JP2005149968A

JP2005149968A - 光源装置

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Publication number: JP2005149968A
Application number: JP2003387694A
Authority: JP
Inventors: Atsuji Nakagawa; 敦二中川; Toshitaka Fujii; 敏孝藤井; Tomihiko Ikeda; 富彦池田; Tetsuya Shirai; 哲也白井
Original assignee: Phoenix Electric Co Ltd
Current assignee: Phoenix Electric Co Ltd
Priority date: 2003-11-18
Filing date: 2003-11-18
Publication date: 2005-06-09

Abstract

【課題】「明るさ向上」、「軽量化」、「長寿命化」、「再点灯時間の短縮化」および「水銀拡散の防止」の全ての要求に応える。
【解決手段】光源装置１０は、０．１５ｍｇ／ｍｍ³以上の水銀が封入されている超高圧放電灯１２と、超高圧放電灯１２の光を反射させる反射面１４ａを有する金属製のリフレクター１４とを備えている。金属製のリフレクター１４は、絞り加工等によって薄肉に形成できるので、強度低下を招くことなく軽量化を達成できる。また、金属製のリフレクター１４に光が照射されると光電効果によってリフレクター１４がマイナスに荷電されるので、超高圧放電灯１２内の不純物の陽イオンを超高圧放電灯１２の外部へ引き出すことができる。さらに、金属製のリフレクター１４は、熱伝導率が高いので、消灯後の温度低下を促進することができ、再点灯までの待ち時間を短縮できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、超高圧放電灯と金属製のリフレクターとを備え、投射型プロジェクターの光源として用いられる光源装置に関する。

近年では、ビジネスにおけるプレゼンテーション、家庭におけるホームシアターやリアプロジェクションテレビ等の様々なシーンで投射型プロジェクターが使用されており、その主要部品である光源装置には、ガラス製のリフレクターに超高圧放電灯を取り付けたものが一般に用いられている（特許文献１）。そして、このようなリフレクター付の光源装置１では、図３に示すように、放電灯２の端部にセラミックキャップ３を装着し、放電灯２とセラミックキャップ３とをセメント４によってガラス製のリフレクター５に接合していた。

このような投射型プロジェクターの光源装置には、「明るさ向上」、「軽量化」、「長寿命化」、「再点灯時間（消灯後、再点灯できるまでの待ち時間）の短縮化」、「放電灯が破裂した際の水銀拡散の防止」等の要求があり、従来では、放電灯の高圧化（０．１５ｍｇ／ｍｍ³以上の水銀封入）によって「明るさ向上」の要求に応えていた。
特許第３１４９７４８号

従来では、放電灯の高圧化によって「明るさ向上」の要求に応えていたが、放電灯の高圧化だけでは、「軽量化」、「長寿命化」、「再点灯時間の短縮化」および「水銀拡散の防止」の全ての要求には応えることができなかった。

つまり、「軽量化」については、リフレクターの肉厚を薄くして重量を軽くすることによる対策が考えられるが、ガラス製のリフレクターでは、肉厚を薄くすると強度が大幅に低下するため、放電灯が破裂した際の破片によってリフレクターが破損してしまうおそれがあった。

また、「長寿命化」については、放電灯の発光部内に存在する不純物（水素、ナトリウム等）に依存する割合が高いが、ガラス製のリフレクターを用いた光源装置では、放電灯の点灯中に石英ガラス壁から発光部内へ供給される不純物を軽減することができなかった。

そして、「再点灯時間の短縮化」については、消灯後の放電灯の温度をできる限り早く低下させて、絶縁破壊を起こすことができる程度にまで放電灯の内部圧力を低下させる必要があるが、ガラス製のリフレクターの熱伝導率は、硬質ガラスで１．２５Ｗ／ｍ・Ｋ、耐熱強化結晶化ガラスで１．５３Ｗ／ｍ・Ｋと低いため、温度低下に長時間を要し、再点灯時間が長くなっていた。

さらに、「水銀拡散の防止」については、リフレクターの内側を密閉するとともに、リフレクターの強度を高めてその破損を防止することによる対策が考えられるが、ガラス製のリフレクターの強度を高めようとすると重量が増大するため、「軽量化」の要求に反することになる。

それゆえに、この発明の主たる目的は、「明るさ向上」、「軽量化」、「長寿命化」、「再点灯時間の短縮化」および「水銀拡散の防止」の全ての要求に応えることのできる、光源装置を提供することである。

