JP2012133994A - 放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】電力の大きい大出力放電ランプにおいても、電極の温度上昇を効果的に抑える。
【解決手段】陰極、陽極３０を発光管内に対向配置させたショートアーク型放電ランプ１０において、電極先端部４３を含む電極本体に内部空間４２Ｓを形成する。陽極３０の内部空間４２ＳにＷ／Ｃ（タングステン／カーボン）複合材から成る伝熱体４０を封入、配置し、電極支持棒１７Ｂ、電極本体４２と結合する電極蓋４６によって伝熱体４０を密閉する。
【選択図】図２

Description

本発明は、フォトリソグラフィー、殺菌処理などに光源として利用可能な放電ランプに関し、特に、ショートアーク型放電ランプなど、高出力放電ランプの電極構造に関する。

ショートアーク型放電ランプ等では輝度の高い光を照射可能であり、露光装置などの光源として利用される。液晶基板など露光対象物の大型化、スループット向上のため、放電ランプの高出力化が求められ、それに伴って定格消費電力を最大限増加させることが要求されている。

定格電力を大きくすると、ランプに流れる電流量が増加し、電極温度が上昇する。特に陽極の先端部が高温となり、時間経過とともに先端部が溶融、蒸発する。その結果、不安定なアーク放電、および金属の管内表面付着によって発光効率が低下するとともに、電極消耗によってランプ寿命が低下する。

このような過熱による電極溶融を防ぐため、例えば、電極表面をフィン状にして放熱し、あるいは、タングステン電極の表面を炭化させることによって放熱層を形成して電極の蒸発を防ぐ（例えば、特許文献１参照）。

一方、電極表面処理を行わず、金属の電極本体よりも熱伝導率が高く、融点の低い金属材料を本体内部空間に封入することで電極の加熱を防ぐことができる（特許文献２参照）。金属材料の熱伝導性、および溶融によって生じる電極内部空間での熱対流により、電極先端部の熱が電極支持棒側へ輸送され、電極全体の温度均一化が図られる。

また、電極先端部の熱を電極側面から逃すため、電極本体周囲に中空状のセラミックススリーブを配置することも可能であり、熱伝導性の高いセラミックスによって電極の温度上昇を抑制する（特許文献３参照）。

特開２００３−２４９１９１号公報 特許第３９９４８８０号公報 特開２００８−１８６７９０号公報

電極表面を炭化しても、電極内部での熱伝導性が改善されず、電極先端部が過熱する。また、セラミック材料を伝熱体として構成した場合、セラミックスが絶縁性のために電極間を流れる電流量の増加に影響が生じ、電極構造が制限される。一方、熱伝導率が高く、融点の低い金属材料を電極内部に封入しても、金属の熱伝導率はそれ固有の値が上限となるので、今後ますます大電力、大電流化が図られると、電極先端部の過熱、溶融を確実に抑えることができない。したがって、本発明の課題は、大出力の放電ランプにおいて、電極の温度上昇を効果的に抑えることにある。

本発明の放電ランプは、放電管内に対向配置される一対の電極と、電極を支持する一対の電極支持棒とを備え、少なくとも一方の電極もしくは電極支持棒が、金属よりも熱伝導率が高く、粒子状あるいは繊維状の形態を呈している炭素から成る素材によって成形される伝熱体を備えている。そして、伝熱体は、一体的構造で電極もしくは電極支持棒の少なくとも一部を構成することを特徴とする。

ここで、伝熱体は、全体的に炭素が含まれて一体的構造が形成されるものを表す。炭素繊維または粒子状カーボン基材を素材とする伝熱体としては、炭素繊維束を使用することが可能であり、例えば、タンタルなどの筒状金属部材に炭素繊維を束ねることで炭素繊維束を伝熱体として構成することができる。また、粉末状カーボンをカーボン基材にして成形することも可能である。一方、伝熱体としては、カーボン（黒鉛）結晶構造だけの伝熱体を構成することも可能であり、あるいは、Ｃ／Ｃコンポジット、タングステンなどの金属を添加した金属／カーボン複合材なども適用可能である。例えば、粉末状タングステンなどの金属に混ぜて伝熱体を成形してもよい。さらに、伝熱体に対し、カーボンナノチューブなどのカーボンナノファイバを含ませても良い。

伝熱体は、炭素をベースにした構造であるため、熱伝導性が金属よりも優れており、融点も金属と同様もしくはそれ以上高い。したがって、放電中、電極先端部の熱は伝熱体によって効率よく輸送され、電極全体の温度均一化が図られる。熱は電極本体から支持棒を経て拡散し得るので、これにより、電極の温度低下が図られ、その消耗が抑制され、ランプ寿命が延びる。また、伝熱体は導電性であるとともに、熱や外力などに対して安定した強度があるため、様々な電極構造を採用しても温度上昇を抑えることが可能となる。

