(57)【要約】【課題】放電容器の全長を短くでき、かつ発光効率の向上した超高圧水銀ランプを提供する。【解決手段】本発明の超高圧水銀ランプにおいては、従来例では断面が楕円形であった発光管の内周面を断面が円形の球形状とし、発光管の中心点を含む放電容器の軸線方向に対して垂直な面から中心点を含み±３０°以内の範囲を除く外周面に誘電体多層膜が積層されたコーティング部分を有している。本構成による超高圧水銀ランプはリフレクタに到達する可視光はそのまま放射させ、到達しない紫外線、および可視光の一部を誘電体多層膜で反射させてバルブ内に戻し、再度そのエネルギーを利用するので発光効率が向上する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に空間を有し外周面が球形に近い発光管と、該発光管の両側に連接する封止部とから構成されていて、シリカガラスからなる放電容器を有し、前記発光管の内部の長軸方向の両側には前記封止部に固定された電極棒の先端に設けられた一対の電極が互いに近接した状態で対向して配置され、前記電極棒の他端には前記封止部内に封止された内部リード線の一端が接続し、該内部リード線の他端は前記封止部内で外部リード線に接続され、該外部リード線の他端には外部電源の接続が可能であり、前記発光管の内部の空間には水銀と封入ガスとが封入されており、対向する前記電極間の高電圧放電により発生する水銀アークから光線が放射される超高圧水銀ランプにおいて、
前記内部の空間がほぼ球形の内周面を有し、前記発光管の中心点を含む前記放電容器の軸線方向に対して垂直な面に対し、中心点を含む±３０°以内の範囲を除く前記発光管の光線透過面に誘電体多層膜が積層されたコーティング部分が設けられていることを特徴とする超高圧水銀ランプ。
【請求項２】
前記コーティング部分が前記発光管の外周面に設けられている、請求項１に記載の超高圧水銀ランプ。
【請求項３】
前記コーティング部分が前記発光管の内周面に設けられている、請求項１に記載の超高圧水銀ランプ。
【請求項４】
前記コーティング部分が前記発光管の外周面および内周面の両方に設けられている、請求項１に記載の超高圧水銀ランプ。
【請求項５】
前記誘電体多膜層は２層以上の誘導体膜から構成され、投射される光線の中心波長の１／４の光学的膜厚の誘導体膜が少なくとも１層含まれている、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超高圧水銀ランプ。
【請求項６】
前記誘電体多膜層は酸化ハフニウムと酸化珪素とからなる誘導体膜の交互多層膜である、請求項５に記載の超高圧水銀ランプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超高圧水銀ランプに関し、特にランプリフレクタに装着して使用される超高圧水銀ランプの発光効率の向上方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水銀蒸気中で生ずる放電を利用した電球である水銀灯は以前から照明用として広く用いられてきたが、小型の光源で効率が高い半面演色性が劣るという欠点があった。演色性を改善するため外管の内壁に蛍光物質を塗布したり、水銀蒸気圧を高めたりして連続スペクトル成分を増加させる改良が行われ、半導体ウェーハの露光用などに広く使用されてきた。
【０００３】
近年、大画面表示装置としてプロジェクタが家庭用のテレビとして注目され、その光源として超高圧水銀ランプが注目され、実用化が進んでいる。図４は、従来例の超高圧水銀ランプの模式的断面図である。この超高圧水銀ランプは内周面４２ｂの断面が楕円形の空間を有し外周面４２ａが球形に近い発光管４２と、発光管４２の長軸方向両側に連接するロッド状の封止部４３とから構成されていて、シリカガラスからなる放電容器４１を有する。発光管４２内部の空間部の長軸方向の両側には封止部４３に固定された電極棒４５の先端に設けられた一対の電極４４が互いに近接した状態で対向して配置されており、電極棒４５の他端には封止部４３内に封止されたモリブデン箔からなる内部リード線４６の一端が接続しており、内部リード線４６の他端は封止部４３内で外部リード線４７に接続され、外部リード線４７の他端は外部の電源に接続されている。
【０００４】
