CN114503236A

CN114503236A - 短弧放电灯用电极及其生成方法

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Publication number: CN114503236A
Application number: CN202180005783.0A
Authority: CN
Inventors: 前中志郎; 中越康允; 赤松崇行; 山本良介
Original assignee: Yokos Corp
Current assignee: Yokos Corp
Priority date: 2020-04-30
Filing date: 2021-04-30
Publication date: 2022-05-13
Anticipated expiration: 2041-04-30
Also published as: JP7013068B1; KR20220054888A; JPWO2021221170A1; WO2021221170A1; CN114503236B

Abstract

[课题]提供一种散热性高的短弧放电灯用电极。[解决方案]向钨电极的表面照射激光，使表面熔化、凝固，在水平、垂直方向上形成不规则的平均粗糙度Ra为10μm以下的具有倒钩结构的凹凸。在设置有上述凹凸的电极主体表面涂布将陶瓷的粉末与溶剂混合而成的糊剂，在干燥后进行烧结，在表面形成具有微细的龟裂的散热层。反复进行上述氧化锆糊剂的涂布后，进行烧结而形成散热层。

Description

短弧放电灯用电极及其生成方法

技术领域

本发明涉及短弧放电灯用电极，特别是在电极表面形成散热性高的陶瓷的散热层的技术。

背景技术

日本专利第4295527号公报的第0050段公开了对由氧化铝、氧化钙、氧化铝和氧化钛的混合物、氧化铝和氧化铬的混合物中的任一种构成的散热层，为了提高密合性，在钨的表面设置Rmax 10μm以上、优选为Rmax 50μm以上的凹凸。

所述氧化铝、氧化钙、氧化铝和氧化钛的混合物、氧化铝和氧化铬的混合物的熔点低，因此难以用于高温的放电灯。

发明内容

发明所要解决的技术问题

在此，发明人着眼于锆，考虑能否在钨电极的表面形成。

但是发现即使在钨的表面形成氧化锆的散热层，散热性也不怎么提高。

本发明的目的在于提供一种形成有散热性高的陶瓷散热层的电极及其生成方法。

解决技术问题的手段

(1)本发明的短弧放电灯用电极的生成方法是在由高熔点金属构成的电极主体的表面具备氧化锆、碳化锆或氮化锆的散热层的短弧放电灯用电极的生成方法，其具备：对上述电极主体表面进行激光照射，使上述电极表面熔融、凝固，形成平均粗糙度Ra为21μm以下的凹凸的步骤；在上述电极主体表面设置有上述凹凸的电极主体表面上涂布将陶瓷的粉末与溶剂混合而成的糊剂，干燥后进行烧结，在上述散热层的表面形成具有微细的龟裂的散热层的步骤。因此，能够提供散热性高的短弧放电灯用电极。

(2)在本发明的短弧放电灯用电极的生成方法中，上述凹凸的最大粗糙度Rz/平均粗糙度Ra为5～9。因此，能够提高上述电极主体与上述散热层的密合性。

(3)在本发明的短弧放电灯用电极中，上述凹凸的平均粗糙度Ra为10μm以下。因此，能够更长期地保持上述电极主体与上述散热层的密合性。

在本说明书中，平均粗糙度Ra是指JIS B 0601中表示基准长度中Z(x)绝对值的平均值的算术平均粗糙度。另外，最大粗糙度Rz是指JIS B 0601-2001的测量参数，以基准长度提取用粗糙度计测定的粗糙度曲线的一部分，利用最高的部分(最大峰高：Rp)与最深的部分(最大谷深：Rv)之和求出。

