JP2009193768A

JP2009193768A - ショートアーク型高圧放電ランプ

Info

Publication number: JP2009193768A
Application number: JP2008031602A
Authority: JP
Inventors: Toyohiko Kumada; 豊彦熊田; Hiroyoshi Kitano; 洋好北野; Nobuhiro Nagamachi; 信宏長町
Original assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 2008-02-13
Filing date: 2008-02-13
Publication date: 2009-08-27

Abstract

【課題】気圧で点灯する超高圧水銀ランプにおいて、十分に高い耐圧力性を有する構造を提供することである。
【解決手段】ショートアーク型高圧放電ランプにおいて、金属箔（３）の電極軸（２）との溶接部分は、小幅化（３１）されており、かつ、当該電極軸（２）の外表面を巻きつくように形成されるとともに、当該金属箔（３）の外周囲にコイル部材（５）が設けられていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、点灯時の水銀蒸気圧が１５０気圧以上となるショートアーク型高圧放電ランプに関し、特に、液晶ディスプレイ装置やＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）を使ったＤＬＰ（デジタルライトプロセッサ）などのプロジェクター装置のバックライトとして使うショートアーク型高圧放電ランプに関する。

投射型のプロジェクター装置は、矩形状のスクリーンに対して、均一にしかも十分な演色性をもって画像を照明させることが要求され、このため、光源としては、メタルハライドランプに代わって、高い水銀蒸気圧、例えば１５０気圧、を持つランプが採用されてきた。このランプは、水銀蒸気圧をより高くすることで、アークの広がりを抑える(絞り込む）とともに、より一層の光出力の向上を図るものであり、例えば、特開平２−１４８５６１号、特開平６−５２８３０号に開示されている。

ところで、この種のショートアーク型高圧放電ランプは、発光部内の圧力が点灯時に極めて高くなるので、発光部の両側に延在する側管部においては、当該側管部を構成する石英ガラスと、電極および金属箔を、十分かつ強固に密着させる必要がある。密着性が悪いと封入ガスが抜けたり、あるいは、未密着空間に発光部内に高い圧力が印加されてクラック発生の原因になるからである。このため、側管部の封止工程においては、例えば、２０００℃という高温のもとで石英ガラスを加熱し、その状態において、厚肉の石英ガラスを徐々に収縮させる方法、いわゆるシュリンクシールが行われていた。

しかしながら、上記製法により、石英ガラスと、電極あるいは金属箔との密着性を高めたとしても、それでもなお、ランプ完成後に側管部が破損することがあった。これは、加熱処理後の側管部の温度が徐々に下がる段階において、電極を構成する材料（タングステン）と側管部を構成する材料（石英ガラス）は、互いの熱膨張係数の違いによって相対的な伸縮量が異なり、これが原因して、両者の接触部分にクラックを生じたものである。このクラックは、発生当初は小さいものであったとしても、ランプ点灯中においては、点灯時の超高圧状態とも相俟って、成長を導き、場合によっては、放電ランプの破損まで導いていた。

一方、電極軸の周囲に石英ガラスを密着させるのではなく、両者の間に、微小な隙間を形成させるという技術も存在する。具体的には、側管部を封止する加熱工程において、電極と側管部が相対的に摺動自在な状態において、電極に振動を加えることで、電極軸の周囲に１０μｍ程度の隙間を形成するものである。この技術は、例えば、特許第３５０３５７５号、特に、図３に紹介されている。この構造であれば、電極が膨張・収縮したとしても、電極軸の周囲に形成された隙間によって、当該影響を吸収することができる。

また、図９に示すように、電極軸の周囲にコイル部材を巻きつけるという構造も提案されている。この構造は、例えば、特開平１１−１７６３８５号に紹介されており、電極軸が、コイル部材の内部で軸方向に摺動するため、電極軸と石英ガラスの間には、クラックが発生しないという利点を有する。

しかし、電極軸の周囲に隙間を形成する構造であっても、また、側管部内にコイル部材を設ける構造であっても、電極軸と石英ガラスの間（図９において「領域１」で示す）においては、クラックの発生を概ね抑えることができるものの、金属箔と電極との接合部分（図９において「領域２」と示す）においては、依然として、クラックを発生させてしまう。特に、点灯時において、高い水銀蒸気圧と高い光出力を有する上記ショートアーク型
放電ランプの場合、点灯時の電極温度が先端部で3000℃以上、金属箔との溶接部で1000℃以上という極めて高い温度であるから、ランプの点灯消灯を行うたびに、その温度差によってクラックを発生させてしまう。

