JP4661311B2 - 放電ランプの製造方法及び放電ランプ - Google Patents

Description

この発明は放電ランプに関する。特に、０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀、アルゴン（Ａｒ）、およびハロゲンを封入した放電ランプに関する。

プロジェクター用光源として超高圧水銀ランプが用いられる。この水銀ランプは、一般に、石英ガラスからなる発光管に２ｍｍ程度の間隔で対向配置する一対の電極と、発光空間に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、アルゴンを主成分とする希ガスと、ハロゲンを封入したものが採用され、例えば、特許第２８２９３３９号、特許第２９８０８８２号などに開示される。
これら放電ランプは、液晶ディスプレイ装置やＤＭＤを使ったＤＬＰなどのプロジェクター装置、さらにはリアプロジェクションテレビに採用される。

ここで、ハロゲンを封入する主目的は、発光管の失透防止であるが、これにより、いわゆるハロゲンサイクルの機能も果たし、寿命を延ばす効果も生じる。
ハロゲンサイクルを良好に機能させるためには、適量のハロゲンが封入される必要があるが、それ以外にも、適量の酸素を封入することが知られている。酸素の量が多すぎたり、あるいは少なすぎた場合は、発光管内表面が黒化したり、あるいはタングステンから構成される電極が損耗するという問題を生じるからである。例えば、特開２００４−３０３５７３号には、ハロゲン封入量に対して、所定の酸素を封入すべき内容が記載される。

一般に、放電ランプの発光空間に含まれる物質を定量する方法として、分光スペクトルを測定する方法が存在する。これは、ある物質の輝線スペクトル強度からその物質の封入量を測定する方法であり、酸素の場合はＯＨラジカルの輝線スペクトル強度により定量することとなる。
しかし、水銀ランプ、特に、プロジェクター装置用の放電ランプのように、多量の水銀を含む放電ランプにあっては、水銀による発光が強すぎるため、ＯＨラジカルの輝線スペクトルを測定することが不可能といえる。
つまり、放電ランプに含まれる物質を定常点灯時（アーク放電発光）の分光スペクトルから測定する方法は、水銀ランプの場合は、困難というわけである。

また、放電ランプをグロー放電させて物質（封入物）を定量する方法も存在する。水銀による発光が強くないため、ＯＨラジカルの輝線スペクトルを測定できるからである。この技術は、例えば、特開２００２−７５２６９や特開２００４−１５８２０４号に説明されるが、これら文献は、ＯＨラジカルと、アルゴンなど他の物質を各々のスペクトル強度比をもって定量している。特に、特開２００４−１５８２０４号はＯＨラジカルとアルゴンの発光強度比率、および、水素とアルゴンの発光強度比率を測定して、ＯＨラジカルと水素のアルゴンに対する発光スペクトルを規定している。
なお、酸素の定量としてＯＨラジカルのスペクトルを利用する理由は、酸素原子（Ｏ）や酸素分子（Ｏ_２）は他の物質と反応しやすく、酸素原子（Ｏ）や酸素分子（Ｏ_２）の輝線スペクトルを測定することが困難であり、現実には、水素と反応して生成された水分子（Ｈ_２Ｏ）より分離したＯＨラジカルが発光し、その発光強度は水分子（Ｈ_２Ｏ）の量に比例するからである。

ここで新たな問題が発生した。
グロー放電による上記分析法は、比較的低温時における気相中のガス成分を測定する方法である。
一般に、放電ランプは、点灯中は、ある量の酸素はタングステンおよび臭素との化合物として気相の状態で存在しハロゲンサイクルに役立っているが、消灯させて低温化すると、これら酸素化合物は化合物の形態として固相状態となり、発光管内壁などに付着してしまう。具体的には、タングステン酸化物（ＷＯ_ｘ）、タングステン臭酸化物（ＷＯ_ｘＢｒ_ｙ）で存在している。
つまり、発光空間に存在する酸素は、定常点灯時（アーク放電発光）は、タングステンおよび臭素との化合物として気相状態でハロゲンサイクルに寄与しているものの、低温状態であるグロー放電発光では、十分に気相化しているとはいえず、ほとんどが化合物という固相状態になっているわけである。
従って、従来のグロー放電によるＯＨラジカルの定量方法では、たまたま気相状態にある一部の酸素のみを測定しているにすぎず、固相状態の酸素、言い換えれば、本来測定すべき酸素を測定しているわけではない。結果として、従来のグロー放電発光による分析方法では、ハロゲンサイクルに寄与すべき酸素を正確に定量していないことを意味する。

もちろん、製造段階で所定量の酸素を確実に封入するよう管理することも考えられる。設計どおりに酸素が封入されていれば、完成品の放電ランプが定量できなくても、酸素量を特定の範囲に規定できるからである。
この考えは理屈的には正しいかもしれないが、放電ランプに封入される酸素は、構成材料の熱処理条件や雰囲気など製造プロセスに深く関わっており、目標値と実際の封入量を一致させることは不可能である。
具体的には、タングステンの電極やモリブデンの金属箔に溶存あるいは吸着水が付着しており、また、封止部のシール工程において石英ガラスが蒸発して酸素成分が発光空間に持ち込まれることがある。つまり、製造工程では制御することができない、不可避的に混入してしまう酸素が存在するということである。
そして、プロジェクター装置に使われる放電ランプは、発光管内容積が１００ｍｍ^３程度以下と極めて小さいものであり、僅かな酸素量の違いであっても、ハロゲンサイクルへの機能や効果は大きく変化してしまう。

