JP2010073488A - ショートアーク型放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】冷却によるランプのゆらぎ、照度変動を抑え、安定したランプ点灯を維持する。
【解決手段】陰極２０、陽極３０を備えたショートアーク型放電ランプにおいて、発光管１２の厚さを変える。陰極先端部（輝点）を中心として、電極軸に直交し、陰極先端部を含む基準面Ｆから緯度方向６０度付近にある発光管肩部１２Ｔ付近の厚さ（肉厚）Ｔ１を、陽極先端面３１Ａを含む平面Ｇを含む発光管最大径部１２Ｓ付近の厚さＴ２より大きくする。
【選択図】図２

Description

本発明は、露光装置などに光源として利用されるショートアーク型放電ランプに関し、特に、ゆらぎ（照度変動）を抑制するランプ構造に関する。

ショートアーク型放電ランプでは、陽極、陰極が発光管内に近接した状態で保持され、電圧を印加することによってアーク放電が電極間で発生し、紫外光など特定波長の光が放射される。ショートアーク型放電ランプは電極間距離が短いため、点光源とみなすことができ、放射輝度の高い光が得られる。例えば基板の配線パターンを形成する露光装置に使用する場合、ランプ外に放射された光は、レンズ、ミラーなどを介して平行光に変換され、基板に照射される。

ランプ点灯中、電極は高温状態になる。そのため、電極先端部の消耗などが原因となってアーク放電が不安定になり、アークの輝点移動、あるいは発光長の変化などが生じる。その結果、点光源として光が放射されず、照度低下、照度変動が生じる。露光装置などでは、露光面全体の照度均一性を維持する必要があり、照度変動を抑制しなければならない。

照度変動を抑制するランプ構造として、電極先端部を発光管の最大径部分を含む平面上、もしくはその上に配置させた放電ランプが知られている（特許文献１参照）。あるいは、陰極胴部の一部をテーパー状に形成し、テーパー部分に突起部を設けることによってアーク輝点の収縮、移動を抑える（特許文献２参照）。
特開平１０−２６９９９０号公報 特開２００３−１３２８３７号公報

放電ランプを点灯している間、冷却風を放電ランプ（特に、高温状態の封止管）に当ててランプ冷却する。ところが、冷却風が封止管、さらには発光管にまで当たることにより、発光管が部分的に冷却される。その結果、発光管内部の温度分布が不均一となって発光管が内部で対流が生じ、この対流がアーク輝点の移動、ゆらぎを生じさせる。このようなランプ冷却による放電ランプのゆらぎを防止することが課題となる。

本発明のショートアーク型放電ランプは、ランプ冷却に影響を受けずに安定して光を放射するランプであり、例えば露光装置の照明装置に使用され、ショートアーク型放電ランプを冷却する冷却装置によって冷却されながら光を照射する。そして、放電ランプは、対向する陽極と陰極を内部に設けた発光管と、前記発光管と連接し、前記陽極と前記陰極を支持する封止管とを備える。例えば陰極と陽極は、電極軸が鉛直方向に沿うように配置される。

本発明では、発光管肩部の厚さが、５ｍｍ以上であることを特徴とする。ただし、発光管肩部は、発光管最大径部と封止管との接続部との間にある発光管部分に相当し、前記陰極の先端部を基準とした場合、その先端部を含む平面からの角度が６０度付近の発光管部分に相当する。電極を鉛直方向に配置した場合緯度方向６０付近に相当する。あるいは、光の放射範囲の領域外の発光管部分に相当する。

従来の照度変動、ゆらぎを抑制するランプ構造では、照明装置以外からの影響（外乱）を考慮しておらず、特に、ランプ冷却による冷却風の影響について考慮されていなかった。特に、発光管の一部分の厚さ（全体の厚さではない）がゆらぎに影響を与えることが見出されていなかった。本発明では、この冷却風の影響によってゆらぎが生じるのを抑えるため、発光管肩部の厚さを、従来型ランプに比べ非常に厚い５ｍｍ以上に設定している。これによって、ゆらぎ（照度変動）が最小となり、照度変動を抑えることができる。

ガラス管などから成る放電ランプを製造するとき、加熱によって軟化させて発光管を膨らませる。ランプ製造方法を考慮すると、発光管全体を肉厚の大きい状態で維持することが難しい。そのため、発光管全体を同じ厚さで均一にするよりも、前記発光管の最大径部付近の発光管厚さを、発光管肩部の厚さよりも小さくするのが望ましい。

特に、光の透過性に影響を与えないようにするためにも、最大径部付近の発光管厚さを薄くするのがよい。また、光の放射範囲の発光管厚さをほぼ一定にすることにより、照度一定を維持するのが望ましい。

