WO2012035846A1

WO2012035846A1 - 電極マウント及びそれを用いた高圧放電ランプ並びにその製造方法

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Publication number: WO2012035846A1
Application number: PCT/JP2011/064770
Authority: WO
Inventors: 篤史大野; 和志冨永; 信一武正
Original assignee: 岩崎電気株式会社
Priority date: 2010-09-14
Filing date: 2011-06-28
Publication date: 2012-03-22
Also published as: JP4853843B1; JP2012064315A; US8795019B2; CA2772118A1; CN102576636A; US20120286656A1; EP2509093A4; EP2509093A1

Abstract

高圧放電ランプ用の電極マウントにおいて、生産コストの増加を最小限とする方法によって電極軸部の曲がりを防止する。高圧放電ランプ用の電極マウントの製造方法において、相互に溶接された電極及び金属箔からなる電極マウントを加熱処理する工程、及び電極軸部の表面にレーザ照射により酸化物を生成した酸化部を形成する酸化工程を備え、電極マウントが高圧放電ランプの封止部に埋設されるときに酸化部の全部又は一部が封止部に含まれるようにレーザの照射位置が決定される。

Description

電極マウント及びそれを用いた高圧放電ランプ並びにその製造方法

　本発明は概略として電極マウント及びそれを用いた高圧放電ランプ並びにその製造方法に関し、より具体的には、封止部に埋設される電極軸部の曲りを防止した電極マウント及びそれを用いた高圧放電ランプに関する。

　図７にプロジェクタ用光源等に用いられる一般的な高圧放電ランプ１１（例えば、超高圧水銀ランプ）を示す。高圧放電ランプ１１は発光管２及びそれに含まれる一対の電極マウントからなる。発光管２は放電空間３及びそれを挟んだ一対の封止部４からなり、各電極マウントは互いに溶接された電極５、金属箔６及びリード線７からなる。電極５の先端側が発光管２の放電空間３に露出され、電極５の根元側の電極軸部５ａの一部、金属箔６及びリード線７の一部が封止部４に埋設される。放電空間３には０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀、希ガスおよびハロゲンガスが封入され、点灯時の水銀蒸気圧は１５０気圧以上になる。

　ところで、高圧放電ランプ（以下、「ランプ」という）は点灯、消灯を繰り返して使用されるが、点灯時及び消灯時に電極軸部（タングステン）と封止部（石英ガラス）の熱膨張率の差に起因して電極軸部が曲がってしまうという問題があった。電極軸部の曲がり発生のメカニズムは次の通りである。まず、点灯時に電極軸部は径方向に膨張すると共に放電空間側に膨張するのに対し、封止部の石英ガラスの熱膨張率が電極軸部のそれよりもはるかに小さいため、電極軸部に比べてほとんど膨張しない。封止部の石英ガラスがその形状を維持した状態で、電極軸部が膨張することによって電極軸部は封止部の一部に密着する。その後、ランプを消灯すると、電極軸部は元の位置に戻ろうとして収縮する際に、電極軸部の密着した部分はその状態を維持し、他の部分は離隔する（隙間ができる）。即ち、電極軸部の密着した部分は収縮が制限される一方で隙間部の収縮は制限されない結果として、電極軸部が曲がることになる。この電極軸部の曲がりは光軸のずれや照度の低下といった問題をもたらす。

　上記の電極軸部の曲がりの問題を解決するために、特許文献１では、電極軸部に根元から先端にかけて細くなるテーパー部を設け、電極軸部の収縮が封止部石英ガラスによって制限され難い構成としている。

　また、特許文献２では、封止部（石英ガラス）の内面と電極軸部の外面とがその接触部を小さくして互いに支持する構成とし、電極軸部の膨張及び収縮が封止部（石英ガラス）の内面によって阻害されないようにしている。具体的には、封止部（石英ガラス）の内面構造について、その断面が三角形等になるように、或いは凸状部分を有するように構成することによって、電極軸部との接触部分を小さくしている。

