JPH05144305A - 集光光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】経時的に集光効率低下の少ない長寿命の、メタ
ルハライドランプを組み込んだ凹面鏡式の集光光学装置
を実現する。 【構成】水平点灯型１５０Ｗメタルハライドランプの石
英ガラス製発光管１を、ランプ側内面を反射鏡としたパ
イレックス製ガラス成形体８に接着固定し、ガラス成形
体８の開口部８ａには可視光線が通過するパイレックス
板９を接着封止し、前記パイレックス製ガラス成形体８
の上部、下部に穴８ｂ、８ｃを設け、これら穴８ｂ、８
ｃを中空管10で連結し、この中空管10の一部分に回転プ
ロペラ11を内蔵した気体循環手段12を設け、前記ガラス
成形体８内の気体が流れるようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般照明や液晶ビデオ
プロジェクターなどの光学機器に用いられるメタルハラ
イドランプを組み込んだ構造を有する集光光学装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近、メタルハライドランプは店舗照
明、道路照明などの一般照明から光学機器用照明として
広く用いられている。特にショートアーク型メタルハラ
イドランプは各種影像機器用として急速に需要が拡大し
ている。これらのメタルハライドランプはランプから出
た光を反射する反射鏡である凹面鏡を組み込んだ凹面鏡
式集光光学装置によく用いられている。

【０００３】以下、このメタルハライドランプを組み込
んだ従来の凹面鏡式集光光学装置の一例について図５を
参照しながら説明する。図において、61はメタルハライ
ドランプの石英ガラス製発光管であり、62ａ、62ｂはタ
ングステン電極、63ａ、63ｂは取り出し電極である。ま
た、64ａ、64ｂは石英管成形部であり、内部には前記タ
ングステン電極62ａ、62ｂから各取り出し電極63ａ、63
ｂに導通する電極線を封止してある。65は無機保温膜で
ある。66は金属キャップであり、無機接着剤67でパイレ
ックス製ガラス成形体68に接着固定されている。このパ
イレックス製ガラス成形体68のランプ側内面は反射鏡と
している。

【０００４】メタルハライドランプの発光管61内には水
銀、始動用希ガスとともに金属ハロゲン化物が封入され
ている。金属ハロゲン化物としてはスカンジウム、ナト
リウム、ディスプロシウム、ネオジウム、錫、ツリウム
などの金属ヨウ化物または臭化物が用いられている。

【０００５】発光管61内に封入された金属ハロゲン化物
は、ランプ点灯中発光管61の管壁付近に液体として存在
する一方、一部は蒸発し、蒸発した金属ハロゲン化物が
アークの中心部で金属原子とハロゲン原子に解離して前
記金属蒸気がアーク中で励起され、その金属特有のスペ
クトルを放射し、いわゆるメタルハライドランプ特有の
発光をしている。メタルハライドランプではアーク温度
が５０００〜６０００Ｋにもなり、かつ発光管内部は１
０気圧以上の高圧状態であり、発光管自体も１１００Ｋ
以上の高温状態となり、かつ地球重力によって対流が生
ずるためランプ上部の方が下部よりも高温となる。

【０００６】このようなメタルハライドランプから発光
される光を、ある方向に集中的に取り出すために構成し
たものが凹面鏡式集光光学装置であり、ランプから放出
した光を凹面鏡により反射してある方向に集中的に取り
出している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このような従来のメタ
ルハライドランプを組み込んだ凹面鏡式集光光学装置に
おいては、メタルハライドランプが前述のごとく高温に
なるため、凹面鏡式集光光学装置がこの熱の影響を大き
く受けるとともに、一般には大気中に置かれるため大気
中の湿度などの外部環境の影響を直接受ける。すなわ
ち、大気中の水分は高温石英管中を発光管内部に管厚１
ｍｍを１０００〜２０００時間で拡散透過する。このよ
うな外界から供給される水分は管内ではＨ₂ Ｏ、Ｈ₂ 、
ＯＨなどの形となり、ヨウ化金属と発光管内壁は反応
し、さらに電極タングステンとも反応し、タングステン
を電極から発散させ、いわゆる石英発光管に失透や黒化
を生じさせ、経時的には凹面鏡式集光光学装置の集光効
率を著しく低下させる。ひいては石英管が破壊された
り、タングステン電極が機能しなくなり、ランプが全く
機能しなくなることになる。また、凹面鏡にも熱や水分
などの環境からの反応性物質が供給され、反射鏡に曇り
やクラックが発生し、上記集光機能低下を加速すること
になる。

