高圧放電ランプおよび高圧放電ランプ装置
【課題】 本発明は、待機モードの待機電力を下げつつ、処理モードにおいて、短時間で立ち上がり、立ち切れしない高出力点灯ができる高圧放電ランプおよび高圧放電ランプ装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 一対の電極が対向配置され、水銀が封入された発光管と、前記発光管の外側に形成された直管状の外管を備え、前記発光管の両端で前記外管が固定されている高圧放電ランプにおいて、
前記発光管の外表面、または、前記外管の内表面に、凸部が形成されていることを特徴とする。
【解決手段】 一対の電極が対向配置され、水銀が封入された発光管と、前記発光管の外側に形成された直管状の外管を備え、前記発光管の両端で前記外管が固定されている高圧放電ランプにおいて、
前記発光管の外表面、または、前記外管の内表面に、凸部が形成されていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体、液晶等の露光装置用光源に用いられる高圧放電ランプおよび高圧放電ランプ装置に関し、特に、発光管の外側に外管を配置した高圧放電ランプおよび、当該高圧放電ランプを冷却ジャケット内に配置した高圧放電ランプ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、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、紫外線照射装置が利用されており、紫外線光源としては、例えば高圧放電ランプが用いられている。
図６は、従来における高圧放電ランプ装置の構成の概略を示す説明図である。
特許文献１に記載の発明のように、この高圧放電ランプ装置は、高圧放電ランプ１の発光管２の外側に、内管２５と外管２６とからなる冷却ジャケット２１を配置し、発光管２の冷却を行っている。高圧放電ランプ１の発光管２と冷却ジャケット２１の内管との隙間は、平均約１ｍｍとなっている。高圧放電ランプ１は、直管状の石英ガラス製の発光管２の両端に一対の電極を封着し、内部に水銀を封入している。冷却ジャケット２１は円筒状の石英ガラス等の透明な材料よりなり、内管２５と外管２６よりなる二重管構造になっている。また、両端外周に設けられた接続管２７ａ，２７ｂを通して外部から冷却水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２を冷却すると共に高圧放電ランプ１から放射される熱を吸収する。
【０００３】
図６に記載の高圧放電ランプ装置では、高圧放電ランプ１の発光管２と冷却ジャケット２１の内管２５との隙間に存在する空気の単純な熱伝導だけでは発光管２で発生する熱を冷却ジャケット２１に伝達することができないので、高圧放電ランプ１の発光管２と冷却ジャケット２１の内管２５との隙間に冷却風を流して冷却効率を高めている。しかし、放電ランプの発光管２と冷却ジャケット２１の内管２５との隙間を進む冷却風は、入射側と出射側で温度が不均一になり、それに伴って発光管２の温度も不均一になってしまう。
【特許文献１】特開平６−２６７５１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そこで、発光管２と冷却ジャケット２１との隙間に冷却風を流すことなく発光管２の冷却を行うために、発光管２と冷却ジャケット２１の間隔を小さくすることが提案されている。発光管２と冷却ジャケット２１との隙間を平均約５０μmとすることで、発光管２の内径３．４mm（発光管２の外径７．４mm）の高圧放電ランプ１において、入力を２５０Ｗ／ｃｍとしても発光管２の内表面温度を８００℃程度に冷却することができる。
【０００５】
高圧放電ランプ装置は、半導体等の露光装置用光源として使用される時、処理中以外のワーク入れ替えなどの待機中は、節電のため、図７に示すように、ランプに投入する入力電力を下げて点灯する。待機電力は低ければ低いほど節電効果が大きいことから、待機電力の低電力化が望まれている。
しかしながら、待機モード時の待機電力を下げすぎると、発光管２の内表面温度が低下してしまい、発光管２内の封入された水銀の未蒸発が発生する。水銀の未蒸発が発生すると、待機モードから処理モードへ移行するときの立ち上がり時間が遅くなることや、放電が維持できなくなり立ち切れしてしまうといった問題が生じる。
【０００６】
本発明は、待機モードの待機電力を下げつつ、処理モードにおいて、短時間で立ち上がり、立ち切れしない高出力点灯ができる高圧放電ランプおよび高圧放電ランプ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願第１の発明は、一対の電極が対向配置され、水銀が封入された発光管と、前記発光管の外側に形成された直管状の外管を備え、前記発光管の両端で前記外管が固定されている高圧放電ランプにおいて、前記発光管の外表面、または、前記外管の内表面に、凸部が形成されていることを特徴とする。
また、本願第２の発明は、本願第１の発明において、前記凸部は、外管の内表面に螺旋状の筋を設けることにより形成されることを特徴とする。
また、本願第３の発明は、本願第１の発明において、前記凸部は、発光管の外表面を、管軸方向に垂直に切断した断面において断面多角形状にすることにより形成されることを特徴とする。
また、本願第４の発明は、本願第１〜３の発明において、前記外管の内径と前記発光管の外径との差は２００μｍ以下であり、前記凸部の高さは２００μｍ以下であることを特徴とする。
また、本願第４の発明は、本願第１〜４の発明のいずれかに記載の高圧放電ランプを、冷却ジャケットの内部に配置し、前記外管の壁面に沿って冷却媒体が流過されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る高圧放電ランプおよび高圧放電ランプ装置によれば、外管の内表面、または、発光管の外表面に凸部を形成することによって、放電空間内における最冷点の温度を上げることができるので、待機電力を下げても発光管の内表面温度を高く維持することができ、発光管内の封入された水銀の未蒸発の発生を抑制することができる。したがって、待機モードの待機電力を下げつつ、処理モードにおいて、短時間で立ち上がり、立ち切れしない高出力点灯ができる高圧放電ランプを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本発明の高圧放電ランプ装置の構成を示す説明用断面図である。
高圧放電ランプ装置は、冷却ジャケット２１の内部に、発光管２の外側に外管３が配置された高圧放電ランプ１を挿通して構成される。冷却ジャケット２１は、高圧放電ランプ１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。冷却ジャケット２１の両端には、冷却媒体を供給する供給流路２２と、冷却媒体を排出する排出流路２３が形成される。供給流路２２および排出流路２３は全体が略Ｌ字型の管状であり、冷却ジャケット２１および高圧放電ランプ１を保持固定している。軸方向内方側の口締め部２４ａによって、Ｏリングを介して冷却ジャケット２１の外周面が保持固定されている。軸方向外方側の口締め部２４ｂによって、Ｏリングを介して高圧放電ランプ１の外周面が保持固定されている。
【００１０】
高圧放電ランプ１の点灯時において、冷却媒体が図示しないポンプによって供給される。高圧放電ランプ１の冷却は、冷却媒体を例えば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。また、冷却媒体には、水、純水、逆浸透膜透過水等が好適である。