特開２００９－９９３３８号公報特開２００９－１４６５９０号公報

　しかし、特許文献１では、電極軸部の構成が複雑となり、電極の生産における加工コストの大幅な増加がもたらされてしまう。また、テーパー部の細い側の強度を確保する工夫が必要であり、例えば全体を太くすると所望の熱容量範囲を超えてしまう。さらに、電極の加工は高い精度が要求されるので、高い歩留りを達成するためにもその形状はできるだけシンプルなものが望まれる。

　また、特許文献２でも、封止部の加工が複雑となり、発光管生産における加工コストの大幅な増加がもたらされてしまう。特に、封止部は上記の問題以外にも熱的なストレスによるクラックの問題も考慮する必要があり、石英ガラス自体の応力又は電極軸部からの応力が径方向に均一に分散される構成とすることが望ましく、従って封止部断面は円形とすることが望ましい。

　そこで、本発明は、高圧放電ランプ用電極において、生産コストの増加を最小限とする方法によって電極軸部の曲がりを防止する電極マウントを提供することを目的とする。さらに、高ワットランプにおける大電流を投入可能な構成においても有用な構成を見出すことを目的とする。

　本発明の第１の側面は、高圧放電ランプ用の電極マウントの製造方法である。その製造方法は、相互に溶接された電極及び金属箔からなる電極マウントを加熱処理する工程、及び電極軸部の表面にレーザ照射により酸化物を生成した酸化部を形成する酸化工程を備える。電極マウントが高圧放電ランプの封止部に埋設されるときに酸化部の全部又は一部が封止部に含まれるようにレーザ照射位置が決定される。

　本発明の第２の側面は、高圧放電ランプの製造方法である。その製造方法は、金属箔の両端に電極及びリード線が溶接された電極マウントを加熱処理する工程、電極軸部の表面にレーザ照射により酸化物を生成した酸化部を形成する工程、及び電極マウントを高圧放電ランプの発光管に埋設し、封止部を形成する工程を備える。レーザ照射位置は酸化部の全部又は一部が封止部に含まれるように決定される。

　本発明の第３の側面は、高圧放電ランプ用の電極マウントである。その電極マウントは金属箔及び金属箔の一端に溶接された電極を備える。電極軸部の表面にレーザ照射による酸化物を生成した酸化部が形成され、電極マウントが高圧放電ランプの封止部に埋設されるときに酸化部の全部又は一部が封止部に含まれるように酸化部が形成される。

　本発明の第４の側面は、金属箔の他端に接続されたリード線をさらに備えた上記第３の側面の電極マウント、及び封止部に電極マウントを含む発光管からなる高圧放電ランプである。

　上記第１及び第２の側面において、好ましくは、酸化工程が、レーザを電極軸部の片側に照射して電極軸部の表面全周に酸化部を形成するようにレーザの強度を決定することを含む。
　また、上記第１から第４の側面において、好ましくは、酸化部が（１）電極軸部の埋設部の少なくとも放電空間側３０％を覆うように形成され、又は（２）電極軸部の埋設部のうちの少なくとも６５％を覆うように形成される。

本発明の高圧放電ランプの図である。本発明の電極マウント及び高圧放電ランプの製造方法のフローチャートである。本発明の電極マウントの製造方法を説明する図である。本発明の電極マウントの製造方法を説明する図である。本発明の封止部を形成する工程を説明する図である。本発明の酸化部の形成箇所を説明する図である。本発明の酸化部の形成箇所を説明する図である。本発明の電極性能を確認する図である。本発明の電極性能を確認する図である。従来の高圧放電ランプの図である。

