CN105448641B - 放电灯 - Google Patents

Abstract

放电灯，在对不同的金属部件进行接合而形成电极的放电灯中，使电弧放电稳定来抑制照度变动。在具有阴极(20)、阳极(30)的短弧型放电灯(10)中，通过将由敷钍钨构成的金属部件(22)与热膨胀系数大于金属部件(22)且由钼构成的金属部件(24)固相接合，形成沿着锥形部分(20A)的电极轴垂直方向形成有接合面(S)的阴极(20)。

Description

放电灯

技术领域

本发明涉及在曝光装置等中使用的放电灯，尤其是涉及短弧型放电灯等高输出放电灯的电极构造。

背景技术

在短弧型放电灯中，使阴极、阳极在放电管内相对配置，由于从阴极向阳极的电子发射，产生电弧放电，并进行放电发光。在灯点亮中，电极变为高温状态(例如2000℃以上)，所以作为电极材料，通常使用高熔点的钨(W)。

电极前端部伴随着使用过程而消耗，从具有边缘的形状变形为带有圆角的形状。因此，产生电弧放电的辉点移动，电弧放电变得不稳定，导致照度下降和照度变动。为了防止这样的照度下降和照度变动，在电极前端侧的锥形部分形成突起部，通过限定突起部的晶界的个数，抑制电极前端部的变形(参照专利文献1)。

专利文献1：日本特开2003-132837号公报

在电极制造工序中，对晶界的个数进行调整涉及到繁杂的作业。此外，如果在锥形部分形成突起部，则电极前端部的形状变得复杂，导致制造成本上升。

因此，谋求在不采取繁杂的电极前端部的制造工序的情况下，获得抑制了电极前端部的形状变化的电极构造。

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。并且，至少一个电极具有直径缩小部(例如锥形部分)，通过将接合侧端面平坦的前端侧部件、和热膨胀系数比前端侧部件大且接合侧端面平坦的后端侧部件接合，形成该电极。例如，前端侧部件能够由钨或者以钨为主要成分的合金构成，后端侧部件能够由钼或者以钼为主要成分的合金构成。

在本发明中，后端侧部件的热膨胀系数较大，所以热应力聚集在接合面的周缘附近，应力沿着电极锥形面等直径缩小面，施加到电极前端面周缘附近，由此尽管灯长时间点亮，也可维持电极前端部的形状。这里，“接合侧端面平坦”是指并未有意地在接合侧端面设置槽和凹凸，即不是粗糙面，并不要求是平滑面。只要是以不妨碍热应力在接合面处集中在周缘附近的程度平坦即可。

为了使接合面附近的热传导性等特性稳定，准备均作为固体部件的前端侧部件和后端侧部件，能够通过将前端侧部件和后端侧部件固相接合来形成电极。

关于后端侧部件与前端侧部件的接合面的位置，能够沿着电极轴垂直方向形成在直径缩小部中。利用锥形形状，作用较大的要顶起电极前端面周缘附近的力。

也可以在前端侧部件中，在接合面周缘附近形成延伸部，该延伸部朝远离直径缩小部分的表面的方向延伸。例如，能够在前端侧部件的接合面周缘附近将延伸部形成为翘曲部分。或者，后端侧部件的接合面周缘附近的部分也可以构成为覆盖前端侧部件的接合面周缘。

考虑到电极前端面由于后端侧部件的热膨胀而向另一个电极侧延伸的情况，将灯点亮时的一对电极的电极间距离设定为比针对以下电极确定的规定的电极间距离长：由一种材料一体形成的电极；或者由多种材料形成且后端侧部件的热膨胀系数不大于前端侧部件的热膨胀系数。

在放电灯为短弧型放电灯的情况下，考虑到由于长时间点亮带来的前端侧部件的消耗，将前端侧部件的轴向长度确定为2mm以上即可。

在本发明的另一个方式的放电灯的制造方法中，成型出接合侧端面平坦的前端侧部件、和热膨胀系数比前端侧部件大且接合侧端面平坦的后端侧部件，使前端侧部件和后端侧部件在接合侧端面处接触，一边从两侧以规定的加压力对前端侧部件和后端侧部件进行加压一边通电，通过锻造或者切削加工形成直径缩小部分，由此制造至少一个电极。

