JP4830638B2 - 高圧放電ランプ - Google Patents

Description

本発明は、発光管内に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、希ガスと、１×１０^−６〜１×１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲でハロゲンが封入され、点灯時には水銀蒸気圧が１１０気圧以上となる高圧放電ランプに関する。特に、液晶ディスプレイ装置やＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）を使った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われる高圧放電ランプに関する。

プロジェクタ装置では、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持って画像を照明することが要求される。このため、光源としては、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われている。また、このようなメタルハライドランプも、最近ではより一層の小型化、点光源化が進められている。その電極間距離は極めて小さく、ランプ点灯中の動作圧力が極めて高いものが実用化されている。

このような背景のもと、メタルハライドランプに代わって、これまで以上に高い水銀蒸気圧で点灯する、例えば１５０気圧で点灯する高圧放電ランプが提案されている。これは水銀蒸気圧をより高くすることで、アークの拡がりを抑え、より一層の光出力の向上を図るというものである。このような高圧放電ランプは例えば、特開平２−１４８５６１号、特開平６−５２８３０号に開示されている。

図６（ａ）は、高圧放電ランプ１０の構成を示す説明用断面図、図６（ｂ）は、高圧放電ランプ１０の電極１の構成を示す拡大図である。
高圧放電ランプ１０は、例えば、石英ガラスからなる発光管１１に一対の電極１を２ｍｍ以下の間隔で対向配置し、この発光管に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、希ガスと、１×１０^−６〜１×１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲でハロゲンを封入したものである。ハロゲンを封入する主な目的は発光管の黒化・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も生じる。

高圧放電ランプ１０は、点灯時間の経過とともに電極１の形状が変形することや、電極先端に突起部２を生成する現象が起こる。この現象は必ずしも明らかではないが以下のように推測できる。
高圧放電ランプ１０の点灯中に電極先端付近の高温部から蒸発したタングステンは、発光管１１の内部に存在するハロゲンや残留酸素と結合し、例えばハロゲンとして臭素（Ｂｒ）が封入される場合では、ＷＢｒ、ＷＢｒ_２、ＷＯ、ＷＯ_２、ＷＯ_２Ｂｒ、ＷＯ_２Ｂｒ_２などのタングステン化合物として存在する。これらの化合物は電極先端付近の気相中の高温部において分解されて、タングステン原子または陽イオンとなる。そして、温度拡散（気相中の高温部＝アーク中心から、低温部＝電極先端近傍に向かうタングステン原子の拡散）し、濃度拡散し、さらに、アーク中でタングステン原子が電離して陽イオンとなる。電極１が陰極動作しているときに、電離して陽イオンとなったタングステン原子が陰極方向に引き寄せられ、電極先端付近における気相中のタングステン蒸気密度が高くなり、電極先端にタングステンが析出して、電極先端が変形し、突起部２を生成するものと考えられる。
上記の突起部２に関する内容は、たとえば、特開２００１−３１２９９７号に開示されている。

このような突起部２は、高圧放電ランプ１０の点灯に伴う物理現象により形成されるので、必ずしも理想的な形態を維持するとはいえない。タングステンはアークに近接した部位に析出する傾向があり、主に突起部２に隣接した大径部４の先端部分に析出するが、大径部４は突起部２に比べて熱容量が大きいので、析出したタングステンが溶融状態になりにくい。そのため、大径部４に析出するタングステンは突起部２に輸送されず、大径部４の突起部２との際に析出されたままとなる。そうなると電極先端の突起部２は変形し、消滅することや、位置移動することがある。突起部２の形状が変形すると、放電の起点が不安定となるので、放電アークの形状が乱れる。このように、突起部２の形状変形が激しくなるとアーク放電が不安定となるので、プロジェクタ装置の光源としての機能を満足できなくなる。
特開平２−１４８５６１号公報 特開平６−５２８３０号公報 特開２００１−３１２９９７号公報

本発明は、突起部の形状を維持し、安定なアーク放電を形成し、チラツキを抑制することができる高圧放電ランプを提供することを目的とする。

本発明は、石英ガラスからなる発光管に一対の電極を２ｍｍ以下の間隔で対向配置し、この発光管に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、希ガスと、１×１０^−６〜１×１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲でハロゲンを封入した高圧放電ランプにおいて、
前記電極は大径部と軸部より構成され、少なくとも一方の電極は、大径部にコイル部が設けられ、大径部の軸方向先端中央部に該大径部より寸法が小さい突出部が形成され、前記突出部の軸方向先端中央部に該突出部より寸法が小さい突起部が形成されることを特徴とする。

