(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電管と、
前記放電管内に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、前記先端側部材よりも展延性の高い後端側部材とを固相接合させた電極であり、
溝部が、前記先端側部材と前記後端側部材との接合面を跨いで電極側面に形成され、
前記溝部の後端側部材側面において、むしれのある微細溝が形成されていることを特徴とする放電ランプ。
【請求項２】
放電管と、
前記放電管内に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、前記先端側部材よりも展延性の高い後端側部材とを固相接合させた電極であり、
微細溝が、前記先端側部材と前記後端側部材との接合面を跨いで電極側面に形成され、
前記微細溝が、後端側部材側面において、先端側部材側面よりも深いことを特徴とする放電ランプ。
【請求項３】
放電管と、
前記放電管内に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、前記先端側部材よりも展延性の高い後端側部材とを固相接合させた電極であり、
溝部が、前記先端側部材と前記後端側部材との接合面を跨いで電極側面に形成され、
前記溝部において、微細溝と、前記微細溝よりもピッチおよび深さが大きい幅広溝とが、接合面を跨いで形成されることを特徴とする放電ランプ。
【請求項４】
前記微細溝が形成された部分の後端側部材側面の表面粗さＲａが、１．２μｍ以上であ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】
前記微細溝が形成された部分の先端側部材側面の表面粗さＲａが、０．７μｍ以下である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】
放電管と、
前記放電管内に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、前記先端側部材よりも展延性の高い後端側部材とを固相接合させた電極であり、
溝部が、前記先端側部材と前記後端側部材との接合面を跨いで電極側面に形成され、
前記溝部において、後端側部材側面の反射率が、先端側部材側面の反射率よりも小さいことを特徴とする放電ランプ。
【請求項７】
先端側部材と、前記先端側部材よりも展延性の高い後端側部材とを固相接合させ、
固相接合させた電極部材側面を切削加工する放電ランプの製造方法であって、
前記切削加工において、前記先端側部材と前記後端側部材との接合面を跨ぐように電極部材側面に溝部を形成する放電ランプの製造方法であって、
前記切削加工のとき、後端側部材側面において、むしれによる微細溝を形成することを特徴とする放電ランプの製造方法。
【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、複数の金属部材を接合させた電極の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】  ショートアーク型放電ランプでは、高輝度の光を基板など露光対象物に照射する。露光対象物の大型化、さらにスループット向上のため、放電ランプの高出力化が要求されており、それに伴って定格消費電力の増加が求められる。【０００３】  大電力化すると、従来の単一金属による電極構造では、電子放出、熱放出、耐久性などに影響が生じる。また、電極の重量が大きくなることにより、電極支持棒などの負荷が大きい。【０００４】  そのため、複数の金属を接合させて電極を構成することが提案されている。例えば、トリウムを含むトリエーテッドタングステンなどから成る電極先端部と、純タングステンなどから成る後方胴体部を固相接合し、電極を構成する（特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１５４９２７号公報