【００１１】
図２は、本発明の高圧放電ランプ１の構成を示す説明用断面図である。
高圧放電ランプ１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発光管２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４が対向配置されている。各電極４は金属箔５の一端に接続し、金属箔５の他端には外部リード６が接続されている。金属箔５はモリブデンよりなり、発光管２の両端に形成されたロッド状の封止部７に気密に埋設されている。外部リード６は、封止部７の外方においてサポーター９によって被覆され、大径になっている。封止部７は、例えば、発光管２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、発光管２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。
【００１２】
高圧放電ランプ１は、例えば「キャピラリーランプ」と称される高圧水銀ランプとして構成されており、発光管２の内部には、例えば１ｍｇ／ｃｃ以上の水銀、あるいは水銀と共に鉄、コバルト、ニッケル、鉛、ガリウム、マグネシウム、錫、タリウム、マンガン等の金属ハロゲン化物のうち少なくとも一種類以上が添加、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入されている。そして、例えば波長が２００〜４５０ｎｍの紫外線を含む光を放射する。
【００１３】
高圧放電ランプ１の発光管２の外側に、円筒状の石英ガラス等の透明な材料よりなり、内径寸法が管軸方向に対して均一な直管状の外管３が形成される。外管３の外表面に沿って冷却媒体を流過させて、高圧放電ランプ１が冷却される。発光管２の両端近傍から外部リード６を被覆するサポーター９の一部にわたって、外管３との間にベース８が挿入され、ベース８を介して接着剤により発光管２と外管３とが気密に固定されている。発光管２と外管３との間の隙間には、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。
【００１４】
高圧放電ランプ１の発光管２は、発光領域に相当する中央部より封止部７の方が小径となるように構成されているので、中央部において外管３に近接し、封止部７において外管３と離間している。そのため、高圧放電ランプ１の発光管２の中央部において、冷却媒体により十分に冷却して、過熱による発光管２の破損を防止できる。さらに、高圧放電ランプ１の発光管２の封止部７において、冷却作用が弱められるので、過冷却されることを確実に防止して、水銀の未蒸発に起因する照度低下を防止できる。
【００１５】
上記高圧放電ランプ１の一構成例を示すと、発光管２における中央部の内径がφ３．４ｍｍ、発光管２における中央部の外径がφ７．４ｍｍ、封止部７の外径がφ６ｍｍ、発光管２の全長が１５０ｍｍ、電極４間距離が１００ｍｍ、放電空間１０内に位置される電極４部分の長さが３ｍｍ、水銀の封入量が４４ｍｇ／ｍｍ３である。外管３の外径がφ９．５ｍｍ、外管３の内径がφ７．４ｍｍである。
ランプ点灯時における高圧放電ランプ１の定格電圧が２０００Ｖ、定格電流が１．２５Ａであり、入力電力が２５００Ｗである。
【００１６】
図３は、本発明の高圧放電ランプ１の中央部を示す拡大断面図である。図３（ａ）は高圧放電ランプ１を管軸に垂直に切断したときの拡大断面図であり、図３（ｂ）は高圧放電ランプ１を管軸に平行に切断したときの接触部分１７の拡大断面図である。
高圧放電ランプ１は、発光管２と外管３の間の隙間１４が平均５０μm程度と非常に狭いので、発光管２と外管３の軸中心を一致させても、石英ガラスが有する寸法誤差等のため、発光管２と外管３が接触する領域が発生してしまう。図３（ａ）に示すように、発光管２が外管３の中心より下側に偏って配置され、下側の発光管２と外管３との隙間ｄが、上側の発光管２と外管３との隙間Ｄより小さくなっている。下側の発光管２の外表面１２は、冷却媒体により冷却されている外管３までの距離が短いので、上側の発光管２の外表面１２に比べて冷却効果が高い。したがって、発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３とが接触する接触部分１７における発光管２の内表面１１が最も冷却効果が高く、放電空間１０内における最冷点となる。逆に、発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３との間の隙間Ｄが最も大きくなる部分における発光管２の内表面１１が最も冷却効果が低く、放電空間１０内における最温点となる。
【００１７】
図３（ｂ）に示すように、高圧放電ランプ１の管軸方向に沿って切断した断面において、外管３の内表面１３に軸方向に周期的に凸部１５が発生するように形成されている。具体的には、円筒状の外管３の内表面１３において、凸部１５が螺旋状の筋となって形成されている。凸部１５の高さｈは１０〜２００μｍであり、隣接する凸部１５との間隔Ｐは０．１〜２ｍｍである。外管３の内表面１３に凸部１５が形成されているので、接触部分１７といえども拡大してみると、凸部１５においては発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３が接触しているが、凸部１５以外の部分では発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３との間に隙間が発生し、空気層１６が存在する。発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３との間の隙間ｄが最も小さくなる接触部分１７においても、発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３は密着して面接触しているわけではなく、発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３は凸部１５において接触する線接触または点接触となり、接触箇所と空気層１６部分が存在する。
【００１８】
図３（ａ）に示すように、上側の発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３との間の隙間Ｄは、発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３との接触部分１７に対向するため、最も大きくなる。しかし、接触部分１７の発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３との間の間隔が凸部１５の高さｈ程度あるので、隙間１４が最も大きくなる部分の発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３との間の隙間Ｄも、外管３の内径Ｒと発光管２の外径ｒとの差から、凸部１５の高さｈを引いた値（（Ｒ−ｒ）−ｈ）となる。
このように、発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３との間の隙間ｄが最も小さくなる接触部分１７において、隙間ｄが凸部１５の高さｈ程度あるので、発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３との間の隙間Ｄが最も大きくなる部分において、外管３の内表面１３に凸部１５が形成されていない場合に比べて、隙間Ｄが凸部１５の高さｈだけ小さくなる。
【００１９】
