JP2004247127A - 超高圧放電ランプ - Google Patents
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Abstract
【課題】放電容器に黒化、白濁が生じることにより照度維持率が低下する問題や、放電容器にクラックが発生する問題を解決することが可能な超高圧放電ランプを提供することである。
【解決手段】石英ガラスからなる放電容器に一対の電極が対向配置され、この放電容器に０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀が封入された超高圧放電ランプにおいて、前記石英ガラスは、水素の含有量が０．１〜２９０重量ｐｐｍであることを特徴とする。
【選択図】 図１
【解決手段】石英ガラスからなる放電容器に一対の電極が対向配置され、この放電容器に０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀が封入された超高圧放電ランプにおいて、前記石英ガラスは、水素の含有量が０．１〜２９０重量ｐｐｍであることを特徴とする。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高圧放電ランプに関する。特に、放電容器内に０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀が封入されて、点灯時の水銀蒸気圧が１５０気圧以上になる超高圧放電ランプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
投射型プロジェクター装置は、矩形上のスクリーンに対して均一に、しかも十分な演色性を持って画像を照明させることが要求され、このため、光源としては水銀や金属ハロゲン化物を封入させたメタルハライドランプが使われている。また、最近では、より一層の小型化、点光源化が進められ、電極間距離も極めて小さいものが実用化されてきている。
【０００３】
このような背景のもと、最近では、メタルハライドランプに代わって、極めて高い水銀蒸気圧、例えば２００バール（約１９７気圧）以上を持つランプが提案されている。これは水銀蒸気圧を高くすることで、アークの広がりを抑えると共に、より一層の光出力の向上を図るというものである。
【０００４】
最近は、ＤＭＤＴＭ（テキサスインスツルメンツ社；デジタルマイクロミラーデバイス）を使ったＤＬＰＴＭ（同社；デジタルライトプロセッサ）方式が採用されたことにより、液晶パネルを使う必要がなくなり、これにより、一層小型のプロジェクター装置が注目されつつある。つまり、プロジェクター装置用の放電ランプは、高い光出力や照度維持率が要求される反面、プロジェクター装置の小型化に伴い放電ランプもより小型化が求められ、その点灯条件もより厳しい内容が要求されつつある。
【０００５】
このようなプロジェクター装置に使用される光源装置は、鮮明な画像を投射するという関係上、放電ランプの照度が低下することは大きな問題となる。このような照度の低下は、ランプ点灯時に蒸発した電極構成物質が放電容器の内壁に付着して放電容器の黒化を生じ、これにより、放電容器の透過率が低下することが原因であると考えられる。放電容器の黒化を解決する手段として、従来は、放電容器の内部に封入されたハロゲンによるハロゲンサイクルを利用することにより、放電容器の内壁へのタングステンの付着を防止している（例えば、特許文献１、２参照）。ハロゲンサイクルとは、電極から飛散した金属が、放電容器内に存在するハロゲンや酸素と反応することで、ハロゲン化金属とされた後、再度電極に堆積するという一連の流れを示す。
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１、２に開示される技術にもとづいた放電ランプをプロジェクター装置に搭載して点灯させたところ、以下の２つの問題が発生することにより、良好な点灯が必ずしもできていないことが判明した。
第１の問題は、前記放電ランプは、点灯時間の経過とともに放電容器に黒化、白濁が生じることにより、照度維持率が著しく低下することである。
ここで、放電容器に黒化が生じることは、前述の記載内容に矛盾しているように思われるが、放電容器の黒化を防止できるのはハロゲンサイクルが十分に機能した場合であって、ハロゲンサイクルが十分に機能しなければ放電容器に黒化が生じるのは当然のことである。
第２の問題は、前記放電ランプについて、点灯と消灯をそれぞれ比較的短時間で繰り返し行ったところ、放電容器にクラックが発生することである。
【０００７】
【特許文献１】
特開平２−１４８５６１号
【特許文献２】
特開平６−５２８３０号
