JP2007149516A

JP2007149516A - 放電ランプ

Info

Publication number: JP2007149516A
Application number: JP2005343110A
Authority: JP
Inventors: Takehito Chiga; 岳人千賀
Original assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 2005-11-29
Filing date: 2005-11-29
Publication date: 2007-06-14

Abstract

【課題】本発明は、光を反射させることによって、光の利用効率を高め、光の放射強度が高い放電ランプを提供することを目的とする。
【解決手段】放電空間を有する放電容器を備え、放電空間内に対向して配置される一対の電極からなる放電ランプにおいて、
前記電極の一方は、電極の中心軸上にアークを保持するための突出部と、アークから放射する光を陰極方向に向けて反射する反射面を突出部の周りに持つ反射部からなることを特徴とする。

【選択図】図２

Description

本発明は、液晶ディスプレイや投写型プロジェクターなどの光源として用いられる放電ランプに関する。

例えば、投写型の液晶ディスプレイ装置のバックライトなどとして用いられる放電ランプにおいては、矩形状のスクリーンに対して均一に、かつ十分な演色性をもって画像を映し出す性能を有することが要求され、またランプそれ自体においても、より一層の小型化あるいは、点光源化することが求められている。以上のような背景から、最近では、点灯時に、例えば２００バール（約１９７気圧）以上ものきわめて高い水銀蒸気圧を有する高圧水銀ランプが特開平６−５２８３０号公報に提案されている。このように、点灯時の水銀蒸気圧を高くすることにより、アークの広がりを抑えて点光源化を図ることができ、また放射される光量をより多くすることが可能となる。

図６に従来の放電ランプを示す。石英ガラス等の透光性材料からなる放電容器４は放電空間４１に連接する封止部４２ａ、４２ｂよりなる。放電容器４の放電空間４１内には対向配置された陽極２と陰極３とがある。陽極２、陰極３は各々モリブデン等からなる金属箔５に溶接され、金属箔５の他端には外部リード棒６が溶接されている。放電容器４の内部の形状は略楕円状になっており、放電容器４の内部には希ガスと共に水銀が０．１５ｍｇ／ｍｍ^３程度封入されている。

しかしながら、放電ランプへの市場からの要求としては更なる高輝度化が求められている。特開２００３−２９７２９４号公報に示されるように、放電容器内に封入される水銀量を更に多くすることによってアークを縮径させて高輝度化するといった改善がされていたが、アークが不安定になり、ちらつきが生じるといった問題が発生した。
特開平６−５２８３０号公報特開２００３−２９７２９４号公報

本発明は、光を反射させることによって、光の利用効率を高め、光の放射強度が高い放電ランプを提供することを目的とする。

本発明は、放電空間を有する放電容器を備え、放電空間内に対向して配置される一対の電極からなる放電ランプにおいて、電極の一方は、電極の中心軸上にアークを保持するための突出部と、アークから放射する光を他方の電極方向に向けて反射する反射面を突出部の周りに持つ反射部からなることを特徴とする。

また、本願第２の発明は、反射面をもつ電極の突出部先端から反射面のない電極の先端までの電極間離間距離をＬとし、前記反射面をもつ電極の反射面から前記反射面のない電極の先端までの離間距離をＬ_１としたとき、離間距離Ｌ_１の最小値より電極間離間距離Ｌの方が小さいことを特徴とする。

また、本願第３の発明は、放電空間の両端に封止部を備え、アークからの光を反射する反射鏡を備え、反射面のない電極側の封止部が反射鏡に固定されていることを特徴とする。

本発明に係る放電ランプによれば、従来技術にかかる放電ランプでは投射に利用されなかったアークから陽極表面に放射された光を反射面より反射させることができるので、反射面からの反射光をアークに再び集光させ、ランプから射出させ、反射鏡に到達させて、有効に再利用して放射強度を高めることができる。さらに、反射光の一部がアークに吸収されることによって、エネルギーが付与されアーク温度が上昇するので、発光効率を上げることができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の放電ランプをもつ光源装置の構成を示す説明用断面図、図２は、本発明の放電ランプの発光管付近の構成を示す一部断面図である。
図１において、１はショートアーク型の放電ランプを示し、この放電ランプ１は、陽極２および陰極３よりなる一対の放電電極が放電容器４の放電空間４１内において対向するよう配置されて構成されている。放電容器４の内部の形状は略楕円状になっており、放電容器４の内部には水銀が０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上封入されている。そして、この放電ランプ１を取り囲むよう反射鏡７が配設され、さらに、放電ランプ１のアーク方向、すなわち陽極２と陰極３とが対向する方向と、反射鏡７の光軸が一致する状態として光源装置が構成されている。

