JP5363174B2 - Short arc type discharge lamp - Google Patents
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Description
本発明は、半導体、液晶、プリント基板等の各電子デバイスの製造工程における露光装置用の光源に使用されるショートアーク型放電灯に関し、特に、大電流、大ワットのショートアーク型放電灯に関する。 The present invention relates to a short arc type discharge lamp used as a light source for an exposure apparatus in a manufacturing process of each electronic device such as a semiconductor, a liquid crystal, and a printed circuit board, and more particularly to a short arc type discharge lamp having a large current and a large watt.
半導体デバイス(IC)や液晶パネル(LCD)やプリント配線板(PCB)などの製造工程において、紫外線を発生するショートアーク型放電灯が露光用光源として使われている。 In the manufacturing process of semiconductor devices (IC), liquid crystal panels (LCD), printed wiring boards (PCB), etc., short arc type discharge lamps that generate ultraviolet rays are used as light sources for exposure.
ショートアーク型放電灯は、石英ガラスからなる球形や略楕円球形状の発光管内に水銀、希ガス等の封入物が封入されるとともに、陽極と陰極が対向配置される。また、発光管内の電極の温度上昇を抑制し、熱による損耗を防止するために大きな電極が使用されている。そして、陽極及び陰極の電極リード棒が発光管の両端に続く封止管部で気密封止されている。 In short arc type discharge lamps, a spherical or substantially elliptical spherical arc tube is filled with an inclusion such as mercury or a rare gas, and an anode and a cathode are arranged opposite to each other. In addition, a large electrode is used to suppress the temperature rise of the electrode in the arc tube and prevent wear due to heat. The anode and cathode electrode lead rods are hermetically sealed by sealing tube portions that follow both ends of the arc tube.
ところで、近年、半導体、液晶デバイス露光分野では、半導体の微細化、液晶基板の大面積化及び露光工程のスループットの向上を図るために、さらに紫外線放射強度が強く、長寿命で、信頼性の高いショートアーク型放電灯が要求されており、ランプへの電気入力が大きくなる傾向にある。例えば、液晶製造の露光プロセスには投入電流が１００Ａ以上で入力電力が１０ｋＷ以上のクラスの大型ショートアーク型放電灯が投入されている。 By the way, in recent years, in the field of semiconductor and liquid crystal device exposure, in order to reduce the size of a semiconductor, increase the area of a liquid crystal substrate, and improve the throughput of the exposure process, the ultraviolet radiation intensity is stronger, the lifetime is longer, and the reliability is higher. Short arc discharge lamps are required, and electric input to the lamps tends to increase. For example, a large-scale short arc type discharge lamp of a class having an input current of 100 A or more and an input power of 10 kW or more is used in an exposure process for liquid crystal manufacturing.
そのため、このようなショートアーク型放電灯では、点灯中のランプ内蒸気圧も高くなっており、さらには、大電力、大電流化に伴うランプ電流増加に対応して電極の形状も大きくなり、封止部の大型化、ならびに発熱量の増大に伴い石英ガラスバルブの大型化が必要になってくる。 Therefore, in such a short arc type discharge lamp, the vapor pressure in the lamp during operation is also high, and further, the shape of the electrode becomes large in response to the increase in lamp current accompanying high power and large current, With the increase in the size of the sealing portion and the increase in the amount of heat generated, it is necessary to increase the size of the quartz glass bulb.
このような市場の要求に伴い、紫外線放射強度を高める必要がある。放射強度の増加は、投入電流を増大させることで得られるが、投入電流の増大は、電極への熱エネルギーを増大させ、電極温度を上昇させる。そのため、電極構成物質の蒸発が促進され、電極の損耗やバルブの黒化を生じさせ、ランプの使用寿命が短くなるという問題が起こる。 With such market demands, it is necessary to increase the ultraviolet radiation intensity. An increase in radiation intensity can be obtained by increasing the input current, but an increase in input current increases the thermal energy to the electrode and raises the electrode temperature. As a result, evaporation of the electrode constituent material is promoted, causing electrode wear and bulb blackening, resulting in a problem that the service life of the lamp is shortened.
そこで、従来、投入電流の増大に対応するため、電極温度を下げる方法として、陽極の容量を大きく、電極寸法を大きくする方法が採られているが、電極の大型化は、高融点材料であるタングステンの使用量が増加し、ランプ重量を増大させる。 Therefore, conventionally, in order to cope with an increase in input current, as a method of lowering the electrode temperature, a method of increasing the capacity of the anode and increasing the electrode dimensions has been adopted, but the enlargement of the electrode is a high melting point material. The amount of tungsten used increases and the lamp weight increases.
その結果、陽極を支持しているリード棒が折れたり、リード棒を支持する石英ガラス部分が破損したりする問題があり、ランプの製造や輸送時のランプの取り扱いを非常に困難にさせる。 As a result, there is a problem that the lead rod supporting the anode breaks or the quartz glass portion supporting the lead rod is broken, which makes it very difficult to handle the lamp during manufacture and transportation.
