JP2009099338A - 超高圧放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】 超高圧放電ランプ自身の破裂や電極の曲がり（変形）が生ずることがなく、所期の性能が長期間の間にわたって安定的に得られる超高圧放電ランプを提供すること。
【解決手段】 内部に一対の電極が対向配置されると共に０．１５ｍｇ／ｍｍ³ 以上の水銀が封入された発光部と、当該発光部の両端のそれぞれに連続して管軸に沿って伸びる封止部とよりなる発光管を具え、各々の電極は、管軸に沿って伸びる電極軸部を有し、当該電極軸部の基端側部分が前記封止部内において管軸に沿って伸びるよう気密に埋設された金属箔に接合されてなる超高圧放電ランプにおいて、少なくとも一方の電極における電極軸部は、少なくとも封止部から発光部に至る境界部分における発光管の最小内径部に対応する部分に、軸方向外方側に向かうに従って外径が大きくなるテーパー部を有することを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、例えば、液晶ディスプレイ装置やＤＭＤ（デジタルミラーデバイス：登録商標）を使用したＤＬＰ（デジタルライトプロセッサ：登録商標）などのプロジェクタ装置に使用される超高圧放電ランプに関し、特に、０．１５ｍｇ／ｍｍ³ 以上の水銀が発光管内に封入されてなり、点灯時における水銀蒸気圧が１５０気圧以上になる超高圧放電ランプに関する。

従来より、例えば液晶プロジェクタやＤＭＤを使用したＤＬＰ等に代表される投射型プロジェクタ装置においては、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できることから、発光管内に水銀や金属ハロゲン化物を封入したメタルハライドランプが光源として広く利用されてきた。

近年においては、このようなプロジェクタ装置用の光源に対して、一層の小型化、点光源化が要求されており、メタルハライドランプに代わって、点灯時の水銀蒸気圧が例えば１５０気圧以上になる超高圧放電ランプを使用することが主流になっている。
このような超高圧水銀ランプを光源として使用すれば、水銀蒸気圧が極めて高いことにより、放電アークの広がりを抑えることができるので、より一層の光出力の向上を図ることができる。

このような超高圧放電ランプは、内部に密閉空間を備える球状の発光部およびこの発光部の両端に連続してそれぞれ管軸に沿って伸びるロッド状の封止部よりなる、例えば石英ガラス製の発光管を具えてなり、発光部内には、各々、例えばタングステンからなる一対の電極が対向配置され、各々の電極がそれぞれ各々の封止部内において管軸に沿って伸びるよう気密に埋設された金属箔を介して封止部の外端面より外方に突出して伸びるよう設けられた外部リードに電気的に接続されている。

而して、例えばプロジェクタ用の光源として利用される超高圧放電ランプは、点灯、消灯を繰り返して使用されるため、点灯時および消灯時に、電極材料と発光管材料との熱膨張率差に起因して封止部に応力が発生しやすく、超高圧放電ランプの耐圧性を低下させることが知られている。

このような問題に対して、超高圧放電ランプの耐圧性を向上させるための種々対策が講じられており、具体的には、例えば、図８に示すように、電極材料の膨張、収縮に起因して発光管４２の構成材料例えば石英ガラスに生ずる応力を緩和させるために、電極４０の、封止部４３内に埋設されたロッド状の電極部分にコイル部材４１を巻き付ける構成の超高圧放電ランプが提案されている（特許文献１参照）。
このような構成の超高圧放電ランプによれば、電極部材と石英ガラスとが直接密着しない構成とされていることにより、点灯時および消灯時における電極４０の膨張、収縮に起因する応力を緩和することができる、とされている。

