JP2020035572A - 放電ランプおよび放電ランプ用電極の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】放電ランプにおいて、効果的に放熱を行って電極温度を抑える。【解決手段】電極３０において、先端側部材３４に筒状凹部４０を先端側とは逆に向けて形成し、後端側部材３２に柱状部５０を同軸的に形成する。筒状凹部４０は柱状部５０を収容するとともに、その間に軸方向Ｘおよび軸垂直方向に沿って隙間６０が形成されている。隙間６０の表面積は、隙間６０の軸方向長さＬ１に沿った電極側面部分Ｔの表面積よりも大きい。【選択図】図２

Description

本発明は、電極を備えた放電ランプに関し、特に、電極の内部構造に関する。

放電ランプは、点灯中に電極先端部が高温となり、タングステンなどの電極材料が溶融、蒸発し、放電管が黒化して、ランプ照度低下を招く。電極先端部の過熱を防ぐため、耐久性のある金属から成る電極先端部と、熱伝導性のより高い金属から成る胴体部とを別々に成形し、固相接合などによって接合する。例えば、ＳＰＳなどの固相接合によって電極を構成することができる（特許文献１参照）。複数の部材を接合して電極を構成することによって、電極が大型化しても耐久性を持たせることができると同時に、熱伝導性の優れた電極を構成することができる。

特許第５４７２９１５号公報

露光対象物の大型化、スループット向上のためにランプの高出力化（大電力化）が求められている。これに伴ってランプ点灯中の電極温度も高くなり、単に先端側部材と胴体側部材とを固相接合するだけでは、電極過熱を効果的に抑えることが難しい。

したがって、放電ランプの点灯中、電極の温度上昇を効果的に抑えることができる電極構造が求められる。

本発明の放電ランプは、放電管と、放電管内に対向配置される一対の電極とを備え、少なくとも一方の電極が、内部空間を有し、内部空間の表面積が、内部空間の軸方向長さに応じた電極側面部分の表面積よりも大きい。例えば、内部空間の表面積が、電極軸方向に沿った電極側面部分の表面積より大きくなるようにすることができる。

電極は、電極軸方向に沿った凹部と、凹部に位置する柱状部とを備え、内部空間が、凹部と柱状部との間に形成可能である。ここでの「柱状部」および「凹部」は、複数の部材間の接合によって形成された電極を断面で見たときに接触面あるいは接合面を含めて規定される部分であり、柱状部の端面と凹部底面との接触、非接触は問わない。例えば、凹部を形成した第１固体部材と、第１固体部材もしくは第１固体部材と接合する中間部材と接合し、柱状部を形成した第２固体部材とを有し、内部空間が、第１固体部材と第２固体部材もしくは中間部材との間に形成される。

内部空間が、電極軸回りに沿って形成された空間を含むようにしてもよい。また、内部空間は、有底管状に形成することができる。内部空間の表面部分には、放熱部を設けることができる。

本発明の他の態様である放電ランプは、放電管と、放電管内に対向配置される一対の電極とを備え、少なくとも一方の電極が、電極軸方向に沿った凹部と、凹部に位置する柱状部と、凹部と柱状部との間に形成される内部空間とを備え、柱状部の体積は、内部空間の体積より大きい。

本発明の他の態様である放電ランプ用電極の製造方法は、電極先端面を有する柱状の先端側固体部材に対して筒状凹部を中心軸周りに形成し、柱状の後端側固体部材に対し、筒状凹部よりサイズが小さい柱状部を中心軸回りに形成し、柱状部が筒状凹部に同軸配置されるように、先端側固体部材と後端側固体部材とを組み合わせ、固相接合によって、先端側固体部材と後端側固体部材とを含む電極を形成することを特徴とする製造方法であって、筒状凹部と柱状部との間に形成される内部空間の表面積が、内部空間の軸方向長さに応じた電極側面部分の表面積よりも大きくなるように、筒状凹部および柱状部を形成する。

