JP4325518B2 - 超高圧水銀ランプ - Google Patents

Description

本発明は、液晶ディスプレイ装置やＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）を使用したＤＬＰ（デジタルライトプロセッサ）などのプロジェクタ装置に使用される、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気圧以上になる超高圧水銀ランプに関する。

液晶プロジェクタやＤＭＤを使用したＤＬＰ等に代表される投射型プロジェクタ装置においては、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るため、光源には、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が使用されている。最近では、このようなメタルハライドランプもより一層の小型化、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。

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、点灯時において、例えば１５０気圧以上と今までにない高い水銀蒸気圧を有するランプが提案されている。水銀蒸気圧をこのように高くすることにより、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ことができる。このような超高圧水銀ランプは、例えば特許文献１若しくは特許文献２に開示されている。

上記文献に開示されたランプによれば、中央部に球状の発光部を有する発光管内に、一対の電極が対向配置されており、発光管の内部空間には、発光物質としての水銀が０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上封入されるとともに、ハロゲンサイクルを行うために所定量のハロゲンガスが封入されている。

このような超高圧水銀ランプにおいては、例えば特許文献３に示すように、点灯始動時においてグロー放電からアーク放電への移行を容易にするために、電極先端の近傍にコイルを放電空間に露出して設けられることが多い。
特開平２−１４８５６１号 特開平６−５２８３０号 特開２００１−３１９６１７号

近年、プロジェクタ装置に使用される超高圧水銀ランプは、小型化と光出力の向上が強く要求されていることから、管壁負荷が高く、かつ、電極と発光管の内壁との距離が短くなる傾向にある。このような超高圧水銀ランプにおいては、ランプ点灯装置によって始動初期に直流電流を流して点灯させた場合、始動時におけるコイルからの放電により、コイル付近の発光管の内壁に電極構成物質であるタングステンが付着して発光管が黒化する、という不具合が生じることが判明した。そして、この場合には、発光管が黒化して光透過率が低下することにより、使用寿命が短くなる、という問題が生じる。

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであり、発光管に黒化が生じることを抑えて、使用寿命の長い超高圧水銀ランプを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の超高圧水銀ランプは、発光管内に、一対の電極を対向配置するとともに、発光物質として０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀を封入してなり、
前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極は、軸部と該軸部にコイルを巻き回すことにより形成された太径部とを有し、この太径部は、前記軸部の先端側に巻き回されてなる巻回部と、この巻回部の後方に繋がる湾曲部とからなり、前記湾曲部は、前記巻回部と前記軸部との間に楔状の空隙が形成されることのないように前記軸部との間に曲面を形成して前記軸部と一体化されていることを特徴とする。

さらに、前記湾曲部は前記軸部に溶融して一体化していることを特徴とする。

さらに、前記湾曲部は全周方向に形成されていることを特徴とする。

さらに、前記湾曲部は、電極の中心軸を含む断面において曲線部を有し、この曲線部に対する接線と軸部の稜線とでなす接触角が鈍角であることを特徴とする。

本発明者らは、発光管に黒化が生じる原因について検討したところ、ランプ始動直後のグロー放電からアーク放電に移行する際に、コイル後端を起点とする放電が起こっているときのコイル後端への電流集中に着目した。そして、このようなコイル後端への電流集中により、発光管内における化学反応によりコイル後端部にタングステンが蓄積して、数百時間の点灯により発光管の内壁に到達するまで成長することが原因であることを見出した。
以下、図５を用いて詳細に説明する。

図５は、電極の根元付近を拡大した図である。図５（ａ）、５（ｂ）は同一の構造を示すが、図５（ａ）が構成を説明するための符号を付しており、図５（ｂ）は発光管内の反応を説明するための符号を付している。図５（ｃ）は、図５（ａ）の太径部２２の近傍をさらに拡大した図である。

