TWI489518B - Short arc discharge lamp - Google Patents

Description

短弧型放電燈

本發明係關於在陰極埋設射極材的短弧型放電燈者，尤其，關於適用於半導體及液晶的製造分野等之曝光用光源，或放映機及數位電影等之投影機用光源的短弧型放電燈者。

封入水銀的短弧型放電燈，係根據對向配置於發光管內之一對的電極之前端距離較短且接近點光源，藉由與光學系組合，利用作為集光效率較高之曝光裝置的光源。又，封入氙的短弧型燈，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。

於專利文獻1(日本特表2009-537961號公報)揭示有先前之短弧型放電燈的構造及其陰極構造，圖5係揭示此短弧型放電燈之整體構造的概略圖。

短弧型放電燈1係具有例如由石英玻璃所成的發光管10，該發光管10係具備略球狀的發光部11與其兩端的封止部12、12。於形成在發光部11內部之放電空間S係封入水銀、氙等之發光物質，並且對向配置有由鎢等所成之一對的陰極20與陽極30。

作為前述構造的短弧型放電燈之陰極構造，於同公報係揭示於由鎢所成之陰極的前端，埋設有射極材者。

於圖6揭示其構造，於陰極20的前端埋設有射極材21。陰極20係於前端部形成錐部22，其直徑以越接近前端側越小之方式形成。然後，前述射極材21係於該錐部22中露出，形成露出部23。然後，陰極20及射極材21的前端部24係為平坦面，該射極材21與陰極20係其軸心一致。

但是，作為前述之射極材21，一般使用釷或氧化釷，或者使用氧化鑭或氧化鈰等之稀土族氧化物、硼化鑭等之稀土族硼化物。

通常，於此種具有埋設射極材之陰極構造的燈中，在點燈時，因為電弧A形成於射極材21的前端露出之區域23中，故於為了謀求光量的增加而提升輸入電力的燈中，為了增大電弧而將射極材作為大直徑者，必須增加其露出區域。

然而，使射極材大型化係從釷及稀土族元素之稀少資源的節約觀點來說並不理想，除此之外，於射極材使用釷者，該釷為放射性物質，依據法規被限制其處理使用方式，又，作為釷的代替射極而使用稀土族元素時，因為該稀土族元素相較於釷，蒸氣壓較高，故伴隨大型化，射極的蒸發會更激烈，也有發光管亦變白濁之問題。

如此，關於應對應燈之高輸入而使射極材大型化，有各種制約而難以實現。

又，最近，為了因應照射對象物而使光量變化，被要求有在相同燈中使輸入電力可變的燈。

於此種輸入可變的燈中，配合在低輸入的點燈而決定射極材的大小的話，在以高輸入點燈時，有在陰極前端中電弧無法充分擴散而電流密度過大，陰極前端會熔融之缺點。又，另一方面，設為配合高輸入點燈之射極材的大小的話，在低輸入點燈時，射極材會成為不必要之過大使用狀態，從上述節省資源的觀點來說也難謂為理想狀態。

〔先前技術文獻〕 〔專利文獻〕

〔專利文獻1〕日本特表2009-537961號公報

此發明所欲解決之課題，係有鑒於前述先前技術的問題點，提供具有於前端埋設射極材之陰極構造的短弧型放電燈中，具有即使限制射極材的使用量，也可具有與先前相同的電弧產生功能，或即使與先前同等之射極材的使用量，也可達成更高輸入化之陰極構造的短弧型放電燈。

為了解決前述課題，關於此發明的短弧型放電燈，特徵為：陰極係於前端具有縮徑部，前述射極材係具有於該縮徑部中露出的露出部，從陰極中心到該射極材之露出部的周邊部為止之半徑方向的距離在圓周方向不同。

又，特徵為：前述射極材係圓柱狀，其中心軸與陰極的中心軸偏心。

依據此發明的短弧型放電燈，因為在陰極的縮徑部之射極材的露出部之周邊部，其半徑方向的距離在圓周方向中不同，在半徑方向中在較短處露出之部份，因為接近陰極前端，而成為高溫，擴散作用變得活躍，使該射極材廣泛表面擴散到不存在射極材之處為止，故有如射極材埋設至該剛擴散處為止般作用，具有較大電弧擴散。藉此，可發揮即使射極材的使用量與先前之圓柱形狀者同等，也可取得較大之電子放射功能的效果。

換句話說，對於為了取得同等電弧大小形狀來說，可發揮可利用比先前還少之射極使用量來達成的效果。

圖1係第1實施例的說明圖，(A)係剖面圖，(B)係俯視圖。

圖中，於陰極2的前端係埋設有圓柱狀的射極材3。陰極2的前端係形成越接近前端側越小之錐狀的縮徑部4，前述射極材5係於該縮徑部4中露出。然後，前述射極材3係由圖1(B)可知其中心軸與陰極2的中心軸偏心。

