JP2007188802A - 高圧放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】高圧放電ランプのタングステン電極からカリウムその他の不純物が蒸発する量を大幅に低減して、発光部の早期黒化を確実に防止すると同時に、その電極芯棒が強度不足によって折れる電極折れを防止する。
【解決手段】タングステン電極３の電極芯棒５が、ドープ剤を添加して機械的強度を高めたドープタングステンで形成され、高純度タングステンで成る短小棒９が、電極芯棒５の先端から該芯棒の軸方向へ突出するように配されて、その突出した短小棒９を加熱溶融することにより略球状もしくは凸曲面形状の電極先端部４が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、小型で且つ高輝度で、長寿命であることが要求される液晶プロジェクター用光源やプロジェクションＴＶ用光源等として好適な高圧放電ランプに関する。

従来の高圧放電ランプは、例えば図４に示す如く、石英ガラス管で成る発光管１の中間部を膨らませて形成された発光部２内に、一対のタングステン電極１３Ｒ、１３Ｌがその電極先端部１４を互いに対向させるように配置されると共に、水銀と、臭素や沃素などのハロゲンと、アルゴンガスなどの始動用希ガスとが封入されている。そして、両電極１３Ｒ、１３Ｌは、夫々その電極芯棒１５がモリブデン箔６を介してリード棒７に接続され、該リード棒７に結線された電力供給用リード線（図示せず）を介してランプ電力が供給されるようになっている。また、両電極１３Ｒ、１３Ｌの電極芯棒１５は、その後端側がモリブデン箔６やリード棒７と共に発光部２の両端を気密封止する封止部８Ｒ、８Ｌ内に埋設されて該封止部８Ｒ、８Ｌに固定されている。

この種のランプは、小型で且つ高輝度で、長寿命であることが要求されるため、ランプ点灯時に電極１３Ｒ、１３Ｌから蒸発して発光部２の内面に付着したタングステンを再蒸発させて電極１３Ｒ、１３Ｌへ戻すタングステン−ハロゲンサイクルによってランプ寿命を損なう発光部２の早期黒化を防止すると共に、電極１３Ｒ及び１３Ｌ間の距離を狭めてアーク長を短くし、且つ発光部２の単位容積当りの水銀封入量を多くしてランプ点灯時における動作圧（発光部２内の水銀蒸気圧）を高めることにより、小型で点光源に近い高輝度発光が得られるようにしている（特許文献１参照）。
特開２００５−５６６４６号公報

しかし、点光源に近い高輝度発光を得るために、電極間距離を狭めてアーク長を短くすると、始動時のランプ電圧が低下してランプ電流が増大し、それにより電極１３Ｒ、１３Ｌの温度が過度に上昇して、タングステンや該タングステンに含まれる不純物の蒸発作用が促進されるため、発光部２の早期黒化を惹き起こすおそれがあり、また、発光部２内の水銀封入量を多くしてランプ点灯時の動作圧を高めると、僅かな黒化が生じても発光部２が破裂するおそれがある。殊に、電極１３Ｒ、１３Ｌが、カリウム等のドープ剤を添加して機械的強度を高めたドープタングステンで形成されている場合や、カリウムその他の不純物を多く含む純度の低いタングステンで形成されている場合は、発光部２の早期黒化を惹き起こすおそれが大きい。

そこで、電極１３Ｒ、１３Ｌの温度が過度に上昇することを防止するために、その電極芯棒１５の先端側にタングステン線で成る放熱用コイル１６を巻装すると共に、電極芯棒１５の先端部を加熱溶融して熱容量の大きい球状もしくは凸曲面形状（半球状やドーム状）の電極先端部１４を形成する加工を施したり（特許文献２及び３参照）、電極１３Ｒ、１３Ｌからの不純物の蒸発量を少なくするために、その電極芯棒１５と放熱用コイル１６をＡｌ，Ｃａ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｓｉ，Ｓｎ，Ｎａ，Ｋ，Ｍｏ，Ｕ，Ｔｈの総含有量が１０ｐｐｍ以下の高純度タングステンで形成したり（特許文献４参照）、Ｋ₂Ｏ含有量が１２ｐｐｍ以下のタングステンで形成する（特許文献５参照）などの手段が提案されている。
特開平６−１３０２７号公報 特許第３３３９５８０号公報 特開平６−１３０２７号公報 特許第３２１６８７７号公報

