TWI627656B - Discharge lamp tube, electrode for discharge lamp tube and method of manufacturing the same - Google Patents

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TWI627656B TW103130343A TW103130343A TWI627656B TW I627656 B TWI627656 B TW I627656B TW 103130343 A TW103130343 A TW 103130343A TW 103130343 A TW103130343 A TW 103130343A TW I627656 B TWI627656 B TW I627656B
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Abstract

本發明的目的是以固相接合形成接合強度高的電極。在短弧型放電燈管中，設置密閉空間50於陽極30內。然後將傳熱體M封入密閉空間50。陽極30是包括形成有凹部50S的主體構件32、覆蓋該主體構件的蓋構件36、介於該主體構件與該蓋構件之間的環狀的中間構件40的構造，是藉由SPS固相接合主體構件32、中間構件40、及蓋構件36而形成的。

Description

放電燈管、放電燈管用電極及該電極之製造方法
本發明係有關於用於曝光裝置等的放電燈管，且特別有關於將傳熱體封入形成於電極內部的密閉空間的電極構造。
放電燈管中，有一種在電極內部形成密閉空間，並且封入具有冷卻功能的金屬的電極為人所知(參照專利文獻1)。而其中由銀等熱傳導率高且熔點相對低的金屬所構成的傳熱體會密閉於陽極內部。因燈管點燈使電極溫度上升時，傳熱體熔融、液化。因此，密閉空間內產生熱對流，電極前端部的熱被輸送至相反側的電極支持棒側。
在電極內部形成密閉空間的情況下，先形成含有電極前端部的凹部、以及蓋部分，再將兩者接合。接合的方法可透過電漿燒結等來進行固相接合，將內部設有凹部的有底筒狀的金屬構件，與做為蓋的金屬構件接合，形成電極。藉由固相接合，不會減低熱傳導性、電極強度就能夠形成電極(參照專利文獻2)。
[先行技術文獻]
[專利文獻1]日本特開2004-006246號公報
[專利文獻2]日本特開2011-249027號公報
從電極前端部附近上昇的傳熱體非常地高溫，使接合部分被加熱。因此需要強固的接合。然而，若增強固相接合時的按壓壓力，主體構件會因為形成有內部空間而容易變形。若變形大，密閉空間內面可能會產生龜裂，造成燈管點燈時電極發生破損。
因此，需要構成一種固相接合時在接合部附近不會變形，且接合強度高的電極。
本發明的放電燈管，包括：放電管；以及一對的電極，配置於放電管內，其中至少一者的電極包括：形成有凹部的構件(在此稱為主體構件)；覆蓋主體構件的構件(在此稱為蓋構件)；以及介於主體構件及蓋構件之間的環狀的構件(在此稱為中間構件)。上述至少一者的電極是藉由固相接合主體構件、中間構件及蓋構件而成形。藉由固相接合而形成於電極內部的密閉空間封入有傳熱體。
主體構件可以與電極前端面及電極前端部一體形成，也可以是接合電極前端部形成。凹部只要被形成為可產生傳熱體的熱對流的空間即可，可形成為筒狀。例如，圓柱狀的主體構件中形成同軸的剖面圓狀的內部空間。蓋構件例如與電極支持棒接合。
本發明中，藉由設置環狀中間構件，在固相接合時，比起與非環狀的蓋部直接接合的情況下，應力可均等施加 於接合面全體。因此，可抑制主體構件的變形。又藉由燈管點燈時傳熱體直接到達蓋構件，即使設置中間構件熱輸送效率也不會下降。
中間構件的孔的尺寸可任意設定，在實現主體構件的變形抑制、傳熱體的熱輸送效果的範圍內可適當地設定。例如，可根據主體構件的內部空間的尺寸(徑)來設定同等程度的尺寸。中間構件的外徑、內徑可以與主體構件的外徑、內徑一致，也可以不一致。
