JP2003257365A - ショートアーク型放電灯の電極およびショートアーク型放電灯 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電極の消耗が軽減され、放電灯の照度維持率の
低下が改善される長寿命の放電灯であって、発光効率が
高く、照度安定性の良いショートアーク型放電灯の電極
およびショートアーク型放電灯を提供する。 【解決手段】発光管１の内部に水銀と希ガスを封入して
用いられるショートアーク型放電灯２０における前記発
光管の内部に対向して配置される陰極２と陽極３からな
る電極において、前記陰極２が高融点金属にニ酸化トリ
ウムをドーピングして形成されていると共に、その陰極
２の最表面から所定の深さまで形成した脱ニ酸化トリウ
ム層２ａを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は放電灯、特に半導体
集積回路（ＩＣ）等の露光装置に使用されるショートア
ーク型放電灯の電極およびショートアーク型放電灯に関
する。

【０００２】

【従来の技術】ＩＣ製造工程に必要な技術の１つとし
て、紫外線等の光線の照射により硬化するレジン（樹
脂）を使用して、半導体基板上に希望するパターンを形
成する露光技術がある。この露光技術で使用する露光装
置には、一般にショートアーク型放電灯が使用されてい
る。その中でも、最近のＩＣデバイスの高集積化に伴
い、放射波長が短い約３６５ｎｍのｉ線を効率よく発生
する放電灯が主流となっている。

【０００３】また、現在におけるＩＣ技術の進歩は極め
て早いので、ＩＣ製造には設備投資が大きく、かつ価格
競争が極めて激しい。従って、製造コストの抑制がＩＣ
メーカーの成功には不可欠であり、ＩＣ製造工程で使用
される消耗品の１つであるショートアーク型放電灯につ
いても長寿命化によるコスト低減の要求が厳しい。

【０００４】従来のショートアーク型放電灯の長寿命化
の方法としては、放電灯を構成する電極等の部品または
部材の形状変更や種々の処理が行われている。これによ
り、放電灯の照度維持率（点灯時間に対する照度低下
率）の低下抑制や、ｉ線の発光効率を向上させて露光面
での照度を高めることにより実質的に放電灯の使用可能
時間を延長させている。

【０００５】電極形状には、例えば特公昭３９−１１１
２８号公報に記載されている点灯中の温度低下（放熱効
果の向上）を狙ったヒートシンク構造（表面積増加）や
特許第２６０１４３５号公報に記載されている電極表面
に炭化タンタルとタングステンの混合物からなる多孔質
層を形成する方法、または特許第２９１５３６８号公報
に記載されている微粒子状タングステン焼結層を形成す
る方法等がある。また、放電灯内のガス対流を考慮し電
極の温度分布を最適化するための電極形状の設計も近年
取り入れられている。

【０００６】また、電極の処理方法については、電極表
面の酸化膜層の除去を目的とした水素中の熱処理（還元
処理）や、電極内部のガス出しを目的とした高真空中で
の熱処理が行われている。特に高真空中での熱処理はそ
の温度がタングステンの再結晶化（結晶粒成長）の進行
に影響し、これまでは１６００〜２２００℃で行ってい
る。

【０００７】また、ｉ線を利用するＩＣ露光装置に使用
されるショートアーク型放電灯は、ｉ線の発光効率を高
めるために、液晶表示パネルやプリント回路基板の露光
装置等に通常使用されているショートアーク型放電灯に
比較して、放電灯の発光管内に封入される水銀量を１／
２〜１／１０程度にすることが一般的に行われている。
これにより、点灯中の発光管内部圧力が低くなり、放射
輝度が低下するために、バッファガスとして封入される
希ガスの圧力を高くしてこれを補う方法がとられてい
る。例えば特開２００１−１３５２７４号公報に記載さ
れているように、放電灯の発光管内に封入される希ガス
として、キセノン、クリプトンまたはアルゴン等の高分
子量の希ガスに、ヘリウムまたはネオン等の低分子量の
希ガスを体積比で約５％〜４０％混合し、これら混合希
ガスの常温における圧力を２気圧以上としたショートア
ーク型放電灯が提案されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
放電灯では長寿命化の要求に十分に応えることができな
かった。特に、特開２００１―１３５２７４号公報に記
載されている放電灯においては、封入される混合希ガス
の圧力が２気圧以上となるため、放射輝度が非常に高く
なり、それに伴って電極温度も高くなる。点灯中の電極
温度はアーク近傍の電極先端部が最も高く、アーク領域
で最も放射輝度が高い位置（輝点）に位置する陰極先端
部は約２４００〜２７００℃にも達する。