【特許文献２】特開２０１１−０７０８２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  異なる金属を固相接合させて電極を構成する場合、熱膨張率の相違などにより、接合時における昇温、降温に伴って接合面の外縁付近に隙間が生じやすい。ランプ点灯時に電極が高熱になると、隙間が拡大して電極が破損する恐れがある。また、同じ金属部材を固相接合させた電極においても、楔状の隙間が接合面付近に形成される。【０００７】  したがって、固相接合によって形成された電極において、接合面付近における接合強度を高めることが必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】  本発明の放電ランプは、放電管と、放電管内に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、後端側部材とを固相接合させた電極によって構成される。先端側部材は、電極先端面側、すなわち他方の電極側に近い位置にあり、後端側部材は、電極支持棒に近い位置にある。そして、後端側部材は、先端側部材よりも展延性が高い／大きい。【０００９】  先端側部材と後端側部材は、金属部材によって構成可能である。例えば、先端側部材をトリエーテッドタングステン、後端側部材を、相対的に展延性の高いモリブデンによって構成可能である。【００１０】  本発明では、先端側部材と後端側部材との接合面を跨ぐように、すなわち接合面が間に介在するように、溝部が電極側面に形成されている。ただし、「電極側面」は、電極先端側に形成されるテーパー面、胴体部分の側面（外周面）いずれも含む。【００１１】  接合強度向上のために形成される溝部は、ミリメートルオーダーである放熱用溝のピッチ、深さよりも小さい溝ピッチ、溝深さをもつ。例えば、１００μｍ以下のピッチ、深さをもつ溝を形成することが可能である。このような微細な溝が形成されることによって、展延性の高い後端側部材の接合面外縁付近が比較的深く変形する。【００１２】  このような接合面が含まれる溝部は、後端側部材側面の表面粗さＲａが、１．２μｍ以上となればよい。また、先端側部材側面の表面粗さＲａが、０．７μｍ以下となればよい。さらに、後端側部材側面の反射率が、先端側部材側面の反射率よりも小さくなるように、溝部を形成すればよい。このような数値を満たすことで、接合面強度を向上させることができる。【００１３】  微細溝については、先端側部材と比べて粗い溝を形成することで、楔付近を変形させることができる。例えば、後端側部材側面において、「むしれ」（ｇｏｕｇｅ  ｏｒ  ｂｕｒｒ）が生じるように溝を形成すればよい。すなわち、部分的に引きちぎれたり、剥がれたりするように溝を形成するのが良い。一方、アーク放電安定を考慮すると、溝部の先端側部材側面には、むしれのない微細溝を形成するのがよい。【００１４】  また、微細溝が、先端側部材側面よりも後端側部材側面において深くなるように構成することも可能である。楔付近において後端側金属部材表面が変形しやすくなる。【００１５】  切削加工によって電極が形作られる場合、溝部を、電極を固相接合後の切削加工において形成するのがよい。旋盤などを使った切削加工のときに溝部を同時に形成することで、製造工程が複雑にならない。【００１６】  溝部には、接合面を跨いで微細溝よりもピッチおよび深さが大きい幅広溝を形成することが可能である。【００１７】  本発明の他の態様における放電ランプの製造方法は、先端側部材と、先端側部材よりも展延性の高い後端側部材とを固相接合させ、固相接合させた電極部材の側面を切削加工する放電ランプの製造方法であって、切削加工において、先端側部材と後端側部材との接合面を跨ぐように電極部材側面に溝部を形成する。例えば、切削加工において、後端側部材側面において、むしれによる微細溝を形成すればよい。【００１８】  本発明の他の態様における放電ランプ用電極は、先端側部材と、先端側部���と固相接合した後端側部材とを備え、溝部が、先端側部材と後端側部材との接合面を跨いで電極側面に形成されている。展延性の同じ部材同時を固相接合させることも可能である。
【発明の効果】
