JP3570370B2

JP3570370B2 - 光源装置

Info

Publication number: JP3570370B2
Application number: JP2000332089A
Authority: JP
Inventors: 一浩後藤; 晃彦杉谷
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2000-10-31
Filing date: 2000-10-31
Publication date: 2004-09-29
Anticipated expiration: 2020-10-31
Also published as: US20020050774A1; JP2002141025A; US6597115B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はデータプロジェクター、液晶プロジェクター、ＤＬＰプロジェクター用の光源装置に関する。
【０００２】
近年、液晶プロジェクターや、デジタル・ライト・プロセッシング技術（ＤＬＰ^ＴＭ：テキサス・インスツルメンツ社）を使用したＤＬＰプロジェクターが普及しつつある。これらプロジェクターは、プロジェクターからの映像光を該プロジェクターから離隔配置したスクリーンに投射する所謂フロントプロジェクション型画像モニターが主流となっている。そして、使用光源の高輝度化、液晶およびＤＬＰの光利用効率の改善によって明室内での使用も行われている。そして、さらに最近では、光源装置とスクリーンを一体化した所謂リアプロジェクション型画像モニターがホームユースの画像モニター（テレビ）として注目されてきている。
【０００３】
図１（ａ）、（ｂ）は従来のリアプロジェクション型画像モニター１００の概略断面図である。リアプロジェクション型画像モニター１００は、筐体５内に光源装置１と照明系光学部品６と背面反射ミラー３とスクリーン４が配置されて構成されている。
リアプロジェクション型画像モニター用の光源としてはメタルハライドランプや超高圧水銀ランプといったショートアーク型の放電ランプが使用される。そして、リアプロジェクション型画像モニターの動向としては省スペース化の市場要求から薄型化が指向されている。
【０００４】
使用光源としては、高輝度化の進展から上記超高圧水銀ランプを使用するケースが多い。超高圧水銀ランプは水平点灯より垂直点灯の方が高い水銀動作圧力を実現しつつ、発光管の耐熱設計が比較的容易にできるため、高輝度化、長寿命化などのランプ特性への考慮から垂直点灯の方が望ましい。
【０００５】
ただし、図１の（ａ）の場合、スクリーン４は垂直に立っている。スクリーン４上に上辺と下辺の等しい方形の投影面を作るには、光源からスクリーン４の上辺と下辺までの投影距離が同距離にならないといけない。もし、上辺と下辺までの投影距離が違うとスクリーン４上で台形をした投影面になってしまう。そこで、上記を解決するために背面反射ミラー３を大きく倒すと、その結果リアプロジェクション型画像モニター１００の奥行が大きくなる。
そこで、図１（ｂ）のように放電ランプ１を垂直点灯としたまま、照明光学系部品６により照射光を傾斜させることが考えられたが、製品筐体５内に配置する照明光学系部品６の増加を伴い、背面反射ミラー３のレイアウトの自由度を下げてしまい、結果としてリアプロジェクション型画像モニターの薄型化が行いにくいという問題点があった。
【０００６】
このために、図２のように、放電ランプ１の点灯姿勢を垂直より傾斜させることで、方向制限ミラーやプリズム等からなる照明光学系部品６の部品点数を放電ランプ１が垂直点灯した場合に比べて減らすことができ、背面反射ミラー３のレイアウトが容易となり、リアプロジェクション型画像モニター１００の薄型化が行い易くなってくる。
さらには、照明光学系部品６の部品点数減によって、コスト低減も可能となってくる。
上記のような理由により、製品の薄型化設計を実現していく上で、放電ランプ１を垂直点灯より傾斜を付けて点灯することが市場より強く要求されている。
【０００７】
ところが、このように放電ランプ１を、傾斜を付けて点灯する場合、垂直点灯時と比較してコイルアークの持続という問題が生じやすい。
