放电灯的制作方法

专利名称：放电灯的制作方法
技术领域：
本发明涉及在曝光装置等中使用的放电灯，尤其涉及短弧型放电灯等高输出放电 灯的电极结构。
背景技术：
短弧型放电灯将高亮度的光照射到基板等曝光对象物上。由于曝光对象物的大型 化，并且由于生产率的提高，要求放电灯的高输出化，随之要求额定消耗功率的增加。在进 行大功率化时，现有的电极结构会对电子发射、热放出、耐久性等产生影响。因此，要求组合 了结晶、种类等不同的金属的电极结构。例如，当增大额定功率时，阴极前端部中的电流密度较大，因此电极消耗剧烈，电 弧放电的辉点移动而成为不稳定的放电。因此，作为使电弧放电稳定的结构，公知有以下的 电极结构通过直流放电处理装置熔融阴极前端部，使前端部的结晶结构粗大化(参照专 利文献1)。此外，当增大额定功率时，在灯的电极间流过的电流量增加，电极温度上升。尤其 是，阳极前端部成为高温状态，随着时间经过，阳极前端部融熔、蒸发。其结果，由于不稳定 的电弧放电和阳极熔融造成的金属在管内表面附着等，发光效率降低，并且灯寿命由于电 极消耗而降低。为了防止这种过热造成的电极熔融，公知有以下的电极结构将相比金属的电极 主体导热系数高、熔点低的金属材料封入到主体内部空间中(参照专利文献2)。因此，在有 底的筒状的金属部件上焊接盖部件，形成设置了密闭空间的电极。专利文献1 日本特开2002-110083号公报专利文献2 日本特开2004-259644号公报即使改变电极表面附近的结晶结构、金属组成，也不能整体性地较大程度地改善 导热性、导电性、耐久性等电极特性。尤其是，在大输出型放电灯的情况下，不能期望热放出 特性的较大提高。但是，在组合相同种类、或者不同种类的部件来构成电极时，部件间的接 合状态会对耐久性、导热性等产生影响。例如，在通过电子束焊接等焊接来接合金属部件，从而构成电极的情况下，金属结 晶的直径沿着接合面增大，直径的大小变得不均勻。此外，结晶直径沿着电极轴方向的变化 变得不连续，在接合部分上出现结晶边界。因此，电极强度在接合部分处下降。此外，在结晶直径的大小等金属组织在接合面附近不均勻或者不连续的情况下， 沿着电极轴方向的热的传导特性在整个接合面上不均勻，不能很好地进行电极内部的热输 送。其结果，在电极内部产生局部的过热状态，从而加快电极消耗。由此，要求以不对电极特性产生不利影响的方式来组合多个部件构成电极。

发明内容
本发明的放电灯具有放电管、以及配置在放电管内的一对电极，构成为例如短弧型放电灯(尤其是大输出放电灯)。此外，放电灯的至少一个电极由固相接合了多个固体部件而形成的电极构成，至少一个固体部件由金属部件构成。例如，能够接合多个金属部件， 构成电极的固体部件的数量是任意的。此外，可以直接接合固体部件彼此，或者也可以在部 件之间夹设用于提高接合性能等的部件来进行接合(还能够将该夹设部件视作多个固体 部件)。在构成电极主体的多个固体部件中，包括有被电极支承棒支承的固体部件(以下 称作后端侧固体部件)、以及具有电极前端面的固体部件(以下称作前端侧固体部件)，通 过在后端侧固体部件和前端侧固体部件之间进行固相接合来形成电极。在固相接合中，使 固体部件间的接合面接触，一边加压加热一边接合固体部件彼此。在本发明中，形成金属部件的接合面的晶粒(以下称作接合面晶粒)的至少一部 分由于接合而变形。另一方面，除其以外的晶粒在接合前后实质上不变形。例如，接合面晶 粒在整个接合面(有助于接合的面)的范围内产生晶粒的变形或者晶界移动，晶粒的变形 成为有助于接合的变形。尤其是，在接合面不是超平滑面的情况下，容易形成较大的晶粒， 从而产生微小的间隙。另一方面，关于接合面晶粒以外的金属晶粒，在接合面附近，沿接合面垂直方向实 质上不产生起因于接合的变形。此处，所谓“实质上不产生”，是指不产生直接有助于接合的 晶粒变形(晶粒生成)、晶界移动，接合前的晶粒在接合后基本上不变形。通过这种固相接合，即将接合面晶粒用于直接接合，将除此以外的金属组织(晶 粒)用于不受接合影响的部件间接合，由此，接合后的金属部件的接合面附近的结晶直径 具有均勻的特性。即，金属部件的晶粒沿着金属部件的接合面大致均勻，并且，沿着接合面 垂直方向大致均勻。由此，在接合面附近，不会如电子束焊接等那样生成一次、二次再结晶造成的粗大 晶粒，并且不会产生粗大晶粒沿着接合面垂直方向形成为层状，而结晶直径等金属组织特 性不会在接合面方向以及接合面垂直方向产生不连续性变化。由此，对于接合面上的金属结晶组织，成为关于耐久性和导热性的二者的平衡好 的优异结构。在接合面上能够通过可靠的固相接合得到必要的强度，另一方面，关于热输 送、导电性方面，仅在接合面上结晶特性和其他金属组织不同。因此，其能力与一体结构的 电极相比不会显著下降。由此，在接合面附近导电性、导热性、耐久性稳定，因此不用担心导热性、耐久性等 局部降低，从而产生急剧的部分性电极消耗。由此，能够选择不同种类或者相同种类的固体 部件，在自由设计电极形状的同时进行接合，以提高导热性、电子发射特性、耐久性等，从而 能够得到具有优异特性的电极结构。此外，本发明的另一方面的放电灯用电极为配置在放电灯的放电管内，且由多个 固体部件构成的电极，所述多个固体部件包括包含电极前端面的前端侧固体部件和被电极 支承棒支承的后端侧固体部件，该放电灯用电极的特征在于，通过在前端侧固体部件和后 端侧固体部件之间对多个固体部件进行固相接合而形成，多个固体部件中的至少一个为金 属部件，形成金属部件的接合面的接合面晶粒的至少一部分由于接合而变形，关于接合面 晶粒以外的金属晶粒，在接合面附近，沿接合面垂直方向实质上不产生因接合造成的变形。