CN101958221A - 短弧型放电灯 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种短弧型放电灯，其在发光管内相对配置一对阳极和阴极，提供了下述的电极结构：特别是在重复进行额定功率下的通常点灯和以比额定功率小的功率点灯的待机点灯的满载/待机点灯时，阳极前端中央部也不会比其周边环状部突出，并不产生电极材料的蒸发引起的灯的变黑。其特征在于，在阳极前端的前端中央部和周边环状部之间夹杂有由比电极材料的屈服应力小的材料构成的缓冲部件，通过该缓冲部件缓和前端中央部的热应力。

Description

短弧型放电灯

技术领域

本发明涉及短弧型放电灯，特别是适用于半导体、液晶制造领域等的曝光用光源、放映机的背光用光源的短弧型放电灯。

背景技术

基于在发光管内相对配置的一对电极的前端距离较短而近似于点光源这一点，短弧型放电灯通过与光学系统进行组合，用作曝光装置用或放映机的背光用的光源。

日本特开平10-188890号公报公开了现有的短弧型放电灯。

图7中公开了该现有的短弧型放电灯，短弧型放电灯1的发光管10具备位于中央的形成为大致球状的发光部11及其两端的封固部12。在发光管10内，由钨等构成的阴极21和阳极31彼此相向地相对配置，并且在内部的发光空间3中封入有水银、氙等的发光物质。

与上述阴极21及阳极31连接设置的电极轴22、32经由未图示的金属箔被封固部12封固。

但是，近年来，在半导体、液晶面板的制造工序中使用的上述短弧型放电灯中，如日本特开2000-181075号公报所指出的那样，为了省电化，通常不是以恒定的功率点灯，而是采用下述点灯方式(以下称为“满载/待机点灯”)：仅在曝光时以额定功率点灯(通常点灯)，在基板移动等待机时以比所述额定功率小的最小限度的功率点灯(待机点灯)。

重复进行例如下述操作：在曝光时以额定功率点灯0.1～10秒，在待机时以比额定功率小的待机功率点灯0.1～100秒。

但是，在灯的点灯/灭灯时、或上述满载/待机点灯时的输入功率变更时等，由于从电弧流入阳极的热流通量发生变化，因此阳极温度变化，在阳极产生内部应力。

此时，如图8(A)、(B)所示，面对电弧的阳极前端面的中央部50是温度变化最大的部分，因此热膨胀也较大。与此相对，该中央部50的周边的环状部51相比所述中央部50温度变化较少，其热膨胀也较小。

因此，中央部50由于该热膨胀而从其周边环状部51受到压缩应力，其结果会以从前端面突出的方式变形。

在额定点灯时阳极前端的温度稳定后，这种突出也不会完全地复原到原有形状，而会残留下去。而且，特别是在满载/待机点灯时，这种变形重复产生，突出由于被积累而变得肥大化。

于是，放电在肥大化的突出部集中，该突出部异常过热，电极物质蒸发并附着于发光管内壁，该发光管内壁变黑，存在引起照度迅速下降的问题。

专利文献1日本特开平10-188890号公报

专利文献2日本特开2000-181075号公报

发明内容

本发明要解决的课题是，鉴于上述现有技术的问题，提供一种特别是在采用满载/待机点灯方式的短弧型放电灯中，具有能够缓和在阳极前端产生的热应力，防止阳极前端的中央部分发生变形，从而防止变黑的阳极构造的短弧型放电灯。

