JP2011060620A - 光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】集光型の反射ミラーによって高い効率で集光することができると共に、平行光型の反射ミラーによって良好な平行光を形成することができる光源装置を提供する。
【解決手段】発光管の発光部内に、基端部がシール部に埋設された電極芯線の先端に設けられた一対の電極が対向配置された超高圧放電ランプと、光軸が発光管の管軸と一致して配置された凹面反射ミラーとを具え、発光部の内面は、凹面反射ミラーの前方側の第１の凹状曲面と凹面反射ミラーの後方側の第２の凹状曲面とよりなり、これらの境界が発光部の中心よりも凹面反射ミラーの後方側に位置され、第１の凹状曲面および第２の凹状曲面は電極芯線に接近するに従って曲率が大きくなる曲面で、管軸に沿った任意の断面において、第１の凹状曲面はＹ＝ｌｏｇ_A Ｘ−αＸ² の曲線、第２の凹状曲面はＹ＝ｌｏｇ_B Ｘ−βＸ² の曲線に沿って形成され、１＜Ａ＜Ｂ、０．００１≦α＜β≦０．１を満たす。【選択図】 図１

Description

本発明は、プロジェクタ装置などの画像投影装置に好適に用いることができる光源装置に関する。

従来、プロジェクタ装置などの画像投影装置の光源としては、高い輝度を有することから、発光管内に例えば０．１５ｍｇ／ｍｍ³ 以上の水銀が封入されたショートアーク型の超高圧放電ランプが利用されている。
而して、近年、モバイル型プロジェクタ装置の開発が進み、かかるモバイル型プロジェクタ装置の光源として用いられる超高圧放電ランプにおいては、更なる高輝度化が要求されている。超高圧放電ランプの高輝度化を図る手段としては、特殊な形状を有する発光管を用いる手段が提案されている（特許文献１参照）。

図４は、従来の光源装置の一例における構成を示す説明用断面図である。この光源装置は、超高圧放電ランプ８０と、この超高圧放電ランプ８０からの光を反射する凹面反射ミラー９５とを具えてなる。超高圧放電ランプ８０は、外径がトーラス形状の発光部８２の両端にシール部８５が形成された、石英ガラスよりなる発光管８１を有する。
この発光管８１における発光部８２内には、それぞれタングステンからなる一対の電極９０が互いに対向するよう配置されている。この電極９０の各々は、基端部分が発光管８１のシール部８５に埋設された電極芯線９１の先端に保持されている。電極芯線９１の基端には、発光管８１のシール部８５に埋設された導電性金属箔９２が溶接されて接続され、この導電性金属箔９２には、発光管８１のシール部８５の外端から突出する外部リード９３が接続されている。
発光部８２は、その中央領域８３における内面がトーラス形状に形成され、当該中央領域８３の両端に続く縁領域８４の内面が、それぞれシール部８５に向かうに従って小径となる円錐台状に形成されている。
凹面反射ミラー９５は、楕円球面鏡すなわち楕円球面状の反射面９６を有する集光型のものである。この凹面反射ミラー９５の中央頂部には、貫通孔９７が形成されると共に、当該凹面反射ミラー９５の光軸方向に沿って後方（図４において左方）に伸びる円筒状の頸部９８が一体的に形成されている。この凹面反射ミラー９５の頂部における貫通孔９７および頸部９８の筒孔内に、超高圧放電ランプ８０の発光管８１における一方のシール部８５が当該凹面反射ミラー９５の光軸向に沿って挿入されることにより、当該凹面反射ミラー９５が、超高圧放電ランプ８０の発光管８１における発光部８２を取り囲み、その光軸が発光管８１の管軸と一致するよう配置されている。

しかしながら、上記の光源装置においては、超高圧放電ランプ８０の発光管８１における発光部８２の縁領域８４の内面が円錐台状に形成されている、すなわち発光管８１の管軸に沿った断面においては直線状に形成されているため、電極９０間に形成されるアークからの光のうち、発光管８１における発光部８２の縁領域８４を通過する光が、凹面反射ミラー９５によって十分に集光されず、従って、超高圧放電ランプ８０からの光を高い効率で集光させることが困難である、という問題がある。
また、凹面反射ミラーとして、集光型のものに代えて平行光型のものを用いたときには、当該凹面反射ミラーによって良好な平行光を形成することが困難である、という問題がある。

