JP4147816B2

JP4147816B2 - ショートアーク型超高圧放電ランプ

Info

Publication number: JP4147816B2
Application number: JP2002145565A
Authority: JP
Inventors: 利夫横田
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2002-05-21
Filing date: 2002-05-21
Publication date: 2008-09-10
Anticipated expiration: 2022-05-21
Also published as: JP2003338264A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
この発明は、点灯時の水銀蒸気圧が１５０気圧以上となるショートアーク型超高圧放電ランプとその光源装置に関し、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光源として使うショートアーク型超高圧放電ランプとその光源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
投射型の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、このため、光源としては、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、また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１５０気圧、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る。
このような超高圧放電ランプは、例えば、特開平２−１４８５６１号、特開平６−５２８３０号に開示されている。
【０００４】
ところで、この超高圧放電ランプの点灯装置は、ノイズや絶縁性確保の観点から、点灯始動時に発生する高電圧を小さくすることが求められている。しかし、この高電圧を小さくすると、ランプを消灯させた後であって比較的短い間隔をあけて再点灯させた場合に、十分に点灯しないという問題があった。
この問題を解決するために、例えば、欧州特許出願ＥＰ１１０４５８２Ａ１には封止部の中に放電機構を設ける構造が開示される。この構造では、放電機構により紫外線を発生させ、この紫外線を発光部内に照射させて発光部内を予備的に電離状態とするものである。
また、特開２０００−１７３５４９号にも放電ランプの端部に、誘電体材料を介在させる放電機構が開示される。この構造も前記と同様に紫外線を発生させて発光管内部に光電効果により電子を供給するものである。
その他、ＷＯ０１／５９８１１，ＵＳ４７２１８８８，特開平８−２３６０８０号、特開平１−１３４８４８号にも同様な放電機構を有する構造が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来技術に紹介した構造、すなわち、発光部とは別に放電機構を設ける構造では、放電ランプ全体が複雑な構造になってしまう。
そこで、この発明が解決しようとする課題は、ショートアーク型超高圧放電ランプにおいて、再点灯が容易であって、かつ、そのために必要な構造をきわめて簡易に提供することである。
【０００６】
上記課題を解決するために、この発明のショートアーク型超高圧放電ランプは、発光管内部に一対の電極を有し、０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀を封入しており、前記放電ランプの外表面の一部に、対となって放電を発生させる外部電極が誘電体を介在させることなく間隙を有して配置していることを特徴とする。
【０００７】
また、この発明の光源装置は、発光管内部に一対の電極を有し、０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀を封入したショートアーク型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構成され、この凹面反射鏡の一部には、対となって放電を発生させる外部電極が誘電体を介在させることなく間隙を有して配置していること特徴とする。
【０００８】
さらに、外部電極を放電させるための回路が、前記一対の電極により形成される主放電経路と並列に形成されており、その少なくとも一部に限流手段が接続されることを特徴とする。
また、前記限流手段は、凹面反射鏡を構成する誘電体材料を挟んで形成するコンデンサ手段であることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係るショートアーク型超高圧放電ランプ（以下、単に「放電ランプ」ともいう）の全体構成を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は外観図を示す。
