JP2017183087A - 放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】発光管内部の一対の電極を水平状態として点灯するショートアーク型放電ランプ
において、電極の径方向断面における上下方向の過大な温度差に起因する発光管内壁の失
透やアークのチラつきなどの不具合が生じない放電ランプを提供する。
【解決手段】電極の電極芯棒側端面の円筒状凹部を介して電極芯棒により水平方向で支持
される一対の電極を用いる放電ランプにおいて、少なくとも一方の電極は電極と電極芯棒
との間の熱伝導が電極径方向断面における電極下側部分よりも電極上側部分の方が大きい
。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体素子、液晶素子、プリント基板素子等の露光用の光源、または映写用
投映装置の光源として使用されるショートアーク型放電ランプに関し、特に、一対の電極
がそれぞれ水平方向で電極芯棒に支持されるショートアーク型放電ランプ（ランプ軸方向
を水平状態として点灯するショートアーク型放電ランプ。以下、水平点灯されるランプ）
に関する。

このようなショートアーク型放電ランプ（以下 ランプ）の電極は、電極芯棒側に円筒
状凹部を備え、円筒状凹部に電極芯棒が挿入（圧入）されることで電極芯棒に保持される
。電極の主成分は、タングステン等の高融点金属であり、特に陰極には、トリウムやラン
タン、バリウムのような易電子放射物質（以下 エミッタ）を含有する高融点金属が用い
られる。

このような陰極に関して、ランプ軸方向を鉛直状態として点灯するランプにおいて電極
表面に輻射能力の大きい炭化タンタル層を設ける（特許文献１）ことや、陰極の表面に放
熱溝を設ける（特許文献２）ことが知られており、これにより陰極の過熱を防止する。

しかし、このような陰極を水平点灯されるランプに用いると、発光管内の放電ガスの対
流によって、鉛直方向に沿った陰極径方向断面における陰極の上側部分と下側部分との間
に過大な温度差が生じる。これにより、陰極の上側部分のエミッタが優先的に陰極の先端
面付近に供給され、長時間の点灯によって下側部分より先に上側部分のエミッタが減少、
枯渇してしまう。その結果、陰極の先端面付近へのエミッタ供給バランスが崩れることで
、アークが不安定になり、アークのチラつきが生じる。さらに、不安定になったアークが
、エミッタが枯渇した陰極の上側部分に移動すると、上側部分が過熱状態となり、蒸発し
た高融点金属が発光管内壁に付着することで発光管の失透が生じる。

また、陽極は、放電によって陰極から送られてくる電子が衝突することで高温となって
おり、陰極と同様に、鉛直方向に沿った陽極径方向断面における上側部分の温度が下側部
分より高くなることで、上側部分が過熱状態となる。その結果、上側部分から蒸発した高
融点金属が発光管内壁に付着することで発光管の失透が生じる。

特開平９−１１５４７８ 特開２０００−３０６５４６

上記問題点に鑑みて、この発明が解決しようとする課題は、水平点灯されるランプにお
いて、電極の径方向断面における電極上側部分の過熱を防止し、さらに電極上側部分と電
極下側部分との温度差を抑制し、長時間点灯しても発光管内壁の失透やアークのチラつき
が生じないランプを提供することである。

発光管と、発光管内に対向配置した一対の電極と、電極を水平状態でそれぞれ支持する
電極芯棒とを有するランプにおいて、電極の少なくとも一方は、電極の鉛直方向に沿った
径方向断面における電極下側部分よりも電極上側部分の方が、電極と電極芯棒との間の熱
伝導が大きい。すなわち、電極下側部分より電極上側部分のほうが電極芯棒に熱が伝わり
やすい。これにより、電極上側部分の過熱を防止し、電極下側部分と電極上側部分との間
に過大な温度差が生じることを抑制することができる。

更に、電極と電極芯棒との間の少なくとも一部分には、電極よりも熱伝導性が低い熱伝
導抑制体を有することによって、電極の形状や材質を変更することなく、極下側部分と電
極上側部分との間に過大な温度差が生じることを抑制することができる。

電極径方向断面における電極上側部分と電極芯棒との間の熱伝導抑制体（熱伝導抑制体
上側部分）の電極径方向厚さＤ１は、電極下側部分と電極芯棒との間の熱伝導抑制体（熱
伝導抑制体下側部分）の電極径方向厚さＤ２より小さい。これにより、熱伝導抑制体上側
部分と熱伝導抑制体下側部分の材質が同一であっても、電極下側部分より電極上側部分の
ほうが電極芯棒に熱が伝わりやすくなり、電極下側部分と電極上側部分との間に過大な温
度差が生じることを抑制することができる。

