JPH10188893A

JPH10188893A - 液晶バックライト用セラミック製高圧水銀放電ランプ

Info

Publication number: JPH10188893A
Application number: JP35640596A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Mihashi; 健一三橋; Kazuyuki Mori; 和之森; Yukihiro Morimoto; 幸裕森本; Mitsuru Ikeuchi; 満池内; Hiromitsu Matsuno; 博光松野
Original assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 1996-12-26
Filing date: 1996-12-26
Publication date: 1998-07-21
Anticipated expiration: 2016-12-26
Also published as: JP3399763B2

Abstract

(57)【要約】【課題】万一破裂した場合の破裂音が小さく、発光管の
強度が強く、光出力の立上り時間が早く、高い動作圧で
点灯することができ、赤色を強く発色するリチウムを封
入してもランプ寿命の長い液晶バックライト用高圧水銀
放電ランプを提供する。【解決手段】透光性セラミックスで成形された発光管１
内に、一対の電極が対向配置されるとともに、水銀と希
ガスが封入されたセラミック製高圧水銀放電ランプにお
いて、発光管中央部１１の最大外径Ｄと発光管端部の電
極導入部１２の外径ｄの比ｄ／Ｄの値が０．４以下であ
り、水銀の動作圧を６０ａｔｍ以上で点灯する。また、
必要に応じて発光管内に適量の水素ガスを封入する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発光管が透光性セ
ラミックスで成形された液晶バックライト用高圧水銀放
電ランプに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】高圧水銀放電ランプは、発光管内に一対
の電極が対向配置されるとともに、水銀と希ガスおよび
必要に応じて各種の発光金属や発光金属の化合物などが
封入されている。発光管は、球形や楕円球形をした中央
部の両端に筒状の電極導入部が一体に形成されており、
通常は石英ガラスで成形される。そして、６０ａｔｍ程
度以上の水銀の動作圧で点灯されるが、かかる高圧水銀
放電ランプは、発光効率が高くて長寿命であり、色度が
安定しているなどの長所を有するので、液晶プロジェク
ターなどのバックライト用光源としてしばしば使用され
ている。水銀の動作圧を１００ａｔｍ以上にすると、ア
ークが絞られ、点光源化されるので、液晶バックライト
用光源としてはさらに適切になる。高圧水銀放電ランプ
を開示した特許公報としては、例えばＵＳＰ５，４９
７，０４９を挙げることができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】高圧水銀放電ランプ
は、点灯時の内圧が高いので、発光管は大きな強度が要
求される。従って、発光管の肉厚はどうしても厚くな
る。例えば、前記の特許公報に開示された高圧水銀放電
ランプにおいては、入力電力が１５０Ｗの場合、石英ガ
ラス製発光管中央の発光部の最大外径が１１．５ｍｍ、
内径が４．９ｍｍであり、つまり、肉厚が３．３ｍｍで
あり、外径に対する肉厚の割合は、２８％にも及ぶ。こ
のように、発光管の肉厚が厚いために、発光管の熱容量
が大きくなり、点灯初期における発光管の温度上昇に時
間がかかる。従って、ランプの光出力が定常値に達する
時間、つまり光出力の立上り時間が遅いと言う問題点が
ある。

【０００４】このように、強度を大きくするために発光
管に肉厚を厚くすると光出力の立上りが遅くなるので、
強度と光出力の立上りを両立させるために、発光管の肉
厚はぎりぎりの設計が行われる。従って、点灯時にラン
プが破壊することがあるが、破壊の際の発光管の破片の
飛散を防止するために、従来は、高圧水銀放電ランプを
取り囲む凹面反射鏡の前面をシールドガラスで覆うこと
が多かった。このため、凹面反射鏡内が極めて高温にな
るが、この温度を石英ガラスの耐熱温度である１１００
℃以下にするために、冷却ファンなどで発光管を冷却し
ていた。従って、ランプユニットの構造が複雑になり、
かつ大型化する不具合があった。また、前面シールドガ
ラス付きの反射鏡の中に発光管を収納したとしても、６
０ａｔｍ以上の動作圧を有する高圧水銀放電ランプは、
ランプが破裂したときに大きな爆発音を発生し、一般の
使用者に精神的な衝撃を与える。

