TWI638380B - 放電燈管用電極之製造方法及放電燈管 - Google Patents

Abstract

本發明的放電燈管用電極之製造方法是用固相接合來製造放電燈管用電極的方法，包括：將構成電極前端部的至少一部分且含有電子放射物質的柱狀前端固體構件，以及至少構成電極本體部且接合面的徑長比該前端固體構件的接合面的徑長長的柱狀的本體固體構件，透過彼此的接合面固相接合；以及對固相接合所生成的電極素材實施切削加工，形成錐狀的電極前端部。

Description

放電燈管用電極之製造方法及放電燈管

本發明係有關於一種利用於曝光裝置的放電燈，且特別有關於將複數的構件接合的放電燈用的電極的製造方法。

放電燈伴隨著高輸出化，將金屬種類、結晶特性等不同的構件接合來形成電極。例如將含有釷等的電子放射物質的金屬構件做為電極前端部，將鎢等的高熔點金屬構件做為本體部，再將2個金屬構件相互接合。

接合方法中有一種固相接合的方法叫做擴散接合。擴散接合中，可在接合面附近使結晶構造朝軸方向傾斜化，或者是使金屬結晶粒不沿著軸方向變形的方式接合，能夠抑制接合造成的電極性能的下降(參照專利文獻1、2)。接著，按照既定的壓力、加壓時間、接合溫度，進行放電電漿燒結接合(SPS接合)來做為擴散接合。

在這樣的擴散接合中的電極成形是利用切削加工來固定電極形狀。例如，準備構成極前端部的圓柱狀的釷鎢構件與構成本體部的圓柱狀的鎢構件。然後，抵接彼此徑長度相等的接觸面，一邊從構件兩側施加壓力一邊通電加熱。擴散接合後，將一體化的構件的前端部側切削加工為圓錐狀，獲得電 極形狀(參照專利文獻3)。

固相接合不同的金屬構件來形成電極的情況下，因為熱膨脹率不同，點燈中的接合面會產生極大的應力，可能造成電極的破損。為了防止這個狀況，有一種電極是在前端部及本體部的接合面設置環狀的突起部分，使它們彼此咬合再進行擴散接合(參照專利文獻4)。

另一方面，也有一種調整電極側面的面積比率使燈管長壽化的方法(參照專利文獻5)。其中，將釷鎢做為電極前端部分，並使其與純鎢的本體部擴散接合，在這種放電燈管中，構造上使釭鎢部的側面積與電極面積的比收在既定範圍內，可使電弧放電穩定化。

[先行技術文獻]

專利文獻1：特開2011-249027號公報

專利文獻2：特開2011-71091號公報

專利文獻3：特開2012-15007號公報

專利文獻4：特開2011-216442號公報

專利文獻5：特開2011-154927號公報

電極本體的部分使用釷鎢等的含有電子放射物質的金屬來構成電極的情況下，電子放射物質的供給經由接合面。而且，接合面的尺寸、接合面的平滑度、固相接合時的接合條件、接合面形狀等有關接合面的構造會影響該電極的強度、傳導性、熱傳導性等的電極性能。

例如，接合面的徑長本身也會影響電極性能。過去，在固相接合時並不會考率接合面的徑長所帶來的影響，因此電極性能會依狀況不同而下降。

再加上，關於接合溫度、接合時間、加壓力等也會因為接合面的徑長不同而有不同的需求條件。不考慮接合溫度、接合時間、壓力、及接合面的徑長的相關性直接設定的話，無法獲得理想的電極性能。

因此，固相接合複數構件來形成電極的情況下，會希望能考慮接合溫度、接合時間、壓力、及接合面的徑長的相關性來進行設定，設定出能實現優秀電極性能的設定值。

另一方面，釭鎢構件的剖面比鎢構件的剖面的平滑度低。此平滑度的差會隨著徑長越長而越顯著。因此，在接合面上的接合強度變得不均，而無法獲得穩定的接合強度。

使用通電加熱來擴散接合的情況下，根據接合條件等會發生電流容易流到表面側的情形，接合面周緣附近比中心部的接合強度大。因此，擴散接合後以切削加工來形成前端部分的話，接合強度大的表面附近部分會被切削得多，使得接合強度下降。

因此，必須將構成前端部的釷鎢等的含有電子放射物質的構件與構成本體部的構件進行接合強度穩定的固相接合。

另外，接合面的構造也會對電子放射物質的移動帶來影響。燈管點燈中電子放射物質朝向電極前端部前端面側的移動是根據電極內部往表面擴散的粒界擴散與沿著電極表 面擴散的濃度擴散。粒界擴散的移動方向沒有指向性，因此移動到電極表面的電子放射物質的分布不均一。而朝向沿著前端部的周方向的表面移動後再透過表面濃度擴散移動到電極前端部前端面側的話，電子放射物質的供給極為耗時。