また、製造後の放電ランプを破壊的方法により酸素量を測定することも考えられる。しかし、破壊した瞬間に、外部から酸素が不可避的に混入してしまう。
結果として、製造段階で酸素量を管理することや、製造後に放電ランプを破壊して、酸素を測定する方法は、現実には無理であり、実際に放電ランプに封入されている酸素量を非破壊的な方法で測定するしかない。

以上の内容を整理すると、
（１）ハロゲンを封入した放電ランプにあっては、ハロゲンサイクルを効果的に機能させるために、ハロゲン封入量に対してある範囲の酸素を封入する必要がある。特開２００４−３０３５７３号には、ハロゲン封入量に対する酸素量の範囲が示されるが、どのように定量するかは何ら説明されておらず、定常点当時において、真に機能する酸素量を正確に規定するものではない。

（２）発光スペクトルから発光物質の封入量を測定する方法があるが、放電ランプをアーク放電させると水銀の強い発光により、他の物質のスペクトルを測定することができない。また、特開２００２−７５２６９号、特開２００４−１５８２０４号に示すようにグロー放電による定量方法も存在するが、酸素が固相状態になるため、定常時に気相化する酸素を正確に測定することはできない。
特開２００４−３０３５７３号 特開２００２−７５２６９号 特開２００４−１５８２０４号 特許第２８２９３３９号 特許第２９８０８８２号

この発明が解決しようとする課題は、定常点灯時に発光空間に気相状態で存在する酸素の量を正確に測定する方法、あるいは、その適切量の放電ランプを提供する。

この発明に係る放電ランプの製造方法は、石英ガラスからなる放電容器内に一対の電極を有し、少なくとも０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、アルゴン（Ａｒ）と、ハロゲンが封入される放電ランプの製造方法において、前記放電ランプをグロー放電させて、アルゴン（Ａｒ）による波長６６８ｎｍの発光強度ａ１と、ＯＨラジカルによる波長３０９ｎｍの発光強度ｂの関係ｂ／ａ１を測定し、次に、当該放電ランプの放電容器内に水素を封入して、同様に当該放電ランプをグロー放電させて、アルゴン（Ａｒ）による波長６６８ｎｍの発光強度をａ２と、ＯＨラジカルによる波長３０９ｎｍの発光強度ｃの関係ｃ／ａ２を測定し、ｂ／ａ１とｃ／ａ２の差異、すなわち、（ｃ／ａ２−ｂ／ａ１）を０．００１〜１５とすることを特徴とする。

また、この発明に係る放電ランプは、石英ガラスからなる放電容器内に一対の電極を有し、少なくとも０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、アルゴン（Ａｒ）と、ハロゲンが封入される放電ランプにおいて、前記放電ランプをグロー放電させた場合のアルゴン（Ａｒ）による波長６６８ｎｍの発光強度ａ１と、ＯＨラジカルによる波長３０９ｎｍの発光強度ｂの関係ｂ／ａ１と、当該放電ランプの放電容器内に水素を封入して、同様に当該放電ランプをグロー放電させた場合のアルゴン（Ａｒ）による波長６６８ｎｍの発光強度ａ２と、ＯＨラジカルによる波長３０９ｎｍの発光強度ｃの関係ｃ／ａ２の差異、すなわち、（ｃ／ａ２−ｂ／ａ１）が０．００１〜１５となることを特徴とする。

以上の構成により、本発明は、消灯時あるいはグロー放電時に、タングステン酸化物（ＷＯ_Ｘ）、タングステン臭酸化物（ＷＯ_ＸＢｒ_Ｙ）のような固相状態で存在する酸素の量を正確に定量化することができ、正確に定量化された酸素を封入することでハロゲンサイクルを効果的に機能させて長寿命の放電ランプを提供できる。
すなわち、本発明では、消灯時あるいはグロー放電時に、タングステン酸化物（ＷＯ_Ｘ）やタングステン臭酸化物（ＷＯ_ＸＢｒ_Ｙ）などの化合物として固相状態で存在する酸素こそが、真にハロゲンサイクルを支援する酸素であることを見出して、その定量化を可能にする製造方法と定量化された放電ランプを提供している。
その特徴は、放電ランプに水素を注入することにより、化合物の形態で存在する酸素を還元して水分子（Ｈ_２Ｏ）の形態で回収し、発光空間に存在する酸素のほぼ全量を測定することにある。
具体的には、まず、グロー放電による分析法で気相のＯＨラジカルの発光強度を測定する（測定結果１）。次に、当該放電ランプに水素を混入して、同じく、グロー放電による分析法で気相のＯＨラジカルの発光強度を測定する（測定結果２）。測定結果２で定量されたＯＨラジカルの発光強度には、水素混入前に気相であった水分子（Ｈ_２Ｏ）と、水素混入前にタングステン酸化物（ＷＯ_Ｘ）やタングステン臭酸化物（ＷＯ_ＸＢｒ_Ｙ）の化合物であった酸素が含まれる。従って、測定結果２から測定結果１を差し引くことで、水素混入前にタングステン酸化物（ＷＯ_Ｘ）やタングステン臭酸化物（ＷＯ_ＸＢｒ_Ｙ）の化合物である酸素を定量している。

