JP4743313B2 - 超高圧水銀ランプおよび超高圧水銀ランプ点灯装置 - Google Patents

Description

本発明は、ショートアーク型の超高圧水銀ランプに関し、更に詳しくは例えばＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス：登録商標）を使用したＤＬＰ（デジタルライトプロセッシング：登録商標）などの投射型プロジェクタ装置のバックライトとして好適な超高圧水銀ランプおよび超高圧水銀ランプ点灯装置に関する。

例えばＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス：登録商標）を使用したＤＬＰ（デジタルライトプロセッシング：登録商標）などの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、均一でかつ十分な演色性をもった画像を投影させることが要求されており、このため、光源としては、点灯時の水銀蒸気圧が例えば１５０気圧以上となるショートアーク型の超高圧水銀ランプが採用されている。
また、紫外線露光用途や光学機器の照明用途のランプにおいては、点灯時の水銀蒸気圧が例えば１００気圧以上のショートアーク型の超高圧水銀ランプが採用されている。
この超高圧水銀ランプは、例えば石英ガラスからなる発光管内に、一対の電極が例えば２ｍｍ以下の間隔で離間して互いに対向するよう配置されると共に、当該発光管内に水銀およびハロゲンが封入されて構成されている。ここで、発光管内にハロゲンが封入される主たる目的は、発光管内においてハロゲンサイクルを形成すると共に、これにより、電極物質であるタングステンが発光管の内壁に付着することを抑制するためである。このような超高圧水銀ランプは、例えば、下記特許文献１乃至下記特許文献３等に記載されている。

図７は、従来の超高圧水銀ランプの一例における要部の構成を示す説明用断面図である。この超高圧水銀ランプ８０は、交流電圧を印加することによって点灯駆動される交流点灯方式によるものであって、発光部１０１の両端にロッド状の封止部１０２が形成された、石英ガラスよりなる発光管１００を有する。
この発光管１００における発光部１０１内には、それぞれタングステンからなる一対の電極９０が互いに対向するよう配置されている。この電極９０の各々は、基端部分が発光管１００の封止部１０２に埋設されて保持された棒状の軸部９１を有し、この軸部９１の先端には、略円柱状の胴部９３を介して略円錐状の頭部９２が一体に形成されており、この頭部９２の先端には突起部９２Ａが形成されている。電極９０の軸部９１の基端には、発光管１００の封止部１０２に埋設された導電性金属箔（図示省略）が溶接されて接続され、この導電性金属箔には、発光管１００の封止部１０２の外端から突出する外部リード棒（図示省略）が接続されている。
また、図示の例では、胴部９３の周囲には、当該胴部９３にコイルが巻き付けられた状態で溶融されることによって一体的に形成されたコイル部９４が設けられている。このコイル部９４は、主としてランプの始動時におけるグロー放電期間中に電極９０を加熱し、当該電極９０の温度上昇を促すことにより、グロー放電からアーク放電への移行を容易にするためものである。

このような超高圧水銀ランプ８０においては、点灯中に電極９０の先端に突起が生じることによってフリッカが発生する、という問題がある。そして、この問題を解決するため、給電装置から超高圧水銀ランプに、定常点灯周波数よりも低い周波数の交流電流を、定常点灯周波数の交流電流に間欠的に挿入して供給する手段が知られている（特許文献４等参照）。

特開２００５−０６３８１７号公報 特開２００６―０７９９８６号公報 特開２０００−２３１９０３号公報 特開２００６−５９７９０号公報

しかしながら、上記の超高圧水銀ランプ８０においては、以下のような問題がある。
超高圧水銀ランプ８０に定常点灯周波数よりも低い周波数の交流電流が供給される期間においては、定常点灯周波数の交流電流が供給される期間よりも、陽極として動作する電極９０の先端が高い温度に加熱される。そして、この電極９０の先端に生じた熱が、当該電極９０における他の部分に伝達されて過熱状態となることにより、電極９０に変形が生じるため、点灯時間が経過するに連れて照度が低下する、という問題がある。

