JP3646429B2 - メタルハライドランプとその点灯装置および投光装置ならびにプロジェクタ装置 - Google Patents
メタルハライドランプとその点灯装置および投光装置ならびにプロジェクタ装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流点灯されるメタルハライドランプとそのランプの点灯装置およびこのランプを光源とした投光装置ならびにプロジェクタ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ショートア−クメタルハライドランプは、例えばカラー液晶プロジェクタ装置における投光装置用の光源として使用されている。カラー液晶プロジェクタ装置は、光源であるランプとこのランプから放射された光を反射するリフレクタとで投光装置が構成されており、この投光装置から投射された光が液晶表示パネルに照射し、この液晶表示パネルを透過した光が光学系により制御されてスクリーン面に投影されるようになっている。この場合、液晶表示パネルは各画素に対応してＲＧＢのカラーフィルタを備えており、液晶表示パネルを透過する光はこのカラーフィルタによりＲＧＢのいずれかに選択され、したがってＲＧＢのカラー光線がスクリーン面に投射されることから、スクリーン面には液晶表示パネルで制御された画像のカラー映像が写し出されることになる。
【０００３】
このようなカラー液晶プロジェクタ装置の光源としては、光学系における制御の容易さから点光源に近いことが望まれ、しかも低電力の割りには大光量が得られて豊富な光を放出し、加えて赤、青、緑の成分を効率よく放射し、さらには熱の発生が少ない等の条件を満足し得るランプが必要である。このような条件を満たすランプとして、ショートアークメタルハライドランプが好適する。
【０００４】
ショートアークメタルハライドランプは、石英ガラスからなる発光管の両端に電極を設けるとともに、この発光管の内部に、発光金属として金属ハロゲン化物と、緩衝金属としての水銀およびアルゴン等の希ガスを封入してある。このようなランプは、電極間距離Ｌが１０mm以下、好ましくは１〜７mmとされており、これら電極間に発生するアーク放電が短いことからショートアークタイプと称されている。そして、点灯中は１００Ｗ〜４００Ｗの電力により管壁負荷（入力電力Ｗを発光管の内表面積で除した値）が３０〜１００Ｗ／cm2 程度の大きな負荷条件で使用される。
【０００５】
したがって、このようなメタルハライドランプであればアークが短いことから点光源に近くなり、しかも低電力の割りには大光量を得ることができる。
また、この種のショートアークメタルハライドランプに封入される金属ハロゲン化物としては、ジスプロシウムＤｙ、ネオジウムＮｄ、ホルミウムＨｏ、ツリウムＴｍの中から選ばれた少なくとも１種の希土類金属のハロゲン化物と、インジウムＩｎ、タリウムＴｌ、ガリウムＧａ、亜鉛Ｚｎ、カドミウムＣｄから選ばれた少なくとも１種のハロゲン化物とが選択して使用されている。
【０００６】
ジスプロシウムＤｙ、ネオジウムＮｄ、ホルミウムＨｏ、ツリウムＴｍの中から選ばれた少なくとも１種の希土類金属のハロゲン化物は、可視光全般に亘る連続スペクトルの光出力を発するので、演色性の向上に有効であり、またインジウムＩｎ、タリウムＴｌ、ガリウムＧａ、亜鉛Ｚｎ、カドミウムＣｄから選ばれた少なくとも１種のハロゲン化物は、光の３原色であるＲＧＢのそれぞれ波長域にピーク波長を有し、これらＲＧＢの光を効率よく放射するのに適している。
【０００７】
しかしながら、このようなメタルハライドランプは、特に希土類金属が石英と反応して失透を生じ易く、特に管壁負荷が高い状態で点灯すると石英と希土類金属の反応が促進されて早期に光束が低下するという問題がある。これを解消するため、最近のショートアークメタルハライドランプは直流点灯するようにしている。
【０００８】
メタルハライドランプを直流点灯すると、放電空間内でイオン化された金属ハロゲン化物のうちの希土類金属を主とする陰イオンが陽極に引かれるとともに陽イオンおよび水銀が陰極に引かれ、いわゆるカタホリシス現象により陰イオンと陽イオンに分離される。このため、希土類金属を主とする陰イオンが陽極に引かれて石英壁の付近に存在するのが抑制され、よって希土類金属と石英との反応が抑止されて早期失透を防止し、光束維持率が向上するようになる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような直流点灯形のショートアークメタルハライドランプでは、点灯中に陽極となる電極に熱電子が衝突するため陽極の温度が高くなり、この陽極温度が過剰に上昇すると陽極が浸蝕されて変形するなどの問題がある。これを防止するため、通常、陽極は陰極に比べて大形に形成されている。しかし、ショートアークメタルハライドランプは放電空間が小さいため陽極を大形化するには限度があり、このため陽極の温度が陰極に比べて高くなる傾向がある。この陽極の熱はこの陽極が封止された方の封止部に輻射熱および伝導熱として伝わり、発光管全体では陽極側の発光管の管壁が陰極側に比べて温度上昇し、発光管の全体として温度差が発生する。
【００１０】
発光管の管壁に温度差が発生すると、熱歪みの発生が心配されるばかりでなく、放電空間の内面に温度差が生じるので金属ハロゲン化物の蒸発が不安定になり、発光特性に影響を及ぼすなどの不具合が心配される。
【００１１】
特に、発光物質としてジスプロシウムを含む希土類金属のハロゲン化物を用いる場合は、この種の希土類金属ハロゲン化物は蒸気圧を十分に高くする必要があり、よって最冷部温度を高くするように配慮されている。その手段の１つとして、管壁負荷を高くし、管壁温度を高くして点灯している。しかし、発光管壁に温度差が生じると、最冷部が発生し、しかもこの最冷部の温度が上昇せずに十分な蒸気圧が得られなくなることがあり、発光効率がばらつくなどの不具合がある。
【００１２】
また、陰極側の温度が低くなると、消灯した場合に金属ハロゲン化物が最冷部に凝集して陰極を覆うようになり、再始動の場合に陰極を覆った金属ハロゲン化物が電子の放出を妨げて始動電圧を高くしたり、陰極の根元で放電を起こすなどの不具合も心配される。なお、特公平７−３７８４号公報には、一対の電極間の距離をＬ（mm）、電極間の中心位置から気密容器内の陽性の基端部までの距離をＮ、電極が対向された方向の気密容器の内端部の距離を２ａとした場合、０．５≦（Ｎ−ａ）／Ｌ≦２．５としたショ−トア−クランプの記載がある。しかしながら、このものは、金属ハロゲン化物を封入するものではなく、蒸気圧の比較的低い水銀あるいはキセノンを封入しているだけであるので、そもそも比較的高い蒸気圧となる金属ハロゲン化物を封入するメタルハライドランプのように発光効率がばらつく問題はない。しかも、金属ハロゲン化物が陰極に付着して始動電圧を高くしたり陰極の根元放電が生じる問題もそもそも発生し得ない。
【００１３】
本発明はこのような事情にもとづきなされたもので、その目的とするところは、気密容器に温度差が生じないようにし、安定した発光特性が得られ始動が良好なメタルハライドランプとその点灯装置および投光装置ならびにプロジェクタ装置を提供しようとするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、電極間距離が１０mm以下で直流点灯されるメタルハライドランプにおいて、一対の電極間の距離をＬ（mm）、電極間の中心位置から気密容器内における陽極の基端部までの距離をＮ、電極が対向された方向の気密容器の内端部の間の距離を２ａとした場合、 ０．１≦（Ｎ−ａ）／Ｌ≦２．３ としたことを特徴とするメタルハライドランプである。本発明において、陽極の基端とは、気密容器の放電空間内における基端部を意味する。
【００１５】
請求項１の発明によれば、電極間の中心位置が陰極側に偏位されるようになり、陽極が相対的に陰極寄りに取り付けられるようになる。すなわち、陽極が陰極に対して相対的に突出しているので、陽極の先端からの熱によって陰極側の管壁が充分に熱せられる。気密容器においては陽極側と陰極側の温度差が少なくなる。このため金属ハロゲン化物の蒸発が安定になり、発光特性が良好になる。しかも、陽極の熱で陰極が熱せられ、消灯時陰極に金属ハロゲン化物が付着しにくくなるので始動牲が低下することが抑えられる。
【００１６】
請求項２の発明は、管壁負荷が３０Ｗ／cm2 以上で点灯されることを特徴とする請求項１に記載のメタルハライドランプである。
