TWI470666B - A discharge lamp, a discharge lamp electrode, and a discharge lamp electrode - Google Patents

Description

放電燈、放電燈用電極、及放電燈用電極的製造方法

本發明係有關於利用於曝光裝置等的放電燈，且特別有關於短弧型放電燈等高輸出放電燈的電極構造。

短弧型放電燈將高亮度的光照射基板等曝光對象物。隨著曝光對象物的大型化、處理量的上升，放電燈被要求高輸出化，連帶著也被要求增加定格消耗電力。當電力增大，在習知的電極構造下會對電子放出、熱放出、耐久性等產生影響。因此，組合結晶、種類等不同的金屬的電極構造是必須的。

例如，當增大定格電力時，因陰極前端部的電流密度較大使電極消耗激烈，電弧放電的光點會移動而造成不安定的放電。因此，有一種藉由直流放電處理裝置熔融陰極前端部，使前端部的結晶構造粗大化的電極構造可用來做為安定電弧放電的構造(參考專利文獻1)。

而當增大定格電力時，燈管的電極間流過得電流量增加，電極溫度上升。特別是陽極前端部會處於高溫狀態，使得隨著時間經過陽極前端部會熔融、蒸發。最後，除了因為不安定電弧放電、或陽極熔融造成的金屬管內表面附著等導致發光效率下降，還會因為電極消耗導致燈管壽命降低。

為了防止這樣因為過熱導致的電極熔融，有一種將比金屬電極本體熱傳導率高且熔點低的金屬材料封入本體內部空間的電極構造被提出(參照專利文獻2)。在該構造中，蓋部件會熔接至底筒狀的金屬部件，形成設有密閉空間的電極。

[專利文獻1]特開2002-110083號公報

[專利文獻2]特開2004-259644號公報

即使改變電極表面附近的結晶構造、金屬組成，也無法整體地大幅改善熱傳導性、導電性、耐久性等電極特性。特別是輸出功率大的放電燈，並無法指望熱放出特性也會大幅上升。然而若組合同種類或不同種類的部件來構成電極，部件間的接合狀態會對耐久性、熱傳導性等帶來影響。

例如，利用電子束等熔接方式接合金屬部件構成電極時，沿著接合面的金屬結晶粒徑肥大化，且粒徑大小不均一。而沿著電極軸方向的結晶粒徑變化不連續，使接合部分出現結晶邊界。因此電極強度會在接合部分下降。

當結晶粒徑的大小等金屬組織在接合面附近不均一或不連續時，沿著電極軸方向的熱傳導特性在接合面全體不會均一，電極內部的無法順利地輸送熱。結果電極內部產生局部的過熱狀態，加速電極的消耗。

因此，為了不帶給電極特性不良影響，需要組合複數的部件來構成電極。

本發明的放電燈，包括：放電管以及配置於該放電管內的一對電極，例如短弧型放電燈(特別是高輸出的放電燈)。放電燈的至少一電極是由複數固體部件固相接合所形成的電極，複數固體部件中至少一者是金屬部件。例如可接合複數金屬部件，構成電極的固體部件數目任意。可以直接接合固體部件或是中介能提昇部件間接合性能的部件來接合(也可將此中介部件視為複數的固體部件)。

構成電極本體的複數固體部件包括被電極支持棒支持的固體部件(以下稱為後端固體部件)以及具有電極前端面的固體部件(以下稱為前端固體部件)，後端固體部件與前端固體部件之間透過固相接合形成電極。固相接合中，一邊使固體部件間的接合面互相接觸、加壓、加熱，一邊接合固體部件。

在本發明中，形成該金屬部件接合面的結晶粒(以下稱接合面結晶粒)至少一部分會因接合而變形，除此之外的結晶粒在接合前後不會實質地變形。例如，接合面結晶粒會在接合面(貢獻接合的表面)的全體產生結晶粒的變形或粒界移動，結晶粒的變形是對接合有貢獻的變形。特別是接合面不是超平滑面的情況下，容易形成大的結晶粒，而產生微小的間隙。

另一方面，接合面結晶粒以外的金屬結晶粒在接合面附近不會沿著接合面垂直方向實質地發生因接合導致的變形。在此「不會實質地發生」指的是不會發生直接貢獻接合的結晶粒變形(結晶粒生成)、粒界移動，接合前的結晶粒在接合後幾乎沒有變形。

這樣的固相接合，也就是說直接接合地利用接合面結晶粒，並使此外的金屬組織(結晶粒)不受接合影響，透過這種部件間接合，接合後的金屬部件在接合面附近的結晶粒徑具備均一的特性。也就是說，金屬部件的結晶粒沿著金屬部件的接合面幾乎均一，又沿著接合面垂直方向幾乎均一。

因此，在接合面附近，不會像電子束熔接等產生一次、二次再結晶的肥大化結晶粒，肥大化結晶粒也不會沿著接合面垂直方向層狀地形成。結晶粒徑等金屬組織特性在接合面方向、接合面垂直方向沒有不連續地變化。

藉此，在接合面的金屬結晶組織具有在耐久性、熱傳導性上有較平衡的優秀結構。在接合面透過確實的固相接合能獲得必要的強度，另外有關熱傳送、導電性，結晶特性也僅在接合面上與其他的金屬組織不同。因此，該能力比起一體成形的電極並不會有顯著的下降。

像這樣在接合面附近的導電性、熱傳導性、耐久性相當安定，因此不會有熱傳導性、耐久性等局部地下降，導致部分電極急遽地消耗的擔憂。因此為了提昇熱傳導性、電子放出特性、耐久性等，能夠選擇種類不同或相同的固體部件，自由地設計電極形狀並將其接合，以獲得具有優秀特性的電極構造。