根据本发明，在对不同的金属部件进行接合而形成电极的放电灯中，能够使电弧放电稳定来抑制照度变动。

附图说明

图1是示意性示出本实施方式的短弧型放电灯的俯视图。

图2是阴极的概略剖视图。

图3是示出灯点亮中的阴极前端部的变形的图。

图4是第2实施方式的阴极的接合面附近(参照图2的标号Q)的剖视图。

图5是第3实施方式的阴极的接合面附近的剖视图。

图6是将实施例中的电极前端部的位移量曲线图化的图。

标号说明

10：短弧型放电灯；12：放电管；20：阴极；20A：锥形部分(直径缩小部)；22：金属部件(前端侧部件)；24：金属部件(后端侧部件)；30：阳极；C：电极轴；S：接合面；QT：接合面周缘。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。

图1是示意性示出第1实施方式的短弧型放电灯的俯视图。

短弧型放电灯10是能够在进行图案形成的曝光装置(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、阳极30隔开规定间隔相对配置。

在放电管12的两侧，石英玻璃制的密封管13A、13B以相对的方式与放电管12一体设置，密封管13A、13B的两端由灯头14A、14B封闭。在这里，放电灯10以阳极30处于上侧且阴极20处于下侧的方式，沿着垂直方向进行配置。

在密封管13A、13B的内部配设有支承金属的阴极20、阳极30的导电性的电极支承棒17A、17B，电极支承棒17A、17B经由金属环(未图示)和钼等金属箔16A、16B分别与导电性的引线棒15A、15B连接。密封管13A、13B与设置于密封管13A、13B内的玻璃管(未图示)熔敷在一起，由此，将封入有水银和稀有气体的放电空间DS密封。

引线棒15A、15B与外部的电源部(未图示)连接，经由引线棒15A、15B、金属箔16A、16B以及电极支承棒17A、17B，向阴极20、阳极30之间施加电压。在向放电灯10供给电力时，在电极之间产生电弧放电，放射由水银形成的亮线(紫外光)。

图2是阴极的概略剖视图。

阴极20由具有阴极前端面20S的金属部件(前端侧部件)22、和与电极支承棒17A连结的金属部件(后端侧部件)24构成。圆锥台形状的金属部件22具有锥形部分(直径缩小部)20A。金属部件24具有与电极支承棒17A接合的圆柱状部分24B、和与金属部件22接合的锥形部分(直径缩小部)24A。由前端侧部件22的锥形部分22A和后端侧部件24的锥形部分24A构成阴极20的锥形部分(直径缩小部)20A。

在这里，金属部件22构成为将在钨(W)中含有钍的敷钍钨作为材料的电极。另一方面，金属部件24由热膨胀系数比金属部件22大的金属构成，这里利用钼(Mo)成型而成。通过选择钼，与由一种钨材料一体形成的电极相比，重量轻且抗振性优异。另外，金属部件22能够利用以钨为主要成分的合金成型而成，还能够利用纯钨成型而成。此外，金属部件24还可以利用以钼为主要成分的合金成型而成。

由于钍的含有量微小(例如为2wt％以下)，所以，由敷钍钨构成的金属部件22的热膨胀系数实质上与钨的热膨胀系数(大约为4.4×10^－6m/℃)相等。另一方面，由钼构成的金属部件24的热膨胀系数大约为5.2×10^－6m/℃，金属部件24的热膨胀系数比金属部件22的热膨胀系数大。

阴极20通过将金属部件22、24接合而被成型出，这里，基于放电等离子烧结(SPS)进行了制造。具体而言，准备对金属粉末进行烧结并固化得到的圆柱状金属材料1122、1124(参照图2)，并设置于SPS装置。

在SPS装置中，使金属材料1122的平坦的端面(接合侧端面)1122S与金属材料1124的端面1124S紧密接触，一边对金属材料1122和金属材料1124的两端进行加压一边施加电压，通过等离子放电使金属材料1122、1124固相接合。此时的电压值、加压力、加压时间根据电极尺寸等确定。该金属材料1122和金属材料1124分别成为前端侧的金属部件22和后端侧的金属部件24。

