(57)【要約】      （修正有）【課題】ディヒューズモード、スポットモードの何れの点灯状態においても、フリッカー現象および陰極先端部の形状変形という問題を共に解決できる超高圧水銀ランプを提供する。【解決手段】陽極と陰極とが対向配置され、０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀が封入された発光部と、一対の封止部とよりなる発光管と、この封止部の各々に埋設された金属箔と、この金属箔に接続されると共に封止部の外方に突出する外部リードとを備え、前記陰極は、前記金属箔の先端側に接続される陰極軸部と、この陰極軸部に連続して形成され、先端側に向けて次第に細くなる陰極尖頭部とを備える超高圧水銀ランプにおいて、前記陰極は、前記陰極尖頭部の、先端部の外径をＤ１、頭部の基端部の外径をＤ２、テーパー角度をθとし、投入される電流値をＩとしたとき、下記の数式１に示す関係を満たすこと。（数式１）  ０．３３２≦Ｉ２／（Ｄ１×Ｄ２×θ）≦２．９０４【選択図】図２
2009004203.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に陽極と陰極とが対向して配置されると共に０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀が封入された発光部と、この発光部の両端にそれぞれ連続して管軸に沿って伸びるよう形成された一対の封止部とよりなる発光管と、この一対の封止部の各々にそれぞれ埋設されて管軸に沿って伸びる一対の金属箔と、この一対の金属箔の各々にそれぞれ先端側が接続されると共に基端側が封止部の外端面より封止部の外方に突出するよう管軸に沿って伸びる一対の外部リードとを備え、
前記陰極は、管軸に沿って伸びて基端側が前記封止部に埋設されるとともに前記金属箔の先端側に接続される陰極軸部と、この陰極軸部の先端側に連続して形成された、先端側に向けて次第に細くなる陰極尖頭部とを備える超高圧水銀ランプにおいて、
前記陰極は、前記陰極尖頭部の先端部の外径をＤ１とし、前記陰極尖頭部の基端部の外径をＤ２とし、前記陰極尖頭部のテーパー角度をθとし、投入される電流値をＩとしたとき、下記の数式１に示す関係を満たすことを特徴とする超高圧水銀ランプ。
（数式１）  ０．３３２≦Ｉ２／（Ｄ１×Ｄ２×θ）≦２．９０４
【請求項２】
前記陰極は、前記陰極軸部および前記陰極尖頭部が純度９９．９％以上のタングステンにより構成されてい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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶プロジェクタや、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）を使用したＤＬＰ（デジタルライトプロセッサ）などの投射型プロジェクタ装置の光源として用いられる、直流点灯方式の超高圧水銀ランプに関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶プロジェクタや、ＤＭＤを使用したＤＬＰなどの投射型プロジェクタ装置の光源には、従来のハロゲンランプやメタルハライドランプに替えて、点灯時の水銀蒸気圧が１５０気圧以上という高圧になる超高圧水銀ランプを使用することが主流になりつつある。超高圧水銀ランプは、略球状の発光部の両端にロッド状の一対の封止部が連続的に形成された発光管を有するもので、発光部の内部に形成された密閉空間内に、放電用の陽極と陰極とが３．０ｍｍ以下の距離を隔てて離間して配置されているとともに、０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀が封入されている。
【０００３】
近年の超高圧水銀ランプには、点灯時に電極間に発生するアークの全長を２ｍｍ以下にすることが要求されていることから、発光部内に封入される水銀の量が増加しつつあり、具体的には０．２ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀が発光部内に封入されている。多量の水銀が封入された超高圧水銀ランプにおいては、点灯時に発光部内が高圧状態になることで電極間のアークが収縮してアーク幅が細くなるために、陰極の先端部を細くして先端部が一定の面積を有するよう加工して、陰極の先端面（アーク発生面）の全体からアークが発生することによってアークが陰極の先端面上を移動しないようにしている。このように、アーク発生面の全体からアークが発生する点灯状態をディヒューズモードという。
