(57)【要約】【課題】  一定時間点灯しても、電極１の曲がりを発生させない高圧放電ランプを提供すること。【解決手段】  発光部４の両端に封止部５が連設されてなる放電容器と、封止部５に基端１２が埋設され、発光部４内に先端１１が対向配置される一対の電極１とを有する高圧放電ランプにおいて、封止部５に埋設された電極１に面する当該封止部５の内壁５１の表面の一部に、円周方向の略全周に亘って環状の結晶化層２が形成されていることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光部の両端に封止部が連設されてなる放電容器と、前記封止部に基端が埋設され、前記発光部内に先端が対向配置される一対の電極とを有する高圧放電ランプにおいて、
前記封止部に埋設された前記電極に面する当該封止部の内壁の表面の一部に、円周方向の略全周に亘って環状の結晶化層が形成されていることを特徴とする高圧放電ランプ。
【請求項２】
前記結晶化層は、前記電極の外周面と接触していることを特徴とする請求項１に記載の高圧放電ランプ。
【請求項３】
前記結晶化層は、前記封止部の前記発光部との接続部分の内壁に形成されることを特徴とする請求項１に記載の高圧放電ランプ。
【請求項４】
前記結晶化層は、結晶化したシリカよりなる保持用筒体を封止部に埋設することにより形成されていることを特徴とする請求項３に記載の高圧放電ランプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、データプロジェクタや液晶プロジェクタ、ＤＬＰ（デジタルライトプロセッサ）プロジェクタなどの装置に用いられる高圧放電ランプに関する。特に、発光部内に水銀が０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上封入され、水銀蒸気圧が１１０気圧以上となる高圧放電ランプに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、液晶プロジェクタや、デジタル・ライト・プロセッシング技術を使用したDLPプロジェクタが普及しつつある。その画像投影用光源として、ショートアーク型高圧放電ランプが使用されている。
図４は、特開２００１−３５１５７６号公報に示す高圧放電ランプ１０の構成を示す一部断面図である。
高圧放電ランプ１０は、中央部分に形成された球状の発光部４と、該発光部４の両端に形成された封止部５とよりなる放電容器３を備える。発光部４の内部に一対の電極１が配置され、封止部５には電極１の一部分と電極１の基端１２が接続された金属箔６とが埋設されて気密にシールされた構造である。このような高圧放電ランプ１０は、点灯時の水銀蒸気圧を高くすることによってアークの広がりを抑えるとともに、一層の光出力の向上を図ることができる。
【０００３】
封止部５に埋設された電極１は、金属箔６との溶接部分を除いて放電容器３を構成する石英ガラスと溶着しないように構成されている。封止部５の内部に、発光部４から金属箔６まで通じる円筒状の内壁５１が形成され、電極１は内壁５１と離間するように配置されている。このように、電極１と内壁５１との間に微小な空隙が存在するので、点灯時に電極１が熱膨張しても空隙の範囲で緩衝できるので、封止部５が破損することを防止し、耐圧力の高い高圧放電ランプとなる。
【特許文献１】特開２００１−３５１５７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この種のランプでは水銀封入量が多くて点灯圧力が極めて高圧になり、放電容器３が高温になるため、点灯時にしばしば石英ガラスからなる放電容器の内壁が結晶化するという現象が発生する。この結晶化は封止部近傍で発生するときに多大の問題点を生じる。
図５においてこの現象を説明すると、放電ランプ１０の封止部５において最も高温となる発光部４に近い部位に放電容器３の材料である石英ガラスの結晶化が発生することが多い。この結晶化は円周方向のどこに発生するかは予測不能であり、一般的には水平点灯した場合に高温となる上側に発生することが多い。
【０００５】
しかしながら、封止部５の温度の不均一や、石英ガラス材料の組成、更には、内壁５１と電極１との間隙の不均一性などから、その発生個所が必ずしも特定されるわけではない。また、前記した理由から上記結晶化は封止部５の内壁５１の円周方向の全周で発生することはなく、その一部で発生することが普通である。
このように、封止部５の内壁５１の一部分で結晶化が発生すると、その結晶化部分は体積膨張をするため、膨張部分５１aが電極１との空隙内に突出し、ついには電極１と接触するようになる。
【０００６】
