JP2008047548A - ショートアーク型高圧放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】電極からの熱放射特性を改善して、電極の温度を効率良く下げることである。
【解決手段】発光管（１１）に一組の電極（２０，３０）を有する構造であって、電極のうち少なくとも一方の電極（２０）は、側面の少なくとも一部に溝部が形成されており、この溝部の深さＤと溝部のピッチＰとの関係がＤ／Ｐ≧２であり、ピッチＰは１５０μｍ〜５００μｍであることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ショートアーク型高圧放電ランプに関し、特に、ショートアーク型高圧放電ランプの電極の構造に関する。

近年、ショートアーク型高圧放電ランプは、例えば、液晶カラーフィルターの製造プロセスであるフォトリソグラフィー工程における光源として使用され、このときの放射光は、波長３６５ｎｍや波長４３６ｎｍに強い輝線スペクトルを含むものが使われる。一方、市場からはカラーフィルターの大型化や露光時間の短縮化が求められ、ショートアーク型高圧放電ランプからの放射光量も増加することが要求され、特に、波長３６５ｎｍ近傍の放射光量の増加が強く望まれている。

ショートアーク型高圧放電ランプの放射光量は、放電ランプへの電気入力に比例することが従来から知られている。つまり、放電ランプへの電気入力を増加させれば放射光量も増加できるということである。ここで、放電ランプへの電気入力を増加するには以下の方法が存在する。第一に、電極間の距離を伸ばして、ショートアーク型高圧放電ランプの発光長を伸ばすこと、第二に、放電ランプに封入する水銀量を増やし、より超高圧な状態でランプを点灯させること、第三に、放電ランプへの入力電流を高くすること、などである。

しかし、前記の各種方法はそれぞれに問題がある。第一の方法は、発光長を伸ばすことで、通常、使用される点光源ランプと比べると、発光部が大きくなってしまう。フォトリソグラフィー用の露光装置に光源として使う場合などにおいては、照射光学系との関係で点光源が望まれているので、このように、発光長を伸ばすことは、当該露光装置の光源としては不向きとなり、放射光量がたとえ改善されたとしても実際には使用できないものとなってしまう。

第二の方法は、ショートアーク型高圧放電ランプの内圧が大きくなるので、発光管の機械的強度という点で問題がある。従来のショートアーク型高圧放電ランプは、内部に封入される水銀の点灯時の蒸気圧はランプの内圧強度の上限に近い圧力で設計されている場合が多く、それ以上の高圧点灯ではショートアーク型高圧放電ランプが破壊されてしまう。つまり、従来のショートアーク型高圧放電ランプよりも水銀の封入量を増やし、更に超高圧で点灯する方法は放射量を向上させる為に利用することはできない。

第三の方法では、ランプ電流が増加すると陽極先端部が電子流の増加により加熱され、陽極部の温度が上昇してしまう。通常、陽極で発生した熱は、陽極の熱伝導により外部へ放出されるものと、陽極の表面から放射によって外部へ放出されるものがある。しかし、ランプ電流を増加させる方法では、電子流増加による加熱に比べ、外部へ放出される熱が不十分であり、その結果、陽極の温度上昇に伴う陽極部材の熱蒸発が促進され、発光管の内壁が黒化しランプ寿命が短くなる等の問題があった。

この問題を解決するために、陽極からの熱放射の効率を向上し、陽極の温度を下げる方法が提案されている。例えば、特告昭３９−１１１２８号には、陽極側面にＶ字構造の溝を設けることが開示されている。具体的には、１ｍｍ〜３ｍｍ程度の深さで、かつ、開き角が９０°の冷却溝が設けられており、かつ、この冷却溝の表面に炭化タンタルを焼結させることにより、当該陽極表面からの熱放射をより一層高めることが記載されている。しかし、この方法では、陽極の温度によっては炭素が遊離し、ショートアーク型高圧放電ランプの発光管を黒化させたり、あるいは炭素が電極先端に移動して電極が溶けるといった問題があった。

