TWI438819B - Discharge lamp - Google Patents

Description

放電燈

本發明係關於放電燈。尤其是關於於陰極將釷(Th)作為射極而使用之放電燈。

先前，於液晶或半導體的曝光裝置，作為光源，使用高壓水銀燈，又，於映像機的光源，使用氙燈(xenon lamp)。該等放電燈係被要求點燈中電弧安定(電弧安定性)及可長時間維持一定的照度(長壽命性)。為了回應此種要求，燈的電極也需要具有良好點弧性及耐消耗性的材料，也就是說於使陰極的材料，使用使鎢(W)含有氧化釷(ThO₂ )之所謂釷鎢(ThO₂ -W，thoriated tungsten)(專利文獻1)。

然而，近年來，根據環境負荷的觀點，逐漸著目於對於如釷鎢之放射性物質的使用之限制。另一方面，作為放電燈，也需要前述電弧安定性與長壽命性。

[先前技術文獻]

[專利文獻]

[專利文獻1]日本特開昭42-27213號公報

此發明所欲解決之課題係提供抑制釷鎢的使用量之同時，具有良好電弧安定性與長壽命性的放電燈。

為了解決前述課題，關於此發明的放電燈，係於放電容器的內部具有陽極與陰極的構造中，其特徵為：陰極係由鎢填充率是90%以上的釷鎢部，與由連接於此釷鎢部之純鎢所成的本體部所構成；前述釷鎢部之側面積S_T 與前述陰極之側面積S的比例S_T /S是0.005以上0.15以下。但是，陰極的側面積S係設為自陰極之陽極側前端開始的長度為陰極最大徑的兩倍為止的範圍。

進而，特徵為前述釷鎢部與前述本體部係被擴散接合(diffusion bonding)。

關於本發明的放電燈係以採用釷鎢部之側面積S_T 與陰極之側面積S的面積比S_T /S是0.005以上0.15以下的陰極，可減低釷鎢的使用之同時，且以將釷鎢部的鎢填充率設為90%以上，使其具有優良電弧安定性與長壽命性者。

進而，關於本發明的放電燈係藉由擴散接合釷鎢部與本體部，可使釷鎢部所含有的氧化釷(Tho₂ )幾乎不還原而接合本體部。又，在擴散接合中，因為可利用低於鎢的熔點之溫度來進行接合，故可維持釷鎢部及本體部的組織，除了不影響陰極性能之外，還有在接合後也可切削加工的優點。

圖1係揭示關於本發明的放電燈之實施例。圖雖然在說明的便利性上針對放電容器1的發光部2僅揭示內部構造，但是，封止部3並未揭示內部構造。

放電燈係整體由石英玻璃製的放電容器1所成，由該略球狀的發光部2與連續於其兩端而形成之封止部3所構成。於發光部2的內部，陽極4與陰極5以延伸於放電容器1的管軸方向之方式配置，兩電極的前端經由數毫米的間隙而對向配置。又，於發光部2的內部空間係封入有發光物質或發光用氣體。例如，在身為液晶或半導體的曝光裝置之光源的高壓水銀燈之狀況中，作為水銀(Hg)及緩衝氣體，封入氙(Xe)氣體或氬(Ar)氣體。又，在身為放映機之光源的氙燈之狀況中，封入有氙氣。針對高壓水銀燈舉出一例時，水銀的封入量是1～70mg/cm³ ，氙氣的封入量是0.05～0.5MPa。陽極4係例如藉由鎢含有率是99.9重量%以上的純鎢來形成整體。關於陰極5係於後詳述。

於此種構造的放電燈中，例如20kV的高電壓被施加於電極之間時，於電極之間產生絕緣破壞，形成放電電弧而燈會點燈。在高壓水銀燈之狀況中，以包含波長365nm的i線及波長435nm的g線之光為主，放射線光譜的光，在氙燈之狀況中，放射從波長300nm至波長1100nm之連續光譜的光。

