JP4698203B2 - 光源装置及びこれを用いた投写型表示装置 - Google Patents

Description

この発明は、投写型表示装置等の光源として使用される光源装置及びこれを用いた投写型表示装置に関するものである。

従来の投写型表示装置の光源装置においては、光源としてショートアークタイプの超高圧水銀ランプやメタルハライドランプ、キセノンランプといった放電ランプが用いられている。放電ランプが発する光は、放物面や楕円面、球面といった２次曲面やそれらの組み合わせによる反射面を持った凹面反射鏡により集光され、映像信号に応じて変調又はスイッチングされて映像光がスクリーン等に照射される。変調又はスイッチングする光学部品として液晶パネルやＤＭＤ（ディジタルマイクロミラーデバイス）を用いた投写型表示装置が広く普及している。放電ランプは、自己発熱、周辺部材からの輻射熱、及び光学部品からの反射等によって高温になるが、性能や寿命の維持のためにはそれぞれ定められた部位の温度を適正に保つ必要がある。

一般に、放電ランプは高温となるため耐熱性の高い石英ガラスから発光管が作られる。石英ガラスは高温環境下においてガラスの再結晶化による失透現象を伴うが、適正範囲を超えた高温環境下ではこの失透現象によるガラスの白濁化が加速される。一方、適正温度範囲を下回ると放電空間内の正常なハロゲンサイクルを維持することが困難となり、ガラス内壁面の黒化を招くことがある。

このハロゲンサイクルと黒化現象を説明すると以下の通りである。即ち、放電ランプの点灯時には、放電電極から蒸発したタングステンがハロゲンガスと反応してタングステン−ハロゲン化合物を生成する。このタングステン−ハロゲン化合物が、対流によって放電電極付近に運ばれると、高温のためにタングステンとハロゲンガスに分解され、タングステンは放電電極に再び沈澱する。一方、自由になったハロゲンガスは、再び同じ反応を繰り返す。以上をハロゲンサイクルというが、このような一連のハロゲンサイクルが崩れると、放電電極に沈殿すべきタングステンがガラス内壁面に付着し、黒色やグレーに着色されたようになる。

白濁化や黒化現象が起ると、放電空間から取り出す光量を減ずることとなり、光源装置又はこれを用いた投写型表示装置において、明るさの維持率で定義されるところの寿命の短縮化を引き起こす。また、放電ランプは高温、高圧ゆえに破裂する場合があり、放電ランプ装置の前面部、即ち前述の反射鏡の開口部にガラス板を配置して密閉構造を取り、ガラス片の飛散や防音に配慮することが多い。
このガラス板が配置された反射鏡と、反射鏡の内部空間に備えられた放電ランプ等の部品を含めて、以下放電ランプ装置という。

反射鏡の開口部をガラス板で密閉して用いる放電ランプでは９０Ｗから２００Ｗで動作させるものが多く、一般に動作電力が大きいほど反射鏡とガラス板で構成される密閉空間の容積は大きくなる。この密閉空間の拡大は光源装置の大型化を伴うが、放電ランプの適正温度を維持するためにはこれを避けることができない。また、投写型表示装置の種類によっては、光学系からの反射エネルギーによって放電ランプが更に加熱され、定められた適正温度を超え易くなる場合がある。この場合、密閉状態を維持して放電ランプを適正温度に保つためには動作電力を下げざるを得ず、投写型表示装置の性能を犠牲にしなければならなくなる。

このように、放電ランプの適正温度の維持と、安全性を考慮した放電ランプ装置の密閉構造の両立は、現実的には相反する要求仕様であり、光源装置又はこれを用いた投写型表示装置の中で諸条件を満足しながら限定的に成立させる場合が殆どである。例えば、反射鏡の一部とこれと対応したハウジングの一部に通風孔を設けて通風路を確保し、外部に設けられた冷却ファンが生み出す冷却風によって放電ランプを冷却する場合があるが、この通風孔のため密閉は困難である。