考慮使用中間構件來提高固相接合的效果的話，中間構件過厚則不佳，中間構件的徑方向寬度及中間構件的厚度最好取得平衡。例如，可設定中間構件的徑方向寬度在中間構件的厚度的2倍以下。
考慮到中間構件吸收固相接合時的按壓壓力的話，以比主體構件及蓋構件中的至少一者延展性更高的素材來形成中間構件為佳。例如，中間構件以鎢、鉬、鉭、錸中的任一者的金屬，或者是以上述任一者為主成分的合金所構成。
做為將沿著電極軸方向的應力往電極外側釋放來抑制變形的構造，可將中間構件的接合面的面積做得比主體構件的剖面面積小。例如，中間構件的外徑能夠做得比主體構件的外徑小。在這個情況下，可使中間構件的內徑與主體構件的內徑一致，也可以是更小的內徑。
也可將中間構件的內徑做得比主體構件的內徑大。在這個情況下，可使中間構件的外徑與主體構件的外徑一致，也可以是更大的外徑。
考慮強化蓋構件與中間構件之間的固相接合的 話，可將蓋構件的外徑做得比主體構件的外徑小。例如，能夠使蓋構件的外徑與中間構件的外徑一致。另一方面，做為可獲得與上述構造相同效果的構造，也可以使主體構件的接合面的外徑比中間構件的外徑小。
關於蓋構件，考慮到將中間構件相對於電極全體 的軸方向相對位置靠近內部空間底面側的話，可設置蓋凹部於密閉空間側。
本發明另一態樣的放電燈管用的電極，包括：主 體構件，形成有凹部；蓋構件，覆蓋主體構件；以及環狀的中間構件，介於主體構件及蓋構件之間。放電燈管用電極是藉由固相接合主體構件、中間構件及蓋構件而成形，藉由固相接合而形成於電極內部的密閉空間封入有傳熱體。
本發明另一態樣的放電燈管用電極的製造方法， 包括：形成具有凹部的主體構件、覆蓋該主體構件的凹部的蓋構件、以及成形環狀的中間構件；放置傳熱體於該主體構件的凹部；將該中間構件介入該主體構件與該蓋構件之間，固相接合該主體構件、該中間構件及該蓋構件來形成電極。
根據本發明，能夠透過固相接合形成接合強度高的電極。
10‧‧‧放電燈管
12‧‧‧放電管
13A、13B‧‧‧密封管
15A、15B‧‧‧導棒
16A、16B‧‧‧金屬箔
17A、17B‧‧‧電極支持棒
19A、19B‧‧‧金屬蓋
20‧‧‧陰極
30、130、230、330、430、530‧‧‧陽極
30S‧‧‧電極前端面
32、132、232、332、432、532‧‧‧主體構件
32S‧‧‧端面
34‧‧‧前端部
36、136、236、336、436、536‧‧‧蓋構件
36S、236T‧‧‧端面
40、140、240、340、440、540、550‧‧‧中間構件
40S‧‧‧端面
50、150、250、350、450‧‧‧密閉空間
50B‧‧‧底面
50S、237‧‧‧凹部
533‧‧‧楔
b‧‧‧厚度
d1、d2‧‧‧內徑
D1、D2、D3‧‧‧外徑
DS‧‧‧放電空間
E‧‧‧電極軸
M‧‧‧傳熱體
t‧‧‧徑方向寬度
S1、S2‧‧‧剖面面積
第1圖係概要顯示第1實施型態的短弧型放電燈管的平面圖。
第2圖係陽極的概略剖面圖。
第3圖是沿著主體構件、中間構件的電極軸垂直方向的剖面圖。
第4圖是放大第2圖的接合部分的剖面圖。
第5圖係第2實施型態的放電燈管的陽極的概略剖面圖。
第6圖係第3實施型態的陽極的概略剖面圖。
第7圖係第3實施型態的中間構件與主體構件的剖面圖。
第8圖係放大第6圖的接合部分的剖面圖。
第9圖係第4實施型態的接合部分的剖面圖。
第10圖係第5實施型態的陽極的剖面圖。
第11圖係第6實施型態的陽極的剖面圖。
第12圖以圖表顯示接合面積(中間構件端面面積)相對於主體構件端面的剖面面積的比例與主體構件變形量的關係。
以下，參照圖式說明本發明的實施型態。