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、その目的は、長時間点灯した場合でも、電極に変形が生じることが抑制され、高い照度維持率が得られる超高圧水銀ランプおよび超高圧水銀ランプ点灯装置を提供することにある。

本発明の超高圧水銀ランプは、発光部および当該発光部の両端に連設された封止部を有する石英ガラスよりなる発光管内に、水銀が封入されると共に、それぞれ基端部分が前記封止部に埋設されて保持された棒状の軸部を有する一対の電極が互いに対向するよう配置されてなる交流点灯型の超高圧水銀ランプにおいて、
前記電極は、前記軸部より大きい径を有する頭部と、この頭部の後端面に一体に突出して伸びるよう形成され、その内周面が前記軸部から離間して当該軸部を包囲するよう設けられた筒部とを有してなり、
交流点灯中において、一方の電極が陽極として動作する陽極動作期間のうち、最も長い時間の陽極動作期間に係る周波数ｆ（Ｈｚ）と、電極における頭部の最先端位置から筒部との境界位置までの軸方向の距離ｄ（ｍｍ）とが、
ｄ／（１／ｆ）^1/2 ≧３．８
の関係式を満たすことを特徴とする。

また、本発明の超高圧水銀ランプ点灯装置は、請求項１に記載の超高圧水銀ランプと、この超高圧水銀ランプに交流電流を供給する給電装置とよりなり、
前記給電装置は、定常点灯周波数の交流電流を供給すると共に、この定常点灯周波数よりも低い周波数の交流電流を、前記定常点灯周波数の交流電流に間欠的に挿入して供給するものであることを特徴とする。

本発明によれば、上記の関係式を満たすことにより、長時間点灯した場合でも、電極に変形が生じることが抑制され、高い照度維持率が得られる超高圧水銀ランプおよび超高圧水銀ランプ点灯装置を提供することができる。

本発明の超高圧水銀ランプの一例における構成を示す説明用断面図である。 図１に示す超高圧水銀ランプにおける電極の側面図である。 図２に示す電極の側面断面図である。 図２に示す電極を線分Ｐ−Ｐで切断して示す断面図である。 給電装置から超高圧水銀ランプに供給される交流電流の波形の一例を示す説明図である。 給電装置から超高圧水銀ランプに供給される交流電流の波形の他の例を示す説明図である。 従来の超高圧水銀ランプの一例における要部の構成を示す説明用断面図である。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の超高圧水銀ランプの一例における構成を示す説明用断面図であり、図２は、図１に示す超高圧水銀ランプにおける電極の側面図、図３は、図２に示す電極の側面断面図、図４は、図２に示す電極を線分Ｐ−Ｐで切断して示す断面図である。
この超高圧水銀ランプ１の発光管１０は、内部に放電空間Ｓを形成する外形が略球状の発光部１１と、この発光部１１の両端の各々に一体に連設された、管軸に沿って外方に伸びるロッド状の封止部１２とを有し、この発光管１０における発光部１１内には、それぞれ基端部分が封止部１２に埋設されて保持された棒状の軸部２３を有する全体がタングステンよりなる一対の電極２０が互いに対向するよう配置されている。
発光管１０における封止部１２の各々の内部には、モリブデンよりなる金属箔１３が、例えばシュリンクシールにより気密に埋設され、金属箔１３の各々の一端には、一対の電極２０における軸部２３の基端２３Ｋが溶接されて電気的に接続されており、一方、金属箔１３の各々の他端には、封止部１２の外端から外方に突出する外部リード１４が溶接されて電気的に接続されている。
この例における超高圧水銀ランプ１は、一対の電極２０間に交流電圧を印加することによって点灯駆動される交流点灯方式によるものであり、電極２０の各々は、定常点灯時における熱的設計を容易にするため、互いに同一の構成のものとされている。

