JP4938907B2 - 放電ランプ用電極、高圧放電ランプ、ランプユニットおよび投射型画像表示装置 - Google Patents
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Description
発明者らが検討したところ、電極2の表面に適度な凹凸6が形成されていなければ封止部の破損の原因となることがわかった。すなわち、適度な凹凸6が形成されていなければ、封止部4と電極2との間に図20に示すような空隙5ができてしまうため、電極2を十分に封止することが困難となり、封止部4が破損しやすくなる。さらに、発光部3の内部に封入された水銀が空隙5内に侵入し溜まってしまうと、その水銀が点灯時に蒸発して空隙5内が高圧になってしまうため、電極2が発光部3側に押し出されて電極2や封止部4が破損してしまう。
また、本発明に係る高圧放電ランプは、封止部および電極の破損を防止することを目的とする。
さらに、本発明に係るランプユニットは、前記高圧放電ランプと、凹状の反射面を有する反射鏡とを備え、前記高圧放電ランプは、前記高圧放電ランプからの射出光が前記反射面によって反射されるように前記反射鏡の内部に取り付けられていることを特徴とする。
また、本発明に係る放電ランプ用電極の製造方法は、一端が発光管の封止部に封止され、他端が前記発光管の放電空間内に配置される棒状部を有する放電ランプ用電極の製造方法であって、前記棒状部となる棒状部材を化学エッチングする化学エッチング工程と、前記化学エッチング後の棒状部材の少なくとも前記一端側の端部を除去する除去工程とを有し、化学エッチング後の棒状部材の少なくとも前記一端側の端部を除去する除去工程を有し、前記化学エッチング工程では、前記熱処理された棒状部材の長手方向に沿う面のうち、前記一端側の端部が除去された後に前記一端側の端面から前記他端側に前記棒状部の長手方向の長さの3分の1の位置になる予定の位置において、前記棒状部の周回方向の線粗さの最大高さRy2が10[μm]以上40[μm]以下の範囲内となるように、棒状部材をエッチングすることが好ましい。
また、本発明に係る高圧放電ランプは、封止部および電極の破損を防止することができる。
さらに、本発明に係るランプユニットおよび画像表示装置は、封止部および電極の破損を防止した高圧放電ランプを備えることで、信頼性を向上させることができる。
本発明の第1の実施形態に係る高圧放電ランプ用電極の正面図を図1に示す。本発明の第1の実施形態に係る放電ランプ用電極(以下、「電極100」という。)は、一端が放電ランプの発光管の封止部に封止され、他端が前記発光管の放電空間内に配置される棒状部101を有する高圧放電ランプ用の電極である。
棒状部101の約150[倍]の電子顕微鏡写真を図2に示す。電極100は、棒状部101の表面に異なる結晶方位を有する結晶粒が複数存在し、かつ、前記結晶方位の違いにより前記結晶粒が存在する各領域の表面状態がそれぞれ異なることによって、棒状部101の表面に凹凸が形成されている。これにより、棒状部101の表面には、適度にばらついた凹凸が形成されているため電極100を高圧放電ランプに用いた場合、高圧放電ランプの封止部および電極の破損を防止することができる。
本発明に係る電極100の製造工程においても、棒状部101をエッチングすると棒状部101に沿う面101aに対して棒状部101の一端面101aがエッチングにより過度に浸食されてしまい、図3に示すように、棒状部の端面に、例えば線粗さRy1が40[μm]を超えるような、大きな凹凸が形成されてしまう場合がある。この場合、その端面をそのままにしておくと、高圧放電ランプの製造に用いる際、その端面の凹凸の窪みに水銀が入り込みやすく、かつ、その窪みに入り込んだ水銀がその端面に溜まりやすく、点灯時に水銀の溜まっている部分が高温となり、高圧になってしまうと、その力に封止部が耐えきれずに破損したり、電極が放電容器側に押し出されて破損してしまう。よって、図4に示すように、棒状部101は、凹凸の大きな端面をその端部ごと除去する等して、Ry1を40[μm]以下とすることで、電極100の棒状部101の一端面101aに水銀が付着したままになることを防止し、高圧放電ランプに用いた場合に、封止部や電極100が破損するのを防止することが好ましい。
