CN109585259B

CN109585259B - 放电灯及其制造方法、放电灯用电极及其制造方法

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Publication number: CN109585259B
Application number: CN201811105195.0A
Authority: CN
Inventors: 林武弘; 内山满博; 佐藤博也
Original assignee: Orc Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Orc Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2017-09-28
Filing date: 2018-09-21
Publication date: 2022-05-17
Anticipated expiration: 2038-09-21
Also published as: KR20190037102A; CN109585259A; JP7027096B2; KR102460981B1; JP2019067527A

Abstract

本发明提供放电灯及其制造方法、放电灯用电极及其制造方法。一种在放电灯中接合强度优异并且被固相接合而成的电极。在由以钨为主要成分的前端侧部件(40)和通过纯度99wt％以上的钼(Mo)构成的后端侧部件(50)进行固相接合而成的阴极(20)中，在从后端侧部件(50)的接合面(S)附近到电极支承棒孔中间点(C)附近的范围内，形成比前端侧部件(40)的晶粒(R1)的粒径大的、粗大化的晶粒(R2)。

Description

放电灯及其制造方法、放电灯用电极及其制造方法

技术领域

本发明涉及可应用于曝光装置等的放电灯，尤其涉及由多个部件接合而成的电极的结构。

背景技术

在放电灯中，伴随着高输出化，设置有由金属种类、结晶特性等不同的部件接合而成的电极。例如，将具有钍和稀土类氧化物等发射体的金属部件作为电极前端部，将纯钨等高熔点金属部件作为主体部，将2个金属部件互相接合(例如参照专利文献1)。作为接合方法，例如进行SPS等的固相接合。另外，也可以是，在其之间经由中间部件进行接合。

专利文献1：日本特许第4484958号公报

在金属等电极材料的晶粒边界处容易滞留杂质气体或杂质。如果利用残留有杂质气体等状态下的电极组装放电灯，随着灯点亮而引起的电极温度的高温化，杂质气体等向放电管内被排出，并且向接合面(接合界面)的间隙移动。如果杂质气体持续滞留在接合面附近，电极接合面会发生劣化(氧化)，从而导致强度下降。

因此，针对接合而成的电极，需要使接合面的强度不会因杂质气体等而下降。

发明内容

本发明的放电灯具有：放电管；以及一对电极，它们配置在放电管内，其中，至少一个电极是由包含前端侧部件和后端侧部件在内的多个部件构成的，该前端侧部件具有电极前端，该后端侧部件被电极支承棒支承。例如，可以对前端侧部件和后端侧部件进行固相接合，或者也可以在前端侧部件与后端侧部件之间设置中间部件并且对它们彼此进行固相接合。并且，在后端侧部件中，后端侧部件的至少一部分的晶粒粗大化，从而形成直径比前端侧部件的晶粒大的晶粒(这里称作粗大晶粒)。

作为粗大晶粒，例如可以形成二次再结晶晶粒，也可以形成粒径在1000μm以上的粗大晶粒。或者，也可以形成以下这样的粗大晶粒：在放电灯的轴向截面上，在以沿着电极轴方向截面的300×300μm²的区域大小来观察后端侧部件的接合面附近时，1个粗大晶粒占据该区域。

后端侧部件可以采用如下结构：由与前端侧部件的材料相比晶粒粗大化所需的温度较低的材料构成。例如，后端侧部件由纯度99wt％以上的钼构成。

粗大晶粒可以构成为，存在于后端侧部件的接合面附近。另外，粗大晶粒也可以构成接合面的至少一部分。或者，粗大晶粒也可以构成为，至少占据从后端侧部件的接合面到电极支承棒孔的沿着电极轴方向的中间点附近的范围。另外，可以在至少支承一个电极的电极支承棒上设置吸附部件。

本发明的另一方式的放电灯用电极具有：前端侧部件，其具有电极前端，并且由钨或者以钨为主要成分的合金构成；后端侧部件，其被电极支承棒支承，并且由纯度99.9wt％以上的钼构成；以及中间部件，其介于前端侧部件与后端侧部件之间，并且由含有铼的钨构成，在前端侧部件、中间部件、以及后端侧部件的部件之间进行固相接合，在后端侧部件中，形成有具有1000μm以上的粒径的二次再结晶晶粒。

