CN106816358B - 短弧型放电灯 - Google Patents
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Abstract
本发明提供短弧型放电灯，其目的在于，在短弧型放电灯中，通过抑制灯放电管的局部的应变应力的增加来防止放电管的破裂，从而实现长寿化。短弧型放电灯具有阳极电极，该阳极电极由圆柱状的主体部和从该主体部连至前端的锥部构成，在电极轴线方向上观察，在所述锥部的表面上形成有至少2处的槽形成部和它们之间的平坦部。
Description
技术领域
本发明涉及发出紫外线的高压水银灯，特别涉及电弧长度较短的短弧型放电灯。
背景技术
高压水银灯中，电弧长度较短的构造的灯被称作短弧型放电灯。短弧型放电灯能够辐射高亮度的光，因此被用于广泛的领域。特别地，中心发光波长为365nm的i线灯和436nm的g线灯被用作半导体、液晶，印刷基板等的制造工序中的曝光装置用光源。在曝光装置用光源中，短弧型放电灯被装入光学系统来使用，成为缩短了电极间距离的点光源。
在短弧型放电灯中封入氙Xe等的稀有气体或水银，以得到规定的分光特性
现有技术文献
专利文献
【专利文献1】日本特开2003-223865“放電ランプ用陽極電極およびショートアーク放電ランプ”(公开日：2003/08/08)申请人：ウシオ電機株式会社
【专利文献2】日本特开2003-157794“ショートアーク型放電ランプ”(公开日：2003/05/30)申请人：ウシオ電機株式会社
【专利文献3】日本特开2002-117806“ショートアーク放電ランプ”(公开日：2002/04/19)申请人：ウシオ電機株式会社
发明内容
发明要解决的问题
为了实现规定的分光特性和照度，在短弧型放电灯的电极间产生的电弧根据灯额定输入、封入物、电极形状等的不同而变化。如果增大灯负载从而使电弧变大，则由电弧产生的眩光也变大，与放电管的内周管壁接触而产生局部的应变。如果该状态持续，则变形增加，最终可能使放电管破裂。
因此，本发明的目的在于，在短弧型放电灯中，通过抑制灯放电管的局部的应变应力的增加来防止破裂，从而实现长寿化。
用于解决问题的手段
鉴于上述目，本发明的一个方面的短弧型放电灯所使用的阳极电极，所述阳极电极由圆柱状的主体部和从该主体部连至前端的锥部构成，在电极轴线方向上观察，在所述锥部的表面上形成有至少2处的槽形成部和它们之间的平坦部。
进而，也可以是，在上述短弧型放电灯所使用的阳极电极中，所述槽形成部的形态为在所述锥部的表面上以电极轴线为中心而形成的如下的槽形成部中的任意一方：圆环状的槽形成部；形成为螺旋状的槽形成部；以及在中途结束的多个槽形成部。
进而，也可以是，在上述短弧型放电灯所使用的阳极电极中，所述槽形成部是多个细微槽的集合。
进而，也可以是，在上述短弧型放电灯所使用的阳极电极中，所述细微槽的深度Dg在0.3mm≤Dg≤0.9mm的范围内。
进而，也可以是，在上述短弧型放电灯所使用的阳极电极中，所述槽形成部至少形成在与前端部相距3mm～10mm的范围内。
进而，本发明的一个方面的短弧型放电灯，该短弧型放电灯具有：放电管，其设有发光部和分别位于该发光部的两侧的密封管部；在所述发光部的内部相互面对配置的阳极电极和阴极电极；分别支承该阳极电极和阴极电极的电极支承棒；分别与该电极支承棒连接并从所述密封管部向外方突出的引线；以及电极安装件，其被装填在该密封管部中，对该电极支承棒和该引线进行支承，并且对所述放电管的内部进行气密密封，所述放电管的中心轴线被设置为大致垂直，使得所述阳极电极为上侧、所述阴极电极为下侧，其中，所述阳极电极由圆柱状的主体部和从该主体部连至前端的锥部构成，在电极轴线方向上观察，所述锥部的表面为重复平坦部和槽形成部的形状，在所述锥部的表面上形成有至少2处的槽形成部和它们之间的平坦部，该槽形成部是多个细微槽的集合，从形成在亮灯中的灯的电极间的电弧沿着所述锥部的表面上升的眩光由于乱流而分散，向较大的范围扩散。
