JP2001266803A

JP2001266803A - 無電極放電ランプ

Info

Publication number: JP2001266803A
Application number: JP2000076566A
Authority: JP
Inventors: Tetsuji Suzuki; 鉄二鈴木
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 2000-03-17
Filing date: 2000-03-17
Publication date: 2001-09-28

Abstract

(57)【要約】【課題】長寿命化と点光源化が可能な液晶プロジェク
タ用ランプを提供する。【解決手段】無電極放電ランプにおいて、放電媒体が
封入された発光バルブを長尺棒状とし、この発光バルブ
の長手方向の片側端部の端面部にのみ透光性の開口部を
設け、それ以外の発光バルブ壁を光反射層とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は無電極放電ランプに
関し、特に液晶プロジェクタ光源に応用可能な無電極放
電ランプの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】液晶素子を用いた液晶プロジェクタは、
光源から射出された光束を液晶表示素子を介して映像信
号に応じた変調をかけて、スクリーンに投射するもので
ある。このような液晶プロジェクタにおいて良好な画像
を得るためには、スクリーン輝度が高く、しかもスクリ
ーン上で均一な明るさを確保することが求められる。

【０００３】スクリーン輝度を上げるためには、光源か
らの光出力強度を上げるとともに、光源から射出された
光束を効率良くスクリーンに導くことが必要となる。ま
た、スクリーン上での均一な明るさを確保するために
は、光源から射出される光をレンズ光学系を用いて、で
きるだけ平行光に近い小さなコーンアングルの入射光と
して液晶素子に入射させることが必要となる。このよう
な条件を充たす光源としては、点光源が理想的とされて
いる。

【０００４】従来は、図８（ａ）に示すようなメタルハ
ライドランプが主に液晶プロジェクタ用光源として用い
られてきたが、このランプにおいても、発光中心となる
電極５２０ａ、５２０ｂ間距離を短くし、点光源化を図
る試みが行われてきた。その結果、最近では電極間距離
が１．４ｍｍ程度のものが主に用いられている。

【０００５】しかし、このような電極間の短距離化は、
放電媒体とタングステン電極との間での化学反応による
電極の消耗を早め、光源の寿命をより短命化させるとい
う問題を発生させており、これ以上の電極間の短距離化
は困難である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】最近、光源の長寿命化
と高出力化が両立可能な光源として、無電極放電ランプ
に注目が寄せられている。無電極放電ランプは、発光バ
ルブ周囲に設けた電極やコイル等で高周波を発生させ、
これを発光バルブ内の放電媒体にかけ、励起発光させる
ものである。発光バルブ内に電極を有しないため、電極
と放電媒体間の化学反応による電極の消耗は起こりえな
い。よって、長寿命な光源を得ることができる。

【０００７】例えば、図８（ｂ）に示すように、透光性
気密容器５３０に放電媒体をいれた無電極放電ランプ
が、特開平９−１７３９３等に開示されている。ただ
し、ここに開示された無電極放電ランプは、液晶プロジ
ェクタ用途を意識したものではないため、理想的な点光
源とはほど遠いものである。

【０００８】無電極放電ランプを液晶プロジェクタ光源
として検討した例はまだ少ない。この数少ない公表例の
ひとつ（Ｋ．Kipling et al,ＳＩＤ９９ＤＩＧＥＳ
Ｔ，ｐｐ．１０８０−１０８３（１９９９））では、図
８（ｃ）に示すような球状の気密容器である発光バルブ
５４０の一部に透光性の光射出部（開口部）５４５を設
け、開口部以外の発光バルブ壁を光反射壁５４８とした
構造のランプ、および、図８（ｄ）に示すような短い円
筒型発光バルブの端面の一部に開口部５５５を備え、そ
れ以外の発光バルブ壁を光反射壁５５８とした構造のラ
ンプを開示している。開口部を絞ることで、点光源化を
図ったものである。