しかしながら、電極１３Ｒ、１３Ｌの電極芯棒１５を高純度タングステンやカリウムの含有量が少ないタングステンで形成すると、その電極芯棒１５が、モリブデン箔６に溶接する際に加わる０．５ｋｇ程度の押圧力で折れてしまうほど機械的強度が低下し、更に、発光管１の発光部２の両端をシュリンクシールして封止部８Ｒ、８Ｌを形成する際に加わる約２０００℃の高熱でタングステンの針状結晶から粒状結晶への再結晶成長が進み、その結晶が大きく成長することによって脆弱化するため、高圧放電ランプの流通過程で振動や衝撃などが加わると、封止部８Ｒ、８Ｌに固定された電極芯棒１５が、根元から折れて落下したり、折れ曲がったりする所謂電極折れが発生するおそれがあった。

この電極折れを防止するには、電極芯棒１５を、タングステンの機械的強度を高めるカリウムやアルミニウム、シリカ等のドープ剤が添加されたドープタングステンや、カリウムその他の不純物が多く含まれた低純度のタングステンで形成せざるを得ないが、カリウムその他の不純物は、タングステンに比べて極めて蒸発しやすいため、電極芯棒１５の先端部を加熱溶融して熱容量の大きい球状もしくは凸曲面形状の電極先端部１４を形成しても、その電極先端部１４から不純物が多量に蒸発して早期黒化を生じやすいうえに、蒸発した不純物が発光部２内に封入されたハロゲンと反応して、タングステン―ハロゲンサイクルに異常を来たし、更に黒化を促進させるおそれがあった。

そこで、図５（ａ）の如く、電極１３Ｒ、１３Ｌの少なくとも一方の電極芯棒１５が、カリウム含有量２０ｐｐｍ以上（好ましくは、３０ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下）のタングステン材料で形成されると共に、電極芯棒１５の先端側に巻装される放熱用コイル１６が、電極芯棒１５のタングステン材料よりもカリウム含有量が少ないタングステン材料（カリウム含有量１２ｐｐｍ以下のノンドープ・タングステン）で形成されて、電極芯棒１５の先端部１５ｘを放熱用コイル１６の先端部１６ｘと共にアルゴンプラズマ溶接装置で加熱溶融することにより、両先端部１５ｘ及び１６ｘを溶融一体化させて、図５（ｂ）の如き半球状の電極先端部１４を形成する手段が提案されている（特許文献６参照）。
特開２００３−２０３６０２号公報

しかし、図５（ｂ）の電極先端部１４は、カリウムの含有量が２０ｐｐｍ以上である電極芯棒１５の先端部１５ｘと、カリウムの含有量が１２ｐｐｍ以下である放熱用コイル１６の先端部１６ｘとを溶融一体化させることによって形成されており、しかも、電極芯棒１５のカリウム含有量は３０ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下とすることが好ましいとされているので、電極先端部１４に含まれるカリウムの量を低減してカリウムの蒸発による早期黒化を防止する効果はさほど期待できない。

また、特許文献３及び６には、電極芯棒１５の先端部１５ｘを加熱溶融して半球状の電極先端部１４を形成する手段として、放熱用コイル１６が巻装された電極芯棒１５の先端部１５ｘに冷却期間をおきながら複数回の間欠的なアーク放電を行ってその先端部１５ｘを略半球状に溶融加工する手段が記載されているが、該加工手段は、各溶融加工の合間（アーク放電の合間）に冷却期間をもうける煩雑なものであるうえ、高価なアルゴンプラズマ溶接装置を用いてアーク放電を行うため、加工コストが著しく嵩むという問題がある。更に、該手段によれば、電極先端部１４の加工形状や大きさ（質量）にバラツキが生じ、電極先端部１４を電極芯棒１５と同軸的な半球形状に形成することが困難であるから、電極の製品不良率が高く、また、不良品は再利用することができないために無駄に廃棄される電極材の量が多くなるという問題もある。

本発明は、高圧放電ランプのタングステン電極からカリウムその他の不純物が蒸発する量を大幅に低減して、発光部の早期黒化を確実に防止すると同時に、そのタングステン電極の電極芯棒が強度不足によって折れる電極折れを防止することを主たる技術的課題としている。

