JP4730445B2

JP4730445B2 - 高圧放電ランプ

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Publication number: JP4730445B2
Application number: JP2009026948A
Authority: JP
Inventors: 朱貴笠石; 悟梅崎; 陽一向野
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2009-02-09
Filing date: 2009-02-09
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2029-02-09
Also published as: JP2010182605A; CN101800155B; US8115389B2; NL2004204C2; CN101800155A; US20100201266A1; NL2004204A

Description

本発明は、データプロジェクタや液晶プロジェクタ、ＤＬＰ（デジタルライトプロセッサ）プロジェクタなどの装置に用いられる高圧放電ランプに関する。特に、発光部内に水銀が０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上封入され、水銀蒸気圧が１１０気圧以上となる高圧放電ランプに関する。

近年、液晶プロジェクタや、デジタル・ライト・プロセッシング技術を使用したDLPプロジェクタが普及しつつある。その画像投影用光源として、ショートアーク型高圧放電ランプが使用されている。
図５は、特開２００４−３６３０１４号公報に示す高圧放電ランプ１０の構成を示す一部断面図である。
高圧放電ランプ１０は、中央部分に形成された球状の発光部４と、該発光部４の両端に形成された封止部５とよりなる放電容器を備える。発光部４の内部に一対の電極１が配置され、封止部５には電極１の芯棒７と芯棒７に接続された金属箔６とが埋設されて気密にシールされた構造である。このような高圧放電ランプ１０は、点灯時の水銀蒸気圧を高くすることによってアークの広がりを抑えるとともに、一層の光出力の向上を図ることができる。

電極１の芯棒７と金属箔６とはレーザによって接合される。例えば、芯棒７と金属箔６とを密着させた後、金属箔６側からレーザ光を照射し、金属箔６を構成するモリブデン（Ｍｏ）と芯棒７を構成するタングステン（Ｗ）とを両方とも溶融させることにより接合される。レーザを用いて接合させる場合、芯棒７と金属箔６との両者を溶け合わせることができるため、電気的接続の信頼性を向上できるとともに、接合強度を上げることができる。

特開２００４−３６３０１４号公報

この種のランプでは、電極１の芯棒７や金属箔６が点灯時に熱膨張をし、消灯時に冷却による収縮を起こす。芯棒７は封止部５を構成するガラスがよく張り付いて伸縮しにくいが、金属箔６は芯棒７ほどガラスが張り付かないので伸縮しやすくなっている。このため、高圧放電ランプ１０の点灯・消灯時、芯棒７は熱膨張収縮がしにくく、金属箔６は熱膨張収縮がしやすくなっている。

このように芯棒７と金属箔６との間で熱膨張収縮量が異なる状態のまま、高圧放電ランプ１０の点灯・消灯が繰り返されると、芯棒７と重なる部分の金属箔６の厚みが薄くなり、金属箔６にかかる電気的負荷が大きくなってしまう。また、経験的に、芯棒７の終端が金属箔６側に曲がってしまうこともわかった。金属箔６は、電気的負荷が増大することにより加熱され、さらに芯棒７が曲がることによって圧迫されて、溶断してしまう。

本発明は、上記の問題点に鑑み、高圧放電ランプを一定時間点灯しても、金属箔の溶断を発生させない高圧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、発光部の両端に封止部が連設されてなる放電容器と、前記発光部内に先端部が対向配置される一対の電極と、当該電極の芯棒が溶融接合されて前記封止部に埋設される金属箔と、を有する高圧放電ランプにおいて、前記溶融接合に伴い、金属箔の表面から芯棒内部に至る空洞が形成され、当該空洞に封止部を構成するガラスが入り込んでいることを特徴とする。
本願第２の発明は、第１の発明において、前記封止部を構成するガラスは、金属箔より深く空洞に入り込んでいることを特徴とする。
本願第３の発明は、第２の発明において、前記封止部を構成するガラスに接する芯棒の表面にも凹部が形成され、当該凹部に前記ガラスが入り込んでいることを特徴とする。
本願第４の発明は、第２の発明において、前記金属箔の表面から前記空洞の最深部までの長さをｄとし、前記電極の芯棒の径をｒとするとき、ｄ／ｒが０．３５以上０．６０以下となることを特徴とする。

本願第１の発明に係る高圧放電ランプによれば、金属箔の表面から芯棒内部に至る空洞にガラスを入り込ませることによって、ガラスが楔になって金属箔も伸縮しにくくなる。金属箔の膨張収縮量が妨げられ、封止部を構成するガラスの張り付き具合の差による芯棒と金属箔との膨張収縮量の違いを小さくすることができる。このような状態で高圧放電ランプを点灯・消灯するので、電極の芯棒が曲がることを防止し、金属箔の溶断も抑制することができる。

