JP2011044288A - 高圧放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】電極の電極軸と金属箔が接合され、封止部内で封止されており、前記電極軸の封止部内の部分の外周面に軸方向の複数の溝が形成されている高圧放電ランプにおいて、前記溝によって形成される封止部ガラスの溝の底部隅部にクラックが生じることがなく、応力集中による破損が生じることがない構造を提供することにある。
【解決手段】前記電極軸の溝の上方肩部、即ち、該溝を形成する山部の頂部を曲面形状として、これにより形成される封止部ガラスの溝の底部隅部を曲面形状とすることを特徴とする。
【選択図】 図1

Description

この発明は、高圧放電ランプに関するものであり、特に、プロジェクター装置用光源、露光装置用光源に利用される高圧放電ランプに係るものである。

この種の高圧放電ランプにおけるシール構造としては、電極軸の根元が封止部に埋設された金属箔と接合する、いわゆる箔シール構造が採用される。
通常、電極軸はタングステンから構成され、一方で発光管は石英ガラスから構成されているために、かかる箔シール構造においては、封止部での両者の熱膨張係数の違いにより、封止部の損傷、破損という問題がしばしば発生する。特に、プロジェクター装置に使う高圧放電ランプにおいては、例えば、発光部に０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上の多量の水銀が封入されており、点灯時には水銀蒸気圧が１００気圧以上の高圧になるため、この問題は一層深刻となっている。

このような問題を解決するために、例えば、特表２００８−５２９２５２号公報には、電極軸（芯棒）に軸方向に沿って伸びるように溝を形成する技術が紹介されている。
図３（Ａ）は上記従来例にかかるランプの概略構成図であり、図３（Ｂ）は電極の拡大図である。
図３（Ａ）および（Ｂ）に示すように、放電ランプ１の電極２の電極軸２１には、封止部３に対向する外表面領域において、軸方向に延在する複数の溝５が形成されている。なお、電極軸２１は封止部３内で金属箔４に接続されている。
上記従来技術は、電極軸２１に複数の溝５を設けることで、円周方向の表面粗さを、長手方向の表面粗さよりも大きくして、電極軸２１の材料（タングステン）と封止部３の材料（石英ガラス）との熱膨張率の違いに起因する封止部の破損を解消しようとするものである。

しかしながら、該従来技術において、電極軸２１方向に連続した複数の溝５をレーザービーム加工により形成したものを封止すると、しばしば封止部３が破損するという不具合が発生していた。
本発明者らは、この現象について鋭意検討の結果、該封止部が破損される原因は以下のものであることを突き止めた。
図４に示すレーザービームによる加工では、そのビームのエネルギーが絞られ、その断面におけるレーザービームの出力分布は図４（Ｂ）のようなものが一般的である。このような出力分布を持ったビームで、図４（Ａ）に示すように、電極軸２１に溝５を形成すると、図４（Ｃ）に示すように、該溝５の上方の肩部５ａ、即ち、溝５を形成する山部６の頂部６ａに鋭角な角部が形成されてしまう。

このように溝５の肩部５ａ（山部６の頂部６ａ）に鋭角な角部が存在すると、封止部形成時に、図４（Ｃ）のように封止部３のガラスが溝５の鋭角な肩部５ａに向かって絞り込まれることになる。この封止部形成後に、封止部５と電極軸２１が冷却されたとき、図４（Ｄ）のように、互いに若干の間隙をもって離隔されるが、この冷却時に、封止部３のガラスに形成される溝７の底部隅部７ａは鋭角状となって形成されてしまう。
そして、図４（Ｄ）に示すように、封止部ガラス３には、この鋭角状の隅部７ａに刻み込まれた皺からクラック８が形成されてしまい、ランプ点灯時のガラスの膨張によって、この隅部７ａおよびクラック８に応力が集中し、クラック８を起点として破損に至るものである。

特表２００８−５２９２５２号公報

この発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて、電極軸に軸方向の複数の溝が形成されている高圧放電ランプにおいて、電極軸と石英ガラスの熱膨張率の違いに起因する封止部の損傷、破損を防止するとともに、封止部のガラス側に形成される溝での応力集中による当該封止部の破損という問題を解消する高圧放電ランプを提供しようとするものである。

上記課題を解決するために、この発明に係る高圧放電ランプは、電極の電極軸に軸方向に形成した複数の溝の上方の肩部を曲面形状として、これにより形成される封止部ガラス側の溝の底部隅部を曲面形状として、その部分でのクラックの発生を抑えるとともに、ガラス膨張時に応力が集中することを避けるようにしたことを特徴とするものである。