上記の課題を解決するために、本発明は、発光管の発光部内に一対のタングステン電極が電極先端部を互いに対向させるように配置された高圧放電ランプにおいて、前記電極の少なくとも一方の電極芯棒が、ドープ剤を添加して機械的強度を高めたドープタングステンで形成され、高純度タングステンで成る部材が、電極芯棒の先端から該芯棒の軸方向へ突出するように配されて、その突出部分を加熱溶融することにより略球状もしくは凸曲面形状の電極先端部が形成されていることを特徴とする。

本発明に係る高圧放電ランプは、タングステン電極の電極芯棒がドープ剤を添加して機械的強度を高めたドープタングステンで形成されることによって電極折れが防止されると同時に、そのタングステン電極の電極先端部が高純度タングステンで形成されることによって発光部の早期黒化が確実に防止される。

本発明の最良の実施形態は、石英ガラス管で成る発光管の中間部を膨らませて形成された発光部内に、一対のタングステン電極がその電極先端部を互いに対向させるように配置されると共に、水銀と、臭素などのハロゲンと、アルゴンガスなどの始動用希ガスとが封入された高圧水銀蒸気放電ランプであって、前記一対のタングステン電極は、その双方もしくは少なくとも一方の電極芯棒が、カリウムやアルミニウム、シリカ等のドープ剤を添加してタングステンの機械的強度を高めたドープタングステンで形成されると共に、不純物の総含有量が１０ｐｐｍ未満の高純度タングステンで成る部材が、電極芯棒の先端から該芯棒の軸方向へ突出するように配されて、その突出部分を負圧下での連続通電による直流アークプラズマ放電加工により加熱溶融して略球状もしくは凸曲面形状の電極先端部が形成されている。

実施例の高圧放電ランプは、図４に示すタングステン電極１３Ｒ、１３Ｌの双方もしくは少なくとも一方に代えて、図１（ａ）、図２又は図３に示す半製品状態から夫々図１（ｂ）の如き電極先端部４を形成する加工が施されて成るタングステン電極３が用いられている点を除き、図４に示す従来の高圧放電ランプと基本的な構成が共通するので、その共通部分については図４の符号を参酌して説明する。

実施例１の高圧放電ランプは、例えば定格ランプ電力１５０Ｗの高圧水銀蒸気放電ランプであって、その発光管１の発光部２内に配置する図１（ｂ）のタングステン電極３は、図１（ａ）の如く、カリウム等のドープ剤を添加して機械的強度を高めたドープタングステンで成る電極芯棒５の先端に、高純度タングステンで成る短小棒９が同軸的に配されて、該短小棒９が、電極芯棒５の先端側に巻装する放熱用コイル１０によって電極芯棒５の先端から該芯棒５の軸方向へ突出した状態に固定され、その突出部分を加熱溶融することにより略球状もしくは凸曲面形状の電極先端部４が形成されている。

なお、電極芯棒５は、タングステン粉末の製造過程でドープ剤のカリウムが６０ｐｐｍ添加されたドープタングステンによって、太さ約０．４ｍｍ、長さ約６．３ｍｍに形成されている。一方、図１（ａ）に示す短小棒９は、不純物の含有量が１０ｐｐｍ未満である純度９９．９９９％（５Ｎレベル）の高純度タングステンによって、太さ約０．４ｍｍ、長さ約１．５ｍｍに形成されている。また、放熱用コイル１０は、５Ｎレベルの高純度タングステンで成る太さ約０．２２ｍｍのタングステン線１１を電極芯棒５の先端部側と短小棒９の後端部側とに跨るように二重巻きして形成され、該コイル１０の巻き締め力によって短小棒９が電極芯棒５の先端に固定されている。

そして、電極芯棒５の先端に図１（ａ）の如く放熱用コイル１０で固定された短小棒９を加熱溶融して図１（ｂ）の如き電極先端部４を形成する加工手段としては、真空雰囲気に保持できるベルジャー内に、図１（ａ）に示す半製品を短小棒９の先端を下向きに垂下させた状態で収容し、ベルジャー内を一旦高真空としてその内部に高純度のアルゴンガスを負圧の圧力となるように導入した後、下向きにした短小棒９の先端に対してその下方から針状電極を対峙させた直流アークプラズマ発生装置で約１３アンペアの直流アークプラズマ電流を数秒間だけ連続通電して、短小棒９の先端を加熱溶融させる手段を用いている。

