JP4305152B2 - キセノンランプ - Google Patents

Description

本発明は映写用やプロジェクター用光源に利用されるショートアーク型の放電ランプに関し、特に直流点灯タイプのキセノンショートアーク型放電ランプに関する。

映写用投映装置やプロジェクター装置に搭載される光源ランプとして、陽極と陰極を対向配置した、いわゆるショートアーク型の放電ランプが使用されている。係る放電ランプはランプ点灯時間の経過に伴いアークのふれが大きくなるいわゆるフリッカー現象が生じる。フリッカー現象が生じると、スクリーン上に投映された映像はちらつき、目視においても不快に感じられるようになるため、上記用途では係るちらつきが確認された時点でランプの交換が行なわれる。これをランプのフリッカー寿命という。

上記フリッカー現象は、電極の損耗や発光管内におけるガス対流の乱れを起因として生じることが知られている。従来から、上記用途に使用されるランプではフリッカー現象を抑制する目的で、電極の改良やガス対流の改良などについて種々の技術が提案されてきた。
本発明者らは、上記分野で一般に使用される、ランプの管軸が水平姿勢で点灯されるショートアークランプについて、発光管内部のガス対流に着目し、ガスが陽極胴部に沿って後方にスムースに流れ、アークの安定状態を長く維持することができ、その結果フリッカー寿命を向上させることができるキセノンランプについて特許文献１を出願した。
特願２００３-９３８６５号

本発明者らは、上記のランプの管軸が水平姿勢で点灯されるショートアークランプのガス対流についてさらに検討を進め新たなる知見を得た。

図６は、従来技術に係るキセノンランプの、水平姿勢で点灯している発光管内におけるガス対流の状態を、要部を拡大して示す図である。
図６（ａ）において、陽極８１と陰極８２間の破線はアークの形状の概略を示すものである。又、図中の矢印は発光管８３内部におけるガス対流の様子を示すものである。

ランプを点灯すると、封入されているガスは、陰極点前面と陽極近傍の圧力差により陰極８２から陽極８１方向へ加速され、電極間においては管軸Ｌと略平行に進行する。そして、アークにより加速されたガスは、略円柱状の陽極８１に沿って当該陽極８１後方に向かって流れる。又これと同時に、アークで熱せられたガスが発光管８３の上方に向かって移動し、アークは管軸Ｌに対してやや持ち上がる。

アークが管軸Ｌに対して持ち上がることにより、アーク下部のガスの一部は、陽極８１の先端の平面２ａにぶつかって、陽極８１後方への流れが妨げられる。流れを妨げられたガスは、平面２ａに沿って図中下方向へ流れる。
図６（ｂ）において、ランプの点灯時間が経過すると、陰極８２先端の損耗により両極の極間が長くなり、アークの持ち上がり量（上方への移動量）が大きくなる。そのため、陽極８１の先端の平面２ａにぶつかるガスの量も増加し、その分陽極８１に沿って後方に向かって流れるガスは減少する。

平面２ａにぶつかったガスは、いったん平面２ａに沿って図中下方向に流れるが、アークによって加熱されているために、アークの直下にてすぐに上昇に転じアークをさらに持ち上げるはたらきをする。このように、アークが持ち上がると、アーク近傍に対流の乱れが生じ、アークのふれが発生する。
アークが持ち上がるほど、平面２ａにぶつかるガスの量が増加するので、アーク近傍のガス対流の乱れはますます激しくなり、アークのふれも大きくなる。

さらに、ランプの点灯時間が長くなるにつれて、アークの揺れを少なくするエミッタ物質も少なくなるので、アークのふれはますます大きくなる。
以上のように、アークの持ち上がりとアーク近傍のガス対流の乱れ、そして陰極の損耗とエミッタ物質の枯渇が相互に影響しあうことでフリッカー現象が早期に生じて短命化に至る。

そこで本発明は、ガス対流の乱れによるアークの持ち上がりを少なくすることができ、フリッカー現象が発生するまでの時間を長くすることが可能な、即ち、フリッカー寿命を延ばすことが可能なキセノンランプを提供することにある。

