JP2005216514A - ショートアーク型高圧放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】 ランプ点灯時にスクリーン上に映像のちらつきを生じるという、いわゆるフリッカー現象の発生を抑制することが可能な、信頼性の高いショートアーク型高圧放電ランプを提供することにある。
【解決手段】 発光管内に一組の電極を有するショートアーク型高圧放電ランプにおいて、前記電極のうち少なくとも一方の電極は、その外周面の少なくとも一部に溝部を有し、この電極を当該溝部において管軸に直交する平面によって切断して得た断面の面積をＡとし、この断面において当該断面と管軸とが交差する点を中心点としその径が最大となる少なくとも前記溝部の頂部を通過する仮想円の面積をＢとしたとき、０．８Ｂ≦Ａ≦０．９５Ｂの関係を満たすことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ショートアーク型高圧放電ランプに関する。特に、映像分野における映写機用のデジタルプロジェクター用の光源として用いられるショートアーク型高圧放電ランプに関する。

従来から、映写機用のデジタルプロジェクター用の光源としては、発光管内に陽極及び陰極が対向配置され、発光物質としてキセノンガスが封入されたショートアーク型高圧放電ランプ（以下、単に放電ランプとも称す）が用いられている。このようなショートアーク型高圧放電ランプとしては、例えば、特許文献１に記載のものが知られている。

近年、プロジェクターの投射映像をより明るくすることが要求されているため、光源である放電ランプ自体の高出力化、すなわち、放射光量の増加が要求されている。放電ランプの放射光量は、放電ランプへの電気入力に比例することが従来から知られている。つまり、放電ランプへの電気入力を増加させれば放射光量も増加するということである。ここで、放電ランプへの電気入力を増加するには、以下の方法が考えられる。第一に、電極間の距離を伸ばして放電ランプの発光長を伸ばすこと、第二に、発光管内に封入するキセノンガスの封入量を増やして、より高圧な状態で放電させること、第三に、放電ランプへの入力電流を増やすこと、などである。

しかしながら、上記のような方法にて放電ランプへの電気入力を増加させると、電極間におけるアークが不安定となりアークのふれが大きくなる、いわゆるフリッカー現象が生じることが判明した。映写機用に用いられる放電ランプにおいて、このようなフリッカー現象によってスクリーン上に投影された映像にちらつきを生じることは、視聴者に不快感を与えることになる。即ち、フリッカー現象が生じること自体がランプの品質についての信頼性を落とすことになる。
特許２８１３０５０号

以上から、本発明が解決しようとする課題は、ランプ点灯時にスクリーン上に映像のちらつきを生じるという、いわゆるフリッカー現象の発生を抑制することが可能な、信頼性の高いショートアーク型高圧放電ランプを提供することにある。

上記課題を解決するため、本願の請求項１の発明は、発光管内に一組の電極を有するショートアーク型高圧放電ランプにおいて、前記電極のうち少なくとも一方の電極は、その外周面の少なくとも一部に溝部を有し、この電極を当該溝部において管軸に直交する平面によって切断して得た断面の面積をＡとし、この断面において当該断面と管軸とが交差する点を中心点としその径が最大となる少なくとも前記溝部の頂部を通過する仮想円の面積をＢとしたとき、０．８Ｂ≦Ａ≦０．９５Ｂの関係を満たすことを特徴とする。

さらに、請求項１の発明において、前記溝部は、管軸と平行であることを特徴とする。

さらに、請求項１または請求項２の発明において、前記溝は、Ｖ字型の溝部よりなることを特徴とする。

本発明によると、少なくとも一方の電極に形成された溝部は、この電極を当該溝部において管軸に直交する平面によって切断して得た断面の面積をＡとし、この断面において当該断面と管軸とが交差する点を中心点としその径が最大となる少なくとも前記溝部の頂部を通過する仮想円の面積をＢとしたとき、０．８Ｂ≦Ａ≦０．９５Ｂの関係を満たすような構造であるため、フリッカー現象の発生を抑えることが可能であり信頼性の高いショートアーク型高圧放電ランプを提供することができる。

図１は、本発明のショートアーク型高圧放電ランプについて説明するための断面図である。ショートアーク型高圧放電ランプ１は、石英ガラスからなる略球状の発光管２と、その両端に連続して形成された側管部３とから構成され、発光管２内の放電空間４において、陽極５と陰極６とが先端距離にて０．１〜２０ｍｍの間隔で管軸１００方向にて対向している。電極支持棒７は、側管部３の内部に溶着された保持用筒体８に設けられた貫通穴に挿通されて支持されている。電極支持棒７の一端には陽極５又は陰極６が溶接され、その他端が側管部３に埋設され口金９に電気的に接続される。発光管２内の放電空間４には、封入時の圧力が０．１〜２０気圧となるようにキセノンガスが封入される。この放電ランプは、例えば、定格電流８０Ａ、定格電力２ｋＷで点灯される。

