JP3620394B2

JP3620394B2 - 高周波励起点光源ランプ装置

Info

Publication number: JP3620394B2
Application number: JP2000063942A
Authority: JP
Inventors: 満池内; 裕之藤井
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2000-03-08
Filing date: 2000-03-08
Publication date: 2005-02-16
Anticipated expiration: 2020-03-08
Also published as: JP2001256926A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、点光源として使用する放電ランプ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、会議や展示会などのプレゼンテーションツールとして液晶プロジェクターが使用されている。液晶画面を高輝度光源によってスクリーン面に投射するものであるが、従来、液晶プロジェクター用の高輝度光源には、一対の対向電極を石英ガラス製のバルブ内に配置し、ガラスバルブ内に所定の発光物質を封入したメタルハライドランプや超高圧水銀ランプが使用されている。そして、それらのランプは箔シールやロッドシールにより封止されたものである。
【０００３】
しかし、最近では、液晶プロジェクターの、より一層の高輝度化の要請が市場において高まってきており、それゆえ使用される光源もより一層明るいものが要求されている。前述したメタルハライドランプに替り、特に最近では高封入圧の超高圧水銀ランプがその光源の主役となりつつある。しかし、箔シールによって封止された超高圧水銀ランプは、点灯動作時における封止部の耐圧に限界があることから、高輝度化には近い将来限界が来ることが予想される。
【０００４】
そこで、プロジェクター用代替光源として、箔シール部を有しない無電極ランプが耐圧の面からは考えられる。しかし、その放電形式は管壁安定型の放電であり、アーク放電が放電容器の管壁に沿い、熱負荷が放電容器の管壁にかかるため強制的な冷却が必要であった。また、アーク放電をランプ中心に絞ることができず、点光源化が全く不可能であった。
【０００５】
ところで、箔シール部を有しない光源としては、特開平３−２２５７４４号にあるような構造のランプも提案されている。これは低圧放電ランプであり、用途は小型液晶テレビの背面照明などに使われるランプである。放電容器内の両端に一対の円筒状の金属製の内部電極を固定し、その円筒状内部電極に対応するガラス製封止体外壁に外部電極を配設し、外部電極と円筒状内部電極が誘電体であるガラス製封止体を挟んでコンデンサを形成し、その外部電極に高周波電圧を印加することで円筒状内部電極に電力を供給するというものである。しかし、このランプは電極間距離が離れており、点光源とは成り得ないものであった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の目的は、放電容器が高耐圧であり、しかも点光源として高輝度の発光をするランプ装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、透光性の非導電性材料からなり、放電空間囲繞部と放電コンセントレータ保持部からなる放電容器と、該放電コンセントレータ保持部に保持され、放電空間内に臨む、放電空間の中で電界を集中させ強める作用をする放電コンセントレータとからなるランプと、前記ランプ外部より、前記放電コンセントレータに放電を励起するエネルギーを、磁束の変化を介して結合する磁気結合によって供給する励起エネルギー供給手段とからなり、
該放電コンセントレータの２つの先端部が放電空間内にあって放電容器から離れて対向しており、放電が該放電容器から離れて生じることを特徴とする高周波励起点光源ランプ装置とするものである。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明は、前記励起エネルギー供給手段は高周波電源と該高周波電源に接続され、前記放電コンセントレータ保持部を挟むように配置された一対のコイルとからなることを特徴とする請求項１に記載の高周波励起点光源ランプ装置とするものである。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、前記放電コンセントレータは、２つの先端部が放電空間内に露出して対向しており、前記２つの先端部から伸びた、前記放電コンセントレータ保持部にある部分が、互いに結合されていることを特徴とする請求項１または２に記載の高周波励起点光源ランプ装置とするものである。