JP2021068578A - 放電ランプおよび放電ランプの製造方法 - 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】放電管と、放電管内に対向配置され、それぞれ電極軸Ｘに同軸な電極支持棒１７Ｂによって支持される一対の電極３０とを備え、少なくとも一方の電極３０において、電極軸Ｘに沿って電極支持棒１７Ｂ側の端面から電極先端面３０Ｓまでの間に、内部空間６０が形成され、内部空間６０に配置される柱状部５０が、少なくとも一方の端部において、電極先端面３０Ｓ側あるいは電極支持棒１７Ｓ側にある電極部分と接合している。【選択図】図２

Description

本発明は、一対の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、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、ＳＰＳなどの固相接合によって接合し、電極を構成することができる（例えば、特許文献１参照）。

また、電極温度を放熱によって抑えるため、筒状凹部に柱状部を同軸的に収容して接合させた電極を成形するとともに、柱状部と筒状凹部との間に電極軸方向および軸垂直方向に沿って隙間を形成する構成が知られている（特許文献２参照）。

特許第５４７２９１５号公報 特開２０１８−１４２４８２号公報

高出力化（大電力化）が求められる放電ランプに対し、ランプ点灯中の電極温度上昇をこれまで以上に抑えることが必要とされる。また、電極内部に隙間を設けると接合面積が減るため、接合強度を高めるのが難しい。

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とともに、接合強度を高め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、それぞれ電極軸に同軸な電極支持棒によって支持される一対の電極とを備え、少なくとも一方の電極において、電極軸に沿って電極支持棒側の端面から電極先端面までの間に、内部空間が形成される。

ここで、「内部空間」が、「電極軸に沿って電極支持棒側の端面から電極先端面までの間に」形成されていることは、電極先端面あるいは電極支持棒側端面（後端面）にまで空間が延びて開放されていないことを表す。電極側面側に対して開放している内部空間を形成することが可能であり、あるいは、密閉空間を形成することも可能である。

内部空間の空間形状として様々な空間形状を採用可能であり、内部空間に柱状部が位置すればよい。例えば、柱状部の周囲に内部空間が形成されるように、電極軸と同軸な管状内部空間を形成することが可能である。

本発明では、内部空間に配置される柱状部が、少なくとも一方の端部において、電極先端面側、あるいは電極支持棒側にある電極部分と接合している。ここで、「電極部分」とは、素材の塊で構成される部分を表す。柱状部の電極軸に沿った長さが内部空間と同じ、あるいはそれより長い場合、電極軸に沿って電極先端面側、あるいは電極支持棒側にある電極部分と接合する。柱状部の電極軸に沿った長さが内部空間より短い場合（接合部分が電極支持棒側により近い位置にある場合）にも接合することができる。

例えば、電極先端面を有する凹部によって電極の一部が構成される場合、柱状部は凹部の底面に接合することが可能である。逆に、電極支持棒と繋がって凹部を形成した電極胴体部分が構成される場合、柱状部はその凹部の底面に接続することができる。このような柱状部と電極部分との接合は、電極軸に沿って柱状部から電極支持棒側および電極先端面に渡る範囲で上記内部空間や隙間がない電極塊の連なった一体的構造になり、その間に接合面が存在する。

電極内での接合部分は、柱状部との接合部分だけで構成してもよく、あるいは、それ以外の部分でも接合部分を設けてもよい。例えば、電極が、管状内部空間より径方向外側に、前記接合部分とは異なる接合部分を設ける電極構造にすることができる。接合は、例えばＳＰＳなど固相接合が適用可能である。

柱状部の少なくとも一部は、径方向に変形した構成、すなわち電極軸方向に沿って径が異なるように構成することができる。例えば、柱状部の少なくとも一部を径方向に膨らませた形状にすることができる。また、柱状部の側面および内部空間の側面の両方、あるいはいずれか一方に、放熱構造を形成することもできる。

