(57)【要約】【課題】電極の大径部に成長した結晶粒界面を起点とした電極折れが生じることを抑制するとともに、不純物による発光管の黒化を防止し、信頼性の高い超高圧水銀ランプを提供すること。【解決手段】発光管の内部に一対の電極が対向配置され、水銀が封入０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上封入された超高圧水銀ランプにおいて、前記電極は、先端部と、基端部と、連結部材とを具備し、前記先端部は、基端側の端部に凹状の開口を有し、９９．９９重量％以上の純度を有するタングステン材よりなり、前記基端部は、先端側の端部に凹状の開口と、基端側に軸部を有し、９９．９重量％未満の純度を有するタングステン材よりなり、前記先端部および前記基端部の開口内に連結部材が圧入されて、前記先端部および前記基端部が連結されてなることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光管の内部に一対の電極が対向配置され、水銀が封入０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上封入された超高圧水銀ランプにおいて、
前記電極は、先端部と、基端部と、連結部材とを具備し、
前記先端部は、基端側の端部に凹状の開口を有し、９９．９９重量％以上の純度を有するタングステン材よりなり、
前記基端部は、先端側の端部に凹状の開口と、基端側に軸部を有し、９９．９重量％未満の純度を有するタングステン材よりなり、
前記先端部および前記基端部の開口内に連結部材が圧入されて、前記先端部および前記基端部が連結されてなることを特徴とする超高圧水銀ランプ。
【請求項２】
前記連結部材は、モリブデン、酸化ジルコニウム、または酸化アルミニウムのいずれかよりなることを特徴とする請求項２に記載の超高圧水銀ランプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば液晶ディスプレイ装置などのプロジェクタ装置用の光源に使用される超高圧水銀ランプに関する。特に、発光管内に０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀が封入され、点灯時の水銀蒸気圧が１５０気圧以上になるショートアーク型超高圧水銀ランプに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、プロジェクタ装置等の光源としてショートアーク型超高圧水銀ランプが広く利用されており、近年これらのプロジェクタ装置は小型化されて簡易に持ち運び可能なタイプが普及している。このような小型化されたプロジェクタ装置であっても、十分な明るさを確保して、昼間でも画像がよく見えるようにするための光出力性能が光源には求められている。このような背景から、これらのプロジェクタ装置に搭載される光源については、小型であると同時に一層の高出力化が検討されている。
【０００３】
小型でありながら高出力化するための方策の一つとして、ランプの入力電力を高くし、発光部に封入する水銀封入量を増加させ、点灯圧力を高める改良がなされている。しかし電極は、寸法を同じくして入力電力、水銀封入量を増加させれば、点灯時の温度は高温となり、蒸発によって損耗しやすくなる。
そのため電極は、純度の非常に高いタングステンにより構成され、先端が高温になって蒸発したとしても、発光管内に封入されたハロゲンガスと反応してハロゲン化物となり、また電極の先端に帰還する、いわゆるハロゲンサイクルを働かせることによって長寿命化がなされている。このとき電極の先端に、ハロゲン化物とならない、つまりハロゲンサイクルに供しない不純物などが含まれていると、点灯時にこれらが蒸発して管壁に付着し、発光管の黒化を引き起こすなど、ランプの寿命を短くする原因となる。ゆえに、電極の先端には純度の非常に高いタングステンが用いられる必要がある。
【０００４】
しかし、純度の非常に高いタングステン材は、点灯時の高温によって約１３００℃以上になると、結晶状態が電極軸方向に沿った針状結晶から略球状の粒状結晶へ変化する再結晶成長が発生しやすく、結晶粒の粗大化によって結晶粒界面が電極径方向に一面的に拡大して、材料の機械的強度が低下することとなる。さらに電極は非常に小径であるため、結晶粒界面を起点として製造時や点灯時に折れが発生するという問題があった。
【０００５】
そこで、例えば特開２００７−２８７３８７号公報（特許文献１）には、先端に位置する電極本体に純度の高いタングステン材を用い、電極本体を支持する電極軸部に、多くの粒界を有する機械的強度の高いタングステン材料を用いることで、ランプの黒化を防止するとともに、電極軸部の折れを防止する超高圧水銀ランプが開示されている。
【０００６】
