JP6140964B2 - 放電ランプ用電極およびその製造方法 - Google Patents

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、複数の部材を接合させる放電ランプ用電極の構造に関する。

放電ランプでは、高出力化に伴い、金属種類、結晶特性などが異なる部材を接合させて電極を形成する。例えば、トリウム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。これにより、電極全体のトリウム含有量を削減させる。接合方法としては、固相接合の一つである拡散接合が用いられる（特許文献１参照）。

また、先端部と胴体部の金属材料が異なる場合、熱膨張率も異なるため、点灯中接合面に大きな力が掛かり、電極が破損する恐れがある。そのため、先端部および胴体部の接合面に環状の突起部分を設け、それらを互いに噛み合わせて拡散接合させる（特許文献２参照）。これにより、電極強度が向上する。

特開２０１１−１５４９２７号公報 特開２０１１−２１６４４２号公報

ランプ点灯中におけるエミッターの電極先端部先端面側への移動は、電極内部から表面へ拡散する粒界拡散と、電極表面に沿って拡散する濃度拡散に基く。粒界拡散はその移動方向に指向性がないため、電極表面に移動したエミッターの分布は不均一となる。また、先端部の周方向に沿った表面へ移動してから表面濃度拡散によって電極先端部先端面側へ移動すると、エミッターの供給に時間がかかる。

また、拡散速度が電極温度によって異なるため、電極先端部の先端面側へ移動するエミッターの供給量も安定せず、電極先端部付近では、エミッター濃度にバラツキが生じる。その結果、アーク放電の輝点が、エミッターの濃度の高い箇所に移動しやすくなり、照明がチラついて不安定になる。

したがって、エミッターを効率よく早期に電極先端部の先端面側へ常時安定供給し、電極先端部におけるエミッター濃度を均一化させる必要がある。

本発明の放電ランプ用電極は、エミッターを含有し、凸部もしくは凹部を有する電極先端部と、電極先端部の凸部もしくは凹部と嵌合する凹部もしくは凸部を有する胴体部とを備える（以下では、凹部／凸部と表記する）。電極先端部は、アーク放電の輝点となる先端面を備えており、円錐形状など電極縮径部の少なくとも一部を構成する。胴体部は、例えば柱状であり、あるいはその一部が電極先端部を構成してもよい。

電極先端部は、例えばトリエーテッドタングステンによって構成することが可能であり、胴体部は、純タングステンなどで構成することが可能である。凸部、凹部は、その形成場所は任意であり、電極軸方向に沿って凹部、凸部を形成し、電極軸に垂直な方向以外の方向に沿って互いに対向する面が形成すればよい。

また、凸部、凹部は互いに嵌合するような形状であればよく、１組の凹部、凸部あるいは複数の凹部、凸部を設けることも可能である。ただし、ここでの嵌合は、その形状が互いにマッチングし、対向面同士で概ね接触するような（分子レベルではなくマクロレベルで見たとき）形状にあることを表す。例えば、凸部／凹部の形状として、円柱、三角柱、四角柱など柱状に形成することが可能である。

本発明では、電極先端部と胴体部が部分的に固相接合する。電極先端部と胴体部は、対向する複数の面の中で、電極先端部の凸部／凹部と胴体部の凹部／凸部の互いに対向する表面の少なくとも一部において、固相接合していない。

凸部、凹部において固相接合していない部分が存在するため、ランプ点灯中、粒界拡散によって移動するトリウム成分が非固相接合部分では、電極軸に垂直な方向への移動が制限される。その結果、電極軸垂直方向に沿って移動する多くのトリウム成分が電極表面にまで到達せず、より多く早期に電極先端部の先端面方向へ移動する。

凸部、凹部の形成位置は任意であり、例えば、電極先端部の凸部／凹部と胴体部の凹部／凸部が、電極軸に対して同軸的に形成することが可能である。この場合、電極先端部全体に散逸するトリウム成分を電極先端部の先端面側へ集中的に移動させることが可能である。

凹部、凸部についてはトリウム成分の供給を考慮して固相接合させず、それ以外の対向面同士について固相接合させることによって、電極強度を高めることが可能である。すなわち、電極先端部と胴体部が、電極先端部の凸部／凹部と胴体部の凹部／凸部以外であって、電極軸に垂直な方向に沿って互いに対向する表面において、固相接合するように構成することが可能である。

