JP2012028203A - 高圧放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】封止部、特に電極と金属箔の接合部付近の強度不足に起因する故障を防止し、信頼性の高い高圧放電ランプを提供する。
【解決手段】発光部及び封止部を有する発光管、封止部に埋設された金属箔、及び一端が発光部内部に突出して配置されるとともに他端が封止部に埋設されて金属箔に接合された電極を備えた高圧放電ランプにおいて、電極の突出部分と埋設部分の境界部と、金属箔の発光部側端部との間によって定義される電極の埋め込み長Ｌ（ｍｍ）、及び電極と金属箔の接合部の温度Ｔ（℃）について、１．８≦Ｌ≦２．８、かつ、Ｔ≦９７０とした。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は概略として高圧放電ランプに関し、より具体的には、高圧放電ランプの電極及び封止部周辺構造の信頼性向上に関する。

プロジェクタ用光源として一般に用いられる超高圧水銀ランプは、発光部及びその発光部を挟む一対の封止部を有する発光管、封止部にそれぞれ埋設された一対の金属箔、一端が発光部内に突出して配置されるとともに他端が封止部に埋設されて金属箔にそれぞれ接合された一対の電極、並びに金属箔に接続されて電極にそれぞれ給電するための一対のリードを備える。そして、点灯時の発光部内の水銀蒸気圧を高めることで高輝度が達成される。

ここで、封止部、特に、電極と金属箔の接合部周辺の強度不足に起因する故障を防止するために、種々の対策が提案されてきた。
特許文献１は、電極の材質を選択し、又は電極にコイルを巻くことにより電極周辺の応力を調整し、封止部における負荷を軽減してその破損を防止することを開示している。
特許文献２は、電極に金属箔を巻き付けることによって電極と封止部の石英ガラスの熱膨張の差を緩和し、その熱膨張差に起因する封止部の故障を防止することを開示している。

特許３４９３１９４号公報 特開２００９−０４３７０１号公報

しかし、特許文献１又は２の構成によると、電極材料を汎用のものから変更したり、新たな部材であるコイルを追加したり、金属箔の構成を複雑化したりする必要がある。この場合、その材料の追加だけでなく生産工程の増加によるコストアップをもたらしてしまい、好ましくない。

そこで、本発明は、上記のようなコストアップを要せずに、封止部、特に電極と金属箔の接合部付近の強度不足に起因する故障を防止し、信頼性の高い高圧放電ランプを提供することを課題とする。

本発明の第１の側面は、高圧放電ランプであって、発光部及び発光部を挟む第１及び第２の封止部を有する発光管、第１及び第２の封止部にそれぞれ埋設された第１及び第２の金属箔、及び一端が発光部内に突出して配置されるとともに他端が第１及び第２の封止部にそれぞれ埋設されて第１及び第２の金属箔に接合された第１及び第２の電極、発光管の第２の電極側の少なくとも一部を覆う副鏡を備え、第２の電極の突出部分と埋設部分の境界部と、第２の金属箔の発光部側端部との間によって定義される第２の電極の埋め込み長Ｌ（ｍｍ）、及び第２の電極と第２の金属箔の接合部の温度Ｔ（℃）について、１．８≦Ｌ≦２．８、かつ、Ｔ≦９７０である高圧放電ランプである。

本発明の第２の側面は、高圧放電ランプであって、発光部及び封止部を有する発光管、封止部に埋設された金属箔、及び一端が発光部内部に突出して配置されるとともに他端が封止部に埋設されて金属箔に接合された電極を備え、電極の突出部分と埋設部分の境界部と、金属箔の発光部側端部との間によって定義される電極の埋め込み長Ｌ（ｍｍ）、及び電極と金属箔の接合部の温度Ｔ（℃）について、１．８≦Ｌ≦２．８、かつ、Ｔ≦９７０である高圧放電ランプである。