ところで、電極１は点灯時に熱膨張をし、消灯時に冷却による収縮を起こすものである。特に、電極１の軸方向での膨張・収縮が起こるとき、上記内壁５１の結晶化した膨張部分５１aが電極１の周方向の一部に当接していると、その軸方向の伸縮を拘束する。こうして、内壁５１と当接していない部分ではその伸縮が自由であり、点灯時に熱膨張したのちに消灯時には自由に収縮するが、結晶化した膨張部分５１aで拘束された側ではその収縮が制限される。
このように、電極１の一側では熱膨張・収縮が自由であり、他側ではその動きが拘束されるので、電極１は拘束されていない側に曲がりが生じるという不具合が発生する。
【０００７】
本発明は、上記の問題点に鑑み、高圧放電ランプを一定時間点灯しても、電極の曲がりを発生させない高圧放電ランプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願第１の発明は、発光部の両端に封止部が連設されてなる放電容器と、前記封止部に基端が埋設され、前記発光部内に先端が対向配置される一対の電極とを有する高圧放電ランプにおいて、前記封止部に埋設された前記電極に面する当該封止部の内壁の表面の一部に、円周方向の略全周に亘って環状の結晶化層が形成されていることを特徴とする。
本願第２の発明は、第１の発明において、前記結晶化層は、前記電極の外周面と接触していることを特徴とする。
本願第３の発明は、第１の発明において、前記結晶化層は、前記封止部の前記発光部との接続部分の内壁に形成されることを特徴とする。
本願第４の発明は、３の発明において、前記結晶化層は、結晶化したシリカよりなる保持用筒体を封止部に埋設することにより形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本願第１の発明に係る高圧放電ランプによれば、予め結晶化層を形成しておくことによって、石英ガラスを既に状態変化による体積膨張させた状態で高圧放電ランプを使用することになる。さらに、結晶化層を環状に形成することによって、電極と内壁との位置関係を周方向部位による差を生じさせない。そのため、高圧放電ランプの点灯により封止部の内壁の温度が高くなったとしても、封止部に埋設された電極と、当該電極に面する封止部の内壁との位置関係を維持することができ、電極の曲がりを防止することができる。
【００１０】
本願第２の発明にかかる高圧放電ランプによれば、初期状態から電極の外周面の一部において封止部の内壁と全周にわたって均一に接触する状態とすることによって、高圧放電ランプの点灯・消灯に伴い電極が膨張・収縮を繰り返しても、結晶化層に環状に拘束されているので、電極の周方向部位による収縮量の差が発生せず、電極の曲がりを防止することができる。
【００１１】
本願第３の発明にかかる高圧放電ランプによれば、封止部においては、発光部との接続部分が高圧放電ランプの点灯時に温度が最も高くなるので、封止部の発光部との接続部分の内壁に予め結晶化層を形成しておくことによって、通常の使用時に状態変化による体積膨張を伴う相転移の発生を効果的に抑制し、初期状態の封止部に埋設された電極と、当該電極に面する封止部の内壁との位置関係を維持することができ、電極の曲がりを防止することができる。
【００１２】
本願第４の発明にかかる高圧放電ランプによれば、電極と保持用筒体とが離間した状態を容易に形成できるとともに、電極と保持用筒体とが離間した状態を維持することができる。このため、高圧放電ランプの点灯・消灯に伴い電極が膨張・収縮を繰り返しても、電極がその周囲の隙間の範囲で緩衝できるので、電極の周方向部位による収縮量の差が発生せず、電極の曲がりを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、第１の実施形態の高圧放電ランプの封止部５の構成を示す拡大断面図である。
高圧放電ランプは、石英ガラスよりなる概略球形の発光部４を有し、この発光部４に、タングステンよりなる電極１が対向して配置される。また、発光部４の端部から伸びるよう封止部５が形成され、封止部５内には、例えばモリブデンよりなる導電用の金属箔６が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１は、基端１２が金属箔６に溶接されて電気的に接続されている。
【００１４】
発光部４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／ｍｍ３以上封入される。この水銀封入量は温度条件によっても異なるが、点灯時に発光部４の内圧が１５０気圧以上の極めて高い蒸気圧となるように製作される。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が２００気圧以上または３００気圧以上となる高圧放電ランプを製作することができ、プロジェクタ装置に適した光源を実現することができる。
希ガスは、点灯始動性を改善するために用いられ、例えば、アルゴンガスが約１３ｋＰａ封入される。
【００１５】
