JP4670739B2

JP4670739B2 - 光源ユニット及び照射装置

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Publication number: JP4670739B2
Application number: JP2006158100A
Authority: JP
Inventors: 賢二今村; 謙輔福島
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2006-06-07
Filing date: 2006-06-07
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2026-06-07
Also published as: JP2007328973A

Description

本発明は、超高圧水銀放電ランプのような高輝度放電ランプを備えた光源ユニット、及びその光源ユニットを複数個並設して構成した光照射装置に関する。

従来から、例えば、半導体集積回路基板や液晶書表示基板等の露光装置において、発光管内に、発光物質として主として水銀を０．０１〜０．０５ｍｇ／ｍｍ^３程度封入し、入力電力が数ｋＷから数十ｋＷの大型の高圧水銀ランプが露光用光源として用いられてきた。

近年においては、例えば、液晶表示基板の大面積化が要求されており、このような要求に答えるべく、光照射領域を拡大した露光装置が必要とされている。光照射領域の拡大化を図るための一手段として、露光用光源の大型化を図ることが行われている。しかし、露光用光源に用いられる高圧水銀ランプを大型化することは、高圧水銀ランプを構成する発光管や電極を大型化するということであり、ランプの製作工数が大幅に増加し、製造コストが上昇するという問題がある。

一方、最近になって、小型ランプとこの小型ランプを囲むように配置された凹面反射ミラーとからなる光源ユニットを多数組み合わせた光照射装置によって光照射領域の拡大を図ることが検討されている。このような光源部を備えた光照射装置が、例えば、特許文献１に開示されている。この光照射装置は、データプロジェクタ等の照射用光源として、好適に使用されている高圧水銀ランプよりも点灯時の動作電圧が高い超高圧水銀放電ランプが使用されている。

特開２００４−３６１７４６号公報

しかし、このような超高圧水銀放電ランプを多数灯配列する場合には、電源部から放電ランプまで多数灯分の高圧配線が必要となる。さらに、放電ランプの始動には高電圧が必要であり、高圧配線することは高圧印加時に電波ノイズの発生原因ともなり、また、電源部と放電ランプ間の配線距離が長いと電圧降下による点灯不良の原因ともなる。これらの理由から、放電ランプから近距離の位置に電源部を配置することが望まれる。

しかし、光源部と電源部とからなる光源ユニットを多数上下左右に近づけて配置して光照射装置を構成する場合、光源部と電源部を前後に近距離に配置することが好ましいが、光源部を構成する放電ランプと凹面反射ミラーとが非常に高温になる。この高熱が光源部から電源部に高温のまま到ると、電源部が熱によって破損してしまうために遮熱対策を施さなければならないという問題がある。
電源部の使用周囲温度は、安全規格及び回路使用部分の使用温度条件から、冷却風の送風能力を考慮して、電源部の動作時使用周囲温度は一般に０℃〜６０℃であり、この温度条件を維持するためには電源部の冷却をどうすべきかが実用上の重要な技術上の問題となる。

しかし、従来、光源部と電源部とを近距離に配置する場合、特に、発光管温度が点灯時に９００℃を越える超高圧水銀放電ランプを光源とする光源部と電源部とを近接させて配置させて光源ユニットを構成する場合、どのような構造にすれば必要な冷却が確保された光源ユニットが実現できるかは具体的には知られていない。

