JP4186044B2

JP4186044B2 - 高圧放電ランプおよびその製造方法

Info

Publication number: JP4186044B2
Application number: JP2002343811A
Authority: JP
Inventors: 和久西田
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2002-11-27
Filing date: 2002-11-27
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2022-11-27
Also published as: JP2004178979A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放電ランプに関し、特にはハロゲンサイクルを利用する高圧放電ランプおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
キセノンランプ、高圧水銀ランプ、メタルハライドランプなどに代表される高圧放電ランプは、輝度が高く、演色性も良いことから、複写機やプロジェクター等の光源として広く用いられている。
【０００３】
通常、高圧放電ランプは、ハロゲンサイクルを利用してバルブ壁の黒化を防止する構造になっている（特許文献１参照）。図４に、高圧放電ランプの概略構成を示し、以下に、その高圧放電ランプの構成および動作ならびにハロゲンサイクルの原理を説明する。
【０００４】
図４を参照すると、この高圧放電ランプは、管状の石英ガラス製バルブ（以下、「石英バルブ」という）１０１内に、例えばタングステンよりなる一対の電極１０２ａ、１０２ｂが対向して配置された構造になっている。電極１０２ａ、１０２ｂは、先端部に冷却コイル１０４ａ、１０４ｂを備え、基部側がＭｏ（モリブデン）箔１０３ａ、１０３ｂに接合されている。石英バルブ１０１の両端は、電極１０２ａ、１０２ｂの基部およびＭｏ箔１０３ａ、１０３ｂとともに気密封止されている。電極１０２ａ、１０２ｂとＭｏ箔１０３ａ、１０３ｂとの接合は、例えば溶接により行われる。石英バルブ１０１内には、少量のハロゲンガスが放電発光を維持するのに必要な例えば水銀（Ｈｇ）および不活性ガスとともに予め封入される。
【０００５】
上記の高圧放電ランプでは、石英バルブ１０１の両端で封止されたＭｏ箔１０３ａ、１０３ｂにそれぞれ外部リード線（不図示）が接合されており、これら外部リード線に所定のトリガー電圧が印加される。トリガー電圧が印加されると、石英バルブ１０１内の不活性ガスの雰囲気下で両電極１０２ａ、１０２ｂ間にグロー放電が誘発され、これにより封入された水銀が気化し、高圧の水銀ガス中でプラズマ放電が生じる。
【０００６】
上記の動作状態において、プラズマ放電時に、水銀イオンおよび電子によるスパッタ現象が生じて、両電極１０２ａ、１０２ｂからタングステン原子（イオン化状態）が放出される。このようにして放出されたタングステン原子が石英バルブ１０１の内壁に付着してしまうと、バルブ壁が黒化する。
【０００７】
ハロゲンサイクルでは、両電極１０２ａ、１０２ｂから放出されたタングステン原子（イオン化状態）を予め封入しておいたハロゲン原子と結合させてハロゲン化タングステンを形成する。このハロゲン化タングステンは、石英バルブ１０１内を熱対流により浮遊し、電極１０２ａ、１０２ｂ付近で高温にさらされることによって、タングステン原子とハロゲン原子に分離される。分離したタングステン原子は、電極１０２ａ、１０２ｂに付着し、これにより電極再生が行われる。一方、分離したハロゲン原子は再びハロゲン化タングステン形成に寄与する。この一連の反応の繰り返しがハロゲンサイクルであり、これにより、上記のバルブ壁の黒化が防止される。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−１２４２１０号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の高圧放電ランプにおいては、ハロゲンガスを取り扱うため、大型のガス供給装置および除害設備が必要である。このため、製造設備が非常に高価なものになっていた。