发明的效果
根据本发明，能够在短弧型放电灯中抑制灯放电管的局部的应变应力的增加来防止破裂，从而实现长寿化。
附图说明
图1是示出本发明的一个实施方式的短弧型放电灯的概略结构的剖视图。
图2A是对本实施方式的短弧型放电灯的阳极的形状进行说明的图。
图2B是图2A所示的阳极的虚线圆部分的放大图，是对槽形成部的形状的一例进行说明的图。
图3A是对阳极上形成的圆环状的槽形成部进行说明的图。
图3B是对阳极上形成的螺旋状的槽形成部进行说明的图。
图3C是对阳极上形成的多个槽形成部进行说明的图。
图4A是对现有的短弧型放电灯的阳极周边的电弧、眩光以及对流的状况进行说明的图。
图4B是对本实施方式的具备具有槽形成部的阳极电极的短弧型放电灯的电弧、眩光和对流的状况进行说明的图。
图4C是对具有图4B的槽形成部的阳极电极附近的电弧和眩光状况进行说明的放大图。
图5是示出本实施例的与和阳极电极前端部之间的距离对应的阳极电极的温度的推移的曲线图。同时，作为比较例，还示出1个槽形成部和没有槽形成部的阳极电极的温度的推移。
图6是示出本实施例的随着亮灯时间经过而产生的放电管的局部的应变应力的推移的曲线图。同时，作为比较例，还示出了1个槽形成部和没有槽形成部的放电管的局部的应变应力的推移。
图7是对基于显微镜式应变检查器进行的应变的测定方法进行说明的图，其中，(A)是不存在应变的情况，光路差R＝0，(B)是存在应变的情况，光路差R＝CFL。
图8是以穿过阳极密封部B的方式在轴线上沿着垂直方向剖切密封管部1B得到的剖视图。
标号说明
1：放电管；1A：发光部；1B、1C：密封管部；1a：空间；1b、1c：凹部；2：阳极，2-1：主体部；2-2锥部；3：阴极；4：焊开部；5：电极支承棒；6：引线；9：安装件、电极安装件；9a：内端面；10：短弧型放电灯；11：吸气材料；12、12a、12b、12c：槽形成部；14：平坦部；22：对流的朝向；23：电弧；24-1、24-2：眩光；B：阳极密封部；C：比例常数；F：应力；P：灯输入功率；R：光路差；S：区域；U：线偏振波；p：边界位置；u1、u2：分量波。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的短弧型放电灯的实施方式进行说明。另外，对图中所示的相同的要素标注相同的参照标号，省略重复的说明。
[短弧型放电灯]
(整体)
图1是示出本发明的一个实施方式的短弧型放电灯的概略结构的剖视图。短弧型放电灯10具有放电管1，该放电管1形成球状的发光部1A及其两侧的管状的密封管部1B、1C。阳极2和阴极3面对地配置在发光部1A的内部的空间1a中。阳极2和阴极3分别被支承在电极支承棒5的内端。引线6分别从密封管部1B、1C的外端突出。本实施方式的短弧型放电灯10被设置成，使阳极2位于上侧而进行垂直亮灯。
(电极安装件)
密封管部1B、1C中分别安装有电极安装件9。电极安装件9对电极支承棒5和引线6进行支承，同时具有对放电管1的内部进行气密密封的功能。在电极支承棒5上安装有吸气材料11，用于在放电管1封入后去除其中残留的杂质和在亮灯时产生的杂质。
电极安装件9的内端面9a位于从发光部1A与密封管部1B、1C的边界位置p起向轴线方向外方离开规定距离的位置。即，在密封管部1B、1C的电极侧端部分别形成有将电极安装件9的内端面9a作为底面的圆形的凹部(也称作“袋部”。)1b、1c。
在放电管1的发光部1A上形成有焊开部(tip-off)4。在制造灯时，从安装于焊开部4的位置处的排气管向放电管1内封入水银，并且，至少单独封入氩、氪、氙等稀有气体或封入这些气体的混合气体。
在本实施方式中，放电管1由石英玻璃形成，阳极2、阴极3、电极支承棒5和引线6由钨形成。为了提高发射性能，阴极3使用钍钨制的电极。电极安装件9的主要部分由石英玻璃形成。关于阳极2上形成的槽，与图2A和图2B关联地进行说明。