請求項１に記載した発明は、「０．１５ｍｇ／ｍｍ³以上の水銀が封入されている超高圧放電灯１２と、超高圧放電灯１２の光を反射させる反射面１４ａを有する金属製のリフレクター１４とを備える、光源装置１０」である。

この発明では、金属製のリフレクター１４を用いているので、強度低下を招くことなく軽量化を達成できる。また、金属製のリフレクター１４に光が照射されると光電効果によってリフレクター１４がマイナスに荷電されるので、超高圧放電灯１２内で発生した不純物（水素、ナトリウム等）の陽イオンがリフレクター１４に引き寄せられ、ガラス壁を通過して超高圧放電灯１２の外部へ排出される。したがって、不純物による超高圧放電灯１２の短寿命化を抑制できる。また、金属製のリフレクター１４は熱伝導率が高いので、消灯後の温度低下を促進することができ、再点灯時間の短縮化を達成できる。さらに、金属製のリフレクター１４は、簡単に破損することがないので、超高圧放電灯１２が破裂した場合でもその内部の水銀が拡散する心配はない。

請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した「光源装置１０」において、「リフレクター１４が水銀と反応してアマルガムを生成する金属によって構成された」ことを特徴とする。

この発明では、水銀と反応してアマルガムを生成する金属（アルミニウム、金、銀、亜鉛、カドミウム、鉛、ナトリウム、カリウム等）によってリフレクター１４が構成されるので、超高圧放電灯１２が破裂したときに飛散した水銀は、リフレクター１４と反応して「アマルガム」として固定される。したがって、超高圧放電灯１２が破裂した場合でも水銀が拡散する心配はない。

請求項３に記載した発明は、請求項１または２に記載した「光源装置１０」において、「反射面１４ａに水銀と反応してアマルガムを生成する金属膜を形成した」ことを特徴とする。

この発明では、超高圧放電灯１２が破裂したときに飛散した水銀が、反射面１４ａに形成された金属膜と反応して「アマルガム」として固定される。

請求項４に記載した発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載した「光源装置１０」において、「反射面１４ａに可視光の反射を促進する可視光反射膜を形成した」ことを特徴とする。

この発明では、反射面１４ａに形成された可視光反射膜１２によって可視光の反射が促進され、明るさが向上する。

請求項５に記載した発明は、請求項４に記載した「光源装置１０」において、「可視光反射膜は高屈折率膜と低屈折率膜とを有する多層膜である」ことを特徴とする。

この発明は、可視光反射膜の具体的構成に関するものである。

請求項６に記載した発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載した「光源装置１０」において、「リフレクター１４を絞り加工によって形成した」ことを特徴とする。

この発明では、リフレクター１４を絞り加工によって薄肉に形成できる。

請求項１〜６に記載した発明によれば、超高圧放電灯を用いているので「明るさ向上」の要求に応えることができる。また、金属製のリフレクターを用いているので、「軽量化」、「長寿命化」、「再点灯時間の短縮化」および「水銀拡散の防止」の要求に応えることができる。

請求項２および３に記載した発明によれば、超高圧放電灯の破裂時に飛散した水銀をアマルガムとして固定することができるので、「水銀の拡散」をより確実に防止することができる。

請求項４および５に記載した発明によれば、リフレクターの反射面に可視光反射膜を形成しているので、「明るさ」をより高めることができる。

請求項６に記載した発明によれば、リフレクターを絞り加工によって薄肉に形成できるので、より軽量化することができる。

図１を参照して、本発明が適用された光源装置１０は、投射型プロジェクターの光源として用いられるものであり、超高圧放電灯１２と、超高圧放電灯１２の光を反射させるリフレクター１４と、超高圧放電灯１２の端部を保持する保持部材１６と、リフレクター１４の前部開口を覆うカバー１８と、超高圧放電灯１２および保持部材１６をリフレクター１４に固着するためのセメント２０によって構成されている。

超高圧放電灯１２は、直流点灯式のショートアーク超高圧水銀放電灯であり、球状の発光部２２と、その両端からストレートに延びた棒状の封止部２４とを有する封体容器２６を備えている。そして、封体容器２６における各封止部２４の内部には、一端が発光部２２の内部へ突出した電極棒２８と、一端が外部へ突出したリード棒３０と、電極棒２８の他端とリード棒３０の他端とを電気的に接続するモリブデン箔３２とが配設されており、各電極棒２８の一端には、一対のタングステン電極（以下、単に「電極」という。）３４を構成する陽極３４ａおよび陰極３４ｂが接続されている。また、発光部２２の内部には、０．１５ｍｇ／ｍｍ³以上の水銀が封入されている。

