JP4388365B2 - 光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、超高圧放電灯とリフレクターとを備え、投射型プロジェクターの光源として用いられる光源装置に関する。

近年では、ビジネスにおけるプレゼンテーション、家庭におけるホームシアターやリアプロジェクションテレビ等の様々なシーンで投射型プロジェクターが使用されており、その主要部品である光源装置には、リフレクターに放電灯を取り付けたものが一般に用いられている。

このような投射型プロジェクターの光源装置には、「明るさ向上」に対する強い要求があり、従来では、放電灯の高圧化（０．１５ｍｇ／ｍｍ³以上の水銀封入）によってこの要求に応じていた。しかし、陰極側に輝点をもつ直流点灯式の放電灯は、スクリーンムラを懸念して採用されておらず、専ら交流点灯式の放電灯の高圧化が進められてきた。

従来技術では、交流点灯式の放電灯において水銀蒸気圧を高めることによって、「明るさ向上」に対する要求に応じていたが、近年のプロジェクターの小型化に伴う映像素子の小型化は、光源装置にできる限りの「点光源であること」を要求することとなり、交流点灯式の放電灯では、この要求に応じることができなかった。

一方、「点光源であること」の要求に応じるためには、陰極側に輝点をもつ直流点灯式の放電灯を用いることが最適であり、直流点灯式の放電灯においても水銀蒸気圧を高めることによって「明るさ向上」を達成できることは知られている。しかし、直流点灯式の超高圧放電灯を用いた場合には、上述のスクリーンムラの問題が残るため、「高画質」の要求には応じることができなかった。

また、直流点灯式の超高圧放電灯の陰極側をリフレクターの中央部に設けられた取付孔に取り付けた場合には、陽極消耗および陰極析出によってアーク中心がリフレクターの内面から遠ざかる方向へ移動するので、リフレクターの反射面で反射した光の多くが超高圧放電灯の発光部に当たるようになる。そのため、発光部の温度が上昇して、超高圧放電灯の短時間での照度低下や破裂を生じるおそれがあった。

それゆえに、この発明の主たる目的は、「明るさ向上」，「点光源であること」および「高画質」のすべての要求に応じることができ、しかも、発光部の温度上昇を抑制することによって、短時間での照度低下や破裂を防止できる、光源装置を提供することである。

請求項１に記載した発明は、「０．１５ｍｇ／ｍｍ³以上の水銀が封入された発光部２８内に陽極４０ａと陰極４０ｂとからなる電極４０が配設されており、発光部２８の両端部から棒状に延びて２つの封止部３０が形成されている直流点灯式の超高圧放電灯１４、封止部３０の陽極側が挿通される取付孔４２と発光部２８から出射された光を反射する反射面１６ａとを有するリフレクター１６、および陽極４０ａ側の封止部３０を覆うようにしてその中央部を越えて発光部２８側へ延びて形成された酸化物焼結体からなる導熱部材１８を備え、導熱部材１８には、超高圧放電灯１４における発光部２８の低温部に対応する位置に欠如部８４が設けられている光源装置１０」である。

直流点灯式の超高圧放電灯１４では電極４０の陰極４０ｂが輝点となるが、この発明では、超高圧放電灯１４の陽極４０ａ側の封止部３０をリフレクター１６の取付孔４２に取り付けるようにしているので、超高圧放電灯１４の輝点は、リフレクター１６の光出射方向の先方側に配置されることになる。したがって、輝点からリフレクター１６の反射面１６ａまでの距離を長くとることができ、輝点の移動によるチラツキがスクリーン６４の画質に及ぼす影響を小さくすることができる。また、超高圧放電灯１４における陽極４０ａの消耗によってアーク中心が移動する方向は、リフレクター１６の中央部内面に近づく方向となり、反射面１６ａで反射した光の多くは発光部２８から遠ざかる方向へ向かうようになる。これにより、反射光による発光部２８の加熱が抑制される。
また、この発明では、封止部３０の先端部から中央部を越えて発光部２８側へ延びて導熱部材１８が形成されているので、超高圧放電灯１４の熱が封止部３０から導熱部材１８を通して外部空間へ効率よく逃がされる。

