TWI434316B - 放電燈及其電極之製造方法 - Google Patents

Description

放電燈及其電極之製造方法 技術領域

本發明係有關於一種可產生紫外線的放電燈，特別是有關於一種電極溫度僅上升少許的放電燈及其電極之製造方法。

背景技術

一般使用可產生紫外線的短弧型放電燈等作為形成半導體之配線圖案時的光源，且該放電燈是在將陽極置於上方或下方的垂直狀態下點燈的。點燈狀態下的陽極會與來自陰極的電子相撞而產生高溫，因而蒸發並消耗。自電極蒸發的粒子會藉由熱對流而被搬運，並附著於放電燈之內壁，故上部側之內表面會從發光管中央部開始黑變。放電燈的電極雖有陰極與陽極，但在以下的說明中，有時僅以電極總稱。

只要在點燈時可抑制短弧型放電燈之陽極產生高溫的話，即可減少來自陽極前端部之電極構成物質的蒸發，且可緩和電極前端的磨損或熱變形等，並可延長燈的使用壽命。為此，只要增加自電極藉輻射所放出的熱量即可。具體而言，可以在電極之側面形成V字形散熱溝來增加陽極表面積，以增加來自電極的熱輻射使得電極溫度降低。

第4(a)圖係藉由以雷射光加熱來形成V字形散熱溝之習知方法的概念圖。V字形散熱溝60係製作於陽極之本體面 上的散熱用溝。雷射45係顯示雷射光照射的概略方向及位置，且雷射照射面46係雷射光所照射之電極上的面，而熔融、蒸發層61係呈電極材料因雷射光照射所帶來的熱而瞬間熔融並聚積，接著逐漸蒸發之狀態的層。經照射之雷射光的單位面積的功率(W/cm² )很大，故雷射照射面的電極材料之溫度會局部性地急速上升，並瞬間熔融、蒸發，因此熔融、蒸發層61會變小且V字形散熱溝之側面64會變得大略平坦。亦即，藉由以雷射光加熱來形成V字形散熱溝的習知方法會使電極材料瞬間熔融並蒸發。以下舉幾個與此相關的先前技術之例子。

專利文獻1所揭示之「惰性氣體封入高壓放電燈用陽極」，如第4(b)圖所示，係在外周面上設有深度為1~3mm之冷卻溝的鎢陽極。冷卻溝之側面間的角度為90°，且陽極外周面為散熱性高的燒結金屬層。專利文獻2所揭示之「放電燈陽極」如第4(c)圖所示，係於側周面切入有與軸方向平行之溝的圓柱狀鎢棒的電極。溝的深度為圓柱直徑的1~7%，且溝的角度為60~90°。專利文獻3所揭示之「漁業用放電燈」，如第4(d)圖所示，具有在本體部設有深度較寬度深的溝的陽極。溝的深度為6mm，且寬度為3mm。前端部與後端部的直徑為12mm，且本體部的外徑為30mm，而陽極全體的長度為40mm。專利文獻4所揭示之「短弧放電燈」，如第4(e)圖所示，具有在周面刻有呈前端部淺且底端部深的複數條溝的陽極。專利文獻5所揭示之「短弧型高壓放電燈」，如第4(f)圖所示，具有在側面形成有溝部的電極。 溝部的深度為電極直徑的12%以內，且溝部之深度D為溝部之間距P的2倍以上。專利文獻6、7中揭示半導體的雷射加工技術。非專利文獻1、2中記載關於雷射加工的基本與應用的各種技術。

【專利文獻1】特公昭39－011128號公報【專利文獻2】實開昭54－132975號公報【專利文獻3】實開昭60－048663號公報【專利文獻4】實開昭60－110973號公報【專利文獻5】特開2002－117806號公報【專利文獻6】特開昭63－278368號公報【專利文獻7】專利第2810435號公報(特開平01－225928號公報)

【非專利文獻1】雷射協會編輯：「雷射應用技術手冊」(朝倉書店、1984年發行)【非專利文獻12】川澄博通編：「雷射加工技術」(CMC、2001年發行)

