JP6375776B2 - Short arc type discharge lamp - Google Patents
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Description
本発明は、紫外線を発光する高圧水銀ランプに関し、特に、アーク長が比較的短いショートアーク型放電ランプに関する。本発明は、特に、ショートアーク型放電ランプの電極に関する。 The present invention relates to a high-pressure mercury lamp that emits ultraviolet light, and more particularly to a short arc discharge lamp having a relatively short arc length. The present invention particularly relates to an electrode of a short arc type discharge lamp.
高圧水銀ランプのうち、アーク長が比較的短い構造のランプはショートアーク型放電ランプと称される。ショートアーク型放電ランプは、高輝度の光を放射することができるため広い分野で用いられる。特に、中心発光波長が365nmのi線ランプや436nmのg線ランプは、半導体、液晶、プリント基板等の製造工程における露光用光源として用いられる。 Among high-pressure mercury lamps, a lamp having a relatively short arc length is called a short arc type discharge lamp. Short arc discharge lamps can be used in a wide range of fields because they can emit high-luminance light. In particular, i-line lamps having a central emission wavelength of 365 nm and g-line lamps having a wavelength of 436 nm are used as light sources for exposure in manufacturing processes of semiconductors, liquid crystals, printed circuit boards and the like.
ショートアーク型放電ランプの電極は通常タングステン製である。しかしながら、従来、製造工程で用いられる露光用ランプでは、エミッション性能を向上させるために、トリエーテッドタングステン製の電極が用いられる。トリエーテッドタングステン(以下、トリタン)はタングステンにトリウムを添加したものである。トリタン製の電極では、トリウムがエミッタとなる。 The electrodes of the short arc type discharge lamp are usually made of tungsten. However, conventionally, an electrode made of triated tungsten is used in an exposure lamp used in a manufacturing process in order to improve emission performance. Triated tungsten (hereinafter, tritan) is obtained by adding thorium to tungsten. In the tritan electrode, thorium is the emitter.
特許文献1には、陰極のエミッタとしてトリウムを使用する放電ランプの例が記載されている。陰極はタングステン製の本体とトリタン製のトリタン部から構成される。特許文献2には、放電ランプにおいて、電極を2つの部材より構成し、2つの部材をネジで接合することにより一体化する例が記載されている。特許文献3には、放電ランプの製造方法として、電極芯棒と電極先端部を機械的に接合する方法の例が記載されている。
Patent Document 1 describes an example of a discharge lamp using thorium as a cathode emitter. The cathode is composed of a tungsten main body and a tritan tritan portion.
トリウムは、エミッタとして優れた物質であるが、放射性物質であるため、環境負荷物質と見做され、近年、その使用について法規上の規制が設けられている。そこでトリウムの代替物質が探究されている。例えば、ランタン、イリジウム等が候補として挙げられている。しかしながら、トリウムに代わり得るエミッタ物質を見つけるのは困難である。そこで、現時点ではトリウムの使用量を軽減する要請がある。 Thorium is an excellent emitter material, but it is a radioactive material, so it is regarded as an environmentally hazardous substance. In recent years, its use has been restricted by law. Thus, alternatives to thorium are being explored. For example, lanthanum, iridium and the like are listed as candidates. However, it is difficult to find an emitter material that can replace thorium. Therefore, at present, there is a request to reduce the amount of thorium used.
本発明の目的は、所望のエミッション性能を保持しつつ、トリウムの使用量を低減することが可能であり、更に、簡単な構成で機械的強度と所定のランプ特性を確保することができる陰極を備えたショートアーク型放電ランプを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a cathode capable of reducing the amount of thorium used while maintaining desired emission performance, and further ensuring mechanical strength and predetermined lamp characteristics with a simple configuration. It is to provide a short arc type discharge lamp provided.
環境負荷の低減の要請からトリウムの使用量を低減する必要があるが、陰極のトリウムの使用量を低減しすぎると、トリウムによるエミッション性能の利点が損なわれる。トリウムの使用による利点を享受すると同時に環境負荷を低減する必要がある。そこで、本願の発明者は、所望のエミッション性能を保持しつつ、トリウムの使用量をできるだけ低減するための陰極の条件を検討した。本願の発明者は、更に、簡単な構成で機械的強度と所定のランプ特性を確保することができる陰極について鋭意検討した。尚、ランプ特性として、アーク安定性、及び、ランプ寿命を検討した。 Although it is necessary to reduce the amount of thorium used in order to reduce the environmental load, if the amount of thorium used in the cathode is reduced too much, the emission performance advantage of thorium is impaired. It is necessary to reduce the environmental impact while enjoying the advantages of using thorium. Accordingly, the inventors of the present application have studied cathode conditions for reducing the amount of thorium used as much as possible while maintaining desired emission performance. The inventor of the present application has further studied diligently about a cathode capable of ensuring mechanical strength and predetermined lamp characteristics with a simple configuration. As lamp characteristics, arc stability and lamp life were examined.