そして、特筆すべきは、「導熱部材１８には、超高圧放電灯１４における発光部２８の低温部に対応する位置に欠如部８４が設けられている」点にある。たとえば、光軸が水平になるようにして光源装置１０を配置した場合には、発光部２８内におけるガスの対流の関係で発光部２８の上部の温度に比べて下部の温度が低くなる。そのような場合に、発光部２８の下部に対応する位置に欠如部８４を設けることによって、発光部２８の下部すなわち低温部の放熱を抑制することができ、上部と下部との温度差を解消することができる。これにより、発光部２８に生じた温度差に起因する動作の不具合を解消できる。

請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した「光源装置１０」において、「超高圧放電灯１４に与えられるランプ電流に対してパルス電流を重畳させるパルス重畳装置２６を備える」ことを特徴とする。
この発明では、ランプ電流にパルス電流を重畳するようにしているので、輝点の温度が重畳されたパルス電流によって周期的に高められ、輝点が他の位置に移動する前に現位置での電子放出が良好となり、その結果、輝点の移動が抑制されて画面のチラツキが抑制される。パル電流を重畳した場合には、陰極４０ｂに析出が発生し、アーク中心の移動が大きくなるが、上述したように、反射面１６ａで反射した光の多くは発光部２８から遠ざかる方向へ向かうようになるので、反射光による発光部２８の加熱が促進されることはない。

請求項３に記載した発明は、請求項１または２に記載した「光源装置１０」において、「リフレクター１６は金属によって構成されている」ことを特徴とする。

この発明では、熱伝導率の高い金属製のリフレクター１６を用いているので、リフレクター１６内の熱を効率よく逃がすことができる。また、金属製のリフレクター１６に光が照射されると光電効果によってリフレクター１６がマイナスに荷電されるので、超高圧放電灯１４内で発生した不純物（水素、ナトリウム等）の陽イオンがリフレクター１６に引き寄せられ、ガラス壁を通過して超高圧放電灯１４の外部へ排出される。したがって、不純物による超高圧放電灯１４の短寿命化を抑制できる。

請求項４に記載した発明は、請求項３に記載した「光源装置１０」において、「金属は水銀と反応してアマルガムを生成する」ことを特徴とする。

この発明では、水銀と反応してアマルガムを生成する金属（アルミニウム、金、銀、亜鉛、カドミウム、鉛、ナトリウム、カリウム等）によってリフレクター１６が構成されるので、超高圧放電灯１４が破裂したときに飛散した水銀は、リフレクター１６と反応して「アマルガム」として固定される。したがって、超高圧放電灯１４が破裂した場合でも水銀が拡散する心配はない。

請求項１〜５に記載した発明によれば、超高圧放電灯の陽極側の封止部をリフレクターの取付孔に取り付けるようにしているので、輝点からリフレクターの反射面までの距離を長くとることができ、輝点の移動に起因する画面のチラツキを抑制できる。また、陽極消耗および陰極析出によってアーク中心が移動するにつれて、反射面で反射した光が超高圧放電灯の発光部から遠ざかる方向へ向かうので、反射光による発光部の加熱が抑制される。したがって、超高圧放電灯の短時間での照度低下や破裂を防止できる。

図１を参照して、本発明が適用された光源装置１０は、図４に示すような投射型プロジェクター１２の光源として用いられるものであり、超高圧放電灯１４,超高圧放電灯１４の光を反射させるリフレクター１６,超高圧放電灯１４の熱を逃がす導熱部材１８,キャップ２０,前面カバー２２,直流電源２４およびパルス重畳装置２６によって構成されている。

超高圧放電灯１４は、図３に示すように、球状の発光部２８とその両端からストレートに延びた棒状の封止部３０とを有する封体容器３２を備えている。そして、封体容器３２における各封止部３０の内部には、一端が発光部２８の内部へ突出した電極棒３４と、一端が外部へ突出したリード棒３６と、電極棒３４の他端とリード棒３６の他端とを電気的に接続するモリブデン箔３８とが配設されており、各電極棒３４の一端には、一対のタングステン電極（以下、単に「電極」という。）４０を構成する陽極４０ａおよび陰極４０ｂが接続されている。また、発光部２８の内部には、０．１５ｍｇ／ｍｍ³以上の水銀が封入されている。

