特許 6395496 ショートアーク放電ランプおよび光源装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6395496

(24)【登録日】2018年9月7日

(45)【発行日】2018年9月26日

(54)【発明の名称】ショートアーク放電ランプおよび光源装置

(51)【国際特許分類】

   H01J 61/36 20060101AFI20180913BHJP

   H01J 61/30 20060101ALI20180913BHJP

   F21S 2/00 20160101ALI20180913BHJP

   F21Y 101/00 20160101ALN20180913BHJP

【ＦＩ】

   H01J61/36 B

   H01J61/30 Q

   F21S2/00 311

   F21Y101:00 300

【請求項の数】5

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2014-163543(P2014-163543)

(22)【出願日】2014年8月11日

(65)【公開番号】特開2016-39115(P2016-39115A)

(43)【公開日】2016年3月22日

【審査請求日】2017年7月19日

(73)【特許権者】

【識別番号】000128496

【氏名又は名称】株式会社オーク製作所

(72)【発明者】

【氏名】細木 裕介

(72)【発明者】

【氏名】小平 宏

(72)【発明者】

【氏名】塩谷 幸男

【審査官】 右▲高▼ 孝幸

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００１−０５７１７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２１６９３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００１／００１０４４７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００４−０２２４５２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｊ ６１／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内部に一対の電極を備えた発光管と、
前記電極を支持する電極芯棒と、
前記発光管に連設して前記電極棒に対して封着する封止管とからなり、
前記封止管は、
前記発光管に連設する外側封止管と、
前記外側封止管に連設し、外径がランプ軸方向外側に縮径する外側封止管縮径部と、
前記外側封止管縮径部に連設し、前記外側封止管縮径部の電極芯棒側にランプ径方向に沿った外側封止管端部と、
前記外側封止管端部の発光管側に連設する内側封止管と、
前記内側封止管に連設して前記電極棒と封着する段継ぎガラスとからなるショートアーク放電ランプにおいて、
前記外側封止管端部のランプ軸方向外側端面には、
前記外側封止管の内径よりもランプ径方向内側にランプ径方向に沿った第１の平坦面を有し、
前記外側封止管端部の電極芯棒側内周面の一部には、
前記外側封止管端部のランプ軸方向外側端面の内径より大きい内径を有したランプ軸方向内側に拡径する拡径部を有し、
前記外側封止管端部の、前記拡径部を有する電極芯棒側内周面のランプ軸方向断面形状がＶ字状である
ことを特徴とするショートアーク放電ランプ。

【請求項2】

前記第１の平坦面は、
前記外側封止管の内部を伝播する光を前記封止管外部へ放射する第１の光放射面であり、
前記拡径部は、前記外側封止管端部の内部をランプ径方向内側に向かって伝播する光をランプ軸方向に反射する光反射面である
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。

【請求項3】

前記外側封止管端部のランプ軸方向外側には、
前記電極芯棒側内周面と内表面が連続する管状の光誘導部を有し、
前記管状の光誘導部のランプ軸方向外側端面には、
ランプ径方向に沿った第２の平坦面を有し、
前記第２の平坦面は、
前記光反射面で反射され、前記光誘導部の内部を伝播する光を外部に放射する第２の光放
射面である
ことを特徴とする請求項２に記載のショートアーク放電ランプ。

【請求項4】

前記前記外側封止管端部の電極芯棒側内周面において、
前記拡径部の最大内径を有する部分が、
前記外側封止管端部のランプ軸方向中心より前記発光管側にある
ことを特徴とする請求項２乃至３に記載のショートアーク放電ランプ。

【請求項5】

前記ショートアーク放電ランプと、
前記ショートアーク放電ランプを囲むように配置され、
一方が開口している楕円状の反射鏡とよりなり、
前記反射鏡の開口側に、
前記外側封止管端部のランプ軸方向外側端面に平坦面を有する前記封止管を有するように
請求項１乃至４に記載のショートアーク放電ランプを備えた
ことを特徴とする光源装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、露光装置や投影装置等の光源に好適なショートアーク放電ランプおよびショートアーク放電ランプを用いた光源装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来から投影装置の光源として、図２に示すような発光管３内にキセノンガス等の希ガスを主成分とした放電ガスを封入したショートアーク放電ランプが知られている。

