JP4897397B2 - 紫外線照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、ショートアーク形水銀ランプを紫外線光源として用いた紫外線照射装置に関する。

半導体露光や紫外線硬化形樹脂の硬化など多様な用途に紫外線照射装置が用いられている。このような紫外線照射装置では、紫外線光源としてショートアーク形の超高圧水銀ランプ（以下、ショートアーク形水銀ランプという。）が従来から使用されている。この紫外線照射装置には、ショートアーク形水銀ランプから放射される紫外線を楕円反射鏡で集光し、導光体を経由して外部へ導出するとともに、調光板を用いて紫外線量を所望量に調節し、かつシャッター板を用いて紫外線照射を行ったり遮断したりできるように構成されているタイプのものがある。

従来、半導体露光装置において、ショートアーク形水銀ランプの紫外線による照度を高めることにより、露光時間の短縮化および高効率化を目的として、ショートアーク形水銀ランプを連続点灯状態下で定格ランプ電力以下にして待機し、定格ランプ電力以上で露光を行うパルス点灯方式が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

そこで、前記紫外線照射装置におけるショートアーク形水銀ランプの点灯方式として上記パルス点灯方式を採用することが考えられる。この場合、以下に示すシーケンスを採用するのが一般的である。すなわち、ワークに対して安定した紫外線照度で露光しようとする場合、ショートアーク形水銀ランプに定格以上のランプ電力を投入して光レベルを上昇させてからシャッター開放を開始させ、シャッターが開放してからワークに対する露光を開始するシーケンスである。

特開昭６０−０５９７３３号公報

ところが、紫外線照射装置においてワークに対する紫外線照射のタクトタイムを短縮することはワークの製品コストを低下させるうえで極めて重要であるが、従来技術を上記のように組み合わせた場合においては、安定した紫外線照射を行い、信頼性の高い紫外線照射装置が得られるものの、充分に短いタクトタイムの実現ができない。

本発明は、紫外線照射のタクトタイムを短縮できる紫外線照射装置を提供することを目的とする。

本発明の紫外線照射装置は、ショートアーク形水銀ランプと；相対的大電力を供給してショートアーク形水銀ランプをフラッシュアップ点灯する第１の期間と相対的小電力を供給してショートアーク形水銀ランプの放電を持続させて待機点灯する第２の期間を交互に繰り返す点灯回路と；開閉動作を行ってショートアーク形水銀ランプから発生した紫外線を通過または遮断するシャッター機構と；シャッター機構を通過した紫外線をワークに照射する紫外線照射部と；を具備し、点灯回路における相対的大電力の投入立ち上がり開始時とシャッター機構の開放開始時とがほぼ一致するとともに、第１の期間における相対的大電力の投入による紫外線出力の立ち上がり時間をｔ１とし、シャッター機構の閉鎖状態から開放までのシャッター機構を通過する紫外線出力の立ち上がり時間をｔ２としたとき、時間ｔ１およびｔ２が数式ｔ２≧ｔ１を満足するように構成され、フラッシュアップ点灯における光量立ち上がり時間を、０．２〜２．０秒に設定したことを特徴としている。

本発明によれば、ショートアーク形水銀ランプのフラッシュアップ点灯開始とシャッター機構の開放開始とがほぼ同時に行われるので、紫外線照射のタクトタイムを短縮できるとともに、フラッシュアップ時の紫外線出力が安定してから紫外線照射を開始できるので、所望積算量の紫外線照射を行いやすいとともに、安定した紫外線照射を行って信頼性の高い紫外線照射装置を提供することができる。

また、フラッシュアップ点灯における光量立ち上がり時間を０．２〜２．０秒に設定すれば、急激な陽極温度の上昇を回避することで電極物質の過度の飛散を抑制して紫外線の光束維持率時が向上した紫外線照射装置を提供することができる。

さらに、シャッター閉鎖後にフラッシュアップ点灯から待機点灯へ移行するように構成すれば、紫外線照射光量の積算制御を正確に行いやすい紫外線照射装置を提供することができる。

さらにまた、シャッター機構の開放の確認信号を発生するように構成すれば、この確認信号を利用してワークの流れを制御して紫外線照射のタクトタイムを短縮しやすい紫外線照射装置を提供することができる。

さらにまた、ショートアーク形水銀ランプ、点灯回路、シャッター機構および紫外線照射部の少なくとも一部を収納し、容積Ｖ（ｃｍ^３）のハウジングを具備し、ショートアーク形水銀ランプの相対的大電力で点灯する際のランプ電力がＷ（Ｗ）のとき、数式Ｖ／Ｗ≦４５を満足するように構成すれば、小形化で、しかも消費電力が軽減される紫外線照射装置を提供することができる。

さらにまた、紫外線照射位置の確認をおこなうために可視光照射モードを選択可能にする場合、当該モード時にはショートアーク形水銀ランプを待機点灯することにより、可視光変換フィルタに照射されるエネルギー量を低減して当該フィルタの劣化を抑制してその短寿命化を阻止した紫外線照射装置を提供することができる。

さらにまた、ショートアーク形水銀ランプに投入される電力をモニタすることにより、フラッシュアップ点灯時に所定のランプ電力が実際に投入されないエラーが発生するか否かをチェックするエラーチェック機能を充実して、所定の紫外線照射が行われることを確認できる紫外線照射装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態を説明する。

図１ないし図８は、本発明の紫外線照射装置を実施するための第１の形態を示し、図１は正面断面図、図２はショートアーク形水銀ランプの正面図、図３は点灯回路のブロック回路図、図４はランプ電力の波形図、図５はシャッター板の正面図、図６は紫外線照射装置の動作シーケンスを示す説明図、図７は調光板の正面図である。

本形態の紫外線照射装置は、主構成要素としてショートアーク形水銀ランプＳＨＬ、点灯回路ＯＣ、シャッター機構ＳＰ、紫外線照射部ＵＩＲを具備している。

また、本発明において所望により配設することができるその他の副次的な構成要素として、本形態においては、楕円反射鏡ＥＲ、ミラーＭ１、および調光機構ＤＰ、ハウジングＨなどを具備している。

