JP4281661B2 - 超高圧水銀ランプ - Google Patents

Description

本発明は、主に液晶プロジェクタ等のバックライト用の光源として使用される超高圧水銀ランプ（以下、単にランプとも称す）に関する。特に、発光管内に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気圧以上に達する超高圧水銀ランプに関する。

近年、プレゼンテーション、セミナー、会議、学校の授業等で、パソコン上の画面を大画面のスクリーン上に投影させるプロジェクタ装置が注目を集めている。このようなプロジェクタ装置は、映像方式によって液晶方式と、ＤＬＰ（デジタル・ライト・プロセッシング）方式の２つに大別できる。

このうち、プロジェクタ装置の仕様として、最も普及しているのは液晶方式である。液晶方式とは、ＲＧＢ（赤・緑・青）の液晶パネルに光源からの光を当てて映像を投影するものである。液晶方式を採用したプロジェクタ装置は、ＲＧＢ各色のパネルを使用する３枚式のものが多い。３枚式のプロジェクタ装置は、画素数が３倍になるので解像度が高いという利点を有する。
これに対し、ＤＬＰ方式は、映画上映を行うなどの実績をあげており、高画質、高輝度であることが評価されて近年急速に市場を拡大している。ＤＬＰ方式とは、基板上に数十万個から百数十万個のマイクロミラーを並べたＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）チップをデジタル制御して映像を投影する仕組みである。ＤＬＰ方式は、液晶方式と比較して、高輝度であり、さらには、液晶パネルを必要としないのでプロジェクタ装置自体を小型化できる、という利点を有する。

上記のプロジェクタ装置は、スクリーンに対して均一に、しかも十分な演色性を持って画像を照明させることが必要であるため、光源として水銀やハロゲン化物が封入されたメタルハライドランプが使用されている。近年、上記プロジェクタ装置、とりわけ、ＤＬＰ方式のプロジェクタ装置は、一層の高輝度化、小型化を図る傾向にあるため、光源の高輝度化、小型化が強く要求されている。
このような理由から、近年では、メタルハライドランプに代えて点灯時の水銀蒸気圧が２００バール（約１９７気圧）以上に達する超高圧水銀ランプがプロジェクタ装置用の光源として使用されてきている。この超高圧水銀ランプは、特許文献１、２に示すように、中央部分に形成された球状の発光部と、該発光部の両端に形成された封止部とを備えた発光管の内部に一対の電極が配置され、封止部には電極の一部分と電極の基端部が接続された金属箔とが埋設されて気密にシールされた構造である。かかる超高圧水銀ランプを使用することにより、点灯時の水銀蒸気圧を高くすることによってアークの広がりを抑えるとともに、一層の光出力の向上を図ることができる。

しかしながら、超高圧水銀ランプは、点灯時間の経過とともに発光管の透過率が低下することにより照度維持率が著しく低下するという問題を有する。このような照度維持率低下は、ランプ点灯時に蒸発した電極構成物質であるタングステンが発光管の内壁に付着して、発光管が黒化することが主な原因と考えられている。従って、特許文献３に示すように、発光管の内部に封入されたハロゲンによるハロゲンサイクルを利用することにより、発光管内壁へのタングステンの付着を抑制することが提案されている。
また、特許文献４に示すように、発光管内に一定量の酸素を封入することにより、電極から蒸発して飛散するタングステン、酸素及びハロゲンからなる化合物を生成し、かかる化合物が解離してタングステンが電極に再度戻る、というオキシハロゲンサイクルを活性化し、高い照度維持率を得るということも提案されている。

その一方で、上記のようなハロゲンサイクルを長時間継続させるための手段として、例えば特許文献５には、発光空間内に存在するナトリウム、カリウム、リチウム、クロム、鉄及びニッケルのような不純物金属元素と、ランプ動作時に電極から蒸発したタングステンとの和よりも多量のハロゲンを発光管内に封入することが提案されている。これは、発光管内に不純物金属が存在すると、ハロゲンが電極から蒸発したタングステンと反応する前に発光空間内に存在する不純物金属と反応するため、ハロゲンサイクルに寄与できないハロゲンの割合が増加することによりハロゲンサイクルの維持に必要なハロゲン量を確保できなくなり、ハロゲンサイクルが阻害されることに起因して発光管が黒化することを防止するためである。
特開平２−１４８５６１号 特開平６−５２８３０号 特許第３２１６８７７号 特開２００２−７５２６９号 特許第３３１９７４２号

