JP4696697B2 - 超高圧水銀ランプ - Google Patents
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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放電ランプに関する。特に、発光管内に０．１５ｍｇ／ｍｍ３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。このため、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。
特開平２−１４８５６１号
特開平６−５２８３０号
このような超高圧水銀ランプは、しばしば、発光管の内壁が黒化することにより、光透過率が低下することが問題となる。これは、電極の動作温度が高く、点灯時に電極を構成する材料が飛散しやすいことに起因して、例えば電極がタングステンからなる場合、飛散したタングステンがバルブの内壁に付着することによる。
このため、上記文献には、中央部に球状の発光部を有する発光管内に、所定量のハロゲンガスを封入して、ハロゲンサイクルを行うことにより、発光管に生ずる黒化を防止することについて記載されている。
その一方で、上記のような超高圧水銀ランプは、始動時において、電極を構成するタングステンが飛散する場合も多い。この原因は次のように考えられる。
超高圧水銀ランプの点灯は、点灯初期は陰極を起点とするグロー放電が生じ、グロー放電によって電極が高温状態となると、放電起点が陰極先端に移行して、熱アーク放電による定常点灯に移行するのが通常である。
しかし、このグロー放電時は、始動電圧（始動に必要な電圧）が高いことから、電極に対し激しいイオンスパッタや熱衝撃が加えられることによって、タングステンが容易に飛散する。そして、このようなタングステンの飛散が生じた場合、始動時にはハロゲンサイクルが働かないため、発光管の黒化に直結する。従って、タングステンの飛散は、点灯時よりも始動時の方が問題となる。
超高圧水銀ランプの点灯は、点灯初期は陰極を起点とするグロー放電が生じ、グロー放電によって電極が高温状態となると、放電起点が陰極先端に移行して、熱アーク放電による定常点灯に移行するのが通常である。
しかし、このグロー放電時は、始動電圧（始動に必要な電圧）が高いことから、電極に対し激しいイオンスパッタや熱衝撃が加えられることによって、タングステンが容易に飛散する。そして、このようなタングステンの飛散が生じた場合、始動時にはハロゲンサイクルが働かないため、発光管の黒化に直結する。従って、タングステンの飛散は、点灯時よりも始動時の方が問題となる。
以上から、本発明は、その始動時および点灯時において、電極を構成するタングステンが飛散することがなく、発光管の内壁に黒化が生じることを抑制し、長寿命の超高圧水銀ランプを提供することを目的とする。
上記のようなタングステンの飛散を防止するには、電極に対し、電極を構成するタングステンよりも仕事関数の低い易電子放射物質を含有させて、電極の仕事関数を低下させることにより、電極から容易に電子が放出されるようにし、始動電圧を低下させることが有効である。これによれば、上記のグロー放電を生じさせるのに必要な始動電圧が低減することにより、前記のような電極に加えられるイオンスパッタや熱衝撃が抑制されるため、始動時におけるタングステンの飛散を防止できる。
ここで、本発明者らは、単に電極に対して電極を構成するタングステンよりも仕事関数の低い易電子放射物質を含有させることにとどまらず、検討を重ねたところ、電極が前記の易電子放射物質を含有している場合において、発光管内に突出している電極のうち、前記易電子放射物質を含有している部位の表面積Ｓ（ｍｍ２）と、当該部位における易電子放射物質の濃度Ａ（ｗｔ％）との関係が、タングステンの飛散に大きな影響を与えることを発見した。具体的には、発光管内に突出している電極の表面積Ｓが小さい場合、タングステンの飛散を防止するには、易電子放射物質の濃度が高いことが望ましい。一方、発光管内に突出している電極の表面積Ｓが大きい場合、タングステンの飛散を防止するとともに、発光管内に易電子放射物質が過剰に放出されることがないように、易電子放射物質の濃度が小さいことが望ましい。
すなわち、発光管内に突出している電極のうち、易電子放射物質が含有された箇所の表面積Ｓと、易電子放射物質の濃度Ａとの関係を最適に規定することにより、発光管の内壁の黒化を確実に防止できることを発見したのである。
すなわち、発光管内に突出している電極のうち、易電子放射物質が含有された箇所の表面積Ｓと、易電子放射物質の濃度Ａとの関係を最適に規定することにより、発光管の内壁の黒化を確実に防止できることを発見したのである。
