JP4042588B2 - 放電ランプ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は放電ランプに関する。特に、投影装置、光化学反応装置、検査装置の光源として用いられるショートアーク型放電ランプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
放電ランプは、発光物質、電極間距離、発光管内圧力という観点から幾つかのランプに分類でき、このうち発光物質の観点では、キセノンガスを発光物質とするキセノンランプ、水銀を発光物質とする水銀ランプ、水銀以外の希土類金属などを発光物質とするメタルハライドランプなどがある。また、電極間距離という観点では、ショートアーク型放電ランプや、ロングアーク型放電ランプがあり、さらに発光管内の蒸気圧という観点では、低圧放電ランプ、高圧放電ランプ、超高圧放電ランプなどが存在する。
このうち、ショートアーク型高圧水銀ランプは、例えば、波長３６５ｎｍの光を効率良く放射するもので、石英ガラスからなる発光管の内部にタングステン製の電極が２〜１２ｍｍ程度の間隙をもって配置しており、さらに、発光管内部には発光物質として点灯時の蒸気圧が１０^５〜１０^７Ｐａになる水銀やアルゴンなどの始動用ガスが封入されている。
このようなショートアーク型高圧水銀ランプは、従来から半導体ウェハーの露光用光源として用いられてきた。
その一方で、近年は、液晶基板、特に、大面積の液晶ディスプレイに使う液晶基板の露光用光源として注目されており、製造物の大型化に伴う処理時間の短縮化を図る観点から、ランプの大出力化が求められている。
【０００３】
放電ランプの大出力化により定格消費電力が大きくなると、放電ランプに流れる電流値は、通常は大きくなる。
このため、電極（特に、直流点灯における陽極）の先端部が、電子衝突を受ける量が多くなり、容易に昇温して溶融し、その結果、アークが不安定になるという問題が発生する。また、陽極に限らず、垂直方向に配置する放電ランプにおいては、上側に位置される電極が、発光管内の熱対流の影響を受けて、アークからの熱を受けやすくなり、昇温して溶融してしまう。
さらに、電極の先端部が溶融すると、電極を構成する物質が蒸発して発光管の内壁に付着し、発光管の透過率を低下させることにより、放射出力が低下するという問題も生じる。
【０００４】
このような問題は、ショートアーク型高圧水銀ランプに限るものではなく、放電ランプを大出力化する場合に、一般的に生ずる問題であって、従来は、放電ランプの外部に空冷機構を設けて強制的に空冷する構造が提案されていた。また、大出力の放電ランプにおいては、電極の内部に水路を設けて冷却水を流す、いわゆる水冷型放電ランプ（例えば、特許第３０７５０９４号）が提案されていた。
【０００５】
【特許文献１】
特許第３０７５０９４号
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、放電ランプを大出力化させるために、放電ランプの外部に空冷機構を設けて強制的に空冷を行う方法を用いると、十分な冷却効果を得ることができず、放電ランプに投入可能な電流値に限界があるので、大出力化が困難であった。この限界値は、放電ランプの種類や放電ランプが配置される環境によって異なるが、概ね２００Ａ程度である。
また、水冷型放電ランプの場合は、電極内に水路を形成して冷却水を流すので電極の大型化に伴い、放電ランプが大型化する。さらに、冷却水の供給、排出装置、循環ポンプを設けねばならず、放電ランプに対して何倍もの大きさの冷却設備が必要となり、放電ランプとしての汎用性に乏しいものであった。
【０００７】
さらに、このような放電ランプは、発光管の内部に形成された最冷点部分に、水銀などの封入物質が未蒸発の状態で溜まることがある。この場合、所定の水銀蒸気圧が得られないために、所望の放射光量や輝度を得ることができなくなる。さらに、発光管の内部において、温度が過剰に低下した場合は、アークが不安定になり放電ランプがちらついて発光する。
【０００８】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、上記問題点に鑑み、冷却設備を必要とせず、放電ランプに大電流を流すことが可能な大出力の放電ランプを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
発光管の内部に一対の電極が対向配置された放電ランプにおいて、少なくとも一方の電極は、主要部材と蓋部材からなる電極本体の内部に形成された密閉空間に伝熱体が封入され、前記蓋部材は前記伝熱体と接触する密閉空間に伸びる突起部を有することを特徴とする。
また、前記突起部が、電極軸上に設けられていることを特徴とする。