【０００９】しかし、発光バルブ壁は完全な反射体とは
なり得ないため、開口部に達するまでに繰り返される発
光バルブ壁での反射の度に一部の光は壁面で吸収され、
熱に変わり消費される。よって、反射回数が多い程実効
的な光量は減少する。即ち、開口部を小さくするほど発
光バルブ壁面での反射回数は増え、実質的な光出力効率
（発光バルブ内で発光する総光量に対する開口部より外
部に射出される光量）は下がってしまう。このため、開
口部を小さくして点光源化を図ることには限度があり、
従来の無電極放電ランプ構造では十分な点光源化ができ
なかった。

【００１０】本発明の課題は、上述する問題に鑑み、点
光源化が可能な、あるいは平行射出光が得られる液晶プ
ロジェクタ用無電極放電ランプを提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本願発明の無電極放電ラ
ンプの第１の特徴は、放電媒体が封入された棒状外形を
有する気密容器と、前記気密容器長手方向における片側
端面部の全部もしくは一部に設けられた透光性の開口部
と、前記開口部を除く前記気密容器壁に形成された光反
射層とを有することである。

【００１２】上記無電極放電ランプの第１の特徴によれ
ば、気密容器内で放電発光した光は、光反射層により反
射を繰り返しながら開口部に到達し、そこから外部に射
出されるが、気密容器を長尺棒状とすることにより、開
口部に到達するまでに繰り返される反射回数を減らすこ
とができる。このため、光出力効率を従来より高め、開
口部の面積をより小さくし、より点光源に近づけること
ができる。

【００１３】なお、ここで気密容器壁に設けられる光反
射層は、該容器の内壁、外壁あるいは容器自身に形成さ
れるいずれの形態でもよい。

【００１４】なお、上記第１の特徴を有する無電極放電
ランプにおいて、気密容器内の放電媒体を放電発光させ
る手段としては、種々の手段を用いることができる。例
えば、上記気密容器を挟み、向かい合う一対の電極間に
高周波を加える「電界結合型」放電手段を用いてもよい
し、上記気密容器にコイルを巻き付けてこれに高周波を
加える「磁界結合型」放電手段、あるいは筐体共振器内
に上記気密容器を納め、筐体に閉じこめた高周波により
放電する手段を用いてもよい。

【００１５】上記第１の特徴の無電極放電ランプにおい
て、「長尺棒状の外形」とは、前記気密容器の長尺方向
の長さを、少なくとも開口部を有する端面部直径の２倍
以上としてもよい。なお、容器長さは主に必要な気密容
器内容積を確保するため調整される。

【００１６】また、端面部のできるだけ広い領域を開口
部としてもよい。例えば、気密容器端面部の面積の約半
分以上としてもよい。この場合は、端面部に達する光の
反射によるロスを抑制し、光出力効率の低下を防止でき
る。あるいは、少なくとも、端面部における該気密容器
内径に相当する部分を開口部としてもよい。

【００１７】また、本発明の無電極放電ランプの第２の
特徴は、放電媒体が封入された気密容器と、前記気密容
器長手方向における片側端面部の全部もしくは一部に設
けられた透光性の開口部と、前記開口部を除く前記気密
容器壁に形成された光反射層とを有し、前記気密容器
が、前記開口部のある片側端部に近づくほど、該容器長
軸に垂直な容器断面径が広がる形状を有することであ
る。

【００１８】上記第２の特徴によれば、気密容器内で放
電発光した光が発光壁で反射を繰り返しながら開口部側
に到達する際に、反射面が傾斜しているため、反射の度
に反射角が小さくなり、光束が容器の長軸に対し平行な
光束に近づいていく。よって、光束が開口部に達するま
でに必要な反射回数をさらに少なくし、光出力効率を上
げることができるとともに、開口部から出る光の拡がり
角を小さくできる。即ち、指向性の高い光を出力するこ
とができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本願発
明の実施の形態について説明する。

