JP4091166B2 - 光源装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、一般照明用あるいはプロジェクタなどの高圧放電ランプ照明装置に関し、特にその光源部分の高効率化に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
メタルハライドランプなどのランプは、一般照明用あるいはプロジェクタの中に設置され、その光源部分を構成する。発光管は、内部の両端にタングステンを主成分とする電極を備え、さらに、内部には発光金属のハロゲン化物、主としてアークを安定させるための水銀、始動用希ガスを封入している。点灯装置により、電流が制御された、たとえば直流の電圧を両電極の間に印加して、発光管内の始動用希ガスを放電させる。放電の熱で、すべての水銀と、金属ハロゲン化物の少なくとも一部が蒸発し、水銀あるいは発光金属の放電が生じ、放電経路がプラズマとなって発光する。したがって、この発光は、プラズマに対応して、ほぼ電極間の距離と、プラズマの太さの広がりを持ち、さらに内部の気体の対流でプラズマの中央部分が上方に向かって湾曲して、電極間を結ぶ直線からずれている。たとえば、液晶プロジェクタなど光学系でこの発光を利用する場合は、点光源に近いほど、光学系での光の利用効率が良くなることが多いため、電極間距離、太さ、さらに対流による湾曲が小さいほど良い。また、対流による湾曲はプラズマが上方の発光管の内壁に近づくため、熱ロスが増え、効率低下の原因となる。
【０００３】
これを解決するため、磁界を用いてプラズマの位置を制御することが考えられる。特開平９−１６１７２５号公報の図１に示される従来の液晶プロジェクタのメタルハライドランプにおいては、電磁石(5)は、磁力線(A,B)が両電極(7,8)を結ぶ直線にほぼ垂直で水平になるように設けられる。なお、この図において、水平に置かれた発光管(6)は、内部の両端に電極(7,8)を備える。
この従来例においては、電磁石の磁力線が放電の電流が流れる方向に垂直で、かつ、水平方向に垂直な方向になるようにし、そのローレンツ力によって、電流が流れているプラズマに下方向に力が働くようにする。この結果、プラズマの湾曲は抑えられ、両電極を結ぶ直線についてほとんど軸対称になり、液晶プロジェクタの光学系でこの発光を利用する場合、光の利用効率が高くなる。また、上方の発光管の内壁から離れるため、ランプ自体の効率も高くなる。この例では、放電は直流であり、電磁石の磁極を電流の方向に合わせることによって下方向に力を働かせることができたが、放電が正弦波あるいは矩形波の交流の場合は電磁石を、たとえば、コイルを放電と直列に接続することによって下方向のみに力が働くようにすることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この従来例では、電流と磁束密度のベクトル積で力が決まる、いわゆるローレンツの法則に基づいて、プラズマの湾曲を磁界により調整している。しかし、プラズマの位置と磁石の位置、強さを正確に合わせなければならない。たとえば、磁界が強すぎると、下方向に逆に湾曲し、効果がなくなったり、さらに強いと、湾曲の度合いが、磁界のない場合より大きくなる場合もあり得る。したがって、照明装置を組む場合に正確に磁界を調整するために、ランプを点灯させ、プラズマを観察しながら、電磁石を微調整するという煩雑な工程が必要になるという課題があった。さらに、長時間点灯すると、電極と放電の接続部分(スポット)の位置などが点灯中に動く。これにより、電磁石とプラズマの位置関係が変動したり、電極の変形などで放電電流が減少し、プラズマに働く力が変動するので、湾曲も変化し、効率が著しく低下する場合があるという課題があった。
【０００５】
この発明は、磁界と発光管の位置の調整が簡単で、かつ、点灯中のプラズマの湾曲の変動が小さい光源装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る光源装置は、内部の両端に１対の電極を備え、動作中は、両電極間で水銀蒸気を主成分とする高圧気体が放電してプラズマを形成し発光する発光管と、発光管の両電極間の放電の始点を結ぶ直線にほぼ平行な磁界を前記放電部分の少なくとも一方の電極側の半分に形成する磁界発生手段と、発光管の両電極間の放電の始点を結ぶ直線にほぼ平行に磁束を誘導する金属製リングからなる磁束誘導手段を備える。前記磁界発生手段は、両端面が磁極となるリング状の永久磁石であり、前記磁束誘導手段は、前記磁界発生手段と前記発光管の間に、前記磁界発生手段に密着させて設置される。好ましくは、前記磁束誘導手段と前記磁界発生手段を前記発光管の一方の側のみに設ける。
【０００７】
好ましくは、放電により流れる電流の実効値をＩアンペア、前記平行な磁界が形成されている放電部分の磁束密度をＢテスラとすると、磁界発生手段は、放電部分で、
０.００３ ≦ Ｂ/Ｉ ≦ ０.０６
を満足する磁界を発生する。
【０００８】
また、前記放電により流れる電流は交流である。
【０００９】
また、前記の両電極間の放電の始点を結ぶ直線にほぼ平行な磁界を形成する領域を放電部分全体とする。
【００１０】
また、前記磁界発生手段は、両端面が磁極となるリング状の永久磁石であり、前記発光管の両端に１対、磁極の方向を同じになるようにして設ける。
【００１２】
また、さらに、前記磁界発生手段を冷却する冷却手段を設ける。
【００１４】
また、さらに、前記磁束誘導手段を冷却する冷却手段を設ける。
【００１５】
また、さらに、前記磁界発生手段と前記発光管の間に、前記発光管からの発光により前記磁界発生手段がうける熱を遮蔽する熱遮蔽手段を設ける。
【００１６】
また、さらに、前記磁界発生手段および/または前記磁束誘導手段と前記発光管の間に、前記発光管により前記磁界発生手段がうける熱を遮蔽する熱遮蔽手段を設ける。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、図において同一の参照番号を付したものは、同一又は同等のものをさす。
【００１８】
実施の形態１.
