(57)【要約】【課題】電極先端に発生する突起の位置変化を抑えることができる超高圧水銀ランプを提供することである。【解決手段】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１１に０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀と、希ガスと、１×１０−６〜１×１０−２μｍｏｌ／ｍｍ３の範囲でハロゲンを封入しており、前記一対の電極１は少なくとも一方が中心軸Ｌから偏芯して配置しており、かつ、両電極１とも先端１ａが概略球状に形成されており、当該先端同士の仮想最短直線ＶＬが、実質的に大地に対して水平になるように配置されることを特徴とする。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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／ｍｍ３以上の水銀と、希ガスと、１×１０−６〜１×１０−２μｍｏｌ／ｍｍ３の範囲でハロゲンを封入した交流点灯型超高圧水銀ランプにおいて、
前記一対の電極は少なくとも一方が中心軸から偏芯して配置しており、かつ、両電極とも先端が概略球状に形成されており、
当該先端同士の仮想最短直線が、実質的に大地に対して水平になるように配置されることを特徴とする交流点灯型超高圧水銀ランプ。
【請求項２】
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／ｍｍ３以上の水銀と、希ガスと、１×１０−６〜１×１０−２μｍｏｌ／ｍｍ３の範囲でハロゲンを封入した交流点灯型のショートアーク型超高圧水銀ランプと、この水銀ランプを取り囲む凹面反射鏡から構成される光源装置において、
前記水銀ランプは、前記一対の電極は少なくとも一方が中心軸から偏芯して配置しており、かつ、両電極とも先端が概略球状に形成されており、
当該先端同士の仮想最短直線が、実質的に大地に対して水平になるように配置されることを特徴とする光源装置。
【請求項３】
前記仮想最短直線は、大地に対して±３０°の範囲で水平に配置されることを特徴とする請求項１の交流点灯型超高圧水銀ランプ、又は請求項２の光源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は交流点灯型超高圧水銀ランプおよびその光源装置に関する。特に、発光管内に０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀が封入され点灯時の水銀蒸気圧が１１０気圧以上となる超高圧水銀ランプとこの水銀ランプを光源とした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ー装置に使われる光源装置に関する。
【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も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、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、また電極間距離の極めて小さいものが実用化されている。
【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、今までにない高い水銀蒸気圧、例えば１５０気圧、を持つ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、アークの広がりを抑える（絞り込む）とともに、より一層の光出力の向上を図るというものである。
このような超高圧放電ランプは、例えば、特開平２−１４８５６１号、特開平６−５２８３０号に開示されている。
【０００４】
上記ランプは、例えば、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／ｍｍ３以上の水銀と１×１０−６〜１×１０−２μｍｏｌ／ｍｍ３の範囲でハロゲンを封入した超高圧水銀ランプが使われる。ハロゲンを封入する主目的は発光管の失透防止であるが、これにより、いわゆるハロゲンサイクルが生じる。
【０００５】
ところで、上記超高圧水銀ランプ（以下、単に放電ランプともいう）は点灯時間の経過とともに電極先端に突起が形成するという現象が起こる。この現象は必ずしも明かではないが以下のように推測できる。
すなわち、ランプ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に存在するハロゲンや残留酸素と結合して、例えばハロゲンとして臭素（Ｂｒ）は封入されるならば、ＷＢｒ、ＷＢｒ２、ＷＯ、ＷＯ２、ＷＯ２Ｂｒ、ＷＯ２Ｂｒ２などのタングステン化合物として存在する。これら化合物は電極先端付近の起相中の高温部においては分解し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）および、アーク中でタングステン原子が電離して陽イオンになり、陰極動作しているときに電解によって陰極方向に引き寄せられる（ドリフト）ことによって、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、電極先端に析出して突起を形成するものと考えられる。
