JPH0689701A

JPH0689701A - 投光光源装置

Info

Publication number: JPH0689701A
Application number: JP4240744A
Authority: JP
Inventors: Hiromichi Kawashima; 弘道川島; Kazuo Honda; 和雄本田; Mamoru Furuya; 守古谷; Ichirou Tanaka; 以知郎田中
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 1992-09-09
Filing date: 1992-09-09
Publication date: 1994-03-29
Anticipated expiration: 2013-12-24
Also published as: JP2842077B2

Abstract

(57)【要約】【目的】失透が生じる場合はランプの一端側に発生させ
るようにし、ランプの中央部や他端側で失透を発生させ
ず、この透明な領域から放射される光をリフレクタの反
射面に向かわせ、反射光量の低下を防止する投光光源装
置を提供する。【構成】発光管２０の両端に電極２１ａ、２１ｂを封装
し、この発光管内に金属ハロゲン化物と水銀および希ガ
スを封入したメタルハライドランプ１と、このランプか
ら放出された光を反射するリフレクタ２とを備えた投光
光源装置６０において、上記メタルハライドランプを直
流電源５０に接続し、直流点灯中に陰極となる電極２１
ａをリフレクタの前面投光部側に配置したことを特徴と
する。【作用】直流点灯すると発光金属のイオンが陰極に引か
れるので、アーク中央の管壁や陽極側で失透が防止され
る。この透明な領域から出る光を反射面に向かわせるの
で、リフレクタにより反射される光の量を低下させるこ
とがない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、短アークメタルハライ
ドランプを光源とし、この光源から放射される光をリフ
レクタにより反射して投光するようにした投光光源装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】カラーエ液晶プロジェクタの光源として
アーク長の短いメタルハライドランプが使用されてい
る。カラー液晶プロジェクタは、光源と、この光源から
放射された光を反射するリフレクタと、この反射光を集
光する集光レンズとを備えており、集光レンズからでた
光は液晶パネルを照射し、この液晶パネルの画像を投影
レンズを介してスクリーンに投影するようになってい
る。

【０００３】このようなカラー液晶プロジェクタの光源
としては、点光源の形状に近く、しかも低電力の割りに
は大光量が得られ、赤、青、緑の成分を効率よく放射
し、ミラーやレンズ等の光学系と組合わせて用いた場合
に必要なエリアに豊富な光の３原色を送りこむことがで
き、しかも熱の発生が少ない等の条件を満足し得るラン
プが必要であり、このような条件を満たすランプとし
て、短アークメタルハライドランプが用いられている。

【０００４】この種の短アークメタルハライドランプ
は、石英ガラスからなる発光管に一対の電極を封装し、
この発光管に、緩衝金属としての水銀と、発光金属とし
て金属ハロゲン化物、およびアルゴン等の希ガスが封入
されている。このようなランプは、リフレクタに取り付
けられており、ランプから出た光をリフレクタの反射面
で反射し、集光レンズに向かわせるようになっている。

【０００５】上記発光管に封入される金属ハロゲン化物
としては、発光効率を向上させ、色温度を高くし、相関
色温度を５０００Ｋ以上にすることができ、光の３原色
を効率よく放射するのに適したスカンジウムＳｃ、ジス
プロシウムＤｙ、ネオジウムＮｄ、ホルミウムＨｏ、ツ
リウムＴｍ等の希土類金属のハロゲン化物が主都市手用
いられ、さらにナトリウムＮａやリチウムＬｉに代表さ
れるアルカリ金属のハロゲン化物が併用される場合もあ
る。なお、スカンジウムＳｃは分類上希土類金属ではな
いが、その物理的、化学的性質が希土類金属と酷似して
おり、後述するように石英を失透させる能力についても
ほぼ似通ったものであるから、ここではスカンジウムＳ
ｃも希土類金属と同様に扱っている。

