JP4097204B2

JP4097204B2 - 光学装置

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Publication number: JP4097204B2
Application number: JP2003119612A
Authority: JP
Inventors: 岳人千賀; 哲治平尾; 滋斉藤
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2003-04-24
Filing date: 2003-04-24
Publication date: 2008-06-11
Anticipated expiration: 2023-04-24
Also published as: CN1540711A; CN100550280C; JP2004327207A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、点灯時の水銀蒸気圧が１５０気圧以上となる超高圧放電ランプに関し、特に、液晶ディスプレイ装置やＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）を使ったＤＬＰ（デジタルライトプロセッサ）などのプロジェクター装置の投射用光源として使う超高圧放電ランプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
投射型プロジェクター装置は、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る。このため、光源は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ていた。また、より一層の小型化、点光源化が進められ、電極間距離も極めて小さいものが実用化されてきている。
【０００３】
このような背景のもと、メタルハライドランプに代わって、極めて高い水銀蒸気圧、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。このランプは、水銀蒸気圧を高くすることで、アークの広がりを抑えると共に、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（米国特許第５，１０９，１８１）、特開平６−５２８３０号（米国特許第５，４９７，０４９）に開示されている。
【０００４】
その一方で、プロジェクター装置は、ＤＭＤ（マイクロミラーデバイス）を使ったＤＬＰ（デジタルライトプロセッサ）方式が採用されたことにより、液晶パネルを使う必要がなくなり、これにより、より一層小型化が注目されつつある。つまり、プロジェクター装置の投射用光源となる放電ランプは、高い光出力や照度維持率が要求される反面、プロジェクター装置の小型化に伴い、反射鏡や放電ランプも小型が要求されているわけである。
【０００５】
図６はプロジェクター装置の中に組み込まれる光学装置であって、凹面反射鏡と放電ランプから構成される状態を表している。（ａ）は通常の光学装置を表し、（ｂ）は小型化の要求に対応させてより小型化を実現した光学装置を表している。
（ａ）では、放電ランプ１は発光部１０とその両端に封止部１１ａ，１１ｂが連接されている。陽極側封止部１１ａの先端には口金１２が取り付けられ、この口金１２が接着剤１３を介して支持部材１４に取り付けられる。支持部材１４は連結部材１５を介して凹面反射鏡２と連結される。この連結部材１４は、例えば通風孔を有する金属板であって、封止部１１ａを冷却できる構造となっている。（ｂ）では、封止部１１ａの長さが短くなるとともに、口金１２が接着剤１３を介して支持部材１４に取り付けられ、この支持部材１４が接着剤（図示略）などを介して凹面反射鏡２に直接取り付けられる。従って、（ａ）の構造と比較して、封止部１１ａが短く、また、連結部材１５を使わない点で相違している。なお、定格電力など放電ランプの性能、仕様は同一という前提で説明している。
【０００６】
ここで、放電ランプと凹面反射鏡は、高い精度で位置決めされ、また、多少の振動によっては位置関係が崩れないように強固に固定されなければならない。これは放電ランプのアーク起点が凹面反射鏡の焦点に位置しなければ、光の取り出し効率が著しく低下するからである。従って、（ａ）（ｂ）両図において、接着剤は両者の位置関係を固定するという意味で極めて重要な役割を果たしている。このような背景により、現在、市販されている多くの光学装置は、放電ランプと凹面反射鏡を確実に固定するという観点のみが考慮されている。したがって、放電ランプと、反射鏡や支持部材で形成される隙間には接着剤が大量に注入されている。