なお、図１に示した超高圧放電灯１２は、ダブルエンド型で直流点灯式の超高圧水銀放電灯であるが、これに代えて、交流点灯式の超高圧水銀放電灯，シングルエンド型の超高圧水銀放電灯を用いるようにしてもよい。

リフレクター１４は、超高圧放電灯１２の発光部２２において発生した光を所定方向へ反射させるための金属製の碗状部材であり、リフレクター１４の内面には、鏡面状の反射面１４ａが形成されている。また、リフレクター１４の中央部には、超高圧放電灯１２の封止部２４が挿通される取付孔３６を構成する筒状の放電灯取付部３８が形成されている。

なお、リフレクター１４の材質は、高強度かつ薄肉に形成可能な金属（アルミニウム、ステンレス、真鍮、ニッケル、クロム、ニッケル−クロム合金、銅、銅−ニッケル合金等）であればよく、特に限定されるものではない。金属製のリフレクター１４の熱伝導率は、ガラス製のリフレクターよりもはるかに高く、たとえば、アルミニウム製であれば２３３Ｗ／ｍ・Ｋ、ステンレス製であれば１９Ｗ／ｍ・Ｋである。

保持部材１６は、超高圧放電灯１２における封止部２４の先端部を保持するとともに、リード線４０（図１）を保持するものであり、セラミック等のような耐熱性材料によって一体成形されている。カバー１８は、リフレクター１４の内側空間を密閉するものであり、ガラス等のような通光性材料によって一体成形されている。

なお、リフレクター１４の加工方法としては、「プレス加工」または「絞り加工」等を用いることができるが、「絞り加工」を用いた場合には、図２に示すように、リフレクター１４の肉厚を０．２ｍｍ程度にまで薄くすることができる。また、「絞り加工」の後に「プレス加工」等の成形加工を施すようにすれば、薄肉にして加工精度の高いリフレクター１４を得ることができる。

「絞り加工」によって１．２ｍｍの肉厚で形成されたリフレクター１４の重量は、アルミニウム製であれば１１３ｇ程度、ステンレス製であれば１２５ｇ程度であり、一般的なガラス製のリフレクター（肉厚６ｍｍ）の重量が２５０ｇ程度であるのに比べて大幅に軽くなる。

光源装置１０を組み立てる際には、まず、超高圧放電灯１２における一方の封止部２４の端部に保持部材１６をセメントによって接合する。続いて、超高圧放電灯１２をリフレクター１４の取付孔３６に通してこれをリフレクター１４の中央部に位置決めし、保持部材１６および封止部２４をセメント２０によってリフレクター１４の放電灯取付部３８に接合する。そして、リフレクター１４の前部開口にカバー１８を装着する。なお、「セメント」としては、アルミナ−シリカ（Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２）系，アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）系または炭化けい素（ＳｉＣ）系のものを用いることができる。

光源装置１０をプロジェクターの内部に組み込んだ後、プロジェクターの駆動スイッチを入れると、超高圧放電灯１２に点灯始動電圧が印加されて発光部２２が発光する。そして、発光部２２で発生した光は、リフレクター１４の反射面１４ａで反射されて各種の光学素子に与えられ、デジタルミラーディバイスや液晶から画像情報を受け取った後、投射レンズによってスクリーン上に投射される。

このとき、超高圧放電灯１２の発光部２２においては、光とともに大量の熱が発生するが、発生した熱は、熱伝導率の高い金属製のリフレクター１４を伝播して、外部空間へ効率よく逃がされる。したがって、超高圧放電灯１２の異常加熱による動作不良を回避できる。また、熱が効率よく逃がされることによって消灯後の温度低下が促進されるので、再度点灯できるまでの待ち時間を短縮できる。

また、発光部２２で発生した光が金属製のリフレクター１４に照射されると、光電効果によってリフレクター１４がマイナスに荷電されるので、超高圧放電灯１２の発光部２２内で発生した水素やナトリウム等の不純物（イオン半径の小さい陽イオン）がリフレクター１４の側へ引き寄せられ、ガラス壁を通過して発光部２２の外部へ引き出される。これにより、発光部２２内の不純物が低減されて不純物による超高圧放電灯１２の短寿命化が抑制される。

