JP3827492B2

JP3827492B2 - 放電灯

Info

Publication number: JP3827492B2
Application number: JP31156999A
Authority: JP
Inventors: 和泉芹澤; 宏倉野; 昭芳藤森
Original assignee: Orc Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Orc Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1999-11-01
Filing date: 1999-11-01
Publication date: 2006-09-27
Anticipated expiration: 2019-11-01
Also published as: JP2001135134A; TW486725B

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水銀蒸気放電灯、特に露光装置等に使用される高照度、かつ光安定性の優れたショートアーク型水銀ランプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶パネル、プリント配線基板および半導体集積回路（ＩＣ）等の製造工程のうち露光工程には、感光樹脂として３３０ｎｍ〜４７０ｎｍの分光感度特性を有するレジストが一般的に使用されている。これらレジストの露光用紫外線光源には、水銀ランプが使用されている。また、これら電子部品の集積度は、年々高まり、それに伴って露光時の解像度（分解能）の要求も高まっている。
【０００３】
図２に、典型的な水銀蒸気放電灯（以下、水銀ランプともいう）の概略構成を示す。この放電ランプ20は、発光管１、陰極２、陽極３および夫々外部リード線６、７を封止した封止部８、９を有する。外部リード線６、７と陽極３および陰極２間は、夫々タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）等の金属箔４、５により接続されている。また、斯かる水銀ランプ20に動作電力を供給するために、各封止部８、９には口金部10、11が設けられている。斯かる水銀ランプ20を点灯動作させると、図２に示すように、夫々発光管１の陽極３と陰極２の先端近傍に発光管１中で最も温度の低い発光管最冷部12、13が生じることが知られている。
【０００４】
このような水銀ランプ20を用いて露光形成される上述の如き電子部品の解像度を改善するという要求に対して、ショートアーク型水銀ランプを光源として、楕円形回転体反射鏡（以下、楕円ミラーと称する）と組み合わせることにより、その反射光を効率よく集光している。この集光された光を照明系のレンズまたは反射鏡へ照射する。これにより、平光度の高い平行光または投射光として、照射面へ照射する。この１例を図３に示す。
【０００５】
図３の例にあっては、水銀ランプ20、それに組み合わされる楕円ミラー21
および複数の冷却用通風ノズル22，23を有する。この楕円ミラー21は、水銀ランプ20の陰極２側を挿通する非放射開口部26と、陽極３側に開放する放射開口部とを有する。冷却用通風ノズル22は、水銀ランプ20の陰極２側の封止部8側に配置され、一方、冷却通風用ノズル23は、陽極３側の封止部９側に配置され、それぞれ対応部分を冷却するように構成されている。
【０００６】
斯かる構成の露光用の水銀蒸気放電灯にあっては、照射系のレンズまたは反射鏡の透過率または反射率の特性から、レジストの持つ分光感度特性中、主に４３６ｎｍ、４１４ｎｍ（以下ｇ、ｈ線と称する）を中心とした波長が効率よく照射面へ照射される。上述した電子部品の大型化に伴い、露光面積の大型化または解像度向上のための光平行度をさらに改善するためのミキシングレンズの小型化等によって、光源からのｇ線、ｈ線放射量の増大が要求されている。さらに、液晶パネル等の製造ラインを作るためには、莫大な設備投資が必要になり、その資金回収のため、製品の単位時間当たりの生産高を表す指標であるスループットを高めることも要求される。そのため、露光光源にはより高いｇ線、ｈ線の放射量の増大が要求されることとなる。
【０００７】
これに対して、従来は、光源である水銀ランプに入力する電力を増加させることにより、光源からの紫外線放射量を増加させるか、照明装置の紫外線照射時におけるシャッターの開閉時に、これと略同期させて光源への入力電力を増加させる等の手法が採用されていた。これらの手法は、本質的には大電力化による紫外線放射量の増加を図るものであり、投入電力に対する光変換効率、即ち発光効率の改善には寄与しない。従って、省エネルギーの観点からは、余り好ましい手法とは言えない。さらに、光源ランプ点灯用電源装置の複雑化および大型化を招くと共に光源用ランプの寿命を短縮することとなる。
【０００８】
これらの問題の改善方法として、光源用ランプとしてのショ―トアーク型水銀ランプ20の動作蒸気圧力を上昇させることにより、ｇ線、ｈ線の発光効率を上昇させる。これにより、投入電力を増加させることなくｇ線、ｈ線の放射量を増加させ、露光照射面の紫外線照度を上昇させることが提案されている。これは、動作中の水銀蒸気圧を上昇させて、多大な複数分子発光をさせることで水銀輝線以外に、これら水銀輝線近傍の発光を生じ、紫外線波長域を連続発光させるものである。この水銀蒸気圧の上昇方法としては、水銀ランプ20の発光管１内に封入する水銀封入量を発光管１ｃｃ当たり約１０ｍｇ以上とすることで実現できる。また、この水銀封入量の増加は、水銀ランプ20の発光効率をさらに増加させることも知られている。しかしながら、封入される水銀は、放電動作中である発光管１内の発光管最冷部12、13の温度によりその蒸気圧が決まる。そこで、発光効率の上昇のために封入される水銀量を増加させた場合には、これら封入された水銀量全てが十分に蒸気化するだけの発光管内最冷部12、13の温度を引き上げる必要がある。
【０００９】
