JP4498468B1 - 放電ランプ用電極の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電極特性に影響を与えることなく、様々な固体を組み合わせた電極を構成する。
【解決手段】ショートアーク型放電ランプにおいて、高融点の金属部材４０と熱伝導率の高い金属部材５０とをＳＰＳ接合させることによって、陽極３０を構成する。円錐台形状の金属部材４０と円柱形状の金属部材５０とを接合することにより、接合面Ｓを、電極軸Ｘに対して垂直な方向、すなわち陽極断面径方向に沿って形成する。
【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など高出力放電ランプの電極構造およびその製造方法に関する。

ショートアーク型放電ランプでは、高輝度の光を基板など露光対象物に照射する。露光対象物の大型化、さらにスループット向上のため、放電ランプの高出力化が要求されており、それに伴って定格消費電力の増加が求められる。大電力化すると、従来の電極構造では、電子放出、熱放出、耐久性などに影響が生じる。そのため、結晶、種類などの異なる金属を組み合わせた電極構造が求められている。

例えば、定格電力を大きくすると、陰極先端部における電流密度が大きいために電極消耗が激しくなり、アーク放電の輝点が動いて不安定な放電となる。アーク放電を安定化させるため、直流放電処理装置によって陰極先端部を溶融し、先端部の結晶構造を粗大化させる電極構造が知られている（特許文献１参照）。

また、定格電力を大きくすると、ランプの電極間に流れる電流量が増加し、電極温度が上昇する。特に、陽極先端部が高温状態になって、時間経過とともに陽極先端部が溶融、蒸発する。その結果、不安定なアーク放電、および陽極溶融による金属の管内表面付着などによって発光効率が低下するとともに、電極消耗によってランプ寿命が低下する。

このような過熱による電極溶融を防ぐため、金属の電極本体よりも熱伝導率が高く、融点の低い金属材料を本体内部空間に封入する電極構造が知られている（特許文献２参照）。そこでは、有底筒状の金属部材に蓋部材を溶接し、密閉空間を設けた電極を形成する。

特開２００２−１１００８３号公報 特開２００４−２５９６４４号公報

電極表面付近の結晶構造、金属組成を変えても、熱伝導性、導電性、耐久性などの電極特性を全体的に大きく改善させることはできない。特に、大出力型放電ランプの場合、熱放出特性の大きな向上は望めない。しかしながら、同種類、あるいは異種類の部材を組み合わせて電極を構成する場合、部材間の接合状態が耐久性、熱伝導性等に影響を与える。

例えば、ビーム溶接などの溶接によって金属部材を接合し、電極を構成する場合、接合面に沿って金属結晶の径が肥大化し、径の大きさが不均一となる。また、電極軸方向に沿った結晶径の変化が不連続となり、接合部分に結晶境界が顕れる。そのため、電極強度が接合部分において低下する。

また、結晶径の大きさが不均一であって、電極軸方向に沿った結晶径の大きさが不連続であると、電極軸方向に沿った熱の伝導特性が接合面全体で均一化せず、電極内部の熱輸送がうまく働かない。その結果、電極内部に局所的な過熱状態が発生し、電極消耗を早める。

したがって、電極特性に悪影響を与えないように、複数の部材を組み合わせて電極を構成することが求められる。

本発明の放電ランプ用電極の製造方法は、放電管と、放電管内に配置される一対の電極とを備え、例えば、ショートアーク型放電ランプ（特に大出力放電ランプ）の製造方法として構成される。そして、放電ランプの少なくとも一方の電極が、電極先端面を有する第１固体部材と、導電性の電極支持棒によって支持される第２固体部材とを含む複数の固体部材によって構成され、少なくとも１つの固体部材は金属部材から成る。

そして、本発明では、複数の固体部材を固相接合させることによって電極が製造される。本発明では、それぞれ別々に用意される固体状部材を固相接合することにより、接合面において金属結晶の構造が、耐久性、熱伝導性に関して優れた構成になっている。