発光管１０は石英ガラスより構成され、この発光管１０の発光部１１内には、例えば、水銀、希ガスおよびハロゲンガスが封入されている。
発光部１１内に封入される水銀は、必要な可視光波長、例えば波長３６０〜７８０ｎｍの放射光を得るためのものであり、点灯時に例えば１００気圧以上の高い水銀蒸気圧を確保するために、その封入量が０．１０ｍｇ／ｍｍ³ 以上、可視光領域に対してより好ましくは、例えば１５０気圧以上の高い水銀蒸気圧を確保するために、その封入量が０．１５ｍｇ／ｍｍ³ 以上の水銀を封入する。この水銀の封入量を増加することにより、点灯時に２００気圧以上、または３００気圧以上の高い水銀蒸気圧を得ることができ、プロジェクタ装置に適した光源を実現することができる。
発光部１１内に封入される希ガスは、点灯始動性を改善するためのものであり、その封入圧は、静圧で例えば１０〜２６ｋＰａである。また、希ガスとしては、アルゴンガスを好適に用いることができる。
発光部１１内に封入されるハロゲンは、発光部１１内においてハロゲンサイクルを形成すると共に、これにより、電極物質であるタングステンが発光部１１の内壁に付着することを抑制するためのものであり、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、例えば１×１０^-6〜１×１０^-2μｍｏｌ／ｍｍ³ である。また、ハロゲンとしては、沃素、臭素、塩素などを用いることができる。
また、発光部１１内には、更に他の放電媒体としてハロゲン化金属を封入することもできる。

電極２０においては、軸部２３が小径部分２３Ａの先端に大径部分２３Ｂが一体に形成されてなり、この軸部２３の大径部分２３Ｂの先端に頭部２１が一体に形成されている。この頭部２１は、先端に向かって小径となる略円錐台状の基台部分２１Ｂと、この基台部分２１Ｂの先端に一体に形成された、先端に向かって小径となる略円錐台状の突起部分２１Ａとにより構成されている。頭部２１の基台部分２１Ｂの後端は軸部２３の大径部分２３Ｂの先端の径より大きい径を有するものとされ、頭部２１の突起部分２１Ａの後端は基台部分２１Ｂの先端の径より小さい径を有するものとされている。
頭部２１の基台部分２１Ｂの後端には、当該基台部分２１Ｂの基端の径と実質的に同一の外径を有する円筒状の筒部２２が、軸部２３と離間した状態で、基台部分２１Ｂの後端から続いて一体に軸部２３を包囲するよう形成されている。
電極２０を形成するタングステンとしては、その純度が４Ｎ以上のものを用いることが好ましい。電極物質として純度が４Ｎ以上のタングステンを用いることにより、電極２０における頭部２１や軸部２３から放電空間Ｓ内に放出される不純物の量を低減することができる。
また、電極２０は、例えば一本のタングステンよりなる棒材からレーザ加工、放電加工などによって切削する方法、電極の各部を別個に形成した後に、これらを溶接する方法によって形成することができる。

頭部２１の体積は、２．５〜６ｍｍ³ であることが好ましい。頭部２１の体積が過小である場合には、熱容量が小さいため、アークによる熱的負荷によって電極物質の溶融または蒸発が生じやすくなる。一方、頭部２１の体積が過大である場合には、頭部２１によって遮られる光の量が大きいため、光を高い効率で外部に放射することか困難となることがある。
また、頭部２１の後端の径（図示の例では基台部分２１Ｂの後端の径）は、例えば１．４〜１．８ｍｍである。

筒部２２の全長は、０．３〜５ｍｍであるのが好ましい。筒部２２の全長が過小である場合には、放電が軸部２３に達することにより、当該軸部２３が高い温度に加熱されることがあり、また、筒部２２に生じた熱が頭部２１を介して軸部２３に伝達されやすくなる。一方、筒部２２の全長が過大である場合には、発光管１０の内壁との距離が短いため、筒部２２の後端部分において放電が生じたときには、発光管１０に黒化などが生じることがある。

