JP4356493B2 - ショートアーク型高圧水銀ランプ及び光源ユニット - Google Patents

Description

本発明は、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装置のバックライト及びファイバー照明用光源として使用するショートアーク型高圧水銀ランプとこのショートアーク型高圧水銀ランプを凹面反射鏡内に組み込んだ光源ユニットに関する。

通常、液晶プロジェクタ装置等に用いられる光源ユニットは、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ショートアーク型水銀ランプが使われている。

液晶プロジェクタ装置は持ち運びされることが多く、小型軽量化が重要な課題となっている。このために、液晶プロジェクタ用の液晶パネルは年々小型化されてきており、これに伴って、小型化された液晶パネルに効率よく集光させるためにも、凹面反射鏡内にランプを組み込んだ光源ユニットもより一層の小型化が要求されている。

ランプに関して検討すると、ランプ単体の小型化を達成するためには、電極間距離を短くするのが光学的に一番効果的な手段であるが、単に電極間距離を短くするとランプ電圧が低下してしまう。
ランプ電圧が低い状態で所定のランプ電力を投入しようとすると、ランプ電流を増大しなければならない。ところが、ランプ電流を増大させるために点灯装置が大型化してしまうので、液晶プロジェクタ装置本体を小形化するというコンセプトから外れることになってしまう。

また、ランプ電流の増加により、電極の消耗が早まり、早期に管壁の黒化を招く。この結果、ランプ寿命が短くなり、市場からの要求を満足できなくなる。こういったことから単純に電極間距離を短くするだけでは市場のニーズに充分応えることができなくなってきた。
つまり、電極間距離を短くしてランプを小型することは現実的な手段ではない。

そこで、ランプの発光管に着目して、発光管の形状を最適化する対策として特許文献１が知られている。
この特許文献１では、発光管と封止管との間に形成された曲面を規定することにより、散乱光を減少させ、有効光を増大させることが記載されている。

しかしながら、発光管と封止管との間に形成された曲面を規定するだけだけでは、反射鏡が小型化した場合に、有効光を増大させる有効な手段とは成り得ないものである。

詳細に説明すると、ランプの発光管の形状としては均一な肉厚を持った球状が望ましく、また、所定の機械強度と高い熱輻射を持つために肉厚を２ｍｍ以上にする必要がある。
このような要求に応えるためには、発光管となる石英ガラスを加熱バーナーで溶融し加工するものであり、発光管の外面を形成する曲面の形状は、一定の曲率半径となっていた。

図８は、従来のショートアーク型水銀ランプの発光管１の形状を示すものであり、発光管１の外面を形成する曲面ａは、一定の曲率半径Ｒになっている。この曲面ａは、発光管の外面のＥからＦまでの曲面部分であり、中心点Ｏを中心にして角度θが１００〜１３０度の開き角によって形成される部分である。
このような発光管１の場合、封止管２寄りの発光管１から出射された光Ｌは、封止管２に近づくにつれて、垂直軸Ｙとのなす角度が大きくなっていく状態で曲面ａから出射されることになる。

一方、反射鏡に関して検討すると、反射鏡の開口径が８０ｍｍ程度の大型の反射鏡を使用する場合、上記のような発光管１の外面を形成する曲面が一定の曲率半径になっていても、封止部２寄りの発光管１から放射された光Ｌは充分に反射面で捕捉することができた。

しかしながら、昨今の小型化の要求において反射鏡の開口径は５０ｍｍ程度になってきている。このような小型の反射鏡においては、従来の発光管の外面を形成する曲面が一定の曲率半径になっている発光管形状では、反射鏡の開口側へ出射される光Ｌを反射鏡によって捕捉できず、スクリーン光束を高くすることが出来なくなってきた。

さらに直流点灯型のランプの場合、陽極は、熱容量を大きくする為に出来る限り直径を大きく取っている。この結果、交流点灯型の封止管に比して直流点灯型の場合、封止管が太くなる場合が多い。陽極側の封止管は反射鏡の首部に固定され、陽極側の封止管寄りの発光管の外面から反射鏡に向けて出射された光は、封止部や発光管部で遮られ、実質使用できないという問題もあった。
特開２００１−２９１４８９号

本発明は、上記の事情に基づいてなされたものであって、封止管寄りの発光管を透過して出射される光を効率良く利用できる発光管を具備したショートアーク型水銀ランプを提供することにあり、更に、反射鏡が小型化しても、ショートアーク型水銀ランプの発光管を透過した光を効率良く反射鏡で補足し、スクリーン光束を大きくできる光源ユニットを提供するものである。

