JP2013114919A

JP2013114919A - 高圧放電ランプ及びランプユニット

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Publication number: JP2013114919A
Application number: JP2011260320A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Ono; 篤志大野; Toshio Yoshizawa; 敏雄吉澤
Original assignee: Iwasaki Denki KK
Current assignee: Iwasaki Denki KK
Priority date: 2011-11-29
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2013-06-10
Anticipated expiration: 2031-11-29
Also published as: JP5899871B2

Abstract

【課題】高ワットタイプの高圧放電ランプにおいて、電極先端の突起の維持と黒化の防止を両立する電極構造を実現する。
【解決手段】発光管内に一対の電極を備えた定格電力２００Ｗ〜２３０Ｗの高圧放電ランプにおいて、電極の各々が、芯棒及び芯棒の先端部分に巻回されたコイルからなり、コイルが、電極根元側の少なくとも１ターンを残して溶融処理されて形成された電極先端側の溶融部及び電極根元側の非溶融部からなり、高圧放電ランプの定格電力をＰ（Ｗ）とし、溶融部に含まれる芯棒及びコイルの体積をＶ１、非溶融部に含まれる芯棒及びコイルの体積をＶ２、溶融比率をα＝Ｖ１／（Ｖ１＋Ｖ２）×１００（％）とした場合に、２００≦Ｐ≦２３０について、Ｐ／１０＋４２≦αとなるように構成した。
【選択図】図３Ｂ

Description

本発明は高圧放電ランプ及びその高圧放電ランプを用いたランプユニットに関し、特に、高圧放電ランプの電極構成の最適化に関する。

従来から、プロジェクタ用等の高圧放電ランプでは、放電アークの起点が電極上を移動するいわゆるアークジャンプの発生を防止するために、ランプの電極先端に突起を形成し、この突起にアーク起点を固定させて放電を安定させる技術が知られている。

例えば、特許文献１は、定格電力１００Ｗ〜１３０Ｗの高圧放電ランプの電極を開示している。同文献の電極においては、芯棒の先端部分にコイルが巻回されて先端側が溶融処理され、電極先端に突起が形成される。そして、電極質量、コイルの巻き長さ又は溶融部の溶融長さを調整することによって点灯中の電極先端部と根元部の温度を決定し、電極におけるハロゲンサイクルを機能させて黒化を防止する技術が開示されている。

特開２００８−４４３５号公報

しかし、定格電力が２００Ｗ以上の比較的高ワットの高圧放電ランプにおいては、電極先端の突起が点灯初期の温度上昇によって消失してしまう可能性があり、必ずしも低ワットランプの設計を適用できないということが分かってきた。従って、高ワットランプについては、適切なハロゲンサイクルを確保しつつも電極先端の突起を維持するための電極設計が必要となる。

また、最近ではランプからの光の利用効率を上げるためにリフレクタ（主鏡）の開口側の電極付近に副鏡を取り付ける構成が用いられる場合がある（図２参照）。このような副鏡が取り付けられると、副鏡側の電極が、副鏡がない場合よりも高温になり、上記の突起の消失が顕著になる。

そこで、本発明は、定格電力２００Ｗ〜２３０Ｗの高ワットランプにおいて、副鏡が取り付けられる場合であっても、電極先端の突起の維持によるアークの安定化と適切なハロゲンサイクルの確保による黒化防止を両立するための電極構造を実現することを課題とする。

本発明の第１の側面は、発光管内に一対の電極を備えた定格電力２００Ｗ〜２３０Ｗの高圧放電ランプであって、電極の各々が、芯棒及び芯棒の先端部分に巻回されたコイルからなり、コイルが、電極根元側の少なくとも１ターンを残して溶融処理されて形成された電極先端側の溶融部及び電極根元側の非溶融部からなり、高圧放電ランプの定格電力をＰ（Ｗ）とし、溶融部に含まれる芯棒及びコイルの体積をＶ１、非溶融部に含まれる芯棒及びコイルの体積をＶ２、溶融比率をα＝Ｖ１／（Ｖ１＋Ｖ２）×１００（％）とした場合に、２００≦Ｐ≦２３０について、Ｐ／１０＋４２≦αとなるように構成された高圧放電ランプである。さらに、Ｐ／３０＋５８≦αとなるように構成してもよい。

