WO2014045918A1

WO2014045918A1 - 放電ランプ用電極の製造方法

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Publication number: WO2014045918A1
Application number: PCT/JP2013/074235
Authority: WO
Inventors: 壮則早川; 和人舘林; 芹澤　和泉; 宏小平; 栄彦石鍋; 友彦本多; 肇古畑; 小松　豊; 滝澤　秀一
Original assignee: 株式会社オーク製作所; 長野県
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2013-09-09
Publication date: 2014-03-27
Also published as: CN104641445A; CN106887369A; KR102083286B1; TW201415527A; CN107086167A; CN106887369B; KR20150056783A; CN104641445B; TW201735096A; TWI638380B; TWI602216B

Abstract

本発明の放電ランプ用電極の製造方法は、固相接合によって放電ランプ用電極を製造する方法であって、電極先端部の少なくとも一部を構成し、エミッターを含有する柱状の先端固体部材と、少なくとも電極胴体部を構成し、先端固体部材の接合面よりも径の大きい接合面を有する柱状の胴体固体部材を、互いの接合面を介して固相接合させ、固相接合によって生成された電極素材に対し、テーパー状の電極先端部を形成するように切削加工を施す。

Description

放電ランプ用電極の製造方法

　本発明は、露光装置等に利用される放電ランプに関し、特に、複数の部材を接合させる放電ランプ用電極の製造方法に関する。

　放電ランプでは、高出力化に伴い、金属種類、結晶特性などが異なる部材を接合させて電極を形成する。例えば、トリウムなどのエミッターが含有される金属部材を電極先端部、純タングステンなどの高融点金属部材を胴体部とし、２つの金属部材を互いに接合させる。

　接合方法としては、固相接合の一つである拡散接合が知られている。拡散接合では、接合面付近において結晶構造が軸方向に傾斜化させ、あるいは、金属結晶粒が軸方向に沿って変形しないように接合することが可能であり、接合による電極性能の低下を抑えることができる（特許文献１、２参照）。そこでは、定められた圧力、加圧時間、接合温度に従い、拡散接合として放電プラズマ焼結接合（ＳＰＳ接合）を行う。

　このような拡散接合による電極成形では、切削加工によって電極形状を定める。例えば、極先端部を構成する円柱状トリエーテッドタングステン（トリタン）部材と、胴体部を構成する円柱状タングステン部材を用意する。そして、互いに径が等しい接触面同士を当接させ、部材両側から圧力を加えながら通電加熱する。拡散接合の後、一体化した部材の先端部側を円錐状に切削加工し、電極形状を得る（特許文献３参照）。

　異なる金属素材を固相接合させて電極を成形する場合、熱膨張率も異なるため、点灯中接合面に大きな力が掛かり、電極が破損する恐れがある。これを防止するため、先端部および胴体部の接合面に環状の突起部分を設け、それらを互いに噛み合わせて拡散接合させる電極が知られている（特許文献４参照）。

　一方、電極側面の面積比率を調整することでランプを長寿命化させる方法も知られている（特許文献５参照）。そこでは、トリタンを電極先端部分とし、純タングステンの本体部と拡散接合させる放電ランプにおいて、トリタン部の側面積と電極面積との比を所定範囲内に収める構造にし、アーク放電を安定化させる。

特開２０１１－２４９０２７号公報特開２０１１－７１０９１号公報特開２０１２－１５００７号公報特開２０１１－２１６４４２号公報特開２０１１－１５４９２７号公報

　電極本体部分をトリタンなどのエミッターを含む金属として電極を構成する場合、エミッターの供給は接合面を経由する。そして、接合面のサイズ、接合面の平滑度、固相接合時の接合条件、接合面形状といった、接合面に関する構成は、その電極の強度、伝導性、熱伝導性といった電極性能に影響する。

　例えば、接合面の径の大きさ自体が、電極性能に影響を与える。従来では、固相接合のとき、接合面の径の大きさが与える影響について考慮されていないため、電極性能が場合によっては低下する。

　さらに、接合温度、接合時間、加圧力に関しては、接合面の径の大きさの違いによって、求められる条件も異なる。接合温度、接合時間、圧力および接合面の径についての相関性がないまま設定すれば、望ましい電極性能を得ることができない。

　したがって、複数の部材を固相接合して電極を形成する場合、接合温度、接合時間、圧力、そして接合面の径を、互いに関連付けて設定し、優れた電極性能を実現させる値に設定することが求められる。

　一方、トリエーテッドタングステン部材の断面は、タングステン部材の断面と比べて平滑度が低い。この平滑度の差は、径が大きくなるほど顕著である。そのため、接合強度が接合面において不均一となり、安定した接合強度が得られない。

　また、通電加熱によって拡散接合させる場合、接合条件などによって表面側に電流が流れやすくなる場合が生じ、接合面の周縁付近の方が中心部よりも接合強度が大きい。そのため、拡散接合させた後に切削加工によって先端部分を形成すると、接合強度の大きい表面付近部分がより多く削られることになり、接合強度が低下してしまう。

　したがって、トリエーテッドタングステンなどエミッターを含有した先端部を構成する部材と、胴体部を構成する部材を、接合強度の不安定化なく固相接合させる必要がある。

　さらに、エミッターの移動についても、接合面の構成が影響を与える。ランプ点灯中におけるエミッターの電極先端部先端面側への移動は、電極内部から表面へ拡散する粒界拡散と、電極表面に沿って拡散する濃度拡散に基く。粒界拡散はその移動方向に指向性がないため、電極表面に移動したエミッターの分布は不均一となる。また、先端部の周方向に沿った表面へ移動してから表面濃度拡散によって電極先端部先端面側へ移動すると、エミッターの供給に時間がかかる。

　拡散速度は電極温度によって異なるため、電極先端部の先端面側へ移動するエミッターの供給量も安定せず、電極先端部付近では、エミッター濃度にバラツキが生じる。その結果、アーク放電の輝点が、エミッターの濃度の高い箇所に移動しやすくなり、照明がチラついて不安定になる。