請求項１に記載のショートアーク型高圧水銀ランプは、内部に一対の電極が配置され、かつ、０．２０ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀を封入した発光管と、その両側に延在して電極の一部を封止する封止管を有するショートアーク型高圧水銀ランプにおいて、前記発光管の管軸を含む断面における前記封止管寄りの発光管の外面を形成する曲面の曲率半径が、前記発光管の管軸を含む断面における前記発光管の最大外径部の外面を形成する曲面の曲率半径より小さくなっており、前記封止管と発光管との境界部と電極間中心位置までの距離をＬ１（ｍｍ）、該境界部の外径をｄ１（ｍｍ）、封止管に埋設された金属箔の発光管側の端部から前記境界部までの間で最大の外径を持つ大径部の外径をｄ２（ｍｍ）、該大径部と電極間中心位置までの距離をＬ２（ｍｍ）としたとき、ｄ１＜ｄ２であり、ｄ１／Ｌ１＞ｄ２／Ｌ２を満足することを特徴とする。

本発明のショートアーク型水銀ランプによれば、封止管寄りの発光管を透過して出射される光が、発光管の管軸と直交する垂直軸とのなす角度を小さくすることができる。
さらに、本発明の光源ユニットによれば、反射鏡が小型化しても、本発明のショートアーク型水銀ランプを用いることによって、発光管を透過した光を効率良く反射鏡で捕捉し、スクリーン光束を大きくできる。

本発明のショートアーク型高圧水銀ランプについて図面を用いて説明する。
図１は、本発明のショートアーク型高圧水銀ランプの説明図である。
ショートアーク型高圧水銀ランプは、石英ガラス製の発光管１と、この発光管１の両側に延在して形成された封止管２を有するものであり、発光管１の内部には一対の電極３、４が配置され、かつ、０．２０ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀が封入され、電極３、４の一部は封止管２内で封止されている。

図２は、本発明のショートアーク型高圧水銀ランプの発光管１の説明図である。
発光管１の外面の形状は、発光管の外径が最大となる部分が発光管の最大外径部である。そして、発光管１の管軸を含む断面における発光管の最大外径部の外面を形成する部分を含む曲面ａと、発光管１の管軸を含む断面における発光管１の封止管２よりの外面を形成する曲面ｂとよりなるものである。
ここで、この曲面ａは、発光管の外面のＥからＦまでの曲面部分であり、中心点Ｏを中心にして例えば４０度の開き角によって形成される部分である。
また、曲面ｂは、曲面ａの終端部から封止管に繋がるところに形成される部分である。

例えば、発光管１の管軸を含む断面における発光管の最大外径部の外面を形成する部分を含む曲面ａの曲率半径Ｒ１は５．６５ｍｍであり、発光管１の管軸を含む断面における封止管２より発光管１の外面を形成する曲面ｂの曲率半径Ｒ２は３．８３ｍｍである。
つまり、発光管の外面を形成する曲面は、一定の曲率半径からなる曲面ではなく、封止管２寄りの発光管１の外面を形成する曲面ｂの曲率半径Ｒ２が、発光管１の最大外径部の外面を形成する曲面ａの曲率半径Ｒ１より小さくなっている。
なお、曲面ａとｂとの境界点Ｅ、Ｆについて説明を加えると、中心点Ｏを中心にして１１０度以上の開き角を持つと、電極により光が遮られる為、発光管の外に光が出射されなくなる。従って曲面ａとｂとの境界点Ｅ、Ｆは中心点Ｏを中心にして１１０度より小さい開き角で形成される。

次に、図３を用いて、本願発明の外面が２つの異なる曲率半径を有する発光管から出射される光の光線軌跡と、従来の外面が一定の曲率半径からなる発光管から放射された光線軌跡を説明する。
図３中、本願発明の発光管は実線で示すものであり、発光管の管軸を含む断面における発光管１の最大外径部の外面を形成する曲面ａの曲率半径Ｒ１が５．６５ｍｍであり、発光管の管軸を含む断面における封止管２寄りの発光管１の外面を形成する曲面ｂの曲率半径Ｒ２が３．８３ｍｍである。この曲面ａは、発光管の外面のＥからＦまでの曲面部分であり、中心点Ｏを中心にして４０度の開き角によって形成される部分である。
また、曲面ｂは、曲面ａの終端部から封止管２に繋がるところに形成される部分である。
また、従来の発光管は点線で示すものであり、発光管の管軸を含む断面における発光管の外面を形成する曲面ｃは一定の外面形状であり、曲率半径Ｒ３が５．６５ｍｍであり、発光管の最大外径部の外面を形成する曲面と同一の曲率半径になっている

