JP6885722B2 - ショートアーク型放電ランプ - Google Patents

Description

本発明は、放電ランプに関し、特に、ショートアーク型放電ランプの電極構造に関する。

プロジェクタ、露光装置などの光源として使用されるショートアーク型放電ランプでは、発光管内に一対の電極を非常に短い間隔（例えば数ミリ程度）で配置し、発光管両端には発光管と一体的に繋がる封止管がそれぞれ形成される。そして、発光管内に水銀とハロゲンと希ガスが封入される。電極対に電圧を印加することでアーク放電が生じ、発光管内の圧力が高圧（例えば１００気圧以上）になることで、アーク放電が電極対の電極先端の間に安定し、反射鏡などによってアーク放電より放射される光が所定方向へ導かれる。

このようなショートアーク型放電ランプでは、いわゆるコイル溶融電極が一般的に用いられる。コイル溶融電極は、電極芯棒にコイルを巻き付け、電極先端部側をレーザ等で加熱溶融することにより形成される。溶融部分は椀状、半球状などに形成されて電極先端部として構成される一方、溶融されていないコイル部分が、先端部と一体的に繋がって形成される。

放電ランプでは、アーク放電が不安定な状態となると、電極先端部以外でアーク放電が生じる場合がある。特に、点灯直後は電極の温度が低く、封入物の蒸発も少なく発光管内のガス圧も低いことから、アーク放電が不安定な状態となり、コイル部分への電界集中などの理由により電極後端部（コイル部分）を起点としてアーク放電が生じる。

電極後端側にアーク放電が生じると、アーク放電の起点が発光管に近いことによって発光管が変形し、失透が生じる。これを防ぐため、コイル部分の後端部の表面全体に対して丸みをもたせる電極形状が知られている（特許文献１参照）。これにより、点灯始動後の電極後端部を起点とするアーク放電を持続させないようにし、アーク放電の起点を電極先端部の突起部へ向けて移行させる。

特開２００４−３６２８６１号公報

コイル溶融電極では、椀状／半球状の電極先端部をレーザ溶融によって成形するため、コイル部分の側面には、レーザ照射の影響によって微小な突起が生じやすい。この微小な突起部分があると、突起部分に電界集中が生じてアーク放電が生じる、また、突起部分にアーク放電が留まることで電極先端部へアーク放電が速やかに移動しない場合があり、その結果、コイル部分と近接する発光管の変形や失透が生じてしまう。

したがって、コイル溶融電極において、発光管内壁と距離の近いコイル部の表面にアーク放電の起点が生じないことが求められる。

本発明のショートアーク型放電ランプは、発光管と、発光管内に対向配置される一対の電極とを備える。例えば、発光管内に、０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、希ガスと、１×１０^−６〜１×１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲のハロゲンとが封入され、一対の電極の距離間隔が、２ｍｍ以下である。

電極は、電極先端側に向けて縮径する溶融先端部と、溶融先端部の電極後端側において、電極芯棒周りに複数のコイルが層状に形成されたコイル部とを備える。コイル部は、電極芯棒と接する内側コイル層と、内側コイル層の外側に位置する外側コイル層で構成することが可能であり、外側コイル層は電極後方側端部で折り返されている２重巻きのコイル層にすることができる。内側コイル層は、溶融先端部に対し、溶接などによって一体化している。一方、内側コイル層と外側コイル層は、互いにその表面で部分的に接触しており、溶融先端部のように一体化していない。

本発明では、内側コイル層の電極後端側端部に、エッジ部分を境界にもつ平坦面が、電極芯棒の周方向に沿って形成されている。エッジ部分が電極芯棒周り（周方向）に沿って形成されるため、点灯開始直後にアーク放電の起点が内側コイル層の電極後端側端部（エッジ部分）に形成され、内側コイルの熱伝導によって溶融先端部が熱せられる。これにより、アーク放電の起点は、外側コイル層の外表面（コイル部の側面）に留ることなく、内側コイル層の電極後端側端部から溶融先端部へ移動する。