図１と図２は、この発明の実施の形態１を示す高圧放電ランプ５の部分を中心に示す断面図と斜視図である。図示した部分は、高圧放電ランプ照明装置（たとえば液晶プロジェクタ）内に設置され、その光源部分を構成する。高圧放電ランプ５は、管球部からなる周知の形状のランプである。高圧放電ランプ５において、石英ガラスからなる水平に置かれた発光管１は、内部の両端にタングステンを主成分とする電極２、３を備え、さらに、内部には発光金属のハロゲン化物、主としてアークを安定させるための水銀、および、始動用希ガスを封入している。1対の永久磁石７、８は、それぞれ、端面が磁極となっているリング状の永久磁石であり、磁界発生手段として発光管１の球状部の両側に配置され、磁化の方向を同じ方向としている。なお、ランプの一端には取付け用の部材が備えられる。
【００１９】
次に動作について説明する。点灯装置(図示せず)により、電流が制御された、交流の正弦波または矩形波の電圧を両電極２、３間に印加して発光管１内の始動用希ガスを放電させる。放電の熱で、すべての水銀と、金属ハロゲン化物の少なくとも一部が蒸発し、水銀あるいは発光金属の放電となり、放電経路がプラズマとなって発光する。この放電部分には、発光管の両電極２、３上にできる放電の始点(スポット)を結ぶ直線とほぼ平行に永久磁石７、８による磁界が加えられている。
【００２０】
ここで、磁界の方向が発光管の両電極２、３のスポットを結ぶ直線と平行になっている必要がある。両電極のスポットを結ぶ直線と平行に磁界をかけた場合は、電流の磁界に平行でない部分にのみ力が働き、プラズマの湾曲に対しては、平行でない部分を平行にするような力として働き、平行になったらそれ以上力が働かないので、細かな調整がいらないことになる。また、電極のスポット近傍のプラズマの広がり部分は、磁力線とは平行ではないが、電流と磁力線のなす角度が小さく、もともとローレンツ力が小さいので、後述の式(１)の範囲に入っていれば悪影響は小さいことになる。
【００２１】
これに対して、平行でなく、傾きを持っている場合、その傾きとプラズマに垂直な一方向にプラズマを移動させ、この場合、交流なので、さらに反対方向と交互に移動するため、プラズマが移動する両方向に広がって、点光源として好ましくなくなる。さらに、従来のように直流放電の場合、または、磁界が放電電流に同期した電流による電磁石で発生される場合、電磁石の傾きとプラズマに垂直な一方向にプラズマが湾曲し、うまく調整すれば、対流による湾曲をうち消すことができる。しかし、その調整が微妙な点は上述したとおりである。また、磁界の方向が、両電極２、３のスポットを結ぶ直線について、ほぼ対称だが、プラズマの中心以外では平行になっていない、たとえば、磁力線がプラズマの中心に向かう成分が大きい場合、電流と磁力線のなす角度が大きいので、ローレンツ力が大きくなり、うまく調整すると電流束を磁力線方向に閉じこめることになって、プラズマの径を縮小させることができ、光学系全体の効率を上げることができるが、縮小させるとランプ自体の効率が低下する傾向があり、最適値がある。この調整も微妙で、従来例と同様な複雑な工程が必要になり、また、長時間の点灯中に条件が変化する欠点もある。
【００２２】
このように、両電極２、３のスポットを結ぶ直線と平行に磁界を印加するとプラズマの湾曲が小さくなる理由は、以下のように考えられる。プラズマが湾曲していないで、両電磁２、３のスポットを結ぶ直線と平行になっている場合、磁界と平行ということになるので、ローレンツ力が働かない。一方、対流でプラズマが湾曲し始めると、両電極のスポットを結ぶ直線と平行でない放電部分が両電極近傍にでき、その部分にローレンツ力が湾曲方向と垂直に動く。このため、回転し、対流による力とつり合って、結局中心方向に寄せられる。したがって、湾曲が起こると１８０度回転しながら、元に戻るような運動が起こることになり、実質的にはほとんど湾曲が起こらなくなる。
【００２３】
ここで、磁界の平行性について説明すると、磁界と両電極２、３のスポットを結ぶ直線とが完全に平行になっている方がよい。しかし、直角成分も小さければ良く、放電している領域のうち、磁界が後述の式(１)の範囲にはいるほど強い領域内で、プラズマの範囲の磁界とスポットを結ぶ直線のなす角度が１０度までなら、方向からずれていても問題ない。角度が２０度までなら、調整工程が必要にはなるが、従来のように点灯して調整するほどの必要はなく、両電極と磁界発生手段の３次元の位置関係を正確に合わせる程度のものでよい。すなわち、ここでいう平行は、２０度までずれていても効果があり、１０度以下ならさらに好ましい。
【００２４】
この実施の形態では両電極２、３に印加する電圧を交流としている。直流を用いる場合、永久磁石７、８を結ぶ中心軸と両電極２、３のスポットを結ぶ直線のなす角度がわずかでもずれていると、ずれと直角方向にローレンツ力が働き続け、プラズマが湾曲する。したがって、直流と永久磁石の組み合わせの場合は、両電極と永久磁石の正確な位置合わせが必要になる。交流の場合も、交流と同期した電磁石を用いた場合、たとえば放電電流と直列に電磁石を接続した場合は、磁石の中心線と両電極のスポットを結ぶ直線のずれがあると、同じ方向にローレンツ力が働き続けるため、同様にプラズマが湾曲するので、正確な位置合わせが必要になる。しかし、この場合でも、従来ほど煩雑な工程を必要としないので、この発明の効果はある。
【００２５】
一方、この実施の形態のように、交流点灯し、磁石の磁極を変えない場合、上述のようなずれが多少あっても交流の極性に同期して、プラズマが湾曲する前にローレンツ力の方向が逆転するため、このような問題は起こらない。したがって、交流点灯で磁極を変えない方が好ましい。
なお、ここでいう交流は、正弦波である必要はなく、たとえば、矩形波でも良く、要は極性がほぼ対称に数十Hz程度以上の周期で変われば同様に効果がある。
【００２６】
磁石７、８は、リング状で両端面が磁極になる永久磁石である。しかし、磁石７、８の形状としては、プラズマに対して平行で式(１)を満たす強度で磁界を発生できればよい。また、永久磁石の材質は、通常のフェライト磁石でも良く、サマリウムコバルト磁石でも良く、要は所定の磁界を発生し続ければよい。さらにキュリー温度が高い磁石なら、熱による劣化が抑えられ、永久磁石の寿命が長くなる。
【００２７】
次に、磁界の強さについて説明すると、上述の放電部分（プラズマ）のすべての位置について、磁界の強さＢテスラは、この放電電流の実効値をＩアンペアとすると、
０.００３ ≦ Ｂ／Ｉ ≦ ０.０６ (１)
を満たしている。この磁界のため、プラズマの上方への湾曲が小さくなって、軸対称に近づき、また、ランプ単体での効率が最大で１５％上昇した。さらに、好ましくは、
０.００８ ≦ Ｂ／Ｉ ≦ ０.０４ (２)
を満たすと、プラズマの上方への湾曲はほとんど解消し、かつ、ランプ単体での効率が１０％から１５％の範囲で上昇する。たとえば、磁界を式(２)の範囲に入るように、永久磁石７、８を設置するのは簡単であり、設置位置の寸法を設計段階で決めておき、その位置に設置すればよい。従来のように、ランプを点灯し、プラズマを観察しながら、設置位置を微調整する必要はない。また、長時間点灯し、電極が変形したり、スポットの位置が変化したり、放電電流が変化しても、式(２)の範囲内になるようにしておくのは容易で、寿命になるまで磁界の効果が保たれる。
【００２８】
磁束密度の範囲について説明すると、磁界の強さＢはプラズマの領域で式(１)を満たせばプラズマの湾曲を小さくする効果がある。Ｂ／Ｉ＜０.００３の範囲ではプラズマの湾曲を小さくする効果があまり見られなくなってゆく。また、０.０６＜Ｂ／Ｉの範囲ではプラズマの湾曲を小さくする効果はそのままだが、プラズマ自身が縮小され始め、ランプ自身の効率が低下してゆく。磁束密度が大きくなると、プラズマが縮小する理由は、以下の通りである。電極上の放電の始点であるスポットの小さい領域から中央部分の太い部分へ向かって広がっているが、この広がり部分の電流束は、両電極のスポットを結ぶ直線、すなわち、磁界と平行になっていないので、ローレンツ力が働きねじれるようになる。ローレンツ力が小さい場合は単にねじれるだけだが、大きくなるとローレンツ力で曲がる半径がその部分のプラズマの径より小さくなり、その場合、広がりにくくなることになって、プラズマの径が小さくなる。このため、光学系に利用する光源としては点光源に近づくという利点はある。一方、プラズマが縮小すると効率が低下する理由は、プラズマが縮小すると導電性を保つために温度が上昇するが、温度が上昇すると、利用する発光をもたらす励起準位より上の励起準位への遷移が増加するためである。すなわち、一般的に原子の準位は下のレベルほど間隔があいており、高い準位ほど間隔が狭くなっているので、上の準位ほど不要な赤外に発光する確率が高く、また、準位の間隔が狭いほど発光に寄与しない遷移や衝突などの過程の確率も増加し、効率の低下をもたらす。
【００２９】
