JP4587118B2

JP4587118B2 - ショートアーク放電ランプ

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Publication number: JP4587118B2
Application number: JP2005080902A
Authority: JP
Inventors: 幸治田川
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2005-03-22
Filing date: 2005-03-22
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2025-03-22
Also published as: JP2006269081A

Description

本発明は、ショートアーク放電ランプに関し、詳しくは、例えばプロジェクターの光源、一般照明用の光源などに利用されるショートアーク放電ランプに関する。

従来、一般照明用の光源であるメタルハライドランプやプロジェクター用の光源である高圧水銀ランプなどのショートアーク放電ランプは、図６に示されるように、放電空間Ｔを形成する発光管部１１の両端にそれぞれ外方に伸びる封止部１２、１２が連接されてなる放電容器１０を有し、この放電容器１０の発光管部１１内に、先端に向かうに従ってその外径が小さくなる円錐台柱状の陽極５５および陰極１４が互いに対向するよう配置されると共に、例えば希ガスおよび水銀などの発光物質が封入されており、陽極５５および陰極１４は、放電容器１０の封止部１２、１２から発光管部１１に向かって管軸Ｌ１に沿って伸びる陽極芯棒１６および陰極芯棒１７の先端部のそれぞれに設けられている。

このようなショートアーク放電ランプでは、点灯時の管壁負荷は、例えば５０〜２５０Ｗ／ｃｍ²、詳細には、放電ランプがメタルハライドランプである場合には５０〜１００Ｗ／ｃｍ²、高圧水銀ランプである場合には１００〜２５０Ｗ／ｃｍ²となるよう構成されている。これは、管壁負荷が５０Ｗ／ｃｍ²未満とされた放電ランプは、発光効率が低いものとなって実用上の光出力が得られず、一方、管壁負荷が２５０Ｗ／ｃｍ²よりも大きい放電ランプは、発光管部の管壁の温度の過度の上昇に起因して、放電容器を形成する石英ガラスの再結晶化による曇りが、早期に発生するおそれがある、という理由による。

近年、ショートアーク放電ランプでは、光の高出力化を達成するために、放電ランプに供給される電流を大きなものとすることが行われているが、供給される電流が大きなものとされると、陽極１５の温度が過度に上昇してしまい、結局は放電ランプの使用寿命が短いものとなる、という問題がある。

このような問題を解決するために、陽極の熱を高い効率で放散させる目的で当該陽極を体積が大きくて熱容量および表面積の大きい電極体により構成した放電ランプが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、このような放電ランプにおいて光の高出力化を図って供給される電流を大きなものとするためには、陽極の体積を相当に大きなものとすることが必要であり、このために陽極の重量が大きくなり、陽極を支持する陽極芯棒がその大きな重量のために湾曲し、電極間距離が変化して所期の大きさのアークを得ることができなくなるおそれがある。
然るに、重量の大きな陽極が確実に支持することができるよう外径の大きい陽極芯棒を用いると、封止部において封止が完全に行われないことがあり、また、点灯時にクラックが発生したりするおそれがあり、放電ランプの製造上の歩留まりが大きくなってしまう、という問題がある。
特開２０００−２９４００６号公報

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、封止部に封止される陽極芯棒の外径が小さいものであっても、陽極の熱が高い効率で放散されて当該陽極の温度の上昇が抑制され、従って、光の高出力化を実現しても長期間にわたって安定に使用することのできるショートアーク放電ランプを提供することにある。

本発明のショートアーク放電ランプは、発光管部およびこの発光管部の両端から外方に伸びる封止部を有する放電容器を具え、発光管部内において陽極と陰極とが対向配置されると共に、陽極芯棒の基端部が封止部において支持され、発光管部の管壁負荷が５０〜２５０Ｗ／ｃｍ²となる条件において点灯されるショートアーク放電ランプであって、
前記陽極においては、金属素線が金属芯線の外周にピッチ１００％で巻回されてなる複合線材が前記陽極芯棒の先端部分の外周に巻回されてなる複合コイル体が設けられており、
前記陽極芯棒の先端にはコイル遮蔽部が設けられており、前記複合コイル体が陽極芯棒における当該コイル遮蔽部よりも基端側の部分に設けられており、
前記コイル遮蔽部は、複合コイル体の外径と同じまたはこれよりも大きい外径を有することを特徴とする。

