本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2013年9月9日，申請(qǐng)?zhí)枮?01380048037.5，發(fā)明名稱為“放電燈用電極的制造方法以及具有利用該制造方法制造出的放電燈用電極的放電燈”的發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。

本發(fā)明涉及在曝光裝置等中使用的放電燈，尤其是，涉及將多個(gè)部件接合而成的放電燈用電極的制造方法。

背景技術(shù)：

在放電燈中，隨著高輸出化，使金屬種類、晶體特性等不同的部件接合來(lái)形成電極。例如，將含有釷等發(fā)射體的金屬部件作為電極前端部、將純鎢等高熔點(diǎn)金屬部件作為主體部，使兩個(gè)金屬部件彼此接合。

作為接合方法，已知有作為固相接合之一的擴(kuò)散接合。在擴(kuò)散接合中，可以在接合面附近，以使晶體結(jié)構(gòu)朝軸向傾斜或者不使金屬晶粒沿著軸向變形的方式進(jìn)行接合，從而能夠抑制接合導(dǎo)致的電極性能的下降(參照專利文獻(xiàn)1、2)。在此，按照規(guī)定的壓力、加壓時(shí)間、接合溫度，進(jìn)行放電等離子燒結(jié)接合(sps接合)作為擴(kuò)散接合。

在利用這樣的擴(kuò)散接合的電極成型中，利用切削加工來(lái)確定電極形狀。例如，準(zhǔn)備構(gòu)成電極前端部的圓柱狀釷鎢(thoriatedtungsten)部件和構(gòu)成主體部的圓柱狀鎢部件。進(jìn)而，使直徑彼此相等的接觸面彼此抵接，從部件兩側(cè)施加壓力并進(jìn)行通電加熱。在擴(kuò)散接合之后，將一體化的部件的前端部側(cè)切削加工為圓錐狀，從而得到電極形狀(參照專利文獻(xiàn)3)。

在使不同的金屬材料進(jìn)行固相接合來(lái)成型出電極的情況下，由于熱膨脹率不同，因而在點(diǎn)亮?xí)r，有可能對(duì)接合面施加較大的力而使電極破損。為了防止該情況，已知有如下電極：在前端部以及主體部的接合面上設(shè)置環(huán)狀的突起部分，使它們彼此嚙合而進(jìn)行擴(kuò)散接合(參照專利文獻(xiàn)4)。

另一方面，還已知有如下方法：通過(guò)調(diào)整電極側(cè)面的面積比率，使燈的壽命延長(zhǎng)(參照專利文獻(xiàn)5)。在此，在將釷鎢作為電極前端部分而與純鎢的主體部進(jìn)行擴(kuò)散接合的放電燈中，設(shè)為使釷鎢部的側(cè)面積與電極面積之比處于規(guī)定范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)，使電弧放電穩(wěn)定化。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：日本特開(kāi)2011-249027號(hào)公報(bào)

專利文獻(xiàn)2：日本特開(kāi)2011-71091號(hào)公報(bào)

專利文獻(xiàn)3：日本特開(kāi)2012-15007號(hào)公報(bào)

專利文獻(xiàn)4：日本特開(kāi)2011-216442號(hào)公報(bào)

專利文獻(xiàn)5：日本特開(kāi)2011-154927號(hào)公報(bào)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明要解決的課題

在將電極主體部分設(shè)為包含釷鎢等發(fā)射體的金屬來(lái)構(gòu)成電極的情況下，經(jīng)由接合面來(lái)提供發(fā)射體。而且，接合面的尺寸、接合面的平滑度、固相接合時(shí)的接合條件、接合面形狀這些與接合面相關(guān)的結(jié)構(gòu)會(huì)影響到該電極的強(qiáng)度、傳導(dǎo)性、熱傳導(dǎo)性這些電極性能。

例如，接合面的直徑大小自身會(huì)給電極性能帶來(lái)影響。以往，在固相接合時(shí)，沒(méi)有考慮接合面的直徑大小帶來(lái)的影響，因此，電極性能會(huì)根據(jù)情況而降低。

此外，關(guān)于接合溫度、接合時(shí)間、加壓力，根據(jù)接合面的直徑大小的不同，所要求的條件也不同。針對(duì)接合溫度、接合時(shí)間、壓力以及接合面的直徑，如果沒(méi)有考慮它們之間的相關(guān)性而直接設(shè)定，則不能得到期望的電極性能。

因此，在使多個(gè)部件進(jìn)行固相接合來(lái)形成電極的情況下，需要將接合溫度、接合時(shí)間、壓力以及接合面的直徑相互關(guān)聯(lián)起來(lái)進(jìn)行設(shè)定，從而設(shè)定為實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的電極性能的值。

另一方面，與鎢部件的截面相比，釷鎢部件的截面的平滑度較低。直徑越大，該平滑度之差越顯著。因此在接合面中，接合強(qiáng)度不均勻，不能得到穩(wěn)定的接合強(qiáng)度。

此外，在利用通電加熱來(lái)進(jìn)行擴(kuò)散接合的情況下，根據(jù)接合條件等，會(huì)產(chǎn)生電流容易流向表面?zhèn)鹊那闆r，從而接合面的周緣附近的接合強(qiáng)度大于中心部。因此，在進(jìn)行擴(kuò)散接合之后利用切削加工形成前端部分時(shí)，接合強(qiáng)度較大的表面附近部分被切削得較多，使得接合強(qiáng)度下降。

因此，需要使構(gòu)成含有釷鎢等發(fā)射體的前端部的部件和構(gòu)成主體部的部件在接合強(qiáng)度穩(wěn)定的狀態(tài)下進(jìn)行固相接合。