【０００９】一方、陰極素材は高融点金属であるタング
ステン（Ｗ）に、仕事関数を下げて放電特性を良くする
ための電子放射性物質であるニ酸化トリウム（以下、Ｔ
ｈＯ ₂と称する）を質量比で数％含有しているものを使
用している。したがって、陰極温度が高くなると、陰極
表面に存在するＴｈＯ₂が陰極表面から飛散しやすく、
陰極表面から飛散したＴｈＯ₂は、放電空間にて酸素
（Ｏ）が脱離する。そのため脱離した酸素（Ｏ）が陽極
先端部に達し、陽極のタングステン（Ｗ）と結合し酸化
タングステン（ＷＯ₂）を形成する。この酸化タングス
テン（ＷＯ₂）は、陽極のタングステン（Ｗ）の融点を
低下させ、この融点の低下が、陽極温度の高い状態にお
いて、陽極先端部をえぐれてしまうほど著しく消耗させ
ることになる。さらに、放電灯入力の高入力化に伴い、
放電灯電流が増大し、陽極消耗を促進させ、時には陽極
先端が凹凸した状態で変形し消耗するため、照度安定性
を悪化させる原因となっていた。

【００１０】そこで、本発明は、このような問題点を解
決すべく創案されたもので、電極の消耗が軽減され、放
電灯の照度維持率の低下が改善される長寿命の放電灯で
あって、発光効率が高く、照度安定性の良いショートア
ーク型放電灯の電極およびショートアーク型放電灯を提
供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、請求項１に記載の発明は、発光管の内部に水銀と希
ガスを封入して用いられるショートアーク型放電灯にお
ける前記発光管の内部に対向して配置される陰極と陽極
からなる電極において、前記陰極が高融点金属にＴｈＯ
₂をドーピングして形成されていると共に、その陰極の
最表面から所定の深さまで形成した脱二酸化トリウム層
（以下、脱ＴｈＯ₂層と称する）を有するショートアー
ク型放電灯の電極として構成したものである。

【００１２】前記構成において、放電灯の点灯時に陰極
表面からのＴｈＯ₂の蒸発（飛散）の激しい部分のＴｈ
Ｏ₂が除去された脱ＴｈＯ₂層を有することにより、陰極
の電子放射性は維持した状態で、陰極温度の上昇に起因
した陰極表面からのＴｈＯ₂の蒸発（飛散）が減少し、
ＴｈＯ₂から脱離する酸素（Ｏ）が減少し、陽極におけ
るＷＯ₂の生成が抑制される。

【００１３】前記課題を解決するために、請求項２に記
載の発明は、前記脱ＴｈＯ₂層の所定の深さが５０〜１
００μｍであるショートアーク型放電灯の電極として構
成したものである。

【００１４】前記構成により、放電灯の点灯時に陰極表
面からのＴｈＯ₂の蒸発（飛散）の激しい部分（陰極最
表面から５０μｍまでの部分）のＴｈＯ₂が除去されて
いるので、放電灯の点灯時のＴｈＯ₂の蒸発（飛散）が
減少し、ＴｈＯ₂から脱離する酸素が減少し、陽極にお
けるＷＯ₂の生成が抑制される。また、陰極内部には電
子放射性のＴｈＯ₂が残存するので、陰極の放電特性は
低下しない。

【００１５】前記課題を解決するために、請求項３に記
載の発明は、前記脱ＴｈＯ₂層が、放電灯組立時の高真
空中での脱ＴｈＯ₂処理により形成され、その脱ＴｈＯ₂
処理の温度が２３００〜２９００℃であるショートアー
ク型放電灯の電極として構成したものである。

【００１６】前記構成により、放電灯の点灯時に陰極表
面からのＴｈＯ₂の蒸発（飛散）の激しい部分のＴｈＯ₂
が、放電灯の組立時の熱処理により除去されるので、放
電灯の点灯時のＴｈＯ₂の蒸発（飛散）が減少し、Ｔｈ
Ｏ₂から脱離する酸素が減少し、陽極におけるＷＯ₂の生
成が抑制される。また、陰極内部には電子放射性のＴｈ
Ｏ₂が残存するので、陰極の放電特性は低下しない。

【００１７】前記課題を解決するために、請求項４に記
載の発明は、発光管の内部に陰極と陽極を対向して配置
し、前記発光管の内部空間に水銀と希ガスを封入し、前
記希ガスが高分子量の希ガスに体積比で５％〜４０％の
低分子量の希ガスを混合し常温における圧力を２気圧以
上としたショートアーク型放電灯において、前記陰極が
高融点金属にＴｈＯ₂をドーピングして形成されている
と共に、その陰極の最表面から所定の深さまで形成した
脱ＴｈＯ₂層を有するショートアーク型放電灯として構
成したものである。

【００１８】前記の構成において、バッファガスとして
の希ガスの圧力を２気圧以上とし、熱伝導率が高い低分
子量の希ガスを体積比で５〜４０％混合することによ
り、アークにより発生するｉ線の発光効率が向上する。
また、放電灯の点灯時に陰極表面からのＴｈＯ₂の蒸発
（飛散）の激しい部分のＴｈＯ₂が除去された脱ＴｈＯ₂
層が形成されていることにより、電子放射性は維持した
状態で、陰極温度の上昇に起因した陰極表面からのＴｈ
Ｏ₂の蒸発（飛散）が減少し、ＴｈＯ₂から脱離する酸素
（Ｏ）が減少し、陽極におけるＷＯ₂の生成が抑制され
る。

