放電灯用の電極

【課題】電極のサイズを拡大することなく且つ電極製造工程のコストをあまり増すことなく、電極の動作温度を低下させるための装置及び方法を提供する。
【解決手段】放電灯で動作するように構成された電極において、電極ヘッド部分と、コイルが含まれており、前記コイルが少なくとも１０５％の平均ピッチで前記電極ヘッド部分に巻きつけられている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に放電灯用の電極に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ショートアーク放電灯の電極は、一般に高温環境で動作する。蒸発による劣化を抑え、放電灯の寿命を延ばすには、電極の動作温度を低下させるのが望ましい。電極動作温度は、電極を加熱する電力入力と、プランクの放射則（すなわち電極を冷却することになる電極の電磁放射）によって決まる。従って、電極の放射率を高めると、電極の放熱が増大する。
【０００３】
電極は、通常電極材料（例えばタングステン）の融点近くで動作するので、電極の放射率は放電灯設計において重要なパラメータである。例えば、マイクロリソグラフィに用いられるハイパワーＤＣ放電灯には、放射率を高めるようにコーティングまたは微細構造化を施された大型陽極が含まれている。このような陽極は高価であり、低パワーのショートアーク放電灯においては非現実的である。この技法には、非タングステンコーティングは、タングステンの融点に近い温度で溶融するか昇華することになるので、コーティングも微細構造も電極の前方部分に近接するように施すことができないという欠点もある。さらに、時間が経つと、再結晶及び表面拡散によってタングステンの微細構造が破壊されることになる。
【０００４】
多くの放電灯には電極サイズの制限があるため、放電灯の種類によっては大型電極はやはり非現実的である。すなわち、多くの放電灯は、直径または幅の小さい電極だけを収容するように設計されている。従って、電極のサイズを大幅に拡大することによって、所定の電力入力で電極の動作温度を低下させるのは必ずしも可能とは限らない。
【０００５】
図１には、超高圧水銀灯に用いられる従来の電極が示されている。コイル１０２が、１つ以上の層をなすように電極シャフト部分１０４に密着して巻きつけられて、電極ヘッド部分１０６を形成している。前方部分１０８は、コイル１０２の端部の過剰溶融によって凝縮する。電極温度は電極１００のサイズによって決まり、そのサイズは、同様に、コイル１０２の長さ、コイル層の数、及び、コイル１０２の線の直径（または幅）によって決まる。
【０００６】
図２には、超高圧水銀灯に用いられるもう１つの従来型電極が示されている。コイル２０２が、電極ヘッド部分２０４に密着して巻きつけられている。ヘッド部分２０４、前方部分２０６、及び、シャフト部分２０８は、旋削または研削のような従来の加工技術によってタングステンのような従来の塊状電極材料を形削りすることによって形成される。電極２００は、前方部分２０６の形状のため、また、コイル２０２が電極ヘッド部分２０４に巻きつけられており、電極ヘッド部分２０４が大きくて、前方部分２０６から発生する熱をコイル２０２に有効に伝えることができるので、電極１００よりも放射率が優れている。
【０００７】
しかしながら、上述のように、電極サイズを拡大することが可能な量は、多くの用途において実用的な及び／または営利的な理由から制限される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、電極のサイズを拡大することなく且つ電極製造工程のコストをあまり増すことなく、電極の動作温度を低下させるための装置及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施形態には、放電灯で実施可能な電極が含まれている。実施形態には、ＡＣ及び／またはＤＣ放電灯で実施可能な電極が含まれている。
【００１０】