圖2係圖1所示之放電燈之陰極5的放大圖，特別表示於軸方向切斷之剖面構造。

陰極5係由從純鎢所成之本體部6，與設置於此本體部6之陽極側前端的釷鎢部7來構成整體。

本體部6係由鎢含有率99.9重量%以上的純鎢所成，朝向陽極側前端而漸漸變細之略圓錐台形狀的錐部61，與連接於此錐部61後端之略圓柱形狀的體部62一體形成。

釷鎢部7係以鎢(W)作為主成分，作為射極(易電子放射性材料)，含有氧化釷(ThO₂ )，亦即，釷鎢(ThO₂ -W)。具體來說，氧化釷的含有率是2重量%。又，釷鎢部7的形狀係整體為略圓錐台形狀，圓錐台的前端面係對向配置於陽極4的前端之同時，圓錐台的後端面係與本體部6之錐部61的前端面擴散接合。又，釷鎢部7的側面係具有如持續於本體部6之錐部61的側面傾斜之相同的傾斜，藉由本體部6的錐部61與釷鎢部7，作為整體，構成陰極前端的圓錐台形狀。

在此，對於陰極5而存在釷鎢部7的區域係形成放電電弧的區域或在其附近，直接受到電弧所致之加熱的影響之區域。為此，在燈點燈中，包含於釷鎢部7的氧化釷係被還原成釷原子，擴散於釷鎢部7的內部或外表面，移動至更前端方向。為此，釷鎢部7存在的區域即使在陰極整體中，僅限定於前端的一區域，也可經常將釷良好地供給給陰極5的前端。結果，可實現可縮小工作係數之同時，具有優良點弧性與耐消耗性者。

又，在燈點燈中，因為高溫而包含於釷鎢部7的釷也會蒸發。但是，釷係在電弧中游離成釷離子(Th⁺ )，因為本身的極性而被拉引至陰極方向。結果，因為釷會重複電弧中之蒸發、釷離子的游離、陰極5的回歸之循環，故亦可抑制釷的消耗。

另一方面，在先前技術中所說明之陰極5的狀況中，釷從陰極5的前端以外之區域也會蒸發，故發生多數尚未前進至電弧中的釷，前述游離並不能太過期待。然後，釷附著於放電容器1的內壁時會產生白濁，結果，遮蔽了放射光，導致照度降低而成為短壽命的原因。本發明係將釷鎢部7的存在區域限定於陰極5的前端部份之同時，進而，藉由後述之實驗，利用以規定相對於陰極整體之側面積的比例，降低無助於前述循環之釷的蒸發。

進而，如前述般，從陰極5蒸發之釷係成為釷離子而再次回歸陰極5。但是，陰極5的溫度過於上升時，釷原子會在放電空間中，附著於溫度較低之放電容器1的內表面，與身為構成放電容器1之材料的矽石(SiO₂ )產生反應而產生化合物(白濁)。本發明係為了解決此種問題，利用提升包含氧化釷之釷鎢部7的熱傳導性，抑制陰極前端的過剩溫度上升者。

具體來說，釷鎢部7係鎢填充率90%以上。尤其，於輸入電力值是1kW以上的放電燈中，除了前述白濁的發生，從耐較高之熱負荷的觀點來看亦有提升熱傳導率的必要。再者，嚴密上來說釷鎢部7也包含氧化釷，故不僅鎢的熱傳導率，也須考慮氧化釷的熱傳導率，但是，氧化釷的熱傳導率係相較於鎢單體的熱傳導率非常小，故可將鎢填充率作為釷鎢部7之熱傳導性的指標。本案發明的特徵為釷鎢部7的鎢填充率是90%以上，根據熱傳導率較高也稱為「高熱傳導釷鎢」。本案發明係利用不僅陰極5之釷鎢部7的比例(在側面積的比例)，更規定釷鎢部7的鎢填充率，而可達成電弧安定性與長壽命性者。所以，假設即使僅在陰極5的前端部設置釷鎢之構造已經存在，如果是鎢填充率較低者，也無法發揮所希望之熱傳導特性，結果，可能產生來自陰極前端之過剩釷的蒸發，與放電容器1之白濁的問題。

