(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互に間隔を置いて放電管内に配置された２つの電極を有しており、
放電管は水銀および／または希ガスで充填されており、
少なくとも１つの第１の電極はシャフトおよび該シャフト上に載置されたヘッドから成る、
ショートアーク高圧放電ランプにおいて、
少なくとも第１の電極のヘッドは少なくとも部分的に平滑なレニウム層または多孔性のレニウムを含む層でカバーされている
ことを特徴とするショートアーク高圧放電ランプ。
【請求項２】
前記ランプは直流ランプであり、該ランプのコーティングされた第１の電極はアノードであり、アノード頂部から２ｍｍの距離の個所のアノード径Ｒ（ｍｍで表す）は
Ｒ＜１０（２５３／２３００）２（Ｉ＊５．５）２／３
を満足し、ここでＩは電流（Ａで表す）である、請求項１記載のショートアークランプ。
【請求項３】
第１の電極上のレニウムを含む層の層厚さは１０μｍ〜２００μｍである、請求項１記載のショートアークランプ。
【請求項４】
レニウムを含む層のない電極ヘッド頂部の所定の領域はアーク始端面であり、軸線方向で頂部から最高で２ｍｍまでである、請求項１記載のショートアークランプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、相互に間隔を置いて放電管内に配置された２つの電極を有しており、放電管は水銀および／または希ガスで充填されており、少なくとも１つの第１の電極はシャフトおよびこのシャフト上に載置されたヘッドから成る、ショートアーク高圧放電ランプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
米国特許第６０６０８２９号明細書から電極としてタングステンから成るシャフトを使用し、その表面にレニウムをコーティングしたメタルハライドランプが公知である。
【０００３】
国際公開第００／０８６７２号明細書から、レニウムまたは他の高融点金属から成る樹枝状層を使用した高圧放電ランプ用の電極が公知である。ここではこれは複数の針状の成長部が平滑な表面上に形成されるナノ構造であると解されたい。このような樹枝状層の表面は暗灰色から黒色であり、０．８以上の放射係数を達成する。アノード面での動作温度はコーティングされていないアノードに比べて２００Ｋ程度低下することがある。この種の樹枝状層の欠点は製造が煩雑となり、そのためにコストが高くなる点である。樹枝状コーティングをＣＶＤ技術またはＰＶＤ技術によって被着する手法にはきわめてコストがかかる。さらにアノードコーティングされた高負荷のランプの照明時間試験から、樹枝状の針構造は照明時間が経過するうちにその初期形状を失い、アノードは本来の良好な放射率を喪失することが判明している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、請求項１の上位概念記載のショートアークランプにおいて長い寿命を有しかつ黒化しにくいランプを提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この課題は、少なくとも第１の電極のヘッドは少なくとも部分的に平滑なレニウム層または多孔性のレニウムを含む層でカバーされているショートアークランプにより解決される。特に有利な実施形態は各従属請求項に記載されている。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明によれば、高放射度のレニウムをコーティングされた平滑な電極ヘッドが設けられる。
【０００７】
ショートアークランプでの電極温度が高いことにより、電極頂部の個所では電極材料が気化し、ランプの管体の内側に沈着が生じて管体の黒化にいたることがある。こうした黒化は必然的に光電流を減少させる。
【０００８】
特に半導体を製造する際のフォトリソグラフィ技術では、長い露光時間に基づく光電流の低下は製造にかかる時間を延長させ、極端なケースでは早期のランプ交換が必要となることがある。
【０００９】
一般に任意の材料の蒸着圧力は温度が高くなるにつれて指数的に増大する。ここでの電極材料のタングステンにおいてもそうである。電極頂部の温度の１００℃ほど低下しただけで蒸着圧力は著しく低下する。これにより電極頂部での材料の損失は大幅に低減され、管体の黒化も低減される。このような温度の低下は放射を高める電極コーティングにより達成される。
【００１０】