此外，關(guān)于發(fā)射體的移動(dòng)，接合面的結(jié)構(gòu)也會(huì)帶來(lái)影響。燈點(diǎn)亮?xí)r發(fā)射體朝向電極前端部的前端面?zhèn)鹊囊苿?dòng)基于從電極內(nèi)部向表面擴(kuò)散的晶界擴(kuò)散、和沿著電極表面擴(kuò)散的濃度擴(kuò)散。晶界擴(kuò)散在其移動(dòng)方向上不具有指向性，因此，移動(dòng)到了電極表面的發(fā)射體的分布變得不均勻。此外，在朝向沿著前端部的周向的表面移動(dòng)后因表面濃度擴(kuò)散而朝向電極前端部的前端面?zhèn)纫苿?dòng)時(shí)，發(fā)射體的提供耗費(fèi)時(shí)間。

擴(kuò)散速度根據(jù)電極溫度而不同，因此，朝電極前端部的前端面?zhèn)纫苿?dòng)的發(fā)射體的提供量也不穩(wěn)定，使得在電極前端部附近，發(fā)射體濃度產(chǎn)生偏差。其結(jié)果是，電弧放電的輝點(diǎn)容易移動(dòng)到發(fā)射體的濃度高的部位，照明發(fā)生閃爍而變得不穩(wěn)定。

因此，需要始終穩(wěn)定地向電極前端部的前端面?zhèn)雀咝姨崆暗靥峁┌l(fā)射體，使得電極前端部中的發(fā)射體濃度均勻化。

用于解決問(wèn)題的手段

本發(fā)明的放電燈用電極的制造方法的特征在于，使柱狀的前端固體部件與柱狀的主體固體部件經(jīng)由彼此的接合面進(jìn)行固相接合，其中，所述前端固體部件構(gòu)成電極前端部的至少一部分，且含有發(fā)射體，所述主體固體部件至少構(gòu)成電極主體部，且具有直徑比前端固體部件的接合面大的接合面，針對(duì)通過(guò)固相接合而生成的電極材料，以形成錐狀的電極前端部的方式實(shí)施切削加工。

例如，制造出陰極，將其作為電極在放電燈中使用。作為發(fā)射體，可以應(yīng)用釷鎢等，前端固體部件、主體固體部件的形狀是任意的，此外，作為材質(zhì)，可以應(yīng)用金屬材料或陶瓷材料等。此外，作為固相接合方法，可以應(yīng)用各種擴(kuò)散接合，尤其是，可以通過(guò)sps接合進(jìn)行固相接合。

在本發(fā)明中，前端固體部件的直徑小于主體固體部件的直徑。而且，通過(guò)在固相接合后進(jìn)行切削加工，能夠構(gòu)成僅高效地將容易生成楔部分、且接合強(qiáng)度較弱的接合面端部去除后的電極。

例如，可以是，在進(jìn)行切削工序時(shí)，在電極材料中，至少切削前端固體部件與主體固體部件的接合面周緣部分。尤其是，可以以如下方式進(jìn)行切削加工：在電極材料中，將在前端固體部件的接合面周緣部分處形成的楔部分去除。此外，也可以以如下方式進(jìn)行切削加工：在電極材料中僅保留前端固體部件的接合面中央部。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的切削加工，可以構(gòu)成為：前端固體部件的接合面的直徑與主體固體部件的接合面的直徑之比滿足0.05＜d1/d2＜1。

另一方面，本發(fā)明的其它方式的放電燈用電極的制造方法形成具有凸部或凹部(以下記作凸部/凹部)的前端部和具有與前端部的凸部/凹部嵌合的凹部/凸部的主體部，使前端部與主體部抵接，實(shí)施sps接合，該制造方法的特征在于，在sps接合中，使前端部與主體部局部地進(jìn)行固相接合。

為了進(jìn)行局部的固相接合，例如，對(duì)在使電極前端部與主體部的整個(gè)相對(duì)面進(jìn)行固相接合的情況下設(shè)定的接合時(shí)間、燒結(jié)/接合溫度、施加電壓中的至少任意一項(xiàng)進(jìn)行變更/抑制。由此，進(jìn)行局部的固相接合，至少在凸部、凹部中產(chǎn)生沒(méi)有固相接合的部分。該凸部、凹部形成有除了沿著與電極軸垂直的方向的面以外的相對(duì)的面。

利用這樣的制造方法制造出的放電燈具有電極前端部和主體部，其中，所述電極前端部含有發(fā)射體且具有凸部或凹部，所述主體部具有與電極前端部的凸部或凹部嵌合的凹部或凸部。電極前端部具有作為電弧放電的輝點(diǎn)的前端面，構(gòu)成圓錐形狀等電極直徑縮小部的至少一部分。主體部例如為柱狀，也可以使其一部分構(gòu)成電極前端部。

電極前端部例如可以由釷鎢構(gòu)成，主體部可以由純鎢等構(gòu)成。凸部、凹部的形成部位是任意的，只要沿著電極軸向形成凹部、凸部，且沿著與電極軸垂直的方向以外的方向形成彼此相對(duì)的面即可。

此外，凸部、凹部只要為彼此嵌合的形狀即可，可以設(shè)置1組凹部、凸部或多個(gè)凹部、凸部。其中，此處的嵌合表示其形狀彼此匹配且相對(duì)面彼此大致接觸那樣的(不是以分子級(jí)而是以宏觀級(jí)進(jìn)行觀察時(shí))形狀。例如，作為凸部/凹部的形狀，可以形成為圓柱、三棱柱、四棱柱等柱狀。

在本發(fā)明中，電極前端部與主體部局部地進(jìn)行固相接合。在電極前端部與主體部的相對(duì)的多個(gè)面中，在電極前端部的凸部/凹部與主體部的凹部/凸部的彼此相對(duì)的表面的至少一部分中不進(jìn)行固相接合。

由于在凸部、凹部中存在不進(jìn)行固相接合的部分，因此，在燈點(diǎn)亮?xí)r，因晶界擴(kuò)散而移動(dòng)的釷成分在非固相接合部分處朝向與電極軸垂直的方向的移動(dòng)受到限制。其結(jié)果是，沿著與電極軸垂直的方向移動(dòng)的釷成分大多不會(huì)到達(dá)電極表面，更多的釷成分在早期就向電極前端部的前端面方向移動(dòng)。

