JP4797931B2

JP4797931B2 - 高圧放電ランプとこれを用いた反射鏡付きランプ

Info

Publication number: JP4797931B2
Application number: JP2006294152A
Authority: JP
Inventors: 原純夫上; 上雅伸井; 亮大河原; 木教一柵; 比隆史伊; 俣亘央二古
Original assignee: Iwasaki Denki KK
Current assignee: Iwasaki Denki KK
Priority date: 2006-10-30
Filing date: 2006-10-30
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2026-10-30
Also published as: JP2008112622A

Description

本発明は、液晶プロジェクターやプロジェクションＴＶ等の光源として使用される高圧放電ランプと、該ランプを用いた反射鏡付きランプに関する。

液晶プロジェクターやプロジェクションＴＶの機器内に設置する反射鏡付きランプは、図６（ａ）の如く、タングステン電極３とモリブデン箔４とモリブデン線５とを直列的に溶接して成る一対の電極アセンブリ２R、２Lが、石英ガラス管で成る発光管６の両端側に挿通されて、発光管６の中間部に形成された球状の発光部７内で互いの電極３、３を対向させるように配置され、該電極アセンブリ２R、２Lが挿通された発光管６の両端側を気密に封止して一対の封止部８R、８Lが形成された高圧放電ランプ１が、その一方の封止部８Rを楕円面鏡又は放物面鏡で成る凹面反射鏡９の前面開口部１０側に配し、他方の封止部８Lを凹面反射鏡９のボトム部１１側に配して、凹面反射鏡９と一体的に取り付けられている。そして、高圧放電ランプ１には、該ランプの光利用効率を高めるために、発光管６の発光部７から凹面反射鏡９の前面開口部１０側へ放射される光を発光部７の中心（発光点）方向へ反射させる副反射鏡１２もしくは破線図示の反射膜１３が設けられている（特許文献１、２、３及び４参照）。
特開２００５−３０９３７２号公報特許第３１８４４０４号公報特許第３２０４７３３号公報特表２００５−５０５９０９号公報

また、高圧放電ランプ１は、発光管６の発光部７内に、水銀と、臭素や沃素などのハロゲンと、アルゴンガスなどの始動用希ガスとが封入されて、ランプ点灯時に電極３、３から蒸発して発光部７の内面に付着したタングステンを再蒸発させて電極３、３へ戻すタングステン−ハロゲンサイクル作用により、ランプ寿命を損なう発光部７の早期黒化を防止すると共に、電極３、３間の距離を狭めてアーク長を短くし、且つ、発光部７の単位容積当りの水銀封入量を多くしてランプ点灯時における発光部７内の水銀蒸気圧を高めることにより、小型で点光源に近い高輝度発光が得られるようにしたショートアークタイプの高圧水銀蒸気放電ランプが用いられている（特許文献５参照）。
特開２００５−５６６４６号公報

なお、高圧放電ランプ１の各電極３は、電極軸１４の先端とその先端側にタングステンワイヤを上下２層に密巻きして巻装されたコイル１５の一部とを溶融一体化させることによって、球状もしくは凸曲面形状の電極先端部１６が形成されている。

また、高圧放電ランプ１の発光管６に設ける副反射鏡１２もしくは反射膜１３は、電極３、３が対向して配置された発光部７の中心から凹面反射鏡９の前面開口部１０側へ放射される光を発光部７の中心方向へ反射させて、主反射鏡である凹面反射鏡９の反射面へと導き、該反射面で被照射物の方向へ反射させてランプの光利用効率を高めるもので、副反射鏡１２は、凹面反射鏡９の前面開口部１０側に面した発光部７の半面部位と対峙して封止部８Ｒに枢着され、反射膜１３は、発光部７の半面部位の表面に被着されている。