そこで放電ランプ装置の密閉構造を維持しながら、高温になる放電ランプを適正な温度に保つため、反射鏡開口部の取り付け用フランジ部に放熱フィンを取り付けたものや（例えば、特許文献１参照）、反射鏡を高熱伝導率物質を混入した材料で形成したり、その反射鏡自身に放熱フィンを取り付ける対策（例えば、特許文献２参照）が提案されている。更に、反射鏡の周囲に凹状の切り欠き部を設けて、その切り欠き部に放熱用の微小な開口を複数有する封入構造を配置する対策も講じられている（例えば、特許文献３参照）。

特開２０００−１３１７６４号公報（第１図）

特開２００２−３１３１１９号公報（第１図、第３図）

特開２００２−３３４６０９号公報（第５図）

しかしながら、フランジに放熱フィンを取り付けた場合、放電ランプ装置内部からの熱伝導が十分できなかったり、反射鏡を高熱伝導率物質を混入した材料で形成することや、反射鏡自身に放熱フィンを直付けする場合は、反射鏡材料のコスト増加、製造工程の増加によってコストが増加するという課題があった。また、反射鏡の周囲に設けられた凹状の切り欠き部に放熱用の開口を有する封入構造を配置する対策は、封入構造に設けられた放熱用の開口のため密閉性が不十分であったり、密閉性を確保するためにこの開口を小さくすると放熱作用が不十分になるという課題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、放電ランプ装置の密閉性を維持しつつ、放電ランプ装置内部の熱を外に放出できる光源装置を提供するものである。

この発明に係る光源装置は、前方が開口した空間を持つ凹面反射鏡、前記凹面反射鏡の開口部を覆って前記凹面反射鏡との間に形成される内部空間を密閉する透明材、前記内部空間に配置された放電ランプ、これらを収納するハウジング、該ハウジングの外部に配置される冷却ファン、を備えた光源装置であって、前記凹面反射鏡は、該凹面反射鏡の開口部につながるように切設された切り欠き部を有し、さらに、前記切り欠き部を密閉する嵌合部分及び前記透明材と前記凹面反射鏡の間に挟持されて内部空間を密閉する環状部分からなる放熱材を有し、前記環状部分は前記内部空間外に通じる吸気口及び排気口を有する筒状材料からなるものである。

この発明に係る光源装置によれば、安全性や防音性を考慮した放電ランプ装置の密閉構造を維持できると共に、放電ランプの適正温度の維持が可能となり、光源装置の小型化、高出力化が期待できる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における光源装置１の構成を示す側面断面図である。放電ランプ１０は、反射鏡２０の開口部２３を覆う透明材である平板ガラス３０と反射鏡２０とにより密閉される内部空間に配置されている。これらにより構成される放電ランプ装置２４を内包してその位置を固定するハウジング４０は、図示しない投写型表示装置のランプケースに着脱自在に挿入できる。ハウジング４０の上下には複数の通風窓４１が設けられ、ハウジング４０の外部に設けられた冷却ファン６５からの冷却風７１がハウジング４０の内部に導入され、放電ランプ装置２４を冷却した後外部に排出されるように構成されている。

放電ランプ１０は両端封止型であり、口金１１を放電ランプ１０の一方の端部に備えることにより、取り扱いを容易にしている。また、そのほぼ中央部に対向する１対の放電電極１２を内包する管球部１３を有し、放電電極１２はモリブデン箔１６を介在して外側に延長されてそれぞれの枝部ガラス内に封止されている。放電電極１２の一方はシール部１７を介してタングステン材にて外部リード線１８と接続され、外部リード線１８は反射鏡２０にサイドコネクタ部２２で係止されている。他方も同様にシール部１７、口金１１、センターコネクタ部１９を介して図示しない電源と接続される。このシール部１７は、放電ランプ１０の良好な動作のために温度管理される部分のひとつである。電極間に形成される放電アークを点光源と模してこれを反射鏡２０の焦点位置近傍に配置することで、集光光（図３の矢印７２）を所定の位置、即ち楕円面の第２焦点位置近傍に集光することができる。