在此，鎢的填充率P係以「P=a(1-x)/19.3」表示。將構成釷鎢部7之釷鎢的密度(g/cm³ )設為a，將相對於氧化釷之釷的重量比設為x，將鎢的密度(g/cm³ )設為19.3。a(1-x)係每釷鎢的1cm³ 中鎢所佔之質量，將其除以鎢的密度19.3(g/cm³ )的填充率P係代表釷鎢中鎢所佔之體積的比例。如上述般，因為釷鎢之熱傳導幾乎都藉由鎢，故鎢所占之體積的比例，亦即，填充率P越大，釷鎢的熱傳導性越好。

接著，針對關於本發明之放電燈的陰極5之製造方法，說明其一例。

首先，本體部6係利用切削圓柱形狀之鎢的側部，形成錐部61。另一方面，釷鎢部7係將射極粉末(氧化釷的粉末)與鎢粉末的混合粉末放入金屬模，施壓而產生一次成形體，並燒結此一次成形體。此時，為了提升鎢的填充率，對於燒結材施加熱加工。具體來說，將被加熱成高溫的燒結材，以槌子進行型鍛(swage)。然後，於鎢填充率成為90%以上的狀態中，切削此燒結體而使其成為所希望之形狀(例如，圓錐形狀)。

接著，接合本體部6與釷鎢部7。首先，重疊貼合本體部6之錐部61的前端面與成為釷鎢部7的後端面，一邊從本體部6的下面與釷鎢部7的上面加壓，一邊通電加熱。具體來說，將接合溫度於絕對溫度(K)中設為材料的熔點之50～60%程度，將加壓力設為數十Pa程度之真空中的接合溫度之材料的屈服應力(yield stress)之20～40%程度。並將此狀態保持到0.2～0.3mm程度的縮小量為止而使其擴散接合。

所謂「擴散接合」係在面上重疊貼合金屬彼此，在未滿熔點的固相狀態下不會產生塑性變形之程度加熱‧加壓，使接合部的原子擴散的固相接合法。

在擴散接合中，加熱溫度是2000℃程度，如熔融接合般，不需要加熱至鎢的熔點(約3400℃)為止，故釷鎢部7所含有之氧化釷(Tho₂ )幾乎不會被還原。進而，因為可維持本體部6及釷鎢部7的組織，故不會對陰極性能造成不好影響。進而，因為陰極5的組織不會改變，在本體部6與釷鎢部7的接合後也可切削加工。

在此，關於陰極5，針對本體部6與釷鎢部7已被擴散接合之狀況，可利用確認兩者的接合面未熔融及鎢的結晶粒成長而接合來判斷。具體來說，利用顯微鏡等放大本體部6與釷鎢部7的接合面，如果存在有超過本體部6與釷鎢部7的連接處而成長之結晶粒的話，則可判斷兩者是被擴散接合者。

圖3係揭示關於本發明的放電燈之陰極構造，與圖1不同之構造。具體來說，圖1所示之陰極5係圓錐台形狀之釷鎢部7的後端面(底面)與由純鎢所構成之本體部6的前端面幾近以相同徑接合，但是，本實施例是釷鎢部70由圓柱形狀的體部710與前端部720所構成者，釷鎢部70的體部710嵌合於本體部60的凹部630。再者，釷鎢部70的前端係如圖所示，作為圓錐形狀亦可，作為圓錐台形狀亦可。

接著，針對本發明的效果加以說明。

[實驗例1]

