(57)【要約】【課題】電極損耗後における、マイクロ波放電ランプのちらつきの発生を抑える。【解決手段】マイクロ波放電ランプにおける点灯による電極損耗量を予測し、電極損耗後であっても電極の先端面の電極軸と垂直な方向の最大寸法を０．６ｍｍ以下に維持できる電極を使用する。円錐台状の先端部１１２を有する電極１４において、先端面の直径をｄ〔ｍｍ〕、テーパー部と電極軸のなす角度をθ、損耗量をＸ〔ｍｍ〕としたとき、ｄ≦０．６−２Ｘｔａｎθとなるように電極を形成する。【選択図】図５
2015032422.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電空間に一対の電極を備えた発光管を有し、
マイクロ波電力により点灯するマイクロ波放電ランプであり、
前記一対の電極は、点灯により先端が消耗した状態における電極先端面の電極軸と垂直な方向の最大寸法をＤ〔ｍｍ〕としたとき、
Ｄ≦０．６ｍｍであることを特徴とするマイクロ波放電ランプ。
【請求項２】
前記電極の先端部は円錐台状であり、テーパー部を有し、
点灯前の前記電極の先端面の電極軸と垂直な方向の最大寸法をｄ〔ｍｍ〕、
前記テーパー部の電極軸となす角度をθ、
前記電極の損耗量をＸ〔ｍｍ〕としたとき、
ｄ≦０．６−２Ｘｔａｎθ
であることを特徴とする請求項１記載のマイクロ波放電ランプ。
【請求項３】
前記電極の放電空間内における体積をＶ〔ｍｍ３〕、
点灯電力をＰ〔Ｗ〕としたとき、
Ｖ≧０．０２８５Ｐであり、
前記ｄ〔ｍｍ〕が、
ｄ≦０．６−０．２ｔａｎθ
であることを特徴とする請求項２記載のマイクロ波放電ランプ。
【請求項４】
放電空間に一対の電極を有するマイクロ波放電ランプにおいて、
電極体積と点灯電力から寿命中における電極の損耗量を予測し、
電極損耗後の電極先端面の電極軸と垂直な方向の最大寸法が０．６ｍｍ以下となるようにする電極形状の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はマイクロ波を使用して点灯するマイクロ波放電ランプに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、放電容器内部に放電コンセントレータを備えたランプに凹面反射鏡をセットし、共振室構成容器内に配置して、電磁エネルギーを共振室構成容器内に導入し点灯する電磁エネルギー励起点光源ランプ装置が開示されている。
この電磁エネルギー励起点光源ランプは、電磁エネルギーが供給されると放電コンセントレータにより電界を集中させ強め、放電を点光源化するものである。
【０００３】
特許文献２には、電極材料であるタングステンが溶融・蒸発して損耗することを防止するため、電極先端部分に巻いたコイルを一体溶融することにより電極先端部の熱容量を増大させる高圧放電ランプが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許３５８０２０５号公報
【特許文献２】特開２００４−２８８３９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
プロジェクタ用の超高圧水銀ランプなど、高い電流を流す電極の先端部は、溶融して半球状に形成したり、切削加工によりテーパー状に形成するのが一般的である。このように形成することにより、電極先端部のアークの輝点となる位置を安定させる効果を有し、ちらつきの発生を抑制する効果がある。
また、電極先端部を溶融して半球状に形成したり、切削加工によりテーパー状に形成することにより、電極先端部の熱容量を増大させ電極の損耗を抑える効果も有する。
【０００６】
しかしながら、高負荷の状態で長時間ランプを点灯していると、電極は徐々に損耗してしまう。
電極が損耗することにより、電極先端部は初期の形状から変化してしまうので、電極先端部のアークの輝点となる位置が移動しやすくなり、ちらつきの発生要因となる。
そこで本発明は、電極が損耗した状態であっても、ちらつきの発生を抑制することが可能なマイクロ波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】
【０００７】