なお、Ry1は、一端面101aの中心から外縁に向かう線上において測定した。
また、「棒状部101の周回方向の線粗さ」としたのは、棒状部101は、引き伸ばされて加工されることが多く、その長手方向に沿う方向に溝が形成されやすく、仮に、棒状部101の長手方向とした場合には、測定位置によって溝の有無によりRy2の値が大きく変わるおそれがあるためである。
Ry1およびRy2は、株式会社キーエンス製の表面粗さ測定装置(VK−8700)により、100[μm]の長さを約50[倍]の倍率により測定した。
以上のように、本発明の第1の実施形態に係る電極100は、棒状部101の表面に異なる結晶方位を有する結晶粒が複数存在し、かつ、前記結晶方位の違いにより前記結晶粒が存在する各領域の表面状態がそれぞれ異なることによって、棒状部101の表面に凹凸が形成されているという第1の特徴と、棒状部101の一端面101aの線粗さの最大高さをRy1とし、棒状部101の長手方向に沿う面のうち、一端面101aから他端側に棒状部101の長手方向の長さの3分の1の位置において、棒状部101の周回方向の線粗さの最大高さをRy2としたとき、前記Ry1が40[μm]以下であり、前記Ry2が10[μm]以上40[μm]以下の範囲内であるという第2の特徴とを有する。
発明者らは、棒状部101の表面に異なる結晶方位を有する結晶粒が存在し、かつ、前記結晶方位の違いにより結晶粒が存在する各領域の表面状態がそれぞれ異なることによって、棒状部101の表面に凹凸が形成されていること、すなわち電極100が第1の特徴を有すること、を確認するために、検証実験を行った。なお、より広範囲の結晶方位を確認しやすくするために、平板状の部材について、その表面が電極100と同様の状態としたものを実験試料とした。
また、実験試料の表面において、[001]方位を有する結晶粒を示す図を図8に示す。図8は、図5のうち、実験試料の表面において、[001]方位を有する結晶粒のみを図示したものである。図7および8に示すように、棒状部101の表面において、少なくとも[001]方位を有する結晶粒がエッチングされていることが好ましい。この場合、化学エッチングにより凹凸を形成しやすくすることができる。
(i)棒状部101を、その長手方向に対して略垂直に切る。
(ii)(i)で切った棒状部101の断面を研磨し、その断面をEBSPシステム(テクセム ラボラトリーズ インコーポレイテッド製OIMシステム〔Ver.5.2〕)で測定することで、その断面における棒状部101の外表面の結晶粒の結晶方位および凹凸の状態を測定する。なお、測定条件は、加速電圧25[kV]、測定エリア350[μm]×600[μm]、測定間隔1.5[μm]である。
(放電ランプ用電極の製造方法)
本発明の第1の実施形態に係る電極100の製造方法について、以下に説明する。
本発明の第1の実施形態に係る電極100の製造方法は、棒状部材を熱処理して、その表面に異なる方位を有する結晶粒を形成する工程(熱処理工程)と、前記熱処理された棒状部材を化学エッチングする工程(エッチング工程)と、棒状部の少なくとも一方の端部を除去する工程(除去工程)とを有する。また、エッチング工程では、棒状部の長手方向に沿う面のうち、除去工程によって一端側の端部が除去された後に一端側の端面から他端側に前記棒状部の長手方向の長さの3分の1の位置になる予定の位置において、前記棒状部の周回方向の線粗さの最大高さRy2が10[μm]以上40[μm]以下の範囲内となるように、棒状部材をエッチングする。熱処理工程およびエッチング工程の概念図を図9(a)に、除去工程の概念図を図9(b)にそれぞれ示す。
なお、本発明の第1の実施形態に係る電極100の製造方法の変形例としての、上記第2の特徴は有するが、上記第1の特徴は有さない電極の製造方法とは、具体的には、一端が発光管の封止部に封止され、他端が前記発光管の放電空間内に配置される棒状部を有する放電ランプ用電極の製造方法であって、前記棒状部の材料である棒状部材の長手方向に沿う面のうち、前記一端側の端部が除去された後に前記一端側の端面から前記他端側に前記棒状部の長手方向の長さの3分の1の位置になる予定の位置において、前記棒状部の周回方向の線粗さの最大高さRy2が10[μm]以上40[μm]以下の範囲内となるように、前記棒状部材をエッチングする工程と、前記棒状部材の少なくとも一方の端部を除去する工程とを有することを特徴とする放電ランプ用電極の製造方法である。
