專利名稱：短弧型放電燈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于半導(dǎo)體或液晶的制造領(lǐng)域等的曝光用光源，或是放映機(jī)或 數(shù)字電影等的光源的短弧型放電燈。
背景技術(shù)：
封入有水銀的短弧型放電燈的相對(duì)配置于發(fā)光管內(nèi)的一對(duì)電極的前端距離短，接 近于點(diǎn)光源，因而通過與光學(xué)系統(tǒng)組合，可以用作聚光效率高的曝光裝置的光源。并且，封 入氙(Xe)的短弧型放電燈在放映機(jī)等中被用作可視光的光源。近年來也用作數(shù)字電影用 光源。在這些短弧型放電燈中，一直以來公知在陰極中含有電子放射物質(zhì)(以下，僅稱 為發(fā)射體)。并且，作為具備含有發(fā)射體的陰極的燈，公知有設(shè)置了用于將發(fā)射體提供給陰極 的細(xì)孔的燈(專利文獻(xiàn)1)。圖1是表示短弧型放電燈1的整體圖，圖7是表示專利文獻(xiàn)1的短弧型放電燈的 陰極的放大剖面圖。在圖1中，短弧型放電燈1的發(fā)光管10由玻璃構(gòu)成，具備大致球狀的發(fā)光部11與 兩端的密封部12。在形成于發(fā)光管10內(nèi)部的空間S中，相對(duì)配置有一對(duì)陰極20和陽極30。 陰極20及陽極30在前端的主體部嵌入有軸部22、32而構(gòu)成。陰極20的材料，作為電子放 射物質(zhì)是含有氧化釷的鎢。如圖7所示，陰極20具備前端的主體部21，而在主體部21的后端形成有用以嵌入 軸部22的嵌入孔23。在主體部21的前端，具有平坦的前端面25，而且在該前端面25上形 成有朝陰極的長邊方向延伸的細(xì)孔26。被導(dǎo)入于該細(xì)孔26的內(nèi)部的發(fā)射體利用該細(xì)孔26的內(nèi)周面的表面擴(kuò)散，從細(xì)孔 86被放出至外部，而被提供給電弧。專利文獻(xiàn)1 日本特開平11-96965但是，近年來，隨著燈的高輸出化和大型化，產(chǎn)生了在短時(shí)間內(nèi)曝光面的照度變動(dòng) 率增大的問題?？梢哉J(rèn)為這可能是因?yàn)榘l(fā)射體從陰極側(cè)面向前端的提供不足而導(dǎo)致的。本發(fā)明人等，為了解決此問題，制作了具有圖7所示的陰極的短弧型放電燈，進(jìn)行 了點(diǎn)燈試驗(yàn)。在專利文獻(xiàn)1中，將預(yù)定的孔設(shè)于陰極前端部，從而增大發(fā)射體的表面擴(kuò)散， 通過采用本構(gòu)造，期待可消除發(fā)射體的供應(yīng)不足。然而，該燈也會(huì)產(chǎn)生照度變動(dòng)率的增大。 破壞該燈并分析了陰極，得知形成于陰極前端的細(xì)孔變沒有了。進(jìn)而在長邊方向切斷該陰 極主體部并加以研磨，經(jīng)觀察，發(fā)現(xiàn)有一個(gè)結(jié)晶粒堵住細(xì)孔的出口。另一方面，進(jìn)行相同規(guī) 格的燈的點(diǎn)燈試驗(yàn)，在發(fā)生照度變動(dòng)率的增大之前的狀態(tài)下對(duì)陰極進(jìn)行分析，雖然細(xì)孔正 在被堵住，但仍可觀察到間隙。亦即，可以推測出，點(diǎn)燈時(shí)的陰極前端變成高溫，因而由于熱移動(dòng)鎢的結(jié)晶粒成長 而堵住細(xì)孔，無法供應(yīng)發(fā)射體，因此電弧變得不穩(wěn)定。
發(fā)明內(nèi)容