本発明者らは、ランプ点灯に伴い距離Ｌが短縮されていく原因を以下のように推測している。
超高圧水銀ランプを始動初期に直流電流を流して点灯させた場合において、始動初期数秒の放電形態をオシロスコープとビデオカメラにより観察すると、次のような現象が観察される。まず、絶縁破壊後、直流領域で陰極となる電極表面から数十ボルトの水銀アーク放電により始動し、その後、陰極表面の水銀が完全に蒸発した後、陽極との間で数百ボルトのグロー放電が行われる。グロー放電により陰極が十分に加熱されると、陰極からの熱電子の放出が容易となり、陽極との間で数十ボルトの熱アーク放電に移行する。このグロー放電においては、陰極２の全体を覆うような形態の放電が行われるが、コイルからなる大径部２２と軸部２１との間の鋭利な楔状の隙間Ｋにおいて、電流密度が高くなり、アーク放電へ移行する。
そして、この熱アーク放電の際に、コイルからなる太径部２２と軸部２１との間の鋭利な楔状の隙間Ｋに電流が集中すると、局所的に加熱されたタングステンは表面から放射状に飛散するように蒸発する。蒸発したタングステンは水銀および希ガスよりも電離電圧が低いためアークeにより容易に電離され、太径部２２の後端部から最も近い発光管１の内表面にアークeの経路を導く。その結果、図示のように発光管１の内面に高温のアークeが接触、あるいは衝突することになり、これが原因となって、発光管１の内面において局部的に凹みＨを形成するとともに、発光管１の構成材料である石英ガラス（ＳｉＯ_２）が蒸発する。蒸発したＳｉＯ_２は、放電プラズマによりＳｉとＯに分離して、陰極を構成するタングステンを酸化させ、結果、陰極２からタングステンの酸化物としての蒸発を招くことになる。このタングステンの酸化物がコイル後端部に輸送された際、酸素の脱離反応により破線のようにWとして堆積することで距離Ｌをより短くすることになる。ランプ始動のたびにある確率でこの現象が生じると、さらなる成長を招いてこれら反応サイクルの繰り返しにより発光管１の内面に接触するまで成長、蓄積したものと考える。

上記現象は、コイルと発光管内面が極めて近い放電ランプにおいて生ずるものではあるが、本発明者らはコイル後端部から生じる放電アークが、放電開始とともに電流集中を抑制することさえできれば、このような問題には発展しないことを見出したわけである。

本発明の超高圧水銀ランプによれば、発光管内にて対向する電極のうちの少なくとも一方に軸部にコイルを巻き回してなる太径部を有し、この太径部が巻回部の後方に繋がる湾曲部を有することにより、熱アーク放電の際の放電起点は各々の巻回部の間に存在する隙間となり、陰極と発光管の内壁との距離が最も短くなる箇所である、太径部の後端（湾曲部）が熱アーク放電の際に放電の起点となることを確実に防止することができる。このため、小型化すべく電極と発光管の内壁との距離が極めて短くし、かつ、光出力を増加すべく管壁負荷を大きくした超高圧水銀ランプにおいても、電極から蒸発したタングステンがタングステン酸化物となり、かかる酸化物が電極の太径部後端に蓄積することにより発光管が黒化する、という不具合を確実に防止することができる。その結果、使用寿命の長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を説明するための断面図である。
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。発光管１１の内部空間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、軸部２１と、軸部２１にコイルを巻き回すことにより形成される太径部２２と、を有する。陽極３は、軸部３１と、軸部３１の先端に設けられた太径部３２と、を有する。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、一端に軸部２１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。

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、１０^−６〜１０^−１μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲であって、例えば３．０×１０^−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も存在するが、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。

図２は、陰極の拡大図を示す。図２（ａ）は正面図を示し、図２（ｂ）は陰極２の中心軸を含む断面における要部拡大図である。図２において、図１と同一符号は同一部分を示す。

図２（ａ）に示すように、陰極２は、軸部２１と、軸部２１の先端２１０側に線状のタングステンをコイル状に巻き回すことにより形成される太径部２２と、を有する。詳細には、太径部２２は、線状のタングステンをコイル状に巻き回すことにより形成される複数の巻回部２２１と、この巻回部２２１の後方（基端部２１１側）に繋がる曲面を有する湾曲部２２２とを有する。
巻回部２２１は、点灯始動時においては、表面の凹凸効果により始動の種（始動開始位置）として機能するとともに、点灯後においては表面の凹凸効果と熱容量が増加することにより放熱の機能を有している。また、コイル状に巻き回されたタングステンは細線であり加熱されやすいため、前述のグロー放電から熱アーク放電への移行を容易にする機能がある。
湾曲部２２２は、後述するように（図３）、線状のタングステンを軸部に対して巻き回した状態で、最後方側の巻回部に対し、その全周方向に熱処理を施して溶融させることにより、軸部と一体化して形成される。図２（ｂ）に示すように、湾曲部２２２は、電極の中心軸を含む断面において曲線部２２３を有する。そして、この曲線部２２３に対して引いた接線Ｘと軸部２１の稜線とでなす接触角αは鈍角（≧９０°）となる。

