JP2017045580A - 防風部材を備えた照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】点灯開始から安定点灯状態に至るまでの期間、さらには連続点灯期間においても、放電管の失透、クラック発生を抑制しながら、封止管の温度を適切に調整する。【解決手段】筒状の防風板６０で覆われる封止管１３Ａと放電管４０とが一体的に成形された放電ランプ１０において、放電管４０の発光部４２と封止管１３Ａとの接続部分である拡径部４４が形成されており、拡径部４４は、曲率中心ＣＣが発光部４２と同じ放電空間側に位置する一方、その曲率（１／ｒ）は発光部４２の曲率よりも小さい。そして、防風板６０の内径Ｄ３は、拡径部４４において二等分点Ｑ３を通る外径Ｘ３よりも小さくなるように定められている。そして、封止管１３Ａ、拡径部４４、発光部４２に渡って保護膜５０が塗布されている。【選択図】図２

Description

本発明は、露光装置等に使用される放電ランプを備えた照明装置に関し、特に、放電ランプの冷却構造に関する。

露光装置や照明装置などに使用されるショートアーク型放電ランプでは、放電中、電極支持棒等が高温になって封止管が過熱状態になると、封止管内の金属部分とガラス部分との接合部分にクラックが発生し、さらには亀裂によって放電ランプが破損する恐れがある。そのため、放電ランプに対して冷却風を送風する。

その一方で、放電管を過度に冷却すると、点灯開始後間もない時間帯では水銀が十分蒸発せず、発光強度が弱まる。また、直接封止管に冷却風を当てることで高温部分、低温部分が生じ、封止管に熱歪が生じてしまう。そこで、封止管の温度を点灯開始時から好適な状況で維持するため、略筒状の防風板（防風筒）が封止管を覆うように配置される。（特許文献１参照）

封止管と防風筒との距離間隔を含め、防風筒の配置場所は、放電管、封止管の表面に沿った冷却風の流れを制御し、封止管の熱放出を効果的に行うためにも、緻密に設定しなければならない。そのため、放電管と封止管との繋ぎ目部分の管形状に合わせて、防風筒の位置を決定する（特許文献２参照）。

そこでは、封止管と放電管との繋がり部分に肩部をもつ、あるいは、曲率変更部分を両端部とする末広部分をもつランプ形状に合わせて、防風筒を所定の位置に配置する。具体的には、封止管と防風筒の隙間を比較的小さくし、冷却風の一部だけを封止管と防風筒との隙間に流し、点灯開始時から安定点灯状態までの期間、効果的にランプを冷却するようにしている。

特開２００１−１３５１３４号公報 特開２０１１−７０８３３号公報

安定点灯状態になった後、何らかの理由で冷却風とは逆方向に沿ってガスが封止管と防風筒との間を通って流れると、そのガスは放電管側へ移動し、光を透過する発光部分にまで到達する。そのガスが不純物を含むガスの場合、石英ガラスが不純物と反応して変質し、透過率減少や微細なクラック発生を生じさせる恐れがある。

したがって、点灯開始から安定点灯状態までの間の過冷却を防ぐとともに、安定した連続点灯期間中において、失透させることなく封止管の温度を適切に維持するように放電ランプおよび防風部材を構成する必要がある。

本発明の照明装置は、放電管と、放電管の両側に連設する一対の封止管とを備えた放電ランプと、少なくとも一方の封止管を覆う筒状の防風部材とを備える。例えば、放電ランプは、封止管の電極反対側端部に設けられ、封止管と接着剤を介して固定される口金を備えている。

本発明では、放電管は、中心側の放電管形状を構成する発光部と、封止管との接続部分において曲率中心が発光部と同じ放電空間側にある一方、発光部とは曲率の異なる拡径部とを有する。このような拡径部の構成によって、封止管端部から曲り具合の異なる弧状の曲面が連なって発光部中心に向けて放電管に形成される。そして防風部材の内径は、拡径部の最大外径よりも小さくなるように構成されている。防風部材と封止管との間にガスが放電管に向けて流れると、拡径部によってそのガスの流れは放電管表面から剥離する。

例えば放電ランプは、投入電力が直流８ｋＷ以上の放電ランプであり、拡径部の最大外径は、放電管の最大外径の６５％以下にすればよい。また、防風板と拡径部とのランプ軸方向距離は、５０ｍｍ未満にすればよい。