擴散速度因電極溫度而異，往電極前端部的前端面側移動的電子放射物質的供給量不穩定，在電極前端部附近的電子放射物質濃度產生不均勻。結果，電弧放電的輝點容易往電子放射物質濃度高的地方移動，照明變得閃爍而不穩定。

因此必須維持有效率且盡早地將電子放射物質供給至電極前端部的前端面側，使電極前端部的電子放射物質濃度均一化。

本發明的放電燈管用電極之製造方法，包括：將構成電極前端部的至少一部分且含有電子放射物質的柱狀前端固體構件，以及至少構成電極本體部且接合面的徑長比該前端固體構件的接合面的徑長長的柱狀的本體固體構件，透過彼此的接合面固相接合；以及對固相接合所生成的電極素材實施切削加工，形成錐狀的電極前端部。

例如，電極可以是陰極，製造後使用於放電燈管中。電子放射物質可採用釷鎢等，前端固體構件、本體固體構件可以是任意形狀。而材質可採用金屬材料或陶瓷材料等。固相接合的方法可以採用各種擴散接合，特別是SPS接合方式的固相接合。

本發明中，前端固體構件的徑長比本體固體構件 的徑長短。而固相接合後進行切削加工，所構成的電極能夠有效率地僅除去容易生成楔部分、接合強度弱的接合面端部。

例如，切削步驟時，對電極素材至少切削前端固體構件與本體固體構件的接合面周緣部分。特別是，能夠對電極素材進行切削加工，將形成在前端固體構件的接合面周緣部分的楔部分去除。也能夠對電極素材進行切削加工使只有前端固體構件的接合面中央部留下。

為了能夠實行這樣的切削加工，可將前端固體構件的接合面的徑長與本體固體構件的接合面的徑長的比設定在滿足0.05<D1/D2<1。

另一方面，本發明其他態樣的放電燈管用電極之製造方法，包括：形成具有凸部或凹部(以下以凸部/凹部表示)的前端部、具有嵌合該前端部的凸部/凹部的凹部/凸部的本體部；以及將該前端部與該本體部抵接，實施SPS接合，其中該SPS接合中，將該前端部與該本體部部分地固相接合。

為了部分地進行固相接合，例如，變更或抑制設定在電極前端部與本體部的對向面全部固相接合的情況下的接合時間、燒結/接合溫度、施加電壓中的至少一者。藉此，部分地進行固相接合，在至少沿著垂直電極軸方向的面以外形成有相向面的凸部、凹部會產生沒有固相接合的部分。

使用這種製造方法製造的放電燈管具備含有電子放射物質且具有凸部或凹部的電極前端部、以及具有與電極前端部的凸部或凹部嵌合的凹部或凸部的本體部。電極前端部具備做為電弧放電的輝點的前端面，構成圓錐形狀等的電極縮徑 部的至少一部分。本體部例如為柱狀，或者是也可一部分構成電極前端部。

電極前端部能夠以例如釷鎢所構成，本體部能夠以例如純鎢等構成。凸部、凹部的形成場所可任意選擇，只要沿著電極軸方向形成凹部、凸部，其具有沿著垂直電極軸方向以外的方向形成有彼此相對的面即可。

凸部、凹部只要是可互相嵌合的形狀即可，可以設置一組凸部、凹部或是複數的凸部、凹部。而在此的嵌合表示形狀彼此匹配，且這種形狀的相對面之間大致互相接觸(非指分子等級而是巨觀觀察下)。例如，凸部/凹部的形狀可以是圓柱、三角柱、四角柱等柱狀。

本發明中，電極前端部與本體部部分地固相接合。在電極前端部與本體部相向的複數面中，電極前端部的凸部/凹部與本體部的凹部/凸部彼此相向的表面中至少一部分沒有固相接合。

凸部、凹部中存在沒有被固相接合的部分，因此燈管點燈中，基於粒界擴散而移動的釷成分在非固相接合部分，朝向垂直電極軸方向的移動會受到限制。結果，沿着垂直於電極軸的方向移動的釷成分大多無法到達電極表面，而更早地往電極前端部的前端面方向移動。

凸部、凹部的形成場所可任意選擇，例如電極前端部的凸部/凹部與本體部的凹部/凸部可相對電極軸同軸地形成。在這個情況下，能夠使逸散至電極前端部全體的釭成分集中地朝向電極前端部的前端面側移動。

考慮到釷成分的供給而不對凹部、凸部固相接合除此之外的相對面仍進行固相接合，藉此能提高電極強度。也就是說，電極前端部與本體部可在電極前端部的凸部/凹部與本體部的凹部/凸部以外的位置，將沿著垂直於電極軸的方向彼此相向的表面固相接合。

