TW201126565A - Discharge lamp - Google Patents

Description

201126565 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於放電燈。尤其是關於於陰極將钍（Th ) 作爲射極而使用之放電燈。 【先前技術】 先前，於液晶或半導體的曝光裝置，作爲光源，使用 高壓水銀燈，又，於映像機的光源，使用氙燈（xenon lamp)。該等放電燈係被要求點燈中電弧安定（電弧安定 性）及可長時間維持一定的照度（長壽命性）。爲了回應 此種要求，燈的電極也需要具有良好點弧性及耐消耗性的 材料’也就是說於使陰極的材料，使用使鎢（W)含有氧 化钍（Th〇2)之所 g胃钍鶴（Th〇2-W，thoriated tungsten )(專利文獻1 )。 然而，近年來’根據環境負荷的觀點，逐漸著目於對 於如钍鎢之放射性物質的使用之限制。另一方面，作爲放 電燈’也需要前述電弧安定性與長壽命性。 [先前技術文獻] [專利文獻] [專利文獻1]日本特開昭42-27213號公報 【發明內容】 [發明所欲解決之課題] -5- 201126565 此發明所欲解決之課題係提供抑制钍鎢的使用量之同 時，具有良好電弧安定性與長壽命性的放電燈。 [用以解決課題之手段] 爲了解決前述課題，關於此發明的放電燈，係於放電 容器的內部具有陽極與陰極的構造中，其特徵爲：陰極係 由鎢塡充率是90%以上的钍鎢部，與由連接於此钍鎢部之 純鎢所成的本體部所構成；前述钍鎢部之側面積ST與前述 陰極之側面積S的比例ST/S是0.005以上0.1 5以下。但是， 陰極的側面積S係設爲自陰極之陽極側前端開始的長度爲 陰極最大徑的兩倍爲止的範圍。 進而，特徵爲前述钍鎢部與前述本體部係被擴散接合 (diffusion bonding ) ° [發明的效果] 關於本發明的放電燈係以採用钍鎢部之側面積ST與陰 極之側面積S的面積比ST/S是0.005以上0.1 5以下的陰極， 可減低钍鎢的使用之同時，且以將钍鎢部的鎢塡充率設爲 9 0%以上，使其具有優良電弧安定性與長壽命性者。 進而，關於本發明的放電燈係藉由擴散接合钍鎢部與 本體部，可使钍鎢部所含有的氧化钍（Th〇2)幾乎不還原 而接合本體部。又，在擴散接合中，因爲可利用低於鎢的 熔點之溫度來進行接合，故可維持钍鎢部及本體部的組織 ，除了不影響陰極性能之外，還有在接合後也可切削加工 -6- 201126565 的優點。 【實施方式】 圖1係揭示關於本發明的放電燈之實施例。圖雖然在 說明的便利性上針對放電容器1的發光部2僅揭示內部構造 ’但是’封止部3並未揭示內部構造。 放電燈係整體由石英玻璃製的放電容器1所成，由該 略球狀的發光部2與連續於其兩端而形成之封止部3所構成 。於發光部2的內部，陽極4與陰極5以延伸於放電容器1的 管軸方向之方式配置，兩電極的前端經由數毫米的間隙而 對向配置。又，於發光部2的內部空間係封入有發光物質 或發光用氣體。例如，在身爲液晶或半導體的曝光裝置之 光源的高壓水銀燈之狀況中，作爲水銀（Hg )及緩衝氣 體，封入氙（Xe)氣體或氬（Ar)氣體。又，在身爲放 映機之光源的氙燈之狀況中，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0.05〜〇.5MPa。陽極4係例如藉由鎢含有率是99.9 重量％以上的純鎢來形成整體。