JP2022169761A - 放電ランプ及び放電ランプの電極の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接合強度が高められた電極を製造できる。【解決手段】先端側部材と、導電性の電極支持棒によって支持される後端側部材と、先端側部材と後端側部材との間に設けられた、レニウムを含むタングステン合金からなる中間部材を有する放電ランプの電極の製造方法であって、先端側部材としてのトリエーテッドタングステン部材の端面と後端側部材としてのタングステン部材の端面を中間部材としてのレニウム‐タングステン部材を介して固相拡散接合によって接合する工程と、接合後に円錐台形形状に切削する工程とを有し、中間部材は、先端側部材及び後端側部材の少なくとも一方よりも結晶粒径が小さいことを特徴とする放電ランプの電極の製造方法である。【選択図】図４

Description

本発明は、露光装置等に利用される放電ランプ、特に、ショートアーク型放電ランプ及びその電極の製造方法に関する。

従来、ショートアーク型放電ランプは、電極間距離が短く、また、点光源に近いことから、光学系と組み合わせることにより露光装置の光源として利用されている。

放電ランプでは、金属種類などが異なる部材を接合させた電極が提案されている。例えば、トリウムや希土類酸化物などのエミッターが含有される金属部材を電極先端部、純タングステンなどの高融点金属部材を胴体部とし、２つの金属部材を互いに接合させる。接合方法としては、例えばＳＰＳなどの固相接合が行われる。また、その間に中間部材を介して接合することも可能である。

特許文献１には、陽極に関するものであるが、放熱部材と電極胴体部外周面との間に、窒化物系セラミックスまたは炭化物系セラミックスからなる微粒子粉末を焼結した伝達層を設けること、並びにセラミックと金属との間に中間層金属を設け、固有結合するようにしてもよいことが記載されている。

特許文献２には、放熱部材付き電極を構成する場合に、セラミックス円筒と本体部との結合は、中間層にモリブデン箔等を用い、セラミックスと金属を固相拡散結合させ、したがって、密着性を高めるとともに、熱膨張差による歪みを防止することができることが記載されている。

特許文献３には、２つのタングステン金属部材の間にタングステン－レニウム合金（厚さ０．５ｍｍ）を介在させ、ＳＰＳ接合させた例が記載されている。

特開２００８－１８６７９０号公報 特開２００９－２１１９１６号公報 特開２０１１－２４９０２７号公報

これらの特許文献１、特許文献２及び特許文献３に記載のものでは、接合される金属同士間に介在する中間層の金属の結晶粒径について規定されておらず、充分な接合強度が得られない問題があった。

したがって、本発明の目的は、中間部材を介して二つの金属を接合してなる電極を有する放電ランプに関して、接合強度を高めるようにした放電ランプ及び放電ランプの電極の製造方法を提供することにある。

本発明は、先端側部材と、導電性の電極支持棒によって支持される後端側部材と、先端側部材と後端側部材との間に設けられた、レニウムを含むタングステン合金からなる中間部材を有する放電ランプの電極の製造方法であって、
先端側部材としてのトリエーテッドタングステン部材の端面と後端側部材としてのタングステン部材の端面を中間部材としてのレニウム‐タングステン部材を介して固相拡散接合によって接合する工程と、
接合後に円錐台形形状に切削する工程とを有し、
中間部材は、先端側部材及び後端側部材の少なくとも一方よりも結晶粒径が小さいことを特徴とする放電ランプの電極の製造方法である。
また、本発明は、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、先端側部材と、導電性の電極支持棒によって支持される後端側部材と、先端側部材と後端側部材との間に設けられた、レニウムを含むタングステン合金からなる中間部材とを有し、各部材間を固相接合することによって構成されており、
中間部材の軸方向長さが、先端側部材の軸方向長さ以下とされ、
中間部材のレニウム含有率は、５重量％以上であることを特徴とする放電ランプである。
また、本発明は、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、先端側部材と、導電性の電極支持棒によって支持される後端側部材と、先端側部材と後端側部材との間に設けられた、金属部材から成る中間部材とを有し、各部材間を固相接合することによって構成されており、
中間部材の軸方向長さが、先端側部材の軸方向長さ以下とされ、
中間部材は、先端側部材及び後端側部材の少なくとも一方よりも結晶粒径が小さいことを特徴とする放電ランプである。