例えば、電極先端部の凸部／凹部と胴体部の凹部／凸部が、電極軸に平行な方向に沿って互いに対向する表面において、固相接合しないように構成することが可能である。電極接合強度が向上し、粒界拡散によって非接合面に移動したトリウム成分は、その移動範囲が電極先端部の先端面方向へ制限される。

あるいは、電極先端部の凸部／凹部と胴体部の凹部／凸部が、電極軸に垂直な方向に沿って互いに対向する表面において、固相接合しないように構成することが可能である。胴体部付近で生じるトリウム成分、あるいは胴体部へ向けて移動するトリウム成分も非接合面を経由して電極先端部の先端面側へ移動する。

さらに、電極先端部の凸部／凹部と胴体部の凹部／凸部が、固相接合していない対向する表面の間に隙間を設けるように構成することも可能である。例えば、電極軸に沿った対向面、電極軸に垂直な方向に沿った対向面、あるいは、すべての対向面において隙間を設けることが可能である。

ここでの隙間は、精度誤差などではなく、設計上、対向面の間全体的に空間が形成されるように凸部、凹部の形状が定められた結果生じるスペースを表す。この場合、粒界拡散によって非接合面に到達したトリウム成分は、非接合面に沿って生じるトリウム成分の濃度拡散によって非接合面を移動しやすくなり、より早く電極先端部の先端面側へ移動する。

本発明の他の局面における放電ランプ用電極の製造方法は、凸部／凹部を有する先端部と、先端部の凸部／凹部に嵌合する凹部／凸部を有する胴体部とを形成し、先端部と胴体部とを当接させてＳＰＳ接合を施す製造方法であって、ＳＰＳ接合において、先端部と胴体部を、部分的に固相接合させることを特徴とする。

部分的な固相接合を行うため、例えば、電極先端部と胴体部の対向面すべてを固相接合させる場合に設定される接合時間、焼結／接合温度、印加電圧の少なくともいずれか１つを変更、抑えることにより、部分的に固相接合し、少なくとも接合面が電極軸垂直な方向に沿った面以外にも対向する面が形成された凸部、凹部において固相接合されない部分が生じる。

例えば、ＳＰＳ接合において、電極先端部の凸部／凹部と胴体部の凹部／凸部以外であって、電極軸に垂直な方向に沿って互いに対向する表面を、固相接合させ、電極先端部の凸部／凹部と胴体部の凹部／凸部の互いに対向する表面の少なくとも一部を、固相接合させないようにすることが可能である。

本発明によれば、エミッターを電極先端部の先端面側へ十分に供給し、安定したアーク放電を実現させることができる。

第１の実施形態である放電ランプを模式的に示した平面図である。 陰極の概略的断面図である。 先端部、胴体部の接合前の概略的平面図である。 陰極の模式的平面図である。 第２の実施形態における陰極の概略的平面図である。 第３の実施形態における陰極の概略的平面図である。 第４の実施形態における陰極の概略的平面図である。 第５の実施形態における陰極の概略的平面図である。 第６の実施形態における陰極の概略的平面図である。

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が配置されている。放電ランプ１０は、陽極３０と陰極２０が同軸上に配置されている。陰極２０は、先端部２０Ａと、胴体部２０Ｂから構成される。

封止管１３Ａ、１３Ｂ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ＤＳ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、陰極２０の概略的断面図である。図３は、先端部、胴体部の接合前の概略的平面図である。以下、陰極２０の構造について説明する。

陰極２０は、電極先端面２０Ｓを有する円錐台状先端部２０Ａと、柱状胴体部２０Ｂとを接合させた構造になっている。先端部２０Ａは、エミッターとしてトリウム成分を含むトリエーテッドタングステンから成る金属であり、胴体部２０Ｂは、熱伝導率の高い金属（ここでは、純タングステン）もしくはその金属を含む合金等によって構成される。

先端部２０Ａは、その中央部に胴体部側へ突起する凸部２３を電極軸Ｅに対して同軸的に設けており、胴体部２０Ｂには、その凸部２３の形状に合わせた凹部２６を備えている。この先端部２０Ａ、胴体部２０Ｂを固相接合させることによって陰極２０を成形する。ここでは、拡散接合の１つであるＳＰＳ接合が用いられる。

図３に示すように、先端部２０Ａ、胴体部２０Ｂは、複数の端面から構成され、互いに対向する接続表面２２、２５を有する。先端部２０Ａ側には、電極軸Ｅに垂直な端面２２Ａ、２２Ｅおよび凸部２３の端面２２Ｃと、電極軸Ｅに平行な端面２２Ｂ、２２Ｄが形成されている。胴体部２０Ｂ側には、先端部２０Ａの端面２２Ａ〜２２Ｅにそれぞれ対向する端面２５Ａ〜２５Ｂが形成されている。

