JP4134926B2 - 超高圧水銀ランプ - Google Patents

Description

本発明は、主に液晶プロジェクタ等のバックライト用の光源として使用される超高圧水銀ランプ（以下、単にランプとも称す）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、点灯時における水銀蒸気圧が１５０気圧以上に達する超高圧水銀ランプに関する。

近年、プレゼンテーション、セミナー、会議、学校の授業等で、パソコン上の画面を大画面のスクリーン上に投影させるプロジェクタ装置が注目を集めている。このようなプロジェクタ装置は、映像方式によって液晶方式と、ＤＬＰ（デジタル・ライト・プロセッシング）方式の２つに大別できる。

このうち、プロジェクタ装置の仕様として、最も普及しているのは液晶方式である。液晶方式とは、ＲＧＢ（赤・緑・青）の液晶パネルに光源からの光を当てて映像を投影するものである。液晶方式を採用したプロジェクタ装置は、ＲＧＢ各色のパネルを使用する３枚式のものが多い。３枚式のプロジェクタ装置は、画素数が３倍になるので解像度が高いという利点を有する。
これに対し、ＤＬＰ方式は、映画上映を行うなどの実績をあげており、高画質、高輝度であることが評価されて近年急速に市場を拡大している。ＤＬＰ方式とは、基板上に数十万個から百数十万個のマイクロミラーを並べたＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）チップをデジタル制御して映像を投影する仕組みである。ＤＬＰ方式は、液晶方式と比較して、高輝度であり、さらには、液晶パネルを必要としないのでプロジェクタ装置自体を小型化できる、という利点を有する。

上記のプロジェクタ装置は、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させることが必要であるため、光源として水銀やハロゲン化物が封入されたメタルハライドランプが使用されている。近年、上記プロジェクタ装置、とりわけ、ＤＬＰ方式のプロジェクタ装置は、一層の高輝度化、小型化を図る傾向にあるため、光源の高輝度化、小型化が強く要求されている。
このような理由から、メタルハライドランプに代えて、点灯時の水銀蒸気圧が２００バール（約１９７気圧）以上に達する超高圧水銀ランプをプロジェクタ装置用の光源として使用することが提案されている。このランプは、点灯時の水銀蒸気圧を高くすることによって、アークの広がりを抑えるとともに、一層の光出力の向上を図るというものである（特許文献１、２参照）。
特開平２−１４８５６１号 特開平６−５２８３０号

上記超高圧水銀ランプの放電容器を構成する材料としては、石英ガラスが用いられることが知られている。石英ガラスは、金属不純物を含有した溶融石英ガラスと、かかる不純物を含有しない合成石英ガラスとの概ね２種類であることが知られている。上記超高圧水銀ランプは、小型である上に、点灯時の水銀蒸気圧が１５０気圧以上にも達するという熱的条件の極めて厳しいものであるため、放電容器を構成する材料として耐熱性に優れる、例えばアルミニウムを含んだ溶融石英ガラスを使用することが一般的である。

ところが、上記超高圧水銀ランプは、点灯時間の経過とともに、電極から蒸発した電極構成物質が発光部の内表面に付着することにより頻繁に発光部に黒化が生じることが判明した。黒化が生じると、発光部を透過する光量が著しく減少して照度が低下するという問題がある。

本発明の目的は、溶融石英ガラスから構成される放電容器の発光部に生じる黒化を防止することにより、照度低下を招くことのない超高圧水銀ランプを提供することにある。

本発明者は、上記課題の解決にあたり、発光部に黒化現象が発生する要因について検討したところ、後述のように放電容器を構成する材料である溶融石英ガラスに含まれるアルミニウムがハロゲンサイクルを阻害することが原因であること、さらには、放電容器の発光部は厚み方向にアルミニウムの濃度分布を有し、内表面側ほど濃度が高いことを見出した。そこで、発光部の内表面のアルミニウム濃度に着目し、その濃度を規定することにより本発明を完成した。

