JP4101605B2

JP4101605B2 - ショートアーク放電ランプ装置

Info

Publication number: JP4101605B2
Application number: JP2002301754A
Authority: JP
Inventors: 嗣夫関口; 教一柵木; 良太高津; 茂小野田
Original assignee: Iwasaki Denki KK
Current assignee: Iwasaki Denki KK
Priority date: 2002-10-16
Filing date: 2002-10-16
Publication date: 2008-06-18
Anticipated expiration: 2022-10-16
Also published as: JP2004139786A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
液晶プロジェクタなどの投射型光源装置に用いられる、ショートアーク放電ランプと反射鏡とを組み合わせた光源装置に属するものであり、特に、装置の小型化に伴って発生する諸問題を、該ランプと共に用いる反射鏡を主体に解決を図った光源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種の光源装置に用いられる反射鏡は、硼珪酸塩ガラスからなり、その内表面にコールドミラーを被覆する事で、ランプから放射される熱線を反射鏡背面から逃がし、可視光を前面に反射するように機能させている。
【０００３】
しかし現今、これら投射型光源装置に要求される装置の小型化においては、硼珪酸塩ガラスの熱膨張係数が大きい為に、ランプ発光部である膨部と反射鏡の反射面との最短距離が２ｍｍ以下となるような設計の場合、つまり反射面の温度が５００℃を越えるような状態で利用する場合は、点灯消灯の繰り返しによる熱応力によって反射鏡にクラックを生じたり、極端な場合は反射鏡が破損したりして、プロジェクタ内にその破片が散乱し、大きな問題をもたらしていた（このような従来タイプの投射型光源装置の例としては、例えば特許文献１に記載の光源装置がある）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−２０３８０６号公報
【０００５】
また、反射鏡の耐熱性を向上させる為に、硼珪酸塩ガラスを出発材料とし、押し型でプレス成形後、溶解する温度付近まで再加熱し結晶化させる事で得られる、結晶化ガラスを反射鏡の材料に用いた例もあったが、ガラス成形後、再加熱時に結晶化させる際に焼き縮んだり変形したりするので、寸法精度、特に面精度や、反射面の平滑さの点で充分ではなく、従って小型・高性能化や光学効率の向上にあまり寄与しないという問題が生じていた。
【０００６】
上記の硼珪酸塩ガラスを材料とする反射鏡は、ランプ破裂に備えて機械的強度を確保するため、平均肉厚を約４ｍｍと厚くしてあるので、寸法は小さくても、かなりの重量があり、頻繁に持ち運びを行なう、ウルトラモバイル系やモバイル系のプロジェクタ用の放電ランプ装置には不向きであった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記した問題に鑑み、耐熱性に優れ、且つ十分な面精度を確保し、面粗さが小さく、且つ有効反射面をより大きく採る事ができ、しかも機械的強度に優れた小型・軽量な反射鏡を得ると共に、そのような反射鏡を搭載した、従来よりも小型・軽量なショートアーク放電ランプ装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために次の構成を有する。請求項１記載のショートアーク放電ランプ装置において、一対の電極を有しアーク長が２ｍｍ以下のショートアーク放電ランプは、その発光部を、該ランプと共に用いる反射鏡の焦点付近に配置させてなり、前記反射鏡は、二酸化珪素を９０％以上含有する石英ガラスからなり、球状シリカを材料として成形され、冷間型押し加工した部分と、抜きテーパ角度が少なくとも３度以下の部分とを有している事を特徴とする。
