JP2020107522A - メタルハライドランプおよび紫外線照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】メタルハライドランプの劣化を抑制しつつ必要とする照度特性を確保する。【解決手段】メタルハライドランプ１０は、発光管１１と、封止部１２と、口金部材１３と、電極１４と、金属箔１５と、内部リード１６と、外部リード１７とを備え、発光管１１は、紫外線を透過する石英ガラス製で、管状に形成され、管軸方向の両端に設けられた封止部１２で封止され、内部に空間１１ａを有し、空間１１ａには、ヨウ化タリウム（ＴｌＩ）と鉄と水銀とが封入され、鉄に対するタリウムの封入量は、質量比で０．２以上０．３以下である。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、メタルハライドランプおよび紫外線照射装置に関する。

例えば、半導体の露光工程や、ＵＶ（ultraviolet）インクやＵＶ塗料の乾燥工程、樹脂の硬化工程等では、紫外線によって光化学反応を行うために、紫外線を発する光源としてメタルハライドランプが用いられている。

特開平６−２７５２３４号公報

メタルハライドランプにおいては、発光管が黒化することで劣化し、発光管の紫外線透過率が低下する場合がある。また、発光管の黒化を抑制するために発光管の内部に封入する金属やハロゲン等の封入物の組成を変更すると、発光強度が低下し、必要とする照度が得られない場合がある。このように、劣化を抑制しつつ必要とする照度特性を確保させる点で改善の余地があった。

本発明が解決しようとする課題は、劣化を抑制しつつ必要とする照度特性を確保することができるメタルハライドランプおよび紫外線照射装置を提供することである。

実施形態のメタルハライドランプは、発光管と電極とを具備する。発光管には、ハロゲン、鉄およびタリウムが封入される。電極は、発光管の内部に設けられる。鉄に対するタリウムの封入量は、質量比で０．２以上０．３以下である。

本発明によれば、劣化を抑制しつつ必要とする照度特性を確保することができる。

実施形態に係る紫外線照射装置の側面図である。 ヨウ化タリウムの封入量に対する３６５ｎｍ相対照度を比較した結果を示す図である。 発光管温度と３６５ｎｍ相対照度との関係をヨウ化タリウムの封入量ごとに比較した結果を示す図である。 ヨウ化タリウムの封入量を変化させたときの分光分布を発光管の表面温度ごとに比較した結果を示す図である。 ヨウ化タリウムの封入量を変化させたときの分光分布を発光管の表面温度ごとに比較した結果を示す図である。 ヨウ化タリウムの封入量を変化させたときの分光分布を発光管の表面温度ごとに比較した結果を示す図である。 各測定点における発光管の表面温度を比較した結果を示す図である。 各測定点におけるＵＶ−３５照度をヨウ化タリウムの封入量ごとに比較した結果を示す図である。 均斉度をヨウ化タリウムの封入量ごとに比較した結果を示す図である。

以下で説明する実施形態に係るメタルハライドランプ１０は、発光管１１と電極１４とを具備する。発光管１１には、ハロゲン、鉄およびタリウムが封入される。電極１４は、発光管１１の内部に設けられる。鉄に対するタリウムの封入量は、質量比で０．２以上０．３以下である。

また、以下で説明する実施形態に係るタリウムの封入量は、発光管１１の容積１［ｃｍ^３］当たり０．００５０［ｍｇ］以上０．００７６［ｍｇ］以下である。

また、以下で説明する実施形態に係るタリウムは、発光管１１の容積１［ｃｍ^３］当たり０．００８［ｍｇ］以上０．０１２［ｍｇ］以下のヨウ化タリウムとして発光管１１の内部に封入される。

