特許 7507615 放電ランプおよび放電ランプ用電極の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-20

(45)【発行日】2024-06-28

(54)【発明の名称】放電ランプおよび放電ランプ用電極の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01J 61/06 20060101AFI20240621BHJP

   H01J 61/073 20060101ALI20240621BHJP

【ＦＩ】

H01J61/06 Z

H01J61/073 B

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2020106865

(22)【出願日】2020-06-22

(65)【公開番号】P2022002187

(43)【公開日】2022-01-06

【審査請求日】2023-04-04

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000128496

【氏名又は名称】株式会社オーク製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100156199

【弁理士】

【氏名又は名称】神崎 真

(74)【代理人】

【識別番号】100124497

【弁理士】

【氏名又は名称】小倉 洋樹

(74)【代理人】

【識別番号】100090169

【弁理士】

【氏名又は名称】松浦 孝

(72)【発明者】

【氏名】芹澤 和泉

【審査官】藤本 加代子

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１２－１３３９９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－２１８０７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１５／０５９５８９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００８－１８６７９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０９６８６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０１９０５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００６／００２１５７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００９－２１１９１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－００４３９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００８／０２１１３７９（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｊ ６１／０６

Ｈ０１Ｊ ６１／０７３

Ｈ０１Ｊ １／０２

Ｈ０１Ｊ ９／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項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において、内部空間が形成され、
前記内部空間には、単結晶炭化ケイ素から成る複数の伝熱部材と、単結晶炭化ケイ素以外の素材から成り、電極軸垂直方向に関して前記伝熱部材を挟むように配置される複数の付随部材とが設けられ、
前記複数の伝熱部材と複数の付随部材とが、交互に配置されていることを特徴とする放電ランプ。

【請求項2】

前記伝熱部材と前記付随部材との間の熱膨張係数の差が、１．０×１０ ^-6 ／Ｋ以下である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】

前記伝熱部材が板状であって、
前記伝熱部材の厚さが、３３０μｍ以上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】

凹部を形成した第１の部材と、前記第１の部材と同じ素材から成る第２の部材とを形成し、
単結晶炭化ケイ素から成る伝熱部材、あるいは前記伝熱部材と単結晶炭化ケイ素以外の素材から成る付随部材とを含む第３の部材とを形成し、
前記伝熱部材または前記第３の部材を、前記第１の部材の凹部に配置し、
前記第１の部材、前記第２の部材、前記伝熱部材または前記第３の部材とを固相接合す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5】

複数の伝熱部材と、複数の付随部材とを交互に配置し、固相接合することによって、前記第３の部材を形成することを特徴とする請求項４に記載の放電ランプ用電極の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【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、異なる材料を接合した接合電極が知られている。例えば、タングステンから成る電極本体に対し、熱伝導性のより高いセラミックスなどの材料を後端側（電極支持棒側）に接合させ、放熱性を高めている（特許文献１参照）。

【0003】

また、タングステンなどを主成分とする電極先端部の後端側に、電極先端部よりも低密度の材料から成る電極胴体部を接合する接合電極も知られている（特許文献２参照）。そこでは、電極先端部に対し、モリブデン、ニオブなどの焼結体を接合し、さらにその後端側に、炭化ケイ素の焼結体を接合させている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００９－２１１９１６号公報

【文献】特開２０１３－４３９７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

異種材料の部材をその端面同士で接合し、電極を構成する場合、その接合面は電極端面にまで渡ることから、セラミックスなどの部材とタングステンなどの部材とを接合すると、熱膨張率の違いによる力が接合面全体にかかり、接合剥がれの恐れがある。

【0006】

したがって、接合剥がれを抑えながら、より放熱性を向上させた電極構造が求められる。

【課題を解決するための手段】

【0007】

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において、内部空間が形成され、内部空間には、単結晶炭化ケイ素から成る伝熱部材が設けられている。例えば、伝熱部材は、電極軸に沿って延び、その内部を電極軸が通るように配置することが可能である。

