JP7136467B2 - 高圧放電ランプ及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、高圧放電ランプ及びその制御方法に関し、より詳細には、露光装置の多灯の光源部を構成する高圧放電ランプ及びその制御方法に関する。

近年、フラットパネルディスプレイ装置のカラーフィルタや、プリント配線基板を製造する際に使用される露光装置では、露光領域の拡大が求められていることから、光源部の出力も高めることが求められている。このため、製造コストなどで有利な、比較的低照度の高圧放電ランプを複数用いて、光源部を構成するようにしたものが種々知られている（例えば、特許文献１参照。）。

図７に示すように、従来の高圧放電ランプ１００としては、放電し光を発光する発光管１１０と、発光管１１０からの光に指向性を持たせて出射するリフレクタ１２０と、発光管１１０とリフレクタ１２０とを固定する碍子１３０と、発光管１１０と電気的に接続されるワイヤ１４０と、を主に備える。発光管１１０内には、ハロゲンガス、水銀、始動用アルゴン等が封入された内部空間を有する発光部１１１、発光部１１１の内部空間を封止する一対の封止部１１２、１１３、及び、発光部１１１内に互いに対向して配置された一対の電極１１４、１１５が設けられている。

また、特許文献１に記載の光源装置では、放電ランプ１００が純正品か否かを高精度、短時間かつ低コストに検査できるように、碍子１３０の内部に、白熱灯１３１が設けられている。

日本国特許第５８６９７１３号公報

ところで、高圧放電ランプにおいては、同じ照度を出力するために使用初期では放電する電力が小さい一方、使用時間が長くなるにつれて、放電する電力が大きくなる。このため、高圧放電ランプが同じ照度を出力するためには、使用時間が長くなるにつれて印加電力を大きくする必要がある。このようなことから、最適な電力を印加すべく、凡その使用時間をランプ自体で確認できることが望まれている。特許文献１では、ランプ自体の使用時間を把握することについて考慮されていない。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ランプ自体でランプの凡その使用時間を把握することが可能な高圧放電ランプ及びその制御方法を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１） 発光管と、
前記発光管の長手軸線周りに形成される球面状又は非球面状の反射面と、前記発光管が隙間を持って挿入可能な挿入孔と、を有するリフレクタと、
前記発光管と、前記リフレクタとがそれぞれ固定される碍子と、
前記碍子の内部に配置され、それぞれ異なる抵抗値を有し、それぞれ並列接続される複数の抵抗体と、
を備えることを特徴とする高圧放電ランプ。
（２） 前記碍子は、前記発光管と前記リフレクタの挿入孔との間に形成された空間と外部とを連通する開放部を有し、
前記複数の抵抗体が配置される収容空間は、前記開放部に対して、前記リフレクタと反対側で、前記碍子によって形成されることを特徴とする（１）に記載の高圧放電ランプ。
（３） （１）又は（２）に記載の高圧放電ランプの制御方法であって、
前記複数の抵抗体は、前記抵抗値が低い前記抵抗体から順に溶断するように前記抵抗体に印加する電圧を制御することを特徴とする高圧放電ランプの制御方法。
（４） 前記複数の抵抗体の合成抵抗値に応じて、前記高圧放電ランプへの印加電圧を制御することを特徴とする（３）に記載の高圧放電ランプの制御方法。
（５） （１）又は（２）に記載の高圧放電ランプの制御方法であって、
前記複数の抵抗体の合成抵抗値をモニターしながら、前記抵抗値が低い前記抵抗体から順に溶断するように前記複数の抵抗体に電流を印加し、
前記合成抵抗値が大きくなった時に、前記印加する電流を停止することを特徴とする高圧放電ランプの制御方法。

