TWI437610B - High pressure discharge lamp - Google Patents

Description

高壓放電燈

本發明係關於高壓放電燈，尤其關於放電燈所使用之鎢電極之材料。

現在於液晶製造工程中之硬化及乾燥或是接合劑之硬化等多使用交流放電方式之高壓放電燈。該交流放電方式之高壓放電燈所使用之電極必須同時具備釋放電子之陰極特性，和難以消耗、變形之陽極特性。就以同時滿足該些特性之電極而言，所知的有含有氧化釷之鎢電極。(日本專利特開2007-179849公報)

該電極為自電極表面之深度為5nm之位置中釷(Th)之含有率為0.25~4.98AC%之鎢電極。在此，AC%(Atomic Concentrate %)係以百分比表示釷(Th)之原子數對含有存在於自電極表面深入5nm為止之範圍中的鎢(W)、釷(Th)之原子數，及釷(Th)氧化物之分子數等之所有原子數及分子數之合計。

含有上述氧化釷之鎢電極因具有氧化釷為低之功函數，故具有優良之陰極特性。即是，因具有低功函數，故可以以藉由低電壓釋放出電子，並且於將燈予以放電之時能夠長時間安定動作。如此一來，含有氧化釷之鎢電極因電子釋放性佳，且能夠以比較低之溫度釋放出電子，故電極之溫度不會上升，能夠壓制因氧化釷之蒸發所導致之放電管之黑化、白濁。

並且，氧化釷因在氧化物中持有最高融點，具有降低電極溫度之效果，故也具有良好之陽極特性。即是，因具有降低電極溫度之效果，故提高鎢之消耗、耐變形性。並且，氧化釷因持有高融點，故蒸發量少，與屬於放電管材料之石英玻璃難反應。因此，能夠抑制鎢之消耗、變形，並且能夠抑制放電管之黑化、白濁。

如此一來，上述含有氧化釷之鎢電極能夠同時高度具備陰極和陽極所要求之特性。因此，藉由使用高壓放電燈含有氧化釷之鎢電極，能夠抑制電極之消耗、變形及放電管之黑化、白濁等之現象等。

但是，因對上述專利文獻1所涉及之電極所使用之氧化釷為放射性物質，則有對環境造成壞影響之問題。

於是，本發明之目的係提供不用使用環境汙染物質，可以抑制電極之消耗、變形，可以抑制放電管之黑化、白濁之高壓放電燈。

藉由本發明之高壓放電燈，其特徵為具有由紫外線透過性之材料所構成，在至少封入稀有氣體之放電管，和在該放電管內之兩端，以各包含一端之方式而被設置之兩個放電電極，上述兩個放電電極之至少一方係由以鎢為基材，且在該基材含有將至少一種以上之稀土類元素之氧化物換算成稀土類元素之金屬單體量為0.5~5.0體積百分比之濃度的射極材料的放電電極所構成。再者，該含有量係藉由燈種類而決定最佳範圍。

再者，藉由本發明之高壓放電燈，其特徵為具有由紫外線透過性之材料所構成，在至少封入水銀及稀有氣體之放電管，和在該放電管內之兩端，以各包含一端之方式而被設置之兩個放電電極，上述兩個放電電極之至少一方係由以鎢為基材，且在該基材含有將至少一種以上之稀土類元素之氧化物換算成稀土類元素之金屬單體量為0.5~5.0體積百分比之濃度的射極材料的放電電極所構成。

以下針對本發明之高壓放電燈，參照圖面予以說明。

第1圖為沿著本發明之高壓放電燈之軸的剖面圖。第2圖為放大第1圖之高壓放電燈之重要部位之剖面圖。

在第1圖所示之高壓放電燈11中，氣密性容器12為紫外線透過性之石英製之發光管。在該氣密性容器12之兩端內部，如第1圖所示般，對向配置有線圈繞組電極13。該些線圈繞組電極13係各被支撐於氣密性容器12之兩端之外部的插槽14。

