JP2006269165A - 超高圧水銀ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】 発光管に黒化と電極の変形が生じることを抑えて、使用寿命の長く、ちらつきを抑えた超高圧水銀ランプを提供することを目的とする。
【解決手段】 発光管内に、一対の電極を対向配置するとともに、発光物質として０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀を封入し、前記一対の電極のうち陰極動作する電極軸部の先端部に、導線が所定の長さ巻きつけられることによりコイル部が形成されてなる超高圧水銀ランプであって、コイル部において、導線と軸部との接触面積の、軸方向における単位長さあたりに対する割合が、コイル部の後端部において最大であり、後端部より前方の少なくとも一部に接触面積の割合が小さい部分が形成されていることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、液晶ディスプレイ装置やＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）を使用したＤＬＰ（デジタルライトプロセッサ）などのプロジェクタ装置に使用される、発光管内に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀が封入され点灯時における水銀蒸気圧が１５０気圧以上になる超高圧水銀ランプに関する。

液晶プロジェクタやＤＭＤを使用したＤＬＰ等に代表される投射型プロジェクタ装置においては、矩形状のスクリーンに対して、均一にしかも十分な演色性をもって画像を照明させることが要求されるため、光源には、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用されている。最近では、このようなメタルハライドランプもより一層の小型化、点光源化が進められ、電極間距離の極めて小さいものが実用化されている。

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、点灯時において、例えば１５０気圧以上と今までにない高い水銀蒸気圧を有するランプが提案されている。水銀蒸気圧をこのように高くすることにより、アークの広がりを抑える（絞り込む）とともに、より一層の光出力の向上を図ることができる。このような超高圧水銀ランプは、例えば特許文献１若しくは特許文献２に開示されている。

上記文献に開示されたランプによれば、中央部に球状の発光部を有する発光管内に、一対の電極が対向配置されており、発光管の内部空間には、発光物質としての水銀が０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上封入されるとともに、ハロゲンサイクルを行うために所定量のハロゲンガスが封入されている。

このような超高圧水銀ランプにおいては、例えば特許文献３に示すように、点灯始動時においてグロー放電からアーク放電への移行を容易にするために、電極先端の近傍に導線を巻きつけて構成したコイル部を、放電空間に露出して設けられることが多い。
特開平２−１４８５６１号公報 特開平６−５２８３０号公報 特開２００１−３１９６１７号公報

近年、プロジェクタ装置に使用される超高圧水銀ランプは、小型化と光出力の向上が強く要求されていることから、管壁負荷が高く、かつ、電極と発光管の内壁との距離が短くなる傾向にある。このような超高圧水銀ランプにおいては、ランプ点灯装置によって始動初期に直流電流を流して点灯させた場合、始動時におけるコイル部からの放電により、コイル部付近の発光管の内壁に電極構成物質であるタングステンが付着して発光管が黒化する、という不具合が生じることが判明した。
また、電極の形状が変形して、望ましい輝度や発光長が得られなくなり、使用寿命が短くなったり、ちらつきという現象も引き起こすことも判明した。
そして、上記のように電極形状が変形した場合には、ちらつきや発光管が黒化して光透過率が低下することおよび発光長が短くなりすぎて光束が低下することにより使用寿命が短くなるという問題が生じる。

そこで本発明は、上記事情に鑑み、発光管に黒化と電極の変形が生じることを抑制し、使用寿命の長く、ちらつきを抑えた超高圧水銀ランプを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の超高圧水銀ランプは、発光管内に、一対の電極を対向配置するとともに、発光物質として０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀を封入し、前記一対の電極のうち陰極動作する電極軸部の先端部に、導線が所定の長さ巻きつけられることによりコイル部が形成されてなる超高圧水銀ランプであって、前記コイル部において、前記導線と前記軸部との接触面積の、軸方向における単位長さあたりに対する割合が、該コイル部の後端部において最大であり、前記後端部より前方の少なくとも一部に接触面積の割合が小さい部分が形成されていることを特徴とする。

ここに、前記コイル部は、コイル部後端部において導線が密に巻回されて形成されてなり、該後端部よりも前方の少なくとも一部に当該導線が疎に巻回された部分が形成されているのがよい。
更に、前記コイル部の前端部における導線の、隣接する導線と導線との間隙が０．０５〜０．３ｍｍであるのがよい。

