TW201511080A - 放電燈管用電極、具有該放電燈管用電極的放電燈管及該放電燈管的製造方法 - Google Patents

Abstract

對於將複數構件固相接合而成的電極，提高電極的接合強度。透過固相接合及切削加工，形成由前端側的金屬構件20A與後端側的金屬構件20B組成的陰極20。切削加工時形成的陰極20的錐面20Q更形成有跨過接合面的溝部R，溝部R包括微細溝以及雷射照射而成的寬溝。此時，切削加工會使得金屬構件20B產生撕裂(tear)，但金屬構件20A不產生撕裂。

Description

放電燈管用電極、具有該放電燈管用電極的放電燈管及該放電燈管的製造方法

本發明係有關於使用於曝光裝置等當中的放電燈管，且特別有關於接合了複數的金屬構件的電極構造。

短弧型放電燈管會將高亮度的光照射於基板等的曝光對象物。因為曝光對象物的大型化、還為了提高吞吐率，放電燈管被要求高輸出化，並且伴隨於此而有額定消耗電力增加的需求。

若高功率化，習知的單一金屬構成的電極構造中，會對電子釋放、熱釋放、耐久性等產生影響。另，因電極重量變大，電極支持棒等的負擔大。

因此，有一種接合了複數的金屬來構成電極的方案被提出。例如，將含有釷的釷鎢等組成的電極前端部與純鎢等組成的後方主體部做固相接合，構成電極(參照專利文獻1、2)。

[先行技術文獻]

[專利文獻]

專利文獻1：日本特開2011-154927號公報

專利文獻2：日本特開2011-070823號公報

將不同的金屬固相接合來構成電極的情況下，因為熱膨脹率的不同等，伴隨接合時的昇溫與降溫，接合面的外緣附近容易產生間隙。當點亮燈管時電極溫度變高，恐有間隙擴大，電極破損之虞。又，即使將相同材質的金屬構件做固相接合之電極，也會有楔狀的間隙形成於接合面的附近。

因此，透過固相接合形成的電極必須提高接合面附近的接合強度。

本發明的放電燈管具有放電管以及配置於該放電管內的一對電極。一對的電極中的至少一者是將前端側構件及後端側構件固相接合而成的電極。前端側構件位於電極前端面側，也就是靠近另一電極側。後端側構件位於靠近電極支持棒的位置。後端側構件比前端側構件的延展性高/大。

前端側構件與後端側構件可由金屬構件構成。例如，前端側構件以釷鎢構成，後端側構件以延展性相對較高的鉬構成。

本發明中，電極側面形成有溝部，該構部跨越前端側構件與後端側構件之間的接合面，也就是說該溝部使接合面介於其間。「電極側面」包括形成於電極前端部的錐面，也包括主體部分的側面(外周面)。

為了提昇接合強度而形成的溝部具有比放熱用溝的毫米等級的間距與深度更小的溝間距與溝深度。例如，可形成具有100μm以下的間距、深度的溝。藉由這種微細溝的形成， 在延展性高的後端側構件的接合面外緣附近會發生較深的變形。

這種含有接合面的溝部，使得後端側構件的側面的表面粗糙度Ra在1.2μm以上即可。又使得前端側構件的側面的表面粗糙度在Ra在0.7μm以下即可。進而，溝部的形成使得後端側構件的側面的反射率比前端側構件的側面的反射率小即可即可。藉由滿足上述數值，能夠提昇接合面強度。

關於微細溝，藉由形成比前端側構件更粗的溝能夠使楔附近產生變形。例如，可在後端側構件的側面形成產生撕裂(tear)的溝。另一方面，考慮電弧放電的穩定性，溝部在前端側構件的側面形成沒有撕裂的微細溝為佳。

微細溝可以在後端側構件的側面比在前端側構件的側面深。在楔附近，後端側金屬構件的表面容易變形。

以切削加工形成電極的形狀的情況下，可以在固相接合電極後的切削加工中形成溝部。使用轉盤等進行切削加工時可同時形成溝部，所以製造步驟不會變得繁雜。

溝部能夠形成有跨越接合面且比微細溝的間距及深度大的寬溝。

本發明其他態樣的放電燈管的製造方法包括：將前端側構件以及比前端側構件的延展性高的後端側構件固相接合；以及對固相接合的電極構件側面進行切削加工。切削加工中，在電極構件側面形成跨越前端側構件與後端側構件之間的接合面的溝部。例如，切削加工中，後端側構件的側面可形成具有撕裂的微細溝。