在氣密性容器12之內部封入有氬(Ar)氣體等之稀有氣體、水銀還有鐵、錫、鹵化水銀。鹵化水銀可以使用碘化水銀(HgI₂ )。於封入水銀、鐵、錫、碘化水銀之時，在波長358nm、365nm、378nm附近具有發光峰值。

再者，在氣密性容器12之內部即使封入有氬(Ar)氣體等之稀有氣體、水銀、鹵化鉈亦可。作為鹵化鉈即使使用碘化鉈(Tll)亦可。在該種高壓放電燈11中，在波長352nm、365nm、378nm附近，尤其在352nm、378nm附近具有較大發光峰值。並，亦可以採用溴化鉈來取代碘化鉈。

如第2圖所示般，線圈繞組電極13係由電極構件131、螺旋狀捲繞於該電極構件131之一端的線圈132所構成。該線圈132係被設置成用以藉由增加電極構件131之前端之表面積，來抑制電極構件131之溫度上升。電極構件131之另一端與電極箔133接合。電極構件131之另一端被連接於一端之電極箔133之另一端係在插槽14之內部，如第1圖所示般，被連接於外部導線15。

電極構件131係在鎢(W)含有射極材料。射極材料具有自電極構件131釋放出電子之能力，並且具有降低電極構件131之溫度的能力。該射極材料係由例如鑭(La)、銫(Ce)、銪(Eu)、鐠(Pr)中之任一種類之稀土類元素之氧化物所構成，換算成稀土類之金屬單體量含有0.5~5.0體積百分比之濃度。該濃度範圍藉由下述所示之兩種燈的實驗結果導出。於使高壓放電燈點燈之時，該高壓放電燈具備有含有該濃度範圍以外之濃度之射極材料之電極13，氣密性容器12則黑化或白濁。

並且，上述射極材料之濃度範圍於氣密性容器12之外徑φ為低於40mm之時，則以0.5~2.5體積百分比為佳。再者，氣密性容器12之外徑φ為40mm以上之時，則以0.5~5.0體積百分比為佳。

體積百分比可以藉由下式求出。

B={v_em /(v_w +v_em )}×100=[(m_em /ρ_em )/{(m_w /ρ_w )+(m_em /ρ_em )}]×100

在此，上述式的B表示體積百分比。v_w 表示鎢之體積，v_em 表示鎢含有之稀土類元素之體積。即是，體積百分比係指所含有之稀土類元素的體積對鎢的體積之比率。

該些體積v_w 、v_em 可以自各個的質量(m_w 、m_em )及密度(ρ_w 、ρ_em )求出。在此，電極構件131藉由鎢含有稀土類元素之氧化物，使鎢含有稀土類元素而形成。並且，上述稀土類元素之質量m_em 為由鎢含有之稀土類氧化物之質量所算出之質量。

使用以上所示之高壓放電燈11，執行以下之兩種實驗。

實驗1所使用之高壓放電燈11之氣密性容器12為外管徑φ為27.5mm，厚壁m為1.5mm，發光長度L為1000mm，燈電流值11.0A之規格。以額定電壓1150V、額定電流10.5A、額定電力12kW使該高電壓放電燈11額定點燈。然後，觀測500小時後之氣密性容器12之兩端之黑化、白濁狀態。將其結果表示於第3圖。

第3圖為按照每種射極材料，使用使鎢各含有不同濃度及不同平均粒度之射極材料的電極構件131，以5階段評估該些燈之黑化狀態、白濁狀態。在第3圖中，針對黑化、白濁之評估，數值越大表示特性越差。並且，以黑化狀態和白濁狀態之評估之和，表示黑化狀態和白濁狀態之總合評估，在第3圖中評估之和為4以下之時以○表示，為5之時以△表示，為6以上之時以×表示。

接著，實驗2所使用之高壓放電燈11之氣密性容器12為外管徑φ為84.0mm，厚壁m為1.5mm，發光長度L為1,490mm，燈電流值23.4A之規格。以額定電壓1,925V、額定電流23.4A、額定電力44kW使該高電壓放電燈11額定點燈。然後，觀測500小時後之氣密性容器12之兩端之黑化、白濁狀態。將其結果表示於第4圖。