図１は本発明に係る放電ランプの全体構成を示す。
放電ランプ１０は、石英ガラスからなる放電容器によって全体が形成されて、概略球形の発光部１１と封止部１２を有する。発光部１１は、内部に発光空間を形成し、一対の電極２０が互いに対向して配置する。また、封止部１２は発光部１１の両端部から伸びるように形成され、内部に、通常、モリブデンからなる導電用金属箔１３が、例えばシュリンクシールにより気密に埋設される。電極２０は、軸部が金属箔１３に溶接されて電気的に接続され、また、金属箔１３の他端には、外部に突出する外部リード１４が溶接される。

発光部１１には、水銀と、アルゴンガスと、ハロゲンが封入される。
水銀は、必要な可視光波長、例えば、波長４００〜７００ｎｍ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１５０気圧以上で極めて高い蒸気圧となる。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２００気圧以上、３００気圧以上という高い水銀蒸気圧の放電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ー装置に適した光源を実現することができる。
アルゴンガスは、例えば、１３ｋＰａ封入されて、点灯始動性を改善する機能を持つ。
ハロゲンは、臭素、沃素、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。ハロゲンの封入量は、１０^−６〜１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲から選択される。ハロゲンを封入する主目的は放電容器の失透防止であるが、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は、これにより、いわゆるハロゲンサイクルも生じる。
酸素は、ハロゲンサイクルを効果的に機能させるために不可欠な物質であり、最適量が正確に封入される必要がある。

放電ランプの数値例を示すと、例えば、発光部の最大外径９．５ｍｍ、電極間距離１．５ｍｍ、発光管内容積７５ｍｍ^３、定格電圧８０Ｖ、定格電力１５０Ｗであり、交流点灯される。
また、この種の放電ランプは、小型化するプロジェクター装置に内蔵されるものであり、装置の全体寸法が極めて小型化される一方で高い光量が要求されることから、発光空間の熱的影響は極めて厳しいものとなり、ランプの管壁負荷値は０．８〜２．０Ｗ／ｍｍ²、具体的には１．５Ｗ／ｍｍ²となる。
このような高い水銀蒸気圧や管壁負荷値を有することがプロジェクター装置やオーバーヘッドプロジェクターのようなプレゼンテーション用機器、あるいはリアプロジェクションテレビに搭載された場合に、演色性の良い放射光を提供できる。

ここで、放電ランプには、ハロゲンサイクルが最適に機能できるための最適量の酸素が封入される。この酸素は、消灯状態およびグロー放電状態では、ＷＯ_ｘなどの化合物（固相）として存在し、アーク放電状態、すなわち、定常点灯状態では気相化する酸素を意味している。
本発明は、ハロゲンの封入量が放電容器の失透とハロゲンサイクルの作用から１０^−６〜１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の数値範囲が選択され、そのハロゲン量との関係で、真に、ハロゲンサイクルに寄与する酸素を、正確に規定する製造方法および、その製造方法による放電ランプを提供するものである。

具体的には、まず、放電ランプ１をグロー放電させて、アルゴン（Ａｒ）による波長６６８ｎｍの発光強度ａ１と、ＯＨラジカルによる波長３０９ｎｍの発光強度ｂの関係ｂ／ａ１を測定する。
次に、当該放電ランプの放電容器内に水素を封入して、同様に、当該放電ランプをグロー放電させて、アルゴン（Ａｒ）による波長６６８ｎｍの発光強度をａ２と、ＯＨラジカルによる波長３０９ｎｍの発光強度ｃの関係ｃ／ａ２を測定する。
そして、最初に測定したｂ／ａ１の値と、後に測定したｃ／ａ２の値の差、すなわち、（ｃ／ａ２−ｂ／ａ１）を定量化するのである。

図２は、上記測定の原理を説明するための模式図を示す。説明の便宜上、電極、金属箔、外部リードなどは削除しており、各物質の大きさ、個数などは説明用に修正される。
（ａ）は水素を投入する前にグロー放電させたときの放電容器内の酸素あるいは水分子（Ｈ_２Ｏ）の状態を表し、（ｂ）は水素を投入した後においてグロー放電させたときの酸素あるいは水分子（Ｈ_２Ｏ）の状態を表す。この模式図では、発光分子であるＯＨラジカルを書いていないが、グロー放電させた場合には、水分子（Ｈ_２Ｏ）より分離したＯＨラジカルが発光し、その発光強度は水分子（Ｈ_２Ｏ）の量に比例する。

