JP2007179842A

JP2007179842A - ショートアーク形水銀ランプ点灯装置、紫外線照射装置および紫外線照射方法

Info

Publication number: JP2007179842A
Application number: JP2005376287A
Authority: JP
Inventors: Koichi Tamai; 幸一玉井; Takao Kousaka; 宇生幸坂
Original assignee: Harison Toshiba Lighting Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2005-12-27
Filing date: 2005-12-27
Publication date: 2007-07-12
Also published as: CN1993007A; CN1993007B

Abstract

【課題】
ショートアーク形水銀ランプの寿命の進展に伴う紫外線照度の減退を抑制したショートアーク形水銀ランプ点灯装置、これを用いた紫外線照射装置および紫外線照射方法を提供する。
【解決手段】
ショートアーク形水銀ランプ点灯装置は、ショートアーク形水銀ランプＳＨＬと、定電流制御の下で相対的大電力Ｈを供給する第１の期間Ｔ１と相対的小電力Ｌを供給する第２の期間Ｔ２を交互に繰り返しながらショートアーク形水銀ランプＳＨＬを点灯する点灯回路ＯＣとを具備している。
【選択図】
図１

Description

本発明は、ショートアーク形水銀ランプ点灯装置、これを用いた紫外線照射装置および紫外線照射方法に関する。

半導体露光や紫外線硬化形樹脂の硬化など多様な用途に紫外線照射装置が用いられている。このような紫外線照射装置では、紫外線光源としてショートアーク形の超高圧水銀ランプ（以下、ショートアーク形水銀ランプという。）が従来から使用されている。

従来、半導体露光装置において、ショートアーク形水銀ランプの紫外線による照度を高めることにより、露光時間の短縮化および高効率化を目的として、ショートアーク形水銀ランプを連続点灯状態下で定格ランプ電力以下にして待機し、定格ランプ電力以上で露光を行うパルス点灯方式が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開昭６０−０５９７３３号公報

ところが、従来のパルス点灯方式においては、ショートアーク形水銀ランプの寿命の進展に伴って紫外線照度が徐々に減退していく。これは放電媒体の枯渇、電極の劣化およびガラスの透過率低下などが原因している。そのため、ショートアーク形水銀ランプの寿命の進展に伴って露光時間を徐々に長くしていく必要が生じ、それに対応させるための制御が困難であるという問題がある。

本発明は、ショートアーク形水銀ランプの寿命の進展に伴う紫外線照度の減退を抑制したショートアーク形水銀ランプ点灯装置、これを用いた紫外線照射装置および紫外線照射方法を提供することを目的とする。

第１の発明のショートアーク形水銀ランプ点灯装置は、ショートアーク形水銀ランプと；定電流制御の下で相対的大電力を供給する第１の期間と相対的小電力を供給する第２の期間を交互に繰り返しながらショートアーク形水銀ランプを点灯する点灯回路と；を具備していることを特徴としている。

第２の発明のショートアーク形水銀ランプ点灯装置は、ショートアーク形水銀ランプと；定電力制御の下で相対的大電力を供給する第１の期間と相対的小電力を供給する第２の期間を交互に繰り返しながらショートアーク形水銀ランプを点灯し、かつ少なくとも第１の期間において寿命の進展に伴いショートアーク形水銀ランプに供給する電力を漸次増加するように構成された点灯回路と；を具備していることを特徴としている。

本発明の紫外線照射装置は、紫外線照射装置本体と；紫外線照射装置本体に配設された請求項１ないし３のいずれか一記載のショートアーク形水銀ランプ点灯装置と；を具備していることを特徴としている。

本発明の紫外線照射方法は、請求項１ないし３のいずれか一記載のショートアーク形水銀ランプ点灯装置の相対的大電力を供給する第１の期間に発生した紫外線をワークに照射することを特徴としている。

本発明によれば、ショートアーク形水銀ランプの寿命の進展に伴う紫外線照度の減退を抑制したショートアーク形水銀ランプ点灯装置、これを用いた紫外線照射装置および紫外線照射方法を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態を説明する。

図１ないし図３は、本発明のショートアーク形水銀ランプ点灯装置を実施するための第１の形態を示し、図１は回路ブロック図、図２はショートアーク形水銀ランプの正面図、図３はショートアーク形水銀ランプに投入されるランプ電力の波形図である。

