点灯装置
【課題】外管の内部に放電管が設けられ、外管の内径と放電管の外径とがほぼ等しく、外管と放電管の少なくとも一部が接触している高圧放電ランプにおいて、表面温度の不均一等により生ずる照度むらを抑制すること。
【解決手段】高圧放電ランプ１０は放電管１１と外管２０から構成され、高圧放電ランプ１０の一対の電極１６に給電部１から交流電圧を印加することにより点灯する。点灯時、冷却水流路６５内に冷却水Ｗを循環させることにより高圧放電ランプ１０は冷却される。給電部１は、定常点灯周波数ｆ１の駆動信号でインバータを駆動してランプ１０を点灯させるが、照度むらが生ずる前に、照度むらを解消することができるそれより周波数が低い周波数ｆ２の駆動信号を切り替えてランプ１０を点灯させる。これにより、定常点灯時に生じる陽イオンの密度分布不均一を解消し照度分布が不均一になるのを抑制できる。
【解決手段】高圧放電ランプ１０は放電管１１と外管２０から構成され、高圧放電ランプ１０の一対の電極１６に給電部１から交流電圧を印加することにより点灯する。点灯時、冷却水流路６５内に冷却水Ｗを循環させることにより高圧放電ランプ１０は冷却される。給電部１は、定常点灯周波数ｆ１の駆動信号でインバータを駆動してランプ１０を点灯させるが、照度むらが生ずる前に、照度むらを解消することができるそれより周波数が低い周波数ｆ２の駆動信号を切り替えてランプ１０を点灯させる。これにより、定常点灯時に生じる陽イオンの密度分布不均一を解消し照度分布が不均一になるのを抑制できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、両端が封止され、内部に、一対の電極が対向配置されると共に、少なくとも金属が封入された放電管と、放電管の外方に設けられた外管とを有する高圧放電ランプの点灯装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば接着剤などの樹脂の硬化処理やプリント基板などの露光処理においては、紫外線光源として、例えば高圧放電ランプ（紫外線照射ランプ）が用いられている。
この高圧放電ランプ（紫外線照射ランプ）は、ランプ点灯時に高温になることから、特許文献１に記載されるように、冷却される。
特許文献１には、放電管（以下、特許文献１では発光管）の外方に二重管構造の水冷ジャケットを設け、発光管と水冷ジャケット内管との間に冷却風を流す技術が記載されている。
図１０に特許文献１の図１に示される光源を示す。同図に示すように、紫外線照射ランプ１０１と水冷ジャケット１０２と水冷ジャケット両端の端キャップ１０３ａ，１０３ｂを備えている。紫外線照射ランプ１０１は直管状の石英ガラス製発光管１０６の両端に一対の電極を封着し、内部に希ガスと水銀及び金属ハロゲン化物を封入したものである。
【０００３】
水冷ジャケット１０２は円筒状の石英ガラス等の透明な材料よりなり、内管１２１と外管１２２よりなる二重管構造になっており、また、両端外周に設けられた接続管１２３ａ，１２３ｂを通して外部から冷却水１０４がジャケット内を循環して、空気層を介して近接する発光管１０６を冷却すると共にランプ１０１から放射される熱を吸収する。
水冷ジャケット１０２の一方の端キャップ１０３ａには冷気の通気口１３１が、他方の端キャップ１０３ｂには排気口１３２が設けてある。そして、外部から冷却風１０５が矢印で示すように通気口１３１から水冷ジャケット１０２の内側に入り、発光管１０６と水冷ジャケット１０２の内管１２１との空間を流れ、発光管表面から熱を奪って発光管１０６を冷却する。
特許文献１の段落番号［００１１］に記載された数値例から、特許文献１に記載のものは、例えば発光管１０６の外径は２４ｍｍ、水冷ジャケットの内管１２１が２６ｍｍであり、両者の間隙が１ｍｍ（＝１０００μｍ）であると読み取れる。
図１０（ｂ）に特許文献１に記載の発光管１０６と内管１２１を管軸方向に垂直な平面で切った断面図を示す。
【０００４】
特許文献１に記載の冷却では、高圧放電ランプ（紫外線照射ランプ）が充分に冷却されないことから、最近特許文献２に記載される技術が開発された。
特許文献２に記載のものは、高圧放電ランプを二重管構造とし、放電管とその外方に位置する外管との間隙とを近接させることで、外管の外周に流れる冷却水によって、放電管への冷却効果を高めるようにしたものである。
図１１に特許文献２に示される光照射装置の断面構成を示し、図１２に図１１に示す光照射装置の放電管と外管の断面構成を示す。なお、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。
この光照射装置は、高圧放電ランプ１０を光源として具える。高圧放電ランプ１０は、全体が棒状の放電管１１と、この放電管１１が内部に配置された例えば石英ガラスからなる外管２０とにより構成されている。
放電管１１は、両端が封止された例えば石英ガラスからなる直管状の内管１２の内部に、各々例えばタングステンからなる一対の棒状の電極１６が対向配置されたものであり、各電極１６が内管１２に形成されたロッド状の封止部１３に気密に埋設された例えばモリブデンからなる金属箔１７を介して封止部１３の外端より軸方向外方に突出して伸びる外部リード１８に電気的に接続されている。
高圧放電ランプ１０の放電管１１と外管２０との間の空隙には、空気層または適宜のガスによるガス層が形成されている。
【０００５】
この光照射装置は、上記高圧放電ランプ１０の管軸に沿って伸びるよう設けられ、高圧放電ランプ１０の外周面との間に冷却水Ｗが流過される冷却水流路６５を形成する円筒状の冷却ジャケット６０と、高圧放電ランプ１０および冷却ジャケット６０の両端に配置された、内部空間が高圧放電ランプ１０と冷却ジャケット６０との間の冷却水流路６５に連通する冷却水供給流路形成部材６１および冷却水排出流路形成部材６２とにより構成された冷却機構を有する。
また、光照射方向（図１１において下方向）に対して高圧放電ランプ１０の背面側には、例えば断面が放物状の反射面７１を有する樋状の反射鏡７０が、その第１焦点が高圧放電ランプ１０の中心（高圧放電ランプ１０における一対の電極１６の中心を結ぶ直線）と一致する状態で、高圧放電ランプ１０に沿って伸びるよう配置されており、高圧放電ランプ１０から放射される光が直接的にあるいは反射鏡７０により反射されて平行光とされてマスクステージ７５に保持されたマスクＭを介してワークステージ７６上に載置された、例えばレジスト等の感光剤が塗布された液晶パネルや半導体素子などのワーク７７に照射される。
【０００６】
上記光照射装置においては、高圧水銀ランプ１０の点灯時において、冷却水Ｗが図示しない適宜の冷却水供給手段（ポンプ）によって供給される。
供給される冷却水Ｗは、高圧放電ランプ１０と冷却ジャケット６０との間に形成された冷却水流路６５内を、高圧放電ランプ１０の壁面、具体的には外管２０の外周面に沿って軸方向に流過されて高圧放電ランプ１０全体を冷却した後、冷却水排出流路形成部材６２を介して排出される。
これら高圧放電ランプの放電管内には、Ｈｇ、あるいは、Ｈｇと共にＦｅ，Ｔｌ，Ｓｎ，Ｚｎ，Ｉｎなどの陽イオンが封入されており、これらがランプ点灯中に励起され光が放射される。
【０００７】
【特許文献１】特開平０６−２６７５１２号公報
【特許文献２】特開２００８−１４６９６２公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
放電管と、外周面に冷却水が流れる外管との間の平均間隙、すなわち、放電管の外径と外管の内径の差を小さくし、例えば平均間隙を１００μｍ以下にすると放電管の長手方向における照度分布が不均一（いわゆる照度むら）になることがあった。これは、特許文献１に記載のものの場合には、起こらなかったものである。
本発明者らの鋭意検討の結果、それは、間隙を特許文献１のものよりも小さくしたことに起因することが分かった。
具体的には、放電管と外管とを構成する部材はガラス部材であることから、その外面形状は波打つように不均一である。このため、放電管と外管との間隙は、例えば±１００μｍの変動を受け、平均間隙が例えば１００μｍ以下の場合、その間隙が１００％以上変動することになる。
すなわち、放電管と外管とは、所々当接する部分があり、別の所では例えば２００μｍ以下の間隙が存在することになる。外管の外周面に冷却水を流すと、放電管は、当接する部分は熱伝導性が良好であることから、効率良く冷却されるのに対し、間隙が２００μｍの部分は当接する部分より熱伝導性が良くないので、効率良く冷却されなかった。放電管の長手方向においても、効率良く冷却される部分と、冷却されない部分とができてしまう。
【０００９】
放電管の内部には、Ｈｇ、あるいは、Ｈｇと共にＦｅ、Ｔｌなどの陽イオンが封入されている。これら陽イオンは、熱平衡状態で温度が低い部分で密度が高くなり、温度が高い部分で密度が低くなるので、特許文献２に記載される高圧放電ランプの場合、その長手方向で、効率よく冷却される部分で陽イオンの密度が高くなり、冷却されない部分で密度が低くなる。このように、放電管内の長手方向で陽イオンの密度分布が不均一になって、照度分布が不均一（照度むら）になったと考えられる。
なお、特許文献１の場合は、平均間隙が１０００μｍであることから、放電管と外管との外面形状が波打つことによりその間隙が例えば±１００μｍの変動を受けても、その間隙の変動は１０％程度にすぎない。このため、特許文献１に記載の高圧放電ランプは、その長手方向における冷却分布がほとんど生じず、照度分布が不均一（照度むら）になることもなかったと考えられる。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、本発明の目的は、放電管と、その外方に設けられた外管とを具備し、外管の内径と放電管の外径とがほぼ等しく、外管と放電管の少なくとも一部が接触している高圧放電ランプにおいて、照度むらを抑制した点灯装置及び点灯方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明においては、上記課題を次のようにして解決する。
（１）両端が封止され、内部に、一対の電極が対向配置されると共に、少なくとも金属が封入されてなる全体が棒状の放電管と、該放電管の外方に設けられた外管とを具備し、外管の内径と放電管の外径とがほぼ等しく、外管と放電管がところどころで接触しており、外管の内径と放電管の外径との差の平均値が例えば１００μｍ程度である高圧放電ランプと、この高圧放電ランプの管軸に沿って伸びるよう設けられ、高圧放電ランプの外管との間に冷却水が流過される流路を形成する流路形成部材と、この一対の電極に電気的に接続され上記高圧放電ランプに給電する給電部とを備えた点灯装置において、給電部を次のように構成する。