種々のシンタリング層材料の実験が多数の試みでテストされてきた。レニウムはシンタリング層用の材料に適しており、従来の解決手段の欠点を回避できることが判明している。すなわち
ａ）レニウムは金属炭化物、特にＴａＣに対して電解しない。
【００１１】
ｂ）レニウムはタングステンよりも高い放射率を有しており、それ自体では平滑な表面のほうが強く放射する。多孔性のレニウムシンタリング層は高い動作温度に基づいてシンタリングし、平滑面を形成する際に有効である。
【００１２】
ｃ）レニウムシンタリング層の堆積は樹枝状層を製造する際に比べて低コストである。
【００１３】
コスト上有利なレニウムコーティングの使用領域は比較的高い温度範囲に広がっている。
【００１４】
アノードの温度測定により、ランプの動作温度は直接にレニウムシンタリング層を備えたアノード面でタングステンシンタリング層を備えた同じ構造のアノードよりも９０Ｋ低いことがわかった（図１を参照）。従来のタンタルカーバイド層ではレニウムとの温度差は１４０Ｋまでであると測定された。
【００１５】
熱放射体の放射エネルギはシュテファン‐ボルツマンの法則によって記述される。すなわち
Ｌ＝ε＊σ＊Ｔ４
である。ここでσはシュテファン‐ボルツマン定数σ＝５．６７＊１０−８ｍ−２Ｋ−４であり、放射係数εは熱放射体（０＜ε＜１）の理想黒体（ε＝１）からの差を表している。
【００１６】
熱放射体の放射エネルギは温度が高くなるにつれて増大する。大きな放射係数は高温では格段に強い放射をもたらす。
【００１７】
逆にこの法則によれば、比較的大きな放射率を有するものであれば所定の熱量が低温でも熱エネルギのかたちで放射されることを表している。
【００１８】
アノードに供給されるエネルギは主として面領域で発生する電子に由来するものである。アノードの温度上昇について決定的なのは頂部の直接近傍でのアノード径である。経験的に頂部から２ｍｍの距離の個所の横断面がアノード頂部の電流負荷を検出するための良好な基準点となることが判っている。
【００１９】
アノード頂部の最高温度は、式
Ｔ＝２５３＊３√Ｐ／√０．１Ｒ                                    （Ｉ）
によってきわめて良好に検出される。ここでＰはアノードに供給されるエネルギを意味する。このエネルギは主として電子の入ってくる量とアノード降下電圧とから成り、Ｉ＊５．５Ｖである。Ｒは頂部から２ｍｍの距離の個所のアノード径をｍｍで表したものである。
【００２０】
２３００Ｋを越えるアノード頂部温度を有するランプは多孔性のタングステンコーティングを迅速にシンタリングしやすい。
【００２１】
この場合直接にレニウムの利点を活用できる。高い放射係数に基づいてアノード自体が平滑なレニウム層の個所で多くの熱を放出する。多孔性のレニウム層の析出も有利であり、この場合には低温で付加的な放射の上昇がもたらされる。
【００２２】
２３００Ｋを越えるアノード頂部の温度は、アノード径が限界値を下回っていれば、すなわち
Ｒ＜１０（２５３／２３００）２（Ｉ＊５．５）２／３
であれば式（Ｉ）により得られる。
【００２３】
レニウムシンタリング層の良好な冷却作用はランプ駆動中にも保証されている。ランプのデグラデーションはレニウムシンタリング層を有するアノードでタングステンシンタリング層を有するアノードよりも小さい。例として電力３４００Ｗの水銀ショートアークランプを挙げる。このランプの電流は１４８Ａであり、ランプのアノード径は頂部後方２ｍｍの個所で７ｍｍである。レニウムコーティングを備えたランプの光電流損失は１５００ｈ後に８％と測定され、同じ構造のタングステンコーティングを備えたランプの光電流損失は１４％となった（図４を参照）。
【００２４】
被着されたレニウムはコスト上の理由からタングステンまたは他の高融点金属を負荷される。ただしこの場合純粋にレニウムのみを用いる場合よりも有効性は低下する。
【００２５】
こうしたコーティングは使用最高温度が高くなるにつれて一層有効に使用することができる。その理由は電極表面の熱放射が温度の４乗に比例するからである。電極の最も熱い領域は過比例しており、全熱放射に寄与する。したがってこの種の領域のコーティングは特に意義深い。
【００２６】
