JP4007106B2 - ショートアーク型超高圧放電ランプ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
点灯時の水銀蒸気圧が、例えば１５０気圧以上になるように水銀を封入したショートアーク型超高圧放電ランプに関し、特に液晶ディスプレイ装置などのバックライトとして使用されるショートアーク型超高圧放電ランプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶ディスプレイ装置は、スクリーンに対して均一にかつ十分な演色性を持って、画像を照明させることが要求され、このため光源として水銀や金属ハロゲン化物を封入させたメタルハライドランプが使われている。このようなメタルハライドランプは、最近ではより一層の小型化、点光源化が進められている。
【０００３】
しかしながら、メタルハライドランプは、ハロゲン化物として存在する比較的多量のハロゲンが、電極の腐食、管壁の黒化を引き起こすことが知られている。
【０００４】
このような背景から、最近ではメタルハライドランプに代わって、封入ハロゲン量が少なく、高い水銀蒸気圧、例えば１５０気圧以上を持つようなランプが提案されている。水銀の蒸気圧を高くすることで、アークの広がりを抑えるとともに光出力の向上を図るというものである。
【０００５】
このような超高圧放電ランプは、点灯中に発光部内が、例えば１５０気圧以上もの高圧になるので、発光部の両側に延在する側管部において、当該側管部を構成する材料、例えば石英ガラスと、電極および金属箔を十分に密着させて封止する必要がある。
【０００６】
通常、このような超高圧放電ランプの側管部を封止する工程では、例えば２０００℃もの高温で加熱し、石英ガラスを徐々に収縮したり、あるいは、石英ガラスをピンチシールしている。
【０００７】
このように、高温で石英ガラスを焼き込んで収縮したり、ピンチシールすると、側管部と電極および金属箔の密着性は向上する。しかしながら、封止工程終了後、側管部の温度が下がる段階で、両者の接触部にクラックが発生する。この理由は、電極を構成するタングステンと側管部を構成する石英ガラスとの熱膨張係数の違いによって、相対的な伸縮量が異なるからである。このクラックにより、前記ランプの点灯時に、頻繁に側管部の破損が発生するという問題があった。
【０００８】
このような問題は、例えば特開２００１−３５１５７６号に記載の技術によって解決される。この技術は、側管部を冷却した後に再加熱することにより、前述のクラックを消滅させるものである。さらに、電極軸の周りに空隙を作ることで、ランプ点灯時におけるクラックの発生も防止できる。
具体的には、図７に示すように、微小な空隙ｄが、電極３と側管部２の内表面との間に形成されている。この空隙ｄが、ランプ点灯時における電極の膨張を吸収することによって、電極と側管部の接触部におけるクラックの発生を防止する。
【０００９】
この空隙は、側管部の製造工程において、電極に対して何らかの形で振動を加え、電極を石英ガラスに対して強制的に移動させて形成するものである。しかしながら、この強制的な振動により、電極の端面ではある程度の空隙が形成できるかもしれないが、電極の側面では、現実には十分に形成できなかった。そして、空隙の形成が不十分だと、ランプ点灯時における電極の膨張によって、電極の側面と石英ガラスが接触していることになり、前述のように両者の接触部にクラックを発生させてしまう。そして、発光部１の水銀蒸気圧が１５０気圧以上もの高圧下では、ランプ点灯中にクラックの成長が促進され、側管部の破損につながるという問題があった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
点灯時の水銀蒸気圧が極めて高いショートアーク型超高圧放電ランプにおいて、十分に高い耐圧力性を有する構造を形成することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、本発明のショートアーク型超高圧放電ランプは、発光部内に一対の電極が対向配置され、この電極に接続された金属箔が、発光部の両側に延在する側管部で封止されたショートアーク型超高圧放電ランプにおいて、
前記電極は、その側面および端面が、前記側管部内において、当該側管部を構成する材料との間に微小空隙を形成して配置しており、かつ、前記金属箔に接合された直線部と当該直線部に続くテーパー部とを有し、当該テーパー部の直径がアーク放電を保持する側から上記金属箔に接続される側に向かうにつれて漸次減少することにより、その側面が、前記側管部内において、当該側管部を構成する材料との間に微小空隙を形成して配置していることを特徴とする。
