CN115547807A - 短弧型放电灯 - Google Patents

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前田圭逸
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Abstract

提供散热性优良、灯点亮时的电极材料的蒸发被抑制的长寿命的短弧型放电灯。短弧型放电灯具备发光管和在发光管的内部相对地配置的一对电极，一对电极中的至少一个电极具有圆筒状的外周面，外周面具有：凹凸构造，在轴向上排列有多个在周向上延伸的周向槽；及第一覆膜，包含形成于凹凸构造的凹凸表面的陶瓷，在将周向槽的槽深度设为a(μm)、将从周向槽的槽底至第一覆膜的表面为止的距离设为b(μm)时，满足1≤b/a≤4的关系。

Description

短弧型放电灯
技术领域
本发明涉及短弧型放电灯。
背景技术
短弧型放电灯(以下，还简称为“灯”)作为用于半导体元件或者液晶显示元件的制造工序的曝光装置的光源而广泛使用。该短弧型放电灯是在发光管内阳极以及阴极相互相对地配置，并且在该发光管内封入水银、氙气等发光物质而构成的。
在这样的短弧型放电灯中，已知在点亮时被施加到阳极的热的负荷高，所以产生阳极的过热等所引起的电极材料的蒸发，该蒸发物附着于发光管的内壁而发光管黑化。当发光管黑化时，发光管的光透射率下降。
为了解决这样的问题，已知有在电极表面形成散热层而抑制电极的温度上升的技术，在下述专利文献1中，公开有一种灯，该灯在阳极的外表面形成有包含至少1种金属的氧化物的散热层。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2004-259639号公报
发明要解决的课题
在专利文献1所记载的灯中，为了提高散热层的紧贴强度，在阳极的表面形成Rmax10μm以上的凹凸面，在其表面设置有散热层。而且，公开有将散热层的表面层设为Rmax2μm～100μm的例子。
为了提高散热性，散热层的表面希望设为凹凸面。然而，即便在阳极的表面设置有凹凸，根据形成于其之上的散热层的厚度，也有时在散热层的表面不形成凹凸(反映了阳极表面的凹凸形状的凹凸)，无法有效地散热。
发明内容
本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于提供散热性优良、灯点亮时的电极材料的蒸发被抑制的长寿命的短弧型放电灯。
用于解决课题的方案
本发明的短弧型放电灯具备发光管和在所述发光管的内部相对地配置的一对电极，
所述一对电极中的至少一个电极具有圆筒状的外周面，
所述外周面具有：凹凸构造，在轴向上排列有多个在周向上延伸的周向槽；及第一覆膜，包含在所述凹凸构造的凹凸表面形成的陶瓷，
在将所述周向槽的槽深度设为a(μm)、将从所述周向槽的槽底至所述第一覆膜的表面为止的距离设为b(μm)时，满足下述式(1)的关系。
1≤b/a≤4 (1)
根据该结构，在第一覆膜的表面形成有反映了凹凸构造的凹凸形状的凹凸，所以散热性因该凹凸而提高。其结果，本发明的短弧型放电灯的电极的散热性优良，所以灯点亮时的电极材料的蒸发被抑制，寿命变长。
在本发明的短弧型放电灯中，也可以是所述陶瓷包括金属氧化物、金属碳化物、金属硼化物、金属硅化物以及金属氮化物中的至少一种这样的结构。
另外，在本发明的短弧型放电灯中，也可以是所述陶瓷以氧化锆为主要成分这样的结构。
此外，在本说明书中，“主要成分”被用作在质量基准下意味着含有率最大的成分的用语。
根据这些结构，第一覆膜能够作为高辐射膜发挥优良的辐射性。
在本发明的短弧型放电灯中，也可以是如下结构：
所述一个电极具有随着朝向前端而外径变小的电极前部，
在所述电极前部的表面形成有第二覆膜，所述第二覆膜包含熔点比所述陶瓷高的金属。
另外，在本发明的短弧型放电灯中，也可以是如下结构：
所述一个电极具有随着朝向前端而外径变小的电极前部，
在所述电极前部的表面实施有微细槽加工。
