JP4281806B2 - 放電ランプ - Google Patents

Description

本発明は、本発明は、例えばＤＬＰ（登録商標）（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ：デジタル・ライト・プロセッシング）技術を利用した映写機などにおいて光源として用いられるキセノンランプに関する。

図６は、従来の放電ランプとして特開２００５−１４２０７１号公報に開示された構成を示す図である。この放電ランプ１は、石英ガラス製の、発光管２および封止管３よりなるバルブと、発光管２の内部において、互いに対向するよう設けられた陰極４および陽極５により構成されている。陰極４および陽極５は、タングステン製の電極棒６に支持される。また、内部に軸方向に伸びる貫通孔を有する円筒状の石英ガラスよりなる保持用筒体７が、封止管３内で固定的に配設される。電極棒６は、保持用筒体７に挿通されて保持されると共に、段継ぎガラス８によって封止管３に封着されている。この電極棒６は、バルブの外端部から外方に突出して伸びて、陰極４および陽極５の各々に電力を供給する外部リード棒を兼ねるものである。

図７は、このような構成を有する放電ランプ１の陰極４を示す図である。陰極４は、円柱状の胴部分２１と、円錐体形状の先端部分２２と、胴部分２１と先端部分２２との間で、外周が階段状に形成されるステップ部分２３とが一体に構成されたものである。また、陰極４は、酸化トリウムがドープされたタングステンよりなり、表面にタングステンカーバイトの層が形成されている。放電ランプ１の点灯中は陰極４が高温になるので、酸化トリウムがタングステンカーバイト層で還元されてトリウムとなり、トリウムが、陰極４から電子放出を促し、アークの輝点を安定化させている。図７に示す陰極４では、ステップ部分２３の中心軸Ｌに対して垂直な面２４にアークの光が照射されて温度が上昇する。そのため、ステップ部分２３でも酸化トリウムを還元してトリウムを供給することができ、利用可能なトリウムの量を増やすことができる。
特開２００５−１４２０７１号公報

しかしながら、ディジタルプロジェクターは、従来のフィルムプロジェクターに比べて素子の大きさが小さいため、光の利用効率が低下する。そのため、より高輝度の放電ランプ１が光源として要求されている。電力入力を大きくして放電ランプ１を高輝度化しようとすると、アークの膨張収縮が発生する。輝度は陰極先端温度と関係があり、高輝度であるほど先端部分２２の温度が高くなる。先端部分２２が高温になると、トリウムが蒸発する速度が速くなるため、トリウムの需要と供給のバランスが崩れてしまう。トリウムの消費過多となり、トリウムが不足してアークの膨張収縮が発生する。アークの膨張収縮が発生すると、アークが揺れるため輝点が動く。輝点が動くと、集光鏡内において輝点の位置が焦点に対して定まらず、光出力が変動するため、スクリーン上に照射したときにチラツキとなって現れる。
また、アークの膨張収縮が発生しないように、陰極４と陽極５の離間距離が大きくなるように配置して先端部分２２の温度を下げることや、先端部分２２の先端の直径を大きくして熱を分散させて単位面積当りの温度を低くすることも考えられる。しかし、陰極４と陽極５の離間距離が大きくしたり、先端部分２２の先端の直径を大きくすると、アークの膨張収縮は発生しないが、光量が大きく低下するため、光源を高輝度化できない。

本発明は、上記の問題点に鑑み、アークの輝点を安定化させた高輝度の放電ランプを提供することを目的とする。

本願第１の発明は、発光管の内部において、互いに対向するように陰極および陽極が設けられ、前記陰極は酸化トリウムがドープされたタングステンよりなる放電ランプにおいて、前記陰極は、円柱状の胴部分と円錐体形状の先端部分と、胴部分と先端部分との間に形成された中間部分とにより構成され、前記先端部分の角度は５５°以上６５°以下であり、前記中間部分の側面の角度は前記先端部分の角度より小さいことを特徴とする。
また、本願第２の発明は、第１の発明において、前記先端部分の軸方向の長さは３ｍｍ以上４ｍｍ以下であり、前記中間部分の側面の角度は３０°以上４０°以下であることを特徴とする。

本発明に係る放電ランプによれば、先端部分の角度は５５°以上６５°以下であり、中間部分の側面の角度は先端部分の角度より小さいので、アークの輝点を安定化させた高輝度の放電ランプを提供することができる。

本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本発明の放電ランプ１の構成を示す説明用断面図である。
この放電ランプ１は、石英ガラス製の、発光管２および封止管３よりなるバルブと、発光管２の内部において、互いに対向するよう設けられた陰極４および陽極５により構成されている。
略球状をした発光管２の内部にはキセノンガスが封入され、発光管２の両端には封止管３が一体に連設されている。陽極５および陰極４は、それぞれタングステンからなる電極棒６の先端に嵌合されている。封止管３の発光管２側の内部に石英ガラス製の保持用筒体７が配置されており、陽極５および陰極４を支持する電極棒６が保持用筒体７の中心に形成された貫通孔に挿通される。保持用筒体７が位置する封止管３を加熱縮径して絞り込み部を形成して、電極棒６が支持される。