根據本發明另一個觀點的放電燈用電極，配置於放電燈的放電管內，由包括具有電極前端面的前端固體部件與被電極支持棒支持的後端固體部件的複數固體部件所構成。其中放電燈用電極是由複數固體部件在前端固體部件與後端固體部件之間固相接合所形成，複數固體部件中至少一者是金屬部件。形成該金屬部件接合面的接合面結晶粒至少一部分會因接合而變形，該接合面結晶粒以外的金屬結晶粒在接合面附近不會實質地產生沿著接合面垂直方向的接合變形。

另一方面，本發明其他觀點的放電燈或者是放電燈用電極可以具備在固相接合中傾斜化接合面的電極。也就是說，放電燈具備放電管、配置於放電管內的一對電極，至少一電極是由複數的固體部件固相接合而成的電極。

而複數固體部件中至少一者為金屬部件，金屬部件的結晶粒徑沿著部件間的接合面是幾近均一的，而該金屬部件的該接合面附近，金屬結晶、結晶組織沿著接合面垂直方向傾斜化。

「傾斜化」記載於例如以下的參考文獻1、2。

[參考文獻1]「專利流通支援表」15年度化學14　輕金屬基複合材料

獨立行政法人工業所有權‧研修館

1. 1. 1輕金屬基複合材料的技術　(7)傾斜化

(http://www.ryutu.inpit.go.jp/chart/H15/kagaku14/1/1-1.pdf)

[參考文獻2]「傾斜機能材料的技術展開」CMC出版2009年9月22日發行

第1章　傾斜機能材料的外觀

1. 3　傾斜機能材料的基本概念　第5、6頁

1. 6　傾斜機能材料的展望　第10頁

如文獻1、2所記載，所謂傾斜化指的是組成、組織、或是除此之外的機能在其內部連續變化的狀態。本發明的情況下，是表示金屬結晶，也就是金屬部件的構造，其特性、性質、機能沿著接合面垂直方向連續地或階段地變化，而在接合面附近發現分布(傾斜)構造。舉一個具體的特徵就是，固相接合包含金屬部件的複數固體部件時，結晶粒徑由接合面朝向遠離的方向連續地變化。

在本發明藉由固相接合分別準備的固體狀部件，使得在接合面，金屬結晶粒的組成、金屬組織成為具有優秀耐久性、及熱傳導性的構造。金屬結晶粒徑沿著固體部件間的接合面幾乎均一，沿著接合面垂直方向的結晶在接合面附近傾斜化。也就是說，在接合面附近結晶會是階段的或連續的，不會有激烈的結晶變化。

即使在接合面附近，因導電性、熱傳導性、耐久性安定，因此不會有熱傳導性、耐久性等局部地下降，導致部分電極急遽地消耗的擔憂。為了提昇熱傳導性、電子放出特性、耐久性等，能夠選擇種類不同或相同的固體部件，並將其接合以獲得具有優秀特性的電極構造。

在接合面的結晶粒變形、或傾斜化可在滿足避免偏向部分或局部的條件範圍下全體地形成。有關固相接合方式，可採用利用熱擴散、電場擴散等的固相接合法。例如，較好的是採用固相接合法之一的擴散接合。具體來說，能夠透過放電電漿燒結(SPS接合法)等來接合固體部件。在固相接合程序中，加熱條件、加壓條件等的設定要使得結晶粒變形/傾斜化得以實現。

固體部件的接合面平滑程度有很多種情況，其中在非超平滑面的情況下，接合面會產生微小間隙。因此會考量盡可能只以微小間隙為對象加熱使結晶粒不發生變形。這個情況下，較好的方法就是透過放電電漿燒結方式的接合(SPS接合)來接合固體部件。

有關固體部件的組合方面，可以因應熱輸送效果、耐久性等目的來決定固體部件的組合，電極形狀也可以因應目的來決定。構成電極的固體部件數目為任意。例如，短弧形放電燈等的電極是由圓錐台形狀的電極前端部與圓柱形狀的電極本體部所構成，接合面可因應固體部件的組合、形狀而位於電極前端部、或電極本體部。

具體的固體部件組成可以是前端固體部件與後端固體部件兩者的組合來構成電極本體。例如，圓錐狀部份與圓錐台部份組成的電極形狀的情況下，可以接合構成電極前端部與電極本體部一部分的固體部件與構成剩下的電極本體部的固體部件，或是可以接合構成電極本體部與電極前端部一部分的固體部件與構成剩下的電極前端部的固體部件。或者是電極前端部與電極本體部用個別的固體部件構成，再將兩者接合。

例如，電極前端部全體以一個固體部件構成時，能夠以圓錐台形狀的電極前端部以及具有和第2固體部件相同直徑長度的圓柱形狀接合部來構成第1固體部件。若是做成這樣的構造，能夠比較自由地設計本體部的組成，例如形成內部空間於本體部、或在周方向形成放熱鰭片等。

另一方面，若一個固體部件只構成電極前端部的一部分時，能夠以本體部以及與第1固體部件接合的圓錐台形狀電極接合部來構成第2固體部件。若是做成這樣的構造，可以做僅改變電極前端部特性的設計。

考量提高沿著電極軸方向的熱輸送效果時，較佳的是接合熱傳導率不同的固體部件，然後以熱傳導率相對較高的固體部件來構成電極支持棒那端的電極本體部。例如，能夠以純鎢等高熔點固體部件構成電極本體部。另一方面，以構成自由的電極形狀為目的，也能夠接合相同種類、相同特性的固體部件來形成電極。

當電極前端部由一個固體部件構成時，能夠以圓錐台形狀的電極前端部與圓柱形狀的接合部來構成前端固體部件。若是做成這樣的構造，能夠比較自由地設計本體部的組成，例如形成內部空間於本體部、或在周方向形成放熱鰭片等。另一方面，也可以用一個固體部件只構成電極前端部的一部分。