本發明其他態樣的放電燈管用電極包括：前端側構件以及與前端側構件固相接合的後端側構件。電極的側面形成有溝部，溝部跨越該前端側構件及該後端側構件的接合面。也可將延展性相同的構件彼此固相接合。

根據本發明，對於將複數構件進行固相接合而成的電極，能夠提高該電極的接合強度。

10‧‧‧短弧型放電燈管

12‧‧‧放電管

13A、13B‧‧‧密封管

15A、15B‧‧‧導棒

17A、17B‧‧‧電極支持棒

19A、19B‧‧‧金屬蓋

20、200‧‧‧陰極

20A、200A‧‧‧金屬構件(前端側構件)

20B、200B‧‧‧金屬構件(後端側構件)

20S、200S‧‧‧電極前端面

20Q、200Q‧‧‧錐面

23A‧‧‧圓錐台形狀部分

23B‧‧‧圓柱狀部分

30‧‧‧陽極

30A‧‧‧金屬構件(前端側構件)

30B‧‧‧金屬構件(後端側構件)

30S‧‧‧電極前端面

33A‧‧‧圓錐台形狀部分

33B‧‧‧圓柱狀部分

d‧‧‧溝深

DS‧‧‧放電空間

E‧‧‧電極軸

P1、P2‧‧‧間距

R、100R‧‧‧溝部

rr‧‧‧寬溝

r、r1A、r1B‧‧‧微細溝

S1、S2‧‧‧接合面

W‧‧‧楔

第1圖係概略顯示第1實施型態的短弧型放電燈管的平面圖。

第2圖係陽極、陰極的概略側面圖。

第3圖係陰極的部份側面圖。

第4圖係陰極的金屬構件接合面附近的放大圖。

第5圖係第2實施型態的陰極的部份側面圖。

第6圖係接合面附近的陰極的照片。

第7圖係第6圖的照片放大圖。

第8圖係使用電子顯微鏡拍攝的接合面附近的照片。

以下，參照圖式說明本發明的實施型態。

第1圖係概略顯示第1實施型態的短弧型放電燈管的平面圖。

短弧型放電燈管10是能夠做為形成圖樣的曝光裝置(未圖示)的光源等來使用的放電燈管，具備透明的石英玻 璃製的放電管(發光管)12。放電管12中，陰極20與陽極30隔著既定間隔相對配置。

放電管12的兩側有相對的石英玻璃製的密封管13A、13B與放電管12一體地設置。密封管13A、13B的兩端被金屬蓋19A、19B塞住。放電燈管10在此沿著鉛直方向配置，使陽極30位於上側，陰極20位於下側。

密封管13A、13B的內部配置了支持金屬製的陰極20、陽極30用的導電性的電極支持棒17A、17B，透過金屬環(未圖示)以及鉬這類的金屬箔16A、16B而分別連接到導電性的導棒15A、15B。密封管13A、13B與設置於密封管13A、13B內的玻璃管(未圖示)熔接，藉此將封入水銀及惰性氣體的放電空間DS密封。

導棒15A、15B連接至外部的電源部(未圖示)，該電源部透過導棒15A、15B、金屬箔16A、16B、以及電極支持棒17A、17B對陰極20、陽極30施加電壓。當電供給至放電燈管10，電極間發生電弧放電，放射出水銀的亮線(紫外光)。

第2圖係陽極、陰極的概略側面圖。

陰極20是由具有垂直於電極軸E的電極前端面20S的金屬構件(前端側構件)20A、以及在其後方與金屬構件20A接合的金屬構件(後端側構件)20B所構成。被電極支持棒17A所支持的金屬構件20B由圓柱狀部分23B及圓錐台形狀部分23A所組成，圓錐台形狀的金屬構件20A會與金屬構件20B的圓錐台形狀部分23A接合。

