JP3178460B2 - 高圧水銀ランプ、および高圧水銀ランプ発光装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は高圧水銀ランプ、
およびその発光装置に関する。特に、放電容器内に０．
１５ｍｇ／ｍｍ³以上の水銀が封入され点灯時の水銀蒸
気圧が百数十気圧以上にもなる超高圧な水銀ランプであ
って、投射型液晶ディスプレイ装置などのバックライト
として使用されるものに関する。

【０００２】

【従来の技術】投射型の液晶ディスプレイ装置は、その
高さを低く抑えるために光源を水平に配置して点灯さ
せ、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、光源として、水銀や金属ハロゲン化物を封入さ
せた水平点灯型メタルハライドランプが使われている。
また、メタルハライドランプでも、最近では、より一層
の小型化、点光源化が進められ、電極間距離の極めて小
さいものが実用化されている。

【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、水銀蒸気圧をより高くするこ
とで、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というものであり、例え
ば、特開平２−１４８５６１号、特開平６−５２８３０
号に開示されている。

【０００４】特開平２−１４８５６１号(米国特許第
５，１０９，１８１)には、タングステンからなる一対
の電極を有する放電容器に希ガスと、０．２ｍｇ／ｍｍ
³以上の水銀と、１×１０^-6〜１×１０^-4μｍｏｌ／ｍ
ｍ³の範囲のハロゲンを封入して、１Ｗ／ｍｍ²以上の管
壁負荷で動作させる高圧水銀ランプが開示されている。

【０００５】水銀の封入量を０．２ｍｇ／ｍｍ³以上に
する理由は、水銀の圧力を高くして可視光領域、特に赤
色領域の連続スペクトルを増加させ演色性を改善するこ
とであり、管壁負荷を１Ｗ／ｍｍ²以上にする理由は、
水銀の圧力を高くするために最冷部の温度を高くする必
要があるからである。さらに、ハロゲンを封入する理由
については管壁の黒化防止であることが読み取れる。

【０００６】一方、特開平６−５２８３０号(米国特許
第５，４９７，０４９)には、上記の水銀量、管壁負荷
値、ハロゲン量に加えて、放電容器の形状や電極間距離
を規定して、さらにハロゲンの種類として臭素を使用す
ることが開示されている。

【０００７】臭素を封入する理由は管壁の黒化防止であ
り、その封入量が１０^-6μｍｏｌ／ｍｍ³以上で十分な
効果を発揮するとともに、１０^-4μｍｏｌ／ｍｍ³を超
えると電極が腐食することを示している。

【０００８】一方、このような超高圧な水銀ランプは水
平点灯、すなわち、電極間を結ぶ仮想線が地平線に対し
て並行に配置される点灯が行われる。この場合、電極間
に生じるアークの浮き上がりなどのため、放電容器の上
方部分では熱的負荷が極めて高くなるが、その一方で放
電容器下方は熱的負荷が低くなり、水銀の高い動作圧力
を得るためには、放電容器を小さく、すなわち、発光空
間の内径を小さくする必要がある。しかし、あまりに小
さくしてしまうと放電容器を構成する石英ガラスが結晶
化を引き起こすので放電容器を小さくできる範囲は限ら
れてしまう。

【０００９】一方、最近では液晶プロジェクタテレビで
あって、テレビ画面の後方から照明をするため、当該テ
レビ本体の中に光源である放電ランプを配置する、いわ
ゆる、リアプロジェクション型テレビが注目を集めてい
る。このテレビにおいては、光学設計上放電ランプは水
平点灯を強要するものではなく、垂直に配置することも
可能である。そして、上記のような超高圧な水銀ランプ
を垂直点灯することは、放電容器内における熱的負荷の
影響が、水平点灯する場合に比べて全く異なるものとな
る。具体的には、熱的負荷が高い部分、および低い部分
が、アーク近傍の管壁ではなく、電極の根元に発生する
ということである。また、放電容器内におけるガス対流
の影響も大きく変わる。上記した先行文献には、放電ラ
ンプを水平点灯することや、垂直点灯することは何ら記
載されておらず、このような観点から放電容器内におけ
る熱的負荷、ガス対流の影響を考慮したものではない。
また、リアプロジェクション型テレビにおいては、高い
画質が求められている。特に、上記のような超高圧な水
銀ランプを光源として用いた場合、輝度の高い陰極輝点
が、ガス対流などによって電極先端面において小刻みに
動くことによって生じる画面の照度変動が問題となる。

