(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
石英ガラスからなる放電容器に一対の電極が対向配置しており、この放電容器に０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀と、ハロゲンを封入しているプロジェクター装置用超高圧水銀ランプにおいて、
前記石英ガラスは仮想温度が１０００〜１２５０℃であって、かつ、アルカリ金属の総含有量が０．１〜３重量ｐｐｍ、アルミニウム含有量が１〜３０重量ｐｐｍであることを特徴とする超高圧水銀ランプ。
【発明の詳細な説明】
【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／ｍｍ３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）、特開平６−５２８３０号（米国特許第５，４９７，０４９）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（マイクロミラーデバイス）を使ったＤＬＰ（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が、この石英ガラスは、ランプ製造段階において残留歪みを発生させることがある。このような残留歪みは放電ランプの高い光出力や高い照度維持率に影響を及ぼす。
そして、従来のランプ製造工程では、このような残留歪みを除去あるいは低減するために、放電容器そのものを高温加熱処理（アニール）することが行われていた。
【０００６】
また、石英ガラスの残留歪みを除去するだけでなく、石英ガラスの結晶構造そのものを制御するという技術も存在する。これは発生した残留歪みを除去するのではなく、もともと歪みの発生しない石英ガラスを提供しようという考えによるものである。この結晶構造の制御とは、具体的には、仮想温度を制御することであるが、この技術を使うことにより、石英ガラスの失透を効果的に低減できることが知られている。
このような技術は、例えば、特開平７−２１５７３１号に開示されている。
【０００７】
ところが、上記特開平７−２１５７３１号に開示される技術にもとづいた放電ランプをプロジェクター装置の光源として点灯試験してみると、実際には、良好な点灯が必ずしもできていないということが判明した。
具体的には、放電ランプの点灯時間の経過とともに放電容器が失透して照度維持率を低下させたり、また、放電容器にクラック等の破損を生じさせるというものであり、このクラックは場合によっては、放電容器が破壊するという大きな事態まで実験レベルで生じている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、この発明が解決しようとする課題は、石英ガラスからなる放電容器に０．１５ｍｇ／ｍｍ３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新規な構造を提供することである。
【０００９】
上記課題を解決するために、この発明の超高圧水銀ランプは、プロジェクター装置用の放電ランプであって、石英ガラスからなる放電容器に一対の電極が対向配置しており、この放電容器に０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀と、ハロゲンを封入している構造において、さらに、前記石英ガラスは仮想温度が１０００〜１２５０℃であって、かつ、アルカリ金属の総含有量が０．１〜３重量（wt.）ｐｐｍ、アルミニウム含有量が１〜３０重量（wt.）ｐｐｍであることを特徴とする。
【００１０】
【作用】
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、放電容器に０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀とハロゲンガスを封入するプロジェクター装置用の超高圧水銀ランプにおいては、石英ガラスの仮想温度（結晶構造）を制御するだけでは、放電容器の失透と破損という２つの問題を両方とも解決できないことに気づいた。
そして、点灯時のランプ内圧（水銀蒸気圧）が極めて高いという特有の事情を考慮して、石英ガラスの仮想温度の規定に加えて、石英ガラスに含有されるアルカリ金属総含有量とアルミニウム含有量を規定することが問題解決に有効であることを見出した。
【００１１】
ここで、上記仮想温度を規定した先行文献（特開平７−２１５７３１号）は、高圧水銀ランプ、エキシマランプ等への採用を示唆する記載はいちおうあるが、実際の説明は低圧水銀ランプを前提とするものである。
