CN100452285C

CN100452285C - 短弧型放电灯点亮装置

Info

Publication number: CN100452285C
Application number: CNB2004100556381A
Authority: CN
Inventors: 山下高史; 有本智良; 铃木义一
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2003-07-30
Filing date: 2004-07-30
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2024-07-30
Also published as: JP2005050576A; JP4400125B2; CN1577715A

Abstract

提供一种能够防止管壁黑化，寿命长的短弧型超高压水银灯。为实现上述目标，本发明提供一种短弧型放电灯点亮装置，该装置由短弧型放电灯以及至少在点亮起动时向该放电灯提供直流电流的供电装置构成，其中短弧型放电灯中，在由石英玻璃构成的发光管(11)内，以2mm以下的间隔相向配置一对电极，在该发光管(11)内封入：0.16mg/mm³以上的水银、稀有气体、在1×10^-6～1×10^-2μmol/mm³的范围内的卤素。其特征在于：该放电灯中的一对电极中至少有一个电极由线圈构成。并且供电装置对放电灯提供的直流电流在开始时是额定电流的0.3-0.9倍，然后是额定电流的1.0-2.0倍，之后功率变为额定功率的1.05-1.5倍后，达到规定的功率。

Description

短弧型放电灯点亮装置

技术领域

本发明涉及一种短弧型放电灯装置。特别涉及到DLP(digital lightprocessor，数字光处理器)等放映装置中所使用的光源用放电灯的点亮装置。DLP使用液晶显示器装置、DMD(digital mirror device，数字镜器件)，而液晶显示器装置、DMD将发光管内封入有0.16mg/mm³以上的水银、点亮时水银蒸汽压力为110气压以上的超高压水银灯作为光源使用。

背景技术

投射型放映装置要求在矩形的屏幕上对图象进行平均的照明，并要求有高度的演色性，因此，使用封入水银、金属卤化物的金属卤化物灯作为光源。并且最近，这样的金属卤化物灯进一步实现小型化、点光源化，并且电极之间距离极其小的产品也被实用化。

在这种背景下，最近出现了新的方案：使用前所未有的较高的水银蒸汽压力，例如150气压的灯来取代金属卤化物灯。这样可以通过提高水银的蒸汽压力，来抑制(压缩)电弧的扩大，同时可以进一步提高光的输出。

这样的超高压放电灯，在特开平2-148561号、特平开6-52830号、特许第2980882号中已经公开。

例如上述灯是如下的超高压水银灯：在由石英玻璃构成的发光管内，以2mm以下的间隔相向配置一对电极，在该发光管内封入0.16mg/mm³以上的水银，以及1×10^-6～1×10^-2μmol/mm3范围内的卤素。封入卤素的主要目的是防止发光管的失透，但通过封入卤素也产生所谓的“卤素循环”。

但是，上述超高压水银灯(以下也简称作放电灯)随着亮灯时间的延长，作为阴极构成材料的钨被输送到放电容器的内表面并附着在其上，产生所谓管壁黑化现象。管壁黑化会导致光输出下降，并且在管壁黑化严重时，由于对管壁的热负荷增加会导致放电容器的破损，是导致灯寿命减少的原因。

此外，封入卤素气体的放电灯中，通过所谓卤素循环现象以期延长灯的寿命。但是，只要放电灯的温度因为某些原因一产生变化时，就脱离了卤素循环的最佳温度范围，其结果是产生明显的上述管壁黑化及寿命缩短的问题。

例如，放映装置中为了使使用环境产生变化注意到了调光功能，该功能的手段之一就是变更灯的供功率。这种情况下，放电灯的温度就会产生变化。

并且，在放映装置等设备中，有时放电灯的闪烁动作非常强烈。而将放电灯的闪烁动作以高频率重复时，产生不适合卤素循环的温度范围的比例就会变高。特别是由于国内消费中放映装置的使用不断增加，将放电灯在高频率下闪烁使用成为非常大的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题就是，提供一种能够抑制由于阴极构成材料钨被输送到放电容器内表面而引起的管壁黑化的、寿命较长的短弧型超高压水银灯。

为了解决上述问题，方案1所述的短弧型放电灯点亮装置由短弧型放电灯以及向该放电灯提供直流电流的供电装置构成，上述短弧型放电灯中，在由石英玻璃构成的发光管内，以2mm以下的间隔相向地配置阳极和阴极，在该发光管内封入：0.16mg/mm³以上的水银、稀有气体、在1×10^-6～1×10^-2μmol/mm³的范围内的卤素。

