JP7615917B2 - 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。

ショートアーク型放電ランプ（以下、単に「ランプ」ともいう）は、半導体素子または液晶表示素子の製造工程に用いられる露光装置の光源として、広く用いられている。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発光管が黒化することが知られている。発光管が黒化すると、発光管の光透過率が低下する。

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には陽極の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

特許文献１に記載のランプにおいて、放熱層の密着強度を向上するために、陽極の表面にＲｍａｘ１０μｍ以上の凹凸面を形成し、その表面に放熱層を設けている。そして、放熱層の表面層をＲｍａｘ２μｍ～１００μｍとした例が開示されている。

放熱性を高めるためには、放熱層の表面は凹凸面とすることが望ましい。しかしながら、陽極の表面に凹凸を設けたとしても、その上に形成させる放熱層の厚みによっては、放熱層の表面に凹凸（陽極表面の凹凸形状を反映した凹凸）が形成されず、効果的に放熱できない場合がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、放熱性に優れ、ランプ点灯時の電極材料の蒸発が抑制された、長寿命のショートアーク型放電ランプを提供することを目的とする。

本発明に係るショートアーク型放電ランプは、発光管と、前記発光管の内部に対向して配置された一対の電極と、を備え、
前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極は、円筒状の外周面を有し、
前記外周面は、周方向に延びる周方向溝が軸方向に複数並べられた凹凸構造と、前記凹凸構造の凹凸表面に形成されたセラミックスを含む第一の被膜と、を有し、
前記周方向溝の溝深さをａ（μｍ）、前記周方向溝の溝底から前記第一の被膜の表面までの距離をｂ（μｍ）としたとき、下記式（１）の関係を満たすものである。
１≦ｂ／ａ≦４ （１）

この構成によれば、第一の被膜の表面に、凹凸構造の凹凸形状を反映した凹凸が形成されるため、その凹凸によって放熱性が向上する。その結果、本発明のショートアーク型放電ランプは、電極の放熱性に優れるため、ランプ点灯時の電極材料の蒸発が抑制され、長寿命化する。

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。

また、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、酸化ジルコニウムを主成分とするものであるという構成でもよい。
なお、本明細書において、「主成分」とは、質量基準で含有率が最大となる成分を意味する用語として用いられる。

これらの構成によれば、第一の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。

本発明のショートアーク型放電ランプにおいて、前記一方の電極は、先端に向かうにつれて外径が小さくなる電極前部を有し、
前記電極前部の表面には、前記セラミックスよりも高融点の金属を含む第二の被膜が形成されているという構成でもよい。

また、本発明のショートアーク型放電ランプにおいて、前記一方の電極は、先端に向かうにつれて外径が小さくなる電極前部を有し、
前記電極前部の表面には、微細溝加工が施されているという構成でもよい。

これらの構成によれば、電極の放熱性をさらに高めることができる。

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II部領域の拡大図 図２で示すIII部領域の拡大断面図 第一の被膜の厚みが厚い場合の拡大断面図 陽極の断面のＳＥＭ像をトレースした図 陽極の断面のＳＥＭ像をトレースした図 他の実施形態に係る陽極の正面図 他の実施形態に係る陽極の正面図

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１（以下、「ランプ１」という）は、発光管２と、発光管２の内部に対向配置された陽極３および陰極４と、を備える。陽極３および陰極４は、それぞれリード棒５により支持されている。

本実施形態のランプ１は、半導体素子または液晶表示素子の製造工程で使用される露光装置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２は、ガラス管の中央を膨らませて形成される。発光管２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２の外形は、球体または楕円球体である。

発光管２は、発光管２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２１を有する。発光管２は、封止管部２１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２１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２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が封入されている。

発光管２の内部には、陽極３および陰極４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３と陰極４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３の材質はタングステン、陰極４の材質はトリエーテッドタングステンである。

リード棒５は、陽極３および陰極４に接続され、封止管部２１内をＸ方向に延びる。陽極３および陰極４は、リード棒５の先端に固定されている。リード棒５の中心軸は、軸Ｘ１と重なるとよい。リード棒５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８は、封止管部２１の陽極３および陰極４から遠ざかる側を覆う。口金８は、リード棒５に電気的に接続される。

図２は、図１に示すランプ１のII部領域の拡大図である。陽極３の表面の一部には、セラミックスを含む第一の被膜６が形成されている。

陽極３は、軸Ｘ１を中心とした円柱状の本体部３ａと、先端に向かうにつれて（陰極４に向かうにつれて）外径が小さくなる電極前部３ｂとを有する。第一の被膜６は、本体部３ａの円筒状の外周面に形成されている。

第一の被膜６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３の温度を下げるためには、第一の被膜６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。

第一の被膜６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。第一の被膜６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（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）、ホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ_２）、ケイ化タンタル（ＴａＳｉ_２）、窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）が挙げられる。

