JP2002358923A

JP2002358923A - 水銀ランプ

Info

Publication number: JP2002358923A
Application number: JP2001166973A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Ishihara; 繁樹石原; Nobuaki Saito; 展彰齋藤; Shoji Ishihara; 彰二石原
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2001-06-01
Filing date: 2001-06-01
Publication date: 2002-12-13

Abstract

(57)【要約】【課題】アークの揺らぎを抑えつつ密閉容器の破壊を
抑制可能な水銀ランプを提供する。【解決手段】垂直点灯型の水銀ランプにおいて、陽極
３ａの径を太くし、すなわち、従来とは逆に、陽極３ａ
を陰極３ｃよりも上方に配置することにより、陽極３ａ
にはスパッタに対して高い耐性を持たせると共に、相対
的に断面積の小さい陰極３ｃは熱の影響の少ない下方に
位置させ、その長さ変化を抑制する。これにより、水銀
封入量を低下させても、アークの不安定化を抑制するこ
とができるようになる。水銀の封入量は、５０ｍｇ／ｃ
ｍ³未満の場合アークが不安定となり、１１０ｍｇ／ｃ
ｍ³よりも多い場合は破裂が生じるので、これらの値の
間に設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水銀ランプに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】特開昭５５−１１７８５８号公報に記載
の水銀ランプは、希ガス、ハロゲン及び水銀を含む気体
を封入した密閉容器内に対向配置された陰極と陽極を有
する水銀ランプにおいて、前記水銀の封入量を０．５〜
５０ｍｇ／ｃｍ³としたものである。

【０００３】また、特開２０００−３０６６６号公報に
記載の水銀ランプは、希ガス、ハロゲン及び水銀を含む
気体を封入した密閉容器内に対向配置された陰極と陽極
を有する垂直点灯型の水銀ランプにおいて、前記水銀の
封入量を１５５ｍｇ／ｃｍ³以上としている。これによ
ってアークの揺らぎが抑えられ、高輝度の放射を達成す
ることができる。また、陽極は陰極よりも下方に配置さ
れており、陽極近傍で発生する熱源を対流の下流側に位
置させるようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、水銀封
入量が上記値の場合には、密閉容器内の圧力が高くな
り、密閉容器が割れる場合がある。もちろん、水銀の封
入量を減少させることによって圧力は低下させることが
できるが、上記特開２０００−３０６６６号公報によれ
ば、水銀封入量の減少によってアークが揺らぐこととな
る。したがって、アークの揺らぎを抑えつつ密閉容器の
破壊を防止することは困難に思われた。

【０００５】本発明は、このような課題に鑑みてなされ
たものであり、アークの揺らぎを抑えつつ密閉容器の破
壊を抑制可能な水銀ランプを提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め、本発明に係る水銀ランプは、希ガス、ハロゲン及び
水銀を含む気体を封入した密閉容器内に対向配置された
陰極と陽極を有する水銀ランプにおいて、前記水銀の封
入量は５０ｍｇ／ｃｍ³以上１１０ｍｇ／ｃｍ³以下であ
り、前記陽極の先端部における前記陽極の長手方向に垂
直な断面積の最大値は、前記陰極の先端部における前記
陰極の長手方向に垂直な断面積の最大値よりも大きく、
且つ、前記陽極は前記陰極よりも上方に配置されること
を特徴とする。

【０００７】水銀蒸気に陰極及び陽極間の放電が当たる
と紫外線が生じ、当該紫外線は密閉容器から出射され
る。ハロゲンは、ハロゲン族の元素、すなわち弗素，塩
素，臭素，沃素又はアスタチンのことであり、陰極又は
陽極を構成する高融点金属元素、すなわちタングステン
等が密閉容器内面に付着するのを抑制する。なお、希ガ
スは初期放電を補助している。

【０００８】従来、水銀の封入量を１５５ｍｇ／ｃｍ³
以上としなければアークは不安定化するものと考えられ
ていた。一方、水銀封入量を低下させれば容器破壊確率
は低下するであろう。このようにアークの安定化と容器
破壊防止とは解決方法が相反するものなので、双方の解
決は困難であると思われた。

