JP2017168367A - ショートアーク型放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】ランプ製造段階を含めて、保持用筒体と電極芯棒とが相対回転しないショートアーク型放電ランプを得る。【解決手段】保持用筒体と電極芯棒との間に、電極芯棒に固定され、保持用筒体に相対回動を生じない態様で係合する金属部材が存在するショートアーク型放電ランプ。【選択図】図２

Description

本発明は、デジタルシネマ用、半導体露光用、赤外線や紫外線硬化用等の光源に使用されるショートアーク型放電ランプに関する。

このようなショートアーク型放電ランプは、発光管内には一対の対向する電極が配置されるともに、放電ガスが封入される。放電ガスはキセノン等の希ガスを主成分としたガスであり、発光管内部の放電ガス圧力を非常に高くすることで、輝度を高くしている。発光管内部に水銀を封入していないため、ランプ点灯時に電極に供給される電流が大電流となる。よって、一対の電極を支持する一対の電極芯棒を、発光管の両端に連設した封止管から外部に突出させている。

そして、電極芯棒を封止管内に安定して支持するため、該電極芯棒と封止管との間に、石英ガラスからなる保持用筒体を介在させることが行われている。保持用筒体は、中心部に電極芯棒を通す軸穴を有する筒体で、その外周面には従来、封止管と保持用筒体との溶着を防ぐ金属体を介在させている（特許文献１ないし４）。

中でも、特許文献３の保持用筒体は、外周面に小径部を形成し、この保持用筒体の外周面に金属箔を巻回し、封止管を保持用筒体の小径部に倣うように熱変形（縮径）させることにより、保持用筒体の封止管内での軸方向移動を防いでいる。

特開平１１-１３５０６７号公報 特開２０００-３０６５４９号公報 特開２００３-２４２９３２号公報 特開２００５-１１６７１号公報

しかし、特許文献３の保持用筒体の軸方向の位置は、封止管を熱変形させたときに規制されるものであって、ランプ製造段階（封止管縮径前）では保持用筒体の軸方向位置がずれる可能性があった。具体的には、封止工程において、電極芯棒を挿通した保持用筒体を封止管内に挿入したときに、保持用筒体が振動等によって電極芯棒に対して軸方向に移動し、外周面の金属箔が封止管内周面に擦れることで、封止管にクラックが生じるおそれがあった。さらに上記構造では、封止管を熱変形させて保持用筒体の軸方向移動を規制した状態でも、保持用筒体が回転方向(周方向)に位置ずれが生じる（すなわち、電極芯棒及び封止管に対して相対回転する）可能性があり、同様に封止管にクラックが生じるおそれがあった。

本発明は、以上の問題意識、特に保持用筒体が電極芯棒に対して相対回転してしまうことに起因する問題点に基づき、ランプ製造段階を含めて、保持用筒体と電極芯棒とが相対回転しないショートアーク型放電ランプを得ることを目的とする。
また、本発明は、加えて、保持用筒体と電極芯棒とが軸方向に相対移動しないショートアーク型放電ランプを得ることを目的とする。

本発明は、内部に一対の電極を備えた発光管と、上記発光管の両端部に連設された封止管と、上記一対の電極にそれぞれ接続された一対の電極芯棒と、少なくとも一方の上記封止管の内部で、上記電極芯棒と上記封止管との間に位置する保持用筒体と、を有するショートアーク型放電ランプにおいて、上記保持用筒体と上記電極芯棒との間に、上記電極芯棒に固定され、上記保持用筒体に相対回動を生じない態様で係合する金属部材が存在すること、を特徴としている。

好ましい実施形態では、上記保持用筒体には、上記保持用筒体の内周面と外周面とを連通させる、上記保持用筒体の径方向に沿った連通部が形成されており、上記連通部に上記金属部材の少なくとも一部が挿入されている。

また、好ましい実施形態では、上記金属部材は、上記保持用筒体と上記電極芯棒との間に配置された電極芯棒巻回部分と、上記保持用筒体と上記封止管との間に配置された保持用筒体巻回部分とを有し、上記連通部を介して上記電極芯棒巻回部分と上記保持用筒体巻回部分とが一体的に接続されている。

上記電極芯棒巻回部分と上記保持用筒体巻回部分の少なくとも一方は、ランプ軸方向両端部に上記保持用筒体の軸方向端面に沿った金属部材を有することが好ましい。

上記連通部は、上記保持用筒体の軸方向両側の空間を連通させる連通路を有することが好ましい。

本発明のショートアーク型放電ランプは、保持用筒体の電極芯棒に対する相対回転を電極芯棒に固定した金属部材によって防止することができるので、該相対回転に起因する封止管の破損を防止することができる。さらに、金属部材によって保持用筒体と電極芯棒の軸方向の相対移動も防止することで該軸方向移動に起因する封止管の破損を防止することができる。

