JP2010146861A

JP2010146861A - ショートアーク型放電ランプ

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Publication number: JP2010146861A
Application number: JP2008323179A
Authority: JP
Inventors: Hirohisa Ishikawa; 博久石川; Toyohiko Kumada; 豊彦熊田; Nobuhiro Nagamachi; 信宏長町
Original assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2010-07-01
Anticipated expiration: 2028-12-19
Also published as: JP5224368B2; CN101752182B; US7999475B2; CN101752182A; US20100156293A1

Abstract

【課題】電極の折れを抑制し、信頼性が高く、ランプ寿命の長いショートアーク型放電ランプを提供することにある。
【解決手段】本発明のショートアーク型放電ランプは、電極本体部２１と電極本体部２１に比べて外径の小さい軸部２２とを有する一対の電極２が発光管１内に配置されたショートアーク型放電ランプにおいて、電極本体部２１の基端側には、軸部２２に向かうに従い外径が縮小するテーパー部２４が形成され、テーパー部２４には、電極２の軸Ｌ線方向に複数の穴２６が並んで設けられている。さらに、電極２は、９９．９９９％以上の純度を有するタングステンからなることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

この発明は、ショートアーク型放電ランプに関する。特に、液晶ディスプレイ装置やＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）を用いた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用の光源であるショートアーク型放電ランプに関する。

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る。そのため、プロジェクター装置用の光源には、発光管内に水銀が０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上封入され、点灯時の発光管内の水銀蒸気圧が１５０気圧以上になるショートアーク型放電ランプが使用される。

図１は、ショートアーク型放電ランプを管軸を含む平面で切断した断面図である。
ショートアーク型放電ランプは、内部空間が形成された略球状の発光部１と、発光部１の両端に連続する柱状の封止部３を有し、内部空間には、一対の電極２が対向配置されるとともに、発光物質として０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、ハロゲンサイクルを行なうためのハロゲンガスが封入されている。
電極２の軸部２２の一部が封止部３に埋設されるとともに、給電用の金属箔４の一端に接続されている。金属箔４の他端には、封止部３から外方に突出する外部リード５が接続されている。
このような構造の放電ランプは、特許文献１に記載されている。

最近では、高出力化のために、電極に投入する電力を高くし、且つ、発光部に封入する水銀の量を増加させて点灯圧力を高める工夫がなされている。
この結果、ランプ点灯中に電極の温度がさらに上昇して、電極を構成するタングステンの結晶粒が成長して、それぞれのタングステンの結晶粒の間に存在する結晶粒界が少なくなる傾向にある。

このように、電極を構成するタングステンの結晶粒が成長して、結晶粒界が少なくなると、ランプに外部から振動が加わると、電極が折れるという問題があった。
さらには、交流点灯のランプにおいては、電極自身は、高い周期で極性反転が起きるため、この極性反転に伴い電極自体が振動し、電極が折れるという問題があった。

特開２００８−２８２５５４号

本発明は、以上のような事情に基いてなされたものであり、その目的は、電極の折れを抑制し、信頼性が高く、ランプ寿命の長いショートアーク型放電ランプを提供することにある。

請求項１記載のショートアーク型放電ランプは、電極本体部と当該電極本体部に比べて外径の小さい軸部とを有する一対の電極が発光管内に配置されたショートアーク型放電ランプにおいて、前記電極本体部の基端側には、前記軸部に向かうに従い外径が縮小するテーパー部が形成され、前記テーパー部には、前記電極の軸線方向に複数の穴が並んで設けられていることを特徴とする。

請求項１記載のショートアーク型放電ランプは、請求項１に記載のショートアーク型放電ランプであって、特に、前記電極は、９９．９９９％以上の純度を有するタングステンからなることを特徴とする。

請求項１記載のショートアーク型放電ランプは、電極本体部と当該電極本体部に比べて外径の小さい軸部とを有する一対の電極が発光管内に配置され、前記電極本体部の基端側には、前記軸部に向かうに従い外径が縮小するテーパー部が形成され、前記テーパー部には、電極の軸線方向に並んで複数の穴が設けられている。
このため、電極が最も折れやすい部分であるテーパー部に穴を設けることにより、テーパー部の電極を構成する電極構成物質の結晶粒の成長を抑制し、結晶粒界の消滅を防止することができ、電極軸方向で結晶粒が入り組んだ状態になり、結晶粒同士が結晶粒界でスベらず、電極の折れを確実に防止することができる。