また、直流点灯式の超高圧放電灯１２におけるマイナス側の電気回路をリフレクター１４に接続すると、リフレクター１４がマイナスに荷電されるので、上述の光電効果と相俟って発光部２２内の不純物（陽イオン）がより効果的に外部へ引き出されることになり、短寿命化の抑制効果が高められる。

また、金属製のリフレクター１４は、簡単に破損することがないので、超高圧放電灯１２が破裂した場合でも水銀が拡散する心配はない。

そして、リフレクター１４の材料として、水銀と反応して「アマルガム」を生成する金属（アルミニウム、ステンレス、金、銀、亜鉛、カドミウム、鉛、ナトリウム、カリウム等）を採用した場合には、超高圧放電灯１２の破裂時にリフレクター１４の内側で飛散した水銀とリフレクター１４とが反応して「アマルガム」が生成されるので、水銀の拡散をより確実に防止することができる。なお、「アマルガムの生成による水銀の拡散防止効果」を得るためには、リフレクター１４の反射面１４ａに「アマルガム」を生成する金属膜を形成するようにしてもよい。

さらに、金属製のリフレクター１４を用いた光源装置１０では、ガラス製のリフレクターを用いた従来の光源装置（図３）よりもはるかに軽量であるため、光源装置１０が組み込まれるプロジェクターを大幅に軽量化できる。

発明者等は、以下の試験１〜３により光源装置１０の実用性を検証した。

［試験１］…リフレクター１４の強度を調べる試験
試験方法：上述の光源装置１０（図１）において、「２１０Ｗで直流点灯式」の超高圧放電灯１２を採用し、「アルミナ−シリカ系」のセメント２０を用いて保持部材１６および封止部２４をリフレクター１４の放電灯取付部３８に固定した。そして、「リフレクター１４の材質」、「リフレクター１４の肉厚」および「水銀の封入量」を変えて試料を作成した。

一方、図３に示した従来の光源装置１において、「２１０Ｗで直流点灯式」の放電灯２を採用するとともに、「アルミナ−シリカ系」のセメント４を採用し、「リフレクター５の肉厚」および「水銀の封入量」を変えて比較試料とした。

そして、各試料および比較試料の３個ずつについて、超高圧放電灯の破損の有無を調べた。

試験結果：超高圧放電灯の破損の有無は、表１の通りである。

表１より、金属製のリフレクター１４を用いた場合には、ガラス製のリフレクター５を用いた場合よりも、破損の発生が大幅に減少することが分かる。

［試験２］…再点灯できるまでの待ち時間を調べる試験
試験方法：上述の光源装置１０（図１）において、「肉厚が２．５ｍｍ」のリフレクター１４、「水銀封入量が０．１９ｍｇ／ｍｍ³である２１０Ｗで直流点灯式」の超高圧放電灯１２および「アルミナ−シリカ系」のセメント２０を採用し、「リフレクター１４の材質」を変えて試料を作成した。

一方、図３に示した従来の光源装置１において、「水銀封入量が０．１９ｍｇ／ｍｍ³である２１０Ｗで直流点灯式」の放電灯２、「肉厚が６ｍｍ」のリフレクター５および「アルミナ−シリカ系」のセメント４を採用し、これを比較試料とした。

そして、各試料および比較試料について、１．５ＫＶと２．０ＫＶの点灯始動電圧の下で超高圧放電灯を再点灯できるまでの待ち時間を調べた。
試験結果：超高圧放電灯を再点灯できるまでの待ち時間(「再点灯可」となるまでの時間)は、表２の通りである。

表２より、金属製のリフレクター１４を用いた場合には、ガラス製のリフレクター５を用いた場合よりも、再点灯できるまでの待ち時間を大幅に短縮できることが分かる。

［試験３］…超高圧放電灯１２の異常の有無を調べる試験
試験方法：上述の光源装置１０（図１）において、「肉厚が２．５ｍｍでアルミニウム製」のリフレクター１４、「水銀封入量が０．１９ｍｇ／ｍｍ³である３００Ｗで直流点灯式」の超高圧放電灯１２および「アルミナ−シリカ系」のセメント２０を採用し、これを試料とした。

