JP2012198997A - ロングアーク型メタルハライドランプ及び光照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 メタルハライドランプを冷却風の通風路を備えた光照射装置に使用した場合にも、ランプから放射された光を効率よくワークに向けて放射することができると共に、ランプの過熱を防止できて、反射膜の剥れ、更には黒化を抑制して高い照度維持率を実現することができるメタルハライドランプ及び光照射装置を提供すること。
【解決手段】 ロングアーク型メタルハライドランプにおいて、発光管の外表面上に、その全長に亘って略一定幅に形成された紫外光に対して反射性を備えた反射膜を有し、反射膜はシリカ粒子を主成分として構成されている。またタルハライドランプと反射ミラーを備えた光照射装置において、反射ミラーは冷却風用の開口が形成されてなり、メタルハライドランプは、発光管の外表面上に反射ミラーの開口に対向した領域に紫外光に対して反射性を備えた反射膜を有し、該反射膜はシリカ粒子を主成分として構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ロングアーク型メタルハライドランプおよびこれを用いた光照射装置に関する。

液晶ディスプレイパネルの製造工程においてガラス基板を貼り合わせる際、ガラス基板とガラス基板の間に塗布されたシール剤を硬化するための紫外線光源として、メタルハライドランプが好適に利用されている。かかる製造工程においては、例えば特許文献１で知られるように、棒状のメタルハライドランプと、その背面に配置された反射ミラーとを備えた光照射装置が使用される。
図５は、上記光照射装置の一例を示す説明図である。
メタルハライドランプ１０は長尺の石英ガラスからなる発光管１１を備え、内部に一対の電極が対向配置されている。発光管１１の内部には水銀、鉄、ハロゲン及びその他の金属が封入されている。ランプ１０の背面（図において上部）には、ランプ１０から放射された光をワークＷに向けて反射する反射ミラー２０が配置されており、メタルハライドランプ１０の下方に配置されたワークＷであるガラス基板に対して、ランプから放射された光が照射されるように構成されている。
ランプ１０から放射された光を反射するためのミラー２０は、中心部に相当する位置がランプの長さ方向全長にわたって開口しており、通風口５２が形成されて冷却風が流過可能となっている。通風口５２の上部には、例えばダクト５５と吸引ファン（不図示）が取り付けられており、吸引によってランプ下方から上部に向かって気流が形成されるようになる。これにより、ランプ１０の側面及びランプ１０の上部近傍を通過して通風口５２に気流が流れ込み、ランプのなかで最も加熱するランプ上側の面が効率よく冷却されるようになる。
しかしながら、このようなランプ背面に通風口５２が形成された装置では、前記通風口５２と対向する発光管１１表面から放射された光は、通風口５２に抜けて利用されることがない。すなわち、効率が悪くなるという問題が潜在的にある。

そこで、このような問題に鑑み、通風口に向かって放射される光を利用するといった目的で、発光管の外表面上に紫外線の反射膜を形成するという技術がある（特許文献１、特許文献２参照）。このような反射膜は、具体的には、ＴｉＯ_２とＳｉＯ_２の蒸着膜による多層反射膜や、アルミナ粒子の層からなる紫外線散乱機能を備えた反射膜である。このような反射膜を備えることにより、反射光が発光管内部を通過して下方向に向かって出射するので、上述したミラー構造を備えた装置においては特に光出力のアップを望めるようになる。

ところで、このような液晶ディスプレイの製造に関する装置においては、ワークを搬送する期間、ワークに対して不要な露光を回避する目的で、シャッタを用いてランプからの光を遮光し、ガラス基板に過剰に紫外線が照射しないよう制御することが行われている（特許文献３参照）。光を反射するミラーは可動式であり、図６に示すように、ワークが載置されていない状態において、光をステージ方向に照射しないよう、ランプからの光を遮光することができるようになっている。
また、上記装置では、液晶パネル基板の大型化が進み、一辺が１０００ｍｍを超える大型の基板を処理する装置が要求されることから、光源となるメタルハライドランプは長尺化が進んでいる。この結果、個々のランプに投入される電力もまた大きなものとなってきており、ランプを常にフル点灯した状態で装置を駆動すると、エネルギー的にロスが大きく、効率が悪いことが問題となっている。
このような事情に鑑み、近時、ワーク搬送中の被処理の間、ランプに投入する電力値を下げて点灯することで、ランプのＯＮの動作を瞬時に行えるよう、ランプを待機状態に維持し、全体として省電力化を図るといった方法が採用されている。

