JP3353687B2 - セラミック製放電ランプ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、透光性セラミック
スよりなるバルブを有するセラミック製放電ランプに関
する。

【０００２】

【従来の技術】現在、液晶表示装置のバックライト用光
源や紫外線処理装置の光源として、高圧または低圧の水
銀放電ランプやメタルハライドランプなどの放電ランプ
が使用されている。このような放電ランプでは、透光性
のバルブ内に一対の放電電極が互いに対向するよう配置
されると共に、水銀、希ガスおよび必要に応じて各種の
金属ハロゲン化物よりなる発光物質が封入されて構成さ
れている。放電ランプのバルブは、通常、石英ガラスに
より形成され、球形または楕円球形の発光管部と、その
両端に一体に連設された封止管部とを有してなり、先端
に電極を有する電極構造体がこの封止管部において封着
されることによって、当該封止管部に気密封止構造が形
成されると共に、発光管部内に気密に伸びる電流供給部
が構成されている。

【０００３】一方、透光性材料としては、例えばアルミ
ナ、イットリア、イットリウム−アルミニウム−ガーネ
ット（いわゆる「ＹＡＧ」）、ジルコニアなどの透光性
セラミックスが知られており、この透光性セラミックス
は、石英ガラスに比較して、機械的強度が大きく、耐熱
温度が高いという利点を有している。このため、最近に
おいては、バルブを透光性セラミックス、特に透光性ア
ルミナで形成したセラミック製放電ランプが注目されて
いる。このようなセラミック製放電ランプのバルブも、
球形や楕円球形あるいは円筒状の形状を有する発光管部
を具えたものである。

【０００４】このようなセラミック製放電ランプにおい
ては、バルブの材質が透光性セラミックスであるため
に、封止管部に気密封止構造を形成する工程において、
当該封止管部を溶融変形加工することができず、このた
め、封止管部とこれに挿通された電極構造体との間の間
隙に封止用フリットガラスを充填することにより、気密
封止構造が形成される。しかしながら、フリットガラス
はその耐熱温度が約８４０℃と十分に高いものではない
ため、当該放電ランプの点灯時に過熱状態となることを
避けなければならない。このような要請から、図１およ
び図２に示されているように、セラミック製放電ランプ
の封止管部１２においては、点灯時にきわめて高い温度
となる発光管部１１の中央部と、気密封止領域との間を
離隔させるために、発光管部１１に続いて適宜の長さの
温度緩衝領域Ｒを設ける構成とされているが、このよう
な温度緩衝領域Ｒにおいては、封止管部１２と、電極棒
２２およびリード線２３などによる電極構造体との間に
発光管部内空間Ｓと連通する間隙（以下、「デッドスペ
ース」という。）Ｇが不可避的に形成されてしまい、し
かもこのデッドスペースＧは、十分な温度緩衝機能を得
ることの必要性から、相当の長さのものとなる。

【０００５】然るに、封止管部１２は当該放電ランプの
点灯中であっても温度が高くならないため、このデッド
スペースＧを形成する部分にバルブ１０における最低温
度個所が形成され、その結果、バルブ１０内の封入物が
当該デッドスペースＧにおいて凝縮するようになる。特
に演色性を向上させるために発光金属物質として希土類
金属のハロゲン化物が封入されてなるメタルハライドラ
ンプにおいては、当該金属ハロゲン化物の蒸気圧が低い
ことからデッドスペース内で容易に凝縮するため、発光
管部１１内における蒸気圧が不十分となり、その結果、
当該希土類金属による発光を十分に得ることができな
い、という問題がある。

【０００６】以上のような問題を解決する目的で、封止
管部１２の温度緩衝領域Ｒに位置する電極構造体の周囲
に位置するようスリーブ２６を配置したり、金属コイル
を巻き付けたりすることも提案されているが、デッドス
ペースＧを完全に消失させることは不可能であるため、
上記のような現象を十分有効に防止することはできな
い。