いくつかの実施形態には、放電灯で動作するように構成された電極が含まれているが、この電極には電極ヘッド部分とコイルが含まれており、コイルは、少なくとも１０５％の平均ピッチで電極ヘッド部分に巻きつけられている。
【００１１】
いくつかの実施形態には、放電灯で動作するように構成された電極が含まれているが、この電極には、複数の隆起部の平均ピッチが少なくとも１０５％になるように構成して配置された複数の隆起部を有する電極ヘッド部分が含まれている。
【００１２】
いくつかの実施形態には、２つの電極を含む放電灯が含まれているが、２つの電極の少なくとも一方には、電極ヘッド部分とコイルが含まれている。コイルは、少なくとも１０５％の平均ピッチで電極ヘッド部分に巻きつけられている。
【００１３】
いくつかの実施形態には、放電灯用電極の製造方法が含まれている。この方法には、放電灯で動作するように構成された電極を設けるステップと、少なくとも１０５％の平均ピッチで電極の電極ヘッド部分に隆起部を形成するステップが含まれている。
【００１４】
本発明のこれらの及びその他の特徴については、下記の図面及び詳細な説明に照らして考えればより明確な理解が得られるであろう。
【００１５】
図面中、同様の番号は一般に異なる図全体にわたって同じ部品を表わしている。図面は、必ずしも一定の比率ではなく、それよりむしろ一般に本発明の原理を明らかにすることに重点がおかれている。下記の説明では、下記の図面に関連して本発明のさまざまな実施形態が記述される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】超高圧水銀灯に用いられる従来の電極を示す図である。
【図２】超高圧水銀灯に用いられるもう１つの従来の電極を示す図である。
【図３】実施形態の１つによる電極を示す図である。
【図４】従来の電極と比較したいくつかの実施形態による電極の放射利得を示すグラフである。
【図５】従来の電極及び実施形態の１つによる電極の電極動作温度測定値を示す棒グラフである。
【図６】実施形態の１つによる代替電極を示す図である。
【図７】実施形態の１つによる代替電極を示す図である。
【図８】実施形態の１つによる電極の製造方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
下記の詳細説明では、例証のため、特定の細部及び本発明の実施が可能な実施形態を示す添付図面を参照する。これらの実施形態は、当該技術者による本発明の実施を可能にするのに十分なほど詳細に説明される。他の実施形態を利用することが可能であり、本発明の範囲を逸脱することなく、構造的、論理的、及び、電気的変更を施すことが可能である。さまざまな実施形態は、そのいくつかの実施形態が１つ以上の他の実施形態と組み合わせて新たな実施形態を形成することが可能であるように、必ずしも互いに排除されるものではない。
【００１８】
本書で用いられる限りにおいて、「幅」という用語は、丸い線を含む任意の形状の線の幅とする。従って、「直径」は「幅」に置き換えることが可能である。
【００１９】
本書で用いられる限りにおいて、「ヘッド部分」は、電極の放射率を高めるために隆起部が取り付けられるかまたは形成される電極部分を意味するものと理解されたい。
【００２０】
隆起部には、限定するわけではないが、コイル、溝構造、エッチングによって形成された構造、及び／または、丸いか、楕円形か、多角形の線または複数の線が含まれる。
【００２１】
図３には、実施形態の１つによる電極が示されている。電極３００には、電極ヘッド部分３０４に巻きつけられた単層コイル３０２が含まれている。電極ヘッド部分３０４は電極シャフト部分３０６に隣接している。
【００２２】
いくつかの実施形態では、コイル３０２はタングステン線から形成することが可能である。電極の放射率は、最適化されたピッチで電極ヘッド部分３０４にコイル３０２を巻きつけることによって高められる。これにより、電極３００の自然放射率は平面上で６５％だけ高くなり、密着して巻きつけられたコイル（例えば図２のコイル２０２）上で２０％だけ高くなる。いくつかの実施形態では、コイル３０２のコイル直径または幅は、前方部分３０８からコイル３０２の高放射率領域への熱伝導を増大させるためにできるだけ小さく製造される。いくつかの実施形態では、望ましい最大コイル直径は０．２ｍｍである。