電極軸と同軸な管状内部空間である場合、柱状部と電極部分との接合部分の電極軸に沿った位置が、管状内部空間の端部より電極先端面側あるいは電極支持棒側の位置となるように構成することが可能である。例えば、電極の凹部底面において、柱状部の先端面に応じた凹み部分を形成することが可能である。

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筒状凹部を形成した第１の固体部材と、第１の固体部材もしくは第１の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の固体部材とを備え、柱状部の端面が、筒状凹部の底面と接合している。

例えば、第１の固体部材が、電極先端面を有し、第２の固体部材が、電極支持棒と繋がる場合、第１の固体部材が、筒状凹部の周縁部分で、中間部材もしくは第２の固体部材と接合している。

一方、本発明の他の態様である放電ランプの製造方法は、放電管内に対向配置される一対の電極のうち少なくとも一方の電極を成形する工程を含む放電ランプの製造方法であって、電極成形工程において柱状の第１の固体部材に対して筒状凹部を軸中心に形成し、柱状の第２の固体部材に対し、筒状凹部よりも径方向のサイズが小さい柱状部を軸中心に形成し、電極軸と同軸な管状内部空間を形成するように、少なくとも柱状部を筒状凹部の底面と接合させる。この場合、筒状凹部の周縁部を、中間部材もしくは第２の固体部材と接合させることが可能である。

例えば、第２の固体部材に対し、筒状凹部の深さより大きい長さを有する柱状部を軸中心に形成し、柱状部が径方向に変形するように、柱状部を筒状凹部の底面と接合させることが可能である。このとき、筒状凹部の底面に、柱状部の先端面が嵌合する凹部を形成してもよい。

柱状部を筒状凹部に対して同軸的に配置させた後、第１の固体部材と第２の固体部材の側面に形成される隙間から、不活性ガスを導入する、または真空に引くようにすることができる。一方で、第１の固体部材と第２の固体部材の側面に隙間を形成した電極を製造することも可能である。

本発明によれば、電極の温度上昇を効果的に抑えるとともに、接合強度を高めることができる電極を提供することができる。

第１の実施形態である放電ランプの平面図である。 電極の概略的断面図である。 電極の製造方法を示した図である。 先端側部材の一部を示した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。 第３の実施形態である電極の概略的断面図である。

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の実施形態である放電ランプの平面図である。

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、本実施形態の電極３０の概略的断面図である。なお、電極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（第２の固体部材）３２と、電極先端面３０Ｓを有する先端側部材（第１の固体部材）３４から成り、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には、電極軸Ｘを中心軸とする穴３２Ｓに対して電極支持棒１７Ｂが同軸配置されている。また、後端側部材３２には、厚さ一定の円柱状部分３２Ｋから電極先端側に向けて柱状部５０（ここでは円柱状）が突出し、柱状部５０は電極軸Ｘに対して同軸に形成されている。先端側部材３４は、電極先端面３０Ｓを含む円錐状部分から厚さ一定の柱状部分３４Ｋによって構成され、筒状凹部４０（ここでは径方向断面円状）が電極支持棒１７Ｂ側を向くように同軸に形成されている。

柱状部５０の径Ｒ１は筒状凹部４０の径Ｒ２よりも小さく、柱状部５０は筒状凹部４０の底面４０Ｓまで延出している。これによって、管状の内部空間６０が、後端側部材３２の平坦面３２Ｍから筒状凹部４０の底面４０Ｓまで渡って電極軸Ｘに対し同軸に形成される。管状内部空間６０の容積は、柱状部５０の体積よりも小さい。また、管状内部空間６０には、Ａｒなどの不活性ガスが封入される一方、高温で溶融する伝熱体のような部材は設けられていない。ここでは、管状内部空間６０は密閉空間として構成されているが、管状内部空間６０と電極側面３０Ｔとを空間的に繋げる貫通穴を設けるようにしてもよい。

