JP2001135134A

JP2001135134A - 水銀蒸気放電灯

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Publication number: JP2001135134A
Application number: JP31156999A
Authority: JP
Inventors: Izumi Serizawa; 和泉芹澤; Hiroshi Kurano; 宏倉野; Akiyoshi Fujimori; 昭芳藤森
Original assignee: Orc Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Orc Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1999-11-01
Filing date: 1999-11-01
Publication date: 2001-05-18
Anticipated expiration: 2019-11-01
Also published as: TW486725B; JP3827492B2

Abstract

(57)【要約】【課題】液晶パネル等の高密度電子部品の露光等に使
用する比較的低電力、かつ長寿命の水銀蒸気放電灯を提
供すること。【解決手段】両端に封止部８、９を有する発光管１
に、集光用の楕円ミラー21を使用するとき、フランジ部
27およびマウント部28を有する防風板30を配置する。こ
の防風板30により、冷却用通風ノズル22からの通風で発
光管１の電極、即ち陰極２が過冷却されるのを防止す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は水銀蒸気放電灯、特
に露光装置等に使用される高照度、かつ光安定性の優れ
たショートアーク型水銀ランプに関する。

【０００２】

【従来の技術】液晶パネル、プリント配線基板および半
導体集積回路（ＩＣ）等の製造工程のうち露光工程に
は、感光樹脂として３３０ｎｍ〜４７０ｎｍの分光感度
特性を有するレジストが一般的に使用されている。これ
らレジストの露光用紫外線光源には、水銀ランプが使用
されている。また、これら電子部品の集積度は、年々高
まり、それに伴って露光時の解像度（分解能）の要求も
高まっている。

【０００３】図２に、典型的な水銀蒸気放電灯（以下、
水銀ランプともいう）の概略構成を示す。この放電ラン
プ20は、発光管１、陰極２、陽極３および夫々外部リー
ド線６、７を封止した封止部８、９を有する。外部リー
ド線６、７と陽極３および陰極２間は、夫々タングステ
ン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）等の
金属箔４、５により接続されている。また、斯かる水銀
ランプ20に動作電力を供給するために、各封止部８、９
には口金部10、11が設けられている。斯かる水銀ランプ
20を点灯動作させると、図２に示すように、夫々発光管
１の陽極３と陰極２の先端近傍に発光管１中で最も温度
の低い発光管最冷部12、13が生じることが知られてい
る。

【０００４】このような水銀ランプ20を用いて露光形成
される上述の如き電子部品の解像度を改善するという要
求に対して、ショートアーク型水銀ランプを光源とし
て、楕円形回転体反射鏡（以下、楕円ミラーと称する）
と組み合わせることにより、その反射光を効率よく集光
している。この集光された光を照明系のレンズまたは反
射鏡へ照射する。これにより、平光度の高い平行光また
は投射光として、照射面へ照射する。この１例を図３に
示す。

【０００５】図３の例にあっては、水銀ランプ20、それ
に組み合わされる楕円ミラー21および複数の冷却用通風
ノズル22，23を有する。この楕円ミラー21は、水銀ラン
プ20の陰極２側を挿通する非放射開口部26と、陽極３側
に開放する放射開口部とを有する。冷却用通風ノズル22
は、水銀ランプ20の陰極２側の封止部8側に配置され、
一方、冷却通風用ノズル23は、陽極３側の封止部９側に
配置され、それぞれ対応部分を冷却するように構成され
ている。

【０００６】斯かる構成の露光用の水銀蒸気放電灯にあ
っては、照射系のレンズまたは反射鏡の透過率または反
射率の特性から、レジストの持つ分光感度特性中、主に
４３６ｎｍ、４１４ｎｍ（以下ｇ、ｈ線と称する）を中
心とした波長が効率よく照射面へ照射される。上述した
電子部品の大型化に伴い、露光面積の大型化または解像
度向上のための光平行度をさらに改善するためのミキシ
ングレンズの小型化等によって、光源からのｇ線、ｈ線
放射量の増大が要求されている。さらに、液晶パネル等
の製造ラインを作るためには、莫大な設備投資が必要に
なり、その資金回収のため、製品の単位時間当たりの生
産高を表す指標であるスループットを高めることも要求
される。そのため、露光光源にはより高いｇ線、ｈ線の
放射量の増大が要求されることとなる。

