TWI697937B

TWI697937B - 放電燈管

Info

Publication number: TWI697937B
Application number: TW105108218A
Authority: TW
Inventors: 早川壮則; 內山満博; 舘林和人
Original assignee: 日商奧克製作所股份有限公司
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2016-03-17
Publication date: 2020-07-01
Also published as: CN106024577B; KR20160117190A; TW201703102A; KR102469050B1; CN106024577A; JP2016192325A; JP6564598B2

Abstract

在將相異的金屬構件接合而形成電極的放電燈管，防止發射體物質之缺乏，而抑制電弧放電之閃爍。

在放電管內將陰極與陽極配置成相對向的放電燈管，藉由對包含含有發射體物質之前端側構件、與由導電性之電極支撐棒所支撐的後端側構件之複數個金屬構件進行固態接合形成陰極，從前端側構件往後端側構件所移動的熱量以至少一個金屬構件間之接合面的附近為邊界變小。

Description

放電燈管

本發明係有關於一種在曝光裝置等所利用之放電燈管，尤其係有關於一種短弧式放電燈管等之高輸出放電燈管的電極構造。

以往，放電燈管係對陰極添加發射體物質，提高電子釋出特性。作為發射體，代表性地使用氧化釷(ThO₂)，但是氧化釷是放射性物質。因此，應儘量謹慎地使用，如專利文獻1所示，開發僅使陰極的前端含有發射體物質(氧化釷)的放電燈管。

【先行專利文獻】【專利文獻】

[專利文獻1]專利第5316436號公報

可是，在以往之陰極構造，無法有效地利用陰極前端所含有的發射體。在放電燈管的點燈中，陰極前端之內部的溫度比陰極前端的表面低，陰極前端之內部所含有的發射體不會進行熱擴散，而未將發射體供給至陰極前端的表面。因此，在陰極前端的表面發射體缺乏，因為電子釋出特性降低，而發生閃爍。

因此，在減少發射體量之放電燈管，亦要求電子釋出特性不會降低，而減少閃爍。

本發明之放電燈管係包括：放電管；及陰極與陽極，係在放電管內配置成相對向；陰極係藉由對包含含有發射體物質之前端側構件、與由導電性之電極支撐棒所支撐的後端側構件之複數個金屬構件進行固態接合所形成；從前端側構件往後端側構件所移動的熱量以複數個金屬構件間之接合面的附近為邊界變小。

在放電燈管之點燈中，在陰極前端成為最高溫，從該前端至比較低溫之後端發生熱移動。藉由使此移動之熱量以構件間之接合面的附近為邊界減少，抑制前端側構件之溫度降低。結果，陰極前端側構件內部的發射體進行熱擴散，而向前端的表面供給發射體，減少發射體不足。因此，在使發射體量減少的放電燈管，亦電子釋出特性不會降低，而可減少閃爍。

10‧‧‧放電燈管

12‧‧‧發光管

20‧‧‧陰極

22‧‧‧前端側構件

24‧‧‧後端側構件

30‧‧‧陽極

J‧‧‧接合面

L‧‧‧電極軸

第1圖係在模式上表示是本實施形態之短弧式放電燈管的平面圖。

第2圖係將陰極之電極間附近放大的示意剖面圖。

第3圖係將第2實施形態之陰極的接合面附近放大的示意剖面圖。

第4圖係第3實施形態之陰極的示意剖面圖。

在以下，參照圖面，說明本發明之實施形態。

短弧式放電燈管10係可用於進行圖案形成之曝光裝置(未圖示)之光源等的放電燈管，並具備透明之石英玻璃製的放電管(發光管)12。在放電管12，以既定間隔相對向地配置陰極20、陽極30。

在放電管12的兩側，石英玻璃製之密封管13A、13B與放電管12一體地設置成相對向，密封管13A、13B的兩端係被蓋子14A、14B塞住。放電燈管10係此處，沿著鉛垂方向被配置成陽極30成為上側，陰極20成為下側。

在密封管13A、13B的內部，配設支撐金屬製的陰極20、陽極30之導電性的電極支撐棒17A、17B，並經由金屬環(未圖示)與鉬等的金屬箔16A、16B分別與導電性的導線棒15A、15B連接。密封管13A、13B係與設置於密封管13A、13B內的玻璃管(未圖示)焊接，藉此，將已封入水銀、稀有氣體的放電空間SD封閉。

導線棒15A、15B係與外部的電源部(未圖示)連接，並經由導線棒15A、15B、金屬箔16A、16B以及電極支撐棒17A、17B，對陰極20、陽極30之間施加電壓。將電力供給至放電燈管10時，在電極間產生電弧放電，而放射藉水銀之亮線(紫外光)。

