短弧型放电灯的制作方法

1.本发明涉及短弧型放电灯，尤其涉及为了在灯点亮时使电极温度降低而在电极的外表面形成有热辐射膜的短弧型放电灯。


背景技术：

2.例如在半导体元件、液晶显示元件等的制造工序中使用的曝光装置、各种放映机中，作为光源，使用短弧型放电灯。
3.该短弧型放电灯通过将阳极及阴极在发光管内相互相对配置，并且在该发光管内封入水银、氙气等发光物质而构成。
4.在这样的短弧型放电灯中，已知由于在点亮时施加于阳极的热的负荷高，因此产生由阳极的过热等引起的电极材料的蒸发，该蒸发物附着于发光管的内壁而产生光透射率下降的所谓黑化。
5.为了解决这样的问题，已知有在电极外表面形成散热层来抑制电极的温度上升的技术，在日本特开2004-259639号公报(专利文献1)中公开了在除了电极的前端附近的外表面形成有包含至少1种金属的氧化物的散热层的放电灯。
6.在该专利文献1中，公开了使用氧化锆作为电极的散热覆盖材质的例子。
7.但是，氧化锆为氧化物陶瓷，即使在高温下也稳定，因此与电极的附着性差，在制造时难以附着于电极表面，并且存在容易剥离的问题。
8.另外，钨的热膨胀系数为4.5
×
10-6
/k，相对于此，氧化锆的热膨胀系数为10.5
×
10-6
/k，差较大，存在有由于灯的点亮和熄灭引起的电极的膨胀及收缩而导致散热层剥离的情况这样的问题。
9.现有技术文献
10.专利文献
11.专利文献1：日本特开2004-259639号公报


技术实现要素：

12.发明所要解决的课题
13.本发明所要解决的课题在于，鉴于上述现有技术的问题点，提供一种短弧型放电灯，一对电极在发光管的内部相对配置，在所述一对电极中的至少一方的电极的外表面形成有作为高辐射膜的热辐射膜，其中，热辐射膜不会熔融，散热性优异，并且不会产生膜剥离，长寿命。
14.用于解决课题的技术方案
15.为了解决上述课题，本发明所涉及的短弧型放电灯的特征在于，形成于电极的外表面的作为高辐射膜的热辐射膜通过使添加物形成为氧化物而固溶于覆盖材料并且在所述覆盖材料中产生氧缺陷而得到，所述添加物由钛、锆、铪、钒、铌中的至少1种构成，所述覆盖材料包含氧化锆和氧化铪中的至少1种。
16.另外，其特征在于，所述热辐射膜的所述添加物相对于所述覆盖材料的比率为1wt％以上且50wt％以下。
17.另外，其特征在于，所述热辐射膜的膜厚为1μm以上且200μm以下。
18.另外，其特征在于，所述热辐射膜为多孔质，在表面具有空孔。
19.另外，其特征在于，所述空孔的平均的大小为1μm以上且50μm以下的范围内。
20.另外，其特征在于，所述热辐射膜的可见区域的辐射率大于0.8。
21.另外，其特征在于，在所述电极外表面形成有凹凸面，在该凹凸面的表面形成有热辐射膜。
22.另外，其特征在于，所述凹凸面为加工槽。
23.另外，其特征在于，在所述电极外表面形成有由与所述添加物相同的成分构成的熔敷层，在该熔敷层的外表面形成有所述热辐射膜。
24.发明效果
25.根据本发明的短弧型放电灯，作为覆盖电极外表面的热辐射膜的主成分，使用包含氧化锆和氧化铪中的至少1种的覆盖材料、或由氧化锆和氧化铪中的至少1种构成的覆盖材料，该氧化锆及氧化铪的熔点为2700℃以上，因此起到即使在灯的点亮时也能够防止热辐射膜熔融的效果。
26.另外，通过使热辐射膜的覆盖材料为氧化锆或氧化铪，与未设置覆盖材料的电极相比，能够增加6μm以上的长波长区域的辐射率，因此散热性优异。
27.另外，覆盖材料是通过使由钛、锆、铪、钒、铌中的至少1种构成的添加物形成为氧化物而固溶并且使覆盖材料中产生氧缺陷而得到的，因此能够呈现黑灰色，使可见区域的分光辐射率为0.8以上，使波长1μm的分光辐射率为0.9以上。因此，散热性优异。
28.另外，由于添加物形成为氧化物而固溶于覆盖材料，因此形成牢固的热辐射膜。进而，由于添加物的一部分熔敷于电极表面，因此热辐射膜更牢固地附着于电极。
29.另外，通过将热辐射膜的膜厚设为1μm至200μm之间的厚度，能够形成可得到充分的辐射率且难以剥离的膜。
