JP2023105898A - 放電ランプ及び放電ランプ用電極の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光の照射範囲を狭くすることがなく光の照度を高くし、隆起部の早期消失を防止する。【解決手段】放電管と、放電管内に対向配置される陰極と陽極とを備え、陽極は、縮径部の先端に軸垂直方向に沿った先端面を有し、先端面に先端が曲面の隆起部を備えることを特徴とする放電ランプである。【選択図】図２

Description

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

ショートアーク型放電ランプでは、照度を上げるために電極間距離（陽極先端面と陰極先端面間の距離）を短くすることが考えられる。しかしながら、電極間距離を短くすると、陽極により光が遮られ、照射範囲が狭くなる問題が発生する。ところで、従来から電極の先端に円柱状の突出部を設けることが提案されている。

例えば特許文献１には、円柱よりなる陽極基部２１と、その先端に截頭円錐２２と、この截頭円錐２２の短径とその直径が等しい円柱２３とを順次積層したような形状の陽極が記載されている。このような構成にすることにより、アーク放電路が移行しなくなるようにしている。

特許文献２には、陽極２上において他の箇所に比較して熱容量が低い部分である突起部２１を設けることが記載されている。かかる構成により、突起部２１から選択的にタングステンを蒸発させ、蒸発したタングステンがハロゲンサイクルによって突起部２１に選択的に戻ることから、陽極の形状がランプ点灯に伴って経時的に変化することなく常に一定の形状に保たれ、放電アークの形成される位置が変動することがないため、長時間に渡って照度維持率を確保することができる。

特許文献３には、陰極先端に突起部を設けることにより、突起部前方空間の電位を大きく変えることができ、この結果、突起部前方空間の電界強度を大きくすることができることが記載されている。このように、陰極突起部の前方空間の電界強度が大きくなると、発光管内の圧力が低い場合、陰極から飛び出た電子が電極軸から外れて発光管の方向に飛んでいこうとするが、この強い電界によって電子が引き戻され陰極の突起部前方に拘束されるので、電子は直線的に最短距離で陽極の方向に飛んでいくことになり、電極間で発生する放電を電極軸に確実に維持することができる。この結果、放電によって発生するアークが、電極軸に沿って確実に維持された状態で形成されるので、アークが発光管に近づかず発光管が失透することなく、発光管が破裂することを防止できる。

特開昭５１－４６４４１号公報 特開２００７－２６５７０９号公報 特開２００３－７７４１６号公報

これらの特許文献１乃至特許文献３においては、電極の先端に細い円柱状の突出部を設けているために、アーク放電が突出部に集中し、電極の消耗が激しい欠点がある。また、特許文献１或いは特許文献３に記載されているような突出部は、光を遮って照度を低下させるおそれがあった。さらに、特許文献２或いは特許文献３に記載されているような電極の先端面に細い円柱状の突起を設ける構成は、突起の強度を確保することが難しい問題があった。

したがって、本発明の目的は、従来技術のこれらの問題点を生じないで照度を向上できる放電ランプ及び放電ランプ用電極の製造方法を提供することにある。

本発明は、放電管と、放電管内に対向配置される陰極と陽極とを備え、
陽極は、縮径部の先端に軸垂直方向に沿った先端面を有し、
先端面に先端が曲面の隆起部を備えることを特徴とする放電ランプである。
また、本発明は、陽極用部材を切削することによって、先端面と、先端面に先端が曲面の隆起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である。

少なくとも一つの実施形態によれば、曲面を形成しているので、アーク放電が集中して電極の消耗が激しい問題を回避できる。また、電極間の距離を短くしないで照度を上げることができるために、光の照射範囲が狭くなる問題を生じない。さらに、突起を設ける構成と比較して突起の強度が低下することを防止することができる。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２Ａ及び図２Ｂは、本発明の一実施形態の陽極の構成の一例及び他の例を示す断面図である。 図３は、本発明の一実施形態の説明に用いる陽極の一部の断面図である。 図４Ａは、陽極及び陰極の部分を示す図であり、図４Ｂは、従来技術の説明に用いる図である。

