(57)【要約】【課題】ランプの点灯時間が長くなるに従い耐圧力性が低下するという問題を解決し、高い耐圧力性を維持できて長い使用寿命を実現できるショートアーク型高圧水銀ランプを提供すること。【解決手段】石英ガラスからなり、発光管部１１および封止管部１２，１３とを有する放電容器１０を具え、該放電容器１０内容積に対して０．１５ｍｇ／ｃｃ以上の水銀が封入されてなるショートアーク型高圧水銀ランプにおいて、少なくとも一方の電極の基端側部分１６Ａ，１７Ａを、前記発光管部１１内に露出することなく前記封止管部１２に溶着されたコイル２０，２１に挿通すると共に、このコイル２０，２１を、純度が９９．９９質量％以上のタングステン若しくはモリブデンにより構成する。更に、前記コイル２０，２１を、高純度タングステンにより構成する場合は、タングステンに含まれるカリウム（Ｋ）の濃度を１０質量ｐｐｍ未満とするのが良い。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
石英ガラスからなり、発光管部と当該発光管部に連設された封止管部とを有する放電容器を具え、前記発光管部内に一対の電極が対向配置されると共に、該放電容器内容積に対して０．１５ｍｇ／ｃｃ以上の水銀が封入されてなるショートアーク型高圧水銀ランプにおいて、
少なくとも一方の電極の基端側部分が、前記発光管部内に露出することなく前記封止管部に溶着されたコイルに挿通されており、
前記コイルは、純度が９９．９９質量％以上のタングステン若しくはモリブデンからなることを特徴とするショートアーク型高圧水銀ランプ。
【請求項２】
前記コイルは、カリウム（Ｋ）の濃度が、１０質量ｐｐｍ未満のタングステンからなることを特徴とする請求項１記載のショートアーク型高圧水銀ランプ。
【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、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装置のバックライトとして使う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】
投射型のプロジェクタ装置は、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、キセノンランプ或は水銀ランプなどのショートアーク型放電ランプが使われている。
上記技術分野に係る液晶プロジェクタは、各会議室へ据え付けられるほど普及していないことから持ち運びされることが多く、小型軽量化が重要な課題となっている。このために、液晶プロジェクタ用の液晶パネルは年々小型化されてきており、これに伴って、小型化された液晶パネルに効率よく集光させるためにも、光源のいっそうの小型化が要求されている。
光源の小型化を達成するためには、電極間距離（以下、簡単にアーク長という）を短くするのが光学的に一番効果的な手段であるが、単にアーク長を短縮しようとするとランプ電圧が低下してしまう。ランプ電圧が低い状態で所定のランプ電力を投入しようとすると、ランプ電流を増大しなければならない。ところが、ランプ電流を増大させるために点灯装置が大形化してしまうので、液晶プロジェクタ装置を小形化するというコンセプトから外れることになる。また、ランプ電流の増加により、電極の消耗が早まり、早期に管壁の黒化を招く。この結果、ランプ寿命が短くなり、市場からの要求を満足できなくなる。こういったことから単純にアーク長を短くするだけでは市場のニーズに充分応えることができない。
【０００３】
そこで、ランプ電圧を低下させないでアーク長を短くするために、アークのインピーダンスを高くすること、換言すれば、点灯中の放電媒体の圧力を上昇させる手段が採用されてきている。これによれば、照度維持率の向上を図りながら演色性の向上を図ることができるといわれ、近時においては、動作時の圧力が１５ＭＰａ以上となるよう多量の水銀を封入した高圧水銀ランプが好適に利用されてきている。
【０００４】
ところで、上述の高圧水銀ランプは放電容器内の圧力が点灯時に極めて高くなるので、放電容器の材質としては高強度とされる石英ガラスが好適に採用されている。発光管部の両側に延在する封止管部においては、該封止管部を構成する石英ガラスと電極棒を十分かつ強固に密着させる必要があり、高温で石英ガラスを加熱して、その状態において、厚肉の石英ガラスを徐々に収縮することで封止管部の密着性を上げる、いわゆるシュリンクシール方式が、高い耐圧力性を実現するとして、好適に採用されている。
