JP4608937B2

JP4608937B2 - 光源装置

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Publication number: JP4608937B2
Application number: JP2004139376A
Authority: JP
Inventors: 弘久岩林
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2004-05-10
Filing date: 2004-05-10
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2024-05-10
Also published as: JP2005322501A; CN1696821A; TWI332671B; CN100524009C; TW200537550A

Description

この発明は高圧放電ランプとその凹面反射鏡よりなる光源装置に関する。特に、発光管内に０．２５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀が封入されて点灯時の水銀蒸気圧が超高圧となる超高圧水銀ランプを光源とした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に使われる光源装置に関する。

投射型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る。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。

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、特許第２９８０８８２号に開示されている。

一方、プロジェクター装置に使用する光源装置は、光源ランプからの放射光を光軸方向に効率よく反射させて、液晶表示パネルなどの被照射領域に照射する必要がある。光源装置は、通常、ショートアーク型放電ランプと、この放電ランプから放射される光を平行光に変換するための凹面反射鏡が採用される。
近年、液晶プロジェクター装置やＤＭＤを使ったＤＬＰ装置は小型化が強く求められ、これに応じて、光源装置も小型化が求められている。また、被照射物である液晶表示パネル自体も小型化されていることも、光源装置の小型化が要請される理由の一つである。

光源装置は、以下の性能が強く求められる。
第一に、反射鏡自身の強度が高いことである。放電ランプは点灯時の内圧が超高圧（例えば、１５０気圧以上）であるから、万一、放電ランプが破損した場合に、その影響が光源装置外部に及ばないようにするためである。
第二に、反射鏡およびその内部の放電ランプを良好に冷却できることである。放電ランプの点灯時温度が極めて高いことから反射鏡も極めて高温になるからである。従って、反射鏡の熱伝導度を高くするとともに、反射鏡の外部に冷却風を当てることで内部を容易に冷却できることが必要になる。
第三に、反射鏡内面にコーティングされた可視光反射用の誘電体多層膜が歪んだり凹凸を生じたりすることなく、滑らかに形成させることである。
特開平２−１４８５６１号特開平６−５２８３０号特許第２９８０８８２号

この発明が解決しようとする課題は、上記３つの要求を全て満たす光源装置を提供することである。

上記課題を解決するために、この発明の光源装置は高圧放電ランプと凹面反射鏡よりなる。そして、前記凹面反射鏡は、銅、鉄あるいはこれらの合金よりなる基体と、この基体の内表面に設けられた熱線吸収機能と反射面平滑機能を有する中間層と、この中間層上に設けられた誘電体多層膜よりなる可視光反射層からなり、かつ、前面開口縁に径方向に拡開した１°〜７５°の範囲から選択された角度を有する傾斜が形成されたことを特徴とする。

さらに、高圧放電ランプは、放電容器内に０．２５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀が封入されることを特徴とする。

本発明の光源装置は、反射鏡の基体金属を銅、鉄あるいはこれらの合金によって構成することで、機械的強度を高めて耐破損性を向上できるとともに、反射鏡内部を概略密閉構造にしても効果的に冷却することができる。
また、反射鏡内部にシリカを主成分とする中間層を設けることで可視光反射層を反射鏡の基体金属に密着することができる。従って、反射特性のあまり高くない銅、鉄あるいはこれらの合金を基体金属として採用しても十分な可視光を放射することが可能となり、プロジェクター装置に好適に採用することができる。

さらに、反射鏡の基体金属を融点が高い銅、鉄あるいはこれらの合金とすることで、中間層の焼結処理を高い温度によって行うことができる。これにより、中間層を反射鏡の基体金属に滑らかに、かつ歪みなどを形成することなく設けることができ、結果として可視光反射層の同様に設けることができる。
また、凹面反射鏡の前面開口縁は径方向に拡開した傾斜面を有するため、前記中間層を基体金属に付着させた後に乾燥させる工程において、不所望な溜まりの発生を防止できる。

図１は本発明の光源装置を説明するための概略構成図を示す。
光源装置は、ショートアーク型超高圧放電ランプ１０（以後、単に「放電ランプ」ともいう）と、この放電ランプ１０を取り囲む凹面反射鏡２０より構成され、凹面反射鏡２０の光軸Ｌと放電ランプ１０のアーク方向がほぼ一致するとともに、放電ランプ１０のアーク輝点が凹面反射鏡２０の第一焦点に一致するように配置されている。

