(57)【要約】【課題】動作時の高温に対して十分な耐変形性を有するシリカガラスよりなる放電容器を有し、動作時の高温によっても失透しないと共に、放電容器の破損・破裂の発生を有効に抑制することができる超高圧水銀ランプの提供。【解決手段】超高圧水銀ランプは、シリカガラスからなり、その内部に一対の電極が対向配置され、その内部空間に０．１５ｍｇ／ｍｍ３  以上の水銀が封入された放電容器を備え、放電容器を構成するシリカガラスは、外表面からの深さが１μｍまでの表面部領域におけるアルカリ金属の平均濃度が、外表面からの深さが１μｍより深い深部領域より高いものである。放電容器を構成するシリカガラスの表面部領域におけるアルカリ金属の平均濃度は５〜５０００重量ｐｐｍであり、深部領域においては０．１〜１．０重量ｐｐｍであることが好ましい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリカガラスからなり、その内部に一対の電極が対向配置された放電容器を備え、この放電容器の内部空間に０．１５ｍｇ／ｍｍ３  以上の水銀が封入されてなる超高圧水銀ランプにおいて、
放電容器を構成するシリカガラスは、外表面からの深さが１μｍまでの表面部領域におけるアルカリ金属の平均濃度が、外表面からの深さが１μｍより深い深部領域におけるアルカリ金属の平均濃度より高いものであることを特徴とする超高圧水銀ランプ。
【請求項２】
放電容器を構成するシリカガラスの表面部領域におけるアルカリ金属の平均濃度が５〜５０００重量ｐｐｍであり、深部領域におけるアルカリ金属の平均濃度が０．１〜１．０重量ｐｐｍ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。
【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、放電容器の内部空間に０．１５ｍｇ／ｍｍ３  以上の水銀が封入されて動作時の内部圧力が１５０気圧以上と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】
液晶プロジェクタ装置やＤＬＰプロジェクタ装置の光源としては、通常、凹面反射鏡の内部にショートアーク型放電ランプを配置したものが使用されており、このようなショートアーク型超高圧放電ランプとしては、シリカガラスよりなる放電容器の内部に陰極および陽極が対向配置されると共に、この放電容器の内部空間に、例えばアルゴンガスなどのバッファガスと共に水銀が封入されているものが用いられる。
【０００３】
プロジェクタ装置においては、スクリーン上に十分な演色性をもった画像を投影することが要求されることから、光源ランプとしては、例えば、放電容器の内部空間に０．１５ｍｇ／ｍｍ３  以上の多量の水銀が封入されて動作時（点灯時）の水銀蒸気圧が１．５×１０７  Ｐａ（１５０気圧）以上もの高圧となり、これにより、陰極および陽極の間に形成されたアークの広がりが抑えられて高い輝度を得ることができる超高圧水銀ランプが用いられている。
また、プロジェクタ装置に対する小型軽量化の要求に応えるために、光源ランプの小型化を目的として、放電容器の大きさが極めて小さい超高圧水銀ランプが要求されるようになっているが、そのような超高圧水銀ランプにおいては、アークにおいて最も高温となっているアーク輝点が放電容器に不可避的に近接してしまうために発光管部の管壁温度が高いものとなるので、より大きな耐熱性を有する放電容器が求められている。
【０００４】
従来、超高圧水銀ランプの放電容器としては、アルカリ金属の平均濃度の高いシリカガラスが用いられているが、このようなシリカガラスにより構成された放電容器は、高温条件下で使用した場合に変形するおそれがあった。
