JP2010165598A - 放電ランプ、光源装置およびプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】連続利用に伴う発光管の経年変化を防止して、長期的な信頼性および発光輝度の向上を図ることのできる放電ランプ、光源装置およびプロジェクタを提供する。
【解決手段】本発明は、発光物質が封入された石英ガラスからなる発光管１１と、発光管１１内に配置される一対の電極１１２，１１２と、を備える高圧水銀ランプ３であって、発光管１１の内面１１１Ａ１に酸化イットリウムおよび酸化ハフニウムを含む失透抑制膜１６が設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、放電ランプ、光源装置およびプロジェクタに関するものである。

従来、プロジェクターは、映像投写装置として会議でのプレゼンテーション用や家庭におけるホームシアター用など各方面に利用されている。このようなプロジェクターに使用される光源装置としては、例えば、特許文献１に記載されているように、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、及び高圧水銀ランプなどの電極を有する放電式ランプが主に用いられている。

特開２００６−２１０３６３号公報

しかしながら、このような光源装置は連続使用に伴う経年変化により、発光管に使われる石英ガラスが放電によるプラズマからの熱により白濁して失透するなどの現象が発生していた。これらの現象が、ランプの寿命、効率の低下を招いていた。

本願発明者は実験から、熱による石英ガラスの失透（結晶化）を抑制する方法として、発光管の内面にイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）膜を成膜することで石英の結晶化が抑えられることを既に提案している。しかしながら、発光によりイットリア膜が常に高温にさらされるとイットリア膜が焼結する場合があり、さらなる改善の余地がある。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み成されたものであって、連続使用に伴う発光管の経年変化を防止して、長期的な信頼性をより確実に得ることのできる放電ランプ、光源装置およびプロジェクタを提供することを目的としている。

本発明の放電ランプは、上記課題を解決するために、発光物質が封入された石英ガラスからなる発光管と、発光管内に配置される一対の電極と、を備える放電ランプであって、発光管の内面に酸化イットリウムおよび酸化ハフニウムの混合材料からなる膜が設けられている。

本発明によれば、発光管の内面に設けられた膜により、連続使用に伴う発熱よって発光管が失透してしまうのを防止することができる。本発明の膜は、酸化イットリウム及び酸化ハフニウムからなっているため、光源装置の駆動によって発光管が高温に晒されたとしてもその成膜状態を良好に維持することができる。これにより、発光管の失透を長期的且つ効果的に抑制することができるので放電ランプの長寿命化が可能となり、放電ランプの長期的な信頼性を確実に得ることができる。

また、膜における酸化ハフニウムの含有量が１０ｗｔ％〜５０ｗｔ％であることが好ましい。
本発明によれば、酸化ハフニウムの含有量が上記範囲の場合において特に発光管の失透防止効果が長期的に得られ、放電ランプの信頼性を一層向上させることができる。

また、膜の膜厚が０．１μｍ以上５μｍ未満であることが好ましい。
本発明によれば、良好な失透抑制効果が長期的に持続する。

本発明の光源装置は、先に記載の放電ランプを備えている。
本発明によれば、上記した失透抑制効果が高く長寿命な放電ランプを備えることによって、視認性が向上するとともに高信頼性の光源装置となる。

本発明のプロジェクタは、先に記載の光源装置と、光源装置から射出された光束を、入力された画像情報に応じて変調し光学像を形成する光変調部と、光変調部により形成された光学像を投射する投射部と、を備えている。
本発明によれば、高輝度発光が長期的に得られる光源装置を備えることによって、視認性が良好で高品位なプロジェクタとすることができる。

本発明に係る光源装置の概略構成を示す断面図。 本発明に係る高圧水銀ランプの概略構成を示す断面図。 Ｙ_２Ｏ_３膜が焼結した状態を示す図。 本発明に係るプロジェクタの概略構成図。