軸部２３の径は、ランプの定格消費電力や、電極２０を形成する電極物質と封止部１２を形成する石英ガラスとの熱膨張差などを勘案して設定されるが、軸部２３の先端の径（図示の例では大径部分２３Ｂの先端の径）は、頭部２１の後端の径の２０〜７０％であることが好ましい。軸部２３の先端の径がこの範囲にあれば、頭部２１から軸部２３への熱伝達が小さく、軸部２３の温度上昇を抑制することができる。
また、図示の例では、軸部２３の先端側が大径部分２３Ｂとされているが、このような構成によれば、一本の棒材からレーザ加工、放電加工などによって切削する方法によって電極２０を製造する場合において、当該棒材から切り出されて除去される部分が少ないため、電極２０の製造が容易となる、という利点がある。

電極２１における筒部２２と軸部２３との離間距離ｋは、１０μｍ〜１ｍｍであることが好ましい。この離間距離ｋが１０μｍ以上であれば、超高圧水銀ランプ１の始動時に筒部２２が加熱されて高温状態となった場合でも、その熱が軸部２３に直接伝達されにくいため、軸部２３の温度上昇を抑制することができる。

本発明の超高圧水銀ランプ１は、交流点灯中において、一対の電極２０のうち一方が陽極として動作する陽極動作期間のうち、最も長い時間の陽極動作期間に係る周波数をｆ（Ｈｚ）とし、電極２０における頭部２１の最先端位置から筒部２２との境界位置までの軸方向の距離（以下、「頭部の全長」ともいう。）をｄ（ｍｍ）としたとき、
ｄ／（１／ｆ）^1/2 ≧３．８
の関係式を満たすものである。

交流点灯中の超高圧水銀ランプ１において、電極２０は、陽極として動作する陽極動作期間に温度が上昇する。すなわち、この陽極動作期間のうち最も長い期間が、陽極として動作する電極２０に高い熱負荷を与える期間であり、その周波数の逆数で定められる。
一般的に、交流的に与えられた熱が物質中を拡散する場合に、熱がどの程度残存するかは物質の熱拡散率および交流半波時間の平方根に影響を受けることが知られている。
上記の関係式は、このような観点から実験的に導かれたものであり、上記ｄ／（１／ｆ）^1/2 の値が３．８以上であることにより、電極２０における頭部２１の先端において発生した熱が当該頭部２１の後端位置まで伝達されることが抑制されるため、電極２０が早期に変形することを防止することができる。
従って、本発明の超高圧水銀ランプ１によれば、長時間点灯した場合でも、電極２０に変形が生じることが抑制され、高い照度維持率が得られる。

本発明の超高圧水銀ランプ１においては、以下の理由により、上記ｄ／（１／ｆ）^1/2 の値は３１６以下（ｄ／（１／ｆ）^1/2 ≦３１６）であることが好ましい。
超高圧水銀ランプ１においては、供給される交流電流の周波数が１０００Ｈｚを超える場合には、電極２０の先端に安定した形状の突起が形成されにくく、フリッカが発生しやすくなる。
また、超高圧水銀ランプ１は、例えばプロジェクタ装置の光源として利用され、高い輝度が必要とされることから、管壁負荷が極めて高い小型のものであることが要求され、発光管１０の発光部１１の最大径は、実用上２０ｍｍ以下であり、このような発光管１０内に配置される電極２０としては、頭部２１の全長が、発光管１０の発光部１１の最大径の１／２、すなわち１０ｍｍ以下である。
従って、供給される交流電流の周波数の上限が１０００Ｈｚ、頭部２１の全長の上限が１０ｍｍとすると、ｄ／（１／ｆ）^1/2 の値は３１６以下となる。