本発明のマイクロ波放電ランプは、放電空間に一対の電極を備えた発光管を有し、マイクロ波電力により点灯するマイクロ波放電ランプであり、前記一対の電極は、点灯により先端が消耗した状態における電極先端面の電極軸と垂直な方向の最大寸法をＤ〔ｍｍ〕としたとき、Ｄ≦０．６ｍｍであることを特徴とする。
この構成により、電極先端面の電極軸と垂直な方向の最大寸法が０．６ｍｍ以下であるので、寿命中におけるちらつきを抑制することが可能である。
【０００８】
また、前記電極の先端部は円錐台状であり、テーパー部を有し、点灯前の前記電極の先端面の電極軸と垂直な方向の最大寸法をｄ〔ｍｍ〕、前記テーパー部の電極軸となす角度をθ、前記電極の損耗量をＸ〔ｍｍ〕としたとき、ｄ≦０．６−２Ｘｔａｎθであることを特徴とする。
円錐台状の先端部を有する電極において、ｄ≦０．６−２Ｘｔａｎθとすることにより、電極損耗後の電極先端面の電極軸と垂直な方向の最大寸法が０．６ｍｍ以下となるので、ちらつきを抑制することができる。
【０００９】
また、前記電極の放電空間内における体積をＶ〔ｍｍ３〕、点灯電力をＰ〔Ｗ〕としたとき、Ｖ≧０．０２８５Ｐであり、前記ｄ〔ｍｍ〕がｄ≦０．６−０．２ｔａｎθであることを特徴とする。
Ｖ≧０．０２８５Ｐであれば、電極損耗量は０．１ｍｍ以内に抑えられるので、ｄ≦０．６−０．２ｔａｎθとすることにより、ちらつきを抑制することができる。
【００１０】
また、本発明は、放電空間に一対の電極を有するマイクロ波放電ランプにおいて、電極体積と点灯電力から寿命中における電極の損耗量を予測し、電極損耗後の電極先端面の電極軸と垂直な方向の最大寸法が０．６ｍｍ以下となるようにする電極形状の設計方法である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、マイクロ波放電ランプにおいて、点灯により電極が損耗した状態であってもちらつきの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明のマイクロ波放電ランプを示す図である。
【図２】本発明のマイクロ波放電ランプ装置を示す図である。
【図３】マイクロ波放電ランプの点灯による電極間距離の変化を示す図である。
【図４】マイクロ波放電ランプの５００時間点灯後の電極状態の例を示すＸ線写真である。
【図５】本発明の実施例１における電極形状を示す図である。
【図６Ａ】本発明の実施例１における電極の先端部を示す図である。
【図６Ｂ】本発明の実施例１における５００時間点灯後の電極の先端部を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、本発明に係るマイクロ波放電ランプを示す図である。
図１の放電ランプ１は、石英ガラスからなり、発光部１１と発光部１１の両端に封止部１２ａ、１２ｂを備え、発光部内部には放電空間１３が形成されている。放電空間１３内には、一対の電極１４ａ、１４ｂが封止されている。一対の電極１４ａ、１４ｂ及び電極に接続されたモリブデンからなる金属箔１５ａ、１５ｂが封止部１２ａ、１２ｂに封止され、電極１４ａ、１４ｂは放電空間１３内に突出して保持される。
電極間距離は０．８ｍｍである。電極間距離は光学効率を上げるために２ｍｍ以下にすることが好ましく、１ｍｍ以下である方がより好ましい。
一対の電極１４ａ、１４ｂはタングステン製であり、放電による電極の損耗を防ぐため、
切削加工などにより先端部の熱容量が大きくなるように形成されている。先端の熱容量を大きくする方法のほか、コイル部材を取り付け放熱性を向上させる方法などにより、電極の損耗を抑えることができる。
金属箔１５ａ、１５ｂにはリード線１６ａ、１６ｂが接続されている。リード線１６ａ、１６ｂは、後述するようにマイクロ波電力を電極に供給するために使用されたり、製造工程で放電容器１３内に電極１４ａ、１４ｂを設置するために使用されるものである。
【００１４】
図２は、図１に示す放電ランプ１を点灯するためのマイクロ波放電ランプ装置２０を示す断面図である。
チャンバー２１は金属製であり、放電ランプを収容するランプ収容部２１ａと放電ランプにマイクロ波電力を伝達しインピーダンス調整を行なうインピーダンス調整部２１ｂを有する。ランプ収容部２１ａの前面には開口部２２が設けられており、この開口部２２から放電ランプの光を取り出し利用する。インピーダンス調整部２１ｂにはマイクロ波電源（図示せず）からの電力を受けるためのコネクタ２３が接続されている。
