TWI453784B - Short arc discharge lamp - Google Patents

Description

短弧型放電燈

本發明係關於短弧型放電燈者，尤其，關於於陰極之前端設置射極部的短弧型放電燈。

先前，短弧型放電燈係根據電極間距離較短，又，較接近點光源，藉由與光學系組合而利用來作為聚光效率較高之曝光裝置的光源。又，封入氙的短弧型放電燈，係於放映機等中作為可視光光源而被使用，近年來，也作為數位電影用光源而被重用。

於相關之短弧型放電燈中，公知有於陰極設置射極材，提升電子放射特性者。

然而近來，根據稀少資源的節約之觀點，作為射極材之釷的使用有其限制，被要求迴避其大量使用。除此之外，也有釷為放射性物質，根據法律規制，其處理被限制之情況。

考慮此種情況，開發各種使陰極之前端部含有氧化釷之構造的放電燈。

於專利文獻1(日本特表2010-33825號公報)，揭示具有僅使前端部分含有射極材之陰極構造的放電燈，於圖3揭示此專利文獻1所記載之陰極構造。

陰極10係由由純度較高之鎢所構成的陰極本體部11和與其一體形成之射極部12所構成。射極部12係於鎢中 作為射極材而具有稀土族化合物。

然後，陰極10係利用使包含稀土族化合物的鎢粉末與純粹之鎢粉末層積於成形型中之狀態下進行填充，並一邊加壓該成形型一邊進行燒結來生成。亦即，本體部11與射極部12為一體燒結。

在此，射極部12係期待射極材擴散於鎢的晶粒界，被輸送至陰極的前端為止。為此，於製造過程中，必須避開過度燒結。因為燒結的程度越強，則鎢的晶粒越大，會妨礙射極材輸送至陰極前端。

然而，先前的短弧型放電燈係雖然在射極物質的供給上有效，但是，伴隨點燈時間的經過而陰極會收縮，為此，有陰極點(cathode spot)的位置會大幅變化之問題。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本特開2010-33825號公報

本發明所欲解決之課題係提供陰極點的位置不因點燈時間的經過而變化之短弧型放電燈。

為了解決前述課題，關於本發明的短弧型放電燈，係 於發光管的內部對向配置陰極與陽極，前述陰極是由鎢所成之本體部與接合於該本體部之前端的由釷氧鎢所成之射極部所構成，其特徵為：前述陰極的本體部之孔洞率比射極部之孔洞率還小。

又，特徵為前述陰極的本體部之鎢的晶粒粒徑比射極部之鎢的晶粒粒徑還大。

依據前述構造，因為由鎢所構成之本體部的孔洞率，比由釷氧鎢所構成之射極部的孔洞率還小，故可減少伴隨點燈時間的經過之陰極的收縮。

又，因為構成陰極之本體部的鎢之晶粒，比構成射極部之鎢的晶粒還大，故同樣地，可減少伴隨點燈時間的經過之陰極的收縮。

結果，陰極前端位置的後退變小，可減少陰極點之位置的變化，發揮可實現抑制了起因於將燈與光學系組合時之聚光效率的降低之照度降低的長壽命之燈的效果。

圖1係揭示本發明的短弧型放電燈。於發光管1的內部對向配置由鎢所成之陽極2與陰極3，陽極2與陰極3分別被保持於芯棒。於發光管1的內部空間，封入有水銀或氙等的發光物質。再者，放電燈有垂直點燈之狀況也有水平點燈之狀況。

圖2係揭示陰極3的放大構造。陰極3係由鎢所成之本體部31與接合於其前端之射極部32所構成。本體部31與射極部32的接合係擴散接合為佳。在此，所謂擴散接合係指以面重疊對合金屬彼此，在未滿該金屬的熔點之固相狀態下以不產生塑性變形之程度來進行加熱‧加壓，使接合面的原子擴散之固相接合。然後，擴散接合的加熱溫度為2000℃程度，不需要如熔融接合般加熱至鎢的熔點(約3400℃)為止，故可維持本體部及射極部的金屬組織，不會對陰極性能造成不良影響。進而，因陰極的金屬組織不變，故具有本體部31與射極部32的接合後也可進行切削加工的優點。

本體部31係例如由純度為99.99重量%以上的純鎢所構成，另一方面，射極部32係以於主要成份的鎢，作為射極物質而含有氧化釷(ThO₂ )的所謂釷氧鎢(以下也稱為釷鎢)所構成。射極部32之氧化釷的含有量係例如為2wt%。

然後，氧化釷係藉由燈點燈中成為高溫而還原，成為釷原子而擴散於陰極外表面，移動至溫度較高的前端側。藉此，實現減少工作係數而具有優良電子放射特性者。

在此，構成射極部32之釷氧鎢的孔洞率係例如1.3%，構成本體部31之純鎢的孔洞率係例如0.5%。

於本發明中孔洞率P係藉由以下計算式界定。

P=1-((a(1-x)/19.3)+(ax/9.86))

但是，a為材料的密度(g/cm³ )，x為氧化釷的重量比，19.3(g/cm³ )為鎢的密度，9.86(g/cm³ )為氧化釷的密度。針對前述計算式，說明密度為a(g/cm³ )的材料1cm³ 。其中，鎢所佔之體積為a(1-x)/19.3cm³ ，氧化釷所佔之體積為ax/9.86cm³ ，故除了該等之外之值係材料1cm³ 中孔洞所佔之體積，亦即表示孔洞率。再者，即使作為不純物而混入氧化釷以外的物質，因為過於微量，可無視。