ＳＰＳ接合処理工程においては、先端部２０Ａの凸部２３と、胴体部２０Ｂの凹部２６とを嵌合させながら当接させ、その反対側の表面それぞれにパンチ（図示せず）を当てる。先端部２０Ａの凸部２３と、胴体部２０Ｂの凹部２６は、端面２２Ｂ〜２２Ｄ、２５Ｂ〜２５Ｄいずれにおいても、隙間がないように当接した状態で嵌合している。

両パンチには電極が接続されており、装置内を真空雰囲気にした後、電圧が印加される。通電とともに、加圧機構（図示せず）によって両パンチの間には所定の圧力が加えられる。通電によって生じる放電プラズマにより、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、陰極２０が得られる。

本実施形態では、ＳＰＳ接合における印加電圧、加圧力、接合温度、加圧時間（保持時間）を調整し、先端部２０Ａの凸部２３と胴体部２０Ｂの凹部２６が端面２２Ｂ〜２２Ｄ、２５Ｂ〜２５Ｄの間で固相接合（拡散接合）させず、その周囲にある環状端面２２Ａ、２２Ｅおよび環状端面２５Ａ、２５Ｅを、それぞれ固相接合させる。

例えば、陰極２０の径Ｍ(ｍｍ)を５≦Ｍ≦３０とした場合、印加電圧Ｖ、加圧力Ｐ（Ｍｐａ）、焼結温度Ｔ（℃）、接合時間ｔ（ｍｉｎ）を、それぞれ５≦Ｐ≦３０、１５００≦Ｔ≦２２００、５≦ｔ≦３０の範囲に設定し、ＳＰＳ接合することによって、上述した部分的固相接合した陰極２０が得られる。

図４は、陰極２０の模式的平面図である。図４を用いて、ランプ点灯中のトリウム成分の動きについて説明する。

ランプ点灯状態になると、トリウム先端部２０Ａ内部のトリウム成分（具体的には二酸化トリウム）が、粒界拡散によって表面へ移動する。成分が互いの端面を超えて移動せず、凸部２３の内部もしくは凸部２３の端面２２Ｄと、胴体部２０Ｂの凹部２６は単に当接しているだけであるため、表面に沿って移動する。

この凸部２３と凹部２６が固相接合しないで当接しているため、トリウム成分の多くは、電極先端面２０Ｓに向けて移動する。すなわち、電極軸Ｅに垂直な方向に沿ってトリウム成分が移動するのに障害となり、トリウム成分が先端部２０Ａの周方向に沿った表面（円錐面）への移動よりも電極先端面２０Ｓへの移動が支配的になる。

その結果、内部のトリウム成分は、比較的短いトータル距離で、電極先端面２０Ｓへ迅速かつ早期に到達する。特に、凸部、凹部が中央部に設けられているため、先端部２０Ａ内部において散在するトリウム成分が、バランスよく先端面２０Ｓに供給されることになり、先端面２０Ｓ付近におけるトリウム濃度が時間経過の影響が少なくなり、安定化する。

また、凸部２３のない先端部形状に比べて凸部２３にトリウム成分をより多く貯蔵することができるため、点灯条件によって先端部温度が高くなっても、温度が相対的に低い凸部からトリウム成分を順次先端側へ十分に供給することができる。

このように本実施形態によれば、放電ランプ１０の陰極２０が、トリエーテッドタングステンから成る先端部２０Ａと、純タングステンから成る胴体部２０Ｂから構成される。先端部２０Ａの凸部２３と胴体部２０Ｂの凹部２６を嵌合させ、ＳＰＳ接合を施す。このとき、凸部２３と凹部２６を固相接合させず、それ以外の端面２２Ａ、２５Ａおよび２２Ｅ、２５Ｅにおいて固相接合させる。

凸部２３、凹部２６は、できるかぎり隙間がないように密接させており、また、先端部２０Ａ、胴体部２０Ｂを形成するときにおいても、端面の平滑さがでるように成形している。しかしながら、凸部２３、凹部２６の端面を厳密に平滑させなくてもよく、部分的に微小空隙が形成される程度の表面粗さがあってもよい。また、部分的に凸部２３、凹部２６が固相接合してもよく、少なくとも一部の端面あるいはいずれかの端面の一部において固相接合していない状態が存在すればよい。