1.熱処理工程
まず、図9(a)に示すように、棒状部材104を準備する。棒状部材104は、例えば線径0.5[mm]のタングステン製で、電極100の完成後に棒状部101となるものである。
2.化学エッチング工程
続いて、熱処理された棒状部材を、化学エッチングする。化学エッチングは、例えば25[℃]の過酸化水素水(H2O2)の溶液に60[min]浸して行う。この化学エッチングによって、棒状部材の表面において、結晶粒の方位により凹凸状態を異ならせることができる。
電極100が棒状部101のみで形成される場合には、以上の工程により、電極100を形成することができる。なお、化学エッチングに用いる溶液は、25[℃]の過酸化水素水に限られず、例えば過酸化水素水の沸騰液、ヘキサシアノ鉄酸カリの溶液、または苛性ソーダとヘキサシアノ鉄酸カリとの混合液等を用いることができる。また、過酸化水素水を用いる場合には、その濃度は10[wt%]以上30[wt%]以下の範囲内であることが好ましい。この場合、適度な時間で適度に凹凸を形成して化学エッチングを行うことができる。
3.除去行程
棒状部材104の一端面104aおよび一端面104bに、過度のエッチングにより大きな凹凸が形成された場合は、図9(b)に示すように、エッチング工程後の棒状部材104の少なくとも一端側の端部(以下、「一端部」という。)を例えば刃物で切除することにより、除去することが好ましい。この除去工程により、棒状部の一端面の線粗さの最大高さRy1を、40[μm]以下とすることができる。なお、除去する部分は、棒状部材の一端面および他端面のうち、除去工程を施した側において、凹凸の大きな部分が、無くなる程度でよい。例えば、除去予定の端面から、棒状部材の長手方向に1[mm]の位置まで除去すればよい。
以上の工程を経ることにより、電極100が棒状部101のみの場合には、電極100を完成することができる。
4.その他の工程
なお、電極100が棒状部101のみではなく、電極部102も有する場合には、さらに以下の工程を行う。以下、図9(c)および(d)を用いて順に説明する。
4−1.コイル体装着工程
まず、図9(c)に示すように、棒状部101に、例えば線径0.3[mm]のタングステン製の金属線を密に巻回してコイル体105を形成する。なお、コイル体105は、電極100の完成後に電極部102となるものである。
4−2.溶融工程
続いて、図9(d)に示すように、コイル体105の先端部を溶融させる。具体的には、例えば、コイル体105の先端から、アルゴンプラズマ溶接装置(図示せず)の電極(陰極)の先端までの距離を、1.0[mm]に設定および保持し、アーク放電を行う。このアーク放電によってコイル体105の先端部が溶融され、電極部102が完成する。なお、この溶融工程において、複数回の間欠的なアーク放電を行い、アーク放電の合間に少なくとも1[回]の冷却期間を設けることが好ましい。これにより、連続的な1[回]のアーク放電で溶融させて電極部102の形状を制御する場合に比して、その制御を行いやすく、電極部102の先端部に空洞が発生するのを抑制することができる。
(実験2)
発明者らは、電極100を高圧放電ランプに用いた場合、封止部の破損を防止できることを確認するために、実験を行った。実験で使用したのは、上記第1の特徴を有するが、上記第2の特徴は有さない電極100である。実験では、実験試料として作製した高圧放電ランプの封止部が目視で破損しているかどうかを確認した。各実験試料は、20[個]ずつ作製し、初期点灯後の状態を目視にて確認し、20[個]中破損しているものがなかった場合には「○」と判定し、20[個]中1[個]でも破損があった場合には、[×]と判定した。
(1)500[℃]、1000[℃]、1200[℃]、1400[℃]、1600[℃]、1800[℃]、2000[℃]、2200[℃]または2400[℃]で真空雰囲気中、60[min]タングステン製の棒状部材に熱処理工程を行う。なお、比較用に、熱処理工程を行わないものを作製する。