本形態のショートアーク形水銀ランプ点灯装置は、ショートアーク形水銀ランプＳＨＬおよび点灯回路ＯＣを具備している。

〔ショートアーク形水銀ランプＳＨＬについて〕ショートアーク形水銀ランプＳＨＬは、図２に示すように、透光性気密容器１、一対の電極２Ｋ、２Ａ、外部リード構体３、４および放電媒体を備えている。

透光性気密容器１は、耐火性を有する石英ガラスなどから形成され、例えば包囲部１ａおよび一対の封止部１ｂ、１ｂを備えている。包囲部１ａの内部には放電空間１ｃが形成されている。封止部１ｂは、透光性気密容器１を気密に封止するとともに、後述する一対の電極２Ｋ、２Ａを放電空間１ｃ内に封装している。さらに詳述すれば、透光性気密容器１が石英ガラスからなる場合、封止部１ｂは、その内部に例えば封着金属箔（図示しない。）が気密に埋設されている。なお、封着金属箔は、例えばモリブデン箔からなり、所要の電流容量を得るために、１枚または並列状態で複数枚が用いられる。

一対の電極２Ｋ、２Ａは、耐火性で導電性の金属、例えばタングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）またはタングステン−レニウム合金など、からなる。そして、直流点灯の場合、陰極２Ｋと陽極２Ａで構成される。また、一対の電極２Ｋ、２Ａは、包囲部１ａの内径より小さい電極間距離、例えば２．８ｍｍとなるようにそれぞれ先端が離間対向して配置されている。

放電媒体は、水銀および希ガスを主体として構成されている。なお、水銀は、点灯時に蒸発して超高圧水銀蒸気状態を呈する。希ガスは、例えばアルゴンガスからなり、始動ガスおよび緩衝ガスとして作用する。

外部リード構体３、４は、一対の電極２Ｋ、２Ａを点灯回路に接続して受電するための手段である。また、ショートアーク形水銀ランプＳＨＬを紫外線照射装置の内部に装着する際に、取付手段として外部リード構体３、４を利用することができる。この場合、外部リード構体３、４は、図示のような口金構造を採用することができる。

本形態においては、外部リード構体３の口金部分３ａから図２において右側へ突出しているボルト部分３ｂを、図示しないナットを用いて支持することによって、ショートアーク形水銀ランプＳＨＬを紫外線照射装置の内部に装着することができる。また、同時に点灯回路の出力端の負極側に接続するように構成されている。

他方、外部リード構体４は、口金部分４ａから外部へ延在する可とう性の被覆導体４ｂを備えている。なお、被覆導体４ｂの先端には、接続端子４ｃが配設されている。

さらに、外部リード構体３、４は、図示しないが、それらの一端が封止部１ｂ、１ｂ内に延在して封着金属箔に溶接されている。

そうして、ショートアーク形水銀ランプＳＨＬは、点灯されると透光性気密容器１の内部に超高圧水銀蒸気放電が生起して紫外線を発生する。

ショートアーク形水銀ランプＳＨＬは、上述した基幹的な構造に加えて、所望により以下の構成を付加することが許容される。

１．（陰極保温膜５について）陰極保温膜５は、陰極２Ｋに水銀が付着するのを防止するために陰極２Ｋを保温するための手段である。そして、例えば主として陰極２Ｋ側の封止部の外面に形成された白金などの蒸着膜からなる。なお、陰極２Ｋに水銀が付着すると、始動電圧過昇や点灯不良を生じやすくなる。

２．（陽極保温膜６について）陽極保温膜６は、気密容器１の温度上昇を早めるための手段である。そして、例えば陽極２Ａの主として基端部分に対向する気密容器１の外面に形成された白金などの蒸着膜からなる。なお、気密容器１の温度上昇を早めることで光束立ち上がりが速くなる。

３．（トリガーワイヤ７について）トリガーワイヤ７は、始動時に電極近傍の電位傾度を大きくしてショートアーク形水銀ランプＳＨＬの始動性を良好にするための手段である。そして、例えば基端が陰極２Ｋ側の外部リード構体３に接続し、中間が包囲部１ａの外面に近接して延在し、先端が陽極２Ａ側の封止部１ｂの包囲部１ａに隣接する部位に巻き付けられている。

