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技術 放電ランプおよび放電ランプ用電極の製造方法

出願人 株式会社オーク製作所
発明者 倉野正宏佐藤博也
出願日 2020年3月24日 (1年9ヶ月経過) 出願番号 2020-052387
公開日 2021年9月30日 (3ヶ月経過) 公開番号 2021-152994
状態 未査定
技術分野 放電灯(電極、封入物、うつわ内の圧力)
主要キーワード 電極用部材 胴体部材 筒状胴体 コーティング素材 キルヒホフの法則 先端側部材 円柱状空間 電極支持棒
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2021年9月30日)のものです。
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図面 (6)

課題

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。

解決手段

放電管内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40を有し、内部空間40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であり、放電ランプの電極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。内部空間40の電極先端側30Sの表面40S1に放熱構造50Aを設け、電極先端側30Sの表面40S1と向かい合う表面40S2に吸熱構造50Bを設ける。

概要

背景

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溶融蒸発し、放電管黒化して、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)。

概要

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。放電管内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40を有し、内部空間40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であり、放電ランプの電極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。内部空間40の電極先端側30Sの表面40S1に放熱構造50Aを設け、電極先端側30Sの表面40S1と向かい合う表面40S2に吸熱構造50Bを設ける。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

放電管と、前記放電管内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、内部空間を有し、前記内部空間の表面に、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

請求項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。

請求項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。

請求項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。

請求項5

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。

請求項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。

請求項7

熱放射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。

請求項8

複数の電極用部材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。

請求項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。

請求項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。

技術分野

0001

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。

背景技術

0002

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溶融蒸発し、放電管黒化して、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)。

先行技術

0003

特許第5472915号公報
特開2018−142482号公報

発明が解決しようとする課題

0004

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。

課題を解決するための手段

0005

本発明の放電ランプは、放電管と、放電管内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。

0006

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。

0007

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。

0008

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)。

0009

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。

0010

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。

0011

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。

0012

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。

発明の効果

0013

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。

図面の簡単な説明

0014

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。

実施例

0015

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。

0016

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。

0017

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、水銀とハロゲンアルゴンガスなどの希ガス封入されている。

0018

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。

0019

一対の電極20、30に電圧印加されると、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、放射光パターン光となって基板などに照射される。

0020

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。

0021

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。

0022

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。

0023

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)。

0024

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。

0025

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。

0026

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。

0027

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。

0028

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。

0029

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。

0030

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。

0031

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。

0032

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。

0033

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。

0034

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、放熱素材炭化膜酸化膜放熱層)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。

0035

図4は、電極30の製造工程を示した図である。

0036

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。

0037

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。

0038

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。

0039

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。

0040

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。

0041

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。

0042

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。

0043

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。

0044

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。

0045

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)

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