なお、磁界が作用する必要があるプラズマは、電気伝導度が有限であり電流が実質的に流れている、厳密にいうと発光部分よりやや狭い領域になる。経験的には、最大発光強度のほぼ２０％の発光を示している範囲であり、ここでのプラズマの範囲は、この最大発光強度の２０％の領域として定義している。
【００３０】
また、荷電粒子の運動と磁束密度のベクトル積で荷電粒子にローレンツ力が働き、円運動をし、実質的に荷電粒子の移動度や拡散を抑制する効果が知られている。しかし、この実施の形態においては、数アンペアの電流に対応する磁束密度の上限である０.１テスラ程度とプラズマの温度６０００Ｋ程度に対応する電子の速度から計算できる円運動の半径（ラーマー半径）は、高圧放電ランプの最低圧力レベルである５気圧程度での電子の平均自由行程に比べ２桁以上大きく、プラズマの径を縮小する効果にはほとんど寄与していない。
【００３１】
実施の形態１において、電極温度を測定した結果、磁界の印加により電極温度が下がることが判明した。このため寿命が長くできる。このときの放電部分のすべての位置について、磁界の強さＢテスラは、この放電電流の実効値をＩアンペアとすると、
０.００３ ≦ Ｂ／Ｉ
を満たしていれば、電極温度が下がる。
【００３２】
次に、実施の形態１の実施例と比較例について説明する。表1に示す実施例１〜１８について比較例１〜１０とともに測定データを求め、磁束密度と湾曲の関係を調べた。測定には矩形波交流点灯のショートアーク・メタルハライドランプを用いた。石英ガラスからなる発光管１の内部には、両端にタングステンを主成分とする電極２、３を備え、水銀約４０気圧、発光金属のハロゲン化物、始動用希ガスが封入されている。ショートアーク・メタルハライドランプは定格電力２００Ｖ、放電電流３Ａのランプと定格電力１５０Ｖ、放電電流２Ａのランプを使用した。磁界の印加には主に、フェライト磁石やサマリウムコバルト磁石などでできた、端面が磁極となっているリング状の永久磁石７、８を用いて、発光管１の両端に１対、磁極の方向を同じになるようにして設けた。このリング状の永久磁石７、８の直径、厚さ、位置を変化させて磁界の強さを変化させた。磁束密度によっては、ほとんど同じ磁束分布を形成できる電磁石を用いた。このような条件で、上記ランプを点灯し、水平方向の輝度分布と効率（ランプ自体の効率）を測定した。表１に測定結果を示す。表中の磁界の強さとは、磁界を印加したときの両電極間の中点での値をいう。ここで、アーク全体に印加される磁界の強さは、両電極間の中点での磁界の強さと変わらず、誤差にして数％程度である。プラズマのずれとは、輝度分布の両電極間の放電の始点を結ぶ直線からのずれをいう。
【００３３】
表１から、磁界の強さＢテスラは、この放電電流の実効値をＩアンペアとすると、
０.００３ ≦ Ｂ／Ｉ ≦ ０.０６
を満たすとき、プラズマの上方への湾曲が小さくなって、軸対称に近づき、また、ランプ単体での効率が最大で１５％上昇した。さらに、好ましくは、
０.００８ ≦ Ｂ／Ｉ ≦ ０.０４
を満たすと、プラズマの上方への湾曲はほとんど解消し、かつ、ランプ単体での効率が１０％から１５％の範囲で上昇した。
【００３４】
【表１】
【００３５】
実施の形態２.
図３は、この発明の実施の形態２を示す高圧放電ランプ５の部分を中心にした図である。永久磁石７は、端面が磁極となっている永久磁石であり、磁界発生手段としては、一端のみに永久磁石７が配置される。他の構成は実施の形態１と同様である。
【００３６】
次に動作について説明する。実施の形態１とは、永久磁石７（磁界発生手段）が一方の端にある点のみが異なっている。このため、放電部分の永久磁石７のある側の半分程度のみに、式(１)を満たす強い磁界がかかっており、その範囲程度のみ磁界の方向と両電極のスポットを結ぶ直線が平行になっている。永久磁石と反対側の端に近づくにつれて、磁力線は発光管の外側に放射状に広がりかつ弱くなる。この磁界のため、永久磁石７に近い側では、プラズマの上方への湾曲が小さくなって、軸対称に近づき、遠い側でもプラズマの曲がり始める位置がずれるために湾曲している領域が狭くなって、軸から離れる距離が小さくなる。ランプ単体での効率も上昇する。
【００３７】
この実施の形態２でも、永久磁石７を設置するのは簡単であり、設置位置の寸法を設計段階で決めておき、その位置に設置すればよく、従来のように、ランプを点灯し、プラズマを観察しながら、設置位置を微調整する必要はない。また、長時間点灯し、電極が変形したり、スポットの位置が変化したり、放電電流が変化しても、式(２)の範囲内になるようにしておくのは容易で、寿命になるまで磁界の効果が保たれる。
このように両電極のスポットを結ぶ直線に平行で式(１)を満たすような強い磁界の領域がプラズマ部分の半分程度でも十分効果が得られる。
また、永久磁石７は当然どちらの側にあっても良いことは明白である。
【００３８】
実施の形態２（一端のみに永久磁石を配置した場合）の実施例１９〜２６について比較例１１〜１４とともに測定データを求め、磁束密度と湾曲の関係を調べた。測定には矩形波交流点灯のショートアーク・メタルハライドランプを用いた。石英ガラスからなる発光管１の内部には、両端にタングステンを主成分とする電極２、３を備え、水銀約４０気圧、発光金属のハロゲン化物、始動用希ガスが封入されている。ショートアーク・メタルハライドランプは定格電力２００Ｖ、放電電流３Ａのランプを使用した。磁界の印加には主にフェライト磁石やサマリウムコバルト磁石などでできた、端面が磁極となっているリング状の永久磁石７を用いて、発光管１の一方の端のみに設けた。このリング状の永久磁石７の直径、厚さ、位置を変化させて磁界の強さを変化させた。磁束密度によっては、ほとんど同じ磁束分布を形成できる電磁石を用いた。このような条件で、上記ランプを点灯し、水平方向の輝度分布と効率を測定した。表２に測定結果を示す。永久磁石７は発光管１の一方の端のみに設けられているため、プラズマが形成される領域の永久磁石側の半分の領域について、磁界の強さは電極のスポット位置で最大となり、両電極２、３の間の中点で最小となる。このため磁界の強さは最小値と最大値を示した。プラズマのずれとは、輝度分布の両電極間の放電の始点を結ぶ直線からのずれをいう。
【００３９】
表２から、磁界の強さＢテスラは、この放電流の実効値をＩアンペアとすると、
０.００３ ≦ Ｂ／Ｉ ≦ ０.０６
を満たすとき、プラズマの上方への湾曲が小さくなって、軸対称に近づき、また、ランプ単体で効率が最大で１２％上昇した。さらに、好ましくは、
０.００８ ≦ Ｂ／Ｉ ≦ ０.０４
を満たすと、プラズマの上方への湾曲はさらに小さくなって、かつ、ランプ単体での効率が７％から１２％の範囲で上昇した。
【００４０】
【表２】
【００４１】
実施の形態３.
図４は、この発明の実施の形態３を示すランプ部分を中心に示す。永久磁石７は、端面が磁極となっている磁界発生手段であり、金属製のリング状の円筒９は、発光管１に対して永久磁石７の内側に配置され、磁束を誘導する磁束誘導手段である。永久磁石７と金属製リング７は密着している。他の構成は実施の形態２と同様である。
【００４２】
次に動作について説明する。実施の形態２とは永久磁石７（磁界発生手段）から発光管１近傍まで磁束誘導手段としての金属製リング９を設けた点のみが異なっている。密閉器具内で点灯した場合、ランプ周辺の温度が上昇するため、永久磁石７のキュリー温度以上にならないようにする必要がある。このため、永久磁石７と金属製リング９は密着させて設置することにより、温度の影響を低減して、磁界をプラズマに印加できる。実施の形態２と同様に、放電部分の永久磁石７と金属製リング９のある側の半分程度のみに、式(１)を満たす強い磁界がかかっており、その範囲程度のみ磁界の方向と両電極２、３のスポットを結ぶ直線が平行になっている。この反対側の端に近づくにつれて磁力線は発光管１の外側に放射状に広がりかつ弱くなる。この磁界のため、永久磁石７と金属製リング９に近い側では、プラズマの上方への湾曲が小さくなって、軸対称に近づき、遠い側でもプラズマの曲がり始める位置がずれるために湾曲している領域が狭くなって、軸から離れる距離が小さくなる。ランプ単体での効率も上昇する。
【００４３】
この実施の形態３でも、永久磁石７と金属製リング９を設置するのは簡単であり、設置位置の寸法を設計段階で決めておき、その位置に設置すればよく、従来のように、ランプを点灯し、プラズマを観察しながら、設置位置を微調整する必要はない。また、長時間点灯し、電極が変形したり、スポットの位置が変化したり、放電電流が変化しても、式(２)の範囲内になるようにしておくのは容易で、寿命になるまで磁界の効果が保たれる。
実施の形態２と同様に、このように両電極のスポットを結ぶ直線に平行で式(１)を満たすような強い磁界の領域がプラズマ部分の半分程度でも十分効果が見られる。
また、永久磁石７と金属製リング９は当然どちらの端にあっても良いことは明白であり、また両端にあればさらに効果はある。
【００４４】
実施の形態４.
