JP4783363B2

JP4783363B2 - 高圧放電ランプ、ランプユニット及び画像表示装置

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Publication number: JP4783363B2
Application number: JP2007514655A
Authority: JP
Inventors: 匡宏山本; 俊介小野; 稔小笹; 勝池田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-04-21
Filing date: 2006-04-20
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2026-04-20
Also published as: JPWO2006115180A1; WO2006115180A1; US7744249B2; US20100027272A1

Description

本発明は、高圧放電ランプ、当該高圧放電ランプを備えたランプユニット及び画像表示装置に関する。

高圧放電ランプの中でも、発光物質として水銀が封入されている高圧水銀ランプは、近年、液晶プロジェクタ用の光源として注目されている。
このような高圧水銀ランプは、放電空間内に、一対の電極が対向して配設されており、この一対の電極間でアーク放電を持続させることで点灯を維持する。点灯開始時においては、直ちに電極の先端同士でアーク放電が発生するのではなく、まず、放電空間内に突出している電極の根元部（以下、単に「電極根元部」という。）から放電が開始する。すなわち、一方の電極根元部から他方の電極根元部へ（もしくは他方の電極の先端へ）と、放電空間を構成している放電容器の内面に沿って放電する。

このような電極根元部からの放電（以下、「根元放電」という。）は、放電空間内の温度が低く、水銀蒸気圧が低いときに発生する。上記根元放電が生じると、電極根元部がアークスポットとなり、このアークスポットにより電極材料（タングステン）が大量に蒸発し、電極根元部付近の放電容器の内面に付着・堆積して、黒化させる。放電容器の黒化は、光束を低下させランプの短命化を招く。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が挙げられる。
係る高圧水銀ランプが備えられている液晶プロジェクタは、従来、学校の教室や会議室において主に使用されているが、近年は一般家庭にも普及しつつある。
学校の教室や会議室において液晶プロジェクタが使用される場合は、その使用時間はせいぜい一日数時間の使用である。これに対して、一般家庭においては、液晶プロジェクタはホームシアターやテレビ鑑賞用として使用されることが多いため、従来の使用とは比較にならない程の長時間の使用となる。この結果、従来の高圧水銀ランプの寿命（例えば２０００時間程度）では不十分であり、その数倍の寿命時間が求められるに至っている。

また、一般家庭向けの液晶プロジェクタは、持ち運びや設置の便宜のために、特に小型かつ軽量であることが求められている。
特開平１０−１８８８９６号公報

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであって、従来より長寿命で、しかも小型化、軽量化を実現することができる高圧放電ランプ、この高圧放電ランプを備えたランプユニット、画像表示装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために内部に放電空間を有する発光部と、前記発光部を挟んで、両側に設けられた第１および第２の封止部と、前記放電空間内に前記両封止部側から突出している一対の電極と、前記第１の封止部外周に導線が巻き付けられて形成され、前記導線は前記第１の封止部側の電極と電気的に接続されている第１の巻き付け部と、前記第２の封止部外周に導線が巻き付けられて形成される第２の巻き付け部と、前記第２の巻き付け部の導線と電気的に接続され、前記発光部を迂回するように渡り、前記第１の封止部側の電極と電気的に接続されるリード線とを備えることを特徴とする。

この構成によれば、ランプ消灯後は、第１及び第２の巻き付け部から熱が放熱されるので、電極根元部の温度が速やかに低下し、一対の電極の根元部が速やかに冷却され、この根元部に多くの水銀を集めることができる。この結果、根元放電に起因する発光管の黒化を防止でき、ランプの長寿命化を図ることが可能となる。
また、第１及び第２の巻き付け部の導線は第１の封止部側の電極と電気的に接続されているので、ブレークダウン電圧を低減でき、点灯装置の小型化、軽量化が可能となる。さらに、第１の封止部側の電極と電気的に接続されるリード線は、発光部を迂回しているので、点灯中の高温による劣化を防止できる。