第4圖係與第3圖相同，為按照每種射極材料，使用使鎢各含有不同濃度之射極材料的電極構件131，以5階段評估該些燈之黑化狀態、白濁狀態。在第4圖中，針對黑化、白濁之評估，數值越大表示特性越差。並且，以黑化狀態和白濁狀態之評估之和，表示黑化狀態和白濁狀態之總合評估，在第3圖中評估之和為4以下之時以○表示，為5之時以△表示，為6以上之時以×表示。

藉由第3圖、第4圖之結果，判明下述。

首先，總合評估為○之高壓放電燈11所使用之電極構件131之射極材料之含有量於實驗1之時，可知換算成稀土類元素單體之量為0.5~2.5體積百分比，實驗2之時換算成稀土類元素單體之量為0.5~5.0體積百分比之範圍。

在實驗1中，射極材料之濃度高於2.5體積百分比之時，或是在實驗2中，射極材料之濃度高於5.0體積百分比之時，氣密性容器12白濁。該係因為存在於電極構件131表面之射極材料變多，於點燈中射極材料飛散之故。依此，飛散之射極材料，附著於氣密性容器12之內面等，引起照度降低及因射極材料所導致之石英結晶化，有可能牽連到氣密性容器12之破損。

另外，在兩實驗中，於射極材料之濃度低於0.5體積百分比之時，氣密性容器12則黑化。該因電極構件131成為接近於純鎢之狀態，故來自電極構件1231之電子釋放性變差，點溫度變高之故。依此，促進電極構件131之惡化，並且蒸發鎢，使氣密性容器12黑化。

再者，在兩實驗中，可知被添加於總合評估為○之高壓放電燈11所使用之電極構件131之射極材料之平均粒徑低於3μm。在此，平均粒徑係使用沿著軸方向切斷放電電極131，將其剖面以雷射顯微鏡放大至1000倍之第5圖所示之畫像而求出。即是，平均粒徑為藉由測量第5圖所示之畫像內之任意的50μm之圓中所含之射極材料粒子之最大直徑(內圓角徑)，並將射極材料粒子之最大直徑之和除以射極材料粒子之個數而求出。

射極材料之平均粒徑為3μm以上之時，氣密性容器則黑化。該係因為射極材料之粒徑大，故射極材料之粒子難以在電極構件131之表面之結晶化的區域移動。其結果，因射極材料難以供給至電極構件131表面，故難以取得藉由含有射極材料而得到之效果。

即是，由上述實驗之結果，可知能夠抑制因電極構件131之放電所產生之消耗、變形，並且充分抑制氣密性容器12之黑化、白濁之射極材料之平均粒徑低於3μm。該平均粒徑越小越佳，更佳之範圍為1.5μm以下。

由上述可知，換算成稀土類元素單體之量為0.5~5.0體積百分比之濃度之稀土類氧化物，藉由使電極構件131含有平均粒徑低於3μm之射極材料，抑制電極構件131之放電所產生之消耗、變形，並且可以充分抑制氣密性容器12之黑化、白濁。

接著，針對上述之本實施型態所涉及之電極構件131之製造方法予以說明。製造方法雖然並不特別限定，但是可以以例如下述之方法予以製造。

首先，以規定量在磁製皿中混合使稀土類金屬之硝酸化物成為水溶液狀，和平均粒徑為2~3μm純度為99.95%以上之鎢粉末，予以乾燥。之後，在700~900℃之氫環境中使稀土類金屬之硝酸化物分解，使氧化物微細分散之同時，使鎢粉末還原。射極材料粉末即使為氧化物之形式，以球磨機與鎢粉混合亦可，但是於粗大射極材料粒子直接殘存於燒結體之時，其結果因為難以使本發明之射極材料粒子徑低於3μm，故粉末之製造方法以上述方法為佳。

接著，以模具壓製成縱15mm×橫15mm×長度650mm左右之大小，製作成特定大小之成形體。之後，在氫環境執行通電燒結，取得縱12.5mm×橫12.5mm×高度540mm左右之燒結體。