平坦面は、電極芯棒周りの一部にだけ沿って形成してもよく、周全体に渡って形成してもよい。放電ランプの配置（例えば水平配置）に応じて、アーク放電の起点となりやすい範囲で、平坦面を電極芯棒周りに形成することが可能である。また、平坦面は、周全体で、あるいは部分的に電極芯棒と接するように形成することが可能である。平坦面と曲面部分との境界すべてがエッジ部分であってもよく、一部がエッジ部分であってもよい。

平坦面は、電極軸に垂直な方向に沿って形成することが可能である。これによって、ランプ軸方向に関してアーク放電の起点の位置に相違が生じなく、放電ランプの配置に関係なく、アーク放電の起点が溶融先端部へ移動する。内側コイル層のコイル径は、内側コイル層の外側に位置する外側コイル層のコイル径よりも小さくすることができる。

内側コイル層のコイル径は外側コイル層のコイル径の、例えば５０％以上９５％以下に定めることが可能である。また、内側コイル層の端部が、内側コイル層の外側に位置する外側コイル層の端部よりも電極後方側に位置するように構成することが可能である。この場合、内側コイル層と外側コイル層の電極軸に沿った端部間の距離は、コイル部の電極径方向厚さの２０％以上６０％以下に定めることが可能である。

本発明によれば、ショートアーク型放電ランプにおいて、安定したアーク放電を実現することができる。

本実施形態であるショートアーク型放電ランプの概略的構成図である。 電極の平面図である。 図２の電極の電極軸を通るラインに沿った断面図である。 図２のコイル部の電極後方端部を示した平面図である。 図２の電極を電極芯棒後方側から見た平面図である。 アーク放電の移動方向を示した電極断面図である。

以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本実施形態であるショートアーク型放電ランプの概略的構成図である。

ショートアーク型放電ランプ１０は、透明な石英ガラス製の略球状発光管１２を備え、発光管１２内には一対の電極２０、３０が２ｍｍ以下の距離間隔で対向配置される。発光管１２の両側には、石英ガラス製の封止管１４Ａ、１４Ｂが発光管１２と連設し、一体的に形成されている。

発光管１２内の放電空間Ｓには、水銀とハロゲンとアルゴンガスなどの希ガスが封入されている。ここでは、０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、希ガスと、１×１０^−６〜１×１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲のハロゲンとが封入されている。ハロゲンは、水銀とその他の金属との化合物として封入されている。

放電ランプ１０は、ここでは所定の定格電力（例えば１００〜５００Ｗ）が供給される交流点灯ランプであり、電圧が一対の電極２０、３０に印加されると、電極間でアーク放電が発生し、発光管１２の外部に向けて光が放射され、反射鏡（図示せず）によって所定方向へ導かれる。交流電圧が一対の電極２０、３０に印加されるため、極性（陰極、陽極）が交互に入れ替わる。

図２は、電極３０の平面図である。図３は、図２の電極３０の電極軸に沿った断面図である。図２、３を用いて、電極３０について説明する。なお、電極２０も同様の構造になっている。

電極３０は、電極芯棒３２にコイルを巻き付けて先端部を溶融させた電極（以下、コイル溶融電極という）によって構成されている。すなわち、電極芯棒３２周りにコイルを巻き付けた後、電極先端側をレーザ溶融などによって溶融することにより、図３に示す電極３０の外観形状が形成される。電極３０は、ここでは電極芯棒３２を含めてタングステンによって構成されている。

電極３０は、略半球状の電極先端部（以下、溶融先端部という）４０と、溶融されていないコイル部５０とを備える。溶融先端部４０は、コイルが溶融した部分に該当し、溶融先端部４０の表面４０Ｓは滑らかな曲面状であって、電極先端側に向けて先細くなっている。また、溶融によって溶融先端部４０は電極芯棒３２と一体化している。溶融先端部４０の端部には、アーク放電時の起点となる椀状の突起部４２が形成されている。

