JP7121932B2 - ショートアーク型放電ランプ - Google Patents

Description

本発明は、ショートアーク型放電ランプに関する。

例えば半導体素子、液晶表示素子等の製造工程に用いられる露光装置や、種々の映写機においては、光源としてショートアーク型放電ランプ（以下、単に「ランプ」ともいう）が用いられている。このショートアーク型放電ランプは、発光管内に陽極および陰極が互いに対向して配置されると共に、当該発光管内に、水銀、キセノンガス等の発光物質が封入されて構成されている。

このようなショートアーク型放電ランプにおいては、点灯時に陽極にかかる熱的負荷が高いことから、陽極の過熱等に起因する電極材料の蒸発が生じ、この蒸発物が発光管の内壁に付着して光透過率が低下する、いわゆる黒化が生じることが知られている。

このような問題を解決するため、電極表面に放熱層を形成して電極の温度上昇を抑制する技術が知られており、下記特許文献１には電極の先端近傍を除く外表面に金属の酸化物を少なくとも１種含む放熱層が形成されているランプが開示されている。

特開２００４－２５９６３９号公報

しかしながら、特許文献１に記載のランプのように、電極の温度上昇を適切に抑制したとしても、電極材料の蒸発がなくなるわけではなく、少しずつ電極材料であるタングステンは蒸発し、発光管の内壁は黒化していく。近年、より長寿命のランプが求められており、発光管の内壁の黒化の低減という課題については、さらなる改善が必要となっている。

本発明は、上記の課題に鑑み、発光管の内部に一対の電極が対向して配置され、前記一対の電極のうちの少なくとも一方の電極の外表面に被膜が形成されているショートアーク型放電ランプにおいて、放熱性に優れ、かつ発光管内壁の黒化が低減された、長寿命のショートアーク型放電ランプを提供することにある。

本発明に係るショートアーク型放電ランプは、発光管の内部に一対の電極が対向して配置されているショートアーク型放電ランプにおいて、
前記一対の電極はタングステンを含んで形成され、
前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極の外表面には、セラミックスを含む被膜が形成されており、前記被膜の外表面の一部にタングステンの粒子が付着しているものである。

この構成によれば、電極の外表面には、セラミックスを含む被膜が形成されているため、放射性に優れる。また、被膜の外表面の一部にはタングステンの粒子が付着しているため、ランプの点灯中に電極から蒸発したタングステンが、被膜の外表面上のタングステンの粒子に付着する。すなわち、電極から蒸発したタングステンのうち、対流により発光管内壁に到達するタングステンの量が減り、黒化量が少なくなる。よって、本発明のショートアーク型放電ランプは、放熱性に優れ、かつ発光管内壁の黒化が少なく長寿命である。

本発明のショートアーク型放電ランプにおいて、点灯姿勢が垂直方向であって、前記一対の電極のうち上方に位置する電極の外表面に、セラミックスを含む被膜が形成されており、前記被膜の外表面の一部にタングステンの粒子が付着しているという構成でもよい。

この構成によれば、電極から蒸発したタングステンが、前記一対の電極のうち上方に位置する電極の被膜の外表面上のタングステンの粒子に付着するため、対流により発光管内壁に到達するタングステンの量をより効率よく減らすことができる。

本発明のショートアーク型放電ランプにおいて、前記上方に位置する電極が陽極であるという構成でもよい。

この構成によれば、電極から蒸発したタングステンが、陰極よりも表面積が大きな陽極の被膜の外表面上のタングステンの粒子に付着するため、対流により発光管内壁に到達するタングステンの量をより効率よく減らすことができる。

本発明のショートアーク型放電ランプにおいて、前記被膜の外表面に対する前記タングステンの粒子の被覆率は、３％から４０％であるという構成でもよい。

この構成によれば、被膜による優れた放射性を確保しつつ、電極から蒸発したタングステンが被膜の外表面上のタングステンの粒子に効率よく付着する。なお、ここでいう「被覆率」とは、例えば被膜の面積に対するタングステンの粒子の総面積の割合を用いることができる。

本発明のショートアーク型放電ランプにおいて、前記セラミックスは、金属酸化物、金属炭化物、金属ホウ化物、金属ケイ化物、および金属窒化物のうち少なくとも一つを含むという構成でもよい。

この構成によれば、被膜は高輻射膜として優れた放射性を発揮することができる。

本実施形態に係るショートアーク型放電ランプの構成を示す説明図 図１に示すショートアーク型放電ランプのＰ領域拡大図 陽極の外表面の拡大図（表面の図） 陽極の外表面の拡大図（断面の図） 陽極の外表面の拡大写真（ＳＥＭ像） 電極に含まれるタングステンの蒸発、発光管内壁への付着の説明図