また、前記コイル部を形成する導線とは別体の金属部材を軸部と導線の間に介在させることにより、接触面積を増加するのがよい。
更に、前記金属部材が、第２の導線よりなるのがよい。
更に、前記第２の導線の直径が前記導線の直径よりも小さいのがよい。
また、前記金属部材が焼結体よりなるのがよい。

また、前記軸部におけるコイル部後端部に相当する表面に溝が形成され、該溝に導線が嵌合することにより、導線と軸部の接触面積の割合が増加しているのがよい。

本発明者らは、発光管に黒化が生じる原因について検討するにあたり、ランプ始動直後のグロー放電からアーク放電に移行する際に、コイル部の後端部（簡単に「後端部」ともいう。）を起点とする放電が起こっているときの、コイル部後端部への電流集中に着目した。
そして、このようにコイル部後端部に電流が集中したことにより、黒化を生じているということをつきとめた。
そして、望ましい発光長が得られなくなることや光のちらつきを生じさせるといった問題も、前記タングステンの蓄積と成長によって電極が変形する現象が原因である、ということをつきとめた。

ここで、上述した現象について従来の超高圧水銀ランプの一例を図５を用いて詳細に説明する。
図５は、従来の超高圧水銀ランプにおける電極の根元付近を拡大した図である。図８（ａ）、（ｂ）は同一の構造を示すが、図８（ａ）が構成を説明するための符号を付しており、図８（ｂ）は発光管内の反応を説明するための符号を付している。図８（ｃ）は、図８（ａ）のコイル部２２の近傍をさらに拡大した図である。同図において、１は発光管、２は電極、２１は電極の軸部であり、２２はタングステンなどの線材が巻回されて形成されたコイル部である。

本発明者らは、ランプ点灯に伴い距離Ｌが短縮されていく原因を次のように推測している。
超高圧水銀ランプを始動初期に直流電流を流して点灯させた場合において、始動初期数秒の放電形態をオシロスコープとビデオカメラにより観察すると、次のような現象が観察される。
まず、絶縁破壊後、直流領域で陰極となる電極表面から数十ボルトの水銀アーク放電により始動し、その後、陰極表面の水銀が完全に蒸発した後、数百ボルトのグロー放電が行われる。グロー放電により陰極として動作する電極（以下、単に陰極という。）２が十分に加熱されると、陰極２からの熱電子の放出が容易となり、数十ボルトの熱アーク放電に移行する。このグロー放電においては、陰極２全体を覆うような形態の放電が行われ、コイル部２２と軸部２１との間の鋭利な楔状の隙間Ｋで電流密度が高くなり、ここからアーク放電へ移行する。

そして、この熱アーク放電の際に、隙間Ｋに電流が集中すると、局所的に加熱されたタングステンは表面から放射状に飛散するように蒸発する。蒸発したタングステンは水銀および希ガスよりも電離電圧が低いため、アークｅにより容易に電離され、コイル部２２の後端部から最も近い発光管１の内表面にアークｅを導く。
その結果、図示のように発光管１の内面に高温のアークｅが接触、あるいは衝突することになり、これが原因となって、発光管１の内面において局部的に凹み部を形成するとともに、発光管１の構成材料である石英ガラス（ＳｉＯ_２）が蒸発する。蒸発したＳｉＯ_２は、放電プラズマによりＳｉとＯに分離して、陰極を構成するタングステンを酸化させ、結果、陰極２からタングステンの酸化物としての蒸発を招くことになる。このタングステンの酸化物がコイル後端部に輸送された際、酸素の脱離反応により破線のようにＷとして堆積し、距離Ｄをより短くすることになる。
ランプ始動のたびにある確率でこの現象が生じることにより、タングステンの堆積を招き、これら反応サイクルの繰り返しにより、発光管１の内面に接触するまで成長、蓄積すると考えられる。

また、本発明者らは、以下の現象も不具合につながることを確認している。
前述のタングステン酸化物の蒸発物は陰極コイル部の後端部以外の部分、例えば陰極先端にも輸送されて、再結晶化し、突起物を生じるケースがある。この突起物が電極間に成長した場合は、光学系に適した所望の発光長が得られなくなる。また電極間の陽光中損失が小さくなり、ランプ電圧が低くなるため、一般的な放電灯用の安定器であって、ランプ電圧に応じて所定の電流に電流量を制御し、ランプ電圧が安定点灯時より低いと所望の電力以下を入力するもので点灯させた場合は、ランプ電力が低くなるため一層発光効率を低下させることになる。
また更に悪しきは、この突起物が複数形成されるケースもあり、突起物の先端間でアークの輝点が移動し、光出力がちらつく現象が生じることになる。