【０００６】そして、この種のランプはアーク長さ、つ
まり電極間距離Ｌが１２mm以下とされ、点灯中に１５０
Ｗ〜２５０Ｗの電力を５０〜６０ヘルツの商業電源サイ
クルで投入することにより、管壁負荷Ｚ（入力電力Ｗを
発光管の内表面積Ｓcm² で除した値、Ｚ＝Ｗ／Ｓ）が４
０〜６０Ｗ／cm² となるような大きな負荷条件で使用さ
れる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな高い管壁負荷で使用する短アークメタルハライドラ
ンプは、点灯時の管壁温度が発光管材料である石英ガラ
スの耐えうる限界近くまで高くなり、封入したメタルハ
ライドの作用により、管壁に失透が生じる。石英の失透
現象を分析すると、これは石英の内表面にクリストバラ
イトというＳｉＯ₂の一種の結晶体が生じたものであ
り、正常な石英ガラスの網目状ＳｉＯ₂と元素組成比は
同じであるが、ＳｉとＯ₂の配列が無定形から規則的な
配列の結晶へと変化したものであり、このため光の透過
性を著しく低下させる。

【０００８】このようなクリストバライト結晶は、金属
蒸気に曝されると生じ易く、特にアルカリ金属や希土類
金属のようなイオン化傾向の大きな金属の蒸気を用いた
上記短アークメタルハライドランプにおいては、希土類
金属などの蒸気と石英が強く反応し、このため発光管を
短時間に失透させる。

【０００９】そして、この失透は点灯時間の経過に伴い
やがて発光管の全体に広がり、点灯１０００時間前後
で、あたかもランプの全面が白濁化した耐火物状とな
り、ガラスの持つ透明性が失われる。この結果、当初点
光源であったものがランプ表面の拡散作用により、発光
管全体から光が放射されるようになり、点光源の機能が
損なわる。

【００１０】このような状態に至ると、ランプからリフ
レクタの反射面に向かう光量が大幅に低下し、このため
反射光量が減少する。よってスクリーン上の照度が極端
に低下する欠点がある。

【００１１】本発明はこのような事情にもとづきなされ
たもので、その目的とするところは、石英に失透が生じ
る場合は、メタルハライドランプの一端側に集中して発
生させるようにし、ランプの中央部や他端側に失透を発
生させずに長期に亘り透明性を維持し、この透明な領域
から放射される光をリフレクタの反射面に向かわせ、反
射光量の低下を防止し、スクリーン上の照度低下などを
防止することができる投光光源装置を提供しようとする
ものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の１番目は、石英
ガラスからなる発光管の両端にそれぞれ電極を封装する
とともに、この発光管内に金属ハロゲン化物と水銀およ
び希ガスを封入したメタルハライドランプと、このラン
プから放出された光を反射し、ランプ軸が光軸と一致す
るようにしてこのランプを収容したリフレクタと、を備
えた投光光源装置において、上記メタルハライドランプ
を直流電源に接続し、直流点灯中に陰極となる電極を上
記リフレクタの前面投光部側に配置したことを特徴とす
る。

【００１３】また、本発明の２番目は、リフレクタの前
面投光部側を下向きにした姿勢で点灯し、これによりメ
タルハライドランプをランプ軸が上下方向に向くように
して使用される投光光源装置にあっては、直流点灯中に
陰極となる電極を上下方向の下側に配置したことを特徴
とする。

【００１４】

【作用】一般に、メタルハライドランプの場合は、Ｄ
ｙ，Ｎｄ等の希土類金属のヨウ化物および臭化物ならび
に水銀や希ガスが封入されているが、アーク中央部近傍
ではアーク温度が４０００〜６０００℃位の高温度とな
り、封入したハロゲン化金属はこのアーク中央で高温度
により大部分の蒸気が希土類金属とハロゲンとに分解
し、さらには電離し、いわゆるイオンの状態を呈してい
る。このように分解された希土類金属とハロゲンは管壁
近傍で結合してハロゲン化金属となり、これが高温部で
分解され、所謂ハロゲンサイクルを繰り返す。しかし、
石英を失透させる能力は、ハロゲン化金属の形態の蒸気
よりも、希土類金属蒸気の形態の方が大であり、さらに
希土類金属のイオンは大である。このことから、石英ガ
ラスの失透による白濁化を防止するには、発光物質とし
て封入された金属、例えば希土類金属のイオンを発光管
の管壁に近づけないことが有効であると考えられる。