金属結晶の径は、固体部材間の接合面に沿ってほぼ均一であり、接合面垂直方向に沿った結晶の構造は、接合面付近において傾斜化している。すなわち、接合面付近において金属結晶が段階的、連続的であって、急激な結晶変化がない。

接合面付近においても、導電性、熱伝導性、耐久性が安定しているため、熱伝導性、耐久性などが局所的に低下し、急激な部分的電極消耗が生じる恐れがなく、熱伝達性、電子放出特性、耐久性などを向上させるように異種あるいは同種の固体部材を選択し、接合することによって優れた特性をもつ電極構造を得ることができる。

固相接合方式に関しては、熱拡散、電界拡散等を利用した固相接合法の１つである拡散接合を適用するのが好ましく、この場合、放電プラズマ焼結法（ＳＰＳ焼結法）などによって固体部材同士が接合される。

熱輸送効果、耐久性など目的に応じて固体部材の組み合わせを決定すればよく、電極形状も目的に応じて定めればよい。例えば、ショートアーク型放電ランプなどでは、円錐台形状の電極先端部と円柱状の電極胴体部によって電極が構成されているが、接合面は、固体部材の組み合わせ、形状に応じて電極先端部、あるいは電極胴体部に位置する。

固体部材の組み合わせとしては、電極先端部と電極胴体部の一部を構成する固体部材と残りの電極胴体部を構成する固体部材を接合することも可能であり、また、電極胴体部と電極先端部の一部を構成する固体部材と残りの電極先端部を構成する固体部材を接合することができる。あるいは、電極先端部と電極胴体部をそれぞれ別々の固体部材で構成し、接合しても良い。

電極軸方向に沿った熱輸送効果を高めることを考慮すれば、熱伝導率の異なる固体部材を接合し、熱伝導率の相対的に高い固体部材によって電極支持棒側の電極胴体部を構成し、純タングステンなどの高融点固体部材を電極部として構成することができる。一方、固体部材同士の接合によって自由な電極形状を構成することも可能であり、同じ種類、同じ特性の固体部材同士を接合させて電極を形成することも可能である。

電極を構成する固体部材の数は任意であり、例えば、電極先端面を有する第１固体部材と、第１固体部材と固相接合する第２固体部材によって構成され、１固体部材と第２固体部材の接触面同士を固相接合させる。

電極先端部全体を一つの固体部材で構成する場合、円錐台形状の電極先端部と、第２固体部材の径と同じ径をもつ円柱形状接合部によって、第１固体部材を構成することができる。このような電極構造にすると、胴体部に内部空間を形成する、放熱フィンを周方向に形成するなど、胴体部の構成を比較的自由に設計することができる。一方、電極先端部の一部だけを１つの固体部材で構成する場合、胴体部と、第１固体部材と接合する円錐台形状電極接合部によって第２固体部材が構成される。このような電極構造にすると、電極先端部の特性のみを変えるような設計が可能となる。

通常、電極形状は電極軸を中心として対称的であり、熱、電流は電極軸に沿った移動となる。したがって、電極軸に沿って固体部材を適所、適材に配置するのが望ましく、接合面が電極軸垂直方向に沿って形成されるように、固体部材を固相接合させるのがよい。その一方、例えば固相接合させた後に電極を切削成形する場合、電極軸垂直方向に沿って接合面が形成されることによって作業中の電極安定性が優れたものになる。

例えば、陽極を鉛直上側に配置させた放電ランプにおいて、タングステンなどの電極先端部に熱伝導率の高い固体部材を接合させる場合、電極先端面から接合面まで電極軸方向の距離が等しくなる。そのため、電極軸に沿った熱の輸送にバラツキがなく、ランプ点灯中の温度分布は電極軸を中心として対称的な分布となり、局所的な過熱による電極摩耗が生じない。

電極の過熱を防ぐことを考慮すれば、熱輸送とともに熱放出効果を上げるのが望ましい。接合する固体部材の接触面を完全な平坦にしなければ、接合面に沿って隙間が部分的に生じる。ランプ点灯中に隙間から熱が放出されると、電極過熱の防ぐことができる。したがって、接合面に沿って隙間が形成されるような接触面をもつ固体部材同士を固相接合させるのがよい。特に、電極表面付近に楔を形成し、フィン形状を電極表面に形成するような隙間を設けるのもよい。

