JP4426435B2 - 超高圧放電ランプユニットおよび光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、映像素子に光を照射し、その映像素子に表示された情報を投影光学系によって投射対象物（スクリーン等）へ投射する投射型プロジェクターに用いられる、超高圧放電ランプユニットおよび光源装置に関する。

近年では、ビジネスにおけるプレゼンテーションの多様化により、投射型プロジェクターが急速に普及している。また、一般家庭においても、投射型プロジェクターを用いたホームシアター装置の使用が増えつつあり、さらに、テレビ画面の大型化に対する要請から、リアプロジェクションテレビの普及にも目覚ましいものがある。そして、これらの製品の主要部品である光源には、図７に示すように、超高圧放電ランプ１をリフレクター２に取り付けた光源装置３が用いられており、この光源装置３においては「明るさ向上」に対する強い要求がある。

そこで、従来では、（ａ）放電ランプ１の高圧化（０．１５ｍｇ／ｍｍ³以上の水銀封入）、放電ランプ１の小型化（管壁負荷０．８Ｗ／ｍｍ²以上）、ＤＣ放電ランプ１の採用による点光源化、または、光学系の改良等によって「明るさ向上」の要求に応じるようにしていた。（ｂ）また、放電ランプ１を高圧化すると、放電ランプ１が破裂する頻度が高くなるので、放電ランプ１をリフレクター２内に密閉することによって、破裂時における水銀および破片の拡散を防止するようにしていた。（ｃ）さらに、放電ランプ１を密閉すると、放電ランプ１の温度が高くなり過ぎて動作不良を生じるので、封止部４の外面に筒状の伝熱用金属部材５を取り付けることによって、放電ランプ１の発光部６で発生した熱を伝熱用金属部材５から外部へ逃がすようにしていた。

そして、従来、伝熱用金属部材５を封止部４に取り付ける際には、図８に示すように、筒状の伝熱用金属部材５を封止部４の外面に被せた後、伝熱用金属部材５の一方の端部を封止部４の端部に無機接着剤７（図７）で接合するようにしていた。なお、従来の伝熱用金属部材５を示した文献を発見できないため、先行技術文献の記載は省略する。

光源装置３（図７）において、放電ランプ１の発光部６で発生した熱をリフレクター２の外部へ効率よく逃がすためには、伝熱用金属部材５を発光部６の直近に配置することが望ましい。しかし、従来では、伝熱用金属部材５の一方の端部を封止部４の端部に接合していたので、伝熱用金属部材５が加熱により膨張すると、他方の端部が発光部６へ向けて大きく移動することとなり、伝熱用金属部材５を発光部６の直近に配置した場合（図７）には、他方の端部に押されて発光部６が破裂するおそれがあった。一方、発光部６の破裂を防止するために、伝熱用金属部材５と発光部６との間に所定のスペースを確保した場合には、このスペースによって伝熱用金属部材５による放熱効率が低下するという問題があった。

それゆえに、この発明の目的は、超高圧放電ランプの破裂を生じることなく、伝熱用金属部材による放熱効率を高めることができる、超高圧放電ランプユニットおよび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、「発光部１８の両端部に封止部２０が設けられた石英ガラスからなる放電容器２２と発光部１８内に配設されたタングステンからなる電極３０とを有する超高圧放電ランプ１４と、発光部１８と封止部２０との境界に端部が位置するようにして封止部２０の外面に取り付けられた筒状の伝熱用金属部材１６とを備え、発光部１８の内部には０．１５ｍｇ／ｍｍ³以上の水銀と希ガスとハロゲンとが封入されており、発光部１８の管壁負荷は０．８Ｗ／ｍｍ²以上である、超高圧放電ランプユニット１０であって、伝熱用金属部材１６は、発光部１８と封止部２０との境界から１０ｍｍ以内の位置で封止部２０の外面に固着されていることを特徴とする、超高圧放電ランプユニット１０」である。

この発明では、伝熱用金属部材１６が発光部１８と封止部２０との境界から１０ｍｍ以内の位置で封止部２０の外面に固着されているので、伝熱用金属部材１６の自由端から固着部Ａまでの長さは１０ｍｍ以内となる。したがって、伝熱用金属部材１６が熱膨張した際に、その自由端が発光部１８へ向けて移動するときの移動距離は、１０ｍｍ以内の長さに対する伸長分と極めて短距離となり、発光部１８が自由端に押されて破裂する心配はない。

請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した「超高圧放電ランプユニット１０」において、「伝熱用金属部材１６の側壁には接着窓３２が形成されており、接着窓３２において伝熱用金属部材１６と封止部２０とが接着されている」ことを特徴とする。