本発明の高圧放電ランプによれば、それぞれ異なる抵抗値を有する複数の抵抗体が、それぞれ並列接続されて、碍子の内部に配置されているので、合成抵抗値を確認することで抵抗体が溶断されているか否かを把握して、ランプ自体でランプの凡その使用時間を把握することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る高圧放電ランプの斜視図である。 図１に示す高圧放電ランプの側面図である。 図１に示す高圧放電ランプの断面図である。 図１に示す高圧放電ランプを、図３と直交する位置で切断した断面図を制御回路と共に示す図である。 本実施形態の高圧放電ランプがランプホルダに取り付けられた状態を示す斜視図である。 ランプの寿命時間を管理するための回路を示す図である。 従来の高圧放電ランプを示す断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る高圧放電ランプについて、図１～図５を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態の高圧放電ランプ１は、放電し光を発光するガラス製の発光管１０と、発光管１０からの光に指向性を持たせて出射するリフレクタ２０と、発光管１０とリフレクタ２０とをそれぞれ固定する碍子３０と、発光管１０と電気的に接続されるワイヤ１６、１７（図４参照）と、を主に備える。

図３に示すように、発光管１０は、一対の電極１１、１２が対向して配置される楕円体状の発光管部１３と、該発光管部１３の両端部に連接され、一対の電極１１、１２の長手軸線Ｘに沿って延びる一対の側管部１４、１５と、を有する。また、発光管部１３の内部空間内には、ハロゲンガス、水銀、始動用アルゴン等が封入されており、一対の側管部１４、１５は、発光管部１３の内部空間を封止する。なお、発光管部１３の形状は、球面状であってもよい。

リフレクタ２０は、長手軸線Ｘ方向の一方側に設けられ、一方の側管部１４が突出する開口部２１と、長手軸線Ｘ周りに形成される放物面状の反射面２２と、長手軸線Ｘ方向の他方側に形成され、他方の側管部１５が隙間を持って挿入可能な挿入孔２３と、を有する。なお、リフレクタ２０の反射面２２は、放物面状に限らず、楕円面状や球面状であってもよい。即ち、本発明のリフレクタの反射面は、球面状又は非球面状であればよい。

発光管１０は、一方の側管部１４内に延びる一方の電極１１をアノード（陽極）とし、他方の側管部１５内に延びる他方の電極１２をカソード（陰極）としている。一方の側管部１４の先端部、及び他方の側管部１５の基端部から延びる電線は、給電に用いられる一対のワイヤ１６、１７にそれぞれ接続されている。また、一対のワイヤ１６、１７は、点灯用電源３５に接続されている。なお、一方の側管部１４と接続されたワイヤ１６は、リフレクタ２０に取り付けられた受け台２４を介して外部に導出される。

リフレクタ２０は、椀状の底部の外側に碍子３０のベース部３１を被せ、その接合部を接着剤で固着している（図４参照）。また、碍子３０のベース部３１の筒状の中央部分は、リフレクタ２０の挿入孔２３内に挿入される他方の側管部１５の基端側部分を保持する保持部３２を備える。他方の側管部１５は、この保持部３２で碍子３０と接着剤で固定される。
したがって、リフレクタ２０及び発光管１０の他方の側管部１５は、碍子３０にそれぞれ固定され、リフレクタ２０と発光管１０とは接着されておらず、他方の側管部１５とリフレクタ２０の挿入孔２３との間の隙間は、空間ｓを形成する。

碍子３０は、上述したベース部３１と、保持部３２を含んで該ベース部３１の後方を覆うカバー部３３と、を有する。カバー部３３の底部３３ａは平坦に形成されている。
このため、この平坦な底部３３ａに図示しないランプ押さえカバーを当接させ、このランプ押さえカバーと図５に示すランプホルダ５０とを結合することで、ランプ１をランプホルダ５０に固定してもよい。

図３に戻って、碍子３０のベース部３１は、他方の側管部１５とリフレクタ２０の挿入孔２３との間の空間ｓと外部とを連通すると共に、他方の側管部１５を外部に開放した２つの開放部３４を有する。そして、図５に示すように、ランプ１がランプホルダ５０に取り付けられた状態において、ランプホルダ５０の後方でエアを引いて排気することで、ランプ１の前面から取り入れたエアが、空間ｓと開放部３４とを通過して、発光管１０を冷却する。したがって、空間ｓと開放部３４は、冷却路を形成する。

また、リフレクタ２０の開口部２１の外縁は、隅部が面取りされた略正方形状に形成されているが、４つの隅部の１つは、アライメント用の切り欠き２６とされ、３つの隅部と異なる形状とされている。これにより、ランプ１がランプホルダ５０に取り付けられると、ランプ１は、すべて同じ向きにアライメントされる。

