする。印加電界は５０Ｖ／μｍ未満の場合は、安定した放電は得られない。
また、印加電流は、例えば、９ｍＡとする。
【００５６】
電圧が印加されると、短いパルス放電が繰り返し発生する。電圧印加時間は１秒以下とすることが好ましい。０．８秒以下とすることがより好ましく、０．６秒以下とすることが更に好ましい。電圧印加時間が１秒超の場合は、素線先端が溶融しても、一体化せず溶接できない場合が生じる。
溶接条件は、上記電圧、電流、周波数の値に限定されるものではない。
【００５７】
以上の溶接工程Ｓ１により、先端の曲率半径を小さくしたフィラメントを１ステップで容易に形成できる。
【００５８】
本発明の実施形態であるフィラメント１１は、前記先端の曲率半径ｒ１１が１００μｍ以下であり、２本の素線の材料が同一の金属又は合金であり、溶融接合により容易に作製でき、高輝度な電子線源となる。このフィラメントは、熱電子放出型フィラメントであり、従来のタングステンヘアピンフィラメントと容易に置換が可能である。汎用走査型電子顕微鏡に用いられているタングステンヘアピンフィラメントに置き換えるだけで、同じ装置であってもそれまでよりも高倍率での観察が可能となり、簡易に性能の向上が期待できる。またＥＰＭＡ等の電子ビームを用いた分析装置では、分析信号の増加が図れる。電界放射型の高分解能電子顕微鏡（ＦＥ  ＳＥＭ）の真空度の１０-7Ｐａに比べ、１０−３から１０−４Ｐａ台の真空度で動作が可能である。
【００５９】
本発明の実施形態であるフィラメント１１は、前記材料の融点が２４００℃以上である構成なので、溶融させずに高温にして高輝度な電子線源となる。
【００６０】
本発明の実施形態であるフィラメント１１は、前記材料がＷ、Ｒｅの群から選択されるいずれか一の金属又はこれらの金属の２種以上からなる合金である構成なので、溶融させずに高温にして高輝度な電子線源となる。
【００６１】
本発明の実施形態であるフィラメント１１は、前記材料が３％Ｒｅ―Ｗ合金である構成なので、溶融させずに高温にして高輝度な電子線源となる。
【００６２】
本発明の実施形態であるフィラメント１１は、先端２１ａでの垂線を含む断面において半楕円形状部分２１を有する構成なので、曲率半径の小さい先端部を形成できる。
【００６３】
本発明の実施形態であるフィラメント１１の製造方法は、同一の金属又は合金からなる２本の素線２５、２６の先端同士を２０°以下の交差角で突き合わせ、前記２本の素線の先端に、金属針７７の先端を１００μｍ以下に近づけてから、前記２本の素線の先端と前記金属針の先端との間に電圧を印加して、前記２本の素線の先端を溶接する工程を有する構成なので、電界の作用により溶接部分の形状を尖鋭にでき、先端の曲率半径が１００μｍ以下のフィラメントを１回の溶接のみで容易に形成できる。
【００６４】
本発明の実施形態であるフィラメント１１の製造方法は、前記２本の素線の先端同士を１ｍＮ以上の押付圧で突き合わせてから、前記２本の素線の先端を溶接するまで、押付圧を維持する構成なので、分離させることなく、先端の曲率半径が１００μｍ以下のフィラメントを容易に作製できる。
【００６５】
本発明の実施形態であるフィラメント１１の製造方法は、印加電界が５０Ｖ／μｍ以上である構成なので、放電溶接と溶接部の縮径を１ステップで完了し先端の曲率半径が１００μｍ以下のフィラメントを容易に作製できる。
【００６６】
本発明の実施形態であるフィラメント１１の製造方法は、電界の印加時間が１秒以下である構成なので、分離させることなく、先端の曲率半径が１００μｍ以下のフィラメントを１ステップで容易に作製できる。
【００６７】
本発明の実施形態であるフィラメントの製造方法は、前記２本の素線の直径が１００μｍ以下である構成なので、先端の曲率半径が１００μｍ以下のフィラメントを１ステップで容易に作製できる。
【００６８】
本発明の実施形態であるフィラメント及びその製造方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で、種々変更して実施することができる。本実施形態の具体例を以下の実施例で示す。しかし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【００６９】
（実施例１）
＜フィラメント作製＞
まず、図５に示した素線保持治具に直径５０μｍのタングステン製の素線を取り付けた。
チューブとしては内径８０μｍのポリイミドチューブを用いた。