また、電極の大型化は、陽極胴体部側面に沿って流れる高温化された上昇気流が、容量の大きな電極によって対流方向が規制されるようになり、発光管上端部付近まで上昇するのではなく、陽極胴体部側面から剥離して発光管の中央部分の内壁に衝突する。 In addition, the increase in the size of the electrode is not due to the fact that the heated updraft flowing along the side surface of the anode body part is restricted in the direction of convection by the large capacity electrode and does not rise to the vicinity of the upper end of the arc tube. Then, it peels off from the side surface of the anode body and collides with the inner wall of the central portion of the arc tube.
また、電極先端は、非常に高温となる為、電極構成物質の蒸発が起こり、この損耗した物質が前記対流によって流され、最終的には光照射に有効な発光管面領域の位置で発光管内壁に黒化物を付着させることになる。その結果、放射光量を急激に減衰させ、ランプの使用寿命が短くなってしまう。 In addition, since the electrode tip becomes extremely high temperature, the electrode constituent material evaporates, and the worn material is caused to flow by the convection, and finally the inside of the arc tube at the position of the arc tube surface area effective for light irradiation. Blackened material will adhere to the wall. As a result, the amount of radiated light is rapidly attenuated and the service life of the lamp is shortened.
特許文献１には、陽極の先端を除く表面にタングステンとタンタルの混合物よりなる金属多孔質層が形成された陽極が開示されている。かかる金属多孔質を設けることにより、放熱効果を高くすることができる。特許文献２には、陽極の先端近傍を除く外表面に微粒子タングステンの焼結層が形成された陽極が開示されている。特許文献３には、放熱効果を高めるために陽極外周面に微細加工で加工されたフィンを設けて、陽極表面積を拡大し、陽極からの輻射効率を増大させた陽極が開示されている。特許文献４には、陽極の先端側から後端側に伸びる貫通孔が形成された陽極が開示されている。特許文献５には、陽極側面から間隙をもって取り囲むように配置された対流規制部材を設けて、対流ガスを規制して、発光管内の有効利用範囲よりも上側の位置に黒化の領域を規制することにより、黒化を抑制するランプが開示されている。ここで、発光管内の有効利用範囲とは、アーク中心からみて、ランプからの放射光が集光反射鏡に入り、その放射光が利用される範囲のことである。特許文献６には、陽極の胴部の周囲または後端部に、突起と環状溝を設け、有効利用範囲内における黒化の発生を抑制し、照度維持率を高く維持できるランプが開示されている。特許文献７には、電極の重量が大きなものであっても、製造における溶着工程において、電極マウントおよびバルブの破損を防止する緩衝部材を備えたランプが開示されている。また、特許文献８には、大重量の電極を備える大型のランプにおいて、シール部の破断、枝管部の折れ等を防止したシール体よりなる封着部が形成されたランプが開示されている。
Patent Document 1 discloses an anode in which a metal porous layer made of a mixture of tungsten and tantalum is formed on the surface excluding the tip of the anode. By providing such a metal porous material, the heat dissipation effect can be enhanced.
しかし、従来の大電流、大電力タイプの放電灯の電極では、以下のような問題があった。上記特許文献1，２，３はいずれも、陽極の実効表面積を広げることにより、放熱効果を高めることはできても、近年の大電力、大電流化への対応においては、十分な放熱は行えなかった。さらに、陽極を軽量化するにも限界があった。陽極の先端側に貫通孔を形成した場合、貫通孔周辺で異常放電が起き易く、電極が異常に損耗してしまう。対流規制部材、突起と環状溝を設ける方法では、重量が逆に増大し、加工は煩雑になり、製造効率が悪くなる。また、上記特許文献７，８はいずれも、バルブ、陽極マウント及び封止部の破損を防止するものであるが、陽極重量は何ら変わりなく、ランプの製造や取り扱いが煩雑になる。
However, the electrodes of conventional high current, high power type discharge lamps have the following problems. In any of the
本発明は、以上のような事情に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、軽量かつ放熱性が高く、作製が容易で黒化しにくい、長寿命のショートアーク型放電灯を提供することにある。 The present invention has been made in view of the circumstances as described above. The object of the present invention is to provide a short-arc discharge lamp with a long life that is lightweight, has high heat dissipation, is easy to manufacture, and is not easily blackened. There is to do.
そして、上記課題を解決するために、本発明は、発光管内に陰極と陽極が対向して配置され、水銀と希ガスが封入され、点灯時の入力電力が１０ＫＷ以上、入力電流１００Ａ以上で垂直点灯するショートアーク型水銀放電灯であって、陽極は、陰極に対向した先端に平坦面を有する略円錐台状または略球状ドーム型の先端部と、先端部に続く最大直径面を有する円柱状の胴体部と、胴体部に続く胴体部の後方から漸次縮径する略円錐台状の後端部とで構成され、胴体部の最大直径面での電流密度が１mm2あたり０．２Ａ以下で、発光管内周面から該陽極後端部外周面までの最短距離をＸ１（mm）、発光管中心線上のバルブ内周面から陽極外周面までの最短距離をＸ０（mm）とするとき、
０．８≦Ｘ１／Ｘ０ とするものである。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention is arranged such that a cathode and an anode are opposed to each other in an arc tube, mercury and a rare gas are enclosed, and an input power during lighting is 10 KW or more and an input current is 100 A or more. A short arc mercury discharge lamp to be lit, the anode having a substantially truncated cone shape or a substantially spherical dome shape having a flat surface at the tip facing the cathode, and a cylindrical shape having a maximum diameter surface following the tip. And a rear end portion of a substantially truncated cone shape that gradually decreases in diameter from the rear of the body portion following the body portion, and the current density on the maximum diameter surface of the body portion is 0.2 A or less per
0.8 ≦ X1 / X0.