（ａ）において、多くの酸素はタングステンと結合して化合物ＷＯｘを形成している。ただし、幾らかの酸素は、水素と結合して水分子（Ｈ_２Ｏ）を形成する。この状態でグロー放電させると、当該状態におけるＯＨラジカルのスペクトルが測定できる。
（ｂ）において、放電ランプに水素を投入すると、ＷＯｘの状態にあった酸素が、還元反応を起こし、水素と結合して水分子（Ｈ_２Ｏ）を形成する。この状態でグロー放電させると、当該状態におけるＯＨラジカルのスペクトルを測定できる。
このため、（ｂ）において測定したＯＨラジカルとＡｒの発光強度比から、（ａ）において測定したＯＨラジカルとＡｒの発光強度比を差し引くと、真に、ハロゲンサイクルに寄与すべき酸素を測定できる。

放電容器内への水素の注入は、例えば、水素雰囲気において放電ランプを加熱することによる。水素は、放電容器の構成材料である石英ガラスを通過して、放電容器内（発光空間）に入るからである。
加熱温度は、反応に十分な量の水素を発光空間に注入することができ、さらには、ＷＯ_ＸやＷＯ_ＸＢｒ_Ｙの還元反応を十分に促進させることも条件となる。数値例をあげると、６００℃〜１，０５０℃である。

ここで、放電容器に注入される水素量にも最適範囲が存在する。注入量が少なすぎるとＷＯ_ＸやＷＯ_ＸＢｒ_Ｙの酸素を十分に還元させて回収することができず、また、注入量が多すぎると、放電電圧が高くなりすぎるため、測定のためのグロー放電が困難になるからである。
水素注入量の最適範囲は、加熱温度、加熱時間、水素が透過する面積（発光空間の内表面積）、発光部の石英ガラスの厚みによって決まる。具体的には、本ランプに一般的に使われるバルブサイズに対して、加熱温度は６００〜１０５０℃で、例えば９５０℃、加熱時間は６０〜３００分で、例えば１２０分とすることで、固相状態の酸素を十分に気相化することができ、かつ、グロー放電発光をすることができる。石英ガラスに対する水素の透過に関しては、例えば森脇らの「石英ガラスにおける水素の異常拡散現象」（J. Illum. Engng. Inst. Japan 61 (2)1977 pp.99-105）に記されている。

なお、水素の注入は、ランプを入れた石英ガラス管内に水素をフローながら、管状の電気炉で加熱した。数値例をあげると、９５０℃になるように１２０分間加熱する。

次に、グロー放電発光させたときのＯＨラジカルの発光強度測定について説明する。
図３は、放電ランプ発光強度の測定装置の概略構成を示す。
分光器３０は、回折格子３１と、この回折格子３１を回転させるためのドライバー３２と、このドライバー３２を制御する制御機構３３と有する。放電ランプ１０からの光は、入射スリット３４を介して分光器３０に入り、分光器３０からの出射光をＣＣＤからなる検出器３５およびその制御装置３６で検出測定する。

測定は、放電ランプをグロー放電発光させた状態で、波長３０９ｎｍの発光強度を測定し、次に、回折格子３１を回転させて、波長６６８ｎｍの発光強度を測定する。この測定を放電容器内に水素を注入する前の放電ランプと、水素を注入した後の放電ランプに対しいて各々実施する。
グロー放電発光は、たとえば、定格電流が２．０Ａであるところ、５ｍＡ程度の直流電流で点灯させる。放電が安定しにくい場合には、封止部１２に外部電極を取り付けて、５ｍＡに相当する出力で、容量結合型の交流点灯させることによっても測定可能である。

図４、図５は、検出器３０により測定されたスペクトルの一例を示す。図４は水素を注入する前のスペクトルを示し、（ａ）はＯＨラジカルによる波長３０９ｎｍ近傍を表し、（ｂ）はアルゴンによる波長６６８ｎｍ近傍を表している。また、図５は水素を注入した後のスペクトルを示し、（ａ）はＯＨラジカルによる波長３０９ｎｍ近傍を表し、（ｂ）はアルゴンによる波長６６８ｎｍ近傍を表している。それぞれ縦軸はスペクトルの強度（counts）を表し、横軸は波長（ｎｍ）を表す。縦軸の強度とはＣＣＤが受けた光量をcountsという数値で表したものであり、波長間の相対値を測定するために採用されたものである。

次に、ＯＨラジカルとアルゴンの発光強度比率の計算について、一例を説明する。
図４では、波長３０９ｎｍの強度は3414、バックグランドは3100、ＯＨラジカルによる発光は314（＝3414-3100）となる。また、波長６６８ｎｍの強度は9588、バックグランドは100、アルゴンによる発光は9488（＝9588-100）となる。
図５では、波長３０９ｎｍの強度は75453、バックグランドは31000、ＯＨラジカルによる発光は44453（＝75453-31000）となる。波長６６８ｎｍの強度は41117、バックグランドは400、アルゴンによる発光は40717（＝41117-400）となる。
バックグランドとは、ＯＨラジカル以外による発光であり、例えば、波長３０９ｎｍの場合はアルゴン、水銀、石英ガラスの発光を意味し、ＯＨラジカルによる発光を求めるために、これらバックグランドを差し引く必要がある。波長６６８ｎｍの場合も同様である。
この結果、水素を注入する前におけるＯＨラジカルとアルゴンの発光強度の比率は、0.033（＝314／9488）となり、水素を注入した後のＯＨラジカルとアルゴンの発光強度の比率は、1.092（＝44453／40717）となる。