請求項２の発明によると、管壁負荷が３０Ｗ／cm2 以上で点灯されるから、発光金属の蒸発を促し、光出力が大きくなる。そして、このように管壁負荷が大きいからこそ、気密容器に温度差が生じると発光効率がばらつく心配があるが、請求項１に記載の条件を満足すれば陽極が相対的に陰極側に偏位されることから気密容器の管壁においては陽極側と陰極側の温度差が少なくなる。このため金属ハロゲン化物の蒸発が安定になり、発光特性が良好になる。
【００１７】
請求項３の発明は、ランプは一対の電極を結ぶ線が略水平となって点灯されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のメタルハライドランプである。
【００１８】
請求項３の発明によれば、ランプは水平点灯されるから、陽極側と陰極側で温度差を生じ易いが、請求項１または請求項２に記載の発明を採用すれば、水平点灯であっても温度差を小さくすることができる。
【００１９】
請求項４の発明は、金属ハロゲン化物は、少なくともジスプロシウムを含む希土類金属のハロゲン化物であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一に記載のメタルハライドランプである。
【００２０】
請求項４の発明によれば、金属ハロゲン化物として、少なくともジスプロシウムを含む希土類金属のハロゲン化物を用いたから管壁負荷を高くして点灯すれば、高効率および高演色が実現できる。
【００２１】
請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれか一に記載のメタルハライドランプと；このメタルハライドランプを直流点灯させる点灯手段と；を備えたことを特徴とする点灯装置である。
【００２２】
請求項５の発明によれば、請求項１ないし請求項４のいずれか一に記載のメタルハライドランプの特性を生かした点灯装置を提供することができる。
請求項６の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれか一に記載のメタルハライドランプと；上記メタルハライドランプが収容され、このランプから放射される光が反射されるリフレクタと；を具備し、上記メタルハライドランプは一対の電極を結ぶ線がリフレクタの光学的軸に沿うように配置され、陽極がリフレクタの頂部側に配置されるとともに、陰極がリフレクタの開口部側に配置されていることを特徴とする投光装置である。
【００２３】
請求項６の発明によれば、光源としてのメタルハライドランプが高輝度で点光源に近いからリフレクタによる反射制御が容易になり、集光率を高めることができる。しかも、陽極がリフレクタの頂部側に配置されるとともに、陰極がリフレクタの開口部側に配置されるから、陰極側から発せられる輝度の高い光をリフレクタの反射面で効果的に反射することができ、投光効率が良くなる。
【００２４】
請求項７の発明は、メタルハライドランプの気密容器の外表面に、リフレクタの開口部側に配置された上記陰極を覆う保温被膜が形成されていることを特徴とする請求項６に記載の投光装置である。
【００２５】
請求項７の発明によれば、リフレクタの開口部側に陰極が配置される場合、気密容器の陰極側の外表面に保温被膜を形成したから、熱放散のために温度が低下する心配のある陰極側が保温被膜で保温されるようになり、気密容器においては陽極側と陰極側の温度差が少なくなり、金属ハロゲン化物の蒸発が安定になり、発光特性が良好になる。
【００２６】
請求項８の発明は、リフレクタの頂部にメタルハライドランプの端部が固定される筒部が形成されており、この筒部の開口縁部と陰極とを結んだ線に陽極が存在しないようにしたことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の投光装置である。
【００２７】
請求項８の発明によれば、リフレクタの頂部に形成された筒部の開口縁部と陰極とを結んだ線に陽極が存在しないようにしたから、陰極先端部から放射される輝度の高い光を大きな形状の陽極が遮断することがなくなり、陰極先端部から放射される輝度の高い光をリフレクタの有効反射面で効果的に反射することができ、投光効率が良くなる。
【００２８】
請求項９の発明は、陽極先端に形成される主体部の表面積をＳmm2 、定格ランプ電力をＷワットとした場合、 ３．５≦Ｗ／Ｓ≦１０．０ であることを特徴とする請求項８に記載の投光装置である。
【００２９】
請求項９の発明によれば、陽極主体部の大きさが制限されるから陰極先端部から放射される輝度の高い光を陽極主体部が遮断することが少なくなる。
請求項１０の発明は、請求項６ないし請求項９のいずれか一に記載の投光装置と；この投光装置から照射される光で投影される表示装置と；を含むことを特徴とするプロジェクタ装置である。
請求項１０の発明によれば、請求項６または請求項９の投光装置を用いるのでスクリーン面の輝度を高めることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下本発明について、図面に示す一実施例にもとづき説明する。
図１は、ショートアークメタルハライドランプ１とリフレクタ３とを組み合わせた投光装置５０の構造を示す。
【００３１】
上記ショートアークメタルハライドランプ１は定格ランプ電力２５０Ｗであり、石英ガラスからなる気密容器、つまり発光管２０を備えている。この発光管２０は球形または楕円形の放電空間を有している。すなわち、発光管２０は、肉厚が１．２mm、放電空間の電極が対向された方向の内端部間の距離を２ａ、これと直交する方向に内面最大距離を２ｂとした場合、１．０≦ａ／ｂ≦１．５とされており、ａ／ｂ＝１の場合は略球形であり、ａ／ｂ＝１．５の場合は楕円球である。本例では、２ａ（長径）がほぼ１４．０mm、２ｂ（短径）がほぼ１２mm程度とされており、放電空間の内表面はほぼ５．０cm2 、内容積がほぼ０．９ccとなっている。
【００３２】
この放電空間には一対の電極２１ａ、２１ｂが設けられている。これら電極２１ａ、２１ｂはそれぞれ陽極２１ａおよび陰極２１ｂであり、これら陽極２１ａと陰極２１ｂは、これらの電極間距離Ｌが１０mm以下、例えば３．０mmとなるように対設されている。
【００３３】
陽極２１ａは先端部に大形の電極主体部２１ａａを備え、この電極主体部２１ａａに連続して電極軸部２１ａｂを有している。電極主体部２１ａａは線径２．３mm、長さ６．０mm程度のタングステンからなり、先端部および後端部は漸次径が小さくなるように、例えばテーパ面２６ａ、２６ｂが形成されている。このため、電極主体部２１ａａは表面積Ｓが４３mm2 程度に形成されている。このような電極主体部２１ａａに連なる電極軸部２１ａｂは上記電極主体部２１ａａと一体に形成され、線径が１．１mm程度になっている。なお、この陽極２１ａの放電空間への突出長さは、約６．５mmとされている。
陰極２１ｂは直線状のタングステンワイヤからなり、線径が例えば０．７mmとされている。
【００３４】
そして、上記陽極２１ａと陰極２１ｂの距離（電極間距離）をＬ（mm）、電極間の中心位置Ｐから上記陽極２１ａの発光管内における基端部までの距離をＮ、電極が対向された方向の発光管の内端部の間の距離（長径）を２ａとした場合、
０．１≦（Ｎ−ａ）／Ｌ≦２．３ …（１）
とされている。
【００３５】
ちなみに、電極間距離Ｌは３mmであり、電極間の中心位置Ｐから陽極２１ａの基端部までの距離Ｎは８mmであり、長径２ａは１４mmであるから、（Ｎ−ａ）／Ｌは０．３３となっている。
【００３６】
このような構成により、これら電極２１ａ、２１ｂ間の中心位置Ｐは、これら電極２１ａ、２１ｂが対向された方向の放電空間の内端部間距離、すなわち楕円の長径２ａの中心よりも陰極２１ｂ側に偏位されている。この結果、陽極２１ａは相対的に陰極側に偏位されている。
【００３７】
上記電極２１ａ，２１ｂは、発光管２０の両端部に形成された封止部２２、２２に封着された金属箔導体２３、２３に接続されている。金属箔導体２３、２３は厚さ３０μｍ、幅３mm程度のモリブデン箔からなり、一方の金属箔導体２３は図示しない外部リード線を介して端部に被着された口金２４に電気的に接続されており、他方の金属箔導体２３は外部リード線２５に接続されている。
【００３８】
上記発光管２０には、発光金属として金属ハロゲン化物が封入されているとともに、緩衝金属として水銀が封入されており、かつアルゴン等の希ガスが封入されている。
【００３９】
上記金属ハロゲン化物は、ジスプロシウムＤｙ、ネオジウムＮｄ、ホルミウムＨｏ、ツリウムＴｍの中から選ばれた少なくとも１種の希土類金属のハロゲン化物と、インジウムＩｎ、タリウムＴｌ、ガリウムＧａ、亜鉛Ｚｎ、カドミウムＣｄの中から選ばれた少なくとも１種のハロゲン化物と、セシウムＣｓのハロゲン化物とを含んでいる。