　したがって、エミッターを効率よく早期に電極先端部の先端面側へ常時安定供給し、電極先端部におけるエミッター濃度を均一化させる必要がある。

　本発明の放電ランプ用電極の製造方法は、電極先端部の少なくとも一部を構成し、エミッターを含有する柱状の先端固体部材と、少なくとも電極胴体部を構成し、先端固体部材の接合面よりも径の大きい接合面を有する柱状の胴体固体部材を、互いの接合面を介して固相接合させ、固相接合によって生成された電極素材に対し、テーパー状の電極先端部を形成するように切削加工を施すことを特徴とする。

　例えば、電極として陰極が製造され、放電ランプに用いられる。エミッターとしては、トリエーテッドタングステンなどが適用可能であり、先端固体部材、胴体固体部材は、その形状は任意であり、また、材質として金属材料、あるいはセラミック材料などが適用可能である。また、固相接合方法としては、様々な拡散接合が適用可能であり、特に、ＳＰＳ接合によって固相接合させることが可能である。

　本発明では、先端固体部材の径が、胴体固体部材の径よりも小さい。そして、固相接合の後に切削加工を行うことによって、楔部分が生じやすく、接合強度の弱い接合面端部だけを効率よく取り除いた電極を構成することが可能となる。

　例えば、切削工程のとき、電極素材において、先端固体部材と胴体固体部材の接合面周縁部分を少なくとも切削することが可能である。特に、電極素材において、先端固体部材の接合面周縁部分に形成された楔部分を除去するように、切削加工することができる。また、電極素材において、先端固体部材の接合面中央部だけを残すように、切削加工することもできる。

　このような切削加工を可能にするため、先端固体部材の接合面の径と、胴体固体部材の接合面の径との比が、０．０５＜Ｄ１／Ｄ２＜１を満たすように構成してもよい。

　一方、本発明の他の態様における放電ランプ用電極の製造方法は、凸部もしくは凹部（以下では、凸部／凹部と表記する）を有する先端部と、先端部の凸部／凹部に嵌合する凹部／凸部を有する胴体部とを形成し、先端部と胴体部とを当接させてＳＰＳ接合を施す製造方法であって、ＳＰＳ接合において、先端部と胴体部を、部分的に固相接合させることを特徴とする。

　部分的な固相接合を行うため、例えば、電極先端部と胴体部の対向面すべてを固相接合させる場合に設定される接合時間、焼結／接合温度、印加電圧の少なくともいずれか１つを変更、抑える。これにより、部分的に固相接合し、少なくとも接合面が電極軸垂直な方向に沿った面以外にも対向する面が形成された凸部、凹部において固相接合されない部分が生じる。

　このような製造方法によって製造される放電ランプは、エミッターを含有し、凸部もしくは凹部を有する電極先端部と、電極先端部の凸部もしくは凹部と嵌合する凹部もしくは凸部を有する胴体部とを備える。電極先端部は、アーク放電の輝点となる先端面を備えており、円錐形状など電極縮径部の少なくとも一部を構成する。胴体部は、例えば柱状であり、あるいはその一部が電極先端部を構成してもよい。

　電極先端部は、例えばトリエーテッドタングステンによって構成することが可能であり、胴体部は、純タングステンなどで構成することが可能である。凸部、凹部は、その形成場所は任意であり、電極軸方向に沿って凹部、凸部を形成し、電極軸に垂直な方向以外の方向に沿って互いに対向する面が形成すればよい。

　また、凸部、凹部は互いに嵌合するような形状であればよく、１組の凹部、凸部あるいは複数の凹部、凸部を設けることも可能である。ただし、ここでの嵌合は、その形状が互いにマッチングし、対向面同士で概ね接触するような（分子レベルではなくマクロレベルで見たとき）形状にあることを表す。例えば、凸部／凹部の形状として、円柱、三角柱、四角柱など柱状に形成することが可能である。

　本発明では、電極先端部と胴体部が部分的に固相接合する。電極先端部と胴体部は、対向する複数の面の中で、電極先端部の凸部／凹部と胴体部の凹部／凸部の互いに対向する表面の少なくとも一部において、固相接合していない。

　凸部、凹部において固相接合していない部分が存在するため、ランプ点灯中、粒界拡散によって移動するトリウム成分が非固相接合部分では、電極軸に垂直な方向への移動が制限される。その結果、電極軸垂直方向に沿って移動する多くのトリウム成分が電極表面にまで到達せず、より多く早期に電極先端部の先端面方向へ移動する。

　凸部、凹部の形成位置は任意であり、例えば、電極先端部の凸部／凹部と胴体部の凹部／凸部が、電極軸に対して同軸的に形成することが可能である。この場合、電極先端部全体に散逸するトリウム成分を電極先端部の先端面側へ集中的に移動させることが可能である。

　凹部、凸部についてはトリウム成分の供給を考慮して固相接合させず、それ以外の対向面同士について固相接合させることによって、電極強度を高めることが可能である。すなわち、電極先端部と胴体部が、電極先端部の凸部／凹部と胴体部の凹部／凸部以外であって、電極軸に垂直な方向に沿って互いに対向する表面において、固相接合するように構成することが可能である。

　本発明の他の態様における放電ランプ用電極の製造方法は、電極先端面を有する先端側固体部材と、電極支持棒に支持される後端側固体部材とを含み、少なくとも１つが金属部材である複数の固体部材を形成し、前記複数の固体部材を、前記先端側固体部材と前記後端側固体部材との間で固相接合させる製造方法であって、接合面外径Ｌ（ｍｍ）が２≦Ｌ≦６０の範囲にあるとき、以下の条件式を満たすように固相接合させる。