〔ショートアーク形水銀ランプＳＨＬについて〕 ショートアーク形水銀ランプＳＨＬは、図２に示すように、透光性気密容器１、一対の電極２Ｋ、２Ａ、外部リード構体３、４および放電媒体を備えている。

透光性気密容器１は、耐火性を有する石英ガラスなどから形成され、例えば包囲部１ａおよび一対の封止部１ｂ、１ｂを備えている。包囲部１ａの内部には放電空間１ｃが形成されている。封止部１ｂは、透光性気密容器１を気密に封止するとともに、後述する一対の電極２Ｋ、２Ａを放電空間１ｃ内に封装している。さらに詳述すれば、透光性気密容器１が石英ガラスからなる場合、封止部１ｂは、その内部に例えば封着金属箔（図示しない。）が気密に埋設されている。なお、封着金属箔は、例えばモリブデン箔からなり、所要の電流容量を得るために、１枚または並列状態で複数枚が用いられる。

一対の電極２Ｋ、２Ａは、耐火性で導電性の金属、例えばタングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）またはタングステン−レニウム合金など、からなる。そして、直流点灯の場合、陰極２Ｋと陽極２Ａで構成される。また、一対の電極２Ｋ、２Ａは、包囲部１ａの内径より小さい電極間距離、例えば２．８ｍｍとなるようにそれぞれ先端が離間対向して配置されている。

放電媒体は、水銀および希ガスを主体として構成されている。なお、水銀は、点灯時に蒸発して超高圧水銀蒸気状態を呈する。希ガスは、例えばアルゴンガスからなり、始動ガスおよび緩衝ガスとして作用する。

外部リード構体３、４は、一対の電極２Ｋ、２Ａを点灯回路に接続して受電するための手段である。また、ショートアーク形水銀ランプＳＨＬを紫外線照射装置の内部に装着する際に、取付手段として外部リード構体３、４を利用することができる。この場合、外部リード構体３、４は、図示のような口金構造を採用することができる。

本形態においては、外部リード構体３の口金部分３ａから図２において右側へ突出しているボルト部分３ｂを、図示しないナットを用いて支持することによって、ショートアーク形水銀ランプＳＨＬを紫外線照射装置の内部に装着することができる。また、同時に点灯回路の出力端の負極側に接続するように構成されている。

他方、外部リード構体４は、口金部分４ａから外部へ延在する可とう性の被覆導体４ｂを備えている。なお、被覆導体４ｂの先端には、接続端子４ｃが配設されている。

さらに、外部リード構体３、４は、図示しないが、それらの一端が封止部１ｂ、１ｂ内に延在して封着金属箔に溶接されている。

そうして、ショートアーク形水銀ランプＳＨＬは、点灯されると透光性気密容器１の内部に超高圧水銀蒸気放電が生起して紫外線を発生する。

ショートアーク形水銀ランプＳＨＬは、上述した基幹的な構造に加えて、所望により以下の構成を付加することが許容される。

１．（陰極保温膜５について） 陰極保温膜５は、陰極２Ｋに水銀が付着するのを防止するために陰極２Ｋを保温するための手段である。そして、例えば主として陰極２Ｋ側の封止部の外面に形成された白金などの蒸着膜からなる。なお、陰極２Ｋに水銀が付着すると、始動電圧過昇や点灯不良を生じやすくなる。

２．（陽極保温膜６について） 陽極保温膜６は、気密容器１の温度上昇を早めるための手段である。そして、例えば陽極２Ａの主として基端部分に対向する気密容器１の外面に形成された白金などの蒸着膜からなる。なお、気密容器１の温度上昇を早めることで光束立ち上がりが速くなる。

３．（トリガーワイヤ７について） トリガーワイヤ７は、始動時に電極近傍の電位傾度を大きくしてショートアーク形水銀ランプＳＨＬの始動性を良好にするための手段である。そして、例えば基端が陰極２Ｋ側の外部リード構体３に接続し、中間が包囲部１ａの外面に近接して延在し、先端が陽極２Ａ側の封止部１ｂの包囲部１ａに隣接する部位に巻き付けられている。

〔点灯回路ＯＣについて〕 点灯回路ＯＣは、ショートアーク形水銀ランプＳＨＬをフラッシュアップ点灯する回路手段である。フラッシュアップ点灯とは、ショートアーク形水銀ランプＳＨＬに投入するランプ電力を間欠的に相対的に大きなランプ電力、好ましくは定格ランプ電力を超える電力を第１の期間の間、例えば１０秒間投入して点灯し、第１の期間に続く第２の期間の間相対的に小さなランプ電力、好ましくは定格ランプ電力より小さくて、かつ放電を持続し得る程度の電力を投入し、この第１および第２の期間を繰り返して点灯させるパルス点灯方式である。

上記パルス点灯動作は、図４に示すように、一態様として定電流制御の下で相対的大電力Ｈを供給する第１の期間Ｔ１と、相対的小電力Ｌを供給する第２の期間Ｔ２を交互に繰り返すことにより行われる。なお、この場合、第２の期間Ｔ２においては、定電流制御でもよいし、定電力制御回路であってもよい。

また、上記態様の場合、点灯回路ＯＣは、少なくとも第１の期間Ｔ１の間に投入するランプ電力を定電流制御するために、一例として点灯回路ＯＣに直流定電流制御回路ＣＣＲを用いて、その出力端間から得られる定電流をショートアーク形水銀ランプＳＨＬに供給することができる。第２の期間に定電力制御回路を行う場合には、直流定電流制御回路ＣＣＲに加えて定電力制御回路を並列または直列的に配設して、それらの制御回路を、それぞれの期間Ｔ１、Ｔ２ごとに切り換えてショートアーク形水銀ランプＳＨＬに接続するように構成することができる。

さらに、直流定電流制御回路ＣＣＲの入力端に直流電力を供給するために、整流回路ＲＣを用いて交流電源ＡＣから得る交流電圧を整流する。

さらにまた、点灯回路ＯＣは、ショートアーク形水銀ランプＳＨＬに投入するランプ電力を、フラッシュ点灯において相対的大電力Ｈと相対的小電力Ｌとに間欠的に変動させるために、制御手段ＣＣを用いて直流定電流制御回路ＣＣＲから出力されるランプ電流をそれぞれの期間に必要な値にするために制御するように構成されている。なお、上記間欠的な変動の周期は、紫外線照射の対象により適宜設定できるものとする。例えば、第１および第２の期間をそれぞれ１０秒程度に設定することができる。

