CN100452939C

CN100452939C - 高压放电灯点灯装置

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Publication number: CN100452939C
Application number: CNB2003101012120A
Authority: CN
Inventors: 有本智良; 铃木义一
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2002-10-09
Filing date: 2003-10-09
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2023-10-09
Also published as: EP1408723A3; EP1408723B1; JP4186578B2; CN1498051A; US20040075392A1; US6867556B2; EP1408723A2; JP2004134162A

Abstract

本发明提供一种高压放电灯点灯装置，能够稳定维持超高压放电灯的灯电压、电极间距离。放电灯(10)是一种超高压放电灯，在其放电容器内，一对电极以不高于1.5mm的间隔对置，在该放电容器中密封不低于0.15mg/mm³的水银和10^-6μmol/mm³～10^-2μmol/mm³范围的溴，由点灯装置(100)向该放电灯(10)供给矩形波交流电流进行点灯。点灯装置(100)，由乘法器(23)算出供给放电灯(10)的放电功率，在放电灯(10)的点灯电压减少的情况下，与之对应将放电功率控制为连续减小，并且在上述放电灯(10)的点灯电压增加的情况下，与之对应将放电功率控制为连续增加。

Description

高压放电灯点灯装置

技术领域

本发明涉及高压放电灯点灯装置，特别涉及一种由超高压放电灯及其点灯装置构成的高压放电点灯装置。所述超高压放电灯是在发光管内密封不低于0.15mg/mm³的水银，且在点灯时水银蒸气压不低于110大气压的交流点灯型超高压放电灯，适用于投射型投影装置等的投射用光源。

背景技术

投射型投影装置被要求对矩形状屏幕均匀且追求充分显色性地照明图像，因此作为光源使用将水银或金属卤化物密封起来的卤化金属灯。此外，最近，进一步推动小型化、点光源化，电极间距离也极小的投射型投影装置正在实用化。

在这样的背景下，近来使用具有极高的水银蒸气压例如不低于200巴(Bar)(约197大气压)的高压放电灯，来代替卤化金属灯。这是一种通过使水银蒸气压增大，使得电弧宽度缩小，同时谋求进一步提高光输出功率的灯。

最近，进一步小型化的投射装置受人瞩目。在要求上述投射装置用的放电灯具有高的光输出功率和照度维持率的反面，放电灯也被要求随着投射装置的小型化而小型化，推动装置的小型化、电源的小型化，并使起动时电压变小，换言之谋求易起动性能。

作为上述灯，例如使用这样的超高压放电灯，即，在由石英玻璃构成的发光管中，将一对电极以不低于2mm的间隔对置，并在该发光管中密封不低于0.15mg/mm³的水银、稀有气体和1×10^-6～1×10^-2μmol/mm³范围的卤素(例如参照专利文献1(日本特开平2-148561号公报)、专利文献2(日本专利第2980882号公报))。

例如，在专利文献3(日本特开2001-312997号公报)中公开了这种放电灯及其点灯装置。

专利文献3中所公开的高压放电灯是在稳定点灯时管内水银蒸气压为15Mpa～35Mpa、在发光管内1×10^-6～1×10^-2μmol/mm³的范围密封了卤素物质的灯，通过在发光管内设置一对电极，并在电极前端部中心附近设置突起部，来抑制跳弧(arc jump)现象的发生。此外，利用由DC/DC变流器(converter)、DC/AC逆变器(inverter)及高压发生装置构成的点灯装置，在上述一对电极间外加交流电压来点灯。

该种超高压放电灯在发光管内相对置的钨制电极前端，随着点灯时间经过而产生形成成长突起的现象。尤其，在对电极间距离不高于1.5mm、水银量不低于0.15mg/mm³、溴等卤素量为10^-6μmol/cm³～10^-2μmol/cm³进行交流点灯时，上述突起显著产生并成长。

在电极前端形成突起的现象并不十分清楚，但可进行如下推测。

在该种放电灯中，在发光管内密封有卤素气体。其主要目的是防止发光管的失透(透明消失)，但由此产生所谓卤素循环。在点灯中从电极前端附近的高温部分蒸发的钨，与存在于发光管内的卤素或残留氧气结合，例如若卤素为Br(溴)，则作为WBr、WBr₂、WO、WO₂、WO₂Br、WO₂Br₂等钨化合物存在。此外，这些化合物在电极前端附近的汽相中的高温部进行分解，成为钨原子或阳离子。这可以如下考虑，在温度扩散(钨原子从汽相中的高温部＝电弧向低温部＝电极前端附近扩散)以及电弧中的钨原子电离成为阳离子，且由于在阴极工作时被电场吸引至阴极方向，电极前端附近的汽相中的钨蒸气密度升高，向电极前端析出，而形成突起。