すなわち、上記高圧放電ランプを点灯させるための定常点灯周波数ｆ１を有する第１の信号と上記高圧放電ランプの照度むらを解消させるための該定常点灯周波数ｆ１より低い周波数ｆ２を有する第２の信号を生成する信号生成手段と、上記第１の信号もしくは第２の信号を選択的に出力させる切替手段と、上記第１の信号もしくは第２の信号により駆動され、上記高圧放電ランプに周波数ｆ１もしくは周波数ｆ２の交流電圧を供給するインバータ回路とから構成する。そして、定常点灯周波数ｆ１で高圧放電ランプを点灯させ、照度むらが生ずる前に、照度むらを解消することができるそれより周波数が低い周波数ｆ２に切り替えてランプ１０を点灯させる。
（２）上記（１）において、切替手段にタイマ手段を設け、このタイマ手段により、放電ランプに周波数ｆ１の交流電圧を供給してから第１の所定時間後に、上記高圧放電ランプに供給する交流電圧の周波数をｆ１からｆ２に低下させ、第２の所定時間の間、上記高圧放電ランプに上記周波数ｆ２の交流電圧を供給する。
（３）上記（１）（２）において、定常点灯周波数ｆ１［Ｈｚ］と周波数ｆ２［Ｈｚ］との関係を、ｆ２≦０．３ｆ１とする。
（４）上記（１）（２）（３）において、上記放電管内に封入された金属には水銀が含まれ、上記定常点灯周波数ｆ１［Ｈｚ］を、放電管に封入された水銀密度［ｍｇ／ｃｍ3 ］をＨｇとし、電極間距離［ｍ］をＡＬとしたとき、ｆ１＜（Ｈｇ／３０）-0.33 ×２５０／ＡＬとする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明においては、以下の効果を得ることができる。
（１）定常点灯周波数ｆ１を有する第１の信号と、照度むらを解消させるためのｆ１より低い周波数ｆ２を有する第２の信号を生成し、上記第１の信号と第２の信号を切り替えて高圧放電ランプを点灯させるようにしたので、定常点灯時に生じる陽イオンの密度分布不均一を解消し、照度分布が不均一（照度むら）になることが抑制できる。
すなわち、周波数ｆ１より低い周波数ｆ２に切り替えることで、陽イオンが一方の電極側に引き寄せられ、定常点灯周波数ｆ１で点灯していたときに生ずる陽イオンの密度分布不均一を解消できる、これによる照度むらを抑制できる。
（２）タイマ手段を用い、上記高圧放電ランプに供給する交流電圧の周波数を切り替えるようにすることにより、比較的簡単な構成の手段で、実用上に支障ない程度に、照度分布が不均一（照度むら）を抑制することができる。
（３）定常点灯周波数ｆ１［Ｈｚ］と周波数ｆ２［Ｈｚ］との関係を、ｆ２≦０．３ｆ１とすることにより、照度むらの不均一を効果的に解消することができる。
（４）定常点灯周波数ｆ１［Ｈｚ］を、放電管に封入された水銀密度［ｍｇ／ｃｍ3 ］をＨｇとし、電極間距離［ｍ］をＡＬとしたとき、ｆ１＜（Ｈｇ／３０）-0.33 ×２５０／ＡＬとすることにより、音響共鳴を抑制でき、ガス分布やイオンの粗密の定在波の発生による色むらを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
まず、本発明が対象とする光照射装置について説明する。
本発明の光照射装置は、前記図１１に示したものと同様、高圧放電ランプを具備し、ランプ点灯時においてランプを冷却する冷却水が外管の壁面に沿って流過される流路を区画する流路形成部材が設けられた構成のものである。
図１は、本発明の実施形態に係る光照射装置の構成の概略を示す断面図であり、図２は、図１におけるＡ−Ａ線断面図である。
この光照射装置は、高圧放電ランプ１０を光源として具えており、高圧放電ランプ１０が内部に挿通された状態で高圧放電ランプ１０の管軸に沿って伸びるよう設けられ、高圧放電ランプ１０の外周面との間に冷却水Ｗが流過される冷却水流路６５を形成する流路形成部材である円筒状の冷却ジャケット６０を有する。
高圧放電ランプ１０および冷却ジャケット６０の両端には、内部空間が高圧放電ランプ１０と冷却ジャケット６０との間の冷却水流路６５に連通する冷却水供給流路形成部材６１および冷却水排出流路形成部材６２が配置され、これらにより冷却機構を構成する。
【００１３】
冷却水供給流路形成部材６１および冷却水排出流路形成部材６２は全体が略Ｌ字型の管状であり、高圧放電ランプ１０および冷却ジャケット６０が、例えば管軸が水平方向に伸びる姿勢で接続されている。
そして、軸方向内方側の口締め部６３によって例えばＯリング（図示せず）を介して冷却ジャケット６０の外周面が保持固定されていると共に、軸方向外方側の口締め部６４によって例えばＯリング（図示せず）を介して高圧放電ランプ１０の外周面が保持固定されている。
冷却ジャケット６０は、高仕放電ランプ１０から放射される紫外線を透過する材料、例えば石英ガラスにより構成されている。
【００１４】
光照射方向（図１および図２において下方向）に対して高圧放電ランプ１０の背面側には、例えば断面が放物状の反射面７１を有する樋状の反射鏡７０が、その第１焦点が高圧放電ランプ１０の中心（高圧放電ランプ１０における 一対の電極１６の中心を結ぶ直線）と一致する状態で、高圧放電ランプ１０に沿って伸びるよう配置されている。
高圧放電ランプ１０から放射される光は直接的にあるいは反射鏡７０により反射されて平行光とされてマスクステージ７５に保持されたマスクＭを介してワークステージ７６上に載置された、例えばレジスト等の感光剤が塗布された液晶パネルや半導体素子などのワーク７７に照射される。
ここに、反射面７１は、例えばチタニアおよびシリカなどの異なる反射層を交互に蒸着させて形成した多層膜によって形成されている。
【００１５】
高圧放電ランプ１０の一対の電極１６には、外部リード１８を介して給電部１が電気的に接続され、給電部１から一対の電極間に交流電圧を印加することにより、高圧放電ランプ１０は点灯する。
高圧水銀ランプ１０の点灯時において、冷却水Ｗが図示しない適宜の冷却水供給手段（ポンプ）によって供給される。ここに、高圧放電ランプ１０の冷却は、冷却水Ｗを例えば５Ｌ（リットル）／ｍｉｎの流量で循環させることによって達成される。
供給される冷却水Ｗは、高圧放電ランプ１０と冷却ジャケット６０との間に形成された冷却水流路６５内を、高圧放電ランプ１０の壁面、具体的には外管２０の外周面に沿って流れる。
【００１６】
次に上記高圧放電ランプ１０について説明する。
高圧放電ランプ１０は、外管２０の内径と放電管１１の外径とがほぼ等しく、外管２０と放電管１１がところどころで接触しており、外管と放電管の平均間隙が１００μｍ以下に構成された二重管構造のものである。
なお、ここで言う平均間隙とは、外管２０と放電管１１を組み立てる前に、外管２０の内径Ｌ４と放電管１１の外径Ｌ５を複数個所で測定し、その差分を１／２した平均値であり、有効発光領域の複数箇所で測った電極間の径方向の間隙の平均値のことをいう。
例えば、外管２０の内径Ｌ４は、以下のように求める。
外管２０と放電管１１を組み立てる前の外管２０の外径Ｌ１を計り、外管２０の肉厚の厚い所の厚さＬ２と薄い所の厚さＬ３とを計って、Ｌ４＝Ｌ１−Ｌ２−Ｌ３により外管２０の内径Ｌ４を求める。
また、放電管１１の外径Ｌ５は、外管２０と放電管１１を組み立てる前に測定した放電管１１の外径である。
【００１７】
図３は、本発明の実施形態に係る高圧放電ランプの構成の概略を示す断面図である。
この高圧放電ランプ１０は、前記図１１に示したものと同様、両端が封止された、例えば石英ガラスからなる直管状の内管１２の内部に、各々例えばタングステンからなる一対の棒状の電極１６が対向配置され、各電極１６が内管１２に形成されたロッド状の封止部１３に気密に埋設された例えばモリブデンからなる金属箔１７を介して封止部１３の外端より軸方向外方に突出して伸びる外部リード１８に電気的に接続されてなる、全体が棒状の放電管１１と、この放電管１１が内部に配置された、例えば石英ガラスからなる外管２０とにより構成されている。放電管１１と外管２０の両端部分は、ベース２５を介して接着剤２４により固定されている。
放電管１１における封止部１３は、例えば、内管１２の構成材料であるパイプ体における両端部を溶融状態にして内部を減圧するシュリンクシール法により形成されたものであり、放電管１１の中央部（発光領域に相当する部分）より小径とされている
この高圧放電ランプ１０は高圧水銀ランプ、あるいは、メタルハライドランプであり、放電管１１の内部に、例えば１ｍｇ／ｍｍ3 以上の水銀が封入されると共にアルゴンガスなどの希ガスが適宜の量で封人されている。なお、水銀（Ｈｇ）と共に鉄（Ｆｅ）、タリウム（Ｔｌ) 、スズ（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）等のハロゲン化合物が封入されていてもよく、また、水銀（Ｈｇ）を含まないものもある。そして、例えば波長が３５０〜４５０ｎｍである紫外線を含む光を放射する。
【００１８】
高圧放電ランプ１０の一対の電極には、図１に示すように、給電部１が電気的に接続される。
図４は、本発明の第１の実施形態に係わる給電部の詳細を示した構成図である。
給電部１は、直流電圧が供給される昇圧整流回路２と、昇圧整流回路２の出力側に接続され直流電圧を交流電圧に変化させて放電ランプ１０に供給するフルブリッジ型インバータ回路３と、フルブリッジ型インバータ回路３と高圧放電ランプ１０との間で高圧放電ランプ１０に直列接続されたコイルＬＬ１、スタータコイルＬＬ２及びスタータ回路４と、フルブリッジ型インバータ回路３のスイチング素子（例えばＩＧＢＴ）の駆動を制御する制御部５と、により構成される。
昇圧整流回路２は、交流電源２ａに接続され、昇圧トランスＴ１、整流ダイオードＤ１、平滑コンデンサＣ１により構成される整流回路で、交流電圧を直流電圧に変換し、その後のコイルＬＬ３、スイッチング素子Ｓ１、ダイオードＤ１、コンデンサＣ２により構成される昇圧チョッパー回路で昇圧された直流電圧をフルブリッジ型インバータ回路３に供給する。
昇任チョッパー回路のＩＧＢＴやＦＥＴ等のスイッチング素子Ｓ１には制御回路２ｂが接続されており、スイッチング素子Ｓ１のスイッチング周波数およびＯＮ、ＯＦＦ期間を変化させることにより、所望の電圧を供給できるようになっている。
【００１９】
フルブリッジインバータ回路３は、ブリッジ状に接続されたＩＧＢＴやＦＥＴ等のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４から構成されている。フルブリッジインバータ回路３のスイッチング素子のＯＮ、ＯＦＦは、後述するドライバ回路によって駆動される。
フルブリッジ型インバータ回路３の動作は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４とスイッチング素子Ｑ２、Ｑ３を交互にＯＮ，ＯＦＦを繰り返す。スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３がＯＮするときは、昇圧整流回路２→スイッチング素子Ｑ３→コイルＬＬ１→スターターコイルＬＬ２→放電ランプ１０→スイッチング素子Ｑ２→昇圧整流回路２に電流が流れる。
