JP7210269B2 - 放電ランプ及び照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、露光装置等に利用される放電ランプ及び照明装置に関し、特に、ショートアーク型放電ランプに関する。

露光装置や照明装置などに使用されるショートアーク型放電ランプでは、放電中、電極支持棒等が高温になって封止管が過熱状態になることがある。この結果、封止管内の金属部分とガラス部分との接合部分にクラックが発生するおそれがある。過熱状態を防止するため、放電ランプに対して冷却風が送風される。

一方で、放電管を過度に冷却すると、点灯開始後間もない時間帯では水銀が十分蒸発せず、発光強度が弱まる。また、封止管に直接的に冷却風を当てることで高温部分、低温部分が生じ、封止管に熱歪が生じてしまう。そこで、封止管の温度を点灯開始時から好適な状況で維持するため、略筒状の防風板（防風筒と適宜称する）が封止管を覆うように配置される（例えば、特許文献１参照）。

封止管と防風筒との距離間隔を含め、防風筒の配置場所は、放電管、封止管の表面に沿った冷却風の流れを制御し、封止管の温度を適切に維持するためにも、緻密に設定しなければならない。例えば、特許文献２においては、封止管と放電管との繋がり部分のランプ形状に合わせて、防風筒を所定の位置に配置し、冷却風の一部だけを封止管と防風筒との隙間に流し、点灯開始時から安定点灯状態までの期間、効果的にランプを冷却するようにしている。

特開２００１－１３５１３４号公報 特開２０１１－７０８３３号公報

しかしながら、防風筒の配置場所を設定するだけでは封止管を適切な温度に維持することができず、封止管が過熱状態になるおそれがあった。そこで、点灯開始から安定点灯状態までの間に放電管の過冷却を防ぐとともに、安定点灯後の連続点灯期間中において封止管の過熱を防ぐことが必要とされる。

したがって、本発明の目的は、点灯開始から安定点灯状態までの間に放電管の過冷却を防ぐとともに、安定点灯後の連続点灯期間中において封止管の過熱を防ぐことができるようにした放電ランプ及び照明装置を提供することにある。

本発明は、放電管と、
放電管の両側に連設された一対の封止管と、
少なくとも一方の封止管を覆い、冷却風が封止管に当たることを防ぐ筒状の防風部材とを備え、
封止管内に、導電性の電極支持棒と、
電極支持棒を保持し、封止管と溶着されたガラス管と、電極支持棒が接続され、軸方向に沿って配設された金属箔と電極支持棒とを電気的に接続させる導電性の環状部材を有し、
防風部材の少なくとも一部に、封止管からの輻射熱を該封止管に反射することを抑制する熱反射抑制手段が形成されており、
封止管の表面に膜が形成されており、
膜は、ガラス管と対向している領域の少なくとも一部には形成されておらず、 封止管の表面において、環状部材と対向している領域には膜が形成されていることを特徴とする放電ランプである。

少なくとも一つの実施形態によれば、防風筒に熱反射抑制手段（アルマイト処理）を形成することで、防風筒の輻射率が上がり、封止管からの熱を吸収するため（熱反射を抑制するため）、封止管温度を下げることができる。封止管の温度を下げると、封止管内の金属部品の温度が低下し、金属部品が膨張して封止管を押す力が減少するため、封止管にかかる応力が減少し、クラックを防止することができる。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本明細書中に記載されたいずれかの効果又はそれらと異質な効果であっても良い。

図１は、本発明を適用できるショートアーク型放電ランプを模式的に示した図である。 図２は、本発明の一実施形態の陰極側の構成を示す断面図である。

図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。図１は、一実施形態であるショートアーク型放電ランプを模式的に示した図である。ショートアーク型放電ランプ１０は、パターン形成する露光装置の光源などに使用可能な放電ランプであり、透明な石英ガラス製の放電管（発光管）１１を備える。放電管１１には、陰極２０、陽極３０が所定間隔をもって対向配置される。

管球状の放電管１１の両側には、互いに対向するように石英ガラス製の封止管１２ａ、１２ｂが放電管１１と一体的に形成されており、封止管１２ａ、１２ｂの両端は、口金１３ａ、１３ｂが接続されている。口金１３ａ、１３ｂは、例えば粉末接着剤によって封止管１２ａ、１２ｂに固定されている。放電ランプ１０は、陽極３０が上側、陰極２０が下側となるように鉛直方向に沿って配置されている。

