JP3952901B2

JP3952901B2 - 高圧水銀ランプ

Info

Publication number: JP3952901B2
Application number: JP2002232765A
Authority: JP
Inventors: 彰饗庭; 哲岡本
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2002-08-09
Filing date: 2002-08-09
Publication date: 2007-08-01
Anticipated expiration: 2022-08-09
Also published as: JP2004071499A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、点灯時の水銀蒸気圧が１５０ＭＰａ以上となるショートアーク型超高圧水銀ランプに関し、特に、液晶ディスプレイ装置やＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）を使ったＤＬＰ（デジタルライトプロセッサ）などのプロジェクタ装置のバックライトとして使うショートアーク型超高圧水銀ランプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
投射型のプロジェクタ装置は、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、このため、光源としては、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、キセノンランプ或は水銀ランプなどのショートアーク型放電ランプが使われている。
上記技術分野に係る液晶プロジェクタは、各会議室へ据え付けられるほど普及していないことから、持ち運びされることが多く、小形軽量化が重要な課題となっている。このために、液晶プロジェクタ用の液晶パネルは年々小形化されてきており、これに伴って小形化された液晶パネルに効率よく集光させるためにも、光源のいっそうの小形化が要求されている。
光源の小形化を達成するためには、アーク長を短くするのが光学的に一番効果的な手段であるが、従来の仕様のまま単にアーク長を短縮するだけでは、ランプ電圧が低下してしまう。これを補って所定のランプ電力を投入しようとすると、ランプ電流を増大しなければならない。ところが、ランプ電流を増大させるために点灯装置が大形化してしまうので、液晶プロジェクタ装置を小形化するというコンセプトから外れることになり、結局アーク長を短くする手段を採用することはできない。
【０００３】
そこで、ランプ電圧を低下させないでアーク長を短くするために、アークのインピーダンスを高くすること、換言すれば、点灯中の放電媒体の圧力を上昇させる手段が採用されてきている。これによれば照度維持率の向上を図りながら演色性の向上を図ることができるといわれ、近時においては動作時の圧力が１００ＭＰａ以上となるように、多量の水銀を封入した高圧水銀ランプが好適に利用されてきている。
なお、以上のような高圧水銀ランプは、例えば、特開平２−１４８５６１号、特開平６−５２８３０号等に開示されている。
【０００４】
ところで、上述の高圧水銀ランプは発光管内の圧力が点灯時に極めて高くなるので、発光管部の両側に延在する側管部においては当該側管部を構成する石英ガラス層と電極および給電用の金属箔を十分かつ強固に密着させる必要がある。これらの密着性が悪いと、点灯高圧時に金属箔とガラスとの間に隙間を生じて金属箔が浮いた状態となって（以下、簡単に「箔浮き」という。）、封入ガスが抜けたり、更には側管部が破損したりする。
よって上記高圧水銀ランプの側管部構造としては、高温で石英ガラスを加熱して、その状態において、厚肉の石英ガラスを徐々に収縮することで側管部の密着性を上げる、いわゆる「シュリンクシール方式」が、高い耐圧力性を実現するとして、好適に採用されている。
【０００５】