発光管４２の内部の空間には水銀と封入ガスとが封入されており、２つの電極４４間に高電圧を印加すると放電が生じ蒸発した水銀により水銀アークからの放射が行われる。放射光は所定の方向に収束させる必要があるので超高圧水銀ランプはランプリフレクタに装着して使用される。図５はランプリフレクタに装着された従来例の超高圧水銀ランプの模式的側面断面図である。ランプリフレクタ４８は放電容器４１の片方の封止部４３の先端を保持し、発光管４２から放射された光を他の封止部４１側に収束して外部に放射する。光がランプリフレクタ４８の反射面からに効率よく反射されるように、発光管４２の内周面４２ｂは放電容器４１の長軸方向の断面が楕円形となっている。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭５７−６０６５６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、水銀蒸気圧の超高圧化とランプの小型化との要求に対応してきた結果、放電容器の全長を短縮するために発光管４２の内周面４２ｂの長軸方向の断面を楕円形から円形に近づける傾向が現れてきた。ランプリフレクタ４８が小さくなると超高圧水銀ランプ１０からの放射光の有効角度が小さくなり、かつ発光管４２の外径が小さくなるので内周面４２ｂを楕円形にしても有効角度に入る光が増えないことから内周面４２ｂを円形にした場合でも光のロスが変わらなくなってきた。この場合ランプリフレクタ４８の内側の反射面における反射で有効に利用できるのは、発光管４２の中心を通る放電容器４１の長手方向に垂直な面に対して中心を含む±３０°以内の範囲でアーク放電点から放射される光線であり、それ以外の範囲に放射される光の有効利用が問題となってきた。
【０００７】
特開昭５７−６０６５６号公報には、カラーブラウン管の蛍光面の露光等に使用される円筒型強制冷却型超水銀ランプの石英ガラスパイプの所望の反射方向と反対の面に近紫外線の反射率が高く赤外線の反射率の低い多層膜を形成して有効な波長の光線を反射させるとともに赤外線を透過させて温度の異常上昇による弊害を防止する方法が開示されているが、この場合は光の有効利用よりは温度上昇の抑制が主目的である。
【０００８】
本発明の目的は、放電容器の全長を短くでき、かつ発光効率の向上した超高圧水銀ランプを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の超高圧水銀ランプは、
内部に空間を有し外周面が球形に近い発光管と、その発光管の両側に連接する封止部とから構成されていて、シリカガラスからなる放電容器を有し、発光管の内部の長軸方向の両側には封止部に固定された電極棒の先端に設けられた一対の電極が互いに近接した状態で対向して配置され、電極棒の他端には封止部内に封止された内部リード線の一端が接続し、その内部リード線の他端は封止部内で外部リード線に接続され、その外部リード線の他端には外部電源の接続が可能であり、発光管の内部の空間には水銀と封入ガスとが封入されており、対向する電極間の高電圧放電により発生する水銀アークから光線が放射される超高圧水銀ランプにおいて、内部の空間がほぼ球形の内周面を有し、発光管の中心点を含む放電容器の軸線方向に対して垂直な面に対し、中心点を含む±３０°以内の範囲を除く発光管の光線透過面に誘電体多層膜が積層されたコーティング部分が設けられていることを特徴とする。
【００１０】
コーティング部分が発光管の外周面に設けられていてもよく、発光管の内周面に設けられていてもよく、発光管の外周面および内周面の両方に設けられていてもよい。
【００１１】
誘電体多膜層は２層以上の誘導体膜から構成され、投射される光線の中心波長の１／４の光学的膜厚の誘導体膜が少なくとも１層含まれていることが望ましく、誘電体多膜層は酸化ハフニウムと酸化珪素とからなる誘導体膜の交互多層膜であってもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本発明の特徴は、超高圧水銀ランプ発光部の形状を内周面、および外周面ともに丸型の形状とし、ランプリフレクタで有効に利用されない水銀から発生する紫外線を発光アーク部分に戻し、発光効率を向上させたことにある。
【００１３】
図１は本発明の第１の実施の形態の超高圧水銀ランプの模式的断面図である。
この超高圧水銀ランプ１０は内部に断面が円形の内周面１２ｂを有する球形の空間を有し外周面１２ａが球形に近い発光管１２と、発光管１２の長軸方向両側に連接するロッド状の封止部１３とから構成されていて、シリカガラスからなる放電容器１１を有する。発光管１２内部の空間部の長軸方向の両側には封止部１３に固定された電極棒１５の先端に設けられた一対の電極１４が互いに近接した状態で対向して配置されており、電極棒１５の他端には封止部１３内に封止されたモリブデン箔からなる内部リード線１６の一端が接続しており、内部リード線１６の他端は封止部１３内で外部リード線１７に接続され、外部リード線１７の他端は外部の電源に接続されている。