【００２３】
有限要素法のシミュレーションで明らかになった最適ピッチは約１４０％であるが、コイル材料の放射率に応じて、他の最適ピッチを求めることも可能である。一般に、
（［（１．３５±０．１５）×線幅］／線幅）×１００
のピッチ範囲内でかなりの改善が確認された。
【００２４】
本書で用いられる限りにおいて、「ピッチ」は、パーセントで表示される２つの隆起部間（例えば線の中心間）の距離を隆起部の幅で割った値と定義される。従って、１００％のピッチは、隣接する隆起部が接触していることを表わし、２００％のピッチは、連続した隆起部が隆起部の幅に等しい間隔をあけて配置されていることを表わす。
【００２５】
「平均ピッチ」という用語は、隆起部間の連続した距離の合計を隆起部の数で割った値を意味するものと理解されたい。例えば、電極ヘッド部分に３回巻きつけられたコイルは、合計すべき２つの距離と、４つの隆起部を備えることになる。平均ピッチは、中央値または最頻値といった他の方法を利用して計算することも可能である。
【００２６】
図４は、従来の電極と比較したいくつかの実施形態による電極の放射率利得を示すグラフである。グラフ４００から分かるように、コイルの間隔をあけると、密着して巻きつけられるコイル設計に比べて電極温度が大幅に低下することになる。しかしながら、ピッチの増大が１４０〜１５０％を超えるので、放射率利得が低下し始める。１３０％のピッチを含む超高圧灯用のタングステン電極実施形態では、前方領域における動作温度が、密着巻きつけ電極に比べて５０°Ｋだけ低下した。この温度の低下によって、密着巻きつけ電極における蒸発率が５０％低下した。
【００２７】
図５は、図２の電極２００による従来の電極と、１３０％のピッチでコイル３０２を巻きつけられた電極３００による電極の電極動作温度測定値を示す棒グラフである。
【００２８】
超高圧水銀灯の検査試料は、両方の電極とも同じ条件下で動作することを保証するため、従来の電極を第１の電極とし、実施形態の１つによる電極を第２の電極として同じバーナ内に作製された。
【００２９】
６つの水銀灯が検査された。水銀灯は、グラフ５００にそれぞれ独自のハッチングパターンで表示されているが、ハッチングパターンは、各水銀灯における２つの電極に対応する。電極表面の温度は、ＩＲ信号がプラズマ放射によって重畳される電極領域を除いて、ＩＲ高温測定法によって測定された。
【００３０】
グラフ５００には、従来のコイル電極の平均動作温度に正規化された電極温度が示されている。この実施形態のコイルの平均動作温度の低下は２％を超えた。タングステン蒸発率は、温度の上昇によって指数関数的に増大するので、平均温度が約２％低下すると、タングステン蒸発率は半分になる。
【００３１】
従って、実施形態の１つによる電極を備えた水銀灯は、従来の電極に比べて所定の温度でより長く持続するか、より高い温度で動作することが可能である。さらに、実施形態の１つによる電極の製造に伴う既存の電極製造設備の改修が、一般に低コストですむ。
【００３２】
図６には、実施形態の１つによる代替電極が示されている。電極６００には、電極ヘッド部分６０４の軸方向に形成された複数の線６０２を有している。電極ヘッド部分６０４は、電極シャフト部分６０６に隣接している。
【００３３】
タングステン製の場合、複数の線６０２は、図３のコイル３０２と同様の特性を備えることが期待され、従って、溝６０２の幅が約０．２ｍｍの場合、複数の線６０２の最適ピッチは約１４０％になるであろう。
【００３４】
図７には、実施形態の１つによる代替電極が示されている。電極７００には、電極ヘッド部分７０４の溝削り、彫刻、または、エッチングの結果として形成された隆起部７０２が含まれている。電極ヘッド２０４がタングステン製の場合、隆起部７０２は、図３のコイル３０２と同様の特性を備えることが期待され、従って、隆起部７０２の幅が約０．２ｍｍの場合、隆起部７０２の最適ピッチは約１４０％になるであろう。
【００３５】