并且，通过在固相接合后实施切削加工等加工处理，形成具有锥形部分20A的阴极20。阴极20与由钨构成的阳极30的阳极前端面30S之间的电极间距离D比如下情况时所确定的电极间距离长：仅通过纯钨或者以钨为主要成分的合金成型出阴极20，并在不接合不同的金属部件的情况下成型出阴极20，按照该电极间距离D，相对配置阴极20、阳极30。

阴极20的接合面S沿着与锥形部分20A的电极轴C垂直的方向(这里为90°)形成，在整个接合面S范围内实质上不产生间隙。即，金属材料1122、1124的端面1122S、1124S均是平坦的，所以接合面S不产生由于预先有意地形成的粗糙面或凹凸等引起的间隙。此外，以接合面S的周缘QT也没有间隙的方式进行了固相接合。

根据这样的阴极20的构造，抑制了电弧放电的辉点移动，实现了电弧放电的稳定。以下对此进行说明。

图3是示出灯点亮中的阴极前端部的变形的图。

在灯点亮中，虽然金属部件22、24均被作用要膨胀的力，但是，由于金属部件22的热膨胀系数比金属部件24小，所以，金属部件24的沿着电极轴C的膨胀力在接合面S附近受到阻力。

另一方面，如上所述，将平坦的金属材料端面彼此相互对接并接合，因此接合面S不产生使得被作用应力那样的比较宽大的间隙、空隙。因此，在接合面S附近产生的热膨胀应力集中在接合面S的周缘QT(参照箭头)。

由于作用于后端侧的金属部件24的锥形表面24A的热膨胀力相对比较大等，集中在接合面S的周缘QT的应力沿着锥形表面22A，朝向前端侧的金属部件22的前端面周缘20W进行作用(参照箭头)。其结果是，前端面周缘20W以鼓起的方式发生变化。尤其是，在阴极20的锥形部分20A形成有接合面S，从而，沿着锥形面22A作用的热膨胀力进一步增大。

灯点亮中的阴极前端面20S温度非常高，所以随着点亮时间累积，前端面周缘20W由于熔融等而被消耗，形成了边缘部分的前端面周缘20W发生变形而带圆角。但是，由于从接合面S附近朝向前端面周缘20W附近的力在灯点亮中发生作用，因此在前端面周缘20W处，长期维持接近灯点亮初期的边缘形状。

在图3中用虚线CR2示出灯点亮时间经过了规定时间时的前端面周缘20W的形状。此外，用虚线CR1示出由一种金属材料(钨等)形成阴极时的前端面周缘20W的形状。如果用“ST”表示前端面20S的从电极轴C到开始带圆角的位置之间的距离，则距离ST比在由一种金属材料构成的阴极中的距离长，此外，角的下落方式平缓。因此，电弧的辉点移动减少，照度稳定。

另一方面，当使灯长时间点亮时，由于金属部件22与金属部件24的热膨胀系数差异，电极前端面20S向阳极30上升，电极间距离缩短。

但是，将预先设定的电极间距离D设定为长于实质上相同尺寸、相同形状且通过一种金属材料成型出阴极20的情况下的电极间距离，所以，电弧放电不会随着灯点亮时间变长而变得不稳定。

另外，即使在接合多种金属部件而形成阴极的情况下，当后端侧的金属部件的热膨胀系数不大于前端侧的金属部件的热膨胀系数时，也确定与以往相同的电极间距离或者比以往短的电极间距离。

另外，在以通常的短弧型放电灯10的阴极尺寸(例如纵42mm、横20mm)为基准的情况下，金属部件22的轴向高度H最好为2mm以上。这是因为，在灯点亮中，在金属部件22消耗1mm以上的情况较多，在轴向高度H短于2mm的情况下，接合面的周缘部分等有可能露出。当接合面露出时，未充分作用要顶起前端面周缘20W的力。更优选的是，使轴向高度H为3mm以上。

这样，根据本实施方式，在具有阴极20、阳极30的短弧型放电灯10中，通过将由敷钍钨构成的金属部件22与由热膨胀系数大于金属部件22的钼构成的金属部件24固相接合，形成沿着锥形部分20A的电极轴垂直方向形成有接合面S的阴极20。

