JP3738678B2 - プロジェクタ用のランプユニット、およびその調光方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は高圧水銀ランプを内蔵したランプユニットとその調光方法に関する。特に、液晶プロジェクターやＤＬＰ（デジタルライトプロセッサ）などの光源に使用するプロジェクタ用のランプユニットとその調光方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
投射型のプロジェクタ装置は、矩形状のスクリーンに対して均一に、しかも十分な演色性をもって画像を照明させることが要求され、このため、光源として、水銀や金属ハロゲン化物を封入させたメタルハライドランプが使われる。また、このようなメタルハライドランプも、最近では、より一層の小型化、点光源化が進められ、電極間距離の極めて小さいものが実用化されている。
【０００３】
このような背景のもと、最近では、メタルハライドランプに代わって、今までにない高い水銀蒸気圧、例えば２００バール(約１９７気圧)以上、を持つランプが提案されている。これは、水銀蒸気圧をより高くすることで、アークの広がりを抑える(絞り込む）とともに、より一層の光出力の向上を図るというものであり、例えば、特開平２−１４８５６１号、特開平６−５２８３０号に開示されている。
【０００４】
また、プロジェクタに使用されるランプユニットは、上記水銀ランプとそれを取り囲む凹面反射鏡と、さらに、凹面反射鏡の前面ガラスからなるものが適用されている。前面ガラスを設けることで、凹面反射鏡内は密閉構造、あるいは一部に冷却用の開口を設けたとしても概略密閉構造となる。このような密閉構造は、上記のように多量に水銀が封入されたランプにおいて、ランプ点灯に伴って外気に冷却されることなく昇温させることで水銀を十分に蒸発させることができる。つまり、水銀を完全に蒸発させるための特別な予熱機構などを設ける必要がなくなる。また、万が一ランプが破損等したとしてもガラス破片等がユニット外部へ散らばってしまうという問題を解消することができる。
【０００５】
その一方でプロジェクタ装置は、映像を映す環境や状況に応じてスクリーン照度を調整する調光機能が求められている。この要求に対して、ランプユニットからの放出光を減光手段を使って調光することも可能ではあるが、プロジェクタ装置の小型化の要求も考慮すると、ランプユニット自体からの放射光強度を調整することが上記調光の方法として最も現実的な意味において求められている。これは、例えば明るい部屋や大きなスクリーンに対しては、ランプへの投入電力を上げてランプの放射強度を増大させ、比較的暗い部屋や小さなスクリーンに対してはランプへの投入電力を下げて使用するというものである。
【０００６】
しかしながら、上記密閉構造のランプユニットは、定常点灯時におけるランプの定格電力と周囲のユニット内空間の内容積を考慮して設計させているため、ランプへの投入電力を可変できる範囲が極めて狭く制限されてしまう。つまり、放射強度を小さくするためにランプへの投入電力を下げ過ぎると、ランプにおける水銀未蒸発という現象を誘発し、所望の発光スペクトル特性が得られない等の問題を生じる。その一方、放射強度を大きくすべくランプへの投入電力を大きくしすぎるとユニット内の温度が異常の高くなり、ランプ内の電極等の損耗や凹面反射鏡内面の蒸着膜の変質、さらにはランプの破損（破裂）という問題を起こしかねない。
【０００７】
以上説明した背景技術を整理すると、
第一に、プロジェクタ装置の光源については、水銀を大量に封入した水銀ランプ、例えば０．１５ｍｇ／ｍｍ³以上のランプが特性上好ましく、さらに、このランプを使ったランプユニットにあっては、プロジェクタ装置の小型化、安全性ともあいまって、密閉構造、あるいは一部に冷却用開口を設けた構造にすることが好ましい。
第二に、プロジェクタ装置からみると、当該装置の使用者の多使用目的に十分に対応すべく、ランプユニットとして調光できる機能が強く求められている。