【０００７】以上のことから、目的とする発光が得られ
るようにするために、実際には、デッドスペースにおい
て凝縮する量を見込んだ量の金属ハロゲン化物を封入す
ることが行われている。しかしながら、多量の金属ハロ
ゲン化物を封入することは、当該金属ハロゲン化物が相
当に高い吸湿性を有することから、バルブ内に多量の水
分が導入されることとなるため、結局、放電ランプの動
作が阻害される原因となる。また、蒸気圧が比較的低い
金属ハロゲン化物がデッドスペース内に進入すると定常
状態となるまでに非常に長い時間、例えば数百時間乃至
数千時間を要し、その結果、この間は発光管部内におけ
る当該金属の蒸気圧も変動するため、ランプ特性が安定
化しない、という問題点がある。

【０００８】一方、放電ランプにおいては、水銀が必須
の封入物質とされるが、特に小型の放電ランプでは、単
体の水銀を正確な微少量で封入することは水銀の物性か
ら非常に困難である。このため、例えば蛍光ランプで
は、水銀を亜鉛との合金の形でバルブ内に導入すること
が行われている。これは、当該水銀−亜鉛合金は、ペレ
ットとすることができて取扱いが容易であって微少量を
正確に秤量することができ、しかも大気中で吸湿性が低
くて安定である上、亜鉛の蒸気圧が水銀の蒸気圧と近似
しているからである。しかしながら、例えば希土類金属
ハロゲン化物が封入されてなる従来の石英ガラス製のメ
タルハライドランプにおいては、必要な水銀を導入する
ために水銀−亜鉛合金を用いることはできない。その理
由は、水銀−亜鉛合金を導入すると、点灯時に亜鉛が発
光物質として作用して相当に強いスペクトルが現れるよ
うになり、結局、所期の希土類金属による発光が不十分
となって、目的とする発光動作が得られなくなるからで
ある。

【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、発
光管部と封止管部とを有する透光性セラミックスよりな
るバルブを具え、その封止管部にデッドスペースが形成
され、かつバルブ内に、希ガス、金属ハロゲン化物およ
び水銀が封入されてなり、所期の発光金属物質による発
光が十分に得られると共に、容易に製造することのでき
るセラミック製放電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】本発明のセラミック製放
電ランプは、透光性セラミックスよりなり、発光管部と
この発光管部に一体に連設された封止管部とを有するバ
ルブを具え、発光管部内に一対の電極が互いに対向する
よう配置されると共に、封止管部内に前記電極を先端に
有する電極構造体が挿通された状態で当該封止管部の外
端側部分と電極構造体との間に封止用フリットガラスが
充填されて気密封止構造が形成され、かつ、バルブ内に
希ガス、金属ハロゲン化物、水銀および亜鉛が封入さ
れ、発光管部の単位容積あたりの水銀の封入量が２ｍｇ
／ｃｍ³ 以上であるセラミック製放電ランプであって、
封入された水銀のモル数Ｍと亜鉛のモル数Ｚとの割合が
下記式（１）を満足することを特徴とする。 式（１） Ｍ／（Ｍ＋Ｚ）≧０．４

【００１１】このような構成によれば、亜鉛が封入物質
の一つとされるために水銀を水銀−亜鉛合金の形で導入
することができるので、水銀を正確な量で導入すること
が可能であってしかも取扱いが容易であるために製造が
非常に容易であり、しかも、バルブがデッドスペースを
有するものであるため、亜鉛が封入されているにもかか
わらず、当該亜鉛による発光が抑制されるので、希土類
金属などの所期の発光金属物質による発光を十分に実現
することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明のセラミック製放電
ランプについて詳細に説明する。図１は、本発明のセラ
ミック製放電ランプの一例の構成を示す説明用断面図、
図２は、封止管部を含む部分を示す図１の拡大図であ
る。このセラミック製放電ランプにおいて、バルブ１０
は、放電空間Ｓを囲繞する大略球形状の発光管部１１
と、この発光管部１１の両端から外方に伸びるよう連設
された直管状の封止管部１２とを有してなり、透光性セ
ラミックスにより形成されている。

