JP2017027909A - ショートアーク型放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】電極芯棒を介して加わる応力により段継ガラスが破損するおそれが少ないショートアーク型放電ランプを得る。【解決手段】内部に一対の電極を備えた発光管と、上記発光管の両端部に連設された封止管と、上記一対の電極にそれぞれ接続された一対の電極芯棒と、を有し、上記封止管と電極芯棒とを段継ガラスを介して封着するショートアーク形ランプにおいて、上記ランプ軸方向にて上記段継ガラス部分より外側となる位置であって、上記ランプ径方向で対向する上記封止管と上記電極芯棒との間となる位置に上記ランプ径方向に弾性を有する電極芯棒支持部材を介在させたショートアーク型放電ランプ。【選択図】図２

Description

本発明は、露光装置や投影装置等の光源に好適なショートアーク型放電ランプに関する。

このようなショートアーク型放電ランプは、発光管内には一対の対向する電極が配置されるともに、放電ガスが封入される。放電ガスはキセノン等の希ガスを主成分としたガスであり、発光管内部の放電ガス圧力を非常に高くすることで、輝度を高くしている。発光管内部に水銀を封入していないため、ランプ点灯時に電極に供給される電流も大電流となる。よって、一対の電極を支持する一対の電極芯棒を、発光管の両端に連設した封止管から外部に突出させ、封止管内部で封止管と電極芯棒との段継ガラスを介して封着する段継ガラス封止構造が採用される。一般的に石英ガラスが採用される封止管の熱膨張率は、タングステン等の金属材料からなる電極芯棒の熱膨張率より小さいため、電極芯棒と封止管が直接接触していると、ランプ点灯時（通電時）の電極芯棒の熱膨張により封止管が破損するおそれがある。しかし、段継ガラス封止構造を採用することで、段継ガラスが封止管と電極芯棒の熱膨張差を緩衝し、適切に封止管と電極芯棒とを封着することができる。

段継ガラスは耐熱性が低く、高温状態になると容易に変形してしまうという性質がある。このため、封止管は、段継ガラス部分を保護するために、段継ガラスよりランプ軸方向外側において電極芯棒の周囲を囲む内管状部と、該内管状部と同心の外管状部を有する二重管構造を有しており、電極芯棒と内管状部との間には管状空隙が存在している。従来、電極芯棒に導通させるランプ口金に、この管状空隙に積極的に冷却空気を導入する通風口を設け、段継ガラス部分を冷却する試みがされている（特許文献１）。

特開２００３-０５９４５４号公報

一対の電極芯棒または電極芯棒に電気的に接続するランプ口金には、電極間にランプ電灯電力を供給するための給電線が接続され、給電線は点灯装置の給電端子と接続される。従って、例えばランプの取り付けや運搬、ランプ製造工程において、給電線には、直接または口金を介して応力が加わる。加わった（特にランプ径方向の）応力は、電極芯棒を介して電極を封着保持する段継ガラスに集中し、段継ガラスが破損する不具合が生じる場合があった。特に、高輝度化の要求からショートアーク型放電ランプは大型化しており、電極芯棒や封止管の大型化、電極芯棒と封止管との間の管状空間の大型化に伴って、段継ガラスに加わる応力が大きくなる傾向があり、段継ガラスの破損のおそれが高まっている。

本発明は、以上の問題意識に基づき、電極芯棒を介して加わる応力により段継ガラスが破損するおそれが少ないショートアーク型放電ランプを得ることを目的とする。
また本発明は、封止管（段継ガラス）と電極芯棒の熱膨張差に関わらず、ランプ端部で電極芯棒を好適に保持する構造を提案することを目的とする。

本発明は、内部に一対の電極を備えた発光管と、上記発光管の両端部に連設された封止管と、上記一対の電極にそれぞれ接続された一対の電極芯棒と、を有し、上記封止管と電極芯棒とを段継ガラスを介して封着するショートアーク形ランプにおいて、上記ランプ軸方向にて上記段継ガラス部分より外側となる位置であって、上記ランプ径方向で対向する上記封止管と上記電極芯棒との間となる位置に上記ランプ径方向に弾性を有する電極芯棒支持部材を介在させたこと、を特徴としている。

