CN102280352B - 短弧型放电灯 - Google Patents

Abstract

一种短弧型放电灯，在发光管的内部相对配置有阴极和阳极，在所述阴极埋设有发射极材料，即使减少发射极材料的使用量，其阴极结构也可确保与以往相同的电子放射功能。所述短弧型放电灯的特征在于，阴极在前端具有缩径部，所述发射极材料具有在该缩径部露出的露出部，从阴极中心到所述发射极材料的露出部的周边部为止的半径方向上的距离在圆周方向上不同。

Description

短弧型放电灯

技术领域

本发明涉及一种在阴极埋设有发射极材料的短弧型放电灯，尤其涉及适用于半导体及液晶的制造领域等的曝光用光源或投影仪及数字电影等的投影仪用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中，相对配置于发光管内的一对电极的前端距离较短，接近点光源，因此与光学系统组合而用作聚光效率较高的曝光装置的光源。此外，封入有氙的短弧型灯在放映机等中用作可见光光源，近年来，还常用作数字电影用光源。

在专利文献1(日本特表2009-537961号公报)公开有现有的短弧型放电灯的结构及其阴极结构，图5是表示该短弧型放电灯的整体结构的概略图。

短弧型放电灯1具有例如由石英玻璃构成的发光管10，该发光管10具备大致球状的发光部11与其两端的密封部12、12。形成在发光部11内部的放电空间S中封入有水银、氙等发光物质，并且相对配置有由钨等构成的一对阴极20与阳极30。

作为所述结构的短弧型放电灯的阴极结构，该公报公开了在由钨构成的阴极的前端埋设有发射极材料。

图6表示其结构，在阴极20的前端埋设有发射极材料21。阴极20在前端部形成有锥部22，其直径越接近前端侧则越小。并且，所述发射极材料21在该锥部22露出，形成露出部23。并且，阴极20及发射极材料21的前端部24为平坦面，该发射极材料21与阴极20的轴芯一致。

但是，作为所述发射极材料21，一般使用钍或氧化钍，或者使用氧化镧或氧化铈等稀土类氧化物、硼化镧等稀土类硼化物。

通常，在这种具有埋设发射极材料的阴极结构的灯中，在点灯时，因为电弧A形成于发射极材料21的前端露出的区域23，因此为了谋求光量的增加而提升输入电力的灯中，为了增大电弧，必须增大发射极材料的直径并增加其露出区域。

然而，增大发射极材料，从节约钍及稀土类元素这样稀少资源的观点来说并不理想，除此之外，发射极材料中使用钍时，该钍为放射性物质，法规上限制其处理使用，此外，作为钍的代替发射极而使用稀土类元素时，因为该稀土类元素比钍的蒸气压高，因此随着大型化，发射极的蒸发进一步变强，有发光管容易白浊的问题。

如此，为了应对灯的高输入而使发射极材料大型化时，有各种制约而难以实现。

此外，最近，为了根据照射对象物而改变光量，要求同一灯能够改变输入电力。

在这种输入可变的灯中，根据低输入时的点灯而确定发射极材料的大小的话，在以高输入点灯时，在阴极前端电弧无法充分扩散而电流密度过大，存在阴极前端熔融的缺点。此外，另一方面，设为与高输入点灯对应的发射极材料的大小的话，在低输入点灯时，成为发射极材料不必要地过大的使用状态，从上述节省资源的观点来说也不理想。

专利文献1：日本特表2009-537961号公报

发明内容

鉴于所述现有技术的问题点，本发明所要解决的课题在于提供一种短弧型放电灯，具有在前端埋设有发射极材料的阴极结构，即使限制发射极材料的使用量，也具有与以往相同的电弧产生功能，或即使是与以往相同的发射极材料使用量，也能够实现更高的高输入化。

为了解决所述课题，本发明的一种短弧型放电灯，其特征在于，阴极在前端具有缩径部，发射极材料具有在该缩径部露出的露出部，从阴极中心到所述发射极材料的露出部的周边部为止的半径方向上的距离在圆周方向上不同。

此外，特征在于，所述发射极材料是圆柱状，其中心轴与阴极的中心轴偏心。

根据本发明的短弧型放电灯，在阴极的缩径部，发射极材料的露出部的周边部在半径方向上的距离在圆周方向上不同，因此在半径方向上较短处露出的部分，因为接近阴极前端而成为高温，扩散作用活跃，该发射极材料扩展而表面扩散到不存在发射极材料的位置，因此像该扩散处也埋设有发射极材料那样发挥作用，电弧较大地扩展。由此，即使发射极材料的使用量与现有的圆柱形状的发射极材料的使用量相同，也具有能够获得较大的电子放射功能的效果。