特開２００７−１５７５８３号公報 特開２００８−１３０３０２号公報 特開２００６−０３５４３６号公報

しかしながら、上記装置の動作方法のもとで、反射膜を備えたメタルハライドランプを使用した場合、ランプの温度が上昇し過ぎて蒸着膜が揮発したり、アルミナ粒子の膜においても剥れるという問題が生じる。本発明者らがこのような現象が起こる原因を検討したところ、下記のことが原因であると推察した。

上述したように、液晶パネル基板の製造にかかる光照射装置では、樹脂の硬化を過不足なく行い、かつ、基板に紫外線の過剰照射を回避しなければならず、このためにワークを搬送する間ランプらの放射光を遮光するためシャッタが閉じられる。このとき、冷却風の流路が閉ざされることになり、冷却は間欠的になってしまう。このため、ランプの温度が冷えにくい状況が定期的に発生する。
反射膜として蒸着膜を用いると発光管が８００℃を超えるような過熱状態で使用されるため、蒸着物質が揮発して最終的になくなってしまう。

一方、反射膜がアルミナ粒子より構成される場合には、蒸着膜よりも耐熱性を有するものの、アルミナは紫外光〜赤外光にわたって、広範囲の波長領域の光を反射する特性を備えるため、メタルハライドランプから放射された光のうち、可視光から赤外光までも反射することで、ランプ自身の加熱につながり、アルミナの反射膜が剥がれ落ちるような事態に至るものと考えられる。なお、アルミナ反射膜の存在によりランプの過熱状態が続くと、放電空間内部では発光管を構成するシリカガラスと封入物である鉄（Ｆｅ）とが反応を生じ、鉄が黒化して発光管に付着し、透過率が低下して照度が低下するという新たな問題が生じる。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、鉄を封入したメタルハライドランプを冷却風の通風路を備えた光照射装置に使用した場合にも、ランプから放射された光を効率よくワークに向けて放射することができると共に、ランプの過熱を防止できて、反射膜の剥れ、更には黒化を抑制して高い照度維持率を実現することができるメタルハライドランプ及び光照射装置を提供することを目的とする。

本発明に係るロングアーク型メタルハライドランプは、円筒状の石英ガラスからなる発光管の内部に、発光物質として鉄が封入され、前記メタルハライドランプは、前記発光管の外表面上に、当該発光管の全長に亘って略一定幅に形成された紫外光に対して反射性を備えた反射膜を有し、前記反射膜はシリカ粒子を主成分として構成されていることを特徴とする。
また更に本発明に係る光照射装置は、ロングアーク型メタルハライドランプと、このメタルハライドランプを覆う略樋状の反射ミラーと、このメタルハライドランプおよび反射ミラーを通風により冷却する冷却機構とよりなる光照射装置において、前記反射ミラーは、当該光照射装置の光出射方向と対向する位置に冷却風用の開口が形成され、前記メタルハライドランプは、その発光管の外表面上であって前記反射ミラーの開口に対向した領域に紫外光に対して反射性を備えた反射膜を有し、前記反射膜はシリカ粒子を主成分として構成されていることを特徴とする。

発光管の外表面において、通風路の領域に対応して形成する反射膜に関し、シリカ粒子を主体とした膜にすることで、耐熱性に優れた反射膜とすることができるとともに、３５０〜４００ｎｍの必要な光の反射性能を従来の反射膜と同等に維持することができ、波長４００ｎｍ以上の不要な反射光を少なくしてランプ温度の上昇を軽減することができるようになる。
シリカ粒子からなる反射膜はアルミナ粒子からなる反射膜に比べ、波長４００ｎｍ以上の反射が劣るため、不要である可視光〜赤外光領域の反射を抑えられるようになり、ランプの温度上昇を抑制することができる。従って、シリカ反射膜によりランプから放射された光を効率よくワークに向けて放射することができると共に、紫外光を主に反射するのでランプの過熱を防止できて、反射膜の剥れ、更には黒化を抑制して高い照度維持率を実現することができる、メタルハライドランプ及び光照射装置を提供することができる。