放電空間１０内における最冷点となる隙間１４が最も小さくなる接触部分１７において、発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３は凸部１５において接触する線接触または点接触となるので、外管３との間に空気層１６が存在し、冷却媒体により冷却されている外管３との距離が大きくなるので、最冷点の温度が上がる。また、凸部１５が円筒状の外管３の内表面１３において螺旋状の筋となるように形成されているため、外管３の内表面１３のどの箇所に接触部分１７が形成されても、必ず空気層１６が存在し、発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３とが密着することがない。一方、放電空間１０内における最温点となる隙間１４が最も大きくなる部分Ｄは、外管３との距離がわずかに小さくなるが、外管３との間に隙間１４による空気の層が存在するため、最温点の温度は凸部１５の有無に係わらずほとんど変動しない。したがって、外管３の内表面１３に凸部１５を形成することによって、最冷点と最温点の温度差を小さくすることができる。
【００２０】
外管３の内表面１３に凸部１５を形成することによって、放電空間１０内における最冷点の温度を上げることができるので、待機電力を下げても発光管２の内表面１１の温度を高く維持することができ、発光管２内の封入された水銀の未蒸発の発生を抑制することができる。したがって、待機モードの待機電力を下げつつ、処理モードにおいて、短時間で立ち上がり、立ち切れしない高出力点灯ができる高圧放電ランプ１を実現できる。
【００２１】
図４は、本発明の高圧放電ランプ１を製作する方法を説明するための説明図である。
この高圧放電ランプ１は、次のようにして作製することができる。
まず、金属箔５の両端に、ロッド状の電極４と外部リード６とを電気的に接続し、電極４構造体を２つ作成する。円筒状の石英ガラス管の内部に、適宜の量の水銀等を封入すると共に電極構造体を石英ガラス管の両側から挿入し、シュリンクシール法により石英ガラス管の両端部を封止する。このようにして、内部に封入物および電極４を備える発光管２が作成される。
【００２２】
図４（ａ）に示すように、発光管２の外表面１２に直径８０μｍのカーボン線３０を２ｍｍ間隔で螺旋状に巻く。便宜上、図面の上ではカーボン線３０を拡大して描画している。一方、発光管２の外径寸法より大きい内径寸法を有する円筒状の石英ガラス管３１を用意し、片方のみを封止する。カーボン線３０が巻回された発光管２を石英ガラス管３１の中に入れ、石英ガラス管３１の内部を減圧して回転させる。酸水素バーナーを軸方向にスキャンさせて、石英ガラス管３１の外側から加熱して、石英ガラス管３１を焼き縮めて外管３が形成される。このとき、外管３は、発光管２との隙間１４がカーボン線３０よりも狭くなるまで焼き縮める。
【００２３】
図４（ｂ）に示すように、外管３が十分に焼き縮められたら、外管３の両端を切断して、両端開口の円筒管形状にする。そして、高圧放電ランプ１を大気圧雰囲気で1０００℃の電気炉中で３時間加熱する。この加熱により、カーボン線３０が焼き飛ばされる。外管３と発光管２との隙間１４に存在したカーボン線３０がなくなり、外管３の内表面１３に螺旋状の筋が設けられることよりなる凸部１５が形成される。図示のように高圧放電ランプ１の管軸に沿って切断した断面において、外管３の内表面１３に凸部１５が管軸方向に周期的に複数形成される。螺旋状の筋よりなる凸部１５は、このようにカーボン線３０を巻きつけて加工することによって容易に形成することができる。また、上述のように石英ガラス管３１を焼き縮めて外管３を形成すると、カーボン線３０がスペーサーの役割もするので、外管３と発光管２の間隔をほぼ一定のパターンで制御できる。そのため、発光管２と外管３が密着する領域が発生せず、冷却の偏りなどが解消され、高圧放電ランプ１のばらつきも抑えることができる。
【００２４】
続いて、本発明の第２の実施形態について説明する。図５は、本発明の高圧放電ランプ１の中央部において、高圧放電ランプ１を管軸に垂直に切断したときの発光管２の外表面１２と外管３の外表面１２との接触部分１７を示す一部拡大断面図である。
第２の実施形態の高圧放電ランプ１は、外管３の内表面１３が滑らかな面となっていて、発光管２の外表面１２が断面多角形状となっていることを除いて、第１の実施形態の高圧放電ランプ１と同様の構成を有するものである。第２の実施形態について、第１実施形態の高圧放電ランプ１と同一の構成部材の説明は省略する。
【００２５】
図５に示すように、発光管２の外表面１２が、高圧放電ランプ１の管軸方向に垂直に切断した断面において、発光管２の外周が断面多角形状に形成され、その頂部が凸部１８となるように形成されている。具体的には、円筒状の発光管２の外表面１２が、軸方向に長い断面多角形状となるように形成されている。１０〜６０個の角を有する多角形であり、凸部１８の高さｈは１０〜２００μｍであり、隣接する凸部１８の間隔Ｐは０．５〜２ｍｍである。凸部１８となっている部分が発光管２の厚さが最大となっており、発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３とが接触している。凸部１６以外の部分では発光管２の厚さが薄くなっており、発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３との間に空気層１６が形成される。
【００２６】
発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３とが接触する凸部１８は、冷却媒体により冷却されている外管３までの距離が短く、発光管２が外管３によって直接冷却される。凸部１８における発光管２の内表面１１は、冷却効果が最も高い。一方、凸部１８の隣接部分２０は、発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３との間に空気層１６が形成され、冷却媒体により冷却されている外管３までの距離が遠くなる。発光管２は空気層１６によって間接冷却されることになるので、発光管２の内表面１１の冷却効果が弱まる。そのため、隣接部分２０における発光管２の内表面１１の温度は、凸部１８の内表面１３ほど下がらない。
また、凸部１８が発光管２の外周を断面多角形状にすることによって形成されているため、外管３の内表面１３のどの箇所に接触部分１７が存在しても、必ず空気層１６が存在し、発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３とが密着することがない。
【００２７】
接触部分１７においても、発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３は密着して面接触しているわけではなく、発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３は凸部１８において接触する線接触または点接触となり、接触箇所と空気層１６部分が存在する。空気層１６を有する隣接部分２０における発光管２の内表面１１の温度は、凸部１８における発光管２の内表面１１の温度より高くなるので、凸部１８における発光管２の内表面１１を温めて、接触部分１７の全体としての発光管２の内表面１１の温度を高くすることができる。したがって、放電空間１０内における最冷点となる接触部分１７における発光管２の内表面１１の温度を、発光管２の外表面１２に凸部１８を形成しない場合に比べて、上げることができる。