【0008】

伝熱部材は、内部空間の電極軸垂直方向に沿った先端側底面および電極支持棒側底面と接するように構成することができる。ここでの「接する」には、固相接合などの接合や、接触が含まれる。

【0009】

例えば、内部空間には、単結晶炭化ケイ素以外の素材から成り、電極軸垂直方向に関して伝熱部材を挟むように配置される部材（ここでは、付随部材という）を設けることができる。例えば、板状の伝熱部材を付随部材で挟みこみ、あるいは、柱状の伝熱部材を同心円状に覆う付随部材を設けることが可能である。

【0010】

複数の伝熱部材を設ける場合、複数の伝熱部材と複数の付随部材とを、交互に配置することが可能である。例えば、板状の伝熱部材と付随部材とを列状に交互に配置し、また、同心円状に筒状の伝熱部材と付随部材を交互に配置することも可能である。

【0011】

伝熱部材と付随部材との間の熱膨張係数の差が、１．０×１０^-6／Ｋ以下となるように、伝熱部材と付随部材を構成するのがよい。また、板状の伝熱部材の場合、伝熱部材の厚さが、３３０μｍ以上にすればよい。

【0012】

本発明の一態様である放電ランプ用電極の製造方法は、凹部を形成した第１の部材と、第１の部材と同じ素材から成る第２の部材とを形成し、単結晶炭化ケイ素から成る伝熱部材、あるいは伝熱部材と単結晶炭化ケイ素以外の素材から成る付随部材とを含む第３の部材とを形成し、伝熱部材または第３の部材を、第１の部材の凹部に配置し、第１の部材、第２の部材、伝熱部材または第３の部材とを固相接合する。

【0013】

例えば、複数の伝熱部材と、複数の付随部材とを交互に配置し、固相接合することによって、第３の部材を形成することができる。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、放電ランプにおいて、接合剥がれを抑えながら、より放熱性を向上させた電極を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】第１の実施形態である放電ランプの平面図である。

【図2】電極の電極軸方向に沿った概略的断面図である。

【図3】電極の径方向に沿った概略的断面図である。

【図4】第２の実施形態である電極の電極軸方向に沿った概略的断面図である。

【図5】第２の実施形態である電極の径方向に沿った断面図である。

【図6】第２の実施形態の伝熱部材の製造方法を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

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。

【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、水銀とハロゲンやアルゴンガスなどの希ガスが封入されている。

【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に電圧が印加されると、電極２０、３０と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。

【0020】

図２は、電極３０の電極軸方向に沿った概略的断面図である。図３は、図２のラインIII―IIIに沿った概略的断面図である。

【0021】

電極３０は、電極先端面３０Ｓを有するテーパー状の電極先端部４２と、柱状の電極胴体部４４から構成され、電極支持棒１７Ｂが電極軸Ｅに対して同軸的に接続されている。電極３０は、ここではタングステンやモリブデンなどの金属によって構成される。

【0022】

電極３０の電極胴体部４４には、内部空間５０が形成されている。内部空間５０は、電極軸Ｅに対して同軸的である。ここでは、内部空間５０が筒状空間として形成され、また、密閉空間として形成されている。

【0023】

内部空間５０には、伝熱部材６０が設けられている。伝熱部材６０は、電極軸Ｅに沿って延び、ここでは断面矩形の板状に形成され、その中心が電極軸Ｅと一致するように内部空間５０に配置されている。なお、伝熱部材６０は板状に限定されず、内部空間５０に対して同軸的に配置可能な形状（例えば円柱状）にすればよい。あるいは、電極軸Ｅを通る配置であってもよい。

【0024】

伝熱部材６０は、単結晶炭化ケイ素（ＳｉＣ）で組成された成形体で構成されている。単結晶炭化ケイ素（ＳｉＣ）は、タングステン、モリブデンなどの電極３０の素材よりも熱伝導率が大きく、また、多結晶炭化ケイ素よりも熱伝導率が高い。伝熱部材６０の厚さＴ０は、クラック発生を抑制するため、３３０μｍ以上に定められている。