(3)上記(2)で作製したものに対して、真空雰囲気中、1800[℃]、30[min]の条件で熱処理を行う。なお、この熱処理は、本発明において必須の熱処理ではなく、金属部材の表面の不純物除去および脱ガスを目的として行うものであり、棒状部材の表面の凹凸にはほとんど影響を及ぼさないものである。
実験結果を表1に示す。
(実験3)
さらに、発明者らは、電極100を高圧放電ランプに用いた場合、電極の破損を防止できることを確認するために、実験を行った。実験で使用したのは、上記第1の特徴を有するが、上記第2の特徴は有さない電極100である。実験では、実験2において、○の評価だったもの(実施例)について、10[min]点灯、10[min]不点灯を繰り返して、1000[回]点滅させた後の電極の状態を目視で確認し、電極が封止部から外れているものの本数を数えた。なお、図20に示す高圧放電ランプ1のように、電極の表面に旋盤加工の凹凸を形成し、電極と封止部との間に微小空間が形成されているものを比較例とした。実験結果を表2に示す。
よって、実験3より、電極100を高圧放電ランプに用いた場合、電極の破損を防止できることがわかった。
なお、棒状部101の表面において、結晶粒の最小粒径が5[μm]以上でかつ最大粒径が200[μm]以下の範囲内であることが好ましい。この場合、棒状部101の表面に適度な凹凸を形成しやすくすることができる。さらには、棒状部101の表面において、結晶粒の最小粒径が5[μm]以上でかつ最大粒径が100[μm]以下の範囲内であることがより好ましい。この場合、棒状部101の表面にさらに適度な凹凸を形成しやすくすることができる。
(実験4)
さらに、発明者らは、棒状部101の一端面101aの線粗さの最大高さをRy1とし、棒状部101の長手方向に沿う面のうち、一端面101aから他端側に棒状部101の長手方向の長さの3分の1の位置において、棒状部101の周回方向の線粗さの最大高さをRy2としたとき、前記Ry1が40[μm]以下であり、前記Ry2が10[μm]以上40[μm]以下の範囲内である電極100、すなわち上記第2の特徴を有する電極100を高圧放電ランプに用いた場合、電極の破損を防止できることを確認するために、実験を行った。実験で使用したのは、上記第2の特徴を有するが、上記第1の特徴は有さない電極100である。
さらに、例えば、端部を除去した後に、バレル研磨等の研磨加工を施すことで、Ry1の値を20[μm]以下としやすくすることができる。
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態に係る高圧放電ランプの長手方向の中心軸を含む断面図を図12に示す。本発明の第2の実施形態に係る高圧放電ランプ(以下、「高圧放電ランプ200」という。)は、内部に電極100が配置されたガラス製の発光管201を備え、発光管201は、内部に封入物が封入され、かつ放電空間が形成されている発光部202と、発光部202に連設された封止部203とを有する。なお、図示の便宜上、図12における電極100、後述する金属箔204およびリード線205は、断面で切らずに図示している。
は特に限定されず、高圧放電ランプ200の仕様によって適宜設計変更してよい。また、本実施形態では、両端が封止されているダブルエンド型の高圧放電ランプを示したが、封止の形態は特に限定されず、例えば、シングルエンド型であってもよい。
容量が0.1[cm3]程度の発光部202の中に、発光物質として約0.3[mg/mm3]の水銀と、始動補助用として約30[kPa]の希ガスと、ハロゲン物質として約10-7[μmol/mm3]〜10-2[μmol/mm3]程度の臭素を封入すれば、ランプ点灯中の水銀蒸気圧は300[気圧]程度になる。
発光部の中央部における内径φai:5[mm]
外径φao:12[mm]
発光部の内容積:0.1[cm3]
電極間距離Ld:1.2[mm]
水銀封入量:0.35[mg/mm3]
アルゴンガス封入量:30[kPa](25[℃])
臭素封入量:0.5×10-3[μmol]
なお、図12において、電極100は、棒状部101および電極部102からなるものを用いたが、棒状部101のみからなる電極100であってもよい。
(第3の実施形態)