通常電極形狀是以電極軸為中心對稱的，熱、電流會沿著電極軸移動。因此，較好的是沿著電極軸以適當的材料將固體部件配置於適當的位置。可以固相接合固體部件使得接合面沿著電極軸垂直方向形成。例如，在固相接合後切削形成電極時，沿著電極軸垂直方向形成接合面的話，工作中的電極安定性相當高。

而將陽極配置於鉛直上方的放電燈中，使熱傳導率高的固體部件接合鎢等電極前端部時，由電極前端面往接合面，電極軸方向的距離相等。因此沿著電極軸的熱傳送不會不均勻，點燈中的溫度分佈會以電極軸為中心對稱分佈，不會因局部的過熱產生電極摩擦。

考量防止電極過熱的話，較佳的是在熱輸送同時提昇熱放出效果。如果沒有使要接合的固體部件接觸面完全平坦(超平滑面)的話，沿著接合面的間隙即使在接合後仍會部份地殘留，熱會在點燈期間由間隙放出。因此，也可以固相接合具有沿著接合面形成間隙的接觸面的固體部件。例如，可在電極表面附近沿著周方向形成楔並設置間隙。

如上所述，在電極製造程序中可透過例如SPS接合來接合複數的固體部件。這個情況下，較佳的是透過盡可能提高送往接合面的電流密度來局部加熱接合面。因此，若將沿著金屬部件的接合面面積(貢獻給接合的面積)以S01表示，將金屬部件充填部份沿著電極軸垂直方向的剖面面積以S02表示，最好能滿足S02>S01的條件。例如，可將接合面附近做成圓錐形狀來縮小接合面面積。

或者是，可在電極內部設置密閉空間，使接合面做為周緣部份。考量到接合部分(也就是加熱部分)相對於電極軸均一分佈，接合時的強度平衡較優秀，較佳的是構成的S01使略圓柱狀的電極本體部的徑方向剖面積最小，也就是說接合面是圓狀或環狀。

為了不管接合面的平滑程度提昇固體部件間的接合狀態，可以挾著軟的部件於要接合的固體部件之間。為了提昇強度，較佳的是透過中介固體部件將金屬部件接合至其他固體部件。例如，中介固體部件是比要接合的固體部件還要軟的部件所構成。在此，所謂「軟的」部件指的是例如，因為硬度低、富有延性或展性，在接合時比固體部件變形來得大的部件。

例如金屬部件是鎢時，比鎢軟的金屬可以包括鉬、鉭、釩、鈮、鈦、金、鉑、錸中至少一者。而考量安定熱傳導性與導電性，中介固體部件可以是包括鎢的合金。

做為電極構造，可藉由設置凹狀金屬部件再接合複數固體部件以在電極內部形成密閉空間，以及將點燈時會熔融的低熔點金屬封入密閉空間來提昇電極軸方向的熱輸送效率。

在這個情況下，電極本體形成後，電極支持棒會接合於後端固體部件。此時電極支持棒側來的壓力會使後端固體部件變形，而該壓力可能會傳達到接合面導致接合面剝離。

為了防止上述情形發生，較好的是凹狀金屬部件的接合面位於比該後端固體部件與該電極支持棒之間的接合前端部更靠近放電燈中心(靠另一方電極)的位置。有關接合面，較佳的是構成的接合面(例如，構成金屬部件的凹部壁面與端面兩者的接合面)沒有通達密閉空間的間隙。而考量防止熔融金屬流入接合面，較佳的是凹狀金屬部件的接合面位於比點燈時熔融金屬的凝固範圍更接近電極支持棒的位置。

為了提高電極本體的放熱效果，較佳的是增加表面積。可以藉由接合複數的固體部件以鰭片狀、薄片狀形成電極，達成習知的製造方法中較困難的深溝狀電極構造。

例如，電極可具備尺寸、徑長不同的複數板狀固體部件，接合複數板狀固體部件使電極徑長沿著電極軸方向變化。接合徑長不同的版狀固體部件，能夠構成電極軸垂直方向的電極徑相對於柱狀電極本體部斷續地增加或減少的電極。

或者是，可作成沿著電極軸方向配置鰭片的電極形狀。例如，做為複數的固體部件，可準備具有電極前端面的電極前端部件、在周方向以既定間隔排列複數鰭片，且複數鰭片從比該電極前端部件尺寸、徑長小的筒狀部件往徑方向延伸的主體部件，構成同軸接合電極前端部件與筒狀部件的電極。藉此，柱狀電極本體部上沿著電極軸方向能形成深溝。另外，也可以是鰭片與電極前端部接合在一起的構造。

在這種具有鰭片形狀的電極情況下，形成鰭片使電極前端部件的接合面構成溝的終端面一部分，保護鰭片免於放電，防止因放電而過熱的氣體直接進入接合部。複數的鰭片具有不從電極前端部件的接合面突出的徑方向尺寸。

而為了提高放熱性而增加鰭片數，會導致電極本體部分的剖面積變小，電極軸方向的熱傳導下降，因此，若將沿著主體部件的電極軸垂直方向的截面積以S11表示，將沿著填滿複數鰭片之間的溝情況下的假想主體部件的電極軸垂直方向的截面積以S12表示，較佳的是滿足S12×2/3≦S11。

根據本發明其他觀點的放電燈用電極的製造方法，在前端固體部件與後端固體部件之間固相接合複數固體部件，其中複數固體部件包括含有電極前端面的前端固體部件與被電極支持棒所支持的後端固體部件，且複數固體部件至少一者是金屬部件。此製造方法的特徵在於固相接合複數固體部件時，會使形成金屬部件接合面的接合面結晶粒至少一部分會因接合而變形，接合面結晶粒以外的金屬結晶粒在接合面附近不會實質地產生沿著接合面垂直方向的接合變形。例如，做為僅貢獻接合面結晶粒接合的固相接合法，較佳的是採用給予接合面微小間隙局部加熱的SPS接合。