また、本発明のショートアーク放電ランプにおいては、前記陽極芯棒の先端と前記複合線材による複合コイル体とが溶着されている構成とすることができる。

本発明のショートアーク放電ランプにおいては、前記複合線材の外径が、前記陽極芯棒の外径以上の大きさであることが好ましい。

本発明のショートアーク放電ランプによれば、基本的に陽極芯棒を封止部において確実に封止することができ、陽極が重量が小さく熱容量が小さいものであっても大きな表面積を有することにより、陽極の熱の放散が高い効率で行われて当該陽極の温度の上昇が抑制され、その結果、電極に供給する電流を増加して光の高出力化を実現しても長期間にわたって安定に使用することのできるショートアーク放電ランプを得ることができる。

以下、本発明のショートアーク放電ランプについて、図面を参照して詳細に説明する。

＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明のショートアーク放電ランプの構成の一例を示す説明用断面図である。このショートアーク放電ランプ（以下、単に「放電ランプ」ともいう。）は、直流点灯型の高圧水銀ランプであり、石英ガラスにより形成された、楕円球形の発光管部１１と、この発光管部１１の両端からそれぞれ外方に伸びるよう連設された封止部１２、１２とを有する放電容器１０を具えている。

発光管部１１により区画された放電空間Ｔ内においては、放電容器１０の管軸Ｌ１上において、例えばタングステンよりなる円柱状の陽極芯棒１６および陰極芯棒１７の先端部にそれぞれ設けられた陰極１４および陽極１５が、互いに近接した状態で対向配置されている。

放電容器１０および封止部１２、１２は、放電容器基材である石英ガラスのパイプ体を溶融状態にしてその両端を変形させることにより形成されたものであり、一方の封止部１２内には、陽極芯棒１６と外部リード棒１９とを電気的に接続する例えばモリブデンよりなる金属箔１８が気密に埋設され、他方の封止部１２の内部には、陰極芯棒１７と外部リード棒１９とを電気的に接続する例えばモリブデンよりなる金属箔１８が気密に埋設されている。そして、陰極１４は、陰極芯棒１７の先端部に金属ワイヤ１３が巻回されて構成されている。

陽極１５は、図２に示されるように、陽極芯棒１６の先端部分の外周に、後述する複合線材２５が１００％のピッチで巻回されてなる複合コイル体２０が設けられて構成されている。

複合線材２５は、図３に示されるように、例えばモリブデンよりなる複合線材形成用の金属素線（以下、単に「素線」ともいう。）２１が、例えばタングステンよりなる金属芯線２２（以下、単に「芯線」ともいう。）の外周に巻回されたものであり、そのピッチは１００％であることが好ましい。

複合線材２５の外径Ｐは、陽極芯棒１６の外径Ｑと同一またはそれ以上の大きさとされることが好ましい。

ここで、複合線材２５の外径Ｐは、素線２１の外径をｐ１、芯線２２の外径をｐ２とすると、式：（ｐ１×２）＋ｐ２で表され、寸法の一例においては、ｐ１は０．２ｍｍ、ｐ２は０．３ｍｍであり、この場合に、Ｐは０．７ｍｍである。

陽極芯棒１６において複合線材２５が巻回されて形成された複合コイル体２０の長さＬは、複合線材２５の外径Ｐによっても異なるが、通常２〜５ｍｍであり、具体的な一例においては、複合線材２５の外径Ｐが０．７ｍｍである場合に、複合コイル体２０の長さＬは５．０ｍｍとされる。