すなわち、本発明の超高圧水銀ランプは、溶融石英ガラスからなる発光部と封止部とを有する放電容器の内部に一対の電極が対向配置されるとともに水銀が封入されており、前記発光部の内表面から深さ５μｍまでの領域のアルミニウム濃度が１〜２５ｗｔ．ｐｐｍであることを特徴とする。

さらに、本発明の超高圧水銀ランプは、前記電極のアルミニウム濃度が１０ｗｔ・ｐｐｍ以下であることを特徴とする。

さらに、本発明の超高圧水銀ランプは、前記電極のかさ密度が９９．４％以上であることを特徴とする。

本発明の超高圧水銀ランプは、溶融石英ガラスからなる放電容器の発光部の内表面から深さ５μｍまでの領域のアルミニウム濃度が１〜２５ｗｔ．ｐｐｍの範囲に規定されている。従って、耐熱性に優れる溶融石英ガラスを放電容器に用いた場合にも、発光部の内表面から放電空間へ放出されるアルミニウムによってハロゲンサイクルが阻害されることがなく、これにより、ランプ点灯中に発光部に黒化が生じることを抑制できる。

図１は、本発明の超高圧水銀ランプを説明するための図である。
超高圧水銀ランプ１０は、略球状の発光部１１と、この発光部１１の両端に連続して形成されたロッド状の封止部１２とからなる、溶融石英ガラスで構成された放電容器１３を有する。発光部１１内の放電空間１４には、例えばタングステンからなる陽極１５と陰極１６とが対向して配置されている。封止部１２の内部には、例えばモリブデンからなる金属箔１７がピンチシール等により気密に埋設されている。金属箔１７は、その一端に陽極１５及び陰極１６の各々を先端に有する電極棒１８の基端部が溶接等によって電気的に接続され、その他端に封止部１２から外方に伸び出る給電用の外部リード１９が溶接等により電気的に接続されている。

発光部１１の内部の放電空間１４には、必要な可視光波長、例えば３６０〜７８０ｎｍという放射光を得るための水銀と、点灯始動性改善のために、例えばアルゴン、キセノン等の希ガスと、放電容器１３の黒化を防止するために、例えば塩素、臭素等のハロゲンガスが封入されている。

上記超高圧水銀ランプ１０は、後述の数値例に示すように非常に小型であり、かつ、点灯時の水銀蒸気圧が１５０気圧以上にも達するため、熱的条件が極めて厳しいものである。そこで、放電容器１３を構成する材料としては、不純物を殆ど含有していない合成石英ガラスよりもアルミニウムを含有した溶融石英ガラスを用いることが好ましい。その理由として、溶融石英ガラス中に存在するアルミニウム原子は、ガラスと電極との界面の接合強度に悪影響を及ぼすアルカリ金属を捕捉するため、耐熱性に優れるためである。詳細に説明すると、アルミニウム原子が溶融石英ガラス中のシリカ（Ｓｉ）原子と置換してマイナスイオン領域を形成すると、この領域に溶融石英ガラス中のアルカリを捕捉することによってアルカリ金属の移動を抑制できると考えられる。

本発明の放電ランプ１０は、後程詳細に説明するように、発光部１１の内表面２０から深さ５μｍまでの領域のアルミニウム濃度が１〜２５ｗｔ．ｐｐｍとなるように加工が施されており、この点が本発明の最大の特徴である。発光部１１の内表面２０とは、放電容器１３の内表面であって放電空間１４に面する全ての部分をいう。深さ５μｍまでの領域のアルミニウム濃度とは、後述のように当該深さ領域における平均アルミニウム濃度のことをいう。