発光管２の外表面１２に凸部１８を形成することによって、放電空間１０内における最冷点の温度を上げることができるので、待機電力を下げても発光管２の内表面１１の温度を高く維持することができ、発光管２内の封入された水銀の未蒸発の発生を抑制することができる。したがって、待機モードの待機電力を下げつつ、処理モードにおいて、短時間で立ち上がり、立ち切れしない高出力点灯ができる高圧放電ランプ１を実現できる。
【００２８】
続いて、実施例について説明する。
＜実施例１＞
第１の実施形態に示す高圧放電ランプを用いた高圧放電ランプ装置を作成し、実験対象とした。実験対象として用いた高圧放電ランプの仕様を以下に示す。
発光管：石英ガラス製、中央部の内径φ８ｍｍ、中央部の外径φ１２ｍｍ、封止部の外径：φ６ｍｍ、発光長１００ｍｍ
外管：石英ガラス製、内径φ１２．１ｍｍ、外径φ１４．１ｍｍ
凸部：高さ５０μｍ、管軸方向の間隔２ｍｍ
電極：タングステン製、電極間距離１００ｍｍ、放電空間１０内に位置される電極部分の長さ３ｍｍ
封入物：水銀７．５ｍｇ／ｃｃ、アルゴンガス１００Ｔｏｒｒ
なお、凸部は発光管の外表面に直径８０μｍのカーボン線を２ｍｍ間隔でコイル状に巻いて、上述した方法により形成した。
処理モードで３０秒間点灯し、続いて待機モードで３０秒間点灯し、処理モードと待機モードとが交互になるように点灯した。処理モード時において、高圧放電ランプの入力電力が３０００Ｗ（３００Ｗ／ｃｍ）となるように点灯した。待機モード時において、高圧放電ランプの入力電力が２０００Ｗ（２００Ｗ／ｃｍ）となるように点灯した。
冷却ジャケットには、冷却媒体として、水を５Ｌ／ｍｉｎの流量で循環させた。
また、比較対象として、外管の内表面に凸部が形成されていないことを除いて、実験対象と同様の仕様の高圧放電ランプ１を作成した。
【００２９】
外管の内表面に凸部が形成された実験対象の高圧放電ランプは、発光管の内表面における温度が、処理モードでは、接触部分で７００℃となり、隙間の最大部分で１０００℃となった。また、待機モードでは、接触部分で５４０℃となり、隙間の最大部分で８００℃となった。
外管の内表面に凸部が形成されていない比較対象の高圧放電ランプは、発光管の内表面における温度が、処理モードでは、接触部分で５５０℃となり、隙間の最大部分で１０００℃となった。また、待機モードでは、接触部分で４３０℃となり、隙間の最大部分で８００℃となった。
外管の内表面に凸部が形成された実験対象の高圧放電ランプは、最冷点となる接触部分の温度が、比較対象の高圧放電ランプに比べて、処理モードでは１５０℃高く、待機モードでは１１０℃高くなった。
【００３０】
放電空間内の温度が４００℃以下になると、封入されている水銀の未蒸発が発生して、待機モードから処理モードへ移行するときの立上り時間の遅延や、放電を維持できなくなる立ち切れが発生する。本実験結果より、外管の内表面に凸部が形成された実験対象の高圧放電ランプは、高圧放電ランプの点灯中に放電容器内の温度が最も低くなる待機モード時における接触部分の温度が５４０℃であり、最冷点温度が４００℃より１４０℃高くなることがわかった。これより、外管の内表面に凸部が形成された実験対象の高圧放電ランプは、待機モードの入力電力を２００Ｗ／ｃｍより小さくして、待機モード時における接触部分の温度がさらに低下するような条件で点灯しても、水銀の未蒸発分が発生しないことが予測された。
【００３１】
＜実験例２＞
実験例１の実験結果からの予測から、外管の内表面に凸部が形成された実験対象の高圧放電ランプ装置を、待機モードの入力電力を小さくして点灯することにした。実験対象として用いた高圧放電ランプの仕様は、実験例１と同様とした。また、高圧放電ランプ装置の冷却条件も、実験例１と同様とした。なお、高圧放電ランプの点灯条件は、次のようにした。
処理モードで３０秒間点灯し、続いて待機モードで３０秒間点灯し、処理モードと待機モードとが交互になるように点灯した。処理モード時において、高圧放電ランプの入力電力が３０００Ｗ（３００Ｗ／ｃｍ）となるように点灯した。待機モード時において、高圧放電ランプの入力電力が１５００Ｗ（１５０Ｗ／ｃｍ）となるように点灯した。
すなわち、待機モードの入力電力を下げたことを除いて、高圧放電ランプの点灯条件も、実験例１と同様とした。
【００３２】
外管の内表面に凸部が形成された実験対象の高圧放電ランプは、待機モードの入力電力を１５０Ｗ／ｃｍとしても、水銀の未蒸発分が発生しなかった。水銀の未蒸発分が発生しないので、待機モードから処理モードへの移行も、立上り時間が短いまま維持できた。また、処理モードにおいては、待機モードの入力電力値にかかわらず、高い入力電力で高出力点灯ができた。
したがって、待機モードの待機電力を下げても、水銀の未蒸発分が発生しないので、待機モードから処理モードへ短時間で立ち上がり、処理モードにおいて立ち切れしない高出力点灯ができる高圧放電ランプを実現できることが確かめられた。
【００３３】
実験例１の結果によれば、外管の内表面に凸部が形成されていない高圧放電ランプでは、入力電力を２００Ｗ／ｃｍとすると、放電空間内の最冷点となる接触部分の発光管の内表面温度が４３０℃となる。入力電力値をこれ以上小さくすると、放電空間内の最冷点温度が下がって水銀の未蒸発が発生してしまう。すなわち、外管の内表面に凸部が形成されていない高圧放電ランプでは、待機モードにおける入力電力の最低値が２００Ｗ／ｃｍであった。
一方、実験例２の結果により、外管の内表面に凸部が形成された実験対象の高圧放電ランプは、待機モードの入力電力を１５０Ｗ／ｃｍとできることが確かめられた。これより、凸部が形成されていない従来技術に係る高圧放電ランプに比べて、待機モードの入力電力を７５％に低減できることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の高圧放電ランプ装置の構成を示す説明用断面図
【図２】本発明の高圧放電ランプの構成を示す説明用断面図
【図３】本発明の高圧放電ランプの中央部を示す拡大断面図
【図４】本発明の高圧放電ランプを製作する方法を説明するための説明図
【図５】本発明の高圧放電ランプの中央部を示す拡大断面図
【図６】従来における高圧放電ランプ装置の構成の概略を示す説明図
【図７】高圧放電ランプ使用時の入力電力を示す説明図
【符号の説明】
【００３５】
１ 高圧放電ランプ
２ 発光管
３ 外管
４ 電極
１４ 隙間
１５ 凸部
１６ 空気層
１７ 接触部分
２１ 冷却ジャケット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体、液晶等の露光装置用光源に用いられる高圧放電ランプおよび高圧放電ランプ装置に関し、特に、発光管の外側に外管を配置した高圧放電ランプおよび、当該高圧放電ランプを冷却ジャケット内に配置した高圧放電ランプ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、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、紫外線照射装置が利用されており、紫外線光源としては、例えば高圧放電ランプが用いられている。
図６は、従来における高圧放電ランプ装置の構成の概略を示す説明図である。
特許文献１に記載の発明のように、この高圧放電ランプ装置は、高圧放電ランプ１の発光管２の外側に、内管２５と外管２６とからなる冷却ジャケット２１を配置し、発光管２の冷却を行っている。高圧放電ランプ１の発光管２と冷却ジャケット２１の内管との隙間は、平均約１ｍｍとなっている。高圧放電ランプ１は、直管状の石英ガラス製の発光管２の両端に一対の電極を封着し、内部に水銀を封入している。冷却ジャケット２１は円筒状の石英ガラス等の透明な材料よりなり、内管２５と外管２６よりなる二重管構造になっている。また、両端外周に設けられた接続管２７ａ，２７ｂを通して外部から冷却水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２を冷却すると共に高圧放電ランプ１から放射される熱を吸収する。