図５（ａ）は、特許文献１に記載の超高圧水銀放電ランプの管軸を含む平面で切断した断面図であり、（ｂ）は電極を前記ランプの管軸を含む平面で切断した断面図である。放電ランプ１は、発光空間Ｓを内部に有する略球状の発光部１１と、発光部１１の両端に連続する柱状の封止部１２とを有する発光管１０を具えている。発光空間Ｓ内には、一対の電極１３、１４が対向配置されると共に、発光物質として０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀と、ハロゲンサイクルを行うためのハロゲンガスが封入されている。
【０００７】
電極１３、１４は、一部が封止部１２の発光部１１側に埋設されると共に、給電用の金属箔１５の一端に接続されている。金属箔１５の他端には、封止部１２から外方に突出する外部リード１６が接続されている。この従来の超高圧水銀ランプでは、一方の電極、例えば電極１４は、両端が縮径した円柱状である径の大きい電極本体Ａと、柱状の電極軸部Ｂを具備しており、電極軸部Ｂの最小径部ｄにおける電極中心軸と直交する断面において、多くの結晶粒界を有している。
【０００８】
上記構成に係る超高圧水銀ランプは、先端に位置する電極本体に純度の高いタングステン材を用い、電極本体を保持する電極軸部に多くの粒界を有する機械的強度の高いタングステン材料を用いて、各々の部材をレーザーにて接合することで、ランプの黒化を防止するとともに、電極軸部の折れを防止することができる。
【特許文献１】特開２００７−２８７３８７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、これらの超高圧水銀ランプへの小型化、高出力化の要求はますます高まっており、高出力化のための水銀封入量と定格電力の増大とともに、使用時の電極先端の温度もこれまで以上に高温となるものになった。これにより、電極の軸部と比較して、より先端側である径の大きい大径部において、高温に曝されて結晶粒が粗大化する再結晶成長が顕著になり、機械的強度が低下することとなった。そして、大径の部位においても、成長した結晶粒界面を起点として、折れが発生する場合があり、特に大径部と軸部の間の領域において折れが発生するという問題があった。
【００１０】
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、電極の大径部に成長した結晶粒界面を起点とした電極折れが生じることを抑制するとともに、不純物による発光管の黒化を防止し、信頼性の高い超高圧水銀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】
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するために、発光管の内部に一対の電極が対向配置され、水銀が封入０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上封入された超高圧水銀ランプにおいて、前記電極は、先端部と、基端部と、連結部材とを具備し、前記先端部は、基端側の端部に凹状の開口を有し、９９．９９重量％以上の純度を有するタングステン材よりなり、前記基端部は、先端側の端部に凹状の開口と、基端側に軸部を有し、９９．９重量％未満の純度を有するタングステン材よりなり、前記先端部および前記基端部の開口内に連結部材が圧入されて、前記先端部および前記基端部が連結されてなることを特徴とする。
【００１２】
また、前記連結部材は、モリブデン、酸化ジルコニウム、または酸化アルミニウムのいずれかよりなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、電極は、純度の高いタングステン材よりなる先端部と、先端部よりも純度が低めの再結晶化しにくいタングステン材とを、連結部材の圧入により簡便に連結して作製される。すなわち、純度の非常に高いタングステン材を先端部に用いて、発光管の黒化を防止することが出来るとともに、大径部および軸部を具備する基端部に９９．９重量％未満の純度を有する機械的強度の高いタングステン材料を使用するために、電極折れが発生するという問題を解決することが出来る。
さらに、連結部材が、例え再結晶成長が起こったとしても、電極折れの起点となる径方向への粒界面の成長を防ぐことが出来るとともに、芯金のような役割を果たし、先端部においても、電極の脱落を防止することが出来る。
【００１４】
また、連結部材が、電極材料であるタングステンよりも熱伝導率の低い材料により構成されているので、先端から基端側への伝熱を抑制し、高温による再結晶化成長を抑制して、電極折れ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】
【００１５】
以下に、本発明について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る放電ランプの全体構成を示す、管軸を含む平面で切断した概略断面図である。
放電ランプ１は、石英ガラスからなる略球状の発光部１１と、発光部１１の両端に連続する柱状の封止部１２とからなる発光管１０を具えている。発光部１１の内部の発光空間Ｓ内には、発光物質として０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀と、ハロゲンサイクルを行うための、例えば臭素などのハロゲンガスと、始動性改善のための、例えばアルゴンなどの希ガスが封入されている。
