JP2007005588A - 紫外線照射装置および光照射方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 紫外線照射装置は、放電容器の内部に一対の電極が対向配置され、特定量の水銀が封入されてなる紫外線放射ランプと、凹面反射鏡とを備えた光源ユニットが複数配設されてなる構成を有し、複数の光源ユニットにより2以上の光源ユニット群が形成されており、これらの光源ユニット群ごとに光源ユニットを構成する紫外線放射ランプの水銀の封入量が異なることを特徴とし、光照射方法は、上記紫外線照射装置を用い、紫外線照射対象体に応じて複数の光源ユニットのうちから作動させる光源ユニットを選択して光照射状態を制御することを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
本発明の他の目的は、複数種類の紫外線照射対象体の各々に対して、当該紫外線照射対象体に必要とされる波長領域の光を照射することのできる光照射方法を提供することにある。
前記複数の光源ユニットにより2以上の光源ユニット群が形成されており、これらの光源ユニット群ごとに光源ユニットを構成する紫外線放射ランプの水銀の封入量が異なることを特徴とする。
第2の光源ユニット群を形成する光源ユニットを構成する紫外線放射ランプの水銀の封入量が0.2mg/mm3 以上であることが好ましい。
紫外線照射対象体に応じて複数の光源ユニットのうちから作動させる光源ユニットを選択することにより、当該紫外線照射対象体に対する光照射状態を制御することを特徴とする。
この紫外線照射装置10は、0.08mg/mm3 以上の水銀が封入されてなる紫外線放射ランプ(23A、23B)と、凹面反射鏡21とを備えた光源ユニット(20A、20B)を複数(図の例においては25個)有し、これらの光源ユニット(20A、20B)が、支持部材12によって個別に支持され、互いに隣接する支持部材12の一の先端縁部12Aが接触した状態で密に配置されることにより、放物面あるいは楕円面に沿うように緩やかに湾曲した連続する光源ユニット配置用面に沿って格子状(図の例においては縦5列、横5行)に並設されてなる発光部11を備えてなる構成のものである。
図1において、16は発光部11から出射された光の光路上における、当該発光部11との離間距離が4m程度の位置に設けられた、発光部11から出射される光に係る照度ムラを改善する作用を有し、紫外線照射領域における照度分布を均一にするための光学素子であるインテグレータレンズであり、17はインテグレータレンズ16から出射された光を紫外線照射領域に反射させる折り返しミラーであり、18は紫外線照射対象体1における紫外線を照射すべき領域に対応した位置のみに紫外線透過部が形成されたマスク18Aを支持するためのマスクステージであり、19は紫外線照射領域に設けられた、紫外線照射対象体1を載置するためのワークステージである。また、同図においては、発光部11から出射された光が紫外線照射領域に至るまでの光路を矢印で示した。
この図の例においては、光源ユニット配置用面に沿った発光部11おける矩形状の中央領域(図2における破線で囲まれた領域)に縦3列、横3行に配設された合計9個の第1の光源ユニット20Aによって第1の光源ユニット群が形成されており、一方、当該発光部11における枠状の周辺領域に、第1の光源ユニット20Aの配置された中央領域を取り囲むように配設された合計16個の第2の光源ユニット20Bによって第2の光源ユニット群が形成されている。
この第1の光源ユニット20Aにおいては、第1の紫外線放射ランプ23Aは、凹面反射鏡21の反射空間内に、凹面反射鏡21の第一焦点と当該第1の紫外線放射ランプ23Aの電極間に形成されるアークの輝点とが一致し、かつ凹面反射鏡21の光軸と当該第1の紫外線放射ランプ23Aのアーク軸とが一致するように略水平に配置されている。
この第1の紫外線放射ランプ23Aおよび第2の紫外線放射ランプ23Bの各々における電極間距離は、当該第1の紫外線放射ランプ23Aおよび第2の紫外線放射ランプ23Bの各々の水銀の封入量、第1の光源ユニット20Aおよび第2の光源ユニット20Bを構成する点灯装置の構成などに基づいて適宜に設定される。
この凹面反射鏡21を構成する反射面は、誘電体多層膜などよりなり、少なくとも波長300〜450nmの紫外領域の光を反射し、可視領域の光および赤外領域の光を透過する特性を有するものである。