本発明によると、放電管と、前記放電管の内部にて互いに対向して配置した陰極及び陽極と、を有し、前記放電管の中心軸線が略垂直に設置されるように構成されたショートアーク型放電ランプにおいて、
前記陰極は、トリエーテッドタングステン(トリタン)製の頭部とタングステン製の基体の2つの部材を含み、前記基体は軸線方向に延びる凸部を有し、前記頭部は軸線方向に延びる凹部を有し、前記凸部を前記凹部に係合させることによって、前記頭部と前記基体が一体的に組み立てられて前記陰極が構成され、
前記頭部及び前記基体の外径をD1、前記基体の凸部の外径をD2、前記陰極の体積に対する前記頭部の体積の比をkとするとき、
0.3≦D2/D1≦0.7
0.10≦k≦0.18
である。
According to the present invention, the short-circuit has a discharge tube, and a cathode and an anode disposed opposite to each other inside the discharge tube, and the center axis of the discharge tube is installed substantially vertically. For arc-type discharge lamps,
The cathode includes two members, a head made of triated tungsten (tritan) and a base made of tungsten. The base has a convex portion extending in the axial direction, and the head has a concave portion extending in the axial direction. Then, by engaging the convex portion with the concave portion, the head and the base body are integrally assembled to constitute the cathode,
When the outer diameter of the head and the substrate is D 1 , the outer diameter of the convex portion of the substrate is D 2 , and the ratio of the volume of the head to the volume of the cathode is k,
0.3 ≦ D 2 / D 1 ≦ 0.7
0.10 ≦ k ≦ 0.18
It is.
本発明の実施の形態によると、前記ショートアーク型放電ランプにおいて、前記頭部と前記基体の間の係合部において、前記基体の接合部の表面積をS、ランプ電流をIとするとき、I/S≦2.0である、としてよい。 According to an embodiment of the present invention, in the short arc type discharge lamp, when the surface area of the joint portion of the base is S and the lamp current is I in the engaging portion between the head and the base, I /S≦2.0.
本発明の実施の形態によると、前記ショートアーク型放電ランプにおいて、前記基体の凸部及び前記頭部の凹部の軸線方向の寸法は4〜10mmである、としてよい。 According to the embodiment of the present invention, in the short arc type discharge lamp, the axial dimension of the convex part of the base body and the concave part of the head part may be 4 to 10 mm.
本発明によると、所望のエミッション性能を保持しつつ、トリウムの使用量を低減することが可能であり、更に、簡単な構成で機械的強度と所定のランプ特性を確保することができる陰極を備えたショートアーク型放電ランプを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to reduce the amount of thorium used while maintaining a desired emission performance, and further includes a cathode capable of ensuring mechanical strength and predetermined lamp characteristics with a simple configuration. A short arc type discharge lamp can be provided.
以下、添付図面に基づいて本発明の一実施形態に係るショートアーク型放電ランプを説明する。なお、全図において、各部材の厚さ、長さ、形状、部材同士の間隔、隙間等は、理解の容易のために、適宜、拡大・縮小・変形・簡略化等をしている。図の説明の際の上下・左右の表現は、その図を鉛直面内に置いた状態でのその図面の面に沿った方向を表すものとする。 Hereinafter, a short arc type discharge lamp according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In all the drawings, the thickness, length, shape, spacing between members, gaps, and the like of each member are appropriately enlarged, reduced, deformed, simplified, etc. for easy understanding. In the description of the figure, the vertical and horizontal expressions represent directions along the plane of the drawing in a state where the figure is placed in the vertical plane.
図1は、本発明の一実施形態に係るショートアーク型放電ランプ10の概略構造を示すための簡略化した断面図である。ショートアーク型放電ランプ10は、球状の発光部1Aとその両側の管状のシール管部1B、1Cからなる放電管1を有する。放電管1は石英ガラスによって形成される。放電管1の発光部1Aにはチップオフ1dが形成されている。ランプの製造時に、チップオフ1dの位置に取り付けられた排気管から放電管1内に、水銀、不活性ガスを単独またはそれらの混合ガスの形で封入する。