請求項１の発明は、前記した発見に基づいてなされたものであり、発光管内に、一対の電極が突出して対向するよう配置されるとともに、発光物質として０．１５ｍｇ／ｍｍ３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、タングステンからなる軸部と始動補助部とを備え、前記軸部および／または前記始動補助部は、タングステンより仕事関数が低い易電子放射物質を含有し、前記発光管内に突出した電極のうち、易電子放射物質を含有している部位の表面積をＳ（ｍｍ２）とし、当該部位における易電子放射物質の濃度（ｗｔ％）をＡとした場合に、１≦Ｓ／Ａ（ｍｍ２／ｗｔ％）≦１×１０４の関係を満たすことを特徴とする。
さらに、請求項２の発明は、軸部と始動補助部とからなる電極のうち、始動補助部のみが易電子放射物質を含有し、始動補助部のうち、易電子放射物質を含有している部位の表面積をＳ（ｍｍ２）とし、当該部位における易電子放射物質の濃度（ｗｔ％）をＡとした場合に、１≦Ｓ／Ａ（ｍｍ２／ｗｔ％）≦１×１０４の関係を満たすことを特徴とする。これによる技術的意義は、以下のとおりである。
電極からタングステンが飛散することに起因する問題に対しては、前記のような易電子放射物質を用いること、および発光管内に突出した電極のうち、易電子放射物質を含有している部分の表面積と当該部分における易電子放射物質の濃度との関係を最適に規定することにより、対応することが可能である。請求項２の発明は、これに加えて、タングステンが飛散する主要因となるグロー放電に着目し、グロー放電の生じている時間を短縮すること、および発光管の内壁から遠い箇所においてグロー放電を生じさせる、という観点から、タングステンの飛散を防止することを目的としている。
さらに、請求項３の発明は、前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極は、タングステンからなる太径部と始動補助部とを備え、前記太径部および／または前記始動補助部は、タングステンより仕事関数が低い易電子放射物質を含有し、前記発光管内に突出した電極のうち、易電子放射物質を含有している部位の表面積をＳ（ｍｍ２）とし、当該部位における易電子放射物質の濃度をＡ（ｗｔ％）とした場合に、１≦Ｓ／Ａ（ｍｍ２／ｗｔ％）≦１×１０４の関係を満たすことを特徴としている。
さらに、請求項４の発明は、前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極は、タングステンからなる太径部と始動補助部とを備え、前記始動補助部のみが易電子放射物質を含有し、前記始動補助部のうち、易電子放射物質を含有している部位の表面積をＳ（ｍｍ２）とし、当該部位における易電子放射物質の濃度をＡ（ｗｔ％）とした場合に、１≦Ｓ／Ａ（ｍｍ２／ｗｔ％）≦１×１０４の関係を満たすことを特徴としている。
電極からタングステンが飛散することに起因する問題に対しては、前記のような易電子放射物質を用いること、および発光管内に突出した電極のうち、易電子放射物質を含有している部分の表面積と当該部分における易電子放射物質の濃度との関係を最適に規定することにより、対応することが可能である。請求項２の発明は、これに加えて、タングステンが飛散する主要因となるグロー放電に着目し、グロー放電の生じている時間を短縮すること、および発光管の内壁から遠い箇所においてグロー放電を生じさせる、という観点から、タングステンの飛散を防止することを目的としている。
さらに、請求項３の発明は、前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極は、タングステンからなる太径部と始動補助部とを備え、前記太径部および／または前記始動補助部は、タングステンより仕事関数が低い易電子放射物質を含有し、前記発光管内に突出した電極のうち、易電子放射物質を含有している部位の表面積をＳ（ｍｍ２）とし、当該部位における易電子放射物質の濃度をＡ（ｗｔ％）とした場合に、１≦Ｓ／Ａ（ｍｍ２／ｗｔ％）≦１×１０４の関係を満たすことを特徴としている。
さらに、請求項４の発明は、前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極は、タングステンからなる太径部と始動補助部とを備え、前記始動補助部のみが易電子放射物質を含有し、前記始動補助部のうち、易電子放射物質を含有している部位の表面積をＳ（ｍｍ２）とし、当該部位における易電子放射物質の濃度をＡ（ｗｔ％）とした場合に、１≦Ｓ／Ａ（ｍｍ２／ｗｔ％）≦１×１０４の関係を満たすことを特徴としている。
さらに、本発明者らは、検討を積重ねたところ、前記易電子放射物質が、イットリウム、ランタン、セリウム、バリウム、ストロンチウム、ハフニウム、ジルコニウムのうち少なくとも一種類以上の元素である場合には、これらの元素とハロゲンが結合しにくいことを発見した。
すなわち、請求項５の発明は、このような発見に基づいてなされたものであり、前記易電子放射物質が、イットリウム、ランタン、セリウム、バリウム、ストロンチウム、ハフニウム、ジルコニウムのうち少なくとも一種類以上の元素を含むことを特徴とする。
そして、請求項６の発明は、グロー放電の生じている時間をさらに短縮するため、前記始動補助部がコイル形状を有することを特徴とする。