【００１３】ここに、バルブ１０を構成するセラミック
スとしては、透光性アルミナ多結晶体、透光性イットリ
ウム−アルミニウム−ガーネット多結晶体、透光性イッ
トリア多結晶体を用いることができるが、これらのう
ち、アルミナ多結晶体が特に好ましい。また、バルブ１
０は、通常、発光管部１１の最大外径が４．０〜１５ｍ
ｍ、容積は０．０２５〜１．５０ｃｍ³ 、封止管部１２
の外径は１．６〜３．２ｍｍ、内径は０．５〜１．０ｍ
ｍ、長さは４．０〜１２ｍｍとされる。

【００１４】バルブ１０内には、一対の電極２１が発光
管部１１内において互いに対向するよう配置されてい
る。この電極２１は、封止管部１２内から発光管部１１
内に間軸に沿って伸びる電極棒２２の先端部に金属コイ
ルが巻き付けられて形成されている。電極棒２２の基端
には、当該電極棒２２と同方向に伸びる棒状のリード線
２３が例えば溶接により一体に連結されて電気的に接続
された状態とされている。具体的には、電極２１が発光
管部１１内に位置すると共にリード線２３の先端が外部
に位置され、また電極棒２２の基端側部分およびリード
線２３の先端以外の部分が封止管部１２内に位置された
状態とされている。ここに、電極棒２２および金属コイ
ルの材質としては例えばタングステンなどが用いられ、
リード線２３の材質としては例えばニオブなどが用いら
れる。

【００１５】そして、これらの電極棒２２、リード線２
３、並びに後述するスリーブ２６により構成される電極
構造体がバルブ１０の封止管部１２に挿通されている。
具体的には、電極２１が発光管部１１内に位置すると共
にリード線２３の先端が外部に位置され、また電極棒２
２の基端側部分およびリード線２３の先端以外の部分が
封止管部１２内に位置された状態とされている。

【００１６】更に、封止管部１２におけるスリーブ２６
よりも外方に位置する外端側部分には気密封止構造が形
成されている。具体的には、封止用フリットガラス３０
が封止管部１２の外端側部分内に注入されて、スリーブ
２６の外端（図２で右端）から突出する電極棒２２の基
端部およびリード線２３と封止管部１２の内壁面との間
の間隙に充填されると共に、封止管部１２の外端部上に
フリットガラスのビード部３１が外方に突出するよう形
成され、このビード部３１内に、リード線２３の中間部
分が埋没された状態で固定され、リード線２３の先端部
はこのフリットガラスのビード部３１から外部に突出し
た状態とされている。ここに、封止用フリットガラス３
０としては、例えばアルミナ−シリカ−希土類酸化物系
のものを好ましく用いることができる。

【００１７】そして、封止管部１２におけるフリットガ
ラス３０が充填されている気密封止領域の内方に位置す
る温度緩衝領域Ｒには、封止管部１２とスリーブ２６と
の間並びに当該スリーブ２６と電極棒２２との間に、デ
ッドスペースＧが形成されている。

【００１８】このセラミック製放電ランプにおいては、
バルブ１０の発光管部１１内に、希ガス、希土類金属の
ハロゲン化物、水銀および亜鉛が封入され、発光管部１
２の単位容積あたりの水銀の封入量が２ｍｇ／ｃｍ³ 以
上とされ、また封入された水銀のモル数Ｍと亜鉛のモル
数Ｚとの割合が下記式（１）を満足するものとされてい
る。 式（１） Ｍ／（Ｍ＋Ｚ）≧０．４ ここに、希ガスはバッファーガスとして作用するもので
あり、アルゴン、キセノン、ネオン−アルゴンなどが用
いられる。また、希土類金属のハロゲン化物としては、
従来公知のものが適宜の量で使用される。