一方、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４がＯＮするときは、昇圧整流回路２→スイッチング素子Ｑ１→放電ランプ１０→スターターコイルＬＬ２→コイルＬＬ１→スイッチング素子Ｑ４→昇圧整流回路２の経路で放電ランプ１０に交流矩形波電流を供給する。
【００２０】
制御部５は、マルチバイブレータ、ＬＣ発振回路などから構成され、基本発振波形である信号Ａを発信する基本周波数発振回路５ａと、該信号Ａよりも低周波な信号Ｂを発信する低周波発振回路５ｃと、所定時間でＯＮ−ＯＦＦを切り替えるタイマー信号Ｔを発信するタイマー回路５ｂと、により構成される。上記基本周波数発振回路５ａ、タイマー回路５ｂ、低周波発振回路５ｃが出力する各信号Ａ，Ｔ，Ｂは、ドライバ回路５ｄで組み合せられる。
各信号Ａ，Ｂ，Ｔとが組み合わせられ、フルブリッジ型インバータ回路３を制御するための信号の合成について、図５〜図７を用いて説明する。
【００２１】
図５はドライバ回路の詳細図である。
発振回路５ａが出力する周波数ｆ１を有する信号Ａは、論理回路Ｌ１（アンド回路）の一方の入力端子に入力され、論理回路Ｌ１の他方の入力端子には、タイマー回路５ｂの出力信号Ｔが入力される。タイマー回路５ｂの出力信号Ｔは、後述する図７に示すように例えば、信号Ａの立下り時にハイレベル（Ｈレベル）からローレベル（Ｌレベル）、あるいはローレベル（Ｌレベル）からハイレベル（Ｈレベル）に変わる信号であり、信号Ａの第１の所定周期毎に状態がＨからＬレベルに変わり、信号Ａの第２の所定周期毎に状態がＬからＨレベルに変わる。
論理回路Ｌ１は、タイマー回路５ｂの出力がＨレベルのとき、信号Ａを出力する。
また、タイマー回路５ｂの出力信号Ｔは論理回路Ｌ２（反転回路）に入力されて反転され、論理回路Ｌ３（アンド回路）の一方の入力端子に入力される。論理回路Ｌ３の他方の入力端子には、低周波発振回路５ｃの出力［周波数ｆ２（ｆ２＜ｆ１）を有する信号Ｂ］が入力される。論理回路Ｌ３は、タイマー回路５ｂの出力信号ＴがＬレベルのとき、信号Ｂを出力する。
【００２２】
論理回路Ｌ１、Ｌ２の出力は論理回路Ｌ４（オア回路）の入力端子に入力され、論理回路Ｌ４は、タイマー回路５ｂの出力はＨレベルのときは信号Ａを出力し、タイマー回路５ｂの出力がＬレベルのときは、信号Ｂを出力する。すなわち、タイマー回路５ｂと論理回路Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４で切替回路ＳＬを構成し、切替回路ＳＬは、タイマー回路５ｂの出力信号Ｔに応じて、信号Ａまたは信号Ｂを選択的に出力する。
論理回路Ｌ４の出力信号Ｃ１は、遅延回路ＤＤ１に入力され、遅延回路ＤＤ１は信号Ｃ１を遅延させた信号Ｃ２を出力する。信号Ｃ１、Ｃ２は論理回路Ｌ５（アンド回路）の入力端子に入力され、論理回路Ｌ５は、そのアンド信号である信号Ｘを出力する。この信号Ｘは、フルブリッジ型インバータ回路３のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４の駆動信号となる。
また、信号Ｃ１、Ｃ２は論理回路Ｌ６，Ｌ７（反転回路）で反転され、論理回路Ｌ８（アンド回路）の入力端子に入力され、論理回路Ｌ８は、そのアンド信号である信号Ｙを出力する。この信号Ｙは、フルブリッジ型インバータ回路３のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３の駆動信号となる。
【００２３】
図６は制御部の動作を示したフローチャート図、図７は制御部でのタイミングチャートであり、図５、図６、図７により、動作を説明する。
まず、ステップＳ１で、基本周波数発振回路５ａから基本発振波形である信号Ａが作成される。
次に、ステップＳ２で、基本発振波形を元に周波数ｆ１，ｆ２の点灯波形、タイマー波形が生成される。すなわち、発振回路５ａが出力する信号Ａを元に低周波発振回路５ｃで、信号Ａよりも低周波な信号Ｂが作成され、また、信号Ａを用いてタイマー回路５ｂで、所定時間でＯＮ−ＯＦＦを切り替えるタイマー信号Ｔが作成される。
ステップ３で、信号Ａ（周波数ｆ１），信号Ｂ（周波数ｆ２）及び信号Ｔが組み合わせられ、フルブリッジ型インバータ回路のＩＧＢＴ等から構成されるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の駆動信号Ｘ，Ｙが作成される。
ステップ４でＸ，Ｙ波形に基づき、上記スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４がオン、オフし交流点灯する。
【００２４】
すなわち、信号ＴがＨレベルの期間は、定常点灯周波数ｆ１の信号Ｘ，Ｙを出力し、高圧放電ランプを定常点灯周波数ｆ１で点灯させる。
続いて、高圧放電ランプが照度むらを生じる前の、定常点灯周波数ｆ１で点灯開始してから所定時間後に、信号ＴをＬレベルとし、定常点灯周波数ｆ１よりも低い周波数ｆ２で高圧放電ランプを点灯させる。
このとき、高圧放電ランプの放電管の陽イオンは、低周波が入力されることで、陰極に引き寄せられる時間が長くなり、プラズマ中の陽イオンがかき乱される。その攪拌効果により陽イオンの分布が一様となり、定常点灯周波数ｆ１が入力されたときよりも陽イオンの密度分布の不均一を解消することができ、照度むらを抑制することができる。
なお、図５の回路では、遅延回路ＤＤ１を設けて遅延した信号Ｃ２を生成し、信号Ｃ１と信号Ｃ２（あるいはその反転信号）の論理積を行なって、信号ＸのＯＮ時と信号ＹのＯＮ時との間に、両方の信号がＯＦＦになる休止期間を設けている。これは、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４が同時にＯＮされると破壊される問題を解消するため、デッドタイムを形成したものである。
【００２５】
本実施形態においては、定常点灯周波数ｆ１を有する信号Ａと、ｆ１より低い周波数ｆ２を有する信号Ｂを生成し、タイマー回路５ｂにより所定時間毎に信号Ａと信号Ｂを切り替えて、定常点灯周波数ｆ１の信号と、照度むらを解消することができるそれより周波数が低い周波数ｆ２の信号によりフルブリッジ型インバータ回路３のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を駆動し、高圧放電ランプを点灯させるようにしたので、定常点灯時に生じる陽イオンの密度分布不均一を解消し、照度分布が不均一（照度むら）になることが抑制できる。
すなわち、所定時間毎に、定常点灯周波数ｆ１より低い周波数ｆ２に切り替えることで、陽イオンが一方の電極側に引き寄せられ、定常点灯周波数ｆ１で点灯していたときに生ずる陽イオンの密度分布不均一を解消できる、これによる照度むらを抑制できる。
なお、高圧放電ランプが照度むらを発生させる時間があらかじめ分かるので、上述のタイマー回路５ｂの信号Ｔは、高圧放電ランプに照度むらが生じる前の所定時間で、信号ＡＢとが切り替わるタイミングに設定されている。
【００２６】
さらに、後述の実験結果に示すように、低周波ｆ２は、５Ｈｚ以上であり、かつ、定常点灯周波数ｆ１の３０％以下であれば、電極変形を抑制しつつ、照度むら抑制に効果的である。
また、低周波ｆ２を定常点灯周波数ｆ１に挿入するタイミングとしては、陽イオンの不均一分布が生じる前にすることが好ましい。このため、定常点灯周波数ｆ１で点灯を開始してから１０分以内に低周波ｆ２を挿入することが好ましい。
さらにまた、低周波ｆ２が挿入される期間は、１周期〜１０周期（１周期は周波数ｆ２の信号のＯＮ−ＯＦＦ期間）であり、定常点灯周波数ｆ１で点灯する期間は、時間として０．１〜６秒間の範囲とすることが望ましい。
なお、低周波ｆ２で点灯させる期間及び低周波ｆ２で点灯させる周期は、ランプの仕様、点灯条件、外管と発光管が当接する面積や当接している部分の数などにより定まるものと考えられる。
【００２７】
ここで、交流点灯させるランプにおいては、音響共鳴によって、照度むらが生じることが従来知られている（例えば、特開昭６３−２８５８９９号公報の２頁目左上欄の１５行目〜等を参照）。
音響共鳴は、次式（１）を満たす条件で発生する。なお、次式（１）で示すｆａは音響共鳴周波数、ｍは常数、Ｖは音速（ｍ／ｓ）、ＡＬは電極間距離（単位：ｍ）である。
ｆａ＝ｍｖ／（２ＡＬ） …（１）
この（１）式を満たす条件では、ランプの軸方向にガス分子や電離イオンの粗密の定在波が発生し（「音響共鳴」という）、色むらが発生することが知られている。
（１）式における音速ｖは、一般的に、比熱比γ，密度ｐ（単位：ｋｇ／ｍ3 ）及び圧力ρ（単位：Ｎ／ｍ2 ）で表すことができる（次式（２）参照）
ｖ＝（γｐ／ρ）0.5 …（２）
（１）式に（２）式を代入すると、次式（３）式になる。
ｆａ＝ｍ（γｐ／ρ）0.5 ／（２ＡＬ） …（３）
【００２８】
この音響共鳴周波数ｆａは、封入物の蒸気圧，気体密度、温度などに依存している。
実際のランプでは、これらの数値は一様ではなく、ランプサイズ（内径、電極間距離、それらの比）や点灯条件（入力）、放電管の冷却条件（内表面温度など）に大きく依存した分布をもつため、厳密には実験的に求める必要がある。
本発明は照度むらを抑制することを目的としており、この照度むらは前記したように音響共鳴によっても発生するので、音響共鳴も抑制することが好ましい。
そこで、本願における定常点灯周波数ｆ１が、上記の音響共鳴周波数ｆａを満たさない範囲を実験的に求めた。
その結果、近似的に以下の条件（４）になることがわかった。なお、条件（４）で示すＨｇは封入水銀密度（単位：ｍｇ／ｃｍ3 ）、ＡＬは上述と同じく電極間距離（単位：ｍ）である。
ｆ１＜（Ｈｇ／３０）-0.33 ×２５０／ＡＬ …（４）
【００２９】
図４の点灯装置においては、信号Ａと信号Ｂとの切替を、所定時間で切り替えるタイマー回路５ｂと論理回路Ｌ１〜Ｌ４からなる切替回路ＳＬを用いて行なったが、信号Ａと信号Ｂを切り替える手段としては、タイマー回路に限定されるものではなく、以下に説明する手段を用いてもよい。
図８は、本発明の第２の実施形態に係る給電部の構成図であり、同図によりその他の構成例について説明する。
図８に示す点灯装置は、高圧放電ランプの長手方向に沿って複数の照度計ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３、…を設けるとともに、該照度計による測定結果を相互に比較する比較回路５ｅと、その出力の差が一定値以上になると、信号Ａと信号Ｂを切り替えるフィードバック制御回路５ｆを設けている。
すなわち、図４のタイマー回路５ｂに替えて、比較回路５ｅとフィードバック制御回路５ｆを設けて、比較回路５ｅの比較結果に基づき、フィードバック制御回路５ｆにより信号Ａと信号Ｂを切り替えている。
【００３０】
図８は、ドライバ回路４ｄを動作させる信号Ｔを生成する回路が相違するのみで、その他の構成は、図４に示したものと基本的には同じであり、以下、図４との相違点のみ説明する。