另一方面，本发明的又一方面的放电灯、或者放电灯用电极能够具有在固相接合中使接合面倾斜化的电极。即，放电灯具有放电管、以及配置在放电管内的一对电极，其中 至少一个电极为由多个固体部件固相接合而形成的电极。 此外，多个固体部件中的至少一个为金属部件，金属部件的结晶直径沿着部件间 的接合面大致均勻，在金属部件的接合面附近，金属结晶、结晶组织沿着接合面垂直方向倾 斜化。“倾斜化”记载在例如以下的参考文献1、2中。参考文献1“特許流通支援+ ~ —卜” 15年度化学14軽金属基複合材料独立行政法人工業所有権·研修館1. 1. 1軽金属基複合材料O技術(7)傾斜化(http//www. ryutu. inpit. go. jp/chart/H15/kagakul4/l/l-l. pdf)参考文献2“傾斜機能材料 技術展開” m * 一出版、2009年9月22日発行
第1章傾斜機能材料O外観1. 3傾斜機能材料O基本概念、第5、6頁1. 6傾斜機能材料O展望第10頁如文献1、2所记载那样，所谓倾斜化，是指使组成、组织或除此以外的功能在其内 部连续性变化的状态。在本申请发明的情况下，表示金属结晶、即金属部件的结构关于自身 的特性、性质、功能，沿着接合面垂直方向连续性或阶段性变化的情况，是指在其接合面附 近发现了分布(倾斜)结构的情况。例如，作为一个具体特征，在使包括了金属部件的多个 固体部件固相接合时，结晶直径沿着从接合面离开的方向连续变化。在本发明中，分别通过对独立准备的固体状部件进行固相接合，成为在接合面上 金属晶粒的结构和金属组织关于耐久性、导热性优异的结构。金属结晶的直径沿着固体部 件间的接合面大致均勻，沿着接合面垂直方向的结晶在接合面附近倾斜化。即，在接合面附 近，结晶是阶段性、连续性的，不会产生急剧的结晶变化。在接合面附近，导电性、导热性、耐久性也稳定，因此不用担心导热性、耐久性等局 部降低，从而产生急剧的部分性电极消耗，选择并接合不同种类或者相同种类的固体部件， 以提高导热性、电子发射特性、耐久性等，由此能够得到具有优异特性的电极结构。接合面上的晶粒变形或倾斜化，在满足避免部分性、局部性不均的条件的范围内 整体性形成即可。关于固相接合方式，应用利用了热扩散、电场扩散的固相接合法即可。例 如，优选应用作为固相接合法之一的扩散接合。具体而言，能够通过放电等离子体烧结法 (SPS烧结法)等使固体部件彼此接合。在固相接合的工序中，设定加热条件、加压条件等， 以实现晶粒变形/倾斜化。固体部件的接合面的平滑程度是各种各样的，在不是超平滑面的情况下，在接合 面上产生微小的间隙。考虑仅将微小的间隙作为对象进行加热以不产生晶粒变形。此时， 优选通过放电等离子体烧结方式的接合(SPS接合)对固体部件彼此进行接合。关于接合部件的组合，根据热输送效果、耐久性等目的确定固体部件的组合即可， 电极形状也根据目的确定即可。构成电极的固体部件的数量是任意的。例如，在短弧型放 电灯等中，通过圆锥台形状的电极前端部和圆柱状的电极机体部构成了电极，但是接合面能够根据固体部件 的组合、形状位于电极前端部或电极机体部上。作为具体的固体部件的组合，也可以用前端侧固体部件和后端侧固体部件这两个 的组合来构成电极主体。例如，在由圆柱状部分和圆锥台形状部分构成的电极形状的情况 下，还能够对构成电极前端部及电极机体部的一部分的固体部件和构成剩余的电极机体部 的固体部件进行接合，并且，也能够对构成电极机体部及电极前端部的一部分的固体部件 和构成剩余的电极前端部的固体部件进行接合。或者，也可以分别用独立的固体部件构成 电极前端部和电极机体部，并进行接合。例如，在整个电极前端部用一个固体部件构成的情况下，能够通过圆锥台形状的 电极前端部、以及具有与第2固体部件的直径相同直径的圆柱形状接合部构成第1固体部 件。当设为这种电极结构时，能够在机体部中形成内部空间，在周向上形成散热鳍片等，比 较自由地设计机体部的结构。另一方面，在仅电极前端部的一部分用一个固体部件构成的情况下，通过机体部、 以及与第1固体部件接合的圆锥台形状电极接合部构成第2固体部件。在设为这种电极结 构时，仅改变电极前端部的特性那样的设计是可能的。在考虑提高沿着电极轴方向的热输送效果时，优选对导热系数不同的固体部件进 行接合，并且，通过导热系数相对较高的固体部件构成电极支承棒侧的电极机体部。例如， 能够将纯钨等高熔点固体部件构成为电极机体部。另一方面，以构成自由的电极形状为目 的，还能够对相同种类、相同特性的固体部件彼此进行接合来形成电极。在整个电极前端部用一个固体部件构成的情况下，能够通过圆锥台形状的电极前 端部、和圆柱形状接合部构成前端侧固体部件。当设为这种电极结构时，能够在机体部中形 成内部空间，或者在周向上形成散热鳍片等，比较自由地设计机体部的结构。另一方面，也 可以仅电极前端部的一部分用一个固体部件构成。通常，电极形状以电极轴为中心对称，热、电流沿着电极轴移动。由此，期望沿着电 极轴在合适的场所、以合适的材料配置固体部件，以沿着电极轴垂直方向形成接合面的方 式对固体部件进行固相接合比较好。例如，在固相接合后对电极切削成形的情况下，在沿着 电极轴垂直方向形成接合面时，作业中的电极稳定性优异。