本発明の放電ランプ用電極の製造方法は、電極先端面を有する第１固体部材と、導電性の電極支持棒によって支持される第２固体部材とを含む複数の固体部材であって、少なくとも１つが金属部材である複数の固体部材を、第１固体部材と第２固体部材との間で固相接合させる製造方法であって、金属部材の結晶径が部材間の接合面に沿ってほぼ均一となり、金属部材の接合面付近において金属結晶が接合面垂直方向に沿って連続的に変化するように、複数の固体部材を固相接合させることを特徴とする。

本発明によれば、電極特性に影響を与えることなく、様々な固体を組み合わせた電極を構成することができる。

第１の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平面図である。 陽極の概略的断面図である。 放電プラズマ焼結装置を示した図である。 第２の実施形態における放電ランプの陽極断面図である。 ＳＰＳ接合による陽極の接合面状態を示した電子顕微鏡写真を示した図である。 電子ビーム接合による陽極の接合面状態を示した電子顕微鏡写真を示した図である。

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の実施形態であるショートアーク型放電ランプを模式的に示した平面図である。

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（図示せず）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）１２を備える。放電管１２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１２の両側には、対向するように石英ガラス製の封止管１３Ａ、１３Ｂが放電管１２と一体的に設けられており、封止管１３Ａ、１３Ｂの両端は、口金１９Ａ、１９Ｂによって塞がれている。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。後述するように、陽極３０は、２つの金属部材４０、５０から構成されている。

封止管１３Ａ、１３Ｂの内部には、金属性の陰極２０、陽極３２を支持する導電性の電極支持棒１７Ａ、１７Ｂ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１６Ａ、１６Ｂを介して導電性のリード棒１５Ａ、１５Ｂにそれぞれ接続される。封止管１３Ａ、１３Ｂは、封止管１３Ａ、１３Ｂ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Ｓが封止される。

リード棒１５Ａ、１５Ｂは外部の電源部（図示せず）に接続されており、リード棒１５Ａ、１５Ｂ、金属箔１６Ａ、１６Ｂ、そして電極支持棒１７Ａ、１７Ｂ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、陽極の概略的断面図である。

陽極３０は、金属部材４０、５０を接合させた電極構造であり、金属部材４０は、電極先端面４０Ｓを含む円錐台形状部分４０Ａと、円柱状の金属部材５０と同一径をもち、金属部材５０と接合する円柱状形状部分４０Ｂによって構成される。金属部材４０は、純タングステンなどの高融点、あるいはタングステンを主成分とする合金によって構成される。一方、円柱状金属部材５０は、金属部材４０よりも熱伝導率の高い金属（例えば、大形状可能な純タングステン、モリブデン、ゲッター効果のあるタンタル、熱伝導性の高い窒化アルミ、カーボン素材など）を含有する金属によって構成される。

金属部材４０、５０は、放電プラズマ焼結（ＳＰＳ焼結）方式に従って拡散接合している。そのため、電極軸Ｘに垂直な方向に沿って形成される接合面Ｓ付近には、拡散層が形成されている。金属結晶の径は、接合面Ｓに沿ってほぼ均一である。また、電極軸Ｘに沿って結晶構造が傾斜化している。傾斜化により、結晶径は電極軸Ｘに沿って連続的、段階的に変化している。

このような接合面Ｓを挟む拡散層の形成により、熱伝導特性、導電性については接合面Ｓに沿ってバラツキがない。ランプ点灯によって高温になる電極先端面４０Ｓ（１０００℃以上）から電極支持棒１７Ｂに向けて熱が輸送される間、陽極内部の温度分布は、電極軸Ｘを中心として対称的な分布となり、熱輸送は接合面Ｓによる影響を受けない。

また、金属部材４０、５０の接触面は完全な平坦面ではなく、接合面Ｓの周縁部、すなわち陽極３０の表面付近に沿って楔状の隙間（図示せず）が生じている。そのため、接合面３０において熱が陽極３０から放出される。