ランプ点灯時、高圧放電ランプ１０の電極間の径方向に位置するように、複数の照度計ＰＳ１、ＰＳ２、ＰＳ３、…が設けられる（以下３個の照度計ＰＳ１、ＰＳ２、ＰＳ３が設けられているとして説明する）。
複数の照度計ＰＳ１、ＰＳ２、ＰＳ３は、高圧放電ランプ１０の長手方向における各照度を測定し、その測定結果を比較回路５ｅに送信する。比較回路５ｅにおいて、各照度計ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３による測定結果を比較し、測定結果に、ある一定値以上のずれが生ずると、フィードバック制御回路５ｆに切替信号Ｄを送出する。
フィードバック制御回路５ｆは、高圧放電ランプ１０の長手方向における照度分布が所定範囲から外れた場合、点灯周波数を切り替える信号をドライバ回路５ｄに送出する。すなわち、フィードバック制御回路５ｆは信号ＥをＬレベルとし、ドライバ回路５ｄは、この信号ＥがＬレベルになると、フルブリッジ型インバータ回路のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の駆動信号Ｘ，Ｙの周波数を定常点灯周波数ｆ１からｆ２に切り替える。
【００３１】
これにより、上記照度計の測定結果のずれが解消すると、比較回路５ｅは、切替信号Ｄの送出を停止し、フィードバック制御回路５ｆは信号ＥをＨレベルとする。ドライバ回路５ｄは、この信号ＥがＨレベルになると、フルブリッジ型インバータ回路のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の駆動信号Ｘ，Ｙの周波数を定常点灯周波数ｆ１に戻す。
ここでいう所定範囲とは、高圧放電ランプ１０からの紫外線が照射される被照射物によって、許容される照度分布の均一性があり、この許容される照度分布の均一性が維持できる範囲、例えば±１０％の照度分布のことをいう。
なお、ドライバ回路の内部の構成は、図５に示したものと基本的には同じであり、その動作も図７に示した通りであり、図５において信号Ｔが入力される端子に上記信号Ｅが入力される。
前記第１の実施形態と本実施形態の相違は、定常点灯周波数ｆ１からｆ２に切り替えるタイミングが、第１の実施形態では所定時間毎であるのに対し、本実施形態では所定の照度分布からはずれた場合であるか、という違いであり、それ以外の作用・効果を共通である。
【００３２】
本発明の効果を確認するため、以下の実験を行った。
（１）実験例１
実験に用いた光照射装置の構成を図９（ａ）に示す。前記図１に示した光照射装置と、同様の構成を有し、その仕様は、以下のとおりである。
・放電管（発光管）：内径５．４ｍｍ 外径９ｍｍ
・外管：内径９．１５ｍｍ 外径１２ｍｍ
・電極間距離：５００ｍｍ
・封入物
水銀密度 ５ｍｇ／ｃｍ3
．水冷ジャケットと外管との間に流れる冷却水の流量：２０Ｌ／ｍｉｎ
実験に用いた高圧放電ランプの点灯条件は、定常点灯周波数ｆ１を１秒間入力し、続いて低周波ｆ２を１周期分（周波数ｆ１のＯＮ−ＯＦＦで１周期）入力のように周波数ｆ１とｆ２の信号を交互に入力した。すなわち、定常点灯周波数ｆ１が１秒間→低周波ｆ２が１周期→定常点灯周波数ｆ１が１秒間→…（以下同様）である。
点灯周波数は、以下のとおりである。
・定常点灯周波数ｆ１： １００、５００、８００、１０００Ｈｚ
・低周波ｆ２： ３、５、１０、３０、５０、１００、１５０、２００、３００、５００Ｈｚ
【００３３】
実験に用いた高圧放電ランプの電極間の径方向外方には、冷却ジャケットを介して複数の照度計が配置される。この複数の照度計は、高圧放電ランプの長手方向に沿って配置され、その長手方向における照度分布を測定する。
この照度計は、電極先端から軸方向に５ｃｍ離れた箇所から、高圧放電ランプの長手方向に向かって１０ｍｍ間隔で配置した。
そして、照度計により電極先端から５ｃｍの位置から軸方向に１ｃｍ毎に対向する電極の５ｃｍ前までの照度を測定し、図９（ｂ）に示すように、各照度計から測定された各照度から、平均値を求め、その平均値と各照度とのばらつき（すなわち、照度むら）を観察した。
観察の結果を表１にまとめた。表１では、平均値から最大１５％以上のばらつきがあったとき×とし、最大１０％〜１５％の間のばらつきのとき△とし、最大５％〜１０％の間のばらつきのとき○とし、最大５％未満のばらつきのとき◎とした。
【００３４】
【表１】
【００３５】
表１に示されるように、低周波ｆ２が定常点灯周波数ｆ１の３０％以下のとき、照度むらの抑制効果を得ることができる。
但し、低周波ｆ２が３Ｈｚのとき、電極変形が生じていた。これは、一方の電極から他方の電極に向かって電流が流れる期間、すなわち直流点灯期間が長かったため、一方的に電子の衝突をうけた電極が変形したものと考えられる。このため、低周波ｆ２の好ましい範囲としては、５≦ｆ２≦０．３ｆ１となる。
また、表１では、定常点灯周波数ｆ１が１０００Ｈｚにおいては、全て△であるのに対し、定常点灯周波数ｆ１が８００Ｈｚ以下の範囲において、照度むらが抑制されることがあることを示されている。これは、ｆ１：８００Ｈｚ以下の範囲が、上述でいう、音響共鳴を抑制するための条件である（４）式のｆ１＜（Ｈｇ／３０）-0.33 ×２５０／ＡＬに相当しており、このため、音響共鳴による照度むらを抑制できていることが分かる。
【００３６】
（２）実験例２
ランプの発光長（電極間距離）を１０００ｍｍに変更して、上記実験例１と同一の条件で実験を行なった。ランプ仕様は次の通りである。
・放電管（発光管）：内径５．４ｍｍ 外径９ｍｍ
・外管：内径９．１５ｍｍ 外径１２ｍｍ
・発光長（電極間距離）：１０００ｍｍ
・封入物
水銀密度 ５ｍｇ／ｃｍ3
．水冷ジャケットと外管との間に流れる冷却水の流量：２５Ｌ／ｍｉｎ
その結果を表２に示す。
この場合は、周波数ｆ１が４００Ｈｚと５００Ｈｚの間で、音響共鳴による照度むらの抑制が機能していることがわかる。
【００３７】
【表２】
【００３８】
（３）実験例３
ランプの封入物を変更し、メタルハライドランプを用いて、上記実験例１と同一の条件で同様の実験を行なった。ランプ仕様は次の通りである。
・放電管（発光管）：内径４．６ｍｍ 外径１０．３ｍｍ
・外管：内径１０．４５ｍｍ 外径１３ｍｍ
・発光長（電極間距離）：５００ｍｍ
・封入物
水銀密度：２．５ｍｇ／ｃｍ3
沃化鉄 ：０．４５ｍｇ／ｃｍ3
沃化タリウム：０．０６ｍｇ／ｃｍ3
・水冷ジャケットと外管との間に流れる冷却水の流量：２０Ｌ／ｍｉｎ
その結果を表３に示す。
【００３９】
【表３】
【００４０】
この場合は、周波数ｆ１が１０００Ｈｚと１２００Ｈｚの間で、音響共鳴による照度むらの抑制が機能していることがわかる。すなわち、水銀以外のメタルの添加量と比較して、水銀の添加量が多い場合（他の金属より５倍程度以上）、前記（４）式のｆ１＜（Ｈｇ／３０）-0.33 ×２５０／ＡＬが適用できることがわかる。
また、上記（２）−（３）の実験結果から、実験例１で得られた、低周波ｆ２の好ましい範囲である５≦ｆ２≦０．３ｆ１の式が、その他のランプにも適用できることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施形態に係る光照射装置の構成の概略を示す断面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る高圧放電ランプの構成の概略を示す断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係わる給電部の詳細を示した構成図である。
【図５】図４に示す制御部のドライバ回路の詳細図である。
【図６】制御部の動作を示すフローチャートである。
【図７】制御部の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る給電部の構成図である。
【図９】実験に用いた光照射装置の構成及び測定位置と照度を示す図である。
【図１０】従来に係わる光源の構成を示す図ある。
【図１１】従来に係わる光照射装置の構成を示す図である。
【図１２】図１１に示す光照射装置の放電管と外管を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１ 給電部
２ 昇圧整流回路
２ａ 交流電源
２ｂ 制御回路
３ フルブリッジ型インバータ回路
４ スタータ回路
５ 制御部
５ａ 基本周波数発振回路
５ｃ 低周波発振回路
５ｂ タイマー回路
５ｄ ドライバ回路
５ｅ 比較回路
５ｆ フィードバック制御回路
１０ 高圧放電ランプ
１１ 放電管
１２ 内管
１３ 封止部
１６ 電極
１７ 金属箔
１８ 外部リード
２０ 外管
６０ 冷却ジャケット
６１ 冷却水供給流路形成部材
６２ 冷却水排出流路形成部材
６３，６４口締め部
６５ 冷却水流路
７０ 反射鏡
７５ マスクステージ
７６ ワークステージ
７７ ワーク
Ｔ１ 昇圧トランス
Ｄ１ ダイオード
Ｃ１ 平滑コンデンサ
Ｃ２ コンデンサ
ＬＬ１ コイル
ＬＬ３ コイル
Ｓ１ スイッチング素子
ＳＬ 切替回路
ＤＤ１ 遅延回路
ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３ 照度計
Ｗ 冷却水
Ｍ マスク
Ｑ１〜Ｑ４ スイッチング素子
Ｌ１〜Ｌ８ 論理回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、両端が封止され、内部に、一対の電極が対向配置されると共に、少なくとも金属が封入された放電管と、放電管の外方に設けられた外管とを有する高圧放電ランプの点灯装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば接着剤などの樹脂の硬化処理やプリント基板などの露光処理においては、紫外線光源として、例えば高圧放電ランプ（紫外線照射ランプ）が用いられている。
この高圧放電ランプ（紫外線照射ランプ）は、ランプ点灯時に高温になることから、特許文献１に記載されるように、冷却される。
特許文献１には、放電管（以下、特許文献１では発光管）の外方に二重管構造の水冷ジャケットを設け、発光管と水冷ジャケット内管との間に冷却風を流す技術が記載されている。
図１０に特許文献１の図１に示される光源を示す。同図に示すように、紫外線照射ランプ１０１と水冷ジャケット１０２と水冷ジャケット両端の端キャップ１０３ａ，１０３ｂを備えている。紫外線照射ランプ１０１は直管状の石英ガラス製発光管１０６の両端に一対の電極を封着し、内部に希ガスと水銀及び金属ハロゲン化物を封入したものである。
【０００３】
水冷ジャケット１０２は円筒状の石英ガラス等の透明な材料よりなり、内管１２１と外管１２２よりなる二重管構造になっており、また、両端外周に設けられた接続管１２３ａ，１２３ｂを通して外部から冷却水１０４がジャケット内を循環して、空気層を介して近接する発光管１０６を冷却すると共にランプ１０１から放射される熱を吸収する。