本発明者らは、コイル部の後端部から生じる放電アークを抑制できれば、当該個所において放電と同時に生じる電流集中をも抑制できて、発光管を構成する石英ガラスの蒸発を回避でき、結果、上述した現象の発生を回避できることを見出した。

本願請求項１記載の超高圧水銀ランプによれば、コイル部は、その後端を含む後端部が、それより前方に比較して、軸部と導線とが接触する面積の割合が大きくて、導線から軸部への熱流出が良好であるため、コイル部の中における熱において高温化が回避されるようになる。そして、後端部よりも前方であって、導線と軸部との接触面積が比較的小さい部分においては、軸部からコイル部への熱流出が抑制されているため、温度上昇が生じて、当該個所で熱アーク放電が形成されやすくなる。その結果、熱アーク放電は、導線と軸部の接触面積が小さい個所において発生し、コイル部の後端部からは発生しにくくなる。
このように、コイル部後端部からのアーク放電発生を減少させることで、コイル部付近の発光管の内壁に電極構成物質であるタングステンが付着して発光管が黒化することを回避できるとともに、点灯開始直後形成される熱アーク放電を発光管内壁から遠ざけて、石英ガラスの蒸発を抑制し、これに由来した陰極の酸化現象をも回避することができるようになる。
その結果、発光管が黒化して光透過率が低下すること、発光長が短くなりすぎて光束が低下して使用寿命が短くなること、および、ちらつきの発生を効果的に防止できるようになる。

また、前記超高圧水銀ランプにおいて、前記コイル部の隙間ｘｍｉｎ．を０．０５〜０．３ｍｍの範囲にすることで、ホロー効果による効果も伴うことができて熱アーク放電の発生位置を、好適に制御できるようになる。前記範囲となる隙間をコイル部の後端部を避けて少なくとも一箇所以上設けることで、前述の問題となるコイル後端からのアーク放電をより確実に避けることができる。前記範囲の隙間は、コイル後端部を除いたいずれの場所に設けてもよいが、コイルの前端側であるほうがより好ましい。
また更に、コイル前端側において、コイルと電極軸部との間の隙間を拡大して電極軸部とコイルが接触する面積を減らす、もしくは逆にコイル後端側において、コイルと電極軸部との間の隙間を埋めて電極軸部とコイルの接触する面積を増やす、いずれかの方法もしくは両方の方法により、コイル前端側は電極軸部への熱拡散が遅く、グローからアークへ移行する温度に到達しやすくなる。その結果、熱アーク放電へ移行する起点をコイル部の先端側に集約することができ、コイル後端が熱アーク放電の際に放電の起点となることを確実に防止することができる。

図１は、第一の実施形態に係る超高圧水銀ランプを説明するための断面図である。
超高圧水銀ランプ１００は、例えば石英ガラスからなる発光管１を有する。発光管１は、略球状の発光部１１と、発光部１１の両端に繋がるロッド状の封止部１２，１２とを有しており、発光管１１の内部空間Ｓにおいて、陰極２と陽極３が対向して配置されている。陰極２は、軸部２１と軸部２１に導線Ｗを巻き回すことにより形成されるコイル部２２とを有し、陽極３は、軸部３１と軸部３１の先端に設けられた本体部３２とを有してなる。
発光管１における封止部１２，１２の各々には、例えばモリブデンからなる給電用の金属箔４，４が埋設されて気密に封止されている。この金属箔４，４は、一端に軸部２１，３１の基端部２１１，３１１が溶接されて電気的に接続され、他端に封止部１２，１２から外方に突出する給電用の外部リード５，５が溶接されて電気的に接続されている。

発光管１内には、水銀、ハロゲンガス、及び希ガスが封入されている。
水銀は、必要な可視光波長、例えば３６０〜７８０ｎｍという放射光を得るためのもので、点灯時における水銀蒸気圧が１５０気圧以上となるように０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上封入されている。水銀量は、温度条件によっても異なるが、所望の水銀蒸気圧に応じて適宜変更することができる。
希ガスは、点灯始動性を改善するため、例えばアルゴンガスが５ｋＰａ〜５０ｋＰａ程度、例えば１３ｋＰａ封入されている。
ハロゲンは、沃素、臭素、塩素などが水銀その他の金属との化合物の形態で封入され、封入量は、１０^−６〜１０^−１μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲であって、例えば３．０×１０^−４μｍｏｌ／ｍｍ^３である。その機能は、ハロゲンサイクルを利用した長寿命化も存在するが、本発明の放電ランプのように極めて小型で高い内圧を有するものにおいては、発光管の失透防止を主な目的としている。

