CN101847562A

CN101847562A - 短弧型放电灯

Info

Publication number: CN101847562A
Application number: CN201010148924A
Authority: CN
Inventors: 影林由郎; 松岛竹夫
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2009-03-27
Filing date: 2010-03-25
Publication date: 2010-09-29
Also published as: KR20100108195A; DE102010011980A1; JP2010232023A; US20100244689A1; TW201036025A

Abstract

提供一种具备从钨的阴极对于电弧稳定地提供电子放出物质而可防止照度变动的阴极的短弧型放电灯。该短弧型放电灯在发光管的内部相对配置有一对阴极和阳极，其特征在于：上述阴极(20)由含有电子放射物质的钨材料构成，并且具备：随着朝向前端而成为小径的锥部(24)；形成于该锥部(24)的前端侧的前端面(25)，以及从该前端面在该阴极的内部延伸的细孔(26)，该细孔(26)在该前端面上横跨2个以上的钨结晶粒而形成。

Description

短弧型放电灯

技术领域

本发明涉及一种适用于半导体或液晶的制造领域等的曝光用光源，或是放映机或数字电影等的光源的短弧型放电灯。

背景技术

封入有水银的短弧型放电灯的相对配置于发光管内的一对电极的前端距离短，接近于点光源，因而通过与光学系统组合，可以用作聚光效率高的曝光装置的光源。并且，封入氙(Xe)的短弧型放电灯在放映机等中被用作可视光的光源。近年来也用作数字电影用光源。

在这些短弧型放电灯中，一直以来公知在阴极中含有电子放射物质(以下，仅称为发射体)。

并且，作为具备含有发射体的阴极的灯，公知有设置了用于将发射体提供给阴极的细孔的灯(专利文献1)。

图1是表示短弧型放电灯1的整体图，图7是表示专利文献1的短弧型放电灯的阴极的放大剖面图。

在图1中，短弧型放电灯1的发光管10由玻璃构成，具备大致球状的发光部11与两端的密封部12。在形成于发光管10内部的空间S中，相对配置有一对阴极20和阳极30。阴极20及阳极30在前端的主体部嵌入有轴部22、32而构成。阴极20的材料，作为电子放射物质是含有氧化钍的钨。

如图7所示，阴极20具备前端的主体部21，而在主体部21的后端形成有用以嵌入轴部22的嵌入孔23。在主体部21的前端，具有平坦的前端面25，而且在该前端面25上形成有朝阴极的长边方向延伸的细孔26。

被导入于该细孔26的内部的发射体利用该细孔26的内周面的表面扩散，从细孔86被放出至外部，而被提供给电弧。

专利文献1：日本特开平11-96965

但是，近年来，随着灯的高输出化和大型化，产生了在短时间内曝光面的照度变动率增大的问题。可以认为这可能是因为发射体从阴极侧面向前端的提供不足而导致的。

本发明人等，为了解决此问题，制作了具有图7所示的阴极的短弧型放电灯，进行了点灯试验。在专利文献1中，将预定的孔设于阴极前端部，从而增大发射体的表面扩散，通过采用本构造，期待可消除发射体的供应不足。然而，该灯也会产生照度变动率的增大。破坏该灯并分析了阴极，得知形成于阴极前端的细孔变没有了。进而在长边方向切断该阴极主体部并加以研磨，经观察，发现有一个结晶粒堵住细孔的出口。另一方面，进行相同规格的灯的点灯试验，在发生照度变动率的增大之前的状态下对阴极进行分析，虽然细孔正在被堵住，但仍可观察到间隙。

亦即，可以推测出，点灯时的阴极前端变成高温，因而由于热移动钨的结晶粒成长而堵住细孔，无法供应发射体，因此电弧变得不稳定。

发明内容

综上所述，本发明的目的在于提供一种具备如下阴极的短弧型放电灯，防止设于钨的阴极前端面的细孔的出口由于点灯而被堵塞，对于电弧稳定地提供电子放出物质而可防止照度变动。

本发明为了解决上述课题，提供一种短弧型放电灯，在发光管的内部相对配置有一对阴极和阳极，其特征在于，上述阴极由含有电子放射物质的钨材料构成，并且具备：随着朝向前端而成为小径的锥部；形成于该锥部的前端侧的前端面；以及从该前端面在该阴极的内部延伸的细孔，该细孔在该前端面上横跨2个以上的钨结晶粒而形成。

