JP2007265709A - 超高圧水銀ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、陽極の形状が経時的に変化することを抑制して、放電アークの形成される位置が変動することを回避することにより、長時間に渡って高い照度維持率を確保することが可能な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】 本発明は、バルブ内に、陽極と陰極が対向して配置されるとともに、０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀および１×１０^−６μｍｏｌ／ｍｍ^３〜１×１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３のハロゲンが封入された超高圧水銀ランプにおいて、前記陽極の先端には突起部が設けられていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

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放電ランプに関する。特に、バルブ内に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。このため、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。

上記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。このような超高圧水銀ランプは、石英ガラスからなるバルブの内部に、一対の電極を所定の離間距離で配置し、０．１５ｍｇ／ｍｍ³以上の水銀と、ハロゲンガスが封入されている。ハロゲンガスを封入するのは、ハロゲンサイクルによってバルブの黒化を防止するためである。また、水銀蒸気圧を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。
特開平２−１４８５６１号 特開平６−５２８３０号

上記のような超高圧水銀ランプによれば、以下のような問題が生じることが判明した。図４は、従来の超高圧水銀ランプにおいて生ずる問題を説明するための概念図である。
図４（ａ）に示すように、ランプ点灯中に、陽極２先端付近の高温部から蒸発したタングステン（Ｗ）は、バルブ中に存在するハロゲンや残留酸素と結合することにより、ハロゲンが臭素である場合には、例えばＷＯ、ＷＯ_２Ｂｒ、などのタングステン化合物としてバルブ内に存在している。このようなタングステン化合物は、陽極２先端付近に形成された高温状態の放電アーク中で分解してタングステン原子となる。そして、分解によって生成したタングステン原子は、電極上にランダムに堆積して蒸発した元の箇所に必ずしも戻らないことから、陽極２の形状が経時的に変化して、陽極２において凹部Ｙおよび凸部Ｘが形成される。このような陽極２の形状変化は、比較的短時間の点灯で生じていた。
陽極２に凹部Ｙおよび凸部Ｘが形成されると、図４（ｂ）に示すように、点灯中に放電アークの起点が凸部Ｘのそれぞれに移り変わることにより、所謂アークジャンプ現象が発生して放電アークが不安定となり、照度維持率が低下するという問題があった。

以上から、本発明は、陽極の形状が経時的に変化することを抑制して、放電アークの形成される位置が変動することを回避することにより、長時間に渡って高い照度維持率を確保することが可能な超高圧水銀ランプを提供することを目的とする。

本発明は、バルブ内に、陽極と陰極が対向して配置されるとともに、０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀および１×１０^−６μｍｏｌ／ｍｍ^３〜１×１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３のハロゲンが封入された超高圧水銀ランプにおいて、
前記陽極の先端に突起部を設けることにより、上記の課題を解決する。

陽極の先端に設けられた突起部は、陽極の他の箇所と比較して熱容量の小さい箇所である。そのため、超高圧水銀ランプの点灯時において、突起部が陽極の他の箇所と比較して高温状態となり、突起部から選択的にタングステンが蒸発する。そして、蒸発したタングステンは、上記したように、タングステン化合物になった後に、放電アーク中で分解してタングステン原子となり、放電アークの近傍に位置する突起部に選択的に戻る。
従って、タングステンが陽極の突起部以外の箇所から蒸発したり、陽極の突起部以外の箇所に戻ることがなくなり、電極の形状が経時的に変化せずに一定となるため、上記したような問題を解決できると考えられる。

さらに、本発明は、（１）陽極の最大外径とランプ電流との関係、（２）陽極の最大外径と突起部の最大外径との関係、を最適に規定することを特徴とする。これによる技術的意義は以下のとおりである。

本発明者らが突起部が設けられた陽極を備えた超高圧水銀ランプを複数個作製して、それぞれ実際に点灯させたところ、短時間で照度維持率が所定の値よりも低下するランプが幾つかあった。短時間で照度維持率が低下したランプを調べたところ、突起部が消滅する、または、突起部が変形していることが判明した。本発明者らは、この原因について以下のように推測している。
突起部を陽極の先端に設ける趣旨は、前述したように、陽極上に熱容量が低い部分を意図的に作り出し、この部分から選択的にタングステンを蒸発させ、また、蒸発したタングステンをこの部分に選択的に戻すことにある。しかし、（イ）陽極の最大外径が小さすぎたり、陽極に投入される電流（定格電流ともいう）が大きすぎる場合、（ロ）陽極の最大外径と比較して突起部の径が小さすぎる場合には、突起部が極めて高温となることによって、タングステンが過剰に蒸発して突起部が消滅する結果、短時間で照度維持率が低下すると考えられる。
一方、（ハ）陽極の最大外径が大きすぎたり、陽極に投入される電流（定格電流ともいう）が小さすぎる場合、（ニ）陽極の最大外径と比較して突起部の径が大きすぎる場合には、突起部からタングステンが蒸発するが、このタングステンは突起部に選択的に戻らないことになるため、突起部の全長が経時的に短くなっていき、所定の電極間距離を確保できなくなる結果、照度維持率が低下すると考えられる。
以上の推測に基づいて、本発明者らは、（１）陽極の最大外径と定格電流との関係、（２）陽極の最大外径と突起部の外径との関係、を最適に規定することにより、点灯時に突起部の温度が最適となるため、突起部の消滅または変形を生じないことを見出したのである。