根据这些结构，能够进一步提高电极的散热性。
附图说明
图1是示出本实施方式的短弧型放电灯的结构的说明图。
图2是图1所示的短弧型放电灯的II部区域的放大图。
图3是图2所示的III部区域的放大剖视图。
图4是第一覆膜的厚度厚的情况下的放大剖视图。
图5是映描阳极的剖面的SEM像的图。
图6是映描阳极的剖面的SEM像的图。
图7是其它实施方式的阳极的主视图。
图8是其它实施方式的阳极的主视图。
具体实施方式
参照附图，对本发明的短弧型放电灯的实施方式进行说明。此外，以下的各附图是示意地图示出的，附图上的尺寸比未必与实际的尺寸比一致，在各附图间，尺寸比也未必一致。
以下，适当地参照XYZ坐标系而进行说明。另外，在本说明书中，在表达方向时，在区分正负的朝向的情况下，如“+X方向”、“-X方向”那样，附加正负的符号而进行记载。另外，在不区分正负的朝向地表达方向的情况下，简记为“X方向”。即，在本说明书中，在简记为“X方向”的情况下，包括“+X方向”和“-X方向”这双方。关于Y方向以及Z方向也相同。
图1是示出本实施方式的短弧型放电灯的结构的说明图。短弧型放电灯1(以下，称为“灯1”)具备发光管2和在发光管2的内部相对配置的阳极3以及阴极4。阳极3以及阴极4分别由导棒5支承。
本实施方式的灯1是在半导体元件或者液晶显示元件的制造工序中使用的曝光装置中使用的大型的灯，例如额定功率是2kW～35kW。
发光管2是使玻璃管的中央膨胀而形成的。发光管2是随着从X方向的两端分别朝向中央而其内径变大的玻璃管的区域。发光管2的外形是球体或者椭圆球体。
发光管2具有从发光管2的X方向的两端分别向相反方向连续地延伸的一对密封管部21。发光管2与密封管部21一起例如由石英玻璃一体地形成。一对密封管部21各自所具有的中心轴相互重叠，用图1的轴X1表示。
在发光管2的内部形成发光空间S1。在发光空间S1封入有水银等发光物质。
在发光管2的内部，阳极3以及阴极4在X方向上相互相对地配置。在本实施方式中，短弧型放电灯是指阳极3与阴极4隔开40mm以下的间隔(未进行热膨胀的常温时的值)地相互相对配置的放电灯。在本实施方式中，阳极3的材质是钨，阴极4的材质是敷钍钨。
导棒5与阳极3以及阴极4连接，在X方向上在密封管部21内延伸。阳极3以及阴极4固定于导棒5的前端。导棒5的中心轴可以与轴X1重叠。作为导棒5，使用包含高熔点金属例如钨的材料。
灯头8覆盖密封管部21的远离阳极3以及阴极4的一侧。灯头8电连接于导棒5。
图2是图1所示的灯1的II部区域的放大图。在阳极3的表面的一部分形成有包含陶瓷的第一覆膜6。
阳极3具有以轴X1为中心的圆柱状的主体部3a和随着朝向前端而(随着朝向阴极4)而外径变小的电极前部3b。第一覆膜6形成于主体部3a的圆筒状的外周面。
作为第一覆膜6的材料，熔点、蒸气压、辐射率、热膨胀率等变得重要。为了降低阳极3的温度，第一覆膜6优选由辐射率高的材料构成，以使散热量变多。
第一覆膜6包含陶瓷。该陶瓷包括金属氧化物、金属碳化物、金属硼化物、金属硅化物以及金属氮化物中的至少一种。第一覆膜6的材料能够适合地使用熔点为2000℃以上的材料，例如可举出氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、碳化锆(ZrC)、硼化锆(ZrB2)、硅化钽(TaSi2)、氮化锆(ZrN)。
图3是图2所示的III部区域的放大剖视图。如图3所示，在阳极3的主体部3a的外周面设置有凹凸构造30。凹凸构造30构成为在轴向(X方向)上排列多个在主体部3a的周向上延伸的周向槽31。这样的周向槽31例如能够通过车床加工形成。此外，在通过车床加工来形成周向槽31的情况下，既可以使1周量的周向槽31在轴向上独立排列多个，另外也可以多个周向槽31以螺旋状连续，作为整体而成为一个螺旋槽。
在凹凸构造30的凹凸表面形成有第一覆膜6。第一覆膜6的表面6a形成有反映了凹凸构造30的凹凸形状的凹凸。在第一覆膜6的表面6a形成有反映了凹凸构造30的凹凸形状的凹凸，从而散热性因该凹凸而提高。
