(57)【要約】【課題】発光管内に配置された一対の電極を有する放電ランプと、該放電ランプに電力を供給する電源装置と、該給電装置を制御する制御装置と、よりなる放電ランプ装置において、特に点灯初期におけるアークの横飛びが発光管に衝突することを的確に検知して、発光管が損傷することを防止することである。【解決手段】放電ランプが収納されたランプハウス内の音声を集音する集音機器と、該集音機器からの音声信号を解析するスペクトルアナライザ装置とを備え、前記制御装置は、前記スペクトルアナライザ装置からの音声解析結果に基づいて、ランプ点灯時に発光管から発生する異常音を検知した場合に、前記電源装置による放電ランプへの電力の供給を停止させることを特徴とする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光管内に配置された一対の電極を有する放電ランプと、該放電ランプに電力を供給する電源装置と、該電源装置を制御する制御装置と、よりなる放電ランプ装置において、
前記放電ランプ装置は、該放電ランプが収納されたランプハウス内の音声を集音する集音機器と、該集音機器からの音声信号を解析するスペクトルアナライザ装置と、を備え、
前記制御装置は、前記スペクトルアナライザ装置からの音声解析結果に基づいて、ランプ点灯時に発光管から発生する異常音を検知した場合に、前記電源装置による放電ランプへの電力の供給を停止させることを特徴とする放電ランプ装置。
【請求項２】
前記制御装置は、前記スペクトルアナライザ装置から音声解析結果として出力される音声スペクトル情報が入力され、該音声スペクトル情報に、特定の振動数成分の急峻な音量変化が含まれていた場合に、前記異常音を検知したと判断し、放電ランプへの電力の供給を停止させることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ装置。
【請求項３】
前記振動数の急激な音量変化は、点灯時の前記放電ランプより発生する音の振動数成分と、消灯時もしくは正常点灯時の前記ランプハウス内の音の振動数成分とを比較して、その変動値から判断されることを特徴とする請求項２に記載の放電ランプ装置。
【請求項４】
前記異常音の検知は、点灯始動から所定の時間経過後から行われ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放電ランプ装置
【請求項５】
前記異常音の検知は、点灯始動から所定の時間経過後に停止す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放電ランプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はショートアーク型放電ランプを有する放電ランプ装置に関し、特に、ランプ点灯時にアークが横飛びして発光管に衝突することを防止した放電ランプ装置に関わるものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体、液晶、プリント基板などのフォトリソグラフィ工程などに使用されるショートアーク型放電ランプや、映写機用の光源として使用されるキセノンが封入されたショートアーク型放電ランプでは、長時間点灯の末、点灯寿命が末期に近づくと、点灯初期と比べて陰極先端の形状が変形し、該陰極先端の電場が変化して放電開始位置が変動する。また陰極先端に含有された電子放射物質であるトリウムは点灯寿命が末期になると著しく減少してきて、その仕事関数が増加する。これらに起因して、特に寿命末期の場合に、始動時のアーク放電の形状が安定せず、電極先端以外の部分から放電が発生することがある。
このような不安定なアーク放電は、放電の形状が大きく湾曲しやすく、場合によっては発光管内面に高温の放電プラズマが接触し、発光管に残留応力を発生させてしまう。その結果、発光管形状が著しく変形して破壊に至ることがあった。このような不安定なアーク放電は、アークの横飛びと称されている（以下、本現象を横飛びと称する）。
【０００３】
従来から、放電ランプのこのようなアーク横飛びについての対処方法が検討されており、例えば特開２００５−２５１４７１号公報（特許文献１）には、放電が開始される陰極先端付近に溝を形成して該溝近傍の電場強度を高め、放電発生位置を安定させることにより、放電形状を制御する技術が提案されている。しかしながら、この従来技術では、横飛びを抑えることはできるが、陰極先端の動作温度を過剰に上昇させ、点灯寿命を悪化させてしまう可能性が高まる。