【０００７】
このように、光学装置全体を小型化するためには、凹面反射鏡の頂部外側に形成された取り付け構造（具体的には、陽極側封止部１１ａ、口金１２、接着剤１３、支持部材１４などの構造）の小型化に着目しなければならない。凹面反射鏡の内部は、光の取り出しという観点からある程度の大きさや形状が規制されるからである。
すなわち、プロジェクター装置の小型化という要請により、光学装置の小型化が要請され、そのための構造として凹面反射鏡の頂部外側の構造が小型化している。
【０００８】
ところが、上記光学装置において、放電ランプの陰極側封止部１１ｂに箔浮やクラックが発生して放電ランプが破損するという問題が発生した。特に、図６（ａ）（ｂ）の光学装置を比較すると、図（ｂ）の構造の光学装置がより多く破損を発生させていたことが判明した。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
この発明が解決しようとする課題は、凹面反射鏡と放電ランプからなる光学装置であって、小型化するとともに陰極側封止部におけるクラック発生を防止できる構造を提供することである。
【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、本発明に係る光学装置は、超高圧放電ランプとこの放電ランプを取り囲む凹面反射鏡よりなり、放電ランプは石英ガラスからなる発光部の両端に一対の封止部が連接されこの発光部に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀が封入されるとともに一対の電極が２．０ｍｍ以下で配置されている。そして、超高圧放電ランプは、陽極側封止部の長さが定格点灯電力（Ｗ）の０．１１５倍（ｍｍ）以下で、かつ、陽極側封止部の外径がφ５ｍｍ〜８ｍｍであって、陽極側封止部が前記凹面反射鏡の頂部に挿入された状態でナトリウム成分及び／又はリチウム成分を含む無機系接着剤を介在させて接触保持されており、かつ、この無機系接着剤には、陽極と電気的に繋がる導電性部材が、ランプ点灯時温度４５０℃以下の位置において接触していることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は第一の発明である光学装置を説明するための概略構成図を示す。
光学装置は、ショートアーク型超高圧放電ランプ１（以後、単に「放電ランプ」ともいう）と、この放電ランプ１を取り囲む凹面反射鏡２より構成され、凹面反射鏡２の光軸Ｌと放電ランプ１のアーク方向がほぼ一致するとともに、放電ランプ１のアーク輝点が凹面反射鏡２の第一焦点に一致するよう配置されている。
【００１４】
放電ランプ１の放電容器は、大略球状の発光部１０と、この発光部１０の両端に続くロッド状の封止部１１ａ、１１ｂにより構成されており、発光部１０内には、陽極３と陰極４が互いに対向配置している。放電ランプ１の陽極側封止部１１ａは凹面反射鏡２の頂部２１の開口に挿入されて、陽極側封止部１１ａが接着剤１３を介して支持部材１４に取り付けられている。封止部１１ａの先端からは給電リード１６が突出しており、給電線などを介して図示略の給電装置と電気的に接続される。支持部材１４はセラミックス材料などから構成されるが、例えば、凹面反射鏡の頂部から一体的に筒部が伸びる形状であってもかまわない。
【００１５】
反射鏡２は全体が概略お椀状の楕円集光鏡であって、頂部２１と前面開口部２２より構成される。前面開口２２は光を放射するために必要であり、頂部２１にも放電ランプを取り付けるために開口が形成される。反射鏡２の内面には、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ２）とシリカ（ＳｉＯ２）の誘電体多層膜が形成されており、所望の波長を反射する機能を有するとともに、反射鏡２の焦点位置は放電ランプ１のアーク輝点に位置している。反射鏡の材質は、例えば、ホウケイ酸ガラスが採用されが、アルニミウムなどの金属部材やセラムミックスなどで反射鏡を構成してもよい。反射鏡２の前面開口部２３には、例えば、ホウ珪酸ガラスなどからなる光透過性の前面ガラス２３が装着されている。前面ガラス２３を設けることで反射鏡２の内部を密閉構造にできる。このため、万一、放電ランプ１が破損した場合などにおいて、破片が散乱することを防止できる。なお、前面ガラス２３は必須のものではなく、放電ランプを冷却する必要性が高い場合などにおいて前面ガラスを設けない構造も採用できる。さらに、前面ガラス２３を設けるが内部を完全に密閉構造をするのではなく、一部に冷却用開口を設ける構造も採用できる。