このように、負圧雰囲気下での連続通電による直流アークプラズマ放電加工によって電極先端部４を形成すれば、その電極先端部４の内部にガス状の不純物が残留する巣が沢山できたり、その巣の大きさや数量にバラツキを生ずることがないので、電極先端部４の熱容量が一定し、且つ電極先端部４の形状や大きさも均一化するので、黒化防止の性能が著しく高まると同時に、電極先端部４を形成する加工が簡易迅速化されてその加工効率が著しく高まり、加工コストも低減するという効果がある。

すなわち、電極先端部を形成するタングステンを常圧雰囲気下で加熱溶融すると、その電極先端部の内部にガス状の不純物が残留する巣が沢山できたり、その巣の大きさや数量にバラツキが生じて電極先端部の熱容量が一定しないため、早期黒化を確実に防止することが困難となる。また、電極先端部を形成するタングステンを真空雰囲気下で加熱溶融する場合は、その溶融状態を監視しながら冷却期間をおいて間欠的に複数回放電しなければ電極先端部を均一な形状に加工することができないため、加工効率が良くないという問題がある。これに対して、上記の如く負圧雰囲気下での連続通電による直流アークプラズマ放電加工によって電極先端部を形成する場合は、加工効率が非常に良く、また、その電極先端部は、内部にガス状の不純物が残留する巣が沢山できることもなく、熱容量が一定で、形状や大きさも均一なものにすることができる。

更に、５Ｎレベルの高純度タングステンで成る短小棒９を溶融して形成された電極先端部４は、黒化の原因物質であるカリウムその他の不純物の含有量が極めて少ないので、早期黒化を確実に防止することができる。また、短小棒９のみならず、該短小棒９を電極芯棒５の先端から突出させた状態に固定する放熱用コイル１０も、５Ｎレベルの高純度タングステンで形成されているので、図１（ａ）の如く電極芯棒５の先端から該芯棒５の軸方向へ突出した放熱用コイル１０のコイル部１０ｘが短小棒９と溶融一体化して図１（ｂ）の電極先端部４が形成される場合であっても、該電極先端部４の不純物含量が高まることはなく、早期黒化を確実に防止することができる。なお、短小棒９は、粒径が数μｍ程度の高純度タングステン粉末を焼結して成る高純度タングステン焼結体で形成されたものでもよい。また、該短小棒９を加熱溶融する加工手段は、上記直流アークプラズマ放電加工に限定されるものではない。

上記のように図１（ａ）の状態から同図（ｂ）の如く加工されたタングステン電極３を内容積９０ｍｌの発光部２内に、図４に示す電極３Ｒ、３Ｌの如く一対配置すると共に、その発光部２内に、水銀を約０．２ｍｇ／ｍｌ、ハロゲンとしての臭素を臭化水素（ＨＢｒ）として約２×１０^−７ｍｏｌ／ｍｌ、始動用補助ガスとしてのアルゴンガスを常温で約２×１０^４ｐａ封入した１５０Ｗ高圧水銀蒸気放電ランプを多数試作し、それら試作ランプを反射鏡と組み合わせたリフレクタ付きランプとしてプロジェクタ機器内に設置し、その機器内で点灯させる寿命試験を実施したところ、点灯２０００時間でも良好な照度維持率が得られ、著しい黒化は認められなかった。また、その寿命試験中に電極折れを生ずることもなく、長寿命であることが確認された。

更に、電極３の電極先端部４は、従来のように電極芯棒５の先端部を加熱溶融して形成されるものではなく、該電極芯棒５の先端から突出するように配された短小棒９もしくは該短小棒９と放熱用コイル１０のコイル部１０ｘとを加熱溶融して形成されるため、その加熱溶融時の高熱が電極芯棒５に伝わり難く、該電極芯棒５を形成するタングステンの再結晶成長による脆弱化が抑制されるので、カリウム等のドープ剤を添加したドープタングステンで成る電極芯棒５の機械的強度が損なわれるおそれもない。

本例の電極３は、図２の如く、タングステンの機械的強度を高めるドープ剤が添加されたドープタングステンで成る電極芯棒５の先端側に、ノンドープの高純度タングステンで成る放熱用コイル１０が、その一部を電極芯棒５の先端から該芯棒５の軸方向へ突出させるように二重巻きして巻装されたものに、その突出させたコイル部１０ｘを加熱溶融する上記のような直流アークプラズマ放電加工等を施して、図１（ｂ）の如き電極先端部４が形成されている。