この発明では、伝熱用金属部材１６を封止部２０の外面に固着するための接着剤を接着窓３２から塗布することができるので、固着部Ａの位置を正確に設定できるとともに、固着作業を簡単に行うことができる。

請求項３に記載した発明は、「請求項１または２に記載の超高圧放電ランプユニット１０と、超高圧放電ランプユニット１０の発光部１８から出射された光を反射するリフレクター３４とを備える光源装置１２であって、超高圧放電ランプ１４の一方の封止部２０が、その外面に固着された伝熱用金属部材１６を介してリフレクター３４に取り付けられている、光源装置１２」である。

この発明は、請求項１または２に記載の超高圧放電ランプユニット１０を利用した光源装置１２に関するものである。

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１２」において、「他方の封止部２０の外面にも伝熱用金属部材１６が取り付けられており、その伝熱用金属部材１６は、発光部１８と封止部２０との境界から１０ｍｍ以内の位置で封止部２０の外面に固着されている」ことを特徴とする。

この発明では、発光部１８の両端部に設けられた封止部２０の両方に伝熱用金属部材１６が取り付けられており、各伝熱用金属部材１６から発光部１８の熱が放熱される。

請求項５に記載した発明は、請求項３または４に記載した「光源装置１２」において、「リフレクター３４は金属製であり、リフレクター３４と伝熱用金属部材１６とが溶接、ロウ付け、ハンダ付けまたは絞込みのうち少なくともいずれか１つの方法で固着されている」ことを特徴とする。

金属製のリフレクター３４と伝熱用金属部材１６とが接着されている場合には、接着強度が弱いためにランプ外れを生じるおそれがある。そこで、本発明では、溶接、ロウ付け、ハンダ付けまたは絞込みのような接着以外の方法によって、これらの金属部材どうしが接合されている。

請求項１〜５に記載した発明において、伝熱用金属部材が熱膨張すると、伝熱用金属部材の自由端から固着部までの部分（すなわち１０ｍｍ以内の長さ部分）が伸長した分だけ、自由端が発光部へ向けて移動する。しかし、自由端から固着部までの長さは１０ｍｍ以内と短く、この部分は極僅かしか伸長しない。したがって、発光部の直近に自由端が位置決めされているにも拘わらず、発光部が自由端に押されて破裂する心配はない。つまり、請求項１〜５に記載した発明によれば、超高圧放電ランプの破裂を生じることなく、伝熱用金属部材による放熱効率を高めることができる。

図１（Ａ）は、本発明が適用された超高圧放電ランプユニット１０を示す正面図であり、図１（Ｂ）は、超高圧放電ランプユニット１０を示す分解図である。また、図２は、超高圧放電ランプユニット１０を主要部品として用いた光源装置１２を示す断面図である。

超高圧放電ランプユニット（以下、単に「ランプユニット」という。）１０は、図１（Ａ）および（Ｂ）に示すように、超高圧放電ランプ（以下、単に「ランプ」という。）１４と、伝熱用金属部材１６とによって構成されている。

ランプ１４は、球状の発光部１８とその両端部に設けられた棒状の封止部２０とを有する石英ガラス製の放電容器２２を備えている。そして、放電容器２２における各封止部２０の内部には、一端が発光部１８の内部へ突出した電極棒２４と、一端が外部へ突出したリード棒２６と、電極棒２４の他端とリード棒２６の他端とを電気的に接続するモリブデン箔２８とが配設されており、発光部１８の内部における電極棒２４の端部間には、タングステン電極３０が設けられている。

また、発光部１８の内部には、０．１５ｍｇ／ｍｍ³以上の水銀と希ガスとハロゲンとが封入されており、発光部１８の管壁負荷は０．８Ｗ／ｍｍ²以上に設定されている。なお、水銀の封入量を０．１５ｍｇ／ｍｍ³以上としたのは、高圧化によって「明るさ向上」を図るためであり、発光部１８の管壁負荷を０．８Ｗ／ｍｍ²以上としたのは、発光部１８の小型化によって「明るさ向上」を図るためである。

伝熱用金属部材１６は、ランプ１４の発光部１８で発生した熱を放熱するものであり、ニッケル、ステンレス、コバール、アルミニウム、真鍮、クロム、ニッケル−クロム合金、銅、銅−ニッケル合金等のような熱伝導率の高い金属材料によって筒状に形成されている。伝熱用金属部材１６の内径は、その内面とランプ１４における封止部２０の外面とが接触し得るように、封止部２０の外径とほぼ同じサイズに設定されている。一方、伝熱用金属部材１６の長さは、特に限定されるものではないが、図１実施例では、封止部２０の長さとほぼ同じ長さに設定されている。また、伝熱用金属部材１６の側壁には、伝熱用金属部材１６と封止部２０との固着部Ａに接着剤を塗布するための接着窓３２が、発光部１８に臨まされる側の端部（すなわち自由端）から１０ｍｍ以内の位置に形成されている。