コイル部５０は、図３に示すように、複数のコイルが電極芯棒３２周りに巻かれることによって層状（ここでは３層）に形成されている。コイル部５０は、電極芯棒３２と接する内側コイル層５２と、内側コイル層５２よりも電極芯棒３２の径方向外側に位置する外側コイル層５４から構成される。

外側コイル層５４は、１つの断面円状のコイルを電極後方側の端部で折り返し、二重に巻き回したコイル層であり、一体的なコイル層となって形成されている。内側コイル層５２は、外側コイル層５４とは別のコイルによって形成されている。溶融先端部４０以外のコイル部５０では、外側コイル層５４と一体化しておらず、互いに部分的に接した状態で電極芯棒３２周りに固定されている。

内側コイル層５２を構成するコイルの径ｒ１は、外側コイル層５４を形成するコイルの径ｒ２よりも小さい。また、内側コイル層５２の電極軸Ｘに沿った端部５２Ｅは、外側コイル層５４の端部５４Ｅよりも電極後方側に位置する。

図４は、図２のコイル部５０の電極後方端部を示した平面図である。図５は、図２の電極３０を電極芯棒３２後方側から見た平面図である。

図４、５に示すように、内側コイル層５２の端部５２Ｅは一部カット（切断）されている。具体的には、エッジ部分５２Ｄを境界にもつ平坦な切断面５２Ｓが、電極軸Ｘに垂直な方向に沿って形成されている。また、この切断面Ｓ５２は、電極芯棒３２周りの周全体に渡って形成されており、部分的にエッジ部分５２Ｄが電極芯棒３２と接している。

エッジ部分５２Ｄをもつ切断面５２Ｓを設けることにより、内側コイル層５２の端部５２Ｅは、外側コイル層５４の端部５４Ｅのように全体が曲面状（管状）ではなく、曲面部分と平坦面（切断面５２Ｓ）とが両方存在する形状となっている。そして、平坦面境界にエッジ部分５２Ｄが存在することによって、曲面部分と切断面５２Ｓとの間は滑らか（連続的）になっていない。また、内側コイル層５２の端部５２Ｅの電極軸Ｘに沿った位置は、外側コイル層５４の端部５４Ｅとは異なり、周方向に関してどの箇所においても実質的に同じになる。

このようなコイル部５０の構成により、点灯時（点灯直後）において、内側コイル層５２の端部５２Ｅに生じたアーク放電が、速やかに溶融先端部４０の突起部４２へ移動する。以下、図６を用いて詳述する。

図６は、アーク放電の移動方向を示した電極断面図である。

点灯直後においては、電極温度が低く、封入物の蒸発も少なくガス圧も低いため、アーク放電は突起部４２以外で生じる。内側コイル層５２は、外側コイル層５４とは異なり、内側コイル層５２の端部５２Ｅにエッジ部分５２Ｄを有する切断面５２Ｓが形成されているため、切断面５２Ｓのエッジ部分５２Ｄに電界が集中する。これにより、コイル部のレーザ溶融による微小な突起の有無に関わらず、アーク放電が端部５２Ｅを起点として必然的に生じる。

上述したように、内側コイル層５２は外側コイル層５４と溶接していないために一体的に繋がっておらず、互いにその表面が部分的に接している。そのため、内側コイル層５２の熱は、外側コイル層５４へ伝搬しにくい。一方、内側コイル層５２は、溶融先端部４０と溶接し、溶融先端部４０と一体化している。したがって、内側コイル層５２の熱は、外側コイル層５４よりも溶融先端部４０へ伝搬しやすい。

また、内側コイル層５２の径ｒ１が外側コイル層５４の径ｒ２よりも小さいため、外側コイル層５４は加熱されにくい。さらに、平坦な切断面５２Ｓが電極軸Ｘに垂直な方向に沿って形成されることで、切断面５２Ｓで生じたアーク放電は、外側コイル層５４の端部５４Ｅに沿うように発生し、発光管１２に近接しない。そして、内側コイル層５２の端部５２Ｅは外側コイル層５４の端部５４Ｅよりも電極後方側に位置するため、切断面５２Ｓで生じたアーク放電は、外側コイル層５４の端部５４Ｅに接触せず、アーク放電によって端部５４Ｅが加熱されることが抑制される。