図５は、この発明の実施の形態４を示す高圧放電ランプ９の部分を中心に示す。冷却手段の１例である送風口１３、１４が永久磁石７、８の近傍に風を送り、永久磁石を冷却する。その他の構成は実施の形態１と同様である。
実施の形態３で説明したように、密閉器具内で点灯した場合、ランプ周辺の温度が上昇するため、永久磁石７、８のキュリー温度以上にならないようにする必要がある。この実施形態では、送風口１３、１４からの風で永久磁石７、８を冷却し、永久磁石のキュリー温度より上がらないようにする。これにより永久磁石７、８が劣化せず、この発明における上述の効果が十分に得られる。永久磁石７、８と同様に、発光管１も冷却されるが、図のように効率が落ちない程度に冷却強度が小さくなるように配置すれば差し支えない。
【００４５】
実施の形態５.
図６は、この発明の実施の形態５を示す高圧放電ランプ５の部分を中心に示す。熱遮蔽用の金属板１１、１２は、発光管１と永久磁石７、８とのそれぞれの間に設けられていて、永久磁石７、８と金属板１１、１２はそれぞれ離れている。他の構成は実施の形態１と同様である。
熱遮蔽用の金属板１１、１２を用いて、密閉器具内で点灯した場合のランプ周辺の温度の上昇や直接光による影響を低減し、永久磁石のキュリー温度以上にならないようにする。熱遮蔽用の金属板１１、１２は反射率が大きいものがよい。この金属板１１、１２が発光管１からの直接光を反射するため、直接光による熱の影響を低減できる。このため、永久磁石７、８がキュリー温度以上になるのを防止できる。これにより永久磁石７、８が劣化せず、この発明における上述の効果が十分に得られる。また永久磁石７、８と金属板１１、１２が密着していても、光を反射することができれば効果がある。
【００４６】
【発明の効果】
この発明によれば、光源装置は、内部の両端に１対の電極を備え、動作中は、両電極間で水銀蒸気を主成分とする高圧気体が放電してプラズマを形成し発光する発光管と、発光管の両電極間の放電の始点を結ぶ直線にほぼ平行な磁界を放電部分の少なくとも一方の電極側半分に形成する磁界発生手段とを備えるので、磁界発生手段と発光管の位置の調整が簡単で、かつ、点灯中のプラズマの湾曲の変動が小さくなり、効率が向上する。
【００４７】
好ましくは、放電により流れる電流の実効値をＩアンペア、前記平行な磁界が形成されている放電部分の磁束密度をＢテスラとすると、磁界発生手段は、放電部分で、
０.００３ ≦ Ｂ/Ｉ ≦ ０.０６
を満足する磁界を発生するので、磁界発生手段と発光管の位置の調整が簡単で、かつ、点灯中のプラズマの湾曲の変動が小さくなり、効率が向上する。
【００４８】
また、前記放電により流れる電流を交流とし、前記磁界発生手段を永久磁石としたので、磁界発生手段と発光管の位置の調整が簡単で、かつ、点灯中のプラズマの湾曲の変動が小さくなり、効率が向上する。
【００４９】
また、前記の両電極間の放電の始点を結ぶ直線にほぼ平行な磁界を形成する領域を放電部分全体としたので、磁界発生手段と発光管の位置の調整が簡単で、かつ、点灯中のプラズマの湾曲の変動が小さくなり、効率が向上する。
【００５０】
また、前記磁界発生手段を両端面が磁極となるリング状の永久磁石とし、前記発光管の両端に１対、磁極の方向を同じになるようにして設けたので、磁界発生手段と発光管の位置の調整が簡単で、かつ、点灯中のプラズマの湾曲の変動が小さくなり、効率が向上する。
【００５１】
また、前記磁界発生手段を両端面が磁極となるリング状の永久磁石とし、前記発光管の一方の端のみに設けたので、磁界発生手段と発光管の位置の調整が簡単で、かつ、点灯中のプラズマの湾曲の変動が小さくなり、効率が向上する。
【００５２】
また、さらに、前記磁界発生手段を冷却する冷却手段を設けるので、密閉容器内での熱の影響を低減する。
【００５３】
また、さらに、前記磁界発生手段を前記発光管から離れた位置に設け、発光管の両電極間の放電の始点を結ぶ直線にほぼ平行に磁束を誘導する磁束誘導手段を前記磁界発生手段と前記発光管の間に設けるので、密閉容器内での熱の影響を低減し、磁界発生手段と発光管の位置の調整が簡単で、かつ、点灯中のプラズマの湾曲の変動が小さくなり、効率が向上する。
【００５４】
また、さらに、前記磁束誘導手段を冷却する冷却手段を設けるので、密閉容器内での熱の影響を低減する。
【００５５】
また、さらに、前記磁界発生手段と前記発光管の間に、前記発光管からの発光により前記磁界発生手段がうける熱を遮蔽する熱遮蔽手段を設けるので、密閉容器内での熱の影響を低減する。
【００５６】
また、さらに、前記磁界発生手段および/または前記磁束誘導手段と前記発光管の間に、前記発光管により前記磁界発生手段がうける熱を遮蔽する熱遮蔽手段を設けるので、密閉容器内での熱の影響を低減する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１を示すランプ部分を中心にした図式的な断面図である。
【図２】 この発明の実施の形態１を示すランプ部分を中心にした図式的な斜視図である。
【図３】 この発明の実施の形態２を示すランプ部分を中心にした図式的な断面図である。
【図４】 この発明の実施の形態３を示すランプ部分を中心にした図式的な断面図である。
【図５】 この発明の実施の形態４を示すランプ部分を中心にした図式的な断面図である。
【図６】 この発明の実施の形態５を示すランプ部分を中心にした図式的な断面図である。
【符号の説明】
１ 発光管、 ２、３ 電極、 ５ 高圧放電ランプ、 ７、８ 永久磁石、 ９ 金属製リング、 １１、１２ 金属板、 １３、１４送風口。
【発明の属する技術分野】
この発明は、一般照明用あるいはプロジェクタなどの高圧放電ランプ照明装置に関し、特にその光源部分の高効率化に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
メタルハライドランプなどのランプは、一般照明用あるいはプロジェクタの中に設置され、その光源部分を構成する。発光管は、内部の両端にタングステンを主成分とする電極を備え、さらに、内部には発光金属のハロゲン化物、主としてアークを安定させるための水銀、始動用希ガスを封入している。点灯装置により、電流が制御された、たとえば直流の電圧を両電極の間に印加して、発光管内の始動用希ガスを放電させる。放電の熱で、すべての水銀と、金属ハロゲン化物の少なくとも一部が蒸発し、水銀あるいは発光金属の放電が生じ、放電経路がプラズマとなって発光する。したがって、この発光は、プラズマに対応して、ほぼ電極間の距離と、プラズマの太さの広がりを持ち、さらに内部の気体の対流でプラズマの中央部分が上方に向かって湾曲して、電極間を結ぶ直線からずれている。たとえば、液晶プロジェクタなど光学系でこの発光を利用する場合は、点光源に近いほど、光学系での光の利用効率が良くなることが多いため、電極間距離、太さ、さらに対流による湾曲が小さいほど良い。また、対流による湾曲はプラズマが上方の発光管の内壁に近づくため、熱ロスが増え、効率低下の原因となる。
【０００３】
これを解決するため、磁界を用いてプラズマの位置を制御することが考えられる。特開平９−１６１７２５号公報の図１に示される従来の液晶プロジェクタのメタルハライドランプにおいては、電磁石(5)は、磁力線(A,B)が両電極(7,8)を結ぶ直線にほぼ垂直で水平になるように設けられる。なお、この図において、水平に置かれた発光管(6)は、内部の両端に電極(7,8)を備える。