【０００５】
而して、電極棒と封止管部の石英ガラスが直接密着されていると、上記シュリンクシール工程、或いは、ランプとした後の点灯動作時に、電極棒と封止管部を構成する石英ガラスとの熱膨張係数の差異に由来して当該封止管部の石英ガラスにクラックが形成され、放電容器内部の耐圧力性能が低下する、という問題を生じることがある。このような問題に鑑み、例えば特許第３２０４１８９号公報に記載の技術によれば、電極棒のうち封止部に埋設される部分においてはコイルが巻きつけられたショートアーク型超高圧水銀ランプとすることにより、係る電極と石英ガラスの間のクラックを発生させることなく十分な熱加工を実現できるとしている。更に、コイルを発光管部内に露出させないことで、電極距離が極小であっても点灯開始直後の不所望な放電を防止でき、その結果、高い耐圧力性を有するショートアーク型高圧水銀ランプを提供できる。
【０００６】
また、電極棒にコイルを巻きつけた形態のショートアーク型の放電ランプとしては、上記公報に記載のもののほかに例えば特開平３−１６３７４４号公報、米国特許第５，３８７，８３９号公報等に記載のものが知られている。これら公報には、電極の基端部にコイルを巻きつけておくことで気密シール部を形成する際に電極が偏芯することを防止すると共に、更に製造を容易にするというものである。
【０００７】
【特許文献１】
特許第３２０４１８９号公報
【特許文献２】
特開平３−１６３７４４号公報
【特許文献３】
米国特許第５，３８７，８３９号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように従来から電極棒にコイル状の金属部材を挿通して放電容器封止管部に埋設した構造のランプが知られ、係る構造が好適に採用されているが、上記ショートアーク型高圧水銀ランプにおいては、近時では、より一層の高い点灯圧力が要求されており、時として放電容器内部の圧力が１６ＭＰａ以上の高い点灯圧力となることから、点灯動作時間の経過に伴い封止管部が破損する確率が高くなることが判明した。
【０００９】
これはランプ点灯時の高温状態（約１３００Ｋ）において、封止管部を構成するガラスと係る金属部材とが接触した部分で、係る金属部材に含まれる不純な金属成分が、封止管部を構成する石英ガラスにイオン化した状態で溶け込み、係る金属イオンを核として石英ガラスが結晶化し、脆弱化するからと推察される。とりわけ、電極棒と封止管部との間にコイル状の金属部材が間装されている場合は、金属部材の表面積が大きい為、不純金属が多く存在し、その結果、封止管部が脆弱化しやすく、ランプの点灯時間が比較的短時間であったとしても封止管部の耐圧力性が低下してしまう。そして、発光管部内の水銀蒸気圧が１６ＭＰａ以上にもなる場合、時として封止管部の破損につながる場合がある。
【００１０】
本願発明は、上記のような、ランプの点灯時間が長くなるに従い耐圧力性が低下するという問題を解決し、高い耐圧力性を維持できて長い使用寿命を実現できるショートアーク型高圧水銀ランプを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、石英ガラスからなり、発光管部と当該発光管部に連設された封止管部とを有する放電容器を具え、前記発光管部内に一対の電極が対向配置されると共に、該放電容器内容積に対して０．１５ｍｇ／ｃｃ以上の水銀が封入されてなるショートアーク型高圧水銀ランプにおいて、少なくとも一方の電極の基端側部分が、前記発光管部内に露出することなく前記封止管部に溶着されたコイルに挿通されており、前記コイルは、純度が９９．９９質量％以上のタングステン若しくはモリブデンからなることを特徴とする。
また更に、前記コイルは、カリウム（Ｋ）の濃度が、１０質量ｐｐｍ未満のタングステンからなることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のショートアーク型高圧水銀ランプについて、図面を参照し詳細に説明する。
図１は、本発明のショートアーク型高圧水銀ランプ（以下、簡単に「ランプ」ともいう。）の構成の一例を示す説明用断面図である。このショートアーク型高圧水銀ランプは、直流点灯型のものであり、その放電容器１０は石英ガラスにより形成され、楕円球形の発光管部１１と、この発光管部１１の両端から外方に伸びるよう連設されたロッド状の封止管部１２、１３とを有する。