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、前記放電コンセントレータは、放電空間内において、その先端部を除いた部分が絶縁部材で覆われていることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の高周波励起点光源ランプ装置とするものである。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、前記放電コンセントレータの先端部を球状化したことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の高周波励起点光源ランプ装置とするものである。
【００１２】
請求項６に記載の発明は、前記放電コンセントレータの先端部の材料として、放電容器を構成する非導電性材料の使用限界温度よりも高い使用限界温度を有する材料を選択したことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の高周波励起点光源ランプ装置とするものである。
【００１３】
請求項７に記載の発明は、前記放電コンセントレータの先端部のの材料を誘電体としたことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の高周波励起点光源ランプ装置とするものである。
【００１４】
請求項８に記載の発明は、前記非導電性材料として石英ガラスを選択したことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の高周波励起点光源ランプ装置とするものである。
【００１５】
請求項９に記載の発明は、前記非導電性材料として透光性セラミックを選択したことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の高周波励起点光源ランプ装置とするものである。
【００１６】
請求項１０に記載の発明は、前記放電容器内に３００ｍｇ／ｃｃ以上の水銀を封入したことを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の高周波励起点光源ランプ装置とするものである。
【００１７】
請求項１１に記載の発明は、前記放電容器内に３００Ｋで６ＭＰａ以上の封入圧のキセノンを封入したことを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の高周波励起点光源ランプ装置とするものである。
【００１８】
【作用】
本発明のランプ装置は、放電容器が非導電性材料によって構成されており、放電コンセントレータが放電容器内にのみ保持されていて、従来のように電流導入用部材をランプ外部へ導出するための封止部を有しないので、放電時のランプ内部のガス圧に対する耐圧が高い。そして、磁気結合により点灯することにより、１３．５６ＭＨｚ帯という比較的低い周波数の高周波電源を使用することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
図１（ａ）、（ｂ）は、本発明のランプ装置に供されるランプ１の説明用断面図である。図１（ａ）において、ランプ１は放電容器３と放電コンセントレータ２とからなり、放電容器３は放電空間７を囲む放電空間囲繞部３１と放電コンセントレータ保持部３２とから構成されている。
【００２０】
放電容器３は透光性の非導電性材料で構成されている。そして、放電コンセントレータ保持部３２に放電コンセントレータ２が保持されている。放電コンセントレータ２は放電空間７内の電界を集中させ強める作用をするものであり、その先端部２Ａ、２Ａ’は放電空間７に臨み、露出し対向しており、放電コンセントレータ保持部３２内でコ字状またはＵ字状に曲折されることにより、２つの先端部２Ａ、２Ａ’から伸びた、前記放電コンセントレータ保持部３２にある部分が、互いに結合されたかたちになっている。
【００２１】
または、図１（ｂ）に示したように、２つの先端部２Ａ、２Ａ’が放電空間内に露出して対向しており、前記２つの先端部２Ａ、２Ａ’から伸びた２本の前記放電コンセントレータ保持部３２にある部分が、互いに電気伝導部材２Ｂで結合されていてもよい。
放電コンセントレータ保持部３２内でコ字状またはＵ字状に曲折されたり、２つの先端部２Ａ、２Ａ’から伸びた２本の前記放電コンセントレータ保持部３２にある部分が、互いに電気伝導部材で結合されていることで、磁気結合するための閉回路を形成し、電磁エネルギーがランプ外部にあるコイル１０から放電コンセントレータ２に輸送される。
【００２２】