放電容器１０の放電空間Ｔ内には、発光物質として水銀が例えば０．１〜０．３ｍｇ／ｍｍ³となる量で封入されていると共に、臭素が例えば１．７×１０^-4〜６．７×１０^-4μｍｏｌ／ｍｍ³となる量で封入され、さらにアルゴンなどの希ガスよりなるバッファガスが例えば２．０気圧となる封入圧で封入されている。

この放電ランプにおける寸法の一例を挙げると、以下のとおりである。
発光管部１１の最大外径は９〜１５ｍｍ、最大内径は３〜９ｍｍとされ、封止部１２の長さは１０〜２０ｍｍとされる。また、陽極芯棒１６の外径Ｑは０．２〜０．７ｍｍである。陰極１４および陽極１５の電極間距離は例えば１．０〜２．０ｍｍとされる。
また、この放電ランプは、発光管部１１の管壁負荷が５０〜２５０Ｗ／ｃｍ²、好ましくは１００〜２００Ｗ／ｃｍ²となる条件で点灯されるよう、例えば、定格電圧が８０Ｖ、定格電流が２．０Ａ、定格電力が１６０Ｗとして構成される。
管壁負荷が５０Ｗ／ｃｍ²未満であると発光効率が低いものとなって実用上の光出力が得られず、一方、管壁負荷が２５０Ｗ／ｃｍ²よりも大きいと、発光管部１１の管壁の温度の過度の上昇に起因して放電容器１０を形成する石英ガラスの再結晶化による曇りが早期に発生して使用寿命が短いものとなるおそれがある。

以上の構成を有するショートアーク放電ランプにおいては、適宜の電源装置（図示せず）に接続されて点灯状態とされることにより、陰極１４と陽極１５との間に生ずるアーク放電によって光が放射される。

以上の放電ランプによれば、陽極１５が複合線材２５による複合コイル体２０が設けられることによって構成されているために、その重量が小さいので陽極芯棒１６が封止部によって確実に支持され、熱容量が小さいものであっても大きな表面積を有するので、陽極の熱の放散を高い効率で実現することができ、その結果、当該陽極１５の温度の上昇を抑制することができる。
その結果、放電ランプに供給する電流を増加して光の高出力化を実現しても、長期間にわたって安定に使用することのできるショートアーク放電ランプを得ることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の態様に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、本発明のショートアーク放電ランプは、発光物質として水銀が封入された高圧水銀ランプとして構成されることに限定されず、例えば水銀などの金属蒸気とハロゲンとの混合物を発光物質とするメタルハライドランプとして構成されてもよい。
メタルハライドランプの一例においては、発光管部１１の内表面に酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）および酸化ニオブ（Ｎｂ₂Ｏ₅）などの金属酸化物の薄膜が例えばゾルゲル法によって０．１μｍの厚さに形成されたものとされ、放電容器１０の放電空間Ｔ内には、例えばメタルハライドとして二臭化スズ（ＳｎＢｒ₂）が５〜２０ｍｇ、バッファガスとしてキセノンガスが例えば５気圧となる封入圧で封入され、さらに、発光管部１１の管壁負荷が５０〜１００Ｗ／ｃｍ₂となる条件で点灯されるよう、例えば、定格電圧が８０Ｖ、定格電流が３．１Ａ、定格電力が２５０Ｗとして構成される。

また、放電容器の形状および構造は、図１に示すものに限られず、種々の構成を採用することができる。
さらに、封止部における封止構造は、金属箔による箔シール構造であることに限定されず、その他の構造、例えばロッドシール構造であってもよい。

＜第２の実施の形態＞
図４に示されるように、この例のショートアーク放電ランプにおける陽極３５は、陽極芯棒１６の先端に、複合線材２５による複合コイル体２０の外径Ｒと同じまたはこれよりも大きい外径を有するコイル遮蔽部２８が設けられており、陽極芯棒１６における当該コイル遮蔽部２８よりも基端側の部分に複合コイル体２０が設けられることにより、構成されている。そして、陽極３５が以上の構成を有することの他は、第１の実施の形態における放電ランプと同様の構成を有する。