ランプ軸が水平になるように放電ランプ１０を配置した場合、ランプ消灯直後の電極温度は、電極上方側がより高くなる。ここでは、切断面５２Ｓが周方向全体に渡って形成されているため、放電ランプ１０を設置したときの回転位置（軸回り方向の位置）に関わらず、内側コイル層５２の端部５２Ｅにおいてアーク放電が確実に生じ、外側コイル層５４の端部５４Ｅにアーク放電が発生することを抑制する。

以上のことから、内側コイル層５２の端部５２Ｅの切断面５２Ｓにアーク放電が生じることで生じた熱は、外側コイル層５４ではなく溶融先端部４０に伝搬し、点灯時は外側コイル層５４より溶融先端部４０の方が高温となる。アーク放電は一般的に高温箇所に生じやすい（移動しやすい）ことから、内側コイル層５２の端部５２Ｅに生じたアーク放電の起点は、外側コイル層５４の外表面、すなわちコイル部５０の側面に移動することなく、すみやかに溶融先端部４０へ移動する。

このように内側コイル層５２の切断面５２Ｓにおいて最初にアーク放電を生じさせるとともに、電極芯棒３２に沿って内側コイル層５２を媒体に熱を溶融先端部４０へ伝搬することで、速やかなアーク放電の移動を行うことができる。また、コイル部５０の側面にアーク放電が移動しないため、発光管１２の変形、失透が生じるのを抑えることができる。

ここで、内側コイル層５２の径ｒ１は、外側コイル層５４の径ｒ２の５０％〜９５％の範囲に定めればよい。９５％以下にすることによって、端部５２Ｅに生じたアーク放電によって端部５４Ｅが高温になるよりも早く、溶融先端部４０を加熱することができる。一方、５０％以上に設定しないと、安定点灯時、すなわちアーク放電が溶融先端部４０で生じているときに内側コイル層５２の温度が外側コイル層５４と比べて極端に高くなり、アーク放電が切断面５２Ｓへ再移動して照度低下、チラツキなどが発生する恐れがある。そのため、５０％以上に設定するのがよい。

一方、内側コイル層５２の端部５２Ｅの位置と外側コイル層５４の端部５４Ｅとの電極軸Ｘに沿った距離Ａは、コイル部５０の最大径部の電極径方向厚さＢ（図４参照）の２０％〜６０％の範囲に定められる。２０％以下では、切断面５２Ｓに生じたアーク放電が外側コイル層５４の端部５４Ｅに接触することで、端部５４Ｅが加熱され高温になる。その結果、切断面５２Ｓに生じたアーク放電が端部５４Ｅに移動するおそれがある。一方、６０％を超えて設定すると、切断面５２Ｓが発光管１２、封止管１４Ｂに近接し、発光管１２などに影響を与える。また、内側コイル層５２の露出が大きくなり、露出による熱損失が大きくなる。そのため、距離Ａはコイル部５０の最大径部の電極径方向厚さＢの２０％以上、６０％以下に定めるのがよい。

以上のような構成の電極３０は、様々な製造方法によって製造することができる。例えば、あらかじめ切断面を形成してあってコイリング（巻き回された）内側コイル層を電極芯棒に圧入し、その後、コイルを巻き返した２重の外側コイル層を、折り返し部分を電極後端側に配置するように、電極芯棒に挿入する。そして、電極先端側をレーザ溶融することによって、溶融先端部とコイル部から成る電極が成形される。切断面は、レーザ、研磨などによって形成することが可能である。コイル部に対して平坦な切断面を形成することで、特別な工程を設けることなく、エッジ部分が電極芯棒周りに沿って形成される。