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。

管球状の放電管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）と溶着されており、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。放電ランプ１０は、陽極３０が上側、陰極２０が下側となるように鉛直方向に沿って配置されている。

リード棒１６ａ、１６ｂは外部の電源部に接続され、金属部材、金属箔及び電極支持棒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。ここでは、１ｋＷ以上の電力が投入される。

なお、放電ランプ１０の周囲には、回転楕円体である反射ミラー（集光ミラー）（図示せず）が配置されて照明装置が構成される。ランプ点灯時、放電ランプ１０から放射された光は、反射ミラーで反射する。反射光は二次焦点に集光し、図示しない照明光学系などを介して照射対象物へ導かれる。例えば、照明装置が露光装置内に設けられている場合、基板の感光面に光が照射される。

図２Ａは、陽極３０の一例の断面図である。陽極３０は、電極支持棒１４Ｂと接続される円柱状の陽極胴体部３１と、截頭円錐状の陽極縮径部３２から成り、陽極縮径部３２の先端面（環状面）３３が放電面として構成されている。ここでは胴体部３１及び陽極縮径部３２は、タングステン、モリブデンなどの金属又はこれらの合金からなる。なお、縮径部と胴体部とを別々に成形し、拡散接合などによって接合する陽極で構成してもよい。

本発明の一実施形態では、先端面３３に陰極側に隆起する隆起部を設ける。隆起部は、平面の先端面３３よりも陰極側に凸であり、先端面３３より小さい。図２Ａの例では、陽極３０の先端面３３のほぼ中央位置に、陰極側に隆起する半球状の隆起部３４を設けている。図２Ｂに示す例では、先端面３３のほぼ中央位置に緩やかな曲面状の先端を有する隆起部３４' を設けている。すなわち、本発明では、先端が鋭利な突起を持つように突出せずに、緩やかな曲面状（半球状）を持つように構成する。言い換えると、隆起部３４，３４’の電極軸方向の断面が円弧状先端面を持つようにされる。特に、図２Ａ，２Ｂに示す隆起部３４，３４’は、先端面３３から頂部まで曲面で構成されている。

陰極２０の先端面と陽極３０の先端面３３及び隆起部３４，３４’の先端面の間でアーク放電が発生する。隆起部３４，３４’を設けることで、光が集光して照度が高くなる。本発明では、隆起部３４，３４’が突出せず、緩やかな面を有するので、アーク放電が局所的に集中せず、過度な加熱による隆起部の早期消失（蒸発）を防ぐことができる。また、隆起部３４，３４’は、その頂部から裾にかけて曲面で構成されているので、細い円柱状の突起を設ける構成と比較して強度を確保することができる。

隆起部３４，３４’は、円弧状に構成され、先端面３３の直径よりも小さい直径を持つ。すなわち、先端面３３のすべてが隆起部３４，３４’で構成されているのではなく、先端面３３には軸垂直方向に沿った先端面（平面）が存在する。これにより、隆起部３４，３４’を設けながらも、放電面となる先端面３３の熱容量を確保している。図３は、陽極３０の縮径部３２を拡大して示す断面図である。図３に示すように、隆起部３４の直径をｄ、先端面３３の直径をＤとし、ｄ＜Ｄの関係としたとき、（Ｄ－ｄ）／２≦ｄを満たす構成が好ましい。このようにすることによって、アーク放電を受ける面（先端面３３）の面積が維持され、熱容量が下がらないので、陽極３０の過度な温度上昇を抑えることができる。一方で、極端に径の小さい（細い）隆起部が設けられることを防ぎ、隆起部の強度を確保することができる。