發明揭示

但是，使用具有習知V字形散熱溝之電極的放電燈的構造有以下問題。習知方法係藉由局部性地急速升溫來瞬間熔融、蒸發雷射照射面的電極材料，以在電極表面之圓周方向挖掘V字形散熱溝。將深V字形散熱溝緻密地排成多數列製作時，電極的雷射照射領域以外的部分亦會呈高溫狀 態，此時已經加工完畢的V字形散熱溝會因為加工其他溝時產生的熱而變形。為了防止該變形，必須邊冷卻電極邊進行溝的加工。具體而言，不連續進行雷射照射，而是必須間隔一段時間分好幾次反覆進行雷射照射。因此，電極之散熱構造的生產效率明顯不佳。

本發明之目的係解決前述習知問題，抑制放電燈之電極的溫度上升，且減少放電燈之內表面的黑變，並延長放電燈的壽命。此外，亦要可輕易地製作電極之散熱構造。

為了解決前述課題，本發明中將放電容器內部具有表面形成有散熱構造之電極的放電燈之散熱構造，設計成由藉由構成前述電極之材料熔融並移動所形成之塊部及孔部所構成。散熱構造為散熱溝或散熱孔。設有散熱構造之部分的電極外徑較未設有散熱構造之部分的電極外徑小。

又，將電極製造方法設計成將雷射光照射至放電燈用之電極之表面，使構成電極之材料熔融並移動，於電極之表面形成由塊部及孔部所構成之凹凸狀散熱構造的方法。使具有散熱構造之電極的重量與形成散熱構造前之電極的重量大略相等。在形成散熱構造後，以不會失去散熱構造的凹凸形狀為限，藉由將雷射光照射至散熱構造全體進行再加熱，將散熱構造之表面熔融並平滑化。或是藉由電解拋光將散熱構造之表面平滑化。

相較於如習知V字形散熱溝般地由平坦的側面所構成 之散熱構造，藉由如前述般地構成，可使表面積增加，故可抑制陽極的溫度上升，且放電燈的使用壽命會變得較習知放電燈長。此外，散熱構造的製作亦變得容易。

實施發明之最佳型態

以下，邊參照第1圖~第3圖邊詳細說明實施本發明之最佳型態。

實施例

本發明之實施例係使用具有於表面有塊部及孔部的凹凸狀散熱構造之電極的放電燈。

第1圖係使用具有本發明之實施例的凹凸狀散熱構造之陽極的放電燈外觀圖。在第1圖中，陽極1為正極側的電極。陰極2為負極側的電極。內部導棒3為支撐電極並供電的構件。金屬箔4為電性地連接內部導棒與外部導棒的構件。密封管部5為密閉地密封燈泡的部分。外部導棒7為自燈座隔著金屬箔對電極供電的構件。發光部9為藉由電極間之放電而發光的部分。燈泡部10為密封電極並形成放電空間的玻璃構件。燈座20為用以機械性地保持燈並且供電的構件。散熱構造40為設在圓柱狀側面用以冷卻電極的構造。

如第1圖所示般，放電燈係由：由發光部9及2個密封管部5所構成之燈泡部10、相對配置於發光部9中的陽極1及陰極2、支撐前述陽極1及陰極2並且進行通電的內部導棒3、外部導棒7、藉由導電性的金屬箔4連接前述內部導棒3與外部導棒7並密閉地密封的密封管部5所構成。此外，陽極側 的密封管部5中固定有燈座20，另一邊之陰極側的密封管部5中亦固定有燈座20。放電燈隔著燈座20固定於光源裝置。