なお、図２の放熱用コイル１０は、コイル部１０ｘを少なくとも一定質量の電極先端部４を形成することが可能な長さ分だけ電極芯棒５の先端から突出させて、その突出したコイル部１０ｘを加熱溶融するようになっている。

本例の電極３は、図３の如く、ドープ剤を添加して機械的強度を高めたドープタングステンで成る電極芯棒５の先端側に、ノンドープの高純度タングステンで成る放熱用コイル１０が、その一部を電極芯棒５の先端から該芯棒５の軸方向へ突出させるように巻装されて、その突出させたコイル部１０ｘの内側に高純度タングステン焼結体１２が装填されたものに、コイル部１０ｘとその内側に装填した高純度タングステン焼結体１２とを加熱溶融する加工を施して、図１（ｂ）の如き電極先端部４が形成されている。

なお、図３の放熱用コイル１０は、コイル部１０ｘとその内側に装填した高純度タングステン焼結体１２とが溶融一体化して一定質量の電極先端部４を形成することが可能な長さ分だけコイル部１０ｘを電極芯棒５の先端から突出させて、その突出したコイル部１０ｘと高純度タングステン焼結体１２を加熱溶融するようになっている。

本発明は、近年普及が目覚しい液晶プロジェクターやプロジェクションＴＶ等の光源として使用される高圧放電ランプの品質向上に資するものである。

本発明の高圧放電ランプに用いる電極の一例を示す図 本発明の高圧放電ランプに用いる電極の電極先端部を形成する前の状態を示す図 本発明の高圧放電ランプに用いる電極の電極先端部を形成する前の状態を示す図 高圧放電ランプの従来例を示す図 高圧放電ランプに用いる電極の従来例を示す図

符号の説明

１・・・・・・発光管
２・・・・・・発光部
３・・・・・・タングステン電極
４・・・・・・電極先端部
５・・・・・・電極芯棒
９・・・・・・短小棒
１０・・・・・・放熱用コイル
１２・・・・・・高純度タングステン焼結体

Claims (7)

1. 発光管の発光部内に一対のタングステン電極が電極先端部を互いに対向させるように配置された高圧放電ランプにおいて、前記電極の少なくとも一方の電極芯棒が、ドープ剤を添加して機械的強度を高めたドープタングステンで形成され、高純度タングステンで成る部材が、電極芯棒の先端から該芯棒の軸方向へ突出するように配されて、その突出部分を加熱溶融することにより略球状もしくは凸曲面形状の電極先端部が形成されていることを特徴とする高圧放電ランプ。
2. 前記ドープタングステンで成る電極芯棒の先端に、前記高純度タングステンで成る短小棒が同軸的に配されて、該短小棒が、電極芯棒の先端側に巻装する放熱用コイルによって電極芯棒の先端から該芯棒の軸方向へ突出した状態に固定され、その突出部分を加熱溶融することにより前記電極先端部が形成されている請求項１記載の高圧放電ランプ。
3. 前記放熱用コイルが、高純度タングステンで成ると共に、電極芯棒の先端から該芯棒の軸方向へ突出したそのコイル部が前記短小棒と溶融一体化して前記電極先端部が形成されている請求項２記載の高圧放電ランプ。
4. 前記短小棒が、高純度タングステン焼結体で成る請求項２又は３記載の高圧放電ランプ。
5. 前記ドープタングステンで成る電極芯棒の先端側に、前記高純度タングステンで成る放熱用コイルが、その一部を電極芯棒の先端から該芯棒の軸方向へ突出させるように巻装され、その突出させたコイル部を加熱溶融することにより前記電極先端部が形成されている請求項１記載の高圧放電ランプ。
6. 前記ドープタングステンで成る電極芯棒の先端側に、前記高純度タングステンで成る放熱用コイルが、その一部を電極芯棒の先端から該芯棒の軸方向へ突出させるように巻装され、その突出させたコイル部と、該コイル部の内側に装填した高純度タングステン焼結体とを加熱溶融することにより前記電極先端部が形成されている請求項１記載の高圧放電ランプ。
7. 前記電極先端部が、負圧雰囲気下での連続通電による直流アークプラズマ放電加工によって形成されている請求項１、２、３、４、５又は６記載の高圧放電ランプ。