さらに、特開平９−２３１９４６号には、陽極側面にタングステン粉末を焼結して電極表面の熱放射率を向上させることが開示されている。図９にこの構造を示すが、陽極９０の所定表面領域には、微粒子状のタングステン焼結層９１が形成されている。このタングステン微粒子は、粒径０．１から１００μｍ程度のものであり、焼結層として陽極表面に設けることでその表面積を増大させている。このような構造により、電極表面からの熱放射量を高めることで、電極温度を低下させようというものである。しかしながら、この構造はタングステン粉末を塗布しない場合に比較して、電極からの熱放射を増大させることができるものの、放電ランプへの電気入力をより高くしたときには当該電極の冷却が不十分となり、結果として、電極からの熱放射が不十分になるという問題があった。
特開平９−２３１９４６号

この発明が解決しようとする課題は、放射光量を増大させるためにランプへの入力電力の大きくしたショートアーク型高圧放電ランプにおいて、電極からの熱放射特性を改善して、電極の温度を効率良く下げることである。そして、電極温度を効率的に下げることで、陽極先端部からの電極構成物質の蒸発を抑えたり緩和させることができ、また、電極先端の摩耗や熱変形等を緩和することができ、結果として、放電ランプの発光を長時間安定的に維持することを目的とする。

上記課題を解決するために、この発明のショートアーク型高圧放電ランプは、発光管内に一組の電極を有するショートアーク型高圧放電ランプにおいて、前記電極のうち少なくとも一方の電極は、側面の少なくとも一部に溝部が形成されており、この溝部の深さＤと溝部のピッチＰとの関係がＤ／Ｐ≧２であり、ピッチＰは１５０μｍ〜５００μｍであることを特徴とする。
また、前記溝部はＶ字型の溝よりなることを特徴とする。さらに、前記溝部の底部及び／または頂部には曲面が設けられたことを特徴とする。

以上説明したように、この発明のショートアーク型放電ランプは、少なくとも一方の電極には、側面の少なくとも一部に所定のピッチと深さを有する溝部を形成しているので、当該電極からの熱放射率を高めることができ、当該放電ランプの入力電力を上げたとしても効率的に熱放射ができることから放射光量を上げることができる。

図１にショートアーク型高圧放電ランプの全体図を示す。放電ランプ１０は、発光管部１１と封止管部１２より構成され、発光管部１１の中にはタングステンよりなる陽極２０と陰極３０が先端距離１０ｍｍ程度で対向配置している。陽極２０、陰極３０は、各々、封止管部１２の中で埋設され、外部端子１３と電気的に接続される。発光管部１１の中には、キセノン、アルゴン、クリプトンなどの希ガス若しくはこれらの混合物からなる封入ガス、および水銀などの発光物質が封入される。封入ガスの圧力は、封入時において例えば０．１〜１０気圧であり、水銀封入量は発光管部１１の内容積当たりの重量で１０〜６０ｍｇ／ｃｃである。この放電ランプは、例えば、定格５０Ｖ、定格５ＫＷで点灯される。

図２は陽極２０の拡大図を示し、（ａ）は陽極２０の形状を示した側面図、（ｂ）、（ｃ）は陽極側面に形成された溝部の拡大断面図を示す。

図２（ａ）において、陽極２０は、先端部２１、コーン部２２、胴体部２３より構成されている。先端部２１は平面状であって陰極と対向している。コーン部２２には先端部２１と胴体部２３をつなぐテーパーが設けられている。そして、胴体部２３には、その側面にレーザ加工により形成されたＶ字の溝部２４が形成されている。陽極について、数値例をあげると、胴体部２３は直径φ２５ｍｍ、長さ４５ｍｍであり、コーン部２２の開き角度は１２０°であり、先端部２１の直径はφ８ｍｍである。

（ｂ）において、溝部２４は凸部２５と凹部２６よりＶ字状に構成され、凸部２５の頂点には頂部２７が形成され、凹部２６の底には底部２８が形成される。また、隣接する凸部２５部の頂部２７同士の間隔が溝のピッチＰを形成して、頂部２７から底部２８までの深さが溝の深さＤを形成する。図に示す構造は、凸部２５の頂部２７と凹部２６の底部２８が尖って形成されており、全体として完全なＶ字型構造を構成している。このようなＶ字溝構造の利点は、根元が太く形状的に安定しており、形状変化などが起きないということがある。数値例をあげると、溝構造のピッチＰは、例えば０．５ｍｍ、溝の深さＤは、例えば１．５ｍｍであり、陽極２０の側面４０ｍｍの範囲に溝が８０個形成されている。（ｃ）は、同じく胴体部２３の溝部の拡大図を示しているが、（ｂ）と異なり、頂部３３と底部３４が、尖っておらず、曲面状に形成されている。このような構造の利点は、後述するが、点灯始動時における電界集中を防止できることである。