为了解决上述课题，本发明的短弧型放电灯，其特征在于，在阳极的前端中央部及其周边环状部之间夹杂有由比该阳极材料的屈服应力小的金属构成的缓冲部件。

此外，其特征在于，所述前端中央部由与阳极分体形成的插入体构成，该插入体夹杂着所述缓冲部件插入到形成在阳极前端面上的开口内。

此外，其特征在于，所述缓冲部件由金属箔构成，卷绕在所述插入体上。

此外，其特征在于，所述插入体由环状的第一插入体和夹杂着缓冲部件插入到该第一插入体中的第二插入体构成。

此外，其特征在于，在所述环状的第一插入体的内周面上具有在阳极前端面沿半径方向延伸的龟裂。

此外，其特征在于，所述环状的第一插入体被分割为多个。

此外，其特征在于，所述开口为贯通到阳极的后端的贯通孔，所述插入体由电极轴构成，该电极轴插入所述贯通孔并且其前端面临电极的前端面。

此外，其特征在于，在所述阳极的前端面上设有环状的开口，形成所述前端中央部和周边环状部，在所述环状开口内夹杂有由烧结金属构成的缓冲部件。

此外，其特征在于，在所述开口的内表面或所述插入体的外表面的至少任一方上，形成有所述金属箔的退让槽。

此外，其特征在于，所述退让槽在周方向上形成。

此外，其特征在于，所述退让槽在轴方向上形成。

根据本发明的短弧型放电灯，在阳极的前端中央部及其周边环状部之间夹杂有由比该阳极材料的屈服应力小的金属构成的缓冲部件，因此，特别是在满载/待机点灯时等，即使阳极前端部的温度发生变化，前端中央部的热变形也被缓冲部件吸收，因此不出现变形并突出的现象，其结果是，前端中央部不会异常过热，不会产生发光管的变黑。

而且，即使该缓冲部件因热膨胀而产生塑性变形，由于在所述插入体和所述开口的至少任一方上形成有退让槽，因此缓冲部件的膨胀量也会进入该退让槽内，不会出现从阳极的前端面突出的情况，该部分不会异常过热，因此不会产生发光管的变黑。

附图说明

图1是本发明的短弧型放电灯的第1实施例的阳极的前端部的主要部分剖面图。

图2是第2实施例的主要部分剖面图。

图3是第3实施例的主要部分剖面图。

图4是第4实施例的主要部分剖面图。

图5是第5实施例的主要部分剖面图。

图6是第6实施例的主要部分剖面图。

图7是现有技术的整体图。

图8是图7的主要部分说明图。

图9是第7实施例的阳极的主要部分剖面图。

图10是图9的前端部的放大剖面图。

图11是第8实施例的主要部分剖面图。

图12是第9实施例的主要部分剖面图。

图13是表示本发明的效果的坐标图。

具体实施方式

图1是第一实施例的剖面图，(A)是组入剖面图，(B)是组入工序的说明图。

在图中，在阳极31的前端面33的中央部分上形成有在该前端面开口的开口34。而且，与该阳极31分体地，由与阳极相同的材料构成的插入体35形成为与所述开口34匹配的形状，该插入体35在其间夹持着缓冲部件36通过打入等手段压入/嵌插到所述开口34内。

具体而言，在由钨构成的阳极31的前端面的开口34中插入同样由钨构成的插入体35，为了易于压入该插入体35，该开口34及插入体35优选形成前端略细的锥状。

缓冲部件36由相比该阳极31及插入体35在相同温度下的屈服应力小的金属材料构成，具体而言，由钽、钼、铌、或铼等构成，在该实施例中为金属箔，卷绕所述插入体35的外周，与插入体35一同嵌插到开口34内。

由此，构成阳极31的前端中央部的插入体35热膨胀时，该插入体35和夹在其周边的环状部之间的缓冲部件36产生高温蠕变，变成吸收/缓和插入体35的热膨胀量的形状，不会承受周边环状部产生的压缩应力。

其结果是，构成前端中央部的插入体35不会变形，也不会形成局部的突出部。

因此，即使进行灯的点灯/灭灯、或长时间的满载/待机点灯，也能够防止阳极前端中央部的局部的突出，并抑制阳极材料的蒸发和由此产生的照度下降。

图2是第二实施例的剖面图，(A)是组入剖面图，(B)是组入工序的说明图。

在本实施例中，插入体35由第一插入体37和第二插入体38构成。第一插入体37在中央形成贯通口40，作为整体形成环状，第二插入体38经由缓冲部件41压入/嵌插到该贯通口40。

这样组成的插入体35在缓冲部件42设于外周的状态下压入到形成在阳极31的前端面33上的开口34中。

该第二实施例的阳极31的开口34及第一插入体37的贯通口40也与上述第一实施例同样，形成略微的锥状。此外该实施例中，缓冲部件41、42由金属箔构成，分别卷绕于第二插入体38、第一插入体37。