本発明の第２の側面は、発光管内に一対の電極を備えた定格電力２３０Ｗの高圧放電ランプであって、電極の各々が、芯棒及び芯棒の先端部分に巻回されたコイルからなり、コイルが、電極根元側の少なくとも１ターンを残して溶融処理されて形成された電極先端側の溶融部及び電極根元側の非溶融部からなり、溶融部に含まれる芯棒及びコイルの体積をＶ１、前記非溶融部に含まれる芯棒及びコイルの体積をＶ２、溶融比率をα＝Ｖ１／（Ｖ１＋Ｖ２）×１００（％）とした場合に、６５≦αとなるように構成された高圧放電ランプである。さらに、６６≦αとなるように構成してもよい。

本発明の第３の側面は、発光管内に一対の電極を備えた定格電力２００Ｗの高圧放電ランプであって、電極の各々が、芯棒及び芯棒の先端部分に巻回されたコイルからなり、コイルが、電極根元側の少なくとも１ターンを残して溶融処理されて形成された電極先端側の溶融部及び電極根元側の非溶融部からなり、溶融部に含まれる芯棒及びコイルの体積をＶ１、非溶融部に含まれる芯棒及びコイルの体積をＶ２、溶融比率をα＝Ｖ１／（Ｖ１＋Ｖ２）×１００（％）とした場合に、６２≦αとなるように構成された高圧放電ランプである。さらに、６５≦αとなるように構成してもよい。

本発明のランプユニットは、上記いずれかの高圧放電ランプ、高圧放電ランプの一方の電極側の発光管部分が取り付けられたリフレクタ、及び高圧放電ランプの他方の電極側に取り付けられた副鏡を備える。

本発明の高圧放電ランプを示す図である。本発明のランプユニットを示す図である。本発明の高圧放電ランプに用いる電極の作製過程を示す図である。本発明の高圧放電ランプに用いる電極を示す図である。本発明の高圧放電ランプに用いる電極を説明する図である。本発明の高圧放電ランプに用いる電極を説明する図である。本発明の高圧放電ランプに用いる電極を説明する図である。本発明の高圧放電ランプを説明する図である。本発明の高圧放電ランプを説明する図である。

図１に本発明の高圧放電ランプ１を示す。高圧放電ランプ１は発光管２及びそれに含まれる一対の電極マウントからなる。発光管２は放電空間３及びそれを挟んだ一対の封止部４からなり、各電極マウントは互いに溶接された電極５、金属箔６及びリード線７からなる。電極５の先端側が発光管２の放電空間３に露出され、電極５の根元側の芯棒５１の一部、金属箔６及びリード線７の一部が封止部４に埋設される。放電空間３には０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀、希ガスおよびハロゲンガスが封入され、点灯時の水銀蒸気圧は１５０気圧以上になる。

図２に本発明の高圧放電ランプ１を搭載したランプユニットの図を示す。ランプユニットは、高圧放電ランプ１、高圧放電ランプ１の一方の電極側の発光管部分が取り付けられるリフレクタ１０（以下、「主鏡１０」ともいう）、及び高圧放電ランプ１の他方の電極側に取り付けられる副鏡２０からなる。一対の電極について、説明の便宜上、主鏡１０のネック側を電極５ｐとし、副鏡２０側を電極５ｓとするが、電極５ｐ及び５ｓは同じ仕様の電極である。

電極５ｓ及び５ｐの各々は、図３Ａに示すように芯棒５１の先端部分にコイル５２が巻回され、図３Ｂに示すようにコイル５２の先端側が溶融処理されて作製される。本実施例では、コイル５２は内側コイルと外側コイルの２層巻となっている。溶融処理は、アルゴンプラズマ溶接装置により行われる。

図３Ｂに示すように、電極先端部は、先端側の溶融部５３及びの根元側の非溶融部５４に区分される。溶融部５３の先端には、ランプエージング段階で予め突起５３ａを形成させておく。溶融部５３は点灯中の突起５３ａ付近の熱を後方の非溶融部５４に伝導させる役割を持つ。非溶融部５４は電極を放熱しつつもその温度を維持する役割を持つ。従って、同じ電力のアーク放電について、突起５３ａ付近の温度は、溶融部５３の体積比が小さいと高くなり、溶融部５３の体積比が大きいと低くなる。