さらに、上記のショートアーク型放電灯の陽極であって、陽極先端部の先端平坦面から胴体部の最大直径面までの最短距離Ｌ０（mm）が５mm〜１０mm、後端部のテーパ角θ（°）が１０°〜３０°で、陽極の全長をＬ（mm）、最大直径をｄ（mm）、後端部の芯線側端面の直径をｄ２（mm）としたとき、
Ｌ／ｄ≦２、ｄ２／ｄ≦０．６ とするものである。
Furthermore, in the anode of the short arc type discharge lamp, the shortest distance L0 (mm) from the flat tip surface of the tip of the anode to the maximum diameter surface of the body is 5 mm to 10 mm, and the taper angle θ ( °) is 10 ° to 30 °, the total length of the anode is L (mm), the maximum diameter is d (mm), and the diameter of the end surface on the core wire side at the rear end is d2 (mm).
L / d ≦ 2, d2 / d ≦ 0.6.
さらに、電極の胴体部の長さをＬ１（mm）、後端部の長さをＬ２（mm）としたとき、
１≦Ｌ１／Ｌ０≦４、Ｌ１／Ｌ２≦１ とするものである。
Furthermore, when the length of the body part of the electrode is L1 (mm) and the length of the rear end part is L2 (mm),
1 ≦ L1 / L0 ≦ 4 and L1 / L2 ≦ 1.
上記のように構成したことにより、陽極先端部近傍で温度の高い領域に広い放熱面積を有しているので、放熱効果を高めることができ、後端部の円錐台のテーパにより、黒化が抑制され、また陽極の軽量化ができ、使用寿命の長いショートアーク型放電灯とすることができる。 By configuring as described above, since the heat radiation area is wide in the high temperature region near the tip of the anode, the heat radiation effect can be enhanced, and the taper of the truncated cone at the rear end causes blackening. In addition, the anode can be reduced in weight, and a short arc type discharge lamp having a long service life can be obtained.
以下、本発明を実施するための形態について、図1から図５を参照しながら詳細に説明する DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 5.
図１に、本発明にかかるショートアーク型放電灯用電極である陽極１の拡大図を示す。図１に示すように、陽極１は、入力電力１６ＫＷ、入力電流１２０Ａで垂直点灯するショートアーク型水銀放電灯の陽極であって、陰極に対向した先端に平坦面５を有する略円錐台状または略球状ドーム型の先端部２と先端部２に続く最大直径面６を有する円柱状の胴体部３と胴体部３に続く胴体部３の後方から漸次縮径する略円錐台状の後端部４とで構成されている。本実施形態においては、数値例をあげると、胴体部３の最大直径面６での電流密度が１mm2あたり０．１３６Ａ、先端部２の先端平坦面５から胴体部３の最大直径面６までの最短距離Ｌ０（mm）は６．５mm、後端部４のテーパ角θ（°）は１４°、陽極の全長Ｌ（mm）は４７mm、最大直径ｄ（mm）は３３．５mm、後端部４の芯線側端面の直径ｄ２（mm）は２０mm、胴体部３の長さＬ１（mm）は１２．５mm、後端部４の長さＬ２（mm）は２８mmである。陽極重量としては、約６００ｇである。従来のものの数値例としては、入力電流１２０Ａ、陽極直径３０mm、陽極全長６５mmの略円柱形状で、陽極重量約１ｋｇのものがある。
FIG. 1 shows an enlarged view of an anode 1 which is an electrode for a short arc type discharge lamp according to the present invention. As shown in FIG. 1, the anode 1 is an anode of a short arc type mercury discharge lamp that is vertically lit with an input power of 16 KW and an input current of 120 A, and has a substantially truncated cone shape having a flat surface 5 at the tip facing the cathode or A substantially spherical dome-shaped
陽極１は、高融点金属、もしくは、高融点金属を主成分とする合金で構成されている。本実施形態においては、純度９９．９％以上の純タングステンを採用した。なお、タングステンを用いる場合、微量のトリウムなどを含むドープタングステン等を用いてもよい。また、融点が３０００（Ｋ）以上の他の高融点金属を採用することもできる。 The anode 1 is made of a refractory metal or an alloy containing a refractory metal as a main component. In the present embodiment, pure tungsten having a purity of 99.9% or more is employed. Note that when tungsten is used, doped tungsten containing a small amount of thorium or the like may be used. Further, other refractory metals having a melting point of 3000 (K) or more can be employed.