凸部、凹部的形成位置是任意的，例如，電極前端部的凸部/凹部與主體部的凹部/凸部可以與電極軸同軸地形成。在該情況下，能夠使分散在整個(gè)電極前端部中的釷成分集中地向電極前端部的前端面?zhèn)纫苿?dòng)。

考慮到釷成分的提供而不使凹部、凸部固相接合，而使除此以外的相對(duì)面彼此固相接合，由此，能夠提高電極強(qiáng)度。即，電極前端部與主體部可以構(gòu)成為在電極前端部的凸部/凹部與主體部的凹部/凸部之外的、沿著與電極軸垂直的方向而彼此相對(duì)的表面處進(jìn)行固相接合。

在本發(fā)明其它方式的放電燈用的電極的制造方法中，形成多個(gè)固體部件，這多個(gè)固體部件包含具有電極前端面的前端側(cè)固體部件和被電極支承棒支承的后端側(cè)固體部件，且多個(gè)固體部件中的至少1個(gè)為金屬部件，針對(duì)所述多個(gè)固體部件，使所述前端側(cè)固體部件與所述后端側(cè)固體部件之間進(jìn)行固相接合，在接合面外徑l(mm)處于2≤l≤60的范圍時(shí)，以滿足以下的條件式的方式進(jìn)行固相接合：

3000≤tt+p≤150093

(1200≤t≤2500、10≤p≤90、3≤t≤60)。

其中，l表示接合面外徑(mm)，t表示接合溫度(℃)，p表示在接合時(shí)所施加的加壓力(mpa)，t表示在加壓狀態(tài)下保持金屬部件的接合時(shí)間(min)。

或者，在本發(fā)明的其它方面的放電燈用電極的制造方法中，以滿足以下的條件式的方式進(jìn)行固相接合：

370.4/l≤(t+p)t/9.8l≤15857.1/l

2≤l≤60、1200≤t≤2500、10≤p≤90、3≤t≤60。

上述兩個(gè)式子設(shè)定了能夠充分維持接合強(qiáng)度的變量l、t、p、t的設(shè)定范圍，它們是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)出的，且是以變量彼此具有相關(guān)關(guān)系的方式設(shè)定的。

在獨(dú)立研究各變量時(shí)，接合面外徑l、接合溫度t、加壓力p、接合時(shí)間t滿足以下的條件即可：

5≤l≤30、1500≤t≤2200、30≤p≤80、5≤t≤30。

作為多個(gè)固體部件，只要至少任意一個(gè)為金屬部件即可。此外，只要在接合之前形成、成型出所述前端側(cè)固體部件和與所述前端側(cè)固體部件接合的所述后端側(cè)固體部件即可。作為前端側(cè)固體部件，只要準(zhǔn)備含有釷的金屬部件即可。此外，作為固相接合的方式，可以應(yīng)用sps接合。

發(fā)明效果

根據(jù)本發(fā)明，能夠基于固相接合來(lái)制造具有優(yōu)異的電極性能的電極。

附圖說(shuō)明

圖1是示意性示出了作為第1實(shí)施方式的短弧式放電燈的俯視圖。

圖2是陽(yáng)極的概略剖視圖。

圖3是示出了放電等離子燒結(jié)裝置的圖。

圖4是示出了條件式(1)的圖形的圖。

圖5是示出了條件式(2)的圖形的圖。

圖6是作為第2實(shí)施方式的陰極的概略剖視圖。

圖7是示出了陰極的制造工序的圖。

圖8是作為第3實(shí)施方式的陰極的概略剖視圖。

圖9是前端部、主體部的接合前的概略俯視圖。

圖10是陰極的示意性俯視圖。

圖11是第4實(shí)施方式的陰極的概略俯視圖。

圖12是表示示出了表1所示的實(shí)施例、比較例的坐標(biāo)位置以及條件式(1)的區(qū)域的圖形的圖。

圖13是表示示出了各實(shí)施例、比較例的坐標(biāo)位置以及條件式(2)的區(qū)域的圖形的圖。

圖14是將圖13一部分放大的圖。

具體實(shí)施方式

下面，參照附圖說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。

圖1是示意性示出了第1實(shí)施方式的短弧式放電燈的俯視圖。

短弧式放電燈10是能夠在形成圖案的曝光裝置(未圖示)的光源等中使用的放電燈，具有透明的石英玻璃制的放電管(發(fā)光管)12。在放電管12中，陰極20和陽(yáng)極30隔開(kāi)規(guī)定間隔而相對(duì)配置。

在放電管12的兩側(cè)，石英玻璃制的密封管13a、13b以相對(duì)的方式與放電管12一體設(shè)置，密封管13a、13b的兩端被燈頭19a、19b封閉。放電燈10以陽(yáng)極30處于上側(cè)、陰極20處于下側(cè)的方式沿著鉛直方向配置。如后所述，陽(yáng)極30由兩個(gè)金屬部件40、50構(gòu)成。

在密封管13a、13b的內(nèi)部，配設(shè)有支承金屬性的陰極20、陽(yáng)極30的導(dǎo)電性的電極支承棒17a、17b，電極支承棒17a、17b分別經(jīng)由金屬環(huán)(未圖示)、鉬等金屬箔16a、16b與導(dǎo)電性的引線棒15a、15b連接。密封管13a、13b與設(shè)置在密封管13a、13b內(nèi)的玻璃管(未圖示)焊著在一起，由此，封入有水銀和稀有氣體的放電空間ds被密封。

引線棒15a、15b與外部的電源部(未圖示)連接，經(jīng)由引線棒15a、15b、金屬箔16a、16b以及電極支承棒17a、17b在陰極20、陽(yáng)極30之間施加電壓。當(dāng)向放電燈10提供電力時(shí)，在電極間產(chǎn)生電弧放電，放射水銀的亮線(紫外光)。

