專利名稱：放電燈的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及放電燈。尤其是涉及在陰極將釷(Th)作為射極使用的放電燈。
背景技術：
以往，在液晶或半導體的曝光裝置中，作為光源，使用高壓水銀燈，另外，作為放 映機的光源使用氙燈。這些放電燈要求點燈過程中電弧穩(wěn)定(電弧穩(wěn)定性)及可長時間 維持恒定的照度(長壽命)。為了應對這種要求，燈的電極也需要使用具有良好點弧性及 耐消耗性的材料，特別是，陰極的材料使用鎢(W)中含有氧化釷(ThO2)的所謂涂釷的鎢 (Thoriated tungsten, ThO2-W,以下也稱為釷鎢)(專利文獻1)。然而，近年來，從環(huán)境負擔的觀點出發(fā)，逐漸注目于對如釷鎢這樣的放射性物質的 使用限制。另一方面，作為放電燈，也需要上述電弧穩(wěn)定性與長壽命。專利文獻1日本特公昭42-27213號公報

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的課題是提供一種放電燈，抑制釷鎢的使用量的同時，具有良好的 電弧穩(wěn)定性與長壽命。為了解決上述課題，本發(fā)明的放電燈，在放電容器的內部具有陽極與陰極，其特征 在于，陰極由鎢填充率為90%以上的釷鎢部以及與該釷鎢部連續(xù)的純鎢所成的主體部構 成，上述釷鎢部的側面積&與上述陰極的側面積S的比例ST/S為0. 005以上、0. 15以下， 其中，陰極的側面積S是從陰極的陽極側前端開始的長度為陰極最大直徑的兩倍為止的范圍。進而，本發(fā)明的特征為上述釷鎢部與上述主體部被擴散接合(diffusion bonding)0發(fā)明的效果本發(fā)明涉及的放電燈采用釷鎢部的側面積&與陰極的側面積S的面積比為 0. 005以上、0. 15以下的陰極，從而可以降低釷鎢的使用，并且通過將釷鎢部的鎢填充率設 為90%以上，使其具有優(yōu)良的電弧穩(wěn)定性與長壽命。進而，本發(fā)明涉及的放電燈將釷鎢部與主體部擴散接合，可使釷鎢部所含有的氧 化釷(ThO2)幾乎不還原地接合到主體部。并且，在擴散接合中，因為可利用低于鎢的熔點 的溫度來進行接合，因此可維持釷鎢部及主體部的組織，除了不影響陰極性能的外，還有在 接合后能夠進行切削加工的優(yōu)點。


圖1是表示放電燈的構成的說明用剖視圖。圖2是在軸方向切斷放電燈的陰極的放大剖視圖。圖3是在軸方向切斷放電燈的陰極的放大剖視圖。
附圖標記說明
1 放電容器
2:發(fā)光部
3 封固部
4 陽極
5:陰極
6 主體部
61 錐部
62 胴部
7 釷鎢部
具體實施例方式圖1表示本發(fā)明涉及的放電燈的實施例。為了方便說明，圖中僅對于放電容器1 的發(fā)光部2表示了內部構造，對于封固部3未表示內部構造。放電燈整體由石英玻璃制的放電容器1形成，由大致球狀的發(fā)光部2以及與其兩 端連續(xù)而形成的封固部3構成。在發(fā)光部2的內部，陽極4與陰極5以沿放電容器1的管軸 方向延伸的方式配置，兩電極的前端經由數毫米的間隙而相對配置。并且，在發(fā)光部2的內 部空間封入有發(fā)光物質或發(fā)光用氣體。例如，在作為液晶或半導體的曝光裝置的光源的高 壓水銀燈的情況下，封入有水銀(Hg)以及作為緩沖氣體的氙(Xe)氣或氬(Ar)氣。并且， 在作為放映機的光源的氙燈的情況下，封入有氙氣。