TW202205354A - 短弧型放電燈 - Google Patents

Abstract

本發明的課題係提供於發光管的內部對向配置一對電極，於前述一對電極中至少一方的電極的外表面形成被膜的短弧型放電燈中，具有優良放熱性，且減低發光管內壁的黑化之長壽命的短弧型放電燈。 解決手段係於發光管的內部對向配置一對電極的短弧型放電燈中，一對電極係包含鎢所形成：於一對電極中至少一方的電極的外表面，形成包含陶瓷的被膜，於被膜的外表面的一部分附著鎢的粒子。

Description

短弧型放電燈

本發明係關於短弧型放電燈。

例如半導體元件、液晶顯示元件等的製造工程中所用的曝光裝置、各種投影機中，作為光源使用短弧型放電燈(以下也單稱為「燈管」)。該短弧型放電燈係於發光管內陽極及陰極相互對向配置，並且於該發光管內，封入水銀、氙氣等的發光物質所構成。

於此種短弧型放電燈中，公知由於點燈時陽極的熱負荷高，會發生起因於陽極的過熱之電極材料的蒸發，該蒸發物附著於發光管的內壁而導致光透射率降低，發生所謂黑化。

為了解決此種問題，公知於電極表面形成放熱層來抑制電極的溫度上升的技術，於後述專利文獻1揭示於除了電極的前端附近的外表面，形成至少包含1種金屬氧化物的放熱層的燈管。 [先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本特開2004-259639號公報

[發明所欲解決之課題]

然而，如專利文獻1所記載的燈管，即使適切抑制電極的溫度上升，也並不是沒有電極材料的蒸發，電極材料即鎢會一點點地蒸發，發光管的內壁會漸漸黑化。近年來，被要求更長壽命的燈管，關於減低發光管的內壁之黑化的課題，需要進一步的改善。

本發明係有鑑於前述的課題，提供於發光管的內部對向配置一對電極，於前述一對電極中至少一方的電極的外表面形成被膜的短弧型放電燈中，具有優良放熱性，且減低發光管內壁的黑化之長壽命的短弧型放電燈。 [用以解決課題之手段]

本發明的短弧型放電燈，係於發光管的內部對向配置一對電極的短弧型放電燈，其中， 前述一對電極，係包含鎢所形成： 於前述一對電極中至少一方的電極的外表面，形成包含陶瓷的被膜，於前述被膜的外表面的一部分附著鎢的粒子。

依據該構造，於電極的外表面，形成包含陶瓷的被膜，故具有優良放射性。又，於被膜的外表面的一部分，附著鎢的粒子，故燈管的點燈中從電極蒸發的鎢會附著於被膜的外表面上之鎢的粒子。亦即，從電極蒸發的鎢中，因為對流而到達發光管內壁的鎢的量會減少，黑化量也變少。因此，本發明的短弧型放電燈，係具有優良放熱性，且發光管內壁的黑化少，壽命長。

於本發明的短弧型放電燈中，作為點燈姿勢為垂直方向；於前述一對電極中位於上方的電極的外表面，形成包含陶瓷的被膜，於前述被膜的外表面的一部分附著鎢的粒子的構造亦可。

依據該構造，從電極蒸發的鎢會附著於前述一對電極中位於上方的電極之被膜的外表面上之鎢的粒子，故可更有效率地減少因為對流而到達發光管內壁的鎢的量。

於本發明的短弧型放電燈中，作為位於前述上方的電極為陽極的構造亦可。

依據該構造，從電極蒸發的鎢會附著於表面積大於陰極的陽極之被膜的外表面上之鎢的粒子，故可更有效率地減少因為對流而到達發光管內壁的鎢的量。

於本發明的短弧型放電燈中，作為前述鎢的粒子對於前述被膜的外表面的覆蓋率，係為3%至40%的構造亦可。

依據該構造，可一邊確保被膜所致之優良放射性，一邊從電極蒸發的鎢會更有效率地附著於被膜的外表面上之鎢的粒子。再者，在此所謂「覆蓋率」係可使用例如鎢的粒子的總面積對於被膜的面積之比例。