【０００４】
そこで、最近では、アークの横飛び発生時は放電ランプの動作電圧が時間的にかなり不安定となることに着目し、電源もしくは点灯装置のランプ電圧を検出して、電圧が所定値以上に不安定となった場合にインターロックを作動させてランプを消灯する対処方法（以下、インターロック機構と称す）が一般的に行われている。例えば特開２００８−１１２６９６号公報（特許文献２）に記載の点灯装置は、ランプに印加する電圧を検知する電圧検出部と電流を検知する電流検出部を設け、各検出部の検出値の変化からランプの横飛びによる異常点灯を判断する異常判断部を備えることが記載されている。
この従来技術によれば、アークの横飛び発生時には、アークスポット位置が変動してランプ電圧の時間的変動が大きくなり、かつ定常点灯時よりもアークの経路が長くなることでランプ電圧が高くなる。そこでアークの横飛びが発生した場合、ランプ電圧の時間的変動や電圧値の上昇からアークの横飛びを検知し、インターロックを作動させてランプの点灯を停止させているものである。
【０００５】
ところで、アークの横飛びによる不具合は、発光管内面にアークが接触することで発光管の残留応力の発生や熱による変形、破壊が起こることである。つまり、発光管内面にアークが接触しない程度であれば、アークの横飛びが放電ランプの特性を悪化させることはない。また点灯初期に一時的に発生したアークの横飛びは、放電ランプの点灯がしばらく続いて陰極先端の温度が上昇し、十分な熱電子がアークプラズマに供給される状態となって放電が安定化することにより自然に解消して、それ以後は発生することがない。
しかしながら、上記従来技術においては、インターロック機構は、アークの横飛びがあった場合にこれを検知してランプを消灯するものであって、前記アークの横飛びが発光管に衝突したか否かを検出するものではなく、そのために、前記インターロック機構は、横飛びが発生するたびに頻繁に作動してしまい、設備使用者に時間的損失を与えるだけでなく、ランプの点滅回数が必要以上に増加して、かえって寿命特性の悪化を招いてしまうという問題があった。
【０００６】
また、上述の点を勘案して、アークの横飛びが発光管内面に接触した場合に正確にインターロックが駆動するようにするためには、インターロック機構の駆動条件を仔細に設定することが必要になる。つまりランプ点灯時の電圧値、電圧変動値をモニターし、アークが発光管内面に接触する際の閾値を定める必要がある。
しかしながら、横飛びの発生は極めてランダムな事象であり電極形状や発光管形状によっても閾値は刻々変化するため、またアークが発光管に接触しても電圧値に直接の影響がないために、インターロック機構の電圧値、電圧変動値をモニターしても、アークが発光管に接触したかどうかを判断し制御することは至極困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２５１４７１号公報
【特許文献２】特開２００８−１１２６９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
この発明が解決しようとする課題は、発光管内に配置された一対の電極を有する放電ランプと、該放電ランプに電力を供給する電源装置と、該電源装置を制御する制御装置と、よりなる放電ランプ装置において、ランプ点灯始動時にアークの横飛びが発生して、該横とびが発光管に衝突することを、前述の電圧変動に基づくインターロック機構とは異なる指標によって的確に検知することができて、放電ランプの破損を防止することのできる放電ランプ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、この発明に係る放電ランプ装置では、放電ランプが収納されたランプハウス内の音声を集音する集音機器と、該集音機器からの音声信号を解析するスペクトルアナライザ装置とを備え、前記制御装置は、前記スペクトルアナライザ装置からの音声解析結果に基づいて、ランプ点灯時に発光管から発生する異常音を検知した場合に、前記電源装置による放電ランプへの電力の供給を停止させることを特徴とする。
また、前記制御装置は、前記スペクトルアナライザ装置から音声解析結果として出力される音声スペクトル情報が入力され、該音声スペクトル情報に、特定の振動数成分の急峻な音量変化が含まれていた場合に、前記異常音を検知したと判断し、放電ランプへの電力の供給を停止させることを特徴とする。