拡径部に対する防風部材のサイズおよび位置は様々な構成によって実現できるが、ガスの剥離を確実にすることを考慮すれば、防風部材の内径が拡径部の外表面二等分点付近を通る外径よりも小さくなるように構成すればよい。ここで、外表面二等分点付近とは、拡径部表面に沿った両端部からの距離が等しい点およびその近傍を表す。例えば、防風板の放電管側端部から拡径部の外表面二等分点付近との距離は、防風板内表面と封止管外表面とのランプ径方向距離の１２倍以下にすればよい。

ガスに含まれる不純物付着を防ぐため、拡径部の表面の少なくとも一部において、膜を形成するのがよい。特に、拡径部の表面において、防風部材の内径以下の大きさとなる範囲の少なくとも一部に膜を形成すればよい。例えば膜は、拡径部から発光部に渡って連続して形成することができる。あるいは、膜は、封止管から拡径部全体そして発光部に渡って連続して形成することができる。

本発明によれば、点灯開始から安定点灯状態に至るまでの期間、さらには連続点灯期間においても、放電管の失透、クラック発生を抑制しながら、封止管の温度を適切に調整することができる。

本実施形態である照明装置を模式的に示した平面図である。 放電ランプの概略的一部断面図である。

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、本発明の実施形態である照明装置を模式的に示した平面図である。

照明装置１００は、光源としてショートアーク型放電ランプ１０を備えた照明装置であり、ここでは基板などにパターンを形成する露光装置（図示せず）に組み込まれている。ショートアーク型放電ランプ１０（以下、放電ランプ１０）は、透明な石英ガラス製の放電管４０を備え、放電管４０内に陰極２０、陽極３０が所定間隔をもって対向配置されている。

管球状の放電管４０の両側には、互いに対向するように石英ガラス製の封止管１３Ａ、１３Ｂが放電管４０と一体的に形成されており、封止管１３Ａ、１３Ｂの両端は、口金１５Ａ、１５Ｂが接続されている。口金１５Ａ、１５Ｂは、ここでは粉末接着剤によって封止管１３Ａ、１３Ｂに固定されている。放電ランプ１０は、陽極３０が上側、陰極２０が下側となるように鉛直方向に沿って配置されている。

封止管１３Ａ、１３Ｂ内には、金属性の陰極２０、陽極３０を支持する導電性の電極支持棒１７Ａ、１７Ｂが延びており、封止管１３Ａ、１３Ｂと溶着するガラス管（ここでは 図示せず）に挿通されている。ガラス管と電極支持棒との封着によって、水銀、および希ガスが封入された放電空間ＤＳが放電管４０内に封止される。電極支持棒１７Ａ、１７Ｂは、金属リング、金属箔、リード棒（いずれも図示せず）を介して、外部の電源部（図示せず）に接続されている。陰極２０、陽極３０の間に電圧が印加されると、電極間でアーク放電が発生し、水銀による輝線（紫外光）が放電管４０の発光部４２を透過して外部に放射される。

放電ランプ１０の周囲には、回転楕円体である反射ミラー（集光ミラー）７５が配置されており、反射ミラー７５の開放部７５Ｔが鉛直上側（陽極側）を向いている。放電管４０は、その中心部が反射ミラー７５の焦点付近となるように位置決めされている。封止管１３Ａは、反射ミラー７５の頂部に形成された開口部７５Ｐに挿通されている。冷却ノズル８０、９０は、ランプ点灯中、封止管１３Ａと口金１５Ａ、封止管１３Ｂと口金１５Ｂをそれぞれ冷却するため、冷風を吐出する。

防風板６０、７０は、封止管１３Ａ、１３Ｂを囲み、口金１５Ａ、１５Ｂの端部まで延在する筒状部材であり、ここでは金属板によって構成されている。防風板６０、７０は、冷却ノズル８０、９０からの冷風が直接封止管１３Ａ、１３Ｂに当たるのを防ぐ。また、防風板６０は、反射ミラー７５の開放部７５Ｔから開口部７５Ｐへ向けて流れてくる冷風Ｗの一部だけを封止管１３Ａの表面に沿って流すように、冷風の流れを分岐させる。これによって、点灯開始から安定点灯時までの過冷却を防ぐとともに、安定点灯時の封止管１３Ａ、１３Ｂの温度を適切な温度範囲になるようにしている。

放電管４０の封止管１３Ａ、１３Ｂとの繋ぎ目部分には、拡径部４４、４８がそれぞれ形成されており、拡径部４４、４８の外表面には、外表面への不純物付着などを防ぐ保護膜５０が塗布されている。以下では、拡径部４４の形状、防風板６０の配置、および保護膜５０の塗布範囲について詳述する。