後端側部材３２と先端側部材３４は、後端側部材３２の周縁部３２Ｅと先端側部材３４（筒状凹部４０）の周縁部３４Ｅにおいて固相接合し、さらに、柱状部５０の先端面５０Ｓが、筒状凹部４０の底面４０Ｓと固相接合している。柱状部５０の径Ｒ１に応じた径を有する円状の凹部４０Ｔが底面４０Ｓに形成され、柱状部５０の先端面５０Ｓは凹部４０Ｔに収まって固相接合している。そのため、柱状部５０の先端面５０Ｓの電極軸Ｘに沿った位置は、筒状凹部４０の底面４０Ｓ、すなわち管状内部空間６０の端部よりも電極先端側に位置する。柱状部５０は、電極軸Ｘに沿った中央部付近において径方向に変形し、ここでは膨張している。

柱状部５０の側面５０Ｄには、放熱構造７０として微細な凹部が周方向に沿って周全体に形成されており、また、軸方向Ｘに所定の長さをもって形成されている。放熱構造７０は、例えば熱による溶融や切削加工などの既知の手段によって形成することができる。ただし、凹部以外の構成によって放熱構造（放熱部）を実現してもよく、例えばブラスト処理のように表面積を増やす構造や、放熱素材（例えば炭化膜や酸化膜の放熱層）、塗料などで側面５０Ｄを覆うように構成してもよい。また、カーボンナノチューブのような放射率の高い部材も適用できる。放熱構造７０は、筒状凹部４０の側面４０Ｄに形成することも可能である。また、放熱構造７０を設けなくてもよい。

ランプ点灯中、電極先端面３０Ｓの温度が上昇し、先端側部材３４の熱が柱状部５０に伝わる。そして柱状部５０の熱は、電極軸Ｘに沿って後端側部材３２に移動し、電極支持棒１７Ｂ側へ伝わる。

上述したように、電極３０はその内部に管状内部空間６０を形成した電極構造を採用し、管状内部空間６０に囲まれる柱状部５０が、その先端面５０Ｓにおいて先端側部材３４（筒状凹部４０の底面４０Ｓ）と固相接合している。電極軸Ｘ付近では、電極先端面３０Ｓから電極支持棒１７Ｂの先端面１７Ｓに至るまで、接合部分Ｔを介在して一体的な塊になっていて、隙間や空間がない。このため、効率よく熱を電極支持棒１７Ｂ側へ輸送することができる。また、管状内部空間６０を形成していながらも熱容量が大きいため、耐熱性にも優れる。

その一方で、先端側部材３４は、後端側部材３２の柱状部５０と周縁部３２Ｅの両方で固相接合している。このように電極軸Ｘ付近と電極側面３０Ｔ付近に接合部分が存在するため、先端側部材３４と後端側部材３２はバランスよく対称的な箇所で固相接合することとなり、また、接合面積が大きくなって接合強度が増す。

柱状部５０が径方向に膨張していることで、管状内部空間６０の熱を吸収しやすくなり、電極支持棒１７Ｂ側へ逃すことができる。また、筒状凹部４０の凹部４０Ｔに柱状部５０の先端面５０Ｓが位置し、筒状凹部４０の底面４０Ｓよりも電極先端面３０Ｓ側により近い位置になるため、柱状部５０が効果的に熱を吸収することができる。さらに、不活性ガスが管状内部空間６０で対流することにより、電極温度上昇を抑えることができる。

柱状部５０の軸方向Ｘに沿った長さＬ２は、管状内部空間６０の軸方向に沿った長さＬ１より長くなっている。柱状部５０の体積が、管状内部空間６０のスペースを削減することなく増加するため、管状内部空間６０の機能（軽量化、放熱性）を損なわずに、熱吸収量を増やすことができる。

