(57)【要約】【課題】  出射光の光色が優れ破裂の発生がなく、更に長寿命で光学効率が高く明るい高圧放電ランプ、該高圧放電ランプを反射鏡と組み合わせた高圧放電ランプ装置、及びこれらの高圧放電ランプや高圧放電ランプ装置を用いた冷却機構を兼ね備えた光源装置を得ること。【解決手段】  放電容器内に対向して配置された一対の電極と、ハロゲンとして１．０×１０−４〜１．２×１０−３μmol／mm3の量の臭素と、水銀および、希ガスが封入された高圧放電ランプにおいて、安定点灯時の水銀発光のうち、波長が約５４６nm付近の最も強い発光の強度をＩ1、前記約５４６ｎｍ付近の発光と約５７７nm付近の発光の間で最も低い発光の強度をＩ2としたとき、    式１  ：  １．８  ≦  Ｉ１／Ｉ2  ≦  ５．２の条件を充足すると共に、前記放電容器の最大径部の外径をＤ（ｍｍ）、前記発光管の最大径部における肉厚をｔ（ｍｍ）、ランプ電力をＰ（Ｗ）としたとき、次式２〜３の条件を充足する事を特徴とする。    式２  ：  ３．６×（Ｐ＋３０）／１００≦  Ｄ                                          ≦５．２×（Ｐ＋６５）／１００    式３  ：  ０．０１３×Ｐ≦  ｔ  ≦  ０．３６×Ｄ【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電容器内に対向して配置された一対の電極と、ハロゲンとして１．０×１０−４〜１．２×１０−３μmol／mm3の量の臭素と、水銀および、希ガスが封入された高圧放電ランプにおいて、安定点灯時の水銀発光のうち、波長が約５４６nm付近の最も強い発光の強度をＩ1、前記約５４６ｎｍ付近の発光と約５７７nm付近の発光の間で最も低い発光の強度をＩ2としたとき、
式１  ：  １．８  ≦  Ｉ１／Ｉ2  ≦  ５．２
の条件を充足すると共に、前記放電容器の最大径部の外径をＤ（ｍｍ）、前記発光管の最大径部における肉厚をｔ（ｍｍ）、ランプ電力をＰ（Ｗ）としたとき、次式２〜３の条件を充足する事を特徴とする高圧放電ランプ。
式２  ：  ３．６×（Ｐ＋３０）／１００≦  Ｄ  
≦５．２×（Ｐ＋６５）／１００
式３  ：  ０．０１３×Ｐ≦  ｔ  ≦  ０．３６×Ｄ
【請求項２】
請求項１記載の高圧放電ランプが反射鏡の光軸上に配置されていて、対向する電極対が、ほぼ水平状態となるように使用することを特徴とする高圧放電ランプ装置。
【請求項３】
請求項１記載の高圧放電ランプまたは請求項２記載の高圧放電ランプ装置が組み込まれた光学装置において、前記光学装置は冷却機構を備えている事を特徴とする光学装置。
【請求項４】
高圧放電ランプの安定点灯時の水銀発光のうち、波長が約５４６nm付近の最も強い発光の強度をＩ1、前記約５４６ｎｍ付近の発光と約５７７nm付近の発光の間で最も低い発光の強度をＩ2としたとき、Ｉ1及びＩ2の強度を測定することを特徴とする高圧放電ランプの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧放電ランプの改良に関し、特に発光管内の水銀蒸気圧を高めたショートアーク型の高圧放電ランプの改良と、それらを用いた装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
反射鏡と組み合わされたショートアーク型の高圧放電ランプ装置は、プロジェクタやプロジェクションTV等のバックライトとして用いられている。この種の光源は耐熱性発光管の両端に電極（及び金属材料）を封着し、内部に水銀及び希ガスと共に金属ハロゲン化物を封入したメタルハライドランプが主に使用されてきた。しかし、光源の小型化、点光源化をより一層推進することが求められているため、前記メタルハライドランプに代わり、ランプの安定点灯状態における水銀蒸気圧が２００気圧を超えるといわれる、放電容器内に０．２ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀と微量のハロゲンとを封入した超高圧水銀ランプと称する高圧放電ランプが、プロジェクタなどのバックライトとして提案されている（例えば、特開平６−５２８３０号公報（以下「特許文献１」と称する）を参照）。
【０００３】
この種の高圧放電ランプは、上記スクリーンの高輝度・高効率・高演色性を実現するために、安定点灯状態における放電容器内の水銀蒸気圧を３００気圧前後までにも高めることにより、電極間に生ずる放電アークの径方向の拡がりを抑えて光出力を向上させるようにしている。