また、本願第２の発明は、前記電極の大径部の軸方向長さをＬ_１とし、大径部の直径をＤ_１とするとき、Ｌ_１／Ｄ_１≧１．５が成り立つことを特徴とする。

また、本願第３の発明は、前記電極の大径部の直径をＤ_１とし、前記突出部の直径をＤ_２とし、前記突出部の体積をＶ_２とし、前記突起部の体積をＶ_３とするとき、０．３≦Ｄ_２／Ｄ_１≦０．５８ かつ １．５≦Ｖ_２／Ｖ_３＜１０が成り立つことを特徴とする。

本発明に係る高圧放電ランプによれば、大径部の軸方向先端中央部に該大径部より寸法が小さい突出部が形成され、前記突出部の軸方向先端中央部に該突出部より寸法が小さい突起部が形成されることによって、突出部が、高圧放電ランプの点灯中に、突起部を安定して形成するためのタングステン供給源になると共に、突起部から蒸発されたタングステンを析出させるので、突起部の形状を安定して維持することができる。また、形状が維持された突起部の先端から放電が形成されるアークも、位置がずれることがなく、安定したアーク放電を形成し、チラツキを抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の高圧放電ランプの構成を示す説明用断面図である。
高圧放電ランプ１０は、石英ガラスよりなる概略球形の発光管１１を有し、この発光管１１に、一対の電極１を互いに対向して配置する。また、発光管１１の両端部から伸びるよう封止部１２が形成され、これらの封止部１２内には、通常モリブデンよりなる導電用の金属箔１３が、例えばシュリンクシールにより気密に埋設されている。一対の電極１は、軸部６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が溶接されている。

発光管１１には、水銀と、希ガスと、ハロゲンガスが封入されている。
水銀は、必要な可視光波長、例えば、波長３６０〜７８０ｎｍという放射光を得るためのもので、０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上封入される。この水銀封入量は温度条件によっても異なるが、点灯時に発光管１１の内圧が１５０気圧以上の極めて高い蒸気圧となるように製作される。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が２００気圧以上または３００気圧以上となる高圧放電ランプ１０を製作することができ、この水銀蒸気圧が高くなるほど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。
希ガスは、点灯始動性を改善するために用いられ、例えば、アルゴンガスが約１３ｋＰａ封入される。

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、ハロゲンの封入量は、１×１０^−６〜１×１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲から選択される。ハロゲンを封入することによって、ハロゲンサイクルが発生し、高圧放電ランプ１０の寿命を長くすることができる。また、本発明の高圧放電ランプ１０のように極めて小型で高い内圧を有するものでは、ハロゲンを封入することによって、発光管１１の黒化・失透を防止する効果がある。

高圧放電ランプ１０の数値例を示すと、例えば、発光管１１の最大外径１１．３ｍｍ、電極間距離１．１ｍｍ、発光管１１の内容積１１５ｍｍ^３、定格電圧８２Ｖ、定格電力２５０Ｗであり、交流点灯される。
また、この種の高圧放電ランプ１０は、プロジェクタ装置に内蔵されるものであり、装置の小型化に伴い、高圧放電ランプ１０も小型化することが求められている。また、高圧放電ランプ１０の光量も要求されるので、印加電力も高く、発光管内部の熱的影響は極めて厳しいものとなる。高圧放電ランプ１０の管壁負荷値（発光管の内表面の単位面積当たりの印加電力）は０．８〜３．０Ｗ／ｍｍ²、具体的には２．５Ｗ／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高圧放電ランプ１０は、プロジェクタ装置やオーバーヘッドプロジェクタのようなプレゼンテーション用機器に搭載され、演色性の良い放射光を提供することができる。

図２は、本発明の高圧放電ランプ１０の電極１の構成を示す拡大図である。
図２に示すように、電極１は、大径部４および軸部６より構成される。大径部４は、軸部６より径が大きく、軸部６の先端に接続され、胴部４１にコイル部５が設けられる。また、大径部４の軸方向先端中央部にお椀状の突出部３が形成される。さらに、突出部３の軸方向先端中央部にお椀状の突起部２が形成される。突起部２および突出部３は、大径部４の軸方向先端に電極製造時に形成されている。すなわち、突起部２および突出部３は、高圧放電ランプ１０を点灯することによって発生させて成長させるものではなく、大径部４の先端面に電極製造時に形成されており、高圧放電ランプ１０を点灯させるエージング工程の前に形成される。