また、電極の膨張、収縮に起因して発光管材料に生ずる応力を緩和させる技術として、例えば、図９に示すように、電極４５として、アーク放電を保持する先端部側から金属箔４８に接合される後端部側に向かうに従って徐々に直径が減少するテーパー部４６を有するものが用いられ、このテーパー部４６が封止部５２から発光部５１に至る境界部分における発光管５０の最小内径部Ｐに対応して位置されると共に、テーパー部４６とガラス部材との間に、比較的大きな隙間が形成された状態で配置することによって、点灯時および消灯時における電極４５の膨張、収縮が生じても、電極４５が発光管５０の内面に接触して発光管５０（封止部５２）に応力が発生することが防止された構造の超高圧放電ランプが提案されている（特許文献２参照）。

特開平１１−１７６３８５号公報 特開２００４−５５４３８号公報

しかしながら、上記従来の超高圧放電ランプでは、点灯、消灯が繰り返して行われていくと、封止部から発光部に至る境界部分における発光管の最小内径部に対応する位置において、電極が大きく曲がり、電極が破断してしまうことがあるという、問題が生ずることが判明した。
また、封止部から発光部に至る境界部分における発光管の最小内径部において、クラックが発生して超高圧放電ランプ自身が破裂することがあるという、問題が生ずることが判明した。

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、超高圧放電ランプ自身の破裂や電極の曲がり（変形）が生ずることがなく、所期の性能が長期間の間にわたって安定的に得られる超高圧放電ランプを提供することを目的とする。

本発明の超高圧放電ランプは、内部に一対の電極が対向配置されると共に０．１５ｍｇ／ｍｍ³ 以上の水銀が封入された発光部と、当該発光部の両端のそれぞれに連続して管軸に沿って伸びる封止部とよりなる発光管を具え、
各々の電極は、管軸に沿って伸びる電極軸部を有し、当該電極軸部の基端側部分が前記封止部内において管軸に沿って伸びるよう気密に埋設された金属箔に接合されてなる超高圧放電ランプにおいて、
少なくとも一方の電極における電極軸部は、少なくとも封止部から発光部に至る境界部分における発光管の最小内径部に対応する部分に、軸方向外方側に向かうに従って外径が大きくなるテーパー部を有することを特徴とする。

本発明の超高圧放電ランプにおいては、前記電極軸部のテーパー部は、軸方向外方側に向かうに従って外径が一様に大きくなるよう形成されており、電極の中心軸に対する開き角Ａが０．２°≦Ａ≦８°の範囲であることが好ましい。

本発明の超高圧放電ランプによれば、少なくとも一方の電極が、封止部から発光部に至る境界部分における発光管の最小内径部に対応する位置に、軸方向外方側に向かうに従って外径が大きくなるテーパー部を有する構成とされていることにより、主として、点灯時において熱膨張した状態にある電極がランプが消灯されたときに収縮する過程において、テーパー面の作用によって、電極の表面が発光管の最小内径部の内面に対して離間するよう径方向および軸方向に収縮されるため、電極の収縮（形状復元）が発光管によって阻害されることを防止することができると共に、点灯時に電極が発光管の内面と熱的に密着した場合であっても、ランプが消灯されたときに、電極をテーパー面の作用によって発光管から容易に引き剥がすことができる結果、電極曲がりが発生することを確実に防止することができる。
しかも、電極のテーパー部分の外面と発光管の内面とが熱的に密着したままの状態となることを確実に防止することができるので、点灯および消灯動作が繰り返して行われた場合であっても、封止部にクラックが発生して超高圧放電ランプ自身が破裂することを確実に防止することができ、従って、所期の性能が長期間の間にわたって安定的に得られる。

図１は、本発明の超高圧放電ランプの一例における構成の概略を示す断面図、図２は、図１に示す超高圧放電ランプの一部を示す拡大断面図である。
この超高圧放電ランプ１０は、内部に放電空間を形成する例えば略球形状または略楕円球形状の発光部１２およびこの発光部１２の両端のそれぞれに連続して管軸方向外方に伸びるロッド状の封止部１３よりなる、例えば石英ガラスよりなる発光管１１を備えており、封止部１３は例えばシュリンクシール法により形成されている。