具体的には、コイル遮蔽部２８は、その先端に向かうに従ってその外径が小さくなる円錐台柱状のものである。
このコイル遮蔽部２８は、陽極芯棒１６を構成する材料と同一の材料よりなるものである。この例においてはコイル遮蔽部２８はタングステンよりなり、その最大外径Ｕは、例えば１．５〜２．１ｍｍとされ、特に好ましくは複合コイル体２０の外径Ｒと同じ大きさとされる。
複合コイル体２０の外径Ｒは、複合線材２５の外径をＰ、陽極芯棒１６の外径をＱとすると、式：（Ｐ×２）＋Ｑで表され、例えば一例においては、Ｐは０．７ｍｍ、Ｑは０．７ｍｍであり、この場合に、Ｒは２．１ｍｍである。

このような放電ランプによれば、コイル遮蔽部２８が介在するために複合コイル体２０がアークに直接接触することが防止されるので、当該複合コイル体２０が溶融されることが確実に防止される。これにより、陰極１４と陽極３５との電極間距離の変化が小さいのでアークが長期間にわたって所期の大きさに維持され、その結果、長期間にわたって所望のランプ特性を得ることができる。

＜第３の実施の形態＞
図５に示されるように、この例のショートアーク放電ランプにおける陽極４５は、陽極芯棒１６の先端と複合線材２５による複合コイル体２０とが溶着された溶着部２９を有する構成とされている。そして、陽極４５が以上の構成を有することの他は、第１の実施の形態における放電ランプと同様の構成を有する。

具体的には、この溶着部２９は、陽極芯棒１６における複合コイル体２０と接触する領域が溶融されて、複合コイル体２０を構成する複合線材２５と一体に溶着されることにより、形成されたものである。

この放電ランプによれば、第１の実施の形態における放電ランプと同様の、熱の放散が高い効率で行われる効果に加えて、複合コイル体２０を陽極芯棒１６の先端に確実に固定され、従って放電ランプをどのような姿勢で使用しても安定したアークを得ることができるという効果が得られる。

以下、本発明のショートアーク放電ランプの実施例について具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

＜実施例１＞
図１に示す構成に従って、下記の仕様による高圧水銀ランプを作製した。

・放電容器（１０）：材質；石英ガラス、寸法；放電容器（１０）の全長１１ｍｍ、発光管部（１１）の外径１１．０ｍｍ、発光管部（１１）の内径７．０ｍｍ、発光管部（１１）の内容積１４０ｍｍ³、封止部（１２）の長さ２０ｍｍ、
・陽極芯棒（１６）：材質；タングステン、寸法；長さ１０ｍｍ、外径０．７ｍｍ、
・陽極（１５）：材質；タングステン、寸法；陽極（１５）の最大外径２．１ｍｍ、陽極（１５）の長さ５ｍｍ、金属素線（２１）の材質がタングステン、金属素線（２１）の外径が０．２ｍｍ、芯線（２２）の材質がタングステン、芯線（２２）の外径が０．３ｍｍ、複合線材（２５）の陽極芯棒（１６）への巻回ピッチが１００％、
・陰極（１４）：材質；タングステン、寸法；陰極芯棒（１７）の長さ１０ｍｍ、陰極芯棒（１７）の外径０．７ｍｍ、
・陰極（１４）と陽極（１５）との電極間距離：１．２ｍｍ、
・点灯条件：定格電流；２Ａ、定格電圧；８０Ｖ、定格電力；１６０Ｗ、管壁負荷；１００Ｗ／ｃｍ²、
・封入物：アルゴンガス（封入時圧力０．２気圧）、水銀２０ｍｇ、臭素８０μｇ

この高圧水銀ランプを点灯させ、安定点灯時の陽極の温度を、陽極について所定位置からの赤外線輻射強度を測定し、予め較正した温度との比較を行う方法によって測定した。結果を表１に示す。
ただし、この高圧水銀ランプにおいて、陽極とは、複合コイル体（２０）およびこれが配置された陽極芯棒（１６）における先端部分をいう。

