JP2009105062A - ショートアーク型超高圧水銀ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】電極の形状変化を抑えて常に安定なアーク放電を作ることが可能なショートアーク型超高圧水銀ランプを提供すること。
【解決手段】 水銀と、希ガスと、ハロゲンを封入したショートアーク型超高圧水銀ランプにおいて、前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極は、軸部に巻き付けたコイルの根元側の切れ端が、レーザ照射により、電極軸に溶融されていることを特徴とするショートアーク型超高圧水銀ランプ。
【選択図】 図１

Description

この発明はショートアーク型超高圧水銀ランプに関する。特に、発光管内に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀が封入され点灯時の水銀蒸気圧が１１０気圧以上となる超高圧水銀ランプを光源とした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に使われる光源用放電ランプに関する。

投射型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、水銀や金属ハロゲン化物を封入させたメタルハライドランプが使われている。また、このようなメタルハライドランプも、最近では、より一層の小型化、点光源化が進められ、また電極間距離の極めて小さいものが実用化されている。

このような背景のもと、最近では、メタルハライドランプに代わって、今までにない高い水銀蒸気圧、例えば１５０気圧、を持つランプが提案されている。これは、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というものである。
このような超高圧放電ランプは、例えば、特開平２−１４８５６１号、特開平６−５２８３０号に開示されている。

上記ランプは、例えば、石英ガラスからなる発光管に一対の電極を２ｍｍ以下の間隔で対向配置し、この発光管に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と１×１０^−６〜１×１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲でハロゲンを封入した超高圧水銀ランプが使われる。ハロゲンを封入する主目的は発光管の失透防止であるが、これにより、いわゆるハロゲンサイクルも生じる。

ところで、上記超高圧水銀ランプ（以下、単に放電ランプともいう）は、点灯時間の経過とともに電極形状が変形して放電アークの形状が乱れるという現象が起こる。この現象は放電ランプによって発生するものもあれば、全く発生しないものもあるが、この形状変化が激しくなると放電ランプとしては使うことができなくなる。

特開２００１−３１２９９７号 特開平６−８９６９９号

この発明が解決しようとする課題は、電極の形状変化を抑えて常に安定なアーク放電を作ることが可能なショートアーク型超高圧水銀ランプを提供することである。

上記課題を解決するために、請求項１に係るショートアーク型超高圧水銀ランプは、石英ガラスからなる発光管に一対の電極を２ｍｍ以下の間隔で対向配置し、この発光管に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、希ガスと、１×１０^−６〜１×１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲でハロゲンを封入した構造であって、前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極は、軸部に巻き付けたコイルの根元側の切れ端が、レーザ照射により、電極軸に溶融されていることを特徴とする。
さらに、前記コイル部と前記発光間内表面の最短距離は２．０ｍｍ以内であることを特徴とする。

本発明者らは、鋭意検討した結果、前記電極形状の変化はランプ始動直後のグロー放電からアーク放電に移行するときの、コイル後端を起点とする放電が起こっているときの、コイル後端における電流集中が原因であることを突き止めた。この原因から放電容器内における化学反応によりコイル後端部にタングステンが蓄積して、数百時間の点灯により放電容器内面に到達するまで成長してしまい、場合によっては放電容器にクラックを発生させることが判明した。

本発明に係る超高圧水銀ランプを示す。 本発明に係る超高圧水銀ランプの電極の構造を示す。 本発明に係る超高圧水銀ランプの電極の構造を示す。 本発明に係る超高圧水銀ランプの電極の製造方法を示す。 本発明に係る超高圧水銀ランプを使った光源装置を示す。

図３は電極の根元付近の拡大構造を表す。（ａ）（ｂ）は同一の構造を示すが、（ａ）が構成を説明するための符号を付しており、（ｂ）は放電容器内の反応を説明するための符号を付している。
本発明の放電ランプのようにプロジェクター装置に搭載されてランプは、プロジェクター装置の小型化の要請により、放電ランプ自身も小型化が強く求められている。その一方で、放電ランプは高い温度条件で点灯されることから、電極には熱容量を持たせる必要があり、ある程度の大きさ（体積）が必要となる。
従って、図に示すように、電極１のコイル部４と放電容器の壁との距離Ｌは極めて短くなってしまい、数値例をあげると、２．０ｍｍ以下であり、具体的には１．５ｍｍ以下や１．０ｍｍ以下のランプも存在している。なお、ここで定義される距離とは、コイル部と放電容器の壁との最短距離である。

