JP5218320B2

JP5218320B2 - 超高圧水銀ランプ

Info

Publication number: JP5218320B2
Application number: JP2009177157A
Authority: JP
Inventors: 信宏長町; 洋好北野; 豊彦熊田; 博久石川
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2009-07-30
Filing date: 2009-07-30
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2029-07-30
Also published as: JP2011034694A

Description

この発明は、ショートアーク型の超高圧水銀ランプに関する。たとえば、液晶ディスプレイ装置やＤＭＤ（デジタルミラーデバイス、登録商標）を用いたＤＬＰ（デジタルライトプロセッサ、登録商標）などのプロジェクター装置用の光源に好適な超高圧水銀ランプに関する。

たとえば、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る。そのため、プロジェクター装置用のランプには、近時、点灯時の発光部内の水銀蒸気圧が１５０気圧以上になる超高圧水銀ランプが使用される。また、紫外線露光用途や光学機器の照明用途のランプでは、点灯時の水銀蒸気圧が１００気圧以上の超高圧水銀ランプが使用される。

図７を参照して、このような従来の放電ランプの電極構造の一例を説明する。
図７は、交流点灯タイプの超高圧水銀ランプＬ２の基本構成を説明する管軸方向断面図である。
同図において、ランプＬ２の発光部８０は石英ガラスからなり、発光部８１とその両端にロッド状の封止部８２を備えている。発光部内には、水銀とハロゲンを含む希ガスとが封入されている。
発光部８１の内部にはタングステンからなる略円柱状の電極９０が対向配置され、電極９０の後方にはそれぞれ軸部９１が連設されている。軸部９１もまたタングステンよりなり、各々封止部８２の内部に埋設されることによって支持されている。この軸部９１に不図示の導電性金属箔が溶接されて接続され、更に金属箔に不図示の外部リード棒が接続されることにより、電極が外部に導出されている。

電極９０は、先端側には球状に成形された本体部分を構成する頭部９２を備え、その先端には突起部９２Ａが形成されている。頭部９２の後端には円柱状の胴部９３を備えている。このような胴部９３の周囲には、電極ランプＬ２の始動補助のためにタングステン製のコイルを巻きつけてから溶融して胴部９３と一体化したコイル部９４を備える。このコイル部９４はおもにランプ点灯時におけるグロー放電期間中には電極先端部を加熱し、温度上昇を促してアーク放電への移行を容易にするためものである。この種の電極は、例えば特許文献１に開示される。

特開２００５−１９２６２号公報

図７に示す従来の電極構造を備える超高圧水銀ランプによれば、電極に形成されたコイル部９４が、グロー放電中に加熱されて容易に高温状態となる。このため、グロー放電からコイル部９４を起点とするコイルアーク放電へと速やかに移行させることができる、とされている。

しかしながら、近年では、プロジェクター装置の小型化が進んでいることから、これに収容される超高圧水銀放電ランプの小型化が市場では強く要求されており、当該要求に応じて発光部の内径寸法を可及的に小さくしている。そのことにより、超高圧水銀ランプは、発光部内壁と電極との距離が従来より近接している。

電極にはコイル同士が近接して巻き回されており、そのコイル間に谷間のようにできる微小な隙間から対向する電極に向かうべき放電アークが発光部８１の封止部８２近傍の発光部内壁を舐める。そのアークの当った部分のガラスが変質し、また、電極根元部分がアークで加熱され、電極根元部分から蒸発した電極構成物質が発光部のガラス変質部分に付着することにより、発光部根元部分のガラス変質部分が黒化するという不具合の発生を避けることができなかった。この黒化により照度低下、破裂などの短寿命となってしまう。

本発明は、以上のような事情に基いてなされたものであり、その目的は、発光部根元部分の黒化を防止した超高圧水銀ランプを提供することにある。

上記課題を解決するために請求項1に記載の発明は、石英ガラスからなり、発光部と当該発光部に連設された封止部とを有する発光部の内部に、水銀を封入すると共に、一対の電極が、各々その軸部の基端部が前記封止部に埋設されて保持されることにより対向配置されてなる超高圧水銀ランプにおいて、前記一対の電極のうち陰極動作する電極は、直径が１．５ｍｍ〜３ｍｍであり、前記軸部よりも太い径を有する頭部と、この頭部の後端部に連設された胴部とを具備して構成され、該胴部であって該軸部の周囲に該電極の軸線方向に該軸線方向に平行な０．０５ｍｍ以上の幅の溝部が形成されていることを特徴とする超高圧水銀ランプとすることである。

本発明の構成によれば、０．０５ｍｍ未満の隙間がないので、異常な放電アークが発光部の封止部近傍の発光部内壁を舐めることがなくなり、電極根元部分がアークによって加熱される時間を短縮することによって、発光部根元部分の黒化を防止することができる。