FIG. 1 is a simplified cross-sectional view for illustrating a schematic structure of a short arc
ショートアーク型放電ランプ10は、陽極2と陰極3を有する。陽極2は電極先端部2Aと電極芯棒2Bを含む。陰極3は電極先端部3Aと電極芯棒3Bを含む。発光部1Aの内部の空間1aには、電極先端部2A、3Aが対向して配置されている。本実施形態のショートアーク型放電ランプ10は、垂直点灯型であり、陽極2が下側に陰極3が上側となるように、ランプの中心軸線が略垂直となるように設置される。
The short arc
シール管部1B、1Cには、それぞれ電極マウント9が装着されている。電極マウント9の外端からそれぞれリード線6が突出している。電極マウント9は、電極芯棒2B、3B及びリード線6を支持すると同時に放電管1の内部を密閉する機能を有する。電極マウント9は、このような機能を備えればどのような構造であってもよく、特に限定されるものではない。電極マウント9の例は、図2A及び図2Bを参照して説明する。電極芯棒2B、3Bには、放電管1の封入後もその中に残った不純物や点灯時に発生する不純物を除去するためにゲッター材11が装着されている。
シール管部1B、1Cの電極側端部には、電極マウント9の内端面9aを底面とする円形の凹部1b、1cがそれぞれ形成されている。このような凹部1b、1cを設けるのは、電極マウント9をシール管部1B、1Cに溶着するためにシール管部1B、1Cをバーナ等で加熱するときに、その熱が発光部1Aに伝わってその発光部1Aが変形することを防ぐためである。
Circular recesses 1b and 1c having the
本実施形態のショートアーク型放電ランプ10は、1〜10kW、好ましくは、1.5〜4.5kWのランプ電力を有し、中心発光波長が436nmの紫外線を出力するg線ランプ、又は、中心発光波長が365nmのi線ランプである。放電管1の発光部1Aの最大外径は、発光出力の大きさに応じて異なり、50〜150mmであり、例えば50〜70mmであってよい。発光部1Aの軸線方向の長さは70〜180mmであり、例えば70〜90mmであってよい。陽極2と陰極3の冷間時先端部間の距離は、1.0〜15.0mmであり、例えば3.0〜5.0mmであってよい。
The short arc
本実施形態では、放電管1内には、3〜75mg/cm3の水銀、例えば、4〜40mg/cm3の水銀が封入されてよい。更に、放電管1内には、キセノン(Xe)、アルゴン(Ar)及びクリプトン(Kr)の中の少なくとも1つの希ガスが封入される。ただし、1つの希ガスに代えて、混合ガス、例えばKr及びArの混合ガスを用いてもよい。希ガスの封入圧は、封入されたガスの種類によっても異なるが、概略0.05〜0.6MPaであり、例えば0.08〜0.3MPaであってよい、ランプ点灯時には、放電管1内の圧力は1.0〜4.0MPa程度になる。 In the present embodiment, 3 to 75 mg / cm 3 of mercury, for example, 4 to 40 mg / cm 3 of mercury may be enclosed in the discharge tube 1. Further, at least one rare gas among xenon (Xe), argon (Ar), and krypton (Kr) is sealed in the discharge tube 1. However, instead of one rare gas, a mixed gas, for example, a mixed gas of Kr and Ar may be used. The enclosure pressure of the rare gas varies depending on the kind of the enclosed gas, but is approximately 0.05 to 0.6 MPa, and may be, for example, 0.08 to 0.3 MPa. The pressure is about 1.0 to 4.0 MPa.
図2Aを参照してショートアーク型放電ランプ10の陰極側のシール管部1Bの構造の例を説明する。尚、陽極側のシール管部1Cの構造は、陰極側のシール管部1Bの構造と同様である。シール管部1Bの内部には、電極マウント9が溶着されており、それによって放電管1の気密性が保たれている。シール管部1Bの外端には口金28が装着される。図示のように、電極マウント9の軸線方向の寸法はシール管部1Bの軸線方向の寸法より短い。
An example of the structure of the
電極マウント9の構造として様々な構造が知られている。ここでは、その1例を説明する。本実施形態の電極マウント9は、第1のシール部材21、第2のシール部材22及び第3のシール部材23を有する。電極マウント9は、更に、第1のシール部材21と第2のシール部材22の間に介装された第1の集電円盤31と第2のシール部材22と第3のシール部材23の間に介装された第2の集電円盤32を有する。これらのシール部材21、22及び23は、石英ガラス製の円柱部材によって形成されている。集電円盤31、32は、電導性材料からなる円板状部材によって形成される。
Various structures are known as the structure of the
第1のシール部材21及び第1の集電円盤31には貫通孔が形成されている。これらの貫通孔に、電極芯棒3Bが挿入されている。こうして、電極芯棒3Bは、第1の集電円盤31に電気的に接続され、且つ、第1のシール部材21に固定される。なお、第1の集電円盤31には貫通孔を形成しないで、電極芯棒3Bの端部を第1の集電円盤31に当接させることによって、電極芯棒3Bを、第1の集電円盤31に電気的に接続してもよい。
A through hole is formed in the first sealing
また、第3のシール部材23及び第2の集電円盤32には貫通孔が形成されている。これらの貫通孔に、リード線6が挿入されている。こうして、リード線6は、第2の集電円盤32に電気的に接続され、且つ、第2及び第3のシール部材22、23に固定される。なお、第2のシール部材22に孔を形成し、この孔にリード線6を挿入してもよい。
The
図2Bを参照して第1の集電円盤31と第2の集電円盤32とを電気的に接続する方法を説明する。図示のように、第1の集電円盤31の両端面に、円形のモリブデン製の緩衝箔26a、26bがそれぞれ配置されている。第2の集電円盤32の両端面に、円形のモリブデン製の緩衝箔26a、26bがそれぞれ配置されている。第1の集電円盤31と第2のシール部材22を全周覆うように、第1の緩衝箔24aが装着されている。第1の緩衝箔24aは、第1の集電円盤31と、それに隣接する緩衝箔26bと、それに隣接する第2のシール部材22の一部を全周覆うように配置されている。
A method of electrically connecting the first