【０００９】
請求項１記載のショートアーク放電ランプ装置において、前記反射鏡はその内面に加熱研磨を施してある事を特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の一実施例を図１ないし図２を参照して説明する。図１は投射型プロジェクタ用光源装置の光源部の従来例を示したものである。内面にコールドミラーを被覆した凹面反射鏡３は、内側に焦点距離（ｆ）が６．５ｍｍの回転放物面を成す反射面４を有し、外側寸法が５２ｍｍ×５６ｍｍである。中央膨部２の最大径が１０．０ｍｍ、平均肉厚２．５ｍｍであり、内容積が約０．０８ｃｍ³ の放電ランプ容器内に電極７，７´間距離を１．１ｍｍとし、始動補助ガスとしてのアルゴンガスと共に、チラツキ防止及び、寿命中の黒化防止のために用いる臭化水素を封入し、その他に、バッファ効果のある発光物質としての水銀を１６ｍｇ封入したショートアーク高圧水銀蒸気放電ランプ１を、前記反射鏡の焦点距離付近に配置した、定格消費電力を１５０Ｗとする液晶プロジェクタ用光源装置の光源部の例である。
【００１３】
その反射鏡は、硼珪酸塩ガラスを溶融させ、型押し加工した後、結晶化させて熱膨張係数を約１６×１０⁻ ⁹ ｍ／Ｋとしたものであり、重さが約８０ｇ、焦点付近の低部を厚くし平均ガラス厚みを４ｍｍ程度として、ランプ破裂時の衝撃に機械的に耐えるようにしてあり、ランプシール部までを反射鏡の筒部１２内に納めた構造とし、反射鏡前面に厚さ約４ｍｍの透光性のあるガラス板５を設け、寿命中に発生する破裂に耐え得る構造としてランプの破片が外に飛び散らない様にしてある。用いられるプロジェクタ内でファンなどの強制空冷手段がない場合には、反射面４の、ランプに最も近い箇所では表面温度が５８０℃から６４０℃にもなっている。
【００１４】
そのため、通常の硼珪酸塩ガラス（熱膨張係数＝約３６×１０⁻ ⁹ ｍ／Ｋ）製反射鏡では、耐熱温度（歪温度）がせいぜい４８０℃程度であり、光源装置を小型化する上では耐熱性に乏しいため、寸法精度の劣る結晶化ガラスを用いて、耐熱性のみを確保し、小型化に対応している。
【００１５】
また従来は、硼珪酸塩ガラス製の反射鏡の場合でも、量産を考慮して押し型成形で作成するため、押し型（モールド）が、回転放物面を有する押し型部の転写性を十分に確保しても、成形品から離型し易くなる様に、抜きテーパ角度を５度以上としてある。この角度を４度以下とすると、成形時にガラスの一部がモールドにしっかりと固着してしまい、モールドから離型せず、モールド面にガラスの一部が残ってしまって、次のガラス型押し工程時に、不良品を作る原因となったり、モールドそのものを破損したりして問題となるので、内面の有効反射面を大きく採りたくても、抜きテーパ角度を５度以上とする事は守らなければならない条件であった。（ここで「有効反射面」とは、回転放物面のうち光の反射に寄与する部分の面積を指す。）そのため、例えば図１の例の場合、外側寸法は大きく採った場合でも、内面の有効反射面は、反射鏡の回転放物面を正面から見た場合の面積で表わすと１８．５ｃｍ² の大きさしかなく、大きなテーパ角を設けたために意外に小さな面積となってしまっていた。また、ガラス厚みが平均４ｍｍとしているのも、反射鏡と共に用いるショートアーク放電ランプの安定動作時の圧力が、２０ＭＰａにもなる例も紹介されているので、破裂時の衝撃を考慮すると、硼珪酸塩ガラスを結晶化ガラスとして用いる場合は、機械的強度を得るには必要な厚さであった。
【００１６】
一方、図２は本発明の実施例の一部であって、従来例と同じく装置の定格消費電力が１５０Ｗである例を示す。共に用いる反射鏡は石英ガラス製である。
【００１７】