【０００８】本発明はこのような課題を解決するもの
で、経時的に凹面鏡式の集光光学装置の集光効率低下が
少なく、長寿命の、メタルハライドランプを組み込んだ
集光光学装置を提供することを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明は、放物面となる凹面反射鏡の焦点に放電アー
クが存在するようにメタルハライドランプを組み込んだ
構造を有する集光光学装置において、光源部分が密閉構
造となるよう反射鏡開口部を可視光線が通過する平面板
や球面レンズなどで密閉させ、この密閉部に２カ所以上
の穴を設け、これら穴を中空管で連結し、この中空管の
一部分に密閉部内の気体を循環させる手段を設けたもの
である。

【００１０】

【作用】上記のような構成のメタルハライドランプを組
み込んだ集光光学装置とすることにより、環境から隔離
された密閉系となるため、大気中の水分や環境からの反
応性物質、例えば海岸では塩分などが直接メタルハライ
ドランプの発光管や反射鏡に供給されることがなくな
る。また、密閉系の気体を循環することにより、系の高
温部を冷却でき、ランプの発光管や反射鏡の各部分の温
度分布の積極的な制御が可能となる。以上の結果、発光
管の失透や黒化、反射鏡の曇りや割れなどの発生を低減
でき、経時的に集光効率低下の少ない長寿命の、メタル
ハライドランプを組み込んだ集光光学装置を提供でき
る。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例について、図面に基づ
いて説明する。先ず、図１に示す第１実施例について説
明すると、１は水平点灯型１５０Ｗメタルハライドラン
プの石英ガラス製発光管であり、管内容積は０．７ｃｃ
であり、管の肉厚は１．３ｍｍである。管内には希ガス
としてアルゴンが３０Ｔｏｒｒ、水銀が１１ｍｇ、ヨウ
化ディスプロシウムが０．９ｍｇ、ヨウ化セシウムが
０．３ｍｇ封入されている。２ａ、２ｂはタングステン
電極であり、電極間長は５．０ｍｍである。３ａ、３ｂ
は取り出し電極である。

【００１２】また、４ａ、４ｂは石英管成形部であり、
内部には前記各タングステン電極２ａ、２ｂから各取り
出し電極３ａ、３ｂに導通する電極線を封止してある。
５は無機保温膜であり、この部分を保温するとともにプ
ラズマ部で発光した光を反射鏡の方に反射する。６は断
面が円形の金属キャップであり、無機接着剤７でパイレ
ックス製ガラス成形体８の中心に接着固定されている。
このパイレックス製ガラス成形体８のランプ側内面は反
射鏡としてある。このパイレックス製ガラス成形体８の
開口部８ａは可視光線が通過するパイレックス板９が接
着封止されている。また、パイレックス製ガラス成形体
８の中心よりも上側の壁部および前記開口部８ａ近傍の
下端壁部に穴８ｂ、８ｃを設け、これら穴８ｂ、８ｃを
中空管10で連結し、この中空管10の一部分に回転プロペ
ラ11を内蔵した気体循環手段12を設け、メタルハライド
ランプを組み込んだ放物面の凹面鏡内での穴８ｂから８
ｃに循環気体が流れるようにしている。この循環系の途
中における中空管10にはフィン13が設けられ、循環気体
と大気との間の熱交換が効率よく行なえるようにしてあ
る。また、この密閉系に封入した気体は乾燥空気であ
り、乾燥空気に含まれる微量な水分をさらに低減させる
ようにシリカゲル14を循環系に内蔵してある。この乾燥
空気は下側の穴８ｃより中空管10、フィン13を経由して
冷却され、回転プロペラ11を内蔵した気体循環手段12を
通り、上部の穴８ｂからランプの上部に供給される。

【００１３】次に上記構成の本発明第１実施例の集光光
学装置と、従来型の集光光学装置を作製し、温度条件な
どの特性比較をした。従来型では水平点灯管のプラズマ
アークの上部の石英管温度が最高となり、外壁温度は９
２０℃となった。また、その反対側のプラズマアークの
下部の石英管温度が最低となり、その外壁温度は７３０
℃となった。これに対し、本発明実施例のものでは循環
気体を冷却用気体として使用できるため、高温部を集中
的に冷却でき、水平点灯管のプラズマアークの上部の石
英管外壁温度を８９０℃と３０℃低くすることができ、
かつ反対側のプラズマアークの下部の石英管外側温度を
７５０℃と２０℃高くすることができた。この結果、石
英内壁で生ずる主としてディスプロシウムと石英の内壁
の反応が抑制され、石英の失透が底減された。また、メ
タルハライドランプの石英管には乾燥空気が常に接触し
ているため、従来例で生じていた大気中の水分が石英発
光管を通してランプ内部に拡散することが殆どなくな
る。