すなわち、請求項５の発明は、このような発見に基づいてなされたものであり、前記易電子放射物質が、イットリウム、ランタン、セリウム、バリウム、ストロンチウム、ハフニウム、ジルコニウムのうち少なくとも一種類以上の元素を含むことを特徴とする。
そして、請求項６の発明は、グロー放電の生じている時間をさらに短縮するため、前記始動補助部がコイル形状を有することを特徴とする。
請求項１の発明の超高圧水銀ランプによれば、発光管内に突出している電極のうち、易電子放射物質を含有している部位における表面積Ｓと、当該部位における易電子放射物質の濃度Ａとの関係を最適に規定することにより、タングステンの飛散を防止できるとともに、易電子放射物質が発光管内に放出されることに起因するハロゲンサイクルへの悪影響を抑制することができる。
請求項２の発明の超高圧水銀ランプによれば、軸部と始動補助部とからなる電極のうち、始動補助部のみが易電子放射物質を含有していることにより、始動補助部の仕事関数が他の部位の仕事関数に比して低いことから、グロー放電を始動補助部に集中させ、始動補助部の温度を速やかに上昇させることができるため、グロー放電の生じている時間を短縮することができ、速やかに熱アーク放電に移行させることができる。
しかも、万が一、タングステンが飛散した場合においても、グロー放電の起点を始動補助部とすることにより、発光管の内壁からの離間距離が大きくなることから、発光管の内壁にタングステンが付着することを抑制できる。
請求項３および請求項４の発明の超高圧水銀ランプによれば、交流点灯方式のランプにおいても、請求項１および請求項２と同様の効果を得ることができる。
しかも、万が一、タングステンが飛散した場合においても、グロー放電の起点を始動補助部とすることにより、発光管の内壁からの離間距離が大きくなることから、発光管の内壁にタングステンが付着することを抑制できる。
請求項３および請求項４の発明の超高圧水銀ランプによれば、交流点灯方式のランプにおいても、請求項１および請求項２と同様の効果を得ることができる。
請求項４の発明の超高圧水銀ランプによれば、前記発光管内に突出している電極が、イットリウム、ランタン、セリウム、バリウム、ストロンチウム、ハフニウム、ジルコニウムのうち少なくとも一種類以上の元素からなる易電子放射物質を含有していることにより、ハロゲンサイクルに与える影響が小さいものとなる。
請求項５の発明の超高圧水銀ランプによれば、前記始動補助部がコイル形状を有することにより、始動補助部の熱容量が小さくなるため、始動補助部を極めて短時間で高温状態とすることができる。また、コイル形状とすることにより、軸部に対して容易に取り付けることができる。
図１は、本発明の超高圧水銀ランプを正面断面図にて示す。
超高圧水銀ランプは、発光管１と、対向する陽極２および陰極３と、金属箔４と、外部リード５とを備えて構成され、直流点灯方式である。
超高圧水銀ランプは、発光管１と、対向する陽極２および陰極３と、金属箔４と、外部リード５とを備えて構成され、直流点灯方式である。
発光管１は、例えば石英ガラスからなり、中央に位置する楕円球状の発光部１１と、発光部１１の両端に繋がる封止部１２（１２ａ、１２ｂ）とを有する。発光管１内には、発光物質としての水銀と、バッファガスとしての希ガスと、ハロゲンサイクルを行なうためのハロゲンガスが封入されている。
水銀の封入量は、０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上であって、例えば０．２ｍｇ／ｍｍ３である。これにより、点灯時の水銀蒸気圧は、１５０気圧以上となる。希ガスは、例えばアルゴンガスであり、その封入量は、例えば１３ｋＰａである。ハロゲンガスは、例えば臭素であって、その封入量は、２．０×１０−４μｍｏｌ／ｍｍ３〜７．０×１０−３μｍｏｌ／ｍｍ３の範囲であって、例えば３．０×１０−４μｍｏｌ／ｍｍ３である。
発光管１は、発光部１１の最大外径が１２ｍｍ、発光部１１の全長が１０．８ｍｍ、封止部１２の最大外径が７．６ｍｍ、封止部１２の全長が３０ｍｍ（１２ｂ）と２２ｍｍ（１２ａ）、全長が６２ｍｍ、内容積が１５４ｍｍ３である。
水銀の封入量は、０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上であって、例えば０．２ｍｇ／ｍｍ３である。これにより、点灯時の水銀蒸気圧は、１５０気圧以上となる。希ガスは、例えばアルゴンガスであり、その封入量は、例えば１３ｋＰａである。ハロゲンガスは、例えば臭素であって、その封入量は、２．０×１０−４μｍｏｌ／ｍｍ３〜７．０×１０−３μｍｏｌ／ｍｍ３の範囲であって、例えば３．０×１０−４μｍｏｌ／ｍｍ３である。
発光管１は、発光部１１の最大外径が１２ｍｍ、発光部１１の全長が１０．８ｍｍ、封止部１２の最大外径が７．６ｍｍ、封止部１２の全長が３０ｍｍ（１２ｂ）と２２ｍｍ（１２ａ）、全長が６２ｍｍ、内容積が１５４ｍｍ３である。