本発明に係るショートアーク型放電ランプの実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、以下の各図面は模式的に図示されたものであり、図面上の寸法比は必ずしも実際の寸法比と一致しておらず、各図面間においても寸法比は必ずしも一致していない。

以下において、ＸＹＺ座標系を適宜参照して説明される。また、本明細書において、方向を表現する際に、正負の向きを区別する場合には、「＋Ｘ方向」、「－Ｘ方向」のように、正負の符号を付して記載される。また、正負の向きを区別せずに方向を表現する場合には、単に「Ｘ方向」と記載される。すなわち、本明細書において、単に「Ｘ方向」と記載されている場合には、「＋Ｘ方向」と「－Ｘ方向」の双方が含まれる。Ｙ方向及びＺ方向についても同様である。

図１は、本実施形態に係るショートアーク型放電ランプの構成を示す説明図である。ショートアーク型放電ランプ１００（以下、「ランプ１００」という）は、発光管１と、発光管１の内部に対向配置された陽極２および陰極３と、陽極２および陰極３を支持するリード棒４と、を備える。

本実施形態のランプ１００は、半導体素子、液晶表示素子等の製造工程で使用される露光装置等において用いられる大型のランプであり、例えば定格電力が２ｋＷ～３５ｋＷである。

発光管１は、ガラス管の中央を膨らませて形成される。発光管１は、Ｘ方向の両端から、それぞれ中央に向かうにつれて、その内径が大きくなるガラス管の領域である。発光管１の外形は、球体または楕円球体である。

発光管１は、発光管１のＸ方向の両端からそれぞれ反対方向に連続して延びる一対の封止管部１１を有する。発光管１は、封止管部１１とともに例えば石英ガラスにより一体として形成される。一対の封止管部１１がそれぞれ有する中心軸は互いに重なり、図１の軸Ｘ１で示される。

発光管１の内部には、発光空間Ｓ１が形成される。発光空間Ｓ１には、水銀などの発光物質の他、アルゴンガスやキセノンガスなどの始動補助用バッファガスが適宜封入されている。

発光管１の内部には、陽極２および陰極３がＸ方向に互いに対向して配置されている。本実施形態において、ショートアーク型放電ランプとは、陽極２と陰極３とが４０ｍｍ以下の間隔（熱膨張をしていない常温時の値）を空けて、互いに対向配置される放電ランプである。本実施形態において、陽極２はタングステン、陰極３はトリエーテッドタングステンで形成されている。

リード棒４は、陽極２および陰極３に接続され、封止管部１１内をＸ方向に延びる。陽極２および陰極３は、リード棒４の先端に固定されている。リード棒４の中心軸は、軸Ｘ１と重なるとよい。リード棒４には、高融点金属、例えばタングステンを含む材料が使用される。

口金７は、封止管部１１の陽極２および陰極３から遠ざかる側を覆う。口金７は、リード棒４に電気的に接続される。

図２は、図１に示すランプ１００のＰ領域拡大図である。陽極２の外表面には、セラミックスを含む被膜５が形成されている。ここで、陽極２の外表面とは、陰極３に対向する先端面２ａを除く外表面である。陽極２の先端面２ａは、ランプ１００の点灯時に被膜５の融点以上にまで温度が上昇する場合があるため、本実施形態においては陽極２の先端面２ａには被膜５を設けていない。本実施形態では、陽極２の外表面のうち、軸Ｘ１を中心とした円柱状の胴部の外周面２ｂに被膜５が設けられているが、外周面２ｂと先端面２ａの間に位置するテーパ面２ｃにも被膜５を設けても構わない。さらに、陽極２の外周面２ｂの＋Ｘ側に位置する後部テーパ面２ｄに被膜５を設けても構わない。

被膜５の材料としては、融点、蒸気圧、放射率、熱膨張率等が重要となる。陽極２の温度を下げるためには、被膜５は、放熱量が多くなるように放射率が高い材料で構成されるのが好ましい。

被膜５は、セラミックスを含む。このセラミックスは、金属酸化物、金属炭化物、金属ホウ化物、金属ケイ化物、および金属窒化物のうち少なくとも一つを含む。被膜５の材料は、融点が２０００℃以上の材料が好適に使用でき、例えば酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、炭化ジルコニウム、ホウ化ジルコニウム、ケイ化タンタル、窒化ジルコニウムが挙げられる。