此外，在铅垂上侧配置了阳极的放电灯中，在使导热系数较高的固体部件与钨等 的电极前端部接合的情况下，从电极前端面到接合面，电极轴方向的距离相等。因此，在沿 着电极轴的热的输送中没有波动，灯点亮中的温度分布以电极轴为中心成为对称性分布， 不会产生局部过热造成的电极损耗。如果考虑防止电极过热，则期望在热输送的同时提高热放出效果。如果不将待接 合的固体部件的接触面设为完全平坦(超平滑面)，则沿着接合面在接合后也部分性残留 间隙，在灯点亮时从间隙放出热。由此，对具有沿着接合面形成有间隙那样的接触面的固体 部件彼此进行固相接合比较好。例如，也可以在电极表面附近沿着周向形成楔，设置间隙。如上所述，关于电极的制造工序方法，能够通过例如SPS接合来接合多个固体部 件。此时，期望通过尽可能提高送出到接合面的电流密度，局部加热接合面。由此，在将金 属部件的沿着接合面的面积(有助于接合的面积)设为S01，将金属部件的填充部分的沿着 电极轴垂直方向的截面积设为S02时，期望构成为满足S02 > SOl0例如，也可以将接合面 附近设为圆锥形状来缩小接合面面积。
或者，也可以在电极内部设置密闭空间，将接合面构成为缘部分。考虑接合部分(即加热部分)关于电极轴为均勻分布，由此接合时的强度平衡优异的情况，期望以在大致 圆柱状的电极机体部的径向的截面积中成为最小，即接合面成为圆状、或者环状的方式构 成 SOlo为了与接合面的平滑程度无关地提高固体部件间的接合状态，也可以在中间夹着 软部件来接合固体部件彼此。为了提高接合强度，期望隔着夹设固体部件来将金属部件与 其他的固体部件接合。例如，将夹设固体部件构成为比待接合的固体部件软的部件。此处， 所谓“软，，部件，是指例如由于硬度低、延展性和可锻性优良(高)，在接合时相比固体部件 变形变大的部件。例如，在金属部件为钨的情况下，作为比钨软的金属，构成为包括钼、钽、钒、铌、 钛、金、钼、铼中的至少任意1种即可。此外，考虑到使导热性、导电性稳定的情况，可以将夹 设固体部件设为包括钨的合金。作为电极结构，设置凹状金属部件，并对多个固体部件进行接合，由此在电极内部 形成密闭空间，并在密闭空间中插入在亮灯时熔融的低熔点金属，由此能够提高电极轴方 向的热输送效率。此时，在形成了电极主体后，将电极支承棒接合到后端侧固体部件上。此时，由于 来自电极支承棒侧的压力，后端侧固体部件变形，该压力传递到接合面，由此可能产生接合 面剥离。为了防止这种情况，期望凹状金属部件的接合面，相比被导电性的电极支承棒支 承的后端侧固体部件的与电极支承棒的接合前端部，位于灯中心侧(另一个电极侧)。在接 合面上，期望以不产生通往密闭空间的间隙的方式构成接合面(例如，在金属部件的凹部 壁面和端面两方构成接合面)。此外，考虑到防止熔融金属进入到接合面的情况，期望构成 为凹状金属部件的接合面，与在亮灯时熔融的亮灯时熔融金属的凝固范围相比位于电极支 承棒一侧。为了提高电极自身的散热效果，优选增加表面积。通过接合多个固体部件来将电 极形成为鳍形、薄片形状，能够形成为在现有制造中较难实现的深槽的电极结构。例如，也可以具有尺寸、直径不同的多个板状固体部件，以电极直径沿着电极轴方 向变化的方式接合多个板状固体部件。通过接合直径不同的板状的固体部件，能够构成电 极轴垂直方向的电极直径相对柱状电极机体部断续性增加、减少的电极。或者，还能够设为沿着电极轴方向配设了鳍片的电极形状。例如，也可以构成以下 的电极作为多个固体部件，准备具有电极前端面的电极前端部件，以及在周向上以预定间 隔排列多个鳍片的机体部件，所述多个鳍片从尺寸、直径比电极前端部件小的筒状部件开 始在径向上延伸，并使电极前端部件和筒状部件同轴接合。由此，在柱状电极机体部上，能 够沿着电极轴方向形成深槽。此外，也可以设为还接合鳍片和电极前端部件的结构。在这种具有鳍形的电极的情况下，以电极前端部件的接合面构成槽的终端面的一 部分的方式形成鳍片，以保护鳍片不受放电影响，防止由于放电而过热的气体直接进入到 接合部中比较好。多个鳍片形成为具有不从电极前端部件的接合面突出的径向尺寸。此外，在为了提高散热性而增多鳍片的数量时，电极机体部分的截面积变小，电极 轴方向的导热下降。因此，在将机体部件的沿着电极轴垂直方向的截面积设为S11，将填埋多个鳍片部之间的槽时的假想机体部件的沿着电极轴垂直方向的截面积设为S12时，构成 为满足S12X 2/3彡Sll比较好。本 发明的另一个方面中的放电灯用电极的制造方法为以下的制造方法在前端侧 固体部件和后端侧固体部件对多个固体部件进行固相接合，所述多个固体部件中的至少一 个为金属部件，所述多个固体部件包括前端侧固体部件，其包括电极前端面；以及后端侧 固体部件，其被电极支承棒支承，该放电灯用电极的制造方法的特征在于，对多个固体部件 进行固相接合，使得形成金属部件的接合面的接合面晶粒的至少一部分由于接合而变形， 而关于接合面晶粒以外的金属晶粒，在接合面附近，沿接合面垂直方向实质上不产生因接 合造成的变形。例如，作为仅使接合面晶粒有助于接合的固相接合方法，期望应用对接合面 的微小间隙施加局部性加热的SPS接合。本发明的又一个方面中的放电灯用电极的制造方法为以下的制造方法在1固体 部件和第2固体部件之间对多个固体部件进行固相接合，所述多个固体部件中的至少一个 为金属部件，所述多个固体部件包括具有电极前端面的第1固体部件、和通过导电性的电 极支承棒支承的第2固体部件，该放电灯用电极的制造方法的特征在于，对多个固体部件 进行固相接合，使得金属部件的结晶直径沿着部件间的接合面大致均勻，在金属部件的接 合面附近，金属结晶沿着接合面垂直方向倾斜化。