【００１９】  本発明によれば、複数の部材を固相接合させた電極において、接合強度を高めた電極を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１の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平面図である。
【図２】陽極、陰極の概略的側面図である。
【図３】陰極の部分的側面図である。
【図４】陰極における金属部材接合面付近を拡大した図である。
【図５】第２の実施形態における陰極の部分的側面図である。
【図６】接合面付近の陰極の写真を表した図である。
【図７】図６の拡大写真を表した図である。
【図８】電子顕微鏡による接合面付近の写真を表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】  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。
【００２２】  図１は、第１の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平面図である。
【００２３】  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（図示せず）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）１２を備える。放電管１２には、陰極２０、陽極３０が所定間隔をもって対向配置される。
【００２４】  放電管１２の両側には、対向するように石英ガラス製の封止管１３Ａ、１３Ｂが放電管１２と一体的に設けられており、封止管１３Ａ、１３Ｂの両端は、口金１９Ａ、１９Ｂによって塞がれている。放電ランプ１０は、ここでは陽極３０が上側、陰極２０が下側となるように鉛直方向に沿って配置されている。
【００２５】  封止管１３Ａ、１３Ｂの内部には、金属性の陰極２０、陽極３０を支持する導電性の電極支持棒１７Ａ、１７Ｂが配設され、金属リング（図示せず）、そしてモリブデンといった金属箔１６Ａ、１６Ｂを介して導電性のリード棒１５Ａ、１５Ｂにそれぞれ接続される。封止管１３Ａ、１３Ｂは、封止管１３Ａ、１３Ｂ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ＤＳが封止される。
【００２６】  リード棒１５Ａ、１５Ｂは外部の電源部（図示せず）に接続されており、リード棒１５Ａ、１５Ｂ、金属箔１６Ａ、１６Ｂ、そして電極支持棒１７Ａ、１７Ｂ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。
【００２７】  図２は、陽極、陰極の概略的側面図である。
【００２８】  陰極２０は、電極軸Ｅに垂直な電極先端面２０Ｓを有する金属部材（先端側部材）２０Ａと、その後方で金属部材２０Ａと接合する金属部材（後端側部材）２０Ｂから構成される。電極支持棒１７Ａによって支持される金属部材２０Ｂは、円柱状部分２３Ｂと円錐台形状部分２３Ａから成り、円錐台形状の金属部材２０Ａは、金属部材２０Ｂの円錐台形状部分２３Ａと接合している。
【００２９】  陽極３０は、電極軸Ｅに垂直な電極先端面３０Ｓを有する金属部材（先端側部材）３０Ａと、金属部材３０Ａと接合する金属部材（後端側部材）３０Ｂから構成される。金属部材３０Ａは、円錐台形状部分３３Ａと円柱状部分３３Ｂから成り、円柱状の金属部材３０Ｂは、金属部材３０Ａの円柱状部分３３Ｂと接合する。
【００３０】  先端側の金属部材２０Ａは、トリエーテッドタングステンなどタングステンを主成分とする合金、あるいは純タングステン（Ｗ）など高融点金属によって構成される。一方、後端側の金属部材２０Ｂは、金属部材２０Ａよりも展延性の高い金属、あるいはそれを主成分とする合金から成る。ここでは、金属部材２０Ｂはモリブデン（Ｍｏ）によって構成される。陽極３０の金属部材３０Ａ、３０Ｂは、それぞれ純タングステン（Ｗ）とモリブデン（Ｍｏ）から構成される。
【００３１】  図３は、陰極の部分的側面図である。図４は、陰極における金属部材接合面付近を拡大した図である。図３、４を用いて、陰極側面に形成した溝部について説明する。