本発明はここでは特に水銀ショートアークランと希ガス高圧ランプ（特にキセノン高圧ランプ）に関しており、これらのランプでは２つの電極が相互に間隔を置いて配置されている。少なくとも１つの電極はシャフトとその上に載置されたヘッドとから成る。少なくとも電極ヘッドは部分的または完全にレニウムを含む層でカバーされている。ここで層内のレニウム成分は３０質量パーセントであり、このためレニウムの特別な効果が得られる。特に高い電流負荷（例えば６０Ａ以上）を有するランプに関する本発明の効果はさらに広がる。この種のランプでは特にアノードが発生した電子により熱的に強く負荷されるのでこの層が必要となる。有利には電極間隔は２ｍｍ〜１０ｍｍである。
【００２７】
レニウムを含む層の層厚さは１μｍ〜１０００μｍであり、有利には本発明の効果は１０μｍの層厚さからはっきりと現れる。層厚さが２００μｍを越えると層を接着する際に温度交換作用による問題が生じることがある。粉末の処理は粒径が平均的である場合に最も良好に行われる。すなわち粒径が１μｍ〜２０μｍである（特に４μｍ〜６μｍである）とき最も良好に行われる。これにより層はそれ自体周知の手法、すなわち層厚さが大きい場合には液浸または塗布により、また層厚さが小さい場合にはプラズマスパッタリングプロセスまたはＣＶＤにより形成される。
【００２８】
電極ヘッドは温度負荷が最大となる頂部の個所に部分的にレニウムを含む層のない部分を有する。有利には電極ヘッドの頂部の所定の領域にはレニウムを含む層は存在せず、特に電極端面（特に直線状の端面、図２を参照）のアーク始端面が軸線方向で頂部から最高で２ｍｍ離れた位置で露出されている。これは例えばアーク始端面が丸みをおびている場合である。
【００２９】
温度負荷に曝されるコーティングの効果は低下するので、電極ヘッドの後方端部自体は必ずしもコーティングしなくてよい。これは特に電極ヘッドの端部の軸線方向の少なくとも２０％の領域にわたって当てはまる。
【００３０】
【実施例】
次に本発明を幾つかの実施例に則して詳細に説明する。
【００３１】
図１には概略的に水銀ショートアークランプ１が示されている。両側で封止された放電管５はアノード２と対向側のカソード３とを有している。これらの電極間の距離は４．５ｍｍである。ランプは１４８Ａの電流がある場合に電力３４００Ｗで駆動される。放電管には１．４ｂａｒでキセノンが充填されており、１ｃｍ３当たり２．５ｍｇの水銀が封入されている。アノードはシリンダ状のシャフト６とその上に載置された中実なシリンダ状のヘッド７とから成る。
【００３２】
図２には錐体状の頂部（３）を備えたアノードヘッド７が示されており、図３には球状の頂部（４）を備えたアノードヘッド７が示されている。温度計算に対しては頂部（３，４）から２ｍｍの個所でのアノード負荷が重要である。その個所の半径が図２、図３に記号Ｒで示されている。図２びアノードヘッド７は放電側の端面を除いて完全にレニウムでコーティングされている（番号１０を参照）。ただし簡単化するためにこのレニウム層は部分的にしか示していない。図３ではアノードヘッドは部分的にレニウムでコーティングされている。この層１１は頂部から２ｍｍの距離の個所から始まり、かつヘッドの斜めの端部部材１２に対するエッジの個所で終わっている。
【００３３】
レニウム層は２つの実施例では５０μｍの厚さであり、平均粒径として５μｍの部分径が選択されている。
【００３４】
図４のａにはアノード頂部から４ｍｍの間隔にある同形の２つのアノードの動作温度の比較が示されている。レニウムをコーティングされたアノードとタングステンをコーティングされたアノードとの比較から、レニウムを使用したときのほうが温度負荷が小さくなることが示されている。図４のｂには同形の２つのアノードのメンテナンスの比較が示されている。この図によれば１５００ｈの照明時間を越えてからの２つのランプでの光電流の低下の様子が示されている。レニウムをコーティングしたランプの低下率のほうが格段に小さいことがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ショートアークランプの断面図である。
【図２】電極の実施例を示す図である。
【図３】電極の別の実施例を示す図である。
【図４】レニウムコーティングされた電極とタングステンコーティングされた電極との間の温度負荷（図４のａ）と燃焼持続時間の特性（図４のｂ）との比較を表す図である。
【符号の説明】
１  水銀ショートアークランプ
２  アノード
３  カソード
５  放電管
６  シャフト
７  アノードヘッド
１０  レニウムコーティング
１１  層
１２  端部部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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