JP3678212B2 - 超高圧水銀ランプ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は高圧水銀ランプに関する。特に、放電容器内に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀が封入されて点灯時の水銀蒸気圧が１５０気圧以上にもなるショートアーク型超高圧水銀ランプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
投射型プロジェクター装置は、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追って画像を照明させることが要求され、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、最近では、より一層の小型化、点光源化が進められ、電極間距離も極めて小さいものが実用化されてきている。
【０００３】
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、極めて高い水銀蒸気圧、例えば、２００バール（約１９７気圧）以上を持つランプが提案されている。これは水銀蒸気圧を高くすることで、アークの広がりを抑えると共に、より一層の光出力の向上を図るというものであり、例えば、特開平２−１４８５６１号（米国特許第５，１０９，１８１号）、特開平６−５２８３０号（米国特許第５，４９７，０４９号）に開示されている。
【０００４】
このようなプロジェクター装置に使われる光源装置は、鮮明な画像を投射するという関係上、放電ランプが失透するということは大きな問題となる。その一方で、最近は、ＤＭＤ^ＴＭ（テキサスインスツルメンツ社；デジタルマイクロミラーデバイス）を使ったＤＬＰ^ＴＭ（同社；デジタルライトプロセッサ）方式が採用されたことにより、液晶パネルを使う必要がなくなり、これにより、より一層小型のプロジェクター装置が注目されつつある。つまり、プロジェクター装置用の放電ランプは、高い光出力や照度維持率が要求される反面、プロジェクター装置の小型化に伴い放電ランプもより小型が求められ、その点灯条件もより厳しい内容が要求されつつある。
【０００５】
ここで、放電容器の材料としては、紫外光の透過特性から一般に石英ガラスが採用される。石英ガラス中のアルカリ金属成分はランプの放電寿命に悪影響を与える。その機構は以下のように考えられるが詳細は定かではない。通常、ランプ点灯（動作）時には、ランプ光による放射熱や電極間に発生するジュール熱によりランプ本体が高温となる。その高温下においては、ガラス中のアルカリ金属イオン（陽イオン）の移動度は大きく、ランプ電極間で生じる電場により、電極部（陰極側）に引き寄せられる。その際、アルカリ金属イオンがガラスと電極部との結合を劣化させ、ガラス／電極界面の接着強度を低下させる。その結果、ランプは短寿命となる。また、ガラス内表面部のアルカリ金属成分はランプ点灯時のガラス表面の失透を促進し、照度低下の一因となる。
【０００６】
ランプは製造後出荷するまでに不良製品の排除を目的にエージングという点灯試験がされる。このエージング条件は（例えば）２分点灯し１分消灯するということを7回繰り返し後、４５分連続点灯するというものであるが、従来、超高圧水銀ランプにおいて、このエージング期間中に封止部の金属箔部での剥離に起因する破損不良が生じていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の目的は、石英ガラスからなる放電容器に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀を封入するプロジェクター装置用の超高圧水銀ランプであって、放電容器の失透と放電容器の破損をともに解決できる超高圧水銀ランプを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
石英ガラス中のアルカリ金属成分量に関しては、特開２００１−２２９８７６号公報に開示がされている。同公報では放電容器の材料となる石英ガラス中のアルカリ金属成分の総量を０．６ｐｐｍ以下に規定している。ただそれは、石英ガラス全体に含まれるアルカリ金属総量のことである。しかし、石英ガラス管中のアルカリ金属濃度については、ガラス表面からガラス内部にわたりガラス管の厚み方向で濃度勾配（濃度分布）の存在することが発明者の研究により明らかになっており、ガラス全体でのアルカリ金属総量が０．６ｐｐｍ以下であっても、表面に近い層ではアルカリ金属量が０．６ｐｐｍよりはるかに高濃度であることがある。
【０００９】