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、石英ガラスからなる放電容器に０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀を封入するプロジェクター装置用の超高圧放電ランプであって、放電容器に黒化、白濁が生じることにより照度維持率が低下する問題や、放電容器にクラックが発生する問題を解決することが可能な超高圧放電ランプを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の放電ランプは、石英ガラスからなる放電容器に一対の電極が対向配置され、この放電容器に０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀が封入された超高圧放電ランプにおいて、前記石英ガラスは、水素の含有量が０．１〜２９０重量ｐｐｍであることを特徴とする。
また、本発明の放電ランプは、ＯＨ基の含有量が１重量ｐｐｍ以下、アルミニウムの含有量が２〜３０重量ｐｐｍであることが好ましい。
【００１０】
【作用】
本発明者は、上記課題を解決するために前述の第１の問題、すなわち、放電容器に黒化、白濁が生じることにより、照度維持率が著しく低下する原因を鋭意検討した結果、以下の結論を得た。
まず、放電容器に黒化が生じる原因について説明する。前述のハロゲンサイクルを利用することによって、ランプ点灯時に蒸発した電極構成物質が放電容器の内表面に付着することを防止しているが、このハロゲンサイクルが十分に機能していないために、放電容器に黒化が生じると考えられる。この理由を以下に説明する。
放電容器を構成する石英ガラスは、その製造段階において多量の水分が含有されているので、多量の水素分子およびＯＨ基が含有されていることになる。その結果、ランプ点灯時に放電容器の温度が上昇すると、石英ガラスに含有された水素分子が放電容器内に放出され、放電容器内のハロゲンを捕捉してしまう。これにより、蒸発した電極構成物質とハロゲンが結合できないので、放電容器内表面に電極構成物質が付着して放電容器に黒化が生じると考えられる。
さらに、ランプ点灯時に放電容器が高温化すると、石英ガラスに含有されているＯＨ基が加熱分解されて水素が生成することによっても、前述のようにして放電容器に黒化が生じると考えられる。
【００１１】
次に、放電容器に白濁が生じる原因について説明する。放電容器内表面の石英ガラスが、前述のようにして放電容器内に放出された水素によって還元され、これにより生成した結晶核が成長することにより、放電容器に白濁が生じると考えられる。
【００１２】
このような結論から、石英ガラスにおける水素分子、ＯＨ基の含有量を低減することが、第１の問題解決に有効であることを見出した。
【００１３】
本発明者は、前述の第２の問題、すなわち、放電容器にクラックが発生する原因について検討した結果、以下の結論を得た。
放電容器を構成する石英ガラスは、その製造段階において水分が含有されることによりＯＨ基が含有されている。このＯＨ基は石英ガラス中においてＳｉ−ＯＨの状態で存在するので、ＯＨ基の含有量が多いとＳｉＯ２ネットワーク構造が寸断されることによる非架橋結合が多数形成される。ランプ点灯時に放電容器が高温状態になると、この非架橋結合がネットワーク構造中を自在に移動することにより、石英ガラスの粘性が低下する。これにより、石英ガラスの耐熱性が低下して放電容器にクラックが発生したと考えられる。とりわけ、本発明に係る放電ランプは、点灯時において、放電容器は非常に高温状態になるため、多量のＯＨ基を含有する石英ガラスからなる放電容器では、耐熱性が不十分であると考えられる。
このような結論から、石英ガラスにおけるＯＨ基の含有量を低減することが、第２の問題解決に有効であることを見出した。
【００１４】
さらに、本発明者は、放電容器に適量のアルミニウムを添加することにより、上記非架橋結合を修飾したり、あるいは、Ａｌ−Ｏ結合を形成してピンニングサイトを形成することにより、高温化した放電容器における非架橋結合の移動を抑制できることを見出した。
すなわち、放電容器のアルミニウム含有量を適正な範囲に規定することによっても、第２の問題を効果的に解決することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の超高圧放電ランプ（放電ランプとも呼ぶ）を管軸方向に切断した断面図を示す。放電ランプ１は、石英ガラスからなる放電容器１０を有し、この放電容器１０は、放電空間１１を包囲する発光管部１２と、この発光管部１２の両端に連続して形成された各々の封止部１３から構成されている。放電空間１１内では、タングステンよりなる陰極１４と陽極１５が対向配置されている。各々の封止部１３には、モリブデンからなる金属箔１６が、例えばピンチシールによって気密に封止されている。金属箔１６は、発光管部側の一端に陰極１４および陽極１５の基端部が溶接によって電気的に接続され、他端に外部に突出する外部リード棒１７が溶接によって電気的に接続されている。
尚、従来の放電ランプも図１と構成は同じである。
【００１６】
放電空間１１内には、水銀、希ガス、ハロゲンガスが封入されている。