關於陰極5係於後詳述。 於此種構造的放電燈中，例如20kV的高電壓被施加 於電極之間時，於電極之間產生絕緣破壞，形成放電電弧 而燈會點燈。在高壓水銀燈之狀況中，以包含波長3 6 5 nm 的i線及波長43 5nm的g線之光爲主，放射線光譜的光’在 氤燈之狀況中’放射從波長300nm至波長110〇11111之連續光 譜的光。 201126565 圖2係圖1所示之放電燈之陰極5的放大圖，特別表示 於軸方向切斷之剖面構造。 陰極5係由從純鎢所成之本體部6，與設置於此本體部 6之陽極側前端的钍鎢部7來構成整體。 本體部6係由鎢含有率99.9重量％以上的純鎢所成，朝 向陽極側前端而漸漸變細之略圓錐台形狀的錐部61，與連 接於此錐部61後端之略圓柱形狀的體部62—體形成。 钍鎢部7係以鎢（W )作爲主成分，作爲射極（易電 子放射性材料），含有氧化钍（Th02 )，亦即，钍鎢（ Th02-W )。具體來說，氧化钍的含有率是2重量％。又， 钍鎢部7的形狀係整體爲略圓錐台形狀，圓錐台的前端面 係對向配置於陽極4的前端之同時，圓錐台的後端面係與 本體部6之錐部6 1的前端面擴散接合。又，钍鎢部7的側面 係具有如持續於本體部6之錐部6 1的側面傾斜之相同的傾 斜，藉由本體部6的錐部61與钍鎢部7，作爲整體，構成陰 極前端的圓錐台形狀。 在此，對於陰極5而存在钍鎢部7的區域係形成放電電 弧的區域或在其附近，直接受到電弧所致之加熱的影響之 區域。爲此’在燈點燈中，包含於钍鎢部7的氧化钍係被 還原成钍原子，擴散於钍鎢部7的內部或外表面，移動至 更前端方向。爲此，钍鎢部7存在的區域即使在陰極整體 中’僅限定於前端的一區域，也可經常將钍良好地供給給 陰極5的前端。結果，可實現可縮小工作係數之同時，具 有優良點弧性與耐消耗性者。 -8- 201126565 又，在燈點燈中，因爲高溫而包含於钍鎢部7的钍也 會蒸發。但是，钍係在電弧中游離成钍離子（Th+)，因 爲本身的極性而被拉引至陰極方向。結果，因爲钍會重複 電弧中之蒸發、钍離子的游離、陰極5的回歸之循環，故 亦可抑制钍的消耗。 另一方面，在先前技術中所說明之陰極5的狀況中， 钍從陰極5的前端以外之區域也會蒸發，故發生多數尙未 前進至電弧中的钍，前述游離並不能太過期待。然後，钍 附著於放電容器1的內壁時會產生白濁，結果，遮蔽了放 射光，導致照度降低而成爲短壽命的原因。本發明係將钍 鎢部7的存在區域限定於陰極5的前端部份之同時，進而， 藉由後述之實驗，利用以規定相對於陰極整體之側面積的 比例，降低無助於前述循環之钍的蒸發。 進而，如前述般，從陰極5蒸發之钍係成爲钍離子而 再次回歸陰極5。但是，陰極5的溫度過於上升時，钍原子 會在放電空間中，附著於溫度較低之放電容器1的內表面 ，與身爲構成放電容器1之材料的矽石（Si02 )產生反應 而產生化合物（白濁）。本發明係爲了解決此種問題，利 用提升包含氧化钍之钍鎢部7的熱傳導性，抑制陰極前端 的過剩溫度上升者。 具體來說，钍鎢部7係鎢塡充率90%以上。尤其，於 輸入電力値是lkW以上的放電燈中，除了前述白濁的發生 ，從耐較高之熱負荷的觀點來看亦有提升熱傳導率的必要 。再者，嚴密上來說钍鎢部7也包含氧化钍，故不僅鎢的 201126565 熱傳導率，也須考慮氧化钍的熱傳導率，但是，氧化钍的 熱傳導率係相較於鎢單體的熱傳導率非常小，故可將鎢塡 充率作爲钍鎢部7之熱傳導性的指標。