接着，使用图4，说明第2实施方式。在第2实施方式中，在接合面周缘附近形成了翘曲部。除此以外的结构实质上与第1实施方式相同。

图4是第2实施方式的阴极的接合面附近(参照图2的标号Q)的剖视图。

阴极20’由前端侧的金属部件22’和后端侧的金属部件24’构成，沿着电极轴C的垂直方向形成有接合面S。进而，在金属部件22’中，在接合面周缘QT附近，以远离锥形表面22A’的方式形成有翘曲部25。

翘曲部25形成于接合面S的整个周缘QT，能够在固相接合后通过切削加工而形成。此外，也可以调整加热温度、加压力、加压时间等，使得在固相接合时形成翘曲部。另外，可以在接合面S的周缘QT部分地形成翘曲部25。进而，还能够替代切削加工，而通过锻造形成翘曲部25，此外，还可以利用短弧型放电灯10的点亮时的金属部件24’的热膨胀力形成。

通过这样形成翘曲部25，在灯点亮中，沿着锥形表面22A’向翘曲部25施加要顶起金属部件22’的应力，翘曲部25的要变形的力可维持前端面端部的边缘形状(参照箭头)。其结果是，电弧放电的辉点移动得到抑制，电弧放电稳定。

另外，这里，虽然金属部件22’的接合面侧端部是从前端侧的金属部件22’朝向后端侧的金属部件24’翘曲的结构，但也可以不翘曲，只要是设置如朝远离锥形表面22A’的方向(电极外方向)延伸这样的延伸部的结构即可。此外，在图4中，在周缘QT处，以接合面露出的方式形成有楔形的间隙，但如果考虑到顶起，则可以没有楔形的间隙。

接着，使用图5，说明第3实施方式的放电灯。在第3实施方式中，前端侧的金属部件的接合面附近被后端侧的金属部件覆盖。

图5是第3实施方式的阴极的接合面附近的剖视图。

阴极120由前端侧的金属部件122和后端侧的金属部件124构成，沿着电极轴C的垂直方向形成有接合面S。进而，金属部件124的接合面周缘QT附近的部分125覆盖接合面周缘QT。

能够通过调整固相接合时的加热温度、加压力、加压时间等，形成这种形状。或者，还能够如下形成：在构成金属部件124的金属材料的周缘部设置凹部，在凹部中嵌入构成金属部件122的金属材料之后进行固相接合。此外，可以通过切削加工形成。

通过这样使接合面周缘QT被金属部件124覆盖，在灯点亮中，沿着锥形表面122A传递要顶起金属部件122的力(参照箭头)，从而维持了前端面端部的边缘形状，抑制了电弧辉点移动。另外，也可以覆盖接合面周缘QT的一部分。

在第1～第3实施方式中，通过将不同的金属固相接合而形成了阴极，而阳极也可以同样如此地构成。此外，也可以仅通过固相接合形成阳极。前端侧的金属部件与后端侧的金属部件不限定于敷钍钨、钼，能够以后端侧的金属部件的热膨胀系数较大的方式，例如使用钽等金属材料或者除金属以外的材料形成电极。

考虑到作用顶起电极前端部的膨胀力，可以在前端侧金属部件与后端侧金属部件之间夹入嵌入材料，使接合面之间紧密贴合。嵌入材料例如能够使用铼、钽、钼，或者这些的合金。此外，接合面也可以不与电极轴严格地垂直，大致沿着垂直方向即可。

作为接合方法，也可以使用除固相接合以外的扩散接合，此外，还能够应用激光焊接等除扩散接合以外的接合方法。进而，还能够应用于除短弧型放电灯以外的放电灯。

在第1～第3实施方式中，虽然接合面沿着电极轴垂直方向形成于电极锥形部分，但是，还能够形成于除锥形部分以外的部分。在该情况下，也能够维持电极前端面周缘附近的形状，照度稳定。此外，在第1～第3实施方式中，虽然将电极制成锥形形状，但是，也可以是所谓的炮弹形的圆弧形状。并且，虽然示出了将接合面形成于锥形部分，但是，也可以形成于圆柱状部分。

以下，使用图6，说明本发明的实施例。这里，涉及与第1实施方式对应的放电灯，通过仿真，验证了电极前端形状的变化。

[实施例1]

