(57)【要約】【課題】　灯管１内に一対の電極２Ａ，２Ｂが対向して挿入され、かつ前記灯管内に少なくとも水銀とハロゲンガスとが封入された高圧放電灯において、長時間点灯しても黒化や輝度低下が少なく、しかもガス漏洩や灯管破裂が防止された長寿命の高圧放電灯を得る。【解決手段】　前記灯管内の酸素分圧を１．０×１０−５Ｐａ以上１．０×１０−２Ｐａ以下とし、前記ハロゲンガスの濃度を９．９×１０−７μｍｏｌ／ｍｍ３以上とする。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
　気密に封止された石英ガラス製の灯管内に一対の電極が対向して挿入され、かつ前記灯管内に少なくとも水銀と、所定濃度のハロゲンガスとが封入された高圧放電灯において、前記灯管内の酸素分圧が１．０×１０−５Ｐａ以上１．０×１０−２Ｐａ以下であって、前記ハロゲンガスの濃度が９．９×１０−７μｍｏｌ／ｍｍ３以上とされたことを特徴とする高圧放電灯。（ただし、「酸素分圧」とは、酸素分子（Ｏ２）だけでなく、炭酸ガス（ＣＯ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、水（Ｈ２Ｏ）等、酸素原子を含む分子（以下「酸素等」という。）を含めた酸素原子量を、酸素分子として換算した分圧のことをいう。以下、本明細書において同じ。）
【請求項２】
　気密に封止された石英ガラス製の灯管内に一対の電極が対向して挿入され、かつ前記灯管内に少なくとも水銀と、所定濃度のハロゲンガスとが封入された高圧放電灯において、
　前記灯管内の酸素分圧が１．０×１０−５Ｐａ以上５．０×１０−１Ｐａ以下であって、前記ハロゲンガスの濃度が２．０×１０−４μｍｏｌ／ｍｍ３以上とされたことを特徴とする高圧放電灯。
【請求項３】
　気密に封止された石英ガラス製の灯管内に一対の電極が対向して挿入され、かつ前記灯管内に少なくとも水銀と、所定濃度のハロゲンガスとが封入された高圧放電灯において、
　前記灯管内の酸素分圧が１．０×１０−５Ｐａ以上５．０×１００Ｐａ以下であって、前記ハロゲンガスの濃度が２．０×１０−３μｍｏｌ／ｍｍ３以上とされたことを特徴とする高圧放電灯。
【請求項４】
　気密に封止された石英ガラス製の灯管内に一対の電極が対向して挿入され、かつ前記灯管内に少なくとも水銀と、所定濃度のハロゲンガスとが封入された高圧放電灯において、
　前記灯管内の酸素分圧が１．０×１０−５Ｐａ以上５．０×１０Ｐａ以下であって、前記ハロゲンガスの濃度が１．０×１０−２μｍｏｌ／ｍｍ３以上とされたことを特徴とする高圧放電灯。
【請求項５】
　気密に封止された石英ガラス製の灯管内に一対の電極が対向して挿入され、かつ前記灯管内に少なくとも水銀と、所定濃度のハロゲンガスとが封入された高圧放電灯を製造するに際して、
　前記灯管を気密に封止するに先立って、前記灯管内の酸素分圧が１．０×１０−２Ｐａ以下であって、１．０×１０−５Ｐａ以上となるように灯管内を排気する排気工程と、
　前記排気工程の後に前記灯管内にハロゲンガスを、前記灯管内のハロゲンガス濃度が９．９×１０−７μｍｏｌ／ｍｍ３以上となるように導入する導入工程とを含むことを特徴とする高圧放電灯の製造方法。
【請求項６】
　気密に封止された石英ガラス製の灯管内に一対の電極が対向して挿入され、かつ前記灯管内に少なくとも水銀と、所定濃度のハロゲンガスとが封入された高圧放電灯を製造するに際して、
　前記灯管を気密に封止するに先立って、前記灯管内の酸素分圧が５．０×１０−１Ｐａ以下であって、１．０×１０−５Ｐａ以上となるように灯管内を排気する排気工程と、
　前記排気工程の後に前記灯管内にハロゲンガスを、前記灯管内のハロゲンガス濃度が２．０×１０−４μｍｏｌ／ｍｍ３以上となるように導入する導入工程とを含むことを特徴とする高圧放電灯の製造方法。
【請求項７】