綜上所述，本發(fā)明的目的在于提供一種具備如下陰極的短弧型放電燈，防止設(shè)于 鎢的陰極前端面的細(xì)孔的出口由于點(diǎn)燈而被堵塞，對(duì)于電弧穩(wěn)定地提供電子放出物質(zhì)而可 防止照度變動(dòng)。本發(fā)明為了解決上述課題，提供一種短弧型放電燈，在發(fā)光管的內(nèi)部相對(duì)配置有 一對(duì)陰極和陽極，其特征在于，上述陰極由含有電子放射物質(zhì)的鎢材料構(gòu)成，并且具備隨 著朝向前端而成為小徑的錐部；形成于該錐部的前端側(cè)的前端面；以及從該前端面在該陰 極的內(nèi)部延伸的細(xì)孔，該細(xì)孔在該前端面上橫跨2個(gè)以上的鎢結(jié)晶粒而形成。并且，本發(fā)明的特征在于，在細(xì)孔的內(nèi)表面設(shè)置有碳化鎢的層。根據(jù)本發(fā)明，在陰極的前端面設(shè)置橫跨2個(gè)以上的結(jié)晶的細(xì)孔，細(xì)孔不容易由于 結(jié)晶粒的成長被堵住，可將發(fā)射體穩(wěn)定地提供給陰極前端部。并且，根據(jù)本發(fā)明，通過在細(xì)孔的內(nèi)周面設(shè)置碳化層，可將作為氧化物的發(fā)射體還 原，而增加對(duì)于電弧的經(jīng)由細(xì)孔的提供量。
圖1表示短弧型放電燈整體的概略結(jié)構(gòu)。圖2是表示本發(fā)明的第一實(shí)施方式的短弧型放電燈的陰極的部分說明圖。圖2(a) 是軸方向的剖面圖，圖2(b)是從前端向長邊方向觀察陰極時(shí)的圖。圖3是用以針對(duì)本發(fā)明的陰極的前端部進(jìn)行說明的圖。圖4(a)及圖4(b)是用以說明本發(fā)明的陰極的前端部上設(shè)置的細(xì)孔的位置的示意 圖。圖5是本發(fā)明的短弧燈的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖6表示本發(fā)明的第二實(shí)施方式的短弧型放電燈的陰極的局部說明圖。圖7表示現(xiàn)有的短弧型放電燈的陰極的剖面圖。
具體實(shí)施例方式圖1表示本發(fā)明的短弧型放電燈的概略結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的短弧型放電燈的發(fā)光管10具備位于中央的大致球狀地形成的發(fā)光部 11和位于兩端的柱狀的密封部12。在發(fā)光管10的內(nèi)部，互相相對(duì)地配置有陰極20的主體 部21與陽極3的主體部31，而且封入有發(fā)光物質(zhì)。陰極20由在其前端側(cè)具有隨著朝向陽極30的主體部31逐漸地縮徑的錐部的主 體部21、以及連續(xù)于該主體部21的基端側(cè)的棒狀的軸部22構(gòu)成。軸部22的前端部嵌入在 形成于主體部21的基端側(cè)的有底孔。陽極30由其前端側(cè)形成有圓形的主體部31、以及連續(xù)于該主體部31的基端側(cè)的 棒狀的軸部32構(gòu)成。軸部32的前端部嵌入在形成于主體部31的基端側(cè)的有底孔。并且，陰極20及陽極30由互相不同體的部件構(gòu)成各主體部21、31與各軸部22、 32，但主體部與軸部也可以由一個(gè)部件一體地形成。陰極20及陽極30的材料使用鎢。在該鎢材料中含有電子放射物質(zhì)。作為電子放射
4物質(zhì)，可適當(dāng)使用氧化釷(Th02)、氧化釔(Y203)，或作為鑭系的氧化物的氧化鑭(La203)、氧 化鈰(Ce203、或是Ce02)、氧化釓(Gd203)、氧化鏑(Dy203)、氧化釤(Sm203)、或是氧化釹(Nd203) 等，例如若為氧化釷，則鎢中含有2wt %左右的量。若含有這些電子放射物質(zhì)，則電極的工作 函數(shù)會(huì)降低，具有使得電子放出變?nèi)菀椎男Ч?。并且，陰極前端會(huì)接觸到電弧，因而密度低的鎢的導(dǎo)熱差而變?yōu)楦邷?，?huì)消耗前 端。因此作為用于陰極的鎢材料，密度為18g/cc以上，優(yōu)選為19g/cc以上。封入的主發(fā)光物質(zhì)是水銀，而封入量是例如lmg/cc以上。封入水銀時(shí)，并且，進(jìn)而 除此之外作為輔助氣體封入稀有氣體，例如也可以將氙氣、氬氣、氪氣中的任何一種以上封 入0.01 IMPa (室溫)。并且，所封入的主發(fā)光物質(zhì)是稀有氣體，例如封入有0. 5MPa(室溫)以上的氙氣。在兩端的各密封部12，埋設(shè)有與電極的軸部電連接的省略了圖示的鉬箔，形成氣 密密封構(gòu)造。由密封部12的外端突出有與上述的鉬箔電連接的外部引線13，省略了圖示的 供電裝置連接于該外部引線13而進(jìn)行電流供應(yīng)。