JPH11149899A - 高圧放電ランプ、この高圧放電ランプを光源とした照明光学装置、およびこの照明光学装置を用いた画像表示装置 - Google Patents

高圧放電ランプ、この高圧放電ランプを光源とした照明光学装置、およびこの照明光学装置を用いた画像表示装置

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JPH11149899A
JPH11149899A JP9316752A JP31675297A JPH11149899A JP H11149899 A JPH11149899 A JP H11149899A JP 9316752 A JP9316752 A JP 9316752A JP 31675297 A JP31675297 A JP 31675297A JP H11149899 A JPH11149899 A JP H11149899A
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良樹 北原
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 水銀封入量とハロゲンガス濃度の最適化を図
り、発光管内部の残留ガスおよび点灯中に発生する不要
なガスの発生を抑制することにより、長寿命な高圧放電
ランプ、照明光学装置、および画像表示装置を得る。 【解決手段】 酸化カリウムK2O含有量が5ppm以
下のタングステンからなる電極棒4bの先端部に酸化カ
リウムK2O含有量が5ppm以下のタングステンから
なる電極コイル4aが設けられた電極4と、一端部に、
この電極棒4bの後端部が接続された金属箔5と、この
金属箔5の他端部に、一端部が接続された外部リード線
6とからなる導入体は電極4が発光部2内に位置するよ
うに封止部3に封止されている。電極間距離は1.5m
mである。発光部2内には水銀が28.5mg(約0.
16mg/mm3)、ハロゲンガスとしてBrが1.0
×10-4μmol/mm3が封入されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は一般照明や光学機器
等に用いられる高圧放電ランプ、高圧放電ランプと反射
鏡とを組み合わせた照明光学装置、および照明光学装置
と画像形成部とを組み合わせた画像表示装置に関するも
のである。
【0002】
【従来の技術】従来、液晶プロジェクタ等に用いる画像
表示装置の光源として使用される照明光学装置は、通
常、光源と反射鏡とが一体化されて使用されており、光
源としては、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、
キセノンランプ、超高圧水銀ランプ等が使用されてい
る。
【0003】近年、照明光学装置に用いられる光源とし
ては、効率の良さ、高輝度、放射光における赤、青、緑
のバランスの良さ、長寿命等の理由から電極間距離を短
くした点光源に近いショートアークな超高圧水銀ランプ
が主流になりつつある。
【0004】このような照明光学装置としては、従来、
図8に示すように高圧放電ランプ、例えば超高圧水銀ラ
ンプ17と、反射面が放物面あるいは楕円面からなる凹
面反射鏡9(以下、反射鏡9という)とを一体に組み合
わせたものが使用されていた。
【0005】超高圧水銀ランプ17から放射された光は
反射鏡9によって反射され、前方に放射される。このよ
うな照明光学装置を集光レンズまたは液晶パネル等の画
像形成部を有する画像表示装置と組み合わせた場合、前
方に放射された光は画像表示装置の、一定の面積を有す
る集光レンズまたは液晶パネル等の画像形成部に導かれ
る。
【0006】反射鏡9によって前方に反射される光は平
行光線であれば集光効率が高い。このため光源は点光源
であることが望ましく、したがって、点光源の実現可能
な電極間距離の短い、いわゆるショートアークな超高圧
水銀ランプが使用される。
【0007】以下、図面を参照しながら上述した従来の
超高圧水銀ランプの一例について説明する。
【0008】図8に示すように従来の超高圧水銀ランプ
17は、内部に一対の電極を有する発光部17aと、こ
の発光部17aの両端に連設された封止部17bとから
なる。
【0009】封止部17bには、後述の導入体が封止さ
れている。導入体は、電極棒18bの先端部に電極コイ
ル18aが設けられた電極18と、一端部に、この電極
棒18bの後端部が接続されたモリブデンからなる金属
箔5と、この金属箔5の他端部に、一端部が接続された
