JP6235909B2 - 放電ランプ - 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、電極内部に形成された密閉空間に伝熱体を封入する電極構造に関する。

放電ランプでは、電極内部に密閉空間を形成し、冷却機能をもつ金属を封入した電極が知られている（例えば、特許文献１参照）。そこでは、銀など、熱伝導率が高く、比較的融点の低い金属から成る伝熱体が、陽極内部に封入される。ランプ点灯によって電極温度が上昇すると、伝熱体が溶融し、液化する。これによって、密閉空間内に熱対流が生じ、電極先端部の熱が反対側の電極支持棒側へ輸送される。

電極内部に密閉空間を形成する場合、凹部を形成した有底円筒状胴体部材と、円柱状突起部を備えた蓋部材とを用意し、胴体部材の凹部に蓋部分の突出部を嵌めこみ、凹部端面と蓋部材とを接合させることによって密閉空間を形成する。接合方式としては、ＳＰＳなど固相接合が適用可能である。

特開２０１２−２２１５８２号公報

蓋部材と胴体部材を接合すると、その接合部分において隙間が生じる。ランプ点灯中、伝熱体がその隙間に入り込むと、ランプ点灯／消灯に伴って伝熱体が凝固、溶融を繰り返すと、凝固、溶融による応力が接合部分にかかり、接合部のクラック発生、しいては電極破損の恐れが生じる。

したがって、伝熱体を電極内部に封入する電極において、伝熱体による電極接合部分へのダメージを抑えることが必要とされる。

本発明の放電ランプは、放電管と、放電管内に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、凹部を形成した部材（ここでは、胴体部材という）と、前記凹部に嵌る突出部を形成し、前記胴体部材と接合する部材（ここでは、蓋部材という）とを備え、伝熱体が、前記胴体部材と前記蓋部材との接合によって電極内部に形成された筒状の密閉空間に封入される。

胴体部材は、電極先端面、電極先端部と一体的であってよく、電極先端部と接合されていてもよい。凹部は、伝熱体の熱対流を生じさせる柱状空間を形成すればよく、筒状に形成することが可能である。例えば、胴体部材に同軸的な断面円状の内部空間が形成される。蓋部材は、例えば、電極支持棒と接合する。接合については、例えば固相接合が適用可能である。

本発明では、密閉空間の蓋部材側後端部における径／直径が、前記密閉空間の中間部の径／直径よりも小さい。すなわち、蓋部材側後端部における断面積サイズが、密閉空間の中間部の断面積サイズよりも小さい。ただし、蓋部材側後端部は、蓋部材突出部表面あるいはその付近の位置を表す。また、中間部は、密閉空間の電極軸方向幅の中間位置付近を表す。

このように突出部を設けて凹部を被せて凹部端面と蓋部材を接合させる電極構造において、内部密閉空間の径を先端側で大きくすることにより、伝熱体が下方へ流れやすくなり、隙間付近での淀みが抑えられる。その結果、隙間に入り込もうとする伝熱体の強い流れが発生せず、ランプ消灯、点灯に伴う隙間に入り込んだ伝熱体の凝固、溶融によってかかる応力が低減し、クラックの発生、電極破損を防ぐことができる。

伝熱体の淀みを効果的に抑えることを考慮すれば、突出部の直径ＤＴと、前記突出部に対向する前記胴体部材の後端部内径ＧＳとが、ＤＴ／ＧＳ≧０．５を満たし、且つ、前記胴体部材の後端部内径ＤＭと中間部内径ＤＮとが、ＤＭ／ＤＮ≧０．５を満たすように構成するのが良い。

密閉空間の空間形状は様々な形状が可能であり、少なくとも中間部から後端部に向けて先細くなるように構成することが可能である。凹部側面が滑らかになることによって、伝熱体がスムーズに下方へ流れていく。

例えば、密閉空間の径が、凹部底面側先端部から後端部に向けて小さくなるように構成することができる。先端部側から縮径することによって、伝熱体の対流がスムーズになり、淀みを抑えられる。

胴体部材の外径については、電極軸方向に略一定にしてもよく、あるいは内径に合わせて変化させてもよい。たとえば、胴体部材の肉厚を、電極軸方向に沿って略一定に構成することが可能である。ランプ点灯中凹部の中間部、先端部付近側面が伝熱体によって削られても、十分な肉厚によって電極強度が維持される。

密閉空間の後端部において、突起部を凹部内面周方向に沿って形成することが可能である。また、突出部を柱状にして突出部側面と凹部側面との隙間を電極軸方向に沿って略一定にすることにより、ランプ消灯後、前記密閉空間の後端部付近において、伝熱体を凹部内面周方向に沿って環状に凝固させることができる。