針對高壓水銀燈舉出一例時，水銀的封 入量是1 70mg/cm3，氙氣的封入量是0. 05 0. 5MPa。陽極4例如由鎢含有率是99. 9重 量％以上的純鎢來形成整體。關于陰極5在后詳述。在這種構造的放電燈中，例如20kV的高電壓被施加于電極間時，在電極間產生絕 緣破壞，形成放電電弧而將燈點燈。在高壓水銀燈的情況下，以包含波長365nm的i線及 波長435nm的g線的光為主，放射線光譜的光，在氙燈的情況下，放射從波長300nm至波長 IlOOnm的連續(xù)光譜的光。圖2是圖1所示的放電燈的陰極5的放大圖，特別表示在軸方向切斷的剖面構造。陰極5由純鎢所成的主體部6以及設置于該主體部6的陽極側前端的釷鎢部7來 構成整體。主體部6由鎢含有率為99. 9重量％以上的純鎢所成，由朝向陽極側前端而漸漸前 端變細的大致圓錐臺形狀的錐部61以及與該錐部61的后端接續(xù)的大致圓柱形狀的胴部62 一體形成。釷鎢部7以鎢(W)作為主成分，作為射極(易放射電子性材料)，含有氧化釷 (ThO2),亦即，是涂釷的鎢(ThO2-W,以下也稱為釷鎢)。具體來說，氧化釷的含有率是2重 量％。并且，釷鎢部7的形狀整體為大致圓錐臺形狀，圓錐臺的前端面與陽極4的前端相對 配置，并且圓錐臺的后端面與主體部6的錐部61的前端面擴散接合。并且，釷鎢部7的側 面具有與主體部6的錐部61的側面傾斜連續(xù)的相同的傾斜，通過主體部6的錐部61與釷 鎢部7，作為整體，構成陰極前端的圓錐臺形狀。在此，對于陰極5來說釷鎢部7存在的區(qū)域是形成放電電弧的區(qū)域或其附近，是直接受到電弧所致的加熱的影響的區(qū)域。因此，在燈點燈過程中，釷鎢部7中包含的氧化釷被 還原成釷原子，在釷鎢部7的內部或外表面擴散，向更前端方向移動。因此，即使釷鎢部7 存在的區(qū)域在陰極整體中僅限定于前端的一個區(qū)域，也始終可將釷良好地供給到陰極5的 前端。結果，可實現減小功函數，并且具有優(yōu)良的點弧性與耐消耗性。并且，在燈點燈過程中，由于高溫，包含于釷鎢部7的釷也會蒸發(fā)。但是，釷在電弧 中電離成釷離子(Th+)，因為本身的極性而被向陰極方向吸引。結果，因為釷會重復電弧中 的蒸發(fā)、釷離子的電離、向陰極5的回歸這一循環(huán)，因此可以抑制釷的消耗。另一方面，在背景技術中所說明的陰極5的情況下，釷從陰極5的前端以外的區(qū)域 也會蒸發(fā)，因此產生多數尚未前進至電弧中的釷，上述電離并不能太過期待。然后，釷附著 于放電容器1的內壁時會產生白濁，結果，遮蔽了放射光，導致照度降低而成為短壽命的原 因。本發(fā)明將釷鎢部7的存在區(qū)域限定于陰極5的前端部分，并且，進而通過后述的實驗， 規(guī)定相對于陰極整體的側面積的比例，從而降低無助于上述循環(huán)的釷的蒸發(fā)。進而，如上所述，從陰極5蒸發(fā)的釷成為釷離子而再次回歸陰極5。但是，陰極5的 溫度過度上升時，釷原子會在放電空間中，附著于溫度較低的放電容器1的內表面，與作為 構成放電容器1的材料的氧化硅(SiO2)產生反應而產生化合物(白濁)。本發(fā)明為了解決 這種問題，通過提高包含氧化釷的釷鎢部7的熱傳導性，抑制陰極前端的過剩的溫度上升。具體來說，釷鎢部7的鎢填充率為90%以上。尤其，在輸入功率值是IkW以上的放 電燈中，除了上述白濁的發(fā)生之外，從耐較高的熱負荷的觀點來看也有提升熱傳導率的必 要。