本实施例的放电灯由阴极构成，两个金属部件通过SPS接合而被接合在一起，该阴极由敷钍钨构成前端侧金属部件，由钼构成后端侧金属部件。在SPS接合装置中，使用SPSSyntex公司制的SPS装置，在真空环境的条件下，从金属部件两侧施加压力45MPa，将接合面附近的烧结温度1500℃保持10分钟，进行了固相接合。

对前端侧金属部件的轴向长度为3mm、阴极的直径为20mm、全长为42mm的阴极进行模型化，根据在功率12.5kW时假设的热量，由计算机进行在放电灯点亮时施加到接合面附近的应力的仿真。仿真的结果是确认出，在放电灯的点亮中，应力集中在接合面的缘部，并在接合面附近成为鼓起的形状。

[实施例2]

在实施例2中，对使前端侧金属部件的轴向长度为3mm、5mm、7mm的3种阴极进行模型化，再现放电灯点亮时的温度分布，计算出点亮中的电极前端的位移量(膨胀量)。这里的位移量表示以电极前端中心的位移量为基准(100％)时的、相对于与电极轴的距离(参照图3的标号ST)的形状变化量(参照图3的标号G)。另外，除前端侧金属部件的轴向长度以外，是与上述实施例1同样的规格。作为比较例，采用了不将金属部件彼此接合，而是仅由钨一体地形成的阴极(轴向长度为42mm)。

图6是将电极前端部的位移量曲线图化的图。

如图6所示，可知使本发明的前端侧金属部件的轴向长度为3mm、5mm、7mm的3种阴极的前端位移量(比例)与以往的产品相比较大。换言之，使得在维持电极前端形状的同时进行消耗。因此，电弧放电稳定，电弧的辉点移动减少。

Claims (8)

1.一种放电灯，其特征在于，所述放电灯具有：

放电管；以及

配置在所述放电管内的一对电极，

至少一个电极具有直径缩小部，并且，通过将接合侧端面平坦的前端侧部件、和热膨胀系数比所述前端侧部件大且接合侧端面平坦的后端侧部件接合而形成，

在所述前端侧部件中，在接合面周缘形成有延伸部，所述延伸部朝远离所述直径缩小部的表面的方向延伸。

2.根据权利要求1所述的放电灯，其特征在于，

所述前端侧部件具有直径缩小部，且该前端侧部件的直径缩小部的接合侧端面平坦，所述后端侧部件具有直径缩小部，且该后端侧部件的直径缩小部的接合侧端面平坦，

由所述前端侧部件的直径缩小部和所述后端侧部件的直径缩小部构成所述电极的直径缩小部，

所述后端侧部件与所述前端侧部件的接合面包含其周缘在内都沿着电极轴垂直方向形成。

3.根据权利要求2所述的放电灯，其特征在于，

灯点亮时的所述一对电极的电极间距离比针对以下电极确定的规定的电极间距离长：由一种材料一体形成的电极；或者由多种材料形成且后端侧部件的热膨胀系数不大于前端侧部件的热膨胀系数的电极。

4.根据权利要求2或3所述的放电灯，其特征在于，

所述前端侧部件和所述后端侧部件均为固体部件，

通过将所述前端侧部件与所述后端侧部件固相接合而形成电极。

5.根据权利要求2或3所述的放电灯，其特征在于，

所述前端侧部件是钨或者以钨为主要成分的合金，

所述后端侧部件是钼或者以钼为主要成分的合金。

6.根据权利要求2或3所述的放电灯，其特征在于，

所述放电灯是短弧型放电灯，

所述前端侧部件的轴向长度为2mm以上。

7.根据权利要求1所述的放电灯，其特征在于，

所述延伸部是形成于所述前端侧部件的接合面周缘的翘曲部分。

8.一种放电灯的制造方法，其特征在于，

成型出前端侧部件、和热膨胀系数比所述前端侧部件大的后端侧部件，

使所述前端侧部件的接合侧端面和所述后端侧部件的接合侧端面接触，进行一边从两侧以规定的压力对所述前端侧部件和所述后端侧部件进行加压一边通电的固相接合，使得包含周缘在内在接合面不产生间隙，

通过锻造或者切削加工形成包含接合面的直径缩小部分，该接合面包含其周缘在内都沿着电极轴垂直方向，由此制造至少一个电极，

在所述前端侧部件中，在接合面周缘形成有延伸部，所述延伸部朝远离所述直径缩小部的表面的方向延伸。