【０００４】
更に、前記特許文献１記載の高圧放電ランプの寿命特性、特に明るさ変化の改善を目的とする高圧放電ランプも提案されている。（例えば、特開平１１−２９７２６８号公報（以下「特許文献２」と称する）を参照）。
【０００５】
今までは、この種のランプを用いたプロジェクタなどの装置の殆どは、プレゼンテーション等で、パーソナルコンピュータの画面を拡大投影する目的で使用されていたが、近年、ＴＶの大画面化や、ホームシアターなどへの強い要望から、この種の放電ランプを用いたプロジェクションＴＶや映画鑑賞などの目的で用いられるプロジェクタが多く使用され始めている。このプロジェクションＴＶの様な使い方の場合、パーソナルコンピュータの画面を拡大投影する目的で用いる場合と比較して使用頻度が高くなるために、破裂やその他の理由により不点灯となる不具合が無く、また明るさの変化の少ない、５０００時間以上もの長い寿命をもつランプが要求されている。また、青味がかった白色光が比較的このまれたプレゼンテーションとは異なり、動画が楽しめる、より赤味のある白色光が望まれる。
【０００６】
そこで、上記先行文献に開示されている仕様に基づいて多数のランプ試作を行い、特性評価を行った。
【０００７】
その結果、前記特許文献１記載の高圧放電ランプにおいては、非常に良好な光色を得られるものの、前記特許文献２にて開示されているように、比較的早い時間にて明るさが低下してしまう事がわかった。更に、寿命中に多数のランプが破裂を起こしてしまう事がわかった。発光管破裂の原因について調査したところ、試作ランプの点灯中の圧力が非常に高いと、放電容器が点灯時の圧力に耐えられなくなり、加えて発光管が熱応力を受け破裂することが推察された。そこで、実際のランプの点灯中の圧力について検討を行ってみたが、点灯中の発光管内の圧力を実測する事が不可能なため、W.ELENBASS 著「THE HIGH PRESSURE MERCURY VAPOUR DISCHARGE」（1951）（以下「非特許文献１」と称する）を参考としてランプ出射光の分光分布の違いから点灯中の圧力を推測する方法を試みた。
【０００８】
試作したランプと、前記非特許文献１に記載されているランプの点灯中の水銀発光の分光分布とを比較しながら実験を行ったところ、前記非特許文献１記載の約１６０気圧の分光分布に近似した出射光を得られるランプにおいては、明るさの低下はあるものの、良好な光色が得られ、前記非特許文献１記載の約３００気圧の分光分布に近づくようなランプになるにつれて、光色が徐々に良好になるものの、点灯して数１００時間程度で８０％の維持率しかない様な、早期の明るさの低下及び破裂が多発する傾向があり、更に、非特許文献１記載の約３００気圧に近似した出射光と同等のランプにおいては、ランプ点灯後数分にて殆どが破裂を起こしてしまった。上記結果から、分光分布が前記非特許文献１に記載されている３００気圧に近い分光分布のランプでは破裂の確率があまりにも高いため、要求される寿命を満足できないことが判明した。
【０００９】
次に、前記特許文献２記載の高圧放電ランプにおいて実験を行った。その結果、前記実験と比較して早期の明るさ低下は改善されるものの、プロジェクションＴＶに組み込み色の見え方を確認したところ、前記特許文献２で開示されるような分光分布に近似した出射光のランプでは、画面が青白くなってしまい要求される光を満足出来ない事がわかった。そこで前記非特許文献１を参考にして、前記特許文献１に従ったランプと前記特許文献２に従ったランプを、特に５５０nm付近の発光に着目して比較を行ったところ、安定点灯時の水銀発光のうち、約５４６nm付近の最も強い発光の強度と、前記約５４６nm付近の発光と約５７７nm付近の発光の間で、最も発光強度の低い部分の強度の比率が夫々異なっていて、ある比率以上では光色が悪く、ある比率以下となると破裂頻度が上昇するなど寿命上の問題が有ることが判明した。
【特許文献１】特開平６−５２８３０号公報
【特許文献２】特開平１１−２９７２６８号公報
【非特許文献１】W.ELENBASS 著「THE HIGH PRESSURE MERCURY VAPOUR DISCHARGE」（1951）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