圖2是陽(yáng)極的概略剖視圖。

陽(yáng)極30是使金屬部件40、50接合而成的電極結(jié)構(gòu)，金屬部件40由圓錐臺(tái)形狀部分40a和圓柱狀形狀部分40b構(gòu)成，圓錐臺(tái)形狀部分40a包含電極前端面40s，圓柱狀形狀部分40b具有與圓柱狀的金屬部件50相同的直徑，與金屬部件50接合。金屬部件40由高熔點(diǎn)的純鎢等或以鎢為主成分的合金構(gòu)成。

另一方面，圓柱狀金屬部件50由含有熱傳導(dǎo)率比金屬部件40高的金屬(例如，可形成較大形狀的純鎢、釷、鉬、具有吸氣效應(yīng)的鉭、熱傳導(dǎo)性高的氮化鋁、碳材料等)的金屬構(gòu)成。

金屬部件40、50通過(guò)放電等離子燒結(jié)(sps)方式進(jìn)行擴(kuò)散接合。因此，在沿著與電極軸x垂直的方向形成的接合面s附近，形成有擴(kuò)散層。

此處，只有對(duì)接合有貢獻(xiàn)的接合面晶粒局部地變形，除此以外的接合面s附近的晶?；静粫?huì)沿著與接合面垂直的方向(電極軸向)產(chǎn)生變形、二次再結(jié)晶化導(dǎo)致的粒子直徑粗大化、晶界遷移。此外，沿著接合面的晶粒直徑大致均勻，此外，接合面附近的沿著電極軸向的晶粒直徑也大致均勻。

通過(guò)這樣的夾著接合面s的擴(kuò)散層的形成，使得熱傳導(dǎo)特性、導(dǎo)電性不會(huì)沿著接合面s產(chǎn)生偏差。在從因燈點(diǎn)亮而變?yōu)楦邷氐碾姌O前端面40s(1000℃以上)朝電極支承棒17b輸送熱的期間內(nèi)，陽(yáng)極內(nèi)部的溫度分布以電極軸x為中心呈對(duì)稱性分布，熱輸送不受接合面s的影響。

此外，還可以以如下方式進(jìn)行擴(kuò)散接合：金屬晶體的直徑沿著接合面s大致均勻、且晶體結(jié)構(gòu)沿著電極軸x傾斜化。由于傾斜化，晶體直徑沿著電極軸x連續(xù)地或階段性地變化。

金屬部件40、50的形狀也可以是圖2以外的形狀，也可以以在金屬部件40、50之間夾設(shè)其它金屬部件的方式進(jìn)行固相接合。

圖3是示出了放電等離子燒結(jié)裝置的圖。

放電等離子燒結(jié)法是如下的燒結(jié)方法：在壓粉體或成型體的粒子間隙中直接接通脈沖狀的電能，將因火花放電現(xiàn)象而瞬時(shí)產(chǎn)生的放電等離子的高溫能量應(yīng)用于熱擴(kuò)散、電場(chǎng)擴(kuò)散等。

圖3的放電等離子燒結(jié)裝置60具有真空腔室65，在設(shè)置于真空腔室65內(nèi)部的上部沖頭80a、下部沖頭80b以及石墨制模具80之間，在使具有圖2所示的形狀的金屬部件40、50的接觸面分別接觸的狀態(tài)下設(shè)置金屬部件40、50。金屬部件40、50預(yù)先利用切削等金屬加工處理，被成型為接觸面為相同尺寸。

石墨制的上部沖頭80a、下部沖頭80b分別與上部沖頭電極70a、下部沖頭電極70b連接。在將裝置內(nèi)設(shè)為真空環(huán)境之后，利用脈沖電源90，在上部沖頭80a、下部沖頭80b之間施加電壓。

進(jìn)而，在進(jìn)行通電的同時(shí)利用加壓機(jī)構(gòu)(未圖示)在上部沖頭80a、下部沖頭80b之間施加壓力。利用通電而產(chǎn)生的放電等離子，瞬時(shí)升溫到規(guī)定的溫度，然后，在施加壓力的狀態(tài)下保持一定時(shí)間。由此，得到具有圖2所示的形狀的陽(yáng)極。

接下來(lái)，使用圖4、5，對(duì)電極制造時(shí)的接合條件進(jìn)行說(shuō)明。

如上所述，在對(duì)金屬部件40、50進(jìn)行sps接合時(shí)，設(shè)定接合溫度、加壓力、接合/保持時(shí)間。這些參數(shù)的設(shè)定對(duì)電極性能影響較大。此外，這些參數(shù)與接合面的直徑大小具有相關(guān)關(guān)系，為了求出最佳的條件，需要將接合面外徑，接合溫度、加壓力、接合時(shí)間設(shè)定為適當(dāng)?shù)闹怠?/p>

在本實(shí)施方式中，求出各參數(shù)的適當(dāng)?shù)闹?，并?dǎo)出表示參數(shù)間的相關(guān)關(guān)系的式子。以滿足導(dǎo)出的條件式的方式設(shè)置參數(shù)，由此，無(wú)需啟發(fā)式(heuristic)地設(shè)定各參數(shù)，即可在一定程度上自動(dòng)地得到電極性能優(yōu)異的電極結(jié)構(gòu)。

首先，將接合面外徑l(mm)設(shè)定為滿足2≤l≤60。在接合面外徑l小于2mm的情況下，不能增大接合時(shí)的加壓，在接合面以外局部地產(chǎn)生微小放電，接合不穩(wěn)定。如果增大接合時(shí)的加壓，則接合之前的金屬材料容易發(fā)生破裂或變形。此外，還會(huì)發(fā)生釷的擴(kuò)散，從而釷含有量減少、燈性能下降。另一方面，在接合面外徑l大于60mm時(shí)，用于得到接合面的平滑度的加工處理變得煩雜，且釷使用量過(guò)多。

將接合時(shí)的接合溫度t(℃)設(shè)定為滿足1200≤t≤2500。在接合溫度t大于2500℃的情況下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)釷的熔點(diǎn)(約1800℃)，接合面附近的最上層中含有的釷的一部分發(fā)生熔融而蒸發(fā)。如果釷擴(kuò)散到接合面，則接合強(qiáng)度下降。另一方面，在接合溫度t小于1200℃的情況下，不能得到足夠的接合強(qiáng)度。

