JP2016167399A - 放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】電極と電極芯棒の間に金属体を設けて熱伝導を抑制するショートアーク放電ランプにおいて、金属体と、電極および電極芯棒とが良好な接合状態となるショートアーク放電ランプを提供する。【解決手段】電極より熱伝導率の低い金属体が電極と電極芯棒の間の少なくとも一部分に介在し、金属体と接する電極芯棒の表層に、金属体物質と電極芯棒物質が混在した緩衝層を設け、緩衝層の金属体側から電極芯棒側に向けて金属体の物質の密度が連続的に減少する。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体素子、液晶素子、プリント基板素子等の露光用の光源、または映写用投映装置の光源として使用されるショートアーク放電ランプに関し、特に、無水銀の段継ガラス封止構造のショートアーク放電ランプに関する。

従来からこのような光源として、図１に示すような発光管１内にキセノンガス等の希ガスを主成分とした放電ガスを封入したショートアーク放電ランプ（以下 ランプ）が知られている。

このようなランプは、内部に放電ガスとしてキセノンガスが大気圧以上で封入された石英ガラス製の発光管１と、発光管１の両端に連設した封止管２と、発光管１内に配置されるタングステンもしくはモリブデンを主成分とする電極３と、電極３を保持するタングステンもしくはモリブデンを主成分とする電極芯棒４とを有し、電極芯棒４と封止管２とが段継ぎガラス５を介して封着する段継ガラス封止構造を用いている。

この段継ガラス封止構造は、電極３への大電流の供給や、大気圧以上である高圧の放電ガスが発光管１に封入されたランプに用いられている。

電極３と電極芯棒４の接合は、特許文献１に記載された、電極芯線（電極芯棒）の挿入部に金属箔を巻き、電極の芯棒挿入穴に圧入する方法が知られている。しかし、このような方法を段継ガラス封止構造に適応すると、ランプが点灯することによる電極３の熱が伝導して電極芯棒４が高温になり、電極芯棒４と段継ガラス５の熱膨張差が過度になることで、段継ガラス５に破損や変形が生じるおそれがあった。

そこで、電極３から電極芯棒４へ熱が伝導することを抑制するために、図５の電極軸方向断面概略図に示すように、電極３より熱伝導率が低い金属（例えば、チタン）で構成される金属体６を、電極３と電極芯棒４の片側端部との間に介在させたランプを作製した。

しかしながら、このような金属体６を構成する物質は、電極３および電極芯棒４の構成物質であるタングステンまたはモリブデンより熱膨張率が大きいので、点灯による高温状態では金属体６と、電極３および電極芯棒４とのそれぞれの間に過度の熱膨張差が生じる。そのため、ランプの点灯によって、金属体６と、電極３および電極芯棒４との接合が破損する問題や、電極芯棒４に対して電極３が電極軸方向先端側にずれる問題が生じる。

特開２００３−３３１７８０

上記問題点に鑑みて、この発明が解決しようとする課題は、電極と電極芯棒の間に金属体を設けて熱伝導を抑制するランプにおいて、金属体と、電極および電極芯棒とが良好な接合状態となるランプを提供することである。

本発明のランプは、発光管内に配設された電極と、電極を支持する電極芯棒とを有し、電極は電極後端面に電極と同軸の有底円筒状凹部を備え、有底円筒状凹部に電極芯棒の一端を挿入する放電ランプにおいて、電極と電極芯棒の間の少なくとも一部分には電極より熱伝導率の低い金属体が介在し、金属体と接する電極芯棒の表層の少なくとも一部分には、金属体の物質と電極芯棒の物質とが混在する緩衝層を有する。