また、前記振動数の急激な音量変化は、点灯時の前記放電ランプより発生する音の振動数成分と、消灯時もしくは正常点灯時の前記ランプハウス内の音の振動数成分とを比較して、その変動値からから判断されることを特徴とする。
また、前記異常音の検知は、点灯始動から所定の時間経過後から行われることを特徴とする。
また、前記異常音の検知は、点灯始動から所定の時間経過後に停止することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、放電ランプの点灯時に放電ランプおよびその周辺から発する音を集音してこれを分析し、アークが横飛びして発光管に衝突する際に発生する異常音を検出した際に、放電ランプへの電力供給を停止して消灯するようにしたので、アークの横飛びが発光管に衝突したことを的確に検知でき、不必要なランプ消灯を避けつつ、ランプ破損という不具合を回避できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の放電ランプ装置の全体図。
【図２】本発明の制御プログラムのフローチャート。
【図３】本発明の評価実験結果を表す表。
【図４】本発明の他の評価結果を表す表。
【図５】アーク横飛びによる異常音発生の概念図。
【図６】発光管の打音スペクトル図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の説明に先立ち、先ず、放電ランプにおけるアークの横飛びによる異常音の発生の概念を、図５により説明する。
図５において、放電ランプ１は、発光管１１内に陰極１２と陽極１３とが対向配置されている。該放電ランプ１においては、特に、点灯始動時において陰極１１から陽極１２に向かうアークＡが、正確に陰極１１と陽極１２間で直線的に発生せずに、しばしばループ状に横飛びとなって発生することがある。
この横飛びが大きくて、発光管１１に衝突すると、アークＡによる打撃音Ｓが発生し、これが異常音となる。
【００１３】
この放電ランプの異常音は、アーク放電Ａが発光管内壁に衝突した際に、局所的に発光管１１が振動して発生するものである。つまり異常音は発光管振動と同等の振動数から成り、異常音発生時の音声スペクトルは発光管振動領域にピーク状の強度変化を有すると考えられる。そのため、音声のスペクトルのうち発光管振動領域の強度変化を観察することで、異常音の発生有無を判断することができる。しかし発光管の振動領域は、発光管のサイズや形状、材質によって適宜異なるため、異常音の検知判断には予め発光管振動数を調べておく必要がある。
【００１４】
そこで、本発明の放電ランプ装置を実施する上では、発光管の振動数領域を予め特定しておく必要がある。
本発明の発明者は、この発光管の振動数領域を特定する手段として、発光管外面を叩いた際の打音スペクトルを測定する方法を採用した。
つまり、発光管外面をゴム製のハンマーで叩いた際の打音は、発光管に固有の振動数で発生し、打音のスペクトルは特定の振動数領域にピーク状の強度変化を持つ。例えば、５ｋＷ級の露光用放電ランプの打音スペクトルは、図６に示すようなスペクトルとなる。当該ランプでは、７４００Ｈｚおよび１２０００Ｈｚ付近に打音に起因したピーク状のスペクトルが観測されている。
また、発光管の叩き方によっては±２００Ｈｚ程度のピークシフト（ピーク変動）が観測された。そこで、７４００±２００Ｈｚおよび１２０００±２００Ｈｚの領域をそれぞれ発光管の振動数領域と定めた。
【００１５】
そして、放電ランプにおけるアーク横とびによる発光管衝突音は、この発光管の振動数領域と同等の振動数からなるので、本発明においては、放電ランプでの該発光管振動数領域を特定して、これとの比較においてランプからの異常音として検知するものである。
【００１６】
本発明の具体的な実施例を図１に基づいて説明する。
放電ランプ１は、ランプハウス２内に収納されており、ランプハウス２外に設置された電源装置３により、電力が供給されて点灯する。
前記ランプハウス２内には集音機器４が設置されており、該集音機器４はスペクトルアナライザ装置５に接続されている。
このスペクトルアナライザ装置５は制御装置６に接続され、該制御装置６は前記電源装置３に接続されている。
上記構成において、集音機器４によってランプハウス２内で発生する放電ランプ１およびその周辺機器からの音を集音して、スペクトルアナライザ装置５に音声信号として送る。
【００１７】