一方、封止管を厚くしすぎると、発光管破裂によるランプ破損を起こす危険性がある。すなわち、封止管内部に亀裂が生じたとき、封止管の厚さによって破断が生じにくいことによって発光管に亀裂が先に伝わる恐れがある。そのため、封止管の厚さを前記発光管肩部の厚さよりも小さくするのが望ましい。

ゆらぎをより効果的に抑えるため、陽極の先端面が、発光管最大径部に沿った平面上に位置するのが望ましい。一方、発光管と封止管との間の接続部分の曲率半径が、２ｍｍより大きくすることにより、封止管と発光管の接続部分が緩やかな曲がり具合となり、応力集中が避けられる。

本発明によれば、冷却によるランプのゆらぎ、照度変動を抑え、安定したランプ点灯を維持することができる。

以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１は、本実施形態のショートアーク型放電ランプを照明装置の光源として使用する露光装置を模式的に示した斜視図である。

露光装置１００は、照明装置１２０、ＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）１４０を備え、パターンを描画テーブル１８０に形成する。照明装置１２０は、ショートアーク型放電ランプ（ここでは図示せず）を備え、放電ランプ１０から放射された光はＤＭＤ１４０に導かれる。放電ランプ１０を点灯している間、放電ランプ１０の傍に設けられた冷却装置１４０は、冷却風を放電ランプ１０の口金（ここでは図示せず）に向けて送風する。

図２は、ショートアーク型放電ランプ１０の概略的断面図である。図３は、ランプの配光分布（照度分布）を示した図である。

照明装置１２０内のショートアーク型放電ランプ１０は、透明な石英ガラス製の発光管１２と、その発光管１２内に陰極２０、陽極３０を備え、陰極２０、陽極３０は所定間隔Ｌをもって対向配置される。球状の発光管１２の両側には、互いに対向する石英ガラス製の封止管１３Ａ、１３Ｂが発光管１２と連接し、一体的に形成されている。放電ランプ１０は、陽極３０が上側、陰極２０が下側となり、電極軸Ｅが鉛直方向に沿うように配置されている。

封止管１３Ａ、１３Ｂの内部には、陰極２０、陽極３０を支持する導電性の電極支持棒１７Ａ、１７Ｂが配設され、金属リング１８Ａ、１８Ｂ、金属箔１６Ａ、１６Ｂを介して導電性のリード棒１５Ａ、１５Ｂにそれぞれ接続される。封止管１３Ａ、１３Ｂは、その両端が口金１９Ａ、１９Ｂによって塞がれる。また、封止管１３Ａ、１３Ｂは、内部内に設けられたガラス管２１Ａ、２１Ｂ、およびガラス棒２３Ａ、２３Ｂと溶着し、これによって発光管１２内の放電空間が封止される。発光管１２内には、水銀、および希ガスが封入されている。

リード棒１５Ａ、１５Ｂは外部の電源部（図示せず）に接続されており、リード棒１５Ａ、１５Ｂ、金属箔１６Ａ、１６Ｂ、金属リング１８Ａ、１８Ｂ、そして電極支持棒１７Ａ、１７Ｂを介して陰極２０、陽極３０に電力が供給される。陰極２０、陽極３０の間に電圧が印加されることにより、電極間でアーク放電が発生し、水銀による光が発光管１２の外へ放射される。

陰極２０には円錐状先端部２０Ａが形成され、その先端面は放電面として構成される。一方、陽極３０にも円錐状先端部３０Ａが形成され、その先端面が放電面として構成されている。陰極２０、陽極３０の先端面の間でアーク放電が発生すると、光が四方に放射する。陰極先端部２０Ａの先端面には、放電ランプ１０を点光源としたときの発光中心（以下、輝点という）Ｈが定められ、輝点Ｈから光が放射するものとみなすことができる。

図３に示す配光分布は、放射された光の中で上下方向、すなわち緯度方向の放射照度を測定することによって得られる。縦軸は照度を示し、基準面（±０°）での照度を１００％としたとき、緯度に沿った照度をその割合で表す。ただし、電極軸Ｅに直交し、陰極２０の先端部２０Ａに沿った水平面Ｆ（図２参照）を基準面（０度）とし、この基準面から陽極側にプラス、陰極側マイナスの緯度を規定する。

放電ランプ１０の放射範囲ＲＫは、陰極２０、陽極３０の配置、サイズ、形状、および陰極２０、陽極３０との距離間隔などに従って定まる。ここでは、陽極先端部３０Ａの形状および電極間距離の影響によって、陽極側の放射範囲が０度〜約３０度までの範囲に規定される。一方、陰極側の放射範囲は約−６０度付近まで及ぶ。

