TWI459431B - Short arc discharge lamp - Google Patents

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TWI459431B TW099118386A TW99118386A TWI459431B TW I459431 B TWI459431 B TW I459431B TW 099118386 A TW099118386 A TW 099118386A TW 99118386 A TW99118386 A TW 99118386A TW I459431 B TWI459431 B TW I459431B
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Mitsugu Nakajima
Go Yamada
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Ushio Electric Inc
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Description

短弧型放電燈
本發明是關於短弧型放電燈，特別是有關：適用於半導體或液晶的製造領域等的曝光用光源或放映機的背光用光源的短弧型放電燈。
短弧型放電燈，由於被相對向配置於發光管內的一對電極之前端距離短且靠近點光源，故藉由與光學系的組合，作為「曝光裝置用或放映機的背光用」之光源而利用。
日本特開平10-188890號公報是揭示習知的短弧型放電燈。
第4圖中顯示該習知的短弧型放電燈，短弧型放電燈1的發光管10是具備：位於中央且被形成略球狀的發光部11、和其兩端的封止部12。於發光管10內，將由鎢等所構成的陰極21和陽極31如互相面對面般地相對向配置，且於內部的發光空間S中封入水銀、氙等的發光物質。
被連接設置於上述陰極21及陽極31的電極軸22、32是經由未圖示的金屬箔而封止在封止部12。
而且近年來，關於在半導體或液晶面板的製造步驟上所使用的上述短弧型放電燈，如日本特開2000-181075號公報所見，為了省電力化，並非經常以固定的電力來點燈，而是採用所謂「僅在曝光時以額定電力來點燈(一般性點燈)，在基板移動等的待機時，以小於前述額定電力之最小限度的電力來點燈(待機點燈)」的點燈方式(以下稱為「完全/待機點燈」)。
例如，反覆地在曝光時以額定電力點燈0.1～10秒，在待機時以小於額定電力的待機電力點燈0.1～100秒。
但是，在「燈的點亮/熄滅時、或上述的完全/待機點燈時」之輸入電力的變動時等的期間，由於從電弧往陽極流入的熱流束變化，故陽極溫度變化，且於陽極發生內部應力。
此時，如第5(A)、(B)圖所示，面對電弧的陽極前端面的中央部50是溫度變化最大的部分，因此熱膨脹也變大。相對於此，該中央部50的周邊環狀部51溫度變化小於前述中央部50，其熱膨脹亦小。
因此，中央部50是由於該熱膨脹，而從其周邊環狀部51承受壓縮應力，結果從前端面突出而變形。
這樣的突出為：於額定點燈時即便在陽極前端的溫度已經穩定後也不會完全地恢復原本的形狀而殘留下來的。除此之外，特別是在完全/待機點燈時，由於這樣的變形反覆產生，使突出被累積而肥大化。
於是，成為放電集中於已肥大化的突出部，使該突出部異常過熱，電極物質蒸發且附著於發光管內壁，該發光管內壁完全黑化，而有引起照度快速下降的問題。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開平10-188890號公報
[專利文獻2]日本特開2000-181075號公報
