JP4193540B2

JP4193540B2 - ショートアーク型超高圧放電ランプ

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Publication number: JP4193540B2
Application number: JP2003084704A
Authority: JP
Inventors: 義隆神崎; 晃彦杉谷
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2003-03-26
Filing date: 2003-03-26
Publication date: 2008-12-10
Anticipated expiration: 2023-03-26
Also published as: JP2004296178A

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１５０気圧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１５０気圧、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部の両側に延在する封止部においては、当該封止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。密着性が悪いと封入ガスが抜けたり、あるいはクラック発生の原因になるからである。
このため、封止部の封止工程では、例えば、２０００℃もの高温で石英ガラスを加熱して、その状態において、厚肉の石英ガラスを徐々に収縮させて封止部の密着性を上げていた。
【０００５】
しかしながら、あまりに高温で石英ガラスを焼き込むと、石英ガラスと、電極あるいは金属箔との密着性は向上するものの、放電ランプ完成後に封止部が破損しやすいという問題が発生した。
この問題は、加熱処理後の封止部の温度が徐々に下がる段階において、電極を構成する材料（タングステン）と封止部を構成する材料（石英ガラス）との膨張係数の違いによって相対的な伸縮量が異なり、これが原因して両者の接触部分にクラックが発生するからである。
このクラックは、ごく小さいものではあるが、ランプ点灯中において点灯時の超高圧状態とも相俟ってクラックの成長を導き、これが原因となり放電ランプの破損を導くものと考えられる。
【０００６】
この問題を解決するために図６に示す構造が提案されている。放電ランプ１の発光部２に封止部３が繋がり、発光部２内の電極６，７は各々封止部３の中で金属箔８と接合される。そして、電極６，７の封止部８に埋設される部分にはコイル部材１０が巻き付けられている。
この構造は、コイル部材１０によって電極（棒）の熱膨張に起因する石英ガラスへの応力を緩和させるものであり、例えば、特開平１１−１７６３８５号に記載されている。
【０００７】
しかしながら、このような構造により、電極の熱膨張を緩和させたとしても、現実には、電極６、７やコイル部材１０の周辺にクラックが発生していた。
このクラックは、非常に微小なものではあるが、発光部２の水銀蒸気圧が１５０気圧という場合には、時として、封止部３の破損につながる場合がある。また、近年、２００気圧、さらには３００気圧という非常に高い水銀蒸気圧が要求されており、このような高い水銀蒸気圧においては、ランプ点灯中に、クラックの成長が促進され、結果として、封止部３の破損が起こる問題があった。
つまり、クラックの存在は、最初は微少なものであったとしても、高い水銀蒸気圧を伴うランプ点灯において、次第に大きく成長してしまうわけである。
これは５０〜１００気圧程度の点灯時蒸気圧を有する水銀ランプにおいては、決して存在しない新規な技術的課題であるといえる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、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。
【０００９】
【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高圧放電ランプは、内部に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部と、その両側に延在して電極の一部を封止するとともに電極と金属箔を接合する封止部からなり、前記金属箔は、前記電極側端部が矩形状に小幅化されており、この小幅化された部分の幅は、電極の径がφ０．３〜１．０ｍｍであるのに対して、同様に０．３〜１．０ｍｍであって、さらに、前記電極は、小幅化部分においてのみ接合されることを特徴とする。
【００１０】
【作用】