【０００９】しかしながら、このような現象を鋭意検討
した結果、本願発明者らは、アークの揺らぎの原因の一
つが、陰極／陽極間距離の変化にあるとの知見から、単
純な構造変化によって、当該課題を解決できる旨を発見
した。

【００１０】すなわち、従来、水銀の封入量が多い場
合、加熱される陽極による容器への熱の影響を考慮し、
陽極を陰極よりも下方に配置していたのである。この場
合、時間の経過に伴って陰極／陽極間距離が拡大する。
詳説すれば、陰極は電子放出に用いられるので先端部の
断面積が小さい方が好ましいが、これを上側に配置する
と対流による熱の影響によって陰極が著しくスパッタさ
れてしまうため、上述のように陰極／陽極間距離が広が
るのである。これにより経時的にアークが不安定とな
る。

【００１１】そこで、垂直点灯型の水銀ランプにおい
て、陽極の径を太くし、すなわち、先端部において断面
積の最大値を陰極よりも大きくし、また、従来とは逆
に、陽極を陰極よりも上方に配置することにより、陽極
にはスパッタに対して高い耐性を持たせると共に、相対
的に断面積の小さい陰極は熱の影響の少ない下方に位置
させ、その長さ変化を抑制することとした。

【００１２】上述のような構造変化によって、水銀封入
量を低下させても、アークの不安定化を抑制することが
できるようになる。

【００１３】本水銀ランプにおいては、水銀の封入量は
５０ｍｇ／ｃｍ³以上１１０ｍｇ／ｃｍ³以下である。す
なわち、水銀の封入量が５０ｍｇ／ｃｍ³未満の場合、
アークが不安定となり、１１０ｍｇ／ｃｍ³よりも多い
場合、２０００時間の耐性試験において破裂が生じるた
めである。因みに、上記規定の範囲内の場合には容器の
破裂率は０％となった。

【００１４】以上、説明したように、本水銀ランプによ
れば、従来は不可能であると考えられていた水銀封入量
低下に伴う容器破壊確率の低下と、経時的アーク不安定
化の抑制を共に達成することができるようになった。

【００１５】このような水銀ランプは、その出射光が紫
外線硬化樹脂に照射されるように配置されることが好ま
しい。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、実施の形態に係る水銀ラン
プについて説明する。同一要素には同一符号を用い、重
複する説明は省略する。

【００１７】図１は実施形態に係る水銀ランプ１の縦断
面図である。

【００１８】水銀ランプ１は、希ガス、ハロゲン及び水
銀を含む気体を封入した石英ガラス製の密閉容器２内に
対向配置された陰極３ｃと陽極３ａを有する発光管であ
る。陰極３ｃ及び陽極３ａは、高融点金属、すなわち、
タングステン又はモリブデンからなる概ね柱状の金属塊
からなる電極である。

【００１９】陰極３ｃ及び陽極３ａの先端は対向してお
り、それぞれの基端は薄膜状導電体４ｃ，４ａに電気的
に接続され、この接続位置において密閉容器２の内面と
陰極３ｃ及び陽極３ａに接続された薄膜状導電体４ｃ，
４ａが接触し、この接触位置において密閉容器２の内部
空間を封止している。薄膜状導電体４ｃ，４ａも高融点
金属からなるが、本例ではモリブデンからなることとす
る。

【００２０】薄膜状導電体４ｃ，４ａは、外部リード線
５ｃ，５ａに電気的に接続されている。これらの外部リ
ード５ｃ，５ａには必要に応じて更にリード線を接続し
てもよい。

【００２１】水銀ランプ１の陰極側の端部には口金６が
取り付けられており、口金６は必要に応じて反射鏡等に
取り付けられる。ここで、陽極３ａは陰極３ｃよりも体
積が大きく、上方に配置される。

【００２２】図２は図１に示した水銀ランプ１の発光部
近傍の拡大断面図である。本例の水銀ランプ１において
は、密閉容器２内の水銀の封入量は５０ｍｇ／ｃｍ³以
上１１０ｍｇ／ｃｍ³以下である。