このような構造を有することで、電極芯棒と金属体との間に過度な熱膨張差が生じることが抑制され、接合が強固になる。

更に本発明のランプは、緩衝層中の金属体物質の密度が、金属体側から電極芯棒側に向けて連続的に減少するように傾斜化する。

このような構造を有することで、金属体から電極芯棒にかけて熱膨張率が連続的、段階的にが緩やかになり、接合がより強固になる。

更に本発明のランプは、緩衝層を電極芯棒の表層のみに有する。

このような構造を有することで、熱膨張差による金属体への応力集中によって、金属体が破損することを防止できる。

更に本発明のランプは、有底円筒状凹部の内周面はネジ状凹部を有し、少なくとも一つの凹部に金属体が充填される。

このような構造を有することで、電極が電極軸方向先端側にずれることを抑制することができる。

更に本発明のランプは、有底円筒状凹部の内部の電極芯棒の外周面に、ネジ状凹部と金属体を介して嵌合する凸部を備える。

このような構造を有することで、緩衝層を介した電極芯棒と金属体の接合面積が増加し、電極芯棒と金属体の接合を強固にできる。また、電極と金属体と電極芯棒とがそれぞれ嵌合することで、それぞれが電極軸方向にずれることを抑制できる。

更に本発明のランプは、有底円筒状凹部の底面と電極芯棒の電極先端側端面との間に緩衝空間を備える。

このような構造を有することで、熱膨張差による軸方向の応力が有底円筒状凹部の底面に加わらなくなり、電極３が電極軸方向先端側にずれることを抑制できる。

電極と電極芯棒の間に金属体を設けて熱伝導を抑制するランプにおいて、金属体と、電極および電極芯棒とが良好な接合状態となるランプを提供することができる。

本発明のランプの概略断面図 本発明の第１の実施形態における電極の軸方向断面概略図 本発明の第２の実施形態における電極の軸方向断面概略図 本発明の第３の実施形態における電極の軸方向断面概略図 従来の電極の構造を示す電極の軸方向断面概略図

本発明の第１の実施形態について、図２を用いて説明する。
図２は、第１の実施形態の構成を示す電極の軸方向概略断面図である。

電極３は、電極後端面（封止管側端面）３１に、電極先端方向であって電極３と同軸である有底円筒状凹部３２を有し、有底円筒状凹部３２の内周面には深さ方向を電極径方向として、有底円筒状凹部３２内周面の周方向に沿って配設されたネジ状の凹部３３を有する。有底円筒状凹部３２の内側には、電極３と同軸の電極芯棒４の片側端部を挿入する。有底円筒状凹部３２に挿入された電極芯棒４の片側端部（芯棒挿入部４１１）の外周面と有底円筒状凹部３２の内周面との間には、電極３より熱伝導率の低い金属体６１が凹部３３に充填されるように介在する。金属体６１と接する芯棒挿入部４１１の表層には、電極芯棒４の物質と金属体６１の物質とが混在する緩衝層７１を有し、緩衝層７１は金属体６１側から芯棒挿入部４１１側に向けて金属体６１の物質の密度が連続的に減少するように傾斜化している。

金属体６１は発光管１の内部に電極３とともに配置されることから、金属体６１の物質は、タングステンまたはモリブデンで構成される電極３より熱伝導率が低いことに加えて、融点が少なくとも１５００℃以上の金属であり、かつ、例えば発光管１と化学反応を起こさない等のランプに悪影響を与えない金属であることが必要である。更に電極の温度が急激に変動することで熱膨張差による段継ガラス５に破損や変形が生じやすいランプの点滅において、電極芯棒４に急激な温度変化を生じさせないためには、金属体６１の熱伝導率は電極３の熱伝導率の４分の１以下であることが望ましい。これらの条件を考慮すると、金属体６１の物質はチタンもしくはジルコニウムが最適である。

このような構成においては、ランプの点灯によって金属体６１と芯棒挿入部４１１とが加熱されると、金属体６１と芯棒挿入部４１１との間で熱膨張差が生じる。芯棒挿入部４１１の表層の緩衝層７１は、芯棒挿入部４１１の物質と金属体６１の物質とが混在するので、熱膨張率は金属体６１より小さく、芯棒挿入部４１１より大きい値になる。緩衝層７１の金属体６１側から芯棒挿入部４１１側にかけての熱膨張率は、金属体の物質の密度が連続的に減少するので、金属体６１側端面が金属体６１の熱膨張率に最も近く、芯棒挿入部４１１側に向けて連続的、段階的に芯棒挿入部４１１の熱膨張率に近づくように変化する。これにより、従来と比較して金属体６１から芯棒挿入部４１１にかけて急激な熱膨張差が生じなくなり、ランプの点灯に関わらず金属体物質６１と芯棒挿入部４１１との接合が強固になる。