第2圖係具有本發明之實施例的凹凸狀散熱構造的陽極放大圖。第2(A)圖係陽極外觀圖。第2(B)圖係第2(A)圖的B－B截面圖。第2(C)圖係凹凸狀散熱構造物之截面的部分放大圖。第2(D)圖係已平滑加工過的凹凸狀散熱構造物之截面的部分放大圖。在第2(A)圖、第2(B)圖中，前端面31為在與陰極之間進行放電的面。前端面31為圓柱狀之電極的表面，且隔著前端面側錐面32與本體面30連接。本體面30為圓柱狀之電極的圓周側面，且隔著背面側錐面33與背面34連接。小直徑面35為本體面30中的細直徑部分的圓周側面。大直徑面36為本體面30中的粗直徑部分的圓周側面。凹凸狀散熱構造40為至少設在本體面30之一部份的散熱構造。背面34為圓柱狀之電極的底面。電極孔37為可嵌入內部導棒的孔。外徑D1為設在陽極1之本體面上的小直徑面之外徑。外徑D2為設在陽極1之本體面之小直徑面的凹凸狀散熱構造上的最大外徑。外徑D3為設在陽極1之本體面上的大直徑面之外徑。

如第2(A)圖、第2(B)圖所示般，陽極1為略圓柱狀，且表面係由前端面31、前端側錐面32、本體面30、背面側錐面33、背面34所構成。本體面30係由小直徑面35與大直徑面36所構成，且小直徑面35上設有凹凸狀散熱構造40。藉由將內部導棒3嵌入設在陽極1之背面34的電極孔37，可使陽極1保持於放電空間。凹凸狀散熱構造40為表面積大的部 分，故點燈時可有效率放射出陽極1的熱。

在第2(C)圖中，塊部42為電極材料的塊。孔部43為多數的塊部之間的空間。如第2(C)圖所示般，凹凸狀散熱構造40係具有由多數的塊部42及孔部43所構成之凹凸狀表面的溝。塊部42係因雷射光照射而熔融之電極材料移動後所形成者，故有時會在不穩定的狀態下黏附於散熱構造。使塊部42呈該狀態並用於放電燈之電極的話，塊部42將自電極材料剝離並被噴出至放電空間，有時會成為放電燈黑變的原因，且會使燈的壽命縮短。

在第2(D)圖中，凹凸狀散熱構造50、塊部52、孔部53分別為將第2(C)圖的散熱構造40、塊部42、孔部43平滑化加工後之狀態者。如第2(D)圖所示般，凹凸狀散熱構造50亦具有由複數的塊部52及孔部53所構成之凹凸狀表面。但是，由於施有平滑化加工，故相較於第2(C)圖的狀態，散熱構造之表面會變得平滑。即使是已平滑化的凹凸狀表面，表面積還是較平坦時大。

製作由塊部及孔部所構成之凹凸狀散熱構造的方法係由第1步驟之凹凸化步驟及第2步驟之平滑化步驟所構成。關於雷射加工的基本技術已眾所周知，故省略詳細說明，如有需要可參照專利文獻6、7或非專利文獻1、2等。首先，說明第1步驟之凹凸化步驟。第3(a)圖係藉由以雷射光加熱來形成凹凸狀散熱構造的凹凸化步驟的概念圖。在第3(a)圖中，凹凸狀散熱構造40係藉由凹凸化步驟製作於陽極1之本體面上的散熱構造。熔融、蒸發層41係呈電極材料因雷 射光的熱而熔融並蒸發之狀態的層。熔融、蒸發層41的體積會變得較第4(a)圖所示之習知方法的熔融、蒸發層61大。與習知例之比較顯示於第3(b)圖的表。

習知方法係增大雷射光功率的面積密度，使之瞬間熔融、蒸發，來挖掘平坦表面之散熱構造。相對於此，本實施例係減小雷射光功率的面積密度，來慢慢加熱。要使電極材料在變得高溫而蒸發前將熱傳達至照射面46的外面。由於電極材料在雷射照射面46以外的寬廣領域熔融，故熔融量會變得較電極材料的蒸發量多。熔融、蒸發層41的體積亦會變得較習知方法的熔融、蒸發層61大。該結果，已熔融之電極材料會從身為高溫部的熔融、蒸發層41往身為低溫部的散熱構造40之側面或電極之小直徑面上移動，並形成塊狀電極材料之塊部42。