陽極２および陰極３は、発光管１内において、同軸上に対向して配置されている。陽極２は、その一部が封止部１２ａに埋設され、その基端部が金属箔４ａに接続されている。陰極３は、軸部３１と軸部３１の先端近傍に接続された始動補助部３２とを備える。軸部３１は、その一部が封止部１２ｂに埋設され、その基端部が金属箔４ｂに接続されている。なお、軸部３１は、軸部３１を構成するタングステンと封止部１２ｂを構成する石英ガラスとの熱膨張係数の差が大きいことを考慮して、封止部１２ｂとの間に３００μｍ以下の空隙が形成されている。始動補助部３２は、その全体が発光管１内の空間Ｓに露出している。金属箔４ａおよび４ｂは、例えばモリブデンからなり、それぞれ、封止部１２ａおよび封止部１２ｂに埋設されている。外部リード５ａおよび５ｂは、例えばモリブデンからなり、各々の先端部が金属箔４ａ若しくは４ｂに接続され、各々の基端部が封止部１２ａ若しくは１２ｂから外方に突出している。
陽極２は、タングステンから構成されている。陽極２は、全長が１３．５ｍｍ、最大外径が３．０ｍｍ、表面積が６２ｍｍ２である。
陰極３は、タングステンから構成されるとともに、イットリウム、ランタン、セリウム、バリウム、ストロンチウム、ハフニウム、ジルコニウムの内、少なくとも一種類以上の元素からなる易電子放射物質を含有している。
陽極２の体積が陰極３に比して大きいのは、本発明の超高圧水銀ランプは、発光管１内の熱的条件が極めて厳しいものであり、また、陽極２は、陰極３からの電子衝突を受け止める箇所だからである。
陰極３は、タングステンから構成されるとともに、イットリウム、ランタン、セリウム、バリウム、ストロンチウム、ハフニウム、ジルコニウムの内、少なくとも一種類以上の元素からなる易電子放射物質を含有している。
陽極２の体積が陰極３に比して大きいのは、本発明の超高圧水銀ランプは、発光管１内の熱的条件が極めて厳しいものであり、また、陽極２は、陰極３からの電子衝突を受け止める箇所だからである。
軸部３１は、全長が１１ｍｍ、最大外径が１．３ｍｍである。始動補助部３２は、線径が０．１ｍｍ〜１．０ｍｍのタングステンからなる線材を、外径が０．４ｍｍ〜５．０ｍｍ、全長が０．２ｍｍ〜５．０ｍｍのコイル形状となるように形成し、軸部３１の長手方向に沿って、軸部３１の先端部近傍に取り付けられている。
始動補助部３２をコイル形状とすることにより、軸部３１への取り付けが容易になる。さらに、コイルのピッチ同士の隙間が放電の起点となり易いこと、およびコイル状であることにより加熱され易いことから、グロー放電からアーク放電に速やかに移行させることができる。定常点灯時においては、始動補助部３２がコイル形状を有することにより、表面の凹凸効果と熱容量により放熱の機能を有している。
始動補助部３２をコイル形状とすることにより、軸部３１への取り付けが容易になる。さらに、コイルのピッチ同士の隙間が放電の起点となり易いこと、およびコイル状であることにより加熱され易いことから、グロー放電からアーク放電に速やかに移行させることができる。定常点灯時においては、始動補助部３２がコイル形状を有することにより、表面の凹凸効果と熱容量により放熱の機能を有している。
〔第１の実施形態〕
軸部３１のうち発光部１１内に突出している部分３３（突出軸部３３ともいう）と、始動補助部３２とを足し合わせた部位（突出部３４ともいう）には、イットリウム若しくはランタンからなる易電子放射物質を含有している。これにより、突出部３４における仕事関数は、２．０ｅＶ〜３．３ｅＶとなり、電極３がタングステン単体で構成された場合の仕事関数（４．５ｅＶ）に比して、小さくなる。
なお、易電子放射物質は、突出部３４の全てに限らず、突出部３４の一部に含有されていても良い。すなわち、易電子放射物質を含有する部位は、突出軸部３３の全体若しくは一部のみ、突出軸部３３の一部と始動補助部３２の全体、突出軸部３３の全体と始動補助部の一部、突出軸部３３の一部と始動補助部３２の一部、後述する始動補助部３２の全体若しくは一部のみ、とすることができる。この場合、易電子放射物質を含有する部位の表面積がＳとなり、当該部位における易電子放射物質の濃度がＡとなる。
軸部３１のうち発光部１１内に突出している部分３３（突出軸部３３ともいう）と、始動補助部３２とを足し合わせた部位（突出部３４ともいう）には、イットリウム若しくはランタンからなる易電子放射物質を含有している。これにより、突出部３４における仕事関数は、２．０ｅＶ〜３．３ｅＶとなり、電極３がタングステン単体で構成された場合の仕事関数（４．５ｅＶ）に比して、小さくなる。
なお、易電子放射物質は、突出部３４の全てに限らず、突出部３４の一部に含有されていても良い。すなわち、易電子放射物質を含有する部位は、突出軸部３３の全体若しくは一部のみ、突出軸部３３の一部と始動補助部３２の全体、突出軸部３３の全体と始動補助部の一部、突出軸部３３の一部と始動補助部３２の一部、後述する始動補助部３２の全体若しくは一部のみ、とすることができる。この場合、易電子放射物質を含有する部位の表面積がＳとなり、当該部位における易電子放射物質の濃度がＡとなる。
〔第２の実施形態〕