另外，嚴密地說，釷鎢部7也包含氧化釷，故不僅要考慮鎢的熱傳導率，也須考慮氧化釷 的熱傳導率，但是，氧化釷的熱傳導率相較于鎢單體的熱傳導率非常小，故可將鎢填充率作 為釷鎢部7的熱傳導性的指標。本發(fā)明的特征為釷鎢部7的鎢填充率是90%以上，由于熱 傳導率較高，也稱為“高熱傳導釷鎢”。本發(fā)明不僅規(guī)定陰極5的釷鎢部7的比例(在側面 積的比例)，還規(guī)定釷鎢部7的鎢填充率，從而可達成電弧穩(wěn)定性與長壽命。所以，假設即使 僅在陰極5的前端部設置釷鎢的構造已經存在，如果是鎢填充率較低，也無法發(fā)揮所希望 的熱傳導特性，結果，可能產生來自陰極前端的過剩的釷的蒸發(fā)以及放電容器1的白濁的 問題。在此，鎢的填充率P以“P = a(l-x)/19. 3”表示。將構成釷鎢部7的釷鎢的密度(g/ cm3)設為a，將氧化釷相對于釷鎢的重量比設為X，將鎢的密度(g/cm3)設為19. 3。a(l-x) 是每Icm3釷鎢中鎢所占的質量，將其除以鎢的密度19.3(g/cm3)的填充率P代表釷鎢中鎢 所占的體積的比例。如上所述，因為釷鎢的熱傳導幾乎都通過鎢來進行，因此鎢所占的體積 的比例，亦即填充率P越大，釷鎢的熱傳導性越好。接著，針對本發(fā)明涉及的放電燈的陰極5的制造方法，說明其一例。首先，主體部6通過切削圓柱形狀的鎢的側部，形成錐部61。另一方面，釷鎢部7 將射極粉末(氧化釷的粉末)與鎢粉末的混合粉末放入金屬模，沖壓而產生一次成形體，并 燒結該一次成形體。此時，為了提高鎢的填充率，對于燒結材料施加熱加工。具體來說，將 被加熱成高溫的燒結材料，用錘子進行模鍛。然后，在鎢填充率成為90%以上的狀態(tài)下，切 削該燒結體而使其成為所希望的形狀、例如圓錐形狀。接著，接合主體部6與釷鎢部7。首先，重疊貼合主體部6的錐部61的前端面與成 為釷鎢部7的后端面，從主體部6的下面與釷鎢部7的上面加壓，同時通電加熱。具體來說，接合溫度在絕對溫度⑷中為材料的熔點的50 60%左右，加壓力為數十1 左右的真空 中的接合溫度下的材料的屈服應力的20 40%左右。將該狀態(tài)保持到獲得0. 2 0. 3mm 左右的縮小量為止而使其擴散接合。所謂“擴散接合”是指，使金屬彼此以面重疊貼合，在小于熔點的固相狀態(tài)下不會 產生塑性變形的程度下進行加熱、加壓，使接合部的原子擴散的固相接合法。在擴散接合中，加熱溫度是2000°C左右，不需要像熔融接合那樣加熱至鎢的熔點 (約3400°C )為止，因此釷鎢部7包含的氧化釷(ThO2)幾乎不會被還原。進而，因為可維 持主體部6及釷鎢部7的組織，因此不會對陰極性能造成不好影響。進而，因為陰極5的組 織不會改變，在主體部6與釷鎢部7的接合后也可進行切削加工。在此，關于陰極5，針對主體部6與釷鎢部7已擴散接合的情況，可通過確認兩者的 接合面未熔融或鎢的結晶粒成長而接合來判斷。具體來說，利用顯微鏡等放大主體部6與 釷鎢部7的接合面，如果存在有超過主體部6與釷鎢部7的連接處而成長的結晶粒的話，則 可判斷兩者已被擴散接合。圖3表示本發(fā)明涉及的放電燈的陰極構造，表示與圖1不同的構造。具體來說，圖 1所示的陰極5由圓錐臺形狀的釷鎢部7的后端面(底面)與由純鎢所構成的主體部6的 前端面以大致相同直徑接合，但本實施例是釷鎢部70由圓柱形狀的胴部710與前端部720 構成，釷鎢部70的胴部710嵌合于主體部60的凹部630。另外，釷鎢部70的前端可以是如 圖所示的圓錐形狀，也可以是圓錐臺形狀。接著，對表示本發(fā)明的效果的實驗加以說明。