また、前記第１の巻き付け部と第２の巻き付け部の少なくとも一方は、コイルであることを特徴としている。
また、前記コイルの巻き始めから巻き終わりまで前記コイルと前記リード線が容量結合されていることを特徴としている。
この構成によれば、導線の劣化により、始動時に印加される高圧パルスがコイルの先端まで伝わりにくくなる事態を防ぐことができる。

また、前記放電空間内の電極根元部付近に、ランプ消灯後に電極根元部付近に集まる水銀を停留させる停留部材を備えることを特徴としている。
また、本発明に係るランプユニットは、前記高圧放電ランプと、前記高圧放電ランプから発する光を反射する反射鏡とを備えることを特徴としている。
また、本発明に係る画像表示装置は、前記高圧放電ランプを備えることを特徴としている。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
（１）高圧水銀ランプの構成
高圧放電ランプの一例としての高圧水銀ランプの構成について説明する。
図１は、定格電力１１０Ｗの高圧水銀ランプ１００の概略構成を示す図である。

同図に示すように、発光管２は、その容囲器が石英ガラスで構成されており、略回転楕円体形状をした発光部４と、当該発光部４の両端から延設された第１の封止部６および第２の封止部８とを備えている。この第１の封止部６および第２の封止部８は、発光部４から、略同軸上、反対方向に延設されている。なお、発光部４の形状としては、略球形状等であっても構わない。

発光部４の放電空間５内においては両封止部６，８側からそれぞれ突出した電極１０，１１が位置している。これらの電極１０，１１は、タングステン製であり、両電極１０，１１の先端部同士の間隔、即ち電極間距離は、０．５ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲に設定されている。
また、発光部４内には、発光物質である水銀と、始動補助用のアルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）などの希ガスと、ヨウ素（Ｉ）、臭素（Ｂｒ）などのハロゲン物質とが封入されている。

水銀の封入量は、発光管２の内容積あたり１５０ｍｇ／ｃｍ³〜６５０ｍｇ／ｃｍ³の範囲に、希ガスのランプ冷却時の封入圧力は、０．０１ＭＰａ〜１ＭＰａの範囲にそれぞれ設定されている。
また、ハロゲン物質は、点灯時の高温により電極１０，１１から蒸発したタングステンを電極１０，１１に戻すという、いわゆるハロゲンサイクル作用を行なう機能を有している。ハロゲン物資としては、例えば臭素が１×１０^-10ｍｏｌ／ｃｍ³〜１×１０^-4ｍｏｌ／ｃｍ³程度封入されている。

電極１０，１１は、金属箔１２，１３を介して、外部リード線１４，１５と電気的に接続されており、この外部リード線１４，１５は、封止部６，８の端面から発光管２外部に導出されている。金属箔１２，１３および外部リード線１４，１５は、例えばモリブデン製である。
発光管２の外周には第１導体２０と第２導体２４が設けられている。

第１導体２０は、第１の封止部６の発光部４付近外周に、導線が巻き付けられて形成された環状の巻き付け部２１と、この巻き付け部２１に接続されたリード線２２を備えている。巻き付け部２１は１ターンの閉ループからなっており、第１の封止部６の側面に沿って略まっすぐ延びるリード線２２を介して封止部６端面から延出されている外部リード線１４に電気的に接続されている。

第２導体２４は、第２の封止部８の発光部４付近外周に、導線が巻き付けられて形成された環状の巻き付け部２５と、この巻き付け部２５に接続されたリード線２６を備えている。リード線２６は、発光部４の外表面上を迂回するように渡って封止部６側に略まっすぐ延びて、外部リード線１４と電気的に接続されている。
外部リード線１４は、電極１０と電気的に接続されているので、第１の巻き付け部２１及び第２の巻き付け部２５は電極１０と電気的に接続されていることとなる。
（２）作用
ランプ１００は、発光部４付近に巻き付け部２１，２５を有している。ランプ１００消灯後は、巻き付け部２１，２５からの放熱作用により、放電空間５内で電極根元部（「電極根元部」は、放電空間５内に突出している電極１０，１１における、封止部６，８近傍部分である。）の温度が速く低下する。このため、この電極根元部の周辺に水銀が集まりやすい。