【００１４】
発光管１２の内部の空間には水銀と封入ガスが封入されており、２つの電極１４間に高電圧を印加すると放電が生じ蒸発した水銀により水銀アークからの放射が行われる。放射光は所定の方向に収束させる必要があるので超高圧水銀ランプ１０は従来例の図５に示されるようなランプリフレクタ４８に装着して使用される。ランプリフレクタ４８は放電容器１１の片方の封止部１３の先端を保持し、発光管１２から放射された光線を他の封止部１１側に収束して外部に放射する。
【００１５】
第１の実施の形態の超高圧水銀ランプ１０においては、従来例では断面が楕円形であった発光管１２の内周面１２ｂを断面が円形の球形状とし、発光管１２の中心点を含む放電容器１１の軸線方向に対して垂直な面から中心点を含み±３０°以内のリフレクタ有効角度１９の範囲を除く外周面１２ａに誘電体多層膜が積層されたコーティング部分１２ｃを有している。
【００１６】
発光管１２内のアーク部から発生した水銀光は発光管１２の内周面１２ｂが真円形状であるため、水銀光は内周面１２ｂにほぼ垂直入射するのでそのまま屈折せずに発光管１２の外周面１２ａに到達し、かつ外周面１２ａも真円形状のため、ここでも外周面１２ａにほぼ垂直の状態で発光管１２の外へ放射される。発光管１２の材質が石英であるため、光は紫外線、可視光線、赤外線が含まれた混合成分で放射されるが、外部に配置されるランプリフレクタは反射膜として酸化チタンを使用しているため、紫外線、赤外線はほとんど全てがランプリフレクタに吸収されてしまう。また、ランプリフレクタ以降の光学系においても紫外線による劣化のおそれがあるため、紫外線は発光管１２内でカットしてしまうことが望ましい。一方、水銀から発生される紫外線は波長が短いことから光子エネルギーが高いので、アーク部分にそのエネルギーを戻すことができれば、発光効率が向上することはいうまでもない。内周面１２ｂ、外周面１２ａとも真円である発光管１２バルブの場合、ランプリフレクタに到達した放射光のうちリフレクタ有効角度１９以内の範囲の部分のみが、光学系に有効に入射して利用されるように光学系が設計されているので、それ以外の部分の光は本来の目的に対しては不要光となってしまう。この部分に誘電体多層膜を積層し、紫外光を反射させ、アーク部分に戻してやることによって発光効率を向上させることができる。これまでの実施例では内周面１２ｂ、外周面が１２ａが真円の発光管１２の外周面１２ａの上記リフレクタ有効角度１９の範囲以外に誘電体多層膜をコーティングしてコーティング部分１２ｃを形成することによって、発光効率を５％以上向上させることができるという効果が得られた。
【００１７】
本実施の形態の１実施例では、発光管１２部分の石英バルブの形状は、内周面１２ｂはφ６の真円、外周面１２ａはφ１０の真円で形成されている。この中心線から±３０°以上の外周面１２ａ上には酸化ハフニウムと酸化ケイ素の誘電体多層膜からなるコーティング部分１２ｃが形成されている。この誘電体多層膜は、中心波長（ｎ）が１５０−３５０ｎｍにある放射光に対して、２層以上で、中心波長の１／４の光学的膜厚の部分が１つ以上含むものが設けられたものである。
【００１８】
そして、本発明に従って、中心波長を２００ｎｍとして合計１０層の誘電体交互多層膜を酸化ハフニウムおよび酸化ケイ素で形成すると、アーク発光部から放射された紫外線は発光管１２の外周部１２ａで約３０％反射され、アーク発光部分に反射されてくる。この反射された紫外線は水銀分子の励起エネルギーに変換され、再度水銀発光に寄与する。本構成による超高圧水銀ランプはランプリフレクタに到達する可視光はそのまま放射させ、到達しない紫外線、および可視光の一部をバルブ内に戻し、再度そのエネルギーを利用することによって、発光効率を向上させることができた。
【００１９】
本発明の超高圧水銀ランプでは従来例の超高圧水銀ランプと比較して、同一の入力電圧で５％以上発光効率を向上させることが可能となり、本ランプを使用することによってリフレクタから放出される光を高輝度化でき、かつ超高圧水銀ランプユニットとしては小型化、省エネ化が可能となった。
【００２０】
上述の実施例において、誘電体多層膜としては酸化ハフニウム、酸化ケイ素を使用したが、高屈折率物質としては、酸化タンタリウム、フッ化マグネシウム等を使用してもよく、さらに、誘電体多層膜の形成方法としては真空蒸着はもちろん、スパッタ、イオンプレーティングガスＣＶＤ、およびプラズマアシストによる上記コーティング方法を利用して積層しても問題ないことは明らかである。
