JP7027096B2 - 放電ランプ、放電ランプ用電極、放電ランプの製造方法および放電ランプ用電極の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、露光装置等に利用可能な放電ランプに関し、特に、複数の部材を接合させた電極の構成に関する。

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た電極が設けられている。例えば、トリウムや希土類酸化物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（例えば、特許文献１参照）。接合方法としては、例えばＳＰＳなどの固相接合が行われる。また、その間に中間部材を介して接合することも可能である。

特許第４４８４９５８号公報

金属など電極材料の結晶粒界には、不純ガスや不純物が留まりやすい。不純ガスなどが残った状態の電極で放電ランプを組み立てると、ランプ点灯による電極温度の高温化に伴って、不純ガスなどが放電管内に放出されるとともに、接合面（接合界面）の隙間に移動する。接合面付近に不純ガスが留まり続けると、電極接合面が劣化（酸化）し、強度低下を招く。

したがって、接合した電極に対し、不純ガスなどによって接合面の強度低下が生じないようにすることが求められる。

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、電極先端を有する先端側部材と、電極支持棒によって支持される後端側部材とを含む複数の部材から構成される。例えば、先端側部材と後端側部材とを固相接合する、もしくは先端側部材と後端側部材との間に中間部材を設け、互いに固相接合することも可能である。そして、後端側部材において、後端側部材の少なくとも一部の結晶粒が粗大化していて、先端側部材の結晶粒と比べて径の大きい結晶粒が形成されている（ここでは、粗大結晶粒という）。

粗大結晶粒として、例えば二次再結晶粒が形成可能であり、粒径が１０００μｍ以上である粗大結晶粒を形成することもできる。あるいは、放電ランプの軸方向断面において、後端側部材の接合面付近を電極軸方向断面に沿った３００×３００μｍ²のエリアで観察したとき、１つの粗大結晶粒がエリアを占めるような粗大結晶粒を形成可能である。

後端側部材は、先端側部材の素材と比べて結晶粒が粗大化する温度の低い素材から成るように構成することができる。例えば、後端側部材は、純度９９重量％以上のモリブデンから成る。

粗大結晶粒は、後端側部材の接合面付近に存在するように構成することが可能である。また、粗大結晶粒が、接合面の少なくとも一部を構成することも可能である。あるいは、粗大結晶粒が、少なくとも後端側部材の接合面から電極支持棒孔の電極軸方向に沿った中間点付近までの範囲を占める構成にすることもできる。なお、少なくとも一方の電極を支持する電極支持棒に、ゲッター部材を設けることが可能である。

本発明の他の態様における放電ランプ用電極は、電極先端を有し、タングステンもしくはタングステンを主成分とする合金から成る先端側部材と、電極支持棒によって支持され、純度９９．９重量％以上のモリブデンから成る後端側部材と、先端側部材と後端側部材との間に介在し、レニウムを含むタングステンより成る中間部材とを備え、先端側部材、中間部材、後端側部材が、部材間で固相接合し、後端側部材において、１０００μｍ以上の粒径をもつ二次再結晶粒が形成されている。

本発明の放電ランプの製造方法は、電極先端を有する先端側部材、電極支持棒によって支持される後端側部材を含む複数の部材を固相接合し、固相接合によって得られた電極に対して熱処理を行い、電極支持棒を電極に固定し、電極支持棒、ガラス部材、箔などを備えたマウント部品とし、マウント部品を封止管内に挿入して放電管内に電極を配置した後、封止管に対し溶着処理を行い、所定時間に渡ってランプ点灯を行う放電ランプの製造方法であって、後端側部材において、先端側部材の結晶粒と比べて径の大きい粗大結晶粒が形成されるように、熱処理の温度および加熱時間、ランプの点灯時間の少なくともいずれかを定める。

本発明の他の態様における放電ランプ用電極の製造方法は、電極先端を有する先端側部材、電極支持棒によって支持される後端側部材を含む複数の部材を固相接合する放電ランプ用電極の製造方法であって、後端側部材において、先端側部材の結晶粒と比べて径の大きい二次再結晶粒が形成されるように、熱処理の温度および加熱時間の少なくともいずれかを定める。