【００１６】
放電ランプ１と反射鏡２の接合は、反射鏡２の頂部２１の外側であって、放電ランプ１の封止部１１ａの周囲で行なわれる。具体的には、封止部１１ａと支持部材１４の隙間に接着剤１３が注入されている。接着剤１３は両者の隙間を完全に充填するぐらいに多量に注入されており、このため発光部１０と封止部１１ａに境界近くまで存在することもある。
凹面反射鏡２の頂部開口側に位置する陽極側封止部１１ａは、光学装置の小型化に対応するために短くなっている。具体的には、ランプ点灯電力（Ｗ）の０．１１５倍以下（ｍｍ）であり、定格電力２００Ｗの場合は２３ｍｍ以下、定格電力１８０Ｗの場合は２０．７ｍｍ以下となる。封止部の長さは原理的には温度に依存し、温度はランプの定格点灯電力に依存するからである。
【００１７】
接着剤は、少なくともナトリウム成分かリチウム成分を含む無機系のものであり、例えば、スミセラム（商品名）、シロキサン（商品名）が採用される。成分について、スミセラムを一例として紹介すると、シリカ（ＳｉＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、水（Ｈ_２Ｏ）を主成分として酸化ナトリウム（Ｎａ_２Ｏ_３）や酸化リチウム（Ｌｉ_２Ｏ）が微量に含まれる。
【００１８】
第一の発明の光学装置は、無機系接着剤が放電ランプの陽極と電気的に絶縁しており、両者が導通していないことを特徴とする。具体的には、陽極側封止部１１ａの外周面には無機系接着剤１３が接触して充填されているが、接着剤１３は外部リード１６には直接接触しておらず、また、外部リード１６と導電性部材などを介して接触もしていない。
【００１９】
図２は放電ランプの陽極側封止部と接着剤に関する説明用拡大図を表す。
陽極３の軸部３１は金属箔３２と接合し、この金属箔３２の他端に外部リード１６が接合している。金属箔３２は陽極側封止部１１ａに完全に埋設されており、この構造により発光部１０の放電空間を気密封止できるとともに、発光部１０の内外で電気的な給電構造が形成される。金属箔３２はモリブデンが採用される。
封止部１１ａの外表面には接着剤１３が接触して存在する。なお、図においては、説明の便宜上、封止部の上部にのみに接着剤を示しているが、図１にも示すように封止部１１ａの外周面全体を囲むように存在している。
【００２０】
ここで、本発明者らは、前記図６に示した光学装置において、陰極側封止部に箔浮きやクラックが発生した原因について、鋭意検討を積み重ねた結果、以下の内容であると突き止めた。
すなわち、接着剤１３に含まれるナトリウム成分あるいはリチウム成分が、発光部１０の陰極に引かれて、図示ａの方向に移動したことである。つまり、ナトリウム成分やリチウム成分は正電荷であるため、陰極の負電荷に引きつけられたわけである。
このナトリウム成分やリチウム成分の移動は、発光空間を介して陰極に移動する場合だけでなく、発光部を構成する石英ガラスの内部を伝わって陰極側封止部に移動する場合もあると考えられる。
そして、これらナトリウム成分やリチウム成分のうちのいくつかは、陰極側封止部の金属箔にまで到達することで、両者の接合を破壊していた。結果として、金属箔と石英ガラスの気密封止が弱くなり、いわゆる箔浮き現象を生じさせるとともに、箔浮きが進行することでクラックやランプ破損に至ったものを推測できる。
【００２１】
この現象は、電極間距離２．０ｍｍ以下と発光空間が非常に小さく、かつ、陽極側封止部の長さが２０ｍｍ以下（点灯電力１８０Ｗ程度の場合）という非常に短い放電ランプにおいて、当該放電ランプの陽極側封止部を反射鏡に組み合わせるために接着剤を使う場合に、初めて生じる技術的課題であるといえる。
つまり、電極間距離が短いからこそナトリウム成分やリチウム成分が陰極に引きつけられるという現象が生じ、また、陽極側封止部が短いからこそ接着剤が多量に塗布されて発光部近くまで存在することになるからである。
ここで、陽極側封止部の長さとは、図におけるＡを意味しており、発光部１０と封止部１１の境界1から封止部の外端までをいう。
【００２２】
本発明者らは、さらに鋭意検討を積み重ねた結果、接着剤が電気的に絶縁されていれば当該ナトリウム成分やリチウム成分の移動は自然に停止することを見出した。
つまり、接着剤に含まれるナトリウム成分やリチウム成分が、陰極に引かれて陰極側封止部まで移動したとしても、当該ナトリウム成分やリチウム成分が抜けた接着剤は、正電荷の減少によって中性状態から負電荷となり、結果として、陰極に向けて移動する力を失うからである。