【００１５】金属イオンについて考察すると、金属イオ
ン１個は同種類の金属原子と同じ重さを持っているが、
その荷数に応じたプラス電荷を有しており、このような
金属イオンは、両電極が作り出す発光管内の電場の影響
を強く受け、直流点灯の場合は陰極へ引き寄せられる動
きをする。

【００１６】よって、短アークメタルハライドランプを
直流点灯すれば、希土類金属のイオンを陰極側に引き寄
せることができ、温度の高いアーク中心部の管壁や陽極
側から遠ざけることができるようになり、これらの領域
で石英の失透を防止することができる。

【００１７】よって、本発明の１番目によれば、直流点
灯することにより発光金属のイオンが陰極に引かれるの
で、アーク中央の管壁や陽極側で長期に亘り失透が防止
され、透明な状態が保たれる。このようなランプは、リ
フレクタの前面投光部側に陰極が配置されるから、ラン
プから直接リフレクタの前方に照射される光の量は失透
により低下するが、上記透明な領域から反射面に向かう
光量の低下は抑止される。よって、例え失透が生じて
も、リフレクタにより反射される光の量の低下を少なく
することができ、照射光量の低下を防止することがで
き、スクリーン上の照度低下を抑止することができる。

【００１８】また、本発明の２番目よれば、メタルハラ
イドランプを垂直点灯などのようにランプ軸が上下方向
に向く姿勢で用いる場合は、陰極側が低い位置となるよ
うに設置したから、上記のように発光金属のイオンが陰
極に引かれるのに加えて、発光金属が重力を受けて下側
に位置する陰極近傍に集まり、よってランプの中央部や
上部で失透が防止される。よってリフレクタの反射面に
向かう光量を多く維持することができ、照射量の低下を
防止することができる。

【００１９】

【実施例】以下本発明について、図１ないし図３に示す
一実施例にもとづき説明する。まづ、カラー液晶プロジ
ェクタの基本的原理を図３にもとづき説明すると、カラ
ー液晶プロジェクタは、光源１と、この光源から放射さ
れた光を反射するリフレクタ２とからなる投光光源装置
６０を有し、リフレクタ２で反射された反射光を集光す
る集光レンズ３を備えている。

【００２０】上記集光レンズ３から前方に照射された光
は、青色光を反射するダイクロイックミラー（波長選択
性反射鏡）４により青色光が反射され、この青色光はミ
ラー５で反射されて液晶パネル（ＬＣＤ）６を照射し、
この液晶パネル６の画像を青色に着色して他のダイクロ
イックミラー７、８および投影レンズ９を介してスクリ
ーン１０に投影させる。

【００２１】また、上記集光レンズ３から投光された光
のうち、赤色および緑色の光は前記青色光を反射するダ
イクロイックミラー４を透過し、そのうちの赤色光は他
のダイクロイックミラー１１で反射され、液晶パネル１
２を照射し、この液晶パネル１２の画像を赤色に着色
し、この赤色画像を上記ダイクロイックミラー７で反射
して他のダイクロイックミラー８を透過し投影レンズ９
を介してスクリーン１０に投影する。

【００２２】さらに、上記赤色光を反射するダイクロイ
ックミラー１１を透過した緑色光は、液晶パネル１３を
照射し、この液晶パネル１３の画像を緑色に着色し、こ
の緑色画像をミラー１４および上記ダイクロイックミラ
ー８で反射して投影レンズ９を介してスクリーン１０に
投影する。

【００２３】したがって、３個の液晶パネル６、１２お
よび１３の画像をコントロールすることによりスクリー
ン１０の前面には３色の画像が重ねて投影され、カラー
の画像が映し出されることになる。

