JP2009187693A - ショートアーク型高圧放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】良好な点灯特性を有しつつ、高入力化と高温化に十分に耐えられる電極構造を持ったショートアーク型高圧放電ランプを提供することである。
【解決手段】発光部１０には、先端に塊状部２０を有する一対の電極が間隔で対向配置している。そして、塊状部２０の外表面には、当該塊状部２０の一部分であって円周方向に伸びる複数のリング状部材４０に加工した疑似コイル領域５０を形成させるとともに、当該疑似コイル領域５０の後方には、疑似コイル領域５０と同一径の未処理領域５０が形成されてことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

この発明はショートアーク型高圧放電ランプに関する。特に、発光管内に0.15mg／mm^３以上の水銀が封入され点灯時の水銀蒸気圧が110気圧以上となる超高圧放電ランプであって、液晶ディスプレイ装置やＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）を使ったＤＬＰ（デジタルライトプロセッサ）などのプロジェクター装置に使われる光源用放電ランプに関する。

投射型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、このため、光源としては、水銀を0.15ｍｇ／ｍｍ^３以上封入して高い水銀蒸気圧を持つランプが採用されている。

この種のランプは、例えば、石英ガラスからなる発光管に一対の電極を２ｍｍ以下の間隔で対向配置し、この発光管に0.15ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と1×10^−６〜１×10^−２μmol／mm^３の範囲でハロゲンを封入した超高圧放電ランプが使われる。ハロゲンを封入する主目的は発光管の失透防止であるが、これにより、いわゆるハロゲンサイクルも生じる。また、電極は軸棒にコイルを巻きつけて、当該コイルを溶融させて作った電極、いわゆる溶融電極が使われる。

図７は、このような溶融電極を有するショートアーク型高圧放電ランプの概略構成を示す。電極は、タングステン棒にコイルを巻きつけて、当該コイルの先端部分のみを溶融させることで先端を塊形状にするものである。電極の後端はコイルが残存する形となる。コイルは、ランプの点灯始動時においては、表面の凹凸効果により、グロー放電を生じさせて、始動の種（始動開始位置）として機能する。点灯開始した後は、コイルの温度上昇に伴い放電が持続することで、グロー放電はアーク放電に移行する。この種の電極構造は、例えば、特開２００４−２４７０９２号に記載されている。

一方、上記用途に使われる放電ランプは、近年、ますます高出力化が進み、ランプに投入される電力（電流）も増大しつつある。投入電流の増大は、電極の高温化を意味するので、ランプとしては、より一層の温度対策が必要になる。その一方で、当該ランプが使われる装置、例えばプロジェクター装置は、ますますの小型化が要求されており、光源であるランプも小型化が強く求められている。つまり、放電ランプは、高出力化と高温化の要求に答えつつ、同時に、小型化という要請にも対応しなければならない。
ここで、高温化対策の一般的な方法は、電極の体積を大きくして、熱容量を大きくすることが考えられる。しかし、電極を大きくすると、放電ランプの原管として、内径の大きなガラスを使わなければならず、放電ランプの封止部の外径も大きくなり、結果として、上記小型化の要請に矛盾してしまう。

また、上記溶融電極の代わりに、電極の素材材料から切削加工により‘襞’のごとく放熱部分を作る技術が知られている。この構造は、電極本体にコイルを巻きつけていないため、電極全体としての小型化を図ることができるが、‘襞’部分と電極軸が一体的に繋がって形成されているため、‘襞’における温度は電極軸を介して徐熱されるため温度がそれほど上昇しない。つまり、‘襞’において、せっかく、グロー放電が発生したとしても、その後、‘襞’部分の温度上昇が進まないため、結果的にアーク放電に移行できないという問題が発生する。このような電極構造は、例えば、特開２００７−２６５６２４号に開示される。
特開２００４−２４７０９２号 特開２００７−２６５６２４号

この発明が解決しようとする課題は、良好な点灯特性を有しつつ、高入力化と高温化に十分に耐えられる電極構造を持ったショートアーク型高圧放電ランプを提供することである。

上記課題を解決するために、この発明に係るショートアーク型高圧放電ランプは、0.20ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀とハロゲンが封入された発光部に、先端に塊状部を有する一対の電極が2.0mm以下の間隔で対向配置する構成を有する。そして、前記塊状部の外表面には、当該塊状部の一部分であって円周方向に伸びる複数のリング状部材に加工した疑似コイル領域を形成させるとともに、当該疑似コイル領域の後方には、疑似コイル領域と同一径の未処理領域が形成されていることを特徴とする。