此外，本发明的再一方面中的放电灯用电极、或放电灯，不仅包括利用上述那样的 固相接合、即仅利用实质性接合面晶粒的面接合制成的，或倾斜化的电极，还包括通过熔焊 等其他焊接方法接合了多个固体部件的电极。在放电灯的情况下，具有放电管、和配置在放 电管内的一对电极，至少一个电极为通过焊接多个固体部件而形成的电极，多个固体部件 中的至少一个为金属部件。这种放电灯用电极、或放电灯具有上述那样的特征，即具有设置夹设固体部件的 结构，设置密闭空间来调整相对于电极支承棒接合部、金属凝固范围的接合面的位置的结 构，具有使电极表面积增加的薄片构造、鳍构造的电极的至少任意1个结构。根据本发明，能够构成组合了各种固体的电极，而不会对电极特性带来影响。


图1是示意性示出了第1实施方式的短弧型放电灯的平面图。图2是阳极的概略性剖视图。图3是示出了放电等离子体烧结装置的图。图4是第2实施方式中的放电灯的阳极剖视图。图5是第3实施方式中的放电灯的阳极剖视图。图6是第4实施方式中的放电灯的阳极剖视图。图7是第5实施方式中的放电灯的阳极剖视图。图8是第6实施方式中的放电灯的阳极剖视图。图9是从上面观察第7实施方式中的放电灯的阳极的俯视图。图10是第7实施方式中的放电灯的阳极的侧视图。图11是第7实施方式中的放电灯的阳极剖视图。图12是第8实施方式中的放电灯的阳极剖视图。
图13是示出了表示实施例1中的阳极的结晶直径均勻的接合状态的电子显微镜 照片的图。图14是示出了表示实施例2中的使夹设金属部件夹设在金属部件之间的阳极的 结晶直径均勻的接合状态的电子显微镜照片的图。图15是示出了表示实施例3中的阳极的倾斜化的接合状态的电子显微镜照片的 图。图16是示出了表示利用电子束接合的阳极的接合状态的电子显微镜照片的图。标号说明 10 放电灯；12 放电管；30 阳极；40 金属部件；50 金属部件；S 接合面。
具体实施例方式下面，参照

本发明的实施方式。图1是示意性示出了第1实施方式的短弧型放电灯的平面图。短弧型放电灯10为能够在用于形成图案的曝光装置(未图示)的光源等中使用 的放电灯，具有透明的石英玻璃制的放电管(发光管)12。在放电管12中，阴极20和阳极 30相隔预定间隔对置配置。在放电管12的两侧，石英玻璃制的密封管13A、13B以对置的方式与放电管12 — 体设置，密封管13A、13B的两端被灯头19A、19B塞住。放电灯10以阳极30为上侧、阴极20 为下侧的方式沿着铅直方向配置。如后所述，阳极30由两个金属部件40、50构成。在密封管13A、13B的内部，配设有支承金属性的阴极20、阳极30的导电性的电极 支承棒17A、17B，经由金属环(未图示)、钼等的金属箔16A、16B与导电性的铅棒15A、15B 分别连接。密封管13A、13B与设置在密封管13A、13B内的玻璃管(未图示)熔敷，由此，封 入了水银和稀有气体的放电空间DS被密封。铅棒15A、15B与外部的电源部(未图示)连接，电源部经由铅棒15A、15B，金属箔 16AU6B,以及电极支承棒17A、17B在阴极20、阳极30之间施加电压。当向放电灯10供给 电力时，在电极间产生电弧放电，放射水银亮线(紫外光)。图2是阳极的概略性剖视图。阳极30是由具有电极前端面40S的金属部件(前端侧固体部件)40、和与金属部 件40接合的金属部件(后端侧固体部件)50构成的电极，金属部件40由圆锥台形状部分 40A和圆柱状形状部分40B构成，圆锥台形状部分40A包括电极前端面40S，圆柱状形状部 分40B与圆柱状的金属部件50具有相同直径，并与金属部件50接合。金属部件50在后端 面50B上由电极支承棒17B支承。金属部件40由纯钨等高熔点的金属、或以钨为主要成分的合金构成。另一方面， 圆柱状金属部件50由含有导热系数比金属部件40高的金属(例如，可形成为大形状的纯 钨、钼、具有吸气剂效果的钽、导热性较高的氮化铝等)的金属构成。金属部件40、50依照放电等离子体烧结(SPS烧结)方式固相接合。在本实施方 式中，通过调整接合时的加热、加压，成为构成接合面的金属部件40、50的晶粒的接合面晶 粒以有助于接合的方式进行变形，在除此以外的金属组织内，沿电极轴方向实质上不产生 起因于接合的结晶变形。
金属部件40、50分别通过烧结金属粉末而固态化，金属组织成为一次再结晶化结 构。另一方面，当固相接合金属部件40、50来构成电极30时，在金属部件40、50的接合面S 附近，沿着电极轴方向、接合面方向，不会产生二次再结晶造成的晶粒粗大、晶界移动等，不 会沿着电极轴X形成结晶组织粗大、变形的接合层。