【００１２】
【作用】
本発明は、電極が軸部分においてテーパー部を持つ構成とした。これにより、製造工程において、電極の側面と側管部の内表面との間に空隙が十分に形成されなかったとしても、ランプ点灯時において、テーパー部の存在と電極の膨張によって、空隙を新たに形成することができる。そして、この新たに形成された空隙によって、電極と側管部が接触することはなくなるので、両者の接触部にクラックが発生するという問題を確実に防止できる。
【００１３】
ここで、本発明の電極構造が、ランプ点灯時において、電極の側面と側管部の内表面との間に、新たに空隙を形成できることについて説明する。
ランプ点灯時において、電極は、径方向に膨張するとともに、電極軸方向においても主に発光部方向へ膨張する。この膨張により、電極は発光部方向へ伸びる。一方、側管部の内表面は、石英ガラスの膨張係数が電極を構成するタングステンよりも遥かに小さいことに起因して、電極と比べてほとんど膨張せず、その形状は維持されたままである。
後述するように、ランプ点灯時において、テーパー部を有する電極が発光部方向へ伸び、テーパー部の大径部が側管部の内表面と対向していた場所には、テーパー部の小径部が位置することになる。これにより、テーパー部の大径部と小径部の半径の差に相当する間隔だけ、電極の側面と側管部の内表面との間に新たに空隙を形成することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
まず図１を用いて、本発明のショートアーク型超高圧放電ランプの全体構造を説明する。発光部１の両側に伸びるように側管部２が形成されている。発光部内に一対の電極３が対向配置され、この電極３に接続された金属箔４が、側管部２で各々封止されている。外部リード棒５は、金属箔４と溶着されている。尚、図１の電極３はテーパー部を有しているが、ここでは図面説明の便宜上、テーパー部は省略して表現している。
【００１５】
発光部１内には、水銀、希ガス、ハロゲンガスが封入されている。水銀は、可視光波長、例えば波長が３６０〜７８０ｎｍの領域に存在する放射光を得るために封入され、点灯時における水銀蒸気圧が１５０気圧を超えるように計算された量が封入される。希ガスは、点灯始動性を向上させるため、ハロゲンガスは、発光管の白濁を防止するために封入される。
【００１６】
図２は、発光部１と側管部２との境界部分の拡大図を示し、図３は図２のＡ−Ａ´断面図を示す。ここで、本発明では、直線部３ａとテーパー部３ｂと発光管内に露出した放電保持部３ｃの全てを含有するものを電極３と称する。
直線部３ａは、側管部側先端に設けられるもので、同一径、すなわち円柱形状であって、金属箔との溶接を行う部分である。テーパー部３ｂは、直線部３ａに続き形成され、後述のように周囲に微小空隙ｄを形成するとともに、発光部側から金属箔に向けて漸次縮小する形状である。放電保持部３ｃは、アーク放電を保持する部分で、放熱などのため大径に形成される。尚、図２、図３の空隙ｄは、実際には極めて小さいものであるが、図面説明の便宜上、誇張して表現している。
【００１７】
ここで、空隙ｄは、テーパー部を構成する材料と側管部を構成する材料の膨張係数の差に起因して形成されるものである。本発明のように、テーパー部がタングステンからなり、側管部が石英ガラスからなる場合には、空隙は幅が５〜２０μｍであり、電極の長さ方向に１〜２０ｍｍ存在する。
【００１８】
ここで、図６を用いて、テーパー部の作用について説明する。尚、図中の実線部は、ランプ点灯時に移動した電極であり、斜線部は移動前の電極を示している。
電極３は、ランプ点灯時に発生する熱エネルギーによって、電極軸方向において、主に発光部１の方向へ図中ｘで示す長さだけ膨張する。つまり、テーパー部３ｂもこの電極の膨張により、発光部１の方向へｘ伸びることになる。ここで、テーパー部３ｂと対向している側管部２の内表面は、石英ガラスの膨張係数が、タングステンと比較して、遥かに小さいことに起因して、テーパー部３ｂと比較してほとんど膨張せず、その形状は維持されたままである。したがって、ランプ点灯時において、テーパー部３ｂは発光部方向へ膨張し、テーパーの大径部が側管部２の内表面と対向していた場所には、テーパーの小径部が位置することになる。すなわち、電極３と側管部２の内表面の間には、製造工程で形成された空隙ｄに加え、図中ｄ´に示す空隙が新たに形成されることになる。この空隙は、大径部の半径と小径部の半径の差に相当する。
尚、理論的には径方向にも膨張して、その膨張により空隙が塞がるようにも考えられる。しかし、径方向への膨張は、ランプ点灯時に形成される空隙ｄ´と比較して遙かに小さいので、空隙が塞がることはない。