また、以下で説明する実施形態に係る鉄の封入量は、発光管１１の容積１［ｃｍ^３］当たり０．０１０［ｍｇ］以上０．０４０［ｍｇ］以下である。

また、以下で説明する実施形態に係るメタルハライドランプ１０は、発光管１１から照射される光の均斉度が５［％］以下である。

また、以下で説明する実施形態に係るメタルハライドランプ１０は、発光管１１の管軸方向の相対照度が９０［％］以上である。

また、以下で説明する実施形態に係るメタルハライドランプ１０は、点灯中の発光管１１の表面温度が７６０［℃］以上８５０［℃］以下である。

また、以下で説明する実施形態に係る紫外線照射装置１００は、メタルハライドランプ１０と、装着部２０とを具備する。装着部２０は、メタルハライドランプ１０を装着する。

以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づき説明する。なお、以下に示す各実施形態は、本発明が開示する技術を限定するものではない。また、以下に示す各実施形態及び各変形例は、矛盾しない範囲で適宜組合せることができる。また、各実施形態の説明において、同一構成には同一符号を付与して後出の説明を適宜省略する。

［実施形態］
まず、図１を用いて、実施形態に係るメタルハライドランプおよび紫外線照射装置の構成例について説明する。図１は、実施形態に係る紫外線照射装置の側面図である。図１に示す紫外線照射装置１００は、メタルハライドランプ１０と、灯具３０とを有する。灯具３０は、装着部２０と、遮風板３１と、排気口３２とを有し、例えば天井など、所定の位置に紫外線照射装置１００を設置させるよう構成されている。図１に示す紫外線照射装置１００は、例えば、半導体の露光工程や、紫外線硬化型インクや紫外線硬化塗料の乾燥工程、紫外線硬化型樹脂の硬化工程等といった紫外線による光化学反応を行う工程に用いることができる。

装着部２０は、メタルハライドランプ１０が着脱可能に装着される。装着部２０は、メタルハライドランプ１０が有する後述の口金部材１３を保持する図示しない保持部材を有する。保持部材は、導電性を有する金属材料によって形成されており、図示しない電源装置と電気的に接続されている。保持部材は、後述する外部リード線１７を介してメタルハライドランプ１０に電力を供給する。また、保持部材は、口金部材１３の放熱性を高めるために、熱伝導率が高い材料によって形成されてもよい。

遮風板３１は、装着部２０の上方に配置され、メタルハライドランプ１０の発熱により熱された空気を排気口３２側に逃がすことにより、メタルハライドランプ１０の過熱に伴う後述する発光管１１の黒化を抑制する。遮風板３１は、メタルハライドランプ１０の管軸方向に沿うように複数配置されている。

排気口３２は、灯具３０の上部に設けられた開口である。排気口３２は、図示しない外部の排気ブロアに接続されている。排気口３２は、点灯中のメタルハライドランプ１０の発熱により熱された空気を装着部２０から強制的に排気することにより、メタルハライドランプ１０の過熱による不具合を抑制することができる。

メタルハライドランプ１０に対する各遮風板３１の角度や、排気口３２は、点灯中のメタルハライドランプ１０が有する発光管１１の表面温度が所定の範囲、例えば、７６０［℃］以上８５０［℃］以下となるように配置される。また、メタルハライドランプ１０を挟んで遮風板３１および排気口３２と向かい合う位置にファンを設け、メタルハライドランプ１０に向けて送気してもよい。なお、遮風板３１および排気口３２は、装着部２０に装着されたメタルハライドランプ１０を冷却する冷却機構の一例であり、必ずしも図示した構成でなくても構わない。

（メタルハライドランプの構成）
図１に示すように、実施形態に係るメタルハライドランプ１０は、発光管１１と、封止部１２と、口金部材１３と、電極１４と、金属箔１５と、内部リード１６と、外部リード１７とを備える。

発光管１１は、管状に形成されており、管軸方向の両端に設けられた封止部１２で封止されている。発光管１１は、例えば石英ガラスであり、紫外線を透過する。また、発光管１１は、内部に空間１１ａを有し、空間１１ａには、少なくともメタルハライド（金属ハロゲン化物）と鉄と水銀とが封入される。空間１１ａに封入されるメタルハライドとしては、例えばヨウ化タリウム（ＴｌＩ）が用いられる。鉄よりも蒸気圧の高いタリウムを発光管１１の内部に封入すると、メタルハライドランプ１０の点灯中に発光管１１の内壁近傍に蒸気化したタリウムが緩衝材の役割を果たし、発光管１１への鉄の付着や打ち込みを抑制する効果がある。なお、空間１１ａに封入されるメタルハライドのハロゲンとして、例えば、塩素、臭素等が用いられてもよい。なお、空間１１ａに封入される封入物の組成や封入量についての詳細は後述する。