封止管３内には段継ぎガラス８が配置されており、段継ぎガラス８の一端側は封止管３を構成している石英ガラスと膨張係数が合っているガラスよりなり、封止管３の端部と溶着されており、段継ぎガラス８の他端側は電極棒６を構成しているタングステンと膨張係数が合っているガラスよりなり、電極棒６と封着されている。
また、一対の電極棒６は、段継ぎガラス８から封止管３の外部に突出しており、その伸び出した部分に、図示しない給電機構が接続される。

図２は、本発明の放電ランプ１の陰極４を示す断面図である。
陰極４は、円柱状の胴部分２１と、円錐体形状の先端部分２２と、胴部分２１と先端部分２２との間に形成された中間部分２５が一体に構成されたものである。中間部分２５は、先端部分２２から胴部分２１に進むにしたがって径が大きくなり、外周がテーパ状になっている。陰極４の軸方向に沿った断面図において、先端部分２２の頂部２８の角度をθ_１とし、中間部分２５の側面２９ａ、２９ｂのなす角度をθ_２とする。中間部分２５の側面の角度θ_２は、先端部分２２の角度θ_１より小さくなっている。また、陰極４の軸方向Ｌに平行で、先端部分２２の頂部から、先端部分２２と中間部分２５の変曲点までの長さをＡとする。また、陰極４は、胴部分２１、先端部分２２及び中間部分２５の全体が、酸化トリウムがドープされたタングステンよりなり、表面にタングステンカーバイトの層が形成されている。放電ランプ１の点灯中は陰極４が高温になるので、酸化トリウムがタングステンカーバイト層で還元されてトリウムとなり、トリウムが、陰極４から電子放出を促し、アークの輝点を安定化させている。

しかしながら、先端部分２２の角度θ_１が小さすぎる場合は、点灯時に先端部分２２が高温になるため、タングステンの結晶粒が成長して大きくなり、ドープされた酸化トリウムの流路が塞がれて、トリウム不足となる。トリウムが不足すると、アークを収縮させて電子放出を多くする。アークが収縮すると、陰極４の温度が上昇するため、一時的に中間部分２５から供給されるトリウムの供給量が増えて、アークが膨張する。しかし、先端部分２２のタングステンの結晶粒が再び成長するため、またトリウム不足となる。このように、先端部分２２の角度θ_１が小さい場合は、アークの膨張収縮が発生する。
一方、先端部分２２の角度θ_１が大すぎる場合は、点灯時の先端部分２２の温度が下がるため、アークの膨張収縮を防ぐことができるが、光量が低下するという問題が発生する。

図３は、先端部分の角度θ_１を４０°〜７５°に変化させたときに、アークの膨張収縮の発生と光量を計測した表である。
この放電ランプの構成を以下に示す。
陰極：酸化トリウム２重量％含有タングステン、陽極先端との離間距離３．５ｍｍ
胴部分の直径φ１０ｍｍ、中間部分の側面の角度θ_２４０°、先端部分の軸方向長さ３ｍｍ、先端部分の先端の面積０．３ｍｍ^２
放電ランプ：キセノン７．５ＭＰａ封入、４．２ｋＷ入力
アークの膨張収縮はランプ電圧が安定状態から１〜５分間、０．２〜０.５V低下し、それが５〜１０分の周期で連続して起こったときに発生しているとして×とし、光量は８００００ｌｍ以上のときに○とした。
この結果により、先端部分の角度θ_１が５５°以上であれば、アークの膨張収縮は発生しないことがわかる。また、先端部分の角度θ_１が６５°以下であれば、十分な光量が得られることがわかる。以上より、先端部分の角度θ_１を５５°以上６５°以下として、中間部分の側面の角度θ_２を先端部分の角度θ_１より小さくすれば、アークの輝点を安定化させた高輝度の放電ランプを提供することができることがわかる。