【０００５】次に、液晶プロジェクターなどのバックラ
イト用光源は、赤色が強いことが望まれる。そして、発
光金属としてリチウムを封入すると赤色が強く発色する
ことが知られている。しかし、リチウムは、そのイオン
半径が小さいため、発光管が石英ガラス製の場合は、点
灯で高温になった発光管の管壁を電界で移動して外部に
逃散してしまうので、短時間でランプ寿命が尽きる不具
合がある。

【０００６】そこで本発明は、万一破裂した場合の破裂
音が小さく、発光管の強度が強く、光出力の立上り時間
が早く、高い動作圧で点灯することができ、赤色を強く
発色するリチウムを封入してもランプ寿命の長い液晶バ
ックライト用高圧水銀放電ランプを提供することを目的
とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めに、請求項１の発明は、透光性セラミックスで成形さ
れた発光管内に、一対の電極が対向配置されるととも
に、水銀と希ガスが封入されたセラミック製高圧水銀放
電ランプにおいて、発光管中央部の最大外径Ｄと発光管
端部の電極導入部の外径ｄの比ｄ／Ｄの値が０．４以下
であり、水銀の動作圧を６０ａｔｍ以上で点灯する。

【０００８】透光性セラミックスとしては、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
（ＹＡＧ）、ジルコニアなどを挙げることができるが、
これらの透光性セラミックスは、石英ガラスよりも耐熱
温度が高く、かつ密度が高くて強度が大きい。従って、
発光管の肉厚は、石英ガラスの場合よりも薄くすること
ができるが、熱容量を小さくして光出力の立上りを良く
するためには、肉厚をできるだけ薄くすることが望まし
い。しかし、肉厚をあまり薄くすると、非常に小さな確
率ではあるが、発光管が破裂してしまうことがある。

【０００９】そこで本発明者らは、発光管の形状と破裂
音の関係を検討した結果、発光管中央部の最大外径Ｄと
発光管端部の電極導入部の外径ｄの比ｄ／Ｄの値を０．
４以下にすることにより破裂音が小さく、従って、肉厚
を薄くすることが可能であることを見出して本発明を完
成した。発光管の肉厚が薄くなると熱容量が小さくなる
ので、立上り時間を大幅に短縮することができる。発光
管の肉厚は、例えば、請求項２の発明のように、１ｍｍ
以下に薄くしても十分な強度が確保でき、水銀の動作圧
を６０ａｔｍ以上で点灯できる。ただし、強度上および
製作上の理由から、最低肉厚として０．６ｍｍは必要で
ある。そして、透光性セラミックススの耐熱温度は１２
００℃程度であるので、本発明のランプは強制的に冷却
を行う必要がなく、ランプユニットを小型化することが
できる。

【００１０】次に、放電ランプを長時間点灯すると、僅
かではあるが電極が消耗し、電極間距離が変化する。そ
の結果、電極間で発生している放電プラズマが変化する
ので、空間的な発光分布が変化する。そして、液晶バッ
クライト用高圧水銀放電ランプは、精密な集光系に組み
込んで使用するので、空間的な発光分布が僅かに変化し
ても、集光効率などが大きく変化し、バックライト光へ
の影響が大きい。ことに、高圧水銀放電ランプは、水銀
の動作圧が高いので、発光体積が小さくて精密な集光系
を使用することができるが、反面、空間的な発光分布が
僅かに変化しても極めて大きな影響を受ける。また、リ
チウムを添加する場合は、水銀はアークの中心部で発光
しているが、リチウムは主にアークの周辺部で発光して
いるので、空間的な発光分布が変化すると、バックライ
ト光の色ムラを引き起こす。