【0025】

伝熱部材６０は、内部空間５０の側面、すなわち電極３０内の電極軸に沿った内表面５０Ｓと接しておらず、内表面５０Ｓとの間に隙間が形成されている。一方、電極軸方向に関しては、伝熱部材６０が内部空間５０の両底面と接合している。すなわち、伝熱部材６０の電極支持棒側端面６０Ｔ１は、電極内の電極軸垂直方向に沿った内表面５０Ｔ１と接続し、伝熱部材６０の電極先端側端面６０Ｔ２は、反対側（電極先端側）の内表面５０Ｔ２と接続している。

【0026】

単結晶炭化ケイ素は、熱膨張率などに関してタングステンなどの電極３０の素材と一致しない異種材のため、ランプ点灯中、熱膨張率の違いによって接合部分が剥がれる可能性がないわけではない。しかしながら、本実施形態では、タングステンなどから成る同一素材で電極３０が構成される一方、熱伝導性のより高い単結晶炭化ケイ素から成る伝熱部材６０を、内部空間５０に設けている。

【0027】

従来のような、タングステンなどの部材と炭化ケイ素などから成る部材とをその端面同士で接合する電極構造とは異なり、炭化ケイ素とタングステンなどの電極部材との接合部分が電極外表面に露出せず、部材間の端面全体に渡って接合していない。そのため、接合時のエネルギーが集中し、接合の剥がれを抑制することができる。

【0028】

そして、電極軸Ｅに沿って延びる熱伝導性の高い伝熱部材６０が、電極先端側と電極支持棒側を繋ぐように電極内部で接合することによって、電極先端側の熱を電極支持棒側へ効果的に輸送することができる。また、多結晶の炭化ケイ素よりも熱伝導率が高い単結晶で伝熱部材６０を組成するため、より効果的に熱を輸送することができる。

【0029】

伝熱部材６０が電極軸Ｅを通るように内部空間５０に対して同軸的に配置することにより、例えばコストなどの制約から内部空間５０に対してサイズの小さい伝熱部材６０を用意する場合であっても、電極先端側から電極支持棒側へ効率よく熱を伝達することができる。

【0030】

単結晶炭化ケイ素は、多結晶炭化ケイ素と比べて接合強度が劣り、接合部分の剥がれが生じやすい。しかしながら、伝熱部材６０が内部空間５０において接合しているため、仮に伝熱部材６０と電極３０との間に接合剥がれが生じたとしても、落下の恐れがない。

【0031】

また、単結晶炭化ケイ素の熱膨張係数（約４．６×１０^-6／Ｋ）は、多結晶炭化ケイ素の熱膨張係数（約４．０×１０^-6／Ｋ）と比べ、タングステン、モリブデンの熱膨張係数との差が小さい。そのため、点灯時に伝熱部材６０の熱膨張があっても、電極３０の電極先端部４２と胴体部４４との接合部分に大きな力が掛かるのを抑制することができる。

【0032】

このような内部空間５０に伝熱部材６０を設けた電極３０は、以下のように製造することができる。まず、凹部を設けた電極胴体部となる部材（第１の部材）と、電極先端部となる部材（第２の部材）とを形成し、伝熱部材を用意する。そして、伝熱部材を凹部に配置した後、所定の圧力、温度、加圧時間を設定して、第１の部材と第２の部材とを、固相接合する。例えば、ＳＰＳによって固相接合することができる。

【0033】

固相接合後、切削加工などの加工処理を施すことにより、所望のサイズ、形状をもつ電極が製造される。そして、電極製造後にマウント、封止など従来周知の方法によって放電ランプを製造することができる。なお、上記以外の方法で接合することも可能であり、電極胴体部と電極先端部との接合に限定されず、内部空間を形成するように電極を構成すればよく、インサート部材を介在させて電極を構成してもよい。内部空間は密閉空間を形成することに限定されず、例えば内部空間と通じる貫通孔を設けることも可能である。