【０００３】
図６に記載の高圧放電ランプ装置では、高圧放電ランプ１の発光管２と冷却ジャケット２１の内管２５との隙間に存在する空気の単純な熱伝導だけでは発光管２で発生する熱を冷却ジャケット２１に伝達することができないので、高圧放電ランプ１の発光管２と冷却ジャケット２１の内管２５との隙間に冷却風を流して冷却効率を高めている。しかし、放電ランプの発光管２と冷却ジャケット２１の内管２５との隙間を進む冷却風は、入射側と出射側で温度が不均一になり、それに伴って発光管２の温度も不均一になってしまう。
【特許文献１】特開平６−２６７５１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そこで、発光管２と冷却ジャケット２１との隙間に冷却風を流すことなく発光管２の冷却を行うために、発光管２と冷却ジャケット２１の間隔を小さくすることが提案されている。発光管２と冷却ジャケット２１との隙間を平均約５０μmとすることで、発光管２の内径３．４mm（発光管２の外径７．４mm）の高圧放電ランプ１において、入力を２５０Ｗ／ｃｍとしても発光管２の内表面温度を８００℃程度に冷却することができる。
【０００５】
高圧放電ランプ装置は、半導体等の露光装置用光源として使用される時、処理中以外のワーク入れ替えなどの待機中は、節電のため、図７に示すように、ランプに投入する入力電力を下げて点灯する。待機電力は低ければ低いほど節電効果が大きいことから、待機電力の低電力化が望まれている。
しかしながら、待機モード時の待機電力を下げすぎると、発光管２の内表面温度が低下してしまい、発光管２内の封入された水銀の未蒸発が発生する。水銀の未蒸発が発生すると、待機モードから処理モードへ移行するときの立ち上がり時間が遅くなることや、放電が維持できなくなり立ち切れしてしまうといった問題が生じる。
【０００６】
本発明は、待機モードの待機電力を下げつつ、処理モードにおいて、短時間で立ち上がり、立ち切れしない高出力点灯ができる高圧放電ランプおよび高圧放電ランプ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願第１の発明は、一対の電極が対向配置され、水銀が封入された発光管と、前記発光管の外側に形成された直管状の外管を備え、前記発光管の両端で前記外管が固定されている高圧放電ランプにおいて、前記発光管の外表面、または、前記外管の内表面に、凸部が形成されていることを特徴とする。
また、本願第２の発明は、本願第１の発明において、前記凸部は、外管の内表面に螺旋状の筋を設けることにより形成されることを特徴とする。
また、本願第３の発明は、本願第１の発明において、前記凸部は、発光管の外表面を、管軸方向に垂直に切断した断面において断面多角形状にすることにより形成されることを特徴とする。
また、本願第４の発明は、本願第１〜３の発明において、前記外管の内径と前記発光管の外径との差は２００μｍ以下であり、前記凸部の高さは２００μｍ以下であることを特徴とする。
また、本願第４の発明は、本願第１〜４の発明のいずれかに記載の高圧放電ランプを、冷却ジャケットの内部に配置し、前記外管の壁面に沿って冷却媒体が流過されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る高圧放電ランプおよび高圧放電ランプ装置によれば、外管の内表面、または、発光管の外表面に凸部を形成することによって、放電空間内における最冷点の温度を上げることができるので、待機電力を下げても発光管の内表面温度を高く維持することができ、発光管内の封入された水銀の未蒸発の発生を抑制することができる。したがって、待機モードの待機電力を下げつつ、処理モードにおいて、短時間で立ち上がり、立ち切れしない高出力点灯ができる高圧放電ランプを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本発明の高圧放電ランプ装置の構成を示す説明用断面図である。
高圧放電ランプ装置は、冷却ジャケット２１の内部に、発光管２の外側に外管３が配置された高圧放電ランプ１を挿通して構成される。冷却ジャケット２１は、高圧放電ランプ１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。冷却ジャケット２１の両端には、冷却媒体を供給する供給流路２２と、冷却媒体を排出する排出流路２３が形成される。供給流路２２および排出流路２３は全体が略Ｌ字型の管状であり、冷却ジャケット２１および高圧放電ランプ１を保持固定している。軸方向内方側の口締め部２４ａによって、Ｏリングを介して冷却ジャケット２１の外周面が保持固定されている。軸方向外方側の口締め部２４ｂによって、Ｏリングを介して高圧放電ランプ１の外周面が保持固定されている。
【００１０】
高圧放電ランプ１の点灯時において、冷却媒体が図示しないポンプによって供給される。高圧放電ランプ１の冷却は、冷却媒体を例えば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。また、冷却媒体には、水、純水、逆浸透膜透過水等が好適である。
【００１１】
図２は、本発明の高圧放電ランプ１の構成を示す説明用断面図である。
高圧放電ランプ１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発光管２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４が対向配置されている。各電極４は金属箔５の一端に接続し、金属箔５の他端には外部リード６が接続されている。金属箔５はモリブデンよりなり、発光管２の両端に形成されたロッド状の封止部７に気密に埋設されている。外部リード６は、封止部７の外方においてサポーター９によって被覆され、大径になっている。封止部７は、例えば、発光管２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、発光管２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。
【００１２】
高圧放電ランプ１は、例えば「キャピラリーランプ」と称される高圧水銀ランプとして構成されており、発光管２の内部には、例えば１ｍｇ／ｃｃ以上の水銀、あるいは水銀と共に鉄、コバルト、ニッケル、鉛、ガリウム、マグネシウム、錫、タリウム、マンガン等の金属ハロゲン化物のうち少なくとも一種類以上が添加、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入されている。そして、例えば波長が２００〜４５０ｎｍの紫外線を含む光を放射する。
【００１３】
高圧放電ランプ１の発光管２の外側に、円筒状の石英ガラス等の透明な材料よりなり、内径寸法が管軸方向に対して均一な直管状の外管３が形成される。外管３の外表面に沿って冷却媒体を流過させて、高圧放電ランプ１が冷却される。発光管２の両端近傍から外部リード６を被覆するサポーター９の一部にわたって、外管３との間にベース８が挿入され、ベース８を介して接着剤により発光管２と外管３とが気密に固定されている。発光管２と外管３との間の隙間には、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。
【００１４】