３０００≦Ｔｔ＋Ｐ≦１５００９３

　　　（１２００≦Ｔ≦２５００、１０≦Ｐ≦９０、３≦ｔ≦６０）

ただし、Ｌは接合面外径（ｍｍ）、Ｔは接合温度（℃）、Ｐは接合時に加えられる加圧力（ＭＰａ）、ｔは加圧状態で金属部材を保持している接合時間（ｍｉｎ）を表す。

　あるいは、本発明の他の局面における放電ランプ用電極の製造方法は、以下の条件式を満たすように固相接合させる。

３７０．４／Ｌ≦（Ｔ＋Ｐ）ｔ／９．８Ｌ≦１５８５７．１／Ｌ　

　２≦Ｌ≦６０、１２００≦Ｔ≦２５００、１０≦Ｐ≦９０、３≦ｔ≦６０

　上記２つの式は、接合強度を十分に維持することが可能な変数Ｌ、Ｔ、Ｐ、ｔの設定範囲を定めたもので、経験的に導出されたものであり、変数が互いに相関関係を持って設定される。

　各変数を個別に検討すると、接合面外径Ｌ、接合温度Ｔ、加圧力Ｐ、接合時間ｔは、以下の条件を満たすのがよい。

５≦Ｌ≦３０、１５００≦Ｔ≦２２００、３０≦Ｐ≦８０、５≦ｔ≦３０

　複数の固体部材として、少なくともどちらか一方が金属部材であればよい。また、接合前において、前記先端側固体部材と、前記先端側固体部材と接合する前記後端側固体部材とを形成、成形すればよい。先端側固体部材として、トリウムを含む金属部材を用意すればよい。さらに、固相接合の方式としてＳＰＳ接合を適用することが可能である。

　本発明によれば、固相接合に基づき、優れた電極性能をもつ電極を製造することができる。

第１の実施形態であるショートアーク型放電ランプを模式的に示した平面図である。陽極の概略的断面図である。放電プラズマ焼結装置を示した図である。条件式（１）のグラフを示した図である。条件式（２）のグラフを示した図である。第２の実施形態である陰極の概略的断面図である。陰極の製造工程を示した図である。第３の実施形態である陰極の概略的断面図である。先端部、胴体部の接合前の概略的平面図である。陰極の模式的平面図である。第４の実施形態における陰極の概略的平面図である。表１に示す実施例、比較例の座標位置および条件式（１）の領域を示したグラフを表す図である。各実施例、比較例の座標位置および条件式（２）の領域を示したグラフを表す図である。図１３の一部分を拡大した図である。

　以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

　図１は、第１の実施形態であるショートアーク型放電ランプを模式的に示した平面図である。

　ショートアーク型放電ランプ１０は、パターン形成する露光装置（図示せず）の光源などに使用可能な放電ランプであり、透明な石英ガラス製の放電管（発光管）１２を備える。放電管１２には、陰極２０、陽極３０が所定間隔をもって対向配置される。

　放電管１２の両側には、対向するように石英ガラス製の封止管１３Ａ、１３Ｂが放電管１２と一体的に設けられており、封止管１３Ａ、１３Ｂの両端は、口金１９Ａ、１９Ｂによって塞がれている。放電ランプ１０は、陽極３０が上側、陰極２０が下側となるように鉛直方向に沿って配置されている。後述するように、陽極３０は、２つの金属部材４０、５０から構成されている。

　封止管１３Ａ、１３Ｂの内部には、金属性の陰極２０、陽極３０を支持する導電性の電極支持棒１７Ａ、１７Ｂが配設され、金属リング（図示せず）、モリブデンなどの金属箔１６Ａ、１６Ｂを介して導電性のリード棒１５Ａ、１５Ｂにそれぞれ接続される。封止管１３Ａ、１３Ｂは、封止管１３Ａ、１３Ｂ内に設けられるガラス管（図示せず）と溶着しており、これによって、水銀、および希ガスが封入された放電空間ＤＳが封止される。

　リード棒１５Ａ、１５Ｂは外部の電源部（図示せず）に接続されており、リード棒１５Ａ、１５Ｂ、金属箔１６Ａ、１６Ｂ、そして電極支持棒１７Ａ、１７Ｂを介して陰極２０、陽極３０の間に電圧が印加される。放電ランプ１０に電力が供給されると、電極間でアーク放電が発生し、水銀による輝線（紫外光）が放射される。

　図２は、陽極の概略的断面図である。

　陽極３０は、金属部材４０、５０を接合させた電極構造であり、金属部材４０は、電極先端面４０Ｓを含む円錐台形状部分４０Ａと、円柱状の金属部材５０と同一径をもち、金属部材５０と接合する円柱状形状部分４０Ｂによって構成される。金属部材４０は、純タングステンなどの高融点、あるいはタングステンを主成分とする合金によって構成される。

　一方、円柱状金属部材５０は、金属部材４０よりも熱伝導率の高い金属（例えば、大形状可能な純タングステン、トリウム、モリブデン、ゲッター効果のあるタンタル、熱伝導性の高い窒化アルミ、カーボン素材など）を含有する金属によって構成される。

　金属部材４０、５０は、放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）方式に従って拡散接合している。そのため、電極軸Ｘに垂直な方向に沿って形成される接合面Ｓ付近には、拡散層が形成されている。

　ここでは、接合に寄与する接合面結晶粒だけが部分的に変形し、それ以外の接合面Ｓ付近の結晶粒は、接合面に垂直な方向（電極軸方向）に沿って変形、二次再結晶化による粒径肥大化、粒界移動がほとんど生じていない。また、接合面に沿った結晶粒径がほぼ均一であり、また、接合面付近における電極軸方向に沿った結晶粒径も、ほぼ均一である。

　このような接合面Ｓを挟む拡散層の形成により、熱伝導特性、導電性については接合面Ｓに沿ってバラツキが生じない。ランプ点灯によって高温になる電極先端面４０Ｓ（１０００℃以上）から電極支持棒１７Ｂに向けて熱が輸送される間、陽極内部の温度分布は、電極軸Ｘを中心として対称的な分布となり、熱輸送は接合面Ｓによる影響を受けない。

　なお、金属結晶の径が接合面Ｓに沿って略均一となって、電極軸Ｘに沿って結晶構造が傾斜化するように、拡散接合を行うことも可能である。傾斜化により、結晶径は電極軸Ｘに沿って連続的、あるいは段階的に変化する。