若这样的突起部不成长，则在电弧起点固定到该突起上的意义上，可以获得可防止跳弧的效果。但是，伴随着灯的继续点灯，当突起成长时，电极间距离变短，电弧亮点的位置发生变化而产生使光输出功率降低等问题。

在上述的专利文献3中，公开了灯电压由于上述突起部的形成而变动(降低)的内容，此外，还公开了点灯电压(电极间距离)由于突起部的形成而发生变化的情况下，调整在两电极间流过的电流量，或者通过将点灯频率从第一频率切换成第二频率，来补偿由突起部的形成而产生的灯电压变动量。

该专利文献还公开了，例如对于在上述两电极间流动的电流量，在灯电压(电极间距离)比正常值低的情况下，通过增大两电极间流过的放电电弧电流，使突起部的长度变小而恢复灯电压，此外，在灯电压(电极间距离)增大到正常值以上时，通过减小放电电弧电流来使突起部的长度恢复。

根据如上所述的考虑，在专利文献3中所记载的点灯装置中，在检测出的灯电压比基准电压低的情况下，使增大了的放电电弧电流流过，此外，在灯电压比基准电压高的情况下，对上述DC/DC变流器进行反馈控制以便减小放电电弧电流，控制灯电压的变动。

但是，如上述专利文献3中所述，已证实即使通过放电电弧电流调整电极间距离的变化，尽管在特定的情况下是有效的，但往往有不能良好地抑制突起的成长的情况。

也就是说，在上述专利文献3中进行控制，以便在检测出的灯电压值比基准电压低的情况下，流通升高的放电电弧电流，并且在灯电压值比基准电压高的情况下，使放电电弧电流减少，但是本申请的发明者们研究的结果表明，通过这样的控制并不能良好地控制突起的成长。特别是，在该文献中公开了放电电流在两个阶段变化的方法，但在这样的控制中，由于灯电压的变化急剧发生，因此可想到稳定维持灯电压和电极间距离是困难的。

发明内容

本发明是鉴于上述情况而提出的，本发明的目的是提供一种高压放电灯点灯装置，在由石英玻璃构成的放电容器中，一对电极以不高于1.5mm的间隔相对配置，在该放电容器中密封不低于0.15mg/mm³的水银和10^-6μmol/mm³～10^-2μmol/mm³范围的溴，能够稳定维持电极间距离。

本申请的发明者们锐意研究的结果表明，在电极前端形成突起而使电极间距离发生变化的情况下，根据灯电压(点灯电压)连续地控制供给放电灯的功率(放电功率)是有效的，而非如上述专利文献3中所述，通过控制放点电流或切换点灯频率。

也就是说，在本发明中，如以下的(i)～(ii)那样对上述超高压放电灯(以下称为放电灯或简单称为灯)的放电功率进行控制。

(i)在放电灯的点灯电压减小的情况下，将放电功率控制为减小，并且，在上述放电灯的点灯电压增加的情况下，将放电功率控制为增加，且根据上述电压的变化连续进行对这些放电功率的控制。

也就是说，检测放电灯的点灯电压，若该点灯电压增加，则与之对应使放电功率连续地增加，此外，若点灯电压减小，则与之对应使放电功率连续地减小。

(ii)在上述(i)中，在0.2W/V～1.0W/V的范围内进行放电功率控制。

在此，在上述专利文献3中所记载的装置中，在检测出的灯电压值比基准电压值低的情况下，使增大了的放电电弧电流流过，并在灯电压值比基准电压高的情况下，使放电电弧电流减小来进行控制。

具体而言，在上述专利文献3的表5和段落0061～0064等中记载了如下内容。即，若将初始灯电压为平均61.2V的灯以2.45A的放电电流点灯10个小时，则灯电压平均下降到55.1V；若以2.75A的放电电流点灯10个小时，则灯电压平均恢复到57.4V。

若将上述数据以功率来考虑，则在初始灯电压为61.2V时放电电流为2.45A，因此，开始时供给灯的功率大约为150W，在开始的10个小时中，灯电压平均从61.2V下降到55.1V(电极间距离减小)，在最初的10个小时的点灯结束时的功率变成平均55.1V×2.45A＝135W。