【００４０】
Ｄｙ，Ｎｄ，Ｈｏ，Ｔｍの中から選ばれた少なくとも１種の希土類金属のハロゲン化物はヨウ化物および臭化物であり、具体的には、ＤｙＩ3 が０．２５mg、ＤｙＢｒ3 が１．０mg，ＮｄＢｒ3 が０．２mgである。Ｉｎ、Ｔｌ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｃｄの中から選ばれた少なくとも１種のハロゲン化物もヨウ化物および臭化物であり、具体的には、ＩｎＢｒが０．４４mgである。また、セシウムＣｓのハロゲン化物はＣｓＩであり、０．１mg封入されている。
【００４１】
上記金属ハロゲン化物の総封入量は約２．０mgであり、これに対し水銀Ｈｇは３４mg封入されており、Ａｒは５００Torr封入されている。
このようなショートアークメタルハライドランプ１は、リフレクタ３に取り付けられて投光装置５０を構成している。リフレクタ３はガラスまたは金属からなり、楕円面または放物面などからなる回転曲面の内面に反射特性に優れたＴｉＯ2 −ＳｉＯ2 などの蒸着膜からなる反射面３１を有している。このリフレクタ３の前面投光部、つまり開口部は径が９０〜１３０mm程度に形成されており、前記発光管２０の短径２ｂに対して２０倍以内の寸法とされている。
【００４２】
リフレクタ３の背部の頂部には支持筒部３２が設けられている。この支持筒部３２には上記ランプ１の口金２４部分が、絶縁セメント等の接着剤３３により固着されている。これにより、ランプ１の一対の電極２１ａ、２１ｂを結ぶ線（ランプ軸）Ｏ1 −Ｏ1 が、リフレクタ３の中心軸、つまり光学的軸Ｏ2 −Ｏ2 と略一致するようにしてこのランプ１がリフレクタ３に取着されている。光学的軸Ｏ2 −Ｏ2 は略水平に設置されるようになっており、よってランプ１は水平点灯される。
【００４３】
そして、リフレクタ３に取り付けられた上記ランプ１は、発光管２０の陽極２１ａ側がリフレクタ３の支持筒部３２側に位置されているとともに、陰極２１ｂ側がリフレクタ３の前面開口部側に位置するように取り付けられている。
【００４４】
この場合、ランプ１はリフレクタ３に対し、陰極２１ｂの先端がリフレクタ３の焦点位置と略一致するように取り付けられている。そして、陰極２１ｂの先端と、上記リフレクタ３の頂部に形成された支持筒部３２の開口部とを結ぶ線Ｃは、陽極２１ａを通らないようになっており、言い換えると陽極２１ａの主体部２１ａａは上記陰極２１ｂの先端と支持筒部３２の開口部とを結ぶ線Ｃよりも後部に位置されている。
【００４５】
このため、電極主体部２１ａａの先端部は、前述した通り、先端側が漸次細くなるようにテーパ面２６ａが形成されている。
また、陽極主体部２１ａａを大きく形成し過ぎると陽極主体部２１ａａが上記陰極２１ｂの先端と支持筒部３２の開口部とを結ぶ線Ｃを遮るため、陽極主体部２１ａａは表面積をＳmm2 とし、定格ランプ電力をＷワットとした場合、
３．５≦Ｗ／Ｓ≦１０．０ …（２）
の範囲に規制されている。
【００４６】
さらに、このような組付け状態においては、発光管２０の陰極２１ｂ側の外表面には、図１に示すように保温被膜２８が形成されることが望ましい。保温被膜２８は例えばアルミナＡｌ2 Ｏ3 やシリカＳｉＯ2 などからなり、発光管２０の陰極２１ｂ側の外面に所定領域に亘り塗布して形成されている。
【００４７】
なお、リフレクタ３には導入孔３４が形成され、この導入孔３４に前記ランプ１の陰極２１ｂに接続された外部リ−ド線２５が貫通して背面側に導かれている。
【００４８】
このようなランプ１は、口金２４と外部リード線２５が交流・直流変換器などからなる電源手段４０に接続されて点灯装置を構成している。この電源手段４０は、ランプに１００Ｗ〜４００Ｗの直流電力を投入することにより、ランプを管壁負荷が３０〜１００Ｗ／cm2 程度の大きな負荷条件で点灯させるようになっており、上記ランプ１は、定格入力２５０Ｗであり、発光管の内表面積が５．０cm2 であるから、管壁負荷は５０Ｗ／cm2 程度になる。
【００４９】
上記投光装置５０は、例えば図３に示すようなカラープロジェクタ装置に用いられる。図３の６１はカラープロジェクタ装置の本体となるハウジングであり、このハウジング６１内には、上記投光装置５０と、液晶表示パネル６２と、レンズなどの光学系６３が設けられているとともに、上記交流・直流変換器などからなる電源手段４０および液晶駆動装置６４が設けられている。電源手段４０および液晶駆動装置６４は商用電源６５に接続されている。
【００５０】
電源手段４０からの電源供給によりランプ１が点灯すると、ランプ１から出た光はリフレクタ３により反射されて液晶表示パネル６２を照射する。液晶表示パネル６２には各画素に対応して図示しないＲＧＢのカラーフィルタを備えており、このカラーフィルタが上記液晶駆動装置６４により制御されるようになっている。液晶表示パネル６２を透過した光はこのカラーフィルタによりＲＧＢのいずれかに選択され、この光がレンズなどの光学系６３で集光されてスクリーン６６に投影される。したがって、スクリーン６６上には液晶表示パネル６２で制御された画像のカラー映像が写し出されるようになる。
【００５１】
このような構成のメタルハライドランプにおいては、陽極２１ａが放電空間内で相対的に陰極２１ｂ側に偏って取り付けられているから、陽極２１ａから発せられる熱は輻射や伝導により陰極側にも伝えられる。よって陰極側の表面の温度が上昇され、発光管２０全体では陽極側の温度と陰極側の温度が近づくようになる。
【００５２】
このため、水平点灯しても発光管２０の温度分布が均等化されるようになる。ゆえに発光管２０に熱歪みが発生することがなく、また放電空間の内面に温度差が生じなくなるので金属ハロゲン化物の蒸発が安定する。
【００５３】
特に、発光物質としてジスプロシウムを含む希土類金属のハロゲン化物を用いる場合、管壁負荷を高くして管壁温度を高くして点灯しているとともに、発光管の壁に温度差が生じないから、全体として蒸発が促され十分な蒸気圧が得られるようになり、発光効率が良好になる。
【００５４】
また、消灯した場合に陰極側に金属ハロゲン化物が凝集することもなくなり、金属ハロゲン化物が陰極２１ｂを覆うこともなくなり、再始動の場合に電子の放出が良好になり、始動電圧を低くして始動を円滑にする。
【００５５】
そして、陽極２１ａと陰極２１ｂの距離（電極間距離）をＬ（mm）、電極間の中心位置Ｐから上記陽極２１ａの封止端部までの距離をＮ、電極が対向された方向の放電空間の内端部間の距離（長径）を２ａとした場合、
０．１≦（Ｎ−ａ）／Ｌ≦２．３ …（１）
としたから、陽極２１ａの偏位量が規制されるようになり、発光効率が良好になり、寿命特性が向上する。
【００５６】
上記（１）式は、本発明者等の実験により得られた範囲であり、以下実験について説明する。
前記実施例の定格ランプ電力２５０Ｗのショートアークメタルハライドランプにおいて、陽極２１ａと陰極２１ｂの距離（電極間距離）をＬ（mm）、電極間の中心位置Ｐから上記陽極２１ａの基端部までの距離をＮ、電極が対向された方向の放電空間の内端部の間の距離（長径）を２ａとし、電極間距離Ｌ（mm）を変えて（Ｎ−ａ）と発光効率（lm／Ｗ）との関係を調べた。
【００５７】
その結果を、図４に示す。図４によれば、０．１≦（Ｎ−ａ）／Ｌであれば、発光効率が比較的高められることがわかる。
すなわち、（Ｎ−ａ）／Ｌが０．１未満であると、陽極２１ａの陰極側に向かう偏位量が少なく、このため発光管２０に温度差が生じ、最冷部温度が低くなって金属ハロゲン化物の蒸気圧が十分に上昇せず、よって発光効率が低下する。
【００５８】
また、下記表１は、寿命試験をした結果を示す。寿命試験は、点灯３０００時間後に初期光束が５０％以下に低下したランプは、寿命が尽きたものと評価した。すなわち、表１では点灯３０００時間後でも初期光束の５０％以上の光束維持率を有するランプは丸印、初期光束の５０％以下に低下したランプは×印とした。
【００５９】
【表１】
【００６０】
上記表１から、点灯３０００時間後でも初期光束の５０％以上の光束維持率を有するランプは、（Ｎ−ａ）／Ｌ≦２．３であればよいことが判る。
（Ｎ−ａ）／Ｌが２．３を越えると、逆に陰極側の温度が高くなり過ぎ、体積の小さな陰極物質が飛散して管壁に付着し、光を遮り、光束の低下を招く。
【００６１】
上記図４および表１から、０．１≦（Ｎ−ａ）／Ｌ≦２．３を満足すれば、発光効率および寿命特性が良好になる。
上記構造のショートアークメタルハライドランプ１は、電極間距離が１０mm以下、好ましくは３mm〜７mmの範囲に設定されるから、アーク長が短くなり、このことも点光源に近づけることができる大きな要因である。
