(57)【要約】【課題】接合強度が高められた電極を備える放電ランプを提供する。【解決手段】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、先端側部材と、導電性の電極支持棒によって支持される後端側部材と、先端側部材と後端側部材との間に設けられた、レニウムを含むタングステン合金からなる中間部材とを設けて構成され、中間部材の軸方向長さが、先端側部材の軸方向長さ以下であることを特徴とする放電ランプである。【選択図】図２
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【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が、先端側部材と、導電性の電極支持棒によって支持される後端側部材と、前記先端側部材と前記後端側部材との間に設けられた、レニウムを含むタングステン合金からなる中間部材とを設けて構成され、
前記中間部材の軸方向長さが、前記先端側部材の軸方向長さ以下であることを特徴とする放電ランプ。
【請求項２】
前記先端側部材が、エミッターを含有するタングステンからなり、前記後端側部材が、モリブデン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】
電極軸方向断面において、前記中間部材の結晶粒の個数が、前記先端側部材あるいは前記後端側部材よりも多いことを特徴とする請求項１又は２に記載の放電ランプ。
【請求項４】
電極軸方向断面において、前記中間部材の結晶粒の個数が、前記先端側部材よりも少なく、前記後端側部材よりも多いことを特徴とする請求項３に記載の放電ランプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、露光装置等に利用される放電ランプに関し、特に、ショートアーク型放電ランプに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ショートアーク型放電ランプは、電極間距離が短く、また、点光源に近いことから、光学系と組み合わせることにより露光装置の光源として利用されている。かかるショートアーク型放電ランプにおいては、金属種類や材質などが異なる部材を接合させた電極が知られている。
【０００３】
例えば、トリウムや希土類酸化物などのエミッターが含有される金属部材を電極先端部、純タングステンなどの高融点金属部材を胴体部とし、２つの金属部材を互いに接合させる。接合方法としては、例えばＳＰＳなどの固相接合が行われる。また、その間に中間部材を介して接合することも可能である。
【０００４】
特許文献１には、陽極に関するものであるが、放熱部材と電極胴体部外周面との間に、窒化物系セラミックスまたは炭化物系セラミックスからなる微粒子粉末を焼結した伝達層を設けること、並びにセラミックと金属との間に中間層金属を設け、固有結合するようにしてもよいことが記載されている。
【０００５】
特許文献２には、放熱部材付き電極を構成する場合に、セラミックス円筒と本体部との結合は、中間層にモリブデン箔等を用い、セラミックスと金属を固相拡散結合させ、したがって、密着性を高めるとともに、熱膨張差による歪みを防止することができることが記載されている。
【０００６】
特許文献３には、２つのタングステン金属部材の間にタングステン−レニウム合金（厚さ０．５ｍｍ）を介在させ、ＳＰＳ接合させた例が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−１８６７９０号公報
【特許文献２】特開２００９−２１１９１６号公報
【特許文献３】特開２０１１−２４９０２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
放電ランプの点灯時には、電極が高温となる。高温となった電極は、電極に含まれる添加物や不純物の影響、あるいは結晶粒の状態など様々な要因によって、その内部に微細なヒビ（マイクロクラック）や割れ、亀裂等が生じる可能性がある。特に異種材接合では、熱膨張率、収縮率の違いから、点灯時間が長くなると、部材の内部に亀裂が入る可能性がある。このヒビや亀裂などが接合面を跨いで貫通してしまうと、接合強度の信頼性が落ちる。さらに、この亀裂が接合面まで到達した場合、亀裂の力が接合面に沿って生じ、接合の剥がれが生じるおそれがあった。上述した特許文献１、特許文献２及び特許文献３に記載のものは、かかる問題点を解決することができないものであった。