接著，藉由一面敲被加熱至1400~1700℃之燒結體，一面拉長，燒結體則被拉成細長。接著，將被拉成細長之燒結體研磨成直徑成為一定之同心圓狀。最後，藉由電解處理研磨被研磨成同心圓狀之燒結體之表面，形成電極構件131。

於形成電極構件131之後，對氣密性容器12，在1200~1400℃之氫環境下執行洗淨之後，在2000℃以下執行真空處理。然後，藉由將在電極構件131之前端具備有線圈132之線圈捲組電極13組裝至該氣密性容器12，則可以取得上述高壓放電燈11。

藉由使用以上所示之線圈繞組電極13，可以抑制電極構件131之消耗、變形，可以形成能夠抑制氣密性容器12之黑化、白濁之高壓放電燈11。

在此，當將上述電極構件131之前端之鎢結晶之長邊方向設為長軸(L)，將該電極之剖面方向設為短軸(W)之時，藉由將L/W設為3.0以上，則可以抑制電極構件131之消耗、變形，能夠抑制氣密性容器12之黑化、白濁。以下，針對該點予以說明。

電極構件131之前端為了成為放電之起點予以溶融，形成溶融層。在此，將溶融層於從電極構件131之前端朝向軸方向之長度設為M，將電極構件131之直徑設為D之時，M/D則為0.01以上0.5以下之範圍。該溶融層有被形成在放電之起點(點)之一部份之情形，或是被形成在涵蓋電極構件131之前端部分全體之情形。但是，即使於任一情形，當溶融層再結晶化時，鎢之結晶粒徑粗大化。該再結晶化之鎢結晶如第6圖A、第6圖B所示之顯微鏡照片所示般，以朝向軸方向長大為佳。該係因為藉由鎢結晶如第6圖A、第6圖B所示般長大，使電極構件131所含之射極材料容易在電極構件131表面移動之故。相反地，於第7圖A、第7圖B所示之顯微鏡照片般，於再結晶化之鎢結晶成為微細狀態之時，則難以使電極構件131內之射極材料在電極構件131表面移動。

該係如使第6圖A、第6圖B模式化之第8圖所示般，於長大之鎢結晶之時，因射極材料容易在鎢結晶之粒界移動，故電極構件131內之射極材料容易在電極構件131表面移動。

相反地，如使第7圖A、第7圖B模式化之第9圖所示般，於鎢結晶微細之時，因射極材料難以在鎢結晶之粒界移動，故電極構件131內之射極材料難以在其表面移動。

因此，被形成在該溶融層正下方之結晶之大小以將電極構件131之長邊方向設為長軸(L)，將電極構件131之剖面方向設為短軸(W)之時，L/W大為佳。具體而言，本案發明者確認出以3.0以上為佳，更佳為L/W之值為5.0以上。

再者，藉由上述電極構件131又含有0.001~0.01質量百分比之鋁(Al)、矽(Si)、鉀(K)中的至少一種類以上，可以提高電極構件131之耐變形性。以下，針對該點予以說明。

Al、Si、K為當作摻雜材料使用者，藉由上述電極構件131含有該些，可以提高電極構件131之耐變形性。本案發明者確認出該摻雜材料之含有量以含有0.001~0.01質量百分比之Al、Si、K中之任一種為佳，低於0.001質量百分比則無法充分取得藉由含有而所產生之效果，再者當高超過0.01質量百分比之時則在燒結性或加工性產生問題。

並且，藉由使電極構件131含上述各種摻雜材料，可以使鎢之結晶變為更大。因此，推斷促進電極構件131之內部之射極材料移動。

並且，含有如此摻雜材料之電極構件131之製造方法，除以規定量在磁製皿中混合將稀土類金屬之硝酸化物變為水溶液者，和以規定量摻雜Al、Si、K之鎢的粉末，和純水，並予以乾燥之外，其他與上述製造方法相同。