舉出一例的話，陰極的射極部所使用之釷氧鎢係密度為18.7g/cm³ ，氧化釷的重量比為2%，孔洞率為約1.3%。另一方面，本體部所使用之純鎢係密度為19.2g/cm³ ，氧化釷的重量比為0，孔洞率為約0.5%。

如此，藉由使本體部的孔洞率比射極部的孔洞率還小，可減少伴隨點燈時間的經過之本體部的收縮，可減低作為陰極整體的收縮。此係因為原本本體部的收縮現象是利用鎢輸送至存在於本體部之孔洞來填埋空孔，本體部的體積變小的現象。另一方面，無法降低包含射極部之整體的孔洞率。因為，對於為了降低孔洞率來說，需要藉由增加燒結時間等來增強燒結，但是，如此一來同時鎢的晶粒變大，釷之供給路徑的晶粒界之面積減少的結果，阻礙了對陰極前端的釷之供給。然後，本案發明係將至今為止一體燒結之本體部與射極部，分別一邊調整孔洞率一邊分開燒結，之後，擴散接合兩者。

進而，可使構成本體部之純鎢的平均粒徑，比構成射極部32之鎢的平均粒徑還大。具體來說，構成射極部之 鎢的平均粒徑為20μm，構成本體部31之純鎢的平均粒徑為100μm。

在此，鎢的晶粒粒徑係可利用依據JIS H 0501之切斷法來測定，具體來說，計算藉由所定長度的直線線斷所完全切斷之晶粒粒數，將其切斷長度的平均值設為晶粒粒徑。

如此，使陰極的本體部之鎢的晶粒大於射極部之鎢的晶粒的話，可抑制對本體部之鎢的空洞之輸送，結果，可減低本體部的收縮。此係鎢的輸送主要經由鎢的晶粒界所發生與鎢的晶粒越大則晶粒界的總面積越小所致。

如上所述，依據本發明的陰極，因為可減少伴隨點燈時間的經過之前述陰極本體部的收縮，故可抑制燈的照度降低。

在此，說明關於本發明之陰極的製造方法之一例。

準備直徑10mm、厚度5mm的釷鎢，與直徑10mm、厚度20mm的純鎢。但是，釷鎢使用氧化釷的含有量為2重量%，密度為18.7g/cm³ ，孔洞率為約1.3%，純鎢使用密度為19.2g/cm³ ，孔洞率為約0.5%者。或者，釷鎢係鎢的晶粒粒徑為約20μm，純鎢係鎢的晶粒粒徑為約100μm者亦可。接著，對合釷鎢與純鎢的接合面，在真空中對軸方向施加2.5kN程度的壓縮力。然後，藉由通電加熱來使接合部的溫度成為約2000℃，以5分鐘程度使釷鎢與純鎢擴散接合。

接著，針對關於本案的實驗結果進行說明。

作為本發明的陰極，使含有2重量%的氧化釷，且孔洞率為約1.3%的射極部，與孔洞率為約0.5%的由純鎢所構成之本體部擴散接合，藉由切削加工，製作全長為18mm、最大徑為10mm、射極部的長度為1mm、陰極前端徑為0.6mm、陰極前端角為60°的陰極，並製作使用其作為陰極的4kW氙氣短弧燈。

為了比較，藉由先前技術，製作使射極部含有2重量%的氧化釷，陰極本體部由純鎢所構成之一體燒結型的陰極，並製作使用其之4kW氙氣短弧燈。在此，射極部之長度等的陰極尺寸及燈的規格係與前述之本發明的狀況相同。但是，射極部與本體部之孔洞率皆約1.3%。

將該等燈設為額定電力的4kW，在點燈500小時後之陰極的收縮長度係本發明的陰極為0.39mm，先前技術的陰極為0.5mm，可知減低了陰極的收縮。

如上所述，依據本發明，因為可減低伴隨點燈時間的經過之陰極的收縮，故可抑制起因於陰極點之位置的變化之燈的照度降低。

1‧‧‧短弧型放電燈

2‧‧‧陽極

3‧‧‧陰極

10‧‧‧陰極

11‧‧‧陰極本體部

12‧‧‧射極部

31‧‧‧本體部

32‧‧‧射極部

[圖1]揭示關於本發明的短弧型放電燈。

[圖2]揭示關於本發明的陰極構造。

[圖3]揭示先前之放電燈的陰極構造。

1‧‧‧短弧型放電燈

2‧‧‧陽極

3‧‧‧陰極

Claims (2)

1. 一種短弧型放電燈，係於發光管的內部對向配置陰極與陽極，前述陰極是由鎢所成之本體部，與接合於該本體部之前端的由釷氧鎢所成之射極部，所構成的短弧型放電燈，其特徵為：前述陰極的本體部之孔洞率比射極部的孔洞率還小。
2. 一種短弧型放電燈，係於發光管的內部對向配置陰極與陽極，前述陰極是由鎢所成之本體部，與接合於該本體部之前端的由釷氧鎢所成之射極部，所構成的短弧型放電燈，其特徵為：前述陰極的本體部之鎢的晶粒粒徑比射極部之鎢的晶粒粒徑還大。