管球部１３は石英ガラスで構成されており、発光物質が封入される略楕円体の内部空洞１５を有する。この内部空洞１５には微量の水銀と高圧の希ガス（例えばアルゴンガス）、及び微量のハロゲンが充填されている。ランプ点灯時には内部空洞１５内で放電が発生、充填ガスが高温、高圧となるため、管球部１３の石英ガラスは大きな圧力荷重を受ける。本実施の形態では、直径約０．３ｍｍのタングステン電極が１ｍｍ前後の間隔を隔てて配置されており、内部空洞１５の容量０．２ｃｃ程度、ガラス厚３ｍｍ程度の管球部１３が用いられ、点灯時の圧力荷重は１０ＭＰａ以上に達する。また、点灯時の熱分布により発生する熱応力のため、管球部１３近傍ではクラックが生じ易く、その場合は放電ランプ１０の破裂に至る可能性がある。

反射鏡２０は、熱膨張率の小さい棚珪酸ガラスやセラミックガラスを成形し、その内壁に光の反射率の高いアルミ等の膜を設けて作られており、放電ランプ１０の破裂に伴う衝撃に耐えるよう、３〜５ｍｍ程度の厚さを有する。平板ガラス３０も同様の理由から３〜５ｍｍ程度の耐熱ガラス材で形成され、無機系接着剤により反射鏡２０の開口部に固定されることが多い。また、反射鏡２０の楕円頂点位置近傍に小開口部２５及びこれを回転軸方向に延伸した筒状部２６を有し、口金１１近傍において接着剤１４によって放電ランプ１０を固定している。

更に、反射鏡２０は開口部近傍の上側に切り欠き部を有しており、第１の放熱材である嵌合材５１、第２の放熱材である放熱フィン５２、５３からなる放熱材料５０が放電ランプ装置２４の内部空間を密閉するように、この切り欠き部に嵌合されている。
切り欠き部を反射鏡２０の開口部近傍に設ける理由は、放電ランプ１０からの光の反射と、反射した光の光路への影響を極力小さくするためである。

図２にこの放熱材料５０と切り欠き部への嵌合の詳細について示す。図２において、反射鏡２０の開口部の上側に半円形状の切り欠き部２１が切設されている。嵌合材５１の上面と下面、即ち放熱材料５０が切り欠き部２１に嵌合された状態で放電ランプ装置２４の外側と内側に相当する面に、放熱フィン５２、５３がそれぞれ複数備えられており、切り欠き部２１に嵌め込まれる。この状態で、平板ガラス板３０を中心線３１に沿って放熱材料５０を反射鏡２０との間に挟み込むように取り付ける。

図２では各構成要素をわかりやすく説明するため、リード線、コネクタ等は図示せずに放熱材料５０、反射鏡２０及び平板ガラス３０を組み立てる前の配置で描いており、上記説明のように図中の矢印の方向に組み立てて一体化すれば、放電ランプ装置２４の内部空間は密閉される。このことは、後述の実施の形態２と実施の形態３を説明する図４、図５においても同様である。

放熱フィン５２、５３は一般的なヒートシンクとしての放熱機能を有するもので、各放熱フィン間に冷却風を通すことにより大きな放熱効果を得ることができる。各放熱フィンの形状、放熱フィン間の間隔、配置等については、ハウジング４０と反射鏡２０の間隔や、通風設計に依存して各々最適な値に設計することができる。
一般に、反射鏡の外部の後方は比較的大きな空間があるので放熱性の向上のために放熱フィン５２は反射鏡の後方に延伸した略長方形の形状としている。また、放熱フィン５３は放電ランプ装置２４の内部空間に存在するため、反射鏡で集光される集光光の光路を妨げないように台形の形状として光路に沿って配置されている（図１参照）。