【０００６】
図７に電極と突起を模式化したものを示す。（ａ）はランプ点灯に伴い突起が生成された状態を示し、一対の電極１はそれぞれ軸部１ａと球部１ｂから構成され、球部１ｂの先端に突起２が形成している。ランプ点灯時には突起２同士によりアーク放電Ａが形成される。
【０００７】
しかしながら、ランプ点灯に伴い発生する突起は、通常は（ａ）に示すように電極軸に沿って対向するように生じるが、その後の点灯により突起の位置が変化してしまうという新たな問題が発生した。
（ｂ）は突起の位置が変化した状態を示す。突起２の位置変化はアークＡの位置も変化させることになり、アーク位置を基準に光学的に設計するプロジェクタ装置においては、この問題は致命的であり、プロジェクタ装置としては光出力の低下やスクリーン上における光量のバラツキを発生させる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
この発明が解決しようとする課題は、電極先端に発生する突起の位置変化を抑えることができる超高圧水銀ランプを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る交流点灯型超高圧水銀ランプは、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／ｍｍ３以上の水銀と、希ガスと、１×１０−６〜１×１０−２μｍｏｌ／ｍｍ３の範囲でハロゲンを封入しており、前記一対の電極は少なくとも一方が中心軸から偏芯して配置しており、かつ、両電極とも先端が概略球状に形成されており、当該先端同士の仮想最短直線が、実質的に大地に対して水平になるように配置されることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２に係る光源装置は、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／ｍｍ３以上の水銀と、希ガスと、１×１０−６〜１×１０−２μｍｏｌ／ｍｍ３の範囲でハロゲンを封入した交流点灯型のショートアーク型超高圧水銀ランプと、この水銀ランプを取り囲む凹面反射鏡から構成されて、前記水銀ランプは、前記一対の電極は少なくとも一方が中心軸から偏芯して配置しており、かつ、両電極とも先端が概略球状に形成されており、当該先端同士の仮想最短直線が、実質的に大地に対して水平になるように配置されることを特徴とする。
【００１１】
さらに、前記仮想最短直線は、大地に対して±３０°の範囲で水平に配置されることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の交流点灯型超高圧水銀ランプ（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によって形成された概略球形の発光部１１を有し、この発光管部１１には、一対の電極１が互いに対向して配置する。また、発光部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金属箔１３が、例えばピンチ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。
一対の電極１は、紙面に垂直方向に互いに偏芯しているが、この点については後述する。なお、電極１はその軸部まで含めて「電極」と称することもあるが、軸部とは別に先端の太径部のみを電極と称することもある。
【００１３】
放電ランプ１０は大地Ｅに対して水平に配置される。なお、現実にはプロジェクター装置に組み込まれるが、説明の便宜上、放電ランプ１０と大地の関係のみを表している。
【００１４】
発光部２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、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、１０−６〜１０−２μｍｏｌ／ｍｍ３の範囲から選択される。その機能はハロゲンサイクルを利用した長寿命化も存在するが、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が放電容器の失透防止を主目的としている。
【００１５】
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、定格電圧８０Ｖ、定格電力１５０Ｗであり、交流点灯される。
また、この種の放電ランプは、小型化するプロジェクター装置に内蔵されるものであり、装置の全体寸法が極めて小型化される一方で高い光量が要求されることから、発光管部内の熱的影響は極めて厳しいものとなり、ランプの管壁負荷値は０．８〜２．０Ｗ／ｍｍ２、具体的には１．５Ｗ／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ことが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た場合に、演色性の良い放射光を提供することができる。