换言之，具有能够以比以往少的发射极使用量获得相同的电弧大小形状的效果。

附图说明

图1是本发明的第1实施例的阴极的剖视图和俯视图。

图2是第1实施例的作用说明图。

图3是第2～4实施例的阴极的俯视图。

图4是第4实施例的作用说明。

图5是现有的短弧型放电灯的整体图。

图6是表示现有的阴极结构的剖视图。

具体实施方式

图1是第1实施例的说明图，(A)是剖视图，(B)是俯视图。

图1中，在阴极2的前端埋设有圆柱状的发射极材料3。阴极2的前端形成有越接近前端侧直径越小的锥状的缩径部4，所述发射极材料3在该缩径部4露出。并且，由图1(B)也可知，所述发射极材料3的中心轴与阴极2的中心轴偏心。

因此，从阴极2的中心轴2a到发射极材料3的露出部5的周边部6为止的半径方向的长度L，在圆周方向上彼此不同。

另外，虽然阴极2的缩径部4为锥状，但只要越接近前端侧直径越小即可，除了按直线缩径，也可以以圆弧具有弧度地缩径。此外，前端部7在图中为平坦面，除了平坦状，但是其形状也可以为圆弧状。

通过图2(A)、(B)来说明该实施例的作用。(A)是阴极的侧视图，(B)是俯视图。

如图2(A)所示，圆柱状的发射极材料3相对于阴极2偏心而被埋设，因此缩径部4的露出部5的周边部6的边界区域大致直线状地倾斜露出。即，从阴极中心2a到露出部5的周边部6为止的距离L为最小L1的部分6a处，离阴极前端部7的距离Xa最小，在最长L2的部分6b处，离阴极2前端的距离Xb最大。

阴极2上，前端部7的温度最高，到3100K左右，随着朝向密封部侧，温度降低。前端部分的温度梯度陡峭，达到700K/mm。

通过晶界扩散而到达阴极表面的发射极通过浓度扩散而向浓度低的一侧进行表面扩散，但是，温度越高，发射极的扩散速度越快，因此越接近阴极前端部7，发射极的扩散速度越快，加速地向阴极前端部7的方向供给发射极。另一方面，朝密封侧移动的发射极，由于扩散速度变慢而停滞，朝向温度更高且浓度较低的方向改变方向而移动，结果发射极向阴极前端部7的方向移动。

在阴极前端部7，在点灯初期存在足够的发射极，但是，发射极会蒸发、飞散而减少，因此点灯数十小时至百小时后，维持发射极浓度较低的状态，发射极持续地向阴极前端部7的方向供给。

并且，发射极从露出部5往阴极前端部7的方向进行表面扩散，但是，因为还往圆周方向扩展而扩散，此外由于发射极浓度较低，发射极还向阴极2主体的表面扩散。因此，即使在没有露出发射极材料3的部分，也覆盖发射极，像在该部分也埋设有发射极材料那样发挥作用，使电弧扩展。

结果，如图2(B)所示，从发射极材料3向阴极2的缩径部4的表面扩散的发射极，除了露出部5以外，还从与露出部5的前端远的位置环绕阴极2主体的表面地向阴极前端部7扩散，因此扩展至虚线所示的区域。由此，具有像虚线所示的区域埋设有发射极材料那样的电子放射功能。

即，在点灯初期，形成虚线所示的电弧，但是，随着点灯，阴极温度上升，从而发射极的扩散活跃化，则会形成实线所示的电弧A。

图3是发射极材料的不同形状的第2～4实施例的俯视图。

图3(A)是发射极材料3在横剖面中为椭圆形状的情况，(B)是在横剖面中为海星型形状的情况，(C)是海星型形状进一步细化的形状，发射极材料并不一定在阴极前端部7的整体表面上露出。

在上述实施例中，发射极材料3的中心轴与阴极2的中心轴一致，但是也可以不一致。

上述实施例中，图4表示第4实施例中发射极从发射极材料3扩散的状态。

在该例中，从发射极材料3的枝状部分8a、8b、8c、8d的露出部扩散至发射极材料并未露出的部分，由此发挥扩大所形成的电弧的作用。

为了实际证明本发明的效果，制作具有各种阴极结构的灯来进行实验。

1.首先，作为现有例的阴极，制作外径φ15mm，含有2wt％的高锻炼度高密度的氧化钍的发射极材料的直径φ3mm的阴极(图6)。

2.接着，将同样的钍钨棒(发射极材料)用钨粉末包成立方体状，此时，使钍钨棒的中心与立方体状的钨粉末块的中心偏离配置。之后，以高压冲压，经由烧结工序，将钍钨棒一体地埋设于外面的钨材质。并研削表面，完成外径φ15mm的阴极，制作出发射极材料的直径φ3mm、阴极的中心轴与发射极材料的中心轴偏离0.5mm的阴极(图1)。