通常、陰極はランプ始動性を考慮して、陰極芯棒にコイルと称する構成部材を巻き付けているが、コイルは放電ランプが始動後は主な機能はなくなり、アークの起点は発光管内の動作圧力の上昇とともにコイルから陰極芯棒先端に移行する。前述のコイルアークの持続という現象は、ここで説明したようなコイルから陰極芯棒先端へのアーク起点の移行がなされず、本来アークギャップとして設計した電極先端間でなく、コイルと陽極間で放電が安定し続けてしまう現象である。なお、コイルは放電ランプに要求される易始動性のために必須の構成部材である。
【０００８】
直流点灯型放電ランプにおいては、陰極および陽極をランプの光軸に沿うように加熱して封着固定するが、陽極は陰極に比べて重量があるため、陽極芯棒先端はランプ光軸に対して若干の偏心を生じる。点灯時に、その偏心した陽極芯棒先端と陰極に巻回してあるコイルとの間でアークが飛ぶ。そして、偏心した陽極芯棒先端の位置によっては生じたコイルアークが継続してしまう場合があるのである。
【０００９】
コイルアークが生じると凹面反射ミラーの集光点とアーク中心位置とがずれることになり、光源装置としての光出力の十分な利用が困難になってくる上、コイルアークの持続でコイルを構成するタングステンが蒸発し、石英ガラスからなる発光管内壁に蒸発物が付着することで発光部の透過率が下がり、投射面での光出力の減衰が生じたり、発光部の局所的な温度上昇による変形などによって、ランプ特性を劣化させてしまうという不具合を生じる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明はリアプロジェクション型画像モニターの光源装置に使用される放電ランプのコイルアークの継続発生を防止せしめ、ランプ長寿命化を実現すると共に、リアプロジェクション型画像モニターの光学部品点数を減らし製造コストを低減した光源装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、上方照射された映像光が、傾斜配置された背面反射ミラーによって水平方向に反射され、垂直配置されたスクリーン上に該映像光が照射される形式のリアプロジェクション型画像モニターの照射光源に使用される光源装置であって、該光源装置は凹面反射ミラーと、該凹面反射ミラーの中心孔に封止部が固定され、該封止部に連設された発光管内に一対の陰極と陽極を対向配置させてなる直流点灯型放電ランプとからなり、該凹面反射ミラーの光軸を垂直方向から前記背面反射ミラーの略中心方向に向けて傾斜配置されており、前記直流点灯型放電ランプは、陽極を上にして配置されており、該陽極の先端を該ランプの光軸上より前記光源装置を傾斜配置させた側に位置させたことを特徴とする光源装置とするものである。
【００１２】
また、請求項２に記載の発明は、前記光源装置の傾斜配置角度が垂直軸から５度以上５０度以下であることを特徴とする請求項１に記載の光源装置とするものである。
【００１３】
そして請求項３に記載の発明は、前記直流点灯型放電ランプが、ランプ電力１００Ｗ以上であって、前記発光管内に０．１６ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、希ガスまたは希ガスとハロゲンを含み、管壁負荷が０．８Ｗ／ｍｍ^２以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光源装置とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図３に直流点灯型の超高圧水銀ランプの説明図を示す。放電容器は石英ガラスにより形成され、発光空間を形成する楕円球形の発光部８とこの発光部８の両端から外方に伸びるように連設されたロッド状の封止部７、７を有する。
【００１５】
発光部８には放電容器の管軸上において、電極間距離が例えば２．０ｍｍ以下となる状態で陽極９と陰極１０が対向配置しており、陰極１０は軸部分が封止部７内に伸び、当該封止部７に気密に埋設されたＭｏ箔１２を介して外部リード１３に電気的に接続されている。
【００１６】
陽極９側についても同様の構成となり、Ｍｏ箔１２を介して外部リード１３に電気的に接続されている。
【００１７】
そして、発光部８内には、発光物質として水銀が封入され、また点灯始動ガスとしてアルゴン、キセノン等の希ガスが封入される。例えば希ガスは１．３×１０^４Ｐａ封入されている。ここで水銀封入量は０．１６ｇ／ｍｍ^３以上でありこの量は安定点灯時の水銀蒸気圧が百数十気圧以上になるものである。なお、発光部８の内壁の黒化抑制のためにハロゲンを封入することもできる。
【００１８】
このような超高圧水銀ランプの一例を紹介すると発光部８の最大径部１２．０ｍｍ、最大内径７．５ｍｍ、発光空間長（ランプの軸方向長さ）１２．５ｍｍ、封入水銀量５０ｍｇ、発光空間の内容積２６０ｍｍ^３、発光空間の内表面積２５０ｍｍ^２、管壁負荷０．８Ｗ／ｍｍ^２、定格電力２００Ｗ、電極間距離１．５ｍｍである。