スペクトルアナライザ装置５では、集音機器４からの音声信号を振動数ごとに解析して、その音声解析結果として、当該音声信号の各振動数成分とその出力強度を示す音声スペクトル情報を後続する制御装置６に出力する。
当該制御装置６には、ランプ消灯時もしくは正常点灯時のランプハウス２内の音の音声スペクトルデータが予めインプットされていて、これをバックグラウンドとして、ランプ点灯時の前記スペクトルアナライザ装置５からの音声スペクトル情報と比較する。
その比較手段としては、例えば、両データの差分によるものがあげられ、該制御装置６で、前記２つの音声スペクトルデータが差分処理される。これにより、発光管振動数領域のスペクトルの出力強度の変動を算出する。
【００１８】
前記制御装置６において、発光管振動数領域のスペクトル強度の絶対値の変動値を算出して、許容値以上の変動があった場合は異常音が発生したと擬制し、電源装置３に停止信号が送られて放電ランプ１が速やかに消灯される。一方、変動値が許容値以内である場合には、放電ランプ１は継続点灯される。
また、制御装置６による異常音の判断手段として、発光管振動数領域におけるスペクトル強度の積算値を算出し、ランプ消灯時もしくは正常点灯時と、ランプ点灯後の積算値の変化量から、異常音の発生有無の判断することもできる。
いずれも場合にも、許容範囲としてランプ点灯後の変動値が、例えば、消灯時もしくは正常点灯時よりも５０％以上増加した場合に放電ランプを消灯するように制御装置６をプログラムすることができる。なお、この許容値として５０％という値は、周囲の環境の雑音の大きさを目安として状況に応じた設定値としてかまわない。
【００１９】
上記構成における作用を図２に基づいて説明する。
（１）放電ランプ点灯開始によってプログラムが実行開始される。
（２）ランプ点灯後３秒間は待機する。
（３）３秒経過後に、ランプハウス２内の音声を集音機器４で検知する。
この音声の検知をランプ点灯開始から３秒程度経過後に行うとしたのは、ランプ点灯直後には放電ランプ１のイグナイタ（不図示）が作動して大きな音が発生するため、ランプ点灯時の正確な計測が妨げられるからである。
（４）集音機器４で検知した音の音声信号はスペクトルアナライザ装置５へ入力される。該スペクトルアナライザ装置５では、集音機器４から入力された音声信号を振動数成分ごとに解析し、当該音声信号の各振動数成分とその出力強度を示す音声スペクトル情報を音声分析結果として出力する。
（５）スペクトルアナライザ装置５から出力された音声スペクトル情報（データＢ）は制御装置６に入力される。この制御装置６には消灯時もしくは正常点灯時のランプハウス２内の環境音に基づく音声スペクトル情報（データＡ）が予めインプットされており、これをバックグランドとして、データＢとデータＡが比較処理される。
【００２０】
（６）次いで、発光管振動数領域のスペクトル強度の変動値を算出し、許容値以上の変動があった場合は異常音が発生したと擬制し、放電ランプを速やかに消灯するよう電源装置３に停止信号が送られる。許容値以上の変動がない場合、ランプは継続点灯される。
（７）この制御プログラムによる異常音の検知動作は、放電ランプの点灯開始から５分間程度継続して行われ、この間異常音を検知しない限りはランプ点灯が継続される。
ランプ点灯から５分間経過すると、この制御プログラムは停止されて、ランプ点灯が継続される。これは、アークの横跳びは、点灯開始直後の陰極温度が十分に上昇しないときに発生するものであって、５分間程度の継続点灯によって陰極温度が十分に上昇するとアークが安定し、それ以後はアークの横飛びが発生することがないからである。
このアークの横飛び終息までの時間はランプ品種、各部の形状や点灯条件などによっても変化する場合があるため、プログラム上で検知の終息時間を任意に設定し、横飛びの影響が消失する時間帯にプログラムおよび音の測定系を停止させ余分な電力消費を抑制するものである。
【００２１】
なお、前記制御装置においては、前記両音声データを比較処理してスペクトル出力強度の変動を算出するとしたが、その比較処理としては、両データの差分を求めて変動値としてもよいし、比率を求めて変動値としてもよい。
【００２２】
本発明の効果を実証するための動作実験を行った。
実験は５ｋＷの露光用放電ランプを用いて動作実験を行った。本発明の効果を観察するため、バッファガスとして封入ガスにＸｅを用いて圧力を通常の１．０気圧前後から０．１気圧まで低下させ、横飛びが発生しやすい状態とした放電ランプを用いて、点灯動作実験を行った。始動時の電流は７０Ａとし、通常の動作電力よりも低い３．５ｋＷ入力で点灯した。また、実験から、ランプの放電状態は、陰極に変形があって横飛びが発生しやすい状態下でも３〜７分程度で安定することが分かったため、制御装置の制御プログラムを７分で停止させるよう設定した。