図２に、本発明の実施例におけるショートアーク型放電灯を示す。ショートアーク型放電灯の陽極１には、陰極８から、電流をほとんど担っている電子流が流入するとともに、放電中に発生するアークジェット流が突入し、熱エネルギーが陽極先端部へ集中的に注入される。この電子流は、陽極前面の狭い領域に入ってエネルギーを放出し、アークジェット流は、陽極１の前面でよどみ点を形成して一部のエネルギーを放出した後、陽極１の側面に沿って流れる。いずれにしても、陽極１には大きなエネルギーが注入され、入力電力が大きくなるにつれて、一層熱エネルギーの陽極先端部への集中化が生じる。
FIG. 2 shows a short arc type discharge lamp in an embodiment of the present invention. The anode 1 of the short arc type discharge lamp is supplied with an electron flow that bears most of the current from the
この結果、陽極材料が高融点のタングステンで、融点以下の温度であっても、電極表面からタングステン微粒子（原子）の蒸発が盛んに起こり、その蒸発速度は温度とともに指数関数的に増大する。電極金属の表面温度が3000Ｋ以上になると、電極表面からのタングステン微粒子（原子）の蒸発によって電極表面の損耗が顕著となり、電極間距離は広がり、それによって放電特性の劣化を導く。さらに、深刻な点は、蒸発したタングステン微粒子がバルブ（石英ガラス管）に付着してバルブの黒化現象の原因となり、ランプの使用寿命を短縮していることである。したがって、大電流、大電力タイプのショートアーク型放電灯を安定な電気特性を維持し変わらぬ放射照度を得るためには、陽極先端部の温度を3000Ｋ以下に保持することが必須条件である。 As a result, even when the anode material is tungsten having a high melting point, tungsten fine particles (atoms) are actively evaporated from the electrode surface, and the evaporation rate increases exponentially with the temperature. When the surface temperature of the electrode metal is 3000 K or more, wear of the electrode surface becomes significant due to evaporation of tungsten fine particles (atoms) from the electrode surface, and the distance between the electrodes increases, thereby leading to deterioration of discharge characteristics. Furthermore, a serious point is that evaporated tungsten fine particles adhere to the bulb (quartz glass tube) and cause the blackening phenomenon of the bulb, thereby shortening the service life of the lamp. Therefore, in order to obtain stable irradiance while maintaining stable electrical characteristics of a high-current, high-power type short arc type discharge lamp, it is essential to keep the temperature of the anode tip at 3000 K or less.
陽極先端部の温度を3000Ｋ以下にするためには、ここに集中した熱エネルギーをできるだけ早く拡散させる必要がある。外部から積極的に冷却できないランプの構造において、電極先端部の超高温化を防ぐためには、電極自身の熱伝導特性と熱放射特性を効果的に活用することが重要である。熱伝導による熱輸送量は温度勾配に比例するので電極先端部の近傍で大きな温度勾配を維持することが必要である。そのためには、できるだけ先端部に近いところで熱放射などによる多量の熱の放出が可能となる構造が効果的である。 In order to make the temperature at the tip of the anode below 3000K, it is necessary to diffuse the heat energy concentrated here as soon as possible. In the structure of a lamp that cannot be actively cooled from the outside, it is important to effectively use the heat conduction characteristics and heat radiation characteristics of the electrode itself in order to prevent the electrode tip from becoming extremely hot. Since the amount of heat transport by heat conduction is proportional to the temperature gradient, it is necessary to maintain a large temperature gradient near the tip of the electrode. For this purpose, a structure capable of releasing a large amount of heat by heat radiation or the like as close to the tip as possible is effective.
陽極１に注入されたエネルギーは、熱伝導によって拡散し、陽極１の表面から熱放射によって放出される。陽極１の温度は、入射エネルギーと熱放射エネルギーの平衡（バランス）状態になって決まる。 The energy injected into the anode 1 is diffused by heat conduction and released from the surface of the anode 1 by thermal radiation. The temperature of the anode 1 is determined in a balanced state between incident energy and thermal radiation energy.
熱放射Ｑは、ステファン・ボルツマンの次式で与えられる。 The thermal radiation Q is given by the following equation of Stefan Boltzmann.
Ｑ＝５．６７ ＊（Ｔ／１００）4 ＊ εＳ [W/m2 ] ・・・・式(1)
ここで、Ｓは表面積で、εは放射率である。
Q = 5.67 * (T / 100) 4 * εS [W / m 2 ]... Formula (1)
Here, S is the surface area, and ε is the emissivity.
放射率εは一般の金属では温度が高いほど大きくなり、タングステンのεＷ は、約Ｔ／１００００である。これを代入すると、タングステンの場合、熱放射Ｑは、温度の約５乗に比例することとなる。すなわち、温度の高いところで熱放射は盛んになるので、温度の高い領域である陽極前面に近い場所の表面積を大きくすることが熱放射にとって効果的である。 The emissivity ε increases as the temperature increases in general metals, and εW of tungsten is about T / 10000. When this is substituted, in the case of tungsten, the thermal radiation Q is proportional to the fifth power of the temperature. That is, since heat radiation becomes active at high temperatures, it is effective for heat radiation to increase the surface area near the anode front surface, which is a high temperature region.