【0003】

このショートアーク放電ランプは、石英ガラス製の発光管３の両端に石英ガラス製の封止管４が続いて形成され、発光管３内には、タングステンもしくはモリブデンを主成分とする一対の電極５が配置され、この電極５はタングステンもしくはモリブデンを主成分とする電極芯棒６に接合されることによって保持される。

【0004】

また、このショートアーク放電ランプ（以下 ランプ）は、点灯中の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。あわせて、発光管内部に水銀を封入していないため、ランプ点灯時にランプに流す電流値は、水銀を封入したショートアーク水銀放電ランプよりも高くなる。よって、高い封入ガス圧でも封止管４が破損せず、かつ電極５に大電流を供給するために、電極５に接合されている電極芯棒６を封止管端部から突出させ、封止管４の内部で電極芯棒６と封止管４を段継ぎガラス７を介して封着する段継ガラス封止構造を用いている。

【0005】

封止管４には口金８が設けられる場合がある。さらに口金８は電極芯棒６と電気的に接続されている場合がある。口金８はたとえばランプを保持する、または電極芯棒６に点灯電流を供給する配線を取り付ける等の機能を有する。

【0006】

発光管３に放電ガスとしてキセノンガスが大気圧以上で封入されており、ランプに点灯電力を供給すると、電極間の放電によりアークが発生し、アークより可視光を中心とした紫外光から赤外光までの幅広い領域の光が放射される。図１に示すようにランプ２は、一方が開口しアークを焦点としている楕円状の反射鏡１内に配置される。ランプより放射された光は反射鏡１によって集光されることで利用される。

【0007】

しかし、アークより放射された光の一部は、発光管３および発光管３と連設した封止管４の内部を、光ファイバーの内部を光が全反射するように伝播する（以下 光ファイバー効果）。また、アークは一定の広がりを有するものであり、反射鏡１の焦点から外れた位置のアークから放射された光は、反射鏡１によって適切に集光されず、発光管３や封止管４に照射されてしまう。照射された光の一部は光ファイバー効果で発光管３および封止管４の内部を伝播する。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

図４は従来の封止管４と電極芯棒６とを段継ガラス７を介して接合した段継ガラス封止構造の断面図である。封止管４はランプ軸方向外側に弧を描くような突出部９を介して段継ガラス７と接合する。一般にこのような封止管の形状は、熔融等により加工、変形して製造するため、製造時に微小な加工歪みが封止管４の突出部９に残留する。

【0009】

アークより放射された光の一部Ｌ１は、封止管４の内部をランプ軸方向端部に向かって伝播し、封止管４の突出部９に集中する。放電によって発生する光は紫外線から赤外線までの幅広い領域の光であり、紫外線は、封止管４を構成する石英ガラスの分子結合を切ってしまい、石英ガラスを劣化させる。特に封止管４の突出部９のような歪のある部分に紫外線が集中することによって、歪部分の分子結合が切れ、石英ガラスが脆化することで、やがてクラックが発生する。クラックが発生した状態でランプを点灯させると、高圧状態の放電ガスによってクラックを起点としてランプが破裂する恐れがある。

【0010】

同様に赤外線が封止管４の突出部９に集中し、封止管の突出部９が加熱される。これにより突出部９にさらに熱による歪が発生し、上記の紫外線集中によるクラックが発生しやすくなる。また、突出部９を含む封止管が加熱されることによって、電極芯棒６を保持している段継ガラス７も加熱される。段継ガラス７の温度が歪点を上回ると、段継ガラス７に歪が発生し、併せて段継ガラス７の温度が長時間にわたって歪点を上回ることによって、段継ガラス７は僅かずつ変形する。さらに段継ガラス７の温度が軟化点を上回ると、短時間で段継ガラス７は大きく変形する。段継ガラス７は点灯中の高圧状態の放電ガスによってランプ軸方向外側に変形し、電極芯棒が支持している電極の位置も段継ガラスに伴って移動してしまう。このため、アークの位置が反射鏡の焦点からずれ、放射する光の利用効率が低下してしまう。併せて電極間距離の変動によるランプの点灯電力の特性の変化によって、ランプが正常に点灯できなくなる場合がある。