その石英ガラス製反射鏡の製法について記すと、例えば平均粒径が０．６μｍの球状シリカ（平均粒径を０．３μｍとしたものと、０．６μｍとしたもの、３μｍとしたものの少なくとも一つ以上を用いる事を試したが、何れでも良好であった）に、バインダとしてポリビニルアルコール、ポリビニルアセタール等の水溶性樹脂および、ワックス・ステアリン酸等の炭化水素系・脂肪酸系のエマルジョンを２〜５重量％混合して水溶液（スラリー）とし、その後の成形性や分散性を良好にする為にスプレードライアで粉体としたものを、押し型のうちの第２のモールド（「胴型」あるいは「ボトム」と呼ぶ）に常温下（冷間）で定量を振込み、約７ＭＰａ程度のプレス圧で押し型のうちの第１のモールド（「矢型」あるいは「プランジャ」と呼ぶ）で第２のモールドに対して数１０秒間プレス成形し、押し型成形した後、第１のモールドと第２のモールドとの間に生成したプレス成形品を取り出して、３００〜１０００℃程度の酸化性雰囲気のオーブンによりバインダを燃焼させてから、やはり酸化性雰囲気の場合、１３６０℃で３０分保持して焼結させて作製する。（炭化水素系ガスの燃焼制御で得た一酸化炭素（ＣＯ）ガスによる還元性雰囲気での焼結の場合は１３２０℃で１時間保持する。）この際、真空加熱炉でも同様に作製できるが、工業的には大気中で加熱する方が、製造コストを小さくする事ができるので、酸化雰囲気の加熱炉を用いて作製した。
【００１８】
ここで、プレス成形上りから焼結後に至る過程で、寸法に一定の収縮（約８０％）があるので、焼結後に得たい寸法となる様に、押し型の寸法を大きめに設定する様にする事はいうまでもない。
【００１９】
発明者らは、球状シリカを材料とする成形品を型押し成形すると、型抜きの際に成形品が滑らかにモールド面を滑る現象を発見し、モールドの抜きテーパ角度を、溶融ガラスを押し型成形する場合に比べ、充分小さく設定できる事を突き止めた。そこで、本実施例では抜きテーパ角は１度としてみたが、反射鏡とする生地を生産する際に、押し型の欠けや大きな磨耗、材料の残渣などを全く発生させなかった。石英ガラスを用いる際に、二酸化珪素の重量割合につき調査してみたところ、二酸化珪素の重量割合をおよそ９０％以上とすれば、反射鏡としてクラックの発生などの問題が発生しなかった。なお、残りの１０％未満は酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）等の金属酸化物が成分であればよい。
【００２０】
また、従来の溶融硼珪酸塩ガラスは熱間成形するので、ガラス成分が蒸発し第１のモールド面に焼き付き、数時間使用した後にモールド面を研磨しなくてはならず、研磨を繰り返すためにモールド面が設計値から徐々に外れて反射方向特性が変わってしまうが、この製造方法は冷間で押し型成形するので、その様なことは起こらず、また全く研磨の必要がないので押し型の面を損傷させず、回転放物面の設計値からの誤差が０．０５ｍｍ以内に収まり、十分に面精度を維持できた。
【００２１】
一方、有効反射面については、外径寸法を硼珪酸塩ガラス製のものと同じとすると、石英ガラス製の反射鏡では抜きテーパ角度を小さく設定できるので、有効反射面を充分大きく採る事ができる事が判明した。そして、落下による衝撃試験などで評価した時、石英ガラスの耐衝撃性が硼珪酸塩ガラスに比べて約１．５倍と大きい事と、熱応力に対しても石英ガラスの熱膨張係数＝６×１０⁻ ⁹ ｍ／Ｋと充分強固である事から、ガラス肉厚を小さくできるので、３ｍｍと薄肉とし、ランプを強制破裂させ、機械強度を評価したが、何ら反射鏡にクラックを発生させる事なく、従って破損する様子は見受けられず、問題を生じさせないことを確認した。そのため、ショートアーク放電ランプ２１を反射鏡の反射面２４に充分近付けて光学的効率を高めるように設計できるなどの有利性がある。
【００２２】
この実施例では、凹面反射鏡２３において反射面２４の回転放物面部の焦点距離を５．５ｍｍとし、また放電ランプ容器の膨部２２と反射鏡の反射面２４との最短距離を１．０ｍｍに設計すると、従来の硼珪酸塩ガラスに比較して、有効投影面に入射する光の量、すなわち光学的効率を８％向上させる事ができた。
【００２３】
その組み合わせの場合でも、寿命を通じて反射鏡に異常は見受けられず、従来よりも装置の小型化が可能である事が判った。
【００２４】
有効反射面も、押し型の抜きテーパ角度を１度と設定したので、７％も向上させる事ができた。
【００２５】