以下、本発明の実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
図１は、本発明の一実施形態である光源装置の全体構成を示す平面図、図２は、高圧水銀ランプ（放電ランプ）の概略構成を示す断面図である。
本実施形態の光源装置１は、後述するプロジェクタに好適に採用されるもので、楕円リフレクタ１２と、楕円リフレクタ１２の内部に配置される高圧水銀ランプ３と、を有している。高圧水銀ランプ３は、石英ガラスから構成される発光管１１と、発光管１１内に配置された一対の電極１１２，１１２とを有し、発光管１１内には封入物質が封入されている。

発光管１１は、中央部が球状に膨出した膨出部１１１Ａと、膨出部１１１Ａの両側に延在する封止部１１１Ｂ、１１１Ｂと、からなり、膨出部１１１ａの内部に発光物質を充填した発光領域１４（発光ガスを封入した封入空間）が形成されている。発光領域１４の内径は例えば、略１ｍｍ〜２ｍｍ程度である。

封止部１１１Ｂ、１１１Ｂには、それぞれ棒状の電極１１２，１１２が互いの端部を離間させた状態で配置されている。電極１１２、１１２は導電性材料であって、特に、熱膨張係数が小さく耐熱性が高い材料、具体的にはタングステン合金やステンレス合金、モリブデン等が適している。

なお、電極１１２、１１２の先端が発光管１１の発光領域１４に侵入する場合は、内部に充填するガスの種類にもよるが、ガスとの反応により電極材料の金属が腐食することが考えられるので、その場合は保護膜などを備えることが望ましい。

封止部１１１Ｂ、１１１Ｂの内部には、一対の電極１１２，１１２と電気的に接続されるモリブデン製の金属箔１１１Ｂ１が挿入され、ガラス材料等で封止されている。この金属箔１１１Ｂ１には、さらに電極引き出し線としてのリード線１１３が接続され、このリード線１１３は、高圧水銀ランプ３の外部まで延出している。

発光領域１４内に充填される封入物質としては、水銀、希ガスおよびハロゲン化合物で構成される。ここで、水銀は、例えば０．１５ｍｇ／ｍｍ^３〜０．３２ｍｇ／ｍｍ^３の封入量であり、１５０ｂａｒ〜１９０ｂａｒの蒸気圧で封入されることが好ましい。
また、希ガスは、発光部における発光を補助するために用いられるものであり、特に限定されないが、常用されるアルゴンガス、キセノンガス等を用いることができる。
さらにハロゲン化化合物は、塩素、臭素、および沃素のうちのいずれかのハロゲンを用いることができ、特に臭素を用いることが好ましい。

図２に示すように、本実施形態の発光管１１には、膨出部１１１Ａの内面１１１Ａ１に発光管１１の失透を抑制するための失透抑制膜１６が設けられている。
失透抑制膜１６は、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）および酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）をそれぞれ所定の割合で混合してなる混合膜であって、膨出部１１１Ａの内面１１１Ａ１全体を覆っている。Ｙ_２Ｏ_３は石英ガラスの失透を抑制するという効果を有し、ＨｆＯ_２はランプ使用温度で結晶化しにくく島状（図３参照）になりにくいという効果を有している。これらＹ_２Ｏ_３およびＨｆＯ_２の混合材料からなる膜を失透抑制膜１６として用いることで、Ｙ_２Ｏ_３がランプ熱による石英ガラスの結晶化を抑制しつつ、結晶化しにくいＨｆＯ_２が失透抑制膜１６の膜状態を維持することとなり、発光管１１の失透を長期的に抑制し得る。

失透抑制膜１６に含まれるＨｆＯ_２の含有量は、例えば１０ｗｔ％〜５０ｗｔ％の範囲内であることが好ましい。このようにすれば、例えば連続点灯時間が３０００時間を越えても失透が生じないランプとなる。

