JP2015011862A - マイクロ波放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロ波放電ランプ装置において、温度の低下からハロゲンサイクルが働かなくなり発光管の黒化が発生する現象を抑制する。【解決手段】マイクロ波放電ランプ装置２０の内部に、反射鏡３０を備えた発光管１が配置され、発光管１には水銀とＨｇＩ２が封入されており、点灯時の発光スペクトルが、５４６ｎｍと４４４ｎｍのスペクトル強度の比が０．１〜０．６になるように点灯することによりヨウ素によるハロゲンサイクルを適切に動作させることができる。【選択図】図２

Description

本発明はマイクロ波により点灯するマイクロ波放電ランプに関する。

特許文献１には、プロジェクタ用の光源として、石英ガラス製の放電容器内に一対のタングステン電極を配置し、この放電容器内に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、１×１０^−６〜１×１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３のハロゲンを封入した超高圧水銀ランプが開示されている。
この超高圧水銀ランプは、ランプ点灯中に電極先端付近のタングステンが蒸発してしまうが、放電容器内に封入されたハロゲンと結合することにより管壁の黒化を抑制し（ハロゲンサイクル）、また蒸発したタングステンが陰極方向に引き寄せられ電極先端に析出して突起を形成することで電極の損耗を防ぎ、長寿命化を図っている。
一般的な超高圧水銀ランプでは、放電容器の容積は非常に小さいため（１００ｍｍ^３以下）、ハロゲンは臭化水素などのガスとして封入される。
また、超高圧水銀ランプは、水銀蒸気圧を上げるために高い管壁負荷にて点灯される。
高い管壁負荷により水銀蒸気圧を上昇させることはできるが、放電容器の温度上昇ももたらすため、放電容器の変形や破損に至る場合がある。このため、一般に超高圧水銀ランプは、ランプ外部からの送風などによる冷却された状態で使用される。

特許文献２には、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を利用して動作する放電灯装置が開示されている。
この放電灯装置は、電磁波発生部で発生した電磁波を、電磁波導波路を用いてアンテナ部材を備えた放電容器内に導き、放電容器内の発光物質を発光させるものである。
放電容器内にアンテナ部材を備えることにより、電磁波により発光物質を発光させるときの損失を微小とし、発光効率を高めたものである。

特開２００４−２９６４２７号公報 特開２００７−１１５５３４号公報

しかしながら、本願の発明者らが特許文献１の超高圧水銀ランプを特許文献２のマイクロ波放電灯装置に適用したところ、以下の問題が発生した。
超高圧水銀ランプを冷却する条件がばらつくことによって、早期（１００時間以内）に放電容器が黒化する現象が観察された。一般に超高圧水銀ランプは、温度が低下するとハロゲンサイクルが働かなくなるため黒化することがあるが、本願の発明者らは、同じ冷却条件であっても通常点灯に比べ、マイクロ波放電方式の方が黒化しやすい傾向にあることを発見した。

この理由は、明確になっていないが、温度が低下するとハロゲンサイクルが働かなくなり黒化することから、マイクロ波放電方式では電極動作温度が通常点灯に比べ低下することから、管壁温度が低下しハロゲンサイクルが働かなくなったと推察した。
そこで本発明は、超高圧水銀ランプをマイクロ波放電方式で点灯した場合に、冷却条件のばらつきによる黒化の発生を抑制することを課題とする。

本発明のマイクロ波放電ランプは、マイクロ波電力により点灯するマイクロ波放電ランプにおいて、放電容器の内部に一対の電極が配置されており、０．２ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、ハロゲンとしてヨウ素と、を封入した発光管を備え、５４６ｎｍに対する４４４ｎｍの発光スペクトルの相対強度が０．１〜０．６であることを特徴とする。
この構成により、マイクロ波放電方式で点灯したランプにおいて、ハロゲンサイクルが適切に動作することから発光管の黒化を防ぐことができるとともに、発光管からの放射光の青成分の減少を抑え、プロジェクタ用光源として好ましい光色を得ることができる。

また、前記相対強度は０．２〜０．６であることが好ましい。
この構成により、HｇＩの自己吸収によるスクリーン照度の低下を抑え、プロジェクタ用光源として好ましい特性を得ることができる。

また、前記ヨウ素の封入量は、前記放電容器の内容積に対して４．９×１０^−３〜１４．７×１０^−３μｍｏｌ／ｍｍ^３であることが好ましい。
この構成により、ハロゲンサイクルをより適切に働かせることができる。

また、前記ヨウ素はＨｇＩ_２であることが好ましい。
この構成により、発光管に容易にヨウ素を導入することができる。

また、点灯時の発光管温度は７８６〜９７０℃に調整することが好ましい。
この構成により、ヨウ素によるハロゲンサイクルを適切に動作させ黒化を抑えるとともに、水銀蒸気圧を上昇させ光量を増加させることができる。