【０００７】これに対して、従来は、光源である水銀ラ
ンプに入力する電力を増加させることにより、光源から
の紫外線放射量を増加させるか、照明装置の紫外線照射
時におけるシャッターの開閉時に、これと略同期させて
光源への入力電力を増加させる等の手法が採用されてい
た。これらの手法は、本質的には大電力化による紫外線
放射量の増加を図るものであり、投入電力に対する光変
換効率、即ち発光効率の改善には寄与しない。従って、
省エネルギーの観点からは、余り好ましい手法とは言え
ない。さらに、光源ランプ点灯用電源装置の複雑化およ
び大型化を招くと共に光源用ランプの寿命を短縮するこ
ととなる。

【０００８】これらの問題の改善方法として、光源用ラ
ンプとしてのショ―トアーク型水銀ランプ20の動作蒸気
圧力を上昇させることにより、ｇ線、ｈ線の発光効率を
上昇させる。これにより、投入電力を増加させることな
くｇ線、ｈ線の放射量を増加させ、露光照射面の紫外線
照度を上昇させることが提案されている。これは、動作
中の水銀蒸気圧を上昇させて、多大な複数分子発光をさ
せることで水銀輝線以外に、これら水銀輝線近傍の発光
を生じ、紫外線波長域を連続発光させるものである。こ
の水銀蒸気圧の上昇方法としては、水銀ランプ20の発光
管１内に封入する水銀封入量を発光管１ｃｃ当たり約１
０ｍｇ以上とすることで実現できる。また、この水銀封
入量の増加は、水銀ランプ20の発光効率をさらに増加さ
せることも知られている。しかしながら、封入される水
銀は、放電動作中である発光管１内の発光管最冷部12、
13の温度によりその蒸気圧が決まる。そこで、発光効率
の上昇のために封入される水銀量を増加させた場合に
は、これら封入された水銀量全てが十分に蒸気化するだ
けの発光管内最冷部12、13の温度を引き上げる必要があ
る。

【０００９】一方、水銀ランプ20は、一般に放電電流を
通電するための外部リード線６、７または口金部10、11
との接続点近傍における水銀ランプ20側の両端部は、発
光管１内の気密を保持し、かつ電流を通電させるためＭ
ｏ箔４、５を１枚または複数枚使用したＭｏ箔封止構造
を使用する。このＭｏ封止構造中、発光管１の反対側の
水銀ランプ端部側には、外部リード線６、７としてＷ、
ＭｏまたはＴａ等の高融点金属の棒またはパイプが使用
される。これら外部リード線６、７は、水銀ランプ電極
23の熱損失分の熱伝導、発光管１の管壁負荷熱損失およ
び放電電流の通電による自己発熱等により、その温度が
上昇し、空気中の酸素と反応して酸化物を生成する。こ
の酸化物は、熱膨張により上述したＭｏ箔シール部の端
部ガラスにクラックを発生させる虞がある。また、発光
管１の気密を破壊したり、発光管１自身が破裂すること
もある。この対策として、水銀ランプ20を動作させる場
合には、水銀ランプ20の端部に冷却用通風ノズル22、23
から通風を与えて、外部リード線６、７の高融点金属表
面温度を３００℃以下にして、空気中の酸素との反応を
防止させている。

【００１０】しかしながら、この水銀ランプ20の端部冷
却用の通風は、水銀ランプ20端部の冷却のみならず、水
銀ランプ発光管１をも冷却してしまうことになる。例え
ば、ショートアーク型水銀ランプ20を、放射光の集光を
目的として組合せ使用する楕円ミラー21の第１焦点近傍
に配置装着した場合には、この楕円ミラー21の非放射側
開口部26に水銀ランプ発光管１の片側が接近することに
なる。そのため、水銀ランプ端部冷却用の通風は、水銀
ランプの熱対流と合わされることで、楕円ミラー21の非
放射開口部26と水銀ランプ発光管１の片側との間隙部の
断面積が減少するため、通風流速が極端に増加する。そ
して、水銀ランプ20の発光管１の片側や、そせれに続く
シール部の冷却効率が極端に上昇し、発光管最冷部12、
13を形成してしまう。さらに、その発光管最冷部12、13
の温度は、発光管１内に封入した水銀を蒸気化する温度
以下に冷却してしまうこともあった。特に、水銀ランプ
20を垂直方向25で点灯させ、かつ楕円ミラー21の放射側
開口部を上方とした場合に顕著となる。