紫外線照射装置10によれば、このように作動させる光源ユニットを選択して紫外線照射対象体1に対する光照射状態を制御することにより、紫外線照射対象体1に対して、当該紫外線照射対象体1に必要とされる波長領域の光を照射することができる。
従って、紫外線照射装置10によれば、発光部11から出射される光に高い集光性が得られると共に、インテグレータレンズ16が、複数個のレンズセル(16A)からなる集合レンズであり(図6および図7参照)、このレンズセル(16A)の各々が入射された光のうちの特定の入射角度以下の範囲内で入射したもののみを有効な光として出射することのできるものであり、この範囲外、すなわち特定の角度より大きな入射角度で入射した光はインテグレータレンズ16から出射したとしても紫外線照射処理に有効なものでなく、紫外線照射装置10の紫外線照射処理に利用されることのない光となるという特性を有し、その光の取り込み角度(以下、「光取込み角度」ともいう。)が制限されたものであっても、インテグレータレンズ16に入射される光の大部分が当該インテグレータレンズ16の光取込み角度を有するものとなるため、第1の紫外線放射ランプ23Aから放射されて第1の光源ユニット20Aから投射される光および第2の紫外線放射ランプ23Bから放射されて第2の光源ユニット20Bから投射される光を共に高い効率で利用することができる。
なお、インテグレータレンズを用いた光学系において、利用されることのない光の量を低減し、高い効率で光を利用するための一つの方法として、インテグレータレンズの前後の位置に、コンデンサーレンズよりなるインプットレンズおよびアウトプットレンズを配置することが考えられるが、紫外線照射装置においては、コンデンサーレンズとして、紫外領域の光を透過する特性を有する、合成石英ガラスよりなるものを用いる必要があるため、紫外線照射装置が高コスト化してしまう、という問題がある。例えば、インテグレータレンズとして350mm×350mm角のものを用いる場合には、コンデンサーレンズとして直径500mm程度のものが必要となるが、このような大型の合成石英ガラス製のレンズを用いることは現実的ではない。
従って、紫外線照射装置10においては、発光部11を形成するすべての光源ユニット20A、20Bを構成する紫外線放射ランプ23A、23Bの使用寿命がほぼ同一となることから、当該発光部11に係る複数の紫外線放射ランプ23A、23Bの交換作業をランプごとに個別に行う必要なく、一斉に行うことができ、また、すべての光源ユニット20A、20Bに同一構成の点灯装置を用いることができるため、光源ユニットの種類に応じて異なる構成の点灯装置を用いることによってランプ電流を同一にするための調整を行う場合に比してその製造コストが安価となる。
例えば、紫外線照射装置は、図4に示すように、複数の光源ユニット20A、20Bが、支持部材12によって個別に支持され、これらのすべての光源ユニット20A、20Bの光軸が平行となるよう、互いに隣接する支持部材12の一の側面12Bが接触した状態で密に、かつ周辺領域側に位置する光源ユニットが中央領域側に位置する光源ユニットに比して光源ユニットの光軸と垂直で各光源ユニット20A、20Bの光投射方向(図4における右方)に位置する任意平面との離間距離が小さくなるよう配置されることにより、格子状に並設されてなる発光部31を備えてなる構成のものであってもよい。
ここに、図4の紫外線照射装置は、図1に示した紫外線照射装置10において、発光部11に代えて発光部31を備えてなるものであること以外は紫外線照射装置10と同様の構成を有するものであり、発光部31は、当該発光部31を形成する複数の光源ユニット20A、20Bが緩やかに湾曲した光源ユニット配置用面に沿って並設されていないこと以外は紫外線照射装置10の発光部11と同様の構成を有するものであり、さらに発光部31を形成する複数の光源ユニット20A、20Bは、紫外線照射装置10の発光部11に係る第1の光源ユニット20Aおよび第2の光源ユニット20Bと同様の構成を有するものである。
なお、図4は、発光部31における、図1に係る紫外線照射装置10における発光部11を示す図2のA−A線断面に対応する断面を示すものである。