前述したように、従来、放電開始直後の根元放電による黒化は、電極根元部がアークスポットとなり電極材料が大量に蒸発するために生じていた。
これに対して、ランプ１００は、消灯中は、電極根元部に従来より多くの水銀が集まっているので、次回点灯する際に発生する根元放電は水銀に作用し（いわば根元放電は電極材料の代わりに水銀へとアタックする）、従来のような電極材料の大量蒸発を防止することができる。

また、電極根元部集まった水銀を早期に蒸発させて、水銀蒸気圧を高めることができるので速やかに根元放電から電極先端間での放電に移行し、根元放電時間の短縮につながる。このことからも、電極材料の大量蒸発を防止することができる。
したがって、放電開始直後の根元放電に起因する発光管の黒化を防止でき、ひいてはランプの長寿命化を図ることが可能となる。

また、ランプ１００は導体２０，２４を備えているので、ランプの放電開始時のブレークダウン電圧を低減することができる。ランプに印加する高圧パルスを発生させるためには、点灯装置に大型のトランスや高耐圧の電子部品等を用いる必要があるため、ブレークダウン電圧の低減は点灯装置の小型化に資する。このことを図２を用いて説明する。
図２は、ランプ１００の放電開始時に形成されている電界の様子を示す模式図である。同図においては、電極１１との間で電界が発生する領域を模式的に矢印で示している。

ランプ１００に電圧が印加されると、導体２０，２４と電極１１の間で、放電空間５の全域に渡る広い電界が発生する。この広い電界によって、発光部４内に存在する、より多くの自由電子の動きを活発化させることができ、電極１０と電極１１の間での絶縁破壊が行いやすくなる。このため、かなり低い高圧パルスでもって効果的に放電を開始することができる。

図１に戻り、リード線２６は発光部４の外表面上を迂回するように渡って、封止部６側に延びている。
本願発明者らの検討によると、リード線を発光部に近接させると、点灯中の発光部の高温によりリード線が徐々に酸化し、断線する場合があることがわかった。
そこで、本実施の形態のように、発光部４からリード線２６を所定距離離間させて迂回させることで、係る事態の発生を防止できる。

なお、リード線２６を発光部４から離間させるべき距離は実験により求めることができる。
また、本実施の形態では、実施を容易にするため両巻き付け部２１，２５をそれぞれ独立したリード線２２，２６によって外部リード線１４と接続している。
さらに、ランプ１００の点灯中においては、巻き付け部２１，２５は保温効果を有するので、点灯中の放電空間内で相対的に温度が低くなりやすい電極根元部の温度を上昇させ、最冷点温度を上昇させることも可能となる。

（巻き付け部の位置について）
本実施の形態では、両巻き付け部２１，２５は、封止部６，８外周における発光部４付近に位置している。上記した放熱効果、ブレークダウン電圧低減効果を効果的に発揮させるには、このように封止部６，８外周の発光部４付近に設けることが好ましい。
（巻き付け部の巻数について）
巻き付け部の巻数は、放熱作用に関しては、両封止部側に少なくとも１ターン以上あればよく、巻数が多いほど放熱作用は増加する。しかし前述のように、巻き付け部は点灯中の最冷点温度を高める作用を持っているため、巻数が多すぎると電極根元部の温度が高くなりすぎ、発光管の破損確率を上げてしまう。

点灯中の最冷点温度を高める作用と、消灯後の放熱作用とを両立させるには、巻き付け部の巻数を１ターンから１５ターン程度にすればよい。本実施の形態に係るランプでは、３ターンから１０ターンの間で特に良好な結果が得られた。
（３）ランプユニットの構成
図３は、ランプユニット２００の構成を示す一部切り欠き斜視図である。