〔点灯回路ＯＣについて〕点灯回路ＯＣは、投入するランプ電力を間欠的に変動させながらショートアーク形水銀ランプＳＨＬを点灯するための回路手段である。上記間欠動作は、図３に示すように、定電流制御の下で相対的大電力Ｈを供給する第１の期間Ｔ１と、相対的小電力Ｌを供給する第２の期間Ｔ２を交互に繰り返すことにより行われる。第２の期間においては、定電流制御でもよいし、定電力制御回路であってもよい。

また、点灯回路ＯＣは、少なくとも第１の期間Ｔ１の間に投入するランプ電力を定電流制御するものとする。このために、本形態においては、点灯回路ＯＣに直流定電流制御回路ＣＣＲを用いて、その出力端間から得られる定電流をショートアーク形水銀ランプＳＨＬに供給する。第２の期間に定電力制御回路を行う場合には、直流定電流制御回路ＣＣＲに加えて定電力制御回路を並列または直列的に配設し、それらの制御回路を、それぞれの期間ごとに切り換えてショートアーク形水銀ランプＳＨＬに接続するように構成することができる。

さらに、直流定電流制御回路ＣＣＲの入力端に直流電力を供給するために、整流回路ＲＣを用いて交流電源ＡＣから得る交流電圧を整流する。

さらにまた、点灯回路ＯＣは、ショートアーク形水銀ランプＳＨＬに投入するランプ電力を間欠的に変動させるために、制御手段ＣＣを用いて直流定電流制御回路ＣＣＲから出力されるランプ電流をそれぞれの期間に必要なの値にするために制御するように構成されている。なお、上記間欠的な変動の周期は、紫外線照射の対象により適宜設定できるものとする。例えば、第１および第２の期間をそれぞれ１０秒程度に設定することができる。

〔ショートアーク形水銀ランプ点灯装置の動作について〕本形態において、ショートアーク形水銀ランプＳＨＬは、図３に示す間欠的に変動するランプ電力が投入されて点灯を継続する。第１の期間Ｔ１に投入される相対的大電力Ｈにおいて、ショートアーク形水銀ランプＳＨＬは、紫外線出力が増大する。したがって、第１の期間Ｔ１に発生する紫外線を露光などの目的に供すると、短時間で、しかも高効率の紫外線照射を行うことができる。

第２の期間Ｔ２に投入される相対的小電力Ｌにおいて、ショートアーク形水銀ランプＳＨＬは、紫外線出力が少なくなるものの、点灯状態を維持する。したがって、第２の期間Ｔ２を次の紫外線照射までの待機期間とすることができる。そうすれば、待機中の消費電力を最小限に止めることができる。

ところで、前述のようにショートアーク形水銀ランプＳＨＬは、寿命の進展に伴って放電媒体の枯渇、電極２Ｋ、２Ａがスパッタなどによって徐々に消耗して劣化し、また透光性気密容器の透過率低下などが原因の紫外線照度が徐々に低下していく。

電極が劣化すると、一対の電極２Ｋ、２Ａの間における電極間距離が徐々に大きくなっていく。その結果、ランプ電圧が上昇する。

これに対して、点灯回路ＯＣは、第１の期間Ｔ１において定電流制御を行ってショートアーク形水銀ランプＳＨＬを点灯するので、ランプ電流が一定に維持される。その結果、ショートアーク形水銀ランプＳＨＬに投入されるランプ電力が寿命の進展に伴って徐々に増大して結果紫外線発光量が増加していき、その分紫外線照度が上昇しようとする。

したがって、上記紫外線照度の低下と、定電流制御による紫外線照度の上昇とが相殺し合い、結果として寿命の進展に伴う紫外線照度の低下が定電流制御により抑制される。

図１に示す第１の形態である。

ショートアーク形水銀ランプ
透光性気密容器：包囲部の内径２０ｍｍ
一対の電極：電極間距離２．８ｍｍ
放電媒体：水銀およびＡｒガス
点灯回路（下記回路の切り換えを行う。）
定電流制御回路：第１の期間２０Ａの定電流制御、
定電力制御回路第２の期間７００Ｗの定電力制御
第１・第２の期間：それぞれ１０秒間