再者，藉由使用加工率為80%以上之電極構件131，可以更抑制電極構件131之消耗、變形，可抑制氣密性容器12之黑化、白濁。以下，針對該點予以說明。

上述加工率表示從燒結體加工成電極形狀之時之加工比率，當將燒結體之剖面積設為S1，將電極構件131之剖面積設為S2之時，則為[(S2-S1)/S1]×100(%)所示之量。該加工率為對射極材料之電極構件131中之分散，及生長在電極構件131之前端之結晶大小L/W造成影響。即是，當加工率越高，隨著從燒結體之狀態前進至電極形狀之加工，因在鎢矩陣中碎成細片，而微細分散，故射極材料容易供給至電極構件131表面。並且，加工率越高，藉由從燒結體之狀態朝電極形狀之加工等，電極構件131所負荷之熱能量增加，且該能量成為溶解之鎢之再結晶的驅動能量，故容易產生L/W之大結晶，射極材料容易供給至電極構件131之表面。因此，以使用加工率高之電極構件131為佳，具體而言以使用80%以上之電極構件131為佳。

如上述所示般，若藉由本發明之高壓放電燈11時，則可以抑制電極構件131之消耗、變形，可以抑制氣密性容器12之黑化、白濁。

以下，表示上述高壓放電燈11之具體實施例。

(實施例1)

實施例1所涉及之高壓放電燈11為在氣密性容器12之兩端具備有體積百分比為0.6%，平均粒徑為3μm之Ce₂ O₃ 之鎢製之電極構件131之鹵化物燈11。在容器12之內部封入Hg、Fe、Sn、HgI₂ 。並且，封入作為封入氣體之Ar。在該燈中，氣密性容器12由紫外線透過性高之石英管所構成，外徑φ為27.5mm，發光長度為1000mm之規格。

以額定電壓1,310V、額定電流12.2A、額定電力16kW使該鹵化物燈11額定點燈。然後，觀測500小時後之氣密性容器12之兩端之黑化、白濁狀態。其結果，抑制電極構件131之消耗、變形，也抑制氣密性容器12之黑化、白濁。

(實施例2)

實施例2所涉及之高壓放電燈11為在氣密性容器12之兩端具備有體積百分比為3.0%，平均粒徑為3μm之La₂ O₃ 之鎢製之電極構件131之鹵化物燈11。在容器12之內部封入Hg、TlI、NaI。並且，封入作為封入氣體之Ne-Ar混合氣體。在該燈中，氣密性容器12由光透過性高之石英管所構成，外徑φ為84mm，發光長度為1,430mm之規格。並且，氣密性容器12為被由大於該容器12之外徑的φ120mm所構成之外觀封裝之雙重構造。

以額定電壓1,925V、額定電流23.4A、額定電力44kW使該鹵化物燈11額定點燈。然後，觀測500小時後之氣密性容器12之兩端之黑化、白濁狀態。其結果，抑制電極構件131之消耗、變形，也抑制氣密性容器12之黑化、白濁。

以上，針對本發明之高壓放電燈11予以說明。惟本發明並不限定於上述各實施例。

例如，添加於電極構件131之射極材料即使含有2種類以上之稀土類之氧化物亦可。即使於此時，若含有稀土類元素單體之量之合計被包含在上述範圍時，則能夠取得相同效果。

再者，即使使用2種或3種摻雜材料之時，若其合計量在0.001~0.01質量百分比之範圍內時，則可以取得相同之效果。

再者，在上述氣密性容器12之內部，也包含稀有氣體、水銀、鹵化物中之任一者當作放電媒體。但是，本發明即使為在氣密性容器12之內含有當作放電媒體之稀有氣體及水銀或是稀有氣體及鹵化物之高壓放電燈11，亦可以適用。

再者，可知在上述交流放電方式之各高壓放電燈11中，藉由將射極材料之濃度及射極材料之平均粒徑限定成上述般，亦可以抑制黑化、白濁。該係因為藉由使用上述般之物質當作射極材料，可以抑制電極構件131之溫度上升之故。因此，在上述各高壓放電燈11中所表示之電極構件131亦能夠應用於直流放電方式之高壓放電燈之陰極。