ところが、上記公報に記載の技術によっても、点灯時間の経過とともに電極構成物質であるタングステンが発光管の内壁に付着して発光管に黒化が生じることを十分に防止することはできず、長時間に渡って高い照度維持率を確保することが困難である、という問題を有していた。
さらには、超高圧水銀ランプにおいては、封止部内に気泡が残存することにより、点灯時に気泡が存在する箇所においてクラックが発生して、リークまたは破裂等の問題が生じる場合がある。このようなクラックは、ランプの製造段階において電極等に付着もしくは含有される不純物が蒸発し、ガス状態で封止部に残存することによって生成する気泡に起因するものであり、具体的には、ランプ点灯によって高温状態となった封止部において圧力分布が生じ、特に気泡が残存する箇所のような耐圧強度の低い箇所に圧力が集中することによって発生する。しかし、上記公報にはこのような問題点については言及されていない。

以上から、本発明は、発光管に黒化やクラックが生じるという不具合を確実に防止することによって、長時間点灯させた場合にも高い照度維持率を維持することが可能であり、信頼性の高い超高圧水銀ランプを提供することを目的とする。

＜黒化防止に対して＞
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討したところ、電極から発光空間内へ不純物金属が供給されることを抑えるだけではなく、電極に含まれる炭素等の不純物ガス成分が発光空間内へ供給されることを抑制する必要があることに着目した。すなわち、ランプ点灯中に発光空間内に炭素が放出されると、発光管内において上記したオキシハロゲンサイクルに必要な酸素と炭素が反応してＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ等を生成することによってハロゲンサイクルを阻害してしまうため、発光空間内へ炭素を放出しないようにすれば上記問題の解決に有効であることに着目したのである。

さらに、本発明者は、発光空間内へ放出される酸素の量を抑えることが有効であることを見出した。すなわち、点灯中に発光空間内へ酸素が放出されると、点灯時に高温となる電極に含まれる炭素が拡散することを促進し炭素が発光空間へ放出されることを助長し、さらには、発光空間内において酸素が過剰に存在してオキシハロゲンサイクルのバランスを崩す原因にもなるため、電極中に含まれる酸素の量を低減する必要がある。

＜気泡防止について＞
本発明者は、封止部内に気泡が残存しているランプについて分析調査を行ったところ、気泡を構成する不純物ガスの主成分が炭素及び酸素である可能性の高いことを確認した。すなわち、電極における炭素及び酸素の含有量を低減することが、気泡の発生を防止するために有効であることを見出した。

以上から、本発明者は、超高圧水銀ランプの電極に含まれる炭素及び酸素の量を低減することが発光管の黒化及び封止部のクラック防止に極めて有効であることを見出して本発明を完成したのである。すなわち、本発明は、発光管内に一対の電極が配置され、該発光管内に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀とハロゲンとが封入された超高圧水銀ランプにおいて、前記電極は、炭素の含有量が１０重量ｐｐｍ以下であり、かつ、酸素の含有量が１０重量ｐｐｍ以下のタングステンからなることを特徴とする。

本発明の超高圧水銀ランプによれば、発光管内に配置された一対の電極は炭素の含有量が１０重量ｐｐｍ以下と規定されていることにより、ハロゲンサイクルを阻害する要因となる炭素が発光空間内へ放出されることを抑制することができる。さらには、酸素の含有量が１０重量ｐｐｍ以下と規定されていることにより、ランプ点灯時に電極が高温状態となっても、電極中における炭素の拡散が促進されることがなく、電極から炭素が放出されることを助長することもない。従って、ランプを長時間点灯させた場合にも、点灯時間の経過とともに発光管が黒化する、という問題の発生を確実に抑制することができる。さらに、本発明の超高圧水銀ランプによれば、従来のランプにおいて封止部内に気泡が残存する不具合の主たる要因である電極中に含まれる炭素及び酸素の含有量を極めて低い値に規定することにより、ランプの製造段階において封止部に気泡が残存することがない、という効果も期待できる。
従って、長時間点灯させた場合にも高い照度維持率を維持することが可能であり、信頼性の高い超高圧水銀ランプを提供することができる。