本發明另一態樣的放電燈管用電極之製造方法，包括：形成至少有一個為金屬構件的複數固體構件，包括具有電極前端面的前端側固體構件、以及被支持於電極支持棒的後端側固體構件；以及將複數固體構件在該前端側固體構件與該後端側固體構件之間固相接合，其中當接合面外徑L(mm)在2≦L≦60的範圍內時，以滿足以下的條件的方式固相接合。

3000≦Tt+P≦150093

(1200≦T≦2500，10≦P≦90，3≦t≦60)其中L是接合面外徑(mm)，T是接合溫度(℃)，P是接合時施加的加壓力(MPa)、t是加壓狀態下保持金屬構件的接合時間(min)。

或者是本發明另一觀點的放電燈管用電極的製造方法，固相接合滿足以下的條件式。

370.4/L≦(T+P)t/9.8L≦15857.1/L； 2≦L≦60，1200≦T≦2500，10≦P≦90，3≦t≦60

上述2式設定出能夠充分維持接合強度的變數L、T、P、t的設定範圍，是以經驗推導而出，設定的變數彼此之間具有相關性。

若檢討個別的變數，接合面外徑L、接合溫度T、 加壓力P、接合時間t滿足以下條件為佳。

5≦L≦30，1500≦T≦2200，30≦P≦80，5≦t≦30

做為複數的固體構件，只要是至少其中一者為金屬構件即可。在接合前，可先形成、成形該前端側固體構件及與該前端側固體構件接合的該後端側固體構件。前端側固體構件可採用含釷的金屬構件。而固相接合的方式可採用SPS接合。

根據本發明，能夠基於固相接合製造出具有優秀電極性能的電極。

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、120、220‧‧‧陰極

120A、220A、2120A‧‧‧前端部

120B、220B、2120B‧‧‧本體部

30‧‧‧陽極

40、50、1110、1120、2120‧‧‧金屬構件

1110T‧‧‧周緣部

1110C‧‧‧中央部

1200‧‧‧電極素材

40A‧‧‧圓錐梯形部分

40B‧‧‧圓柱狀部分

40S、220S‧‧‧電極前端面

60‧‧‧放電電漿燒結裝置

65‧‧‧真空腔室

70A‧‧‧上部沖頭電極

70B‧‧‧下部沖頭電極

80‧‧‧沖模

80A‧‧‧上部沖頭

80B‧‧‧下部沖頭

90‧‧‧脈衝電源

222、225‧‧‧接續表面

222A、222B、222C、222D、222E、225A、225B、225C、225D、225E、2122A、2122B、2122C、2122D、2122E、2125A、2125B、2125C、2125E、2125E‧‧‧端面

223、2126‧‧‧凸部

226、2123‧‧‧凹部

DS‧‧‧放電空間

S、1110S、1120S、2120S‧‧‧接合面

S1、S2‧‧‧領域

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圖係顯示放電電漿燒結裝置的圖。

第4圖係顯示條件式(1)的圖。

第5圖係顯示條件式(2)的圖。

第6圖係第2實施型態的陰極的概略剖面圖。

第7圖係顯示陰極的製造步驟的圖。

第8圖係第3實施型態的陰極的概略剖面圖。

第9圖係前端部、本體部接合前的概略平面圖。

第10圖係陰極的概略平面圖。

第11圖係第4實施型態的陰極概略平面圖。

第12圖係顯示表1中的實施例、比較例的座標位置及條件 式(1)的領域的圖。

第13圖係顯示各實施例、比較例的座標位置及條件式(2)的領域的圖。

第14圖係第13圖的一部分放大圖。

以下將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是能夠使用於形成圖樣用的曝光裝置(未圖示)的光源，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、陽極30以既定間隔相對配置。

在放電管12的兩側，相向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中，沿著鉛直方向，陽極30配置在上側，陰極20配置在下側。如後所述，陽極30是以2個金屬構件40、50構成。

密封管13A、13B的內部配置有支持金屬性的陰極20、陽極30的導電性電極支持棒17A、17B，透過金屬環(未圖示)、鉬等得金屬箔16A、16B分別連接至導電性的導棒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連接於外部的電源部(未圖示)，電壓透過導棒15A、15B、金屬箔16A、16B、電極支持棒17A、17B施加於陰極20、陽極30之間。若供給電力至放電燈10，電 極間會產生電弧放電，發射出水銀產生的亮線(紫外光)。

第2圖係陽極的概略剖面圖。

陽極30是接合金屬構件40、50的電極構造，金屬構件40由含有電極前端面40S的圓錐梯形部分40A、以及與圓柱狀的金屬構件50相同徑長且接合至金屬構件50的圓柱狀部分40B所構成。金屬構件40以純鎢等的高熔點、或者是主成分為鎢的合金所構成。