図３は、放電プラズマ焼結装置を示した図である。

放電プラズマ焼結法は、圧粉体あるい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焼結方法である。

図３の放電プラズマ焼結装置１００は、真空チャンバー１１０を備え、真空チャンバー１１０内部に設けられた上部パンチ１２０Ａ、下部パンチ１２０Ｂおよびグラファイト製ダイ１４０の間に、図２に示した形状をもつ金属部材４０、５０がそれぞれ接触面を接触させた状態で設置される。金属部材４０、５０は、あらかじめ切削などの金属加工処理によって成型されている。

グラファイト製の上部パンチ１２０Ａ、下部パンチ１２０Ｂは、上部パンチ電極１３０Ａ、下部パンチ電極１３０Ｂとそれぞれ接続されている。装置内を真空雰囲気にした後、パルス電源１８０によって上部パンチ１２０Ａ、下部パンチ１２０Ｂの間に電圧が印加される。

そして、通電とともに、加圧機構（図示せず）によって上部パンチ１２０Ａ、下部パンチ１２０Ｂの間に圧力が加えられる。通電による放電プラズマによって所定の焼結温度まで瞬時に昇温された後、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２に示す形状をもつ陽極が得られる。

このように本実施形態によれば、ショートアーク型放電ランプ１０の陽極３０が、高融点の金属部材４０と熱伝導率の高い金属部材５０をＳＰＳ接合させることによって構成される。円錐台形状の金属部材４０と円柱形状の金属部材５０とを接合することにより、接合面Ｓは、電極軸Ｘに対して垂直な方向、すなわち陽極断面径方向に沿っている。

ランプ点灯中、電極先端面４０Ｓ付近は非常に高温となるが、金属部材５０によって先端部の熱は効果的に電極支持棒側へ輸送される。これにより、電極過熱による電極消耗を防ぐことができる。また、電極軸Ｘに垂直な接合面Ｓにおいて熱伝導性、導電性等が全体的に等しく、バラツキがない。そのため、電極軸に沿った熱輸送が陽極内部全体で生じ、電極内部で局所的に過熱する恐れがない。

図４は、第２の実施形態における放電ランプの陽極断面図である。

陽極６０は、金属部材７０と金属部材８０を接合することによって形成された電極である。金属部材７０は、円柱形状部分７２と、凹部７４Ｓを有する円錐台形状部分７４から構成される。そして、電極先端面８０Ｓを有する金属部材８０は、金属部材７０に嵌るように成型されている。ＳＰＳ接合による接合面Ｓでは、金属結晶が接合面の径方向に沿ってほぼ均一であり、電極軸Ｘの方向に沿って傾斜化している。

なお、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拡散接合方式によって電極を製造可能である。さらに、拡散接合方法以外の固相接合法（摩擦圧接法、超音波接合法など）も適用可能であり、このような方法によっても結晶構造を傾斜化することが可能である。また、陰極についても、複数の金属部材を固相接合させた電極構造にしてもよい。

電極を構成する金属は充填型金属に限定されず、内部に密閉空間を設けるように凹型金属と蓋になる金属とを接合させてもよい。この場合、接合面は、電極先端側から離れた電極支持棒側に形成される。切削成形した金属を固相接合する代わりに、金属を固相接合させた後切削成形してもよく、この場合、接合面が電極軸垂直方向に沿っていることで切削作業が安定して行える。一方、熱輸送以外の電極特性を考慮して、接合面を電極軸垂直方向以外の方向に沿って形成してもよい。さらに、接合面に沿って形成された隙間を楔形状にして電極表面をフィン形状に構成し、一層熱放射効果を高めることも可能である。その一方で、隙間を接合面に設けないように構成することも可能である。

電極を構成する金属の数は任意であり、３つ以上の金属によって電極を構成してもよい。また、同種類の金属を固相接合させてもよい。さらには、一方を金属部材、他方を非金属部材（タングステンとセラミックスなど）として固相接合させてもよく、少なくとも接合させる部材の１つを金属とすればよい。このような部材の組み合わせでも、接合面に沿った金属結晶径はほぼ一定となり、電極軸方向に沿って結晶構造が傾斜化する。