失透抑制膜１６の膜厚は、ＨｆＯ_２の含有量や発光管１１内に封入される封入物質などによっても異なってくるが、例えば、失透抑制膜１６の膜厚が０．１μｍ未満の場合には、ランプ使用温度によって焼結しやすく島状となって失透抑制効果をあまり期待できない。また、膜厚が５μｍを超える場合には、膜割れが生じてしまい失透がかえって加速されてしまうおそれがある。このため、失透抑制膜１６の膜厚を０．１μｍ以上５μｍ未満になるように形成し、より好ましくは０．１μｍ以上３μｍ以下で形成するのがよい。

このような失透抑制膜１６は、例えばＹ_２Ｏ_３およびＨｆＯ_２をバインダー溶液に溶解させたものを塗布し、自然乾燥後、所定の温度で熱処理を施すことによって形成される。適切なバインダー溶液を選択することによって均一な膜を得ることができる。また、微粒子を分散させた溶液を用いてもよい。

楕円リフレクタ１２は、高圧水銀ランプ３の封止部１１１Ｂが挿通される首状部１２１およびこの首状部１２１から拡がる楕円曲面状の反射部１２２を備えたガラス製の一体成形品である。
首状部１２１には、中央に挿入孔１２３が形成されており、この挿入孔１２３の中心に封止部１１１Ｂが配置される。
反射部１２２は、楕円曲面状のガラス内面に金属薄膜を蒸着形成して構成され、この反射部１２２の反射面は、可視光を反射して赤外線を透過するコールドミラーとされる。

高圧水銀ランプ３は、この反射部１２２の内部に配置され、膨出部１１１Ａの内の電極１１２，１１２間の発光中心が反射部１２２の楕円曲面の第１焦点位置Ｌ１となるように配置される。

そして、高圧水銀ランプ３を点灯すると、図１に示されるように、膨出部１１１Ａから放射された光束は、反射部１２２の反射面で反射して、楕円曲面の第２焦点位置Ｌ２に収束する収束光となる。

このような楕円リフレクタ１２に高圧水銀ランプ３を固定する際には、高圧水銀ランプ３の封止部１１１Ｂを楕円リフレクタ１２の挿入孔１２３に挿入し、膨出部１１１Ａ内の電極１１２間の発光中心が反射部１２２の楕円曲面の第１焦点位置Ｌ１となるように配置し、挿入孔１２３内部にシリカ、アルミナを主成分とする無機系接着剤を充填する。

副反射鏡１３は、膨出部１１１Ａの発光領域１４の光束射出方向前側を覆う反射部材であり、その反射面は、発光領域１４の球面（発光管１１の内面１１１Ａ１）に倣う凹曲面状に形成され、反射面は楕円リフレクタ１２と同様にコールドミラーとされている。
ここで、副反射鏡１３は、膨出部１１１Ａの発光領域１４の光束射出方向前側略半分以上、１／３以下の範囲を覆うことが好ましい。

上述した高圧水銀ランプ３において、封止部１１１Ｂから外側に延出するリード線１１３に電圧を印加すると、電極１１２，１１２間で放電が生じて発光部１５が発光する。そして、高圧水銀ランプ３の膨出部１１１Ａから前方側に射出された光束の一部は、この副反射鏡１３の反射面にて反射され、膨出部１１１Ａに再度戻る。そして、この戻り光の一部が膨出部１１１Ａの発光領域１４に封入された封入物にエネルギーを吸収されるとともに、その他の戻り光が楕円リフレクタ１２側に向けて進み、楕円リフレクタ１２の反射部１２２から射出される。

本実施形態の光源装置１は、高圧水銀ランプ３の内面に設けられた失透抑制膜１６によって発光管１１の失透を長期的に抑制することが可能である。失透抑制膜１６は、酸化イットリウムおよび酸化ハフニウムからなっているため、高圧水銀ランプ３の連続点灯によって発光管１１が長時間高温に晒されたとしてもその膜状態を維持することができ、失透抑制効果が十分に発揮される。これにより、発光管１１の失透に伴う輝度低下が抑制されて高輝度発光の高圧水銀ランプ３が得られるとともに高圧水銀ランプ３の長寿命化が可能になり、信頼性の高い光源装置１となる。