【００３２】  陰極２０は、金属紛体を焼結して固形化した金属部材２０Ａ、２０Ｂとなる素材を、放電プラズマ焼結（ＳＰＳ焼結）方式に従って固相接合し、その後、旋盤による切削加工することによって製造される。切削加工により、陰極２０のテーパー面（縮径面）２０Ｑが形成される。
【００３３】  切削加工では、電極軸Ｅに垂直な方向、すなわち周方向に沿って金属部材２０Ａ、２０Ｂを切削する。ここでは、接合面Ｓ１に対して±１０°以下の角度αで切削が施される。そして、テーパー面２０Ｑをもつ電極を形成するための切削工程において、溝部Ｒが同時に形成される。
【００３４】  溝部Ｒは接合面Ｓ１を跨いで形成されており、微細な溝（以下、微細溝という）から成る。微細溝ｒは、切削加工処理時と同時に所定のピッチ間隔Ｐ１で形成される溝であり、ピッチ間隔Ｐ１は、１μｍ〜５μｍの範囲に定められる。これは、従来の放電ランプに形成された放熱用溝と比べて十分小さい。図４では、微細溝ｒに関し、金属部材２０Ａに形成された微細溝を「ｒ１Ａ」、金属部材２０Ｂに形成された微細溝を「ｒ１Ｂ」と表している。
【００３５】  後端側の金属部材２０Ｂに形成される微細溝ｒ１Ｂは、むしれのある溝であり、溝深さｄは、工具切れ刃稜位置よりも深い位置まで達している。ただし、溝深さｄを、溝山頂点を結んだ線から底までの距離としてここでは示している。一方、展延性が相対的に低い金属部材２０Ａには、むしれのない、あるいはほとんど生じない微細溝ｒ１Ａが形成される。溝深さｄは、金属部材２０Ｂ側と比べて金属部材２０Ａ側の方が小さい（浅い）。
【００３６】  このような接合面Ｓ１を挟んで深さ、粗さなど表面状態の異なる微細溝ｒを形成するように、切削加工時における旋盤の回転数／回転速度、刃の材質、切込み角度、切込み量などが調整される。ここでは、連続的に切削加工する間に接合面Ｓ１を境にして溝の違いが生じるように、調整が行われる。
【００３７】  金属部材２０Ｂにおける溝深さｄについては、むしれによる溝であるため比較的バラつきがあるが、深さ５μｍ以上となるように、刃の切込み量などが調整される。一方、金属部材２０Ａではむしれが生じるのを防ぐように、切込み量などが調整される。
【００３８】  金属表面が粗くなると、光の乱反射が大きくなり、反射率が小さくなる。本来であれば光の反射率はタングステンよりもモリブデンの方が大きいが、微細溝ｒ（ｒ１Ａ、ｒ１Ｂ）を形成することにより、溝部Ｒにおいて金属部材２０Ｂ側の反射率は、金属部材２０Ａ側の反射率よりも小さくなる。また、切削加工により、金属部材２０Ｂの表面粗さＲａは１．２μｍ以上、金属部材２０Ａの表面粗さＲａは０．７μｍ以下となる。
【００３９】  上述したように、後端側のモリブデン（Ｍｏ）から成る金属部材２０Ｂは、先端側のタングステン（Ｗ）から成る金属部材２０Ａと比べて展延性が高く、変形しやすい。したがって、金属部材２０Ａ、２０Ｂを固相接合させると、図３に示すように接合面Ｓ１の外縁付近に楔Ｗが生じやすい。この楔Ｗは、マイクロオーダーレベルで生じることが多い。
【００４０】  しかしながら、微細溝ｒが接合面Ｓ１付近に形成されるとき、相対的に展延性が高い金属部材２０Ｂでは、むしれが生じるほどの微細溝ｒ１Ｂが形成されることにより、接合面Ｓ１の外縁付近において塑性変形が生じる。これは、切削時に金属部材２０Ｂに加えられる力などを調整したこと、および切削加工を接合面Ｓ１に沿って（１０°以内）行うことなどによってもたらされる。このような微細溝ｒ１Ａを形成する目安として、上述した表面粗さＲａが１．２μｍ以上となるように切削加工すればよい。
【００４１】  その結果、楔Ｗの形状も変化し、接合面Ｓ１付近に形成される微細溝ｒと同程度のサイズになる。接合面Ｓ１に生じた楔Ｗは、電極中心側へ深く切れ込んだ状態から形状変化し、場合によっては、潰れた状態となる。これは、ランプ点灯中に接合面Ｓ１付近における熱膨張の相違から楔を起点として生じる接合部破損を防ぐ。