本発明はこのような２つの要請に十分答えられるプロジェクタ用のランプユニットを提供するものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、この発明が解決しようとする課題は、０．１５ｍｇ／ｍｍ³以上の水銀を封入した超高圧な水銀ランプを使用する密閉、概略密閉、あるいは内部に冷却風の流路を積極的に設ける構造のランプユニットにおいて、当該ランプユニットから放射される光に対する調光機能を設けるものを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、この発明に係るランプユニットは、０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀が封入され管壁負荷１Ｗ／ｍｍ^２以上であるショートアーク型高圧水銀ランプと、この水銀ランプを取り囲む凹面反射鏡と、この凹面反射鏡の前面開口を覆う前面ガラスとよりなる概略密閉構造のプロジェクタ用のランプユニットにおいて、前記凹面反射鏡、及び／又は前記水銀ランプに対する強度可変の冷却手段を有し、前記凹面反射鏡の内容積Ｖ（ｃｍ ^３ ）、前記水銀ランプの点灯電力Ｗ、管壁負荷Ｇとするとき、１＜（Ｗ＊Ｇ／Ｖ）＜２の範囲において、当該水銀ランプの点灯電力を可変させることを特徴とする。さらには、このようなランプユニットの調方法を提供する。
【００１０】
さらに、前記ランプユニットは密閉構造、あるいは概略密閉構造とするのではなく、その内部に冷却風を積極的に流す流路を設ける構造として、凹面反射鏡の内容積Ｖ（ｃｍ³）、前記ショートアーク型水銀ランプの定格点灯電力Ｗ、管壁負荷Ｇとするとき、２＜（Ｗ＊Ｇ／Ｖ）の範囲において、当該水銀ランプを調光可能にすることを特徴とする。
【００１１】
このように、本発明は凹面反射鏡や水銀ランプを強度可変の冷却手段により冷却しつつ、この冷却強度を水銀ランプの調光に併せて行うものである。この調光は具体的にはランプの点灯電力を可変することにあるが、プロジェクタに使用する小型のランプユニットにおいては、凹面反射鏡の内容積と水銀ランプの点灯電力さらには水銀ランプの管壁負荷を考慮して、これらをファクタにして導かれる数値が所定の範囲内であれば、上記冷却と調光がともに良好に行えることを見出したものである。ここで、凹面反射鏡の内容積、水銀ランプの点灯電力、水銀ランプの管壁負荷をファクターとした理由は明確には存在しないが、冷却すべき温度上昇の原因はこれらのファクターに起因していることによる。
さらに、凹面反射鏡が密閉である場合と一部に開口を有する概略密閉である場合、さらには、凹面反射鏡内に積極的に冷却風の流路を形成させて、すなわち、水銀ランプを一定の冷却風の流路内に配置する場合で上記数値範囲が異なることも見出したものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明を説明する。
図１は本発明に係るランプユニットを示す。ランプユニットは、水銀ランプ１０、凹面反射鏡２０、前面ガラス３０から構成される。図において、ショートアーク型高圧水銀水銀ランプ１０の放電容器１１は、石英ガラスからなる略球状体であり、放電容器１１の内部には、一対の電極、つまり陽極１３と陰極１４が対向配置されている。また、放電容器１１の内部には水銀と希ガスが封入されている。そして、放電容器１１の両端には封止部１２が一体に連設されている。封止部１２は、放電容器１１の両端から伸びる石英ガラスのパイプ体を溶融状態にして内部を減圧することにより形成されたものであり、つまりシュリンクシール法により形成されたものであり、封止部１２の内部には電極１３，１４と外部リード１５とを電気的に接続するモリブデン箔（図示せず）が埋設されている。
なお、直流点灯型の陽極１３と陰極１４の極性は図１に示す状態と逆でもよく、更には、交流点灯型であってもよい。また、封止部１２は石英ガラスのパイプ体を溶融状態にして圧潰するピンチシール法により形成してもよい。
【００１３】
ショートアーク型高圧水銀ランプ１０の具体的な数値例をあげると、水銀の封入量は０．２０ｍｇ／ｍｍ³であり、希ガスとしてアルゴンガスが１０ＫＰａの圧力で封入されている。また、電極間距離は１．５ｍｍ、放電容器１１の内容積は１２０ｍｍ³ であり、定格電圧が８２Ｖ、定格消費電力が２００Ｗである。数値例がこれらに限られるものでないことは当然であるが、ショートアーク型高圧水銀水銀ランプ１０を液晶プロジェクタ装置用の光源ランプとして使用するには、水銀は０．１５ｍｇ／ｍｍ³ 以上封入する必要がある。これは水銀蒸気圧を高くすることで、アークの広がりを抑えて、光出力の向上を図り、これによってプロジェクタ装置に適した光源とするためである。
【００１４】