【００１０】
また、ハロゲンサイクルの効率は、
（１）放出されるタングステン原子の量に対してハロゲン原子の量が少ない。
【００１１】
（２）石英バルブ内の不純物ガスの量が多いために、タングステン原子がハロゲン原子と結合する確率が少なくなる。
【００１２】
（３）動作条件により、スパッタリングされるタングステン原子の量が多くなる。
などの要因により低下する。ハロゲンサイクルを効率良く行うためには、石英バルブ内に適切な量のハロゲン元素を精度良く封入する必要がある。現在、ハロゲン元素の石英バルブ内への封入は、ハロゲン元素を不活性ガスと混合し、その混合ガスを既知の排気台装置を利用して石英バルブ内に封入することで行われているが、石英バルブの排気台装置への取り付け精度や混合ガスの封入精度が悪いため、石英バルブ内に封入されるハロゲンガスの量に数％のばらつきを生じるのが現状である。このため、超高圧水銀ランプのような体積の小さなランプ内に適切な量のハロゲンガスを高精度に封入することは困難であった。
【００１３】
本発明の目的は、上記各問題を解決し、適切な量のハロゲン元素を高精度に封入することのできる、高圧放電ランプおよびその製造方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の高圧放電ランプは、気密封止されたガラス製バルブ内に一対の電極が配置された高圧放電ランプであって、前記電極の少なくとも一方に、前記ガラス製バルブ内に放出された状態で１０ ^-8 〜１０ ^-2 μｍｏｌ／ｍｍ ³ となる量のハロゲン元素が注入されていることを特徴とする。この構成によれば、ハロゲン元素の電極への添加量は原子数単位で制御することができるので、バルブ内に所望の量のハロゲン元素を容易、かつ、高精度に封入することが可能となる。
【００１５】
上記の場合、前記電極は、前記先端部が互いに対向するように配置されており、当該先端部の表面から少なくとも３０ｎｍ以上の深さの部分に前記ハロゲン元素が打ち込まれていてもよい。この構成によれば、ランプ組み立て時の電極熱処理における、ハロゲン元素の熱による脱離がないので、バルブ内に封入されるハロゲン元素の量を正確に制御することが可能となる。
【００１７】
本発明の高圧放電ランプの製造方法は、少なくとも一方の電極に、気密封止されたガラス製バルブ内に放出された状態で１０ ^-8 〜１０ ^-2 μｍｏｌ／ｍｍ ³ となる量のハロゲン元素を注入した後、一対の電極を前記ガラス製バルブ内に組み込むことを特徴とする。この手法によれば、ハロゲンガスを取り扱う必要がないので、非常に高価で大型のハロゲンガスの関連設備（例えば、ガス供給装置や除外装置など）を導入する必要がない。
【００１８】
上記の場合、前記ハロゲン元素を注入する工程は、前記一対の電極のそれぞれの先端部の表面から少なくとも３０ｎｍ以上の深さの部分に前記ハロゲン元素をイオン注入により打ち込んでいてもよい。この手法によれば、ランプ組み立て時の電極熱処理における、ハロゲン元素の熱による脱離がないので、バルブ内に封入されるハロゲン元素の量を正確に制御することが可能となる。
【００１９】