一方、図３に示した従来の光源装置１において、「水銀封入量が０．１９ｍｇ／ｍｍ³である３００Ｗで直流点灯式」の放電灯２、「肉厚が６ｍｍ」のリフレクター５および「アルミナ−シリカ系」のセメント４を採用し、これを比較試料とした。

そして、各試料および比較試料について、所定の点灯時間における超高圧放電灯の明るさの維持率（０時間のときの明るさを１００とする）を測定した。なお、点灯方法は、点灯時間２時間／消灯時間１５分のサイクル点灯とし、点灯時間は、実点灯時間とした。
試験結果：超高圧放電灯の明るさの維持率は、表３の通りである。

表３より、金属製のリフレクター１４を用いた場合には、ガラス製のリフレクター５を用いた場合よりも、超高圧放電灯の明るさの維持率を大幅に高められることが分かる。

なお、上述の実施例では、リフレクター１４の内面を鏡面状に仕上げることによって反射面１４ａを構成し、この反射面１４ａで光を反射するようにしているが、反射面１４ａに可視光反射膜を形成し、この可視光反射膜によって光を反射するようにしてもよい。また、この場合には、反射面１４ａと可視光反射膜との間に、水銀と反応してアマルガムを生成する金属膜や、反射面１４ａを滑らかにするアンダーコート膜や、可視光以外の光を吸収する光吸収膜を介在させてもよい。このような光吸収膜を介在させた場合には、反射光が可視域のみとなるので、コールドリフレクターとしての機能が付加されることになる。また、このような光吸収膜としては、赤外域および紫外域の双方を吸収するものでもよいし、いずれか一方のみを吸収するものでもよい。

可視光反射膜としては、タンタル、ニッケル、白金、銀、銀合金等のような金属からなる単層膜が用いられてもよいし、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、ＺｎＳ等からなる高屈折率膜とＳｉＯ２、ＭｇＦ２等からなる低屈折率膜とを有する多層膜が用いられてもよい。また、これらの単層膜と多層膜とを積層させた積層膜が用いられてもよい。ただし、単層膜を「銀」で形成する場合には、「銀」単独でもよいが、ニオブ等の不純物を含むものの方がコーティングには適する。

発明者等は、以下の試験４〜６により可視光反射膜による効果を確認した。
［試験４］
試験方法：上述の光源装置１０（図１）において、「肉厚が２．５ｍｍでアルミニウム製」のリフレクター１４、「水銀封入量が０．１９ｍｇ／ｍｍ³である２１０Ｗで直流点灯式」の超高圧放電灯１２および「アルミナ−シリカ系」のセメント２０を採用し、反射面１４ａに４種類の可視光反射膜を形成することによって、これを試料１〜４とした。

一方、反射面１４ａに可視光反射膜を形成していない光源装置１０を準備し、これを比較試料とした。比較試料の他の条件は、試料１〜４と同じである。

そして、各試料について、光の反射特性を調べるととともに、比較試料に対する照度（明るさ）の向上率を調べた。
試験結果：比較試料に対する照度（明るさ）の向上率は、表４に示した通りである。

表４より、反射面１４ａに可視光反射膜を形成した場合には、可視光反射膜を形成していない場合に比べて照度（明るさ）を大幅に向上できることが分かる。

光源装置を示す断面図である。他の光源装置（絞り加工）を示す断面図である。従来の光源装置を示す断面図である。

符号の説明

１０… 光源装置
１２… 超高圧放電灯
１４… リフレクター
１４ａ… 反射面
１６… 保持部材
１８… カバー
２０… セメント
２２… 発光部
２４… 封止部
３４… 電極
３６… 取付孔
３８… 放電灯取付部
４０… リード線

Claims

０．１５ｍｇ／ｍｍ³以上の水銀が封入されている超高圧放電灯と、前記超高圧放電灯の光を反射させる反射面を有する金属製のリフレクターとを備える、光源装置。
前記リフレクターが水銀と反応してアマルガムを生成する金属によって構成された、請求項１に記載の光源装置。
前記反射面に水銀と反応してアマルガムを生成する金属膜を形成した、請求項１または２に記載の光源装置。
前記反射面に可視光の反射を促進する可視光反射膜を形成した、請求項１ないし３のいずれかに記載の光源装置。
前記可視光反射膜は高屈折率膜と低屈折率膜とを有する多層膜である、請求項４に記載の光源装置。
前記リフレクターを絞り加工によって形成した、請求項１ないし５のいずれかに記載の光源装置。