発光部１２の内部には、各々、例えばタングステン等からなる一対の電極２０が互いに対向して配置されており、各々の電極２０は、各封止部１３内において管軸方向に伸びるよう気密に埋設されて配設された、それぞれモリブデン等の導電性材料からなる帯板状の金属箔１８を介して、封止部１３の外端面より管軸方向外方に突出して伸びる外部リード１５に電気的に接続されている。ここに、電極間距離は、例えば０．５〜２．０ｍｍである。

また、発光部１２の内部には、水銀、希ガスおよびハロゲンガスが封入されている。
水銀の封入量は、点灯時における発光部１２内の水銀蒸気圧が１５０気圧以上となる量、例えば０．１５ｍｇ／ｍｍ³ 以上とされている。また、点灯時の水銀蒸気圧が２００気圧あるいは３００気圧以上となる量の水銀を封入して、点灯時の水銀蒸気圧をさらに高くすることにより、プロジェクタ装置に適した光源として確実に構成することができる。
希ガスは、点灯始動性を改善するためのものであって、例えばアルゴンガスが１３ｋＰａの量で封入されている。
ハロゲンガスは、ハロゲンサイクルを利用してランプの寿命を延ばすと共に発光部１２の破損および失透を防止するためのものであって、その封入量は、例えば１０^-6〜１０^-2μｍｏｌ／ｍｍ³ の範囲内において、ランプの仕様に応じて適宜調整される。

各々の電極２０は、例えばロッド状の電極材料を切削することにより形成されたものであり、コイル部２２が形成された電極本体部２１と、この電極本体部２１に連続して軸方向外方に伸びる電極軸部２５とにより構成されている。
電極軸部２５は、ロッド状の先端側部分２６と、この先端側部分２６に続く、軸方向外方側に向かうに従って外径の大きさが一様に大きくなるテーパー部分２７と、このテーパー部分２７に続くロッド状の基端側部分２８とを有する。
各々の電極２０は、電極軸部２５のテーパー部分２７が、少なくとも封止部１３から発光部１２に至る境界部分における発光管１１の最小内径部の位置Ｐに対応する状態で、換言すれば、当該最小内径部の位置Ｐが電極軸部２５のテーパー部分２７に位置された状態で、配置されている。
具体的には、点灯時における電極の軸方向の膨張量（伸び）を考慮すると、電極軸部２５のテーパー部分２７が封止部１３から発光部１２に至る境界部分における発光管１１の最小内径部の位置Ｐを含む長さ０．５ｍｍの領域内に対応するよう位置されていることが好ましい。

電極軸部２５におけるテーパー部分２７の、電極２０の中心軸に対する開き角Ａは、例えば０．２°≦Ａ≦８°の範囲であることが好ましい。開き角Ａが上記角度範囲内であることにより、電極曲がりおよび発光管１１の破裂が生ずることを確実に防止することができる。これに対して、開き角Ａが８°より大きい場合には、発光管１１の破裂が生じやすくなり、開き角Ａが０．２°より小さい場合には、電極曲がりが生じやすくなる。

上記超高圧放電ランプ１０の電極２０のその他の構成部分に関する数値例を示すと、例えばランプ電力が１００〜３００Ｗである超高圧放電ランプの場合には、電極軸部２５における基端側部分２８の外径Ｄ１および先端側部分２６の外径Ｄ２は、テーパー部分２７の開き角Ａが上記角度範囲を満足するよう設定されていれば、特に限定されるものではないが、例えば、基端側部分２８の外径Ｄ１が０．４〜０．８ｍｍの範囲、先端側部分２６の外径Ｄ２が０．３５〜０．７８ｍｍの範囲、電極軸部２５における基端側部分２８の長さが例えば０．５〜３．０ｍｍの範囲、電極軸部２５における先端側部分２６の長さが例えば０．５〜３．０ｍｍの範囲であり、電極軸部２５のテーパー部分２７の長さＬが例えば０．５〜２．９ｍｍの範囲、電極本体部２１の外径が例えば１．０〜３．０ｍｍの範囲、長さが例えば２．５〜５．０ｍｍの範囲である。