【００１９】
この超高圧水銀ランプは凹面反射ミラー２に取り付けられ、凹面反射ミラー２の前方開口には透光性材料からなる前面カバー２１が取り付けられて光源装置となる。その構造を図４に示す。
放電ランプ１である超高圧水銀ランプの封止部７は凹面反射ミラー２の頂部２Ａ（中心孔）から突出して、接着剤を介して凹面反射ミラー２に支持されている。また、超高圧水銀ランプの放電容器の封止部７端部には端子ネジ付の口金７１が取り付けられている。凹面反射ミラー２の側面に穴２２が設けられており、陽極側の外部リード１３に電力を供給する金属線２３が引き出され、所定の電力が供給される。
【００２０】
凹面反射ミラー２は耐熱性を有する硬質ガラス、例えば、ほう珪酸ガラスからなり、放物面形状もしくは楕円面形状を有する。また、前面開口は、例えば略四角形状の開口を有する。
【００２１】
凹面反射ミラー２の内表面は例えば蒸着法によりチタニア（ＴｉＯ_２）とシリカ（ＳｉＯ_２）とを交互に積層した誘電体多層膜からなり、紫外線領域および赤外線領域の透過して可視光のみ反射するようにそれぞれの誘電体膜の厚み、膜数を規定し反射面を形成する。
また、前面カバー２１は凹面反射ミラー２の前面開口に例えばシリコン樹脂系接着剤のような接着剤２４を用いて接着される。
【００２２】
また、凹面反射ミラー２の中心軸は超高圧水銀ランプの長手軸と一致しており超高圧水銀ランプの発光中心が凹面反射ミラーの焦点位置にくるように配置したので、超高圧水銀ランプからの放射光を凹面反射ミラーの前方開口方向に効率よく放射することができる。
【００２３】
点灯姿勢が陽極上側、陰極下側配置の鉛直状態からある角度傾斜させて点灯する。そのとき、図５のように陽極９の偏芯方向が鉛直状態から傾斜した方向と反対側に位置する場合と、図６のように陽極９の偏芯方向と鉛直状態から傾斜した方向とが同一方向になる様に配置している場合において具体的現象の説明を以下にする。図５および図６において、電極付近を拡大した模式図を夫々図７、図８として示す。
図７および図８においては、便宜上Ｍｏ箔を省略してある。
【００２４】
一般に、ランプ始動時は陰極芯棒部分より熱的容量の小さい、熱電子放出がされやすいコイル１１から放電の起点が生じる場合が多い。その後、ランプ管球内温度が上昇してくると共にコイル１１からの熱伝導やアーク１４又はアーク周辺のフレアー１５からの対流によって陰極芯棒部分の温度上昇がなされ、陰極芯棒部分からも放電起点が生じうることができ、そのときには、コイル１１から最短放電距離となる陰極芯棒先端１０Ａに放電の起点が移行する。これが放電ランプの始動時に見られる一般的な現象である。
【００２５】
動作中のランプ管球内では、最も高温部のアークから鉛直上方に対流が生じ、管球内壁に沿って下降する流れができる。
しかし、傾斜方向と陽極偏芯方向とが図５のようにある場合、コイルで生じた放電は対流によって重力と反対方向に浮上した部分で安定する。電極付近を拡大した模式図を図７に示すが、このとき上記で述べたアーク１４又はアーク周辺のフレアー１５からの対流によって陰極芯棒先端１０Ａが高温雰囲気に曝されず、陰極芯棒が温度上昇する機会がなくなり、放電の起点が陰極芯棒先端１０Ａに移行できなくなり、コイルアークを持続してしまう。
【００２６】
こうなると、熱的容量の小さいコイル１１は蒸発し、蒸発したタングステンは発光部８内壁に付着するため、その部分で光の透過率を下げたり、熱の吸収によって石英ガラスの変質、変形といったランプ特性を損なう結果となる。
【００２７】
逆に、光源装置の傾斜方向と陽極偏芯方向とが図６に示したように配置した場合、電極付近を拡大した模式図を図８に示すが、コイル１１で生じた放電が対流によって浮上しコイル８の上方にあった場合でも陰極芯棒先端１０Ａが高温のフレア１５に曝されて、そこが温度上昇なされ、放電が陰極芯棒先端１０Ａに移行する。これによってコイル８での放電の持続は解消されるために正規の設計した陰極芯棒先端と陽極芯棒先端間で放電が生じ、設計したランプ特性が得られる。
【００２８】
傾斜点灯範囲は垂直より傾斜して点灯する場合において有効であるが、垂直軸から５０度を超えて傾斜させた場合、超高圧水銀ランプの水銀蒸気圧力が十分に上昇しないため、ランプ特性が得られず、また傾斜角度によって発光部８の最高温度部分の位置が変化し、石英ガラスの失透化が顕著になった。
【００２９】