【００１０】
【作用】
本発明の放電ランプによると、電極が、主要部材と蓋部材からなる電極本体の内部に形成された密閉空間内に伝熱体が封入されており、蓋部材に設けられた突起部が、ランプ点灯時に溶融して液体状態となった伝熱体と接触する構造である。
このような構造によると、ランプ点灯時において、電極先端部が高温になっても、伝熱体の高い輸送効果により、伝熱体と接触している主要部材を通じて軸部分方向へ効果的に熱を輸送することができる。これに加えて、前記蓋部材に設けられた突起部が、ランプ点灯時に溶融して液体状態となった伝熱体と接触することにより、この突起部を通じても軸部分方向へ熱を輸送することができる。すなわち、伝熱体の伝導作用を利用することによって電極先端部の熱を効果的に輸送することができる。
また、ランプ点灯時に溶融して液体状態となった伝熱体の対流作用を利用することによって、電極先端部の熱を一層効果的に輸送することができる。
【００１１】
また、前記突起部は、電極軸と重なるように蓋部材に設けられている。ここで、ランプ点灯時に溶融して液体状態となった伝熱体は、電極径方向に温度分布を有し、電極軸近傍が最も高温である。したがって、突起部が電極軸と重なるように蓋部材に設けられると、電極先端部の熱を効率良く輸送することができる。
【００１２】
前述の理由により、放電ランプを大出力化するために大電流を投入した場合に電極先端部が溶融する問題を、従来技術で記載したような大型の冷却設備を用いることなく解決することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る放電ランプの概略構成を示す。放電ランプ１０は、概略球状の発光部１の両端に封止部２が延在している。発光部１内には、封止部２で保持された陽極３および陰極４が対向配置され、陽極３および陰極４より電気的に接続されてなる外部リード棒５には、不図示の外部電源が接続されている。発光部１内には、水銀、キセノン、アルゴンなどが所定量封入されており、外部電源より電力が供給され、陽極３と陰極４間でアーク放電することにより発光する。尚、この放電ランプは、陽極３を上、陰極４を下にして、発光部１の管軸が垂直方向に支持されて点灯される。
【００１４】
図２は、陽極３の電極軸方向の断面図を示す。電極軸は、図１の管軸と一致している。以後、陽極３を電極３とも称す。
電極３は、主要部材３１と蓋部材３２からなる電極本体３０の内部に形成された密閉空間S内に伝熱体Mを有し、蓋部材３２に設けられた突起部３３が、ランプ点灯時に溶融して液体状態となった伝熱体Ｍと接触する構造である。電極本体３０は、主要部材３１の開口縁部３１ａと蓋部材３２の開口縁部３２ａ同士を溶接することで密閉空間Ｓを形成している。主要部材３１は、開口縁部３１ａ、胴部３１ｂ、先端部３１ｃからなり、蓋部材３２は、開口縁部３２ａ、内部リード棒３４の挿入穴３２ｂ、電極軸と重なるように設けられた概略円柱状の突起部３３からなる。
【００１５】
電極本体３０を構成する主要部材３１と蓋部材３２は、高融点金属、もしくは、高融点金属を主成分とする合金からなる。
高融点金属としては、例えば、タングステン、レニウム、タンタルなどの融点が３０００Ｋ以上の金属が採用される。特に、タングステンは内部の伝熱体Ｍと反応しにくい点で好ましく、特に、純度９９．９％以上のいわゆる純タングステンがより好ましい。
高融点金属を主成分とする合金としては、例えば、タングステンを主成分とするタングステン−レニウム合金が採用できる。この場合、高温時の繰返し応力に対する耐性が高いものとなり、電極の長寿命化を図ることができる。
【００１６】
伝熱体Ｍは、電極本体３０を構成する金属よりも融点が低く、ランプ点灯時に溶融する金属であり、電極本体３０がタングステンからなる場合は、金、銀、銅、インジウム、錫、亜鉛及び鉛を用いることができる。また、これらの金属は、単原子の金属であってもよいし、合金であってもよく、いずれか１種のみで構成してもよいし、２種以上の金属を組み合わせて構成してもよい。
伝熱体Ｍとして金、銀及び銅のいずれかの金属を採用した場合、これらの金属は電極本体３０を構成するタングステンよりも熱伝導率が高いため、前述の伝導作用を利用した熱輸送効果が得られる。さらに、前述の対流作用を利用した熱輸送効果も得られる。
伝熱体Ｍとしてインジウム、錫、亜鉛及び鉛のいずれかの金属を採用した場合、これらの金属は電極本体３０を構成するタングステンよりも熱伝導率が低いので、前述の伝導作用を利用した熱輸送効果を期待することはできない。したがって、前述の対流作用を利用した熱輸送効果のみが得られる。