先ず、図1に示されている構成に従い、紫外線放射ランプ(23A、23B)と、石英ガラスよりなる凹状の基材の内表面に誘電体多層膜よりなる反射面が設けられた、焦点距離が7.6mm、光投射口(21A)の大きさが60mm×60mm角の凹面反射鏡(21)と、点灯装置とを備えた2種類の光源ユニット(20A、20B)を合計25個有し、これらの光源ユニット(20A、20B)が、緩やかに湾曲した連続する光源ユニット配置用面に沿って縦5列、横5行に格子状に並設されてなる発光部(11)を備えてなる、実験用紫外線照射装置(以下、「実験装置(1)」ともいう。)を作製した。
また、第1の光源ユニット(20A)を構成する紫外線放射ランプ(23A)としては、水銀の封入量が0.08mg/mm3 であって電極間距離が1.8mmであり、また、発光管部(24A)の容積が100mm3 、当該発光管部(24A)の最大外径が12mm、封止管部(24B)の外径が6mm、当該封止管部(24B)の長さが30mmである石英ガラス製の放電容器(24)を備え、発光空間内にタングステンよりなる一対の電極が対向配置されてなる構成を有し、定格電圧が85V、定格消費電力が250Wであり、図5において破線で示すスペクトルが得られる超高圧水銀ランプを用いた。
第2の光源ユニット(20B)を構成する紫外線放射ランプ(23B)としては、水銀の封入量が0.30mg/mm3 であって電極間距離が1.0mmであること以外は第1の光源ユニット(20A)を構成する紫外線放射ランプ(23A)と同様の構成を有し、図5において実線で示すスペクトルが得られる超高圧水銀ランプを用いた。
なお、第1の光源ユニット(20A)および第2の光源ユニット(20B)を構成する点灯装置としては、同一の構成を有するものを用いた。
図6および図7は、各々、実験装置(1)または実験装置(2)に係る発光部11から出射された光がインテグレータレンズ16に入射する状態を模式的に示す説明図であり、この図6および図7に係る発光部11は、図1に係る紫外線照射装置10における発光部11を示す図2のA−A線断面に対応する断面を示すことによって表されている。同図において、16Aは、インテグレータレンズ16としての集合レンズを構成するレンズセルであり、また、発光部11とインテグレータレンズ16とを結ぶ実線は、当該発光部11を構成する周辺位置に配置された光源ユニット(図6および図7における上から一番目の光源ユニットおよび下から一番目の光源ユニット)と、中心位置に配置された光源ユニット(図6および図7における上から3番目の光源ユニット)との合計3個の光源ユニットから投射された光の光路を示すものであり、この光路上における斜線を付した部分は、インテグレータレンズ16の光の光取込み角度よりも大きな角度で入射する光に係る光線領域を示している。
一方、実験装置(2)においては、図7に示されるように、投射される光の発散度合いが大きな第1の光源ユニット20Aが周辺領域に、また投射される光の発散度合いの小さな第2の光源ユニット20Bが中央領域に配置されていることにより、第2の光源ユニット20Bから投射される光は、何ら問題なくインテグレータレンズ16に対する入射角度が、当該インテグレータレンズ16の光取込み角度の範囲内に収まるが、第1の光源ユニット20Aから投射される光は、それ自体の発散度合いが大きい上に、発光部11の周辺領域に配置されたことに起因してインテグレータレンズ16に対する入射角度が更に全体的に大きくなることから、その多くの光が当該インテグレータレンズ16の光取込み角度より大きな入射角度を有するものとなり、その結果、紫外線照射領域に対する紫外線照射処理に利用することのできる光の割合が小さくなることが確認された。また、この実験装置(2)について、インテグレータレンズ16から出射された光における波長330〜390nmの領域の光の紫外線出力値を測定したところ、187Wであった。
図1に示されている構成に基づいて、紫外線放射ランプと、石英ガラスよりなる凹状の基材の内表面に誘電体多層膜よりなる反射面が設けられた、焦点距離が7.6mm、光投射口の大きさが60mm×60mm角の凹面反射鏡と、点灯装置とを備えた1種類の光源ユニットを合計132個有し、これらの光源ユニットが、緩やかに湾曲した連続する光源ユニット配置用面に沿って縦12列、横11行に格子状に並設されてなる、図8に示すような発光部32を備えてなる、第1の実験用紫外線照射装置(以下、「実験装置(2A)」ともいう。)、第2の実験用紫外線照射装置(以下、「実験装置(2B)」ともいう。)、第3の実験用紫外線照射装置(以下、「実験装置(2C)」ともいう。)、第4の実験用紫外線照射装置(以下、「実験装置(2D)」ともいう。)、第5の実験用紫外線照射装置(以下、「実験装置(2E)」ともいう。)および第6の実験用紫外線照射装置(以下、「実験装置(2F)」ともいう。)を作製した。