外部リード線6とからなる。そして、この導入体は電極
18が発光部17a内に位置するように封止部17bに
封止されている。
【0010】一方の外部リード線(図示せず)は口金7
に電気的に接続され、他方の外部リード線6は電力供給
線(図示せず)に接続される。
【0011】発光部17aには発光金属としての水銀、
アルゴン等の希ガスが封入されている。超高圧水銀ラン
プ17は反射鏡9に取り付けられ一体化されており、反
射鏡9はガラス、金属あるいはセラミックからなり、回
転鏡面の内面に反射特性に優れたTiO2−SiO2等の
蒸着膜からなる反射面を有している。この反射鏡9の前
面投光部つまり開口部は開口径が50〜120mm程度
に形成されており、背部には支持筒部10が設けられて
いる。この支持筒部10には超高圧水銀ランプ17の口
金7が絶縁セメント等の接着剤11により固着されてい
る。これにより、超高圧水銀ランプ17はランプ軸が反
射鏡9の中心と略一致するようにして反射鏡9に固着さ
れている。なお、反射鏡9には導入孔(図示せず)が形
成されており、この導入孔に前述の電力供給線が貫通さ
れており、この電力供給線は反射鏡9の背面側に導かれ
る。このような従来の超高圧水銀ランプ17は、消費電
力80〜150Wの場合、電極間距離は1.0〜2.0
と短く、通常は125〜400Hzの高周波交流電源に
より点灯される。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】このようなショートア
ークで高輝度な放電ランプを点灯すると、電極先端温度
は非常に高くなり、電極材料であるタングステンが飛散
し、発光管内壁に付着、すなわち、発光管の黒化が数十
時間以内で発生する。この発光管の黒化を抑制するため
に、発光管内にハロゲンガスを封入し、ハロゲンサイク
ルと呼ばれる反応を利用し発光管の黒化を防止する方法
が知られている(特開平2−148561号公報)。こ
の公報で知られた超高圧水銀ランプは、水銀の封入量が
0.2mg/mm3より多く、ハロゲンCl、Brまた
はIの少なくとも1つが10-6〜10-4μmol/mm
3の間で封入されている。
【0013】しかしながら、このようなランプでは動作
時の発光管内部の圧力が200バールを越えるため、発
光管の若干の黒化でさえも、発光管の変形を生じ、結果
として発光管の破裂を引き起こす。また、発光管内部の
残留不純ガスと電極および発光管材料である石英ガラス
から放出される不純ガスはハロゲンサイクルを阻害する
ため、結果としてランプの短寿命を招く。
【0014】このように、従来のショートアークで、高
輝度な高圧放電ランプにおいては、初期特性は優れてい
るが、ランプ寿命の点で問題を有していた。
【0015】本発明は、発光管内の水銀封入量とハロゲ
ンガス濃度の最適化を図り、さらに発光管内部の残留ガ
スおよび点灯中に発生する不要なガスの発生を抑制する
ことにより、長寿命な高圧放電ランプ、この高圧放電ラ
ンプを光源とした照明光学装置、およびこの照明光学装
置を用いた画像表示装置を得ることを目的とするもので
ある。
【0016】
【課題を解決するための手段】本発明の請求項1記載の
高圧放電ランプは、内部に一対の電極を具備し、かつ内
部に水銀、不活性ガスおよびハロゲンガスが封入された
発光管を備え、前記水銀の封入量は0.12〜0.35
mg/mm3の間にあるとともに、前記ハロゲンガスと
してCl、BrまたはIの少なくとも1つが10-7〜1
-2μmol/mm3の間で存在し、かつ前記電極が主
にタングステンからなり、前記電極の材料である前記タ
ングステンに含まれる酸化カリウムK2Oの含有量が1
2ppm以下である構成を有する。
【0017】これにより、タングステンに含まれる酸化
カリウムK2Oに起因する発光管の黒化および照度維持
度の低下を防止でき、長寿命な高圧放電ランプを得るこ
とができる。
【0018】請求項2記載の発明は、請求項1記載の発
明において、前記発光管が石英ガラスからなり、前記石
英ガラス中の水分(OH基)含有量が3ppm以下であ
ることが好ましい。
【0019】これにより、発光管の黒化を防止でき長寿
命な高圧放電ランプを得ることができる。
【0020】請求項3記載の発明は、請求項1または請
求項2記載の発明において、始動後数秒から2分以内に
見られる再点弧電圧が20(V)以下であることが好ま
しい。
【0021】これにより、長寿命な高圧放電ランプを得
ることができる。請求項4記載の発明は、請求項1ない
し請求項3のいずれかに記載の発明において、直流点灯