［比較例］
ショートアーク形水銀ランプ：実施例と同じ。

点灯回路（下記回路の切り換えを行う。）
定電電力制御回路：第１の期間１０００Ｗ、第２の期間７００Ｗの定電力制御
第１・第２の期間：それぞれ１０秒間

波長３６５ｎｍの紫外線照度の最大値（％）は、表１に示すとおりであった。

［表１］
点灯時間（ｈｒ）実施例（％）比較例（％）
０１００１００
２００９７９０
５００１０２８０
１０００１００７５

表１から理解できるように、実施例（本発明）によれば、比較例に比較してショートアーク形水銀ランプの寿命の進展に伴う紫外線照度の低下が顕著に抑制される。

図４および図５は、ショートアーク形水銀ランプの点灯時間に対するランプ電力および紫外線照度の変化を示すグラフであり、図４は本発明、図５は比較例である。なお、図中、横軸は点灯時間（相対値）を、縦軸は左側がランプ電力（相対値）、右側が照度（相対値）を、それぞれ示す。また、図中の曲線ＬＰはランプ電力、ＩＬは紫外線照度、をそれぞれ示す。比較例は、ショートアーク形水銀ランプを、本発明の直流定電流制御回路ＣＣＲに代えて直流定電力制御回路ＣＷＲを経由して点灯したものである。

図４に示す本発明においては、点灯時間の経過に伴ってランプ電力が徐々に増加し、紫外線照度がほぼ一定になっている。

これに対して、図５に示す比較例においては、ランプ電力が一定となるが、紫外線照度が点灯時間の経過に伴ってランプ電力が徐々に低下している。

図６は、本発明のショートアーク形水銀ランプ点灯装置を実施するための第２の形態を示す回路ブロック図である。

本形態のショートアーク形水銀ランプ点灯装置は、直流定電力制御回路ＣＰＲおよび漸次電力を増加させる制御手段ＣＣを具備している点で第１の形態と異なる。

すなわち、直流定電力制御回路ＣＰＲは、第１の形態における定電流制御回路ＣＣＲに代わるものであるが、それ単体では前記比較例におけるような問題がある。

そこで、本形態では、ショートアーク形水銀ランプＳＨＬの寿命の進展に伴い制御手段ＣＣによる制御によって直流定電力制御回路ＣＰＲからの定電力出力を徐々に増加するように構成されている。なお、上記制御は、例えば定電力制御の際の基準電位を徐々に増大させることで、これを実現することができる。

そうして、本形態においても寿命の進展に伴ってランプ電力が徐々に増加するので、第１の形態におけるのと同様な作用を呈して寿命の進展に伴う紫外線照度の低下を抑制することができる。

図７および図８は、本発明の紫外線照射装置を実施するための一形態を示し、図７は正面断面図、図８は左側面断面図である。なお、各図において、図１と同一部分には同一符号を付して説明は省略する。

本形態において、紫外線照射装置は、紫外線照射装置本体１１、ショートアーク形水銀ランプ点灯装置１２とを具備している。

紫外線照射装置本体１１は、紫外線照射装置からショートアーク形水銀ランプ点灯装置１２を除外した残余の部分からなる。本形態において、紫外線照射装置本体１１は、光学系１１ａ、調光機構１１ｂ、光学シャッター１１ｃ、冷却機構１１ｄ、照射口１１ｅおよびケーシング１１ｆなどを備えて構成されている。

光学系１１ａは、ショートアーク形水銀ランプＳＨＬから放射した紫外線を下向きに集光し、照射口１１ｅから導出するための光学手段からなる。そして、楕円反射鏡１１ａ１、第１のミラー１１ａ２、導光体１１ａ３および第２のミラー１１ａ４からなる。楕円反射鏡１１ａ１は、ショートアーク形水銀ランプＳＨＬから放射された紫外線をその反射面で反射させて下向きに集光する。第１のミラー１１ａ２は、集光された紫外線を反射して９０°屈曲させ、水平方向へ進行させる。導光体１１ａ３は、上記の水平方向へ進行した紫外線が後述する調光機構１１ｂおよび光学シャッター１１ｃを通過した後、紫外線をケーシング１１ｆの外部へ導光する。第２のミラー１１ａ４は、導光体１１ａ３の他端から導出された紫外線を反射して下向きに９０°屈曲させる。下向きに屈曲した紫外線は、上述の照射口１１ａ１から導出されて図示しないワークを照射する。

調光機構１１ｂは、照射口１１ｅから導出されて図示しないワークを照射する際の紫外線照度を所望に調節する。また、調光機構１１ｂは、開口面積の異なる多数の開口を同心円状に形成した回転円盤からなり、回転円盤を回転させて開口の開口面積を所望のものに選択することで、調光を行う。