本発明の第２の実施形態に係る超高圧水銀ランプは、陰極３のうち始動補助部３２のみが、イットリウム若しくはランタンからなる易電子放射物質を含有していることにより、始動補助部３２における仕事関数が軸部３１に比して小さいことを特徴とする。その他の構成は、第１の実施形態に係る超高圧水銀ランプと同じである。
本発明の第２の実施形態に係る超高圧水銀ランプは、陰極３のうち始動補助部３２のみが、イットリウム若しくはランタンからなる易電子放射物質を含有していることにより、始動補助部３２における仕事関数が軸部３１に比して小さいことを特徴とする。その他の構成は、第１の実施形態に係る超高圧水銀ランプと同じである。
〔第３の実施形態〕
なお、前記実施形態では、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、本発明は、交流点灯方式の超高圧水銀ランプにも適用することができる。図２は、本発明の第３の実施形態に係る交流点灯方式の超高圧水銀ランプの正面断面図を示す。図２において、図１と同一部分若しくは対応する部分は、図１と同一の符号を付してある。
なお、前記実施形態では、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、本発明は、交流点灯方式の超高圧水銀ランプにも適用することができる。図２は、本発明の第３の実施形態に係る交流点灯方式の超高圧水銀ランプの正面断面図を示す。図２において、図１と同一部分若しくは対応する部分は、図１と同一の符号を付してある。
図２に示すように、電極６は、突起部６１、太径部６２、始動補助部６３および軸部６４から構成される。概ね同一の形状を有する電極６が、発光部１１内において同一軸上に対向して配置されている。発光部１１内には、電極６のうち、突起部６１、太径部６２、始動補助部６３が突出している。
突起部６１は、軸部６４の先端によって形成されており、軸部６４の外径に等しいか、あるいは溶融により若干大きいかあるいは小さくなっている。すなわち、突起部６１は、ランプの点灯によって、発生して成長するものではなく、軸部６４の先端面によってもともと形成されている。
太径部６２は、例えば線状のタングステンをコイル状に巻き付けた状態から溶融して形成される。塊状になることで、熱容量を大きくできる。特に、本発明の超高圧水銀ランプは、発光部１１内が極めて熱的条件の厳しいものであるため、太径部６２は必須である。
始動補助部６３は、同じく線状のタングステンをコイル状に巻き付けた状態から前方部分が溶融して太径部６２となり、残ったコイルの部分により形成される。始動時においては、始動補助部６３がコイル形状を有することにより、コイルのピッチ同士の隙間が放電の起点となり易いこと、およびコイル状であることにより加熱され易いことから、グロー放電からアーク放電に速やかに移行させることができる。定常点灯時においては、始動補助部６３がコイル形状を有することにより、表面の凹凸効果と熱容量により放熱の機能を有している。
太径部６２は、例えば線状のタングステンをコイル状に巻き付けた状態から溶融して形成される。塊状になることで、熱容量を大きくできる。特に、本発明の超高圧水銀ランプは、発光部１１内が極めて熱的条件の厳しいものであるため、太径部６２は必須である。
始動補助部６３は、同じく線状のタングステンをコイル状に巻き付けた状態から前方部分が溶融して太径部６２となり、残ったコイルの部分により形成される。始動時においては、始動補助部６３がコイル形状を有することにより、コイルのピッチ同士の隙間が放電の起点となり易いこと、およびコイル状であることにより加熱され易いことから、グロー放電からアーク放電に速やかに移行させることができる。定常点灯時においては、始動補助部６３がコイル形状を有することにより、表面の凹凸効果と熱容量により放熱の機能を有している。
突起部６１、太径部６２、始動補助部６３および軸部６４は、タングステンから構成され、発光部１１内に突出している、突起部６１、太径部６２および始動補助部６３からなる部分（以下、突出部６５ともいう）には、イットリウム、ランタン、セリウム、バリウム、ストロンチウム、ハフニウム、ジルコニウムの内、少なくとも一種類以上の元素からなる易電子放射物質を含有している。
本発明の第３の実施形態に係る超高圧水銀ランプにおいても、前記の第１および第２の実施形態に係る超高圧水銀ランプと同様に、前記の関係式Ｓ／Ａの数値が１〜１０４（ｍｍ２／ｗｔ％）の範囲内であれば、ランプ寿命を延ばすことができる。
なお、易電子放射物質を含有する部位は、第１の実施形態の如く、突出部６５の全てに限らず、突出部６５の一部に含有しても良い。この場合、突出部６５のうち、易電子放射物質が含有されている部位の表面積Ｓと、当該部位における易電子放射物質の濃度Ａとの比であるＳ／Ａが前記の数値範囲内であれば、ランプ寿命を延ばすことができる。
なお、易電子放射物質を含有する部位は、第１の実施形態の如く、突出部６５の全てに限らず、突出部６５の一部に含有しても良い。この場合、突出部６５のうち、易電子放射物質が含有されている部位の表面積Ｓと、当該部位における易電子放射物質の濃度Ａとの比であるＳ／Ａが前記の数値範囲内であれば、ランプ寿命を延ばすことができる。