〔シャッター機構ＳＰについて〕 シャッター機構ＳＰは、図示しないワークに紫外線を照射し、または紫外線が照射されないように遮断するための紫外線制御手段であり、本形態においては図１および図５に示す構造を備えている。

すなわち、シャッター機構ＳＰは、図５に示すように、回転中心ｘ２の周りに回転するシャッター板Ｐ２およびこのシャッター板Ｐ２を所定角度、すなわち図５においては４５°だけ節動回転駆動を行う節動回転駆動手段ＳＭ２、例えばステッピングモータを図１に示すように備えている。そして、シャッター板Ｐ２には第１の節動回転位置において無開口になっていて紫外線を遮断（オフ）し、第２の節動回転位置においてシャッター開口ＯＰ２が形成されていて紫外線を通過（オン）させるように構成されている。

また、シャッター機構ＳＰは、後述する調光機構ＤＰとともに円盤状紫外線通過量制御機構ＵＶＣを構成する。

〔紫外線照射部ＵＩＲについて〕 紫外線照射部ＵＩＲは、シャッター機構ＳＰの後段に配設されていて、紫外線をワークに照射する部分の構成である。そして、本形態においては、導光体ＬＧ、集光レンズユニットＬＵ、ミラーＭ２および照射口ＩＲＯにより構成されている。なお、紫外線照射部ＵＩＲの一部、図１においては導光体ＬＧの一部は、後述するハウジングＨの内部に収納することができる。

導光体ＬＧは、後述する楕円反射鏡ＥＲの第２焦点ｆ２に集光した紫外線を照射位置など所望の位置まで導光する手段である。そして、既知の各種導光体を採用することができるものとする。しかし、好適には内面全反射構造の石英ガラスロッドを適当な外皮で保護した構成のものがよい。

また、導光体ＬＧは、後述するミラーＭ１で反射した紫外線が一端から入射し、他端から出射する。他端から出射した紫外線をそのまま利用してもよいし、さらに後述するように他の光学手段を用いて紫外線の照射方向を変更したり、本形態におけるように集光したり、または拡散させるなど適宜の利用形態になるように設定したりすることが許容される。

集光レンズユニットＬＵは、導光体ＬＧの他端に配設され、導光体ＬＧから出射した紫外線を集光する。

ミラーＭ２は、集光レンズユニットＬＵにより集光された紫外線を反射して、その照射方向を９０°変更して下向きにする。

照射口ＩＲＯは、ミラーＭ２の反射紫外線がワークに照射するための開口である。

〔本形態における紫外線照射装置の動作について〕 本発明においては、点灯回路ＯＣによる相対的大電力をショートアーク形水銀ランプＳＨＬに投入する際の投入電力の立ち上がり開始時と、シャッター機構の開放開始時とがほぼ一致するように構成される。

以下、その動作を図７により説明する。グラフ(ａ)は、シャッター機構ＳＰを通過する前のシャッター機構に到達するショートアーク形水銀ランプＳＨＬからの紫外線出力レベルを示し、紫外線出力Ａと呼ぶ。グラフ(ｂ)は、ワーク側に到達するシャッター機構ＳＰを通過したショートアーク形水銀ランプＳＨＬからの紫外線出力レベルを示し、紫外線出力レベルＢとよぶ。グラフ(ｃ)は、ショートアーク形水銀ランプＳＨＬの第１の期間Ｔ１および第２の期間Ｔ２の点灯のタイミングにおけるワークが流れているタイミングを説明している。シャッター機構ＳＰが全閉のときはワーク側の紫外線出力Ｂのレベルはゼロであり、シャッター機構ＳＰが所定の時間ｔ２で全開されていくことにより、ワークに到達する紫外線出力Ｂレベルが上昇し、シャッター機構ＳＰが全開すると、ワーク側への紫外線到達レベルは最大となる。グラフ(ａ)によれば、紫外線出力Ａがローレベルのときは、図４における第２の期間Ｔ２を示し、図４における点灯回路ＯＣによる相対的大電力をショートアーク形水銀ランプＳＨＬに投入するタイミングと図７（ｂ）におけるシャッター機構ＳＰの開放開始時タイミングとがほぼ一致させていることが図７(ａ)とのタイミングの関係から分かる。すなわち、図７(ａ)におけるタイミングｔ１はショートアーク形水銀ランプＳＨＬに第２の期間Ｔ２から第１の期間Ｔ１に切り替わる相対的大電力が印加されるタイミングを拡大して示している。これに対して、ワーク側への紫外線照射レベルが最大に到達するのはシャッター機構ＳＰが全開するｔ２となる。

したがって、本発明の紫外線照射装置によれば、その動作が時間ｔ２≧ｔ１を満足するように構成されているので、ショートアーク形水銀放電ランプのフラッシュアップ点灯時の紫外線出力が安定した直後から紫外線照射を開始することが可能になる。

次に、本形態における光学系の作用について説明する。図１において、ショートアーク形水銀ランプＳＨＬから放射された紫外線は、楕円反射鏡ＥＲ内において、第１焦点ｆ１から出射して楕円反射鏡ＥＲの反射面で反射して楕円反射鏡ＥＲから図１において下方へ集光しながら出射する。そして、ミラーＭ１に入射し、反射して、第１の光軸ＬＸ１に対してほぼ９０°方向に向きが変更され、さらに集光しながら導光体ＬＧの一端付近に位置する第２焦点ｆ２に収斂する。

第２焦点ｆ２に収斂した紫外線は、円盤状紫外線通過量制御機構ＵＶＣすなわち調光機構ＤＰまたは／およびシャッター機構ＳＰを通過して導光体ＬＧ内にその一端から入射する。そして、導光体ＬＧ内を導光されて他端から出射する。出射した紫外線は、集光レンズユニットＬＵで再び集光され、ミラーＭ２で反射して図１において下方へ屈折し、照射口ＩＲＯから紫外線照射装置の外部へ照射される。