凹面反射鏡２０は、ガラス、例えば硼珪酸ガラスからなり、その前面開口の内径は１２０ｍｍ程度である。凹面反射鏡２０の反射面２１は回転曲面であり、その表面には反射特性の優れたチタニア−シリカなどの蒸着膜が形成されている。凹面反射鏡２０の頂部には支持筒２２が形成されており、水銀ランプ１０の一方の封止部１２が支持筒２２に挿入されている。そして、水銀ランプ１０は、その軸線が凹面反射鏡２０の光軸と一致し、かつ点灯時に電極１３，１４間に形成されるアーク輝点が凹面反射鏡２０の第１焦点に位置した状態で、支持筒２２に充填された接着剤２３により凹面反射鏡２０に固定されている。
凹面反射鏡２０の前面開口は、高圧水銀ランプ１０が万一破裂したときに、その破片が前方開口から飛散しないように、例えば、硼珪酸ガラスからなる光透過性の前面ガラス３０で覆われている。
このように概略お椀形の凹面反射鏡に前面ガラスを設けることで、凹面反射鏡２０の内部は外部と空間的に繋がらない密閉構造となっている。
【００１５】
図２は図１に示したランプユニットとその冷却手段５０、水銀ランプの点灯電力を可変する手段６０および調光手段７０を有する。
冷却手段５０は、例えば、軸流ファンよりなりランプユニット、例えば凹面反射鏡２０の凹面反射部分の外表面を良好に冷却するものである。
水銀ランプの点灯電力を可変する手段６０は、いわゆる水銀ランプを点灯するための電源であって、所定の電力を供給することでランプを良好に点灯させるものである。より具体的には、この手段には起動器を有しており、起動器により点灯始動時に数ＫＶの高圧パルスを印加することで水銀ランプを点灯始動させる。その後は、ランプ特性によって決まる電力（電流、電圧）を水銀ランプに供給する。
調光手段７０は、ランプを明るくさせたいときにランプへの投入電力を上げるとともに、それに連動して冷却手段の能力を高くし、また、ランプの明るさを落とすときにはランプへの投入電力を下げて、かつそれに連動させて冷却手段の能力も減少させるものである。このような連動は調光手段７０に設けられた調整器を操作することで、冷却手段５０と点灯電力の可変手段６０に信号を送信することで達成できる。ただし、概念的にはこのような構成によるものであるが、現実の物理的構成としては、点灯電力の可変手段６０と調光手段７０が一体のボックスに収納されるなどの構成が必要に応じて採用される。
【００１６】
次に、他のランプユニットの具体例を示す。
図３には、凹面反射鏡２０の一部に開口を設けて完全に密閉された構造ではないが概略密閉形のランプユニットを示す。
図１に示したランプユニットと比較して、凹面反射鏡２０の凹面反射部分の一部に冷却風が吸引、あるいは排出する開口２４を有している。冷却風とこの開口２４の関係については、開口２４の外部に、強制的に冷却風を送風あるいは吸引させる手段を有する場合や、あるいはこのような冷却手段を有しておらず、単なる開口のみを設けることで自然に吸引等させるものであってもよい。しかしながら、この構造のランプユニットは、後述する反射鏡内部において、冷却風を積極的に流す流路を形成させる構造ではなく、凹面反射鏡に単に開口を設けたことが特徴となる。すなわち、冷却風の吸引口と排風口を設けて一定の流路を設けていないものである。
なお、図３の構造はランプへの給電線を省略している。
【００１７】
さらに、他のランプユニットの具体例を示す。
図４は、凹面反射鏡（前面ガラスも含む）に冷却風の吸引、排風用の開口を設けて、水銀ランプの一方の端部から他方の端部に向けて流れる流路を形成することで水銀ランプを概略全体的に冷却する構成を特徴としており、この点で図１、３に示す構造と相違する。
このような構成は、例えば、凹面反射鏡２０そのものが、差圧経路の中に配置しており、すなわち、凹面反射鏡の外部で一定方向の冷却風の流路が形成されている。そして、凹面反射鏡２０の内外で、その圧力差によって、凹面反射鏡内部に冷却風を取り込む構成とすることができる。
図においては、前面ガラス３０の中心に吸引用の開口を有しており、凹面反射鏡２０の頂部の口金４０に排風用開口を有する。凹面反射鏡２０の外部においても、図に示すように、冷却風の流れ、すなわち、差圧経路が形成されており、凹面反射鏡の内部にも自然に冷却風が取り込まれる構造となっている。
なお、凹面反射鏡内でランプの一方の端部から他方の端部まで良好に冷却風が流れる構造であることが必要であり、凹面反射鏡内に冷却風が吸引する位置は、前面ガラスでなくても、凹面反射鏡の一部に設けてもかまわない。
【００１８】