【００１６】
図２は電極が対向配置する状態を示す。
各々の電極は先端に概略球状の球部１ａ（１ａ１、１ａ２）を有し、これら球部１ａを含めて電極全体は、本来、軸Ｌに沿って正確（一直線）に配置することが好ましい。また、製造上もそのように設計している。しかしながら、現実には、電極自体が極めて小さいことと、電極間距離も極めて小さいなどの理由により、軸Ｌから外れて偏芯してしまう。図においては、各電極は偏芯軸Ｌ１をで形成している。
この場合、突起は対向する電極の先端面のうち一番距離的に近い部分に形成される。このため、電極球部１ａの中心から外れた極めて不均整な位置に突起２が形成されることになり、両者の位置関係も互いに不均整なものとなってしまう。電極の偏芯について、数値例を示すと、一の電極の偏芯軸Ｌ１は中心軸Ｌに対して、１５°程度まで傾き、２つの電極が個々に任意の方向に偏ることで、全体としての位置変形（偏芯度）は大きなものとなる。
【００１７】
本発明者らは、鋭意検討の結果、上記突起の不均整な位置関係が、放電ランプを大地に対して水平に配置して点灯させた場合に生じる熱対流Ｔの影響と関係して、これが原因となって、突起２の点灯中における位置変化を生じさせていることを突き止めた。
そして、電極の偏芯方向を対流の影響を考慮して規定することにより、ランプ点灯中における突起の位置変化を実用上影響のないレベルにまで低減できることを発明したのである。
具体的には、一対の電極の偏芯方向を大地に垂直な方向ではなく、水平な方向とすることであり、「電極の偏芯方向」とは、図３に示すように、電極の球部１ａ１、１ａ２の仮想最短直線ＶＬをいう概念によって、直線ＶＬが大地に対して水平になるように放電ランプを設定するものであり、この仮想最短直線ＶＬは電極が偏芯していたとしても最も距離が短くなる仮想的な直線である。
また、偏芯する電極軸同士で形成される電極軸面が大地に対して水平になるという規定をすることもできる。
【００１８】
上記放電ランプに配置についてもう少し詳述する。
図４は電極１の拡大図を示し、（ａ）は図１と同一方向を表すものであり、（ｂ）は図１における上方（図におけるＹ方向）からの状態を表したもので、（ｃ）は図１における側方（図におけるＸ方向）からの状態を表したものである。なお、図４は電極の偏芯状態を説明するものであり、説明の便宜上、電極１（主に先端の球部１ａ）、発光部の内壁面１１’、電極軸Ｌだけを表している。
【００１９】
（ａ）において、一対の電極は互いに中心軸Ｌに対して偏芯しているが、大地Ｅに対しては偏芯していないため、同図においては偏芯状態は表れていない。
（ｂ）において、放電ランプの上方（図１におけるＹ方向）から電極を眺めると、両電極が偏芯していることが示される。
（ｃ）において、放電ランプの側方（図１におけるＸ方向）から電極を眺めると、電極の先端位置は，互いに中心軸Ｌから外れていることが示される。なお、（ｃ）は（ａ）（ｂ）と異なり、電極の軸部は表しておらず、先端の球部のみを表している。
【００２０】
本発明の電極は球部１ａと軸部１ｂから構成されるが、先端が球状であるから突起の生成や位置変化を起こすものであり、先端には球部を設けることが前提条件となる。しかしながら、形態としては完全な球である必要はなく、他方の電極に対向する先端面が曲面状に形成されていれば足り、また、全体が曲面状でなくても一部において曲面部分を有していればよい。
【００２１】
なお、図においては、先端の球部１ａの後方にコイルが形成されている。このコイルは点灯始動性と、定常点灯時における放熱作用のためであって、本発明においては必須のものではない。
【００２２】
図５は、本発明に係る放電ランプの電極構造について、より好ましい数値範囲を説明するための図面である。一方の電極１と他方の電極１’との関係において、電極１の中心軸Ｌに対して、電極１’が偏っている場合を考える。
この場合に電極１’の最先端から軸Ｌに平行は仮想軸Ｌ’を描き中心軸Ｌと仮想軸Ｌ’との距離ａと電極間距離ｂとの関係値ａ／ｂは０．３以下である。また、電極１、電極１’の先端球部の外径ｃ（軸Ｌと垂直方向の最大値）は１．０ｍｍ以上となる。さらに、電極間距離ｂは０．７〜１．５ｍｍが好ましい。
本発明者らは、鋭意検討の結果、このような数値範囲における電極の位置関係、偏芯度合いにおいて、突起の位置変化が最も効果的に抑制できることを確認している。
【００２３】
本発明に関する上記特徴は、電極間距離が２ｍｍ以下であって、発光部に０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀と、希ガスと、１×１０−６〜１×１０−２μｍｏｌ／ｍｍ３の範囲でハロゲンを封入しており、交流点灯型の超高圧水銀ランプが前提となる。なぜなら、上記構成を具備する放電ランプであるからこそ、電極先端に突起が形成されるからである。また、電極軸が放電ランプの中心軸に対して偏芯している構造であるからこそ、突起が位置変化するという特有の問題を生じさせる。