【００１０】

【発明が解決しょうとする課題】この発明が解決しよう
とする課題は、百数十気圧以上の内圧で点灯される高圧
水銀ランプであって、熱的負荷、およびガス対流を考慮
し、かつ、輝度の高い陰極輝点の安定したランプを提供
することである。特に、垂直に配置され直流点灯される
高圧水銀ランプにおいて上記問題を考慮したものを提供
することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明の高圧水銀ランプは、請求項1において
は、陽極を上方に陰極を下方に垂直に配置して直流点灯
され、石英ガラスからなる放電容器に両電極が対向配置
しており、この放電容器に、０．１５mg/mm³以上の水銀
と希ガスを封入したものであって、上側に位置する陽極
が放電容器内に突出する長さL1 (mm) が、下側に位置す
る陰極が放電容器内に突出する長さL2 (mm) より長
く、ランプ電力W (W)の関係が、 ０．３５ × (W)^1/2 ≦ L1 ≦ ０．６９ × (W)^1/2 、 L2 ≦ ０．７６ × (W)^1/2.64 であり、かつ、放電容器内における両電極を結ぶ軸に垂
直な方向における内径の最大D (mm) との関係が、( 2.5
0 ) e^0.0022W ≦ D ≦ ( 5.0 ) e^0.0034Wであるこ
とを特徴とする。

【００１２】さらに、放電容器には、塩素、臭素、沃素
より選ばれたハロゲンや水銀以外の発光金属が封入され
ることを特徴とする。また、上記高圧水銀ランプと、こ
の高圧水銀ランプに対して所定の電力を供給する給電装
置よりなる高圧水銀ランプ発光装置において、上側に位
置する陽極が放電容器内に突出する長さL1 (mm) が、下
側に位置する電極が放電容器内に突出する長さL2 (mm)
より長く、高圧水銀ランプのランプ電力W (W) 、放電容
器内における一対の電極を結ぶ軸に垂直な方向における
内径の最大D (mm) が、 ０．３５ × (W)^1/2 ≦ L1 ≦ ０．６９ × (W)^1/2 、 L2 ≦ ０．７６ × (W)^1/2.64 であり、かつ、( 2.50 ) e^0.0022W ≦ D ≦ ( 5.0
) e^0.0034W であることを特徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１に本発明にかかる高圧水銀ラ
ンプを示す。放電ランプ１は石英ガラスよりなり、中央
の放電容器２とその両端につながる細長の封止部３より
構成される。放電容器２の中（以下、これを「発光空
間」ともいう)には、陰極５と陽極４が、１．０〜２．
０ｍｍ程度の間隙をもって配置される。陰極５は下方で
あって後端は封止部３の中に埋設されて金属箔６に接合
され、陽極４は上方であって後端は封止部３の中で同様
に金属箔６に接合される。それぞれの金属箔６の他端は
外部リード７が接合される。

【００１４】発光空間には、発光物質として水銀が封入
され、また、点灯始動ガスとしてアルゴン、キセノン等
の希ガスが封入される。希ガスは例えば、１．３×１０
⁴Ｐａ封入される。ここで、水銀の封入量は０．１５ｍ
ｇ／ｍｍ³以上であって、これは安定点灯時の蒸気圧が
百数十気圧以上になるものである。