本発明によるショートアーク型放電ランプ及び反射鏡を含む光源装置の一実施形態を示す縦断図である。 図１のII部拡大断面図である。 図２のIII−III線に沿う断面図である。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）及び（Ｄ）は、電極芯棒に金属箔を巻回し、その電極芯棒を保持用筒体に結合する工程を示す斜視図である。 本発明の別の実施形態を示す、図２に対応する断面図である。 本発明によるショートアーク型放電ランプのさらに別の実施形態を示す、図４（Ｂ）に対応する斜視図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。図１ないし図４は、本発明によるショートアーク型放電ランプ（以下「ランプ」）１００の第１の実施形態を示している。

図１は、ランプ１００と凹面反射鏡１を有する光源装置の全体を示している。図２は、図１のII部拡大断面を示しており、図３は、図２のIII−III線に沿う断面を示している。ランプ１００は、発光管３と、発光管３の両端に連接された封止管４とを備える。発光管３と封止管４とはそれぞれ石英ガラスから構成され、発光管３には放電ガスとしてキセノンガスが大気圧以上で封入される。発光管３の内部には、一対の電極５（陽極５ａと陰極５ｂ）が配置され、この一対の電極５には一端を封止管４の端部から外部に突出させた電極芯棒６がそれぞれ接続される。凹面反射鏡１は通常、楕円面鏡または放物面鏡であって、一対の電極５は、凹面反射鏡１の焦点位置を中心として対向配置される。図１では、封止管４の端部に電極芯棒６に導通する口金９が設けられており、この口金９には、内外を連通する空冷用の通気孔９ａが複数箇所に設けられる。口金９は省略することがある。

封止管４のランプ軸方向外側端部には、封止管４に連なってランプ径方向に沿って縮径する端壁部４ａと、端壁部４ａより発光管側に連なる内管状部４ｂとが形成されており、内管状部４ｂの発光管３側の端部（内端部）には、電極芯棒６を封着する段継ガラス７が一体に形成されている。一般的に石英ガラスが採用される封止管４の熱膨張率は、タングステン等の金属材料からなる電極芯棒６の熱膨張率より小さいため、電極芯棒６と封止管４が直接接触していると、ランプ点灯時（通電時）の電極芯棒の熱膨張により封止管４が破損するおそれがある。封止管４と電極芯棒６との間に、例えば、含有する成分が異なることで熱膨張率が段階的に変化するガラスからなる段継ガラス７を介在させるこのような段継ガラス封止構造を採用することで、段継ガラス７が封止管４と電極芯棒６の熱膨張差を緩衝し、適切に封止管４と電極芯棒６とを封着することができる。

段継ガラス７よりランプ軸方向内側（発光管３側）において、一方の電極芯棒６（図示例では陽極５ａの電極芯棒）と封止管４とのランプ径方向の間に保持用筒体（ビーズ管）１０が介在している。保持用筒体１０は略円筒状（詳細は後述）の筒であり、保持用筒体１０に電極芯棒６を挿通することで、保持用筒体１０は電極芯棒６と同軸状に配置される。
保持用筒体１０は完全な円筒状ではなく、径方向断面において、径方向に沿った保持用筒体１０の内側空間と外側空間を連通させる連通部（径方向スリット）１３を有した略円筒状構造（軸直交断面がＣ形となる構造）であり、連通部１３は保持用筒体１０の内周面１１と外周面１２を連通している。連通部１３は保持用筒体の軸方向に沿って、一方の端面から他方の端面に渡って形成されており、連通部１３を介して保持用筒体軸方向両側の空間が連通している。内周面１１と外周面１２はともに、一部が連通部１３によって欠損した単純円筒面からなっている。保持用筒体は、例えば封止管４（発光管３）と同じ石英ガラスからなる。

図２に示すように、保持用筒体１０と電極芯棒６との間には、金属部材２０ａが存在している。この金属部材２０ａは、例えば金属箔（例えばモリブデン箔）を電極芯棒６に巻き回すことで形成され、金属箔の一部を電極芯棒６に固定することによって、金属部材２０ａは電極芯棒６に固定される。