この発明に係るショートアーク型高圧放電ランプは、上記構成を採用することにより、封止部における空隙の発生そのものを小さくできるとともに、仮に空隙が発生したとしてもその成長を停止することができ、結果として、クラックの発生、成長を抑えることができる。
本発明者は、従来の金属箔と電極の接合について、図７に示すように、金属箔８と電極７の間に空隙Ｘ’が不可避的に発生してしまい、この空隙Ｘ’に対して、発光部内の極めて高い圧力が直接印加することがクラックの発生、助長に影響していることを突き止めた。
つまり、従来技術で説明したように、電極にコイル部材を巻きつけて両者の熱膨張率の違いを緩和させたとしても、空隙Ｘの存在そのものを消滅させているわけではないから、結果として十分にクラックの発生、成長を防止できないと考えたわけである。
そして、本願発明は、上記構成を新たに採用することで、封止部において電極と金属箔を良好に溶接できるとともに、空隙をきわめて小さく、現実にはほとんど発生しない程度にまで抑えることができ、かつ、仮に空隙が発生したとしてもその成長を阻止できることを発明したものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１に本発明のショートアーク型高圧放電ランプ（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１は、石英ガラスからなる放電容器によって形成された大略球形の発光部２を有し、この発光部２内には、陰極６と陽極７が互いに対向するよう配置している。また、発光部２の両端部から伸びるよう各々封止部３が形成され、これらの封止部３には、通常モリブデンよりなる導電用金属箔８が、例えばシュリンクシールにより気密に埋設されている。金属箔８の一端は陰極６あるいは陽極６が接合しており、金属箔８の他端は外部リード９が接合している。
なお、陰極６、陽極７は、金属箔と接合する棒状部分と区別して表現する場合もあるが、本発明では、特段のことわりがない限り、棒状部分まで含めて称することとする。
【００１２】
発光部２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１５０気圧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点灯時の水銀蒸気圧２００気圧以上、３００気圧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。
ハロゲンは、沃素、臭素、塩素などが水銀その他の金属との化合物の形態で封入する。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、その機能はハロゲンサイクルを利用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は放電容器の破損、失透の防止という作用があると考えられる。
【００１３】
このような放電ランプの数値例を示すと、例えば、発光部の外径はφ６．０〜１５．０ｍｍの範囲から選ばれて例えば９．５ｍｍ、電極間距離は０．５〜２．０ｍｍの範囲から選ばれて例えば１．５ｍｍ、発光管内容積は４０〜２００ｍｍ^３の範囲から選ばれて例えば７５ｍｍ^３である。点灯条件は、例えば、管壁負荷１．５Ｗ／ｍｍ^２、定格電圧８０Ｖ、定格電力１５０Ｗである。
そして、放電ランプは、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。
【００１４】
図２は、本発明の放電ランプの電極と金属箔の説明用拡大図を示す。
（ａ）は電極７と金属箔８を接合する前の両者の形態を示し、（ｂ）は電極７と金属箔を接合した後の状態を示す。（ｃ）は（ｂ）におけるＡ−Ａ’の断面図を示す。なお、電極７は陽極であっても陰極であってもかまわず、図においては、発光部側を省略して表現している。
（ａ）（ｂ）に示すように、金属箔８は小幅部８ａと幅広部８ｂより構成される。電極７は金属箔の小幅部（小幅化部分）８ａにおいてのみ接合されており、電極７の先端は幅広部８ｂまでは伸びていない。
このように、金属箔の電極側を小幅化することで、（ｃ）に示すように、空隙Ｘをより小さくできる。なお、図においては、空隙Ｘを誇張して表現しているが、実質的にはもっと小さくなり、また、実害のない程度にまで小さくできることもあって、この場合は実質的に空隙は発生していないとみなすこともできる。
なお、幅広部８ｂは、電流供給量の確保や製造工程における強度の関係で必要となる。
【００１５】
ここで、小幅部８ａの幅８ａ１は、図においては、電極７の外径より僅かに大きくなっているが、電極７の外径と同一であってもかまわないし、電極７の外径より小さくなっていてもかまわない。
さらに、接合後の小幅部の形状は、（ｃ）に示すように平坦形状であってもよいし、後述するように電極の周囲を巻きつくように形成してもかまわない。この場合は空隙Ｘの発生をより防止できる。