また、前記ハロゲン元素の量は、前記ガラス製バルブ内に放出された状態で１０^-8〜１０^-2μｍｏｌ／ｍｍ³の範囲、より望ましくは、１０^-7〜１０^-4μｍｏｌ／ｍｍ³の範囲としてもよい。これにより、ハロゲンサイクルをより効率的に機能させることが可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００２１】
図１は、本発明の一実施形態である高圧放電ランプの要部を示す模式図である。本実施形態の高圧放電ランプは、電極２ａ、２ｂのそれぞれの先端部２１ａ、２１ｂの表面に所定の量のハロゲン元素がイオン注入により添加されている以外は、基本的には図４に示した従来のものと同じである。図１中、従来のものと同じ部分には同じ符号を付している。
【００２２】
電極２ａ、２ｂは例えばタングステンよりなり、互いの先端部２１ａ、２１ｂが対向するようにして石英バルブ１０１内に配置されている。電極２ａ、２ｂの基部側は、それぞれＭｏ箔１０３ａ、１０３ｂに接合されており、この接合部近傍において石英バルブ１０１の両端が気密封止されている。それぞれの先端部２１ａ、２１ｂには、例えばタングステンよりなる線を密に巻いた冷却コイル１０４ａ、１０４ｂが隣接して設けられている。先端部２１ａ、２１ｂは、ＹＡＧレーザ等により電極の一部と冷却コイルの一部を溶融することにより形成されたものであって、表面が滑らかな半球状（円錐台状）の形状をしている。先端部２１ａ、２１ｂの表面に打ち込まれるハロゲン元素（イオン）としては、例えば塩素（Ｃｌ^-）、臭素（Ｂｒ^-）、ヨウ素（Ｉ^-）などがある。
【００２３】
石英バルブ１０１内には、放電発光を維持するのに必要な例えば水銀（Ｈｇ）および不活性ガス（例えばアルゴン（Ａｒ）やキセノン（Ｘｅ）など）が封入されるが、従来のようなハロゲンガスの封入は行われない。ハロゲンガスの封入の代わりに、電極２ａ、２ｂのそれぞれの先端部２１ａ、２１ｂの表面にハロゲン元素が添加されている。水銀の封入量は、例えば０．１２〜０．３０ｍｇ／ｍｍ³の範囲が望ましい。不活性ガスの封入量は、分圧で約２０ｋＰａ程度が望ましい。
【００２４】
本実施形態の高圧放電ランプでは、Ｍｏ箔１０３ａ、１０３ｂにそれぞれ接続された外部リード線（不図示）に所定のトリガー電圧が印加されると、石英バルブ１０１内の不活性ガスの雰囲気下で両電極２ａ、２ｂ間にグロー放電が誘発され、これにより封入された水銀が気化し、高圧の水銀ガス中でプラズマ放電が生じる。また、トリガー電圧の印加と同時に、両電極２ａ、２ｂが所定の温度（２０００℃以上）まで瞬時に加熱され、それぞれの先端部２１ａ、２１ｂからハロゲン元素（イオン）が放出される。このようにして放出されたハロゲン元素（イオン）によってハロゲンサイクルが行われ、バルブ壁の黒化が防止される。
【００２５】
石英バルブ１０１内に放出されるハロゲン元素（イオン）の量は、ハロゲンサイクルを効率的に機能させる範囲、例えば１０^-8〜１０^-2μｍｏｌ／ｍｍ³の範囲、より望ましくは、１０^-7〜１０^-4μｍｏｌ／ｍｍ³の範囲である。ハロゲン元素（イオン）の放出量がその範囲から外れると、黒化が生じてしまい、安定したランプ動作は困難となる。本実施形態では、電極２ａ、２ｂへのハロゲン元素のイオン注入を制御することで、そのような好適な範囲でのハロゲン元素（イオン）の放出量を実現している。
【００２６】
以下、電極２ａ、２ｂへのハロゲン元素のイオン注入について説明する。
【００２７】
電極２ａ、２ｂに添加されたハロゲン元素は熱によって脱離することから、ハロゲン元素を電極２ａ、２ｂにイオン注入する際は、ランプ組み立ての際に行われる熱処理を考慮する必要がある。具体的には、そのような熱処理工程における電極加熱処理温度は最大で１１００℃程度であることから、イオン注入されたハロゲン元素は、その電極加熱処理温度より十分に高く、ランプ動作時の温度（例えば、２０００℃程度）以下においてそのほとんどが放出されるようにする必要がある。