【０００９】
したがって、本発明の目的は、中間部材を介して二つの金属を接合してなる電極を有する放電ランプに関して、接合の剥れを防止するようにした放電ランプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、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、先端側部材と、導電性の電極支持棒によって支持される後端側部材と、先端側部材と後端側部材との間に設けられた、レニウムを含むタングステン合金からなる中間部材とを設けて構成され、中間部材の軸方向長さが、先端側部材の軸方向長さ以下であることを特徴とする放電ランプである。
【発明の効果】
【００１１】
少なくとも一つの実施形態によれば、タングステンに比して密度の高いレニウムを含有した合金を中間部材として選択することによって、電極内部で発生したヒビや亀裂が先端側部材と後端側部材にかけて貫通することを防止することができ、中間部材による接合強度を高めることができる。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本明細書中に記載されたいずれかの効果又はそれらと異質な効果であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明を適用できるショートアーク型放電ランプを模式的に示した図である。
【図２】図２は、陰極の構成を示す図である。
【図３】図３は、陰極の製造工程を説明するための図である。
【図４】図４は、亀裂が生じた状態を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。図１は、一実施形態であるショートアーク型放電ランプを模式的に示した図である。ショートアーク型放電ランプ１０は、パターン形成する露光装置の光源などに使用可能な放電ランプであり、透明な石英ガラス製の放電管（発光管）１１を備える。放電管１１には、陰極２０、陽極３０が所定間隔をもって対向配置される。
【００１４】
放電管１１の両側には、対向するように石英ガラス製の封止管１２ａ及び１２ｂが放電管１１と一体的に設けられており、封止管１２ａ及び１２ｂの両端は、口金１３ａ及び１３ｂによって塞がれている。封止管１２ａ、１２ｂの内部には、金属製の陰極２０、陽極３０を支持する導電性の電極支持棒１４ａ、１４ｂが配設され、金属リング（図示せず）、モリブデンなどの金属箔１５ａ、１５ｂを介して導電性のリード棒１６ａ、１６ｂにそれぞれ接続される。封止管１２ａ、１２ｂは、封止管１２ａ、１２ｂ内に設けられるガラス管（図示せず）と溶着しており、これによって、水銀、および希ガスが封入された放電空間が封止される。
【００１５】
リード棒１６ａ、１６ｂは外部の電源部（図示せず）に接続されている。リード棒１６ａ、１６ｂ、金属箔１５ａ、１５ｂ、及び電極支持棒１４ａ、１４ｂを介して陰極２０、陽極３０の間に電圧が印加される。放電ランプ１０に電力が供給されると、電極間でアーク放電が発生し、水銀による輝線（紫外光）が放射される。
【００１６】
図２は、図１に示す放電ランプの陰極２０の拡大図である。陰極２０は、エミッターを含む先端側部材２１と、導電性の電極支持棒１４ａによって支持される後端側部材２２と、先端側部材２１と後端側部材２２との間に、レニウムを含むタングステン合金からなる中間部材２３を有し、先端側部材２１と後端側部材２２の間に中間部材２３を介在させて固相接合することによって構成されている。
【００１７】
先端側部材２１は、陽極３０の先端に向かって徐々に先細くなり、先端が平坦面とされた円錐台形形状を有する。先端側部材２１の円錐台形形状の周面のテーパーは、後端側部材２２及び中間部材２３の周面のテーパーと連続して形成されている。後端側部材２２の底面側から電極支持棒１４ａの先端が挿入される。なお、先端側部材２１は、先端が尖った円錐形状であってもよい。