しかし、副反射鏡１２や反射膜１３は、発光部７から放射される光を発光部７側へ反射させるため、その反射光により、発光部７の封止部８R側の部位と、封止部８Rに固着された電極アセンブリ２Rの電極３とが過熱され、該電極３の電極先端部１６からの不純物の蒸発量が多くなって発光部７の早期黒化を生ずるおそれがあると同時に、ランプ点灯時に最も高温となり且つ熱容量が大きい電極先端部１６とコイル１５の部分から放射される熱や、その部分から電極軸１４を介して伝播される熱により発光部７の封止部８Ｒ側の内表面温度が著しく上昇して、発光部７の膨れや破裂を生ずるおそれがあった。また、副反射鏡１２と対峙する発光部７の封止部８R側の部位は、反射鏡付きランプに装備された冷却ファン等の空冷手段によって効果的に冷却することができないために、その部位が過熱されて膨れを生じたり、発光部６の破裂を惹き起こす危険性が増すという問題があった。

また、凹面反射鏡９が、例えば放物面鏡の場合は、図６（ｂ）の如く、発光管６の発光部７から凹面反射鏡９の前面開口部１０側へ放射される光を発光部７側へ反射させずに被照射物の方向へ直接反射させる補助反射鏡１７を設けて、高圧放電ランプ１の光利用効率を高めることも可能であるが（特許文献６参照）、凹面反射鏡９が、一次焦点から放射された光を反射させて二次焦点に集束させる楕円面鏡の場合は、該楕円面鏡の反射光が補助反射鏡１７で遮られてランプの光利用効率が却って低下することとなる。
特開２００１−１２５１９７号公報

本発明は、反射鏡付きランプに用いる高圧放電ランプの発光部や該発光部内に配置した電極が過熱されて発光部の早期黒化や膨れ、破裂等を惹き起こすおそれのない手段によって、高圧放電ランプの光利用効率を高めることを技術的課題としている。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、発光管の両端側に挿通した一対の電極アセンブリが、発光管の中間部に形成された球状の発光部内で互いの電極を対向させるように配置され、該電極アセンブリが挿通された発光管の両端側を気密に封止する一対の封止部が形成された高圧放電ランプが、発光管の片端側に形成された一方の封止部を楕円面鏡でなる凹面反射鏡の前面開口部側に配し、他方の封止部を凹面反射鏡のボトム部側に配すると共に、発光部の発光点となる中心を凹面反射鏡の一次焦点位置に配して、該凹面反射鏡と一体的に取り付けられている反射鏡付きランプにおいて、発光管の片端側に面した発光部の半面部位と対峙して該部位から放射される光を集光する石英ガラス製の環状レンズが、その光軸を発光管の管軸と同軸的に配して発光管の片端側の封止部に枢着されると共に、該レンズの外径が、発光部の最大径よりも大きく、凹面反射鏡のボトム部に形成した孔の開口径よりも小さく形成され、該環状レンズと対峙する発光部の半面部位が、該発光部の最大径部から前記環状レンズが枢着された封止部へ向って肉厚が漸増する凸レンズに成形されて、該凸レンズと前記環状レンズとで発光部から放射される光を集光して凹面反射鏡の二次焦点に収束させる組み合わせレンズが形成されていることを特徴とする。

また、請求項２記載の反射鏡付きランプは、前記高圧放電ランプの光利用効率を最大限に高めるために、前記環状レンズが、凹面を前記発光部の半面部位と対峙させる凸メニスカスレンズで成り、その凹面が前記発光部の半面部位を全体的に覆う形状及び大きさに成形されている。

また、請求項３記載の反射鏡付きランプは、前記発光部の半面部位から放射される光の一部が前記環状レンズの表面で反射して発光部側へ照射されないようにするために、その環状レンズの表面に反射防止のための無反射加工もしくは減反射加工が施されている。