また、放電コンセントレータ２は先端部２Ａ、２Ａ’を除く放電空間露出部が絶縁部材５で覆われている。絶縁部材５で覆うことで、先端を棒状のままにしたときに比べて、コンセントレータ２の一部にのみ放電が集中することによる局部的な温度上昇がなくなるため、長い動作寿命が得られる。なお、絶縁部材５は放電容器３と別体ものでもよいが、放電容器３と一体であってもよい。
【００２３】
そして、放電空間７には発光物質として水銀などとバッファガスとしての希ガスが所定量封入されている。
【００２４】
図２、図３、図４は本発明のランプ装置の一形態であり、概略の断面図を示している。図２は上面からみた断面図であり、図３は側面からみた断面図である。５は絶縁部材であり、６はチップ部である。３１は放電空間囲繞部であり、３２は放電コンセントレータ保持部である。
図３のようにランプ１の放電コンセントレータ保持部３２を挟むように一対のコイル１０、１０’が配置されている。
一対のコイル１０、１０’は互いの一端が接続され、互いの他端は同一の高周波電源１１に接続されている。
【００２５】
高周波電源１１からコイル１０、１０’に高周波電圧が印加されると、放電コンセントレータ２の先端部２Ａ、２Ａ’間のギャップに電界が集中して放電を開始する。放電によって閉ループができ、磁力線束Ｍが放電コンセントレータ２を横切り、磁気結合によって電力が放電コンセントレータに注入される。
そして、放電空間７の中で放電コンセントレータ２によって電界が集中され電界が強められて放電コンセントレータ２の２つの先端部２Ａ、２Ａ’間に高輝度の点光源が出現する。
【００２６】
磁気結合の場合、数ターンのコイルを用いて、比較的低い周波数（例えば１３．５６ＭＨｚ）で大きな電力を輸送できる。一般に低い周波数の電源は、高い周波数（例えば２００ＭＨｚ）の電源に比べ、電力の変換効率が高いため、高効率の光源が実現できる。
また、コイルは必ずしも一対である必要はなく、図４の、側面からみた断面図に示すように、一つのコイル１０が、ランプ１の放電コンセントレータ保持部３２の片側に近接させて配置されていても磁気結合による放電は起こる。
【００２７】
実使用においては、本発明のランプ装置は、図２に示すように、このランプ１の外部に反射ミラー１２を配設してランプ１からの放射光を反射し、集光手段によって、液晶プロジェクタ用光源のような各種の照射源に応用される。
【００２８】
従来、高周波点灯またはマイクロ波点灯する無電極ランプにおいては、放電容器に近接して放電が起こり、放電器管壁が高温となるので、容器を強制冷却する手段が必要であったが、本発明のランプ装置においては、放電が管壁から離れており、両端封止型の従来型メタルハライドランプや超高圧水銀ランプと同程度の冷却でよい。
【００２９】
放電コンセントレータ２の先端部の材料として、放電容器３を構成する非導電性材料の使用限界温度よりも高い使用限界温度に耐える材料を選択することで、プラズマに接する部分の温度を高くとることができるので、発光強度の高くなるランプ入力までランプが使用可能となる。
そして、放電空間囲繞部３１と放電コンセントレータ保持部３２を石英ガラスで構成すると、放電コンセントレータ保持部３２の形状加工も容易であり、その高耐熱性の特性から放電コンセントレータ２と密着が可能である。
【００３０】
放電コンセントレータ２の先端部２Ａ、２Ａ’を球状化することも適切な実施形態となる。２Ａ、２Ａ’を球状化すると先端を棒状のままにしたときに比べ、コンセントレータの一部にのみ放電が集中し、局部的に温度が上昇することがなくなるため、長い動作寿命が得られる。
【００３１】
また、放電コンセントレータ２の先端部の材料を誘電体とすることも可能である。その場合は、放電コンセントレータ２の先端部が金属材料の場合には発光物質として使用できなかった金属腐食性元素を発光物質として使用することが可能となる。図５には、電気導電体２Ｂの外面を誘電体４で覆い、放電コンセントレータ２の先端部２Ａ、２Ａ’の表面が誘電体となっている本発明のランプ装置に供されるランプ１の断面図を示す。
【００３２】
さらに、放電容器３をアルミナやＹＡＧ等の透光性セラミックで構成すると、高耐圧の容器が可能となり、例えばキセノンを発光物質とする場合には、５〜１０×１０^７Ｐａの封入が可能となる。
【００３３】
封入物については、水銀を発光物質として使用する場合には、３００ｍｇ／ｃｃ以上の量を放電容器に封入すれば、高い圧力で放電が集中し、近似白色で超高輝度の点光源を実現できる。
また、放電容器に３００Ｋで（室温で）６ＭＰａ以上のキセノンを封入しても、高い圧力で放電が集中し、近似白色で超高輝度の点光源を実現できる。
【００３４】
【実施例】
具体的実施例の説明の前に、本発明に係るランプの製造方法を図５で説明する。
先ず、図６（ａ）に示すように放電コンセントレータの素材であるタングステン製ワイヤー１３をコの字状またはＵ字状に折り曲げる。