さらに、前記リング状部材は、外表面の80％以上が前記塊状部から物理的に切り離されていることを特徴とする。

さらに、前記リング状部材は、前記塊状部と物理的に切り離されて非一体的に形成されたものであることを特徴とする。

さらに、前記疑似コイル領域はレーザ光の照射により形成されたものであることを特徴とする。

本願発明に係るショートアーク型高圧放電ランプの製造方法は、0.20ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀とハロゲンが封入された発光部に、先端に塊状部を有する一対の電極が2.0ｍｍ以下の間隔で対向配置する構成を有するショートアーク型高圧放電ランプであり、以下の製造方法を有する。
前記塊状部の外表面に対してレーザ光を照射させることで当該塊状部の外表面に微小間隙の溝を形成させるとともに、
前記塊状部とレーザ光源を、当該塊状部の円周方向に相対的に移動させることで、当該塊状部外表面の円周方向にリング状部材を形成されて、
前記塊状部と前記レーザ光源を、当該塊状部の軸方向に相対的に移動させることで、当該塊状部の軸方向に別のリング状部材を形成されることを特徴とする。

本願発明は、上記構成を有することで、第一に、リング状部材がコイルと同等の役割を果たし、良好な点灯特性を発揮することができる。すなわち、リング状部材は、電極と物理的に切り離して別部材として存在するか、あるいは電極塊状部の最奥部でのみつながった構造であるため、グロー放電を生じた後も温度が低下することなく高温状態を維持できる。
第二に、リング状部を電極塊状部の前方領域、すなわち、対向する電極側に設けるとともに、電極塊状部の後方領域にはリング状部のリングの外径とほぼ等しい外径の円筒部を有することで、ランプを作る原管を大きくすることなく、熱容量の大きい電極構造とすることができる。

図１は本発明に係るショートアーク型超高圧放電ランプ（以下、単に「放電ランプ」ともいう）の全体構成を示す。放電ランプ１０は、石英ガラスからなる放電容器によって形成された概略球形の発光部１１を有し、この発光部１１には、一対の電極２が互いに対向して配置している。発光部１１の両端部には、封止部１２が伸びるように形成されており、これらの封止部１２の中には、通常、モリブデンよりなる導電用金属箔１３が、例えばシュリンクシールにより気密に埋設されている。一対の電極２の軸部は金属箔１３に接続されて電気的に接続されており、また、金属箔１３の他端には、外部に突出する外部リード１４が接続されている。

発光部１１には、水銀と、希ガスと、ハロゲンガスが封入されている。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。この封入量は、温度条件によっても異なるが、点灯時150気圧以上で極めて高い蒸気圧となる。また、水銀をより多く封入することで点灯時の水銀蒸気圧200気圧以上、300気圧以上という高い水銀蒸気圧の放電ランプを作ることができ、水銀蒸気圧が高くなるほどプロジェクター装置に適した光源を実現することができる。
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のものである。ハロゲンは、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、ハロゲンの封入量は、10^−６〜10^−２μmol／mm^３の範囲から選択される。その機能はハロゲンサイクルを利用した長寿命化も存在するが、本発明の放電ランプのように極めて小型で高い内圧を有するものは、このようなハロゲンを封入することが放電容器の失透防止を主目的としている。

放電ランプの数値例を示すと、例えば、発光部の最大外径9.5ｍｍ、電極間距離1.5ｍｍ、発光管内容積75ｍｍ^３、定格電圧80Ｖ、定格電力150Ｗであり、交流点灯される。また、この種の放電ランプは、小型化するプロジェクター装置に内蔵されるものであり、装置の全体寸法が極めて小型化される一方で高い光量が要求されることから、発光管部内の熱的影響は極めて厳しいものとなり、ランプの管壁負荷値は0.8〜2.0Ｗ／ｍｍ^２、具体的には1.5Ｗ／ｍｍ^２となる。このような高い水銀蒸気圧や管壁負荷値を有することがプロジェクター装置やオーバーヘッドプロジェクターのようなプレゼンテーション用機器に搭載された場合に、演色性の良い放射光を提供することができる。