陽極先端部などは、電子衝突によって放電中最も温度上昇しやすい。電極先端部の熱を効果的に電極支持棒側へ輸送するため、少なくとも電極内部において（電極自身あるいは電極支持棒として）電極軸方向に延在するように伝熱体を構成するのが望ましい。

伝熱体を備える電極構造は様々な態様によって構成可能であり、電極の一部として伝熱体を設け、あるいは、電極全体を伝熱体として構成してもよい。電極の一部として伝熱体を設ける場合、電極先端部、電極内部、電極側面部など如何なる電極構造部分においても適用可能である。さらに、電極の代わりに、電極支持棒を伝熱体として構成してもよい。

炭素が放電管内に放出されると、放電管内面に炭素が付着し、炭素薄膜を管内表面に形成して発光効率を低下させる。そのため、温度上昇する電極先端部については、タングステンなどの金属で構成するのが望ましい。

さらに、電極側面からの炭素放出を防ぐため、金属の電極先端部と伝熱体を備えた電極の構成として、内部空間を電極軸方向に沿って形成した電極本体を構成し、伝熱体を内部空間に収容するのが望ましい。例えば、筒状部材内に挿通させた炭素繊維束で伝熱体を構成する場合、炭素繊維束が筒状部材から電極軸方向に沿って突出した状態で、伝熱体を内部空間に設けるのがよい。

ショートアーク型放電ランプなどでは、ランプが鉛直方向に設置され、電極支持棒が電極を支える。電極を確実に保持することを考慮すれば、電極支持棒および電極本体と接合し、内部空間を密閉する電極蓋を設けるのが望ましい。電極蓋と電極本体、電極支持棒との連結を確実にするため、伝熱体のサイズを内部空間サイズに調整し、隙間なく内部空間に詰め込むのがよい。

対流によって熱輸送するため、隙間を設けるように伝熱体を内部空間に収容し、電極本体よりも融点が低い熱伝導性材料を、内部空間に封入するのがよい。放電中、熱伝導性材料の溶融によって内部空間に熱対流が生じ、電極支持棒側へ熱が輸送される。また、溶融する熱伝導性材料の熱を効果的に輸送するため、伝熱体を電極蓋と接合させ、点灯中熱伝導性材料と接するように延びているのが望ましい。特に、熱対流によって運ばれる熱を電極側面からも放出させるため、伝熱体を、内部空間を形成する電極本体の円筒部として構成してもよい。

伝熱体と電極蓋の熱膨張率が相違するため、点灯中に結合部分から亀裂が生じやすい。伝熱体と電極蓋の一体的な結合を確実にするため、伝熱体と電極蓋との接合部分に傾斜組織を設けるのがよい。ここで、「傾斜組織」とは、その内部組織の組成成分および構造が、接合部およびその近傍において連続的、段階的に変化する組織を表し、温度変化など材料機能がそれに伴って連続的、段階的に変化する。

一方、電極蓋を設けず、内部空間を電極支持棒側に開けるように凹部を電極本体に形成してもよい。この場合、電極支持棒が伝熱体と接合するように構成すればよい。

あるいは、電極を確実に保持するため、電極支持棒が、内部空間の底面まで延びて電極先端部を保持するのがよい。このとき、伝熱体を、内部空間を形成する電極本体の円筒部として構成してもよい。また、電極先端部の熱を電極支持棒側に逃すため、伝熱体を筒状に形成し、内部空間の底面が外部と繋がるように、電極支持棒と間隔を設けながら同軸的に配置するのがよい。

電極に内部空間を設けないように構成することも可能であり、電極支持棒と電極線タブと接合し、電極先端部を除いた電極胴体部を構成してもよい。この場合、伝熱体と電極先端部との接合部において傾斜組織を設け、一体的構造を強化させるのがよい。

また、内部空間を電極内部に設けない構造として、電極に、電極先端部から電極軸方向に沿って延び、電極支持棒と結合する軸部を設け、円筒状の伝熱体を、軸部周りに同軸配置するのがよい。

一方、電極ではなく、電極支持棒を伝熱体として構成する場合、電極先端部の熱が電極支持棒を伝わって封止管側へ輸送される。通常、封止管では冷却風、水冷などによって温度調整を行っており、電極の熱を封止管側へ輸送することによって効果的に温度調整をすることが可能となる。電極先端部の熱を外部に放出させるため、電極支持棒側に開いた内部空間を形成するのが望ましく、電極支持棒は、内部空間の底面まで延びて電極本体と接合する。例えば、電極本体と接合し、内部空間と電極外部を連通させる穴が形成された電極蓋を設けるのがよい。