大径部４は、タングステンよりなる、円筒状のものであり、例えば、切削加工することや、注型成形することによって形成される。この大径部４は塊状であることにより、熱容量を大きくすることができる。高圧放電ランプ１０では、発光管１１の内部は、熱的条件が極めて厳しいものとなるので、熱容量を確保することが重要である。

コイル部５は、糸状のタングステンよりなるものであり、例えば、大径部４にコイル状のタングステンを巻回し、端部５１を、例えばかしめなどによって固定することにより形成される。コイル部５を設けることによって、大径部４の外表面に凹凸を設けることができる。これより、コイル部５は、点灯始動時の放電始動を誘導し、放電始動開始位置となる。また、コイル部５は細線のため加熱されやすく、グロー放電からアーク放電への移行を容易にする働きがある。

突出部３は、タングステンよりなる、お椀状のものであり、点灯に伴う物理現象により生成されるのではなく、大径部４の軸方向先端に製造段階で形成される。例えば、大径部４の先端を切削加工し、寸法の小さな突出部３が形成されることや、大径部４と突出部３とが連接した形状の型を用意し、注型成形することなどが挙げられる。
突出部３は、高圧放電ランプ１０の点灯中、その表面の一部が溶融状態になり、突起部２にタングステンを輸送させると共に、突起部２から蒸発したタングステンを析出させる。

また、突起部２は、タングステンよりなる、お椀状のものであり、点灯に伴う物理現象により生成されるのではなく、突出部３の軸方向先端に製造段階で形成される。例えば、突出部３の先端を切削加工し、寸法の小さな突起部２が形成されることや、大径部４と突出部３と突起部２が連接した形状の型を用意し、注型成形することなどが挙げられる。
突起部２は、高圧放電ランプ１０の点灯中、アークの起点となり、アークを安定して保持する役割を有する。しかし、アークに接していることから点灯中はそのほとんどが溶融状態となり、その一部は蒸発する。

このように、大径部の軸方向先端中央部にお椀状の突出部３が形成され、前記突出部３の軸方向先端中央部にお椀状の突起部２が形成されることによって、突出部３が、高圧放電ランプ１０の点灯中に、突起部２を安定して形成するためのタングステン供給源になると共に、突起部２から蒸発されたタングステンを析出させるので、突起部２の形状を安定して維持することができる。また、形状が維持された突起部２の先端から放電が形成されるアークも、位置がずれることがなく、安定したアーク放電を形成し、チラツキを抑制することができる。

なお、従来のように、突起部２および突出部３を高圧放電ランプ１０の点灯に伴う物理現象により生成・成長させて形成されると、突起部２および突出部３の寸法のバラツキが大きくなる。それに伴い、突起部２からのタングステンの蒸発と、突出部３から突起部２へのタングステンの輸送とのバランスが崩れ、電極先端の突起部２が変形し、消滅することや、位置移動することがある。また、突起部２が設計値以上に成長すると、電極間距離が短くなり、高圧放電ランプ１０の点灯が暗くなる。突起部２の形状が変形すると、放電の起点が不安定となるので、放電アークの形状が乱れる。そのため、必ずしも理想的な形態を維持するとはいえない。

また、軸部５にコイルを巻回して溶融させて大径部４形成して電極１を製作し、さらに、突起部２および突出部３を高圧放電ランプ１０の点灯に伴う物理現象により生成・成長させて形成させる場合は、高圧放電ランプ１０を４〜５時間ぐらい点灯させる必要がある。なお、電極１、突起部２および突出部３を機械加工によって製作した場合は、高圧放電ランプ１０を５０分程度点灯するだけでよく、製造工程の時間短縮にもなり、その上、細かな設計仕様に対応することもできる。

続いて、電極１の大径部４の直径Ｄ_１と軸方向長さＬ_１の関係について説明する。
電極１の大径部４の直径Ｄ_１が小さい方が、突起部２の位置移動は小さくなる。これは、以下の実験によって確認をした。実験対象として用いた電極および突起部の仕様を以下に示す。
＜仕様＞
電極：タングステン製、全長７ｍｍ、軸部直径φ０．５ｍｍ、大径部直径φ１．１ｍｍまたは１．６ｍｍ
突起部：タングステン製、全長０．２５ｍｍ、直径φ０．５ｍｍ
大径部直径Ｄ_１がφ１．１ｍｍのとき、突起部の径方向の移動は、軸中心から半径０．２ｍｍ以内であったのに対し、大径部直径Ｄ_１がφ１．６ｍｍのときは、突起部の径方向の移動は、軸中心から半径０．６ｍｍの範囲となった。