在本发明的放电灯的制造方法中，对包括前端侧部件和后端侧部件在内的多个部件进行固相接合，该前端侧部件具有电极前端，该后端侧部件被电极支承棒支承，对通过固相接合而获得的电极进行热处理，将电极支承棒固定在电极上，从而构成具有电极支承棒、玻璃部件、箔等的装配部件，在将装配零件插入密封管内并且在放电管内配置电极之后，对密封管进行焊接处理，在规定时间内进行灯的点亮，其中，对热处理的温度以及加热时间、灯的点亮时间中的至少任意一项进行规定，以便在后端侧部件中形成直径比前端侧部件的晶粒大的粗大晶粒。

在本发明的另一方式的放电灯用电极的制造方法中，对包括前端侧部件和后端侧部件在内的多个部件进行固相接合，该前端侧部件具有电极前端，该后端侧部件被电极支承棒支承，其中，对热处理的温度以及加热时间中的至少任意一项进行规定，以便在后端侧部件中形成直径比前端侧部件的晶粒大的二次再结晶晶粒。

根据本发明，能够提供在放电灯中接合强度优异的接合而成的电极。

附图说明

图1是示意性示出作为本实施方式的短弧型放电灯的俯视图。

图2是阴极的概略截面图。

图3是将图2的接合面附近的区域放大后的截面图。

标号说明

10：放电灯；20：阴极；30：阳极；40：前端侧部件；50：后端侧部件；S：接合面。

具体实施方式

在下文中，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

图1是示意性地示出本实施方式的短弧型放电灯的俯视图。

短弧型放电灯10可以用于进行图案形成的曝光装置(未图示)的光源等，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以具有规定间隔的方式对置配置。

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设置成一体，密封管13A、13B的两端安装有基座19A、19B。这里的放电灯10是按照阳极30在上侧，阴极20在下侧的方式沿着铅直方向配置的。

在密封管13A、13B的内部配设有支承阴极20、阳极30的具导电性的电极支承棒17A、17B，该电极支承棒17A、17B经由金属环(未图示)、钼等的金属箔16A、16B而与具导电性的引线棒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)焊接在一起，从而密封形成了放电空间DS，在该放电空间DS中封入有水银和稀有气体。

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与阳极30之间施加电压。当对放电灯10供电(这里为1kW以上)时，在电极之间产生电弧放电，通过水银而放射出亮线(紫外线)。在电极支承棒17A上设置有由钽、锆、钇等构成的线圈状的吸附部件21。另外，也可以在电极支承棒17B等上设置吸附部件。

图2是阴极20的概略截面图。这里示出了经过电极轴X的电极轴向截面。另外，阳极30也可以采用相同结构。

阴极20是由均为金属部件的前端侧部件40和后端侧部件50固相接合而成的电极，前端侧部件40形成为以电极前端40S为顶点的圆锥状。另外，电极前端40S的形状也可以是具有面的圆台形状等其他形状。前端侧部件40是由纯钨(W)等的高熔点合金或者含有发射体等的以钨为主要成分的合金构成的。前端侧部件40和后端侧部件50在这里是通过放电等离子体烧结法(SPS)被进行固相接合的。但也可以应用HIP、HP等其他的固相接合方式和其他接合方法(例如熔融接合)。

后端侧部件50由与前端侧部件40接合的圆台形状部分50A和形成有电极支承棒插入孔52的圆柱状部分50B构成。但是在图2中未图示出电极支承棒17A。后端侧部件50在这里是由纯度99wt％(重量百分比)以上的钼(Mo)构成的。尤其优选的是纯度99.9wt％以上，但也可以应用含有掺杂剂的钼合金。使构成后端侧部件50的钼的晶粒粗大化的温度(二次再结晶温度)比使前端侧部件40的主成分、即钨的晶粒粗大化的温度(二次再结晶温度)低。