　図１に本発明の電極マウントを含む高圧放電ランプ１を示す。高圧放電ランプ１は発光管２及び一対の電極マウント８（図３Ａ参照）からなり、発光管２は放電空間３及びそれを挟んだ一対の封止部４からなり、各電極マウント８は互いに溶接された電極５、金属箔６及びリード線７からなる。電極５の放電側が放電空間３に露出され、電極軸部５ａの一部、金属箔６及びリード線７の一部が封止部４に埋設される。そして、電極軸部５ａの埋設される一部に酸化物を生成した酸化部５ｂ（以下、「酸化部５ｂ」という）が形成される。放電空間３には０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀、希ガスおよびハロゲンガスが封入され、点灯時の水銀蒸気圧は１５０気圧以上になる。

　上述のように、電極軸部５ａの埋設部に酸化部５ｂを形成することによる効果は以下の通りである。電極軸部５ａはタングステンからなるので、酸化部５ｂは酸化タングステンである。タングステンは酸化タングステンとの密着性が小さい一方で、石英ガラスは還元性を有するので酸化タングステンとの密着性が高い。そのため、ランプ消灯時、即ち、冷却時に電極軸部５ａの酸化部５ｂの一部が封止部４の石英ガラスに密着されても、電極軸部５ａは酸化部５ｂには密着し難いので、酸化部５ｂと封止部４の部分的な密着によっては電極軸部５ａの収縮は阻害されないことになる。即ち、酸化部５ｂが電極軸部５ａと封止部４の接触部に形成されていれば、ランプ点灯時に電極軸部５ａは均一な態様（径方向及び軸方向にほぼ均一な応力がかかった状態）で膨張し、ランプ消灯時には均一な態様で収縮して元の位置に戻ることができる。言い換えると、酸化部５ｂは緩衝材として機能していることになる。上記構成により、ランプ点灯・消灯の繰り返しによる電極軸部の曲がりを防止できる。

　なお、酸化部５ｂは、上記のように径方向及び軸方向に均一な態様を得るためにも電極軸部５ａの表面全周にわたって形成されていることが望ましいが、上記の緩衝材としての機能を果たす限りは必ずしも全周にわたって酸化部５ｂが存在していなくても本発明の効果を享受できる。

　図２に本発明の電極マウント及びランプの製造方法のフローチャートを示す。
　工程Ｓ１０において、図３Ａに示すように、金属箔６の一端に電極５を溶接し、他端にリード線７を溶接して電極マウント８を構成する。溶接には抵抗加熱溶接を用いることができる。なお、リード線７は後述する工程Ｓ１２又はＳ１４の後で金属箔６に溶接してもよい。

　工程Ｓ１２において、工程Ｓ１０で得られた電極マウント８を加熱処理する。加熱処理は電極マウント８を９００～１０００℃の水素雰囲気中に１０分間曝すことにより行う。これにより、電極マウント上の不純物を除去する。

　工程Ｓ１４において、図３Ｂに示すように、電極軸部５ａの表面の所定部分に酸化部５ｂを形成させる。酸化部５ｂの位置は、後述する工程Ｓ２０で電極マウント８が封止部４に埋設されるときに、酸化部５ｂの全部又は一部（大部分）が封止部４に含まれるように決定される。即ち、酸化部５ｂが封止部４に完全に埋設されてもよいし、放電空間３に多少露出していてもよい。実際には、製造バラツキを考慮して、酸化部５ｂが放電空間３に多少露出される程度に酸化部５ｂを設けることが望ましい。これにより、本発明の電極マウント８が完成する。

　工程Ｓ１４の酸化工程はレーザを電極軸部５ａの表面に照射することにより行う。具体的には、レーザ照射装置としてティー・エイチ・エム製、Ｓｕｐｏｅｒ－ＬＡＳＥＲ　ＭＡＸ－１５０Ｐ（本体）、ＭＯＤＥＬ　ＦＯＬ－３０－ＴＨＭ II－Ｆ／１００－ＷＤ１００　出射径φ０．８ｍｍ（出射ユニット）を用いることができる。そして、出射ユニットから電極軸部５ａまでの距離を９０ｍｍとして、レーザを電極軸部５ａの片側に照射して、その表面全周に酸化部を形成するようにレーザの出射強度を決定及び設定すればよい。このように、表面全周に酸化部を設けるに際に、電極軸部５ａ又はレーザ照射装置を電極軸に関して回転させる必要がないので容易に酸化工程を実行することができる。