また、請求項４記載の反射鏡付きランプは、前記環状レンズと該レンズが対峙する発光部の半面部位との間に高温の熱気が滞留して発光部の半面部位が過熱されることを防止するために、環状レンズの内周部に、該レンズの光軸と平行に延びる複数条のリブが形成されることにより、その内周部と該レンズを枢着する封止部の外周部との間に該レンズの片面側から他面側へ通ずる複数の孔隙が形成され、その一部の孔隙に、該レンズを封止部に枢着させる固着材が充填されている。

すなわち、環状レンズの内周部に形成された複数条のリブは、その内周部と封止部の外周部との間に、環状レンズと発光部の半面部位との間に滞留する熱気を逃散させるための通気路となる孔隙や、環状レンズを封止部に枢着するための固着材を充填させる孔隙を形成する。

本発明によれば、凹面反射鏡と一体的に取り付けられた高圧放電ランプの発光部から凹面反射鏡の前面開口部側へ放射される光を環状レンズで集光して被照射物に効率良く照射することができる。また、高圧放電ランプの発光部から凹面反射鏡の前面開口部側へ放射される光が発光部側へ反射されないので、発光部や電極が過熱されて発光部の早期黒化や膨れ、破裂等を惹き起こすおそれもない。

本発明に係る高圧放電ランプの最良の実施形態は、石英ガラス管で成る発光管の両端側に挿通した一対の電極アセンブリが、発光管の中間部に形成された球状の発光部内で互いの電極を対向させるように配置されて、その発光部内に、水銀と、臭素や沃素などのハロゲンと、アルゴンガスなどの始動用希ガスとが封入され、電極アセンブリが挿通された発光管の両端側を気密に封止して一対の封止部が形成されると共に、発光管の片端側に面した発光部の半面部位と対峙して該部位から放射される光を集光する環状レンズが、その光軸を発光管の管軸と同軸的に配して発光管の片端側の封止部に枢着されている。

発光管の片端側の封止部に枢着された環状レンズは、凹面を発光部の半面部位と対峙させる凸メニスカスレンズで成り、その凹面が発光部の半面部位を全体的に覆う形状及び大きさに成形されると共に、レンズ表面に、誘電体多層膜による反射防止コーティング等の無反射加工もしくはフッ化マグネシウムコーティング等の減反射加工が施されている。

また、環状レンズの内周部に、該レンズの光軸と平行に延びる複数条のリブが形成されることにより、その内周部と該レンズを枢着する封止部の外周部との間に、該レンズの片面側から他面側へ通ずる複数の孔隙が形成され、その一部の孔隙に、該レンズを封止部に枢着させる固着材が充填されている。

そして、本発明に係る反射鏡付きランプの最良の実施形態は、上記の如く構成された高圧放電ランプが、環状レンズが枢着された一方の封止部を楕円面鏡又は放物面鏡で成る凹面反射鏡の前面開口部側に配し、他方の封止部を凹面反射鏡のボトム部側に配して、該凹面反射鏡と一体的に取り付けられている。

図１は本発明に係る高圧放電ランプの一例を示す断面図、図２はその高圧放電ランプを用いた反射鏡付きランプの断面図、図３は環状レンズの一例を示す正面図、図４は本発明の作用を示す光線図である。なお、図６に示す従来の高圧放電ランプ及び凹面反射鏡と基本構成が共通する部分については、同一符号を付して詳細説明は省略する。

図１の高圧放電ランプ１は、定格ランプ電力１５０Ｗのショートアークタイプの高圧水銀蒸気放電ランプであって、石英ガラス管で成る発光管６の中間部に、最大外径約１０ｍｍ、最大内径約４．２ｍｍ、内容積約８５ｍｍ^３の球状の発光部７が形成され、発光管６の両端側に挿通した一対の電極アセンブリ２R、２Lが、発光部７内で互いの電極３、３をアーク長約１．０ｍｍとなる電極間距離で対向させるように配置されると共に、発光部７内に、始動用補助ガスとしてのアルゴンガスが常温で約３×１０^４Ｐａ、水銀が発光部７の内容積当り約０．２２ｍｇ／ｍｍ^３の濃度となる分量、臭化水素がランプの点灯によりその分子が分解して約１．８×１０^−４μmol／ｍｍ^３の濃度となる分量だけ封入され、電極アセンブリ２R、２Lが挿通された発光管６の両端側を加熱溶融して気密に封止することにより外径約４．７ｍｍの封止部８R、８Lが形成されている。