【0034】

次に、図４～６を用いて、第２の実施形態である放電ランプ用電極について説明する。第２の実施形態では、伝熱部材を単体で内部空間に配置する代わりに、電極と同じ素材と伝熱部材とを接合させた部材を内部空間に設けている。

【0035】

図４は、第２の実施形態である放電ランプの電極の概略的断面図である。図５は、図４のラインＶ－Ｖに沿った電極の概略的断面図である。

【0036】

電極１３０は、第１の実施形態と同様、電極先端部４２、電極胴体部４４から構成され、電極内部には内部空間５０が形成されている。そして、内部空間５０には、複数の伝熱部材６０Ａ～６０Ｃと、電極と同じ素材から成る複数の部材（以下、付随部材という）とによって構成される柱状部材１６０が設けられ、電極１３０と内部空間５０で接合している。

【0037】

柱状部材１６０は、伝熱部材６０Ａ～６０Ｃと付随部材７０Ａ～７０Ｄが交互に並んで接する一体的構造になっている。伝熱部材６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃは、それぞれ、付随部材７０Ａと付随部材７０Ｂ、付随部材７０Ｂと付随部材７０Ｃ、付随部材７０Ｃと付随部材７０Ｄとの間に挟まれている。

【0038】

このような柱状部材１６０を内部空間５０に設けることにより、電極の熱容量を確保しながら、また、付随部材７０Ａ～７０Ｄの素材が電極１３０と同じ素材（タングステン）であるため、電極内部における柱状部材１６０の接合が強固になる。さらに、伝熱部材６０Ｂを電極軸Ｅが通るように配置することで、電極先端部４２の熱を電極支持棒側へより効果的に伝達することができる。

【0039】

なお、付随部材７０Ａ～７０Ｄの素材は電極１３０と同じ素材に限定されず、単結晶炭化ケイ素と熱膨張係数の差が所定値以下となるような素材を定めればよく、例えば、熱膨張係数の差が１．０×１０^-6／Ｋとなるように素材を定めればよい。これによって、電極１３０と柱状部材１６０とがより一体化した構造にすることができ、接合剥がれを抑制することができる。

【0040】

伝熱部材６０Ａ～６０Ｃの厚さＴは、いずれも３３０μｍ以上の同じ厚さに定められ、付随部材７０Ａ～７０Ｄの厚さＴ１も、伝熱部材６０Ａ～６０Ｃの厚さＴと等しい。なお、伝熱部材６０Ａ～６０Ｃの厚さＴはすべて同一でなくもよく、電極軸Ｅが通る位置の伝熱部材を厚くしてもよく、付随部材７０Ａ～７０Ｄの厚さも同様に揃えなくてもよい。

【0041】

図６は、柱状部材１６０の製造工程を示した図である。

【0042】

板状の単結晶炭化ケイ素から成る素材と板状のタングステンから成る素材とを交互に接するように配置し、ＳＰＳなどの固相接合を行う。そして、切削して柱状部材（第３の部材）を形成する。なお、柱状に成形することに限定されず、板状に切削してもよい。さらには、環状の伝熱部材と環状の付随部材と同心円状に交互に配置して接合する構成にすることも可能である。

【0043】

ここでは３つの伝熱部材を用いているが、３つ以上用いてもよく、１つの伝熱部材で両側に付随部材を配置する構成でもよい。また、伝熱部材と付随部材との間に他の素材から成るインサート部材を介在させてもよい。

【0044】

第１、第２の実施形態では、伝熱部材を内部空間で電極と接合する構成であるが、接合させずに接するだけの構成にしてもよい。また、電極先端側端面、電極支持棒側端面の一方にのみ接合、あるいは接するような構成にすることも可能である。

【符号の説明】

【0045】

１０ 放電ランプ
３０ 陽極（電極）
５０ 内部空間
６０ 伝熱部材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】