請求項２記載のショートアーク型放電ランプは、９９．９９９％以上の純度を有するタングステンからなるので、電極の構成材料であるタングステンに微量に含まれる不純物が少く、電極の結晶粒界における空孔や欠陥が起因で電極の強度が低下する現象を避けられるものである。

図１は、本発明のショートアーク型放電ランプの概略構成を示す。
同図に示すショートアーク型放電ランプ（以下、単に、ランプと略すこともある）は、略球状に形成された発光管１を備える。発光管１の内部には、一対の電極２，２が互いに向き合って配置されると共に、発光物質である水銀とハロゲンガスと希ガスとが封入される。
発光管１の両端には、一対の封止部３のそれぞれが連続して伸びている。これらの封止部３の内部には、モリブデンよりなる導電用の金属箔４が、例えばシュリンクシールによって気密に封止されている。電極２の軸部２２が金属箔４の一端部に接続されて電気的に接続されている。給電用の外部リード５が、金属箔４の他端部に接続されると共に、封止部３の外端から封止部３外方に伸び出ている。
上記したショートアーク型放電ランプは、外部リード５および金属箔４を介して両電極２に給電され、例えば交流点灯される。

発光管１の内部には、水銀と、ハロゲンガスと、希ガスとが封入されている。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、点灯時の発光管内における水銀蒸気圧が１５０気圧以上となるように定められたものである。水銀をより多く封入することで点灯時の水銀蒸気圧を２００気圧以上、３００気圧以上という高い水銀蒸気圧とすることができる。水銀蒸気圧を高くすることにより、プロジェクター装置に適した光源とすることができる。
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に封入される。ハロゲンガスは、ハロゲンサイクルを利用することによりランプを長寿命化するという目的で、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る。ハロゲンガスの封入量は、１０^−６〜１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲から選択される。

ショートアーク型放電ランプの数値例は、以下のとおりである。
発光部の最大外径が９．５ｍｍ、電極間距離が１．５ｍｍ、発光管内容積が７５ｍｍ^３、定格電圧が８０Ｖ、定格電力が１５０Ｗである。また、プロジェクター装置の光源に適用されるショートアーク型放電ランプは、発光管が小型であるため発光管１内の熱的条件が極めて厳しいものとなる。例えば、管壁負荷値が０．８〜２．０Ｗ／ｍｍ^２であり、発光管の内壁と電極との最短距離が、標準のもので２．０ｍｍ以下であり、１．５ｍｍ以下、１．０ｍｍ以下のものもある。

図２は、本発明のショートアーク型放電ランプの電極の一例を示す。
同図（ａ）は電極の平面図、同図（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
電極２は、電極本体部２１と、電極本体部２１よりも外径が小さい軸部２２と、を備える。電極本体部２１の先端側には、電極本体部２１から遠ざかるに従い徐々に外径が縮小するテーパー部２３が形成されている。このテーパー部２３の先端には、突起部２５が形成されている。電極本体部２１の基端側には、軸部２２に向かうに従い徐々に外径が小さくなるように形成されたテーパー部２４が形成される。このテーパー部２４の基端部には、軸部２２が連続している。

上記の電極本体部２１、軸部２２、テーパー部２３、２４および突起部２５は、同一の部材によって物理的に一体に形成され、例えば１本のタングステン製の棒材を切削加工することによって形成される。これら電極本体部、軸部、テーパー部および突起部は、高純度のタングステン材料によって構成され、特に、純度５Ｎ（９９．９９９％）以上のタングステン材料を使用することが好ましい。

電極本体部２１の先端側に形成されたテーパー部２３は、全体が円錐台形状であり、テーパー部２３の基端部の外径が電極本体部２１の外径に等しい。突起部２５は、円錐台形状、円柱形状を有する。突起部２５は、交流点灯のランプにおいては、その近傍にアークが形成される部位であり、最も高温な部位である。突起部２５は、テーパー部２３と物理的に一体に形成することもできるが、ハロゲンガスを封入したランプにおいては、点灯時間の経過に伴って自然に形成される場合もある。
電極本体部２１の基端側に形成されたテーパー部２４は、全体が円錐台形状であり、テーパー部２４の先端部の外径が電極本体部２１の外径に等しく、テーパー部２４の基端部の外径が軸部２２の外径に等しい。