本発明にかかるメタルハライドランプを示す図であり、管軸に垂直な断面を示す断面図である。 図１に示す光照射装置における光照射装置の要部を示す、ランプの管軸に垂直な方向で切断した断面図である。 シリカ粒子の反射率とアルミナ粒子における反射率の一例を示す図である。 反射膜の熱サイクル試験の結果を示す図である。 液晶パネル基板に光を照射るための光照射装置の一例である。 ワークに対する光照射時と非光照射時におけるシャッタの状態を説明する図である。

以下、本願発明の実施形態を説明する。
図１は本発明に係るメタルハライドランプであり、発光管の管軸に沿って切断した断面図である。
図２は本発明に係るメタルハライドランプを光照射装置に組み込んだ状態を説明する図であり、（Ａ）発光管の管軸に対して垂直方向に切断した断面図、（Ｂ）反射膜近傍を拡大して示す説明図である。なお、メタルハライドランプが搭載される光照射装置の全体の構成について、先に示した図５の構成と同様であり、ここでは図５を参照し、同符号を用いて説明する。
図５において、光照射装置５０は、上部に形成された通気孔５２、ランプ配置用空間５３、及び、下方に開口する光照射口５４が形成された略箱型形状のランプハウス５１を具えている。ランプハウス５１は、上部に排気ファン（不図示）が設置され、通気口５２に連通するダクト５５が設けられている。ランプ配置用空間５３には、メタルハライドランプ１０の発光領域Ｌ（発光長）の大きさと同等またはそれ以上の長さを有すると共に楕円面反射面を有する樋状の反射ミラー２０がその第１焦点の位置がメタルハライドランプ１０の発光部を構成するランプ中心と一致する状態で配置されている。

反射ミラー２０は、内面の反射側にいわゆるコールドミラーと呼ばれる赤外光を透過して特定領域の紫外光を反射する機能を有する反射膜が設けられたものである。反射ミラー２０内面に設けられた反射膜は例えば、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）と二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）とよりなる多層反射膜（図示せず）により形成されたものである。

メタルハライドランプ１０は、図１に示すように、両端に封止部１１ａが形成された円筒状の石英ガラスからなる発光管１１を具えており、この発光管１１内に一対の電極１２，１３が対向して配置され、内部に希ガス、ハロゲン、鉄などの封入物が封入されて構成される。これらの金属のうち鉄は、波長３００ｎｍ近傍において広域な発光を生じるものであり、必須に封入されるものである。同図に示すように発光管１１の封止部１１ａには金属箔１５が埋設され、この金属箔１５に対して外部リード棒１６が接続されている。同図中、符号１１ｂで示される部材は封止部１１ａ内部において電極１２，１３の軸部を指示するためのガラス製の筒体であり、かかるガラス製筒体１１ｂはその外周面が封止部１１ａの内周面に溶着されて固定されている。

発光管１１は、外表面上に紫外線の反射膜１７を備えている。かかる反射膜１７は、おおむね光照射装置（５０）の通気口（５２）に対応する領域に形成されるものであり、シリカ粒子が積層状態に固着して形成されたものである。なお、この反射膜１７は反射による光を有効に利用する場合にはベタ状であるのが好ましいが、反射膜と発光管との間で蓄熱された熱を積極的に放熱したい場合には、部分的に透過部を備えるよう例えば網目状に形成されるのが好ましい。

反射膜１７を構成するためのシリカ粒子は、粒子径が０．１〜２０μｍの範囲にあるものであって、中心粒径が０．１〜２μｍのものが好ましく、より好ましくは０．３〜０．５μｍである。また中心粒径を有する粒子の割合は５０％以上であるのが好ましい。また、シリカ粒子の膜の厚さは１００μｍ以上であり、好ましくは１５０μｍ以上である。