そして、発光管６の片端側に面した発光部６の半面部位と対峙して該部位から放射される光を集光する石英ガラス製の環状レンズ２０が、その光軸を発光管６の管軸と同軸的に配して発光管６の片端側の封止部８Rに枢着されている。

上記の如く構成された図１の高圧放電ランプ１は、図２の如く、環状レンズ２０が枢着された一方の封止部８Rを、有効径が約４０ｍｍ、焦点距離が一次焦点１２ｍｍ、二次焦点６５ｍｍの楕円面鏡で成る凹面反射鏡９の前面開口部１０側に配し、他方の封止部８Lを凹面反射鏡９のボトム部１１側に配すると共に、発光部７の発光点となる中心を凹面反射鏡９の一次焦点位置に配して、該凹面反射鏡９と一体的に取り付けられている。なお、凹面反射鏡９のボトム部１１には、そのボトム部１１側に配する高圧放電ランプ１の封止部８Lを差し込んでセメント等の無機質接着剤２１で固定する開口径約１２ｍｍのボトム孔２２が形成されている。

環状レンズ２０は、その中心に発光管６の封止部８Rを挿し通す直径約５．５〜５．７ｍｍの孔２３が開けられ、凹面を発光部７の半面部位と対峙させて発光管６の封止部８Ｒに枢着する凸メニスカスレンズで形成され、該レンズの凹面が、発光部７の半面部位を全体的に覆う形状及び大きさに成形されると共に、該レンズの外径が、発光部７の最大径（約１０ｍｍ）よりも大きく、凹面反射鏡９のボトム部１１に形成した孔２２の開口径（約１２ｍｍ）よりも小さい約１１ｍｍに形成されて、図４の如く、該レンズの外周部が凹面反射鏡９のボトム部１１側の反射面から反射される光を遮らないようになっている。

また、環状レンズ２０は、孔２３を開けた内周部に、該レンズの光軸と平行に延びる複数条のリブ２４、２４…が形成されることにより、その内周部と該レンズを枢着する封止部８Rの外周部との間に一定の間隔が保持されると共に、その間に、該レンズの片面側から他面側へ通ずる複数の孔隙２５、２５…が形成され、その一部の孔隙２５に、図３斜線図示の如くセメント等の無機接着剤で成る固着材２６が充填されて、該レンズが封止部８Rに枢着され、固着材２６が充填されない他の孔隙２５が、該レンズと発光部７の半面部位との間の隙間２７に滞留する熱気を逃散させる通気路を形成するようになっている。

なお、環状レンズ２０は、平均粒径が約０．５μｍ、不純物レベルが４０ｐｐｍ以下の純粋な球状シリカを原材料として、焼結温度より低温で燃焼して飛散する特性を有するバインダーと共にスラリーを作製し、これをスプレイドライヤーで乾燥造粒して平均粒径約３００ミクロンに成粒した後、金型に定量振込みしてプレス成型し、仮焼成してバインダーを飛散させ、約１２５０℃で本焼結した後、表面を研磨加工し、更に、その表面に誘電体多層膜による反射防止コーティング等の無反射加工を施したもので、図４の如く、楕円面鏡で成る凹面反射鏡９の一次焦点Ｘに配した発光部７の中心から放射される光を集光して凹面反射鏡９の二次焦点Ｙに集束させるように設計されている。