さらに、本発明者らは、ランプ点灯に伴い距離Ｌがより短くなっていく原因を以下のように推測している。
すなわち、コイル４の後端部に電流が集中すると、局所的に加熱されたタングステンは表面から放射状に飛散するように蒸発する。蒸発したタングステンは水銀および希ガスよりも電離電圧が低いためアークeにより容易に電離され、コイル４の後端部から最も近い放電容器内表面にアークeの経路を導く。その結果、図示のように放電容器の内面に高温のアークeが接触、あるいは衝突することになり、これが原因となって、放電容器内面が局部的に凹むとともに、放電容器の構成材料である石英ガラス（ＳｉＯ_２）が蒸発する。蒸発したＳｉＯ_２は、放電プラズマによりＳｉとＯに分離して、電極先端からタングステンの酸化物としての蒸発を招くことになる。このタングステンの酸化物がコイル後端部に輸送され、酸素の脱離反応によりWとして堆積することで距離Ｌをより短くすることになる。ランプ始動のたびにある確率でこの現象が生じると、さらなる成長を招いてこれら反応サイクルの繰り返しにより放電容器内面に接触するまで成長、蓄積したものと考える。
上記現象は、コイルと放電容器内面が極めて近い放電ランプにおいて生ずるものではあるが、本発明者らはコイル後端部から生じる放電アークが、放電開始とともに電流集中を抑制することさえできれば、このような問題には発展しないことを見出したわけである。

図１に本発明のショートアーク型超高圧水銀ランプ（以下、単に「放電ランプ」ともいう）の全体構成を示す。
放電ランプ１０は、石英ガラスからなる放電容器によって形成された概略球形の発光部１１を有し、この発光部１１には、一対の電極１が互いに対向して配置する。また、発光部１１の両端部から伸びるよう封止部１２が形成され、これらの封止部１２内には、通常モリブデンよりなる導電用金属箔１３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。一対の電極１は軸部が、金属箔１３に溶接されて電気的に接続され、また、金属箔１３の他端には、外部に突出する外部リード１４が溶接されている。

発光部１１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という放射光を得るためのもので、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気圧以上で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水銀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、１０^−６〜１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲から選択される。その機能はハロゲンサイクルを利用した長寿命化も存在するが、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、このようなハロゲンを封入することが放電容器の失透防止を主目的としている。

放電ランプの数値例を示すと、例えば、発光部の最大外径９．５ｍｍ、電極間距離１．５ｍｍ、発光管内容積７５ｍｍ^３、定格電圧８０Ｖ、定格電力１５０Ｗであり、交流点灯される。
また、この種の放電ランプは、小型化するプロジェクター装置に内蔵されるものであり、装置の全体寸法が極めて小型化される一方で高い光量が要求されることから、発光管部内の熱的影響は極めて厳しいものとなり、ランプの管壁負荷値は０．８〜２．０Ｗ／ｍｍ²、具体的には１．５Ｗ／ｍｍ²となる。
このような高い水銀蒸気圧や管壁負荷値を有することが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た場合に、演色性の良い放射光を提供することができる。