しかも、本発明は、点灯時の水銀蒸気圧がせいぜい１〜１０気圧程度の一般的な水銀ランプではなく、封入量水銀が０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上であり点灯時には１５０気圧以上もの極めて高圧な状態を作るランプを対象としている。また、放電容器の内容積（放電空間の内容積）も、例えば、７０ｍｍ３以下をいう極めて小型な放電ランプであって、一般の高圧水銀ランプからは比較できないぐらい異質な点灯状態を有するものである。
つまり、上記先行文献に記載する放電ランプは、仮想温度に関する言及があるものの、それは低圧水銀ランプを前提とするものであり、仮に、高圧水銀ランプへの適用に一応言及していたとしても、それはせいぜい１〜１０気圧程度のきわめて一般的な高圧水銀ランプを対象にするものであり、そこに記載される技術を本発明の高圧水銀ランプにそのまま適用しても必ずしも同様の効果を得ることはできないことを本発明者らは見出した。
【００１２】
そして、本発明者はさらに鋭意検討を積み重ねた結果、石英ガラス中に存在するアルカリ金属（ナトリウム、カリウムなど）元素が、石英ガラスの構成要素であるシリコン（Ｓｉ）と酸素（Ｏ）の化学結合に混入しており、このアルカリ金属が放電容器内に大量に存在する水銀とハロゲン元素の影響を受けて、放電容器の失透と破損を導いていることを見出し、放電容器を構成する石英ガラスの中に、アルミニウムを混入させることで、上記アルカリ金属による悪作用を防止できることを発明したのである。
【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、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／ｍｍ３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。
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。
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／ｍｍ３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。
【００１５】
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７５ｍｍ３、管壁負荷１．５Ｗ／ｍｍ３、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。
【００１６】
本発明の超高圧水銀ランプの第一の特徴は、放電容器１１を構成する石英ガラスの仮想温度を１０００〜１２５０℃の範囲に規定したことである。
ここで、「仮想温度」とは、石英ガラスの構造を示す尺度であって、構造決定温度ということもできる。すなわち、ガラスはその熱処理条件によって構造が全く異なるものとなる。例えば、ある高温Ｔで熱平衡状態にあるガラスを室温まで急速に冷却すると、ガラスの構造は温度Ｔにおける状態が保持されたまま凍結されることになり、この場合にこの高温Ｔをそのガラスの仮想温度という。また同じように高温Ｔで熱平衡状態にあるガラスを急速ではなく、徐々に低温状態まで冷却させた場合は、仮想温度は室温に近い温度となってしまう。
【００１７】
このように石英ガラスを仮想温度により結晶構造を制御するためには、熱平衡状態とそこからの冷却方法によるわけで、前記のように、高温加熱による熱平衡状態から急速に冷却することで熱平衡状態時の温度に近い仮想温度を得ることが可能となる。
ある仮想温度の石英ガラスを生成するための条件の一例を以下にあげる。
▲１▼．石英ガラスを１１５０℃で２０分間加熱した後に、０．１℃／分のペースで９００℃まで急速冷却することで仮想温度「１０８０℃」の石英ガラスを得ることができる。
▲２▼．石英ガラスを１２００℃で５分間加熱した後に、１５．０℃／分のペースで８００℃まで急速冷却することで仮想温度「１２３７℃」の石英ガラスを得ることができる。
▲３▼．石英ガラスを１０５０℃で１２０分間加熱した後に、０．５℃／分のペースで８５０℃まで急速冷却することで仮想温度「１１９２℃」の石英ガラスを得ることができる。
▲４▼．石英ガラスを１１００℃で６０分間加熱した後に、１．５℃／分のペースで８００℃まで急速冷却することで仮想温度「１１８０℃」の石英ガラスを得ることができる。
これらは、一例であり、他のさまざまな条件により異なる仮想温度の石英ガラスを生成することが可能となる。
そして、このような仮想温度で規定される石英ガラスの結晶構造を生成する工程は、一般には、電極を発光管へ封着して放電ランプの形状が完成した後に行う。
【００１８】
なお、前記したように、従来の高圧水銀ランプでは、放電容器となる石英ガラス管に電極を取付けて封止した後に、除歪処理として高温加熱処理（アニール）をしていた。
この処理は、石英ガラスに存在する「歪み」を除去する処理であって、本願発明のように石英ガラスの結晶構造そのものを制御する処理ではない。