図２は、陽極５の拡大図を示す。図２（ａ）は陽極５の形状を示した側面図、図２（ｂ）及び図２（ｃ）は陽極５側面の溝部の拡大断面図、図２（ｄ）及び図２（ｅ）は陽極５を管軸１００に直交する平面で切断した断面図を示す。

図２（ａ）において、陽極５は、円錐台状の前方部５１と円柱状の胴体部５２と円錐台状の後方部５３とから構成される。Ｖ字状の溝部６０が、胴体部５２の側面の全範囲、後方部５３の側面の全範囲に管軸１００と概ね平行に形成されており、さらに、キセノンガスを胴体部５２に導くため、前方部５１の側面のうち胴体部５２との境界部５６から前方部５１の先端部５４方向への距離Ｌが０．１ｍｍ〜５ｍｍの範囲に設けられている。これにより、後述するように、陽極５の胴体部５２及び前方部５１の側面を舐めるように上昇しようとするキセノンガスを陽極５の後方部５３へと良好に輸送することができる。陽極５は、前方部５１の平面状の先端部５４にて陰極６と対向している。後方部５３は、平面状の後端部５５にて電極支持棒７に溶接されている。これらの数値例を挙げると、前方部５１は、全長が７ｍｍ、先端部５４における直径が５ｍｍ、開き角９０°である。先端部５４の直径は、後述するような溶融防止やアークを安定にするという観点から、５ｍｍ〜１２ｍｍであることが好ましく、前方部５１の開き角は、放射光を遮らないように６０°〜１２０°であることが好ましい。胴体部５２は、全長が１７ｍｍ、直径が１５ｍｍである。胴体部５２の全長は、後述するようにキセノンガスを後方部５３側へ良好へ輸送することを考慮して、前方部５１の全長の２倍以上であることが好ましく、具体的には１０ｍｍ〜２０ｍｍであることが好ましい。後方部５３は、全長が４ｍｍ、後端部５５における直径が８ｍｍ、開き角が９０°である。

図２（ｂ）において、溝部６０は、凸部６１と凹部６２よりＶ字状に構成され、凸部６１の頂点には頂部６３が形成され、凹部６２の底には底部６４が形成される。頂部６３同士の間隔をピッチＰとし、頂部６３から底部６４までの距離を溝の深さＤとする。図２（ｂ）に示す構造は、凸部６１と凹部６２とが尖って構成されており、全体として完全なＶ字型に構成されている。このようなＶ字型構造によると、根元が太く形状的に安定であり、形状変化を起こしにくいという利点がある。数値例を挙げると、ピッチＰは、例えば４．７ｍｍ、溝の深さＤは、例えば１．５ｍｍであり、陽極５の外周距離４７．１ｍｍの範囲に溝が１６個形成されている。
図２（ｃ）は、溝部の拡大図を示しているが、頂部６３と底部６４が尖っておらず、曲面状に構成されている。このような構造によると、点灯始動時における電界集中を防止することができる。

ここで、請求項１にいう断面の面積Ａとは、例えば図２（ｄ）に示すように陽極５の溝部６０が設けられた部分の任意箇所を図中にＸ−Ｘ´線と示す線で切断して得た断面の面積をいう。仮想円の面積Ｂとは、図２（ｅ）に示すように前記断面と管軸１００とが交差する点を中心点５７とし、径が最大となるように少なくとも一つの頂部６３を通過するように描いた円の面積をいう。上記数値例によると、面積Ａは１４３．１ｍｍ^２、面積Ｂは１７６．７ｍｍ^２となり、請求項１に示す式０．８Ｂの値は１４１．３となるので、請求項１に規定する条件０．８Ｂ≦Ａ≦０．９５Ｂの関係を満たしている。この条件を満たすのであれば、溝の形状、深さＤ、ピッチＰは必要に応じて適宜選択することができる。

溝部を加工する方法は、ダイヤモンドカッターによる切削加工による方法、レーザ光を照射する方法、電子ビームを照射する方法などがある。これらの方法は、溝の深さやピッチによって使い分けることができる。図２（ｃ）に示すような溝構造を形成する場合には、ダイヤモンド砥石の先端にアール加工を施せば良い。