另一方面，本發明其他觀點的放電燈用電極的製造方法，在第1固體部件與第2固體部件之間固相接合複數固體部件，其中複數固體部件包括含有電極前端面的第1固體部件與被導電性電極支持棒所支持的第2固體部件，複數固體部件至少一者是金屬部件。此製造方法的特徵在於固相接合複數固體部件時，會使金屬部件的結晶粒徑沿著部件間的接合面是幾近均一的，在金屬部件的接合面附近，金屬結晶沿著接合面垂直方向傾斜化。

根據本發明其他觀點的放電燈用電極或放電燈不只包括上述的固相接合的電極，也就是實質僅有接合面結晶粒的面接合、傾斜化的電極，更包括融接等其他接合方法來接合複數固體部件的電極。放電燈具備放電管、配置於放電管內的一對電極，其中至少一電極是熔接複數固體部件所形成的電極。複數固體部件中至少一者是金屬部件。

這樣的放電燈用電極或放電燈可以是具備上述的特徵之一的電極結構，也就是設置中介固體部件的結構、設置密閉空間並相對電極支持棒接合部或金屬凝固範圍調整接合面位置的結構、增加電極表面積的薄片結構、鰭片結構。

根據本發明，能夠不影響電極特性構成組合各種固體的電極。

以下參照圖式說明本發明實施型態。

第1圖係形式地表示第1實施型態的短弧型放電燈的平面圖。

短弧型放電燈10是能夠使用於形成圖案的曝光裝置(未圖示)的光源等的放電燈，具備透明石英玻璃製的放電管(發光管12)。放電管12中，陰極20與陽極30隔著既定間隔對向配置。

放電管12的兩側具有彼此相對且與放電管12一體成型的石英玻璃制封止管13A、13B。封止管13A、13B的兩端由金屬19A、19B所塞住。放電燈10的陽極30於上側，陰極20於下側，兩者沿著鉛直方向配置。如後所述，陽極30由2個金屬部件40、50所構成。

封止管13A、13B的內部配置有支持金屬性陰極20、陽極30的導電性的電極支持棒17A、17B、透過金屬環(未圖示)、鉬等金屬箔16A、16B分連接導電性的導體棒15A、15B。封止管13A、13B與設於封止管13A、13B內部的玻璃管(未圖示)熔著在一起，藉此封閉用來封入水銀、稀有氣體的放電空間DS。

導體棒15A、15B連接至外部的電源部(未圖示)。透過導體棒15A、15B、金屬箔16A、16B、電極支持棒17A、17B，得以在陰極20與陽極30之間施加電壓。當放電燈10被供給電力，電極間會產生電弧放電，而由水銀發出光線(紫外光)。

第2圖係陽極的概略剖面圖。

陽極30是由具有電極前端面40S的金屬部件(前端固體部件)40、以及與金屬部件40接合的金屬部件(後端固體部件)50所構成的電極。金屬部件40由電極前端面40S的圓錐台形狀部分40A、與圓柱狀的金屬部件50相同直徑且連接金屬部件50的圓柱形狀部分40B所構成。金屬部件50在後端面50B由電極支持棒17B所支持。

金屬部件40是由純鎢等高熔點金屬或主要成分是鎢的合金所構成。另一方面，圓柱狀金屬部件50是由含有比金屬部件40高熱傳導率的金屬(例如，形狀可以做大的純鎢、鉬、具有吸氣劑(getter)效果的鉭、熱傳導性高的氮化鋁、碳原料等)所構成。

金屬部件40、50透過放電電漿燒結(SPS燒結)的方式固相接合。在本實施型態，調整接合時的過熱、加壓，做為構成接合面的金屬部件40、50的結晶粒，也就是接合面結晶粒會變形而對接合有所貢獻，而在此外的金屬組織內，起因於接合的結晶變形不會實質地沿著電極軸方向產生。

金屬部件40、50分別藉由燒結金屬粉末來固體化，金屬組織成為一次再結晶化構造。另一方面，當固相接合金屬部件40、50以構成電極30時，在金屬部件40、50的接合面S附近，沿著電極軸方向、接合面方向，並不會發生二次再結晶所導致的結晶粒肥大化、粒界移動等情況，沿著電極軸X不會形成結晶組織肥大化、變形的接合層。

也就是說，在金屬部件40、50的接合面，僅有相對的露出的接合面結晶粒會產生接合變形，除此之外的金屬結晶粒，不管是接合面方向或是垂直方向，幾乎不會發生對接合有影響的變形、再結晶化、粒界移動。藉由這樣的固相接合，接合後的金屬部件在接合面附近的結晶粒徑沿著金屬部件的接合面幾乎均一，沿著接合面的垂直方向也幾乎均一。

形成具有這種接合面S的金屬組織，使得熱傳導特性、導電性在沿著接合面S方向不會有不均勻的情況。在因點燈而處於高溫狀態的電極前端面40S(1000℃以上)往電極支持棒17B輸送熱的期間，陽極內部的溫度分佈會以電極軸X為中心對稱分佈，熱輸送幾乎不會受到接合面S的影響。

第3圖係表示放電電漿燒結裝置。

使用放電電漿燒結(SPS)的接合法是將脈衝電能量直接投入成形體的粒子間隙，並適合將因火花放電現象而瞬間產生的放電電漿的高溫能量熱擴散、電場擴散等的接合方法。

第3圖的放電電漿燒結裝置60具備真空室65，設置於真空室65內部的上部衝頭80A、下部衝頭80B、及石墨模具80三者之間配置具有第2圖的形狀的金屬部件40、50，金屬部件40、50處於彼此的接合面互相接觸的狀態。金屬部件40、50在金屬粉末燒結固體化後，透過切削等金屬加工處理成形。也可以將金屬部件40、50接合後，再藉由切削等成形。

石墨製的上部衝頭80A、下部衝頭80B分別連接上部衝頭電極70A、下部衝頭電極70B。將裝置內部抽為真空後，利用脈衝電源90在上部衝頭80A、下部衝頭80B之間施加電壓。