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略ラグビボール状の発光部２を有し、この発光部２内には、陰極６と陽極７が互いに対向するよう配置されている。また、発光部２の両端部から伸びるよう各々封止部３が形成され、これらの封止部３内には、通常モリブデンよりなる導電用金属箔８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。陰極６および陽極７の端部は金属箔８の一端部に溶接されて電気的に接続される。また、金属箔８の他端には、外部に突出する外部リード９（９ａ，９ｂ）が溶接され、外部リード９には給電線がつながっている。
一方の封止部３の端部には、キャップ状の外部電極４が装着されている。この点については後述する。
【００１０】
発光部２には、水銀と、希ガスと、必要に応じてハロゲンガスが封入されている。
水銀は、必要な可視光、例えば、波長３８０〜７７０ｎｍという放射光を得るためのもので、０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上、例えば、０．１７ｍｇ／ｍｍ^３、あるいは、０．２０ｍｇ／ｍｍ^３、０．２５ｍｇ／ｍｍ^３、０．３０ｍｇ／ｍｍ^３という量が封入されている。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。
点灯始動のために希ガスとして、例えば、アルゴンガスが約１３ｋＰａ封入されている。
【００１１】
ハロゲンは、沃素、臭素、塩素などが封入され、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。ハロゲン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で放電容器の黒化、失透を防止することもできる。
【００１２】
このような放電ランプの数値例を示すと、例えば、発光部の最大外径９．５ｍｍ、電極間距離１．５ｍｍ、発光管内容積７５ｍｍ^３、定格電圧８０Ｖ、定格電力１５０Ｗである。
また、このショートアーク型超高圧放電ランプは、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。
【００１３】
ここで、封止部３の端部には、前記のようにキャップ状の外部電極４が装着されている。
この場合、外部電極４と外部リード９ａが一対の電極を構成することになる。
図２は、この外部電極４を拡大するものであって、（ａ）は端部の斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ方向から眺めた図である。
外部電極４は、外部リード９ａと対になって放電を発生させる。この放電は、封止部の構成材料である石英ガラス（誘電体）を壁として沿面放電となるか、あるいは、直接、空気中を介して放電する、いわゆる気中放電となる。ここで、一般的には、沿面放電の方が気中放電より低電圧で発生するため、通常は沿面放電となるケースが多いものであるが、両者が混在するような放電もある。いずれにしても前記した従来技術で知られる放電とは、電極間に石英ガラスのような誘電体材料を介在させていない点で大きく相違しており、簡単な構成で放電を達成することができる。
【００１４】
外部電極４は、例えば、真鍮又は銅からなるキャップ状のものであって、内径が封止部の外径がほぼ一致することで封止部端部に良好に適合する。
このような外部電極４と外部リード９ａによる予備放電によって、紫外線を発生させることができ、この紫外線が封止部を伝達するなどの手段により発光部２内に導かれることで発光部内の封入物質を予め電離させることができる。
このため、放電ランプの点灯始動を低い始動電圧により確実に達成させることができる。
【００１５】
図３は上記放電ランプ１を点灯させる回路を示す。
ＤＣ駆動方式の給電装置を用いて点灯する状況の一例を簡略化して示す図である。放電ランプ１は、前記図１、図２に記載されたものが接続される。
【００１６】
給電回路Ｕｂには、これを駆動するための電源として、ＤＣ電源Ｕａが接続され、給電回路Ｕｂの出力端子Ｔ１、Ｔ２に放電ランプ１が接続する。
【００１７】
給電回路Ｕｂは、降圧チョッパ方式のものが例示してあり、ＦＥＴ等のスイッチ素子ＱｂによってＤＣ電源Ｕａよりの電流をオン・オフし、スイッチ素子Ｑｂがオン状態のときは、ＤＣ電源ＵａからチョークコイルＬｂを介して、スイッチ素子Ｑｂがオフ状態のときは、チョークコイルＬｂの誘導作用によりダイオードＤｂを介して平滑コンデンサＣｂへの充電と放電ランプ１への電流供給が行われる。放電ランプ１の発光部内の一対の電極間を流れる放電電流、または一対の電極間の電圧、あるいはこれら電流と電圧の積であるランプ電力が、その時点における放電ランプ１の状態に応じた適切な値になるように、ゲート駆動回路Ｇｂから適当なデューティサイクル比を有するゲート信号が、スイッチ素子Ｑｂに加えられる。
【００１８】
