JP7377750B2 - 放電ランプおよび放電ランプ用電極の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、一対の電極を備えた放電ランプに関し、特に、電極の内部構造に関する。

放電ランプは、点灯中に電極先端部が高温となり、タングステンなどの電極材料が溶融、蒸発し、放電管が黒化して、ランプ照度低下を招く。電極先端部の過熱を防ぐため、例えば、耐久性のある金属から成る電極先端部と、熱伝導性のより高い金属から成る胴体部とを別々に成形し、固相接合などによって接合する（特許文献１参照）。また、電極内部に電極軸方向に沿った隙間を形成し、放熱空間として機能させる（特許文献２参照）。

特許第５４７２９１５号公報 特開２０１８－１４２４８２号公報

近年、露光対象物の大型化、スループット向上のためにランプの高出力化（大電力化）が求められている。これに伴ってランプ点灯中の電極温度も高くなり、電極の温度上昇をこれまでよりも効果的に抑えることができる電極構造が求められる。

本発明の放電ランプは、放電管と、放電管内に対向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、内部空間を有する。例えば内部空間は、密閉された真空の空間として構成される。

本発明では、内部空間の表面に、互いに向かい合う放熱／吸熱構造を設けている。ここで、「放熱／吸熱構造」とは、ランプ点灯時に熱放射および熱を吸収可能な構造を示し、一方が熱放射構造として機能するとき、他方は熱の吸収構造として機能する。また、放熱／吸熱構造には、溝や粗面などの表面形状、コーティング素材などの構成が含まれる。

本発明の放熱／吸熱構造は、互いに向かい合っている。ここで、「互いに向かい合う」とは、放熱構造と吸熱構造が同じ領域サイズで向かい合うだけでなく、一方の放熱構造（または吸熱構造）の領域の一部分が、他方の吸熱構造（または放熱構造）の領域と向かい合うような構造も含まれる。また、内部空間の向かい合う表面全体に放熱／吸熱構造を設けてもよく、部分的に設けてもよい。

例えば、放電ランプを鉛直方向に沿って配置する場合、内部空間の電極先端側の表面に放熱構造を設け、電極先端側の表面と向かい合う表面に吸熱構造を設けてもよい（吸熱構造は放熱構造であり、吸熱構造は放熱構造でもある）。

互いに向かい合う放熱／吸熱構造は、同じ構成にすることで、放射率、吸収率の特性を同等にすることができる。例えば、ともに溝形状、あるいはともにコーティングなどで構成することができる。また、内部空間の電極先端側の表面、それと向かい合う表面だけでなく、内部空間の電極軸に沿った表面に、互いに向かい合う側面側放熱／吸熱構造を設けることも可能である。

電極先端面から内部空間の放熱構造の設けられた電極先端側表面までの電極軸に沿った長さを、電極先端側表面から吸熱構造の設けられた内部空間の電極支持棒側表面までの電極軸に沿った長さより小さくして、熱伝導から熱放射への移行を早めることも可能である。

本発明の他の態様である放電ランプ用電極の製造方法は、複数の電極用部材を固相接合させる放電ランプ用電極の製造方法であって、複数の電極用部材が、一方の端面に放熱／吸熱構造を設けた柱状の第１電極用部材と、一方の端面に放熱／吸熱構造を設けた柱状の第２電極用部材と、両端が開口する筒状部材とを含み、第１電極用部材と、第２電極用部材とを、それぞれ放熱／吸熱構造を設けた端面側で筒状部材との間で固相接合させる。例えば、複数の部材の間に中間部材を設けてもよい。

本発明の他の態様である放電ランプ用電極の製造方法は、一方の端面に放熱構造を設けた柱状の電極先端側部材と、一方の端面に吸熱構造を設けた柱状の電極支持棒側部材と、両端が開口する筒状胴体部材とを成形し、電極先端側部材と、電極支持棒側部材とを、それぞれ放熱／吸熱構造を設けた端面側で筒状胴体部材と固相接合させる。例えば、電極先端側部材と、電極支持側部材とに、同じ構成の放熱／吸熱構造を形成することができる。

本発明によれば、放電ランプにおいて、効果的に放熱を行って電極温度を抑えることができる。

第１の実施形態である放電ランプの平面図である。 第１の実施形態の電極の概略的断面図である。 放熱／吸熱構造を示した図である。 電極の製造方法を示した図である。 第２の実施形態の電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の実施形態である放電ランプの平面図である。