針對圖1所示之構造的本發明相關之放電燈，使釷鎢部之側面積S_T 與陰極之側面積S的面積比例S_T /S變化而測定照度維持率。又，作為比較用燈，使用陰極整體由釷鎢所構成之放電燈，相同地測定照度維持率。照度維持率係使燈連續點燈，對於初始照度，測定出降低至50%為止的壽命時間。再者，實驗所使用的燈係僅改變相對於陰極的釷鎢部之體積者，陰極的整體形狀與體積相同。又，陰極以外的構造也全部相同。

實驗的結果，釷鎢部之側面積S_T 與陰極之側面積S的面積比S_T /S超過0.15時，則壽命與比較用燈幾近相同。另一方面，釷鎢部之側面積S_T 與陰極之側面積S的面積比S_T /S是0.15以下時，則可得到關於本發明的放電燈之壽命比比較用燈長的結果。

進而，比例S_T /S小於0.005時，則電弧會極端地不安定。此理由因釷較少。

結果，可確認於釷鎢部之側面積S_T 與陰極之側面積S的面積比S_T /S在0.005~0.15的範圍中，至少有比先前的放電燈在壽命特性及電弧安定性上更有效果。

在此，關於本發明的規定，本質上，如釷鎢部的側面積與陰極的側面積，可利用側面的面積來評估。但是，伴隨點燈時間的經過，釷鎢部的前端形狀會變形而使側面與前端面的邊際不明，故關於本發明之釷鎢部的側面積，也包含前端面積。

再者，前述雖然是針對氙燈進行實驗者，但是，也針對高壓水銀燈進行相同的實驗時，關於高壓水銀燈，在釷鎢部之側面積S_T 與陰極之側面積S的面積比S_T /S是0.005~0.15時，相較於先前的放電燈在壽命改善效果及電弧安定性上也可確認相同效果，亦即，陰極整體相較於釷鎢的燈在壽命改善效果及電弧安定性上可確認相同效果。

再者，關於先前的放電燈，以僅在短時間點燈之新的放電燈，與長時間點燈後之末期品的放電燈為對象，使用X光能量分散式分析儀(energy dispersive X-ray analyzer)，分別觀察陰極表面的釷濃度。結果，可確認後者的放電燈在陰極之體部直徑的兩倍程度之長度為止，釷濃度會 減少，亦即，釷蒸發之狀況於兩倍以上的長度中，釷濃度幾乎與新的放電燈沒有不同。據此，陰極之釷的蒸發係可確認在陰極體部直徑的兩倍為止之區域中發生。亦即，也代表關於面積比S_T /S，陰極之側面積S應將陰極之體部徑的兩倍為止之長度設為限度。

1‧‧‧放電容器

2‧‧‧發光部

3‧‧‧封止部

4‧‧‧陽極

5‧‧‧陰極

6‧‧‧本體部

61‧‧‧錐部

62‧‧‧體部

7‧‧‧釷鎢部

[圖1]揭示放電燈之構成的說明用剖面圖。

[圖2]於軸方向切斷放電燈之陰極的放大剖面圖。

[圖3]於軸方向切斷放電燈之陰極的放大剖面圖。

5．．．陰極

6．．．本體部

61．．．錐部

62．．．體部

7．．．釷鎢部

Claims (2)

1. 一種放電燈，係於放電容器的內部具有陽極與陰極的放電燈，其特徵為：前述陰極，係由鎢填充率是90%，且作為射極而含有釷的釷氧鎢所成的釷鎢部，與由連接於此釷鎢部之純鎢所成的本體部所構成；前述釷鎢部之側面積S_T 與前述陰極之側面積S的比例S_T /S是0.005以上0.15以下；但是，陰極的側面積S的範圍係設為(自陰極之陽極側前端開始的長度)為(陰極最大直徑的兩倍為止)所換算的範圍。
2. 如申請專利範圍第1項所記載之放電燈，其中，前述釷鎢部與前述本體部係被擴散接合。