【００１９】前記課題を解決するために、請求項５に記
載の発明は、前記脱ＴｈＯ₂層の所定の深さが５０〜１
００μｍであるショートアーク型放電灯として構成した
ものである。

【００２０】前記構成により、放電灯の点灯時に陰極最
表面からのＴｈＯ₂の蒸発（飛散）の激しい部分（陰極
最表面から５０μｍまでの部分）のＴｈＯ₂が除去され
ているので、放電灯の点灯時のＴｈＯ₂の蒸発（飛散）
が減少し、ＴｈＯ₂から脱離する酸素が減少し、陽極に
おけるＷＯ₂の生成が抑制される。また、陰極内部には
電子放射性のＴｈＯ₂が残存するので、陰極の放電特性
は低下しない。

【００２１】前記課題を解決するために、請求項６に記
載の発明は、前記脱ＴｈＯ₂層が、放電灯組立時の高真
空中での脱ＴｈＯ₂処理により形成され、その脱ＴｈＯ₂
処理の温度が２３００〜２９００℃であるショートアー
ク型放電灯として構成したものである。

【００２２】前記構成により、放電灯の点灯時に陰極表
面からのＴｈＯ₂の蒸発（飛散）の激しい部分のＴｈＯ₂
が、放電灯の組立時の熱処理により除去されるので、放
電灯の点灯時のＴｈＯ₂の蒸発（飛散）が減少し、Ｔｈ
Ｏ₂から脱離する酸素が減少し、陽極におけるＷＯ₂の生
成が抑制される。また、陰極内部には電子放射性のＴｈ
Ｏ₂が残存するので、放電特性は低下しない。

【００２３】前記課題を解決するために、請求項７に記
載の発明は、前記陰極と陽極の距離を一定にして対向配
置し、前記陽極の先端部に凹部を設け、その凹部が陰極
から放出される電子を受け止める点で発生する電界の強
さを近づけるように形成したショートアーク型放電灯と
して構成したものである。

【００２４】前記構成により、放電灯の点灯時、陽極先
端部の表面での電流密度が分散され、陰極から放出され
る電子の衝突によって弾き出される陽極構成物質の度合
いが低下する。

【００２５】前記課題を解決するために、請求項８に記
載の発明は、前記陰極が、その先端部を除く位置に浸炭
処理を施した浸炭部を形成したショートアーク型放電灯
として構成したものである。

【００２６】前記構成により、浸炭部の位置ではＴｈＯ
₂の還元が促進されると共に、ＴｈＯ₂の蒸発が抑制され
る。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を用いて説明する。図１（ａ）は本発明の好適な実施形
態であるショートアーク型放電灯（以下、放電灯と称
す）の切断側面図、（ｂ）は放電灯の原理を説明するた
めの電極の一部を断面にした正面図、（ｃ）は電極の正
面図、図２（ａ）（ｂ）は陰極の構成を示す原理図、図
３は放電灯の陰極最表面から陰極内部の深さ方向に対す
るＴｈＯ₂濃度の推移を熱処理温度別に説明するグラフ
図、図４は放電灯の照度維持率の推移を説明するグラフ
図、図５は放電灯の照度維持率の推移を説明するグラフ
図である。

【００２８】図１（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、放
電灯２０は、中央部が膨らんだ両端部に封止管６、７を
有する発光管１と、この発光管１内に対向して配置され
た陰極２および陽極３と、これら電極２、３を支持する
内部リード棒４、５と、外部電源（図示せず）に接続さ
れる外部リード棒１０、１１と、内部リード棒４、５を
外部リード棒１０、１１にそれぞれ電気的に接続する金
属箔８、９により構成され、封止管６、７内に内部リー
ド棒４、５、金属箔８、９、外部リード棒１０、１１が
封止されている。

【００２９】そして、発光管１の内部空間２１には、約
４．５ｍｇ／ｃｃの水銀と、高分子量の希ガスに体積比
で５〜４０％の低分子量の希ガスを混合した常温におけ
る圧力を２気圧以上とした混合希ガスが封入されてい
る。高分子量の希ガスとしてキセノン、クリプトン、ア
ルゴンまたはこれらの混合ガスを使用し、低分子量の希
ガスとしてヘリウムまたはネオンまたはこれらの混合ガ
スを使用する。そして、陽極３を上にして垂直な姿勢で
点灯し、消費電力は３５００Ｗで点灯している。

【００３０】発光管１は、例えば石英ガラス等の光透過
性ガラス製である。陰極２は、電子放射性物質を含む高
融点金属、例えばＴｈＯ₂を所定量含むタングステン製
であり、陽極３と対向する先端は鋭角に形成され、陽極
３の先端と約５．５ｍｍの間隔Ｌ１で対向する。そし
て、陰極２の最表面から所定の深さｄ１まで形成した脱
ＴｈＯ₂層２ａを有する。一方、陽極３は、高融点金
属、例えば、タングステン製であり、円柱状に形成さ
れ、陰極２と対向する直径Ｄ１約８ｍｍの先端平坦部を
有する。