【００２０】（第１の実施の形態）第１の実施の形態に
係る無電極放電ランプの特徴は、発光バルブとして長尺
棒状のバルブを用い、しかもバルブ長尺方向の端部のみ
に透光性の開口部を設けていることである。開口部以外
の発光バルブ壁は、内壁もしくは外壁またはバルブ壁そ
のものが反射層（反射面）を構成しており、発光バルブ
内で発生した光は、反射面で反射を繰り返しながら開口
部に達する。この発光バルブ構造により、従来より高い
光出力効率を得ることができるため、より開口部の面積
を縮小化し、点光源化を図ることができる。

【００２１】以下、本実施の形態についてより詳細な説
明を行う。

【００２２】図１（ａ）、図１（ｂ）は、第１の実施の
形態に係る無電極放電ランプの全体構造の一例を示すも
のである。図１（ａ）が正面図、図１（ｂ）が断面図で
ある。石英管等で作製された発光バルブ１０は、真鍮ま
たはアルミニウム等の材料で作製した筐体である金属性
共振器２０内のほぼ中央に納めている。金属性共振器２
０の中には誘電体であるセラミックス３０が充填されて
いる。高周波発生器８０で数百〜数千ｋＨｚの高周波を
発生させ、これを同軸ケーブル７０を用いてアンテナ６
０を配した金属性共振器２０に導く。導入された高周波
は、金属性共振器２０内で共振する。

【００２３】なお、セラミックス３０は、金属性共振器
２０内の誘電率を高め、共振波長に対する共振器内径の
大きさを小さくする効果がある。発光バルブ内には水銀
やメタルハライド等の発光媒体材料をＮｅ（ネオン）、
Ａｒ（アルゴン）等の不活性ガスとともに封入してお
く。これらの発光媒体は、高周波共振により励起され、
主に紫外域と可視域の光を発光する。発光バルブ内で発
生した光は、発光バルブ壁の反射面４０により複数回の
反射を経て、開口部１に導かれる。開口部１は、共振器
の開口５０より外部に露出しており、ここから光を射出
する。

【００２４】図２（ａ）〜図２（ｅ）は、第１の実施の
形態に係る無電極放電ランプの発光バルブの形状を示す
ものである。ここに示す発光バルブ１０ａ〜１０ｅは、
断面直径Ｄａに対する発光バルブ長さＬａが、図８
（ｄ）に示す従来の円筒型発光バルブと区別できるだけ
十分に長い棒状外形を有している。例えば少なくとも
「Ｌａ／Ｄａ比」が、２以上、好ましくは５以上のもの
である。

【００２５】この場合、発光バルブの端部に設けられた
開口部が実質的な発光点のサイズとなる。よって、この
開口部面積が小さくなるほど理想的な点光源に近づく。
例えば端面に設けられた開口部の開口径をバルブ断面直
径Ｄａとほぼ同じ１ｍｍΦとすれば、従来使用していた
メタルハライドランプより、より点光源に近いものを提
供できる。

【００２６】一方、光源の明るさは、発光バルブ中に封
入された発光媒体のプラズマ量に依存するため、バルブ
内で十分な量の発光媒体が蒸気化し、プラズマ化するた
めには必要な発光バルブの内容積を確保する必要があ
る。よって、発光バルブ長さＬａは、必要な発光バルブ
の内容積から決めることが望ましい。

【００２７】発光バルブの断面形状は、円形に限られ
ず、図２（ｂ）に示すような矩形やそれ以外の多角形で
あってもよい。また、図２（ｃ）に示すように、バルブ
端部に設けられた開口部（透光部）はバルブ端面の一部
であってもよい。また、開口部１ｃの形状を発光バルブ
断面形状とは独立に、別の形状としてもよい。例えば、
組み合わせる液晶表示素子のアスペクト比にあわせた矩
形にしてもよい。また、発光バルブの肉厚が厚い場合
は、開口の形状を内径で定まる形状と同じにするかそれ
を含むより広い領域を開口とすることが端面部での反射
ロスを少なくするために好ましい。