従って、封止部に塗布された接着剤が電気的に絶縁さえしていれば、ランプ点灯初期に多少のナトリウム成分やリチウム成分の移動は生じたとしても、その後、当該移動が自然に停止することから、結果として、箔浮きやクラック発生という実用上の問題には至らないことを見出したわけである。
【００２３】
なお、接着剤と陽極を電気的に絶縁する構造は、図２のように、接着剤の存在位置を考慮して接触しないようにする以外に、例えば、封止部外端にセラミックスなどの絶縁性口金を設けることができる。また、口金に限らず、絶縁性部材を仕切りとして採用することもできる。
【００２４】
次に、第二の発明の光学装置を説明する。
図３は放電ランプと凹面反射鏡からなる光学装置を示し、図４は陽極側封止部と接着剤を拡大した構造を示す。図１、図２に示す構造と異なる点は、封止部の外側端部に金属製口金１２（導電性部材）を取り付けていることであり、この口金１２の外周面に接着剤１３が接触している。つまり、接着剤１３は金属製口金１２を介して陽極３と電気的に繋がっていることになる。
【００２５】
本発明者らは、上記のように接着剤が陽極と電気的に繋がる構造であっても、当該接着剤との接触位置がランプ点灯時に４５０℃以下であれば、箔浮き、クラックを良好に防止できることを見出した。具体的には、封止部外端に金属製口金を取り付けた場合に、当該口金が接着剤に接触する位置が４５０℃以下であればよいということである。
この理由は、接着剤１３に含まれるナトリウム成分やリチウム成分は、図２の構造と同様に、陽極側封止部である石英ガラスに拡散（侵入）する。しかし、図２の構造と異なり、接着剤に対して正電荷が補充されるため、接着剤自体が中性状態から負電荷に変化するということはない。従って、ナトリウム成分やリチウム成分が継続的に放電ランプ内に拡散することになりかねない。
【００２６】
第二の発明は、このような問題を解決するものであり、ナトリウム成分やリチウム成分の石英ガラスへの拡散が、電気的極性に基く吸引力のみではなく、両者の接触位置における温度が影響していることを見出した。つまり、ナトリウム成分やリチウム成分は、４５０℃以下、望ましくは３００℃以下、より望ましくは２００℃以下の条件においては、石英ガラスに拡散しにくいことを見出したわけである。
もちろん、４５０℃以下の条件においても、完全に拡散が停止するわけではなく、多少の成分が石英ガラスに拡散することがあり、また、湿気や静電気、ゴミの存在など他の外的要因によっても石英ガラスへの拡散は起こる可能性はある。しかしながら、温度が支配的であり、後述する実験からも明らかなように、その他の外的影響では箔浮きやクラック発生を導くようなレベルではない。
【００２７】
具体的には、図４に示す位置１２ａが、口金１２と接着剤１３の接触位置のうち一番温度が高くなり、この位置１２ａにおける接着剤の温度が問題となる。一般に、放電空間に近いほど高温になるからである。しかし、例えば、局所的に加温や冷却する場合、あるいは、局所的に周囲の影響を受ける場合などは、必ずしも放電空間に近い位置が問題とならない場合もありえる。従って、口金１２が接着剤１３と接触する位置全てにおいて、４５０℃以下にすることが望ましい。
なお、図４に示すように、位置１２ａより放電空間側に接着剤が塗布されることは問題にはならない。この部分において、ナトリウム成分やリチウム成分の石英ガラスへの進入が発生しても継続して続くことがないからである。
【００２８】
口金１２と接着剤１３の接触位置を４５０℃以下にする構造は、外部にファンなどの冷却構造を設けて強制的に冷却することが望ましい。この場合、支持部材１４の側部に冷却ファンを設けることもできるし、凹面反射鏡２に前面ガラス２３を設けない場合、あるいは一部に冷却用開口を設ける場合は、前面開口２２から冷却風を吹き付けることも可能である。さらに、口金１２に冷却用フィンを取り付ける構造も望ましい。
【００２９】
さらに、図２に示すように導電性部材を設けない構造において、接着剤が外部リードに直接、接触する場合であっても、接着剤の温度を４５０℃以下にすることで、ナトリウム成分やリチウム成分の石英ガラスへの拡散を防止できる。この場合は外部リードが陽極と電気的に繋がる導電性部材に相当する。
【００３０】
次に、第三の発明の光学装置を説明する。
この発明は図３、図４に示す構造を使って説明できる。
図３、図４に示す構造において、導電性部材である金属製口金１２が、発光部と封止部の境界位置１７からランプ点灯電力（Ｗ）の１／２０倍の距離（ｍｍ）離れた位置において接着剤と接触する構造を特徴としている。すなわち、本発明者らは、この構造を採用すれば、第二の発明のごとく温度により接触位置を規定しなくても、箔浮き、クラックの問題が解決できることを見出した。第二の発明が接着剤の温度によって接触位置を規定していたのに対し、第三の発明は具体的な距離で規定したものである。
