JP3700628B2

JP3700628B2 - ショートアーク型超高圧放電ランプ

Info

Publication number: JP3700628B2
Application number: JP2001277917A
Authority: JP
Inventors: 義隆神崎; 浩二宮宇地
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2001-09-13
Filing date: 2001-09-13
Publication date: 2005-09-28
Anticipated expiration: 2021-09-13
Also published as: JP2003086137A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、点灯時の水銀蒸気圧が１５ＭＰａ以上となるショートアーク型超高圧放電ランプに関し、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）を使った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のバックライトとして使うショートアーク型超高圧放電ランプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
投射型の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、このため、光源としては、水銀や金属ハロゲン化物を封入させたメタルハライドランプが使われている。また、このようなメタルハライドランプも、最近では、より一層の小型化、点光源化が進められ、また電極間距離の極めて小さいものが実用化されている。
【０００３】
このような背景のもと、最近では、メタルハライドランプに代わって、今までにない高い水銀蒸気圧、例えば１５ＭＰａ、を持つランプが提案されている。これは、水銀蒸気圧をより高くすることで、アークの広がりを抑える(絞り込む）とともに、より一層の光出力の向上を図るというものである。
このような超高圧放電ランプは、例えば、特開平２−１４８５６１号、特開平６−５２８３０号に開示されている。
【０００４】
ところで、このような超高圧放電ランプは、発光管内の圧力が点灯時に極めて高くなるので発光管部の両側に延在する側管部においては、当該側管部を構成する石英ガラスと電極および給電用の金属箔を十分かつ強固に密着させる必要がある。特に、電極は一般に円柱形状であり金属箔は平板形状であるから、両者を接合させると石英ガラスとの境界部分に必ず微小空隙が発生してしまい、発光空間内の高いガス圧が電極軸棒の周囲の空隙を介してこの微小空間に印加して、ここからクラックの発生、成長と発展させる可能性がある。
このため、当該空隙を如何に小さくするかがクラックの発生防止に重要な課題になってくるが、電極軸の断面積を小さくすることでその周囲に生じる微小空隙を小さくしようとする試みを行われている。このような電極軸周囲に形成される空隙に関しては、例えば、特開平３−２０１３５７号を参照されたい。また、後述するが、本発明の実施例の説明における図４も参照できる。
【０００５】
その一方で、プロジェクター装置に使用するショートアーク型超高圧放電ランプは、発光管内容積が８０ｍｍ^３程度と極めて小さいにもかかわらず、点灯時内気圧が１５ＭＰａ以上、管壁負荷値が０．８Ｗ／ｍｍ^２以上というきわめて熱的条件の厳しいものであり、したがって、放電ランプの点灯中においては、失透防止のために放電容器の高温化を防止するための放熱対策を十分に講じる必要がある。
この放熱対策としては、放電容器外部から冷却風などを吹き付けることも考えられるが、それ以外の方法として電極（電極軸）の伝熱作用による放熱も重要な要素となる。
そして、放電空間内の熱を伝導放熱することだけを論じるならば、電極軸は太い方（すなわち、断面積が大きい方）が放熱効果は優れているということになる。
【０００６】
以上の内容をまとめると、放電容器内の点灯時のガス圧が極めて高く（例えば、１５ＭＰａ以上）、発光管内容積が８０ｍｍ^３以下であり管壁負荷が０．８Ｗ／ｍｍ^２以上という極めて熱的条件に厳しいプロジェクター用のショートアーク型超高圧水銀ランプにおいては、