そして、ランプユニット１０を組み立てる際には、図１（Ｂ）に示すように、ランプ１４を構成する一方の封止部２０の外面に、伝熱用金属部材１６が被せられ、この伝熱用金属部材１６が、接着窓３２から固着部Ａに塗布された無機接着剤によって封止部２０の外面に固着される。

このとき、伝熱用金属部材１６の発光部１８に臨まされる側の端部（すなわち自由端）は、発光部１８で発生した熱を伝熱用金属部材１６へ直ちに伝播して効率よく放熱し得るように、発光部１８と封止部２０との境界に位置決めされる。したがって、固着部Ａは、発光部１８と封止部２０との境界から１０ｍｍ以内の位置に配置されることとなり、この位置において伝熱用金属部材１６が封止部２０の外面に固着されることになる。

ランプユニット１０を用いて光源装置１２を構成する際には、図２に示すように、リフレクター３４と前面カバー３６とが準備され、ランプユニット１０を構成するランプ１４の一方の封止部２０が、その外面に固着された伝熱用金属部材１６を介してリフレクター３４に取り付けられ、また、リフレクター３４の開口部に前面カバー３６が取り付けられる。

リフレクター３４は、光反射面３４ａを有する碗状部材であり、リフレクター３４の中央部には、ランプ１４の一方の封止部２０が挿通される取付孔３８を構成する筒状の放電ランプ取付部４０が形成されている。リフレクター３４の材質としては、ガラスや金属を用いることが可能であるが、図２に示したリフレクター３４はガラス製である。

前面カバー３６は、リフレクター３４の開口部を封鎖する板状部材であり、石英ガラス等のような透光性の材料によって形成されている。この前面カバー３６によって、ランプ１４が破裂した際に水銀や破片が拡散するのが防止され得る。

ランプユニット１０をリフレクター３４に取り付ける際には、伝熱用金属部材１６が固着された側の封止部２０が、伝熱用金属部材１６とともに放電ランプ取付部４０の取付孔３８内へ挿通され、伝熱用金属部材１６と放電ランプ取付部４０とが無機接着剤４２によって接合される。

光源装置１２は、投射型プロジェクター（図示省略）の光源としてそのハウジング内に組み込まれ、使用時には、光源装置１２から出射された光が、フライアイレンズ、ＬＣＤおよび投射レンズ等の光学機器を通してスクリーンへ投射される。

この実施例によれば、伝熱用金属部材１６の端部（自由端）を発光部１８と封止部２０との境界に位置決めしているので、発光部１８で発生した熱を伝熱用金属部材１６に伝播させて効率よく放熱することができる。また、伝熱用金属部材１６は、発光部１８と封止部２０との境界から１０ｍｍ以内の位置で封止部２０の外面に固着されているので、伝熱用金属部材１６の自由端から固着部Ａまでの長さは１０ｍｍ以内となる。したがって、伝熱用金属部材１６が加熱膨張した場合でも、発光部１８へ向けて移動する自由端の移動距離は極めて短く、自由端に押されて発光部１８が破裂する心配はない。

なお、「１０ｍｍ」という数値は、発明者等が実験により求めた数値である。以下には、その実験の方法および結果について説明する。

［実験１］
実験方法： 発光部１８と封止部２０との境界から固着部Ａまでの距離Ｌが０ｍｍ，５ｍｍ，１０ｍｍ，１１ｍｍ，１２ｍｍ，１３ｍｍであるランプユニット１０（図１）を試料として３個ずつ準備し、これらの試料を密閉容器内で所定時間点灯させたときのランプ１４の破裂の有無と、破裂が生じた場合の連続点灯時間とを記録した（表１）。なお、各試料を構成するランプ１４には以下のものを用い、伝熱用金属部材１６にはニッケル製のものを用いた。

ランプ…１２０Ｗ，ＤＣランプ、水銀量…０．２３ｍｇ／ｍｍ³、管壁負荷…０．９５Ｗ／ｍｍ²、ハロゲン…臭素、アーク長…１．０ｍｍ
実験結果： 実験結果は、表１の通りである。表１より、距離Ｌが１０ｍｍ以内である場合にランプ１４の破裂を防止できることが分かる。