［試験例］
次に、本発明の効果を明らかにするために高圧水銀ランプの点灯試験を行った。図１に示す構成の高圧水銀ランプを複数用意し、Ｙ_２Ｏ_３およびＨｆＯ_２からなる失透抑制膜（混合膜）が設けられた実施例１〜１０と、失透抑制膜１６が設けられていない比較例１と、Ｙ_２Ｏ_３のみからなる失透抑制膜が設けられた比較例２とにより、各高圧水銀ランプの信頼性を比較した。
なお、各実施例１〜１０において、失透抑制膜中のＹ_２Ｏ_３およびＨｆＯ_２の混合比率や膜厚をそれぞれ異ならせてある。

試験には、超高圧水銀ランプ（１７０Ｗ）を用い、各発光管の内側に失透抑制膜をディッピングによって成膜した。

表１に、各実施例１〜１０と各比較例１，２における試験結果を示す。表１では、失透抑制膜の種類、膜厚（μｍ）、試験前の平均透過率（％）、失透確認時間（Ｈ）、試験後の平均透過率（％）の各項目についての評価結果を示す。

まず、比較例１，２の試験結果について述べる。
比較例１のように失透抑制膜が設けられていないランプは、試験前の平均透過率が９３％であったのに対して、連続点灯時間が２０００時間を経過した時点で失透が確認され、その後の平均透過率は１５％にまで大幅に低下している。

石英ガラスは、他のガラスと同様に、高温に晒されるとＳｉＯ_２の結晶層の一つ、すなわち構造的により安定な高温型のクリストバライト（β−クリストバライト）に転移して結晶化する傾向がある。結晶化は不均一な核の形成で始まり、石英ガラス全体へと成長していく。温度が高いほど結晶成長の速度は速くなるが、その速度は周囲の雰囲気中の不純物によって影響を受け、不純物が多い場合には１０倍ないし１００倍に変化することがある。このため、発光管内面の石英ガラスがむき出しの場合には早期に失透してしまう。

一方、比較例２におけるランプは膜厚１μｍのＹ_２Ｏ_３からなる膜を備えており、試験前と試験後でランプの平均透過率もほとんど低下しておらず、失透確認時間も比較例１に比べて若干長くなっている。このことから、Ｙ_２Ｏ_３からなる膜によって石英の結晶化が抑えられたことがわかる。

しかしながら、ランプ点灯中においてＹ_２Ｏ_３膜が常に高温に晒されることによって焼結してしまうと、膜状態を維持することができず図３に示すような島状になってしまう。このため、放電空間内において石英ガラスがむき出しになっているランプに比べて失透抑制効果は得られるものの、その効果が長期的に持続しないおそれがある。

次に、実施例１〜１０の試験結果について述べる。
実施例１〜１０における各ランプは、それぞれＹ_２Ｏ_３およびＨｆＯ_２からなる失透抑制膜を有しているが失透抑制膜を構成している各材料の混合比率や膜厚の関係によって結果が大きく異なっている。

まず、Ｙ_２Ｏ_３およびＨｆＯ_２の混合率に着目しみると、実施例１と比較例２との比較により、失透抑制膜中にＨｆＯ_２が含まれていたとしてもその含有量が５ｗｔ％と微量な場合には、比較例２と略同様の結果となり失透抑制効果の向上はほとんど見受けられない。

実施例２のように、ＨｆＯ_２の含有量が１０ｗｔ％の場合には、失透確認時間が５０００時間程度にまで延長され、失透抑制膜中のＨｆＯ_２の含有量が１０ｗｔ％以上の場合において比較例１，２に比べて失透抑制効果が格段に向上していることが認められた。