上記電極芯棒支持部材は、一態様では、上記電極芯棒支持部材よりランプ軸方向内側の空間と、上記電極芯棒支持部材よりランプ軸方向外側の空間とを連通させる空隙を備えることができる。

上記電極芯棒支持部材は、他の態様では、通気性を有することができる。

上記電極芯棒支持部材は、具体的には例えば、上記電極芯棒に巻回した金属箔から構成し、隣接する該金属箔の間に上記空隙を形成することができる。上記金属箔は、一部を上記電極芯棒に溶着することができる。

上記封止管は、上記発光管に連設する外管状部と、該外管状部に連設し、外径がランプ軸方向外側に向けて縮径する縮径部と、該縮径部に連設し、該縮径部の電極芯棒側にランプ径方向に沿った端壁部と、該端壁部の発光管側に連設する上記内管状部と、該内管状部に連設して上記電極芯棒と封着する上記段継ガラスとを有し、上記端壁部の電極芯棒対向内周面の一部には、上記端壁部のランプ軸方向外側端面の内径より大きい内径を有したランプ軸方向内側に拡径する拡径凹部を有し、上記電極芯棒支持部材は、上記拡径凹部を有する上記電極芯棒対向内周面と上記電極芯棒との間に介在させてもよい。

本発明のショートアーク型放電ランプは、電極芯棒と封止管との間の管状空間内に電極芯棒支持部材を介在させたので、電極芯棒が段継ガラス部分を中心に揺動する可能性（余地）を少なくし、段継ガラスの破損を未然に防止することができる。また、電極芯棒支持部材に電極芯棒支持部材よりランプ軸方向内側の空間とランプ軸方向外側の空間とを連通させる空隙を設け、あるいは通気性を与えることにより、段継ガラス部分の冷却性を損なうこともない。さらに、電極支持部材がランプ径方向に弾性を有することにより、電極芯棒の熱膨張が封止管に伝わることを抑制でき、封止管が破損することを防止できる。

本発明によるショートアーク型放電ランプ及び反射鏡を含む光源装置の一実施形態を示す縦断図である。 封止管の内管状部と電極芯棒部分の拡大断面図である。 図３（Ａ）は電極芯棒の端部に結合する弾性電極芯棒支持部材の拡大平面図、図３（Ｂ）は図２のIII−III線に沿う拡大断面図、図３（Ｃ）は弾性電極芯棒支持部材の拡大側面図である。 電極芯棒の端部に結合する弾性電極芯棒支持部材を金属箔の巻回構造により形成する態様を示す斜視図である。 本発明の別の実施形態を示す、図５（Ａ）は図３（Ａ）に対応する拡大平面図、図５（Ｂ）は図３（Ｂ）に対応する拡大断面図である。 本発明のさらに別の実施形態を示す、図３（Ｂ）に対応する拡大断面図である。 本発明を本出願人が特願２０１４-１６３５４３号で提案したショートアーク型放電ランプに適用した実施形態を示す、図２に対応する断面図である。 本発明を本出願人が特願２０１４-１６３５４３号で提案した他の態様のショートアーク型放電ランプに適用した実施形態を示す、図２に対応する断面図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を具体的に説明する。図１ないし図４は、本発明によるショートアーク型放電ランプ（以下「ランプ」）１００の第１の実施形態を示している。

図１は、ランプ１００と凹面反射鏡１を有する光源装置の全体を示している。ランプ１００は、発光管３と、発光管３の両端に連接された封止管４とを備える。発光管３と封止管４はそれぞれ石英ガラスから構成され、発光管３には放電ガスとしてキセノンガスが大気圧以上で封入される。発光管３の内部には、一対の電極５が配置され、この一対の電極５には一端を封止管４の端部から外部に突出させた電極芯棒６がそれぞれ接続される。凹面反射鏡１は通常、楕円面鏡または放物面鏡であって、一対の電極５は、凹面反射鏡１の焦点位置を中心として対向配置される。図示例では、封止管４の端部に電極芯棒６に導通する口金９が設けられており、この口金９には、内外を連通する空冷用の通気孔９ａが複数箇所に設けられる。口金９は省略することがある。