する場合、点灯中に陽極となる電極の体積を陰極となる
電極の体積に比べて大きく形成することが好ましい。
【0022】これにより、さらなる長寿命化が図れる。
本発明の請求項5記載の照明光学装置は、反射面が放物
面あるいは楕円面からなる反射鏡と、請求項1ないし請
求項4のいずれかに記載の高圧放電ランプとが、前記高
圧放電ランプのアーク軸が前記反射鏡の光軸上に位置さ
れて一体化された構成を有する。
【0023】これにより、長寿命な照明光学装置を得る
ことができる。本発明の請求項6記載の画像表示装置
は、光源および集光部からなる光源部と、画像形成部と
からなる画像表示装置において、前記光源部に請求項5
記載の照明光学装置を用いた構成を有する。
【0024】これにより、長寿命な画像表示装置を得る
ことができる。
【0025】
【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態について
説明する。
【0026】本発明の第1の実施の形態である高圧放電
ランプおよびこの高圧放電ランプを光源とした照明光学
装置について説明する。
【0027】図1に示す高圧放電ランプは、略回転楕円
体形状で中央部最大内径が6.5mm、内容積が180
mm3、肉厚は2.5mmである発光部2と、この発光
部2の両端に連設された封止部3とからなる石英ガラス
製の発光管1を有する。封止部3には、後述の導入体が
封止されている。
【0028】導入体は、直径0.4mm、酸化カリウム
2O含有量が5ppm以下のタングステンからなる電
極棒4bの先端部に直径0.2mm、酸化カリウムK2
O含有量が5ppm以下のタングステンからなる電極コ
イル4aが設けられた電極4と、一端部に、この電極棒
4bの後端部が接続されたモリブデンからなる金属箔5
と、この金属箔5の他端部に、一端部が接続された外部
リード線6とからなる。そして、この導入体は電極4が
発光部2内に位置するように封止部3に封止されてい
る。
【0029】一方の封止部3には口金7が設けられ、こ
の口金7と、この口金7が取り付けられた側の封止部3
から導出した図示しない外部リード線とが電気的に接続
されている。
【0030】他方の外部リード線6は、電力供給線8の
一端が接続されており、電力供給線8の他端は後述の反
射鏡9を貫通し反射面とは反対側の外部に導出されてい
る。
【0031】発光部2内での電極間距離、すなわちアー
ク長は1.5mmである。発光部2内には水銀が28.
5mg(約0.16mg/mm3)、ハロゲンガスとし
てBrが1.0×10-4μmol/mm3、さらに始動
用希ガスとしてArが250mbar封入されている。
【0032】そして、このような発光管1は反射鏡9と
組み合わされ照明光学装置12となる。
【0033】漏斗形状でセラミック製の反射鏡9は、回
転曲面の内面にTiO2−SiO2の蒸着膜からなる反射
面を有している。この反射鏡9の前面投光部、すなわち
開口部はその直径が65mm程度に形成されており、背
部の頂部には支持筒部10を有している。支持筒部10
には口金7が絶縁セメント11によって固着されてお
り、発光管1(一対の電極を通る)の中心軸と反射鏡9
の中心軸とは、ほぼ一致するように固着されている。
【0034】本実施の形態の高圧放電ランプおよびこの
高圧放電ランプを光源とした照明光学装置12におい
て、口金7と電力供給線8とを交流電源に接続し、ラン
プ電圧約60V、ランプ電流約2.5A、ランプ電力1
50Wで点灯した。このランプの再点弧電圧(ピーク
値)は約10Vであった。
【0035】本実施形態の照明光学装置12を図2に示
すような光学系に組み込み画像表示装置を構成し、定格
電力で稼働させたところ、ランプ効率が60lm/W、
発光管1から放射され、反射鏡9から反射される光の色
温度は約6800Kとなった。次に、本実施の形態の照
明光学装置12を定格電力で稼働させ、ライフ試験を行
った。なお、12は本実施形態の照明光学装置、13は
集光レンズ、14は投射レンズ系、15は受光面(スク
リーン)を示す。
【0036】ライフ試験の結果、2500時間点灯して
も、発光管1の白濁、黒化は全く起こらず、また、図3
から明らかなようにスクリーン照度維持率は約90%を
維持することができ良好な結果が得られた。
【0037】次に同じく図1を用いて、本発明の第2の
実施の形態である高圧放電ランプおよびこの高圧放電ラ
ンプを光源とした照明光学装置について説明する。
【0038】本実施形態において、発光部2の中央部最
大内径は5.0mm、内容積は80mm3、肉厚は2.