図２は電極１の拡大図を示す。（ａ）（ｂ）（ｃ）はそれぞれ本発明の実施形態を示している。
いずれの図においても、電極１は、突起部２、太径部３、コイル部４と軸部５から構成される。
突起部２は、軸部５の先端によって形成されており、軸部５の外径に等しいか、あるいは溶融により若干大きいあるいは小さい値を有している。すなわち、突起部２は放電ランプの点灯によって、発生して成長するものではなく、軸部５の先端面によってもともと形成されている。
太径部３は、例えば糸状のタングステンをコイル状に巻き付けた状態から溶融して形成される。このため溶融太径部ともいい塊状になることで熱容量を大きくできる。特に、本発明の放電ランプは発光部内がきわめて熱的条件の厳しいものであるから太径部３は必要となる。
コイル部４は、同じく糸状のタングステンをコイル状に巻き付けた状態から前方部分が溶融して太径部３となり、残ったコイルの部分により形成される。コイル部４は、点灯始動時においては表面の凹凸効果により始動の種（始動開始位置）として機能するとともに、点灯後においては表面の凹凸効果と熱容量により放熱の機能を有している。また、コイルは細線のため加熱されやすく、グロー放電からアーク放電への移行を容易にする働きがある。

（ａ）は、コイル部４の後端部４ａ（４ａ１、４ａ２）において、その端面（切れ端）を溶融させることでバリやエッジのような鋭角な部分が存在しない構造となっている。このため、点灯始動時にコイル部を起点として発生したアーク放電は、点灯始動後も持続するようなことはなく、速やかに突起部２まで移行することになる。
鋭角が存在しない構造とは、コイルの端部を曲面化処理することであり、曲面化処理とはバリやエッジは存在しないように曲面形状にすることである。この曲面化処理は、例えば、レーザ光で形成できる。
また、図のように、コイルを軸部５に対して二重に巻きつける構造においては、内部に巻き付けたコイルの端部４ａ２と、外部に巻き付けたコイルの端部４ａ１の両方に対して鋭角が存在しないように曲面化処理をする必要がある。二重に巻き付ける理由は熱容量を大きくするためである。

（ｂ）は、軸部５に巻き付けたコイル部が電極の先端から根元に向かって巻きつけて、その後、折り返して再び先端に向かって巻きつける構造となっている。つまり、コイルの端部は太径部４を一体的に溶融しており、根元側端部はいわゆる切れ端が存在しない構造を形成している。このようなコイル部構造も、コイルの根元側端部は、バリやエッジなどの鋭角な部分が存在しない構造といえる。
この構造の利点は、コイル部４の根元側端部において、レーザ光の照射などの特別な処理をする必要がないため、製造作業が極めて容易になることである。

（ｃ）は、コイル部４が、前方のみならず後端部においても軸部５と一体的に溶融していることである。このためコイル部の根元側は鋭角な部分が存在しないばかりか、端部そのものが存在しない構造となっている。
この構造の利点は、バリやエッジのような鋭角な部分の存在を確実になくすことができることである。

図４は電極１の製造方法の一例を説明するための概略図であり、図３（ａ）の電極構造の製造方法について説明している。
（ａ）は電極ができ上がる前の状態を表すもので、タングステンからなる軸部５に対して、糸状のコイル４’が巻き付けられる。コイル４’は、例えばタングステンからなり、軸部５に対して、例えば２層に巻き付けられている。ここでコイル４’の端部には、バリエッジなどの鋭角な部分（いわゆる切れ端）Ｓ１、Ｓ２が存在する。
数値例をあげると、軸部５の長さは５．０〜１０．０ｍｍの範囲であって、例えば７．０ｍｍ、軸部５の外径はΦ０．２〜０．６ｍｍの範囲であって、例えば０．４ｍｍである。また、コイル４’の位置は軸部５の先端から０．４〜０．６ｍｍの範囲であって、例えば０．５ｍｍ離れた位置から巻きつけられ、軸方向に１．５〜３．０mmの範囲であって、例えば１．７５ｍｍの長さで巻きつけられている。
また、コイル４’の線径はΦ０．１〜０．３の範囲であって、例えば、０．２５ｍｍである。
このようなコイル４’の線径や層数は、放電ランプの仕様と後述するレーザ光のビーム径に対応して適宜設定できる。

（ｂ）はコイル４’の先端部分にレーザ光を照射する状態を表している。レーザ光は、例えばＹＡＧレーザなどの放射光であって、軸部５の先端に一番近いコイル４’を照射する。その後は、必要に応じて、照射位置を後端にずらして照射する。
レーザ光をコイル４’の所定の位置に確実に照射させることにより、軸部５に巻きつけたコイル４’を設計どおりに溶融させることができ、これにより、溶融太径部３を形成できるとともに、コイル先端の鋭角部分Ｓ１も除去することができる。