ここで、上記超高圧水銀ランプ１０の数値例について以下に説明する。発光部１１の最大外径は、９ｍｍ〜１４ｍｍの範囲から選択されて、例えば１１．３ｍｍである。発光管１１の内容積は、６０ｍｍ^３〜３００ｍｍ^３の範囲から選択されて、例えば１００ｍｍ^３である。電極間距離は、０．８ｍｍ〜２ｍｍの範囲から選択されて、例えば１．１ｍｍである。管壁負荷は、０．５Ｗ／ｍｍ^２〜２Ｗ／ｍｍ^２の範囲から選択されて、例えば１．１Ｗ／ｍｍ^２である。定格電圧は、６０Ｖ〜９０Ｖの範囲から選択されて、例えば７５Ｖである。定格電力は、１３０Ｗ〜３５０Ｗの範囲から選択されて、例えば２００Ｗである。

さらに、発光部１１内の封入物に関する数値例について以下に説明する。水銀の封入量は、１０〜５０ｍｇの範囲から選択されて、例えば２２ｍｇである。この場合にランプ点灯時における水銀蒸気圧は１３０〜２５０気圧に達し、点灯時の水銀蒸気圧が高いほどプロジェクタ装置に適した光源となる。希ガスとして使用されるアルゴンの封入量は、封入時において５〜２０ｋＰａの範囲から選択されて、例えば１３．３ｋＰａである。ハロゲンガスとして使用される臭素の封入量は、封入時において２×１０^−４μｍｏｌｅｓ／ｍｍ^３〜７×１０^−３μｍｏｌｅｓ／ｍｍ^３の範囲から選択されて、例えば１．２×１０^−３μｍｏｌｅｓ／ｍｍ^３である。ハロゲンの封入量を適宜調整してハロゲンサイクルを利用することによって、放電容器１３の黒化を防止して放電ランプ１０の長寿命化を図ることができる。

以上のような本願発明の超高圧放電ランプ１０によると、発光部１１の内表面２０から深さ５μｍまでの領域のアルミニウム濃度が１〜２５ｗｔ．ｐｐｍの範囲に規定されているので、ランプ点灯中に発光部１１への黒化の発生を抑制できる。この理由について、以下００２０乃至００２７にて検討する。

従来から超高圧水銀ランプでは、放電容器内に導入したハロゲンガスによるハロゲンサイクルを利用することによって発光部の黒化を防止することが知られている。ハロゲンサイクルとは、ランプ点灯時に電極が高温状態となることによって蒸発したタングステン原子と、ハロゲンガスとして封入されている、例えば臭素原子とが結合することによって臭化タングステンを形成し、この臭化タングステンが放電容器内の対流によって移動し、その後高温状態の電極近傍で臭素とタングステンとに解離することによって、電極にタングステン原子を戻すまでの一連の流れをいう。このようなハロゲンサイクルが本来の機能を発揮していれば発光部に容易に黒化が生じないことから、従来の超高圧水銀ランプにおいて頻繁に発光部の黒化が生じるのは上記ハロゲンサイクルが阻害されて本来の機能を発揮していないものと考えられる。

そこで、本発明者は、ハロゲンサイクルを阻害する要因を検討したところ、放電容器を構成する溶融石英ガラス中のアルミニウムが原因であることを見出した。すなわち、溶融石英ガラスに含まれるアルミニウムは、適量であれば放電容器中のアルカリ金属の移動を抑制することにより耐熱性の向上に寄与する反面、ハロゲンサイクルに悪影響を及ぼすものであると考えられる。この理由については、以下００２２乃至００２４にて詳細に説明する。

ハロゲンサイクルが良好に機能を発揮するためには、発光部１１の上方側（紙面において上方向）の内表面２１付近におけるタングステンの溶解度が、陽極１５または陰極１６近傍よりも大きくなければならない。すなわち、タングステンが陽極１５または陰極１６から蒸発し、再び陽極１５または陰極１６近傍に戻るためには、陽極１５または陰極１６に比して低温部である上方側の内表面２１にタングステンが付着、析出することなく気相として存在する必要がある。言い換えると、蒸発したタングステンは、放電空間１４内に溶解している必要がある。この溶解度が、陽極１５または陰極１６の近傍に比して上方側の内表面２１近傍の方が大きい場合には、上方側の内表面２１にタングステンが付着することがないと考えられる。