本発明によれば、大出力の放電ランプにおいても、電極の温度上昇を効果的に抑えることができる。

第１の実施形態であるショートアーク型放電ランプの概略的平面図である。 第１の実施形態である陽極の模式的断面図である。 第２の実施形態であるショートアーク型放電ランプの陽極断面図である。 第３の実施形態であるショートアーク型放電ランプの陽極断面図である。 第４の実施形態であるショートアーク型放電ランプの陽極断面図である。 第５の実施形態であるショートアーク型放電ランプの陽極断面図である。 第６の実施形態であるショートアーク型放電ランプの陽極断面図である。 第７の実施形態であるショートアーク型放電ランプの陽極断面図である。 第８の実施形態であるショートアーク型放電ランプの陽極断面図である。 第９の実施形態であるショートアーク型放電ランプの陽極断面図である。 第１０の実施形態であるショートアーク型放電ランプの陽極断面図である。 第１１の実施形態であるショートアーク型放電ランプの陽極断面図である。 第１２の実施形態であるショートアーク型放電ランプの陽極断面図である。 第１３の実施形態であるショートアーク型放電ランプの陽極断面図である。

以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１は、第１の実施形態であるショートアーク型放電ランプの概略的平面図である。

ショートアーク型放電ランプ１０は、透明な石英ガラス製の発光管１２を備え、発光管１２内には陰極２０、陽極３０が所定間隔をもって対向配置されている。発光管１２の両側には、石英ガラス製の封止管１３Ａ、１３Ｂが発光管１２と連設し、一体的に形成されている。ここでは、電極軸が鉛直方向に沿うようにショートアーク型放電ランプ１０が配置されている。

封止管１３Ａ、１３Ｂの内部には、陰極２０、陽極３０を支持する導電性の電極支持棒１７Ａ、１７Ｂが配設され、それぞれ金属箔１６Ａ、１６Ｂを介して導電性のリード棒１５Ａ、１５Ｂと接続されている。封止管１３Ａ、１３Ｂは、その両端が口金１９Ａ、１９Ｂによって塞がれており、封止管１３Ａ、１３Ｂは、放電管内に設けられたガラス管、ガラス棒（図示せず）と溶着することによって、発光管１２内の放電空間を封止する。発光管１２内には、水銀、およびアルゴンガスなどの放電ガスが封入されている。

リード棒１５Ａ、１５Ｂは外部の電源部（図示せず）に接続されており、リード棒１５Ａ、１５Ｂを介して陰極２０、陽極３０に電力が供給される。陰極２０、陽極３０の間に電圧が印加されると電極間でアーク放電が生じ、発光管１２から光が放射される。

図２は、陽極３０の模式的断面図である。

陽極３０は、電極先端部４３を含む有底筒状の陽極本体（以下、電極本体という）４２を備え、電極本体４２に形成された筒状内部空間４２Ｓに伝熱体４０が収容されている。内部空間４２Ｓは、電極先端部４３から電極支持棒側に延びる円筒部４４内に形成され、伝熱体４０が隙間無く内部空間４２Ｓに充填されている。伝熱体４０のサイズは、内部空間４２Ｓのスペースに合わせて定められている。

リング状の電極蓋４６は、電極本体４２の円筒部４４と結合して伝熱体４０を密封する。電極支持棒１７Ｂは、電極蓋４６と繋がっており、電極蓋４６を介して陽極３０を保持している。

電極本体４２、電極蓋４６、電極支持棒１７Ｂは、タングステンによって構成される。一方、陽極３０の内部で電極軸Ｅに沿って延在する伝熱体４０は、熱伝導率が電極本体を構成する金属より高い導電性のタングステン／カーボン複合材（以下では、Ｗ／Ｃ複合材という）によって構成される。Ｗ／Ｃ複合材は、Ｃ／Ｃコンポジットなどのカーボン基材にタングステンをコーティングし、あるいは粉末状カーボンを粉末状タングステンとまぜて一体成形した材料である。伝熱体４０は、常温あるいは放電時の温度雰囲気で電極本体４２を構成するタングステンよりも熱伝導率が高く、熱、および外部からの衝撃に対する強度が大きい。さらに、伝熱体４０の融点も高く、放電中熱による溶融は実質的に生じない。

陽極３０の成形方法としては、内部空間４２Ｓをあらかじめ形成した電極本体４２に対し、内部空間４２Ｓのサイズに合った伝熱体４０を封入する。そして、別途用意した電極蓋４６を電極本体４２の円筒部４４と接合させ、一体化させる。一体化の方法としては、融接、ロウ接などの溶接が可能である。

伝熱体４０は、内部空間４２Ｓの底面４２Ｔ、すなわち電極先端部４３と接している。したがって、放電中に電極先端面４３Ｓが受ける電子衝突によって生じる熱は、熱伝導性の優れた伝熱体４０によって電極支持棒側へ輸送される。これにより、電極先端部４３が局所的に過熱することなく、陽極３０の温度が全体的に均一化される。

このように第１の実施形態によれば、陰極２０、陽極３０を発光管１２内に対向配置させたショートアーク型放電ランプ１０において、電極先端部４３を含む電極本体に内部空間４２Ｓを形成する。そして、陽極３０の内部空間４２Ｓには、Ｗ／Ｃ（タングステン／カーボン）複合材から成る伝熱体４０が封入されており、電極支持棒１７Ｂ、電極本体４２と結合する電極蓋４６によって密閉される。