少なくとも一つの実施形態によれば、中間部材による接合強度を高めることができる。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本明細書中に記載されたいずれかの効果又はそれらと異質な効果であっても良い。

図１は、本発明を適用できるショートアーク型放電ランプを模式的に示した図である。 図２は、陰極の構成を示す図である。 図３は、陰極の製造工程を説明するための図である。 図４は、陰極の接合状態を表す電子顕微鏡写真を示した図である。

図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。図１は、一実施形態であるショートアーク型放電ランプを模式的に示した図である。ショートアーク型放電ランプ１０は、パターン形成する露光装置の光源などに使用可能な放電ランプであり、透明な石英ガラス製の放電管（発光管）１１を備える。放電管１１には、陰極２０、陽極３０が所定間隔をもって対向配置される。

放電管１１の両側には、対向するように石英ガラス製の封止管１２ａ及び１２ｂが放電管１１と一体的に設けられており、封止管１２ａ及び１２ｂの両端は、口金１３ａ及び１３ｂによって塞がれている。封止管１２ａ、１２ｂの内部には、金属性の陰極２０、陽極３０を支持する導電性の電極支持棒１４ａ、１４ｂが配設され、金属リング（図示せず）、モリブデンなどの金属箔１５ａ、１５ｂを介して導電性のリード棒１６ａ、１６ｂにそれぞれ接続される。封止管１２ａ、１２ｂは、封止管１２ａ、１２ｂ内に設けられるガラス管（図示せず）と溶着しており、これによって、水銀、および希ガスが封入された放電空間が封止される。

リード棒１６ａ、１６ｂは外部の電源部（図示せず）に接続されている。リード棒１６ａ、１６ｂ、金属箔１５ａ、１５ｂ、及び電極支持棒１４ａ、１４ｂを介して陰極２０、陽極３０の間に電圧が印加される。放電ランプ１０に電力が供給されると、電極間でアーク放電が発生し、水銀による輝線（紫外光）が放射される。

図２は、図１に示す放電ランプの陰極２０の拡大図である。陰極２０は、エミッターを含む先端側部材２１と、導電性の電極支持棒１４ａによって支持される後端側部材２２と、先端側部材２１と後端側部材２２との間に、レニウムを含むタングステン合金からなる中間部材２３を介在させて固相接合することによって構成されている。

先端側部材２１は、陽極３０の先端に向かって徐々に先細くなり、先端が平坦面とされた円錐台形形状を有する。先端側部材２１の円錐台形形状の周面のテーパーは、後端側部材２２及び中間部材２３の周面のテーパーと連続して形成されている。後端側部材２２の底面側から電極支持棒１４ａの先端が挿入される。なお、先端側部材２１は、先端が尖った円錐形状であってもよい。

先端側部材２１は、タングステン（Ｗ）を主成分として、エミッター（易電子放射性材料）として酸化トリウムを含有する、すなわち、トリエーテッドタングステンである。なお、エミッターは酸化トリウムに限らず、酸化ランタンなどの希土類酸化物などでもよい。

後端側部材２２は、一例として、微量のカリウムがドープされたタングステンである。なお、後端側部材２２としては、その他の添加物を含むタングステン合金や純タングステンも使用することができる。