ここで、検出器から得られる数値データは、分光器内の光学系や検出器の波長依存性の影響を受け、ランプから放射される光とは性質を異にする。従って、上記測定値に補正値をかけてランプから放射される光の強度に割り戻す作業が必要になる。補正値は分光器や検出器で規定されるものであり、補正に必要なデータは、通常は、分光器や検出器ごとに明示される。具体的には、回折格子の回折光効率による補正値、ＣＣＤの感度の補正値、分光器のスリットの前に倍波の影響を防止するためにシャープカットフィルター、例えばハイパスフィルターを配置する場合の当該補正値などがある。

ここで、上記すべてを考慮した補正値が0.4であるとして説明を続けると、水素を注入する前のＯＨラジカルとアルゴンの発光強度の比率は、0.0132（＝0.033×0.4）となり、この数値がランプの放射光の強度比、すなわち、請求項のｂ／ａ１に相当する。また、水素を注入した後のＯＨラジカルとアルゴンの発光強度の比率は、0.4368（＝1.092×0.4）となり、この数値がランプの放射光の強度比、すなわち、請求項のｃ／ａ２に相当する値となる。つまり、両強度比の差は、0.4236（＝0.4368−0.0132）となる。
上記の説明では、ＯＨラジカルとＡｒの発光強度比に補正値を掛けているが、それぞれの測定値（図４で言えば、ＯＨラジカルが314、アルゴンが9488）に補正値を考慮してから、両者の比率を計算しても同じことである。

放電空間に存在する水分子量を測定するときに、ＯＨラジカルとＡｒの発光強度と比較すべき理由は、発光空間におけるＯＨラジカルの発光強度が点灯条件や環境条件に大きく影響を受けるため絶対値としては測定できないからである。例えば、同じ放電ランプを点灯させても、環境温度の違いによってＨｇ蒸気圧が変わるため、ＯＨラジカルの発光に実質的に寄与するエネルギーが変わり、その結果、ＯＨラジカルの発光スペクトルの絶対値は異なる。また、ランプの点灯状態（設定位置や点灯時間）が多少相違するだけでも、検出されるＯＨラジカルの発光スペクトルの絶対値は異なる。このため、Ａｒの発光スペクトルを同時に測定して、アルゴンとの発光強度の比率をもって、ＯＨラジカルの量を定量化するわけである。
なお、比較物質として、アルゴンを採用する理由は、点灯始動用のバッファガスとして、もともと封入すべき物質であること、および、水銀のように温度による発光強度の変化が大きくないからである。

ＯＨラジカルとＡｒの発光強度の測定においては、先に、ＯＨラジカルの発光強度を測定することが望ましく、また、数回の測定を行う場合は放電ランプを測定毎に消灯させて、点灯始動後２秒以内に測定することが望ましい。ＯＨラジカルの発光スペクトルは、点灯時間の経過とともに強度が減衰するからである。具体的には、まず、放電ランプを点灯させて、２秒以内にＯＨラジカルの発光強度を測定して、その後にＡｒの発光強度を測定する。次に、一旦、放電ランプを消灯させて、再点灯させた後、同じく、２秒以内にＯＨラジカルの発光強度を測定して、その後にＡｒの発光強度を測定する。この手順を数回繰り返すこととなるが、一度、点灯させた後は、次の測定に際し、５分程度は定格点灯（アーク放電）することが望ましい。ランプ内の気体成分のコンディションをリセットするためである。

このように、本発明の放電ランプの製造方法は、最初に、グロー放電発光を行い、当該状態で気相化しているＯＨラジカルとＡｒの発光強度比を測定するとともに、次に、放電ランプに水素を注入して、再び、グロー放電発光させて気相化しているＯＨラジカルとＡｒの発光強度比を測定するものである。
そして、１回目に測定されたＯＨラジカルとＡｒの発光強度比から２回目に測定されたＯＨラジカルとＡｒの発光強度比を差し引くことで、１回目は化合物として固相化していたが、２回目の測定は水素と結合して水分子となって気相化した酸素、すなわち、真に、ハロゲンサイクルに寄与できる酸素を正確に測定することにある。

本発明は、水素を注入する前の発光強度比（ｂ／ａ１）と、水素を注入した後の発光強度比（ｃ／ａ２）の差、すなわち、（（ｃ／ａ２）−（ｂ／ａ１））が、０．００１〜１５の範囲内であることを特徴とする。
ハロゲンサイクルは、電極から蒸発・飛散される金属物質が、発光空間内で酸素とハロゲンの化合物を作り、電極に再び戻るメカニズムを利用して、放電ランプの長寿命を図ることである。
（（ｃ／ａ２）−（ｂ／ａ１））が０．００１より小さい場合は、ハロゲンサイクルに寄与すべき酸素量が少ないこととなり、ハロゲンサイクルを十分に機能させることができず、結果として、短時間で発光管に黒化を発生させる。
（（ｃ／ａ２）−（ｂ／ａ１））が１５より大きい場合は、ハロゲンサイクルが活性化しすぎて著しい電極変形を招こととなる。電極間距離が短くなった場合は、ランプ電圧が低下して、点灯バラストの破壊を招くことになる。また、電極先端のタングステン材料が電極後端に輸送され、電極後端でタングステンが堆積する。この堆積が進行すると発光管内面に到達して発光管の破壊を招くことになる。特に、プロジェクター装置用ランプは、電極間距離が１．５ｍｍ程度、発光管外径も１０ｍｍ以下であり、上記現象は顕著に生じる。