本発明によれば、放電ランプにおいて、接合強度の優れる接合した電極を提供することができる。

本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。 陰極の概略的断面図である。 図２の接合面付近のエリアを拡大した断面図である。

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、本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が取り付けられている。ここでの放電ランプ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、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、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（ここでは１ｋＷ以上）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。電極支持棒１７Ａには、タンタルやジルコニウム、イットリウムなどから成るコイル状のゲッター部材２１が設けられている。なお、電極支持棒１７Ｂなどにゲッター部材を設けてもよい。

図２は、陰極２０の概略的断面図である。ここでは、電極軸Ｘを通る電極軸方向断面を示している。なお、陽極３０についても同様に構成することが可能である。

陰極２０は、ともに金属部材である先端側部材４０と、後端側部材５０とを固相接合させた電極であり、先端側部材４０は、電極先端４０Ｓを頂点とする円錐状に形成されている。なお電極先端４０Ｓの形状は、面を有する円錐台形状など他の形状も可能である。先端側部材４０は、純タングステン（Ｗ）などの高融点、あるいはエミッター等を含有させたタングステンを主成分とする合金によって構成される。先端側部材４０と後端側部材５０は、ここでは放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）によって固相接合している。ただし、ＨＩＰ、ＨＰなど他の固相接合方式や、他の接合方法（例えば溶融接合）を適用してもよい。

後端側部材５０は、先端側部材４０と接合する円錐台形状部分５０Ａと、電極支持棒挿入孔５２を形成した円柱状部分５０Ｂから構成される。ただし、図２では電極支持棒１７Ａを図示していない。後端側部材５０は、ここでは純度９９重量％以上のモリブデン（Ｍｏ）から成る。特に、純度９９．９重量％以上にするのが良いが、ドープ剤を含有したモリブデン合金も適用できる。後端側部材５０を構成するモリブデンの結晶粒が粗大化する温度（二次再結晶温度）は、先端側部材４０の主成分であるタングステンの結晶粒が粗大化する温度（二次再結晶温度）よりも低い。

先端側部材４０は、電極製造工程によって結晶粒（再結晶粒）Ｒ１で占められている。一方、後端側部材５０では、接合面（接合界面）Ｓ付近から電極支持棒孔５２の軸Ｘ方向長さの中間点Ｃ付近までに渡る範囲を、複数の粗大化した結晶粒（二次再結晶粒）Ｒ２が占めている。また、接合面Ｓの一部は粗大結晶粒Ｒ２によって構成されている。中間点Ｃから後端面５０Ｔまでの範囲は、結晶粒（再結晶粒）Ｒ３で占められている。なお、粒径Ｒ１、Ｒ３の大きさは誇張して大きく描いている。また、結晶粒の形状や方向は、鍛造加工などで調整することができる。例えば電極軸方向に揃えたり、長くしたりでき、描かれた形状や向きに限定されるものではない。

図３は、図２の接合面Ｓ付近のエリアＢＢを拡大した断面図である。

モリブデンの粗大結晶粒Ｒ２は、ここでは異常粒成長（二次再結晶）によって粗大化した粒であり、その粒径は、タングステンを主成分とする先端側部材４０の結晶粒Ｒ１、あるいは加工などされる前の結晶粒よりも大きい。モリブデンの結晶粒Ｒ３の粒径は、タングステンの結晶粒Ｒ１の粒径と略等しい。ここでは、モリブデンの粗大結晶粒Ｒ２が１０００μｍ以上の径をもつ。ただし、粒径サイズは、電極軸Ｘを通る電極軸方向断面における粒の最大の対角線長さによって表される。

図３に示す正方形状のエリアＡは、縦３００μｍ×横３００μｍから成る接合面Ｓ付近の任意のエリアであり、粗大結晶粒Ｒ２がエリアＡを超える、すなわち、１粒の粗大結晶粒Ｒ２で占められていることがわかる。ただしエリアＡは、電極軸Ｘ上を通る軸方向断面の軸Ｘ方向を縦方向、軸垂直方向（径方向）を横方向として規定されている。