上記課題を解決するため本発明に係るキセノンランプは、発光管部の両端に側管部が形成された発光管の内部に略柱状の陽極及び陰極が所定の間隔で対向配置されると共にキセノンガスが封入されてなり、該発光管の管軸が水平姿勢で点灯されるキセノンランプであって、前記陽極及び前記陰極は、各々長手方向の中心軸である電極軸が同一直線上に設けられると共に、前記陰極の先端部が該電極軸上に位置されてなり、前記陽極は、陽極先端と後端に曲面あるいは平面を有し、該陽極先端から後方において緩やかに拡径するよう形成された拡径部と、該拡径部の後方において緩やかに縮径し、軸方向の長さが前記拡径部の軸方向の長さよりも長く形成された縮径部とを具備し、前記拡径部と前記縮径部の境界近傍がなめらかに形成されると共に、前記陽極の前記陰極に対向する面が上記電極軸と直交する平面に対して５°〜１０°の範囲で傾いていることを特徴とする。

本発明に係るキセノンランプによれば、陽極の陰極に対向する面が、電極軸と直交する平面に対して５°〜１０°の範囲で傾いているので、アークにより加速されたガスが陽極の先端にぶつかったとき、アーク下部のガスは、傾斜した陽極先端面に沿って陽極後方に向かって流れる。したがって、アーク近傍の対流の乱れが生じにくくなり、アークの持ち上がりが緩和され、アークの安定状態を長く維持することができる。その結果、フリッカー現象が生じるまで時間が長くなりフリッカー寿命を延ばすことができる。

図１は、本発明に係るショートアーク型のキセノンランプの全体を示す管軸方向に切断した部分切断図、図２は図１中の陽極を取出して示す説明用側面図である。また、同図のランプは、定格消費電流が１６０Ａのキセノンランプであり、ランプの管軸が水平姿勢で点灯されるものである。
キセノンランプ１は、石英ガラスからなる発光管１０の内部にキセノンガスが１×１０^６Ｐａ（２５℃換算）封入されるとともに、略楕円球形をした発光管部１１の内部に陽極２と陰極３が極間距離約８ｍｍで対向配置されている。

この陽極２或いは陰極３の各々に連設された電極棒４，４’は、何れもタングステンの棒材からなり、発光管部１１の両側に続く側管部１２，１２’に挿通されて、電極棒４，４’との熱膨張係数を近似させるために設けられた段継ぎガラス部と、溶着部１２ａ，１２ａ’において溶着されている。なお、図中の１３，１３’は中心に設けられた孔に電極棒４，４’を挿通し側管部１２，１２’内部に固定された電極棒保持用部材である。
同図に示されるとおり、陰極３と陽極２の長手方向の中心軸（以下電極軸と呼ぶ）は同一直線上にあり、また管軸Ｌと一致する。

図２において、陽極２は、全体としては電極軸を中心とする略柱形状であり、材質としてはタングステンよりなる。なお、本実施形態では陽極側の電極の本体部分（柱状部分）のみを「陽極」と称し、電極棒は除くものとする。

陽極２の先端には平面２ａが形成されており、該平面２ａは、電極軸（管軸Ｌ）と直交する平面Ｐに対して所定の傾き角θで傾いている。上記したようにランプは水平姿勢で点灯されるが、その際、平面２ａの斜面は下を向くように装置に取り付けられる。

さらに、陽極２は、先端の平面２ａに続いて、後方に向かって外径がゆるやかに拡大する、即ち先端に向かってゆるやかに先細りする形状の拡径部２１が形成されている。陽極２の後端２ｂには上述の電極棒４が、中心に穿設された穴に嵌入されることにより固定されて一体とされている。
拡径部２１の表面は、同図に示すように円弧を電極の軸として回転させて得られるような外方向に丸みを帯びた回転曲面で形成されており、その後端に陽極の最大外径部２Ａを有している。そして、この最大外径部２Ａに続き、後方に向かって外径がゆるやかに縮小するつまり、後端２ｂに向かってゆるやかに先細りする形状の縮径部２２が形成されている。