【００２８】
ハロゲン元素を、例えば、表面から５０ｎｍ程度の深さにイオン注入した場合、注入されたハロゲン元素は、１１００℃程度の温度では放出されず、ランプ動作時における温度（２０００℃程度）においてそのほとんどが放出される。しかし、ハロゲン元素の注入深さが表面から２０ｎｍ以下である場合は、注入されたハロゲン元素は、１１００℃程度の温度で脱離してしまう。実験的には、１１００℃程度の温度でハロゲン元素の脱離を生じない注入深さの臨界点は、電極材料がタングステンの場合で３０〜４０ｎｍであり、少なくともこの臨海点以上の注入深さでハロゲン元素をイオン注入する必要がある。例えば、タングステン電極に臭素（Ｂｒ）イオンを注入深さ５０ｎｍで打ち込んだ場合は、電極加熱処理後において、注入した臭素（Ｂｒ）イオンは電極内に９９．９％の確率で残存することがこれまでの実験で確認されている。
【００２９】
注入深さは、イオン注入電圧（加速電圧）によって制御することができる。図２に、タングステン電極に臭素（Ｂｒ）をイオン注入した場合の、注入電圧と注入深さの関係を示す。この図２に示した関係から分かるように、注入電圧が小さければ、注入深さは浅くなり、注入電圧が大きければ、注入深さは深くなる。このように、注入電圧を制御することで、ハロゲン元素を所望の注入深さでイオン注入することができる。例えば、注入電圧を約３００ｋｅＶとすることで、注入深さを表面から５０ｎｍ程度にすることが可能である。
【００３０】
本実施形態の高圧放電ランプでは、電極２ａ、２ｂのそれぞれの先端部２１ａ、２１ｂに注入されるハロゲン元素の注入深さは、表面から５０ｎｍ程度としている。このため、イオン注入されたハロゲン元素は、ランプ組み立て工程における電極加熱処理温度でも脱離することがなく、ランプ動作時の温度（例えば、２０００℃程度）においてそのほとんどが放出される。この場合、石英バルブ１０１内に放出されるハロゲン元素（イオン）の量は、イオン注入されたハロゲン元素の量に応じて決まる。したがって、石英バルブ１０１の体積に応じてハロゲン元素の注入量を制御すれば、石英バルブ１０１内に放出されるハロゲン元素（イオン）の量を１０^-8〜１０^-2μｍｏｌ／ｍｍ³の範囲（より望ましくは、１０^-7〜１０^-4μｍｏｌ／ｍｍ³の範囲）内に抑えることができる。
【００３１】
例えば、体積が１５０ｍｍ³の石英バルブ１０１を用いて高圧放電ランプを作製する場合は、タングステンよりなる電極２ａ、２ｂのそれぞれの先端部２１ａ、２１ｂに９×１０¹³個（これはモル数にして１．５×１０^-4μｍｏｌに相当する）の臭素（Ｂｒ）イオンを表面から５０ｎｍの深さに打ち込むことで、ランプ動作時における、石英バルブ１０１内のハロゲン元素の含有量をほぼ１×１０^-4μｍｏｌ／ｍｍ³にすることができる。
【００３２】
以上のように、本実施形態の高圧放電ランプによれば、ランプ動作時における、石英バルブ１０１内のハロゲン元素の含有量を、イオン注入されるハロゲン元素の量によって制御することが可能である。この場合、原子数単位での注入量の制御が可能であるので、石英バルブ１０１内に、所望の量のハロゲン元素を容易、かつ、高精度に封入することができる。
【００３３】
次に、本実施形態の高圧放電ランプの製造手法を具体的に説明する。図３に、図１に示した高圧放電ランプの製造工程を示す。以下、図１および図３を参照して製造工程を説明する。
【００３４】
（バルブ形成工程：Ｓ１）
石英ガラス管を用いて、中央に膨らみ部を持つ石英バルブ１０１を作製する。この時点では、石英バルブ１０１の両端は未だ封止されていない。