特開２００６−１７９４８９号公報

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、反射ミラーとして集光型のものを用いたときに、当該反射ミラーによって高い効率で集光することができると共に、反射ミラーとして平行光型のものを用いたときに、当該反射ミラーによって良好な平行光を形成することができる光源装置を提供することにある。

本発明の光源装置は、発光部および当該発光部の両端に連設されたシール部を有する石英ガラスよりなる発光管内に、希ガスおよび０．１５ｍｇ／ｍｍ³ 以上の水銀が封入されると共に、それぞれ基端部が前記シール部に埋設された電極芯線の先端に設けられた一対の電極が互いに対向するよう配置されてなるショートアーク型の超高圧放電ランプと、前記発光部を取り囲み、その光軸が当該発光管の管軸と一致するよう配置された凹面反射ミラーとを具えてなる光源装置において、
前記発光部の内面は、前記凹面反射ミラーの前方側に形成された第１の凹状曲面と、前記凹面反射ミラーの後方側に形成された第２の凹状曲面とよりなり、
前記第１の凹状曲面と前記第２の凹状曲面との境界が、前記発光管の管軸に垂直な平面に沿って形成され、かつ、前記発光部の中心よりも前記凹面反射ミラーの後方側に位置されており、
前記第１の凹状曲面および前記第２の凹状曲面の各々は、前記電極芯線に接近するに従って曲率が大きくなる曲面であり、
前記発光管の管軸に沿った任意の断面において、当該発光管の管軸方向をＸ軸としたとき、前記第１の凹状曲面は、下記式（１）で示される曲線に沿って形成され、前記第２の凹状曲面は、下記式（２）で示される曲線に沿って形成されており、下記式（１）におけるＡおよび下記式（２）におけるＢは、１＜Ａ＜Ｂの関係を満たし、かつ、下記式（１）におけるαおよび下記式（２）におけるβは、０．００１≦α＜β≦０．１の関係を満たすことを特徴とする。
式（１） Ｙ＝ｌｏｇ_A Ｘ−αＸ²
式（２） Ｙ＝ｌｏｇ_B Ｘ−βＸ²

本発明の光源装置によれば、発光管における発光部の内面が、上記式（１）で示される曲線によって定められる第１の凹状曲面と、上記式（２）で示される曲線によって定められる第２の凹状曲面とからなるため、反射ミラーとして集光型のものを用いたときには、当該反射ミラーによって高い効率で集光することができると共に、反射ミラーとして平行光型のものを用いたときには、当該反射ミラーによって良好な平行光を形成することができる。

本発明の光源装置の一例における構成を示す説明用断面図である。 図１に示す光源装置における超高圧放電ランプの要部を拡大して示す説明用断面図である。 発光部を形成する工程を示す説明用断面図である。 従来の光源装置の一例における構成を示す説明用断面図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の光源装置の一例における構成を示す説明用断面図であり、図２は、図１に示す光源装置における超高圧放電ランプの要部を拡大して示す説明用断面図である。 この光源装置は、超高圧放電ランプ１と、この超高圧放電ランプ１からの光を反射する凹面反射ミラー３０とを具えてなる。

超高圧放電ランプ１の発光管１０は、内部に放電空間を形成する、外面が球面状に形成された発光部１１と、この発光部１１の両端の各々に一体に連設された、管軸に沿って外方に伸びるロッド状のシール部１５とを有し、この発光管１０における発光部１１内には、それぞれ基端部がシール部１５に埋設された電極芯線２１の先端に設けられたタングステンよりなる一対の電極２０が互いに対向するよう配置されている。ここで、一対の電極２０の間の中心位置すなわちアークの中心位置は、発光管１０の発光部１１の外面を形成する球面の中心Ｐに位置されている。一対の電極２０間の距離は、例えば０．５〜２ｍｍである。
発光管１０におけるシール部１５の各々の内部には、モリブデンよりなる金属箔１６が、例えばシュリンクシールにより気密に埋設され、金属箔１６の各々の一端には、一対の電極２０における電極芯線２１が溶接されて電気的に接続されており、一方、金属箔１６の各々の他端には、シール部１５の外端から外方に突出する外部リード１７が溶接されて電気的に接続されている。