発光管３と封止管４との間には、電極芯棒６に向けて縮径する縮径部３４が形成され、封止管４は、縮径部３４に連なる外管状部４０１と、外管状部４０１の外端部に連なって徐々に縮径する縮径部４０２と、縮径部４０２に連なり軸線に直交する方向の端壁部４０３と、端壁部４０３より発光管側に連なる、内管状部４０４とを備える。

封止管４の内管状部４０４と電極芯棒６との間には、電極芯棒６を封着する段継ガラス７が介在する。図２の例では、電極芯棒６との封着部７ａは内管状部４０４に接続される。このような段継ガラスを用いた封止構造は、段継ガラス封止構造として知られている。

封止管４の端壁部４０３もしくは内管状部４０４と電極芯棒６との間には、電極芯棒支持部材１０が配置され、封止管端部および内管状部４０４と電極芯棒６とは電極芯棒支持部材１０を介して少なくとも一部が接する。電極芯棒支持部材１０よりランプ軸方向内側には管状（環状）空間８が存在する。電極芯棒支持部材１０は、径方向に弾性を有し、好ましくは、管状空間８と電極芯棒支持部材１０よりランプ軸方向外側の空間を連通させる通気性を備えた金属部材である。

電極芯棒支持部材１０は、具体的には、金属箔（好ましくはモリブデン箔）を重なり部分間に空隙（隙間）が生じるように緩く巻回したもので、電極芯棒６の長さ（軸線）方向に離間した複数（図３（Ａ）、（Ｃ）の例では２カ所）の固定部分１１で部分的に電極芯棒６に固定される。図４は、電極芯棒６に対する金属箔１０ａの巻回の様子を模式的に示したもので、帯状の金属箔１０ａの一端部を電極芯棒６の外周面に固定し、電極芯棒６の外周に、２周以上巻回する。金属箔１０ａは、積層されている部分の間に空隙１０ｂが生じるように緩く巻回するものとする。図３（Ｂ）では、模式的に空隙１０ｂを同心状に等間隔に描いているが、実際には金属箔１０ａの形状（変形）や巻回し状態によりにより、少なくとも一部に不均一かつ不等間隔で空隙が形成される。このような空隙１０ｂは、同時に、電極芯棒６の外周に巻回された電極芯棒支持部材１０の全体として、径方向に弾性を有するとともに、軸線方向に通気性を備えることになる。

また、金属箔１０ａとして、エンボス（凸部）１０ｃを有する（図４参照）エンボス金属箔を用いれば、内外周の金属箔１０ａと金属箔１０ａの間に空隙１０ｂが確実に確保され、エンボス１０ｃとエンボス１０ｃとの間に確実に空隙１０ｂを構成することができる。

電極芯棒支持部材１０は、部分的にスポット溶接して固定部分１１で電極芯棒６に固定される。固定部分１１では、積層した金属箔１０ａが密着することで、金属箔１０ａ間に空隙１０ｂは存在せず、径方向に凹部１１ａが形成される。固定部分１１は、積層した金属箔１０ａが密着することからランプ径方向の弾性は空隙１０ｂを有する部分より少ないが、凹部１１aを有することから電極芯棒支持部材１０の全体としては径方向に弾性を妨げるものではない。

以上のランプ１００は、電極芯棒６の外周面と封止管４の端壁部４０３もしくは内管状部４０４の内周面との間に、段継ガラス７より外側において、電極芯棒支持部材１０が介在するため、電極芯棒６の移動（段継ガラス７の接触（封着部７ａ）部分を中心とする揺動運動）を制限することができる。従って、電極芯棒６が封止管４（内管状部４０４）内で移動することに起因する封止管４（内管状部４０４）の破損を防ぐことができる。また、電極芯棒支持部材１０がランプ径方向に弾性を有することから、点灯時の電極芯棒６と封止管４との熱膨張差が緩衝され、電極芯棒６の熱膨張が電極芯棒支持部材１０を介して封止管４に伝わることで、封止管４が破損することを防止できる。（固定部分１１は、積層した金属箔１０ａが密着することからランプ径方向の弾性は空隙１０ｂを有する部分より少ないが、封止管との間に凹部１１aを有することから電極芯棒６の熱膨張が封止管４に伝わることが防止される。）
さらに、金属箔１０ａと金属箔１０ａとの間に空隙１０ｂが存在することから、空隙１０ｂを通して管状空間８内に外気を導入し、管状空間８内から排出することができ、段継ガラス７の冷却性を妨げることがない。