另一方面，構成圓柱狀的金屬構件50的金屬含有比金屬構件40熱傳導率高的金屬(例如，可形成較大形狀的純鎢、釷、鉬、具有吸氣效果的鉭、熱傳導性高的氮化鋁、碳材等)。

金屬構件40、50按照放電電漿燒結(SPS)的方式進行擴散接合。因此，沿著垂直於電極軸X的方向形成的接合面S附近形成有擴散層。

在此處，只有貢獻於接合的接合面結晶粒會部分地變形，除此之外的接合面S附近的結晶粒幾乎不產生沿著垂直接合面的方向(電極軸方向)的變形、基於二次再結晶化的晶粒肥大化、粒界移動。又，沿著接合面的結晶粒徑幾乎均一，且在接合面附近沿著電極軸方向的結晶粒徑也幾乎均一。

形成挾著這種接合面S的擴散層，能夠使熱傳導特性、導電性不產生沿著接合面S的不均勻。由於燈管點燈而變為高溫的電極前端面40S(1000℃以上)朝向電極支持棒17B傳送熱的期間，陽極內部的溫度分布會以電極軸X為中心對稱地分布，熱輸送不會受到接合面S的影響。

而金屬結晶徑沿著接合面S變得略為均一，也能夠進行擴散接合使結晶構造沿著電極軸X傾斜化。因為傾斜化，結晶徑會沿著電極軸X連續地或階段地變化。

金屬構件40、50的形狀也可以做成第2圖以外的形狀。可在固相接合時讓其他金屬構件存在於金屬構件40、50之間。

第3圖係顯示放電電漿燒結裝置的圖。

放電電漿燒結法是直接投入脈衝電能至壓粉體或成形體的粒子間隙中，將在火花放電現象中瞬間產生的放電電漿的高溫能量用於熱擴散、電場擴散等的燒結方法。

第3圖的放電電漿燒結裝置60具備真空腔室65，在真空腔室65內部的上部沖頭80A、下部沖頭80B、及石墨製的沖模80之間，將具有第2圖的形狀的金屬構件40、50以彼此的接觸面接觸的狀態下配置。金屬構件40、50成型時會透過事先的切削等得金屬加工處理使接觸面形成相同的尺寸。

石墨製的上部沖頭80A、下部沖頭80B分別連接於上部沖頭電極70A、下部沖頭電極70B。將裝置內抽成真空後，脈衝電源90在上部沖頭80A、下部沖頭80B間施加電壓。

然後，在通電的同時，利用加壓機構(未圖示)施加壓力於上部沖頭80A、下部沖頭80B間。利用通電產生的放電電漿瞬間昇溫至既定的溫度後，保持施加壓力的狀態一定時間。藉此，獲得具有第2圖所示的形狀的陽極。

接著，使用第4、5圖說明電極製造時的接合條件。

如上所述，SPS接合金屬構件40、50時，接合溫度、 加壓力、接合/保持時間是既定的。這些參數的設定會大幅影響電極性能。並且這些參數與接合面的徑長有相關性，為了求出最適當的條件，必須將接合面外徑、接合溫度、加壓力、接合時間設定在適當的值。

本實施型態中，求出各參數的適當值且導出表示參數間的相關性的式子。設置出能夠滿足導出的條件式的參數，就不需要啟發式地設置各參數，就能夠在某種程度上自動獲得電極性能優秀的電極構造。

首先，關於接合面外徑L(mm)，設定在滿足2≦L≦60。接合面外徑L不滿2mm時，無法增加接合時的加壓，接合面以外會發生部分地微小放電，使接合不穩定。若加大接合時的加壓，接合前的金屬材料容易發生破裂或變形。再加上，會發生釷的擴散使得釷含有量減少而降低燈管的性能。另一方面，若接合面外徑L比60mm大，為了獲得接合面的平滑度而所需的加工處理變得繁雜，而且釭的使用量過多。

關於接合時的接合溫度T(℃)，設定在滿足1200≦T≦2500。接合溫度T比2500℃大時，大幅超過釷的熔點(約1800℃)，使得接合面附近的最上層所包含的釷有一部分融化、蒸發。當接合面的釭擴散，會造成接合強度下降。另一方面，當接合溫度T不滿1200℃時，無法獲得充分的接合強度。

關於接合時的加壓力(MPa)，設定在滿足10≦P≦90。當加壓力P比90MPa高時，接合時金屬構件容易破裂或變形。由於2個金屬構件必須正對且在同軸上加壓，一旦加壓的方向產生偏差，接合面會產生彎曲或凹陷，使得接合面附近 的密度變得不均一。另一方面，當加壓力不滿10MPa時，則無法獲得充分的接合強度。

然後，關於接合時的金屬構件保持時間，也就是接合時間t(min)，設定在滿足3≦t≦60。保持時間t若比60min長，則生產力下降。另一方面，若保持時間t不滿3min，則無法獲得充分的接合強度。

這樣一來，SPS接合時的接合面外徑L、溫度T、加壓力P、接合時間t分別被設定在可實現優秀電極性能的數值範圍內。然而，這些參數間有相關性，一邊分別改變各參數一邊決定出能夠實現優秀的電極性能的參數組合是相當困難的。