將接合時(shí)的加壓力p(mpa)設(shè)定為滿足10≤p≤90。如果加壓力p高于90mpa，則在進(jìn)行接合時(shí)，金屬部件容易發(fā)生破裂或變形。此外，需要使兩個(gè)金屬部件正對(duì)而同軸地進(jìn)行加壓，但在加壓的方向上產(chǎn)生偏差，在接合面產(chǎn)生翹曲或凹陷，接合面附近的密度變得不均勻。另一方面，在加壓力p小于10mpa的情況下，不能得到足夠的接合強(qiáng)度。

而且，將作為接合時(shí)的金屬部件保持時(shí)間的接合時(shí)間t(min)設(shè)定為滿足3≤t≤60。在保持時(shí)間t長(zhǎng)于60min時(shí)，生產(chǎn)率下降。另一方面，在保持時(shí)間t小于3min的情況下，不能得到足夠的接合強(qiáng)度。

這樣，針對(duì)sps接合時(shí)的接合面外徑l、溫度t、加壓力p、接合時(shí)間t，分別設(shè)定實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的電極性能的數(shù)值范圍。不過(guò)，在這些參數(shù)之間具有相關(guān)關(guān)系，難以分開(kāi)地改變各參數(shù)而決定出實(shí)現(xiàn)更優(yōu)異的電極性能的參數(shù)組合。

因此，在本實(shí)施方式中，規(guī)定了兩個(gè)條件式。分別對(duì)滿足條件式的數(shù)值范圍進(jìn)行圖形化，由此，使4個(gè)參數(shù)的范圍可視化。

首先，將考慮了接合時(shí)的能量的1個(gè)條件式規(guī)定為如下這樣。

3000≤tt+p≤150093·····(1)

(2≤l≤60)

一邊改變接合面外徑l，一邊以滿足(1)式的下限值、上限值的方式設(shè)定接合溫度t、加壓力p、接合時(shí)間t。

圖4是示出了條件式(1)的圖形的圖。如圖4所示，通過(guò)定義橫軸l、縱軸tt+p的2維坐標(biāo)系，將滿足(1)式的范圍圖形化為區(qū)域s1。根據(jù)矩形區(qū)域s內(nèi)的(l，tt+p)坐標(biāo)位置，接合強(qiáng)度發(fā)生變化。

此外，規(guī)定了將接合強(qiáng)度考慮在內(nèi)的如下條件式。

370.4/l≤α/l≤15857.1/l·····(2)

(α＝(t+p)t/9.8、2≤l≤60)

圖5是示出了條件式(2)的圖形的圖。如圖5所示，通過(guò)定義橫軸l、縱軸(t+p)t/(9.8l)的2維坐標(biāo)系，將滿足(2)式的范圍圖形化為區(qū)域s2。

通過(guò)這樣將各參數(shù)的可設(shè)定范圍圖形化，即使在制造電極結(jié)構(gòu)不同的、即接合面外徑不同的電極的情況下，也能夠容易地估計(jì)并設(shè)定用于獲得同等優(yōu)異的熱傳導(dǎo)性、強(qiáng)度的數(shù)值。

尤其是，通過(guò)在以下的范圍內(nèi)設(shè)定接合面外徑l、接合溫度t、加壓力p、接合時(shí)間t，能夠制造出具有更優(yōu)異的電極性能的電極。

5≤l≤30、1500≤t≤2200、30≤p≤80、5≤t≤30

·····(3)

這樣，根據(jù)本實(shí)施方式，使包含釷等成分的金屬部件40與純鎢金屬等金屬部件50進(jìn)行sps接合而形成陽(yáng)極。而且，在sps接合時(shí)，在上述設(shè)定的容許范圍內(nèi)設(shè)定接合面外徑l、接合溫度t、加壓力p、接合時(shí)間t，且將它們?cè)O(shè)定為滿足(1)、(2)式。

也可以利用sps接合以外的擴(kuò)散接合方法來(lái)制造電極。例如，可以通過(guò)熱壓(hp)、熱等靜壓處理(hip)等在進(jìn)行加壓的同時(shí)進(jìn)行燒結(jié)的擴(kuò)散接合方式來(lái)制造電極。此外，還可以應(yīng)用擴(kuò)散接合方法以外的固相接合法(摩擦壓接法、超聲波接合法等)。

此外，關(guān)于陰極，可以使不同的金屬部件進(jìn)行固相接合。此外，也可以使一方為金屬部件、使另一方為由其它材料構(gòu)成的部件(陶瓷等)來(lái)進(jìn)行固相接合。此外，還可以在部件之間夾設(shè)插入(インサート)部件來(lái)進(jìn)行接合。

接下來(lái)，使用圖6、7，對(duì)作為第2實(shí)施方式的放電燈進(jìn)行說(shuō)明。在第2實(shí)施方式中，通過(guò)使直徑不同的部件進(jìn)行固相接合，來(lái)成型出電極。

圖6是作為第2實(shí)施方式的陰極的概略剖視圖。

陰極120采用了使兩個(gè)金屬部件1110、1120接合、然后利用切削加工進(jìn)行成型而得到的電極結(jié)構(gòu)。金屬部件1110構(gòu)成前端部120a的一部分，金屬部件1120構(gòu)成柱狀的主體部120b，并構(gòu)成前端部120a的主體側(cè)部分。

金屬部件1110是由釷鎢構(gòu)成的金屬部件，金屬部件1120由熱傳導(dǎo)率比金屬部件1110高的金屬(此處為純鎢)構(gòu)成，其中，釷鎢是含有二氧化釷(tho2)的鎢。

金屬部件1110、1120通過(guò)放電等離子燒結(jié)(sps(sparkplasmasintering))進(jìn)行擴(kuò)散接合。因此，在與電極軸e垂直的接合面s附近，形成有擴(kuò)散層。金屬晶體的直徑沿著接合面s基本均勻。此外，關(guān)于電極軸e，除了接合面s附近以外，晶體直徑大致均勻。通過(guò)這樣的夾著接合面s的擴(kuò)散層的形成，熱傳導(dǎo)特性、導(dǎo)電性沿著接合面s不具有偏差。