図３は、電極の製造方法を示した図である。図４は、先端側部材を示した図である。

切削加工によって、先端側部材３４となる柱状の先端側固体部材（第１の固体部材）に対して筒状凹部４０を軸中心に形成する。また、後端側部材３２となる柱状の後端側固体部材（第２の固体部材）に対し、筒状凹部よりも径が小さい柱状部５０を軸中心に形成する。その柱状部５０の側面に放熱構造を形成してもよい。このとき、柱状部５０の長さＭ２が筒状凹部の深さ（長さ）Ｍ１より長くなるように、柱状部５０を形成する。また、図４に示すように、筒状凹部４０の底面に凹部４０Ｔを形成する。

筒状凹部と柱状部を形成した後、筒状凹部４０の底面に形成された凹部４０Ｔに対し、柱状部５０の先端面を同軸的に嵌めた状態で、ＳＰＳ装置などの固相接合装置へ設置する。接合前、先端側固体部材と後端側固体部材の周縁部（側面）において形成された隙間Ｒから、Ａｒなどの不活性ガスを導入する。その後、所定の圧力、温度、加圧時間を設定して、先端側固体部材と後端側固体部材とを固相接合する。なお、不活性ガスは、接合中の雰囲気ガスを隙間Ｒから導入するようにしてもよい。

その結果、接合前には隙間Ｒが形成されていた先端側固体部材と後端側固体部材の周縁部が固相接合するとともに、柱状部５０は膨張するように変形して筒状凹部４０の底面と固相接合する。図３、図４では電極形状に切削加工が施された状態を示しているが、固相接合後、切削加工などの加工処理を施してもよく、所望のサイズ、形状をもつ電極が製造される。そして、電極製造後にマウント、封止など従来周知の方法によって放電ランプを製造することができる。

柱状部５０が変形するまで加圧して固相接合させているため、強固な固相接合に基づく電極を成形することができる。変形量は、隙間Ｒの軸方向Ｘに沿った長さに応じて調整することができる。隙間Ｒが小さければ柱状部５０はわずかに歪む（変形する）程度で、大きな隙間Ｒを形成した場合、柱状部５０は膨張した形状となる。一方、筒状凹部４０に凹部４０Ｔを形成しているため、先端側部材３４と後端側部材３２との位置合わせ（センター出し）を容易に行うことができる。また、接合前に隙間Ｒを形成することで、隙間Ｒから不活性ガスを導入するだけでなく、真空に引くこともできる。管状内部空間６０が真空状態になることで、熱放射と熱伝導による放熱効果を狙うこともできる。

図５は、第２の実施形態である放電ランプの電極を示した概略的断面図である。

第２の実施形態の電極３０’では、柱状部５０の長さＬ２が管状内部空間６０の長さＬ１と略等しく、筒状凹部４０に凹部が設けられていない。また、製造時に隙間が形成されないように柱状部５０を形成するため、柱状部５０は変形していない。このような構成でも第１の実施形態と同様に、効率よく熱を電極支持棒１７Ｂ側へ輸送することができ、耐熱性に優れた電極とすることができる。また、柱状部５０が筒状凹部４０の底面４０Ｓと固相接合しているため、接合面積が大きくなって接合強度が増している。なお、筒状凹部４０の底面に凸部を設け、柱状部の電極軸に沿った長さを短くして接合させるようにしてもよい。

図６は第３の実施形態である放電ランプの電極を示した概略的断面図である。

第３の実施形態の電極３０”では、先端側部材３４と後端側部材３２が、柱状部５０と筒状凹部４０との間でのみ固相接合し、周縁部で接合せずに隙間Ｚが形成されている。このような隙間Ｚをもつ電極３０”は、固相接合時の加圧力、温度、加圧時間を調整することによって成形することができる。これによって、ランプ点灯中、放電空間内の希ガスなどが隙間Ｚを通じて流入、流出し、熱を外部に逃すことができる。

柱状部５０については、セラミックなどの熱伝導率、放射率の高い素材や、モリブデンなどの軽量材料で別途構成してもよい。また、実施形態では電極軸に沿って中央部付近を膨張させているが、電極先端面側あるいは電極支持棒側を変形（膨張）させてもよい。例えば、柱状部５０の電極先端側を膨張させると、凹部４０Ｔと強く嵌合し、より接合強度が増す。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。例えば、レニウム、タンタル、モリブデン、あるいはこれらの合金などを中間部材として適用可能である。また、柱状部５０と筒状凹部４０との間に中間部材を介在させてもよい。電極構造としては、先端側部材に柱状部を形成し、後端側部材に筒状凹部を形成するようにしてもよい。