并且，本发明的特征在于，在细孔的内表面设置有碳化钨的层。

根据本发明，在阴极的前端面设置横跨2个以上的结晶的细孔，细孔不容易由于结晶粒的成长被堵住，可将发射体稳定地提供给阴极前端部。

并且，根据本发明，通过在细孔的内周面设置碳化层，可将作为氧化物的发射体还原，而增加对于电弧的经由细孔的提供量。

附图说明

图1表示短弧型放电灯整体的概略结构。

图2是表示本发明的第一实施方式的短弧型放电灯的阴极的部分说明图。图2(a)是轴方向的剖面图，图2(b)是从前端向长边方向观察阴极时的图。

图3是用以针对本发明的阴极的前端部进行说明的图。

图4(a)及图4(b)是用以说明本发明的阴极的前端部上设置的细孔的位置的示意图。

图5是本发明的短弧灯的实验结果。

图6表示本发明的第二实施方式的短弧型放电灯的阴极的局部说明图。

图7表示现有的短弧型放电灯的阴极的剖面图。

具体实施方式

图1表示本发明的短弧型放电灯的概略结构。

本发明的短弧型放电灯的发光管10具备：位于中央的大致球状地形成的发光部11和位于两端的柱状的密封部12。在发光管10的内部，互相相对地配置有阴极20的主体部21与阳极3的主体部31，而且封入有发光物质。

阴极20由在其前端侧具有随着朝向阳极30的主体部31逐渐地缩径的锥部的主体部21、以及连续于该主体部21的基端侧的棒状的轴部22构成。轴部22的前端部嵌入在形成于主体部21的基端侧的有底孔。

阳极30由其前端侧形成有圆形的主体部31、以及连续于该主体部31的基端侧的棒状的轴部32构成。轴部32的前端部嵌入在形成于主体部31的基端侧的有底孔。

并且，阴极20及阳极30由互相不同体的部件构成各主体部21、31与各轴部22、32，但主体部与轴部也可以由一个部件一体地形成。

阴极20及阳极30的材料使用钨。在该钨材料中含有电子放射物质。作为电子放射物质，可适当使用氧化钍(ThO₂)、氧化钇(Y₂O₃)，或作为镧系的氧化物的氧化镧(La₂O₃)、氧化铈(Ce₂O₃、或是CeO₂)、氧化钆(Gd₂O₃)、氧化镝(Dy₂O₃)、氧化钐(Sm₂O₃)、或是氧化钕(Nd₂O₃)等，例如若为氧化钍，则钨中含有2wt％左右的量。若含有这些电子放射物质，则电极的工作函数会降低，具有使得电子放出变容易的效果。

并且，阴极前端会接触到电弧，因而密度低的钨的导热差而变为高温，会消耗前端。因此作为用于阴极的钨材料，密度为18g/cc以上，优选为19g/cc以上。

封入的主发光物质是水银，而封入量是例如1mg/cc以上。封入水银时，并且，进而除此之外作为辅助气体封入稀有气体，例如也可以将氙气、氩气、氪气中的任何一种以上封入0.01～1MPa(室温)。

并且，所封入的主发光物质是稀有气体，例如封入有0.5MPa(室温)以上的氙气。

在两端的各密封部12，埋设有与电极的轴部电连接的省略了图示的钼箔，形成气密密封构造。由密封部12的外端突出有与上述的钼箔电连接的外部引线13，省略了图示的供电装置连接于该外部引线13而进行电流供应。

并且，密封构造并不限于如上所述，如果是主要封入了氙的放映机用的放电灯时，不使用箔，而通过与发光管所使用的玻璃的热膨胀系数不同的对搭接玻璃，直接密封有电极轴部。

图2是表示本发明的第一实施方式的短弧型放电灯的阴极的图，图2(a)是沿着长边方向切断阴极的主体部的剖面图，图2(b)是在长边方向观看该阴极主体的前端时的图。

阴极20的主体部21是比轴部22大径的大致圆柱状，随着朝前端变成小直径的锥部24。锥部24的更前端侧是例如由平面形成的前端面25，而在该图的情况下，主体部21形成为圆锥台状。锥部24的锥角是40～90°，例如为60°。