因此，本實施型態中，規定2個條件式。將滿足條件式的數值範圍分別圖形化，藉此視覺化4個參數範圍。

首先，將考量接合時的能量的1個條件式規定如下：3000≦Tt+P≦150093.....(1)

(2≦L≦60)

一邊改變接合面外徑L，一邊訂出滿足(1)式上限值及下限值的接合溫度T、加壓力P、接合時間t。

第4圖係顯示條件式(1)的圖。如第4圖所示，定義橫軸L、縱軸Tt+P的2維座標係，滿足(1)式的範圍被圖形化成領域S1。因應矩形領域S1內的(L,Tt+P)的座標位置，接合強度不同。

接著，將考量接合強度的條件式規定如下：370.4/L≦α/L≦15857.1/L.....(2)

(α=(T+P)t/9.8，2≦L≦60)

第5圖係顯示條件式(2)的圖。如第5圖所示，定義橫軸L、縱軸(T+P)t/(9.8L)的2維座標係，圖形化出領域S2。

像這樣將各參數的可能設定範圍圖形化，製造電極構造不同，也就是接合面外徑不同的電極時，也能夠容易地推導並設定出具有同樣優秀的熱傳導性、強度的數值。

特別是，將接合面外徑L、接合溫度T、加壓力P、接合時間t訂在以下範圍，能夠製造出電極性能更優秀的電極。

5≦L≦30，1500≦T≦2200，30≦P≦80，5≦t≦30.....(3)

根據本實施型態，SPS接合含釷等成分的金屬構件40與純鎢等金屬構件50來形成陽極。且在SPS接合時，先將接合面外徑L、接合溫度T、加壓力P、接合時間t訂在上述限定的容許範圍內，再設定出滿足條件式(1)、(2)的值。

另外，也可採用SPS接合以外的擴散接合方法來製造電極。例如，熱加壓(Hot Pressing，HP)、熱等靜壓(Hot Isostatic Pressing，HIP)等的一邊加壓一邊燒結的擴散接合方是來製造電極。另外，擴散接合方法以外的固相接合法(摩擦壓接法、超音波接合法等)也可適用。

而陰極也可以用不同金屬構件固相接合而成。或者是進行固相接合的兩個構件中的一方使用金屬構件、另一方使用其他素材構成的構件(陶瓷等)來做固相接合也可。另外，構件間也可存在其他插入構件而進行接合。

接著，使用第6、7圖說明第2實施型態的放電燈 管。第2實施型態中，將徑長不同的構件固相接合來形成電極。

第6圖係第2實施型態的陰極的概略剖面圖。

陰極120採用將2個金屬構件1110、1120接合後切削加工成型的電極構造。金屬構件1110構成前端部120A的一部分。金屬構件1120構成柱狀的本體部120B且構成前端部120A的本體側的部分。

金屬構件1110是含有二氧化釷(ThO₂)的鎢(也就是釷鎢)所構成金屬構件。金屬構件1120以熱傳導率比金屬構件1110高的金屬(在此為純鎢)所構成。

金屬構件1110、1120以放電電漿燒結(SPS(Spark Plasma Sintering))的方式擴散接合。因此，垂直於電極軸E的接合面S附近形成擴散層。金屬結晶的徑長沿著接合面S幾乎均一。而關於電極軸E，除了接合面S附近外結晶徑略均一。形成這種挾著接合面S的擴散層，使熱傳導性、導電性沿著接合面上沒有不均勻。

第7圖係顯示陰極的製造步驟的圖。使用第7圖，說明SPS接合及切削加工。另外，也可以同樣地製造陽極。

首先，分別形成圓柱狀的金屬構件1110、1120。此時，金屬構件1110的徑長D1被形成為比金屬構件1120的徑長D2短。在此，3<D1<30，5<D2<60時(單位皆為mm)，設定徑長D1、D2使其滿足0.05<D1/D2<1。上限值設定在至少能將後述的楔部分消除。下限值則按照電極前端部的傾斜角度、接合條件等而定。

對於準備的金屬構件1110、1120，與實施型態1相 同地，進行SPS接合處理。藉此獲得電極素材1200。

然後對產生的電極素材1200進行切削加工。在此，分別部分地切削金屬構件1110、1120，形成虛線K所示的圓錐狀的電極前端面。對金屬構件1110是將接合面1110S的中央部(周緣部1110T以外)切出來，對金屬構件1120則是切掉接合面1120S的周緣部。切削方法、切削器具等以習知的方法、器具等進行。

虛線K所表示的切斷面的位置，也就是形成電極外周面的位置是依據金屬構件1110、1120的徑長D1、D2的大小及其差、電極外周面的傾斜角度、金屬構件1110的厚度等而定。特別是，被設定成至少除去金屬構件1110的接合面周緣部1110T，留下接合面中央部1110C。

