JP2015230865A - 発信機を備えた放電ランプおよびその光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】点灯する放電ランプのランプ情報を厳密に管理して、適切に点灯できるようにする。
【解決手段】ランプ１に備わるランプ給電線５に、ランプ給電線５を囲むように発信機６を取り付ける。ランプ給電線５に電流が流れることを利用して発信機６は稼働する。発信機６はランプの型式や累積点灯時間等の情報に応じた信号を点灯電流に重畳させて光源装置に伝達し、光源装置７はその信号を参照して、点灯継続の可否、およびランプの点灯電力調整を行う。ランプ情報の伝達に点灯電流を用いることによって、確実にランプ情報の管理ができ、常に安全に点灯できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、放電ランプに関し、特に、取り付け間違いや不適切な点灯を防いで安全に点灯するための情報を発信する発信機を備えた放電ランプ、およびこの放電ランプを備えた光源装置に関する。

半導体や液晶パネルやプリント配線板などにパターン形成を行う露光装置の光源として、ショートアーク型放電ランプが使用されている。放電ガスとしてＸｅガス、Ｋｒガス、Ａｒガスなどの希ガスと水銀が封入されている放電ランプや、映写機やプロジェクターの光源として使用される希ガス型放電ランプ、または放電ガスと水銀に加えて金属蒸気が封入された金属蒸気放電ランプなどがある。また、これらのうち、発光管内に放電ガスおよび金属蒸気が常温で１気圧以上封入されているショートアーク型放電ランプもある。以下、これらの放電ガス封入放電ランプを単にランプまたは放電ランプと称する。

ランプにはそれぞれ最適な電気特性や冷却条件が予め決まっており、その条件で点灯させることによって、本来の性能を発揮することができる。光源装置にランプを取り付けて点灯させる際に、誤って本来その装置に使用するべきランプと異なるランプを点灯させると、適正ではない電気特性でランプを点灯することになり、必要な照度を得られないばかりか、ランプに不要な負荷がかかり、ランプの破裂等の原因となる。

さらに、誤って既にある程度点灯させたランプを未使用ランプとして光源装置に取り付けて点灯させると、光源装置で測定しているランプの点灯時間と、実際のランプの累積点灯時間との間に差異が発生し、ランプが不具合を発生させずに点灯することができるランプ使用限界時間（ランプ寿命時間）を上回ってランプが点灯してしまい、ランプが破損する場合がある。加えて、この放電ランプが点灯時間に応じて点灯電力（または電流、電圧）を変化させる必要があるランプである場合は、光源装置で測定しているランプの点灯時間と、実際のランプの累積点灯時間との間に差異が発生していると、実際のランプの累積点灯時間点灯時間を応じた適切な電力で点灯させることができない。その結果、ランプに不必要な負荷がかかり、ランプが破損する原因となる。

このような理由から、ランプの型式や点灯時間等のランプ情報を光源装置が管理することが必要である。以下に、これに関する従来技術の例をあげる。

特許文献１または特許文献２に開示された技術は、高圧ガスが封入されたランプの情報がＩＣタグに記録される。そして、ＩＣタグに記録されたランプ情報が、光源装置に設けられたリーダ・ライタにより読み出され、読み出された情報を参照して、電源の制御部がランプの点灯の可否の判断、または点灯制御が行われる。

特開２００８−２６９９７６号公報 特開２００８−２６９９７７号公報

しかしながら、上記のランプにおいては、以下のような問題があることが判明した。

リーダ・ライタによってＩＣタグから情報を読み出すためには、ＩＣタグをリーダ・ライタに対向して配置することが必要であり、両者の離間距離は十数ｍｍ程度である。そのため、リーダ・ライタはランプの給電線の近傍に配置される必要がある。ランプの給電線近傍にリード・ライタが設けられると、点灯によるランプの熱によって高温状態になるだけで無く、点灯による紫外線にさらされる。そのため、リード・ライタが故障、ＩＣタグにランプ情報が記録されない場合がある。

ランプは点灯開始からランプ寿命時間に到達するまで、一つの光源装置で点灯されるとは限らない。ランプ寿命時間を到達していなくても、新たに異なる光源装置に取り付けられて点灯される場合がある。この場合、ＩＣタグに記録されたランプの累積点灯時間は、実際のランプの累積点灯時間と必ずしも一致しない。これは、複数の光源装置間の光源装置の仕様の違いや、ＩＣタグと光源装置の情報伝達の不具合等が起因する。