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。さらに、上述した実施形態においては、先端側部材、後端側部材の材料をタングステンとしたが、モリブデンやこれらの合金、セラミックなども適用でき、先端側部材にはエミッターを含有させてもよく、耐久性や電子放射性といった機能に応じて適宜選択できる。

なお、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が、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。

１０ 放電ランプ
３０ 電極（陽極）
３２ 後端側部材（第２の固体部材）
３４ 先端側部材（第１の固体部材）
４０ 筒状凹部
５０ 柱状部
６０ 管状内部空間

Claims (13)

1. 放電管と、
   前記放電管内に対向配置され、それぞれ電極軸に同軸な電極支持棒によって支持される一対の電極とを備え、
   少なくとも一方の電極において、
   電極軸に沿って前記電極支持棒側の端面から電極先端面までの間に、内部空間が形成され、
   前記内部空間に配置される柱状部が、少なくとも一方の端部において、前記電極先端面側あるいは前記電極支持棒側にある電極部分と接合していることを特徴とする放電ランプ。
2. 前記柱状部の少なくとも一部が、径方向に変形していることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
3. 前記柱状部の少なくとも一部が、径方向に膨らんでい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. 前記柱状部の側面および前記内部空間の側面の両方、あるいはいずれか一方に、放熱構造が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. 前記内部空間は、電極軸と同軸な管状内部空間であって、
   前記柱状部と前記電極部分との接合部分の電極軸に沿った位置が、前記管状内部空間の端部より電極先端面側あるいは電極支持棒側の位置にあ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. 前記電極が、前記管状内部空間より径方向外側に、前記接合部分とは異なる接合部分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. 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筒状凹部を形成した第１の固体部材と、
   前記第１の固体部材もしくは前記第１の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の固体部材とを備え、
   前記柱状部の端面が、前記筒状凹部の底面と接合していることを特徴とする放電ランプ。
8. 前記第１の固体部材が、電極先端面を有し、
   前記第２の固体部材が、電極支持棒と繋がり、
   前記第１の固体部材が、前記筒状凹部の周縁部分で、前記中間部材もしくは前記第２の固体部材と接合し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. 放電管内に対向配置される一対の電極のうち少なくとも一方の電極を成形する工程を含む放電ランプの製造方法であって、
   電極成形工程において、
   柱状の第１の固体部材に対して筒状凹部を軸中心に形成し、
   柱状の第２の固体部材に対し、前記筒状凹部よりも径方向のサイズが小さい柱状部を軸中心に形成し、
   電極軸と同軸な管状内部空間を形成するように、少なくとも前記柱状部を前記筒状凹部の底面と接合させることを特徴とする放電ランプの製造方法。
10. 前記第２の固体部材に対し、前記筒状凹部の深さより大きい長さを有する柱状部を軸中心に形成し、
    前記柱状部が径方向に変形するように、前記柱状部を前記筒状凹部の底面と接合させることを特徴とする請求項９に記載の放電ランプの製造方法。
11. 前記柱状部を前記筒状凹部に対して同軸的に配置させ、前記第１の固体部材と前記第２の固体部材の側面に形成される隙間から、不活性ガスを導入する、または真空に引くことを特徴とする請求項１０に記載の放電ランプの製造方法。
12. 前記筒状凹部の底面に、前記柱状部の先端面が嵌合する凹部を形成することを特徴とする請求項１０または１１に記載の放電ランプの製造方法。
13. 前記筒状凹部の周縁部を、前記中間部材もしくは前記第２の固体部材と接合させることを特徴とする請求項９乃至１２に記載の放電ランプの製造方法。

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