図２は、シリカガラスに含有される酸化ナトリウム（Ｎａ２  Ｏ）の平均濃度を変化させた場合における、温度とシリカガラスの粘度との関係を示すグラフであり、縦軸は粘度（対数表示）を示し、横軸は温度の逆数を示す。曲線Ａ〜Ｄは、それぞれ、酸化ナトリウムの平均濃度が０．０６ｍｏｌ％、０．１０ｍｏｌ％、０．１１ｍｏｌ％、０．５２ｍｏｌ％のシリカガラスを示す。この図２から明らかなように、シリカガラスは、平均アルカリ金属濃度が同一の場合は、温度が高くなるに従って粘度が低くなって変形し易くなる性質を有し、また、温度が同一の場合は、平均アルカリ金属濃度の低いものほど粘度が高く、従って硬くて変形し難い性質を有する。
【０００５】
以上のような事情から、高温条件下においても変形し難いシリカガラスとして、平均アルカリ金属濃度の低いものを用いて、超高圧水銀ランプを作製することが試みられている（特許文献１参照）。このような平均アルカリ金属濃度の低いシリカガラスを用いた超高圧水銀ランプは、シリカガラスが結晶化し難いために失透し難く、放電容器において長期間にわたって十分な透光性が維持される点では有利である。
【０００６】
しかしながら、平均アルカリ金属濃度の低いシリカガラスを用いて、超高圧水銀ランプを作製した場合には、検査のために初めて点灯したときに放電容器の破損や破裂が高い確率で発生し、高い生産性が得られない、という問題があることが判明した。そして、その原因を究明したところ、平均アルカリ金属濃度の低いシリカガラスは粘度が高く、硬くて変形性に乏しいために、作製工程において放電容器の外表面に傷がつき易く、このため、点灯した際の熱衝撃によって、傷を起点として放電容器の破損や破裂が起こることが原因の１つであると考えられるに至った。
【０００７】
一方、放電容器の外表面領域の高温粘度が、外表面から１００μｍの深さにおける高温粘度より低いシリカガラスよりなる放電容器を備えた放電ランプが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。この放電ランプによれば、長時間点灯後にも熱歪による放電容器の破損や破裂が防止される効果が得られる。
しかしながら、この放電ランプは、超高圧水銀ランプであってもその動作時の内部圧力が２０〜６０気圧であって、１５０気圧以上となるものについては何も議論されていない。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−２２９８７６号公報
【特許文献２】
特開平１１−２７３６２０号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、動作時の高温に対して十分な耐変形性を有するシリカガラスよりなる放電容器を有する超高圧水銀ランプであって、動作時の高温によっても長期間にわたって失透が生ずることがなく、しかも、作製時の傷などに起因する放電容器の破損・破裂の発生を有効に抑制することができて高い生産性が得られる超高圧水銀ランプを提供することにある。
【００１０】
【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、シリカガラスからなり、その内部に一対の電極が対向配置された放電容器を備え、この放電容器の内部空間に０．１５ｍｇ／ｍｍ３  以上の水銀が封入されてなる超高圧水銀ランプにおいて、
放電容器を構成するシリカガラスは、外表面からの深さが１μｍまでの表面部領域におけるアルカリ金属の平均濃度が、外表面からの深さが１μｍより深い深部領域におけるアルカリ金属の平均濃度より高いものであることを特徴とする。
【００１１】
この超高圧水銀ランプにおいては、放電容器を構成するシリカガラスの表面部領域におけるアルカリ金属の平均濃度が５〜５０００重量ｐｐｍであり、深部領域におけるアルカリ金属の平均濃度が０．１〜１．０重量ｐｐｍであることが好ましい。
【００１２】
【作用】