本発明によれば、放電ランプにおいて、効果的に放熱を行って電極温度を抑えることができる。

第１の実施形態である放電ランプの平面図である。 第１の実施形態の電極の概略的断面図である。 第２の実施形態である電極の概略的断面図である。 実施例と比較例の接合面からの温度変化を示したグラフである。

ショートアーク型放電ランプ１０は、高輝度の光を出力可能な大型放電ランプであり、透明な石英ガラス製の略球状放電管（発光管）１２を備え、放電管１２内には、タングステン製の一対の電極２０、３０が対向（同軸）配置される。放電管１２の両側には、石英ガラス製の封止管１３Ａ、１３Ｂが放電管１２と連設し、一体的に形成されている。放電管１２内の放電空間ＤＳには、水銀とハロゲンやアルゴンガスなどの希ガスが封入されている。

陰極である電極２０は電極支持棒１７Ａによって支持されている。封止管１３Ａには、電極支持棒１７Ａが挿通されるガラス管（図示せず）と、外部電源と接続するリード棒１５Ａと、電極支持棒１７Ａとリード棒１５Ａを接続する金属箔１６Ａなどが封止されている。陽極である電極３０についても同様に、電極支持棒１７Ｂが挿通されるガラス管（図示せず）、金属箔１６Ｂ、リード棒１５Ｂなどのマウント部品が封止されている。また、封止管１３Ａ、１３Ｂの端部には、口金１９Ａ、１９Ｂがそれぞれ取り付けられている。

一対の電極２０、３０に電圧が印加されると、電極２０、３０の間でアーク放電が発生し、放電管１２の外部に向けて光が放射される。ここでは、１ｋＷ以上の電力が投入される。放電管１２から放射された光は、反射鏡（図示せず）によって所定方向へ導かれる。例えば露光装置に放電ランプ１０が組み込まれた場合、放射光はパターン光となって基板などに照射される。

図２は、電極（陽極）３０の概略的断面図である。なお、電極（陰極）２０についても同様の構造にすることが可能である。

電極３０は、電極支持棒１７Ｂと繋がる後端側部材３２（第２固体部材）と、電極先端面３４Ｄを有する先端側部材３４（第１固体部材）からなり、後端側部材３２と先端側部材３４を接合することで電極３０が構成されている。ここでは、後端側部材３２と先端側部材３４がＳＰＳなどの固相接合によって接合されている。

後端側部材３２は、電極軸Ｘ（以下では、軸方向Ｘともいう）を中心軸とした円柱状の部材であり、電極先端面３４Ｄに向けて突出する柱状部５０（ここでは円柱状）が形成されている。先端側部材３４では、軸方向Ｘに沿って、柱状部５０を囲う筒状の凹部４０が同軸的に形成されている。筒状凹部４０は電極先端面３４Ｄとは逆方向を向く、すなわち逆方向に凹んでいる。後端側部材３２は、その端部３２Ｅにおいて、先端側部材３４の端部３４Ｅと固相接合している。なお、先端側部材に柱状部、後端側部材に凹部を形成してもよい。

固相接合面から電極先端部側に延びる柱状部５０と筒状凹部４０との間には、軸方向Ｘおよびそれに垂直な軸垂直方向に沿って、隙間（内部空間）６０が柱状部５０の周囲全体に渡って形成されている。ここでは、軸垂直方向に沿った隙間部分を６０Ｄ、軸方向Ｘに沿った隙間部分を６０Ｖとしている。隙間部分６０Ｄ、６０Ｖは空間的に繋がっている。

柱状部５０および筒状凹部４０は、ともにその中心軸が電極軸Ｘと一致し、電極軸Ｘに対して対称的形状になっている。そして、筒状凹部４０の底面４０Ｂも電極軸Ｘに関して対称的であり、隙間６０も電極軸Ｘに関して対称的空間形状になっている。