以上のことから、本発明は少なくとも発光管内に水銀及び希ガスと、ハロゲンサイクルのためのハロゲンを封入したランプにおいて、ハロゲンの種類並びにハロゲン量の適正化を図ると共に、発光強度を規定することにより、出射光の光色が優れ破裂の発生がなく、更に発光管形状の寸法を規定することにより、長寿命で光学効率が高く明るい高圧放電ランプ及び、高圧放電ランプを用いた反射鏡と組み合わされた高圧放電ランプ装置、これらのランプを用いた冷却機構を兼ね備えた光源装置を得ることである。
【００１１】
また本発明のもう一つの目的は、反射鏡に組み込んだ高圧放電ランプの分光分布を測定することにより、ランプの光色を確認するとともに、点灯中の水銀蒸気圧を予測し発光管の破裂を防ぐことができる高圧放電ランプの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記の目的を達成するため、本発明は、放電容器内に対向して配置された一対の電極と、ハロゲンとして１．０×１０−４〜１．２×１０−３μmol／mm3の量の臭素と、水銀および、希ガスが封入された高圧放電ランプにおいて、安定点灯時の水銀発光のうち、波長が約５４６nm付近の最も強い発光の強度をＩ1、前記約５４６ｎｍ付近の発光と約５７７nm付近の発光の間で最も低い発光の強度をＩ2としたとき、
式１  ：  １．８  ≦  Ｉ１／Ｉ2  ≦  ５．２
の条件を充足すると共に、前記放電容器の最大径部の外径をＤ（ｍｍ）、前記発光管の最大径部における肉厚をｔ（ｍｍ）、ランプ電力をＰ（Ｗ）としたとき、次式２〜３の条件を充足する事を特徴とする。
式２  ：  ３．６×（Ｐ＋３０）／１００≦  D  
≦５．２×（Ｐ＋６５）／１００
式３  ：  ０．０１３×Ｐ≦  ｔ  ≦  ０．３６×Ｄ
【００１３】
また、上記の高圧放電ランプが反射鏡の光軸上に配置されている高圧放電ランプ装置において、対向する電極対が、ほぼ水平状態となるように使用することを特徴とする。
【００１４】
さらに、上記の高圧放電ランプまたは上記の高圧放電ランプ装置が組み込まれた光学装置において、前記光学装置は冷却機構を備えている事を特徴とする。
【００１５】
さらにまた、高圧放電ランプの安定点灯時の水銀発光のうち、波長が約５４６nm付近の最も強い発光の強度をＩ1、前記約５４６ｎｍ付近の発光と約５７７nm付近の発光の間で最も低い発光の強度をＩ2としたとき、Ｉ1及びＩ2の強度を測定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
以上のように、本発明によれば、プロジェクタやプロジェクションＴＶ等の映像機器およびその他の光学機器用として寿命を十分に満足させることができ、発光管の黒化等による発光効率の低下がないばかりか、寿命経過中に発生する恐れのある発光管の変形や破裂等を防止することができるという利点がある。そして、十分な光学特性を得るだけでなく、映像機器などに有効な高照度であり光色の優れた光学装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を図面によって具体的に説明する。
図１は本発明に係わる高圧放電ランプの一実施例（以下「本実施例」という）を示す図である。本実施例の高圧放電ランプは、高圧放電ランプ１、反射鏡２を備えており、ランプ１は、石英ガラス製の発光管３の中央部に放電容器４を備えており、放電容器４の最大径部の外径Ｄは、ランプ電力をＰ（W）としたときに  ３．６×（Ｐ＋３０）／１００≦  Ｄ  ≦５．２×（Ｐ＋６５）／１００
を充足する１０ｍｍからなり、最大内径は４．８ｍｍ、肉厚ｔは
０．０１３×Ｐ≦  ｔ  ≦  ０．３６×Ｄ
を充足する２．６ｍｍで、内容積は８０ｍｍ３である。放電容器内には、水銀が１６ｍｇ、始動用補助ガスとしてアルゴンが約２０ｋＰａ（常温時）と、黒化防止のためのハロゲンとして臭素が１．５×１０−４μmol／mm3の濃度で封入されると共に、タングステンからなる一対の電極５a、５bが１．２ｍｍの電極間距離で対向して配置されている。各電極５a、５ｂは、放電容器４の両端を気密に封止するシール部６ａ、６ｂに埋設されたモリブデン箔７a、７ｂを介して電力供給用リード線８ａ、８ｂに接続され、該リード線８ａ、８ｂを通じて点灯装置（図示せず）からランプ電力が供給されるようになっている。
【００１８】
反射鏡２の反射面は焦点距離７ｍｍの放物面を持ち、開口部の外側寸法が縦６５ｍｍ、横７０ｍｍであり、開口部を覆うように取り付けられた前面ガラスと反射面により囲まれた空間の容積は約７０ｃｃである。
【００１９】