図２は、種々のアルミニウム濃度における温度とタングステン溶解度との関係を示す図である。図２は、横軸に温度（Ｋ）を、縦軸にタングステン溶解度（ｍｏｌ）をとっている。詳細には、上記数値例を有する超高圧水銀ランプ１０の放電空間１４に以下の原子が存在すると仮定し、放電空間１４に存在するアルミニウム原子の量を４通りに変化させてランプ１０を点灯させた場合において、気相中に存在するタングステン量と、温度との関係を理論計算により求めた結果である。
＜放電空間１４に存在すると仮定した原子＞
水銀：５×１０^−５ｍｏｌ
臭素：１×１０^−８ｍｏｌ
酸素：１×１０^−９ｍｏｌ
水素：１×１０^−９ｍｏｌ
アルミニウム：１×１０^−９ｍｏｌ、２×１０^−９ｍｏｌ、５×１０^−９ｍｏｌ、１×１０^−８ｍｏｌの４通り
点灯時の内圧：２００気圧

点灯時に水銀蒸気圧が１５０気圧以上に達する超高圧水銀ランプは、上方側の内表面２１の温度が概ね１３００Ｋ（ケルビン）に、陽極１５または陰極１６の先端部の温度が３０００Ｋに達することが一般的である。
図２に示すように、上方側の内表面２１の温度に相当する１３００Ｋでは、アルミニウム濃度が増加するに伴ってタングステンの溶解度が低下していることが分かる。これにより、放電空間１４内のアルミニウム濃度が増加した場合には、上方側の内表面２１近傍の空間に溶解可能なアルミニウム原子の量が減少することから、上方側の内表面２１にタングステンが析出して付着することにより、発光部１１に黒化が生じるものと考えられる。一方、陽極１５または陰極１６の先端部の温度に相当する３０００Ｋでは、タングステンの溶解度がアルミニウム濃度の変化に殆ど影響を受けないことが分かる。

本発明者はさらに検討したところ、図３に示す放電容器を製作するために用いる溶融石英ガラス製の管３０（以下、原管３０ともいう）は、ガラス業者から購入後何らの加工を施していない場合には、発光部に相当する部分３１の内表面３２からの深さＬ１が変化するに伴いアルミニウムの濃度が変化すること、具体的には内表面３２側程アルミニウム濃度が高くなることを見出した。

従って、超高圧水銀ランプ１０を製作するために用いる溶融石英ガラスからなる原管３０に対して、アルミニウム濃度の高い領域を削り取る加工を施すことが有効であると考えられ、具体的には内表面３２から２０μｍ以上削り取ることが望ましい。かかる加工をあらかじめ施した原管３０を放電容器１３に使用した本発明の超高圧水銀ランプ１０によると、ランプ点灯時に放電空間１４内に放出されるアルミニウムの量を低減することができるので、発光部１１に黒化が生じる可能性は極めて低いと考えられる。
これに対して、従来の超高圧水銀ランプのように放電容器に何の加工も施していない原管を用いた場合には、ランプ点灯時に放電空間内に多量のアルミニウムが放出され、ハロゲンサイクルが阻害されることにより発光部に黒化が生じ易いと考えられる。