【００１６】
発光部１１の内部の発光空間Ｓには、タングステン材からなる一対の電極１３、１４が各々の先端を対向して配置されている。電極１３、１４の一部は封止部１２内に埋設され、モリブデンからなる給電用の金属箔１５の一端に接続されている。金属箔１５の他端には、一部が封止部１２内から外方に突出する外部リード１６の一端が接続されている。これら導電部材である、電極１３、１４の封止部側の一部、金属箔１５、外部リード１６の発光空間Ｓ側の一部は、例えばシュリンクシールによって封止部１２内に気密に封止される。
【００１７】
このような放電ランプ１は、両端の外部リード１６に不図示の給電装置が接続され、電極１４の各々に給電されることによって、電極１３、１４の間で交流電圧が印加され、絶縁破壊して電極間に放電アークが形成され、発光部１１から可視光を含む光線が発光部１１から外方に放出される。
【００１８】
図２に本発明の実施形態に係る電極を抽出した概略断面図を示す。
ここで、電極構造の位置関係の説明のために、電極中心軸Ｌに沿って、電極が封止部に埋設されている側を「基端側」、発光空間Ｓに突出している側を「先端側」と呼ぶこととする。また、「径」とは電極中心軸Ｌに対する径であるとする。以下には電極１４について説明するが、対向する電極１３についても同様のものとする。
【００１９】
図２において、電極１４は、先端部１４２、基端部１４３、連結部材１４１の３つの部材より構成される。先端部１４２は、大径の部材であり、その先端側は例えば略半球状、円錐台状に形成される。当該先端部の基端部１４３側には、径方向に切断された端面１４６を有し、該端面１４６には、該端面の略中央から電極軸Ｌに沿って先端側に向かって凹状の開口１４８が、連結部材１４１を挿入するために形成される。
この先端部１４２は、９９．９９重量％以上の純度を有するタングステン材よりなり、そのタングステン純度は高ければ高いほど好ましい。実際には９９．９９重量％以上の純度を有する市販のタングステン材を購入することにより入手可能である。
交流点灯方式の超高圧水銀ランプにおいては、前記先端部１４２は電子を放出する部分であって、電子放出を容易にするために、先端の形状を、半球状、円錐状、円錐台状などのように先端に近づくにつれて縮径させたり、先端に小径の突起を設けたり適宜設計されるので、先端の一部は小径ともなる。また電子の衝突を受ける部分でもあるから、熱容量を増やすために先端側の一部を径方向に拡大して体積を増やすような設計も考えられる。
【００２０】
基端部１４３の先端側は先端部１４２と同程度に大径であり、先端部１４２側には径方向に切断された端面１４７を有し、該端面１４７には、該端面の略中央から電極軸Ｌに沿って基端側に向かって凹状の開口１４９が形成される。基端部１４３の基端側には小径で柱状の軸部１４ｃが一体となって備わる。基端部の大径の部分と軸部１４ｃとの間には、基端側に向かって漸次縮径する縮径部１４ｂを備える。
この基端部１４３は、９９．９重量％未満の純度を有するタングステン材からなる。基端部１４３には、機械的強度を高める目的で添加物等を添加してもよい。具体的には、カリウム、または酸化トリウムなどが好適に用いられ、例えばカリウムであれば、最大で１２０重量ｐｐｍ、酸化トリウムであれば最大で２重量％程度添加することが好ましい。添加された添加物は、軸方向に伸びる結晶粒界においてタングステン粒同士が再結晶化することを阻害し、再結晶化温度を２０００Ｋ以上に上昇させることができるため、高温においても機械的強度を維持することが出来る。
また、基端部１４３には、縮径部１４ｂを設けない構成も可能であり、大径部１４ａと軸部１４ｃを直に隣接させて当該基端部１４３を形成しても良い。
【００２１】
連結部材１４１は、前記開口１４８、１４９に圧入されて、先端部１４２と基端部１４３とを連結する部材である。電極完成時には、当該連結部材１４１は、開口１４８、１４９内に収まり、先端部１４２と基端部１４３とに囲繞されて放電に曝されることはない。
連結部材１４１の形状は、軸部１４ｃよりも大径であり、例えば略円柱状に形成され、用いられる材料としては、圧入に耐えうる剛性があり、純タングステンの再結晶成長が始まる１３００Ｋにおいても溶解せず、再結晶成長しないものが好ましい。例えばモリブデン、タンタル、酸化アルミニウム、または酸化ジルコニウムなどを好適に用いることができる。
さらには、連結部材１４１に用いられる材料は、電極１４の外側を構成する材料であるタングステンよりも熱伝導率が低いことが好ましい。例えば、上記した４つの材料はいずれも熱伝導率がタングステンよりも低い。
なお、連結部材１４１の形状は円柱状の塊でなくてもよく、図３のように例えばモリブデン、タンタル等の金属であれば線状材をコイル状にして連結部材１４１とすることもできる。
【００２２】