伝熱体４０を陽極３０内部に設けることによって陽極全体の温度が均一化するため、電極先端部４３の溶融、蒸発によって失透し、発光効率が低下するのを防ぎ、電極消耗を抑えることができる。また、伝熱体４０は導電性をもつため、電力が大きくなり電流量が増大しても、放電に影響しない。

熱伝導率が等しい電極蓋４６、電極本体４２、および電極支持棒１７Ｂが一体的に金属接合するため、結合性が優れており、電極支持棒１７Ｂは陽極３０を確実に保持することができる。また、伝熱体４０が電極表面に露出しないため、放電中に炭素が発光管１２内に放出され、炭素薄膜が管内に形成されて発光効率を下げることがない。また、陽極３０内に内部空間４２Ｓを形成することにより、電極軽量化が図られる。なお、伝熱体４０を電極本体４２と溶接などによって結合させてもよい。また、伝熱体４０のサイズを調整し、隙間を設けて伝熱体４０を内部空間４２Ｓに封入してもよい。

次に、図３を用いて、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態では、第１の実施形態と異なり、電極内部空間に隙間を設け、放電中に溶融する熱伝導材料が封入される。それ以外の構成については、第１の実施形態と実質的に同じである。

図３は、第２の実施形態であるショートアーク型放電ランプの陽極断面図である。

陽極１３０は、第１の実施形態と同様に内部空間１４２Ｓを有し、電極先端部１４３を含めた電極本体１４２と、電極蓋１４６、および電極支持棒１７Ｂが一体的に結合している。柱状の伝熱体１４０は、内部空間１４２Ｓの径よりも小さく、電極軸方向に沿って延びている。伝熱体１４０の一端１４０Ａは電極蓋１４６と結合する一方、他端１４０Ｂは、内部空間１４２Ｓの底面１４２Ｔ、すなわち電極先端部１４３と接していない。

電極蓋１４６と伝熱体１４０の接合は、それぞれ別々に焼結成形した電極蓋１４６と伝熱体１４０を用意し、レーザー溶接、ロウ付け、抵抗溶接、圧入などの溶接、あるいはねじ込みなど従来公知の方法によって結合すればよい。

内部空間１４２Ｓには、隙間を設けて熱伝導材料１５０が封入されており、放電中、溶融して伝熱体１４０と接している。熱伝導材料１５０は、電極本体１４２よりも融点の低い金属材料（例えば、金、銀、銅、インジウム、亜鉛、鉛など、あるいはそれらを組み合わせた合金）によって構成される。

ランプ成形時には、熱伝導体１５０の塊に対して棒状伝熱体１４０が嵌るほどの穴を形成し、内部空間１４２Ｓに封入する。そして、放電によって電極先端部１４３の温度が上昇すると、熱伝導体１５０が溶融し、液状の熱伝導体が伝熱体１４０と接する。

放電中、熱伝導材１５０が溶融することによって、内部空間１４２Ｓの隙間部分に対流が生じる。これにより、電極先端面１４３Ｓを含む電極先端部１４３に生じる熱が電極支持棒１７の方向へ輸送され、陽極１３０の温度が均一化される。

さらに、放電中に伝熱体１４０が熱伝導材料１５０と接するため、溶融する熱伝導材料１５０の熱を効率よく電極支持棒側へ輸送することができる。なお、伝熱体１４０と電極蓋１４６との結合をより強固にするため、電極蓋１４６をタングステンの代わりにモリブデンによって構成してもよい。また、電極蓋ではなく円筒部１４４の内面と伝熱体１４０を結合させてもよい。

次に、図４を用いて、第３の実施形態であるショートアーク型放電ランプについて説明する。第３の実施形態では、第１の実施形態と異なり、電極蓋が設けられていない。それ以外の構成については第１の実施形態と実質的に同じである。

図４は、第３の実施形態であるショートアーク型放電ランプの陽極断面図である。

陽極２３０は、電極先端面２４３Ｓを含めた電極先端部２４３と円筒部２４４から構成される電極本体２４２を備え、電極本体２４２内に形成された内部空間２４２Ｓには、伝熱体２４０が隙間無く埋め込まれている。図４に示すように、伝熱体２４０の表面２４０Ｓが電極外部に露出し、内部空間２４２Ｓが密閉されていない。伝熱体２４０は、圧入、溶接等によって電極支持棒１７Ｂの先端部１７Ｓと結合している。

伝熱体２４０が電極外部に露出しているため、電極先端部２４３から輸送された熱を容易に外部へ放出することができ、陽極２４３の温度上昇を抑えることができる。また、電極蓋を設けないため、電極を軽量化することができる。

次に、図５を用いて、第４の実施形態であるショートアーク型放電ランプについて説明する。第４の実施形態では、第１〜第３の実施形態と異なり、電極全体が伝熱体によって構成されている。