また、実験装置(2A)においては、インテグレータレンズとして、350mm×350mm角のものを用い、このインテグレータレンズを発光部32との離間距離が4000mmの位置に配置した。
作製した実験装置(2C)においては、光源ユニットを構成する紫外線放射ランプとして、水銀の封入量が0.18mg/mm3 であって電極間距離が1.3mmであること以外は実験装置(2A)に係る超高圧水銀ランプと同様の構成を有する超高圧水銀ランプを用いた。
作製した実験装置(2D)においては、光源ユニットを構成する紫外線放射ランプとして、水銀の封入量が0.16mg/mm3 であって電極間距離が1.4mmであること以外は実験装置(2A)に係る超高圧水銀ランプと同様の構成を有する超高圧水銀ランプを用いた。
作製した実験装置(2E)においては、光源ユニットを構成する紫外線放射ランプとして、水銀の封入量が0.14mg/mm3 であって電極間距離が1.5mmであること以外は実験装置(2A)に係る超高圧水銀ランプと同様の構成を有する超高圧水銀ランプを用いた。
作製した実験装置(2F)においては、光源ユニットを構成する紫外線放射ランプとして、水銀の封入量が0.10mg/mm3 であって電極間距離が1.8mmであること以外は実験装置(2A)に係る超高圧水銀ランプと同様の構成を有する超高圧水銀ランプを用いた。
硬化状態の評価は、未硬化状態であって、実用上問題がある場合を「1」、硬化した部分と未硬化の部分とが混在しており、実用上問題がある場合を「2」、実用上問題のない最低限のレベルの硬化状態が得られた場合を「3」、実用上問題のない最低レベルを上回る硬化状態ではあるが最高レベルには至らない硬化状態が得られた場合を「4」、最高レベルの硬化状態が得られた場合を「5」と評価した。
図1に示されている構成に基づいて、紫外線放射ランプと、石英ガラスよりなる凹状の基材の内表面に誘電体多層膜よりなる反射面が設けられた凹面反射鏡と、点灯装置とを備えた2種類の光源ユニットを合計156個有し、これらの光源ユニットが、緩やかに湾曲した連続する光源ユニット配置用面に沿って縦13列、横12行に格子状に並設されてなる、図9に示すような発光部33を備えてなる紫外線照射装置(以下、「紫外線照射装置(1)」ともいう。)を作製した。
また、第1の光源ユニットを構成する紫外線放射ランプとしては、水銀の封入量が0.08mg/mm3 であって電極間距離が1.8mmであり、また、発光管部の容積が100mm3 、発光管部の最大外径が12mm、封止管部の外径が6mm、当該封止管部の長さが30mmである石英ガラス製の放電容器を備え、発光空間内にタングステンよりなる一対の電極が対向配置されてなる構成を有し、定格電圧が85V、定格消費電力が250Wであり、図5において破線で示すスペクトルが得られる超高圧水銀ランプを用いた。
第2の光源ユニットを構成する紫外線放射ランプとしては、水銀の封入量が0.30mg/mm3 であって電極間距離が1.0mmであること以外は第1の光源ユニットを構成する紫外線放射ランプと同様の構成を有し、図5において実線で示すスペクトルが得られる超高圧水銀ランプを用いた。
なお、第1の光源ユニットおよび第2の光源ユニットを構成する点灯装置としては、同一の構成を有するものを用いた。
また、一の光源ユニットを構成する紫外線照射ランプに対して250Wの電力を供給し、装置全体に供給される総電力が30kWとなる条件下において、すべての第1の光源ユニットと共に、第2の光源ユニットのうちの選択された合計40個を作動させる作動条件(表2中において、「作動条件(1−2)」と示す。)で紫外線照射領域に光を照射した場合の当該紫外線照射領域における波長300〜330nmの光の領域の照射量および波長330〜390nmの領域の光の照射量を確認した。結果を表2に示す。
硬化状態の評価は、未硬化状態であって、実用上問題がある場合を「1」、硬化した部分と未硬化の部分とが混在しており、実用上問題がある場合を「2」、実用上問題のない最低限のレベルの硬化状態が得られた場合を「3」、実用上問題のない最低レベルを上回る硬化状態ではあるが最高レベルには至らない硬化状態が得られた場合を「4」、最高レベルの硬化状態が得られた場合を「5」と評価した。
また、この紫外線照射装置(1)によれば、大きな紫外線照射領域が得られることが確認された。