實驗例1針對圖1所示的構造的本發(fā)明的放電燈，使釷鎢部的側面積&與陰極的側面積S 的面積比例ST/S變化，來測定照度維持率。并且，作為比較用燈，使用陰極整體由釷鎢構成 的放電燈，相同地測定照度維持率。照度維持率是指，使燈連續(xù)點燈，相對于初始照度，測定 出降低至50%為止的壽命時間。另外，實驗所使用的燈僅改變釷鎢部相對于陰極的體積，陰 極的整體形狀、體積相同。并且，陰極以外的構造也全部相同。實驗的結果是，釷鎢部的側面積&與陰極的側面積S的面積比超過0. 15時， 壽命與比較用燈幾乎相同。另一方面，釷鎢部的側面積&與陰極的側面積S的面積比ST/S 為0. 15以下時，可得到本發(fā)明的放電燈的壽命比比較用燈長的結果。進而，比例小于0. 005時，則電弧會極端地不穩(wěn)定?？梢哉J為其理由是釷較 少。結果，可確認在釷鎢部的側面積&與陰極的側面積S的面積比在0. 005 0. 15的范圍中，至少相比現有的放電燈在壽命特性及電弧穩(wěn)定性上更有效果。在此，關于本發(fā)明的規(guī)定，本質上，如釷鎢部的側面積與陰極的側面積，可利用側 面的面積來評估。但是，伴隨點燈時間的經過，釷鎢部的前端形狀會變形而使側面與前端面 的邊界不明顯，因此本發(fā)明的釷鎢部的側面積也包含前端面積。另外，上述雖然是針對氙燈進行實驗，但是，針對高壓水銀燈也進行相同的實驗 時，關于高壓水銀燈，在釷鎢部的側面積&與陰極的側面積S的面積比^/S是0. 005 0. 15 時，相比現有的放電燈以及陰極整體為釷鎢的燈在壽命改善效果及電弧穩(wěn)定性上也可確認 相同效果。
另外，關于現有的放電燈，以僅在短時間點燈的新的放電燈、以及長時間點燈后的 末期品的放電燈為對象，使用能量分散型X射線分析裝置，分別觀察陰極表面的釷濃度。結 果，可確認后者的放電燈在陰極的胴部直徑的兩倍左右的長度為止，釷濃度會減少，亦即， 釷蒸發(fā)的狀況在兩倍以上的長度，釷濃度幾乎與新的放電燈沒有不同。據此，可以確認陰極 的釷的蒸發(fā)在陰極胴部直徑的兩倍為止的區(qū)域發(fā)生。亦即，也意味著對于面積比&/S，陰極 的側面積S應將陰極的胴部直徑的兩倍為止的長度設為限度。
權利要求
1.一種放電燈，在放電容器的內部具有陽極與陰極，其特征在于，上述陰極由鎢填充率為90%以上的釷鎢部以及與該釷鎢部連續(xù)的純鎢所成的主體部 構成，上述釷鎢部的側面積&與上述陰極的側面積S的比例為0. 005以上、0. 15以下， 其中，陰極的側面積S是從陰極的陽極側前端開始的長度為陰極最大直徑的兩倍為止 的范圍。
2.根據權利要求1所述的放電燈，其特征在于， 上述釷鎢部與上述主體部被擴散接合。
全文摘要
提供一種放電燈，抑制釷鎢的使用量的同時，具有良好的電弧穩(wěn)定性與長壽命。該放電燈在放電容器(1)的內部具有陽極(4)與陰極(5)，其特征為上述陰極(5)由鎢填充率為90％以上的釷鎢部(7)以及與該釷鎢部(7)連續(xù)的純鎢所成的主體部(6)構成，上述釷鎢部(7)的側面積ST與上述陰極(5)的側面積S的比例ST/S為0.005以上、0.15以下，其中陰極(5)的側面積S到從陰極(5)的陽極側前端開始的長度為最大直徑的兩倍為止。
文檔編號H01J61/073GK102142353SQ20111002523
公開日2011年8月3日 申請日期2011年1月20日 優(yōu)先權日2010年1月28日
發(fā)明者有本智良, 池內滿, 清水昭宏 申請人:優(yōu)志旺電機株式會社