【００１９】以上のような構成を有するセラミック製放
電ランプでは、バルブ１０内に封入される水銀は、亜鉛
との割合が上記の式（１）を満たすことから、水銀−亜
鉛合金の形でバルブ内に導入することができる。すなわ
ち、式（１）が満たされる割合の水銀と亜鉛は安定で吸
湿性を有しないペレット状の合金を形成することができ
るので、当該ペレットを用いることにより、バルブ内に
水分、その他の不純物を導入することなしに、所要量の
水銀を、微少量であってもきわめて正確な量で導入する
ことができる。しかしながら、水銀と亜鉛との割合が式
（１）を満足しない場合、すなわち、Ｍ／（Ｍ＋Ｚ）の
値が０．４未満の場合には、両金属の合金のペレットを
調製することが困難である。

【００２０】従って、バルブ１０の発光管部１１の内容
積が例えば１．５０ｃｍ³ 以下、特に１．００ｃｍ³ 以
下であるような小型のセラミック製放電ランプであって
も、発光管部１１の単位容積あたりの封入量が２ｍｇ／
ｃｍ³ 以上となる所期の量で水銀を導入することが可能
であるため、放電ランプとしての基礎的な条件を十分に
満たすことが容易であり、そのような小型の放電ランプ
であっても所期の発光特性を有するものをきわめて容易
製造することができる。２ｍｇ以上の水銀を封入する場
合であれば、従来から使用されている水銀ドーザを使用
して精度よく水銀をランプ内に封入することが可能だか
らである。

【００２１】また、上記のセラミック製放電ランプによ
れば、バルブ１０内に亜鉛が封入されているにもかかわ
らず、当該亜鉛による発光が抑制される結果、発光金属
物質として封入された例えば希土類金属による発光が十
分に実現される。その理由は次のように考えられる。す
なわち、バルブ１０内には、亜鉛以外に発光金属物質と
して例えば希土類金属がハロゲン化物の形で導入される
が、亜鉛のハロゲン化物は蒸気圧が相当に高いものであ
るため、亜鉛はその大部分がハロゲン化物となって封止
管部１２のデッドスペースＧ内に優先的に拡散すること
となる。その結果、発光管部１１内に存在する亜鉛の割
合が減少するから、亜鉛の発光が生ずるとしてもその程
度が低いものとなり、従って、所期の発光金属物質であ
る希土類金属などによる発光が十分に実現されることと
なる。

【００２２】本発明は、以上のように、それ自体は発光
管部１１内に存在することが好ましくない亜鉛を用いる
ことにより、水銀を水銀−亜鉛合金の形で導入すること
が可能となると共に、当該亜鉛が、発光金属物質などと
共にバルブ１０内に導入されるハロゲンと反応して亜鉛
ハロゲン化物を生成し、この亜鉛ハロゲン化物がデッド
スペースＧ内に優先的に進入して発光管部１２から退避
する結果、実際上、発光管部１２内に存在する亜鉛の割
合が低くなる、という特異的な現象が生ずることを見出
し、この現象を利用して、希土類金属などの所期の発光
金属物質による発光を十分に実現したものである。すな
わち、本発明は、亜鉛を封入することによる利点を得な
がら、それ自体は別の問題となっていた封止管部１２の
デッドスペースＧにおける封入物の凝縮現象を利用し
て、亜鉛が封入されることによる問題点を解決したもの
ということができる。

【００２３】本発明において、発光金属物質として用い
られる金属物質は特に限定されるものではなく、従って
希土類金属のみでなく、それ以外のものを用いることが
できる。換言すれば、本発明のセラミック製放電ランプ
は、メタルハライドランプに限られるものではなく、一
般に高圧放電ランプと称されるものとして実施すること
ができる。