本实施方式的短弧型放电灯10是如下的代表性的所谓的i线灯，该i线灯的灯在输入功率P为2.7kW时输出中心发光波长为365nm的紫外线。
[阳极电极]
(阳极电极的形状)
图2A是对本实施方式的短弧型放电灯的阳极的形状进行说明的图。图2B是图2A所示的阳极的虚线圆部分A的放大图，是对槽形成部的形状的一例进行说明的图。阳极电极2通过圆柱形的主体部2-1和锥部(尖细部)2-2而形成。在本实施方式中，在阳极电极2的锥部2-2具有至少2个槽形成部12和在它们之间的平坦部14。即，在本实施方式中，阳极电极2的锥部2-2的表面的特征在于，在轴线CL方向上观察时，是重复平坦部(无槽)、槽形成部(有槽)、…的形状。另外，最小的重复次数是2个槽形成部(有槽)12和它们之间的平坦部(无槽)14。
各槽形成部12在锥部2-2的表面呈圆环状形成有灯轴线CL。这里，设在灯轴线CL方向上测量出的锥部2-2的长度为Lt、平坦部14的长度为Lf、槽形成部12的长度为Lg。进而，如图2B所示，1个槽形成部12是多个细微槽的集合，设细微槽的间距为Pg、细微槽的深度为Dg。槽的形成方法可以是任意的方法。另外，本发明者等通过激光加工形成槽，然后，通过电解研磨使表面整齐。
图3A～图3C是对阳极电极的锥部2-2的表面上形成的槽形成部12的形态进行说明的图。图3A是对圆环状的槽形成部进行说明的图，槽形成部12a是2个，在它们之间形成有平坦部14。图3B是对螺旋状的槽形成部进行说明的图。这些槽形成部12是连续的形状，但是不限于此。也可以如图3C所示，是绕锥部2-2的外周面一周或不绕一周而在中途结束的多个槽形成部12c。本实施方式的特征在于，在轴线CL方向观察，阳极电极2的锥部2-2的表面为重复槽形成部(有槽)、平坦部(无槽)、槽形成部(有槽)的形状。
(阳极电极的作用/效果)
对具有这样的槽形成部的阳极电极的作用/效果进行说明。图4A是对现有的短弧型放电灯的阳极的周边的电弧、眩光以及对流的状况进行说明的图。本发明者等在对破裂的灯进行分析时，在大多数的灯中确认到以密封管部1B的阳极密封部B为起点的灯破裂的痕迹。在阳极上侧进行垂直亮灯的灯中，判断为在密封管部1B的阳极密封部B处应力集中，这里是脆弱部分。
如图4A所示，在亮灯中的灯中，在电极间形成电弧23，由于该电弧23而形成眩光24-1。在观察亮灯中的灯时，从电弧23上升的眩光24-1与发光部1A的玻璃管内周面的窄区域S接触，对这里进行局部加热。通过加热而在该区域S产生的应变ε1以区域S为起点向周围扩张，作为应变ε2而到达密封管部1B的阳极密封部B。在阳极密封部B中，如果以该应变ε2为主要原因的应变应力F与灯点亮时的压力的合计超过密封管部1B的阳极密封部B的耐压强度，则认为灯会破坏。即，如果应变应力F+灯点亮时的压力＞密封管部1B的阳极密封部B的耐压强度成立，则灯会被破坏。另外，箭头22表示封入物的对流的朝向。
对此，图4B是对本实施方式的短弧型放电灯的阳极的周边的电弧、眩光和对流的状况进行说明的图。图4C是对具有图4B的槽形成部的阳极电极附近的电弧和眩光状况进行说明的放大图。本发明者等根据与图6关联而在后面说明的短弧型放电灯的应变应力的数据而推测到该眩光的状况。
如图4C所示，由电弧23产生的眩光24-2最初沿着锥部2-2的表面上升。在到达第1个槽形成部12的附近后，一部分眩光向远离阳极电极2的方向分散。其余的眩光沿着平坦部14的表面上升。在到达第2个槽形成部12的附近时，一部分眩光向远离阳极电极2的方向分散。其余的眩光沿着锥部2-2的表面上升。
通过设置2处槽形成部12和在它们之间的平坦部14，来自槽的热辐射和槽形成部12与平坦部14的边界部产生温度差，由此，对流22紊乱，产生乱流。从电弧23上升的眩光24-2在沿着锥部2-2表面上升时，由于该乱流的影响而被紊乱、分散。
与此相对，在1个槽形成部12的情况下，由于仅是来自槽的热辐射，因此，眩光的一端向远离阳极电极2的方向分散，但是，之后会直接上升，并在主体部2-1的表面收敛。