而して、上記のような超高圧放電ランプの点灯時においては、図３に示すように、電極２０は径方向に膨張すると共に軸方向においても主に発光部方向（軸方向内方）に膨張するのに対して、発光管１１は、その構成材料である例えば石英ガラスの熱膨張係数が電極２０を構成する例えばタングステンのそれよりもはるかに小さいため、電極２０と比べてほとんど膨張せず、その形状は維持されたままの状態であることから、電極２０が膨張することによって発光管１１、特に、封止部１３から発光部１２に至る境界部分における最小内径部の位置Ｐの内面に接触してその一部が熱的に密着し、その後、超高圧放電ランプが消灯されたときに、電極２０が収縮されるに際して、当該密着した部分を支点として電極曲がりが発生したり、その後、点灯および消灯が繰り返して行われることにより、電極２０の膨張、収縮による発光管１１に生ずる応力に起因して当該密着した部分にクラックが発生して破裂に至るおそれがある。

然るに、電極２０が、封止部１３から発光部１２に至る境界部分における発光管１１の最小内径部に対応する位置Ｐにおいて、軸方向外方側に向かうに従って外径が一様に大きくなるテーパー部分２７を有する構成とされていることにより、上記構成の超高圧放電ランプ１０によれば、点灯時において熱膨張した状態にある電極２０が消灯時に収縮する過程において、テーパー面の作用によって、電極２０の表面が発光管１１の最小径部の内面に対して離間するよう径方向および軸方向に収縮されるため、電極２０の収縮（形状復元）が発光管１１によって阻害されることを防止することができると共に、点灯時に電極２０が発光管１１と熱的に密着した場合であっても、ランプが消灯されたときに、電極２０をテーパー面の作用によって発光管１１から容易に引き剥がすことができる結果、電極曲がりが発生することを確実に防止することができる。
しかも、電極２０のテーパー部分２７の外面と発光管１１の内面とが熱的に密着したままの状態となることを確実に防止することができるので、点灯および消灯が繰り返して行われた場合であっても、封止部１３にクラックが発生して超高圧放電ランプ１０自身が破裂することを確実に防止することができ、従って、所期の性能が長期間の間にわたって安定的に得られる。

以下、本発明の効果を確認するために行った実験例について説明する。
図１に示す超高圧水銀ランプの構成に従って、電極軸部の基端側部分の外径Ｄ１、電極軸部の先端側部分の外径Ｄ２、電極軸部のテーパー部分の長さＬおよび電極軸部のテーパー部分の開き角Ａが下記表１に従って変更された２０種類の超高圧放電ランプを、以下の仕様に基づいて、各５本ずつ、合計１００本作製した。

＜ランプ基本仕様＞
発光管は、発光部の最大外径が１２ｍｍ、発光部の全長が１２ｍｍ、発光部の内容積が１３７ｍｍ³ 、封止部の外径が５．７ｍｍ、封止部の長さが２２ｍｍである。
電極は、電極軸部の基端側部分の長さが０．６ｍｍ、電極軸部の先端側部分の長さが０．５ｍｍ、電極本体部の外径が１．８ｍｍ、電極本体部の長さが８．０ｍｍであるものである。
水銀の封入量は０．１５ｍｇ／ｍｍ³ であり、アルゴンガス（希ガス）の封入量が１３ｋＰａであり、ハロゲンガスの封入量が３．０μｍｏｌ／ｍｍ³ である。
封止部は、シュリンクシール法によって形成されたものであり、封止部から発光部に至る境界部分における発光管の最小内径部を含む長さ０．５ｍｍの領域が、電極のテーパー部分に対応するよう形成されている。