【００２４】このようなカラー液晶プロジェクタの投光
光源装置６０は、先に説明した通り、光源１と、この光
源から放射された光を反射するリフレクタ２とで構成さ
れており、その一実施例の詳細を図１に示す。光源１
は、例えば定格入力が２５０Ｗの短ア−クメタルハライ
ドランプが用いられており、この短ア−クメタルハライ
ドランプ１について説明する。

【００２５】図において２０は石英ガラスからなる発光
管であり、この発光管２０の発光部は肉厚１．４mmの石
英ガラスからなるほぼ楕円回転体をなしており、この発
光部は長径がほぼ１５mm、短径がほぼ１０mmとなるよう
に形成され、結果として内表面積がほぼ４．７cm² 、内
容積がほぼ０．９ＣＣとなっている。

【００２６】この発光管２０の両端にはそれぞれ電極２
１ａ、２１ｂが封装されている。これら電極２１ａ、２
１ｂは、直流点灯されるようになっており、したっがて
一方の電極２１ａは陰極となり、他方の電極２１ｂは陽
極となる。但し、本実施例の場合、これら陰極２１ａと
陽極２１ｂはどちらも同一構造をなしており、それぞ
れ、トリウムを含むタングステン−トリウム合金を材料
とした長さ１０mm、太さ０．７mmの電極軸２１１に、線
径０．５mmのタングステンワイヤを３ターン密巻きにし
た電極コイル２１２を巻回して構成されている。なお、
これら陰極２１ａと陽極２１ｂの電極間距離Ｌは６mmと
されている。

【００２７】これら一対の電極２１ａ、２１ｂは封止部
２２、２２に封着された金属箔導体２３、２３に接続さ
れている。金属箔導体２３、２３は、Ｍｏ箔であり、巾
３mm、厚さ３０μm とされている。上記陽極２１ｂに接
続された一方の金属箔導体２３は図示しない外部リ−ド
線を介して端部に被着された口金２４に電気的に接続さ
れており、また、上記陰極２１ａに接続された他方の金
属箔導体２３は外部リ−ド線２５に接続されている。外
部リード線２５は、０．８mm直径のＭｏ金属棒からな
る。

【００２８】このような発光管２０には、緩衝金属とし
て水銀が、例えば２２mg封入されているとともに、発光
金属として希土類金属、例えばＤｙ，Ｎｄ，Ｔｌ，Ｉ
ｎ，Ｓｎ，Ｃｓ等のヨウ化物ならびに臭化物が２．０mg
封入されており、さらに希ガスとしてアルゴンガスが３
００Torr封入されている。

【００２９】このようなランプ１は、リフレクタ２に取
り付けられている。リフレクタ２はガラスまたは金属か
らなり、回転曲面の内面に反射特性に優れたＴｉＯ₂−
ＳｉＯ₂などの蒸着膜からなる反射面３１を有してい
る。このリフレクタ２の前面投光部、つまり開口部は開
口径が９０〜１３０mm程度に形成されており、背部の頂
部には支持筒部３２が形成されている。この支持筒部３
２に上記ランプ１の口金２４部分が、絶縁セメント等の
接着剤３３により固着されている。これにより、ランプ
１のランプ軸Ｏ₁−Ｏ₁が、リフレクタ２の中心軸、つ
まり光軸Ｏ₂−Ｏ₂と略一致するようにしてランプ１が
リフレクタ２に取着されている。この場合、ランプ１
は、陰極２１ａがリフレクタ２の前面開口部側に位置
し、陽極２１ｂが支持筒部３２に位置してリフレクタ２
に支持されている。なお、リフレクタ２には導入孔３４
が形成されており、この導入孔３４に前記ランプ１の外
部リ−ド線２５が貫通して背面側に導かれている。