本発明によれば、マイクロ波放電方式のランプにおいて、ヨウ素によるハロゲンサイクルを適切に働かせることができるので、発光管の黒化を防ぐことができる。

本発明のマイクロ波放電ランプ装置に使用する発光管を示す図である。 本発明のマイクロ波放電ランプ装置を示す断面図である。 ＨｇＩ_２を０．１ｍｇ封入した発光管における、発光管温度が９７０℃と７８６℃の発光スペクトルを示す図である。 ＨｇＩ_２を０．２ｍｇ封入した発光管における、発光管温度が９５９℃と８０６℃の発光スペクトルを示す図である。 ＨｇＩ_２を０．３ｍｇ封入した発光管における、発光管温度が９５７℃と７８６℃の発光スペクトルを示す図である。 Ｒ_{（４４４／５４６）}と青成分の関係をグラフ化した図である。

図１は、本発明に係るマイクロ波放電ランプに使用する発光管を示す図である。
図１の発光管１は、石英ガラスからなり、発光部１１と発光部１１の両端に封止部１２ａ、１２ｂを備え、発光部内部には放電空間１３が形成されている。放電空間１３内には、一対の電極１４ａ、１４ｂが封止されている。一対の電極１４ａ、１４ｂ及び電極に接続されたモリブデンからなる金属箔１５ａ、１５ｂが封止部１２ａ、１２ｂに封止され、電極１４ａ、１４ｂは放電空間１３内に突出して保持される。
電極間距離は０．８ｍｍである。電極間距離は光学効率を上げるために２ｍｍ以下にすることが好ましく、１ｍｍ以下である方がより好ましい。
一対の電極１４ａ、１４ｂはタングステン製であり、放電による電極の損耗を防ぐため、
切削加工などにより先端部の熱容量が大きくなるように形成されている。先端の熱容量を大きくする方法のほか、コイル部材を取り付け放熱性を向上させる方法などにより、電極の損耗を抑えることができる。
金属箔１５ａ、１５ｂにはリード線１６ａ、１６ｂが接続されている。リード線１６ａ、１６ｂは、後述するようにマイクロ波電力を電極に供給するために使用されたり、製造工程で放電容器１３内に電極１４ａ、１４ｂを設置するために使用されるものである。

図２は、図１に示す発光管１を点灯するためのマイクロ波放電ランプ装置２０を示す断面図である。
チャンバー２１は金属製であり、放電ランプを収容するランプ収容部２１ａと放電ランプにマイクロ波電力を伝達しインピーダンス調整を行なうインピーダンス調整部２１ｂを有する。ランプ収容部２１ａの前面には開口部２２が設けられており、この開口部２２から放電ランプの光を取り出し利用する。インピーダンス調整部２１ｂにはマイクロ波電源（図示せず）からの電力を受けるためのコネクタ２３が接続されている。

放電ランプは発光管１に反射鏡３０を固着したものである。反射鏡３０は誘電体からなり、反射面も誘電体膜にて形成される。反射鏡３０の反射面は楕円面形状に形成されており、発光管１の一対の電極１４ａ、１４ｂの中心位置が楕円面の焦点とほぼ一致するように位置合わせされている。
尚、反射面形状は楕円面に限られるものではなく、放物面形状などでも良い。

インピーダンス調整部２１ｂ内部には、コネクタ２３の内部導体と接続される金属棒２４が配置されている。金属棒２４は発光管１のリード線１６ａと接続され、発光管１にマイクロ波電力を供給するのに使用されるとともに、金属棒２４の寸法（長さ・径）やインピーダンス調整部２１ｂの内壁との距離などを適切な寸法に設定することにより、マイクロ波電源とインピーダンスマッチングを図る機能を有する。
尚、発光管１へのマイクロ波電力の供給は、金属棒２４とリード線１６ａを直接接続して供給する構成を説明したが、放電空間内の電極にマイクロ波電力が供給される形態であれば良く、直接接続をしない容量結合方式も可能である。

発光管１の一方の封止部１２ｂには金属スリーブ４０が取り付けられている。
この金属スリーブ４０はインピーダンスを調整する機能を有しており、発光管１の金属部材（電極、金属箔、リード線）との間に容量成分を発生させる効果がある。
容量成分を発生させることにより、より低い周波数でインピーダンスをマッチングさせることが可能となるため、低い周波数の電源が使用可能になることから電源のコストダウンにつながり、また同じ周波数で使用した場合にはチャンバー２１の小型化を図ることが可能である。
尚、この金属スリーブ４０は設置しなくとも発光管１の点灯は可能である。
尚、マイクロ波放電ランプ装置は、発光管をマイクロ波電力により点灯させるものであれば良く、チャンバー内にアンテナを設置しマイクロ波を導入し、チャンバーをマイクロ波共振器として機能させ、共振器内に発光管を設置し、点灯する方法でも良い。