【００１５】このような高圧水銀ランプの一例を紹介す
ると、放電容器の最大外径１１ｍｍ、最大内径５．８ｍ
ｍ、発光空間長（ランプの軸方向の長さ）１２．４ｍ
ｍ、封入水銀量３３．３ｍｇ、発光空間の内容積１９０
ｍｍ³、発光空間の内表面積１５０ｍｍ²、管壁負荷１．
３３Ｗ／ｍｍ²、定格電力２００Ｗである。

【００１６】ここで、上側に位置する陽極４が放電容器
２の中に突出する長さＬ１は、下側に位置する陰極５が
放電容器２の中に突出する長さＬ２よりも長い。上記水
銀ランプにおける例をあげれば、上側に位置する陽極４
が放電容器２の中に突出する長さＬ１は７．４ｍｍであ
り、下側に位置する陰極５が放電容器２の中に突出する
長さＬ２は３．５ｍｍである。熱的負荷が低くなる下方
においては、アーク放電からの距離が短いためアーク放
電からの熱的影響および放射によって当該部分を温める
ことができ、これにより封入した水銀の完全蒸発が可能
となって百数十気圧以上という高い内圧を達成すること
ができる。また、このような垂直点灯では、放電空間の
上部が激しいガス対流によって、きわめて高い熱的影響
を受けてしまうものである。しかし、この発明のように
大きな陽極４が放電容器2の中に長く突出していると、
アーク放電から放電容器上部までの距離が長くなること
と、大きな陽極によってアークからの放射が遮られるこ
ととによって、アーク放電からの放電容器上部への熱的
影響が小さくなる。また、アーク軸に平行に上昇する対
流が陽極によって熱を奪われ気流の温度が下がることと
によっても、放電容器上部への熱的負荷が小さくなり、
放電容器の失透を良好に防止することができる。

【００１７】また、この発明は、ランプの点灯電力
（Ｗ）と上側に位置する陽極４の突出長Ｌ１、および下
側に位置する陰極５の突出長Ｌ２との間に、０．３５×
（Ｗ）^{1/ 2} ≦ Ｌ１ ≦ ０．６９×（Ｗ）^1/2 、か
つ、Ｌ２ ≦ ０．７６×（Ｗ） ^1/2.64 という関係を
持たせることで十分に高い動作圧力が選られ、かつ、失
透等を発生させない高圧水銀ランプとすることができ
た。これは、ランプ電力が放電容器内に発生する熱に大
きな影響を与え、また、上側に位置する陽極の突出長が
ガス対流と放電容器上部の完璧の失透に影響を与えるで
あろうという予測から本発明者らが鋭意検討を積み重ね
た結果、その最適条件といえる数値範囲を見出したもの
である。ここで、上側に位置する陽極の突出長Ｌ１が上
記下限値、すなわち、 ０．３５×（Ｗ）^1/2を下回っ
た場合とは、放電容器内の上部空間が小さいことを意味
し、上記放電容器内の激しいガス対流と熱的影響により
石英ガラスに失透を生じさせてしまう。一方、上側に位
置する陽極の突出長Ｌ１が上記上限値、すなわち、０．
６９×（Ｗ）^1/2 、を上回った場合とは、放電容器内
の上部空間が大きくなりすぎることを意味し、水銀を十
分に蒸気化することができず、結果として、高い動作圧
力を得ることができなくなってしまう。同様に、下側に
位置する陰極の突出長Ｌ２が、０．７６×（Ｗ）^1/2.64
を上回った場合には放電容器の下側空間が大きくなりす
ぎるため、温度が低下し、水銀を十分に蒸気化すること
ができず、結果として高い動作圧力を得ることができな
くなってしまう。