また、除歪処理としての高温加熱処理は高温で長時間の保持が必要となる。一例をあげると、１０００℃で１０時間以上もの加熱処理を続けなければならない。
つまり、仮想温度により結晶構造を制御することは、従来行っていた除歪処理とは処理目的が全く異なるばかりか、処理時間の簡素性や短時間性という意味においても有利なものとなる。
【００１９】
ここで、ある石英ガラスの仮想温度を測定する方法として、赤外吸収スペクトル法（ＦＴ−ＩＲ）やラマン分光法が存在する。赤外吸収スペクトル法は石英ガラスのＳｉーＯ結合の伸縮モードを示すピークのシフト量から、また、ラマン分光法は各環構造に対応するピーク強度比から、ガラスの仮想温度を見積もることが可能である。
このうち赤外分光法について、具体的に簡単に説明すると、Ａ．Ａｇａｒｗａｌらが仮想温度を算出するための下記の式を導いている。
仮想温度（Ｋ）＝４３８０９．２１／（ピーク波数−２２２８．６４）…（式１）
そして、測定対象の石英ガラスが２２６０ｃｍ−１付近において、最も透過率の低くなる波数をピーク波数として、式１に挿入することで仮想温度を求めることができる。
【００２０】
本発明の高圧水銀ランプの第二の特徴は、放電容器１１を構成する石英ガラスがアルカリ金属の総含有量は０．１〜３．０重量ｐｐｍ、アルミニウムの含有量が１．０〜３０重量ｐｐｍの範囲内としたことである。
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）のことを意味しており、これら元素の合計含有量が上記範囲内のものでなければならない。
アルカリ金属が必要な理由は、石英ガラスの粘性を確保するためであり、石英ガラスは高温状態においてランプ形状加工や電極部の封止工程において、ある程度のガラス粘性を必要とするからである。
そして、アルカリ金属の含有量を０．１重量ｐｐｍより小さくさせる場合には、極めて特殊な純化処理が必要になるなど著しく高い製造コストを要し、また、アルカリ金属の含有量が３．０重量ｐｐｍを越える場合には、石英ガラス中に逆に多く存在することになって、放電容器の失透、破損の原因となってしまう。このため、アルカリ金属の総含有量は０．１〜３．０重量ｐｐｍの範囲が最適範囲となる。
【００２１】
次に、アルミニウムを含有する理由について述べる。
アルカリ金属は、上記のように石英ガラスの粘性を作るために必要なものであるが、ランプ点灯中においてはガラス内を移動して、ガラスのＳｉ−Ｏ構造を切断したり、不純物サイトを形成してしまい、結果として、放電ランプの破損や放電容器の失透を招くことになる。
これに対して、アルミニウムがガラス中に存在する場合、アルミニウムがＳｉ原子と置換してマイナスイオン領域を形成し、ガラス中のアルカリイオン（正イオン）をそのマイナス域に拘束することになる。
つまり、適度なアルミニウムの添加は、アルカリイオンの移動を低減させることになる。
【００２２】
このようにアルミニウムの添加は、ガラス中におけるアルカリイオンの移動を捕捉する機能を有し、この機能を果たすための最適範囲という観点から、その含有量は１．０〜３０重量ｐｐｍと規定された。
アルミニウムの含有量が１．０重量ｐｐｍ以下の場合は、アルカリイオンの捕捉機能を十分に果たすだけの量が少なく、また、３０重量ｐｐｍ以上の場合はアルカリイオンの捕捉機能はあるものの不純物としても機能してしまい、アルカリ金属の場合と同様に、放電容器の破損、失透を招くことになる。
【００２３】
次に、本発明の超高圧水銀ランプの作用効果に関する実験について説明する。使用した高圧水銀ランプは、発光部の最大外径９．４ｍｍ、電極間距離１．３ｍｍ、発光管内容積７５ｍｍ３、封入水銀量０．２５ｍｇ／ｍｍ３、封入ハロゲンと封入量１０−４μｍｏｌ／ｍｍ３、管壁負荷１．５Ｗ／ｍｍ３、定格電圧８０Ｖ、定格電力１５０Ｗである。
実験は、仮想温度、アルカリ濃度、アルミニウム濃度を変えた放電ランプ５０本（本発明の実施例２６本、本発明に含まれない比較例２４本）の各々について、放電容器の破損状態と白濁形成を観察した。
放電容器の破損状態については、放電ランプを２分間点灯させた後４０秒間消灯させるという動作を１０回繰り返した後、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、数十回ずつこの点灯実験を行い、その中から破損の発生確率を求めている。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。
また、白濁形成についても同様に、各放電ランプについて、各々５０時間点灯させた後の放電容器の白濁面積を観察するとともに、各ランプに対して数十回の点灯させた場合の平均値を記録している。
【００２４】
図２は上記仕様の超高圧水銀ランプのうち、実施例１〜２６の実験結果を表す。
アルカリ濃度はリチウム、ナトリウム、カリウムの総含有量を示し、また、放電容器の破損状態は数十回の点灯実験の比率として、破損率１％未満のものを「○」、１〜５％のものを「△」、５％以上のものを「×」として記録した。