図２は電極２０の拡大構造を示す。
電極２は先端に形成された塊状部２０と軸部２１から構成されている。塊状部２０と軸部２１は、物理的に別部材からなり、塊状部２０に設けられた挿入孔に軸部２１が挿入されている。塊状部２０は、胴部２００とテーパ部２１０と突起部２２０から構成される。これらは物理的に同一部材からなり、すなわち、一つの素材を切削することで、胴部２００、テーパ部２１０、突起部２２０が形成されている。胴部２００は全体が円柱形状であり、外表面には、後述する疑似コイル領域５０が形成される。疑似コイル領域５０にはリング状部材４０（４０ａ、４０ｂ、４０ｃ）が形成されている。胴部２００の後端側、すなわち、電極軸部２１側には未加工領域６０が形成される。また、疑似コイル領域５０よりも前方、すなわち、対向する電極側には、本実施例では前方未加工領域６１が形成される。

テーパ部２１０は胴部２００の前方に形成され、全体が概略円錐台形状であって、テーパ部２１０の根元側の外径は胴部２００の外径に等しい。突起部２２０は、テーパ部２１０の前方に形成されるもので、円錐台形状あるいは円柱形状からなる小さな突起である。突起部２２０は、交流点灯のランプにおいては、アークが形成される部位であり最も高温な部位でもある。なお、突起部２２０は、塊状部２０を切削加工する際に、あわせて形成させてもよいが、ハロゲンを封入するランプにおいては、点灯時間の経過に伴い自然に形成されることもある。

塊状部２０は、例えば、純度４Ｎ以上のタングステンにより形成される。不純物が含まれると発光管に付着して悪影響を及ぼすからである。
図に示す各部材の寸法関係は、説明の便宜上のものであり、実際の数値例を示す。塊状部２０について数値例をあげると、胴部２００は外径がφ1.0〜3.0ｍｍであって、例えば1.5ｍｍ、軸方向の長さは2.0〜5.0ｍｍであって、例えば3.6ｍｍである。テーパ部２１０は先端の外径はφ0.2〜1.0ｍｍであって、例えば0.5ｍｍ、軸方向の長さは0.5〜3.0ｍｍであって、例えば0.7ｍｍである。突起部２２０の軸方向の長さは0.1〜0.9ｍｍであって、例えば0.2ｍｍである。また、軸部２１は外径がφ0.3〜1.0ｍｍであって、例えば0.4ｍｍ、軸方向の長さは0.5〜3.0ｍｍであって、例えば1.5ｍｍである。軸部２１は、例えば1.6ｍｍ、塊状部２０に挿入される。

リング状部材４０（４０ａ，４０ｂ，４０ｃ）は、胴部２００の一部を加工することで形成される。具体的には、円柱状の胴部２００に対して、レーザ光を照射することで、微小間隙の溝４１（４１ａ１、４１ａ２、４１ｂ１、４１ｂ２、４１ｃ１、４１ｃ２）が形成される。胴部２００の前方（突起部２２０側）からレーザ光を斜めに照射させることで、溝４１ａ１、溝４１ｂ１、溝４１ｃ２が形成され、また、胴部２００の後方（軸部２１側）からレーザ光を斜めに照射させることで、溝４１ａ２、溝４１ｂ２、溝４１ｃ２が形成される。従って、本実施例では、リング状部材４０は、塊状部２０の軸方向に３つ形成されている。具体的には、溝４１ａ１と溝４１a２により形成されるリング状部材４０ａ、溝４１ｂ１と溝４１ｂ２により形成されるリング状部材４０ｂ、溝４１ｃ１と溝４１ｃ２により形成されるリング状部材４０ｃが、突起部２２０の方から順に形成されている。

このように、一つの部位に対して、前方と後方の両方向からレーザ光を斜めに照射させることで、電極の外表面から奥部分に向かうにつれて斜めに進行する溝が形成されることとなり、結果として、一つのリング状部材４０は、断面がほぼ三角形状のものとなる。また、レーザ光の照射は、軸部を中心として胴部２００を回転させながら行うため、胴部２００の円周方向全域に溝が形成される。

リング状部材４０ａは、円周方向全域に形成された溝４１ａ１と、同じく円周方向全域に形成された溝領域４１ｂ１によって形成され、領域４２において胴部２００と一体に繋がる構造になってはいるが、リング状部材４０ａの外表面のほとんどは、胴部２００（塊状部２０）と物理的に切り離された構造となっている。この構成により、リング状部材はあたかもコイルのごとく形成されていることになる。