したがって、陽極先端部近傍で温度の高い箇所に広い表面積を得る構造が有利となる。そこで、本発明の陽極は図1に示すように、基本的には軸対称の円柱であるが電極先端部及び胴体部の半径が大きく、そこを離れると半径が小さくなって円錐台形状になっている。アークジェット流が陽極胴体部側面から剥離して発光管の中央部分の内壁方向に広がらないようにするために、円錐台のテーパを１０°〜３０°、好ましくは１４°〜１６°に選ぶと電極先端部及び胴体部を越したアークジェット流は円錐台のテーパに沿って整流され、陽極側面から上方に流れる時、アークジェット流が陽極側面から剥離されることが抑制され、発光管の中央部分の内壁に衝突するのを抑制でき、黒化による放射光量減衰を防ぐことができる。 Therefore, a structure in which a large surface area is obtained at a location where the temperature is high in the vicinity of the tip of the anode is advantageous. Therefore, as shown in FIG. 1, the anode of the present invention is basically an axisymmetric cylinder, but the radius of the electrode tip and the body is large, and the radius becomes small and becomes a truncated cone shape when leaving it. ing. In order to prevent the arc jet flow from separating from the side surface of the anode body portion and spreading toward the inner wall of the central portion of the arc tube, the taper of the truncated cone is selected from 10 ° to 30 °, preferably 14 ° to 16 °. The arc jet flow over the tip and body of the electrode is rectified along the taper of the truncated cone, and when flowing upward from the anode side surface, the arc jet flow is suppressed from being separated from the anode side surface, and the arc tube center Collision with the inner wall of the part can be suppressed, and attenuation of the amount of radiated light due to blackening can be prevented.
以下に、本発明の陽極についてその特徴を説明する。 The characteristics of the anode of the present invention will be described below.
本発明の陽極を図３に示すように、授熱領域１２、放熱領域１３、熱伝導領域１４の3つの領域に分けて、その熱特性について説明する。
As shown in FIG. 3, the anode of the present invention is divided into three regions, a
受熱領域１２においては、電極先端部２の熱入射は受熱領域全体にわたって一様ではなく局所的であり、定常状態においては先端部より少し奥に入ったところからは径方向でほぼ一様になる。受熱領域１２では、温度は3000K前後あり、温度差も少ない。
In the
放熱領域１３においては、半径一定の円柱であり、表面積が大きくなっており、この領域全体は高温であっても、熱放出が盛んであり、電極前面から入ってきた熱エネルギーのかなりの部分を放出する。一方、電極前面から受熱領域１２に沿って流れるアークジェット流は熱伝達によって電極前面のよどみ点近傍から受熱領域１２にわたって熱を与えるが、放熱領域１３になると伝達熱量は少なくなり、熱放出量に比べてはるかに少ない。
The
熱伝導領域１４においては、熱伝導領域は断面積が緩やかに変化する円錐台形状であり、また、この領域の温度は2000 K以下になっており、熱伝導率は2000K以下では温度依存性が比較的大きくなるが、この領域の温度変化が緩やかであるので、特に問題とはならない。
In the
本発明においては、胴体部の最大直径面６での電流密度を１mm2あたり０．２Ａ以下とし、先端部の先端平坦面５から胴体部３の最大直径面６までの最短距離を５mm〜１０mmとしているので、陽極先端部近傍の温度の高い箇所に広い表面積を有する構造とすることができ、放熱面として機能する。また、かかる部位は、先端部前面に比較的近い。したがって、従来の電極に比べると、温度の高い領域の放熱面積が大きいので、全体としての放熱量を大きくすることができる。また、陽極１の全長をＬ（mm）、最大直径をｄ（mm）、後端部４の芯線側端面の直径をｄ２（mm）としたとき、Ｌ≦２ｄ、ｄ２／ｄ≦０．６を満足する様に規制し、胴体部３の後方から漸次縮径する略円錐台状の後端部４としているため、従来の円柱状の陽極と比べ、電極を軽量化することができる。また、先端部２の熱を胴体部３及び後端部４に効率的に伝えて放熱することができるので、電極構成物質の蒸発を抑制でき、陽極胴体部側面から上昇する対流をスムーズに流すことができ、渦流等、不規則な流れを抑制できるので、黒化を抑制することができる。
In the present invention, the current density at the
本発明において、さらには、電極の胴体部３の長さをＬ１（mm）、後端部４の長さをＬ２（mm）としたとき、１≦Ｌ１／Ｌ０≦４、Ｌ１／Ｌ２≦１ としたので、放熱効果を高めることができ、使用寿命の長いものとすることができ、かつ陽極重量を軽量化することができる。 In the present invention, further, when the length of the body 3 of the electrode is L1 (mm) and the length of the rear end 4 is L2 (mm), 1 ≦ L1 / L0 ≦ 4, L1 / L2 ≦ 1 Therefore, the heat dissipation effect can be enhanced, the service life can be extended, and the weight of the anode can be reduced.