シリカ粒子が上記範囲の粒子径を有するものであることにより、真空紫外光を効率よく拡散反射させることができる。なお本明細書において「粒子径」とは、粒子の投影像を２本の平行線で挟んだとき、平行線の間隔が最大となる粒子の幅をいう。

このようなシリカ粒子からなる反射膜は、例えば「流下法」と呼ばれる方法により形成することができる。すなわち、水とＰＥＯ樹脂（ポリエチレンオキサイド）を組み合わせた粘性を有する溶剤に、シリカ粒子を混ぜて分散液を調製し、この分散液を放電容器形成材料内に流し込むことにより、発光管形成材料の外表面における所定の領域に付着させた後、乾燥、焼成することにより水とＰＥＯ樹脂を蒸発させることにより、反射膜２０を形成する。このような反射膜は、シリカ粒子により形成されるものであるが、最終的な形状が必ずしもシリカ粒子の形状を維持した状態のものである必要はない。すなわち、シリカ粒子の一部が溶融して、隣接する他のシリカ粒子と結合されていても良い。

図３は、シリカ粒子の反射率とアルミナ粒子における反射率の一例を示す図であり、曲線（Ａ）はシリカ粒子、曲線（Ｂ）はアルミナ粒子の反射率をそれぞれ示したものである。なお、これらの反射率は、いずれも膜厚を１５０ｎｍとして形成し、反射膜を形成したときの波長３００ｎｍ〜７００ｎｍまでのものである。
同図に示されるように、波長約３００〜４００ｎｍの波長領域においては曲線（Ａ），（Ｂ）共、反射率は９５％を超えるような高いものとなっている。しかしながら、可視領域から赤外領域の波長帯の光では、曲線（Ａ），（Ｂ）は、波長が長くなるに従い差異が大きくなっている。すなわち、曲線（Ａ）では、波長が長い光では徐々に反射率が低下しており、これに対して曲線（Ｂ）の場合、波長が長くなるに従って徐々に上昇しており、反射率は格段に高いものとなっている。
従って（Ａ）のシリカ粒子からなる反射膜を使用すると、主要な波長３００〜４５０ｎｍ領域の光に対して高い反射率で反射することができ、一方、被処理物の処理に不要な可視ないし赤外領域の光については、低い反射率で反射することができるようになる。この結果、紫外光をメタルハライドランプの発光管を通過させることができ、ワーク側に取り出すことが可能になる共に、可視光〜赤外光の光は発光管に戻る量が少なく、ランプの過熱を防止することができるようになる。
なお、反射膜１７は、シリカ粒子を主成分とするものであれば他の反射性の粒子を含む状態であっても構わない。なお本発明において、反射膜はシリカ粒子を主成分として構成されているとは、反射膜の構成割合において５０ｖｏｌ％以上の割合でシリカ粒子を含んでいるという意味である。シリカ粒子以外の反射性の粒子の例としては、アルミナ、マグネシア、ジルコニア、チタニアなどである。

以上の本発明に係るメタルハライドランプを、先に示した図５、６のような構成の光照射装置に用いることで、下記の作用効果が奏される。
すなわち、メタルハライドランプにおいて、通気孔に対応する領域、すなわち、反射ミラーによって反射されない領域に反射膜が形成されているので、ランプから放射された光を、効率よく利用することができるという既存の効果に加えて、反射膜がシリカ粒子からなるものであるので、紫外領域の光については高い反射率を維持しつつ、実質的に不要となる紫外領域以外の光についてアルミナよりも反射率が低いことによって、可視光〜赤外光の反射が抑制されて、発光管の過熱が抑制される。
この結果、メタルハライドランプの冷却が間欠的に生じる場合であっても、発光管の過熱が抑制されて、反射膜が熱で剥がれ落ちたり、発光管を構成するシリカガラスと封入物である鉄（Ｆｅ）とが反応して発光管が黒化したりするという問題を回避できるようになる。