此外，孔部43形成於多數的塊部42之間。雷射照射面46的電極材料在因蒸發或熔融而失去後，雷射照射面46會往電極之直徑方向進入。這段期間，熱亦會往電極之直徑方向傳達，故電極之直徑方向之更深部分的電極材料亦會熔融。因此，熔融、蒸發層41會往電極之直徑方向之更深部分移動。如前述般地，藉由電極材料的反覆熔融與移動，可挖掘出凹凸狀散熱溝。亦即，藉由以雷射光加熱來形成散熱構造的凹凸化步驟，係使電極材料熔融並移動，且於電極之表面形成塊部及孔部的步驟。

已熔融之電極材料會移動的理由如下所示。藉由因雷射光的照射能量所產生的電極材料及其周圍氣體的熱膨脹 或已熔融之電極材料的表面張力，會使電極產生變形。電極材料熔融並聚積後的部分會形成塊部，且在多數的塊部之間的部分會形成孔部。習知方法中，為了邊冷卻電極邊挖掘散熱溝，會限制散熱溝的挖掘速度。但是，電極全體呈高溫狀態的情況下，適合用來增大熔融、蒸發層41的體積，故本實施例中不冷卻電極。由於不冷卻電極，即使是弱雷射光亦可較習知方法更為加快電極的製作速度。

接著，說明第2步驟之平滑化步驟。形成散熱構造後的平滑化步驟中，在不會失去前述散熱構造的凹凸形狀的程度內，藉由將雷射光照射至散熱構造，再加熱散熱構造之表面以熔融並平滑化。亦即，使由塊部42及孔部43所構成之散熱構造40的表面稍微熔融後，藉由表面張力平滑化。使凹凸狀散熱溝過滑的話，散熱構造之表面積反而不太會增加，故為了要形成適度的凹凸，可視電極材料等將雷射光功率的面積密度及處理時間設定成適當的值。

可將雷射光功率的面積密度設成較凹凸化步驟的值大，在短時間內進行平滑化；亦可將雷射光功率的面積密度設成較凹凸化步驟的值小，慢慢的進行平滑化。要增大雷射光照射能量的面積密度時，看是要提高雷射光的輸出，還是要減緩雷射光的掃描速度，來壓縮雷射光束。要減小雷射光照射能量的面積密度時，看是要降低雷射光的輸出，還是要加快雷射光的掃描速度，來擴散雷射光束。亦可改由業經電解拋光或真空中高溫熱處理進行的平滑化，來代替業經雷射光進行的平滑化。

如此一來，在製作出由塊部42及孔部43所構成之凹凸狀散熱構造後，已熔融之電極材料亦會往陽極1之小直徑面上移動，故凹凸狀散熱構造的最大外徑D2會變得較設置散熱構造前的小直徑面之外徑D1大。電極之表面積亦變得較以習知方法作成之V字形散熱溝大。由於散熱構造之表面為凹凸狀，故將電極自密封管部插入發光部內時，會有放電燈之密封管或發光管的內面受損，或是凸狀塊部剝離的情形發生。發光管的內面受損的話，會成為破裂的原因。塊部剝離並被噴出至放電空間的話，會成為黑變等的原因。因此，設置具有較凹凸狀散熱構造之外徑D2大的外徑D3的大直徑面36。亦即，將陽極本體面的直徑設成D3>D2>D1。如此一來，將電極自密封管部插入發光管內時，密封管與凹凸狀散熱構造將不會摩擦到。

該散熱構造的製作方法，相較於電極材料的蒸發，是以在電極表面上的移動為主，故電極重量與形成散熱構造前大略相等。因此，相較於使電極材料因蒸發而飛散的習知散熱構造的製作方法，可有效地使用電極材料。在本實施例中，雖說明過將溝形成於電極之圓周方向的例子，但亦可將同樣的散熱構造之溝設於電極之軸方向。散熱構造亦可為散熱孔而非散熱溝。又，雖說明過陽極的例子，但將散熱構造設在陰極之本體部亦可得到同樣的效果。