また、（ｂ／ａ１）は、０．０５より小さいことが望ましい。（ｂ／ａ１）が高いランプは、点灯の初期段階で白濁を発生させ、初期段階における照度低下が大きいからである。これは、製造時に放電容器内に水を持ち込んでおり、そのうちの水素が、放電容器を構成する石英ガラス（ＳｉＯ２）を還元させてＳｉＯとなり蒸発する。ＳｉＯは気相中の酸素と再び結合してＳｉＯ２として再び放電容器内面に付着する。しかし、放電容器の内壁とは一体化したガラスになることはできず、クリストバラストのパーティクルとして内壁に付着して、これが白濁の原因となっている。
また、点灯始動時にＯＨラジカル（つまり、水分子）が多いと、放電開始電圧が高くなり、装置の大型化や安全性でも問題を生じる。

ここで、放電容器内には、水素以外に、炭素（Ｃ）などが存在し得る。このため、気相化している酸素は、水分子としてだけではなくＣＯ_Ｘなどとしても存在し得る。しかし、このＣＯ_Ｘは、水素を注入した場合であっても、同じように、ＣＯ_Ｘのまま存在している。
つまり、放電容器内に炭素（Ｃ）が混入し、ＣＯ_Ｘなどが存在していたとしても、水素の注入前後でその量が変化するものではなく、本発明の定量方法に何ら影響することではない。
繰り返しになるが、本発明は、水素を注入することで、酸素の状態という意味で、擬似的にアーク放電のときと同じ状態を作り、この状態でグロー放電発光させることで、水銀発光の影響を受けることなく酸素量を測定するものである。水素を注入することで新たに増加するＯＨラジカル（つまり、水分子）こそが、真に、ハロゲンサイクルに寄与する酸素とする点に特徴を有する。

本発明の製造方法によれば、（（ｃ／ａ２）−（ｂ／ａ１））を測定することで、当該放電ランプが適量の酸素を含んでいることを確認できる。その意味で本発明は放電ランプの検査方法ともいえるかもしれない。しかし、当該放電ランプから水素を除去することで、市販品としての放電ランプに戻すことができ、放電ランプの製造工程の中で当該測定を行うという意味で放電ランプの製造方法といえる。
水素を除去する方法としては、例えば、ランプ全体の真空ベークや、WO2004/084253に開示されているように、発光部外表面と内部の導電性部材(電極・Ｍｏ箔)との間に電界を印加することにより、放電空間内の水素を除去する方法などが考えられる。

また、一般に、この種の放電ランプは、同じ規格で同じ仕様のランプを連続生産、あるいはロット生産する場合が多い。このことは、同一仕様として製造した放電ランプは、（（ｃ／ａ２）−（ｂ／ａ１））の値がほぼ同一であり、一の放電ランプの（（ｃ／ａ２）−（ｂ／ａ１））が０．００１〜１５の範囲内であれば、同じ工程の中で製造する他の放電ランプも同様の特性を有していると扱うことができる。
つまり、特定の放電ランプについてのみ、定期的に当該測定を行い、この測定結果をもとに他の放電ランプも併せて評価できる。このことは、抜き取り的に破壊検査することと同じである。

放電容器に含まれる酸素量をコントロールする方法として、封止工程において、封入するアルゴンに対して酸素を混合させ、その酸素量を調整する方法が考えられる。
図６は放電ランプの製造工程の概略を示す。（ａ）〜（ｈ）の流れで工程が進む。
（ａ）は一方の封止部にマウントを挿入する。マウントは電極、金属箔、外部リードが一体となったものである。
（ｂ）は当該封止部を封じる。
（ｃ）は発光部に水銀、ハロゲン化合物を封入し、他方の封止部にマウントを挿入する。
（ｄ）は発光部内を排気する。
（ｅ）は発光部内にアルゴンと酸素の混合ガスを封入する。
（ｆ）は他方の封止部を封じる。
（ｇ）は一方の封止部を封止、例えば、シュリンクシールする。
（ｈ）は他方の封止部を封止、例えば、シュリンクシールする。
ここで、（ｅ）工程において、アルゴンと酸素の混合ガスを封入するが、この混合比率を調整することで酸素量を制御することができる。一例を上げると、アルゴンが９９．９％、酸素が０．１％、全体として１３ｋＰａとか、あるいは、アルゴンが９９％、酸素が１％、全体として１３ｋＰａとなる。
そして、（（ｃ／ａ２）−（ｂ／ａ１））の値が、小さい場合には、（ｅ）工程で酸素の比率を高め、大きい場合には酸素の比率を下げることとで調整する。この場合、測定した放電ランプから水素を除いて、再生産することもできるが、製造工程全体の簡易化という意味では、当該放電ランプは破棄させて、次の放電ランプの製造から、（ｅ）工程の上記調整をすることもできる。