図５（Ａ）と（Ｂ）は、電極芯棒支持部材１０の電極芯棒６への固定部分１１Ｌを電極芯棒６の軸線と平行な方向に連続させた（連続して溶接した）実施形態である。電極芯棒支持部材１０の固定部分１１Ｌの凹部と封止管４の内周面との空隙は、金属箔１０ａ間の空隙１０ｂとともに、管状空間８と外気とを連通する軸線方向の通気路８ａを形成している。この実施形態は、電極芯棒支持部材１０が空隙１０ｂと通気路８ａを有するので、段継ガラス７の冷却作用を向上させることができる。空冷効果向上の観点からは、固定部分１１Ｌを、円周方向位置を異ならせて複数箇所設けてもよい。

以上の金属箔１０ａの巻回作業及び巻回した金属箔１０ａの電極芯棒６への固定作業は、電極芯棒６と封止管４（段継ガラス７）との封着前に行い、その後、所定の仕様になるように電極芯棒６と封止管４（段継ガラス７）とを封着する。このような封着作業は周知である。この封着作業が終了すると、電極芯棒６の外周と、封止管４の端壁部４０３もしくは内管状部４０４の内周面との間に、電極芯棒支持部材１０が位置することとなり、金属箔１０ａの少なくとも一部と、端壁部４０３もしくは内管状部４０４の内周面とが接触する（金属箔１０ａの巻回数は、金属箔１０ａの少なくとも一部と、封止管４の端壁部４０３もしくは内管状部４０４の内周面とが接触するように定める）。

図６は、電極芯棒支持部材１０が通気性を有する金属製のスポンジ状部材または金属製タワシ状部材からなる実施形態を示す模式断面図である。電極芯棒支持部材１０の多数の孔（空隙、隙間）１０ｅは、軸線方向に繋がっていて、管状空間８と電極芯棒支持部材１０よりランプ軸方向外側の空間を連通する通気路を形成している。この実施形態は、電極芯棒支持部材１０の弾性により破損防止効果が得られ電極芯棒支持部材１０の多数の孔１０ｅにより形成された通気路により冷却効果が得られる。

次に、本発明を特願２０１４-１６３５４３号（先行出願）で本出願人が提案したショートアーク型放電ランプに適用した実施形態を図７と図８について説明する。この実施形態は、封止管及び発光管を構成するガラス内を伝播する照明光が電極芯棒６及び段継ガラス７を加熱するのを防止する（抑制する）ために、封止管４の内管状部４０４に拡径凹部４０７を形成したショートアーク型放電ランプに本発明を適用したものである。図１及び図２に示した実施形態と同一の機能部材には同一の符号を付している。

すなわち、ショートアーク型放電ランプでは、アークより放射された光の一部は、光ファイバー効果によって発光管３及び封止管４の内部を伝播する。併せて反射鏡１の焦点から外れた位置のアークから放射された光の一部は、反射鏡１によって発光管３や封止管４に照射され、光ファイバー効果によって発光管３及び封止管４の内部を伝播する。また、段継ガラス７は、点灯によって電極５が加熱され、その熱が電極５から電極芯棒６を介して伝わることによって加熱される。電極芯棒６の赤外線が照射された部分の温度が上昇すると、電極５からだけでなく、赤外線が照射された電極芯棒６部分からも熱が伝わることで段継ガラス７はさらに加熱され、より高温になる。