【0011】

これに対し、封止管４の外表面に光反射部材を備えることによって、封止管４に光が照射されることを防止することができる。しかし、封止管４はランプ点灯中において数１００度に加熱される。その結果、たとえば封止管４と光反射部材とのによる熱膨張差によって封止管４に応力が加わることで封止管４が破損する、または光反射部材の成分が封止管４と反応し、封止管４の強度が劣化することで封止管４が破損する等の弊害が生じる可能性があった。加えて、光反射部材では封止管内部を伝播する光を防ぐことはできない。さらに、このような数１００度の温度環境に耐久できる光反射部材を封止管表面に備えるとランプ製造コストが上昇してしまう。

【課題を解決するための手段】

【0012】

上記課題を解決するために、請求項１に記載のショートアーク放電ランプは、内部に一対の電極を備えた発光管と、前記電極を支持する電極芯棒と、前記発光管に連設して前記電極棒に対して封着する封止管とからなり、前記封止管は、前記発光管に連設する外側封止管と、前記外側封止管に連設し、外径がランプ軸方向外側に向けて縮径する外側封止管縮径部と、前記外側封止管縮径部に連設し、前記外側封止管縮径部の電極芯棒側にランプ径方向に沿った外側封止管端部と、前記外側封止管端部の発光管側に連設する内側封止管と、前記内側封止管に連設して前記電極棒と封着する段継ぎガラスとからなるショートアーク放電ランプにおいて、前記外側封止管端部のランプ軸方向外側端面には、前記外側封止管の内径よりもランプ径方向内側にランプ径方向に沿った第１の平坦面を有し、前記外側封止管端部の電極芯棒側内周面の一部には、前記外側封止管端部のランプ軸方向外側端面の内径より大きい内径を有したランプ軸方向内側に拡径する拡径部を有することを特徴とする。

【0013】

請求項２に記載のショートアーク放電ランプは、請求項１に記載のショートアーク放電ランプであって、前記第１の平坦面は、前記外側封止管の内部を伝播する光を前記封止管外部へ放射する第１の光放射面であり、前記拡径部は、前記外側封止管端部の内部をランプ径方向内側に向かって伝播する光をランプ軸方向に反射する光反射面であることを特徴とする。

【0014】

請求項３に記載のショートアーク放電ランプは、請求項２に記載のショートアーク放電ランプであって、前記外側封止管端部のランプ端側には、前記電極芯棒側内周面と内表面が連続する管状の光誘導部を有し、前記管状の光誘導部のランプ軸方向外側端面には、ランプ径方向に沿った第２の平坦面を有し、前記第２の平坦面は、前記光反射面で反射され、前記光誘導部の内部を伝播する光を外部に放射する第２の光放射面であることを特徴とする。

【0015】

請求項４に記載のショートアーク放電ランプは、請求項２または請求項３に記載のショートアーク放電ランプであって、前記拡径部の最大内径を有する部分が、前記外側封止管端部のランプ軸方向中心より前記発光管側にあることを特徴とする。

【0016】

請求項５に記載の光源装置は、請求項１乃至請求項４に記載のショートアーク放電ランプを備えた光源装置であって、前記ショートアーク放電ランプと、前記ショートアーク放電ランプを囲むように配置され、一方が開口している楕円状の反射鏡とよりなり、前記反射鏡の開口側に、前記外側封止管端部のランプ軸方向外側端面に平坦面を有する前記封止管を有するようにショートアーク放電ランプを備えたことを特徴とする。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、封止管の内部を伝播する光が封止管の端部に集中することを抑制するとともに、封止管の内部を光ファイバー効果で伝播する光をランプ軸方向外側に放射することができ、光に含まれる紫外線および赤外線によって、ランプが破損する、もしくは電極の位置がずれることを防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明のランプおよび反射鏡の概略断面図