本実施形態では、発光管１２の厚さは全体的に一様ではなく、発光管肩部１２Ｔ付近の厚さ（肉厚）Ｔ１は、発光管最大径部１２Ｓ付近の厚さＴ２より大きい。ここで、発光管肩部１２Ｔは、封止管１３Ａ、１３Ｂとの接続部１２Ｖに近い発光管部分であって、陽極側に緯度方向＋６０度付近に相当する発光管部分を示す。

一方、発光管最大径部１２Ｓは、発光管１２の径が最大となる発光部分を示し、ここでは陽極先端部３０Ａの先端面３１Ａに沿った平面Ｇに相当する発光管部分である。最大径部１２Ｓ付近の厚さＴ２は５ｍｍ未満であり、例えば３ｍｍ〜３．５ｍｍの範囲に定められる。一方、発光管肩部１２Ｔ付近の厚さＴ１は、５ｍｍ以上（例えば、５．３ｍｍ〜５．５ｍｍ）に定められる。

発光管１２の放射範囲ＲＫ（図３参照）に該当する発光管部分は、その厚さをほぼ一定とし、最大径部１２Ｓの厚さＴ２となっている。また、発光管肩部１２Ｔの厚さＴ１は、封止管１３Ａ、１３Ｂとの接続部１２Ｖ付近までほぼ変わらない。一方、封止管１３Ａ、１３Ｂの厚さＴ３は、発光管肩部１２Ｔの厚さＴ１より小さい。また、封止管１３Ａ、１３Ｂと発光管１２との接続部１２Ｖにおける曲率半径Ｒ１は、２ｍｍ以上（例えば１０ｍｍ）に定められる。

図２に示すように、ランプ点灯中、冷却装置１４０からの冷却風は、主に口金１９Ａ、１９Ｂに向けて送風される。この送風方向は、封止管１３Ａ、１３Ｂ内部の過熱状態を防ぐと当時に、発光管１２内部まで冷却して発光管１２内の温度変動が生じることを防ぐためである。この冷却風により、高温状態になる封止管１３Ａ、１３Ｂ内部が冷却され、高温状態になるのを抑えている。

冷却風が直接的に影響を受けるランプ１０の構造部分は、封止管１３Ａ、１３Ｂに限らず、封止管１３Ａ、１３Ｂに近い発光管１２の接続部１２Ｖ、および肩部１２Ｔ付近まで及ぶ。しかしながら、発光管肩部１２Ｔの厚さＴ１が通常（約３．０ｍｍ）よりも十分厚いため、冷却風の影響が発光管内部１２まで及ばず、あるいはその影響は非常に小さい。その結果、封止管１３Ａ、１３Ｂ内部が冷却されても発光管１２内部まで冷却されず、発光管１２内での温度分布が一様に保持され、ゆらぎを起こす管内対流が抑えられる。

一方、発光管１２の製造には、通常、素材となる石英管をバーナーなどによって過熱し、軟化させて膨らませる作業を伴う。発光管最大径部１２Ｓの厚さＴ２を小さくするため、発光管厚さ全体を発光管肩部１２Ｔの厚さＴ１で維持するのに比べ、容易に発光管１２を製造することができる。また、厚さによって透過性に影響が生じることを防ぐ。

さらに、発光管１２の肉厚の変化は、放射範囲ＲＫの範囲外において生じしており、放射範囲ＲＫ内で発光管肉厚がほぼ一定に維持される。そのため、透過性が全体器に均一となり、照度均一性を維持することができる。

また、陽極先端部３０Ａの先端面３１Ａに沿った平面Ｇが最大径部１２Ｓを通る平面と一致させていることによって、ゆらぎが抑えられる。

一方、封止管１３Ａ、１３Ｂについては、亀裂などによるランプ破損を防ぐため、必要以上に厚くすることができない。封止管１３Ａ、１３２Ｂの厚さＴ３を大きくすると、封止管１３Ａ、１３Ｂ内に亀裂が生じた場合、封止管１３Ａ、１３Ｂが亀裂、破断に到るまで時間がかかり、発光管１２に亀裂が先に伝わり、ランプ破裂を引き起こす恐れがある。そのため、封止管１３Ａの厚さＴ３は発光管肩部１２Ｔの厚さより小さく設定される。

発光管肩部１２Ｔの厚さＴ１を大きくし、また、封止管１３Ａ、１３Ｂの厚さＴ３と発光管肩部１２Ｔの厚さＴ１とが異なるように構成しているため、発光管接続部１２Ｖに応力集中がかかりやすい。しかしながら、接続部１２Ｖの曲率半径Ｒ１が２ｍｍ以上と曲率を小さく設定している。そのため、応力集中を防ぐことができる。

なお、冷却風の影響によるゆらぎが発光管肩部１２Ｔの厚さに関連することから、発光管１２の厚さを全体的に肩部１２Ｔの厚さＴ１に一致させてもよい。また、陽極、電極の配置方向、位置等に基づき、発光管肩部を規定、特定することも可能である。また、ショートアーク型放電ランプを露光装置以外に使用してもよい。