隙間部分６０Ｖの径方向幅Ｄ４、すなわち柱状部５０の側面５０Ｓと筒状凹部４０の側面４０Ｓの径方向距離間隔は、柱状部５０の直径Ｄ３と比べて短い（Ｄ４＜Ｄ３）。隙間部分６０Ｄの軸方向幅Ｌ４は、ここでは隙間部分６０Ｖの径方向幅Ｄ４と同じ幅であり、柱状部５０の高さＬ３よりも短い（Ｌ４＜Ｌ３）。隙間６０は電極３０内に形成され、有底筒状の空間領域になっている。

ここでは、径方向幅Ｄ４、軸方向幅Ｌ４は、それぞれ柱状部５０の直径Ｄ３、高さＬ３と比べて十分短く、柱状部５０の側面５０Ｓ、端面５０Ｅは、それぞれ筒状凹部４０の側面４０Ｓ、底面４０Ｂに近接し、隙間６０が形成するスペースの容積は、柱状部５０の体積よりも小さい。また、隙間６０には、伝熱体のような部材は設けられていない。

ランプ点灯中、電極の先端側部材３４の温度が上昇し、電極先端側部材３４の熱が柱状部５０に伝わる。柱状部５０の熱は、電極支持棒１７Ｂ側へ伝わり、また、隙間６０に対して放射される。軸方向Ｘだけでなく軸垂直方向にも移動した熱は、電極外表面３０Ｍから放電空間ＤＳへ伝わる。

本実施形態では、電極３０の温度上昇を効果的に抑えるため、隙間６０の表面積が、隙間６０の軸方向長さに応じた電極側面部分Ｔの表面積よりも大きくなるように、隙間６０が形成されている。

上述したように、柱状部５０の体積は隙間６０の体積よりも大きい。これによって柱状部５０が大きな熱吸収量をもつことになり、筒状凹部４０からの熱を吸収し、電極支持棒側へ効果的に輸送することができる。

一方で、隙間６０の径方向幅Ｄ４、軸方向幅Ｌ４が比較的小さいため、柱状部５０の熱が電極外表面３０Ｍに伝わり、放電空間ＤＳへ放熱される。このように、隙間６０の軸方向長さＬ１に応じた電極側面部分Ｔに対する放熱効果が高められる。

このような放熱効果は、できるだけ軸中心から離れた位置に軸回りに沿って隙間６０を形成することによって実現される。その場合の隙間６０の表面積は、軸方向長さＬ１に対応する電極側面部分Ｔの表面積よりも大きくなる。

また、本実施形態における隙間６０の表面積は、電極軸Ｘに沿った電極側面全体Ｔ１の表面積よりも大きい。すなわち、電極表面において放熱する面積の小さい（表面積の小さい）電極先端側テーパー部３４Ｔ、電極支持棒側テーパー部３２Ｔ、電極先端面３４Ｄ、電極後端面３２Ｌを除いた電極側面表面積よりも、隙間６０の表面積が大きい。

このような電極側面部分との関係で相対的に大きな表面積をもつ隙間６０を形成することで、効果的に電極温度の上昇を抑制することができる。

ところで、柱状部５０と筒状凹部４０との間に隙間６０を形成した電極構造の場合、上述した隙間６０の表面積が相対的に大きいことは、柱状部５０の体積が隙間６０の体積よりも大きいことを表しているとも言える。柱状部５０の体積が隙間６０の体積よりも相対的に大きいことで、効果的に電極温度の上昇を抑制することができる。

このような電極温度抑制を実現する電極は、以下のように製造することができる。すなわち、電極先端面を有する柱状の先端側固体部材に対して筒状凹部を中心軸周りに形成し、柱状の後端側固体部材に対し、筒状凹部よりサイズが小さい柱状部を中心軸回りに形成する。このとき、筒状凹部と柱状部との間に形成される内部空間の表面積が、内部空間の軸方向長さに応じた電極側面部分の表面積よりも大きくなるように、筒状凹部および柱状部を形成する。柱状部が筒状凹部に同軸配置されるように、先端側固体部材と後端側固体部材とを組み合わせ、ＳＰＳなどの固相接合によって、先端側固体部材と後端側固体部材とを含む電極を形成する。