〔実験例〕
以下、本発明の第１ないし第３の実施形態に係る超高圧水銀ランプについて、発明の効果を確認するために行なった実験について説明する。
図１に示す構成および以下の仕様に従って、実施例の超高圧水銀ランプを４８本製作した。内訳は、一方の電極にイットリウムを含有しているものが２４本、一方の電極にランタンを含有しているものが２４本である。
発光管１は、石英ガラスからなり、最大外径が１２ｍｍ、全長が６２ｍｍ、発光部１１の内容積が１５４ｍｍ３、水銀の封入量が０．２ｍｇ／ｍｍ３、アルゴンの封入量が１３ｋＰａ、臭素の封入量が３．０×１０−４μｍｏｌ／ｍｍ３である。軸部３１および始動補助部３２は、タングステンに易電子放射物質としてイットリウム若しくはランタンを含有し、その仕様およびＳ／Ａの値は後述の表１に示すとおりである。
以下、本発明の第１ないし第３の実施形態に係る超高圧水銀ランプについて、発明の効果を確認するために行なった実験について説明する。
図１に示す構成および以下の仕様に従って、実施例の超高圧水銀ランプを４８本製作した。内訳は、一方の電極にイットリウムを含有しているものが２４本、一方の電極にランタンを含有しているものが２４本である。
発光管１は、石英ガラスからなり、最大外径が１２ｍｍ、全長が６２ｍｍ、発光部１１の内容積が１５４ｍｍ３、水銀の封入量が０．２ｍｇ／ｍｍ３、アルゴンの封入量が１３ｋＰａ、臭素の封入量が３．０×１０−４μｍｏｌ／ｍｍ３である。軸部３１および始動補助部３２は、タングステンに易電子放射物質としてイットリウム若しくはランタンを含有し、その仕様およびＳ／Ａの値は後述の表１に示すとおりである。
この４８本の超高圧水銀ランプの各々について、２０分間点灯させた後、２０分間消灯するという作業を１０００回繰り返した場合（試行１）と、１０００時間の連続点灯を行った場合（試行２）とで、ランプ寿命に対する影響を調べた。試行１および試行２とも、ランプに対する入力電力は３００Ｗである。その結果を表１に示す。
表１において、「◎」、「○」、「△」、「×」は、前記の易電子放射物質を含有していない、タングステン単体からなる電極を基準とした場合の評価であり、当該電極に比して、著しく寿命が延びたものを「◎」とし、寿命が延びたものを「○」とし、寿命が同等だったものを「△」とし、寿命が短くなったものを「×」とした。
表１において、実施例１、２、３、４、５、６、８、１１、１３、１４、１６、１９、２０、２２、２３、２４が図１に示す直流点灯方式のランプであり、実施例７、９、１０、１２、１５、１７、１８、２１が図２に示す交流点灯方式のランプである。
直流点灯方式のランプの場合、表１の「Ｓ」は、図３に示すように、突出軸部３３（Ｓ１）と始動補助部３２（Ｓ２）との合計（図３ａ参照）、或いは始動補助部３２単体（Ｓ２）（図３ｂ参照）の表面積である。交流点灯方式のランプの場合、表１の「Ｓ」は、図４に示すように、太径部６２（突起部６１を含む）（Ｓ１）と始動補助部６３（Ｓ２）の合計（図４ａ参照）、或いは始動補助部６３単体（Ｓ２）（図４ｂ参照）の表面積を示す。
なお、図３（ａ）と図４（ａ）において、軸部３１或いは６４のうち、封止部１２ｂに覆われた箇所３５或いは６６は、前記のように封止部１２ｂを構成する石英ガラスとの間に３００μｍ以下の空隙が形成されているが、表面積Ｓには含まないものとする。
表１の「Ａ」は、図３と図４に示す部位における易電子放射物質の濃度を示す。
表１において、実施例１、２、３、４、５、６、８、１１、１３、１４、１６、１９、２０、２２、２３、２４が図１に示す直流点灯方式のランプであり、実施例７、９、１０、１２、１５、１７、１８、２１が図２に示す交流点灯方式のランプである。
直流点灯方式のランプの場合、表１の「Ｓ」は、図３に示すように、突出軸部３３（Ｓ１）と始動補助部３２（Ｓ２）との合計（図３ａ参照）、或いは始動補助部３２単体（Ｓ２）（図３ｂ参照）の表面積である。交流点灯方式のランプの場合、表１の「Ｓ」は、図４に示すように、太径部６２（突起部６１を含む）（Ｓ１）と始動補助部６３（Ｓ２）の合計（図４ａ参照）、或いは始動補助部６３単体（Ｓ２）（図４ｂ参照）の表面積を示す。
なお、図３（ａ）と図４（ａ）において、軸部３１或いは６４のうち、封止部１２ｂに覆われた箇所３５或いは６６は、前記のように封止部１２ｂを構成する石英ガラスとの間に３００μｍ以下の空隙が形成されているが、表面積Ｓには含まないものとする。
表１の「Ａ」は、図３と図４に示す部位における易電子放射物質の濃度を示す。
表１に示す実験結果によれば、易電子放射物質としてイットリウムおよびランタンを用いた場合において、Ｓ／Ａの数値が１〜１×１０４の範囲内である場合には、ランプ寿命が延びることが確認された。一方、Ｓ／Ａの数値が前記範囲外である場合には、ランプ寿命が、延びない若しくは短くなることが確認された。この理由は、以下のように考えられる。