　金属部材４０、５０の形状は、図２以外の形状にすることも可能であり、金属部材４０、５０の間に他の金属部材を介在させるように固相接合させてもよい。

　図３は、放電プラズマ焼結装置を示した図である。

　放電プラズマ焼結法は、圧粉体あるいは成形体の粒子間隙にパルス状の電気エネルギーを直接投入し、火花放電現象により瞬時に発生する放電プラズマの高温エネルギーを熱拡散、電界拡散などへ適用した焼結方法である。

　図３の放電プラズマ焼結装置６０は、真空チャンバー６５を備え、真空チャンバー６５内部に設けられた上部パンチ８０Ａ、下部パンチ８０Ｂおよびグラファイト製ダイ８０の間に、図２に示した形状をもつ金属部材４０、５０がそれぞれ接触面を接触させた状態で設置される。金属部材４０、５０は、あらかじめ切削などの金属加工処理によって接触面が同じサイズとなるように成型されている。

　グラファイト製の上部パンチ８０Ａ、下部パンチ８０Ｂは、上部パンチ電極７０Ａ、下部パンチ電極７０Ｂとそれぞれ接続されている。装置内を真空雰囲気にした後、パルス電源９０によって上部パンチ８０Ａ、下部パンチ８０Ｂの間に電圧が印加される。

　そして、通電とともに、加圧機構（図示せず）によって上部パンチ８０Ａ、下部パンチ８０Ｂの間に圧力が加えられる。通電による放電プラズマによって所定の温度まで瞬時に昇温された後、圧力が加えられた状態で一定時間保持する。これにより、図２に示す形状をもつ陽極が得られる。

　次に、図４、５を用いて、電極製造時の接合条件について説明する。

　上述したように、金属部材４０、５０をＳＰＳ接合するとき、接合温度、加圧力、接合／保持時間が定められる。これらパラメータの設定は、電極性能を大きく左右する。さらに、これらパラメータは、接合面の径の大きさと相関関係があり、最適な条件を求めるためには、接合面外径、接合温度、加圧力、接合時間を適切な値に設定する必要がある。

　本実施形態では、各パラメータの適切な値を求めるとともに、パラメータ間の相関関係を表す式を導出している。導出した条件式を満たすようにパラメータを設置することにより、ヒューリスティックに各パラメータを設定することなく、電極性能の優れた電極構造をある程度自動的に得ることが可能となる。

　まず、接合面外径Ｌ（ｍｍ）については、２≦Ｌ≦６０を満たすように設定される。接合面外径Ｌが２ｍｍ未満の場合、接合時の加圧を大きくすることができず、接合面以外で部分的に微小放電が発生し、接合が安定しない。接合時の加圧を大きくすると、接合前の金属材料に割れや変形が生じやすくなる。さらに、トリウムの拡散が発生し、トリウム含有量が少なくなってランプ性能が低下する。一方、接合面外径Ｌが６０ｍｍより大きいと、接合面の平滑度を得るための加工処理が煩雑となり、また、トリウム使用量過多になる。

　接合時の接合温度Ｔ（℃）については、１２００≦Ｔ≦２５００を満たすように設定される。接合温度Ｔが２５００℃より大きい場合、トリウム融点（約１８００℃）を大きく超え、接合面付近の最上層に含まれるトリウムが一部溶融、蒸発する。接合面にトリウムが拡散すると、接合強度が低下してしまう。一方、接合温度Ｔが１２００℃未満の場合、十分な接合強度が得られない。

　接合時の加圧力Ｐ（ＭＰａ）については、１０≦Ｐ≦９０を満たすように設定される。加圧力Ｐが９０ＭＰａより高いと、接合時に金属部材に割れや変形が生じやすい。また、２つの金属部材を正対させて同軸上に加圧させる必要があるが、加圧の向きにずれが生じ、接合面に反りや窪みが生じ、接合面付近の密度が不均一性となる。一方、加圧力Ｐが１０ＭＰａ未満の場合、十分な接合強度が得られない。

　そして、接合時の金属部材保持時間である接合時間ｔ（ｍｉｎ）については、３≦ｔ≦６０を満たすように設定される。保持時間ｔが６０ｍｉｎよりも長いと、生産性が低下する。一方、保持時間ｔが３ｍｉｎ未満の場合、十分な接合強度が得られない。

　このように、ＳＰＳ接合時における接合面外径Ｌ、温度Ｔ、加圧力Ｐ、接合時間ｔには、それぞれ優れた電極性能を実現させる数値範囲が定められる。しかしながら、これらパラメータ間には相関関係があり、各パラメータをバラバラに変えながらより優れた電極性能を実現させるパラメータの組み合わせを決めることは難しい。

　そこで本実施形態では、２つの条件式を規定している。条件式を満たす数値範囲をそれぞれグラフ化することで、４つのパラメータの範囲が視覚化される。

　まず、接合時のエネルギーを考慮した１つの条件式が以下のように規定される。

　３０００≦Ｔｔ＋Ｐ≦１５００９３　　　　　　　　・・・・・（１）

　（２≦Ｌ≦６０）　　　　　　　　　　　

　接合面外径Ｌを変えながら、（１）式を満たすように、下限値、上限値を満たすように接合温度Ｔ、加圧力Ｐ、接合時間ｔが定められる。

　図４は、条件式（１）のグラフを示した図である。図４に示すように、（１）式を満たす範囲は、横軸Ｌ、縦軸Ｔｔ＋Ｐの２次元座標系を定義することにより、領域Ｓ１としてグラフ化される。矩形領域Ｓ内の（Ｌ、Ｔｔ＋Ｐ）座標位置により、接合強度が変わる。

　さらに、接合強度を考慮した以下の条件式が規定される。

　３７０．４／Ｌ≦α／Ｌ≦１５８５７．１／Ｌ　　　　・・・・・（２）

　（α＝（Ｔ＋Ｐ）ｔ／９．８、２≦Ｌ≦６０）

　図５は、条件式（２）のグラフを示した図である。図５に示すように、（２）式を満たす範囲は、横軸Ｌ、縦軸（Ｔ＋Ｐ）ｔ／（９．８Ｌ）の２次元座標系を定義することにより、領域Ｓ２としてグラフ化される。