高圧放電ランプ１の発光管２は、発光領域に相当する中央部より封止部７の方が小径となるように構成されているので、中央部において外管３に近接し、封止部７において外管３と離間している。そのため、高圧放電ランプ１の発光管２の中央部において、冷却媒体により十分に冷却して、過熱による発光管２の破損を防止できる。さらに、高圧放電ランプ１の発光管２の封止部７において、冷却作用が弱められるので、過冷却されることを確実に防止して、水銀の未蒸発に起因する照度低下を防止できる。
【００１５】
上記高圧放電ランプ１の一構成例を示すと、発光管２における中央部の内径がφ３．４ｍｍ、発光管２における中央部の外径がφ７．４ｍｍ、封止部７の外径がφ６ｍｍ、発光管２の全長が１５０ｍｍ、電極４間距離が１００ｍｍ、放電空間１０内に位置される電極４部分の長さが３ｍｍ、水銀の封入量が４４ｍｇ／ｍｍ３である。外管３の外径がφ９．５ｍｍ、外管３の内径がφ７．４ｍｍである。
ランプ点灯時における高圧放電ランプ１の定格電圧が２０００Ｖ、定格電流が１．２５Ａであり、入力電力が２５００Ｗである。
【００１６】
図３は、本発明の高圧放電ランプ１の中央部を示す拡大断面図である。図３（ａ）は高圧放電ランプ１を管軸に垂直に切断したときの拡大断面図であり、図３（ｂ）は高圧放電ランプ１を管軸に平行に切断したときの接触部分１７の拡大断面図である。
高圧放電ランプ１は、発光管２と外管３の間の隙間１４が平均５０μm程度と非常に狭いので、発光管２と外管３の軸中心を一致させても、石英ガラスが有する寸法誤差等のため、発光管２と外管３が接触する領域が発生してしまう。図３（ａ）に示すように、発光管２が外管３の中心より下側に偏って配置され、下側の発光管２と外管３との隙間ｄが、上側の発光管２と外管３との隙間Ｄより小さくなっている。下側の発光管２の外表面１２は、冷却媒体により冷却されている外管３までの距離が短いので、上側の発光管２の外表面１２に比べて冷却効果が高い。したがって、発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３とが接触する接触部分１７における発光管２の内表面１１が最も冷却効果が高く、放電空間１０内における最冷点となる。逆に、発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３との間の隙間Ｄが最も大きくなる部分における発光管２の内表面１１が最も冷却効果が低く、放電空間１０内における最温点となる。
【００１７】
図３（ｂ）に示すように、高圧放電ランプ１の管軸方向に沿って切断した断面において、外管３の内表面１３に軸方向に周期的に凸部１５が発生するように形成されている。具体的には、円筒状の外管３の内表面１３において、凸部１５が螺旋状の筋となって形成されている。凸部１５の高さｈは１０〜２００μｍであり、隣接する凸部１５との間隔Ｐは０．１〜２ｍｍである。外管３の内表面１３に凸部１５が形成されているので、接触部分１７といえども拡大してみると、凸部１５においては発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３が接触しているが、凸部１５以外の部分では発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３との間に隙間が発生し、空気層１６が存在する。発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３との間の隙間ｄが最も小さくなる接触部分１７においても、発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３は密着して面接触しているわけではなく、発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３は凸部１５において接触する線接触または点接触となり、接触箇所と空気層１６部分が存在する。
【００１８】
図３（ａ）に示すように、上側の発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３との間の隙間Ｄは、発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３との接触部分１７に対向するため、最も大きくなる。しかし、接触部分１７の発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３との間の間隔が凸部１５の高さｈ程度あるので、隙間１４が最も大きくなる部分の発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３との間の隙間Ｄも、外管３の内径Ｒと発光管２の外径ｒとの差から、凸部１５の高さｈを引いた値（（Ｒ−ｒ）−ｈ）となる。
このように、発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３との間の隙間ｄが最も小さくなる接触部分１７において、隙間ｄが凸部１５の高さｈ程度あるので、発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３との間の隙間Ｄが最も大きくなる部分において、外管３の内表面１３に凸部１５が形成されていない場合に比べて、隙間Ｄが凸部１５の高さｈだけ小さくなる。
【００１９】
放電空間１０内における最冷点となる隙間１４が最も小さくなる接触部分１７において、発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３は凸部１５において接触する線接触または点接触となるので、外管３との間に空気層１６が存在し、冷却媒体により冷却されている外管３との距離が大きくなるので、最冷点の温度が上がる。また、凸部１５が円筒状の外管３の内表面１３において螺旋状の筋となるように形成されているため、外管３の内表面１３のどの箇所に接触部分１７が形成されても、必ず空気層１６が存在し、発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３とが密着することがない。一方、放電空間１０内における最温点となる隙間１４が最も大きくなる部分Ｄは、外管３との距離がわずかに小さくなるが、外管３との間に隙間１４による空気の層が存在するため、最温点の温度は凸部１５の有無に係わらずほとんど変動しない。したがって、外管３の内表面１３に凸部１５を形成することによって、最冷点と最温点の温度差を小さくすることができる。
【００２０】
外管３の内表面１３に凸部１５を形成することによって、放電空間１０内における最冷点の温度を上げることができるので、待機電力を下げても発光管２の内表面１１の温度を高く維持することができ、発光管２内の封入された水銀の未蒸発の発生を抑制することができる。したがって、待機モードの待機電力を下げつつ、処理モードにおいて、短時間で立ち上がり、立ち切れしない高出力点灯ができる高圧放電ランプ１を実現できる。
【００２１】
図４は、本発明の高圧放電ランプ１を製作する方法を説明するための説明図である。
この高圧放電ランプ１は、次のようにして作製することができる。
まず、金属箔５の両端に、ロッド状の電極４と外部リード６とを電気的に接続し、電極４構造体を２つ作成する。円筒状の石英ガラス管の内部に、適宜の量の水銀等を封入すると共に電極構造体を石英ガラス管の両側から挿入し、シュリンクシール法により石英ガラス管の両端部を封止する。このようにして、内部に封入物および電極４を備える発光管２が作成される。
【００２２】