図１は、本発明の超高圧水銀ランプの長手方向における断面図を示す。
超高圧水銀ランプ１００は、例えば石英ガラスからなる発光管１を有する。発光管１は、略球状の発光部１１と、発光部１１の両端に繋がるロッド状の封止部１２とを有する。発光部１１内部の発光空間Ｓにおいて、陰極２と陽極３が対向して配置されている。陰極２は、タングステンからなる先端が鋭利な棒部材２１と、棒部材２１の先端近傍にタングステンからなる線材を巻き回すことによって形成されたコイル部２２とから構成されている。陽極３は、タングステンからなる棒部材から構成された軸部３１と、該軸部３１の先端に設けられたタングステンからなる太径部３２とを有する。太径部３２は、前方側（陰極２側）及び後方側（基端部３１１側）にテーパー部を有し、全体が略円柱形状である。各々の封止部１２は、例えばモリブデンからなる給電用の金属箔４が埋設されて気密に封止されている。この金属箔４は、一端に陰極２若しくは軸部３１の基端部２１１若しくは基端部３１１が溶接されて電気的に接続され、他端に封止部１２から外方に突出する給電用の外部リード５が溶接されて電気的に接続されている。
このような超高圧水銀ランプ１００は、外部リード５に不図示の給電用電源が電気的に接続されて、直流点灯方式にて点灯される。

発光管１内には、水銀、ハロゲンガス、及び希ガスが封入されている。
水銀は、必要な可視光波長、例えば３６０〜７８０ｎｍという放射光を得るためのもので、点灯時における水銀蒸気圧が１５０気圧以上となるように０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上封入されている。水銀量は、温度条件によっても異なるが、所望の水銀蒸気圧に応じて適宜変更することができる。
希ガスは、点灯始動性を改善するため、例えばアルゴンガスが１３ｋＰａ封入されている。
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、封入量は、２×１０^−４〜７×１０^−３μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲であって、例えば５×１０^−４μｍｏｌ／ｍｍ^３である。その機能は、ハロゲンサイクルを利用した長寿命化であり、さらに、本発明の放電ランプのように極めて小型で高い内圧を有するものにおいては発光管の失透防止を主な目的としている。

陰極２及び陽極３は、炭素の含有量が１０重量ｐｐｍ以下であり、かつ、酸素の含有量が１０重量ｐｐｍ以下であり、以下に示す真空熱処理法によって脱ガス処理が行われる。
陰極および陽極は、その全体に対し真空雰囲気中における高温での熱処理が施されることによって、陰極、陽極を構成するタングステンからなる部材に含まれる炭素及び酸素を除去する。具体的には、処理温度が１８００〜２３００℃の範囲であって、例えば２１８０℃であり、処理時間が６０〜１８０分の範囲であって、例えば１２０分である。

ここで、上記超高圧水銀ランプ１０の数値例について以下に説明する。
発光部１１の最大外径は、９ｍｍ〜１３ｍｍの範囲から選択されて、例えば１１．３ｍｍである。発光部１１の内容積は、６０ｍｍ^３〜２５０ｍｍ^３の範囲から選択されて、例えば１１６ｍｍ^３である。陰極２のうち発光空間Ｓ内に存在する部分２ａの体積は、１．５ｍｍ^３〜１０ｍｍ^３の範囲から選択されて、例えば３．０ｍｍ^３である。陽極３のうち、発光空間Ｓ内に存在する部分３ａの体積は、５．５ｍｍ^３〜５０ｍｍ^３の範囲から選択されて、例えば１５ｍｍ^３である。電極間距離は、０．９ｍｍ〜１．６ｍｍの範囲から選択されて、例えば１．２ｍｍである。管壁負荷は、０．８Ｗ／ｍｍ^２〜４Ｗ／ｍｍ^２の範囲から選択されて、例えば１．６Ｗ／ｍｍ^２である。定格電圧は、５５Ｖ〜８０Ｖの範囲から選択されて、例えば６５Ｖである。定格電力は、１２０Ｗ〜３５０Ｗの範囲から選択されて、例えば２００Ｗである。