【図2】本発明のランプの概略断面図

【図3】本発明の実施形態の封止構造断面図

【図4】従来のランプの封止構造断面説明図

【図5】外側封止管端部に平坦面を有するランプの封止構造断面説明図

【図6】外側封止管縮径部を有するランプの封止構造断面説明図

【図7】本発明の実施形態である拡径部を有する封止構造断面説明図

【図8】本発明の実施形態である光誘導部を有する封止構造断面説明図

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下に、図面に基づいて本発明の実施形態を具体的に説明する。図２は本発明のランプの構造を示す概略断面図である。

【0020】

このランプは内部に一対の電極５を備えた発光管３と、電極５と接合され、電極５を支持する電極芯棒６と、発光管３の両端に連設し、段継ガラス７を介して電極芯棒６を封着する封止管４とから構成される。封止管の端部には口金８が設けられる場合がある。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ているショートアーク放電ランプである。

【0021】

本発明のランプの封止構造について、本発明の実施形態の封止構造断面図を示した図３を用いて説明する。

【0022】

封止管４は発光管３に連設する外側封止管４０１と、外側封止管４０１に連設し、外径がランプ軸方向外側に向けて縮径する外側封止管縮径部４０２と、外側封止管縮径部４０２に連設し、外側封止管縮径部４０２の電極芯棒側にランプ径方向に沿った外側封止管端部４０３と、一端を外側封止管端部４０３の発光管側に連設し、もう一端を段継ガラス７と連設する内側封止管４０４で構成される。

【0023】

外側封止管端部４０３のランプ軸方向外側端面には、外側封止管の内径よりも内側に、後述する外側封止管の内部を伝播する光を外部へ放射する光放射面として、ランプ径方向に沿った平坦面（第１の光放射面）４０５を有する。外側封止管端部４０３の電極芯棒側内周面４０６の一部には、後述する外側封止管端部４０３の内部をランプ径方向内側に向かって伝播する光をランプ軸方向に反射する光反射面として、外側封止管端部４０３のランプ軸方向外側端面の内径Ｒ１より大きい内径Ｒ２を有したランプ軸方向内側に拡径する拡径部４０７を有し、この拡径部４０７の最大内径を有する部分は、外側封止管端部４０３のランプ軸方向中心Ｍ１より発光管側に有する。ランプ軸方向中心Ｍ１は、第１の光放射面４０５を有する外側封止管端部４０３のもっとも肉厚が薄い部分のランプ軸方向における肉厚中間である。

【0024】

外側封止管端部４０３のランプ軸方向外側には、電極芯棒側内周面４０６と内表面が連続する管状の光誘導部４０８を有し、管状の光誘導部４０８のランプ軸方向外側端面には、後述する光反射面である拡径部４０７で反射され、光誘導部４０８の内部を伝播する光を外部に放射する光放射面として、ランプ径方向に沿った平坦面（第２の光放射面）４０９を有する。

【0025】

図１および図２より、ランプに点灯電力を供給すると、電極５間の放電によりアークが発生し、アークより可視光を中心とした紫外光から赤外光までの幅広い領域の光が放射される。放射された光は発光管３より外部に放射され、ランプ周辺にアークを焦点にするように備えられた反射鏡１によって、集光することで利用される。しかし、アークより放射された光の一部は、光ファイバー効果によって発光管３および封止管４の内部を伝播する。併せて反射鏡１の焦点から外れた位置のアークから放射された光の一部は、反射鏡によって発光管３や封止管４に照射され、光ファイバー効果によって発光管３および封止管４の内部を伝播する。