【００１１】そこで請求項３の発明のように、透光性セ
ラミックスで成形された発光管の中央部の直線透過率を
８５％以下にすると、発光管の管壁における拡散光が多
くなるので、空間的な発光分布が変化しても、バックラ
イト光への影響が緩和される。従って、前記の問題点が
解消され、長時間にわたって一定の光質、例えば一定の
色温度や演色性を得ることができる。しかし、直線透過
率を６０％以下になると集光効率が低下するので、結局
のところ、発光管の中央部の直線透過率を６０〜８５％
にするのがよい。

【００１２】また、請求項４の発明のように、発光管内
にリチウムとハロゲンを封入すると、赤色を強く発色で
きる。リチウムの封入量は、発光管の寸法や入力電力に
依存するが、十分な赤色を発色させるためには、５．８
μｍｏｌ／ｃｍ³以上封入する必要がある。しかし、リ
チウムを過剰に封入するとアーク温度の低下を招き、光
出力が低下する。ここで、透光性セラミックスは石英ガ
ラスよりも密度が高いために、イオン半径の小さなリチ
ウムも発光管の管壁内を電界で移動することが少なく、
長時間にわたって赤色を強く発色でき、ランプ寿命が長
くなる。

【００１３】また、リチウムよりも多いモル数のハロゲ
ンを封入すると、長時間点灯時に管壁に付着するタング
ステンなどの電極物質が過剰のハロゲンによってクリー
ニングされるので、管壁が汚れることがない。

【００１４】放電ランプの立上り時間は、発光管内の発
光物質の蒸気圧に依存する。そして、この蒸気圧は、発
光管内の最も温度の低い点、つまり最冷部で決定され
る。従って、低い温度で高い蒸気圧が得られる発光物質
を封入すれば立上り時間を短縮できるが、ヨウ化リチウ
ムや塩化リチウムなどのハロゲン化リチウムの蒸気圧は
金属リチウムの蒸気圧よりも高いが、リチウムより少な
いモル数のハロゲン、例えばヨウ素を封入すると、Ｌｉ
nＩ（n＞１）のようなリチウムリッチの化合物が生成さ
れ、この物質の蒸気圧はＬｉＩの蒸気圧よりも低くな
る。そこで、請求項４の発明のように、発光管内にハロ
ゲンとハロゲンのモル数の少ないリチウムを封入する
と、立上り時間を短縮することができるが、ハロゲンの
封入量が金属リチウムの封入量よりも多いことが重要で
ある。

【００１５】次に、請求項５の発明のように、発光管内
に水素を封入すると発光効率を向上することができる
が、希ガスに対するモル比で０．０１〜０．２％の水素
を封入すると、優れた発光効率を得ることができる。従
来の発光管が石英ガラスからなるランプでは、水素が拡
散で発光管の管壁を透過してしまい、水素を添加するこ
とが極めて困難であったが、本発明のランプは密度の高
い透光性セラミックスを使用するので、水素が発光管の
管壁を透過しにくく、従って、水素を添加することが可
能になる。

【００１６】水素を封入することにより発光効率が向上
する理由は、次のとおりと推測される。すなわち、水素
は、低エネルギーの電子に対して、水銀よりも大きい衝
突段面積を持ち、その励起エネルギー準位は、水銀より
も高い。従って、水素を添加すると、アークプラズマ中
の励起や電離過程に大きな影響を与えないが、電気伝導
度を低下させ、熱伝導度を増加させる。これにより、ア
ークが収縮し、輝度が増加するが、更には、水素分子の
再結合エネルギーにより、水銀原子の励起が盛んにな
り、発光効率が増加する。

【００１７】発光管中央部の最大外径Ｄと発光管端部の
電極導入部の外径ｄの比ｄ／Ｄの値が０．４以下では、
内圧に対する機械的な強度のバラツキが減少し、結果的
に機械的な強度が増大することになるが、発光管の中央
部と電極導入部の温度差が大きくなり、熱衝撃に弱くな
る。そこで、請求項６の発明のように、発光管の成形材
料である透光性セラミックスとして、平均粒径が１５μ
ｍ以下の結晶からなる多結晶アルミナを使用すると、熱
衝撃に強くなり、ランプの点灯開始時の急激な温度上昇
によってランプが割れることがなくなる。また、透光性
セラミック製の発光管に電極を封止する際には、封着ガ
ラスを溶融させるさせるために、１６５０℃程度に加熱
する必要があるが、平均粒径が１．５μｍ以下の結晶か
らなる多結晶アルミナを使用すると、この溶融時に発光
管にクラックが発生する確率が低下する。なお、平均粒
径が１．５μｍ以下の結晶からなる多結晶アルミナは、
例えば、Ｍaterials Ｔransactions,ＪＩＭ，Ｖol.32,
Ｎo11(1991),pp1024 に記載されている。

