JP7413939B2 - 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し、特にランプ点灯時に電極温度を低下させるために電極の外表面に放熱層が形成されている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。

このような放熱層は、製造時において電極表面に付着させ難く、また剥がれやすいという問題があり、特に、金属の酸化物などのセラミックスは、高温でも安定なものであるためにこの問題が顕著に生じる。

また、電極を構成するタングステンの熱膨張係数が４．５×１０^－６／Ｋであるのに対して、例えば放熱層を構成する酸化ジルコニウムの熱膨張係数は１０．５×１０^－６／Ｋと差が大きく、ランプの点灯と消灯による電極の膨張及び収縮により放熱層が剥がれてしまう場合があるという問題があった。

このような問題の解決手段として、ブラスト処理等によって、電極表面の凹凸を増やし、アンカー効果により剥離強度を高める試みがなされている。

特開２００４－２５９６３９号公報

しかしながら、電極表面の切削加工による溝加工、ブラスト処理等で形成される凹凸は、電極表面に窪みを形成したにすぎず、電極表面に対して水平方向の力にはある程度のアンカー効果はあるが、電極表面の法線方向に引き剥がす力に対するアンカー効果は強いとは言えず、剥がれが生じる場合があった。

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放熱層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、かつ膜剥がれが生じることのない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、
前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極の外表面には、鱗状構造が形成され、
前記鱗状構造は、前記外表面の法線方向に対して傾斜する方向に前記外表面から突出して、前記外表面とのなす角度が鈍角である表面および前記外表面とのなす角度が鋭角である裏面を有する複数の鱗片状の突起を含み、
前記鱗状構造が形成された前記外表面は、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で覆われており、
前記裏面と前記外表面とで挟まれる空間に前記被膜の一部が入り込んでいるものである。

この構成によれば、電極の外表面は、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放射率が高い被膜（放熱層）で覆われているため、放射性に優れる。また、被膜の一部が、鱗片状の突起の裏面と電極の外表面とで挟まれる空間に入り込んでいることで、外表面の法線方向に被膜を引き剥がす力に対するアンカー効果が効果的に得られるため、本発明のショートアーク型放電ランプは膜剥がれが生じることがなく長寿命である。

本発明のショートアーク型放電ランプにおいて、前記鱗状構造が形成された前記外表面は、円柱状の胴部を有する前記電極の外周面であるという構成でもよい。また、前記突起は、前記外周面の法線方向に対して前記電極の周方向に傾斜する方向に突出するという構成でもよい。また、前記被膜の膜厚は、５μｍ以上２００μｍ以下であるという構成でもよい。

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 被膜を形成する前の陽極の外表面の拡大写真（表面の像） 被膜を形成する前の陽極の外表面の拡大写真（断面の像） 鱗片状突起の形成方向を示す図 鱗状構造の拡大図 図３Ｂに示す陽極のＱ領域拡大図 従来構造の周方向断面の拡大図 旋盤加工の様子を模式的に示す図 実施例等の評価結果 シェーパー加工の様子を模式的に示す図

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、陽極はタングステン、陰極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、放熱層としての被膜５が設けられている。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。すなわち、被膜５は、放熱性を向上させるための高輻射膜であり得る。

被膜５の材料は、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、例えばアルミナ、ジルコニア、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。

図３Ａ、Ｂは、被膜５を形成する前の陽極２の外表面の拡大写真（ＳＥＭ像）であり、図３Ａが表面、図３Ｂが断面の像である。陽極２の外表面に、微細な鱗状構造が形成されている。鱗状構造は、外表面の表面状態を鱗状にした構造であり、複数の鱗片状突起６が含まれる。鱗片状突起６は、陽極２の外表面の法線方向に対して傾斜する方向に陽極２の外表面から突出している。

図４は、鱗片状突起６の形成方向を示す図である。また、図５は、鱗状構造の拡大図であり、（ａ）は陽極２の軸方向断面の拡大図、（ｂ）は陽極２の平面の拡大図、（ｃ）は陽極２の周方向断面の拡大図である。なお、図５では、陽極２の軸方向をＸ方向、周方向（周方向の接線方向）をＹ方向、法線方向をＺ方向としている。

鱗片状突起６は、例えば旋盤加工により電極表面を鋭角にめくり上げるようにして形成される。より具体的には、鱗片状突起６は、陽極２を周方向に回転させながら外周面２ｂに切削工具を押し当てることにより形成される。図４に示すように、複数の鱗片状突起６はすべて同じ向きに突出するように形成される。本実施形態の鱗片状突起６は、外周面２ｂの法線方向（外周面２ｂの径方向）に対して陽極２の周方向（Ｙ方向）に傾斜する方向に突出している。