并且，密封構(gòu)造并不限于如上所述，如果是主要封入了氙的放映機(jī)用的放電燈時(shí)， 不使用箔，而通過與發(fā)光管所使用的玻璃的熱膨脹系數(shù)不同的對(duì)搭接玻璃，直接密封有電 極軸部。圖2是表示本發(fā)明的第一實(shí)施方式的短弧型放電燈的陰極的圖，圖2(a)是沿著長 邊方向切斷陰極的主體部的剖面圖，圖2(b)是在長邊方向觀看該陰極主體的前端時(shí)的圖。陰極20的主體部21是比軸部22大徑的大致圓柱狀，隨著朝前端變成小直徑的錐 部24。錐部24的更前端側(cè)是例如由平面形成的前端面25，而在該圖的情況下，主體部21 形成為圓錐臺(tái)狀。錐部24的錐角是40 90°，例如為60°。細(xì)孔26在前端面25具有開口端，沿著陰極20的長邊方向而形成。前端面25的 直徑(以下也稱為前端直徑)，是小0.4 小3mm，例如為小1. 2mm。細(xì)孔26的內(nèi)徑(以下 也稱為孔徑)，是小0. 08 小1mm，例如為小0. 1mm。一般，細(xì)孔26的形狀是剖面圓形狀的 容易制作，但剖面為矩形狀也可以。細(xì)孔的直徑過大時(shí)會(huì)減少前端面的面積，會(huì)使得電流密度上升，陰極前端的溫度 上升導(dǎo)致容易變形，或者促進(jìn)鎢的結(jié)晶粒成長，因此優(yōu)選形成為上述的范圍。在主體部21的基端側(cè)形成有用以嵌入軸部22的嵌入孔23，嵌入有軸部22。所謂前端面25，除了平面以外，也可以是如下的面。圖3表示用于對(duì)于前端部的其它例子加以說明的陰極的剖面放大圖。如圖3所示，在陰極20的前端，形成有球面形成的前端面25。在此前端面25也同 樣地在點(diǎn)燈中形成有電弧，因而形成細(xì)孔26，對(duì)于發(fā)射體穩(wěn)定地被供應(yīng)可得到同樣的效果。含有于陰極20中的發(fā)射體以氧化物的形式存在于金屬中。發(fā)射體在高溫部被還 原，從陰極的內(nèi)部通過晶界擴(kuò)散或粒內(nèi)擴(kuò)散而在表面移動(dòng)，或是通過表面擴(kuò)散而在表面中 移動(dòng)。在沒有細(xì)孔26的陰極20中，從錐部24析出的發(fā)射體會(huì)表面擴(kuò)散，提供到陰極20 的前端面25，但前端附近處于高溫，因而很多發(fā)射體還沒有提供到前端面25就會(huì)消失。沒 有消失并且到達(dá)陰極20的前端面25的發(fā)射體也在錐部24的表面析出的發(fā)射體源枯竭時(shí) 停滯提供而無法穩(wěn)定地向陰極前端提供，會(huì)產(chǎn)生在前端面25的發(fā)射體的不足。
在前端面25內(nèi)設(shè)有細(xì)孔26的情況下，細(xì)孔26內(nèi)的表面對(duì)于前端面連續(xù)，且細(xì)孔 26的開口也是在點(diǎn)燈時(shí)形成電弧的部位。所以，通過表面擴(kuò)散，或氣相擴(kuò)散，可將發(fā)射體從 細(xì)孔26的內(nèi)周面表面一直提供至電弧形成位置為止。
還有，從細(xì)孔26內(nèi)提供的發(fā)射體必然被送入電弧中。在電弧中所蒸發(fā)的發(fā)射體為 了陽離子化而再回到陰極，而不容易消失。因此，細(xì)孔26是用以將發(fā)射體從陰極主體部21內(nèi)部向陰極前端部提供的路徑，與 從陰極20的外表面或是前端提供的情況相比，可以穩(wěn)定地提供發(fā)射體。并且，在錐部24上設(shè)置細(xì)孔的情況下，由此處送出的發(fā)射體追尋與上述沒有細(xì)孔 26的陰極相同的經(jīng)過，會(huì)引起在前端面25的發(fā)射體不足。該細(xì)孔26是例如內(nèi)徑Φ0. Imm左右的極細(xì)孔，如上述地通過鎢的熱移動(dòng)使得結(jié)晶 粒成長而容易被堵塞。因此，本發(fā)明人等，為了解決堵塞該細(xì)孔的課題，進(jìn)行如下的實(shí)驗(yàn)。首先，作為陰極的材料，將添加有2wt%的氧化釷的鎢桿切出預(yù)定長度，切削成前 端直徑為Φ 1.2mm，錐角度為60°。