上記第１及び第２の側面において、２．０≦Ｌ≦２．８とすることが好ましく、Ｌ＝２．８とすることがさらに好ましい。

本発明の高圧放電ランプの図である。 図１Ａの要部を拡大した図である。 剥離現象を説明する図である。 剥離現象を説明する図である。 剥離現象を説明する図である。 剥離現象を説明する図である。 耐圧試験を説明する図である。

図１Ａに本発明による高圧放電ランプ（以下、「ランプ」という）を示す。概略構成は一般的なランプと同様であるが、各部材の位置決め寸法が改善される。
ランプ１は、発光部３及び発光部３を挟む一対の封止部４を有する発光管２、封止部４にそれぞれ埋設された一対の金属箔６、一端が発光部３内部に突出して配置されるとともに他端が封止部４に埋設されて金属箔６にそれぞれ接合された一対の電極５、並びに金属箔６に接続されて電極５にそれぞれ給電するための一対のリード７を備える。なお、本発明でいう「接合」として、下記実施例では溶接を採用するが、溶接以外の態様（例えば、嵌合形状等）による接合も含まれる。

図の右側の金属箔６から発光部３にかけての範囲で発光管２を覆う副鏡８が接着剤９によって発光管２に接着されていてもよい。副鏡８は発光部３と一定の間隔を保って配置され、無機質セメント等の固着材（接着剤９）によって封止部４に固着される。

各電極は電極芯棒及び先端の放電部を構成する先端溶融部とコイル部からなる。電極５の突出部分と埋設部分の境界部と金属箔６の発光部側端部との間によって電極５の埋め込み長がＬ（ｍｍ）で定義される。なお、寸法公差を考慮して、本明細書では埋め込み長Ｌの数値の有効数字を２桁としている。即ち、例えばＬ＝２．８というときは、Ｌは２．７５以上２．８５未満の数値を有し得るものとする。

ところで、従来構成における封止部の故障について解析したところ、電極と金属箔の溶接部付近において、発光管を構成する石英ガラスと金属箔の間で剥離現象（箔浮き）が発生し、その剥離がランプ点灯時間とともに進行して封止部の破損に至ることが分かった。この剥離現象の発生は、溶接部付近の温度上昇による熱衝撃、及び点灯中における水銀蒸気圧の上昇による応力といった過酷な条件が重なることが原因となっている。

また、上述したように、封止部に副鏡が設置される場合には、溶接部付近の温度上昇による熱衝撃が促進される。また、発光部の水銀蒸気圧は通常１５０〜２００気圧であるが、将来的に２００〜３００気圧以上のものが実用化された場合に、さらに耐圧強度（機械的強度）を高めることが必要となる。

なお、剥離現象とは、封止部を構成する石英ガラスと金属箔との間の本来密着している部分が剥離することをいう。通常、電極芯棒の断面が円形の場合、石英ガラスが電極芯棒と金属箔との接合部に到達せずにそこに隙間が生じるが、本明細書ではこのような隙間は剥離現象には含まないものとする。

図２Ａ〜２Ｄは剥離現象を説明する図である。図において、芯棒断面が円形の電極１５が金属箔１６に接合されている。図２Ａは通常の状態を示すものであり、上述したような隙間Ａが存在している。その後、上記温度及び内圧の上昇を原因として図２Ｂに示すような剥離Ｂが発生すると、時間とともに図２Ｃ、２Ｄに示すように剥離Ｂが拡大進行する。

ここで、埋め込み長Ｌが適切な範囲で設定されることにより、封止部の耐圧強度が確保される。具体的には、埋め込み長Ｌが適正値よりも短いと、発光部内の圧力が電極芯棒を介して金属箔（特に溶接部）に作用し易くなり、剥離が発生し易くなる。また、溶接部が発光部の温度上昇の影響を受け易くなり、剥離が発生し易くなる。一方、埋め込み長Ｌが適正値よりも長いと、電極芯棒周辺の封止部でクラックが発生し易くなり、剥離とは別のモードでランプが故障し易くなる。