根据该实施例，在阳极31的前端中央部及其周边环状部之间夹持着2个缓冲部件41、42，因此对于构成前端中央部的插入体35的热膨胀的吸收作用更加突出。

图3是第3实施例的剖面图，(A)是组入剖面图，(B)是其主要部分的仰视图。

在图中，在构成插入体35的第一插入体37的中央贯通口侧，形成有在阳极31前端面露出并且向半径方向放射状地行进的多个龟裂43。

这种龟裂43通过如下方式形成：使用模拟灯具，相对于上述阳极31将阴极相对配置，在两电极间在规定的条件下放电，从而形成这种龟裂43。其放电条件例如以下所述。

在氩气氛中(1atm)，以在放电电流20A下1秒、在200A下1秒(0.5Hz)的方式放电10秒，由此对阳极施加热冲击，产生龟裂(裂纹)。

通过上述的放电，内侧的第二插入体38由于温度变得更高而向外侧膨胀。此时，外侧的第一插入体37相比第二插入体38温度上升不大，因此其热膨胀量也不大。因此，作为外侧部材的第一插入体37受到周方向的拉伸应力，该应力变为规定的大小时，经受不了该应力而从内周朝向外周产生龟裂。

这样形成的龟裂43例如其间隙为70μm左右。

根据该实施例，阳极31的前端中央部被急速地加热时，除了缓冲部件41、42对热应力的吸收作用之外，能够缓和向周方向的热应力，并能够更可靠地避免该中央部的变形。

此外，由于龟裂43朝向半径方向延伸地形成，因此对阳极31前端上的向半径方向的热传递不会造成障碍。

图4是第4实施例的剖面图，(A)是组入剖面图，(B)是其主要部分的仰视图。

在该实施例中，将第一插入体37沿半径方向分割为多个(图的例子中为4个)块37A，将它们组合而作为第一插入体37。此处，在各分割块37A的相互的邻接部分上形成若干的间隙44，该间隙44相当于上述第3实施例中的龟裂43。

根据该实施例，省略了制作龟裂43的繁杂的作业，能够可靠地形成在半径方向上放射状地行进的间隙。

图5是第5实施例的剖面图，在阳极31的前端中央部形成的开口是贯通到其阳极31的后端的贯通孔45，前端部形成为大致锥状。而且，在电极轴32的锥状前端部32A上卷绕有金属箔构成的缓冲部件36的状态下，从该贯通孔45的后方端侧插入，该前端部32A被压入阳极31，其前端面面临电极31的前端面33。

根据该实施例，插入体35由电极轴32构成，因此无需担心所述插入体从阳极31脱离，并且通过电极轴32向电极31的插入这一工序，前端插入体也被同时插入，由此削减了工序数。

此外，在上述图1～图5的实施例中，缓冲部件36、41、42作为金属箔进行了说明，但不限于金属箔，也可以是通过下述方法形成的缓冲部件：使钽粉末等形成糊状并涂敷在插入体35(图1)、第一插入体37及第二插入体38(图2～图4)或电极轴32(图6)上，将其插入到电极32后，在真空容器中烧结，由此形成缓冲部件。

图6是第6实施例，(A)是组入剖面图，(B)是其仰视图。

在该实施例中，在阳极32的前端面33上形成环状的开口46，在该阳极前端面上形成前端中央部和周边环状部。而且，在该环状开口46内，填充有粉末的缓冲材料，将其在真空中烧结，由此在所述前端中央部和周边环状部之间形成缓冲部件47。

根据该实施例，不需要特意地将插入到阳极31的前端部的分体的插入体成型，因此，无需担心其脱离。

为了将本发明和现有的阳极进行比较，对于基于实施例1的照度维持率进行点灯试验。

对于实验所用的灯封入水银量为30mg/cc，阳极的尺寸为，外径：25mm，全长：40mm，前端面：Φ10mm。

对该灯上形成的开口34的直径(D)进行各种改变而进行实验。

点灯条件和评价

重复进行输入功率5kW下5秒、3kW下50秒的点灯循环，对500小时点灯后的阳极前端面上的突出部的高度：前端突出量(mm)进行评价。

此外，照度维持率以同样的点灯条件下的点灯开始时的波长365nm(i线)的紫外线照度为基准，算出500小时点灯后的照度维持率。

对于本发明灯，对在上述灯的阳极前端上形成的开口的直径为3mm、6mm、8mm的灯进行评价。

表1中表示它们的实验结果。

表1

	开口直径	前端突出量	照度维持率
					(mm)	(mm)	(对初期比)(％)
现有电极	-	0.94	86
				本发明电极①	3	0.72	89
本发明电极②	6	0.41	92
				本发明电极③	8	0.50	92