図２は、放電ランプ１０の拡径部４４の付近における概略的一部断面図である。なお、拡径部４８も同様の構成である。

放電管４０の拡径部４４は、円柱状ガラス管５５と溶着する封止管１３Ａと一体的に形成されており、封止管１３Ａから放電管４０に向けて径が広がるように、封止管１３Ａとのつなぎ目部分から連続的に形状変化する。その断面形状は、従来の肩部と比較して比較的緩やかな曲線形状になっている。拡径部４４の外表面４４Ｓは、その断面形状が略同一の曲率（１／ｒ）からなる曲線（以下、外表面曲線という）によって描かれる。

外表面４４Ｓの曲率中心ＣＣは、発光部４２の曲率中心と同様、放電空間側に位置する。したがって、従来の肩部をもつランプ形状のように、曲率中心が放電管外側に位置する拡径部分は発光部４２との間においてほとんど形成されていない。

一方、拡径部４４の曲率（１／ｒ）は、全体的に略一様な発光部４２の曲率より小さい。そのため、発光部４２と拡径部４４とのつなぎ目には、曲線が不連続となるくびれ（窪み）Ｑ１が生じている。同様に、封止管１３Ａとのつなぎ目部分においても、くびれＱ２が形成される。くびれＱ１を通る拡径部４４の最大外径Ｘ１は、発光部４２の最小外径と一致し、くびれＱ２を通る拡径部４４の最小外径Ｘ２は、封止管１３Ａの外径Ｄ１と略同一となる。

防風板６０は、その端部６０Ａが封止管１３Ａと拡径部４４とのつなぎ目部分、すなわちくびれＱ２よりもランプ軸方向に沿って下方に位置し、その内径Ｄ３は、拡径部４４の二等分点Ｑ３を通る外径Ｘ３よりも小さい。ただし、二等分点Ｑ３は、拡径部４４の外表面４４Ｓに沿った（あるいはランプ軸方向に沿った）くびれＱ１とくびれＱ２との距離的中間位置あるいはその近傍を示し、二等分点における接線は、くびれＱ１、Ｑ２を通る直線と略平行関係にある。

白金や金などを含む金属膜で構成された保護膜５０は、拡径部４４の外表面４４Ｓ全体を覆い、さらに、その端部５０Ａ、５０Ｂは発光部４２および封止管１３Ａにまで到達している。なお、保護膜５０は薄い膜で形成されているが、説明のため厚さを誇張して描いている。

このような拡径部４４の緩やかな曲線形状、防風板６０の拡径部４４に対する位置、保護膜５０の塗布範囲により、点灯中における失透、クラックを防ぐことができる。以下、これについて説明する。

上述したように口金１５Ａは、ソーレンセンなどの粉末接着剤によって封止管１３Ａに固定されている。ランプ点灯によって封止管１３Ａが加熱されると、内部から粉末接着剤や溶剤成分などの不純物がガスとして噴出する恐れがある。防風板６０が封止管１３Ａ傍に配置されるため、不純物を含むガス（以下、不純ガス）（符号Ｆ参照）が噴出すると、拡散せずにそのまま防風板６０と封止管１３Ａとの間を通って放電管４０の方へ流れていく。

このような不純ガスが高温の発光部４２と接すると、石英ガラスが不純物と反応して変質し、失透やクラックを生じさせる。しかしながら、防風板６０の内径Ｄ３が拡径部４４の二等分点Ｑ３を通る外径Ｘ３よりも小さくなるように防風板６０のサイズ、位置を定めることによって、上昇した不純ガスは、拡径部４４の外表面４４Ｓの途中で、外表面４４Ｓから剥離する。特に、二等分点Ｑ３より上方では不純ガスは発光部４２の表面に沿ってほとんど流れないため、発光部４２に不純ガスが接するのを防ぐことができる。

一方、不純物がつなぎ目部分となるくびれＱ１、Ｑ２に付着すると、その部分を中心に失透、クラックが発生しやすい。特にランプ点灯によって放電ガスが高圧になると、くびれ部分に応力集中が生じやすい。しかしながら、拡径部４４全体を超えて保護膜５０が発光部４２の一部、封止管１３Ａの一部にまで渡って連続的に塗布されていることにより、くびれＱ１、Ｑ２での不純物付着を防ぐことができる。

特に、大電力を投入する高出力のショートアーク型放電ランプでは、放電管が大型化することで、ランプ点灯に関わらずくびれＱ１に対して応力が常時加わるとともに、ランプ製造工程で生じた歪が残留しやすい。さらに、大電力が投入されることによってランプ点灯時の放電管の温度も上昇することから、くびれＱ１により一層応力集中が生じやすい。