於本發明的短弧型放電燈中，作為前述陶瓷係包含金屬氧化物、金屬碳化物、金屬硼化物、金屬矽化物、及金屬氮化物中至少之一的構造亦可。

依據該構造，被膜可作為高輻射膜發揮優良的放射性。

針對本發明的短弧型放電燈的實施形態，參照圖面進行說明。再者，以下的各圖面是示意圖示者，圖面上的尺寸比與實際的尺寸比不一定一致，於各圖面間尺寸比也不一定一致。

以下，適當參照XYZ座標系進行說明。又，於本說明書中，在表現方向時區別正負的方向時，如「+X方向」、「-X方向」般，附加正負的符號記載。又，在不區別正負的朝向來表現方向時，僅記載為「X方向」。亦即，於本說明書中，在僅記載為「X方向」時，包含「+X方向」與「-X方向」雙方。關於Y方向及Z方向也相同。

圖1係揭示本實施形態的短弧型放電燈之構造的說明圖。短弧型放電燈100(以下稱為「燈管100」)係具備發光管1、對向配置於發光管1之內部的陽極2及陰極3、支持陽極2及陰極3的導線棒4。

本實施形態的燈管100係半導體元件、液晶顯示元件等的製造工程中使用的曝光裝置等中所用之大型的燈管，例如額定電力為2kW～35kW。

發光管1係使玻璃管的中央膨脹所形成。發光管1係從X方向的兩端，分別朝向中央，其內徑變大的玻璃管的區域。發光管1的外形係為球體或橢圓球體。

發光管1係具有從發光管1的X方向的兩端分別往相反方向連續延伸之一對密封管部11。發光管1係與密封管部11一起藉由例如石英玻璃一體形成。一對密封管部11分別具有的中心軸係相互重疊，以圖1的軸X1表示。

於發光管1的內部，形成發光空間S1。於發光空間S1，除了水銀等的發光物質之外，適當封入氬氣或氙氣等之啟動輔助用緩衝氣體。

於發光管1的內部，陽極2及陰極3相互對向配置於X方向。於本實施形態中，短弧型放電燈係陽極2與陰極3隔開40mm以下的間隔(並未熱膨脹的常溫時之值)，相互對向配置的放電燈。於本實施形態中，陽極2以鎢形成，陰極3以釷氧鎢形成。

導線棒4係連接於陽極2及陰極3，往X方向延伸於密封管部11內。陽極2及陰極3係固定於導線棒4的前端。導線棒4的中心軸係與軸X1重疊為佳。導線棒4使用高熔點金屬，例如包含鎢的材料。

套罩7係覆蓋遠離密封管部11的陽極2及陰極3之側。套罩7係電性連接於導線棒4。

圖2係圖1所示之燈管100的P區域放大圖。於陽極2的外表面，形成包含陶瓷的被膜5。在此，陽極2的外表面係除了對向於陰極3的前端面2a之外的外表面。陽極2的前端面2a係有在燈管100的點燈時溫度上升至被膜5的熔點以上之狀況，故於本實施形態中，於陽極2的前端面2a並未設置被膜5。在本實施形態中，於陽極2的外表面中，於以軸X1為中心之圓柱狀的體部的外周面2b設置被膜5，但是，位於外周面2b與前端面2a之間的錐面2c也設置被膜5亦可。進而，位於陽極2的外周面2b之+X側的後部錐面2d也設置被膜5亦可。

作為被膜5的材料，熔點、蒸氣壓、放射率、熱膨脹係數等很重要。對於為了降低陽極2的溫度來說，被膜5係以放熱量變多之方式以放射率高的材料構成為佳。

被膜5係包含陶瓷。該陶瓷係包含金屬氧化物、金屬碳化物、金屬硼化物、金屬矽化物、及金屬氮化物中至少之一。被膜5的材料係可理想地使用熔點為2000℃以上的材料，例如可舉出氧化鋁、氧化鋯、碳化鋯、硼化鋯、矽化鉭、氮化鋯。

被膜5的形成係例如藉由使構成被膜5之材料的粒子(例如粒徑10μm以下的氧化鋯的粒子)分散於溶媒(例如由硝化纖維素與醋酸丁酯所成的溶媒)，以筆將其塗布於陽極2的外周面2b，以150℃進行乾燥30分鐘之後，在真空氣氛中進行1900℃、120分鐘的熱處理來進行。被膜5的膜厚係為5μm以上200μm以下為佳。被膜5的膜厚太薄的話則無法獲得充分的放射率，太厚的話會容易剝離。