隙間６０の空間形状は、有底管状に限定されず、例えば軸垂直方向隙間６０Ｄを形成しない無底管状空間を形成してもよい。また、管状空間以外の内部空間を形成してもよく、密閉状態あるいは孔を通じて外部と連なる空間を形成することができる。この場合、電極軸回りに沿って空間を形成することで、その表面積を、空間軸方向長さに応じた電極側面部分の表面積より大きくすることが可能である。なお、隙間（内部空間）の表面積は、電極外表面よりも電極中心側に形成された空間の表面積としている。さらに、高温で溶融する伝熱体を設けた密閉空間を形成してもよい。この場合、空間（隙間）の表面積は露出部分の表面積を表し、伝熱体に覆われた表面は含まれない。

柱状部５０には、放熱部を設けてもよい。例えば、既知の表面積を増やす構造や、放射率（吸収率）を高める構造、放熱素材（炭化膜や酸化膜の放熱層）、カーボンナノチューブなどの素材で構成することが可能である。また、柱状部５０以外の箇所（筒状凹部４０や電極側面など）に放熱部を設けてもよい。

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、電極側面に貫通孔が形成されている。

図３は、第２の実施形態における電極（陽極）１３０の概略的断面図である。図３に示すように、複数の貫通孔Ｊ１〜Ｊ４が形成されている。貫通孔Ｊ１〜Ｊ４は、ここでは柱状部５０の軸方向長さＬ３の範囲内にある。このような貫通孔Ｊ１〜Ｊ４を形成することにより、隙間６０の熱を逃がし、電極の温度上昇を抑制することができる。したがって、貫通孔Ｊ１〜Ｊ４の表面積を含めた隙間６０の表面積が、電極側面部分ＴあるいはＴ１よりも大きくなるように定められる。なお、貫通孔の角度は電極軸垂直方向（水平方向）に限らず、所定角度に規定してもよい。そのほか、数、孔径、位置は、ランプサイズ、電極サイズなどに応じて適宜定められる。例えば、電極先端面３４Ｄに貫通孔を形成してもよい。また、第２の実施形態に放熱部を設けてもよい。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。第１、第２実施形態で示した電極は、ショートアーク型放電ランプ以外の放電ランプに対して適用することも可能である。電極の温度上昇を抑えることができることから、１ｋＷ以上の比較的大きな電力の放電ランプに好適である。その電極の形状は、例えば電極支持棒側テーパー部のない形状など、所望の形状、サイズにすることが可能である。また、接合方法は固相接合（ＳＰＳ、ＨＰなど）が好適だが、他の接合方法（例えば溶融接合）も適用できる。接合の際、先端側部材と後端側部材との間に中間部材を挟み、接合面間の密着化をしてもよい。中間部材としては、例えばレニウム、タンタル、モリブデン、タングステン、あるいはこれらの合金が挙げられる。

柱状部と凹部の形状、サイズなどは任意であり、例えば軸方向Ｘに沿って径が変化する柱状部や、底面に縮径面を有する筒状凹部などでもよく、表面積の大きい内部空間を任意に形成できる。また、柱状部と筒状凹部をそれぞれ違う部材で構成することが可能である。例えば、熱放射性が優れて軽量な部材によって柱状部（後端側部材）を形成し、耐熱性や熱伝導性の優れた部材によって先端側部材を形成することが可能である。さらに、柱状部を後端側部材に接合して構成してよい。具体的には、タングステンやモリブデン、セラミックなどでもよく、またエミッターを含有させてもよく、また、これらの合金を適用することも可能であり、適宜選択できる。