　このように各パラメータの設定可能な範囲を図示化することによって、電極構造が異なる、すなわち接合面外径が異なる電極を製造する場合においても、同等の優れた熱伝導性、強度を得る数値を容易に推定し、設定することができる。

　特に、以下の範囲に接合面外径Ｌ、接合温度Ｔ、加圧力Ｐ、接合時間ｔを定めることによって、一層優れた電極性能をもつ電極を製造することが可能である。

　５≦Ｌ≦３０、１５００≦Ｔ≦２２００、３０≦Ｐ≦８０、５≦ｔ≦３０
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・・・（３）

　このように本実施形態によれば、トリウムなどの成分を含む金属部材４０と純タングステン金属などの金属部材５０とをＳＰＳ接合させて陽極を形成する。そして、ＳＰＳ接合時において、接合面外径Ｌ、接合温度Ｔ、加圧力Ｐ、接合時間ｔを、上記定められた許容範囲に定め、さらに、（１）、（２）式を満たすように設定する。

　ＳＰＳ接合以外の拡散接合方法によって電極を製造してもよい。例えば、ホットプレス（ＨＰ）、熱間等方加圧（ＨＩＰ）など、加圧しながら焼結する拡散接合方式によって電極を製造可能である。さらに、拡散接合方法以外の固相接合法（摩擦圧接法、超音波接合法など）も適用可能である。

　なお、陰極についても異なる金属部材を固相接合させてもよい。さらには、一方を金属部材、他方をその他の素材から成る部材（セラミックなど）として固相接合させてもよい。また、部材間にインサート部材を介在させて接合してもよい。

　次に、図６、７を用いて、第２の実施形態である放電ランプについて説明する。第２の実施形態では、径の異なる部材を固相接合することによって電極を成形する。

　図６は、第２の実施形態である陰極の概略的断面図である。

　陰極１２０は、２つの金属部材１１１０、１１２０を接合させ、その後切削加工によって成形された電極構造を採用している。金属部材１１１０は、先端部１２０Ａの一部を構成し、金属部材１１２０は、柱状の胴体部１２０Ｂを構成するとともに、先端部１２０Ａの胴体側部分を構成する。

　金属部材１１１０は、トリア（ＴｈＯ２：二酸化トリウム）を含有したタングステンであるトリエーテッドタングステンから成る金属部材であり、金属部材１１２０は、金属部材１１１０よりも熱伝導率の高い金属（ここでは、純タングステン）によって構成される。

　金属部材１１１０、１１２０は、放電プラズマ焼結（ＳＰＳ(Spark Plasma Sintering)）に従って拡散接合している。そのため、電極軸Ｅに垂直な接合面Ｓ付近には、拡散層が形成されている。金属結晶の径は、接合面Ｓに沿ってほぼ均一である。また、電極軸Ｅに関しては、接合面Ｓ付近を除いて結晶径が略均一である。このような接合面Ｓを挟む拡散層の形成により、熱伝導特性、導電性に関し、接合面Ｓに沿ってバラツキがない。

　図７は、陰極の製造工程を示した図である。図７を用いて、ＳＰＳ接合および切削加工について説明する。なお、陽極についても同様に製造することが可能である。

　まず、円柱状の金属部材１１１０、１１２０をそれぞれ成形する。このとき、金属部材１１１０の径Ｄ１は、金属部材１１２０の径Ｄ２よりも小さくなるように成形される。ここでは、３＜Ｄ１＜３０、５＜Ｄ２＜６０であるとき（いずれもｍｍ単位）、０．０５＜Ｄ１／Ｄ２＜１を満たすように、径Ｄ１、Ｄ２が定められている。上限値は、少なくとも後述する楔部分を削除するように定められる。また、下限値は、電極先端部の傾斜角度、接合条件などに従って定められる。

　用意された金属部材１１１０、１１２０に対し、実施形態１と同様、ＳＰＳ接合処理が行われる。これにより、電極素材１２００が得られる。

　そして、生成された電極素材１２００に対し、切削加工が施される。ここでは、破線Ｋで示す円錐状の電極先端面を形成するように、金属部材１１１０、１１２０それぞれが部分的に切削される。金属部材１１１０は、接合面１１１０Ｓの中央部１１１０Ｔ以外を削り出し、金属部材１１２０は、接合面１１２０Ｓの周縁部を削り取る。切削方法、切削器具等は、従来知られた方法、器具などで行われる。

　破線Ｋで示す切断面の位置、すなわち電極外周面を形成する位置は、金属部材１１１０、金属部材１１２０の径Ｄ１、Ｄ２の大きさおよびその差、電極外周面の傾斜角度、金属部材１１１０の厚みなどに従って定められる。特に、金属部材１１１０の接合面周縁部１１１０Ｔを少なくとも除去し、接合面中央部分１１１０Ｃを残すように定められる。

　切削後の電極素材１２００は、円錐状の金属部材１１１０、一部が円錐台状でその他の部分が円柱状の金属部材１１２０から構成され、図６に示した電極先端部１２０Ａ、胴体部１２０Ｂから成る陰極１２０が成形される。

　このように本実施形態によれば、放電ランプにトリエーテッドタングステンから成る電極先端部１２０Ａを有する陰極１２０を、ＳＰＳ接合によって接合させる。ＳＰＳ接合の工程では、トリエーテッドタングステンからなる円柱状金属部材１１１０と、純タングステンであって金属部材１１１０の径Ｄ１より大きな径Ｄ２を有する円柱状金属部材１１２０を、接合面１１１０Ｓ、１１２０Ｓを介して通電加熱し、ＳＰＳ接合させる。その後、破線Ｋで示す断面が電極外周面となるように、切削加工が施される。

　トリウム成分を含む金属部材１１１０の接合面１１１０Ｓは、純タングステンの金属部材１１２０の接合面１１２０Ｓに比べて平滑度が低い。その差は、径が大きいほど顕著になる。しかしながら、接合面１１２０の径Ｄ２より小さい接合面１１１０Ａの径Ｄ１が相対的に小さいため、固相接合後にその影響が現れにくくなり、接合強度低下を抑えることができる。