ここで、上記シュリンクシール方式による側管部の形成方法を、図３を参照して簡単に説明する。なお、同図においては片側の端部のみ示しているが他方も同様である。
発光管用の石英ガラス管７０は、略楕円球形の発光管部構成部７１と、略円筒形の側管部構成部７２とが形成されており、その内部に、電極２０１、電極芯棒２０、金属箔２１の及び外部リード棒２２が一体に形成された電極構造体を配置し、石英ガラス管７０の内部を排気すると共に側管部構成部７２の所定領域をバーナーで加熱する。側管部構成部７２の石英ガラスが軟化、溶融すると石英ガラス管７０内部が減圧状態とされているので、係る側管部構成部７２における石英ガラスが吸引されて電極芯棒２０及び金属箔２１に密着し、気密封止される。
【０００６】
上記シール方法では、例えば図３の石英ガラス管７０における側管部構成部７２のうちバーナーの火炎先端が移動する部分は、同図中においてＲで示される部分であり、具体的には、発光管部構成部７１と側管部構成部７２の境界Ｒ_０から約２ｍｍ離間した位置Ｒ_１から約３〜５ｍｍ程度とされる。加熱温度は約１８００〜２２００℃であり、加熱時間は約３０ｓ間である。シールされる金属箔２１の全長に対して、バーナーの走査距離が短いのは、単にバーナーの炎が大きいためであり、バーナーの走査領域が側管部構成部７２全体に及ばずとも、当該部位における石英ガラスは、金属箔２１のほぼ全長にわたって加工温度（約１７００℃）に到達するからである。
なお、上述の方法に係る高圧水銀ランプの構成部材に関し、寸法を具体的に述べると、石英ガラス管の側管部構成部７２は外径約６ｍｍ、内径約２ｍｍ、長さ２０ｍｍであり、電極芯棒２０は外径約０．８ｍｍ、長さ約１０ｍｍである。金属箔は略帯状であり、全長１４ｍｍ、幅１．５ｍｍ、厚み２０μｍである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、高圧水銀ランプの動作圧力が増し、発光管部の水銀蒸気圧が１５０ＭＰａ程度という非常に高い圧力の下では、時として側管部の破損につながる場合がある、と判明した。これは、電極芯棒と金属箔との接合部近傍において側管部を構成する石英ガラスと電極芯棒、及び、電極芯棒と金属箔との接合部の周囲に形成された微小な微小空間部が、発光管の内部圧力により押し広げられた結果、側管部の石英ガラス層と金属箔の界面が剥れて側管部の内部で金属箔が浮いた状態、すなわち箔浮き現象が生じて、耐圧力性が著しく低下するためである、と考えられている。
【０００８】
更に最近では、動作時における水銀蒸気圧が２００〜３００ＭＰａとなるようなランプが要求されており、このような高い水銀蒸気圧においてはランプ点灯中、箔浮きの発生及びそこから生じるクラックの成長が促進されるため、側管部の耐圧力性がよりいっそう要求される。
上記要請に鑑み、耐圧力性を向上させるために側管部の直径を大きくして側管部における石英ガラス管層の厚みを大きくすると、光の利用効率を低下させてしまうので、結果的に動作圧力を増大させたことによる効果が得られなくなってしまう。このため、発光管部も含めランプ全体を大きくすると従来からの要請である光源の小形化を達成できなくなる。
【０００９】
そこで、本願発明は、側管部における箔浮き発生を防止することにより、耐圧力性の向上を図ることができて照度維持率の及び演色性の向上及び小型化を達成することが可能な高圧水銀ランプを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本願請求項１記載の発明は、石英ガラスからなり発光管部に側管部が連設された発光管と、前記発光管部の内部にその先端が突出し、シュリンクシールにより前記側管部に気密に埋設されたモリブデンよりなる金属箔の内端部に、その後端が接続されてなるタングステンよりなる電極芯棒と、前記発光管部内に封入された所要のハロゲン化物及び発光管内容積に対し０．１５ｍｇ／ｍｍ ^３以上封入された水銀と、を備えた高圧水銀ランプであって、前記側管部の内部に、該側管部を構成する石英ガラス層、前記電極芯棒及び前記金属箔により囲まれた前記発光管部内部空間に連通する微小空間部が形成され、前記側管部の、前記金属箔の内端から外方に０．５ｍｍ離間した位置における断面において、前記電極芯棒の全周の長さをＡ（ｍｍ）、該電極芯棒が前記微小空間部に露出する該電極芯棒の外周部長さの和をａ（ｍｍ）としたとき、ａ／Ａの関係が０．０５以上０．１８以下の範囲にあることを特徴とする。