　気密に封止された石英ガラス製の灯管内に一対の電極が対向して挿入され、かつ前記灯管内に少なくとも水銀と、所定濃度のハロゲンガスとが封入された高圧放電灯を製造するに際して、
　前記灯管を気密に封止するに先立って、前記灯管内の酸素分圧が５．０×１００Ｐａ以下であって、１．０×１０−５Ｐａ以上となるように灯管内を排気する排気工程と、
　前記排気工程の後に前記灯管内にハロゲンガスを、前記灯管内のハロゲンガス濃度が２．０×１０−３μｍｏｌ／ｍｍ３以上となるように導入する導入工程とを含むことを特徴とする高圧放電灯の製造方法。
【請求項８】
　気密に封止された石英ガラス製の灯管内に一対の電極が対向して挿入され、かつ前記灯管内に少なくとも水銀と、所定濃度のハロゲンガスとが封入された高圧放電灯を製造するに際して、
　前記灯管を気密に封止するに先立って、前記灯管内の酸素分圧が５．０×１０Ｐａ以下であって、１．０×１０−５Ｐａ以上となるように灯管内を排気する排気工程と、
　前記排気工程の後に前記灯管内にハロゲンガスを、前記灯管内のハロゲンガス濃度が１．０×１０−２μｍｏｌ／ｍｍ３以上となるように導入する導入工程とを含むことを特徴とする高圧放電灯の製造方法。
【請求項９】
　電極を挿入するための一対の挿入口が対向位置に形成された灯管の一方の挿入口に一方の前記電極を挿入して気密に封止する第一電極組込み工程と、
　第一電極組込み工程の後に、開口している他方の挿入口から前記灯管内の酸素を排気する前記排気工程と、
　前記排気工程の後に、開口している他方の前記挿入口から前記灯管内に、前記ハロゲンガスを導入する前記導入工程と、
　前記導入工程の後に、開口している前記挿入口を他方の前記電極より気密に封止する第二電極組込み工程とを含むことを特徴とする請求項５から８のいずれか１項記載の高圧放電灯の製造方法。
【請求項１０】
　前記導入工程において、開口している他方の前記挿入口から前記灯管内に、前記ハロゲンガスに加えて、前記水銀を導入することを特徴とする請求項９記載の高圧放電灯の製造方法。
【請求項１１】
　前記導入工程において、開口している他方の前記挿入口から前記灯管内に、前記ハロゲンガス及び前記水銀に加えて、不活性ガスを導入することを特徴とする請求項１０記載の高圧放電灯の製造方法。
【請求項１２】
　前記第一電極組込み工程及び第二電極組込み工程において、前記電極と灯管の間にモリブデン箔を介在させて気密に封止することを特徴とする請求項５から１１のいずれか１項記載の高圧放電灯の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は高圧放電灯に係り、特に内部ガスの漏洩や灯管の破裂が防止されかつ長時間点灯しても黒化や輝度低下が少ない長寿命の高圧放電灯に関する。
【背景技術】
【０００２】
　高圧放電灯は一般に、例えば図４に示すように、中央部が球状に成形された石英ガラス製の灯管１０１内に一対のタングステン製電極１０２，１０２が対向して挿入されている。これらの電極１０２，１０２はそれぞれ、灯管１０１の両端部の挿入口１０４，１０４から挿入されていて、それぞれの挿入口１０４は、熱的緩衝材であるスリーブ状のモリブデン箔１０５を介して前記電極１０２によって気密に封止されている。この灯管１０１の内部には、水銀、臭化メチレン等のハロゲンガス、およびアルゴン等の不活性ガスが封入されている。
【０００３】
　この高圧放電灯１１０は、灯管内に例えば０．１５mg／mm３以上の水銀が封入されていて、点灯の際、電極１０２，１０２にトリガー電圧を印加すると、前記不活性ガスの雰囲気下に両電極間にグロー放電が誘発され、封入された水銀が気化し、高圧の水銀ガスによるプラズマ放電によって高い輝度で演色性の良好な光を放射するようになる。高圧放電灯は前記のように高輝度、高演色性の光が得られることから近年、例えば投影型液晶ディスプレイ等の光源として注目され、多用されるようになってきている。