水冷ジャケット１０２の一方の端キャップ１０３ａには冷気の通気口１３１が、他方の端キャップ１０３ｂには排気口１３２が設けてある。そして、外部から冷却風１０５が矢印で示すように通気口１３１から水冷ジャケット１０２の内側に入り、発光管１０６と水冷ジャケット１０２の内管１２１との空間を流れ、発光管表面から熱を奪って発光管１０６を冷却する。
特許文献１の段落番号［００１１］に記載された数値例から、特許文献１に記載のものは、例えば発光管１０６の外径は２４ｍｍ、水冷ジャケットの内管１２１が２６ｍｍであり、両者の間隙が１ｍｍ（＝１０００μｍ）であると読み取れる。
図１０（ｂ）に特許文献１に記載の発光管１０６と内管１２１を管軸方向に垂直な平面で切った断面図を示す。
【０００４】
特許文献１に記載の冷却では、高圧放電ランプ（紫外線照射ランプ）が充分に冷却されないことから、最近特許文献２に記載される技術が開発された。
特許文献２に記載のものは、高圧放電ランプを二重管構造とし、放電管とその外方に位置する外管との間隙とを近接させることで、外管の外周に流れる冷却水によって、放電管への冷却効果を高めるようにしたものである。
図１１に特許文献２に示される光照射装置の断面構成を示し、図１２に図１１に示す光照射装置の放電管と外管の断面構成を示す。なお、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。
この光照射装置は、高圧放電ランプ１０を光源として具える。高圧放電ランプ１０は、全体が棒状の放電管１１と、この放電管１１が内部に配置された例えば石英ガラスからなる外管２０とにより構成されている。
放電管１１は、両端が封止された例えば石英ガラスからなる直管状の内管１２の内部に、各々例えばタングステンからなる一対の棒状の電極１６が対向配置されたものであり、各電極１６が内管１２に形成されたロッド状の封止部１３に気密に埋設された例えばモリブデンからなる金属箔１７を介して封止部１３の外端より軸方向外方に突出して伸びる外部リード１８に電気的に接続されている。
高圧放電ランプ１０の放電管１１と外管２０との間の空隙には、空気層または適宜のガスによるガス層が形成されている。
【０００５】
この光照射装置は、上記高圧放電ランプ１０の管軸に沿って伸びるよう設けられ、高圧放電ランプ１０の外周面との間に冷却水Ｗが流過される冷却水流路６５を形成する円筒状の冷却ジャケット６０と、高圧放電ランプ１０および冷却ジャケット６０の両端に配置された、内部空間が高圧放電ランプ１０と冷却ジャケット６０との間の冷却水流路６５に連通する冷却水供給流路形成部材６１および冷却水排出流路形成部材６２とにより構成された冷却機構を有する。
また、光照射方向（図１１において下方向）に対して高圧放電ランプ１０の背面側には、例えば断面が放物状の反射面７１を有する樋状の反射鏡７０が、その第１焦点が高圧放電ランプ１０の中心（高圧放電ランプ１０における一対の電極１６の中心を結ぶ直線）と一致する状態で、高圧放電ランプ１０に沿って伸びるよう配置されており、高圧放電ランプ１０から放射される光が直接的にあるいは反射鏡７０により反射されて平行光とされてマスクステージ７５に保持されたマスクＭを介してワークステージ７６上に載置された、例えばレジスト等の感光剤が塗布された液晶パネルや半導体素子などのワーク７７に照射される。
【０００６】
上記光照射装置においては、高圧水銀ランプ１０の点灯時において、冷却水Ｗが図示しない適宜の冷却水供給手段（ポンプ）によって供給される。
供給される冷却水Ｗは、高圧放電ランプ１０と冷却ジャケット６０との間に形成された冷却水流路６５内を、高圧放電ランプ１０の壁面、具体的には外管２０の外周面に沿って軸方向に流過されて高圧放電ランプ１０全体を冷却した後、冷却水排出流路形成部材６２を介して排出される。
これら高圧放電ランプの放電管内には、Ｈｇ、あるいは、Ｈｇと共にＦｅ，Ｔｌ，Ｓｎ，Ｚｎ，Ｉｎなどの陽イオンが封入されており、これらがランプ点灯中に励起され光が放射される。
【０００７】
【特許文献１】特開平０６−２６７５１２号公報
【特許文献２】特開２００８−１４６９６２公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
放電管と、外周面に冷却水が流れる外管との間の平均間隙、すなわち、放電管の外径と外管の内径の差を小さくし、例えば平均間隙を１００μｍ以下にすると放電管の長手方向における照度分布が不均一（いわゆる照度むら）になることがあった。これは、特許文献１に記載のものの場合には、起こらなかったものである。
本発明者らの鋭意検討の結果、それは、間隙を特許文献１のものよりも小さくしたことに起因することが分かった。
具体的には、放電管と外管とを構成する部材はガラス部材であることから、その外面形状は波打つように不均一である。このため、放電管と外管との間隙は、例えば±１００μｍの変動を受け、平均間隙が例えば１００μｍ以下の場合、その間隙が１００％以上変動することになる。
すなわち、放電管と外管とは、所々当接する部分があり、別の所では例えば２００μｍ以下の間隙が存在することになる。外管の外周面に冷却水を流すと、放電管は、当接する部分は熱伝導性が良好であることから、効率良く冷却されるのに対し、間隙が２００μｍの部分は当接する部分より熱伝導性が良くないので、効率良く冷却されなかった。放電管の長手方向においても、効率良く冷却される部分と、冷却されない部分とができてしまう。
【０００９】
放電管の内部には、Ｈｇ、あるいは、Ｈｇと共にＦｅ、Ｔｌなどの陽イオンが封入されている。これら陽イオンは、熱平衡状態で温度が低い部分で密度が高くなり、温度が高い部分で密度が低くなるので、特許文献２に記載される高圧放電ランプの場合、その長手方向で、効率よく冷却される部分で陽イオンの密度が高くなり、冷却されない部分で密度が低くなる。このように、放電管内の長手方向で陽イオンの密度分布が不均一になって、照度分布が不均一（照度むら）になったと考えられる。
なお、特許文献１の場合は、平均間隙が１０００μｍであることから、放電管と外管との外面形状が波打つことによりその間隙が例えば±１００μｍの変動を受けても、その間隙の変動は１０％程度にすぎない。このため、特許文献１に記載の高圧放電ランプは、その長手方向における冷却分布がほとんど生じず、照度分布が不均一（照度むら）になることもなかったと考えられる。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、本発明の目的は、放電管と、その外方に設けられた外管とを具備し、外管の内径と放電管の外径とがほぼ等しく、外管と放電管の少なくとも一部が接触している高圧放電ランプにおいて、照度むらを抑制した点灯装置及び点灯方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明においては、上記課題を次のようにして解決する。
（１）両端が封止され、内部に、一対の電極が対向配置されると共に、少なくとも金属が封入されてなる全体が棒状の放電管と、該放電管の外方に設けられた外管とを具備し、外管の内径と放電管の外径とがほぼ等しく、外管と放電管がところどころで接触しており、外管の内径と放電管の外径との差の平均値が例えば１００μｍ程度である高圧放電ランプと、この高圧放電ランプの管軸に沿って伸びるよう設けられ、高圧放電ランプの外管との間に冷却水が流過される流路を形成する流路形成部材と、この一対の電極に電気的に接続され上記高圧放電ランプに給電する給電部とを備えた点灯装置において、給電部を次のように構成する。
すなわち、上記高圧放電ランプを点灯させるための定常点灯周波数ｆ１を有する第１の信号と上記高圧放電ランプの照度むらを解消させるための該定常点灯周波数ｆ１より低い周波数ｆ２を有する第２の信号を生成する信号生成手段と、上記第１の信号もしくは第２の信号を選択的に出力させる切替手段と、上記第１の信号もしくは第２の信号により駆動され、上記高圧放電ランプに周波数ｆ１もしくは周波数ｆ２の交流電圧を供給するインバータ回路とから構成する。そして、定常点灯周波数ｆ１で高圧放電ランプを点灯させ、照度むらが生ずる前に、照度むらを解消することができるそれより周波数が低い周波数ｆ２に切り替えてランプ１０を点灯させる。
（２）上記（１）において、切替手段にタイマ手段を設け、このタイマ手段により、放電ランプに周波数ｆ１の交流電圧を供給してから第１の所定時間後に、上記高圧放電ランプに供給する交流電圧の周波数をｆ１からｆ２に低下させ、第２の所定時間の間、上記高圧放電ランプに上記周波数ｆ２の交流電圧を供給する。
（３）上記（１）（２）において、定常点灯周波数ｆ１［Ｈｚ］と周波数ｆ２［Ｈｚ］との関係を、ｆ２≦０．３ｆ１とする。
（４）上記（１）（２）（３）において、上記放電管内に封入された金属には水銀が含まれ、上記定常点灯周波数ｆ１［Ｈｚ］を、放電管に封入された水銀密度［ｍｇ／ｃｍ3 ］をＨｇとし、電極間距離［ｍ］をＡＬとしたとき、ｆ１＜（Ｈｇ／３０）-0.33 ×２５０／ＡＬとする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明においては、以下の効果を得ることができる。
（１）定常点灯周波数ｆ１を有する第１の信号と、照度むらを解消させるためのｆ１より低い周波数ｆ２を有する第２の信号を生成し、上記第１の信号と第２の信号を切り替えて高圧放電ランプを点灯させるようにしたので、定常点灯時に生じる陽イオンの密度分布不均一を解消し、照度分布が不均一（照度むら）になることが抑制できる。
すなわち、周波数ｆ１より低い周波数ｆ２に切り替えることで、陽イオンが一方の電極側に引き寄せられ、定常点灯周波数ｆ１で点灯していたときに生ずる陽イオンの密度分布不均一を解消できる、これによる照度むらを抑制できる。
（２）タイマ手段を用い、上記高圧放電ランプに供給する交流電圧の周波数を切り替えるようにすることにより、比較的簡単な構成の手段で、実用上に支障ない程度に、照度分布が不均一（照度むら）を抑制することができる。
（３）定常点灯周波数ｆ１［Ｈｚ］と周波数ｆ２［Ｈｚ］との関係を、ｆ２≦０．３ｆ１とすることにより、照度むらの不均一を効果的に解消することができる。
（４）定常点灯周波数ｆ１［Ｈｚ］を、放電管に封入された水銀密度［ｍｇ／ｃｍ3 ］をＨｇとし、電極間距離［ｍ］をＡＬとしたとき、ｆ１＜（Ｈｇ／３０）-0.33 ×２５０／ＡＬとすることにより、音響共鳴を抑制でき、ガス分布やイオンの粗密の定在波の発生による色むらを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
まず、本発明が対象とする光照射装置について説明する。
本発明の光照射装置は、前記図１１に示したものと同様、高圧放電ランプを具備し、ランプ点灯時においてランプを冷却する冷却水が外管の壁面に沿って流過される流路を区画する流路形成部材が設けられた構成のものである。
図１は、本発明の実施形態に係る光照射装置の構成の概略を示す断面図であり、図２は、図１におけるＡ−Ａ線断面図である。