隆起部３４，３４’のサイズは特に限定されないが、隆起部３４，３４’によって光を遮ることがないように、突出高さは先端面３３から２ｍｍ以下、より好ましくは１ｍｍ以下とされる。図４Ａは、陰極２０及び陽極３０の部分を示している。放電ランプ１０の放射範囲Ｒは、陰極２０、陽極３０の配置、サイズ、及び陰極２０、陽極３０との距離間隔などに従って定まる。陰極２０の先端面と陽極３０の先端面３３の間の距離（電極間距離）が短いと，照度が高くなるが、放射範囲Ｒが狭くなってしまう。本発明では、隆起部３４が設けられているので、先端面３３を陰極側に近付けることなく、放射範囲Ｒを確保しながら電極間距離を近付けることができ、照度を高くすることができる。放射範囲Ｒは、放射光が陰極２０、陽極３０に遮断されず、そのまま放電ランプ外部へ進行する放射範囲のことである。

また、陽極３０の縮径部３２のテーパー面を延長した仮想延長テーパー面４１よりも電極中心軸Ｘ側に隆起部３４が位置する。すなわち、隆起部３４は仮想延長テーパー面４１と交叉しないので、隆起部３４によって放射光が遮られることを防止することができる。図４Ｂに示すように、本発明と異なり陽極の先端の突出部４２が仮想延長テーパー面４１と交叉する場合には、突出部４２によって光が遮られ、照度が低下する問題が生じてしまう。

陽極３０の製造方法について説明する。タングステンなどからなる陽極用部材を切削することによって陽極３０を製造する場合に、隆起部３４，３４’も陽極用部材から切削によって一体で形成され、先端面から隆起するように成形される。この場合、隆起部は陽極と同じ素材で構成される。あるいは、隆起部３４，３４’のみを陽極本体（陽極胴体部３１及び陽極縮径部３２）とは別に成形し、隆起部と陽極本体とを拡散接合して構成してもよい。この場合、隆起部を陽極本体とは別の素材で構成することができる。

上述した本発明の一実施形態は、隆起部３４，３４’を設けることによって光の照度を高くすることができる。また、隆起部３４，３４’は、緩やかな先端面を有するので、アーク放電が隆起部３４，３４’の大部分を覆うように発生し、局所的に集中せず、過度な加熱による隆起部３４，３４’の早期消失（蒸発）を防止することができる。さらに、隆起部３４，３４’の形状は、光の照射範囲を狭くすることがない利点がある。

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、本発明の隆起部は、少なくとも先端が（陰極との対向面が）曲面であれば、円柱部分を有してもよい。また、本発明の一実施形態では電極中心軸に頂部が位置する隆起部を１つ設けたが、アーク放電に大部分が覆われる範囲であれば、複数の隆起部を設けてもよく、あるいは電極先端面中心を囲むような円環状の隆起部を設けてもよい。また、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対しても適用することができる。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、１２ａ，１２ｂ・・・封止管、
１３ａ，１３ｂ・・・口金、１４ａ，１４ｂ・・・電極支持棒、２０・・・陰極、
３０・・・陽極、３１・・・陽極胴体部、３２・・・陽極縮径部、３４，３４’・・・隆起部

Claims (6)

1. 放電管と、
   前記放電管内に対向配置される陰極と陽極とを備え、
   前記陽極は、縮径部の先端に軸垂直方向に沿った先端面を有し、
   前記先端面に先端が曲面の隆起部を備えることを特徴とする放電ランプ。
2. 前記隆起部は、その頂部から裾にかけて曲面で構成され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. 前記隆起部の直径が、以下の式を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の放電ランプ。
   （Ｄ－ｄ）／２≦ｄ
   ただし、Ｄは先端面の直径、ｄは隆起部の直径を表し、ｄ＜Ｄの関係を満たす。
4. 前記隆起部は、前記縮径部のなすテーパー面に沿った仮想延長テーパー面よりも電極中心軸側に位置することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の放電ランプ。
5. 前記隆起部は前記陽極と同じ素材であり、前記先端面と一体的であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の放電ランプ。
6. 陽極用部材を切削することによって、先端面と、前記先端面に先端が曲面の隆起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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