また、図１０に示すように、電極軸の金属箔側先端に金属線コイルを巻きつけ、金属線コイルと金属箔を接合する技術が存在する（特開２００１−７６６７６号参照）。この構造は、金属線コイルと電極軸を溶接しているので、電極軸の膨張収縮とともに金属線コイルも動いてしまい、当該金属線コイルと石英ガラスの間にクラックを発生させてしまう。仮に、金属線コイルと電極軸が溶接することなく、電極軸が、金属線コイルの中で移動できるような構造を採用したとしても、金属線コイルと金属箔との接合部分には亀裂を生じかねない。
特開平２−１４８５６１号特開平６−５２８３０号特開２００１−７６６７６号特開平１１−１７６３８５号

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、極めて高い水銀蒸気圧で点灯するショートアーク型高圧放電ランプにおいて、十分に高い耐圧力性を有するとともに、クラックの発生を防止でき、かつ、電気的接合も十分である封止構造を提供することである。

上記課題を解決するために、この発明のショートアーク型高圧放電ランプは、内部に一対の電極が対向配置され、かつ、０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀を封入した発光部と、その両側に延在して電極の一部を封止するとともに電極と金属箔を接合する側管部からなるショートアーク型高圧放電ランプにおいて、前記金属箔の前記電極との溶接部分は、小幅化されており、かつ、当該電極の外表面を巻きつくように形成されるとともに、当該金属箔の外周囲に応力緩衝部材が形成されていることを特徴とする。

また、前記応力緩衝部材は、コイル部材であることを特徴とする。

本発明に係るショートアーク型高圧放電ランプは、金属箔の電極側端部を電極軸の直径程度にまで小幅化しており、当該金属箔の小幅部を電極軸に巻きつけて、その外側からコイル部材（応力緩衝部材）を設けているので、電極軸の膨張・収縮に対して、コイル部材の内部で、電極軸と金属箔の小幅化部分がともに摺動することとなり、コイル部材の外部おいて石英ガラスにクラックを発生させることはない。また、金属箔の電極側端部を小幅化して電極に巻きつけているので、電極と金属箔の電気的接続が弱まることもない。

図１は、本発明に係るショートアーク型高圧放電ランプ（以下、単に「放電ランプ」あるいは「ランプ」ともいう）の全体構成を示す。
放電ランプ１は、全体が石英ガラスからなる放電容器によって形成されており、大略球形の発光部１０と、この発光部１０の両側にそれぞれ伸びるよう形成された側管部１１から構成される。発光部１０の内部には気密な発光空間Ｓが形成されており、一対の電極２が互いに対向配置している。側管部１１にはモリブデンよりなる金属箔３が、例えばシュリンクシールにより気密に埋設されている。また、側管部１１の内部では、電極軸２１の先端が金属箔３の一端に接続するとともに、金属箔３の他端には外部リード４が接続している。これにより、電極２、金属箔３、外部リード４は電気的に接続したものとなり、外部リード４に電力が供給されると放電ランプ１は点灯する。また、後述するが、電極軸２１の先端には応力緩衝部材であるコイル部材５が存在する。

発光空間Ｓの内部には、水銀と、希ガスと、ハロゲンガスが封入されている。
水銀は、必要な可視光波長、例えば、波長３６０〜７８０ｎｍの放射光を発生させるためのもので、０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上封入されている。この封入量は、温度条件によっても異なるが、点灯時１５０気圧以上の極めて高い蒸気圧となる。また、水銀をより多く封入することで点灯時の水銀蒸気圧２００気圧以上、３００気圧以上という高い蒸気圧の放電ランプを作ることができ、水銀蒸気圧が高くなるほどプロジェクター装置に適した光源を実現することができる。希ガスは、例えば、アルゴンガスが約１３ｋＰａ封入され、点灯始動性を改善するためのものである。ハロゲンは、沃素、臭素、塩素などが水銀その他の金属との化合物の形態で封入され、ハロゲンの封入量は、例えば、１０^−６〜１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲から選択できるものであって、その機能はハロゲンサイクルを利用した長寿命化であるが、本発明の放電ランプのように極めて小型で高い内圧を有するものは、ハロゲンを封入することで、放電容器の破損、失透を防止する効果も有する。

このような放電ランプの数値例を示すと、例えば、発光部の最大外径１２ｍｍ、電極間距離１．１ｍｍ、発光管内容積１４０ｍｍ^３、管壁負荷２．０Ｗ／ｍｍ^２、定格電圧８０Ｖ、定格電力３０0Ｗである。
そして、この放電ランプは、前記したプロジェクター装置やオーバーヘッドプロジェクターのようなプレゼンテーション用機器に搭載され、演色性の良い放射光を提供することができる。