金属体６１によって電極３から芯棒挿入部４１１への熱伝導が抑制されるため、有底円筒状凹部３２の内面表層は芯棒挿入部４１１の表層と比較してより高温となり、電極３と金属体６１との熱膨張差が顕著になる。そのため、有底円筒状凹部３２の内面表層に緩衝層を設けても過度な熱膨張差が生じ、緩衝層が破損する恐れがある。更に、熱膨張差による応力が金属体６１に集中することにより、金属体６１が破損する恐れもある。これらのことから、有底円筒状凹部３２の内面表層には緩衝層を有さないことが望ましい。このような場合であっても、金属体６１が凹部３３に充填されることで、金属体６１と電極３が嵌合するので、電極３が電極軸方向先端側にずれることを防止できる。

第１の実施形態の作製方法の一例を説明する。電極３は、機械加工によって、封止管側端面３１に有底円筒状凹部３２を設け、その有底円筒状凹部３２の内周面には電極径方向の凹部３３を設ける。芯棒挿入部４１１を有底円筒状凹部３２に挿入し、芯棒挿入部４１１と有底円筒状凹部３２との間の空間に、粉末状の金属体６１の物質を適量入れる。これらを、高周波誘導加熱を用いて金属体６１の物質の融点以上の温度に加熱することで、粉末状の金属体６１の物質が一体化し、金属体６１が形成する。更に芯棒挿入部４１１の直径や、金属体の特性や厚さの応じた加熱方法により、金属体６１と芯棒挿入部４１１の熱膨張差や金属体６１の熱拡散を利用して、金属体６１と接する芯棒挿入部４１１の表層に緩衝層７１を形成することができる。更に、この加熱の温度および時間を調整することで、金属体６１の熱拡散を制御し、緩衝層７１を傾斜化させることもできる。このように高周波誘導加熱を用いた加熱では、表皮効果によって電極３と電極芯棒４とに温度差が生じる。さらに、熱伝導率が小さい金属体６１が介在することで、この温度差はより顕著になる。その結果、芯棒挿入部４１１の表層と、有底円筒状凹部３２の内面表層とに同時に緩衝層が生じることが無く、意図的に芯棒挿入部４１１の表層に緩衝層７１を形成することができる。なお、電気炉等の炉によって、電極および電極芯棒を均一に加熱することで、有底円筒状凹部３２の内面表層に緩衝層を設けても良い。

更に図３を参照して、第２の実施形態を説明する。
図３は、第２の実施形態の構成を示す電極の軸方向概略断面図である。

電極３は、電極後端面３１に電極先端方向であって電極３と同軸である有底円筒状凹部３２を有し、有底円筒状凹部３２の内周面には深さ方向を電極径方向として、有底円筒状凹部３２内周面の周方向に沿って配設されたネジ状の凹部３３を有する。有底円筒状凹部３２の内側には、電極３と同軸に電極芯棒４の片側端部（芯棒挿入部４１２）を有し、有底円筒状凹部３２と芯棒挿入部４１２の間には、電極３より熱伝導率の低い金属体６２が凹部３３を充填するように介在する。芯棒挿入部４１２の外周面には、高さ方向を電極径方向として、芯棒挿入部４１２の周方向に沿った凸部４２を凹部３３と対向する位置に有し、凸部４２は金属体６２を介して凹部３２と嵌合している。金属体６２と接する芯棒挿入部４１２の表層には、電極芯棒４の物質と金属体６２の物質とが混在する緩衝層７２を有し、緩衝層７２は金属体６２側から芯棒挿入部４１２側に向けて金属体６２の物質の密度が連続的に減少するように傾斜化している。凸部４２を有することにより緩衝層７２の面積が広くなり、芯棒挿入部４１２と金属体６２との接合が強固になるとともに、金属体６２と芯棒挿入部４１２とが嵌合することで、金属体６２が電極芯棒４に対して電極軸方向電極側にずれることを抑制できる。