本発明の目的は、上記の問題点に鑑み、放電ランプを光源とする光源部と電源部とを前後に配置して構成した光源ユニットにおいて、電源部が高温になって破損することのない光源ユニット、及びこの光源ユニットを複数個並設して構成した光照射装置を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するために、次のような手段を採用した。
第１の手段は、筒状の外側ケース内に、放電ランプと凹面反射ミラーとからなる光源部と、前記放電ランプへ電力を供給する電源部とを備えた光源ユニットにおいて、前記外側ケース内の前後に前記光源部と前記電源部とを配列し、前記光源部を冷却する冷却風経路を流通する冷却風を吸引する第１の吸引ファンと、該第１の吸引ファンから排出された冷却風と、前記光源部を冷却する冷却風経路と分離独立された前記電源部を冷却する冷却風経路を流通する冷却風と、を吸引する第２の吸引ファンとを備え、前記外側ケース前面から冷却風を導入し、前記外側ケース後方から冷却風を排出するようにしたことを特徴とする光源ユニットである。
第２の手段は、筒状の外側ケース内に、放電ランプと凹面反射ミラーとからなる光源部と、前記放電ランプへ電力を供給する電源部とを備えた光源ユニットにおいて、前記外側ケースと後述する第１の内側ケースとの間の前方に設けられた冷却風を導入する第１の通風口と、前記外側ケース内に配置され、前記光源部を収容し、前記第１の通風口から導入された冷却風を前記光源部に導入する第２の通風口を備える第１の内側ケースと、前記外側ケース内に配置され、前記第１の内側ケースに導入された冷却風を排出する第１の吸引ファンと、前記外側ケース内に配置され、前記電源部を収容し、前記第１の通風口から導入された冷却風を前記電源部に導入する第３の通風口を備える第２の内側ケースと、前記外側ケースと前記第２の内側ケース間に配置され、前記第１の吸引ファンから排出された冷却風が前記第３の通風口に流入することを阻止する遮断壁と、前記外側ケースと前記第２の内側ケース間に設けられ、前記第１の吸引ファンから排出された冷却風を流通させる通風路と、前記外側ケース内に配置され、前記第２の内側ケースに導入された冷却風を排出するとともに、前記通風路を流通する冷却風を排出する第２の吸引ファンと、からなることを特徴とする光源ユニットである。
第３の手段は、筒状の外側ケース内に、放電ランプと凹面反射ミラーとからなる光源部と、前記放電ランプへ電力を供給する電源部とを備えた光源ユニットにおいて、前記外側ケースは上下左右４側面を有し、前記外側ケースと後述する第１の内側ケースとの間の前方に設けられた冷却風を導入する第１の通風口と、前記外側ケース内に配置され、前記光源部を収容する上下左右４側面を有し、該上下左右４側面のうち上下２側面または上下左右４側面に前記第１の通風口から導入された冷却風を前記光源部に導入する第２の通風口を備える第１の内側ケースと、前記外側ケース内に配置され、前記第１の内側ケースに導入された冷却風を排出する第１の吸引ファンを備えた上下左右４側面を有する第１の吸引ファン枠と、前記外側ケース内に配置され、前記電源部を収容する上下左右４側面を有し、該上下左右４側面のうち左右２側面に前記第１の通風口から導入された冷却風を前記電源部に導入する第３の通風口を備える第２の内側ケースと、該第２の内側ケースの上下左右４側面の上下２側面と左右２側面間の冷却風の流通を阻止する遮断壁と、前記外側ケース、前記遮断壁、及び前記第２の内側ケースの上下２側面間に形成され、前記第１の吸引ファンから排出された冷却風を流通させる通風路と、前記外側ケース内に配置され、前記第２の内側ケースに導入された冷却風を排出するとともに、前記通風路を流通する冷却風を排出する第２の吸引ファンを備えた上下左右４側面を有する第２の吸引ファン枠と、からなることを特徴とする光源ユニット。
第４の手段は、第１の手段ないし第３の手段のいずれか１つの手段に記載の光源ユニットの複数個を近接して並設配置したことを特徴とする光照射装置である。

本発明の光源ユニットによれば、光源部後方にある電源部を動作中での温度条件値内に冷却した状態に維持することができるので、連続使用に耐えうる光源ユニットを実現することができる。
また、本発明の光源ユニットによれば、外側ケースは遮光の役割も果たすので、光源ユニットを複数個近接配置しても、１つの光源ユニットの外側ケースから光が外部に漏れ、その光によって周囲の外側ケースの温度が上昇してしまうことを防止することができる。
また、光源ユニットの外側ケースの動作温度を所定の温度に維持することができるので、超高圧水銀放電ランプのような放電ランプを備えた光源ユニットを多段に複数個近接配置することが可能となり、大型の高圧水銀ランプを有する光照射装置に代えて小型の高圧水銀ランプを有する光照射装置を実現することができる。

本発明の第１の実施形態を図１ないし図５を用いて説明する。
図１は、本実施形態の発明に係る光源ユニットの外観を示す斜視図、図２は光源ユニットの外側ケース内の構造を示す斜視図、図３（ａ）は光源ユニットの正面図、図３（ｂ）は光源ユニットの側面断面図、図４は光源ユニットの平面断面図である。