図３に示すように、電極間中心から出射された光は発光管内面に入射し、発光管の管軸Ｘと直交する垂直軸Ｙとのなす角度が小さくなるように屈折する。そして、屈折した光は発光管１の外面で再度屈折して出射される。
特に、封止管２寄りの発光管１から出射される光について説明すると、同じ位置から出射された光Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ、Ｌｄは、発光管１の外面から外部に出射されるが、光が出射する位置の発光管１の外面の曲率半径の違いによって、屈折する角度が異なるものである。

図４は、光Ｌａについての拡大説明図であって、同じ位置から放射された光Ｌａであっても、本願発明の発光管の管軸を含む断面における封止管２寄りの発光管１の外面の曲面ｂは、発光管の管軸を含む断面における発光管１の最大外径部を形成する曲面ａより曲率半径が小さいために、この曲面ｂから出射された光Ｌａ１は、発光管の管軸を含む断面における曲率半径が大きい曲面ｃから出射された光Ｌａ２に比べ、垂直軸Ｙとのなす角度が小さくなるように屈折する。
具体的には、光Ｌａ１と垂直軸Ｙとのなす角度はθ１であり、光Ｌａ２と垂直軸Ｙとのなす角度はθ２であり、θ１＜θ２の関係になっている。同じようなことは、光Ｌｂ、Ｌｃ、Ｌｄにもいえる。

つまり、発光管１の外面が２つの異なる曲率半径を有し、封止管２寄りの発光管１の外面を形成する曲面ｂの曲率半径Ｒ２が、発光管１の最大外径部の外面を形成する曲面ａの曲率半径Ｒ１より小さくすることにより、封止管２寄りの発光管１を透過して出射される光は、発光管１の最大外径部の外面を形成する曲面ａの曲率半径で一定になっている外面より出射される光に比べ、垂直軸Ｙとのなす角度を小さくすることができる。

なお、図３では、発光管１の外面が２つの異なる曲率半径を有している例を示したが、発光管１の外面を形成する曲面の曲率半径が、最大外径部から封止管２に向かうにつれて連続的に小さくなるようにしてもよい。この場合も同様に封止管２寄りの発光管１を透過して出射される光は、発光管１の外面形状が最大外径部の曲率半径で一定になっている外面から出射される光より、垂直軸Ｙとのなす角度を小さくすることができる。

このようなショートアーク型高圧放電ランプによれば、発光管１を透過した光のうち封止管寄りの光については、発光管１の管軸Ｘと直交する垂直軸Ｙとのなす角度を小さくすることができ、反射鏡が小型化されて、反射鏡が浅くなり、有効反射面が小さくなっても、効率良く反射鏡で光を捕捉することができ、スクリーン光束を大きくできるものである。例えば、反射鏡と組み合わせた光線軌跡図である図５に示すように、同じ位置から出射される光Ｌｘは、従来の同一曲率半径で構成される発光管（破線）では捕捉できない光Ｌｘ２であったが、本願発明のような発光管（実線）であれば捕捉可能な光Ｌｘ１となり、本願発明では発光管を透過した光を効率良く反射鏡で捕捉することができる。

図６は、本願発明のショートアーク型高圧放電ランプの発光管１と封止管２の形状を示す説明図である。
封止管２と発光管１との境界部ＤＡと電極間中心位置Ｏまでの距離をＬ１（ｍｍ）、該境界部ＤＡの外径をｄ１（ｍｍ）、封止管２に埋設された金属箔Ｈの発光管１側の端部から前記境界部ＤＡまでの間で最大の外径を持つ大径部ＤＢの外径をｄ２（ｍｍ）、該大径部ＤＢと電極間中心位置Ｏまでの距離をＬ２（ｍｍ）としたとき、ｄ１＜ｄ２であり、ｄ１／Ｌ１＞ｄ２／Ｌ２の条件を満足するように境界部ＤＡの外径を絞っている。
具体的な数値は、例えば、ｄ１＝６．８ｍｍ、Ｌ１＝５．３ｍｍ、ｄ２＝７．４ｍｍ、Ｌ２＝９．３ｍｍである。