【００１１】また、これら水銀ランプ20の発光管最冷部
12、13の温度を上昇させる方法としては、発光管１自身
を小型化することにより発光管管壁負荷を増加させる手
法がある。しかし、この手法は放電管１の寿命を極端に
短縮させてしまう。また別の手法として、予め発光管最
冷部12、13近傍に保温のための膜を塗布する。しかし、
膜表面を通過する熱風の流速が早い場合には、膜自身が
冷却されてしまい、その保温効果が期待できなくなる。
このことは、上述した発光効率の向上を目的として発光
管１に封入すべき水銀量を増加させた場合に顕著にな
る。例えば、水銀ランプ20の動作中に、封入した水銀全
量を蒸気化することができなかったり、水銀ランプ20の
動作中における周囲温度の変化や空冷用通風の風量変化
等が発生した場合には、水銀ランプ発光管１内の蒸気圧
が変動することになる。発光管１内に封入すべき水銀封
入量を増加させることで、発光効率を上昇させるのは、
実用的ではなかった。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、光源
の放射量増大の要求に対して、従来技術は、投入電力の
増加、破壊の危険性、寿命の短縮または発光効率低下の
少なくとも１つがあった。従って、本発明の目的は、斯
かる従来技術の課題を克服するか、少なくとも改善する
水銀蒸気放電灯を提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決し、
かつ上述の目的を達成するために、本発明の水銀蒸気放
電灯は、１対以上の電極を対向配置した水銀または水銀
とその他の金属との混合物を封入している。その特徴と
するところは、電極後部給電側に１個以上の防風板を設
けることにより電極後部給電側を空冷用冷却風による過
冷却から保護している。

【００１４】また、この防風板は、防風用フランジ部と
水銀蒸気放電灯に装着取り付けするためのマウント部と
を有する。また、これらフランジ部の最小直径Ｄが、水
銀蒸気放電灯を、その放射光を集光する目的で組み合わ
せ使用する反射鏡である楕円ミラーの非放射側開口部の
最大直径ｄに対してＤ＞ｄ（尚、Ｄ＝ｄを含む）の関係
にある防風板を設ける。また、この防風板のマウント部
には、水銀蒸気放電灯の電極後部給電側の封止部に空冷
用冷却風を通風させるため１以上の通風口が設けられて
いる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明による水銀蒸気放電
灯の好適な実施形態の構成および動作を、図１を参照し
て詳細に説明する。

【００１６】図１は、本発明による水銀蒸気放電灯の好
適な実施形態、特に、口金部を透視したショートアーク
型水銀ランプの概略構成図を示す。この水銀蒸気放電灯
は、水銀ランプ20および楕円ミラー21より構成され、複
数の冷却用通風ノズル22、23と共に使用される。楕円ミ
ラー21は、水銀ランプ20の放射光を集光し、例えば露光
したい対象物へ強力な平行光を照射する。また、冷却通
風ノズル22、23は、発光管1の所定部分をを冷却する。

【００１７】上述のように、水銀ランプ20は、外部から
の給電手段として外部リード線６、７を有し、通常この
外部リード線６、７には、上述のように、Ｗ、Ｍｏ、Ｔ
ａ等の高融点金属が使用されている。水銀ランプ電極
２、３の熱損失分の熱伝導、発光管管壁負荷熱損失およ
び放電電流の通電による自己発熱等により、その温度が
上昇し、空気中の酸素と反応して酸化物を生成する。そ
こで、この酸化物の熱膨張により封止部８、９の端部ガ
ラスにクラックを発生させ、発光管１の気密を破壊した
り、発光管１自身が破壊することがある。