【００１４】さらに、本発明第１実施例のものと従来型
のものとの寿命試験の結果を図２に示す。図２からもわ
かるように、点灯５０００時間を経過しても本発明の集
光光学装置では基準光学系で面に投射したときの照度は
初期の約６０％を維持した。これに対し、従来のもので
は約２０００時間の後急激な照度低下が生じ、約４００
０時間点灯時点で照度は初期の約１０％となり、まもな
く点灯しなくなった。このように本発明のものは従来の
ものに比べ、寿命特性に優れ、特に長時間の点灯で大き
な差となって現われることがわかる。

【００１５】次に、本発明の第２実施例について、図３
に基づき説明する。図において、21は水平点灯型２５０
Ｗメタルハライドランプの石英ガラス製発光管であり、
管内容積は１．１ｃｃであり、管の肉厚は１．３ｍｍで
ある。管内には希ガスとしてアルゴンが１００Ｔｏｒ
ｒ、水銀が３０ｍｇ、ヨウ化ディスプロシウムが０．８
ｍｇ、ヨウ化ネオジウムが０．８ｍｇ、ヨウ化セシウム
が０．５ｍｇ封入されている。22ａ、22ｂはタングステ
ン電極であり、電極間長は６．５ｍｍである。23ａ、23
ｂは取り出し電極である。また、24ａ、24ｂは石英管成
形部であり、内部には前記各タングステン電極22ａ、22
ｂから各取り出し電極23ａ、23ｂに導通する電極線を封
止してある。25は無機保温膜であり、この部分を保温す
るとともにプラズマ部で発光した光を反射鏡の方に反射
する。26は断面が円形の金属キャップであり、無機接着
材27でパイレックス製ガラス成形体28の中心に接着固定
されている。このパイレックス製ガラス成形体28のラン
プ側内面は反射鏡としてある。このパイレックス製ガラ
ス成形体28の開口部28ａは可視光線が通過するパイレッ
クス板29が接着封止されている。また、パイレックス製
ガラス成形体28の中心よりも上側の壁部および前記開口
部28ａ近傍の下端壁部に穴28ｂ、28ｃを設け、これら穴
28ｂ、28ｃを中空管30で連結し、この中空管30の一部分
に回転プロペラ31を内蔵した気体循環手段32を設け、メ
タルハライドランプを組み込んだ凹面鏡内での穴28ｂか
ら28ｃに循環気体が流れるようにしている。この循環系
の途中には中空管を並列に設け、この中空並列管30ａに
冷媒を循環する冷却装置33を備え、前記循環気体の熱を
除去する熱交換機能を持たせてある。また、この密閉系
に封入した気体はアルゴンであり、この気体は下側の穴
28ｃより中空管30、冷却装置33を経由して冷却され、回
転プロペラ31を内蔵した気体循環手段32を通り、上部の
穴28ｂからランプの上部に供給される。

【００１６】この実施例２においても、前述の実施例１
とほぼ同様な効果が得られ、メタルハライドランプの長
寿命化が実証できた。特に本実施例では冷却装置33によ
り強制冷却したアルゴンがランプに直接供給できるた
め、ランプの最高温度部分を冷却する能力が高く、ラン
プの所望の温度の実現に特に効果があり、ランプのより
効率のよい発光状態の実現とランプのより長寿命化の実
現ができた。

【００１７】さらに、本発明の第３実施例について、図
４に基づき説明する。図において、41は垂直点灯型２５
０Ｗメタルハライドランプの石英ガラス製発光管であ
り、管内容積は１．２ｃｃであり、管の肉厚は１．３ｍ
ｍである。管内には希ガスとしてアルゴンが７５Ｔｏｒ
ｒ、水銀が２９ｍｇ、ヨウ化ディスプロシウムが１．２
ｍｇ、ヨウ化ネオジウムが０．７ｍｇ、ヨウ化セシウム
が０．６ｍｇ封入されている。42ａ、42ｂはタングステ
ン電極であり、電極間長は７．０ｍｍである。43ａ、43
ｂは取り出し電極である。また、44ａ、44ｂは石英管成
形部であり、内部には前記各タングステン電極42ａ、42
ｂから各取り出し電極43ａ、43ｂに導通する電極線を封
止してある。45は無機保温膜であり、この部分を保温す
るとともにプラズマ部で発光した光を反射鏡の方に反射
する。46は断面が円形の金属キャップであり、無機接着
材47でパイレックス製ガラス成形体48の中心に接着固定
されている。このパイレックス製ガラス成形体48のラン
プ側内面は反射鏡としてある。このパイレックスガラス
成形体48の開口部48ａは可視光線が通過する凹面レンズ
49が接着封止されている。また、パイレックス製ガラス
成形体48の上部におけるランプの固定部付近および下部
に穴48ｂ、48ｃを設け、これら穴48ｂ、48ｃを中空管50
で連結し、この中空管50の一部分に回転プロペラ51を内
蔵した気体循環手段52を設け、メタルハライドランプを
組み込んだ凹面鏡内での穴48ｂから48ｃに循環気体が流
れるようにしている。また循環系の途中における中空管
50にはフィン53が設けられ、循環気体と大気との間の熱
交換が効率よく行なえるようにしてある。また、この密
閉系に封入した気体は窒素であり、この気体は下側の穴
48ｃより中空管50、フィン53を経由して冷却され、回転
プロペラ51を内蔵した気体循環手段52を通り、上部の穴
48ｂからランプの上部に供給される。 この実施例３に
おいても、前述の実施例１と同様以上の良好な効果が得
られ、メタルハライドランプの長寿命化が実証できた。
特に本実施例では垂直点灯型発光管の上部から冷却窒素
を導入するため、高温部である発光管上部の温度を効率
よく冷却できる。かつ発光管のランプの接合部での凹面
鏡の熱によるクラック発生や反射鏡の曇りが低減でき
た。これらにより、ランプのより効率のよい発光状態の
実現とランプのより長寿命化の実現ができた。