図２（ａ）に示すように、テーパー部２４には、電極の軸線Ｌ方向に複数の穴２６が並んで設けられている。同図の形態によれば、穴２６は、テーパー部２４と電極本体部２１のテーパー部２４側に形成されている。
そして、各穴２６は、図２（ｂ）に示すように、電極の軸線Ｌを中心して放射状に形成されることにより、各穴２６の各底部が電極中心に向かって伸びている。

本発明の第１実施形態に係る電極に関する数値例を以下に示す。
電極本体部２１の外径が１．８ｍｍ、電極本体部２１の全長が２．５ｍｍ、テーパー部の２３の全長が０．５ｍｍ、テーパー部２４の全長が１ｍｍ、軸部２２の外径が０．５ｍｍ、軸部２２の全長が５ｍｍである。
穴２６の形状は、凹んだ半球状の形状であって、直径３０〜１００μｍ、深さ５０〜８００μｍであり、隣合う穴２６同士の離間関係は、穴２６の中心と隣に位置する穴２６の中心との離間距離が、穴の直径の３倍以内である。
また、これらの穴２６は、電極２の軸線Ｌ方向に直線上に並んで配置されている。

穴２６は、テーパー部２４と電極本体部２１に対してレーザービームを照射することにより形成される。
穴の製造方法について以下に図３を用いて説明する。
図３（ａ）に示すように、パルス状のレーザービームを電極２の軸線Ｌ方向にスキャンさせながら、テーパー部２４と電極本体部２１に照射して複数の穴２６ａを形成する。
穴２６ａを形成した後に電極本体部２１を周方向に所定角度（９０°）回転させ、図３（ｂ）に示すように、パルス状のレーザービームを電極２の軸線Ｌ方向にスキャンさせながらテーパー部２４と電極本体部２１に照射して溝部２６ｂを形成する。
この動作を順次行うことにより、図２（ｂ）に示す残りの穴２６ｃ、穴２６ｄを形成する。
なお、穴２６ａ、穴２６ｂ、穴２６ｃ、穴２６ｄは、電極本体部２１にも形成されているが、電極本体部２１には必ずも設ける必要はなく、穴２６ａ、穴２６ｂ、穴２６ｃ、穴２６ｄは、必ずテーパー部２４に設けられている。

レーザービームの照射条件は、穴２６の深さが５０〜８００μｍとなるように適宜に選択した。具体的には、基本波、周波数が２０ｋＨｚ、平均出力が８Ｗ、照射時間（穴１つあたり）が０．１〜１秒、波長が１０６４ｎｍである。

上記の方法により作製された電極２は、タングステンの結晶粒がランプの点灯時に著しく成長しようとするが、テーパー部２４には、軸線Ｌに沿って複数の穴２６が並んで設けられていることにより、テーパー部２４において結晶粒が軸線Ｌに直交する方向に成長することが阻害される。すなわち、テーパー部２４は、軸線Ｌに沿って複数の穴２６を有することにより、結晶粒の成長方向が軸線Ｌ方向になり、電極軸方向で結晶粒が入り組んだ状態になりそのため、テーパー部２４は、その径方向断面において穴２６の両側に各々独立した結晶粒が形成され、結晶粒が成長して粗大化することを抑制できる。この結果、電極軸に直交した単一粒界面が形成されることを回避できる。
したがって、本発明の電極２は、テーパー部２４の破断強度が高いものとなり、粒界強度の低下に伴う電極折れを確実に防止することができる。

図４は、本発明のショートアーク型放電ランプの電極の他の実施例を示す。
同図（ａ）は電極の平面図、同図（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
図４の電極２は、図２の電極２と同様に、電極本体部２１の基端側には、軸部２２に向かうに従い徐々に外径が小さくなるように形成されたテーパー部２４が形成される。このテーパー部２４の基端部には、軸部２２が連続している。

図４（ａ）に示すように、テーパー部２４には、電極の軸線Ｌ方向に複数の穴２６が並んで設けられている。同図の形態によれば、穴２６は、テーパー部２４と電極本体部２１のテーパー部２４側に形成されている。
具体的には、電極の軸線Ｌ方向に複数の穴２６ａが直線状に並んで設けられており、この直線状に並んだ複数の穴２６ａの近傍に、電極の軸線Ｌ方向に複数の穴２６ｂが直線状に並んで設けられており、さらに、この直線状に並んだ複数の穴２６ｂの近傍に、電極の軸線Ｌ方向に複数の穴２６ｃが直線状に並んで設けられている。
つまり、複数の穴２６ａ、穴２６ｂ、穴２６ｃによって、テーパー部２４と電極本体部２１には、帯状の穴存在領域が形成されている。
なお、穴２６ａ、穴２６ｂ、穴２６ｃは、電極本体部２１にも形成されているが、電極本体部２１には必ず設ける必要はなく、穴２６ａ、穴２６ｂ、穴２６ｃは、必ずテーパー部２４に設けられている。