【0026】

図５に外側封止管端部に平坦面を有するランプの封止構造断面説明図を示す。図５に示すように外側封止管端部４０３のランプ軸方向外側端面すべてを平坦面（第１の光放射面）４０５とすることで、外側封止管４０１内を伝播する光Ｌ１の全反射を抑制して、光Ｌ１を外部に放射させることができる。しかし、外側封止管端部４０３において封止管の厚さが極端に厚くなる部分１０ができ、この部分に、ランプ点灯消灯時の加熱冷却具合の差によって熱歪が発生してしまう。その結果、外側封止管４０１内を伝播してきた光Ｌ１が第１の光放射面４０５から放射されるまえに、熱歪の発生している部分１０に伝播し、光Ｌ１に含まれる紫外線によって熱歪の分子結合を切断してしまう。その結果、熱歪が生じた部分１０にクラックが発生し、最終的にランプが破損する恐れがあった。

【0027】

そのため、図６に示すように、外側封止管４０１の外径を外側封止管４０１の内径以下に縮径する外側封止管縮径部４０２を、外側封止管４０１と外側封止管端部４０３の間に設け、外側封止管４０１の内径よりランプ径方向内側に第１の光放射面４０５を設ける。これにより、外側封止管端部４０３の極端な肉厚増加による熱歪の発生が抑制され、かつ外側封止管４０１内を伝播する光Ｌ１を外部に放射することができる。

【0028】

しかし、外側封止管縮径部４０２の外表面は曲面であり、これによって外側封止管４０１内を伝播してきた一部の光Ｌ２は第１の光放射面４０５から外部に放射されずに、外側封止管端部４０３内をランプ径方向内側に向かって伝播し、外側封止管端部４０３の電極芯棒側内周面４０６から放射され、電極芯棒６に照射される。これにより光Ｌ２に含まれる赤外線によって、電極芯棒６の赤外線が照射された部分６０１が加熱され、温度が上昇する。

【0029】

本発明のショートアーク放電ランプに用いられる電極芯棒６と段継ぎガラス７を封着する段継ガラス封止構造は、電極芯棒に金属箔を溶接し金属箔を封止管で封着する金属箔封止構造と比較して、電極芯棒の温度に弱い封止構造である。これは、段継ガラスが封止管に使用されている石英管と比較して歪点および軟化点が低く、耐熱性が低いためである。

【0030】

段継ガラス７は、点灯によって電極が加熱され、その熱が電極から電極芯棒を介して伝わることによって加熱される。電極芯棒６の赤外線が照射された部分６０１の温度が上昇すると、電極からだけでなく、赤外線が照射された部分６０１側からも熱が伝わることで段継ガラス７はさらに加熱され、より高温になる。

【0031】

発光管３内には放電ガスとしてキセノンが大気圧以上に封入されており、放電ガスと接している段継ガラス７は、ランプ点灯および消灯中に関わらず、常に発光管内側から外側に向けて圧力を受けている。そのため、赤外線が照射された部分６０１側からも熱が伝わることで段継ガラス７がさらに加熱され、温度が歪点さらには軟化点を上回ると、段継ガラス７は発光管外側に膨れるように変形し、段継ガラス７に保持される電極芯棒６、および電極芯棒６に支持される電極５の位置が移動する。この結果、電極間距離が増えることによるランプの点灯電力特性の変化や、電極に発生するアークが反射鏡１の焦点からずれることによる照度低下等の不具合が生じる。さらに、アークが反射鏡１の焦点からずれると、反射鏡１によって封止管４に照射される光の量が増加し、さらに上記不具合が深刻化する場合がある。

【0032】

図７に本発明の実施形態である拡径部を有する封止構造断面説明図を示す。
図７のように、外側封止管端部４０３の電極芯棒側内周面４０６の一部に、ランプ径方向内側に向かって伝播する光Ｌ２をランプ軸方向に反射させる反射面として、外側封止管端部のランプ軸方向外側端面の内径Ｒ１より大きい内径Ｒ２を有したランプ軸方向内側に拡径する拡径部４０７を設ける。これにより光Ｌ２が電極芯棒側内周面４０６から電極芯棒６に向かって放射されることを抑制し、電極芯棒６０１の加熱を防止できる。