　また、金属部材１１１０、１１２０との物性の違いにより、接合面端部付近では、部分的に接合していない微小な楔部分が電極軸垂直方向に沿って生じる。本実施形態では、金属部材１１１０の接合面周縁部１１１０Ｔを切削することにより、ＳＰＳ接合時に接合面周縁部１１１０Ｔに形成される楔を除去することができる。その結果、接合強度の低下を抑えることができる。

　特に、楔部分だけを除去するように金属部材１１１０の切削部分をできる限り少なくすることによって、金属部材１１１０の径Ｄ１を金属部材１１２０の径Ｄ２により一層近づけることができる。これは、ＳＰＳ接合時に加圧力の増加を可能にし、接合強度を大きくすることができる。

　一方、ＳＰＳ接合時に通電させると、接合条件などによって、金属部材１１１０、１１２０の外周面付近の接合強度と比較して、接合面中央部分の接合強度が小さくなる場合がある。しかしながら、金属部材１１１０の径Ｄ１が相対的に小さいため、その影響が小さくなる。また、接合強度が大きい金属部材１１１０の外周付近を切削する範囲が比較的少なくなる。従って、互いに径が等しい接触面同士を当接させた場合と比較して、中央部の接合強度が大きくなる。

　トリエーテッドタングステンから成る金属部材１１１０では、その表面付近に二酸化トリウムが存在しない部分が生じることがある。しかしながら、ＳＰＳ接合後の切削加工によって金属部材１１１０の表層部が除去されるため、二酸化トリウム欠損によるアーク放電の不安定化を防ぐことができる。さらに、ＳＰＳ接合後に切削加工を行うことで、接合面径方向に段差が生じない。その結果、ランプ点灯時に異常放電が発生しない。

　金属部材の径のサイズ、電極先端面の傾斜角度、先端面断面形状は任意であり、段差のない平坦な外周面を持つように切削し、テーパー状の電極先端部を形成するように構成することが可能である。また、金属部材の材質、形状も任意であり、電極先端部にトリウム以外のエミッターが含有されるように固体部材を構成することも可能であり、金属部材以外の材質（セラミック、カーボンなど）で胴体部を構成することも可能である。さらに、電極先端部をトリエーテッドタングステンなどのエミッター含有部材と胴体部分の固体部材両方を含むように構成してもよい。

　次に、図８～１０を用いて、第３の実施形態である放電ランプについて説明する。第３の実施形態では、接合面に段差を設け、部分的に固相接合させている。

　図８は、第３の実施形態である陰極の概略的断面図である。図９は、先端部、胴体部の接合前の概略的平面図である。以下、陰極の構造について説明する。

　陰極２２０は、電極先端面２２０Ｓを有する円錐台状先端部２２０Ａと、柱状胴体部２２０Ｂとを接合させた構造になっている。先端部２２０Ａは、エミッターとしてトリウム成分を含むトリエーテッドタングステンから成る金属であり、胴体部２２０Ｂは、熱伝導率の高い金属（ここでは、純タングステン）もしくはその金属を含む合金等によって構成される。

　先端部２２０Ａは、その中央部に胴体部側へ突起する凸部２２３を電極軸Ｅに対して同軸的に設けており、胴体部２２０Ｂには、その凸部２２３の形状に合わせた凹部２２６を備えている。この先端部２２０Ａ、胴体部２２０Ｂを固相接合させることによって陰極２２０を成形する。ここでは、拡散接合の１つであるＳＰＳ接合が用いられる。

　図９に示すように、先端部２２０Ａ、胴体部２２０Ｂは、複数の端面から構成され、互いに対向する接続表面２２２、２２５を有する。先端部２２０Ａ側には、電極軸Ｅに垂直な端面２２２Ａ、２２２Ｅおよび凸部２２３の端面２２２Ｃと、電極軸Ｅに平行な端面２２２Ｂ、２２２Ｄが形成されている。胴体部２２０Ｂ側には、先端部２２０Ａの端面２２２Ａ～２２２Ｅにそれぞれ対向する端面２２５Ａ～２２５Ｂが形成されている。

　ＳＰＳ接合処理工程においては、先端部２２０Ａの凸部２２３と、胴体部２２０Ｂの凹部２２６とを嵌合させながら当接させ、その反対側の表面それぞれにパンチ（図示せず）を当てる。先端部２２０Ａの凸部２２３と、胴体部２２０Ｂの凹部２２６は、端面２２２Ｂ～２２２Ｄ、２２５Ｂ～２２５Ｄいずれにおいても、隙間がないように当接した状態で嵌合して、陰極２２０が得られる。

　放電ランプ用電極の製造工程では、第１の実施形態と同様、ＳＰＳ接合を行う。ＳＰＳ接合における印加電圧、加圧力、接合温度、加圧時間（保持時間）を調整し、先端部２２０Ａの凸部２２３と胴体部２２０Ｂの凹部２２６が端面２２２Ｂ～２２２Ｄ、２２５Ｂ～２２５Ｄの間で固相接合（拡散接合）させず、その周囲にある環状端面２２２Ａ、２２２Ｅおよび環状端面２２５Ａ、２２５Ｅを、それぞれ固相接合させる。

　例えば、陰極２２０の径Ｍ(ｍｍ)を５≦Ｍ≦３０とした場合、印加電圧Ｖ、加圧力Ｐ（Ｍｐａ）、焼結温度Ｔ（℃）、接合時間ｔ（ｍｉｎ）を、それぞれ５≦Ｐ≦３０、１５００≦Ｔ≦２２００、５≦ｔ≦３０の範囲に設定し、ＳＰＳ接合することによって、上述した部分的固相接合した陰極２２０が得られる。

　図１０は、陰極２２０の模式的平面図である。図１０を用いて、ランプ点灯中のトリウム成分の動きについて説明する。

　ランプ点灯状態になると、トリウム先端部２２０Ａ内部のトリウム成分（具体的には二酸化トリウム）が、粒界拡散によって表面へ移動する。成分が互いの端面を超えて移動せず、凸部２２３の内部もしくは凸部２２３の端面２２２Ｄと、胴体部２２０Ｂの凹部２２６は単に当接しているだけであるため、表面に沿って移動する。