発光管１の放電空間１３の寸法は、最大内径４．８ｍｍ、カップ長（軸方向の寸法）９．２ｍｍ、内容積９０ｍｍ^３、内表面積１２８ｍｍ^２である。放電空間１３内には、０．３ｍｇ／ｍｍ^３の水銀と希ガス（アルゴン）が封入され、ハロゲンとしてヨウ素がＨｇＩ_２（ヨウ化水銀）の組成で封入されている。
マイクロ波電源からは４４０ＭＨｚ、１９０Ｗのマイクロ波電力が供給され点灯される。
点灯に使用されるマイクロ波の周波数は、ＩＳＭバンドと呼ばれる２．４５ＧＨｚでもよく、その他のマイクロ波と呼ばれる周波数のものでもよい。
発光管１の点灯電力は１９０Ｗで、放電空間１３の内表面積が１２８ｍｍ^２であるので、点灯電力を内表面積で除した管壁負荷は１．４８Ｗ／ｍｍ^２となる。
このような高い管壁負荷で水銀ランプを点灯すると、連続スペクトル成分が増大し、光出力も増すので、映像機器用の光源として好ましい特性が得られる。
封入する水銀は０．２ｍｇ／ｍｍ^３以上が望ましい。

臭素を封入した発光管を上述のマイクロ波放電ランプ装置で点灯した場合、冷却条件によってはハロゲンサイクルが適切に動作せず黒化が発生してしまったため、発明者らは、量の異なるヨウ素を封入した発光管の、温度による黒化の発生頻度を調査した。

ヨウ素の封入量はＨｇＩ_２の組成にて０．１ｍｇ〜０．３ｍｇであり、放電容器内のハロゲン濃度（ヨウ素濃度）は４．９×１０^−３μｍｏｌ／ｍｍ^３〜１４．７×１０^−３μｍｏｌ／ｍｍ^３である。発光管温度は冷却条件を変えたときの発光部の最上部の表面温度を測定した値である。
ＨｇＩ_２はペレット状に加工することができ、発光管への導入が容易であるが、封入するヨウ素の組成はＨｇＩ_２に限られない。より小さな放電容器を使用する場合にはガス状でも構わないし、他の化合物でも構わない。
表１に、ＨｇＩ_２の封入量と発光管温度による黒化の発生頻度を示す。

表中○印は点灯後１００時間で黒化の発生しなかったランプであり、×印は点灯後１００時間までに黒化の発生したランプである。
尚、ハロゲンとして臭素を封入したランプでは、発光管温度が９００℃以上でも黒化が発生している。臭素を封入したランプにおいても、点灯電力を上昇させ、温度を上昇させれば、臭素によるハロゲンサイクルにより、黒化の発生を抑えられる可能性はあるが、温度上昇による石英製放電容器の失透や、内部圧力上昇により破損する可能性も考えられる。

表１に示すように、ヨウ素を封入することにより、黒化の発生が抑えられているのが確認できる。ほとんどの冷却条件において、黒化の発生は確認されなかったが、ヨウ素の封入量が少なく（ＨｇＩ_２：０．１ｍｇ）、発光管温度が低い（７８６℃）ときは、黒化が発生した。

また、表１に示すランプの発光スペクトルを測定した。
図３Ａ〜Cは、表１に示すランプの発光スペクトルを示したものである。
図３Ａは、ＨｇＩ_２を０．１ｍｇ封入した発光管における、発光管温度が９７０℃と７８６℃の発光スペクトルを示す図である。
図３Ｂは、ＨｇＩ_２を０．２ｍｇ封入した発光管における、発光管温度が９５９℃と８０６℃の発光スペクトルを示す図である。
図３Ｃは、ＨｇＩ_２を０．３ｍｇ封入した発光管における、発光管温度が９５７℃と７８６℃の発光スペクトルを示す図である。

図３Ａ〜Cに示すように、ＨｇＩ_２を封入したランプにおいては、４４４ｎｍ付近にて強度の低下が観察される。これはＨｇＩの自己吸収によるものであり、水銀とヨウ素を封入したランプにおいて発生する現象である。
このＨｇＩによる自己吸収は、ＨｇＩ_２の封入量が多いほど大きく、また発光管温度が高いほど大きい傾向にある。
また、発光管に黒化が発生する確率は、ＨｇＩ_２の封入量が多いほど低くなり、発光管温度が高いほど発生頻度が低くなる。
つまり、発光管に黒化が発生する確率というのは、ＨｇＩの自己吸収である４４４ｎｍ付近のスペクトル強度の低下と正の相関を持つことになり、このＨｇＩの自己吸収を観察すれば、黒化の発生を抑える適切なヨウ素量と温度の条件を予測することができるということである。