放熱材料５０はその機能と価格を鑑みてアルミニウム等の金属材料が好ましく、一体物としてもよいし、製造性や材料価格を考慮して複数の部品から構成されるとしてもよい。いずれにしても、押し出し材や、ダイキャストを用いることによって任意の形状の放熱材料５０を作ることができる。
アルミニウムの熱伝導率は、約２００Ｗ／ｍＫであり、ガラスの２００倍以上にものぼり、反射鏡の切欠き部２１をアルミニウム等の金属材料の放熱材料５０で密閉することにより、内部空間の熱を効果的に外部に伝達することができる。

放熱材料５０と反射鏡２０の固定には無機系接着剤を用いても良いし、嵌合材５１が切り欠き部２１を塞ぐ限り、特に接着剤のような固定手段を両者間に設ける必然性はない。代わりに、平板ガラス３０と放熱材料５０を固定することもできる。
放熱フィン５２、５３は図１に示されるように全体として略L字形であるが、反射鏡２０と平板ガラス３０の固定を先に行い、残された切り欠き部２１に容易に挿入することができる形状となっている。

次に動作について説明する。放電ランプ１０が点灯すると、光とともに多大な熱が発生し、密閉されている放電ランプ装置２４の内部空間内では大きな空気の流れ（対流）７０が引き起こされる。内部空間の上部に位置する放熱フィン５３、及び嵌合材５１の内面は内部の高温空気に曝され、内部空間内の熱を伝導し、嵌合材５１の外面及び放熱フィン５２により反射鏡２０の外部へと導く作用を有する。一方、ハウジング４０の外部に設けられた冷却ファン６５からの冷却風７１がハウジング４０内部に導入され、反射鏡２０の外面からの放熱を促すと同時に、放熱材料５０からの放熱も促進する。

以上の動作により、放電ランプ装置が管理される温度以上に上昇することを防止することができる。通常、シール部１７、サイドコネクタ部２２、センターコネクタ部１９及び管球部１３の上部の各温度について管理温度が設定されており、放電ランプ１０の寿命に応じた温度範囲に調整する必要がある。本実施の形態では、シール部１７は３５０℃以下、サイドコネクタ部２２及びセンターコネクタ部１９は２２５℃以下、管球部１３の上部温度は８５０℃から９５０℃に管理するのが好ましい。

この実施の形態１によれば、放電ランプ装置２４の密閉環境を保ちながら、適正な環境温度を維持することができるため、管球部１３の失透や黒化による寿命の短縮を避けることができ、更に万が一の破裂時にガラスの破片や内蔵物の外部への飛散を防止して安全性を高めるとともに、破裂音が外部へ漏れにくいような配慮も施すことができる。

また、放熱フィン５２はハウジング４０と反射鏡２０が作り出す間隙に合わせるような形状としているため、特に装置の大形化、重量増加を伴うことなく放熱性を高めることができる。

更に、放熱フィン５３は集光光の光路を妨げないような形状（台形）としているため、反射鏡の集光効率を損ねることなく放熱性を高めることができる。特に、光学系からの反射エネルギーが無視できない投写型表示装置の光源装置として用いられる場合に効果が高く、従来の放熱材料を使わずに密閉状態を作り出していた光源装置に比べて、大きな電力を投入することができ、投写型表示装置の明るさ性能を改善することができる。

以上の実施の形態１においては、放熱材料５０を反射鏡の上部１箇所に配置したが、例えば反射鏡の下部、側面等に複数配置してもよく、その場合はより大きな放熱効果が得られる。
また、放電ランプ装置の内部空間に位置する放熱フィン５３の形状を板状の台形ではなく、複数の凸状、例えば円柱形状としても同様の効果が得られる。即ち、集光光の光路を妨げずに吸熱性の高い形状（つまり、表面面積が大きい）であればどのような形状でもかまわない。