圖7是示出了陰極的制造工序的圖。使用圖7，對(duì)sps接合以及切削加工進(jìn)行說(shuō)明。此外，關(guān)于陽(yáng)極，也可以同樣地進(jìn)行制造。

首先，分別成型出圓柱狀的金屬部件1110、1120。此時(shí)成型為：金屬部件1110的直徑d1小于金屬部件1120的直徑d2。此處，在3＜d1＜30、5＜d2＜60時(shí)(均為mm單位)，以滿足0.05＜d1/d2＜1的方式設(shè)定直徑d1、d2。以至少去除后述的楔部分的方式設(shè)定上限值。此外，下限值根據(jù)電極前端部的傾斜角度、接合條件等來(lái)設(shè)定。

與實(shí)施方式1同樣地對(duì)所準(zhǔn)備的金屬部件1110、1120進(jìn)行sps接合處理。由此，得到電極材料1200。

進(jìn)而，對(duì)所生成的電極材料1200實(shí)施切削加工。此處，以形成虛線k所示的圓錐狀的電極前端面的方式，對(duì)金屬部件1110、1120分別進(jìn)行局部切削。針對(duì)金屬部件1110，將接合面1110s的中央部1110t以外的部分削去，針對(duì)金屬部件1120，將接合面1120s的周緣部削去。關(guān)于切削方法、切削器具等，可利用現(xiàn)有公知的方法、器具等來(lái)進(jìn)行。

關(guān)于虛線k所示的切削面的位置、即形成電極外周面的位置，根據(jù)金屬部件1110、金屬部件1120的直徑d1、d2的大小及其差異、電極外周面的傾斜角度、金屬部件1110的厚度等進(jìn)行設(shè)定。尤其是，要設(shè)定為：至少將金屬部件1110的接合面周緣部1110t去除，而保留接合面中央部分1110c。

切削后的電極材料1200由圓錐狀的金屬部件1110和金屬部件1120構(gòu)成，從而成型出圖6所示的由電極前端部120a、主體部120b構(gòu)成的陰極120，其中，金屬部件1120的一部分為圓錐臺(tái)狀，其它部分為圓柱狀。

這樣，根據(jù)本實(shí)施方式，利用sps接合，接合具有由釷鎢構(gòu)成的電極前端部120a的放電燈用陰極120。在sps接合工序中，經(jīng)由接合面1110s、1120s，對(duì)圓柱狀金屬部件1110、圓柱狀金屬部件1120進(jìn)行通電加熱，使它們進(jìn)行sps接合，其中，圓柱狀金屬部件1110由釷鎢構(gòu)成，圓柱狀金屬部件1120為純鎢，且具有比金屬部件1110的直徑d1大的直徑d2。然后，以虛線k所示的截面成為電極外周面的方式實(shí)施切削加工。

與純鎢的金屬部件1120的接合面1120s相比，含有釷成分的金屬部件1110的接合面1110s的平滑度較低。直徑越大，其差別越顯著。但是，由于比接合面1120的直徑d2小的接合面1110a的直徑d1相對(duì)較小，因此，在進(jìn)行固相接合后，其影響不容易表現(xiàn)出來(lái)，能夠抑制接合強(qiáng)度的下降。

此外，由于金屬部件1110、1120的物理性質(zhì)的不同，在接合面端部附近，沿著與電極軸垂直的方向產(chǎn)生局部未接合的微小的楔部分。在本實(shí)施方式中，通過(guò)切削金屬部件1110的接合面周緣部1110t，能夠去除在sps接合時(shí)在接合面周緣部1110t處形成的楔。其結(jié)果是，能夠抑制接合強(qiáng)度的下降。

尤其是，能夠以只去除楔部分的方式盡可能地減少金屬部件1110的切削部分，由此使金屬部件1110的直徑d1更加接近金屬部件1120的直徑d2。在sps接合時(shí)，這可以增大加壓力，增大接合強(qiáng)度。

另一方面，若在sps接合時(shí)進(jìn)行通電，則因接合條件等，有時(shí)與金屬部件1110、1120的外周面附近的接合強(qiáng)度相比，接合面中央部分的接合強(qiáng)度較小。但是，由于金屬部件1110的直徑d1相對(duì)較小，因此，其影響較小。此外，對(duì)接合強(qiáng)度較大的金屬部件1110的外周附近進(jìn)行切削的范圍較小。因此，與使直徑彼此相等的接觸面相互抵接的情況相比，中央部的接合強(qiáng)度變大。

在由釷鎢構(gòu)成的金屬部件1110中，有時(shí)在其表面附近產(chǎn)生不存在二氧化釷的部分。但是，由于金屬部件1110的表層部被sps接合之后的切削加工去除，因此，能夠防止二氧化釷欠缺導(dǎo)致的電弧放電的不穩(wěn)定。此外，通過(guò)在sps接合之后進(jìn)行切削加工，由此，不會(huì)在接合面徑向上產(chǎn)生階梯差。其結(jié)果是，在燈點(diǎn)亮?xí)r，不會(huì)產(chǎn)生異常放電。

金屬部件的直徑的尺寸、電極前端面的傾斜角度、前端面截面形狀是任意的，可以構(gòu)成為：切削成不具有階梯差的平坦外周面，形成錐形的電極前端部。此外，金屬部件的材質(zhì)、形狀也是任意的，能夠以在電極前端部中含有釷以外的發(fā)射體的方式構(gòu)成固體部件，還可以利用金屬部件以外的材質(zhì)(陶瓷、碳等)構(gòu)成主體部。此外，也可以使電極前端部構(gòu)成為具有包含釷鎢等發(fā)射體的部件和主體部分的固體部件這兩者。

接下來(lái)，使用圖8～10，對(duì)作為第3實(shí)施方式的放電燈進(jìn)行說(shuō)明。在第3實(shí)施方式中，在接合面中設(shè)置階梯差，局部地進(jìn)行固相接合。