この光照射装置は、高圧放電ランプ１０を光源として具えており、高圧放電ランプ１０が内部に挿通された状態で高圧放電ランプ１０の管軸に沿って伸びるよう設けられ、高圧放電ランプ１０の外周面との間に冷却水Ｗが流過される冷却水流路６５を形成する流路形成部材である円筒状の冷却ジャケット６０を有する。
高圧放電ランプ１０および冷却ジャケット６０の両端には、内部空間が高圧放電ランプ１０と冷却ジャケット６０との間の冷却水流路６５に連通する冷却水供給流路形成部材６１および冷却水排出流路形成部材６２が配置され、これらにより冷却機構を構成する。
【００１３】
冷却水供給流路形成部材６１および冷却水排出流路形成部材６２は全体が略Ｌ字型の管状であり、高圧放電ランプ１０および冷却ジャケット６０が、例えば管軸が水平方向に伸びる姿勢で接続されている。
そして、軸方向内方側の口締め部６３によって例えばＯリング（図示せず）を介して冷却ジャケット６０の外周面が保持固定されていると共に、軸方向外方側の口締め部６４によって例えばＯリング（図示せず）を介して高圧放電ランプ１０の外周面が保持固定されている。
冷却ジャケット６０は、高仕放電ランプ１０から放射される紫外線を透過する材料、例えば石英ガラスにより構成されている。
【００１４】
光照射方向（図１および図２において下方向）に対して高圧放電ランプ１０の背面側には、例えば断面が放物状の反射面７１を有する樋状の反射鏡７０が、その第１焦点が高圧放電ランプ１０の中心（高圧放電ランプ１０における 一対の電極１６の中心を結ぶ直線）と一致する状態で、高圧放電ランプ１０に沿って伸びるよう配置されている。
高圧放電ランプ１０から放射される光は直接的にあるいは反射鏡７０により反射されて平行光とされてマスクステージ７５に保持されたマスクＭを介してワークステージ７６上に載置された、例えばレジスト等の感光剤が塗布された液晶パネルや半導体素子などのワーク７７に照射される。
ここに、反射面７１は、例えばチタニアおよびシリカなどの異なる反射層を交互に蒸着させて形成した多層膜によって形成されている。
【００１５】
高圧放電ランプ１０の一対の電極１６には、外部リード１８を介して給電部１が電気的に接続され、給電部１から一対の電極間に交流電圧を印加することにより、高圧放電ランプ１０は点灯する。
高圧水銀ランプ１０の点灯時において、冷却水Ｗが図示しない適宜の冷却水供給手段（ポンプ）によって供給される。ここに、高圧放電ランプ１０の冷却は、冷却水Ｗを例えば５Ｌ（リットル）／ｍｉｎの流量で循環させることによって達成される。
供給される冷却水Ｗは、高圧放電ランプ１０と冷却ジャケット６０との間に形成された冷却水流路６５内を、高圧放電ランプ１０の壁面、具体的には外管２０の外周面に沿って流れる。
【００１６】
次に上記高圧放電ランプ１０について説明する。
高圧放電ランプ１０は、外管２０の内径と放電管１１の外径とがほぼ等しく、外管２０と放電管１１がところどころで接触しており、外管と放電管の平均間隙が１００μｍ以下に構成された二重管構造のものである。
なお、ここで言う平均間隙とは、外管２０と放電管１１を組み立てる前に、外管２０の内径Ｌ４と放電管１１の外径Ｌ５を複数個所で測定し、その差分を１／２した平均値であり、有効発光領域の複数箇所で測った電極間の径方向の間隙の平均値のことをいう。
例えば、外管２０の内径Ｌ４は、以下のように求める。
外管２０と放電管１１を組み立てる前の外管２０の外径Ｌ１を計り、外管２０の肉厚の厚い所の厚さＬ２と薄い所の厚さＬ３とを計って、Ｌ４＝Ｌ１−Ｌ２−Ｌ３により外管２０の内径Ｌ４を求める。
また、放電管１１の外径Ｌ５は、外管２０と放電管１１を組み立てる前に測定した放電管１１の外径である。
【００１７】
図３は、本発明の実施形態に係る高圧放電ランプの構成の概略を示す断面図である。
この高圧放電ランプ１０は、前記図１１に示したものと同様、両端が封止された、例えば石英ガラスからなる直管状の内管１２の内部に、各々例えばタングステンからなる一対の棒状の電極１６が対向配置され、各電極１６が内管１２に形成されたロッド状の封止部１３に気密に埋設された例えばモリブデンからなる金属箔１７を介して封止部１３の外端より軸方向外方に突出して伸びる外部リード１８に電気的に接続されてなる、全体が棒状の放電管１１と、この放電管１１が内部に配置された、例えば石英ガラスからなる外管２０とにより構成されている。放電管１１と外管２０の両端部分は、ベース２５を介して接着剤２４により固定されている。
放電管１１における封止部１３は、例えば、内管１２の構成材料であるパイプ体における両端部を溶融状態にして内部を減圧するシュリンクシール法により形成されたものであり、放電管１１の中央部（発光領域に相当する部分）より小径とされている
この高圧放電ランプ１０は高圧水銀ランプ、あるいは、メタルハライドランプであり、放電管１１の内部に、例えば１ｍｇ／ｍｍ3 以上の水銀が封入されると共にアルゴンガスなどの希ガスが適宜の量で封人されている。なお、水銀（Ｈｇ）と共に鉄（Ｆｅ）、タリウム（Ｔｌ) 、スズ（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）等のハロゲン化合物が封入されていてもよく、また、水銀（Ｈｇ）を含まないものもある。そして、例えば波長が３５０〜４５０ｎｍである紫外線を含む光を放射する。
【００１８】
高圧放電ランプ１０の一対の電極には、図１に示すように、給電部１が電気的に接続される。
図４は、本発明の第１の実施形態に係わる給電部の詳細を示した構成図である。
給電部１は、直流電圧が供給される昇圧整流回路２と、昇圧整流回路２の出力側に接続され直流電圧を交流電圧に変化させて放電ランプ１０に供給するフルブリッジ型インバータ回路３と、フルブリッジ型インバータ回路３と高圧放電ランプ１０との間で高圧放電ランプ１０に直列接続されたコイルＬＬ１、スタータコイルＬＬ２及びスタータ回路４と、フルブリッジ型インバータ回路３のスイチング素子（例えばＩＧＢＴ）の駆動を制御する制御部５と、により構成される。
昇圧整流回路２は、交流電源２ａに接続され、昇圧トランスＴ１、整流ダイオードＤ１、平滑コンデンサＣ１により構成される整流回路で、交流電圧を直流電圧に変換し、その後のコイルＬＬ３、スイッチング素子Ｓ１、ダイオードＤ１、コンデンサＣ２により構成される昇圧チョッパー回路で昇圧された直流電圧をフルブリッジ型インバータ回路３に供給する。
昇任チョッパー回路のＩＧＢＴやＦＥＴ等のスイッチング素子Ｓ１には制御回路２ｂが接続されており、スイッチング素子Ｓ１のスイッチング周波数およびＯＮ、ＯＦＦ期間を変化させることにより、所望の電圧を供給できるようになっている。
【００１９】
フルブリッジインバータ回路３は、ブリッジ状に接続されたＩＧＢＴやＦＥＴ等のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４から構成されている。フルブリッジインバータ回路３のスイッチング素子のＯＮ、ＯＦＦは、後述するドライバ回路によって駆動される。
フルブリッジ型インバータ回路３の動作は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４とスイッチング素子Ｑ２、Ｑ３を交互にＯＮ，ＯＦＦを繰り返す。スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３がＯＮするときは、昇圧整流回路２→スイッチング素子Ｑ３→コイルＬＬ１→スターターコイルＬＬ２→放電ランプ１０→スイッチング素子Ｑ２→昇圧整流回路２に電流が流れる。
一方、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４がＯＮするときは、昇圧整流回路２→スイッチング素子Ｑ１→放電ランプ１０→スターターコイルＬＬ２→コイルＬＬ１→スイッチング素子Ｑ４→昇圧整流回路２の経路で放電ランプ１０に交流矩形波電流を供給する。
【００２０】
制御部５は、マルチバイブレータ、ＬＣ発振回路などから構成され、基本発振波形である信号Ａを発信する基本周波数発振回路５ａと、該信号Ａよりも低周波な信号Ｂを発信する低周波発振回路５ｃと、所定時間でＯＮ−ＯＦＦを切り替えるタイマー信号Ｔを発信するタイマー回路５ｂと、により構成される。上記基本周波数発振回路５ａ、タイマー回路５ｂ、低周波発振回路５ｃが出力する各信号Ａ，Ｔ，Ｂは、ドライバ回路５ｄで組み合せられる。
各信号Ａ，Ｂ，Ｔとが組み合わせられ、フルブリッジ型インバータ回路３を制御するための信号の合成について、図５〜図７を用いて説明する。
【００２１】
図５はドライバ回路の詳細図である。
発振回路５ａが出力する周波数ｆ１を有する信号Ａは、論理回路Ｌ１（アンド回路）の一方の入力端子に入力され、論理回路Ｌ１の他方の入力端子には、タイマー回路５ｂの出力信号Ｔが入力される。タイマー回路５ｂの出力信号Ｔは、後述する図７に示すように例えば、信号Ａの立下り時にハイレベル（Ｈレベル）からローレベル（Ｌレベル）、あるいはローレベル（Ｌレベル）からハイレベル（Ｈレベル）に変わる信号であり、信号Ａの第１の所定周期毎に状態がＨからＬレベルに変わり、信号Ａの第２の所定周期毎に状態がＬからＨレベルに変わる。
論理回路Ｌ１は、タイマー回路５ｂの出力がＨレベルのとき、信号Ａを出力する。
また、タイマー回路５ｂの出力信号Ｔは論理回路Ｌ２（反転回路）に入力されて反転され、論理回路Ｌ３（アンド回路）の一方の入力端子に入力される。論理回路Ｌ３の他方の入力端子には、低周波発振回路５ｃの出力［周波数ｆ２（ｆ２＜ｆ１）を有する信号Ｂ］が入力される。論理回路Ｌ３は、タイマー回路５ｂの出力信号ＴがＬレベルのとき、信号Ｂを出力する。
【００２２】
論理回路Ｌ１、Ｌ２の出力は論理回路Ｌ４（オア回路）の入力端子に入力され、論理回路Ｌ４は、タイマー回路５ｂの出力はＨレベルのときは信号Ａを出力し、タイマー回路５ｂの出力がＬレベルのときは、信号Ｂを出力する。すなわち、タイマー回路５ｂと論理回路Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４で切替回路ＳＬを構成し、切替回路ＳＬは、タイマー回路５ｂの出力信号Ｔに応じて、信号Ａまたは信号Ｂを選択的に出力する。
論理回路Ｌ４の出力信号Ｃ１は、遅延回路ＤＤ１に入力され、遅延回路ＤＤ１は信号Ｃ１を遅延させた信号Ｃ２を出力する。信号Ｃ１、Ｃ２は論理回路Ｌ５（アンド回路）の入力端子に入力され、論理回路Ｌ５は、そのアンド信号である信号Ｘを出力する。この信号Ｘは、フルブリッジ型インバータ回路３のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４の駆動信号となる。
また、信号Ｃ１、Ｃ２は論理回路Ｌ６，Ｌ７（反転回路）で反転され、論理回路Ｌ８（アンド回路）の入力端子に入力され、論理回路Ｌ８は、そのアンド信号である信号Ｙを出力する。この信号Ｙは、フルブリッジ型インバータ回路３のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３の駆動信号となる。