细孔26在前端面25具有开口端，沿着阴极20的长边方向而形成。前端面25的直径(以下也称为前端直径)，是φ0.4～φ3mm，例如为φ1.2mm。细孔26的内径(以下也称为孔径)，是φ0.08～φ1mm，例如为φ0.1mm。一般，细孔26的形状是剖面圆形状的容易制作，但剖面为矩形状也可以。

细孔的直径过大时会减少前端面的面积，会使得电流密度上升，阴极前端的温度上升导致容易变形，或者促进钨的结晶粒成长，因此优选形成为上述的范围。

在主体部21的基端侧形成有用以嵌入轴部22的嵌入孔23，嵌入有轴部22。

所谓前端面25，除了平面以外，也可以是如下的面。

图3表示用于对于前端部的其它例子加以说明的阴极的剖面放大图。

如图3所示，在阴极20的前端，形成有球面形成的前端面25。在此前端面25也同样地在点灯中形成有电弧，因而形成细孔26，对于发射体稳定地被供应可得到同样的效果。

含有于阴极20中的发射体以氧化物的形式存在于金属中。发射体在高温部被还原，从阴极的内部通过晶界扩散或粒内扩散而在表面移动，或是通过表面扩散而在表面中移动。

在没有细孔26的阴极20中，从锥部24析出的发射体会表面扩散，提供到阴极20的前端面25，但前端附近处于高温，因而很多发射体还没有提供到前端面25就会消失。没有消失并且到达阴极20的前端面25的发射体也在锥部24的表面析出的发射体源枯竭时停滞提供而无法稳定地向阴极前端提供，会产生在前端面25的发射体的不足。

在前端面25内设有细孔26的情况下，细孔26内的表面对于前端面连续，且细孔26的开口也是在点灯时形成电弧的部位。所以，通过表面扩散，或气相扩散，可将发射体从细孔26的内周面表面一直提供至电弧形成位置为止。

还有，从细孔26内提供的发射体必然被送入电弧中。在电弧中所蒸发的发射体为了阳离子化而再回到阴极，而不容易消失。

因此，细孔26是用以将发射体从阴极主体部21内部向阴极前端部提供的路径，与从阴极20的外表面或是前端提供的情况相比，可以稳定地提供发射体。

并且，在锥部24上设置细孔的情况下，由此处送出的发射体追寻与上述没有细孔26的阴极相同的经过，会引起在前端面25的发射体不足。

该细孔26是例如内径φ0.1mm左右的极细孔，如上述地通过钨的热移动使得结晶粒成长而容易被堵塞。因此，本发明人等，为了解决堵塞该细孔的课题，进行如下的实验。

首先，作为阴极的材料，将添加有2wt％的氧化钍的钨杆切出预定长度，切削成前端直径为φ1.2mm，锥角度为60°。之后，将该主体部保持在真空中，而在2000℃以上施加热处理。然后，使用铁氰化钾与氢氧化钠的水溶液对阴极的前端面进行蚀刻，制作成容易观察结晶晶界。

调整位置进行放电加工，以使细孔在阴极的前端面仅形成于可观察到的一个结晶粒内，制作出形成孔径φ0.1mm、孔深5mm的细孔的阴极。

并且，利用同样的顺序，在阴极的前端面以细孔横跨2～4粒的结晶粒的方式，调整位置进行放电加工，制作出形成孔径φ0.1mm、孔深5mm的细孔的阴极。

图4是用以对于设于阴极20的前端面25的细孔26的位置进行说明的示意图。

在该图中，正面所观察到的是放大图2(b)所示的阴极的前端面25的表面的情况，在前端面25的中心附近设有细孔26。前端面25上交错的不规则的线表现的是钨结晶粒的晶界。

由钨构成的阴极20如图所示是具有多个金属结晶粒的块，也有晶界露出于表面的情况。

图4(b)是表示在前端面25横跨1个结晶的细孔26的图。细孔26仅形成于1个结晶粒G3内，未横跨于其它的结晶粒。

图4(a)是表示在前端面25横跨2个结晶的细孔26的图。细孔26是横跨于结晶粒G1与G2，及形成于其中间的结晶晶界GB 1而形成。

使用这些阴极，制作水银封入量为4mg/cc的灯，以灯输入功率为5.5kW实施点灯寿命测试。在灯点灯中发生照度变动时，灯电压也会变动，因而简易地评价到电压变动发生为止的时间。