S卩，仅在金属部件40、50的接合面上对置出现(露出)的接合面晶粒彼此接合变 形，对于除此以外的金属晶粒，关于接合面方向、垂直方向，均基本不产生有助于接合的变 形、再结晶、晶界移动。通过这种固相接合，接合后的金属部件的接合面附近的结晶直径沿 着金属部件的接合面大致均勻，并且，沿着接合面垂直方向大致均勻。通过形成这种具有接合面S的金属组织，对于导热特性、导电性，不会沿着接合面 S产生波动。在从由于灯点亮而变成高温的电极前端面40S(100(TC以上)向电极支承棒 17B输送热的期间，阳极内部的温度分布以电极轴X为中心成为对称性分布，热输送基本不 会受到接合面S的影响。图3是示出了放电等离子体烧结装置的图。放电等离子体烧结(SPS烧结)的接合法为以下的接合方法对成形体的粒子间隙 直接接入脉冲状的电能，将通过火花放电现象而在瞬间产生的放电等离子体的高温能量应 用到热扩散、电场扩散等。图3的放电等离子体烧结装置60具有真空腔室65，并在以下状态下进行设置在 设置于真空腔室65内部的上部冲头80A、下部冲头80B和石墨制冲模80之间，使具有图2 所示的形状的金属部件40、50分别进行接合的面接触。金属部件40、50在烧结金属粉末进 行固态化后，通过切削等金属加工处理而成形。此外，也可以在使金属部件40、50接合后， 通过切削等成形。石墨制的上部冲头80A、下部冲头80B分别与上部冲头电极70A、下部冲头电极70B 连接。在将装置内设为真空环境后，通过脉冲电源90对上部冲头80A、下部冲头80B之间施 加电压。此外，在通电的同时，通过加压机构(未图示)在上部冲头80A、下部冲头80B之间 施加压力。在通过通电造成的放电等离子体升温到预定的烧结温度后，在施加了压力的状 态下保持一定时间。由此，能够得到具有图2所示的形状的阳极。确定压力、烧结温度以实 现上述接合状态，例如，确定为压力50 lOOMPa、加压时间5分钟 20分钟、接合面附近的 温度1600°C 1800°C的范围。 由此根据本实施方式，通过SPS接合高熔点的金属部件40和导热系数高的金属部 件50来构成短弧型放电灯10的阳极30。通过对圆锥台形状的金属部件40和圆柱形状的 金属部件50进行接合，接合面S沿着与电极轴X垂直的方向、即阳极截面径向。在灯点亮时，电极前端面40S附近温度非常高，但是前端部的热通过金属部件50 有效地被输送到电极支承棒侧。由此，能够防止电极过热造成的电极消耗。此外，对于沿着 接合面S的晶粒，产生起因于接合的结晶变形，另一方面，关于其他的晶粒，基本不产生接 合造成的再结晶、长大、变形、晶界移动等。由此，在与电极轴X垂直的接合面S上，导热性、导电性等整体相等，成为没有波动 的状态。其结果，在整个阳极内部产生沿着电极轴的热输送，不用担心在电极内部局部过 热。
接着，使用图4对第2实施方式的放电灯进行说明。在第2实施方式中，在金属部 件之间设置了提高接合强度的金属部件(以下，称作夹设金属部件)。除此以外的结构实质 上与第1实施方式相同。图4是第2实施方式中的放电灯的阳极剖视图。阳极130是通过对金属部件140和金属部件150进行固相接合而形成的电极。并 且，在金属部件140和金属部件150之间，夹设了使接合更可靠的夹设金属部件155。夹设金属部件155是将钨、和比钨软的(延展性等高的)金属(例如钼、钒、铌、钛、 金、钽、钼、铼等)的混合体形成为板状、箔状的部件，比金属部件140、150软。由于比较软，因此与使金属部件140、150直接接合相比，接合性能 变高，即使金属 部件140、150的接合面不怎么平滑，也能够维持良好的接合状态。此外，由于含有钨，因此 作为整个电极，导热性、导电性不容易变得不均勻。由此根据第2实施方式，夹设提高接合强度的夹设金属部件来接合金属部件。由 此，电极的接合强度更进一步提高。尤其是，即使在金属部件的接合面不是超平滑面包括微 小凹凸的情况下，也能够可靠地进行接合。此外，作为夹设金属部件155，考虑电极特性稳定 的情况而优选混合了铼、钨的金属部件，但是也可以构成为夹设不含有钨的金属部件。接着，使用图5对第3实施方式的放电灯进行说明。在第3实施方式中，在阳极内 部形成密闭空间，将熔融金属封入到密闭空间中。除此以外的结构实质上与第1实施方式 相同。图5是第3实施方式中的放电灯的阳极剖视图。阳极230由形成有筒状凹部240P的金属部件240、和接合到电极支承棒217B的金 属部件250构成。金属部件240的环状周缘部分240W与金属部件250接合。在金属部件 250的接合部分上形成有阶梯，配合金属部件240的周缘部分240W，而在周向上形成有槽。电极支承棒217B在成形了阳极230后，嵌入接合到金属部件250的嵌合部255中。 接合面S相比嵌合部255的前端部分位于灯中心侧。由此，防止在嵌合电极支承棒217B时 金属部件250整体变形，防止接合部分剥离。在形成在金属部件240、250之间的密闭空间245中，封入了低熔点的熔融金属。熔 融金属在灯点亮时熔融，在密闭空间245内沿着电极轴X产生热循环。接合面S相比凝固 端面(上端)位于电极支承棒一侧，因此不用担心熔融金属进入到接合面S中。此外，在接合面S中不设置通往密闭空间245的间隙，凹状金属部件240的凹部侧 面240T和周缘部分240W与金属部件250接合，金属部件250的内表面相比接合面S向灯 中心侧突出。因此，可靠防止熔融金属进入接合面S附近。由此根据第3实施方式，在阳极内部形成密闭空间，封入了在灯点亮时熔融的金 属。由此，能够有效进行从阳极前端侧向电极支承棒侧的热输送。此外，形成有密闭空间，因此相比于沿着金属部件250的接合面S的截面积，接合 面截面积(环状的周缘部分240T的面积)较小。由此，接合时的加热为局部的，并且相对 电极轴成为均勻的分布，从而能够实现更有效的接合。一般而言，接合面面积构成为比金属 部件截面积小。接着，使用图6、图7对第4、第5实施方式的放电灯进行说明。在第4、第5实施方 式中，设置有与熔融金属接触的凸起部。除此以外的结构实质上与第3实施方式相同。