なお、以降の説明において、溶融部５３に含まれる芯棒及びコイルの体積（溶融部体積）をＶ１、非溶融部５４に含まれる芯棒及びコイルの体積（非溶融部体積）をＶ２とする。具体的には、溶融処理前に、コイル５２の総体積Ｖｃと、芯棒５１の先端からコイル５２の巻き終わり位置までの芯棒体積Ｖｒを求め、ＶｃとＶｒの合計である先端部総体積Ｖｔを算出しておく。次に、コイル５２の外側総ターン数から溶け残りの外側ターン数（以下、「残ターン数」という）を引いて溶融ターン数を求める。なお、外側コイルが溶融している場合はその直下の内側コイルも溶融しているものとする。また、内側コイルが外側コイルより多く巻かれている場合は、巻数に応じた溶融体積が溶融コイルの体積に含まれる。溶融コイルの体積Ｖ１ｃ、及び溶融部５３に含まれる芯棒の体積Ｖ１ｒを算出し、Ｖ１ｃとＶ１ｒを合計して溶融部体積Ｖ１を算出する。溶融比率α＝Ｖ１／Ｖｔ×１００（％）を適切な値とすることにより、突起５３ａ付近を所望の温度となるようにする。なお、Ｖｔ＝Ｖ１＋Ｖ２である。

表１に、定格電力２３０Ｗで溶融比率αの高圧放電ランプを図２のランプユニットを用いて点灯した場合の、３分点灯時点での電極５ｓの先端温度Ｔｓ、電極５ｓにおける突起消失の有無、及び発光管２における１００時間までの黒化の有無の関係を示す。

なお、先端温度Ｔｓの導出について、まず主鏡１０及び副鏡２０を高圧放電ランプ１に取り付けずに、図３Ｂに示す溶融部５３の先端付近（即ち、突起５３ａ付近）の測定点の温度Ｔ１を赤外線放射温度計で測定する。そして、副鏡２０側の電極の先端温度Ｔｓを、Ｔ１に補正係数ΔＴ＝１００℃を加算することにより算出した。即ち、Ｔｓ＝Ｔ１＋ΔＴである。

また、補正係数ΔＴの導出について、まず、高圧放電ランプ１に主鏡１０も副鏡２０も取り付けない状態で、上記測定点の温度Ｔ０を赤外線放射温度計で測定した。その後、高圧放電ランプ１に副鏡２０のみを取り付けて上記測定点の温度Ｔ０ｓを測定した。その差Ｔ０ｓ−Ｔ０から補正係数ΔＴを算出した。即ち、ΔＴ＝Ｔ０ｓ−Ｔ０である。なお、複数のサンプルのΔＴ（８２℃、１２９℃、９１℃）の平均値から、ΔＴ＝１００とした。

表１に示すように、溶融比率αが６６（％）以上で先端温度Ｔｓが２６９０℃以下となり、この範囲では、突起消失も黒化もなく、良好な結果が得られた。一方、溶融比率αが６０％以下（先端温度２７６０℃以上）では突起の消失が確認された。

黒化を防止するためには、コイルの少なくとも最後端ターンを溶融せずに残すことが必要であることが分かっている。これは以下の理由による。ランプ始動時に電極に電圧が印加されると放電容器内にグロー放電が生じる。その際に熱容量の小さい非溶融部５４側（コイル後端側）の温度が上昇し、そこを起点に局所的な電子なだれを引き起こしグロー放電からアーク放電へと速やかに移行させる。従って、始動時のグロー放電の起点は非溶融部５４側に存在し、その後溶融部５３を経て突起５３ａに移動しアーク放電へ移行する。従って、電極外周の半径方向のいずれの部分にも非溶融コイルが存在しない場合には、すみやかにグロー放電からアーク放電へと移行しないため、グロー放電により生成、加速されたイオンによる電極材の飛散が多くなり、黒化の原因となる。