＜実施例２＞
陽極芯棒の外径を０．４ｍｍとし、複合コイル体（２０）およびこれが巻回されるべき陽極芯棒（１６）における先端部分よりなる陽極を構成したこと以外は、実施例１と同様にして高圧水銀ランプを作製してこれを点灯させ、実施例１と同様の方法によって陽極の温度を測定した。結果を表１に示す。

＜比較例１＞
複合線材（２５）の代わりに外径０．７ｍｍのタングステン製のワイヤが陽極芯棒（１６）に巻回されて形成されたコイルが設けられている陽極を用いたこと以外は、実施例１と同様にして高圧水銀ランプを作製してこれを点灯させ、実施例１と同様の方法によって陽極の温度を測定した。結果を表１に示す。
ただし、この高圧水銀ランプにおいて、陽極とは、コイルおよびこれが配置された陽極芯棒（１６）における先端部分をいう。

＜対照例１＞
陽極として外径１．８ｍｍ、長さ５ｍｍの円錘台状の図６に示す陽極と同形状の電極体を陽極芯棒の先端に設けたこと以外は、実施例２と同様にして高圧水銀ランプを作製してこれを点灯させ、実施例１と同様の方法によって陽極の温度を測定した。結果を表１に示す。

表１において、陽極の重量比は、陽極の最大外径が１．８ｍｍ、陽極の長さが５ｍｍである円錐台柱状の電極体（対照例１）の重量を１としたときの数値であり、また、陽極からの熱の流れの割合における輻射、対流、および熱伝導の欄に示した数値は、陽極の表面積から算出したものである。

以上の結果によれば、実施例１に係る高圧水銀ランプにおいては、同等の外径を有する陽極を具えた比較例１と比して、陽極の温度を低くできることが確認された。また、実施例２に係る高圧水銀ランプにおいては、外径が小さいにもかかわらず比較例１に係るものよりも陽極の温度を低くすることができることが確認された。

＜実施例３＞
図１に示す構成に従って、下記の仕様によるメタルハライドランプを作製した。

・放電容器（１０）：材質；石英ガラス、寸法；放電容器（１０）の全長１２ｍｍ、発光管部（１１）の外径１３．０ｍｍ、発光管部（１１）の内径８．０ｍｍ、発光管部（１１）の内容積２７０ｍｍ³、発光管部（１１）の内表面に酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）よりなる厚さ０．１μｍの酸化膜をゾルゲル法により形成、
・陽極芯棒（１６）：材質；タングステン、寸法；長さ１１ｍｍ、外径０．７ｍｍ、
・陽極（１５）：材質；タングステン、寸法；陽極（１５）の最大外径２．１ｍｍ、陽極（１５）の長さ５ｍｍ、金属素線（２１）の材質がモリブデン、金属素線（２１）の外径が０．２ｍｍ、芯線（２２）の材質がタングステン、芯線（２２）の外径が０．３ｍｍ、複合線材（２５）の陽極芯棒（１６）への巻回ピッチが１００％、
・陰極（１４）：材質；タングステン、寸法；陰極芯棒（１７）の長さ１１ｍｍ、陰極芯棒（１７）の外径０．７ｍｍ、
・陰極（１４）と陽極（１５）との電極間距離：１．５ｍｍ、
・点灯条件：定格電流；３．１Ａ、定格電圧；８０Ｖ、定格電力；２５０Ｗ、管壁負荷；１２５Ｗ／ｃｍ²、
・封入物：キセノンガス（封入時圧力５．０気圧）、二臭化スズ（ＳｎＢｒ₂）２０ｍｇ、臭素８０μｇ

このようにして作製されたメタルハライドランプを点灯させ、実施例１と同様の方法によって安定点灯時の陽極の温度を測定した。結果を表２に示す。
ただし、このメタルハライドランプにおいて、陽極とは、複合コイル体（２０）およびこれが配置された陽極芯棒（１６）における先端部分をいう。