［実験２］
実験方法： 発光部１８と封止部２０との境界から固着部Ａまでの距離Ｌが０ｍｍ，５ｍｍ，１０ｍｍ，１１ｍｍ，１２ｍｍであるランプユニット１０を３個ずつ準備し、これらのランプユニット１０と硬質ガラス製のリフレクター３４とを用いて試料としての光源装置１２（図２）を構成し、所定時間点灯させたときのランプ１４の破裂の有無と、破裂が生じた場合の連続点灯時間とを記録した（表２）。なお、各試料を構成するランプ１４には以下のものを用い、伝熱用金属部材１６にはニッケル製のものを用いた。

ランプ…１２０Ｗ，ＤＣランプ、水銀量…０．２３ｍｇ／ｍｍ³、管壁負荷…０．９５Ｗ／ｍｍ²、ハロゲン…臭素、アーク長…１．０ｍｍ
実験結果： 実験結果は、表２の通りである。表２より、距離Ｌが１０ｍｍ以内である場合にランプ１４の破裂を防止できることが分かる。

なお、図２の実施例では、ガラス製のリフレクター３４を用いた場合を示したが、これに代えて、ステンレス等のような金属製のリフレクター３４を用いるようにしてもよい。この場合には、図３に示すように、ランプユニット１０の端部にアルミナまたはセラミック等からなるベース４４を装着し、伝熱用金属部材１６およびベース４４を金属製のリフレクター３４に無機接着剤４２で接合してもよいし、図４に示すように、伝熱用金属部材１６を金属製リフレクター３４に溶接、ロウ付け、ハンダ付け等の接着以外の方法で固着してもよいし、金属製リフレクター３４の絞込みによって伝熱用金属部材１６を固着してもよい（図示省略）。

このような金属製のリフレクター３４を用いた場合でも、発光部１８と封止部２０との境界から固着部Ａまでの距離Ｌが１０ｍｍ以内であるときにランプ１４の破裂を防止できることが、以下の実験により確認されている。

［実験３］
実験方法： 発光部１８と封止部２０との境界から固着部Ａまでの距離Ｌが０ｍｍ，５ｍｍ，１０ｍｍ，１１ｍｍ，１２ｍｍであるランプユニット１０を３個ずつ準備し、これらのランプユニット１０と金属製のリフレクター３４とアルミナ製のベース４４とを用いて試料としての光源装置１２（図３）を構成し、所定時間点灯させたときのランプ１４の破裂の有無と、破裂が生じた場合の連続点灯時間とを記録した（表３）。なお、各試料を構成するランプ１４には以下のものを用い、伝熱用金属部材１６にはニッケル製のものを用いた。

ランプ…１５０Ｗ，ＤＣランプ、水銀量…０．２２ｍｇ／ｍｍ³、管壁負荷…１．２Ｗ／ｍｍ²、ハロゲン…臭素、アーク長…１．１ｍｍ
実験結果： 実験結果は、表３の通りである。表３より、距離Ｌが１０ｍｍ以内である場合にランプ１４の破裂を防止できることが分かる。

［実験４］
実験方法： 発光部１８と封止部２０との境界から固着部Ａまでの距離Ｌが０ｍｍ，５ｍｍ，１０ｍｍ，１１ｍｍ，１２ｍｍであるランプユニット１０を３個ずつ準備し、これらのランプユニット１０を金属製のリフレクター３４に「銀ロウ付け」で固着することによって試料としての光源装置１２（図４）を構成し、所定時間点灯させたときのランプ１４の破裂の有無と、破裂が生じた場合の連続点灯時間とを記録した（表４）。

また、５０個の光源装置１２（図４）について、５０００時間点灯したときの「銀ロウ付け」による固着箇所の外れの有無を確認した。さらに、５個の光源装置１２（図４）について、「銀ロウ付け」による固着箇所の引っ張り強度を調べた。

なお、各試料を構成するランプ１４には以下のものを用い、伝熱用金属部材１６にはニッケル製のものを用いた。

ランプ…１５０Ｗ，ＤＣランプ、水銀量…０．２２ｍｇ／ｍｍ³、管壁負荷…１．２Ｗ／ｍｍ²、ハロゲン…臭素、アーク長…１．１ｍｍ
実験結果： 「破裂の有無」を調べる実験の結果は表４の通りである。表４より、距離Ｌが１０ｍｍ以内である場合にランプ１４の破裂を防止できることが分かる。また、「固着箇所の外れ」の発生件数は０件であり、固着箇所の引っ張り強度は１０Ｋｇ以上であった。これらの結果から、高い固着強度を得られることが確認できた。