【００２３】
図６は制御部の動作を示したフローチャート図、図７は制御部でのタイミングチャートであり、図５、図６、図７により、動作を説明する。
まず、ステップＳ１で、基本周波数発振回路５ａから基本発振波形である信号Ａが作成される。
次に、ステップＳ２で、基本発振波形を元に周波数ｆ１，ｆ２の点灯波形、タイマー波形が生成される。すなわち、発振回路５ａが出力する信号Ａを元に低周波発振回路５ｃで、信号Ａよりも低周波な信号Ｂが作成され、また、信号Ａを用いてタイマー回路５ｂで、所定時間でＯＮ−ＯＦＦを切り替えるタイマー信号Ｔが作成される。
ステップ３で、信号Ａ（周波数ｆ１），信号Ｂ（周波数ｆ２）及び信号Ｔが組み合わせられ、フルブリッジ型インバータ回路のＩＧＢＴ等から構成されるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の駆動信号Ｘ，Ｙが作成される。
ステップ４でＸ，Ｙ波形に基づき、上記スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４がオン、オフし交流点灯する。
【００２４】
すなわち、信号ＴがＨレベルの期間は、定常点灯周波数ｆ１の信号Ｘ，Ｙを出力し、高圧放電ランプを定常点灯周波数ｆ１で点灯させる。
続いて、高圧放電ランプが照度むらを生じる前の、定常点灯周波数ｆ１で点灯開始してから所定時間後に、信号ＴをＬレベルとし、定常点灯周波数ｆ１よりも低い周波数ｆ２で高圧放電ランプを点灯させる。
このとき、高圧放電ランプの放電管の陽イオンは、低周波が入力されることで、陰極に引き寄せられる時間が長くなり、プラズマ中の陽イオンがかき乱される。その攪拌効果により陽イオンの分布が一様となり、定常点灯周波数ｆ１が入力されたときよりも陽イオンの密度分布の不均一を解消することができ、照度むらを抑制することができる。
なお、図５の回路では、遅延回路ＤＤ１を設けて遅延した信号Ｃ２を生成し、信号Ｃ１と信号Ｃ２（あるいはその反転信号）の論理積を行なって、信号ＸのＯＮ時と信号ＹのＯＮ時との間に、両方の信号がＯＦＦになる休止期間を設けている。これは、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４が同時にＯＮされると破壊される問題を解消するため、デッドタイムを形成したものである。
【００２５】
本実施形態においては、定常点灯周波数ｆ１を有する信号Ａと、ｆ１より低い周波数ｆ２を有する信号Ｂを生成し、タイマー回路５ｂにより所定時間毎に信号Ａと信号Ｂを切り替えて、定常点灯周波数ｆ１の信号と、照度むらを解消することができるそれより周波数が低い周波数ｆ２の信号によりフルブリッジ型インバータ回路３のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を駆動し、高圧放電ランプを点灯させるようにしたので、定常点灯時に生じる陽イオンの密度分布不均一を解消し、照度分布が不均一（照度むら）になることが抑制できる。
すなわち、所定時間毎に、定常点灯周波数ｆ１より低い周波数ｆ２に切り替えることで、陽イオンが一方の電極側に引き寄せられ、定常点灯周波数ｆ１で点灯していたときに生ずる陽イオンの密度分布不均一を解消できる、これによる照度むらを抑制できる。
なお、高圧放電ランプが照度むらを発生させる時間があらかじめ分かるので、上述のタイマー回路５ｂの信号Ｔは、高圧放電ランプに照度むらが生じる前の所定時間で、信号ＡＢとが切り替わるタイミングに設定されている。
【００２６】
さらに、後述の実験結果に示すように、低周波ｆ２は、５Ｈｚ以上であり、かつ、定常点灯周波数ｆ１の３０％以下であれば、電極変形を抑制しつつ、照度むら抑制に効果的である。
また、低周波ｆ２を定常点灯周波数ｆ１に挿入するタイミングとしては、陽イオンの不均一分布が生じる前にすることが好ましい。このため、定常点灯周波数ｆ１で点灯を開始してから１０分以内に低周波ｆ２を挿入することが好ましい。
さらにまた、低周波ｆ２が挿入される期間は、１周期〜１０周期（１周期は周波数ｆ２の信号のＯＮ−ＯＦＦ期間）であり、定常点灯周波数ｆ１で点灯する期間は、時間として０．１〜６秒間の範囲とすることが望ましい。
なお、低周波ｆ２で点灯させる期間及び低周波ｆ２で点灯させる周期は、ランプの仕様、点灯条件、外管と発光管が当接する面積や当接している部分の数などにより定まるものと考えられる。
【００２７】
ここで、交流点灯させるランプにおいては、音響共鳴によって、照度むらが生じることが従来知られている（例えば、特開昭６３−２８５８９９号公報の２頁目左上欄の１５行目〜等を参照）。
音響共鳴は、次式（１）を満たす条件で発生する。なお、次式（１）で示すｆａは音響共鳴周波数、ｍは常数、Ｖは音速（ｍ／ｓ）、ＡＬは電極間距離（単位：ｍ）である。
ｆａ＝ｍｖ／（２ＡＬ） …（１）
この（１）式を満たす条件では、ランプの軸方向にガス分子や電離イオンの粗密の定在波が発生し（「音響共鳴」という）、色むらが発生することが知られている。
（１）式における音速ｖは、一般的に、比熱比γ，密度ｐ（単位：ｋｇ／ｍ3 ）及び圧力ρ（単位：Ｎ／ｍ2 ）で表すことができる（次式（２）参照）
ｖ＝（γｐ／ρ）0.5 …（２）
（１）式に（２）式を代入すると、次式（３）式になる。
ｆａ＝ｍ（γｐ／ρ）0.5 ／（２ＡＬ） …（３）
【００２８】
この音響共鳴周波数ｆａは、封入物の蒸気圧，気体密度、温度などに依存している。
実際のランプでは、これらの数値は一様ではなく、ランプサイズ（内径、電極間距離、それらの比）や点灯条件（入力）、放電管の冷却条件（内表面温度など）に大きく依存した分布をもつため、厳密には実験的に求める必要がある。
本発明は照度むらを抑制することを目的としており、この照度むらは前記したように音響共鳴によっても発生するので、音響共鳴も抑制することが好ましい。
そこで、本願における定常点灯周波数ｆ１が、上記の音響共鳴周波数ｆａを満たさない範囲を実験的に求めた。
その結果、近似的に以下の条件（４）になることがわかった。なお、条件（４）で示すＨｇは封入水銀密度（単位：ｍｇ／ｃｍ3 ）、ＡＬは上述と同じく電極間距離（単位：ｍ）である。
ｆ１＜（Ｈｇ／３０）-0.33 ×２５０／ＡＬ …（４）
【００２９】
図４の点灯装置においては、信号Ａと信号Ｂとの切替を、所定時間で切り替えるタイマー回路５ｂと論理回路Ｌ１〜Ｌ４からなる切替回路ＳＬを用いて行なったが、信号Ａと信号Ｂを切り替える手段としては、タイマー回路に限定されるものではなく、以下に説明する手段を用いてもよい。
図８は、本発明の第２の実施形態に係る給電部の構成図であり、同図によりその他の構成例について説明する。
図８に示す点灯装置は、高圧放電ランプの長手方向に沿って複数の照度計ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３、…を設けるとともに、該照度計による測定結果を相互に比較する比較回路５ｅと、その出力の差が一定値以上になると、信号Ａと信号Ｂを切り替えるフィードバック制御回路５ｆを設けている。
すなわち、図４のタイマー回路５ｂに替えて、比較回路５ｅとフィードバック制御回路５ｆを設けて、比較回路５ｅの比較結果に基づき、フィードバック制御回路５ｆにより信号Ａと信号Ｂを切り替えている。
【００３０】
図８は、ドライバ回路４ｄを動作させる信号Ｔを生成する回路が相違するのみで、その他の構成は、図４に示したものと基本的には同じであり、以下、図４との相違点のみ説明する。
ランプ点灯時、高圧放電ランプ１０の電極間の径方向に位置するように、複数の照度計ＰＳ１、ＰＳ２、ＰＳ３、…が設けられる（以下３個の照度計ＰＳ１、ＰＳ２、ＰＳ３が設けられているとして説明する）。
複数の照度計ＰＳ１、ＰＳ２、ＰＳ３は、高圧放電ランプ１０の長手方向における各照度を測定し、その測定結果を比較回路５ｅに送信する。比較回路５ｅにおいて、各照度計ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３による測定結果を比較し、測定結果に、ある一定値以上のずれが生ずると、フィードバック制御回路５ｆに切替信号Ｄを送出する。
フィードバック制御回路５ｆは、高圧放電ランプ１０の長手方向における照度分布が所定範囲から外れた場合、点灯周波数を切り替える信号をドライバ回路５ｄに送出する。すなわち、フィードバック制御回路５ｆは信号ＥをＬレベルとし、ドライバ回路５ｄは、この信号ＥがＬレベルになると、フルブリッジ型インバータ回路のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の駆動信号Ｘ，Ｙの周波数を定常点灯周波数ｆ１からｆ２に切り替える。
【００３１】
これにより、上記照度計の測定結果のずれが解消すると、比較回路５ｅは、切替信号Ｄの送出を停止し、フィードバック制御回路５ｆは信号ＥをＨレベルとする。ドライバ回路５ｄは、この信号ＥがＨレベルになると、フルブリッジ型インバータ回路のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の駆動信号Ｘ，Ｙの周波数を定常点灯周波数ｆ１に戻す。
ここでいう所定範囲とは、高圧放電ランプ１０からの紫外線が照射される被照射物によって、許容される照度分布の均一性があり、この許容される照度分布の均一性が維持できる範囲、例えば±１０％の照度分布のことをいう。
なお、ドライバ回路の内部の構成は、図５に示したものと基本的には同じであり、その動作も図７に示した通りであり、図５において信号Ｔが入力される端子に上記信号Ｅが入力される。
前記第１の実施形態と本実施形態の相違は、定常点灯周波数ｆ１からｆ２に切り替えるタイミングが、第１の実施形態では所定時間毎であるのに対し、本実施形態では所定の照度分布からはずれた場合であるか、という違いであり、それ以外の作用・効果を共通である。
【００３２】
本発明の効果を確認するため、以下の実験を行った。
（１）実験例１
実験に用いた光照射装置の構成を図９（ａ）に示す。前記図１に示した光照射装置と、同様の構成を有し、その仕様は、以下のとおりである。
・放電管（発光管）：内径５．４ｍｍ 外径９ｍｍ
・外管：内径９．１５ｍｍ 外径１２ｍｍ
・電極間距離：５００ｍｍ
・封入物
水銀密度 ５ｍｇ／ｃｍ3
．水冷ジャケットと外管との間に流れる冷却水の流量：２０Ｌ／ｍｉｎ
実験に用いた高圧放電ランプの点灯条件は、定常点灯周波数ｆ１を１秒間入力し、続いて低周波ｆ２を１周期分（周波数ｆ１のＯＮ−ＯＦＦで１周期）入力のように周波数ｆ１とｆ２の信号を交互に入力した。すなわち、定常点灯周波数ｆ１が１秒間→低周波ｆ２が１周期→定常点灯周波数ｆ１が１秒間→…（以下同様）である。
点灯周波数は、以下のとおりである。