【０００４】
また、投射型プロジェクタ装置に対しては、消費電力を低減するという目的で定格点灯電力よりも低い投入電力で超高圧水銀ランプを点灯させる、所謂省エネ点灯をしたいという要望が強まりつつある。ところが、定格電力よりも低い電力で超高圧水銀ランプを点灯させると、アーク発生面の全体からアークを発生させることができず、アーク発生面の一部のみからアークが発生する状態となって、アーク発生面上をアークが繰り返し移動することになる結果、スクリーン上に投影される映像にチラツキを生じる、所謂フリッカー現象が生じる。このように、アーク発生面の一部のみからアークが発生する状態をスポットモードという。
【０００５】
省エネ点灯時にフリッカー現象の発生を抑制するには、前記したディヒューズモードの点灯状態を実現するべく、陰極のアーク発生面の全体からアークを発生させるために、陰極先端部をさらに細くすることが考えられる。しかしながら、陰極先端部を極端に細くすると、フリッカー現象の発生を抑制することができたとしても、陰極先端部の熱容量が小さくなって陰極先端部が溶融・蒸発して形状が変形し易くなるので、初期に設定された電極間の放電距離が広がることにより、リフレクターとの組み合わせで利用することのできる光量が極端に減少して短寿命になるという別の不具合が生じる。
【０００６】
以上のように、ディヒューズモードによれば、フリッカー現象が発生し難い反面で陰極先端部の形状が変形し易いという問題があり、スポットモードによれば、アークが発生するのはアーク発生面の一部分のみであるから、陰極先端部の形状が変形しにくいものの、フリッカー現象が発生し易いという問題がある。従って、省エネ点灯方式を採用したプロジェクタ装置においては、フリッカー現象と陰極先端部の形状変形という問題を共に解決することは困難であった。
【特許文献１】特開平２−１４８５６１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、ディヒューズモード、スポットモードの何れの点灯状態においても、フリッカー現象および陰極先端部の形状変形という問題を共に解決することのできる超高圧水銀ランプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の超高圧水銀ランプは、内部に陽極と陰極とが対向して配置されると共に０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀が封入された発光部と、この発光部の両端にそれぞれ連続して管軸に沿って伸びるよう形成された一対の封止部とよりなる発光管と、この一対の封止部の各々にそれぞれ埋設されて管軸に沿って伸びる一対の金属箔と、この一対の金属箔の各々にそれぞれ先端側が接続されると共に基端側が封止部の外端面より封止部の外方に突出するよう管軸に沿って伸びる一対の外部リードとを備え、
前記陰極は、管軸に沿って伸びて基端側が前記封止部に埋設されるとともに前記金属箔の先端側に接続される陰極軸部と、この陰極軸部の先端側に連続して形成された、先端側に向けて次第に細くなる陰極尖頭部とを備える超高圧水銀ランプにおいて、
前記陰極は、前記陰極尖頭部の先端部の外径をＤ１とし、前記陰極尖頭部の基端部の外径をＤ２とし、前記陰極尖頭部のテーパー角度をθとし、投入される電流値をＩとしたとき、下記の数式１に示す関係を満たすことを特徴とする。
（数式１）  ０．３３２≦Ｉ２／（Ｄ１×Ｄ２×θ）≦２．９０４
【０００９】
