CN100550276C - 放电灯 - Google Patents
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Abstract
本发明的课题在于提供一种可以确实地防止灯启动时的颤动现象的产生，从而能够防止发光管发生失透现象和破损，从而可以将光强度下降程度抑制在较小范围，能够长时间确实地取得均等强度的光的放电灯。放电灯，具有在内部形成放电空间的发光管，在该发光管内，阴极与阳极对向配置，其特征在于，上述阴极构成为：具有向着前端直径变小的锥部；在该锥部，异径部在周向的全周形成，该异径部具有由排列于该阴极的轴向的凸部群构成的凹凸部；该凹凸部在含有阴极的中心轴的断面中，各凸部的顶点位于比该锥部的棱线更内侧的位置，且连结各顶点的包络线相对于该阴极的中心轴为凸状。
Description
技术领域
本发明涉及放电灯，具体涉及例如在光化学产业领域或是半导体制造领域等进行紫外线照射处埋时的光源，或是作为放影机等投影领域的光源所采用的短弧型放电灯。
背景技术
图5是表示以往的短弧型放电灯的一例的构成的主视图。
该短弧型放电灯40具有发光管41，发光管41是由内部形成大致椭圆球形状的放电空间S的膨出部42以及连接于该膨出部42两端朝外侧延伸的封止部43、43构成，在该发光管41的内部，阴极44与阳极45相向配置，并且至少封入了适当的量的稀有气体而构成。还有，于发光管41内，根据灯的用途，与稀有气体同时封入了适当的量的水银。在此，作为被封入于发光管41内的稀有气体，例如可以例举出氙、氟、氩等。另外，在该图5中，符号48是设置在封止部43外端部的灯头。
阴极44具有向着前端侧(阳极侧)直径变小的大致圆锥台状的锥部44A以及连接该锥部44A而朝轴向后方延伸的例如圆柱状的胴部44B，含有例如钍等发射物质而构成。
并且，在这种短弧型放电灯40中，在使灯启动时，例如数Kv～数十Kv的高电压施加在阴极44与阳极45之间，从而在阴极44与阳极45之间引起绝缘破坏，此后，移向电弧放电，进行点灯。
对于灯启动时的放电现象具体进行说明，在阴极44与阳极45的电极之间引起绝缘破坏后，就立刻在阴极44的前端面46形成电弧起始点，在朝轴向以弧状延伸的阴极44与阳极45之间形成电弧。电弧起始点在阴极44的前端面46形成的理由，如以下所示。亦即，由于阴极44的形状做成了具有向着前端侧直径变小的锥部44A的大致圆锥台状，因而电场集中在前端部分，特别是前端面46的边缘部分，使得电子易于由前端部分被引出，还有，在绝缘破坏产生、电弧形成后，阴极44中最高温的部分为前端部分，由瑞查生一德西曼(Richardson-Dushman)方程式也可以明白，热电子释出能力具有随着温度上升呈指数函数地升高的倾向，前端部分的电子释出能力要比阴极44其他部分更大等，由于这些理由，在阴极44前端面46就形成了电弧起始点。
然而，在上述构成的短弧型放电灯40中，灯启动时，例如如图6所示，电弧A的起始点P在阴极44的前端面46形成的状态并不能持续保持安定，而由前端面46移动到离开锥部44A的表面位置，或是移动到胴部44B的表面位置等轴向后方的位置，随着阴极44的温度上升而向前端侧移动，即所谓电弧A的颤动现象有时就会产生。
若电弧A的起始点P形成在上述那种位置，则如上所述，由于电弧A是沿着例如发光管41的内表面呈弧状延伸而形成的，所以电弧A会依接近发光管41内表面的状态、灯的构成条件以及点灯条件，使得电弧A成为接触到发光管41内表面的状态，结果，以下问题就会产生。
(1)发光管41上的电弧A接触部分发生失透现象，因此，使得发光管41的光透过率降低，因而导致从短弧型放电灯40所发射的光强度不均匀，结果造成受光照射的对象物上的照度不均，例如在半导体曝光领域中作为光源来使用时，成为曝光不均斑而无法确实进行所期望的处理；在投影领域作为光源来使用时，就无法提供充分明亮的影像。