表２は、表１に示すランプのＨｇＩの自己吸収を示したものである。ＨｇＩの自己吸収は水銀の輝線である５４６ｎｍと４４４ｎｍの比Ｒ_{（４４４／５４６）}で判断する。

表２に示すように、ＨｇＩ_２を０．１ｍｇ（ヨウ素：４．９×１０^−３μｍｏｌ／ｍｍ^３）封入したランプを発光管温度が７８６℃になる条件で点灯したとき黒化が発生しており、このときのＲ_{（４４４／５４６）}は０．７４である（これはヨウ素の封入量が少なく、発光管温度が低いためと思われる）。
これ以外の条件では、ヨウ素が十分に封入されているか、あるいはヨウ素のハロゲンサイクルが十分に動作するほど温度が高いため、黒化の発生がなかった。
つまり、Ｒ_{（４４４／５４６）}が０．６以下であれば、ヨウ素が十分に封入されているか、ヨウ素のハロゲンサイクルが動作するほど十分に温度が高いため、黒化の発生を抑制することができる。
しかしながら、多量にヨウ素を封入したランプを点灯した場合、ＨｇＩの自己吸収により、青成分が少なくなる。超高圧水銀ランプは、水銀の発光を利用しているため青成分の多いランプではあるが、青成分の過度の低下はプロジェクタ用光源として好ましくない。

表３は、表１に示すランプのスクリーン照度とスクリーン上の色の青・緑・赤成分を示したものである。

ここで青・緑・赤成分とは、それぞれ全発光スペクトルに対する４３０〜４９０ｎｍ、５００〜５８０ｎｍ、５９５〜７００ｎｍの強度の割合を算出したものである。

また図４は、表３に示すランプのＲ_{（４４４／５４６）}に対する青成分をグラフ化したものである。
図４より、Ｒ_{（４４４／５４６）}の低下に伴い青成分も低下するが、青成分が２２％では色再現性が悪くなる。このため青成分が２２％以上であるＲ_{（４４４／５４６）}が０．１以上であることが望ましい。また、特にＲ_{（４４４／５４６）}が０．１以下では青成分の低下が著しく、この範囲での使用は望ましくない。
またＨｇＩの自己吸収により、ランプの光束量も低下しスクリーン照度が低下する傾向にある。超高圧水銀ランプは一般的に発光管温度が高いほど放電空間の水銀蒸気圧が上昇し、スクリーン照度を上げることができるが、本発明のＨｇＩ_２を封入した超高圧水銀ランプでは、温度が高いとＨｇＩの自己吸収が増大し、スクリーン照度の低下に繋がることがわかった。
表３より、Ｒ_{（４４４／５４６）}が０．２以上であれば、ＨｇＩの自己吸収によるスクリーン照度の低下は少なく、良好な結果が得られることがわかる。

以上より、マイクロ波放電ランプにおいて、水銀とヨウ素を封入し、その発光スペクトルを適切な範囲にすることにより、マイクロ波点灯時の電極温度の低下による黒化の発生を防ぐことができる。

１ 発光管
１１ 発光部
１２ａ、１２ｂ 封止部
１３ 放電空間
１４ａ、１４ｂ 電極
１５ａ、１５ｂ 金属箔
１６ａ、１６ｂ リード線
２０ マイクロ波放電ランプ装置
２１ チャンバー
２１ａ ランプ収容部
２１ｂ インピーダンス調整部
２２ 開口部
２３ コネクタ
２４ 金属棒
３０ 反射鏡
４０ スリーブ

Claims (5)

1. マイクロ波電力により点灯するマイクロ波放電ランプにおいて、
   放電容器の内部に一対の電極が配置されており、
   ０．２ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、ハロゲンとしてヨウ素と、を封入した発光管を備え、
   ５４６ｎｍに対する４４４ｎｍの発光スペクトルの相対強度が０．１〜０．６であることを特徴とするマイクロ波放電ランプ。
   
2. 前記相対強度が０．２〜０．６であることを特徴とする
   請求項１記載のマイクロ波放電ランプ。
   
3. 前記ヨウ素の封入量が、前記放電容器の内容積に対して４．９×１０^−３〜１４．７×１０^−３μｍｏｌ／ｍｍ^３であることを特徴とする
   請求項２記載のマイクロ波放電ランプ。
   
4. 前記ヨウ素がＨｇＩ_２であることを特徴とする
   請求項３記載のマイクロ波放電ランプ。
   
5. 点灯時の発光管温度を７８６〜９７０℃に調整したことを特徴とする
   請求項４記載のマイクロ波放電ランプ。