熱伝導抑制体上側部分の電極径方向厚さＤ１を、熱伝導抑制体下側部分の電極径方向厚
さＤ２の１０％以上にする。これにより、電極芯棒の径方向断面における上側部分と下側
部分に、電極と電極芯棒との接合の強度が不十分となるような過大な温度差が生じること
を防止できる。

熱伝導抑制体の電極径方向の厚さは、熱伝導抑制体下側部分から熱伝導抑制体上側部分
に向かって電極周方向に沿って連続的に減少する。これにより、熱伝導抑制体を介した電
極から電極への熱伝導が、電極下側部分から電極上側部に向かって電極周方向に沿って連
続的に大きくなり、電極下側部分から電極上側部分に向かって電極周方向に沿った過大な
温度差が生じることを抑制できる。

電極上側部分と電極芯棒とは、熱伝導抑制体を介して電極軸方向に沿って凹凸状に嵌合
する。これにより、ランプ点灯によって、電極、熱伝導抑制体および電極芯棒のそれぞれ
の間で熱膨張差が生じてもこれらの接合が外れることを防止できる。

水平点灯されるランプにおいて、電極上側部分の過熱を防止し、電極上側部分と電極下
側部分との間の過大な温度差に起因とする不具合の発生が抑制されるランプを提供するこ
とができる。

第１の実施形態であるランプの概略断面図である。 第１の実施形態であるランプにおける陰極の鉛直方向に沿った軸方向断面概略図である。 図２におけるＡ−Ａにおける陰極の鉛直方向に沿った径方向断面概略図である。 その他の実施形態であるランプにおける陰極の鉛直方向に沿った軸方向断面概略図である。

本発明の第１の実施形態のランプについて、図１を用いて説明する。図１は本発明のラ
ンプの概略断面図である。

図１より、ランプ１は、発光管３と、発光管３の両端にそれぞれ連接された一対の封止
管４とを備える。発光管３と封止管４とはそれぞれ石英ガラスから構成され、発光管３に
は放電ガスとしてキセノンガスが大気圧以上で封入される。発光管３の内部には、一対の
電極（陽極５と陰極６）が対向配置され、この一対の電極５，６には、一端を封止管４の
端部から外部に突出させた電極芯棒７が水平方向にそれぞれ接続される。封止管４と電極
芯棒７とは、段継ガラス８により一体的に気密封止されている。封止管４の端部には電極
芯棒７と導通する口金９が設けられるが、口金９は省略することもある。

図２および図３を用いて第１の実施形態のランプに用いられる電極について説明する。
以下では、陰極を例に説明するが、陽極においても同様である。

図２は陰極の鉛直方向に沿った軸方向断面概略図であり、図３は図２のＡ−Ａにおける
鉛直方向に沿った径方向断面概略図である。陰極６は、アーク放電の輝点となる先端面６
２と、先端面６２に向かって縮径する円錐形状の縮径部６３と、縮径部６３の後端側に円
筒状の胴体部６４とを有する。延長方向における陰極の上側となる部分が陰極上側部分（
電極上側部分）６６であり、陰極の下側となる部分が陰極下側部分（電極下側部分）６７
である。陰極６の電極芯棒側端面６５には陰極６の先端側を底辺とする円筒状凹部６１を
有する。円筒状凹部６１の内側には、陰極６を支持する電極芯棒７の片側端部（芯棒挿入
部）７１を有し、陰極径方向における円筒状凹部６１と芯棒挿入部７１との間の少なくと
も一部には、熱伝導抑制体１０が介在する。陰極６は熱伝導抑制体１０を介して電極芯棒
７に支持しても良い。陰極６の数値例としては、陰極の胴体部６４の直径は５〜１５ｍｍ
の範囲から選択されて、陰極６の全長は１２〜３０ｍｍの範囲から選択されて、陰極の先
端面６２の径は０．４〜１．５ｍｍの範囲から選択されて、電極芯棒７の外径は４〜６ｍ
ｍで選択される。

陰極６の主成分はタングステン等の高融点金属であり、電子放出性を高めるためにトリ
ウム等のエミッタを含有している（例えばトリエーテッドタングステン）。電極芯棒７の
主成分はタングステン等の高融点金属である。熱伝導抑制体１０の主成分は、封入ガスや
発光管と化学反応を起こさない等のランプに悪影響を与えない金属、かつ陰極の主成分で
あるタングステンより熱伝導性が低い金属であり、例えばチタンやモリブデンである。こ
のように熱伝導抑制体１０に陰極６より熱伝導性が低い金属を用いることで、陰極６の熱
が電極芯棒７と段継ガラス８とが封着する部分に伝わることを抑制し、封着部が破損する
ことを防止できる。ここで、陰極６の径方向断面における陰極下側部分６７よりも陰極上
側部分６６の方が、陰極６と電極芯棒７との間の熱伝導を大きくすることで、陰極上側部
分６６の過熱を防止できる。更に、陰極６と電極芯棒７（芯棒挿入部７１）との間の少な
くとも一部分に、陰極６よりも熱伝導性が低い熱伝導抑制体１０を、陰極下側部分６７よ
りも陰極上側部分６６の方が陰極６と電極芯棒７との間の熱伝導が大きくなるように有す
ることで、陰極上側部分６６と陰極下側部分６７との間に過大な温度差が生じることを抑
制することができる。例えば、陰極下側部分６７と電極芯棒７（芯棒挿入部７１）との間
に熱伝導抑制体１０を有することで陰極下側部分６７と電極芯棒７との間の熱伝導が小さ
くなり、陰極上側部分６６と陰極下側部分６７との間に過大な温度差が生じることを抑制
すると良い。