［実験例１］
以下、以上説明した本願発明の構成に類似するサンプルを作製し、実際にメタルハライドランプ装置を動作させたときと同様の温度状態を擬似的に形成して、発光管に設けた反射膜の耐熱性がどのような程度であるか性能について検証を行った。
まず、基材として発光管を構成するものと同じ材質、すなわち石英管を使用し、この表面に反射膜を形成したサンプルを作製した。具体的には、外径２６ｍｍの石英管の外表面上に、膜厚およそ１００μｍになるようにシリカ粒子又はアルミナ粒子を膜付けして作製した。
このサンプルを合計１０個作製し、電気炉を用いて昇温、冷却のサイクルを加えることにより膜剥れの耐久性を確認した。
温度サイクルの条件は、８００℃キープを３０分、０℃キープ３０分を１サイクルとし、これを１００サイクル繰り返すことによった。
テストの前後においてサンプルの重量を測定し、重量変化率から剥れが発生したか否かを検証した。

なお重量変化率は、下記の式によって求めることができる。
重量変化率（％）＝（テスト前の重量−テスト後の重量）÷テスト前の重量×１００

図４は、この実験結果を示す図である。同図（Ａ）はシリカ粒子からなる反射膜の体積変化率、（Ｂ）はアルミナ粒子からなる反射膜の体積変化率の結果を示した表である。この結果から分かるように、アルミナ膜、シリカ膜の重量変化率を比較すると、（Ａ）のシリカ粒子で構成した反射膜によれば平均の重量変化率が約０．１％程度であり、変化が非常に少なく耐熱性が良好である。一方、（Ｂ）のアルミナ粒子で構成した反射膜では、平均の重量変化率が約１％と１０倍程度の違いがある。この理由は、石英管は熱による膨張と収縮が生じ、反射膜をシリカ粒子で構成した場合では石英管の熱膨張、収縮に対して熱膨張係数の差が実質的に無いので、石英管の表面と反射膜の境界において剥れが発生し難く、膜を安定的に保持することができるからであると考えられる。メタルハライドランプを間欠的に点灯すると電力の切り替えとほぼおなじ周期で温度の上昇、下降が生じるので、このような熱サイクル試験に類似する状態が引き起こされる。この実験例により、シリカ膜の方がアルミナ膜に対して剥れ難く、耐久性が大きいことが判明したので、シリカ粒子による反射膜を設けることがより優位であるといえる。

以上、説明したように、本願発明に係るメタルハライドランプによれば、ランプを高い電力と低い電力とで切り替えて点灯する間欠的な点灯モードにより点灯した場合でも、反射膜の剥離を防止できて高い耐久性を備えた反射膜とすることができる。また、メタルハライドランプからの光のうち、紫外光について高い反射率で反射し、それよりも高い波長域の光については低い反射率で反射することになるので、メタルハライドランプに反射光が入射しても発光管が過熱することを回避することができる。

１０ メタルハライドランプ
１１ 発光管
１１ａ 封止部
１２，１３ 電極
１４ 反射膜
２０ 反射ミラー
２１ 通風口
Ｗ ワーク
５０ 光照射装置
５１ ランプハウス
５２ 通気口
５３ ランプ配置空間
５４ 光照射口
５５ ダクト

Claims (2)

1. ロングアーク型メタルハライドランプにおいて、
   円筒状の石英ガラスからなる発光管の内部に、発光物質として鉄が封入され、
   前記メタルハライドランプは、前記発光管の外表面上に、当該発光管の全長に亘って略一定幅に形成された紫外光に対して反射性を備えた反射膜を有し、
   前記反射膜はシリカ粒子を主成分として構成されている
   ことを特徴とするロングアーク型メタルハライドランプ。
   
2. ロングアーク型メタルハライドランプと、このメタルハライドランプを覆う略樋状の反射ミラーと、
   このメタルハライドランプおよび反射ミラーを通風により冷却する冷却機構とよりなる光照射装置において、
   前記反射ミラーは、当該光照射装置の光出射方向と対向する位置に冷却風用の開口が形成され、
   前記メタルハライドランプは、その発光管の外表面上であって前記反射ミラーの開口に対向した領域に紫外光に対して反射性を備えた反射膜を有し、
   前記反射膜はシリカ粒子を主成分として構成されている
   ことを特徴とする光照射装置。

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