〔その他の構成について〕 次に、本形態における副次的な構成要素について説明する。

１．（楕円反射鏡ＥＲについて） 楕円反射鏡ＥＲは、第１焦点ｆ１および第２焦点ｆ２を有し、例えば反射面が椀形の回転楕円体形状をなしている。また、その第１焦点ｆ１にショートアーク形水銀ランプＳＨＬの発光中心が位置するように配置されることによって、ショートアーク形水銀ランプＳＨＬから放射される紫外線を反射して第２焦点ｆ２に集光する。

また、楕円反射鏡ＥＲは、好適には椀形のガラス基体の内面に紫外線反射・赤外線透過性被膜を被着させてなされる構成のものを採用することができる。そして、ショートアーク形水銀ランプＳＨＬの発光部が内部に収納される。

２．（ミラーＭ１について） ミラーＭ１は、楕円反射鏡ＥＲから出射した反射紫外線の進行方向をほぼ９０°の角度で変更させる光学手段である。この反射手段には平面反射鏡を用いることができる。なお、所望によりミラーＭ１の傾斜角を微調整する角度調整手段を付加することができる。

また、ミラーＭ１は、楕円反射鏡ＥＲの開口と第２焦点ｆ２との間に位置して、好ましくは第２焦点ｆ２になるべく接近した位置になるように、配設されている。

３．（調光機構ＤＰについて） 調光機構ＤＰは、図６に示すように、回転中心ｘ１の周りに回転する調光板Ｐ１およびこの調光板Ｐ１を所定角度だけ節動回転させるための駆動回転を行う節動回転駆動手段（図示しな。）、例えばステッピングモータを備えている。そして、調光板Ｐ１には複数ステップの節動回転位置（例えば回転中心ｘ１の回りの２７０°の間に６３ステップ）がディジタル的に設定され、そのステップごとに節動させて所定のステップ位置に到達するように構成するとともに、各ステップ位置には１個または複数個の透孔からなり、開口面積がステップ数に応じて順次変化して、通過紫外線量が０〜１００％を規定している開口ＯＰ１が環状に配置されている。

そうして、本形態における調光機構ＤＰによれば、調光板Ｐ１を節動回転駆動するとともに、予めステップ数と開口面積とを所定の関係に設定してあるので、図７に示すような直線性に優れた調光特性を得ることができる。

また、調光機構ＤＰは、前述のシャッター機構ＳＰとともに円盤状紫外線通過量制御機構ＵＶＣを構成している。 また、円盤状紫外線通過量制御機構ＵＶＣは、図１に示すように、楕円反射鏡ＥＲとミラーＭ１とを結ぶ第１の光軸ＬＸ１に対して直角で、かつミラーＭ１と導光体ＬＧとを結ぶ第２の光軸ＬＸ２を含む平面Ｐを挟んで反射鏡ＥＲの反対側に回転中心ｘ１、ｘ２が位置する。そして、円盤部Ｐ１またはＰ２の作用部がミラーＭ１と導光体ＬＧとの間に介在して紫外線の通過量を制御する光学制御機構である。

したがって、本形態の円盤状紫外線通過量制御機構ＵＶＣによれば、導光体ＬＧの他端から出射する紫外線量を制御することができる。紫外線の制御は、調光および通過・遮断の切り換え（シャッター動作）のいずれか一方または両方が可能なように構成することができる。調光を行うときには調光機構ＤＰが、また通過・遮断の切り換え（シャッター動作）を行うときにはシャッター機構ＳＰが、それぞれ配設される。両方を行う際には、調光機構ＤＰの調光板Ｐ１とシャッター機構ＳＰのシャッター板Ｐ２の作用部が近接するように配設される。

４．（排気機構ＡＳについて） 紫外線照射装置から外部へ塵埃などが放散されないように排気機構ＡＳを具備することができる。排気機構ＡＳを排気ダクト（図示しない。）に接続すれば、紫外線照射装置内が低圧になり、内部から塵埃などの不純物が放散しなくなる。

５．（光源位置微調整機構ＬＸＲについて） 光源位置微調整機構ＬＸＲは、ショートアーク形水銀ランプＳＨＬの管軸位置を微調整する機構である。なお、ショートアーク形水銀ランプＳＨＬは、後述するハウジングＨの天井から吊持されている。

６．（ハウジングＨについて） ハウジングＨは、以上の各手段を内部の所定位置に収納している。

以下、本発明の紫外線照射装置を実施するためのその他の形態について説明する。

［第２の形態］
第２の形態は、第１の形態において、フラッシュアップ点灯において、相対的大電力の投入による第１の期間における紫外線出力の立ち上がり時間ｔ１を０．２〜２秒に設定する。

そうして、本形態においては、上記立ち上がり時間を０．２〜２秒に設定することにより、電極物質の不所望な飛散が抑制されるので、光束維持率が向上して、長時間点灯しても紫外線照度の低下を抑制することができる。

図１に示す第１の形態である。

ショートアーク形水銀ランプ
透光性気密容器：包囲部の内径２０ｍｍ
一対の電極 ：電極間距離２．８ｍｍ
放電媒体 ：水銀およびＡｒガス
点灯回路（フラッシュアップ点灯を行う。）
第１の期間 ：１０００Ｗ
第２の期間 ：７００Ｗ
第１・第２の期間：それぞれ１０秒間
電力立ち上がり時間：０．２秒

［比較例１］
電力立ち上がり時間：０．１秒
その他は実施例と同じ。

波長３６５ｎｍの紫外線照度の相対最大値（％）は、表１に示すとおりであった。

［表１］
点灯時間（ｈｒ） 実施例（％） 比較例（％）
０ １００ １００
１００ ９５ ９０
５００ ９０ ８０
１０００ ８５ ７５

表１から理解できるように、実施例（本発明）によれば、比較例に比較してショートアーク形水銀ランプの寿命の進展に伴う紫外線照度の低下が顕著に抑制される。

［第３の形態］
第３の形態は、第１の形態において、図１におけるハウジングＨの内容積Ｖ（ｃｍ^３）とし、フラッシュアップ点灯における相対的大電力のランプ電力をＷ（Ｗ）としたとき、数式Ｖ／Ｗ≦４５を満足するように構成している。