第2圖係將電極間附近放大的示意剖面圖。

陰極20係由具有陰極前端面20S的金屬構件(前端側構件)22、與藉電極支撐棒17A所支撐之金屬構件(後端側構件)24所構成。截圓錐形之前端側構件22具有前端側錐部22A。後端側構件24具有與電極支撐棒17A接合的圓柱形部分24B、及與前端側構件22接合的後端側錐部24A。由前端側錐部22A與後端側錐部24A構成陰極20之縮徑部(錐部)20T。

前端側構件22係作為以使鎢含有氧化釷之敷釷鎢為材料的電極所構成。另一方面，後端側構件24係由是導熱係數比前端側構件22更小之金屬的鉬(Mo)所構成。

由敷釷鎢所構成之前端側構件22的導熱係數係因為氧化釷之含有量是微小(例如，2wt%)，所以實質上與鎢的導熱係數相等(約177W/mk)。另一方面，由鉬所構成之後端側構件24的導熱係數成為139W/mk，後端側構件24的導熱係數係比前端側構件22的導熱係數更小。

陰極20係藉由將前端側構件22、後端側構件24接合所成形。此處，根據放電電漿燒結(SPS)所製造。具體而言，準備將金屬粉體燒結而變成固態之圓柱形的前端側金屬材料122與後端側金屬材料124(參照第2圖)，並設置於SPS裝置。

在SPS裝置，使前端側金屬材料122之平坦的端面(接合側端面)122J與後端側金屬材料124之端面124J密接，並一面對前端側金屬材料122與後端側金屬材料124的兩端加壓，一面施加電壓，藉電漿放電使前端側金屬材料122與後端側金屬材料124進行固態接合。此時之電壓值、加壓力、加壓時間係根據電極尺寸等所決定。此前端側金屬材料122與後端側金屬材料124分別成為前端側構件22、後端側構件24。

在固態接合的情況，在接合面的附近未發生激烈的結晶構造變化，而可充分地確保接合面強度。熔接接合或焊接都可接合，但是在熔接接合，因為需要加熱至金屬熔化，所以所含有的發射體被還原，而發射體缺乏。又，在焊接，在放電燈管10之點燈中的溫度焊劑熔解，而有前端側構件22從後端側構件24剝離的可能性。

然後，藉由在固態接合後實施切削加工等的加工處理，形成具有錐部20T的陰極20。根據既定電極間距離，將陰極20、由鎢所構成之陽極30配置成相對向。

陰極20之接合面J係沿著垂直於電極軸L之方向(此處，為90°)所形成，在接合面J整體實質上未發生間隙。即，因為前端側金屬材料122、後端側金屬材料124的端面122J、124J都是平坦，所以在接合面J未產生由預先有意地形成之粗面或凹凸等所引起的間隙。

藉這種陰極20之構造，在僅使前端側構件22含有氧化釭(發射體物質)而減少氧化釷量的放電燈管，亦可實現閃爍之減少。

使放電燈管10點燈時，在陰極20，前端面20S成為最高溫(1000℃以上)。因為熱係從高溫處往低溫處移動，所以陰極前端面20S的熱係朝向後端側構件24之電極支撐棒17A側移動。在此時，在將同種構件接合所構成之陰極的情況，因為前端側構件與後端側構件之導熱係數成為同程度，所以在接合面的附近移動的熱量係不變。

另一方面，在本實施形態，因為後端側構件24之導熱係數比前端側構件22之導熱係數更稍小，所以以接合面J的附近為邊界，移動之熱量變小。因此，前端側構件22的溫度係因為移至後端側之熱量比將同種構件接合所構成之陰極的前端側構件小，而難降低。前端側構件22之溫度降低被抑制，藉由前端面20S與前端側構件22之內部的溫差變小，不僅前端側構件22的表面，而且從前端側構件22的內部，氧化釭亦進行熱擴散。

藉此，對陰極前端面20S供給氧化釷，而電子釋出特性不會降低，可減少閃爍。

如上述所示，因為將彼此平坦之金屬材料端面面相對向地接合，所以在接合面J未產生有意地形成的粗面或凹凸。不會因粗面或凹凸的有無而在導熱量發生差異，而沿著接合面J均勻地移動。因此，將導熱係數小之金屬的後端側構件24接合，亦防止接合面J之局部性的過熱，而不必擔心發生激烈之局部的電極消耗。