例えば、複数の光源装置のうち、リーダ・ライタを備えない光源装置が存在した場合、この光源装置での点灯時間をＩＣタグに伝達することができない。併せてこのような光源装置については、ランプ情報もリーダ・ライタを介して光源装置に伝達することができない。

また、ＩＣタグに記録されているランプの点灯時間の更新は、光源装置が計測したランプの点灯時間を、ランプ点灯終了時にＩＣタグに伝達することによって更新している。そのため、光源装置の故障等のトラブルが発生すると、点灯時間がＩＣタグに伝達されず、ランプの点灯時間は更新されない。その結果、実際の点灯時間とＩＣタグに記録された点灯時間が一致しなくなる。

上記の課題を解決するために、本発明では、発光管と、発光管内にて対向する一対の電極と、電極に電力を供給するための給電線と給電端子とを有する給電構造とを具備するランプにおいて、ランプ情報に応じた信号を点灯電流に重畳させる発信機をランプ給電線に備えた構成とした。

発信機はランプ給電線を囲むように配置され、点灯電流がランプ給電線を流れることによって稼働し、動作する。

光源装置は、ランプ情報に基づいてランプ点灯可不可を判断する手段と、ランプ点灯不可と判断した場合にはランプを正常に使用できないように制御する手段とを備える。さらに光源装置は、ランプ情報に基づいてランプ点灯電力を制御する手段を備える。

本発明によれば、発信機が予め記録されたランプ情報に加えて、発信機単独でランプ点灯時間等を測定することができる。ＩＣタグのリーダ・ライタのようなランプ情報の伝達手段が設けられていなくても、ランプ情報を点灯電流に重畳させることによってランプ電源に伝達することができる。さらに、ランプ給電線に点灯電流が流れることを利用して発信機が稼働することができ、ランプが長時間点灯されない場合でも、確実に発信機が稼働することができる。これにより、ランプ電源がランプ情報に基づいてランプを適切に点灯できるよう制御することができる。

本発明の実施例におけるランプおよび光源装置を示した図である。 点灯継続可否の判断および点灯電力調整のフローチャートである。 本発明の実施例における発信機を示した図である。 本発明の実施例における発振機のその他の例を示した図である。

本発明の実施例は、ランプ情報に応じた周波数を点灯電流に重畳させる発信機を備えたランプであり、さらに点灯電流に重畳された周波数からランプ情報が読み出され、読み出されたランプ情報に基づいて電源が制御される光源装置である。ランプ情報とは、例えばランプ型式や累積点灯時間、累積点灯時間における適正な点灯電力の特性に関する情報、ランプ型式、品種番号、ロット番号、識別番号、定格ランプ電流、定格ランプ電圧、冷却条件、装置への取り付け向き、ランプ寿命時間のいずれか、または、これらの組み合わせの情報を含むものである。

図１は、実施例を用いたランプおよび光源装置の概略全体図である。

図１において、ランプ１は、半導体や液晶パネルやプリント配線板などにパターン形成を行う露光装置用のショートアーク型放電ランプであり、点灯電流は直流１０Ａ以上である。発光管２は、内部に一対の電極（図示せず）を備え、放電により発光を行う部分である。封止管３は、発光管２を封じるとともに電極を保持する部分である。口金４は、外部より電力を受けるとともに光源装置にて放電ランプを保持する部分である。ランプ給電線５は、放電ランプに電力を供給する導線である。ランプ給電線５は、放電ランプの電極と電気的に接続され、口金４から引き出されている。ランプ給電線５には発信機６がランプ給電線５を周方向に囲むように近接して配置される。

ランプ給電線５は光源装置７のコネクタ８を介して光源装置７内の光源装置側給電線９と電気的に接続される。光源装置側給電線９はランプ電源１０に接続される。ランプ１と電源１０の給電距離、即ちランプ給電線５と光源装置側給電線９をあわせた長さは概ね１０ｍ程度である。