【００１６】
数値例を挙げると、金属箔の全長は８．０〜３０．０ｍｍの範囲から選ばれて例えば１１．０ｍｍであり、幅方向は１．０〜４．０ｍｍの範囲から選ばれて例えば１．５ｍｍである。電極径はφ０．３〜１．０ｍｍの範囲から選ばれ、例えばφ１．０ｍｍである。また、金属箔の厚みは、１０〜４０μｍの範囲から選ばれて例えば２０μｍである。
小幅部の幅８ａ１は、０．３〜１．０ｍｍの範囲から選ばれて、例えば０．７ｍｍであり、長さ８ａ２は１．０〜３．５ｍｍの範囲から選ばれて、例えば１．５ｍｍである。
電極が小幅部で接触している長さ８ａ３は、０．５〜２．５ｍｍの範囲から選ばれて、例えば１．５ｍｍである。
【００１７】
図３は電極７が小幅部８ａでのみ接合することの作用効果を説明する図面であり、（ａ）は電極が小幅部でのみ接合している構造を示し、（ｂ）は電極の先端が幅広部まで伸びる構造を比較のために示している。
（ｂ）に示す構造から説明すると、電極と金属箔の接合では小幅部を設けていても、前記のように両者の間に空隙が発生することがある。特に、電極７の先端は、電極の幅（数値で示すとφ０．３〜１．０ｍｍ程度）だけ金属箔表面から段差を生じさせることになり、この段差が空隙Ｘとなりやすい。
この場合に、（ｂ）に示すように、電極７の先端が小幅部８ａを超えて幅広部８ｂまで伸びていると、空隙は最初は小さいものであったとしても、ランプの点灯に伴い、幅広部８ｂの側縁まで貝殻状に広がってしまう。空隙が幅広部の大きさまで広がると封止部の強度は低下していまい、結果として、クラックの発生を導くことになる。
【００１８】
一方、（ａ）に示す構造は、電極７が小幅部８ａでのみ接合（接触）しており、すなわち、電極７の先端が幅広部８ｂまで伸びていない。この場合に発生した空隙は、図において記号Ｃで示すように貝殻状に成長したとしても、その成長は小幅部８ａの側縁において停止し、結果として、それ以上の成長を防止できる。つまり、小幅部８ａにおいて微小な空隙が発生したとしても、その後の成長は小幅部の幅の範囲内に抑えることができるというわけである。
なお、このことは電極７の伸びる方向への空隙の成長についても同様のことが言えて、上記側縁において空隙の成長が停止すると、同時に停止することが確認されている。
【００１９】
なお、電極７の先端と幅広部までの距離は、少なくとも電極の外径値以上とすることが好ましい。
【００２０】
このように本発明は、金属箔の先端を小幅化する構成を採用することで、電極との接合部に生じる空隙そのものを防止、あるいは発生したとしても小さくすることができる。
そして、電極が小幅部でのみ接合する構成を採用することで、仮に空隙が発生したとしても、その後の成長を停止することができる。
【００２１】
図４は金属箔８の他の実施形態を示す。
（ａ）は金属箔８の全体構造を示すもので、図１に示す構造において紙面垂直方向から眺めた状態を示す。（ｂ）は小幅部８ａの断面図であり（ａ）におけるＢ−Ｂの断面形状を示している。なお、小幅部８ａは、図２に示す構造とは異なり、電極の外表面を巻きついている。（ｃ）、（ｄ）は幅広部８ｂの断面図であって、（ａ）のＣ−Ｃにおける断面図を示しており、（ｃ）は幅広部８ｂが概略オメガ（Ω）形状を示し、（ｄ）は概略Ｗ字形状を示している。
このように小幅部８ａに電極を取り巻くような曲面形状を施した場合には、幅広部８ｂにおいても曲面形状を含む形状とすることができる。このように小幅部に曲面状の溝を形成することで、電極を小幅部の曲面形状に合わせて配置させることができ、電極の傾きを防止できる。
また、幅広部８ｂが概略オメガ（Ω）形状や概略Ｗ字形状の場合、金属箔全体の強度を向上させることができ、撓みやヨレの発生を防止することができ、結果として、電極が不所望な方向に傾くことを防止できる。
さらに、外部リードを金属箔に接合するにあっては、曲面状の谷部分に外部リードを配置させることで適正な配置を可能とする。
【００２２】
ここで、上記概略オメガ（Ω）形状や概略Ｗ字形状は、例えばプレス加工器などにより形成される。
なお、本発明のおける「オメガ形状」や「概略Ｗ字形状」は、完全なオメガやＷ字のみを意味するものではない。例えば、電極と適合する曲面状の溝を有してさえいれば、平面部の形状は多少の変化をしていてもかまわない。
また、曲面状の溝は、金属箔の全長にわたり同一幅で形成することが製造工程上は有利であるが、例えば、電極径と外部リード径が異なる場合などにあっては曲面部の幅を変化させることも可能である。
【００２３】
金属箔と電極の接合は、例えば抵抗溶接により行なわれる。この場合、溶接における１つの溶接領域（溶接点）の面積は、０．３ｍｍ^２以下であることが好ましい。これは、溶接部分において、金属箔の構成材料であるモリブデンと電極の構成材料であるタングステンの合金状態が溶接時に形成されてしまい、この合金状態が溶接領域近傍のモリブテン部分との間に熱膨張の違いを生じさせ、結果として、この溶接領域にいわゆる箔浮き現象を生じてしまうからである。