【００４２】  特に、テーパー面２０Ｑにおいては電流密度が高く、熱膨張率の違いによる熱応力が金属部材２０Ｂから金属部材２０Ａに向けて大きく作用するが、接合強度が高いため、高い熱伝導性、電気伝導性を維持することが可能となる。これによって、先端側金属部材２０Ａにおけるトリウム含有量を、必要最小限に留めることができる。
【００４３】  また、先端側の金属部材２０Ａにも微細溝ｒ１Ａを形成することにより、ランプ点灯中に金属部材２０Ｂから金属部材２０Ａへ熱応力が加えられたとき、微細溝ｒ１Ａによって熱応力を逃すことになり、接合面Ｓ１付近において欠けが生じるのを防止することができる。これを実現するため、表面粗さＲａが０．７μｍ以下にするように、微細溝ｒ１Ａを形成すればよい。
【００４４】  さらに、金属部材２０Ｂ表面付近の切削加工による塑性変形によって、金属部材２０Ｂの接合面Ｓ１付近では、電極中心側に食い込む微細溝ｒ１Ｂが形成されることになり、接合面Ｓ１の外縁付近での接合を強固にすることができる。特に、金属部材２０Ｂを純モリブデンで形成することにより、むしれが生じやすくなり、表面粗さＲａを大きくしやすい。
【００４５】  一方、金属部材２０Ａ側面の微細溝ｒ１Ａには、むしれが実質的に生じていないため、ピッチ、深さが乱れのない溝となっている。これによって、展延性の低いタングステンから成る金属部材２０Ａにおいてクラックや欠けが生じず、ランプ点灯中のアーク放電が安定する。このような微細溝ｒが切削加工と同時に形成されるため、電極製造工程が煩雑にならない。
【００４６】  以上、陰極２０のテーパー面２０Ｑに形成される溝部Ｒについて説明したが、陽極３０においても、陰極２０と同様な溝部が形成される。その結果、タングステンから成る金属部材３０Ａとモリブデンから成る金属部材３０Ｂに接合面Ｓ２を間に挟んで溝部が形成され、金属部材３０Ｂにはむしれが生じた微細溝が形成される。これにより、接合強度、熱伝導性、電気伝導性を向上させることができる。
【００４７】  このように本実施形態によれば、先端側の金属部材２０Ａと後端側の金属部材２０Ｂをから成る陰極２０を、固相接合および切削加工によって形成する。切削加工時に形成される陰極２０のテーパー面２０Ｑには、微細溝ｒを形成した溝部Ｒが形成される。このとき、金属部材２０Ｂにおいてむしれが生じる一方、金属部材２０Ａにおいてはむしれが生じないように、切削加工が施される。
【００４８】  次に、図５を用いて、第２の実施形態であるショートアーク型放電ランプについて説明する。第２の実施形態では、さらに放熱用溝部が形成される。
【００４９】  図５は、第２の実施形態における陰極の側面図である。
【００５０】  陰極２００は、先端面２００Ｓを含む先端側金属部材２００Ａと後端側金属部材２００Ｂから成る。そして、テーパー表面２００Ｑを形成する切削加工時に、微細溝から成る溝部１００Ｒが形成される。
【００５１】  さらに、微細溝ｒの形成後、レーザー照射によってピッチの大きい溝ｒｒ（以下、幅広溝という）が重ねて形成される。幅広溝ｒｒは、微細溝よりも十分大きなオーダー（ミリオーダーレベル）であるピッチＰ２および深さｄ’（図示せず）をもつ。ここでは、ピッチＰ２が０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲、深さｄ’が０．１〜０．５ｍｍの範囲に定められる。特に、ピッチＰ２を０．２ｍｍ〜０．５ｍｍ、深さｄ’を０．２ｍｍ〜０．５ｍｍに定めるのがよい。
【００５２】  切削加工後のレーザー照射によって溝部Ｒに形成される幅広溝ｒｒは、電極放熱効果を高めるとともに、レーザー照射により溶融した金属部分が楔Ｗに埋まることによって接合強度がより一層上がる。
【００５３】  微細溝は、切削加工以外の方法によって形成し、むしれによらない微細溝／凹凸面を形成することも可能である。接合面強度が上がる範囲で適度な深さ、ピッチをもつ溝を形成すればよい。特に、後端側の溝深さが、先端側溝深さよりも大きい溝部を形成するのがよい。
【００５４】  例えば、微細溝を１００μｍ以下のピッチで形成し、また、後端側金属部材に対して微細溝が１００μｍ以下の深さとなるように切削加工すればよい。これは、楔Ｗがマイクロオーダーレベルで生じることが多いため、上記よりも大きい溝では、楔Ｗを十分に埋めることができないためである。