図５は、第４の実施形態であるショートアーク型放電ランプの陽極断面図である。

陽極３３０は、熱伝導体３４０によって全体的に構成されており、電極支持棒１７Ｂと接合している。電極本体３４２は、タングステンと粉末状炭素を混ぜ合わせて焼結させることによって生成されている。電極本体３４２と電極支持棒１７Ｂの接合は、溶接、圧入等によって行われている。陽極３３０全体が熱伝導体で構成されるため、放電中の熱輸送効果が十分に発揮され、電極消耗を抑制することができる。

次に、図６を用いて、第５の実施形態であるショートアーク型放電ランプについて説明する。第５の実施形態では、第４の実施形態と異なり、電極先端部は金属によって構成されている。それ以外の構成については、第４の実施形態と実質的に同じである。

図６は、第５の実施形態であるショートアーク型放電ランプの陽極断面図である。

陽極４３０は、電極胴体部を構成する伝熱体４４０と電極先端部４４３とによって構成され、一体化されている。伝熱体４４０と電極先端部４４３は、あらかじめ別々に焼結成形され、ロウ付け、圧入、ビーム溶接、ねじ込みなど従来知られた溶接方法によって一体化する。あるいは、電極先端部４４３を成形した後、伝熱体４４０を電極先端部４４３で覆う鋳ぐるみなどによって一体化してもよい。

温度上昇が激しい電極先端部が、炭素を含む伝熱体ではなく金属によって構成されるため、放電中に炭素が放電空間に放出されず、電極寿命を延ばすことができる。

次に、図７を用いて、第６の実施形態であるショートアーク型放電ランプについて説明する。第６の実施形態では、第５の実施形態と異なり、電極先端部と伝熱体との接続部に傾斜組織がある。それ以外の構成については、第５の実施形態と実質的に同じである。

図７は、第６の実施形態であるショートアーク型放電ランプの陽極断面図である。

陽極５３０は、タングステン／カーボン複合材であって電極本体を構成する伝熱体５４０と、タングステンから成る電極先端部５４３とを有し、その間に傾斜組織部５４５が形成されている。傾斜組織部５４５は、タングステン／カーボンを傾斜組織化させた組織層であり、最上層５４５Ｓのタングステン含有率がほぼ１００％、最下層５４５Ｔのカーボン含有率がほぼ１００％となって、最上層５４５Ｓから最下層５４５Ｔに渡ってタングステン、カーボンの含有率が互いにほぼ反比例する。カーボンの含有率が高くなるほど、タングステン含有率が減少する。

傾斜組織部５４５は、公知の加熱焼結方法で形成すればよく、タングステン、カーボンの粉末の混合比をそれぞれ変えながら積層充填し、金型成形によって生成されるタングステン／カーボンの圧密体をゆっくり加熱して焼結する。そして、傾斜組織部５４５、伝熱体５４０、電極先端部５４３を一体成形する。

このように、タングステン粒子とカーボン粒子との混合層を積層させた傾斜組織部５４５を形成することにより、電極先端部５４３と伝熱体５４０の材料成分が異なっていても、確実に一体成形することができ、熱、外力に対する強度が一層強まる。

なお、第１、第２の実施形態において、伝熱体の電極蓋との接合部分に傾斜組織を形成させてもよい。さらには、第１〜第６の実施形態において、電極本体など金属との接合部分に傾斜組織を形成させるように構成してもよい。

次に、図８を用いて、第７の実施形態であるショートアーク型放電ランプについて説明する。第７の実施形態では、第６の実施形態と異なり、電極軸部を設け、電極先端部と電極支持棒を金属で連結する。それ以外の構成については、第６の実施形態と実質的に同じである。

図８は、第７の実施形態であるショートアーク型放電ランプの陽極断面図である。

陽極６３０は、電極軸方向に沿って延びる円柱状の電極軸部６３６と電極先端部６４３から構成される電極本体６４２を備え、電極軸部６３６周りに円筒状の伝熱体６４０を同軸配置し、電極先端部６４３と結合させている。電極支持棒１７Ｂは、電極軸部６３６の端部と結合している。

同じ金属の電極本体６４２と電極支持棒１７Ｂが連結しているため、電極支持棒１７Ｂが確実に陽極６３０を保持することができる。

次に、図９を用いて、第８の実施形態であるショートアーク型放電ランプについて説明する。第８の実施形態では、第７の実施形態と異なり、電極支持棒が電極先端部と結合する。それ以外の構成については、第７の実施形態と同じである。

図９は、第８の実施形態であるショートアーク型放電ランプの陽極断面図である。

陽極７３０は、円筒状の伝熱体７４０と電極先端部７４３から構成され、伝熱体７４０は陽極本体を構成する。電極支持棒１７Ｂは、伝熱体７４０の穴７４０Ｎを通って電極軸方向に延び、電極先端部７４３と結合している。電極支持棒１７Ｂと伝熱体７４０の間には隙間が設けられており、穴７４０Ｎの底面７４０Ｔが外部に露出している。