本発明によれば、伝熱体を封入した電極において、ランプ点灯中も電極強度を安定して維持することができる。

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。 第２の実施形態における陽極の概略的断面図である。

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。

封止管１３Ａ、１３Ｂの内部には、金属製の陰極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、陽極の概略的断面図である。

陽極３０は、金属部材（以下、胴体部材という）３２と、電極支持棒１７Ｂと接合する金属部材（以下、蓋部材という）３６から構成されている。胴体部材３２は、電極軸（ランプ軸）Ｅの垂直方向に沿った電極先端面３４Ｓを有する円錐台形状の先端部３４と一体的に繋がり、電極軸Ｅを中心として円筒状凹部３３が形成された肉厚の有底筒状部材である。

蓋部材３６は、凹部３３と嵌合する円柱状突出部４６を備え、胴体部材３２の端面３２Ｔと蓋部材３６の突出部周囲の端面３６Ｔが接合して凹部３３を覆い、密閉する。これにより、陽極内部に筒状の密閉空間５０が形成される。タングステンなどを主成分とする胴体部材３２および蓋部材３６は、同軸的配置であり、密閉空間５０の空間領域は、電極軸Ｅを中心に対称的である。

このような密閉空間５０を内部に形成した陽極３０は、放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）方式に従う固相接合によってここでは成形されている。突出部４６のサイズ（直径）ＤＴは、凹部３３の直径ＧＳよりも僅かに小さく、突出部４６と凹部３３との間に微小な隙間ＣＳが凹部３３の側面５０Ｄと突出部側面４６Ｊとの間で周方向全体に渡って形成されている。

密閉空間５０には、胴体部材３２、蓋部材３６よりも融点の低い金属（銀など）から成る、あるいはそれを主成分とする伝熱体Ｍが封入されている。ランプ点灯中、電極先端部３４が加熱されることによって伝熱体Ｍが溶融する。胴体部材３２、蓋部材３６は、ランプ点灯中の密閉空間底面５０Ｂ付近の温度（約１８００℃）よりも融点が高い。

溶融した伝熱体Ｍは、密閉空間５０内で対流し、電極先端部３４の熱が電極軸Ｅに沿って蓋部材３６側へ輸送される。本実施形態では、伝熱体Ｍがほとんどすべて溶融すると、密閉空間５０内部を伝熱体Ｍが略占有し、突出部表面／先端面４６Ｓにまで液面が達する。

伝熱体Ｍの対流が生じると、電極先端部の熱は、電極軸Ｅに沿って輸送され、先端部３４の温度上昇が抑えられる。上昇した伝熱体Ｍは、径方向外側に沿って凹部側面５０Ｄへ進み、電極先端側下方に流れていく。そして、底面５０Ｂ付近では電極軸Ｅ方向に流れ、再び上昇する。このような対流により、陽極３０はランプ点灯中冷却される。

伝熱体Ｍの流れの方向に基づいて密閉空間５０を電極軸Ｅの方向に関して３つの空間領域Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３に区分すると、領域Ｌ１では、電極軸Ｅの方向（径方向内側）へ向かう流れが支配的であり、領域Ｌ２では、電極軸Ｅに沿った流れが支配的であり、領域Ｌ３では、密閉空間５０の側面（径方向外側）へ向かう流れが支配的である。

胴体部材３２は、その外径ＤＺが電極軸Ｅに沿って一定である一方、内径は電極軸Ｅに沿って電極先端部から離れるほど小さくなり、密閉空間５０は、電極軸Ｅに沿って先細くなっている。具体的には、凹部３３の内径が密閉空間底面５０Ｂから後端部となる突出部表面４６Ｓまで滑らかかつ緩やかに減少している。密閉空間５０のサイズ／径については、突出部表面４６Ｓ付近の後端部の方が、中間領域Ｌ２に当たる密閉空間中間部よりも小さい。

ただし、密閉空間５０の領域は、突出部表面４６Ｓから底面５０Ｂまでの空間領域によって規定されており、ここでは微小な隙間ＣＳを考慮していない。そして、密閉空間５０の端部は、突出部表面４６Ｓに沿った位置もしくはその付近の位置を表す。

このようなテーパー状密閉空間５０を形成することにより、ランプ点灯中、電極軸Ｅに沿って上昇した伝熱体Ｍは、凹部側面５０Ｄに沿って下方へ流れやすくなり、隙間ＣＳ付近での淀みが抑えられる。その結果、隙間ＣＳに入り込もうとする伝熱体Ｍの強い流れが発生せず、ランプ消灯、点灯に伴う隙間ＣＳに入り込んだ伝熱体Ｍの凝固、溶融によってかかる応力が低減し、接合面Ｊ付近でのクラックの発生、電極破損を防ぐことができる。