然後在通電時，同時透過加壓機構(未圖示)在上部衝頭80A、下部衝頭80B之間施加壓力。由於通電產生的放電電漿使溫度升高至既定的燒結溫度後，保持壓力施加的狀態一定的時間。藉此，能夠獲得具有第2圖所示的形狀的陽極。壓力、燒結溫度的設定要使得上述的接合狀態能夠實現，例如，壓力設定在50～100MPa，加壓時間設定在5分～20分，接合面附近的燒結溫度設定在1600℃～1800℃的範圍。

像這樣根據本實施型態，短弧型放電燈10的陽極30是透過SPS接合高熔點的金屬部件40與熱傳導率高的金屬部件50而構成。接合圓錐台狀的金屬部件40與圓柱狀的金屬部件50，接合面S會沿著垂直電極軸X的方向，也就是陽極剖面直徑方向。

點燈期間，電極前端面40S附近極為高溫，但透過金屬部件50前端部的熱有效地往電極支持棒輸送。藉此，能夠防止因為電極過熱導致的電極消耗。一方面，沿著接合面S的結晶粒因接合而發生結晶變形，另一方面，其他的結晶粒幾乎不會發生因接合而發生的再結晶、肥大化、變形、粒界移動等現象。

因此，在垂直於電極軸X的接合面S上，熱傳導性、導電性等全體均等，不會有不均勻的情況。最後，沿著電極軸的熱輸送會在陽極內部全體進行，不會有電極內部局部過熱的疑慮。

接著，使用第4圖說明實施型態2的放電燈。在實施型態2中，在金屬部件之間設置有提高接合強度的金屬部件(以下稱為中介金屬部件)，除此之外的結構則與實施型態1實質地相同。

第4圖係實施型態2的放電燈的陽極剖面圖。

陽極130是金屬部件140與金屬部件150固相接合所形成的電極。而金屬部件140與金屬部件150之間存在有使接合更確實的中介金屬部件155。

中介金屬部件155是將鎢與比鎢軟(延展性較高)的金屬(例如鉬、鉭、釩、鈮、鈦、金、鉑、錸等)的混合物形成為板狀、箔狀的部件，比起金屬部件140與金屬部件150軟。

因為較軟的材質，比起直接接合金屬部件140、150的接合性能來得高，即使金屬部件140、150的接合面不太平滑，也能維持良好的接合狀態。而因為含有鎢，熱傳導性、導電性對電極全體而言比較不容易不均勻。

根據這樣的實施型態2，挾著提高接合強度的中介金屬部件來接合金屬部件。藉此，能更進一步提高電極的接合強度。特別是，即使在金屬部件的接合面包括非超平滑面的微小凹凸的情況，也能夠確實地接合。而做為中介金屬部件155，考量電極性，混合錸與鎢的金屬部件是較好的選擇，但也可以使用不含鎢的中介金屬部件。

接著，使用第5圖說明實施型態3的放電燈。實施型態3當中，陽極的內部形成有密閉空間，並將熔融金屬封入該密閉空間。此外的結構則與實施型態1實質地相同。

第5圖係實施型態3的放電燈的陽極剖面圖。

陽極230由形成有筒狀凹部240P的金屬部件240與接合電極支持棒217B的金屬部件250所構成。金屬部件240的環狀周緣部分240W接合金屬部件250。金屬部件250的接合部分形成有高低差，配合金屬部件240的周緣部分240W，在外周方向形成有溝槽。

電極支持棒217B在陽極250成形後，被嵌入金屬部件250的嵌合部255接合。接合面S比嵌合部255的前端部分更接近放電燈中心。藉此，嵌合電極支持棒217B時，金屬部件250全體變形，防止接合部分剝落。

形成於金屬部件240、250之間的密閉空間245封入了低熔點的熔融金屬。熔融金屬在點燈時熔融，熱循環在密閉空間245內沿著電極軸X產生。接合面S比凝固端面(上端)更皆電極支持棒，而沒有熔融金屬流入接合面S的疑慮。

而接合面S不設置穿過密閉空間245的間隙，凹狀金屬部件240的凹部側面240T及周緣部分240W與金屬部件250結合，金屬部件250的內表面比起接合面S更往放電燈中心突出。因此，能確實防止熔融金屬流入接合面S附近。

根據此實施型態3，陽極內部形成密閉空間，並封入點燈時會熔融的金屬。藉此，陽極前端往電極支持棒的熱輸送能有效地發揮。

又因為形成有密閉空間，對於沿著金屬部件250的接合面S的剖面面積，接合面剖面面積(環狀的圓周部分240T的面積)較小。藉此，接合時的加熱是局部的且對於電極軸是均一的分佈，能夠更有效果地實現接合。一般來說，採用接合面面積比金屬部件剖面面積小的組成構造就可以了。

接著，使用第6、7圖說明實施型態4、5的放電燈。在實施型態4、5當中，設有接觸熔融金屬的突起部。此外的構造與實施型態3實質地相同。

第6圖係實施型態4的放電燈的陽極剖面圖。第7圖係實施型態5的放電燈的陽極剖面圖。

如第6圖所示，陽極330由金屬部件340、350所構成，金屬部件350上有柱狀金屬突起部件390沿著電極軸X與之接合。在此，柱狀金屬突起部件390也可以與金屬部件350一體成型，並藉由切削形成突起。突起部件390的前端部與熔融金屬370相接觸。突起部件390的熱傳導性、熔點比鎢低，比熔融金屬370高。

設置此突起部件390能提高熱輸送效率。而且可以由熱傳導性、熔點的考量上來任意選擇突起部件390的材料。突起部件390也可以接觸到金屬部件340。

第7圖所示的陽極330A當中，金屬部件340固相接合了突起部件390A。藉此，熱輸送在點燈後較早的階段進行，提高金屬部件340的強度。其中突起部件390A可接觸到金屬部件350。