一方、水銀ランプ20は、一般に放電電流を通電するための外部リード線６、７または口金部10、11との接続点近傍における水銀ランプ20側の両端部は、発光管１内の気密を保持し、かつ電流を通電させるためＭｏ箔４、５を１枚または複数枚使用したＭｏ箔封止構造を使用する。このＭｏ封止構造中、発光管１の反対側の水銀ランプ端部側には、外部リード線６、７としてＷ、ＭｏまたはＴａ等の高融点金属の棒またはパイプが使用される。これら外部リード線６、７は、水銀ランプ電極２、３の熱損失分の熱伝導、発光管１の管壁負荷熱損失および放電電流の通電による自己発熱等により、その温度が上昇し、空気中の酸素と反応して酸化物を生成する。この酸化物は、熱膨張により上述したＭｏ箔シール部の端部ガラスにクラックを発生させる虞がある。また、発光管１の気密を破壊したり、発光管１自身が破裂することもある。この対策として、水銀ランプ20を動作させる場合には、水銀ランプ20の端部に冷却用通風ノズル22、23から通風を与えて、外部リード線６、７の高融点金属表面温度を３００℃以下にして、空気中の酸素との反応を防止させている。
【００１０】
しかしながら、この水銀ランプ20の端部冷却用の通風は、水銀ランプ20端部の冷却のみならず、水銀ランプ発光管１をも冷却してしまうことになる。例えば、ショートアーク型水銀ランプ20を、放射光の集光を目的として組合せ使用する楕円ミラー21の第１焦点近傍に配置装着した場合には、この楕円ミラー21の非放射側開口部26に水銀ランプ発光管１の片側が接近することになる。そのため、水銀ランプ端部冷却用の通風は、水銀ランプの熱対流と合わされることで、楕円ミラー21の非放射開口部26と水銀ランプ発光管１の片側との間隙部の断面積が減少するため、通風流速が極端に増加する。そして、水銀ランプ20の発光管１の片側や、そせれに続くシール部の冷却効率が極端に上昇し、発光管最冷部12、13を形成してしまう。さらに、その発光管最冷部12、13の温度は、発光管１内に封入した水銀を蒸気化する温度以下に冷却してしまうこともあった。特に、水銀ランプ20を垂直方向25で点灯させ、かつ楕円ミラー21の放射側開口部を上方とした場合に顕著となる。
【００１１】
また、これら水銀ランプ20の発光管最冷部12、13の温度を上昇させる方法としては、発光管１自身を小型化することにより発光管管壁負荷を増加させる手法がある。しかし、この手法は放電管１の寿命を極端に短縮させてしまう。また別の手法として、予め発光管最冷部12、13近傍に保温のための膜を塗布する。しかし、膜表面を通過する熱風の流速が早い場合には、膜自身が冷却されてしまい、その保温効果が期待できなくなる。このことは、上述した発光効率の向上を目的として発光管１に封入すべき水銀量を増加させた場合に顕著になる。例えば、水銀ランプ20の動作中に、封入した水銀全量を蒸気化することができなかったり、水銀ランプ20の動作中における周囲温度の変化や空冷用通風の風量変化等が発生した場合には、水銀ランプ発光管１内の蒸気圧が変動することになる。発光管１内に封入すべき水銀封入量を増加させることで、発光効率を上昇させるのは、実用的ではなかった。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、光源の放射量増大の要求に対して、従来技術は、投入電力の増加、破壊の危険性、寿命の短縮または発光効率低下の少なくとも１つがあった。従って、本発明の目的は、斯かる従来技術の課題を克服するか、少なくとも改善する水銀蒸気放電灯を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の水銀蒸気放電灯は、両端に封止部を有し、該封止部により対向する１対の電極を支持して、内部に水銀または水銀および他の金属との混合として封入されている発光管と、前記電極に給電する外部リード線に結合され、前記封止部に固定された口金部とを具備し、前記発光管に最冷部を形成する水銀蒸気放電灯において、前記口金部に取り付けられたマウント部およびフランジ部よりなる防風板と、前記口金部に冷却風を吹き付ける冷却用通風ノズルとを備え、前記防風板のフランジ部を前記口金部と発光管最冷部との間に配置して、前記発光管最冷部を過冷却から保護するものである。
【００１４】
また、この防風板は、防風用フランジ部と水銀蒸気放電灯に装着取り付けするためのマウント部とを有する。また、これらフランジ部の最小直径Ｄが、水銀蒸気放電灯を、その放射光を集光する目的で組み合わせ使用する反射鏡である楕円ミラーの非放射側開口部の最大直径ｄに対してＤ＞ｄ（尚、Ｄ＝ｄを含む）の関係にある防風板を設ける。また、この防風板のマウント部には、水銀蒸気放電灯の電極後部給電側の封止部に空冷用冷却風を通風させるため１以上の通風口が設けられている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による水銀蒸気放電灯の好適な実施形態の構成および動作を、図１を参照して詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明による水銀蒸気放電灯の好適な実施形態、特に、口金部を透視したショートアーク型水銀ランプの概略構成図を示す。この水銀蒸気放電灯は、水銀ランプ20および楕円ミラー21より構成され、複数の冷却用通風ノズル22、23と共に使用される。楕円ミラー21は、水銀ランプ20の放射光を集光し、例えば露光したい対象物へ強力な平行光を照射する。また、冷却通風ノズル22、23は、発光管1の所定部分をを冷却する。
【００１７】
上述のように、水銀ランプ20は、外部からの給電手段として外部リード線６、７を有し、通常この外部リード線６、７には、上述のように、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ等の高融点金属が使用されている。水銀ランプ電極２、３の熱損失分の熱伝導、発光管管壁負荷熱損失および放電電流の通電による自己発熱等により、その温度が上昇し、空気中の酸素と反応して酸化物を生成する。そこで、この酸化物の熱膨張により封止部８、９の端部ガラスにクラックを発生させ、発光管１の気密を破壊したり、発光管１自身が破壊することがある。
【００１８】
この対策として、口金部10、11に向けて、冷却用通風ノズル22、23を使用して送風することにより、外部リード線６、７を冷却して、その表面温度を約３００℃以下に保持する。また、これらの冷却用ノズル22、23は、例えば１〜３方向に配置することで口金部10、11をできる限り均一に冷却する。
【００１９】