放電ランプ１０の放電容器は、大略球状の発光部１１と、この発光部１１の両端に続くロッド状の封止部１２ａ、１２ｂより構成されており、発光部１１内には一対の電極が対向配置している。放電ランプ１０の封止部１１ａは凹面反射鏡２０の頂部２１の開口に挿入されて、封止部１２ａの先端の口金が接着剤１３を介して凹面反射鏡２０の頂部２１に取り付けられている。封止部１２ａの先端からは給電リード１４ａが突出しており、給電線１５ａを介して図示略の給電装置と電気的に接続される。一方、封止部１２ｂ側にも先端に給電リード１４ｂが突出しており給電線１５ｂが凹面反射鏡２０の開口を介し外部に伸びて給電装置に接続する。
凹面反射鏡２０の頂部２１の外側には、例えば、セラミックス材料などから構成される支持部材１６が配置されており、凹面反射鏡２０は接着剤により支持部材１６に固定される。

凹面反射鏡２０は全体が概略お椀状の楕円集光鏡であって、頂部２１と反射部２２と前面開口部２３より構成される。反射部２２の内面には、後述する中間層３０と可視光反射層４０が形成されており、所望の可視波長域の光を反射するとともに、それ以外の光、例えば赤外光を透過させて反射部２２に吸収される。
前面開口部２３には、例えば、ホウ珪酸ガラスなどからなる光透過性の前面ガラス２４２３が枠部材２５を介して装着される。
前面ガラス２４を設けることで凹面反射鏡２０の内部をほぼ密閉構造にできる。このため、万一、放電ランプ１０が破損した場合などにおいて、破片が散乱することを防止できる。
なお、前面ガラス２４は、破片の飛散防止には有効であるが必須のものではない。特に、放電ランプを冷却する必要性が高い場合などにおいて前面ガラスを設けないことも可能である。また、凹面反射鏡の外部であって、反射鏡の前面に実質的に前面ガラスに相当する部材が配置される場合などは、当該反射鏡に前面ガラスを取り付ける必要はない。
さらに、前面ガラス２４を取り付ける場合に、反射鏡２０の内部を完全に密閉構造とするのではなく、一部に冷却用開口を設けることもできる。この冷却用開口は、例えば枠部材２５に形成したり、反射部２２の一部に切り欠きとして設けることもできる。
なお、傾斜部２２０については後述する。

凹面反射鏡２０は、銅（Ｃｕ）により構成したり、鉄（Ｆｅ）により構成したり、あるいはこれらの合金より構成される。通常、プロジェクター装置に使われる反射鏡のようにホウ珪酸ガラス、結晶化ガラス、セラミックス材料から構成されるものとは相違している。
また、凹面反射鏡２０の反射部２２の内面には、可視光反射層４０がコーティングされており、可視光反射層４０と反射部２２の間に中間層３０が設けられる。
放熱効果を期待する場合には、鉄より銅により凹面反射鏡を構成することが好ましい。

凹面反射鏡２０を銅、鉄あるいはこれらの合金より構成する理由は、第一に反射鏡の強度を強くするためである。凹面反射鏡２０をこれら金属により構成することで、万一、放電ランプが破損した場合にも反射鏡自体が連鎖的に破損することを防止できる。また、放電ランプの破片や残骸を反射鏡内部で確保できるとともに、反射鏡外部に配置する他の周辺機器への悪影響を防止できる。特に、前記したように前面ガラスを設けて密閉タイプを形成する光源装置の場合は、凹面反射鏡内部が高温になりやすいため、反射鏡の機械的強度を高めて破損対策を強めることは大きな意味がある。

銅合金について、一例をあげると、銅−亜鉛（Ｃｕ―Ｚｎ）系合金、銅−ニッケル系合金（Ｃｕ−Ｎｉ）系合金、銅−ニッケル−亜鉛系合金（Ｃｕ−Ｎｉ−Ｚｎ）などが採用できる。
鉄合金について、一例をあげると、ステンレス鋼（オーステナイト系、フェライト系、マルテンサイト系）、クロムモリブデン鋼などが採用できる。