第一に、点灯時における高い封入ガス圧のために側管部において、通常の放電ランプ（点灯時ガス圧が数気圧〜数十気圧程度のもの）では生じることがないクラックが発生、成長することがあり、このため、電極軸の直径を小さくすることでクラックの発生原因をなる微小空間の小さくすることが好ましい。
第二に、点灯時の熱的条件がきわめて厳しいことから放電空間内の高温を速やかに放熱する必要があり、このために、電極軸による伝熱作用を利用することが重要であって、具体的構成としては電極軸を太くすることが好ましい。
【０００７】
このような課題を解決する手段として、例えば、特開平１０−２８９６９０号に開示するものがある。
この公開公報には、電極軸の直径が放電アークを保持している部分に比較して、ガラスと溶着されている部分が小さくなっており、放電アークを保持する部分からガラスとの溶着部分に向かうにしたがい、電極軸の直径を段階的に細くするか、あるいは、連続的に細くすることが開示されている。
【０００８】
この構造は、上記２つの課題を定性的にはともに解決できるはずであるが、この公開公報に開示される放電ランプは、内気圧が０．１ＭＰａ以上という（明細書の段落番号０００１）非常に低いところを対象にするものであり、本願発明の対象となるショートアーク型放電ランプのように、例えば、１５ＭＰａ以上という２桁も大きい内圧を有する放電ランプには必ずしも完全な課題達成を奏するものではなかった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
この発明が解決しようとする課題は、極めて高い水銀蒸気圧で点灯する超高圧水銀ランプにおいて、十分に高い耐圧力性を有する構造を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためにこの発明のショートアーク型超高圧水銀ランプは、内部にタングステンを主成分とする一対の電極が対向配置され、かつ、０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀を封入した発光管部と、その両側に延在して金属箔を内部に有する側管部とからなり、前記電極は棒状の軸が前記発光管部から前記側管部まで同じ太さのまま伸びるとともに、この電極軸の端部と前記金属箔との間には、電極軸の外径よりも小さい外径を有する別体の断面円形の金属部材が両者を電気的に接続するように橋渡しの状態で設けられ、さらに、前記電極軸は前記金属箔まで伸びていないことを特徴とする。
【００１１】
さらに、前記金属部材は、φ０．１〜０．５ｍｍであることを特徴とする。
さらに、前記電極の側面及び端面は、前記側管部内において当該側管部の構成材料である石英ガラスとの間に微小空間を形成していることを特徴とする。
【００１２】
【作用】
この発明に係るショートアーク型超高圧放電ランプは、小径の金属部材をつかって金属箔との接合部分を構成しているので、当該接合部分におけるクラックの発生、成長を良好に抑えることができる。
これは、側管部内における金属箔との溶接においては、従来のように電極軸と金属箔を溶接するのではなく、両者の間に別部材である金属部材を配置させて、この金属部材の外径をφ０．１〜０．５ｍｍというレベルまで小さくことで当該接合部分におけるクラックの発生を抑えることができることを見出したものである。
【００１３】
その一方で、本発明のショートアーク型高圧放電ランプは、点灯時内気圧１５ＭＰａ、発光管内容積８０ｍｍ^３程度、管壁負荷値０．８Ｗ／ｍｍ^２以上という熱的条件に極めて厳しいものではあるが、電極が放電空間からほぼ同じ大きさ側管部まで伸びる構成とすることにより、電極軸からの伝熱作用を十分に機能させて、放電空間内の高温を良好に側管部から放熱するものである。