并且，其特征在于：上述放电灯具有在电极轴部配置线圈的阴极结构；上述线圈和上述发光管内表面的最短距离为2.0mm以内，上述供电装置对上述放电灯在点亮起动时进行恒流控制，同时在其后进行恒功率控制；该恒流控制具有：提供额定电流的0.3-0.9倍的电流值的第一电流提供期，以及，之后提供额定电流的1.0-2.0倍的电流值的第二电流提供期上述第一电流提供期间可从1.0-15.0秒的范围选择，上述第二电流提供期间可从2-40秒的范围选择；上述第二电流提供期在该放电灯的点亮功率变为额定点亮功率的至少1.05-1.5倍后，切换为以额定点亮功率值为基准的恒流控制。

本发明人针对上述课题经过专心研究，发现由于电极构成材料钨被输送到放电容器内表面而引起的管壁黑化的问题的原因在于：在灯起动的初期，至少在以阴极电极具有的线圈的后端部分为起点形成放电弧的时候，该放电弧和放电容器内表面相接触而造成的。

由于这一现象，通过来自线圈后端部分的放电弧和放电容器内表面相接触，作为放电容器构成材料的石英玻璃被蒸发，从而对上述钨的输送产生很大的影响。

本发明人发现，为了有关解决短弧型放电灯中上述新的课题，在灯起动初期，通过调整供电装置对放电灯的电流供给是有效的。

附图说明

图1表示本发明相关的放电灯。

图2表示本发明相关的放电灯的电极构造。

图3表示本发明相关的放电灯的电流波形、功率波形。

具体实施方式

图1表示的是本发明中的短弧型高压放电灯(以下也只称作“放电灯”)的整体构造。

放电灯1具有由放电容器形成的大致球形的发光部10，其中上述放电容器由石英玻璃构成，该发光部10中相向配置有阳极2和阴极3。并且形成有从发光部10的两端部延伸的两个密封部11，该密封部11中，导电用金属箔4通过例如收缩密封等被密封埋设，其中导电用金属箔4一般由钼构成。金属箔4的一端和阳极2或者阴极3相连接，金属箔4的另一端和外部引线5相连接。

阴极3的头部缠绕有线圈31。该线圈31由钨构成，被牢固地绕住或者焊接。线圈31在点亮起动时通过表面的凹凸效果，发挥起动源(起动开端位置)作用，同时在点亮后通过表面的凹凸效果和热容量来担负散热的功能。

发光部10中封入有水银、稀有气体及卤素气体。

水银用于获得必要的可视光波长，例如波长360-780nm的放射光线，封入0.16mg/mm³以上。该封入量随着温度条件而有所不同，但在点亮时为150气压以上，变为非常高的蒸汽气压。此外，通过较多地封入水银，可以制作出点亮时的水银蒸汽气压达到200气压以上、300气压以上这样的高水银蒸汽气压的放电灯，水银蒸汽气压越高，就越可以实现和放映装置相适应的光源。

封入稀有气体，例如大约13kPa的氩气，可以用于改善点亮时的起动性能。

卤素以碘、溴、氯等以和水银等其他金属的化合物形态被封入。卤素的封入量可以从10^-6～10^-2μmol/mm³的范围内选择，虽然利用了卤素循环的作用在于实现较长的使用寿命，但本发明中的放电灯这样极小型的拥有极高的内压的灯，封入卤素的主要目的是防止放电容器的破损，以及防止其失透。

举例说明放电灯的相关数值：发光部分的外径选自

6.0-15.0mm的范围，例如是9.5mm，电极之间距离选自0.5-2.0mm的范围，例如是1.5mm，发光管内部容积选自40-300m m³的范围，例如是75mm³。例如点亮条件是：管壁负荷选自0.8-2.0W/mm²的范围，例如是1.5W/mm²，额定电压为80V，额定功率为200W。

此外，这种放电灯内置于小型化的放映装置中，由于装置整体构造非常小的小型化，但同时又要求较高的发光量，所以发光部内的热学条件非常严格。

并且，放电灯搭载在放映装置以及高架放映机这样用于显示的机器中，可以提供具有良好演色性的放射光。

另外，这种放电灯被内置于小型化的放映装置中。

图2表示阴极根部附近的扩大结构。(a)(b)表示同一结构，但(a)主要用于说明构造部件并用标号进行表示，(b)主要用于说明发光部内的物理现象并用标号进行表示。

如同本发明所述的放电灯一样，作为放映装置的光源搭载在装置内的灯随着放映装置小型化的要求，也强烈要求放电灯自身的小型化。另一方面，针对放电灯在高温条件下点亮，也需要采取放热措施，使电极具有热容量，因而电极不得不需要某种程度的大小(体积)。