ランプ電源１０より光源装置側給電線９およびランプ給電線５を介してランプ１に点灯電力が供給されると、ランプ１が点灯する。

発信機６は、ランプ給電線５に点灯電流が流れることを利用して、稼働する。発信機６はランプ情報に応じた周波数を点灯電流に重畳させる。

ランプ電源１０は、ランプ給電線５および光源装置側給電線９に流れる点灯電流に重畳された周波数を、たとえば光源装置側給電線９に結合された電流変成器を介して検出し、その検出出力をランプ情報に変換する。点灯電流にランプ情報に応じた周波数が重畳されていない場合は、ランプ電源１０はランプ１を消灯させる、もしくは作業者に警告を発する。

ランプ電源１０はランプ情報に基づいてランプ点灯継続の可否の判断する手段とランプ点灯不可と判断した場合には前記放電ランプを正常に使用できないように制御する手段を備えるものとする。点灯継続の可否の判断とは、例えば、発信機６から伝達されたランプの型式や累積点灯時間が、本来光源装置に設定されているランプ品種と異なる、またはランプ寿命時間を上回っている場合は、点灯継続が不可と判断され、作業者に警告を発するか、ランプ１を消灯させる。

ランプ電源１０はランプ情報に基づいてランプ点灯電力の特性を判断し、ランプ点灯電力の特性、すなわち点灯電力値、または点灯電力の電流値もしくは電圧値のいずれかを制御（以下 点灯電力制御）する手段を備えるものとする。たとえば、点灯継続が可能と判断されると、発信機６から伝達された累積点灯時間に基づいて、ランプ電源１０はランプ１に供給している点灯電力を予め定められた点灯時間に応じた点灯電力の特性に制御する。

ランプ電源１０における点灯継続の可否の判断、および点灯電力制御は、ランプ１が点灯中において一定時間間隔、または断続的に実施される。

図２にランプ点灯継続の可否判断および点灯電力制御について、ランプ電源１０の概略フローチャートの一例を示す。点灯電源１０はランプ１に点灯電力を供給し、ランプを点灯させる（Ｓ１０１）。そして、ランプに備えられた発信機６によって点灯電流に重畳された周波数をランプ電源１０が検出（Ｓ１０２）し、ランプ情報に変換する。このとき、点灯電流に重畳された周波数を検出できない、すなわち点灯電流に周波数が重畳されていない場合は制御手段によりランプを消灯／警告を発し（Ｓ１０７）、終了する。次に検出した周波数を変換して得られたランプ情報より、点灯されたランプの型式が適切であるかを判断し（Ｓ１０３）、適切でない場合はランプを消灯／警告を発し（Ｓ１０７）、終了する。次に入手したランプ情報より、点灯されたランプの累積点灯時間が予め設定されたランプ寿命時間未満であるか判断し（Ｓ１０４）、累積点灯時間がランプ寿命時間以上の場合はランプを消灯／警告を発し（Ｓ１０７）、終了する。次に点灯されたランプが、累積点灯時間に応じて点灯電力調整が必要なランプかどうかを判断する（Ｓ１０５）。点灯電力調整が必要な場合は点灯電力調整を行う（Ｓ１０６）。その後、以上の判断を繰り返し、連続点灯によって累積点灯時間がランプ寿命時間以上になると、ランプを消灯／警告を発し（Ｓ１０７）、終了する。

これにより、累積点灯時間がランプ寿命時間以上のランプは点灯継続可否の判断によって消灯される、もしくは警告により作業員に異常が通知されるので、誤ってランプ寿命時間をむかえたランプを点灯させても、点灯が継続されることを防ぐことができる。また、ある程度点灯が行われたランプを点灯させても、点灯時間に応じた適切な点灯電力調整を行うことができ、ランプに不要な負荷がかかることを防止できる。使用を停止したランプから発信機６を回収すると、ランプの使用状況を発信機の点灯情報から把握することができるので、今後のランプ品質管理に役立てることができる。また、ランプの異常により点灯停止した場合には、その原因調査にも役立てることができる。

上記のように構成したことにより、ランプ１とランプ電源１０が離れた場所に配置され、ランプ１とランプ電源１０の間にＩＣタグとリーダ・ライタのような情報伝達手段が無くとも、ランプ給電線５に流れる点灯電流を介してランプ情報をランプ電源１０に伝達することができる。

図３はランプ給電線５に取り付けられた発信機６の概略図である。図２のＡはランプ給電線５の軸方向から発信機６を見た図であり、図２のＢはランプ給電線５の周方向から発信機６を見た図である。発信機６の一部はランプ給電線５に近接して囲むように配置される。