第1圖係概要顯示第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是可使用於形成圖樣用的曝光裝置(未圖示)的光源等的放電燈管，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隔著既定間隔相對地配置。
在放電管12的兩側，石英玻璃製的密封管13A、13B彼此相對且與放電管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沿著鉛直方向配置，使 得陽極30位於上側，陰極20位於下側。
密封管13A、13B的內部配設有支持金屬性的陰極 20、陽極30的導電性的電極支持棒17A、17B，透過金屬環(未圖示)、鉬等的金屬箔16A、16B與導電性的導棒15A、15B分別連接。密封管13A、13B與設置於密封管13A、13B內的玻璃管(未圖示)熔接，藉此產生內部封入水銀及惰性氣體的放電空間DS。
導棒15A、15B連接至外部的電源部(未圖示)， 電壓透過導棒15A、15B、金屬箔16A、16B、電極支持棒17A、17B施加至陰極20與陽極30之間。當電力供給至放電燈管10，電極間發生電弧放電，由水銀放射出亮線(紫外光)。
第2圖係陽極的概略剖面圖。
陽極30是由圓柱狀金屬構件(以下稱為主體構件)32、與電極支持棒17B接合的筒狀金屬構件(以下稱為蓋構件)36、介於主體構件32與蓋構件36之間的環狀的金屬構件(以下稱為中間構件)40所構成。
主體構件32是厚材的有底筒狀構件，其一體地連接著圓錐台狀的前端部34(前端部34具有沿著電極軸(燈管軸)E的垂直方向的電極前端面30S)，並且在內部形成有凹部50S。主體構件32是由純鎢(W)所形成的金屬或者是以鎢為主成分的合金所構成。
蓋構件36與主體構件32相同，是由鎢、或者是鉭、鉬等的金屬形成，透過中間構件40覆蓋主體構件32，將主體構件32的凹部50S密封。藉此，使密閉空間50形成於陽極內部。 主體構件32、中間構件40、蓋構件36任一者皆同軸配置。主體構件32、蓋構件36沿著徑方向的寬度，也就是材料厚度，在接合部附近沿著電極軸方向是恆定的。
環狀的中間構件40是由鎢、鉬、鉭、錸、鈮單體所形成的金屬，或者是以鎢、鉬、鉭、錸、鈮任一者為主成分的合金所構成。中間構件40比起蓋構件36及主體構件32來說極薄。中間構件40比起主體構件32、蓋構件36或任一者來說延展性更高。
密閉空間50中封入了由比主體構件32、中間構件40、蓋構件36熔點更低的金屬(銀等)所構成的，或者是以這些金屬為主成分的傳熱體M。燈管點燈中，因為電極前端部34被加熱，使得傳熱體M熔融。主體構件32、蓋構件36、中間構件40的熔點比傳熱體M的熔點高，且與燈管點燈中的內部空間底面50B附近的溫度(約1800℃)比起來也高。
熔融的傳熱體M在密閉空間50內對流，使電極前端部34的熱沿著電極軸E輸送至蓋構件36側。藉此，陽極30在燈管點燈中被冷卻。
將這種密閉空間50形成於內部的陽極30是由按照放電電漿燒結(SPS燒結)的方式的固相接合所成形。構成主體構件32、蓋構件36、中間構件40的金屬構件是藉由燒結、固形化金屬粉而成形。然後，將固形化的傳熱體M放入主體構件32的凹部50S後，使用放電電漿燒結(SPS)用的裝置，調整加熱、加壓、加壓時間等，同時接合上述3個金屬構件。
第3圖是沿著主體構件、中間構件的電極軸垂直方 向的剖面圖。第4圖是放大第2圖的接合部分的剖面圖。接著，用第2~4圖來說明中間構件的形狀。
如上述，中間構件40為環狀的薄片，其延展性較高。在此，厚度b定在徑方向的寬度(材料厚度)t的1/2以下。若厚度b超過寬度t的1/2，固相接合時中間構件40會產生大變形，使得蓋部36與主體構件32的軸偏移。