また、本発明の前記ショートアーク型放電灯用電極を備えたショートアーク型放電灯について、図４にその断面図を示す。本発明のショートアーク型放電灯は、前記ショートアーク型放電灯用電極を備え、発光管の最大外径を１３０mm、発光管の軸方向の長さを１７０mm、陽極最大直径を３３．５mm、発光管内周面から該陽極後端部外周面までの最短距離Ｘ１は３９mm、発光管中心線上のバルブ内周面から陽極外周面までの最短距離Ｘ０は４４mmである。また、比較例としては、図５に示す様に、陽極形状を従来の略円柱形状とし、陽極直径を２９mm、陽極全長を５０mmとした以外、バルブ寸法等のその他の条件は同一とした場合、発光管内周面から該陽極後端部外周面までの最短距離Ｘ1は３３mm、発光管中心線上のバルブ内周面から陽極外周面までの最短距離Ｘ０は４６mmである。 FIG. 4 shows a cross-sectional view of the short arc type discharge lamp provided with the short arc type discharge lamp electrode of the present invention. The short arc type discharge lamp of the present invention includes the electrode for the short arc type discharge lamp, the arc tube has a maximum outer diameter of 130 mm, the arc tube has an axial length of 170 mm, an anode maximum diameter of 33.5 mm, and a light emission. The shortest distance X1 from the inner peripheral surface of the tube to the outer peripheral surface of the rear end of the anode is 39 mm, and the shortest distance X0 from the inner peripheral surface of the bulb to the outer peripheral surface of the anode on the arc tube center line is 44 mm. As a comparative example, as shown in FIG. 5, when the anode shape is a conventional substantially cylindrical shape, the anode diameter is 29 mm, and the anode total length is 50 mm, other conditions such as valve dimensions are the same. The shortest distance X1 from the inner peripheral surface of the arc tube to the outer peripheral surface of the rear end of the anode is 33 mm, and the shortest distance X0 from the inner peripheral surface of the bulb to the outer peripheral surface of the anode on the arc tube center line is 46 mm.
黒化による放射光量減衰を防止するには、黒化物の付着位置を発光管内の放射光の有効利用範囲よりも上側の位置にずらす必要がある。黒化物の発光管への付着位置は、陽極側面から上昇する電極構成物質を含んだ対流と発光管との衝突位置に影響しており、この衝突位置を放射光の有効利用範囲からずらす為に、陽極側面を上昇して発光管上端部へと向かう対流を、発光管上端部から降下してくる対流によって妨げられないようにする。すなわち、発光管上端部からの降下してくる対流による偏向、陽極後端面側での乱流、過流を抑制し、陽極側面を上昇して発光管上端部へと向かう対流をスムーズに発光管上端部に流れるように、発光管内周面から該陽極後端部外周面までの最短距離と発光管中心線上のバルブ内周面から陽極外周面までの最短距離の比を規制することにより、この周辺領域のバルブ内壁の温度分布をできるだけ均一にし、この上昇対流と発光管との衝突位置を放射光の有効利用範囲外の上部側とし、黒化物の付着位置をずらせることができる。 In order to prevent attenuation of the amount of radiated light due to blackening, it is necessary to shift the adhesion position of the blackened material to a position above the effective use range of the radiated light in the arc tube. The position where the blackened product adheres to the arc tube influences the collision position between the arc tube and the convection containing the electrode constituent material rising from the side of the anode, and to shift the collision position from the effective use range of the synchrotron radiation. The convection that rises from the anode side surface toward the upper end of the arc tube is prevented from being hindered by the convection that descends from the upper end of the arc tube. In other words, deflection by the convection descending from the top end of the arc tube, turbulence and overflow on the anode rear end face side are suppressed, and the convection going up to the top end of the arc tube by raising the anode side surface is smoothly By regulating the ratio of the shortest distance from the inner peripheral surface of the arc tube to the outer peripheral surface of the rear end of the anode and the shortest distance from the inner peripheral surface of the bulb to the outer peripheral surface of the anode on the arc tube center line so as to flow to the upper end. The temperature distribution on the inner wall of the bulb in the peripheral region can be made as uniform as possible, and the position where the ascending convection and the arc tube collide can be set to the upper side outside the effective use range of the radiated light, thereby shifting the position where the black matter is attached.