之后，將該主體部保持在真空中，而在2000°C以上施加 熱處理。然后，使用鐵氰化鉀與氫氧化鈉的水溶液對(duì)陰極的前端面進(jìn)行蝕刻，制作成容易觀 察結(jié)晶晶界。調(diào)整位置進(jìn)行放電加工，以使細(xì)孔在陰極的前端面僅形成于可觀察到的一個(gè)結(jié)晶 粒內(nèi)，制作出形成孔徑Φ0. 1mm、孔深5mm的細(xì)孔的陰極。并且，利用同樣的順序，在陰極的前端面以細(xì)孔橫跨2 4粒的結(jié)晶粒的方式，調(diào) 整位置進(jìn)行放電加工，制作出形成孔徑Φ0. 1mm、孔深5mm的細(xì)孔的陰極。圖4是用以對(duì)于設(shè)于陰極20的前端面25的細(xì)孔26的位置進(jìn)行說明的示意圖。在該圖中，正面所觀察到的是放大圖2(b)所示的陰極的前端面25的表面的情況， 在前端面25的中心附近設(shè)有細(xì)孔26。前端面25上交錯(cuò)的不規(guī)則的線表現(xiàn)的是鎢結(jié)晶粒的 晶界。由鎢構(gòu)成的陰極20如圖所示是具有多個(gè)金屬結(jié)晶粒的塊，也有晶界露出于表面 的情況。圖4(b)是表示在前端面25橫跨1個(gè)結(jié)晶的細(xì)孔26的圖。細(xì)孔26僅形成于1個(gè) 結(jié)晶粒G3內(nèi)，未橫跨于其它的結(jié)晶粒。圖4(a)是表示在前端面25橫跨2個(gè)結(jié)晶的細(xì)孔26的圖。細(xì)孔26是橫跨于結(jié)晶 粒Gl與G2，及形成于其中間的結(jié)晶晶界GB 1而形成。使用這些陰極，制作水銀封入量為4mg/CC的燈，以燈輸入功率為5. 5kff實(shí)施點(diǎn)燈 壽命測試。在燈點(diǎn)燈中發(fā)生照度變動(dòng)時(shí)，燈電壓也會(huì)變動(dòng)，因而簡易地評(píng)價(jià)到電壓變動(dòng)發(fā)生 為止的時(shí)間。圖5是表示在各該燈中，細(xì)孔在前端面橫跨的結(jié)晶的數(shù)和點(diǎn)燈壽命測試中從開始 點(diǎn)燈至發(fā)生電壓變動(dòng)為止的時(shí)間的關(guān)系的表。燈1、2是橫跨的結(jié)晶的數(shù)為1，亦即，具有經(jīng)由結(jié)晶晶界形成有未橫跨2個(gè)以上的 結(jié)晶粒的細(xì)孔的陰極的燈。燈3、4、5是具有形成有橫跨多個(gè)結(jié)晶的細(xì)孔的陰極的燈。如圖 5所示，燈1、2都在637小時(shí)、512小時(shí)就發(fā)生電壓變動(dòng)，而燈3、4、5是經(jīng)過1200小時(shí)也不會(huì) 產(chǎn)生電壓變動(dòng)。因此，可知由于形成細(xì)孔的位置，在照度變動(dòng)壽命上會(huì)產(chǎn)生兩倍以上的差。在完成測試之后，取出燈1、2的陰極對(duì)前端面進(jìn)行觀察，其結(jié)果細(xì)孔是堵塞的。在長邊方向上切斷這些陰極，經(jīng)研磨進(jìn)行觀察，則細(xì)孔的開口端被一個(gè)結(jié)晶粒覆蓋。另一方面，對(duì)燈3的前端面也同樣地進(jìn)行觀察，觀察到的是細(xì)孔中好像殘留有晶 界并被堵塞。該陰極也同樣地在長邊方向上切斷進(jìn)行觀察時(shí)，結(jié)果是有結(jié)晶覆蓋細(xì)孔的開 口端，但可以觀察到作為晶界的、從細(xì)孔內(nèi)部連通到陰極外部的間隙。綜上所述，可以認(rèn)為，僅在1個(gè)結(jié)晶粒內(nèi)設(shè)置細(xì)孔時(shí)，由于熱移動(dòng)導(dǎo)致的結(jié)晶成長 而堵塞細(xì)孔的開口，無法提供發(fā)射體，電弧變得不穩(wěn)定，會(huì)在早期產(chǎn)生電壓變動(dòng)。 另一方面，可以認(rèn)為，在細(xì)孔橫跨2個(gè)以上的結(jié)晶粒的情況下，各個(gè)結(jié)晶會(huì)成長而 肥大成堵塞細(xì)孔，但由于存在著結(jié)晶晶界而互相的結(jié)晶粒不容易一體化，并且，經(jīng)由該間隙 提供發(fā)射體，因而電弧穩(wěn)定，而不會(huì)產(chǎn)生電壓變化。