放電空間４１内に、陽極２および陰極３はそれぞれ封止部４２ａ、４２ｂに気密に埋設された例えばモリブデンよりなる金属箔５を介して、封止部４２ａ、４２ｂの外端面より外方に突出して伸びるよう設けられた外部リード棒６に接続されており、これにより、気密シール構造が形成されている。

図２に示すように、陰極３は、例えばタングステンよりなる棒状の内部リード棒３１よりなり、先端部分がテーパ状に加工されている。さらに内部リード棒３１は、例えばタングステンを主体とする材料よりなる金属コイル３３が内部リード棒３１の先端３２部分に巻回されて構成されている。アークは陰極３と陽極２の間に楕円球状に発光しており、その発光点９は陽極２と陰極３の極間のほぼ中央に位置している。発光点９から陰極３の端部を結ぶ線と内部リード棒３１の中心軸の角度は例えば２３°になっている。
陽極２は、例えばタングステンよりなり、内部リード棒２１に固定保持されて構成されている。

陽極２と陰極３の間にアークが形成されて光が放射される。このアークは、陽極２を形成する内部リード棒２１の中心軸２３の延長上に形成される。陽極２は中心軸２３上に頂点を持つ突出部２４と、突出部２４の周りに例えば球の一部となる形状または円錐の一部となる形状、回転楕円体の一部となる形状、回転放物線の一部となる形状の反射面２６を突出部２４の周りに備えた反射部２５とよりなる。発光点９から突出部２４の側面を結ぶ線と内部リード棒２１の中心軸２３の角度は２３°となるように構成することが好ましい。さらに、この反射面２６は、陽極２の中心軸２３の延長上のアークに反射光が集光するようにアークから放射する光を陰極３方向に向けて反射するように形成されている。このように突出部２４の周りに反射部２５を形成することによって、従来技術にかかる放電ランプでは、アークからの光が陽極２に反射されて投射に利用されなかった光を有効に活用して放射強度を高めることができる。

アークより発生した光、および反射面２６からの反射光でアークに集光した光は、放電空間４１から射出されて反射鏡７に到達し、平行光に変換されて画像を投影する。このとき、反射面２６からの反射光の一部がアークに吸収されるため、アークの温度が上昇し、放電ランプの発光効率を上昇させる効果がある。

点灯中のアークはフリッカーを防ぐために、陽極２の突出部２４先端２２周辺から、陰極３先端３２周辺までの間に安定に保持されなければならない。このためには、陽極２の中心軸２３上にある突出部２４先端２２から陰極３先端３２との電極間離間距離Ｌとし、反射面２６の任意の点から陰極２先端２２までの離間距離Ｌ_１とし、離間距離Ｌ_１の最小値より電極間離間距離Ｌの方が小さくなるように構成しなければならない。このようにすることによって、突出部２４先端２２から陰極３先端３２との電極間離間距離Ｌが常に陽極２と陰極３とを結ぶ最短距離となるので、陰極３先端３３から反射面２６に電子を飛ばして放電を開始させることを防ぎ、点灯中のアークを安定させて、陰極３先端３２と反射面２６がアークを形成してチラツキを生じさせるフリッカーの発生も防ぐことができる。

反射部２５の光の反射率が低減しないようにするには、反射面２６の表面状態を維持する必要がある。点灯中のハロゲンサイクルの影響により、放電空間４１に封入されたハロゲンが多すぎると反射面２６の表面に針状結晶が堆積し、封入されたハロゲンが少なすぎても、ハロゲンの蒸発によって反射面２６の形状が変形することや、アニーリングによるファセットの形成が促進されるため、反射面２６の表面状態を維持することができない。これより、陽極２の反射面２６の表面状態を維持するためには、ハロゲンのモル量が発光管の内容積に対して２〜７０×１０^−１０ｍｏｌ／ｍｍ^３のハロゲン濃度を満たすことが好ましい。