11．．．高壓放電燈

12．．．氣密性容器

13．．．線圈繞組電極

14．．．插槽

15．．．外部導線

131．．．電極構件

132．．．線圈

133．．．電極箔

第1圖為沿著本發明之實施例所涉及之高壓放電燈之軸的剖面圖。

第2圖為放大第1圖所示之高壓放電燈之重要部位之剖面圖。

第3圖為表示藉由實驗1使第1圖所示之高壓放電燈點燈之時之射極材料之濃度及射極材料之粒徑，和氣密性容器之黑化、白濁之關係表。

第4圖為表示藉由實驗2使第1圖所示之高壓放電燈點燈之時之射極材料之濃度及射極材料之粒徑，和氣密性容器之黑化、白濁之關係表。

第5圖為沿著第1圖所示之高壓放電燈之電極構件的剖面之顯微鏡照片。

第6圖A為表示第1圖所示之高壓放電燈之電極構件之結晶狀態的顯微鏡照片。

第6圖B為表示第1圖所示之高壓放電燈之電極構件之結晶狀態的顯微鏡照片。

第7圖A為用以比較第6圖A之結晶狀態的顯微鏡照片。

第7圖B為用以比較第6圖B之結晶狀態的顯微鏡照片。

第8圖為簡化第6圖A、第6圖B所示之結晶狀態之圖式。

第9圖為簡化第7圖A、第7圖B所示之結晶狀態之圖式。

11．．．高壓放電燈

12．．．氣密性容器

13．．．線圈繞組電極

14．．．插槽

15．．．外部導線

131．．．電極構件

132．．．線圈

133．．．電極箔

Claims (8)

1. 一種高壓放電燈，其特徵為具有：由紫外線透過性之材料所構成，至少封入稀有氣體之放電管，和在該放電管內之兩端，以各含有一端之方式被設置的兩個放電電極：上述兩個放電電極之至少一方係以鎢為基材，且使該基材含有至少包含一種以上之稀土類元素之氧化物之射極材料的放電電極，上述射極材料之濃度換算成稀土類元素之金屬單體量為0.5~5.0體積百分比之濃度，上述射極材料之平均粒徑小於3μm，並且，含有上述射極材料之上述放電電極之前端之鎢結晶，係當將該電極之長邊方向設為長軸(L)，且將該電極之剖面方向設為短軸(W)之時之L/W為3.0以上。
2. 如申請專利範圍第1項所記載之高壓放電燈，其中，上述射極材料係由鑭(La)、銫(Ce)、銪(Eu)、鐠(Pr)之氧化物中之至少一種類以上所構成。
3. 如申請專利範圍第2項所記載之高壓放電燈，其中，上述射極材料又含有0.001~0.01質量百分比之鋁(Al)、矽(Si)、鉀(K)中的至少一種類。
4. 如申請專利範圍第1項所記載之高壓放電燈，其 中，在上述放電管內又含有鹵化金屬。
5. 一種高壓放電燈，其特徵為具有：由紫外線透過性之材料所構成，至少封入水銀及稀有氣體之放電管，和在該放電管內之兩端，以各含有一端之方式被設置的兩個放電電極：上述兩個放電電極之至少一方係以鎢為基材，且使該基材含有至少包含一種以上之稀土類元素之氧化物之射極材料的放電電極，上述射極材料之濃度換算成稀土類元素之金屬單體為0.5~5.0體積百分比之濃度，上述射極材料之平均粒徑小於3μm，並且，含有上述射極材料之上述放電電極之前端之鎢結晶，係當將該電極之長邊方向設為長軸(L)，且將該電極之剖面方向設為短軸(W)之時之L/W為3.0以上。
6. 如申請專利範圍第5項所記載之高壓放電燈，其中，上述射極材料係由鑭(La)、銫(Ce)、銪(Eu)、鐠(Pr)之氧化物中之至少一種類以上所構成。
7. 如申請專利範圍第6項所記載之高壓放電燈，其中，上述射極材料又含有0.001~0.01質量百分比之鋁(Al)、矽(Si)、鉀(K)中的至少一種類。
8. 如申請專利範圍第5項所記載之高壓放電燈，其中，在上述放電管內又含有鹵化金屬。