【００６２】
また、上記ランプ１は、管壁負荷が３０Ｗ／cm2 以上の高負荷で点灯されるから、発光量が多くなり、投光装置５０として照射量が増すとともに、カラープロジェクタ装置としてスクリーン６６の輝度が向上する。
【００６３】
そしてまた、ランプ１は直流点灯されるので、カタホリシス現象により点灯中に金属ハロゲン化物と水銀とが、陽極と陰極とに分離されるようになり、よってハロゲン化物がバルブ壁に付着し難くなる。このため失透を防止することができ、寿命特性が向上する。
【００６４】
さらに、上記ランプ１は水平点灯されるから、陽極側と陰極側で温度差を生じ易いが、上記の構成を採用すれば、水平点灯であっても発光管の温度差を小さくすることができる。
【００６５】
そして、上記実施例の投光装置５０は、光源としてのメタルハライドランプ１が点光源に近く高輝度で点灯されるから、リフレクタ３による反射制御が容易になり、集光率を高めることができる。
【００６６】
リフレクタ３に取り付けられた上記ショートアークメタルハライドランプ１は、発光管２０の陽極２１ａ側がリフレクタ３の支持筒部３２側に位置されているとともに、陰極２１ｂ側がリフレクタ３の前面開口部側に位置し、陰極２１ｂの先端がリフレクタ３の焦点位置と略一致するように取り付けられているから、陰極２１ｂの先端部から発せられる輝度の高い光をリフレクタ３の反射面３１で有効に反射することができ、投光効率が良くなる。
【００６７】
そして、陽極２１ａの主体部２１ａａは、陰極２１ｂの先端とリフレクタ３の頂部に形成された支持筒部３２の開口部とを結ぶ線Ｃよりも後方に配置されているから、陰極２１ｂの先端部から発せられる輝度の高い光を反射面３１の全面を用いて反射することができ、言い換えると陽極２１ａの主体部２１ａａが陰極２１ｂ先端から発せられて反射面３１に向かう光を遮ることがなく、反射面を有効に活用できるので反射効率が向上し、投光効率がよくなり、スクリーン６６の照度を高くすることができる。
【００６８】
また電極主体部２１ａａの先端部は、先端側が漸次細くなるようにテーパ面２６ａが形成してあるから、陽極２１ａの主体部２１ａａが上記陰極２１ｂの先端とリフレクタ３の頂部に形成された支持筒部３２の開口部とを結ぶ線Ｃに掛かるのを避けることができる。
【００６９】
そして、陽極主体部２１ａａを大きくし過ぎると陽極主体部２１ａａが上記陰極２１ｂの先端と支持筒部３２の開口部とを結ぶ線Ｃを遮るため、陽極主体部２１ａａは、表面積をＳmm2 とし、定格ランプ電力をＷワットとした場合、
３．５≦Ｗ／Ｓ≦１０．０ …（２）
の範囲に規制されている。Ｗ／Ｓが３．５未満であると、陽極主体部２１ａａが大きくなり過ぎ、陽極２１ａの温度が十分に上昇せず、発光効率が低下する。またＷ／Ｓが１０．０を越えると、陽極２１ａが小さくて温度上昇が著しくなり、陽極が飛散して光束の低下や寿命低下を招く。
【００７０】
さらに、陰極２１ｂをリフレクタ３の開口部側に設置して組付けた状態において、発光管２０の陰極２１ｂ側の外表面には、図１に示すように保温被膜２８を形成したから、リフレクタ３の開口部側から熱放出され勝ちな発光管２０の陰極２１ｂ側外表面が保温されるようになり、陽極２１ａを偏位させたこととあいまって、発光管２０の温度バランスを均等化するのに有効である。
さらに、本実施例のカラープロジェクタ装置によれば、スクリーン６６面の輝度を高めることができる。
【００７１】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１の発明によれば、陽極が相対的に陰極側に偏位して取り付けられるようになり、よって陽極の熱が輻射や伝導により陰極側にも伝えられ、気密容器においては陽極側と陰極側の温度差が少なくなる。このため金属ハロゲン化物の蒸発が安定になり、発光特性が良好になるとともに、陰極の金属ハロゲン化物の付着が抑えられるので始動性が良好となる。
【００７２】
また、請求項２の発明によると、管壁負荷が３０Ｗ／cm2 以上で点灯されるから、発光金属の蒸発を促し、光出力が大きくなる。そして、このように管壁負荷が大きいからこそ、気密容器に温度差が生じると発光効率がばらつく心配があるが、請求項１に記載の条件を満足すれば陽極が相対的に陰極側に偏位されることから気密容器の管壁においては陽極側と陰極側の温度差が少なくなる。このため金属ハロゲン化物の蒸発が安定になり、発光特性が良好になる。
【００７３】
請求項３の発明によれば、ランプは水平点灯されるから、陽極側と陰極側で温度差を生じ易いが、請求項１または請求項２に記載の発明を採用すれば、水平点灯であっても温度差を小さくすることができる。
【００７４】
請求項４の発明によれば、金属ハロゲン化物として、少なくともジスプロシウムを含む希土類金属のハロゲン化物を用いたから管壁負荷を高くして点灯すれば、高効率および高演色が実現できる。
【００７５】
請求項５の発明によれば、請求項１ないし請求項４のいずれか一に記載のメタルハライドランプの特性を生かした点灯装置を提供することができる。
請求項６の発明によれば、光源としてのメタルハライドランプが高輝度で点光源に近いからリフレクタによる反射制御が容易になり、集光率を高めることができる。しかも、陽極がリフレクタの頂部側に配置されるとともに、陰極がリフレクタの開口部側に配置されるから、陰極側から発せられる輝度の高い光をリフレクタの反射面で効果的に反射することができ、投光効率が良くなる。
【００７６】
請求項７の発明によれば、リフレクタの開口部側に陰極が配置される場合、気密容器の陰極側の外表面に保温被膜を形成したから、熱放散のために温度が低下する心配のある陰極側が保温被膜で保温されるようになり、気密容器においては陽極側と陰極側の温度差が少なくなり、金属ハロゲン化物の蒸発が安定になり、発光特性が良好になる。
【００７７】
請求項８の発明によれば、リフレクタの頂部に形成された筒部の開口縁部と陰極とを結んだ線に陽極が存在しないようにしたから、陰極先端部から放射される輝度の高い光を大きな形状の陽極が遮断することがなくなり、陰極先端部から放射される輝度の高い光をリフレクタの有効反射面で効果的に反射することができ、投光効率が良くなる。
【００７８】
請求項９の発明によれば、陽極主体部の大きさが制限されるから陰極先端部から放射される輝度の高い光を陽極主体部が遮断することが少なくなる。
請求項１０の発明によれば、請求項６または請求項９の投光装置を用いるのでスクリーン面の輝度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】メタルハライドランプとリフレクタとからなる投光装置および点灯装置の構成を示す断面図。
【図２】同実施例のメタルハライドランプの発光管を拡大して示す図。
【図３】カラー液晶プロジェクタの原理を示す説明図。
【図４】陽極の偏位量と発光効率の関係を電極間距離の変更とともに示す特性図。
【符号の説明】
１…メタルハライドランプ
３…リフレクタ
２０…発光管
２１ａ…陽極 ２１ｂ…陰極
２１ａａ…陽極主体部
２１ａｂ…陽極側の電極軸
２２…封止部 ２３…金属箔導体
２４…口金 ２５…外部リード線
２８…保温被膜
３１…反射面
４０…直流電源手段
５０…投光装置
６２…液晶表示パネル
６３…光学系
６４…液晶駆動装置
６６…スクリーン
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流点灯されるメタルハライドランプとそのランプの点灯装置およびこのランプを光源とした投光装置ならびにプロジェクタ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ショートア−クメタルハライドランプは、例えばカラー液晶プロジェクタ装置における投光装置用の光源として使用されている。カラー液晶プロジェクタ装置は、光源であるランプとこのランプから放射された光を反射するリフレクタとで投光装置が構成されており、この投光装置から投射された光が液晶表示パネルに照射し、この液晶表示パネルを透過した光が光学系により制御されてスクリーン面に投影されるようになっている。この場合、液晶表示パネルは各画素に対応してＲＧＢのカラーフィルタを備えており、液晶表示パネルを透過する光はこのカラーフィルタによりＲＧＢのいずれかに選択され、したがってＲＧＢのカラー光線がスクリーン面に投射されることから、スクリーン面には液晶表示パネルで制御された画像のカラー映像が写し出されることになる。
【０００３】