圖8是作為第3實(shí)施方式的陰極的概略剖視圖。圖9是前端部、主體部的接合前的概略俯視圖。以下，對(duì)陰極的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。

陰極220是使具有電極前端面220s的圓錐臺(tái)狀前端部220a與柱狀主體部220b接合而成的結(jié)構(gòu)。前端部220a是含有釷成分作為發(fā)射體的、由釷鎢構(gòu)成的金屬，主體部220b由熱傳導(dǎo)率高的金屬(此處為純鎢)或包含該金屬的合金等構(gòu)成。

前端部220a在其中央部與電極軸e同軸地設(shè)置有朝主體部側(cè)突起的凸部223，主體部220b具有與該凸部223的形狀吻合的凹部226。通過(guò)使該前端部220a、主體部220b進(jìn)行固相接合，成型出陰極220。此處，使用了作為擴(kuò)散接合之一的sps接合。

如圖9所示，前端部220a、主體部220b由多個(gè)端面構(gòu)成，具有彼此相對(duì)的連接表面222、225。在前端部220a側(cè)，形成有與電極軸e垂直的端面222a、222e以及凸部223的端面222c、和與電極軸e平行的端面222b、222d。在主體部220b側(cè)，形成有與前端部220a的端面222a～222e分別相對(duì)的端面225a～225e。

在sps接合處理工序中，使前端部220a的凸部223與主體部220b的凹部226嵌合并抵接，使其相反側(cè)的表面分別與沖頭(未圖示)抵接。前端部220a的凸部223與主體部220b的凹部226在抵接為在端面222b～222d、225b～225d處均沒(méi)有間隙的狀態(tài)下進(jìn)行嵌合，從而得到陰極220。

在放電燈用電極的制造工序中，與第1實(shí)施方式同樣地進(jìn)行sps接合。調(diào)整sps接合中的施加電壓、加壓力、接合溫度、加壓時(shí)間(保持時(shí)間)，使得前端部220a的凸部223與主體部220b的凹部226在端面222b～222d、225b～225d之間不進(jìn)行固相接合(擴(kuò)散接合)，而使位于其周圍的環(huán)狀端面222a、222e和環(huán)狀端面225a、225e分別固相接合。

例如，在將陰極220的直徑m(mm)設(shè)為5≤m≤30的情況下，將施加電壓v、加壓力p(mpa)，燒結(jié)溫度t(℃)，接合時(shí)間t(min)分別設(shè)定為5≤p≤30、1500≤t≤2200、5≤t≤30的范圍來(lái)進(jìn)行sps接合，由此得到上述局部地固相接合的陰極220。

圖10是陰極220的示意性俯視圖。使用圖10，對(duì)燈點(diǎn)亮中的釷成分的移動(dòng)進(jìn)行說(shuō)明。

在變?yōu)闊酎c(diǎn)亮狀態(tài)時(shí)，釷前端部220a內(nèi)部的釷成分(具體而言為二氧化釷)因晶界擴(kuò)散而朝表面移動(dòng)。成分不超過(guò)彼此的端面地移動(dòng)，由于凸部223的內(nèi)部或凸部223的端面222d與主體部220b的凹部226只是簡(jiǎn)單地抵接，因此成分沿著表面移動(dòng)。

該凸部223與凹部226沒(méi)有固相接合而只是抵接，因此，釷成分大多朝電極前端面220s移動(dòng)。即，沿著與電極軸e垂直的方向，釷成分的移動(dòng)受到阻礙，與釷成分朝沿著前端部220a的周向的表面(圓錐面)的移動(dòng)相比，釷成分朝向電極前端面220s的移動(dòng)占支配地位。

其結(jié)果是，內(nèi)部的釷成分以較短的總距離，迅速且早期地到達(dá)電極前端面220s。尤其是，由于凸部、凹部被設(shè)置在中央部，因此，分散在前端部220a內(nèi)部的釷成分被均衡地提供到前端面220s，前端面220s附近的釷濃度較少受到時(shí)間經(jīng)過(guò)的影響而變得穩(wěn)定。

此外，與不設(shè)置凸部223的前端部形狀相比，能夠?qū)ν共?23儲(chǔ)存更多的釷成分，因此，即使前端部溫度因點(diǎn)亮條件而變高，也能夠從溫度相對(duì)較低的凸部223依次向前端側(cè)提供足夠的釷成分。

這樣，根據(jù)本實(shí)施方式，放電燈的陰極220由以釷鎢構(gòu)成的前端部220a和以純鎢構(gòu)成的主體部220b構(gòu)成。使前端部220a的凸部223與主體部220b的凹部226嵌合來(lái)實(shí)施sps接合。此時(shí)，不使凸部223與凹部226進(jìn)行固相接合，而在除此以外的端面222a、225a以及222e、225e處進(jìn)行固相接合。

凸部223、凹部226以盡量沒(méi)有間隙的方式緊密接觸，此外，在形成前端部220a、主體部220b時(shí)，也成型出端面的平滑度。不過(guò)，可以不使凸部223、凹部226的端面嚴(yán)格地平滑，還可以具有局部地形成有微小空隙的程度的表面粗糙度。此外，也可以是，使凸部223、凹部226局部地進(jìn)行固相接合，只要存在在至少一部分端面或在任意一個(gè)端面的一部分中不進(jìn)行固相接合的狀態(tài)即可。

接下來(lái)，使用圖11，對(duì)作為第4實(shí)施方式的放電燈進(jìn)行說(shuō)明。在第4實(shí)施方式中，以相反的方式形成凹凸形狀。除此以外的結(jié)構(gòu)與第3實(shí)施方式相同。

圖11是第4實(shí)施方式的放電燈的陰極的概略俯視圖。

陰極2120由前端部2120a和主體部2120b構(gòu)成，前端部2120a具有凹部2123，主體部2120b具有凸部2126。在前端部2120a和主體部2120b中，彼此相對(duì)的端面2122a、2125a和端面2122e、2125e進(jìn)行固相接合，另一方面，凹部2123、凸部2126不進(jìn)行固相接合，而是彼此嵌合地抵接。