そうして、本形態においては、上記数式を満足することにより、ショートアーク形水銀ランプに比較的小形のものを用いることが可能になり、ケーシングを小型化できるとともに、省電力化を図ることができる。

Ｖ／Ｗ＝３６．３
その他は、実施例１と同じ。

［比較例２］
点灯回路 ：８００Ｗのランプ電力を連続投入する回路
Ｖ／Ｗ＝４５．４
その他は実施例１と同じ。

波長３６５ｎｍの紫外線照度の最大値（ｍＷ／ｃｍ^２）は、表２に示すとおりであった。

［表２］
紫外線照度の最大値（ｍＷ／ｃｍ^２）
実施例２ ２００
比較例２ １６０

表２から理解できるように、実施例２の方が比較例２より紫外線照度が大きくなる。

次に、本形態において、ハウジングＨの内容積を一定にしてランプ電力Ｗ（Ｗ）を変化させたときの紫外線照度の最大値（ｍＷ／ｃｍ^２）は、表３に示すとおりであった。

［表３］
Ｗ（Ｗ） Ｖ／Ｗ 紫外線照度の最大値（ｍＷ／ｃｍ^２）
７００ ５１．８ １２０
８００ ４５．４ １６０
１０００ ３６．３ ２００
１２００ ３０．３ ２４０

表３から理解できるように、本形態によれば、紫外線照度の最大値が顕著に大きくなる。

実施例２および比較例２において、紫外線照射の露光時間を変化して紫外線硬化性樹脂Ａの硬化試験を実施したときの評価結果は表４に示すとおりであった。なお、紫外線硬化性樹脂Ａは、波長３６５ｎｍの紫外線照度が２００ｍＷ／ｃｍ^２以上で硬化する。また、表中において、○は硬化した、×は硬化しない、をそれぞれ示している。

［表４］
露光時間（秒） ０．５ １．０ １．５ ２．０
実施例２ × × ○ ○
比較例２ × × × ×

表４から理解できるように、実施例２によれば、紫外線硬化性樹脂Ａの場合、露光時間が１．５秒以上であれば、紫外線硬化性樹脂Ａの硬化の実用に供することができる。これに対して、比較例２では硬化が得られなかった。

さらに、紫外線硬化性樹脂Ｂの硬化試験を上記と同様に実施したときの評価結果は表５に示すとおりであった。なお、紫外線硬化性樹脂Ｂは、波長３６５ｎｍの紫外線積算光量が３２０ｍＷｓ／ｃｍ^２で硬化する。

［表５］
露光時間（秒） ０．５ １．０ １．４ １．６ １．８ ２．０
実施例２ × × ○ ○ ○ ○
比較例２ × × × × × ○

表５から理解できるように、実施例２によれば、露光時間が１．４秒以上であれば、紫外線硬化性樹脂Ｂの硬化の実用に供することができる。これに対して、比較例２では２．０秒未満の時間では硬化が得られなかった。

［第４の形態］
第４の形態は、ショートアーク形水銀ランプの少なくとも一方の電極、好ましくは一対の電極における軸部の外周面に直径が０．３ｍｍ以下の耐火性金属、例えばタングステン（Ｗ）の細線からなるコイルを形成した構成である。なお、コイルは、好ましくは密巻きである。

そうして、本形態においては、透光性気密容器の封止部に埋設されている状態で、上記コイルが封着緩衝部として作用するので、フラッシュアップ点灯でランプ電力が過入力状態になった際に、電極軸と周囲の石英ガラスとの熱膨張率差を、上記構成のコイルによって形成された空間で緩和させることができる。このため、電極封着部の信頼性が向上する。

［第５の形態］
第５の形態は、ショートアーク形水銀ランプの一対の電極を陰極および陽極により構成して直流点灯を行うように構成するとともに、陽極を透光性気密容器の外部から冷却する冷却手段を配設した構成である。冷却手段は、具体構造が特段限定されるものではないが、好ましくはエアブロワーを用いるのがよい。

本発明においては、ショートアーク形水銀ランプをフラッシュアップ点灯するので、特に陽極の温度上昇が激しくなり、陽極周辺の封着部が強い熱ストレスに晒される。その結果、ショートアーク形水銀ランプの信頼性が低下するという問題がある。

本形態においては、陽極周辺の封着部が冷却手段により冷やされるので、陽極周辺の封着部が強い熱ストレスに晒されなくなる。このため、ショートアーク形水銀ランプの信頼性が向上する。

［第６の形態］
第６の形態は、ショートアーク形水銀ランプにおける透光性気密容器の包囲部が、その肉厚体積をＧＶ（ｃｍ^３）とし、フラッシュアップ時のランプ電力をＷ（Ｗ）としたとき、ＢＶおよびＷが数式５０＜Ｗ／ＧＶ＜３００を満足するように構成されている。

ＢＶおよびＷが範囲内であれば、フラッシュアップ点灯によって生じる寿命中の熱歪が図８に示すように低減する。なお、図８において、横軸はＷ／ＧＶを、縦軸は歪量（ＭＰａ）を、それぞれ示す。

このため、ショートアーク形水銀ランプの長寿命化が可能となる。また、寿命中の透光性気密容器の破裂も抑制できるので、ショートアーク形水銀ランプの信頼性が向上する。

しかし、ショートアーク形水銀ランプは、フラッシュアップ点灯により包囲部内の圧力が４０〜５０気圧程度になるため、Ｗ／ＧＶが５０以下になると、ショートアーク形水銀ランプが破裂しやすくなるので、不可である。また、Ｗ／ＧＶが３００以上になると、光束立ち上がり特性が悪くなるので、不可である。なぜなら、水銀蒸気は、透光性気密容器の温度に依存し、包囲部の内容積が大きくなってＢＶの値が上昇すると、透光性気密容器の温度上昇に要する時間が長くなるからである。

［第７の形態］
第７の形態は、ショートアーク形水銀ランプにおける一対の電極の少なくとも一方の周囲を包囲する透光性気密容器の包囲部の外面に保温膜（例えば、図２における符号６を付した部分）を形成する場合に、当該保温膜の膜厚をＬ（ｍｍ）としたとき、Ｌが数式Ｌ＜０．５を満足する構成である。なお、保温膜の材質の好ましい材質は、白金膜などである。