被膜５の形成は、例えば、被膜５を構成する材料の粒子（例えば、粒径１０μｍ以下の酸化ジルコニウムの粒子）を溶媒（例えば、ニトロセルロースと酢酸ブチルからなる溶媒）に分散させて、これを陽極２の外周面２ｂに筆で塗布し、１５０℃で３０分間乾燥した後、真空雰囲気中で１９００℃、１２０分の熱処理を行うことにより行われる。被膜５の膜厚は、５μｍ以上２００μｍ以下であるのが好ましい。被膜５の膜厚が薄いと十分な放射率が得られず、厚いと剥がれやすくなる。

図３Ａ、Ｂは、陽極２の外表面の拡大図であり、図３Ａが表面、図３Ｂが断面の図である。また、図３Ｃは、陽極２の外表面の拡大写真（ＳＥＭ像）である。

図３Ｂ、Ｃに示すように、タングステンで構成された陽極２の外表面には、被膜５が形成されており、被膜５の外表面の一部には、タングステン粒子Ｗが付着している。タングステン粒子Ｗは、図３Ａに白い斑点として示されており、被膜５の外表面の一部を覆うように点在している。タングステン粒子Ｗの粒径は、０．１μｍ～１０μｍである。

被膜５の外表面に対するタングステン粒子Ｗの被覆率は３％～４０％であるのが好ましい。ここでの被覆率は、被膜５の面積に対するタングステン粒子Ｗの総面積の割合である。

タングステン粒子Ｗは、真空蒸着により被膜５の外表面に形成される。例えば、電極に塗布した酸化ジルコニウムを焼結させる工程において、炉内に電極を配置した後、炉内を真空にし、ヒーターであるタングステンに通電して炉内の温度を上げて電極を加熱する。これは、抵抗加熱型の真空蒸着と等価で、蒸着材料であるタングステンを通電加熱して、被膜５の外表面にタングステン粒子Ｗを蒸着させているとも言える。

なお、酸化ジルコニウムの焼結後、別途タングステンの通電加熱による真空蒸着を行ってもよい。タングステンの蒸着を酸化ジルコニウムの焼結と別に行うことで、タングステン粒子Ｗの被覆率を容易に調整できる。

ここで、図４を参照して、発光管内壁の黒化について説明する。図４において、破線で示される矢印は、ランプ点灯時のアーク放電を表している。また、実線で示される矢印は、発光ガスの流れ（対流）を表している。

アークは非常に高温であるため、電極（陽極２および陰極３）の一部を蒸発させる。蒸発した電極成分（タングステン）は、発光ガスの流れに乗って移動する。そして、蒸発したタングステンは、発光ガスの流れに乗って移動する中で、発光管１の内壁などに付着する。発光管１の内壁に付着したタングステンは、光の透過を妨げる黒色物質である。

図４に示すように、発光ガスの流れは、陽極２に沿うように上昇した後、発光管１の内壁に衝突し、方向を変えて流れ、循環するようになっている。このため、蒸発したタングステンは、発光管１の内壁の他、通常であれば電極の側面にも付着する。

しかし、セラミックスを主成分とする被膜５が電極表面に設けられている場合には、蒸発したタングステンは、その被膜５には付着しにくい。これは、タングステンは金属結合、セラミックスは共有結合であり、金属とセラミックスは化学的な結合をしないためである。

他方、本発明のランプ１００における被膜５には、その外表面にタングステン粒子Ｗが付着している。この被膜５の外表面に付着しているタングステン粒子Ｗが核となり、蒸発したタングステンを取り込むように結晶成長する。このため、発光管１の内壁面に到達するタングステンが減少し、発光管１の黒化量が少なくなる。

ただし、被膜５の外表面の一部をタングステンが被覆している分、放射率は低下している。すなわち、電極先端温度はタングステンの被覆がない場合と比べて高く、電極材料は蒸発しやすい。このため、タングステンの被覆率は、放射率の低下による電極材料の蒸発量よりも、蒸発した電極材料の捕集量が上回るように調整する必要がある。

本実施形態のランプ１００では、被膜５の外表面に対するタングステン粒子Ｗの被覆率を３％～４０％としている。これにより、被膜５による優れた放射性を確保しつつ、被膜５の外表面上のタングステン粒子Ｗが、電極から蒸発したタングステンを効果的に捕集することができる。

以上より、本発明のランプ１００は、放熱性に優れ、かつ発光管１の内壁の黒化を少なくして、ランプ１００の使用寿命を長くすることができる。

以下、本発明の構成と効果を具体的に示す実施例等について説明する。

タングステン粒子付き被膜の形成は、次のようにして行った。粒径１０μｍ以下の酸化ジルコニウムをニトロセルロースと酢酸ブチルからなる溶媒に加えて良く混合した後、陽極の外周面に筆で塗布した。そして、１５０℃で３０分間乾燥した。その後、タングステンと共に真空雰囲気中で１９００℃、１２０分の熱処理を行い、タングステンが被覆している被膜を形成した。