水銀は、可視領域の波長を有する放射光を得るために０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上封入される。この封入量は、発光管部１２内の点灯時における水銀蒸気圧が、１５０気圧以上となるように求められた値である。
希ガスは、例えば、Ａｒが１３．３ＫＰａ封入される。
ハロゲンガスは、ハロゲンサイクルを行うことによって放電ランプの寿命を延ばすために、例えば臭素が、２×１０−４μｍｏｌ／ｍｍ３封入される。
【００１７】
このような放電ランプの数値例を挙げると、発光管部の最大外径１１ｍｍ、封止部の外径５ｍｍ、電極間距離１．２ｍｍ、発光管内容積１００ｍｍ３、定格電圧７５Ｖ、定格電力２００Ｗである。
【００１８】
請求項１に記載する発明の放電ランプ１は、放電容器１０を構成する石英ガラスにおける水素分子の含有量を０．１〜２９０重量ｐｐｍの範囲に規定したことを特徴とする。
【００１９】
以下に、水素分子の含有量を規定する理由を説明する。
水素分子の含有量が２９０重量ｐｐｍを超えると、ランプ点灯時において、石英ガラスから放電空間１１内へ放出される水素によって多量のハロゲンが捕捉されるので、蒸発した電極構成物質、すなわち、タングステンと結合するハロゲン量が減少する。その結果、ハロゲンサイクルが十分に機能することができないので、発光管部１２の内表面にタングステンが付着して発光管部１２に黒化が生じる。
さらに、ランプ点灯時において、石英ガラス中から放電空間１１内へ放出される水素によって発光管部１２の内表面が還元され、生成した結晶核が成長することにより、発光管部１２に白濁が生じる。
上記の理由により、放電ランプ１の照度維持率が低下する。
また、水素分子の含有量が０．１重量ｐｐｍ未満であると、発光管部１２に黒化、白濁は生じないが、石英ガラス中の水素分子が過剰に消失することにより構造欠陥が形成される。これにより、放電容器の機械的強度が低下し、発光管部１２にクラックが発生する。
【００２０】
石英ガラスにおける水素分子の含有量を０．１〜２９０重量ｐｐｍの範囲に規定するためには、放電容器１０となるべき石英ガラス管に対して真空脱ガス処理を行うことにより、石英ガラス管に含有されている水分を放出させる必要がある。
具体的な処理条件を挙げると、例えば、処理温度１１５０℃、処理圧１０−４Ｐａ、処理時間１７時間である。
【００２１】
図２は、石英ガラス管における水素分子の含有量を測定するための水素ガス分析装置２０の概略を示す。水素ガス分析装置２０は、試料を加熱するための加熱炉２１と、熱伝導度検出器２２と、熱伝導度の変化量を基に水素量を演算する測定装置２３とからなる。
まず、熱伝導度検出器２２内に、キャリアガスとしてヘリウムを導入して熱伝導度の測定を行い、得られた測定値を測定値１とする。次に、石英ガラス管を粉砕することで得た試料粉Ｍと、助燃材である鉄および錫を加熱炉２１内で同時に燃焼させ、発生したガスを熱伝導度検出器２２内に導入して熱伝導度の測定を行い、得られた測定値を測定値２とする。そして、測定値１と測定値２の２つのデータを測定装置２３にて比較演算を行わせることにより、試料粉Ｍ中に含有される水素分子量を求めることができる。
【００２２】
請求項２に記載される放電ランプ１は、請求項１に記載されるように石英ガラスにおける水素分子の含有量を規定するとともに、ＯＨ基の含有量を１重量ｐｐｍ以下に規定し、アルミニウムの含有量を２〜３０重量ｐｐｍの範囲に規定することを特徴とする。
【００２３】
まず、ＯＨ基の含有量を規定する理由について説明する。ＯＨ基の含有量が１重量ｐｐｍを超えると、ＯＨ基が加熱分解されることによって放電空間１１内に多量の水素が放出され、発光管部１２に黒化、白濁が生じる。これにより、放電ランプ１の照度維持率が低下する。
また、ＯＨ基の含有量が１重量ｐｐｍを超えると、ＳｉＯ２ネットワーク構造が寸断されることによる非架橋結合が多数形成される。ランプ点灯時において放電容器が高温状態になると、この非架橋結合がネットワーク構造中を自在に移動することにより、石英ガラスの粘性が低下する。これにより、石英ガラスの耐熱性が低下して発光管部１２にクラックが発生する。
尚、前述の処理条件にて、放電容器１０となるべき石英ガラス管に対して真空脱ガス処理を行うことにより、石英ガラス中のＯＨ基の含有量を１重量ｐｐｍ以下にすることができる。
【００２４】
次に、石英ガラスにアルミニウムを含有させ、その含有量を規定する理由について説明する。石英ガラスに適量のアルミニウムを含有させることにより、上記非架橋結合を修飾したり、あるいは、Ａｌ−Ｏ結合を形成してピンニングサイトを形成することにより、放電容器が高温になった際の非架橋結合の移動を抑制することができる。