【００１８】また、請求項７の発明のように、透光性セ
ラミックスとして、平均粒径が５０μｍ以下の結晶から
なる多結晶イットリウム・アルミニウム・ガーネットを使
用すると、熱衝撃に強くなり、ランプの点灯開始時の急
激な温度上昇によってランプが割れることがなくなる。
また、前記のとおり、セラミックス管に電極を封止する
際には、封着ガラスを溶融させるさせるために、１６５
０℃程度に加熱する必要があるが、平均粒径が２μｍ以
下の結晶からなる多結晶イットリウム・アルミニウム・ガ
ーネットを使用すると、この溶融時に発光管にクラック
が発生する確率が低下する。平均粒径が２μｍ以下の結
晶からなる多結晶イットリウム・アルミニウム・ガーネッ
トは、例えば、Ｍaterials Ｔransactions,ＪＩＭ，Ｖo
l.32,Ｎo11(1991),pp1024 に記載されている方法に類似
する方法で製造される。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１は、直流点灯される本発明の
高圧水銀放電ランプの一実施例を示す。発光管１は、透
光性セラミックススにて成形されており、最大外径がＤ
の球形や楕円球形をした中央部１１の両端に外径がｄの
筒状の電極導入部１２，１２が一体に連設されている。
透光性セラミックススとしては、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（ＹＡ
Ｇ）、ジルコニアなどを挙げることができる。そして、
発光管１の中央部１１内には、電極として、タングステ
ン製の陽極２と陰極３が２ｍｍの間隔で対向配置されて
いる。なお、交流点灯する放電ランプであっても良いこ
とは勿論のことである。

【００２０】電極２，３の端部にニオブ線５が接続さ
れ、ニオブ線５の端部に白金合金からなる外部リード線
６が接続されている。電極導入部１２内には電極２，３
を保持するアルミナ製のスリーブ４が配置されており、
電極導入部１２の端部はフリットガラス７でシールされ
る。酸化され易いニオブ線５はスリーブ４とフリットガ
ラス７て完全に覆われており、耐酸化シール構造になっ
ている。そして、外部リード線６がフリットガラス７か
ら延び出している。

【００２１】発光管の仕様および封入物は次のとおりで
ある。発光管材質透光性多結晶ＹＡＧ平均粒径１．８μｍ中央部の最大肉厚１ｍｍ中央部の直線透過率８０％内容積０．５ｃｃ中央部の最大外径Ｄ１２ｍｍ、電極導入部の外径ｄ３．６ｍｍｄ／Ｄ＝０．３封入物水銀７０ｍｇリチウム５．１μｇ封入ガスアルゴン２００Ｔｏｒｒヨウ素９５μｇ

【００２２】かかる高圧水銀放電ランプをランプ電流
１．５Ａ、ランプ電圧１００Ｖ、消費電力１５０Ｗで点
灯したところ、ランプ特性は次のとおりであった。発光効率６５ｌｍ／Ｗ演色評価指数６５発光管上部の温度１１００℃ 立上り時間９０秒水銀動作圧１２０ａｔｍなお、水銀の動作圧は、Ｊ.Ａppl.Ｐhys. Ｖol.71,pp47
39に記載されている方法で求めた。すなわち、定常点灯
状態において、水銀原子のスペクトル線５７７ｎｍのプ
ロファイルを測定し、その半値全幅Δλ（ｎｍ）を求め
ると、動作圧Ｐは、Ｐ（ａｔｍ）＝１２．０＊（Δλ−
２．２）で求められる。