素線はこのポリイミドチューブ内を通し、チューブ出口から金属針側に２〜５ｍｍ突き出した。
【００７０】
次に、図６〜８に示した装置構成で電圧を印加して、１ステップで２本の高融点金属を溶接して、先端の尖ったフィラメントを作製した。
【００７１】
具体的には、まず、２本の素線の軸中心をそろえて押し付けあうような力がかかるように突き合わせた。
このときの素線の突合せ角は２０°とした。
【００７２】
素線の先端と金属針との間は、５０μｍだけ離した。
この状態で、印加電極側を金属針、接地電極側を素線として、金属針側に＋電圧を加えた。非常に狭い電極間隔５０μｍに最大で１０ｋＶを印加した。
【００７３】
高電圧電源は定格１０ｋＶ，１０ｍＡで、パルス方式による出力制御と放電による電圧降下を瞬時に復帰することが可能ものを用いた。
電圧は５ｋＶ、印加電流は９ｍＡ、電圧の印加時間は０．６秒とした。
【００７４】
上記の条件で金属針に高電圧を印加して、金属針と素線の突き合わせ部の間で大気圧放電を発生させた。
【００７５】
この電源の特性から、グロー放電もしくは異常グロー放電域で放電が継続され、高融点金属細線が接合された。
【００７６】
放電開始５秒前から放電終了５秒後まで、雰囲気調整ガス（シールドガス）として、１００℃に加熱したＣＯ２を内径８ｍｍのガスガイドから噴射した。
以上のようにして、高電圧放電により、素線を溶接して、実施例１のフィラメントを作製した。
【００７７】
（比較例１）
ＪＥＯＬ製ＪＳＭ−５３１０ＬＶ型ＳＥＭに利用されているヘアピンフィラメントを用意し、これを比較例１のフィラメントとした。
【００７８】
＜フィラメント評価＞
図１１は、実施例１のフィラメントの写真であり、図１１（ａ）はそのままの写真であり、図１１（ｂ）は曲率半径ｒｊ１を示した写真である。
実施例１のフィラメントの先端の曲率半径ｒｊ１は約１９μｍであった。
実施例１のフィラメントが非常に小さな曲率半径を持ったのは、溶接時の電界強度が影響したと考えている。
【００７９】
図１２は、比較例１のフィラメントの写真であり、図１２（ａ）はそのままの写真であり、図１２（ｂ）は曲率半径ｒｈ１を示した写真である。
比較例１のフィラメントの先端の曲率半径ｒｈ１は約２００μｍであった。
【００８０】
（１）、（２）式から、先端の曲率半径を小さくすると輝度は高くなるので、実施例１のフィラメントは、比較例１のフィラメントより先端の曲率半径を１桁小さくでき、ビームの絞り角を小さくして、クロスオーバーポイント（点光源）での輝度を高くでき、高輝度な電子線源となることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明のフィラメントの製造方法は、線径が１００μｍ以下、５０μmまでの素線を用いて先端の曲率半径が１００μｍ以下のフィラメント及びその製造方法に関するものであり、熱電子の放出径を狭め、高輝度な電子線源となるフィラメントとして利用できるので、このような電子放出源を必要とするＦＥＤ（電界放出ディスプレイ）製造産業、ＳＥＭ製造産業、ＥＰＭＡ製造産業等において利用可能性がある。 
【符号の説明】
【００８２】
１１…フィラメント、２１…溶融接合部、２１ａ…先端、２３、２４…素線、２５…素線、２５ａ…一端、２５ｂ…他端、２６…素線、６９、７０…素線保持治具、７１、７２…板状部材、７１ａ…一面、７１ｃ、７２ｃ…孔、７１ｄ…側面、７３、７４…磁石、７５、７６…チューブ、７５ａ…一端、７５ｂ…他端、７７…金属針、７８…電源、７９…円筒形ガスガイド、１２５…素線、１５０…フィラメント、１５２…ウェーネルト、１５３…クロスオーバーポイント、１５５ａ、１５５ｂ、１５６ａ…加工面、１５７…針状部材、１６１、１６２、１６３…従来の別のフィラメント、１８０…素線保持部材、１８１…板状部材、１８１ｃ…孔、１８２…磁石。
【図１】
0005907522.tif 000004
【図２】
0005907522.tif 000005
【図３】
0005907522.tif 000006
【図４】
0005907522.tif 000007
【図５】
0005907522.tif 000008
【図６】
0005907522.tif 000009
【図７】
0005907522.tif 000010
【図８】
0005907522.tif 000011
【図９】
0005907522.tif 000012
【図１０】
0005907522.tif 000013