　この凸部２２３と凹部２２６が固相接合しないで当接しているため、トリウム成分の多くは、電極先端面２２０Ｓに向けて移動する。すなわち、電極軸Ｅに垂直な方向に沿ってトリウム成分が移動するのに障害となり、トリウム成分が先端部２２０Ａの周方向に沿った表面（円錐面）への移動よりも電極先端面２２０Ｓへの移動が支配的になる。

　その結果、内部のトリウム成分は、比較的短いトータル距離で、電極先端面２２０Ｓへ迅速かつ早期に到達する。特に、凸部、凹部が中央部に設けられているため、先端部２２０Ａ内部において散在するトリウム成分が、バランスよく先端面２２０Ｓに供給されることになり、先端面２２０Ｓ付近におけるトリウム濃度が時間経過の影響が少なくなり、安定化する。

　また、凸部２２３を設けない先端部形状と比べ、トリウム成分を凸部２２３に対してより多く貯蔵することができるため、点灯条件によって先端部温度が高くなっても、温度が相対的に低い凸部２２３からトリウム成分を順次先端側へ十分に供給することができる。

　このように本実施形態によれば、放電ランプの陰極２２０が、トリエーテッドタングステンから成る先端部２２０Ａと、純タングステンから成る胴体部２２０Ｂから構成される。先端部２２０Ａの凸部２２３と、胴体部２２０Ｂの凹部２２６とを嵌合させ、ＳＰＳ接合を施す。このとき、凸部２２３と凹部２２６とを固相接合させず、それ以外の端面２２２Ａ、２２５Ａおよび２２２Ｅ、２２５Ｅにおいて固相接合させる。

　凸部２２３、凹部２２６は、できるかぎり隙間がないように密接させており、また、先端部２２０Ａ、胴体部２２０Ｂを形成するときにおいても、端面の平滑さがでるように成形している。しかしながら、凸部２２３、凹部２２６の端面を厳密に平滑させなくてもよく、部分的に微小空隙が形成される程度の表面粗さがあってもよい。また、部分的に凸部２２３、凹部２２６が固相接合してもよく、少なくとも一部の端面あるいはいずれかの端面の一部において固相接合していない状態が存在すればよい。

　次に、図１１を用いて、第４の実施形態である放電ランプについて説明する。第４の実施形態では、凹凸形状が逆に形成されている。それ以外の構成については、第３の実施形態と同じである。

　図１１は、第４の実施形態における放電ランプの陰極の概略的平面図である。

　陰極２１２０は、先端部２１２０Ａと胴体部２１２０Ｂから構成されており、先端部２１２０Ａは凹部２１２３を有し、胴体部２１２０Ｂは凸部２１２６を有する。先端部２１２０Ａと胴体部２１２０Ｂでは、互いに対向する端面２１２２Ａ、２１２５Ａと端面２１２２Ｅ、２１２５Ｅとが固相接合する一方、凹部２１２３、凸部２１２６は固相接合しておらず、嵌合しながら互いに当接している。

　このような構成により、ランプ点灯時、先端部２１２０Ａ内部のトリウム成分は、凹部２１２３の表面２１２２Ｂ、２１２２Ｄへ移動すると、先端面２１２０Ｓの方向へ移動する。これにより、トリウム成分が効率よく先端面２１２０Ｓへ供給される。

　また、先端部２１２０Ａが凹部２１２３を有する構成であるため、熱が先端面２１２０Ｓに伝わり易い。よって、先端部２１２０Ａの温度が低い点灯条件においても、トリウム成分を安定して供給することができる。

　以下、本発明の実施例について説明する。ここでは、条件式（１）、（２）に関して考察するため、複数の実施例と比較例となる陽極を製造し、試験を行った。

　実施例１の放電ランプは、実施形態１の放電ランプに対応する。条件式（１）に関し、先端部がトリタン（トリエーテッドタングステン）部材、胴体部が純タングステン部材となる陽極を、ＳＰＳ接合によって製造した。このとき、接合面外径Ｌ、接合温度Ｔ、加圧力Ｐ、接合時間ｔをそれぞれ変えて、実施例１～３、比較例１～３を製造した。その後、製造された各陽極について、引張試験を行った。実験結果を表１に示す。

　実施例１、比較例１は、インサート部材なしでトリタン部材と純タングステン部材とをＳＰＳ接合させて製造された電極である。実施例２、比較例２は、インサート部材としてタンタル（Ｔａ）部材を介在させてＳＰＳ接合させた電極である。実施例３、比較例３は、インサート部材としてレニウム（Ｒｅ）部材を介在させてＳＰＳ接合させた電極である。

　引張試験については、材料試験機のつかみ具で電極両端を把持し、１０ｍｍ／ｍｉｎのスピードで引っ張り、破断する際の力を測定した。

　図１２は、表１に示す実施例、比較例の座標位置および条件式（１）の領域を示したグラフを表す図である。

　図１２に示すように、本実施例１～３は、領域Ｓ１に含まれており、また、表１からわかるように、引張強度が非常に強い。それに対し、比較例１～３は、領域Ｓ１に属さず、引張強度が弱い。接合エネルギーが過剰であったため、引張試験において電極が変形した。また、トリウム拡散が見られた。

　このように、領域Ｓ１の範囲内で接合面外径Ｌ、接合温度Ｔ、加圧力Ｐ、接合時間ｔを定めることにより、優れた電極性能が得られる。

　次に、条件式（２）に関し、先端部がトリタン部材、胴体部が純タングステン部材となる電極を、ＳＰＳ接合によって製造した。このとき、接合面外径Ｌ、接合温度Ｔ、加圧力Ｐ、接合時間ｔを変えながら、実施例５～８、１１～１５、比較例１～４、９～１０を製造した。その後、製造された陽極について引張試験を行った。実験結果を表２に示す。ただし、表１と異なり、ここでは製造、試験順に合わせて実施例と比較例の番号が割り当てられている。