さらに、本発明の超高圧水銀ランプの陰極は、前記陰極軸部および前記陰極尖頭部が純度９９．９％以上のタングステンにより構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の超高圧水銀ランプによれば、先端側に向けて次第に細くなる陰極尖頭部が形成された陰極を備えており、陰極尖頭部の先端部の外径をＤ１とし、陰極尖頭部の基端部の外径をＤ２とし、陰極尖頭部のテーパー角度をθとし、投入される電流値をＩとしたとき、０．３３２≦Ｉ２／（Ｄ１×Ｄ２×θ）≦２．９０４の関係を満たすことを特徴とする。これにより、陰極尖頭部のアーク発生面が適度な大きさに調整されるので、スポットモードで点灯されていても、実用上は問題にならない程度にフリッカー現象の発生を抑制することができるとともに、ディヒューズモードで点灯されていても、陰極尖頭部が極端に高温状態になることが抑制されて陰極尖頭部の形状が変形することを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、本発明の超高圧水銀ランプの構成の概略を示す管軸方向の断面図である。図２は、図１に示す超高圧水銀ランプの電極の構成を示す拡大図である。
【００１２】
図１に示すように、超高圧水銀ランプ１００は、例えば石英ガラスなどの可視光を透過する材料からなり、管軸方向中央に位置する略球状の発光部１１と、発光部１１の両端に連続してロッド状の一対の封止部１２ａ，１２ｂが管軸方向に伸びる構成の発光管１を備えている。発光部１１の内部には、タングステン等からなる陽極２と陰極３が、０．５〜２．０ｍｍの距離を隔てて対向して配置されている。各封止部１２ａ，１２ｂには、それぞれモリブデン等の導電性材料からなる薄板状の金属箔４ａ，４ｂがシュリンクシールされることにより気密に埋設されている。管軸に沿って伸びる一対の外部リード５ａ，５ｂの各々は、先端側が各金属箔４ａ，４ｂの基端側に例えばスポット溶接などによって接合されると共に、基端側が各封止部１２ａ，１２ｂの外端面から各封止部１２ａ，１２ｂの外方に突出している。
【００１３】
発光部１１の内部には、水銀、希ガス、ハロゲンガスが封入されている。水銀は、例えば３６０〜７８０ｎｍの可視光を得るために、点灯時において発光部１１内の水銀蒸気圧が１５０気圧以上となるよう、例えば０．１５ｍｇ／ｍｍ３封入されている。水銀の封入量は、多いほど放射される光量が増えるので、０．２ｍｇ／ｍｍ３以上であることが好ましい。
【００１４】
希ガスは、点灯始動性を改善するために、アルゴンガスが例えば１３ｋＰａ封入されている。ハロゲンガスは、ハロゲンサイクルを利用することによってランプの寿命を伸ばすと共に、発光部１１の破損および失透を防止するために封入され、封入量は１０−６〜１０−２μｍｏｌ／ｍｍ３の範囲からランプの仕様に応じて適宜調整される。ハロゲンガスの封入量を１０−６以上とすることで陽極２、陰極３を構成するタングステンを輸送するとともに発光部１１の破損や失透を回避することができ、ハロゲンガスの封入量を１０−２以下とすることで発光部１１内におけるハロゲンガスの対流によりアークが揺らぐことを防止することができる。
【００１５】
陽極２は、棒状の陽極軸部２１と、陽極軸部２１の先端側に連続して形成された、先端側に向かうにつれて次第に太くなる円錐台状の根元部２２ａ、根元部２２ａの先端側に連続する円柱状の中間部２２ｂ、および中間部２２ｂに連続して先端側に向かうにつれて次第に細くなる円錐台状の先端部２２ｃからなる陽極本体部２２とを備えている。陽極２は、陽極軸部２１の中心軸が発光管１の中心軸に一致する状態で陽極軸部２１の基端部が金属箔４ｂの先端部に接続されるとともに、陽極軸部２１の先端側の一部と陽極本体部２２の全体とが発光部１１内の密閉空間に臨出するように配置されている。このような陽極２は、タングステンの棒材に対して切削加工を施すことにより、陽極軸部２１と陽極本体部２２とが物理的に一体に形成されている。
【００１６】
陰極３は、棒状の陰極軸部３１と、陰極軸部３１の先端側に連続して形成された、先端側に向かうにつれて次第に太くなる円錐台状の陰極尖頭部３２と、陰極軸部３１と陰極尖頭部３２との境界部分の近傍であって当該境界部よりも陰極軸部３１の基端側寄りに設けられたコイル部３３とを備えている。陰極３、陰極軸部３１が発光管１の中心軸に一致する状態で陰極軸部３１の基端部が金属箔４ａの先端部に接続されるとともに、陰極軸部３１の先端側の一部、陰極尖頭部３２の全体、およびコイル部３３の全体が発光部１１内の密閉空間に臨出するように配置されている。このような陰極３は、タングステンの棒材に対して切削加工を施すことにより、陰極軸部３１と陰極尖頭部３２とが物理的に一体に形成されている。
