JP2010165599A - 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二酸化ハフニウムの混合材料からなる失透抑制膜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。このような現象が、ランプの寿命、効率の低下を招いていた。

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、長期的な信頼性を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、長期的な使用に伴う経年変化を防止して発光管が失透してしまうのを抑制することができる。本発明の膜は、酸化イットリウムからなる。この酸化イットリウム膜が熱による発光管の結晶化を抑制し、発光管の失透を長期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得ることができる。

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、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、視認性が良好で信頼性の高い光源装置となる。

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。 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）からなる膜であって、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ている。Ｙ_２Ｏ_３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、発光管１１の失透を長期的に抑制し得る。

失透抑制膜１６の膜厚は、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、詳細は後述するが０．１μｍ以上３μｍ以下で形成することがより好ましい。

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。酸化イットリウムからなる失透抑制膜１６を設けることで、高圧水銀ランプ３の連続点灯によって発光管１１内が高温になったとしても発光管１１の結晶化を長期的に抑制することが可能である。したがって、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が得られる。

［試験例］
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。以下にその試験結果について述べる。
図１に示す先の実施形態における高圧水銀ランプを複数用意し、実施例１〜５および比較例１〜８における失透の有無を評価した。試験には、超高圧水銀ランプ（１７０Ｗ）を用い、各発光管の内側に条件の異なる膜をディッピングにより成膜した。
実施例１〜５は膜厚の異なるＹ_２Ｏ_３膜をそれぞれ有し、比較例１は未成膜ランプ、比較例２は実施例１〜５よりも薄い膜厚のＹ_２Ｏ_３膜を有し、比較例３〜５は、Ｙ_２Ｏ_３とは異なる材料からなる膜を有している。具体的に、比較例３ではＣｅＯ_２膜、比較例４ではＴｉＯ_２膜、比較例５ではＨｏ_２Ｏ_３膜、比較例６ではＳｃ_２Ｏ_３膜、比較例７ではＨｆＯ_２膜、比較例８ではＺｒＯ_２膜が、それぞれ所定の膜厚で設けられている。

表１に、各実施例１〜５と各比較例１〜８とにおける高圧水銀ランプの試験結果を示す。表１では、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。

膜種類の評価結果としては、実施例１〜５における所定膜厚のＹ_２Ｏ_３膜を備えた場合のみ発光管の失透抑制効果が確認され、実施例３〜８のＹ_２Ｏ_３以外の材料の膜ではかえって失透を加速させてしまっていることが判明した。

上述したように、失透抑制効果はＹ_２Ｏ_３膜の膜厚によっても大きく異なっており、例えば実施例１〜４のようにＹ_２Ｏ_３膜の膜厚が０．１μｍ〜３μｍの範囲内において失透抑制効果が６０００時間と長期的に持続し、且つ試験後の平均透過率も全て７５％以上と初期の平均透過率と略同等の透過率となった。

これに対し、実施例５のようにＹ_２Ｏ_３膜の膜厚が５μｍと比較的厚さを有する場合には試験後の平均透過率が４５％にまで減少した。これは、膜自体が結晶化して透明性を失ってしまったことが原因である。

また、表１に示すように、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、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、試験前の平均透過率が９３％であったのに対し、試験後の平均透過率が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こととなる。

比較例２のランプは実施例１〜５と同様にＹ_２Ｏ_３からなる膜を有しているが、その膜厚が０．１μｍ未満と非常に薄いため失透抑制効果が持続せず、また、試験後の平均透過率も１５％にまで低下して未成膜のランプと略同様の透過率となった。

以上の結果から、Ｙ_２Ｏ_３膜による石英ガラスの失透抑制効果が確認された。また、実施例１〜５と比較例２とにより、Ｙ_２Ｏ_３膜の膜厚を０．１μｍ以上５μｍ未満の範囲内であって、特に０．１μｍ〜３μｍの範囲内で設定すればよいことが確認された。

これにより、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分かった。

この点灯試験において、所定の膜厚で形成されたＹ_２Ｏ_３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連続利用での発熱による発光管の結晶化を抑制でき、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３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 (4)

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、を有す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からなる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記載の放電ランプ。
3. 請求項１または２記載の放電ランプを備えた
   ことを特徴とする光源装置。
4. 請求項３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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