保持用筒体１０と封止管４との間には、金属部材２０ｂが存在している。金属部材２０ｂは、保持用筒体１０の外周面１２に沿って配置され、外周面１２を覆うことによって、保持用筒体１０と封止管４とが溶着することを防止する。さらに金属部材２０ｂの発光管側端部およびランプ端部側端部には、それぞれ保持用筒体軸方向端面１４に沿って電極径方向に延びる金属部材２０ｅが連接する。即ち、保持用筒体１０は、外周面１２と、軸方向端面１４のそれぞれ一部とが、金属部材２０ｂおよび金属部材２０ｅに覆われる。これにより、保持用筒体１０と、金属部材２０ｂおよび金属部材２０ｅとは、ランプ軸方向断面において凹凸関係となり、ランプ軸方向に嵌合する。

保持用筒体１０の連通部１３内には連通部１３に沿った金属部材２０ｃを備え、この金属部材２０ｃは、連通部１３の径方向両端において、それぞれ金属部材２０ａと金属部材２０ｂと一体的に接続される。これにより、金属部材２０ｃは金属部材２０ａを介して、金属部材２０ｂは金属部材２０ａと金属部材２０ｃとを介して、それぞれ電極芯棒６に固定される。連通部１３内の金属部材２０ｃが電極芯棒６に固定されることによって、保持用筒体１０が電極芯棒６に対して周方向に相対回転することが防止される。さらに金属部材２０ｂが電極芯棒６に固定されることで、ランプ軸方向において保持用筒体１０は電極芯棒６に固定される。

さらに、連通部１３内には保持用筒体１０のランプ軸方向両側の空間、すなわち保持用筒体１０より発光管側の空間と、保持用筒体１０よりランプ端部側の空間とを連通させる連通隙間１３Ｓを備える。この連通隙間１３Ｓを設けることで、ランプ点灯によって保持用筒体１０や封止管４が熱膨張しても発光管側空間とランプ端部側空間の連通状態が維持され、保持用筒体１０両側の空間に極端な圧力差が生じることがなく、保持用筒体１０の破損や位置ずれの発生が防止することができる。

図４は第１の実施形態の製造方法の例であり、電極芯棒６に金属部材（金属箔）２０を巻回し、その電極芯棒６と保持用筒体１０とを接続する工程を示す斜視図である。図２、図３に加えて図４を用いて第１の実施形態の製造方法を説明する。

金属部材２０の材料として、例えば、厚さ０.１ｍｍ程度の矩形（帯状）をなす金属箔を用いる（以下、金属部材２０を金属箔２０と示す。）。図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、金属箔２０の一端部が電極芯棒６に巻回されることで金属部材（電極芯棒巻回部分）２０ａを形成し、この電極芯棒巻回部分２０ａはスポット溶接Ｗにより該電極芯棒６に固定される。金属箔２０を固定した電極芯棒６は、保持用筒体１０に挿入されるとともに（図４（Ｃ））、金属箔２０を保持用筒体１０の連通部（径方向スリット）１３を通して保持用筒体１０の外周面に導くことで、径方向スリット１３内に金属部材（内外接続部）２０ｃを形成する。保持用筒体１０の外周に導かれた金属箔２０は保持用筒体の外周面１２に巻回されることで金属部材（保持用筒体巻回部分）２０ｂを形成する。保持用筒体巻回部分２０ｂは、円筒状の外周面１２に巻き回された金属箔２０の保持用筒体周方向端部を径方向スリット１３内に折り込み挿入して（挿入部２０ｄ）固定される（図４（Ｄ））。保持用筒体１０の直径は、例えば１２〜２３ｍｍ程度である。

また、金属箔２０の幅Ｓは、保持用筒体１０の軸方向長さＬより長く、外周面１２に巻回した自由端部、すなわち挿入部２０ｄを径方向スリット１３内に挿入した後、保持用筒体１０の軸方向両端から突出した部分をそれぞれ保持用筒体１０の軸方向端面１４に沿うように折曲することで金属部材（折曲端部）２０ｅを形成する（図２、図４（Ｄ）矢印Ｘ）。

図３及び図４に示すように、保持用筒体１０の径方向スリット１３内には、金属箔２０の内外接続部２０ｃ及び挿入部２０ｄを有する状態において（も）、保持用筒体１０の軸方向両側の空間（発光管側空間とランプ端部側空間）を連通させる連通隙間１３Ｓが形成されている。連通隙間１３Ｓは、封止管４内の保持用筒体１０により仕切られた発光管側空間とランプ端部側空間を連通させる連通路である。