本發明所欲解決的課題為：鑑於上述習知技術的問題點，特別針對採用完全/待機點燈方式的短弧型放電燈，提供一種具有陽極構造的短弧型放電燈，該陽極構造能緩和在陽極前端產生的熱應力，防止陽極前端的中央部分變形，且防止黑化。
為了解決上述課題，本發明的短弧型放電燈，其特徵為：於前述陽極的前端面形成凹陷處，並將採用與該陽極相同材料所構成的插入體插入於該凹陷處，使該插入體的後端部和前述凹陷處之間形成空間。
又，前述空間是至少一部份存在於陽極前端起熱擴散長度的範圍內。
再者，前述空間是：在以L作為從陽極前端面到空間的距離，且以S作為位在垂直於電極軸的截面上之空間的最大截面面積時，位在S≦πL2 的範圍。
根據本發明的短弧型放電燈，因為將「採用與前述陽極相同材料所構成」的插入體插入形成於陽極的前端凹陷處，使該插入體的後端部和前述凹陷處之間形成空間，故特別在完全/待機點燈時等的期間，即使陽極前端部的溫度變化，其熱變化也會因空間的存在而不會直接直線地往後方傳送，又，以該空間作為容許插入體熱膨脹/收縮的應變之釋放區域而作用，而抑制陽極前端，也就是插入體如突出般地變形。其結果，可防止發光管隨著電極的蒸發而黑化，且可防止照度維持率的下降。
第1圖為顯示第1實施形態，其中(A)為裝入的局部剖面圖，(B)為裝入步驟的說明圖。
圖中，在由鎢等所構成的陽極3之前端，形成朝該前端面3A開口的凹陷處4。然後，於該凹陷處4，將「採用與陽極3相同材料所構成」的插入體5以押入之類的方式插入，使其前端面與前述陽極3的前端面3A成為相同平面。
在被以上述方式所插入的該插入體5的後端部與凹陷處4之間，形成空間6。
於第1(A)圖中，在前述凹陷處4內所形成的空間6的位置L形成：其至少一部份位在前端面3A起熱擴散長度的範圍內。
而且，所謂的熱擴散長度是指：當交流地被賦予的熱(溫度)擴散在物質中時，用來表示其波長殘留到哪的指標，可由以下式表示。
L=(α/f)
L：熱擴散長度(m)
α：熱擴散率(m2 /s)
f：反覆頻率(Hz)
在此，熱擴散率α的定義如下。
α=k/(ρ×Cp)
k：熱傳達率　120(J/s‧m‧K)　※鎢W的情況
ρ：密度　19.1×103 (kg/m3 )　※W的情況
Cp：比熱　134.4(J/kg‧K)　※W的情況
在此，若舉一例表示：陽極3由鎢(W)所構成
當反覆頻率為f=1(Hz)時，則L=6.84mm
f=1000(Hz)時，則L=0.216mm。
來自於陽極3前端的熱，在已超出上述範圍時，只表示直流性的熱效果，並不表示該區域中周期性的溫度變化。也就是，換言之，在藉由完全/待機點燈而受到周期性的溫度變動的區域內，與其他區域相比，較容易累積熱應變，其結果為，電極發生不可逆的變形。
然而，因已形成於陽極內之空間的存在，而使從陽極前端往後方的熱傳導受到阻礙，使較該空間更後方的區域難以產生溫差且溫度成為大致均等之故，使得隨著熱膨脹差而產生的熱應變變小。
另一方面，雖然在陽極前端產生熱膨脹，但因以上述空間本體作為容許在電極內部自由地膨脹收縮的應變之釋放區域而作用，故可抑制結果性的電極之變形。
換句話說，雖然因為因應在電極前端的熱膨脹而發生壓縮應力，但該壓縮應力被釋放於空間周圍，故可抑制朝向電極前端的變形。
但是，另一方面，若前述空間過大，則從電極前端朝後端部熱傳導的截面面積會變小，且電極前端附近的溫度會上升，故會促進電極材料的蒸發，其結果，將導致照度維持率下降。
因此，前述空間6的大小為：其橫截面面積，也就是以S作為在垂直於電極軸上截面之最大截面面積時，以滿足S≦πL2 的關係而形成為佳。
第2圖為顯示第2實施形態的局部剖面圖，其中(A)為裝入的剖面圖，(B)為裝入步驟的說明圖。
於該實施形態中，凹陷處4是由兩個開口4A、4B所構成。第1開口4A是與插入體5大約相同半徑，於第1開口4A深處形成較其更小半徑的第2開口4B。
插入體5被押入第1開口4A，並由第2開口4B決定其押入深度。接著，該第2開口4B形成空間6。