【００３０】上記のようにしてリフレクタ２に固定され
た短ア−クメタルハライドランプ１は、上記口金２４と
外部リード線２５を、直流電源５０に接続されている。
直流電源５０は、ランプ１に対し、例えば無負荷電圧が
約２８０Ｖとなる電圧を印加するようになっている。こ
のような電圧の印加により、ランプは直流点灯され、ラ
ンプ電流が２．７Ａとなり、ランプ電圧は９２Ｖ、ラン
プ電力は２４７Ｗで点灯される。このような構成の投光
光源装置６０の作用について説明する。

【００３１】上記投光光源装置６０は、図１に示すよう
にリフレクタ２がその光軸Ｏ₂−Ｏ₂を略水平に向けた
姿勢で使用され、短ア−クメタルハライドランプ１は水
平点灯される。

【００３２】そして、この短ア−クメタルハライドラン
プ１は、直流電源５０に接続されて直流点灯されるた
め、発光管２０内の金属イオンは両電極が作り出す発光
管内の電場の影響を強く受けて陰極２１ａ側に引き寄せ
られる。このため、希土類金属のイオンがマイナス側電
極２１ａに電気的に引き寄せられつづける結果、金属イ
オンが発光管２０における温度の高い中心部の石英ガラ
スや陽極２１ｂ側の石英ガラスから遠ざかり、発光管２
０の中央部や陽極２１ｂ側で失透が生じるのが防止され
る。例え、失透が生じるとしても、陰極２１ａ側に発生
する。

【００３３】この結果、ランプ１から直接前方に照射さ
れる光の量は、上記失透により若干低下するが、上記中
央部や陽極２１ｂ側の透明な領域から反射面３１に向か
う光量の低下が抑止される。よって、反射面３１で反射
する光量の低下を防止し、この投光光源装置６０から投
射される光量の低下を防止することができる。このため
スクリーン１０の照度低下を抑止することができる。

【００３４】図２においては、スクリーン１０上の照度
低下具合について調べたもので、実線で示す本発明の場
合は、破線で示す従来の交流点灯の場合に比べて、スク
リーン１０上の照度低下が少なく、寿命特性が向上す
る。

【００３５】なお、図１において、符号４０で示すよう
に、予め発光管２０の中央部や陽極２１ｂ側を除いて、
陰極側の外面にフロスト加工等の拡散面を形成しておけ
ば、この拡散面４０がランプ寿命の初期の段階から陰極
２１ａ側より発せられる光の量を抑制するようになり、
寿命中に、例え陰極２１ａ側で失透が生じたとしても、
この領域の光量が変化するのを防止することができる。

【００３６】また、上記実施例は、ランプ軸Ｏ₁−Ｏ₁
および光軸Ｏ₂−Ｏ₂が水平方向の姿勢で用いる場合を
示したが、垂直方向を含む上下方向の姿勢で使用する場
合は、図４で示すように構成すればよい。

【００３７】すなわち、図４において、図１と同一部材
は同一番号を付して説明を省略するが、リフレクタ２は
光軸Ｏ₂−Ｏ₂が上下方向、例えば垂直な姿勢に設けら
れており、よってランプ軸Ｏ₁−Ｏ₁も垂直となってい
る。この場合、直流光源５０に接続されたランプ１は、
直流点灯中に陰極となる電極２１ａが、上下方向の下側
に配置し、この陰極２１ａがレフレクタ２の前面投光部
側に配置されている。

【００３８】なお、図４においては、外部リード線２５
に接続端子５１を連結してあり、この連結端子５１はリ
フレクタ２に形成した固定孔５２に固定されている。さ
らに述べると、接続端子５１はねじ部５３を形成してあ
り、このねじ部５３を固定孔５２に挿通し、リフレクタ
２の背面側からねじ部５３に座金５４およびナット５５
を嵌め込み、このナット５５を締め付けることにより接
続端子５１を固定孔５２に固定してある。この接続端子
５１にはリフレクタ２の背面側でソケット形のコネクタ
５６が脱着可能に接続されるようになっており、このコ
ネクタ５６が直流電源５０に接続される。