光学シャッター１１ｃは、調光機構１１ｂを通過した紫外線を通過（開）させ、導光体１１ａ３に入射させたり、遮断（閉）して導光体１１ａ３に入射しないようにしたりする。したがって、ワークに紫外線を照射する際に開とし、ワークに照射しないときには閉としておく。

冷却機構１１ｄは、ケーシング１１ｆの内部を排気して冷却するとともに、紫外線照射装置の内部から塵埃などが外部へ放出されて雰囲気を汚染しないようにケーシングの内部を排気して図８に示すダクト１３へ排出する。また、図示を省略しているが、所望によりショートアーク形水銀ランプＳＨＬの好適には陽極近傍位置の透光性気密容器の外面に空気を吹き付けて、ショートアーク形水銀ランプＳＨＬを冷却する機構を付加することができる。

ケーシング１１ｆは、以上の各手段およびショートアーク形水銀ランプ点灯装置１２を内部の所定位置に収納している。

ショートアーク形水銀ランプ点灯装置１２は、図１および図２に示す本発明を実施するための第１および第２の形態のいずれかを用いることができる。ショートアーク形水銀ランプＳＨＬは、ケーシング１１ｆの内部上部位置に管軸が垂直に吊り下げられている。なお、管軸の位置を調整して光軸を調整する機構１１ｇが配設されている。

次に、上述の紫外線照射装置を用いる本発明の紫外線照射方法を実施するための一形態について説明する。すなわち、本実施形態においては、ショートアーク形水銀ランプＳＨＬが第１の期間Ｔ１になると、光学シャッター１１ｃが同期して開となるので、照射口１ａ１から紫外線が図示しないワークに照射される。第１の期間Ｔ１に照射口１１ａ１から照射される紫外線は、記述のようにショートアーク形水銀ランプＳＨＬの寿命中を通じて紫外線照度の低下が抑制されるので、紫外線照射時間を変化させるなどの面倒な制御が不要になるか、または所望により制御を行う場合であってもその制御が容易となる。また、紫外線照射により処理のばらつきが小さくなり、良好な紫外線照射効果を得ることができる。

本発明は、半導体露光、紫外線硬化性樹脂の硬化、光洗浄など紫外線を照射して行う処理に適用することができる。

本発明のショートアーク形水銀ランプ点灯装置を実施するための第１の形態を示す回路ブロック図同じくショートアーク形水銀ランプの正面図同じくショートアーク形水銀ランプに投入されるランプ電力の波形図本発明のショートアーク形水銀ランプ点灯装置を実施するための第１の形態比較例におけるショートアーク形水銀ランプの点灯時間に対するランプ電力および紫外線照度の変化を示すグラフ本発明のショートアーク形水銀ランプ点灯装置を実施するための第２の形態を示す回路ブロック図本発明の紫外線照射装置を実施するための一形態を示す正面断面図同じく左側面断面図

符号の説明

ＡＣ…交流電源、ＣＣ…制御手段、ＣＣＲ…定電流制御回路、ＲＣ…整流回路、ＳＨＬ…ショートアーク形水銀ランプ

Claims

ショートアーク形水銀ランプと；
定電流制御の下で相対的大電力を供給する第１の期間と相対的小電力を供給する第２の期間を交互に繰り返しながらショートアーク形水銀ランプを点灯する点灯回路と；
を具備していることを特徴とするショートアーク形水銀ランプ点灯装置。
ショートアーク形水銀ランプと；
定電力制御の下で相対的大電力を供給する第１の期間と相対的小電力を供給する第２の期間を交互に繰り返しながらショートアーク形水銀ランプを点灯し、かつ少なくとも第１の期間において寿命の進展に伴いショートアーク形水銀ランプに供給する電力を漸次増加するように構成された点灯回路と；
を具備していることを特徴とするショートアーク形水銀ランプ点灯装置。
ショートアーク形水銀ランプの寿命の進展に伴って、その電極間距離が漸次拡大していき、かつショートアーク形水銀ランプに投入されるランプ電力が漸次増大していくことを特徴とする請求項１または２記載のショートアーク形水銀ランプ点灯装置。
紫外線照射装置本体と；
紫外線照射装置本体に配設された請求項１ないし３のいずれか一記載のショートアーク形水銀ランプ点灯装置と；
を具備していることを特徴とする紫外線照射装置。
請求項１ないし３のいずれか一記載のショートアーク形水銀ランプ点灯装置の相対的大電力を供給する第１の期間に発生した紫外線をワークに照射することを特徴とする紫外線照射方法。