このようなカラー液晶プロジェクタ装置の光源としては、光学系における制御の容易さから点光源に近いことが望まれ、しかも低電力の割りには大光量が得られて豊富な光を放出し、加えて赤、青、緑の成分を効率よく放射し、さらには熱の発生が少ない等の条件を満足し得るランプが必要である。このような条件を満たすランプとして、ショートアークメタルハライドランプが好適する。
【０００４】
ショートアークメタルハライドランプは、石英ガラスからなる発光管の両端に電極を設けるとともに、この発光管の内部に、発光金属として金属ハロゲン化物と、緩衝金属としての水銀およびアルゴン等の希ガスを封入してある。このようなランプは、電極間距離Ｌが１０mm以下、好ましくは１〜７mmとされており、これら電極間に発生するアーク放電が短いことからショートアークタイプと称されている。そして、点灯中は１００Ｗ〜４００Ｗの電力により管壁負荷（入力電力Ｗを発光管の内表面積で除した値）が３０〜１００Ｗ／cm2 程度の大きな負荷条件で使用される。
【０００５】
したがって、このようなメタルハライドランプであればアークが短いことから点光源に近くなり、しかも低電力の割りには大光量を得ることができる。
また、この種のショートアークメタルハライドランプに封入される金属ハロゲン化物としては、ジスプロシウムＤｙ、ネオジウムＮｄ、ホルミウムＨｏ、ツリウムＴｍの中から選ばれた少なくとも１種の希土類金属のハロゲン化物と、インジウムＩｎ、タリウムＴｌ、ガリウムＧａ、亜鉛Ｚｎ、カドミウムＣｄから選ばれた少なくとも１種のハロゲン化物とが選択して使用されている。
【０００６】
ジスプロシウムＤｙ、ネオジウムＮｄ、ホルミウムＨｏ、ツリウムＴｍの中から選ばれた少なくとも１種の希土類金属のハロゲン化物は、可視光全般に亘る連続スペクトルの光出力を発するので、演色性の向上に有効であり、またインジウムＩｎ、タリウムＴｌ、ガリウムＧａ、亜鉛Ｚｎ、カドミウムＣｄから選ばれた少なくとも１種のハロゲン化物は、光の３原色であるＲＧＢのそれぞれ波長域にピーク波長を有し、これらＲＧＢの光を効率よく放射するのに適している。
【０００７】
しかしながら、このようなメタルハライドランプは、特に希土類金属が石英と反応して失透を生じ易く、特に管壁負荷が高い状態で点灯すると石英と希土類金属の反応が促進されて早期に光束が低下するという問題がある。これを解消するため、最近のショートアークメタルハライドランプは直流点灯するようにしている。
【０００８】
メタルハライドランプを直流点灯すると、放電空間内でイオン化された金属ハロゲン化物のうちの希土類金属を主とする陰イオンが陽極に引かれるとともに陽イオンおよび水銀が陰極に引かれ、いわゆるカタホリシス現象により陰イオンと陽イオンに分離される。このため、希土類金属を主とする陰イオンが陽極に引かれて石英壁の付近に存在するのが抑制され、よって希土類金属と石英との反応が抑止されて早期失透を防止し、光束維持率が向上するようになる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような直流点灯形のショートアークメタルハライドランプでは、点灯中に陽極となる電極に熱電子が衝突するため陽極の温度が高くなり、この陽極温度が過剰に上昇すると陽極が浸蝕されて変形するなどの問題がある。これを防止するため、通常、陽極は陰極に比べて大形に形成されている。しかし、ショートアークメタルハライドランプは放電空間が小さいため陽極を大形化するには限度があり、このため陽極の温度が陰極に比べて高くなる傾向がある。この陽極の熱はこの陽極が封止された方の封止部に輻射熱および伝導熱として伝わり、発光管全体では陽極側の発光管の管壁が陰極側に比べて温度上昇し、発光管の全体として温度差が発生する。
【００１０】
発光管の管壁に温度差が発生すると、熱歪みの発生が心配されるばかりでなく、放電空間の内面に温度差が生じるので金属ハロゲン化物の蒸発が不安定になり、発光特性に影響を及ぼすなどの不具合が心配される。
【００１１】
特に、発光物質としてジスプロシウムを含む希土類金属のハロゲン化物を用いる場合は、この種の希土類金属ハロゲン化物は蒸気圧を十分に高くする必要があり、よって最冷部温度を高くするように配慮されている。その手段の１つとして、管壁負荷を高くし、管壁温度を高くして点灯している。しかし、発光管壁に温度差が生じると、最冷部が発生し、しかもこの最冷部の温度が上昇せずに十分な蒸気圧が得られなくなることがあり、発光効率がばらつくなどの不具合がある。
【００１２】
また、陰極側の温度が低くなると、消灯した場合に金属ハロゲン化物が最冷部に凝集して陰極を覆うようになり、再始動の場合に陰極を覆った金属ハロゲン化物が電子の放出を妨げて始動電圧を高くしたり、陰極の根元で放電を起こすなどの不具合も心配される。なお、特公平７−３７８４号公報には、一対の電極間の距離をＬ（mm）、電極間の中心位置から気密容器内の陽性の基端部までの距離をＮ、電極が対向された方向の気密容器の内端部の距離を２ａとした場合、０．５≦（Ｎ−ａ）／Ｌ≦２．５としたショ−トア−クランプの記載がある。しかしながら、このものは、金属ハロゲン化物を封入するものではなく、蒸気圧の比較的低い水銀あるいはキセノンを封入しているだけであるので、そもそも比較的高い蒸気圧となる金属ハロゲン化物を封入するメタルハライドランプのように発光効率がばらつく問題はない。しかも、金属ハロゲン化物が陰極に付着して始動電圧を高くしたり陰極の根元放電が生じる問題もそもそも発生し得ない。
【００１３】
本発明はこのような事情にもとづきなされたもので、その目的とするところは、気密容器に温度差が生じないようにし、安定した発光特性が得られ始動が良好なメタルハライドランプとその点灯装置および投光装置ならびにプロジェクタ装置を提供しようとするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、電極間距離が１０mm以下で直流点灯されるメタルハライドランプにおいて、一対の電極間の距離をＬ（mm）、電極間の中心位置から気密容器内における陽極の基端部までの距離をＮ、電極が対向された方向の気密容器の内端部の間の距離を２ａとした場合、 ０．１≦（Ｎ−ａ）／Ｌ≦２．３ としたことを特徴とするメタルハライドランプである。本発明において、陽極の基端とは、気密容器の放電空間内における基端部を意味する。
【００１５】
請求項１の発明によれば、電極間の中心位置が陰極側に偏位されるようになり、陽極が相対的に陰極寄りに取り付けられるようになる。すなわち、陽極が陰極に対して相対的に突出しているので、陽極の先端からの熱によって陰極側の管壁が充分に熱せられる。気密容器においては陽極側と陰極側の温度差が少なくなる。このため金属ハロゲン化物の蒸発が安定になり、発光特性が良好になる。しかも、陽極の熱で陰極が熱せられ、消灯時陰極に金属ハロゲン化物が付着しにくくなるので始動牲が低下することが抑えられる。
【００１６】
請求項２の発明は、管壁負荷が３０Ｗ／cm2 以上で点灯されることを特徴とする請求項１に記載のメタルハライドランプである。
請求項２の発明によると、管壁負荷が３０Ｗ／cm2 以上で点灯されるから、発光金属の蒸発を促し、光出力が大きくなる。そして、このように管壁負荷が大きいからこそ、気密容器に温度差が生じると発光効率がばらつく心配があるが、請求項１に記載の条件を満足すれば陽極が相対的に陰極側に偏位されることから気密容器の管壁においては陽極側と陰極側の温度差が少なくなる。このため金属ハロゲン化物の蒸発が安定になり、発光特性が良好になる。
【００１７】
請求項３の発明は、ランプは一対の電極を結ぶ線が略水平となって点灯されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のメタルハライドランプである。
【００１８】
請求項３の発明によれば、ランプは水平点灯されるから、陽極側と陰極側で温度差を生じ易いが、請求項１または請求項２に記載の発明を採用すれば、水平点灯であっても温度差を小さくすることができる。
【００１９】
請求項４の発明は、金属ハロゲン化物は、少なくともジスプロシウムを含む希土類金属のハロゲン化物であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一に記載のメタルハライドランプである。
【００２０】
請求項４の発明によれば、金属ハロゲン化物として、少なくともジスプロシウムを含む希土類金属のハロゲン化物を用いたから管壁負荷を高くして点灯すれば、高効率および高演色が実現できる。
【００２１】