【０００４】
　前記高圧放電灯については当初、長時間点灯すると灯管の内壁が黒化し、輝度が低下するという問題が指摘された。これは図４に示すように、高温下の放電によって電極１０２，１０２から気化したタングステンＷが、管壁に蒸着することに起因する。そこでこの黒化を防止するために灯管内にハロゲンガスが封入されるようになった。ハロゲンガスは高温下にハロゲンイオンを生成し、管壁に蒸着したタングステンと結合して気化し、比較的低温の電極基部に沈着させる、いわゆるハロゲンサイクルを繰り返すことによって黒化を防止することができる。
【０００５】
　前記ハロゲンガスとしては通常、臭化メチレン等のハロゲン化合物が用いられ、このハロゲン化合物は点灯すると灯管内で分解してハロゲンイオンを生成する。ハロゲンガスは、黒化防止に有効な量として通常、灯管内のハロゲン分圧が１×１０−６μｍｏｌ／ｍｍ３以上となるように封入されている。
　また灯管内には、点灯開始時のグロー放電を誘発するためにアルゴン等の不活性ガスが６×１０３Ｐａ〜６×１０４Ｐａ程度封入されている。
【０００６】
　前記のように高圧放電灯には黒化による輝度の低下を防止するためにハロゲンガスが封入されているが、一方このハロゲンガスは、過剰に存在すると灯管の封止部において電極１０２やモリブデン箔１０５を侵食し劣化させる性質がある。この侵食が進むと、灯管内は封入された水銀の蒸気圧によって１００気圧を超える高圧となっているので、封止部からガスが漏洩したり破裂させるような損傷をもたらす。このため、黒化とガス漏洩や灯管破裂を共に防止するために高圧放電灯の構造や灯管内の各種成分の封入量の調整を含めて、総合的な改良研究が進められた。
【０００７】
　例えば特開平１１−１４９８９９号公報（特許文献１）においては、水銀の封入量を０．１２〜０．３５mg／mm３ とし、ハロゲンガスの封入量を１０−７〜１０−２μmol／mm３ とし、かつ電極に含まれる酸化カリウムの含有量を１２ppm以下としている。
　特許第２８２９３３９号公報（特許文献２）においては、水銀の封入量を０．２〜０．３５mg／mm３ とし、ハロゲンガスの封入量を１０−６〜１０−４μmol／mm３ としている。
　特許第２９８０８８２号公報（特許文献３）においては、水銀の封入量を０．１６mg／mm３ 以上とし、ハロゲンガスの封入量を２×１０−４〜７×１０−３μmol／mm３ とし、かつ好ましくは管壁負荷が０．８Ｗ／mm２以上、不活性ガスの封入量は５×１０３ Ｐａ以上としている。
　特開平１１−２９７２７４号公報（特許文献４）においては、水銀の封入量を点灯時に１００〜２００気圧の蒸気圧となる量とし、ハロゲンガスの封入量を１．１×１０−５〜１．２×１０−７モル／ccとしている。
【特許文献１】特開平１１−１４９８９９号公報
【特許文献２】特許第２８２９３３９号公報
【特許文献３】特許第２９８０８８２号公報
【特許文献４】特開平１１−２９７２７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
　しかし前記の各種従来技術のように灯管内に封入する成分の量をいかに調整しても、なお、黒化による輝度低下とガス漏洩、灯管破裂の問題とを共に解決するには至らなかった。
　本発明は前記の課題を解決するためになされたものであって、従ってその目的は、長時間点灯しても黒化や輝度低下が少なく、しかもガス漏洩や灯管破裂が防止された長寿命の高圧放電灯を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
　前記の課題を解決すべく鋭意研究の結果、本発明者は、従来の高圧放電灯において、各種成分を導入するに先立って灯管内の空気は真空ポンプにより排気されているものの、灯管内になお残留する酸素ガスや炭酸ガスなどの酸素成分が点灯時に前記ハロゲンサイクルを阻害していることを見出した。