如前述般，本發明之實施例中，將放電燈設計成使用具有於表面具有塊部及孔部的凹凸狀散熱構造之電極的構造，故可抑制陽極的溫度上升且可延長放電燈的壽命。

產業上利用之可能性

本發明之放電燈最適合作為紫外線產生用短弧放電燈。具有該散熱構造之電極，亦可適用於其他光源用燈。

1‧‧‧陽極

2‧‧‧陰極

3‧‧‧內部導棒

4‧‧‧金屬箔

5‧‧‧密封管部

7‧‧‧外部導棒

9‧‧‧發光部

10‧‧‧燈泡部

20‧‧‧燈座

30‧‧‧本體面

31‧‧‧前端面

32‧‧‧前端面側錐面

33‧‧‧背面側錐面

34‧‧‧背面

35‧‧‧小直徑面

36‧‧‧大直徑面

37‧‧‧電極孔

40‧‧‧凹凸狀散熱構造

41‧‧‧熔融、蒸發層

42‧‧‧塊部

43‧‧‧孔部

45‧‧‧雷射

46‧‧‧雷射照射面

50‧‧‧凹凸狀散熱構造

52‧‧‧塊部

53‧‧‧孔部

60‧‧‧V字形散熱溝

61‧‧‧熔融、蒸發層

64‧‧‧散熱溝側面

D1‧‧‧外徑

D2‧‧‧外徑

D3‧‧‧外徑

第1圖係本發明之實施例的放電燈外觀圖。

第2(A)圖~第2(D)圖係具有用於本發明之實施例的放電燈的凹凸狀散熱構造的陽極放大圖。

第3(a)圖、第3(b)圖係用以說明用於本發明之實施例的放電燈的陽極凹凸狀散熱構造的製作方法、及顯示與習知例之比較的表。

第4(a)圖~第4(f)圖係用以說明習知V字形散熱溝的製作方法的圖、及顯示附有習知散熱溝之陽極的例子的圖。

1‧‧‧陽極

2‧‧‧陰極

3‧‧‧內部導棒

4‧‧‧金屬箔

5‧‧‧密封管部

7‧‧‧外部導棒

9‧‧‧發光部

10‧‧‧燈泡部

20‧‧‧燈座

40‧‧‧凹凸狀散熱構造

Claims (7)

1. 一種放電燈，係於放電容器內部具有表面形成有散熱構造之電極者，其特徵在於：前述散熱構造之側面，具有藉由構成前述電極之材料熔融並移動所形成之複數的塊部與孔部所構成之凹凸狀表面。
2. 如申請專利範圍第1項之放電燈，其中前述散熱構造之側面是，具有電極材料熔融而飛散黏附之塊部與前述塊部之間的孔部所形成之凹凸狀表面之散熱溝或散熱孔。
3. 如申請專利範圍第1或2項之放電燈，其中為設有前述散熱構造之部分，且前述塊部黏附於陽極之圓周側面上之部分的電極外徑較未設有前述散熱構造之部分的電極外徑小。
4. 一種電極製造方法，將如相較於構成放電燈用之電極材料的蒸發，以熔融為主的面積密度功率之雷射光照射至前述電極之表面，使構成前述電極之材料熔融並移動，於前述電極之表面形成具有由塊部及孔部所構成之凹凸狀表面之側面之散熱構造。
5. 如申請專利範圍第4項之電極製造方法，係使具有前述散熱構造之電極的重量與形成前述散熱構造前之電極的重量大略相等，前述散熱構造是將如相較於構成前述電極之材料蒸發而飛散，以熔融飛散而黏附之移動為主之面積密度功率的雷射光照射至前述電極之表面所形成。
6. 如申請專利範圍第4或5項之電極製造方法，係在形成前 述散熱構造後，以不會失去前述散熱構造的凹凸形狀為限，藉由將雷射光照射至前述散熱構造全體進行再加熱，將前述散熱構造之表面熔融並平滑化。
7. 如申請專利範圍第4或5項之電極製造方法，係藉由電解拋光將前述散熱構造之表面平滑化。