図４（ａ）に示すように、発光管２の外表面１２に直径８０μｍのカーボン線３０を２ｍｍ間隔で螺旋状に巻く。便宜上、図面の上ではカーボン線３０を拡大して描画している。一方、発光管２の外径寸法より大きい内径寸法を有する円筒状の石英ガラス管３１を用意し、片方のみを封止する。カーボン線３０が巻回された発光管２を石英ガラス管３１の中に入れ、石英ガラス管３１の内部を減圧して回転させる。酸水素バーナーを軸方向にスキャンさせて、石英ガラス管３１の外側から加熱して、石英ガラス管３１を焼き縮めて外管３が形成される。このとき、外管３は、発光管２との隙間１４がカーボン線３０よりも狭くなるまで焼き縮める。
【００２３】
図４（ｂ）に示すように、外管３が十分に焼き縮められたら、外管３の両端を切断して、両端開口の円筒管形状にする。そして、高圧放電ランプ１を大気圧雰囲気で1０００℃の電気炉中で３時間加熱する。この加熱により、カーボン線３０が焼き飛ばされる。外管３と発光管２との隙間１４に存在したカーボン線３０がなくなり、外管３の内表面１３に螺旋状の筋が設けられることよりなる凸部１５が形成される。図示のように高圧放電ランプ１の管軸に沿って切断した断面において、外管３の内表面１３に凸部１５が管軸方向に周期的に複数形成される。螺旋状の筋よりなる凸部１５は、このようにカーボン線３０を巻きつけて加工することによって容易に形成することができる。また、上述のように石英ガラス管３１を焼き縮めて外管３を形成すると、カーボン線３０がスペーサーの役割もするので、外管３と発光管２の間隔をほぼ一定のパターンで制御できる。そのため、発光管２と外管３が密着する領域が発生せず、冷却の偏りなどが解消され、高圧放電ランプ１のばらつきも抑えることができる。
【００２４】
続いて、本発明の第２の実施形態について説明する。図５は、本発明の高圧放電ランプ１の中央部において、高圧放電ランプ１を管軸に垂直に切断したときの発光管２の外表面１２と外管３の外表面１２との接触部分１７を示す一部拡大断面図である。
第２の実施形態の高圧放電ランプ１は、外管３の内表面１３が滑らかな面となっていて、発光管２の外表面１２が断面多角形状となっていることを除いて、第１の実施形態の高圧放電ランプ１と同様の構成を有するものである。第２の実施形態について、第１実施形態の高圧放電ランプ１と同一の構成部材の説明は省略する。
【００２５】
図５に示すように、発光管２の外表面１２が、高圧放電ランプ１の管軸方向に垂直に切断した断面において、発光管２の外周が断面多角形状に形成され、その頂部が凸部１８となるように形成されている。具体的には、円筒状の発光管２の外表面１２が、軸方向に長い断面多角形状となるように形成されている。１０〜６０個の角を有する多角形であり、凸部１８の高さｈは１０〜２００μｍであり、隣接する凸部１８の間隔Ｐは０．５〜２ｍｍである。凸部１８となっている部分が発光管２の厚さが最大となっており、発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３とが接触している。凸部１６以外の部分では発光管２の厚さが薄くなっており、発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３との間に空気層１６が形成される。
【００２６】
発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３とが接触する凸部１８は、冷却媒体により冷却されている外管３までの距離が短く、発光管２が外管３によって直接冷却される。凸部１８における発光管２の内表面１１は、冷却効果が最も高い。一方、凸部１８の隣接部分２０は、発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３との間に空気層１６が形成され、冷却媒体により冷却されている外管３までの距離が遠くなる。発光管２は空気層１６によって間接冷却されることになるので、発光管２の内表面１１の冷却効果が弱まる。そのため、隣接部分２０における発光管２の内表面１１の温度は、凸部１８の内表面１３ほど下がらない。
また、凸部１８が発光管２の外周を断面多角形状にすることによって形成されているため、外管３の内表面１３のどの箇所に接触部分１７が存在しても、必ず空気層１６が存在し、発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３とが密着することがない。
【００２７】
接触部分１７においても、発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３は密着して面接触しているわけではなく、発光管２の外表面１２と外管３の内表面１３は凸部１８において接触する線接触または点接触となり、接触箇所と空気層１６部分が存在する。空気層１６を有する隣接部分２０における発光管２の内表面１１の温度は、凸部１８における発光管２の内表面１１の温度より高くなるので、凸部１８における発光管２の内表面１１を温めて、接触部分１７の全体としての発光管２の内表面１１の温度を高くすることができる。したがって、放電空間１０内における最冷点となる接触部分１７における発光管２の内表面１１の温度を、発光管２の外表面１２に凸部１８を形成しない場合に比べて、上げることができる。
発光管２の外表面１２に凸部１８を形成することによって、放電空間１０内における最冷点の温度を上げることができるので、待機電力を下げても発光管２の内表面１１の温度を高く維持することができ、発光管２内の封入された水銀の未蒸発の発生を抑制することができる。したがって、待機モードの待機電力を下げつつ、処理モードにおいて、短時間で立ち上がり、立ち切れしない高出力点灯ができる高圧放電ランプ１を実現できる。
【００２８】
続いて、実施例について説明する。
＜実施例１＞
第１の実施形態に示す高圧放電ランプを用いた高圧放電ランプ装置を作成し、実験対象とした。実験対象として用いた高圧放電ランプの仕様を以下に示す。
発光管：石英ガラス製、中央部の内径φ８ｍｍ、中央部の外径φ１２ｍｍ、封止部の外径：φ６ｍｍ、発光長１００ｍｍ
外管：石英ガラス製、内径φ１２．１ｍｍ、外径φ１４．１ｍｍ
凸部：高さ５０μｍ、管軸方向の間隔２ｍｍ
電極：タングステン製、電極間距離１００ｍｍ、放電空間１０内に位置される電極部分の長さ３ｍｍ
封入物：水銀７．５ｍｇ／ｃｃ、アルゴンガス１００Ｔｏｒｒ
なお、凸部は発光管の外表面に直径８０μｍのカーボン線を２ｍｍ間隔でコイル状に巻いて、上述した方法により形成した。
処理モードで３０秒間点灯し、続いて待機モードで３０秒間点灯し、処理モードと待機モードとが交互になるように点灯した。処理モード時において、高圧放電ランプの入力電力が３０００Ｗ（３００Ｗ／ｃｍ）となるように点灯した。待機モード時において、高圧放電ランプの入力電力が２０００Ｗ（２００Ｗ／ｃｍ）となるように点灯した。
冷却ジャケットには、冷却媒体として、水を５Ｌ／ｍｉｎの流量で循環させた。
また、比較対象として、外管の内表面に凸部が形成されていないことを除いて、実験対象と同様の仕様の高圧放電ランプ１を作成した。
【００２９】
外管の内表面に凸部が形成された実験対象の高圧放電ランプは、発光管の内表面における温度が、処理モードでは、接触部分で７００℃となり、隙間の最大部分で１０００℃となった。また、待機モードでは、接触部分で５４０℃となり、隙間の最大部分で８００℃となった。
外管の内表面に凸部が形成されていない比較対象の高圧放電ランプは、発光管の内表面における温度が、処理モードでは、接触部分で５５０℃となり、隙間の最大部分で１０００℃となった。また、待機モードでは、接触部分で４３０℃となり、隙間の最大部分で８００℃となった。
外管の内表面に凸部が形成された実験対象の高圧放電ランプは、最冷点となる接触部分の温度が、比較対象の高圧放電ランプに比べて、処理モードでは１５０℃高く、待機モードでは１１０℃高くなった。