【００１８】また、本発明では、ランプの点灯電力
（Ｗ）と、放電容器において両電極を結ぶ軸に垂直な方
向の内径の最大値（Ｄ）との間に、（2.5）ｅ^0.0022W
≦ Ｄ≦ （5.0）ｅ^0.0034W という関係を持たせるこ
とで、同じく十分に高い動作圧力が選られ、かつ、失透
等を発生させない高圧水銀ランプとすることができた。
これも前記と同様に、ランプ電力が放電容器内に発生す
る熱に大きな影響を与え、また、放電容器内の上記内径
がガス対流と放電容器側部の完璧の失透に影響を与える
であろうという予測から本発明者らが鋭意検討を積み重
ねた結果、その最適条件といえる数値範囲を見出したも
のである。ここで、放電容器の上記内径Ｄが上記下限
値、すなわち、（2.5）ｅ^0.0022Wを下回った場合とは、
アークの位置が放電容器側部の管壁と近いことを意味
し、発光管に失透を発生させてしまう。また、放電容器
の上記内径Ｄが上記上限値、すなわち、（5.0）ｅ
^0.0034W を上回った場合とは、放電容器が大きくなり
すぎて十分な動作圧力を得ることができなくなってしま
う。また、この発明は垂直に配置して直流点灯される高
圧水銀ランプにおいて、陰極を下側に配置することで、
高い輝度を持つ陰極輝点が安定したランプを提供するこ
とができた。これは、このような高圧水銀ランプにおい
ては、上側の電極近傍において、アーク軸に沿う激しい
上昇気流がぶつかるため、気流が乱れることに起因する
電極輝点の不安定が生じるが、下側の電極近傍では対流
が緩やかであるためにその電極輝点がきわめて安定する
ことを本発明者らが見出したものである。

【００１９】ここで、補足説明すると、本出願人は、先
に特願平１０−１５３９４３号において、高圧水銀ラン
プを垂直に配置する場合において、放電容器内で上側に
位置する電極の突出長Ｌ１と放電容器内における一対の
電極を結ぶ軸に垂直な方向における内径の最大値Ｄの値
を規定することで、約２０００時間にわたり実用上問題
ない高圧水銀ランプ、および高圧水銀ランプ発光装置を
提案している。また、本出願人は、特願平１０−２１３
４４３号において、下側に位置する電極の突出長Ｌ２を
新たに規定して、さらにＬ１、Ｄの値もそれに対応させ
て新たに規定し直すことで、前記特願平１０−１５３９
４３号より、さらに上回る効果、具体的には、約５００
０時間の実用上問題のない点灯を可能にしている。しか
しながら、これらの出願は垂直点灯において、交流点灯
をするか、もしくは陰極を上方に陽極を下方に配置させ
る直流点灯タイプを対象にしたものであって、陽極を上
方に配置して陰極を下方に配置する直流点灯タイプを事
実上は対象とはしていない。本願発明は、高い熱的負荷
とガス対流を有する超高圧な水銀ランプにおいて、陰極
輝点の揺らぎを解消することを目的として、陰極を下方
に陽極を上方に配置する垂直点灯タイプの高圧水銀ラン
プを提供するものであり、そのための数値限定をしたも
のである。

【００２０】これは、大きな陽極を上側に配置した場
合、対流による放電容器上部への熱的負荷の影響が、上
記に述べた他の点灯方法（具体的には、交流点灯、及
び、陽極を下方、陰極を上方にした直流点灯）の場合異
なるために、この点を考慮して、放電容器内の最大内径
の下限値を小さく規定した点に特徴を有する。

【００２１】図２に本発明の高圧水銀ランプによる分光
スペクトルを示す。図から明らかなように波長３８０〜
７６０ｎｍ付近の可視領域に効果的に放射されているこ
とが示される。特に、波長６００〜７６０ｎｍの赤色領
域の連続放射が多く、これは水銀封入量０．１５ｍｇ／
ｍｍ³未満の通常の高圧水銀ランプに比べてきわめて増
加していることが示される。

【００２２】本発明の高圧水銀ランプは、ランプ電力が
１３０Ｗの場合は、Ｌ１は４．０６〜７．８２ｍｍの範
囲にあり、Ｌ２は４．７７ｍｍ以下で、Ｄは３．３３〜
７．７８ｍｍの範囲であることになり、またランプ電力
が２００Ｗの場合は、Ｌ１は５．０３〜９．７０ｍｍの
範囲にあり、Ｌ２は５．６２ｍｍ以下で、Ｄは３．８８
〜９．８７ｍｍの範囲であることになる。