押し型成形時に充分時間をかけてプレス成形できるので、寸法精度が良好な上に、しかも、重量を約４５ｇと非常に軽量な反射鏡とする事ができ、小型化を狙うウルトラモバイル系や、モバイル系のプロジェクタ用反射鏡としても、またそれと組み合わせた光源装置としても、優れた特性を示した。
【００２６】
有効反射面を硼珪酸塩ガラスと同じに設定した石英ガラス製の反射鏡を用いる場合には、外形寸法が４９．５ｍｍ×５３．５ｍｍ程度となり更に小さく構成できるので、重量が約４０ｇとなり、硼珪酸塩ガラスで作製したものに比較して半分の重量で済むことも判った。その様に作られた放物面反射鏡（焦点距離ｆ＝５．５ｍｍ）と、定格消費電力１５０Ｗでアーク長１．０ｍｍのショートアーク放電ランプとを組み合わせた光源装置を作製して寿命試験をしてみたが、定格寿命の２０００時間を越えてもランプ及び反射鏡のいずれにも何ら問題を発生させなかった。
【００２７】
反射鏡の内面粗さはそのままでも１μｍ以下と充分に小さいが、更に改善する為、焼結成形中や焼結成形後に、その内表面をアルゴンプラズマや、火炎バーナーで短時間強熱して僅かに表面を溶解して、滑らかな面にしてみたところ、更に反射光の量が１％程度増加し特性の改善が見られた。硼珪酸塩ガラス製反射鏡の場合は、溶融状態で加工されている為、成形後の加熱加工は変形をもたらす可能性がある。しかし、石英ガラス製反射鏡の場合はそれとは加工方法が異なり、焼結により作製するので加熱による変形が殆ど皆無であり、成形後のガラス表面のみの加熱加工が可能である事が判った。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明した通り、従来の硼珪酸塩ガラスの代わりに石英ガラスを反射鏡に用いる事によって、耐熱性に優れると共に、反射鏡の焦点距離を小さく選定できるので光学的効率に優れた特性が得られ、主としてウルトラモバイル系やモバイル系と呼称されるプロジェクタに要求される小型化・軽量化に適したショートアーク放電ランプ装置を提供できる。
【００２９】
また、押し型（金型）をその都度研磨する煩わしさがない上に、頻繁に研磨が行なわれないため押し型の内面形状は設計値から外れて変化していくことなく金型維持ができるので金型寿命にも優れるという付随的効果がある。
【００３０】
本発明では、反射鏡は球状シリカで成形するので、金型と成形品との離型性に優れるため、抜きテーパ角度を小さく選ぶ事ができ、従って反射面積を充分大きくし、有効反射面を大きく採れる反射鏡が得られるので、更なる小型化要求にも対応できる。同時に、機械的強度にも優れるので反射鏡の薄肉化が図れる。
【００３１】
また本発明では、反射鏡は球状シリカで成形するので、反射鏡の表面粗さは従来の反射鏡よりも小さいが、更に粗さを小さくする為に表面加工を施しても設計値から大きくずれない反射鏡が得られるので反射特性も優れた高効率の反射鏡が得られる。
【００３２】
その様な石英ガラス製の反射鏡と組み合わせたショートアーク放電ランプは、充分に投射型光源装置の小型化要求を満たす。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の典型的な光源装置の光源部の概略断面図。
【図２】本発明の一実施例を示す光源装置の光源部の概略断面図。
【符号の説明】
１，２１… ショートアーク放電ランプ
２，２２… 膨部
３，２３… 凹面反射鏡
４，２４… 反射面
５，２５… 前面カバーガラス
６，２６… 口金
７，２７… 電極
８，２８… モリブデン箔
９，２９… モリブデン線
１０，３０… 封止部
１１，３１… 端子
１２… 筒部
１３，３３… セメント

Claims

一対の電極を有しアーク長が２ｍｍ以下のショートアーク放電ランプは、該ランプと共に用いる反射鏡の焦点付近に該ランプの発光部を配置させてなり、前記反射鏡は、二酸化珪素を９０％以上含有する石英ガラスからなり、球状シリカを材料として成形され、冷間型押し加工した部分と、抜きテーパ角度が少なくとも３度以下の部分とを有している事を特徴とする、ショートアーク放電ランプ装置。
前記反射鏡は、その内面に加熱研磨を施してある事を特徴とする、請求項１記載のショートアーク放電ランプ装置。