上記の構成の超高圧水銀ランプによれば、放電容器を構成するシリカガラスの主体部分である深部領域では平均アルカリ金属濃度が低く、粘度が高くて硬いことにより高温環境下においても変形性が小さいので、このシリカガラスは、全体として動作時の高温に対して耐変形性が得られ、しかも特定の小さい厚みの表面部領域においては平均アルカリ金属濃度が深部領域より高く、粘度が低くて軟らかいことにより大きな可変形性を有するので、超高圧水銀ランプの作製工程において放電容器の外表面に傷がつき難く、従って外表面の傷に起因して動作時に発生する破損・破裂を有効に抑制することができて高い生産性が得られる。また、放電容器の内表面の近傍に平均アルカリ金属濃度の高いシリカガラスが存在しないため、動作時の高温によってシリカガラスに失透が発生することがなく、長期間にわたって放電容器の高い透光性が維持される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係る超高圧水銀ランプの構成の一例を管軸に沿った断面で示す説明用断面図である。
【００１４】
この超高圧水銀ランプ１０は、シリカガラスよりなり、楕円球形の発光管部１２と、この発光管部１２の両端部からそれぞれ外方に伸びるよう連設された封止部１５，１５とを有する放電容器１１を備えている。
放電容器１１の発光管部１２の内部には、放電容器１１の管軸上において、タングステンよりなる２本の円柱状の電極棒１７の先端部にそれぞれ形成された陰極１３および陽極１４が、互いに近接した状態で対向配置されている。
放電容器１１および封止部１５，１５は、放電容器基材であるシリカガラスのパイプ体を溶融状態にして内部を減圧することにより形成されたものであり、封止部１５，１５の内部には、電極棒１７と外部リード棒１８とを電気的に接続する薄い短冊状のモリブデンよりなる金属箔１６が気密に埋設されている。
【００１５】
発光管部１２の内部空間には、０．１５ｍｇ／ｍｍ３  以上となる量の水銀、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おり、これにより、当該超高圧水銀ランプ１０は、その動作時における内部圧力が１５０気圧（１．５×１０７  Ｐａ）以上となるものとされている。
【００１６】
放電容器１１を構成するシリカガラスは、その厚みが２．０〜３．２ｍｍであって、その外表面からの深さが１μｍまでの表面部領域（以下、単に「表面部領域」ともいう。）におけるアルカリ金属の平均濃度（以下、「平均アルカリ金属濃度」という。）が、外表面からの深さが１μｍより深い深部領域（以下、単に「深部領域」ともいう。）より高いものとされている。
【００１７】
具体的には、放電容器１１を構成するシリカガラスとして、その表面部領域の平均アルカリ金属濃度が高くて５〜５０００重量ｐｐｍであり、深部領域では平均アルカリ金属濃度が０．１〜１．０重量ｐｐｍ、好ましくは０．１〜０．５重量ｐｐｍであるものが用いられる。このようなシリカガラスの全体における平均アルカリ金属濃度は、通常、１１重量ｐｐｍ以下のものとなる。
【００１８】
以上において、シリカガラスについて「平均アルカリ金属濃度」とは、１次イオン源としてセシウムイオン（Ｃｓ＋  ）を用い、２次イオン質量分析法によって測定される、ナトリウム、リチウム、カリウムなどのアルカリ金属の濃度の平均値をいう。
【００１９】
上記のような、平均アルカリ金属濃度の高い表面部領域を有するシリカガラス（以下、「特定のシリカガラス」ともいう。）は、例えば、以下の方法で得ることができるが、これらに限定されるものではない。
【００２０】
（１）ゾル・ゲル法
この方法においては、例えば、ナトリウムメトキシド（ＮａＯＣＨ３  ）またはナトリウムエトキシド（ＮａＯＣ２  Ｈ５  ）と、ケイ素のメトキシド（Ｓｉ（ＯＣＨ３  ）４  ）またはケイ素のエトキシド（Ｓｉ（ＯＣ２  Ｈ５  ）４  ）とを、例えば、重量比が１：１５００となるよう混合し、これに適量のニトロセルロースおよび酢酸ブチルを混合し、粘度を１０センチポアズ程度に調整しすることによって塗布液を調製し、例えばディッピング法によりこの塗布液を平均アルカリ金属濃度の低いシリカガラスの表面に塗布し、乾燥工程を経て、６００℃において仮焼成を行い、次いで２０００℃において本焼成を行う。これにより、平均アルカリ金属濃度の高い、例えば１０００重量ｐｐｍの表面部領域を有する特定のシリカガラスを得ることができる。
平均アルカリ金属濃度の高い表面部領域の深さは、ディッピング法による塗布から仮焼成までの操作を繰り返すことによって調整することができる。