放電ランプ１には反射鏡３０が固着されている。反射鏡３０は誘電体からなり、反射面も誘電体膜にて形成される。反射鏡３０の反射面は楕円面形状に形成されており、放電ランプ１の一対の電極１４ａ、１４ｂの中心位置が楕円面の焦点とほぼ一致するように位置合わせされている。尚、反射面形状は楕円面に限られるものではなく、放物面形状などでも良い。
インピーダンス調整部２１ｂ内部には、コネクタ２３の内部導体と接続される金属棒２４が配置されている。金属棒２４は放電ランプ１のリード線１６ａと接続され、放電ランプ１にマイクロ波電力を供給するのに使用されるとともに、金属棒２４の寸法（長さ・径）やインピーダンス調整部２１ｂの内壁との距離などを適切な寸法に設定することにより、マイクロ波電源とインピーダンスマッチングを図る機能を有する。
金属スリーブ４０は発光管１の金属部材（電極、金属箔、リード線）とチャンバーとの間の容量成分を調整するものであり、この金属スリーブ４０によっても、インピーダンスマッチングを図ることができる。
尚、放電ランプ１へのマイクロ波電力の供給は、金属棒２４とリード線１６ａを直接接続して供給する構成を説明したが、放電空間内の電極にマイクロ波電力が供給される形態であれば良く、直接接続をしない容量結合方式も可能である。
【００１５】
通常の（マイクロ波放電方式でない）放電ランプのランプ電圧は２つの電極の電極間距離に比例して変化するため、電極が損耗すると、ランプ電圧は上昇する。
このため一定の電力で点灯した場合、電極が損耗することにより、ランプ電圧は上昇し、ランプ電流は低下する。
一般的に放電ランプの点灯による電極の損耗量（溶融による軸方向への先端後退距離）は、電流値と正の相関をとり、電流値が大きければ電極の損耗は大きくなり、電流値が小さくなれば電極の損耗は小さくなる。
従って、電極が損耗するのに伴いランプ電圧が上昇し電流値が低下し電極が損耗しにくくなるため、ある一定の電極間距離になるまで損耗が続いてしまう傾向がある。
【００１６】
一方、マイクロ波放電方式における電極損耗の様子は、通常の放電ランプとは異なる。
図３は、初期の電極間距離が０．６ｍｍ、０．８ｍｍ、１．０ｍｍの３種類のマイクロ波放電ランプの、点灯による電極間距離の変化を示す図である。
図３に示すように、いずれのランプにおいても、点灯開始から１００時間程度までは、電極が大きく損耗するため電極間距離の伸びが著しく、その後５００時間程度まで緩やかに損耗を続け、５００時間以降では電極の損耗がほぼ収まる傾向にある。
このため、マイクロ波放電方式においては、電極の損耗量がある程度は予測可能と言える。
通常のランプではある一定の電極間距離になるまで損耗を続けるため、初期の電極間距離がばらついていると電極損耗量の予測は不可能である。
【００１７】
図４は５００時間点灯後におけるマイクロ波放電ランプの電極状態の例を示すＸ線写真である。
図４に示すように電極は点灯により、先端面が略平坦に損耗する。この平坦に損耗した先端面の、電極軸と垂直な方向の最大寸法Ｄとちらつきの関係を観察した。尚、ちらつきの判定は、ランプを点灯した状態でスクリーン上の照度変化を測定し、５％以上の急激な照度変化を観測したものをちらつきと判定した。
ちらつきの発生確率はＤに関係があり、Ｄ＝０．６ｍｍのランプではほとんどちらつきは観測されなかったが、Ｄ＝０．８ｍｍのランプでは照度変化が１０％以上の急激な照度変化が観測された。
【００１８】
上述の実験結果より、以下の２つの知見を得ることができた。
（１）マイクロ波放電方式においては、電極の損耗量を予測することができる。
（２）電極軸と垂直な方向の最大寸法Ｄが０．６ｍｍ以下では、ちらつきが発生しにくい。
マイクロ波放電方式では電極の損耗量が予測できるので、寿命中における電極の先端面の電極軸と垂直な方向の最大寸法Ｄが０．６ｍｍ以下となるように、初期（製造時）の電極形状を設計しておけば、電極が損耗してもちらつきが発生しにくい電極形状を維持できることになる。
これは、電極の損耗量が予測できない通常のランプにおいては採ることのできない方策である。
【実施例１】
【００１９】
