WO2017187987A1 - 放電ランプ - Google Patents

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佐々木　雄一
巧 山根
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ウシオ電機株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a discharge lamp for a projection type projector device, a projector or a general illumination, and particularly relates to a discharge lamp in which xenon gas is sealed as a luminescent gas.
  • a discharge lamp that emits light by excitation of xenon gas (Xe gas) is used as a discharge lamp for the above-mentioned use, and the discharge lamp has a continuous spectrum from the ultraviolet region to the near infrared region. It is known to have a distribution very close to natural daylight, especially in the visible range.
  • an exhaust pipe for introducing impure gas in the discharge vessel and introducing luminescent gas is connected to the discharge vessel during the lamp manufacturing process.
  • the tip tube is removed while melting and sealing after introducing the luminescent gas (chip-off process), and the remaining portion of the tip tube (hereinafter referred to as the tip portion) remains on the peripheral surface of the discharge vessel.
  • such a discharge lamp enclosing xenon gas emits light mainly from the ultraviolet region to the near infrared region, but as shown in FIG. 6 (energy diagram of the xenon lamp), light emission in the vacuum ultraviolet region also exists.
  • the quartz glass constituting the discharge vessel accumulates ultraviolet distortion over time due to the ultraviolet rays.
  • the tip part which is the exhaust pipe remaining part, is structurally low in mechanical strength and easily accumulates strain. Therefore, it is the most easily damaged part due to accumulation of ultraviolet distortion over time.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-231732
  • Patent Document 1 describes that ultraviolet damage is suppressed by increasing the OH group concentration contained in quartz glass constituting the discharge vessel. Has been. This ultraviolet distortion occurs when molecular bonds (Si—O) in quartz glass are cut by ultraviolet rays and accompanied by structural changes. However, when the OH group concentration in quartz glass is high, the broken molecular bonds are repaired. It works to alleviate UV distortion.
  • Xe lamps for cinema are not only lit at the rated power value, but also may vary the power depending on the application. For example, when projecting a 3D movie, it must be lit with higher power than that of a 2D movie. However, when projecting a 2D movie, the amount of output light is too high, so the power consumption value must be lowered. In view of the present situation in which usage forms are diversified in this way, a discharge lamp having a wide allowable power consumption range is desired. For example, there is a demand for a discharge lamp that can handle a rated value to 50% of the rated value. In the design of such a discharge lamp, the light output, the electrode, the size of the envelope, and the like are determined in accordance with the upper limit power consumption value.
  • the inventors of the present invention diligently studied, when the xenon-filled discharge lamp is lit at a low power consumption (low power) rather than at a high power consumption (high power), it is connected to the discharge vessel. The fact that distortion is more likely to accumulate in the chip part was confirmed. This is thought to be due to the difference in temperature (sealing temperature) of the discharge vessel when the discharge lamp is lit.
  • the envelope temperature becomes high, the atomic movement inside the material becomes active, and the accumulated strain is reduced.
  • the envelope temperature is relatively low, the above-described strain relaxation action is lowered, and as a result, strain damage tends to remain inside the material.
  • the accumulation of ultraviolet distortion at the tip portion is one of the major factors that weaken the durability of the discharge lamp and cause damage to the discharge vessel, and a more appropriate countermeasure is desired.
  • an object of the present invention is to provide a discharge lamp that can suppress ultraviolet distortion accumulated in a tip portion formed in a discharge vessel of the discharge lamp.
  • the tip portion provided in the discharge vessel is composed of a glass member having a composition different from that of the discharge vessel, and the glass member has a wavelength from 170 nm to wavelength.
  • the transmittance in the entire wavelength region of 300 nm is 50% or more.
  • the discharge vessel is made of fused silica glass, and the tip portion is made of synthetic quartz glass.
  • the glass member constituting the chip portion has a transmittance of 50% or more in the entire wavelength region from a wavelength of 170 nm to a wavelength of 300 nm.
  • a transmittance 50% or more in the entire wavelength region from a wavelength of 170 nm to a wavelength of 300 nm.
  • Sectional view of the discharge lamp of the present invention Sectional view of another embodiment of the present invention Sectional view of yet another embodiment of the present invention.