図１の高圧放電ランプ１を用いた図２の反射鏡付きランプは、図６（ａ）の如く副反射鏡１２や反射膜１３が設けられた定格ランプ電力１５０Ｗの高圧放電ランプを用いた従来の反射鏡付きランプと同程度の照度を有し、副反射鏡１２や反射膜１３を有しない１５０Ｗ高圧放電ランプを用いた一般の反射鏡付きランプと比較すれば、約２５％も照度が高まることが実験により確認された。また、図６（ｂ）の如く補助反射鏡１７が設けられた高圧放電ランプを用いる反射鏡付きランプは、主反射鏡である凹面反射鏡９が楕円面鏡で成る場合に、該凹面反射鏡９で反射する光が補助反射鏡１７で遮られて照度が著しく低下するが、図２の反射鏡付きランプは、そのような不具合が生じない。

また、図２の反射鏡付きランプは、図６（ａ）の反射鏡付きランプと異なり、高圧放電ランプ１の発光部７から凹面反射鏡９の前面開口部１０側へ放射される光が発光部７側へ反射しないため、環状レンズ２０の内周部と封止部８Ｒの外周部との間に形成される孔隙２５、２５…の全てに図３斜線図示の固着材２６を充填してその孔隙２５、２５…が完全に塞がれた高圧放電ランプ１を凹面反射鏡９に取り付けた反射鏡付きランプを数十個試作し、それらを点灯して、環状レンズ２０と対峙した発光部７の半面部位とその反対側の半面部位の表面温度を比較計測したところ、その温度差は、全て２０℃以内に抑制され、寿命試験に供しても、寿命末期まで発光部７が膨れや破裂を生ずることがなく、発光部７の黒化による照度低下も認められなかった。

更に、環状レンズ２０の内周部と封止部８Ｒとの間に形成される孔隙２５、２５…の全てに固着材２６を充填せずに、図３の如く一部の孔隙２５にのみ固着材２６を充填し、他の孔隙２５を環状レンズ２０の片面側から他面側に通ずる通気路としたものは、その通気路を凹面反射鏡９内に送風される冷却用エアや凹面反射鏡９内に生ずる対流が流通して、環状レンズ２０と発光部７との間の隙間２７に高温の熱気が滞留することも防止されるため、環状レンズ２０と対峙する発光部７の半面部位が局部的に過熱されて発光部の早期黒化や膨れ、破裂を生ずるおそれを確実に解消することができる。

また、環状レンズ２０が、凹面を発光部７の半面部位と対峙させる凸メニスカスレンズで成り、その凹面が発光部７の半面部位を全体的に覆う形状及び大きさに成形されていれば、発光部７から凹面反射鏡９の前面開口部１０側へ放射される光を無駄なく効果的に集光して被照射物に照射することができるので、高圧放電ランプ１の光利用効率が著しく高まる。

図５は本発明に係る高圧放電ランプの他の例を示す部分断面図であって、本例の高圧放電ランプ１は、環状レンズ２０を厚さが薄くて球面収差の少ないレンズとするために、該レンズ２０と対峙する発光部７の半面部位が、該発光部７の最大径部から環状レンズ２０が枢着された発光管６の封止部８Ｒへ向って肉厚が漸増する凸レンズ２８に成形されて、該凸レンズ２８と環状レンズ２０とで成る組み合わせレンズにより発光部７から放射される光を集光して被照射物に照射するようになっている。

すなわち、集光レンズは、集光点が近距離であると、分厚くて球面収差が大きいレンズとなり、特に、石英ガラス製の集光レンズは、他種集光レンズと比較して屈折率が極めて小さいので、非常に分厚いものとなり、球面収差が著しく大きくなる。そこで、環状レンズ２０を厚さが薄くて球面収差の少ないレンズとするために、発光部７から放射される光を環状レンズ２０のみで集光せずに、該環状レンズ２０とこれが対峙する発光部７の半面部位に形成された凸レンズ２８との組み合せによって集光するように構成されている。

また、図５の高圧放電ランプ１は、環状レンズ２０と対峙する発光部７の半面部位の肉厚を漸増させて凸レンズ２８に成形することにより、その半面部位の壁面負荷が小さくなって壁面温度が低下するので、ランプの寿命特性も向上する。