なお、本願発明の電極構造は陰極３に設けてもよい。一般に、陰極３の内部リード棒３１の径は陽極２の内部リード棒２１の径よりも小さいので、陰極３に反射面を設けても、反射光をアークに再び集光させることはできるが、光路上に陽極２が存在するため、アークを通過した反射光は陽極２表面に照射され、画像の投影に利用することができない。しかしながら、反射面からの反射光の一部がアークに吸収されるため、アークの温度が上昇し、放電ランプの発光効率が上昇する効果はある。
また、交流点灯方式の放電ランプにも本願発明を適応することができる。交流点灯方式の放電ランプの一方の電極の径が他方の電極の径より大きいとき、電極の径が大きい電極に反射部を設けた方が発光効率を高めることができる。

また、図１のように、放電ランプ１の陰極３側の封止部４２ｂを反射鏡７の中央底部の孔に挿入して、陰極３側の封止部４２ｂの先端に口金８を設けて反射鏡７に取り付けられていることが好ましい。発光点９から陽極２の端面を結ぶ線と内部リード棒２１の中心軸との角度は例えば４７°となっており、発光点９から陰極３の端部を結ぶ線と内部リード棒３１の中心軸の角度は２３°となっている。陰極３側の封止部４２ｂを反射鏡７に取り付けた場合、アークから反射鏡７開口部に照射される光のうち中心軸から４７°の範囲は陽極２の影となるため、光が照射されない。そのため、中心軸から４７°の範囲に反射鏡７の反射面を設ける必要がない。

一方、陽極２側の封止部４２ａの先端に口金８を設けて反射鏡７に取り付けた場合、アークから反射鏡７開口部に照射される光のうち中心軸から２３°の範囲は陰極３の影となるため、この範囲に反射鏡７の反射面を設ける必要がない。これより、陽極２を反射鏡７の開口側に配置した方が、反射鏡７の反射面を設けなければならない範囲が小さくなるため、サイズの小さな反射鏡７を用いることができる。なお、反射鏡７のサイズは大きくなるが、陰極３を反射鏡７の開口側に配置してもよい。

図３は、本発明の放電ランプの陽極部分の一部断面図である。陽極２の反射部２５の反射面２６は、アークを通過した反射光が陰極表面に照射されると画像の投影に利用することができないため、反射光の光路上に陰極が存在しない方が発光効率を高めることが期待される。例えば、陰極の発光点９からテーパ面を結ぶ線と内部リード棒の中心軸の角度は２３°とすれば、陽極２の中心軸２３から２３°までは光を反射させても有効利用されないので、反射面２５をもたない突出部２４を形成することが好ましい。さらに、突出部２４の周囲に反射部２５をどの程度設ければ放電ランプの反射強度を高められるかを以下の測定より考察した。

陽極２の内部リード棒の軸径は、内部リード棒を挿入する放電容器４の封止部４２ａの内径より小さい事、及び、熱容量の関係上、電極体積を大きく取る必要があり、容易に設計変更することができない。そこで、図３に示すように、陽極２の径と突出部２４の形状を保持したまま、図３（ａ）のように反射面２６を封止部側に寄せて設けるか、図３（ｂ）のように電極先端２２側に寄せて設けるかによって、反射面２６の面積を変化させた。発光点９から突出部２４の側面を結ぶ線と発光点９から反射面２６の端部２７を結ぶ線の角度を反射角度θとし、反射角度θを０°から６０°まで変化させたときの反射強度を測定した。

反射面２６を形成するタングステンの反射率は、図４に示すように、可視及び赤外域において７０％を平均として６０％から８０％の範囲にある。しかしながら、放電ランプの点灯中に反射面の表面状態を維持できない恐れがあることや、タングステンの微小部材を鏡面状に磨き上げることは容易ではないことなどを考慮し、反射面のタングステンの反射率は２０％から７０％まで変化させたときの反射強度を測定した。