【００３１】陰極２は、粉末状の高融点金属、例えばタ
ングステンに、粉末状のトリウム（Ｔｈ）を質量比約２
％添加したものを焼結させることにより作製され、放電
灯２０の組立時に高真空中で熱処理することにより、そ
の陰極最表面から所定の深さｄ１まで脱ＴｈＯ₂層２ａ
が形成される。

【００３２】ここで、脱ＴｈＯ₂層２ａの所定の深さｄ
１は、寿命末期の放電灯における陰極最表面から深さ方
向のＴｈＯ₂濃度を、あらかじめ予備実験において確認
し、ＴｈＯ₂の蒸発（飛散）の激しい部分として設定す
る。本発明の放電灯２０においては、後記する実施例の
結果から、５０〜１００μｍが好ましい。５０μｍ未満
ではＴｈＯ₂の蒸発（飛散）の激しい部分が残り、陽極
３の消耗を抑制できない。また、１００μｍを超えると
必要以上のＴｈＯ₂が陰極２から除去されることにな
り、陰極２の放電特性が低下する。

【００３３】さらに、陰極２の組立時の高真空中での熱
処理条件も、各種の熱処理条件に対する陰極２のＴｈＯ
₂の蒸発（飛散）量を、あらかじめ予備実験において確
認し、その確認結果に基づいて設定される。具体的に
は、点灯時の陰極２の温度に近い熱処理温度で各種の熱
処理条件を設定し、各種条件で陰極２を処理して、各条
件毎に陰極最表面からの深さ方向のＴｈＯ₂濃度を測定
する。そして、前記予備実験から設定された所定の深さ
ｄ１までＴｈＯ₂が蒸発（飛散）する条件を、陰極２の
組立時の熱処理条件として設定する。本発明の放電灯２
０においては、後記する実施例の結果から熱処理温度は
２３００〜２９００℃が好ましく、より好ましくは２５
００〜２９００℃、さらに好ましくは２７００〜２９０
０℃で、処理時間は５〜３６０分が好ましい。なお、処
理時間は、前記設定熱処理温度範囲の中で高い温度で処
理する場合には処理時間は短く、または設定熱処理温度
範囲の中で低い温度で処理する場合には処理時間を長く
行う。２３００℃×５分未満ではＴｈＯ₂の蒸発（飛
散）の激しい部分が残り、陽極３の消耗を抑制できな
い。また、２９００℃×３６０分超えると必要以上のＴ
ｈＯ₂が陰極２から除去されることになり、陰極２の放
電特性が低下する。

【００３４】前記のように放電灯２０を構成することに
より、あらかじめ蒸発（飛散）の激しい陰極表面近傍の
ＴｈＯ₂が除去されるので、放電灯２０の点灯時に陰極
表面から蒸発（飛散）するＴｈＯ₂が減少し、ＴｈＯ₂か
ら脱離する酸素（Ｏ）による陽極の消耗、あるいは陽極
消耗による変形が抑制される。その結果、照度維持率が
向上する。また、陰極内部には電子放射性のＴｈＯ₂が
残存し、このＴｈＯ₂が陰極の仕事関数を下げるので、
放電特性が低下せず照度安定性も良い。さらに、高分子
量の希ガスに、これよりも熱伝導率が高い低分子量の希
ガスが混合された混合希ガスが使用されることにより、
アークにより発生するｉ線の発光効率が向上し、露光面
での照度が高くなり発光効率が高くなり、照度安定性も
良い。

【００３５】また、前記放電灯２０は、図１（ｂ）
（ｃ）に示すように、陰極２と陽極３の距離Ｌ１を一定
に対向配置し、陽極３の先端部に凹部３Ａを設け、その
凹部３Ａが陰極２から放出される電子を受け止める点で
発生する電界の強さを近づけるように形成すのが好まし
い。

【００３６】図１（ｂ）に示すように陰極２の先端部を
点電荷Ｑと考えたときに、陽極３の先端側の電界の強さ
は次式（１）で表される。

【００３７】 Ｅ＝Ｑ／（４πε₀Ｘ²）・・・式（１） ただし、Ｅは電界強度、ε₀は誘電率、Ｘは電極間の距
離である。

【００３８】前記式（１）は、点電荷Ｑからの距離Ｘが
遠いほど電界Ｅが強くなるという意味である。したがっ
て陽極３の凹部３Ａがない場合には、陽極３の中央部は
周辺部より距離Ｘが短いので電界強度が弱くなる。その
ため、陽極３の中央部では、電流密度が高くなり、陽極
３の消耗が激しく、点灯時間が長くなるほど、その陽極
３の中央部がくぼんだ形になってくると考えられる。

【００３９】しかしながら、図１（ｂ）に示すように陽
極３の先端部に凹部３Ａを設けることにより、陽極３の
中央部Ｐ₀、周辺部Ｐ₁の位置での距離Ｘ₀、Ｘ₁が等しく
なり、それぞれの電界の強さが近づき、陽極３の表面で
の電流密度が分散される。これにより、点灯中、陰極２
から放出される電子の衝突によって弾き出される陽極構
成物質の度合いが低下し、陽極３の消耗が少なくなる。
よって、放電灯の照度維持率も向上する。