【００１１】
【作用】
本願発明によれば、側管部において電極芯棒の外周部に沿って形成される微小空間部を制御することで、その他の高圧水銀ランプの仕様を何ら変更することなく、当該隙間から金属箔の面方向に広がる箔浮き現象を抑えることができるようになる。その結果、箔浮き現象を防止できるようになり、側管部の破損を防止でき、高い耐圧力性を有する高圧水銀ランプを提供できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の高圧水銀ランプ（以下、単に「ランプ」ともいう）の全体構成を示す。
高圧水銀ランプの発光管は、石英ガラスからなり、大略楕円球形の発光管部１１を有し、この発光管部１１の内部空間に陰極側電極２０１と陽極側電極２０２が互いに対向するよう配置されている。また、発光管部１１の両端部から伸びるよう各々側管部１２，１２が形成され、これらの側管部１２，１２内には、通常モリブデンよりなる導電用金属箔２１，２１が気密に埋設されており、陰極側電極２０１および陽極側電極２０２の各々をその先端に有する電極芯棒２０、２０の基端部が該金属箔２１、２１の一端部に溶接されて電気的に接続される。この金属箔２１、２１の他端部には、外部に突出する外部リード棒２２，２２が溶接されている。
【００１３】
発光管部１１内には所定の水銀と、希ガスと、ハロゲンガスが封入されている。
水銀は、必要な可視光波長、例えば、波長３８０〜７８０ｎｍという放射光を得るためのもので、０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上封入されている。この封入量は、温度条件によっても異なるが、点灯時１５０ＭＰａという極めて高い蒸気圧を達成させる。また、水銀をより多く封入することで点灯時の水銀蒸気圧２００ＭＰａ以上、３００ＭＰａ以上という高い水銀蒸気圧の高圧水銀ランプを作ることができ、水銀蒸気圧が高くなるほどプロジェクタ装置に適した光源を実現することができる。
希ガスは点灯始動性の改善に寄与するものであり、例えばアルゴンガスが約１３ｋＰａ（２５℃換算）封入される。
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る。具体的なハロゲンの封入量は、例えば、１０^−６〜１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲から選択できるものであって、その機能はハロゲンサイクルを利用したタングステン製電極の長寿命化である。
【００１４】
このような高圧水銀ランプの寸法は、例えば、発光部の最大外径部断面の直径が１１．０〜１２．０ｍｍ、電極間距離が１．０〜２．０ｍｍ、発光管内容積が１００〜１５０ｍｍ^３である。また、管壁負荷は０．８〜２．０Ｗ／ｍｍ^３、定格電圧６５〜１０２Ｖ、定格電力１３０〜２００Ｗである。また、電極芯棒は、外径が０．４〜０．８ｍｍ、全長９．０〜１０．０ｍｍであり、金属箔の全長１２．０〜１５．０ｍｍ、幅方向の長さ１．０〜２．０ｍｍ、厚み１５〜２５μｍである。この高圧水銀ランプは、前述した液晶プロジェクタ、オーバーヘッドプロジェクタ等のプレゼンテーション用機器に搭載され、演色性に優れた放射光を提供することができる。
【００１５】
図２は、図１中の線分Ｐ−Ｐ’で切断した側管部の矢視断面図であり、金属箔の内端２１ａからランプ管軸外方向に０．５ｍｍ離間した位置における側管部１２の断面図である。
図２において、金属箔２１のほぼ中央部分に電極芯棒２０が溶接により接続されている。同図に示すように、側管部１２には、当該側管部１２を構成する石英ガラス層、電極芯棒２０及び金属箔２１によって微小空間部Ｓ１、Ｓ２が形成される。