さらに、水銀蒸気放電灯の投入電力に応じて、発光管最冷部12、13に対して、発光管１に封入された水銀の蒸気化の妨げにならない範囲で、口金部10、11の温度を十分に低下させるように調整される。これは、水銀蒸気放電灯を装置のランプハウス等へ取り付けるための口金部10、11が、構造的に外部リード線６、７を包み込む形で接着されているため、外部リード線６、７を直接的に空冷用の通風により冷却できないことによる。そこで、この口金部10、11への空冷用の通風は、水銀蒸気放電灯の動作中に発生する空気の熱対流量に対して数１０倍から数１００倍が必要になる。
【００２０】
一方、これらの水銀ランプ20は、例えば楕円ミラー21と組み合わせて使用する場合には、空気の熱対流により、水銀蒸気放電灯の発光管最冷部24が形成される。またこれに加えて、口金部10、11を冷却用通風ノズル22、23を用いて冷却した場合には、口金部10、11の表面に衝突した冷却風の大半は周囲の熱対流としての上昇気流に大きく支配され、楕円ミラー21の下部非放射開口部26と水銀ランプ20との間にできる間隙部を通過することになる。この間隙部の断面積は、その上下の断面積に比較して著しく少ないために、ここを通過する冷却風の流速は、極端に増加する。その結果、発光管最冷部24の温度をさらに低下させることになり、発光管１に封入されている水銀の蒸気化を妨げる方向となる。
【００２１】
ここで、光源としての水銀蒸気放電灯の放射量を増加させるために、発光管１内に封入する水銀量を増加させた場合には、発光管最冷部24の温度に対する水銀の飽和蒸気圧以上に水銀を蒸気化することができないことになる。即ち、発光管１内に封入可能な水銀量に上限が存在することになり、水銀蒸気放電灯の放射量増加に限界ができてしまう。
【００２２】
一方、この発光管１に封入されている水銀の蒸気化の妨げにならないように、冷却用通風ノズル22からの冷却風量を低下させた場合には、外部リード線６、７の表面温度が３００℃を超過することで表面酸化が迅速に進行してしまう。特に、３ＫＷ以上の大型ショートアーク型水銀ランプにおいては、発光管１自身が大型化している。そこで、発光管１の表面積も増加して、冷却用通風の流速増加に対して、発光管最冷部24の温度が急激に低下する。
【００２３】
本発明においては、水銀蒸気放電灯の放射量を増加させるために、発光管１に封入する水銀量を増加することにより発光効率を増加させる場合に、例えば５ＫＷショートアーク型水銀ランプ20の発光管１に１ｃｃ当たり４０ｍｇの水銀を封入する。この封入された水銀を全量蒸気化するのに必要な温度として、発光管最冷部24に与える冷却風量は、水銀蒸気放電灯の動作中に発生する熱対流量の数倍程度がその最冷部温度の限界であることが判明した。また、この熱対流量の約３倍となるように、冷却用通風ノズル22、23からの風量を設定した場合の外部リード線６、７の表面温度を測定した結果、約５７０℃であり、このときの口金部10、11の表面温度は約３５０℃であった。
【００２４】
このことから、発光管最冷部24に対しては熱対流の数倍程度の冷却用通風とすると共に口金部10、11については、発光管最冷部24の冷却用通風に関係なく十分な冷却を与えるため、水銀蒸気放電灯の電極後部給電側に防風板30を設けることで解決している。即ち、発光管最冷部24である電極後部給電側を口金冷却用通風による過冷却から保護することが有効であることが判明した。また、この防風板30は、防風用フランジ部27および水銀ランプ20に装着取り付けを行うマウント部28から構成される。これにより、水銀ランプ20と防風板30との位置関係を正確に定めることができる。
【００２５】
また、この防風板30のフランジ部27の最小直径Ｄは、組み合わされる楕円ミラー21の非放射開口部26の最大直径ｄに対してＤ＞ｄの関係とすることで、口金部10、11の冷却用通風量に関係なく発光管最冷部24の過冷却を防止することができる。さらに、防風板30のマウント部28は、水銀ランプ20の口金部10、11に装着取り付ける場合には、封止部８、９にスリーブをかぶせる構造となる。そのために、そのフランジ部27の寸法にもよるが、封止部８、９を保温することでＭｏ箔の熱はがれやクラックが発生する危険がある。そのために、このマウント部28に対流する熱気を上方へ排気するための通風口としてマウント部28に1個または数個の開口、即ちマウント通風口２９を設ける必要がある。この場合のマウント通風口２９を複数個円周方向に等間隔で設けることにより封止部８、９をできる限り均一に通風することが好ましい。
【００２６】
さらに、具体例について図１を参照して詳細に説明する。図１は、ショートアーク型水銀ランプ20と楕円ミラー21を組み合わせ使用している場合の概念図である。このショートアーク型水銀ランプ20の片側の口金部11に、フランジ部27とマウント部28から構成される防風板30が装着取り付けれれている。また、マウント部28には、ショートアーク型水銀ランプ20の封止部9に通風するためのマウント通風口29を有する。
【００２７】
例えば、５ＫＷのショートアーク型水銀ランプ20に、発光管１の１ｃｃ当たり５０ｍｇの水銀を封入し、陰極２が下部となるように垂直にして、放電電圧５５Ｖ，放電電流９１Ａで動作させた。このショートアーク型水銀ランプ20は、放射側開口部の直径が３１０ｍｍ、非放射側開口部26の直径ｄは９５ｍｍの楕円ミラー21の第1焦点に陰極２の先端を略一致させて配置する。また、陰極２側の口金部11には、直径Ｄ＝１２０ｍｍのフランジ部27とマウント部28からなる防風板30が装着固定されている。この防風板30のマウント部28には、マウント通風口29として直径５ｍｍの開口が４個所、円周方向に等間隔で形成されている。この口金部11に向けて2方向の冷却用通風ノズル22から、最大で毎分約３立方メートルが送風できる送風機を接続して、ダンパーにより連続的に可変できるように構成する。
【００２８】
次に、５ＫＷショートアーク型水銀ランプ20を点灯させ、放電電圧Ｖが安定した時点でＶを測定すると、Ｖ＝５５．４Ｖであった。冷却用通風ノズル22からの送風量を毎分０〜３立方メートルの間で徐々に可変する。このときの放電電圧Ｖの変化を表１に示す。尚、水銀ランプ20の点灯用電源装置は、放電電流が１４０Ａを超えない範囲で放電電圧Ｖの値に関係なく５ＫＷを一定入力できる定電力制御方式の電源装置を使用した。
【表１】