本発明に係る第3の実施形態に係る高圧放電ランプの管軸を含む正面断面図を図13(a)に、その左側面断面図を図13(b)にそれぞれ示す。本発明の第3の実施形態に係る高圧放電ランプ(以下、「高圧放電ランプ300」という。)は、少なくとも一方の封止部203にキャビティ301が形成され、その外部にアンテナ302が設けられている点を除いては、高圧放電ランプ200と実質的に同じ構成を有する。よって、キャビティ301およびアンテナ302について詳細に説明し、その他の点については説明を省略する。なお、図示の便宜上、図13(a)における電極100、金属箔204およびリード線205、ならびに図13(b)における電極100およびリード線205は、断面で切らずに図示している。
上記のとおり、本発明の第3の実施形態に係る高圧放電ランプ300の構成によれば、封止部203および電極100の破損を防止することができる。また、キャビティ301およびアンテナ302により、容易に放電を開始することができる。
本発明の第4の実施形態に係るランプユニットの一部切欠き斜視図を図14に示す。図14に示すように、本発明の第4の実施形態に係るランプユニット(以下、「ランプユニット400」という。)は、高圧放電ランプ200と、高圧放電ランプ200からの射出光が反射面401によって反射されるように高圧放電ランプ200が内部に取り付けられた、凹状の反射面401を有する反射鏡402とを備える。
また、高圧放電ランプ200のうち、口金404とは反対側のリード線205は、電力供給線407に接続されており、電力供給線407は、反射鏡402に設けられた貫通孔408に挿通されている。
上記のとおり、本発明の第4の実施形態に係るランプユニット400の構成によれば、封止部203および電極100の破損を防止した高圧放電ランプ200、300を備えることで、信頼性を向上させることができる。
本発明の第5の実施形態に係る投射型画像表示装置の斜視図を図15に示す。本発明の第5の実施形態に係る投射型画像表示装置(以下、「画像表示装置500」という。)は、その前方に設置したスクリーン(図示しない)に向けて画像を投影するタイプのプロジェクタである。
具体的には、筐体501と、筐体501に収納されたランプユニット400と、光学ユニット502と、制御ユニット503と、投射装置504と、冷却ファンユニット505と、電源ユニット506とを備える。
(第6の実施形態)
本発明の第6の実施形態に係る投射型画像表示装置の斜視図を図16に示す。本発明の第6の実施形態に係る投射型画像表示装置(以下、「画像表示装置600」という。)は、リアプロジェクタであって、高圧放電ランプが組み込まれたランプユニット400と、光学ユニット、投射装置およびミラー(いずれも図示せず。)等が収納された筐体601とを有する。
上記のとおり、本発明の第6の実施形態に係る投射型画像表示装置600の構成によれば、封止部203および電極100の破損を防止した高圧放電ランプ200、300を備えることで、信頼性を向上させることができる。
以上、本発明を上記した各実施形態に示した具体例に基づいて説明したが、本発明の内容が各実施形態に示した具体例に限定されないことは勿論であり、種々の放電ランプ用電極、放電ランプ用電極の製造方法、高圧放電ランプ、ランプユニットおよび投射型画像表示装置に適用することができる。
1.電極の変形例
1−1.放電ランプ用電極の変形例1
本発明の第1の実施形態に係る放電ランプ用電極の変形例1の正面図を図17(a)に示す。本発明の第1の実施形態に係る放電ランプ用電極(以下、「電極106」という。)は、棒状部107の一方の端部に切欠き部108が形成されている点を除いて、電極100と実質的に同じ構成を有する。よって、切欠き部について詳細に説明し、それ以外の点については説明を省略する。
この場合、棒状部107の電極部102とは反対側を金属箔に接続する際、切欠き部108によって、金属箔と接続される部分が大きくなるため、金属箔と接続しやすくすることができる。
なお、図17(a)〜(d)における「一端側の端面」とは、棒状部の軸方向から見たときに見える端面のことであり、Ry1は、本発明の第1の実施形態で述べた場合と同様に、端面の中心から周縁に向かう線上において測定することができる。
1−2.放電ランプ用電極の変形例2