請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれか一に記載のメタルハライドランプと；このメタルハライドランプを直流点灯させる点灯手段と；を備えたことを特徴とする点灯装置である。
【００２２】
請求項５の発明によれば、請求項１ないし請求項４のいずれか一に記載のメタルハライドランプの特性を生かした点灯装置を提供することができる。
請求項６の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれか一に記載のメタルハライドランプと；上記メタルハライドランプが収容され、このランプから放射される光が反射されるリフレクタと；を具備し、上記メタルハライドランプは一対の電極を結ぶ線がリフレクタの光学的軸に沿うように配置され、陽極がリフレクタの頂部側に配置されるとともに、陰極がリフレクタの開口部側に配置されていることを特徴とする投光装置である。
【００２３】
請求項６の発明によれば、光源としてのメタルハライドランプが高輝度で点光源に近いからリフレクタによる反射制御が容易になり、集光率を高めることができる。しかも、陽極がリフレクタの頂部側に配置されるとともに、陰極がリフレクタの開口部側に配置されるから、陰極側から発せられる輝度の高い光をリフレクタの反射面で効果的に反射することができ、投光効率が良くなる。
【００２４】
請求項７の発明は、メタルハライドランプの気密容器の外表面に、リフレクタの開口部側に配置された上記陰極を覆う保温被膜が形成されていることを特徴とする請求項６に記載の投光装置である。
【００２５】
請求項７の発明によれば、リフレクタの開口部側に陰極が配置される場合、気密容器の陰極側の外表面に保温被膜を形成したから、熱放散のために温度が低下する心配のある陰極側が保温被膜で保温されるようになり、気密容器においては陽極側と陰極側の温度差が少なくなり、金属ハロゲン化物の蒸発が安定になり、発光特性が良好になる。
【００２６】
請求項８の発明は、リフレクタの頂部にメタルハライドランプの端部が固定される筒部が形成されており、この筒部の開口縁部と陰極とを結んだ線に陽極が存在しないようにしたことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の投光装置である。
【００２７】
請求項８の発明によれば、リフレクタの頂部に形成された筒部の開口縁部と陰極とを結んだ線に陽極が存在しないようにしたから、陰極先端部から放射される輝度の高い光を大きな形状の陽極が遮断することがなくなり、陰極先端部から放射される輝度の高い光をリフレクタの有効反射面で効果的に反射することができ、投光効率が良くなる。
【００２８】
請求項９の発明は、陽極先端に形成される主体部の表面積をＳmm2 、定格ランプ電力をＷワットとした場合、 ３．５≦Ｗ／Ｓ≦１０．０ であることを特徴とする請求項８に記載の投光装置である。
【００２９】
請求項９の発明によれば、陽極主体部の大きさが制限されるから陰極先端部から放射される輝度の高い光を陽極主体部が遮断することが少なくなる。
請求項１０の発明は、請求項６ないし請求項９のいずれか一に記載の投光装置と；この投光装置から照射される光で投影される表示装置と；を含むことを特徴とするプロジェクタ装置である。
請求項１０の発明によれば、請求項６または請求項９の投光装置を用いるのでスクリーン面の輝度を高めることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下本発明について、図面に示す一実施例にもとづき説明する。
図１は、ショートアークメタルハライドランプ１とリフレクタ３とを組み合わせた投光装置５０の構造を示す。
【００３１】
上記ショートアークメタルハライドランプ１は定格ランプ電力２５０Ｗであり、石英ガラスからなる気密容器、つまり発光管２０を備えている。この発光管２０は球形または楕円形の放電空間を有している。すなわち、発光管２０は、肉厚が１．２mm、放電空間の電極が対向された方向の内端部間の距離を２ａ、これと直交する方向に内面最大距離を２ｂとした場合、１．０≦ａ／ｂ≦１．５とされており、ａ／ｂ＝１の場合は略球形であり、ａ／ｂ＝１．５の場合は楕円球である。本例では、２ａ（長径）がほぼ１４．０mm、２ｂ（短径）がほぼ１２mm程度とされており、放電空間の内表面はほぼ５．０cm2 、内容積がほぼ０．９ccとなっている。
【００３２】
この放電空間には一対の電極２１ａ、２１ｂが設けられている。これら電極２１ａ、２１ｂはそれぞれ陽極２１ａおよび陰極２１ｂであり、これら陽極２１ａと陰極２１ｂは、これらの電極間距離Ｌが１０mm以下、例えば３．０mmとなるように対設されている。
【００３３】
陽極２１ａは先端部に大形の電極主体部２１ａａを備え、この電極主体部２１ａａに連続して電極軸部２１ａｂを有している。電極主体部２１ａａは線径２．３mm、長さ６．０mm程度のタングステンからなり、先端部および後端部は漸次径が小さくなるように、例えばテーパ面２６ａ、２６ｂが形成されている。このため、電極主体部２１ａａは表面積Ｓが４３mm2 程度に形成されている。このような電極主体部２１ａａに連なる電極軸部２１ａｂは上記電極主体部２１ａａと一体に形成され、線径が１．１mm程度になっている。なお、この陽極２１ａの放電空間への突出長さは、約６．５mmとされている。
陰極２１ｂは直線状のタングステンワイヤからなり、線径が例えば０．７mmとされている。
【００３４】
そして、上記陽極２１ａと陰極２１ｂの距離（電極間距離）をＬ（mm）、電極間の中心位置Ｐから上記陽極２１ａの発光管内における基端部までの距離をＮ、電極が対向された方向の発光管の内端部の間の距離（長径）を２ａとした場合、
０．１≦（Ｎ−ａ）／Ｌ≦２．３ …（１）
とされている。
【００３５】
ちなみに、電極間距離Ｌは３mmであり、電極間の中心位置Ｐから陽極２１ａの基端部までの距離Ｎは８mmであり、長径２ａは１４mmであるから、（Ｎ−ａ）／Ｌは０．３３となっている。
【００３６】
このような構成により、これら電極２１ａ、２１ｂ間の中心位置Ｐは、これら電極２１ａ、２１ｂが対向された方向の放電空間の内端部間距離、すなわち楕円の長径２ａの中心よりも陰極２１ｂ側に偏位されている。この結果、陽極２１ａは相対的に陰極側に偏位されている。
【００３７】
上記電極２１ａ，２１ｂは、発光管２０の両端部に形成された封止部２２、２２に封着された金属箔導体２３、２３に接続されている。金属箔導体２３、２３は厚さ３０μｍ、幅３mm程度のモリブデン箔からなり、一方の金属箔導体２３は図示しない外部リード線を介して端部に被着された口金２４に電気的に接続されており、他方の金属箔導体２３は外部リード線２５に接続されている。
【００３８】
上記発光管２０には、発光金属として金属ハロゲン化物が封入されているとともに、緩衝金属として水銀が封入されており、かつアルゴン等の希ガスが封入されている。
【００３９】
上記金属ハロゲン化物は、ジスプロシウムＤｙ、ネオジウムＮｄ、ホルミウムＨｏ、ツリウムＴｍの中から選ばれた少なくとも１種の希土類金属のハロゲン化物と、インジウムＩｎ、タリウムＴｌ、ガリウムＧａ、亜鉛Ｚｎ、カドミウムＣｄの中から選ばれた少なくとも１種のハロゲン化物と、セシウムＣｓのハロゲン化物とを含んでいる。
【００４０】
Ｄｙ，Ｎｄ，Ｈｏ，Ｔｍの中から選ばれた少なくとも１種の希土類金属のハロゲン化物はヨウ化物および臭化物であり、具体的には、ＤｙＩ3 が０．２５mg、ＤｙＢｒ3 が１．０mg，ＮｄＢｒ3 が０．２mgである。Ｉｎ、Ｔｌ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｃｄの中から選ばれた少なくとも１種のハロゲン化物もヨウ化物および臭化物であり、具体的には、ＩｎＢｒが０．４４mgである。また、セシウムＣｓのハロゲン化物はＣｓＩであり、０．１mg封入されている。
【００４１】
上記金属ハロゲン化物の総封入量は約２．０mgであり、これに対し水銀Ｈｇは３４mg封入されており、Ａｒは５００Torr封入されている。
このようなショートアークメタルハライドランプ１は、リフレクタ３に取り付けられて投光装置５０を構成している。リフレクタ３はガラスまたは金属からなり、楕円面または放物面などからなる回転曲面の内面に反射特性に優れたＴｉＯ2 −ＳｉＯ2 などの蒸着膜からなる反射面３１を有している。このリフレクタ３の前面投光部、つまり開口部は径が９０〜１３０mm程度に形成されており、前記発光管２０の短径２ｂに対して２０倍以内の寸法とされている。
【００４２】