発光管１０は、上側に位置する部分の温度が高くなるため、上側を通る空気の量を多くすると、冷却効率が上がる。
このため、ランプホルダ５０が組み込まれる照明装置において、碍子３０に形成された２つの開放部３４が上下方向に位置するように、ランプ１がアライメントされてランプホルダ５０に取り付けられることが好ましい。

また、上側に位置する開放部３４の開口面積を、下側に位置する開放部３４の開口面積よりも大きくなるように、碍子３０の形状を非対称にして、冷却効率をさらに高めてもい。例えば、本実施形態では、図１に示すように、開放部３４の開口隙間ｇは、長手軸線Ｘを通る２つの平面によって規定されており、該２つの平面によって形成される角度を変えることで、該開口隙間ｇ、ひいては、開口面積を変更することができる。

ここで、本実施形態のランプ１では、図４に示すように、碍子３０のベース部３１とカバー部３３とで囲まれる収容空間Ｓｐに、それぞれ異なる抵抗値を有し、それぞれ並列接続される複数（本実施形態では、２つ）の抵抗体３７，３８を備えている。
抵抗体３７，３８としては、白熱灯のフィラメントや金属ワイヤの他、金属皮膜抵抗、カーボン抵抗ヒューズ、バイメタル、熱電対等、電流を流したときに負荷を生じるものであればいずれでもよい。

これらの抵抗体３７，３８は、外部の給電ワイヤ３６を介して、抵抗体用電源３９と接続されており、また、給電ワイヤ３６を流れる電流を測定する測定部４０とも接続されている。
なお、抵抗体用電源３９及び測定部４０は、上述した点灯用電源３５と共に、タイマー４２を内蔵した制御装置４１に接続されている。

抵抗体３７、３８は、並列接続されているので、個々の抵抗の両端にかかる電圧は等しく、発生するジュール熱Ｐは、Ｖ^２／Ｒであるため、抵抗値が小さい方がジュール熱は大きくなる。

例えば、抵抗体３７、３８は、材質（ρ：抵抗率）、太さ（Ｓ：断面積）が同じで、長さｄ１、ｄ２（＞ｄ１）が異なるものとした場合、抵抗体３７，３８の抵抗値Ｒ１、Ｒ２は、Ｒ１＜Ｒ２となる。この場合、発生するジュール熱Ｐ１，Ｐ２は、
Ｐ１＝Ｖ^２／Ｒ１＝Ｖ^２／（ρｄ１／Ｓ）
Ｐ２＝Ｖ^２／Ｒ２＝Ｖ^２／（ρｄ２／Ｓ）
となる。
よって、Ｐ１／Ｐ２＝Ｒ１／Ｒ２＝ｄ２／ｄ１であるので、ジュール熱の比は、長さの比となる。

また、抵抗体３７、３８は、単位体積当たりに発生するジュール熱が一定の値を超えると、融け始める。
断面積Ｓは同じなので、単位体積当たりに発生するジュール熱としては、抵抗体３７は、抵抗体３８の４倍となり、抵抗体３７が先に溶けて断線する。したがって、ランプの使用時間が所定時間となった時点で、抵抗体用電源３９から所定の電圧を印加することで、抵抗値が低い抵抗体から順に溶断する。

具体的には、図４に示すように、制御装置４１に内蔵されたタイマー４２が、点灯用電源３５を監視することで、ランプ１の使用時間を計測する。そして、ランプ１の使用時間が第１の所定時間となった時点で、抵抗体用電源３９から第１の所定電圧を印加することで、抵抗値が低い抵抗体３７が溶断する。また、ランプ１の使用時間が第１の所要時間より長い第２の所定時間となった時点で、抵抗体用電源３９から第１の所定電圧より高い第２の所定電圧を印加することで、抵抗値が高い抵抗体３８が溶断する。

また、測定部４０にて給電ワイヤ３６を流れる電流を測定することで、これらの抵抗体３７，３８の合成抵抗値を把握する。そして、いずれの抵抗体３７、３８が溶断されているかどうかを確認することで、ランプの凡その使用時間を確認することができる。なお、各抵抗体の抵抗値を予め測定しておき、使用時間との関係はデータ化しておく。また、このデータは、テーブルとして制御装置４１に格納されていてもよい。