図３Ａ及び３Ｂに示すような外側コイルの後端部と内側コイルの後端部が軸方向にほぼ同じ位置にある電極においては、外側コイルの後端側の少なくとも１ターンが非溶融となるようにすればよい。また、図３Ｃに示すように、単層コイルにおいては、後端部を含む少なくとも１ターンが非溶融となるようにすればよい。また、図３Ｄに示すように、２層コイルにおいて内側コイル５２_ｉｎの後端部が外側コイル５２_ｏｕｔの後端部よりも多く巻かれている場合は、内側コイル５２_ｉｎの後端部を含む少なくとも１ターンが非溶融となるようにすればよい。また逆に、図３Ｅに示すように、２層コイルにおいて外側コイル５２_ｏｕｔの後端部が内側コイル５２_ｉｎの後端部を超え芯棒に巻かれる場合は、外側コイル５２_ｏｕｔの後端部を含む少なくとも１ターンが非溶融となるようにすればよい。３層以上の多層コイルにおいても、後端部（電極根元側）にあるコイル部分を含む少なくとも１ターンが非溶融となっていればよい。即ち、いずれのタイプのコイルであっても後端部（電極根元側）の少なくとも１ターンを非溶融とすればよい。なお、図３Ａでは、コイル５２は内側コイルの先端部側から巻き始め、後端部で折り返してから外側コイルを巻くものとする。一方、図３Ｄ及び３Ｅでは、コイル５２は内側コイル５２_ｉｎの後端側から巻き始め、先端部で折り返してから外側コイル５２_ｏｕｔを巻くものとするが、内側コイルと外側コイルを個別に巻いてもよい。

なお、図３Ａ及び３Ｂに示すような電極を有する２３０Ｗランプにおいては、コイル５２の外側総ターン数を６〜８とし、残ターン数を１とすれば溶融比率αは８３〜８８（％）となる。表１においても、残ターン数が２の場合に黒化は発生していないことが分かる。

定格電力２３０Ｗの高圧放電ランプにおける溶融部体積Ｖ１の内訳を表２に示す。溶融部体積Ｖ１＝芯棒体積Ｖ１ｒ＋内側コイル体積Ｖ１ｃ_ｉｎ＋外側コイル体積Ｖ１ｃ_ｏｕｔである。なお、芯棒５１とコイル５２の合計体積である電極総体積は３．８２９ｍｍ^３であるが、本実施例の計算には用いられない。また、２３０Ｗランプにおける電極間距離（アーク長）は１．０ｍｍである。

表２に、表１に、定格電力２００Ｗで溶融比率αの高圧放電ランプを図２のランプユニットを用いて点灯した場合の、３分点灯時点での電極５ｓの先端温度Ｔｓ、電極５ｓにおける突起消失の有無、及び発光管２における１００時間までの黒化の有無の関係を示す。先端温度Ｔｓの導出は２３０Ｗランプの場合と同様である。

表３に示すように、溶融比率αが６５（％）で先端温度Ｔｓが２６９０℃以下となり、この範囲では、突起消失も黒化もなく、良好な結果が得られた。一方、溶融比率αが５９（％）以下（先端温度２７８０℃以上）では突起の消失が確認された。

また、図３Ａ及び３Ｂに示すような電極を有する２００Ｗランプにおいては、コイル５２の外側総ターン数を７〜９とし、残ターン数を１とすれば溶融比率αは８６〜８９（％）となる。表３においても、残ターン数が２．５の場合に黒化は発生していないことが分かる。

定格電力２００Ｗの高圧放電ランプにおける溶融部体積Ｖ１の内訳を表４に示す。溶融部体積Ｖ１＝芯棒体積Ｖ１ｒ＋内側コイル体積Ｖ１ｃ_ｉｎ＋外側コイル体積Ｖ１ｃ_ｏｕｔである。なお、芯棒５１とコイル５２の合計体積である電極総体積は２．９８７ｍｍ^３であるが、本実施例の計算には用いられない。また、２００Ｗランプにおける電極間距離（アーク長）は１．０ｍｍである。

図４に、表１及び表３のデータをプロットしたグラフを示す。横軸を溶融比率α、縦軸を先端温度Ｔｓとして、２３０Ｗランプ及び２００Ｗランプについての近似直線をそれぞれ求めた。上述したように、先端温度Ｔｓの上限は約２６９０℃であるので、それを破線で示した。先端温度Ｔｓがこの破線以下に含まれる温度範囲であれば、突起消失を防止できる。

グラフのプロット点及び近似直線より、２３０Ｗランプについては、溶融比率αが６５（％）以上であれば突起消失を防止できることが分かる。また、２００Ｗランプについては、溶融比率αが６２（％）以上であれば突起消失を防止できることが分かる。

なお、上述したように、黒化発生を防止するためには電極根元側の非溶融コイルを１ターン以上とする必要がある。図３Ａ及び３Ｂに示すような外側コイルの後端と内側コイルの後端部が軸方向にほぼ同じ位置にある電極においては、残ターン数を１とした場合の溶融比率が溶融比率下限（２３０Ｗランプで６５％、２００Ｗランプで６２％）以上となるように外側総ターン数を設定する必要がある。