此外，下一次10个小时点灯时的功率平均为55.1V×2.75A＝152W(＞135W)，通过以2.75A点灯10个小时，灯电压恢复到57.4V，此时的功率变成158W。

也就是说，在上述专利文献3中所记载的装置，是一种通过减小电极间距离来增加放电电流而使电极间距离变大的装置，但是如上所述，以功率的角度来看，在使灯电压恢复(电极间距离变大)时，功率135W→152W地上升。

如上所述，在上述专利文献3中记载的装置中，在欲使电极间距离变大时，使放电电流增大，其结果放电功率增大，与此相对，本申请的第一方案的发明中，如上所述，在放电灯的点灯电压减小了的情况下(电极间距离变小了的情况)，通过使放电功率减小来使电极间距离恢复，并且，在放电灯的点灯电压增加了的情况下(电极间离变大的情况)，使放电功率增加来使电极间距离变小。

关于其不同点，可推测为在于上述文献中记载的放电灯和本发明放电灯中的电极的热的设计和密封卤素量的差异上，但在本发明的放电灯中，认为放电功率比放电电流对突起部的形成带来更强的影响，根据本申请发明者们的实验结果，通过控制放电功率，能有效控制电极间距离。

再者，在上述专利文献3中，通过增加放电电流，使电极前端部的温度升高，使得突起部的长度缩小而使灯电压恢复，但是本发明的发明者们解释是，若电极前端部的温度升高，则汽相的钨供给增多，使得附着在电极前端部上的钨增多而促进突起部的形成，因此，灯电压反而会降低。

如上所述，在本申请的第一方案的发明中，根据放电灯的点灯电压来控制放电功率，具体来说，设置：对放电灯的点灯电压进行检测的电压检测器；求出流过放电灯的电流的电流检测器；根据该电压检测器和电流检测器的输出，来算出供给放电灯的功率的装置；产生基准功率信号的基准功率信号发生器，所述基准功率信号对应由上述电压检测器检测出的点灯电压而变化；以及将该基准功率信号和上述算出的功率进行比较的比较器；根据该比较器的输出对点灯装置进行控制。

如上所述，在根据点灯电压对放电功率进行控制时，放电功率对应点灯电压变化的变化的比例(上述功率设定信号对点灯电压变化的倾向)，如上述(ii)中所示，优选为0.2W/V～1.0W/V的范围。

这是根据后述的实验结果获得的值，通过设定这样的值，可有效控制电极间距离。

再者，如后所述，不一定要使放电功率对应于上述点灯电压变化而进行线性变化，只要是在上述范围内，也可以根据点灯电压值使上述倾向变化。此外，在点灯电压值在某一值以上或某一值以下，再或者是在某一范围内时，也可以对应于点灯电压变化，使功率设定信号一定。

附图说明

图1是示出本发明实施例的超高压放电灯的结构例的图。

图2是示出本发明实施例的点灯装置的结构例的图。

图3是示出功率控制曲线一例的图。

图4是示出根据本发明实施例的功率控制(0.66W/V)的点灯时的灯电压、灯功率变化的图。

图5是示出功率控制曲线另一例的图(1)。

图6是示出功率控制曲线另一例的图(2)。

图7是示出根据一定功率控制的点灯时的灯电压、灯功率变化的图(1)。

图8是示出根据一定功率控制的点灯时的灯电压、灯功率变化的图(2)。

图9是示出根据本发明实施例的功率控制(0.1W/V)的点灯时的灯电压、灯功率变化的图。

图10是示出根据本发明实施例的功率控制(0.2W/V)的点灯时的灯电压、灯功率变化的图。

图11是示出根据本发明实施例的功率控制(1.0W/V)的点灯时的灯电压、灯功率变化的图。

图12是示出根据本发明实施例的功率控制(1.5W/V)的点灯时的灯电压、灯功率变化的图。

具体实施方式

图1(a)示出本发明的交流点灯型超高压放电灯的整体结构。

放电灯10具有由石英玻璃构成的放电容器所形成的大致呈球形的发光部11，在发光部11，一对电极1相互对置。此外，从发光部11的两端部延伸而形成密封部12，在这些密封部12内，例如通过夹压密封来气密性埋设一般由钼构成的导电用金属箔13。一对电极1的轴部与金属箔13焊接而电连接，此外，在金属箔13的另一端，焊接向外部突出的外部引线14。