このような後端側部材５０における粗大結晶粒Ｒ２の形成は、放電ランプの製造工程の中で得られる。

まず電極の製造工程では、純タングステンあるいはタングステンを主成分とする合金から成る先端側部材４０と、９９重量％以上のモリブデンから成る後端側部材５０とを固相接合する。このときの後端側部材５０は、先端側部材４０の粒径と略同じ粒径の結晶粒もしくは再結晶粒から成っている。固相接合によって得られた電極に対して熱処理を行う。そして、電極支持棒を電極に固定し、ガラス部材、箔などを備えたマウント部品を構成する。マウント部品を封止管内に挿入して放電管内に電極を配置した後、封止管に対し溶着処理（封止）を行う。

放電ランプが組み立てられると、所定時間に渡ってランプ点灯を行う。例えば、点灯安定化のためエージング（初期点灯）、あるいは、ランプ点灯性評価を行う。こうした一連の放電ランプ製造工程中で電極が高温化される。本実施形態では、最終的な放電ランプ完成時点において粗大結晶粒Ｒ２を形成するように、熱処理の温度および加熱時間を１３００℃～２２００℃で５分～１８０分の範囲、エージングおよび点灯性評価における点灯時間を２０分～１８０分の範囲に定めている。なお、いずれか１つの条件について定め、粗大結晶粒を形成するようにしてもよい。

上述したように、後端側部材５０を形成するモリブデンの二次再結晶温度は、先端側部材４０の主成分となるタングステンの二次再結晶温度よりも低い。したがって、例えばランプ点灯によって高温状態にした場合、後端側部材５０において、アーク（熱源）に最も近い接合面Ｓ付近から粗大化が始まる。このとき接合面Ｓ付近の結晶粒界に溜まっていた不純ガスの一部は、結晶粒の成長（粗大化）とともに、接合面Ｓの微小な隙間に移動・拡散する。

一方、後端側部材５０の結晶粒Ｒ３で占められる後端面５０Ｔ側では、結晶粒界の不純物、不純ガスが、粗大結晶粒Ｒ２の形成によって電極先端側への移動が妨げられるため、電極径方向（電極側面）へ移動し、やがて外部に放出される。

接合面Ｓの隙間に溜まった不純物、不純ガスは、高温化によって接合面Ｓに沿って電極外部へ放出される。後端面５０Ｔ側から電極先端側への不純ガスの移動が抑制されるため、接合面Ｓ付近や接合面Ｓの隙間における不純ガス、不純物が除去される。電極外部に放出された不純ガスは、ゲッター部材２１によって吸着される。

粗大結晶粒の形成により、製造後（出荷後）のランプ点灯時に不純ガスなどが放電管内に放出されるのを抑制することができ、不純ガスによるランプ点灯性（始動性）の悪化、電極劣化（酸化）を防止することができる。例えばタングステンのように結晶粒が粗大化する温度が高い素材で後端側部材５０を構成すると、粗大結晶粒の形成が接合面Ｓ付近に先行して形成することが難しいため、結晶粒界を通じて接合面Ｓ付近へ不純ガスが移動し、隙間に長期間残存、あるいは接合面Ｓ付近からの不純ガス放出が継続することになってしまう。しかしながら、モリブデンから成る後端側部材５０を用いることによって、接合面Ｓ付近やその隙間の不純ガスを製造段階で除去することが可能となり、接合面強度の低下、接合面の剥がれを防止することができる。

製造段階で粗大結晶粒を形成するとしたが、適切なゲッター部材２１を設けることにより、放電ランプの電力等に起因する製造後（出荷後）に粗大結晶粒が形成（さらに成長）するような状況においても、接合面の剥がれを防止することができる。製造後において不純ガスはゲッター部材２１に吸着されるため、粗大結晶粒の形成あるいはさらなる成長により、長期にわたり接合面強度の低下を防止することができる。例えば、酸素などの不純ガスを吸着させるには、ゲッター部材２１としてはタンタルが好ましい。