接著，使用第8圖說明實施型態6的放電燈。實施型態6當中，電極主體周圍形成放熱鰭片。此外的構造與實施型態1相同。

第8圖係實施型態6的放電燈的陽極剖面圖。

陽極430是由電極支持棒417B所支持的金屬部件450與位於前端的金屬部件440之間配置尺寸(徑)不同的圓盤形狀的板狀金屬部件480、490的構造，這些部件透過固相接合在一起。板狀金屬部件480、490被軸部件470貫通而做同軸配置。

藉此，能夠實現沿著電極軸X以既定的間隔配置具有鰭片功能的板狀金屬部件480的電極構造。結果，能夠更進一步提高熱的放出。其中，板狀金屬部件480、490的形狀可以是任意(四角形等)，並由不同材質的板狀金屬部件固相接合在一起。

接著，使用第9～11圖說明實施型態7的放電燈。實施型態7當中，沿著電極軸方向延伸的放熱鰭片形成在電極軸本體。除此之外的構造與實施型態1相同。

第9圖係由後端觀看實施型態7的陽極的平面圖。第10圖係實施型態7的陽極的側面圖。第11圖係實施型態7的陽極剖面圖。

如第9圖所示，陽極530由圓錐台形狀的前端部540、柱狀本體部550、鰭片部550A所構成，固相接合前端部540與本體部550以構成陽極530。

本體部550上有與本體部550一體成形的鰭片部550A，由柱狀本體部分550S往徑方向突出，複數的鰭片在圓周方向以既定的間隔排列。沿著電極軸X延伸的鰭片部550A與前端部540的後端面540T接合。前端部540是由鎢所形成的金屬部件，柱狀本體部分550S、鰭片部550A是由主成分為放熱性優良的鉬的金屬部件所構成。在此，柱狀本體部分550S與鰭片部550A透過切削一體成形。

鰭片部550A的徑方向長度設定在不突出前端部540的後端面的長度。藉此，由本體部550的鰭片部550A之間所放出的熱會往電極支持棒及電極側面放出。因此能夠防止電極前端面過熱(參照第11圖)。而鉬的鰭片部550A或其接合部因為前端部540的後端面540S而不露出至陽極前端。因此能夠在放電中獲得保護。其中鰭片的配置、數目、形狀為任意。

增大相對於本體部的鰭片尺寸能提高放熱性，但本體部550的導電性、熱傳導性則會下降，可能導致前端部540過熱。因此，當本體部550的柱狀本體部分550S與鰭片部550A所構成的截面積以S11表示，填滿鰭片部550A之間的溝槽時的柱狀部分截面積(在此相當於前端部540的後端面面積)以S12表示，會設定在滿足S12×2/3≦S11的條件。

接著，使用第12圖說明實施型態8的放電燈。實施型態8當中，與實施型態1～7不同的是接合面附近的傾斜化。除此之外的構造與實施型態1相同。

第12圖係實施型態8的放電燈的陽極剖面圖。

陽極630是由金屬部件680、金屬部件670接合而形成的電極。金屬部件670由圓柱狀部分672與具有凹部674S的圓錐台形狀部分674所構成。然後具有電極前端面680S的金屬部件680嵌合成形於金屬部件670。在SPS接合的接合面S附近，金屬結晶沿著接合面的徑方向幾乎均一，沿著電極軸X的方向則呈現「傾斜化」。

也就是說，在接合面S附近會形成傾斜化層，結晶徑等金屬組織特性會沿著電極軸X連續地、或漸次地、階段地變化，而不會急遽地變化。由於傾斜化，結晶徑會沿著電極軸X連續地變化。

透過這樣的接合，熱傳導特性、導電性沿著接合面S不會有不均勻。點燈時處於高溫狀態的電極前端面40S(1000℃以上)往電極支持棒17B輸送熱的期間，陽極內部的溫度分佈會以電極軸X為中心對稱分佈，熱輸送不會受到接合面S的影響。

製造在接合面附近傾斜化電極的方法可由SPS接合來實行。壓力、燒結溫度設定在能夠實現上述狀態的值。例如壓力定在50～100MPa，加壓時間定在10分～60分，接合面附近的燒結溫度定在1600℃～2000℃的範圍，再考量材質等做適當的設定。

根據本實施型態，短弧型放電燈的陽極630藉由SPS接合高熔點的金屬部件680與高熱傳導率的金屬部件670來構成。接合面S沿著垂直於電極軸的方向，也就是陽極剖面的徑方向。也可以作成實施型態1所示的陽極構造(參照第2圖)。

點燈期間，雖然電極前端面680S附近非常高溫，但透過金屬部件670，前端部的熱有效地往電極支持棒輸送。藉此能夠防止電極過熱導致的電極消耗。而在垂直電極軸的接合面S上，熱傳導性、導電性等全體均等，沒有不均勻。因此，沿著電極軸的熱輸送會在陽極內部全體進行，而不用擔心電極內部會局部過熱。

在實施型態1～8當中，也可以使用SPS燒結法以外的擴散接合法來製造電極。例如，可使用熱加壓(HP)、熱等靜壓壓(HIP)等一邊加壓一邊燒結的接合方式來製造電極。而除此之外的固相接合法(摩擦壓接法、超音波接合法等)也可以適用。透過這些方法也可以使金屬組織均一地安定化。而陰極也可以使用固相接合複數金屬部件的電極構造。

考慮熱輸送以外的電極特性，也可以沿著垂直電極軸方向以外的方向形成接合面。而將沿著接合面形成的間隙做為楔形狀，將電極表面做為鰭片形狀，可更進一步提昇放熱效果。另外，也可以採用不設置間隙於接合面的構造。