ところが、実施例５のようにＨｆＯ_２の含有量が７０ｗｔ％の場合には、ランプの輝度が著しく低下し、試験を開始して約１０００時間程度で失透が確認された。これにより、失透抑制膜中におけるＨｆＯ_２の含有量がＹ_２Ｏ_３の含有量よりも多い場合には、失透抑制効果が得られないばかりか比較例２よりも失透が確認されるまでの時間が大幅に早まっており、失透がかえって加速されてしまうことが判明した。また、実施例４および実施例５の結果から、ＨｆＯ_２の含有量の上限はＹ_２Ｏ_３の含有量と同程度であることがわかる。
このことから、失透抑制膜中におけるＨｆＯ_２の含有量が１０ｗｔ％〜５０ｗｔ％の範囲内であればよいことが確認された。

また、ランプの寿命は、失透抑制膜中のＨｆＯ_２の含有量だけでなくその膜厚によっても変わってくる。例えば、実施例６のような失透抑制膜の膜厚が０．１μｍ未満とされた場合には、ＨｆＯ_２の含有量が３０％と低いにもかかわらず試験後の透過率が著しく低下しており、比較例１と略同じような結果となった。つまり、膜厚が薄すぎるためにランプ熱の影響を受けて失透が生じ、膜全体の透明性が低下したといえる。

一方、実施例７〜９により、失透抑制膜の膜厚が０．１μｍ以上であれば失透が始まるまでの時間が比較例１，２よりも延長されている。しかしながら、実施例１０のように失透抑制膜の膜厚が５μｍと比較的厚さを有する場合には、点灯してから約５００時間程度で失透が始まっており失透がかえって促進されてしまうことが判明した。

失透が確認されるまでの時間で比較してみると、点灯してから約６０００時間に至るまで失透が確認されなかったランプは実施例３，４，９である。これらのうち試験後の平均透過率が８５％以上のものは、実施例３および実施例９である。実施例３，９は、いずれもＹ_２Ｏ_３（７０ｗｔ％）、ＨｆＯ_２（３０ｗｔ％）、膜厚が１μｍ以上５μｍ以下の失透抑制膜を有している。
このことから、失透抑制膜の膜厚は、０．１μｍ以上、５μｍ未満の範囲内であって、特に１μｍ以上、３μｍ以下で設定すればよいことが確認された。

この点灯試験において、所定の膜厚で形成された失透抑制膜、すなわちＨｆＯ_２およびＹ_２Ｏ_３からなる混合膜によって長期的な失透抑制効果が得られることを確認することができた。失透抑制膜の構成条件は、ランプの出力や封入物質の種類によっても異なってくるが、特に材料と膜厚を好適に選択することによって熱による発光管の結晶化をより一層抑制することができ、失透に伴う輝度低下を防ぐことができる。したがって、上記条件を満たした本発明に係る失透抑制膜を有する高圧水銀ランプを備えた光源装置は、その信頼性が格段に向上し、後述するプロジェクタの光源系として好適なものとなる。

（プロジェクタ）
次に、上記実施形態の光源装置を用いたプロジェクタについて説明する。
図４は、プロジェクタの構成例を示す平面図である。この図に示されるように、プロジェクタ１１００内部には、上記した本発明の光源装置１を備えたランプユニット１１０２が設けられている。このランプユニット１１０２から射出された投射光は、ライトガイド１１０４内に配置された４枚のミラー１１０６および２枚のダイクロイックミラー１１０８によってＲＧＢの３原色に分離され、各原色に対応するライトバルブとしての液晶パネル（光変調部）１１１０Ｒ、１１１０Ｂおよび１１１０Ｇに入射される。

液晶パネル１１１０Ｒ、１１１０Ｂおよび１１１０Ｇの構成は、上述した液晶装置と同等であり、画像信号処理回路から供給されるＲ、Ｇ、Ｂの原色信号でそれぞれ駆動されるものである。そして、これらの液晶パネルによって変調された光は、ダイクロイックプリズム１１１２に３方向から入射される。このダイクロイックプリズム１１１２においては、ＲおよびＢの光が９０度に屈折する一方、Ｇの光が直進する。したがって、各色の画像が合成される結果、投射レンズ１１１４（投射部）を介して、スクリーン等にカラー画像が投写されることとなる。ここで、各液晶パネル１１１０Ｒ、１１１０Ｂおよび１１１０Ｇによる表示像について着目すると、液晶パネル１１１０Ｇによる表示像は、液晶パネル１１１０Ｒ、１１１０Ｂによる表示像に対して左右反転することが必要となる。