本発明の第1の実施形態に係る放電ランプ用電極の変形例2の正面図を図18(a)に示す。本発明の第1の実施形態に係る放電ランプ用電極(以下、「電極110という。)は、棒状部101の少なくとも一部が金属部材111により覆われている点を除いて電極100と実質的に同じ構成を有する。よって、金属部材111について詳細に説明し、それ以外の点については説明を省略する。
電極110は、棒状部101の少なくとも一部が金属部材111に覆われていることで、高圧放電ランプに用いる場合、金属部材111および金属部材111のスリットの部分から露出する棒状部101の表面の凹凸により、封止部の応力を低減しやくすることができる。
また、図18(b)の変形例3に示すように、金属部材111の電極部102とは反対側の端部が切欠かかれていてもよい。この場合、棒状部101の電極部102とは反対側の端部を金属箔に接続する際、その接続部分に金属部材111が当り難くなり、棒状部101と金属箔とを接続しやすくすることができる。
さらに、図17(a)〜(d)に示す電極106のように、棒状部101の一方の端部に切欠き部(図示せず。)が形成されていてもよい。
2.高圧放電ランプの変形例
本発明の第2の実施形態に係る高圧放電ランプの変形例の長手方向の中心軸を含む断面図を図19(a)に、そのA−A´線で切った断面図を図19(b)にそれぞれ示す。本発明の第2の実施形態に係る高圧放電ランプの変形例(以下、「ランプ206」という。)は、金属箔207の形状が異なる点を除いてランプ200と実質的に同じ構成を有する。よって、金属箔207について詳細に説明し、それ以外の点については説明を省略する。なお、図示の便宜上、図19(a)における電極100、金属箔207およびリード線205は、断面で切らずに図示している。
101、107 棒状部
102 電極部
103 コイル
104 棒状部材
105 コイル体
200、206、300 高圧放電ランプ
201 発光管
202 発光部
203 封止部
204、207 金属箔
205 リード線
400 ランプユニット
401 反射面
402 反射鏡
500、600 投射型画像表示装置
502 光学ユニット
504 投射装置
Claims (5)
- 一端が放電ランプの発光管の封止部に封止され、他端が前記発光管の放電空間内に配置される棒状部を有する放電ランプ用電極であって、
前記棒状部の前記一端側の端面の線粗さの最大高さをRy1とし、
前記棒状部の長手方向に沿う面のうち、前記一端側の端面から前記他端側に前記棒状部の長手方向の長さの3分の1の位置において、前記棒状部の周回方向の線粗さの最大高さをRy2としたとき、
前記Ry1が40[μm]以下であり、
前記Ry2が10[μm]以上40[μm]以下の範囲内であることを特徴とする放電ランプ用電極。 - 請求項1に記載の放電ランプ用電極と、
ガラス製の発光管とを備え、
前記発光管は、内部に封入物が封入され、かつ放電空間が形成されている発光部と、前記発光部に連設された封止部とを有し、
前記封止部には、前記棒状部の前記一端側が封止されていることを特徴とする高圧放電ランプ。 - 請求項2に記載の高圧放電ランプと、
凹状の反射面を有する反射鏡とを備え、
前記高圧放電ランプは、前記高圧放電ランプからの射出光が前記反射面によって反射されるように前記反射鏡の内部に取り付けられていることを特徴とするランプユニット。 - 請求項3に記載のランプユニットと、
前記ランプユニットからの照明光が変調して光学像を形成する光学ユニットと、
前記光学像を拡大投射する投射装置とを備えることを特徴とする投射型画像表示装置。 - 一端が発光管の封止部に封止され、他端が前記発光管の放電空間内に配置される棒状部を有する放電ランプ用電極の製造方法であって、
前記棒状部となる棒状部材を化学エッチングする化学エッチング工程と、
前記化学エッチング後の棒状部材の少なくとも前記一端側の端部を除去する除去工程とを有し、
前記化学エッチング工程では、前記棒状部材の長手方向に沿う面のうち、前記一端側の端部が除去された後に前記一端側の端面から前記他端側に前記棒状部の長手方向の長さの3分の1の位置になる予定の位置において、前記棒状部の周回方向の線粗さの最大高さRy2が10[μm]以上40[μm]以下の範囲内となるように、棒状部材をエッチングすることを特徴とする放電ランプ用電極の製造方法。
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