前端侧部件40通过电极制造工序而被晶粒(再结晶晶粒)R1所占据。另一方面，在后端侧部件50中，多个粗大化后的晶粒(二次再结晶晶粒)R2占据了从接合面(接合界面)S附近到电极支承棒孔52的轴的X方向上的长度的中间点C附近的范围。另外，接合面S的一部分是由粗大晶粒R2构成的。在从中间点C到后端面50T的范围被晶粒(再结晶晶粒)R3所占据。另外，粒径R1、R3的大小被夸大地进行了放大描绘。另外，晶粒的形状和方向可以通过锻造加工等来进行调整。例如，可以在电极轴方向上对齐或者延长，并不限于描绘出的形状和朝向。

图3是对图2的接合面S附近的区域BB进行放大后的截面图。

钼的粗大晶粒R2在这里是通过异常晶粒生长(二次再结晶)而粗大化的晶粒，其粒径比以钨为主要成分的前端侧部件40的晶粒R1或者被加工等之前的晶粒大。钼的晶粒R3的粒径与钨的晶粒R1的粒径大致相等。这里，钼的粗大晶粒R2具有1000μm以上的直径。其中，粒径尺寸是由经过电极轴X的电极轴方向的截面上的晶粒的最大的对角线长度表示的。

图3所示的正方形的区域A是接合面S附近的纵300μm×横300μm的任意区域，已知粗大晶粒R2跨过区域A，即，该正方形的区域A被1粒粗大晶粒R2所占据。其中，区域A被规定为，以经过电极轴X的轴向截面的轴X方向为纵向，以垂直轴的方向(径向)为横向。

这样的后端侧部件50中的粗大晶粒R2的形成可以在放电灯的制造步骤中进行。

首先，在电极的制造步骤中，对由纯钨或者以钨为主成分的合金构成的前端侧部件40和由99wt％以上的钼构成的后端侧部件50进行固相接合。此时的后端侧部件50是由与前端侧部件40的粒径大致相同粒径的晶粒或者再结晶晶粒构成的。对通过固相接合而获得的电极进行热处理。然后，将电极支承棒固定在电极上，构成具有玻璃部件、箔等的装配部件。将装配零件插入到密封管内并且在放电管内配置了电极之后，对密封管进行焊接处理(密封)。

在对放电灯进行组装时，在规定时间内点亮灯。例如，为了进行稳定点亮而进行老化(初始点亮)或者灯点亮性能评价。在这样一系列的放电灯制造工序中，电极成为高温。在本实施方式中，为了在最终的放电灯完成时刻形成粗大晶粒R2，将热处理的温度以及加热时间规定在1300℃～2200℃、和5分～180分的范围内，将老化以及灯点亮性评价中的点亮时间规定在20分～180分的范围内。另外，也可以规定其中任意一项条件而形成粗大晶粒。

如上述那样，形成后端侧部件50的钼的二次再结晶温度比前端侧部件40的主要成分、即钨的二次再结晶温度低。因此，例如在因灯点亮而成为高温状态的情况下，在后端侧部件50中，是从与电弧(热源)最接近的接合面S附近开始粗大化的。此时，滞留在接合面S附近的晶粒边界上的杂质气体的一部分随着晶粒的生长(粗大化)而向接合面S的微小间隙移动/扩散。

另一方面，在被后端侧部件50的晶粒R3所占据的后端面50T侧，由于粗大晶粒R2的形成而阻止了晶粒边界上的杂质、杂质气体向电极前端侧的移动，因此晶粒边界上的杂质、杂质气体向电极径向(电极侧表面)移动，最终被排出到外部。

在接合面S的间隙中滞留的杂质、杂质气体由于高温化而沿着接合面S向电极外部排出。由于抑制了杂质气体从后端面50T侧向电极前端侧的移动，因此去除了在接合面S附近和接合面S的间隙中的杂质气体、杂质。排出到电极外部的杂质气体被吸附部件21吸附。