【００３１】
この理由は、接着剤の温度は、放電ランプからの発熱により支配的に影響を受けるため、当該放電ランプの定格点灯電力と距離により概ね位置が特定できるからである。具体的には、定格電力の１／２０倍の距離（ｍｍ）だけ位置１７から封止部外端に離す必要がある。本発明者らは、水銀量０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上、電極間距離２．０ｍｍ以下、陽極側封止部２０ｍｍ以下（点灯電力１８０Ｗ程度の場合）であり、ナトリウム成分やリチウム成分を含む無機系接着剤を使って放電ランプと凹面反射鏡を取り付ける構造において、定格電力１００（Ｗ）の場合に距離約５（ｍｍ）、定格電力１５０（Ｗ）の場合に距離約７．５（ｍｍ）、定格電力１８０（Ｗ）の場合に距離約９（ｍｍ）、定格電力２００（Ｗ）の場合に距離約１０（ｍｍ）、定格電力２５０（Ｗ）の場合に距離約１２．５（ｍｍ）、定格電力３００（Ｗ）の場合に距離約１５（ｍｍ）であれば、箔浮き、クラックの問題を解決できることを確認している。この距離は、発光部と陽極側封止部の境界位置１７と、導電性部材１２が接着剤１３に接触する最も発光部に近い位置との間隔を意味している。
【００３２】
つまり、放電ランプの定格点灯電力との関係で決定する距離を基準に接着剤の位置を規定すれば、接着剤の温度は実質的に４５０℃よりも低くなり、第二の発明で説明した内容と同様に、ナトリウム成分やリチウム成分の拡散能力を低減できるということである。
上記距離は強制的な冷却機構を設けない場合について規定したものであり、強制的な冷却機構を設けた場合は、接着剤と導電性部材の接触位置を、上記距離よりも小さい値にすることができる。
【００３３】
第一の発明、第二の発明、第三の発明に共通させて、凹面反射鏡と放電ランプの取り付け構造における数値例を紹介する。
陽極側封止部１１ａの長さは,前記のようにランプ定格点灯電力（Ｗ）の０．１１５倍（ｍｍ）以下となる必要があり、具体的には、定格電力１５０（Ｗ）の場合は１７．２５（ｍｍ）以下、定格電力１８０（Ｗ）の場合は２０．７（ｍｍ）以下、定格電力２００（Ｗ）の場合は２３（ｍｍ）以下、定格電力３００（Ｗ）の３４．５（ｍｍ）以下とする必要がある。光学装置の小型化のみを考えると限りなく小さくする方が好ましいが、ランプの点灯点力が大きくなると温度の影響を受けるために単純に短くできない場合があるからである。具体的には、定格電力２００（Ｗ）の場合は、例えば１０ｍｍ〜２０ｍｍの範囲となり、例えば１５ｍｍ、１８ｍｍ、２０ｍｍが採用される。
封止部の外径はφ５ｍｍ〜８ｍｍの範囲から選択されて、例えばφ５．８ｍｍである。封止部は光学装置の小型化のみ考えるならば、長さ、外径ともに限りなく小さいほうが望ましいが、電極の支持や発光部の気密封止、その他製造作業上の制約などからある程度の大きさは必要となり、上記のように下限が設定される。
凹面反射鏡２０の頂部２１の開口径は、φ３０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲から選択されて、例えばφ５０ｍｍである。
支持部材１４の内径は、φ８ｍｍ〜１８ｍｍの範囲から選択されて、例えばφ１２ｍｍである。
【００３４】
導電性部材１２は、例えば真鍮、ニッケルなどからなる金属製口金であり、コネクターとの電気的接続の目的で封止部外端に取り付けられる。
接着剤１３は前記のようにスミセラムやシロキサンが使われ、その塗布量は１ｃｃ程度である。
【００３５】
さらに、第１〜３の発明に共通する内容となるが、図１、図３に示すように放電ランプにはトリガワイヤ３０が配設されている。トリガワイヤ３０は一端が陰極側外部リードに接続されて、他端が発光部１０と陽極側封止部１１ａの境界位置に巻きつけられている。このトリガワイヤ３０は、放電ランプの点灯始動時において、陽極根元に対して負電荷を印加するものであり、これにより放電始動時には当該トリガワイヤと陽極の間で誘電体バリア放電を発生させることで、点灯始動を容易化させる作用効果がある。
【００３６】
第１〜３の発明の光学装置は、一端が陰極側外部リードに接続されて、他端が発光部１０と陽極側封止部１１ａの境界位置に巻きつけられたトリガワイヤが設けられた場合に特に有効である。陽極根元に負電荷を印加する構造が、接着剤に含まれるナトリウム成分やリチウム成分の電気的吸引を助長するからである。
【００３７】
以上、本発明に係る光学装置を以下にまとめる。