図３、６、及び、７に示す電極は、３つの可能性のある電極でしかなく、より多くが本発明の範囲内に含まれる。例えば、図３に示すようにコイル状に取り付けられる線は、同心円方向をなすように取り付けることも可能である。同様に、図７の隆起部７０２は、マイクロマシニング技法によって最適ピッチ、深さ、及び、幅に加工された円周方向スロットの形態をとることも可能である。スロットは先端近く及び／またはどこにでも施すことが可能である。他の加工形状の変種には、コルクスクリュー状スロット、軸方向スロット、または、穴パターンを含むことが可能である。
【００３６】
図８は、ある実施形態内において電極を製造する方法のフローチャートである。８０２において、電極が設けられる。８０４において、電極の前方部分に線が取り付けられる。８０６において、少なくとも１０５％の平均ピッチで電極ヘッド部分に線が巻きつけられる。８０８において、方法８００が終了する。
【００３７】
特定の実施形態に関連して、本発明を詳細に示し、説明してきたが、当該技術者には明らかなように、別記請求項に定義された本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、さまざまな形態及び細部の変更を加えることが可能である。従って、本発明の範囲は別記特許請求の範囲によって示されており、従って、特許請求の範囲の同等の意味及び範囲内にある全ての変更が包含されるように意図されている。
【符号の説明】
【００３８】
３００電極
３０２コイル
３０４電極ヘッド部分
３０６電極シャフト部分
６００電極
６０２線
６０４電極ヘッド部分
６０６電極シャフト部分
７００電極
７０２隆起部
７０４電極ヘッド部分

【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電灯で動作するように構成された電極であって、
電極ヘッド部分と、コイルとを有し、
前記コイルが少なくとも１０５％の平均ピッチで前記電極ヘッド部分に巻きつけられていることを特徴とする電極。
【請求項２】
前記コイルが、１２０％以上の平均ピッチで前記電極ヘッド部分に巻きつけられていることを特徴とする請求項１に記載の電極。
【請求項３】
前記コイルが、１２４％〜１５１％の平均ピッチで前記電極ヘッド部分に巻きつけられていることを特徴とする請求項２に記載の電極。
【請求項４】
前記コイルがタングステン線から形成されており、前記タングステン線の幅が０．２ミリメートル以下であることを特徴とする請求項３に記載の電極。
【請求項５】
前記コイルが、タングステン線から形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電極。
【請求項６】
放電灯で動作するように構成された電極であって、
平均ピッチが少なくとも１０５％になるように配置された複数の隆起部が含まれている電極。
【請求項７】
前記複数の隆起部の平均ピッチが、１２０％以上であることを特徴とする請求項６に記載の電極。
【請求項８】
前記複数の隆起部の平均ピッチが、１２４％〜１５１％であることを特徴とする請求項７に記載の電極。
【請求項９】
前記複数の隆起部に複数の線が含まれることを特徴とする請求項６に記載の電極。
【請求項１０】
前記複数の線が、前記電極ヘッド部分にそれぞれ同心円状に巻きつけられたことを特徴とする請求項９に記載の電極。
【請求項１１】
前記複数の線が、それぞれ前記電極ヘッド部分の軸方向に形成されたことを特徴とする請求項９に記載の電造。
【請求項１２】
前記複数の線がタングステンから形成されており、前記複数の線の幅がいずれも０．２ミリメートル以下であることを特徴とする請求項９に記載の電極。
【請求項１３】
前記複数の隆起部に複数の溝が含まれることを特徴とする請求項６に記載の電極。
【請求項１４】
前記複数の溝にタングステンが含まれることと、前記複数の溝の幅がいずれも０．２ミリメートル以下であることを特徴とする請求項１３に記載の電極。
【請求項１５】
前記複数の隆起部にタングステンが含まれることを特徴とする請求項６に記載の電極。

【図１】