そして、伝熱体Ｍの対流がスムーズになることによって流速が上がり、熱輸送効果が向上して電極先端部温度を効果的に冷却することができる。特に、突出部表面／先端面４６Ｓから底面５０Ｂまで凹部３３が滑らかなテーパー形状であるため、伝熱体Ｍが中間部の領域Ｌ２において淀むことなく密閉空間側面に沿って底面５０Ｂにまで到達し、電極破損の防止、熱輸送効果の向上が実現される。

このように本実施形態によれば、伝熱体Ｍを入れた凹部３３を形成した胴体部材３２と、凹部３３に嵌る突出部４６を設けた蓋部材３６とを固相接合させることで陽極３０を成形する。そして、密閉空間５０は電極先端部から後端部に向かって先細くなるように凹部３３が形成されており、突出部表面４６Ｓ付近での径ＤＭは、中間部での径ＤＮよりも小さい。

なお、滑らかなテーパー形状の代わりに、段階的に段差をもって先細くなるようにしてもよい。中間領域Ｌ２、後端部領域Ｌ３における凹部３３の内径比を規定することによって、同様の電極破損防止、熱輸送効率の向上を実現することができる。具体的には、後端部領域Ｌ３における凹部直径ＤＭと、中間領域Ｌ２における凹部直径ＤＮとの比ＤＭ／ＤＮが０．５より小さい場合、凹部の先端部に向けた内径拡大が急激となり、伝熱体がスムーズに電極先端部へ移動しなくなる。したがって、ＤＭ／ＤＮ≧０．５となるのが望ましい。

また、蓋部材３６の突出部４６の直径ＤＴを、凹部３３の後端部におけるサイズ（直径）ＧＳと略等しくする代わりに、突出部４６のサイズＤＴをより小さく規定することも可能である。隙間ＣＳの空間領域がある程度大きくなっても、中間領域Ｌ２における凹部直径ＤＮと端部直径との比ＤＭ／ＤＮをより小さくする、すなわち、中間領域Ｌ２の直径ＤＮを相対的により大きくすることにより、密閉空間端部付近での伝熱体Ｍの淀みが効果的に抑えられる。

この場合、突出部表面４６Ｓの直径ＤＴが、凹部３３の端部における直径ＧＳの半分より小さいと、隙間ＣＳが過度に大きくなり、淀みが顕著となる。したがって、ＤＴ／ＧＳ≧０．５（ＧＳ＞ＤＴ）であることが望ましい。ただし、上述したＤＭ／ＤＮの条件を満たすものとする。

次に、図３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、胴体部材の肉厚が一定であり、また、ランプ消灯時、伝熱体が集積物として密閉空間端部に形成される。それ以外の構成については、第１の実施形態と実質的に同じである。

図３は、第２の実施形態である放電ランプにおける陽極の概略的断面図である。

陽極１３０は、胴体部材１３２、突出部１４６を備えた蓋部材１３６から構成されており、凹部１３３は、電極先端部から後端部に向けて先細くなっている。したがって、凹部１３３の後端部における内径ＤＭは、中間領域における内径ＤＮよりも小さい。さらに、胴体部材１３２は、電極先端部から後端部に向けて先細くなっており、胴体部材１３２の肉厚ｔは、電極軸Ｅに沿ってほぼ一定である。

胴体部材１３２の肉厚ｔが一定であることにより、伝熱体Ｍの対流によって凹部１３３の側面が削られて拡径する状況になっても、中間領域Ｌ２、先端領域Ｌ１における肉厚が十分確保されているため、伝熱体Ｍの対流による電極先端部における強度低下を防ぐことができる。

一方、ランプ消灯後、伝熱体が凝固する過程において、密閉空間１５０の後端部付近の領域Ｒに比較的温度の低い伝熱体が集積し、凹部１３３の側面周方向に沿って環状に凝固した伝熱体が、側面からの突起する形で集積物９０となって形成される。

このような集積物９０は、蓋部材１３６の突出部１４６が柱状、すなわち突出部表面１４６Ｓの端部が図３に示すように直角であることによって生じる。また、直角でなくても、テーパー角にすることによって生じる。ランプが再び点灯すると集積物９０は一部溶融するが、比較的温度が低い後端部領域Ｌ３に形成されるため、集積物９０は凹部側面状で維持される。陽極１３０の外表面に放熱機能を有するレーザー溝を形成し、温度を制御してもよい。集積物９０付近での凹部１３３の内径ＤＭ１は、後端部内径ＤＭよりもさらに小さい。