【００２３】密閉容器２は内部空間を提供する球状部２
ｘを備えている。陰極３ｃと陽極３ａの先端間の距離を
距離Ｇとする。本例においては、距離Ｇは１．４±０．
３ｍｍ、球状部２ｘの直径は１２±０．５ｍｍであり、
陰極３ｃ及び陽極３ａは共に球状部２ｘ内に位置する。
なお、密閉容器２全体の長さは９５±２ｍｍである。

【００２４】陰極３ｃ及び陽極３ａのそれぞれの先端か
ら、密閉容器２とそれぞれの薄膜状導電体４ｃ，４ａと
の接触位置（封止位置）に至るまでのそれぞれの距離
を、距離Ｃ及び距離Ａとする。陰極３ｃ及び陽極３ａそ
れぞれの先端から、距離Ｃ及び距離Ａの１０％以下だけ
離隔した陰極３ｃ及び陽極３ａの部分を、それぞれの先
端部（０．１Ｃ．０．１Ａ）とする。

【００２５】図３は図２に示した水銀ランプ１のＩＩＩ
−ＩＩＩ矢印断面図である。陽極３ａの先端部（０．１
Ａ）における陽極３ａの長手方向に垂直な断面積Ｓ_Aの
最大値は、陰極３ｃの先端部（０．１Ｃ）における陰極
３ｃの長手方向に垂直な断面積Ｓ_Cの最大値よりも大き
い。

【００２６】次に、水銀ランプ１の機能について説明す
る。陽極３ａが陰極３ｃよりも上側に位置するように水
銀ランプ１を配置し、陰極３ｃと陽極３ａとの間に直流
電圧を印加すると、陰極３ｃから陽極３ａに向けて電子
が流れ、容器内部２の水銀蒸気に電子が衝突し、水銀ラ
ンプ１が垂直点灯する。

【００２７】すなわち、密閉容器２内に封入された水銀
蒸気に陰極３ｃ及び陽極３ａ間の電子流による放電が当
たると紫外線が生じ、この紫外線が密閉容器２から外部
に出射される。紫外線が生じる場所は発光部であり、密
閉容器２内の熱源として機能する。

【００２８】なお、水銀と共に密閉容器２内に封入され
るハロゲンは、ハロゲン族の元素、すなわち弗素，塩
素，臭素，沃素又はアスタチンのことであり、陰極又は
陽極を構成する高融点金属元素、すなわちタングステン
等が密閉容器に付着するのを抑制する。このようなハロ
ゲンは、水銀ランプ１の点灯時においては、高融点金属
元素と反応可能な反応性ガスから遊離した状態で存在す
る。

【００２９】このような反応性ガスはハロゲン化物であ
る。ハロゲン化物は、ＭＸで表わされる化合物であり、
Ｘは弗素、塩素、沃素、臭素及びアスタチンから選択さ
れ、Ｍは他の元素または有機基（例えばメチル基）であ
る。

【００３０】好ましくは、ハロゲン化物としてＣＨ₃Ｃ
ｌ、ＣＨ₃Ｂｒ、ＣＨ₃Ｉ、ＣＨ₂Ｃｌ ₂、ＣＨ₂Ｂｒ₂、Ｃ
Ｈ₂Ｉ₂、ＣＨＣｌ₃、ＣＨＢｒ₃、ＣＨＩ₃及びＨｇＢｒ₃
からなる群の少なくともいずれか１つを用いることがで
きる。

【００３１】なお、ハロゲンの封入量は０．００１μｍ
ｏｌ／ｃｍ³以上１００μｍｏｌ／ｃｍ³以下である。

【００３２】なお、希ガスは初期放電を補助している。
なお、初期放電を補助するために、球状部２ｘの外面周
囲に針金を巻きつけても良い。

【００３３】図４は水銀ランプ１を水平点灯させた場合
の水銀ランプ１の熱源近傍の断面図である。この場合、
熱源は上に凸になるように分布する。

【００３４】図５は水銀ランプ１を垂直点灯した場合の
水銀ランプ１の熱源近傍の断面図である。この場合、熱
源が鉛直方向に沿って分布する。なお、水銀の封入量が
高すぎる場合、例えば１５５ｍｇ／ｃｍ³以上とする場
合には、縦方向Ｘに沿って亀裂が生じる場合がある。