次に、図６（ｂ）に示すように、絶縁部材であるガラス管１４をタングステン製ワイヤー１３の先端部が露出するように被せる。
このガラス管は例えば石英ガラスが適する。
【００３５】
この図６（ｂ）の段階で、タングステン製ワイヤー１３を、不図示の電源の＋極に接続し、別途不図示の放電用部材を不図示の電源の−極に接続し、タングステン製ワイヤー１３の先端と放電用部材の先端とを近接させて放電させることにより、タングステン製ワイヤーの先端を溶融し球状化することができる。
【００３６】
そして、図６（ｃ）に示すように、タングステン製ワイヤー１３の２つの先端部を対向するように折り曲げる。
次に、図６（ｄ）に示すような、タングステン製ワイヤー挟持部材１５で、図６（ｅ）に示すようにタングステン製ワイヤー１３を挟持する。そして、図６（ｅ）および（ｆ）に示すように、排気管部１６の付いた放電容器構成管材１７にタングステン製ワイヤー１３を挿入し、タングステン製ワイヤー挟持部を含めて放電容器構成管材１７をバーナー加熱してピンチシールする。
【００３７】
そして、図６（ｇ）に示すように、タングステン製ワイヤー挟持部材１５の不要部分を切断する。
タングステン製ワイヤー１３は放電コンセントレータとなる。そして、図６（ｈ）に示すように、排気管部１６より排気し、所定量の水銀１８を放電容器構成管材１７内に入れ、放電容器構成管材１７内部を真空に排気し、アルゴンガスを所定の圧力で導入して、チップ部６においてチップオフする。
【００３８】
次に具体的なランプ装置の実施例について説明する。
図２は高周波電源１１に接続された第一の実施形態のタイプのランプ装置１００である。
ランプ電力は１５０Ｗであり、放電容器３は肉厚２．５ｍｍ、最大外径１２ｍｍの石英ガラス製であり、放電コンセントレータ２はタングステン製であって、先端２Ａ、２Ａ’間の離隔距離は０．５〜０．７ｍｍである。そして放電コンセントレータ２の線材の直径は２ｍｍである。
【００３９】
なお、放電コンセントレータ２を封止する方法が石英ガラス製放電容器３の場合とは異なるが、放電容器３の材料としては、透光性アルミナや透光性イットリア、透光性ＹＡＧといった透光性セラミックスも使用できる。しかし、透光性セラミックスは熱負荷に対しては強いが、熱衝撃に弱いため、用途が限定される。
【００４０】
放電コンセントレータ２の先端部の材料としては放電容器３の材料より高い使用限界温度である材料で構成される。具体的には、放電用発光物質が水銀や希ガスの場合、放電容器３が石英ガラスのときは、Ｗ、Ｒｅ、Ｔａなどやその合金、またはＴａＣ、ＺｒＣ、ＨｆＣなどの炭化物やＡｌ_２Ｏ_３、ＢｅＯ、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２、ＴｈＯ_２、その他希土類酸化物、ＡｌＮなどの窒素化合物または前記酸化物と窒化物の複合体が使用可能である。放電コンセントレータ２の先端部２Ａ、２Ａ’は球状になっている。
【００４１】
放電用発光物質として、本実施例では水銀が３００ｍｇ／ｃｃ封入され、希ガスはバッファガスとして１３ｋＰａ封入されている。
なお、放電用発光物質として、イオウ（Ｓ）やセレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）を使用する場合があり、そのときは放電コンセントレータの先端部を誘電体とする。放電コンセントレータ２には、タングステン等の金属にイオウ・セレン・テルルには腐食しない誘電体であるＭｇＯやＺｒＯ_２やＢｅＯが被覆されて使用される。
【００４２】
そして、図１（ａ）の構成のランプ１を上記の仕様の通りに作製し、コイル１０，１０’と高周波電源１１を配設した図３の構成のランプ装置１００に、周波数１３．５６ＭＨｚを印加したところ白色の高輝度光源として点灯し、点灯後黒化や破裂等の不具合が発生しなかった。水銀が３５０ｍｇ／ｃｃ封入され、希ガスはバッファガスとして１３ｋＰａ封入されているので、放電時の放電空間囲繞部３１内の圧力は３５ＭＰａ以上であることが予想され、従来の箔シール型の超高圧水銀ランプと比較して放電空間囲繞部３１の耐圧が増大したものと考えられる。
【００４３】
また、従来の箔シール型のランプでは、Ｍｏ箔がランプ内にあるため、ハロゲンを封入する場合、Ｍｏ箔と反応する不具合があったが、本方式の放電コンセントレータを使用したランプでは、Ｍｏ箔を必要とせず、ハロゲンを封入したランプとした場合でも、これらの不具合が発生しない。
【００４４】
図２において、１２は集光用の反射ミラーであり、例えば材質はガラスやセラミック製であって、その表面にチタニア−シリカなどの誘電体多層膜が形成されることもある。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のランプ装置は放電容器が非導電性材料によって構成されており、非導電性材料と異なる電流導入用の金属等、異質な部材をランプ外部へ導出するための封止部を有さないので、放電時のランプ内部のガス圧に対する耐圧が強いものとなる。