上記の超高圧水銀ランプ１における電極２０の具体的な寸法を示すと、軸部２３の小径部分の径ａ１が０．４ｍｍ、大径部分の径ａ２が０．７７ｍｍ、軸部２３の全長ｂが６．８ｍｍ、頭部２１の後端（図示の例では基台部分２１Ｂの後端）の径ｃが１．６ｍｍ、頭部２１の全長ｄが１．２ｍｍ、筒部２２の外径ｅ１が１．６ｍｍ、筒２２の内径ｅ２が１．１５ｍｍ、筒部２２の全長ｇが１．２ｍｍ、筒部２２と軸部２３との離間距離ｋが０．１９ｍｍである。

本発明の超高圧水銀ランプにおいては、例えば給電装置から、定常点灯周波数の交流電流が供給されると共に、この定常点灯周波数よりも低い周波数の交流電流が、前記定常点灯周波数の交流電流に間欠的に挿入されて供給される点灯装置によって点灯された場合に、その効果が有効に発揮される。
図５は、給電装置から超高圧水銀ランプに供給される交流電流の波形の一例を示す説明図である。この図において、縦軸はランプ電流、横軸は時間を示し、ランプ電流がベースラインより上方にあるときは、一方の電極が陽極として動作する陽極動作期間（他方の電極が陰極として動作する期間）であり、ランプ電流値がベースラインより下方にあるときは、一方の電極が陰極として動作する陰極動作期間（他方の電極が陽極として動作する期間）である。
この交流電流は、定常点灯周波数の交流電流Ａ１と、この定常点灯周波数の交流電流Ａ１に間欠的に挿入された当該交流電流Ａ１より低周波数の交流電流Ａ２とからなる。
定常点灯周波数である交流電流Ａ１に係る周波数は、例えば９０〜４５０Ｈｚの範囲から選択される。
交流電流Ａ２に係る周波数は、交流電流Ａ１より低い周波数であって、例えば１０〜１５０Ｈｚの範囲から選択される。
また、１回の交流電流Ａ１の供給時間、すなわち交流電流Ａ２が挿入される時間間隔は、例えば０．１秒間程度である。
また、１回の交流電流Ａ２の供給時間は、例えば０．００６〜０．１秒間である。
このような交流電流においては、交流電流Ａ２による一方の電極の陽極動作期間Ｔが、当該一方の電極の陽極動作期間のうち最も長い時間となるため、当該陽極動作期間Ｔに係る周波数が、上記関係式における周波数ｆとなる。
また、交流電流を供給する給電装置を有する超高圧水銀ランプ点灯装置によれば、フリッカの発生を抑制することができる。

本発明は、発光管内に０．１０ｍｇ／ｍｍ³ 以上の水銀が封入されたショートアーク型の超高圧水銀ランプに適用されることにより、投射型プロジェクタ装置の光源の他、紫外線露光用途や光学機器の照明用途のランプとして、極めて有用である。

本発明においては、上記の実施の形態に限られず、種々の変更を加えることが可能である。
（１）電極２０における軸部２３に大径部分２３Ｂを形成することは必須ではなく、軸部２３は、径が一様な棒状のものであってもよい。
（２）給電装置から超高圧水銀ランプ１に供給される交流電流は、図５に示す波形を有するものに限定されず、例えば図６に示すように、定常点灯周波数の交流電流Ａ１に交流電流Ａ２および交流電流Ａ３が間欠的に挿入された交流電流であってもよい。図６において、縦軸はランプ電流値、横軸は時間を示し、ランプ電流値がベースラインより上方にあるときは、一方の電極が陽極として動作する期間（他方の電極が陰極として動作する期間）であり、ランプ電流値がベースラインより下方にあるときは、一方の電極が陰極として動作する陰極動作期間（他方の電極が陽極として動作する期間）である。

本発明においては、図６に示す交流電流のように、一方の電極について、定常点灯周波数の交流電流Ａ１に挿入された交流電流Ａ３による陰極動作期間が、定常点灯周波数の交流電流Ａ１による陰極動作期間よりも短い場合、すなわち、交流電流Ａ３による陰極動作期間に係る周波数が、交流電流Ａ１による陰極動作期間に係る周波数より高い場合には、交流電流Ａ３による陰極動作期間は無視され、交流電流Ａ３による実際の陽極動作期間ｔの合計が、当該交流電流Ａ３による一つの陽極動作期間Ｔとしてみなされる。