アルミニウムの含有量が３０重量ｐｐｍを超えると、不純物効果が大きくなることにより発光管部１２に白濁が生じ、かつ、クラックも発生する。アルミニウムの含有量が２重量ｐｐｍ未満であると、非架橋結合を修飾する機能や、非架橋結合の移動を抑制する機能を十分に果たすことができないので、石英ガラスの粘性が低下する。これにより、石英ガラスの耐熱性が低下して、発光管部１２にクラックが発生する。
【００２５】
ここで、本発明の作用効果に関する実験を行うために作製した超高圧放電ランプについて説明する。
＜実施例＞
石英ガラスにおける水素濃度、ＯＨ基濃度、アルミニウム濃度を本発明の数値範囲内に規定し、図１の構成にしたがって、下記の仕様による超高圧放電ランプを１９本作製した。
〔超高圧放電ランプ〕
発光部の最大外径：１１ｍｍ
発光管内容積：１００ｍｍ３
電極間距離：１．２ｍｍ
封入水銀量：０．２５ｍｇ／ｍｍ３
封入ハロゲンガス：臭素
封入ハロゲンガス量：１．３×１０−８ｍｏｌ
定格電圧：７０Ｖ
定格電流：３Ａ
＜比較例＞
石英ガラスにおける水素濃度、ＯＨ基濃度、アルミニウム濃度のいずれかが、本発明の数値範囲外となるようにして、図１の構成にしたがって、実施例と同様の仕様による超高圧放電ランプを１５本作製した。
【００２６】
上記実施例と比較例の超高圧放電ランプを用いた実験について説明する。
実験は、実施例および比較例の超高圧放電ランプについて、発光管部１２の黒化、白濁と、照度維持率の変化と、発光管部１２のクラック発生について観察を行った。
発光管部１２の黒化、白濁については、２分間点灯させた後４０秒間消灯させるという動作を５０回繰り返した後、放電容器を目視して黒化、白濁を観察した。
照度維持率の変化については、５０時間連続点灯させた後、照度維持率の変化を観察した。
発光管部１２のクラック発生については、２分間点灯させた後４０秒間消灯させるという動作を５０回繰り返した後、放電容器を目視してクラック発生を確認した。
【００２７】
図３は、上記実施例の超高圧放電ランプ（実施例１〜１９）の実験結果を示す。
黒化、白濁については、黒化、白濁のいずれも生じなかったものを「○」、白濁のみ生じたものを「△」、黒化、白濁の両方が生じたものを「×」とした。
照度維持率の変化については、照度維持率９８％以上のものを「○」、８０〜９８％のものを「△」、８０％以下のものを「×」とした。
クラック発生については、クラックが発生しなかったものを「○」、発生したものを「×」とした。
【００２８】
図３の結果から、水素濃度が０．１〜２９０重量ｐｐｍ、アルミニウム濃度が２〜３０重量ｐｐｍ、ＯＨ基濃度が１重量ｐｐｍ以下の範囲であれば、発光管部１２に黒化、白濁が生じず、照度維持率が低下しないことが分かる。さらに、発光管部１２にクラックが発生しないことも分かる。
【００２９】
図４は、上記比較例の超高圧放電ランプ（比較例１〜１５）の実験結果を示す。
比較例１〜６は、ＯＨ基濃度と、アルミニウム濃度は本発明の範囲内で、水素濃度が本発明の範囲から外れる場合について行った実験結果である。
図４より、水素濃度が０．１重量ｐｐｍ未満であると、発光管部１２にクラックが発生する。２９０重量ｐｐｍを超えると、発光管部１２に黒化、白濁の両方が生じ、照度維持率も８０％以下に低下する。
【００３０】
比較例７〜１１は、水素濃度と、ＯＨ基濃度は本発明の範囲内で、アルミニウム濃度が本発明の範囲から外れる場合について行った実験結果である。
図４より、アルミニウム濃度が２重量ｐｐｍ未満であると、発光管部１２にクラックが発生する。また、３０重量ｐｐｍを超えると、３０重量ｐｐｍに最も近い比較例１０でも照度維持率が低下した。さらにアルミニウム濃度が最も多い比較例１１については、発光管部１２に白濁が生じるとともにクラックが発生し、照度維持率が著しく低下した。
【００３１】
比較例１２〜１５は、水素濃度と、アルミニウム濃度は本発明の範囲内で、ＯＨ基濃度が本発明の範囲から外れる場合について行った実験結果である。
図４より、ＯＨ基濃度が１重量ｐｐｍを超えると、１重量ｐｐｍに最も近い比較例１４でも照度維持率が低下した。さらにＯＨ基濃度が最も多い比較例１５については、発光管部１２に白濁が生じるとともにクラックが発生し、照度維持率が低下した。
【００３２】
尚、石英ガラスの水素濃度、ＯＨ基濃度、アルミニウム濃度についての本発明の規定は、通常は発光管部１２での規定であるが、封止部１３も含めて放電容器１０全体で規定することもできる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の超高圧放電ランプによると、放電容器に黒化、白濁が生じることにより照度維持率が低下する問題や、放電容器にクラックが発生する問題を解決することが可能な超高圧放電ランプを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超高圧放電ランプの全体を示す図である。
【図２】石英ガラスの水素分子の含有量を測定するための水素ガス分析装置の概略を示す図である。
【図３】本発明の超高圧放電ランプの効果を示す図である。
【図４】本発明の超高圧放電ランプと比較した説明を示す図である。