　工程Ｓ２０において、図３Ｃに示すように、電極マウント８を発光管２に埋設し、封止部４を形成する。上述したように、この工程において、電極軸部５ａの酸化部５ｂの全部又は一部（大部分）が封止部４に埋設されるとともに、水銀及び封入ガスが放電空間３に封入される。これにより、本発明の高圧放電ランプが完成する。

　上記のように、従来の電極マウント又はランプの製造方法にレーザ照射工程を追加するだけで、電極軸部の曲がりを防止する電極マウントを提供することができる。

　次に、本発明の効果等を確認した結果を示す。
＜実験１＞　
　実験１で使用したランプの仕様を説明する。発光管２は高純度の石英ガラスからなり、放電空間３の内部容量は０．０８６ｃｃである。放電空間３には約２８０ｍｇ／ｃｃの水銀、２０ｋＰａの希ガス（例えば、アルゴン）、及びハロゲンガスが封入されている。投入ランプ電力は２３０Ｗである。電極軸部５ａはタングステンからなり、軸部径は０．４５ｍｍであり、先端側にコイルが巻回されてそれが溶融処理されている。電極軸部５ａの埋設部Ｌは約２．１ｍｍであり、酸化部５ｂは金属箔６側端部から電極先端方向に約１ｍｍの長さで設けられている。なお、本実験では、一方の電極軸部のみに酸化部５ｂを設けた。

　本実験では、１０分ＯＮ－１０分ＯＦＦの点滅試験を行い、電極軸部の曲がりの発生の有無を調べた。その結果を表１に示す。なお、表において、「従来ランプ」とは、上記構成において酸化部を設けなかったものを意味し、「○」は曲がりが発生しなかったことを、「×」は曲がりが発生したことを示している。

　表１から分かるように、従来ランプでは点滅１５０回から電極軸部の曲がりが発生し、２７０回で全てのサンプルで曲がりが発生した。一方、本発明のランプでは１つのサンプルでは５１０回で曲がりが発生したが、他の２本は８４０回点滅しても曲がりは発生しなかった。以上より、電極軸部に酸化部を形成することによる効果が確認された。

＜実験２＞
　本実験では、投入ランプ電力が４２０Ｗのランプを用いて試験を行なった。これは電極軸部にとっては実験１（２３０Ｗ）よりも厳しい試験条件となる。ランプの各部寸法は実験１で用いたランプとは異なり、特に、軸部径は０．５３ｍｍ、Ｌ＝２．９（ｍｍ）である。

　酸化部５ｂの位置について、図４に示すように、電極軸部５ａにおいて、金属箔６側端部から電極先端方向に０．５ｍｍ離隔して１ｍｍ幅の第１の酸化部が形成され、さらに、第１の酸化部に実質的に連接する位置に１ｍｍ幅の第２の酸化部が形成されている。従って、第２の酸化部から放電空間側の埋設部は０．４ｍｍ余っていることになる。なお、上記の実質的に連接する位置とは、レーザ照射を２箇所に対して行なった結果として第１の酸化部と第２の酸化部が実質的に連続していることを意味する。

　本実験でも、１０分ＯＮ－１０分ＯＦＦの点滅試験を行い、電極軸部の曲がりの発生の有無を調べた。その結果、従来ランプでは点滅５０回で電極軸部の曲がりが確認されたが、本発明のランプでは点滅１０００回でも曲がりは発生しなかった。以上より、本実験においても電極軸部に酸化部を形成することによる効果が確認された。