　図１３は、各実施例、比較例の座標位置および条件式（２）の領域を示したグラフを表す図である。図１４は、図１３の一部分を拡大した図である。

　表２の実施例の番号、比較例の番号を図１３、１４において参照すると明らかなように、すべての比較例は領域Ｓ２の範囲外に位置する。また、表２からわかるように、比較例では、トリウム拡散、接合強度の不足、あるいは電極変形が見られた。一方、すべての実施例では、接合強度が大きく、優れた電極性能が得られた。

　上記実施例では、トリタン先端部とタングステン胴体部を接合する構成であるが、それ以外の金属固定部材同士のＳＰＳ接合においても、同様の結果を得ることができる。

　本発明に関しては、添付されたクレームによって定義される本発明の意図および範囲から離れることなく、様々な変更、置換、代替が可能である。さらに、本発明では、明細書に記載された特定の実施形態のプロセス、装置、製造、構成物、手段、方法およびステップに限定されることを意図していない。当業者であれば、本発明の開示から、ここに記載された実施形態がもたらす機能と同様の機能を実質的に果たし、又は同等の作用、効果を実質的にもたらす装置、手段、方法が導かれることを認識するであろう。したがって、添付した請求の範囲は、そのような装置、手段、方法の範囲に含まれることが意図されている。

　本願は、日本出願（特願２０１２－２０８３７２号、２０１２年９月２１日出願；特願２０１２－２１２８０７号、２０１２年９月２６日出願；特願２０１２－２１４６３０号、２０１２年９月２７日出願）を基礎出願として優先権主張する出願であり、基礎出願の明細書、図面およびクレームを含む開示内容は、参照することによって本願全体に組み入れられている。

図面の符号の説明

　１０　放電ランプ
　１２　放電管
　３０　陽極
　４０　金属部材（先端側固体部材）
　５０　金属部材（後端側固体部材）
　Ｓ　接合面

Claims

　電極先端部の少なくとも一部を構成し、エミッターを含有する柱状の先端固体部材と、
少なくとも電極胴体部を構成し、前記先端固体部材の接合面よりも径の大きい接合面を有する柱状の胴体固体部材を、互いの接合面を介して固相接合させ、
　固相接合によって生成された電極素材に対し、テーパー状の電極先端部を形成するように切削加工を施すことを特徴とする放電ランプ用電極の製造方法。
　前記電極素材において、前記先端固体部材と前記胴体固体部材の接合面周縁部分を少なくとも切削することを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ用電極の製造方法。
　前記先端側固体部材が、トリウムを含む金属部材であることを特徴とする請求項２に記載の放電ランプ用電極の製造方法。
　凸部／凹部を有する先端部と、前記先端部の凸部／凹部に嵌合する凹部／凸部を有する胴体部とを形成し、
　前記先端部と前記胴体部とを当接させてＳＰＳ接合を施す製造方法であって、
　ＳＰＳ接合において、前記先端部と前記胴体部を、部分的に固相接合させることを特徴とする放電ランプ用電極の製造方法。
　ＳＰＳ接合において、前記電極先端部の凸部／凹部と前記胴体部の凹部／凸部以外であって、電極軸に垂直な方向に沿って互いに対向する表面を、固相接合させ、
　前記電極先端部の凸部／凹部と前記胴体部の凹部／凸部の互いに対向する表面の少なくとも一部を、固相接合させないことを特徴とする請求項４に記載の放電ランプ用電極の製造方法。
　電極先端面を有する先端側固体部材と、電極支持棒に支持される後端側固体部材とを含み、少なくとも１つが金属部材である複数の固体部材を形成し、
　前記複数の固体部材を、前記先端側固体部材と前記後端側固体部材との間で固相接合させる製造方法であって、
　接合面外径Ｌ（ｍｍ）が２≦Ｌ≦６０の範囲にあるとき、以下の条件式を満たすように固相接合させることを特徴とする放電ランプ用電極の製造方法。

３０００≦Ｔｔ＋Ｐ≦１５００９３

１２００≦Ｔ≦２５００、１０≦Ｐ≦９０、３≦ｔ≦６０

ただし、Ｌは接合面外径（ｍｍ）、Ｔは接合温度（℃）、Ｐは接合時に加えられる加圧力（ＭＰａ）、ｔは加圧状態で金属部材を保持している接合時間（ｍｉｎ）を表す。
　電極先端面を有する先端側固体部材と、電極支持棒に支持される後端側固体部材とを含み、少なくとも１つが金属部材である複数の固体部材を形成し、
　前記複数の固体部材を、前記先端側固体部材と前記後端側固体部材との間で固相接合させる製造方法であって、
　以下の条件式を満たすように固相接合させることを特徴とする放電ランプ用電極の製造方法。
　

３７０．４／Ｌ≦（Ｔ＋Ｐ）ｔ／９．８Ｌ≦１５８５７．１／Ｌ　

２≦Ｌ≦６０、１２００≦Ｔ≦２５００、１０≦Ｐ≦９０、３≦ｔ≦６０

ただし、Ｌは接合面外径（ｍｍ）、Ｔは接合温度（℃）、Ｐは接合時に加えられる加圧力（ＭＰａ）、ｔは加圧状態で金属部材を保持している接合時間（ｍｉｎ）を表す。
　接合面外径Ｌ、接合温度Ｔ、加圧力Ｐ、接合時間ｔが、以下の条件を満たすことを特徴とする請求項６乃至７のいずれかに記載の放電ランプ用電極の製造方法。

５≦Ｌ≦３０、１５００≦Ｔ≦２２００、３０≦Ｐ≦８０、５≦ｔ≦３０
　前記複数の固体部材として、少なくともどちらか一方が金属部材であり、前記先端側固体部材と、前記先端側固体部材と接合する前記後端側固体部材とを形成することを特徴とする請求項６乃至８のいずれかに記載の放電ランプ用電極の製造方法。
　請求項１乃至９のいずれかに記載された放電ランプ用電極の製造方法によって製造された放電ランプ用電極を備えた放電ランプ。