本発明に係る超高圧水銀ランプの電極は、以下に説明する方法によって製造することができる。
図４（ａ）ないし（ｃ）に電極の製造方法を説明するための図を示す。
図４（ａ）に示すように、９９．９９重量％以上の純度を有するタングステン材よりなる先端部１４２、連結部材１４１、９９．９重量％未満の純度を有するタングステン材よりなる基端部１４３をそれぞれ用意する。
各々の部材は、例えば切削により作製することができる。
次に、図４（ｂ）に示すように、基端部１４３の開口１４９内に、連結部材１４１を電極軸に沿って圧入して嵌合する。
このとき、連結部材１４１の先端側は開口１４９内に入りきらず外部に突出する。
次に、図４（ｃ）に示すように、連結部材１４１の外部に突出した先端側を、先端部１４２の開口１４８内に対して圧入し、嵌合する。
このとき、先端部１４２の端面１４６と、基端部１４３の端面１４７とが当接し、連結部材１４１を囲繞することとなる。
以上の工程を経ることによって、本発明に係る超高圧水銀ランプの電極を作製することができる。
【００２３】
上記構成に係る超高圧水銀ランプによれば、純度の高いタングステン材よりなる先端部と、先端部よりも純度が低めの再結晶化しにくいタングステン材を、連結部材の圧入により簡便に作製される。すなわち、先端部に９９．９９重量％以上の純度を有するタングステン材を使用するために、含有される不純物の量が極めて少ない。これにより、不純物が発光管の内壁に付着することによって生じる、発光管の黒化を防止することが出来る。
また、大径部および軸部を具備する基端部に、９９．９重量％未満の純度を有するタングステン材料を使用するために、再結晶成長が起こりにくく、電極の軸部のみでなく、大径部においても電極折れが発生するという問題を解決することが出来る。
さらに、連結部材が電極の内部にあって、点灯時に再結晶成長や溶融するものではないから、例え再結晶成長が起こったとしても、電極折れの起点となる径方向への粒界面の成長を連結部材によって防ぐことが出来るとともに、当該連結部材が芯金のような役割を果たし、９９．９９重量％以上の純度を有するタングステン材よりなる先端部においても、電極の脱落を防止することが出来る。
【００２４】
また、連結部材が、電極材料であるタングステンよりも熱伝導率の低い材料により構成されているので、先端から基端側への伝熱を抑制し、折れが発生しやすい大径部と軸部の間の領域へ熱を伝わりにくくすることにより、高温による再結晶化成長を抑制して、当該領域での電極折れを防止することができる。
さらに、電極軸部の径よりも大径である連結部材によって、先端部と基端部とを連結するので、難削材であるタングステンを用いても、非常に小径である電極軸部に比べれば加工が容易である。すなわち、例えば軸部を大径部に嵌入して支持する場合には、設計寸法が小さいためにより精度よく仕上げることが困難であると共に、寸法が合わずに嵌入しても連結出来ないという不具合が発生しやすいという問題があるが、当該連結部材によってこれを解決することが出来る。
【００２５】
上記のような本発明に係る放電ランプに用いる電極の仕様の一例を示すと、以下のとおりである。
電極１４は、電極全長ＴＬが８．２ｍｍ、先端部１４２の最大外径Ｄが１．６ｍｍ、先端部の電極軸Ｌ方向の長さが１．９ｍｍ、基端部１４３の最大外径Ｄは先端部と略等しく、基端部１４３の電極軸Ｌ方向の長さが６．３ｍｍ、そのうち軸部１４ｃの最大外径ｄが０．５ｍｍ、連結部材１４１の電極軸Ｌ方向の長さが１．８ｍｍ、最大外径ＣＤが０．８ｍｍである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る超高圧水銀ランプの概略全体図である。
【図２】本発明に係る超高圧水銀ランプの電極のみを抽出した概略断面図である。
【図３】本発明に係る超高圧水銀ランプの電極の他の実施形態を説明するための概略断面図である。
【図４】本発明に係る超高圧水銀ランプの製造方法を説明するための図である。
【図５】（ａ）は従来の超高圧水銀ランプの概略全体図であり、（ｂ）は、電極のみを抽出した概略断面図である。
【符号の説明】
【００２７】
１        放電ランプ
１０      発光管
１１      発光部
１２      封止部
１３      電極
１４      電極
１４１    連結部材
１４２    先端部材
１４３    基端部材
１４６    端面
１４７    端面
１４８    開口
１４９    開口
１４ａ    大径部
１４ｂ    縮径部
１４ｃ    軸部
１５      金属箔
１６      外部リード
Ａ        電極本体
Ｂ        電極軸部
ＣＤ      最大外径
Ｄ        最大外径
ｄ        最大外径
Ｌ        電極軸
ＴＬ      電極全長
【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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