30.另外，通过使热辐射膜为多孔质，在表面产生空孔，从而能够提高辐射率。进而，通过将空孔的大小设为1μm至50μm的范围，能够进一步提高辐射率。
31.另外，通过在电极外表面形成凹凸面，能够提高热辐射膜与电极的附着性。特别是，在凹凸面为加工槽的情况下，由于微细的裂纹与凹凸形状一起形成于电极外表面，因此能够进一步提高附着性。
附图说明
32.图1是本发明的短弧型放电灯的整体结构图。
33.图2是本发明的电极的放大图。
34.图3是电极外表面的热辐射膜的剖视图，(a)是涂布后的示意图，(b)是烧结后的示意图。
35.图4是考虑了热辐射膜的化学键合的情况下的示意图，(a)是不添加添加物而仅由覆盖材料覆盖电极的情况，(b)是由添加了添加物的覆盖材料覆盖电极的情况。
36.图5是表示电极与热辐射膜的结合状态的放大剖视图。
37.图6是表示电极的分光辐射率的测定结果的图表。
38.图7是表示电极的可见区域的辐射率的图表。
39.图8是热辐射膜的截面照片。
40.图9是热辐射膜基于eds分析的元素映射。
41.图10是表示热辐射膜的热重量分析的图表。
具体实施方式
42.图1是表示作为本发明的对象的短弧型放电灯的一例的整体结构图。
43.该短弧型放电灯(以下，也简称为“放电灯”。)1具有由石英玻璃形成的大致球状的发光管2。
44.在发光管2的内部，阳极3及阴极4分别被电极芯线5支承，相互相对配置。在此，阳极3由钨形成，阴极4由敷钍钨形成，电极芯线5由钨形成。
45.另外，在发光管2中，封入有规定量的水银、氙气等发光物质和氩气等启动辅助用缓冲气体。
46.在图2中，示出了在发光管2的内部相对配置的阳极3和阴极4，在该例子中，在阳极3的外表面，在除了其前端部的外表面设置有热辐射膜6。在此，阳极3的外表面是指除了与阴极4相对的前端部以外的外表面。由于存在阳极3的前端部在放电灯点亮时温度上升至热辐射膜6的熔点以上的情况，因此，在本实施例中，热辐射膜6未设置于阳极3的前端部。
47.另外，在本实施例中，仅在阳极3的外表面设置有热辐射膜6，但也可以在阴极4的外表面设置热辐射膜6。
48.在此，为了提高热辐射膜6向电极的附着性，可以在阳极3的外表面设置凹凸面。凹凸面可以通过切削加工、激光加工、喷砂处理等形成。特别是，在凹凸面为基于切削加工的加工槽的情况下，微细的裂纹与凹凸形状一起形成在电极外表面，因此能够进一步提高附着性。另外，在凹凸面为基于激光加工的加工槽的情况下，由于激光照射而熔融、蒸发的微细的金属粒子的一部分附着于电极外表面。由此，电极外表面被粗糙化，因此附着性进一步提高。
49.图3是将热辐射膜6作为粒子的集合考虑的情况下的示意图，该热辐射膜6由覆盖材料8和添加物9构成。图3的(a)表示将覆盖材料8及添加物9涂布于电极3之后且烧结前的状态，图3的(b)表示在烧结后形成有热辐射膜6的状态。
50.在放电灯点亮时，电极成为高温，因此覆盖材料8需要采用即使在高温下也稳定的物质。在本发明中，将氧化锆、氧化铪或氧化锆与氧化铪的混合物中的任一种用于覆盖材料8。氧化锆和氧化铪的熔点为2700℃以上，因此在放电灯点亮时，热辐射膜6不会熔融。
51.另外，作为添加物9，使用在烧结后形成为氧化物10而固溶于覆盖材料8并使覆盖材料8产生氧缺陷的物质。第四族元素和第五族元素形成为氧化物10而固溶于作为覆盖材料8的氧化锆或氧化铪。但是，第五族元素中的钽的熔点比氧化锆及氧化铪高，因此，如果想要使钽熔融而固溶于覆盖材料8，则覆盖材料8也熔融。因此，在本发明中，作为添加物9，使用第四族元素和第五族元素中熔点比氧化锆及氧化铪低的钛、锆、铪、钒、铌。
52.另外，热辐射膜6中的添加物9相对于覆盖材料8的比率为1wt％以上且50wt％以下。若添加物9相对于覆盖材料8的比率大于50wt％，则添加物9无法固溶于覆盖材料8，因此
需要将该比率设为50wt％以下。另外，若添加物9相对于覆盖材料8的比率低，则热辐射膜6不会充分地附着于电极，因此该比率优选为1wt％以上，更优选为10wt％以上。
53.此外，图3示出了将添加了添加物9的覆盖材料8涂布于电极3的情况，但也可以预先仅将添加物9涂布于电极3，在其上涂布添加了添加物9的覆盖材料8。在该情况下，在电极表面形成由与添加物相同的成分构成的熔敷层，在该熔敷层的外表面形成热辐射膜，因此热辐射膜更牢固地附着于电极。