【００５５】  溝部の形成範囲については、接合面付近の一部だけでもよく、あるいは、テーパー面２０Ｑ全体に渡って行うことも可能である。さらに、レーザー照射以外の方法（切削加工など）でピッチの大きな幅広溝を形成してもよく、微細溝、あるいは幅広溝のみ形成することも可能である。
【００５６】  先端側の金属部材２０Ａ、後端側の金属部材２０Ｂの金属素材については、金属部材２０Ｂが相対的に金属部材２０Ａよりも展延性が高くなるように選択される。例えば、金属部材２０Ｂは、タンタル／モリブデン、あるいはタンタル／モリブデンを主成分とする合金によって構成することが可能である。
【００５７】  なお、３つ以上の金属部材でそれぞれ電極を構成してもよい。また、一方の電極のみ接合面付近に溝部を形成した構成にしてもよく、テーパー面、円柱表面いずれに形成される接合面においても溝部を形成することができる。また、金属部材以外の部材を固相接合させてもよく、ショートアーク型放電ランプ以外の放電ランプにも適用可能である。
【００５８】  第１、第２の実施形態では、異なる金属部材を固相接合させているが、同種の金属部材を固相接合させることも可能である。金属部材の展延性が同じであっても、接合面に微小な楔が生じやすく、微細溝を形成することによって楔拡大を防ぐことができる。
【００５９】  以下では、図６〜図８を用いて、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００６０】  定格電力５ｋＷのショートアーク型放電ランプの陰極は、トリエーテッドタングステンから成る金属部材、モリブデンから成る金属部材をＳＰＳ焼結方式に従って固相接合し、その後切削加工によって陰極形状が構成される。陽極は、タングステンから成る先端側金属部材、モリブデンから成る後端側金属部材を固相接合し、切削加工することによって得られる。陰極は、全長２０ｍｍ、陰極先端面から接合面までの距離が５ｍｍ、接合面の径が１６ｍｍとなっている。【００６１】  図６は、接合面付近の陰極の写真を表した図である。図７は、図６の拡大写真を表した図である。図８は、電子顕微鏡による接合面付近の写真を表した図である。【００６２】  図６から明らかなように、溝部が接合面Ｓ１に沿った方向に形成され、かつ、接合面Ｓ１を跨いで先端側部材２０Ａと後端側部材２０Ｂに形成されている。さらに、図７、８から明らかなように、後端側部材２０Ｂには、むしれが生じている。【００６３】  接合面Ｓ１に沿って溝部が形成され、後端側部材２０Ｂにむしれが生じるように切削加工したため、接合面端部に楔状の隙間が生じず、点灯中に接合部の破損は生じなかった。【００６４】  本発明に関しては、添付されたクレームによって定義される本発明の意図および範囲から離れることなく、様々な変更、置換、代替が可能である。さらに、本発明では、明細書に記載された特定の実施形態のプロセス、装置、製造、構成物、手段、方法およびステップに限定されることを意図していない。当業者であれば、本発明の開示から、ここに記載された実施形態がもたらす機能と同様の機能を実質的に果たし、又は同等の作用、効果を実質的にもたらす装置、手段、方法が導かれることを認識するであろう。したがって、添付した請求の範囲は、そのような装置、手段、方法の範囲に含まれることが意図されている。【００６５】  本願は、日本出願（特願２０１３−１５１６４７号、２０１３年７月２２日出願）を基礎出願として優先権主張する出願であり、基礎出願の明細書、図面およびクレームを含む開示内容は、参照することによって本願全体に組み入れられている。
【符号の説明】
【００６６】  １０  放電ランプ
１２  放電管
２０  陰極
３０  陽極
Ｓ１  接合面
Ｒ  溝部
ｒ  微細溝
ｒｒ  幅広溝
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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