陽極30是由具有垂直於電極軸E的電極前端面30S 的金屬構件(前端側構件)30A、以及與金屬構件30A接合的金屬構件(後端側構件)30B所構成。金屬構件30A由圓錐台形狀部分33A及圓柱狀部分33B所組成，圓柱狀的金屬構件30B會與金屬構件30A的圓柱狀部分33B接合。

前端側的金屬構件20A是由釷鎢等以鎢為主成分的合金、或者是純鎢(W)等的高熔點金屬所構成。另一方面，後端側的金屬構件20B是比金屬構件20A更具延展性的金屬，或者是以該金屬為主成分的合金。在此，金屬構件20B是由鉬(Mo)所構成。陽極30的金屬構件30A、30B分別是由純鎢(W)及鉬所構成。

第3圖是陰極的部分側面圖。第4圖是陰極的金屬構件接合面附近的放大圖。現在使用第3、4圖，來說明形成於陰極側面的溝部。

陰極20是將金屬粉體燒結並固化後的素材(將成為金屬構件20A、20B)以放電電漿燒結(SPS燒結)的方式進行固相接合，再利用轉盤進行切削加工後製造而成。透過切削加工，形成了陰極20的錐面(縮徑面)20Q。

切削加工中，沿著垂直電極軸E的方向，也就是沿著周方向來切削金屬構件20A、20B。在此，對於接合面S1以±10°以下的角度α進行切削。然後，在用以形成具有錐面20Q的電極的切削步驟中，同時形成溝部R。

溝部R跨過接合面S1形成，由微細的溝(以下稱為微細溝)所組成。微細溝r是與切削加工處理時同時地以既定的間距P1所形成的溝。間距P1定在1μm~5μm的範圍。這比起 形成於習知的放電燈管的放熱用溝還來得小許多。第4圖中，關於微細溝r，將形成於金屬構件20A的微細溝以「r1A」表示，將形成於金屬構件20B的微細溝以「r1B」表示。

形成於後端側的金屬構件20B的微細溝r1B是會有撕裂的溝，溝深d到達比工具刀刃位置更深的位置。只不過，在此，將溝深d以從連接溝山頂點的線到底部的距離來表示。另一方面，在延展性相對較低的金屬構件20A上則形成有沒有或者是幾乎不產生撕裂的微細溝r1A。比起金屬構件20B側，金屬構件20A側的溝深d較小(淺)。

調整切削加工時的轉盤的旋轉數/旋轉速度、刀刃材質、切入角度、切入量等，來形成夾有上述接合面S1的，深度、粗糙度等表面狀態不同的微細溝r。在此，在連續地切削加工的期間進行調整，使得溝以接合面S1為邊界產生差異。

因為金屬構件20B上的溝是有撕裂的溝，因此深度d相對地比較不均一，但會調整刀刃的切入量等使得深度在5μm以上。另一方面，對於金屬構件20A也會調整刀刃的切入量等來防止撕裂的產生。

當金屬表面變粗，光的亂反射變強，反射率降低。原本光的反射率在鉬的表面比鎢的表面大，但藉由形成微細溝r(r1A、r1B)，在溝部R的範圍內金屬構件20B側的反射率會變得比金屬構件20A側的反射率小。另外，藉由切削加工，金屬構件20B的表面粗糙度Ra在1.2μm以上，金屬構件20A的表面粗糙度Ra在0.7μm以下。

如上所述，後端側的由鉬(Mo)所組成的金屬構 件20B比起前端側的由鎢(W)所組成的金屬構件20A的延展性高，較容易變形。因此，若將金屬構件20A、20B固相接合，如第3圖所示，接合面S1的外緣附近容易產生楔W。這個楔W大多是以微米等級產生。

然而，微細溝r形成於接合面S1附近時，延展性相對較高的金屬構件20B因為形成有會產生撕裂的程度的微細溝r1B，所以在接合面S1的外緣附近會產生塑性變形。這是因為調整切削時施加於金屬構件20B的力等、以及沿著接合面S1(10°以內)進行切削加工等而造成的。可以進行切削加工使上述的表面粗糙度Ra到達1.2μm以上，來做為形成這種微細溝r1A的標準。