図２は、図１に示した放電ランプの構成部材のうち、電極、金属箔、およびコイル部材のみを分解して示す拡大構造図である。（ａ）は電極２の拡大図、（ｂ）は金属箔３の拡大図、（ｃ）はコイル部材５の拡大図を示す。
電極２はタングステンからなり、電極軸２１と、胴部２２と、先端部２３から構成される。これらは一つのタングステン素材を切削することで形成されており、全体としては物理的に同一部材からなっている。胴部２２には、同じくタングステンからなるコイル２４が巻かれている。コイル２４は、点灯始動時には放電の起点として作用するとともに、定常点灯時においては放熱効果を奏している。先端部２３はアークを保持する部位であり、対向する電極の先端部同士で放電アークが形成される。電極２は、例えば５Ｎ以上の純タングステンが使われている。不純物が含まれているとランプの寿命に影響するからである。

金属箔３は小幅部３１と幅広部３２から構成されている。小幅部３１は、全体が完全矩形状の状態から電極側先端のみ小幅化して形成される。この小幅部３１の範囲内に電極軸２１の先端が配置することとなり、幅広部３２には電極軸は配置しない。小幅部３１の幅（図におけるＹ方向の大きさ）は電極軸２１の外径にほぼ等しい大きさであり、電極軸２１の先端は小幅部３１において接合、例えば抵抗溶接やレーザ溶接される。

本発明は、金属箔の先端を小幅化しているからこそ、電極軸と金属箔の接合部分に対してコイル部材を被せることができる。金属箔が小幅部を有していない場合は、金属箔が大きすぎて外周からコイル部材を覆わせることが到底できないからである。また、金属箔に小幅部を形成させることは、コイル部材の存在に関わらず有効である。すなわち、図３（ａ）に示すように金属箔が幅広の場合、電極軸との接合において、不所望に大きな空隙が発生してしまう。一方、図３（ｂ）に示すように金属箔を小幅化した場合、当該不所望に発生する空隙は小さくなる。この空隙には、ランプ点灯時に放電空間において生じる高い圧力が直接印加されるので、クラックの発生防止の観点からはできるだけ小さいことが望ましい。さらに、図３（ｂ）のように金属箔を小幅化したうえで、当該小幅化部分（小幅部）を電極軸に巻き付けることで、上記不所望に生じる空隙を激減することができる。また、電極軸の先端は小幅部内で収まっていなければならない。電極軸の先端が小幅部を超えて幅広部まで延びていると、当該幅広部において、不所望な空隙を発生させてしまうからである。

幅広部３２は、電極２と外部リード４の間において導電量を確保するために必要である。幅広部３２は平板形状であってもよいが、電極軸や外部リードにあわせて曲面構造を有することが望ましい（図４参照）。小幅部３１の曲面形状を形成しやすく、かつ、維持しやすいからである。また、金属箔の他端に外部リードを溶接する際、外部リードの偏芯を良好に防止できる。金属箔の形状は、例えば、完全に矩形状の金属箔に対して、プレス機などの切断によって小幅部と幅広部を形成できる。また、プレス機に凹部を形成しておくことで、プレスと同時に曲面形状までも形成できる。

コイル部材５は、例えば、タングステンからなり、電極軸２１と小幅部３１の接合領域を覆い被さるだけの長さを有している。コイル部材５は、小幅部３１が電極軸２１の外周を巻きついた状態において、さらにその外周から覆い被せて、抵抗溶接などで接合させたものである。コイル部材を構成するタングステンは、前記した電極の材料とは同様に高純度である、もしくはドープタングステンとなる。コイル部材５の内径は、ランプ製造前は電極軸２１の外径より若干大きいものとしているが、ランプが完成した状態においては、電極軸１の外径とほとんど同じ大きさになる。コイル部材５の外周面は、側管部を構成する石英ガラスに密着しており、コイル部材５は石英ガラスに対して動かないようになっている。コイル部材５は、タングステン以外に、モリブデンやタンタルを使うこともできる。ただし、電極材料との相性という点でタングステンが最も望ましい。