通过粗大晶粒的形成，可以抑制在制造后(出厂后)的灯点亮时杂质气体等向放电管内排出，从而能够防止因杂质气体导致的灯点亮性能(起动性)的恶化、电极劣化(氧化)。例如在用钨这样的晶粒粗大化所需的温度较高的材料构成后端侧部件50时，由于很难先在接合面S附近形成粗大晶粒，因此杂质气体穿过晶粒边界向接合面S附近移动，并且长时间残留在间隙中，或者会从接合面S附近持续放出杂质气体。但是，通过使用由钼构成的后端侧部件50，可以在制造阶段将接合面S附近以及其间隙中的杂质气体去除，从而能够防止接合面强度的下降以及接合面的剥离。

虽然设置成在制造阶段形成粗大晶粒，但通过设置适当的吸附部件21，即使在因放电灯的电力等从而在制造后(出厂后)才形成(再次生长)粗大晶粒这样的情况下，也能够防止接合面的剥离。在制造后，杂质气体被吸附部件21吸附，因此通过形成粗大晶粒或者其进一步的生长，能够长期防止接合面强度的下降。例如，如果要想吸附氧气等杂质气体，优选以钽作为吸附部件21。

另外，由于通过纯度99wt％以上的钼构成后端侧部件50，因此杂质较少，并且在点亮过程中排出的杂质气体也较少，从而能够获得稳定的灯特性。并且，能够实现后端侧部件50的轻量化，成为适合大型灯的结构。

另一方面，直到电极支承棒孔52的中间点C处都存在粗大晶粒R2，从而晶粒边界较少，因此难以产生晶界滑动，从而能够防止电极支承棒17A的脱落。

如上所述，根据本实施方式，在以钨为主要成分的前端侧部件40和由纯度99wt％以上的钼构成的后端侧部件50被进行固相接合而得到的阴极20中，在后端侧部件50的从接合面S附近到电极支承棒孔中间点C附近的范围内，形成有粗大化而成的、粒径比前端侧部件40的晶粒R1大的晶粒R2。

另外，粗大晶粒R2只要至少一部分存在于后端侧部件的任意区域内即可。例如，粗大晶粒R2可以只存在于接合面S附近，或者也可以使接合面S的一部分由粗大晶粒R2形成。由此，可以可靠地使存在于接合面S附近的杂质气体排出，从而能够防止接合面剥离。另一方面，也可以使后端侧部件的整个区域都由多个粗大晶粒构成，或者使后端侧部件的整个区域都成为单晶状态。可以进一步减少在点亮过程中排出的杂质气体。粗大晶粒R2的形成区域(粗大化区域)可以通过将掺杂了钾等添加物且使散热效果提高的微细凹部形成在电极表面上来进行调整。

在本实施方式中，通过灯点亮而形成粗大晶粒，但通过电极的热处理的方法，可以容易地使后端侧部件遍及整体地变成高温，从而能够在较大范围内形成粗大晶粒。

也可以通过钼以外的材料成型出后端侧部件，可以通过陶瓷或与前端侧部件40不同的金属、合金等其他材料成型出后端侧部件。由于前端侧部件大多使用含有发射体的材料，因此如果使前端侧部件的晶粒粗大化，则有可能将使发射体放出。因此，优选的是，后端侧部件与前端侧部件(钨等)相比晶粒粗大化所需的温度更低。

在本实施方式中，前端侧部件40与后端侧部件50接合，但也可以在它们之间插入由其他金属构成的中间部件(例如含有铼的钨)，并且使前端侧部件40、中间部件、后端侧部件50彼此固相接合。

实施例

在以下，对本实施例的阴极进行说明。

将由含有钍的钨构成且外径为16mm的前端侧部件和由99.9wt％的钼构成且柱状部分的外径为20mm的后端侧部件通过SPS而固相接合，并加工成规定的形状，从而形成阴极，对该阴极在温度为1600℃、加热时间为10分钟的条件下，进行加热处理。将电极配置在放电管内并密封。对组装完成的放电灯进行1小时的老化处理。

在针对经过这样工序后的阴极的截面以扫描型电子显微镜进行观察时，可以确认，在从接合面到电极支承棒孔中间点附近，形成了比前端侧部件的再结晶晶粒的粒径大的、具有1000μm以上的粒径的粗大化的晶粒。