第2の集電円盤32と第2のシール部材22、及び、第2の集電円盤32と第3のシール部材23を全周覆うように、第2の緩衝箔24bが装着されている。第2の緩衝箔24bは、第2の集電円盤32と、その両側の緩衝箔26a、26bと、それに隣接する第2のシール部材22及び第3のシール部材23の一部をそれぞれ全周覆うように配置されている。
The
また、第2のシール部材22の外周面には、軸線方向に沿って、複数の短冊状のモリブデン製のシール箔25(実線と破線のハッチングで示す)が、間隔を置いて配置されている。シール箔25によって、第1の集電円盤31と第2の集電円盤32とが電気的に接続される。その結果、電極芯棒3Bとリード線6とが電気的に接続される。一方、リード線6は口金28に接続される。従って、口金28及びリード線6を経由して外部の電源から陽極2に電力が供給される。
A plurality of strip-shaped molybdenum sealing foils 25 (indicated by hatching with a solid line and a broken line) are arranged at intervals on the outer peripheral surface of the
図3A及び図3Bを参照して、陰極3の構造を説明する。図3Aは陰極3の外観図であり、図3Bは陰極3の組立図である。図3Aに示すように、陰極3は、電極先端部3Aと電極芯棒3Bを含む。陰極3は、頭部310と基体320の2つの部材を組み立てることによって形成される。頭部310はトリエーテッドタングステン(トリタン)によって形成される。トリタンは酸化トリウムを含有するタングスタンである。酸化トリウムの含有率は通常2wt%程度である。本実施形態では、エミッタとしてトリウムを用いる。頭部310は、酸化トリウム粉末とタングステン粉末の混合物を金型にてプレス成形し、それを焼結させることによって1次成形体を形成し、更に、この1次成形体を熱間加工することによって形成される。基体320は、純度99.9wt%以上のタングステンによって構成される。
The structure of the
図3Bに示すように、頭部310は、円柱部311と円錐頂部312からなり、一体物として形成される。円錐頂部312の先端は完全に尖っている必要はなく、小さな円形の端面が形成されてよい。円柱部311の端面311Aに軸線方向に延びる円筒状の凹部313が形成されている。一方、基体320は、円柱状の棒状部321と円柱状の凸部323からなり、一体物として形成される。凸部323は棒状部321の円形端面321Aより軸線方向に突出しており、凸部323の外径は棒状部321の外径より小さい。従って、両者の間に段差が形成されている。棒状部321には括れ部325が形成されてよい。頭部310の円柱部311と基体320の外径は等しい。
As shown in FIG. 3B, the
基体320の凸部323の外径及び軸線方向の寸法は、頭部310の凹部313の内径及び軸線方向の寸法に対応する。基体320の凸部323を頭部310の凹部313に係合させることによって、頭部310と基体320が一体化し、陰極3が形成される。
The outer diameter and axial dimension of the convex portion 323 of the
基体320の凸部323の端面の周縁にはテーパ323aが形成されてよい。一方、頭部310の凹部313の底面には円錐状のテーパ面313aが形成されてよい。この場合には、基体320の凸部323を頭部310の凹部313に係合させる。
A taper 323 a may be formed on the periphery of the end surface of the convex portion 323 of the
尚、ここでは図示しないが、実際には、基体320の凸部323と頭部310の凹部313の間に頭部310の抜けを防止するためにモリブデン箔が挿入される。モリブデン箔は、基体320の凸部323の円筒状側面と、頭部310の凹部313の円筒状の内面の間に挿入されてよい。
Although not shown here, a molybdenum foil is actually inserted between the convex portion 323 of the
次に、頭部310と基体320の寸法について説明する。頭部310の軸線方向の寸法をL、円柱部311の軸線方向の寸法をL1、円錐頂部312の軸線方向の寸法をL2、とする。基体320の凸部323の軸線方向の寸法をL3、とする。頭部310の円柱部311、及び、基体320の外径を共にD1、基体320の凸部323の外径をD2、とする。
Next, the dimensions of the
陰極全体の体積に対する頭部310の体積の比を考察する。頭部310の体積をVA、基体320の体積をVBとする。陰極全体の体積に対する頭部310の体積VAの比をkとする。頭部の体積比kは次の式によって表される。
Consider the ratio of the volume of the
k=VA/(VB+VA) 式1
VA=V1−V2 式2
VB=V3+V4 式3
ここに、V1は凹部313が無いと仮定した頭部310の体積、V2は凹部313の体積、V3は基体320の凸部323の体積、V4は棒状部321の体積、である。
k = V A / (V B + V A ) Equation 1
V A = V 1 −V 2 Formula 2
V B = V 3 + V 4 Formula 3
Here, V 1 is the volume of the
頭部310と基体320の間の係合部の構造について考察する。ここでは、基体320の凸部323の端面の周縁にテーパ323aが形成されていないとする。更に、頭部310の凹部313の底面には円錐状のテーパ面313aが形成されていないとする。頭部310と基体320の間の係合部は、基体320の凸部323と頭部310の凹部313の接合によって構成される。そこで係合部の構造的な特徴を表すパラメータとして、基体320の接合部の表面積を用いる。
Consider the structure of the engaging portion between the
基体320の凸部323の円筒状の側面の面積をS1とする。基体320の凸部323の円形端面と基体320の棒状部321の環状の端面321Aの面積の合計をS2とする。基体320の接合部の表面積をSとすると、次の式によって表される。
Let S 1 be the area of the cylindrical side surface of the convex portion 323 of the
S=S1+S2=π×(D2×L3+D1 2/4) 式4
以下に、本願の発明者が行った実験を説明する。上述のように環境負荷を低減するには、トリウムの使用量を低減する必要がある。トリウムの使用量を低減するには、頭部310を小さくすればよい、即ち、式1に示す頭部の体積比kを小さくすればよい。しかしながら、トリウムの使用量を低減しすぎると、トリウムによるエミッション性能の利点が損なわれる。従って、トリウムによるエミッション性能の利点を享受することができ且つトリウムの使用量を低減させる必要がある。
S = S 1 + S 2 = π × (