ここで、陽極に設けられた溝の構造については、図２に示すものに限定されない。図３（ａ）〜（ｅ）に、溝構造の他の実施形態について例示する。（ａ）は、陽極２０の胴体部２３に設けられた溝部２４の溝方向が、陽極２０の円周方向ではなく、陽極２０の伸びる方向に形成されるものである。（ｂ）は、溝部２４が、胴体部２３ではなくコーン部２２に形成されるものである。また、溝部２４はコーン部２２と胴体部２３の両方に設けることもできる。（ｃ）は、胴体部２３に設けられた溝部２４の溝方向が螺旋状であって、溝が一続きにつながって形成されるものである。（ｄ）は、胴体部２３に設けられた溝部２０が網目状に形成されるものである。なお、溝の方向は図に示すものに限定されず、また、（ａ）、（ｂ）に示す溝構造と組み合わせてもかまわない。さらに、（ｃ）に示す螺旋状の溝を2本設けることで網目状の溝を形成することもできる。（ｅ）は、胴体部２３に溝部２０がランダムに形成されたものである。これらはレーザ光をランダムに線引き照射することで、胴体部２３に結果的に不規則な溝が形成されるというものである。したがって、レーザ照射は胴体部２３の表面に対する方向が不規則に照射される。

本発明において電極の「側面」とは胴体部だけでなくコーン部も意味するものである。また、上記の実施例（図２（ａ）、図３（ａ）（ｃ）（ｄ）（ｅ））は、溝部２４が、胴体部２３の前方部分に設けられているが、胴体部２３の側面全域に形成することもできるし、特定の一部分に設けることもできる。また、コーン部は円錐台形状に限定されず、曲面状のものも含まれる。また、上記実施例は、陽極２０に溝部２４を設ける場合について例示しているが、陰極に同様の溝部を設けることもできる。さらには、交流点灯の放電ランプにおいて、一方若しくは両方の電極に上記例示したような部を設けることもできる。また、本発明の溝構造は、上記のものに限定されるものではなく、その他の構造も含まれる。

本発明のショートアーク型放電ランプは、上記のような溝構造を電極に対して設けることで当該電極からの熱放射率を改善するものではあるが、さらに言えば、溝部のピッチと深さの関係を規定することが、この効果をより一層向上させている。以下、この点について説明するが、ここでは電極の形状が円柱状ではなく、平板に溝構造が形成されたモデルを考える。図４は、平板４０に図２に示す構造と同じ構造の溝部４１が形成されている。この場合、溝部４１のピッチＰ、深さＤと熱放射率εの関係は次式で表せる。
ε＝ε0／[１−（１−ε0）{１−ｓｉｎ（α／２）}]・・・（式１）
ここで、「ε0」は材料固有の放射率であり、例えば、電極材料としてタングステンを使う場合はおよそ０．４である。また、「α」は溝部の頂部あるいは底部に形成される角度である。そして、実効的には、αが小さいほど放射率εが大きくなることになり、αの値が小さいということは、溝の深さＤに対するピッチＰの比率、すなわち、Ｄ／Ｐが大きい場合を意味していることに着目した。

図５は、図２に示した溝構造における角度と熱放射率の関係を示すもので、図４に示す平板構造によって近似的に求めた計算結果を示している。そして、溝の角度（頂部と底部）を１０°、２０°、３０°、４０°、５０°、６０°、７０°、８０°、９０°、１８０°と変化させ、溝のピッチを同じとしたときの溝の深さＤとピッチＰの比率Ｄ／Ｐを求め、さらには、各々における熱放射率を上記式１より求めている。