第一の発明である光学装置は、放電ランプの陽極側封止部と凹面反射鏡を、ナトリウム成分及び／又はリチウム成分を含む無機系接着剤によって取り付ける構造であって、無機系接着剤を放電ランプの陽極と電気的に絶縁することである。この場合、無機系接着剤のナトリウム成分及び／又はリチウム成分が、放電ランプの石英ガラスに拡散したとしても、当該無機系接着剤が中性状態から負電荷状態に変化するため、当該石英ガラスへの拡散が自然に停止するという内容である。
【００３８】
第二の発明である光学装置は、同じく、放電ランプの陽極側封止部と凹面反射鏡を、ナトリウム成分及び／又はリチウム成分を含む無機系接着剤によって取り付ける構造であって、当該無機系接着剤が放電ランプの陽極と電気的に繋がっていたとしても、接着剤上の接触位置を４５０℃以下とすることである。この場合、この温度は接着剤が活性化しない温度であるため、たとえ正電荷の供給が継続されたとしても、ナトリウム成分及び／又はリチウム成分の石英ガラスへの拡散を実用上影響のないレベルまで防止できるという内容である。
【００３９】
第三の発明である光学装置は、前記と同様の構造であって、無機系接着剤が放電ランプの陽極と電気的に繋がっていたとしても、接着剤上の接触位置を放電ランプの定格電力の１／２０倍の距離だけ発光部から離すことである。この場合、第二の発明と同様に、接着剤が活性化しない温度となるため、たとえ正電荷の供給が継続されたとしても、ナトリウム成分及び／又はリチウム成分の石英ガラスへの拡散を実用上影響のないレベルにまで防止できるという内容である。
【００４０】
図５は本発明の光学装置に使われる放電ランプの一例の概略全体図を示す。
放電ランプ１は、石英ガラスからなる放電容器によって形成された大略球形の発光部１０を有し、この発光部１０内には、陽極３と陰極４が互いに対向するよう配置している。また、発光部１０の両端部から伸びるよう各々封止部１１ａ、１１ｂが形成され、これらの封止部１１には、通常モリブデンよりなる導電用金属箔３２が、例えばシュリンクシールにより気密に埋設されている。金属箔３２の一端は陽極３あるいは陰極４が接合しており、金属箔３２の他端は外部リード１６が接合している。
なお、陽極３、陰極４は、金属箔と接合する棒状部分まで含めて電極と表現する場合もあるが、本発明では、特段のことわりがない限り、陽極の棒状部分３１、陰極の棒状部分４１と称することにする。
【００４１】
発光部１０には、水銀と、希ガスと、ハロゲンガスが封入されている。
水銀は、必要な可視光波長、例えば、波長３６０〜７８０ｎｍという放射光を得るためのもので、０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上封入されている。この封入量は、温度条件によっても異なるが、点灯時１５０気圧以上で極めて高い蒸気圧となる。また、水銀をより多く封入することで点灯時の水銀蒸気圧２００気圧以上、３００気圧以上という高い水銀蒸気圧の放電ランプを作ることができ、水銀蒸気圧が高くなるほどプロジェクター装置に適した光源を実現することができる。
希ガスは、例えば、アルゴンガスが約１３ｋＰａ封入され、点灯始動性を改善する。
ハロゲンは、沃素、臭素、塩素などが水銀その他の金属との化合物の形態で封入する。ハロゲンの封入量は、例えば、１０^−６〜１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲から選択できるものであって、その機能はハロゲンサイクルを利用した長寿命化であるが、本発明の放電ランプのように極めて小型で高い内圧を有するものは、このようなハロゲンを封入することは放電容器の破損、失透の防止という作用があると考えられる。
【００４２】
このような放電ランプの数値例を示すと、例えば、発光部の外径はφ６．０〜１５．０ｍｍの範囲から選ばれて例えば９．５ｍｍ、電極間距離は０．５〜２．０ｍｍの範囲から選ばれて例えば１．５ｍｍ、発光管内容積は４０〜３００ｍｍ^３の範囲から選ばれて例えば７５ｍｍ^３である。点灯条件は、例えば、管壁負荷１．５Ｗ／ｍｍ^２、定格電圧８０Ｖ、定格電力１５０Ｗである。
また、この放電ランプは、小型化するプロジェクター装置などに内蔵されるものであり、全体構造が極めて小型化される一方で高い光量が要求される。したがって、発光部内の熱的条件は極めて厳しいものとなり、管壁負荷値は０．８〜２．０Ｗ／ｍｍ²、具体的には１．５Ｗ／ｍｍ²というものである。
そして、前記したプロジェクター装置やオーバーヘッドプロジェクターのようなプレゼンテーション用機器に搭載され、演色性の良い放射光を提供することができる。
【００４３】
電極の軸部分の構造は、図５に示すように、発光部において径が大きい場合は金属箔との接合部分で小径化することが好ましい。電極径が大きいと金属箔との接合面積も大きくなり、両者の接合における不所望な空隙が発生してナトリウム成分、リチウム成分の進入を助長しかねないからである。