・定常点灯周波数ｆ１： １００、５００、８００、１０００Ｈｚ
・低周波ｆ２： ３、５、１０、３０、５０、１００、１５０、２００、３００、５００Ｈｚ
【００３３】
実験に用いた高圧放電ランプの電極間の径方向外方には、冷却ジャケットを介して複数の照度計が配置される。この複数の照度計は、高圧放電ランプの長手方向に沿って配置され、その長手方向における照度分布を測定する。
この照度計は、電極先端から軸方向に５ｃｍ離れた箇所から、高圧放電ランプの長手方向に向かって１０ｍｍ間隔で配置した。
そして、照度計により電極先端から５ｃｍの位置から軸方向に１ｃｍ毎に対向する電極の５ｃｍ前までの照度を測定し、図９（ｂ）に示すように、各照度計から測定された各照度から、平均値を求め、その平均値と各照度とのばらつき（すなわち、照度むら）を観察した。
観察の結果を表１にまとめた。表１では、平均値から最大１５％以上のばらつきがあったとき×とし、最大１０％〜１５％の間のばらつきのとき△とし、最大５％〜１０％の間のばらつきのとき○とし、最大５％未満のばらつきのとき◎とした。
【００３４】
【表１】
【００３５】
表１に示されるように、低周波ｆ２が定常点灯周波数ｆ１の３０％以下のとき、照度むらの抑制効果を得ることができる。
但し、低周波ｆ２が３Ｈｚのとき、電極変形が生じていた。これは、一方の電極から他方の電極に向かって電流が流れる期間、すなわち直流点灯期間が長かったため、一方的に電子の衝突をうけた電極が変形したものと考えられる。このため、低周波ｆ２の好ましい範囲としては、５≦ｆ２≦０．３ｆ１となる。
また、表１では、定常点灯周波数ｆ１が１０００Ｈｚにおいては、全て△であるのに対し、定常点灯周波数ｆ１が８００Ｈｚ以下の範囲において、照度むらが抑制されることがあることを示されている。これは、ｆ１：８００Ｈｚ以下の範囲が、上述でいう、音響共鳴を抑制するための条件である（４）式のｆ１＜（Ｈｇ／３０）-0.33 ×２５０／ＡＬに相当しており、このため、音響共鳴による照度むらを抑制できていることが分かる。
【００３６】
（２）実験例２
ランプの発光長（電極間距離）を１０００ｍｍに変更して、上記実験例１と同一の条件で実験を行なった。ランプ仕様は次の通りである。
・放電管（発光管）：内径５．４ｍｍ 外径９ｍｍ
・外管：内径９．１５ｍｍ 外径１２ｍｍ
・発光長（電極間距離）：１０００ｍｍ
・封入物
水銀密度 ５ｍｇ／ｃｍ3
．水冷ジャケットと外管との間に流れる冷却水の流量：２５Ｌ／ｍｉｎ
その結果を表２に示す。
この場合は、周波数ｆ１が４００Ｈｚと５００Ｈｚの間で、音響共鳴による照度むらの抑制が機能していることがわかる。
【００３７】
【表２】
【００３８】
（３）実験例３
ランプの封入物を変更し、メタルハライドランプを用いて、上記実験例１と同一の条件で同様の実験を行なった。ランプ仕様は次の通りである。
・放電管（発光管）：内径４．６ｍｍ 外径１０．３ｍｍ
・外管：内径１０．４５ｍｍ 外径１３ｍｍ
・発光長（電極間距離）：５００ｍｍ
・封入物
水銀密度：２．５ｍｇ／ｃｍ3
沃化鉄 ：０．４５ｍｇ／ｃｍ3
沃化タリウム：０．０６ｍｇ／ｃｍ3
・水冷ジャケットと外管との間に流れる冷却水の流量：２０Ｌ／ｍｉｎ
その結果を表３に示す。
【００３９】
【表３】
【００４０】
この場合は、周波数ｆ１が１０００Ｈｚと１２００Ｈｚの間で、音響共鳴による照度むらの抑制が機能していることがわかる。すなわち、水銀以外のメタルの添加量と比較して、水銀の添加量が多い場合（他の金属より５倍程度以上）、前記（４）式のｆ１＜（Ｈｇ／３０）-0.33 ×２５０／ＡＬが適用できることがわかる。
また、上記（２）−（３）の実験結果から、実験例１で得られた、低周波ｆ２の好ましい範囲である５≦ｆ２≦０．３ｆ１の式が、その他のランプにも適用できることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施形態に係る光照射装置の構成の概略を示す断面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る高圧放電ランプの構成の概略を示す断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係わる給電部の詳細を示した構成図である。
【図５】図４に示す制御部のドライバ回路の詳細図である。
【図６】制御部の動作を示すフローチャートである。
【図７】制御部の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る給電部の構成図である。
【図９】実験に用いた光照射装置の構成及び測定位置と照度を示す図である。
【図１０】従来に係わる光源の構成を示す図ある。
【図１１】従来に係わる光照射装置の構成を示す図である。
【図１２】図１１に示す光照射装置の放電管と外管を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１ 給電部
２ 昇圧整流回路
２ａ 交流電源
２ｂ 制御回路
３ フルブリッジ型インバータ回路
４ スタータ回路
５ 制御部
５ａ 基本周波数発振回路
５ｃ 低周波発振回路
５ｂ タイマー回路
５ｄ ドライバ回路
５ｅ 比較回路
５ｆ フィードバック制御回路
１０ 高圧放電ランプ
１１ 放電管
１２ 内管
１３ 封止部
１６ 電極
１７ 金属箔
１８ 外部リード
２０ 外管
６０ 冷却ジャケット
６１ 冷却水供給流路形成部材
６２ 冷却水排出流路形成部材
６３，６４口締め部
６５ 冷却水流路
７０ 反射鏡
７５ マスクステージ
７６ ワークステージ
７７ ワーク
Ｔ１ 昇圧トランス
Ｄ１ ダイオード
Ｃ１ 平滑コンデンサ
Ｃ２ コンデンサ
ＬＬ１ コイル
ＬＬ３ コイル
Ｓ１ スイッチング素子
ＳＬ 切替回路
ＤＤ１ 遅延回路
ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３ 照度計
Ｗ 冷却水
Ｍ マスク
Ｑ１〜Ｑ４ スイッチング素子
Ｌ１〜Ｌ８ 論理回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端が封止され、内部に、一対の電極が対向配置されると共に、少なくとも金属が封入されてなる全体が棒状の放電管と、該放電管の外方に設けられた外管とを具備する高圧放電ランプと、
上記高圧放電ランプの管軸に沿って伸びるよう設けられ、高圧放電ランプの外管との間に冷却水が流過される流路を形成する流路形成部材と、
該一対の電極に電気的に接続され上記高圧放電ランプに給電する給電部と、から構成される点灯装置であって、
上記給電部は、
上記高圧放電ランプを点灯させるための定常点灯周波数ｆ１を有する第１の信号と、上記高圧放電ランプの照度むらを解消させるための該定常点灯周波数ｆ１より低い周波数ｆ２を有する第２の信号を生成する信号生成手段と、
上記第１の信号もしくは第２の信号を選択的に出力させる切替手段と、
上記第１の信号もしくは第２の信号により駆動され、上記高圧放電ランプに周波数ｆ１もしくは周波数ｆ２の交流電圧を供給するインバータ回路から構成される
ことを特徴とする点灯装置。
【請求項２】
上記切替手段はタイマ手段を有し、該タイマ手段により、放電ランプに周波数ｆ１の交流電圧を供給を開始してから第１の所定時間後に、上記高圧放電ランプに供給する交流電圧の周波数をｆ１からｆ２に低下させ、第２の所定時間の間上記高圧放電ランプに上記周波数ｆ２の交流電圧を供給する
ことを特徴とする請求項１に記載の点灯装置。
【請求項３】
上記定常点灯周波数ｆ１［Ｈｚ］と周波数ｆ２［Ｈｚ］との関係は、ｆ２≦０．３ｆ１である
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の点灯装置。
【請求項４】
上記放電管内封入されてなる金属には水銀が含まれ、
上記定常点灯周波数ｆ１［Ｈｚ］は、放電管に封入された水銀密度［ｍｇ／ｃｍ3 ］をＨｇとし、電極間距離［ｍ］をＡＬとしたとき、
ｆ１＜（Ｈｇ／３０）-0.33 ×２５０／ＡＬである
ことを特徴とする請求項１，２または請求項３に記載の点灯装置。
【請求項１】
両端が封止され、内部に、一対の電極が対向配置されると共に、少なくとも金属が封入されてなる全体が棒状の放電管と、該放電管の外方に設けられた外管とを具備する高圧放電ランプと、
上記高圧放電ランプの管軸に沿って伸びるよう設けられ、高圧放電ランプの外管との間に冷却水が流過される流路を形成する流路形成部材と、
該一対の電極に電気的に接続され上記高圧放電ランプに給電する給電部と、から構成される点灯装置であって、
上記給電部は、
上記高圧放電ランプを点灯させるための定常点灯周波数ｆ１を有する第１の信号と、上記高圧放電ランプの照度むらを解消させるための該定常点灯周波数ｆ１より低い周波数ｆ２を有する第２の信号を生成する信号生成手段と、
上記第１の信号もしくは第２の信号を選択的に出力させる切替手段と、
上記第１の信号もしくは第２の信号により駆動され、上記高圧放電ランプに周波数ｆ１もしくは周波数ｆ２の交流電圧を供給するインバータ回路から構成される
ことを特徴とする点灯装置。
【請求項２】
上記切替手段はタイマ手段を有し、該タイマ手段により、放電ランプに周波数ｆ１の交流電圧を供給を開始してから第１の所定時間後に、上記高圧放電ランプに供給する交流電圧の周波数をｆ１からｆ２に低下させ、第２の所定時間の間上記高圧放電ランプに上記周波数ｆ２の交流電圧を供給する
ことを特徴とする請求項１に記載の点灯装置。
【請求項３】
上記定常点灯周波数ｆ１［Ｈｚ］と周波数ｆ２［Ｈｚ］との関係は、ｆ２≦０．３ｆ１である
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の点灯装置。
【請求項４】
上記放電管内封入されてなる金属には水銀が含まれ、
上記定常点灯周波数ｆ１［Ｈｚ］は、放電管に封入された水銀密度［ｍｇ／ｃｍ3 ］をＨｇとし、電極間距離［ｍ］をＡＬとしたとき、
ｆ１＜（Ｈｇ／３０）-0.33 ×２５０／ＡＬである
ことを特徴とする請求項１，２または請求項３に記載の点灯装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１０−６７４７４（Ｐ２０１０−６７４７４Ａ）
【公開日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２３３１１７（Ｐ２００８−２３３１１７）
【出願日】平成２０年９月１１日（２００８．９．１１）
【出願人】（０００１０２２１２）ウシオ電機株式会社 (1,414)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月１１日（２００８．９．１１）
【出願人】（０００１０２２１２）ウシオ電機株式会社 (1,414)
【Ｆターム（参考）】
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