図２は本実施例の高圧放電ランプを電力１６５Ｗにて点灯した時の出射光の分光スペクトル図である。図中の符号は夫々、安定点灯時の水銀発光のうち、約５４６nm付近の最も強い発光の強度をＩ1、前記約５４６ｎｍの発光と約５７７nmの発光の間で最も低い発光の強度をＩ2としたとき、本実施例に従うランプはＩ１／Ｉ2＝３．７である。但し、分光スペクトル即ち発光強度の測定は、高圧放電ランプを反射鏡に組み込み点灯してその出射光を直接測定した。この時、前記高圧放電ランプは発光管上部温度がプロジェクタ内にて使用される際の温度条件とほぼ同等である約１０００℃になるように冷却ファンにて温度調整を行い、測定器としては日本分光株式会社製の分光スペクトル測定装置ＰＧＤ−２５Ｃを用いた。
【００２０】
図３は、前記ランプの発光スペクトルの測定方法を示す概略図である。但し、上記測定は図３の様な測定方法を用いたが、プロジェクションＴＶの光学系内のフィルターやＬＣＤ等の光学素子を取り除き、光学レンズで構成される光学系としたプロジェクションＴＶを用いても同様の測定は行える。即ちランプの分光スペクトルを測定する場合、ランプの発光スペクトルは、ランプの動作温度に依存することから、プロジェクタ内だけでなく、プロジェクタを用いなくとも、また、プロジェクタの冷却機構付きのランプを収納するためのランプハウジング内に組み込まれた状態でも、ランプの動作状態を実際の使用条件と同等の温度条件とすることで、同様の測定は行える。
【００２１】
以上のランプをプロジェクションTVに組み込み評価を行った結果、光色は良好であった。更に、前記ランプを１１時間３０分点灯、３０分消灯での点滅試験にて寿命試験を行ったところ、点灯５０００時間までに発光管の破裂を生じることなく、また明るさも初期の明るさの８０％を越える良好な結果が得られた。
【００２２】
次に、比較のため上記発光強度の比であるＩ１／Ｉ2を変化させた試作を行い同様の試験を行った結果を表１に示す。尚、安定点灯時の水銀発光は、水銀封入量や発光管の動作温度により変えることが出来ることは前記非特許文献１等でも明らかであるが、今回の試作では、水銀封入量を変えることにより、水銀発光を変化させた。但し、その他の仕様については、本実施例と同一である。
表１
本実施例      比較例１    比較例２    比較例３
Ｉ１      １００        ９３        １１６        ７２
Ｉ２        ２７        ３６          １９        ４２
Ｉ1／Ｉ2    ３．７       ２．６      ５．３        １．７
破裂の発生    無          無          無          有
光色          ○          ○          ×          ○
結果          ○          ○          ×          ×
但し、本実施例のＩ１の強度を１００として表している。
以上の結果から
式１  ：  １．８  ≦  Ｉ１／Ｉ３  ≦  ５．２
の範囲であれば良好な色特性及び寿命特性を得られ、また、Ｉ１／Ｉ2  が５．２より大きいと良好な色特性を得ることは出来ず、Ｉ1／Ｉ2が１．８より小さいと破裂等の不具合が発生することがわかった。
【００２３】
尚、本実施例で臭素の封入量を１．５×１０−４μmol／mm3としたのは以下の通りである。臭素量が１．０×１０−４〜１．２×１０−３μmol／mm3の範囲であるランプと臭素量が０．８×１０−４μmol／mm3以下、１．５×１０−３μmol/mm3以上であるランプを試作し評価を行ったところ、臭素量が１．０×１０−４〜１．２×１０−３μmol／mm3の範囲であるランプは良好な寿命特性が得られたのに対し、臭素量が０．８×１０−４μmol／mm3以下と少ないランプでは点灯中に黒化の発生が著しく早期に明るさが低下してしまい、また臭素量が１．５×１０−３μmol/mm3以上のランプでは寿命中に腐食による電極の変形が発生してしまった。以上の理由から、封入するハロゲン量は１．０×１０−４〜１．２×１０−３μmol／mm3の範囲とした。また、ハロゲンの種類についても、ヨウ素、臭素、塩素を比較した結果、ヨウ素においては寿命を通じてハロゲンサイクルを働かせ、常に黒化を防止するだけの効果が得られず、塩素においては、反応性が高すぎるために、製造プロセスにおいて排気装置などの配管との反応してしまう不具合が生じた。以上の事から、封入するハロゲンとしては寿命および製造上に大きな問題が生じることから臭素とした。
【００２４】
次に本実施例のランプと同様に、発光管の肉厚や最大外径を変化させたランプを試作してプロジェクションTVに組み込み明るさを比較した結果を表２に示す。この時、外径及び内容積を除く仕様は本実施例と略同一であり、明るさは本実施例の明るさを１００として評価を行った。