ここで、Ｖ溝の角度１８０°とは、溝がない平面状態を意味している。この計算の結果、Ｖ溝を設ける構造はＶ溝を設けていない構造に比べて放射率がいずれも高いことが示されている。また、Ｖ溝の角度が３０°以下になると、溝における放射率が０．７以上という高い数値になっていることもわかる。

次に、上記計算による予想を立証するために、放電ランプの電極における熱放射の測定実験を行った。実験は、直径φ２０ｍｍ、全長４０ｍｍの円柱状タングステンに対して、溝ピッチＰを０．５ｍｍを共通として、溝深さＤについて、０．５ｍｍ、０．７５ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍと変化させた４種類の電極を作成した。そして、この４つの電極を高周波加熱により、約２０００℃まで昇温させ、各々の電極に対する熱放射率を測定した。測定は、波長λ=０．６８μｍのサーモパイロメータを使って行った。

図６に実験結果を示しているが、溝深さＤとピッチＰの関係が、Ｄ／Ｐ≧２において放射率は０．７を示しており、溝を設けない場合よりも効果が得られることが分かる。また、前記従来技術で説明した図９に示すタングステン微粒子を塗布させた電極についても同様に熱放射率を測定してみたところ、放射率は０．６程度であった。つまり、本発明の溝構造においてＤ／Ｐ≧２という構成にすることで、その熱放射率は０．７まであげることができ、従来のタングステン微粒子を塗布する場合よりも優れていることが分かる。また、溝部を設けた場合においても、溝の角度によっては、タングステン微粒子を塗布する場合よりも効果が劣る場合もあり（例えば、Ｄ／Ｐ＝１のとき）、溝部を設けるだけでなく、そのピッチと深さが極めて重要であることが示される。

溝部を加工する方法は、レーザ光を照射する方法である。特に、溝のピッチが約１５０μｍ〜５００μｍまでで、溝の深さがピッチの２〜３倍程度の場合には、パルスレーザ等によるレーザ加工が適している。この場合、図２（ｃ）に示すような溝の底部に形成される曲面は、レーザ光の焦点を適切に選択することにより加工できる。

次に、本発明の電極を有するショートアーク型高圧放電ランプの寿命特性について説明する。本発明の溝構造を有する放電ランプと、タングステン粉末を塗布した電極を有する放電ランプについて点灯時間と照度の関係を測定した。本発明の放電ランプは、定格入力１２ＫＷ、定格電流１２０Ａ、水銀封入量が２４ｍｇ／ｃｃ，バッファガスにキセノンを使用したランプであり、陽極には、直径φ２９ｍｍ、全長６０ｍｍの円柱状であり、先端部の径φ１０ｍｍ、コーン部の開き角度は１２０°のものを用いた。溝構造はレーザ加工により行い、溝のピッチ２００μｍ、溝の深さ６００μｍであり、図２（ａ）に示す構造である。また、比較用の放電ランプは、陽極に溝部を形成する代わりにタングステンの粉末を塗布している以外は、同一の放電ランプを採用した。

図７に実験結果を示すが、縦軸は点灯開始時の照度に対する照度比率を表し、横軸は点灯経過時間を表している。図に示すように、本発明のショートアーク型高圧放電ランプは、従来のショートアーク型高圧放電ランプに比べて、照度維持率の点で顕著な改善が見られている。すなわち、従来のショートアーク型高圧放電ランプが、２００時間点灯後に照度維持率が８５％以下に減衰しているのに対して、本発明のショートアーク型高圧放電ランプでは約８００時間点灯させても、照度維持率が９０％近い数値を維持している。これは電極に施した溝構造により、陽極表面からの熱放射率が向上し、ランプ点灯により発生した熱が効率的に放射されることを意味し、このため、陽極の温度が低下するとともに陽極からのタングステンなどの飛散や蒸発も抑えられ、結果として、これらの発光管への付着が防止されることで高い照度が長時間、維持されるものと理解できる。