【００２９】
口金部11への冷却用通風量に対して、放電電圧Ｖの変化は、極わずかであることが分かる。また、送風量毎分３．２立方メートルを与えた場合の外部リード線７の表面温度は、２４０℃であり、このときの口金部11の表面温度は１２０℃であった。
【００３０】
次に、上述した水銀蒸気放電灯から防風板30のみを取り外し、同様に口金部11への冷却用通風量を毎分０〜３立方メートルまで可変した場合の放電電圧Ｖの変化を測定した。尚、この場合、送風量を設定した後に、放電電圧Ｖが十分に安定する時間を考慮して測定した。この測定結果を表２に示す。
【表２】

【００３１】
この表２から、送風量の増加に伴い、放電電圧Ｖが低下していることが分かる。これは、水銀ランプ20の発光管最冷部24の温度が、送風量の増加に伴って低下しており、蒸気化している水銀が、飽和蒸気圧に平衡する量だけ凝縮したことを示している。また、放電電圧Ｖが殆ど変化を示さない送風量、即ち毎分０．９立方メートルの送風量とした場合の外部リード線７の表面温度は、５７２℃であり、このときの口金部11の表面温度は、３５３℃であった。
【００３２】
次に、防風板30のフランジ部27の直径Ｄを、楕円ミラー21の非放射開口部26の直径ｄに一致させ、同様な測定を行った結果を表３に示す。
【表３】