5mmとし、電極4は直径0.35mm、酸化カリウム
2O含有量が5ppm以下のタングステンからなる電
極棒4bと、この電極棒4bの先端部に設けられた直径
0.2mm、酸化カリウムK2O含有量が5ppm以下
のタングステンからなる電極コイル4aとからなる。ま
た、発光部2内での電極間距離、すなわちアーク長は
1.0mmとし、発光部2内には水銀が16.5mg
(約0.205mg/mm3)、ハロゲンガスとしてB
rが1.5×10-4μmol/mm3、さらに始動用希
ガスとしてArが250mbar封入されている。ま
た、反射鏡9は、その前面投光部、すなわち開口部はそ
の径が60mm程度に形成されている。他の構成は上記
第1の実施形態と同様である。
【0039】本実施の形態の短アークの高圧放電ランプ
と反射鏡とを一体化した照明光学装置12において、口
金7と電力供給線8とを交流電源に接続し、ランプ電圧
約60V、ランプ電流約2.1A、ランプ電力125W
で点灯した。このランプの再点弧電圧(ピーク値)は約
10Vであった。
【0040】このような構成の照明光学装置を図2に示
すような光学系に組み込み画像表示装置を構成し、定格
電力で稼働させたところ、ランプ効率が55lm/W、
発光管1から放射され、反射鏡9から反射される光の色
温度は約6500Kとなった。そして、本実施の形態の
照明光学装置を定格電力で稼働させ、ライフ試験を行っ
た。
【0041】ライフ試験の結果、2000時間点灯して
も、発光管1の白濁、黒化は全く起こらず、また図4か
ら明らかなように、スクリーン照度維持率は約87%を
維持することができ良好な結果が得られた。
【0042】次に、本発明の第3の実施の形態である高
圧放電ランプおよびこの放電ランプを光源とした照明光
学装置について説明する。
【0043】本実施形態の高圧放電ランプは、図5に示
すように、発光部2の中央部最大内径は7.0mm、内
容積は230mm3、肉厚は2.5mmとし、一方の電
極4は直径0.45mm、酸化カリウムK2O含有量が
5ppm以下のタングステンからなる電極棒4bと、こ
の電極棒4bの先端部に設けられた直径0.2mm、酸
化カリウムK2O含有量が5ppm以下のタングステン
製の電極コイル4aからなり、電極コイル4aは電極棒
4b先端から0.75mm離れたところに取り付けられ
ている。また、他方の電極16は酸化カリウムK2O含
有量が5ppm以下のタングステンからなり、電極先端
部16aの最大径が1.7mm、先端径が0.6mm、
電極埋没部16bの径が0.45mmで構成されてい
る。また、発光部2内での電極間距離、すなわちアーク
長は1.5mmである。発光部2内には水銀が37.0
mg(約0.16mg/mm3)、ハロゲンガスとして
Brが7.5×10-5μmol/mm3、さらに始動用
希ガスとしてArが250mbar封入されている。反
射鏡9は、その前面投光部、すなわち開口部はその径が
70mm程度に形成されている。他の構成は上記第1の
実施形態と同様である。
【0044】本実施の形態の短アークの高圧放電ランプ
と反射鏡とを一体化した照明光学装置において、口金7
と電力供給線8とを直流電源に接続し、ランプ電圧約6
5V、ランプ電流約2.4A、ランプ電力160Wで点
灯した。
【0045】このような構成の照明光学装置12を図2
に示すような光学系に組み込み画像表示装置を構成し、
定格電力で稼働させたところ、ランプ効率が62lm/
W、発光管1から放射され、反射鏡9から反射される光
の色温度は約6500Kとなった。そして、本実施の形
態の照明光学装置を定格電力で稼働させ、ライフ試験を
行った。
【0046】ライフ試験の結果、3000時間点灯して
も、発光管1の白濁、黒化は全く起こらず、また、図6
から明らかなようにスクリーン照度維持率は約85%を