〈実験例〉
図１〜図４に示す構成に従い、下記の仕様を有する交流点灯型のランプ（Ａ）〜ランプ（Ｆ）を作製した。また、以下の仕様において、発光管、電極間距離、封入物および電極の材質は、全てのランプに共通の仕様である。
・発光管は、石英ガラス製で、発光部の内容積が０．０８２５ｃｍ³ である。
・電極間距離は１．１ｍｍである。
・発光管内には、水銀、希ガスおよびハロゲンとして臭素が封入され、水銀封入量は０．２９ｍｇ／ｍｍ³ 、ハロゲン封入量は３×１０^-3μｍｏｌ／ｍｍ³ である。
・電極は、純度が５Ｎのタングステン製で、その他の仕様は下記表１に示す通りである。・入力電力は２７５Ｗである。

ランプ（Ａ）〜ランプ（Ｆ）に対し、給電装置から３７０Ｈｚの定常点灯周波数の交流電流を供給すると共に、この定常点灯周波数の交流電流の供給時間が０．１秒間となる毎に、上記表１に示す低周波数の交流電流をそれぞれの周波数に応じた時間挿入して供給することにより、各ランプを最大で３０００時間連続点灯させ、その照度維持率を測定した。結果を下記表２に示す。
ここで、超高圧水銀ランプは、実用上、照度維持率が５０％以上であれば使用可能であり、また、超高圧水銀ランプの使用寿命が１５００時間以上であれば、実用上良好なものである。

表２に示す結果から明らかなように、ｄ／（１／ｆ）^1/2 の値が３．８以上のランプにおいては、長時間連続して点灯させた場合でも、高い照度維持率が得られることが確認された。

１ 超高圧水銀ランプ
１０ 発光管
１１ 発光部
１２ 封止部
１３ 金属箔
１４ 外部リード
２０ 電極
２１ 頭部
２１Ａ 突起部分
２１Ｂ 基台部分
２２ 筒部
２３ 軸部
２３Ａ 小径部分
２３Ｂ 大径部分
２３Ｋ 基端
８０ 超高圧水銀ランプ
９０ 電極
９１ 軸部
９２ 頭部
９２Ａ 突起部
９３ 胴部
９４ コイル部
１００ 発光管
１０１ 発光部
１０２ 封止部
Ｓ 放電空間

Claims (2)

1. 発光部および当該発光部の両端に連設された封止部を有する石英ガラスよりなる発光管内に、水銀が封入されると共に、それぞれ基端部分が前記封止部に埋設されて保持された棒状の軸部を有する一対の電極が互いに対向するよう配置されてなる交流点灯型の超高圧水銀ランプにおいて、
   前記電極は、前記軸部より大きい径を有する頭部と、この頭部の後端面に一体に突出して伸びるよう形成され、その内周面が前記軸部から離間して当該軸部を包囲するよう設けられた筒部とを有してなり、
   交流点灯中において、一方の電極が陽極として動作する陽極動作期間のうち、最も長い時間の陽極動作期間に係る周波数ｆ（Ｈｚ）と、電極における頭部の最先端位置から筒部との境界位置までの軸方向の距離ｄ（ｍｍ）とが、
   ｄ／（１／ｆ）^1/2 ≧３．８
   の関係式を満たすことを特徴とする超高圧水銀ランプ。
2. 請求項１に記載の超高圧水銀ランプと、この超高圧水銀ランプに交流電流を供給する給電装置とよりなり、
   前記給電装置は、定常点灯周波数の交流電流を供給すると共に、この定常点灯周波数よりも低い周波数の交流電流を、前記定常点灯周波数の交流電流に間欠的に挿入して供給するものであることを特徴とする超高圧水銀ランプ点灯装置。

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