【００２８】さらに、図２（ｄ）に示すように、開口部
１ｄを形成しないバルブのもう一端については、端面を
形成せずに絞り加工としてもよい。発光バルブ径は一定
でなく、図２（ｅ）に示すように、中央を膨らませたり
といったある程度の変形を加えてもよい。

【００２９】開口部以外の発光バルブ壁を反射層とする
には、発光バルブ外壁を可視域を反射する金属板で覆っ
たり、アルミナ等の白色セラミックスで発光バルブ外壁
を覆ったり、あるいは直接外壁もしくは内壁にセラミッ
クスコーティングを行ってもよい。または、発光バルブ
そのものをセラミックス管で形成し、反射層としてもよ
い。

【００３０】図３（ａ）〜図３（ｃ）は、発光バルブ内
の光束進路と発光バルブ形状の関係を示す図である。図
３（ａ）は第１の実施の形態に係る長尺棒状の発光バル
ブの例を、図３（ｂ）および図３（ｃ）は、従来の液晶
プロジェクタ用無電極放電ランプの例を示す。いずれも
発光バルブ壁は光を反射し、光は発光バルブの一部に設
けられた開口部（透光部）より外部に射出される。同図
中には、発光バルブのほぼ真ん中あたりで発生し、所定
方向にでた光束が開口部に達するまでの光束進路の例を
示している。

【００３１】第１の実施の形態に係る長尺棒状の発光バ
ルブ（図３（ａ））は、球状発光バルブ（図３（ｂ））
や短い円筒形発光バルブ（図３（ｃ））に比較し、開口
部に至るまでに発光バルブ壁で繰り返される反射回数が
かなり少ないことが分かる。

【００３２】無電極放電ランプを理想的な点光源に近づ
けるためには、発光バルブの容積に対する光射出部とな
る開口部の面積を小さくすることが望まれる。しかし、
開口部の面積が小さくなるほど、開口部に到達するまで
に発光バルブ壁で繰り返される反射回数は増える。発光
バルブ壁が１００％の反射率を有する完全反射体でない
限り、反射の度に光束の一部はバルブ壁で吸収、透過に
より減衰するため、反射回数が多いとそれだけ開口部よ
り外部に射出できる光の出力効率は小さくなる。

【００３３】よって、短い円筒や球状の発光バルブでは
光出力効率の制限から開口部の縮小化に限度がある。

【００３４】これに対し、図３（ａ）に示す長尺棒状の
発光バルブでは、開口部に達するまでに要する光反射回
数が少ないため、光の出力効率は増加し、これにより開
口部をさらに縮小化し、点光源に近づけることができ
る。

【００３５】図４は、発光バルブの内容積および開口径
を同じにしたときの、各形状の発光バルブにおける光の
出力効率をシミューレーションより求めた結果を示す図
表である。即ち、バルブ内容積を６．３ｍｍ^２、開口部
直径を１ｍｍΦ、発光バルブの内壁反射率を９０％を共
通するシミュレーション条件とした。ここに示す出力効
率は、発光バルブ内で発光する総光量に対する開口部よ
り外部に射出される光量である。

【００３６】シミュレーションの結果、断面直径および
円筒バルブ長さが共に２ｍｍの短い円筒形発光バルブを
用いた場合の出力効率は２３％、直径が２．３ｍｍの球
状発光バルブを用いたときの出力効率が２４％であった
のに対し、第１の実施の形態に係る断面直径が１ｍｍ、
バルブ長さが８ｍｍの長尺棒状の発光バルブを用いた場
合の出力効率は３４％と大幅に向上することが確認でき
た。

【００３７】このように、長尺棒状発光バルブは、光出
力効率が高いため、球状や短い円筒形状の発光バルブに
較べ開口部の面積をさらに小さくして、より点光源に近
づけることができる。