【００１７】
コイル部３３は、陰極軸部３１に対してタングステンからなる線材をコイル状に巻回すことによって形成されている。コイル部３３を設けることにより、超高圧水銀ランプ１００の始動性が向上するために、陰極３に易電子放射物質を含有させる必要がなく、ランプ点灯時に蒸発した易電子放射物質が発光部１１の内壁に付着することにより、発光部１１から放射される光の出力が低下する虞がない。
【００１８】
発光部１１内に臨出している陽極軸部２１、陽極本体部２２、陰極軸部３１、コイル部３３および陰極尖頭部３２は、何れも９９．９％以上の純度を有するタングステンにより構成されているので、発光部１１内に不純物が飛散することがなく、発光部１１内が不純物によって汚染される虞がない。
【００１９】
上記の超高圧水銀ランプ１００においては、スポットモードとディヒューズモードの何れの状態で超高圧水銀ランプを点灯させても、フリッカー現象の発生と陰極尖頭部３２の形状変形が抑制されるよう、陰極尖頭部３２の先端部の外径、陰極尖頭部３２の基端部の外径と、円錐台形状を有する陰極尖頭部３２のテーパー角度、および投入電流の関係が調整されている。
すなわち、図２に示すように、陰極３の中心軸Ｃを含む断面において、陰極尖頭部３２の先端部３２ａを２本の平行線で挟んだとき、当該平行線の間隔が最大となる外径Ｄ１（ｍｍ）を「陰極尖頭部の先端部の外径」とし、陰極尖頭部３２の基端部３２ｂ、すなわち、陰極尖頭部３２と陰極軸部３１との境界部を２本の平行線で挟んだとき、当該平行線の間隔が最大となる外径Ｄ２（ｍｍ）を「陰極尖頭部の基端部の外径」とし、陰極尖頭部３２のそれぞれの稜線Ｌ１，Ｌ２が交差する角度θ（°）を「陰極尖頭部のテーパー角度」とし、投入される電流値をＩ（アンペア）としたとき、下記の数式１の関係を満たす構成とされている。
（数式１）  ０．３３２≦Ｉ２／（Ｄ１×Ｄ２×θ）≦２．９０４
【００２０】
上記数式１は、陰極尖頭部３２の容積に対する投入電流値の割合を規定しており、陰極尖頭部３２の温度に関するもので、「Ｉ２／（Ｄ１×Ｄ２×θ）」の値を最適に調整することで、前述のフリッカー現象と陰極３の形状変形を抑制することができる。
すなわち、前述したようなフリッカー現象は、アーク発生面、すなわち、陰極尖頭部３２の先端面３２ｃの温度が均一でなく局所的に温度が高い箇所と低い箇所が形成されることが原因となって生じるものであるから、陰極尖頭部３２の外端面３２ｃをムラなく均一に高温状態とすることで抑制することができる。従って、フリッカー現象の発生を抑制するには、数式１の分子「Ｉ２」に対する分母「（Ｄ１×Ｄ２×θ）」の割合を小さくすることで数式１で算出される値を所定の値よりも大きくすることが好ましい。
【００２１】
一方、陰極３の形状変形は、陰極尖頭部３２の外端面３２ｃの温度が極端に高いことが原因となって生じることから、陰極尖頭部３２の温度を適度に維持することで抑制することができる。従って、陰極３の形状変形の発生を抑制するには、数式１の分子「Ｉ２」に対する分母「（Ｄ１×Ｄ２×θ）」の割合を大きくすることで数式１で算出される値を所定の値よりも小さくすることが好ましい。
【００２２】
このように、陰極３の容積に対して投入される電流量の割合を、極端に大きすぎたり小さすぎたりすることのないよう適正な大きさに調整することにより、スポットモード、ディヒューズモードの何れの状態で超高圧水銀ランプ１００を点灯させても、フリッカー現象および陰極の形状変形という不具合を確実に解決することができる。具体的には、後述する実験結果から明らかなように、数式１の「Ｉ２／（Ｄ１×Ｄ２×θ）」の値が０．３３２〜２．９０４であることが好ましい。
【００２３】
本発明は、特に、定格電力に比して低い投入電力で点灯させる、所謂省エネ方式で点灯させる超高圧水銀ランプ１００に採用することが好ましく、具体的には、定格電力をＷとしたとき、投入電力が１４０Ｗ〜３５０Ｗの範囲で点灯させるものにおいて有効である。すなわち、超高圧水銀ランプを省エネ点灯すると、アーク発生面である陰極尖頭部３２の外端面３２ｃは局所的に温度ムラが生じ易くなるが、上記の数式１に示す関係を満たすことにより、陰極尖頭部３２の温度ムラを実用上は問題が生じない程度に低減することができるため、フリッカー現象の発生を確実に防止することができる。