図２に示す構造に関して数値例をあげると、電極軸２１の直径はφ０．３〜１．０ｍｍの範囲から選ばれ、例えば、φ０．４ｍｍであり、金属箔３の小幅部３１の幅（Ｙ方向）は０．６〜１．３ｍｍの範囲から選ばれ、例えば、０．７ｍｍである。小幅部３１の長さ方向（Ｘ方向）は、２．０〜４．０ｍｍの範囲から選ばれ、例えば、３．０ｍｍであり、幅広部３２の幅（Ｙ方向）は、１．０〜３．０ｍｍの範囲から選ばれ、例えば、１．５ｍｍであり、長さ方向（Ｘ方向）は、１１.0〜３０．０ｍｍの範囲から選ばれ、例えば、１７．０ｍｍである。また、金属箔３の厚みは、１０〜４０μｍの範囲から選ばれ、例えば、２０μｍであり、小幅部８ａ、幅広部８ｂともに厚みは同じである。
また、コイル部材５１の素線の外径はφ０．１〜０．３ｍｍの範囲から選ばれて、例えばφ０．１ｍｍ、ターン数は１０〜２０回の範囲から選択されて、例えば１５回、コイル部材５１の内径はφ０．３〜１．０ｍｍの範囲から選ばれて、例えばφ０．４５ｍｍ、コイル部材５１の全体の長さ（電極軸方向）は１．０〜２．０ｍｍの範囲から選ばれて、例えば１．５ｍｍである。

図４は電極軸２１と金属箔３とコイル部材５を組み合わせた状態（マウント体）を概念的に示す。電極２１は、金属箔３の小幅部３１でのみ接合しており、その周囲にコイル部材５が配置する。なお、前記したように、コイル部材５は、電極軸２１や小幅部３１の外周囲を巻き付けており、また、コイル部材の外周面は、側管部を構成する石英ガラスが固着している。

次に、本発明に係る放電ランプの製造方法を説明する。
図５は、電極２と金属箔３とコイル部材５のマウント体を製造する工程を示す。（ａ）において、コイル部材５を電極２の電極軸２１に差し込む。コイル部材５は電極２の胴部２２近傍にまで入れておく。（ｂ）において、金属箔３の小幅部３１を、電極軸２１に巻きつけて、当該状態で両者を接合する。接合は抵抗溶接やレーザ照射により行う。コイル部材５は接合領域に接近しないように電極の胴部２２近傍で退避させておく。（ｃ）において、コイル部材５を、電極軸２１と小幅部３１の接合領域にスライドさせて、抵抗溶接、あるいはレーザ照射又は、かしめを行う。これによりマウント体は完成する。

図６は、マウント体Ｍと発光管形成材料Ｌから側管部を形成するための製造工程を示す。発光管形成材料Ｌは、ランプ完成後において発光部１０及び側管部１１となるが、原時点では発光相当部Ｌ０と側管相当部Ｌ１としている。（ａ）において、側管相当部Ｌ１の中にマウント体Ｍを挿入して、電極の胴部が発光相当部Ｌ０に露出して所定地に位置するとともに、金属箔が側管相当部Ｌ１内の所定地に位置した状態において、図中Ａで示す領域をガスバーナで加熱する。加熱は側管相当部Ｌ１の軟化点以上の温度が必要であり、すなわち、石英ガラスの軟化点温度は１６８０℃であるので、例えば、２０００℃以上で加熱しなければならない。そして、発光管形成材料Ｌの内部を負圧にすることで、ガラスの溶融とともに、側管相当部Ｌ１は縮径されて、マウント体Ｍと側管相当部Ｌ１は封止される。この封止工程は、通常、シュリンクシールといわれるものである。なお、シュリンクシールではなく、いわゆるピンチシールを行ってもかまわない。

（ｂ）において、側管相当部Ｌ１の加熱を終了させて側管相当部Ｌ１を冷却する。冷却は強制冷却であって自然冷却であってもかまわない。
（ｃ）において、図中Ｂで示す領域を再加熱する。この再加熱もガスバーナを使って行い、溶融状態になるまで加熱する。
（ｄ）において、（ｃ）の加熱を終了して、マウント体Ｍを振動させる。振動はマウント体Ｍに対して、図中矢印方向に衝撃を加えることで行われる。この振動により、側管部１１に埋設されていたマウント体Ｍ、特に電極と、側管部の構成材料である石英ガラスが相対的に位置ズレを起こし、電極軸２１の周囲に微小な隙間が生じる。

図７は電極軸２１とコイル部材５の部分拡大構造を示す。電極軸２１の外周囲には隙間Ｇが形成され、この隙間Ｇは発光空間Ｓからコイル部材５あるいは金属箔３にまで連通するように形成されている。隙間Ｇは、例えば、６μｍ〜１６μｍの大きさを有するものである。そして、当該隙間を形成することで、ランプ点灯中に、電極軸が膨張・収縮したとしても、側管部に対して当該影響を及ぼすことはない。