すなわち、陰極がタングステン単体からなる場合に比して、イットリウム若しくはランタンからなる易電子放射物質を含有することによって、陰極３の仕事関数が低下することにより、グロー放電を生じさせるのに必要な始動電圧が低下するとともに、易電子放射物質を含有している部位の表面積Ｓと、当該部位における易電子放射物質の濃度Ａとの関係が最適に規定されたことにより、陰極３からのタングステンの飛散が抑制された、と考えられる。
その一方で、Ｓ／Ａの数値が前記範囲外であった場合、陰極３からのタングステンの飛散を抑制できないことにより、ランプ寿命が延びず若しくは短くなったものと考えられる。
すなわち、陰極がタングステン単体からなる場合に比して、イットリウム若しくはランタンからなる易電子放射物質を含有することによって、陰極３の仕事関数が低下することにより、グロー放電を生じさせるのに必要な始動電圧が低下するとともに、易電子放射物質を含有している部位の表面積Ｓと、当該部位における易電子放射物質の濃度Ａとの関係が最適に規定されたことにより、陰極３からのタングステンの飛散が抑制された、と考えられる。
その一方で、Ｓ／Ａの数値が前記範囲外であった場合、陰極３からのタングステンの飛散を抑制できないことにより、ランプ寿命が延びず若しくは短くなったものと考えられる。
また、表１によれば、易電子放射物質を始動補助部３２にのみ含有した場合（実施例３、５、６、７、１０、１３、１４、１５、１８、２０）は、易電子放射物質を軸部３１および始動補助部３２の両方に含有した場合（実施例４、８、９、１１、１２、１６、１７、１９、２１、２２）に比して、さらにランプ寿命を延ばせることが確認された。この理由は、以下のように考えられる。
すなわち、始動補助部３２の仕事関数が、軸部３１の仕事関数に比して低下するため、グロー放電を生じさせるのに必要な始動電圧を低く抑えることができる。しかも、始動補助部３２をコイル形状とすることによって、始動補助部３２の熱容量を小さくできるとともに、コイルのピッチ同士の隙間に放電が集中し易くなるため、始動補助部３２の温度を速やかに上昇させることができる。これにより、グロー放電の生じている時間を大幅に短縮して、速やかに放電起点が陰極３の先端に移行して、熱アーク放電に移行させることができるため、主としてグロー放電時に生じる、陰極に加えられるイオンスパッタや熱衝撃によって陰極を構成するタングステンが飛散する、という問題を良好に解決することができる。
さらには、グロー放電の起点が、軸部３１の先端近傍に設けられた始動補助部３２となるため、放電の起点が軸部３１の基端部側に近い箇所となる場合に比して、放電が発光管１の内壁を舐めることに起因して発光管１の内壁に黒化が生じることもない。
すなわち、始動補助部３２の仕事関数が、軸部３１の仕事関数に比して低下するため、グロー放電を生じさせるのに必要な始動電圧を低く抑えることができる。しかも、始動補助部３２をコイル形状とすることによって、始動補助部３２の熱容量を小さくできるとともに、コイルのピッチ同士の隙間に放電が集中し易くなるため、始動補助部３２の温度を速やかに上昇させることができる。これにより、グロー放電の生じている時間を大幅に短縮して、速やかに放電起点が陰極３の先端に移行して、熱アーク放電に移行させることができるため、主としてグロー放電時に生じる、陰極に加えられるイオンスパッタや熱衝撃によって陰極を構成するタングステンが飛散する、という問題を良好に解決することができる。
さらには、グロー放電の起点が、軸部３１の先端近傍に設けられた始動補助部３２となるため、放電の起点が軸部３１の基端部側に近い箇所となる場合に比して、放電が発光管１の内壁を舐めることに起因して発光管１の内壁に黒化が生じることもない。
なお、表１においては、易電子放射物質としてイットリウム、ランタンを使用した場合についての実験結果を示しているが、その他にも、例えばセリウム、バリウム、ストロンチウム、ハフニウム、ジルコニウムなど、タングステンより仕事関数が低い易電子放出物質を使用した場合にも同等の結果を得ることができる。
〔表面積および濃度の測定方法〕
以下に、本発明において規定する、突出部（３４、６５）の表面積Ｓ（ｍｍ２）の測定方法、突出部（３４、６５）における易電子放射物質の濃度Ａ（ｗｔ％）の測定方法を説明する。
（表面積）
（１） 電極を目視することにより、石英ガラスが付着していない部分を突出部とする。目視によることが困難な場合は、投影機、光学顕微鏡、ＳＥＭなどにより、突出部と封止部に埋設している部分との境界を定める。
（２） 電極から、突出部を切り取る。
（３） 切り取った突出部に対し、寸法に基づいて表面積（ｍｍ２）を算出した。
（濃度Ａ）
（１） 表面積を求める場合と同様に、突出部を切り取る。
（２） 不純物を取り除くため、電極表面をＨＣｌ溶液にて洗浄する。
（３） エッチング後の突出部の重量を秤や電子天秤により測定する。
（４） エッチングした後の突出部をＨＮＯ３＋Ｈ２Ｏ２溶液に溶解させる。誘導結合高周波プラズマ発光分光分析（ＩＣＰ発光分光分析）により、この溶液中に含まれる易電子放射物質の濃度を測定し、これを基にして重量に換算する。