本发明的特征、其他目的、用途、效果等通过参照实施方式以及附图而得以明确。

附图说明

图1：在本发明的钨主体30的表面形成的凹凸的示意图。

图2：图2A是示出形成于钨主体30之上的散热层32的详细情况的电子显微镜照片。图2B是其一部分进一步放大的图。

图3：从图2A的箭头20观察的向视图。

图4：示出各样品中的钨主体30的表面粗糙度(平均粗糙度Ra和最大粗糙度Rz)的分布的图。

图5：示出改变激光加工的条件的情况下的平均粗糙度Ra与散热性的关系的表。

图6：示出在氧化锆以外的陶瓷中的效果的表。

图7：示出图4所示的9个样品和进行追加实验的样品中的平均粗糙度Ra与最大粗糙度Rz的关系的表。

图8：示出各样品中的平均粗糙度Ra与最大粗糙度Rz的关系分布的图。

具体实施方式

1.关于制造工序

对本发明的电极的散热层的生成方法进行说明。

1)不规则凹凸加工工序

准备钨电极，对表面照射激光，由此，使钨表面熔化、凝固，在水平、垂直方向上形成不规则的平均粗糙度Ra为10μm以下的凹凸。

在本实施方式中，采用光纤激光打标机TF450(Gravotech株式会社制造)，在以下的条件下使电极的钨表面凝固熔化，在水平、垂直方向上形成不规则的凹凸。

激光输出功率：装置最大输出功率50W的80％(40W)，

重复频率：80kHz，

脉宽：100nm，

波长：1064nm，

激光径：约60μm，

扫描速度：30mm/s，

相邻2条线的间距：约0.01mm，

周围温度：室温，

周围气体：氮气，

压力：大气压，

在该情况下，每1脉冲的能量[J]＝激光的输出功率[W]/激光的重复频率[Hz]，所以在本实施例中，每1脉冲的能量为40W/80kHz＝0.5mJ。

图1示出在钨表面形成的在水平、垂直方向上不规则的平均粗糙度Ra为10μm以下的凹凸的截面的示意图。由图1可知，在水平和垂直方向的任一方向上都具有倒钩结构的截面。

2)陶瓷层形成工序

在设置有上述凹凸的电极主体表面上涂布将陶瓷的粉末与溶剂混合而成的糊剂，在干燥后进行烧结。由此，在表面形成具有微细的龟裂的陶瓷的散热层。

对上述糊剂的生成方法进行说明。准备了向11mL(9.7g)的乙酸丁酯混合了1.0g的硝化纤维素和6.6g的氧化锆粉末的溶液。使用搅拌器将其搅拌1天左右。在搅拌前，氧化锆粉末有时会凝聚而成为大的颗粒，但通过进行搅拌，能够得到粒径充分小的氧化锆糊剂。在本实施方式中，上述凹凸为21μm以下，因此以使氧化锆的粒径小于1μm的方式进行搅拌。

需要说明的是，减小氧化锆的粒径的方法并不限于此，也可以使用筛、或者分粒器等。

将该氧化锆糊剂例如用笔涂布在电极表面。

接着，进行烧结。在本实施方式中，作为烧结条件，在真空中，在室温～1300℃以50℃/分钟、在1300～1800℃以500℃/分钟、在1800℃保持2分钟，使电极表面的氧化锆烧结。

在本实施方式中，上述氧化锆糊剂的涂布和干燥重复数次，使从上述表面的凹凸中的最高位置起为5μm后，进行烧结，从而形成散热层。需要说明的是，对该5μm没有限定。

在本实施方式中，上述氧化锆糊剂的涂布和烧结重复数次，以从上述表面的凹凸中的最高位置起为5μm的方式形成散热层。需要说明的是，对该5μm没有限定。

2.关于所生成的电极

图2A是本发明的短弧放电灯的电极1的放大截面图(500倍)。图2A中的白色的区域是钨，在其上形成氧化锆的散热层。在该图中，由于难以知道哪个区域是钨、氧化锆，所以将图2A的一部分进一步放大后的照片示于图2B。在该图中，形成于钨主体30与氧化锆层32的界面的黑色部分31为空洞。另外，存在于氧化锆层32的空洞中的一部分空洞贯通至氧化锆层32的表面(例如空洞35)。

图3是从图2A的箭头20观察的向视图。如该图所示，在氧化锆层32的表面形成有因形成于下层的钨主体30的表面的凹凸而产生的微细的龟裂。

测量电极1的辐射率，得到在温度1000℃时为0.8、在1800℃时为0.9的测量结果。

在本实施方式中，辐射率使用以下的方法进行测量。在形成有散热层的电极主体上形成镜面部分。为了不使电极氧化，将设置于玻璃管中的上述电极在真空中以镜面的部分成为规定温度(1800℃)的方式进行加热。温度的测量使用辐射温度计即可。钨的辐射率在镜面、波长650μm及温度约2000℃的情况下为约0.4。因此，将上述镜面部分的值作为基准值，以使散热膜的温度成为上述规定温度的方式改变辐射温度计的辐射率，将其作为规定温度下的散热膜的辐射率。

发明人推测，该散热率的提高是氧化锆成为进入钨的微细的凹凸的间隙中的形状，从而在氧化锆的表面形成微细的凹凸而致的。

为了证明该推论，发明人制作了在钨的表面形成的凹凸的大小不同的电极，进行比较。其结果，在1800℃下，实施例1(扫描速度30mm/s)中，辐射率为0.9，与此相对，在参考例1(无激光加工)中辐射率为0.7。

如图3所示，在实施例1中，在氧化锆的表面产生龟裂。发明人认为在钨的表面形成的凹凸形状对该龟裂形成造成影响。

在此，改变激光的扫描速度和频率，制作9个电极，并分别测量辐射率。测量结果如图5所示。关于No 9的外购品，激光加工机的功率、扫描速度等不明。理由如下。发明人将进行了激光加工的产品作为样品交付，委托了同等的激光加工。对于激光加工后的产品，测量平均粗糙度Ra等。需要说明的是，激光加工的条件是技术诀窍，未能获得该信息。