也就是说，产生了这样的情况：一方面是放电灯的小型化要求，另一方面要求电极的体积大型化。

因此，如图所示，阴极3的线圈31和放电容器(发光部11)的壁(内表面)的距离L变得极其短。例如，其数值为2.0mm以下，具体而言，也存在1.5mm以下、1.0mm以下的灯。并且在这里所规定的距离是指线圈31和放电容器的壁之间的最短距离。

可以说，正是这种电极和放电容器内表面的距离变短导致：在起动初期，以线圈后端部作为起点形成放电弧的时候，该放电弧和放电容器内表面接触。

上述距离数值从道理上而言，根据放电灯的设计规格会有所不同，所以本来无法将其作为绝对值进行定义，但是由于在业界内，对放映装置的大小、对光源所要求的性能在某种程度上有所规定，所以考虑到这样的背景，大致上为上述距离数值。

图2所示的物理现象为如下的内容。

即，当从线圈31的后端部生成电弧e时，产生如图所示的和放电容器内表面的接触或者冲撞，这又导致放电容器内表面局部凹陷，同时，作为放电容器构成材料的石英玻璃(SiO₂)蒸发。蒸发的SiO₂通过放电等离子体分离为Si和O，导致从电极头部的钨的氧化物WO的蒸发。该钨氧化物通过对流移动到温度较低的放电容器内表面附近后，一部分作为WO₂Br₂等的卤素化合物存留在气体中，一部分作为钨、WO₂等的钨氧化物析出在放电容器内表面，导致管壁黑化。

上述现象发生在线圈和放电容器内表面极其接近的放电灯中，本发明人发现：在起动初期如果将提供到放电灯的电流变小，即使线圈后端部生成的放电弧和放电容器内表面相接触，其影响也较小，这样可以解决上述课题。

具体而言，在点亮起动中，供电装置提供给放电灯的直流电流在到达额定电流以前，具有第一电流提供期和第二电流提供期，第一电流提供期的电流是额定电流的0.3-0.9倍，第二电流提供期是额定电流的1.0-2.0倍。

进一步，第二电流提供期至少在功率值超过额定功率前持续，之后被设定为额定电流，放电灯也变为恒功率控制。

图3表示供电装置提供给放电灯的直流电流波形及功率波形。(a)表示电流波形，(b)表示功率波形，各纵轴分别表示电流值、功率值，横轴表示时间。

对(a)的电流波形进行说明。

在时间t1下，放电灯点亮起动后，直流电流I1流入到放电灯。该电流值I1为额定电流值的0.3-0.9倍，该期间T1为第一电流提供期。该第一电流提供期T1为恒流控制，其向放电灯提供的电流值是恒定的，也就是进行所谓的恒流控制通过将电流值变小，即使从线圈后端部生成不希望的放电弧接触到放电容器内表面的情况下，其影响也可以减小。

第一电流提供期可从1.0-15.0秒的范围选择，例如是10秒。在该期间内，由于阴极升温，是从线圈后端部生成的放电弧可以移动到阴极头部的最佳时间，该期间可以根据放电灯以及其他点亮环境条件进行适当的设定。

电流值I1为额定电流值的0.3-0.9倍，如果比该范围小的话，无法维持放电，比该范围大的话，就无法忽视放电弧对放电容器内表面的接触了。并且，电流值I1的最佳范围是额定电流值的0.4-0.8倍。具体而言，例如在额定电流I_L为2.7A时，设置为2.0A。

在时间t2下，电流值从I1增长到I2。该电流值I2变为额定电流I_L的1.0-2.0倍，该期间T2为第二电流提供期。该第二电流提供期T2也同样由恒流控制。第二电流提供期电流值之所以比第一电流提供期增加，是因为如果电流值还是那么低的话，放电空间内的温度上升速度变慢，光束的增强速率就会变慢。并且，为了使卤素循环较好地发挥作用，需要将放电灯内的温度设为最佳温度，从这一点出发也需要提高电流值。