封止部１２は、シュリンクシールにより円柱状に形成されている。なお、封止部１２は、ピンチシールにより板状に形成されてもよい。

口金部材１３は、発光管１１の管軸方向の両端部に形成された封止部１２の外周を覆うようにそれぞれ配置され、発光管１１を支持する。

電極１４は、管軸方向に所定の間隔Ｌ１で互いに向かい合うように空間１１ａの内部に配置される。電極１４は、内部リード１６の一端部であり、内部リード１６の他端は金属箔１５と電気的に接続されている。電極１４は、例えば電子放射性物質である酸化トリウムを含んだトリエーテッドタングステンである。内部リード１６は、例えば電極１４と同じトリエーテッドタングステンで一体的に形成されている。なお、電極１４や内部リード線１６は上記に限定されず、例えば内部リード線１６が電極１４と別体で構成されてもよく、例えばタングステンにカリウムやケイ素がドープされたドープタングステンであってもよい。

金属箔１５は、一端が内部リード１６と接続され、他端が外部リード１７と接続される。金属箔１５は、封止部１２の内部にそれぞれ埋設される。金属箔１５は、例えば、モリブデン箔である。

外部リード１７は、金属箔１５と外部の図示しない電源装置とを接続する。外部リード１７は、例えばモリブデン棒である。外部リード１７は、一端が金属箔１５にそれぞれ接続され、他端が発光管１１の外部に露出している。外部リード１７の他端は、図示しないコネクタを介して図示しないケーブルと電気的に接続される。つまり、実施形態に係るメタルハライドランプ１０は、外部の図示しない電源装置と接続されたコネクタ、ケーブル、外部リード１７、金属箔１５、内部リード１６を介して、電源装置から電極１４に供給される電力に応じて放電し、紫外光を放射する。

（発光管における鉄およびタリウムの封入量）
図２は、ヨウ化タリウムの封入量に対する３６５ｎｍ相対照度を比較した結果を示す図である。なお、メタルハライドランプ１０としては、発光管径２６［ｍｍ］、肉厚１．５［ｍｍ］、発光長Ｌ１（図１参照）１２００［ｍｍ］、全長Ｌ２（図１参照）１３００［ｍｍ］のものを使用した。また、特に断りの無い限り、図３以降の説明においても、同じメタルハライドランプ１０をそれぞれ使用することとする。

また、空間１１ａの容積１［ｃｍ^３］当たり０．０２５［ｍｇ］の鉄を封入し、さらに空間１１ａの容積１［ｃｍ^３］当たり０．００４［ｍｇ］、０．００８［ｍｇ］、０．０１２［ｍｇ］、０．０１８［ｍｇ］のヨウ化タリウムを封入したメタルハライドランプ１０を、ランプ電力１８０００［Ｗｒｍｓ］で点灯させたときの波長３６５［ｎｍ］における照度を発光管１１の表面温度８００［℃］においてそれぞれ測定し、ＴｌＩ０．００４［ｍｇ／ｃｍ^３］における実測値を１００［％］として規格化した。ここで、「発光管１１の表面温度」とは、ランプ点灯中の管内蒸気の対流により陽光柱が上側に位置することを踏まえ、発光管上面の管壁温度を測定した値をいう。発光管上面の管壁温度は、例えば、Ｋ熱電対により測定した。また、照度は、発光管１１の管軸方向の中央に位置する発光管１１の表面から発光管１１の径方向に１［ｍ］離れた位置に被照射体としてセンサ（オーク製作所製：ＵＶ−ＳＤ３５−Ｍ１０）を配置し、照度計（オーク製作所製：ＵＶ−Ｍ０３Ａ）を用いて測定した。