発信機６は、ホール素子およびホール素子の起動用の電池を備えたクランプコア１１を備え、ランプ給電線５を周方向に囲むように配置される。ホール素子はオシレーター（図示せず）およびコンデンサ（図示せず）を含む発信部１２に接続される。発信部１２のオシレーターはコンデンサを介してランプ給電線に接続される。

起動用の電池よりホール素子に微小電流を流した状態で、ランプ給電線５を点灯電流が流れると、点灯電流により発生した磁界をホール素子が感知する。この感知により電圧が出力され、この出力は発信部１２の駆動電源となる。これにより発信部１２が稼働し、内部に記憶されたランプ情報が読み出される。発信部１２には予め各ランプ情報に応じた周波数のリストが記録されており、発信部１２はそのリストの中からランプ電源１０に伝達するランプ情報に応じた周波数を選択する。発信部１２はランプ給電線５に接続されているオシレーターを用いて、選択された周波数を点灯電流に重畳する。なお、ランプ給電線５に流れる点灯電流が１０Ａ以上の直流電流であることが望ましい。これにより発信機６はより十分な電流を得ることができ、かつランプ情報に応じた信号を確実に点灯電流に重畳させることができる。なお、異なる周波数の情報信号を時分割して給電線に重畳させることを可とする。

ホール素子の起動用の電池は、一般的な電池であればよいが、太陽電池であってもよい。例えば長期間発信機が使用されない等の状態によって電池は自然放電してしまうが、太陽電池であればランプの点灯による光によって充電され、自然放電による電池の消耗を防止することができる。

一般に半導体や液晶パネルやプリント配線板などのパターン形成に用いられるランプのランプ寿命時間は７５０時間以上であり、またランプは長期間点灯されずに保管される場合がある。そのため、発信機６の電源に一般的な電池を用いると、電池切れや特に長期間の保管による長時自然放電に起因する電池切れの不具合が発生する場合があった。しかし上記のように構成したことにより、ランプ１に備えられた発信機６は、ランプ給電線５を点灯電流が流れることを利用して稼働することができ、ランプが点灯することによって確実に発信機６よりランプ情報をランプ電源１０に伝達することができる。

また、一般にショートアーク放電ランプは、点灯時にスターター（図示せず）より絶縁破壊電圧をランプに加えることによって電極間で絶縁破壊を発生させて点灯させる。この絶縁破壊電圧は数ｋＶ以上の非常に高い電圧であり、発信機６を破壊するおそれがある。そのため、発信機６には絶縁破壊電圧に対する保護回路（図示せず）を備えることが望ましい。

ランプ給電線５に点灯電流が流れると発信部１２はランプ情報に応じた信号として、特定の周波数を発信し、点灯電流に重畳させる。重畳させる周波数は１ｋＨｚから１ＭＨｚの範囲である。

重畳させる周波数が１ｋＨｚ未満であると、重畳された周波数の影響で放電により発生したアークに揺らぎが発生し、照度が安定しなくなる。また、アークに揺らぎが発生することによって、放電の発生する電極先端部の温度も安定しなくなり、電極の消耗や変形が発生し、照度の低下やランプ破損等の不具合が起きる場合がある。

また、ショートアーク放電ランプは、ランプ点灯直後は放電によって発光管、および電極が過熱されておらず、電極および発光管の温度が低い。そのため、安定点灯している状態と比較して、放電ガスの圧力が低い状態となり、特に水銀等の金属が封入されている場合は水銀が蒸発しないために顕著である。加えて、ショートアーク放電ランプは、電極にエミッターが含有されている場合がある。電極の温度が低い状態では、電極内部に含有されるエミッターは放電が起きている電極先端部へ安定供給されにくく、エミッターは効果を十分発揮することができない。このように発光管内の放電ガスの圧力が低く、電極に含有さえているエミッターの効果が不十分な状態では、放電により発生したアークは不安定になり、アークの形状や発生場所が不規則に変動する。そのため、重畳させる周波数が１ＭＨｚを超過すると、このような点灯直後の不安定なアークなどに起因して点灯電流に発生するノイズと、重畳した周波数の識別が困難になる。よって、点灯電流に重畳させる周波数は１ｋＨｚから１ＭＨｚの範囲にすることによって、ランプ点灯中においてランプに不具合を発生させず、かつ確実にランプ情報をランプ電源１０に伝達することができる。