在发光部11中密封了水银、稀有气体、卤素气体。水银是用于获得所需要的可视光波长，例如波长360～780nm的放射光，密封了不低于0.15mg/mm³。该密封量根据温度条件而不同，但在点灯时为不低于150大气压，成为极高的蒸气压。此外，通过密封更多的水银，可制作点灯时的水银蒸气压不低于200大气压、不低于300大气压的高水银蒸气压的放电灯，水银蒸气压越高越能实现适合投影装置的光源。

稀有气体是例如密封约13kPa的氩气体，是用于改善点灯起动性能的物质。卤素碘、溴、氯等以与水银以外的金属的化合物的形态密封，卤素的密封量在10^-6～10^-2μmol/mm³的范围内选择。其性能是利用了卤素循环的长寿命化，但如本发明的放电灯这样的极小型而具有高内压的装置，这样密封卤素的主要目的是为防止放电容器的失透。

下面示出放电灯的数值例，例如，发光部的最大外径为9.5mm、电极间距离为1.5mm、发光管内容积为75mm³、额定电压为80V、额定功率为150W，进行交流点灯。

此外，该种放电灯可内置于小型化的投影装置中，由于装置整体尺寸极小型化的另一方面被要求高光量，因此发光管内的热影响变得极其厉害，灯管壁负荷值变为0.8～2.0W/mm²，具体来说是1.5W/mm²。

具有这样高的水银蒸气压或管壁负荷值的放电灯，安装于投影装置或高设投影仪这样的提示用设备上的情况下，可提供显色性良好的放射光。

在电极的前端，如图1(b)所示形成突起1a。再者，在电极的前端球部的后方形成有线圈1b。该线圈1b是具有点灯始动性和稳定点灯时的散热作用，不是在本发明中必需的部件。

图2示出本发明实施例的点灯装置(供电装置)的结构例。该图示出如上所述根据点灯电压来控制点灯功率的点灯装置的结构例。

图2中所示的点灯装置100具有：通过开关(switch)元件S1被脉冲宽度控制而被控制功率的转换(switching)部101、由将该转换部101的直流功率转换为交流矩形波功率的开关元件S2～S5构成的全桥电路102、及分别控制这些转换部101和全桥电路102的控制部103。

在放电灯10上串联连接点火器用变压器(transformer)TR1，此外，在放电灯和变压器TR1上串联连接有电容器C3，从全桥电路102向放电灯10和变压器TR1的串联电路供给矩形波，将放电灯点灯。再者，以下，将由放电灯10、变压器TR1和电容器C3组成的电路，总称为放电灯10。

转换部101由电容器C1、由控制部103的输出进行转换动作的开关元件S1、二极管D1、及电感L1和平滑电容器C2构成，由控制部103的PWM部26控制上述开关元件S1的开/关比，通过全桥电路102控制供给放电灯10的功率(放电功率)。

此外，为了检测从转换部101向放电灯10供给的电流，在转换部101和全桥电路102之间设置电流检测用电阻R1。

全桥电路102由桥式连接的晶体管和场效应晶体管(FET)组成的开关元件、及与该开关元件反向并联连接的二极管D2～D5构成。

上述开关元件S2～S5由在控制部103设置的全桥驱动电路21驱动，向放电灯10供给交流矩形波电流而使放电灯10点灯。

也就是说，上述开关元件S2、S5和开关元件S3、S4交替接通，以转换部101→开关元件S2→放电灯10→开关元件S5→转换部101、及转换部101→开关元件S4→放电灯10→开关元件S3→转换部101的路径，向放电灯3供给交流矩形波，使放电灯10点灯。

控制部103具备全桥驱动电路21，全桥驱动电路21产生开关元件S2～S5的驱动信号。

此外，还具备乘法器22和基准功率信号发生器23，基准功率信号发生器23输出与电容器C1的两端的电压(点灯电压V)的相对应的基准功率信号[Wref＝F₁(V)]。乘法器22将由上述电流检测电阻R1检测出来的灯电流和灯电压(点灯电压)进行乘法运算，算出供给放电灯10的功率。

比较器24将由上述乘法器22算出的功率和上述基准功率信号发生器23输出的基准功率信号Wref进行比较，将比较结果向PWM部25发送。PWM部25产生使上述算出的功率与基准功率值相等的负载脉冲信号，对开关元件S1进行PWM控制。