また、上述の各実施例では、ランプ１４の一方の封止部２０にだけ伝熱用金属部材１６を取り付けるようにしているが、図５に示すように、両方の封止部２０に伝熱用金属部材１６を取り付けるようにしてもよい。この場合でも、発光部１８と封止部２０との境界から固着部Ａまでの距離Ｌが１０ｍｍ以内であるときにランプ１４の破裂を防止できることが、以下の実験により確認されている。

［実験５］
実験方法： 発光部１８と封止部２０との境界から各固着部Ａまでの距離Ｌが０ｍｍ，５ｍｍ，１０ｍｍ，１１ｍｍ，１２ｍｍであるランプユニット１０を３個ずつ準備し、これらのランプユニット１０とガラス製のリフレクター３４とセラミック製のベース４４とを用いて試料としての光源装置１２（図５）を構成し、所定時間点灯させたときのランプ１４の破裂の有無と、破裂が生じた場合の連続点灯時間とを記録した（表５）。

また、３個の光源装置１２（図５）について、８０００時間点灯したときの「ランプ１４の上部温度」と、「照度維持率の経時的な変化」とを調べ、これらを片方の封止部２０にだけ伝熱用金属部材１６を取り付けた光源装置１２（図２）についての実験結果と比較した。

なお、各試料を構成するランプ１４には以下のものを用い、伝熱用金属部材１６にはステンレス製のものを用いた。

ランプ…１２０Ｗ，ＤＣランプ、水銀量…０．２３ｍｇ／ｍｍ³、管壁負荷…１．２Ｗ／ｍｍ²、ハロゲン…臭素、アーク長…１．０ｍｍ
実験結果： 「破裂の有無」を調べる実験の結果は表５の通りである。表５より、距離Ｌが１０ｍｍ以内である場合にランプ１４の破裂を防止できることが分かる。また、ランプ１４の上部温度は表６の通りであり、「度維持率の経時的な変化」は図６のグラフに示した通りである。表６および図６のグラフから、ランプ１４の温度を低下させて照度維持率を高められることが分かる。つまり、ランプ１４の長寿命化を達成できることが分かる。

超高圧放電ランプユニットを示す正面図および分解図 光源装置（ガラス製リフレクター）を示す断面図 光源装置（金属製リフレクター）を示す断面図 光源装置（金属製リフレクター）を示す断面図 光源装置（両方の封止部に伝熱用金属部材を固着）を示す断面図 図５実施例における照度維持率の経時的変化を示すグラフ 従来の光源装置を示す断面図 従来の超高圧放電ランプユニットを示す分解図

符号の説明

１０… 超高圧放電ランプユニット
１２… 光源装置
１４… 超高圧放電ランプ
１６… 伝熱用金属部材
１８… 発光部
２０… 封止部
３２… 接着窓
３４… リフレクター
４０… 放電ランプ取付部
４２… 無機接着剤
４４… ベース

Claims (5)

1. 発光部の両端部に封止部が設けられた石英ガラスからなる放電容器と前記発光部内に配設されたタングステンからなる電極とを有する超高圧放電ランプと、前記発光部と前記封止部との境界に端部が位置するようにして前記封止部の外面に取り付けられた筒状の伝熱用金属部材とを備え、前記発光部の内部には０．１５ｍｇ／ｍｍ³ 以上の水銀と希ガスとハロゲンとが封入されており、前記発光部の管壁負荷は０．８Ｗ／ｍｍ²以上である、超高圧放電ランプユニットであって、
   前記伝熱用金属部材は、前記発光部と前記封止部との境界から１０ｍｍ以内の位置で前記封止部の外面に固着されていることを特徴とする、超高圧放電ランプユニット。
2. 前記伝熱用金属部材の側壁には接着窓が形成されており、前記接着窓において前記伝熱用金属部材と前記封止部とが接着されている、請求項１に記載の超高圧放電ランプユニット。
3. 請求項１または２に記載の超高圧放電ランプユニットと、前記超高圧放電ランプユニットの前記発光部から出射された光を反射するリフレクターとを備える光源装置であって、
   前記超高圧放電ランプの一方の前記封止部が、その外面に固着された前記伝熱用金属部材を介して前記リフレクターに取り付けられている、光源装置。
4. 他方の前記封止部の外面にも前記伝熱用金属部材が取り付けられており、その伝熱用金属部材は、前記発光部と前記封止部との境界から１０ｍｍ以内の位置で前記封止部の外面に固着されている、請求項３に記載の光源装置。
5. 前記リフレクターは金属製であり、前記リフレクターと前記伝熱用金属部材とが溶接、ロウ付け、ハンダ付けまたは絞込みのうち少なくともいずれか１つの方法で固着されている、請求項３または４に記載の光源装置。

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