鱗片状突起６は、外周面２ｂとのなす角度が鈍角である表面６１と、外周面２ｂとのなす角度が鋭角である裏面６２と、を有する（図５（ｃ）参照）。なお、外周面２ｂとのなす角度は、外周面２ｂが曲面状であれば、鱗片状突起６が位置する部位における外周面２ｂの接線方向とのなす角度である。

図６は、図３Ｂに示す陽極２のＱ領域拡大図である。鱗片状突起６の裏面６２と外周面２ｂとのなす角度θは５～３０°であった。

また、外周面２ｂから鱗片状突起６の裏面６２の突出端６２ａまでの高さＨは３～１５μｍであった。

また、外周面２ｂの法線方向（Ｚ方向）から見た鱗片状突起６の裏面６２の突出長さＬは１０～５０μｍであった。なお、突出長さＬは、裏面６２の基端６２ｂから突出端６２ａまでのＹ方向における長さである。

また、鱗片状突起６のＸ方向の幅は、最小で１０μｍ程度、最大で０．４ｍｍ程度であった。

被膜５は、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形成される。この塗布の際、被膜５を構成する粒子は鱗片状突起６の裏面６２と外周面２ｂとの間の隙間に入り込む（図５において、被膜５の粒子を円で模式的に示している）。その結果、被膜５は、図５に示すように、一部が裏面６２と外周面２ｂとで挟まれる空間に入り込んだ状態で形成される。なお、鱗片状突起６同士がＺ方向に部分的に重なる場合には、被膜５の一部が一方の鱗片状突起６の裏面６２と他方の鱗片状突起６の表面６１との隙間に入り込んだ状態となることもある。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。本実施形態の被膜５の膜厚は、１０～５０μｍ程度であった。

被膜５を構成する材料の粒子の平均粒径は、１～１０μｍであるのが好ましい。例えば、平均粒径が２μｍの粒子と平均粒径が５μｍの粒子を組み合わせるなど、平均粒径が異なる複数の材料を用いても構わない。

複数の鱗片状突起６を有する鱗状構造によるアンカー効果について、図５を参照して説明する。図７は、従来構造（サンドブラスト加工により形成された構造）によるアンカー効果の説明図であり、図５（ｃ）の周方向断面の拡大図に対応する。なお、従来構造の窪み９の断面は、Ｙ方向も同様となっている。

図５（ａ）に示すように、鱗状構造において鱗片状突起６がめくれ上がる高さは一様ではなく、ばらつきがある。このため、図７に示す従来構造と同様、粒子をＸ方向に拘束する。

また、図５（ｂ）に示すように、鱗片状突起６はＹ方向に連続して設けられ、かつ、めくれ上がる高さにばらつきがある。このため、図７に示す従来構造と同様、粒子をＹ方向に拘束する。

さらに、図５（ｃ）に示すように、粒子が鱗片状突起６の裏面６２と外周面２ｂとの間の隙間に入り込み、かつ、粒子同士はそれぞれ結合しているため、粒子をＺ方向に拘束する。他方、図７に示す従来構造においては、上記のようにＸ方向およびＹ方向（陽極２の軸方向および周方向）のアンカー効果は得られるが、Ｚ方向（法線方向）に拘束する力は弱く、強いアンカー効果は得られない。

以上より、本発明の鱗状構造では、従来構造よりも強いアンカー効果を得ることができ、陽極２の外表面（本実施形態では外周面２ｂ）に設けられる被膜５の剥離強度が高められる。

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。なお、実施例等における評価は、下記のような試験により行った。

（１）テープ引き剥がし試験
焼結後の被膜５の付着性の評価として、ＪＩＳ Ｋ ６８５４に準拠して剥離接着強さ試験を行った。具体的には、まず、被膜５を塗布して焼結した後のφ２９ｍｍの陽極２の外周面２ｂの周方向に、１５ｍｍ幅のセロハン粘着テープ（ニチバン株式会社製：ＣＴ４０５ＡＰ、付着力３．９３Ｎ/１０ｍｍ）を貼り付け、急速に引き剥がし、テープの粘着面に被膜５の付着が有るかどうかを目視で確認した。