【００１９】
ここで、本発明のショートアーク型超高圧放電ランプの電極に関する数値例を紹介する。
直線部３ａは、直径が０．２〜１．０ｍｍの範囲で、例えば０．４ｍｍであり、長さが０．５〜２０．０ｍｍの範囲で、例えば２．５ｍｍである。テーパー部３ｂは、小径側の直径が０．２〜１．０ｍｍの範囲で、例えば０．４ｍｍであり、太径側の直径が０．２１〜４．０ｍｍの範囲で、例えば０．７ｍｍであり、長さが０．５〜２０ｍｍの範囲で、例えば２．５ｍｍである。放電保持部３ｃは、小径側の直径が０．２１〜４．０ｍｍの範囲で、例えば０．７ｍｍであり、太径側の直径が０．２１〜４．０ｍｍの範囲で、例えば１．８ｍｍであり、長さが１．０〜３０．０ｍｍの範囲で、例えば５．０ｍｍである。
【００２０】
図４は、電極の他の構造を示す。電極のテーパー部の形状は、図２に示す構造に限らず、（ａ）に示すように直線部から放電保持部に向かって曲線を描くもの、（ｂ）に示すように直線部から放電保持部に向かって階段形状になっているものでもよく、またその他の形状のものであっても構わない。さらに、発光管内に露出した放電保持部の先端の形状は、（ａ）、（ｂ）に示すように曲面状であっても、また平面状などその他の形状であっても構わない。
【００２１】
次に、本発明のショートアーク型超高圧放電ランプの製造方法について説明する。
図５（イ）〜（ニ）は一連の製造工程を示し、（イ）は封止工程、（ロ）は冷却工程、（ハ）は加熱工程、（ニ）は振動工程を表す。尚、電極３は、テーパー部を有しているが、図面説明の便宜上、ここでは省略している。
【００２２】
まず、図５（イ）の封止工程について説明する。
発光部１の両側に延在する側管部２のうち、一方の側管部２ａ内に電極３、金属箔４、外部リード棒５が一体に形成された電極組立体を挿入する。そして、電極３の先端が発光部１に露出するとともに、電極３の一部と金属箔４が側管部２ａの内表面と向かい合うように配置する。その後、図中Ａで示すように、電極３と金属箔４を取り囲む側管部２ａを加熱する。側管部２ａを構成する材料は、石英ガラスであり、この石英ガラスの軟化点温度は約１６８０℃であるから、この軟化点温度以上の２０００℃程度でガスバーナーによって加熱する。
【００２３】
この封止工程においては、側管部２ａの端部が既に閉じられているので、他方の側管部２ｂの開口端を介して、ガラスバルブ内は例えば１００Ｔｏｒｒまで減圧される。このため、側管部２ａが加熱されると、この側管部２ａは縮径されて電極３と金属箔４は封止される。尚、この方法以外にも側管部２ａを加熱後、ピンチャーによって封止することもできる。
【００２４】
次に図５（ロ）の冷却工程について説明する。
前記封止工程が終了した後、強制冷却や自然冷却により側管部２ａを冷却する。この冷却は、例えば１２００℃になるまで行われ、電極３や金属箔４が側管部２ａに封止されて固定されるようにする。
【００２５】
この冷却工程により、電極３の一部が側管部２ａと溶着されるが、電極３の表面全体が側管部２ａと溶着されるわけではない。その理由は、電極を構成するタングステンと、側管部を構成する石英ガラスでは膨張係数が異なるので、電極３と側管部２ａの溶着部分が一部剥離するからである。この剥離によって、側管部２ａの内表面にクラックが発生する。
【００２６】
次に、図５（ハ）の加熱工程について説明する。
前記冷却工程の終了後、図中Ｂで示すように、電極３が封止された側管部を再加熱する。この加熱は、例えばガスバーナーを用い、側管部２ａを構成する石英ガラスが粘性流動状態となって電極３と再び接し、電極３と石英ガラスが相対的に動くことができるようになるまで行う。
尚、この加熱工程は、側管部２ａのうち、図中Ｂで示す部分のみを再加熱し、金属箔４がすでに封止固定されている部分までも加熱するものではないから、金属箔４と側管部２ａの気密性にはなんら影響を及ぼすものではない。
このような再加熱を行うことで、電極３の周辺の側管部２ａの内表面に存在していた微小クラックを消滅させることができる。
【００２７】
次に、図５（ニ）の振動工程について説明する。
前記加熱工程の終了後、側管部２ａを構成する石英ガラスが粘性流動状態であって、電極３と石英ガラスが相対的に動くことのできる時に、側管部２ａに対して、図中の矢印の方向に振動を加える。具体的には、側管部２ａの図中Ｂの部分の温度が石英ガラスの軟化点（約１６８０℃）以下、除冷点（約１２８０℃）以上の温度において、図中の矢印の方向に振動を加える。
振動は、例えば１〜１０回行われ、これにより、電極３が発光部へ向かって０．１〜１．０ｍｍ移動する。