（ｃ）は上記レーザ光の照射によって、太径部３が形成された状態を示す。太径部３は表面が溶融して滑らかなものとなっている。
数値例をあげると、突起部の外径はΦ０．１５〜０．６ｍｍであって、例えばΦ０．３ｍｍ、軸方向の長さは０．１〜０．４ｍｍであって、例えば０．２５ｍｍである。太径部の外径はφ１．０〜２．０ｍｍであって、例えば１．４ｍｍであり、軸方向の長さは０．７〜２．０ｍｍであって、例えば１．０ｍｍである。
なお、太径部３はコイルを溶融させることでできるものであるが、コイルの後端を溶融させることなく残すことでコイル部４が形成される。コイル部４の後端には鋭角な部分Ｓ２が残っている。

（ｄ）はコイル部４の後端に存在する鋭角な部分Ｓ２に対してレーザ光を照射させている。（ｂ）におけるレーザ照射はコイルを溶融させて突起部２、太径部３など電極を形成することを主目的とするのに対し、この工程におけるレーザ照射はバリなどの鋭角な部分の除去を目的としている。従って、本工程におけるレーザ照射は、（ｂ）におけるレーザ照射に対し、光の強度やビーム径を変更する。

（ｂ）（ｄ）のレーザ光の照射は、電極が酸化しないためにアルゴンガスなどの雰囲気で行うことが好ましい。
（ｂ）工程におけるレーザ光照射について、数値例をあげると、ビーム径はΦ０．２〜０．７ｍｍであって、例えばΦ０．６ｍｍ、また、照射時間は０．２〜１．０秒であって、例えば０．３５秒である。（ｄ）工程は、一般的にはこれよりも小さい数値となるが、鋭角部分が大きい場合などはこの限りではない。
また、レーザ照射は連続的に照射することもできるが、パルス的に照射させることもできる。この場合のパルス照射とは短時間（ｍ秒レベル）の照射と休止を繰り返す照射であって、通常は連続的な照射よりも効果的である。

以上のように、本発明の放電ランプはコイルの根元側端部に鋭角な部分が存在しないように処理している。このため、点灯始動時に発生したアーク放電を速やかに電極の先端まで移行することができる。このため、根元放電にもとづく放電容器内面のＳｉＯ_２の蒸発や電極先端からの酸化タングステンの蒸発とその蓄積を防止あるいは減少することができる。結果として、コイルの根元側端部にタングステンが蓄積することによる電極形状の変形を抑えることができる。

ここで、本発明の放電ランプは、第一に、コイル部と放電容器内面の最短距離（図３における距離Ｌ）が小さいことが前提となる。最短距離Ｌが小さいからこそ、根元放電により放電容器内面にアークが衝突、接触するからである。具体的には、最短距離Ｌは２．０ｍｍ以下であって、１．５ｍｍ以下、１．０ｍｍ以下において顕著に発生する。

第二に、本発明の放電ランプは電極間距離が２ｍｍ以下であって、発光部に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、希ガスと、１×１０^−６〜１×１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲でハロゲンを封入したショートアーク型超高圧水銀ランプが前提となっている。
このような構成の放電ランプであるからこそ、放電容器内面から放出されたＳｉＯ₂が放電プラズマでＳｉとＯに分離して、Ｓｉが電極の構成材料であるタングステン（Ｗ）に固溶して融点を下げて電極を損耗させ、放電空間内の酸素（Ｏ）と反応してコイル根元まで輸送蓄積するからである。ここで、酸素（Ｏ）が適量であるならばハロゲンサイクルとして機能して、放電容器内壁へのタングステン（Ｗ）の輸送を抑制する働きがあるが、コイル部を起点として発生したアーク放電により放電容器内面のＳｉＯ₂が蒸発した場合、放電空間内に酸化タングステン（ＷＯ_ｘ）が多くなり、過剰な酸化タングステンがコイルの根元側端部まで輸送され、Wが析出することになる。