【００１８】この対策として、口金部10、11に向けて、
冷却用通風ノズル22、23を使用して送風することによ
り、外部リード線６、７を冷却して、その表面温度を約
３００℃以下に保持する。また、これらの冷却用ノズル
22、23は、例えば１〜３方向に配置することで口金部1
0、11をできる限り均一に冷却する。

【００１９】さらに、水銀蒸気放電灯の投入電力に応じ
て、発光管最冷部12、13に対して、発光管１に封入され
た水銀の蒸気化の妨げにならない範囲で、口金部10、11
の温度を十分に低下させるように調整される。これは、
水銀蒸気放電灯を装置のランプハウス等へ取り付けるた
めの口金部10、11が、構造的に外部リード線６、７を包
み込む形で接着されているため、外部リード線６、７を
直接的に空冷用の通風により冷却できないことによる。
そこで、この口金部10、11への空冷用の通風は、水銀蒸
気放電灯の動作中に発生する空気の熱対流量に対して数
１０倍から数１００倍が必要になる。

【００２０】一方、これらの水銀ランプ20は、例えば楕
円ミラー21と組み合わせて使用する場合には、空気の熱
対流により、水銀蒸気放電灯の発光管最冷部24が形成さ
れる。またこれに加えて、口金部10、11を冷却用通風ノ
ズル22、23を用いて冷却した場合には、口金部10、11の
表面に衝突した冷却風の大半は周囲の熱対流としての上
昇気流に大きく支配され、楕円ミラー21の下部非放射開
口部26と水銀ランプ20との間にできる間隙部を通過する
ことになる。この間隙部の断面積は、その上下の断面積
に比較して著しく少ないために、ここを通過する冷却風
の流速は、極端に増加する。その結果、発光管最冷部24
の温度をさらに低下させることになり、発光管１に封入
されている水銀の蒸気化を妨げる方向となる。

【００２１】ここで、光源としての水銀蒸気放電灯の放
射量を増加させるために、発光管１内に封入する水銀量
を増加させた場合には、発光管最冷部24の温度に対する
水銀の飽和蒸気圧以上に水銀を蒸気化することができな
いことになる。即ち、発光管１内に封入可能な水銀量に
上限が存在することになり、水銀蒸気放電灯の放射量増
加に限界ができてしまう。

【００２２】一方、この発光管１に封入されている水銀
の蒸気化の妨げにならないように、冷却用通風ノズル22
からの冷却風量を低下させた場合には、外部リード線
６、７の表面温度が３００℃を超過することで表面酸化
が迅速に進行してしまう。特に、３ＫＷ以上の大型ショ
ートアーク型水銀ランプにおいては、発光管１自身が大
型化している。そこで、発光管１の表面積も増加して、
冷却用通風の流速増加に対して、発光管最冷部24の温度
が急激に低下する。

【００２３】本発明においては、水銀蒸気放電灯の放射
量を増加させるために、発光管１に封入する水銀量を増
加することにより発光効率を増加させる場合に、例えば
５ＫＷショートアーク型水銀ランプ20の発光管１に１ｃ
ｃ当たり４０ｍｇの水銀を封入する。この封入された水
銀を全量蒸気化するのに必要な温度として、発光管最冷
部24に与える冷却風量は、水銀蒸気放電灯の動作中に発
生する熱対流量の数倍程度がその最冷部温度の限界であ
ることが判明した。また、この熱対流量の約３倍となる
ように、冷却用通風ノズル22、23からの風量を設定した
場合の外部リード線６、７の表面温度を測定した結果、
約５７０℃であり、このときの口金部10、11の表面温度
は約３５０℃であった。

【００２４】このことから、発光管最冷部24に対しては
熱対流の数倍程度の冷却用通風とすると共に口金部10、
11については、発光管最冷部24の冷却用通風に関係なく
十分な冷却を与えるため、水銀蒸気放電灯の電極後部給
電側に防風板30を設けることで解決している。即ち、発
光管最冷部24である電極後部給電側を口金冷却用通風に
よる過冷却から保護することが有効であることが判明し
た。また、この防風板30は、防風用フランジ部27および
水銀ランプ20に装着取り付けを行うマウント部28から構
成される。これにより、水銀ランプ20と防風板30との位
置関係を正確に定めることができる。