放電ランプ１を点灯させる場合は、始動に先立ち、無負荷開放電圧を放電ランプ１の発光部内の一対の電極間に印加する。同時に放電ランプ１と並列に接続されたコンデンサＣ１と外部電極４を含む回路（外部電極を放電させるための回路）に電流が流れ、外部電極４と外部リードの間で点灯始動に先立つ予備的な放電、例えば、沿面放電が発生する。
この予備的な放電により発した光は、放電ランプ１の発光部内に導かれ、発光部内の放電用媒質をイオン化することによって、発光部内の電極間の主たる放電を低電圧で発生しやすくできる。
【００１９】
また、放電ランプに対して始動用高電圧供給手段、いわゆる起動器を設けることもでき、この場合は起動器による始動用高電圧を低い電圧で点灯始動を可能とできる。
このような高電圧発生手段と、図示略ではあるが、導電ワイヤーを発光部の外面に配設するなどの構成を採用することができる。
コンデンサＣ１は限流手段であり、放電の点灯後は外部電極を放電させるための回路には電流は流れない。限流手段としては、コンデンサに限定されるものではなく、抵抗、インダクタンス要素など他の素子を採用することもできる。
【００２０】
前記数値例を示した放電ランプにおいて、上記予備放電の作用を十分に達成するための数値例をあげると、外部電極４と外部リード９ａとの距離Ｘは、０．１〜１．０ｍｍの範囲から選択されて、例えば０．３ｍｍ、コンデンサＣ１の容量は１〜１００ｐＦの範囲から選択されて、例えば、２０ｐＦ、外部電極４と外部リード９ａ間に印加される電圧は１ｋＶ以上である。
【００２１】
図４は本発明に係る放電ランプを使った光源装置を示す。
光源装置１０は、放電ランプ１と放電ランプ１を取り囲む凹面反射鏡１１より構成される。凹面反射鏡１１は前方開口と後方頂部から構成され、例えば、ホウケイ酸ガラスからなり、反射面には、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、そ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。
なお、反射鏡１１と放電ランプ１の接合は、反射鏡１１の後方頂部において、接着剤などの周知の手段が採用される。
【００２２】
凹面反射鏡１１の一部には、反射鏡の構成材料である誘電体、この実施例においてはホウケイ酸ガラスを挟むように電極１２ａ、１２ｂが配置されている。これら電極１２ａ、誘電体、電極１２ｂによってコンデンサ要素を形成することができ、これが図３に示すコンデンサＣ１、すなわち限流手段に相当する。
このような構成によって、コンデンサという素子が不要になること以外に、装置がコンパクトで信頼性が高くなるという新たな利点も有する。
電極１２ａ、１２ｂには、例えば、銅板が採用される。
【００２３】
図５は、コンデンサ要素の他の実施例を示すもので、（ａ）は凹面反射鏡１１の一部を表し、（ｂ）は（ａ）の等価回路を表している。
凹面反射鏡１１には外面に電極１２ｃ，１２ｅが配置され、内面に電極１２ｄが配置されている。従って、電極１２ｃ、誘電体（反射鏡を構成する材料）、電極１２ｄにより一つのコンデンサＣ5aを形成するとともに、電極１２ｄ、誘電体（反射鏡を構成する材料）、電極１２ｅにより別のコンデンサＣ5bを形成する。
このような構成によりコンデンサ要素を形成する利点は、例えば、予備放電のための金属キャップを凹面反射鏡の頂部側に設ける場合などにおいて、給電線を反射鏡内部に配設しなくてすむということが挙げられる。
【００２４】
図６は、本発明に係るショートアーク型超高圧放電ランプにおいて外部電極の他の形態を示す。
放電ランプの一方の封止部に外部電極４ａ、４ｂが配置される。この外部電極４ａ，４ｂは導電性部材、例えば銅板、タングステン線、板、又はニッケル線、板などからなるもので帯状であって封止部を巻きつくように配置される。一方の電極４ａはコンデンサｃ１を介して接続点Ｔ３において主放電経路を連結しており、他方の電極４ｂは他方の外部リードに接続されている。外部電極４ａ，４ｂは、例えば、０．１〜１．０ｍｍの微小間隙で配置され、この間において予備放電、具体的には封止部である石英ガラスを使った沿面放電によって紫外光が発生する。そして、この紫外光により発光部２内の封入物質が予備的に電離される。
【００２５】
図７は、本発明に係る光源装置において外部電極の他の形態を示す。
凹面反射鏡１１には外部電極４ａ，４ｂが間隙をもって埋設されている。外部電極４ａは放電ランプ１の外部リード９ａに接続されるとともに、外部電極４ｂはコンデンサＣ１を介して接続点Ｔ３、すなわち他方の外部リードに接続される。
この形態の特徴は外部電極が放電ランプではなく凹面反射鏡に形成されることにあり、外部電極間での沿面放電、紫外光発生のメカニズムは前記した実施例と同様である。
この形態が有する特有の利点としては、放電ランプ発光部に適する位置に外部電極を配置することができ、外部電極から発生する紫外光をより有効に発光部内の電離に活用できることにある。
【００２６】
図８は、さらに本発明に係る光源装置における外部電極の他の形態を示す。
凹面反射鏡１１にはリング状の外部電極４ａ，４ｂが間隙をもって反射鏡の内面に配設されている。外部電極４ａは放電ランプ１の外部リード９ａに接続されるとともに、外部電極４ｂは反射鏡を貫通してコンデンサＣ１を介して接続点Ｔ３、すなわち他方の外部リードに接続される。