第3圖為顯示第3實施形態的局部剖面圖，其中(A)為裝入的剖面圖，(B)為裝入步驟的說明圖。
於此實施形態中，於插入體5的後端突出形成環狀的肋(rib)5A，於後端面形成圓形的凹陷部5B。當該插入體5被押入凹陷處4時，環狀肋5A抵接於凹陷處4的底面，前述凹陷部5B形成空間6。
根據上述第2圖及第3圖所示的二個實施形態，將插入體5插入於凹陷處4時，抵接於該凹陷處4的底部而自動地形成空間6。
為了比較本發明與習知的陽極，進行關於以實施例1為基準的照度維持率之點燈試驗。
實驗中所用的燈為：封入水銀量2mg/cc、Ar約3.5大氣壓、陽極(鎢)的尺寸為直徑：29mm、全長：50mm、前端半徑：10mm。陰極為直徑：12mm、傾斜角：60度、前端徑：1mm，點燈前的極間距：6.5mm。
然後，為了這項實驗準備3種類的陽極，其中，本發明的陽極，是於上述陽極的前端面形成直徑3.5mm、深度10mm的凹陷處4，於該凹陷處4押入直徑3.5mm、厚度8mm的插入體5。其結果為，於插入體5和凹陷處4的底部之間形成高度2mm的空間6。
又，準備一種陽極作為比較品，該陽極為：將上述插入體厚度做成與凹陷處的深度相同，並將其押入於該凹陷處內，且無空間。進而，習知品為準備一種沒有上述構造的陽極。
分別對上述的放電燈進行加速試驗，該加速試驗為：每隔1秒(0.5Hz)交互轉換點燈電流50A和140A，也就是所謂的作用激烈的輸入變調幅度的周期性熱負荷，評估在短時間(100小時)的照度維持率。而且，照度維持率是：以「在相同的點燈條件下的點燈開始時的波長365nm(i線)」的紫外線照度作為基準，計算出100小時後的 照度維持率。
於表1表示上述的試驗結果。
從表1可得知，習知品為：陽極的前端中央部劇烈地鼓出變形，且其前端已經熔化。因有破裂的危險，故點燈試驗在中途停止。該時點下的照度維持率為52%。
比較品為：已押入的插入體鼓出變形，且其前端部隆起，照度維持率為65%。
相對於上述兩者，本發明品是形成於前端中央部的插入體的變形小，且照度維持率也為85%而為良好。
如以上說明，由於本發明的短弧型放電燈，在形成於陽極的前端的凹陷處內，插入採用與陽極相同材料所構成的插入體，且使該插入體的後端部和前述凹陷處的底部之間形成空間，故特別是即使在採用完全/待機點燈方式的情況下，使陽極前端的中央部周期性地加熱時，藉由使其 熱應變釋放於前述空間，而不會朝向前端局部性地突出變形，且達到：可抑制因陽極材料的蒸發而黑化以及隨黑化而來的照度下降之效果。
3‧‧‧陽極
3A‧‧‧前端面
4‧‧‧凹陷處
5‧‧‧插入體
6‧‧‧空間
L‧‧‧空間6的前端面3A起的距離
S‧‧‧空間6的截面面積
[第1圖]有關本發明的短弧型放電燈的陽極之前端部的局部剖面圖。
[第2圖]其他實施形態的局部剖面圖。
[第3圖]另一種實施形態的局部剖面圖。
[第4圖]習知技術的整體圖。
[第5圖]第4圖的重要部分說明圖。
3．．．陽極
3A．．．前端面
4．．．凹陷處
5．．．插入體
6．．．空間
L．．．空間6的前端面3A起的距離
S．．．空間6的截面面積

Claims (2)

  1. 一種短弧型放電燈，是在發光管內相對向配置有一對的陰極與陽極所形成的短弧型放電燈，其特徵為：於前述陽極的前端面形成凹陷處，並將採用與該陽極相同材料所構成的插入體插入於該凹陷處，使該插入體的後端部和前述凹陷處之間形成空間，前述空間，在以L作為從陽極前端面到空間的距離，且以S作為在垂直於電極軸的截面上之空間的最大截面面積時，是位在S≦π L2 的範圍。
  2. 如申請專利範圍第1項所記載的短弧型放電燈，其中前述空間，其至少一部份是存在於陽極前端起熱擴散長度的範圍內。
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