また、放電容器の失透状態については、同じく数十回の点灯実験の平均値として、発光管部に、０．５ｃｍ２以上の失透が生じたものを「×」、０．１〜０．５ｃｍ２の失透が生じたものを「△」、０．１ｃｍ２未満の失透が生じたものを「○」とした。
【００２５】
図２の結果から、仮想温度が１０５０〜１２５０℃、アルカリ濃度が０．１１〜２．９４重量．ｐｐｍ、アルミニウム濃度が２．３〜２９．８重量ｐｐｍの範囲であれば、放電ランプの放電容器は破損も失透も生じていないことが示される。
なお、種々の測定誤差を考慮すると、この実験から、仮想温度が１０００〜１２５０℃、アルカリ濃度が０．１〜３．０重量ｐｐｍ、アルミニウム濃度が１．０〜３０重量ｐｐｍが発明のる範囲と規定することができる。
【００２６】
次に、図３に、放電ランプ（比較例１〜２４）の実験結果を示す。
比較例１〜８は、アルカリ濃度とアルミニウム濃度は上記範囲内のもので、仮想温度が上記範囲から外れる場合の放電ランプについて行った実験結果である。実験より、仮想温度が１２５０℃にもっとも近い１２６３℃である比較例４についても、放電容器の破損状態、放電容器の失透状態のいずれにおいても好ましくない結果を招いている。
この結果、アルカリ濃度やアルミニウム濃度を良好な範囲のものとしても、仮想温度が１２６０℃（同様に種々の測定誤差を考慮する）を越えると放電ランプとして好ましくないことが示される。
【００２７】
また、比較例９〜１６は、仮想温度とアルミニウム濃度は発明の範囲内のものであるが、アルカリ金属が発明の範囲外の放電ランプについて行った実験結果を示す。具体的には、アルカリ金属の含有量が３．０重量ｐｐｍを越える場合について実験を行った。
実験より、アルカリ金属含有量が、３．０重量ｐｐｍにもっとも近い３．６重量ｐｐｍである比較例９についても、放電容器の破損状態、放電容器の失透状態のいずれにおいても好ましくない結果を招いている。
この結果、仮想温度やアルミニウム濃度を良好な範囲のものとしても、アルカリ金属含有量が３．０重量ｐｐｍ（同様に種々の測定誤差を考慮する）を越えると放電ランプとして好ましくないことが示される。
【００２８】
さらに、比較例１７〜２４として、仮想温度をアルカリ濃度は発明範囲内のものであるが、アルミニウム含有量が３０重量ｐｐｍを越える場合について実験を行った。
実験より、アルミニウム含有量が３０．０重量ｐｐｍにもっとも近い３２．８重量ｐｐｍである比較例１９についても、放電容器の破損状態、放電容器の失透状態のいずれにおいても好ましくない結果を招いている。
この結果、仮想温度やアルカリ濃度を良好な範囲のものとしても、アルミニウム含有量が３０．０重量ｐｐｍ（同様に種々の測定誤差を考慮する）を越えると放電ランプとして好ましくないことが示される。
【００２９】
以上、説明したように、本発明の高圧水銀ランプは、放電容器に０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀を封入してプロジェクター装置の光源として使われる小型のランプであって、放電容器を構成する石英ガラスの仮想温度、アルカリ含有量、アルミニウム含有量を所定の範囲に規定することで、放電容器の破損や白濁という問題を良好に解決することができる。
【００３０】
なお、石英ガラスの仮想温度、アルカリ含有量、アルミニウム含有量の上記規定は、本質的には放電ランプの発光管部での規定を意味するが、発光空間内容積７０ｍｍ３以下という小型の放電ランプにおいては、封止部も含めて放電容器全体で考慮することができる。
【００３１】
さらに、本発明においては、放電容器を構成する石英ガラスの仮想温度について規定しているが、放電容器の発光部と封止部において仮想温度を変化させることもできる。
これは、ランプ点灯中において、発光部の温度は封止部の温度に比べて高温になるためであり、発光部については、仮想温度１０５０〜１２５０℃、さらには、１２００℃〜１２５０℃の範囲で作ることが好ましい。
【００３２】
また、本発明の超高圧水銀ランプは、ハロゲンガスを封入しない場合もあり、また、水銀以外の金属、希土類金属などを封入する場合もある。
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。
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。
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。
【図３】本発明の超高圧水銀ランプと比較した説明を示す。
【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
【図１】
0003582500.tif 000002
【図２】
0003582500.tif 000003
【図３】
0003582500.tif 000004