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、１×１０−６〜１×１０−２μｍｏｌ／ｍｍ３の範囲から選択される。ハロゲンを封入することによって、ハロゲンサイクルが発生し、高圧放電ランプの寿命を長くすることができる。また、本発明の高圧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では、ハロゲンを封入することによって、発光部４の黒化・失透を防止する効果がある。
【００１６】
薄箔よりなる金属箔６に基端１２が溶接された電極１が、シュリンクシールにより埋設されて封止部５が形成されている。金属箔６の周りは放電容器３を形成する石英ガラスが密着しているが、電極１の周りは石英ガラスとの間に隙間が設けられている。封止部５の内部に、発光部４から金属箔６まで通じる円筒状の内壁５１が形成され、電極１は内壁５１と離間するように配置されている。そして、封止部５の内壁５１の表面の一部に、周方向に一巡する環状の結晶化層２が予め形成されている。結晶化層２は封止部５の内壁５１の表面から突出するように形成されていて、電極１の外周面の略全周にわたって環状に接触している。
【００１７】
封止部５の内壁５１の表面の一部に形成される結晶化層２とは、非晶質の石英ガラスが結晶化して、アモルファス状態の構成金属原子が数原子以上の広範囲にわたって規則的に配列している状態をいう。具体的には、クリストバライトやトリジマイトをいう。結晶化層２は、石英ガラスに比べて密度が小さいため、石英ガラスから結晶化層に状態変化するときには体積膨張を伴う相転移が起こり、体積が増加する。
【００１８】
具体的な数値を以下に例示する。石英ガラスの密度が２．６５ｇ／ｃｍ３、クリストバライトの密度が２．３２ｇ／ｃｍ３、トリジマイトの密度が２．２６ｇ／ｃｍ３。石英ガラスからクリストバライトに状態変化するときには、体積が約１４％増加し、石英ガラスからトリジマイトに状態変化するときには、体積が約１７％増加する。
【００１９】
高圧放電ランプの数値例を示すと、例えば、発光部４の最大外径１１．３ｍｍ、電極間距離１．１ｍｍ、発光部４の内容積１１５ｍｍ３である。高圧放電ランプは、プロジェクタ装置に内蔵されるものであり、装置の小型化に伴い、高圧放電ランプも小型化することが求められている。また、高圧放電ランプの光量も要求されるので、印加電力も高く、発光部４の内部の熱的影響は極めて厳しいものとなる。高圧放電ランプの管壁負荷値（発光部４の内表面の単位面積当たりの印加電力）は０．８〜３．０Ｗ／ｍｍ2、具体的には２．５Ｗ／ｍｍ2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高圧放電ランプは、プロジェクタ装置のようなプレゼンテーション用機器に搭載され、演色性の良い放射光を提供することができる。
【００２０】
続いて、結晶化層２を形成する方法について説明する。
石英ガラスを加熱するとクリストバライトなどを生成して結晶化するという特徴を用いて、結晶化層２を形成する。封止部５の外側に筒状のコイルを設置して、封止部５を保温して温度が高くなるようにする。さらに、通常使用時の入力電力より大きい電力値を入力して高圧放電ランプを連続点灯する。封止部５は、アークに近い電極１に近接する部分の温度が最も高くなるので、封止部５の内壁５１の表面、詳しくは封止部５における発光部４との接続部分の内壁５１の表面に結晶化層２が形成される。
【００２１】
高圧放電ランプを一定時間以上点灯させることで、結晶化が十分に成長し、周方向略に一巡する環状の結晶化層２が形成される。石英ガラスの結晶化には体積膨張が伴うので、結晶化層２が形成された部分において、封止部５の内壁５１と電極１との間の隙間が埋まり、結晶化層２が電極１の外周面の略全周にわたって接触する状態になる。このような環状の結晶化層２が形成された後、通常の高圧放電ランプとして使用する。
【００２２】
高圧放電ランプの点灯時に温度が高くなる封止部５の内壁５１の一部に予め結晶化層２を形成しておくことによって、石英ガラスを既に状態変化による体積膨張させた状態で高圧放電ランプを使用することになる。そのため、高圧放電ランプの点灯により封止部５の内壁５１の温度が高くなったとしても体積膨張を伴う相転移が起こりにくく、初期状態の封止部５に埋設された電極１と、当該電極１に面する封止部５の内壁５１との位置関係を維持することができ、電極１の曲がりを防止することができる。
【００２３】
また、初期状態から電極１の外周面の一部において封止部５の内壁５１と略全周にわたって接触する状態とすることによって、高圧放電ランプの点灯・消灯に伴い電極１が軸方向に膨張・収縮を繰り返しても、結晶化層２に環状に拘束されているので、電極１の軸方向の収縮量に周方向部位による差が発生せず、電極１の曲がりを防止することができる。
【００２４】