上記構成のショートアーク型高圧放電ランプ１によれば、陽極５に溝部６０が形成されていることにより、放電ランプ１の点灯時において、フリッカー現象の発生を抑えることができる。この理由は以下のように考えられる。
即ち、放電ランプ１への電気入力を増加させると、放電ランプ１点灯時の発光管内におけるキセノンガスの対流が乱れてアークにふれを生じ、このアークのふれがフリッカー現象の発生要因の一つとなっていることに着目した。以下に図３を用いて説明をする。

図３は、放電ランプ点灯時の放電空間におけるガスの対流について要部を拡大して説明するための図である。図３（ａ）は従来のショートアーク型高圧放電ランプについて、図３（ｂ）は本発明のショートアーク型高圧放電ランプについて説明するための図である。図３において、矢印はキセノンガスの流れを示し、塗りつぶし部分はアークを示す。

まず、図３（ａ）を用いて従来のショートアーク型高圧放電ランプ１から説明する。放電ランプ１を点灯させた際には、陽極５は陰極６から放出された電子の衝突を受けるため、陽極５の先端部５４の温度が上昇する傾向にある。特に、上記のように放電ランプ１への電気入力を増加させると、陽極５と陰極６との間の電子移動が活発になるため、先端部５４の温度が上昇することになる。ここで、発光管２内へ封入され先端部５４の近傍に存在するキセノンガスは、陽極５によって温められることで昇温して図３（ａ）に示す矢印Ｅ方向に向かうことになる。さらに、陽極５の胴体５２の側面近傍に存在するキセノンガスも同様に昇温して、胴体部５２の側面を舐めるようにして矢印Ｆ方向へ向かうことになる。その結果として、陽極５周囲のキセノンガスが放電空間４の上方領域へと上昇することによってアークに上方向のふれを生じる原因となる。さらに、陽極５周囲のキセノンガスが放電空間４の上方領域へと上昇した場合には、図３（ａ）にＧで示すような放電空間４の上方領域におけるキセノンガスの対流の流れを速めることになるので、アークのふれも一層大きくなる。そして、温められて放電空間４の上方領域に上昇したキセノンガスは、発光管１の管壁内表面に沿って移動するが、やがては温度が低下して陰極６近傍に下降することになるが、この陰極６近傍に下降してくるキセノンガスは、アークの下方向へのふれを生じる要因となる。
以上のように、図３（ａ）に示す従来の放電ランプにおいては、キセノンガスが上昇、下降を繰り返すことにより上下方向へのアークのふれが生じて、映像がちらつくいわゆるフリッカー現象が発生すると考えられる。

次に、図３（ｂ）を用いて本発明のショートアーク型放電ランプについて説明する。図３（ａ）に矢印Ｅ及び矢印Ｆで示すように上昇しようとするキセノンガスは、図３（ｂ）では矢印Ｈ、Ｉに示すように陽極５に設けられた溝の間に入り込んで強制的に陽極５の後方部５３側へと送られることになる。そして、このガスは、後方部５３から発光管１の管壁内周面を沿って移動し、陰極６近傍へと下降することになる。これにより、キセノンガスが胴体部５２の側面を舐めるように放電空間４の上方領域へ上昇していた図３（ａ）に示す従来の放電ランプと比較すると、図３（ａ）の矢印Ｅ、Ｆで示すようなキセノンガスが上昇しようとする流れを抑制することができる。さらに、かかるガスを陽極５の後方部５３側へ輸送することで移動距離を稼ぐことができ、移動エネルギーを失わしめることによって放電空間４の上方領域における対流Ｇの流れを緩やかにできる。これにより、アークの上下方向のふれの発生を緩和することが可能となる。

ここで、請求項１の発明は、単に陽極５に溝部６０を設けるのみでなく、溝の形状、深さＤ、ピッチＰなどを、キセノンガスの対流を抑制する上で有効な範囲に規定する必要があることを見出して完成された点に特徴があり、以下に図３（ｂ）を参照して説明する。

単に陽極５に溝部６０を設けた構造とするのみでは、以下のような種々の不具合が生じる。請求項１に示すＡの値が小さい場合には、例えば溝の深さＤが大きすぎることを意味し、胴体部５２の側面を舐めるように上昇しようとするキセノンガスを後方部５３側へ送る機能については十分に発揮されるためフリッカー現象の発生を抑制することができるが、陽極５の体積が減少することになるので十分な放熱効果が得られず先端部５４が溶融するおそれがある。一方、Ａの値が大きい場合には、例えば溝の深さＤが小さすぎることを意味し、この場合にはキセノンガスを後方部５３側へ送る機能を十分に発揮できないことになる。
従って、キセノンガスを後方部５３側へ送る機能を発揮することができ、且つ、先端部５４が溶融する等の不具合が生じないような溝部６０の構造とするため、０．８Ｂ≦Ａ≦０．９５Ｂという規定を設けたのである。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。例えば、陽極５の一部分である前方部５１及び後方部５３の形状は、円錐台形状に限定されるものではなく、他の形状を採用しても良い。さらには、陽極５は、円柱状の胴体部５２のみから構成しても良いし、前方部５１、胴体部５２、後方部５３の３つのうちから２つを選択して構成しても良い。