銅、鉄あるいはこれらの合金は、一般的特性として反射特性が優れておらず、また、反射膜を直接塗布したり、コーティングを施すことが困難である。このため、一般照明やその他の分野においては使用できるかもしれないが、映像表示に使うプロジェクター装置の反射鏡材料としては不向きであるとされてきた。
しかしながら、本発明の光源装置は、熱線吸収機能と反射面平滑化機能を有する中間層を使うということで、従来不向きとされていた問題を解決することができ、反射特性の優れた可視光反射層を極めて精度良くコーティングできるようになったわけである。
つまり、本願発明の光源装置は、中間層の採用という新規な発明とともに、それに併せて反射鏡材料を改良するものであり、これにより、反射特性を衰えさせることなく光取り出し効率を従来レベルに維持できるととともに、かつ、反射鏡の機械的強度を画期的に高めることができるということに大きな特徴を有している。

中間層は、例えばシリカを主成分とする材料からなり、凹面反射鏡２０の内表面に形成される。この中間層は、銅、鉄あるいはこれらの合金からなる反射鏡の基体金属と可視光反射層との接合をする接着剤的な役割を担うものである。
具体的には、中間層は基体金属を構成する金属の酸化物を含むシリカ質酸化物であることから熱線を吸収する機能を有するとともに、シリカを主成分とことから反射面を平滑にする機能も有する。この中間層の上に誘電体多層膜からなる可視光反射層４０が形成される。

また、中間層は、反射鏡を構成する基体金属との接着性向上にあり、基体金属が熱的に膨張や収縮を起こしたとしても、反射鏡内面に形成された各層が影響を受けて、同様に浮き上がったり、剥がれ落ちたりしない。また、金属酸化物を含むことから熱を吸収する機能を持ち、これにより反射鏡に対して冷却風を吹き付けることで当該反射鏡を良好に冷却できるという利点がある。
さらに、可視光反射層を塗布するための下地であり、基体金属の種類に関わらず、可視光反射層を塗布させることである。

中間層の膜の厚さは、例えば、１ｍｍ以下とされるが、５００μｍ以下であることが好ましく、特に２００〜３００μｍであることが好ましい。
中間層の厚さが１ｍｍを超えると、中間層を構成する材料と、基体金属を構成する金属との熱膨張率の差に起因して当該中間層にクラックが入るおそれがあるからである。

中間層は、原液を反射鏡内面に塗布したあと、加熱処理および乾燥処理をすることで装着できる。原液は、シリカ（ＳｉＯ２）を主成分として、長石、炭酸カリウム、硝酸ナトリウム、酸化コバルト、酸化ニッケルなどの混合物からなる。この混合物を溶融して、固化することでガラス質フリットを生成することができ、このガラス質フリットを粉砕した後、その粉を水などに混合することで調整される。
反射鏡内面への塗布は、例えば、スプレー法、浸漬法（ディッピング法）などにより行なわれる。

反射鏡内面に塗布された原液は加熱処理に施される。加熱温度は反射鏡の基本金属が変形しない温度以下であり、当該基体金属の種類にもよるが銅や銅合金の融点である１０８３℃近くまで設定することができる。具体的には、８００〜９００℃で加熱している。また、鉄あるいは鉄合金の場合も融点である１５３５℃近くまで設定することができ、具体的には、１２００〜１４００℃で加熱できる。
加熱時間は、反射鏡の基本金属の種類や厚さによっても異なるが、例えば１〜５分となる。
ここで、反射鏡の基体金属の候補として、反射特性の優れたアルミニウムも考えられる。しかしながら、アルミニウムは融点が６６０℃程度と、銅、鉄あるいはこれらの合金に比べて極端に低い。このため中間層の加熱温度が当該温度を超えると反射鏡自体の変形を導くことから加熱温度は極端に制限されてしまう。この加熱温度の制限こそが中間層の反射鏡への完全は塗布を妨げる原因となり、歪みや不所望な変形を導いてしまう。
本願発明は、反射鏡の基体金属の材料として、中間層が反射鏡の内面に歪みなどを生じることなく滑らかに形成できるように、高温加熱処理に耐えられる銅、鉄あるいはこれらの合金を採用したことが特徴である。これにより、高い反射特性が確保できるとともに、銅、鉄あるいはこれらの合金の高い熱伝導性により、反射鏡外部の冷却風を流すことによる反射鏡内部の冷却効果は著しく高いものがある。