Claims

1.一种放电灯，其特征在于，具有：

放电管，以及

一对电极，它们配置在所述放电管内，

至少一个电极由包括前端侧部件和后端侧部件在内的多个部件构成，所述前端侧部件具有电极前端，所述后端侧部件被电极支承棒支承，

在所述后端侧部件中，所述后端侧部件的至少一部分的晶粒粗大化，在所述后端侧部件的接合面附近形成直径比所述前端侧部件的晶粒大的粗大晶粒，所述粗大晶粒的直径比相对于所述接合面处于相反侧的后端面侧的晶粒的直径大。

2.根据权利要求1所述的放电灯，其特征在于，

所述至少一个电极由所述前端侧部件和所述后端侧部件构成，或者通过在所述前端侧部件与所述后端侧部件之间设置中间部件而构成，各部件之间被固相接合。

3.根据权利要求1或2所述的放电灯，其特征在于，

所述后端侧部件是由与所述前端侧部件的材料相比，使晶粒粗大化所需的温度较低的材料构成的。

4.根据权利要求1或2所述的放电灯，其特征在于，

所述后端侧部件是由纯度99wt%以上的钼构成的。

5.根据权利要求1或2所述的放电灯，其特征在于，

所述粗大晶粒构成所述接合面的至少一部分。

6.根据权利要求1或2所述的放电灯，其特征在于，

所述粗大晶粒至少占据从所述后端侧部件的接合面起到电极支承棒孔的沿着电极轴方向的中间点附近为止的范围。

7.根据权利要求1或2所述的放电灯，其特征在于，

在至少支承一个电极的所述电极支承棒上设置有吸附部件。

8.根据权利要求1或2所述的放电灯，其特征在于，

所述粗大晶粒的粒径为1000µm以上。

9.根据权利要求1或2所述的放电灯，其特征在于，

在所述放电灯的轴向截面上，按照沿着电极轴方向截面的300×300µm²的区域来观察所述后端侧部件的接合面附近时，1个粗大晶粒占据所述区域。

10.一种放电灯用电极，其特征在于，具有：

前端侧部件，其具有电极前端，由钨或者以钨为主要成分的合金构成；

后端侧部件，其被电极支承棒支承，由纯度99.9wt%以上的钼构成；以及

中间部件，其介于所述前端侧部件与所述后端侧部件之间，由含有铼的钨构成，

所述前端侧部件、所述中间部件以及所述后端侧部件在部件之间进行固相接合，

在所述后端侧部件中，在所述后端侧部件的接合面附近形成有具有1000µm以上的粒径的二次再结晶晶粒，该具有1000µm以上的粒径的二次再结晶晶粒的直径比相对于所述接合面处于相反侧的后端面侧的晶粒的直径大。

11.一种放电灯的制造方法，其中，

对包括前端侧部件和后端侧部件在内的多个部件进行固相接合，所述前端侧部件具有电极前端，所述后端侧部件被电极支承棒支承，

对通过固相接合而获得的电极进行热处理，

将电极支承棒固定在所述电极上，从而构成包含所述电极支承棒、玻璃部件、箔的装配部件，

在将所述装配部件插入到密封管内并将所述电极配置在放电管内之后，对所述密封管进行焊接处理，

按照规定时间进行灯的点亮，

所述放电灯的制造方法的特征在于，

把热处理的温度、加热时间和灯的点亮时间中的至少任意一项规定为，在所述后端侧部件中，使得在所述后端侧部件的接合面附近形成直径比所述前端侧部件的晶粒大的粗大晶粒，所述粗大晶粒的直径比相对于所述接合面处于相反侧的后端面侧的晶粒的直径大。

12.一种放电灯用电极的制造方法，其中，对包括前端侧部件和后端侧部件在内的多个部件进行固相接合，所述前端侧部件具有电极前端，所述后端侧部件被电极支承棒支承，

所述放电灯用电极的制造方法的特征在于，

把热处理的温度和加热时间中的至少任意一项规定为，在所述后端侧部件中，使得在所述后端侧部件的接合面附近形成直径比所述前端侧部件的晶粒大的二次再结晶晶粒，所述二次再结晶晶粒的直径比相对于所述接合面处于相反侧的后端面侧的晶粒的直径大。