また、電極１の大径部４の直径Ｄ_１が小さければ、封止部１２の内径が小さくても電極１を挿入して、発光管１１内に配置することができ、高圧放電ランプ１０の小型化を実現できる。このような電極１は、切削加工や注型成形などの機械加工により製作されることが好ましい。軸部５にコイルを巻回して溶融させて電極１を製作すると、大径部４の直径Ｄ_１が大きくなり、所望の形状に製作することができない。

しかしながら、電極１の先端は、高圧放電ランプ１０の点灯中、例えば３０００℃まで温度が上昇するため、その熱容量に耐え、突出部３の形状を維持できる十分な体積が必要とされる。そのため、電極１の大径部４の直径Ｄ_１を小さくすれば、大径部１の軸方向長さＬ_１を大きくしなければならない。

大径部４の直径をＤ_１、大径部４の突出部３との接続部から、大径部４から縮径し軸部６となる位置までの軸方向長さをＬ_１とし、Ｌ_１／Ｄ_１の最小値を実験により求めた。
〔実施例１〕
図１に示す構成に従って、本発明に係る高圧水銀ランプを作製した。以下に、この高圧水銀ランプの仕様を示す。
＜ランプ仕様＞
放電容器：材質；石英ガラス、発光管部の最大外径；φ１１．３ｍｍ、全長；１０．２ｍｍ
電極：材質；タングステン、全長７ｍｍ、軸部直径０．５ｍｍ
電極間距離：１．１ｍｍ、
封入物：水銀；０．２ｍｇ／ｍｍ^３、臭素ガス（ハロゲン）；３．０×１０^−４ｍｏｌ／ｍｍ^３、アルゴン（希ガス）；１３ｋＰａ、
入力電力：２５０Ｗ

以上の高圧水銀ランプについて、電極の大径部の軸方向長さＬ_１に対する直径Ｄ_１の関係（Ｌ_１／Ｄ_１）を、変更したもの（０．７≦Ｌ_１／Ｄ_１＜３．１）を製作し、以下に示す点灯試験を行った。
〔点灯試験〕
１．電極の大径部の直径Ｄ_１と、軸方向長さＬ_１を測定する。
２．高圧放電ランプを点灯させてスクリーンに照射し、スクリーン上の中心に照度計を設置し、アークが十分安定してから、その照度を１０秒間（２００回サンプリング）で測定する。その照度変動率を以下の式より算出する。
（最大照度値−最小照度値）／平均照度値×１００（％）
また、照度測定後の突起部形状を確認した。
３．高圧水銀ランプを、２時間点灯／１５分消灯の断続モードで２００時間点灯させる。
４．２００時間点灯後の照度変動率と突起部形状を、２と同様にして求めた。
なお、各Ｌ_１／Ｄ_１の範囲に対して、２０本ずつ測定した。

以上の実験結果を図３に示す。なお、照度変動率は、２０本の測定結果の平均値を結果として記載した。照度変動率は１．５％以上になると、チラツキが目視で確認された。
また、突起部形状は、
突起部が設計値通り存在すれば ◎、
突起部が若干溶けていれば ○、
突起部はあるが溶けて変形していれば △、
突起部が溶けてなくなっていれば ×、
として記録した。２０本の中に１本でも突起部が変形すれば、その変形した状態を結果として記載した。すなわち、１．１≦Ｌ_１／Ｄ_１＜１．３の２００時間後の突起部形状に関して、１７本は○であるが１本が△である場合は、△を結果として記載した。

以上より、Ｌ_１／Ｄ_１≧１．５とすることによって、突出部の形状を維持してタングテンの供給と析出のバランスを保って突起部の形状を維持することができる。また、形状が維持された突起部の先端から放電が形成されるアークも、位置がずれることがなく、安定したアーク放電を形成し、照度変動率を１．５％以下に抑え、チラツキを抑制できることがわかった。

続いて、電極１の大径部４の直径Ｄ_１と突出部３の直径Ｄ_２の関係、および、突出部３の体積Ｖ₂と突起部２の体積Ｖ_３の関係について説明する。
突出部３が大径部４に比べて大きすぎると、突出部３の温度が低くなり、溶融状態にならないので、析出したタングステンを突起部２に拡散させて供給することができない。また、突出部３が大径部４に比べて小さすぎると、突出部３の温度が高くなり、突起部２に過剰にタングステンを供給し、突出部３が消滅してしまう。そこで、析出したタングステンをバランスよく突起部２に供給し、突起部２の形状を安定して維持することができる大径部４の直径Ｄ_１と突出部３の直径Ｄ_２の関係を実験により求めた。