以下、図３を用いて本発明に係る陰極２の製造方法について説明する。図３は、陰極２の製造方法の一例を説明するための概略図である。

図３（ａ）は、陰極ができあがる前の状態を示すものである。タングステンからなる軸部２１に対して、軸部２１の先端２１０側に線状のタングステンが１層に巻き回されて複数の巻回部２２１が形成されている。最後方側に位置する巻回部２２１ａは、その端部においてグラインダーにより切断されることで形成されたエッジ部が存在している。この状態で、かしめ等の手段によって、巻回部２２１は軸部２１に対して固着される。尚、軸部２１には、周方向に凸部２１２が形成されており、巻回部２２１ａが凸部２１２に隣接するよう線状のタングステンが取付けられている。こうすることにより、後述のレーザーを照射した際に凸部２１２が容易に温度上昇することによって溶融して巻回部２２１ａになじみやすくなる。その上、コイルの後端部付近の軸部に設けた凸部に突き当たるようコイルを挿入して製作することによって、コイル後端部の位置精度を高めて、レーザー照射位置のばらつきを小さくする効果もある。
図３（ｂ）は、最後方側（軸部２１の基端部２１１側）に位置する巻回部２２１ａに対し、その全周方向に中心軸方向からレーザ光を照射する状態を示している。レーザ光は、例えばＣＯ_２レーザやＹＡＧレーザなどの放射光である。具体的には、陰極２を径方向に回転させながら、最後方側に位置する巻回部２２１ａ若しくは凸部２１２にレーザ光を照射して、巻回部２２１ａ及び凸部２１２を選択的に局所加熱することによって溶融させる。かかるレーザ光の照射は、電極が酸化することを防止する観点から、アルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気中で行うことが好ましい。また、レーザ光の照射は、連続的に照射することもできるが、パルス的に照射させることもでき、この場合のパルス照射とは、短時間（ミリ秒レベル）の照射と休止を繰り返す照射であって、通常は連続的な照射よりも効果的である。
図３（ｃ）は、上記レーザ光の照射によって湾曲部２２２が形成された状態を示す。巻回部２２１ａは、全周方向に渡って溶融されるため、軸部２１との間に鋭角な楔状の空隙が形成されることがなく、軸部２１と一体化される。これにより、溶融によって形成された曲面を有する湾曲部２２２が形成される。
尚、湾曲部２２２は、必ずしも最後方側に位置する巻回部のみを溶融して形成することに限らず、最後方側から複数の巻回部２２１を溶融させることによって形成しても良い。すなわち、湾曲部２２２とは、巻回部２２１のうち溶融して軸部２１と一体化した部分をいう。

ここで、陰極に係る数値例を以下に挙げる。
軸部２１は、直径が０．３ｍｍ〜３ｍｍの範囲であって、例えば０．８ｍｍであり、体積が４ｍｍ^３〜４０ｍｍ^３の範囲であって、例えば２３ｍｍ^３であり、表面積が１０ｍｍ^２〜４５ｍｍ^２であって、例えば２０ｍｍ^２であり、全長が７ｍｍ〜２０ｍｍであって、例えば１０ｍｍである。軸部２１は、全長の半分に相当する長さ分が封止部１２に埋設され、残り半分が内部空間Ｓ内に露出している。巻回部２２１を構成する線状のタングステンは、直径が０．２ｍｍ〜０．６ｍｍであって、例えば０．２５ｍｍであり、軸部２１に対しての巻き回しターン数は、２〜１０ターン程度であり、例えば３ターンである。
尚、軸部２１及び巻回部２２１を構成する線状のタングステンの純度は９９．９９％以上であることが好ましい。これは、溶融するときに不純物が多いと発泡し、表面に電界集中しやすい突起を形成するからである。
さらに、陰極の製造に係る数値例を以下に挙げる。
レーザ光は、ビーム径が０．０４ｍｍ〜０．７ｍｍであって、例えば０．３ｍｍであり、照射時間が０．２秒〜１．０秒であって、例えば０．３５秒である。