ショートアーク型放電ランプ１０は、高輝度の光を出力可能な大型放電ランプであり、透明な石英ガラス製の略球状放電管（発光管）１２を備え、放電管１２内には、タングステン製の一対の電極２０、３０が対向配置される。放電管１２の両側には、石英ガラス製の封止管１３Ａ、１３Ｂが放電管１２と連設し、一体的に形成されている。放電管１２内の放電空間ＤＳには、水銀とハロゲンやアルゴンガスなどの希ガスが封入されている。

陰極である電極２０は電極支持棒１７Ａによって支持されている。封止管１３Ａには、電極支持棒１７Ａが挿通されるガラス管（図示せず）と、外部電源と接続するリード棒１５Ａと、電極支持棒１７Ａとリード棒１５Ａを接続する金属箔１６Ａなどが封止されている。陽極である電極３０についても同様に、電極支持棒１７Ｂが挿通されるガラス管（図示せず）、金属箔１６Ｂ、リード棒１５Ｂなどのマウント部品が封止されている。また、封止管１３Ａ、１３Ｂの端部には、口金１９Ａ、１９Ｂがそれぞれ取り付けられている。

一対の電極２０、３０に電圧が印加されると、電極２０、３０の間でアーク放電が発生し、放電管１２の外部に向けて光が放射される。ここでは、１ｋＷ以上の電力が投入される。放電管１２から放射された光は、反射鏡（図示せず）によって所定方向へ導かれる。例えば露光装置に放電ランプ１０が組み込まれた場合、放射光はパターン光となって基板などに照射される。

図２は、第１の実施形態の電極３０の概略的断面図である。図３は、放熱部を上から見た平面図である。なお、電極２０についても同様の構造にすることが可能である。

電極３０は、内部に密閉空間４０を設けた電極であり、電極支持棒１７Ｂと繋がる後端側部材３２と、電極先端面３０Ｓを有する先端側部材３４と、両端が開口する胴体部材３６とを接合することによって形成されている。ここでは、ＳＰＳなどの固相接合によって接合されている。

後端側部材３２は、軸方向Ｘ（以下では、電極軸Ｘともいう）に沿って厚さ略一定の円柱状部材であり、先端側部材３４は円錐台状に形成されている。後端側部材３２、先端側部材３４、胴体部材３６に囲まれた内部空間４０は、ここでは円柱状空間として構成され、電極軸Ｘに同軸的に形成されている。また、内部空間４０は真空状態にある。

内部空間４０の電極先端側表面（以下、底面という）４０Ｓ１、すなわち先端側部材３４の一部端面には、放熱部（放熱構造）５０Ａが設けられている。また、電極支持棒側表面（以下、天井面という）４０Ｓ２、すなわち後端側部材３２の一部端面にも、放熱部（吸熱構造）５０Ｂが設けられている。電極先端面３０Ｓから内部空間４０の底面４０Ｓ１までの電極軸Ｘに沿った長さＬ１は、底面４０Ｓ１から天井面４０Ｓ２までの電極軸Ｘに沿った長さＬ２より短い（Ｌ１＜Ｌ２）。

図３に示すように、内部空間４０の底面４０Ｓ１に形成された放熱部５０Ａは、同心円状に径方向所定間隔で形成された溝Ｇによって構成され、溝の深さは略一定である。放熱部５０Ａは、レーザー加工や切削加工などの既知の手段によって形成することが可能である。反対側の天井面４０Ｓ２に形成された放熱部５０Ｂも、同じ同心円状の溝によって構成され、溝の形状、深さ、形成領域は放熱部５０Ａと同じである。なお、図２では溝Ｇの深さ（放熱部５０Ａ、５０Ｂの厚さ）を誇張して描いている。

電極軸Ｘに沿って互いに向かい合う放熱部５０Ａ、５０Ｂは、以下述べるように、ランプ点灯中において効果的な放熱を実現することができ、電極温度を抑制することができる。

一般に、熱は、熱伝導、対流（熱伝達）、熱放射（熱輻射）の３つの方法で伝達される。熱伝導では、分子間振動あるいは自由電子の移動により、物質によって熱が伝達される。対流は、固体面から流体へ伝達し、温度差によって生じた流体の移動によって熱が運ばれる。一方、熱放射は、熱が電磁波によって運ばれる現象であり、物質を介さずに熱が伝達される。

ランプ点灯中の電極温度は約２０００℃であり、３０００℃近くにまで達する場合もある。このような高温状態では、熱放射が熱伝導よりも主体的となる。電極先端面３０Ｓの熱は、熱伝導によって電極支持棒１７Ｂ側へ輸送されるが、内部空間４０を形成したことによって、内部空間４０の底面４０Ｓ１から天井面４０Ｓ２へ向けて熱が放射される。

このとき放熱部５０Ａは、熱を内部空間４０へ効果的に放熱する放熱構造として機能する。電磁波として放射される熱の多くは、電極軸Ｘに沿って進み、底面４０Ｓ１と対向する天井面４０Ｓ２に形成された放熱部５０Ｂに伝達される。