この従来例においては、電磁石の磁力線が放電の電流が流れる方向に垂直で、かつ、水平方向に垂直な方向になるようにし、そのローレンツ力によって、電流が流れているプラズマに下方向に力が働くようにする。この結果、プラズマの湾曲は抑えられ、両電極を結ぶ直線についてほとんど軸対称になり、液晶プロジェクタの光学系でこの発光を利用する場合、光の利用効率が高くなる。また、上方の発光管の内壁から離れるため、ランプ自体の効率も高くなる。この例では、放電は直流であり、電磁石の磁極を電流の方向に合わせることによって下方向に力を働かせることができたが、放電が正弦波あるいは矩形波の交流の場合は電磁石を、たとえば、コイルを放電と直列に接続することによって下方向のみに力が働くようにすることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この従来例では、電流と磁束密度のベクトル積で力が決まる、いわゆるローレンツの法則に基づいて、プラズマの湾曲を磁界により調整している。しかし、プラズマの位置と磁石の位置、強さを正確に合わせなければならない。たとえば、磁界が強すぎると、下方向に逆に湾曲し、効果がなくなったり、さらに強いと、湾曲の度合いが、磁界のない場合より大きくなる場合もあり得る。したがって、照明装置を組む場合に正確に磁界を調整するために、ランプを点灯させ、プラズマを観察しながら、電磁石を微調整するという煩雑な工程が必要になるという課題があった。さらに、長時間点灯すると、電極と放電の接続部分(スポット)の位置などが点灯中に動く。これにより、電磁石とプラズマの位置関係が変動したり、電極の変形などで放電電流が減少し、プラズマに働く力が変動するので、湾曲も変化し、効率が著しく低下する場合があるという課題があった。
【０００５】
この発明は、磁界と発光管の位置の調整が簡単で、かつ、点灯中のプラズマの湾曲の変動が小さい光源装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る光源装置は、内部の両端に１対の電極を備え、動作中は、両電極間で水銀蒸気を主成分とする高圧気体が放電してプラズマを形成し発光する発光管と、発光管の両電極間の放電の始点を結ぶ直線にほぼ平行な磁界を前記放電部分の少なくとも一方の電極側の半分に形成する磁界発生手段と、発光管の両電極間の放電の始点を結ぶ直線にほぼ平行に磁束を誘導する金属製リングからなる磁束誘導手段を備える。前記磁界発生手段は、両端面が磁極となるリング状の永久磁石であり、前記磁束誘導手段は、前記磁界発生手段と前記発光管の間に、前記磁界発生手段に密着させて設置される。好ましくは、前記磁束誘導手段と前記磁界発生手段を前記発光管の一方の側のみに設ける。
【０００７】
好ましくは、放電により流れる電流の実効値をＩアンペア、前記平行な磁界が形成されている放電部分の磁束密度をＢテスラとすると、磁界発生手段は、放電部分で、
０.００３ ≦ Ｂ/Ｉ ≦ ０.０６
を満足する磁界を発生する。
【０００８】
また、前記放電により流れる電流は交流である。
【０００９】
また、前記の両電極間の放電の始点を結ぶ直線にほぼ平行な磁界を形成する領域を放電部分全体とする。
【００１０】
また、前記磁界発生手段は、両端面が磁極となるリング状の永久磁石であり、前記発光管の両端に１対、磁極の方向を同じになるようにして設ける。
【００１２】
また、さらに、前記磁界発生手段を冷却する冷却手段を設ける。
【００１４】
また、さらに、前記磁束誘導手段を冷却する冷却手段を設ける。
【００１５】
また、さらに、前記磁界発生手段と前記発光管の間に、前記発光管からの発光により前記磁界発生手段がうける熱を遮蔽する熱遮蔽手段を設ける。
【００１６】
また、さらに、前記磁界発生手段および/または前記磁束誘導手段と前記発光管の間に、前記発光管により前記磁界発生手段がうける熱を遮蔽する熱遮蔽手段を設ける。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、図において同一の参照番号を付したものは、同一又は同等のものをさす。
【００１８】
実施の形態１.
図１と図２は、この発明の実施の形態１を示す高圧放電ランプ５の部分を中心に示す断面図と斜視図である。図示した部分は、高圧放電ランプ照明装置（たとえば液晶プロジェクタ）内に設置され、その光源部分を構成する。高圧放電ランプ５は、管球部からなる周知の形状のランプである。高圧放電ランプ５において、石英ガラスからなる水平に置かれた発光管１は、内部の両端にタングステンを主成分とする電極２、３を備え、さらに、内部には発光金属のハロゲン化物、主としてアークを安定させるための水銀、および、始動用希ガスを封入している。1対の永久磁石７、８は、それぞれ、端面が磁極となっているリング状の永久磁石であり、磁界発生手段として発光管１の球状部の両側に配置され、磁化の方向を同じ方向としている。なお、ランプの一端には取付け用の部材が備えられる。
【００１９】
次に動作について説明する。点灯装置(図示せず)により、電流が制御された、交流の正弦波または矩形波の電圧を両電極２、３間に印加して発光管１内の始動用希ガスを放電させる。放電の熱で、すべての水銀と、金属ハロゲン化物の少なくとも一部が蒸発し、水銀あるいは発光金属の放電となり、放電経路がプラズマとなって発光する。この放電部分には、発光管の両電極２、３上にできる放電の始点(スポット)を結ぶ直線とほぼ平行に永久磁石７、８による磁界が加えられている。
【００２０】
ここで、磁界の方向が発光管の両電極２、３のスポットを結ぶ直線と平行になっている必要がある。両電極のスポットを結ぶ直線と平行に磁界をかけた場合は、電流の磁界に平行でない部分にのみ力が働き、プラズマの湾曲に対しては、平行でない部分を平行にするような力として働き、平行になったらそれ以上力が働かないので、細かな調整がいらないことになる。また、電極のスポット近傍のプラズマの広がり部分は、磁力線とは平行ではないが、電流と磁力線のなす角度が小さく、もともとローレンツ力が小さいので、後述の式(１)の範囲に入っていれば悪影響は小さいことになる。
【００２１】
これに対して、平行でなく、傾きを持っている場合、その傾きとプラズマに垂直な一方向にプラズマを移動させ、この場合、交流なので、さらに反対方向と交互に移動するため、プラズマが移動する両方向に広がって、点光源として好ましくなくなる。さらに、従来のように直流放電の場合、または、磁界が放電電流に同期した電流による電磁石で発生される場合、電磁石の傾きとプラズマに垂直な一方向にプラズマが湾曲し、うまく調整すれば、対流による湾曲をうち消すことができる。しかし、その調整が微妙な点は上述したとおりである。また、磁界の方向が、両電極２、３のスポットを結ぶ直線について、ほぼ対称だが、プラズマの中心以外では平行になっていない、たとえば、磁力線がプラズマの中心に向かう成分が大きい場合、電流と磁力線のなす角度が大きいので、ローレンツ力が大きくなり、うまく調整すると電流束を磁力線方向に閉じこめることになって、プラズマの径を縮小させることができ、光学系全体の効率を上げることができるが、縮小させるとランプ自体の効率が低下する傾向があり、最適値がある。この調整も微妙で、従来例と同様な複雑な工程が必要になり、また、長時間の点灯中に条件が変化する欠点もある。
【００２２】
このように、両電極２、３のスポットを結ぶ直線と平行に磁界を印加するとプラズマの湾曲が小さくなる理由は、以下のように考えられる。プラズマが湾曲していないで、両電磁２、３のスポットを結ぶ直線と平行になっている場合、磁界と平行ということになるので、ローレンツ力が働かない。一方、対流でプラズマが湾曲し始めると、両電極のスポットを結ぶ直線と平行でない放電部分が両電極近傍にでき、その部分にローレンツ力が湾曲方向と垂直に動く。このため、回転し、対流による力とつり合って、結局中心方向に寄せられる。したがって、湾曲が起こると１８０度回転しながら、元に戻るような運動が起こることになり、実質的にはほとんど湾曲が起こらなくなる。
【００２３】