因此，從陰極2的中心軸2a到射極材3之露出部5的周邊部6為止之半徑方向的長度L，係於圓周方向中分別不同。

再者，雖已揭示陰極2的縮徑部4為錐狀，但是，只要是越接近前端側越小者即可，不僅直線縮徑，於圓弧上具有弧度而縮徑者亦可。又，前端部7係於圖中揭示為平坦面，但是，其形狀不僅平坦狀，作為圓弧狀亦可。

藉由圖2(A)、(B)來說明此實施例的作用。(A)係陰極的側視圖，(B)係俯視圖。

如圖2(A)所示，圓柱狀的射極材3係與陰極2偏心而被埋設，故縮徑部4之露出部5的周邊部6之邊界區域係直線狀地傾斜露出。亦即，從陰極中心2a到露出部5的周邊部6為止之距離L在最小L1的部份6a中，離陰極前端部7的距離Xa最小，在最長L2的部份6b中，離陰極2前端的距離Xb最大。

陰極2的溫度係前端部7最高，到3100K程度為止，溫度會隨著朝向封止部側而降低。前端部份的溫度坡度較為陡峭，也達到700K/mm。

藉由粒界擴散而出現於陰極表面的射極，係雖然因濃度擴散而表面擴散至濃度較低之處，但是，因為溫度越高，射極的擴散速度越快，故越接近陰極前端部7則射極的擴散速度越快，加速度地將射極供給至陰極前端部7方向。另一方面，朝封止側移動之射極，係擴散速度變慢而停滯，會改變方向而朝溫度更高且濃度較低之方向移動，故結果射極會移動至陰極前端部7方向。

在陰極前端部7中，於點燈初始充分存在有射極，但是，因為射極會蒸發‧飛散，點燈數十小時至百小時後，會維持射極濃度較低之狀態，射極持續性地供給至陰極前端部7方向。

然後，射極係從露出部5往陰極前端部7方向表面擴散，但是，因為一邊往圓周方向擴大一邊擴散，又因射極濃度較低，造成即使在陰極2本體的表面也會擴散。為此，即使在射極材3未露出之部份也進行射極的覆蓋，以有如到其部份為止埋設有射極材之方式作用，使電弧擴散。

結果，如圖2(B)所示，從射極材3往陰極2之縮徑部4的表面擴散之射極，係不僅擴散至露出部5，也從露出部5的前端以從遠處旋繞陰極2本體的表面之方式擴散至陰極前端部7，故會擴散為虛線所示之區域。藉此，可具有有如於以虛線所示之區域埋設有射極材的電子放射功能。

亦即，於點燈初期中，雖然形成有以虛線所示之電弧，但是，因為點燈而陰極溫度上升而射極的擴散活躍化的話，則會形成以實線所示之電弧A。

圖3係射極材之不同形狀之第2～4實施例的俯視圖。

圖3(A)係射極材3在橫剖面中為橢圓形狀者，(B)係在橫剖面中為海星型形狀者，(C)係更縮窄其海星形狀之形狀，射極材並不露出於陰極前端部7的整體表面。

在該等實施例中，射極材3的中心軸係揭示與陰極2的中心軸一致者，但是，即使作為不一致的構造亦可。

該等實施例中，圖4揭示在第4實施例之自射極材3開始的射極擴散之樣態。

即使在此範例中，也以從射極材3的枝狀部份8a、8b、8c、8d的露出部擴散至射極材並未露出之部份，使藉此形成之電弧擴大之方式作用。

為了實際證明本發明的效果，製作具有各種陰極構造的燈來進行實驗。

1.首先，作為先前範例的陰極，製作外徑15mm，含有2wt%高鍛鍊度高密度之氧化釷的射極材之直徑3mm者。(圖6)

2.接著，將同樣之釷氧鎢棒(射極材，thoriated tungsten)以鎢粉末包成正方體狀，此時，使釷氧鎢棒的中心與正方體狀之鎢粉末塊的中心偏離配置。之後，以高壓施壓，經由燒結工程，將釷氧鎢棒一體埋設於外面的鎢材質。並研削表面，完成外徑15mm的陰極，並且製作射極材的直徑3mm，陰極的中心軸與射極材的中心軸僅偏離0.5mm的陰極。(圖1)

3.相同地，藉由將釷氧鎢棒以鎢粉末包成直方體狀，製作將橫剖面為略橢圓形狀(長軸3.2mm，短軸2.8mm)之射極材埋設於中心的外徑15mm的陰極。(圖3(A))

4.又，將含有2wt%氧化釷的鎢粉末燒結為正方體狀。將此釷氧鎢燒結棒(射極材)以鎢粉末包成正方體狀，此時，使釷氧鎢燒結棒的中心與正方體狀之鎢粉末塊的角度偏離45度來配置。之後，以高壓施壓，經由燒結工程，將釷氧鎢棒一體埋設於外面的鎢材質，製作如圖3(B)之射極材為海星十字型形狀的陰極。