そうして、本態様においては、保温膜の膜厚が上記数式を満足することにより、保温性能が最適化されて、透光性気密容器の温度上昇が早くなるために、安定した動作特性を有するショートアーク形水銀ランプが得られる。

［第８の形態］
第８の形態は、ショートアーク形水銀ランプにおける透光性気密容器の内容積をＶａ（ｃｍ３）とし、一対の電極の少なくとも一方の周囲を包囲する透光性気密容器の包囲部の外面に保温膜（例えば、図２における符号６を付した部分）を形成する場合に、当該保温膜の体積をＶｂ（ｃｍ^３）としたとき、ＶａおよびＶｂが数式Ｖｂ／Ｖａ＜０．１を満足する構成である。

そうして、本態様においては、ＶａおよびＶｂが上記数式を満足することにより、保温性能が最適化されて、透光性気密容器の温度上昇が早くなるために、安定した動作特性を有するショートアーク形水銀ランプが得られる。

［第９の形態］
第９の形態は、ショートアーク形水銀ランプの一対の電極を陰極および陽極として直流点灯を行うように構成する場合において、陽極の放電スポットが形成されない位置に、ゲッターが配設されている構成である。ゲッターとしては、例えばタンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ジルコニウム−アルミニウム合金などの既知の金属の粉末を主成分とする塗布液を上記所定の位置に塗布乾燥により被着させることによって形成することができる。

そうして、本態様においては、ショートアーク形水銀ランプの初期および寿命中の始動不良、発光のちらつき、紫外線照度の低下を抑制することができる。特にフラッシュアップ点灯を行う場合に、過入力時でも紫外線照射装置の性能向上、コストダウンおよびショートアーク形水銀ランプの信頼性向上を確保することができる。

［第１０の形態］
第１０の形態は、ショートアーク形水銀ランプの一対の電極を陰極および陽極として直流を行うように構成する場合において、図９に示すように、透光性気密容器の陰極側の封止部の管軸方向の長さをＬ１とし、当該封止部に装着する口金の封止部に対向する部分の長さをＬ２としたとき、Ｌ１およびＬ２が数式１．５≦Ｌ１／Ｌ２≦５を満足する構成である。なお、口金は、金属製である。また、図９において、図２と同一部分については同一符号を付して説明は省略する。

そうして、本態様においては、上記数式を満足することにより、ショートアーク形水銀ランプを消灯した後に、電極表面に水銀が付着しにくくなる。その結果、再点灯時の絶縁破壊電圧が低下し、放電スポットが安定し、始動性不良などの不具合発生を抑制することができる。なお、水銀が電極に付着すると、次回点灯時の始動電圧（Ｖｓ）上昇や始動不良の発生を抑制することができる。

［第１１の形態］
第１１の形態は、ショートアーク形水銀ランプの一対の電極を陰極および陽極として直流を行うように構成する場合において、図２に示す保温膜５の管軸方向の長さをＬ３（ｍｍ）としたとき、Ｌ３が数式Ｌ３＞３を満足する構成である。なお、保温膜の材質の好ましい材質は、白金膜などである。

そうして、本態様においては、上記数式を満足することにより、ショートアーク形水銀ランプを消灯した後に、電極表面に水銀が付着しにくくなる。その結果、再点灯時の絶縁破壊電圧が低下し、放電スポットが安定し、始動性不良などの不具合発生を抑制することができる。なお、水銀が電極に付着すると、次回点灯時の始動電圧（Ｖｓ）上昇や始動不良の発生を抑制することができる。

［第１２の形態］
第１２の形態は、ショートアーク形水銀ランプの一対の電極を陰極および陽極として直流を行うように構成する場合において、図１０の概念的断面図に示すように、以下の位置の少なくとも１箇所に保温膜を形成した構成である。なお、保温膜の材質の好ましい材質は、白金膜などである。また、図１０において、図２と同一部分については同一符号を付して説明は省略する。

（１）陰極の先端からその基端に向かって１ｍｍ離れた点Ｋ１から管軸に直角に引いた直線と包囲部の外面との交点の位置から陰極側の包囲部端部までの第１の外面領域に保温膜６ａを形成する。

（２）陽極の先端からその基端に向かって１ｍｍ離れた点Ｋ２から管軸に直角に引いた直線と包囲部の外面との交点の位置から陽極側の包囲部端部までの第２の外面領域に保温膜６ｂを形成する。

（３）包囲部の側面から突出する排気チップオフ部１ａ１の外面に保温膜６ｃを形成する。

（４）図２において、一対の封止部１ｂ、１ｂの少なくとも一方、例えば陰極側の封止部１ｂに保温膜５を形成する。

そうして、本態様においては、上記構成を備えていることにより、ショートアーク形水銀ランプの透光性気密容器の温度上昇が早くなり、安定した動作特性を有するショートアーク形水銀ランプを得ることができる。

［第１３の形態］
第１３の形態は、ショートアーク形水銀ランプと、相対的大電力を供給してショートアーク形水銀ランプをフラッシュアップ点灯する第１の期間と相対的小電力を供給してショートアーク形水銀ランプの放電を持続させて待機点灯する第２の期間を交互に繰り返えす点灯回路と、開閉動作を行ってショートアーク形水銀ランプから発生した紫外線を通過または遮断するシャッター機構と、シャッター機構を通過した紫外線をワークに照射する紫外線照射部と、を具備し、図１１の（ａ）に示すように第１の期間における相対的大電力の投入による紫外線出力Ａが立ち上がった後に、図１１の（ｄ）に示すようにシャッター開放動作が開始し、図１１の（ｂ）に示すように紫外線出力Ｂの照射が開始するように構成されている紫外線照射装置である。

好ましくは、図１１の（ｃ）に示すように、シャッター機構を通過する紫外線が立ち上がった後にワークが紫外線照射位置に流れるように構成される。また、相対的大電力の投入による紫外線出力が立ち上がった後にシャッター機構が開放されるように構成される。

そうして、本形態においては、常に安定した紫外線照射を行うことができる。なお、図中、図７と同一部分については同一符号を付して説明は省略する。

［第１４の形態］
第１４の形態は、紫外線照射に代えて可視光を照射する可視光照射モードを選択可能に具備しているとともに、当該可視光照射モード時にはショートアーク形水銀ランプを待機点灯させるように構成されていることを特徴とする。