图6是第4实施方式中的放电灯的阳极剖视图。图7是第5实施方式的放电灯的 阳极剖视图。如图6所示，阳极330由金属部件340、350构成，在金属部件350中，柱状金属凸起 部件390沿着电极轴X被固相接合。此处，柱状金属凸起部件390也可以通过切削成形，从 而与金属部件350成为一体。凸起部件390的前端部与熔融金属370相接。凸起部件390 的导热性、熔点比钨低，比熔融金属370高。通过设置这种凸起部件390，热输送效率提高。此外，从导热性、熔点的观点出发， 能够任意选定凸起部件390的材料。此外，也可以使凸起部件390与金属部件340抵接。在图7所示的阳极330A中，凸起部件390A被固相接合到金属部件340上。由此， 在灯点亮后更早的阶段进行热输送，金属部件340的强度提高。此外，也可以使凸起部件 390A与金属部件350抵接。接着，使用图8对第6实施方式的放电灯进行说明。在第6实施方式中，绕电极机 体形成有散热鳍片。除此以外的结构与第1实施方式相同。图8是第6实施方式中的阳极剖视图。阳极430为以下的结构在被电极支承棒417B支承的金属部件450、和前端侧的 金属部件440之间，交替配设了尺寸(直径)不同的圆盘形状的板状金属部件480、490，并 使这些部件固相接合。板状金属部件480、490被轴部件470贯穿插入并进行同轴配置。由此，能够实现以下的电极结构以预定的间隔沿着电极轴X配置了作用为鳍片 的板状金属部件480。其结果，能够更进一步提高热的放出。此外，板状金属部件480、490 的形状是任意的(四边形等)，可以固相接合不同材质的板状金属部件。接着，使用图9 图11对第7实施方式的放电灯进行说明。在第7实施方式中，在 电极机体部上形成有沿着电极轴方向的散热鳍片。除此以外的结构与第1实施方式相同。图9是从后端侧观察第7实施方式中的阳极的俯视图。图10是第7实施方式中 的阳极的侧视图。图11是第7实施方式中的阳极剖视图。如图9所示，阳极530由圆锥台形状的前端部540、柱状机体部550和鳍片部550A 构成，通过对前端部540和机体部550进行固相接合来构成阳极530。在机体部550上，以从柱状主体部分550S向径向突出的方式一体形成有鳍片部 550A，多个鳍片在周向上以预定间隔排列。沿着电极轴X延伸的鳍片部550A在前端部540 的后端面540T进行接合。前端部540为由钨构成的金属部件，柱状主体部分550S、鳍片部 550A构成为以散热作用优异的钼为主要成分的金属部件。此处，柱状主体部分550S和鳍片 部550A通过切削一体形成。鳍片部550A的径向长度以不从前端部540的后端面突出的方式确定。由此，从机 体部550的鳍片部550A之间放出的热向电极支承棒侧和电极侧面侧放出。由此，能够防止 电极前端面过热(参照图11)。此外，钼的鳍片部550A和其接合部由于前端部540的后端 面540T而不向阳极前端侧露出。因此，能够保护不受放电影响。此外，鳍片的配置、数量、 形状是任意的。 当增大鳍片相对于机体部的尺寸来提高散热性时，机体部550的导电性、导热性 下降，前端部540有可能过热。因此，在将由机体部550的柱状主体部分550S和鳍片部550A 构成的截面积设为S11，将填埋鳍片部550A的相邻的鳍片之间的槽时的柱状部分的截面积(此处为前端部540的后端面的面积)设为S12时，确定为满足S12X2/3≤ Sll0接着，使用图12对第8实施方式的放电灯进行说明。在第8实施方式中，与第1 第7实施方式不同，在接合面附近倾斜化。除此以外的结构与第1实施方式相同。图12是第8实施方式中的放电灯的阳极剖视图。阳极630为通过对金属部件680和金属部件670进行接合而形成的电极。金属部 件670由圆柱形状部分672、和具有凹部674S的圆锥台形状部分674构成。此外，具有电极 前端面680S的金属部件680成型为嵌入到金属部件670中。在SPS接合的接合面S附近， 金属结晶沿着接合面的径向大致均勻，沿着电极轴X的方向“倾斜化”。即，在接合面S附近形成了经倾斜化的层，结晶直径等金属组织特性沿着电极轴X 连续地、或者逐渐地、阶段性地变化，不会产生急剧变化。由于倾斜化，结晶直径沿着电极轴 X连续变化。通过这种接合，对于导热特性、导电性，沿着接合面S没有波动。在从由于灯点亮 而变成高温的电极前端面40S(100(TC以上)向电极支承棒17B输送热的期间，阳极内部的 温度分布以电极轴X为中心成为对称性分布，热输送不会受到接合面S的影响。作为制造在接合面附近进行了倾斜化的电极的方法，执行SPS接合。确定压力、烧 结温度以实现上述接合状态。例如，确定为压力50 lOOMPa、加压时间10分钟 60分钟、 接合面附近的烧结温度1600°C 2000°C的范围，考虑材质等适当确定。由此根据本实施方式，短弧型放电灯10的阳极630通过SPS接合高熔点的金属部 件680和导热系数高的金属部件670来构成。接合面S沿着与电极轴垂直的方向、即阳极 截面径向。此外，还能够设为第1实施方式所示的阳极结构(参照图2)。在灯点亮时，电极前端面680S附近温度非常高，但是前端部的热通过金属部件 670有效地被输送到电极支承棒侧。由此，能够防止电极过热造成的电极消耗。此外，在与 电极轴垂直的接合面S上，导热性、导电性等整体上相等，没有波动。因此，在整个阳极内部 产生沿着电极轴的热输送，不用担心在电极内部局部过热。在第1 第8实施方式中，还可以通过SPS烧结法以外的扩散接合方法制造电极。 例如，能够通过热压(HP)、热气静水压加压(HIP)等，一边加压一边烧结的接合方式制造电 极。