次に、本発明の実施例について説明する。ここでは、ＳＰＳ接合によって成形した電極の接合面状態と、電子ビーム溶接によって成形した接合面状態とを比較する。

図５Ａは、ＳＰＳ接合による陽極の接合面状態を示した電子顕微鏡写真を示した図である。図５Ｂは、電子ビーム接合による陽極の接合面状態を示した電子顕微鏡写真を示した図である。

ＳＰＳ接合による電極は、形状の異なる２つの金属部材（胴体部と先端部）、タングステン（ＷＶＭＷ Ｗ １５−４０ｐｐｍＫ）を接合させた電極であり、第１の実施形態に示した円錐台形状、円柱状形状の２つの金属から構成される。

電子ビーム接合による電極も、同様に２つの金属から構成される。ＳＰＳ接合を行う装置として、ＳＰＳシンテックス株式会社製ＳＰＳ焼結装置を使用し、焼結温度１５００〜１７００℃、真空雰囲気の条件下で接合を行った。一方、電子ビーム接合には、ＮＥＣコントロールシステム株式会社製の電子ビーム溶接装置を使用した。

図５Ａでは、陽極表面付近の接合面を、マイクロオーダーレベルで撮影した写真を示しており、接合面付近の電極の結晶構造が明らかにされている。紙面の左右方向に沿って接合面が形成されていて、接合面に沿った電極表面近くには、楔状に隙間が生じている。図５Ａに示すように、接合面に沿った金属結晶の径はほぼ均一であり、また、電極軸に沿って結晶構造は連続的であり、傾斜化している。

図５Ｂにおいても、陽極表面付近の接合面を拡大した写真を示している。図５Ｂでは、接合面に沿った金属粒子径が不均一であること（電極表面付近参照）が明らかになっている。また、電極軸方向（紙面上下方向）に沿った結晶構造についても急激、かつ断続的に変化し、傾斜化していない。

このように、ＳＰＳ焼結によって成形する電極では、結晶構造が接合面において安定化している。その結果、電極強度、点灯中の放熱性について、従来の電極と比べて優れた性能を発揮する。

１０ 放電ランプ
１２ 放電管
３０ 陽極
４０ 金属部材（固体部材、第１固体部材）
５０ 金属部材（固体部材、第２固体部材）
Ｓ 接合面

Claims (5)

1. 電極先端面を有する第１固体部材と、導電性の電極支持棒によって支持される第２固体部材とを含む複数の固体部材であって、少なくとも１つが金属部材である複数の固体部材を、前記第１固体部材と前記第２固体部材との間で固相接合させる製造方法であって、
   前記金属部材の結晶径が部材間の接合面に沿ってほぼ均一となり、前記金属部材の前記接合面付近において金属結晶が接合面垂直方向に沿って傾斜化するように、前記複数の固体部材を固相接合させることを特徴とする放電ランプ用電極の製造方法。
2. 電極先端面を有する第１固体部材と、導電性の電極支持棒によって支持される第２固体部材とを含む複数の固体部材であって、少なくとも１つが金属部材である複数の固体部材を、前記第１固体部材と前記第２固体部材との間で固相接合させる製造方法であって、
   前記金属部材の結晶径が部材間の接合面に沿ってほぼ均一となり、前記金属部材の前記接合面付近において金属結晶が接合面垂直方向に沿って連続的に変化するように、前記複数の固体部材を固相接合させることを特徴とする放電ランプ用電極の製造方法。
3. 前記固相接合が、拡散接合であることを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の放電ランプ用電極の製造方法。
4. 前記第２固体部材が、前記第１固体部材よりも熱伝導率の高い金属であることを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の放電ランプ用電極の製造方法。
5. 少なくともどちらか一方が金属部材である前記第１固体部材と前記第２固体部材の接触面同士を固相接合させることを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の放電ランプ用電極の製造方法。

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