リフレクター１６（図１）は、超高圧放電灯１４の発光部２８において発生した光を所定方向へ反射させるための碗状部材であり、リフレクター１６の内面には、鏡面状の反射面１６ａが形成されている。また、リフレクター１６の中央部には、超高圧放電灯１４の陽極４０ａ側の封止部３０が挿通される取付孔４２を構成する筒状の放電灯取付部４４が形成されている。

なお、リフレクター１６の材質としては、ガラスや金属を用いることができるが、高強度で薄肉に形成できる点において、金属（アルミニウム、ステンレス、真鍮、ニッケル、クロム、ニッケル−クロム合金、銅、銅−ニッケル合金等）を用いることが望ましい。金属製のリフレクター１６の熱伝導率は、ガラス製のリフレクター１６よりもはるかに高く、たとえば、アルミニウム製であれば２３３Ｗ／ｍ・Ｋ、ステンレス製であれば１９Ｗ／ｍ・Ｋである。したがって、金属製のリフレクター１６を用いれば、超高圧放電灯１４で発生した熱を外部へ効率よく逃がすことができる。

また、金属製のリフレクター１６の加工方法としては、「プレス加工」または「絞り加工」等を用いることができるが、「絞り加工」を用いた場合には、リフレクター１６の肉厚を０．２ｍｍ程度にまで薄くすることができる。また、「絞り加工」の後に「プレス加工」等の成形加工を施すようにすれば、薄肉にして加工精度の高いリフレクター１６を得ることができる。

「絞り加工」によって１．２ｍｍの肉厚で形成されたリフレクター１６の重量は、アルミニウム製であれば１１３ｇ程度、ステンレス製であれば１２５ｇ程度であり、一般的なガラス製のリフレクター（肉厚６ｍｍ）の重量が２５０ｇ程度であるのに比べて大幅に軽くなる。

導熱部材１８は、超高圧放電灯１４の発光部２８において発生した熱を外部へ放熱するものであり、図１，図２および図３に示すように、超高圧放電灯１４における陽極４０ａ側の封止部３０の外面とリフレクター１６における取付孔４２の内面（すなわち、放電灯取付部４４の内面）との間に介在される筒状の導熱部４６と、放電灯取付部４４の外面に嵌め合わされる筒状の嵌合部４８と、キャップ２０が装着される環状面を有するキャップ装着部５０とによって構成されている。

導熱部４６は、超高圧放電灯１４の陽極４０ａ側の封止部３０を覆うようにして、その封止部３０の中央部を越えて発光部２８側へ延びて形成されている。つまり、図３に示すように、封止部３０の長さをＬ（たとえば２２．２ｍｍ）とすると、導熱部材１８の封止部３０を覆う部分（導熱部４６）の先端位置Ｐは、封止部３０の先端からＬ／２（たとえば１１．１ｍｍ）の位置よりも発光部２８側に配置されている。

この導熱部材１８は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３），ステアタイト（ＭｇＯ−ＳｉＯ２），ムライト（３Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２），フォルステライト（２ＭｇＯ−ＳｉＯ２）等のような酸化物の焼結体によって全体が一体成形されている。したがって、超高圧放電灯１４の発光部２８で生じた熱は、封止部３０から導熱部材１８の導熱部４６へ伝播され、導熱部材１８の全表面から外部空間およびリフレクター１６へ逃がされることになる。なお、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）の熱伝導率は１６．７Ｗ／ｍ・Ｋ、ステアタイト（ＭｇＯ−ＳｉＯ２）の熱伝導率は２．５Ｗ／ｍ・Ｋ、ムライト（３Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２）の熱伝導率は４．２Ｗ／ｍ・Ｋ、フォルステライト（２ＭｇＯ−ＳｉＯ２）の熱伝導率は３．４Ｗ／ｍ・Ｋである。ただし、導熱部材１８は、耐熱性および導熱性を有する酸化物の焼結体であればよく、その構成材料の種類や配合割合は特に限定されるものではない。

キャップ２０は、超高圧放電灯１４における封止部３０の先端部を保護するとともに、リード線５２（図１）を保持するものであり、セラミック等によってすり鉢状に形成されている。