図２は、図１で示した超高圧水銀ランプの陰極の拡大図を示す。図２（ａ）は側面図を示し、図２（ｂ）は中心軸Ｌを含む断面における要部拡大図である。図２において、図１と同一符号は同一部分を示す。
陰極２におけるコイル部２２は、例えば線状のタングステンからなる導線Ｗが、電極軸部２１の外周面に密着して巻回されることにより形成されている。このコイル部２２の電極前方側における前端部２２１においては隣接する導線Ｗ同士の間に間隔を有し、その前方から後方に向かう従って間隔が小さくなるように巻回されている。そして、後端２２ａを含む後端部２２２においては、導線Ｗ間の間隔がほぼゼロとなるよう密に巻回されている。
なお、ここに、コイル部の「後端２２ａ」とは、電極軸部２１上に位置されたコイル部２２を構成する導線Ｗの最後端をいう。「後端部２２２」とは、前記コイル部後端２２ａを含む所定長さ領域であり、コイル部２２全長の２０〜６０％の範囲で適宜に設定される。コイル部「前端部２２１」は、導線Ｗの先端を含む所定長さ領域であり、後端部２２２を除いた領域である。

このように、導線Ｗの巻回する間隔が軸部の長さ方向に異なり、導線Ｗと軸部２１との接触面積の単位長さあたりの割合が、後端部２２２において最大となるよう構成されているので、後端部２２２においては、その他の部分に比較して、グロー放電の期間に発生した熱が軸部２１に流出し易く、放熱が促進されることになる。そしてコイル部２２における前端部２２１においては、電極軸部２１との接触面積が比較的小さいために、当該軸部２１への熱流出が少なく、コイル部２２の中でも温度が高くなる。

このように、コイル部２２においては、後端部２２２において温度が低くそれより前方の位置に温度が高くなる部分が存在するため、熱アーク放電の発生個所を、後端部２２２以外の、コイル部の前端部２２１に移行させることができ、後端部２２２から熱アーク放電が発生する確率を低下させることができる。
その結果、コイル部後端部２２２からの熱アーク放電発生を減少させることで、コイル部２２付近の発光部内壁１１Ａに電極構成物質であるタングステンが付着して発光部１１が黒化することを回避できるとともに、熱アーク放電を発光部内壁１１Ａから離隔することができるので、発光管１を構成する石英ガラスの蒸発が抑制され、これに由来した陰極２の酸化現象を回避することもできるようになる。

以上において、コイル部２２における前端部２２１においては、隣接する導線Ｗ同士の間隙ｘｍｉｎ．が０．０５ｍｍ以上、例えば０．０５〜０．５ｍｍとなる部分を有するのが好ましい。このように間隙ｘｍｉｎ．を０．０５〜０．３ｍｍの範囲にすることで、いわゆるホロー効果（後段で説明する。）による加熱効果が得られ、コイル部２２の前端部２２１を効果的に昇温させることができるため、より熱アーク放電の起点となりやすくなる。

なお、その際コイル部２２の後端部２２２においては、導線Ｗの間隙は、０．０５ｍｍ未満であるのが好ましい。これにより事実上ホロー効果による加温効果は得られなくなる。従って、前端部２２１が昇温したこととあいまって、後端部２２２からの熱アーク放電の発生を回避させることが可能になる。

ここでホロー効果について簡単に説明する。
一般に、陰極コイル部における導線の間隔を小さくすると、コイル表面の２つの負グローが重なり、陰極降下領域の距離と負グローの距離がそれぞれ減少する。通常の放電において、電極間の放電電圧の値を同じ値に保持すれば、前記放電電圧のほとんどは陰極降下領域に負担されるため、陰極降下領域の電界は増加することになる。更にイオン密度は大きくなるため陰極間におけるイオン電流密度は更に増加する。また、陰極降下部の距離が減少することにより、陰極から飛び出した電子が途中加速されて得たエネルギーは、陰極暗部内で衝突する回数が減少するため、損失する割合が小さい。その結果、電子は負グローには高いエネルギーで飛び込むことになり、負グローにおける電離や励起は促進される。負グローからの光の強さも増加するため、光の中に含まれている紫外線が陰極に衝突して陰極からの光電子放出は促進される。よってグロー放電電流密度も高くなり、周囲のコイル温度が高くなって、他の陰極部位よりも速やかに熱アーク放電へ移行できる。
一方、陰極のコイルの隙間がない場合は、一枚の平板陰極とほぼ同様に機能するので、コイル表面の陰極降下領域の距離が減少しない。そのため、前記のような光電子放出を促進する効果は得られない。よって、グロー放電電流密度は比較的低く、コイル温度を上昇させるには至らない。