集積物９０が形成されることにより、ランプ点灯中、伝熱体Ｍが隙間ＣＳの方向へ進もうとする伝熱体Ｍの流れが抑えられる。したがって、隙間ＣＳに伝熱体Ｍが入り込むのを抑制し、隙間ＣＳを起点とした電極破損を防ぐことができる。

なお、密閉空間の端部、すなわち突出部表面より２ｍｍ以上離して集積物が形成されるように、突出部を含めた蓋部材の形状、隙間ＣＳのサイズなどを規定するのが望ましい。これは、集積物が密閉空間端部に近すぎると、伝熱体の凝固、溶融に伴う応力が接合部に影響するためである。また、伝熱体Ｍがほぼ全部溶融した時の液面が、突出部表面１４６Ｓから突起物のある位置まで所定間隔離れるように、伝熱体Ｍを封入してもよい。

また、突起物による対流効果を確実なものにするため、伝熱体ではなく、切削加工、溶接などによって突起物を形成してもよい。この場合、断面三角形以外の形状にすることも可能である。また、伝熱体による集積物が形成されないような密閉空間を構成してもよい。

第１、第２の実施形態では陽極において密閉空間を形成したが、陰極においても同様に構成することが可能である。また、固相接合以外の接合方法によって電極を成形してもよい。

１０ 放電ランプ
３０ 陽極
３２ 胴体部材
３３ 凹部
３６ 蓋部材
４６ 突出部
５０ 密閉空間
Ｍ 伝熱体

Claims (7)

1. 放電管と、
   前記放電管内に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、凹部を形成した有底筒状胴体部材と、前記凹部に嵌る柱状突出部を形成し、前記胴体部材と接合する蓋部材とを有し、
   伝熱体が、前記胴体部材と前記蓋部材との接合によって電極内部に形成された筒状の密閉空間に封入され、
   前記密閉空間の突出部表面付近での径が、前記密閉空間の中間部の径よりも小さいことを特徴とする放電ランプ。
2. 前記密閉空間が、少なくとも中間部から後端部に向けて先細くなっ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. 放電管と、
   前記放電管内に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、凹部を形成した有底筒状胴体部材と、前記凹部に嵌る突出部を形成し、前記胴体部材と接合する蓋部材とを有し、
   伝熱体が、前記胴体部材と前記蓋部材との接合によって電極内部に形成された筒状の密閉空間に封入され、
   前記密閉空間の蓋部材側後端部における径が、前記密閉空間の中間部の径よりも小さく、
   前記密閉空間の径が、凹部底面側先端部から後端部に向けて小さくなることを特徴とする放電ランプ。
4. 前記胴体部材の肉厚が、電極軸方向に沿って略一定であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の放電ランプ。
5. 放電管と、
   前記放電管内に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、凹部を形成した有底筒状胴体部材と、前記凹部に嵌る突出部を形成し、前記胴体部材と接合する蓋部材とを有し、
   伝熱体が、前記胴体部材と前記蓋部材との接合によって電極内部に形成された筒状の密閉空間に封入され、
   前記密閉空間の蓋部材側後端部における径が、前記密閉空間の中間部の径よりも小さく、
   前記突出部の直径ＤＴと、前記突出部に対向する前記胴体部材の後端部内径ＧＳとが、ＤＴ／ＧＳ≧０．５を満たし、且つ、前記胴体部材の後端部内径ＤＭと中間部内径ＤＮとが、ＤＭ／ＤＮ≧０．５を満たすことを特徴とする放電ランプ。
6. 放電管と、
   前記放電管内に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、凹部を形成した有底筒状胴体部材と、前記凹部に嵌る突出部を形成し、前記胴体部材と接合する蓋部材とを有し、
   伝熱体が、前記胴体部材と前記蓋部材との接合によって電極内部に形成された筒状の密閉空間に封入され、
   前記密閉空間の蓋部材側後端部における径が、前記密閉空間の中間部の径よりも小さく、
   前記密閉空間の後端部において、突起部が凹部内面周方向に沿って形成されていることを特徴とする放電ランプ。
7. 放電管と、
   前記放電管内に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、凹部を形成した有底筒状胴体部材と、前記凹部に嵌る突出部を形成し、前記胴体部材と接合する蓋部材とを有し、
   伝熱体が、前記胴体部材と前記蓋部材との接合によって電極内部に形成された筒状の密閉空間に封入され、
   前記密閉空間の蓋部材側後端部における径が、前記密閉空間の中間部の径よりも小さく、
   前記突出部が柱状であり、
   ランプ消灯後、前記密閉空間の後端部付近において、伝熱体が凹部内面周方向に沿って環状に凝固することを特徴とする放電ランプ。
   

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