圖3A、B係陽極2的外表面的放大圖，圖3A為表面，圖3B為剖面的圖。又，圖3C係陽極2的外表面的放大照片(SEM像)。

如圖3B、C所示，於以鎢構成的陽極2的外表面形成被膜5，於被膜5的外表面的一部分附著鎢粒子W。鎢粒子W係於圖3A作為白色斑點揭示，以覆蓋被膜5的外表面之一部分的方式分布各處。鎢粒子W的粒徑係0.1μm～10μm。

鎢粒子W對於被膜5的外表面的覆蓋率係為3%～40%為佳。在此的覆蓋率係鎢粒子W的總面積對於被膜5的面積的比例。

鎢粒子W係藉由真空蒸鍍形成於被膜5的外表面。例如，於使塗布於電極的氧化鋯燒結的工程中，於爐內配置電極之後，使爐內成為真空，對加熱器即鎢通電來提高爐內的溫度對電極進行加熱。此係與電阻加熱型的真空蒸鍍等效，可說是對蒸鍍材料即鎢進行通電加熱，於被膜5的外表面蒸鍍鎢粒子W。

再者，在氧化鋯的燒結後，另外進行鎢的通電加熱所致之真空蒸鍍亦可。利用氧化鋯的燒結之外另外進行鎢的蒸鍍，可容易調整鎢粒子W的覆蓋率。

在此，參照圖4，針對發光管內壁的黑化進行說明。於圖4中，以間斷線表示的箭頭係表示燈管點燈時的電弧放電。又，以實線表示的箭頭係表示發光氣體的流向(對流)。

電弧非常高溫，故會讓電極(陽極2及陰極3)的一部分蒸發。蒸發的電極成分(鎢)係順著發光氣體的流向移動。然後，蒸發的鎢係在順著發光氣體的流向移動中，附著於發光管1的內壁等。附著於發光管1的內壁的鎢係為妨礙光線的透射的黑色物質。

如圖4所示，發光氣體的流向係沿著陽極2上升後，與發光管1的內壁衝突，改變方向流動、循環。因此，蒸發的鎢係除了發光管1的內壁之外，通常也附著於電極的側面。

但是，以陶瓷為主成分的被膜5設置於電極表面時，蒸發的鎢難以附著於該被膜5。此係鎢為金屬結合，陶瓷為共有結合，金屬與陶瓷不會化學結合之故。

另一方面，於本發明的燈管100之被膜5，鎢粒子W附著其外表面。附著於該被膜5的外表面的鎢粒子W成為核心，以擷取蒸發的鎢之方式結晶成長。因此，到達發光管1的內壁面的鎢會減少，發光管1的黑化量也變少。

但是，因為鎢被覆被膜5的外表面之一部分，導致放射率降低。亦即，電極前端溫度相較於沒有鎢的被覆之狀況會比較高，電極材料容易蒸發。因此，鎢的覆蓋率係需要以蒸發的電極材料的捕捉量超過放射率的降低所致之電極材料的蒸發量之方式進行調整。

在本實施形態的燈管100中，將鎢粒子W對於被膜5的外表面的覆蓋率設為3%～40%。藉此，可一邊確保被膜5所致之優良放射性，一邊讓被膜5的外表面上之鎢粒子W有效果地捕捉從電極蒸發的鎢。

根據以上內容，本發明的燈管100係具有優良放熱性，且可減少發光管1的內壁的黑化，可延長燈管100的使用壽命。 [實施例]

以下，針對具體揭示本發明之構造與效果的實施例等進行說明。

附鎢粒子的被膜的形成係如以下所述進行。將粒徑10μm以下的氧化鋯加入由硝化纖維素與醋酸丁酯所成的溶媒並充分混合之後，以筆塗布於陽極的外周面。然後，以150℃進行30分鐘乾燥。之後，與鎢一起在真空氣氛中以1900℃，進行120分鐘的熱處理，形成鎢覆蓋的被膜。

使用鎢粒子對於包含鋯的被膜之外表面的覆蓋率不同的燈管(覆蓋率0%、3%、10%、40%、50%)，確認發光管的黑化量減少的效果。

再者，鎢粒子的覆蓋率利用具備能量分散型X射線裝置(EDS)的掃描電子顯微鏡的表面分析，藉由映射觀察鎢來計算。以EDS對20μm×20μm的區域進行映射分析，將鎢的面積對於該區域的面積的比例設為覆蓋率。