維持することができ良好な結果が得られた。
【0047】電極が主にタングステンからなり、タング
ステン電極中の酸化カリウムK2Oの含有量が12pp
m以下としたのは次の理由による。
【0048】電極中の酸化カリウムK2O含有量が5p
pm以下、8ppm、12ppm、15ppm、30p
pm、75ppm、100ppmの7種類の電極を使用
し、ランプ試作を行い、ライフ試験を行った。ランプ点
灯100時間での照度維持率の結果を表1に示す。
【0049】
【表1】
【0050】表1から明らかなように、15ppm以上
の酸化カリウムK2Oを含有した電極を使用したランプ
では点灯初期に発光管に黒化が発生し、照度維持率が低
下した。発光管の黒化程度は電極中に含まれる酸化カリ
ウムK2O含有量が多いほど激しい、という結果が得ら
れた。解析の結果、タングステン電極に含まれる酸化カ
リウムK2Oの存在は、ハロゲンサイクルを著しく阻害
することが判明したため、上記のように電極中の酸化カ
リウムK2O濃度を規定した。そして、タングステン電
極に含まれる酸化カリウムK2Oの含有量は少なければ
少ない程良い。
【0051】また、石英ガラス中の水分(OH基)含有
量が3ppm以下としたのは以下の理由による。
【0052】OH基濃度が1ppm、3ppm、6pp
m、10ppm、15ppm、20ppmの6種類の石
英ガラスを用い、ランプを製作しライフ試験を行った。
ランプ点灯100時間での照度維持率の結果を表2に示
す。
【0053】
【表2】
【0054】表2から明らかなように、6ppm以上の
OH基を含有した石英ガラスを用いたランプでは点灯1
00時間以内にランプの黒化が発生し、OH基濃度が大
きくなるにつれ発光管の黒化発生の度合が大きくなっ
た。
【0055】ランプを点灯すると、発光管内表面付近の
石英ガラス中の水分は、拡散によって発光管内に浸入す
る。この浸入する水分が多いとハロゲンサイクルが阻害
され、ランプの黒化を促進することが判明した。したが
って、石英ガラス中の水分(OH基)含有量は上記のよ
うに規定してある。
【0056】さらに、始動後数秒から2分以内に見られ
る再点弧電圧(ピーク値)が20(V)以下としたの
は、以下の理由による。
【0057】ここで言及しておくが、再点弧電圧(ピー
ク値)とは、ランプ点灯直後(10秒後から2分以内)
に図7に見られるような電圧値のピーク値を指すものと
する。この再点弧電圧は発光管内の不純ガス(H2O、
2など)が多いほど高くなることが知られている。
【0058】再点弧電圧が10V以下、15V、20
V、25V、30V、40V、60Vのランプを試作
し、ランプのライフ試験を行った。試験結果では、再点
弧電圧が20V以下のランプではランプ黒化は発生しな
かったが、25V以上のランプでは発光管の黒化が発生
した。したがって、上記のような規定を設けた。
【0059】また、直流点灯した場合、点灯中に陽極と
なる電極の体積を陰極となる電極の体積と同じあるいは
小さくした場合、陽極となる電極の温度が過度に上昇す
る、あるいは陰極の温度が放電を維持する温度以下にな
るため、ランプとして好ましくない。点灯中に陽極とな
る電極の体積を陰極となる電極の体積に比べ大きく形成
することにより、電極の陽極と陰極の温度がほぼ等しい
温度となり、電極温度の最適化を図ることができる。し
たがって、上記のような規定を設けた。
【0060】なお、本発明で直流点灯というのは、厳密
な意味の直流ではなく、交流を整流したもの等であって
も良い。
【0061】
【発明の効果】以上のように本発明は、発光管内の水銀
封入量とハロゲンガス濃度の最適化を図り、さらに発光
管内部の残留ガスおよび点灯中に発生する不要なガスの
発生を抑制することにより、長寿命な高圧放電ランプを
得ることができる。