疑似コイル領域５０は、胴部２００の外表面領域であって、リング状部材４０（４０ａ、４０ｂ、４０ｃ）が形成されている領域をいう。また、未加工領域６０は、胴部２００の外表面領域であって、リング状部材４０（４０ａ、４０ｂ、４０ｃ）が形成されている領域以外の領域をいい、疑似コイル領域５０よりも後方に形成された未加工領域をいう。なお、疑似コイル領域５０よりも前方に形成された未加工領域を前方未加工領域６１という。

本発明においては、リング状部材でグロー放電を発生させた後、当該リング状部材において温度低下が生じにくい。なぜなら、リング状部材は、外表面のほとんどが胴部（塊状部）と物理的に切り離して別部材として存在するため、リング状部材において、グロー放電を発生させた後も、リング状部材は温度が低下することなく高温状態を維持できるからである。

また、本発明の電極構造は、リング状部材を電極塊状部の比較的前方の領域、すなわち、対向する電極側に設けるとともに、電極塊状部の後方領域にはリング状部材のリングの外径５０ｏｄとほぼ等しい外径６０ｏｄを有する未加工領域６０を形成させることで、ランプを特別に大型化することなく、熱容量の大きい電極を提供することができる。

リング状部材４０の寸法例をあげると、断面三角形部分の軸方向の寸法４０Ｌは0.1〜0.4ｍｍであって、例えば0.3ｍｍ、断面三角形部分の深さ方向の寸法４０Ｄは0.1〜0.4ｍｍであって、例えば0.3ｍｍ、胴部２００と一体に繋がっている領域４２の長さ４２Ｌは0.02〜0.3ｍｍであって、例えば0.05ｍｍである。溝４１が胴部２００に対して形成される角度４１θは30〜80°であって、例えば60°である。溝４１の幅は外表面において、0.02〜0.15ｍｍであって、例えば0.08ｍｍである。

リング状部材４０が形成される数は、1〜20個であって、例えば3個である。疑似コイル領域５０の胴部２００の軸方向の寸法は、1.0〜3.0ｍｍであって、例えば1.5ｍｍであり、未加工領域６０の胴部２００の軸方向の寸法は5.0ｍｍ以下であって、例えば0.7ｍｍである。

図２に示す電極において点灯始動時の動作を説明する。両電極間に無負荷開放電圧が供給された状態で、始動用高電圧が印加されると、当該電極間において絶縁破壊を生じる。この絶縁破壊に伴い、溝４１の微小間隙を起点として相手電極との間でグロー放電が発生する。このグロー放電は、当初、きわめて不安定で消滅しやすいものであるが、リング状部材４０が高温化されるに従い、安定的になる。放電が安定すると、次第に、グロー放電からいわゆるアーク放電と呼ばれる状態に移行するとともに、アーク放電の起点は、最も温度が高い突起部２２０に移動する。以後、両電極の突起部２２０を起点として、アーク放電が維持されることとなる。

次に、塊状部２０に溝４１を形成させるための製造方法を説明する。
電極２（塊状部２０と軸部２１）を電極加工機に取り付ける。電極２を例えば500rpm回転させて、レーザ光を30秒間照射させる。これにより、同一箇所を250回程度重ねて照射することとなる。レーザはＹＶＯ４個体レーザーであり、平均出力８Ｗで照射させた。

図３は本発明に係る電極の他の実施形態を示す。図２に示す形態と異なる点は、リング状部材４０は、胴部２００（塊状部２０）から完全に切り離されており、図２に示したような接合領域４２を有していないことである。この構造の利点は、リング状部材４０の温度低下、すなわち、胴部２００（塊状部２０）を介して伝熱により除熱される作用、が小さいため、リング状部材をより高温に維持することができる。
なお、実際には、リング状部材４０は、胴部２００（塊状部２０）から物理的に完全に切り離されているため、例えば、放電ランプを水平に配置した場合などは、上方に位置する部分（４０ＵＰ）では、リング状部材４０の自重により、胴部２００（塊状部２０）と接触することになる。そして、リング状部材４０の下方に位置する部分（４０ＤＯＷＮ）では、リング状部材の自重により、胴部２００（塊状部２０）からより放れる方向に移動する。上方に位置する部分（４０ＵＰ）は、胴部２００（塊状部２０）と接触しているが、一体的に形成される場合よりも除熱される影響は小さく、また、リング状部材全体で考慮すると、接触する領域は、非接触の領域に比べて、割合として小さいため、全体として除熱される影響は小さい。
なお、図３に示す実施形態では、便宜上、リング状部材と胴部２００（塊状部２０）の接触を考慮せずに示している。