次に、図５を用いて、第２の実施形態である放電ランプについて説明する。第２の実施形態では、凹凸形状が逆に形成されている。それ以外の構成については、第１の実施形態と同じである。

図５は、第２の実施形態における陰極の概略的平面図である。

陰極１２０は、先端部１２０Ａと胴体部１２０Ｂから構成されており、先端部１２０Ａは凹部１２３、胴体部１２０Ｂは凸部１２６を有する。先端部１２０Ａと胴体部１２０Ｂは、互いに対向する端面１２２Ａ、１２５Ａと端面１２２Ｅ、１２５Ｅが固相接合しており、凹部１２３、凸部１２６は固相接合しておらず、嵌合しながら互いに当接している。

このような構成により、ランプ点灯時、先端部１２０Ａ内部のトリウム成分は、凹部１２３の表面１２２Ｂ、１２２Ｄに移動すると、先端面１２０Ｓの方向へ移動する。これにより、トリウム成分が効率よく先端面１２０Ｓへ供給される。

また、先端部１２０Ａが凹部１２３を有する構成であるため、熱が先端面１２０Ｓに伝わり易い。よって、先端部１２０Ａの温度が低い点灯条件においても、トリウム成分を安定して供給することができる。

次に、図６を用いて、第３の実施形態である放電ランプについて説明する。第３の実施形態では、凹凸部の嵌合部分に隙間を設ける。それ以外の構成については、第１の実施形態と同じである。

図６は、第３の実施形態における陰極の概略的平面図である。

陰極２２０は、円柱状凸部２２３を有する先端部２２０Ａと、円柱状凹部２２６を有する胴体部２２０Ｂから構成されている。凹部２２６の径の大きさは、凸部２２３の径よりもわずかに大きい。

そのため、先端部２２０Ａと胴体部２２０Ｂを嵌合させると、凸部２２３と凹部２２６の端面２２２Ｂ、２２５Ｂ、および端面２２２Ｄ、２２５Ｄとの間に、環状の空隙／隙間Ｊ１、Ｊ２が形成されている。

ランプ点灯時、粒界拡散によって端面２２２Ｂ、２２２Ｄに移動したトリウム成分は、表面濃度拡散により、端面２２２Ｂ、２２２Ｄに沿って先端面２２０Ｓに向けて移動する。その結果、トリウム成分が効率よく先端面２２０Ｓへ供給される。特に、粒界拡散によって胴体部側へ移動したトリウム成分も、表面濃度拡散によって逆方向、すなわち先端側移動し、安定して早期にトリウム成分を先端面２２０Ｓへ供給することができる。

次に、図７を用いて、第４の実施形態である放電ランプについて説明する。第４の実施形態では、凹凸形状が第３の実施形態とは逆になっている。それ以外の構成については、第３の実施形態と同じである。

図７は、第４の実施形態における陰極の概略的平面図である。

陰極３２０は、円柱状凹部３２３を有する先端部３２０Ａと、円柱状凸部３２６を有する胴体部３２０Ｂから構成されている。凹部３２３の径の大きさは、凸部３２６の径よりもわずかに大きい。

そのため、先端部３２０Ａと胴体部３２０Ｂを嵌合させると、凸部３２６と凹部３２３の端面３２２Ｂ、３２５Ｂ、および端面３２２Ｄ、３２５Ｄとの間に、環状の空隙／隙間Ｋ１、Ｋ２が形成されている。そのため、表面濃度拡散により、トリウム成分が効率よく先端面３２０Ｓへ供給される。

次に、図８を用いて、第５の実施形態である放電ランプについて説明する。第５の実施形態では、凹凸部分すべての面において隙間が形成されている。それ以外の構成については、第３の実施形態と同じである。

図８は、第５の実施形態における陰極の概略的平面図である。

陰極４２０は、円柱状凸部４２３を有する先端部４２０Ａと、円柱状凹部４２６を有する胴体部４２０Ｂから構成されている。凹部４２６の径の大きさおよび高さは、凸部４２３の径の大きさおよび高さよりもわずかに大きい。

そのため、先端部４２０Ａと胴体部４２０Ｂを嵌合させると、凸部４２３と凹部４２６の端面４２２Ｂ、４２５Ｂ、４２２Ｃ、４２５Ｃ、および端面４２２Ｄ、４２５Ｄとの間には、互いに連通した空隙／隙間Ｑが形成されている。

端面４２２Ｃ、４２５Ｃとの間全体に空間が形成されるため、この空間が断熱効果をもたらす。そのため、点灯条件によって先端部温度が低くても、凸部４２３から安定してトリウム成分を供給することができる。