このような、ホロー効果が電極の長さ方向に部分的に得られるような電極を製作するためには、例えば、次のような方法にて電極を製作する。
例えば、タングステンなどからなる導線を間隔を設けて数ターン巻き回し、その後方に導線同士が密接するよう更に巻回して、コイル成形体を製作する。これを、タングステンからなる軸部に被せて、かしめなどの手段で固定する。または、電極軸部に直接導線を巻きつけて、同じくかしめなどで固着する。

コイルピッチを部分的に拡げたり変更したりするには、旋盤で電極軸部あるいは巻き回すコイルワイヤーの送り量をプログラム制御することによって、自由自在に変更が可能であり、コイル部のピッチを所望に設定できる。また、等間隔ピッチでコイルを巻付けた後に、コイルの一端もしくは一部に引張り応力をかけて、ピッチの一部を引き伸ばして拡げてもよい。この応力をコイル端部を切断する応力と兼ねれば、工数を削減できる。また、等間隔で巻きつけたコイルに、部分的にかしめなどの押圧を選択して加えることによって、ピッチを部分的に選択的に広げてもよい。

ここで、陰極に係る数値例を以下に挙げる。
軸部２１は、軸部の直径がφ０．３ｍｍ〜φ３ｍｍの範囲であって、例えばφ０．８ｍｍであって、体積は４ｍｍ^３〜４０ｍｍ^３の範囲で、例えば２３ｍｍ^３である。また表面積は１０ｍｍ^２〜４５ｍｍ^２であって、例えば２０ｍｍ^２であり、全長は７ｍｍ〜２０ｍｍであって、例えば１０ｍｍである。軸部２１は、全長の半分に相当する長さ分が封止部１２に埋設され、残り半分が内部空間Ｓ内に露出している。導線Ｗを構成する線状のタングステンは、直径が０．２ｍｍ〜０．６ｍｍであって例えば０．２５ｍｍであり、軸部２１に対しての巻き回しターン数は２〜１０ターン程度であり、例えば５ターンである。前端部２２１のピッチは０．２ｍｍ〜２ｍｍであって、例えば０．３ｍｍである。
なお、軸部および導線は、純度が９９．９９％以上のタングステンであることが好ましい。

以上のような本発明の超高圧水銀ランプによれば、コイル部の後端を含む後端部において、電極軸部と接触する面積の単位長さあたりの割合が、その他の部分よりも大きいため、グロー放電中に発生した熱が後端部において軸部に流出し易くて放熱が促進され、後端部の温度を比較的低温に維持することができるようになる。そして、相対的に高温となったコイル部の前端部において、熱アーク放電を高い割合で発生させることができるようになる。
その結果、コイル部後端部からのアーク放電発生を減少させることができ、コイル部付近の発光管の内壁に電極構成物質であるタングステンが付着して発光管が黒化することを回避できるとともに、点灯開始直後形成される熱アーク放電を発光管内壁から離隔することにより石英ガラスの蒸発を抑制して、これに由来した陰極の酸化現象をも回避することができるようになる。

また、更に、コイル部における前端部に、導線の間隔が０．０５〜０．３ｍの範囲となる部分を形成すれば、ホロー効果による加熱効果が得られるため、熱アーク放電の発生がコイル部の前端部に集約され、後端部における熱アーク放電の発生を回避できて当該個所における電流の集中を抑制することができる。

続いて、本願第２の実施形態を説明する。図３は、本願第２実施形態に係る陰極を取り出して示す（ａ）側面図、（ｂ）断面図である。かかる陰極を除く他の構成は、前記第１の実施形態と同様であるため説明を省略する。
導線Ｗは、隣接する導線と導線との間に間隙が形成されるとともに、コイル部２２全体に亘ってほぼ一定のピッチで巻回されている。すなわち、この実施形態においては、導線Ｗと電極軸部２１とが接触する単位長さあたりの面積割合は、コイル部２２全体においてほぼ一定になるよう形成されている。