つまり、電極軸は、放熱作用のため側管部におけるまで太いままで伸びる構造にするとともに、金属箔との接合においてのみ空隙の発生防止という観点から別体の金属部材を使うということである。そして、電極軸は放電空間の高温を伝導熱として側管部まで逃がし、当該側管部において電極軸外周面から石英ガラスを介して放熱するというものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１に本発明のショートアーク型超高圧放電ランプ（以下、単に「放電ランプ」ともいう）の全体構成を示す。放電ランプ１０は、石英ガラスからなる放電容器１１によって形成された大略球形の放電空間部１２を有し、この放電空間部１２内には、陰極１３と陽極１４が互いに対向するよう配置されている。また、放電空間部１２の両端部から伸びるよう各々封止部１５が形成され、これらの封止部１５内には、通常モリブデンよりなる導電用金属箔１６が、例えばピンチシールにより気密に埋設されており、陰極１３および陽極１４の各々を先端に有する電極棒１７の先端に設けられた金属部材２０が、当該導電用金属箔１６の一端部に配置された状態で溶接されて電気的に接続されると共に、他端部には、外部に突出する外部リード棒１８が溶接されている。なお、陰極１３、陽極１４と電極軸１７まで含めて「電極」と称しており、これらはタングステンを主成分として構成される。
【００１５】
それぞれの電極軸１７の金属箔側の端部には、電極軸１７とは別体の金属部材２０が設けられている。この金属部材２０は、後述するが、モリブデンあるいはモリブデンを主成分とする材料から構成され、金属部材２０の断面積は電極軸１７の断面積よりは小さくなっており、さらに、電極軸１７と金属箔１６との間で給電機能という意味において橋渡しの役割を行い、両者の間で電気的に接合が行われる。
なお、金属部材２０は、電極を構成する材料よりも熱伝導性の良い材料を使うことで封止部の製造工程において密着性をあげることが可能となる。
【００１６】
放電空間部１２内には、水銀と、希ガスと、ハロゲンガスが封入されている。
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１５ＭＰａ以上で極めて高い蒸気圧となる。また、水銀をより多く封入することで（例えば、０．２０、０．２５、０．３０ｍｇ／ｍｍ^３）、点灯時の水銀蒸気圧２０ＭＰａ以上、３０ＭＰａ以上という高い水銀蒸気圧の放電ランプを作ることができ、水銀蒸気圧が高くなるほどプロジェクター装置に適した光源を実現することができる。
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のものである。
ハロゲンは、臭素、塩素、沃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、ハロゲンの封入量は、例えば、１０^−６〜１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲から選択できるものであって、その機能は放電容器の白濁防止など目的とした長寿命化であるが、本発明の放電ランプのように極めて小型で高い内圧を有するものは、このようなハロゲンを封入することも、放電容器の破損、失透防止という現象に影響を及ぼしている。
【００１７】
なお、放電ランプの完璧負荷は０．８Ｗ／ｍｍ^２以上になる。これは、放電容器内に大量の水銀が封入されており、これら水銀がランプ点灯中に十分に蒸気化するための熱的条件を達成するためのものである。
また、放電ランプは、その内容積が８０ｍｍ^３以下の小さいものである。これは、液晶プロジェクター装置の小型化に対応して放電ランプ自体の可能な限り小型化することが求められるからである。
【００１８】
このような放電ランプの数値例を示すと、例えば、発光部の最大外径９．５ｍｍ、電極間距離１．５ｍｍ、発光管内容積７５ｍｍ^３、管壁負荷１．５Ｗ／ｍｍ^３、定格電圧８０Ｖ、定格電力１５０Ｗである。
そして、この放電ランプは、前記したプロジェクター装置やオーバーヘッドプロジェクターのようなプレゼンテーション用機器に搭載され、演色性の良い放射光を提供することができる。
【００１９】
図２は、本発明に係る放電ランプの電極と金属箔の間にブリッジを設けた陽極根元部分の拡大図を示し、（ａ）〜（ｆ）に具体的形態を一例として紹介している。なお、（ｂ）図以降は石英ガラスを省略している。
【００２０】
（ａ）は、電極軸１７の端部に別体の金属部材２０ａが設けられている。この金属部材２０ａは金属ワイヤで構成されている。そして、金属ワイヤーは、一方の端部が電極軸の側面に数回巻きつけられ、他方の端部において金属箔と溶接されている。
【００２１】
（ｂ）は、金属部材２０ｂがワイヤではなく途中で折れ曲がった棒状部材で構成されている。この金属部材２０ｂは、一方の端部が電極軸の側面にスポット溶接され、他方の端部において金属箔と同じくスポット溶接されている。