さらに、制御装置４１は、ランプ１の使用時間、即ち、測定部４０にて測定される抵抗体３７，３８の合成抵抗値に応じて、ランプ１に印加する点灯用電源３５の電圧を制御する。
なお、抵抗体３７，３８は、電圧制御だけでなく、電流制御や、電力制御であってもよい。

このように構成された高圧放電ランプ１は、図５に示すように、縦方向及び横方向に複数ずつ、ランプホルダ５０に装着されることで、露光装置用の光源部として適用される。したがって、各ランプ１の印加電圧を制御することで、各ランプ１からの均一な照度で露光用の光を照射することができる。

また、図示しない排気装置により、ランプホルダ５０の背面側のエアを排気することで、ランプホルダ５０の前面側からのエアを、各高圧放電ランプ１の空間ｓを冷却路としてランプ１に取り込むことで、各ランプ１を冷却することができる。なお、ランプホルダ５０の背面側は、ランプ押さえカバーと協働して密閉空間を構成し、該密閉空間からエアを排気するようにしてもよい。

この場合、碍子３０の開放部３４は、ランプ１を冷却するエアが通過するが、抵抗体３７、３８が配置される収容空間Ｓｐは、開放部３４に対して、リフレクタ２０と反対側で、碍子３０によって形成されている。これにより、抵抗体３７、３８の溶断が、開放部３４を通過するエアによって影響を受けるのを防止できる。

以上説明したように、本実施形態の高圧放電ランプ１によれば、それぞれ異なる抵抗値を有する複数の抵抗体３７、３８が、それぞれ並列接続されて、碍子３０の内部に配置されているので、合成抵抗値を確認することで抵抗体３７、３８が溶断されているか否かを把握して、ランプ自体でランプの凡その使用時間を把握することが可能となる。

また、本実施形態の高圧放電ランプの制御方法によれば、複数の抵抗体３７、３８は、抵抗値が低い抵抗体３７から順に溶断するように抵抗体用電源３９に印加する電圧を制御するので、合成抵抗値を確認することで抵抗体３７、３８が溶断されているか否かを把握して、ランプ自体でランプの凡その使用時間を把握することが可能となる。

さらに、複数の抵抗体３７、３８の合成抵抗値に応じて、高圧放電ランプ１への印加電圧を制御するので、ランプ１の使用時間に関わらず、均一な照度の露光用の光を照射することができる。

尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
例えば、本発明では、発光管とワイヤとの接続の仕方や、発光管内部の構成は、本実施形態のものに限定されず、従来の任意のものを適用することができる。

また、本発明では、図６に示すような回路を用いて、寿命時間の管理を行うようにしてもよい。即ち、直列に配置された抵抗体ｒｉとヒューズＦｉ（それぞれ、ｉ＝１，２，・・・，ｎ；ｎは２以上の整数）とが、並列にｎ列配置される。抵抗体ｒｉは、それぞれ抵抗値が異なり、ヒューズＦｉが切れる電流値はそれぞれ異なる。寿命時間を管理する際には、抵抗体用電源３９から異なる電流を流すことで、各ヒューズＦｉを所定時間経過するごとに切断する。なお、抵抗体用電源３９のｒは、電源の内部抵抗を表している。
また、抵抗体用電源３９の電圧を制御して、各ヒューズＦｉを順に切断することで、寿命時間の管理を行うようにしてもよい。
さらに、すべての抵抗体ｒｉとヒューズＦｉの合成抵抗値を判定回路にて判定することにより、ランプ１の仕様を判別することが可能である。この場合、仕様の異なるランプ１を点灯させた状態においても、寿命管理が可能となり、正常、且つ安全に点灯することができる。

尚、上記回路は、ヒューズＦｉを設けずに、抵抗値がそれぞれ異なる複数の抵抗体ｒｉを並列に配置するようにし、抵抗体用電源３９から異なる電流を流すことで、各抵抗体ｒｉが所定時間経過するごとに順に溶断するようにしてもよい。