図５に、図４のデータを基に、横軸をランプ電力Ｐ（Ｗ）、縦軸を溶融比率α（％）としてプロットしたグラフを示す。グラフより、座標（Ｐ、α）が（２３０、６５）と（２００、６２）を結ぶ線以上、即ち、α≧Ｐ／１０＋４２であれば突起消失を防止できることになる。さらに、実測データだけに基づくとすると、座標（Ｐ、α）が（２３０、６６）と（２００、６５）を結ぶ線以上、即ち、Ｐ／３０＋５８≦αであればよい。

以上より、本発明によると、電極先端の突起の維持によるアークの安定化と適切なハロゲンサイクルの確保による黒化防止とを両立する電極構造を有する高ワットタイプの高圧放電ランプを達成することができる。特に、高圧放電ランプに副鏡が取り付けられる場合であっても上記の有利な効果を得ることができる。また、本発明の高圧放電ランプは、コイルの残ターン数を管理することにより溶融体積比及び先端温度を管理できるので、その製造が容易である。

１．高圧放電ランプ
２．発光管
３．放電空間
４．封止部
５、５ｐ、５ｓ．電極
６．金属箔
７．リード線
８．電極マウント
１０．リフレクタ（主鏡）
２０．副鏡
５１．芯棒
５２．コイル
５２_ｉｎ．内側コイル
５２_ｏｕｔ．外側コイル
５３．溶融部
５３ａ．突起
５４．非溶融部

Claims

発光管内に一対の電極を備えた定格電力２００Ｗ〜２３０Ｗの高圧放電ランプであって、
前記電極の各々が、芯棒及び該芯棒の先端部分に巻回されたコイルからなり、該コイルが、電極根元側の少なくとも１ターンを残して溶融処理されて形成された電極先端側の溶融部及び電極根元側の非溶融部からなり、
前記高圧放電ランプの定格電力をＰ（Ｗ）とし、前記溶融部に含まれる芯棒及びコイルの体積をＶ１、前記非溶融部に含まれる芯棒及びコイルの体積をＶ２、溶融比率をα＝Ｖ１／（Ｖ１＋Ｖ２）×１００（％）とした場合に、２００≦Ｐ≦２３０について、
Ｐ／１０＋４２≦α
となるように構成された高圧放電ランプ。
請求項１に記載の高圧放電ランプにおいて、さらに、Ｐ／３０＋５８≦αとなるように構成された高圧放電ランプ。
発光管内に一対の電極を備えた定格電力２３０Ｗの高圧放電ランプであって、
前記電極の各々が、芯棒及び該芯棒の先端部分に巻回されたコイルからなり、該コイルが、電極根元側の少なくとも１ターンを残して溶融処理されて形成された電極先端側の溶融部及び電極根元側の非溶融部からなり、
前記溶融部に含まれる芯棒及びコイルの体積をＶ１、前記非溶融部に含まれる芯棒及びコイルの体積をＶ２、溶融比率をα＝Ｖ１／（Ｖ１＋Ｖ２）×１００（％）とした場合に、６５≦αとなるように構成された高圧放電ランプ。
請求項３の高圧放電ランプにおいて、さらに、６６≦αとなるように構成された高圧放電ランプ。
発光管内に一対の電極を備えた定格電力２００Ｗの高圧放電ランプであって、
前記電極の各々が、芯棒及び該芯棒の先端部分に巻回されたコイルからなり、該コイルが、電極根元側の少なくとも１ターンを残して溶融処理されて形成された電極先端側の溶融部及び電極根元側の非溶融部からなり、
前記溶融部に含まれる芯棒及びコイルの体積をＶ１、前記非溶融部に含まれる芯棒及びコイルの体積をＶ２、溶融比率をα＝Ｖ１／（Ｖ１＋Ｖ２）×１００（％）とした場合に、６２≦αとなるように構成された高圧放電ランプ。
請求項５の高圧放電ランプにおいて、さらに、６５≦αとなるように構成された高圧放電ランプ。
請求項１から６のいずれか一項に記載の高圧放電ランプ、該高圧放電ランプの一方の電極側の発光管部分が取り付けられたリフレクタ、及び該高圧放電ランプの他方の電極側に取り付けられた副鏡を備えたランプユニット。