そしてこの電極軸部２１の外周面上には、コイル部２２の後端２２ａから前方に向かって第２の導線２３が所定距離巻回されて配設されている。かかる第２の導線２３は高融点金属、例えばタングステン線からなり、配設されている部分は、コイル部２２全長の２０〜６０％の範囲とされている。また、第２の導線は、本実施形態のようにコイル部を構成する導線よりも細いものであるのがコイルのサイズをいたずらに大きくせずに済み、電極間からの出射光束の利用をコイルによって阻害されることを最小限に抑えられる点で好ましい。具体的には、コイル部２２側の導線の直径が０．２５ｍｍである場合は、直径が０．１ｍｍ程度である。

かかる第２の導線２３は、コイル部２２を構成する導線Ｗに接触するとともにその間隙を埋めるように配設されており、これにより導線Ｗが第２の導線２３を介して電極軸部２１に接触し、実質的に接触面積が拡大するよう構成されている。

このように電極軸部２１に第２の導線が巻回されることにより、電極軸部２１とコイル部２２との接触面積が第２の導線２３を介して拡大されているので、コイル部２２の後端部２２２における熱が速やかに軸部２１に移行して、当該個所の放熱が促進されるようになる。このため、コイル部２２の後端部２２２がそれよりも前方の、第２の導線２３が具備されていない部分に比較して、温度が上昇しにくくて熱アーク放電の発生が回避されるようになる。

その結果、上記第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

本願第３の実施形態を説明する。図４は、本願第３実施形態に係る陰極を取り出して示す（ａ）側面図、（ｂ）断面図である。ここに、陰極を除く他のランプ構成は前記第１の実施形態と同様であるため説明を省略する。
導線Ｗは、隣接する導線と導線との間に間隙が形成されるとともに、コイル部２２全体に亘ってほぼ一定のピッチで巻回されている。よって、導線Ｗと電極軸部２１とが接触する単位長さあたりの面積割合がコイル部２２全体においてほぼ一定とされている。
電極軸部２１の外周面上には、コイル部２２の後端部２２２よりやや後方の位置から、軸方向前方に向かって所定長さタングステンの焼結体２４が配設されている。この焼結体２４は、タングステンの粉末と適宜のバインダーの混合物を所定領域に塗布形成した後、真空雰囲気（例えば６×１０^−５Ｐａ）中、高温（例えば２０００℃）で焼成して形成されたものである。タングステン焼結体２４が配設されたことによって導線Ｗは、タングステン焼結体２４を介して電極軸部２１に接触する面積が実質的に増加し、グローアーク中の熱が電極軸部２１に向けて流出が促進されるようになっている。従って、グローアーク中、タングステン焼結体２４が配設されていない部分に比較して温度が上昇し難くなる。

図５は、本願第４の実施形態に係る陰極を取り出して示す（ａ）側面図、（ｂ）断面図である。ここに、陰極を除く他の構成は前記第１の実施形態のランプと同様であり、説明を省略する。
この実施形態においては、軸部２１に、前端側の径が小さく後端側の径が大きくなるような段部２１Ａが所定の位置に形成されており、当該段部２１Ａの大径部における外表面上には、らせん形の溝２５が形成されている。
このような溝２５は、導線Ｗの径に適合する断面半円状であり、その全長はコイル部２２全長の２０〜６０％となっている。
かかる溝２５には、終端部が導線Ｗの後端２２ａとほぼ一致するように導線Ｗが嵌合し、コイル部２２の後端部２２２領域においては導線Ｗと軸部２１の接触面積の割合が実質的に増加した状態になっている。

このように電極軸部２１には、コイル部２２後端部２２２に相当する部分に導線Ｗが嵌合する溝２５が形成されて、接触面積が拡大されているので、コイル部２２の後端部２２２における熱が速やかに軸部２１に移行して、当該個所の放熱が促進されるようになる。このため、コイル部２２の後端部２２２がそれよりも前方に比較して温度が上昇しにくく、熱アーク放電の発生が回避されるようになる。