本願第２の発明にかかる高圧放電ランプによれば、封止部を構成するガラスを空洞の金属箔より深く入り込んで、金属箔だけでなく芯棒の動きも規制することによって、金属箔の膨張収縮を妨げるだけでなく、金属箔と芯棒との膨張収縮量を略同等にするという効果が得られる。

本願第３の発明にかかる高圧放電ランプによれば、ガラスに接する側面の表面にも凹部を設けてガラスを入り込ませて伸縮しにくくさせることによって、芯棒の金属箔に接合する側面の熱膨張収縮量と合わせることができる。芯棒の周方向のどの側面においても熱膨張収縮量が略同等になり、芯棒が曲がることをより効果的に防止することができる。

本願第４の発明にかかる高圧放電ランプによれば、ｄ／ｒを０．３５以上０．６０以下となるように電極を形成すれば、溶接強度を十分に備え、かつ、空洞にガラスが入り込む形状とすることができる。

第１の実施形態の高圧放電ランプの構成を示す一部拡大図第１の実施形態の電極と金属箔とを示す上面図図２に示すレーザ光の照射部分を拡大して示す断面図第２の実施形態の電極と金属箔とを示す拡大断面図従来の高圧放電ランプの構成を示す説明図

図１は、第１の実施形態の高圧放電ランプ１０の構成を示す一部拡大図である。
高圧放電ランプ１０は、石英ガラスよりなる概略球形の発光部４を有し、この発光部４に、タングステンよりなる電極１が対向して配置される。また、発光部４の端部から伸びるように封止部５が形成され、封止部５内には、例えばモリブデンよりなる導電用の金属箔６がシュリンクシールにより気密に埋設されている。一対の電極１は、太径の先端部と細径の芯棒７よりなり、芯棒７が金属箔６に溶接されて電気的に接続されている。

発光部４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３６０ｎｍ〜７８０ｎｍという放射光を得るためのもので、０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上封入される。この水銀封入量は温度条件によっても異なるが、点灯時に発光部４の内圧が１５０気圧以上の極めて高い蒸気圧となるように製作される。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が２００気圧以上または３００気圧以上となる高圧放電ランプ１０を製作することができ、プロジェクタ装置に適した光源を実現することができる。
希ガスは、点灯始動性を改善するために用いられ、例えば、アルゴンガスが約１３ｋＰａ封入される。

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され、ハロゲンの封入量は、１×１０^−６〜１×１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲から選択される。ハロゲンを封入することによって、ハロゲンサイクルが発生し、高圧放電ランプ１０の寿命を長くすることができる。また、本発明の高圧放電ランプ１０のように極めて小型で高い内圧を有するものでは、ハロゲンを封入することによって、発光部４の黒化・失透を防止する効果がある。

モリブデン（Ｍｏ）の薄箔よりなる金属箔６に電極１の芯棒７が、軸方向に数箇所レーザにより溶接されて接合されている。芯棒７および金属箔６が、接合された状態でシュリンクシールにより封止部５に埋設され、周囲を石英ガラスにより覆われた構造となっている。

高圧放電ランプ１０の数値例を示すと、例えば、発光部４の最大外径１１．３ｍｍ、電極間距離１．１ｍｍ、発光部４の内容積１１５ｍｍ^３である。電極１の芯棒径φ０．３ｍｍ〜１．０ｍｍ、金属箔６の厚さ２０μｍ、芯棒７と金属箔６との重なり部の軸方向長さ１〜２ｍｍである。高圧放電ランプ１０は、プロジェクタ装置に内蔵されるものであり、装置の小型化に伴い、高圧放電ランプ１０も小型化することが求められている。また、高圧放電ランプ１０の光量も要求されるので、印加電力も高く、発光部４の内部の熱的影響は極めて厳しいものとなる。高圧放電ランプ１０の管壁負荷値（発光部４の内表面の単位面積当たりの印加電力）は０．８〜３．０Ｗ／ｍｍ²、具体的には２．５Ｗ／ｍｍ²となる。
このような高い水銀蒸気圧や管壁負荷値を有する高圧放電ランプ１０は、プロジェクタ装置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。

続いて、金属箔６と芯棒７をレーザ照射により溶接する方法を図２に基づいて説明する。
図２は、芯棒７と金属箔６とを示す上面図である。
金属箔６は中央に芯棒７の周面に沿って軸方向に延びる中央曲面部６１が形成され、両端が平面になっている断面Ω状になっている。金属箔６の一端に中央曲面部６１が伸び、芯棒７と接合する重なり部６２が形成されている。
なお、図２においては断面Ω状の金属箔６を用いているが、断面が平坦な平板状の金属箔を用いることもできる。