発光管上端部側の陽極後端面周辺において、陽極側面を上昇して発光管上端部へと向かう対流と発光管上端部から降下してくる対流があり、互いに干渉し合う空間領域がある。この空間が小さいとき、または、発光管内周面から該陽極後端部外周面までの最短距離が小さいとき、つまり、発光管内周面から該陽極後端部外周面までの最短距離と発光管中心線上のバルブ内周面から陽極外周面までの最短距離とを比べ相対的に小さいとき、例えば、上記比較例の場合、Ｘ１／Ｘ０＝０．７のとき、発光管上端部から降下してくる気流と電極側面に沿って流れる上昇気流とが干渉し合い、乱流、過流が生じ、偏向され、その合流気流が発光管内壁に向かって広がり、放射光有効利用範囲の発光管内面に衝突する。そして、Ｘ１／Ｘ０の値が相対的に大きいとき、例えば、Ｘ１／Ｘ０＝０．８のとき、陽極側面を上昇して発光管上端部へと向かう気流と発光管上端部から降下してくる気流は、互いに干渉することがなく、陽極側面を上昇して発光管上端部へと向かう気流は、発光管上端部の放射光有効利用範囲外の上部側へスムーズに流れ、衝突する為、黒化物の付着位置をずらせることができる。 In the vicinity of the anode rear end face on the arc tube upper end side, there is a convection that rises on the anode side surface toward the arc tube upper end portion and a convection that descends from the arc tube upper end portion, and there is a space region that interferes with each other. When this space is small, or when the shortest distance from the inner peripheral surface of the arc tube to the outer peripheral surface of the anode rear end is small, that is, the shortest distance from the inner peripheral surface of the arc tube to the outer peripheral surface of the anode rear end and the arc tube center When it is relatively small compared to the shortest distance from the bulb inner circumferential surface to the anode outer circumferential surface on the line, for example, in the case of the above comparative example, when X1 / X0 = 0.7, it descends from the upper end of the arc tube. The airflow and the rising airflow flowing along the electrode side surface interfere with each other, creating turbulence and overflow, deflecting, and the combined airflow spreads toward the inner wall of the arc tube, colliding with the inner surface of the arc tube in the effective use range of synchrotron radiation To do. Then, when the value of X1 / X0 is relatively large, for example, when X1 / X0 = 0.8, the airflow that goes up the anode side surface toward the upper end of the arc tube and descends from the upper end of the arc tube The airflow does not interfere with each other, and the airflow that rises up the anode side surface toward the upper end of the arc tube smoothly flows and collides with the upper side outside the effective use range of the emitted light at the upper end of the arc tube. It is possible to shift the adhesion position of the chemicals.
上記の様に、本発明の実施例では、前記ショートアーク型放電灯用電極を備え、発光管内周面から該陽極後端部外周面までの最短距離をＸ１（mm）、発光管中心線上のバルブ内周面から陽極外周面までの最短距離をＸ０（mm）とするとき、０．８≦Ｘ１／Ｘ０ としたので、軽量かつ放熱性が高く、作製が容易で黒化しにくい、長寿命のものとすることができる。 As described above, in the embodiment of the present invention, the short arc type discharge lamp electrode is provided, and the shortest distance from the inner peripheral surface of the arc tube to the outer peripheral surface of the anode rear end portion is X1 (mm) on the arc tube center line. When the shortest distance from the inner peripheral surface of the bulb to the outer peripheral surface of the anode is X0 (mm), 0.8 ≦ X1 / X0, so it is lightweight, has high heat dissipation, is easy to manufacture and is not easily blackened, has a long life Can be.
次に、本発明の電極を陽極とするショートアーク型放電灯を作製し、比較例として、陽極形状を略円柱形状とした前記従来の陽極を備えたショートアーク型放電灯を使用し、それぞれ点灯初期の照度を１００％とした時の点灯時間による照度維持率の比較試験を行った。作製したショートアーク型放電灯は、定格入力電力１６ＫＷ、定格電流１２０Ａ、陽極が上側になるようにして垂直点灯した。 Next, a short arc type discharge lamp having the electrode of the present invention as an anode was produced, and as a comparative example, a short arc type discharge lamp having the above-described conventional anode having a substantially cylindrical shape was used, and each was lit. A comparative test of the illuminance maintenance rate according to the lighting time when the initial illuminance was 100% was performed. The produced short arc type discharge lamp was vertically lit so that the rated input power was 16 kW, the rated current was 120 A, and the anode was on the upper side.
従来の陽極を用いたショートアーク型放電灯の場合、照度維持率が約６００時間で約９５％、約１２００時間で約９０％まで減衰しているのに対して、本発明の実施例では、それぞれ約９８％、約９５％にまで改善されている。また、１２００時間点灯した本実施例のショートアーク型放電灯の黒化分布は、比較例の従来のショートアーク型放電灯よりも発光管上端部に移動しており、放射光有効利用範囲においては、明らかに黒化物の付着が減少している。 In the case of a short arc type discharge lamp using a conventional anode, the illuminance maintenance factor attenuates to about 95% in about 600 hours and to about 90% in about 1200 hours, whereas in the embodiment of the present invention, They are improved to about 98% and about 95%, respectively. In addition, the blackening distribution of the short arc type discharge lamp of this example that has been lit for 1200 hours has moved to the upper end of the arc tube than the conventional short arc type discharge lamp of the comparative example, and in the effective use range of the radiated light Obviously, the adhesion of blackened material is reduced.