さらに、本発明は、前記突起部は、その先端部分に凹所が形成されている
ことを特徴とする。これによる技術的意義は以下のとおりである。

突起部に凹所を形成すると、凹所の周辺に環状のエッジ部分が形成される。この環状のエッジ部分を起点として高温の放電アークが形成されることから、突起部に凹所を形成しない場合と比較すると、突起部において放電アークとの接触面積が増加する。そのため、本発明の構造にすれば、タングステンの蒸発する面積および蒸発したタングステンの戻る面積が増加することから、より選択的に突起部からタングステンを蒸発させるとともに、突起部にタングステンを戻すことができ、突起部の形状を一定とすることができる。従って、突起部に凹所を形成しない場合と比較して、放電アークの形成される位置の変動が少なく、長時間にわたって所定の照度維持率を確保することができる。

本発明の超高圧水銀ランプによれば、陽極の形状が経時的に変化することが抑制され、放電アークの形成される位置が変動することを回避できることから、長時間に渡って高い照度維持率を確保することができる。

図１は、本発明の超高圧水銀ランプの概略構成を示す長手方向の断面図である。
超高圧水銀ランプ１は、例えば石英ガラス等の可視光を透過させる材料からなるバルブ１０を備えている。バルブ１０は、略球状に形成された発光部１１と、発光部１１の両端に連続する封止部１２ａ，１２ｂを備えている。タングステンからなる陽極２および陰極３は、発光部１１内の内部空間Ｓに、先端が対向して配置されている。内部空間Ｓには、発光物質として０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、０．０１３ＭＰａのアルゴンガス等の希ガスと、１×１０^−６μｍｏｌ／ｍｍ^３〜１×１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の臭素等のハロゲンガスが封入されている。ハロゲンガスを封入する目的は、ハロゲンサイクルにより発光部１１の内壁に黒化が生じることを防止するためである。封止部１２ａ，１２ｂには、給電用の金属箔４ａ，４ｂが埋設されている。金属箔４ａ，４ｂの内部空間Ｓ側の端部には、電極２，３が電気的に接続され、金属箔４ａ、４ｂの外方側の端部には、外部リード棒５ａ，５ｂが接続されている。このような超高圧水銀ランプは、直流点灯方式であって、外部リード５ａ，５ｂに不図示の直流点灯電源が接続され、所定の点灯電力が供給されて点灯する。

陽極２は、円柱状の胴部２３と、胴部２３の前方側に連続し前方側に向けて漸次縮経する縮径部２２と、縮径部２２に連続する円柱状の突起部２１とから構成されている。胴部２３の後端には、金属箔４ａに接続される軸部２６が形成されている。陽極２に突起部２１が設けられているのは、点灯時に突起部２１を陽極２の他の箇所よりも高温状態とすることにより、突起部２１から選択的にタングステンを蒸発させ、さらに、蒸発したタングステンを選択的に戻すためである。突起部２１は、予め陽極２となる棒材に対して切削加工を施すことによって作製される。
陰極３は、金属箔４ｂに接続され、前方側の端部が尖頭形状である軸部３１と、軸部３１の前方側の端部近傍に溶接により取付けられた始動補助用のコイル３２とから構成されている。