ここで、放電ランプの種類や放電ランプが配置される環境などにもよるが、一般的には、放電ランプに投入する電流値が１５０Ａ以上の場合には、伝熱体Ｍの対流作用のみでは熱輸送効果が十分でないので、伝熱体Ｍとして金、銀及び銅のいずれかの金属を採用することが望ましい。
【００１７】
図３は、電極の作製時における突起部３３と伝熱体Ｍの配置方法を示す。図２に示す符号と同一符号は同一部分を表すため説明は省略する。
図（ａ）は、上面に突起部３３の挿入穴が設けられた塊状伝熱体Ｍ´が内部空間Ｓに配置され、この挿入穴に突起部３３が挿入される方法が示されている。同図において、突起部３３と塊状伝熱体Ｍ´との間には空隙が存在しているように見えるが、突起部３３と塊状伝熱体Ｍ´とを嵌め合わせることにより空隙が存在しないように配置してもよい。
図（ｂ）は、突起部３３が、内部空間Ｓに配置された複数個の小片状の伝熱体片Ｍ´に埋没するように配置する方法が示されている。同図において、小片状の伝熱体片Ｍ´の形状は概略球状であるが、これに限らず四面体、六面体などその他の形状でも構わない。
尚、図（ａ）及び（ｂ）に示される電極構造は、放電ランプ作製後に一度も点灯を行っていない状態におけるものであり、ランプ点灯中、あるいは、消灯後においては、図２に示すように突起部３３と伝熱体Ｍが接触した状態である。
【００１８】
ここで、突起部３３の作製方法を説明する。一つの棒材を切削加工することにより、蓋部材３２の一部を突起させることで突起部３３を設けても良いし、あらかじめ作製した蓋部材３２に突起部３３となるべき部材を溶接し突起部３３としても良い。
尚、図２及び図３に示される突起部３３は円柱形状であるが、これに限らず、例えば、角柱形状であっても構わない。
【００１９】
図４は、図２及び３に示される突起部３３に対する他の実施例の突起部３３を用いた電極３の軸方向における断面図を示す。図２及び図３に示す符号と同一符号は同一部分を表すため説明は省略する。
図（ａ）に示される突起部３３は、後端部３３ａ、胴部３３ｂ及び先端部３３ｃからなり、後端部３３ａ及び胴部３３ｂが円柱形状であり、先端部３３ｃが球面状に形成されている。後端部３３ａ及び胴部３３ｂは円柱形状に限らず、例えば、角柱形状であっても構わない。
図（ｂ）に示される突起部３３は、後端部３３ａ、胴部３３ｂ及び先端部３３ｃからなり、後端部３３ａから先端部３３ｃに向かうにつれて外径が漸次縮小している。尚、図示していないが、胴部３３ｂの途中までが円柱形状であり、そこから先の部分の外径が漸次縮小する形状にしてもよい。
図（ｃ）に示される突起部３３は、後端部３３ａ、胴部３３ｂ及び先端部３３ｃからなり、先端部３３ｃが凹凸状に形成されている。これにより、伝熱体Ｍに対する接触面積を増大させることができる。また、先端部３３ｃのみに限らず伝熱体Ｍと接触している全ての部分を凹凸状に形成してもよい。
図（ｄ）に示される突起部３３は、後端部３３ａ、胴部３３ｂ及び先端部３３ｃからなり、胴部３３ｂの途中までが１本の部材で形成され、そこから先の部分が複数本の部材にて形成されている。
尚、図２、３及び４においては、突起部３３が１本のみ設けられているように示されているが、複数本設けても良く、この場合にも各々の突起部に図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）に示される形状を採用することができる。
【００２０】
突起部３３は、その全体積に対して５体積％〜７０体積％が伝熱体Ｍと接触していることが好ましい。
７０体積％を超えると、ランプ点灯時に溶融した伝熱体Ｍの対流が、突起部３３によって妨害されるので、対流による熱輸送効果が十分に得られないからである。５体積％未満であると、突起部３３による熱輸送効果を十分に発揮することができないからである。
【００２１】
伝熱体Ｍは電極本体３０の内容積に対して、５０体積％以上の割合で封入することが好ましく、特に、８０体積％〜９５体積％の範囲で封入することが好ましい。
伝熱体Ｍの封入量が少ないと、電極本体３０の先端部（主要部材３１の先端部３１ｃ）で発生した熱を蓋部材３２まで伝導する効果が十分でないため、先端部３１ｃの温度上昇を招いてしまうからである。
伝熱体Ｍは、電極本体３０の内部空間Ｓに対して満杯に封入するよりも、空隙を存在させて封入することが効果的である。この理由は、空隙の存在により空隙の近傍で溶融した伝熱体に流れる電流分布が変化し、電流分布の変化により発生するローレンツ力で溶融した伝熱体の対流の流速が早くなることで、熱輸送を増加させるためである。空隙は僅かであっても効果を有するが、少なくとも内部空間Ｓの内容積に対して５体積％以上存在することが望ましい。
【００２２】
図２を参照して突起部３３の数値例を挙げると、軸方向長さｌ１が６ｍｍ、外径ｄ３が５ｍｍである。