【００１３】
発光管部１１内には、放電容器１０の管軸上において、電極間距離が例えば３．０ｍｍ以下となる状態で陰極１４と陽極１５とが対向配置されており、陰極１４を先端に有する電極棒１６（以下「陰極棒」という。）が一方の封止管部１２内を伸び、当該封止管部１２の外端部において気密に埋設された金属箔１８を介して外部リード棒１９に接続されて気密シールが形成されている。陽極１５についても、同様の構成とされている。同図において１７は陽極棒であり、以下、後段において陰極棒（１６）および陽極棒（１７）をまとめて「電極棒」とも称す。
そして、発光管部１１内には、例えば０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀、および例えばアルゴンなどの希ガスよりなる封入ガスが封入されている。これにより、波長３８０〜７８０ｎｍの可視光の連続スペクトルを放射することができ、例えば液晶プロジェクタの光源として好適に用いることができる。
【００１４】
封止管部１２，１３の内周面にはそれぞれ高融点金属からなるコイル２０，２１がその外周面が封止管部１２、１３の内周面に一体に溶着されると共に、係るコイル２０，２１内に各々基端側部分１６Ａ、１７Ａが挿通され、電極棒１６，１７が放電容器の管軸断面方向の移動に対して固定的に、かつ、軸方向の移動に対して略移動可能に保持されている。これにより、電極を高い位置精度で所定位置に配置できると共に、ランプ動作時において高温に熱せられて熱膨張しても自由に伸縮することができる。
【００１５】
コイル２０，２１は、放電容器内に露出することなく、その全部が前記封止管部に埋設された状態とされる。これにより、電極１４，１５と対向する位置にあるコイルとの間においてアークが発生するような不所望な現象が生じることがない。
【００１６】
上記コイル２０、２１の材質は、主成分がタングステン或いはモリブデンからなり、係る金属成分を９９．９９質量％以上の割合で含有してなる高純度金属よりなる。タングステンやモリブデンにおいて各々物質以外に含まれる不純物の代表的なものでは、カリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、鉄、アルミニウム、銅などの金属元素であり、本発明に係るコイルでは、これらの物質、およびその他の物質も含めた不純物の総和が１００質量ｐｐｍ未満の割合とされる。
【００１７】
上述した不純物の中でも特にカリウムは、石英ガラス中においてはイオン化した状態で介在ししており、結晶化する際の核になりやすい。
本発明に係るショートアーク型高圧水銀ランプによれば、封止管部の石英ガラスに融着されたコイルが、９９．９９質量％以上の高純度タングステン若しくは高純度モリブデンからなるので、当該ランプの点灯動作時に封止管部の温度が高くなったとしても、当該コイルに含まれる不純物の絶対量が少ないために、封止管部を構成する石英ガラスに溶出する不純物の絶対量も少なくなる。したがって、封止管部を構成する石英ガラス中に介在する、アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオンの存在確率が極めて小さくなり、その結果、係る石英ガラスの結晶化の促進が抑制されて、石英ガラスの機械的強度をランプ点灯初期のものと同程度に維持できて封止管部が脆弱化することを防止できるようになる。従って、封止管部の耐圧強度の低下を防止でき、ランプの使用寿命の長期化を図ることが可能となる。
中でもカリウムは１０質量ｐｐｍ未満の割合とされるのが好ましい。カリウムが１０質量ｐｐｍ以上含まれると、金属箔近傍に介在している石英ガラスが結晶化して脆弱化するため、「箔浮き」と言われる現象を生じやすくなり、この箔浮き現象が発生したことと相俟って、封止管部の耐圧強度の低下が著しいものとなってしまう。
【００１８】
【実施例】
本発明に係るショートアーク型高圧水銀ランプを図１の構成および下記の仕様に従って製作し、更に冷耐圧力試験（および寿命試験）を行った。
以下、本実験例に使用した実施例に係るランプの仕様を述べる。
放電容器（１０）は石英ガラスからなる略楕円球状であり、内容積は１１６ｍｍ３で放電空間内にはアルゴンガスが１１．３ｋＰａ、水銀が０．２０ｍｇ／ｍｍ３封入されている。