更に、光源装置の大きさ、出力によっては、放熱フィン５２、５３は双方あっても、片方だけであっても、或いは双方ともなくてもよい。
更にまた、切り欠き部２１は反射鏡２０の開口部につながるものでなく、反射鏡に孔状に設けられていてもよく、形状も半円形状に限られるものでもない。即ち、放電ランプからの光の反射と、反射した光の光路への影響を小さくできるならばその位置、形状はどのようなものであってもよい。

実施の形態２．
図３は本発明の実施の形態２における光源装置１の構成を示す側面断面図、図４は放電ランプ装置２４の斜視図である。実施の形態１と異なるところを中心に述べる。放熱材料５４は、第１の放熱材である嵌合材５５と第２の放熱材である放熱フィン５８とからなるが、嵌合材５５は、反射鏡２０の開口部につながるように切設された半円形状の切り欠き部２１に嵌合する部分５６と、平板ガラス３０と反射鏡２０の間に狭持される環状部５７とを有している。この切り欠き部２１に嵌合する部分５６と環状部５７により放電ランプ装置２４の内部空間を密閉している。環状部５７の上下には、放熱フィン５８が取り付けられている。
図３において、放電ランプ１０から発し、反射鏡２０で反射して平板ガラス３０より放射するように記載されている複数の矢印７２は、集光光を示している。

動作については実施の形態１と略同様なので詳細な説明は省略するが、この実施の形態２では内部空間には放熱フィンを設けていないため、主に内部空間の熱は反射鏡２０の切り欠き部２１に嵌合する部分５６と環状部５７から外部に伝達される。勿論、実施の形態１と同様に内部空間に位置する放熱フィンを設けてもよいことは言うまでもない。
また、放熱フィン５８の取り付け部位は嵌合材５５の上下に限定されるものではない。
更に、嵌合材５５の反射鏡２０の切り欠き部２１に嵌合する部分５６は、前述の通り内部空間からの熱を伝達する効果が大きいが、使用する放電ランプの出力等の条件によってはこの半円形状の切り欠き部２１及びこれと嵌合する部分５６はなくてもかまわない。

この実施の形態２によれば、放熱材料に内部空間と接する環状部を更に設けたため、実施の形態１と同等の冷却効果を得る場合は、内部空間に位置する放熱フィンを小さくできる又は省略できるという効果が有る。また、環状部の面積を大きくしたり、内部空間に放熱フィンを設けることにより、実施の形態１の効果に加え、内部空間からの熱の伝達量を増加することができ、放電ランプ装置の冷却効果を上げることができる。

実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３の光源装置１における放電ランプ装置２４の構成を示す斜視図である。実施の形態２と異なるところを中心に述べる。第１の放熱材である放熱材料５９は、反射鏡２０の半円形状に切設された切り欠き部２１に嵌合する部分６０と、平板ガラス３０と反射鏡２０の間に狭持される環状部６１とを有している。この切り欠き部２１に嵌合する部分６０と環状部６１により放電ランプ装置２４の内部空間を密閉している。環状部６１は、筒状材料である中空パイプとなっており、その上部と下部には空気の流通のための吸気口６２と、図示しない排気口が設けられている。

次に、動作について説明する。冷却ファンによる冷却風は、放熱材料５９の中空パイプになっている環状部６１の上部にある吸気口６２から入って、下部の排気口から排出されている。放熱材料５９は、放電ランプ装置の内部空間からの熱を外部に伝達するが、このとき環状部６１内を通る上記の冷却風により放熱材料との間で熱交換が行われ、内部空間が冷却されるものである。勿論、環状部６１の外側を通る冷却風によっても熱交換は行われる。

また、放熱材料５９の反射鏡２０の切り欠き部２１に嵌合する部分６０は、内部空間からの熱を伝達する効果があるが、使用する放電ランプの出力等の条件によってはこの半円形状の切り欠き部２１及びこれと嵌合する部分６０はなくてもかまわない。

