TWI412057B - Short arc discharge lamp - Google Patents

Description

短弧型放電燈

本發明是關於短弧型放電燈，特別是有關：適用於半導體或液晶的製造領域等的曝光用光源或放映機的背光用光源的短弧型放電燈。

短弧型放電燈，由於被相對向配置於發光管內的一對電極之前端距離短且靠近點光源，故藉由與光學系的組合，作為「曝光裝置用或放映機的背光用」之光源而利用。

日本特開平10-188890號公報揭示習知的短弧型放電燈。

第7圖中顯示該習知的短弧型放電燈，短弧型放電燈1的發光管10具備：位於中央且被形成略球狀的發光部11、和其兩端的封止部12。於發光管10內，將由鎢等所構成的陰極21和陽極31如互相面對面般地相對向配置，且於內部的發光空間S中封入水銀、氙等的發光物質。

被連接設置於上述陰極21及陽極31的電極軸22、32是經由未圖示的金屬箔而封止在封止部12。

而且近年來，在半導體或液晶面板的製造步驟上所使用的上述短弧型放電燈，如日本特開2000-181075號公報所見，為了省電力化，並非經常以固定的電力來點燈，而是採用所謂「僅在曝光時以額定電力來點燈(一般性點燈)，在基板移動等的待機時，以小於前述額定電力之最小限度的電力來點燈(待機點燈)」的點燈方式(以下稱為「完全/待機點燈」)。

例如，反覆地在曝光時以額定電力點燈0.1～10秒，在待機時以小於額定電力的待機電力點燈0.1～100秒。

但是，在「燈的點亮/熄滅時、或上述的完全/待機點燈時」之輸入電力的變動等時，由於從電弧往陽極流入的熱流束變化，故陽極溫度變化，且於陽極發生內部應力。

此時，如第8(A)、(B)圖所示，面對電弧的陽極前端面的中央部50是溫度變化最大的部分，因此熱膨脹也變大。相對於此，在該中央部50之周邊的環狀部51溫度變化小於前述中央部50，其熱膨脹亦小。

因此，中央部50是由於該熱膨脹，而從其周邊環狀部51承受壓縮應力，結果從前端面突出而變形。

這樣的突出為：於額定點燈時即便在陽極前端的溫度已經穩定後也不會完全地恢復原本的形狀而殘留下來的。除此之外，特別是在完全/待機點燈時，由於這樣的變形反覆產生，使突出被累積而肥大化。

於是，成為放電集中於已肥大化的突出部，使該突出部異常過熱，電極物質蒸發且附著於發光管內壁，該發光管內壁完全黑化，而有引起照度快速下降的問題。

[先前技術文獻]

[專利文獻]

[專利文獻1]日本特開平10-188890號公報

[專利文獻2]日本特開2000-181075號公報

本發明所欲解決的課題為：鑑於上述習知技術的問題點，特別針對採用完全/待機點燈方式的短弧型放電燈，提供一種具有陽極構造的短弧型放電燈，該陽極構造能緩和在陽極前端產生的熱應力，防止陽極前端的中央部分變形，且防止黑化。

為了解決上述課題，本發明的短弧型放電燈，是於陽極的前端中央部與其周邊環狀部之間，夾介有由較該陽極材料的降伏應力更小的金屬所構成的緩衝材。

又，前述前端中央部是由獨立於陽極以外的***體所構成，該***體是夾介著前述緩衝材而***形成於陽極前端面的開口內。

又，前述緩衝材是由金屬箔所構成，且被纏繞於前述***體。

又，前述***體是由環狀的第1***體、及夾介著緩衝材而***該第1***體的第2***體所構成。

又，在前述環狀的第1***體之內周面，具有於陽極前端面朝半徑方向延伸的龜裂。

又，前述環狀的第1***體被分割成複數個。

又，前述開口為貫通至陽極之後端的貫通孔，前述***體是由電極軸所構成，該電極軸被***於前述貫通孔中，且其前端面對著電極的前端面。

又，於前述陽極的前端面設置環狀的開口且形成前述前端中央部和周邊環狀部，於前述環狀開口內夾介有由燒結金屬所構成的緩衝材。

又，於前述開口的內表面或前述***體的外表面之至少其中一個，形成有前述金屬箔的餘隙槽(clearance groove)。

又，前述餘隙槽被形成於周方向上。

又，前述餘隙槽被形成於軸方向上。

根據本發明的短弧型放電燈，因於陽極的前端中央部與其周邊環狀部之間，夾介有由較該陽極材料的降伏應力更小的金屬所構成的緩衝材，故特別在完全/待機點燈時等的期間，即使陽極前端部的溫度變化，由於前端中央部的熱變形被緩衝材所吸收，故不會產生變形而突出的現象，其結果，不會使前端中央部異常過熱，發光管的黑化不會發生。