54.图4是关于热辐射膜6考虑了化学键合的情况的示意图，图4的(a)是表示不添加添加物而仅由覆盖材料覆盖电极的情况，图4的(b)表示在覆盖材料中添加添加物而形成热辐射膜的状态。此外，对于图4，对使用氧化锆作为覆盖材料、使用钛作为添加物的情况进行说明。
55.在不添加钛的情况下，如图4的(a)所示，氧化锆以锆原子12与氧原子13键合的稳定的状态存在，因此与电极的附着性差。另外，钨的热膨胀系数为4.5
×
10-6
/k，相对于此，氧化锆的热膨胀系数为10.5
×
10-6
/k，差较大，有可能因灯的点亮和熄灭引起的电极的膨胀及收缩而导致产生剥离。
56.另一方面，在添加了钛的情况下，在烧结时，钛熔融，产生如图4的(b)所示的钨原子11与钛原子14的键合。因此，热辐射膜6良好地附着于电极。
57.另外，如图4的(b)所示，添加的钛与氧原子13键合，即形成为氧化物而固溶于氧化锆。于是，在热辐射膜6产生氧缺陷15。在此，氧化锆在常态下为白色的固体，氧化铪在常态下为无色的固体，但若产生氧缺陷15，则呈现黑灰色。因此，能够提高辐射率，能够通过热辐射有效地降低电极的温度。
58.以下，对热辐射膜的具体例进行记述。
59.1.制作例
60.在粒径10μm以下的氧化锆中添加以重量比计为10％的钛粉末，将其加入由硝基纤维素和乙酸丁酯构成的溶剂中良好地混合后，用笔涂布于阳极侧面。然后，在150℃下干燥30分钟后，在真空气氛中进行1900℃、120分钟的热处理，形成厚度为10～50μm的热辐射膜。
61.另外，通过在真空气氛下进行热处理，如图5所示，一部分氧化锆飞散，在热辐射膜6的一部分产生了空孔20。
62.此外，在阳极3的侧面的表面，通过利用机械车床的切削加工，形成有宽度150μm、深度30μm、间距150μm左右的槽。进而，在槽内部的钨表面，在切削加工时沿着钨晶界产生宽度数μm、长度数μm～数10μm左右的无数的裂纹。由此，氧化锆、钛渗透至裂纹内部，提高紧贴性。
63.＜短弧型放电灯的规格＞
64.电极的阳极直径为φ29mm，隔着7.3mm的极间设置有阴极。是封入有适量的水银和启动用稀有气体的额定输入5000w、电压50v的垂直点亮用的超高压水银灯。
65.2.热辐射膜的分析
66.(1)热辐射膜的分光辐射率
67.在图6中示出具有本发明的热辐射膜的电极的分光辐射率的测定结果。此外，实线表示以氧化锆为主成分的本发明的热辐射膜(实施例)，虚线表示未设置热辐射膜的钨电极表面(比较例1)，双点划线表示在钨电极的表面设置有钨糊剂的情况(比较例2)。
68.确认了在具有本发明的热辐射膜的电极(实施例)中，与比较例1及比较例2相比，6μm以上的长波长区域的辐射率变高。
69.另外，具有本发明的热辐射膜的电极的可见区域的辐射率如图7所示，在从波长380nm到波长780nm的可见光整个区域为0.8以上。
70.(2)固溶状态
71.在图8中示出本发明的热辐射膜的截面的sem照片。另外，在图9中示出针对与图8的照片相同部位的基于eds(energy dispersive x-ray spectrometry：能量色散x射线光谱)分析的元素映射。
72.在图8所示的sem照片中，未观察到添加的钛。即，可知在热辐射膜中添加的钛不作为粒子存在。
73.另一方面，在图9所示的元素映射中，分别检测到作为热辐射膜的主成分的锆和添加的钛。此外，由于在本次的eds中无法检测到轻元素，因此可知检测到锆的部分为氧化锆。
74.根据热辐射膜的截面的sem照片和基于元素映射的观察结果可知，添加的钛在氧化锆膜中适当地分散并固溶。
75.(3)氧缺陷
76.关于作为辐射膜的氧化锆的氧缺陷，通过热重量分析进行了确认。
77.将在电极上烧成的实施例的热辐射膜(氧化锆)用超硬合金的刀削去，得到12mg的试样。将资料设置于热重量测定装置，在大气气氛下以5℃/min从室温加热至1300℃，测定了重量变化。为了用于比较，将相同量的氧化锆进行相同分析的结果示于图9。