本発明の超高圧水銀ランプの全体図および電極部の拡大図を示す。本発明の超高圧水銀ランプの電極構造を示す。発光部根元部分内壁における黒化発生率を示す。発光部根元部分内壁における黒化発生率を示す。発光部根元部分内壁における黒化発生率を示す。電極の製作方法の一例を示す。従来の超高圧水銀ランプの電極付近の拡大図を示す。

図を使って本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の超高圧水銀ランプの概略構成図および電極部の拡大図を示す。
同図（ａ）に示す超高圧水銀ランプ１０は、略球状に形成された発光部１を備える。発光部１の内部には、一対の電極２Ａ、２Ｂが互いに向き合って配置されると共に、発光物質である水銀とハロゲンガスと希ガスとが封入される。
発光部１の両端には、一対の封止部３Ａ、３Ｂのそれぞれが連続して伸びている。これらの封止部３Ａ、３Ｂの内部には、モリブデンよりなる導電用の金属箔４Ａ、４Ｂが、例えばシュリンクシールによって気密に封止されている。電極２Ａ、２Ｂの軸部２２Ａ、２２Ｂが金属箔４Ａ、４Ｂの一端部に接続されて電気的に接続されている。給電用の外部リード５Ａ、５Ｂが、金属箔４Ａ、４Ｂの他端部に接続されると共に、封止部３Ａ、３Ｂの外端から封止部外方に伸び出ている。
上記した超高圧水銀ランプは、外部リード５Ａ、５Ｂおよび金属箔４Ａ、４Ｂを介して両電極２に給電され、例えば交流点灯される。

発光部１の内部には、水銀と、ハロゲンガスと、希ガスとが封入されている。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。水銀をより多く封入することで点灯時の水銀蒸気圧を２００気圧以上、３００気圧以上という高い水銀蒸気圧とすることができる。水銀蒸気圧を高くすることにより、プロジェクター装置に適した光源とすることができる。
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ために
封入される。ハロゲンガスは、ハロゲンサイクルを利用することによりランプを長寿命化
するという目的で、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
れる。ハロゲンガスの封入量は、１０^−６〜１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲から選択される。

プロジェクター装置の小型化により、それに使用される超高圧水銀ランプの寸法は、以下のとおり小さなものとなっている。数値の一例を挙げると、発光部の最大外径が９．５ｍｍ、電極間距離が１．５ｍｍ、発光部内容積が７５ｍｍ^３、定格電圧が８０Ｖ、定格電力が１５０Ｗである。また、プロジェクター装置の光源に適用される超高圧水銀ランプは、発光部が小型であるため発光部１内の熱的条件が極めて厳しいものとなる。例えば、管壁負荷値が０．８〜２．０Ｗ／ｍｍ^２であり、発光管の内壁と電極との最短距離が、標準のもので２．０ｍｍ以下であり、１．５ｍｍ以下、１．０ｍｍ以下のものもある。

図１（ｂ）は電極を側面方向から見た図、図１（ｃ）は電極軸方向から見た断面図である。電極２は頭部２１とそれに連設された胴部２２を有し、軸部２３の大径部２３１が胴部２２の内側に位置する。この大径部２３１は電極の機械的強度を強めるものであるが、必須の構成ではない。

電極２の径はφ１．５〜φ３．０ｍｍまでが採用され、電極の頭部２１に続く電極の胴部２２の内側に形成される溝部２４の幅は、φ１．５の場合、最大で０．４ｍｍまでであり、φ３．０の場合１ｍｍまでとなる。電極軸部２３の径は０．３ｍｍ〜０．８ｍｍである。ここで、電極軸部の径とは、電極の大径部２３１のある場合には大径部の径のことをいう。溝部の電極軸方向の深さは０．６〜１．４ｍｍの範囲であればよい。

電極の胴部において軸部の周囲に形成された電極の軸線方向に平行な幅０．０５ｍｍ以上の溝部を形成する方法は以下にその一例を示すことが出来る。
放電加工機にて形成しようとする溝部の輪郭に成型した銅製の部材を、たとえば円管輪郭の溝部であればパイプ形状の放電加工用電極を、放電させながら電極の胴部の底面部より差し込み軸部周面に平行な溝部を形成するものである。

溝部の形態としては図２（ａ）にあるように、溝部が軸周囲を取り囲むように一周して形成されたものが本発明の典型例となる。
この溝部は必ずしも軸周囲を一周取り囲む必要はない。たとえば３／４周でもかまわない。
また、図２（ｂ）にあるように、軸の周りに２重あるいはそれ以上に形成してもよい。
この場合、溝間に位置する電極の部分が溝内で生じる微細放電により局所的に加熱されることで熱アークが生じやすく始動性の改善が期待される。また、図２（ｃ）にあるように、渦巻き状にしてもいい。この場合も図２（ｂ）の形態の場合と同様にして始動性の改善が期待される。