図３は乾燥処理の状態を示す。すなわち、基体金属に中間層を塗布した後の乾燥処理の状態を示す。
反射鏡２０（半製品）は、前面開口を下方にして設定台Ｅの表面に所定時間放置する。これにより中間層を乾燥させることができる。上記形態で置く理由は、反射鏡が曲面部分を有する形態であり、前面開口を下方にすることが安定にできるからである。このため多少の振動が発生したとしても反射鏡は反転することはない。このような乾燥処理は、例えば０．５〜２．０時間程度行なわれる。ここで、図３に示す反射鏡（半製品）は、後述する傾斜部は記載していない。

図４は反射鏡２０（反射部２２）の前面開口縁の部分拡大図を示すもので、（ａ）は従来の反射鏡の前面開口を示し、（ｂ）は本発明の反射鏡の前面開口を示す。
（ａ）図に示すように、従来の反射鏡は、反射部２２の基体金属が同じ厚みのまま凹面形状を形成するように開口縁まで伸びている。このため、乾燥処理では溜まり部３１が発生する。溜まり部３１は中間層３０の素材（シリカを主成分とする材料）が自重により自然に発生するものである。
この溜まり部３１は、ランプからの放射光を遮光したり、あるいは枠部材や前面ガラスとの接合に影響を与える。また、溜まり部３１をヤスリなどにより除去ことも可能ではあるが、乾燥処理の後に当該切削処理が別途必要になってしまう。
一方、（ｂ）図に示すように、本発明に係る反射鏡は乾燥処理において溜まり部が発生することはない。あるいは、溜まり部が発生しても実質的に影響がないほど小さなものにできる。なぜなら、前面開口縁に径方向に拡開する傾斜部２２０を有するため、中間層の素材は当該傾斜部２２０に沿って垂下るからである。
数値例をあげると、傾斜部２２０の傾斜角度θは１°〜７５°であり、例えば４５°である。反射部２２の厚みは、傾斜開始位置２２０ａで例えば２．０ｍｍ、傾斜終了位置２２０ｂで例えば０．５ｍｍである。
もちろん、傾斜部の角度は、乾燥処理の時間、中間層の材料、中間層の厚みなどを考慮して設定する。

図５は本発明に係る反射鏡の他の形態を示す。
（ａ）は反射部２２の先端部を外方に広げることで傾斜部２２０を形成している。すなわち、図４（ｂ）に示す形態のように反射部２２の厚みが前方開口に向かうにつれて縮小するのではなく、反射部２２そのものを外方に広げて傾斜部２２０を形成している。
（ｂ）は反射部２２の先端部に傾斜部２２０に相当する凹部２２０’を形成している。従って、厳密な意味において、径方向に拡開する傾斜を形成しているわけではないが、溜まり部の形成を防止できる。

図４（ｂ）、図５（ａ）（ｂ）のような傾斜部を形成することで、中間層は、不所望な溜まり部を形成することなく、滑らかに、かつ歪みなどを形成することなく形成できる。
中間層が形成できた後に、可視光反射層がコーティングされる。

可視光反射層は、例えばシリカ（ＳｉＯ２）層とチタニア（ＴｉＯ２）層が交互に積層されてなる、全体で厚さ０．５〜１０μｍの誘電体多層膜からなるものであって、主として赤外線領域および紫外線領域の光を透過するとともに、可視光を反射する機能を有している。各層の厚さは、例えば１００〜２００ｎｍであって、例えば３０層形成される。

以上のように本発明の光源装置は、第一に反射鏡の基体金属を銅、鉄あるいはこれらの合金によって構成することで、機械的強度を高めて耐破損性を向上できるとともに、反射鏡内部を概略密閉構造にしても効果的に冷却することができる。第ニに反射鏡内部にシリカを主成分とする中間層を設けることで可視光反射層を反射鏡の基体金属に密着することができる。従って、反射特性のあまり高くない銅、鉄あるいはこれらの合金を基体金属として採用しても十分な可視光を放射することが可能となり、プロジェクター装置に好適に採用することができる。第三に、反射鏡の基体金属を融点が高い銅、鉄あるいはこれらの合金とすることで、中間層の焼結処理を高い温度によって行うことができる。また、反射鏡の先端に径方向に拡開した傾斜部を形成することにより、中間層を反射鏡の基体金属に滑らかに、かつ歪みなどを形成することなく設けることができ、結果として可視光反射層の同様に設けることができる。