【００２１】
（２）拡散法
この方法では、適宜の粘度および適宜の濃度を有するアルカリ金属含有溶液を調製し、これを平均アルカリ金属濃度の低いシリカガラス基材の表面に滴下して均一に広げ、その後、５００〜９００℃において加熱して表面から拡散させることにより、平均アルカリ金属濃度の高い表面部領域が形成された特定のシリカガラスを得ることができる。この方法の実施においては、アルカリ金属含有溶液の滴下を行う前に、シリカガラス基材の表面の汚れを取り除き、濡れ性を向上させるために、当該シリカガラス基材の表面に真空紫外光を照射することが望ましい。
【００２２】
以上のようにして、例えば、定格電圧が１００Ｖ、定格電流が２Ａ、定格電力が２００Ｗの超高圧水銀ランプ１０が得られる。
この超高圧水銀ランプ１０の寸法例を挙げると、発光管部１２内の容積が１４０ｍｍ３  、発光管部１２の内表面積が１５０ｍｍ２  であり、また、陰極１３と陽極１４との離間距離が１．３ｍｍである。
【００２３】
以上の構成による超高圧水銀ランプ１０においては、内部空間に０．１５ｍｇ／ｍｍ３  以上の水銀が封入されており、これによって、動作時の内部圧力が１５０気圧以上となり、これにより、当該超高圧水銀ランプ１０から、例えば波長３８０〜７８０ｎｍの可視光の連続スペクトルの光が放射され、また高い所望の輝度の光の放射を得ることができる。
【００２４】
本発明の超高圧水銀ランプ１０においては、放電容器１１を形成するシリカガラスが、表面部領域の平均アルカリ金属濃度が深部領域よりも高く、表面部領域における平均アルカリ金属濃度が例えば５〜５０００重量ｐｐｍであると共に、深部領域における平均アルカリ金属濃度が例えば０．１〜１．０重量ｐｐｍであるものであることにより、超高圧水銀ランプ１０の動作時の高温に対して耐変形性が得られると共に、例えば動作時の内部圧力が１５０気圧以上の高圧であっても、超高圧水銀ランプ１０の動作時に発生する破損・破裂を有効に抑制することができて高い生産性が得られ、しかも、放電容器１１の透光性が維持される。
【００２５】
すなわち、表面部領域における平均アルカリ金属濃度が高く、例えば５重量ｐｐｍ以上であることにより、このシリカガラスにおいては粘度が低くて大きな可変形性を有するので、超高圧水銀ランプ１０の作製工程において放電容器の外表面に傷がつき難く、従って外表面の傷に起因して動作時に発生する破損・破裂を有効に抑制することができて高い生産性が得られ、さらに、表面部領域の平均アルカリ金属濃度が５０００重量ｐｐｍ以下であることにより、平均アルカリ金属濃度が過度に高いことに起因して発生する外表面の近傍におけるシリカガラスの失透が発生せずに放電容器１１の透光性が維持される。
また、表面部領域が特定の小さい厚みを有するために、放電容器１１の内表面の近傍に平均アルカリ金属濃度の高いシリカガラスが存在しないので、動作時の高温に起因して発生する内表面の近傍におけるシリカガラスの失透が発生せずに放電容器１１の高い透光性が長期間にわたって維持される。
【００２６】
そして、主体部分である深部領域の平均アルカリ金属濃度が低く、例えば１．０重量ｐｐｍ以下であることにより、粘度が高くて硬いことにより高温環境下においても変形性が小さいので、本発明の放電容器においては全体として動作時の高温に対して耐変形性が得られると共に、当該超高圧水銀ランプ１０の動作時の高温に起因して発生する内表面の近傍におけるシリカガラスの失透が発生せず、従って放電容器１１の高い透光性が長期間にわたって維持される。平均アルカリ金属濃度が例えば０．１重量ｐｐｍ以下であるシリカガラスを用いることは工業的に有利な方法ではない。
【００２７】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の態様に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
【００２８】
【実施例】
以下、本発明の超高圧水銀ランプの具体的な実施例について説明する。
【００２９】
＜作製例１＞