【００２３】次に、発光管の破裂音試験、発光管の失透
試験、光出力の立上り試験、水素添加による発光効率試
験を行った結果を説明する。

【００２４】〔発光管破裂音試験〕発光管１の中央部１
１の最大外径Ｄと電極導入部１２の外径ｄの比ｄ／Ｄが
発光管１の破裂音に大きく影響するために、比ｄ／Ｄを
変化させて比ｄ／Ｄと発光管の破裂音の関係を調べた結
果を説明する。試験方法は次のとおりである。すなわ
ち、異なる比ｄ／Ｄのランプに点灯状態で水銀の蒸気圧
が２００ａｔｍになるように水銀を封入して、前面シー
ルドガラス付きの反射鏡内に配置し、定常状態に達した
後に、放電安定用インピーダンスを短絡し、瞬時的に過
剰の電力を投入し、強制的に破裂させる。そして、ラン
プから１．５ｍの位置において、５人の官能試験によっ
て評価した。その結果を表１に示す。

【００２５】

【表１】 × 非常に気になる △ 気になる ○ ほとんど気にならない ◎ 気にならない

【００２６】これから分かるように、比ｄ／Ｄの値が小
さくなるほど破裂音は減少し、比ｄ／Ｄの値が０．４に
なると、破裂音がほとんど気にならなくなり、０．３で
は全くといって良いほど気にならなかった。従って、比
ｄ／Ｄの値を０．４以下にすることによって、万一発光
管が破裂しても、その音は気にならない程度にすること
ができる。破裂音が小さいことは液晶バックライト用ラ
ンプとして非常に重要な要件であるが、破裂は発光管の
中央部と端部の境界付近で発生する。そして、破裂の際
に瞬時に発光管内のエネルギーが開放されるので、破裂
時の開口面積が大きくなるにつれて、つまり、比ｄ／Ｄ
の値が大きくなるにつれて破裂音が大きくなるものと思
われる。

【００２７】〔発光管失透試験〕前記の実施例ランプを
ベースにしてヨウ素の封入量を変化させたランプを製作
し、リチウムのモル数Ｍ₁と、ハロゲンのモル数Ｍ₂の
比Ｍ₁／Ｍ₂の値と５００時間点灯時の発光管の失透の
有無の関係を調べた。その結果を表２に示すが、これか
ら分かるように、Ｍ₁／Ｍ₂≦１にすることにより、つ
まり、リチウム量よりもハロゲン量を多くすることによ
り、透光性セラミックスで成形された発光管の失透を防
止することができる。

【００２８】

【表２】

【００２９】〔光出力の立上り試験〕前記の実施例ラン
プをベースにしてリチウムの封入量を変化させたランプ
を製作し、リチウムのモル数Ｍ₁と、ハロゲンのモル数
Ｍ₂の比Ｍ₁／Ｍ₂と光出力が定常値になるまで時間、
つまり光出力の立上り時間の関係を調べた。その結果を
表３に示す。

【００３０】

【表３】

【００３１】石英ガラス製のランプでは、通常、立上り
時間は９０秒程度であるが、表３から分かるように、Ｍ
₁／Ｍ₂≦１にすれば、つまり、リチウム量よりもハロ
ゲン量を多くすると、従来の石英ガラス製のランプより
も立上り時間を短縮することができる。なお、ハロゲン
量が多くて、０．３＞Ｍ₁／Ｍ₂とすると、室温下でハ
ロゲン化水銀が生成し、このハロゲン化水銀は蒸気圧が
非常に高いので、始動電圧を高くしてしまう。

【００３２】次に、前記の実施例ランプをベースにして
発光管の肉厚が異なるランプを製作し、発光管の肉厚と
光出力の立上り時間の関係を調べた。この結果を表４に
示すが、これから分かるように、発光管の肉厚が１ｍｍ
以下であれば、従来の石英ガラス製のランプよりも立上
り時間を短縮することができる。ただし、強度上および
製作上の理由から、最低肉厚として０．６ｍｍは必要で
ある。