これらの図において、１は筒状の上下左右４側面を有する光源ユニットの外側ケース、２１は外側ケース１と第１の内側ケース４との間の前方の上下に設けられた第１の通風口、２２は外側ケース１と第１の内側ケース４との間の前方の左右に設けられた第１の通風口、３は光源ユニットの前面に設けられた前面ガラス、４は光源部１５を内蔵する上下左右４側面を有する第１の内側ケース、５１は冷却風を第１の内側ケース４内に導入するために第１の内側ケース４の上下２側面の前方に設けられた第２の通風口、５２は冷却風を第１の内側ケース４内に導入するために第１の内側ケース４の上下２側面の後方に設けられた第２の通風口、５３は冷却風を第１の内側ケース４内に導入するために第１の内側ケース４の左右２側面に設けられた第２の通風口、６は第１の内側ケース４内に冷却風を導入し排出する第１の吸引ファン１２を内蔵する第１の吸引ファン枠、７は電源部１８を内蔵する上下左右４側面を有する第２の内側ケース、８は冷却風を第２の内側ケース７内に導入するために第２の内側ケース７の左右２側面に設けられた第３の通風口、９は上部が外側ケース１の内面に密着し、第２の内側ケース７の上下２側面上と左右２側面上間の冷却風の流通を阻止する遮断壁、１０は、第１の吸引ファン枠６と第２の吸引ファン枠１１間にあって、外側ケース１内面と遮断壁９と第２の内側ケース７の上下２側面との間に形成された通風路、１１は、通風路１０を流通した冷却風を排出するとともに、第２の内側ケース７内に冷却風を導入し排出する第２の吸引ファン１４を内蔵する第２の吸引ファン枠、１２は第１の吸引ファン枠６内の前部に設けられた第１の吸引ファン、１３は第１の吸引ファン枠６の後部に設けられた冷却室、１４は第２の吸引ファン枠１１内に設けられた第２の吸引ファン、１５は第１の内側ケース４に内蔵された光源部、１６は光源部１５を構成する超高圧水銀放電ランプ等の放電ランプ、１７は光源部１５を構成する凹面反射ミラー、１８は第２の内側ケース７に内蔵された電源部、１９は電源部ヒートシンク部、２０は凹面反射ミラーベースキャップ、２３は凹面反射ミラーベース、２４は排風穴である。

なお、電源部１８は、放電ランプ１６の点灯時の放電開始に必要な高電圧発生回路部と点灯時の放電電流を供給する給電回路部等からなるが、少なくとも前記高電圧発生回路部を含む回路部を内蔵するものである。すなわち、電源部１８に、放電電流を供給する給電回路部及び冷却のための吸引ファン１２、１４を駆動するための駆動電源回路部等を内蔵することは必須要件でなく、これらを光源ユニットの外部に設置するようにしてもよい。

次に、図１ないし図４を用いて、光源部１５の冷却及び冷却流路について説明する。
まず、図３に示すように、第１の通風口２１から第１の吸引ファン１２によって吸引された冷却風の一部は、第２の通風口５１から凹面反射ミラー１７内に導入されて放電ランプ１６を冷却する。放電ランプ１６を冷却後の冷却風は、凹面反射ミラーベース２３の排風穴２４から凹面反射ミラー１７の外に出て、凹面反射ミラーベースキャップ２０間を経て第１の吸引ファン１２によって排出される。また、第１の通風口２１から第１の吸引ファン１２によって吸引された冷却風の一部は、第２の通風口５２から第１の内側ケース４内に導入され、その後、第１の吸引ファン１２によって排出される。また、第１の通風口２２から第１の吸引ファン１２によって吸引された冷却風の一部は、第２の通風口５３から凹面反射ミラー１７の外側に導入され、凹面反射ミラー１７外側を冷却後、凹面反射ミラーベースキャップ２０間を経て第１の吸引ファン１２によって排出される。第１の吸引ファン１２によって排出された冷却風は冷却室１３に導入される。さらに冷却室１３に導入後排出された冷却風は、通風路１０を通って、第２の吸引ファン１４によって吸引され、第２の吸引ファン枠１１外に排出される。

ここで、凹面反射ミラーベースキャップ２０の機能について述べる。第１の内側ケース４内を流通する冷却風は、第２の通風口５１から凹面反射ミラー１７内の放電ランプ１６を冷却した後、凹面反射ミラーベース２３に開口された排風穴２４から出てきて第１の吸引ファン１２により吸引される冷却風と、第２の通風口５２から第１の吸引ファン１２によって吸引された低温度の冷却風と、第２の通風口５３から凹面反射ミラー１７の外表面を冷却して第１の吸引ファン１２によって吸引される冷却風とがある。これらの冷却風の風量バランスは、ランプ電力や凹面反射ミラー１７によって最適に設計されるが、凹面反射ミラーベースキャップ２０は、お互いの冷却風が干渉し流れを損なうことなく第１の吸引ファン１２に吸引される役割を果たす。なお、凹面反射ミラーベースキャップ２０を付ける必要のない場合もある。