特に、封止部５においては、発光部４との接続部分が高圧放電ランプの点灯時に温度が最も高くなるので、封止部５の発光部４との接続部分の内壁５１に予め結晶化層２を形成しておくことによって、通常の使用時に状態変化による体積膨張を伴う相転移の発生を効果的に抑制し、初期状態の封止部５に埋設された電極１と、当該電極に面する封止部５の内壁５１との位置関係を維持することができ、電極１の曲がりを防止することができる。
【００２５】
なお、高圧放電ランプに定格電力を入力して使用していても、封止部５の温度が上がり、封止部５の内壁５１をさらに結晶化させる場合がある。しかし、通常点灯による封止部５の内壁５１の結晶化は、予め形成された結晶化層２に接する形で拡大していく。そのため、電極１の結晶化層２に拘束されている状態に変わりはなく、高圧放電ランプの点灯・消灯に伴い電極１が膨張・収縮を繰り返しても、電極１の周方向部位による収縮量の差がほとんど発生せず、電極１の曲がりを防止することができる。
【００２６】
続いて、結晶化層２の有無の確認方法について説明する。
石英ガラスが結晶化すると失透して白濁するため、目視により結晶化層２の有無や結晶化層２の形成されている部分をだいたい特定することができる。さらに、白濁した部分をＸ線回折法により測定することで、石英ガラスが結晶化していることを正確に確認することができる。
X線回折法では、既知波長のＸ線を結晶に照射すると、Ｘ線は結晶に固有な反射角度で回折する。回折Ｘ線の角度から試料の結晶構造を同定することができる。
【００２７】
例えばＸ線回折法によって得られる回折角２θについて１．９８５°でピークが見られるときはクリストバライトであることが確認でき、回折角２θが９．４５７９°、２０．２１７０°、２１．６７５０°などでピークが見られるときはトリジマイトであることが確認できる。白濁した部分をＸ線回折法により測定して、回折角２θを既知のピークプロットと照合することで、石英ガラスが結晶化していると確かめることができる。
【００２８】
上記第1の実施形態においては、結晶化層２は電極１に当接するものとして説明したが、必ずしも当接している必要はない。
この第2の実施形態を図2に基いて説明する。図で示すように、封止部５の内壁５１は結晶化により膨張するが、結晶化層２は電極１に当接するまで膨張することはなく、それらの間には微小間隙が存在している。その他の構成については図1の第１の実施形態と同様である。
【００２９】
上記したように、電極１が膨張・収縮によって曲がることがないようにするためには、結晶化層２が不測的に周方向の一部分でのみ電極１に当接することを回避することが必要である。
この第２の実施形態においては、内壁５１に電極１の外周の略全周に亘る予め体積膨張した結晶化層２を、微小間隙を介して環状に形成しておくことにより、定格点灯時に結晶化が進むことがなくそれ以上の体積膨張が生じることがないので、内壁５１の結晶化部分が電極１と当接することがない。
また、仮に、封止部５の温度が更に上がって内壁５１が更に結晶化することがあったとしても、環状の結晶化層２から全方位に結晶化が広がるので、周方向の一部で結晶化が起こることがなく、結晶化層２に周方向の異方性が生じない。
このように、内壁５１の略全周に亘って予め結晶化した結晶化層２と電極１との間には間隙が維持され、内壁５１の一部が結晶化して電極１と当接するような事態に至ることがなく、収縮時に電極１が拘束されず曲がりが生じることがない。
【００３０】
続いて、第３の実施形態について図３に基いて説明する。
図において、電極１には石英ガラス製保持用筒体７が装着されていて、該保持用筒体７は封止部５の発光部４よりの位置に溶着により一体化されて設けられている。電極１は放電空間内に突出している部分１４と、これより細径で封止部５内に埋設される部分１５とからなり、前記保持用筒体７はこれらの段部１３と、電極１に溶接等により装着されたコイル８とによって位置決めされている。このとき、保持用筒体７の貫通孔７１と電極１との間には微小間隙が形成されている。
【００３１】
前記保持用筒体７はクリストバライトなど予め結晶化されたシリカからなる。即ち、石英ガラス製の保持用筒体７を所定形状に成形し、これを、例えば１２００℃以上の炉中で１００時間程度加熱することによって結晶化させたものである。
このように予め結晶化された保持用筒体７を電極１に装着し、封止部５内に溶着するものである。こうすることによって、封止部５の放電空間よりの端部には、電極１の外周に予め結晶化された保持用筒体７が存在することになる。当該保持用筒体７は、前記第１、第２の実施形態における結晶化層２に相当する。
なお、保持用筒体７の放電空間側の端面７２は、発光部４の内面に沿うように滑らかなすり鉢形状にされている。
【００３２】
上記構成において、封止部５の内部の温度は、径方向には電極１に近いほど高く、軸方向には発光部４に近いほど高くなる。そのため、封止部５と発光部４との接続部分において最も温度が高くなる。