而且，即使該緩衝材因熱膨脹而塑性變形，因在前述***體與前述開口的至少其中一者上形成有餘隙槽，故成為緩衝材的膨脹部分侵入到該餘隙槽內，由於不會從陽極的前端面突出，且不會使該部分異常過熱，故發光管的黑化不會發生。

第1圖為顯示第1實施例的剖面圖，其中(A)為裝入的剖面圖，(B)為裝入步驟的說明圖。

圖中，在陽極31的前端面33的中央部分，形成有朝該前端面開口的開口34。而且，將「為獨立於該陽極31以外的個體，且由與陽極相同材料所構成」的***體35成形為與前述開口34整合的形狀，且該***體35是將緩衝材36夾入其間，藉由敲入等的方式壓入/嵌插於前述開口34內。

具體而言，於由鎢所構成的陽極31之前端面的開口34，***同樣由鎢所構成的***體35，為了使該***體35容易壓入，將該開口34及***體35做成前端略為尖細的錐狀為佳。

緩衝材36是由：在相同溫度中，降伏應力較該陽極31及***體35更小的金屬材料所構成，具體而言，是由鉭、鉬、鈮或錸等所構成，於該實施例中為金屬箔，並被纏繞於前述***體35的外周，而與***體35同時嵌插於開口34內。

藉由上述方式，當構成陽極31之前端中央部的***體35熱膨脹時，該***體35與夾入於其周邊環狀部之間的緩衝材36發生高溫蠕變變形，成為吸收/緩和***體35之熱膨脹部分的形態，而不會由周邊環狀部承受壓縮應力。

其結果，構成前端中央部的***體35不會變形，而且不會形成局部性的突出部。

因此，即使進行燈的點亮/熄滅、或長時間的完全/待機點燈，也可防止陽極前端中央部之局部性的突出，可抑制陽極材料的蒸發、及因陽極材料的蒸發所產生的照度降低。

第2圖為顯示第2實施例的剖面圖，其中(A)為裝入的剖面圖，(B)為裝入步驟的說明圖。

於該實施例中，***體35是由第1***體37和第2***體38所構成。第1***體37於中央形成貫通口40且整體形成環狀，該第2***體38是夾介著緩衝材41而壓入/嵌插於該貫通口40。

將如上述方式所組成的***體35，於在外周設置緩衝材42的狀態下，壓入被形成於陽極31之前端面33的開口34。

該第2實施例中之陽極31的開口34及第1***體37的貫通口40，是與上述第1實施例相同，做成若干的錐狀。又於該實施例中，緩衝材41、42是由金屬箔所構成，且分別被纏繞於第2***體38及第1***體37。

根據該實施例，由於在陽極31的前端中央部與其周邊環狀部之間夾入有2個緩衝材41、42，故對於「構成前端中央部之***體35的熱膨脹」之吸收作用發揮更進一步作用。

第3圖為顯示第3實施例的剖面圖，其中(A)為裝入的剖面圖，(B)為其重要部分的底面圖。

圖中，於構成***體35之第1***體37的中央貫通口側，形成有外露於陽極31前端面且於半徑方向上呈放射狀走向的複數龜裂43。

這樣的龜裂43是使用模擬燈具，且藉由面對上述陽極31相對向配置陰極，並於兩電極間在特定條件下放電而形成。其放電條件如下所述。

於氬氣環境中(1atm)，藉由以放電電流20A持續1秒鐘、以200A持續1秒鐘(0.5Hz)來進行10秒鐘放電，而對陽極賦予熱衝擊，促使龜裂(裂紋)產生。

藉由上述的放電，使得內側的第2***體38成為更高溫而向外側膨脹。此時，因外側的第1***體37之溫度上升不會大於第2***體38，故其熱膨脹量亦不大。因此，作為外側構件的第1***體37承受周方向的拉伸應力，一旦將其應力成為特定的大小就變得無法完全承受該應力，且有從內周朝向外周的龜裂發生。