【００２４】本発明のセラミック製放電ランプを例えば
メタルハライドランプとして実施する場合には、図３に
示すように、ハルブ１０を内管とし、このバルブ１０を
取り囲むよう、外管４０が設けられることが好ましい。
具体的に説明すると、図示の例の外管４０は、一端に排
気管残部４１を有し、他端にピンチシール４２を有して
なり、石英ガラスまたは硬質ガラスにより形成されてお
り、外管４０の内部空間Ｎは排気されることによって例
えば１×１０^-3Ｐａ以下の真空状態とされている。外管
４０のピンチシール部４２には、モリブデンよりなる一
対の金属箔４３が互いに離間して埋設されており、金属
箔４３の各々の内端部（図で左端部）には、接続用リー
ド４４を介してリード線２３が電気的に接続され、金属
箔４３の各々の外端部には、外管４０の管軸方向に伸び
る給電用リード４５が接続されている。また、外管４０
内には、例えば亜鉛−アルミニウム合金よりなるゲッタ
ー４６が配置されており、このゲッター４６は、適宜の
位置に設けられた支柱（図示省略）に、スポット溶接に
より固定されている。このような構成の二重管構造のラ
ンプ装置では、内管であるバルブ１０の発光管部１１の
温度状態を高い温度に安定して維持することができると
共に、温度分布の均一化を達成することができるため、
放射される光の放射方向依存性が軽減または解消され
る。

【００２５】本発明の放電ランプの具体的構造は図示の
ものに限られず、種々の構成とすることができる。例え
ば、電極構造体において、リード線２３を分割して内方
リード線が電極棒２２と直接接続され、当該内方リード
線の外周にニオブのスリーブが配置された構成とするこ
とができる。また、スリーブの代わりにコイルを設ける
構成、あるいはスリーブやコイルを有しない構成とする
こともできる。

【００２６】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について説明
するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

【００２７】実施例１ 図１に示す構成に従って、ランプの全長が３０ｍｍ、電
極間距離が３．０ｍｍ、定格電力が２０Ｗのメタルハラ
イドランプを作製した。このランプにおいて、バルブ
（１０）は透光性多結晶アルミナセラミックスよりな
り、発光管部（１１）の最大外径が５．８ｍｍ、内容積
が０．０７ｃｍ³ であり、封止管部（１２）の外径が
１．８ｍｍ、内径が０．７５ｍｍである。電極構造体の
電極棒（２２）は外径が０．２ｍｍのタングステン線、
リード線（２３）は外径が０．６ｍｍのニオブ線であ
る。スリーブ（２６）は、多結晶アルミナよりなり、外
径が０．７２ｍｍ、長さが５ｍｍである。従って、スリ
ーブ（２６）の外径と封止管部（１２）の内径の差は
０．０３ｍｍである。そして、バルブ（１０）内には、
水銀と亜鉛との割合がモル比で１：１の水銀−亜鉛合金
のペレット０．３ｍｇと、沃化ナトリウム・沃化ディス
プロシウムの混合ペレット０．６ｍｇと、沃化タリウム
０．１ｍｇとが導入され、更にバッファーガスとしてア
ルゴンガスが１３ｋＰａの圧力で封入された。

【００２８】このメタルハライドランプを、ランプ電圧
７０Ｖ、ランプ電流０．３Ａの定格条件で点灯させたと
ころ、初期の発光効率は７０ルーメン／Ｗであり、演色
評価指数は８０であった。そして、点灯を開始して２分
間経過後に光色は安定したものとなった。また、放射光
強度が初期の７０％に低下するまでの実用的使用寿命の
長さは約６０００時間であった。

【００２９】図４は、この光色が安定化した後に測定し
た当該放電ランプの発光強度分布を示すチャートであ
る。このチャートから、波長４７３ｎｍおよび４８０ｎ
ｍにおいてピークを有する２つの亜鉛による発光強度
が、それぞれ、約０．０２３Ｗ／ｎｍおよび０．０１６
Ｗ／ｎｍと相当に小さいことが理解される。これに対
し、石英ガラスで構成されたデッドスペースのないバル
ブを用いたこと以外は同一の条件で作製した放電ランプ
では、亜鉛の蒸気圧が上昇して亜鉛が可視域および近赤
外域にわたって発光するためにランプの発光効率が低下
するので、水銀−亜鉛合金を用いることは困難である。