此外，此處之「平坦」係在接合側端面未有意地設置槽或凹凸，表示不是粗面，不是要求平滑面或對電極軸L之嚴格的垂直方向。只要在移動之熱量未產生差異，不發生局部性過熱的範圍是平坦即可。

因為放電燈管10係亦可能在陰極的前端面20S成為約2000℃，所以前端側構件22係適合高熔點之鎢。從該鎢之導熱係數(約177W/mk)的關係，後端側構件24係鉬最適合。若前端側構件22與後端側構件24之導熱係數的差太小，則導熱量不會變小，而無法期待本發明之效果。反之，若前端側構件22與後端側構件24之導熱係數的差太大，則接合面J之周邊成為過熱狀態，而招來接合面強度之降低或電極的消耗。

例如，在以鎂構成後端側構件24的情況，導熱係數係約157W/mk而適當，但是因為熔點為約650℃，無法應用於放電燈管10的陰極20。又，在以錸構成後端側構件24的情況，熔點係高達為3180℃，但是導熱係數低至約47.9W/mk，而無法應用。

此外，藉由以鉬構成後端側構件24，和由一個鎢材料一體地形成的電極相比，重量變輕，亦可期待在耐振性優異之效果。又，不僅純鉬，由以鉬為主成分的合金構成亦可。

依此方式，若依據本實施形態，在包括陰極20、陽極30之短弧式放電燈管10，藉由對由敷釷鎢所構成之前端側構件22與由鉬所構成之後端側構件24進行固態接合，形成陰極20，使從前端面20S傳達至後端側構件24側的熱量在接合面的附近變小。

其次，使用第3圖，說明第2實施形態。在第2實施形態，在接合面的附近形成縮徑。關於除此以外的構成，因為實質上係與第1實施形態一樣，所以對相同之構成元件附加相同的符號，並省略說明。

第3圖係第2實施形態之陰極的接合面附近的剖面圖。

陰極20係由前端側構件22與後端側構件24所構成，並沿著電極軸L的垂直方向形成接合面J。進而，在後端側構件24之接合側端面的附近，形成朝向電極軸L側凹下的縮徑部26。縮徑部26之電極軸L之垂直方向的直徑係比前端側構件22之接合側端面的直徑小。

縮徑部26係在後端側構件24之接合側端面附近的全周所形成，係在固態接合後藉切削加工可形成。又，亦可最初就將凹陷設置於後端側材料124。

藉由依此方式形成縮徑部26，設置縮徑部26之後端側構件24之接合側端面附近的直徑比前端側構件22之接合側端面附近的直徑小。從陰極前端面20S往電極支撐棒17A側，截面積減少，移動之熱量減少。藉此，有助於抑制前端側構件22之溫度降低。因此，氧化釷亦從前端側構件22的內部熱擴散，而對陰極的前端面20S供給氧化釷，電子釋出特性不會降低，而可減少閃爍。

形成縮徑部26之位置係應根據陰極20的尺寸以實驗等適當地選擇。可是，若縮徑部26之形成位置比接合面J更過度遠離電極支撐棒17A側，而未形成深的縮徑，則無法使縮徑部26之電極軸L之垂直方向的直徑比前端側構件22之接合側端面的直徑更小。於是，切削加工變得繁雜。反之，若縮徑部26之形成位置過度接近接合面J，則有招來接合面強度之降低的可能性。因此，將縮徑部26設置於加工不會變得繁雜並可維持接合面強度的位置即可。

在本實施形態，在後端側構件24之接合側端面附近的全周形成縮徑部26。可是，只要可使縮徑部26之直徑比前端側構件22之接合側端面的直徑更小，縮徑部26係亦可形成於後端側構件24之接合側端面附近的至少一部分，亦可不是在全周。此外，亦可縮徑部26係用以使陰極20的表面積增大的螺紋槽。

其次，使用第4圖，說明是第3實施形態之放電燈管。在第3實施形態，構成為後端側構件之錐角比前端側構件之錐角小。關於除此以外的構成，因為實質上係與第1實施形態一樣，所以對相同之構成元件附加相同的符號，並省略說明。

第4圖係第3實施形態之陰極的示意剖面圖。

陰極20係由前端側構件22與後端側構件24所構成，並沿著電極軸的垂直方向形成接合面J。進而，構成為後端側構件24之錐角θ2比前端側構件之錐角θ1小。

藉由在固態接合後實施切削加工等的加工處理，可形成所要之錐角。又，亦可對最初已形成所要之錐角的前端側金屬材料122與後端側金屬材料124進行固態接合。例如，可將前端側構件之錐角θ1作成70°，將後端側構件24之錐角θ2作成50°。