【符号の説明】
１ 放電ランプ
１０ 放電容器
１１ 放電空間
１２ 発光管部
１３ 封止部
１４ 陰極
１５ 陽極
１６ 金属箔
１７ 外部リード棒
２０ 水素ガス分析装置
２１ 加熱炉
２２ 熱伝導度検出器
２３ 測定装置
【発明の属する技術分野】
本発明は高圧放電ランプに関する。特に、放電容器内に０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀が封入されて、点灯時の水銀蒸気圧が１５０気圧以上になる超高圧放電ランプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
投射型プロジェクター装置は、矩形上のスクリーンに対して均一に、しかも十分な演色性を持って画像を照明させることが要求され、このため、光源としては水銀や金属ハロゲン化物を封入させたメタルハライドランプが使われている。また、最近では、より一層の小型化、点光源化が進められ、電極間距離も極めて小さいものが実用化されてきている。
【０００３】
このような背景のもと、最近では、メタルハライドランプに代わって、極めて高い水銀蒸気圧、例えば２００バール（約１９７気圧）以上を持つランプが提案されている。これは水銀蒸気圧を高くすることで、アークの広がりを抑えると共に、より一層の光出力の向上を図るというものである。
【０００４】
最近は、ＤＭＤＴＭ（テキサスインスツルメンツ社；デジタルマイクロミラーデバイス）を使ったＤＬＰＴＭ（同社；デジタルライトプロセッサ）方式が採用されたことにより、液晶パネルを使う必要がなくなり、これにより、一層小型のプロジェクター装置が注目されつつある。つまり、プロジェクター装置用の放電ランプは、高い光出力や照度維持率が要求される反面、プロジェクター装置の小型化に伴い放電ランプもより小型化が求められ、その点灯条件もより厳しい内容が要求されつつある。
【０００５】
このようなプロジェクター装置に使用される光源装置は、鮮明な画像を投射するという関係上、放電ランプの照度が低下することは大きな問題となる。このような照度の低下は、ランプ点灯時に蒸発した電極構成物質が放電容器の内壁に付着して放電容器の黒化を生じ、これにより、放電容器の透過率が低下することが原因であると考えられる。放電容器の黒化を解決する手段として、従来は、放電容器の内部に封入されたハロゲンによるハロゲンサイクルを利用することにより、放電容器の内壁へのタングステンの付着を防止している（例えば、特許文献１、２参照）。ハロゲンサイクルとは、電極から飛散した金属が、放電容器内に存在するハロゲンや酸素と反応することで、ハロゲン化金属とされた後、再度電極に堆積するという一連の流れを示す。
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１、２に開示される技術にもとづいた放電ランプをプロジェクター装置に搭載して点灯させたところ、以下の２つの問題が発生することにより、良好な点灯が必ずしもできていないことが判明した。
第１の問題は、前記放電ランプは、点灯時間の経過とともに放電容器に黒化、白濁が生じることにより、照度維持率が著しく低下することである。
ここで、放電容器に黒化が生じることは、前述の記載内容に矛盾しているように思われるが、放電容器の黒化を防止できるのはハロゲンサイクルが十分に機能した場合であって、ハロゲンサイクルが十分に機能しなければ放電容器に黒化が生じるのは当然のことである。
第２の問題は、前記放電ランプについて、点灯と消灯をそれぞれ比較的短時間で繰り返し行ったところ、放電容器にクラックが発生することである。
【０００７】
【特許文献１】
特開平２−１４８５６１号
【特許文献２】
特開平６−５２８３０号
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、石英ガラスからなる放電容器に０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀を封入するプロジェクター装置用の超高圧放電ランプであって、放電容器に黒化、白濁が生じることにより照度維持率が低下する問題や、放電容器にクラックが発生する問題を解決することが可能な超高圧放電ランプを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の放電ランプは、石英ガラスからなる放電容器に一対の電極が対向配置され、この放電容器に０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀が封入された超高圧放電ランプにおいて、前記石英ガラスは、水素の含有量が０．１〜２９０重量ｐｐｍであることを特徴とする。
また、本発明の放電ランプは、ＯＨ基の含有量が１重量ｐｐｍ以下、アルミニウムの含有量が２〜３０重量ｐｐｍであることが好ましい。
【００１０】
【作用】