切削後的電極素材1200由圓錐狀的金屬構件1110、以及一部分是圓錐狀其他部分是圓柱狀的金屬構件1120所構成。如第6圖所示，形成由電極前端部120A、本體部120B構成的陰極120。

根據本實施型態，利用SPS接合來接合具有由釭鎢構成的電極前端部120A的放電燈管的陰極120。在SPS接合步驟中，將釷鎢構成的圓柱狀金屬構件1110、以及徑長D2比金屬構件1110的徑長D1長的純鎢的圓柱狀金屬構件1120，透過接合面1110S、1120S通電加熱後進行SPS接合。之後，進行切削加工，使得由虛線K所示的剖面成為電極外周面。

含釷成分的金屬構件1110的接合面1110S比起純鎢的金屬構件1120的接合面1120S的平滑度低。此差距隨著徑長 越大越顯著。然而，比接合面1120的徑長D2短的接合面1110A的徑長D1相對較小，因此固相接合後這個影響不容易顯現，能夠抑制接合強度的下降。

而因為金屬構件1110、1120的物理性質的差異，在接合面端部附近，部分沒有接合的微小楔部分沿著電極軸垂直方向產生。本實施型態中，藉由切削金屬構件1110的接合面周緣部1110T，能夠去除SPS接合時形成在接合面周緣部1110T的楔部分。此結果能夠抑制接合強度的下降。

特別是只將楔部分除去的範圍下盡可能減少金屬構件1110的切削部分，能夠使金屬構件1110的徑長D1更進一步地接近金屬構件1120的徑長D2。這樣能夠增加SPS接合時的加壓力，提高接合強度。

另一方面，在SPS接合時通電，會根據接合條件等，有時接合面中央部分的接合強度會變得比金屬構件1110、1120的外周面附近的接合強度小。然而，因為金屬構件1110的徑長D1相對小，所以這個影響也會變小。而切削接合強度大的金屬構件1110的外周附近的範圍也相對地減少。因此比起彼此以相同徑長的接觸面抵接的情況下，中央部的接合強度增大。

釭鎢所構成的金屬構件1110中，會有表面附近產生不存在二氧化釷的部分的情況。然而，透過SPS接合後的切削加工，金屬構件1110的表層部被除去，因此能夠防止缺少二氧化釷造成的電弧放電不穩定。再加上，在SPS接合後進行切削加工，因此在接合面的徑方向不會產生高低差。這個結果使得燈管點燈時不會發生異常放電。

能夠採用任意的金屬構件的徑長、電極前端面的傾斜角度、前端面剖面形狀，切削出沒有高低差的平坦外周面，形成錐狀的電極前端部。另外，也可以採用任意的金屬構件的材質、形狀，可使固體構件的電極前端部含有釭以外的電子放射物質。也可以用金屬構件以外的材質(陶瓷、碳等)構成主體部。另外，也可構成電極前端部，使其同時包括含釷鎢等的電子放射物質構件與主體部分的固體構件。

接著使用第8~10圖，說明第3實施型態的放電燈管。第3實施型態中，接合面上設置高低差，進行部分的固相接合。

第8圖係第3實施型態的陰極的概略剖面圖。第9圖係前端部、本體部接合前的概略平面圖。以下，說明陰極的構造。

陰極220為具有電極前端面220S的圓錐梯形的前端部220A與柱狀的本體部220B接合的構造。前端部220A是含有釭成分做為電子放射物質的釷鎢所組成的金屬，本體部220B是熱傳導率高的金屬(在此為純鎢)或者是包含該金屬的合金所構成。

前端部220A在其中央部相對於電極軸E同軸地設置了往本體部側凸出的凸部223。本體部220B具有配合該凸部223的形狀的凹部226。將此前端部220A、本體部220B固相接合形成陰極220。在此，採用擴散接合方法之一的SPS接合。

如第9圖所示，前端部220A、本體部220B具有由複數端面構成且彼此相向的接觸表面222、225。前端部220A側形 成有垂直於電極軸E的端面222A、222E、凸部223的端面222C、平行電極軸E的端面222B、222D。本體部220B側形成有分別與前端部220A的端面222A~222E相向的端面225A~225E。

SPS接合處理步驟中，使前端部220A的凸部223與本體部220B的凹部226嵌合後抵接，再分別於其反對側的表面按上沖頭(未圖示)。前端部220A的凸部223、本體部220B的凹部226在端面222B~222D、225B~225D任一者都無間隙地抵接的狀態下嵌合，獲得陰極220。

放電燈管用電極的製造步驟中，與第1實施型態相同地，進行SPS接合。調整SPS接合中的施加電壓、加壓力、接合溫度、加壓時間(保持時間)，不使前端部220A的凸部223與本體部220B的凹部226在端面222B~222D、225B~225D之間固相接合(擴散接合)，而分別固相接合位於周圍的環狀端面222A、222E及環狀端面225A、225E。