　また、酸素成分の量が同じであっても、ハロゲンガス濃度が異なると、ハロゲンサイクルを阻害する程度が異なることを見出した。そして、さらに検討を進めた結果、所定濃度のハロゲンガス封入下において、酸素分圧をある値にすると１００％の輝度を維持することが可能であり、それ以上に酸素成分を低下させても、最早輝度を向上させる効果はないことを見出した。つまり、ハロゲンガス濃度に応じて、酸素分圧の好ましい範囲が存在することを見出した。
【００１０】
　本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、気密に封止された石英ガラス製の灯管内に一対の電極が対向して挿入され、かつ前記灯管内に少なくとも水銀と、所定濃度のハロゲンガスとが封入された高圧放電灯において、前記灯管内の酸素分圧が１．０×１０−５Ｐａ以上であって、前記ハロゲンガスの濃度が９．９×１０−７μｍｏｌ／ｍｍ３以上とされたことを特徴とする高圧放電灯及びその製造方法を提供する。
【００１１】
　本発明において「酸素分圧」とは、酸素分子（Ｏ２）だけでなく、炭酸ガス（ＣＯ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、水（Ｈ２Ｏ）等、酸素原子を含む分子（以下「酸素等」という。）も含めた酸素原子量を、酸素分子として換算した分圧のことである。
　また、１００時間動作後の輝度維持率を基に酸素分圧を規定するのは、ハロゲンサイクルが充分に機能しないことに基づく黒化の影響を評価するのに適しているからである。すなわち、この種の高圧放電灯は、通常の設計条件、使用条件において、動作後２００時間〜５００時間が経過すると、灯管を構成する石英の失透に基づく輝度低下が発生する。したがって、ハロゲンサイクルが充分に機能しないことに基づく黒化の影響を評価するには、石英の失透に基づく輝度低下が発生しない１００時間動作後とすることが適当なものである。
【００１２】
　一方、本発明において、酸素分圧の下限値は１．０×１０−５Ｐａである。これは、工業上、通常に用いられる排気設備で排気をできる限界だからである。
　本発明によれば、酸素分圧を、輝度維持に必要な範囲内で低下させれば良いので、真空排気の設備を過度に大がかりにする必要がない。
【００１３】
　また、本発明において「ハロゲンガス濃度」とは、分解時に生成するハロゲンイオンで換算した、ハロゲン化合物のモル濃度のことである。
【発明の効果】
【００１４】
　本発明によれば、１００時間動作後に８０％、９０％の輝度を維持可能とするような酸素分圧の範囲とするので、長時間点灯しても黒化や輝度低下が少なく、しかもガス漏洩や灯管破裂が防止された長寿命の高圧放電灯が得られる。しかも、その分圧の範囲をハロゲンガス濃度に応じて決定するので、酸素分圧を過度に低下させる必要がない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
　次に本発明の実施の形態を図面を用いて具体的に説明する。以下の実施形態は本発明の好ましい具体例ではあるが、本発明を何ら制限するものではない。
　図１に本発明の一実施形態である高圧放電灯を示す。この高圧放電灯１０は、中央部が球状に成形された石英ガラス製の灯管１内に一対のタングステン製電極２Ａ，２Ｂが対向して挿入されている。図１に例示した高圧放電灯１０は直流高圧放電灯であって双方の電極２Ａ，２Ｂが異なる形状であるが、交流高圧放電灯の場合は同一形状であり、この実施形態ではいずれであっても差し支えない。
　これらの電極２Ａ，２Ｂはそれぞれ、灯管１の両端部の挿入口４Ａ，４Ｂから挿入されていて、それぞれの挿入口は、熱的緩衝材であるスリーブ状のモリブデン箔５を介して前記電極２Ａまたは２Ｂによって気密に封止されている。