＜実験３＞
　次に、酸化部５ｂの好適な位置及び範囲を確認した。ランプ電力が２３０Ｗ程度であれば問題とはならないが、ランプ電力が４２０Ｗ程度となると電極の熱容量の増加、電流値の増大に対し、特に電極軸部の径を太くする必要があり、そのため、電極軸部の膨張収縮がさらに大きくなるため、酸化部５ｂをより好適な位置又は範囲に特定する必要がある。

　具体的には、４２０Ｗ程度の高ワットランプにおいては、酸化部５ｂの位置は埋設部において、より高温となる放電空間側にあることが望ましい。それは、封止部４の石英ガラスの膨張率と電極軸部５ａの熱膨率の差により相互に作用する応力が、金属箔側よりも高温となる放電側の方が大きいため、その部分に曲がり対策を施すのが効果的であることによる。また当然に、酸化部５ｂを所定範囲以上に設けないと本発明の効果が得難くなる。

　そこで、酸化部の好適な位置及び範囲を確認するために実験３を行なった。図５を参照して実験３で使用したランプの仕様を説明する。実験２で使用したランプとは酸化部５ｂの位置のみが異なる。図５に示すように、電極軸部５ａの金属箔側端部から放電空間側に向けて各１ｍｍ幅の位置Ａ、Ｂ、Ｃを規定し、いずれか１つ又は２つの位置に酸化部を形成したものを用いて実験２と同様の点滅試験を行った。その結果を表２に示す。表１と同様に、「○」は曲がりが発生しなかったことを、「×」は曲がりが発生したことを示している。なお、Ｌ＝２．９ｍｍであるから、酸化部Ｃが埋設部に含まれる長さは０．９ｍｍである。

　表２から分かるように、位置Ｃのみ、位置Ａ及びＣ、並びに位置Ｂ及びＣに酸化部を設けたランプでは、電極軸部の曲がりは発生しなかった。一方、位置Ａのみ及び位置Ｂのみに酸化部を設けたランプでは曲がりが発生した。位置Ａ及びＢのものでは電極軸部の曲がり以外の原因による故障が発生し、曲がりの有無は確認されなかったが、酸化部の位置及び範囲に関する条件は実験２で使用したランプと類似するため、曲がりは発生しないものと推定できる。

　上記実験２及び３の結果より、電極軸部の曲がりを防止するには、酸化部が（１）電極軸部の埋設部の少なくとも放電空間側約３０％（≒０．９／２．９）を覆うこと、又は（２）電極軸部の埋設部のうちの少なくとも約６５％（≒（０．９＋１．０）／２．９）を覆うこと、のいずれか一方を満たせば高ワットランプにおいても電極軸部の曲がりを防止できることが確認された。

＜実験４＞
　次に、電極軸部の酸化部がランプ寿命に影響がないことを確認すべく、従来ランプと本発明のランプのライフテストを行なった。
　本実験では、実験１と同様のランプ（２３０Ｗ）及び実験２におけるＣの箇所のみに酸化部を形成したランプ（４２０Ｗ）を用いて、３時間３０分ＯＮ－３０分ＯＦＦの点滅試験を行なった。本実験の結果を図６Ａ及び６Ｂに示す。同図に示すように、２０００時間経過後において、照度及びランプ電圧について本発明のランプは従来ランプと同等又は良好な寿命特性を持つことが分かる。これにより、本発明における酸化部がランプ寿命に影響を与えないことが確認された。