【0062】また、本発明の高圧放電ランプを光源とす
ることにより長期にわたり集光性を損なうことがなく長
寿命な照明光学装置を得ることができる。
【0063】そして、本発明の高圧放電ランプを光源と
した照明光学装置を用いることにより、長寿命で、かつ
長期にわたり良好な集光性を維持できる画像表示装置を
得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態である高圧放電ラン
プと反射鏡とからなる照明光学装置の一部切欠斜視図
【図2】ランプ評価に用いた光学系を示す図
【図3】本発明の第1の実施の形態である画像表示装置
における点灯時間とスクリーン照度維持率との関係を示
す図
【図4】本発明の第2の実施の形態である画像表示装置
における点灯時間とスクリーン照度維持率との関係を示
す図
【図5】本発明の第3の実施の形態である高圧放電ラン
プと反射鏡とからなる照明光学装置の一部切欠斜視図
【図6】本発明の第3の実施の形態である画像表示装置
における点灯時間とスクリーン照度維持率との関係を示
す図
【図7】再点弧電圧を説明するための図
【図8】従来例の高圧放電ランプ反射鏡とからなる照明
光学装置の一部切欠正面図
【符号の説明】
1 発光管 2 発光部 3 封止部 4,16 電極 4a 電極コイル 4b 電極棒 5 金属箔 6 外部リード線 9 反射鏡 12 照明光学装置 13 集光レンズ 14 投射レンズ系 15 受光面(スクリーン)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01J 61/88 H01J 61/88 B

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 内部に一対の電極を具備し、かつ内部に
    水銀、不活性ガスおよびハロゲンガスが封入された発光
    管を備え、前記水銀の封入量は0.12〜0.35mg
    /mm3の間にあるとともに、前記ハロゲンガスとして
    Cl、Br、Iのうちの少なくとも1つが10-7〜10
    -2μmol/mm3の間で存在し、かつ前記電極が主に
    タングステンからなるとともに、前記タングステンに含
    まれる酸化カリウムK2Oの含有量が12ppm以下で
    あることを特徴とする高圧放電ランプ。
  2. 【請求項2】 前記発光管が石英ガラスからなり、前記
    石英ガラス中の水分(OH基)含有量が3ppm以下で
    あることを特徴とする請求項1記載の高圧放電ランプ。
  3. 【請求項3】 始動後数秒から2分以内に見られる再点
    弧電圧が20(V)以下であることを特徴とした請求項
    1または請求項2記載の高圧放電ランプ。
  4. 【請求項4】 直流点灯する場合、点灯中に陽極となる
    電極の体積を陰極となる電極の体積に比べて大きく形成
    したことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれ
    かに記載の高圧放電ランプ。
  5. 【請求項5】 反射面が放物面あるいは楕円面からなる
    反射鏡と、請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の
    高圧放電ランプとが、前記高圧放電ランプのアーク軸が
    前記反射鏡の光軸上に位置されて一体化されていること
    を特徴とする照明光学装置。
  6. 【請求項6】 光源および集光部からなる光源部と、画
    像形成部とからなる画像表示装置において、前記光源部
    に請求項5記載の照明光学装置を用いたことを特徴とす
    る画像表示装置。
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