発明者は、同一種のガラス管において内表面を化学エッチングしたものとしないものとでランプを作製した場合、内表面をエッチングしたものではエッチングしないものと比べ、箔浮き発生率やランプ破損率に優位性のあることを確認した。そこで、発光管の内表面のアルカリ金属濃度に着目し、その濃度を規定することで本発明を完成した。
【００１０】
上記課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、溶融石英ガラスからなる放電容器に一対の電極を対向配置しており、この放電容器に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀を封入している超高圧水銀ランプにおいて、該放電容器の内表面から深さ４μｍまでの領域のアルカリ金属濃度が１０ｗｔ．ｐｐｍ以下であることを特徴とする超高圧水銀ランプとするものである。
【００１１】
ここで、「アルカリ金属」とは、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）のことを意味している。
【００１２】
アルカリ金属濃度を放電容器の内表面から深さ４μｍまでの領域で規定したのは、石英ガラス中のアルカリ金属濃度の拡散係数や点灯直後からのイオン電流の評価から、石英ガラスの内表面から深さ４μｍまでのアルカリ金属濃度がランプ寿命特性（破損率や照度維持率）に特に影響を与えることが推測されたことによる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の超高圧水銀ランプ（以下、単に「放電ランプ」ともいう）の全体構成を示す。放電ランプ１０は、溶石英ガラスからなる放電容器１１によって形成された大略球形の放電空間部１２を有し、この放電空間部１２内には、陰極１３と陽極１４が互いに対向するよう配置されている。また、放電空間部１２の両端部から伸びるよう各々封止部１５が形成され、これらの封止部１５内には、通常モリブデンよりなる導電用金属箔１６が、例えばピンチシールにより気密に埋設されており、陰極１３および陽極１４の各々を先端に有する電極棒１７の基端部が、当該導電用金属箔１６の一端部に配置された状態で溶接されて電気的に接続されると共に、他端部には、外部に突出する外部リード棒１８が溶接されている。
【００１４】
放電空間部１２内には、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。
【００１５】
希ガスは、例えば、アルゴンガスが約１３ｋＰａ封入され、点灯始動性を改善するためのものである。
【００１６】
ハロゲンは、臭素、塩素、沃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、例えば、１０^−６〜１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲から選択できるものであって、その機能はハロゲンサイクルを利用した長寿命化であるが、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、このようなハロゲンを封入することも、後述する放電容器の破損、失透という現象に影響を及ぼしていることが考えられる。
【００１７】
このような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、管壁負荷１．５Ｗ／ｍｍ^３、定格電圧８０Ｖ、定格電力１５０Ｗである。そして、この放電ランプは、前記した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。
【００１８】
次に、本発明の作用効果に関する実験について説明する。使用した超高圧水銀ランプは、発光部の最大外径９．４ｍｍ、電極間距離１．３ｍｍ、発光管内容積７５ｍｍ^３、封入水銀量０．２５ｍｇ／ｍｍ^３、封入ハロゲンと封入量１０^−４μｍｏｌ／ｍｍ^３、管壁負荷１．５Ｗ／ｍｍ^３、定格電圧８０Ｖ、定格電力１５０Ｗである。実験は、図２の表に示した１８種の発光管内表面から４μｍまでの平均アルカリ金属濃度の異なるランプサンプルを夫々１０〜数１０本使用した。発光管内表面から４μｍまでの平均アルカリ金属濃度とエージング時の放電容器の破損状態と白濁形成による照度維持率の低下を観察した。
【００１９】
放電容器の破損状態については、放電ランプをエージングと同じ約１時間点灯させた後、放電容器の破損状態を観察して、破損と認められる割合を記録している。そして、各々の放電ランプに対して、ここで、「破損」とは、放電ランプにクラックが生じる場合や、放電ランプが破壊する場合をいう。
【００２０】
これら１８種の、発光管内表面から４μｍまでの平均アルカリ金属濃度の異なるサンプルは、発光管成形後の溶融石英ガラス原管の内表面のアルカリ金属濃度を調整したもの、及び該内表面を化学エッチングして種々の濃度に調整して得た。