図に示す陽極軸３１は陽極３より外径が小さくなり、さらに陽極軸３１も外径が２段階に小さくなっている。陽極３の外径が例えば１．８ｍｍ、陽極軸３１の外径は、例えば１．４ｍｍと０．５ｍｍで構成される。なお、陽極３の体積を大きくすることで熱容量を大きくすることができる。特に、本実施例の放電ランプは封止部１１に中まで陽極３が存在することから発光部１０の発熱を良好に放熱することができる。
本発明の光学装置は、発光部１０の温度が極めて高く、厳しい熱的条件を有する放電ランプにおいて、封止部に直接塗布された接着剤の影響を考慮したものである。
【００４４】
本発明の光学装置に使う放電ランプは、直流点灯型放電ランプであり、陽極側封止部が凹面反射鏡の頂部開口に位置している。陰極側封止部を反射鏡の頂部開口に配置する構造においては、接着剤が金属製口金と接触したとしても、当該口金から接着剤に負電荷が印加、供給される。つまり、接着剤に含まれるナトリウム成分やリチウム成分は、もともと陰極と電気的に繋がるため、石英ガラスへ拡散するという現象は生じないからである。従って、陰極側封止部を反射鏡の頂部開口に挿入して取り付ける構造の光学装置は、本発明が問題とする技術的課題がもともと存在していないこととなる。
【００４５】
しかしながら、直流点灯の放電ランプであっても、何らかの理由により一時的に電極極性を逆転させて点灯する場合や、交流点灯、矩形波点灯、その他の波形により点灯する放電ランプであっても、同様に、一時的に直流的点灯をする場合においては、この一時的な直流的点灯時に、凹面反射鏡の頂部に配置された電極が陽極となるならば、本発明の光学装置の構成を適用することができる。
【００４６】
例えば、定常点灯時においては交流点灯する放電ランプであっても、点灯始動時には直流点灯をすることがある。特に、水銀が０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上封入された放電ランプにおいて、消灯直後に再点灯させる場合に直流点灯させる場合が多い。発光部内の水銀蒸気圧が高いため、通常の起動では点灯できないため、前記したトリガワイヤによる電気的誘発を利用するためである。
この場合、点灯始動時だけではあるが、陽極になるべき電極を凹面反射鏡の頂部に配置させて、陰極になるべき電極を凹面反射鏡の前面開口側に配置することが有効である。
【００４７】
本発明の光学装置は、ナトリウム成分やリチウム成分を含む無機系接着剤を使うことが前提条件になる。この場合、ナトリウム成分あるいはリチウム成分のいずれか一方を含む場合のみならず、両方を含む場合も該当する。また、ナトリウム成分やリチウム成分が構成要素として必須の成分である場合だけでなく、不純物として微量に含んでしまう場合も該当する。特に、接着剤に含まれるナトリウムやリチウムが、封止部を構成する石英ガラスの中に不純物として含まれるナトリウムやリチウムよりも濃度が高い場合は、本発明は有効である。拡散により浸透しやすいからである。
【００４８】
なお、接着剤としてナトリウム成分やリチウム成分を含まない材料を使う、および接着剤が封止部と接触しない構造を採用することは本来理想ではあるが、前記したように放電ランプと凹面反射鏡は高い精度で位置決めしなければならず、また、位置関係が崩れないように強固に固定する必要があることから、現在、知られている接着剤では不十分であり、また、封止部に直接接触させなければならないのが現実である。
【００４９】
次に、本発明の光学装置に関する実験について説明する。
放電ランプは発光部の最大外径１０ｍｍ、電極間距離１．２ｍｍ、発光管内容積６６ｍｍ^３、陽極側封止部の長さ２０ｍｍ、水銀の封入量０．２５ｍｇ／ｍｍ^３、ハロゲンと封入量４×１０^−４μｍｏｌ／ｍｍ^３、管壁負荷１．５Ｗ／ｍｍ^３、定格電圧８２Ｖ、定格電力２００Ｗである。
実験は３種類の光学装置（実験装置▲１▼、実験装置▲２▼、実験装置▲３▼）を用意して各々について数回の実験を行なった。実験装置▲１▼と実験装置▲２▼は図３，４に示す構造の光学装置であり、実験装置▲３▼は図１，２に示す構造の光学装置である。
具体的には、実験装置▲１▼は陽極と電気的につながる導電性部材を使い接着剤と発光部からの距離４ｍｍの位置で接触している。実験装置▲２▼は陽極と電気的につながる導電性部材を使い接着剤と発光部からの距離１０ｍｍの位置で接触している。この場合の距離は発光部と陽極側封止部の境界位置からの距離であり、接着剤には「スミセラム」を使い、導電性部材は金属製コイルを巻き付けて構成させた。また、実験装置▲３▼は導電性部材を使わずに、接着剤と陽極が絶縁されてものである。