發光管的黑化量減少係藉由測定將365nm之波長的光線作為測定對象的照度維持率來評鑑。在此，照度維持率係針對所定波長之光線的照度，將點燈開始時的照度作為基準，以百分比表示點燈開始時的照度，與任意時間點燈之後的照度的比率者。

在本次的試驗中，首先，利用對波長365nm具有感度的光檢測器，測定點燈開始時的照度。接著，測定以額定電力連續點燈2000小時之後的照度，作為照度維持率計算出與初始照度的比率。於表1揭示結果。

如表1所示，在覆蓋率3～40%的範圍中，相較於鎢粒子未附著之狀況，提升了照度維持率。另一方面，覆蓋率50%時係與鎢粒子未附著之狀況同等，未獲得改善的效果。

再者，燈管規格的詳細內容係如下所述。

[放電容器] 材質=石英玻璃，全長=120mm 發光管部：最大外徑=95mm，最大內徑=85mm [陽極] 材質=鎢，外徑=35mm，全長50mm [陰極] 材質=釷氧鎢，外徑=12mm，全長35mm [發光物質] 水銀量=3g [緩衝氣體] 氪氣：封壓=4氣壓 [電極之間] 陽極前端與陰極前端的間隔距離=7mm [電氣特性] 額定電力=4.5kW，額定電壓=145V，額定電流=31A [點燈姿勢] 垂直點燈

以上，已針對本發明的實施形態，依據圖式進行說明，但是，具體構造並不限定於該等實施形態者。本發明的範圍係不僅前述之實施形態的說明，並藉由申請專利範圍所揭示，更包含與申請專利範圍均等的意義及範圍內之所有變更。

可將前述的各實施形態中採用的構造採用於其他任意實施形態。各部的具體構造也不是僅限定於上述之實施形態者，在不脫離本發明的要旨的範圍中可進行各種變形。進而，任意選擇其一或複數後述之各種變更例的構造或方法等，採用於前述之實施形態的構造或方法等亦可。

(1)在前述的實施形態中，僅於陽極2的外表面設置被膜5，但是，於陰極3的外表面也設置被膜5亦可，僅於陰極3的外表面設置被膜5亦可。

(2)在前述的實施形態中，以垂直點燈的燈管100為例進行說明，但是，由於水平點燈之狀況中也會發生沿著電極之發光氣體的流向，可獲得減少發光管的黑化量的效果。

1:發光管 2:陽極 2a:陽極的前端面 2b:陽極的外周面 3:陰極 4:導線棒 5:被膜 7:套罩 11:密封管部 100:短弧型放電燈 W:鎢粒子

[圖1]揭示本實施形態的短弧型放電燈之構造的說明圖。 [圖2]揭示圖1所示之短弧型放電燈的P區域放大圖。 [圖3A]陽極的外表面的放大圖(表面的圖)。 [圖3B]陽極的外表面的放大圖(剖面的圖)。 [圖3C]陽極的外表面的放大照片(SEM像)。 [圖4]電極所包含之鎢的蒸發，對發光管內壁的附著的說明圖。

2:陽極

2a:陽極的前端面

2b:陽極的外周面

2c:錐面

2d:後部錐面

3:陰極

5:被膜

Claims (6)

1. 一種短弧型放電燈，係於發光管的內部對向配置一對電極的短弧型放電燈，其特徵為： 前述一對電極，係包含鎢所形成： 於前述一對電極中至少一方的電極的外表面，形成包含陶瓷的被膜，於前述被膜的外表面的一部分附著鎢的粒子。
2. 如請求項1所記載之短弧型放電燈，其中， 前述短弧型放電燈的點燈姿勢為垂直方向。
3. 如請求項2所記載之短弧型放電燈，其中， 於前述一對電極中位於上方的電極的外表面，形成包含陶瓷的被膜，於前述被膜的外表面的一部分附著鎢的粒子。
4. 如請求項3所記載之短弧型放電燈，其中， 位於前述上方的電極為陽極。
5. 如請求項1所記載之短弧型放電燈，其中， 前述鎢的粒子對於前述被膜的外表面的覆蓋率，係為3%至40%。
6. 如請求項1至5中任一項所記載之短弧型放電燈，其中， 前述陶瓷，係包含金屬氧化物、金屬碳化物、金屬硼化物、金屬矽化物、及金屬氮化物中至少之一。

Images