  • Correlation graph of wavelength and transmittance by material Correlation graph of transmittance and relative strain intensity by material Xenon lamp energy diagram Table showing the relationship between oxygen defects and absorption wavelength in quartz glass
  • FIG. 1 is a schematic view of a discharge lamp according to the present invention.
  • the discharge lamp 1 includes a light emitting portion 3 constituting a discharge vessel 2 made of fused silica glass and sealing portions 4 and 4 at both ends thereof, and a pair of anode 5 and cathode 6 are opposed to each other in the light emitting portion 3.
  • the core wires 5a and 6a are sealed in the sealing parts 4 and 4, respectively.
  • xenon is enclosed as a luminescent gas in the light emitting portion 3 and is excited by a discharge between the electrodes 5 and 6 to emit light having an emission spectrum of natural daylight.
  • a tip portion 8 that is a remaining exhaust pipe is formed.
  • the chip portion 8 is formed on the outer periphery of the light emitting portion 3.
  • This tip portion 8 is formed during the manufacturing process of the discharge lamp, and is an exhaust pipe provided for exhausting impure gas from the discharge vessel 2 and introducing luminescent gas into the discharge vessel 2. This is the remaining part of the exhaust pipe formed when the (tip pipe) is finally removed while being melt-sealed.
  • Quartz glass is an amorphous body having a network-like three-dimensional structure in which SiO 4 tetrahedrons, which are basic units, are connected and Si—O—Si bonds are connected. If defects are present in the quartz glass, a change occurs in the wavelength band of light absorbed by the glass. Examples of this defect include an oxygen deficiency defect in which a part of oxygen is deficient between Si—O—Si bonds, and an oxygen excess defect caused by the presence of excess oxygen. Typical absorption wavelengths associated with these defects are shown in Table 1 of FIG.
  • quartz glass Such defects in quartz glass are considered to be caused by the presence of impurities in the glass or the breaking of Si—O bonds by light.
  • the ultraviolet distortion of quartz glass depends on the degree of absorption of ultraviolet rays absorbed by the glass. As shown in Table 1, light absorption occurs mainly in the wavelength band of 300 nm or less, and it is considered that ultraviolet distortion is promoted.
  • the chip portion 8 according to the present invention is made of a glass member having a light transmittance of 50% or more from a wavelength of 170 nm to a wavelength of 300 nm.
  • light in the vacuum ultraviolet region to the ultraviolet region of 300 nm or less that causes ultraviolet distortion to the glass member is transmitted through the chip portion 8, so that accumulation of ultraviolet distortion is suitably suppressed. Thereby, damage to the discharge lamp can be prevented.
  • the reason why the lower limit of the wavelength region is set to 170 nm is that the discharge lamp according to the present invention is a so-called xenon lamp in which xenon gas is sealed as a luminescent gas, and most of light in the vacuum ultraviolet region (light having a wavelength of 200 nm or less) is obtained.
  • the discharge vessel according to the present invention is made of fused silica glass, and the member applicable to the chip part is preferably quartz glass containing various metal impurities of 1 ppm or less. It is desirable to use quartz glass. By setting each metal impurity to 1 ppm or less, it is possible to more effectively increase the transmittance in the entire wavelength region from the wavelength 170 to the wavelength 300 nm. If each metal impurity is a glass member exceeding 1 ppm, deep ultraviolet light is easily absorbed by the impurities, which tends to be a main factor for deteriorating transmittance. It is also possible to use synthetic quartz glass.
  • the light transmittance of the glass member is also affected by the concentration of OH groups contained in the glass member.
  • the OH group concentration of the glass member is suppressed to at least 400 ppm or less.
  • the OH group in the glass member has an effect of repairing the structural defect inside the glass member and relaxing the strain. Therefore, when the OH group concentration is too low, the strain is likely to be accumulated. Therefore, it is desirable that the OH group concentration is at least 100 ppm or more.
  • the glass member constituting the chip portion has an OH group concentration in the range of 100 to 400 ppm.
  • FIG. 4 shows the relationship between the wavelength of each material and the transmittance.