例如，將陰極220的徑長M(mm)設定在5≦M≦30的情況下，將施加電壓V、加壓力P(MPa)、燒結溫度T(℃)、接合時間t(min)分別設定在5≦P≦30、1500≦T≦2200、5≦t≦30的範圍內來進行SPS接合，能獲得上述部分固相接合的陰極220。

第10圖係陰極220的概略平面圖。使用第10圖說明燈管點燈中的釷成分的動向。

轉換至燈管點燈狀態時，釷前端部220A內部的釷成分(具體來說是二氧化釷)基於粒界擴散朝表面移動。成分的移動不會超出彼此的端面，因為凸部223的內部或是凸部223 的端面222D與本體部220B的凹部226只有單純抵接，所以只會沿著表面移動。

因為不固相接合凸部223與凹部226而只採用抵接，所以釷的成分大多朝向電極前端面移動。也就是說，會成為釷成分沿著垂直電極軸E的方向移動的障礙，比起朝向沿著前端部220A的周方向的表面(圓錐面)移動，釷成分主要都是朝向電極前端面220S移動。

結果，內部的釷成分以比較短的總距離迅速且早期地到達電極前端面220S。特別是，因為凸部、凹部設置於中央部，所以前端部220A內部分散的釷成分平衡地供給至前端面220S，在前端面220S附近的釷濃度隨時間經過的影響減少，而趨於穩定。

再者，比起不設置凸部223的前端部形狀，能夠將釷成分更多地儲存在凸部223，因此即使因為點燈條件使得前端部溫度變高，也能夠從溫度相對較低的凸部223充分地將釷成分依序供給至前端側。

根據本實施型態，放電燈管的陰極220由釭鎢形成的前端部220A、純鎢形成的本體部220B所構成。使前端部220A的凸部223與本體部220B的凹部226嵌合後進行SPS接合。此時，不固相接合凸部223與凹部226，而將除此以外的端面222A、225A及222E、225E進行固相接合。

將凸部223、凹部226盡可能不留間隙地緊密相接，且即使在形成前端部220A、本體部220B時，也要成形出足夠平滑的端面。然而，也不一定要使凸部223與凹部226的端 面嚴格地平滑化，即使有部分地形成微小空隙這樣程度的表面粗糙度也沒有關係。另外，凸部223、凹部226也可部分地固相接合，只要至少一部分的端面或任一端面的一部分保留沒有固相接合的狀態即可。

接著，使用第11圖說明第4實施型態的放電燈管。第4實施型態中，凹凸形狀相反地形成，除此之外的構造與第3實施型態相同。

第11圖係第4實施型態的放電燈管的陰極概略平面圖。

陰極2120由前端部2120A與本體部2120B所構成，前端部2120A具有凹部2123，本體部2120B具有凸部2126。前端部2120A與本體部2120B中，彼此相向的端面2122A、2125A、以及端面2122E、2125E固相接合，另一方面，凹部2123、凸部2126沒有固相接合，而用嵌合的方式抵接。

藉由此構造，燈管點燈時，前端部2120A內部的釭成分朝向凹部2123的表面2122B、2122D移動後，會再朝向前端面2120S的方向移動，藉此，釷成分能有效率地供給至前端面2120S。

而前端部2120A的構造具有凹部2123，因此熱容易傳遞至前端面2120S。因此，即使處於前端部2120A的溫度低的點燈條件下，也能夠穩定地供給釷成分。

以下，說明本發明的實施例。在此，為了考察條件式(1)、(2)，製造出做為複數實施例與比較粒的陽極，並進行實驗。

[實施例]

實施例1的放電燈管對應實施型態1的放電燈管。關於條件式(1)，以SPS接合的方式製造出前端部為釷鎢構件、本體部為純鎢構件的陽極。此時，分別改變接合面外徑L、接合溫度T、加壓力P、接合時間t，製造出實施例1~3、比較例1~3。之後，對製造的各陽極進行拉伸實驗。實驗的結果顯示於表1。

實施例1、比較例1是不插入中間構件直接SPS接合釷鎢構件與純鎢構件來製造的電極。實施例2、比較例2是插入鉭(Ta)構件做為中間構件後進行SPS接合的電極。實施例3、比較例3是插入錸(Re)構件做為中間構件後進行SPS接合的電極。

拉伸實驗是使用材料試驗機的抓具把持住電極兩端，以10mm/min的速度進行拉伸，測試斷裂時的力。

第12圖係顯示表1中的實施例、比較例的座標位置 及條件式(1)的領域的圖。

如第12圖所示，本實施例1~3包含於領域S1內。另外從比表1可知，拉伸強度非常強。相對於此比較例1~3不屬於領域S1且拉伸強度弱。由於接合能量過剩，使得拉伸實驗中電極變形。也可看見釷擴散。