【００２５】また、この防風板30のフランジ部27の最小
直径Ｄは、組み合わされる楕円ミラー21の非放射開口部
26の最大直径ｄに対してＤ＞ｄの関係とすることで、口
金部10、11の冷却用通風量に関係なく発光管最冷部24の
過冷却を防止することができる。さらに、防風板30のマ
ウント部28は、水銀ランプ20の口金部10、11に装着取り
付ける場合には、封止部８、９にスリーブをかぶせる構
造となる。そのために、そのフランジ部27の寸法にもよ
るが、封止部８、９を保温することでＭｏ箔の熱はがれ
やクラックが発生する危険がある。そのために、このマ
ウント部28に対流する熱気を上方へ排気するための通風
口としてマウント部28に1個または数個の開口、即ちマ
ウント通風口２９を設ける必要がある。この場合のマウ
ント通風口２９を複数個円周方向に等間隔で設けること
により封止部８、９をできる限り均一に通風することが
好ましい。

【００２６】さらに、具体例について図１を参照して詳
細に説明する。図１は、ショートアーク型水銀ランプ20
と楕円ミラー21を組み合わせ使用している場合の概念図
である。このショートアーク型水銀ランプ20の片側の口
金部11に、フランジ部27とマウント部28から構成される
防風板30が装着取り付けれれている。また、マウント部
28には、ショートアーク型水銀ランプ20の封止部9に通
風するためのマウント通風口29を有する。

【００２７】例えば、５ＫＷのショートアーク型水銀ラ
ンプ20に、発光管１の１ｃｃ当たり５０ｍｇの水銀を封
入し、陰極２が下部となるように垂直にして、放電電圧
５５Ｖ，放電電流９１Ａで動作させた。このショートア
ーク型水銀ランプ20は、放射側開口部の直径が３１０ｍ
ｍ、非放射側開口部26の直径ｄは９５ｍｍの楕円ミラー
21の第1焦点に陰極２の先端を略一致させて配置する。
また、陰極２側の口金部11には、直径Ｄ＝１２０ｍｍの
フランジ部27とマウント部28からなる防風板30が装着固
定されている。この防風板30のマウント部28には、マウ
ント通風口29として直径５ｍｍの開口が４個所、円周方
向に等間隔で形成されている。この口金部11に向けて2
方向の冷却用通風ノズル22から、最大で毎分約３立方メ
ートルが送風できる送風機を接続して、ダンパーにより
連続的に可変できるように構成する。

【００２８】次に、５ＫＷショートアーク型水銀ランプ
20を点灯させ、放電電圧Ｖが安定した時点でＶを測定す
ると、Ｖ＝５５．４Ｖであった。冷却用通風ノズル22か
らの送風量を毎分０〜３立方メートルの間で徐々に可変
する。このときの放電電圧Ｖの変化を表１に示す。尚、
水銀ランプ20の点灯用電源装置は、放電電流が１４０Ａ
を超えない範囲で放電電圧Ｖの値に関係なく５ＫＷを一
定入力できる定電力制御方式の電源装置を使用した。

【表１】

【００２９】口金部11への冷却用通風量に対して、放電
電圧Ｖの変化は、極わずかであることが分かる。また、
送風量毎分３．２立方メートルを与えた場合の外部リー
ド線７の表面温度は、２４０℃であり、このときの口金
部11の表面温度は１２０℃であった。

【００３０】次に、上述した水銀蒸気放電灯から防風板
30のみを取り外し、同様に口金部11への冷却用通風量を
毎分０〜３立方メートルまで可変した場合の放電電圧Ｖ
の変化を測定した。尚、この場合、送風量を設定した後
に、放電電圧Ｖが十分に安定する時間を考慮して測定し
た。この測定結果を表２に示す。

【表２】

【００３１】この表２から、送風量の増加に伴い、放電
電圧Ｖが低下していることが分かる。これは、水銀ラン
プ20の発光管最冷部24の温度が、送風量の増加に伴って
低下しており、蒸気化している水銀が、飽和蒸気圧に平
衡する量だけ凝縮したことを示している。また、放電電
圧Ｖが殆ど変化を示さない送風量、即ち毎分０．９立方
メートルの送風量とした場合の外部リード線７の表面温
度は、５７２℃であり、このときの口金部11の表面温度
は、３５３℃であった。