従って、上記構成を具備していない放電ランプであって、使用用途などが全く異なる放電ランプにおいては、本発明と異なる目的、作用効果を期待して電極軸を偏芯させる構造や、その偏芯方向を規定する先行技術は存在するかもしれない。しかしながら、電極先端の突起の形成とその位置変化という技術的課題を提供するものではなく、このような先行技術とは本発明は全く次元を異にするものである。
【００２４】
本発明は、電極の偏芯方向を一対の電極の仮想最短直線ＶＬをいう概念で定義している。この仮想最短直線ＶＬは突起が形成される前の電極形状から導き出すものであり、また、局部的に技術的意味を有さない微小凹凸などが形成される場合はこれらの存在を無視して導くものとする。
仮想最短直線ＶＬは、大地に対して完全に水平であることが最も好ましい構成であるが、仮想最短直線ＶＬは大地に対して±３０°の範囲であれば、実用上の作用効果を有しており、好ましくは大地に対して±２０°の範囲、より好ましくは大地に対して±１０°の範囲、さらには大地に対して±５°の範囲であればよい。
【００２５】
なお、放電ランプ単体では大地との位置関係が特定されない場合もある。しかしながら、放電ランプの一部にプロジェクター装置や凹面反射鏡との位置関係を決める目印を設けることがあり、このような場合に、本発明は放電ランプそのものであっても大地との関係が特定できる。
このような目印は、一例をあげると、放電ランプの口金に刻印したマーク、放電ランプに取りつけた導電ワイヤの位置、発光部の排気管残部の位置などがある。
【００２６】
放電ランプについて数値例をあげると以下のようになる。
発光部外径は、Φ８〜Φ１２ｍｍの範囲であって、例えば、１０．５ｍｍ、発光部内容積は、５０〜１２０ｍｍ３の範囲であって、例えば、７５ｍｍ３、電極間距離は０．７〜２ｍｍの範囲であって、例えば、１．０ｍｍ、電極の軸部の外径はΦ０．１〜０．７ｍｍの範囲であって、例えば、Φ０．４ｍｍ、電極の球部の外径はΦ１．０〜２．０の範囲であって、例えば、１．４ｍｍである。
また、放電ランプは定格２００Ｗ、矩形波１５０Ｈｚで点灯する。
【００２７】
図６は放電ランプ１０とこの放電ランプ１０を取り囲む凹面反射鏡２０、さらにこの組み合わせ（以下、放電ランプ１０と凹面反射鏡２０の組み合わせを光源装置と称する）をプロジェクター装置３０に組み込んだ状態を示す。プロジェクター装置３０は、現実には、複雑な光学部品や電気部品などが密集するものであるが、図においては説明の便宜上簡略化して表現している。
放電ランプ１０は凹面反射鏡２０の頂部開口を通して保持される。放電ランプ１０の一方の端子Ｔ１と他方の端子Ｔ２に不図示の給電装置が接続される。凹面反射鏡２０は楕円反射鏡や放物面鏡が採用され、反射面には所定の波長の光を反射する蒸着膜が施される。
【００２８】
放電ランプ１０は、図においては電極が偏芯している状態は示されていないが、図３、図４に示すように仮想最短直線が大地Ｅに水平になるように設定されている。
なお、プロジェクター装置３０は、保持足３１を調整して、例えば前方に傾斜するよう設定することも可能である。この場合においては、放電ランプ１０の仮想最短直線は大地Ｅに対して水平、あるいは±３０°の範囲になるように設定する必要がある。
ここで、放電ランプ１０の長手方向が、図示のようにプロジェクター装置３０の傾斜方向を一致する場合は、プロジェクター装置３０の傾斜角度を放電ランプ１０の仮想最短直線との関係で考慮する必要がある。しかしながら、放電ランプ１０の長手方向が、プロジェクター装置３０の傾斜の影響を受けない方向に配置する場合、例えば、図においては紙面の垂直方向に放電ランプ１０の長手方向が伸びる場合は、プロジェクター装置３０への取付け作業時に所定の設定をすれば、プロジェクター装置の傾斜動作の影響を受けることはない。
【００２９】
以上、説明したように、本発明に係る交流点灯型超高圧水銀ランプ、およびその光源装置は、電極の先端同士が互いに偏芯する構造であっても、仮想最短直線を大地に対して水平に配置することで、ランプ点灯中に生じる突起の位置変化を良好に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超高圧水銀ランプを示す。
【図２】本発明に係る超高圧水銀ランプの電極の配置状態を示す。
【図３】本発明に係る超高圧水銀ランプの仮想最短直線を示す。
【図４】本発明に係る超高圧水銀ランプの電極の配置状態を示す。
【図５】本発明に係る超高圧水銀ランプの電極の配置状態を示す。
【図６】本発明に係る光源装置を示す。
【図７】超高圧水銀ランプの電極の突起形成を示す。
【符号の説明】
１　電極
１０　放電ランプ
１１　発光部
１２　封止部
ＶＬ　仮想最短直線
【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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【図６】
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【図７】
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