ランプユニット２００は、ランプ１００、当該ランプ１００を点灯させる点灯装置（図示しない）、当該ランプ１００から放射される光を反射するリフレクター（反射材）としての凹面反射鏡２０３を備えている。
発光管２（図１参照）の片方の端部には口金２０１が装着されており、ランプ１００はスペーサ２０２を介して凹面反射鏡２０３に取り付けられている。この取り付けは、発光管２の長手方向の中心軸と凹面反射鏡の光軸とが略平行となり、かつランプ１００の放電アークの位置が凹面反射鏡２０３の焦点位置と略一致するように調整して行なわれる。

ランプ１００の口金２０１側の外部リード線１４（図１参照）には、端子２０４を介して電力が供給される。他方の外部リード線１５には、凹面反射鏡２０３に穿設された貫通孔２０６を通過し、外側に引き出されたリード線２０５を介して電力が供給される。
（４）液晶表示装置の構成
図４は、上述のランプユニット２００を備えた液晶表示装置である液晶プロジェクタ４００の構成を示す概略図である。

同図に示すようにこの液晶プロジェクタ４００は、電源ユニット３０２と、制御ユニット３０４と集光レンズ３０６と、透過型のカラー液晶表示板３０８と駆動モータが内蔵されたレンズユニット３１０および冷却用のファン装置３１２とからなる。
電源ユニット３０２は、家庭用ＡＣ１００Ｖの電源を所定の直流電圧に変換して、上記制御ユニット３０４やファン装置３１２などに供給する。制御ユニット３０４は、外部から入力された画像信号に基づき、カラー液晶表示板３０８を駆動してカラー画像を表示させる。また、レンズユニット３１０内の駆動モータを制御してフォーカシング動作やズーム動作を実行させる。

ランプユニット２００から射出された光線は、集光レンズ３０６で集光され、光路途中に配されたカラー液晶表示板３０８を透過し、レンズユニット３１０を介して当該液晶表示板３０８に形成された画像を図外のスクリーン上に投影させる。
なお、ランプユニット２００は、ＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）を使用したＤＬＰ（登録商標）方式のプロジェクタや、その他反射型液晶素子を用いた液晶プロジェクタ等、他の画像表示装置一般に適用することができる。
（実施の形態２）
実施の形態２は、導線の巻き付け回数を増やすことで、実施の形態１より放熱作用を増加させるものである。

図５は、本実施の形態に係る高圧水銀ランプ（定格電力１１０Ｗ）１０１の概略構成を示す図である。
同図においては、実施の形態１に係る高圧水銀ランプ１００と同様の構成部材には同じ符号を付して、その説明を省略する。
発光管２の外周には、導体３０が設けられている。

導体３０は、両封止部６，８の発光部４付近外周に導線が巻き付けられて形成された巻き付け部３１，３２を有している。両巻き付け部３１，３２は共に、導線がらせん状に３回だけ旋回してなるコイルである。
巻き付け部３１はリード線３３と接続されており、このリード線３３は発光部４外表面を迂回するようにして第２の封止部８側に渡った後、らせん状をした巻き付け部３２の中を、巻き付け部３２に内接しながら通って折り返し、再び発光部４を迂回して第１の封止部６側に渡って、外部リード線１４と接続されている。なお、リード線３３により、巻き付け部３２の第２の封止部８方向への変位が規制されている。

本実施の形態でも、消灯時の冷却期間中の、巻き付け部３１，３２における放熱作用により電極根元部を冷却することができ、電極根元部に水銀を集めることができる。
（比較実験）
次に、本実施の形態に係るランプ１０１と従来のランプとのランプ寿命及びブレークダウン電圧を比較した実験結果について述べる。

図６は、本比較試験で用いた従来の構成を有するランプ５００（定格電力１１０Ｗ）である。
発光管５０２の外周には近接導体５２７が設けられており、当該近接導体５２７は、封止部５０８における発光部５０４付近外周に位置している１ターンの閉ループからなる巻き付け部５２８とリード線５２９を備える。リード線５２９は、発光部５０４に近接して当該発光部５０４を渡って外部リード線５１４と接続されている。ランプ５００の他の構成は、ランプ１００（図１参照）と同様であるので、図中の符号下２桁をランプ１００と同様に付してその説明を省略する。