この実施の形態３によれば、放熱材料の内外部両側において熱交換が行われるため、実施の形態２と同等の冷却効果を得る場合は、放熱フィンを小さくできる又は省略できるという効果が有る。また、環状部の面積を大きくしたり、放熱フィンを設けることにより、実施の形態２の効果に加え、内部空間からの熱の伝達量を増加することができ、放電ランプ装置の冷却効果を更に上げることができる。

実施の形態４．
図６は上述した光源装置１を用いた投写型表示装置８０の構成を示す側面断面図である。キャビネット８１にスクリーン８５が実装されており、光源装置を内蔵しこの光源装置から放射される光から映像を形成する投写ユニット８２と映像光をスクリーン８５に向けて反射させるミラー８３、８４が配置されている。投写ユニット８２は図７に示すように、本発明の光源装置１とこの光源装置からの光を映像データに基づき変調し、得られた映像光８７を投写する光学ユニット８６から構成されている。
動作の詳細については省略する。

この実施の形態４によれば、冷却効果の高い光源装置を用いているため、光源装置に大きな電力を投入することができ、投写型表示装置の明るさ性能を改善することができる。

本発明の実施の形態１における光源装置１の概略構成を示す側面断面図である。 本発明の実施の形態１の光源装置１における放電ランプ装置２４の概略構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態２における光源装置１の概略構成を示す側面断面図である。 本発明の実施の形態２の光源装置１における放電ランプ装置２４の概略構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態３の光源装置１における放電ランプ装置２４の概略構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態４における投写型表示装置８０の概略構成を示す側面断面図である。 本発明の実施の形態４における投写ユニット８２の概略構成を示す側面断面図である。

符号の説明

１ 光源装置、１０ 放電ランプ、１１ 口金、１２ 放電電極、１３ 管球部、１４ 接着剤、１５ 内部空洞、１６ モリブデン箔、１７ シール部、１８ 外部リード線、１９ センターコネクタ部、２０ 反射鏡、２１ 切り欠き部、２２ サイドコネクタ部、２３ 開口部、 ２４ 放電ランプ装置、２５ 小開口部、２６ 筒状部、３０ 平板ガラス、３１ 中心線、４０ ハウジング、４１ 通風窓、５０ 放熱材料、５１ 嵌合材、５２ 放熱フィン、５３ 放熱フィン、５４ 放熱材料、５５ 嵌合材、５６ 嵌合部分、５７ 環状部、５８ 放熱フィン、５９ 放熱材料、６０ 嵌合部分、６１ 環状部、６２ 吸気口、６５ 冷却ファン、７０ 対流、７１ 冷却風、７２ 集光光、８０ 投写型表示装置、８１ キャビネット、８２ 投写ユニット、８３ ミラー、８４ ミラー、８５ スクリーン、８６ 光学ユニット、８７ 映像光。

Claims (2)

1. 前方が開口した空間を持つ凹面反射鏡、前記凹面反射鏡の開口部を覆って前記凹面反射鏡との間に形成される内部空間を密閉する透明材、前記内部空間に配置された放電ランプ、これらを収納するハウジング、該ハウジングの外部に配置される冷却ファン、を備えた光源装置であって、前記凹面反射鏡は、該凹面反射鏡の開口部につながるように切設された切り欠き部を有し、さらに、前記切り欠き部を密閉する嵌合部分及び前記透明材と前記凹面反射鏡の間に挟持されて内部空間を密閉する環状部分からなる放熱材を有し、前記環状部分は前記内部空間外に通じる吸気口及び排気口を有する筒状材料からなることを特徴とする光源装置。
2. 請求項１に記載の光源装置を備え、前記光源装置から放射される光から映像を形成する投写ユニットにより、スクリーン上に前記映像を表示することを特徴とする投写型表示装置。

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