此外，还能够应用除此以外的固相接合法(摩擦加压焊接法、超声波接合法等)，通过这 种方法还能够使金属组织均勻地稳定。此外，对于阴极，也可以设为固相接合了多个金属部 件的电极结构。考虑热输送以外的电极特性，还可以沿着电极轴垂直方向以外的方向形成接合 面。此外，还能够将沿着接合面形成的间隙设为楔形并将电极表面构成为鳍形，从而进一步 提高散热效果。另一方面，还能够构成为不在接合面上设置间隙。构成电极的金属数量是任意的，也可以通过3个以上的金属构成电极。此外，还可 以固相接合相同种类的金属，在第3 第8实施方式中，也可以与第2实施方式同样地对夹 设金属部件进行夹设。在第3实施方式中，在内部形成了密闭空间，因此为接合面积比金属部件截面积 小的结构，但是也可以将该结构应用到第1 第2、第4 第8实施方式。即，在将金属部件 的沿着接合面的面积(有助于接合的面积)设为S01，将金属部件的填充部分中的沿着电极 轴垂直方向的截面积设为S02时，构成为满足S02 > SOl比较好。
此外，还可以将一方设为金属部件、另一方设为非金属部件(钨和陶瓷等)来进行 固相接合，至少将所接合的1个部件设为金属即可。通过这种部件的组合，金属组织在接合 面附近也能够成为上述接合状态。对于在第1 第7实施方式中所示的电极，也可以如第8实施方式那样构成具有 在接合面附近倾斜化的接合状态的电极。此外，对于第3 第7实施方式，也可以通过固相 接合以外的焊接(例如电子束焊接等熔焊)构成电极。接着，使用图13 图16对本发明的实施例1 3进行说明。此处，对与第1、第 2、第8实施方式对应的阳极、即通过SPS接合成形的阳极的接合面状态，和通过电子束焊接 成形的接合面状态进行比较。实施例1图13是用电子显微镜照片示出了实施例1的阳极的接合状态的图。依照第1实 施方式，通过SPS接合形状不同的两个金属部件形成了电极。两个金属部件烧结钨(WVMW W 15-40ppmK)的粉末从而进行了固态化，由第1实施方式所示的圆锥台形状、圆柱状形状的 两个金属构成。作为进行SPS接合的装置，使用SPS SINTEX有限公司制SPS烧结装置，在真空环 境的条件下，从金属部件两侧施加90MPa压力，将接合面附近的烧结温度1700°C保持10分 钟进行了接合。在图13中，示出在微米级下拍摄阳极表面的接合面附近得到的照片，接合面的金 属组织清晰。沿着纸面的左右方向形成了接合面。如图13所示，仅形成接合面的接合面晶粒在接合时变形，对于除此以外的晶粒， 不会沿着接合面垂直方向产生有助于接合的晶粒变形、长大。即，没有形成接合造成的晶粒 的变形、长大的层。结晶直径沿着接合面方向以及接合面垂直方向大致均勻。作为接合面 发生晶粒变形的证据，接合前和接合后的电极的电极轴方向长度变化。实施例2图14是用电子显微镜照片示出了实施例2的阳极的接合状态的图。依照第2实 施方式，在两个钨金属部件之间夹设钨-铼合金(厚度为0.5mm)，进行了 SPS接合。SPS接 合的条件实质上与实施例1相同。如图14所示，与实施例1同样地，仅形成接合面的接合面晶粒在接合时变形，对于 除此以外的晶粒，不会沿着接合面垂直方向产生有助于接合的晶粒变形、长大。实施例3图15是用电子显微镜照片示出了实施例3的阳极的接合状态的图。依照第8实 施方式，通过SPS接合形状不同的两个金属部件形成了电极。但是，电极形状与图12不同， 由第1实施方式所示的圆锥台形状、圆柱状形状的两个金属构成。在SPS接合中，在真空环境的条件下，从金属部件两侧施加90MPa压力，将接合面 附近的温度1800°C保持20分钟进行了接合，以将倾斜化层形成为接合面。如图15所示，沿着接合面的金属结晶直径大致均勻，此外，结晶直径等金属结晶 特性沿着电极轴连续变化、倾斜化。图16是示出了表示利用电子束接合的阳极的接合面状态的电子显微镜照片的比 较图。电子束接合的电极也同样由两个金属构成。在电子束接合中，使用了 NEC控制系统有限公司制的电子束焊 接装置。在图16中，示出了对阳极表面附近的接合面进行放大得到的照片。在图16中，沿 着接合面的金属粒子直径不均勻的情况(参照电极表面附近)很明显。此外，沿着电极轴 方向(纸面上下方向)的晶粒也急剧且断续性地变化。由此，在通过SPS烧结成形的电极中，金属组织在接合面附近稳定。其结果，关于 电极强度、亮灯时的散热性，与现有的电极相比发挥优异的性能。
权利要求
1.一种放电灯，其特征在于，所述放电灯具有 放电管；以及一对电极，它们配置在所述放电管内，其中至少一个电极为由多个固体部件固相接合而形成的电极，所述多个固体部件中的至少一个为金属部件，形成所述金属部件的接合面的接合面晶粒的至少一部分由于接合而变形， 关于所述接合面晶粒以外的金属晶粒，在接合面附近，沿着接合面垂直方向实质上不 产生由于接合造成的变形。
2.一种放电灯，其特征在于，所述放电灯具有 放电管；以及一对电极，它们配置在所述放电管内，其中至少一个电极为由多个固体部件固相接合而形成的电极，所述多个固体部件中的至少一个为金属部件，接合后的所述金属部件的接合面附近的结晶直径沿着所述金属部件的接合面大致均 勻，并且，沿着接合面垂直方向大致均勻。
3.一种放电灯，其特征在于，所述放电灯具有 放电管；以及一对电极，它们配置在所述放电管内，其中至少一个电极为由多个固体部件固相接合而形成的电极，所述多个固体部件中的至少一个为金属部件，所述金属部件的结晶直径沿着部件间的接合面大致均勻，在所述金属部件的所述接合面附近，金属结晶沿着接合面垂直方向倾斜化。