【００３８】以上に説明するように、第１の実施の形態
に係る無電極放電ランプでは、発光バルブ内に電極を有
さないので、従来液晶プロジェクタに用いられていたメ
タルハライドランプなどの有電極ランプに比較し、点光
源化に伴う電極の劣化の加速という問題もない上に、よ
り点光源に近づけることも可能となり、液晶プロジェク
タに好適な光源を提供できる。

【００３９】なお、発光バルブ内にプラズマを発生させ
る方法は、図２に示すような金属性共振器を用いたもの
に限られず、図５（ａ)〜図５（ｃ）、図６に示すよう
に、その他の種々のプラズマ発生方法を用いることがで
きる。例えば、図５（ａ）は、発光バルブ周囲にコイル
１１０を巻き、高周波を与えて電磁誘導によりプラズマ
を発生させる誘導結合型無電極放電ランプであり、図５
（ｂ）は、発光バルブを２枚の板状金属電極１２０で挟
んだ容量結合型無電極放電ランプ、図５（ｃ）は、発光
バルブにループアンテナを一巻し、さらにその周囲を共
振器で覆い、ループアンテナに高周波を与え、これで共
振器を共振させるタイプであり、さらに図６は、図２に
示した金属性共振器と同様にセラミックス３５が詰まっ
た共振器２５の中に高周波発生装置８５につながったコ
イルを周囲に巻いた発光バルブ１０をそなえた構成の無
電極放電ランプの例を示す。

【００４０】（第２の実施の形態）図７（ａ）〜図７
（ｃ）に、第２の実施の形態に係る無電極放電ランプの
発光バルブの形状を示す。第２の実施の形態に係る無電
極放電ランプの基本的な構成は、第１の実施の形態に係
るものと同様である。よって、放電方式等は同様な種々
の方法を用いることができる。また、長尺の発光バルブ
の片側端部にのみ開口部を持ち、それ以外の発光バルブ
壁を反射層とする。

【００４１】第２の実施の形態に係る発光バルブは、図
７（ａ）に示すように、第１の実施の形態に係る発光バ
ルブ同様に、長尺外形を有するが、開口部（光射出部）
３ａ側に近づくにつれ、発光バルブ１５ａの断面径が広
がっていることを特徴とする。

【００４２】図７（ｂ）は、図７（ａ）に示す発光バル
ブ内での光束進路の例を示すものである。発光バルブ１
５ａ内で発光した光は、バルブ壁で反射を繰り返しなが
ら開口部側に達する。同図に示すように、反射の際の入
射角θと反射角θは同じであるが、バルブ管径が次第に
広がっているので、一回目の反射の際の入射角θ１より
二回目の反射の際の入射角θ２は必ず小さくなる。即
ち、開口部側に進むにつれ、反射を繰り返すにつれ、反
射角θが次第に小さくなり発光バルブの長軸と平行な方
向の光束に近づく。即ち、同図では、光束の進路が水平
に近づく。

【００４３】光束が水平に近づくことで、開口部に達す
るまでの反射回数はより少なくなり、光出力効率は上が
る。また、開口部より射出される光の拡がり角も抑えら
れる。即ち、指向性の高い光となるため、光学レンズ系
に組み込む場合、取り込める光束も増大し、照明光学系
全体での光利用効率を上げることもできる。

【００４４】さらに、図７（ｃ）に示すように、発光バ
ルブ１５ｂを裾拡がりのベルシェイプ（ラッパ形状）に
すれば、さらに効果的に反射回数を減らし、光出力効率
を上げることができる。

【００４５】また、発光バルブ長軸に平行な指向性のあ
る射出光を得られるので、点光源化してレンズ系を用い
て平行光を得るのではなく、ランプより直接平行光とし
て取り出すことも可能となる。この場合は、例えば、組
み合わせる液晶表示素子の形状にあわせ同じアスペクト
比の開口部を設けてもよい。