  • material A is F310 (manufactured by Shin-Etsu quartz)
  • material B is HX-LA (manufactured by Shin-etsu quartz)
  • material C is GE02AL (manufactured by GE)
  • material D is GE214 (manufactured by GE)
  • material E is It is a high purity fused silica glass (manufactured by Tosoh Corporation) having a metal impurity of 1 ppm or less.
  • 172 nm is selected as an index of transmittance. Since light having a wavelength longer than 172 nm tends to be transmitted, the relationship between the transmittance of ultraviolet rays and the ultraviolet distortion accumulated in the glass was confirmed by observing the degree of transmittance at 172 nm.
  • the materials A and B exhibit a transmittance of 172 nm at 50% or more, and the materials C and D have an extremely low transmittance of 10% or less.
  • FIG. 5 shows a correlation diagram when “relative stress intensity (arb.unit)” is taken on the vertical axis and “transmittance (index of wavelength 172 nm)” is taken on the horizontal axis.
  • the experimental condition was that an excimer lamp was used to irradiate the materials A to D with light of 172 nm for 400 hours to measure the amount of change in strain stress.
  • the vertical axis represents the ratio of stress before and after ultraviolet irradiation (hereinafter referred to as relative strain strength).
  • relative strain intensity was extremely low for substances (materials A and B) having a transmittance of 172 nm of 50% or more, and no accumulation of ultraviolet distortion was observed.
  • the glass material of the chip part is composed of a glass member having a composition different from that of the discharge vessel, and the glass member has a transmittance of 50% or more in the entire wavelength region from a wavelength of 170 nm to a wavelength of 300 nm.
  • the accumulation of ultraviolet distortion at the tip portion is extremely small, and a discharge lamp free from cracks or breakage from the tip portion can be obtained.
  • FIG. 2 shows another embodiment.
  • the chip portion 8 is formed in the sealing portion 4 of the discharge vessel 2.