陽極２、陰極３の仕様は、一例を挙げると以下のとおりである。無論、以下の数値には限定されない。
胴部２３は、図１に示す最大外径Ｄ１が０．７ｍｍ〜４．５ｍｍの範囲であって例えば３ｍｍであり、長手方向の全長が２ｍｍ〜１０ｍｍの範囲であって例えば７ｍｍである。
縮径部２２は、最大外径が胴部２３に一致し、最小外径が突起部２１に一致しており、全長が０ｍｍ〜３ｍｍの範囲であって例えば１ｍｍである。
突起部２１は、図１に示す最大外径Ｄ２が０．１５ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲であって例えば０．３ｍｍであり、長手方向の全長が０．１ｍｍ〜１ｍｍの範囲であって例えば０．５ｍｍである。
軸部２６は、最大外径が０．４ｍｍ〜２．４ｍｍの範囲であって例えば１ｍｍ、長手方向の全長が７ｍｍである。
陰極３の軸部３１は、最大外径が１．５ｍｍ、長手方向の全長が１２ｍｍである。コイル３２の長手方向の全長が１ｍｍである。
突起部２１の前方側の端部と軸部３１の前方側の端部の離間距離で示される電極間距離は、０．７ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲であって例えば１．３ｍｍである。
なお、本発明の超高圧水銀ランプのその他の仕様は、例えば以下のとおりである。
バルブ１０は、全長が７０ｍｍ、発光部１１の最大外径が１２ｍｍ、封止部１２ａ，１２ｂの最大外径が６．５ｍｍである。
定格ランプ電力が１００Ｗ〜４５０Ｗであって例えば３００Ｗであり、ランプ電流Ｉが２Ａ〜４．５Ａの範囲であって例えば４．２Ａである。なお、ランプ電流Ｉは、点灯時における実測値を意味するが、これには定格電流値も含まれる。

以上のような本発明の超高圧水銀ランプによれば、陽極２上において他の箇所に比較して熱容量が低い部分である突起部２１を設けることにより、突起部２１から選択的にタングステンを蒸発させ、蒸発したタングステンがハロゲンサイクルによって突起部２１に選択的に戻ることから、陽極の形状がランプ点灯に伴って経時的に変化することなく常に一定の形状に保たれ、放電アークの形成される位置が変動することがないため、長時間に渡って照度維持率を確保することができる。特に、発光部１１の内部に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀が封入され、プロジェクタ装置の光源として用いられる超高圧水銀ランプにおいては、長時間に渡って高い照度維持率が要求されることから陽極２に形成される突起部２１は必須である。
また、本発明の超高圧水銀ランプのように直流点灯方式のものは、前述の数値例に示されるように、陽極２が陰極３に比して遥かに大きいことが特徴である。そのため、陰極３が変形することは殆ど問題にならず、専ら陽極２が変形することのみが問題となるため、突起部２１は陽極２にのみ形成すれば良い。

さらに、図１に示す陽極２において、（１）胴部２３の最大外径Ｄ１とランプ電流Ｉの関係が０．５１＜Ｉ^２／Ｄ１^２＜９．８８を満たし、かつ、（２）胴部２３の最大外径Ｄ１と突起部２１の最大外径Ｄ２の関係が０．０３＜Ｄ２／Ｄ１＜０．２９を満たすように規定されている場合には、前述したような短時間の点灯で超高圧水銀ランプの照度維持率が低下する、というような不具合の発生が確実に防止できる。その理由を以下に説明する。
突起部が設けられた陽極を備えた超高圧水銀ランプを複数個作製して、それぞれ実際に点灯させたところ、短時間で照度維持率が所定の値よりも低下するランプが幾つかあった。短時間で照度維持率が低下したランプを調べたところ、突起部が消滅する、または、突起部が変形していることが判明した。
すなわち、（イ）陽極２の最大外径Ｄ１が小さすぎたり、陽極２に投入されるランプ電流Ｉが大きすぎる場合、（ロ）陽極２の最大外径Ｄ１と比較して突起部２１の最大外径Ｄ２が小さすぎる場合には、突起部２１が極めて高温となることによって、タングステンが過剰に蒸発して突起部２１が消滅する結果、短時間で照度維持率が低下すると考えられる。
一方、（ハ）陽極２の最大外径Ｄ１が大きすぎたり、陽極２に投入される電流（定格電流ともいう）が小さすぎる場合、（ニ）陽極２の最大外径Ｄ１と比較して突起部２１の最大外径Ｄ２が大きすぎる場合には、突起部２１からタングステンが蒸発することになり、このタングステンは突起部２１に選択的に戻らないことになるため、突起部２１の全長が経時的に短くなっていき、所定の電極間距離を確保できなくなる結果、照度維持率が低下すると考えられる。
これに対し、上記（１）、（２）の関係を共に満たす場合には、点灯時における陽極２の突起部２１の温度が突起部２１の形状を維持するという観点において最適となるため、点灯時に突起部２１が消滅または変形することがない。この点は、以下の実験により確認されている。