在第一覆膜6的表面6a所出现的凹凸能够通过控制第一覆膜6的厚度而形成。图4是形成有比图3厚的第一覆膜6的情况下的放大剖视图。如图4所示，在第一覆膜6的厚度厚的情况下，在表面6a不形成反映了凹凸构造30的凹凸形状的凹凸，或者即使形成，凹凸也小。
发明者通过潜心研究发现，为了在第一覆膜6的表面6a形成反映了形成于阳极3的表面的凹凸构造30的凹凸形状的凹凸，需要在将周向槽31的槽深度设为a(μm)、将从周向槽31的槽底311至第一覆膜6的表面6a为止的距离设为b(μm)时，以满足1≤b/a≤4的关系的方式，调整第一覆膜6的厚度。此外，距离b还可以说成周向槽31的槽底311处的第一覆膜6的厚度。
在b/a比1小的情况下，第一覆膜6的厚度过薄，凹凸构造30的峰有可能会露出。另一方面，在b/a比4大的情况下，第一覆膜6的厚度过厚，在第一覆膜6的表面6a不形成反映了凹凸构造30的凹凸形状的凹凸，即使形成，凹凸也小，几乎无法得到提高散热性的效果。
周向槽31的槽深度a例如优选10μm～100μm。当槽深度a比10μm小时，在第一覆膜6的表面6a难以形成凹凸。另外，当槽深度a比100μm大时，难以使第一覆膜6形成于周向槽31内。
表面6a的凹凸的高低差为5μm以上，优选的是10μm以上。当高低差比5μm小时，难以得到提高散热性的效果。
第一覆膜6的厚度例如优选为10μm以上。当覆膜6的厚度薄时，无法得到足够的辐射率。另外，为了在表面6a适当地形成凹凸，第一覆膜6的厚度优选为100μm以下，更优选为30μm以下。
第一覆膜6的形成例如通过如下方式进行：使构成覆膜6的材料的粒子(例如，粒径10μm以下的氧化锆的粒子)分散到溶剂(例如，由硝化纤维素和乙酸丁酯构成的溶剂)中，将其用笔涂敷于阳极3的主体部3a的外周面，在150℃下干燥30分钟之后，在真空气氛中进行1900℃、120分钟的热处理。
图5以及图6是映描阳极3的剖面的SEM像的图。这样的阳极3的剖面的SEM像能够通过如下方式得到：最初用研磨器(刀刃)对阳极3进行切割，以进行切割的部位为起点而截断阳极3，用扫描电子显微镜(SEM)观察其断裂面。第一覆膜6的厚度能够由附属于SEM的测量软件测定。
图5映描将周向槽31的槽深度a设为30μm、将从周向槽31的槽底311至第一覆膜6的表面6a为止的距离b设为50μm时即b/a约为1.66时的SEM图像。图6映描将周向槽31的槽深度a设为30μm、将从周向槽31的槽底311至第一覆膜6的表面6a为止的距离b设为150μm时即b/a为5时的SEM图像。在图5所示的例子中，在第一覆膜6的表面6a形成有反映了凹凸构造30的凹凸形状的凹凸。另一方面，在图6所示的例子中，在第一覆膜6的表面6a几乎未形成反映了凹凸构造30的凹凸形状的凹凸。
阳极3的电极前部3b只要是随着朝向前端而外径变小的形状即可，也可以不是如图2所示的随着朝向前端而外径按照一定的比例变小的圆锥梯形形状。例如，也可以如图7所示，构成为具有电极前部3b的外周面随着朝向前端而外径变小的比例发生变化而成为曲线的剖面形状。
也可以在电极前部3b的表面，如图8所示，形成包含熔点比陶瓷高的金属的第二覆膜7。包含熔点比陶瓷高的金属的第二覆膜7的耐热性比陶瓷高，所以在灯点亮时不会剥离。通过设置该第二覆膜7，从而能够进一步提高散热性。
熔点比陶瓷高的金属例如是指钨。第二覆膜7的形成例如通过如下方式进行：使钨的粒子分散到溶剂中，将其用笔涂敷于阳极3的电极前部3b的外周面，进行烧结。
另外，在电极前部3b的表面，也可以不形成第二覆膜7，而实施有微细槽加工。通过实施微细槽加工，从而能够进一步提高散热性。微细槽加工能够由激光加工机进行。微细槽例如按照650μmm的深度、195μm的间距形成。
以上，基于附图，对本发明的实施方式进行了说明，但应被认为具体的结构不限定于这些实施方式。本发明的范围不通过上述实施方式的说明示出，而通过权利要求书示出，还包括与权利要求书等同的意义以及范围内的所有的变更。