次に、この発明の実験を説明する。
ランプユニットは、図１に示した完全密閉型のもの、図３に示した一部に開口を有する概略密閉型のもの、図４に示した水銀ランプの一方の端部から他方の端部に向けて冷却流が形成されたものについて実験している。
水銀ランプは、発光部の外径１１．５ｍｍ、肉厚３ｍｍ、発光部の内表面積約１２０ｍｍ²、電極間距離１．３ｍｍ、封入水銀量１７０ｍｇ／ｃｍ³であり、アルゴンガスが１３ＫＰａと２マイクログラムの臭素が封入されている。
凹面反射鏡は、２種類のものを使って上記３つのタイプ各々で実験を行った。第一は、外径９５Φ、反射鏡の頂部からアーク輝点までの距離８ｍｍ、内容積１３０ｃｍ³であって、ホウケイ酸ガラスにチタニアーシリカが蒸着されたものである。これを実験１とする。 第二は、外径７０Φ、反射鏡の頂部からアーク輝点までの距離７ｍｍ、凹面反射鏡の内容積８０ｃｍ³であり、同じくホウケイ酸ガラスにチタニアーシリカが蒸着されたものである。これを実験２とする。
【００１９】
このような３つのタイプのランプユニットについて、凹面反射鏡の外部に冷却風を流し、水銀ランプの点灯電力１００〜２００Ｗの範囲で可変させて、ランプの点灯状態を確認した。この点灯状態の確認は、以下の４つの観点から測定を行った。
第一評価として、水銀ランプを点灯させたときの状態、すなわち、ランプが正常に点灯始動したか、あるいは未蒸発の水銀が多く点灯始動できないかを測定した。これは水銀ランプを点灯させたときにランプが十分に加温されない場合にあっては、水銀の未蒸発が点灯始動後も多く残っており、良好な水銀の蒸発を遂行できず、この結果点灯を阻害するものである。そして、良好に点灯したものを○、点灯しないものを×とした。
第二評価として、点灯１５００時間後のランプの状態、すなわち、発光管に変形を生じたか否かを測定した。これは、冷却が不十分な場合に発光管の粘度の低下と点灯時の内圧により発光管に膨れが発生するものである。すなわち、冷却手段の強度を可変するだけでは水銀ランプの良好な点灯を維持できない場合を意味している。
第三評価として、点灯１５００時間後の凹面反射鏡の内面状態を測定した、ホウケイ酸ガラスの場合は、一般的に５００℃を越えると熱歪みからガラスにクラックが発生し、最悪の場合は反射鏡が破損するからである。この評価も冷却手段の強度を可変するだけでは水銀ランプの良好な点灯を維持できない場合を意味している。
第四に、点灯１５００時間点灯後のスクリーン照度の維持率を測定した。すなわち、初期照度に対して、１５００時間点灯後の照度が５０％以上維持されたものをＯＫとした。これはランプの点灯電力を上げていくと，ランプ電流が増え電極の消耗を招くことで発光管の内表面を汚すことに起因するからである。
【００２０】
そして、これら４つの観点からすべての要素において合格したものを判定○とした。なお、各実験では点灯電力の可変に伴って、冷却手段もその強度を可変させているが、判定において×のものは冷却手段を如何に調整してもいずれかの要員により不具合を生じさせることを意味している。
【００２１】
図５に実験結果を示す。
この結果、ランプユニットの構造が密閉構造であるか、あるいは一部に開口を有する概略密閉構造のものは、Ｋ＝（Ｗ＊Ｇ／Ｖ）の値が、１より大きく２より小さい場合において、冷却手段の強度を可変することでランプ電力を調整して水銀ランプの調光をすることができることが示される。
一方、ランプユニットの構造が内部に冷却風の流れを形成する構造の場合は、Ｋ＝（Ｗ＊Ｇ／Ｖ）の値が、１より大きい場合において、冷却手段の強度を可変することでランプ電力を調整して水銀ランプの調光をすることができることが示される。
【００２２】
【発明の効果】
以上、説明したように、０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀が封入され管壁負荷１Ｗ／ｍｍ^２以上であるショートアーク型高圧水銀ランプと、この水銀ランプを取り囲む凹面反射鏡と、この凹面反射鏡の前面開口を覆う前面ガラスとよりなる概略密閉構造のプロジェクタ用のランプユニットにおいては、前記凹面反射鏡の内容積Ｖ（ｃｍ^３）、前記水銀ランプの点灯電力Ｗ、管壁負荷Ｇとするとき、１＜（Ｗ＊Ｇ／Ｖ）＜２の範囲において、冷却手段と点灯電力を可変することで、プロジェクター装置として諸特性を維持しながら、水銀ランプを調光できる。
【００２３】