熱伝導抑制体１０の陰極径方向の厚さは陰極周方向において均一ではなく、鉛直方向に
沿った陰極径方向断面において、陰極上側部分６６と電極芯棒７との間の部分（熱伝導抑
制体上側部分）１０１の電極径方向厚さＤ１は、陰極下側部分６７と電極芯棒７との間の
部分（熱伝導抑制体下側部分）１０２の電極径方向厚さＤ２より小さい。これにより、陰
極上側部分６６の熱は、陰極下側部分６７より電極芯棒７に伝わりやすい、すなわち陰極
上側部分６６の電極芯棒への熱伝導が、陰極下側部分６７より大きくなる。その結果、陰
極上側部分６６の過熱を防止し、陰極上側部分６６と陰極下側部分６７との間に過大な温
度差が生じることを抑制することができる。

さらに、熱伝導抑制体１０の電極径方向厚さは、熱伝導抑制体下側部分１０２から熱伝
導抑制体上側部分１０１に向かって、陰極周方向に沿って連続的に減少する。これにより
、陰極６から電極極芯棒７への熱伝導が、陰極下側部分６７から陰極上側部分６６に向か
って、陰極周方向に沿って大きくなる。その結果、陰極下側部分６７から陰極上側部分６
６に向かって陰極周方向に沿った過大な温度差を抑制し、陰極周方向の温度をより均一に
近づけることができる。

しかし、陰極６から電極極芯棒７への熱伝導が陰極下側部分６７から陰極上側部分６６
に向かって陰極周方向に沿って極端に大きくなることで、芯棒挿入部７１には径方向断面
における上側部分と下側部分に過大な温度差が生じる。この過大な温度差に伴う熱膨張差
や熱歪によって、陰極６と電極芯棒７との接合強度が不十分となる場合がある。そこで、
熱伝導抑制体１０の電極径方向厚さＤ１と、電極径方向厚さＤ２をそれぞれ変動させたラ
ンプを用いて実験を行なった結果、熱伝導抑制体１０の電極径方向厚さＤ１が電極径方向
厚さＤ２の１０％未満であると、陰極６と電極芯棒７との接合強度が不十分となってしま
う場合があることがわかった。従って、熱伝導抑制体１０の電極径方向厚さＤ１は、電極
径方向厚さＤ２の１０％以上であることが望ましい。

さらに、第１の実施形態では、陰極軸方向において円筒状凹部６１の底面と熱伝導抑制
体１０の間には空間（円筒状凹部内の空間）６９を有する。これにより、陰極６から電極
芯棒７への熱伝導経路が熱伝導抑制体１０の筒状部分に限定でき、より確実に陰極周方向
に沿って過大な温度差が生じることを抑制することができる。なお、陰極軸方向において
円筒状凹部６１の底面と電極芯棒７の間に熱伝導抑制体１０を有さず、円筒状凹部６１の
底面と電極芯棒７の間に空間（円筒状凹部内の空間）６９を有しても良い。

このような陰極６を用いることによって、陰極径方向断面において陰極上側部分６６と
陰極下側部分６７との間に過大な温度差が生じることを抑制し、点灯が長時間にわたって
も発光管の失透やアークのチラつきが生じることを抑制できる。

また、第１の実施形態を適用した陽極においても同様に、陽極の陽極周方向に沿った過
大な温度差が生じることが抑制される。これにより陽極径方向断面における陽極上側部分
が過熱状態となることで生じる発光管の失透を防止することができる。発光管内に水銀を
封入した放電ランプにおいても、同様に適用することができる。

第１の実施形態の熱伝導抑制体１０の作製方法の一例を説明する。陰極極６は、機械加
工によって、電極芯棒側端面６５に円筒状凹部６１を設ける。次に、円筒状凹部６１の軸
と電極芯棒７の軸とが所定の間隔で陰極軸方向に平行となるように、芯棒挿入部７１を円
筒状凹部６１に挿入し、芯棒挿入部７１と円筒状凹部６１との間に、粉末状の熱伝導抑制
体を適量入れる。これらを高周波誘導加熱により熱伝導抑制体の融点以上の温度に加熱す
ることで、粉末状の熱伝導抑制体が一体化し、所定の熱伝導抑制体１０を備えた陰極６を
作製することができる。