また、純度９９重量％以上のモリブデンによって後端側部材５０を構成するため、不純物も少なく、点灯中に放出される不純ガスも少なくなり、安定したランプ特性が得られる。さらに、後端側部材５０の軽量化を図ることが可能となり、大型ランプに適した構成となる。

一方、粗大結晶粒Ｒ２が電極支持棒孔５２の中間点Ｃまで存在することにより、結晶粒界の少なさから粒界すべりが生じにくく、電極支持棒１７Ａの抜けを防止することができる。

以上のように本実施形態によれば、タングステンを主成分とする先端側部材４０と、純度９９重量％以上のモリブデンから成る後端側部材５０とが固相接合している陰極２０において、後端側部材５０の接合面Ｓ付近から電極支持棒孔中間点Ｃ付近までに渡って、先端側部材４０の結晶粒Ｒ１よりも粒径の大きい、粗大化した結晶粒Ｒ２が形成されている。

なお、粗大結晶粒Ｒ２は、後端側部材の任意のエリアに少なくとも一部存在すればよい。例えば、接合面Ｓ付近にだけ存在するようにしてもよく、また、接合面Ｓの一部を粗大結晶粒Ｒ２で形成してもよい。これによっても、接合面Ｓ付近に存在する不純ガスを確実に放出させることができ、接合面剥がれを防止することができる。一方で、後端側部材の全領域を複数の粗大結晶粒で構成、あるいは単結晶状態にしてもよい。点灯中に放出される不純ガスを一層少なくできる。粗大結晶粒Ｒ２の形成領域（粗大化領域）については、カリウムなどの添加物をドープする、放熱効果を高める微細凹部を電極表面に形成することなどによって調整することが可能である。

本実施形態では、ランプ点灯によって粗大結晶粒を形成したが、電極の熱処理による方法では、後端側部材を全体にわたって高温化させやすく、広範囲に粗大結晶粒を形成できる。

モリブデン以外の素材によって後端側部材を成形することも可能であり、セラミックスや、先端側部材４０とは異なる金属、合金その他の素材によって成形してもよい。先端側部材にはエミッターを含有した素材を用いることが多いため、先端側部材の結晶粒を粗大化させると、エミッターを放出してしまうおそれがある。そのため、後端側部材は先端側部材（タングステンなど）の結晶粒が粗大化する温度よりも低いのが望ましい。

本実施形態では、先端側部材４０と後端側部材５０とが接合しているが、間に他の金属から成る中間部材（例えば、レニウムを含むタングステン）を介在させ、先端側部材４０、中間部材、後端側部材５０とを互いに固相接合させてもよい。

以下、本実施例の陰極について説明する。

トリウムを含むタングステンから成り、外径１６ｍｍとなる先端側部材と、９９．９重量％のモリブデンから成り、柱状部分の外径２０ｍｍの後端側部材とを、ＳＰＳによって固相接合して所定の形状に加工した陰極に対し、加熱処理を温度１６００℃、加熱時間１０分で行う。電極を放電管内に配置して封止する。組み立てられた放電ランプに対し、エージングを１時間行う。

このような工程を経た陰極の断面を走査型電子顕微鏡で調べてみると、接合面から電極支持棒孔中間点付近に渡り、先端側部材の再結晶粒の粒径よりも大きく、１０００μｍ以上の粒径をもつ粗大化した結晶粒が形成されていることが確認された。

１０ 放電ランプ
２０ 陰極
３０ 陽極
４０ 先端側部材
５０ 後端側部材
Ｓ 接合面

Claims (13)