縮径部２２の表面もまた、円弧を電極軸として回転させて得られるような、外方向に丸みを帯びた回転曲面で形成されている。

図３は、上記キセノンランプを管軸が水平姿勢となるよう保持して点灯した状態を説明する図である。なお、先に図1、図２で説明した構成と同様のものは同じ符号を付すものとし、その説明を省略する。
同図において陰極３先端と陽極２先端の間の破線はアークを示している。ランプを点灯すると、上記した背景技術の場合と同様に、陰極３近傍のガスはアークの方向即ち陰極３から陽極２に向かって加速され、電極間においては管軸Ｌと略平行に進行する。又ガスがアークで熱せられているため、発光管８３の上方に向かって移動し、アークは管軸Ｌに対してやや持ち上がる。

アークが持ち上がることにより、アーク下部のガスは、陽極８１の先端の平面２ａにぶつかる。しかし、該平面２ａは、上記したように、電極軸（管軸Ｌ）と直交する平面に対して傾き角θで下向きに傾いているので、ガスは、陽極後方への流れが妨げられることなく、平面２ａの斜面に沿って、拡径部２１に達し、その後陽極２側面の曲面に沿い、最大外径部２Ａ、縮径部２２を経て後端２ｂへと流れる。したがって、背景技術において、陽極先端面がガスの陽極後方への流れを妨げることにより生じていた、アーク近傍のガス対流の乱れ、即ち図中下方向へのガスの流れが生じにくくなる。

ランプの点灯時間が経過して両極の極間が長くなり、平面２ａにぶつかるガスの量が増加しても、上記と同様に平面２ａの傾斜に沿ったガスの流れが維持され、従来のような、アークの直下にて下方向から上昇に転じてアークを持ち上げるようなガスの流れが生じにくく、アーク近傍のガス対流が乱れることがない。したがって、アークのふれが発生しにくくなり、フリッカー寿命が向上する。
なお、上記実施例では、陽極２の先端面を平面で示したが、図４に示すように、図２での平面Ｐに対しθ＝１０°の範囲内で、緩やかな曲面２ａ’で形成してもよい。

〔フリッカー寿命試験〕
図１に示したキセノンランプにおいて、陽極２先端の平面２ａの傾き角が異なるものを製作し、フリッカー寿命を測定することにより、最適な傾き角度の範囲を求めた。また、従来の電極形状のランプのフリッカー寿命との比較も行なった。
製作したキセノンランプは５種類で、陽極の構成以外の基本的な構成は同じである。発光管内には１×１０ ^６ Ｐａ（２５℃）のキセノンガスが封入されており、定格消費電力は６ｋＷである。

上記５種類のキセノンランプの陽極の構成を以下に示す。
（１）図６に示した従来の形状の陽極であり、直径φ２５ｍｍ、長さ４５ｍｍの略円柱形状のタングステン棒の先端側に軸方向長さ１４ｍｍのテーパー部を、後端側に６ｍｍのテーパー部を形成して、後端面に電極棒を連設したもの。陽極の平面は傾いていない（傾き角０°）もの。
（２）図１に示した形状の陽極であり、陽極の先端面直径を７ｍｍ、最大外径部直径を２５ｍｍ、全長を４０ｍｍ、拡径部の長さを１４ｍｍ、縮径部の長さを２６ｍｍとし、拡径部と縮径部の境界をなめらかに連続的に形成したもので、陽極の先端の平面は傾いていない（傾き角０°）もの。
（３）上記（２）の陽極構成で、先端面の傾き角を５°としたもの。
（４）上記（２）の陽極構成で、先端面の傾き角を１０°としたもの。
（５）上記（２）の陽極構成で、先端面の傾き角を１５°としたもの。