図５は実施例１に係るマイクロ波放電ランプの電極形状を示す図である。
電極１４は先端部１１１、コイル部１１２、芯棒部１１３を有しており、この３つの部位が直線的に配置され構成されている。
先端部１１１は円錐台状であり、先端径ｄは直径０．４ｍｍ、先端部の最大径部の直径は１．７ｍｍに形成されており、電極軸と円錐台状のテーパー部のなす角θは３０度に形成され、電極軸方向の長さは１．４ｍｍである。コイル部１１２は芯棒部１１３より太径に形成された軸部１１２Ａに放熱のためのコイル１１２Ｂを巻きつけたものである。軸部１１２Ａの直径は１．３ｍｍ、電極軸方向の長さは２．０ｍｍに形成されており、直径０．２ｍｍのコイル１１２Ｂが６ターン巻き回されている。
芯棒部１１３は直径０．４ｍｍ、長さは４．９ｍｍであり、電極全体の長さは８．３ｍｍである。また、放電空間１３内における電極１４の体積はそれぞれ５．７ｍｍ３である。
【００２０】
図５に示す電極１４を、電極間距離０．８ｍｍにて放電空間内に配置した放電ランプ１を図２に示すマイクロ波点灯装置２０を使用して点灯電力２００Wで点灯する寿命試験を行った。
【００２１】
図６Ａ、図６Ｂは上述の寿命試験における電極１４の先端形状の変化を示す図である。
図６Ａは初期（製造時）の電極先端形状を示す図であり、図６Ｂは点灯後５００時間における損耗した電極１４の形状を模式的に表した図である。
図６Ｂにおいて、破線部は初期の電極形状を表したものである。
【００２２】
図６Ａ、図６Ｂに示すように、点灯により電極は損耗し、点灯後５００時間における電極の損耗量Ｘは０．１ｍｍであり、このときの先端面の直径ｄ’は０．５１ｍｍであった。
５００時間以降も点灯を続けたが、１５００時間における損耗量は５００時間とほぼ変わらなかった。５００時間経過後であっても、電極先端径は０．５ｍｍ程度であり、ちらつきの発生はほとんどなかった。
尚、電極１４の形状は上述のものに限らない。
コイルは放熱のためにあったほうが望ましいが、巻いていなくとも構わない。
【００２３】
電極損耗量は放電空間内における電極の体積と点灯電力により変化し、電極の体積が大きくなれば損耗量は小さくなり、点灯電力が大きくなれば損耗量も大きくなる。
実施例１において、放電空間１３内の電極１４の体積は５．７ｍｍ３であり、この電極１４を用いた放電ランプ１を２００Ｗで点灯したときの電極１４の損耗量が０．１ｍｍであるから、電極１４の体積をＶ〔ｍｍ３〕、点灯電力をＰ〔Ｗ〕としたとき、Ｖ≧０．０２８５・Ｐとなるように点灯電力に合わせて電極１４の体積を形成すれば、損耗量は０．１ｍｍ以内になる。つまり、Ｖ≧０．０２８５・Ｐの範囲であれば、電極１４の損耗量が０．１ｍｍ以内に抑えられるので、ｄ≦０．６−０．２ｔａｎθとなるように電極形状を形成することにより、寿命中における電極先端径を０．６ｍｍ以内に抑えることができるので、ちらつきの発生を抑制することができる。
【００２４】
以上、説明したように、マイクロ波放電ランプにおいては、電極の損耗量が予測可能であるため、点灯中にちらつきの発生しない電極形状を維持することが可能である。
円錐台状の先端部を有する電極においては、円錐台状部の先端面の直径をｄ〔ｍｍ〕、電極軸と円錐台状のテーパー部とのなす角をθ、電極の損耗量をＸ〔ｍｍ〕としたとき、ｄ≦０．６−２Ｘｔａｎθとなるように電極先端部の形状を形成すれば、点灯によりＸ〔ｍｍ〕電極が損耗しても、先端径は０．６ｍｍ以内に収まるため、ちらつきの発生を抑制することが可能である。
【符号の説明】
【００２５】
１  放電ランプ
１１  発光部
１２ａ、１２ｂ  封止部
１３  放電空間
１４、１４ａ、１４ｂ  電極
１５ａ、１５ｂ  金属箔
１６ａ、１６ｂ  リード線
２０  マイクロ波放電ランプ装置
２１  チャンバー
２１ａ  ランプ収容部
２１ｂ  インピーダンス調整部
２２  開口部
２３  コネクタ
２４  金属棒
３０  反射鏡
４０  金属スリーブ
１１１  先端部
１１２  コイル部
１１２Ａ  軸部
１１２Ｂ  コイル
１１３  芯棒部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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