本発明者は、上記課題を解決するために前述の第１の問題、すなわち、放電容器に黒化、白濁が生じることにより、照度維持率が著しく低下する原因を鋭意検討した結果、以下の結論を得た。
まず、放電容器に黒化が生じる原因について説明する。前述のハロゲンサイクルを利用することによって、ランプ点灯時に蒸発した電極構成物質が放電容器の内表面に付着することを防止しているが、このハロゲンサイクルが十分に機能していないために、放電容器に黒化が生じると考えられる。この理由を以下に説明する。
放電容器を構成する石英ガラスは、その製造段階において多量の水分が含有されているので、多量の水素分子およびＯＨ基が含有されていることになる。その結果、ランプ点灯時に放電容器の温度が上昇すると、石英ガラスに含有された水素分子が放電容器内に放出され、放電容器内のハロゲンを捕捉してしまう。これにより、蒸発した電極構成物質とハロゲンが結合できないので、放電容器内表面に電極構成物質が付着して放電容器に黒化が生じると考えられる。
さらに、ランプ点灯時に放電容器が高温化すると、石英ガラスに含有されているＯＨ基が加熱分解されて水素が生成することによっても、前述のようにして放電容器に黒化が生じると考えられる。
【００１１】
次に、放電容器に白濁が生じる原因について説明する。放電容器内表面の石英ガラスが、前述のようにして放電容器内に放出された水素によって還元され、これにより生成した結晶核が成長することにより、放電容器に白濁が生じると考えられる。
【００１２】
このような結論から、石英ガラスにおける水素分子、ＯＨ基の含有量を低減することが、第１の問題解決に有効であることを見出した。
【００１３】
本発明者は、前述の第２の問題、すなわち、放電容器にクラックが発生する原因について検討した結果、以下の結論を得た。
放電容器を構成する石英ガラスは、その製造段階において水分が含有されることによりＯＨ基が含有されている。このＯＨ基は石英ガラス中においてＳｉ−ＯＨの状態で存在するので、ＯＨ基の含有量が多いとＳｉＯ２ネットワーク構造が寸断されることによる非架橋結合が多数形成される。ランプ点灯時に放電容器が高温状態になると、この非架橋結合がネットワーク構造中を自在に移動することにより、石英ガラスの粘性が低下する。これにより、石英ガラスの耐熱性が低下して放電容器にクラックが発生したと考えられる。とりわけ、本発明に係る放電ランプは、点灯時において、放電容器は非常に高温状態になるため、多量のＯＨ基を含有する石英ガラスからなる放電容器では、耐熱性が不十分であると考えられる。
このような結論から、石英ガラスにおけるＯＨ基の含有量を低減することが、第２の問題解決に有効であることを見出した。
【００１４】
さらに、本発明者は、放電容器に適量のアルミニウムを添加することにより、上記非架橋結合を修飾したり、あるいは、Ａｌ−Ｏ結合を形成してピンニングサイトを形成することにより、高温化した放電容器における非架橋結合の移動を抑制できることを見出した。
すなわち、放電容器のアルミニウム含有量を適正な範囲に規定することによっても、第２の問題を効果的に解決することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の超高圧放電ランプ（放電ランプとも呼ぶ）を管軸方向に切断した断面図を示す。放電ランプ１は、石英ガラスからなる放電容器１０を有し、この放電容器１０は、放電空間１１を包囲する発光管部１２と、この発光管部１２の両端に連続して形成された各々の封止部１３から構成されている。放電空間１１内では、タングステンよりなる陰極１４と陽極１５が対向配置されている。各々の封止部１３には、モリブデンからなる金属箔１６が、例えばピンチシールによって気密に封止されている。金属箔１６は、発光管部側の一端に陰極１４および陽極１５の基端部が溶接によって電気的に接続され、他端に外部に突出する外部リード棒１７が溶接によって電気的に接続されている。
尚、従来の放電ランプも図１と構成は同じである。
【００１６】
放電空間１１内には、水銀、希ガス、ハロゲンガスが封入されている。
水銀は、可視領域の波長を有する放射光を得るために０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上封入される。この封入量は、発光管部１２内の点灯時における水銀蒸気圧が、１５０気圧以上となるように求められた値である。
希ガスは、例えば、Ａｒが１３．３ＫＰａ封入される。
ハロゲンガスは、ハロゲンサイクルを行うことによって放電ランプの寿命を延ばすために、例えば臭素が、２×１０−４μｍｏｌ／ｍｍ３封入される。
【００１７】
このような放電ランプの数値例を挙げると、発光管部の最大外径１１ｍｍ、封止部の外径５ｍｍ、電極間距離１．２ｍｍ、発光管内容積１００ｍｍ３、定格電圧７５Ｖ、定格電力２００Ｗである。
【００１８】
請求項１に記載する発明の放電ランプ１は、放電容器１０を構成する石英ガラスにおける水素分子の含有量を０．１〜２９０重量ｐｐｍの範囲に規定したことを特徴とする。