以上、実施形態に基づいて説明したが、本願発明はこれらに限定されず適宜変更が可能である。
すなわち、本願発明によれば、コイル部における導線と電極軸部との接触面積の、軸部の単位長さあたりに対する割合が、該コイルの後端を含む後端部において最大とし、コイル部における後端部を除いた少なくとも一部に、後端部よりも接触面積が小さい部分を形成すれば、足りる。これは、コイル部後端部を除く個所に、当該後端部に比較して高温の個所を少なくとも一部設けることで、熱アーク放電の発生個所を、コイル部の前方側に移動させることができるからである。従って、上記第１の実施形態の変形例として、例えば、図６で示すように、導線Ｗのピッチを変更した場合において、後端部２２２において密に巻回され、それより前方の少なくとも一部に比較的疎に巻回された疎巻部２２３を有していれば、先端側に密に巻回された部分があっても構わない。かかる場合は疎巻部２２３に高温部が形成されるため、ここから熱アーク放電が発生し易くなり、結局、後端部２２２からの熱アーク放電の発生を抑制することができる。
また、導線Ｗと電極軸部２１との間には、コイル部２２全長にわたって配置され、導線から電極軸部まで均等に伝熱させることが可能であれば、他の部材が介在していても構わない。例えば、図７で示すように、導線Ｗと電極軸部２１の間にピッチ一定に形成された他のコイル部材２６などを配設することができる。
また、上記の実施形態は、直流点灯方式の超高圧水銀ランプについてのものであるが、本発明はこれに限らず、交流点灯方式のものにも適用することができる。

以下、本発明の作用効果を確認するために行った実験例について説明する。
まず、試験用ランプを図１の構成に従い多数作製した。また、その他にも、コイル部分のピッチを適宜変化させて比較例に係るランプを多数作製した。
ランプの基本的な仕様は下記の通りである。
発光管は材質が石英ガラスよりなり、全長が７４ｍｍ、発光部の最大径部がφ１０ｍｍ、発光部全長１０ｍｍ、内容積６６ｍｍ^３であり、封止部の直径φ６．５ｍｍ、長さ３２ｍｍであった。
陰極側電極の軸部は材質がタングステンよりなり、直径０．８ｍｍ、全長１１ｍｍであった。
陽極は先端の太径部においては最大外径が１．８ｍｍ、全長が３ｍｍであった。軸部は材質がタングステンからなり、外径が０．８ｍｍ、全長が１３ｍｍであった。
金属箔は厚み２５μｍ、幅２ｍｍ、長さ１４ｍｍのモリブデン箔を用い、外部リード棒は直径φ０．８ｍｍのモリブデン製の棒材を用いた。
また、発光部内に水銀を１８ｍｇ封入した。

陰極側に形成したコイル部は、線径φ０．２５ｍｍのタングステン線を長さ１．０ｍｍ巻回して形成した。コイル部の先端からコイル全長の４０％の長さ部分をコイル部前端部、一方、コイル部の後端からコイル全長の４０％の長さ部分をコイル部後端部とした。
この実験例においては、導線の間隔を０（ゼロ、すなわち０．０５未満）〜３．０ｍｍの間で下記表１に従って変化させ、各仕様のランプｎ＝３本について点滅試験を行った。点滅試験は、ランプ入力２００Ｗ（初期電圧８０Ｖ、電流２．５Ａ）であり、５分点灯、５分消灯を５００回まで繰返して行った。

下記表に、試験の結果をまとめて示す。なお黒化の評価は、点滅後の陰極根元に発生した黒化状況を、顕微鏡で観察して外観でレベル分けしたものであり、◎印（二重丸）は黒化が無かったもの、○印（一重丸）は、ほとんど透光性を損なっていないが黒化を僅かに確認したもの、△印（三角）は初期の段階に比較し透光性は約半分程度に減少したが透光性を具備しているもの、×印は黒化によりほとんど透光性がなくなったものを示している。

表１に示すように、ランプ１では黒化が顕著に生じ、３００回点滅後でほとんど透光性を失ってしまった。ランプ２とランプ３のようにコイル部の全体に亘って同じ間隙を具備するもの（すなわち、従来品）は、３００回点滅した段階で黒化による影響で透光性が格段に減少し、５００回点滅後にはほとんど透光性を失った。一方、ランプ４のようにコイル後端側の導線の間隔をほぼ０（ゼロ）とし、先端側に０．０５ｍｍの間隙を形成したものにおいては、３００回点滅後も十分な透光性を具備しており、黒化による影響が格段に低下したことが確認された。そして５００回点滅後は、徐々に黒化の影響が出てきたものの透光性を未だ具備しており、十分実使用に耐えられるものであることが確認できた。
更に、コイル先端側の間隙を０．１ｍｍ、０．３ｍｍと更に広くして形成した場合は、ランプ５、ランプ６の結果から明らかなように、３００回点滅後も黒化は認められず５００回点滅後も十分な透光性を具備していることが確認された。