図７（ａ）は、ランプ寿命試験の結果を示す表である。本寿命試験では、共に定格電力１１０Ｗである各々３本の従来仕様のランプ５００と、新仕様のランプ１０１を用いて、３．５時間点灯０．５時間消灯を繰り返した。両ランプの各仕様（発光部容積、水銀及び封入ガスの量、電極間距離）は同一に設定した。
図７（ａ）の表では、発光管の黒化の程度を目視で判断することによってランプを評価しており、黒化が観察されたランプは白丸印「○」、若干の黒化が観察されたランプは白三角印「△」とし、甚だしい黒化が観察されたランプはバツ印「×」としている。

この表に示すように、本実施の形態に係る新仕様のランプ１０１は、従来のランプ５００に比べて、長時間点灯による黒化の発生が低減されたことがわかる。
図７（ｂ）は、ブレークダウン電圧の測定試験の結果を示す表である。この測定試験では、各々２０本のランプについて、所定の高周波電圧を印加して放電開始させたときのブレークダウン電圧を測定した。新仕様のランプ１０１のブレークダウン電圧の平均値（Ａｖｅ.）は、従来仕様のランプ５００より低く抑えられている。

（変形例）
高圧水銀ランプの点灯中、発光管２の外周は高温となるため、巻き付け部の導線が劣化する場合ある。
とりわけ、巻き付け部の巻回数が多くなると、上記導線の劣化の影響が顕著となり、始動時に印加される高圧パルスが巻線の先端まで伝わりにくくなり、ブレークダウン電圧低減の効果が失われ、ランプが不点となることがある。そこで、次に説明する変形例のようにしても構わない。

図８は変形例に係る高圧水銀ランプ１０２の概略構成を示す図である。
導体３５，４０は、導線が所定数巻回されたコイル部３６，４１と、リード線３７，４２とを備えている。
リード線３７，４２は、コイル部３６，４１の巻き付け方向と略垂直な方向に（発光管２の管軸方向に）、コイル部３６，４１を巻き付ける部分を有している。このようにコイル部３６，４１の巻き始めから巻き終わりまでを結んでコイル部３６とリード線３７、コイル部４１とリード線４２を容量結合させることで、上記した高圧パルスの伝達障害を防止できる。
（実施の形態３）
実施の形態３は、ランプ消灯後に電極根元部付近に集まる水銀を停留させる停留部材を設けることで、次回点灯開始の際までにより多くの水銀を電極根元部に集めておき、根元放電に起因する発光管の黒化を防止するものである。

図９は本実施の形態に係る電極の根元部の拡大図である。本実施の形態に係るランプ１０３の構成は、基本的には実施の形態１に係るランプ１００と同様であるので、同様の部材には同じ符号を付してその説明を省略する。なお、図９では、第２の電極１１側を示しているが、他方の第１の電極１０側も同じ構造を有している。
電極１１は、電極軸１１ａと、この電極軸１１ａの先端に設けられた電極コイル１１ｂとからなる。

電極１１の根元部には、ランプ消灯後に、水銀蒸気が電極根元部に集まり、そしてそのまま液化した水銀を貯める液貯部材５１が設けられている。この液貯部材５１は、ここでは、複数（ここでは、略３巻である）巻きにされた素線により構成されたコイル（このコイルを、以下、「液貯コイル」という。）５３である。
この液貯コイル５３は、電極軸１１ａと同じ材料（例えば、タングステン製）の素線が利用され、例えば、電極軸１１ａに素線を直接巻回させたり、予め巻回されたコイルを溶接したりして電極軸１１ａに固着されている。

電極１１（の根元部）は、金属箔１３及び外部リード線１５（図１参照）を介して外部に接続され、且つ、これらの材料は熱伝導率が良いため、ランプ消灯後に、放電空間５内で電極根元部の温度が最も速く低下し、この電極根元部の周辺に水銀が集まり易い。
上記構成のランプ１０３は、放電空間５の内部において、消灯後に最も速く低下する領域に集まった水銀蒸気が液貯コイル５３に付着し、その後さらに温度が下がると、付着した水銀蒸気が液化して、液貯コイル５３に貯まる。液化した水銀５５は、液貯コイル５３の表面に表面張力によって付着したり、液貯コイル５３と電極軸１１ａとの間、さらには３巻きに旋回している素線間内に毛管現象によって入り込んだりして貯留される。