【００１６】
　気密に封止されたこの灯管１の内部は、酸素等が、酸素分圧が約５×１０−４Ｐａとなるまで排気されている。また、酸素等排気後に、水銀、ハロゲンガスとして臭化メチレン、および不活性ガスとしてアルゴンガスが封入されている。
　この実施形態において水銀は、０．１５〜０．２５mg／mm３封入されている。臭化メチレンは、ハロゲンガスとして９．９×１０−７μmol/mm３ 封入されている。アルゴンガスは１５０kＰａ封入されている。
【００１７】
　この高圧放電灯１０は、電極２Ａ，２Ｂ間にトリガー電圧を印加すると、前記不活性ガス（アルゴンガス）の雰囲気下に両電極間にグロー放電が誘発され、封入された水銀が気化し、高圧の水銀ガスによるプラズマ放電によって高い輝度で演色性の良好な光を放射する。
　この時、放電によって高温となった電極２Ａ，２Ｂからタングステンが気化して管壁に蒸着する。しかし、高温下で臭化メチレンから臭化物イオンが生成され、これが管壁に蒸着したタングステンと結合して気化し、比較的低温の電極基部に沈着させる。このように、いわゆるハロゲンサイクルが繰り返されることによって黒化が防止される。そのため、長時間点灯を続けても黒化せず、初期の輝度を維持し続けることができる。
　灯管１の内部は、酸素等が、酸素分圧が約５×１０−４Ｐａとなるまで排気されているので、かかるハロゲンサイクルを阻害しない。また、この酸素分圧を必要以上に低くしていないので、大がかりな排気設備を要しない。
　さらに、ハロゲンガス濃度を低くしてあるので、灯管１の封止部における電極２Ａ，２Ｂやモリブデン箔５の侵食を回避して、封止部からのガス漏洩や破裂を防止することができる。
【００１８】
　この高圧放電灯１０は、図２に示す工程に従って製造した。
（１）灯管成形工程：石英ガラス管を用いて灯管１を成形した。
（２）電極組立て工程：タングステン製電極２Ａ，２Ｂにそれぞれモリブデン箔５のスリーブを装着し、電極アセンブリ６Ａ，６Ｂを作製した。
（３）予備アニーリング工程：灯管１および電極アセンブリ６Ａ，６Ｂを、真空中１１００℃に２時間加熱し、予備アニーリングを行った。
（４）電極Ａ組込み工程：電極アセンブリ６Ａを灯管１の一方の挿入口４Ａに挿入し、１７００℃に数分間加熱しながら封止した。
（５）排気工程：灯管１の他方の挿入口４Ｂから、灯管内の酸素分圧が５．０×１０−４Ｐａとなるまで排気した。
（６）水銀導入工程：挿入口４Ｂから０．１５〜０．２５mg／mm３となる量の水銀を導入した。
（７）ハロゲンガス導入工程：挿入口４Ｂから９．９×１０−７μmol/mm３となる量の臭化メチレン（ＣＨ２Ｂｒ２）を導入した。
（８）不活性ガス導入工程：挿入口４Ｂから１５０kＰａとなる量のアルゴンガスを導入した。
（９）電極Ｂ組込み工程：電極アセンブリ６Ｂを灯管１の挿入口４Ｂに挿入し、１７００℃に数分間加熱しながら封止し、高圧放電灯１０を完成した。
【００１９】
　前記製造方法において、（６）水銀導入工程、（７）ハロゲンガス導入工程および（８）不活性ガス導入工程は相互に順序を入れ替えても差し支えなく、また例えばハロゲンガスと不活性ガスとは予め混合して、または同時に灯管１内に導入し、１工程を省略することもできる。
【００２０】
　次に、上記実施形態に係る高圧放電灯１０が、必要充分な酸素分圧とされていることを実験結果に基づき説明する。
　水銀封入量０．２０mg／mm３、アルゴンガス封入量１５０kＰａの条件下で、臭化メチレン濃度と、酸素分圧とを様々に変更し、１００時間動作後の輝度維持率を測定した。結果を図３に示す。図３において、「ハロゲン」して記載されている濃度は、ハロゲンガス濃度（臭化メチレンのハロゲンガス換算濃度）である。
【００２１】