(2)由于高温电弧A的接触或是接近，使得发光管41内表面急速被烘热而蓄积热应变，因该热应变而造成短弧型放电灯40破损。
以上所述的电弧A的颤动现象是随着灯的反覆使用(点灯，关灯动作)而显著产生的。其理由是：(1)在放电灯点灯过程中，由于阴极44的前端部分达到例如2000～2500℃的程度的高温，使得前端部分熔融蒸发而产生变形，造成电场的集中程度降低；(2)阴极44所含有的发射物质，随着灯的反复使用而枯竭，从而造成前端部分的电子发射能力降低；(3)前端部分的结晶由于热影响而粗大化，使得结晶间的粒界变少，从而导致发射物质难以被供给到前端部分，前端部分的电子发射能力降低，等等，种种重要因素加在一起，电弧A的起始点P便容易移动到阴极44的前端面46以外的位置，而产生电弧A的颤动现象。
对于这种问题，例如如图7所示，有以下技术(例如请参考日本专利文献1)公开：在阴极50具有锥部51和与该锥部连接的胴部52的构成中，在锥部51形成凹部或突起部(图示的是凹部55)等，由该凹部55或是突起部来禁止电弧的起始点越过该凹部55或是突起部形成的位置而向轴向后方移动，由此防止颤动现象的发生，防止发光管发生失透现象或是破损。
日本专利文献1：特开2003-257363号公报。
发明内容
[发明所欲解决的问题]
然而，即使依日本专利文献1所公开的技术，有时电弧的起始点还是会通过阴极50的锥部51上的例如凹部55形成的位置而移动到例如阴极50的胴部52的表面位置，在该位置形成电弧的起始点，因而不能防止起因于颤动现象所造成的发光管的失透现象或是破损，这是其问题所在。
本发明是基于上述情况而做出的，目的在于提供一种可以确实地防止灯启动时的颤动现象的产生，从而能够防止发光管发生失透现象和破损，从而可以将光强度下降程度抑制在较小范围，能够长时间确实地取得均等强度的光的放电灯。
本发明的放电灯，具有在内部形成放电空间的发光管，在该发光管内，阴极与阳极对向配置，其特征在于，
上述阴极构成为：具有向着前端直径变小的锥部；在该锥部，异径部在周向的全周形成，该异径部具有由排列于该阴极的轴向的凸部群构成的凹凸部；该凹凸部在含有阴极的中心轴的断面中，各凸部的顶点位于比该锥部的棱线更内侧的位置，且连结各顶点的包络线相对于该阴极的中心轴为凸状。
在本发明的放电灯着，优选的是，阴极上的异径部构成为：2处的凹凸部在轴向分开的位置形成。
[发明的效果]
依据本发明的放电灯，阴极具有向着前端直径变小的锥部，在该锥部，具有特定形状的凹凸部的异径部在阴极周向的全周形成，因此，即使在反复进行放电灯的点灯、关灯，阴极前端部分的电子释出能力降低了的场合，当灯启动时，由于构成异径部的凹凸部本身的构成以及异径部整体的构成，可以让电场集中于凹凸部，因此可以确实地防止在阴极与阳极的电极间形成的电弧起始点从该异径部向轴向后方移动，因此可以确实防止颤动现象的发生，结果就能够确实防止发光管发生失透现象或破损，从而可以长时间确实地发射出均匀强度的光。
还有，阴极上的异径部构成为，2处的凹凸部在轴向间隔开的位置形成，因而更能够确实获得上述的效果。
附图说明
图1是表示本发明的短弧型放电灯的一例的构成的概略的主视图。
图2是放大表示图1所示的短弧型放电灯的阴极的构成的主视图。
图3是放大表示图2所示的阴极主要部分的剖视图。
图4是表示本发明的短弧型放电灯的阴极的其他构成例的概略的主视图。
图5是表示以往的短弧型放电灯的一例的构成的概略的主视图。
图6是示意地表示在放电灯启动时，电弧起始点在从阴极的前端面移动后的位置形成的状态的说明图。
图7是表示以往的短弧型放电灯的其他例中的阴极的构成的概略的主视图。
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本发明。图1是表示本发明的短弧型放电灯的一例的构成的概略的主视图；图2是放大表示图1所示的短弧型放电灯的阴极的构成的主视图；图3是放大表示图2所示的阴极主要部分的剖视图。