図３は、図２で示すIII部領域の拡大断面図である。図３に示すように、陽極３の本体部３ａの外周面には、凹凸構造３０が設けられている。凹凸構造３０は、本体部３ａの周方向に延びる周方向溝３１が軸方向（Ｘ方向）に複数並べられて構成される。このような周方向溝３１は、例えば、旋盤加工により形成することができる。なお、旋盤加工により周方向溝３１を形成する場合、１周分の周方向溝３１が軸方向に独立して複数並べられるようにしてもよく、また複数の周方向溝３１が螺旋状に連続し、全体として一つの螺旋溝となるようにしてもよい。

凹凸構造３０の凹凸表面には、第一の被膜６が形成されている。第一の被膜６の表面６ａは、凹凸構造３０の凹凸形状を反映した凹凸が形成されている。第一の被膜６の表面６ａに、凹凸構造３０の凹凸形状を反映した凹凸が形成されていることで、その凹凸によって放熱性が向上する。

第一の被膜６の表面６ａに現れる凹凸は、第一の被膜６の厚みを制御することで形成され得る。図４は、図３よりも厚い第一の被膜６を形成した場合の拡大断面図である。図４に示すように、第一の被膜６の厚みが厚い場合、表面６ａには凹凸構造３０の凹凸形状を反映した凹凸が形成されない、または形成されても凹凸が小さい。

発明者は、鋭意研究により、第一の被膜６の表面６ａに、陽極３の表面に形成されている凹凸構造３０の凹凸形状を反映した凹凸を形成するためには、周方向溝３１の溝深さをａ（μｍ）、周方向溝３１の溝底３１１から第一の被膜６の表面６ａまでの距離をｂ（μｍ）としたとき、１≦ｂ／ａ≦４の関係を満たすように、第一の被膜６の厚みを調整する必要があることを見出した。なお、距離ｂは、周方向溝３１の溝底３１１における第一の被膜６の厚みとも言える。

ｂ／ａが１より小さい場合、第一の被膜６の厚みが薄すぎて凹凸構造３０の山が露出するおそれがある。一方、ｂ／ａが４より大きい場合、第一の被膜６の厚みが厚すぎて、第一の被膜６の表面６ａに、凹凸構造３０の凹凸形状を反映した凹凸が形成されないか、形成されていても凹凸が小さく、放熱性を高める効果があまり得られない。

周方向溝３１の溝深さａは、例えば１０μｍ～１００μｍが好ましい。溝深さａが１０μｍより小さいと、第一の被膜６の表面６ａに凹凸が形成されにくい。また、溝深さａが１００μｍより大きいと、第一の被膜６を周方向溝３１内に形成しにくい。

表面６ａの凹凸は、高低差が５μｍ以上であり、好ましくは１０μｍ以上である。高低差が５μｍより小さいと放熱性を高める効果が得られにくい。

第一の被膜６の厚みは、例えば、１０μｍ以上であるのが好ましい。被膜６の厚みが薄いと十分な放射率が得られない。また、表面６ａに凹凸を適切に形成するためには、第一の被膜６の厚みは、１００μｍ以下が好ましく、３０μｍ以下がより好ましい。

第一の被膜６の形成は、例えば、被膜６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３の本体部３ａの外周面に筆で塗布し、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。

図５及び図６は、陽極３の断面のＳＥＭ像をトレースした図である。このような陽極３の断面のＳＥＭ像は、初めにグラインダ（刃）で陽極３に切り込みを入れ、切り込みを入れた箇所を起点に陽極３を破断し、その破断面を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察して得られる。第一の被膜６の厚みは、ＳＥＭに付属する計測ソフトにより測定することができる。

図５は、周方向溝３１の溝深さａを３０μｍとし、周方向溝３１の溝底３１１から第一の被膜６の表面６ａまでの距離ｂを５０μｍとしたとき、すなわちｂ／ａが約１．６６のときのＳＥＭ画像をトレースしたものである。図６は、周方向溝３１の溝深さａを３０μｍとし、周方向溝３１の溝底３１１から第一の被膜６の表面６ａまでの距離ｂを１５０μｍとしたとき、すなわちｂ／ａが５のときのＳＥＭ画像をトレースしたものである。図５に示す例では、第一の被膜６の表面６ａに、凹凸構造３０の凹凸形状を反映した凹凸が形成されている。一方、図６に示す例では、第一の被膜６の表面６ａに、凹凸構造３０の凹凸形状を反映した凹凸がほとんど形成されていない。

陽極３の電極前部３ｂは、先端に向かうにつれて外径が小さくなる形状であればよく、図２に示すような、先端に向かうにつれて外径が一定の割合で小さくなる円錐台形状でなくてもよい。例えば、図７に示すように、電極前部３ｂの外周面が、先端に向かうにつれて外径が小さくなる割合が変化して曲線となる断面形状を有するように構成されてもよい。