封止管１２ａ、１２ｂの内部には、金属製の陰極２０、陽極３０を支持する導電性の電極支持棒１４ａ、１４ｂが配設され、環状部材（金属リング）、モリブデンなどの金属箔を介して導電性のリード棒にそれぞれ接続される。封止管１２ａ、１２ｂは、封止管１２ａ、１２ｂ内に設けられるガラス管、ガラス部材などと溶着しており、これによって、水銀、および希ガスが封入された放電空間が封止される。リード棒は外部の電源部に接続され、金属リング、金属箔及び電極支持棒１４ａ、１４ｂを介して陰極２０、陽極３０の間に電圧が印加される。放電ランプ１０に電力が供給されると、電極間でアーク放電が発生し、水銀による輝線（紫外光）が放射される。

なお、放電ランプ１０の周囲には、回転楕円体である反射ミラー（集光ミラー）（図示せず）が配置されて照明装置が構成される。ランプ点灯時、放電ランプ１０から放射された光は、反射ミラーで反射する。反射光は二次焦点に集光し、図示しない照明光学系などを介して照射対象物へ導かれる。例えば、照明装置が露光装置内に設けられている場合、基板の感光面に光が照射される。さらに、放電ランプ１０の封止管１２ａ側と封止管１２ｂ側にそれぞれ冷却ノズルが配置されており、冷却ノズルからの冷風によって、ランプ点灯中、封止管１２ａと口金１３ａ、封止管１２ｂと口金１３ｂがそれぞれ冷却される。

筒状薄板の防風部材としての防風筒４０及び５０は、封止管１２ａ、１２ｂを囲み、口金１３ａ、１３ｂの端部まで延在する金属筒状部材（ここではアルミニウム）であり、口金１３ａ、１３ｂにそれぞれネジ止めされている。例えば一対の半円筒同士を組み合わせることで防風筒４０及び５０が構成されている。防風筒４０、５０によって、冷却ノズルからの冷風が直接封止管１２ａ、１２ｂに当たらず、点灯開始から安定点灯時までの過冷却を防ぐとともに、安定点灯時の封止管１２ａ、１２ｂの温度を適切な範囲になるようにしている。後述するように、防風筒４０、５０の少なくとも一部に、封止管１２ａ、１２ｂからの輻射熱をその封止管に反射することを抑制する熱反射抑制手段が形成されている。

放電管１１と封止管１２ａ、１２ｂの繋ぎ目部分の外表面には、保温膜６０及び７０が形成されている。保温膜６０及び７０は、点灯中の最冷点温度を高く維持するために設けられている。

図２は、陰極２０側の封止管１２ａ及び口金１３ａを含む構成をより詳細に示す断面図である。放電管１１及び封止管１２ａは、一体的に形成されており、封止管１２ａから放電管１１に向けて径が広がるように、封止管１２ａとのつなぎ目部分周辺から形状が変化する。

電極支持棒１４ａは、中空状肉厚のガラス管３１、環状部材である内側金属リング３５に挿通されており、さらに、筒状のガラス部材３２にまで延在し、ガラス部材３２に挿通されている。電極支持棒１４ａは、ランプ軸上に沿ってガラス管３１、金属リング３５、ガラス部材３２によって保持されている。ガラス管３１、ガラス部材３２は、封止管１２ａの内面と溶着されている。

また、内側金属リング３５は、ガラス管３１とガラス部材３２との間に設けられており、ガラス部材３２と外側ガラス管３７との間には、環状部材である外側金属リング３６が設けられている。なお、ガラス管３１と内側金属リング３５との間や、ガラス部材３２と外側金属リング３６との間など各部材間には、ディスク状の円板箔（図示せず）を設けてもよい。リード棒３３は、外側金属リング３６に挿通され、ガラス部材３２の封止端部側に挿入されている。ガラス部材３２の周面には、モリブデンなどから成る複数の帯状の金属箔３４が周方向に沿って互いに離間して設けられており、その両端が金属リング３５及び３６と接続されている。

内側金属リング３５の外周面上に、筒状に巻いた巻き箔（図示せず）を設け、内側金属リング３５とともに金属箔３４の電極側端部を覆うようにしてもよい。また、この巻き箔の表面をエンボス加工してもよい。