この形態の特徴も外部電極が放電ランプではなく凹面反射鏡に形成されることにあり、図７と比べて凹面反射鏡の内面であって反射鏡の開口縁に相当してリング状の電極が配置されることである。そして、当該外部電極間での沿面放電、紫外光発生のメカニズムは前記した実施例と同様である。
この形態が有する特有の利点としては、簡易な構成で外部電極を広い範囲において形成できるので予備電離のための紫外光を多量に生産することができ、また、図７に示す形態と同様に放電ランプ発光部に適する位置に外部電極を配置することができ、外部電極から発生する紫外光をより有効に発光部内の電離に活用できることにある。
【００２７】
図９は、本発明に係る放電ランプの外部電極の他の形態を示す。（ａ）は放電ランプの全体概観図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図を示す。
放電ランプの一方の封止部に誘電体材料４０が配置され、この誘電体の中に外部電極４ａ、４ｂが埋設される。外部電極４ａ，４ｂの先端は各々誘電体材料４０から突出しており、この外部電極４ａ，４ｂの先端同士が微小間隙で配置されることから、両者の間で放電が発生する。この放電は放電ランプの封止部を使った沿面放電となる。
この形態の特徴は、放電ランプの外部に外部電極と誘電体材料の組合体を別体として配置させたことにあり、この構造の特有の利点は安定な予備電離による紫外光の発生である。
なお、本形態における外部電極の放電メカニズムは前記の実施例と同様である。
【００２８】
なお、本発明における外部電極の構成は、図１、図６に示す放電ランプや図７、図８の示す凹面反射鏡に限定されるものではなく、他の形態が適用できることは言うまでもない。さらには、図４、図５に示すようなコンデンサ要素形成手段を図７、図８に示す光源装置に適用することもできる。
また、本発明に係る放電ランプは、直流点灯のものに限定されず、交流点灯にものにも適用でき、いわゆる水銀ランプのみならずメタルハライドランプなどにも適用できる。
【００２９】
本発明の放電ランプ、および光源装置によれば、無負荷開放電圧を低くすることができ、また、高電圧発生回路を設けた場合であっても発生させる高電圧を低くさせることができる。
本発明者が、実験をしてみたところ高電圧発生回路を使って５ＫＶの電圧を発光部内の主電極に印加させなければできない放電ランプが、１８００Ｖの電圧印加で放電を発生できることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るショートアーク型超高圧放電ランプの全体構成を示す。
【図２】本発明に係るショートアーク型超高圧放電ランプの部分図を示す。
【図３】本発明に係るショートアーク型超高圧放電ランプの点灯回路を示す。
【図４】本発明に係る光源装置を示す。
【図５】本発明に係る光源装置の部分図を示す。
【図６】本発明に係るショートアーク型超高圧放電ランプの全体構成を示す。
【図７】本発明に係る光源装置を示す。
【図８】本発明に係る光源装置を示す。
【図９】本発明に係る光源装置を示す。
【符号の説明】
１放電ランプ
２発光部
３封止部
４外部電極
６電極
７電極
８金属箔
９外部リード

Claims

発光管内部に一対の電極を有し、０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀を封入したショートアーク型超高圧放電ランプにおいて、
前記放電ランプの外表面の一部に、対となって放電を発生させる外部電極が誘電体を介在させることなく間隙を有して配置していることを特徴とするショートアーク型超高圧放電ランプ。
発光管内部に一対の電極を有し、０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀を封入したショートアーク型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構成される光源装置において、
前記凹面反射鏡の一部には、対となって放電を発生させる外部電極が誘電体を介在させることなく間隙を有して配置していること特徴とする光源装置。
発光管内部に一対の電極を有し、０．１５ｍｇ／ｍｍ ^３以上の水銀を封入したショートアーク型超高圧放電ランプを有する装置において、
前記ショートアーク型超高圧放電ランプは、発光管の外表面の一部に、対となって放電を発生させる外部電極が誘電体を介在させることなく間隙を有して配置しており、
前記外部電極を放電させるための回路が、前記一対の電極により形成される主放電経路と並列に形成されており、その少なくとも一部に限流手段が接続されることを特徴とするショートアーク型超高圧放電ランプを有する装置。
前記外部電極を放電させるための回路は、前記発光管内部における一対の電極により形成される主放電経路と並列に形成されており、その少なくとも一部に限流手段が接続されることを特徴とする請求項２の光源装置。
前記限流手段は、凹面反射鏡を構成する誘電体材料を挟んで形成するコンデンサ手段であることを特徴とする請求項４の光源装置。