Below, the experiment which the inventor of this application performed is demonstrated. As described above, it is necessary to reduce the amount of thorium used in order to reduce the environmental load. In order to reduce the amount of thorium used, the
本実施形態の陰極は図3A及び図3Bに示すように頭部310と基体320を係合させることによって形成される。そこで、本願の発明者は、陰極の機械的強度及びランプ特性が損なわれないことが必要であると考えた。尚、ランプ特性として、アーク安定性、及び、ランプ寿命を考慮した。
The cathode of this embodiment is formed by engaging the
先ず本実施形態の陰極の機械的強度について説明する。本願の発明者は、基体320の外径D1、及び、基体320の凸部323の外径D2が互いに異なる複数の実験例を作成し、その機械的強度を検討した。その結果を表1に示す。
First, the mechanical strength of the cathode of this embodiment will be described. The inventor of the present application created a plurality of experimental examples in which the outer diameter D 1 of the
表1に示すように、基体320の外径に対する基体320の凸部323の外径の比D2/D1が0.3より小さいと、即ち、基体320の凸部323が細すぎると、折れやすくなることが判った。逆に、この外径比D2/D1が0.7より大きいと、即ち、基体320の凸部323が太すぎると、頭部310の凹部313の壁が薄くなり、その縁が破損し易くなることが判った。そこで、本実施形態では、外径比をD2/D1=0.3〜0.7とする。こうして本実施形態では、簡単な構成で陰極の機械的強度を確保することができる。以下に説明する実験では、外径比をD2/D1=0.3〜0.7として実験例を作成した。
As shown in Table 1, if the ratio D 2 / D 1 of the outer diameter of the convex portion 323 of the base 320 to the outer diameter of the
以下に説明する実験に使用したショートアーク型放電ランプ10は、中心発光波長が365nmのi線ランプである。放電管1の発光部1Aの最大外径は54mm、軸線方向の寸法は74mmである。シール管部1Bの軸線方向の長さは76mm、シール管部1Bの電極側端部における外径は25mm、内径は18〜19mmである。電極マウント9の外径は18mmである。また、陽極2の外径は約18mm、冷間時電極間距離は約4.6mmである。
The short arc
更に、以下に説明する実験に使用したショートアーク型放電ランプ10では、入力電力は1.5〜4.5kWであり、頭部の凹部及び基体320の凸部323の軸線方向の寸法L3は、4〜10mmである。
Further, in the short arc
図4を参照して本願の発明者が行った第1の実験及びその結果を説明する。この実験の目的はアーク安定性を検討することである。本願の発明者が行った実験では、点灯初期と2000時間点灯後のアークの揺れ(フリッカ)を観察した。アークから1000mm離れた場所に設置した照度計により照度の変動を測定した。 The first experiment conducted by the inventors of the present application and the result thereof will be described with reference to FIG. The purpose of this experiment is to investigate the arc stability. In experiments conducted by the inventors of the present application, arc fluctuation (flicker) at the beginning of lighting and after lighting for 2000 hours was observed. The change in illuminance was measured with an illuminometer installed at a location 1000 mm away from the arc.
図4は、式1に示す頭部の体積比kとアーク安定性の関係を表すグラフを示す。縦軸は、照度変動率(単位:%)、横軸は式1に示す頭部の体積比kである。この実験では、基体320の凸部323の外径D2が異なる複数の実験例を用意した。即ち、式1に示す頭部の体積比kが異なる複数の実験例を用意した。但し、頭部の体積比kの最小値は0.03であり、最大値はk=1である。k=1は、陰極をすべてトリタンによって構成した場合、即ち、トリタン製の一体的な陰極である。以下に、これを対照例(コントロール)と称する。 FIG. 4 is a graph showing the relationship between the volume ratio k of the head shown in Equation 1 and the arc stability. The vertical axis represents the illuminance fluctuation rate (unit:%), and the horizontal axis represents the head volume ratio k shown in Equation 1. In this experiment, a plurality of experimental examples were prepared in which the outer diameter D 2 of the convex portion 323 of the base 320 was different. That is, a plurality of experimental examples having different head volume ratios k shown in Formula 1 were prepared. However, the minimum value of the volume ratio k of the head is 0.03, and the maximum value is k = 1. k = 1 is an integral cathode made of tritan when all cathodes are made of tritan. Hereinafter, this is referred to as a control example (control).