伝熱体７４０の穴７４０Ｎは電極本体の内部空間として構成され、電極先端部７４３の熱は伝熱体７４０、および穴７４０Ｎを通って外部に放出される。伝熱体７４０と内部空間両方を利用して熱を効果的に輸送することができ、電極消耗を抑えることができる。また、電極支持棒１７Ｂが直接電極先端部７４３と接合するため、陽極７３０が安定して保持される。

次に、図１０を用いて、第９の実施形態であるショートアーク型放電ランプについて説明する。第９の実施形態では、第８の実施形態と異なり、電極本体が伝熱体を囲む。それ以外の構成については、第８の実施形態と実質的に同じである。

図１０は、第９の実施形態であるショートアーク型放電ランプの陽極断面図である。

図１０に示すように、陽極８３０は、第１の実施形態と同様に内部空間８４２Ｓの形成される電極本体８４２を備え、内部空間８４２Ｓには円筒状の伝熱体８４０が挿入、配置されている。伝熱体８４０の外径サイズは、内部空間８４２Ｓのサイズに合わせている。電極支持棒１７Ｂは、伝熱体８４０内部を通り、その先端部は電極先端部８４３と結合している。伝熱体８４０が電極側面に露出していないため、炭素放出による発光効率低下を防ぐことができる。

次に、図１１を用いて、第１０の実施形態であるショートアーク型放電ランプについて説明する。第１０の実施形態では、第１〜９の実施形態と異なり、電極支持棒が伝熱体によって構成されている。

図１１は、第１０の実施形態であるショートアーク型放電ランプの陽極断面図である。

陽極９３０は、タングステンなど金属からなる円柱状電極本体９４２によって構成されており、中心軸に沿って穴９４２Ｎが形成されている。電極支持棒１７０Ｂは、タングステン／カーボン複合材からなる伝熱体によって構成されている。電極支持棒１７０Ｂは、電極本体９４２の穴９４２Ｎに挿入固定され、電極本体９４２の電極先端部付近まで延びている。電極支持棒１７０Ｂは、焼結などによって電極本体９４２と結合している。

このように電極支持棒１７０Ｂが熱伝導性の優れた伝熱体によって構成されるため、電極先端部９４３の熱が電極支持棒１７０Ｂを伝わって封止管側へ輸送される。電極内部で熱の均一化を図るのではなく、通常冷却される封止管まで熱を逃すため、電極先端部しいては電極全体の過熱を抑えることができる。また、電極支持棒からも熱が効果的に放出されることにより、封止管の温度上昇も抑えることができる。

次に、図１２を用いて、第１１の実施形態であるショートアーク型放電ランプについて説明する。第１１の実施形態では、第１０の実施形態と異なり、電極本体に内部空間が形成され、電極蓋が設けられている。それ以外の構成については、第１０の実施形態と実質的に同じである。

図１２は、第１１の実施形態であるショートアーク型放電ランプの陽極断面図である。

陽極１０３０は、内部空間１０４２Ｓを形成した電極本体１０４２に電極支持棒１７０Ｂを結合させた構成であり、電極蓋１０４６によって内部空間１０４２Ｓを閉じている。電極蓋１０４６には、電極支持棒１７０Ｂを挿通させる中心穴１０４６Ｋとともに、通気孔１０４６Ｎが形成されている。これにより、内部空間１０４２Ｓの熱が電極外部へ放出される。

次に、図１３を用いて、第１２の実施形態であるショートアーク型放電ランプについて説明する。第１２の実施形態では、第２の実施形態と異なり、電極本体の一部が伝熱体によって構成されている。それ以外の構成については、第２の実施形態と実質的に同じである。

図１３は、第１２の実施形態であるショートアーク型放電ランプの陽極断面図である。

陽極１１３０は、金属製の電極先端部１１４３と有底円筒状の伝熱体１１４４から構成される電極本体１１４２を備え、電極本体１１４２内には内部空間１１４２Ｓが形成されている。電極支持棒１７Ｂは、内部空間１１４２Ｓを密閉する電極蓋１１４６に結合している。

内部空間１１４２Ｓには、棒状の伝熱体１１４０が電極軸Ｅに沿って延び、電極蓋１１４６と結合している。そして、金属よりも融点の低い熱伝導材１１５０が内部空間１１４２Ｓに封入されている。

次に、図１４を用いて、第１３の実施形態であるショートアーク型放電ランプについて説明する。図１４は、第１３の実施形態であるショートアーク型放電ランプの陽極１２３０の模式的断面図である。

陽極１２３０は、有底筒状の電極本体１２４２に形成された筒状内部空間１２４２Ｓに伝熱体１２４０が収容されている。内部空間１２４２Ｓは、電極先端部１２４３から電極支持棒１７Ｂ側に延びる円筒部１２４４内に形成され、筒状の狭窄部材１２４５により囲まれた伝熱体１２４０が内部空間１２４２Ｓに配設されている。伝熱体１２４０と狭窄部材１２４５のサイズは、内部空間１２４２Ｓのスペースに合わせて定められている。