像這樣將接合面外徑L、接合溫度T、加壓力P、接合時間t設定在領域S1的範圍內，能夠獲得優秀的電極性能。

接著，關於條件式(2)，以SPS接合的方式製造出前端部為釷鎢構件、本體部為純鎢構件的電極。此時，分別改變接合面外徑L、接合溫度T、加壓力P、接合時間t，製造出實施例5~8、11~15、比較例1~4、9~10。之後，對製造的各陽極進行拉伸實驗。實驗的結果顯示於表2。然而，與表1不同的是在此是配合製造、實驗順序來分配實施例與比較例的編號。

第13圖係顯示各實施例、比較例的座標位置及條件式(2)的領域的圖。第14圖係第13圖的一部分放大圖。

將表2的實施例的編號、比較例的編號參照第13、14圖可知，全部的比較例位於領域S2的範圍外。如表2可知，比較例中，出現釭擴散、接合強度不足、或者是電極變形的情形。另一方面，全部的實施例中，接合強度大，能獲得優秀的電極性能。

上述實施例中，採用將釭鎢前端部與鎢本體部接合的構造，但對除此之外的金屬固體構件間進行SPS接合，也能獲得相同結果。

關於本發明，在不背離申請專利範圍所定義的本發明的意圖與範疇下，可作各種變更、置換或替代。而本發明並不意圖限定於說明書記載的特定實施型態的程序、裝置、製造、組成物、手段、方法及步驟。該領域業者可知根據本發明的揭露能夠推導出可實質實現記載於此的實施型態所帶來的機能的、或實質帶來同等作用、效果的裝置、手段、方法。因此，申請專利範圍意圖包含這樣的裝置、手段、方法的範圍。

本案是以日本申請案(特願2012-208372號，2012年9月21日申請；特願2012-212807號，2012年9月26日申請； 特願2012-214630號，2012年9月27日申請)為基礎，主張優先權的申請案。基礎案的說明書、圖式及申請專利範圍所揭露的內容皆做為參考資料併入本案當中。

Claims (7)

1. 一種放電燈管用電極之製造方法，包括下列步驟：形成具有凸部/凹部的前端部、具有無間隙地抵接並且嵌合該前端部的凸部/凹部的凹部/凸部的本體部；以及將該前端部與該本體部抵接，實施放電電漿燒結接合，其中該放電電漿燒結接合中，將該前端部與該本體部部分地固相接合。
2. 如申請專利範圍第1項所述之放電燈管用電極之製造方法，其中該放電電漿燒結接合中，將該前端部的凸部/凹部以及該本體部的凹部/凸部以外的沿著垂直電極軸方向彼此相對的表面固相接合，並且不將該前端部的凸部/凹部以及該本體部的凹部/凸部彼此相對的表面的至少一部分固相接合。
3. 一種放電燈管用電極之製造方法，包括下列步驟：形成具有凸部/凹部的前端部、具有嵌合該前端部的凸部/凹部的凹部/凸部的本體部；以及將該前端部與該本體部抵接，實施放電電漿燒結接合，其中該放電電漿燒結接合中，將該前端部與該本體部部分地固相接合；其中當接合面外徑L(mm)在2≦L≦60的範圍內時，以滿足以下的條件的方式固相接合：3000≦Tt+P≦150093；1200≦T≦2500，10≦P≦90，3≦t≦60；其中L是接合面外徑(mm)，T是接合溫度(℃)，P是接合時施加的加壓力(MPa)、t是加壓狀態下保持該前端部與該本體部的接合時間(min)。
4. 一種放電燈管用電極之製造方法，包括下列步驟：形成具有凸部/凹部的前端部、具有嵌合該前端部的凸部/凹部的凹部/凸部的本體部；以及將該前端部與該本體部抵接，實施放電電漿燒結接合，其中該放電電漿燒結接合中，將該前端部與該本體部部分地固相接合；其中以滿足以下的條件的方式固相接合：370.4/L≦(T+P)t/9.8L≦15857.1/L；2≦L≦60，1200≦T≦2500，10≦P≦90，3≦t≦60；其中L是接合面外徑(mm)，T是接合溫度(℃)，P是接合時施加的加壓力(MPa)、t是加壓狀態下保持該前端部與該本體部的接合時間(min)。
5. 如申請專利範圍第3至4項任一項所述之放電燈管用電極之製造方法，其中接合面外徑L、接合溫度T、加壓力P、接合時間t滿足以下條件：5≦L≦30，1500≦T≦2200，30≦P≦80，5≦t≦30。
6. 如申請專利範圍第3至4項任一項所述之放電燈管用電極之製造方法，其中形成前端側固體構件與接合於該前端側固體構件的後端側固體構件，做為複數固體構件，而兩者中至少一者採用含有電子放射物質的金屬構件。
7. 一種放電燈管，包括：如申請專利範圍第1至6項任一項所述之放電燈管用電極之製造方法所製造的放電燈管用電極。