微小空間部Ｓ１、Ｓ２は、仮に電極芯棒２０と金属箔２１の間に溶融した石英ガラスが流入できたとしてもその後冷却される過程で各部材が熱収縮するため側管部１２に不可避に形成されてしまう空間である。なお、この微小空間部Ｓ１、Ｓ２は、電極芯棒２０の外周部に沿って形成されるので、発光管部（１１）内部の空間と連通しており、従って、ランプ動作時は発光管部（１１）の内部と同様に圧力が掛かるようになる。
【００１６】
ここで、図２に示すように電極芯棒の外周部の全長をＡ（ｍｍ）とし、当該電極芯棒２０が微小空間部Ｓ１、Ｓ２に露出する外周部の弧の長さをそれぞれ、ａ_１（ｍｍ）、ａ_２（ｍｍ）としその和ａ_１＋ａ_２（ｍｍ）をａ（ｍｍ）とすると、ａ（ｍｍ）をＡ（ｍｍ）で除した数値つまりａ／Ａが、０．０５以上０．１８以下の範囲とされている。
【００１７】
上記構成によれば、微小空間部から金属箔と側管部を構成する石英ガラス層との間に成長する間隙を抑えることができるようになり、ランプの動作時に１５０ＭＰａ以上という高い圧力に対しても十分な耐圧力性を有するランプとなる。これは、電極芯棒の全外周部に対する石英ガラスとの密着領域が確保されていることによる。
なお、上述した数値例に係る高圧水銀ランプにおいてＡ（ｍｍ）、ａ_１（ｍｍ）ａ_２（ｍｍ）の数値例を挙げると、Ａは０．８〜３．０（ｍｍ）、ａ_１及びａ_２は０．０５〜０．２５（ｍｍ）とされる。
ところで、本願発明によれば、石英ガラスと電極芯棒とは完全に密着している方が耐圧力性の観点からより好ましいと考えられるが、ａ／Ａの値が０．０５未満になると、ランプの点灯／消灯を繰返す間に、電極芯棒と側管部との構成材料の熱膨張率、収縮に伴い各々部材の間に応力が発生し、箔浮き現象を助長するため、問題となってしまう。よって、ａ／Ａの値は０．０５以上であるのが良い。
ａ／Ａの値が、０．０５以上であればランプの各部を構成する部材の材質に由来して、熱膨張、収縮を生じたとしても、応力を緩和できるようになる。
【００１８】
更に、図２の側管部断面図において金属箔の長さＢ（ｍｍ）とし、当該金属箔が微小空間部に露出する外周部の長さをｂ１（ｍｍ）、ｂ２（ｍｍ）とし、その和ｂ_１＋ｂ_２（ｍｍ）をｂ（ｍｍ）とすると、ｂ／Ｂが０．０５以上０．３９以下とされる。
ここで、上記Ｂ（ｍｍ）、ｂ_１（ｍｍ）、ｂ_２（ｍｍ）についての具体的な数値例を挙げると、Ｂは１．０〜１．８（ｍｍ）、ｂ_１及びｂ_２は０．０３〜０．３（ｍｍ）である。
【００２１】
ここで上述のランプについて図１を参照し各部の具体的な数値例を述べると、電極芯棒２０の外径は０．２１ｍｍである。側管部１２の外径は、直径約φ５．５ｍｍ、発光管部１１との境界１２ａから後端１２ｂまでの長さは約２０ｍｍである。金属箔２１は略帯状で全長１４ｍｍ、厚み２０μｍ、幅１．５ｍｍである。
以上の構成に係る高圧水銀ランプによれば、１５０ＭＰａ以上の高い動作圧力で点灯される高圧水銀ランプにおいても、発光管側管部におけるクラック発生及び促進が低減されて極めて高い耐圧力性を有する高圧水銀ランプを提供することができる。
【００２２】
【実施例】
図１〜３に示されている構成に従い、電極芯棒が微小空間部（Ｓ１、Ｓ２）に露出する外周部の長さの和（ａ）、及び、金属箔が微小空間部（Ｓ１、Ｓ２）に露出する外周部の長さの和（ｂ）が異なること以外は、各々ほぼ同一の仕様である、定格電圧８０Ｖ、定格電力２００Ｗの直流点灯用の高圧水銀ランプを製作した。なお、前記ａ、ｂの大きさを変えることは、図３に示されているバーナーを走査する領域（Ｒ）の大きさと、加熱時間を変化させてシールを行うことによった。
【００２３】
上述したａ／Ａの関係が０．０５以上０．１８以下であってｂ／Ｂの関係が０．０５以上０．３９以下の範囲にある実施例に係る高圧水銀ランプを１０本製作した（実施例１〜実施例１０）。実施例に係るランプはいずれも、シュリンクシール工程において図３に示す発光管部（１１）と側管部（１２）との境界であるくびれ部（Ｒ_０）から管軸方向外側に約１ｍｍ離間した箇所にバーナー火炎の中心をおき、そこから外方向に４ｍｍ乃至７ｍｍの範囲に火炎中心がくるようにバーナーを走査してシールしたものである。なお、バーナーによる加熱温度は約１８００℃〜２２００℃で、焼きこみ時間は約４５〜６７ｓ間であった。