リング状の電極蓋１２４６は、電極本体１２４２の円筒部１２４４と結合して伝熱体１２４０と狭窄部材１２４５とを密封する。電極支持棒１７Ｂは、電極蓋１２４６と繋がっており、電極蓋１２４６を介して電極１２３０を保持している。

電極本体１２４２、電極蓋１２４６、電極支持棒１７Ｂは、タングステンによって構成される。一方、陽極１２３０の内部で電極軸Ｅに沿って延在する伝熱体１２４０は、炭素繊維束で構成されており、タンタル製の狭窄部材１２４５に収納される。

伝熱体１２４０は、以下のように製造される。まず、タンタル筒に対して、炭素繊維束を同軸方向に沿って挿通させる。このとき、炭素繊維束の端面がタンタル筒の端面よりも突出するように、タンタル筒は炭素繊維束の軸方向の長さより短くする。また、炭素繊維束の端面が軸方向に垂直な平面とする。

陽極１２３０の成形方法としては、内部空間１２４２Ｓをあらかじめ形成した電極本体１２４２に対し、内部空間１２４２Ｓのサイズに合った伝熱体１２４０を封入する。更に、内部空間をテーパ状として、伝熱体１２４０を嵌合させても良い。また、タンタル筒の外周面を高精度に切削して、伝熱体の外周面と内部空間１２４２Ｓの内周面との密着性を高めても良い。そして、別途用意した電極蓋１２４６を電極本体１２４２の円筒部４４と接合させ、一体化させる。一体化の方法としては、融接、ロウ接などの溶接が可能である。

伝熱体１２４０は、内部空間１２４２Ｓの底面１２４２Ｔ、すなわち電極先端部１２４３と接している。したがって、放電中に電極先端面１２４３Ｓが受ける電子衝突によって生じる熱は、熱伝導性の優れた伝熱体１２４０によって電極支持棒側へ輸送される。これにより、電極先端部１２４３が局所的に過熱することなく、陽極１２３０の温度が全体的に均一化される。好ましくは、伝熱体１２４０は、内部空間１２４２Ｓの底面１２４２Ｔに押付けられている。ここで、タンタル筒は炭素繊維束の軸方向の長さより短く切断されていることにより、炭素繊維がタンタル筒内径よりも広がることで、炭素繊維と内部空間の底面との密着性（接触本数）を高めることができる。更に、内部空間の底面１２４２Ｔと伝熱体の端面と間の熱伝導率を高めるために、内部空間の底面１２４２Ｔにカーボンナノチューブ（以下では、ＣＮＴという）を混ぜ入れることにより、ブリッジの効果を付与することもできる。

このように第１３の実施形態によれば、陰極、陽極１２３０を発光管内に対向配置させたショートアーク型放電ランプ１０において、電極先端部４３を含む電極本体に内部空間１２４２Ｓを形成する。そして、陽極１２３０の内部空間１２４２Ｓには、炭素繊維束から成る伝熱体１２４０と狭窄部材１２４５が封入されており、電極支持棒１７Ｂ、電極本体１２４２と結合する電極蓋１２４６によって密閉される。

伝熱体１２４０を陽極１２３０内部に設けることによって陽極全体の温度が均一化するため、電極先端部１２４３の溶融、蒸発によって失透し、発光効率が低下するのを防ぎ、電極消耗を抑えることができる。また、伝熱体１２４０は好適な導電性をもつため、入力電力が大きくなり電流量が増大しても、放電に影響しない。

熱伝導率が等しい電極蓋１２４６、電極本体１２４２、および電極支持棒１７Ｂが一体的に金属接合するため、結合性が優れており、電極支持棒１７Ｂは陽極１２３０を確実に保持することができる。また、伝熱体１２４０が電極表面に露出しないため、放電中に炭素が発光管内に放出され、炭素薄膜が管内に形成されて発光効率を下げることがない。また、陽極１２３０内に内部空間１２４２Ｓを形成することにより、電極軽量化が図られる。また、狭窄部材１２４５の外径を調整し、隙間を設けて伝熱体１２４０を内部空間１２４２Ｓに封入してもよい。更に、この隙間にＣＮＴを混ぜ入れることにより、熱伝導率を高めると更に好ましい。狭窄部材としてはタンタルを用いたが、その他にも、延展性を有する高融点耐熱金属（例えばＮｂなど）の部材を用いることができる。

金属と伝熱体の結合方法は、上述した以外の方法で行ってもよい。電極支持棒、電極両方に伝熱体を設けてもよく、陰極にも陽極と同様の内部構造を採用してもよい。さらに、ショートアーク型以外の種類の放電ランプに適用してもよい。