通过设置2处的槽形成部12和它们之间的平坦部14，除了再次的来自槽的热辐射以外，还在槽形成部12和平坦部14的边界部产生温度差，由此，由于乱流而使眩光变大并分散，向较大范围扩散，并与放电管的内周壁面接触。由此，能够有效抑制放电管的应变的进行。即，通过妨碍局部的高温眩光与石英制放电管接触，能够抑制应变的蓄积，能够减少放电管的破损风险。
[试作实验的结果]
(样品的规格)
试作使用了形成有槽的阳极电极的短弧型放电灯，并确认了其效果。样品的规格如下。
灯：阳极上侧亮灯输入功率2700W电压：26±3V
阳极锥部：第1段为R形状，第2段为槽形成部(长度Lg＝2.0mm)，第3段为平坦部(长度Lf＝1.5mm)，第4段为槽形成部(长度Lg＝2.0mm)，因此，槽形成部为2处。
细微槽的形状：间距Pg＝0.15mm，深度Dg＝0.3mm
(细微槽的深度Dg)
首先对细微槽的深度Dg进行了研究。表1是对细微槽的深度Dg与针对管壁面的应变的蓄积之间的关系进行实验得到的结果。另外，关于壁面的应变的测定，后面参照图7和图8进行说明。
【表1】
表1细微槽的深度Dg与针对管壁面的应变的蓄积之间的关系
| 样品No. | 细微槽的深度Dg[mm] | 壁面的应变 |
| 1 | 0.2 | × |
| 2 | 0.3 | 〇 |
| 3 | 0.5 | 〇 |
| 4 | 0.7 | 〇 |
| 5 | 0.9 | 〇 |
根据表1的结果，判明了壁面的应变的抑制效果根据细微槽的深度Dg的不同而不同。在细微槽的深度Dg为0.2mm的情况下，壁面的应变比较大。判明了在深度Dg过浅时，热辐射较弱，基本没有应变抑制效果。相反，在深度Dg为1.0mm以上的深度时，难以利用本发明者等采用的激光加工来进行加工。因此，优选细微槽的深度Dg[mm]在0.3≤Dg≤0.9的范围内。因此，在上述样品中，采用了深度Dg＝0.3mm。
(阳极电极的槽形成部的范围)
当在阳极电极的前端部附近(从前端部起3～5mm的范围)形成槽时，会由于电弧的热而使槽熔融蒸发，并且当形成槽时会对电弧稳定性产生影响，因此，优选在前端部附近形成槽。
表2是示出本实施例的与和阳极电极前端部之间的距离对应的阳极电极的温度(○)的推移的曲线图。同时，作为比较例，还示出1个槽形成部的阳极电极的温度(△)和没有槽形成部的阳极电极的温度(●)的推移。对表2进行曲线化而得到图5。
【表2】
表2与前端部的距离处的阳极温度
为了有效利用来自槽部的热辐射，优选阳极温度为大约1800℃以上的高温。在本实施例中，到与前端部之间的距离为10mm为止为大约1800℃以上的高温。因此，优选在与前端部相距10mm的范围内形成槽。
根据以上内容，优选阳极电极中的槽形成部在从(与前端部相距3～5mm)到(与前端部相距10mm)的范围内。即，优选阳极电极中的槽形成部至少在与前端部相距3mm～10mm的范围内。
(应变应力的推移)
表3是示出本实施例的随着亮灯时间经过而产生的放电管的局部的应变应力(○)的推移的表。同时，作为比较例，还示出1个槽形成部局部的应变应力(△)的推移和现有的没有槽形成部的放电管的局部的应变应力(●)的推移。对表3进行曲线化而得到图6。
【表3】
表3随着亮灯时间经过而产生的放电管的局部的应变应力的推移
应变：单位[kg/cm2]
对亮灯中的灯进行观察，由于电极间的电弧23而产生并上升的眩光24-1到达发光部1的玻璃管内周面的区域S，并对这里进行局部加热。通过加热而在该区域S产生的应变ε1以区域S为起点向周围扩张，作为应变ε2而到达密封管部1B的阳极密封部B。在密封管部1B的阳极密封部B中，如果以该应变ε2为主要原因的应变应力F与灯点亮时的压力的合计超过密封管部1B的阳极密封部B的耐压强度，则认为灯会破坏。在另外进行的与阴极密封部有关的实验中得知，如果阴极密封部的应力超过20kg/cm2，则可能发生灯破坏。