〔実施例２〕
実施例１で使用した高圧水銀ランプにおいて、（電極の大径部の軸方向長さＬ_１）／（直径Ｄ_１）が１．５以上となるようにし、電極の大径部の直径Ｄ_１に対する突出部の直径Ｄ_２の関係（Ｄ_２／Ｄ_１）を、変更したもの（０．２１≦Ｄ_２／Ｄ_１≦０．７１）を製作し、実施例１と同様の点灯試験を行った。
以上の実験結果を図４に示す。これより、０．３≦Ｄ_２／Ｄ_１≦０．５８とすることによって、突出部の形状を維持してタングテンの供給と析出のバランスを保って突起部の形状を維持することができる。また、形状が維持された突起部の先端から放電が形成されるアークも、位置がずれることがなく、安定したアーク放電を形成し、照度変動率を１．５％以下に抑え、チラツキを抑制することができることがわかった。

しかし、電極１の大径部４の直径Ｄ_１に対する突出部３の直径Ｄ_２の関係（Ｄ_２／Ｄ_１）が、０．３≦Ｄ_２／Ｄ_１≦０．５８を満たすように電極１および突出部３を製作しても、突起部２が溶けてしまう場合があった。それは、突起部２が突出部３に比べて大きすぎる場合、もしくは、突起部２が突出部３に比べて小さすぎる場合も、突出部３に析出したタングステンをバランスよく突起部２に供給し、突起部２の形状を安定して維持することができないことあるためである。このため、突起部２と突出部３の大きさの関係、すなわち突起部２の体積Ｖ_３と突出部３の体積Ｖ_２の関係を実験により求めた。

〔実施例３〕
実施例２で使用した高圧水銀ランプにおいて、（突出部の直径Ｄ_２）／（大径部の直径Ｄ_１）が０．３以上０．５８以下となるようにし、突起部２の体積Ｖ_３と突出部３の体積Ｖ_２の関係（Ｖ_２／Ｖ_３）を、変更したもの（１≦Ｖ_２／Ｖ_３≦２０）を製作し、実施例１と同様の点灯試験を行った。
以上の実験結果を図５に示す。これより、０．３≦Ｄ_２／Ｄ_１≦０．５８かつ１．５≦Ｖ_２／Ｖ_３＜１０とすることによって、突出部の形状を維持してタングテンの供給と析出のバランスを保って突起部の形状を維持することができる。また、形状が維持された突起部の先端から放電が形成されるアークも、位置がずれることがなく、安定したアーク放電を形成し、照度変動率を１．５％以下に抑え、チラツキを抑制することができることがわかった。

本発明の高圧放電ランプの構成を示す説明用断面図 本発明の高圧放電ランプの電極の構成を示す拡大図 本発明の高圧放電ランプの実験結果を示す図 本発明の高圧放電ランプの実験結果を示す図 本発明の高圧放電ランプの実験結果を示す図 従来の高圧放電ランプの説明図

符号の説明

１ 電極
２ 突起部
３ 突出部
４ 大径部
５ コイル部
６ 軸部
１０ 高圧放電ランプ
１１ 発光管
１２ 封止部
１３ 金属箔
１４ 外部リード

Claims (3)

1. 石英ガラスからなる発光管に一対の電極を２ｍｍ以下の間隔で対向配置し、この発光管に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、希ガスと、１×１０^−６〜１×１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲でハロゲンを封入した高圧放電ランプにおいて、
   前記電極は大径部と軸部より構成され、少なくとも一方の電極は、大径部にコイル部が設けられ、大径部の軸方向先端中央部に該大径部より寸法が小さい突出部が形成され、前記突出部の軸方向先端中央部に該突出部より寸法が小さい突起部が形成されることを特徴とする高圧水銀ランプ。
2. 前記電極の大径部の軸方向長さをＬ_１とし、大径部の直径をＤ_１とするとき、
   Ｌ_１／Ｄ_１≧１．５
   が成り立つことを特徴とする請求項１に記載の高圧放電ランプ。
3. 前記電極の大径部の直径をＤ_１とし、前記突出部の直径をＤ_２とし、前記突出部の体積をＶ_２とし、前記突起部の体積をＶ_３とするとき、
   ０．３≦Ｄ_２／Ｄ_１≦０．５８ かつ １．５≦Ｖ_２／Ｖ_３＜１０
   が成り立つことを特徴とする請求項１に記載の高圧放電ランプ。

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