このようにして得られた超高圧放電ランプの各々について、下記表１に示す点灯電力で、１５分間の間連続点灯した後、１５分間の間消灯する動作を、５００回繰り返して行う点灯試験を実施することにより、電極曲がりの発生有無を調べた。その結果を下記表１に示す。
電極曲がりの評価については、試験前後で電極先端位置が１．０ｍｍ以上変化した場合を「電極曲がり」が発生しているものと判断し、各ランプ群について、電極曲がりが発生したランプの本数を調べ、電極曲がりの発生がなかったものを「○」、電極曲がりの発生が２本以下であるものを「△」、電極曲がりが３本以上発生したものを「×」とした。

また、上記の超高圧放電ランプの各々について、下記表１に示す点灯電力で、１５分間の間連続点灯した後、１５分間の間消灯する動作を５００回繰り返して行う点灯試験を実施することにより、破裂の発生有無を調べた。結果を下記表１に示す。破裂に関して、破裂の発生がなかったものを「○」、破裂の発生が２本以下であるものを「△」、破裂が３本以上発生したものを「×」とした。
以上において、超高圧放電ランプの評価水準については、電極曲がりの発生、および、破裂のいずれか一方の評価が「×」である場合には、判定を「×」とした。

以上の実験結果から明らかなように、電極が軸方向外方に向かうに従って外径が大きくなるテーパー部分を有する構成（Ｄ１＞Ｄ２）である、本発明に係る超高圧放電ランプ（ランプ群１〜１６）によれば、電極曲がりが発生することを防止することができることが確認された。
また、電極が軸方向外方に向かうに従って外径が大きくなるテーパー部分を有する構成の超高圧放電ランプ（ランプ群１〜１６）において、さらに、テーパー部分の開き角Ａが０．２°≦Ａ≦８°であるもの（ランプ群５〜１６）によれば、電極曲がりが発生することを防止することができると共に、破裂の発生を防止することができることが確認された。
これに対して、電極がテーパー部分を有さない構成、すなわち、軸方向に対して均一な外径を有する構成（Ｄ１＝Ｄ２）の超高圧放電ランプ（ランプ１７，１８）、および、電極が軸方向外方に向かうに従って外径が小さくなるテーパー部分を有する構成（Ｄ１＜Ｄ２）の超高圧放電ランプ（ランプ１９，２０）は、電極曲がりが発生することが確認された。ランプ群１７〜２０におけるランプに「電極曲がり」が発生した理由としては、消灯するときに、電極の収縮が発光管によって阻害されてしまうためであると考えられる。

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、電極は、封止部から発光部に至る境界部分における発光管の最小内径部に対応する位置において、軸方向外方側に向かうに従って外径が大きくなるテーパー部分を有する形状とされてさえいれば、上記実施形態に係る形状のものに限定されるものではなく、例えば図４および図５に示す形状のものであっても、上記実施例と同様の効果を得ることができる。

図４に示す電極２０のテーパー部分２７は、電極２０の中心軸を含む断面において、先端側部分と基端側部分とを結ぶ仮想直線（稜線）に対して内方側に凸状となる形状を有し、電極２０の軸方向に対して基端側に向かうに従って外径が大きくなるよう構成されている。
この電極２０におけるテーパー部分の開き角Ａは、上記実施例に係るものと同様に定義され、開き角Ａが０．２°≦Ａ≦８°とされていることが好ましい。

図５に示す電極２０のテーパー部分２７は、電極２０の中心軸を含む断面において、先端側部分と基端側部分とを結ぶ仮想直線（稜線）に対して外方側に凸状となる形状を有し、電極２０の軸方向に対して基端側に向かうに従って外径が大きくなるよう構成されている。
この電極２０におけるテーパー部分の開き角Ａは、上記実施例に係るものと同様に定義され、開き角Ａが０．２°≦Ａ≦８°とされていることが好ましい。

さらに、電極における電極軸部全体が軸方向に対して基端側に向かうに従って外径が大きくなるテーパー状に構成されたものであっても、図１および図２に示す電極において、先端側部分および後端側部分のいずれか一方を有さない構成のものであってもよい。