【００１９】
以下に、水素分子の含有量を規定する理由を説明する。
水素分子の含有量が２９０重量ｐｐｍを超えると、ランプ点灯時において、石英ガラスから放電空間１１内へ放出される水素によって多量のハロゲンが捕捉されるので、蒸発した電極構成物質、すなわち、タングステンと結合するハロゲン量が減少する。その結果、ハロゲンサイクルが十分に機能することができないので、発光管部１２の内表面にタングステンが付着して発光管部１２に黒化が生じる。
さらに、ランプ点灯時において、石英ガラス中から放電空間１１内へ放出される水素によって発光管部１２の内表面が還元され、生成した結晶核が成長することにより、発光管部１２に白濁が生じる。
上記の理由により、放電ランプ１の照度維持率が低下する。
また、水素分子の含有量が０．１重量ｐｐｍ未満であると、発光管部１２に黒化、白濁は生じないが、石英ガラス中の水素分子が過剰に消失することにより構造欠陥が形成される。これにより、放電容器の機械的強度が低下し、発光管部１２にクラックが発生する。
【００２０】
石英ガラスにおける水素分子の含有量を０．１〜２９０重量ｐｐｍの範囲に規定するためには、放電容器１０となるべき石英ガラス管に対して真空脱ガス処理を行うことにより、石英ガラス管に含有されている水分を放出させる必要がある。
具体的な処理条件を挙げると、例えば、処理温度１１５０℃、処理圧１０−４Ｐａ、処理時間１７時間である。
【００２１】
図２は、石英ガラス管における水素分子の含有量を測定するための水素ガス分析装置２０の概略を示す。水素ガス分析装置２０は、試料を加熱するための加熱炉２１と、熱伝導度検出器２２と、熱伝導度の変化量を基に水素量を演算する測定装置２３とからなる。
まず、熱伝導度検出器２２内に、キャリアガスとしてヘリウムを導入して熱伝導度の測定を行い、得られた測定値を測定値１とする。次に、石英ガラス管を粉砕することで得た試料粉Ｍと、助燃材である鉄および錫を加熱炉２１内で同時に燃焼させ、発生したガスを熱伝導度検出器２２内に導入して熱伝導度の測定を行い、得られた測定値を測定値２とする。そして、測定値１と測定値２の２つのデータを測定装置２３にて比較演算を行わせることにより、試料粉Ｍ中に含有される水素分子量を求めることができる。
【００２２】
請求項２に記載される放電ランプ１は、請求項１に記載されるように石英ガラスにおける水素分子の含有量を規定するとともに、ＯＨ基の含有量を１重量ｐｐｍ以下に規定し、アルミニウムの含有量を２〜３０重量ｐｐｍの範囲に規定することを特徴とする。
【００２３】
まず、ＯＨ基の含有量を規定する理由について説明する。ＯＨ基の含有量が１重量ｐｐｍを超えると、ＯＨ基が加熱分解されることによって放電空間１１内に多量の水素が放出され、発光管部１２に黒化、白濁が生じる。これにより、放電ランプ１の照度維持率が低下する。
また、ＯＨ基の含有量が１重量ｐｐｍを超えると、ＳｉＯ２ネットワーク構造が寸断されることによる非架橋結合が多数形成される。ランプ点灯時において放電容器が高温状態になると、この非架橋結合がネットワーク構造中を自在に移動することにより、石英ガラスの粘性が低下する。これにより、石英ガラスの耐熱性が低下して発光管部１２にクラックが発生する。
尚、前述の処理条件にて、放電容器１０となるべき石英ガラス管に対して真空脱ガス処理を行うことにより、石英ガラス中のＯＨ基の含有量を１重量ｐｐｍ以下にすることができる。
【００２４】
次に、石英ガラスにアルミニウムを含有させ、その含有量を規定する理由について説明する。石英ガラスに適量のアルミニウムを含有させることにより、上記非架橋結合を修飾したり、あるいは、Ａｌ−Ｏ結合を形成してピンニングサイトを形成することにより、放電容器が高温になった際の非架橋結合の移動を抑制することができる。
アルミニウムの含有量が３０重量ｐｐｍを超えると、不純物効果が大きくなることにより発光管部１２に白濁が生じ、かつ、クラックも発生する。アルミニウムの含有量が２重量ｐｐｍ未満であると、非架橋結合を修飾する機能や、非架橋結合の移動を抑制する機能を十分に果たすことができないので、石英ガラスの粘性が低下する。これにより、石英ガラスの耐熱性が低下して、発光管部１２にクラックが発生する。
【００２５】
ここで、本発明の作用効果に関する実験を行うために作製した超高圧放電ランプについて説明する。
＜実施例＞
石英ガラスにおける水素濃度、ＯＨ基濃度、アルミニウム濃度を本発明の数値範囲内に規定し、図１の構成にしたがって、下記の仕様による超高圧放電ランプを１９本作製した。
〔超高圧放電ランプ〕
発光部の最大外径：１１ｍｍ
発光管内容積：１００ｍｍ３
電極間距離：１．２ｍｍ
封入水銀量：０．２５ｍｇ／ｍｍ３
封入ハロゲンガス：臭素
封入ハロゲンガス量：１．３×１０−８ｍｏｌ
定格電圧：７０Ｖ
定格電流：３Ａ
＜比較例＞
石英ガラスにおける水素濃度、ＯＨ基濃度、アルミニウム濃度のいずれかが、本発明の数値範囲外となるようにして、図１の構成にしたがって、実施例と同様の仕様による超高圧放電ランプを１５本作製した。