【００２１】
次に、本発明の第２の実施の形態について図面を参照して説明する。図２は本発明の第２の実施の形態の超高圧水銀ランプの模式的断面図である。基本的な構造と機能は第１の実施の形態と同じなので同じ部分の説明は省略し、第１の実施の形態との相違点について説明する。
【００２２】
第１の実施の形態では、酸化ハフニウムと酸化ケイ素の誘電体多層膜からなるコーティング部分１２ｃが発光管１２のリフレクタ有効角度１９の範囲以上の外周面１２ａ上に形成されていたが、第２の実施の形態では、酸化ハフニウムと酸化ケイ素の誘電体多層膜からなるコーティング部分２２ｃがリフレクタ有効角度１９の範囲以上の内周面２２ｂ上に気相ＣＶＤ法により形成されている。
【００２３】
発光管２２の内周面２２ｂに気相ＣＶＤ法により誘電体多層膜を形成しても第１の実施例と同様の効果を有することは明らかであり、さらにこの内周面２２ｂのコーティングではコーティング部分２２ｄがアーク発光部からより近くにあるので、発光管２２の石英ガラス透過時での屈折ロスが少ないため、外周面１２ａのコーティング部１２ｃよりも効率よく、紫外線を発光部分に戻すことができるというメリットがある。
【００２４】
第２の実施の形態においても上述の第１の実施の形態と同様の、誘電体多層膜材料、コーティング方法を用いることができる。
【００２５】
次に、本発明の第３の実施の形態について図面を参照して説明する。図３は本発明の第３の実施の形態の超高圧水銀ランプの模式的断面図である。基本的な構造と機能は第１の実施の形態と同じなので同じ部分の説明は省略し、第１の実施の形態との相違点について説明する。
【００２６】
第１の実施の形態では、酸化ハフニウムと酸化ケイ素の誘電体多層膜からなるコーティング部分１２ｃが発光管１２のリフレクタ有効角度１９の範囲以上の外周面１２ａ上に形成されていたが、第３の実施の形態では、さらに酸化ハフニウムと酸化ケイ素の誘電体多層膜からなるコーティング部分３２ｃが発光管３２のリフレクタ有効角度１９の範囲以上の内周面３２ｂ上に気相ＣＶＤ法により形成されている。
【００２７】
発光管２２の内周面２２ｂに気相ＣＶＤ法により誘電体多層膜を形成しても第１の実施例と同様の効果を有することは明らかであり、外周面３２ｂのコーティング部分３２ｃに加えて、内周面３２ａのコーティング部分３２ｄを設けることによって、さらに効果が高められる。
【００２８】
第３の実施の形態においても上述の第１の実施の形態同様の、誘電体多層膜材料、コーティング方法を用いることができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の超高圧水銀ランプは、発光効率を向上させることができるという効果がある。これは、ランプリフレクタに到達して有効に利用される可視光はそのまま放射させ、有効に利用されない部分の紫外線、および可視光の一部を発光管の外周面および／または内周面に設けた誘電体多層膜からなるコーティング部分によって発光管内に戻し、再度そのエネルギーを利用することができるからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の超高圧水銀ランプの模式的断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態の超高圧水銀ランプの模式的断面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態の超高圧水銀ランプの模式的断面図である。
【図４】従来例の超高圧水銀ランプの模式的断面図である。
【図５】ランプリフレクタに装着された従来例の超高圧水銀ランプの模式的側面断面図である。
【符号の説明】
１０、２０、３０、４０    超高圧水銀ランプ
１１、２１、３１、４１    放電容器
１２、２２、３２、４２    発光管
１２ａ、２２ａ、３２ａ、４２ａ    外周面
１２ｂ、２２ｂ、３２ｂ、４２ｂ    内周面
１２ｃ、２２ｄ、３２ｃ、３２ｄ    コーティング部分
１３、２３、３３、４３    封止部
１４、２４、３４、４４    電極
１５、２５、３５、４５    電極棒
１６、２６、３６、４６    内部リード線
１７、２７、３７、４７    外部リード線
４８    ランプリフレクタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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