構成電極的金屬數目可任意，可以由3個以上的金屬來構成電極。另外也可以是固相接合同種類的金屬，在實施型態3～8中也可以使用與實施型態2相同的中介金屬部件。

在實施型態3中，密閉空間形成於內部，因此接合面積比金屬部件的剖面面積來得小，但也可以將此構造應用於實施型態1～2、4～8當中。也就是說，若將沿著金屬部件的接合面面積(接合部分的面積)以S01表示，將金屬部件的充填部分沿著垂直電極軸方向的剖面積以S02表示，該構造會滿足S02>S01的條件。

另外，也可以一端使用金屬部件，另一端使用非金屬部件(鎢與陶瓷等)來固相接合，要接合部件的至少一者是金屬就可以了。即使是這種部件組合，在接合面附近金屬組織也會處於上述接合狀態。

實施型態1～7所示的電極也可以使用如實施型態8在接合面附近具有傾斜化狀接合狀態的電極來組成。而實施型態3～7也可以由固相接合以外的熔接方式(電子束熔接等)來構成電極。

接著，使用第13～16圖說明本發明實施例1～3。在此，使用對應實施型態1、2、8的陽極來比較SPS接合成形的陽極接合面狀態與電子束熔接成形的接合面狀態。

實施例1

第13圖係以電子顯微鏡顯示實施例1的陽極接合狀態。根據實施型態1，將形狀不同的兩個金屬部件透過SPS接合形成電極。2個金屬部件是燒結鎢(WVMW W 15-40ppmK)的粉末而固形化，由實施型態1所示的圓錐台形狀與圓柱形狀的2個金屬所構成。

進行SPS接合的裝置可以使用SPS Syntex股份有限公司製的SPS燒結裝置，在真空的條件下，由金屬部件兩側施加壓力90MPa，保持接合面附近的燒結溫度在1700℃下10分鐘以進行接合。

在第13圖中，顯示以微米級的解析度來拍攝陽極表面的接合面附近的照片，明顯呈現出接合面的金屬組織。沿著紙面的左右方向形成接合面。

如第13圖所示，只有形成接合面的接合面結晶粒在接合時變形，除此之外的結晶粒並不會沿著接合面的垂直方向產生對接合有貢獻的結晶粒變形、肥大化。也就是說，並不會因接合而形成結晶粒變形、肥大化的層狀結構。結晶粒徑沿著接合面方向及垂直接合面方向均一。而接合前與接合後的電極在電極軸方向長度的變化可做為接合面結晶粒變形的證據。

實施例2

第14圖係以電子顯微鏡顯示實施例2的陽極接合狀態。根據實施型態2，兩個鎢金屬部件之間中介有鎢-錸合金(厚度0.5mm)，並做SPS接合。SPS接合的條件與實施例1實質地相同。

如第14圖所示，與實施例1相同，只有形成接合面的接合面結晶粒在接合時變形，此外的結晶粒不會沿著接合面的垂直方向產生對接合有貢獻的結晶粒變形、肥大化。

實施例3

第15圖係以電子顯微鏡顯示實施例3的陽極接合狀態。根據實施型態8，將形狀不同的兩個金屬部件透過SPS接合形成電極。只不過電極形狀與第12圖不同，是由實施型態1所示的圓錐台形狀與圓柱形狀的2個金屬構成。

SPS接合中，在真空條件下，由金屬部件兩側施加壓力90MPa，保持接合面附近的溫度在1800℃20分鐘進行接合，以形成傾斜化層於接合面。

如第15圖所示，沿著接合面的金屬結晶粒徑幾乎均一，而結晶粒徑等金屬結晶特性沿著電極軸連續地變化、傾斜化。

第16圖係以電子顯微鏡照片表示電子束接合的陽極接合面狀態之比較圖。電子束接合的陽極也同樣是由兩塊金屬構成。NEC Control System股份有限公司製作的電子束熔接裝置被使用於此電子束接合。

第16圖中顯示放大陽極表面附近的接合面的照片。第16圖可看出沿著接合面的金屬粒徑不均一(參照電極表面附近)。而沿著電極軸方向(紙面上下方向)的結晶粒也急遽地、斷續地變化。

如此一來，由SPS燒結成形的電極的金屬組織在接合面附近較安定。因此，在電極強度、點燈中的放熱特性上，都比習知的電極優秀。

10．．．放電燈

12．．．放電管

30．．．陽極

40．．．金屬部件

50．．．金屬部件

S．．．接合面

第1圖係形式地表示第1實施型態的短弧型放電燈的平面圖。

第2圖係陽極的概略剖面圖。

第3圖係表示放電電漿燒結裝置。

第4圖係實施型態2的放電燈的陽極剖面圖。

第5圖係實施型態3的放電燈的陽極剖面圖。

第6圖係實施型態4的放電燈的陽極剖面圖。

第7圖係實施型態5的放電燈的陽極剖面圖。

第8圖係實施型態6的放電燈的陽極剖面圖。

第9圖係由上方觀看實施型態7的放電燈的陽極的平面圖。

第10圖係實施型態7的放電燈的陽極側面圖。

第11圖係實施型態7的放電燈的陽極剖面圖。

第12圖係實施型態8的放電燈的陽極剖面圖。

第13圖係以電子顯微鏡顯示實施例1的陽極接合狀態。

第14圖係以電子顯微鏡顯示實施例2的陽極接合狀態。

第15圖係以電子顯微鏡顯示實施例3的陽極接合狀態。

第16圖係以電子顯微鏡照片表示電子束接合的陽極接合面狀態之比較圖。

17B‧‧‧電極支持棒

30‧‧‧陽極

40‧‧‧金屬部件

40A‧‧‧圓錐台形狀部分

40B‧‧‧圓柱形狀部分

40S‧‧‧電極前端面

50‧‧‧金屬部件

50B‧‧‧後端面

S‧‧‧接合面

Claims (18)