白金や金などを含む膜（金属膜）で構成された保温膜６０は、放電管１１の軸方向端部から封止管１２ａに渡ってその外表面を覆うように形成（塗布）されている。また、封止管１２ａの外表面における、封止管１２ａ内に位置するガラス管３１と対向している領域の少なくとも一部には、保温膜を形成しない領域Ｓが形成される。領域Ｓの下側（ここでは口金１３ａ側）に分離して保温膜６０ａが形成される。封止管１２ａの表面において、金属リング３５と対向している領域全体に保温膜６０ａが形成される。なお、保温膜６０及び６０ａは、薄い膜で形成されているが、説明のため厚さを誇張して描いている。

防風筒４０が口金１３ａからガラス管３１の放電管１１側端部よりも下側（逆方向側）まで同軸的に延長され、封止管１２ａの外表面と所定の間隔でもって同心円状に配置されている。防風筒４０の内面に対向間隙が形成され、封止端部側と反対側の端部に開口４１が形成されている。防風筒４０の放電管１１側端部の位置が上述した保温膜６０が形成されていない領域Ｓと対向する範囲に含まれるようになされる。例えばガラス管３１の軸方向中間位置付近に開口４１が位置される。すなわち、防風筒４０の長さが、ガラス管３１の放電管側端部まで延在していた既存の構成に比してより短いものとされている。

例えばアルミニウムなどの金属からなる防風筒の場合、防風筒の内面によって、封止管からの熱（輻射熱）が反射され、封止管が過熱状態になるおそれがある。そこで、本発明の一実施形態では、防風筒４０をアルマイト処理して封止管１２ａに対して反射される熱を減少させるようにしている。アルマイト処理によって表面に酸化皮膜が形成され、入射した熱を吸収させ、封止管１２ａに戻る熱を減少させることができる。なお、熱反射抑制手段としては、アルマイト処理以外にも反射する熱を抑圧させる処理を採用できる。例えばブラスト処理などの機械的処理による表面加工、輻射塗料や放熱用のコーティングといった塗料系、さらには、セラミック等のシートや板材を貼り付ける構成を採用できる。アルミニウム以外で防風筒を構成してもよいため、防風筒の材質によって適宜選択するようにしてもよい。また、封止管１２ａからの輻射熱を吸収する手段は、少なくとも防風筒４０の封止管１２ａと対向する面（内面）に設ければよく、あるいは内面の少なくとも一部に設ける構成としてもよい。

かかる防風筒４０によって封止管の過熱を防ぎ、ひいては封止管温度を下げることができる。封止管１２ａの温度を下げると、封止管１２ａ内の金属部品（内側金属リング３５）の温度が低下し、金属リング３５が金属箔３４あるいは金属リング３５の外周面上に巻かれた巻き箔を押す力（膨張量）が減少するため、封止管１２ａにかかる応力が減少し、封止管１２ａのクラックを防止することができる。

本実施形態では、ガラス管３１と対向している領域の封止管１２ａの外表面の一部に保温膜が形成されない領域Ｓを設けている。これにより、ガラス管３１に挿通する電極支持棒１４ａの熱が保温膜によって遮られることなく放出でき、その結果、電極支持棒１４ａと繋がる内側金属リング３５の温度を下げることができる。金属リング３５の温度低下により、金属リング３５が膨張して金属箔３４あるいは金属リング３５の外周面上に巻かれた巻き箔を押す力（膨張量）が減少し、封止管１２ａにかかる応力も減少し、封止管１２ａのクラックを防止することができる。その一方で、封止管１２ａの表面における内側金属リング３５と対向している領域全体には保温膜６０ａを形成している。これにより、封止管温度を適切な温度範囲になるようにしている。

また、防風筒４０の長さを短くすることで、封止管１２ａからの熱を受ける面積と、その熱を封止管１２ａに反射する面積が減ることになるため、封止管温度を下げることができる。特に、防風筒４０の端部が、保温膜６０が形成されていない領域Ｓと対向する範囲に位置することで、封止管１２ａから放出された熱（輻射熱）が保温膜及び防風筒４０によって遮られることなく放出できるので、電極支持棒１４ａおよび内側金属リング３５の温度低下が促進される。なお、防風筒４０の表面に部分的に１又は複数の通気口を設けてもよい。さらに、防風筒４０の径は長手方向に一定でなくてもよく、途中で径が変わってもよく（例えば「凸」形状）、テーパ状に徐々に径が変化する形状でも良い。また、防風筒４０は一対の半円筒同士を組み合わせて構成しているが、組み合わせ部分に隙間が形成されてもよい。