【００３５】
（電極組み立て工程：Ｓ２）
タングステンよりなる棒状の電極２ａ、２ｂにそれぞれの先端部２１ａ、２１ｂ近傍に所定の金属よりなる冷却コイル１０４、１０４ｂを取り付けるとともに、それぞれの基部をＭｏ箔１０３ａ、１０３ｂに溶接する。さらに、Ｍｏ箔１０３ａ、１０３ｂのそれぞれにリード線を接続する。そして、既存のイオン注入装置を用いて、電極２ａ、２ｂのそれぞれの先端部２１ａ、２１ｂに、ハロゲン元素を表面から５０ｎｍの深さまでイオン注入する。こうして、ハロゲン元素がイオン注入された一対の電極アセンブリを作製する。なお、ハロゲン元素をイオン注入する工程は、熱的な問題（熱による脱離）がないのであれば、どのタイミングで行ってもよい。
【００３６】
（第１の電極組み込み工程：Ｓ３）
上記電極組み立て工程で作製した一対の電極アセンブリのうちの一方（以下、第１の電極アセンブリという）を、石英バルブ１０１の一端の開口（以下開口Ａという。）から挿入し、所定の位置に配置する。
【００３７】
（第１の排気工程：Ｓ４）
第１の電極アセンブリが配置された石英バルブ１０１の開口Ａを周知の排気台に取り付け、例えば１０^-2Ｐａ以下の真空度まで排気する。その後、不活性ガスを導入し、開口Ａ端を封じ切る。
【００３８】
（第１の封止工程：Ｓ５）
上記第１の排気工程で封じ切った、石英バルブ１０１の封止部分をガスバーナ等の局部加熱治具で加熱し、第１の電極アセンブリの、リード線、Ｍｏ箔、および電極基部を封止部分に埋設する。
【００３９】
（水銀導入工程：Ｓ６）
石英バルブ１０４の他端の開口（以下開口Ｂという）から、所定の量の水銀（Ｈｇ）を専用治具を用いて導入する。
【００４０】
（第２の電極組み込み工程：Ｓ７）
もう一方の電極アセンブリ（以下、第２の電極アセンブリという）を石英バルブ１０１の開口Ｂから挿入し、周知の治具を用いて、第１、第２の電極アセンブリの電極（電極２ａ、２ｂ）が所定の間隔となるように配置する。
【００４１】
（第２の排気工程：Ｓ８）
石英バルブ１０１の開口Ｂ側を排気台に取り付け、バルブ内の酸素分圧が例えば２．０×１０^-3Ｐａになるまで排気する。
【００４２】
（不活性ガス導入工程：Ｓ９）
石英バルブ１０１の開口Ｂから、不活性ガスとして、例えば分圧で２０ｋＰａとなる量のアルゴンガスを導入する。従来は、この不活性ガス導入工程の後、ハロゲンガスの導入が行われるが、本実施形態の高圧放電ランプの作製では、そのようなハロゲンガスの導入工程は不要である。不活性ガス導入後、石英バルブ１０１の開口Ｂ端をガスバーナで封じ切る。
【００４３】
（第２の封止工程：Ｓ１０）
石英バルブ１０１の封止部分（開口Ｂ側）をガスバーナ等の局部加熱治具で加熱し、第２の電極アセンブリの、リード線、Ｍｏ箔、および電極基部をその封止部分に埋設する。
【００４４】
上述の製造工程において、電極２ａ、２ｂのそれぞれの先端部２１ａ、２１ｂは、数回１０００℃以下の熱履歴を受けるが、ハロゲン元素は表面から５０ｎｍ程度の深さにイオン注入されているので、それらの熱履歴において熱による脱離はほとんど生じない。
【００４５】
上述した製造工程によれば、ランプ組み立て時にハロゲンガスを取り扱う必要がないので、従来使用されていたような、非常に高価で大型のハロゲンガスの関連設備（例えば、ガス供給装置や除外装置など）を導入する必要がなくなる。よって、非常にコンパクトな製造ラインでの製造が可能となる。
【００４６】
なお、上述した製造工程は、一例であって、適宜、工程を入れ替えても良い。例えば、水銀導入工程、不活性ガス導入工程はその順序が逆になってもよい。
【００４７】
以上説明した実施形態において、イオン注入を行う電極は一対の電極のいずれか一方だけでもよい。