【００３５】しかしながら、従来、水銀の封入量を１５
５ｍｇ／ｃｍ³以上としなければ、アークは不安定化す
るものと考えられていた。水銀封入量を低下させること
によって、容器破壊確率は低下する旨が見込まれるが、
これらの課題は相反する事象なので、これらの解決の両
立は困難であると思われた。

【００３６】しかしながら、陽極３ａを陰極３ｃよりも
上側に配置することで、水銀封入量を低下させてもアー
クを安定させることができる旨が判明した。すなわち、
陰極３ｃは電子放出に用いられるので先端部の断面積が
小さい方が好ましいが、これを上側に配置すると対流に
よる熱の影響によって陰極３ｃが著しくスパッタされ、
陰極／陽極間距離Ｇが拡大する。これにより経時的にア
ークが不安定となる。

【００３７】本例の垂直点灯型の水銀ランプ１において
は、陽極３ａの径を太くし、すなわち、先端部（０．１
Ａ，０．１Ｃ）において断面積Ｓ_Aの最大値を陰極の断
面積Ｓ_Cの最大値よりも大きくし、また、従来とは逆
に、陽極３ａを陰極３ｃよりも上方に配置することによ
り、陽極３ａにはスパッタに対して高い耐性を持たせる
と共に、相対的に断面積の小さい陰極３ｃは熱の影響の
少ない下方に位置させ、その長さ変化を抑制することと
した。

【００３８】上述のような構造変化によって、水銀封入
量を低下させても、アークの不安定化を抑制することが
できるようになる。水銀封入量の低下によって密閉容器
２の破壊確率は著しく低下する。

【００３９】図６は直流電流を流すことにより垂直点灯
させた場合の水銀ランプの動作時間（時間）と陰極／陽
極間距離変化率Ｒとの関係を示すグラフである。陰極／
陽極間距離Ｇの増加量をΔＧとした場合、距離変化率Ｒ
は（Ｇ＋ΔＧ）／Ｇで表される。水銀ランプへの供給電
力は１５０Ｗである。同グラフは水銀ランプ１の動作時
間と距離変化率Ｒとの関係を調べた結果を示す。

【００４０】ダイヤ印は陰極３ｃを上側に配置した場合
（試作品Ａ１）、四角印（試作品Ａ２）、三角印（試作
品Ａ３）、バツ印（試作品Ａ４）は陽極３ａを上側に配
置した場合のデータを示す。なお、陰極３ｃ及び陽極３
ａの材料はタングステンである。それぞれの試作品の詳
細は以下の通りである。

【００４１】

【表１】同グラフに示されるように、陽極３ａを上側に配置する
ことにより、２０００時間の動作試験においても、距離
変化率Ｒを１０％以下に抑えることができた。

【００４２】更に、水銀の封入量を変えた９つのタイプ
の試作品Ｂ１〜Ｂ９をそれぞれ１０個ずつ作製し、供給
電力１５０Ｗにて２０００時間の点灯を行い、それぞれ
の密閉容器２の耐性について調査した。なお、陰極３ｃ
及び陽極３ａの材料はタングステンである。それぞれの
試作品の詳細は以下の通りである。

【００４３】

【表２】各試作品Ｂ１〜Ｂ９の密閉容器２内に封入された水銀の
封入量（ｍｇ／ｃｍ³）、総水銀量Ｔ（ｍｇ）、動作温
度（８５０℃）における密閉容器２内の圧力（分圧）Ｐ
（気圧）、密閉容器２の破裂率ｐ（％）、破裂判断Ｊ
（良＝○、破裂＝×）、アークの不安定性が観察される
かどうかの判断Ｋ（揺らぎ無し＝○、揺らぎ有り＝×）
について以下の表に示す。