具体的には、投入電力が直流８ｋＷ以上、放電管４０の全長が１００ｍｍ以上、最大外径が８０ｍｍ以上、くびれＱ１の外径が放電管４０の最大外径に対して６５％以下の放電ランプでは、くびれＱ１に加わる応力集中が顕著であり、くびれＱ１にわずかに不純物が付着するだけで、くびれＱ１にマイクロクラックが生じ、ランプが破損することが経験上わかっている。

そのため、このような放電ランプでは、拡径部４４を設けることに加えて保護膜５０をくびれＱ１周辺に塗布する、すなわち、保温膜５０の端部５０Ａを発光部４２に設け、保護膜５０を拡径部４４から発光部４２の端部にわたって塗布することが望ましい。これにより、拡径部４４によって外表面４４Ｓから剥離しきれなかったわずかな不純物がくびれＱ１周辺に付着することを防止し、大電力の放電ランプにおいても不具合の発生を防止することができる。

以上のように、本実施形態によれば、筒状の防風板６０で覆われる封止管１３Ａと放電管４０とが一体的に成形された放電ランプ１０において、放電管４０の発光部４２と封止管１３Ａとの接続部分である拡径部４４が形成されており、拡径部４４は、曲率中心ＣＣが発光部４２と同じ放電空間側に位置する一方、その曲率（１／ｒ）は発光部４２の曲率よりも小さい。そして、防風板６０の内径Ｄ３は、拡径部４４において二等分点Ｑ３を通る外径Ｘ３よりも小さくなるように定められている。そして、封止管１３Ａ、拡径部４４、発光部４２に渡って保護膜５０が塗布されている。

なお、二等分点Ｑ３より発光部側では表面に沿って流れる不純ガスの量が少なく、また、金属膜である保護膜５０の塗布部分は塗布していない部分に比べて高温になりやすいことを考慮し、保護膜５０の塗布範囲をある程度制限してもよい。

特に、不純ガスが上昇したときに拡径部４４と接しやすい部分、すなわち、拡径部４４の外表面範囲Ｚの中で防風板６０の内径Ｄ３以下となる範囲Ｍの一部に少なくとも保護膜５０を塗布するようにすればよい。さらに保護膜５０の端部５０Ｂが封止管１３Ａまで到達するように塗布してもよく、拡径部４４および封止管１３Ａ両方において、内径Ｄ３以下の範囲で保護膜５０を塗布してもよい。これによって、適切な温度で維持されている封止管１３Ａの防風板６０で覆われた部分と保護膜５０の塗布された部分との温度差によって封止管１３Ａに歪みが生じるのを抑えることができる。

また、上昇した不純ガスを外表面４４Ｓから剥離させるには、防風板６０と拡径部４４とのランプ軸方向距離を適切に設定することが重要であり、防風板端部６０ＡからくびれＱ２までのランプ軸方向距離が少なくとも５０ｍｍ未満であることが望ましい。防風板端部６０ＡからくびれＱ２までのランプ軸方向距離が５０ｍｍ以上、すなわち防風板６０と拡径部４４とが５０ｍｍ以上離れていると、防風板６０と封止管１３Ａとの間から放出された不純ガスは、拡径部４４に到達する前に二等分点Ｑ３の外径Ｘ３より大きく拡散してしまい、外表面４４Ｓから剥離しきれない可能性がある。

特に、前述した大電力の放電ランプの場合、可能な限り不純ガスをより外表面４４Ｓから剥離させる必要がある。投入電力が直流８ｋＷ以上、放電管４０の全長が１００ｍｍ以上、最大外径が８０ｍｍ以上、くびれＱ１の外径が放電管４０の最大外径に対して６５％以下の放電ランプでは、封止管１３の温度を適温にするためには、防風板端部６０Ａの内表面から封止管１３外表面までのランプ径方向距離Ｌが６ｍｍ以下であることが望ましい。

このような仕様の放電ランプにて、防風板６０と拡径部４４の位置関係を変化させた複数の放電ランプを作成して点灯評価を行なった結果、防風板端部６０Ａから二等分点Ｑ３までのランプ軸方向距離は、防風板端部６０Ａの内表面から封止管１３外表面までのランプ径方向距離Ｌの１２倍以下であることが望ましいことがわかった。これにより、不純ガスを拡散させず、かつ確実に外表面４４Ｓから剥離させることができる。