【００４８】
また、所定の量のハロゲン元素を電極に添加して、石英バルブ１０１内のハロゲン元素の含有量を所望の値に制御することができるのであれば、イオン注入の他、どのような添加手法を用いてもよい。例えば、半導体製造工程で良く用いられている熱的な方法（溶融状態での添加や熱拡散など）を用いて、所定の量のハロゲン元素を電極に添加してもよい。この場合は、電極全体にハロゲン元素が添加されることになるので、組み立て工程における熱よって放出されるハロゲン元素が放出された後の、ランプ動作時において放出されるハロゲン元素の量を予め実験により取得しておき、その結果から、最適な添加量を推定する必要がある。
【００４９】
さらに、一対の電極は図１に示した構造に限定されるものではなく、高圧放電ランプに適用することができ、ハロゲン元素を添加することが可能なものであれば、どのような形状、構造のものを用いてもよい。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ハロゲン元素の電極への添加量は原子数単位で制御することで、石英バルブ内に所望の量のハロゲン元素を容易、かつ、高精度に封入することができる。この結果、黒化等の不具合のバラツキが非常に少なく、動作の安定した高圧放電ランプを提供することができる。
【００５１】
さらに、本発明によれば、ハロゲンガスを取り扱う必要がないので、非常に高価で大型のハロゲンガスの関連設備（例えば、ガス供給装置や除外装置など）を導入する必要がない。よって、従来のものと比べて、よりコンパクトで安価な製造設備でランプの生産を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である高圧放電ランプの要部を模式的に示す断面図である。
【図２】図１に示す高圧放電ランプにおける注入電圧と注入深さの関係を示すグラフである。
【図３】図１に示す高圧放電ランプの一連の製造手順を示す工程図である。
【図４】従来の高圧放電ランプの概略構成を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
２ａ、２ｂ、１０２ａ、１０２ｂ電極
２１ａ、２１ｂ先端部
１０１石英バルブ
１０３ａ、１０３ｂＭｏ箔
１０４ａ、１０４ｂ冷却コイル

Claims

気密封止されたガラス製バルブ内に一対の電極が配置された高圧放電ランプであって、
前記電極の少なくとも一方に、前記ガラス製バルブ内に放出された状態で１０ ^-8 〜１０ ^-2 μｍｏｌ／ｍｍ ³ となる量のハロゲン元素が注入されていることを特徴とする高圧放電ランプ。
前記電極は、前記先端部が互いに対向するように配置されており、当該先端部の表面から少なくとも３０ｎｍ以上の深さの部分に前記ハロゲン元素が打ち込まれていることを特徴とする請求項１に記載の高圧放電ランプ。
前記ハロゲン元素は、塩素、臭素、ヨウ素のいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載の高圧放電ランプ。
少なくとも一方の電極に、気密封止されたガラス製バルブ内に放出された状態で１０ ^-8 〜１０ ^-2 μｍｏｌ／ｍｍ ³ となる量のハロゲン元素を注入した後、一対の電極を前記ガラス製バルブ内に組み込むことを特徴とする高圧放電ランプの製造方法。
前記ハロゲン元素を注入する工程は、前記一対の電極のそれぞれの先端部の表面から少なくとも３０ｎｍ以上の深さの部分に前記ハロゲン元素をイオン注入により打ち込むことを特徴とする請求項４に記載の高圧放電ランプの製造方法。
前記ハロゲン元素は、塩素、臭素、ヨウ素のいずれかであることを特徴とする請求項４または５に記載の高圧放電ランプの製造方法。