直流電源２４は、超高圧放電灯１４に点灯始動電圧（２００Ｖ以上）を印加するとともに、定常点灯時には、ランプ電流（たとえば２．８６Ａ）を供給するものであり、パルス重畳装置２６は、ランプ電流に対して所定のパルス幅（たとえば１０ｍｓｅｃ）のパルス電流（たとえば３．５８Ａ）を所定の繰り返し周期（たとえば３００Ｈｚ）で重畳するものである。そして、直流電源２４およびパルス重畳装置２６を含む電気回路が超高圧放電灯１４から延びるリード線５２に接続されている。

光源装置１０を組み立てる際には、まず、図３に示すように、超高圧放電灯１１４における陽極４０ａ側の封止部３０の外面に導熱部材１８の導熱部４６を嵌め合わせる。続いて、導熱部４６の先端部と封止部３０の外面とをセメント５４によって接合し、キャップ装着部４６にキャップ２０をセメントによって固着する。そして、超高圧放電灯１４をリフレクター１６の中央部に位置決めし、嵌合部４８と放電灯取付部４４とをセメントによって接合する。その後、超高圧放電灯１４から延びるリード線５２に直流電源２４およびパルス重畳装置２６を接続する。

光源装置１０が組み込まれるプロジェクター１２においては、図４に示すように、２枚のフライアイレンズ５６ａおよび５６ｂと、内部光学系５８と、ＬＣＤ，ＤＬＰまたはＬＣＯＳ等のような光学素子６０と、投射レンズ６２とが所定位置に配置されており、光源装置１０から出射された光が、これらの光学機器を通してスクリーン６４へ投射される。

つまり、プロジェクター１２の駆動スイッチを入れると、直流電源２４から超高圧放電灯１４に点灯始動電圧が印加されて発光部２８が発光する。そして、発光部２８で発生した光は、リフレクター１６の反射面１６ａで反射されてフライアイレンズ５６ａおよび５６ｂならびに内部光学系５８へ与えられ、光学素子６０から画像情報を受け取った後、投射レンズ６２によってスクリーン６４へ投射される。

この実施例では、超高圧放電灯１４の陽極４０ａ側の封止部３０をリフレクター１６の取付孔４２に取り付けるようにしているので、輝点をもつ陰極４０ｂは、リフレクター１６の光出射方向の先方側に配置されることになる。したがって、輝点からリフレクター１６の反射面１６ａまでの距離を長くとることができ、輝点の移動によるチラツキがスクリーン６４上の画質に及ぼす影響を小さくすることができる。

また、「陽極４０ａの消耗」および「陰極４０ｂの析出」によってアーク中心が移動する方向は、図５に示すように、リフレクター１６の中央部内面に近づく方向となり、反射面１６ａで反射した光の多くは、図６に示すように、発光部２８から遠ざかる方向へ向かうようになる。したがって、反射光による発光部２８の加熱が抑制されることとなり、導熱部材１８の放熱効果と相俟って、超高圧放電灯１４の異常加熱による動作不良を回避できる。また、導熱部材１８の放熱効果によって、消灯後の温度低下が促進されるので、再度点灯できるまでの待ち時間を短縮できる。

また、上述の実施例では、パルス重畳装置２６によってランプ電流に対してパルス電流を重畳するようにしているので、輝点の温度が重畳されたパルス電流によって周期的に高められ、輝点が他の位置に移動する前に現位置での電子放出が良好となる。その結果、輝点の移動を抑制でき、「陰極４０ｂをリフレクター１６の光出射方向の先方側に配置したこと」と相俟って、輝点の移動によるチラツキがスクリーン６４上の画質に及ぼす影響を小さくすることができる。

また、金属製のリフレクター１６を採用した場合には、以下の効果を奏することができる。つまり、発光部２８で発生した光が金属製のリフレクター１６に照射されると、光電効果によってリフレクター１６がマイナスに荷電されるので、超高圧放電灯１４の発光部２８内で発生した水素やナトリウム等の不純物（イオン半径の小さい陽イオン）がリフレクター１６の側へ引き寄せられ、ガラス壁を通過して発光部２８の外部へ引き出される。これにより、発光部２８内の不純物が低減されて不純物による超高圧放電灯１４の短寿命化が抑制される。