凹面反射ミラー３０は、楕円球面鏡すなわち楕円球面状の反射面３１を有する集光型のものであって、その中央頂部には、貫通孔３２が形成されると共に、当該凹面反射ミラー３０の光軸方向に沿って後方（図１において左方）に伸びる円筒状の頸部３３が一体的に形成されている。
そして、凹面反射ミラー３０の頂部における貫通孔３２および頸部３３の筒孔内に、超高圧放電ランプ１の発光管１０における一方のシール部１５が当該凹面反射ミラー３０の光軸向に沿って挿入されることにより、当該凹面反射ミラー３０が、超高圧放電ランプ１の発光管１０における発光部１１を取り囲み、その光軸が発光管１０の管軸と一致するよう、かつ、その一方の焦点が超高圧放電ランプ１のアークの中心位置すなわち発光部１１の外面を形成する球面の中心Ｐに位置するよう配置されている。

超高圧放電ランプ１の発光管１０は石英ガラスより構成され、この発光管１０の発光部１１内には、例えば、水銀、希ガスおよびハロゲンガスが封入されている。
発光部１１内に封入される水銀は、例えば１５０気圧以上の高い水銀蒸気圧を確保するために、その封入量が０．１５ｍｇ／ｍｍ³ 以上とされる。この水銀の封入量を増加することにより、点灯時に２００気圧以上、または３００気圧以上の高い水銀蒸気圧を得ることができ、プロジェクタ装置に適した光源を実現することができる。
発光部１１内に封入される希ガスは、点灯始動性を改善するためのものであり、その封入圧は、静圧で例えば１０〜２６ｋＰａである。また、希ガスとしては、アルゴンガスを好適に用いることができる。
発光部１１内に封入されるハロゲンは、発光部１１内においてハロゲンサイクルを形成すると共に、これにより、電極物質であるタングステンが発光部１１の内壁に付着することを抑制するためのものであり、水銀その他の金属との化合物の形態で封入される。ハロゲンの封入量は、例えば１×１０^-6〜１×１０^-2μｍｏｌ／ｍｍ³ である。また、ハロゲンとしては、沃素、臭素、塩素などを用いることができる。
また、発光部１１内には、更に他の放電媒体としてハロゲン化金属を封入することもできる。

発光部１１の内面は、凹面反射ミラー３０の前方側（図１において右方側）に形成された第１の凹状曲面１２と、凹面反射ミラー３０の後方側（図１において左方側）に形成された第２の凹状曲面１３とよりなるものである。
第１の凹状曲面１２と第２の凹状曲面１３との境界Ｑは、発光管１０の管軸に垂直な平面に沿って形成され、かつ、発光部１１の外面を形成する球面の中心Ｐよりも凹面反射ミラー３０の後方側に位置されている。また、第１の凹状曲面１２および第２の凹状曲面１３の各々は、電極芯線２１に接近するに従って曲率が大きくなる曲面とされている。
そして、発光管１０の管軸に沿った任意の断面において、第１の凹状曲面１２は、下記式（１）で示される曲線に沿って形成され、一方、第２の凹状曲面１３は、下記式（２）で示される曲線に沿って形成されている。すなわち、第１の凹状曲面１２は、下記式（１）で示される曲線が発光管１０の管軸を中心軸として回転したときの曲面によって形成され、一方、第２の凹状曲面１３は、下記式（２）で示される曲線が発光管１０の管軸を中心軸として回転したときの曲面によって形成されている。
式（１） Ｙ＝ｌｏｇ_A Ｘ−αＸ²
式（２） Ｙ＝ｌｏｇ_B Ｘ−βＸ²
ここで、上記式（１）におけるＡおよび上記式（２）におけるＢは、１＜Ａ＜Ｂの関係を満たし、かつ、上記式（１）におけるαおよび上記式（２）におけるβは、０．００１≦α＜β≦０．１の関係を満たすものである。
また、Ａの値は、３．０以下であることが好ましく、ＡとＢとの差（Ｂ−Ａ）は、０．３〜０．７であることが好ましい。