図4の上側のグラフ(四角の点)は、各実験例及び対照例について2000時間点灯後の照度変動率を示し、図4の下側のグラフ(菱形の点)は、各実験例及び対照例について点灯初期の照度変動率を示す。これらのグラフから、点灯初期と2000時間点灯後のいずれの場合も、頭部の体積比kが0.10より小さいと照度変動率は大きいが、頭部の体積比kが0.10以上では照度変動率の変化は比較的小さいことが判る。頭部の体積比kが0.10以上の場合、点灯初期の照度変動率は略1.0%であるが、2000時間点灯後の照度変動率は略1.8%である。本願の発明者は、本実施形態における頭部の体積比kの範囲を0.10〜0.18に設定した。 The upper graph (square points) in FIG. 4 shows the illuminance fluctuation rate after 2000 hours of lighting for each experimental example and control example, and the lower graph (diamond points) in FIG. 4 shows each experimental example and control example. The illuminance fluctuation rate at the beginning of lighting is shown for an example. From these graphs, the illuminance fluctuation rate is large when the head volume ratio k is smaller than 0.10 in both the initial lighting period and after 2000 hours of lighting, but when the head volume ratio k is 0.10 or higher. It can be seen that the change in the illuminance fluctuation rate is relatively small. When the volume ratio k of the head is 0.10 or more, the illuminance fluctuation rate at the beginning of lighting is approximately 1.0%, but the illuminance fluctuation rate after 2000 hours of lighting is approximately 1.8%. The inventor of the present application has set the range of the volume ratio k of the head in this embodiment to 0.10 to 0.18.
頭部の体積比kの下限を0.10とした理由を説明する。ショートアーク型放電ランプを露光用光源として用いる場合、通常、紫外光を集光ミラーによって集光し、照射対象に効率的に照射する。このような光学系では、ショートアーク型放電ランプは集光ミラーの焦点の位置に配置される。従って、照度変動が大きいと、露光対象の仕上がりに影響する。そこで、実用的な照度変動率の許容限度は2%程度である。頭部の体積比kが0.10の場合、2000時間点灯後の照度変動率は1.8%である。従って頭部の体積比kが0.10以上であれば、照度変動率の許容限度を超えることはない。 The reason why the lower limit of the volume ratio k of the head is set to 0.10 will be described. When a short arc type discharge lamp is used as a light source for exposure, normally, ultraviolet light is condensed by a condensing mirror, and the irradiation target is efficiently irradiated. In such an optical system, the short arc type discharge lamp is disposed at the focal point of the condenser mirror. Therefore, when the illuminance fluctuation is large, the finish of the exposure target is affected. Therefore, the allowable limit of practical illuminance fluctuation rate is about 2%. When the volume ratio k of the head is 0.10, the illuminance fluctuation rate after lighting for 2000 hours is 1.8%. Therefore, if the volume ratio k of the head is 0.10 or more, the allowable limit of the illuminance fluctuation rate is not exceeded.
更に、本願の発明者が行った実験から、頭部の体積比kが0.10より小さい場合には、エミッション性能が悪く、且つ、黒化現象が著しくなることが判った。一方、頭部の体積比kが0.10以上であれば、所望のエミッション特性を確保することができる。 Furthermore, from experiments conducted by the inventors of the present application, it was found that when the volume ratio k of the head is smaller than 0.10, the emission performance is poor and the blackening phenomenon becomes remarkable. On the other hand, if the volume ratio k of the head is 0.10 or more, desired emission characteristics can be ensured.
次に、頭部の体積比kの上限を0.18とした理由を説明する。環境負荷を低減させるために、トリウムの使用量をできるだけ低減することが本発明の目的である。そこで、頭部の体積比kの上限を0.18とした。頭部の体積比kが0.18以下であれば、法規上の規制の観点からトリウムの使用量が多いとは言えない。本実施形態によると、頭部の体積比kの範囲を0.10〜0.18に設定することにより、所望のエミッション性能を保持しつつ、トリウムの使用量を低減し、更に、所定のランプ特性を確保することが可能となる。 Next, the reason why the upper limit of the volume ratio k of the head is set to 0.18 will be described. In order to reduce the environmental burden, it is an object of the present invention to reduce the amount of thorium used as much as possible. Therefore, the upper limit of the volume ratio k of the head is set to 0.18. If the volume ratio k of the head is 0.18 or less, it cannot be said that the amount of thorium used is large from the viewpoint of legal regulations. According to the present embodiment, by setting the range of the volume ratio k of the head to 0.10 to 0.18, the amount of thorium used is reduced while maintaining a desired emission performance, and a predetermined lamp It is possible to ensure the characteristics.
図5を参照して本願の発明者が行った第2の実験及びその結果を説明する。この実験の目的はランプ寿命を検討することである。ランプ寿命を表す指標として照度維持率を測定した。この実験では、基体320の外径はD1=6mm、ランプ電圧は26V、ランプ電流は67.3A、ランプ定格電力は1.75kWとした。基体320の凸部323の外径D2が異なる複数の実験例と対照例(基準)を用意した。即ち、式1に示す頭部の体積比kが異なる複数の実験例と対照例を用意した。上述のように対照例は、体積比k=1の場合であり、トリタン製の一体的な陰極である。これを判定基準とした。
The second experiment conducted by the inventors of the present application and the result thereof will be described with reference to FIG. The purpose of this experiment is to examine lamp life. The illuminance maintenance rate was measured as an index representing lamp life. In this experiment, the outer diameter of the
図5は、点灯後の照度維持率の変化を表すグラフを示す。縦軸は照度維持率(単位:%)、横軸はランプ点灯時間(単位:時間)である。照度維持率は、ランプ点灯直後の照度を100%として、所定時間経過後の照度を百分率で表したものである。実線の3つのグラフはk=0.13、k=0.16、k=0.18の実験例1の場合であり、破線の2つのグラフは、kが0.1未満の実験例2の場合である。一点鎖線の2つのグラフは、k=1.00の対照例(基準)の場合である。 FIG. 5 is a graph showing a change in the illuminance maintenance rate after lighting. The vertical axis represents the illuminance maintenance rate (unit:%), and the horizontal axis represents the lamp lighting time (unit: time). The illuminance maintenance rate is expressed as a percentage of the illuminance after elapse of a predetermined time, with the illuminance immediately after the lamp is turned on as 100%. The three solid graphs are for Experimental Example 1 with k = 0.13, k = 0.16, and k = 0.18, and the two dashed graphs are for Experimental Example 2 with k being less than 0.1. Is the case. Two graphs of the one-dot chain line are for the control example (reference) of k = 1.00.