特别是，由于在第一电流提供期内只提供了少量的电流，在补偿该少量电流的意义上，流入比额定电流值大的电流值是很重要的。也就是说，在第一电流提供期内为了抑制从线圈后端部生成不希望产生的电弧放电的影响，将电流量设置得较小的同时，在弧放电移动到电极头部后，来自放电灯放射光的增强速率、以及卤素循环的最适化的角度出发，需要增加电流量。

第二电流提供期可从2-40秒的范围选择，例如是20秒。电流值I2为额定电流值I_L的1.0-2.0倍。比该范围小的话，电极及电极附近的空间无法充分变热，比该范围大的话会过热，可能导致电极等的变形。电流值I2的最佳范围是额定电流值的1.3-1.8倍。具体而言，例如额定电流I_L为2.7A时，设定为4.0A。

在时间t3下，将放电灯的点亮控制从恒流控制变为恒功率控制。通过这一变化，灯的电流从电流值I2变为较低的额定电流值I_L。

这里的“额定电流”是指放电灯平常点亮时所设定的中心值，是放电灯及其包装容器或者说明书等之中所示的数值。例如额定功率为200W的放电灯中其额定电流为2.7A。

在时间t4下，灯的电流变为由稳定在功率控制的标准功率值的放电灯的点亮电压所决定的值I_L。

并且，电流值从I1到I2的变化不限于如图所示的台阶式的变化，也可以是多台阶的阶段性的变化，或者渐变式的变化。

此外，从电流值I2到额定电流值I_L的变化不限于如图所示的渐变式的变化，在台阶式变化时也可以是多台阶的阶段性的变化。这些控制由于是恒功率控制，可以将标准功率值设定为多个阶段，从而可以迅速变化但并不使灯的电流急剧变化。

(b)对应于(a)，表示灯点亮功率的时间变化，在期间T1、T2中，由于采用电流值为一定的恒流控制，随着点亮电压原上升，点亮功率也跟着上升。

将水银等作为发光物质封入的放电灯通常采用如下形态：在点亮初期进行恒流控制，之后转换为恒功率控制。之所以这样是因为在点亮初期水银不蒸发，点亮电压较低，如果进行恒功率控制，就会流入过量的电流。在水银充分蒸发点亮电压稳定为一定的值时，再切换到恒功率控制。

继续依照附图进行说明。在既有技术中，在时间t3’下，灯的功率达到规定的额定功率值时，就在该时刻下切换为恒功率控制，但在本发明中，在其后仍然继续进行恒流控制。因此功率值经过时间t3’到时间t3为止继续上升。这种控制正是本发明的特征所在，为了填补第一电流提供期T1下电流值较低的分额，将本来可以切换为恒功率控制的时序延长，继续进行恒流控制。

并且，在时间t3下，从恒流控制切换为恒功率控制。切换前的点亮功率W2变为切换后的点亮功率W_L(额定功率)R 1.05-1.5倍。

总结以上动作，进行在放电灯点亮起动时将电流值变小，之后将电流值变大的恒流控制。该恒流控制在放电灯点亮电压充分上升之后仍然继续，从功率值角度来看，到超过规定功率值为止继续进行恒流控制。之后，从规定的恒流控制切换为恒功率控制，用规定的功率点亮。

通过这样的点亮起动动作，可以抑制如上所述的放电容器黑化的课题。

在此对放电灯进行数值例举：

发光部外径可以是

8-

13mm范围，例如10.0mm，

发光部内部容积可以是50-120mm³的范围，例如是65mm³，

电极间距离可以是0.7-2mm的范围，例如是1.0mm。

此外，放电灯在额定功率200W下点亮。

此外，对电极构造进行数值例举：

线圈31的外径为

1.0-

2.0mm的范围，例如是1.3mm，

长度为0.6-2.0mm的范围，例如是1.5mm。

轴部5的外径为

0.2-

0.6mm的范围，例如是0.4mm，

轴部5的长度为5.0-10.0mm的范围，例如是7.0mm。

并且，线圈线径为

0.1-

0.3mm的范围，例如是0.25mm。

本发明的放电灯点亮装置有若干个前提条件，只有满足该前提条件，才可以发挥本发明的作用和效果。

第一，本发明中的放电灯的前提是：电极间距离为2mm以下，发光部封入了0.16mg/mm³以上的水银、稀有气体、在1×10^-6～1×10^-2μmol/mm³范围内的卤素的短弧型放电灯。