電極前部３ｂの表面には、図８に示すように、セラミックスよりも高融点の金属を含む第二の被膜７が形成されていてもよい。セラミックスよりも高融点の金属を含む第二の被膜７は、セラミックスよりも耐熱性が高いため、ランプ点灯時に剥離するおそれがない。この第二の被膜７を設けることで、放熱性をさらに高めることができる。

セラミックスよりも高融点の金属とは、例えばタングステンである。第二の被膜７の形成は、例えば、タングステンの粒子を溶媒に分散させて、これを陽極３の電極前部３ｂの外周面に筆で塗布し、焼結することにより行われる。

また、電極前部３ｂの表面には、第二の被膜７を形成する代わりに、微細溝加工が施されていてもよい。微細溝加工を施すことで、放熱性をさらに高めることができる。微細溝加工は、レーザ加工機により行うことができる。微細溝は、例えば、深さが６５０μｍｍ、ピッチが１９５μｍで形成される。

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。

上記の実施形態では、陽極３の外周面のみに第一の被膜６が設けられているが、陰極４の外周面にも第一の被膜６を設けてもよく、陽極３の外周面に第一の被膜６を設けずに陰極４の外周面のみに第一の被膜６を設けても構わない。

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。

周方向溝３１の溝深さ（ａ）と、第一の被膜６の厚み（ｂ）を表１のように変えた複数の陽極３を作成した。周方向溝３１は、旋盤加工により形成した。周方向溝３１の溝深さは、旋盤加工の加工条件を変えることで調整できる。また、第一の被膜６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の粒子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３の外周面に筆で塗布した。そして、１５０℃で３０分間乾燥した後、真空雰囲気中で１９００℃、１２０分の熱処理を行った。第一の被膜６の厚みは、酸化ジルコニウムの粒子を分散させる溶媒の粘度を変えることで調整できる。

仕様を変えて作成した陽極３を組み込んだランプを、定格の２ｋＷ（電圧２５Ｖ、電流８０Ａ）で５００時間点灯させたときの照度維持率を評価した。評価結果を表１に示す。

なお、照度維持率は、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、次に、定格電力で５００時間連続点灯後の照度を測定し、初期照度との比を算出することにより求めた。

また、試験した各ランプに共通する仕様は以下の通りである。
［発光管］
材質：石英ガラス、全長：７０ｍｍ
最大径：φ５５ｍｍ
封入物：水銀２．５ｍｇ／ｃｃ
電極間距離：５ｍｍ
［陽極］
材質：タングステン
長さ：３０ｍｍ
本体部の径：φ２０ｍｍ
［陰極］
材質：トリエーテッドタングステン
長さ：２０ｍｍ
本体部の径：φ６ｍｍ

表１に示すように、ｂ／ａが０．８および５のときは、ａの値に依らず、５００時間点灯後の照度維持率が８０％未満となった。一方、ｂ／ａが１から４のときは、ａの値に依らず、８０％を超える照度維持率となった。

ｂ／ａが１から４となる範囲では、陽極３の放熱性が高く、電極材料の蒸発量が低減されるため高い照度維持率が実現される。また、ｂ／ａが１から２の範囲ではその効果がより大きい（９０％以上）。

１ ：ショートアーク型放電ランプ（ランプ）
２ ：発光管
３ ：陽極
３ａ ：本体部
３ｂ ：電極前部
４ ：陰極
６ ：第一の被膜
６ａ ：第一の被膜の表面
７ ：第二の被膜
３０ ：凹凸構造
３１ ：周方向溝
３１１ ：周方向溝の溝底
ａ ：周方向溝の溝深さ
ｂ ：周方向溝の溝底から第一の被膜の表面までの距離

Claims (5)

1. 発光管と、前記発光管の内部に対向して配置された一対の電極と、を備え、
   前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極は、円筒状の外周面を有し、
   前記外周面は、周方向に延びる周方向溝が軸方向に複数並べられた凹凸構造と、前記凹凸構造の凹凸表面に形成されたセラミックスを含む第一の被膜と、を有し、
   前記周方向溝の溝深さをａ（μｍ）、前記周方向溝の溝底から前記第一の被膜の表面までの距離をｂ（μｍ）としたとき、下記式（１）の関係を満たし、
   前記第一の被膜の表面の凹凸は、高低差が５μｍ以上である、ショートアーク型放電ランプ。
   １≦ｂ／ａ≦４ （１）
2. 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、請求項１に記載のショートアーク型放電ランプ。
3. 前記セラミックスは、酸化ジルコニウムを主成分とするものである、請求項１に記載のショートアーク型放電ランプ。
4. 前記一方の電極は、先端に向かうにつれて外径が小さくなる電極前部を有し、
   前記電極前部の表面には、前記セラミックスよりも高融点の金属を含む第二の被膜が形成されている、請求項１に記載のショートアーク型放電ランプ。
5. 前記一方の電極は、先端に向かうにつれて外径が小さくなる電極前部を有し、
   前記電極前部の表面には、微細溝加工が施されている、請求項１に記載のショートアーク型放電ランプ。