そして、各穴２６ａ、穴２６ｂ、穴２６ｃは、図４（ｂ）に示すように、電極の軸線Ｌを中心して対称となるように形成され、各穴２６の各底部が電極中心に向かって伸びている。

図５は、本発明のショートアーク型放電ランプの電極の他の実施例を示す。
同図（ａ）は電極の平面図、同図（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
図５の電極２は、図２の電極２と同様に、電極本体部２１の基端側には、軸部２２に向かうに従い徐々に外径が小さくなるように形成されたテーパー部２４が形成される。このテーパー部２４の基端部には、軸部２２が連続している。

図５（ａ）に示すように、テーパー部２４には、電極の軸線Ｌ方向に複数の穴２６が並んで設けられている。同図の形態によれば、穴２６は、テーパー部２４と電極本体部２１のテーパー部２４側に形成されている。
具体的には、電極の軸線Ｌ方向に複数の穴２６ａが曲線を描くように並んで設けられており、電極の軸線Ｌ方向に複数の穴２６ｂが曲線を描くように並んで設けられている。
つまり、複数の穴２６ａ、穴２６は、テーパー部２４と電極本体部２１に不規則に形成されている。
なお、穴２６ａ、穴２６ｂは、電極本体部２１にも形成されているが、電極本体部２１には必ず設ける必要はなく、穴２６ａ、穴２６ｂは、必ずテーパー部２４に設けられている。

そして、各穴２６ａ、穴２６ｂは、図５（ｂ）に示すように、電極の軸線Ｌを中心して不規則に形成され、各穴２６の各底部が電極中心に向かって伸びている。

上述した、図４、図５に示す電極２は、図２に示す電極２と同様に、テーパー部２４には、軸線Ｌに沿って複数の穴２６が並んで設けられていることにより、テーパー部２４において結晶粒が軸線Ｌに直交する方向に成長することが阻害される。すなわち、テーパー部２４は、軸線Ｌに沿って複数の穴２６を有することにより、結晶粒の成長方向が軸線Ｌ方向になり、電極軸方向で結晶粒が入り組んだ状態になりそのため、テーパー部２４は、その径方向断面において穴２６の両側に各々独立した結晶粒が形成され、結晶粒が成長して粗大化することを抑制できる。この結果、電極軸に直交した単一粒界面が形成されることを回避できる。
したがって、本発明の電極２は、テーパー部２４の破断強度が高いものとなり、粒界強度の低下に伴う電極折れを確実に防止することができる。

そして、図２、図４、図５に示す電極２は、９９．９９９％以上の純度を有するタングステンからなるので、電極の構成材料であるタングステンに微量に含まれる不純物が少く、電極の結晶粒界における空孔や欠陥が起因で電極の強度が低下する現象を避けられるものであり、より一層、粒界強度の低下に伴う電極折れを防止することができる。

このような電極を用いたショートアーク型放電ランプによれば、電極の折れを抑制し、信頼性が高く、ランプ寿命の長いものとなる。

本発明のショートアーク型放電ランプの概略構成を示す正面図である。本発明のショートアーク型放電ランプの電極の一例を示す部分説明図である。電極の穴の製造方法を示す斜視図である。本発明のショートアーク型放電ランプの電極の他の例を示す部分説明図である。本発明のショートアーク型放電ランプの電極の他の例を示す部分説明図である。

符号の説明

１発光管
２電極
２１電極本体部
２２軸部
２３テーパー部
２４テーパー部
２５突起部
３封止部
４金属箔
５外部リード
２６穴
２６ａ穴
２６ｂ穴
２６ｃ穴
２６ｄ穴

Claims

電極本体部と当該電極本体部に比べて外径の小さい軸部とを有する一対の電極が発光管内に配置されたショートアーク型放電ランプにおいて、
前記電極本体部の基端側には、前記軸部に向かうに従い外径が縮小するテーパー部が形成され、
前記テーパー部には、前記電極の軸線方向に複数の穴が並んで設けられていることを特徴とするショートアーク型放電ランプ。
前記電極は、９９．９９９％以上の純度を有するタングステンからな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放電ランプ。