中間構件40為只與蓋構件36的端面36S及主體構件32的端面32S的一部分連接的形狀，而不是與端面36S及端面32S全體連接的形狀。中間構件40的剖面面積S2比主體構件32的圓柱狀部分的剖面面積S1小。也就是說，成為中間構件40之接合面的端面40S的面積比成為主體構件32之接合面的端面32S的面積小。
中間構件40的內徑d1與主體構件32的內徑d2相等，但中間構件40的外徑D2會比主體構件32的外徑D1小。蓋構件36的外徑D3等於主體構件32的外徑D1。
藉由設置這種中間構件40，能進一步提高接合強度。也就是說，中間構件40為環狀，沿著電極軸方向上的體積比(尺寸)也是在中間構件40的部位最小，因此中間構件40擔當緩衝材料的功能。因此，能防止在固相接合時從蓋構件36側對主體構件32施加強的應力。
特別是，中間構件40的延展性比其他構件高，因此在固相接合時沿著電極軸方向中間構件40最為壓縮變形。因此，在固相接合時對主體構件32的壓縮應力減低，抑制了主體構件32的變形。這提高了主體構件32、中間構件40、蓋構件36 的接合部分的接合強度，防止因從傳熱體M所傳來的熱而從接合部分產生龜裂。
因為中間構件40為環狀，所以上升的傳熱體M的流 動會直接到達蓋構件36的端面36S。因此，中間構件40的配置不會降低熱輸送效率。
另一方面，中間構件40的剖面面積比主體構件32 的剖面面積小，只有主體構件32的端面內側部分與中間構件40的端面40S的全體接合。因此，固相接合時施加的應力集中於比較小的接觸區域，使接合強度更進一步提高。
中間構件40的外徑D2比主體構件32的外徑D1小， 主體構件32的端面32S的外側不與中間構件40連接。因此，固相接合時，能夠將沿著徑方向的應力往主體構件32的外側部分釋放，使得主體構件32的形狀不變形的情況下形成電極。
中間構件40的剖面面積S2相對於主體構件32的剖 面面積S1的比例可定在40~90%的範圍內。若比例比40%小，接合部分的剖面面積過小而無法強力地保持主體構件32。若比例比90%大，則應力難以往主體構件32的外側部分釋放。
根據本實施型態，陽極30包括形成凹部50S的主體 構件32、覆蓋主體構件的蓋構件36、介於主體構件與蓋構件之間的環狀的中間構件40。陽極30藉由SPS固相接合主體構件32、中間構件40、蓋構件36而成形。
另外，也可以使中間構件的內徑比主體構件的內 徑小，構成中間構件朝密閉空間側突出的構造。
接著使用第5圖說明第2實施型態的放電燈管。第2 實施型態中，使用碳纖維作為傳熱體。除此之外的構造與第1實施型態相同。
第5圖係第2實施型態的放電燈管的陽極的概略剖面圖。
陽極130是由主體構件132、中間構件140、蓋構件136所構成。由碳纖維束構成的傳熱體M1配置在密閉空間內。傳熱體M1從密閉空間150的底面延伸到蓋構件136。
接著，使用第6~8圖來說明第3實施型態的放電燈管。第3實施型態中，蓋構件設置有凹部，且中間構件位於主體構件的端面外側。除此之外的構成與第1實施型態實質上相同。
第6圖係第3實施型態的陽極的概略剖面圖。第7圖係第3實施型態的中間構件與主體構件的剖面圖。第8圖係放大第6圖的接合部分的剖面圖。
陽極230是由主體構件232、中間構件240、蓋構件236所構成，傳熱體M封入密閉空間250內。蓋構件236的密閉空間側端面236T形成有以中央部為中心並往周圍展開的梯形的凹部237。利用這種形狀，陽極全長中的中間構件240的軸方向位置接近內部空間底面側。也就是說，不變更內部空間的容積下，主體構件232在軸方向縮短，防止固相接合時的按壓壓力造成主體構件232的變形。又凹部237也能夠做成圓筒形狀。
如第7、8圖所示，中間構件240的剖面面積S2比主體構件233的剖面面積S1小。中間構件240的外徑D2與主體構件232的外徑D1相等，而中間構件240的內徑d2比主體構件232的 內徑d1大。蓋構件236的外徑D3等於主體構件232的外徑D1。