以上の結果、コイルの先端側の導線の間隙を０．０５〜０．３ｍｍの間に設定し、コイル後端側の導線の間隙を０．０５ｍｍ未満とすることで、黒化現象を格段に低減でき、発光管の光透過性を高い水準に維持できることが分かった。

更に、上記実験例のランプについて点灯状態を確認したところ、ランプ４〜ランプ６については、タングステン酸化物が電極の先端部に蓄積するようなことは認められず、発光長が短くなるような不具合も生じていないことが確認された。また、タングステンの酸化物が蓄積するようなこともなく、ちらつきも生じないことが確認された。よって本発明によれば、従来のような酸化物の突起が複数形成されることによって、アークの輝点が移動するという現象を効果的に防止できる。

以上の実験例においては、直流点灯方式のランプを用いたが、交流方式の放電灯であっても、片方の電極が交互にグロー放電を担う陰極として機能するため、交流方式の放電灯にも適用できる。

本発明の超高圧水銀ランプを説明するための説明用断面図である。 陰極の拡大図であり（ａ）は正面図、（ｂ）は陰極の中心軸を含む断面図である。 本発明に係る陰極の第２他の実施形態を説明する陰極のコイル部近傍を拡大して示す軸方向断面図である。 本発明に係る陰極の第３の実施形態を説明する（ａ）は正面図、（ｂ）は陰極の中心軸を含む断面図である。 本発明に係る陰極の第４の実施形態を説明する（ａ）は正面図、（ｂ）は陰極の中心軸を含む断面図である。 本発明に係る別の実施形態を説明する陰極の中心軸を含む断面図である。 本発明に係る別の実施形態を説明する陰極の中心軸を含む断面図である。 従来技術に係る電極の根元付近を拡大した図を示す。

符号の説明

１ 発光管
２ 陰極
３ 陽極
４ 金属箔
５ 外部リード
１１ 発光部
１１Ａ 発光部内面
１２ 封止部
２１ 軸部
２１Ａ 段部
２２ コイル部
２２ａ 後端
２２１ 前端部
２２２ 後端部
２２３ 疎巻部
２３ 第２の導線
２４ 焼結体
２５ 溝
２６ 他のコイル部材
３１ 軸部
Ｗ 導線

Claims (8)

1. 発光管内に、一対の電極を対向配置するとともに、発光物質として０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀を封入し、
   前記一対の電極のうち陰極動作する電極軸部の先端部に、導線が所定の長さ巻きつけられることによりコイル部が形成されてなる超高圧水銀ランプであって、
   前記コイル部において、前記導線と前記軸部との接触面積の、軸方向における単位長さあたりに対する割合が、該コイル部の後端部において最大であり、
   前記後端部より前方の少なくとも一部に接触面積の割合が小さい部分が形成されていることを特徴とする超高圧水銀ランプ。
2. 前記コイル部は、コイル部後端部において導線が密に巻回されて形成されてなり、該後端部よりも前方の少なくとも一部に当該導線が疎に巻回された部分が形成されていることを特徴とする請求項１記載の超高圧水銀ランプ。
3. 前記コイル部の前端部における導線の、隣接する導線と導線との間隙が０．０５〜０．３ｍｍであることを特徴とする請求項２記載の超高圧水銀ランプ。
4. 前記コイル部を形成する導線とは別体の金属部材を軸部と導線の間に介在させることにより、接触面積を増加した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超高圧水銀ランプ。
5. 前記金属部材が、第２の導線よりなることを特徴とする請求項４記載の超高圧水銀ランプ。
6. 前記第２の導線の直径が前記導線の直径よりも小さいことを特徴とする請求項５記載の超高圧水銀ランプ。
7. 前記金属部材が焼結体よりなることを特徴とする請求項４記載の超高圧水銀ランプ。
8. 前記軸部におけるコイル部後端部に相当する表面に溝が形成され、該溝に導線が嵌合することにより、導線と軸部の接触面積の割合が増加していることを特徴とする請求項１記載の超高圧水銀ランプ。
   

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