能够将在上述各实施方式中采用的构造用于其它任意的实施方式。各部分的具体的结构并不仅限定于上述实施方式，能够在不脱离本发明的要旨的范围进行各种变形。进而，也可以任意地选择一个或者多个下述的各种变更例的结构、方法等，用于上述实施方式的结构、方法等。
在上述实施方式中，仅在阳极3的外周面设置有第一覆膜6，但既可以在阴极4的外周面也设置第一覆膜6，也可以在阳极3的外周面不设置第一覆膜6，而仅在阴极4的外周面设置第一覆膜6。
【实施例】
以下，对具体地示出本发明的结构和效果的实施例等进行说明。
制作出如表1那样改变周向槽31的槽深度(a)和第一覆膜6的厚度(b)的多个阳极3。周向槽31通过车床加工形成。周向槽31的槽深度能够通过改变车床加工的加工条件来调整。另外，第一覆膜6的形成以如下方式进行。在将粒径为10μm以下的氧化锆的粒子施加到由硝化纤维素和乙酸丁酯构成的溶剂而良好地混合后，用笔涂敷于阳极3的外周面。然后，当在150℃下干燥30分钟之后，在真空气氛中进行1900℃、120分钟的热处理。第一覆膜6的厚度能够通过改变使氧化锆的粒子分散的溶剂的粘度来调整。
评价以额定的2kW(电压25V，电流80A)使组装有改变规格而制作出的阳极3的灯点亮500小时时的照度维持率。表1示出评价结果。
此外，照度维持率通过如下方式求出：首先利用对于波长365nm具有灵敏度的光电探测器来测定点亮开始时的照度，接下来，测定在额定功率下连续点亮500小时之后的照度，计算与初始照度之比。
另外，与试验的各灯共同的规格如下。
[发光管]
材质：石英玻璃，全长：70mm
最大径：φ55mm
封入物：水银2.5mg/cc
电极间距离：5mm
[阳极]
材质：钨
长度：30mm
主体部的直径：φ20mm
[阴极]
材质：敷钍钨
长度：20mm
主体部的直径：φ6mm
【表1】
Figure BDA0003600775100000101
如表1所示，在b/a为0.8以及5时，不论a的值如何，点亮500小时之后的照度维持率都小于80％。另一方面，在b/a为1至4时，不论a的值如何，都是超过80％的照度维持率。
在b/a为1至4的范围，阳极3的散热性高，电极材料的蒸发量被降低，所以实现高的照度维持率。另外，在b/a为1至2的范围，其效果更大(90％以上)。
标号说明
1：短弧型放电灯(灯)
2：发光管
3：阳极
3a：主体部
3b：电极前部
4：阴极
6：第一覆膜
6a：第一覆膜的表面
7：第二覆膜
30：凹凸构造
31：周向槽
311：周向槽的槽底
a：周向槽的槽深度
b：从周向槽的槽底至第一覆膜的表面为止的距离。

Claims (5)

1.一种短弧型放电灯，其中，
所述短弧型放电灯具备发光管和在所述发光管的内部相对地配置的一对电极，
所述一对电极中的至少一个电极具有圆筒状的外周面，
所述外周面具有：凹凸构造，在轴向上排列有多个在周向上延伸的周向槽；及第一覆膜，包含在所述凹凸构造的凹凸表面形成的陶瓷，
在将所述周向槽的槽深度设为a(μm)、将从所述周向槽的槽底至所述第一覆膜的表面为止的距离设为b(μm)时，满足下述式(1)的关系，
1≤b/a≤4 (1)。
2.根据权利要求1所述的短弧型放电灯，其中，
所述陶瓷包括金属氧化物、金属碳化物、金属硼化物、金属硅化物以及金属氮化物中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的短弧型放电灯，其中，
所述陶瓷以氧化锆为主要成分。
4.根据权利要求1所述的短弧型放电灯，其中，
所述一个电极具有随着朝向前端而外径变小的电极前部，
在所述电极前部的表面形成有第二覆膜，所述第二覆膜包含熔点比所述陶瓷高的金属。
5.根据权利要求1所述的短弧型放电灯，其中，
所述一个电极具有随着朝向前端而外径变小的电极前部，
在所述电极前部的表面实施有微细槽加工。
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