発光管部（１１）の外径は１１．５ｍｍ、発光管部（１１）の内径５．０ｍｍで封止管部（１２）および（１３）の長さはそれぞれ２０ｍｍ、モリブデンから成る金属箔（１８）の長さ１５ｍｍである。使用した陰極（１４）の材質および陽極（１５）の材質はタングステンであり、その電極間の距離は１．３ｍｍである。本ランプのランプ電圧は８２Ｖ、定格電力は２００Ｗである。
封止管部に埋設されたコイル（２０）および（２１）の全長は３．０ｍｍでコイル（２０）、（２１）を構成する金属線の線径は０．１ｍｍである。
【００１９】
コイル（２０）、（２１）の材質は９９．９９質量％以上の高純度タングステンであり、具体的には９９．９９０質量％〜９９．９９９質量％であった。なおこの高純度タングステンに含まれる不純物物質とされる物質で最も含有割合が大きかったものはカリウムであり、その割合の最大値は１０質量ｐｐｍであった。また、その他の不純物（例えばＦｅ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｎｉなど）も含めた、不純物の含有割合の総和は１００質量ｐｐｍ未満であった。
【００２０】
＜比較例１＞
コイルを構成するタングステンの純度を９９．９９質量％以上にしなかったこと以外は、上記の実施例と同様のランプ仕様を有する従来製品に係るショートアーク型高圧水銀ランプを製造した。このときのタングステンは、何れも不純物の割合が１００質量ｐｐｍ以上、１０００質量ｐｐｍ以下であり、その純度は具体的には９９．９６質量％〜９９．９８質量％であった。
【００２１】
このようにして作製された実施例に係るランプ２７本および比較例に係るランプ２５本について、水平点灯により定格電力２００Ｗで連続点灯し、以下の手順に従って冷耐圧強度試験を行い、耐圧強度の評価を行った。
【００２２】
＜耐圧強度の評価＞
上述した実施例に係るランプおよび比較例に係るランプについて、放電容器（１０）を、低速切断機を用いて切断し、試料片を作製した。
なお、実施例に係るランプについては、点灯時間が１時間のランプを５本、点灯時間が２５０時間のランプを４本、点灯時間が３８０時間のランプを４本、点灯時間が５３０時間のランプを６本、点灯時間が７７０時間のランプを４本、点灯時間１１２０時間のランプを４本用意した。また、比較例に係るランプについては、点灯時間が１時間のランプを５本、点灯時間が２１０時間のランプを５本、点灯時間が３５０時間のランプを６本、点灯時間が５３０時間のランプを４本、点灯時間が１０６０時間のランプを５本用意した。
以上の実施例および比較例に係る各ランプを用いて、上述した手法により試験片を作製した。
【００２３】
作製された試験片について、図２に示すように、発光管部（１１）の開口部分にステンレス製管３０の一端を挿入し、当該ステンレス製管３０の外周部分にエポキシ系接着剤３１を充填することにより、放電ランプの発光管部（１１）に対応する気密空間部Ｓを形成した。なお、同図において、３２はアルコールタンク、３３は加圧ポンプ、３４は圧力計、３５はロータリーポンプ、３６は接続ジョイントである。
【００２４】
そして、このステンレス製管３０の他端より、アルコールタンク３２より供給されたアルコール蒸気を注入し、約０．２ＭＰａ／ｓｅｃの速度で気密空間部Ｓ内の圧力を徐々に上昇させて、石英ガラス製の放電容器が破壊されたときの圧力（以下、「冷耐圧強度」という。）を圧力計３４により測定した。
なお、未点灯状態のランプは点灯・消灯による熱歪みが無いために破壊箇所が封止管部に限定されるので、当該箇所の冷耐圧強度を、比較的容易に測定することが可能である。而して、点灯後のランプは発光管部に熱歪みがあるために破壊箇所が封止管部に限定されずしばしば発光管部で破壊されてしまう。このため、有効なデータが取得できない場合がある。
そこで点灯後のランプについては、大気中で１１５０℃、３０分間の除歪処理を行うことで発光管部の熱歪みを解消させた。
この方法により発光管部で破壊することなく、破壊箇所を封止管部に限定させることができた。
【００２５】
上記の方法によりランプの点灯時間と冷耐圧強度の関係を示した曲線図を、図３に示す。横軸は試料に係るランプの点灯時間（ｈ）であり、縦軸は冷耐圧強度（ＭＰａ）である。同図中、各点灯時間でランプを点灯した時の冷耐圧強度を、実施例に係るものについては白丸、比較例に係るものについてはひし形で付した。曲線は、実施例或いは比較例に係るランプ点灯時間と例耐圧強度の関係を表す近似曲線であり、実施例については実線で示し、比較例については一点破線で示した。