【００２８】
前記の振動を加える方法としては、図５（ニ）に示すように、側管部２を掴んだ保持部材６がモーターなどに接続され、モーターの駆動によって、矢印方向の振動を発生させる方法が挙げられる。この振動により、電極３と側管部２ａが強制的かつ相対的にずれて、電極３と側管部２ａとの間に空隙が発生するはずである。しかしながら、電極３の端面ではある程度の空隙が形成できるかもしれないが、電極の側面では十分に形成できなかった。
【００２９】
尚、側管部２ｂにおける電極の封止については、前記振動工程の終了後、発光部１に必要な水銀と希ガスとハロゲンガスを封入した後に、同様の、封止、冷却、加熱、振動工程を行うことになる。
【００３０】
次に、本発明のショートアーク型超高圧放電ランプの数値例を紹介する。
陰極の外径 ： １ｍｍ
陰極の長さ ： １０ｍｍ
陽極の外径 ： ２ｍｍ
陽極の長さ ： １０ｍｍ
側管部の外径 ： ６ｍｍ
側管部の長さ ： ２０ｍｍ
ランプ全長 ： ５０ｍｍ
発光管の内容積 ： ０．１ｃｃ
電極間距離 ： １ｍｍ
定格点灯電圧 ： １００Ｖ
定格点灯電流 ： ２Ａ
封入水銀量 ： ３０ｍｇ
希ガス ： アルゴンを１００Ｔｏｒｒ
【００３１】
次に、本発明の効果を示す実験について説明する。本発明者らは、実験を行うにあたって、上記のような製造工程を経て、本発明のテーパー部を持つ電極を用いて作製したランプ（図２に示すランプ）と、テーパー部を持たない電極を用いて作製したランプ（図７に示すランプ）をそれぞれ１００本用意した。具体的に説明すると、合計２００本のランプに対して、表１に示すように、まず始めに、ランプを２分間点灯させた後に消灯し１分間放置するという試行を７回繰り返した。次に、５分間点灯させた後に消灯し、５分間放置するという試行を５回繰り返した。最後に、３０分間点灯させた後に消灯し、ランプが常温になるまで待ち、ランプを目視して側管部のクラックの有無を確認するというものである。
【００３２】
【表１】

【００３３】
この実験の結果、従来の電極構造のランプは、１００本のうち７０本のランプがクラックを発生したのに対し、本発明の電極構造のランプは、１００本のうちクラックを発生したランプが１本も存在しないことが確認された。
【００３４】
以上説明したように、本発明のショートアーク型超高圧放電ランプは、電極にテーパー部を設けることにより、製造工程において、空隙を電極の側面と側管部の内表面との間に十分に形成することができなくても、ランプ点灯時において、このような空隙を新たに形成することができる。この新たに形成された空隙により、電極と側管部が接触しないので、両者の接触部へクラックが発生することを確実に防止できる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の電極構造を用いれば、ランプ点灯時において、電極の端面および側面と側管部との間に微小空隙が確実に存在し、電極と側管部が接触しないので、側管部にクラックが発生しない。これにより、発光管部が１５０気圧を超える高い水銀蒸気圧になっても側管部の破損を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ショートアーク型超高圧放電ランプの全体図である。
【図２】本発明のショートアーク型超高圧放電ランプの部分図である。
【図３】図２におけるＡ−Ａ´断面図である。
【図４】本発明の電極の構造を示す図である。
【図５】本発明のショートアーク型超高圧放電ランプの製造方法の説明図である。
【図６】本発明のショートアーク型超高圧放電ランプの部分図である。
【図７】本発明を説明するためのショートアーク型超高圧水銀ランプの部分図を示す。
【符号の説明】
１ 発光部
２ 側管部
３ 電極
４ 金属箔
５ 外部リード
ｄ 空隙

Claims (1)

1. 発光部内に一対の電極が対向配置され、この電極に接続された金属箔が、発光部の両側に延在する側管部で封止されたショートアーク型超高圧放電ランプにおいて、
   前記電極は、その側面および端面が、前記側管部内において、当該側管部を構成する材料との間に微小空隙を形成して配置しており、かつ、前記金属箔に接合された直線部と当該直線部に続くテーパー部とを有し、当該テーパー部の直径がアーク放電を保持する側から上記金属箔に接続される側に向かうにつれて漸次減少することにより、その側面が、前記側管部内において、当該側管部を構成する材料との間に微小空隙を形成して配置していることを特徴とするショートアーク型超高圧放電ランプ。

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