如上述方式所形成的龜裂43為例如：其間隙為70μm左右。

根據該實施例，將陽極31的前端中央部快速地被加熱時，除了藉由緩衝材41、42對熱應力的吸收作用之外，還可緩和往周方向的熱應力，可更確實地避免該中央部的變形。

又，因為龜裂43是如朝向半徑方向延伸般地形成， 故不會對在陽極31前端之往半徑方向之熱傳導引起阻礙。

第4圖為顯示第4實施例的剖面圖，其中(A)為裝入的剖面圖，(B)為其重要部分的底面圖。

於該實施例中，將第1***體37朝半徑方向分割成複數個(於圖中例示4個)區塊37A，將上述區塊組合成第1***體37。在此，於各個分割區塊37A的彼此相鄰接部分形成若干的間隙44，該間隙44相當於上述第3實施例的龜裂43。

根據該實施例，可省略作成龜裂43之繁雜的作業，且可形成確實地於半徑方向上呈放射狀走向的間隙。

第5圖為顯示第5實施例的剖面圖，於陽極31的前端中央部所形成的開口是貫通至其陽極31的後端的貫通孔45，前端部被形成略錐狀。而且，在已將由金屬箔所構成的緩衝材36纏繞於電極軸32的錐狀前端部32A的狀態下，從該貫通孔45的後方端側***，且將該前端部32A壓入陽極31，其前端面是面對著陽極31的前端面33。

根據該實施例，因***體35是由電極軸32所構成，故不用擔心前述***體自陽極31脫離，且成為：以所謂「電極軸32朝陽極31***」的一個步驟，同時將前端***體***，以謀求步驟數的減少。

而且，於上述第1圖~第5圖的實施例中，雖然緩衝材36、41、42是採用金屬箔來說明，卻不僅限於金屬箔，也可藉由將鉭粉末等作成膏狀物塗佈於***體35(第1 圖)、第1***體37及第2***體38(第2圖~第4圖)、或者電極軸32(第6圖)上，且將其***陽極31後，於真空容器中燒結而形成緩衝材。

第6圖為顯示第6實施例，其中(A)為裝入的剖面圖，(B)為其底面圖。

於該實施例中，於陽極31的前端面33形成有環狀的開口46，且於該陽極前端面形成前端中央部和周邊環狀部。而且，於該環狀開口46內，填充粉末的緩衝材料，藉由將其在真空中燒結而於前述前端中央部與周邊環狀部之間，形成緩衝材47。

根據該實施例，***於陽極31的前端部之獨立的***體並非特意成形，因此不會有其脫離之虞。

為了比較本發明與習知的陽極，進行關於以實施例1為基準之照度維持率的點燈試驗。

實驗中所用的燈為：封入水銀量30mg/cc，陽極的尺寸為直徑：25mm、全長：40mm、前端面：10mm。

使已形成於該燈之開口34的直徑(D)產生各種變化並進行實驗。

．點燈條件與評估

反覆地進行「以輸入電力5kW持續5秒、以3kW持續50秒」的點燈循環，評估在500小時點燈後之陽極前端面的突出部的高度：前端突出量(mm)。

又，照度維持率，是以在同樣的點燈條件下之點燈開始時的波長365nm(i線)的紫外線照度為基準，計算出 500小時點燈後的照度維持率。

本發明的燈為：以3mm、6mm、8mm作為形成於上述燈的陽極前端之開口的直徑而評估。

於表1表示上述的實驗結果。

由表1可得知，500小時點燈後之陽極前端的突出量，雖習知電極為0.94mm，但本發明的電極則減少為0.41~0.72mm，其結果，i線的照度維持率從習知電極的86%獲得大幅改善為89%~92%。

如以上說明，由於本發明的短弧型放電燈，於陽極的前端中央部與其周邊環狀部之間，夾介有由較該陽極材料的降伏應力更小的金屬所構成的緩衝材，故特別是即使在採用完全/待機點燈方式時，也不會導致陽極前端的中央部被加熱而局部性地突出，且達到以下的效果，也就是所謂可抑制因中央部突出所引發的陽極材料的蒸發、及起因於「因陽極材料蒸發所引發之發光管的黑化」所導致的照度降低。

接著，針對本發明的第7實施例進行說明。本實施例是緩衝材為金屬箔時的應用例。

第9圖為顯示第7實施例的剖面圖，其中(A)為裝入的剖面圖，(B)為裝入步驟的說明圖。

圖中，於陽極31之前端面33的中央部分，形成有朝該前端面33開口的開口34。而且，將「為獨立於該陽極31以外的個體，且由與陽極相同材料所構成」的***體35成形為與前述開口34整合的形狀，且該***體35是將緩衝材36夾入其間，藉由敲入等的方式壓入/嵌插於前述開口34內。