次に、図１ないし図４を用いて、電源部１８の冷却及び冷却流路について説明する。
まず、図４に示すように、第１の通風口２２から第２の吸引ファン１４によって吸引された冷却風は、外側ケース１内の左右２側面と第１の内側ケース４の左右２側面及び第１の吸引ファン枠６の左右２側面間に形成される空間を通って、第３の通風口８から第２の内側ケース７内に導入される。第２の内側ケース７内に導入された冷却風は、電源部１８を冷却後、第２の吸引ファン１４によって第２の吸引ファン枠１１の外部に排出される。

上記のごとく、光源部１５を冷却後の冷却風は、遮断壁９によって遮断された通風路１０を通って第２の吸引ファン１４によって第２の吸引ファン枠１１の外部に排出されるように構成されている。そのため、光源部１５を冷却後の冷却風は、第２の内側ケース７に設けられた第３の通風口８に導入されることがない。一方、電源部１８を冷却する冷却風は、第１の通風口２２から導入され、光源部１５の冷却に関与することなく、電源部１８のみを冷却するために第３の通風口８から第２の内側ケース７内に導入される。すなわち、光源部１５を冷却する冷却風経路と電源部１８を冷却する冷却風経路とが分離独立し区画されている。

ここで、第１の通風口２１，２２から吹き込む風量は０．１８ｍ^３／ｍｉｎ、第１の吸引ファン１２の定格風量は０．９ｍ^３／ｍｉｎ、第２の吸引ファン１４の定格風量は１．１ｍ^３／ｍｉｎ、放電ランプ１６の点灯電力，電流はＤＣ３００Ｗ，３．５Ａ、外側ケース１の外形寸法は幅９４ｍｍ×高さ９０ｍｍ×長さ４００ｍｍ、凹面反射ミラー１７の開口部形状寸法は７０ｍｍ×６５ｍｍ、凹面反射ミラー１７の反射部肉厚は４．５ｍｍである。

次に、光源ユニットを構成する各部の動作温度について説明する。
光源ユニットを構成する各部の温度は、各部においてそれぞれ異なっており、各部における動作温度条件を守ることは重要であり、光源ユニットの寿命に大きく影響する。
光源ユニットにおいて、最も高温となる部品は光源部１５における放電ランプ１６である。放電ランプ１６が超高圧水銀放電ランプである場合は、放電ランプ１６の発光部のバルブ表面温度は８５０℃〜１０５０℃に維持するように冷却する必要がある。また、凹面反射ミラー１７の材料として、硼珪酸ガラスを使用した場合は、５００℃以下に冷却する必要がある。また、電源部１８は使用周囲温度は６０℃以下であり、電源部ヒートシンク部１９の温度は９０℃以下にすることが動作時温度条件である。また、吸引ファン１２，１４に直流ファンを使用する場合は、使用周囲温度は７０℃以下にする必要がある。

光源ユニットの各部の温度以外に、光源ユニットの各部を冷却ファン１２，１４によって吸排気する冷却風の温度を考慮する必要がある。本実施形態の光源ユニットによれば、光源部１５を冷却後の冷却風に対して、第２の通風口５２から低温度の冷却風を導入させて合流させることにより、第１の吸引ファン１２に吸引される冷却風の温度低下を図っている。また、冷却室１３を設けることにより、第１の吸引ファン１２から排出された冷却風を一次溜りさせることにより、部分的な高温部が外側ケース１や第２の内側ケース７に形成されないようにしている。

図５は、図３及び図４に示す光源ユニット内の各部（ｐ１〜ｐ１１）における測定温度を示す表である。
同表に示すように、光源ユニット内の各部（ｐ１〜ｐ１１）における測定値は、各部（ｐ１〜ｐ１１）における上限値内に収まっていることが分かる。

次に、本発明の第２の実施形態を図６を用いて説明する。
図６は、本実施形態の発明に係る光照射装置の外観を示す斜視図である。
この光照射装置は、第１の実施形態の発明に係る光源ユニットを複数個を近接して並設配置したものである。
本実施形態の光照射装置によれば、第１の実施形態の発明に係る光源ユニットを多数組み合わせることによって光照射領域の拡大を図ることができる。
なお、本実施形態の光照射装置に用いられる光源ユニットの外側ケース１は、１個の光源ユニットの外側ケース１から直射光が外部に出て、周囲の光源ユニットの温度を上げないように遮光の役割を担っている。また、光源ユニット１間の熱伝導や熱輻射等によって光源ユニット相互で温度上昇が起こらないように、すなわち、外側ケース１が高温にならないように、外側ケース１と外側ケース１内の内側ケース４等の構造物との間に通風間隙が形成される。