さらにまた、本発明の超高圧放電ランプにおける電極は、電極本体部および電極軸部が一体に形成されたものである必要はなく、例えば、図６に示すように、外径Ｄ２の先端側部分３６、テーパー部分３７および外径Ｄ２（＞Ｄ１）の基端側部分３８を有する電極軸部３５の先端にタングステンからなる線材を巻回した状態で先端側に位置される一部分を溶融させることにより、電極軸部３５の先端が溶融することなく残存することによって、点灯時に放電アークが集中する突起部３３が形成されると共に、溶融することなく残存するタングステン線材の一部によってコイル部３２が構成され、これにより、電極本体部３１が形成されてなる電極３０であってもよい。

さらにまた、本発明の超高圧放電ランプにおいては、電極がテーパー部分を有するものであれば、その他の構成は上記実施例のものに限定されるものではい。
（１）図７に示すように、電極２０のテーパー部分２７の基端から基端側部分２８に続く領域にコイル部材２９が設けられ、これにより、電極軸部２５と発光管とが直接的に接触しない構造とされていてもよい。
（２）本発明の超高圧放電ランプにおいては、発光管における封止部がシュリンクシール法により形成されたものに限定されず、ピンチシール法により形成されたものであってもよい。
（３）交流点灯型および直流点灯型のいずれについても、本発明を適用することができ、例えば直流点灯型のものにおいては、陰極をテーパー部分を有するものとして構成することにより、所期の効果を得ることができる。

本発明の超高圧放電ランプの一例における構成の概略を示す断面図である。 図１に示す超高圧放電ランプの一部を示す拡大断面図である。 図１に示す超高圧放電ランプの点灯および消灯による電極の膨張、収縮状態を示す断面図である。 本発明の超高圧放電ランプの他の例における構成の一部を概略的に示す断面図である。 本発明の超高圧放電ランプのさらに他の例における構成の一部を概略的に示す断面図である。 本発明の超高圧放電ランプのさらに他の例における構成の一部を概略的に示す断面図である。 本発明の超高圧放電ランプのさらに他の例における構成の一部を概略的に示す断面図である。 従来の超高圧放電ランプの一例における構成の一部を概略的に示す断面図である。 従来の超高圧放電ランプの他の例における構成の一部を概略的に示す断面図である。

符号の説明

１０ 超高圧放電ランプ
１１ 発光管
１２ 発光部
１３ 封止部
１５ 外部リード
１８ 金属箔
２０ 電極
２１ 電極本体部
２２ コイル部
２５ 電極軸部
２６ 先端側部分
２７ テーパー部分
２８ 基端側部分
２９ コイル部材
３０ 電極
３１ 電極本体部
３２ コイル部
３３ 突起部
３５ 電極軸部
３６ 先端側部分
３７ テーパー部分
３８ 基端側部分
４０ 電極
４１ コイル部材
４２ 発光管
４３ 封止部
４５ 電極
４６ テーパー部
４８ 金属箔
５０ 発光管
５１ 発光部
５２ 封止部

Claims (2)

1. 内部に一対の電極が対向配置されると共に０．１５ｍｇ／ｍｍ³ 以上の水銀が封入された発光部と、当該発光部の両端のそれぞれに連続して管軸に沿って伸びる封止部とよりなる発光管を具え、
   各々の電極は、管軸に沿って伸びる電極軸部を有し、当該電極軸部の基端側部分が前記封止部内において管軸に沿って伸びるよう気密に埋設された金属箔に接合されてなる超高圧放電ランプにおいて、
   少なくとも一方の電極における電極軸部は、少なくとも封止部から発光部に至る境界部分における発光管の最小内径部に対応する部分に、軸方向外方側に向かうに従って外径が大きくなるテーパー部を有することを特徴とする超高圧放電ランプ。
2. 前記電極軸部のテーパー部は、軸方向外方側に向かうに従って外径が一様に大きくなるよう形成されており、電極の中心軸に対する開き角Ａが０．２°≦Ａ≦８°の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の超高圧放電ランプ。

Images