5.與圖3(B)相同，製作如圖3(C)之陰極。

前述2~5的陰極之射極材的剖面積係與前述1的陰極之射極材的剖面積同等。

然後，該等各陰極係以成為前端徑1.5mm，前端角60度之方式切削，製作組入該等的短弧型放電燈。

將該等燈以8kW的燈輸入加以點燈，在點燈500小時後，調查陰極前端的熔融狀態。其結果係為以下表1。

如前述般，於先前陰極1有前端部的熔融，於其他本發明的陰極2~5並未發現有熔融。

更考察以上結果。

增加燈輸入時，燈電壓係藉由氣體種類．氣體密度、極間來決定，主要燈電流會變大。

圖6所示之先前的陰極20之狀況，因為在陰極前端表面射極材23露出，故雖然有進行充分之射極的覆蓋，在比其還後方之射極材未露出之陰極的表面，因上述之理由而射極難以擴散至封止側的方向，故電弧不會擴散，陰極前端部的電流密度變高，陰極前端部24成為高溫而熔融。

另一方面，在使射極材3與陰極2的中心偏離時(圖1)，射極係從射極材3露出之區域5擴散至陰極前端方向，但是，因為也一邊往外周方向擴大一邊擴散，故即使陰極本體的射極材3未露出的表面也會擴散。

為此，尤其在到露出部5的周邊部6為止之距離較短而離陰極前端部7的距離較近之區域6a中，射極以從到露出部5的周邊部6為止之距離較長而離陰極前端部7的距離較遠之區域6b通過且旋繞於陰極2本體的表面之方式擴散，故會以覆蓋區域6c為止之方式擴大，而以有如包含其而埋設有射極材3之方式使電子放射功能擴大。因為伴隨其而電弧逐漸擴大，故陰極前端部7之電流密度的增加比較上較少即可，所以，可抑制該陰極前端部7的溫度上升而並未熔融。

又，即使於射極材3成為扁平之橢圓形狀之狀況(圖3(A))中，射極從橢圓長軸部份至橢圓短軸部份通過陰極2本體的表面且往圓周方向擴散，故成為包含長軸部份的射極之擴大，伴隨其，電弧也會擴大，而陰極前端部7之電流密度的增加也可比較上較少即可，所以，可抑制陰極前端部的溫度上升而並未熔融。

相同地，因為圖3(B)、(C)之狀況中射極也往橫方向擴散，故電弧也可擴大。

如以上所說明般，在關於本發明的短弧型放電燈，係因為使埋設於陰極前端之射極材於陰極的縮徑部中露出，而從陰極中心到該露出部的周邊部為止之半徑方向的距離在圓周方向不同，故產生從到露出部的周邊部為止之距離較長的部份往射極材的圓周方向之擴散，表面擴散至射極材未露出之陰極本體部份，電弧會以到射極材的露出距離較長之區域為止及有如到該當擴散部位為止埋設有射極材之方式擴大。為此，可發揮即使是與先前同等之射極材的使用量，也可形成更大之電弧，並無陰極前端的熔融，可對應燈之高輸入化的效果。

換句話說，可利用少於先前之射極材的使用量而取得同等之電弧大小，由節省資源的觀點來說非常有助益。

1．．．短弧型放電燈

2．．．陰極

3．．．射極材

4．．．縮徑部

5．．．露出部

6．．．周邊部

7．．．前端部

[圖1]關於本發明之第1實施例之陰極的剖面圖與俯視圖。

[圖2]第1實施例的作用說明圖。

[圖3]第2～4實施例之陰極的俯視圖。

[圖4]第4實施例的作用說明。

[圖5]先前之短弧型放電燈的整體圖。

[圖6]揭示先前之陰極構造的剖面圖。

2．．．陰極

2a．．．中心軸

3．．．射極材

4．．．縮徑部

5．．．露出部

7．．．前端部

L．．．距離

Claims (3)

1. 一種短弧型放電燈，係於發光管的內部對向配置陽極與陰極，於前述陰極埋設射極材所成的短弧型放電燈，其特徵為：前述陰極係於前端具有縮徑部；前述射極材係具有於該縮徑部中露出的露出部；前述射極材係圓柱狀，其中心軸與陰極的中心軸偏心，且自該射極材之露出部的周邊部之陰極中心開始的半徑方向之距離，在圓周方向不同。
2. 如申請專利範圍第1項所記載之短弧型放電燈，其中，前述射極材係釷或氧化釷。
3. 如申請專利範圍第1項所記載之短弧型放電燈，其中，前述射極材係稀土族或稀土族氧化物又或稀土族硼化物。