从表1可知，500小时点灯后的阳极前端的突出量，在现有电极中为0.94mm，但在本发明的电极中，减少为0.41～0.72mm，其结果是，i线的照度维持率从现有电极的86％变为89～92％，得到大幅度改善。

如以上说明，本发明的短弧型放电灯，在阳极的前端中央部及其周边环状部之间夹杂有由屈服应力比该阳极材料小的金属构成的缓冲部件，特别是即使在采用满载/待机点灯方式的情况下，也不会出现阳极前端的中央部被加热而局部地突出的情况，可取得能够抑制中央部突出导致的阳极材料的蒸发和由此产生的发光管的变黑导致的照度下降的效果。

接着，对本发明的第7实施例进行说明。本实施例是缓冲部件为金属箔时的应用例。

图9是第7实施例的剖面图，(A)是组入剖面图，(B)是组入工序的说明图。

在图中，在阳极31的前端面33的中央部分上形成有在该前端面33开口的开口34。而且，与该阳极31分体地，由与阳极相同的材料构成的插入体35形成为与所述开口34匹配的形状，该插入体35在其间夹持着缓冲部件36通过打入等手段压入/嵌插到所述开口34内。

具体而言，在由钨构成的阳极31的前端面的开口34上，插入有同样由钨构成的插入体35，为了易于压入该插入体35，该开口34及插入体35优选形成前端略细的锥状。

缓冲部件36由相比该阳极31及插入体35在相同温度下的屈服应力小的金属材料构成，具体而言，由钽、钼、铌、或铼等构成，在该实施例中为金属箔，卷绕所述插入体35的外周，与插入体35一同嵌插到开口34内。

而且，在插入体35的外周面上刻出设置有沿周方向延伸的缓冲部件的退让槽60。该退让槽60可以是每一条都独立的圆周槽，也可以是螺旋状地围绕的螺旋槽。

由此，构成阳极31的前端中央部的插入体35热膨胀时，该插入体35和夹在其周边的环状部之间的缓冲部件36产生高温蠕变，变成吸收/缓和插入体35的热膨胀量的形状，不会承受所述开口3的周边的环状部33a产生的压缩应力。

其结果是，构成前端中央部的插入体35不会变形，也不会形成局部的突出部。

此外，如图10所示，即使缓冲部件36因热膨胀而产生塑性变形，其膨胀的量也会进入插入体35的外周面的退让槽60内而被吸收，因此向轴方向的膨胀被缓和，不会出现其前端从阳极31的前端面33突出的情况。

因此，即使进行灯的点灯/熄灭或长时间的满载/待机点灯，也能够防止阳极前端中央部的局部的突出而抑制阳极材料的蒸发，而且，也能够防止从缓冲部件的阳极前端面的突出，抑制其蒸发，因此，能够大幅度抑制这些材料的蒸发引起的照度下降。

上述实施例中，在插入体35上设置退让槽60，但在图11所示的结构中，在阳极31的开口34的内表面上刻出设置退让槽61。

在该实施例中，所述退让槽61也与上述第一实施例的退让槽60同样地起作用，由该退让槽61吸收缓冲部件36的热膨胀，防止从阳极31的前端面33的突出。

在上述图1～3所示的实施例中，是在周方向形成缓冲部件的退让槽60、61的结构，但在图12所示的实施例中，在插入体35的外周面上刻出设置沿轴方向延伸的退让槽62。

在该例中也是缓冲部件36的热膨胀的量进入所述退让槽42内而被吸收，不会产生从阳极31的前端面33突出的情况，这与所述实施例的周方向的退让槽60、61的情况相同。

当然，该情况下，退让槽62也可以不形成在插入体35侧，而形成在开口34侧。

另外，虽然记载了上述退让槽60、61、62在插入体35的外表面或阳极31的开口34的内表面上刻出设置/形成的结构，但也可以在这两者上形成。

此外，形成上述退让槽时，在插入体35的外表面的退让槽的情况下，例如能够通过车床进行的切削加工、激光加工等而形成，在阳极31的开口34的内表面的退让槽的情况下，例如能够通过车床进行的切削加工等而形成。