発光管３内には放電ガスとしてキセノンが大気圧以上に封入されており、放電ガスと接している段継ガラス７は、ランプ点灯中及び消灯中に関わらず、常に発光管内側から外側に向けて圧力を受けている。そのため、赤外線が照射された電極芯棒６からも熱が伝わることで段継ガラス７がさらに加熱され、温度が歪点さらには軟化点を上回ると、段継ガラス７は発光管外側に膨れるように変形し、段継ガラス７に保持される電極芯棒６、及び電極芯棒６に支持される電極５の位置が移動する。この結果、電極間距離が増えることによるランプ１００の点灯電力特性の変化や、一対の電極５間に発生するアークが反射鏡１の焦点からずれることによる照度低下等の不具合が生じる。さらに、アークが反射鏡１の焦点からずれると、反射鏡１によって封止管４に照射される光の量が増加し、さらに上記不具合が深刻化する場合がある。

先行出願は、このような発光管３と封止管４による光ファイバ効果による電極芯棒６及び段継ガラス７の加熱を防止するために、封止管４の端壁部４０３のランプ軸方向外側端をランプ径方向に沿った平坦面（第１の光放射面）４０５として用い、端壁部４０３の電極芯棒６に対向する電極芯棒対向内周面４０６の一部に、拡径（環状）凹部４０７を設けている。拡径凹部４０７は、電極芯棒６の径方向に徐々に幅を狭めていて、端壁部４０３のランプ軸方向外側端面の内径Ｒ１より大きい内径Ｒ２を有している。この拡径凹部４０７の最大内径を有する部分は、端壁部４０３の厚さのランプ軸方向中心Ｍ１より発光管３側に位置している。ランプ軸方向中心Ｍ１は、第１の光放射面４０５を有する端壁部４０３のもっとも肉厚が薄い部分のランプ軸方向における肉厚中間である。

このように、拡径凹部４０７において最も拡径させる、つまり最も内径が大きい部分を端壁部４０３のランプ軸方向中心Ｍ１より発光管側に設けることにより、端壁部４０３をランプ径方向内側に向かって伝播する光Ｌの大部分を拡径凹部４０７によりランプ軸方向外側に内面反射させることができ、段継ガラス７の温度上昇を抑制することができる。このように、電極芯棒６側に光Ｌを放射させずに、ランプ軸方向外側に光を内面反射させるには、拡径凹部４０７を有する電極芯棒対向内周面４０６のランプ軸方向断面形状が略Ｖ字状になることが望ましい。

なお、外管状部４０１内を伝播する光Ｌが端壁部４０３の発光管側端面４１０から内管状部４０４や段継ガラス７に照射されることを抑制するために、発光管側端面４１０は曲面であることが望ましい。ただし、端壁部４０３の肉厚差を抑制するために、発光管側端面４１０にもランプ径方向に沿った平坦面を設ける必要がある場合には、その平坦面の面積は少なくとも第１の光放射面４０５より小さいことが望ましい。

この図７の実施形態では、電極芯棒６と封止管４の電極芯棒対向内周面４０６との間に、電極芯棒支持部材１０が介在していて、金属箔１０ａの少なくとも一部と、電極芯棒対向内周面４０６とが接触していて、電極芯棒６の揺動が抑制されている。電極芯棒６と拡径凹部４０７との間には空間が存在する。図７の実施形態において、電極芯棒支持部材１０をこの場所に設けることにより、封止管４のガラス内部を伝播する光が電極芯棒支持部材１０に照射されることを防ぎ、電極芯棒支持部材１０及び電極芯棒６の昇温を防止（抑制）することができるという利点が得られる。

図８は、図７の実施形態において、端壁部４０３に、内管状部４０４とは反対側（外側）に突出する管状の光誘導部４０８を設け、光誘導部４０８のランプ軸方向外側端面には平坦面４０９（第２の光放射面）を設けた先行出願の実施形態に本発明を適用したものである。端壁部４０３をランプ径方向内側に向かって伝播する光Ｌは光反射面である拡径凹部４０７によってランプ軸方向外側に向かって内面反射され、光誘導部４０８内を伝播する。光誘導部４０８内を伝播した光Ｌは第２の光放射面４０９より外部に放射される。