ここで、キルヒホフの法則により、熱放射しやすい物体はそれと同程度に熱を吸収しやすく、放射率と吸収率は等しい。放熱部５０Ｂは放熱部５０Ａと同じ構成、同じ形成領域になっていることから、優れた吸収率によって熱を吸収する吸熱構造として機能し、後端側部材３２へ伝達する。伝達された熱の一部は、電極支持棒１７Ｂへ熱伝導によって輸送され、また、熱の一部は電極外表面から放射される。

このように本実施形態によれば、放電ランプ１０の電極３０内部に対して密閉した内部空間４０を形成し、電極軸Ｘに沿って互いに対向する放熱部５０Ａ、５０Ｂを形成する。熱放射を主体とする熱の輸送に効果的な内部空間４０の形成および放熱部５０Ａ、５０Ｂの形成により、ランプ温度を効果的に抑制することができる。

内部空間４０が真空状態にあるため、効果的に熱を天井面４０Ｓ２側へ移動させることができるとともに、放熱部５０Ａ、５０Ｂの構成がともに溝であって形成領域（サイズ）も同じであるため、同程度の熱放射、熱の吸収となり、放射と吸収のバランスが良好となって熱を滞ることなく輸送することができる。

また、熱伝導、あるいは対流が主なランプ温度状態においても、放熱部５０Ａの存在によって内部空間４０へ効果的に伝達されて、天井面４０Ｓ２から後端側部材３２への熱伝導も放熱部５０Ｂによって効果的に行われる。

さらに、電極先端面３０Ｓから内部空間４０の底面４０Ｓ１までの長さＬ１、すなわち放熱部５０Ａまでの長さＬ１が、底面４０Ｓ１から放熱部５０Ｂが設けられた天井面４０Ｓ２までの長さＬ２よりも短いため、放熱部５０Ａがアークに近づき、熱伝導から熱放射へ早く移行することができる。

なお、溝Ｇ以外の構成によって放熱部５０Ａ、５０Ｂを構成することも可能である。例えば、放熱素材（炭化膜や酸化膜の放熱層）などで底面４０Ｓ１、天井面４０Ｓ２を覆うようにしてもよく、また、カーボンナノチューブなどの放射率（吸収率）の高い部材などを適用することもできる。放熱性を向上させる形状、素材を設けた領域を形成すればよい。また、放熱部５０Ａ、５０Ｂを同じ構成にしなくてもよく、放熱部５０Ａ、５０Ｂの一方をコーティングなどで構成してもよい。さらに、放熱部５０Ａ、５０Ｂを設ける領域サイズを相違させてもよい。

図４は、電極３０の製造工程を示した図である。

まず、柱状の電極先端側部材１１０と、柱状の電極支持棒側部材１３０とを形成し、また、両端が開口した筒状の胴体部材１２０を形成する。電極先端側部材１１０、電極支持棒側部材１３０の一端の表面に、レーザー加工などによって溝から成る放熱部５０Ａ、５０Ｂを形成する。このとき、放熱部５０Ａ、５０Ｂが同じ形状、領域サイズとなるように加工する。

そして、ＳＰＳなどの固相接合によって、電極先端側部材１１０、胴体部材１２０、電極支持棒側部材１３０を互いに接合する。このとき、放熱部５０Ａ、５０Ｂを設けた端面を、胴体部材１２０の両端と固相接合させ、放熱部５０Ａ、５０Ｂを互いに対向させるようにする。その後、切削によって所望する電極形状にする。

内部空間４０を形成する固相接合の後に切削加工する工程を採用することで、固相接合前に放熱部を形成することができ、接合後の電極形状に左右されずに所望する放熱部を形成することができる。

図４では、内部空間４０の底面４０Ｓ１、天井面４０Ｓ２と同じ領域サイズだけ放熱部５０Ａ、５０Ｂを設けているが、電極先端側部材１１０、電極支持棒側部材１３０の端面全体に形成し、固相接合してもよい。また、より多くの部材を用意し、それらを互いに固相接合させるようにしてもよい。

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、内部空間側面に沿って放熱部が設けられ、また、内部空間底面に柱状部が形成されている。

電極１００は、内部空間１４０を備え、柱状部１６０が、内部空間１４０の底面１４０Ｓ１から電極軸Ｘに沿って延びるように同軸的に設けられている。柱状部１６０の表面１６０Ｓには、第１の実施形態とは異なり、コーティング素材によって放熱部１５０Ａが構成される。また、底面１４０Ｓ１と対向する天井面１４０Ｓ２にも、コーティング素材によって放熱部１５０Ｂが構成される。