【００４４】

【表３】上記実験結果によれば、水銀ランプ１は、水銀の封入量
が５０ｍｇ／ｃｍ³以上１１０ｍｇ／ｃｍ³以下であるこ
とが好ましい。すなわち、水銀の封入量が５０ｍｇ／ｃ
ｍ³未満の場合、アークが不安定となり、１１０ｍｇ／
ｃｍ³よりも多い場合、２０００時間の耐性試験におい
て破裂が生じるためである。例えば、水銀封入量が１４
０ｍｇ／ｃｍ３である試作品Ｂ９においては１０本中４
本が２時間以内に破裂した。

【００４５】以上、説明したように、本水銀ランプによ
れば、断面積の大きな陽極３ａを上側に配置すると共に
水銀封入量を上述の如く設定することによって、従来は
不可能であると考えられていた水銀封入量低下に伴う容
器破壊確率の低下と、経時的アーク不安定化の抑制を共
に達成することができるようになった。

【００４６】なお、このような水銀ランプは、その出射
光が紫外線硬化樹脂に照射されるように配置されること
が好ましい。

【００４７】図７は、試作品（Ｂ７）に係る水銀ランプ
１から出力される光の波長（ｎｍ）と相対光出力（任意
定数）との関係（スペクトル）を示すグラフである。な
お、同グラフには、水銀キセノンランプ（２００Ｗ）と
キセノンランプ（１５０Ｗ）のスペクトルも示してあ
る。

【００４８】本例の水銀ランプ１は、波長３５０ｎｍか
ら４５０ｎｍの間に３つのピークを有すると共に、５０
０ｎｍから６００ｎｍの間に２つのピークを有する。す
なわち、紫外線に加えて可視光が含まれており水銀ラン
プの照射位置を確認することができる。このような紫外
線によって硬化する紫外線硬化樹脂としては、紫外線照
射に応じて光重合反応を開始する樹脂であればよいが、
好適な樹脂としてはエポキシ系樹脂が好ましい。

【００４９】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明による水
銀ランプによれば、アークの揺らぎを抑えつつ密閉容器
の破壊を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】水銀ランプ１の縦断面図である。

【図２】図１に示した水銀ランプ１の発光部近傍の拡大
断面図である。

【図３】図２に示した水銀ランプ１のＩＩＩ−ＩＩＩ矢
印断面図である。

【図４】水銀ランプ１を水平点灯させた場合の水銀ラン
プ１の熱源近傍の断面図である。

【図５】水銀ランプ１を垂直点灯した場合の水銀ランプ
１の熱源近傍の断面図である。

【図６】直流電流を流すことにより垂直点灯した場合の
動作時間（時間）と距離変化率Ｒとの関係を示すグラフ
である。

【図７】水銀ランプ１から出力される光の波長（ｎｍ）
と相対光出力（任意定数）との関係を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

１…水銀ランプ、２…密閉容器、２ｘ…球状部、３ｃ…
陰極、３ａ…陽極、４ｃ，４ａ…薄膜状導電体、５ｃ，
５ａ…リード線、６…口金。

フロントページの続き (72)発明者石原彰二静岡県浜松市市野町1126番地の１浜松ホトニクス株式会社内Ｆターム(参考） 5C015 JJ06 RR01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】希ガス、ハロゲン及び水銀を含む気体を
封入した密閉容器内に対向配置された陰極と陽極を有す
る水銀ランプにおいて、前記水銀の封入量は５０ｍｇ／
ｃｍ³以上１１０ｍｇ／ｃｍ³以下であり、前記陽極の先
端部における前記陽極の長手方向に垂直な断面積の最大
値は、前記陰極の先端部における前記陰極の長手方向に
垂直な断面積の最大値よりも大きく、且つ、前記陽極は
前記陰極よりも上方に配置されることを特徴とする水銀
ランプ。
【請求項２】その出射光が紫外線硬化樹脂に照射され
るように配置されることを特徴とする請求項１に記載の
水銀ランプ。