中間部材２３は、先端側部材２１と後端側部材２２の接合強度を高めるための金属部材である。中間部材２３は、１ミリ以下の厚さであり、ここでは厚さが約０．３mmの中間層を形成する。中間部材２３の一例は、２６重量％のレニウム含有のタングステン合金（以下、「レニウム‐タングステン」ともいう）である。レニウム‐タングステンは、最適な熱処理によって高い延性が得られる材料である。レニウム‐タングステンは、レニウム含有量の多い方が延性は高い。したがって、レニウム含有量が５重量％以上の材料を選択することが接合強度を高める上で好ましい。

中間部材２３は、先端側部材２１及び後端側部材２２と比較して軟らかいため、接合時に変形して接触面積を増加させるため、先端側部材２１と後端側部材２２を直接接合させるよりも接合強度を高くできる。また、タングステンが含有されているので、熱伝導性、導電性が電極全体として均一とできる。さらに、後述するように、本発明の一実施形態では、中間部材２３の結晶粒径を小さくすることによって接合強度を高くすることができる。

次に、本発明の一実施形態にかかる陰極２０の製造方法の一例について図３を参照して説明する。図３Ａに示すように、先端側部材となるトリエーテッドタングステン円柱２１ａと、後端側部材となるタングステン円柱２２ａと、中間部材となるレニウム‐タングステン箔２３ａを用意する。

次に、図３Ｂに示すように、固相拡散接合によって、トリエーテッドタングステン円柱２１ａとレニウム－タングステン箔２３ａとタングステン円柱２２ａとを接合する。

そして、図３Ｂにおいて点線で示すように、円錐台形形状に切削することで、図３Ｃに示すように、陰極２０を形成する。

固相接合法の一例として、放電プラズマ焼結（ＳＰＳ：Spark Plasma Sintering）による接合法を使用できる。ＳＰＳは、成形体の粒子間隙にパルス状の電気エネルギーを直接投入し、火花放電現象により瞬時に発生する放電プラズマの高温エネルギーを熱拡散、電界拡散などへ適用した接合方法である。通電とともに、加圧機構によって圧力が加えられる。通電による放電プラズマによって所定の焼結温度まで昇温された後、圧力が加えられた状態で一定時間保持する。これにより、図３Ｃに示す陰極２０が形成される。一例として、圧力５０～１００ＭＰａ、加圧時間５分～２０分、接合面付近の焼結温度は１６００℃～１８００℃の範囲とされる。

図４は、１つの実施形態による陰極２０の接合状態を電子顕微鏡写真で示した図である。先端側部材２１及び後端側部材２２の間に中間部材２３を介在させ、ＳＰＳ接合させた。

図４は、陰極の接合面付近を、マイクロオーダーレベルで撮影した写真を示しており、金属組織が明らかにされている。図面の左右方向に沿って接合面が形成されている。図４から分かるように、中間部材２３の結晶粒径は、後端側部材２２の結晶粒径よりも小さいものとされる。また、ここでは先端側部材２１の結晶粒径は中間部材２３の結晶粒径よりも小さく、各部材間で結晶粒径に変化が生じている。さらに、図４の例と異なる例では、中間部材２３の結晶粒径は、先端側部材２１の結晶粒径とほぼ同じか、又はより小さいものとされる。中間部材２３と先端側部材２１の結晶粒径がほぼ同じ場合、後端側部材２２の結晶粒径が大きいものとされる。一方で、各部材における接合面付近の結晶粒は、接合に寄与する接合面結晶粒だけが部分的に変形し、それ以外の接合面付近の結晶粒は、接合面に垂直な方向（電極軸方向）に沿って変形、二次再結晶化による粒径肥大化、粒界移動がほとんど生じていない。すなわち、接合後においても各部材の結晶粒径の大小関係が損なわれていない。

例えば中間部材２３の平均結晶粒径が１１．９μｍに対して、後端側部材２２の平均結晶粒径が６３．７μｍとされる。なお、結晶粒径とは、例えばＪＩＳ Ｇ ０５５１ 切断法に基づいて測定された平均結晶粒径とする。結晶粒径については、熱処理の温度や時間を定める、あるいはカリウムなどの添加物をドープすることで調整可能であり、製造前（素材）の段階で所望の結晶粒径の材料を選定して使用することも可能である。