上記５種類のランプを、電流値１６０Ａにて点灯し、フリッカー寿命に達するまでの点灯時間とランプ電圧のふれを測定した。なお、ランプは水平姿勢で、陽極先端の平面２ａの斜面は下を向くように点灯した。
ここで、フリッカー寿命は点灯時のランプ電圧の触れが１．２Ｖに達した時と定義した。その理由は、フリッカー現象であるアークのふれはランプ電圧のふれとして測定することができ、本定格のランプの場合、ランプ電圧のふれが１．２Ｖ以上になると、投映装置からの光を何も映し出さない状態でスクリーンに投影した時、目視によりちらつきが感じられるようになるためである。
図５に実験結果を示す。横軸はランプの点灯時間（時間）を、縦軸はランプ電圧の振れ（Ｖ）を示している。

従来品（１）の場合、ランプ点灯直後のランプ電圧の振れは約０．７Ｖであるが、点灯時間が経過するに従い電圧の振れは徐々に大きくなり、約７５０時間で１．２Ｖ（フリッカー寿命）に達した。

これに対し、陽極を図１のようになめらかな曲面で構成した（２）（３）（４）（５）は、ランプ点灯時のガス対流が改善され、フリッカー寿命が９００時間以上に延びたが、陽極先端の平面の傾き角が０°から５°、１０°と大きくなると、フリッカー寿命は約９５０時間から約１０５０時間、約１１００時間と長くなった。また、ランプ点灯初期におけるランプ電圧のふれも、傾き角が０°の（２）に比べ、５°（３）、１０°（４）のほうが小さくなり、アークの安定状態がより良くなったことが示される。
しかし、傾き角が１５°（５）になると、ランプ電圧のふれは、傾き角５°（３）や１０°（４）に比べて早い段階で大きくなり始め、フリッカー寿命は約１０００時間と短くなった。

上記の結果より、先端面を傾けることにより、アークの安定状態が改善され、フリッカー寿命を延ばすことができることがわかった。
また、先端面の傾き角が１５°以上になると、再びアークの安定状態が悪くなり、フリッカー寿命が短くなることもわかった。その理由としては、傾き角が大きくなると陽極の先端が鋭さを増し、アークが該先端に集中して陽極溶けが発生し、フリッカー現象が発生しやすくなるためと考えられる。したがって、陽極の先端面の傾き角として５°〜１０°の範囲が適すると考えられる。

本発明に係るキセノンランプを示す、管軸方向の切断図である。 図１中の陽極を拡大して示す側面図である。 本発明に係るキセノンランプを点灯した状態を説明する図である。 陽極の別の実施形態を説明する側面図である。 フリッカー寿命試験の結果を示す図である。 従来技術に係るキセノンランプの対流の状態を、要部を拡大して示す図である。

符号の説明

１ キセノンランプ
１０ 発光管
１１ 発光管部
１２，１２’ 側管部
１２ａ，１２ａ’ 溶着部
１３，１３’ 電極棒保持用部材
２ 陽極
２ａ 先端平面
２ｂ 後端
２Ａ 最大外径部
２１ 拡径部
２２ 縮径部
３ 陰極
４，４’ 電極棒

Claims (1)

1. 発光管部の両端に側管部が形成された発光管の内部に略柱状の陽極及び陰極が所定の間隔で対向配置されると共にキセノンガスが封入されてなり、該発光管の管軸が水平姿勢で点灯されるキセノンランプであって、
   前記陽極及び前記陰極は、各々長手方向の中心軸である電極軸が同一直線上に設けられると共に、前記陰極の先端部が該電極軸上に位置されてなり、
   前記陽極は、陽極先端と後端に曲面あるいは平面を有し、該陽極先端から後方において緩やかに拡径するよう形成された拡径部と、該拡径部の後方において緩やかに縮径し、軸方向の長さが前記拡径部の軸方向の長さよりも長く形成された縮径部とを具備し、前記拡径部と前記縮径部の境界近傍がなめらかに形成されると共に、前記陽極の前記陰極に対向する面が上記電極軸と直交する平面に対して５°〜１０°の範囲で傾いている
   ことを特徴とするキセノンランプ。

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