【００４６】
そして、ランプ内で放電コンセントレータを放電空間に臨ませた構成としたので、放電コンセントレータの先端部に放電を集中させ、高輝度の点光源を現出させることができる。
【００４７】
また、本発明の高周波励起点光源ランプ装置は、磁気結合により点灯することにより、１３．５６ＭＨｚ帯という比較的低い周波数で励起が効率よく行え、高周波電力増幅装置が固体回路化でき、経済的に安価なになるばかりでなく、信頼性が向上し、回路の電力効率も８０％を超えるまで高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るランプの一実施例の断面図である。
【図２】本発明のランプ装置の一実施例構成を示す断面図である。
【図３】本発明のランプ装置の一実施例構成を示す断面図である。
【図４】本発明のランプ装置の一実施例構成を示す断面図である。
【図５】本発明に係るランプの一実施例の断面図である。
【図６】本発明に係るランプの製造工程の説明図である。
【符号の説明】
１ランプ
２放電コンセントレータ
２Ａ、２Ａ’ 先端部
２Ｂ電気伝導部材
３放電容器
３１放電空間囲繞部
３２放電コンセントレータ保持部
４誘電体
５絶縁部材
６チップ部
７放電空間
１０、１０’ コイル
１１高周波電源
１２反射ミラー
１３タングステン製ワイヤー
１４ガラス管
１５タングステン製ワイヤー挟持部材
１６排気管部
１７放電容器構成管材
１８水銀
１００ランプ装置
Ｍ磁力線束

Claims

透光性の非導電性材料からなり、放電空間囲繞部と放電コンセントレータ保持部からなる放電容器と、該放電コンセントレータ保持部に保持され、該放電空間内に臨む、放電空間の中で電界を集中させ強める作用をする放電コンセントレータとからなるランプと、前記ランプ外部より、前記放電コンセントレータに放電を励起するエネルギーを、磁束の変化を介して結合する磁気結合によって供給する励起エネルギー供給手段とからなり、
該放電コンセントレータの２つの先端部が放電空間内にあって放電容器から離れて対向しており、放電が該放電容器から離れて生じることを特徴とする高周波励起点光源ランプ装置。
前記励起エネルギー供給手段は高周波電源と該高周波電源に接続され、前記放電コンセントレータ保持部を挟むように配置された一対のコイルとからなることを特徴とする請求項１に記載の高周波励起点光源ランプ装置。
前記放電コンセントレータは、２つの先端部が放電空間内に露出して対向しており、前記２つの先端部から伸びた、前記放電コンセントレータ保持部にある部分が、互いに結合されていることを特徴とする請求項１または２に記載の高周波励起点光源ランプ装置。
前記放電コンセントレータは、放電空間内において、その先端部を除いた部分が絶縁部材で覆われていることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の高周波励起点光源ランプ装置。
前記放電コンセントレータの先端部を球状化したことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の高周波励起点光源ランプ装置。
前記放電コンセントレータの先端部の材料として、放電容器を構成する非導電性材料の使用限界温度よりも高い使用限界温度を有する材料を選択したことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の高周波励起点光源ランプ装置。
前記放電コンセントレータの先端部の材料が誘電体であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の高周波励起点光源ランプ装置。
前記非導電性材料として石英ガラスを選択したことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の高周波励起点光源ランプ装置。
前記非導電性材料として透光性セラミックを選択したことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の高周波励起点光源ランプ装置。
前記放電容器内に３００ｍｇ／ｃｃ以上の水銀を封入したことを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の高周波励起点光源ランプ装置。
前記放電容器内に３００Ｋで６ＭＰａ以上の封入圧のキセノンを封入したことを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の高周波励起点光源ランプ装置。