図４は、図２に示す先端部分２２の軸方向長さＡを１〜５ｍｍに変化させ、中間部分２５の側面の角度θ_２を２０°〜５０°に変化させたときの、フリッカーが発生するまでの点灯時間を計測した表である。
先端部分２２から蒸発するトリウムの量を、中間部分２５から先端部分２２に供給できなければ、トリウムが不足してフリッカーが発生する。すなわち、先端部分２２の軸方向長さＡが長く、中間部分２５の側面の角度θ_２が大きいと、先端部分２２と中間部分２５との温度差が大きくなり、トリウムの拡散が起こる程度の温度領域が小さくなり、トリウムが不足してフリッカーが発生する。先端部分２２の軸方向長さＡが短く、中間部分２５の側面の角度θ_２が小さいと、先端部分２２と中間部分２５との温度差が小さくなり、中間部分２５の温度が高くなりすぎ、トリウムを早期に使い果たし、トリウムが枯渇して安定した電子放出が行えなくなり、フリッカーが発生する。
そこで、フリッカーの発生を抑制するためには、先端部分２２でのトリウムの需要と、中間部分２５でのトリウムの供給とのバランスをとることが重要となる。中間部分２５から十分な量のトリウムを供給するために、中間部分２５の内部および表面において、トリウムの拡散が起こる程度の温度領域を増やすとともに、中間部分２５の温度が高くなりすぎないように、先端部分２２の軸方向長さＡと中間部分２５の側面の角度θ_２を適当な値にしなければならない。
計測に用いた放電ランプの構成を以下に示す。
陰極：酸化トリウム２重量％含有タングステン、陽極先端との離間距離３．５ｍｍ
胴部分の直径φ１０ｍｍ、先端部分の角度θ_１６０°、先端部分の先端の面積０．３ｍｍ^２
放電ランプ：キセノン７．５ＭＰａ封入、４．２ｋＷ入力
フリッカーは、放電ランプに印加した電圧の変動となって現れる。放電ランプに印加した電圧が１．２Ｖ以上変動したときにフリッカーが発生したとみなし、点灯開始からそのときまでの時間を計測した。少なくとも５００時間以上は安定した輝点のアークで点灯できないと、実用的でないので、フリッカーが発生するまでの点灯時間が５００時間以上のものを○とし、５００時間以下のものを×とした。
この結果により、先端部分の軸方向長さＡが３ｍｍ以上４ｍｍ以下であり、かつ中間部分の側面の角度θ_２が３０°以上４０°以下のとき、点灯開始からフリッカーが発生するまでの時間が５００時間以上となることがわかる。これより、先端部分の軸方向長さＡを３ｍｍ以上４ｍｍ以下とし、かつ中間部分の側面の角度θ_２を３０°以上４０°以下とすれば、先端部分２２でのトリウムの需要と、中間部分２５でのトリウムの供給とのバランスがとれ、安定した輝点のアークを５００時間以上維持できる高輝度の放電ランプを提供することができることがわかる。

本発明の第２の実施形態について説明する。図５は、本発明の放電ランプ１の陰極４を示す断面図である。
陰極４は、円柱状の胴部分２１と、円錐体形状の先端部分２２と、胴部分２１と先端部分２２との間で、先端部分２２より側面の角度が小さい第１の中間部分２６と、第１の中間部分２６より側面の角度が小さい第２の中間部分２７が一体に構成されたものである。先端部分２２と第１の中間部分２６の接続面、第１の中間部分２６と第２の中間部分２６の接続面および第２の中間部分２６と胴部分２１の接続面は滑らかに接続されている。先端部分２２の軸方向長さを３ｍｍ、先端部分２２の角度θ_１を６０°、第１の中間部分２６の側面の角度θ_３を４０°、第２の中間部分２７の側面の角度θ_４を３０°としている。第２の中間部分２７は、第１の中間部分２６より傾斜の角度が小さくなっているので、温度の低下を抑制することができ、トリウムの拡散が起こる程度の温度領域を増やすことができる。
この陰極４を用いた放電ランプ１も、先端部分２２でのトリウムの需要と、中間部分２５でのトリウムの供給とのバランスがとれ、安定した輝点のアークを５００時間以上維持できる。
また、第１の実施形態においても、第２の実施形態のように、先端部分２２と中間部分２５の接続面、中間部分２５と胴部分２１の接続面を滑らかに接続することができる。

本発明の放電ランプの構成を示す説明用断面図 本発明の放電ランプの陰極を示す断面図 アークの膨張収縮の発生と光量を計測した表 フリッカーが発生するまでの点灯時間を計測した表 本発明の放電ランプの陰極を示す断面図 従来技術に係る放電ランプの構成を示す説明用断面図 従来技術に係る放電ランプの陰極を示す断面図

符号の説明

１ 放電ランプ
２ 発光管
３ 封止管
４ 陰極
５ 陽極
２１ 胴部分
２２ 先端部分
２５ 中間部分

Claims (2)

1. 発光管の内部において、互いに対向するように陰極および陽極が設けられ、前記陰極は酸化トリウムがドープされたタングステンよりなる放電ランプにおいて、
   前記陰極は、円柱状の胴部分と円錐体形状の先端部分と、胴部分と先端部分との間に形成された中間部分とにより構成され、前記先端部分の角度は５５°以上６５°以下であり、前記中間部分の側面の角度は前記先端部分の角度より小さいことを特徴とする放電ランプ。
2. 前記先端部分の軸方向の長さは３ｍｍ以上４ｍｍ以下であり、前記中間部分の側面の角度は３０°以上４０°以下であることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。

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