この場合、リフレクター１６の材料として、水銀と反応して「アマルガム」を生成する金属（アルミニウム、ステンレス、金、銀、亜鉛、カドミウム、鉛、ナトリウム、カリウム等）を採用すると、超高圧放電灯１４の破裂時にリフレクター１６の内側で飛散した水銀とリフレクター１６とが反応して「アマルガム」が生成されるので、水銀の拡散をより確実に防止することができる。なお、「アマルガムの生成による水銀の拡散防止効果」を得るためには、リフレクター１６の反射面１６ａに「アマルガム」を生成する金属膜を形成するようにしてもよい。

なお、上述の実施例では、図３に示すように、導熱部４６、嵌合部４８およびキャップ装着部５０を有する導熱部材１８を用いるようにしているが、これに代えて、図７および図８に示すように、筒状の導熱部６６とキャップ６８とが一体成形された導熱部材７０が用いられてもよい。また、図９および図１０に示すように、筒状の導熱部７２とキャップ７４とがセメント等により接合された導熱部材７６が用いられてもよいし、図１１に示すように、筒状の導熱部７８のみからなる導熱部材８０が用いられてもよい。

そして、各導熱部材１８，７０，７６および８０には、図１２に示すように、放熱板８２が取り付けられてもよいし、図１３に示すように、発光部２８の低温部に対応する位置に欠如部８４が設けられてもよい。欠如部８４は、図１４に示すように、導熱部４６，６６，７２および７８の発光部２８に臨まされる側の端部を部分的に欠如させることによって、または、図１５に示すように、長さの異なる２つ（または３つ以上）の割筒体８０ａおよび８０ｂを組み合わせることによって設けられるものである。たとえば、プロジェクター１２の内部に光軸が水平になるようにして光源装置１０を配置した場合には、発光部２８内におけるガスの対流の関係で発光部２８の上部の温度に比べて下部の温度が低くなる。そのような場合には、発光部２８の下部に対応する位置に欠如部８４を設けることによって、発光部２８の下部すなわち低温部の放熱を抑制することができ、上部と下部との温度差を解消することができる。これにより、発光部２８に生じた温度差に起因する動作の不具合を解消できる。

ただし、これらの実施例においても、導熱部材７０，７６および８０は、酸化物の焼結体であるとともに、超高圧放電灯１４における封止部３０の中央部（Ｌ／２の部分）を越えて発光部２８側へ延びて形成されている必要がある。

光源装置を示す断面図である。 導熱部材およびキャップを示す斜視図である。 導熱部材と封止部との接合状態を示す断面図である。 プロジェクターを示す模式図である。 アーク中止が移動する様子を示す図である。 反射光の方向を示す図である。 他の光源装置を示す断面図である。 図７の光源装置に用いた導熱部材を示す斜視図である。 他の光源装置を示す断面図である。 図９の光源装置に用いた導熱部材を示す斜視図である。 他の光源装置を示す断面図である。 他の光源装置を示す断面図である。 導熱部材の変形例を示す図である。 図１３の導熱部材（一体）を示す斜視図である。 図１３の導熱部材（半割）を示す斜視図である。

符号の説明

１０… 光源装置
１２… プロジェクター
１４… 超高圧放電灯
１６… リフレクター
１８… 導熱部材
２４… 直流電源
２６… パルス重畳装置
２８… 発光部
３０… 封止部
４０… 電極
４０ａ… 陽極
４０ｂ… 陰極
４２… 取付孔
４４… 放電灯取付部
４６… 導熱部

Claims (4)

1. ０．１５ｍｇ／ｍｍ³以上の水銀が封入された発光部内に陽極と陰極とからなる電極が配設されており、前記発光部の両端部から棒状に延びて２つの封止部が形成されている直流点灯式の超高圧放電灯、前記封止部の陽極側が挿通される取付孔と前記発光部から出射された光を反射する反射面とを有するリフレクター、および陽極側の前記封止部を覆うようにしてその中央部を越えて前記発光部側へ延びて形成された酸化物焼結体からなる導熱部材を備え、
   前記導熱部材には、前記超高圧放電灯における前記発光部の低温部に対応する位置に欠如部が設けられている光源装置。
2. 前記超高圧放電灯に与えられるランプ電流に対してパルス電流を重畳させるパルス重畳装置を備える、請求項１に記載の光源装置。
3. 前記リフレクターは金属によって構成されている、請求項１または２に記載の光源装置。
4. 前記金属は水銀と反応してアマルガムを生成する、請求項３に記載の光源装置。

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