ナトリウムメトキシド（ＮａＯＣＨ３  ）とケイ素のメトキシド（Ｓｉ（ＯＣＨ３  ）４  ）とを、重量比が１：１５００となるように混合し、これに適量のニトロセルロースと酢酸ブチルを混合することによって粘度を１０センチポアズに調整して、平均アルカリ金属濃度が１０００重量ｐｐｍの高濃度領域形成用塗布液を調製した。この塗布液を、平均アルカリ金属濃度が０．２重量ｐｐｍであり、厚さが３．２ｍｍであるシリカガラス基材の表面に、ディッピング法により塗布し、乾燥工程を経て、６００℃において仮焼成を行う操作を繰り返し、次いで、２０００℃において本焼成を行い、平均アルカリ金属濃度が１０００重量ｐｐｍであり、深さが１μｍである高濃度領域を有するシリカガラスＡを作製した。
【００３０】
＜比較作製例１＞
高濃度領域形成用塗布液の塗布を行わずに、作製例１で用いたシリカガラス基材をそのまま用いた（以下、これを「シリカガラスＢ」という。）。
【００３１】
＜比較作製例２、３＞
高濃度領域の深さが２μｍおよび１０μｍであることの他は作製例１と同様にして、シリカガラスＣおよびシリカガラスＤを作製した。
【００３２】
＜実施例１＞
シリカガラスＡを用いて、図１に示す構成を有する超高圧水銀ランプを作製した。このランプはその内部空間に、封入物として２０ｍｇの水銀と、アルゴンガス（封入時圧力１３．３ｋＰａ）とが充填されており、内容積が１１６ｍｍ３  、内表面積が１２０ｍｍ２  、定格電力が２００Ｗ、動作時における内部圧力が１５０気圧のものである。
この超高圧水銀ランプの２０個をサンプルとして用いて、下記の良品率評価および失透テストを行った。結果を表１に示す。
【００３３】
（良品率評価）
作製した超高圧水銀ランプを、最初に点灯させてその後消灯させる点灯テストにおいて、放電容器の破損および破裂の有無を目視にて確認した。この操作を２０サンプルについて行い、良品率を算出した。この良品率が７０％以上であれば、従来の高平均アルカリ金属濃度のシリカガラスによるものと同等の良品率が確保され、生産性が高いと判断される。
【００３４】
（失透テスト）
上記の良品率評価において破損および破裂のない良品である超高圧水銀ランプを、定格条件で連続点灯させて４０００時間後に消灯し、発光管の外表面および内表面の近傍における失透の発生の有無を目視にて観察した。
【００３５】
＜比較例１〜３＞
シリカガラスＢ〜シリカガラスＤの各々を用いたことの他は、実施例１と同様にして失透テストおよび良品率評価をそれぞれ行った。結果を表１に示す。
【００３６】
【表１】
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【００３７】
表１から理解されるように、平均アルカリ金属濃度が０．２重量ｐｐｍのシリカガラスの表面に、深さが１μｍであり、平均アルカリ金属濃度が１０００重量ｐｐｍの高濃度領域を有するシリカガラスよりなる超高圧水銀ランプにおいては、点灯テストにおける良品率が９０％であって生産性が高く、しかも、４０００時間点灯後の放電容器の内表面の近傍において失透が観察されなかった（実施例１）。
しかし、高濃度領域を有さないシリカガラスを用いた場合は、良品率が５０％であって生産性が低く（比較例１）、高濃度領域の深さが２μｍまたは１０μｍのシリカガラスを用いた場合は、内表面の近傍において失透が観察された（比較例２、３）。また、いずれの実施例および比較例においても、外表面の近傍におけるシリカガラスの失透は観察されなかった。
以上のことより、高濃度領域の深さが１μｍである場合は生産性が高く、しかも放電容器の内表面および外表面の近傍において失透が発生しないが、当該高濃度領域を有さない場合は生産性が低く、当該高濃度領域の深さが過度に深い場合は、失透が発生することが明らかとなった。
【００３８】
＜作製例２〜７＞
高濃度領域の平均アルカリ金属濃度を変えて、５重量ｐｐｍ、１０重量ｐｐｍ、１００重量ｐｐｍ、５００重量ｐｐｍ、１０００重量ｐｐｍおよび５０００重量ｐｐｍとしたことの他は作製例１と同様にして、合計６種の、シリカガラスＥ、シリカガラスＦ、シリカガラスＧ、シリカガラスＨ、シリカガラスＩおよびシリカガラスＪを作製した。