【００３９】このような構成の場合は、ランプを点灯す
ると、発光管２０内の金属イオンが電界のために陰極２
１ａ側に引き寄せられるばかりでなく、発光金属として
の希土類金属が重力を受けて下側に位置する陰極２１ａ
の近傍に集まり、さらに陰極の温度が低くなること、お
よび対流のために下側に位置する陰極が温度が低くな
り、よって余剰の発光金属は陰極側に集まり易くなり、
これらの複合作用により陰極２１ａの近傍では発光金属
の濃度が高くなる。

【００４０】この結果、陰極２１ａ側に発光金属が集ま
り、発光管２０の中央部や上側の陽極２１ｂ側で失透を
生じることがない。ゆえに反射面３１に向かう光量の低
下がなく、反射光の量を多く確保することができる。よ
って、下向きの光量が点灯時間の経過に伴って減少する
ことがない。なお、本発明の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、パルス点
灯などであってもよい。

【００４１】また、上記実施例の短アークメタルハライ
ドランプは、発光物質がスカンジウムを含む希土類金属
のハロゲン化物としたが、ナトリウムＮａやリチウムＬ
ｉに代表されるアルカリ金属のハロゲン化物であっても
よい。

【００４２】

【発明の効果】以上説明した通り本発明の１番目よれ
ば、発光金属のイオンが陰極側に引き寄せられて陰極側
に集中するようになるから、アーク中央の管壁や陽極側
で失透が生じるのが防止され、透明な状態が保たれる。
このようなランプの透明な領域がリフレクタの反射面に
対向するから、反射面に向かう光量の低下が防止され
る。よって、照射光の光量低下を防止することができ、
スクリーン上の照度低下等を抑止することができる。

【００４３】また、本発明の２番目よれば、メタルハラ
イドランプを垂直点灯などのようにランプ軸が上下方向
に向く姿勢で用いる場合、陰極側を低い位置となるよう
に設置したから、上記のように発光金属のイオンが陰極
に引かれるのに加えて、発光金属が重力を受けて下側に
位置する陰極近傍に集まり、よってランプの中央部や上
部で失透が防止される。よってリフレクタの反射面に向
かう光量を減じることがなく、照射光の光量低下を防止
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示し、短アークメタルハラ
イドランプをレフレクタに組み込んでなる投光光源装置
の水平点灯状態の断面図。

【図２】スクリーン上での照度低下割合を示す寿命特性
図。

【図３】カラー液晶プロジェクタの原理を示す説明図。

【図４】本発明の他の実施例を示し、投光光源装置の垂
直点灯状態の断面図。

【符号の説明】

１…短アークメタルハライドランプ、２…リフレクタ、
２０…発光管、２１ａ…陰極、２１ｂ…陽極、２２…封
止部、２３…金属箔導体、２４…口金、２５…外部リ−
ド線、５０…直流電源。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田中以知郎東京都港区三田一丁目４番28号東芝ライテック株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】石英ガラスからなる発光管の両端にそれ
ぞれ電極を封装するとともに、この発光管内に金属ハロ
ゲン化物と水銀および希ガスを封入したメタルハライド
ランプと、このランプから放出された光を反射し、ランプ軸が光軸
と一致するようにしてこのランプを収容したリフレクタ
と、を備えた投光光源装置において、上記メタルハライドランプを直流電源に接続し、直流点
灯中に陰極となる電極を上記リフレクタの前面投光部側
に配置したことを特徴とする投光光源装置。
【請求項２】リフレクタの前面投光部側を下向きにし
た姿勢で点灯し、これによりメタルハライドランプは、
ランプ軸が上下方向に向くようにして使用される投光光
源装置にあっては、直流点灯中に陰極となる電極を上下方向の下側に配置し
たことを特徴とする請求項１に記載の投光光源装置。
【請求項３】上記メタルハライドランプは、発光物質
として、スカンジウムを含む希土類金属のハロゲン化物
およびアルカリ金属のハロゲン化物のうち、少なくとも
１種を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に
記載の投光光源装置。