このように本実施形態によれば、溶融先端部４０とコイル部５０とを備えた電極３０（電極２０）を備えたショートアーク型放電ランプ１０において、コイル部５０が、内側コイル層５２と外側コイル層５４から成る層状コイルとして構成されている。そして、内側コイル層５２の端部５２Ｅにおいて、エッジが存在するように切断面５２Ｓが電極芯棒３２周りに沿って形成されている。

切断面５２Ｓについては、その全体が電極軸Ｘに垂直でなくてもよく、電極芯棒３２周りの周方向に沿って形成されればよい。また、周全体ではなくその一部であってもよい。例えば、電極３０を水平配置した場合、内側コイル層５２の上方側でアーク放電が生じやすい。そのため、切断面５２Ｓが周方向半分に渡って形成し、切断面５２Ｓがその上方側に位置するように電極配置することで、内側コイル層５２の端部５２Ｅにおいて確実に生じさせることができる。さらに、電極配置の状態および高温状態の箇所がある程度把握できれば、より少ない周方向に沿った範囲で切断面を形成することも可能であり、その範囲の周方向長さで平坦面を形成してもよい。また、切断面５２Ｓと曲面部分との境界すべてに対してエッジ部分５２Ｄを形成するのではなく、部分的にエッジが存在するように形成してもよい。

コイル部５０については、３層以外の層状コイルによって形成することが可能である。また、内側コイル層と外側コイル層を別のコイルで形成せず、１つのコイルを電極芯棒に巻いた電極構造であってもよい。この場合でも、最も内側のコイル層が溶融先端部側と一体的に繋がっている一方、その溶融先端部を通じて外側のコイル層が繋がっているため、先に溶融先端部が加熱され、アーク放電が電極芯棒に沿って移動する。

１０ 放電ランプ
２０、３０ 電極
４０ 溶融先端部
５０ コイル部
５２ 内側コイル層
５２Ｅ 端部
５２Ｓ 切断面（平坦面）
５４ 外側コイル層

Claims (9)

1. 発光管と、
   前記発光管内に対向配置される一対の電極とを備え、
   前記電極が、
   電極先端側に向けて縮径する溶融先端部と、
   前記溶融先端部の電極後端側において、電極芯棒周りに複数のコイルが層状に形成されたコイル部とを有し、
   前記コイル部において前記電極芯棒と接する内側コイル層の電極後端側端部に、エッジ部分を境界にもつ平坦面が、前記電極芯棒の周方向に沿って形成されていることを特徴とするショートアーク型放電ランプ。
2. 前記平坦面が、前記電極芯棒の周全体に渡って形成されていることを特徴とする請求項１に記載のショートアーク型放電ランプ。
3. 前記平坦面が、電極軸に垂直な方向に沿って形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のショートアーク型放電ランプ。
4. 前記内側コイル層のコイル径が、前記内側コイル層の外側に位置する外側コイル層のコイル径よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のショートアーク型放電ランプ。
5. 前記内側コイル層のコイル径は前記外側コイル層のコイル径の５０％以上９５％以下であることを特徴とする請求項４に記載のショートアーク型放電ランプ。
6. 前記内側コイル層の端部が、前記内側コイル層の外側に位置する外側コイル層の端部よりも電極後方側に位置し、
   前記内側コイル層と前記外側コイル層の電極軸に沿った端部間の距離が、前記コイル部の電極径方向厚さの２０％以上６０％以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のショートアーク型放電ランプ。
7. 前記内側コイル層が、前記コイル部において、前記内側コイル層の外側に位置する外側コイル層と部分接触していることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のショートアーク型放電ランプ。
8. 前記内側コイル層の外側に位置する外側コイル層が、電極後方側端部で折り返されている２重巻きのコイル層であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のショートアーク型放電ランプ。
9. 前記発光管内に、０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、希ガスと、１×１０^−６〜１×１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲のハロゲンとが封入され、
   前記一対の電極の距離間隔が、２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のショートアーク型放電ランプ。

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