【００５０】
数回の実験結果から実験装置▲１▼と実験装置▲２▼を比較すると、実験装置▲１▼はランプ点灯後数分でナトリウム発光である赤発光を発生させたのに対し、実験装置▲２▼は赤発光をほとんど発生させなかった。
さらに、点灯を継続させると、実験装置▲１▼は約４０分においてクラックの発生により消灯したのに対し、実験装置▲２▼は点灯を維持させた。
なお、上記距離を５ｍｍ〜８ｍｍの範囲で適当に変化させて、同様の実験を行なったところ、時間や発生程度に若干の違いはあるものの、実験装置▲１▼に近い結果、すなわち、ナトリウムによる赤発光と、陰極側封止部の箔浮き、クラックを発生させた。
この実験結果から、発光部からの距離１０ｍｍにおいて、ナトリウムに起因する赤発光を劇的に減少できるとともに、箔浮きやクラックの発生も大きく減少できることがわかる。
なお、比較例として、接着剤を塗布させていない放電ランプを同様に発光させたところ、赤色発光や箔浮き、クラックは発生しなかった。これにより、赤色発光は接着剤に含まれるナトリウムが拡散したことがわかり、箔浮きやクラックもナトリウムの影響であることが分かった。
【００５１】
また、実験装置▲３▼は、最初の数分においてナトリウムによる赤発光が観測されたものの、徐々に減少し、約２０分の点灯により赤発光は消失した。また、箔浮きやクラックも発生することはなかった。つまり、陽極と絶縁することがナトリウム成分の拡散を自然に停止できることが証明された。
【００５２】
以上説明したように、本発明の第一の光学装置は、放電ランプの陽極側封止部と凹面反射鏡を、ナトリウム成分及び／又はリチウム成分を含む無機系接着剤によって取り付ける構造であって、無機系接着剤を放電ランプの陽極と電気的に絶縁している。この構成により、無機系接着剤のナトリウム成分及び／又はリチウム成分が、放電ランプの石英ガラスに拡散したとしても、当該無機系接着剤が中性状態から負電荷状態に変化するため、当該石英ガラスへの拡散が自然に停止させることができる。
【００５３】
また、本発明の光学装置の点灯方法は、同じく、放電ランプの陽極側封止部と凹面反射鏡を、ナトリウム成分及び／又はリチウム成分を含む無機系接着剤によって取り付ける構造であって、当該無機系接着剤が放電ランプの陽極と電気的に繋がっていたとしても、接着剤上の接触位置を４５０℃以下としている。この構成により、接着剤が活性化しない温度にすることができ、たとえ正電荷の供給が継続されたとしても、ナトリウム成分及び／又はリチウム成分の石英ガラスへの拡散を実用上影響のないレベルまで防止できる。
【００５４】
さらに、本発明の第三の光学装置は、前記第二の発明と同様の構造であって、無機系接着剤が放電ランプの陽極と電気的に繋がっていたとしても、接着剤上の接触位置を放電ランプの定格電力の１／２０倍の距離だけ発光部から離すことである。この構造により、第二の発明と同様に、接着剤が活性化しない温度となるため、たとえ正電荷の供給が継続されたとしても、ナトリウム成分及び／又はリチウム成分の石英ガラスへの拡散を実用上影響のないレベルにまで防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光学装置の全体図を示す。
【図２】本発明に係る光学装置の部分拡大図を示す。
【図３】本発明に係る光学装置の全体図を示す。
【図４】本発明に係る光学装置の部分拡大図を示す。
【図５】本発明に係る光学装置に使われる放電ランプを示す。
【図６】従来の光学装置に使われる放電ランプを示す。
【符号の説明】
１放電ランプ
１０発光部
１１封止部
１２導電性部材
１３接着剤
１４支持部材
２０凹面反射鏡
２１凹面反射鏡の頂部
２２凹面反射鏡の前面開口
２３前面ガラス
３０トリガワイヤ

Claims

石英ガラスからなる発光部の両端に一対の封止部が形成され、この発光部に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀が封入されるとともに一対の電極が２．０ｍｍ以下の距離で配置された超高圧放電ランプと、この超高圧放電ランプを取り囲む凹面反射鏡よりなる光学装置の点灯方法において、
前記超高圧放電ランプは、陽極側封止部の長さが定格点灯電力（Ｗ）の０．１１５倍（ｍｍ）以下で、かつ、陽極側封止部の外径がφ５ｍｍ〜８ｍｍであって、
さらに、この超高圧放電ランプは、この陽極側封止部は前記凹面反射鏡の首部に挿入された状態でナトリウム成分及び／又はリチウム成分を含む無機系接着剤を介在させて接触保持させ、
陽極と電気的に繋がる導電性部材と無機系接着剤が接触する位置を、ランプ点灯時４５０℃以下にする光学装置の点灯方法。