以下では、第２の実施形態に応じた実施例について説明する。

実施例の放電ランプは、８つの貫通孔を電極側面に設け、また、電極先端面にも貫通孔を設けた電極を備えた放電ランプであり、全長を６０ｍｍ、Ｌ１＝２８ｍｍ、Ｌ３＝２５ｍｍ、Ｌ４＝３ｍｍ、Ｄ１＝３８ｍｍ、Ｄ２＝２６ｍｍ、Ｄ３＝２２ｍｍ、Ｄ４＝２ｍｍ、貫通孔径＝３ｍｍ、電極先端孔径＝３ｍｍとしている。隙間の表面積は、隙間の軸方向長さに応じた電極側面部分の表面積より大きい（５５５２．３＞３２８６．１）。

このような放電ランプに所定の電力を投入して点灯させ、安定点灯状態の電極に対し、温度測定を行った。温度は、放射率：ε０．６８、測定波長域：２．２〜２．６μｍに設定したサーモトレーサーにて測定した。一方、比較例の放電ランプとして、隙間と貫通孔を設けていない構成以外については実施例と同じ電極を組み込んだ放電ランプも同様に温度測定を行った。

図４は、実施例と比較例の電極先端側への温度変化を示したグラフである。これは、接合面から電極先端側、すなわち電極側面部分Ｔに相当する領域で複数箇所測定し、プロットを近似直線化したものである。比較例についても同様である。図４に示すように、実施例の電極は、比較例と比べ温度が低く、電極先端に向かっても温度抑制が維持されていることが確認された。

１０ 放電ランプ
３０ 電極（陽極）
３２ 後端側部材
３４ 先端側部材
４０ 筒状凹部（凹部）
５０ 柱状部
６０ 隙間（内部空間）

Claims (10)

1. 放電管と、
   前記放電管内に対向配置される一対の電極とを備え、
   少なくとも一方の電極が、内部空間を有し、
   前記内部空間の表面積が、前記内部空間の軸方向長さに応じた電極側面部分の表面積よりも大きいことを特徴とする放電ランプ。
2. 前記内部空間の表面積が、電極軸方向に沿った電極側面部分の表面積より大きいことを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
3. 前記内部空間が、電極軸回りに沿って形成された空間を有することを特徴とする請求項１または２に記載の放電ランプ。
4. 前記電極が、電極軸方向に沿った凹部と、前記凹部に位置する柱状部とを備え、
   前記内部空間が、前記凹部と前記柱状部との間に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の放電ランプ。
5. 前記内部空間が、有底管状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の放電ランプ。
6. 前記内部空間が、電極軸垂直方向に沿った貫通孔を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の放電ランプ。
7. 前記内部空間の表面部分に、放熱部が設けられていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の放電ランプ。
8. 前記少なくとも一方の電極が、
   前記凹部を形成した第１固体部材と、前記第１固体部材もしくは前記第１固体部材と接合する中間部材と接合し、前記柱状部を形成した第２固体部材とを有し、
   前記内部空間が、前記第１固体部材と前記第２固体部材もしくは前記中間部材との間に形成されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の放電ランプ。
9. 放電管と、
   前記放電管内に対向配置される一対の電極とを備え、
   少なくとも一方の電極が、
   電極軸方向に沿った凹部と、前記凹部に位置する柱状部と、
   前記凹部と前記柱状部との間に形成される内部空間とを備え、
   前記柱状部の体積は、前記内部空間の体積より大きいことを特徴とする放電ランプ。
10. 電極先端面を有する柱状の先端側固体部材に対して筒状凹部を中心軸周りに形成し、
    柱状の後端側固体部材に対し、前記筒状凹部よりサイズが小さい柱状部を中心軸回りに形成し、
    前記柱状部が前記筒状凹部に同軸配置されるように、前記先端側固体部材と前記後端側固体部材とを組み合わせ、
    固相接合によって、前記先端側固体部材と前記後端側固体部材とを含む電極を形成することを特徴とする製造方法であって、
    前記筒状凹部と前記柱状部との間に形成される内部空間の表面積が、前記内部空間の軸方向長さに応じた電極側面部分の表面積よりも大きくなるように、前記筒状凹部および前記柱状部を形成することを特徴とする放電ランプ用電極の製造方法。

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