発信部１２にはランプ情報として、例えばランプ型式、ロット番号等を予め記録させておくことができる。また、発信機６には発信機６の稼働時間を測定するセンサー（図示せず）が備わっている。発信機６はランプ給電線５を点灯電流が流れることによって稼動することから、発信機６は自らの稼働時間を測定することで、ランプの点灯時間を測定することができる。発信機６にはさまざまなセンサーを設けることができ、例えば点滅回数、点灯時の温度情報などを想定することができる。これらセンサーも発信部１２と同様にランプ給電線５を点灯電流が流れることで稼働させることができる。測定された情報はランプ情報として点灯電流に重畳され、ランプ電源１０に伝達される。

発信機６にはランプ情報に応じて発信機６の機能を停止させる機能が設けられる。例えばランプ点灯時間が、あらかじめ設定されたランプ寿命時間に到達すると、信号すなわち周波数を点灯電流に重畳させる機能を停止させる。これにより、例えばランプ電源１０において検出した周波数をランプ情報に変換する手段に不具合が発生しても、発信機６が信号を点灯電流に重畳することを停止することで、ランプ電源１０は図２のフローチャートによりランプを消灯させる、もしくは作業者に警告を行うことができる。

なお、発振機６の構成は図３のようなオシレーターを用いた構成以外にも、図４のように周波数重畳用の磁性体コア１３を用いた構成でもよい。図３の構成と同様に発振部１２が稼働し、内部に記憶されたランプ情報が読み出される。発振部１２には予め各ランプ情報に応じた周波数のリストが記録されており、発振部１２はそのリストの中からランプ電源１０に伝達するランプ情報に応じた周波数が選択する。発振部１２は磁性体コア１３に選択した周波数の交流電流を流すことによって、選択された周波数を点灯電流に重畳することができる。これにより、発振機６はランプ給電線５に接触、および固定されなくとも、点灯電流に周波数を重畳することが可能であり、ランプ点灯時のスターターよる絶縁破壊電圧、および点灯によるランプ給電線５の温度上昇の影響を受けにくくなる。

１ ランプ
５ ランプ給電線
６ 発信機
７ 光源装置
１０ ランプ電源
１２ 発信部

Claims (9)

1. 発光管と、
   前記発光管内にて対向する一対の電極と、
   前記電極に電力を供給するためのランプ給電線とを具備する放電ランプにおいて、
   前記放電ランプのランプ情報に応じた信号を点灯電流に重畳させる発信機を
   前記ランプ給電線に備えた
   ことを特徴とする放電ランプ。
2. 前記発信機は前記ランプ給電線を囲むように配置される
   ことを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
3. 前記発信機は、前記ランプ給電線を点灯電流が流れることにより駆動する
   ことを特徴とする請求項１乃至２に記載の放電ランプ。
4. 前記ランプ情報は
   ランプ型式、累積点灯時間、累積点灯時間における適正な点灯電力の特性、品種番号、ロット番号、識別番号、定格ランプ電流、定格ランプ電圧、冷却条件、装置への取り付け向き、ランプ寿命時間のいずれか一つ、または、これらの組み合わせの情報を含み、
   前記ランプ情報に応じた高周波の信号が前記発信機を介して前記給電線に重畳されるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
5. 前記点灯電流に重畳された前記信号から前記ランプ情報を読み取るランプ電源を備えた
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つの請求項に記載の放電ランプを備えた光源装置。
6. 前記ランプ情報に基づいてランプ点灯可不可を判断する手段と、
   ランプ点灯不可と判断した場合には、
   前記放電ランプを正常に使用できないように制御する手段とを備える、
   ことを特徴とする請求項５に記載の光源装置。
7. 前記ランプ情報に基づいて放電ランプの点灯電力およびその特性を制御する手段を備える
   ことを特徴とする請求項６に記載の光源装置。
8. 点灯させる放電ランプのランプ情報に対応した信号を点灯電流に重畳させる
   ことを特徴とする放電ランプ用発信機。
9. 前記発信機は前記給電線を囲むように配置され、
   前記点灯電流が前記放電ランプのランプ給電線を流れることによって動作する
   ことを特徴とする請求項６に記載の放電ランプ用発信機。

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