而且，退让槽的截面形状也可以是三角形、梯形、圆形的一部分、或它们的组合中的任一种。

为了比较本发明的阳极和现有的阳极及比较例的阳极，对于作为本发明的阳极的基于实施例1的阳极、现有阳极及作为比较例的阳极，进行对于前端突出量及照度维持率的点灯试验。

实验中所用的灯的封入水银量为30mg/cc，阳极的尺寸为，外径：25mm、全长：40mm、前端面的直径：Φ8mm。

而且，在本发明的阳极及在先申请(比较例)的阳极上形成的开口34为直径Φ7mm，插入体35的长度为10mm。

阳极

本发明的阳极A：在插入体35的外表面上形成有深度75μm、螺距200μm的螺旋槽40的电极。(参照图9)

比较例的阳极B：在插入体35、开口34上没有退让槽的电极。(参照图1)

现有例的阳极C：没有插入体、一体形状的电极。(参照图8)

点灯条件和评价

重复进行输入功率为4kW下6秒、2kW下26秒的点灯循环，评价500小时点灯后的阳极前端面上的突出部的高度：前端突出量(mm)。

此外，照度维持率以同样的点灯条件下的点灯开始时的波长365nm(i线)的紫外线照度为基准，计算500小时点灯后的照度维持率。

以下的表2中表示上述的实验结果，并在图13中表示其照度维持率。

表2

	前端突出量[mm]	照度维持率[％]
			本发明阳极A	0.2	96
比较例阳极B	0.41	92
			现有例阳极C	0.94	86

从表2可知，500小时点灯后的阳极前端的突出量在现有例的阳极C中为0.94mm，但在比较例的阳极B中改善为0.41mm，而在本发明的阳极A中将其进一步改善而大幅度减少为0.2mm。

其结果是，如表2及图13所示，i线的照度维持率从现有例的阳极C的86％，在比较例的阳极B中改善为92％，但在本发明的阳极A中进一步大幅度改善为96％。

如以上说明，本发明的短弧型放电灯中，在所述阳极的前端中央部上形成的开口内，夹杂着由比该阳极材料屈服应力小的金属构成的缓冲部件插入与阳极分体形成的插入体，在所述阳极的开口的内表面或插入体的外表面的至少任一方上形成缓冲部件的退让槽，因此特别是即使在采用满载/待机点灯方式的情况下，也不会出现阳极前端的中央部被加热而局部地突出的情况，可取得如下效果：能够抑制中央部突出导致的阳极材料的蒸发和由此引起的发光管的变黑所导致的照度下降，并且即使在插入体和阳极开口之间插入的缓冲部件热膨胀，其膨胀的量也会进入退让槽内而被吸收，不会从阳极的前端面突出，因此能够防止该缓冲部件异常过热而蒸发。

Claims (11)

1.一种短弧型放电灯，在发光管内相对配置有一对阳极和阴极，其特征在于，

在所述阳极的前端中央部及其周边环状部之间夹杂有由比该阳极材料的屈服应力小的金属构成的缓冲部件。

2.如权利要求1所述的短弧型放电灯，其特征在于，所述前端中央部由与阳极分体形成的插入体构成，该插入体夹杂着所述缓冲部件插入到形成在阳极前端面上的开口内。

3.如权利要求2所述的短弧型放电灯，其特征在于，所述缓冲部件由金属箔构成，卷绕在所述插入体上。

4.如权利要求2所述的短弧型放电灯，其特征在于，所述插入体由环状的第一插入体和夹杂着缓冲部件插入到该第一插入体中的第二插入体构成。

5.如权利要求4所述的短弧型放电灯，其特征在于，在所述环状的第一插入体的内周面上具有在阳极前端面沿半径方向延伸的龟裂。

6.如权利要求4所述的短弧型放电灯，其特征在于，所述环状的第一插入体被分割为多个。

7.如权利要求2所述的短弧型放电灯，其特征在于，所述开口为贯通到阳极的后端的贯通孔，所述插入体由电极轴构成，该电极轴插入所述贯通孔并且其前端面临电极主体的前端面。

8.如权利要求1所述的短弧型放电灯，其特征在于，在所述阳极的前端面上设有环状的开口，形成所述前端中央部和周边环状部，在所述环状开口内夹杂有由烧结金属构成的缓冲部件。

9.如权利要求3所述的短弧型放电灯，其特征在于，在所述开口的内表面或所述插入体的外表面的至少任一方上，形成有所述金属箔的退让槽。

10.如权利要求9所述的短弧型放电灯，其特征在于，所述退让槽在周方向上形成。

11.如权利要求9所述的短弧型放电灯，其特征在于，所述退让槽在轴方向上形成。

Images