由图5可知，若增大每1脉冲的激光的能量，则表面粗糙度变大。另外，认为通常扫描速度越快，表面粗糙度越小，但可知在60mm/s左右时，对平均粗糙度Ra几乎没有影响。

图4中示出各样品中的平均粗糙度Ra、最大粗糙度Rz的关系。各样品中除了样品No9以外，平均粗糙度Ra均为10μm以下。如图5所示，各样品提高了辐射率。样品No 9的辐射率也提高了。

需要说明的是，图5中的平均粗糙度Ra、最大粗糙度Rz是在激光加工后、形成散热层前测量的，即使未记载这一点，本领域技术人员当然也是如此理解的，但为了慎重起见还是在此提及一下。

另外，在实施例1中，在钨的表面的水平、垂直方向中的任一方向中都存在具有倒钩结构的凹凸。因此，在氧化锆的散热层3与钨电极2的界面，氧化锆进入钨的凹凸的间隙，还起到密合这样的效果。

在本实施方式中，将散热层32的厚度设为60μm，但只要是能够遮盖在钨表面生成的微细的凹凸的程度，则并不限于此。

图7A示出将图4所示的样品No 1～9的最大粗糙度Rz与平均粗糙度Ra的关系以两者的比表示的值(以下，称为表面粗糙度杂乱度Sr)。样品No 1～9的表面粗糙度杂乱度Sr为“5.9”～“9.1”。

图7B示出将扫描速度设为150mm/s、300mm/s、600mm/s、900mm/s的情况下的平均粗糙度Ra、最大粗糙度Rz的关系。这样，即使加快扫描速度，表面粗糙度杂乱度Sr也为“5.7”～“8.0”。

需要说明的是，在图7B中，扫描速度以外的条件与样品7相同，设为输出功率40W、重复频率：50kHz、能量脉冲0.8mJ。

图8示出图7A、B的各样品的表面粗糙度杂乱度Sr的分布。如此，各样品分布为大致位于直线上的关系。需要说明的是，在图8中，未图示样品9。这是因为，关于该样品，表面粗糙度杂乱度Sr与其他样品相同，但由于平均粗糙度Ra及最大粗糙度Rz的数值大，因此若对其进行图示，则其他28根的位置会有多个重叠，难以看到它们的关系。

这样，通过形成平均粗糙度Ra为21μm以下、且表面粗糙度杂乱度Sr为5.7～8.9的微细的凹凸，能够提高钨主体与在其表面形成的陶瓷的密合性。这是因为陶瓷的糊剂嵌入图1所示的凹凸中。另外，由于是微细的凹凸，因此还具有在制造时容易涂布的效果。

另外，通过形成平均粗糙度Ra为10μm以下、且表面粗糙度杂乱度Sr为5.7～8.9的微细的凹凸，能够得到长期更难以剥离的电极。另外，还具有在制造时容易涂布陶瓷糊剂的优点。

需要说明的是，表面粗糙度杂乱度Sr可以为10以下，具体而言也可以为5～9。

3.其他实施方式

在本实施方式中，对生成氧化锆的散热层的情况进行了说明，但如图6所示，即使是氮化锆、碳化锆，也同样能够生成散热率高的散热层。

需要说明的是，关于氧化铪，辐射率不佳。另外，碳化硅的辐射率没有问题，但由于在1600℃左右产生了排气，因此作为短弧放电灯用电极的散热层并不优选。

另外，在上述实施方式中，在氧化锆糊剂生成中，设定氧化锆(密度：5.7g/cm³)：6.6g。在此，氧化锆与氮化锆以及碳化锆的密度不同，因此根据各自的密度，如下述那样改变材料的质量即可。

ZrC(密度：6.7g/cm³)：7.8g

ZrN(密度：7.0g/cm³)：8.1g

另外，在本实施方式中，对适用于短放电灯的阳极的情况进行了说明，但也可以应用于阴极。

在本实施方式中，使用了激光，但也可以采用电子束等其他方法。

在上述中，将本发明作为优选的实施方式进行了说明，但其并非用于限定，而是用于说明，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，能够在所附的权利要求书的范围内进行变更。

符号说明

1......电极

30·····钨主体

32·····氧化锆层

Claims

1.一种短弧放电灯用电极的生成方法，其为在由高熔点金属构成的电极主体的表面具备氧化锆、碳化锆或氮化锆的散热层的短弧放电灯用电极的生成方法，其中，该方法包括：

对所述电极主体表面进行激光照射，使所述电极表面熔融、凝固，形成平均粗糙度Ra为21μm以下的凹凸的步骤，

在设置有所述凹凸的电极主体表面涂布将陶瓷的粉末与溶剂混合而成的糊剂，在干燥后进行烧结，在上述散热层的表面形成具有微细的龟裂的散热层的步骤。

2.根据权利要求1所述的短弧放电灯用电极的生成方法，其特征在于，所述凹凸的最大粗糙度Rz/平均粗糙度Ra为5～9。

3.根据权利要求2所述的短弧放电灯用电极的生成方法，其特征在于，所述凹凸的平均粗糙度Ra为10μm以下。