図４は本発明に係る電極の他の実施形態を示す。図３に示す形態と同様に、リング状部材４０は、胴部２００（塊状部２０）から完全に切り離されており、図２に示したような接合領域４２を有していない。さらに、図４に示す構造が、図３に示す構造と異なる点は、リング状部材４０を超えて、さらに、胴部２００の奥にまで形成されている点である。つまり、溝４１は、胴部２００とリング状部材４０の間に形成される溝４１１と、胴部２００において形成される溝４１２が存在する。

図５は本発明に係る電極の他の実施形態を示す。図４に示す形態と同様に、溝を胴部２００の奥部にまで形成させており、図４に示す形態と異なる点は、溝４１２ａと溝４１２ｂによって、断面略三角形のリング状部材４０が形成されていることである。

図６は、図４に示した電極構造と同じ構造であって、電極軸部まで含めて全体をリアルに表したものである。すなわち、図４は電極構造を理解するために便宜的に示したものであるため寸法関係等が現実的ではないのに対して、図６に示す構造は、溝と電極の寸法関係をある程度リアルに示したものである。図６（ａ）は電極の全体構造を示し、図６（ｂ）は（ａ）のＡ部を拡大した図面である。

本願発明は、以上のような構成を有することで、第一に、リング状部材がコイルと同等の役割を果たし、良好な点灯特性を発揮することができる。すなわち、リング状部材は、電極と物理的に切り離して別部材として存在するか、あるいは電極塊状部の最奥部でのみつながった構造であるため、グロー放電を生じた後も温度が低下することなく高温状態を維持できる。
第二に、リング状部を電極塊状部の前方領域、すなわち、対向する電極側に設けるとともに、電極塊状部の後方領域にはリング状部のリングの外径とほぼ等しい外径の円筒部を有することで、ランプを作る原管を大きくすることなく、熱容量の大きい電極構造とすることができる。

本発明に係るショートアーク型放電ランプを示す。 本発明に係るショートアーク型放電ランプの電極の構造を模式的に示す。 本発明に係るショートアーク型放電ランプの電極の構造を模式的に示す。 本発明に係るショートアーク型放電ランプの電極の構造を模式的に示す。 本発明に係るショートアーク型放電ランプの電極の構造を模式的に示す。 本発明に係るショートアーク型放電ランプの電極の構造を示す。 従来のショートアーク型放電ランプを示す。

符号の説明

２ 電極
１０ 放電ランプ
１１ 発光部
１２ 封止部
１３ 金属箔
１４ 外部リード
２０ 塊状部
２１ 軸部
２００ 胴部
２１０ テーパ部
２２０ 突起部
３０ 疑似コイル領域
４０ リング状部材
４１ 溝
５０ 未加工領域

Claims (5)

1. 0.20ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀とハロゲンが封入された発光部に、先端に塊状部を有する一対の電極が2.0ｍｍ以下の間隔で対向配置するショートアーク型高圧放電ランプにおいて、
   前記塊状部の外表面には、当該塊状部の一部分を複数のリング状部材に加工することで疑似コイル領域が形成されるとともに、当該疑似コイル領域の後方には、疑似コイル領域とほぼ同一径の未加工領域が存在することを特徴とするショートアーク型高圧放電ランプ。
2. 前記リング状部材は、外表面の80％以上が前記塊状部から物理的に切り離されていることを特徴とする請求項１のショートアーク型高圧放電ランプ。
3. 前記リング状部材は、前記塊状部と物理的に切り離されて非一体的に形成されたものであることを特徴とする請求項１のショートアーク型高圧放電ランプ。
4. 前記疑似コイル領域はレーザ光の照射により形成されたものであることを特徴とする請求項１のショートアーク型高圧放電ランプ。
5. 0.20ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀とハロゲンが封入された発光部に、先端に塊状部を有する一対の電極が2.0ｍｍ以下の間隔で対向配置するショートアーク型高圧放電ランプの製造方法において、
   前記塊状部の外表面に対してレーザ光を照射させることで当該塊状部の外表面に微小間隙の溝を形成させるとともに、
   前記塊状部とレーザ光源を、当該塊状部の円周方向に相対的に移動させることで、当該塊状部外表面の円周方向にリング状部材を形成されて、
   前記塊状部と前記レーザ光源を、当該塊状部の軸方向に相対的に移動させることで、当該塊状部の軸方向に別のリング状部材を形成されることを特徴とするショートアーク型高圧放電ランプの製造方法。

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