上記構成の有効性を確認するため、発光管肩部１２Ｓの厚さ、そして冷却風の強さを変えながら、発光管１２内部のゆらぎ（照度変動）を計測した。上述した構成による放電ランプを鉛直方向に沿って配置し、冷却風を口金に向けて送風させながら点灯させた。基準面Ｆから約６０度の発光管厚さを、発光管肩部１２Ｔの厚さＴ１としている。

図４は、発光管肩部の厚さに対するゆらぎの大きさを示したグラフである。

横軸は、発光管肩部１２Ｔの厚さＴ１（ｍｍ）を表し、縦軸はゆらぎの大きさを表す。ゆらぎは照度変動として計測し、緯度方向＋３０度において波長３５０ｎｍ付近に感度領域のある照度計によって照度を測定した。そして、５秒毎に平均化し、「（最大値−最小値）÷平均値」によってゆらぎの値Ｒを求めた。なお、照度変動率としてゆらぎの大きさを算出することも可能である。

冷却風は、発光管肩部１２Ｓが過冷却状態の「強」、発光管肩部１２Ｓへの冷却風が弱い「中」、発光管肩部１２Ｓへ冷却風が当たらない「弱」という３段階に設定され、「強」、「中」、「弱」における発光管肩部１２Ｓの温度は、それぞれ約４７０℃、約７００℃、約８００℃になる。

発光管肩部１２Ｔの厚さＴ１が約３．０ｍｍ〜約５．５ｍｍの範囲（特に、３．５〜４．０ｍｍ、および５．３ｍｍ以上の範囲）にある放電ランプを複数本用意し、冷却風の強さを変えながらゆらぎＲを測定した。そして、測定プロットに基づき、厚さＴ１とゆらぎＲの相関関係を示す曲線Ｗ１〜Ｗ３を規定している（図４参照）。曲線Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３は、それぞれ「強」、「中」、「弱」の冷却に対応する。

図４から明らかなように、発光管肩部１２Ｔの厚さＴ１が５．０ｍｍ以上の場合、ゆらぎＲはほぼ最小値（６５前後）に収まり、厚さＴ１が３．０ｍｍ〜５．０ｍｍの範囲にある場合に比べて照度変動が少なく、安定している。特に、厚さ３．０ｍｍ〜５．０ｍｍの範囲では冷却風レベルによってバラツキが生じるが、厚さＴ１が５．０ｍｍ以上の場合、いずれの冷却風のレベルによっても、ゆらぎＲにバラツキがなく低い値に抑えられる。

本実施形態のショートアーク型放電ランプを照明装置として使用する露光装置を模式的に示した斜視図である。 ショートアーク型放電ランプの概略的断面図である。 ランプの配光分布（照度分布）を示した図である。 発光管肩部の厚さに対するゆらぎの大きさを示したグラフである。

符号の説明

１０ ショートアーク型放電ランプ
１２ 発光管
１２Ｓ 発光管最大径部
１２Ｔ 発光管肩部
１３Ａ、１３Ｂ 封止管
ＲＫ 放射範囲
Ｆ 基準面（陰極先端部を含む平面）
Ｇ 陽極先端面を含む平面

Claims (7)

1. 対向する陽極と陰極を内部に設けた発光管と、
   前記発光管と連接し、前記陽極と前記陰極を支持する封止管とを備え、
   前記陰極の先端部を基準として、電極軸に直交し、前記先端部を含む平面からの角度６０度付近の発光管肩部の厚さが、５ｍｍ以上であることを特徴とするショートアーク型放電ランプ。
2. 前記発光管の最大径部付近の発光管厚さが、前記発光管肩部の厚さよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のショートアーク型放電ランプ。
3. 光の放射範囲に相当する発光管部分の厚さが、ほぼ一定であることを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載のショートアーク型放電ランプ。
4. 前記封止管の厚さが、前記発光管肩部の厚さよりも小さいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のショートアーク型放電ランプ。
5. 前記発光管と前記封止管との間の接続部分の曲率半径が、２ｍｍより大きいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のショートアーク型放電ランプ。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載されたショートアーク型放電ランプを有する照明装置と、
   前記ショートアーク型放電ランプを冷却する冷却装置と
   を備えたことを特徴とする露光装置。
7. 対向する陽極と陰極を内部に設けた発光管と、
   前記発光管と連接し、前記陽極と前記陰極を支持する封止管とを備え、
   前記封止管との接続部と前記発光管の最大径部との間にあって光の放射範囲外にある発光管肩部の厚さを、５ｍｍ以上とすることを特徴とするショートアーク型放電ランプ。
   
   

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