藉由像這樣中間構件240連接主體構件232的端面外側部分，在SPS的固相接合時，電流因為表皮效應而大多在電極側面側流動，因此能夠提高接合強度。特別是提高了在中間構件240的內周面附近的接合強度。
中間構件240的內周面比主體構件232的內周面更位於電極側面側，接合部分形成凹形狀。藉此，傳熱體M的流動不會直接地波及中間構件240，而能夠抑制對接合部分的加熱。另外，也可以使中間構件的外徑比主體構件的外徑大，做成中間構件從電極側面突出的構造。
接著，使用第9圖說明第4實施型態的放電燈管。第4實施型態中，中間構件配置在主體構件端面的中央部。除此之外的構造實質上與第1實施型態相同。
第9圖係第4實施型態的接合部分的剖面圖。
陽極330是由主體構件332、中間構件340、蓋構件336所構成，未圖示的傳熱體封入密閉空間350內。中間構件340的外徑D2比主體構件332的外徑D1小。中間構件340的內徑d2比主體構件332的內徑d1大。蓋構件336的外徑D3等於主體構件332的外徑D1。
接著，使用第10圖說明第5實施型態。第5實施型態中，主體構件的外徑比中間構件的外徑大。除此之外的構造實質上與第1實施型態相同。
第10圖係第5實施型態的陽極的剖面圖。
陽極430是由主體構件432、中間構件440、蓋構件 436所構成，傳熱體M封入密閉空間450內。中間構件440的外徑D2、蓋構件436的外徑D3比主體構件432的外徑D1小。
像這樣將主體構件的接合面中的電極側面側做為非接觸部分，能夠獲得與第1實施型態相同的效果。又因為蓋構件的外徑與中間構件的外徑相等，所以蓋構件的電極側面側部分與中間構件接合，蓋構件與中間構件的接合強度提高。
接著，使用第11圖說明第6實施型態。第6實施型態中，與第1~第4實施型態不同，主體構件的接合面外徑比中間構件的外徑小。
第11圖係第6實施型態的陽極的剖面圖。
陽極530是由主體構件532、中間構件540、蓋構件536所構成，傳熱體M封入密閉空間550內。主體構件532的接合部附近的側面形成有楔533。因此，主體構件532的接合面外徑會比中間構件540的外徑短。在中間構件540的端面中，電極側面側端部分不與主體構件532接合。蓋構件536的外徑與中間構件540的外徑相等。
藉由這種構造，可使固相接合時的應力往主體構件側面附近釋放。能夠防止主體構件532的變形。
[實施例1]以下說明本發明實施例1的放電燈管。
放電燈管的陽極是由以純鎢形成的主體構件、蓋構件、含有鎢、錸的合金、或者是鉬/鉭形成的中間構件所構成。放電燈管是將分別準備的主體構件、蓋構件、中間構件以SPS的方式固相接合而成形。在此，主體構件的外徑、內徑、中間構件的外徑、內徑設定如下：
主體構件外徑： 35 主體構件內徑： 22
中間構件外徑： 35 中間構件內徑： 24
對製造出來的陽極進行拉伸試驗。另外使用沒有設置中間構件的習知的放電燈管來做為比較例。結果顯示於以下的表1。
拉伸強度表示沿著電極軸將電極撕開的方向上的強度。確認經過750小時點燈後的接合部附近有無破裂。如表1所示，藉由設置中間構件能夠提高接合強度。
[實施例2]接著說明本發明實施例2的放電燈管。
實施例2的放電燈管的陽極是由以純鎢形成的主體構件、蓋構件、含有鎢、錸的合金、或者是鉬/鉭形成的中間構件所構成。放電燈管的陽極是將分別準備的主體構件、蓋構件、中間構件以SPS的方式固相接合而成形。實施例2的陽極如第1實施型態，中間構件的外徑比主體構件的外徑短。在此，主體構件的外徑、內徑、中間構件的內徑設定如下：
主體構件外徑： 35 主體構件內徑： 22
中間構件內徑： 22
關於中間構件的外徑，在比主體構件的外徑短的條件下變化。以SPS的方式固相接合上述外徑不同的若干個中間構件與上述準備的主體構件、蓋構件來製造若干個陽極，並 測量各個陽極的主體構件外徑的變形量。
第12圖以圖表顯示接合面積(中間構件端面面積)相對於主體構件端面的剖面面積的比例與主體構件外徑變形量的關係。如第12圖所示，中間構件的剖面面積越小主體構件外徑的變形量越少。