【００４０】また、凹部３Ａの形状を、陰極２と陽極３
とを結ぶ中心線の周りに形成した回転面で形成し、その
回転面を、円錐面、球面、楕円面、円筒面またはこれら
を２以上組み合わせたものとすることや、同一異種の回
転面形状で一方を他方よりも小さくあるいは大きくした
状態で重ねた形状の凹部として形成しても良い。この回
転面により、陰極２からの電子がその回転面に一様に入
射でき、陽極３先端部がほぼ均等に消耗する。よって、
照度維持率がさらに向上する。

【００４１】また、前記放電灯２０は、図２（ａ）
（ｂ）に示すように、陰極２は、その先端部（非処理部
Ｂ）を除く位置に浸炭処理を施して浸炭部２ｂを形成す
るのが好ましい。また、浸炭部２ｂは、陰極表面Ａを表
面脱炭処理することで形成した脱炭部２ｃを介して陰極
表面Ａから内部に入り込んだ位置に形成するのがより好
ましい。

【００４２】浸炭部２ｂは、そのテーパ部Ｃの直径の大
きさに係わりなく、陰極表面Ａから陰極内部に、ほぼ一
定の濃度分布で一定の厚みで形成され、また、その浸炭
部２ｂの深さｄ２が、陰極表面Ａから数ミクロンから数
１０ミクロンの範囲で陰極内部に向かって形成されてい
る。さらに、その浸炭部２ｂの深さｄ２、長さＬ２は、
陰極表面Ａの不純物の付着防止できる深さ、長さであれ
ば特に限定されるものではない。なお、浸炭部２ｂは、
陰極６がタングステン（Ｗ）であれば、タングステンカ
ーバイド（Ｗ₂Ｃ）として構成される。

【００４３】また、浸炭処理が施されない先端部（非処
理部Ｂ）は、アーク放電による温度上昇が激しい部分を
示している。先端部に浸炭処理を施さない理由は、先端
部にＷ₂Ｃからなる浸炭部２ｂが形成されると、Ｗ₂Ｃは
Ｗより融点が低いため、アーク放電による温度上昇によ
り陰極２の先端部が早期に消耗してしまうからである。

【００４４】浸炭部２ｂの形成手段としては、特に限定
されるものではないが、例えば、つぎのような方法が挙
げられる。 （第１工程）塗布媒体の塗布及び乾燥工程 アルカリ系水硝子や、セラミックなどの焼結媒質中に黒
鉛を混入した塗布媒体を、陰極２のテーパ部Ｃの非処理
部Ｂを除く部分（処理部）に塗布した後、自然乾燥させ
る。焼結媒質として水溶液中に質量比で約１０％の珪酸
カリウムが混在する水硝子を使用するのが好ましい。

【００４５】（第２工程）塗布媒体の予備加熱工程 つぎに、自然乾燥した塗布媒体が付着した陰極２を、そ
の塗布媒体の不純物が除去できる適正温度、（例えば前
記の約１０質量％の珪酸カリウムを含む水硝子を使用す
る場合には脱ガス処理として８００℃前後の温度）で１
５分程度真空中、例えば７×１０^-3Ｐａ｛５×１０^-5Ｔ
ｏｒｒ｝の減圧下で加熱する。また、これらの塗布媒体
に６００〜１０００℃の温度で５〜３０分間予備加熱処
理を行うことが不純物を除去する上で好ましい。

【００４６】（第３工程）焼結処理工程 そして、不純物が除去された塗布媒体の焼結温度、例え
ば１５００〜１７００℃の温度で、不活性ガス、例えば
アルゴン（Ａｒ）、キセノン（Ｘｅ）中で１５〜６０分
焼結処理を行う。上記の約１０質量％の珪酸カリウムを
含む水硝子からなる塗布媒体の場合には約１６００℃で
約３０分程度加熱を行うことが好ましい。

【００４７】（第４工程）固形物の除去工程 このようにして、焼結処理を行うと陰極２上に形成され
た塗布媒体の被膜が完全に焼結して固形物となる。この
固形物を例えば、ピンセット等を用いて陰極２から完全
に剥離・除去する。この操作の際に陰極２の内部に炭素
がわずかに浸炭する。

【００４８】（第５工程）浸炭処理工程 最後に、浸炭させる浸炭部２ｂの深さｄ２に対応させて
真空中で加熱する。一般にこの浸炭処理は１８００〜２
３００℃の温度で１５〜６０分、１．３×１０ ^-2Ｐａ
｛１×１０^-4Ｔｏｒｒ｝以下の減圧条件下で行う。例え
ば約１９００℃、７×１０^-3Ｐａ｛５×１０^-5Ｔｏｒ
ｒ｝の減圧下で３０分程度の浸炭処理を行うのが好まし
い。この浸炭処理により、炭素が確実に陰極２の内部に
拡散して浸炭して、均等な濃度分布の浸炭部２ｂを陰極
表面Ａから内部に深さｄ２（約数ミクロン）入った位置
まで形成すると共に、表面の塗布媒体である水硝子を完
全に除去することができる。