本発明によれば、電極軸に形成した複数の溝の上方の肩部を曲面状としたことにより、封止部ガラス側に形成される溝部の底部隅部での応力集中が回避されるので、この部分でのクラックの発生や、封止部の破損が生じることがないという効果を奏する。

本発明に係る高圧放電ランプの部分断面図。 本発明の電極溝を形成する説明図。 従来の高圧放電ランプの断面図。 従来例の電極溝の説明図。

図１（Ａ）はこの発明の高圧放電ランプの封止部の断面図であり、図１（Ｂ）はそのＸ部の拡大断面図であり、図１（Ｃ）は溝の一部とそのＹ部の拡大図である。
図１（Ａ）に示すこの発明の高圧放電ランプの封止部構造では、電極軸２１に複数の溝５が形成されている。
そして、封止工程時には封止部（石英ガラス）３が加熱されて電極軸２１と融着するが、ガラス３と電極軸２１とは溝５を形成する山部６でのみ接触するので、両者の接触面積は小さく、冷却過程で両者は剥離し、該両者間には若干の間隙が形成される。これにより、ランプの点灯・非点灯時に両者の熱膨張率の差による伸縮量の違いがあっても、破損することが防止できる。
そして、図１（Ｂ）に示すように、この発明における溝５の形状は、その上方の肩部５ａ、即ち、該溝５を形成する山部６の頂部６ａが曲面形状をしているものである。そのため、上記封止部３のガラス側に形成される溝７の底部隅部７ａも曲面形状となるために、その底部隅部でクラックが発生することがない。

上記電極軸２１の直径が０．３ｍｍ〜１ｍｍの場合において、該電極軸２１に形成される溝５の肩部５ａの曲面形状の曲率半径を５μｍ〜５０μｍとすることでガラス側に皺をよせることがなく、封止部３の損傷を防止することができる。
なお、封止工程時には、電極軸２１に接触する封止部３の石英ガラスは、１８００℃程度になるが、このときの石英ガラスの粘度は、６ｌｏｇηポアズ程度であって、非常に硬い状態であり、ほぼ２０℃におけるタール・ピッチと同じ程度の硬さである。
この状態で先端が尖った同じ温度の電極軸２１の溝５の肩部５ａが押し付けられたとき、その先端が突き刺さり、谷部分の途中までガラスが入り込むところで留まる。このため、溝肩部５ａの曲面の曲率半径が、５μｍ未満の場合、封止部に皺をよせてしまって、封止部を破損させてしまう。
また一方で、溝肩部５ａの曲面の曲率半径が、５０μｍを越える場合、溝の肩部と封止部との接触面積が増えてしまい、両者が密着してしまって冷却時にうまく剥離せず、点灯するうちに封止部の破損を招くという不具合が生じることがある。

なお、本発明でいう電極軸２１の直径は、溝５が設けられた外面、即ち、山部６の外径を、例えばマイクロメータで複数箇所測定し、その平均から求めることができる。また、レーザー顕微鏡によって電極軸２１の断面を拡大し、複数の径を測定し、その平均から求めることもできる。
また、溝５の上方肩部５ａの曲率半径は、レーザー顕微鏡によって、その断面を拡大することで測定できる。

そして、溝５は、後述するレーザー照射によって形成される場合、その外表面を図１（Ｃ）に示すように荒らすことができる。この溝５の外表面の表面粗さ（中心線平均粗さ）Ｒａは、０．０５μｍ〜１μｍである。
ランプ点灯時、熱膨張差によって溝５の外表面と封止部３とが接触するが、溝５の外表面が荒れていることで、該溝５の外表面と封止部３とが密着することを抑制でき、封止部３が密着することで生じる破損を防止できる。

上述した電極軸２１の溝５は、レーザー照射によって形成することができる。このレーザー照射による形成方法について、図２に基づいて説明する。
あらかじめ電極軸２１をタングステンで形成し、レーザー加工機１０を準備する。レーザー加工機１０は、図２（Ａ）に示すように、ＹＡＧレーザーを備え、そのレーザーから出力されるパルスビーム１１を不図示の非球面レンズを通過させるように構成される。
そのビーム１１の断面の出力分布は、図２（Ｂ）に示すようになる。先に述べたように、通常、ビーム１１の出力分布は、図４（Ｂ）に示すようになっているが、非球面レンズを通過させることで、ビーム１１の中心軸における出力１１ａに対して、ビームの外周縁における出力１１ｂを小さくすることができる。