本発明の超高圧水銀ランプにかかる電極においては、単一の材料、すなわち一つのタングステン棒から削り出しにより製作することができるが、例えば、電極を幾つかの部品に分けて作製し、溶接等の手段によって一体化して製作することも可能である。
図２（ａ）の軸周囲に一重の溝部を胴部に備える形態においては筒部材の肉厚、電極軸部の径を勘案して、この形成方法でも実現可能である。
この例について図６を参照して説明する。図６（ａ）は本発明にかかる電極を製作する工程を説明する図、（ｂ）最終形状を示す側面図である。
図６（ａ）において、先端に突起部５１Ａを備えた頭部５１の後端部分には、その中心位置に軸部５３が一体的に形成されており、軸方向後方に向かって伸びている。軸部５３は、頭部５１に連設されて形成された大径部５３２と、当該大径部５３２に連設され、大径部５３２よりも径が小さい小径部５３１とから構成されている。このような頭部５１と軸部５３とからなる構造体５０Ａは、タングステンの棒材を削りだして製作することができる。

一方、筒状部材５０Ｂは、筒部を構成するものであり、大よそ頭部の後端部の外径に適合した外径および内径を有するタングステン製の筒状体より構成される。このような筒部材５０Ｂは、例えばパイプ状に加工されたタングステンを筒部の全長に合わせて切り出して製作したものである。
この筒状部材５０Ｂの中に構造体５０Ａの軸部を挿入し、頭部５１の後端面と筒部材５０Ｂの一端面を、軸が一致するように固定し、外側から溶接によって接合し、一体化すると、図９（ｂ）に示すように、筒部５２を備えた電極５０が構成される。なお符号５４は接合時に形成された溶接痕である。筒部５２と電極の大径部５３２との間に溝部５５が形成されることになる。

超高圧水銀ランプにおいて発光部根元部の黒化を防ぐためには０．０５ｍｍより大きな溝部が電極胴部に電極の軸線方向に平行な０．０５ｍｍ以上の幅の溝部が形成されていることが必要である。その根拠を示す実験について説明する。
実験に使用したランプは以下の通りであるが、いずれも図２（ａ）に示した形態の電極を備える。電極胴部径としてはφ１．５、φ１．８、φ３．０の３種類とし、溝部形状は軸部の周囲を一周する形態のものである。
溝部の幅は上記の電極に対応してそれぞれφ１．５の電極胴部径の電極については、０．０１、０．０４、０．０５、０．１、０．２、０．３、０．４ｍｍとし、φ１．８の電極胴部径の電極については、０．０１、０．０４、０．０５、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５ｍｍとし、φ３．０の電極胴部径の電極については、０．０１、０．０４、０．０５、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．８、１．０ｍｍとした。そして、溝部の深さは一律に０．８ｍｍとした。
実験本数は３種類のランプそれぞれに対し、各溝部幅毎に５０本づつとした。
点灯電力は強制度を上げた加速試験とし、通常の点灯条件に対し＋２０％の電力を入力した。点灯条件としては、５分点灯、５分消灯でそのパターンを１０００回連続繰り返した。黒化の有無については実体顕微鏡検査にて確認した。

その実験結果は図３、図４、図５に示した通りであった。図３はφ１．５の電極胴部径の電極についての結果であり、図４はφ１．８の電極胴部径の電極についての結果であり、
図５はφ３．０の電極胴部径の電極についての結果である。
プロットは溝部の幅が０．０５より大きいときに、すべてのランプにおいて発光部根元部の黒化はまったく生じなくなることがわかった。
溝部の幅は電極の胴部の径によって、その幅の上限は電極径がφ１．５のときは０．４ｍｍまで、電極径がφ３．０のときは１．０ｍｍまでとなる。
また、溝部の電極頭部に近い奥底面は丸みを帯び断面Ｕ字状であることが高温部材の機械的強度向上のためには好ましい。

なお、本発明の超高圧水銀ランプは実施の形態で説明したプロジェクター装置用途以外にも、前述のように、紫外線露光用途や光学機器の照明用途であって、発光管内に０．１０ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀が封入された超高圧水銀ランプにも有効である。

１発光部
２、２Ａ、２Ｂ電極
３Ａ、３Ｂ封止部
４Ａ、４Ｂ金属箔
５Ａ、５Ｂ外部リード
２１頭部
２２胴部
２３軸部
２４溝部
２５突起部
２３１大径部
５１頭部
５１Ａ突起部
５３１小径部
５３２大径部
５０Ａ構造体
５０Ｂ筒状部材
５２筒部
５４溶接痕
５５溝部

Claims

石英ガラスからなり、発光部と該発光部に連設された封止部とを有する発光部の内部に、水銀を封入すると共に、一対の電極が、各々その軸部の基端部が前記封止部に埋設されて保持されることにより対向配置されてなる超高圧水銀ランプにおいて、前記一対の電極のうち陰極動作する電極は、直径が１．５ｍｍ〜３ｍｍであり、前記軸部よりも太い径を有する頭部と、この頭部の後端部に連設された胴部とを具備して構成され、該胴部であって該軸部の周囲に該電極の軸線方向に該軸線方向に平行な０．０５ｍｍ以上の幅の溝部が形成されていることを特徴とする超高圧水銀ランプ。