【００４９】また、表面脱炭処理は、前記（第５工程）
浸炭処理工程の加熱時間を所定時間より長く、かつ加熱
温度をより高温で処理することにより（例えば前記約１
９００℃、３０分を約２０００℃、６０分）行われる。
この表面脱炭処理により、炭素が存在しない脱炭部２ｃ
を陰極表面Ａから距離ｄ３（例えば２〜５μｍ）の間に
形成し、この脱炭部２ｃを介して、浸炭部２ｂが陰極表
面Ａから距離ｄ３だけ内側に入り込んだ位置に形成され
る。

【００５０】また、濃度の異なる黒鉛を混入した塗布媒
体により前記（第１工程）〜（第５工程）の作業を繰り
返し行うことで、浸炭部２ｂが、陰極２の深さ方向に向
うにしたがって徐々に炭素の濃度分布が粗になるように
構成し、または炭素の濃度分布が粗、密、粗となるよう
に構成しても良い。さらに、陽極３についても前記陰極
２と同様に、その先端部を除く位置に浸炭部２ｂを形成
しても良い。

【００５１】さらに、陰極２への脱ＴｈＯ₂層２ａ、浸
炭部２ｂ（脱炭部２ｃ含む）の形成順序は特に限定され
ないが、脱ＴｈＯ₂層の形成後、浸炭部２ｂ（脱炭部２
ｃ含む）を形成するのが好ましい。

【００５２】この浸炭部２ｂを形成することにより、浸
炭部２ｂの位置ではＴｈＯ₂の還元が促進されると共
に、ＴｈＯ₂の蒸発が抑制され、これにより陰極２の消
耗、変形が抑制され、照度維持率が向上する。また、脱
炭部２ｃを形成することにより、陰極表面Ａの不純物の
残留を防止し、陰極２の消耗や破損を最小限に抑え、よ
り照度維持率が向上する。さらに、浸炭部２ｂの炭素の
濃度分布を変えることにより、陰極２の非処理部Ｂと浸
炭部２ｂの境界線が渾然一体となるため、陰極２の強度
が増し、電気抵抗や熱伝導率の値も向上するために放電
灯の安定した使用を可能とする。

【００５３】

【実施例】つぎに、本発明を実施例を用いて、さらに詳
細に説明する。なお、本発明は実施例に限定されるもの
ではない。

【００５４】まず、本発明の陰極２に形成される脱Ｔｈ
Ｏ₂層２ａの所定の深さｄ１を設定するために、以下の
予備実験１を行った。 （予備実験１）試料として、所定の深さの脱ＴｈＯ₂層
を有しない従来の放電灯（基準放電灯Ａ、放電灯Ａ１〜
Ａ３）を使用した。基準放電灯Ａは水銀４．５ｍｇ／ｃ
ｃとキセノン（Ｘｅ）を常温における圧力１．０気圧で
封入、放電灯Ａ１〜Ａ３は水銀４．５ｍｇ／ｃｃとアル
ゴン（Ａｒ）に体積比４０％のネオン（Ｎｅ）を混合し
た混合希ガスを常温における圧力２．０気圧（放電灯Ａ
１）、５．０気圧（放電灯Ａ２）、７．０気圧（放電灯
Ａ３）で封入し、それ以外の構成は図１（ａ）に示され
た本発明の放電灯２０と同様とした。寿命末期（点灯７
５０時間後）の前記基準放電灯Ａ、放電灯Ａ１〜Ａ３を
破壊して陰極を取り出し、陰極を縦方向に切断して走査
型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により陰極最表面からの深さに
よるＴｈＯ₂の濃度を測定した。点灯前の陰極、未使用
の基準放電灯Ａと比較した結果を表１に示す。

【００５５】

【表１】

【００５６】前記の予備実験１の結果（表１）から、希
ガスとして本発明と同様の混合希ガスを使用した放電灯
Ａ１〜Ａ３においては、基準放電灯Ａに比べて陰極表面
近傍のＴｈＯ₂の蒸発（飛散）が激しく、特に陰極最表
面から深さ５０μｍまでのＴｈＯ₂の蒸発（飛散）が激
しいことが確認された。

【００５７】つぎに、前記予備実験１の結果に基づい
て、陰極２にその最表面から深さ５０μｍまでの脱Ｔｈ
Ｏ₂層２ａを形成させるための高真空中での熱処理条件
を設定するために、以下の予備実験２を行った。 （予備実験２）質量比約２％のＴｈＯ₂を含むタングス
テンからなる陰極を、１６００℃、２１００℃、２３０
０℃、２５００℃、２７００℃、２９００℃、３１００
℃の各条件（熱処理時間６０分）で高真空中（１３３×
１０^-3〜１３３×１０^-6Ｐａ｛１０^-3〜１０^-6Ｔｏｒ
ｒ｝）で熱処理した。熱処理後に陰極を縦方向に切断し
走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により陰極表面層近傍のＴ
ｈＯ₂の濃度を測定した。図３に陰極最表面層から陰極
内部の深さ方向に対するＴｈＯ₂の濃度を熱処理温度別
に示す。