結果，楔W的形狀產生變化，變成與形成於接合面S1附近的微細溝r相同程度的尺寸。產生於接合面S1的楔W從朝向電極中心側深切入的狀態產生形狀變化，視情況也有可能變成崩塌的狀態。這防止了燈管點燈中因為接合面S1附近的熱膨脹差異而產生以楔為起點的接合部破損。

特別是在錐面20Q的電流密度高，起因於熱膨脹率的差所產生的熱應力從金屬構件20B朝向金屬構件20A強力地作用，但因為接合強度高，所以能夠維持高熱傳導性以及電傳導性。這樣一來，能夠將前端側金屬構件20A的釷含量限制在必要的最小限度。

另外，藉由在前端側的金屬構件20A也形成微細溝r1A，當燈管點燈中金屬構件20B朝向金屬構件20A施加熱應力時，透過微細溝r1A使熱應力散逃，能夠防止在接合面S1附近 產生缺陷。為了實現上述作用，能夠形成微細溝r1A使表面粗糙度Ra在0.7μm以下。

又，金屬構件20B表面附近因為切削加工的塑性變形，會讓金屬構件20B在接合面S1附近形成往電極中心側蝕入的微細溝r1B，能夠強化接合面S1在外緣附近的接合強度。特別是利用純鉬來形成金屬構件20B，容易產生撕裂，容易增大表面粗糙度Ra。

另一方面，在金屬構件20A側面的微細溝r1A實質上沒有產生撕裂，因此形成了間距或深度均一的溝。因此，由延展性低的鎢所組成的金屬構件20A不會發生破裂或缺陷，在燈管點燈時的電弧放電穩定。由於這種微細溝r是在切削加工的同時形成，所以不會使電極製造步驟變繁雜。

以上雖說明了形成於陰極20的錐面20Q的溝部R，但陽極30也會形成與陰極20相同的溝部。結果，由鎢組成的金屬構件30A與由鉬組成的金屬構件30B形成有溝部，該溝部將接合面S2挾在其間，金屬構件30B上形成有產生撕裂的微細溝。藉此，能夠提高接合強度、熱傳導性、導電性。

根據本實施型態，將前端側的金屬構件20A與後端側的金屬構件20B固相接合並切削加工來形成陰極20。切削加工時所形成的陰極20的錐面20Q上，更形成了包括微細溝r的溝部R。此時，所進行的切削加工會讓金屬構件20B產生撕裂，但讓金屬構件20A不產生撕裂。

接著，使用第5圖來說明第2實施型態的短弧型放電燈管。第2實施型態中，更形成有放熱用溝部。

第5圖示第2實施型態的陰極的側面圖。

陰極200由包含前端面200S的前端側金屬構件200A、以及後端側金屬構件200B所組成。在形成錐面200Q的切削加工時，更形成了由微細溝組成的溝部100R。

在微細溝r形成後，藉由雷射照射使間距大的溝rr(以下稱為寬溝)重疊形成。寬溝rr具有比微細溝更大的等級(毫米等級)的間距P2及深度d’(未圖示)。在此，間距P2定在0.1mm~1.0mm的範圍，深度d’定在0.1~0.5mm的範圍。特別是把間距P2定在0.2mm~0.5mm的範圍，深度d’定在0.2~0.5mm的範圍較佳。

經切削加工後的雷射照射而形成於溝部R的寬溝rr會提高電極放熱效果，且同時因為雷射照射而融化的部分金屬會埋入楔W中，會進一步地提昇接合強度。

微細溝也可以用切削加工以外的方法形成，形成不產生撕裂的微細溝/凹凸面。可在接合面強度會上升的範圍內形成具有適當深度、間距的溝。特別是，形成後端側的溝深比前端側的溝深大的溝部較佳。

例如，可以以100μm以下的間距來形成微細溝，並且對後端側金屬構件進行切削加工時使微細溝的深度在100μm以下。這是因為楔W大多以微米等級產生，比上述範圍大的溝的話就無法將楔W充分埋入。

溝部的形成範圍可以只有在接合面附近的一部分，或者是可以在錐面20Q的全體。另外，利用雷射照射以外的方法(切削加工等)也可以形成間距大的寬溝，也能夠只形 成微細溝或只形成寬溝。