このような出力分布を有するパルスビーム１１を電極軸２１に向かって照射し、該電極軸２１に沿ってレーザーを移動させる（図２（Ａ）参照）。加工端部まで達したらレーザービームの照射を中断し、電極軸２１を軸中心にして溝ピッチ分だけ回転させ、折り返して隣接する溝を刻む。
これを繰り返すことで、図１（Ａ）に示すように、電極軸２１の外周において、軸の長手方向に伸びる複数の溝５、５を形成することができる。

そして、図２（Ｂ）のような出力分布のビーム１１を電極軸２１に照射すると、図２（Ｃ）に示すように、ビームの中心軸は急峻な出力１１ａを有するため、溝５の谷部５ｂを深く形成する。
これに対して、ビームの外周縁の出力１１ｂは中心軸の出力１１ａに比べて小さく、また外周縁に向かうに従ってその出力が小さくなるように、なだらかな出力分布を有する。そのため、溝５の肩部５ａ、即ち、溝５を形成する山部６の頂点６ａに向かうに従って、照射されるビームの出力１１ｂが小さくなり、そのビームのなだらかな出力分布によって、溝５の上方の肩部５ａは溶かされ、なだらかな曲面状となる。
さらに、隣接する溝の肩部をビームで溶かすと、図２（Ｄ）で示すように、溝５を形成する山部６の頂部６ａが曲面状に形成されることになる。
このように、本発明に係る曲面状の肩部を有する溝は、非球面レンズなどで、そのビーム分布を図２（Ｂ）のようなものにすることによって形成することができる。

なお、レーザー照射時の条件を示すと以下のようになる。
ＹＡＧレーザー：波長１．０６μｍ
ＹＡＧレーザーのパワー：１．８５ｋＷ
ビーム径：２０μｍ
ビームの送り速度：１００ｍｍ／ｓ
隣接する溝を形成する際のビームの中心軸距離：２５μｍ

上記の条件で、電極軸２１に溝５を形成すると、溝５の上方肩部５ａの曲率半径は１５μｍとなり、その表面粗さは０．０５μｍ〜１μｍとなる。
なお、上記の条件では、溝５を形成する山部６の頂部６ａには、ビーム１１は照射されないが、ビーム照射による熱は受ける。この熱によって、頂部の一部は蒸発し、表面粗さが形成される。
一方のビーム１１を照射される溝５の谷部５ｂでは、ビームを照射されることでその表面は溶けるが、ビームが通過し、冷える過程において、蒸発した電極軸２１の部材（タングステン）が付着し、表面粗さが形成されるものと推測される。
なお、溝５の上方肩部５ａの曲率半径は、レーザービーム１１の出力とスキャニング速度を調節することで、５μｍ〜５０μｍに調整することができる。

以上のように、本発明の高圧放電ランプでは、電極軸に形成した軸方向の多数の溝の上方肩部を曲面形状としたことにより、封止工程時に封止部ガラスが冷却する際にも、ガラス側に形成される溝の底部隅部は鋭角状となることなく、曲面形状となるので、当該部分にクラックが発生することがなく、また、点灯・非点灯時に封止部ガラスが膨張・収縮しても、当該部分に応力の集中がなく、封止部が破損することがないという効果を奏するものである。

１ 高圧放電ランプ
２ 電極
２１ 電極軸
３ 封止部
４ 金属箔
５ 溝
５ａ 溝の上方肩部
６ 溝を形成する山部
７ 封止部（ガラス）側の溝
８ クラック

Claims (4)

1. 放電空間内に対向配置された一対の電極と、該電極の電極軸が封止部内において金属箔と接合されてなり、前記電極軸には封止部に対応する個所に軸方向の複数の溝が形成されてなる高圧放電ランプにおいて、
   前記溝の上方肩部は、曲面状に形成されていることを特徴とする高圧放電ランプ。
2. 前記電極軸の径が０．３ｍｍ〜１ｍｍであり、前記曲面状の肩部の曲率半径が５μｍ〜５０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の高圧放電ランプ。
3. 前記溝の外表面の粗さが、０．０５μｍ〜１μｍであることを特徴とする請求項１に記載の高圧放電ランプ。
4. 前記溝がレーザー照射によって形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の高圧放電ランプ。
   
   

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