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、
   陰極として構成される一方の電極が、電極先端を有し、エミッターが含有される先端側部材と、電極支持棒によって支持され、エミッターが含有されない後端側部材とを含む複数の部材を接合させた電極として構成され、
   前記後端側部材において、前記後端側部材の少なくとも一部の結晶粒が粗大化しており、前記先端側部材の結晶粒と比べて径の大きい結晶粒が形成されていることを特徴とする放電ランプ。
2. 前記少なくとも一方の電極が、前記先端側部材と前記後端側部材とから構成され、もしくは前記先端側部材と前記後端側部材との間に中間部材を設けて構成され、各部材間で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。
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、電極先端を有する先端側部材と、電極支持棒によって支持される後端側部材とを含む複数の部材を接合させた電極として構成され、
   前記後端側部材において、前記後端側部材の少なくとも一部の結晶粒が粗大化しており、前記先端側部材の結晶粒と比べて径の大きい結晶粒が形成され、
   前記後端側部材が、前記先端側部材の素材と比べて結晶粒が粗大化する温度の低い素材から成ることを特徴とする放電ランプ。
4. 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、電極先端を有する先端側部材と、電極支持棒によって支持される後端側部材とを含む複数の部材を接合させた電極として構成され、
   前記後端側部材において、前記後端側部材の少なくとも一部の結晶粒が粗大化しており、前記先端側部材の結晶粒と比べて径の大きい結晶粒が形成され、
   前記後端側部材が、純度９９重量％以上のモリブデンから成ることを特徴とする放電ランプ。
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、電極先端を有する先端側部材と、電極支持棒によって支持される後端側部材とを含む複数の部材を接合させた電極として構成され、
   前記後端側部材において、前記後端側部材の少なくとも一部の結晶粒が粗大化しており、前記先端側部材の結晶粒と比べて径の大きい結晶粒が形成され、
   前記粗大結晶粒が、前記後端側部材の接合面付近に存在し、接合面と反対側の後端面側を占めている粗大化していない結晶粒と比べて径が大きいことを特徴とする放電ランプ。
6. 前記粗大結晶粒が、前記接合面の少なくとも一部を構成することを特徴とする請求項５に記載の放電ランプ。
7. 前記粗大結晶粒が、少なくとも前記後端側部材の接合面から電極支持棒孔の電極軸方向に沿った中間点付近までの範囲を占め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。
8. 少なくとも一方の電極を支持する前記電極支持棒に、ゲッター部材が設けられてい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。
9. 前記粗大結晶粒の粒径が、１０００μｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の放電ランプ。
10. 前記放電ランプの軸方向断面において、前記後端側部材の接合面付近を電極軸方向断面に沿った３００×３００μｍ^２のエリアで観察したとき、１つの粗大結晶粒が前記エリアを占めることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の放電ランプ。
11. 電極先端を有し、タングステンもしくはタングステンを主成分とする合金から成る先端側部材と、
    電極支持棒によって支持され、純度９９．９重量％以上のモリブデンから成る後端側部材と、
    前記先端側部材と前記後端側部材との間に介在し、レニウムを含むタングステンより成る中間部材とを備え、
    前記先端側部材、前記中間部材、前記後端側部材が、部材間で固相接合し、
    前記後端側部材において、１０００μｍ以上の粒径をもつ二次再結晶粒が形成されていることを特徴とする放電ランプ用電極。
12. 電極先端を有する先端側部材、電極支持棒によって支持される後端側部材を含む複数の部材を固相接合し、
    固相接合によって得られた電極に対して熱処理を行い、
    電極支持棒を前記電極に固定し、前記電極支持棒、ガラス部材、箔などを備えたマウント部品とし、
    前記マウント部品を封止管内に挿入して放電管内に前記電極を配置した後、前記封止管に対し溶着処理を行い、
    所定時間に渡ってランプ点灯を行う放電ランプの製造方法であって、
    前記後端側部材において、前記先端側部材の結晶粒と比べて径の大きい粗大結晶粒が、前記後端側部材の接合面付近に形成されるとともに、前記粗大結晶粒が、接合面と反対側の後端面側を占める結晶粒と比べて径が大きくなるように、熱処理の温度および加熱時間、ランプの点灯時間の少なくともいずれかを定めることを特徴とする放電ランプの製造方法。
13. 電極先端を有する先端側部材、電極支持棒によって支持される後端側部材を含む複数の部材を固相接合する放電ランプ用電極の製造方法であって、
    前記後端側部材において、前記先端側部材の結晶粒と比べて径の大きい二次再結晶粒が形成されるように、熱処理の温度および加熱時間の少なくともいずれかを定めることを特徴とする放電ランプ用電極の製造方法。

Images