すなわち、紫外線照射を行って所定の処理を行う場合、ワークに対する紫外線照射エリアの位置決めを行う際に、紫外線に代えて可視光照射を行えるようにすると便利である。可視光照射を行うためには、ショートアーク形水銀ランプから発生する紫外線を可視光に変換する。これを行うために、可視光変換フィルタを用いる。

第１４の形態においては、可視光照射を行う際にショートアーク形水銀ランプを待機点灯させるので、このときに発生する紫外線強度を相対的に低減した状態とすることができる。そして、可視光変換フィルタを用いて発生した紫外線を可視光に変換してから照射する。このときの可視光照射を利用すれば、目視によりワークなどに対する紫外線照射位置を決めることが可能になる。

次に、図１２および図１３を参照して第１４の形態をさらに詳述する。

図１２は、本発明の紫外線照射装置を実施するための第１４の形態における調光板を示す正面図である。なお、調光板Ｐ１自体の構造は図６におけるのとほぼ同じであるが、第１４の形態において関係する部位および各光照射モード時の回動位置の説明を付記してある。

すなわち、調光板Ｐ１は、ＵＶ（紫外線）照射量を調節するために、それぞれの回動照射位置において開口率が変化するように配設された１個または複数個の開口ＯＰ１を有していることについては既述のとおりであるが、調光板Ｐ１の例えば矢印で示されているＵＶ１００％の紫外線照射モード時の位置には、大きな開口が１個配置されている。また、ＵＶ５０％の同様位置には、開口ＯＰ１が複数配置されて、その位置の開口率５０％になっている。これに対して、ＵＶ０％の同様位置には、開口が配置されていない。このため、紫外線は調光板Ｐ１によって完全に遮断される。

一方、調光板Ｐ１の可視光照射位置は、ＵＶ１００％位置におけると同様に大きな開口が１個配置されているが、これに加えて上記開口には可視光変換フィルタＦが装着されている。可視光変換フィルタＦは、そこに入射する紫外線を可視光に変換するように構成されているもので、既知のこの種フィルタを用いることができる。

したがって、可視光照射モードのときには、調光板Ｐ１をステッピングモータにより所定位置に回動させる。このとき、調光板Ｐ１の可視光照射位置が図１の第２の光軸ＬＸ２に交差する位置となる。このため、ショートアーク形水銀ランプＳＨＬから発生し、楕円反射鏡ＥＲで集光された紫外線が可視光変換フィルタＦに入射するので、可視光に変換されて出射する。出射した可視光は、図１において導光体ＬＧおよびミラーＭ２を経由して紫外線が照射されるときと同様にワークの位置を照射する。

次に、光照射モードと入力電力状態およびシャッター状態との関係を図１３を参照して説明する。

図１３は、本発明の第１３の形態における光照射モードと入力電力状態およびシャッター状態との関係を示す説明図である。図において、左側の上から下へ光照射モード、シャッター状態および入力電力状態を示し、左側から右側へ各光照射モード時すなわち可視光、ＵＶ１００％、ＵＶ５０％およびＵＶ０％時を示している。

まず、シャッター状態について説明する。各光照射モード時において、図１のシャッター機構ＳＰはそれぞれ開閉動作を行う。すなわち、開放時と閉鎖時がある。

次に、入力電力状態について説明する。入力電力は、各光照射モード時において、フラッシュアップ点灯時に相対的に高レベルとなり、待機点灯時に相対的に低レベルとなる。

したがって、ＵＶ１００％、ＵＶ５０％およびＵＶ０％時には、フラッシュアップ点灯と待機点灯とを交互に繰り返すので、フラッシュアップ点灯時に間欠的にＵＶ照射を行う。これに対して、可視光照射時には、入力電力が低レベルの待機点灯状態に維持される。

そうして、第１４の形態によれば、可視光照射時には待機点灯状態に維持されるため、紫外線量の発生が低減しているので、紫外線−可視光変換を行う可視光変換フィルタＦの劣化を抑制することができる。

［第１５の形態］
第１５の形態は、ショートアーク形水銀ランプのフラッシュアップ点灯時に電力レベル変化を監視するモニタ機能を備えていることを特徴とする。

すなわち、フラッシュアップ点灯を行って紫外線照射を行う場合、フラッシュアップ時と待機点灯時とでランプ電力の増減制御を繰り返しながら紫外線照射を行うので、何らかのエラーによってフラッシュアップ時に所要のランプ電力が投入されない状態が発生すると、ワークに対する紫外線照射処理に不良を生じることになる。このような事態の発生は、速やかに検知し、対処しなければならない。

第１５の形態においてモニタ機能として、ショートアーク形水銀ランプのフラッシュアップ点灯時にランプ電力の投入が増加するので、その変化を電気的に直接または間接的に監視すれば、フラッシュアップ点灯が適正に行われているか検知することができる。ランプ電力の変化を直接監視するには、入力電力を検出すればよい。また、ランプ電力の変化を間接的に監視するには、電圧または電流を検出すればよい。ランプ電力が上記のように変化する際の電圧または電流の変化パターンを予め調べておけば、電圧または電流の変化パターンからランプ電力の検知されるべき変化を知ることができる。

フラッシュアップ時に所要のランプ電力が投入されない状態が発生したときに、これを速やかに検知したら、人間系により対処することもできるが、好ましくはショートアーク形水銀ランプの点灯回路の制御回路にエラー対応システムとして組み込むのがよい。なお、エラー対応としては、エラー表示や紫外線照射動作の自動停止などを行うことができる。

次に、図１４および図１５を参照して第１５の形態をさらに詳述する。

図１４は、本発明の紫外線照射装置を実施するための第１５の形態における制御ブロックを示す正面図である。図１４に示す本発明の第１５の形態において、制御ブロックは、外部、電源ユニットおよびランプハウスに区分されている。

上記外部は、紫外線照射装置に対して外部に位置する制御の上位側であり、紫外線照射装置を採用する客側の装置により構成されている。したがって、外部から紫外線照射装置の照射動作開始に対する指令であるところの（１）シャッター指令信号を送出する（なお、制御信号の前に付された数字は、図中○で囲んだ数字により示されている。以下、同様である。）。