＜実験１＞
本実験では、埋め込み長Ｌを振って１０００時間まで連続点灯した場合の故障発生率を調べた。使用したランプの各部寸法は以下の通りである（図１Ａ参照）。発光部３は外径ｄａが１０．３ｍｍ程度、内径ｄｉが４．７５ｍｍ程度、肉厚ｄｗが２．７ｍｍ程度、内部容量が０．０８６ｃｃであり、高純度の石英ガラスで構成されている。電極５は電極芯棒径ｄが０．４５ｍｍであり、先端部にコイルが巻回され、先端溶融を行い先端部の容量を確保している。エージングによって先端部に突起が形成されて両電極の間隔ｄｅが１．０±０．１ｍｍとなっている。封止部４の外径ｄｓはφ６ｍｍ程度である。そして、図１Ａ及び１Ｂのようにランプには副鏡８が取り付けられている。

発光物質として水銀を使用し、２８０ｍｇ／ｃｃ程度の水銀、２０ｋＰａの希ガス（例えば、アルゴン）、及び少量のハロゲンが発光部３に封入されている。本例では超高圧水銀ランプを想定しているが、本発明は他の封入物質による放電ランプにも適用できる。なお、本例における投入ランプ電力は２３０Ｗである。

実験では、電極長、溶接しろ（図１Ｂ参照）、埋め込み長Ｌを変化させて経過時間毎の故障の有無を確認した。表１に本実験結果を示す。なお、電極長とは、先端部の溶融加工前の電極の全長をいい、溶接しろとは、電極の後端側と金属箔の重なりの溶接部の長さをいうものとする。なお、実験結果から分かるように、電極長及び溶接しろは実験結果に直接は影響しない。言い換えると、電極長及び溶接しろは埋め込み長を調節するために適宜設定されるものである。但し、溶接しろに関しては、溶接強度の確保等を考慮して１．０〜２．０ｍｍとするのが好ましい。

表１から分かるように、埋め込み長Ｌが１．３で剥離が発生し、２．９以上で電極芯棒周囲の封止部クラックに起因する故障が発生した。従って、埋め込み長Ｌは、剥離防止の観点から１．８≦Ｌ、クラック防止の観点からＬ≦２．８とすればよい。即ち、実用における強度確保のためには、１．８≦Ｌ≦２．８とすればよい。

＜実験２＞
本実験では、溶接部の温度Ｔを振って１５００時間連続点灯した場合の故障発生率を調べた。溶接部の温度は、測定径φ０．９５ｍｍの放射温度計を副鏡８の金属箔６側（図１Ｂの右側）から測定した。その結果を表２に示す。本実験におけるランプの寸法仕様は実験１と同様であるが、埋め込み長と溶接部温度の関係は測定条件の違いから実験１のものとは異なる。従って、表２においては、寸法に関する記載はあくまでも参照として掲載してある。

表２から分かるように、溶接部温度が９７０℃以下では剥離が発生しなかった。従って、溶接部温度Ｔ（℃）について、Ｔ≦９７０となるようにランプが設計される必要がある。例えば、埋め込み長Ｌの選択、副鏡８の設計、プロジェクタに使用される場合の空冷方法等が、Ｔ≦９７０を満たすように行なわれる必要がある。特に、埋め込み長Ｌを長くするほど溶接部温度は低下する。
なお、表２には記載していないが、Ｎｏ．１１の仕様において、仕掛け数２６本で点滅試験（３時間３０分ＯＮ−３０分ＯＦＦ）を行い、剥離数が１０本（剥離発生率３８％）であった。これにより、点滅による材料の熱膨張差によりさらに剥離が促進されることが確認された。