（２）昇降温繰り返し試験
熱による電極の膨張及び収縮に対する被膜５の付着性の評価として、被膜５を塗布して焼結した陽極２を搭載したランプ１００を定格電力の６０００Ｗで１時間点灯した後に、３０分消灯する点滅点灯試験を５０回繰り返し、被膜５の剥がれについて目視で確認した。このとき、陽極２の外周面２ｂの被膜５のうち最も先端面２ａに近い部分は約２，０００℃に達している。

［実施例１］
以下の仕様の陽極２を作製し、実施例１とした。陽極２の外周面２ｂの鱗状構造は、旋盤加工により形成させた。旋盤加工には、超硬合金のバイト（切削チップ）を用い、下記条件で切削した。図８は、旋盤加工の様子を模式的に示す図である。旋盤加工では、陽極２を周方向に回転させながらバイトを軸方向に移動させて切削する。被膜５の材料はＺｒＯ_２（ジルコニア）とした。形成させた被膜５の膜厚は約５０μｍである。
・バイト（切削チップ）：超硬合金製、ノーズＲ（チップ先端のＲ処理）０．４ｍｍ
・旋盤の回転速度：３４６ｒｐｍ
・刃物突っ込み量：５０μｍ
・すくい角度：２０°～３０°

［比較例１］
外周面２ｂに微細な凹凸を形成していない陽極２を比較例１とした。被膜５の材料と膜厚は実施例１と同様である。

［比較例２］
外周面２ｂにアルミナの粉を吹き付け、微細な凹凸を形成した（サンドブラスト加工した）陽極２を比較例２とした。これは、図７を参照して上述した構造を模擬したものである。また、被膜５の材料と膜厚は実施例１と同様である。

上記試験による評価結果を図９に示す。テープ引き剥がし試験にてテープの粘着面に被膜５の付着が有った場合を「Ａ」、被膜５の付着が無かった場合を「Ｂ」とする。また、昇降温繰り返し試験にて被膜５の剥がれが有った場合を「Ｃ」、被膜５の剥がれが無かった場合を「Ｄ」とする。

図９に示すように、比較例１は、テープ引き剥がし試験にてテープの粘着面に被膜５の付着が見られた。なお、テープ引き剥がし試験で「Ａ」のため、昇降温繰り返し試験は行っていない。

比較例２は、テープ引き剥がし試験で「Ｂ」であったが、昇降温繰り返し試験にて目視で被膜５の剥がれが見られた。さらに、比較例２では、ランプ１００を水平点灯した状態で、発光管１の内部に被膜５の剥がれによる異物が確認された。

実施例１では、テープ引き剥がし試験および昇降温繰り返し試験の何れにおいても被膜５の剥がれが生じなかった。

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の外表面にも被膜を設けてもよく、陰極３の外表面のみに被膜を設けても構わない。

（２）上記の実施形態では、旋盤加工により鱗状構造を形成しているが、これに限定されない。例えば、シェーパー加工（セーパー加工）により鱗状構造を形成してもよい。図１０に示すように、シェーパー加工では、電極を周方向に所定のピッチで回転させながらバイトを軸方向に移動させて切削する。シェーパー加工により形成された鱗片状突起は、外周面の法線方向に対して電極の軸方向に傾斜する方向に突出する。

１ ：発光管
２ ：陽極
２ｂ ：陽極の外周面
３ ：陰極
４ ：リード棒
５ ：被膜
６ ：鱗片状突起
６１ ：鱗片状突起の表面
６２ ：鱗片状突起の裏面
６２ａ ：突出端
６２ｂ ：基端
１００ ：ショートアーク型放電ランプ（ランプ）
Ｓ１ ：発光空間
θ ：角度
Ｈ ：高さ
Ｌ ：突出長さ

Claims (4)

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、
   前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極の外表面には、鱗状構造が形成され、
   前記鱗状構造は、前記外表面の法線方向に対して傾斜する方向に前記外表面から突出して、前記外表面とのなす角度が鈍角である表面および前記外表面とのなす角度が鋭角である裏面を有する複数の鱗片状の突起を含み、
   前記鱗状構造が形成された前記外表面は、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で覆われており、
   前記裏面と前記外表面とで挟まれる空間に前記被膜の一部が入り込んでいることを特徴とするショートアーク型放電ランプ。
2. 前記鱗状構造が形成された前記外表面は、円柱状の胴部を有する前記電極の外周面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. 前記突起は、前記外周面の法線方向に対して前記電極の周方向に傾斜する方向に突出す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. 前記被膜の膜厚は、５μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載のショートアーク型放電ランプ。