【００２６】
上記実施例と比較例の超高圧放電ランプを用いた実験について説明する。
実験は、実施例および比較例の超高圧放電ランプについて、発光管部１２の黒化、白濁と、照度維持率の変化と、発光管部１２のクラック発生について観察を行った。
発光管部１２の黒化、白濁については、２分間点灯させた後４０秒間消灯させるという動作を５０回繰り返した後、放電容器を目視して黒化、白濁を観察した。
照度維持率の変化については、５０時間連続点灯させた後、照度維持率の変化を観察した。
発光管部１２のクラック発生については、２分間点灯させた後４０秒間消灯させるという動作を５０回繰り返した後、放電容器を目視してクラック発生を確認した。
【００２７】
図３は、上記実施例の超高圧放電ランプ（実施例１〜１９）の実験結果を示す。
黒化、白濁については、黒化、白濁のいずれも生じなかったものを「○」、白濁のみ生じたものを「△」、黒化、白濁の両方が生じたものを「×」とした。
照度維持率の変化については、照度維持率９８％以上のものを「○」、８０〜９８％のものを「△」、８０％以下のものを「×」とした。
クラック発生については、クラックが発生しなかったものを「○」、発生したものを「×」とした。
【００２８】
図３の結果から、水素濃度が０．１〜２９０重量ｐｐｍ、アルミニウム濃度が２〜３０重量ｐｐｍ、ＯＨ基濃度が１重量ｐｐｍ以下の範囲であれば、発光管部１２に黒化、白濁が生じず、照度維持率が低下しないことが分かる。さらに、発光管部１２にクラックが発生しないことも分かる。
【００２９】
図４は、上記比較例の超高圧放電ランプ（比較例１〜１５）の実験結果を示す。
比較例１〜６は、ＯＨ基濃度と、アルミニウム濃度は本発明の範囲内で、水素濃度が本発明の範囲から外れる場合について行った実験結果である。
図４より、水素濃度が０．１重量ｐｐｍ未満であると、発光管部１２にクラックが発生する。２９０重量ｐｐｍを超えると、発光管部１２に黒化、白濁の両方が生じ、照度維持率も８０％以下に低下する。
【００３０】
比較例７〜１１は、水素濃度と、ＯＨ基濃度は本発明の範囲内で、アルミニウム濃度が本発明の範囲から外れる場合について行った実験結果である。
図４より、アルミニウム濃度が２重量ｐｐｍ未満であると、発光管部１２にクラックが発生する。また、３０重量ｐｐｍを超えると、３０重量ｐｐｍに最も近い比較例１０でも照度維持率が低下した。さらにアルミニウム濃度が最も多い比較例１１については、発光管部１２に白濁が生じるとともにクラックが発生し、照度維持率が著しく低下した。
【００３１】
比較例１２〜１５は、水素濃度と、アルミニウム濃度は本発明の範囲内で、ＯＨ基濃度が本発明の範囲から外れる場合について行った実験結果である。
図４より、ＯＨ基濃度が１重量ｐｐｍを超えると、１重量ｐｐｍに最も近い比較例１４でも照度維持率が低下した。さらにＯＨ基濃度が最も多い比較例１５については、発光管部１２に白濁が生じるとともにクラックが発生し、照度維持率が低下した。
【００３２】
尚、石英ガラスの水素濃度、ＯＨ基濃度、アルミニウム濃度についての本発明の規定は、通常は発光管部１２での規定であるが、封止部１３も含めて放電容器１０全体で規定することもできる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の超高圧放電ランプによると、放電容器に黒化、白濁が生じることにより照度維持率が低下する問題や、放電容器にクラックが発生する問題を解決することが可能な超高圧放電ランプを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超高圧放電ランプの全体を示す図である。
【図２】石英ガラスの水素分子の含有量を測定するための水素ガス分析装置の概略を示す図である。
【図３】本発明の超高圧放電ランプの効果を示す図である。
【図４】本発明の超高圧放電ランプと比較した説明を示す図である。
【符号の説明】
１ 放電ランプ
１０ 放電容器
１１ 放電空間
１２ 発光管部
１３ 封止部
１４ 陰極
１５ 陽極
１６ 金属箔
１７ 外部リード棒
２０ 水素ガス分析装置
２１ 加熱炉
２２ 熱伝導度検出器
２３ 測定装置
Claims (2)
- 石英ガラスからなる放電容器に一対の電極が対向配置され、この放電容器に０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀が封入された超高圧放電ランプにおいて、
前記石英ガラスにおける水素分子の含有量が、０．１〜２９０重量ｐｐｍであることを特徴とする超高圧放電ランプ。 - 前記石英ガラスにおけるＯＨ基の含有量が１重量ｐｐｍ以下、アルミニウムの含有量が２〜３０重量ｐｐｍであることを特徴とする請求項１に記載の超高圧放電ランプ。
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