次に、（（ｃ／ａ２）−（ｂ／ａ１））の数値範囲に関する実験を説明する。
図１に示す構成と同じ放電ランプを２４種類（ランプ１〜ランプ２４）各２本ずつの合計４８本を作成した。各ランプは、封入酸素量と封入ハロゲン量が異なるが、放電容器、電極、他の封入物、電気特性など他の条件は同一とした。具体的には、放電ランプの材質は石英ガラスである、全長は６０ｍｍ、発光部の外径は９．４ｍｍ、内径は４ｍｍであり、発光空間の容積は約６０ｍｍ^３である。封止部の長さはそれぞれ２０ｍｍであり、その外径は５ｍｍである。放電容器（石英ガラス）の真空脱ガス処理については、処理圧力が５×１０^−５Ｐａ、処理温度が１１５０℃、処理時間は４０時間である。電極はともにタングステンからなり、電極間距離は１．２ｍｍ、また、電極の熱処理は、処理圧力が８×１０^−５Ｐａ、処理温度が２２００℃、処理時間が３０分である。
水銀封入量は、すべてのランプで約１３ｍｇ（約０．２２ｍｇ／ｍｍ^３に相当）である。

臭素封入量は、２×１０^−４μｍｏｌ／ｍｍ^３，１×１０^−３μｍｏｌ／ｍｍ^３，７×１０^−３μｍｏｌ／ｍｍ^３の３タイプを１６本ずつ作成した。
具体的には、ランプ１、ランプ４、ランプ７、ランプ１０、ランプ１３、ランプ１６、ランプ１９、ランプ２２は２×１０^−４μｍｏｌ／ｍｍ^３，ランプ２、ランプ５、ランプ８、ランプ１１、ランプ１４、ランプ１７、ランプ２０、ランプ２３は１×１０^−３μｍｏｌ／ｍｍ^３、ランプ３、ランプ６、ランプ９、ランプ１２、ランプ１５、ランプ１８、ランプ２１、ランプ２４は７×１０^−３μｍｏｌ／ｍｍ^３である。
なお、ランプ１が２本、ランプ２が２本・・・というように、各ランプは２本ずつ作成している。

Ａｒ−Ｏ２混合ガスは１３．３ｋＰａとして、Ｏ２濃度はＡｒに対して、０．００５％、０．０１％、０．１％、０．３％、０．５％、１％、３％の７通りを作成した。
具体的には、ランプ１〜３は０．００５％、ランプ４〜６は０．０１％、ランプ７〜９は０．１％、ランプ１０〜１２は０．３％、ランプ１３〜１５は０．５％、ランプ１６〜１８は１％、ランプ１９〜２１は３％、ランプ２２〜２４は０．３％である。

これら放電ランプは、定格値として、ランプ電圧７０Ｖ、ランプ電流１．７Ａ、ランプ電力１２０Ｗである。
これら２４種類の各放電ランプに対して、１本は発光強度の測定を行い、もう１本は寿命特性の検査を行った。
水素雰囲気における加熱処理は９５０℃で行い、加熱時間は１２０分である。

発光強度の測定は、各ランプに対して、約５ｍＡの直流電流を供給してグロー放電発光を行い、図３に示す分光測定装置により、波長６６８ｎｍの発光強度と波長３０９ｎｍの発光強度を測定し、前記したように補正値を考慮して比率（ｂ／ａ１）を計算した。
次に、各放電ランプに水素を注入して、同様に、波長６６８ｎｍの発光強度と波長３０９ｎｍの発光強度を測定し、同様に補正値を考慮して、比率（ｃ／ａ２）を計算した。この計算値から（ｃ／ａ２）−（ｂ／ａ１）が求められた。
分光器は、ニコン製「ｇ−５００III」、検出器は、Andor Technology社製の電子冷却型ＣＣＤ検出器「ＤＶ−４２０」を使用した。入射スリット２５のスリット幅は５０μｍ、回折格子３１の刻線数は、１２００Lines/ｍｍ、波長５００ｎｍにおける逆数分散が１．５ｎｍ／ｍｍである。これらで構成される分光測定装置の分解能は、半値幅で０．０５〜０．０８ｎｍである。分解能が低い場合、ピーク検出が十分にできないことがあるため、少なくとも０．１０ｎｍよりもよい分解能をもつ分光測定装置を用いる必要がある。ＯＨ309nm／Ａｒ668ｎｍの測定値に対する回折格子の補正値は0.3154、ＣＣＤ感度の補正値は1.548、シャープカットフィルターの補正値は0.9217である。これらを掛けることによりランプの発光強度比を求めることができる。