高温状態ではアルカリイオンが金属箔３４と石英ガラスの密着性を低下させ、金属箔３４の箔剥がれを生じさせてしまうが、本実施形態によれば、封止管の温度の低下によって、箔剥がれを防止することができる。

上述したように、本発明の一実施形態では、防風筒の内面から封止管に向かって反射される熱を減少させる処理を行うこと、保温膜の形成されない領域Ｓを形成すること、防風筒の長手方向の長さを短くすることによって、これらの効果が相乗されて、さらに電極支持棒および金属リングの温度を低下させることができる。また、本発明は、封止管と放電管との繋ぎ目部分のランプ形状に関係なく、効果を発揮することができる。

なお、上述した陰極２０側の構成と同様に、陽極３０側の封止管１２ｂ、口金１３ｂ、防風筒５０、保温膜７０なども構成されている。但し、陰極２０側及び陽極３０側の少なくとも一方に上述した封止管温度を下げる構成を設けるようにしてもよい。さらに、防風筒の内面から封止管に反射される熱を減少させる処理を行うこと、保温膜の形成されない領域Ｓを形成すること、防風筒の長手方向の長さを短くすることの一部を片方の電極側の構成としてもよい。

実験結果を下記の表１に示す。本発明の一実施形態の構成の放電ランプを１０．５ｋＷで点灯させ、金属箔３４に対向する領域の封止管１２ａの外表面（封止管１２ａの中腹あたりに該当。表１では「封止管」と示す）と、内側金属リング３５と対向する領域の封止管外表面（表１では「金属リング」と示す）の温度を測定した。温度測定には熱電対を使用した。比較例（従来例）として、長さがガラス管の放電管側端部の位置まであり、熱反射抑制手段が形成されていない防風筒が取り付けられ、ガラス管と対向している領域の封止管外表面に保温膜を形成したショートアーク型放電ランプを使用した。比較例も１０．５ｋＷで点灯し、熱電対で温度を測定した。

表１に示す通り、本発明の一実施形態による放電ランプは、２か所の測定位置（封止管、金属リング）のどちらも温度が下がっていることが確認された。これにより、封止管のクラック、箔剥がれを防止することができる。

以上、本技術の一実施の形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の一実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の実施形態では防風部材に熱反射抑制手段を形成しているが、必ずしも防風部材に形成する必要はない。防風部材とは異なる筒状部材に熱反射抑制手段を形成してもよいし、あるいは、熱を吸収する材料で筒状部材を構成してもよい。また、上述の実施形態において挙げた構成、方法、工程、形状、材料及び数値などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる構成、方法、工程、形状、材料及び数値などを用いてもよい。

１０・・・放電ランプ、１１・・・放電管、１２ａ，１２ｂ・・・封止管、
１３ａ，１３ｂ・・・口金、２０・・・陰極、３０・・・陽極、
３１・・・ガラス管、３２・・・ガラス部材、３４・・・金属箔、
３５，３６・・・金属リング（環状部材）、４０，５０・・・防風筒（防風部材）、６０，７０・・・保温膜（膜）

Claims (5)

1. 放電管と、
   前記放電管の両側に連設された一対の封止管と、
   少なくとも一方の前記封止管を覆い、冷却風が前記封止管に当たることを防ぐ筒状の防風部材とを備え、
   前記封止管内に、導電性の電極支持棒と、
   前記電極支持棒を保持し、前記封止管と溶着されたガラス管と、前記電極支持棒が接続され、軸方向に沿って配設された金属箔と前記電極支持棒とを電気的に接続させる導電性の環状部材を有し、
   前記防風部材の少なくとも一部に、前記封止管からの輻射熱を該封止管に反射することを抑制する熱反射抑制手段が形成されており、
   前記封止管の表面に膜が形成されており、
   前記膜は、前記ガラス管と対向している領域の少なくとも一部には形成されておらず、 前記封止管の表面において、前記環状部材と対向している領域には前記膜が形成されていることを特徴とする放電ランプ。
2. 前記熱反射抑制手段が、少なくとも前記防風部材の前記封止管と対向する面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
3. 前記熱反射抑制手段が、アルマイト皮膜によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
4. 前記防風部材の端部が、前記ガラス管の放電管側端部よりも口金側に位置することを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
5. 前記防風部材の端部が、前記ガラス管と対向している領域であって、前記膜が形成されていない範囲に位置することを特徴とする請求項４に記載の放電ランプ。

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