以上のような本発明の超高圧水銀ランプによれば、発光管内に配置された一対の電極は炭素の含有量が１０重量ｐｐｍ以下と規定されていることにより、ハロゲンサイクルを阻害する要因となる炭素が発光空間内へ放出されることを抑制することができる。さらには、酸素の含有量が１０重量ｐｐｍ以下と規定されていることにより、ランプ点灯時に電極が高温状態となっても、電極中における炭素の拡散が促進されることがなく、電極から炭素が放出されることを助長することもない。従って、ランプを長時間点灯させた場合にも、点灯時間の経過とともに発光管が黒化する、という問題の発生を確実に抑制することができる。
さらに、本発明の超高圧水銀ランプによれば、従来のランプにおいて封止部内に気泡が残存する不具合の主たる要因である電極中に含まれる炭素及び酸素の含有量を極めて低い値に規定することにより、ランプの製造段階において封止部に気泡が残存することがない、という効果も期待できる。

以下、本発明の作用効果を確認するために行った実験例について説明する。無論、本発明の作用効果は以下の数値例に限定して得られるわけではない。

〔実施例〕
図１に示す構成に従い、電極（陰極２及び陽極３）に含まれる炭素の含有量及び酸素の含有量が本発明の範囲内にある超高圧水銀ランプを２本作製した。この超高圧水銀ランプの構成は以下のとおりである。
発光管１は、全長が８０ｍｍの石英ガラスからなる封体で構成され、発光部１１の最大外径が１２．５ｍｍ、発光部１１の内容積が２０２ｍｍ^３、封止部１２の外径が６ｍｍである。
陰極２は、タングステンからなる棒部材によって構成され、外径が１．２ｍｍ、全長が１１ｍｍであって、先端がテーパ状である。
陽極３を構成する軸部３１は、タングステンからなる棒部材から構成され、外径が
０．７８ｍｍ、全長が８．５ｍｍである。太径部３２は、前方側及び後方側にテーパー部を有しタングステンからなる円柱状部材からなり、最大外径が３ｍｍ、全長が５ｍｍである。
陰極２と陽極３との間の電極間距離は１．３ｍｍである。
発光管１内には、４１ｍｇの水銀、１３．３ｋＰａのアルゴンガス、５×１０^−４μｍｏｌ／ｍｍ^３の臭素ガスが封入されている。

〔比較例〕
電極（陰極及び陽極）に含まれる炭素の含有量及び酸素の含有量が本発明の範囲内にないことを除く他は実施例と同じ構成を有する従来の超高圧水銀ランプを８本作製した。

実施例及び比較例に係る超高圧水銀ランプのそれぞれについて、作製直後の点灯していないランプの気泡発生の有無を目視で確認した。また、２分間点灯させた後４０秒間消灯させるという動作を１０回繰り返し、発光管への黒化発生の有無について目視で確認した。さらに、ランプを５００時間連続点灯させた後の照度維持率について確認した。ランプの点灯条件は、何れも定格電圧が７０Ｖ、定格電力２７５Ｗである。その結果を表１に示す。

表１の「黒化の有無」の欄において、「◎」は全く黒化が確認されなかったことを示し、「○」は殆ど黒化が確認されなかったことを示し、「△」は一部にのみ黒化が確認されたことを示し、「×」は全体的に黒化が確認されたことを示す。表１の「気泡の有無」の欄において、「○」は気泡が発生しなかったことを示し、「△」は封止部の一部に気泡が発生したことを示し、「×」は封止部に対し全体的に気泡が発生したことを示す。表１の「照度維持率」の欄において、「○」は照度維持率が８０％以上であったことを示し、「△」は照度維持率が７０〜８０％の範囲内であったことを示し、「×」は照度維持率が７０％以下であったか若しくはランプが破損したことを示す。
表１に示すとおり、電極の炭素含有量及び酸素含有量が本発明の範囲内である実施例１、２に係る超高圧水銀ランプは、発光管が黒化することなく、封止部に気泡が発生することなく、さらには、５００時間連続点灯後にも８０％以上の照度維持率を確保することができた。これに対し、電極の炭素含有量及び酸素含有量が本発明の範囲内にない比較例１乃至８に係る超高圧水銀ランプは、黒化若しくは気泡或いはその両方が生じた。その結果、幾つかのランプにおいては、５００時間連続点灯後における照度維持率が８０％未満に低下することが判明した。

ここで、電極の温度が１６００℃以上になると、電極に含まれる炭素及び酸素が発光空間内に放出されることについて本発明者は確認している。そのため、ランプを長時間点灯させることに伴って、電極が高温状態となることによって電極に含まれる炭素及び酸素が発光空間内へ放出されることにより、電極に含まれる炭素及び酸素の量が製造直後と異なることがあり得る。この場合、長時間点灯後のランプに関しては、それが本発明の構成を有するものであるのか或いはそうではないのか特定することが困難となることがある。
そこで、以下に、本発明の構成を有するランプを確実に特定する方法を検討するために行った実験について説明する。