该短弧型放电灯10构成为：具有发光管11，发光管11具有形成例如大致椭圆球形状的放电空间S的膨出部12以及连接于该膨出部12两端并外侧延伸的封止部13、13，在该发光管11的内部，分别由钨构成的阴极20与阳极15相向配置，并至少以适当的量封入例如氙等稀有气体。还有，于发光管11内，根据灯的用途，可以与稀有气体一起以适当的量封入水银。在此，作为封入发光管11内的稀有气体，并非仅限于氙，可以使用氩、氪，或其他以往就适用的。另外，在图1中，17是设置在封止部的外端部的灯头。
阳极15为了高效率地承接从阴极20放出的电子，具有前端部做成例如大致半球状的形状。
阴极20具有：向着前端直径变小的例如圆锥台状的锥部21，以及与该锥部21连接而朝后方延伸的圆柱状的胴部22。
在该短弧型放电灯10中，阴极20做成在其锥部21、在周向的全周形成了异径部30的构造。
具体而言，阴极20上的异径部30具有凹凸部31A、31B和平滑部35，其中，凹凸部31A、31B，在包含阴极20的中心轴C的断面中，各个凸部33的顶点位于比该锥部21的棱线R更内侧的位置，并且，连结各个顶点的包络线L相对于该阴极20的中心轴C为凸状，由排列在阴极20的轴向的凸部群32构成，位于2处，为例如锯齿状；平滑部35，一端对于前端侧的凹凸部31A上的凸部33的排列方向而言，连接于最后端的凸部33A，且另一端对于后端侧的凹凸部31B上的凸部33的排列方向而言，连接于最前端的凸部33B，其表面实质上是平滑的。即，异径部30构成为，使分别具有特定形状的2处凹凸部31A、31B成为夹介平滑部35而相互在轴向间隔开的状态。
阴极20的异径部30可以由例如以下所述方式来制作形成。即，在阴极20的锥部21上的预定位置处，由例如研磨机(grinder)等来形成在阴极20的周向的全周延伸的断面大致梯形的环状沟部(凹部)，在该环状沟部的各个边缘部，换言之，就是在包含锥部21的表面与环状沟部的倾斜面的交界线的部分，由例如激光加工等来形成由在周向的全周延伸、宽度(间距)比环状沟部更小的例如断面大致V字型的环状沟构成的凹部34，由此，环状沟部的底面构成为平滑部35，同时形成了夹介该平滑部35而相互间隔开的2处凹凸部31A、31B，从而形成所需要的形态的异径部30。在此，在前端侧的凹凸部31A上的最后端所形成的凸部33A是利用环状沟部的倾斜面而构成的，断面V字型的环状沟的最后端者，实际上是形成在环状沟部的边缘部附近的状态。还有，对于后端侧的凹凸部31B也是同样，在最前端形成的凸部33B是利用环状沟部的倾斜面而构成的。
构成异径部30的平滑部35的离锥部21表面(棱线)的深度d1，以及构成异径部30的凹凸部31A、31B的各个凹部34的深度d2，只要是确保充分大的热传导面积、前端部不会熔融的大小，可以根据放电灯的构成条件及点灯条件来适当地设定。
还有，优选的是，异径部30在锥部21上的形成位置选在异径部30确保充分大小的热传导面积，并尽可能接近前端部分的位置。
以下给出上述构成的短弧型放电灯10的数值例。
发光管11的最大外径为45～300mm，发光管11的内容积为40～16000cc，阴极20与阳极15的电极间距为3.5～50mm，阴极20的锥部21的全长(轴向长度)为3～55mm，阴极20的锥部21的前端角(锥角)θ为30～80°，阴极20的胴部22的全长为1～100mm，阴极20的胴部22的直径为5～30mm，构成异径部30的平滑部35的离锥部21表面的深度d1为0.3～3mm，构成异径部30的平滑部35的宽度(沿着锥部21表面的轴向长度)W1为0.3～15mm，构成异径部30的凹凸部31A、31B的凹部34、34的深度d2为0.2～2mm，构成异径部30的凹凸部31A、31B的宽度W2、W2为0.3～10mm，凹凸部31A、31B的凸部33的数目为3个以上，邻接的凸部33的顶点的间隔距离(间距)为0.1～0.4mm。