防風板６０のサイズについては、実質的に発光部４２を透過した紫外光を使用し、拡径部４４に入射する紫外光は保護膜５０の塗布などによってランプ強度にさほど影響を与えないことを考慮すれば、防風板６０の内径Ｄ３が拡径部４４の最大外径Ｘ１より小さくなるように、防風板６０のサイズ、配置を定めればよい。これによっても、拡径部４４の形状によって、不純ガスが発光部４２に到達するのを防ぐことができる。

さらに、粉末接着剤に起因する不純ガス以外の不純ガスが何らかの理由で封止管１３Ａあるいは封止管１３Ｂから放電管４０に向けて流れるような場合、例えば、防風板６０と口金１５Ａとの間に隙間（図示せず）がある、あるいは、防風板６０の口金１５Ａ側端部に、封止管１３Ａと防風板６０との間の空間と防風板６０よりランプ径方向外側の空間とが連通する通気口（図示せず）が形成されているような場合においても、拡径部４４の形状、防風板６０のサイズ、配置を上記のようにすることで、同様の効果を得ることができる。この場合、放電管４０への不純物付着の心配がなければ、保護膜５０を設けなくてもよい。

封止管の過冷却防止の観点から、防風板６０の内径、配置場所が制限される場合、それに合わせて、放電管４０の拡径部４４の形状を決定し、放電管４０を成形するようにしてもよい。この場合、最大外径Ｘ１が防風板６０の内径Ｄ３よりも大きくなるように拡径部４４を形成すればよい。

また、拡径部と封止管との間には、曲率中心が外部にある拡径部を間に設けて封止管と拡径部との間でくびれが生じていない連続的な曲面を形成してもよい。また、発光部の曲率よりも拡径部の曲率が大きくなる放電管を形成してもよい。

防風板の径（内径）を一定にせず、封止管形状に合わせて防風板の径を変化させた構成にしてもよい。例えば、金属リング配置付近において封止管外径が大きい放電ランプの場合、それに合わせて防風板の外径を大きくすることも可能である。防風板端部の内径が上述した条件を満たす範囲で形状変更しても、上述した効果を得ることができる。

１０ 放電ランプ
１３Ａ 封止管
４０ 放電管
４２ 発光部
４４ 拡径部
５０ 保護膜（膜）
６０ 防風板（防風部材）
７５ 反射ミラー
８０ 冷却ノズル

Claims (11)

1. 放電管と、前記放電管の両側に連設する一対の封止管とを備えた放電ランプと、
   少なくとも一方の封止管を覆う筒状の防風部材とを備え、
   前記放電管が、発光部と、前記封止管との接続部分において曲率中心が前記発光部と同じ放電空間側にある一方、前記発光部とは曲率の異なる拡径部とを有し、
   前記防風部材の内径が、前記拡径部の最大外径よりも小さいことを特徴とする照明装置。
2. 前記防風部材の内径が、前記拡径部の外表面二等分点付近を通る外径よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記拡径部の表面の少なくとも一部において、膜が形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の照明装置。
4. 前記膜が、前記拡径部の表面において、前記防風部材の内径以下の大きさとなる範囲の少なくとも一部に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の照明装置。
5. 前記膜が、前記拡径部から前記発光部に渡って連続して形成されていることを特徴とする請求項３乃至４のいずれかに記載の照明装置。
6. 前記膜が、前記封止管から前記拡径部全体そして前記発光部に渡って連続して形成されていることを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載の照明装置。
7. 前記放電ランプは、投入電力が直流８ｋＷ以上の放電ランプであり、
   前記拡径部の最大外径が、前記放電管の最大外径の６５％以下であることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の照明装置。
8. 前記防風板と前記拡径部とのランプ軸方向距離が、５０ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の照明装置。
9. 前記防風板の前記放電管の側端部から前記拡径部の外表面二等分点付近との距離が、前記防風板の内表面と前記封止管の外表面とのランプ径方向距離の１２倍以下であることを特徴とする請求項８に記載の照明装置。
10. 前記放電ランプが、封止管の電極反対側端部に設けられ、前記封止管と接着剤を介して固定される口金を有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の照明装置。
11. 放電管と、
    前記放電管の両側に連設する一対の封止管とを備え、
    前記放電管が、発光部と、前記封止管との接続部分において曲率中心が前記発光部と同じ放電空間側にある一方、前記発光部とは曲率の異なる拡径部とを有し、
    前記拡径部の最大外径が、前記一方の封止管を覆う筒状の防風部材の内径よりも大きいことを特徴とする放電ランプ。

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