關於前端側的金屬構件20A以及後端側的金屬構件20B的金屬材料的選擇，要使金屬構件20B的延展性比金屬構件20A相對地高。例如，金屬構件20B可用鉭/鉬、或者是以鉭/鉬為主成分的合金來構成。

另外，也可以使用3個以上的金屬構件來形成電極。也可以使只有一對電極中的一方的電極在接合面附近形成溝部，又即使是在形成於錐面或圓柱表面任一者的接合面上也能形成溝部。也可以使用金屬構件以外的構件來進行固相接合，也能夠適用於短弧型放電燈管以外的放電燈管。

第1、第2實施型態中，雖使用不同的金屬構件來進行固相接合，但也可以使用同種類的金屬構件來進行固相接合。即使金屬構件的延展性相同，接合面容易形成微小的楔，能夠藉由形成微細溝來防止楔擴大。

以下使用第6~8圖來說明本發明的實施例。

[實施例]

額定電力5kW的短弧型放電燈管的陰極是將釷鎢組成的金屬構件以及鉬組成的金屬構件以SPS燒結方式進行固相接合，之後藉由切削加工形成陰極形狀。陽極是將鎢組成的前端側金屬構件及鉬組成的後端側金屬構件進行固相接合，在透過切削加工而得。陰極全長是20mm，從陰極前端面至接合面的距離是5mm，接合面的徑長是16mm。

第6圖是接合面附近的陰極的照片。第7圖是第6圖的放大照片。第8圖是以電子顯微鏡拍攝的接合面附近的照片。

如第6圖所示，溝部沿著接合面的方向形成，並且跨過接合面。又如第7、8圖所示，後端側的金屬構件有產生撕裂。

因為切削加工使得溝部沿著接合面形成且後端側構件產生有撕裂，所以接合面端部不產生楔狀的間隙，在點燈期間接合部不會發生破損。

20‧‧‧陰極

20A‧‧‧金屬構件(前端側構件)

20B‧‧‧金屬構件(後端側構件)

20S‧‧‧電極前端面

20Q‧‧‧錐面

R‧‧‧溝部

r‧‧‧微細溝

S1‧‧‧接合面

Claims (11)

1. 一種放電燈管，包括：放電管；一對的電極，配置於該放電管內，其中該一對的電極中的至少一者是將前端側構件以及比該前端側構件更具延展性的後端側構件固相接合而成的電極，該電極的側面形成有溝部，該溝部跨越該前端側構件及該後端側構件的接合面。
2. 如申請專利範圍第1項所述之放電燈管，其中在該後端側構件的側面的該溝部，形成有具有撕裂(tear)的微細溝。
3. 如申請專利範圍第1至2項所述之放電燈管，其中該微細溝在該後端側構件的側面比在該前端側構件的側面深。
4. 如申請專利範圍第1至3項所述之放電燈管，其中該溝部在固相接合後的切削加工中形成。
5. 如申請專利範圍第1至4項所述之放電燈管，其中該構部更形成有跨越該接合面且比該微細溝的間距以及深度更大的寬溝。
6. 如申請專利範圍第1至5項所述之放電燈管，其中該溝部在該後端側構件的側面的表面粗糙度Ra在1.2μm以上。
7. 如申請專利範圍第1至6項所述之放電燈管，其中該溝部在該前端側構件的側面的表面粗糙度Ra在0.7μm以下。
8. 如申請專利範圍第1至7項所述之放電燈管，其中該溝部在該後端側構件的側面的反射率比在該前端側構件的側面的 反射率小。
9. 一種放電燈管的製造方法，包括：將前端側構件以及比該前端側構件的延展性高的後端側構件固相接合；以及對固相接合的電極構件側面進行切削加工，其中在該切削加工中，在該電極構件側面形成跨越該前端側構件與該後端側構件之間的接合面的溝部。
10. 如申請專利範圍第9項所述之放電燈管的製造方法，其中在該切削加工中，該後端側構件的側面形成具有撕裂的微細溝。
11. 一種放電燈管用電極，包括：前端側構件；以及後端側構件，與該前端側構件固相接合，其中電極的側面形成有溝部，該溝部跨越該前端側構件及該後端側構件的接合面。