溝部６０は、管軸１００に対して平行ではなく斜めに形成することもできる。溝部６０は、例えば胴体部５２のみに形成しても良く、前方部５１、胴体部５２、後方部５３のうち何れか１つのみに形成しても良い。また、例えば前方部５１と胴体部５２の両方に形成する等、３つのうちから何れか２つを適宜選択して形成しても良い。さらには、溝部６０は、必ずしも胴体部５２の側面の全範囲に形成することに限定されず、側面のうち特定の一部分にのみ形成しても良い。さらに、溝部６０は、陽極５ではなくて陰極６に設けることも可能であるし、陰極６と陽極５の両方に設けることもできる。
溝部６０の構造はＶ字型に限定されるものではなく、請求項１に示す条件０．８Ｂ≦Ａ≦０．９５Ｂを満たすのであれば、他の構造を採用することもでき、具体的に以下の図４にて説明する。

図４は、陽極の溝構造の他の形態を説明するための図である。図４（ａ）及び図４（ｂ）は陽極５側面の溝部の拡大断面図を、図４（ｃ）及び図４（ｄ）は陽極５の径方向における断面図を示す。

陽極５には、溝部７０が、図２（ａ）と同様に前方部５１の側面のうち胴体部５２との境界部５６から例えば０．１ｍｍ〜５ｍｍの範囲と、胴体部５２の側面の全範囲と、後方部５３の側面の全範囲に、管軸１００と概ね平行に形成されている。図４（ａ）に示すように、溝部７０は、先端に角を有する形状の凸部７１と凹部７２とが交互に連続することにより、図４（ｃ）に示すように断面が歯車状となるように構成され、凸部７１の頂点には頂部７３が形成され、凹部７２の底には底部７４が形成される。対向する頂部７３同士の間隔をピッチＰとし、頂部７３から底部７４までの距離を溝の深さＤとする。数値例を挙げると、Ｐが４．７ｍｍ、Ｄが１．５ｍｍであり、溝部７０は図４（ｃ）に示すように陽極５の外周に沿って８個形成されている。
図４（ｂ）に示すように、図４（ａ）の溝部７０の頂部７３を曲面状に形成することもできる。これによっても、図２（ｃ）と同様に点灯始動時における電界集中を防止することができる。
図４に示すような溝部の構造によっても、胴体部５２の側面を舐めるように上昇しようとするキセノンガスを後方部５３側へと良好に輸送することができる。

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に示す構成に従って、本発明に係るショートアーク型高圧放電ランプ１を製作した。この放電ランプ１の具体的な構成は、以下に示すとおりである。
発光管２は、石英ガラスよりなり、最大外径が５５ｍｍである。側管部３は、石英ガラスよりなり、外径２２．５ｍｍ、内径１７．５ｍｍ、全長９０ｍｍである。陽極５は、タングステンからなり、円錐台状の前方部５１と円柱状の胴体部５２と円錐台状の後方部５３とから構成される。前方部５１は、全長が７ｍｍ、先端部５４における外径が５ｍｍ、開き角度が９０°である。胴体部５２は、全長が１７ｍｍ、外径が１５ｍｍである。後方部５３は、全長が４ｍｍ、後端部５５における外径が８ｍｍ、開き角度が９０°である。陰極６は、尖頭形状を有し先端にトリウムがドープされたタングステンからなり、全長８ｍｍ、最大外径８ｍｍである。電極芯棒７は、タングステンよりなる全長が１２０ｍｍ、直径が４ｍｍのロッド状のものである。陽極５と陰極６との間の電極間距離は６ｍｍである。発光管２内には、キセノンガスを封入時において６Ｐａ封入されている。

上記放電ランプ１の陽極５としては、Ａの値が、各々０．９５Ｂ、０．９Ｂ、０．８Ｂ、０．７Ｂ、０．６Ｂ、０．５Ｂとなるように、前方部５１のうち胴体部５２との境界５６から０．１〜４ｍｍの範囲、胴体部５２の全範囲、後方部５３の全範囲に対して、溝の深さＤ（ｍｍ）とピッチＰ（ｍｍ）との関係を、（Ｄ，Ｐ）＝（０．４，３）、（０．７５，３）、（１．５，３）、（２．２５，３）、（３，３）、（３．７５，３）と変化させて図２（ａ）に示すＶ字状の溝部６０を形成した６種類のものを用いた。