第１の実施形態の発明に係る光源ユニットの外観を示す斜視図である。光源ユニットの外側ケース内の構造を示す斜視図である。光源ユニットの正面図及び側面断面図である。光源ユニットの平面断面図である。図３及び図４に示す光源ユニット内の各部（ｐ１〜ｐ１１）における測定温度を示す表である。第２の実施形態の発明に係る光照射装置の外観を示す斜視図である。

符号の説明

１外側ケース
２１，２２第１の通風口
３前面ガラス
４第１の内側ケース
５１，５２，５３第２の通風口
６第１の吸引ファン枠
７第２の内側ケース
８第３の通風口
９遮断壁
１０通風路
１１第２の吸引ファン枠
１２第１の吸引ファン
１３冷却室
１４第２の吸引ファン
１５光源部
１６放電ランプ
１７凹面反射ミラー
１８電源部
１９電源部ヒートシンク部
２０凹面反射ミラーベースキャップ
２３凹面反射ミラーベース
２４排風穴

Claims

筒状の外側ケース内に、放電ランプと凹面反射ミラーとからなる光源部と、前記放電ランプへ電力を供給する電源部とを備えた光源ユニットにおいて、
前記外側ケース内の前後に前記光源部と前記電源部とを配列し、
前記光源部を冷却する冷却風経路を流通する冷却風を吸引する第１の吸引ファンと、該第１の吸引ファンから排出された冷却風と、前記光源部を冷却する冷却風経路と分離独立された前記電源部を冷却する冷却風経路を流通する冷却風と、を吸引する第２の吸引ファンとを備え、前記外側ケース前面から冷却風を導入し、前記外側ケース後方から冷却風を排出するようにしたことを特徴とする光源ユニット。
筒状の外側ケース内に、放電ランプと凹面反射ミラーとからなる光源部と、前記放電ランプへ電力を供給する電源部とを備えた光源ユニットにおいて、
前記外側ケースと後述する第１の内側ケースとの間の前方に設けられた冷却風を導入する第１の通風口と、
前記外側ケース内に配置され、前記光源部を収容し、前記第１の通風口から導入された冷却風を前記光源部に導入する第２の通風口を備える第１の内側ケースと、
前記外側ケース内に配置され、前記第１の内側ケースに導入された冷却風を排出する第１の吸引ファンと、
前記外側ケース内に配置され、前記電源部を収容し、前記第１の通風口から導入された冷却風を前記電源部に導入する第３の通風口を備える第２の内側ケースと、
前記外側ケースと前記第２の内側ケース間に配置され、前記第１の吸引ファンから排出された冷却風が前記第３の通風口に流入することを阻止する遮断壁と、
前記外側ケースと前記第２の内側ケース間に設けられ、前記第１の吸引ファンから排出された冷却風を流通させる通風路と、
前記外側ケース内に配置され、前記第２の内側ケースに導入された冷却風を排出するとともに、前記通風路を流通する冷却風を排出する第２の吸引ファンと、
からなることを特徴とする光源ユニット。
筒状の外側ケース内に、放電ランプと凹面反射ミラーとからなる光源部と、前記放電ランプへ電力を供給する電源部とを備えた光源ユニットにおいて、
前記外側ケースは上下左右４側面を有し、
前記外側ケースと後述する第１の内側ケースとの間の前方に設けられた冷却風を導入する第１の通風口と、
前記外側ケース内に配置され、前記光源部を収容する上下左右４側面を有し、該上下左右４側面のうち上下２側面または上下左右４側面に前記第１の通風口から導入された冷却風を前記光源部に導入する第２の通風口を備える第１の内側ケースと、
前記外側ケース内に配置され、前記第１の内側ケースに導入された冷却風を排出する第１の吸引ファンを備えた上下左右４側面を有する第１の吸引ファン枠と、
前記外側ケース内に配置され、前記電源部を収容する上下左右４側面を有し、該上下左右４側面のうち左右２側面に前記第１の通風口から導入された冷却風を前記電源部に導入する第３の通風口を備える第２の内側ケースと、
該第２の内側ケースの上下左右４側面の上下２側面と左右２側面間の冷却風の流通を阻止する遮断壁と、
前記外側ケース、前記遮断壁、及び前記第２の内側ケースの上下２側面間に形成され、前記第１の吸引ファンから排出された冷却風を流通させる通風路と、
前記外側ケース内に配置され、前記第２の内側ケースに導入された冷却風を排出するとともに、前記通風路を流通する冷却風を排出する第２の吸引ファンを備えた上下左右４側面を有する第２の吸引ファン枠と、
からなることを特徴とする光源ユニット。
請求項１ないし請求項３のいずれか１つの請求項に記載の光源ユニットの複数個を近接して並設配置したことを特徴とする光照射装置。