以上のような本発明の超高圧水銀ランプによれば、陰極２の太径部２２は、コイル状の巻回部２２１の後方には、軸部２１との間に曲面を形成して軸部２１と一体化した湾曲部２２２が設けられていることにより、太径部２２の後端と軸部２１との間に楔状の隙間が存在しないため、前述の熱アーク放電の際に太径部２２の後端に電流が集中することがない。その結果、局所的に加熱されたタングステンが表面から放射状に飛散するように蒸発せず、発光管の内表面にアークの経路を導くことがないことにより、発光管の内表面に高温のアークが接触あるいは衝突することがない。従って、発光管の構成材料である石英ガラス（ＳｉＯ_２）が蒸発して気相中に酸素が過剰になり、電極構成物質であるタングステンが酸化して蒸発することに起因して生成するタングステン酸化物が太径部の後端に蓄積する、という一連の現象が発生しないため、発光管の黒化を良好に防止することができる。
すなわち、本発明の構造を採用することにより、熱アーク放電の際の放電起点は各々の巻回部２２１の間に存在する隙間となり、陰極２と発光管１の内壁との距離が最も短くなる箇所である太径部２２の後端（湾曲部２２２）が熱アーク放電の際に放電の起点となることを確実に防止することができるため、小型化すべく電極と発光管の内壁との距離を極めて短くし、かつ、光出力を増加すべく管壁負荷を大きくした超高圧水銀ランプにおいても、発光管が黒化する、という不具合を確実に防止できる。
尚、本発明の超高圧水銀ランプにおいては、上記のように熱アーク放電の際の放電起点は各々の巻回部２２１の間に存在する隙間若しくは太径部２２の前端部であるが、この場所から発光管の内壁までの距離は太径部２２の後端からに比して長いため、アークが発光管の内表面に接触あるいは衝突するおそれはない。

さらに、本発明の超高圧水銀ランプによれば、上記のようにタングステン酸化物が生成しないため、点灯時間の経過とともに、例えば陰極に突起部が形成される等して陰極形状が変化することを確実に抑制できる。これにより、陰極先端において突起部が形成されて発光長が短くなることによって光束が低下する、陰極に複数の突起部が形成されて各々の突起部の間をアーク輝点が移動することによって光のちらつきが生じる、等の不具合が生じることを確実に抑制できる。

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、陰極の太径部における湾曲部は、必ずしも軸部に設けたコイル状の巻回部を溶融して形成することに限るものでなく、以下のようにして形成することもできる。
すなわち、最後方側に位置する巻回部と軸部との隙間に、巻回部を構成する線状のタングステンよりも細い、具体的には直径が０．１ｍｍの別個の線状のタングステンを巻き回した状態で、この別個の線状のタングステンに対しレーザ光を照射して溶融させることによって湾曲部を形成しても良い。その他にも、最後方側に位置する巻回部と軸部との隙間に充填させた、例えばタングステンからなりバインダーとなる粉末を溶融させることによって湾曲部を形成しても良い。さらには、線状のタングステンの最後方側に位置する巻回部となるべき部分に対し、あらかじめ圧接、削り加工を施すことによって、最後方側に位置する巻回部と軸部との間に隙間が生じることなく、かつ上記接触角が鈍角となるようにしても良い。
要は、最後方側に位置する巻回部と軸部との間に楔状の鋭利な隙間が存在すると熱アーク放電の際に電流集中が生じると予測されるため、かかる隙間が生じないように塞ぐことができれば良い。

さらには、陰極における太径部を以下の図４に示す形態とすることもできる。図４は、陰極の他の実施形態の拡大図を示す。図４（ａ）は正面図を示し、図４（ｂ）は陰極２の中心軸を含む断面における要部拡大図である。
図４に示すように、最後方側に位置する巻回部２２１ａに対し、その全周ではなくて一部分にのみ湾曲部２２２を形成することもできる。この場合は、図３（ｂ）、（ｃ）に示す、
巻回部に対しレーザ光を照射する段階において、レーザ光の照射を適宜調整すれば良い。
図４に示す陰極の実施形態によっても、従来の湾曲部を有しない構造に比して、発光管に黒化が生じることを抑えることができるとともに、レーザ光の照射時間が低減し製作に要する時間を短縮することができるため生産性が向上する、という効果がある。

コイル状の巻回部を溶融させる手段としては、レーザ光を用いることに限らず、電子ビームなど収束された高エネルギーを与えるものであれば良い。電子ビームについては、例えば特開２００１−５９９００号、特開２００１−１７４５９６号に開示する電子ビーム装置が小型という点で好ましい。

上記の実施形態は、直流点灯方式の超高圧水銀ランプの陰極におけるものであるが、本発明はこれに限るものではない。すなわち、交流点灯方式の超高圧水銀ランプに対しても、片方の電極が交互にグロー放電を担う陰極として機能するため、適用することができる。