図４を用いてその他の実施形態のランプに用いられる電極について説明する。その他の
実施形態においても陰極を例に説明するが、陽極においても同様である。

図４はその他の実施形態のランプに用いられる陰極の鉛直方向に沿った軸方向断面概略
図である。陰極６の円筒状凹部６１の内周面には、深さ方向を陰極径方向として、円筒状
凹部６１内周面の周方向に沿って配設されたネジ状の凹部６８を有する。芯棒挿入部７１
の少なくとも上側には、高さ方向を電極径方向とする凸部７３を有する。これにより、凹
部６８と凸部７３とは、陰極軸方向（電極軸方向）に沿って凹凸形状となり、熱伝導抑制
体１０を介して陰極方向に嵌合する。

これにより、熱伝導抑制体１０の熱伝導抑制体上側部分１０１の電極径方向厚さと、熱
伝導抑制体下側部分１０２の電極径方向厚さを容易に顕著にすることができ、例えば、胴
体部６４の外径が電極芯棒７の外径の２倍以下であるような陰極６と電極芯棒７の外径差
が小さい小型のランプにおいても、陰極上側部分６６と陰極下側部分６７の過大な温度差
を抑制することができる。さらに、陰極径方向断面において最も温度の高い陰極上側部分
６６と電極芯棒７とが熱伝導抑制体１０を介して陰極軸方向に沿って凹凸状に嵌合するこ
とで、熱膨張差が生じてもこれらの接合が外れることを防止できる。なお、ネジ状の凹部
６８を円筒状凹部６１内周面の周方向に沿って全周に配設することで、陰極６の形状が軸
方向におおよそ対称となり、陰極６の温度分布に影響を与えることが無い。

また、熱伝導抑制体１０と接する電極芯棒７（芯棒挿入部７１）の表層には、電極芯棒
７の物質と熱伝導抑制体１０の物質とが混在する緩衝層を有しても良く、緩衝層は熱伝導
抑制体１０側から電極芯棒７側に向けて熱伝導抑制体１０の物質の密度が連続的に減少す
るように傾斜化している。これにより、電極芯棒７と熱伝導抑制体１０の熱膨張差が緩衝
され、より強固な接続を行なうこともできる。

１ ランプ
３ 発光管
４ 封止管
５ 陽極
６ 陰極
６１ 円筒状凹部
６２ 先端面
６３ 縮径部
６４ 胴体部
６５ 電極芯棒側端面
６６ 陰極上側部分（電極上側部分）
６７ 陰極下側部分（電極下側部分）
６８ ネジ状の凹部
６９ 円筒状凹部内の空間
７ 電極芯棒
７１ 芯棒挿入部
７３ 凸部
８ 段継ガラス
９ 口金
１０ 熱伝導抑制体
１０１ 熱伝導抑制体上側部分
１０２ 熱伝導抑制体下側部分

Claims (6)

1. 発光管と、
   前記発光管内に対向配置した一対の電極と、
   前記電極を水平状態でそれぞれ支持する電極芯棒とを有する放電ランプにおいて、
   前記電極の少なくとも一方は、
   前記電極の径方向断面における電極下側部分よりも電極上側部分の方が、
   前記電極と前記電極芯棒との間の熱伝導が大きいことを特徴とする放電ランプ。
2. 前記電極と前記電極芯棒との間の少なくとも一部分には、
   前記電極よりも熱伝導性が低い熱伝導抑制体を有することを特徴とする請求項１に記載の
   放電ランプ。
3. 前記電極上側部分と前記電極芯棒との間の熱伝導抑制体の電極径方向厚さＤ１は、
   前記電極下側部分と前記電極芯棒との間の熱伝導抑制体の電極径方向厚さＤ２より小さい
   ことを特徴とする請求項２に記載の放電ランプ。
4. 前記電極は前記熱伝導抑制体を介して前記電極芯棒により支持され、
   前記熱伝導抑制体の前記電極径方向厚さＤ１が前記電極径方向厚さＤ２の１０％以上であ
   ることを特徴とする請求項３に記載の放電ランプ。
5. 前記熱伝導抑制体の径方向の厚さは、
   前記電極下側部分と前記電極芯棒との間の部分から、
   前記電極上側部分と前記電極芯棒との間の部分に向かって、
   前記電極周方向に沿って連続的に減少することを特徴とする請求項３または４に記載の放
   電ランプ。
6. 前記電極上側部分と前記電極芯棒とは、
   前記熱伝導抑制体を介して電極軸方向に沿って凹凸状に嵌合することを特徴とする請求項
   ２乃至５に記載の放電ランプ。

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