以下に、本発明の効果を確認するために行なった実験について説明する。
上記の仕様に基づいて図１に示す超高圧水銀ランプのサンプルを２１個作製した。２１個のランプをそれぞれ５００時間連続点灯させた後、超高圧水銀ランプの照度維持率を確認した。さらに、ランプを消灯して突起部２１の全長の増減を確認した。その結果を表１に示す。
表１において、「○」、「△」、「×」は以下の意味を有する。「○」は、突起部２１の全長の増減が、点灯前の突起部２１の全長の２／３以内であったことを意味する。「△」は、突起部２１の全長の増減が、点灯前の突起部２１の全長の２／３〜１の範囲内であったことを意味する。「×」は、突起部２１の全長の増減が、点灯前の突起部２１の全長よりも大きかったことを意味し、突起部２１の全長が点灯前の２倍を超えていた場合および突起部２１が消滅した場合の２通りが含まれる。
なお、表１において、ランプ電流Ｉは、超高圧水銀ランプの点灯時の実測値である。点灯時の実測値のとり得る範囲は、定格電流値の範囲を包含する。従って、表１のランプ電流Ｉの値を実測値に代えて定格電流値とした場合であっても、表１に示す結果に変わりはない。

表１によれば、以下の事実が確認された。
Ｉ^２／Ｄ１^２が０．５１〜９．８８の範囲内で、かつ、Ｄ２／Ｄ１が０．０３〜０．２９の範囲内にある場合には、突起部２１の全長の増減が少なく、５００時間の連続点灯後も照度維持率の低下が少なかった。
一方、Ｉ^２／Ｄ１^２が０．５１〜９．８８の範囲外、または、Ｄ２／Ｄ１が０．０３〜０．２９の範囲外である場合には、突起部２１の全長の増減が大きく、５００時間の連続点灯後に照度維持率の低下が大きかった。
すなわち、（１）陽極２の胴部２３の最大外径Ｄ１とランプ電流Ｉの関係が０．５１＜Ｉ^２／Ｄ１^２＜９．８８を満たし、かつ、（２）陽極２の最大外径Ｄ１と突起部２１の最大外径Ｄ２の関係が０．０３＜Ｄ２／Ｄ１＜０．２９を満たすことにより、超高圧水銀ランプの照度維持率を長時間に渡って確保できることが確認された。

次に、図２を用いて本発明の超高圧水銀ランプに係る陽極の他の実施例を示す。図２は、陽極の一部分の拡大図であり、図２（ａ）が側断面図を示し、図２（ｂ）が正面図を示す。図３は、図２に示す陽極の作用を説明するための概念図である。
図２に示す陽極２は、突起部２１の前方側の端部に凹所２４が形成されている点が特徴である。突起部２１に凹所２４を設けることの技術的意義は以下のとおりである。図３（ａ）の正面図においてハッチングを付した部分である、突起部２１における環状のエッジ部２５の全周を起点として放電アークが形成される。一方、図３（ｂ）に示すように、突起部２１に凹所が形成されていない場合には、突起部２１においてハッチングを付して示す点状の狭小な領域のみを起点として放電アークが形成されるに過ぎない。従って、図３（ａ）に示す陽極によれば、突起部２１に凹所２４を設けた陽極の方が放電アークと接触する面積が大きくなり、放電アークと接触する部分、すなわち高温部分の面積が大きくなることに伴い、突起部２１においてタングステンが選択的に蒸発するとともに蒸発したタングステンが選択的に戻る面積が大きくなることから、突起部２１の経時的変化を抑制することができる。

本発明の超高圧水銀ランプの長手方向の断面図である。 本発明に係る陽極の一部分の拡大図である。 図２に示す陽極の作用を説明するための概念図である。 従来の超高圧水銀ランプで生じた問題を説明するための概念図である。

符号の説明

１ 超高圧水銀ランプ
１０ バルブ
１１ 発光部
１２ 封止部
２ 陽極
２１ 突起部
２２ 縮径部
２３ 胴部
２４ 凹所
２５ エッジ部
２６ 軸部
３ 陰極
３１ 軸部
３２ コイル
４ 金属箔
５ 外部リード棒
Ｓ 内部空間
Ｄ１ 陽極最大外径
Ｄ２ 突起部最大外径

Claims (3)

1. バルブ内に、陽極と陰極が対向して配置されるとともに、０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀および１×１０^−６μｍｏｌ／ｍｍ^３〜１×１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３のハロゲンが封入された超高圧水銀ランプにおいて、
   前記陽極の先端には突起部が設けられている
   ことを特徴とする超高圧水銀ランプ。
2. 前記突起部が形成された陽極の最大外径をＤ１とし、突起部の最大外径をＤ２とし、ランプ電流をＩとしたとき、
   ０．５１＜Ｉ^２／Ｄ１^２＜９．８８、かつ、０．０３＜Ｄ２／Ｄ１＜０．２９の関係を満たす
   ことを特徴とする請求項１に記載の超高圧水銀ランプ。
3. 前記突起部は、その先端部分に凹所が形成されている
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超高圧水銀ランプ。
   

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