本発明の超高圧水銀ランプ１０によると、図３に示すように、内表面３２から溶融石英ガラスを削り取った後に形成される原管３０の表面３４（図１において内表面２０）からの深さが５μｍまでの領域のアルミニウム濃度を平均値にて規定している。５μｍまでの領域に規定したのは以下の理由による。
図１において、ランプ点灯中に発光部１１が高温となると、溶融石英ガラスに含まれるアルミニウムは熱拡散によって高温部である内表面２０方向に向けて移動する。その移動距離は、ランプ点灯時の発光部１１の温度（１０００℃以上）における拡散係数によって決定される。ここで、発光部１１の温度を１２００℃と仮定すると、アルミニウムの拡散係数は約３×１０^−１４ｃｍ^２／ｓとなる。そして、ランプ寿命を２０００時間と設定した場合、点灯時に溶融石英ガラス中を移動する距離は約４．８μｍと見積もることができる。従って、発光部１１の内表面２０から深さ５μｍの領域に存在するアルミニウム量を規定することで、放電空間内へアルミニウム原子が放出されることが防止され、ハロゲンサイクルが阻害されることを防止できると考えられる。

ここで、発光部１１の内表面２０から深さ５μｍの領域におけるアルミニウム濃度を分析する方法について、以下００２９乃至００３１にて説明する。

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（ＨＩＴＡＣＨＩ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。

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、任意濃度のアルミニウムを加えて、その溶液の吸光度を測定する。次に、添加したアルミニウム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、サンプル内のアルミニウム含有量を決定する。

（イ）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。
（ロ）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。
（ハ）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。
（ニ）上記（ロ）、（ハ）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。
（ホ）上記（ニ）の関係に基き、肉厚変化量が５μｍとなるようにガラス管内面をエッチングし、その肉厚変化量５μｍ分に相当するエッチング液中に含まれるアルミニウム濃度を評価する。この値が、発光部１１の内表面２０から深さ５μｍの領域におけるアルミニウム濃度となる。

上記方法で算出されるアルミニウム濃度の単位はｎｇ／μｍであるが、これをｗｔ．ｐｐｍに換算する方法は次のようである。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。

また、本発明は、陽極１５または陰極１６のアルミニウム濃度が１０ｗｔ．ｐｐｍ以下に規定されている。これにより、超高圧水銀ランプ１０を点灯させた際に放電空間１４内へ放出されるアルミニウムの量を一層低減することができるので、発光部１１への黒化発生を防止できる。具体的には、タングステン純分として９９．９９％以上であり、アルミニウム成分が１０ｗｔ．ｐｐｍ以下である純度の高いタングステン粉末から製造されたインゴットに塑性加工を施したタングステン又はタングステン合金からなるタングステン電極を使用する。

さらに、本発明は、陽極１５または陰極１６のかさ密度（質量／体積）が９９．４％以上に規定されている。これにより、陽極１５または陰極１６が高密度であるため粒界の割合が減少することにより、例えばアルミニウムなどのハロゲンサイクルを阻害するような不純物が入り込むスペースが減少し、陽極１５または陰極１６の製作時においてアルミニウム等の不純物が混入しにくいという効果がある。具体的には、上述したように純度の高いタングステン粉末を２０００ｋｇｆ／ｃｍ^２以上のプレス圧で加圧した成形体を３０００℃以上の高温で焼結することで上記のかさ密度を有するタングステン製のインゴットが得られる。それらのインゴットを所望の寸法に切断、切削加工した後、高温で再結晶化させたものを電極材として用いる。

ここで、本発明の効果を実証するための第１の実験について説明する。発光部１１の内表面２０から５μｍまでの領域のアルミニウム濃度が黒化発生に及ぼす影響を確認するため、前記領域の平均アルミニウム濃度が異なる実験用ランプを１４本用意した。実験用ランプの詳細を以下に示す。これらのランプの放電容器は、図３に示す原管３０の内表面３２を前述の方法で化学エッチングすることにより種々のアルミニウム濃度に調整して得た。
＜実験用ランプ＞
発光部１１の最大外径：１１ｍｍ
放電容器１３の内容積：１００ｍｍ^３
電極間距離 ：１．２ｍｍ
封入水銀量 ：０．２５ｍｇ／ｍｍ^３
封入ハロゲンと封入量：臭素を１．３×１０^−３μｍｏｌｅｓ／ｍｍ^３
管壁負荷 ：１．１Ｗ／ｍｍ^２
定格電圧 ：７０Ｖ
定格電力 ：２００Ｗ