【００２３】図３に本発明の高圧水銀ランプの数値例を
示す。図の例は、ランプ電力１３０Ｗ、２００Ｗの各々
について水銀封入量、陽極の放電容器内部への突出長Ｌ
１、陰極の放電容器内部への突出長Ｌ２、放電容器内径
の最大値Ｄ、アーク長ＡＬを種々変えてみた。そして、
陽極の放電容器内部への突出長Ｌ１が陰極の放電容器内
部への突出長Ｌ２より長いという条件（条件１）、ラン
プ電力W (W)と陽極の突出長Ｌ１による０．３５ × (W)
^1/2 ≦ L1 ≦ ０．６９ × (W)^1/2 という条件
（条件２）、同様に陰極の突出長Ｌ２によるL2 ≦
０．７６ × (W) ^1/2.64という条件（条件３）、ランプ
電力Ｗ（Ｗ）と放電容器内における一対の電極を結ぶ軸
に垂直な方向における内径の最大D (mm) による （2.50
) e^{0.0022 W} ≦ D ≦ ( 5.0 ) e^0.0034W という条
件（条件４）について検討してみた。

【００２４】図３から、ランプ電力１３０Ｗのものは、
ランプ番号1〜５までは、条件１〜条件４の少なくとも
１つを満足しておらず、十分な動作圧力が得られない
か、あるいは放電容器の上部に失透を生じるという問題
を発生させた。一方、条件１〜条件４をすべて満たすラ
ンプ番号６は点灯約５０００時間でも光束６０％を維持
でき、上記問題を生ずることはなかった。同じく、ラン
プ電力２５０Ｗのものも、ランプ番号７〜１１までは、
条件１〜条件４の少なくとも１つを満足しておらず、十
分な動作圧力が得られないか、あるいは放電容器の上部
に失透を生じるという問題を発生させた。一方、条件１
〜条件４をすべて満たすランプ番号１２は点灯約５００
０時間でも光束５３％を維持でき、上記問題を生ずるこ
とはなかった

【００２５】図４に本発明の高圧水銀ランプ発光装置を
示す。高圧放電ランプ４１は反射ミラー４２の中に内蔵
され、ランプ４１には給電装置４３が電気的に接続され
ている。ランプ４１からの放射光は反射ミラー４２、あ
るいは直接インテグレータレンズ４４に入射して、複数
のダイクロイックミラー４５、反射ミラー４６を介して
液晶パネル４７を照射する。そして、投写レンズ４８を
通してスクリーン４９に画像が写し出される。そして、
給電装置４３から所定の電力(Ｗ)をランプ４１に対して
供給することになる。

【００２６】また、本発明の高圧水銀ランプは、垂直点
灯のものにおいて、上側に位置する陽極と下側に位置す
る陰極の突出長の長さと、放電容器において両電極を結
ぶ軸に垂直な方向の内径の最大値を規定することで、十
分に高い動作圧力を得ることができるとともに、放電容
器内部の激しいガス対流に良好に対処でき、ハロゲンを
封入することなく長寿命の高圧水銀ランプを提供するこ
とが可能となった。具体的には、ハロゲンを封入するこ
となしに５０００時間にわたり、実用上問題の生じない
点灯を維持することが確認されている。さらに、本発明
の高圧水銀ランプは、下側に陰極を配置することによっ
て輝度の高い陰極輝点をきわめて安定させることがで
き、プロジェクションテレビの光源として用いた場合、
照度変動がきわめて小さい優れた画質が可能となる。

【００２７】また、本発明の高圧水銀ランプは、前記の
ようにハロゲンを封入しなくても十分に長い寿命を得る
ことができるが、このことはハロゲンの封入を排除する
ものではなく、塩素、臭素、沃素から選ばれたハロゲン
を封入することでハロゲンサイクルを利用した長寿命化
を図ることも可能である。