【００３０】
放電空間内の温度が４００℃以下になると、封入されている水銀の未蒸発が発生して、待機モードから処理モードへ移行するときの立上り時間の遅延や、放電を維持できなくなる立ち切れが発生する。本実験結果より、外管の内表面に凸部が形成された実験対象の高圧放電ランプは、高圧放電ランプの点灯中に放電容器内の温度が最も低くなる待機モード時における接触部分の温度が５４０℃であり、最冷点温度が４００℃より１４０℃高くなることがわかった。これより、外管の内表面に凸部が形成された実験対象の高圧放電ランプは、待機モードの入力電力を２００Ｗ／ｃｍより小さくして、待機モード時における接触部分の温度がさらに低下するような条件で点灯しても、水銀の未蒸発分が発生しないことが予測された。
【００３１】
＜実験例２＞
実験例１の実験結果からの予測から、外管の内表面に凸部が形成された実験対象の高圧放電ランプ装置を、待機モードの入力電力を小さくして点灯することにした。実験対象として用いた高圧放電ランプの仕様は、実験例１と同様とした。また、高圧放電ランプ装置の冷却条件も、実験例１と同様とした。なお、高圧放電ランプの点灯条件は、次のようにした。
処理モードで３０秒間点灯し、続いて待機モードで３０秒間点灯し、処理モードと待機モードとが交互になるように点灯した。処理モード時において、高圧放電ランプの入力電力が３０００Ｗ（３００Ｗ／ｃｍ）となるように点灯した。待機モード時において、高圧放電ランプの入力電力が１５００Ｗ（１５０Ｗ／ｃｍ）となるように点灯した。
すなわち、待機モードの入力電力を下げたことを除いて、高圧放電ランプの点灯条件も、実験例１と同様とした。
【００３２】
外管の内表面に凸部が形成された実験対象の高圧放電ランプは、待機モードの入力電力を１５０Ｗ／ｃｍとしても、水銀の未蒸発分が発生しなかった。水銀の未蒸発分が発生しないので、待機モードから処理モードへの移行も、立上り時間が短いまま維持できた。また、処理モードにおいては、待機モードの入力電力値にかかわらず、高い入力電力で高出力点灯ができた。
したがって、待機モードの待機電力を下げても、水銀の未蒸発分が発生しないので、待機モードから処理モードへ短時間で立ち上がり、処理モードにおいて立ち切れしない高出力点灯ができる高圧放電ランプを実現できることが確かめられた。
【００３３】
実験例１の結果によれば、外管の内表面に凸部が形成されていない高圧放電ランプでは、入力電力を２００Ｗ／ｃｍとすると、放電空間内の最冷点となる接触部分の発光管の内表面温度が４３０℃となる。入力電力値をこれ以上小さくすると、放電空間内の最冷点温度が下がって水銀の未蒸発が発生してしまう。すなわち、外管の内表面に凸部が形成されていない高圧放電ランプでは、待機モードにおける入力電力の最低値が２００Ｗ／ｃｍであった。
一方、実験例２の結果により、外管の内表面に凸部が形成された実験対象の高圧放電ランプは、待機モードの入力電力を１５０Ｗ／ｃｍとできることが確かめられた。これより、凸部が形成されていない従来技術に係る高圧放電ランプに比べて、待機モードの入力電力を７５％に低減できることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の高圧放電ランプ装置の構成を示す説明用断面図
【図２】本発明の高圧放電ランプの構成を示す説明用断面図
【図３】本発明の高圧放電ランプの中央部を示す拡大断面図
【図４】本発明の高圧放電ランプを製作する方法を説明するための説明図
【図５】本発明の高圧放電ランプの中央部を示す拡大断面図
【図６】従来における高圧放電ランプ装置の構成の概略を示す説明図
【図７】高圧放電ランプ使用時の入力電力を示す説明図
【符号の説明】
【００３５】
１ 高圧放電ランプ
２ 発光管
３ 外管
４ 電極
１４ 隙間
１５ 凸部
１６ 空気層
１７ 接触部分
２１ 冷却ジャケット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極が対向配置され、水銀が封入された発光管と、前記発光管の外側に形成された直管状の外管を備え、前記発光管の両端で前記外管が固定されている高圧放電ランプにおいて、
前記発光管の外表面、または、前記外管の内表面に、凸部が形成されていることを特徴とする高圧放電ランプ。
【請求項２】
前記凸部は、外管の内表面に螺旋状の筋を設けることにより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。
【請求項３】
前記凸部は、発光管の外表面を、管軸方向に垂直に切断した断面において断面多角形状にすることにより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。
【請求項４】
前記外管の内径と前記発光管の外径との差は２００μｍ以下であり、前記凸部の高さは２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３に記載の高圧放電ランプ。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の高圧放電ランプを、冷却ジャケットの内部に配置し、前記外管の壁面に沿って冷却媒体が流過されることを特徴とする高圧放電ランプ装置。
【請求項１】
一対の電極が対向配置され、水銀が封入された発光管と、前記発光管の外側に形成された直管状の外管を備え、前記発光管の両端で前記外管が固定されている高圧放電ランプにおいて、
前記発光管の外表面、または、前記外管の内表面に、凸部が形成されていることを特徴とする高圧放電ランプ。
【請求項２】
前記凸部は、外管の内表面に螺旋状の筋を設けることにより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。
【請求項３】
前記凸部は、発光管の外表面を、管軸方向に垂直に切断した断面において断面多角形状にすることにより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。
【請求項４】
前記外管の内径と前記発光管の外径との差は２００μｍ以下であり、前記凸部の高さは２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３に記載の高圧放電ランプ。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の高圧放電ランプを、冷却ジャケットの内部に配置し、前記外管の壁面に沿って冷却媒体が流過されることを特徴とする高圧放電ランプ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−１０４８３９（Ｐ２００９−１０４８３９Ａ）
【公開日】平成２１年５月１４日（２００９．５．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２７３９５１（Ｐ２００７−２７３９５１）
【出願日】平成１９年１０月２２日（２００７．１０．２２）
【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２１年５月１４日（２００９．５．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月２２日（２００７．１０．２２）
【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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