具體而言，是在由鎢所構成的陽極31之前端面的開口34，***同樣由鎢所構成的***體35，為了使該該***體35容易壓入，將該開口34及***體35做成前端略為尖細的錐狀為佳。

緩衝材36是由：在相同的溫度中，降伏應力較該陽極31及***體35更小的金屬材料所構成，具體而言，是由鉭、鉬、鈮或錸等所構成，於該實施例中為金屬箔，並被纏繞於前述***體35的外周，而與***體35同時嵌插於開口34內。

而且，在***體35的外周面被刻設有於周方向延伸之緩衝材的餘隙槽60。該餘隙槽60可為逐條獨立的圓周溝，也可為環繞成螺旋狀的螺旋溝。

藉由上述方式，當構成陽極31之前端中央部的***體35熱膨脹時，該***體35與夾入於其周邊環狀部之間的緩衝材36發生高溫蠕變變形，成為吸收/緩和***體35的熱膨脹部分的形態，而不會由前述開口34之周邊的環狀部33a承受壓縮應力。

其結果，也不會使構成前端中央部的***體35變形，且也不會形成局部性的突出部。

又，如第10圖顯示，即使緩衝材36因熱膨脹而導致塑性變形，由於其膨脹部分侵入***體35之外周面的餘隙槽60內而被吸收，故可緩和往軸方向的膨脹，其前端不會從陽極31之前端面33突出。

因此，即使進行燈的點亮/熄滅、或長時間的完全/待機點燈，因為可防止陽極前端中央部之局部性的突出而抑制陽極材料的蒸發，進而，防止緩衝材從陽極前端面的突出，而可抑制其蒸發，故可大幅地抑制伴隨著上述材料的蒸發所衍生的照度降低。

於上述實施例中，雖於***體35設置餘隙槽60，但第11圖所示的例子，是於陽極31之開口34的內表面刻設有餘隙槽61。

即使於該實施例中，該餘隙槽61與上述第1實施例的餘隙槽60同樣地作用，以該餘隙槽61吸收緩衝材36的熱膨脹而防止從陽極31之前端面33的突出。

於上述第1圖～第3圖顯示的實施例中，雖然在周方向上形成有緩衝材的餘隙槽60、61，但於第12圖顯示的實施例中，是在***體35的外周面刻設有於軸方向延伸的餘隙槽62。

即使於該例中，「緩衝材36的熱膨脹部分侵入前述餘隙槽62內而被吸收，不會有從陽極31之前端面33的突出」的作用，是與前述實施例中周方向之餘隙槽60、61的情況相同。

當然，在該情況中，餘隙槽62亦可形成於開口34側，而非***體35側。

而且，雖然上述的餘隙槽60、61、62被記載成：刻設/形成於***體35的外表面、或者陽極31之開口34的內表面，但亦可分別形成於上述兩處。

又，當成形上述餘隙槽時，在餘隙槽形成於***體35之外表面的情況中，例如，可藉由利用車床的切削加工、或者雷射加工等來形成，當在餘隙槽形成於陽極31的開口34之內表面的情況中，例如，可藉由利用車床的切削加工等來形成。

而且，餘隙槽的剖面形狀亦可為三角形、梯形、圓形的一部分、或上述組合的其中任何一種。

為了比較本發明的陽極和習知的陽極及比較例的陽極，乃針對將基於實施例1的陽極作為本發明的陽極、和習知陽極及比較例的陽極，進行了關於前端突出量及照度維持率的點燈試驗。

實驗中所用的燈為：封入水銀量30mg/cc，陽極的尺寸為直徑：25mm、全長：40mm、前端面的半徑：Φ 8mm。

此外，於本發明的陽極及習知申請案(比較例)的陽極所形成的開口34的直徑為Φ 7mm，***體35的長度為10mm。

‧陽極

本發明的陽極A為：於***體35的外表面形成深度75μm、節距200μm的螺旋溝40的電極。(參照第9圖)

比較例的陽極B為：在***體35或開口34無餘隙槽的電極。(參照第1圖)

習知例的陽極C為：無***體，且一體成形的電極。(參照第8圖)