図２に示すように、ヨウ化タリウムの封入量が０．０１８［ｍｇ／ｃｍ^３］の場合、相対強度が９０［％］と低く、必要とする照度特性を確保できない。これに対し、ヨウ化タリウムの封入量が０．０１２［ｍｇ／ｃｍ^３］以下のメタルハライドランプ１０では、相対強度が９５［％］以上の高い値を示す。すなわち、ヨウ化タリウムの封入量を０．０１２［ｍｇ／ｃｍ^３］以下にすることにより、必要とする照度特性を確保することができることを示している。

図３は、発光管温度と３６５ｎｍ相対照度との関係をヨウ化タリウムの封入量ごとに比較した結果を示す図である。図３は、空間１１ａの容積１［ｃｍ^３］当たり０．０２５［ｍｇ］の鉄を封入し、さらに空間１１ａの容積１［ｃｍ^３］当たり０．０１２［ｍｇ］、０．００８［ｍｇ］、０．００４［ｍｇ］のヨウ化タリウムをそれぞれ封入したメタルハライドランプ１０を、ランプ電力１８０００［Ｗｒｍｓ］で点灯させたときの波長３６５［ｎｍ］における照度を、発光管１１の表面温度７６５［℃］、７７３［℃］、７８０［℃］、８００［℃］においてそれぞれ測定し、発光管１１の表面温度８００［℃］における実測値を１００［％］として規格化し、図示したものである。

図３に示すように、発光管１１の表面温度の低下に伴い、照度も低下する。特に、０．００４［ｍｇ／ｃｍ^３］のヨウ化タリウムを封入したメタルハライドランプ１０では、発光管１１の表面温度７６５［℃］における照度は８５［％］程度（８５．８［％］）にまで低下する。

次に、図４〜図６を用いて、鉄の発光強度に対するタリウムの封入量の影響について説明する。図４〜図６は、ヨウ化タリウムの封入量を変化させたときの分光分布を発光管の表面温度ごとに比較した結果を示す図である。図２、図３と同様に鉄の封入量を０．０２５［ｍｇ／ｃｍ^３］に固定する一方、ヨウ化タリウムの封入量を０．０１２［ｍｇ／ｃｍ^３］（図４）、０．００８［ｍｇ／ｃｍ^３］（図５）、０．００４［ｍｇ／ｃｍ^３］（図６）としたメタルハライドランプ１０の分光分布を、発光管１１の表面温度８００［℃］、７６５［℃］においてそれぞれ測定した。なお、分光分布は、発光管１１の管軸方向の中央に位置する発光管１１の表面から発光管１１の径方向に１［ｍ］離れた位置に配置したＭＣＰＤ−９８００（大塚電子株式会社製）を用いて測定した実測値を、鉄の発光輝線である３７５［ｎｍ］のスペクトル値を１００［％］として規格化し、さらに、ヨウ化タリウムの封入量０．００４［ｍｇ／ｃｍ^３］、発光管１１の表面温度８００［℃］の条件下で測定した照度値を基準として各スペクトルデータに掛け合わせ、規格化して図示することにより、図４〜図６に示す照度値を直接比較できるようにした。

図５、図６に示すように、ヨウ化タリウムの封入量が０．００８［ｍｇ／ｃｍ^３］、０．００４［ｍｇ／ｃｍ^３］の場合、主発光である鉄由来の輝線（波長３７５［ｎｍ］、３８３［ｎｍ］）の相対強度が高い状態を維持している。特に、ヨウ化タリウムの封入量が０．００４［ｍｇ／ｃｍ^３］の場合、ヨウ化タリウムの封入量が不足し、発光管１１の黒化を抑制することが困難である。一方、図４に示すようにヨウ化タリウムの封入量が０．０１２［ｍｇ／ｃｍ^３］の場合、タリウム由来の輝線（波長３５３［ｎｍ］、３７８［ｎｍ］）の相対強度と比較して、鉄由来の輝線の相対強度が低くなる。このように、ヨウ化タリウムの封入量が増えすぎると、鉄の発光効率が低下し、紫外光の発光強度の指標となる３６５［ｎｍ］照度が低下する。この鉄の発光効率の低下は、発光管１１の表面温度が高い８００［℃］においてより顕著となる。