当灯破坏时，放电管的碎片飞散，发光管的封入物向周围飞散，对外部造成不良影响。特别是要绝对避免破坏环境或对人体造成伤害。因此，充分考虑安全性，针对阳极密封部B的应变应力F，将实际在阴极密封部引起灯破坏的数值的一半以下即10kg/cm2以下规定为安全区域的应力。该类型的灯寿命为1500小时左右。
在经过400小时后，没有槽形成部的放电管的局部的应变应力(●)超过10kg/cm2。在经过800小时后，1个槽形成部局部的应变应力(△)超过10kg/cm2。但是，即使超过1500小时，本实施例的放电管的局部的应变应力(○)也没有超过10kg/cm2。
[基于显微镜式应变检查器进行的应变的测定]
在灯破坏前处于弹性区域，因此，应变ε2和应变应力F处于比例关系。阳极密封部B中的应变应力F是使用OLYMPUS制玻璃应变检查器(显微镜式)SVP-MS1进行测定的。参照图7简单说明该测定的原理。图7的(A)是没有应变的情况，图7的(B)是有应变的情况下。通过偏振板(偏振元件)使从光源发出的光变为线偏振波U，穿过玻璃体内。
如图7的(A)所示，在玻璃中不存在应变的情况下，U的分量波u1和u2以相同的速度在玻璃内通过，在u1和u2之间不存在光路差，因此，U与入射前相同，保持为原来的线偏振。
如图7的(B)所示，在玻璃中存在应变而应力F起作用的情况下，U的分量波u1和u2以彼此不同的速度在玻璃内通过，在通过后产生R的量的光路差。该光路差R nm与应力Fkg/cm2及偏光通过的距离L cm成比例，因此，表示为R＝CFL……(1)。
比例常数C根据玻璃来确定，被称作玻璃的光弹性常数，其单位为nm·cm-1/kg·cm-2。此外，石英玻璃为C＝3.5。
接着，根据式(1)，求出F＝R/CL作为应力F。
图8是以穿过阳极密封部B的方式在密封管部1B的轴线上沿着垂直方向进行剖切而得到的剖视图。使线偏振波U朝向阳极密封部B而通过。应变ε沿着光路而分布，通过该积分值而产生光路差R。这里，与其他部位相比，应变较大地集中于阳极密封部B，因此，能够将根据该光路差R而求出的应力F视作密封管部1B的阳极密封部B附近的应变应力。
[总结]
以上，对本发明的一个实施方式的短弧型放电灯进行了说明，但是，本实施方式不对本发明的范围进行任何限定。本领域技术人员对本实施方式容易进行的追加、删除、改变等包含于本发明。本发明的技术范围由附加的权利要求书的记载来决定。
Claims (4)
1.一种短弧型放电灯，该短弧型放电灯具有：
放电管，其设有发光部和分别位于该发光部的两侧的密封管部；
在所述发光部的内部相互面对配置的阳极电极和阴极电极；
分别支承该阳极电极和阴极电极的电极支承棒；
分别与该电极支承棒连接并从所述密封管部向外方突出的引线；以及
电极安装件，其被装填在该密封管部中，对该电极支承棒和该引线进行支承，并且对所述放电管的内部进行气密密封，
所述放电管的中心轴线被设置为大致垂直，使得所述阳极电极为上侧、所述阴极电极为下侧，其中，
所述阳极电极由圆柱状的主体部和从该主体部连至前端的锥部构成，
在电极轴线方向上观察，所述锥部的表面为重复平坦部和槽形成部的形状，在所述锥部的表面上形成有至少2处的槽形成部和它们之间的平坦部，该槽形成部是多个细微槽的集合，
从形成在亮灯中的灯的电极间的电弧沿着所述锥部的表面上升的眩光由于乱流而分散，向较大的范围扩散。
2.根据权利要求1所述的短弧型放电灯，其中，
所述槽形成部的形态为在所述锥部的表面以电极轴线为中心而形成的如下的槽形成部中的任意一方：圆环状的槽形成部；形成为螺旋状的槽形成部；以及在中途结束的多个槽形成部。
3.根据权利要求1所述的短弧型放电灯，其中，
所述细微槽的深度Dg在0.3mm≤Dg≤0.9mm的范围内。
4.根据权利要求1所述的短弧型放电灯，其中，
所述槽形成部至少形成在与前端部相距3mm～10mm的范围内。
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