以上において、第１の凹状曲面１２と第２の凹状曲面１３との境界Ｑを含む平面（以下、「境界面」という。）Ｆ１と、発光部１１の外面を形成する球面の中心Ｐを含む、発光管１０の管軸に垂直な平面（以下、「中心面」という。）Ｆ２との距離ａは、発光部１１の内部における管軸方向の長さｔの１０〜２５％であることが好ましい。
また、第１の凹状曲面１２と第２の凹状曲面１３との境界Ｑの内径は、例えば２〜９ｍｍである。
また、発光管１０の外径は、例えば６〜１５ｍｍである。

このような発光管１０における発光部１１は、例えば以下のようにして形成することができる。
先ず、図３（１）に示すように、石英ガラスよりなる発光管材１０Ａを用意し、この発光管材１０Ａの管内に例えば窒素ガスを吹き込みながら、当該発光管材１０Ａにおける発光部となる中央部分１１Ａを、例えばガスバーナーなどの加熱機４０によって加熱することにより、図３（２）に示すように、当該中央部分１１Ａを軟化して膨らませる。
次いで、例えばタングステンよりなる金属棒４２の先端に設けられた発光部内面用成形板４１を、発光管材１０Ａの管内に挿入し、図３（３）に示すように、当該発光部内面用成形板４１を、発光管材１０Ａの中央部分１１Ａの管内に配置する。一方、発光管材１０Ａの中央部分の外面に、発光部外面用成形ローラー４５を配置する。
以上において、発光部内面用成形板４１は、その一辺が、形成すべき発光部の第１の凹状曲面および第２の凹状曲面の各々の断面に係る曲線によって形成されてなるものである。また、発光部外面用成形ローラー４５の表面は、形成すべき発光部の外面の形状に対応する形状とされている。
そして、発光管材１０Ａの管内に例えば窒素ガスを吹き込みながら、当該発光管材１０Ａおよび発光部外面用成形ローラー４５を回転させ、その中央部分１１Ａを発光部内面用成形板４１および発光部外面用成形ローラー４５によって成形することにより、図３（４）に示すように、発光管材１０Ａに発光部１１が形成される。

上記の光源装置によれば、超高圧放電ランプ１における発光管１０の発光部１１の内面が、上記式（１）で示される曲線によって定められる第１の凹状曲面１２と、上記式（２）で示される曲線によって定められる第２の凹状曲面１３とからなるため、集光型の凹面反射ミラー３０によって超高圧放電ランプ１からの光を高い効率で集光することができる。
このような光源装置は、小型のプロジェクタ装置に用いられる光源装置として好適である。

上記の光源装置は、凹面反射ミラーとして集光型のものを用いた例であるが、本発明の光源装置においては、凹面反射ミラーとして、放物面鏡すなわち放物面状の反射面を有する平行光型のものを用いることができる。このような光源装置によれば、超高圧放電ランプにおける発光管の発光部の内面が、上記式（１）で示される曲線によって定められる第１の凹状曲面と、上記式（２）で示される曲線によって定められる第２の凹状曲面とからなるため、平行光型の凹面反射ミラーによって良好な平行光を形成することができる。

〈実験例〉
図１および図２に示す構成に従い、下記の仕様を有する光源装置（Ｌ１）〜光源装置（Ｌ３）を作製した。また、以下の仕様において、発光管における発光部の第１の凹状曲面および第２の凹状曲面の形状（具体的には、Ａ、Ｂ、βおよびαの値）を除き、全てのランプに共通の仕様である。

［超高圧放電ランプ（１）］
発光管（１０）は、石英ガラス製で、発光部（１１）の外面は直径１０ｍｍの球面により形成され、発光部（１１）の内面における第１の凹状曲面（１２）と第２の凹状曲面（１３）との境界（Ｑ）における内径が４．５ｍｍ、発光部（１１）の内部における管軸方向の長さが８．９ｍｍ（第１の凹状曲面（１２）側の長さが５．８ｍｍ、第２の凹状曲面（１３）側の長さが３．１ｍｍ）、中心面（Ｆ１）と境界面（Ｆ２）との距離ａが１．５ｍｍ、シール部（１５）の外径が５ｍｍである。また、発光部（１１）における第１の凹状曲面（１２）は、上記式（１）並びに下記表１に示すＡおよびαの値から定められる曲線に沿って形成され、第２の凹状曲面（１３）は、上記式（２）並びに下記表１に示すＢおよびβの値から定められる曲線に沿って形成されている。
発光管（１０）内には、０．２５ｍｇ／ｍｍ³ の水銀、アルゴンガスおよび５×１０^-6μｍｏｌ／ｍｍ³ の臭素が封入されている。
・電極は、純度が５Ｎのタングステン製で、その他の仕様は下記表１に示す通りである。 電極（２０）はそれぞれタングステンよりなり、電極（２０）間の距離は１．０ｍｍである。
・入力電圧は２３０Ｗである。
［凹面反射ミラー（３０）］
凹面反射ミラー（３０）は、楕円球面状の反射面（３１）を有する集光型のものであって、前方開口径が５２ｍｍ、頂部に形成された貫通孔（３２）の内径が１２ｍｍ、焦点距離が６０ｍｍであり、その一方の焦点に超高圧放電ランプ（１）のアークの中心位置に位置するよう配置されている。