4.根据权利要求3所述的放电灯，其特征在于，在所述金属部件的所述接合面附近，金 属结晶直径沿着接合面垂直方向连续变化。
5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的放电灯，其特征在于，在将所述金属部件的 沿着接合面的面积设为S01，将所述金属部件的填充部分的沿着电极轴垂直方向的截面积 设为S02时，满足S02 > SOlo
6.根据权利要求1至4中的任意一项所述的放电灯，其特征在于， 所述金属部件隔着夹设固体部件与其他固体部件接合，所述夹设固体部件比待接合的固体部件软。
7.根据权利要求6所述的放电灯，其特征在于，所述夹设固体部件为包含钼、钽、钒、 铌、钛、金、钼、铼中的至少任意一种的金属部件。
8.根据权利要求7所述的放电灯，其特征在于，所述夹设固体部件为包含钨的金属部件。
9.根据权利要求1至4中的任意一项所述的放电灯，其特征在于，所述多个固体部件具 有凹状金属部件、以及被导电性的电极支承棒支承的后端侧固体部件，通过对所述凹状金 属部件和所述后端侧固体部件进行接合而在所述电极内形成密闭空间，所述凹状金属部件的接合面相比于所述后端侧固体部件的与所述电极支承棒的接合 前端部更靠近灯中心侧。
10.根据权利要求9所述的放电灯，其特征在于，在所述密闭空间中封入了在灯点亮时熔融的亮灯时熔融金属，所述凹状金属部件的接合面相比于所述亮灯时熔融金属的凝固范围更靠近电极支承 棒侧。
11.根据权利要求1至4中的任意一项所述的放电灯，其特征在于，所述电极具有直径 不同的多个板状固体部件，沿着电极轴方向接合所述多个板状固体部件。
12.根据权利要求1至4中的任意一项所述的放电灯，其特征在于，所述多个固体部件 具有电极前端部件，其具有电极前端面；以及机体部件，其在周向上以预定间隔排列多个 鳍片，所述多个鳍片从尺寸比所述电极前端部件小的筒状部件起在径向上延伸，所述电极 前端部件和所述筒状部件同轴接合。
13.根据权利要求12所述的放电灯，其特征在于，所述多个鳍片具有不从所述电极前 端部件的接合面突出的径向尺寸。
14.根据权利要求12所述的放电灯，其特征在于，在将所述机体部件的沿着电极轴垂 直方向的截面积设为S11，将填埋所述多个鳍片之间的槽时的假想机体部件的沿着电极轴 垂直方向的截面积设为S12时，满足S12X2/3 ^ Sll0
15.一种放电灯用电极，其配置在放电灯的放电管内，由多个固体部件构成，所述多个 固体部件包括前端侧固体部件，其包含电极前端面；以及后端侧固体部件，其被电极支承 棒支承，所述放电灯用电极的特征在于，通过在所述前端侧固体部件和所述后端侧固体部件之间固相接合所述多个固体部件 而形成，所述多个固体部件中的至少一个为金属部件，形成所述金属部件的接合面的接合面晶粒的至少一部分由于接合而变形，关于所述接合面晶粒以外的金属晶粒，在接合面附近，沿着接合面垂直方向实质上不 产生由于接合造成的变形。
16.一种放电灯用电极，其配置在放电灯的放电管内，由多个固体部件构成，所述多个 固体部件包括第1固体部件，其具有电极前端面；以及第2固体部件，其被导电性的电极 支承棒支承，所述放电灯用电极的特征在于，通过在所述第1固体部件和所述第2固体部件之间固相接合所述多个固体部件而形成，所述多个固体部件中的至少一个为金属部件，所述金属部件的结晶直径沿着部件间的接合面大致均勻，在所述金属部件的所述接合面附近，金属结晶沿着接合面垂直方向倾斜化。
17.一种放电灯用电极的制造方法，在前端侧固体部件和后端侧固体部件之间固相接 合多个固体部件，所述多个固体部件中的至少一个为金属部件，所述多个固体部件包括所 述前端侧固体部件，其包括电极前端面；以及所述后端侧固体部件，其被电极支承棒支承， 所述放电灯用电极的制造方法的特征在于，固相接合所述多个固体部件，使得形成所述金属部件的接合面的接合面晶粒的至少一 部分由于接合而变形，而关于所述接合面晶粒以外的金属晶粒，在接合面附近，沿着接合面 垂直方向实质上不产生由于接合造成的变形。
18. —种放电灯用电极的制造方法，在第1固体部件和第2固体部件之间固相接合多 个固体部件，所述多个固体部件中的至少一个为金属部件，所述多个固体部件包括所述第 1固体部件，其具有电极前端面；以及所述第2固体部件，其通过导电性的电极支承棒支承， 所述放电灯用电极的制造方法的特征在于，固相接合所述多个固体部件，使得所述金属部件的结晶直径沿着部件间的接合面大致 均勻，在所述金属部件的所述接合面附近，金属结晶沿着接合面垂直方向倾斜化。
全文摘要
本发明涉及放电灯。其课题在于，构成组合了各种固体而不会对电极特性产生影响的电极。作为解决手段，在短弧型放电灯中，通过SPS接合高熔点的金属部件(40)和导热系数高的金属部件(50)来构成阳极(30)。通过对圆锥台形状的金属部件(40)和圆柱形状的金属部件(50)进行接合，沿着与电极轴(X)垂直的方向、即阳极截面径向形成接合面(S)。接合面(S)附近的晶粒的直径沿着接合面均匀，沿着接合面垂直方向大致均匀。
文档编号H01J61/073GK102034672SQ201010290648
公开日2011年4月27日 申请日期2010年9月21日 优先权日2009年9月24日
发明者前岛慎, 小平宏, 早川壮则, 松木睦美, 芹泽和泉, 酒井规行, 金井信夫 申请人:株式会社Orc制作所