このような数値は、電極、金属箔の材料や寸法、放電ランプの構成など種々の条件によって最適値が本来異なるものであり、厳密な意味においては、単純に溶接面積のみを数値規定できるものではない。しかしながら、本願発明に係る放電ランプはプロジェクターなどの光源として採用されるものであって、一般的な寸法や仕様条件は概ね限定されていることから、このような通常規定されている条件の範囲において、溶接面積が耐圧に大きく影響することも見出したものである。具体例をあげると、電極の外径φ０．３〜１．０ｍｍ、金属箔の幅１．０〜４．０ｍｍという範囲内であれば溶接面積は０．３ｍｍ^２以下が優れていることを確認している。
【００２４】
なお、電極６、金属箔７、外部リード９が、溶接により一体につながって、いわゆる電極組立体が完成すると、次工程において、この電極組立体を、発光部と封止部の形に成形された石英ガラスの封止部の中に配置して封止、例えばシュリンクシールを行なう。このシュリンクシールは、金型を使って瞬間的に行なうピンチシールと異なり、石英ガラスを加熱しながら絞り込むタイプの封止方法である。
【００２５】
ここで、図１に示す放電ランプ１の陽極７は、発光部２に位置する部分から金属箔と接合する部分まで外径が３段階に小さくなっている。発光部７に位置する部分の外径を大きくすることで熱容量を大きくすることが可能となり、その一方で金属箔との接合部分の外径は小さくすることでクラックの発生原因となる空隙の発生を防止することができる。
数値例をあげると、発光部に位置する部分の外径は、例えば２．０ｍｍ、金属箔と接合する部分の外径は、例えばφ０．４ｍｍ、その中間の外径は、たとえばφ０．７ｍｍである。
【００２６】
また、本発明の金属箔と電極の接合構造は、陽極、陰極を問うことなく、いずれの構造の電極においても採用することができる。
さらに、本発明の構造は、直流点灯型、交流点灯型のいずれの放電ランプに対しても適用することができる。
【００２７】
さらに、本出願人は、先に特開２００１−３５１５７６号において、電極と封止部の間に微小空隙を形成する放電ランプを提案している。
図５は、この電極と封止部の間に微小空隙を形成する放電ランプの概略構成を示し、さらに、本発明に係る金属箔と電極の接合構造を適用した状態を表す。発光部には０．１５ｍｇ／ｃｃ以上の水銀が封入され、陰極６と陽極７の封止部３における外表面には空隙１０が形成される。これは電極の構成材料であるタングステンと封止部の構成材料である石英ガラスが密着すると、封止工程後の両者の膨張係数の違いからクラックを生じるおそれがあるため、両者の相対的な伸縮を自由にするために形成するのである。空隙は幅５〜２０μｍ程度である。
そして、このような構造の放電ランプにおいては、電極と金属箔の接合部に発光部内の高圧が直接印加されるため、耐圧強度を向上できる本発明の金属箔構造を採用することは極めて有用である。
【００２８】
以上説明したように、本発明のショートアーク型放電ランプは、金属箔の先端に小幅部を設けて、この小幅部においてにのみ電極との接合を行なうため、第一に接合部における空隙の発生を極めて少なく抑えることができ、第ニに仮に空隙が発生したとしてもその成長を大きくなる前に停止させることが可能となる。
【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を示す。
【図２】本発明のショートアーク型超高圧放電ランプの金属箔と電極と外部リードを示す。
【図３】本発明のショートアーク型超高圧放電ランプの金属箔を示す。
【図４】本発明のショートアーク型超高圧放電ランプの金属箔と電極の接合状態を示す。
【図５】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。
【図６】従来のショートアーク型超高圧放電ランプの全体図を示す。
【図７】従来のショートアーク型超高圧放電ランプの電極と金属箔の接合状態を示す。
【符号の説明】
１放電ランプ
２発光部
３封止部
６陰極
７陽極
８金属箔
９外部リード

Claims

内部に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部と、その両側に延在して電極の一部を封止するとともに電極と金属箔を接合する封止部からなるショートアーク型超高圧放電ランプにおいて、
前記金属箔は、前記電極側端部が矩形状に小幅化されており、
この小幅化された部分の幅は、電極の径がφ０．３〜１．０ｍｍであるのに対して、同様に０．３〜１．０ｍｍであって、
さらに、前記電極は、小幅化部分においてのみ接合されることを特徴とするショートアーク型超高圧放電ランプ。