[實施例3]接著說明本發明的實施例3。實施例3中，將中間構件的位置配置於相當第1、第3、第4實施型態的位置(內側、外側、中央)時以模擬程式算出施加於主體構件的內表面的應力。以下將結果顯示於表2。用於計算的陽極的模型設定主體構件的外徑、內徑、中間構件的外徑、內徑如下：
內側
主體構件外徑： 35 主體構件內徑： 22
中間構件外徑： 33 中間構件內徑： 22
外側
主體構件外徑： 35 主體構件內徑： 22
中間構件外徑： 35 中間構件內徑： 24
中央
主體構件外徑： 35 主體構件內徑： 22
中間構件外徑： 34 中間構件內徑： 23
在表2中，將如第4實施型態的方式構成中間構件時的應力以1來表示。從表2中可知，當如第1實施型態將中間 構件配置於內側，應力就會減低。

Claims (12)

  1. 一種放電燈管，包括：放電管；以及一對的電極，配置於該放電管內，其中至少一者的電極包括：主體構件，形成有凹部；蓋構件，覆蓋該主體構件；以及環狀的中間構件，介於該主體構件及該蓋構件之間，該至少一者的電極是藉由固相接合該主體構件、該中間構件及該蓋構件而成形，藉由固相接合而形成於電極內部的密閉空間封入有傳熱體，其中該中間構件的接合面的面積比該主體構件的剖面面積小。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之放電燈管，其中該中間構件的外徑比該主體構件的外徑小。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之放電燈管，其中該中間構件的內徑比該主體構件的內徑大。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之放電燈管，其中該蓋構件的外徑比該主體構件的外徑小。
  5. 一種放電燈管，包括：放電管；以及一對的電極，配置於該放電管內，其中至少一者的電極包括： 主體構件，形成有凹部；蓋構件，覆蓋該主體構件；以及環狀的中間構件，介於該主體構件及該蓋構件之間，該至少一者的電極是藉由固相接合該主體構件、該中間構件及該蓋構件而成形，藉由固相接合而形成於電極內部的密閉空間封入有傳熱體，其中該主體構件的接合面的外徑比該中間構件的外徑小。
  6. 如申請專利範圍第1或5項所述之放電燈管，其中該中間構件的徑方向寬度是該中間構件的厚度的2倍以下。
  7. 如申請專利範圍第1或5項所述之放電燈管，其中該蓋構件在該密閉空間側具有蓋凹部。
  8. 如申請專利範圍第1或5項所述之放電燈管，其中該中間構件比該主體構件及該蓋構件中至少一者的延展性更高。
  9. 如申請專利範圍第1或5項所述之放電燈管，其中該中間構件是由鎢、鉬、鉭、錸任一者的金屬，或者是以上述任一者為主成分的合金所形成。
  10. 如申請專利範圍第1或5項所述之放電燈管，其中該中間構件的熔點比燈管點燈中的電極前端部的溫度高。
  11. 一種放電燈管用電極，包括：主體構件，形成有凹部；蓋構件，覆蓋該主體構件；以及環狀的中間構件，介於該主體構件及該蓋構件之間，該放電燈管用電極是藉由固相接合該主體構件、該中間構 件及該蓋構件而成形，藉由固相接合而形成於電極內部的密閉空間封入有傳熱體，其中該中間構件的接合面的面積比該主體構件的剖面面積小。
  12. 一種放電燈管用電極的製造方法，包括下列步驟：形成具有凹部的主體構件、覆蓋該主體構件的凹部的蓋構件、以及環狀的中間構件；放置傳熱體於該主體構件的凹部；將該中間構件介入該主體構件與該蓋構件之間，固相接合該主體構件、該中間構件及該蓋構件來形成電極，其中該中間構件的接合面的面積比該主體構件的剖面面積小。
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