【００２４】
以下に、本発明の効果を確認するために行った実験について説明する。
図１および図２に示す超高圧水銀ランプ１００の構成に従って、陰極尖頭部３２の先端部３２ａの外径Ｄ１、陰極尖頭部３２の基端部３２ｂの外径Ｄ２、テーパー角度θ、投入される電流値Ｉのファクターが表１に従って異なる超高圧水銀ランプを、以下の仕様に基づいて、各５本ずつ作製した。
発光管１は、発光部１１の最大外径が１２ｍｍ、発光部１１の全長が１１ｍｍ、封止部１２ａ，１２ｂの外径がそれぞれ７．０ｍｍ、封止部１２ａ，１２ｂの全長がそれぞれ２５ｍｍである。
陽極２は、陽極軸部２１と陽極本体部２２を合わせた全長が１３．５ｍｍ、陽極軸部２１の外径が１．０ｍｍ、陽極軸部２１の全長が６ｍｍ、陽極本体部２２の最大外径が３．０ｍｍ、陽極本体部の全長が７．５ｍｍである。
陰極３は、陰極軸部３１と陰極尖頭部３２とを併せた全長が１１ｍｍ、陰極軸部３１の外径（コイル部を除く）が１．３ｍｍ、陰極軸部３１の全長が１０ｍｍ、陰極尖頭部３２の全長が１ｍｍ、コイル部３３の最大外径が１．８ｍｍ、コイル部３３の全長が０．７５ｍｍである。
水銀の封入量は、０．２６ｍｇ／ｍｍ３であり、ハロゲンガスの封入量が１×１０−６μｍｏｌ／ｍｍ３である。
このような超高圧水銀ランプ１００の各々について、投入電力が２８５Ｗ、投入電流が３．６Ａの点灯条件で２時間にわたり連続点灯した後、電力を低下させてフリッカー現象の発生の有無を確認した。５本のうち１本もフリッカー現象が発生しなかった場合を「○」とし、５本のうち１本でもフリッカー現象が発生した場合を「×」として評価した。
また、このような超高圧水銀ランプの各々について、投入電力が３２０Ｗ、投入電流が
４．０Ａの点灯条件で３０分間にわたり連続点灯した後、３分点灯した後に３分消灯する動作を１サイクルとして５サイクルを実施した後、陰極の陰極尖頭部の形状変形の有無を確認した。５本のうち１本も形状変形が発生しなかった場合を「○」とし、５本のうち１本でも形状変形が発生した場合を「×」として評価した。結果を表１に示す。表１において、「Ｓ」は点灯状態がスポットモードであることを示し、「Ｄ」は点灯状態がディヒューズモードであることを示す。
【００２５】
【表１】
2009004203.tif 000003
【００２６】
表１に示す結果から明らかなように、上記数式１の関係を満たす本発明の超高圧水銀ランプによれば、ランプ点灯時にフリッカー現象が発生することと、陰極尖頭部が形状変形することとの両方を抑制できることが確認された。
その一方で、上記数式１の関係を満たさない超高圧水銀ランプによれば、ランプ点灯時にフリッカー現象が発生するか或いは陰極尖頭部が形状変形するか、の何れかの問題が生じることが判明した。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の超高圧水銀ランプの構成の概略を示す管軸方向の断面図である。
【図２】図１に示す超高圧水銀ランプの陰極の構成を示す拡大図である。
【符号の説明】
【００２８】
１００              超高圧水銀ランプ
１                  発光管
１１                発光部
１２ａ，１２ｂ      封止部
２                  陽極
２１                陽極軸部
２２                陽極本体部
２２ａ              根元部
２２ｂ              中間部
２２ｃ              先端部
３                  陰極
３１                陰極軸部
３２                陰極尖頭部
３２ａ              陰極尖頭部の先端部
３２ｂ              陰極尖頭部の基端部
３２ｃ              陰極尖頭部の外端面
３３                コイル部
４ａ，４ｂ          金属箔
５ａ，５ｂ          外部リード
【図１】
2009004203.tif 000004
【図２】
2009004203.tif 000005