＜実験３＞
本実験では、水銀蒸気圧を通常よりも高い３５０気圧（３５ＭＰａ）として耐圧強度を検証した。具体的には、図３に示すように、片側の電極のみが設けられたランプ１´において、封止容器３´内に過剰量（６９９ｍｇ／ｃｃ）の水銀を封入した。ランプ１´を大気炉体に入れて１０５０℃まで温度上昇させて封止容器３´の内圧を３５０気圧として故障（破損）の有無を確認した。ここで確認できるのは封止容器３´の内圧に対する封止部４の機械的強度のみであり、温度的な要素は実験結果に影響しないものとする。本実験の結果を表３に示す。

表３から分かるように、埋め込み長Ｌについて、２．０≦Ｌ≦２．９とすれば故障発生率を２５％以下に抑えることができる。故障発生率２５％は、３５０気圧という加速的な試験であることを考慮すると許容される発生率である。さらに、２．８≦Ｌ≦２．９（即ち、故障発生率０％）とすればランプは３５０気圧まで耐えられることが分かる。

以上の実験１〜３の結果から、埋め込み長Ｌ及び溶接部温度Ｔについて、少なくとも、１．８≦Ｌ≦２．８、かつ、Ｔ≦９７０とすれば、実使用における信頼性を確保することができる。
さらに、実験３の結果から、ランプを高圧化しても低い故障率を得るために、２．０≦Ｌとすることが望ましい。
またさらに、実験３の結果から、Ｌ＝２．８とすれば非常に高い信頼性のランプを得ることができる。
なお、上記の条件は副鏡のないランプについても適用できる。

以上より、電極の埋め込み長Ｌ及び溶接部温度Ｔを適切な範囲とすることにより、封止部、特に電極と金属箔の接合部付近の強度不足に起因する故障を防止し、信頼性の高い高圧放電ランプを達成することができた。

１．高圧放電ランプ
２．発光管
３．発光部
４．封止部
５．電極
６．金属箔
７．リード
８．副鏡
９．接着剤
Ｌ．埋め込み長

Claims (6)

1. 高圧放電ランプであって、
   発光部及び該発光部を挟む第１及び第２の封止部を有する発光管、
   前記第１及び第２の封止部にそれぞれ埋設された第１及び第２の金属箔、及び
   一端が前記発光部内に突出して配置されるとともに他端が前記第１及び第２の封止部にそれぞれ埋設されて前記第１及び第２の金属箔に接合された第１及び第２の電極、
   前記発光管の前記第２の電極側の少なくとも一部を覆う副鏡
   を備え、
   前記第２の電極の突出部分と埋設部分の境界部と、前記第２の金属箔の発光部側端部との間によって定義される該第２の電極の埋め込み長Ｌ（ｍｍ）、及び該第２の電極と該第２の金属箔の接合部の温度Ｔ（℃）について、
   １．８≦Ｌ≦２．８、かつ、Ｔ≦９７０
   である高圧放電ランプ。
2. 請求項１記載の高圧放電ランプにおいて、さらに、２．０≦Ｌ≦２．８である高圧放電ランプ。
3. 請求項２記載の高圧放電ランプにおいて、さらに、Ｌ＝２．８である高圧放電ランプ。
4. 高圧放電ランプであって、
   発光部及び封止部を有する発光管、
   前記封止部に埋設された金属箔、及び
   一端が前記発光部内部に突出して配置されるとともに他端が前記封止部に埋設されて前記金属箔に接合された電極
   を備え、
   前記電極の突出部分と埋設部分の境界部と、前記金属箔の発光部側端部との間によって定義される該電極の埋め込み長Ｌ（ｍｍ）、及び該電極と該金属箔の接合部の温度Ｔ（℃）について、
   １．８≦Ｌ≦２．８、かつ、Ｔ≦９７０
   である高圧放電ランプ。
5. 請求項４記載の高圧放電ランプにおいて、さらに、２．０≦Ｌ≦２．８である高圧放電ランプ。
6. 請求項５記載の高圧放電ランプにおいて、さらに、Ｌ＝２．８である高圧放電ランプ。

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