【００５８】図３の結果から、高真空中の熱処理温度を
２３００℃以上にすることにより、陰極最表面層から陰
極内部の深さ５０μｍまでのＴｈＯ₂を除去できること
が確認された。

【００５９】前記の予備実験２の結果（図３）を踏まえ
て、高真空中で熱処理された陰極（脱ＴｈＯ₂層を有す
る陰極）を使用した放電灯について、ＩＣ露光装置の露
光面での照度、照度安定性、照度維持率を測定した。こ
こで照度は、前記基準放電灯Ａが照射した波長３６５ｎ
ｍの紫外線の初期における照度を１としたときの照度の
比率であり、発光効率の指標となる。照度安定性につい
ては、２５秒間の連続した照度測定中の照度の最高値と
最低値の差を２５秒間の平均照度で除した値である。照
度維持率は、点灯時間７５０時間までの照度低下率であ
る。

【００６０】（実施例１）試料として、陰極、陽極の両
者を高真空中（１３３×１０^-3〜１３３×１０^-6Ｐａ
｛１０^-3〜１０^-6Ｔｏｒｒ｝）で熱処理温度２３００〜
３１００℃の各条件（熱処理時間６０分）で処理した放
電灯Ｂ１〜Ｂ５を使用した。発光管の内部空間には水銀
４．５ｍｇ／ｃｃと混合希ガスを封入した。封入した混
合希ガスは高分子量の希ガスをアルゴン（Ａｒ）とし、
低分子量の希ガスとしてネオン（Ｎｅ）を体積比で４０
％混合し、常温での封入圧力を５気圧とした。基準放電
灯Ｂは、陰極、陽極の両者を熱処理温度２１００℃で処
理し、封入する水銀と混合希ガスは放電灯Ｂ１〜Ｂ５と
同様とした。また、放電灯Ｂ１〜Ｂ５、基準放電灯Ｂは
陽極先端部の凹部は設けず、前記以外の構成については
図１に示された本発明の放電灯２０と同様とした。表２
に放電灯の照度、照度安定性の測定結果を示し、図４に
照度維持率の測定結果を示す。

【００６１】

【表２】

【００６２】表２の結果から、陰極、陽極の両者の熱処
理温度を２３００〜２９００℃に上げた放電灯Ｂ１〜Ｂ
４の照度は、基準放電灯Ｂとは同等であった。また、放
電灯Ｂ１〜Ｂ４の照度安定性は基準放電灯Ｂより良かっ
た。しかし、熱処理温度を３１００℃に上げた放電灯Ｂ
５は基準放電灯Ｂと照度は同等だったが、照度安定性が
悪化した。この原因としては、熱処理温度を３１００℃
まで上げてしまうと、陰極最表面から必要以上のＴｈＯ
₂を除去してしまうために、陰極の電子放射性が低下し
て照度安定性が悪化したと考えられる。

【００６３】図４の結果から、放電灯Ｂ１〜Ｂ５の照度
維持率は基準放電灯Ｂに比べ、放電灯Ｂ１〜Ｂ４が約３
〜５％の向上を示し、照度安定性が悪化した放電灯Ｂ５
は寿命に関しては放電灯Ｂ１〜Ｂ４と同等の向上が見ら
れた。

【００６４】表２、図４の結果より、陰極の高真空中で
の熱処理温度は２３００〜２９００℃が良いことが確認
された。また、この熱処理により脱ＴｈＯ₂層２ａの所
定の深さｄ１は、図３より５０〜１００μｍになること
が確認された。

【００６５】（実施例２）試料として、図１（ｃ）に示
すように陽極３の先端部に凹部３Ａを設けた放電灯Ｃ１
〜Ｃ４を使用した。陽極３の先端平坦部直径Ｄ１を８ｍ
ｍ、凹部３Ａの直径Ｄ２を６ｍｍ、凹部３Ａの深さＨを
１ｍｍ、電極間距離Ｌ１を５．５ｍｍとした。前記以外
の構成については前記放電灯Ｂ１〜Ｂ４と同様である。
表３に照度、照度安定性の測定結果、図５に照度維持率
の測定結果を示す。その結果、放電灯Ｃ１〜Ｃ４は、基
準放電灯Ｂに対し、照度が高く、照度安定性が良かっ
た。また、照度維持率は約１６％向上した。

【００６６】

【表３】

【００６７】

【発明の効果】前記に説明したように本発明のショート
アーク型放電灯の電極およびショートアーク型放電灯
は、希ガスが常温における圧力２気圧以上で封入された
ショートアーク型放電灯において、陰極が高融点金属に
ＴｈＯ₂をドーピングして形成されていると共に、その
陰極最表面から所定の深さまで形成した脱ＴｈＯ₂層を
有し、また、その脱ＴｈＯ₂層の所定の深さが５０〜１
００μｍであり、放電灯の組立時に高真空中で２３００
〜２９００℃の熱処理により形成されることにより、陽
極の消耗、変形が抑制され、放電灯の照度維持率の低下
が改善される。また、放電灯の発光効率も高く、照度安
定性も良くなる。