  • FIG. 3 shows still another embodiment, in which the embodiment of FIGS. 1 and 2 imagines a short arc type discharge lamp, whereas this embodiment is a long arc type discharge lamp.
  • the long arc type discharge lamp 10 includes a long discharge vessel 11, in which a pair of electrodes 12, 12 are disposed so as to face each other, and a tip portion 13 is formed in the discharge vessel 11.

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Abstract

【課題】石英ガラス製の放電容器内に発光ガスとしてキセノンガスが封入され、一対の電極が対向配置されてなり、前記放電容器にはチップ部が設けられている放電ランプにおいて、チップ部に対して蓄積される紫外線歪みをより好適に抑えることができる放電ランプを提供することである。 【解決手段】前記チップ部は、前記放電容器とは異なる組成のガラス部材で構成されており、該ガラス部材は、波長１７０ｎｍから波長３００ｎｍの全波長域での透過率が５０％以上であることを特徴とする。

Description

放電ランプ
　この発明は、投射型プロジェクタ装置、映写機あるいは一般照明用などの放電ランプに関するものであり、特に、発光ガスとしてキセノンガスが封入された放電ランプに係わるものである。
　現在、上記用途の放電ランプとして、キセノンガス（Ｘｅガス）の励起によって発光する放電ランプ（キセノンランプ）が用いられていて、当該放電ランプは、紫外域から近赤外域にかけての連続スペクトルを有し、特に可視域では自然昼光に極めて近い分布を持つことで知られている。
　このような放電ランプでは、ランプ製造工程時において、放電容器内の不純ガスの排気及び発光ガスを導入するための排気管（チップ管）が当該放電容器に接続される。このチップ管は、発光ガスを導入した後に溶融封着しながら取り除かれ（チップオフ工程）、放電容器の周面にはチップ管の残部（以下、チップ部と称す）が残る。
　ところで、このようなキセノンガスを封入した放電ランプでは、主として紫外域から近赤外域の光を放射するが、図６（キセノンランプのエネルギーダイアグラム）に示すように、真空紫外域の発光も存在する。尚、図６で示す１４７ｎｍの光はガスによる自己吸収の影響で殆ど放射されないが、１７２ｎｍの光は比較的に放射されやすく、放電容器に吸収される確率が高い。
　放電容器を構成する石英ガラスには、この紫外線によって経時的に紫外線歪みが蓄積されていく。特に、排気管残部であるチップ部はその構造上、機械的強度が低く、かつ、歪みが蓄積されやすいため、経時的な紫外線歪みの蓄積によってもっとも破損しやすい部分である。
　このような紫外線歪みの対策として、例えば特開平６－２３１７３２号公報（特許文献１）には、放電容器を構成する石英ガラスに含まれるＯＨ基濃度を高めることで紫外線のダメージを抑えることが記載されている。この紫外線歪みは、石英ガラス内の分子結合（Ｓｉ－Ｏ）が紫外線によって切断されて構造変化を伴うことで生じるが、石英ガラス中のＯＨ基濃度が高いと、切断された分子結合を修復する作用が働き、紫外線歪みを緩和する、というものである。
　ところで、近年、シネマ用のＸｅランプは、定格電力値で点灯させるだけでなく、用途に応じて電力を可変させる場合がある。例えば、３Ｄ映画を映写する場合は２Ｄ映画と比べて高い使用電力で点灯させなければならないが、２Ｄ映画を映写する場合では出力光量が高すぎるため、使用電力値を下げる必要がある。
　このように使用形態が多様化している現状に鑑みて、使用電力値の許容幅が広い放電ランプが望まれている。例えば、定格値から定格値の５０％まで対応可能な放電ランプが求められている。このような放電ランプの設計は、上限の使用電力値に合わせて光出力や電極、封体の大きさ等が決定される。
　しかしながら、本発明の発明者が鋭意検討したところ、キセノン封入の放電ランプを高い使用電力（高電力）で点灯するよりも、低い使用電力（低電力）で点灯した場合において、放電容器に接続されたチップ部に歪みがより蓄積されやすい、という事実が確認された。これは放電ランプを点灯しているときの放電容器の温度（封体温度）の違いによるものと考えられる。