プロジェクタ１１００は、上述した実施形態の光源装置１を備えている。光源装置１は失透が長期的に抑制されるものであるため高輝度な照明光を長期に亘って照射することが可能である。このため、プロジェクタ１１００は、長寿命化され、表示品位が高く信頼性の高い投写像を得ることができる。また、小型な光源装置１を備えたことにより、全体が小型化されかつ軽量なプロジェクタを得ることができる。

また、上記実施形態でのプロジェクタ１１００は、光変調部として液晶パネルを用いている。しかし、これに限らず、一般に、入射光を画像情報に応じて変調するものであればよく、マイクロミラー型光変調装置などを使用しても良い。なお、マイクロミラー型光変調装置としては、例えば、ＤＭＤ（Digital Micro mirror Device）（登録商標）を用いることができる。なお、マイクロミラー型光変調装置を用いた場合には、入射偏光板や射出偏光板などは不要とすることができ、偏光変換素子も不要とすることができる。

上記実施形態での光源装置１は、透過型液晶方式のプロジェクタ１１００に用いられている。しかし、これに限らず、反射型液晶方式であるＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）方式などを採用したプロジェクタに用いられても同様の効果を奏することが可能である。

先の実施形態での光変調部は、液晶パネルを３枚使用する３板方式であっても、液晶パネルを１枚使用する単板方式を用いても良い。なお、単板方式を用いた場合には、照明光学系の色分離光学系や色合成光学系などは不要とすることができる。

また、光源装置１は、外部に設置される投射面に光学像の投射を行うフロントタイプのプロジェクタに適用している。しかし、これに限らず、プロジェクタの内部にスクリーンを有して、そのスクリーンに光学像を投射するリアタイプのプロジェクタにも適用可能である。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもなく、上記各実施形態を組み合わせても良い。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、先の実施形態における光源装置１では、マイクロ波電源やＡＣ電源を採用することが可能である。

また、先の実施形態での光源装置１は、プロジェクタの光源として適用している。しかし、これに限らず、小型軽量の光源装置は、他の光学機器に適用しても良い。また、航空、船舶、車輌などの照明機器や、屋内照明機器などへも好適に適用することができる。

１…光源装置、３…高圧水銀ランプ（放電ランプ）、１１…発光管、１１２…電極、１１１Ａ１…内面、１６…失透抑制膜（膜）、１１００…プロジェクタ、１１１０Ｇ、１１１０Ｒ…液晶パネル（光変調部）、１１１４…投射レンズ（投射部）

Claims (5)

1. 発光物質が封入された石英ガラスからなる発光管と、前記発光管内に配置される一対の電極と、を備える放電ランプであって、
   前記発光管の内面に酸化イットリウムおよび酸化ハフニウムを含む膜が設けられている
   ことを特徴とする放電ランプ。
2. 前記膜における前記酸化ハフニウムの含有量が１０ｗｔ％〜５０ｗｔ％である
   ことを特徴とする請求項１記載の放電ランプ。
3. 前記膜の膜厚が０．１μｍ以上５μｍ未満である
   ことを特徴とする請求項１または２記載の放電ランプ。
4. 請求項１ないし３のいずれか一項に記載の放電ランプを備えた
   ことを特徴とする光源装置。
5. 請求項４記載の光源装置と、
   前記光源装置から射出された光束を、入力された画像情報に応じて変調し光学像を形成する光変調部と、
   前記光変調部により形成された前記光学像を投射する投射部と、を備えた
   ことを特徴とするプロジェクタ。

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