このように、先端側部材及び後端側部材の少なくとも一方の結晶粒径よりも中間部材２３の結晶粒径を小さなものとすることによって接合強度を高くすることができる。すなわち、結晶粒径が小さいことによって、結晶粒界が多く存在し、原子の拡散に有利に働く。これにより接合性が良好となり、接合強度をより増すことができる。このように接合強度を増すことができるため、中間部材２３の厚みを薄くすることができ、コスト面で有利である。さらに、結晶粒径の大小関係を図４に示す実施形態のような順に形成することで、先端側部材２１と中間部材２３との間、並びに中間部材２３と後端側部材２２との間で、どちらか一方の部材の結晶粒径が小さい関係とすることができると同時に、急激な結晶構造変化を和らげることができる。すなわち、中間部材２３の結晶粒径が先端側部材２１よりも大きく、且つ後端側部材２２よりも小さいため、電極軸に沿った部材間での結晶粒径の変化が段階的、連続的となる。これにより、先端側部材２１から電極支持棒１４ａに向けての熱輸送に与える影響を抑えることができる。

以上、本技術の一実施の形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の一実施の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。例えばＳＰＳ焼結法以外の拡散接合方法によって電極を製造してもよい。例えば、ホットプレス（ＨＰ）、熱間静水圧加圧（ＨＩＰ）など、加圧しながら焼結する接合方式によって電極を製造することが可能である。さらに、それ以外の固相接合法（摩擦圧接法、超音波接合法など）も適用可能である。また、実施形態では陰極について説明したが、陽極に適用してもよく、同様に接合強度を高めることができる。水銀を含まないショートアーク型キセノンランプや、ショートアーク型以外の放電ランプにも適用してもよい。また、上述の実施形態において挙げた構成、方法、工程、形状、材料及び数値などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる構成、方法、工程、形状、材料及び数値などを用いてもよい。

１０・・・放電ランプ、１１・・・放電管、２０・・・陰極、２１・・先端側部材、
２２・・・後端側部材、２３・・・中間部材、３０・・・陽極

Claims (3)

1. 先端側部材と、導電性の電極支持棒によって支持される後端側部材と、前記先端側部材と前記後端側部材との間に設けられた、レニウムを含むタングステン合金からなる中間部材を有する放電ランプの電極の製造方法であって、
   前記先端側部材としてのトリエーテッドタングステン部材の端面と前記後端側部材としてのタングステン部材の端面を前記中間部材としてのレニウム‐タングステン部材を介して固相拡散接合によって接合する工程と、
   接合後に円錐台形形状に切削する工程とを有し、
   前記中間部材は、前記先端側部材及び前記後端側部材の少なくとも一方よりも結晶粒径が小さいことを特徴とする放電ランプの電極の製造方法。
2. 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、先端側部材と、導電性の電極支持棒によって支持される後端側部材と、前記先端側部材と前記後端側部材との間に設けられた、レニウムを含むタングステン合金からなる中間部材とを有し、各部材間を固相接合することによって構成されており、
   前記中間部材の軸方向長さが、前記先端側部材の軸方向長さ以下とされ、
   前記中間部材のレニウム含有率は、５重量％以上であることを特徴とする放電ランプ。
3. 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、先端側部材と、導電性の電極支持棒によって支持される後端側部材と、前記先端側部材と前記後端側部材との間に設けられた、金属部材から成る中間部材とを有し、各部材間を固相接合することによって構成されており、
   前記中間部材の軸方向長さが、前記先端側部材の軸方向長さ以下とされ、
   前記中間部材は、前記先端側部材及び前記後端側部材の少なくとも一方よりも結晶粒径が小さいことを特徴とする放電ランプ。

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