陽極５に溝部が設けられていないことの他は、上記ショートアーク型高圧放電ランプと同様の構成を有する比較例に係るショートアーク型高圧放電ランプを製作した。

これらのショートアーク型高圧放電ランプ１を、定格電流が８０Ａ、定格電力が２ｋＷの点灯条件で点灯させ、１時間経過後のキセノンガスの対流の状態をレンズで投影させキセノンガスの対流を観察するとともに、陽極５先端の状態について調べた。対流の観察方法について以下に図５を用いて説明する。図５は、実験装置を上部から下向きに眺めた構成図を示している。
まず、対流を観察するためのランプ２０を配置し、対流状態を映し出すスクリーン２１の間に拡大投影するためのレンズ２２及び絞り２３を配設する。ランプ２０の後方に光源２４を配置し、レンズ２５を介して平行光を取出しランプ２０に照射する。これにより、ランプ２０の発光管２６内部におけるガスの対流状態がスクリーン２１に映し出される。対流の観察および陽極５先端の状態を調べた結果を下記表１に示す。
表１の「対流の状態」の欄において、「○」はアークのふれが生じずフリッカー現象が発生しないことを示し、「×」はアークのふれが生じフリッカー現象が発生することを示す。表１の「陽極先端の状態」の欄において、「○」は陽極５の先端部５４が溶融しないことを示し、「×」は陽極５の先端部５４が溶融することを示す。

以上から、本発明に係るショートアーク型高圧放電ランプにおいては、ランプ点灯時のキセノンガスの対流の状態が改善されフリッカー現象の発生を抑制できるとともに、陽極５の先端部５４が溶融しないことが確認された。この結果より、放電ランプ点灯時に、陽極５の前方部５１及び胴体部５２の側面を舐めるように上昇しようとするキセノンガスが、陽極５に設けられた溝部６０によって強制的に後方部５３側へ輸送されることによって、アークにふれが生じることが抑制されたと考えられる。

また、本発明の陽極構造を、例えば定格電流４５Ａ以上、定格電力１ｋＷの電気入力の大きいショートアーク型高圧放電ランプに適用する場合には、キセノンガスが一層活発に陽極５の前方部５１及び胴体部５２の側面を通過して上昇しようとするため、上記Ａの値は０．８Ｂ〜０．９Ｂであることが特に好ましい。

本発明のショートアーク型高圧放電ランプについて説明するための断面図である。 陽極５の拡大図を示す。 放電ランプ点灯時の放電空間におけるガスの対流について要部を拡大して説明するための図である。 陽極の溝構造の他の形態を説明するための図である。 発光管内の対流の状態を観察する方法を説明するための図である。

符号の説明

１ ショートアーク型高圧放電ランプ
２ 発光管
３ 側管部
４ 放電空間
５ 陽極
６ 陰極
７ 電極支持棒
８ 保持用筒体
９ 口金
２０ ランプ
２１ スクリーン
２２ レンズ
２３ 絞り
２４ 光源
２５ レンズ
２６ 発光管
５１ 前方部
５２ 胴体部
５３ 後方部
５４ 先端部
５５ 後端部
５６ 境界部
５７ 中心点
６０ 溝部
６１ 凸部
６２ 凹部
６３ 頂部
６４ 底部
７０ 溝部
７１ 凸部
７２ 凹部
７３ 頂部
７４ 底部
１００ 管軸
Ｄ 溝の深さ
Ｐ 溝のピッチ

Claims (3)

1. 発光管内に一組の電極を有するショートアーク型高圧放電ランプにおいて、
   前記電極のうち少なくとも一方の電極は、その外周面の少なくとも一部に溝部を有し、この電極を当該溝部において管軸に直交する平面によって切断して得た断面の面積をＡとし、この断面において当該断面と管軸とが交差する点を中心点としその径が最大となる少なくとも前記溝部の頂部を通過する仮想円の面積をＢとしたとき、０．８Ｂ≦Ａ≦０．９５Ｂの関係を満たすことを特徴とするショートアーク型高圧放電ランプ。
2. 前記溝部は、管軸と平行であることを特徴とする請求項１に記載のショートアーク型高圧放電ランプ。
3. 前記溝部は、Ｖ字型の溝よりなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のショートアーク型高圧放電ランプ。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

Images