　図３に示すように、酸素分圧が同じであっても、ハロゲンガス濃度が異なると、輝度維持率が異なる。これにより、同じ酸素分圧であっても、ハロゲンガス濃度が異なるとハロゲンサイクルを阻害する程度が異なることがわかった。
　また、図３に示すように、いずれのハロゲンガス濃度においても、酸素分圧を低下させるにつれ輝度維持率が上昇する。しかし、各々一定の酸素分圧に至ると、輝度維持率が１００％に達して、その後は輝度維持率が１００％のまま変化しない。これにより、ハロゲンガス濃度に応じて、それ以上酸素分圧を低下させても無駄となる酸素分圧の閾値が存在することがわかった。
　以上のことから、高圧放電灯の酸素分圧には、ハロゲンガス濃度に応じた好ましい範囲が存在し、必要以上に酸素分圧を低下させるべきではないことがわかった。
【００２２】
　たとえば、実施形態に係る高圧放電灯１０では、ハロゲンガス濃度が９．９×１０−７μmol/mm３ であるが、この場合、輝度維持率が８０％、９０％を越えるのは酸素分圧が１×１０−２〜５×１０−３Ｐａの間であり、酸素分圧２×１０−３Ｐａでは、輝度維持率が１００％に達する。したがって、実施形態における高圧放電灯１０の酸素分圧は、ハロゲンサイクルを阻害しない程度に充分に小さく、しかし、過度には小さくない値とされている。
　したがって、上記実施形態の高圧放電灯は、大がかりな排気設備を要することなく、長寿命化を達成できるものである。
【００２３】
　なお、ハロゲンガス濃度が高い場合、黒化防止の観点のみ考慮すれば、酸素分圧をかなり大きいものとすることが可能である。しかし、過剰の酸素は、それ自体が部品を酸化し、動作に支障を来すので望ましくない。たとえば、酸素分圧が１Ｐａ（１．０×１００Ｐａ）の場合、ランプ製作時に部品を酸化してしまい、製作直後から正常に動作させることができない。
【００２４】
　次に、ガス漏洩や灯管破裂に関するハロゲンガスの影響を調べた結果を説明する。実験として、水銀封入量０．２０mg／mm３、アルゴンガス封入量１５０kＰａ、酸素分圧５×１０−４Ｐａの条件下で、臭化メチレン濃度を変更し、２０００時間動作後、及び５０００時間動作後のリーク（ガス漏洩又は灯管破裂）発生率を調べた。結果を表１に示す。表１における「ハロゲンガス濃度」は、臭化メチレンのハロゲンガス換算濃度である。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
　近年、投影型液晶ディスプレイの用途として、ホームシアター用のプロジェクションテレビや、商店のディスプレー等が注目されている。これらは、従来からの用途であるプレゼンテーション用よりも遙かに点灯時間が長く、少なくとも５０００時間程度の寿命が必要である。
　表１に示すように、ハロゲンガス濃度が１×１０−６μmol/mm３より大きい場合は、５０００時間の動作でリークが生じてしまうことが明らかとなった。従って、５０００時間の動作を可能とするためには、ハロゲンガス濃度を１×１０−６μmol/mm３以下とすべきことが明らかとなった。　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の高圧放電灯の一実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明の高圧放電灯の製造方法を示す工程図である。
【図３】本発明の効果を説明するための輝度維持率のグラフである。
【図４】従来の高圧放電灯の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１…灯管、　２Ａ，２Ｂ…電極、　４Ａ，４Ｂ…挿入口、　５…モリブデン箔、６Ａ，６Ｂ…電極アセンブリ、　１０…高圧放電灯
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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