【００４６】以上に説明するように、第２の実施の形態
に係る無電極放電ランプは、高い光出力効率と指向性の
高い射出光が得られる、液晶プロジェクタに適した無電
極放電ランプを提供できる。

【００４７】以上、各実施の形態に沿って本発明の無電
極放電ランプについて説明したが、本発明は上述する実
施の形態に限定されるものではない。例えば発光バルブ
内に封入される発光媒体は、メタルハライド材料に限ら
ず、酸化タングステン、ハロゲン化酸化タングステン、
硫黄、セレニウム、鉄等種々の材料を用いることもでき
る。また、発光バルブは石英管に限らず、透光性のサフ
ァイアやあるいはアルミナ等の高温耐熱性のあるセラミ
ックス材料を用いても良い。

【００４８】

【発明の効果】本発明の無電極放電ランプは、気密容器
が長尺棒状の形状を有するため、容器内で放電発光した
光が、容器壁の光反射層により反射を繰り返しながら容
器端部に設けられた開口部に到達するまでに繰り返され
る反射回数を減らし、光出力効率を高めることができ
る。よって、球形や円筒形の気密容器を用いた場合に較
べ、開口部をより小さくし、実質的な点光源化を可能と
する。

【００４９】無電極放電ランプは、発光バルブとなる気
密容器内に電極を有さないため、電極と放電媒質間の反
応による電極の消耗という問題も生じない。よって、長
寿命化と点光源化が可能な、液晶プロジェクタ用光源を
提供できる。

【００５０】また、発光バルブとなる気密容器を開口部
のある片側端部に近づく程、容器断面直径が広がる形状
とすれば、バルブ壁での反射回数をさらに少なくし、よ
り光出力効率が高く、指向性の高い光源を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態に係る無電極放電ランプの構
成例を示す図である。

【図２】第１の実施の形態に係る無電極放電ランプの発
光バルブ形状を示す図である。

【図３】第１の実施の形態に係る無電極放電ランプの放
電方法の例を示す図である。

【図４】第１の実施の形態に係る無電極放電ランプの放
電方法の例を示す図である。

【図５】発光バルブの形状とバルブ内の光束の進路の関
係を示す図である。

【図６】発光バルブの形状と出力効率の関係を示す図表
である。

【図７】第２の実施の形態に係る発光バルブの形状を示
す図である。

【図８】従来の液晶プロジェクタ用ランプ、および無電
極放電ランプの例を示す図である。

【符号の説明】

１ａ〜１ｅ開口部１０ａ〜１０ｅ発光バルブ２０、２５金属性共振器３０、３５セラミックス４０、４５反射層５０開口部６０アンテナ７０同軸ケーブル８０、８５高周波電源１１０コイル１２０金属電極１３０ループアンテナ１４０共振器１５０開口部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】放電媒体が封入された棒状外形を有する
気密容器と、前記気密容器長手方向における片側端面部の全部もしく
は一部に設けられた透光性の開口部と、前記開口部を除く前記気密容器壁に形成された光反射層
とを有することを特徴とする無電極放電ランプ。
【請求項２】前記気密容器は、その長尺方向の長さ
が、少なくとも前記端面部直径の２倍以上である請求項
１に記載の無電極放電ランプ。
【請求項３】前記開口部は、少なくとも前記端面部の
面積の約半分以上の面積を有する請求項１に記載の無電
極放電ランプ。
【請求項４】放電媒体が封入された気密容器と、前記気密容器長手方向における片側端面部の全部もしく
は一部に設けられた透光性の開口部と、前記開口部を除く前記気密容器壁に形成された光反射層
とを有し、前記気密容器が、前記開口部のある片側端部に近づくほ
ど、該容器長軸に垂直な容器断面径が広がる形状を有す
ることを特徴とする無電極放電ランプ。