以上のように、所定の溝深さと溝ピッチを有する電極を形成することで当該電極からの熱放射を著しく高めることが可能であるが、ここで、溝構造によっては、電極の実質的な断面積が減少してしまい、これにより、電極からモリブデン箔や外部リードを介する熱伝導による熱放出確率が低下してしまうことが確認された。一般的に、熱伝導による熱の放出は、電極の断面積に比例しており、本発明のように溝構造を形成したとしても、電極の直径に対する溝の深さがあまりに大きくなると、かえって電極からの熱放射特性を低下させることが確認された。具体的には、溝構造において溝の深さを当該電極の直径に対して、１２％以上深く設けた場合には、断面積の減少による熱伝導の阻害の方が大きくなり、電極の温度を効果的に下げることができないことが判った。

また、本発明の溝構造を施したショートアーク型放電ランプは、電極の温度低下とそれによる照度維持率という点で効果を有するものであるが、溝を設けることで、点灯始動時に、異常放電を起こし、良好なランプ点灯ができないという問題がたまに発生した。図８に溝の深さと異常放電の発生を示しているが、溝の深さが深いほど異常放電の発生が顕著になっていることがわかる。この原因は、溝部の先端である頂部が鋭角である場合に、電界が集中しやすくなり、点灯初期に形成されるコロナ状放電がこの先端頂部に形成されるためと考えられる。また、溝部の底部が鋭角である場合は、ホロー効果によって、コロナ状放電を起こしやすくなったと考えられる。

本発明においては、このような異常放電の発生を低減させる為に、図２（Ｃ）に示すように、溝部の頂部や底部を尖らせるのではなく曲面状に形成されることが良い。このような曲面形状は、例えば曲率半径５μｍ程度のものであれば良い。そして、このような曲面形状は、尖った先端をなくすことに意味があるので、図３のいくつかの実施形態の電極に同様に形成することができる。

このような溝部に設ける曲面の加工には、例えば、外周面の鋭角部にバフ研磨を施し、その後、濃度１０％の苛性ソーダ液中で電解研磨を施すことにより行う。また、溝の底部には溝部を加工する例えばダイヤモンド切断砥石等の先端形状を予めアールを施した形状とすることによって形成できる。また、真空中の高温下で熱処理により形成することもできる。具体的には、Ｖ字構造の溝を２０００℃で１２０分間熱処理することで曲面にすることができる。

なお、本発明の溝構造は、電気入力が高いランプにおいて特に有効であり、具体的には放電ランプへの入力電流が１００アンペア以上のショートアーク型放電ランプにおいて有効な構造である。

以上説明したように、この発明のショートアーク型放電ランプは、少なくとも一方の電極には、側面の少なくとも一部に所定のピッチと深さを有する溝部を形成しているので、当該電極からの熱放射率を高めることができ、当該放電ランプの入力電力を上げたとしても効率的に熱放射ができることから放射光量を上げることができる。

ショートアーク型高圧放電ランプの全体図を示す。 本発明のショートアーク型高圧放電ランプの陽極の拡大図を示す。 本発明のショートアーク型高圧放電ランプの陽極の実施形態を示す。 本発明の溝構造の効果を説明するための図面を示す。 本発明の溝構造の効果を示す。 本発明の溝構造の効果を示す。 本発明の溝構造の効果を示す。 本発明の溝構造の効果を示す。 従来の電極構造を示す

符号の説明

１０ ショートアーク型高圧放電ランプ
１１ 発光管部
１２ 封止管部
１３ 金属箔
１４ 外部リード
２０ 陽極
２１ 先端部
２２ コーン部
２３ 胴体部
２４ 溝部
２５ 凸部
２６ 凹部
２７ 頂部
２８ 底部
３０ 陰極
Ｐ 溝のピッチ
Ｄ 溝の深さ

Claims (3)

1. 発光管内に一組の電極を有するショートアーク型高圧放電ランプにおいて、
   前記電極のうち少なくとも一方の電極は、側面の少なくとも一部に、ピッチＰが１５０μｍ〜５００μｍであって、深さＤとピッチＰとの関係がＤ／Ｐ≧２である溝部を有することを特徴とするショートアーク型高圧放電ランプ。
2. 前記溝部はＶ字型の溝よりな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高圧放電ランプ。
3. 前記溝部の底部及び／または頂部には曲面が設けられたことを特徴とする請求項２に記載のショートアーク型高圧放電ランプ。

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