上記の光源装置（Ｌ１）〜光源装置（Ｌ３）の各々の超高圧放電ランプ（１）を点灯させ、凹面反射ミラー（３０）の他方の焦点位置における照度を測定した。光源装置（Ｌ１）〜光源装置（Ｌ３）による照度について、光源装置（Ｌ２）による照度を１００（％）としたときの相対値として下記表１に示す。

表１の結果から明らかなように、本発明に係る光源装置（Ｌ２）によれば、αの値が０．００１より小さい光源装置（Ｌ１）および光源装置（Ｌ３）に比較して照度が高いことから、超高圧放電ランプからの光が凹面反射ミラーによって高い効率で集光されていることが確認された。

１ 超高圧放電ランプ
１０ 発光管
１０Ａ 発光管材
１１ 発光部
１１Ａ 中央部分
１２ 第１の凹状曲面
１３ 第２の凹状曲面
１５ シール部
１６ 金属箔
１７ 外部リード
２０ 電極
２１ 電極芯線
３０ 凹面反射ミラー
３１ 反射面
３２ 貫通孔
３３ 頸部
４０ 加熱機
４１ 発光部内面用成形板
４２ 金属棒
４５ 発光部外面用成形ローラー
８０ 超高圧放電ランプ
８１ 発光管
８２ 発光部
８３ 中央領域
８４ 縁領域
８５ シール部
９０ 電極
９１ 電極芯線
９２ 導電性金属箔
９３ 外部リード
９５ 凹面反射ミラー
９６ 反射面
９７ 貫通孔
９８ 頸部
Ｆ１ 境界面
Ｆ２ 中心面
Ｐ 中心
Ｑ 境界

Claims (1)

1. 発光部および当該発光部の両端に連設されたシール部を有する石英ガラスよりなる発光管内に、希ガスおよび０．１５ｍｇ／ｍｍ³ 以上の水銀が封入されると共に、それぞれ基端部が前記シール部に埋設された電極芯線の先端に設けられた一対の電極が互いに対向するよう配置されてなるショートアーク型の超高圧放電ランプと、前記発光部を取り囲み、その光軸が当該発光管の管軸と一致するよう配置された凹面反射ミラーとを具えてなる光源装置において、
   前記発光部の内面は、前記凹面反射ミラーの前方側に形成された第１の凹状曲面と、前記凹面反射ミラーの後方側に形成された第２の凹状曲面とよりなり、
   前記第１の凹状曲面と前記第２の凹状曲面との境界が、前記発光管の管軸に垂直な平面に沿って形成され、かつ、前記発光部の中心よりも前記凹面反射ミラーの後方側に位置されており、
   前記第１の凹状曲面および前記第２の凹状曲面の各々は、前記電極芯線に接近するに従って曲率が大きくなる曲面であり、
   前記発光管の管軸に沿った任意の断面において、当該発光管の管軸方向をＸ軸としたとき、前記第１の凹状曲面は、下記式（１）で示される曲線に沿って形成され、前記第２の凹状曲面は、下記式（２）で示される曲線に沿って形成されており、下記式（１）におけるＡおよび下記式（２）におけるＢは、１＜Ａ＜Ｂの関係を満たし、かつ、下記式（１）におけるαおよび下記式（２）におけるβは、０．００１≦α＜β≦０．１の関係を満たすことを特徴とする光源装置。
   式（１） Ｙ＝ｌｏｇ_A Ｘ−αＸ²
   式（２） Ｙ＝ｌｏｇ_B Ｘ−βＸ²

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