このように本実施の形態に係るランプ１０３によれば、より多くの水銀を電極根元部に停留させておくことができる。
点灯開始時における根元放電では、電極根元部に停留した水銀５５が蒸発するので、電極１１（及び液貯コイル５３）が大量蒸発して黒化を招来する事態を防止できる。
なお、液貯コイルは、消灯後に電極根元部に集まった水銀が液化したときに、液化した水銀が落下せずに、貯留できる構造であればよく、コイルに使用する素線の直径、素線の横断面形状、コイル径、コイルの形状、コイルの巻き数、コイルの重なり数、寸法等は特に限定するものではない。また、コイル形状以外の液貯部材を用いても良い。
（その他）
（１）上記各実施の形態では、高圧放電ランプの一例として高圧水銀ランプを挙げて説明したが、メタルハライドランプなど他の高圧放電ランプにも本発明を適用することができる。

本発明に係る高圧放電ランプは、点灯開始時に発生する根元放電に起因するランプの短寿命化を改善し、また、ランプ点灯装置の小型化、軽量化に資する。

実施の形態１に係る定格電力１１０Ｗの高圧水銀ランプ１００の概略構成を示す図である。ランプ１００の放電開始時に形成される電界の様子を示す模式図である。ランプユニット２００の構成を示す一部切り欠き斜視図である。ランプユニット２００を備えた液晶表示装置である液晶プロジェクタ４００の構成を示す概略図である。実施の形態２に係る高圧水銀ランプ（定格電力１１０Ｗ）１０１の概略構成を示す図である。従来の構成を有するランプ５００（定格電力１１０Ｗ）である。図７（ａ）は、ランプ寿命試験の結果を示す表であり、図７（ｂ）は、ブレークダウン電圧の測定試験の結果を示す表である。変形例に係る高圧水銀ランプ１０２の概略構成を示す図である。実施の形態３に係る電極根元部の拡大図である。

符号の説明

２発光管
４発光部
５放電空間
６第１の封止部
８第２の封止部
１０，１１電極
１４，１５外部リード線
２０，２４，３０，３５，４０導体
２１，３１第１の巻き付け部
２５，３２第２の巻き付け部
２２，２６，３３，３７，４２リード線
３６，４１コイル部
５１液貯部材
５３液貯コイル
１００，１０１，１０２，１０３高圧水銀ランプ
２００ランプユニット
４００画像表示装置

Claims

内部に放電空間を有する発光部と、
前記発光部を挟んで、両側に設けられた第１および第２の封止部と、前記放電空間内に前記両封止部側から突出している一対の電極と、
前記第１の封止部外周に導線が巻き付けられて形成され、前記導線は前記第１の封止部側の電極と電気的に接続されている第１の巻き付け部と、
前記第２の封止部外周に導線が巻き付けられて形成される第２の巻き付け部と、
前記第２の巻き付け部の導線と電気的に接続され、前記発光部を迂回するように渡り、前記第１の封止部側の電極と電気的に接続されるリード線と
を備え、
前記第１の巻き付け部および第２の巻き付け部の前記導線の巻数は、３ターン以上１０ターン以下の範囲内であることを特徴とする高圧放電ランプ。
前記第１の巻き付け部と第２の巻き付け部の少なくとも一方は、コイルである
ことを特徴とする請求項１に記載の高圧放電ランプ。
前記コイルの巻き始めから巻き終わりまで前記コイルと前記リード線が容量結合されていることを特徴とする請求項２に記載の高圧放電ランプ。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の高圧放電ランプと、前記高圧放電ランプから発する光を反射する反射鏡とを備えることを特徴とするランプユニット。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の高圧放電ランプを備えることを特徴とする画像表示装置。