なお、本発明の電極構造は、直流点灯型放電ランプにおいて陽極を採用することが好ましいが、また、交流点灯放電ランプにおいても採用できる。また、放電ランプの管軸を垂直方向に配置して点灯される、いわゆる垂直点灯型放電ランプにおいては、上側に配置される電極が高温化されやすい。したがって、本発明に係る電極構造は、上側に配置される電極が好ましい。しかしながら、垂直点灯型放電ランプにおいて、下側に配置する電極に採用することを否定するものではなく、下側に採用した電極にも採用することもできる。さらに、本発明に係る電極構造は、管軸を水平に配置する水平点灯型放電ランプや斜めに配置する放電ランプにも、採用することができる。 The electrode structure of the present invention preferably employs an anode in a DC lighting type discharge lamp, but can also be employed in an AC lighting discharge lamp. In a so-called vertical lighting type discharge lamp that is lit with the tube axis of the discharge lamp arranged in the vertical direction, the electrode arranged on the upper side is likely to be heated. Therefore, the electrode structure according to the present invention is preferably an electrode disposed on the upper side. However, in a vertically lit discharge lamp, it is not denied that it is adopted as an electrode arranged on the lower side, and can be adopted also for an electrode adopted on the lower side. Furthermore, the electrode structure according to the present invention can be employed in a horizontal lighting type discharge lamp in which the tube axis is horizontally arranged and a discharge lamp in which the tube axis is arranged obliquely.
本発明のショートアーク型放電灯は、半導体、液晶表示装置、プリント基板等の各電子デバイスの製造工程で使用される露光装置における１００Ａ以上、１０ｋＷ以上の大型の光源として最適である。 The short arc type discharge lamp of the present invention is optimal as a large light source of 100 A or more and 10 kW or more in an exposure apparatus used in the manufacturing process of each electronic device such as a semiconductor, a liquid crystal display device, and a printed board.
１ 陽極
２ 先端部
３ 胴体部
４ 後端部
５ 先端平坦面
６ 最大直径面
７ 電極リード棒
８ 陰極
９ 放射光有効利用範囲
１０ 発光管
１２ 授熱領域
１３ 放熱領域
１４ 熱伝導領域
Ｍ 発光管中心線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (2)
該陽極は、該陰極に対向した先端に平坦面を有する略円錐台状または略球状ドーム型の先端部と、該先端部に続く最大直径面を有する円柱状の胴体部と、該胴体部に続く該胴体部の後方から漸次縮径する略円錐台状の後端部とで構成され、
該胴体部の最大直径面での電流密度が１mm2あたり０．２Ａ以下で、
発光管内周面から該陽極後端部外周面までの最短距離をＸ１（mm）、
発光管中心線上のバルブ内周面から陽極外周面までの最短距離をＸ０（mm）とするとき、
０．８≦Ｘ１／Ｘ０
であり、
該陽極の該先端部の先端平坦面から該胴体部の最大直径面までの最短距離Ｌ０（mm）が５mm〜１０mm、該後端部のテーパ角θ（°）が１０°〜３０°で、該陽極の全長をＬ（mm）、最大直径をｄ（mm）、該後端部の芯線側端面の直径をｄ２（mm）、としたとき、
Ｌ≦２ｄ
ｄ２／ｄ≦０．６
であること、
を特徴とするショートアーク型放電灯用電極。 In a short arc type mercury discharge lamp in which a cathode and an anode are arranged opposite to each other in an arc tube, mercury and a rare gas are enclosed, and an input power at the time of lighting is 10 KW or more, and the lamp is vertically lit at an input current of 100 A or more.
The anode has a substantially frustoconical or substantially spherical dome-shaped tip having a flat surface at the tip facing the cathode, a cylindrical trunk having a maximum diameter surface following the tip, and Consists of a substantially frustoconical rear end that gradually decreases in diameter from the rear of the body part,
The current density at the maximum diameter surface of the body is 0.2 A or less per 1 mm 2 ,
The shortest distance from the inner peripheral surface of the arc tube to the outer peripheral surface of the rear end of the anode is X1 (mm),
When the shortest distance from the inner peripheral surface of the bulb to the outer peripheral surface of the anode on the arc tube center line is X0 (mm),
0.8 ≦ X1 / X0
And
The shortest distance L0 (mm) from the tip flat surface of the tip of the anode to the maximum diameter surface of the body portion is 5 mm to 10 mm, and the taper angle θ (°) of the rear end is 10 ° to 30 °. When the total length of the anode is L (mm), the maximum diameter is d (mm), and the diameter of the end surface on the core wire side of the rear end is d2 (mm),
L ≦ 2d
d2 / d ≦ 0.6
Being
An electrode for a short arc type discharge lamp.
該電極の胴体部の長さをＬ１（mm）、該後端部の長さをＬ２（mm）としたとき、
１≦Ｌ１／Ｌ０≦４
Ｌ１／Ｌ２≦１
であることを特徴とするショートアーク型放電灯用電極。 In the short arc type discharge lamp of claim 1 ,
When the length of the body of the electrode is L1 (mm) and the length of the rear end is L2 (mm),
1 ≦ L1 / L0 ≦ 4
L1 / L2 ≦ 1
An electrode for a short arc type discharge lamp.
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