しかしながら、当該部位には、予め結晶化したシリカよりなる保持用筒体７が埋設されており、この保持用筒体７はランプに組み込む以前に成形し、予め結晶化するので、その厚さは任意に十分に厚くすることができる。
このように、通常点灯によって封止部５の温度が上昇する部分は、既に結晶化された組織になっているため、体積膨張を伴う相転移が新たに発生することがない。したがって、放電ランプを点灯し続けても、電極１と保持用筒体７との間隙が埋まって、電極１と保持用筒体７とが接触するようなことはなく、電極１と保持用筒体７とが離間した状態を維持することができる。
【００３３】
このように、電極１と保持用筒体７とが離間した状態を維持できるので、高圧放電ランプの点灯・消灯に伴い電極１が軸方向の膨張・収縮を繰り返しても、電極１は軸方向の動きを拘束されることがないので、電極１の周方向部位による収縮量の差が発生せず、電極１の曲がりが生ずることがない。
【００３４】
また、保持用筒体７が結晶化したシリカにより形成されているので、放電容器３を構成する石英ガラスとのなじみがよく、保持用筒体７と封止部５を溶着することができる。なお、保持用筒体７と封止部５との境目には気泡など痕跡が残るので、保持用筒体７を用いて作成したことがわかる。さらに、保持用筒体７をＸ線回折法により測定することで、結晶化したシリカにより形成されたものであるかどうかを確認することができる。
【００３５】
高圧放電ランプを点滅点灯させ、電極の曲がりの発生有無を検証した。
〔実施例１〕
第１の実施形態に示す高圧放電ランプを実験対象として用いた。実験対象の高圧放電ランプの仕様を以下に示す。
＜ランプ仕様＞
放電容器：材質；石英ガラス、全長；９．０〜１１．１ｍｍ
発光部の最大外径；φ１０．０〜１１．３ｍｍ
封止部：外周径φ６．０ｍｍ
封入物：水銀；０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上、
臭素ガス（ハロゲン）；１．０×１０−６〜１．０×１０−２ｍｏｌ／ｍｍ３
電極    ：直径φ１．６ｍｍ、全長７．６ｍｍ
定格電力：２７５Ｗ
【００３６】
この高圧放電ランプを、封止部の外側に筒状のコイルを設置し、定格電力２７５Ｗより大きい入力電力３３０Ｗで１００時間連続点灯させて、封止部の内壁の表面に環状の結晶化層を形成させて、電極と結晶化層とが接触する状態とさせた。
また、比較例として、上記結晶化層の形成プロセスを経ておらず、封止部の内壁の表面に環状の結晶化層が形成されていないことのほか、同様の仕様の高圧放電ランプを用意した。
【００３７】
第１の実施形態の高圧放電ランプと比較例の高圧放電ランプとを、それぞれ１０本ずつ用意し、入力電力２７５Ｗ、１５分点灯・１５分消灯を１セットにする点滅点灯で、点滅回数が１００回、３００回、５００回となる各々の時点で、電極の曲がりの有無を観測した。なお、電極先端の位置が１．０ｍｍ以上ずれた場合に、電極の曲がりが発生したと判定した。
【００３８】
実験結果を表１に示す。１０本の実験対象の高圧放電ランプのうち、電極曲がりが１本も発生しなかった場合を○、電極曲がりが発生したが４本以下の場合を△、電極曲がりが５本以上で発生した場合を×とした。
【００３９】
【表１】
2010129366.tif 000003
【００４０】
第１実施形態の高圧放電ランプでは、５００回点滅させても電極曲がりが１本も発生しなかったが、比較例の高圧放電ランプでは、３００回点滅させると電極曲がりが数本発生した。
これより第１の実施形態の高圧放電ランプは、高圧放電ランプの点灯・消灯に伴い電極１が膨張・収縮を繰り返しても、電極１の周方向部位による収縮量の差が発生せず、電極１の曲がりを防止することができることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第1の実施形態を示す断面図
【図２】本発明の第2の実施形態を示す断面図
【図３】本発明の第3の実施形態を示す断面図
【図４】従来の高圧放電ランプの構成を示す説明図
【図５】図４の封止部の拡大説明図
【符号の説明】
【００４２】
１        電極
２        結晶化層
３        放電容器
４        発光部
５        封止部
６        金属箔
７        保持用筒体（結晶化層）
１０      高圧放電ランプ
【図１】
2010129366.tif 000004
【図２】
2010129366.tif 000005
【図３】
2010129366.tif 000006
【図４】
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【図５】
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