【００２２】
（ｃ）は、金属部材２０ｃがまっすぐな棒状部材で構成される。金属部材２０ｃの一端は電極軸の中心に設けられた穴に挿入して固定しており、金属部材２０ｃの他端は金属箔１６に溶接させている。
【００２３】
（ｄ）は、金属部材２０ｄがワイヤから構成され、電極軸１７ａに設けた貫通孔１７０に導電ワイヤ２０ｄを貫通させて導電ワイヤ２０ｄの両端が各々金属箔１６に溶接されている。この構造のメリットは上記（ａ）〜（ｃ）における金属部材の半分の断面積で金属部材を構成することができ、２本設けることでトータルの断面積を同一としている。
【００２４】
（ｅ）は、金属部材２０ｅが導電バネ（コイル）部分２０ｅ１と棒状導電部材部分２０ｅ２から構成され、導電バネ部分２０ｅ１は電極軸に巻き付けられた部分と棒状導電部材２０ｅ２に巻き付けられた部分から構成される。この構造は導電バネ２０ｅで弾性力により電極軸１７ａに保持されて、また、弾性力により導電部材２０ｅ２を保持している。そして、導電部材２０ｅ２の他端は金属箔１６に溶接される。
【００２５】
（ｆ）は、金属部材２０ｆがまっすぐな棒状部材であり、金属部材２０ｆの一端が電極軸に切削により形成された平面部と溶接され、他端が金属箔１６と溶接される。
（ｇ）は、金属部材２０ｇがまっすぐな棒状部材であるが、この金属部材２０ｇは電極軸１７ａを突合せ溶接をしている。
【００２６】
ここで、電極軸１７はφ０．６〜１．５ｍｍであるのに対し、金属部材２０はφ０．１〜０．５ｍｍである。
具体的数値例を示すと、陽極１４はφ１．８ｍｍ、長さ３．３４ｍｍ、陽極１４の先端円錐部分は先端角７０°、電極軸１７はφ１．０ｍｍ、長さ３．５ｍｍ、金属部材２０はφ０．１４ｍｍ、長さ１．８ｍｍである。
【００２７】
なお、図２は便宜上電極軸１７が陽極１４に比較して短い構造を示しているが、電極軸１７は現実にももう少し長く、そして、電極軸１７の外周囲に石英ガラスからなる側管部が形成されていることが必要となる。これは電極軸の外周面からの石英ガラスを介しての放熱が重要になるからである。
【００２８】
図３は本発明の超高圧放電ランプの陰極根元拡大図を示す。図２と異なり、金属箔は省略している。
陰極１３の電極軸１３ａの端部には、電極軸の外径よりも小さい外径を有する金属部材１３ｂが接合されており、金属部材１３ｂの他端は図示略の金属箔に接続されている。金属部材１３ｂについては、図２に示す構造の全てを採用することができるが、この実施例では図２（ｆ）に相当する構造を例示している。
数値例をあげれば、電極軸１３ａはφ０．６〜１．５ｍｍであり、金属部材１３ｂはφ０．１〜０．５ｍｍである。なお、陰極については、陽極と異なり電極と電極軸を区別しておらず、両者を一体として電極として称しているが、電極軸を区別して称することもでき、また、陽極と同じように先端に太径の電極ヘッドを設ける構造であってもよい。
なお、陰極先端に巻きつけられるコイルは点灯始動性を改善するためのものである。
陰極の構造を具体的に示すと、陰極１３は、電極軸１３ａはφ０．８ｍｍ、長さ８．０ｍｍ（先端からの距離）、金属部材１３ｂはφ０．１４ｍｍ、長さ１．８ｍｍである。
【００２９】
図４は、金属部材２０と金属箔１６の接合部分の拡大図を表すが、このような接合部分には必ず空隙１９を形成してしまう。この空隙２９に放電空間内の高いガス圧が印加されるとクラックの発生、成長を招くわけである。
そして、本発明者らは、このような空隙１９が金属部材２０の外径に大きく影響受けることを見出した。つまり、空隙１９は金属部材の断面積以上には大きくならず、金属部材２０が小さいということは空隙１９も当然に小さいものであるからである。
【００３０】
図５は、上記実施例で例示した放電ランプにおいて、その金属部材２０の外径のみを変化させた場合の当該空隙１９に印加される圧力との関係を測定したものであり、縦軸は空隙に印加されるガス圧力を示し、横軸は金属部材の外径を示している。
金属部材２０と金属箔の接合構造は、図２（ｆ）に示す構造であり、放電ランプの寸法は段落番号００１４で示すものであり、封入水銀量は０．１５ｍｇ／ｍｍ^３である。
【００３１】