上記外部に対して、電源ユニットおよびランプハウスは、本発明の紫外線照射装置の制御に関係する部分を構成している。電源ユニットは、ショートアーク形水銀ランプの点灯装置であり、電子安定器および制御回路を備えて構成されている。なお、電子安定器は、ランプハウス内のランプ（ショートアーク形水銀ランプ）を点灯する点灯回路であり、電子回路を主体として構成されている。また、制御回路は、紫外線照射装置全体の制御を司り、したがって電子安定器の制御およびランプハウス内に配設される各種機器の制御を行う。

ランプハウスは、その内部にランプ（ショートアーク形水銀ランプＳＨＬ）、イグナイタ、シャッター（シャッター機構ＳＰ）、ステッピングモータ、閉センサおよび開センサが配設されている。なお、上記において、符号は図１に示す第１の形態におけるのと共通している。

そうして、上記制御回路は、シャッターを開閉させるためにステッピングモータを制御する「シャッター開閉」を行うとともに、実際のシャッター開閉を閉センサおよび開センサからの検出信号を受信する「閉検出」および「開検出」を行って、客側装置に対して「（２）閉信号」および「（３）開信号」を送出する。また、「電子安定器に対するフラッシュアップ点灯の指令信号である「（４）ＦＵ信号」送出を行うとともに、電子安定器から第１５の形態における特徴的構成である「（５）ＦＵモニタ信号」を受信する。

次に、図１５を参照して上述の各制御のタイミングについて説明する。

図１５は、本発明の紫外線照射装置を実施するための第１５の形態における制御のタイミングチャートである。

客側装置から電源ユニットの制御回路にシャッター開（高レベル）の「（１）シャッター指令信号」が入力すると、制御回路はステッピングモータを作動させ、シャッターを開にする。

「（１）シャッター指令信号」の立ち上がり後、時間ｔ１でシャッターが開きだして閉センサがOPEN（開）すると、制御回路から高レベルのシャッターの「（２）閉信号」が客側装置へ送出される。また、同様に時間ｔ２後にシャッターが開放されて開センサがCLOSE（閉）すると、制御回路からシャッターの「（３）開信号」が客側装置へ送出される。

一方、制御回路は、「（１）シャッター指令信号」立ち上がり後、時間ｔ３に「（４）ＦＵ信号」を電子安定器へ送出する。その結果、電子安定器は、ショートアーク形水銀ランプのフラッシュアップ点灯を開始させる。

フラッシュアップ点灯が開始すると、電子安定器からショートアーク形水銀ランプへの投入電力が増大する。なお、一例として、フラッシュアップ点灯時には１０００Ｗが投入され、待機点灯時には７００Ｗが投入される。

ショートアーク形水銀ランプへの投入電力が増大しだしてから時間ｔ６後に、「（５）ＦＵモニタ信号」が出力される。

制御回路は、「（５）ＦＵモニタ信号」が所定タイミングで入力されないときにはエラーと判断するように構成されている。

そうして、「（１）シャッター指令信号」が低レベルになってオフすると、シャッターが閉じるとともに、フラッシュアップ点灯状態が終了する。このとき、「（４）ＦＵ信号」は、シャッターが完全に閉まって「（２）開信号」が送出されてから時間ｔ７後にオフされる。

本発明は、半導体露光、紫外線硬化性樹脂の硬化、光洗浄など紫外線を照射して行う処理に適用することができる。

本発明の紫外線照射装置を実施するための第１の形態を示す正面断面図 同じくショートアーク形水銀ランプの正面図 同じく点灯回路のブロック回路図 同じくランプ電力の波形図 同じくシャッター板の正面図 同じく調光板の正面図 同じく紫外線照射装置の動作シーケンスを示す説明図 本発明の紫外線照射装置を実施するための第６の形態におけるＷ／ＧＶと熱歪の関係を示すグラフ 本発明の紫外線照射装置を実施するための第１０の形態におけるショートアーク形水銀ランプを示す断面略図 本発明の紫外線照射装置を実施するための第１２の形態におけるショートアーク形水銀ランプを示す概念的断面図 本発明の紫外線照射装置を実施するための第１３の形態における動作シーケンスを示す説明図 本発明の紫外線照射装置を実施するための第１４の形態における調光板を示す正面図 同じく光照射モードと入力電力状態およびシャッター状態との関係を示す説明図 本発明の紫外線照射装置を実施するための第１５の形態における制御を示すブロック図 同じく制御のタイミングチャート

符号の説明

Ｄ…開口の直径、ＤＰ…調光機構、ＥＲ…楕円反射鏡、Ｌ…距離、ＬＧ…導光体、ＬＸ１…第１の光軸、ＬＸ２…第２の光軸、Ｍ１、Ｍ２…ミラー、Ｐ１…調光板、Ｐ２…シャッター板、ＳＨＬ…ショートアーク形水銀ランプ、ＳＰ…シャッター機構、ＵＶＣ…円盤状紫外線通過量制御機構

Claims (1)

1. ショートアーク形水銀ランプと；
   相対的大電力を供給してショートアーク形水銀ランプをフラッシュアップ点灯する第１の期間と相対的小電力を供給してショートアーク形水銀ランプの放電を持続させて待機点灯する第２の期間を交互に繰り返す点灯回路と；
   開閉動作を行ってショートアーク形水銀ランプから発生した紫外線を通過または遮断するシャッター機構と；
   シャッター機構を通過した紫外線をワークに照射する紫外線照射部と；
   を具備し、点灯回路における相対的大電力の投入立ち上がり開始時とシャッター機構の開放開始時とがほぼ一致するとともに、第１の期間における相対的大電力の投入による紫外線出力の立ち上がり時間をｔ１とし、シャッター機構の閉鎖状態から開放までのシャッター機構を通過する紫外線出力の立ち上がり時間をｔ２としたとき、時間ｔ１およびｔ２が数式ｔ２≧ｔ１を満足するように構成され、
   フラッシュアップ点灯における光量立ち上がり時間を、０．２〜２．０秒に設定したことを特徴とする紫外線照射装置。

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