図１に示す構成に従い、以下の表２に示す仕様で超高圧水銀ランプを３本作製し、サンプル１乃至３とした。各々のサンプルを２５０Ｗ〜２７５Ｗの入力で連続点灯させた。その結果を図２、図３に示す。
図２は、ランプ点灯時における陰極の温度分布を示す図であり、縦軸が温度（℃）、横軸が陰極先端からの距離（ｍｍ）を示す。図３は、ランプ点灯時における陽極の温度分布を示す図であり、縦軸が温度（℃）、横軸が陽極先端からの距離（ｍｍ）を示す。図４は、図１に示す陰極及び陽極の拡大図を示す。

図２に示すように、陰極のうち先端からの距離Ｌ１が５ｍｍを超える領域Ａ（図４（ａ）参照）においては、全てのサンプルがランプ点灯時の温度が１６００℃未満となるため、点灯時に炭素ガス等が発光空間内に放出されることはなく、長時間点灯後であっても炭素及び酸素の含有量が製造直後と同じであると考えられる。一方、陰極先端からの距離が５ｍｍ未満の領域Ａ´においては、ランプの仕様によってはランプ点灯時において温度が１６００℃を超えるため、点灯時に陰極から炭素ガス等が発光空間へ放出され、長時間点灯後には炭素及び酸素の含有量が製造直後に比して低下すると考えられる。
図３に示すように、陽極先端からの距離Ｌ２が６ｍｍを超える領域Ｂ（図４（ｂ）参照）においては、全てのサンプルがランプ点灯時の温度が１６００℃未満となるため、点灯時に炭素ガス等が発光空間内に放出されることはなく、長時間点灯後であっても炭素及び酸素の含有量が製造直後と同じであると考えられる。一方、陽極先端からの距離が６ｍｍ未満の領域Ｂ´においては、陰極の場合と同様に、長時間点灯後には炭素及び酸素の含有量が製造直後に比して低下すると考えられる。

以上のような実験の結果から、本発明の構成を有する超高圧水銀ランプであるか否かを特定する際には、炭素濃度及び酸素濃度に関してランプ点灯による影響を受けない部位である、陰極における領域Ａ及び陽極における領域Ｂを分析して、炭素濃度及び酸素濃度を確認すれば良い。すなわち、領域Ａ及び領域Ｂにおける炭素濃度が１０ｐｐｍ以下であり、かつ、酸素濃度が１０ｐｐｍ以下であるならば、本発明の構成を有する超高圧水銀ランプに該当する。

ここで、ランプの電極に含まれる炭素及び酸素の含有量はいずれも燃焼分析法と呼ばれる手法により評価した。
すなわち、炭素成分については酸素気流中で助燃剤とともに試料を高周波炉で加熱して、試料中から発生するＣＯ、ＣＯ_２成分を赤外線吸収によって検出し、それらの検出量よりカーボン量を定量した。また、酸素成分については黒鉛ルツボ中で試料を加熱し、その際に発生するＣＯおよびＣＯ_２ガスをＨｅガスで流量制限し、赤外線吸収法によって、それらのガス成分を分析し、試料中に含有される酸素量を評価した。

尚、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、その他種々の変更を加えることができる。例えば、上記の実施形態は直流点灯方式の超高圧水銀ランプについて説明しているが、本発明の構成を交流点灯方式の超高圧水銀ランプに適用することもできる。

本発明の超高圧水銀ランプの長手方向における断面図を示す。 ランプ点灯時における陰極の温度分布を示す図である。 ランプ点灯時における陽極の温度分布を示す図である。 図１に示す陰極及び陽極の拡大図を示す。

符号の説明

１ 発光管
２ 陰極
３ 陽極
４ 金属箔
５ 外部リード
１１ 発光部
１２ 封止部
２１ 棒部材
２２ コイル部
３１ 軸部
３２ 太径部

Claims (1)

1. 発光管内に一対の電極が配置され、該発光管内に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、ハロゲンとが封入された超高圧水銀ランプにおいて、
   前記電極は、炭素の含有量が１０重量ｐｐｍ以下であり、かつ、酸素の含有量が１０重量ｐｐｍ以下のタングステンからなることを特徴とする超高圧水銀ランプ。

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