図より、金属部材の外径がφ１．０ｍｍの場合における印加圧力は８０ＭＰａ、φ０．７ｍｍにおける印加圧力は約４８ＭＰａ、φ０．５ｍｍにおける印加圧力は約４２ＭＰａ、φ０．３ｍｍにおける印加圧力は約３６ＭＰａであった。電極軸はφ１．０ｍｍであるため、金属部材の外径φ１．０ｍｍとは同一外径を意味しており、本発明における別体の金属部材による接合構造を有していないことを意味している。
そして、図５に示す結果からも明らかなように、電極軸より小径の金属部材を設けることにより、当該空隙に印加される圧力は激減しており、特に、金属部材がφ０．５ｍｍ以下になると極端に小さくなることが証明される。
【００３２】
また、金属部材２０は通常断面円形で構成されるため、上記実験では金属部材の外径値を要素として測定しているが、本質的には、金属部材の断面積が接合時に生ずる空隙の大きさに影響を受けることはいうまでもない。
【００３３】
図６は本発明のショートアーク型高圧放電ランプの他の実施例を示すもので、陽極根元拡大図を示す。
この構造は電極軸１７ａの外表面に空隙Ｂを有することを特徴としている。このような空隙を設ける理由は、内部に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３という極めて高圧な水銀蒸気圧が封入される放電ランプにおいて、電極軸と石英ガラスとの間にクラックの発生を良好に防止するためである。
さらに、空隙の大きさは、例えば３〜１０μｍｍ程度であるので、電極軸表面からの放熱効果は十分に有している。
そして、空隙Ｂを有すること以外は、上記実施例と同様であり、金属部材２０が電極軸１７と金属箔１６の間の橋渡しの機能を果たしている。
なお、空隙に関する構造そのものについては、本出願人の先願である特願２０００―１６８７９８号を参照されたい。
【００３４】
最後に、本発明によるショートアーク型放電ランプの数値例を紹介する。
側管部の外径：６．０ｍｍ
ランプ全長：６５．０ｍｍ
側管の長さ：２５．０ｍｍ
発光管の内容積：０．０８ｃｃ
電極間距離：２．０ｍｍ
定格点灯電圧：２００ｗ
定格点灯電流：２．５Ａ
封入水銀量：０．１５ｍｇ／ｍｍ^３
希ガス：アルゴンを１３ｋＰａ
【００３５】
以上説明したように、本発明のショートアーク型超高圧水銀ランプは、点灯時内気圧が１５ＭＰａを超える超高圧であり、その熱的条件も極めて厳しいものであるが、電極軸と金属箔との接合において、金属部材を両者の間に橋渡し的に介在させているので、第一に、点灯時における放電容器内のガス圧が極めて高くても当該封止部においてクラックの発生を良好に防止することができる。第二に、点灯時の熱的条件がきわめて厳しいものであるが、放電空間で発生する高温を電極軸の伝熱を介して良好に放熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のショートアーク型超高圧放電ランプの全体図である。
【図２】本発明のショートアーク型超高圧放電ランプの部分図である。
【図３】本発明のショートアーク型超高圧放電ランプの部分図である。
【図４】本発明のショートアーク型超高圧放電ランプの部分図である。
【図５】本発明のショートアーク型超高圧放電ランプの効果を示す説明図である。
【図６】本発明のショートアーク型超高圧放電ランプの他の実施例を示す。
【符号の説明】
１０放電ランプ
１１発光管部
１２発光空間
１３陰極
１４陽極
１５側管部
１６金属箔
１７電極軸
１８外部リード
２０金属部材

Claims

内部にタングステンを主成分とする一対の電極が対向配置され、かつ、０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀を封入した発光管部と、その両側に延在して金属箔を内部に有する側管部とからなるショートアーク型超高圧放電ランプにおいて、
前記電極は棒状の軸が前記発光管部から前記側管部まで同じ太さのまま伸びるとともに、この電極軸の端部と前記金属箔との間には、電極軸の外径よりも小さい外径を有する別体の断面円形の金属部材が両者を電気的に接続するように橋渡しの状態で設けられ、
さらに、前記電極軸は前記金属箔まで伸びていないことを特徴とするショートアーク型超高圧放電ランプ。
前記金属部材は、φ０．１〜０．５ｍｍであることを特徴とする請求項１のショートアーク型超高圧放電ランプ。
前記電極の側面及び端面は、前記側管部内において当該側管部の構成材料である石英ガラスとの間に微小空間を形成していることを特徴とする請求項１のショートアーク型超高圧放電ランプ。