リフレクタ３の背部の頂部には支持筒部３２が設けられている。この支持筒部３２には上記ランプ１の口金２４部分が、絶縁セメント等の接着剤３３により固着されている。これにより、ランプ１の一対の電極２１ａ、２１ｂを結ぶ線（ランプ軸）Ｏ1 −Ｏ1 が、リフレクタ３の中心軸、つまり光学的軸Ｏ2 −Ｏ2 と略一致するようにしてこのランプ１がリフレクタ３に取着されている。光学的軸Ｏ2 −Ｏ2 は略水平に設置されるようになっており、よってランプ１は水平点灯される。
【００４３】
そして、リフレクタ３に取り付けられた上記ランプ１は、発光管２０の陽極２１ａ側がリフレクタ３の支持筒部３２側に位置されているとともに、陰極２１ｂ側がリフレクタ３の前面開口部側に位置するように取り付けられている。
【００４４】
この場合、ランプ１はリフレクタ３に対し、陰極２１ｂの先端がリフレクタ３の焦点位置と略一致するように取り付けられている。そして、陰極２１ｂの先端と、上記リフレクタ３の頂部に形成された支持筒部３２の開口部とを結ぶ線Ｃは、陽極２１ａを通らないようになっており、言い換えると陽極２１ａの主体部２１ａａは上記陰極２１ｂの先端と支持筒部３２の開口部とを結ぶ線Ｃよりも後部に位置されている。
【００４５】
このため、電極主体部２１ａａの先端部は、前述した通り、先端側が漸次細くなるようにテーパ面２６ａが形成されている。
また、陽極主体部２１ａａを大きく形成し過ぎると陽極主体部２１ａａが上記陰極２１ｂの先端と支持筒部３２の開口部とを結ぶ線Ｃを遮るため、陽極主体部２１ａａは表面積をＳmm2 とし、定格ランプ電力をＷワットとした場合、
３．５≦Ｗ／Ｓ≦１０．０ …（２）
の範囲に規制されている。
【００４６】
さらに、このような組付け状態においては、発光管２０の陰極２１ｂ側の外表面には、図１に示すように保温被膜２８が形成されることが望ましい。保温被膜２８は例えばアルミナＡｌ2 Ｏ3 やシリカＳｉＯ2 などからなり、発光管２０の陰極２１ｂ側の外面に所定領域に亘り塗布して形成されている。
【００４７】
なお、リフレクタ３には導入孔３４が形成され、この導入孔３４に前記ランプ１の陰極２１ｂに接続された外部リ−ド線２５が貫通して背面側に導かれている。
【００４８】
このようなランプ１は、口金２４と外部リード線２５が交流・直流変換器などからなる電源手段４０に接続されて点灯装置を構成している。この電源手段４０は、ランプに１００Ｗ〜４００Ｗの直流電力を投入することにより、ランプを管壁負荷が３０〜１００Ｗ／cm2 程度の大きな負荷条件で点灯させるようになっており、上記ランプ１は、定格入力２５０Ｗであり、発光管の内表面積が５．０cm2 であるから、管壁負荷は５０Ｗ／cm2 程度になる。
【００４９】
上記投光装置５０は、例えば図３に示すようなカラープロジェクタ装置に用いられる。図３の６１はカラープロジェクタ装置の本体となるハウジングであり、このハウジング６１内には、上記投光装置５０と、液晶表示パネル６２と、レンズなどの光学系６３が設けられているとともに、上記交流・直流変換器などからなる電源手段４０および液晶駆動装置６４が設けられている。電源手段４０および液晶駆動装置６４は商用電源６５に接続されている。
【００５０】
電源手段４０からの電源供給によりランプ１が点灯すると、ランプ１から出た光はリフレクタ３により反射されて液晶表示パネル６２を照射する。液晶表示パネル６２には各画素に対応して図示しないＲＧＢのカラーフィルタを備えており、このカラーフィルタが上記液晶駆動装置６４により制御されるようになっている。液晶表示パネル６２を透過した光はこのカラーフィルタによりＲＧＢのいずれかに選択され、この光がレンズなどの光学系６３で集光されてスクリーン６６に投影される。したがって、スクリーン６６上には液晶表示パネル６２で制御された画像のカラー映像が写し出されるようになる。
【００５１】
このような構成のメタルハライドランプにおいては、陽極２１ａが放電空間内で相対的に陰極２１ｂ側に偏って取り付けられているから、陽極２１ａから発せられる熱は輻射や伝導により陰極側にも伝えられる。よって陰極側の表面の温度が上昇され、発光管２０全体では陽極側の温度と陰極側の温度が近づくようになる。
【００５２】
このため、水平点灯しても発光管２０の温度分布が均等化されるようになる。ゆえに発光管２０に熱歪みが発生することがなく、また放電空間の内面に温度差が生じなくなるので金属ハロゲン化物の蒸発が安定する。
【００５３】
特に、発光物質としてジスプロシウムを含む希土類金属のハロゲン化物を用いる場合、管壁負荷を高くして管壁温度を高くして点灯しているとともに、発光管の壁に温度差が生じないから、全体として蒸発が促され十分な蒸気圧が得られるようになり、発光効率が良好になる。
【００５４】
また、消灯した場合に陰極側に金属ハロゲン化物が凝集することもなくなり、金属ハロゲン化物が陰極２１ｂを覆うこともなくなり、再始動の場合に電子の放出が良好になり、始動電圧を低くして始動を円滑にする。
【００５５】
そして、陽極２１ａと陰極２１ｂの距離（電極間距離）をＬ（mm）、電極間の中心位置Ｐから上記陽極２１ａの封止端部までの距離をＮ、電極が対向された方向の放電空間の内端部間の距離（長径）を２ａとした場合、
０．１≦（Ｎ−ａ）／Ｌ≦２．３ …（１）
としたから、陽極２１ａの偏位量が規制されるようになり、発光効率が良好になり、寿命特性が向上する。
【００５６】
上記（１）式は、本発明者等の実験により得られた範囲であり、以下実験について説明する。
前記実施例の定格ランプ電力２５０Ｗのショートアークメタルハライドランプにおいて、陽極２１ａと陰極２１ｂの距離（電極間距離）をＬ（mm）、電極間の中心位置Ｐから上記陽極２１ａの基端部までの距離をＮ、電極が対向された方向の放電空間の内端部の間の距離（長径）を２ａとし、電極間距離Ｌ（mm）を変えて（Ｎ−ａ）と発光効率（lm／Ｗ）との関係を調べた。
【００５７】
その結果を、図４に示す。図４によれば、０．１≦（Ｎ−ａ）／Ｌであれば、発光効率が比較的高められることがわかる。
すなわち、（Ｎ−ａ）／Ｌが０．１未満であると、陽極２１ａの陰極側に向かう偏位量が少なく、このため発光管２０に温度差が生じ、最冷部温度が低くなって金属ハロゲン化物の蒸気圧が十分に上昇せず、よって発光効率が低下する。
【００５８】
また、下記表１は、寿命試験をした結果を示す。寿命試験は、点灯３０００時間後に初期光束が５０％以下に低下したランプは、寿命が尽きたものと評価した。すなわち、表１では点灯３０００時間後でも初期光束の５０％以上の光束維持率を有するランプは丸印、初期光束の５０％以下に低下したランプは×印とした。
【００５９】
【表１】
上記表１から、点灯３０００時間後でも初期光束の５０％以上の光束維持率を有するランプは、（Ｎ−ａ）／Ｌ≦２．３であればよいことが判る。
（Ｎ−ａ）／Ｌが２．３を越えると、逆に陰極側の温度が高くなり過ぎ、体積の小さな陰極物質が飛散して管壁に付着し、光を遮り、光束の低下を招く。
【００６１】
上記図４および表１から、０．１≦（Ｎ−ａ）／Ｌ≦２．３を満足すれば、発光効率および寿命特性が良好になる。
上記構造のショートアークメタルハライドランプ１は、電極間距離が１０mm以下、好ましくは３mm〜７mmの範囲に設定されるから、アーク長が短くなり、このことも点光源に近づけることができる大きな要因である。
【００６２】
また、上記ランプ１は、管壁負荷が３０Ｗ／cm2 以上の高負荷で点灯されるから、発光量が多くなり、投光装置５０として照射量が増すとともに、カラープロジェクタ装置としてスクリーン６６の輝度が向上する。
【００６３】
そしてまた、ランプ１は直流点灯されるので、カタホリシス現象により点灯中に金属ハロゲン化物と水銀とが、陽極と陰極とに分離されるようになり、よってハロゲン化物がバルブ壁に付着し難くなる。このため失透を防止することができ、寿命特性が向上する。
【００６４】
さらに、上記ランプ１は水平点灯されるから、陽極側と陰極側で温度差を生じ易いが、上記の構成を採用すれば、水平点灯であっても発光管の温度差を小さくすることができる。
【００６５】
そして、上記実施例の投光装置５０は、光源としてのメタルハライドランプ１が点光源に近く高輝度で点灯されるから、リフレクタ３による反射制御が容易になり、集光率を高めることができる。
【００６６】
リフレクタ３に取り付けられた上記ショートアークメタルハライドランプ１は、発光管２０の陽極２１ａ側がリフレクタ３の支持筒部３２側に位置されているとともに、陰極２１ｂ側がリフレクタ３の前面開口部側に位置し、陰極２１ｂの先端がリフレクタ３の焦点位置と略一致するように取り付けられているから、陰極２１ｂの先端部から発せられる輝度の高い光をリフレクタ３の反射面３１で有効に反射することができ、投光効率が良くなる。