　詳述すると、高電力点灯する場合には封体温度が高くなり、材料内部の原子移動が活発になって、蓄積された歪みが緩和される方向に作用するが、低電力点灯する場合には、封体温度が比較的低くなることで上述の歪み緩和の作用が低下して、結果として材料内部に歪みのダメージが残りやすい。特に、チップ部での紫外線歪みの蓄積は、放電ランプの耐久性を弱め、放電容器の破損を引き起こす大きな要因の一つとなり、より適切な対応策が望まれている。
特開平６－２３１７３２号公報
　このような状況のもと、本発明の課題は、放電ランプの放電容器に形成されるチップ部に対して蓄積される紫外線歪みを抑制することができる放電ランプを提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本発明に係る放電ランプは、放電容器に設けられるチップ部が、前記放電容器とは異なる組成のガラス部材で構成されており、該ガラス部材は、波長１７０ｎｍから波長３００ｎｍの全波長域での透過率が５０％以上であることを特徴とする。
　また、前記放電容器が溶融石英ガラスからなり、前記チップ部が合成石英ガラスからなることを特徴とする。
　本発明の放電ランプによれば、チップ部を構成するガラス部材は、波長１７０ｎｍから波長３００ｎｍまでの全波長域での透過率が５０％以上としているので、真空紫外域から紫外域までの光線の透過率を高くすることで、チップ部での紫外線の吸収を防ぎ、これによって紫外線歪みの蓄積を抑えることができる。
本発明の放電ランプの断面図 本発明の他の実施例の断面図 本発明の更に他の実施例の断面図 素材による波長と透過率の相関グラフ 素材による透過率と相対歪強度の相関グラフ キセノンランプのエネルギーダイアグラム 石英ガラスにおける酸素欠陥と吸収波長の関係を示す表
　図１は、本願発明の放電ランプの概略図である。
　放電ランプ１は、溶融石英ガラスからなる放電容器２を構成する発光部３とその両端の封止部４、４とを備え、前記発光部３内には、一対の陽極５と陰極６が対向配置されている。
　前記陽極５及び陰極６は、その芯線５ａ、６ａがそれぞれ封止部４、４において封止されている。そして発光部３内には発光ガスとしてキセノンが封入されていて、電極５、６間の放電により励起されて、自然昼光の発光スペクトルの光が放射される。
　放電容器２の一部には排気管残部であるチップ部８が形成されている。この実施例では、チップ部８は発光部３の外周に形成されている。このチップ部８は、放電ランプの製造工程時に形成されるものであり、放電容器２内からの不純ガスの排気や、当該放電容器２内への発光ガスの導入のために設けられた排気管（チップ管）を、最終的には溶融封着しながら取り除いた際に形成される排気管の残部である。
　放電容器２を構成する石英ガラス（シリカガラス）は、前述したように、内部で発生する紫外線によって紫外線歪みが生じるが、以下、この紫外線歪みについて説明する。
　石英ガラスは、基本単位であるＳｉＯ４四面体が連結されて、Ｓｉ－Ｏ－Ｓｉの結合が連なり、網目状の三次元構造をとる非晶質体である。石英ガラス内に欠陥が介在していると、ガラスに吸収される光の波長帯に変化が生じる。この欠陥は、例えば、Ｓｉ－Ｏ－Ｓｉの結合間で一部の酸素が欠乏した酸素欠乏欠陥や、酸素が過剰に存在することで生じる酸素過剰欠陥などを挙げることができる。これらの欠陥に伴う代表的な吸収波長を図７の表１に示す。
　このような石英ガラス内の欠陥は、ガラス内の不純物の存在や、光によるＳｉ－Ｏ結合の切断によって発生するものと考えられている。
　石英ガラスの紫外線歪みは、ガラスに吸収される紫外線の吸収度合に依存するものである。表１に記載の通り、主に３００ｎｍ以下の波長帯において、光吸収が起こり、紫外線歪みを促進させるものと考えられる。
　本発明に係るチップ部８は、波長１７０ｎｍから波長３００ｎｍまでの光透過率が５０％以上のガラス部材で構成されている。これにより、ガラス部材に対して紫外線歪みを引き起こす３００ｎｍ以下の真空紫外域から紫外域の光は、チップ部８を透過してしまうので紫外線歪みの蓄積が好適に抑えられる。これにより放電ランプの破損を防ぐことができる。
　尚、波長域の下限値を１７０ｎｍとした理由は、本願発明に係る放電ランプは発光ガスとしてキセノンガスが封入されたいわゆるキセノンランプであり、真空紫外域（波長２００ｎｍ以下の光）の光は殆ど出力されないものの、波長１７２ｎｍでピーク状の発光を有することから、光透過率の判断指標として含める意図である。
　そして、本発明に係る放電容器は溶融石英ガラスからなり、また、チップ部に適用可能な部材は、各種の金属不純物が１ｐｐｍ以下の石英ガラスであることが好ましく、このような超高純度の溶融石英ガラスを用いることが望ましい。各金属不純物が１ｐｐｍ以下とすることにより、波長１７０から波長３００ｎｍの全波長域での透過率をより有効に高めることができる。仮に各金属不純物が１ｐｐｍを超えるガラス部材であると、当該不純物により深紫外の光が吸収されやすく、透過率を悪化させる主要因となりやすい。また、合成石英ガラスを用いることも可能である。