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。

〔実施例〕
図１及び図２若しくは図１及び図４に示す構成に従い、本発明に係る超高圧水銀ランプを６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７４ｍｍ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１０ｍｍ、発光部１１の内容積が６６ｃｍ^３、封止部１２の外径が６．５ｍｍである。
陰極２を構成する軸部２１は、タングステンからなり、外径が０．８ｍｍ、全長が１１ｍｍであって、先端がテーパ状である。太径部２２は、直径０．２５ｍｍの線状のタングステンをコイル状に巻き回すことによって構成される。コイル状の巻回部２２１は、３ターン形成され、ピッチは０．３ｍｍである。湾曲部２２２は、図３に示す方法で形成された図２に示す構造のものである。
陽極３を構成する軸部３１は、タングステンからなり、外径が０．８ｍｍ、全長が１３ｍｍである。太径部３２は、最大外径が１．８ｍｍ、全長が３ｍｍである。
陰極２と陽極３との間の電極間距離は１．１ｍｍである。
発光管１内には、１８ｍｇの水銀、１３ｋＰａのアルゴンガス、３．０×１０^−４μｍｏｌ／ｍｍ^３の臭素ガスが封入されている。

〔比較例〕
陰極の太径部において湾曲部を有しないことの他は実施例の超高圧水銀ランプと同じ構成を有する比較例に係る超高圧水銀ランプを３本作製した。

実施例及び比較例に係る超高圧水銀ランプを、それぞれ定格電圧７０Ｖ、定格電力２００Ｗの点灯条件で点灯させ、５分間点灯させた後５分間消灯させる、という点滅動作を所定回数繰り返した後、発光管への黒化発生の有無を顕微鏡にて確認した。その結果を表１に示す。

表１において、「実施例１」乃至「実施例３」は、図２に示すとおり、最後方側に位置する巻回部を全周に渡って溶融させ、かつ、接触角αが鈍角となるよう湾曲部を形成したものである。「実施例４」乃至「実施例６」は、図４に示すとおり、最後方側に位置する巻回部の一部のみを溶融させ、かつ、接触角αが鈍角となるよう湾曲部を形成したものである。
また、表１において、「１００回」とあるのは、上記点滅動作を１００回繰り返したことを示す。「３００回」は、点滅動作を３００回繰り返したことを示し、「５００回」は、点滅動作を５００回繰り返したことを示す。
さらに、表１において、記号は発光管への黒化発生の有無を示す。具体的には、「◎」は顕微鏡で見ても黒化が全く確認されなかったことを示し、「○」は顕微鏡で見て僅かに黒化が確認されたことを示し、「△」は顕微鏡にて容易に発見できる程度に黒化が確認されたことを示し、「×」は肉眼で発見できる程度に黒化が確認されたことを示す。

表１に示す結果から、実施例１の超高圧水銀ランプのように、接触角αが鈍角となるよう陰極の太径部の最後方側に位置する巻回部の全周を溶融させて湾曲部を形成することが、発光管の黒化防止に最も有効であることが確認された。また、最後方側に位置する巻回部のうち一部分のみを溶融させた場合においても、接触角αが鈍角になりさえすれば、比較例の超高圧水銀ランプに比して、発光管への黒化発生を抑える効果があることが確認された。

本発明の超高圧水銀ランプを説明するための図である。 本発明に係る陰極の拡大図を示す。 本発明に係る陰極の製造方法を説明するための図である。 本発明に係る陰極の他の実施形態を説明するための拡大図である。 電極の根元付近を拡大した図を示す。

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 軸部
２２ 太径部
３１ 軸部
３２ 太径部
２２１ 巻回部
２２２ 湾曲部
２２３ 曲線部

Claims (4)

1. 発光管内に、一対の電極を対向配置するとともに、発光物質として０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀を封入してなる超高圧水銀ランプにおいて、
   前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極は、軸部と該軸部にコイルを巻き回すことにより形成された太径部とを有し、
   この太径部は、前記軸部の先端側に巻き回されてなる巻回部と、この巻回部の後方に繋がる湾曲部とからなり、
   前記湾曲部は、前記巻回部と前記軸部との間に楔状の空隙が形成されることのないように前記軸部との間に曲面を形成して前記軸部と一体化されていることを特徴とする超高圧水銀ランプ。
2. 前記湾曲部は前記軸部に溶融して一体化していることを特徴とする請求項１に記載の超高圧水銀ランプ。
3. 前記湾曲部は全周方向に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の超高圧水銀ランプ。
4. 前記湾曲部は、電極の中心軸を含む断面において曲線部を有し、この曲線部に対する接線と軸部の稜線とでなす接触角が鈍角であることを特徴とする請求項１に記載の超高圧水銀ランプ。

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