【００２４】
従来技術に係る高圧水銀ランプを５本用意して、比較例１〜比較例５とした。
比較例に係るランプはいずれも、図３に示す、くびれ部（Ｒ_０）から管軸方向外側に約２ｍｍ離間した箇所にバーナーの火炎の中心をおいてそこから約４ｍｍバーナーを走査して焼きこみ、シールしたものである。なお、加熱温度は約１８００℃〜２２００℃で、焼きこみ時間は約２７〜３３ｓ間であった。
【００２５】
上述の実施例、比較例に係る各高圧水銀ランプは、発光管（１０）の発光管部（１１）の最大径が１１．３ｍｍ、電極棒（２０）の外径が約０．８ｍｍ、側管部（１２）の外径が約５．５ｍｍ（外周１７．３ｍｍ）、金属箔（２１）の長さ１４．０ｍｍ、幅１．５ｍｍ、厚み２０μｍ、発光管部（１１）全長１３ｍｍ、側管部（１２）全長２０ｍｍ、発光管くびれ部（Ｒ_０）から金属箔（２１）内端までの距離３．５ｍｍであった。また電極（２０１、２０２）の電極間距離Ｇは１．０ｍｍであった。
また、発光管部（１１）の内部には、水銀０．１５ｍｇ／ｍｍ^３、希ガスであるアルゴン（Ａｒ）が１０ＫＰａおよびハロゲンである臭素が５×１０^−４マイクロモル／ｍｍ^３となる量でそれぞれ封入された。
【００２６】
【実験例１】
上述した実施例１〜１０及び比較例１〜５に係る全ての高圧水銀ランプについて、定格条件で５０時間点灯した。点灯後、金属箔と側管部の石英ガラス層との界面に形成された箔浮きの状態を目視観察した。
【００２７】
以上の実験例の結果をまとめて表１に示す。
【００２８】
【表１】

【００２９】
表１に示すようにａ／Ａの値が０．０５以上、０．１８以下の範囲にある実施例に係るランプにおいては何れも箔浮き現象を発生しないことが確認された。
【００３０】
【実験例２】
上記実験例から更に、実施例１〜１０に係るランプ、比較例１〜５に係るランプのそれぞれについて、定格条件で連続点灯した。
本願発明の実施例に係るランプにおいては、１０００時間以上点灯後も照度６０％を維持し、破裂などの問題を発生することなく点灯することが確認された。
一方、比較例に係るランプはいずれも５０時間以内に側管部の箔浮きが発生して、ガスのリークが発生し、不点灯になってしまった。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本願発明に係る高圧水銀ランプによれば、側管部に発生する金属箔から金属箔の面方向に広がる箔浮き現象を抑えることができて、高い耐圧力性を有する高圧水銀ランプを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る高圧水銀ランプの全体図を示す。
【図２】本発明に係る高圧水銀ランプの側管部断面図を示す。
【図３】ショートアーク型超高圧水銀ランプの製造工程を説明する図である。
【符号の説明】
１１発光管部
１２側管部
２０電極芯棒
２０１、２０２電極
２１金属箔
２１ａ金属箔内端
２２外部リード棒
Ｓ１、Ｓ２微小空間部

Claims

石英ガラスからなり発光管部に側管部が連設された発光管と、前記発光管部の内部にその先端が突出し、シュリンクシールされることにより前記側管部に気密に埋設されたモリブデンよりなる金属箔の内端部に、その後端が接続されてなるタングステンよりなる電極芯棒と、前記発光管部内に封入された所要のハロゲン化物及び発光管内容積に対し０．１５ｍｇ／ｍｍ ^３以上封入された水銀と、を備えた高圧水銀ランプであって、
前記側管部の内部に、該側管部を構成する石英ガラス層、前記電極芯棒及び前記金属箔により囲まれた前記発光管部内部空間に連通する微小空間部が形成され、
前記側管部の、前記金属箔の内端から外方に０．５ｍｍ離間した位置における断面において、前記電極芯棒の全周の長さをＡ（ｍｍ）、該電極芯棒が前記微小空間部に露出する該電極芯棒の外周部長さの和をａ（ｍｍ）としたとき、ａ／Ａの関係が０．０５以上０．１８以下の範囲にあることを特徴とする高圧水銀ランプ。