根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，在燈點(diǎn)亮?xí)r，前端部2120a內(nèi)部的釷成分在朝凹部2123的表面2122b、2122d移動(dòng)時(shí)，朝前端面2120s的方向移動(dòng)。由此，釷成分被高效地提供到前端面2120s。

此外，前端部2120a為具有凹部2123的結(jié)構(gòu)，因此，熱容易傳導(dǎo)到前端面2120s。因此，即使在前端部2120a的溫度較低的點(diǎn)亮條件下，也能夠穩(wěn)定地提供釷成分。

以下，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明。此處，為了研究條件式(1)、(2)，制造出多個(gè)實(shí)施例和比較例的陽(yáng)極而進(jìn)行了試驗(yàn)。

實(shí)施例

實(shí)施例1的放電燈對(duì)應(yīng)于實(shí)施方式1的放電燈。關(guān)于條件式(1)，利用sps接合，制造出前端部為釷鎢(thoriatedtungsten)部件、主體部為純鎢部件的陽(yáng)極。此時(shí)，分別改變接合面外徑l、接合溫度t、加壓力p、接合時(shí)間t，制造出了實(shí)施例1～3、比較例1～3的陽(yáng)極。然后，對(duì)制造出的各陽(yáng)極進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。表1示出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

[表1]

實(shí)施例1、比較例1是以不存在插入部件的方式使釷鎢部件和純鎢部件進(jìn)行sps接合而制造出的電極。實(shí)施例2、比較例2是夾設(shè)有鉭(ta)部件作為插入部件來(lái)進(jìn)行sps接合而得到的電極。實(shí)施例3、比較例3是夾設(shè)有錸(re)部件作為插入部件來(lái)進(jìn)行sps接合而得到的電極。

在拉伸試驗(yàn)中，利用材料試驗(yàn)機(jī)的夾具把持電極兩端，以10mm/min的速度進(jìn)行拉伸，測(cè)定出斷裂時(shí)的力。

圖12是表示示出了表1所示的實(shí)施例、比較例的坐標(biāo)位置以及條件式(1)的區(qū)域的圖形的圖。

如圖12所示，本實(shí)施例1～3包含在區(qū)域s1中，此外，根據(jù)表1可知，拉伸強(qiáng)度非常大。與此相對(duì)，比較例1～3不屬于區(qū)域s1，拉伸強(qiáng)度較小。由于接合能量過(guò)剩，因而在拉伸試驗(yàn)中電極發(fā)生了變形。此外，觀察到了釷擴(kuò)散。

這樣，通過(guò)在區(qū)域s1的范圍內(nèi)設(shè)定接合面外徑l、接合溫度t、加壓力p、接合時(shí)間t，可得到優(yōu)異的電極性能。

接下來(lái)，關(guān)于條件式(2)，利用sps接合，制造出前端部為釷鎢部件、主體部為純鎢部件的電極。此時(shí)，改變接合面外徑l、接合溫度t、加壓力p、接合時(shí)間t，制造出了實(shí)施例5～8、11～15、比較例1～4、9～10的陽(yáng)極。然后，對(duì)制造出的陽(yáng)極進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。表2示出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。不過(guò)，與表1不同的是，此處，根據(jù)制造和試驗(yàn)順序，對(duì)實(shí)施例和比較例分配了編號(hào)。

[表2]

圖13是表示示出了各實(shí)施例、比較例的坐標(biāo)位置以及條件式(2)的區(qū)域的圖形的圖。圖14是將圖13的一部分放大的圖。

在圖13、14中參照表2的實(shí)施例的編號(hào)、比較例的編號(hào)可知，所有比較例均位于區(qū)域s2的范圍外。此外，根據(jù)表2可知，在比較例中，觀察到釷擴(kuò)散、接合強(qiáng)度不足或電極變形。另一方面，在所有實(shí)施例中，接合強(qiáng)度較大，且得到了優(yōu)異的電極性能。

在上述實(shí)施例中，是對(duì)釷鎢前端部和鎢主體部進(jìn)行接合的結(jié)構(gòu)，但通過(guò)除此以外的金屬固體部件彼此的sps接合，也能夠得到相同的結(jié)果。

關(guān)于本發(fā)明，在不脫離由所附權(quán)利要求書(shū)定義的本發(fā)明的意圖以及范圍的情況下，可進(jìn)行各種變更、置換、替代。此外，本發(fā)明不旨在限定于說(shuō)明書(shū)所記載的特定實(shí)施方式的處理、裝置、制造、結(jié)構(gòu)物、手段、方法以及步驟。只要是本領(lǐng)域技術(shù)人員，則應(yīng)意識(shí)到，根據(jù)本發(fā)明的公開(kāi)，可導(dǎo)出實(shí)質(zhì)地起到與此處所記載的實(shí)施方式發(fā)揮的功能相同的功能或?qū)嵸|(zhì)發(fā)揮同等作用和效果的裝置、手段、方法。因此，應(yīng)意識(shí)到，所附權(quán)利要求書(shū)包含在那樣的裝置、手段、方法的范圍中。

本申請(qǐng)是以日本申請(qǐng)(日本特愿2012-208372號(hào)，2012年9月21日申請(qǐng)；日本特愿2012-212807號(hào)，2012年9月26日申請(qǐng)；日本特愿2012-214630號(hào)，2012年9月27日申請(qǐng))為基礎(chǔ)申請(qǐng)而請(qǐng)求優(yōu)先權(quán)的申請(qǐng)，以參照的方式，將包含基礎(chǔ)申請(qǐng)的說(shuō)明書(shū)、附圖以及權(quán)利要求在內(nèi)的公開(kāi)內(nèi)容組合到本申請(qǐng)整體中。

標(biāo)號(hào)說(shuō)明

10放電燈

12放電管

30陽(yáng)極

40金屬部件(前端側(cè)固體部件)

50金屬部件(后端側(cè)固體部件)

s接合面