測定に用いた放電ランプの仕様を以下に示す。
＜ランプ仕様＞
放電容器：材質；石英ガラス、放電空間の最大径；４．４ｍｍ、全長；９ｍｍ
陽極：材質；タングステン、直径；１．８ｍｍ、
陰極：内部リード棒の材質；タングステン、直径；０．８ｍｍ、金属コイルの材質；タングステン
電極間距離：１．０ｍｍ
封入物：水銀０．２５ｍｇ／ｍｍ^３
入力電圧：２００Ｗ

この放電ランプについて、反射面のタングステンの反射率は２０％から７０％まで変化させたときそれぞれについて、反射角度θを０°から６０°まで変化させて、その反射強度を測定した。反射角度θが０°すなわち反射面を設けなかったときの反射強度を１．００としたときの反射強度の相対比を表１に示す。

反射率が７０％の場合、反射角度θを大きくするにつれて反射強度も大きくなった。しかし、反射角度θが２５°のときの反射強度１、０８を境にして、反射強度は小さくなっていることがわかった。図５に示すように、陽極の突出部の中心角が４６°であり、その両側に反射角度θが２５°の反射面を形成すれば、陽極の中心軸から左右対称に両側で９６°にわたって陽極先端部の構造物が形成されるため、アークから放電空間には片側１０９°の範囲にしか光を出射できない。さらに反射面の反射角度が大きくなれば、陽極側の配光分布が著しく制限されて光が有効活用されず、反射角度が６０°を越えると反射面を形成しない場合より反射強度が落ちることがわかった。以上より、反射率が７０％のときは、反射角度θは２５°程度が最も効率よく光を照射できることがわかった。

次に、反射率が４５％の場合について考察した。反射率が４５％の場合も反射角度θを大きくするにつれて反射強度が大きくなった。しかし、反射角度θが２５°のときを境にして、反射強度は小さくなった。反射角度θが２５°のときの反射強度は１．０５となった。さらに、反射角度が４５°を越えると反射面を形成しない場合より反射強度が落ちることがわかった。
更に、反射率が２０％の場合について考察した。反射率が２５％の場合も反射角度θを大きくするにつれて反射強度が大きくなった。しかし、反射角度θが１５°のときを境にして、反射強度は小さくなった。反射角度θが１５°のときの反射強度は１．０２となった。さらに、反射角度が４５°を越えると反射面を形成しない場合より反射強度が落ちることがわかった。

以上より、反射率によって効果の得られる領域は変化するが、反射率が高いほど、効果の得られる反射角度も大きくなり、最大反射強度も大きくなることがわかった。また、反射率が小さいほど、最大反射強度の得られる反射角度は小さくなるので、最大反射強度は反射角度が２５°以下の場合に現れることがわかった。

本発明の放電ランプを有する光源装置の説明用断面図を表す。本発明の放電ランプの一部断面図を表す。本発明の放電ランプの陽極の一部断面図を表す。タングステンの反射率を表すグラフ本発明の放電ランプの実施例の一部断面図を表す。従来の放電ランプの概略断面図を表す。

符号の説明

１放電ランプ
２陽極
３陰極
４放電容器
５金属箔
６外部リード棒
７反射鏡
８口金
９発光点
２１内部リード棒
２２先端
２３中心軸
２４突出部
２５反射部
２６反射面
２７端部
３１内部リード棒
３２先端
３３金属コイル
４１放電空間
４２封止部

Claims

放電空間を有する放電容器を備え、放電空間内に対向して配置される一対の電極からなる放電ランプにおいて、
前記電極の一方は、電極の中心軸上にアークを保持するための突出部と、アークから放射する光を他方の電極方向に向けて反射する反射面を突出部の周りに持つ反射部からなることを特徴とする放電ランプ。
前記反射面をもつ電極の突出部先端から反射面のない電極の先端までの電極間離間距離をＬとし、前記反射面をもつ電極の反射面から前記反射面のない電極の先端までの離間距離をＬ_１としたとき、離間距離Ｌ_１の最小値より電極間離間距離Ｌの方が小さいことを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
前記放電空間の両端に封止部を備え、前記アークからの光を反射する反射鏡を備え、反射面のない電極側の封止部が反射鏡に取り付けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の放電ランプ。