実施例1において、図10に示すように、発光部34として、2種類の光源ユニットを合計196個有し、発光部34の中央領域(図10において斜線を付した領域)における、右から第3列目〜第12列目の上から第3行目〜第12行目とに配設された合計100個の第1の光源ユニットによる第1の光源ユニット群と、当該発光部34の周辺領域に、第1の光源ユニットの配置された中央領域を取り囲むように配設された合計96個の第2の光源ユニットによる第2の光源ユニット群とが形成されているものを用いたこと以外は、実施例1に係る紫外線照射装置(1)と同様の構成を有する紫外線照射装置(以下、「紫外線照射装置(2)」ともいう。)を作製した。
また、一の光源ユニットを構成する紫外線照射ランプに対して250Wの電力を供給し、装置全体に供給される総電力が30kWとなる条件下において、すべての第1の光源ユニットと共に、第2の光源ユニットのうちの選択された合計20個を作動させる作動条件(表3中において、「作動条件(2−2)」と示す。)で紫外線照射領域に光を照射した場合の当該紫外線照射領域における波長300〜330nmの領域の光の照射量および波長330〜390nmの領域の光の照射量を確認した。結果を表3に示す。
また、この紫外線照射装置(2)によれば、大きな紫外線照射領域が得られることが確認された。
10 紫外線照射装置
11 発光部
12 支持部材
12A 先端縁部
12B 側面
16 インテグレータレンズ
16A レンズセル
17 折り返しミラー
18 マスクステージ
18A マスク
19 ワークステージ
20A 第1の光源ユニット
20B 第2の光源ユニット
21 凹面反射鏡
21A 光投射口
22 前面ガラス
23A 第1の紫外線放射ランプ
23B 第2の紫外線放射ランプ
24 放電容器
24A 発光管部
24B 封止管部
31、32、33、34 発光部
Claims (7)
- 放電容器の内部に一対の電極が対向配置され、0.08mg/mm3 以上の水銀が封入されてなる紫外線放射ランプと、凹面反射鏡とを備えた光源ユニットが複数配設されてなる構成の紫外線照射装置であって、
前記複数の光源ユニットにより2以上の光源ユニット群が形成されており、これらの光源ユニット群ごとに光源ユニットを構成する紫外線放射ランプの水銀の封入量が異なることを特徴とする紫外線照射装置。 - 第1の光源ユニット群を形成する光源ユニットを構成する紫外線放射ランプの水銀の封入量がamg/mm3 (但し、aは0.08以上の数を示す。)であるとき、第2の光源ユニット群を形成する光源ユニットを構成する紫外線放射ランプの水銀の封入量が1.2amg/mm3 であることを特徴とする請求項1に記載の紫外線照射装置。
- 第1の光源ユニット群を形成する光源ユニットを構成する紫外線放射ランプの水銀の封入量が0.08〜0.18mg/mm3 であり、
第2の光源ユニット群を形成する光源ユニットを構成する紫外線放射ランプの水銀の封入量が0.2mg/mm3 以上であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の紫外線照射装置。 - 複数の光源ユニットが並設されており、当該複数の光源ユニットのうちの水銀の封入量が小さな紫外線放射ランプを備えた光源ユニットが中央領域に配置されており、水銀の封入量が大きな紫外線放射ランプを備えた光源ユニットが周辺領域に配置されていることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載の紫外線照射装置。
- 複数の光源ユニットを構成する紫外線放射ランプは、水銀の封入量が大きいものほど電極間距離が小さいことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれかに記載の紫外線照射装置。
- すべての光源ユニットを構成する紫外線放射ランプの各々が同一構成の点灯装置により点灯されることを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれかに記載の紫外線照射装置。
- 請求項1〜請求項6のいずれかに記載の紫外線照射装置を用いて紫外線照射対象体に対して光を照射する光照射方法であって、
紫外線照射対象体に応じて複数の光源ユニットのうちから作動させる光源ユニットを選択することにより、当該紫外線照射対象体に対する光照射状態を制御することを特徴とする光照射方法。
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