【００２１】
この図２から発光管内表面から４μｍまでの平均アルカリ金属濃度が１０ｗｔ．ｐｐｍ以下で、エージング後の破損率は３０％以下に抑えることができる。さらに、３００時間後の平均照度維持率は５０％以上を確保可能となる。
【００２２】
「エージング後の破損率は３０％以下」というのは上述した不良品の排除の目的で実施する破損率の点から充分であり、「３００時間後の平均照度維持率は５０％以上」というのはランプ電力により照度維持率の良否判定基準はまちまちであるが、従来法により製造したランプの平均照度維持率が５０％未満であることに基いた境界値である。
【００２３】
次に、発光管内表面から４μｍまでの平均アルカリ金属濃度の分析法について概略を説明する。分析手法としては、フレームレス原子吸光法（ＦＬ−ＡＳＳ）であり、分析装置は市販品（HITACH製）を使用した。測定原理としては一般によく知られた手法であり、各元素が固有の波長光を吸収すること、つまり光の吸光度（光の減衰量）を利用する。具体的には、被検体に特有の光を透過させ、その時の吸光度を測定するもので、吸光度の大きさによって被検体に含まれる各元素の含有量を評価する。
【００２４】
本件の分析方法としては、先ず検量線の作成を行う。目的元素の既知濃度の溶媒をいくつか準備し、濃度 対 吸光度の検量線を作成する。次に、高純度ガラス（合成石英ガラス）を溶解したフッ酸（ＨＦ）溶液に純水を加え、ＨＦ濃度５％まで希釈する。そして、任意濃度のアルカリ金属を加えて、その溶液の吸光度を測定する。次に、添加したアルカリ量に対する吸光度変化をプロットし、検量線を作成する。この検量線をもとに、サンプル内のアルカリ含有量を決定する。
【００２５】
次にガラス表層部におけるアルカリ金属濃度の評価方法であるが、次のように行う。
i) ガラス管内をエッチング液で満たし、管内表面を均一にエッチングする。その際に管の外側はエッチングされないようにする。エッチング溶液として４７％ＨＦ（２８±１℃）を使用する。
ii）エッチング前後でのガラス管の重量差を測定し、エッチング重量を求める。ガラス重量はマイクロ天秤および電子天秤を使用する。
iii)一方、エッチング前後で顕微測長器にてガラス管の内径を測定し、肉厚方向の変化量を求める。その際には、ガラス管を屈折率調整液の中に入れ、ガラス表面（曲面）での屈折率の影響を補正する。
iv)上記ii)、iii)によりエッチング重量と肉厚変化量との相関関係を導出する。
v)ガラス管内面を任意時間だけエッチングし、そのエッチング液中に含まれるアルカリ金属濃度を評価する。
vi)エッチング操作を繰り返し、エッチング重量から肉厚の減少量（最表面からの深さ）を求め、内径方向におけるアルカリ金属濃度を求める。
【００２６】
アルカリ金属濃度の単位をｎｇ／μｍからｗｔ．ｐｐｍに換算する方法は次のように行う。本件の場合、ガラスの厚み１μｍあたりの重量を４ｍｇと見積もった。従って、ｎｇ／μｍからｗｔ．ｐｐｍへの換算は前記値を４ｍｇで割ることで得られる。
【００２７】
また、本発明の超高圧水銀ランプは、直流点灯に限定されるものではなく、交流点灯のものにも適用することができる。それは、発光管内表面層におけるアルカリ金属に起因する失透（照度維持率の低下）の抑制効果は、直流点灯の場合と同様であると考えられるからである。
【００２８】
また、本発明の超高圧水銀ランプは、ランプの長手軸を垂直に配置する場合、水平に配置する場合、斜めに配置する場合などいろいろな点灯姿勢のものに適用することができる。
【００２９】
また、本発明の超高圧水銀ランプは、凹面反射鏡に内蔵されるものであり、凹面反射鏡に前面ガラスなどを設けて密閉、あるいはほぼ密閉状態にする場合や、前面ガラスを設けることなく開放状態にする構造を採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超高圧水銀ランプの全体構成を示す。
【図２】本発明の超高圧水銀ランプの効果を示す表である。
【符号の説明】
１０ 放電ランプ
１１ 放電容器
１２ 発光空間部
１３ 陰極
１４ 陽極
１５ 封止部
１６ 金属箔
１７ 電極棒
１８ 外部リード

Claims (1)

1. 溶融石英ガラスからなる放電容器に一対の電極を対向配置しており、この放電容器に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀を封入している超高圧水銀ランプにおいて、
   該放電容器の内表面から深さ４μｍまでの領域のアルカリ金属濃度が１０ｗｔ．ｐｐｍ以下であることを特徴とする超高圧水銀ランプ。

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