本案發明的特徵爲 钍鎢部7的鎢塡充率是90%以上，根據熱傳導率較高也稱 爲「高熱傳導钍鎢」。本案發明係利用不僅陰極5之社鎢 部7的比例（在側面積的比例），更規定钍鎢部7的鎢塡充 率，而可達成電弧安定性與長壽命性者。所以，假設即使 僅在陰極5的前端部設置钍鎢之構造已經存在，如果是鎢 塡充率較低者，也無法發揮所希望之熱傳導特性，結果， 可能產生來自陰極前端之過剩钍的蒸發，與放電容器1之 白濁的問題。 在此，鎢的塡充率P係以「P = a ( 1-x ) /19.3」表示。 將構成钍鎢部7之钍鎢的密度（g/cm3 )設爲a，將相對於 氧化钍之钍的重量比設爲X，將鎢的密度（g/cm3)設爲 19.3。a ( 1-x )係每钍鎢的lcm3中鎢所佔之質量，將其除 以鎢的密度19.3 ( g/cm3 )的塡充率P係代表钍鎢中鎢所佔 之體積的比例。如上述般，因爲钍鎢之熱傳導幾乎都藉由 鎢，故鎢所占之體積的比例，亦即，塡充率P越大，钍鎢 的熱傳導性越好》 接著，針對關於本發明之放電燈的陰極5之製造方法 ，說明其一例。 首先，本體部6係利用切削圓柱形狀之鎢的側部，形 成錐部61。另一方面，钍鎢部7係將射極粉末（氧化钍的 粉末）與鎢粉末的混合粉末放入金屬模，施壓而產生一次 -10- 201126565 成形體，並燒結此一次成形體。此時，爲了提升鎢的填$ 率，對於燒結材施加熱加工。具體來說，將被加熱成高溫 的燒結材，以槌子進行型锻（swage )。然後，於鎢塡充 率成爲90 %以上的狀態中，切削此燒結體而使其成爲所胃 望之形狀（例如，圓錐形狀）。 接著，接合本體部6與钍鎢部7。首先，重疊貼合本體 部6之錐部61的前端面與成爲钍鎢部7的後端面，一邊從本 體部6的下面與钍鎢部7的上面加壓，一邊通電加熱。具體 來說，將接合溫度於絕對溫度（K)中設爲材料的熔點之 50〜60%程度，將加壓力設爲數十Pa程度之真空中的接合 溫度之材料的屈服應力（yield stress )之20〜40%程度。 並將此狀態保持到〇·2〜0.3mm程度的縮小量爲止而使其擴 散接合。 所謂「擴散接合」係在面上重疊貼合金屬彼此，在未 滿熔點的固相狀態下不會產生塑性變形之程度加熱•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程度，如熔融接合 般，不需要加熱至鎢的熔點（約3 4 0 0 °C )爲止，故钍鎢部 7所含有之氧化钍（Th〇2 )幾乎不會被還原。進而，因爲 可維持本體部6及钍鎢部7的組織，故不會對陰極性能造成 不好影響。進而，因爲陰極5的組織不會改變，在本體部6 與钍鎢部7的接合後也可切削加工。 在此，關於陰極5，針對本體部6與钍鎢部7已被擴散 接合之狀況，可利用確認兩者的接合面未熔融及鎢的結晶 -11 - 201126565 粒成長而接合來判斷。具體來說，利用顯微鏡等放大本體 部6與钍鎢部7的接合面，如果存在有超過本體部6與钍鎢 部7的連接處而成長之結晶粒的話，則可判斷兩者是被擴 散接合者。 圖3係揭示關於本發明的放電燈之陰極構造，與圖1不 同之構造。具體來說，圖1所示之陰極5係圓錐台形狀之社 鎢部7的後端面（底面）與由純鎢所構成之本體部6的前端 面幾近以相同徑接合，但是，本實施例是钍鎢部70由圓柱 形狀的體部710與前端部720所構成者，钍鎢部70的體部 7 10嵌合於本體部60的凹部630。再者，钍鎢部70的前端係 如圖所示，作爲圓錐形狀亦可，作爲圓錐台形狀亦可。 