比較例１としては、アーク横飛びに関する検知手段を有しないものを、比較例２としては、アーク横飛びを電圧変動で検知するインターロック機構を有するものを、用意した。このインターロック機構の駆動条件は、ランプ点灯直後の電圧（１５〜２０Ｖ）に対し、７０Ｖ以上の電圧が２００ｍｓｅｃ以上連続して発生した場合にランプを停止するよう設定された。
【００２３】
これらの放電ランプ装置を、ランプ点灯条件として、１時間点灯後に１時間消灯するサイクルとして、これを１００回繰り返すことで確認した。
その１００回の点灯消灯後に、ガラス歪み計を用いて発光管に残留応力が発生しているかどうかを調べ、アークの横飛びによる不具合が発生していないかを確認した。前述したように、本実験ランプは通常よりも低い電力下で点灯されているために、発光管動作温度が低く、発光管の動作温度に起因して残留応力が発生することがない。そのため、横飛びに起因する残留応力の発生の有無を他の影響と切り分けて正確に調べることができるものである。
【００２４】
その結果が図３および図４に示されている。
図３に示されるように、アーク横飛びの検知手段を持たない比較例１では、発光管に残留応力が有り、当然、アーク横飛びを検知してのランプ消灯はない。
インターロック機構を有する比較例２では、残留応力は無いものの、消灯回数が２６回と多く、これは、アークの横飛びの全てを検知して消灯したものである。
それに対して、本発明においては、残留応力が無く、かつ、消灯回数も１１回と少なく、これは、発生するアーク横飛びのうち、発光管に衝突するものだけを検知した結果である。
【００２５】
また、図４は、比較例２と本発明について、アーク横飛びに伴うランプの消灯回数を、点灯回数（サイクル）ごとに見たものであり、同図で分かるように、比較例２では、比較的サイクルの少ない段階から消灯が行われており、最終段階において増加している。
比較例２におけるこの消灯状態は、先に述べたように、アークの横飛の全てを検知しているものであり、点灯サイクルの最終段階で消灯回数が増えているのは、点灯積算時間の経過とともに陰極先端が磨耗したり、あるいは電子放射物質が消耗してきて、アークの横飛びが増えてきていることを示しているものである。
一方、本発明では、サイクルの後半期になって消灯が発生し、その消灯回数も最終段階で増えている。これは、サイクル初期の横飛びはその横飛びの程度が小さく、発光管に衝突する程度ではなく、これを検知していないことを示しており、また、最終段階で消灯回数が増加しているのは、前述の比較例２で述べたと同様の理由で、アークの横飛び回数が増えるとともに、その横飛びの程度が大きくなって、発光管に衝突する回数が増加していることを示すものである。
【００２６】
以上説明したように、本発明においては、発光管内に配置された一対の電極を有する放電ランプと、該放電ランプに電力を供給する電源装置と、該電源装置を制御する制御装置と、よりなる放電ランプ装置において、放電ランプが収納されたランプハウス内の音声を集音機器により集音し、その音声信号をスペクトルアナライザ装置に送ってこれを解析し、該解析結果に基づいて制御装置が、ランプ点灯時に発光管から発生する異常音を検知した場合に、前記電源装置による放電ランプへの電力の供給を停止させるようにしたことにより、発光管内で発生するアークの横飛びによる該発光管への衝突を的確に検知することができるという効果を奏するものである。
そのため、従来のインターロック機構でのアーク横飛び検知のように、横飛びの全てを検知してしまうようなことがなく、真に不具合の原因となる発光管へのアークの衝突のみを的確に検知して、いたずらに消灯を繰り返すといったことがなくなるものである。
【符号の説明】
【００２７】
１      放電ランプ
１１    発光管
２      ランプハウス
３      電源装置
４      集音機器
５      スペクトルアナライザ装置
６      制御装置
Ａ      アーク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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