図４を参照して、第３の実施形態を説明する。
図４は、第３の実施形態の構成を示す電極の軸方向概略断面図である。

第３の実施形態では、図４に示すように、金属体６２は、少なくとも一つの凹部３３に充填され、電極３と芯棒挿入部４１２は金属部６２のみを介して接続する。有底円筒状凹部３２の底面３４と金属体６２との間に緩衝空間８を有する。

緩衝空間８によって、有底円筒状凹部３２の底面３４と金属体６２が接触しないため、熱膨張差による軸方向の応力が有底円筒状凹部３２の底面３４に加わらないので、電極３が電極軸方向先端側に移動することを抑制できる。さらに、電極３の先端面に近い有底円筒状凹部３２の底面３４から、金属体６２を介して芯棒挿入部４１２に熱が伝わり難くなり、電極芯棒４が加熱されることを抑制することができる。なお、金属体６２および緩衝層７２を有さずに緩衝空間８を有しても良い。

第３の実施形態の緩衝空間８の作製方法の一例を説明する。第１の実施形態と同様に、芯棒挿入部４１２を有底円筒状凹部３２に挿入し、芯棒挿入部４１２と有底円筒状凹部３２との間の空間に、粉末状の金属体６２の物質を適量入れる。そして、電極３が上方、電極芯棒４が下方になるように固定して、金属体６２の物質の融点以上の温度に加熱することで、有底円筒状凹部３２の底面３４側に空間（緩衝空間８）を生じさせることができる。

１：発光管
２：封止管
３：電極
３１：電極後端面（封止管側端面）
３２：有底円筒状凹部
３３：有底円筒状凹部３２内周面の凹部
３４：有底円筒状凹部３２の底面
４：電極芯棒
４１１,４１２：芯棒挿入部
４２：芯棒挿入部４１２の外周面の凸部
５：段継ガラス
６,６１,６２：金属体
７１,７２：緩衝層
８：緩衝空間

Claims (6)

1. 発光管内に配設された電極と、
   前記電極を支持する電極芯棒とを有し、
   前記電極は電極後端面に前記電極と同軸の有底円筒状凹部を備え、
   前記有底円筒状凹部に前記電極芯棒の一端を挿入する放電ランプにおいて、
   前記電極と前記電極芯棒との間の少なくとも一部分には前記電極より熱伝導率の低い金属体が介在し、
   前記金属体と接する前記電極芯棒の表層の少なくとも一部分には、
   前記金属体の物質と前記電極芯棒の物質とが混在する緩衝層を有する
   ことを特徴とする放電ランプ。
2. 請求項１に記載の放電ランプにおいて、
   前記緩衝層の前記金属体物質の密度が、
   前記金属体側から前記電極芯棒側に向けて
   連続的に減少するように傾斜化する
   ことを特徴とする放電ランプ。
3. 請求項１または２に記載の放電ランプにおいて、
   前記緩衝層を前記金属体と接する前記電極芯棒の表層のみに有する
   ことを特徴とする放電ランプ。
4. 請求項３に記載の放電ランプにおいて、
   前記有底円筒状凹部の内周面はネジ状凹部を有し、
   少なくとも一つの凹部に前記金属体が充填される
   ことを特徴とする放電ランプ。
5. 請求項４に記載の放電ランプにおいて、
   前記有底円筒状凹部内部の前記電極芯棒の外周面には、
   前記金属体を介して前記ネジ状凹部と嵌合する凸部を有する
   ことを特徴とする放電ランプ。
6. 請求項５に記載の放電ランプにおいて、
   前記有底円筒状凹部の底面と前記電極芯棒の電極先端側端面との間に緩衝空間を有する
   ことを特徴とする放電ランプ。

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