また、光源装置の傾斜角度が、垂直軸から５度未満の小さい傾斜角の場合、垂直点灯と同じく、傾斜点灯方向と電極偏心方向との関係を無視した組み付けでもコイルアーク継続の問題は生ぜず、本発明での有効な傾斜点灯範囲は垂直軸から５度以上５０度以下であることが確認された。
【００３０】
また、本発明に使用される超高圧水銀ランプは、直流点灯型の超高圧ランプあって、ランプ電力１００Ｗ以上である。ランプ電力１００Ｗ未満では、市場要求の明るさが得られない。そして、発光管内に０．１６ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、希ガスまたは希ガスとハロゲンを含み、管壁負荷が０．８Ｗ／ｍｍ^２以上である。高輝度点光源とするためには０．１６ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀を封入することが必要であり、封入した水銀を完全に蒸発させるためには管壁負荷が０．８Ｗ／ｍｍ^２以上であることが要求される。
【００３１】
【発明の効果】
傾斜点灯方向と電極偏心方向との配置を、陽極の先端を該ランプの光軸上より前記光源装置を傾斜配置させた側に位置させるように規定することで、コイルアークの持続を防止し、垂直点灯時と同様のコイルアーク解消がなされ、定常の電極先端間のアークに落ち着く。
【００３２】
また、傾斜点灯角度も規定することで、垂直点灯時と同等のランプ出力が確保でき、さらに発光管の熱的負荷が許容温度範囲を超えない条件で使用できる。
【００３３】
さらに、直流点灯型の超高圧ランプあって、ランプ電力１００Ｗ以上であり、発光管内に０．１６ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、希ガスまたは希ガスとハロゲンを含み、管壁負荷が０．８Ｗ／ｍｍ^２以上であるランプを使用することで、リアプロジェクション型画像モニターの照射光源の用途において、封入した水銀が完全に蒸発し、十分な明るさの高輝度点光源の光源装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のリアプロジェクション画像モニターの説明用の概略断面図である。
【図２】本願の光源装置を配置したリアプロジェクション画像モニターの説明用の概略断面図である。
【図３】超高圧水銀ランプの説明図である。
【図４】光源装置の概略説明図である。
【図５】本発明における比較例としての放電ランプの位置を示す説明図である。
【図６】本発明の実施例としての放電ランプの位置を示す説明図である。
【図７】本発明における比較例での放電の様子を説明する拡大模式図である。
【図８】本発明の実施例としての放電の様子を説明する拡大模式図である。
【符号の説明】
１放電ランプ
２凹面反射ミラー
２Ａ頂部
３背面反射ミラー
４スクリーン
５筐体
６照明光学系部品
７封止部
７１口金
８発光部
９陽極
１０陰極
１０Ａ陰極芯棒先端
１１コイル
１２Ｍｏ箔
１３外部リード
１４アーク
１５フレアー
２１前面カバー
２２穴
２３金属線
１００リアプロジェクション型画像モニター
２００光源装置

Claims

上方照射された映像光が、傾斜配置された背面反射ミラーによって水平方向に反射され、垂直配置されたスクリーン上に該映像光が照射される形式のリアプロジェクション型画像モニターの照射光源に使用される光源装置であって、
該光源装置は凹面反射ミラーと、該凹面反射ミラーの中心孔に封止部が固定され、該封止部に連設された発光管内に一対の陰極と陽極を対向配置させてなる直流点灯型放電ランプとからなり、該凹面反射ミラーの光軸を垂直方向から前記背面反射ミラーの略中心方向に向けて傾斜配置されており、
前記直流点灯型放電ランプは、陽極を上にして配置されており、該陽極の先端を該ランプの光軸上より前記光源装置を傾斜配置させた側に位置させたことを特徴とする光源装置。
前記光源装置の傾斜配置角度が垂直軸から５度以上５０度以下であることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
前記直流点灯型放電ランプが、ランプ電力１００Ｗ以上であって、前記発光管内に０．１６ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、希ガスまたは希ガスとハロゲンを含み、管壁負荷が０．８Ｗ／ｍｍ^２以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光源装置。