（５） （４）で得た重量値を（３）で得た重量値で割ることによって、突出部における易電子放射物質の濃度（ｗｔ％）を算出する。
以下に、本発明において規定する、突出部（３４、６５）の表面積Ｓ（ｍｍ２）の測定方法、突出部（３４、６５）における易電子放射物質の濃度Ａ（ｗｔ％）の測定方法を説明する。
（表面積）
（１） 電極を目視することにより、石英ガラスが付着していない部分を突出部とする。目視によることが困難な場合は、投影機、光学顕微鏡、ＳＥＭなどにより、突出部と封止部に埋設している部分との境界を定める。
（２） 電極から、突出部を切り取る。
（３） 切り取った突出部に対し、寸法に基づいて表面積（ｍｍ２）を算出した。
（濃度Ａ）
（１） 表面積を求める場合と同様に、突出部を切り取る。
（２） 不純物を取り除くため、電極表面をＨＣｌ溶液にて洗浄する。
（３） エッチング後の突出部の重量を秤や電子天秤により測定する。
（４） エッチングした後の突出部をＨＮＯ３＋Ｈ２Ｏ２溶液に溶解させる。誘導結合高周波プラズマ発光分光分析（ＩＣＰ発光分光分析）により、この溶液中に含まれる易電子放射物質の濃度を測定し、これを基にして重量に換算する。
（５） （４）で得た重量値を（３）で得た重量値で割ることによって、突出部における易電子放射物質の濃度（ｗｔ％）を算出する。
１ 発光管
１１ 発光部
１２ 封止部
２ 陽極
３ 陰極
３１ 軸部
３２ 始動補助部
３３ 突出軸部
３４ 突出部
４ 金属箔
５ 外部リード
６ 電極
６１ 突起部
６２ 太径部
６３ 始動補助部
６４ 軸部
６５ 突出部
１１ 発光部
１２ 封止部
２ 陽極
３ 陰極
３１ 軸部
３２ 始動補助部
３３ 突出軸部
３４ 突出部
４ 金属箔
５ 外部リード
６ 電極
６１ 突起部
６２ 太径部
６３ 始動補助部
６４ 軸部
６５ 突出部
Claims (6)
- 発光管内に、一対の電極が突出して対向するよう配置されるとともに、発光物質として０．１５ｍｇ／ｍｍ３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、タングステンからなる軸部と始動補助部とを備え、
前記軸部および／または前記始動補助部は、タングステンより仕事関数が低い易電子放射物質を含有し、
前記発光管内に突出した電極のうち、易電子放射物質を含有している部位の表面積をＳ（ｍｍ２）とし、当該部位における易電子放射物質の濃度をＡ（ｗｔ％）とした場合に、１≦Ｓ／Ａ（ｍｍ２／ｗｔ％）≦１×１０４の関係を満たすことを特徴とする超高圧水銀ランプ。 - 発光管内に、一対の電極が突出して対向するよう配置されるとともに、発光物質として０．１５ｍｇ／ｍｍ３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、タングステンからなる軸部と始動補助部とを備え、
前記始動補助部のみが易電子放射物質を含有し、
前記始動補助部のうち、易電子放射物質を含有している部位の表面積をＳ（ｍｍ２）とし、当該部位における易電子放射物質の濃度をＡ（ｗｔ％）とした場合に、１≦Ｓ／Ａ（ｍｍ２／ｗｔ％）≦１×１０４の関係を満たすことを特徴とする超高圧水銀ランプ。 - 発光管内に、一対の電極が突出して対向するよう配置されるとともに、発光物質として０．１５ｍｇ／ｍｍ３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、タングステンからなる太径部と始動補助部とを備え、
前記太径部および／または前記始動補助部は、タングステンより仕事関数が低い易電子放射物質を含有し、
前記発光管内に突出した電極のうち、易電子放射物質を含有している部位の表面積をＳ（ｍｍ２）とし、当該部位における易電子放射物質の濃度をＡ（ｗｔ％）とした場合に、１≦Ｓ／Ａ（ｍｍ２／ｗｔ％）≦１×１０４の関係を満たすことを特徴とする超高圧水銀ランプ。 - 発光管内に、一対の電極が突出して対向するよう配置されるとともに、発光物質として０．１５ｍｇ／ｍｍ３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、タングステンからなる太径部と始動補助部とを備え、
前記始動補助部のみが易電子放射物質を含有し、
前記始動補助部のうち、易電子放射物質を含有している部位の表面積をＳ（ｍｍ２）とし、当該部位における易電子放射物質の濃度をＡ（ｗｔ％）とした場合に、１≦Ｓ／Ａ（ｍｍ２／ｗｔ％）≦１×１０４の関係を満たすことを特徴とする超高圧水銀ランプ。 - 前記易電子放射物質は、イットリウム、ランタン、セリウム、バリウム、ストロンチウム、ハフニウム、ジルコニウムのうち、少なくとも一種類以上の元素を含むことを特徴とする請求項１ないし請求項４に記載の超高圧水銀ランプ。
- 前記始動補助部は、コイル形状を有することを特徴とする請求項１ないし請求項５に記載の超高圧水銀ランプ。
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