光誘導部４０８内に光Ｌを伝播させ、端壁部４０３から離れた第２の光放射面４０９から放射させることによって、外部に放射された光が電極芯棒６を照射することを防止し、もしくは電極芯棒６のよりランプ軸方向外側に照射させることができる。これにより、封止管４より放射された光に起因した段継ガラス７の温度上昇を抑制することができる。

そして、この実施形態では、電極芯棒６に固定された電極芯棒支持部材１０は電極芯棒対向内周面４０６及び管状光誘導部４０８と対向（接触）していて、電極芯棒６が段継ガラス７部分を中心に揺動移動するのを防止する。図８の実施形態において、電極芯棒支持部材１０をこの場所に設けることにより、図７の実施形態と同様に、封止管４のガラス内部を伝播する光が電極芯棒支持部材１０に照射されることを防ぎ、電極芯棒支持部材１０及び電極芯棒６の昇温を防止（抑制）することができるという利点が得られる。

１ 反射鏡
３ 発光管
４ 封止管
４０１ 外管状部
４０２ 縮径部
４０３ 端壁部
４０４ 内管状部
４０５ 平坦面（第１の光放射面）
４０６ 電極芯棒対向内周面
４０７ 拡径凹部
４０８ 管状の光誘導部
４０９ 平坦面（第２の光放射面）
５ 電極
６ 電極芯棒
７ 段継ガラス
７ａ 接触部
８ 管状空間
８ａ 通気路
９ 口金
１０ 電極芯棒支持部材
１０ａ 金属箔
１０ｂ 空隙
１０ｃ エンボス
１０ｅ 孔
１１ １１Ｌ 固定部分
１１ａ 凹部
３４ 縮径部
１００ ランプ
Ｍ１ 端壁部のランプ軸方向中心
Ｒ１ 端壁部の内径
Ｒ２ 拡径凹部の最大内径

Claims (6)

1. 内部に一対の電極を備えた発光管と、
   上記発光管の両端部に連設された封止管と、
   上記一対の電極にそれぞれ接続された一対の電極芯棒と、
   を有し、
   上記封止管と電極芯棒とを段継ガラスを介して封着するショートアーク形ランプにおいて、
   上記ランプ軸方向にて上記段継ガラス部分より外側となる位置であって、上記ランプ径方向で対向する上記封止管と上記電極芯棒との間となる位置に上記ランプ径方向に弾性を有する電極芯棒支持部材を介在させたこと、
   を特徴とするショートアーク型放電ランプ。
2. 請求項１記載のショートアーク放電ランプにおいて、上記電極芯棒支持部材は、上記電極芯棒支持部材よりランプ軸方向内側の空間と、上記電極芯棒支持部材よりランプ軸方向外側の空間とを連通させる空隙を備えているショートアーク型放電ランプ。
3. 請求項１または２記載のショートアーク型放電ランプにおいて、上記電極芯棒支持部材は通気性を有するショートアーク型放電ランプ。
4. 請求項２記載のショートアーク型放電ランプにおいて、上記電極芯棒支持部材は、上記電極芯棒に巻回した金属箔からなり、隣接する該金属箔の間に上記空隙が形成されているショートアーク型放電ランプ。
5. 請求項４記載のショートアーク型放電ランプにおいて、上記金属箔は、一部が上記電極芯棒に溶着されているショートアーク放電ランプ。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項記載のショートアーク型放電ランプにおいて、
   上記封止管は、上記発光管に連設する外管状部と、該外管状部に連設し、外径がランプ軸方向外側に向けて縮径する縮径部と、該縮径部に連設し、該縮径部の電極芯棒側にランプ径方向に沿った端壁部と、該端壁部の発光管側に連設する上記内管状部と、該内管状部に連設して上記電極芯棒と封着する上記段継ガラスとを有し、
   上記端壁部の電極芯棒対向内周面の一部には、上記端壁部のランプ軸方向外側端面の内径より大きい内径を有したランプ軸方向内側に拡径する拡径凹部を有し、
   上記電極芯棒支持部材は、上記拡径凹部を有する上記電極芯棒対向内周面と上記電極芯棒との間に介在しているショートアーク型放電ランプ。

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