【００１８】
先端側部材２１は、タングステン（Ｗ）を主成分として、エミッター（易電子放射性材料）として酸化トリウムを含有する、すなわち、トリエーテッドタングステンである。なお、エミッターは酸化トリウムに限らず、酸化ランタンなどの希土類酸化物などでもよい。
【００１９】
後端側部材２２は、一例として、モリブデンである。なお、後端側部材２２としては、カリウムなどの添加物を含むタングステン合金、純タングステン、モリブデン合金など、先端側部材２１と同種、あるいは異なる材料を使用することができる。ここでは、中間部材２３の軸方向長さ（すなわち厚み）が、先端側部材２１の軸方向長さよりも短いものとされている。例えば先端側部材２１の軸方向長さが３〜１０mmであり、中間部材２２の軸方向長さが１ｍｍ以下、ここでは０．３mmである。
【００２０】
中間部材２３は、先端側部材２１と後端側部材２２の接合強度を高めるための金属部材である。中間部材２３は、レニウムを含むタングステン合金からなる。中間部材２３の一例は、２６重量％のレニウム含有のタングステン（以下、「レニウム−タングステン」ともいう）である。レニウム−タングステンは、最適な熱処理によって高い延性が得られる材料である。レニウム−タングステンは、レニウム含有量の多い方が延性は高い。したがって、レニウム含有量が５重量％以上の材料を選択することが接合強度を高める上で好ましい。
【００２１】
また、レニウムの密度は２１．０ｇ／ｃｍ3 ほどで、タングステンの密度１９．３ｇ／ｃｍ3 よりも大きい。このように密度の高いレニウムをタングステンに含有した合金を中間部材２３として選択することで、亀裂（以下、ヒビ、クラック、割れともいう）が先端側部材２１から後端側部材２２（あるいは後端側部材２２から先端側部材２１）にわたって貫通するおそれを低減することができる。
【００２２】
中間部材２３は、軸方向に長い（厚い）方が亀裂の貫通を防止できるが、密度が高いため、あまりに厚いと陰極２０が重くなってしまう。したがって、少なくとも先端側部材２１の内部に発生する亀裂による貫通を防ぐために、中間部材２３の軸方向長さは先端側部材２１の長さまでとする。
【００２３】
中間部材２３は、延性が高いため（軟らかいため）、接合時に変形して接触面積を増加させ、先端側部材２１と後端側部材２２を直接接合させるよりも接合強度を高くすることができる。また、タングステンが含有されているので、熱伝導性、導電性が電極全体として均一とできる。
【００２４】
さらに、本発明の一実施形態では、電極軸方向断面において、中間部材２３の単位面積あたりの結晶粒の個数が、先端側部材２１あるいは後端側部材２２よりも多いようにされている。したがって、先端側部材２１と中間部材２３の接合面（あるいは後端側部材２２と中間部材２３の接合面）における隙間を少なくでき、内部に亀裂が生じた場合に、亀裂が接合面を剥すことを防止することができる。若し、先端側部材２１（後端側部材２２）と中間部材２３の接合面における隙間が多いと、亀裂の力が接合面に沿って拡がり、接合を剥がしてしまうおそれがある。なお、結晶粒の個数は、ＪＩＳ Ｇ ０５５１の附属書Ｃ「切断法による評価」に準拠して求められる。
【００２５】
結晶粒の個数は、結晶粒径が小さいほど多くなる。中間部材２３の結晶粒径は、先端側部材２１あるいは後端側部材２２の結晶粒径よりも小さいものとされる。例えば中間部材２３の平均結晶粒径が１１．９μｍに対して、後端側部材２２の平均結晶粒径が６３．７μｍとされる。なお、結晶粒径とは、ＪＩＳ  Ｇ  ０５５１  切断法に基づいて測定された平均結晶粒径とする。結晶粒径については、熱処理の温度や時間を定める、あるいはカリウムなどの添加物をドープすることで調整可能であり、製造前（素材）の段階で所望の結晶粒径の材料を選定して使用することも可能である。
【００２６】
次に、本発明の一実施形態にかかる陰極２０の製造方法の一例について図３を参照して説明する。図３Ａに示すように、トリエーテッドタングステン円柱２１ａと、タングステン円柱２２ａと、レニウム−タングステン箔２３ａを用意する。
【００２７】
次に、図３Ｂに示すように、固相拡散接合によって、トリエーテッドタングステン円柱２１ａとレニウム−タングステン箔２３ａとタングステン円柱２２ａとを接合する。