图5是表示在各该灯中，细孔在前端面横跨的结晶的数和点灯寿命测试中从开始点灯至发生电压变动为止的时间的关系的表。

灯1、2是横跨的结晶的数为1，亦即，具有经由结晶晶界形成有未横跨2个以上的结晶粒的细孔的阴极的灯。灯3、4、5是具有形成有横跨多个结晶的细孔的阴极的灯。如图5所示，灯1、2都在637小时、512小时就发生电压变动，而灯3、4、5是经过1200小时也不会产生电压变动。因此，可知由于形成细孔的位置，在照度变动寿命上会产生两倍以上的差。

在完成测试之后，取出灯1、2的阴极对前端面进行观察，其结果细孔是堵塞的。在长边方向上切断这些阴极，经研磨进行观察，则细孔的开口端被一个结晶粒覆盖。

另一方面，对灯3的前端面也同样地进行观察，观察到的是细孔中好像残留有晶界并被堵塞。该阴极也同样地在长边方向上切断进行观察时，结果是有结晶覆盖细孔的开口端，但可以观察到作为晶界的、从细孔内部连通到阴极外部的间隙。

综上所述，可以认为，仅在1个结晶粒内设置细孔时，由于热移动导致的结晶成长而堵塞细孔的开口，无法提供发射体，电弧变得不稳定，会在早期产生电压变动。

另一方面，可以认为，在细孔横跨2个以上的结晶粒的情况下，各个结晶会成长而肥大成堵塞细孔，但由于存在着结晶晶界而互相的结晶粒不容易一体化，并且，经由该间隙提供发射体，因而电弧稳定，而不会产生电压变化。

通过上述内容，在本发明中，形成于含有发射体的钨阴极的细孔，在前端面横跨2个以上的钨结晶粒而形成，从而细孔不会被完全地堵塞，能够提供发射体并使电弧稳定化。

作为制作如上述的阴极的方法，例如以下所说明的方法也可加以制作。

首先，作为阴极的主体部的材料，将添加有发射体的钨杆切出一定的长度。

之后，在钨杆的前端，通过切削形成前端面与锥角。然后，首先在前端面通过放电加工，将细孔设于前端面的中央附近。细孔的孔径是φ0.08～φ1。在该阶段，有关于阴极的主体部的形状就可完成。

然后，将此主体部保持在真空中，而在2000℃以上施以热处理。这样一来，通过该热处理，结晶粒产生再结晶而肥大成某一程度，但在热处理前形成细孔，因而热处理后结晶粒也为横跨晶界的状态。

如此地，在热处理前形成细孔，不必调整细孔形成位置，也可形成横跨2个以上的结晶粒的细孔。

图6是表示本发明的第二实施方式的短弧型放电灯的阴极的剖面图。在该图中，仅设有碳化层27之处与图2(a)不相同，因而省略说明。

在图6(a)中，在设于阴极主体部21的细孔26的内周面形成有碳化层27。该碳化层27是通过碳化作为阴极的材料的钨而设置的碳化钨的层。

被添加于阴极的发射体是氧化物，因而为了作为发射体工作必须将其还原。一般，还原是在高温部进行，但在该碳化钨层中，通过碳在较低温度下，氧化物发射体就被还原，因而可快速地提供发射体。

在图6(b)中，在细孔26的前端附近未形成碳化层27，而成为非碳化层28。这是由于，碳化钨的融点低，防止其由于电弧而被熔解的情形。

并且，不优选在阴极主体部21的锥部24的外表面设有碳化层27。在外表面的碳化钨层被还原的发射体脱离并被放出在发光空间内时，会成为白浊的原因。

根据上述的阴极，还原作为氧化物的发射体的氧气，而可直接提供到电弧中。

Claims

1.一种短弧型放电灯，在发光管的内部相对配置有一对阴极和阳极，其特征在于，

上述阴极由含有电子放射物质的钨材料构成，并且具备：随着朝向前端而成为小径的锥部；形成于该锥部的前端侧的前端面；以及从该前端面在该阴极的内部延伸的细孔，

该细孔在该前端面上横跨2个以上的钨结晶粒而形成。

2.根据权利要求1所述的短弧型放电灯，其特征在于，在上述细孔的内表面设置有碳化钨的层。