突起部３３の外径ｄ３は、電極本体３０の内径ｄ２に対して１０〜５０％（ｄ２／１０〜ｄ２／２）であることが好ましい。５０％を超えると内部空間Ｓに存在する空隙が過剰に狭められるため、伝熱体Ｍの蒸気圧が上昇して電極本体３０が破損してしまう可能性があるからであり、１０％未満であると伝熱体Ｍとの接触面積が小さくなることで、突起部３３による熱輸送効果を十分に発揮することができないからである。
【００２３】
図２を参照して、本発明に係る電極の数値例について説明する。電極本体３０（主要部材３１）は、内部空間Ｓの内容積６７００ｍｍ^３、伝熱体Ｍの封入量６０００ｍｍ^３、内部空間Ｓの軸方向長さｌ２（伝熱体Ｍが存在しない場合の長さ）３０ｍｍ、外径ｄ１が２５ｍｍ、内径ｄ２が１７ｍｍ、側壁の厚さｔ１が４ｍｍ（平均値）、対向する電極側の壁の厚さｔ２が４ｍｍである。
【００２４】
このように、主要部材と蓋部材からなる電極本体の内部に形成された密閉空間内に伝熱体が配置され、蓋部材に設けられた突起部が、ランプ点灯時に溶融して液体状態となった伝熱体に接触する、という新規な構造の電極を構成することにより、優れた熱輸送効果を発揮させることができる。これにより、ランプ点灯時における電極先端部の高温化による溶融、蒸発などの問題を解決することができる。
したがって、従来の水冷型の放電ランプのように大型の冷却設備を用いることなく、大電流を投入して大出力の放電ランプを作製することができる。
【００２５】
尚、本発明の電極構造は、放電ランプの管軸を垂直方向に配置する垂直点灯型放電ランプにおいては、ランプ点灯時に伝熱体が溶融するので、上側に配置される電極に使用するのが好ましい。上側に配置される電極は、高温化されやすいので、通常は、陰極に比べて体積が大きい陽極が用いられるが、本発明の電極構造を採用した陰極を上側に配置することを排除するものではない。
また、交流点灯型放電ランプにおいて、両電極に本発明の電極構造を採用することも可能である。
【００２６】
また、本発明の放電ランプは、ショートアーク型高圧水銀ランプに限るものではなく、キセノンガスを発光物質とするキセノンランプ、水銀以外の希土類金属などを発光物質とするメタルハライドランプ、ハロゲンを封入した放電ランプなど発光物質に限定されることなく採用できる。また、ショートアーク型放電ランプに限られず、ミドルアーク型放電ランプやロングアーク型放電ランプにも採用でき、低圧放電ランプ、高圧放電ランプ、超高圧放電ランプなどさまざまな放電ランプに適用できる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、主要部材と蓋部材からなる電極本体の内部に形成された密閉空間内に伝熱体が配置され、蓋部材に設けられた突起部が、ランプ点灯時に溶融して液体状態となった伝熱体に接触する、という新規な構造の電極を構成することにより、優れた熱輸送効果を発揮させることができる。これにより、ランプ点灯時における電極先端部の高温化による溶融、蒸発などの問題を解決することができるので、従来の水冷型の放電ランプのように大型の冷却設備を用いることなく、大電流を投入して大出力の放電ランプを作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る放電ランプの全体を示す図である。
【図２】本発明に係る陽極のランプ点灯時における電極軸方向の断面図である。
【図３】電極の作製時における突起部と伝熱体の配置方法を示す図である。
【図４】突起部の他の実施例の電極軸方向における断面図である。
【符号の説明】
１ 発光部
２ 封止部
３ 陽極（電極）
４ 陰極（電極）
５ 外部リード棒
１０ 放電ランプ
３０ 電極本体
３１ 主要部材
３１ａ 開口縁部
３１ｂ 胴部
３１ｃ 先端部
３２ 蓋部材
３２ａ 開口縁部
３２ｂ 内部リード棒挿入穴
３３ 突起部
３４ 内部リード棒
Ｍ 伝熱体
Ｓ 密閉空間

Claims (2)

1. 発光管の内部に一対の電極が対向配置された放電ランプにおいて、
   少なくとも一方の電極は、他方の電極に対向する底面を有すると共に当該底面の逆側が開口した主要部材と、当該主要部材の開口を塞ぐ蓋部材とによって、内部に密閉空間が形成された電極本体と、前記蓋部材に設けられた内部リード棒と、前記密閉空間に封入され、放電ランプの点灯時に溶融する伝熱体とを備え、
   前記蓋部材は、前記主要部材の底面に向けて前記密閉空間内を伸びる、前記溶融した伝熱体に接触する突起部を有することを特徴とする放電ランプ。
2. 前記突起部は、電極軸上に設けら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。

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