ここで、磁界の平行性について説明すると、磁界と両電極２、３のスポットを結ぶ直線とが完全に平行になっている方がよい。しかし、直角成分も小さければ良く、放電している領域のうち、磁界が後述の式(１)の範囲にはいるほど強い領域内で、プラズマの範囲の磁界とスポットを結ぶ直線のなす角度が１０度までなら、方向からずれていても問題ない。角度が２０度までなら、調整工程が必要にはなるが、従来のように点灯して調整するほどの必要はなく、両電極と磁界発生手段の３次元の位置関係を正確に合わせる程度のものでよい。すなわち、ここでいう平行は、２０度までずれていても効果があり、１０度以下ならさらに好ましい。
【００２４】
この実施の形態では両電極２、３に印加する電圧を交流としている。直流を用いる場合、永久磁石７、８を結ぶ中心軸と両電極２、３のスポットを結ぶ直線のなす角度がわずかでもずれていると、ずれと直角方向にローレンツ力が働き続け、プラズマが湾曲する。したがって、直流と永久磁石の組み合わせの場合は、両電極と永久磁石の正確な位置合わせが必要になる。交流の場合も、交流と同期した電磁石を用いた場合、たとえば放電電流と直列に電磁石を接続した場合は、磁石の中心線と両電極のスポットを結ぶ直線のずれがあると、同じ方向にローレンツ力が働き続けるため、同様にプラズマが湾曲するので、正確な位置合わせが必要になる。しかし、この場合でも、従来ほど煩雑な工程を必要としないので、この発明の効果はある。
【００２５】
一方、この実施の形態のように、交流点灯し、磁石の磁極を変えない場合、上述のようなずれが多少あっても交流の極性に同期して、プラズマが湾曲する前にローレンツ力の方向が逆転するため、このような問題は起こらない。したがって、交流点灯で磁極を変えない方が好ましい。
なお、ここでいう交流は、正弦波である必要はなく、たとえば、矩形波でも良く、要は極性がほぼ対称に数十Hz程度以上の周期で変われば同様に効果がある。
【００２６】
磁石７、８は、リング状で両端面が磁極になる永久磁石である。しかし、磁石７、８の形状としては、プラズマに対して平行で式(１)を満たす強度で磁界を発生できればよい。また、永久磁石の材質は、通常のフェライト磁石でも良く、サマリウムコバルト磁石でも良く、要は所定の磁界を発生し続ければよい。さらにキュリー温度が高い磁石なら、熱による劣化が抑えられ、永久磁石の寿命が長くなる。
【００２７】
次に、磁界の強さについて説明すると、上述の放電部分（プラズマ）のすべての位置について、磁界の強さＢテスラは、この放電電流の実効値をＩアンペアとすると、
０.００３ ≦ Ｂ／Ｉ ≦ ０.０６ (１)
を満たしている。この磁界のため、プラズマの上方への湾曲が小さくなって、軸対称に近づき、また、ランプ単体での効率が最大で１５％上昇した。さらに、好ましくは、
０.００８ ≦ Ｂ／Ｉ ≦ ０.０４ (２)
を満たすと、プラズマの上方への湾曲はほとんど解消し、かつ、ランプ単体での効率が１０％から１５％の範囲で上昇する。たとえば、磁界を式(２)の範囲に入るように、永久磁石７、８を設置するのは簡単であり、設置位置の寸法を設計段階で決めておき、その位置に設置すればよい。従来のように、ランプを点灯し、プラズマを観察しながら、設置位置を微調整する必要はない。また、長時間点灯し、電極が変形したり、スポットの位置が変化したり、放電電流が変化しても、式(２)の範囲内になるようにしておくのは容易で、寿命になるまで磁界の効果が保たれる。
【００２８】
磁束密度の範囲について説明すると、磁界の強さＢはプラズマの領域で式(１)を満たせばプラズマの湾曲を小さくする効果がある。Ｂ／Ｉ＜０.００３の範囲ではプラズマの湾曲を小さくする効果があまり見られなくなってゆく。また、０.０６＜Ｂ／Ｉの範囲ではプラズマの湾曲を小さくする効果はそのままだが、プラズマ自身が縮小され始め、ランプ自身の効率が低下してゆく。磁束密度が大きくなると、プラズマが縮小する理由は、以下の通りである。電極上の放電の始点であるスポットの小さい領域から中央部分の太い部分へ向かって広がっているが、この広がり部分の電流束は、両電極のスポットを結ぶ直線、すなわち、磁界と平行になっていないので、ローレンツ力が働きねじれるようになる。ローレンツ力が小さい場合は単にねじれるだけだが、大きくなるとローレンツ力で曲がる半径がその部分のプラズマの径より小さくなり、その場合、広がりにくくなることになって、プラズマの径が小さくなる。このため、光学系に利用する光源としては点光源に近づくという利点はある。一方、プラズマが縮小すると効率が低下する理由は、プラズマが縮小すると導電性を保つために温度が上昇するが、温度が上昇すると、利用する発光をもたらす励起準位より上の励起準位への遷移が増加するためである。すなわち、一般的に原子の準位は下のレベルほど間隔があいており、高い準位ほど間隔が狭くなっているので、上の準位ほど不要な赤外に発光する確率が高く、また、準位の間隔が狭いほど発光に寄与しない遷移や衝突などの過程の確率も増加し、効率の低下をもたらす。
【００２９】
なお、磁界が作用する必要があるプラズマは、電気伝導度が有限であり電流が実質的に流れている、厳密にいうと発光部分よりやや狭い領域になる。経験的には、最大発光強度のほぼ２０％の発光を示している範囲であり、ここでのプラズマの範囲は、この最大発光強度の２０％の領域として定義している。
【００３０】
また、荷電粒子の運動と磁束密度のベクトル積で荷電粒子にローレンツ力が働き、円運動をし、実質的に荷電粒子の移動度や拡散を抑制する効果が知られている。しかし、この実施の形態においては、数アンペアの電流に対応する磁束密度の上限である０.１テスラ程度とプラズマの温度６０００Ｋ程度に対応する電子の速度から計算できる円運動の半径（ラーマー半径）は、高圧放電ランプの最低圧力レベルである５気圧程度での電子の平均自由行程に比べ２桁以上大きく、プラズマの径を縮小する効果にはほとんど寄与していない。
【００３１】
実施の形態１において、電極温度を測定した結果、磁界の印加により電極温度が下がることが判明した。このため寿命が長くできる。このときの放電部分のすべての位置について、磁界の強さＢテスラは、この放電電流の実効値をＩアンペアとすると、
０.００３ ≦ Ｂ／Ｉ
を満たしていれば、電極温度が下がる。
【００３２】
次に、実施の形態１の実施例と比較例について説明する。表1に示す実施例１〜１８について比較例１〜１０とともに測定データを求め、磁束密度と湾曲の関係を調べた。測定には矩形波交流点灯のショートアーク・メタルハライドランプを用いた。石英ガラスからなる発光管１の内部には、両端にタングステンを主成分とする電極２、３を備え、水銀約４０気圧、発光金属のハロゲン化物、始動用希ガスが封入されている。ショートアーク・メタルハライドランプは定格電力２００Ｖ、放電電流３Ａのランプと定格電力１５０Ｖ、放電電流２Ａのランプを使用した。磁界の印加には主に、フェライト磁石やサマリウムコバルト磁石などでできた、端面が磁極となっているリング状の永久磁石７、８を用いて、発光管１の両端に１対、磁極の方向を同じになるようにして設けた。このリング状の永久磁石７、８の直径、厚さ、位置を変化させて磁界の強さを変化させた。磁束密度によっては、ほとんど同じ磁束分布を形成できる電磁石を用いた。このような条件で、上記ランプを点灯し、水平方向の輝度分布と効率（ランプ自体の効率）を測定した。表１に測定結果を示す。表中の磁界の強さとは、磁界を印加したときの両電極間の中点での値をいう。ここで、アーク全体に印加される磁界の強さは、両電極間の中点での磁界の強さと変わらず、誤差にして数％程度である。プラズマのずれとは、輝度分布の両電極間の放電の始点を結ぶ直線からのずれをいう。
【００３３】
表１から、磁界の強さＢテスラは、この放電電流の実効値をＩアンペアとすると、
０.００３ ≦ Ｂ／Ｉ ≦ ０.０６
を満たすとき、プラズマの上方への湾曲が小さくなって、軸対称に近づき、また、ランプ単体での効率が最大で１５％上昇した。さらに、好ましくは、
０.００８ ≦ Ｂ／Ｉ ≦ ０.０４
を満たすと、プラズマの上方への湾曲はほとんど解消し、かつ、ランプ単体での効率が１０％から１５％の範囲で上昇した。
【００３４】
【表１】
実施の形態２.