放熱部１５０Ａの領域サイズは、放熱部１５０Ｂの領域サイズよりも小さい。また、電極先端面１３０Ｓから放熱部１５０Ａまでの長さＬ１、すなわち柱状部１６０の表面１６０Ｓまでの長さＬ１が、放熱部１５０Ｂを設けた天井面１４０Ｓ２から柱状部１６０の表面１６０Ｓまでの長さＬ２よりも短い。このような構成により、例えば柱状部１６０を熱伝導性の高い別素材などにすることによって、熱伝導と熱放射両方を効果的に行うことができる。また、天井面全体に放熱部を設けるため、熱の吸収も効果的となる。

一方、内部空間１４０の側面１４０Ｔには、互いに対向する放熱部（側面側放熱／吸熱構造）２５０Ａ、２５０Ｂが設けられている。放熱部２５０Ａ、２５０Ｂは、ここでは弧状に形成され、例えば、コーティング素材などによって構成される。内部空間１４０の側面１４０Ｔにも放熱部を設けることにより、電極軸Ｘに垂直な方向に沿った放熱も効果的になる。なお、内部空間を密閉空間とせず、希ガス等を封入するように構成してもよい。

ショートアーク型放電ランプ以外の放電ランプに対して適用することも可能であるが、電極の温度上昇を抑えることができることから、１ｋＷ以上の比較的大きな電力の放電ランプに好適である。また、接合方法は固相接合（ＳＰＳ、ＨＰなど）が好適だが、他の接合方法（例えば溶融接合）も適用できる。接合の際、先端側部材と後端側部材との間（第１電極用部材と第２電極用部材との間）に中間部材を挟み、接合面間の密着化をしてもよい。さらに、先端側部材、後端側部材は、タングステンやモリブデン、あるいはこれらの合金、セラミックなどでもよく、またエミッターを含有させてもよく、適宜選択できる。

１０ 放電ランプ
３０ 電極（陽極）
３２ 後端側部材
３４ 先端側部材
４０ 内部空間
５０Ａ、５０Ｂ 放熱部（放熱／吸熱構造）

Claims (10)

1. 放電管と、
   前記放電管内に対向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、電極支持棒と繋がる後端側部材と、一方の端部が前記後端側部材と接合する胴体部材と、前記胴体部材の他方の端部と接合し、電極先端面を有する先端側部材とを有し、
   前記後端側部材、前記先端側部材、前記胴体部材によって囲まれた、前記電極内の内部空間の表面に、互いに向かい合う放熱／吸熱構造を設けたことを特徴とする放電ランプ。
2. 前記内部空間の電極先端側の表面に放熱構造を設け、前記電極先端側の表面と向かい合う表面に吸熱構造を設けたことを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
3. 互いに向かい合う放熱／吸熱構造が、同じ構成であることを特徴とする請求項１または２に記載の放電ランプ。
4. 前記内部空間の電極軸に沿った表面に、互いに向かい合う側面側放熱／吸熱構造をさらに設けてい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. 前記電極先端面から前記内部空間の放熱構造の設けられた電極先端側表面までの電極軸に沿った長さが、前記電極先端側表面から前記吸熱構造の設けられた前記内部空間の電極支持棒側表面までの電極軸に沿った長さより、小さ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。
6. 前記内部空間が、密閉された真空の空間であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の放電ランプ。
7. 熱放射が主体的となるような前記放熱／吸熱構造の温度で、点灯す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. 複数の電極用部材を固相接合させる放電ランプ用電極の製造方法であって、
   前記複数の電極用部材が、一方の端面に放熱／吸熱構造を設けた柱状の第１電極用部材と、一方の端面に放熱／吸熱構造を設けた柱状の第２電極用部材と、両端が開口する筒状部材とを含み、
   前記第１電極用部材と、前記第２電極用部材とを、それぞれ前記放熱／吸熱構造を設けた端面側で前記筒状部材との間で固相接合させる
   ことを特徴とする放電ランプ用電極の製造方法。
9. 一方の端面に放熱構造を設けた柱状の電極先端側部材と、一方の端面に吸熱構造を設けた柱状の電極支持棒側部材と、両端が開口する筒状胴体部材とを成形し、
   前記電極先端側部材と、前記電極支持棒側部材とを、それぞれ前記放熱／吸熱構造を設けた端面側で前記筒状胴体部材と固相接合させる
   ことを特徴とする放電ランプ用電極の製造方法。
10. 前記電極先端側部材と、前記電極支持側部材とに、同じ構成の放熱／吸熱構造を形成することを特徴とする請求項９に記載の放電ランプ用電極の製造方法。

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