次に、図７〜図９を用いて、発光管から照射される光の均斉度に対するタリウムの封入量の影響について説明する。図７は、各測定点における発光管の表面温度を比較した結果を示す図である。図８は、各測定点におけるＵＶ−３５照度をヨウ化タリウムの封入量ごとに比較した結果を示す図である。なお、図７では、鉄の封入量およびヨウ化タリウムの封入量をそれぞれ０．０２５［ｍｇ／ｃｍ^３］、０．０１２［ｍｇ／ｃｍ^３］としたものを測定した。また、図８では、鉄の封入量を０．０２５［ｍｇ／ｃｍ^３］に固定する一方、ヨウ化タリウムの封入量を０．０１２［ｍｇ／ｃｍ^３］、０．００８［ｍｇ／ｃｍ^３］、０．００４［ｍｇ／ｃｍ^３］としたメタルハライドランプ１０をそれぞれ作製し、測定を行った。

図７、図８中、「測定点［ｍｍ］」は、発光長Ｌ１＝１２００［ｍｍ］の発光管１１の管軸方向の中央を６００［ｍｍ］と規定し、発光管１１の管軸方向に沿って３００［ｍｍ］離れた箇所をそれぞれ３００［ｍｍ］、９００［ｍｍ］と規定したものである。また、図８中、「ＵＶ−３５照度」とは、波長３１０〜７００［ｎｍ］に感度曲線を持つセンサ（オーク製作所製：ＵＶ−ＳＤ３５−Ｍ１０）、照度計（オーク製作所製：ＵＶ−Ｍ０３Ａ）を用いて測定した値である。そして、図７では、各測定点（３００［ｍｍ］、６００［ｍｍ］、９００［ｍｍ］）における表面温度を、図８では、図７における各測定点から発光管１１の径方向に１［ｍ］離れた位置に被照射体としてセンサ（オーク製作所製：ＵＶ−ＳＤ３５−Ｍ１０）をそれぞれ配置し、照度計（オーク製作所製：ＵＶ−Ｍ０３Ａ）を用いて測定したＵＶ−３５照度の値を、測定点６００［ｍｍ］における値を１００［％］として規格化して図示した。

図７に示すように、発光管１１の表面温度は、中央部分（６００［ｍｍ］）が最も高く、中央部分から管軸方向に離れるにつれて低くなることがわかる。また、図７に示した例では、測定点３００［ｍｍ］、９００［ｍｍ］における発光管１１の表面温度が環境条件により相違しており、図８に示すように、かかる表面温度の相違に追従してＵＶ−３５照度も相違する。特に、ヨウ化タリウムの封入量が０．００４［ｍｇ／ｃｍ^３］の場合には、ＵＶ−３５照度に対する発光管１１の表面温度の影響が顕著となることがわかる。

図９は、均斉度をヨウ化タリウムの封入量ごとに比較した結果を示す図である。図９中、「均斉度［％］」は、（最大照度−最小照度）／（最大照度＋最小照度）×１００として算出される。ヨウ化タリウムの封入量が０．００４［ｍｇ／ｃｍ^３］の場合を例に挙げると、（１００＋８５．８）／（１００＋８５．８）＝７．６４［％］となる。

発光管１１から照射される光の均斉度は、被照射面に対する紫外光の照射ムラを判定する指標となる値であり、５［％］以下に設定することができる。

また、被照射面に対する紫外光の照射ムラを判定するための他の指標として、発光管１１の管軸方向の相対照度を用いることができる。ここで、「発光管１１の管軸方向の相対照度」とは、図８に示したようにＵＶ−３５照度の値を、発光管１１の管軸方向の中央（６００［ｍｍ］）における値を１００［％］として規格化したときの、各測定点における相対照度の最小値をいう。発光管１１の管軸方向の相対照度が９０［％］以上であるメタルハライドランプ１０は、被照射面に対する紫外光の照射ムラが少なく、実使用に適しているといえる。

上述した複数の実験結果に基づいて、メタルハライドランプ１０において、発光管１１の内部に封入されるヨウ化タリウムが発光管１１の容積１［ｃｍ^３］当たり０．００８［ｍｇ］以上０．０１２［ｍｇ］以下であることが好適であるという結果が得られた。このように発光管１１の内部に適量のヨウ化タリウムを封入することにより、劣化を抑制しつつ必要とする照度特性を確保させることができる。