　以上より、本発明によって、最小限の追加コストで電極軸部の曲がりを防止する電極マウント及びそれを用いた高圧放電ランプの製造が実現される。

　上記に本発明の実施例を説明したが、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で以下のように変更可能である。
　（１）本実施例においては超高圧水銀ランプを例として説明したが、本発明は一般的な高圧放電ランプにも適用できる。
　（２）本実施例（実験１を除く）においては、酸化部を一対の電極軸部の両方に形成したが、片方のみとしてもよい。例えば、より電極軸部曲がりが発生し易い高温側の電極マウント（例えば、ランプを反射鏡に取り付けた場合に反射鏡ネック側に配置される電極マウント、又はランプに反射鏡だけでなく副鏡が取り付けられる場合に副鏡側に配置される電極マウント）のみに酸化部を形成してもよい。もちろんこの場合は、完成したランプにおいてどちら側の電極マウントに酸化部が形成されたかを識別できるようにしておく必要がある。
　（３）本実施例では、酸化部の電極軸方向の位置及びその幅が一定のものを示したが、例えば、酸化部を電極軸部に対して螺旋状に形成したり、ドット状に形成したりしてもよく、そのような形態のものも本発明の範囲に含まれる。但し、この場合は、電極軸部又はレーザ照射装置を電極軸に対して回転させる必要がある。

１．高圧放電ランプ
２．発光管
３．放電空間
４．封止部
５．電極
５ａ．電極軸部
５ｂ．酸化部
６．金属箔
７．リード線
８．電極マウント
Ｌ．埋設部

Claims

　高圧放電ランプ用の電極マウントの製造方法であって、
　相互に溶接された電極及び金属箔からなる電極マウントを加熱処理する工程、及び
　前記電極の電極軸部の表面にレーザ照射により酸化物を生成した酸化部を形成する酸化工程
を備え、前記電極マウントが前記高圧放電ランプの封止部に埋設されるときに前記酸化部の全部又は一部が前記封止部に含まれるようにレーザ照射位置が決定される、製造方法。
　請求項１の製造方法において、前記酸化部が（１）前記電極軸部の埋設部の少なくとも放電空間側３０％を覆うように形成され、又は（２）前記電極軸部の埋設部のうちの少なくとも６５％を覆うように形成される、製造方法。
　請求項１の製造方法において、前記酸化工程が、レーザを前記電極軸部の片側に照射して該電極軸部の表面全周に前記酸化部を形成するように該レーザの強度を決定することを含む製造方法。
　高圧放電ランプの製造方法であって、
　金属箔の両端に電極及びリード線が溶接された電極マウントを加熱処理する工程、
　前記電極の電極軸部の表面にレーザ照射により酸化物を生成した酸化部を形成する工程、及び
　前記電極マウントを前記高圧放電ランプの発光管に埋設し、封止部を形成する工程
を備え、前記酸化部の全部又は一部が前記封止部に含まれるようにレーザ照射位置が決定される、製造方法。
　請求項４の製造方法において、前記酸化部が（１）前記電極軸部の埋設部の少なくとも放電空間側３０％を覆うように形成され、又は（２）前記電極軸部の埋設部のうちの少なくとも６５％を覆うように形成される、製造方法。
　請求項４の製造方法において、前記酸化工程が、レーザを前記電極軸部の片側に照射して該電極軸部の表面全周に前記酸化部を形成するように該レーザの強度を決定することを含む製造方法。
　高圧放電ランプ用の電極マウントであって、
　金属箔及び該金属箔の一端に溶接された電極を備え、
　前記電極の電極軸部の表面にレーザ照射による酸化物を生成した酸化部が形成され、前記電極マウントが前記高圧放電ランプの封止部に埋設されるときに該酸化部の全部又は一部が該封止部に含まれるように該酸化部が形成された電極マウント。
　請求項７の電極マウントにおいて、前記酸化部が（１）前記電極軸部の埋設部の少なくとも放電側３０％を覆うように形成され、又は（２）前記電極軸部の埋設部のうちの少なくとも６５％を覆うように形成された電極マウント。
　前記金属箔の他端に接続されたリード線をさらに備えた請求項７の電極マウント、及び前記封止部に該電極マウントを含む発光管からなる高圧放電ランプ。