図３は、この発明の実施の形態２を示す高圧放電ランプ５の部分を中心にした図である。永久磁石７は、端面が磁極となっている永久磁石であり、磁界発生手段としては、一端のみに永久磁石７が配置される。他の構成は実施の形態１と同様である。
【００３６】
次に動作について説明する。実施の形態１とは、永久磁石７（磁界発生手段）が一方の端にある点のみが異なっている。このため、放電部分の永久磁石７のある側の半分程度のみに、式(１)を満たす強い磁界がかかっており、その範囲程度のみ磁界の方向と両電極のスポットを結ぶ直線が平行になっている。永久磁石と反対側の端に近づくにつれて、磁力線は発光管の外側に放射状に広がりかつ弱くなる。この磁界のため、永久磁石７に近い側では、プラズマの上方への湾曲が小さくなって、軸対称に近づき、遠い側でもプラズマの曲がり始める位置がずれるために湾曲している領域が狭くなって、軸から離れる距離が小さくなる。ランプ単体での効率も上昇する。
【００３７】
この実施の形態２でも、永久磁石７を設置するのは簡単であり、設置位置の寸法を設計段階で決めておき、その位置に設置すればよく、従来のように、ランプを点灯し、プラズマを観察しながら、設置位置を微調整する必要はない。また、長時間点灯し、電極が変形したり、スポットの位置が変化したり、放電電流が変化しても、式(２)の範囲内になるようにしておくのは容易で、寿命になるまで磁界の効果が保たれる。
このように両電極のスポットを結ぶ直線に平行で式(１)を満たすような強い磁界の領域がプラズマ部分の半分程度でも十分効果が得られる。
また、永久磁石７は当然どちらの側にあっても良いことは明白である。
【００３８】
実施の形態２（一端のみに永久磁石を配置した場合）の実施例１９〜２６について比較例１１〜１４とともに測定データを求め、磁束密度と湾曲の関係を調べた。測定には矩形波交流点灯のショートアーク・メタルハライドランプを用いた。石英ガラスからなる発光管１の内部には、両端にタングステンを主成分とする電極２、３を備え、水銀約４０気圧、発光金属のハロゲン化物、始動用希ガスが封入されている。ショートアーク・メタルハライドランプは定格電力２００Ｖ、放電電流３Ａのランプを使用した。磁界の印加には主にフェライト磁石やサマリウムコバルト磁石などでできた、端面が磁極となっているリング状の永久磁石７を用いて、発光管１の一方の端のみに設けた。このリング状の永久磁石７の直径、厚さ、位置を変化させて磁界の強さを変化させた。磁束密度によっては、ほとんど同じ磁束分布を形成できる電磁石を用いた。このような条件で、上記ランプを点灯し、水平方向の輝度分布と効率を測定した。表２に測定結果を示す。永久磁石７は発光管１の一方の端のみに設けられているため、プラズマが形成される領域の永久磁石側の半分の領域について、磁界の強さは電極のスポット位置で最大となり、両電極２、３の間の中点で最小となる。このため磁界の強さは最小値と最大値を示した。プラズマのずれとは、輝度分布の両電極間の放電の始点を結ぶ直線からのずれをいう。
【００３９】
表２から、磁界の強さＢテスラは、この放電流の実効値をＩアンペアとすると、
０.００３ ≦ Ｂ／Ｉ ≦ ０.０６
を満たすとき、プラズマの上方への湾曲が小さくなって、軸対称に近づき、また、ランプ単体で効率が最大で１２％上昇した。さらに、好ましくは、
０.００８ ≦ Ｂ／Ｉ ≦ ０.０４
を満たすと、プラズマの上方への湾曲はさらに小さくなって、かつ、ランプ単体での効率が７％から１２％の範囲で上昇した。
【００４０】
【表２】
実施の形態３.
図４は、この発明の実施の形態３を示すランプ部分を中心に示す。永久磁石７は、端面が磁極となっている磁界発生手段であり、金属製のリング状の円筒９は、発光管１に対して永久磁石７の内側に配置され、磁束を誘導する磁束誘導手段である。永久磁石７と金属製リング７は密着している。他の構成は実施の形態２と同様である。
【００４２】
次に動作について説明する。実施の形態２とは永久磁石７（磁界発生手段）から発光管１近傍まで磁束誘導手段としての金属製リング９を設けた点のみが異なっている。密閉器具内で点灯した場合、ランプ周辺の温度が上昇するため、永久磁石７のキュリー温度以上にならないようにする必要がある。このため、永久磁石７と金属製リング９は密着させて設置することにより、温度の影響を低減して、磁界をプラズマに印加できる。実施の形態２と同様に、放電部分の永久磁石７と金属製リング９のある側の半分程度のみに、式(１)を満たす強い磁界がかかっており、その範囲程度のみ磁界の方向と両電極２、３のスポットを結ぶ直線が平行になっている。この反対側の端に近づくにつれて磁力線は発光管１の外側に放射状に広がりかつ弱くなる。この磁界のため、永久磁石７と金属製リング９に近い側では、プラズマの上方への湾曲が小さくなって、軸対称に近づき、遠い側でもプラズマの曲がり始める位置がずれるために湾曲している領域が狭くなって、軸から離れる距離が小さくなる。ランプ単体での効率も上昇する。
【００４３】
この実施の形態３でも、永久磁石７と金属製リング９を設置するのは簡単であり、設置位置の寸法を設計段階で決めておき、その位置に設置すればよく、従来のように、ランプを点灯し、プラズマを観察しながら、設置位置を微調整する必要はない。また、長時間点灯し、電極が変形したり、スポットの位置が変化したり、放電電流が変化しても、式(２)の範囲内になるようにしておくのは容易で、寿命になるまで磁界の効果が保たれる。
実施の形態２と同様に、このように両電極のスポットを結ぶ直線に平行で式(１)を満たすような強い磁界の領域がプラズマ部分の半分程度でも十分効果が見られる。
また、永久磁石７と金属製リング９は当然どちらの端にあっても良いことは明白であり、また両端にあればさらに効果はある。
【００４４】
実施の形態４.