接著，針對本發明的效果加以說明。 [實驗例1] 針對圖1所示之構造的本發明相關之放電燈，使钍鎢 部之側面積ST與陰極之側面積S的面積比例ST/S變化而測 定照度維持率。又，作爲比較用燈，使用陰極整體由钍鎢 所構成之放電燈，相同地測定照度維持率。照度維持率係 使燈連續點燈，對於初始照度，測定出降低至50%爲止的 壽命時間。再者，實驗所使用的燈係僅改變相對於陰極的 钍鎢部之體積者，陰極的整體形狀與體積相同。又，陰極 以外的構造也全部相同。 實驗的結果，钍鎢部之側面積ST與陰極之側面積S的 面積比ST/S超過0· 15時，則壽命與比較用燈幾近相同。另 -12- 201126565 —方面，钍鎢部之側面積ST與陰極之側面積S的面積比 ST/S是0.1 5以下時，則可得到關於本發明的放電燈之壽命 比比較用燈長的結果。 進而，比例ST/S小於0.005時，則電弧會極端地不安 定。此理由因钍較少。 結果，可確認於钍鎢部之側面積51與陰極之側面積S 的面積比ST/S在0.005〜0.15的範圍中，至少有比先前的放 電燈在壽命特性及電弧安定性上更有效果。 在此，關於本發明的規定，本質上，如钍鎢部的側面 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，钍鎢部的前端形狀會變形而使側面與 前端面的邊際不明，故關於本發明之钍鎢部的側面積，也 包含前端面積。 再者，前述雖然是針對氙燈進行實驗者，但是，也針 對高壓水銀燈進行相同的實驗時，關於高壓水銀燈，在钍 鎢部之側面積ST與陰極之側面積S的面積比ST/S是0.005〜 0.1 5時，相較於先前的放電燈在壽命改善效果及電弧安定 性上也可確認相同效果，亦即，陰極整體相較於钍鎢的燈 在壽命改善效果及電弧安定性上可確認相同效果。 再者，關於先前的放電燈，以僅在短時間點燈之新的 放電燈，與長時間點燈後之末期品的放電燈爲對象，使用 X光能量分散式分析儀（energy dispersive X-ray analyzer )，分別觀察陰極表面的钍濃度。結果，可確認後者的放 電燈在陰極之體部徑的兩倍程度之長度爲止，钍濃度會減 -13- 201126565 少，亦即，钍蒸發之狀況於兩倍以上的長度中，钍濃度幾 乎與新的放電燈沒有不同。據此，陰極之钍的蒸發係可確 認在陰極體部徑的兩倍爲止之區域中發生。亦即，也代表 關於面積比ST/S，陰極之側面積S應將陰極之體部徑的兩 倍爲止之長度設爲限度。 【圖式簡單說明】 [圖1 ]揭示放電燈之構成的說明用剖面圖。 [圖2]於軸方向切斷放電燈之陰極的放大剖面圖。 [圖3]於軸方向切斷放電燈之陰極的放大剖面圖。 【主要元件符號說明】 1 :放電容器 2 :發光部 3 :封止部 4 :陽極 5 :陰極 6 :本體部 61 :錐部 62 :體部 7 :钍鎢部 -14-

Claims (1)

1. 201126565 七、申請專利範圍： 1. 一種放電燈，係於放電容器的內部具有陽極與陰極 的放電燈，其特徵爲： 前述陰極，係由鎢塡充率是90%以上的钍鎢部’與由 連接於此钍鎢部之純鎢所成的本體部所構成； 前述钍鎢部之側面積ST與前述陰極之側面積S的比例 ST/S是0.005以上0.15以下； 但是，陰極的側面積S係設爲自陰極之陽極側前端開 始的長度爲陰極最大徑的兩倍爲止的範圍。 2 .如申請專利範圍第1項所記載之放電燈，其中， 前述钍鎢部與前述本體部係被擴散接合。 -15-