【００２８】また、本発明の高圧水銀ランプは、水銀以
外に発光金属を封入することで、その金属の発光色を利
用することができ、これによって、より一層の演色性向
上を図ることが可能である。このような発光金属として
は、例えば、インジウム、亜鉛、カドミウム、希土類金
属などが封入できる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の高圧水
銀ランプは、放電容器に、０．１５ｍｇ／ｍｍ³以上の
水銀等を封入して、上側に位置する陽極の突出長、下側
に位置する陰極の突出長、放電容器の最大内径、ランプ
電力等を規定することで、百数十気圧の高い内圧を得る
ことができ、このため可視光領域、特に赤色領域の連続
スペクトルを増加させることができる。そして、このよ
うな超高圧な圧力条件においても、熱的負荷、ガス対
流、およびアークにおける陰極輝点の安定性の問題を良
好に考慮したランプを提供することができる。そして、
５０００時間以上というきわめて長い点灯寿命を達成す
ることができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる高圧水銀ランプを示す。

【図２】本発明にかかる高圧水銀ランプによる分光分布
を示す。

【図３】本発明の効果を示す数値例を示す。

【図４】本発明にかかる高圧水銀ランプ発光装置を示
す。

【符号の説明】

１：放電ランプ ２：放電容器 ３：封止部 ４：電極 ５：金属箔 ６：外部リード

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 61/88 H01J 61/073 H01J 61/20 H01J 61/30

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】石英ガラスからなる放電容器に陽極と陰極
   が対向配置しており、この放電容器に、０．１５mg/mm³
   以上の水銀と、希ガスを封入した高圧水銀ランプにおい
   て、 この高圧水銀ランプは、陽極を上方に陰極を下方に垂直
   に配置して直流点灯され、この陽極が放電容器内に突出
   する長さL1 (mm) が、陰極が放電容器内に突出する長さ
   L2 (mm)より長く、 ０．３５ × (W)^1/2 ≦ L1 ≦ ０．６９ × (W)^1/2 、 L2 ≦ ０．７６ × (W)^1/2.64 であり、かつ、ランプ電力W (W)、放電容器内における
   一対の電極を結ぶ軸に垂直な方向における内径の最大D
   (mm) が、 ( 2.50 ) e^0.0022W ≦ D ≦ ( 5.0 ) e^0.0034W で
   あることを特徴とする高圧水銀ランプ。
2. 【請求項２】前記放電容器には、塩素、臭素、沃素より
   選ばれたハロゲンが封入されることを特徴とする請求項
   1に記載する高圧水銀ランプ。
3. 【請求項３】前記放電容器には、水銀以外の発光金属が
   封入されることを特徴とする請求項1に記載する高圧水
   銀ランプ。
4. 【請求項４】石英ガラスからなる放電容器に陽極と陰極
   が対向配置しており、この放電容器に、０．１５mg/mm³
   以上の水銀と、希ガスを封入されて、陽極が放電容器内
   に突出する長さL1(mm)が、陰極が放電容器内に突出する
   長さL2 (mm)より長い高圧水銀ランプと、陽極を上方に
   陰極を下方に垂直に配置したこの高圧水銀ランプを取り
   囲みその開口側が上方を向いて配置されるともに、高圧
   水銀ランプの一対の電極を結ぶ軸がその光軸に位置する
   ように配置された凹面反射鏡と、高圧水銀ランプに対し
   て所定の電力を供給する給電装置よりなる高圧水銀ラン
   プ発光装置において、 前記高圧水銀ランプのランプ電力W (W)と前記長さＬ
   １、Ｌ２との関係が、 ０．３５ × (W)^1/2 ≦ L1 ≦ ０．６９ × (W)^1/2 、 L2 ≦ ０．７６ × (W)^1/2.64であり、 かつ、放電容器内における一対の電極を結ぶ軸に垂直な
   方向における内径の最大D (mm)との関係が( 2.50 ) e
   ^0.0022W ≦ D ≦ ( 5.0 ) e ^0.0034W であることを特徴とする高圧水銀ランプ発光装置。