表２
本実施例      比較例４    比較例５    比較例６      
ランプ電力（Ｗ）  １６５       １６５      １６５      １６５      
外径D（ｍｍ）   １０．０     １１．０    １２．０    １３．０  
明るさ            １００        ９８        ８４       ７５  
【００２５】
その結果、分光分布上は各ランプともに大きな差は認められなかったが、放電容器の最大径部の外径Ｄにより大きく明るさが変化することがわかった。これは、焦点距離の短い反射鏡の底部に発光管が配置されるため、発光管の外径部が反射光を遮り明るさが低下してしまうためである。
【００２６】
次に外径Ｄを９ｍｍ，８ｍｍ，７ｍｍ，６ｍｍと小さくする試作を行い、上記試験と同様の明るさ測定を行ったところ、いずれのランプにおいても良好な明るさを示したものの、外径Ｄが６ｍｍのランプにおいては測定中の数十分で放電容器内壁に失透が見られた。これは外径Ｄが６ｍｍと小さすぎたために、放電容器が点灯中の高熱に耐えられなくなり発生したものである。このような失透は寿命時間中に成長し、明るさ低下、及び変形や破裂の原因となるものであり、ランプ寿命が短くなる。
【００２７】
同様に他の電力のランプについても外径Ｄを変化させて試作を行ったところ、１２５Ｗのランプにおいては外径Ｄが５．５ｍｍのとき上記のような失透が見られ、また２００Ｗのランプにおいては外径が８ｍｍのとき失透が見られた。
【００２８】
また外径Ｄを大きくしていった場合、１２５Ｗのランプにおいては外径Ｄが１０．５ｍｍになると明るさの低下が大きく、２００Ｗのランプにおいては外径Ｄが１４ｍｍになると明るさの低下が大きかった。
【００２９】
以上のことから、式１の分光特性を持ったランプにおいては、ランプ電力により適正な外径の範囲が決まっており、その範囲は下記式２により表すことができる。
式２  ：  ３．６×（Ｐ＋３０）／１００≦  Ｄ  
≦５．２×（Ｐ＋６５）／１００
【００３０】
実験結果より最大径部の外径Ｄが、上記式２の下限以下である場合には、点灯中の高温により放電容器が耐えられず短寿命の原因となり、また最大径部の外径Ｄが、上記式２の上限以上である場合には、反射鏡からの反射光が放電容器に遮られ明るさが低下してしまう。
【００３１】
次に、肉厚のみを変化させたランプを試作したところ、肉厚ｔがｔ＞０．３６×Ｄとなるような発光管は、外径に対し肉厚が厚くなるため、発光管成型時に石英の加工作業が困難であり、作製された発光管は、肉厚や内面形状のバラツキが大きいものとなるため、肉厚ｔはｔ≦０．３６×Ｄ  が好ましい事がわかった。そして、肉厚がｔ＜０．０１３×Ｐとなるような発光管は、分光分布が本実施例と同様のランプを作製したものの、ランプ電力に対して肉厚が薄くなり、点灯時の高い蒸気圧や温度に耐えることが出来ずに早期に破裂や発光管の変形を起こす事から、肉厚は０．０１３×Ｐ≦ｔ  が好ましいことがわかった。以上の事から肉厚が、
式３：０．０１３×Ｐ≦  ｔ  ≦  ０．３６×Ｄ
を充足することにより、目的に適合した高圧放電ランプを得る事ができた。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る高圧放電ランプを備えた高圧放電ランプ装置の断面図。
【図２】本発明に係る高圧放電ランプを電力165Wで点灯したときの分光スペクトル図。
【図３】高圧放電ランプの分光スペクトルの測定方法を示す図。
【符号の説明】
【００３３】
１                  高圧放電ランプ
２                  反射鏡
３                  発光管
４                  放電容器
５ａ、５ｂ          電極
６ａ、６ｂ          シール部
７ａ、７ｂ          モリブデン箔
８ａ、８ｂ          リード線
９                  高圧放電ランプ
１０                高圧放電ランプ出射光
１１                冷却ファン
１２                冷却風
１３                分光測定器
【図１】
2005259408.tif 000003
【図２】
2005259408.tif 000004
【図３】
2005259408.tif 000005