図示のように、対照例の場合、2500時間経過後も照度維持率は90%を超えている。一方、頭部の体積比kが0.1未満の実験例2の場合、比較的短時間で、即ち、800時間程度で、照度維持率は90%以下となる。k=0.13、k=0.16、k=0.18の実験例1の場合、2000時間経過後も照度維持率は90%を超える。上述のように第1の実験結果から本実施形態では、頭部の体積比kを0.10〜0.18に設定した。しかしながら、この第2の実験結果から、頭部の体積比kを0.13〜0.18とすることにより、より好ましい照度維持率が得られることが判る。 As illustrated, in the case of the control example, the illuminance maintenance rate exceeds 90% even after 2500 hours. On the other hand, in Experimental Example 2 in which the volume ratio k of the head is less than 0.1, the illuminance maintenance ratio becomes 90% or less in a relatively short time, that is, about 800 hours. In the case of Experimental Example 1 where k = 0.13, k = 0.16, k = 0.18, the illuminance maintenance ratio exceeds 90% even after 2000 hours. As described above, from the first experiment result, in the present embodiment, the volume ratio k of the head is set to 0.10 to 0.18. However, it can be seen from the results of the second experiment that a more preferable illuminance maintenance rate can be obtained by setting the volume ratio k of the head to 0.13 to 0.18.
次に、本願の発明者が行った第3の実験及びその結果を説明する。この実験の目的はランプ寿命を検討することである。ここではランプ寿命を表す指標として陰極の動作温度に着目した。陰極の動作温度を規定する要因として、陰極に流れる電流に着目した。本願の発明者は、式4の基体320の接合部の表面積Sが異なる複数の実験例を用意し、ランプ電流を変化させて、動作温度及び照度維持率を測定した。
Next, a third experiment conducted by the inventors of the present application and the result thereof will be described. The purpose of this experiment is to examine lamp life. Here, attention was paid to the operating temperature of the cathode as an index representing the lamp life. As a factor for defining the operating temperature of the cathode, attention was paid to the current flowing through the cathode. The inventor of the present application prepared a plurality of experimental examples in which the surface area S of the joint portion of the
表2は、本願の発明者が行った第3の実験の結果を示す。この表は、式4の基体320の接合部の表面積Sに対するランプ電流の比I/Sと陰極動作温度の関係を示す。ここで、基体320の接合部の表面積Sに対するランプ電流の比I/Sは、単に、基体320の接合部の表面積Sとランプ電流Iの比を意味し、基体320の接合部の表面積Sにおける電流密度を表すものではない。陰極動作温度は、安定点灯時において、陰極先端から中心軸線に沿って3mm下方における表面温度を赤外線サーモグラフィーで測定したものである。基準となる対照例の場合と同等の温度を100%として各実験例を百分率で表した。
Table 2 shows the results of the third experiment conducted by the inventors of the present application. This table shows the relationship between the ratio I / S of the lamp current to the surface area S of the junction of the
表2によると、比I/Sが0.5〜2.0では、陰極動作温度は100%であり、基準となる対照例と同様な陰極動作温度となる。比I/Sが2.5〜4.0では、陰極動作温度は100%を超え、基準となる対照例より高い陰極動作温度となる。陰極動作温度が対照例の場合よりも高くなるのは好ましくない。従ってこの表2から、比I/S=0.5〜2.0とするのがよい。 According to Table 2, when the ratio I / S is 0.5 to 2.0, the cathode operating temperature is 100%, which is the same cathode operating temperature as the reference control example. When the ratio I / S is 2.5 to 4.0, the cathode operating temperature exceeds 100%, which is higher than the reference control example. It is not preferred that the cathode operating temperature be higher than in the control example. Therefore, from Table 2, the ratio I / S is preferably 0.5 to 2.0.
次に、本願の発明者が行った第4の実験及びその結果を説明する。この実験の目的はランプ寿命を検討することである。表3は、比I/Sと照度維持率の関係を示す。照度維持率は、点灯後1000時間経過後の照度を測定し、対照例の場合を100%として各実験例の場合の測定結果を百分率で表した。I/S>2.5の場合には、照度維持率は共に100%未満となった。即ち、基準となる対照例のレベルを得ることはできなかった。従ってこの表3から、比はI/S≦2.0とするのがよい。こうして本実施形態では、比をI/S≦2.0とすることによって所望のランプ特性を確保することができる。 Next, the 4th experiment and the result which the inventor of this application performed are demonstrated. The purpose of this experiment is to examine lamp life. Table 3 shows the relationship between the ratio I / S and the illuminance maintenance rate. The illuminance maintenance rate was obtained by measuring the illuminance after elapse of 1000 hours after lighting, and expressing the measurement result in each experimental example as a percentage with the control example as 100%. In the case of I / S> 2.5, the illuminance maintenance rate was both less than 100%. That is, it was not possible to obtain the level of the reference example as a reference. Therefore, from Table 3, the ratio should be I / S ≦ 2.0. Thus, in this embodiment, desired lamp characteristics can be ensured by setting the ratio to I / S ≦ 2.0.