従って、上記構成を具備していない放電ランプであって、使用用途などが全く異なる放電ランプにおいて、電極にコイルを巻き付ける構造は従来から知られているかもしれない。しかし、そのような放電ランプは、もともとコイルの根元側端部にタングステンが蓄積するという現象は生じないため、すなわち技術的課題が存在しないものであるから、このような先行技術は本発明と全く次元を異にするものといえる。

本発明の放電ランプは電極の先端に突起部を有することを特徴とする。この突起部によりアーク放電を安定させるとともに、発光部に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、希ガスと、１×１０^−６〜１×１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲でハロゲンを封入したショートアーク型の放電ランプの場合は、当該突起が自己制御的に伸縮することで電極間距離を最適値に調整することが可能となる。
そして、突起部は軸部を利用して予め形成されることで自己制御的に伸縮する方向を予め規制することができる。しかし、突起部を放電ランプの製作時においては形成することなく、いわゆるゼロの状態からランプ点灯に伴い形成することも可能である。

放電ランプについて数値例をあげると以下のようになる。
発光部外径は、Φ８〜Φ１２ｍｍの範囲であって、例えば、１０．０ｍｍ、発光部内容積は、５０〜１２０ｍｍ^３の範囲であって、例えば、６５ｍｍ^３、電極間距離は０．７〜２ｍｍの範囲であって、例えば、１．０ｍｍである。
また、放電ランプは定格２００Ｗ、矩形波１５０Ｈｚで点灯する。

電極１は純度９９．９９９９％以上のタングステンから構成することが望ましい。これは電極に含まれる不純物が放電空間に放出された場合、放電容器の失透，黒化の原因になるからである。

図５は放電ランプ１０とこの放電ランプ１０を取り囲む凹面反射鏡２０、さらにこの組み合わせ（以下、放電ランプ１０と凹面反射鏡２０の組み合わせを光源装置と称する）をプロジェクター装置３０に組み込んだ状態を示す。プロジェクター装置３０は、現実には、複雑な光学部品や電気部品などが密集するものであるが、図においては説明の便宜上簡略化して表現している。
放電ランプ１０は凹面反射鏡２０の頂部開口を通して保持される。放電ランプ１０の一方の端子Ｔ１と他方の端子Ｔ２に不図示の給電装置が接続される。凹面反射鏡２０は楕円反射鏡や放物面鏡が採用され、反射面には所定の波長の光を反射する蒸着膜が施される。
凹面反射鏡２０の焦点位置は、放電ランプ１０のアーク位置に設計されており、アーク起点の光を効率よく反射鏡によって取り出すことができる。
なお、凹面反射鏡２０には前面開口を塞ぐ光透過性ガラスを装着することもできる。

なお、以上説明した電極構造は、放電ランプの両電極に採用することが望ましい。しかしながら、いずれか一方の電極にのみ採用することもできる。
また、上記説明は交流点灯型の超高圧水銀ランプについて説明したが、直流点灯型の超高圧水銀ランプについて適用することもできる。

以上、説明したように本発明に係る放電ランプの電極構造は、コイルの根元側端部をバリやエッジが存在しないように曲面化処理、あるいは溶融処理することを特徴とする。これにより、いわゆる根元放電の持続を防止することができ、コイル部の根元側端部にタングステンが蓄積することを防止できる。
軸部の先端によって突起が形成されていることを特徴とする。

１ 電極
２ 突起部
３ 大径部
４ コイル部
５ 軸部
１０ 放電ランプ
１１ 発光部
１２ 封止部

Claims (1)

1. 石英ガラスからなる発光管に一対の電極を２ｍｍ以下の間隔で対向配置し、この発光管に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、希ガスと、１×１０^−６〜１×１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲でハロゲンを封入したショートアーク型超高圧水銀ランプにおいて、
   前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極は、軸部に巻き付けたコイルの根元側の切れ端がレーザ照射により電極軸に溶融されているとともに、当該コイルと前記発光管内表面の最短距離が２．０ｍｍ以内であることを特徴とするショートアーク型超高圧水銀ランプ。

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