‧點燈條件與評估

反覆地進行「以輸入電力4kW持續6秒、以2kW持續26秒」的點燈循環，且評估於500小時點燈後之陽極前端面的突出部的高度：前端突出量(mm)。

又，照度維持率是以在同樣的點燈條件下之點燈開始時的波長365nm(i線)的紫外線照度為基準，計算出500小時點燈後的照度維持率。

將上述的實驗結果表示於下表2，以及將其照度維持率顯示於第13圖。

由表2可得知，500小時點燈後之陽極前端的突出量：習知例的陽極C為0.94mm，比較例的陽極B改善為0.41mm，而本發明的陽極A則得知有更進一步改善且大幅地減少為0.2mm。

其結果，如表2及第13圖所示，i線的照度維持率，雖然比較例之陽極B，是從習知例之陽極C的86%改善為92%，但本發明的陽極A則更進一步地大幅的改善為96%。

如以上說明，由於本發明的短弧型放電燈，其獨立於陽極以外的***體，是夾介著「由較該陽極材料的降伏應力更小的金屬所構成」的緩衝材，而***形成於前述陽極之前端中央部的開口內，且在前述陽極之開口的內表面或***體的外表面之至少其中一個，形成有緩衝材的餘隙槽，故特別是即使在採用完全/待機的點燈方式的情況下，不會有「陽極前端的中央部被加熱而局部性地突出」的情形，可抑制因中央部的突出所引起之陽極材料的蒸發、及因為陽極材料蒸發致使發光管黑化所引發的照度降低，且即使被***於***體與陽極開口之間的緩衝材熱膨脹，因為其膨脹部分侵入餘隙槽內而被吸收，而不會從陽極的前端面突出，故可達到防止該緩衝材異常過熱而蒸發的效果。

21．．．陰極

31．．．陽極

32．．．電極軸

33．．．陽極前端面

34．．．開口

35．．．***體

36．．．緩衝材

37．．．第1***體

38．．．第2***體

41、42‧‧‧緩衝材

43‧‧‧龜裂

44‧‧‧間隙

45‧‧‧貫通孔

46‧‧‧環狀開口

47‧‧‧緩衝材

60‧‧‧***體之周方向的餘隙槽

61‧‧‧開口之周方向的餘隙槽

62‧‧‧***體之軸方向的餘隙槽

[第1圖]本發明的短弧型放電燈的第1實施例的陽極之前端部的重要部分剖面圖。

[第2圖]第2實施例的重要部分剖面圖。

[第3圖]第3實施例的重要部分剖面圖。

[第4圖]第4實施例的重要部分剖面圖。

[第5圖]第5實施例的重要部分剖面圖。

[第6圖]第6實施例的重要部分剖面圖。

[第7圖]習知技術的整體圖。

[第8圖]第7圖的重要部分說明圖。

[第9圖]第7實施例之陽極的重要部分剖面圖。

[第10圖]第9圖之前端部的放大剖面圖。

[第11圖]第8實施例的重要部分剖面圖。

[第12圖]第9實施例的重要部分剖面圖。

[第13圖]顯示本發明之效果的圖表

31．．．陽極

33．．．陽極前端面

34．．．開口

35．．．***體

36．．．緩衝材

Claims (6)

1. 一種短弧型放電燈，是在發光管內相對向配置有一對陽極與陰極所形成的短弧型放電燈，其特徵為：於前述陽極的前端中央部形成有開口，在該開口內***有獨立於前述陽極以外的***體，該***體夾介著緩衝材而***，該緩衝材是由鉭、鉬、鈮、錸等降伏應力小於前述陽極材料的金屬所形成。
2. 如申請專利範圍第1項所記載的短弧型放電燈，其中前述緩衝材是由金屬箔所構成，且被纏繞於前述***體。
3. 如申請專利範圍第1項所記載的短弧型放電燈，其中前述***體是由環狀的第1***體、及夾介著緩衝材而***該第1***體的第2***體所構成。
4. 如申請專利範圍第3項所記載的短弧型放電燈，其中在前述環狀的第1***體之內周面，具有於陽極前端面朝半徑方向延伸的龜裂。
5. 如申請專利範圍第3項所記載的短弧型放電燈，其中前述環狀的第1***體被分割成複數個。
6. 如申請專利範圍第1項所記載的短弧型放電燈，其中前述開口為貫通至陽極之後端的貫通孔，前述***體是由電極軸所構成，該電極軸被***於前述貫通孔中，且其前端面對著電極本體的前端面。