なお、実施例の環状レンズ２０は、発光管６の封止部８Rに対して固着材２６で接着して固定されているが、本発明の環状レンズは、発光管の封止部に対して熱溶着により固定されるものであってもよい。また、内周部にリブ２４、２４…が形成されないものであってもよい。また、放物面鏡で成る凹面反射鏡に取り付ける高圧放電ランプは、発光部から放射される光を集光して略平行光とするコリメートレンズで成る環状レンズを用いて光利用効率を高めることができる。

本発明は、液晶プロジェクターやプロジェクションＴＶ等の光源として使用される高圧放電ランプとこれを用いた反射鏡付きランプの品質性能向上と信頼性向上に資するものである。

本発明に係る高圧放電ランプの一例を示す断面図図１の高圧放電ランプを用いた反射鏡付きランプの断面図図１の高圧放電ランプに設けた環状レンズの正面図本発明の作用を示す光線図本発明に係る高圧放電ランプの他の例を示す部分断面図従来の高圧放電ランプとこれを用いた反射鏡付きランプを示す断面図

符号の説明

１・・・・・・高圧放電ランプ
２Ｒ・・・・・電極アセンブリ
２Ｌ・・・・・電極アセンブリ
３・・・・・・電極
６・・・・・・発光管
７・・・・・・発光部
８Ｒ・・・・・封止部
８Ｌ・・・・・封止部
９・・・・・・凹面反射鏡
１０・・・・・・凹面反射鏡の前面開口部
１１・・・・・・凹面反射鏡のボトム部
２０・・・・・・環状レンズ
２４・・・・・・リブ
２５・・・・・・孔隙
２６・・・・・・固着材
２８・・・・・・凸レンズ

Claims

発光管の両端側に挿通した一対の電極アセンブリが、発光管の中間部に形成された球状の発光部内で互いの電極を対向させるように配置され、該電極アセンブリが挿通された発光管の両端側を気密に封止する一対の封止部が形成された高圧放電ランプが、発光管の片端側に形成された一方の封止部を楕円面鏡でなる凹面反射鏡の前面開口部側に配し、他方の封止部を凹面反射鏡のボトム部側に配すると共に、発光部の発光点となる中心を凹面反射鏡の一次焦点位置に配して、該凹面反射鏡と一体的に取り付けられている反射鏡付きランプにおいて、発光管の片端側に面した発光部の半面部位と対峙して該部位から放射される光を集光する石英ガラス製の環状レンズが、その光軸を発光管の管軸と同軸的に配して発光管の片端側の封止部に枢着されると共に、該レンズの外径が、発光部の最大径よりも大きく、凹面反射鏡のボトム部に形成した孔の開口径よりも小さく形成され、該環状レンズと対峙する発光部の半面部位が、該発光部の最大径部から前記環状レンズが枢着された封止部へ向って肉厚が漸増する凸レンズに成形されて、該凸レンズと前記環状レンズとで発光部から放射される光を集光して凹面反射鏡の二次焦点に収束させる組み合わせレンズが形成されていることを特徴とする反射鏡付きランプ。
前記環状レンズが、凹面を前記発光部の半面部位と対峙させる凸メニスカスレンズで成り、その凹面が前記発光部の半面部位を全体的に覆う形状及び大きさに成形されている請求項１記載の反射鏡付きランプ。
前記環状レンズの表面に、反射防止のための無反射加工もしくは減反射加工が施されている請求項１又は２記載の反射鏡付きランプ。
前記環状レンズの内周部に、該レンズの光軸と平行に延びる複数条のリブが形成されることにより、その内周部と該レンズを枢着する封止部の外周部との間に該レンズの片面側から他面側へ通ずる複数の孔隙が形成され、その一部の孔隙に、該レンズを封止部に枢着させる固着材が充填されている請求項１、２又は３記載の反射鏡付きランプ。