以上、本発明の一実施形態に係るショートアーク型放電ランプについて説明したが、本発明は上記の実施形態に拘束されるものではなく、当業者が容易になしえる追加、削除、改変等は、本発明に含まれるものであり、また、本発明の技術的範囲は、添付の特許請求の範囲の記載によって定められることを承知されたい。 The short arc type discharge lamp according to one embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the above embodiment, and additions, deletions, modifications, etc. that can be easily made by those skilled in the art are as follows. It should be understood that the invention is included in the present invention, and that the technical scope of the present invention is defined by the description of the appended claims.
1…放電管、1A…発光部、1B、1C…シール管部、1b、1c…凹部、1d…チップオフ、2…陽極、2A…電極先端部、2B…電極芯棒、3…陰極、3A…電極先端部、3B…電極芯棒、6…リード線、9…電極マウント、10…ショートアーク型放電ランプ、11…ゲッター材、14…凹部、15…金属部材、16…空間、21…第1のシール部材、22…第2のシール部材、23…第3のシール部材、24a、24b…緩衝箔、25…シール箔、26a、26b…緩衝箔、28…口金、31…第1の集電円盤、32…第2の集電円盤、310…頭部、311…円柱部、311A…端面、312…円錐頂部、313…凹部、313a…テーパ面、320…基体、321…棒状部、321A…端面、323…凸部、323…テーパ面、325…括れ部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Discharge tube, 1A ... Light emission part, 1B, 1C ... Sealing tube part, 1b, 1c ... Recessed part, 1d ... Chip-off, 2 ... Anode, 2A ... Electrode tip part, 2B ... Electrode core rod, 3 ... Cathode, 3A ... Electrode tip, 3B ... Electrode core, 6 ... Lead wire, 9 ... Electrode mount, 10 ... Short arc type discharge lamp, 11 ... Getter material, 14 ... Recess, 15 ... Metal member, 16 ... Space, 21 ... No. 1 sealing member, 22 ... second sealing member, 23 ... third sealing member, 24a, 24b ... buffer foil, 25 ... sealing foil, 26a, 26b ... buffer foil, 28 ... cap, 31 ... first collection Electro disc, 32 ... second current collecting disc, 310 ... head, 311 ... cylindrical portion, 311A ... end face, 312 ... conical apex, 313 ... concave, 313a ... tapered surface, 320 ... base, 321 ... bar-like portion, 321A ... end face, 323 ... convex part, 323 ... taper surface, 25 ... constricted portion
Claims (3)
前記陰極は、トリエーテッドタングステン(トリタン)製の頭部とタングステン製の基体の2つの部材を含み、前記基体は軸線方向に延びる凸部を有し、前記頭部は軸線方向に延びる凹部を有し、前記凸部を前記凹部に係合させることによって、前記頭部と前記基体が一体的に組み立てられて前記陰極が構成され、
前記頭部及び前記基体の外径をD1、前記基体の凸部の外径をD2、前記陰極の体積に対する前記頭部の体積の比をkとするとき、
0.3≦D2/D1≦0.7
0.10≦k≦0.18
である、ショートアーク型放電ランプ。 In a short arc type discharge lamp having a discharge tube, and a cathode and an anode disposed opposite to each other inside the discharge tube, the center axis of the discharge tube being arranged substantially vertically ,
The cathode includes two members, a head made of triated tungsten (tritan) and a base made of tungsten. The base has a convex portion extending in the axial direction, and the head has a concave portion extending in the axial direction. Then, by engaging the convex portion with the concave portion, the head and the base body are integrally assembled to constitute the cathode,
When the outer diameter of the head and the substrate is D 1 , the outer diameter of the convex portion of the substrate is D 2 , and the ratio of the volume of the head to the volume of the cathode is k,
0.3 ≦ D 2 / D 1 ≦ 0.7
0.10 ≦ k ≦ 0.18
A short arc type discharge lamp.
前記頭部と前記基体の間の係合部において、前記基体の接合部の表面積をS、ランプ電流をIとするとき、
I/S≦2.0
である、ショートアーク型放電ランプ。 In the short arc type discharge lamp of Claim 1,
In the engaging portion between the head and the base, when the surface area of the joint of the base is S and the lamp current is I,
I / S ≦ 2.0
A short arc type discharge lamp.
前記基体の凸部及び前記頭部の凹部の軸線方向の寸法は4〜10mmである、ショートアーク型放電ランプ。 In the short arc type discharge lamp according to claim 1 or 2,
The short arc type discharge lamp, wherein the convex portion of the base and the concave portion of the head have an axial dimension of 4 to 10 mm.
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