以上の電極芯棒６、保持用筒体１０及び金属箔２０は、電極芯棒６と金属箔２０の電極芯棒巻回部分２０ａが溶接固定され、金属箔２０の保持用筒体巻回部分２０ｂが保持用筒体１０の外周円筒面１２に巻回され、金属箔２０の内外接続部２０ｃ及び挿入部２０ｄが保持用筒体１０の径方向スリット１３内に位置することで、電極芯棒６と保持用筒体１０の回転方向の相対移動が生じない。そして、折曲端部２０ｅをそれぞれ保持用筒体１０の軸方向端面１４に沿って配置させることにより、保持用筒体１０と金属箔２０とが軸方向に嵌合し、電極芯棒６と保持用筒体１０の軸方向の相対移動も生じない。つまり、金属箔２０は、電極芯棒６と保持用筒体１０の回転方向及び軸方向の相対移動を防ぐ部材（要素）として機能する。

以上の電極芯棒６、保持用筒体１０及び金属箔２０は、封止管４の端壁部４ａ、内管状部４ｂ及び段継ガラス７を形成する前に、封止管４内の所定の位置に挿入される。すなわち、端壁部４ａと内管状部４ｂを形成する前の封止管４の内径は、保持用筒体の外周面１２に巻き回された保持用筒体巻回部分２０ｂの外径より大きい。その挿入状態で、保持用筒体１０とランプ径方向において対向する封止管４の領域（縮径領域４ｃ（図１））を加熱して縮径することで、保持用筒体巻回部分２０ｂを介して封止管４に保持用筒体１０を保持させる。なお、縮径領域４ｃは、封止管４と保持用筒体巻回部分２０ｂとがランプ径方向において対向する領域の一部分だけでも良い。この封止管４の加熱縮径の際、保持用筒体１０の外周面１２と封止管４（縮径領域４ｃ）の内面との間には金属箔２０（保持用筒体巻回部分２０ｂ）が位置しているので、封止管４と保持用筒体１０とが溶着してしまうことがない。そして、保持用筒体１０は金属箔２０によって電極芯棒６に軸方向、回転方向ともに固定されているので、保持用筒体１０が電極芯棒６に対して相対移動することに起因して、封止管４にクラック（破損）が生じるおそれがない。なお、回転方向及び軸方向に固定されている（相対移動が生じない）とは、同方向の相対移動が厳密にゼロということを意味しない。金属箔２０の柔軟性（伸縮性）により、若干の相対移動が生じることはあり、本発明で相対移動が生じない（固定されている）とは、封止管４の破損に至るような有害な相対移動が生じないの意である。

また、金属箔２０を含む保持用筒体１０には、保持用筒体１０の軸方向両側の空間を連通させる連通隙間１３Ｓが形成されている。この連通隙間１３Ｓは、ランプ点灯中に保持用筒体１０や封止管４などが熱膨張しても維持され、この空隙（連通隙間１３Ｓ）によって保持用筒体１０の軸方向両側の空間が繋がることで、保持用筒体１０の軸方向両側の空間に極端な圧力差が生じることがなく、保持用筒体１０の破損や位置ずれの発生が防止される。

金属部材２０は、一定厚の金属箔を用いることが可能であるが、エンボス加工の金属箔を用いることがより好ましい。エンボス加工の金属箔を用いることで金属箔周辺に空間が生じる。これにより、電極芯棒６または金属部材２０と保持用筒体１０との熱膨張差が緩衝され、保持用筒体１０の破損を防止することができ、かつ連通隙間１３Ｓ内での金属部材２０の周辺で容易に空間を確保することができる。

例えば特許文献１では、封止管の縮径によって保持用筒体を軸方向に固定させるために、十分に封止管を縮径させる必要がある。そのため、封止管に対する熱加工が増え、熱歪が生じやすくなる。また、ランプ点灯中においては、封止管や保持用筒体の熱膨張によって保持用筒体の軸方向両側の空間が分断されやすくなる。さらに、特許文献３では、保持用筒体に合わせて（複雑に）封止管を縮径させる必要があり、点灯中に封止管の中を伝播する赤外線や紫外線が縮径部にて乱反射することで、封止管の脆化や金属箔の加熱によるランプの破損が生じるおそれがある。これに対し、以上の実施形態では、保持用筒体１０は電極芯棒６に固定され、かつ保持用筒体１０の外周円筒面１２は単純円筒形であることから、封止管４の縮径具合（熱加工具合）を、封止管４が保持用筒体１０を保持できる最小限とすることができ、封止管４の破損を抑制することができる。尤も、本願発明において、ビーズ管１０の外周面を単純円筒形状以外の形状とすることも可能である。