1. 一種放電燈，包括：放電管以及配置於該放電管內的一對電極，其中該一對電極的至少一者是由複數固體部件固相接合所形成的電極，該複數固體部件中至少一者是金屬部件，其特徵在於形成該金屬部件接合面的接合面結晶粒至少一部分會因接合而變形，該接合面結晶粒以外的金屬結晶粒在接合面附近不會實質地沿著接合面垂直方向產生因接合導致的二次再結晶，為一次再結晶構造。
2. 一種放電燈，包括：放電管及配置於該放電管內的一對電極，其中該一對電極的至少一者是由複數固體部件固相接合所形成的電極，該複數固體部件中至少一者是金屬部件，其特徵在於接合後的該金屬部件的接合面附近的結晶粒徑沿著該金屬部件接合面是幾近均一的，又沿著接合面垂直方向也是幾近均一的。
3. 一種放電燈，包括：放電管及配置於該放電管內的一對電極，其中該一對電極的至少一者是由複數固體部件固相接合所形成的電極，該複數固體部件中至少一者是金屬部件，其特徵在於該金屬部件的結晶粒徑沿著部件間的接合面是幾近均一的，而在該金屬部件的該接合面附近，金屬結晶沿著接合面垂直方向傾斜化。
4. 如申請專利範圍第3項所述之放電燈，其中在該金 屬部件的該接合面附近，金屬結晶粒徑沿著接合面垂直方向連續地變化。
5. 如申請專利範圍第1至4項任一項所述之放電燈，其中若將沿著該金屬部件的接合面的面積以S01表示，該金屬部件的填充部分的沿著電極軸垂直方向的截面積以S02表示，會滿足S02>S01。
6. 如申請專利範圍第1至4項任一項所述之放電燈，其中該金屬部件透過中介固體部件與其他固體部件接合，該中介固體部件比要接合的固體部件軟。
7. 如申請專利範圍第6項所述之放電燈，其中該中介固體部件是包括鉬、鉭、釩、鈮、鈦、金、鉑、錸中至少一者的金屬部件。
8. 如申請專利範圍第7項所述之放電燈，其中該中介固體部件是包括鎢的金屬部件。
9. 如申請專利範圍第1至4項任一項所述之放電燈，其中該複數固體部件具有凹狀金屬部件及被導電性電極支持棒所支持的後端固體部件，藉由接合該凹狀金屬部件與該後端固體部件，該電極內形成密閉空間，該凹狀金屬部件的接合面位於比該後端固體部件與該電極支持棒之間的接合前端部更靠近放電燈中心的位置。
10. 如申請專利範圍第9項所述之放電燈，其中放電燈點燈時會熔融的點燈時熔融金屬被封入該密閉空間，該凹狀金屬部件的接合面位於比該點燈時熔融金屬的凝固範圍更接近電極支持棒的位置。
11. 如申請專利範圍第1至4項任一項所述之放電燈，其中該電極具備尺寸不同的複數板狀固體部件，沿著電極軸方向接合該複數板狀固體部件。
12. 如申請專利範圍第1至4項任一項所述之放電燈，其中該複數固體部件包括：電極前端部件，具有電極前端面；以及主體部件，其在周方向以既定間隔排列複數鰭片，所述複數鰭片從比該電極前端部件尺寸小的筒狀部件往徑方向延伸，其中將該電極前端部件與該筒狀部件同軸地接合。
13. 如申請專利範圍第12項所述之放電燈，其中該複數鰭片具有不從該電極前端部件的接合面突出的徑方向尺寸。
14. 如申請專利範圍第12項所述之放電燈，其中若將沿著該主體部件的電極軸垂直方向的截面積以S11表示，將沿著填滿該複數鰭片之間的溝情況下的假想主體部件的電極軸垂直方向的截面積以S12表示，滿足S12×2/3≦S11。
15. 一種放電燈用電極，配置於該放電燈的放電管內，由複數固體部件所構成，該複數固體部件包括含有電極前端面的前端固體部件與被電極支持棒所支持的後端固體部件，其特徵在於該放電燈用電極藉由在該前端固體部件與該後端固體部件之間以固相接合該複數固體部件而形成，該複數固體部件中至少一者是金屬部件，形成該金屬 部件接合面的接合面結晶粒至少一部分會因接合而變形，該接合面結晶粒以外的金屬結晶粒在接合面附近不會實質地沿著接合面垂直方向產生因接合導致的二次再結晶，為一次再結晶構造。
16. 一種放電燈用電極，配置於該放電燈的放電管內，由複數固體部件所構成，該複數固體部件包括含有電極前端面的第1固體部件與被導電性電極支持棒所支持的第2固體部件，其特徵在於該放電燈用電極藉由在該第1固體部件與該第2固體部件之間以固相接合該複數固體部件而形成，該複數固體部件中至少一者是金屬部件，該金屬部件的結晶粒徑沿著部件間的接合面是幾近均一的，在該金屬部件的該接合面附近，金屬結晶沿著接合面垂直方向傾斜化。
17. 一種放電燈用電極的製造方法，在前端固體部件與後端固體部件之間固相接合複數固體部件，該複數固體部件包括含有電極前端面的該前端固體部件與被電極支持棒所支持的該後端固體部件，該複數固體部件至少一者是金屬部件，其特徵在於固相接合該複數固體部件時，會使形成該金屬部件接合面的接合面結晶粒至少一部分會因接合而變形，該接合面結晶粒以外的金屬結晶粒在接合面附近不會實質地沿著接合面垂直方向產生因接合導致的二次再結晶，為一次再結晶構造。
18. 一種放電燈用電極的製造方法，在第1固體部件與第2固體部件之間固相接合複數固體部件，該複數固體部件包括含有電極前端面的該第1固體部件與被導電性電極支持棒所支持的該第2固體部件，該複數固體部件至少一者是金屬部件，其特徵在於固相接合該複數固體部件時，會使該金屬部件的結晶粒徑沿著部件間的接合面是幾近均一的，在該金屬部件的該接合面附近，金屬結晶沿著接合面垂直方向傾斜化。