このような関係を満たす場合、電極間中心位置近傍に形成されるアークスポットから放射される光が、封止管２の大径部で遮られることなく、発光管１から出射される光を効率よく利用することができる。
この場合も、本願のように封止管２寄りの曲率半径が小さくなっているものである。更に直流点灯方式では陽極が非常に高温になり、陽極先端の摩耗が大きく、これが光束維持率の低下を招いていた。そこで光束維持率を確保する為に陽極を大型化せざるを得ず、結果、大型化した陽極を挿入する為に封止管部が太くなる事情がある。こういった事情から本願は直流点灯方式において特に効果が大きい。

図７は、前方に光を出射するための開口を有する凹面反射鏡の首部に光軸が一致するように、ショートアーク型高圧水銀ランプが固定されてなる本願発明の光源ユニットの説明図である。

光源ユニットは、前方に光を出射するための開口５０を有する凹面反射鏡５の首部５１に光軸が一致するようにショートアーク型高圧水銀ランプが固定されている。
このショートアーク型高圧水銀ランプは、内部に一対の電極が配置され、かつ、０．２０ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀を封入した発光管１と、その両側に延在して電極の一部を封止する封止管２を有し、一方の封止管２が凹面反射鏡の首部５１に固定され、他方の封止管２が凹面反射鏡の開口５０に向かって伸びている。

また、ランプ中心軸Ｙ１より反射鏡５の開口５０側に位置する発光管１の外面を形成する曲面ａの曲率半径Ｒ１が、ランプ中心軸Ｙ１より反射鏡５の首部５１側に位置する発光管１の外面を形成する曲面ｂの曲率半径Ｒ２より小さくなっている。
例えば、反射鏡５の開口５０側に位置する発光管１の外面を形成する曲面ａの曲率半径Ｒ１は３．８３ｍｍであり、反射鏡５の首部５１側に位置する発光管１の外面を形成する曲面ｂの曲率半径Ｒ２は５．６５ｍｍである。

このように曲率半径の小さい曲面を開口５０側に配置することで反射鏡が小型化されて、反射鏡が浅くなり、有効反射面が小さくなった場合においても、より効率良く反射鏡で光を捕捉することができ、結果としてスクリーン光束を大きくすることができる。

本発明のショートアーク型高圧水銀ランプの説明図である。 本発明のショートアーク型高圧水銀ランプの発光管の説明図である。 本願発明の外面が２つの異なる曲率半径を有する発光管から出射される光の光線軌跡と、従来の外面が一定の曲率半径からなる発光管から放射された光線軌跡の説明図である。 図３中の光Ｌａについての拡大説明図である。 本願発明のショートアーク型高圧放電ランプの発光管と従来の発光管を用いた場合の反射鏡との組み合わせによる光線軌跡図である。 本発明のショートアーク型高圧放電ランプの発光管と封止管と電極の状態を示す説明図である。 本願発明の光源ユニットの説明図である。 従来のショートアーク型高圧水銀ランプの発光管の説明図である。

符号の説明

１ 発光管
２ 封止管
３ 電極
４ 電極
５ 反射鏡
ａ 発光管の外面を形成する曲面
ｂ 発光管の外面を形成する曲面
ｃ 発光管の外面を形成する曲面

Claims (1)

1. 内部に一対の電極が配置され、かつ、０．２０ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀を封入した発光管と、その両側に延在して電極の一部を封止する封止管を有するショートアーク型高圧水銀ランプにおいて、
   前記発光管の管軸を含む断面における前記封止管寄りの発光管の外面を形成する曲面の曲率半径が、前記発光管の管軸を含む断面における前記発光管の最大外径部の外面を形成する曲面の曲率半径より小さくなっており、
   前記封止管と発光管との境界部と電極間中心位置までの距離をＬ１（ｍｍ）、該境界部の外径をｄ１（ｍｍ）、封止管に埋設された金属箔の発光管側の端部から前記境界部までの間で最大の外径を持つ大径部の外径をｄ２（ｍｍ）、該大径部と電極間中心位置までの距離をＬ２（ｍｍ）としたとき、
   ｄ１＜ｄ２であり、
   ｄ１／Ｌ１＞ｄ２／Ｌ２
   を満足することを特徴とするショートアーク型高圧水銀ランプ。

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