【0033】

ただし、光反射面である拡径部４０７を設けることによって、光Ｌ２の一部がランプ軸方向内側、すなわち発光管側に反射され、反射された光Ｌ２の一部は内側封止管４０４内を伝播する。これにより光Ｌ２が段継ガラス７まで伝播し段継ガラス７の温度を上昇させる、または光Ｌ２が内側封止管４０４から電極芯棒６に放射され、電極芯棒６の温度を上昇させる。この結果、上記の段継ガラス７の温度が歪点さらには軟化点を上回ることに起因する不具合が発生する恐れがある。

【0034】

そこで拡径部４０７において最も拡径している、つまり最も内径が大きい部分を外側封止管端部４０３のランプ軸方向中心Ｍ１より発光管側に設ける。これにより、外側封止管端部４０３をランプ径方向内側に向かって伝播する光Ｌ２の大部分をランプ軸方向外側に反射することができ、段継ガラス７の温度上昇を抑制することができる。このように、電極芯棒６０１側に光Ｌ２を放射させずに、ランプ軸方向外側に光を反射させるには、拡径部４０７を有する電極芯棒側内周面４０６のランプ軸方向断面形状が略Ｖ字状になることが望ましい。

【0035】

図８に本発明の実施形態である光誘導部を有する封止構造断面説明図を示す。
図８に示すように、外側封止管端部４０３のランプ軸方向外側端面に電極芯棒側内周面４０６と内表面が連続する管状の光誘導部４０８を備え、光誘導部４０８のランプ軸方向外側端面には平坦面４０９（第２の光放射面）を設ける。外側封止管端部４０３をランプ径方向内側に向かって伝播する光Ｌ２は光反射面である拡径部４０７によってランプ軸方向外側に向かって反射され、光誘導部４０８内を伝播する。光誘導部４０８内を伝播した光Ｌ２は第２の光放射面４０９より外部に放射される。

【0036】

光誘導部４０８が無いと、第１の光放射面４０５から放射された光が電極芯棒６０１近辺に照射される場合がある。しかし、光誘導部４０８内に光Ｌ２を伝播させ、外側封止管端部４０３から離れた第２の光放射面４０９から放射させることによって、外部に放射された光が電極芯棒６０１近辺に照射させることを防止し、電極芯棒６に放射された光を照射させない、もしくは電極芯棒のよりランプ軸方向外側に照射させることができる。これにより、封止管４より放射された光に起因した段継ガラス７の温度上昇を抑制することができる。

【0037】

また、外側封止管端部４０１内を伝播する光Ｌ１が外側封止管端部４０３の発光管側端面４１０から内側封止管４０４や段継ガラス７に照射されることを抑制するために、発光管側端面４１０は曲面であることが望ましい。ただし、外側封止管端部４０３の肉厚差を抑制するために、発光管側端面４１０にもランプ径方向に沿った平坦面を設ける必要がある場合には、その平坦面の面積は少なくとも第１の光放射面４０５より小さいことが望ましい。

【0038】

図１に示すようにランプは一方が開口し、アークを焦点としている楕円状の反射鏡１の内部に配置される。そのため反射鏡の開口側の封止管は、反射鏡の焦点から外れた位置のアークから放射された光が反射鏡１によって照射されることによって、もう一方の封止管と比較して封止管内部を伝播する光による封止管の破損や、段継ガラスの変形等の不具合の発生率が高くなる。そのため、上記に記載した封止管内部を伝播する光を外部に放射する構造を有する封止管は、少なくとも反射鏡の開口側の封止管に用いられることが望ましい。

【符号の説明】

【0039】

１：反射鏡
２：ランプ
３：発光管
４：封止管
４０１：外側封止管
４０２：外側封止管縮径部
４０３：外側封止管端部
４０４：内側封止管
４０５：平坦面（第１の光放射面）
４０６：電極芯棒側内周面
４０７：拡径部
４０８：管状の光誘導部
４０９：平坦面（第２の光放射面）
５：電極
６：電極芯棒
７：段継ガラス
８：口金
９：封止管の突出部
１０：熱歪が生じた部分
Ｍ１：外側封止管端部のランプ軸方向中心
Ｒ１：ランプ軸方向外側端面の内径
Ｒ２：拡径部の最大内径

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】