3.相同地，将钍钨棒用钨粉末包成长方体状，从而制作将横剖面为大致椭圆形状(长轴3.2mm、短轴2.8mm)的发射极材料埋设于中心的外径φ15mm的阴极(图3(A))。

4.此外，将含有2wt％的氧化钍的钨粉末烧结为立方体状。将此钍钨烧结棒(发射极材料)用钨粉末包成立方体状，此时，使钍钨烧结棒与立方体状的钨粉末块的角度偏离45度而配置。之后，以高压冲压，经由烧结工序，将钍钨棒一体地埋设于外面的钨材质，制作如图3(B)的发射极材料为海星十字型形状的阴极。

5.与图3(B)相同，制作如图3(C)的阴极。

所述2～5的阴极的发射极材料的剖面积与所述1的阴极的发射极材料的剖面积相同。

并且，上述各阴极被切削为前端径1.5mm、前端角60度，制作出组装有上述各阴极的短弧型放电灯。

以8kW的灯输入对上述灯点灯，在点灯500小时后，调查阴极前端的熔融状态。表1表示其结果。

<表1>

阴极	阴极前端的熔融
		现有例(图6)	有
本发明1(图1)	无
		本发明2(图3(A))	无
本发明3(图3(B))	无
		本发明4(图3(C))	无

如上所述，现有阴极1存在前端部的熔融，其它本发明的阴极2～5并未发现熔融。

分析以上结果。

增加灯输入时，灯电压由气体种类、气体密度、电极之间确定，因此主要的是灯电流会变大。

图6所示的现有的阴极20的情况下，在阴极前端表面露出发射极材料23，因此覆盖有足够的发射极，但由于上述的理由，在其后方的没有露出发射极材料的阴极的表面，发射极难以向密封侧的方向扩散，因此电弧不会扩展，阴极前端部的电流密度变高，阴极前端部26成为高温而熔融。

而在发射极材料3与阴极2的中心偏离时(图1)，发射极从发射极材料3露出的区域5向阴极前端方向扩散，还向外周方向扩展而扩散，因此还向阴极主体的没有露出发射极材料3的表面扩散。

因此，尤其在到露出部5的周边部6为止的距离较短而离阴极前端部7的距离较近的区域6a中，发射极从到露出部5的周边部6为止的距离较长而离阴极前端部7的距离较远的区域6b通过旋绕阴极2主体的表面而扩散，因此会以覆盖到区域6c的方式扩展，如同其中也埋设有发射极材料3，电子放射功能扩大。随之，电弧扩展，因此阴极前端部7的电流密度增加较少即可，可抑制该阴极前端部7的温度上升，从而没有发生熔融。

此外，在发射极材料3为扁平的椭圆形状的情况下(图3(A))，发射极也从椭圆长轴部分向椭圆短轴部分通过阴极2主体的表面而向圆周方向扩散，因此发射极包含长轴部分而进行扩展，随之，电弧也扩展，阴极前端部7的电流密度增加较少即可，所以可抑制阴极前端部的温度上升，从而没有发生熔融。

相同地，在图3(B)、(C)的情况下，发射极也向横方向扩散，因此电弧也可扩展。

如上所述，本发明的短弧型放电灯中，埋设于阴极前端的发射极材料在阴极的缩径部露出，从阴极中心到该露出部的周边部为止的半径方向的距离在圆周方向上不同，因此发射极材料从到露出部周边部为止的距离较长的部分向圆周方向扩散，表面扩散至没有露出发射极材料的阴极主体部分，电弧扩展到发射极材料的露出距离较长的区域，并且电弧扩展为如同该扩散部位也埋设有发射极材料。因此，即使是与现有技术相同的发射极材料的使用量，也可形成更大的电弧，不会产生阴极前端熔融，具有可对应灯的高输入化的效果。

换言之，能够利用比以往少的发射极材料的使用量获得相同大小的电弧，非常有助于节省资源。

Claims (3)

1.一种短弧型放电灯，在发光管的内部相对配置有阴极和阳极，在所述阴极埋设有发射极材料，所述短弧型放电灯的特征在于，

所述阴极在前端具有缩径部，所述发射极材料具有在该缩径部露出的露出部，

所述发射极材料是圆柱状，其中心轴与阴极的中心轴偏心，

从阴极中心到所述发射极材料的露出部的周边部为止的半径方向上的距离在圆周方向上不同。

2.如权利要求1所述的短弧型放电灯，其特征在于，

所述发射极材料是钍或氧化钍。

3.如权利要求1所述的短弧型放电灯，其特征在于，

所述发射极材料是稀土类、稀土类氧化物或稀土类硼化物。