寿命特性は、各放電ランプをそれぞれ１００００時間点灯させて、初期照度を１００とした相対値を測定した。
図７は、上記実験の結果であって、ランプ１〜２４のｂ／ａ１の値、ｃ／ａ２の値、ｃ／ａ２−ｂ／ａ１の値、および点灯時間ごとの相対照度を示す。相対照度は、点灯１００時間、３００時間、５００時間、１０００時間、３０００時間、５０００時間、１００００時間の値を表す。
寿命は、一般に、初期照度の５０％が維持される時間を使用寿命としており、１００００時間点灯後も７０％を維持するものは良品といえる。
この結果、ランプ４〜１８は良品であり、ランプ１〜３、およびランプ１９〜２４は好ましくない。そして、ランプ４〜１８のｃ／ａ２−ｂ／ａ１の値は、０．００１（ランプ４）〜１５．００１０（ランプ１８）に収まっており、すなわち、測定誤差なども考慮して、０．００１〜１５．０の範囲が最適であると導ける。
また、ランプ２２〜２４は、ｃ／ａ２−ｂ／ａ１の値は、０．００１〜１５．０の範囲内であるが、寿命特性は好ましくない。これは、ｂ／ａ１の値が０．０５より多いからであり、早期に放電容器内壁が白濁したことを示す。

以上、説明したように、この発明に係る放電ランプの製造方法は、石英ガラスからなる放電容器内に一対の電極を有し、少なくとも０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、アルゴン（Ａｒ）と、ハロゲンが封入される放電ランプの製造方法において、前記放電ランプをグロー放電させて、アルゴン（Ａｒ）による波長６６８ｎｍの発光強度ａと、ＯＨラジカルによる波長３０９ｎｍの発光強度ｂの関係ｂ／ａ１を測定し、次に、当該放電ランプの放電容器内に水素を封入して、同様に当該放電ランプをグロー放電させて、アルゴン（Ａｒ）による波長６６８ｎｍの発光強度をａと、ＯＨラジカルによる波長３０９ｎｍの発光強度ｃの関係ｃ／ａ２を測定し、ｂ／ａ１とｃ／ａ２の差異、すなわち、（ｃ／ａ２−ｂ／ａ１）を０．００１〜１５とすることを特徴とする。そして、当該製造方法による放電ランプであることも特徴とする。

この構成により、消灯時あるいはグロー放電時には、タングステン酸化物（ＷＯ_Ｘ）、タングステン臭酸化物（ＷＯ_ＸＢｒ_Ｙ）のような固相状態で存在する酸素の量を正確に定量化することができ、当該酸素を封入することでハロゲンサイクルを効果的に機能させて長寿命の放電ランプを提供できる。
なお、上記実施例では、交流点灯型放電ランプを例示して説明したが、直流点灯型放電ランプについても適用できることは言うまでもない。

放電ランプの全体構成を示す。 本発明の現象を説明する状態を示す。 分光測定装置を示す。 本発明に係る放電ランプのスペクトルの一例を示す。 本発明に係る放電ランプのスペクトルの一例を示す。 本発明に係る放電ランプの製造工程を示す。 本発明の実験結果を示す。

符号の説明

１０ 放電ランプ
１１ 発光部
１２ 封止部
１３ 金属箔
１４ 外部リード
２０ 電極
３０ 分光器
３１ 回折格子
３２ ドライバー
３３ 制御機構
３４ スリット
３５ 検出器
３６ 制御装置

Claims (2)

1. 石英ガラスからなる放電容器内に一対のタングステン電極を有し、少なくとも０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、アルゴン（Ａｒ）と、１０ ^−６ 〜１０ ^−２ μｍｏｌ／ｍｍ ^３ のハロゲンが封入される放電ランプの製造方法において、
   前記放電ランプをグロー放電させて、アルゴン（Ａｒ）による波長６６８ｎｍの発光強度ａ１と、ＯＨラジカルによる波長３０９ｎｍの発光強度ｂの関係ｂ／ａ１を測定し、
   次に、当該放電ランプの放電容器内に水素を封入して、同様に当該放電ランプをグロー放電させて、アルゴン（Ａｒ）による波長６６８ｎｍの発光強度をａ２と、ＯＨラジカルによる波長３０９ｎｍの発光強度ｃの関係ｃ／ａ２を測定し、
   ｃ／ａ２とｂ／ａ１との差（ｃ／ａ２−ｂ／ａ１）を０．００１〜１５とする放電ランプの製造方法。
2. 石英ガラスからなる放電容器内に一対のタングステン電極を有し、少なくとも０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、アルゴン（Ａｒ）と、１０ ^−６ 〜１０ ^−２ μｍｏｌ／ｍｍ ^３ のハロゲンが封入される放電ランプにおいて、
   前記放電ランプをグロー放電させた場合のアルゴン（Ａｒ）による波長６６８ｎｍの発光強度ａ１と、ＯＨラジカルによる波長３０９ｎｍの発光強度ｂの関係ｂ／ａ１と、
   当該放電ランプの放電容器内に水素を封入して、同様に当該放電ランプをグロー放電させた場合のアルゴン（Ａｒ）による波長６６８ｎｍの発光強度ａ２と、ＯＨラジカルによる波長３０９ｎｍの発光強度ｃの関係ｃ／ａ２の差（ｃ／ａ２−ｂ／ａ１）が０．００１〜１５となることを特徴とする放電ランプ。

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