伝熱体を構成するＷ／Ｃ複合材は、炭素繊維以外のカーボン基材にタングステンを加えて生成してもよい。また、伝熱体を構成する成分は、Ｗ／Ｃ複合材に限定されず、タングステン以外の金属を加えた金属／カーボン（黒鉛）複合材や、金属／カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）複合材であってもよい。さらに、金属を添加せず、炭素繊維あるいは粒子状カーボンを素材として伝熱体を成形してもよい。

１０ ショートアーク型放電ランプ
１２ 発光管
１７Ｂ 電極支持棒
２０ 陰極
３０ 陽極
４０ 伝熱体
４２ 電極本体
４２Ｓ 内部空間
４３ 電極先端部
４４ 円筒部
４６ 電極蓋

Claims (25)

1. 放電管内に対向配置される一対の電極と、
   前記電極を支持する一対の電極支持棒とを備え、
   少なくとも一方の電極もしくは電極支持棒が、金属よりも熱伝導率が高く、粒子状あるいは繊維状の炭素から成る素材によって成形される伝熱体を有し、
   前記伝熱体が、一体的構造で前記電極もしくは電極支持棒の少なくとも一部を構成することを特徴とする放電ランプ。
2. 前記伝熱体が、少なくとも前記電極内部において電極軸方向に延在することを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
3. 前記電極が、金属の電極先端部を有し、
   前記伝熱体が、前記電極の一部を構成することを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の放電ランプ。
4. 前記電極が、内部空間を電極軸方向に沿って形成した電極本体を有し、
   前記伝熱体が、前記内部空間に収容されていることを特徴とする請求項３に記載の放電ランプ。
5. 前記電極が、前記電極支持棒および前記電極本体と接合し、前記内部空間を密閉する電極蓋を有することを特徴とする請求項４に記載の放電ランプ。
6. 前記伝熱体が、前記内部空間に隙間無く詰められていることを特徴とする請求項５に記載の放電ランプ。
7. 前記伝熱体が、隙間を設けて前記内部空間に収容され、
   前記電極本体よりも融点が低い熱伝導性材料が、前記内部空間に封入されることを特徴とする請求項５に記載の放電ランプ。
8. 前記伝熱体が前記電極蓋と接合し、点灯中前記熱伝導性材料と接するように延びていることを特徴とする請求項７に記載の放電ランプ。
9. 前記伝熱体が、前記内部空間を形成する前記電極本体の円筒部をさらに構成することを特徴とする請求項８に記載の放電ランプ。
10. 前記伝熱体が、前記電極蓋との接合部分に傾斜組織を有することを特徴とする請求項８乃至９のいずれかに記載の放電ランプ。
11. 前記電極支持棒が、前記伝熱体と接合することを特徴とする請求項４に記載の放電ランプ。
12. 前記電極支持棒が、前記内部空間の底面まで延びて前記電極先端部を保持することを特徴とする請求項４に記載の放電ランプ。
13. 前記伝熱体が、前記内部空間を形成する前記電極本体の円筒部をさらに構成することを特徴とする請求項１２に記載の放電ランプ。
14. 前記伝熱体が筒状であって、前記電極支持棒と間隔を設けながら同軸的に配置されていることを特徴とする請求項１２に記載の放電ランプ。
15. 前記伝熱体が、前記電極先端部および前記電極支持棒と接合し、前記電極の胴体部を構成する特徴とする請求項３に記載の放電ランプ。
16. 前記電極が、前記電極先端部から電極軸方向に沿って延び、前記電極支持棒と接合する軸部を有し、
    前記伝熱体が円筒状で、前記軸部周りに同軸配置されることを特徴とする請求項３に記載の放電ランプ。
17. 前記電極先端部を含めた電極全体が、前記伝熱体として構成されることを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の放電ランプ。
18. 前記電極支持棒が、前記伝熱体として構成されることを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の放電ランプ。
19. 前記伝熱体が、炭素繊維をカーボン基材として成形されたものであることを特徴とする請求項１乃至１８のいずれかに記載の放電ランプ。
20. 前記伝熱体が、筒状部材内に前記炭素繊維を束ねた炭素繊維束によって構成されることを特徴とする請求項１９に記載の放電ランプ。
21. 前記電極が、内部空間を電極軸方向に沿って形成した電極本体を有し、
    前記炭素繊維束が前記筒状部材から電極軸方向に沿って突出した状態で前記伝熱体が前記内部空間に設けられることを特徴とする請求項２０に記載の放電ランプ。
22. 前記伝熱体が、粉末状カーボンを基材にして成形されたものであることを特徴とする請求項１乃至１８のいずれかに記載の放電ランプ。
23. 前記伝熱体が、金属／カーボン複合材によって構成されることを特徴とする請求項１乃至２２のいずれかに記載の放電ランプ。
24. 前記伝熱体が、タングステン／カーボン複合材によって構成されることを特徴とする請求項２３に記載の放電ランプ。
25. 前記伝熱体が、カーボンナノファイバを含むことを特徴とする請求項１乃至２４のいずれかに記載の放電ランプ。

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