通過上述內(nèi)容，在本發(fā)明中，形成于含有發(fā)射體的鎢陰極的細(xì)孔，在前端面橫跨2 個(gè)以上的鎢結(jié)晶粒而形成，從而細(xì)孔不會(huì)被完全地堵塞，能夠提供發(fā)射體并使電弧穩(wěn)定化。作為制作如上述的陰極的方法，例如以下所說明的方法也可加以制作。首先，作為陰極的主體部的材料，將添加有發(fā)射體的鎢桿切出一定的長度。之后，在鎢桿的前端，通過切削形成前端面與錐角。然后，首先在前端面通過放電 加工，將細(xì)孔設(shè)于前端面的中央附近。細(xì)孔的孔徑是Φ0. 08 Φ1。在該階段，有關(guān)于陰極 的主體部的形狀就可完成。然后，將此主體部保持在真空中，而在2000°C以上施以熱處理。這樣一來，通過該 熱處理，結(jié)晶粒產(chǎn)生再結(jié)晶而肥大成某一程度，但在熱處理前形成細(xì)孔，因而熱處理后結(jié)晶 粒也為橫跨晶界的狀態(tài)。如此地，在熱處理前形成細(xì)孔，不必調(diào)整細(xì)孔形成位置，也可形成橫跨2個(gè)以上的 結(jié)晶粒的細(xì)孔。圖6是表示本發(fā)明的第二實(shí)施方式的短弧型放電燈的陰極的剖面圖。在該圖中， 僅設(shè)有碳化層27之處與圖2(a)不相同，因而省略說明。在圖6(a)中，在設(shè)于陰極主體部21的細(xì)孔26的內(nèi)周面形成有碳化層27。該碳化 層27是通過碳化作為陰極的材料的鎢而設(shè)置的碳化鎢的層。被添加于陰極的發(fā)射體是氧化物，因而為了作為發(fā)射體工作必須將其還原。一般， 還原是在高溫部進(jìn)行，但在該碳化鎢層中，通過碳在較低溫度下，氧化物發(fā)射體就被還原， 因而可快速地提供發(fā)射體。在圖6(b)中，在細(xì)孔26的前端附近未形成碳化層27，而成為非碳化層28。這是 由于，碳化鎢的融點(diǎn)低，防止其由于電弧而被熔解的情形。并且，不優(yōu)選在陰極主體部21的錐部24的外表面設(shè)有碳化層27。在外表面的碳 化鎢層被還原的發(fā)射體脫離并被放出在發(fā)光空間內(nèi)時(shí)，會(huì)成為白濁的原因。根據(jù)上述的陰極，還原作為氧化物的發(fā)射體的氧氣，而可直接提供到電弧中。
權(quán)利要求
一種短弧型放電燈，在發(fā)光管的內(nèi)部相對(duì)配置有一對(duì)陰極和陽極，其特征在于，上述陰極由含有電子放射物質(zhì)的鎢材料構(gòu)成，并且具備隨著朝向前端而成為小徑的錐部；形成于該錐部的前端側(cè)的前端面；以及從該前端面在該陰極的內(nèi)部延伸的細(xì)孔，該細(xì)孔在該前端面上橫跨2個(gè)以上的鎢結(jié)晶粒而形成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的短弧型放電燈，其特征在于，在上述細(xì)孔的內(nèi)表面設(shè)置有碳 化鎢的層。
全文摘要
提供一種具備從鎢的陰極對(duì)于電弧穩(wěn)定地提供電子放出物質(zhì)而可防止照度變動(dòng)的陰極的短弧型放電燈。該短弧型放電燈在發(fā)光管的內(nèi)部相對(duì)配置有一對(duì)陰極和陽極，其特征在于上述陰極(20)由含有電子放射物質(zhì)的鎢材料構(gòu)成，并且具備隨著朝向前端而成為小徑的錐部(24)；形成于該錐部(24)的前端側(cè)的前端面(25)，以及從該前端面在該陰極的內(nèi)部延伸的細(xì)孔(26)，該細(xì)孔(26)在該前端面上橫跨2個(gè)以上的鎢結(jié)晶粒而形成。
文檔編號(hào)H01J61/04GK101847562SQ20101014892
公開日2010年9月29日 申請日期2010年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月27日
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