【００３２】次に、防風板30のフランジ部27の直径Ｄ
を、楕円ミラー21の非放射開口部26の直径ｄに一致さ
せ、同様な測定を行った結果を表３に示す。

【表３】表３から明らかなように、冷却用送風量の増加に対し
て、放電電圧Ｖの変化は殆どない。

【００３３】また、防風板30のフランジ部27の直径Ｄ
を、Ｄ＝８０ｍｍとすることで、楕円ミラー21の非放射
開口部26の直径ｄより１５ｍｍ小さくした防風板30を装
着取り付け、同様に測定した結果を表４に示す。

【表４】この表４から明らかなように、冷却用通風量の増加に伴
って、放電電圧Ｖは低下した。

【００３４】以上、本発明による水銀蒸気放電灯の好適
な実施形態を詳細に説明した。しかし、本発明は、斯か
る特定の実施形態のみに限定されるべきではなく、本発
明の要旨を逸脱することなく種々の変形変更が可能であ
ること当業者には容易に理解できよう。

【００３５】

【発明の効果】上述の説明から明らかなように、本発明
による水銀蒸気放電灯によると、光源の放射量増大に対
応して、水銀ランプの口金部と楕円ミラー間に防風板を
設けている。そのために、投入電力を増加することな
く、発光効率を向上させるために発光管内に封入する水
銀量を増加させる場合に、発光管最冷部の温度を、封入
した水銀全量を確実に蒸気化する飽和蒸気圧以上の温度
に設定することと、水銀ランプの外部リード線の表面温
度を３００℃以下に維持するために口金部10、11に十分
な冷却用通風量を与えることとの両立を可能にしてい
る。その結果、水銀ランプへの投入電力を増加すること
なく、破壊に対して安全であり、しかも長寿命で安定し
た発光効率の水銀蒸気放電灯を得ることが可能になる。
そのため、特に、液晶パネル等の高輝度露光装置等に応
用する場合に実用上の顕著な効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による水銀蒸気放電灯の好適な実施形態
の概略構成図、

【図２】典型的な水銀ランプの概略構成図、

【図３】図２に示す水銀ランプに楕円ミラーを組み合わ
せた概略構成図である。

【符号の説明】

１発光管６、７外部リード線 10、11 口金部 20 水銀ランプ 21 楕円回転体反射鏡（楕円ミラー） 22、23 冷却用通風ノズル 24 発光管最冷部 26 非放射開口部 27 フランジ部 28 マウント部 29 マウント通風口 30 防風板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者藤森昭芳東京都調布市調布ケ丘３丁目34番１号株式会社オーク製作所内Ｆターム(参考） 3K014 LA01 MA02 MA05 MA08 5C039 AA05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも１対の電極を対向配置した水
銀または水銀および他の金属との混合として封入されて
いる水銀蒸気放電灯において、前記電極の後部給電側に１以上の防風板を設け、前記電
極の後部給電側を空冷用冷却風による過冷却から保護す
ることを特徴とする水銀蒸気放電灯。
【請求項２】前記防風板は、防風用のフランジ部と、
水銀蒸気放電灯に装着取り付けを行うマウント部とを有
することを特徴とする請求項１に記載の水銀蒸気放電
灯。
【請求項３】前記防風板のフランジ部の最小直径Ｄ
が、前記水銀放電灯をその放射光を集光するために組み
合わせて使用する反射鏡の非放射側開口部最大直径ｄに
対してＤ＞ｄの関係になる防風板とすることを特徴とす
る請求項２に記載の水銀蒸気放電灯。
【請求項４】前記防風板の前記マウント部には、水銀
蒸気放電灯の前記電極の後部給電側の封止部に空冷用冷
却風を通風させるため少なくとも１個の通風口が形成さ
れていることを特徴とする請求項１、２または３に記載
の水銀蒸気放電灯。
【請求項５】前記通風口は円周方向に等間隔に形成さ
れていることを特徴とする請求項４に記載の水銀蒸気放
電灯。