同図に示すように、実施例に係るランプでは、比較例に係るランプよりも冷耐圧強度が上回っており、その差は点灯時間が増すごとに増大していくことが確認された。比較例に係るランプでは点灯時間が１０００時間を超過すると冷耐圧強度が約１８ＭＰａ程度に低下してしまうが、実施例に係るランプでは点灯時間の経過に伴う冷耐圧強度の低下がそれよりも小さく、１１００時間を超えて点灯させたランプにおいても平均して２０ＭＰａ以上の冷耐圧強度を有しており、従来製品に比較して１５０％も冷耐圧強度が向上したことが確認された。
【００２６】
上記冷耐圧強度試験の結果、実施例に係るものでは点灯時間経過に伴う冷耐圧強度の低下が比較例に係るランプに比較して緩慢であり、ランプ点灯初期よりの封止管部の機械的強度をより維持することができると理解される。なお、上述した冷耐圧強度はランプ点灯動作時の耐圧強度と必ずしも一致するというものではないが、封止管部の冷耐圧強度が低下することを抑制できることはつまり、ランプ点灯初期における封止管部の耐圧強度を維持することができると換言できるので、結果としてランプ点灯中の封止管部の耐圧強度を向上できるようになることは自明である。
【００２７】
＜ランプ点灯試験＞
上記実施例と同仕様のランプを２０本作製し、水平点灯で定格入力２００Ｗに従って連続点灯した。なお、タングステンの純度は９９．９９０質量％〜９９．９９９質量％であり、いずれも９９．９９質量％以上であった。これらのランプについて、点灯時間が２０００時間を超えてもなお、封止管部に破損が生じることなく、また封止管部の石英ガラスが金属箔と剥離するために発生する「箔浮き」と呼ばれる現象も発生しなかった。
【００２８】
また、上記比較例と同仕様のランプを２０本作製し、上述のランプ点灯試験と同様の方法で点灯した。なお、タングステンの純度は具体的には９９．９６質量％〜９９．９８質量％であり、９９．９９質量％未満であった。比較例に係るランプの試験結果、あるランプでは、点灯時間が１０００時間経過した時点で、封止管部にクラックが生じて放電容器が破裂し、またあるランプについては点灯時間が１３００時間で封止管部よりリークが発生して不点灯になってしまった。また、その他のランプについては１５００時間点灯後に「箔浮き」が確認され、いずれのものも十分な信頼性が得られなかった。
【００２９】
【発明の効果】
本発明のショートアーク型高圧水銀ランプによれば、発光管部内に露出することなく溶着されたコイルが、９９．９９質量％以上の高純度タングステン若しくは高純度モリブデンにより構成されているので、電極棒が高温になった場合に当該コイルから封止管部を構成する石英ガラスに溶出される不純物の絶対量が少なくなり、該石英ガラスの結晶化が促進されるのを防止できて、点灯時間の経過に伴って該石英ガラスの機械的強度が低下することが防止され、封止管部を十分な耐圧を有するものとすることができる。
その結果、ランプの点灯時間にともなう耐圧力性の低下を抑制することができるようになり、高い耐圧力性を維持できて長い使用寿命を実現できるショートアーク型高圧水銀ランプを提供することができる。
なお、前記コイルが、カリウム（Ｋ）の濃度１０質量ｐｐｍ未満のタングステンからなることにより石英ガラスの結晶化を回避することができ、封止管部に埋設された金属箔のいわゆる箔浮き現象を効果的に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るショートアーク型高圧水銀ランプの構成の一例を示す説明用断面図である。
【図２】本発明の放電ランプの実施例および比較例の冷耐圧強度の測定方法を示す説明図である。
【図３】ランプの点灯時間と冷耐圧強度の関係を示す図である。
【符号の説明】
１０  放電容器
１１  発光管部
１２、１３  封止管部
１４  陰極
１５  陽極
１６  電極棒（陰極棒）
１６Ａ  基端側部分（陰極）
１７  陽極棒
１７Ａ  基端側部分（陽極）
１８  金属箔
１９  外部リード棒
２０、２１  コイル
３０  ステンレス製管
３１  接着剤
３２  アルコールタンク
３３  加圧ポンプ
３４  圧力計
３５  ロータリーポンプ
３６  接続ジョイント
【図１】
2004192904.tif 000003
【図２】
2004192904.tif 000004
【図３】
2004192904.tif 000005