また、ランプユニットが密閉構造、あるいは概略密閉構造ではなく、凹面反射鏡の外部から冷却風を取り込むとともに水銀ランプを概略全体的に冷却した後、当該ユニット外へ排風する構造の場合は、
前記凹面反射鏡の内容積Ｖ（ｃｍ^３）、前記水銀ランプの点灯電力Ｗ、管壁負荷Ｇとするとき、少なくとも１＜（Ｗ＊Ｇ／Ｖ）の範囲において、冷却手段と点灯電力を可変することで、水銀ランプを調光できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のランプユニットを示す。
【図２】本発明のランプユニットを示す。
【図３】本発明のランプユニットを示す。
【図４】本発明のランプユニットを示す。
【図５】本発明の効果を示す。
【符号の説明】
１０ 高圧水銀ランプ
２０ 凹面反射鏡
３０ 前面ガラス
５０ 冷却手段
６０ 点灯電力の可変手段
７０ 調光手段

Claims (5)

1. ０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀が封入され管壁負荷１Ｗ／ｍｍ^２以上であるショートアーク型高圧水銀ランプと、この水銀ランプを取り囲む凹面反射鏡と、この凹面反射鏡の前面開口を覆う前面ガラスとよりなる概略密閉構造のプロジェクタ用のランプユニットにおいて、
   前記凹面反射鏡、及び／又は前記水銀ランプに対する強度可変の冷却手段を有し、
   前記凹面反射鏡の内容積Ｖ（ｃｍ ^３ ）、前記水銀ランプの点灯電力Ｗ、管壁負荷Ｇとするとき、１＜（Ｗ＊Ｇ／Ｖ）＜２の範囲において、当該水銀ランプの点灯電力を可変させることを特徴とするプロジェクタ用のランプユニット。
2. ０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀が封入され管壁負荷１Ｗ／ｍｍ^２以上であるショートアーク型高圧水銀ランプと、この水銀ランプを取り囲む凹面反射鏡と、この凹面反射鏡の前面開口を覆う前面ガラスよりなるランプユニットにおいて、
   当該ランプユニットは、当該凹面反射鏡の外部から冷却風を取り込むとともに水銀ランプを概略全体的に冷却した後、当該ユニット外へ排風する構造を有し、
   前記凹面反射鏡、及び／又は前記水銀ランプに対する強度可変の冷却手段を有し、
   前記凹面反射鏡の内容積Ｖ（ｃｍ ^３ ）、前記水銀ランプの点灯電力Ｗ、管壁負荷Ｇとするとき、１＜（Ｗ＊Ｇ／Ｖ）の範囲において、当該水銀ランプの点灯電力を可変させることを特徴とするプロジェクタ用のランプユニット。
3. 前記凹面反射鏡は、その頂部に前記冷却風の吸引あるいは排風用の開口を少なくとも一つ有することを特徴とする請求項２のプロジェクタ用のランプユニット。
4. ０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀が封入され管壁負荷１Ｗ／ｍｍ^２以上であるショートアーク型高圧水銀ランプと、この水銀ランプを取り囲む凹面反射鏡と、この凹面反射鏡の前面開口を覆う前面ガラスとよりなる概略密閉構造のプロジェクタ用のランプユニットの調光方法において、
   前記凹面反射鏡、及び／又は前記水銀ランプに対する冷却手段を可変しつつ、
   前記凹面反射鏡の内容積Ｖ（ｃｍ ^３ ）、前記水銀ランプの点灯電力Ｗ、管壁負荷Ｇとするとき、１＜（Ｗ＊Ｇ／Ｖ）＜２の範囲において、当該水銀ランプの点灯電力を可変させて調光することを特徴とするプロジェクタ用のランプユニットの調光方法。
5. ０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀が封入され管壁負荷１Ｗ／ｍｍ^２以上であるショートアーク型高圧水銀ランプと、この水銀ランプを取り囲む凹面反射鏡と、この凹面反射鏡の前面開口を覆う前面ガラスよりなるランプユニットの調光方法において、
   当該ランプユニットは、凹面反射鏡外部から冷却風を取り込むとともに水銀ランプを概略全体的に冷却した後、ランプユニット外へ排風する構造を有し、
   前記凹面反射鏡、及び／又は前記水銀ランプに対する冷却手段を可変しつつ、
   前記凹面反射鏡の内容積Ｖ（ｃｍ ^３ ）、前記水銀ランプの点灯電力Ｗ、管壁負荷Ｇとするとき、１＜（Ｗ＊Ｇ／Ｖ）の範囲において、当該水銀ランプの点灯電力を可変させて調光することを特徴とするプロジェクタ用のランプユニットの調光方法。

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