还有，用作投影领域的光源时，稀有气体的封入量取为在基准温度300K时成为0.1～4MPa的范围的压力的量；用作半导体制造领域的光源时，稀有气体的封入量取为在基准温度300K时成为0.01～1MPa的范围的压力的量，水银的封入量为1～100mg/cc。
依据上述所构成的短弧型放电灯10，阴极20具有向着前端直径缩小的锥部21，在该锥部21，异径部30是绕着阴极20的周向的全周而形成的，其中，在该异径部30，夹介平滑部35于间隔开的位置形成了特定形状的2处凹凸部31A、31B，由此形成了电场强度的连续性被中途切断的电场强度不连续部分，取得了由构成平滑部35的宽度比较宽的环状凹部导致的电场集中效果，以及由比该环状沟部宽度更小的环状沟所构成的凹凸部31A、31B导致的电场集中效果。
即，构成异径部30的凹凸部31A、31B本身做成电场的集中程度变得较高的构成，并且，与构成凹凸部31A、31B的环状沟相比，宽度大的，也就是为了使电弧起始点通过所必要的移动距离大的平滑部35与前端侧的凹凸部31A连接而形成，所以可以使从前端面23移动过来的电弧起始点暂时地滞留在前端侧的凹凸部31A。
因此，如果是在例如图7所示的构成的阴极50中，单单将具有同一形状的多个环状沟相互并排于轴向而形成的构成的话，就发现各个环状沟部所形成的电场集中效果与其他环状沟部所形成的效果是分开的，因此就不能禁止电弧起始点的移动，-这种问题不会产生，能够确实防止电弧起始点的、从异径部30形成的位置向轴向后方侧的移动，并能够随着阴极20的前端部分温度的上升，使电弧的起始点快速地移动到阴极20的前端面23，由此可以确实地防止颤动现象的发生，进而确实地防止起因于颤动现象所造成的发光管11的失透现象或是破损，也因此可长期确实地发射出均等强度的光。
还有，阴极20上的异径部30做成2处特定形状的凹凸部31A、31B夹介平滑部35、相互分开而形成的构成，就更可以确实地获得上述的效果。
以上，虽对本发明的放电灯单元的一实施方式做了说明，但本发明，并不限于上述的实施方式，而是可以进行种种的变更。
例如，构成阴极上的异径部的凹凸部的形状与平滑部的形状并没有特别限定，例如如图4所示，构成异径部30的凹凸部31A、31B也可以由螺旋沟形成，还有，平滑部35也可以形成为曲面状，而不是平面状。即便是这种构成，在实用性上也可以获得充分的效果。
再者，构成异径部的平滑部只要做成与形成凹凸部的区域相互在电场强度上不连续的区域的构成即可，也可以形成例如延伸于周向的环状沟或是突起部。
还有，构成异径部的凹凸部不必形成于2处，只要与平滑部上的至少阴极的前端侧连接而形成即可。
以下，说明为了确认本发明的效果而进行的实验例，不过本发明并非受此限定。
[短弧型放电灯的制作例1]
依据图1所示的构成，制作了本发明的短弧型放电灯。以下，将该短弧型放电灯称为灯A。该灯A的具体构成及规格为以下所示。
发光管(11)：最大外径为100mm，内容积为600cc
阴极(20)：材质是以含有钍的敷钍钨(thoriated tungsten)作为发射物质，锥部(21)的全长(轴向长度)为15.6mm，锥部的前端角(θ)为60°，胴部(22)的全长为34.4mm，胴部的直径为20mm，异径部(30)的构成为2处锯齿状的凹凸部(31A、31B)夹介平滑部(35)分开形成，前端侧的凹凸部(31A)的形成位置是从阴极前端面起在轴向2mm后方的位置，构成异径部的平滑部的表面形状为平面状，平滑部离锥部表面的深度(d1)为0.5mm，平滑部的宽度(W1)为1.7mm，构成异径部的各个凹凸部的形状为断面呈V字型的环状沟，凹凸部的各个凹部(34)的深度(d2)为0.5mm，各个凹凸部的宽度(W2)为1.2mm，凹凸部的凸部(33)的数目有6个，凹凸部的相邻接的凸部(33)的顶点的间隔距离(间距)为0.15mm