実験条件について説明する。各々のランプを５０時間連続点灯させた後、発光部１１への黒化発生の有無及び発光部１１への破裂発生の有無を目視により確認した。結果を表１に示す。

表１において、「黒化」の欄に示された「○」は発光部１１に全く黒化が発生しなかったことを示し、「△」は発光部１１の一部に黒化が発生したことを示し、「×」は発光部１１に全体的に黒化が発生したことを示す。また、「破裂」の欄に示された「○」は発光部１１が破裂しなかったことを示し、「×」は発光部１１が破裂したことを示す。
表１に示す実験結果より、実施例１〜８のランプは、発光部１１に黒化が全く発生することがなく、さらには、発光部１１が破裂することもなかった。一方、アルミニウムの濃度が本発明の数値範囲を下回る比較例１、２のランプは発光部１１が破裂し、本発明の数値範囲を上回る比較例３〜６のランプは発光部１１に黒化が発生した。従って、発光部１１に含まれるアルミニウムの量が少なすぎると耐熱性の面で問題があり、多すぎるとハロゲンサイクルを阻害する要因となることが示された。

本発明の効果を実証するための第２の実験について説明する。電極の平均アルミニウム濃度が発光部１１の黒化に及ぼす影響を確認するため、陽極１５の平均アルミニウム濃度が異なる実験用ランプを１４本用意した。ランプの詳細及び実験条件については第１の実験と同様である。結果を表２に示す。

表２において、「黒化」の欄に示された「○」は発光部１１に全く黒化が発生しなかったことを示し、「△」は発光部１１の一部に黒化が発生したことを示し、「×」は発光部１１に全体的に黒化が発生したことを示す。
表２に示す実験結果より、平均アルミニウム濃度が本発明の範囲内である実施例１〜８のランプは、発光部１１に黒化が全く発生することがなかった。一方、平均アルミニウム濃度が本発明の数値範囲を上回る比較例１〜６のランプは、発光部１１に黒化が発生した。

以上、本発明の超高圧水銀ランプは、直流点灯のものについて説明してきたが、これに限らず、交流点灯のものにも適用できる。溶融石英ガラスに含まれるアルミニウムを原因とする発光部の黒化は、直流点灯のものに特有に生じる現象ではなく、交流点灯のものにも起こり得るからである。

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、種々の点灯姿勢のものに適用することができる。

さらに、本発明の超高圧水銀ランプは、内表面からの深さが５μｍまでの領域におけるアルミニウム濃度が１〜２５ｗｔ．ｐｐｍの範囲内に規定されているが、ランプ製作後及びランプを所定時間点灯させた後のアルミニウム濃度もこの範囲内にあるものとする。

本発明の超高圧水銀ランプを説明するための図である。 種々のアルミニウム濃度における温度とタングステン溶解度との関係を示す図である。 放電容器となる原管の構造を説明するための図である。

符号の説明

１０ 超高圧水銀ランプ
１１ 発光部
１２ 封止部
１３ 放電容器
１４ 放電空間
１５ 陽極
１６ 陰極
１７ 金属箔
１８ 電極棒
１９ 外部リード
２０ 内表面

Claims (3)

1. 溶融石英ガラスからなる発光部と封止部とを有する放電容器の内部の放電空間に一対の電極が対向配置されるとともに水銀が封入された超高圧水銀ランプにおいて、
   前記発光部の内表面から深さ５μｍまでの領域のアルミニウム濃度が１〜２５ｗｔ．ｐｐｍの範囲内であることを特徴とする超高圧水銀ランプ。
2. 前記電極のアルミニウム濃度が１０ｗｔ．ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の超高圧水銀ランプ。
3. 前記電極のかさ密度が９９．４％以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超高圧水銀ランプ。
   

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