図８は応力緩衝部材のコイル部材以外の例を示す。本実施例では、金属箔を、いわゆる‘割り入りスリーブ状’に形成するものであって、断面略Ｃ字状になるように、端辺同士を離間させて丸めている。この構造の利点は、応力緩衝部材自体の製造がきわめて容易であること、また、小幅部と電極軸の溶接部分における大きさに、スリーブの内径が対応できる。

次に、本発明の効果を表す実験について説明する。
発明ランプと比較ランプを使って比較を行った。いずれのランプも定格２３０Ｗで点灯させるとともに、発明ランプは本願発明に係るランプであって図1に示す構造のものであり、比較ランプは本願発明に係るランプからコイル部材を取り除いたランプを使った。実験は各々のランプ１００本を数時間点灯させた状態のクラックの発生状況を確認した。なお、本実験において、クラック発生状況は、電極と金属箔の接合部分近傍に数ミリのクラックが発生したものを「不良」として、発生しなかったものを「良」とした。その結果、発明ランプは１００本全てが良であったのに対し、比較ランプは２本ほど「不良」ランプが見られた。

応力緩衝部材は、発光空間Ｓに露出することなく、側管部１１の中に完全に埋め込まれることが望ましい。応力緩衝部材を起点として異常放電を生じるからである。

上記実施例では交流点灯タイプの放電ランプ、すなわち、一対の電極が同一の形状、体積である場合を示したが、直流点灯タイプの放電ランプ、すなわち、両電極の形状、体積が異なるものであってもかまわない。この場合、両方の電極に対して、側管部に応力緩衝部材を設けてもよいが、特に、陽極側の側管部において応力緩衝部材を設けることが望ましい。ランプ点灯中は、陽極が陰極に比べて、高温化するからである。

また、本実施例では「電極」と「電極軸」をそれぞれ使って説明しているが、電極軸は電極の一構成要素であるため、例えば、「電極軸と金属箔の接合」という場合は電極軸と金属箔を接合している場合を含んでいる。これは「小幅部」と「金属箔」についても同様である。また、上記実施例のように、電極が胴部と電極軸を区別して構成されておらず、例えば、一本棒のような電極の場合であっても、電極の金属箔側の領域を「電極軸」として解釈できる。

以上説明したように、本発明に係るショートアーク型高圧放電ランプは、点灯時内気圧が１５０気圧を超える超高圧であり、その点灯条件極めて厳しいものであるが、金属箔の形状を小幅部と幅広部から構成し、小幅部を電極軸に巻き付けて両者を溶接し、当該接合部分を覆うように応力緩衝部材を設けているので、小幅部と電極軸の溶接部分におけるクラックの発生を良好に抑えることができる。

本発明のショートアーク高圧放電ランプの全体図を示す。本発明のショートアーク型高圧放電ランプの電極とコイル部材と金属箔を示す。本発明のショートアーク型高圧放電ランプに関して、電極と金属箔の接合状態の説明用の構造を示す。本発明のショートアーク型高圧放電ランプのマウント体を示す。本発明のショートアーク型高圧放電ランプのマウント体の製造工程を示す。本発明のショートアーク型高圧放電ランプの製造工程を示す。本発明のショートアーク型高圧放電ランプの電極軸周囲の部分拡大図を示す。本発明のショートアーク型高圧放電ランプの応力緩衝部材の他の実施形態を示す。従来のショートアーク型高圧放電ランプの全体構成を示す。従来のショートアーク型高圧放電ランプの全体構成を示す。

符号の説明

１放電ランプ
２電極
３金属箔
４外部リード
５応力緩衝部材
１０発光部
１１側管部
２１電極軸
２２胴部
２３先端部
２４コイル
３１小幅部
３２幅広部
Ｓ発光空間

Claims

内部に一対の電極が対向配置され、かつ、０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀を封入した発光部と、その両側に延在して電極の一部を封止するとともに電極と金属箔を接合する側管部からなるショートアーク型高圧放電ランプにおいて、
前記金属箔の前記電極との溶接部分は、小幅化されており、かつ、当該電極の外表面を巻きつくように形成されるとともに、当該金属箔の外周囲に応力緩衝部材が形成されていることを特徴とするショートアーク型高圧放電ランプ。
前記応力緩衝部材は、コイル部材であることを特徴とする請求項１のショートアーク型超高圧放電ランプ。