【００１８】以上の３つの実施例では、凹面鏡開口部を
少なくとも可視光線が通過する平面板、凹レンズで密閉
させた例について述べたが、これらに限定されるもので
はなく、凸レンズなどの球面レンズあるいは非球面レン
ズやフライアイレンズなどを用いてもよく、それぞれの
ものに独特な集光特性が得られる。また、循環する気体
のランプ部分への流入、流出する穴は最小数を示した
が、これ以上の数の穴を設けても同様の効果が期待でき
る。さらに、循環気体冷却装置としてはランプの発生す
る熱をペルチェ効果で発生させた電気エネルギーを利用
することも可能である。さらに実施例１では乾燥空気か
らさらに水分を低減する手段として、シリカゲルを用い
たが、五酸化リンなどでも同様の効果があった。また、
循環気体が窒素、アルゴンの場合もこれらの乾燥手段を
用いると、用いない場合に比べ長寿命化における実験結
果でより良好な結果が得られた。

【００１９】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、外界環境
から供給される水分や海岸地方での塩分のメタルハライ
ドランプ発光管内への拡散浸透を防ぐとともに、発光管
温度の制御が可能となり、発光管の失透や黒化を低減で
きる。また、反射鏡に対しても外界からの反応性物質の
反射鏡への拡散を除き、温度制御が可能となり、反射鏡
の曇りの低減も図れる。この結果、経時的に集光効率低
下の少ない長寿命の、メタルハライドランプを組み込ん
だ集光光学装置が実現できる。

【００２０】これらの集光光学装置は一般照明や液晶ビ
デオプロジェクターなどの光学機器の普及に大きく貢献
することが期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の断面図である。

【図２】第１実施例と従来例における寿命特性を示すグ
ラフである。

【図３】本発明の第２実施例の断面図である。

【図４】本発明の第３実施例の断面図である。

【図５】従来例の断面図である。

【符号の説明】

１ 石英ガラス製発光管 ２ａ、２ｂ タングステン電極 ３ａ、３ｂ 取り出し電極 ４ａ、４ｂ 石英管成形部 ５ 無機保温膜 ６ 金属キャップ ８ パイレックス製ガラス成形体 ８ａ 開口部 ８ｂ、８ｃ 穴 ９ パイレックス板 10 中空管 11 回転プロペラ 12 気体循環手段 13 フィン 21 石英ガラス製発光管 22ａ、22ｂ タングステン電極 23ａ、23ｂ 取り出し電極 24ａ、24ｂ 石英管成形部 25 無機保温膜 26 金属キャップ 28 パイレックス製ガラス成形体 28ａ 開口部 28ｂ、28ｃ 穴 29 パイレックス板 30 中空管 31 回転プロペラ 32 気体循環手段 33 冷却装置 41 石英ガラス製発光管 42ａ、42ｂ タングステン電極 43ａ、43ｂ 取り出し電極 44ａ、44ｂ 石英管成形部 45 無機保温膜 46 金属キャップ 48 パイレックス製ガラス成形体 48ａ 開口部 48ａ、48ｃ 穴 49 凹面レンズ 50 中空管 51 回転プロペラ 52 気体循環手段 53 フィン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 文字 秀人 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 竹内 延吉 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 放物面となる凹面反射鏡の焦点に放電ア
   ークが存在するようにメタルハライドランプを組み込ん
   だ構造を有する集光光学装置において、光源部分が密閉
   構造となるよう反射鏡開口部を可視光線が通過する平面
   板や球面レンズなどで密閉させ、この密閉部に２カ所以
   上の穴を設け、これら穴を中空管で連結し、この中空管
   の一部分に密閉部内の気体を循環させる手段を設けた集
   光光学装置。