＜実施例４＞
陽極芯棒の外径を０．６ｍｍとし、複合コイル体（２０）およびこれが巻回された陽極芯棒（１６）における先端部分よりなる陽極を構成したこと以外は、実施例３と同様にしてメタルハライドランプを作製してこれを点灯させ、実施例１と同様の方法によって陽極の温度を測定した。結果を表２に示す。

＜比較例２＞
複合線材（２５）の代わりに外径０．７ｍｍのタングステン製のワイヤを陽極芯棒（１６）に巻回されて形成されたコイルが設けられている陽極を用いたこと以外は、実施例３と同様にしてメタルハライドランプを作製してこれを点灯させ、実施例１と同様の方法によって陽極の温度を測定した。結果を表２に示す。
ただし、この高圧水銀ランプにおいて、陽極とは、コイルおよびこれが配置された陽極芯棒（１６）における先端部分をいう。

＜対照例２＞
陽極として外径１．８ｍｍ、長さ５ｍｍの円錘台状の図６に示す陽極と同形状の電極体を陽極芯棒の先端に設けたこと以外は、実施例４と同様にしてメタルハライドランプを作製してこれを点灯させ、実施例１と同様の方法によって陽極の温度を測定した。結果を表２に示す。

表２において、陽極の重量比は、陽極の最大外径が１．８ｍｍ、陽極の長さが５ｍｍである円錐台柱状の電極体（対照例２）の重量を１としたときの数値であり、また、陽極からの熱の流れの割合における輻射、対流、および熱伝導の欄に示した数値は、陽極の表面積から算出したものである。

以上の結果によれば、実施例３に係るメタルハライドランプにおいては、同等の外径を有する陽極を具えた比較例２と比して、陽極の温度を低くできることが確認された。また、実施例４に係るメタルハライドランプにおいては、外径が小さいにもかかわらず比較例２に係るものよりも陽極の温度を低くすることができることが確認された。

本発明のショートアーク放電ランプの構成の一例を示す説明用断面図である。図１のショートアーク放電ランプの陽極を拡大して模式的に示す説明図である。複合線材の構成を、その一部を断面とした状態で模式的に示す説明図である。本発明のショートアーク放電ランプの陽極の構成の他の例を模式的に示す説明図である。本発明のショートアーク放電ランプの陽極の構成のさらに他の例を模式的に示す説明図である。従来のショートアーク放電ランプの構成の一例を示す説明用断面図である。

符号の説明

１０放電容器
Ｔ放電空間
１１発光管部
１２封止部
１３金属ワイヤ
１４陰極
１５陽極
１６陽極芯棒
１７陰極芯棒
１８金属箔
１９外部リード棒
２０複合コイル体
２１金属素線
２２金属芯線
２５複合線材
２８コイル遮蔽部
２９溶着部
３５、４５、５５陽極
Ｌ１管軸

Claims

発光管部およびこの発光管部の両端から外方に伸びる封止部を有する放電容器を具え、発光管部内において陽極と陰極とが対向配置されると共に、陽極芯棒の基端部が封止部において支持され、発光管部の管壁負荷が５０〜２５０Ｗ／ｃｍ²となる条件において点灯されるショートアーク放電ランプであって、
前記陽極においては、金属素線が金属芯線の外周にピッチ１００％で巻回されてなる複合線材が前記陽極芯棒の先端部分の外周に巻回されてなる複合コイル体が設けられており、
前記陽極芯棒の先端にはコイル遮蔽部が設けられており、前記複合コイル体が陽極芯棒における当該コイル遮蔽部よりも基端側の部分に設けられており、
前記コイル遮蔽部は、複合コイル体の外径と同じまたはこれよりも大きい外径を有することを特徴とするショートアーク放電ランプ。
前記陽極芯棒の先端と前記複合線材による複合コイル体とが溶着されていることを特徴とする請求項１に記載のショートアーク放電ランプ。
前記複合線材の外径が、前記陽極芯棒の外径以上の大きさであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のショートアーク放電ランプ。