78.氧化锆未被观察到加热引起的重量变化，但在热辐射膜中在至1300℃为止显示出6.9％的重量增加。这被认为是，由于固溶于氧化锆的钛的影响，成为形成氧化锆膜中的氧不足的氧缺陷的状态，但由于大气中的加热，缺陷部分与氧结合而缺陷恢复，结果重量增加。另外，分析前的试样为黑灰色，但分析后变化为白色，返回到一般的氧化锆的状态。
79.3.效果的确认
80.表1中示出热辐射膜的附着性的评价结果及热辐射膜带来的散热性提高的效果确认的结果。
81.[表1]
[0082][0083]
此外，在表1中，“a”是在带剥离试验及升降温反复试验中热辐射膜未剥离的情况，“b”是产生了剥离的情况。另外，“－”是指未进行试验。即，仅对在带剥离试验中为“a”的情况进行升降温试验。
[0084]
(1)附着性
[0085]
关于附着性的评价，首先，在将辐射膜涂布于电极上并烧结后的φ29mm的阳极的侧面的圆周方向上，粘贴15mm宽的玻璃纸粘合带(nichiban株式会社制；ct405ap，附着力3.93n/10mm)，迅速地剥离，目视确认在带的粘合面上是否有辐射膜的附着。
[0086]
另外，关于相对于由热引起的电极的膨胀及收缩的附着性，将搭载有烧结了热辐射膜的阳极的灯以额定功率5000w点亮1小时后，熄灭30分钟的闪烁点亮试验反复进行50次，对于热辐射膜的剥离，用目视进行了确认。此时，阳极侧面的热辐射膜的最接近电极前端的部分达到约2000℃。
[0087]
其结果，在带剥离试验中，仅样品1为“b”，即，热辐射膜从电极表面剥离而附着于带。
[0088]
另外，对在带剥离试验中评价为“a”的样品(样品2～7及现有例)进行升降温反复试验，其结果，样品2评价为“b”。
[0089]
样品2通过提高烧结温度，在带剥离试验中，变为“a”，但热辐射膜由无添加物的氧化锆构成，该氧化锆与作为电极材料的钨的热膨胀系数大不相同，因此推测热辐射膜由于由热引起的电极的膨胀/收缩而剥离。
[0090]
(2)散热性
[0091]
关于散热性提高的效果确认，通过点亮试验，根据照度达到点亮初期的95％为止的点亮时间来进行评价。评价为，该照度维持时间越短，散热性越差(电极的温度不下降，电极的蒸发量多，因此黑化引起的照度下降的程度大)，时间越长，则散热性越好(电极的温度低，黑化减少)。
[0092]
在此，添加了锆的样品4、5、6的目视下的外观几乎相同，因此认为随时间的变化全部相同，作为用于散热性提高的效果确认的试验，仅对样品5进行了测试。
[0093]
此外，灯以额定功率5000w(电压50v)进行垂直点亮。
[0094]
在现有的钨糊剂的规格中，照度维持率为95％是点亮200小时后。
[0095]
另一方面，在本发明的热辐射膜的规格(样品3、5、7)中，照度维持率为95％是点亮450小时至510小时左右，能够确认到与现有的规格相比照度维持率大幅改善。
[0096]
此外，样品2成为比现有例差的结果。认为这是因为，由于灯的点亮/熄灭的反复，膜剥离，不再作为热辐射膜而发挥作用，即，电极温度上升抑制的效果消失。
[0097]
根据本发明的短弧型放电灯，作为形成于电极的外表面的热辐射膜的主成分，使用包含氧化锆和氧化铪中的至少1种的覆盖材料，因此起到如下效果：即使在灯点亮时热辐射膜也不会熔融，散热性优异，且不会产生膜剥离，能够长时间维持稳定的点亮。
[0098]
另外，通过使由钛、锆、铪、钒、铌中的至少1种构成的添加物形成为氧化物而固溶于所述覆盖材料，并且使所述覆盖材料中产生氧缺陷，从而热辐射膜呈现黑灰色，能够使可见区域的分光辐射率为0.8以上，使波长1μm的分光辐射率为0.9以上，散热性更优异。
[0099]
标号说明
[0100]
1：短弧型放电灯
[0101]
2：发光管
[0102]
3：阳极
[0103]
4：阴极
[0104]
5：电极芯线
[0105]
6：热辐射膜
[0106]
8：覆盖材料
[0107]
9：添加物
[0108]
10：氧化物
[0109]
11：钨原子
[0110]
12：锆原子
[0111]
13：氧原子
[0112]
14：钛原子
[0113]
15：氧缺陷
[0114]
20：空孔。