【００３９】
＜比較作製例４〜６＞
高濃度領域の平均アルカリ金属濃度を変えて、１重量ｐｐｍ、２重量ｐｐｍおよび１００００重量ｐｐｍとしたことの他は作製例１と同様にして、合計３種の、シリカガラスＫ、シリカガラスＬおよびシリカガラスＭを作製した。
【００４０】
＜比較作製例７＞
平均アルカリ金属濃度が６重量ｐｐｍであるシリカガラス基材を用いたこと、および高濃度領域の平均アルカリ金属濃度を６重量ｐｐｍとしたことの他は作製例１と同様にしてシリカガラスＮを作製した。
【００４１】
＜実施例２〜７、比較例４〜７＞
シリカガラスＥ〜シリカガラスＮの各々を用いたことの他は、実施例１と同様にして失透テストおよび良品率評価をそれぞれ行った。結果を表２に示す。
【００４２】
【表２】
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【００４３】
表２から理解されるように、高濃度領域の平均アルカリ金属濃度が５〜５０００重量ｐｐｍの範囲のシリカガラスを用いた場合は、点灯テストにおける良品率がいずれも７０％以上であって生産性が高く、しかも、４０００時間点灯後の放電容器の内表面および外表面の近傍において失透が観察されなかった（実施例２〜７）。
しかし、高濃度領域の平均アルカリ金属濃度が１重量ｐｐｍおよび２重量ｐｐｍであるシリカガラスを用いた場合は、良品率がそれぞれ５５％および５０％であって生産性が低く（比較例４、５）、また、１００００重量ｐｐｍであるシリカガラスを用いた場合は、外表面の近傍において失透が観察され（比較例６）、さらに、深部領域の平均アルカリ金属濃度が６重量ｐｐｍであるシリカガラスを用いた場合は、内表面の近傍において失透が観察された（比較例７）。
【００４４】
以上のことより、高濃度領域の平均アルカリ金属濃度が深部領域よりも高く、しかも高濃度領域および深部領域がそれぞれ所定の範囲の平均アルカリ金属濃度を有する場合は、生産性が高く、しかも内表面および外表面の近傍において失透が発生しないが、高濃度領域の平均アルカリ金属濃度が所定の範囲よりも低いものである場合は生産性が低く、所定の範囲よりも高いものである場合は外表面の近傍において失透が発生し、また、深部領域の平均アルカリ金属濃度が所定の範囲よりも高いものである場合は内表面の近傍において失透が発生することが明らかである。
【００４５】
【発明の効果】
本発明の超高圧水銀ランプにおいては、放電容器を構成するシリカガラスの主体部分である深部領域では平均アルカリ金属濃度が低く、粘度が高くて硬いことにより高温環境下においても変形性が小さいので、このシリカガラスは、全体として動作時の高温に対して耐変形性が得られ、しかも特定の小さい厚みの表面部領域においては平均アルカリ金属濃度が深部領域より高く、粘度が低くて軟らかいことにより大きな可変形性を有するので、超高圧水銀ランプの作製工程において放電容器の外表面に傷がつき難く、従って、例えば動作時の内部圧力が１５０気圧以上の高圧であっても、外表面の傷に起因して動作時に発生する破損・破裂を有効に抑制することができて高い生産性が得られる。また、放電容器の内表面の近傍に平均アルカリ金属濃度の高いシリカガラスが存在しないため、動作時の高温によるシリカガラスの失透を発生させることがなく、長期間にわたって放電容器の高い透光性が維持される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超高圧水銀ランプの構成の一例を管軸に沿った断面で示す説明用断面図である。
【図２】シリカガラスにおける平均アルカリ金属濃度を変化させた場合における、温度と粘度との関係を示したグラフである。
【符号の説明】
１０    超高圧水銀ランプ
１１    放電容器
１２    発光管部
１３    陰極
１４    陽極
１５    封止部
１６    金属箔
１７    電極棒
１８    外部リード棒
【図１】
2004355874.tif 000005
【図２】
2004355874.tif 000006