【００６８】また、本発明のショートアーク型放電灯
は、希ガスが常温における圧力２気圧以上で封入され、
陽極の先端部に凹部を設け、その凹部が陰極から放出さ
れる電子を受け止める点で発生する電界の強さを近づけ
るように形成したことにより、さらに陽極の消耗、変形
が抑制され、放電灯の照度維持率の低下が改善される。
また、放電灯の発光効率も高く、照度安定性も良くな
る。

【００６９】また、本発明のショートアーク型放電灯
は、希ガスが常温における圧力２気圧以上で封入され、
陰極が、その先端部を除く位置に浸炭部を形成したこと
により、さらに陽極の消耗、変形が抑制され、放電灯の
照度維持率の低下が改善される。また、放電灯の発光効
率も高く、照度安定性も良くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の好適な実施形態であるショー
トアーク型放電灯の切断側面図、（ｂ）は放電灯の原理
を説明するための電極の一部を断面にした正面図、
（ｃ）は電極の正面図である。

【図２】（ａ）（ｂ）本発明の陰極の構成を示す原理図
である。

【図３】放電灯の陰極最表面から陰極内部の深さ方向に
対するＴｈＯ₂濃度の推移を熱処理温度別に説明するグ
ラフ図である。

【図４】本発明の放電灯の照度維持率の推移を説明する
グラフ図である。

【図５】本発明の放電灯の照度維持率の推移を説明する
グラフ図である。

【符号の説明】

１ 発光管 ２ 陰極 ２ａ 脱二酸化トリウム層 ２ｂ 浸炭部 ２ｃ 脱炭部 ３ 陽極 ３Ａ 凹部 ４、５ 内部リード棒 ６、７ 封止管 ８、９ 金属箔 １０、１１ 外部リード棒 ２０ 放電管 ２１ 内部空間 Ａ 陰極表面 Ｂ 非処理部 Ｃ テーパ部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤森 昭芳 長野県茅野市玉川4896番地 株式会社オー ク製作所諏訪工場内 Ｆターム(参考） 5C015 JJ06 PP07 PP08 5C039 HH02 HH04

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発光管の内部に水銀と希ガスを封入して
   用いられるショートアーク型放電灯における前記発光管
   の内部に対向して配置される陰極と陽極からなる電極に
   おいて、 前記陰極が高融点金属にニ酸化トリウムをドーピングし
   て形成されていると共に、その陰極の最表面から所定の
   深さまで形成した脱ニ酸化トリウム層を有することを特
   徴とするショートアーク型放電灯の電極。
2. 【請求項２】 前記脱ニ酸化トリウム層の所定の深さが
   ５０〜１００μｍであることを特徴とする請求項１に記
   載のショートアーク型放電灯の電極。
3. 【請求項３】 前記脱ニ酸化トリウム層が、放電灯組立
   時の高真空中での脱二酸化トリウム処理により形成さ
   れ、その脱二酸化トリウム処理の温度が２３００〜２９
   ００℃であることを特徴とする請求項１または２に記載
   のショートアーク型放電灯の電極。
4. 【請求項４】 発光管の内部に陰極と陽極を対向して配
   置し、前記発光管の内部空間に水銀と希ガスを封入し、
   前記希ガスが高分子量の希ガスに体積比で５％〜４０％
   の低分子量の希ガスを混合し常温における圧力を２気圧
   以上としたショートアーク型放電灯において、 前記陰極が高融点金属にニ酸化トリウムをドーピングし
   て形成されていると共に、その陰極の最表面から所定の
   深さまで形成した脱ニ酸化トリウム層を有することを特
   徴とするショートアーク型放電灯。
5. 【請求項５】 前記脱ニ酸化トリウム層の所定の深さが
   ５０〜１００μｍであることを特徴とする請求項４に記
   載のショートアーク型放電灯。
6. 【請求項６】 前記脱ニ酸化トリウム層が、放電灯組立
   時の高真空中での脱二酸化トリウム処理により形成さ
   れ、その脱二酸化トリウム処理の温度が２３００〜２９
   ００℃であることを特徴とする請求項４または５に記載
   のショートアーク型放電灯。
7. 【請求項７】 前記陰極と陽極の距離を一定にして対向
   配置し、前記陽極の先端部に凹部を設け、その凹部が陰
   極から放出される電子を受け止める点で発生する電界の
   強さを近づけるように形成したことを特徴とする請求項
   ４ないし６のいずれか一項に記載のショートアーク型放
   電灯。
8. 【請求項８】 前記陰極が、その陰極の先端部を除く位
   置に浸炭処理により形成した浸炭部を有することを特徴
   とする請求項４ないし６のいずれか一項に記載のショー
   トアーク型放電灯。