　尚、ガラス部材の光透過率は、当該ガラス部材に含有されるＯＨ基の濃度も影響する。ＯＨ基濃度が高すぎると、２００ｎｍ以下の透過率を悪化させる要因となる。そのため、当該ガラス部材のＯＨ基濃度は少なくとも４００ｐｐｍ以下に抑えていることが望ましい。他方、ガラス部材中のＯＨ基は、ガラス部材内部の構造欠陥を修復し、歪みを緩和させる作用があるため、ＯＨ基濃度が低すぎる場合は、歪みが蓄積されやすくなる。そのため、ＯＨ基濃度は少なくとも１００ｐｐｍ以上含まれていることが望ましい。以上の理由から、チップ部を構成するガラス部材は、ＯＨ基濃度が１００～４００ｐｐｍの範囲であることが望ましい。
　ここで、石英ガラスの紫外線歪みの程度について、４種類の材質を用意して評価実験を行った。図４は各材質の波長と透過率の関係を示すものであり、波長１７２ｎｍ付近の透過率が異なるものを選定し、それぞれの相対歪み強度を調べた。ここで、材質ＡはＦ３１０（信越石英社製）、材質ＢはＨＸ－ＬＡ（信越石英社製）、材質ＣはＧＥ０２ＡＬ（ＧＥ社製）、材質ＤはＧＥ２１４（ＧＥ社製）、材質Ｅは金属不純物が１ｐｐｍ以下の高純度溶融石英ガラス（東ソー社製）である。
　本実験では透過率の指標として１７２ｎｍを選定している。１７２ｎｍよりも長波長側の光はより透過される傾向を示すため、１７２ｎｍの透過率の度合いを見ることで、紫外線の透過率とガラスに蓄積される紫外線歪みとの関係性を確認した。
　これらの材質の内、材質Ａ，Ｂが１７２ｎｍの透過率が５０％以上を示し、材質Ｃ，Ｄは透過率が１０％以下と極めて低い。
　図５に、縦軸に「相対歪み強度（relativestress intensity, arb.unit）」を取り、横軸に「透過率（波長１７２ｎｍの指標）」を取った場合の相関図を示している。
　実験条件は、エキシマランプを用いて、１７２ｎｍの光を材質Ａ～Ｄに４００時間照射して歪み応力の変化量を測定した。図５では、縦軸は、紫外線照射前と照射後の応力の比率（以下、相対歪み強度と称す）を示すものである。図に示すとおり、１７２ｎｍの透過率が５０％以上の物質（材質Ａ，Ｂ）では、相対歪み強度は極めて低く、紫外線歪みの蓄積は認められなかった。これに対し、１７２ｎｍの透過率が５０％を下回る物質（材質Ｃ，Ｄ）では、透過率が悪化するに従って紫外線歪みの蓄積が大きいことが確認できた。尚、物質Ａ～Ｄのガラス材は、何れも１７２ｎｍよりも長波長側の光はより透過される傾向を示しており、１７２ｎｍの透過率が５０％以上であれば、当然のことながら、そこから長波長側の光の透過率が５０％を下回ることはない。
　以上の結果から、チップ部のガラス材料として、放電容器とは異なる組成のガラス部材で構成し、該ガラス部材が、波長１７０ｎｍから波長３００ｎｍの全波長域での透過率が５０％以上であることにより、チップ部での紫外線歪みの蓄積が極めて小さく、該チップ部からのクラックや破損の恐れのない放電ランプが得られることが分かる。
　図２には、他の実施例が示され、この実施例では、チップ部８が放電容器２の封止部４に形成されている。
　図３は更に他の実施例であって、図１，２の実施例がショートアーク型放電ランプをイメージしているのに対して、この実施例は、ロングアーク型放電ランプである。
　ロングアーク型放電ランプ１０は長尺の放電容器１１を備え、その内部に一対の電極１２，１２が対向配置されていて、放電容器１１にはチップ部１３が形成されているものである。
　１　　　（ショートアーク型）放電ランプ
　２　　　放電容器
　３　　　発光部
　４　　　封止部
　５　　　陽極
　５ａ　　陽極芯線
　６　　　陰極
　６ａ　　陰極芯線
　８　　　チップ部
　１０　　（ロングアーク型）放電ランプ
　１１　　放電容器
　１２　　電極
　１３　　チップ部
 
 
 

Claims (2)

  1. 　石英ガラス製の放電容器内に発光ガスとしてキセノンガスが封入され、一対の電極が対向配置されてなり、前記放電容器にはチップ部が設けられている放電ランプにおいて、
    　前記チップ部は、前記放電容器とは異なる組成のガラス部材で構成されており、該ガラス部材は、波長１７０ｎｍから波長３００ｎｍの全波長域での透過率が５０％以上であることを特徴とする放電ランプ。
  2. 　前記チップ部は、各種の金属不純物が１ｐｐｍ以下に抑えられた石英ガラスが用いられることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
     
     
     
     
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