図５は、本発明によるショートアーク型放電ランプの別の実施形態を示している。上の実施形態では、金属部材２０の保持用筒体巻回部分２０ｂの軸方向端部をそれぞれ保持用筒体１０の軸方向端面１４に沿って折り曲げて折曲端部２０ｅを形成しているが、この実施形態では、電極芯棒巻回部分２０ａの軸方向端部をそれぞれ端面１４に沿って折り曲げることで、金属部材（折曲端部）２０ｆを形成している。

以上の実施形態の金属部材２０は、電極芯棒６への電極芯棒巻回部分２０ａと、保持用筒体１０の外周面１２への保持用筒体巻回部分２０ｂとが内外接続部２０ｃで繋がっており、単一の金属部材２０で電極芯棒６と保持用筒体１０との相対回転及び軸方向移動を防止できるという利点がある。これに対し、図６の金属部材２０は、電極芯棒６への巻回部分２０ａ１と保持用筒体１０の径方向スリット１３１へ挿入される挿入部分２０ｃ１とを有する第１の金属部材２０１と、保持用筒体１０の外周面１２へ巻回される第２の金属部材２０２とから構成された実施形態である。この実施形態では、径方向スリット１３１は内周面に連接していれば径方向に貫通していなくてもよく、径方向外側にて底部を持つ単なる凹部であってもよい。この様な形態においても挿入部分２０ｃ１によって電極芯棒６と保持用筒体１０との相対回転を防止することができる。

以上の実施形態は、一対の電極５（陽極５ａと陰極５ｂ）のうちの陽極５ａ側の電極芯棒６と封止管４との間に保持用筒体１０を設ける態様に本発明を適用したものであるが、陰極５ｂ側の電極芯棒６と封止管４との間に（も）保持用筒体１０を介在させる態様にも本発明は適用可能である。

１ 凹面反射鏡
３ 発光管
４ 封止管
４ａ 端壁部
４ｂ 内管状部
４ｃ 縮径領域
５ 電極（一対の電極）
５ａ 陽極
５ｂ 陰極
６ 電極芯棒
７ 段継ガラス
９ 口金
９ａ 通気孔
１０ 保持用筒体
１１ 保持用筒体の内周面
１２ 保持用筒体の外周面
１３ 連通部（径方向スリット）
１３Ｓ 連通隙間
１４ 保持用筒体の軸方向端面
２０ 金属部材（金属箔）
２０ａ 金属部材（電極芯棒巻回部分）
２０ｂ 金属部材（保持用筒体巻回部分）
２０ｃ 金属部材（内外接続部）
２０ｄ 金属部材（挿入部）
２０ｅ 金属部材（折曲端部）
２０ｆ 金属部材（折曲端部）
２０１ 第１の金属部材（第１の金属箔）
２０ａ１ 金属部材（巻回部分）
２０ｃ１ 金属部材（挿入部分）
２０２ 第２の金属部材（第１の金属箔）
１００ ランプ

Claims (5)

1. 内部に一対の電極を備えた発光管と、
   上記発光管の両端部に連設された封止管と、
   上記一対の電極にそれぞれ接続された一対の電極芯棒と、
   少なくとも一方の上記封止管の内部で、上記電極芯棒と上記封止管との間に位置する保持用筒体と、
   を有するショートアーク型放電ランプにおいて、
   上記保持用筒体と上記電極芯棒との間に、上記電極芯棒に固定され、上記保持用筒体に相対回動を生じない態様で係合する金属部材が存在すること、
   を特徴とするショートアーク型放電ランプ。
2. 請求項１記載のショートアーク型放電ランプにおいて、
   上記保持用筒体には、
   上記保持用筒体の内周面と外周面とを連通させる、上記保持用筒体の径方向に沿った連通部が形成されており、
   上記連通部に上記金属部材の少なくとも一部が挿入されているショートアーク型放電ランプ。
3. 請求項１または２記載のショートアーク型放電ランプにおいて、
   上記金属部材は、
   上記保持用筒体と上記電極芯棒との間に配置された電極芯棒巻回部分と、
   上記保持用筒体と上記封止管との間に配置された保持用筒体巻回部分とを有し、
   上記連通部を介して上記電極芯棒巻回部分と上記保持用筒体巻回部分とが一体的に接続されているショートアーク型放電ランプ。
4. 請求項３記載のショートアーク型放電ランプにおいて、
   上記電極芯棒巻回部分と上記保持用筒体巻回部分の少なくとも一方は、ランプ軸方向両端部に上記保持用筒体の軸方向端面に沿った金属部材を有するショートアーク型放電ランプ。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項記載のショートアーク型放電ランプにおいて、
   上記連通部は、
   上記保持用筒体の軸方向両側の空間を連通させる連通路を有するショートアーク型放電ランプ。

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