【００３３】

【表４】

【００３４】〔発光効率試験〕前記の実施例ランプをベ
ースにして水素をアルゴンに対するモル比で０．００５
％〜０．５％の範囲で封入し、この水素の封入量と波長
３５０から７００ｎｍの光出力の発光効率の関係を調べ
た。その結果を図２に示す。これから分かるように、水
素のモル比が０．８％までは発光効率は上昇するが、そ
れ以上封入すると発光効率は減少する。水素を添加しな
い前記の実施例ランプの発光効率は６５ｌｍ／Ｗである
ので、アルゴンに対するモル比が０．０１〜０．２％の
範囲において発光効率を向上させることができ、０．８
％では、約１．２倍の発光効率を得ることができる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、透光性
セラミックスで成形された発光管内に、一対の電極が対
向配置されるとともに、水銀と希ガスが封入された液晶
バックライト用セラミック製高圧水銀放電ランプにおい
て、発光管中央部の最大外径Ｄと発光管端部の電極導入
部の外径ｄの比ｄ／Ｄの値が０．４以下であり、水銀の
動作圧が６０ａｔｍ以上で点灯するので、破裂した場合
の破裂音が小さく、発光管の強度が強く、光出力の立上
り時間が早く、高い動作圧で点灯することができる。ま
た、リチウムや水素を封入することができ、赤色を強く
発色するとともに、発光効率の高い液晶バックライト用
高圧水銀放電ランプとすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の断面図である。

【図２】水素の封入量と発光効率の関係図である。

【符号の説明】

１発光管１１発光管の中央部１２発光管の電極導入部２陽極３陰極４アルミナスリーブ５ニオブ線６外部リード線７フリットガラス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者森本幸裕兵庫県姫路市別所町佐土1194番地ウシオ電機株式会社内 (72)発明者池内満兵庫県姫路市別所町佐土1194番地ウシオ電機株式会社内 (72)発明者松野博光兵庫県姫路市別所町佐土1194番地ウシオ電機株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】透光性セラミックスで成形された発光管
内に、一対の電極が対向配置されるとともに、水銀と希
ガスが封入された液晶バックライト用セラミック製高圧
水銀放電ランプにおいて、前記発光管中央部の最大外径Ｄと発光管端部の電極導入
部の外径ｄの比ｄ／Ｄの値が０．４以下であり、水銀の
動作圧が６０ａｔｍ以上であることを特徴とする液晶バ
ックライト用セラミック製高圧水銀放電ランプ。
【請求項２】前記発光管の中央部の肉厚が０．６〜
１．０ｍｍであることを特徴とする請求項１記載の液晶
バックライト用セラミック製高圧水銀放電ランプ。
【請求項３】透光性セラミックスで成形された前記発
光管の中央部の直線透過率が６０〜８５％であることを
特徴とする請求項１又は請求項２記載の液晶バックライ
ト用セラミック製高圧水銀放電ランプ。
【請求項４】前記発光管内にリチウムとハロゲンが封
入され、リチウムのモル数Ｍ₁と、ハロゲンのモル数Ｍ
₂の比Ｍ₁／Ｍ₂が０．３≦Ｍ₁／Ｍ₂≦１であること
を特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３記載の液
晶バックライト用セラミック製高圧水銀放電ランプ。
【請求項５】前記発光管内に、希ガスに対するモル比
で０．０１〜０．２％の水素が封入されたことを特徴と
する請求項１、請求項２、請求項３又は請求項４記載の
液晶バックライト用セラミック製高圧水銀放電ランプ。
【請求項６】前記透光性セラミックスが、平均粒径が
１５μｍ以下の結晶からなる多結晶アルミナであること
を特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４
又は請求項５記載の液晶バックライト用セラミック製高
圧水銀放電ランプ。
【請求項７】前記透光性セラミックスが、平均粒径が
５０μｍ以下の結晶からなる多結晶イットリウム・アル
ミニウム・ガーネットであることを特徴とする請求項
１、請求項２、請求項３、請求項４又は請求項５記載の
液晶バックライト用セラミック製高圧水銀放電ランプ。