金属箔６の中央曲面部６１と芯棒７とが重ね合わされた重なり部６２に、金属箔６側からレーザ光を数箇所に照射して溶融開口部３が複数形成される。レーザ光としては、ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザ、またレーザ光の代替として電子ビームなどを用いることができる。エネルギー密度を１７Ｊ／ｍｍ^２以上として、例えば、１．２Ｊのレーザをスポット径φ０．３ｍｍで照射する。

図３は、図２に示すレーザ光の照射部分を拡大して示す断面図である。詳しくは、レーザが当たった中心部と思われる溶接開口部３の中央を通り、芯棒７の軸に対して垂直に切断した断面図である。
レーザ光を照射すると、重ね合わせた材料の上材となるモリブデン（Ｍｏ）よりなる金属箔６を貫通し、下材であるタングステン（Ｗ）よりなる芯棒７が噴出する。噴出したタングステン（Ｗ）の一部は昇華するがその多くは表面の粘性が下がって周辺に流れ、金属箔６の上に回りこみ、金属箔６の表面に形成された開口の周縁に肉盛りしたように覆う。溶融されたタングステンが金属箔６を超えて盛り上がり、金属箔６に形成された開口を覆うようにして溶接開口部３が形成される。

レーザ溶接による熱影響を受けると、芯棒７を構成するタングステン（Ｗ）が噴出・昇華するため、芯棒７の内部に空洞２が形成される。芯棒７に形成される空洞２は、レーザによる熱影響を受けた部分に形成されるものあり、レーザのエネルギー密度によってその深さが変わる。また、場合によって、中央が溶けて埋まって上部と下部とに分断されることがある。空洞２の深さｄは、金属箔６の表面から空洞２の最深部、すなわち、上部と下部とに分断された場合は下部の底部までの長さをいう。

レーザ溶接により、溶融したタングステンが金属箔６の開口を覆うように溶接開口部３が形成されて、芯棒７と金属箔６とが接合された電極構造体を、円筒状の石英ガラス管の内部に挿通し、円筒管を加熱収縮させて封止部５が形成される。封止部５を構成する石英ガラスは、芯棒７および金属箔６に密着しているので、溶接開口部３の内部にも入り込んでいる。レーザによって芯棒７に形成された空洞２に入り込んだガラスは、芯棒７および金属箔６が大きく動かないように元の位置に留める楔の役割をなす。

レーザ溶接により金属箔６を通って芯棒７に至るまで形成された空洞２にガラスが入り込んでいるので、ガラスが楔になって金属箔６も伸縮しにくくなる。金属箔６の膨張収縮量が妨げられ、封止部５を構成するガラスの張り付き具合の差による芯棒７と金属箔６との膨張収縮量の違いを小さくすることができる。金属箔６と芯棒７との熱膨張収縮量が略同等な状態で高圧放電ランプ１０を点灯・消灯することができるので、電極１の芯棒７が曲がることを防止し、金属箔６の溶断も抑制することができる。

なお、封止部５を構成する石英ガラスは、溶接開口部３から続く空洞２の芯棒７の表面より内部に深く入り込んでいることが好ましい。ガラスが空洞２に深く入り込んで、金属箔６だけでなく芯棒７の動きも規制することによって、金属箔６の膨張収縮を妨げるだけでなく、金属箔６と芯棒７との膨張収縮量を略同等にするという効果が得られる。

続いて、第２の実施形態について説明する。図４は、第２の実施形態の電極と金属箔とを示す拡大断面図である。
第２の実施形態では、電極１の芯棒７について、金属箔６に接合する側面に空洞２を形成して芯棒７と金属箔６との熱膨張収縮量の違いを小さくするだけでなく、封止部５を構成するガラスに接する側面の表面に凹部８を形成し、凹部８にガラスが入り込ませている。芯棒７の金属箔６に接合する側面だけを伸縮しにくくすると、芯棒７の反対側の側面はこれまで通りに熱膨張収縮するので、芯棒７の周方向の側面によって熱膨張収縮量が異なってしまう場合が発生する。

そこで、ガラスに接する側面の表面にも凹部８を設けてガラスを入り込ませて伸縮しにくくさせることによって、芯棒７の金属箔６に接合する側面の熱膨張収縮量と合わせることができる。芯棒７の周方向のどの側面においても熱膨張収縮量が略同等になり、芯棒７が曲がることをより効果的に防止することができる。