図２は本発明の光源装置に使われる高圧放電ランプの全体構成を示す。
放電ランプ１０は、石英ガラスからなる放電容器によって形成された大略球形の発光部１１を有し、この発光部１１内には、陽極２と陰極３が互いに対向するよう配置している。また、発光部１１の両端部から伸びるよう各々封止部１２が形成され、これらの封止部１２には、通常モリブデンよりなる導電用金属箔４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。金属箔４の一端は陽極２あるいは陰極３が接合しており、金属箔４の他端は外部リード１６が接合している。
陰極３の先端にはコイル３１が巻きつけられる。このコイル３１はタングステンからなり、強固に巻き付けるかあるいは溶着させて構成する。コイル３１点灯始動時は表面の凹凸効果により始動の種（始動開始位置）として機能するとともに、点灯後は表面の凹凸効果と熱容量によって放熱機能を担っている。

発光部１１には、水銀と、希ガスと、ハロゲンガスが封入されている。
水銀は、必要な可視光波長、例えば、波長３６０〜７８０ｎｍという放射光を得るためのもので、０．２５ｍｇ／ｍｍ^３以上封入されている。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。
希ガスは、例えば、アルゴンガスが約１３ｋＰａ封入され、点灯始動性を改善する。
ハロゲンは、沃素、臭素、塩素などが水銀その他の金属との化合物の形態で封入する。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ものであって、そ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は放電容器の破損、失透の防止という作用があると考えられる。

このような放電ランプの数値例を示すと、例えば、発光部の外径はφ６．０〜１５．０ｍｍの範囲から選ばれて例えば９．５ｍｍ、電極間距離は０．５〜２．０ｍｍの範囲から選ばれて例えば１．５ｍｍ、発光管内容積は４０〜３００ｍｍ^３の範囲から選ばれて例えば７５ｍｍ^３である。点灯条件は、例えば、管壁負荷０．８〜２．０Ｗ／ｍｍ²範囲から選ばれて例えば１．５Ｗ／ｍｍ²というものであり、定格電圧８０Ｖ、定格電力２００Ｗである。
また、この放電ランプは、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る。
そして、放電ランプは、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。

凹面反射鏡２０の数値例を示すと、内容積は１０^３〜１０^６ｍｍ^３の範囲から選択されて、例えば９×１０^４ｍｍ^３、反射部の基体金属の厚みは、１〜３ｍｍの範囲から選択されて、例えば２ｍｍ、前面開口径はφ１０〜１５０ｍｍの範囲から選択されて、例えば５０ｍｍ、前面開口から頂部先端までの軸方向の長さは１０〜１５０ｍｍの範囲から選択されて、例えば３５ｍｍである。
前面ガラス２４の数値例を示すと、厚さが１〜５ｍｍの範囲から選択されて、例えば３ｍｍである。

上記実施例では、凹面反射鏡２０の前面開口に前面ガラスを設けているが、前面ガラスを設けない実施形態も可能である。
また、凹面反射鏡２０の前面開口に前面ガラスを設けた場合であっても、一部に冷却風導入用の孔を設けることもできる。
また、凹面反射鏡２０からの放散を高める機構として、反射鏡裏面に放熱器を設けることも有効な手段である。

上記実施例では直流点灯型の放電ランプについて説明したが、交流点灯型放電ランプにも適用することができる。
放電ランプは、超高圧水銀ランプに限定されず、メタルハライドランプ、キセノンランプ、低圧放電ランプ、無電極放電ランプなどに採用することができる。

本発明の光源装置を示す。本発明の光源装置に使う放電ランプを示す。本発明に係る反射鏡を示す。（ａ）は従来の反射鏡を示し、（ｂ）は本発明の反射鏡を示す。本発明に係る反射鏡を示す。

符号の説明

１０放電ランプ
２０凹面反射鏡
２１頂部
２２反射部
２３前面開口部
３０中間層
４０可視光反射層
２２０傾斜部

Claims

高圧放電ランプと、この高圧放電ランプを取り囲む凹面反射鏡よりなる光源装置において、
前記凹面反射鏡は、銅、鉄あるいはこれらの合金よりなる基体と、この基体の内表面に設けられた熱線吸収機能と反射面平滑機能を有する中間層と、この中間層上に設けられた誘電体多層膜よりなる可視光反射層からなり、
かつ、前面開口縁に径方向に拡開した１°〜７５°の範囲から選択された角度を有する傾斜が形成されたことを特徴とする光源装置。
前記高圧放電ランプは、放電容器内に０．２５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀が封入されることを特徴とする請求項１記載の光源装置。