【００３０】実施例２ 図１に示す構成に従って、ランプの全長が３０ｍｍ、電
極間距離が１．６ｍｍ、定格電力が１５Ｗのメタルハラ
イドランプを作製した。このランプにおいて、バルブ
（１０）は透光性多結晶アルミナセラミックスよりな
り、発光管部（１１）の最大外径が５．０ｍｍ、内容積
が０．０５ｃｍ³ であり、封止管部（１２）の外径が
１．８ｍｍ、内径が０．７５ｍｍである。電極構造体の
電極棒（２２）は外径が０．２ｍｍのタングステン線、
リード線（２３）は外径が０．６ｍｍのニオブ線であ
る。スリーブ（２６）は、多結晶アルミナよりなり、外
径が０．７２ｍｍ、長さが５ｍｍである。従って、スリ
ーブ（２６）の外径と封止管部（１２）の内径の差は
０．０３ｍｍである。そして、バルブ（１０）内には、
水銀と亜鉛との割合がモル比で１：１の水銀−亜鉛合金
のペレット２．０ｍｇと、沃化水銀のペレット０．３ｍ
ｇと、沃化セシウムのペレット１．２ｍｇと、、沃化ガ
ドリニウム０．３ｍｇとが導入され、更にバッファーガ
スとしてアルゴンガスが２６ｋＰａの圧力で封入され
た。

【００３１】このメタルハライドランプを、ランプ電圧
４５Ｖ、ランプ電流０．５Ａの定格条件で点灯させたと
ころ、点灯を開始して２分間経過後に光色は安定したも
のとなった。また、波長３６５ｎｍの光の強度が初期の
７０％に低下するまでの実用的使用寿命の長さは約１０
００時間であった。

【００３２】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、発光管
部と封止管部とを有する透光性セラミックスよりなるバ
ルブを具え、その封止管部にデッドスペースが形成さ
れ、かつバルブ内に、希ガス、金属ハロゲン化物および
水銀が封入されてなり、所期の発光金属物質による発光
が十分に得られると共に、容易に製造することのできる
セラミック製放電ランプを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】セラミック製放電ランプの一例における構成を
示す説明用断面図である。

【図２】図１のセラミック製放電ランプにおける封止管
部を含む部分の構成を示す拡大断面図である。

【図３】本発明のセラミック製放電ランプによる二重管
構造のランプ装置の構成を示す説明用断面図である。

【図４】本発明の実施例１に係るセラミック製放電ラン
プの発光強度分布を示すチャートである。

【符号の説明】

１０ バルブ Ｓ 放電空間 １１ 発光管部 １２ 封止管部 ２１ 電極 ２２ 電極棒 ２３ リード線 ２６ スリーブ ３０ フリットガラス ３１ フリットガラスのビード部 Ｇ デッドスペース ４０ 外管 ４１ 排気管残部 ４２ ピンチシール部 ４３ 金属箔 ４４ 接続用リード ４５ 給電用リード Ｒ 温度緩衝領域 Ｎ 外管の内部空間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 塚本 卓也 兵庫県姫路市別所町佐土1194番地 ウシ オ電機株式会社内 (56)参考文献 特開 昭55−93647（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−240184（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−64341（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−320521（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−111219（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−161654（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 61/20 H01J 61/28 H01J 61/36

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 透光性セラミックスよりなり、発光管部
   とこの発光管部に一体に連設された封止管部とを有する
   バルブを具え、発光管部内に一対の電極が互いに対向す
   るよう配置されると共に、封止管部内に前記電極を先端
   に有する電極構造体が挿通された状態で当該封止管部の
   外端側部分と電極構造体との間に封止用フリットガラス
   が充填されて気密封止構造が形成され、かつ、バルブ内
   に希ガス、金属ハロゲン化物、水銀および亜鉛が封入さ
   れ、発光管部の単位容積あたりの水銀の封入量が２ｍｇ
   ／ｃｍ³ 以上であるセラミック製放電ランプであって、
   封入された水銀のモル数Ｍと亜鉛のモル数Ｚとの割合が
   下記式（１）を満足することを特徴とするセラミック製
   放電ランプ。 式（１） Ｍ／（Ｍ＋Ｚ）≧０．４