続いて、実施例について説明する。
電極の芯棒径と空洞の深さを種々に変更させて金属箔とレーザ溶接した電極構造体を用意し、溶接強度と空洞にガラスが入り込むか否かを検証した。
実験対象の高圧放電ランプの仕様を以下に示す。
電極：材質；タングステン、芯棒径φ０．４ｍｍ、芯棒長さ６．７ｍｍ
金属箔：材質；モリブデン、厚さ２０μｍ、電極との重なり長さ１．５ｍｍ
溶接：ＹＡＧレーザ、軸方向に２箇所、エネルギー密度１７〜２１J／ｍｍ^２
封止部：材質；石英ガラス、直径φ約５．５ｍｍ
なお、封止部は、厚さ２ｍｍ・直径φ６ｍｍの円筒管を収縮させて形成した。

レーザ溶接により電極に形成される空洞の深さは、レーザによる熱影響を受けた到達深さでもあるので、レーザのエネルギー密度を選択することによって、適当な量とすることができる。また、高圧放電ランプに用いられる電極芯棒の径は非常に小さく、φ０．３〜１．０ｍｍ程度とすることが要求されるので、空洞の深さもそれほど大きくすることはできない。

図３に示すように、レーザ溶接により形成される空洞は、中央が溶けて埋まって上部と下部とに分断される場合が発生する。空洞の深さとはレーザによる熱影響を受けた到達深さをいうので、ここでは、上部と下部とに分断された場合は下部の底部までの長さｄをいう。空洞の深さを正確に測るためには、レーザが当たった中心部と思われる溶接開口部の中央を通るように切断した断面において、金属箔の表面から空洞の最深部までの離間距離をレーザ測長によりにより計測する。

実験結果を表１に示す。空洞の深さｄと電極芯棒の径ｒとを変数とする「ｄ／ｒ」をパラメータとして、ｄ／ｒが種々の値をとるように変更した場合の、溶接強度とガラス入り込みを確認した。溶接強度は、芯棒と金属箔との溶接部の引き剥がし強度が６０ｇ以上あれば高圧放電ランプの性能上問題がないと分かっているので、引き剥がし強度が６０ｇ以上となるときを「○」とし、６０ｇ以下のときを「×」とした。なお、引き剥がし強度は、例えばプッシュプルゲージに接続し、芯棒から引き剥がす方向へ引っ張り、剥がれたときの測定値とした。また、ガラス入り込みは、芯棒表面より深く入り込むときを「○」とし、ガラスが入り込まないときや芯棒表面より浅くしか入り込まないときを「×」とした。

溶接強度については、ｄ／ｒが０．２５以下のとき十分に接合されずに剥がれてしまい、ｄ／ｒが０．６５以上のとき金属箔が溶けすぎて切れてしまった。ｄ／ｒが０．３０以上０．６０以下となるように溶接部を形成すれば、引き剥がし強度が６０ｇ以上となり、溶接強度が十分に備えられることがわかった。
ガラス入り込みについては、ｄ／ｒが０．３０以下のときは空洞が小さすぎてガラスが入り込まない形状となる。ｄ／ｒが０．３５以上となるように電極を形成すれば、空洞にガラスが金属箔の表面より深く入り込む形状とすることができることがわかった。
以上の実験結果より、ｄ／ｒを０．３５以上０．６０以下となるように電極を形成すれば、溶接強度を十分に備え、かつ、空洞にガラスが入り込む形状とすることができることがわかった。

１電極
２空洞
３溶融開口部
４発光部
５封止部
６金属箔
７芯棒
８凹部

Claims

発光部の両端に封止部が連設されてなる放電容器と、前記発光部内に先端部が対向配置される一対の電極と、当該電極の芯棒が溶融接合されて前記封止部に埋設される金属箔と、を有する高圧放電ランプにおいて、
前記溶融接合に伴い、金属箔の表面から芯棒内部に至る空洞が形成され、当該空洞に封止部を構成するガラスが入り込んでいることを特徴とする高圧放電ランプ。
前記封止部を構成するガラスは、芯棒の表面よりも深く空洞に入り込んでいることを特徴とする請求項１に記載の高圧放電ランプ。
前記封止部を構成するガラスに接する芯棒の表面にも凹部が形成され、当該凹部に前記ガラスが入り込んでいることを特徴とする請求項２に記載の高圧放電ランプ。
前記金属箔の表面から前記空洞の最深部までの長さをｄとし、前記電極の芯棒の径をｒとするとき、ｄ／ｒが０．３５以上０．６０以下となることを特徴とする請求項２に記載の高圧放電ランプ。