次に、図９を用いて、第６の実施形態である放電ランプについて説明する。第６の実施形態では、凹凸部分の形状が第５の実施形態と逆になっている。それ以外の構成については、第５の実施形態と同じである。

図９は、第６の実施形態における陰極の概略的平面図である。

陰極５２０は、円柱状凹部５２３を有する先端部５２０Ａと、円柱状凸部５２６を有する胴体部５２０Ｂから構成されている。凹部５２３の径の大きさおよび高さは、凸部５２６の径の大きさおよび高さよりもわずかに大きい。

そのため、先端部５２０Ａと胴体部５２０Ｂを嵌合させると、凹部５２３と凸部５２６の端面５２２Ｂ、５２５Ｂ、５２２Ｃ、５２５Ｃ、および端面５２２Ｄ、５２５Ｄとの間には、互いに連通した空隙／隙間Ｚが形成されている。

端面５２２Ｃ、５２５Ｃとの間全体に空間が形成されるため、接合面を介した熱伝導率が低下する。これによって、電極先端面５２０Ｓ付近の熱が胴体部側へ逃げにくくなり、高温状態の維持によってアーク放電のチラつきが抑制される。

凸部、凹部の形状は、上記柱状に限定されず、円錐台状、四角形状、三角形状なども適用することができる。また、電極軸に同軸的に凸部、凹部を形成しなくてもよい。先端部、胴体部の形状も任意であり、胴体部を２つの金属部材から構成し、先端部と柱状の胴体部の間に中間部材を挟んだ電極構造にすることも可能である。

エミッター物質としては、トリウム成分以外も適用可能であり、先端部の金属材料は上述したものに限定されない。胴体部も同じである。また、陽極に適用することも可能である。

１０ 放電ランプ
２０ 陰極
２０Ａ 先端部
２０Ｂ 胴体部
２２、２５ 接続表面
２３ 凸部
２６ 凹部

Claims (11)

1. エミッターを含有し、凸部／凹部を有する電極先端部と、
   前記電極先端部の凸部／凹部と嵌合する凹部／凸部を有し、前記電極先端部と部分的に固相接合する胴体部とを備え、
   前記電極先端部と前記胴体部が、前記電極先端部の凸部／凹部と前記胴体部の凹部／凸部の互いに対向する表面の少なくとも一部において、固相接合していないことを特徴とする放電ランプ用電極。
2. 前記電極先端部と前記胴体部が、前記電極先端部の凸部／凹部と前記胴体部の凹部／凸部以外であって、電極軸に垂直な方向に沿って互いに対向する表面において、固相接合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用電極。
3. 前記電極先端部の凸部／凹部と前記胴体部の凹部／凸部が、電極軸に平行な方向に沿って互いに対向する表面において、固相接合していない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。
4. 前記電極先端部の凸部／凹部と前記胴体部の凹部／凸部が、固相接合していない対向する表面の間に隙間を設けていることを特徴とする請求項３に記載の放電ランプ用電極。
5. 前記電極先端部の凸部／凹部と前記胴体部の凹部／凸部が、電極軸に垂直な方向に沿って互いに対向する表面において、固相接合していない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用電極。
6. 前記電極先端部の凸部／凹部と前記胴体部の凹部／凸部が、固相接合していない対向する表面の間に隙間を設けていることを特徴とする請求項５に記載の放電ランプ用電極。
7. 前記電極先端部の凸部／凹部と前記胴体部の凹部／凸部が、電極軸に対して同軸的に形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の放電ランプ用電極。
8. 前記電極先端部の凸部／凹部と前記胴体部の凹部／凸部が、柱状であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の放電ランプ用電極。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の放電ランプ用電極を備えた放電ランプ。
10. 凸部／凹部を有する先端部と、前記先端部の凸部／凹部に嵌合する凹部／凸部を有する胴体部とを形成し、
    前記先端部と前記胴体部とを当接させてＳＰＳ接合を施す製造方法であって、
    ＳＰＳ接合において、前記先端部の凸部／凹部と前記胴体部の凹部／凸部の互いに対向する表面の少なくとも一部を固相接合させないように、前記先端部と前記胴体部を、部分的に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。
11. ＳＰＳ接合において、前記先端部の凸部／凹部と前記胴体部の凹部／凸部以外であって、電極軸に垂直な方向に沿って互いに対向する表面を、固相接合させることを特徴とする請求項１０に記載の放電ランプ用電極の製造方法。

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