なお、上記した実施形態では、メタルハライドとしてヨウ化タリウムを封入した例を示したが、これに限らず、発光管１１の容積１［ｃｍ^３］当たり０．００５［ｍｇ］以上０．００７６［ｍｇ］以下のタリウムを封入すればよい。

また、上記した実施形態では、鉄の封入量を０．０２５［ｍｇ／ｃｍ^３］に固定して説明したが、これに限らず、発光管１１の容積１［ｃｍ^３］当たり０．０１０［ｍｇ］以上０．０４０［ｍｇ］以下の鉄を封入すればよい。かかる場合、鉄に対するタリウムの封入量を質量比で０．２以上０．３以下とすることにより、劣化を抑制しつつ必要とする照度特性を確保させることができる。

上述したように、実施形態に係るメタルハライドランプ１０は、発光管１１と電極１４とを具備する。発光管１１には、ハロゲン、鉄およびタリウムが封入される。電極１４は、発光管１１の内部に設けられる。鉄に対するタリウムの封入量は、質量比で０．２以上０．３以下である。これにより、発光管１１の劣化を抑制しつつ必要とする照度特性を確保させることができる。

また、実施形態に係るメタルハライドランプ１０は、発光管１１から照射される光の均斉度が５［％］以下である。これにより、被照射面に対する紫外光の照射ムラを少なくすることができる。

また、実施形態に係るメタルハライドランプ１０は、発光管１１の管軸方向の相対照度が９０［％］以上である。これにより、被照射面に対する紫外光の照射ムラを少なくすることができる。

また、実施形態に係るメタルハライドランプ１０は、点灯中の発光管１１の表面温度が７６０［℃］以上８５０［℃］以下である。これにより、被照射面に対する紫外光の照射ムラを少なくすることができる。

また、実施形態に係る紫外線照射装置１００は、メタルハライドランプ１０と、装着部２０とを具備する。装着部２０は、メタルハライドランプ１０を装着する。これにより、発光管１１の劣化を抑制しつつ必要とする照度特性を確保させることができる。さらに、被照射面に対する紫外光の照射ムラを少なくすることができる。

本発明の実施形態を説明したが、実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０ メタルハライドランプ
１１ 発光管
１１ａ 空間
１４ 電極
２０ 装着部
３０ 灯具
３１ 遮風板
３２ 排気口
１００ 紫外線照射装置

Claims (8)

1. ハロゲン、鉄およびタリウムが封入された発光管と；
   前記発光管の内部に設けられる電極と；
   を具備し、
   前記鉄に対する前記タリウムの封入量は、質量比で０．２以上０．３以下である、メタルハライドランプ。
2. 前記タリウムの封入量は、前記発光管の容積１［ｃｍ^３］当たり０．００５［ｍｇ］以上０．００７６［ｍｇ］以下である、請求項１に記載のメタルハライドランプ。
3. 前記タリウムは、前記発光管の容積１［ｃｍ^３］当たり０．００８［ｍｇ］以上０．０１２［ｍｇ］以下のヨウ化タリウムとして前記発光管の内部に封入される、請求項１または２に記載のメタルハライドランプ。
4. 前記鉄の封入量は、前記発光管の容積１［ｃｍ^３］当たり０．０１０［ｍｇ］以上０．０４０［ｍｇ］以下である、請求項１〜３のいずれか１つに記載のメタルハライドランプ。
5. 前記発光管から照射される光の均斉度が５［％］以下である、請求項１〜４のいずれか１つに記載のメタルハライドランプ。
6. 前記発光管の管軸方向の相対照度が９０［％］以上である、請求項１〜５のいずれか１つに記載のメタルハライドランプ。
7. 点灯中の前記発光管の表面温度が７６０［℃］以上８５０［℃］以下である、請求項１〜６のいずれか１つに記載のメタルハライドランプ。
8. 請求項１〜７のいずれか１つに記載のメタルハライドランプと；
   前記メタルハライドランプを装着する装着部と；
   を具備する、紫外線照射装置。

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