以下、複数の抵抗体ｒｉを並列接続した回路に電流を流して、抵抗体ｒｉを溶断する２つの実施例について説明する。

（実施例１）
実施例１では、直径０．２ｍｍ、長さ５ｃｍのニクロム線からなる抵抗体ｒ１と、直径０．２ｍｍ、長さ１０ｃｍのニクロム線からなる抵抗体ｒ２とを有する２つの抵抗体を並列接続した回路を用いた。そして、上記回路に電流を流したところ、約４．５Ａで長さ５ｃｍの抵抗体ｒ１だけを溶断できることが確認された。

（実施例２）
実施例２では、直径０．２ｍｍ、長さ３ｃｍのニクロム線からなる抵抗体ｒ１と、直径０．３ｍｍ、長さ３ｃｍのニクロム線からなる抵抗体ｒ２と、０．４ｍｍ、長さ３ｃｍのニクロム線からなる抵抗体ｒ３と、を有する３つの抵抗体を並列接続した回路を用いた。
そして、上記回路に電流を流したところ、８Ａを流したところで、抵抗体ｒ３が赤熱し始め、１０Ａで抵抗体ｒ２が赤熱、１４Ａで抵抗体ｒ１が赤熱し始めた。さらに、１４Ａで電流を流し続けたところ、抵抗体ｒ３が溶断し、モニターしていた合成抵抗値が急激に大きくなった。このとき、電流を流すのを停止することで、抵抗体ｒ３だけを溶断することができた。
即ち、この例では、抵抗体の溶断と判断される大きさの合成抵抗値の上昇が検知されたときに、電流を流すのを一旦停止して、１つの抵抗体だけを溶断させるようにしている。
その後、同様に、電流を上昇させていき、抵抗体ｒ２、抵抗体ｒ１を順に溶断できることが確認された。

本発明は、２０１７年４月４日出願の日本特許出願（特願２０１７－０７４７４２）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

１ 高圧放電ランプ
１０ 発光管
１１、１２ 電極
１３ 発光管部
１４、１５ 側管部
２０ リフレクタ
２１ 開口部
２２ 反射面
２３ 挿入孔
３０ 碍子
３４ 開放部
３７、３８、ｒ１、ｒ２、ｒ３ 抵抗体
４１ 制御装置
Ｓｐ 収容空間

Claims (5)

1. 発光管と、
   前記発光管の長手軸線周りに形成される球面状又は非球面状の反射面と、前記発光管が隙間を持って挿入可能な挿入孔と、を有するリフレクタと、
   前記発光管と、前記リフレクタとがそれぞれ固定される碍子と、
   を備える高圧放電ランプであって、
   前記碍子の内部に配置され、それぞれ異なる抵抗値を有し、それぞれ並列接続される複数の抵抗体を具備し、
   前記複数の抵抗体に、前記発光管を点灯する点灯用電源とは別の抵抗体用電源から給電して順次溶断し、前記高圧放電ランプの使用時間を、前記複数の抵抗体の合成抵抗値に基づいて識別可能にしたことを特徴とする高圧放電ランプ。
2. 前記碍子は、前記発光管と前記リフレクタの挿入孔との間に形成された空間と外部とを連通する開放部を有し、
   前記複数の抵抗体が配置される収容空間は、前記開放部に対して、前記リフレクタと反対側で、前記碍子によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の高圧放電ランプ。
3. 請求項１又は２に記載の高圧放電ランプの制御方法であって、
   前記複数の抵抗体は、前記抵抗値が低い前記抵抗体から順に溶断するように前記抵抗体に印加する電圧を制御することを特徴とする高圧放電ランプの制御方法。
4. 前記複数の抵抗体の合成抵抗値に応じて、前記高圧放電ランプへの印加電圧を制御することを特徴とする請求項３に記載の高圧放電ランプの制御方法。
5. 請求項１又は２に記載の高圧放電ランプの制御方法であって、
   前記複数の抵抗体の合成抵抗値をモニターしながら、前記抵抗値が低い前記抵抗体から順に溶断するように前記複数の抵抗体に電流を印加し、
   前記合成抵抗値が大きくなった時に、前記印加する電流を停止することを特徴とする高圧放電ランプの制御方法。

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