【００６７】
そして、陽極２１ａの主体部２１ａａは、陰極２１ｂの先端とリフレクタ３の頂部に形成された支持筒部３２の開口部とを結ぶ線Ｃよりも後方に配置されているから、陰極２１ｂの先端部から発せられる輝度の高い光を反射面３１の全面を用いて反射することができ、言い換えると陽極２１ａの主体部２１ａａが陰極２１ｂ先端から発せられて反射面３１に向かう光を遮ることがなく、反射面を有効に活用できるので反射効率が向上し、投光効率がよくなり、スクリーン６６の照度を高くすることができる。
【００６８】
また電極主体部２１ａａの先端部は、先端側が漸次細くなるようにテーパ面２６ａが形成してあるから、陽極２１ａの主体部２１ａａが上記陰極２１ｂの先端とリフレクタ３の頂部に形成された支持筒部３２の開口部とを結ぶ線Ｃに掛かるのを避けることができる。
【００６９】
そして、陽極主体部２１ａａを大きくし過ぎると陽極主体部２１ａａが上記陰極２１ｂの先端と支持筒部３２の開口部とを結ぶ線Ｃを遮るため、陽極主体部２１ａａは、表面積をＳmm2 とし、定格ランプ電力をＷワットとした場合、
３．５≦Ｗ／Ｓ≦１０．０ …（２）
の範囲に規制されている。Ｗ／Ｓが３．５未満であると、陽極主体部２１ａａが大きくなり過ぎ、陽極２１ａの温度が十分に上昇せず、発光効率が低下する。またＷ／Ｓが１０．０を越えると、陽極２１ａが小さくて温度上昇が著しくなり、陽極が飛散して光束の低下や寿命低下を招く。
【００７０】
さらに、陰極２１ｂをリフレクタ３の開口部側に設置して組付けた状態において、発光管２０の陰極２１ｂ側の外表面には、図１に示すように保温被膜２８を形成したから、リフレクタ３の開口部側から熱放出され勝ちな発光管２０の陰極２１ｂ側外表面が保温されるようになり、陽極２１ａを偏位させたこととあいまって、発光管２０の温度バランスを均等化するのに有効である。
さらに、本実施例のカラープロジェクタ装置によれば、スクリーン６６面の輝度を高めることができる。
【００７１】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１の発明によれば、陽極が相対的に陰極側に偏位して取り付けられるようになり、よって陽極の熱が輻射や伝導により陰極側にも伝えられ、気密容器においては陽極側と陰極側の温度差が少なくなる。このため金属ハロゲン化物の蒸発が安定になり、発光特性が良好になるとともに、陰極の金属ハロゲン化物の付着が抑えられるので始動性が良好となる。
【００７２】
また、請求項２の発明によると、管壁負荷が３０Ｗ／cm2 以上で点灯されるから、発光金属の蒸発を促し、光出力が大きくなる。そして、このように管壁負荷が大きいからこそ、気密容器に温度差が生じると発光効率がばらつく心配があるが、請求項１に記載の条件を満足すれば陽極が相対的に陰極側に偏位されることから気密容器の管壁においては陽極側と陰極側の温度差が少なくなる。このため金属ハロゲン化物の蒸発が安定になり、発光特性が良好になる。
【００７３】
請求項３の発明によれば、ランプは水平点灯されるから、陽極側と陰極側で温度差を生じ易いが、請求項１または請求項２に記載の発明を採用すれば、水平点灯であっても温度差を小さくすることができる。
【００７４】
請求項４の発明によれば、金属ハロゲン化物として、少なくともジスプロシウムを含む希土類金属のハロゲン化物を用いたから管壁負荷を高くして点灯すれば、高効率および高演色が実現できる。
【００７５】
請求項５の発明によれば、請求項１ないし請求項４のいずれか一に記載のメタルハライドランプの特性を生かした点灯装置を提供することができる。
請求項６の発明によれば、光源としてのメタルハライドランプが高輝度で点光源に近いからリフレクタによる反射制御が容易になり、集光率を高めることができる。しかも、陽極がリフレクタの頂部側に配置されるとともに、陰極がリフレクタの開口部側に配置されるから、陰極側から発せられる輝度の高い光をリフレクタの反射面で効果的に反射することができ、投光効率が良くなる。
【００７６】
請求項７の発明によれば、リフレクタの開口部側に陰極が配置される場合、気密容器の陰極側の外表面に保温被膜を形成したから、熱放散のために温度が低下する心配のある陰極側が保温被膜で保温されるようになり、気密容器においては陽極側と陰極側の温度差が少なくなり、金属ハロゲン化物の蒸発が安定になり、発光特性が良好になる。
【００７７】
請求項８の発明によれば、リフレクタの頂部に形成された筒部の開口縁部と陰極とを結んだ線に陽極が存在しないようにしたから、陰極先端部から放射される輝度の高い光を大きな形状の陽極が遮断することがなくなり、陰極先端部から放射される輝度の高い光をリフレクタの有効反射面で効果的に反射することができ、投光効率が良くなる。
【００７８】
請求項９の発明によれば、陽極主体部の大きさが制限されるから陰極先端部から放射される輝度の高い光を陽極主体部が遮断することが少なくなる。
請求項１０の発明によれば、請求項６または請求項９の投光装置を用いるのでスクリーン面の輝度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】メタルハライドランプとリフレクタとからなる投光装置および点灯装置の構成を示す断面図。
【図２】同実施例のメタルハライドランプの発光管を拡大して示す図。
【図３】カラー液晶プロジェクタの原理を示す説明図。
【図４】陽極の偏位量と発光効率の関係を電極間距離の変更とともに示す特性図。
【符号の説明】
１…メタルハライドランプ
３…リフレクタ
２０…発光管
２１ａ…陽極 ２１ｂ…陰極
２１ａａ…陽極主体部
２１ａｂ…陽極側の電極軸
２２…封止部 ２３…金属箔導体
２４…口金 ２５…外部リード線
２８…保温被膜
３１…反射面
４０…直流電源手段
５０…投光装置
６２…液晶表示パネル
６３…光学系
６４…液晶駆動装置
６６…スクリーン
Claims (10)
- 気密容器と；
上記気密容器内に電極間距離を１０mm以下にして対設された陽極および陰極からなる一対の電極と；
上記気密容器に封入された金属ハロゲン化物を含む放電媒体と；
を具備し、
上記一対の電極間の距離をＬ（mm）、上記電極間の中心位置から気密容器内の陽極の基端部までの距離をＮ、上記電極が対向された方向の気密容器の内端部の間の距離を２ａとした場合、
０．１≦（Ｎ−ａ）／Ｌ≦２．３
としたことを特徴とするメタルハライドランプ。 - 上記ランプは管壁負荷が３０Ｗ／cm2 以上で点灯されることを特徴とする請求項１に記載のメタルハライドランプ。
- 上記ランプは一対の電極を結ぶ線が略水平となって点灯されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のメタルハライドランプ。
- 金属ハロゲン化物は、少なくともジスプロシウムを含む希土類金属のハロゲン化物であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一に記載のメタルハライドランプ。
- 請求項１ないし請求項４のいずれか一に記載のメタルハライドランプと；
このメタルハライドランプを直流点灯させる点灯手段と；
を備えたことを特徴とする点灯装置。 - 請求項１ないし請求項４のいずれか一に記載のメタルハライドランプと；
上記メタルハライドランプが収容され、このランプから放射される光が反射されるリフレクタと；
を具備し、
上記メタルハライドランプは一対の電極を結ぶ線がリフレクタの光学的軸に沿うように配置され、陽極がリフレクタの頂部側に配置されるとともに、陰極がリフレクタの開口部側に配置されていることを特徴とする投光装置。 - 上記メタルハライドランプの気密容器の外表面に、リフレクタの開口部側に配置された上記陰極を覆う保温被膜が形成されていることを特徴とする請求項６に記載の投光装置。
- 上記リフレクタの頂部に上記メタルハライドランプの端部が固定される筒部が形成されており、この筒部の開口縁部と陰極とを結んだ線に陽極が存在しないようにしたことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の投光装置。
- 陽極は先端に陽極主体部を有し、この陽極主体部の表面積をＳmm2 、定格ランプ電力をＷワットとした場合、
３．５≦Ｗ／Ｓ≦１０．０
であることを特徴とする請求項８に記載の投光装置。 - 請求項６ないし請求項９のいずれか一に記載の投光装置と；
この投光装置から照射される光で投影される表示装置と；
を含むことを特徴とするプロジェクタ装置。
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