藉由依此方式構成為使後端側構件24之錐角θ2比前端側構件22之錐角θ1小，與前端側構件22之錐角和後端側構件24之錐角相等的情況相比，可導熱之截面積減少，而有助於抑制前端側構件22的溫度降低。因此，氧化釷亦從前端側構件22的內部熱擴散，而對陰極的前端面20S供給氧化釷，電子釋出特性不會降低，而可減少閃爍。

此外，不限定為如第2、第3實施形態的構成，只要接合面J附近之後端側構件24的至少一部分比前端側構件22的錐角更配設於陰極20之軸L側即可。可限制從陰極前端面20S所移動的熱量，導致閃爍之減少。又，只要可使移動之熱量變少，亦可由鎢構成後端側構件24。

又，為了提高前端側構件22與後端側構件24之接合強度，在前端側構件22與後端側構件24之間夾入中間構件，並對前端側構件22、中間構件以及後端側構件24進行固態接合，藉此，使接合面間密接時，係適合。因為導熱量變少，所以即使熱積存於接合面J的附近，亦可維持接合強度。

中間構件係為了抑制前端側構件22與後端側構件24之間之熱量移動之大小關係的影響，約1mm以下的厚度較佳。例如，可使用錸、鉭、鉬、或這些之合金。此外，在使用有厚度之中間構件的情況，為了限制前端側構件22之溫度降低，需要以前端側構件與中間構件的接合面、或中間構件與後端側構件的接合面為邊界所移動的熱量變少。

依據本發明之陰極20的構造，因為可有效地利用前端側構件22之內部所含有的氧化釷(發射體物質)，所以亦可減少前端側構件22所含有的氧化釷量本身。在第1至第3實施形態，使前端側構件22含有2wt%的氧化釷，但是可減少至1wt%。在由含有1wt%之氧化釷的敷釷鎢所構成之前端側構件22，亦藉由如第1至第3實施形態所示構成，電子釋出特性不會降低，並可減少閃爍。

此外，在第1至第3實施形態，將陰極20作成錐狀，但是亦可是所謂的砲彈式的圓弧形。進而，亦可應用於短弧式放電燈管以外的放電燈管。又，發射體物質係不限定為氧化釷，亦可係氧化鋇或稀土類元素等之提高電子釋出特性的物質。

17A‧‧‧電極支撐棒

20‧‧‧陰極

20S‧‧‧前端面

20T‧‧‧縮徑部(錐部)

22‧‧‧前端側構件

22A‧‧‧前端側錐部

24‧‧‧後端側構件

24A‧‧‧後端側錐部

24B‧‧‧圓柱形部分

30‧‧‧陽極

122‧‧‧前端側金屬材料

122J‧‧‧端面

124‧‧‧後端側金屬材料

124J‧‧‧端面

L‧‧‧電極軸

Claims

一種放電燈管，包括：放電管；及陰極與陽極，係在該放電管內配置成相對向；其特徵為：該陰極係藉由對包含含有發射體物質之前端側構件、與由導電性之電極支撐棒所支撐的後端側構件之複數個金屬構件進行固態接合所形成；從該前端側構件往該後端側構件所移動的熱量以至少一個金屬構件間之接合面的附近為邊界變小，其中該後端側構件係具有比該前端側構件之錐角小的錐角。
如申請專利範圍第1項之放電燈管，其中該前端側構件係含有氧化釷之敷釷鎢，該後端側構件係鉬或以鉬為主成分的合金。
如申請專利範圍第1或2項之放電燈管，其中該陰極係具有至少由該前端側構件之錐部分與該後端側構件之錐部分所構成的錐部分；該接合面附近之該後端側構件之錐部分的至少一部分比該前端側構件的錐角更配設於陰極軸側。
如申請專利範圍第1或2項中任一項之放電燈管，其中縮徑部形成於該後端側構件之接合側端面的附近之至少一部分。
如申請專利範圍第1或2項中任一項之放電燈管，其中該陰極係使中間構件介入該前端側構件與該後端側構件之間，並使該前端側構件、該中間構件以及該後端側構件進行固態接合，藉此所形成。
一種放電燈管，包括：放電管；及陰極與陽極，係在該放電管內配置成相對向；其特徵為：該陰極係藉由對包含由含有1wt%以下之氧化釷之敷釷鎢所構成的前端側構件、與由鉬所構成的後端側構件之複數個金屬構件進行固態接合所形成；從該前端側構件往該後端側構件所移動的熱量以構件間之接合面為邊界變小。