阳极(15)：最大外径为30mm，全长为50mm
阴极(20)与阳极(15)的电极间距离：10mm
封入气体：氙气，封入气体压力为0.90x105Pa
水银量：120mg/cc；
输入电功率：10kW
安定时灯电压(初期时)：90V
[短弧型放电灯的制作例2]
制作出本发明的短弧型放电灯，其中，本发明的短弧型放电灯在上述制作例1所制得的放电灯A中，除了采用以下所示的构成的阴极(参照图4)之外，具有与放电灯A相同的构成。以下将该短弧型放电灯称为「灯B」。该灯B的阴极的构成如以下所示。
异径部(30)的构成是2处锯齿状的凹凸部(31A、3IB)夹介平滑部(35)而分开形成，前端侧的凹凸部(31A)的形成位置是从阴极前端面起在轴向2mm后方的位置，构成异径部的平滑部的表面形状为球面状，平滑部离锥部表面的最大深度为0.6mm，平滑部的宽度(W3)为0.6mm，构成异径部的凹凸部的形状为断面呈V字型的螺旋沟，凹凸部的凹部(33)的数目为6个，凹凸部相邻接的凸部顶点的间隔距离(间距)为0.15mm，凹凸部的各个凹部(34)的深度为0.5mm，各个凹凸部的宽度(W4)为0.9mm。
[短弧型放电灯的制作例3]
制作出比较用的短弧型放电灯，其中，该比较用的短弧型放电灯在上述制作例1所制得的放电灯A中，除了采用图7所示的构成的阴极之外，具有与放电灯A相同的构成。以下，将该短弧型放电灯称为「灯C」。该灯C的阴极的构成如以下所示。
凹部(55)的形状为断面呈梯形的环状沟，凹部的形成位置是从阴极前端面起在轴向2mm后方的位置，凹部的深度为0.5mm，凹部的宽度为0.15mm。
[短弧型放电灯的制作例4]
制作出比较用的短弧型放电灯，其中，该比较用的短弧型放电灯在上述制作例1所制得的放电灯A中，除了采用没有异径部的构成的阴极之外，具有与放电灯A相同的构成。以下，将该短弧型放电灯称为「灯D」。该灯D的阴极的锥部尺寸及胴部尺寸是与灯A相同的大小。
<实验例>
对于上述灯A～D的每一个，以6小时持续点灯后2小时关灯，该试验反复进行150次，该试验在进行到第50次的时点、进行到第100次的时点、以及进行到第150次的时点时，以目视确认灯启动时的颤动现象的发生次数，同时在该试验到第50次的时点、第100次的时点以及第150次的时点时，以目视确认发光管有无产生失透现象。其结果显示于后述的表1。在此，所谓「颤动现象的发生次数」，是灯启动时，计算电弧的起始点从阴极的前端面移动到阴极的胴部的表面位置的次数(变成例如图6所示的状态的次数)。
【表1】
如以上所述，已经确认，依据本发明的灯A及灯B，确实防止了颤动现象的发生，并确实防止了起因子颤动现象所产生的发光管的失透现象，因而，确认了在长时间下可以获得所期望的放电灯性能。
相对于此，对于比较用的灯C及灯D，颤动现象发生的频率会随着放电灯的点灯、关灯动作的次数(试验次数)的增加而变高。对灯C而言，在试验进行150次后的时点，对灯D而言，在试验进行100次后的时点皆可确认到发光管的失透现象。
Claims (2)
1.一种放电灯，具有在内部形成放电空间的发光管，在该发光管内，阴极与阳极对向配置，其特征在于，
所述阴极构成为：具有向着前端直径变小的锥部；在该锥部，具有环状凹部及由排列于该阴极的轴向的凸部群构成的凹凸部的异径部在周向的全周形成，该凹凸部在所述环状凹部的阴极前端侧排列形成于阴极的轴向上；该凹凸部在含有阴极的中心轴的断面中，各凸部的顶点位于比该锥部的棱线更内侧的位置，且连结各顶点的包络线相对于该阴极的中心轴为凸状。
2.根据权利要求1所述的放电灯，其特征在于，在阴极的异径部，2处的凹凸部在轴向分开的位置形成。
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