ジルコニウムを含む被膜の外表面に対するタングステン粒子の被覆率が異なるランプ（被覆率０％、３％、１０％、４０％、５０％）を用いて、発光管の黒化量減少の効果を確認した。

なお、タングステン粒子の被覆率は、エネルギー分散型Ｘ線装置（ＥＤＳ）を備えた走査電子顕微鏡の面分析で、タングステンをマッピング観察することにより算出した。２０μｍ×２０μｍのエリアをＥＤＳでマッピング分析し、このエリアの面積に対するタングステンの面積の割合を被覆率とした。

発光管の黒化量減少は、３６５ｎｍの波長の光を測定対象とした照度維持率を測定することにより評価した。ここで、照度維持率とは、所定の波長の光の照度について、点灯開始時の照度と、任意の時間点灯した後の照度との比を、点灯開始時の照度を基準として百分率で表すものである。

今回の試験では、まず、波長３６５ｎｍに感度を持つフォトディテクタで点灯開始時の照度を測定した。次に、定格電力で２０００時間連続点灯後の照度を測定し、初期照度との比を照度維持率として算出した。結果を表１に示す。

表１に示すように、被覆率３～４０％の範囲では、タングステン粒子が付着していない場合よりも照度維持率が向上した。他方、被覆率５０％の場合は、タングステン粒子が付着していない場合と同等で、改善の効果は得られなかった。

なお、ランプ仕様の詳細は次の通りである。

［放電容器］
材質＝石英ガラス、全長＝１２０ｍｍ、
発光管部：最大外径＝９５ｍｍ、最大内径＝８５ｍｍ
［陽極］
材質＝タングステン、外径＝３５ｍｍ、全長５０ｍｍ
［陰極］
材質＝トリエーテッドタングステン、外径＝１２ｍｍ、全長３５ｍｍ
［発光物質］
水銀量＝３ｇ
［バッファガス］
クリプトンガス：封入圧＝４気圧
［極間］
陽極先端と陰極先端の離間距離＝７ｍｍ
［電気特性］
定格電力＝４．５ｋＷ、定格電圧＝１４５Ｖ、定格電流＝３１Ａ
［点灯姿勢］
垂直点灯

以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態に限定されるものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明だけではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

上記の各実施形態で採用している構造を他の任意の実施形態に採用することは可能である。各部の具体的な構成は、上記した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。さらに、下記する各種の変更例に係る構成や方法等を任意に一つ又は複数選択して、上記した実施形態に係る構成や方法等に採用してもよい。

（１）上記の実施形態では、陽極２の外表面のみに被膜５が設けられているが、陰極３の外表面にも被膜５を設けてもよく、陰極３の外表面のみに被膜５を設けても構わない。

（２）上記の実施形態では、垂直点灯のランプ１００を例に説明したが、水平点灯の場合も電極に沿う発光ガスの流れは生じるから、発光管の黒化量減少の効果を得ることができる。

１ ：発光管
２ ：陽極
２ｂ ：陽極の外周面
３ ：陰極
５ ：被膜
１００ ：ショートアーク型放電ランプ
Ｗ ：タングステン粒子

Claims (6)

1. 発光管の内部に一対の電極が対向して配置されているショートアーク型放電ランプにおいて、
   前記一対の電極はタングステンを含んで形成され、
   前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極の第一の外表面には、セラミックスを含む被膜が形成されており、前記被膜の第二の外表面の一部にタングステンの粒子が付着していることを特徴とするショートアーク型放電ランプ。
2. 前記ショートアーク型放電ランプの点灯姿勢が垂直方向であることを特徴とする請求項１に記載のショートアーク型放電ランプ。
3. 前記一対の電極のうち上方に位置する電極の前記第一の外表面に、セラミックスを含む被膜が形成されており、前記被膜の前記第二の外表面の一部にタングステンの粒子が付着していることを特徴とする請求項２に記載のショートアーク型放電ランプ。
4. 前記上方に位置する電極が陽極であることを特徴とする請求項３に記載のショートアーク型放電ランプ。
5. 前記被膜の前記第二の外表面に対する前記タングステンの粒子の被覆率は、３％から４０％であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のショートアーク型放電ランプ。
6. 前記セラミックスは、金属酸化物、金属炭化物、金属ホウ化物、金属ケイ化物、および金属窒化物のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のショートアーク型放電ランプ。

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