表３から明らかなように、冷却用送風量の増加に対して、放電電圧Ｖの変化は殆どない。
【００３３】
また、防風板30のフランジ部27の直径Ｄを、Ｄ＝８０ｍｍとすることで、楕円ミラー21の非放射開口部26の直径ｄより１５ｍｍ小さくした防風板30を装着取り付け、同様に測定した結果を表４に示す。
【表４】

この表４から明らかなように、冷却用通風量の増加に伴って、放電電圧Ｖは低下した。
【００３４】
以上、本発明による水銀蒸気放電灯の好適な実施形態を詳細に説明した。しかし、本発明は、斯かる特定の実施形態のみに限定されるべきではなく、本発明の要旨を逸脱することなく種々の変形変更が可能であること当業者には容易に理解できよう。
【００３５】
【発明の効果】
上述の説明から明らかなように、本発明による水銀蒸気放電灯によると、光源の放射量増大に対応して、水銀ランプの口金部と楕円ミラー間に防風板を設けている。そのために、投入電力を増加することなく、発光効率を向上させるために発光管内に封入する水銀量を増加させる場合に、発光管最冷部の温度を、封入した水銀全量を確実に蒸気化する飽和蒸気圧以上の温度に設定することと、水銀ランプの外部リード線の表面温度を３００℃以下に維持するために口金部10、11に十分な冷却用通風量を与えることとの両立を可能にしている。その結果、水銀ランプへの投入電力を増加することなく、破壊に対して安全であり、しかも長寿命で安定した発光効率の水銀蒸気放電灯を得ることが可能になる。そのため、特に、液晶パネル等の高輝度露光装置等に応用する場合に実用上の顕著な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による水銀蒸気放電灯の好適な実施形態の概略構成図、
【図２】典型的な水銀ランプの概略構成図、
【図３】図２に示す水銀ランプに楕円ミラーを組み合わせた概略構成図である。
【符号の説明】
１発光管
６、７外部リード線
10、11 口金部
20 水銀ランプ
21 楕円回転体反射鏡（楕円ミラー）
22、23 冷却用通風ノズル
24 発光管最冷部
26 非放射開口部
27 フランジ部
28 マウント部
29 マウント通風口
30 防風板

Claims

両端に封止部を有し、該封止部により対向する１対の電極を支持して、内部に水銀または水銀および他の金属との混合として封入されている発光管と、前記電極に給電する外部リード線に結合され、前記封止部に固定された口金部とを具備し、前記発光管に最冷部を形成する水銀蒸気放電灯において、
前記口金部に取り付けられたマウント部およびフランジ部よりなる防風板と、前記口金部に冷却風を吹き付ける冷却用通風ノズルとを備え、
前記防風板のフランジ部を前記口金部と発光管最冷部との間に配置して、前記発光管最冷部を過冷却から保護することを特徴とする水銀蒸気放電灯。
防風板のマウント部に、封止部へ冷却風を通過させる少なくとも１つの通風口を設けたことを特徴とする請求項１に記載の水銀蒸気放電灯。
防風板のフランジ部の直径Ｄが、水銀放電灯をその放射光を集光するために組み合わせて使用する反射鏡の非放射側開口部最大直径ｄに対してＤ≧ｄの関係になる防風板とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水銀蒸気放電灯。