図５は、この発明の実施の形態４を示す高圧放電ランプ９の部分を中心に示す。冷却手段の１例である送風口１３、１４が永久磁石７、８の近傍に風を送り、永久磁石を冷却する。その他の構成は実施の形態１と同様である。
実施の形態３で説明したように、密閉器具内で点灯した場合、ランプ周辺の温度が上昇するため、永久磁石７、８のキュリー温度以上にならないようにする必要がある。この実施形態では、送風口１３、１４からの風で永久磁石７、８を冷却し、永久磁石のキュリー温度より上がらないようにする。これにより永久磁石７、８が劣化せず、この発明における上述の効果が十分に得られる。永久磁石７、８と同様に、発光管１も冷却されるが、図のように効率が落ちない程度に冷却強度が小さくなるように配置すれば差し支えない。
【００４５】
実施の形態５.
図６は、この発明の実施の形態５を示す高圧放電ランプ５の部分を中心に示す。熱遮蔽用の金属板１１、１２は、発光管１と永久磁石７、８とのそれぞれの間に設けられていて、永久磁石７、８と金属板１１、１２はそれぞれ離れている。他の構成は実施の形態１と同様である。
熱遮蔽用の金属板１１、１２を用いて、密閉器具内で点灯した場合のランプ周辺の温度の上昇や直接光による影響を低減し、永久磁石のキュリー温度以上にならないようにする。熱遮蔽用の金属板１１、１２は反射率が大きいものがよい。この金属板１１、１２が発光管１からの直接光を反射するため、直接光による熱の影響を低減できる。このため、永久磁石７、８がキュリー温度以上になるのを防止できる。これにより永久磁石７、８が劣化せず、この発明における上述の効果が十分に得られる。また永久磁石７、８と金属板１１、１２が密着していても、光を反射することができれば効果がある。
【００４６】
【発明の効果】
この発明によれば、光源装置は、内部の両端に１対の電極を備え、動作中は、両電極間で水銀蒸気を主成分とする高圧気体が放電してプラズマを形成し発光する発光管と、発光管の両電極間の放電の始点を結ぶ直線にほぼ平行な磁界を放電部分の少なくとも一方の電極側半分に形成する磁界発生手段とを備えるので、磁界発生手段と発光管の位置の調整が簡単で、かつ、点灯中のプラズマの湾曲の変動が小さくなり、効率が向上する。
【００４７】
好ましくは、放電により流れる電流の実効値をＩアンペア、前記平行な磁界が形成されている放電部分の磁束密度をＢテスラとすると、磁界発生手段は、放電部分で、
０.００３ ≦ Ｂ/Ｉ ≦ ０.０６
を満足する磁界を発生するので、磁界発生手段と発光管の位置の調整が簡単で、かつ、点灯中のプラズマの湾曲の変動が小さくなり、効率が向上する。
【００４８】
また、前記放電により流れる電流を交流とし、前記磁界発生手段を永久磁石としたので、磁界発生手段と発光管の位置の調整が簡単で、かつ、点灯中のプラズマの湾曲の変動が小さくなり、効率が向上する。
【００４９】
また、前記の両電極間の放電の始点を結ぶ直線にほぼ平行な磁界を形成する領域を放電部分全体としたので、磁界発生手段と発光管の位置の調整が簡単で、かつ、点灯中のプラズマの湾曲の変動が小さくなり、効率が向上する。
【００５０】
また、前記磁界発生手段を両端面が磁極となるリング状の永久磁石とし、前記発光管の両端に１対、磁極の方向を同じになるようにして設けたので、磁界発生手段と発光管の位置の調整が簡単で、かつ、点灯中のプラズマの湾曲の変動が小さくなり、効率が向上する。
【００５１】
また、前記磁界発生手段を両端面が磁極となるリング状の永久磁石とし、前記発光管の一方の端のみに設けたので、磁界発生手段と発光管の位置の調整が簡単で、かつ、点灯中のプラズマの湾曲の変動が小さくなり、効率が向上する。
【００５２】
また、さらに、前記磁界発生手段を冷却する冷却手段を設けるので、密閉容器内での熱の影響を低減する。
【００５３】
また、さらに、前記磁界発生手段を前記発光管から離れた位置に設け、発光管の両電極間の放電の始点を結ぶ直線にほぼ平行に磁束を誘導する磁束誘導手段を前記磁界発生手段と前記発光管の間に設けるので、密閉容器内での熱の影響を低減し、磁界発生手段と発光管の位置の調整が簡単で、かつ、点灯中のプラズマの湾曲の変動が小さくなり、効率が向上する。
【００５４】
また、さらに、前記磁束誘導手段を冷却する冷却手段を設けるので、密閉容器内での熱の影響を低減する。
【００５５】
また、さらに、前記磁界発生手段と前記発光管の間に、前記発光管からの発光により前記磁界発生手段がうける熱を遮蔽する熱遮蔽手段を設けるので、密閉容器内での熱の影響を低減する。
【００５６】
また、さらに、前記磁界発生手段および/または前記磁束誘導手段と前記発光管の間に、前記発光管により前記磁界発生手段がうける熱を遮蔽する熱遮蔽手段を設けるので、密閉容器内での熱の影響を低減する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１を示すランプ部分を中心にした図式的な断面図である。
【図２】 この発明の実施の形態１を示すランプ部分を中心にした図式的な斜視図である。
【図３】 この発明の実施の形態２を示すランプ部分を中心にした図式的な断面図である。
【図４】 この発明の実施の形態３を示すランプ部分を中心にした図式的な断面図である。
【図５】 この発明の実施の形態４を示すランプ部分を中心にした図式的な断面図である。
【図６】 この発明の実施の形態５を示すランプ部分を中心にした図式的な断面図である。
【符号の説明】
１ 発光管、 ２、３ 電極、 ５ 高圧放電ランプ、 ７、８ 永久磁石、 ９ 金属製リング、 １１、１２ 金属板、 １３、１４送風口。
Claims (10)
- 内部の両端に１対の電極を備え、動作中は、両電極間で水銀蒸気を主成分とする高圧気体が放電してプラズマを形成し発光する発光管と、
発光管の両電極間の放電の始点を結ぶ直線にほぼ平行な磁界を放電部分の少なくとも一方の電極側の半分に形成する磁界発生手段と、
発光管の両電極間の放電の始点を結ぶ直線にほぼ平行に磁束を誘導する金属製リングからなる磁束誘導手段とからなり、
前記磁界発生手段は、両端面が磁極となるリング状の永久磁石であり、
前記磁束誘導手段は、前記磁界発生手段と前記発光管の間に、前記磁界発生手段に密着させて設置されることを特徴とする光源装置。 - 前記磁束誘導手段と前記磁界発生手段を前記発光管の一方の側のみに設けたことを特徴とする請求項１に記載された光源装置。
- 前記の両電極間の放電の始点を結ぶ直線にほぼ平行な磁界を形成する領域を放電部分全体としたことを特徴とする請求項１に記載された光源装置。
- 前記磁界発生手段は、前記リング状の永久磁石を、前記発光管の両端に１対、磁極の方向を同じになるようにして設けたことを特徴とする請求項３に記載された光源装置。
- 放電により流れる電流の実効値をＩアンペア、前記平行な磁界が形成されている放電部分の磁束密度をＢテスラとすると、磁界発生手段は、放電部分で、
０.００３ ≦ Ｂ/Ｉ ≦ ０.０６
を満足する磁界を発生することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載された光源装置。 - 前記放電により流れる電流が交流であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載された光源装置。
- さらに、前記磁界発生手段を冷却する冷却手段を設けたことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載された光源装置。
- さらに、前記磁束誘導手段を冷却する冷却手段を設けたことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載された光源装置。
- さらに、前記磁界発生手段と前記発光管の間に、前記発光管からの発光により前記磁界発生手段がうける熱を遮蔽する熱遮蔽手段を設けたことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載された光源装置。
- さらに、前記磁界発生手段および/または前記磁束誘導手段と前記発光管の間に、前記発光管により前記磁界発生手段がうける熱を遮蔽する熱遮蔽手段を設けたことを特徴とする請求項８に記載された光源装置。
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