【００２８】
そして、図３Ｂにおいて点線で示すように、円錐台形形状に切削することで、図３Ｃに示すように、陰極２０を形成する。
【００２９】
固相接合法の一例として、放電プラズマ焼結（ＳＰＳ：Spark Plasma Sintering）による接合法を使用できる。ＳＰＳは、成形体の粒子間隙にパルス状の電気エネルギーを直接投入し、火花放電現象により瞬時に発生する放電プラズマの高温エネルギーを熱拡散、電界拡散などへ適用した接合方法である。通電とともに、加圧機構によって圧力が加えられる。通電による放電プラズマによって所定の焼結温度まで昇温された後、圧力が加えられた状態で一定時間保持する。これにより、図３Ｃに示す陰極２０が形成される。一例として、圧力５０〜１００ＭＰａ、加圧時間５分〜２０分、接合面付近の焼結温度は１６００℃〜１８００℃の範囲とされる。
【００３０】
図４は、点灯後の、陰極２０の先端側の内部を示した図である。陰極２０は、上述したように、先端側部材２１及び後端側部材２２の間に中間部材２３を介在させ、ＳＰＳ接合させた。熱膨張率や収縮率の相違によって、先端側部材２１の内部に亀裂４１、クラック（マイクロクラック）４２が発生している。しかしながら、亀裂４１、クラック４２が先端側部材２１と中間部材２３の接合面を貫通することが防止でき、接合面が剥がれることが防止されている。
【００３１】
上述した本発明の一実施形態によれば、中間部材２３を構成するレニウム−タングステンの密度がタングステンに比して大きいので、亀裂が先端側部材２１から後端側部材２２にわたって（あるいは後端側部材２２から先端側部材２１にわたって）貫通するおそれを低減することができる。また、中間部材２３の結晶粒の個数を先端側部材２１あるいは後端側部材２２に比して多くしているので、接合面において、隙間を少なくすることができる。亀裂が例えば先端側部材と中間部材の接合面にまで到達したとき、隙間を起点として亀裂の力が接合面に沿って生じ、接合を剥してしまう可能性がある。しかしながら、結晶粒が小さいことで、拡散接合時に原子の拡散が促進され、接合面の隙間を減らす（消失する）ことができる。なお、結晶粒径が先端側部材２１から順に小中大の関係になるようにしてもよい。すなわち、中間部材２３の結晶粒の個数を後端側部材２２よりも多く、先端側部材２１よりも少なくしてもよい。したがって、急激な結晶構造の変化が和らぎ、先端側部材２１から電極支持棒１４ａに向けての熱輸送に与える影響を抑えることができる。その結果、電極内部が局所的に過熱することなく、熱応力による接合の剥れを防止できる。
【００３２】
以上、本技術の一実施の形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の一実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えばＳＰＳ焼結法以外の拡散接合方法によって電極を製造してもよい。例えば、ホットプレス（ＨＰ）、熱間静水圧加圧（ＨＩＰ）など、加圧しながら焼結する接合方式によって電極を製造することが可能である。さらに、それ以外の固相接合法（摩擦圧接法、超音波接合法など）も適用可能である。また、実施形態では陰極について説明したが、陽極に適用してもよく、同様に接合強度の信頼性を高めることができる。水銀を含まないショートアーク型キセノンランプや、ショートアーク型以外の放電ランプにも適用してもよい。さらに、後端側部材として、モリブデン以外の金属例えばタングステンを使用してもよい。また、上述の実施形態において挙げた構成、方法、工程、形状、材料及び数値などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる構成、方法、工程、形状、材料及び数値などを用いてもよい。
【符号の説明】
【００３３】
１０・・・放電ランプ、１１・・・放電管、２０・・・陰極、２１・・先端側部材、
２２・・・後端側部材、２３・・・中間部材、３０・・・陽極、４１・・・亀裂
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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