正是因为这种构造的放电灯，才可以将从放电容器内表面释放出的SiO₂通过放电等离子体分解为Si和O，由于该放电空间内的氧(O)和电极的钨反应生成氧化钨，所以从电极输送到容器内表面的钨产生过剩。如果这里的氧(O)是适量的话，则可以起卤素循环的作用，可以抑制钨(W)输送到放电容器内壁内，象本发明中的放电灯那样氧气含量较多时，放电空间内氧化钨(WO_X)变多，所以过剩的氧化钨被输送到放电容器内壁。

第二个前提是，放电灯具有在电极轴部配置线圈的电极结构(图2所示结构)。正是因为这样的放电灯，在点亮起动时从线圈后端生成放电起点，从而产生电弧和放电容器内表面冲突、接触的问题。并且该问题在线圈和放电容器内表面的最短距离(图2中的距离L)较小的时候显著发生。正是因为最短距离L较小，才通过从线圈后端部生成的放电起点，电弧和放电容器内表面产生冲突、接触。具体而言，最短距离L为2.0mm以下、1.5mm以下、1.0mm以下时显著发生。

因此，在距离L较大的放电灯中，由于以线圈后端部为起点导致的放电弧和放电容器内表面接触、冲突的现象很难发生，因而不存在本发明要解决的技术课题。

因此，对于不具备这种构造的放电灯、使用用途完全不同的放电灯而言，在电极上缠绕线圈的构造可能是既有公知的构造。但是由于这样的放电灯本来就不发生电弧和放电容器内表面冲突、接触的现象，也就是不存在技术课题，所以可以说这样的先行技术和本发明完全是不同层次的技术。

本发明中的放电灯的特征中，最好至少一个电极的头部具有突起部分。通过阳极或者阴极的头部的突起部分，可以收缩电弧，从起动初期的点亮开始，迅速地将二个电极头部升温，所以可以在迅速稳定电弧放电的同时，当放电灯为发光部封入了0.16mg/mm³以上的水银、稀有气体、以及在1×10^-6～1×10^-2μmol/mm³的范围内的卤素的短弧型放电灯的情况下，该突起可以自动控制伸缩，从而可以将电极间距离调整为最佳值。

并且，突起部分可以通过利用轴部预先形成，从而可以预先限制自动控制伸缩的方向。但是，突起部分不是在放电灯制作时形成的，而是可以从零状态下开始随着灯的点亮形成。

电极最好是由纯度为99.9999％以上的钨构成。这是因为当电极中含有的杂质被释放到放电空间时，会导致放电容器的失透、黑化。

如上所述，本发明中的放电灯点亮装置由短弧型放电灯以及向该放电灯提供直流电流的供电装置构成，上述短弧型放电灯中，在由石英玻璃构成的发光管内，用2mm以下的间隔相向配置阳极和阴极，在该发光管内封入：0.16mg/mm³以上的水银、稀有气体、在1×10^-6～1×10^-2μmol/mm³的范围内的卤素。并且，其特征在于：该放电灯的一对电极中，至少有一个电极(阴极)有1匝以上的线圈。并且供电装置对放电灯提供的直流电流在一开始是额定电流的0.3-1.0倍，然后是额定电流的1.0-2.0倍，之后功率变为额定功率的1.05-1.5倍后，达到规定的功率。

Claims

1.一种短弧型放电灯点亮装置，由短弧型放电灯以及向该放电灯提供直流电流的供电装置构成，上述短弧型放电灯中，在由石英玻璃构成的发光管内，以2mm以下的间隔相向地配置阳极和阴极，在该发光管内封入：0.16mg/mm³以上的水银、稀有气体、在1×10^-6～1×10^-2μmol/mm³的范围内的卤素，其特征在于：

上述放电灯具有在电极轴部配置线圈的阴极结构；

上述线圈和上述发光管内表面的最短距离为2.0mm以内，

上述供电装置对上述放电灯在点亮起动时进行恒流控制，并且在其后进行恒功率控制，

该恒流控制具有：提供额定电流的0.3-0.9倍的电流值的第一电流提供期间，以及，之后提供额定电流的1.0-2.0倍的电流值的第二电流提供期间，上述第一电流提供期间从1.0-15.0秒的范围选择，上述第二电流提供期间从2-40秒的范围选择，

上述第二电流提供期间在该放电灯的点亮功率变为额定点亮功率的1.05-1.5倍后，切换为以额定点亮功率值为基准的恒功率控制。