根据本实施例的点灯装置，供给放电灯的功率(放电功率，以下称为灯功率)被如下进行控制。

由乘法器23根据电容器C1两端的电压(点灯电压)和电流检测电阻R1两端的电压，算出供给放电灯10的功率。

根据与由乘法器23算出的向放电灯10所供给的功率成比例的电压信号和由基准功率信号发生器24生成的上述点灯电压，将与成为目标的放电功率成比例的基准功率信号Wref赋予比较器25。

将比较器25的输出电压赋予对开关元件S1进行脉冲宽度控制的PWM部26，PWM部26进行开关元件S1的脉冲宽度控制，以便使比较器25的输出电压变成0。

转换部101的输出被赋予全桥电路102，在全桥电路102变换为交流矩形波，供给放电灯10。

其结果，对应于点灯电压的作为目标的功率被赋予放电灯10。

图3示出上述基准功率信号发生器24产生的功率控制曲线的一例。

该图中，横轴为灯电压(V)，纵轴为灯功率(基准功率信号Wref)，在本实施例中，如该图中实线所示，对应于灯电压V的变化，以0.66W/V的比例使灯功率进行线性变化。此外，该图的虚线是在进行恒定功率控制的情况下的功率控制曲线。

如图3所示，在灯电压升高时，与之对应将灯功率连续地增加，在灯电压下降时，与之对应将灯功率连续地减小，由此，即使在灯1的电极前端形成突起，也能够将电极间距离控制为一定。

图4中示出根据上述功率控制曲线对灯功率进行控制的情况下，灯电压(V)和灯功率(W)的变化，横轴为经过时间(h)，A表示灯电压，B表示灯功率。

该图表示利用功率控制(0.66W/V，点灯频率为150Hz)，使规格为200W-70V的放电灯进行点灯约100小时时的放电灯的点灯功率、点灯电压的状态。通过该图可知，灯电压V大致被控制在70±10V的范围内。此外，该图中灯电压和功率的曲线不连续，这是因为考虑到实际使用而点灯2个小时30分钟-关闭30分钟的缘故。

从该图中可知，通过根据灯电压来控制灯功率，灯电压稳定在一定值上，也就是说，即使在电极前端上形成突起，电极间距离也能够控制为一定值。

图5～图6示出了功率控制曲线的例子。

图5表示将预定的灯电压设为70V，对应于灯电压以与上图3同样的比例6.6W/V的比例，使灯功率线性变化的情况下的功率控制曲线的一例。在该图中，为了避免因过大的灯功率引起的灯的劣化，设定了上限功率值(图中为220W)。

再者，为了确保最低限的光输出，也可以设定下限功率(例如，180W)。

图6示出灯电压变化速度慢的情况下的功率控制曲线的一例，如该图所示，在灯电压变化速度缓和的情况下，在预定电压附近进行使其成为一定功率的功率控制也可以。这样的一定功率的范围，例如是预定电压值的±10V左右。

此外，作为其他功率控制曲线，根据灯电压的变化速度的性质，功率控制可以曲线性进行，而非如上所述的直线性。

也就是说，若在预定电压附近的灯电压的变化速度缓和，则进行缓和的功率控制。此外，在超过预定电压时灯电压加速上升的情况下，在预定电压以上，也可以利用上部凸出的功率控制曲线。

而且，在处于预定电压以下时灯电压加速降低的情况下，在预定电压以下，可以利用下部凸出的功率控制曲线。

此外，在这些功率曲线上，根据与上述同样的理由，可设定灯功率上限或下限的至少一个。此外，功率控制曲线也可以通过直线部和曲线部的组合来形成。

为了与上述实施例进行比较，研究了根据现有的恒定功率点灯的电压变化。

图7、图8表示点灯大约100小时的情况下的灯电压变化。该图的横轴为经过时间(h)，纵轴表示灯电压。

图7、图8与上述图4同样表示，将规格为200W-70V的放电灯，稳定控制在灯功率200W、灯频率150Hz的情况下的放电灯的点灯电压状态。再者，与上述图4同样，进行点灯2个小时30分钟-30分钟关灯的点灭。

上图大体上表示灯电压的上升趋势(图7)或下降趋势(图8)，灯电压经过100个小时达到110V或50V。

再者，灯电压不连续是因为与上述图4一样进行2小时30分钟点灯-30分钟关灯的点灭。

下面，对能够对电极间距离进行有效控制的功率控制曲线(上述图3、图5、图6)的趋势的范围进行探讨。

使用上述高压灯，对应于灯电压改变使功率发生变化的比例，进行研究灯电压变化的实验，来研究所述比例与灯电压之间的数值关系。

在这里使用的灯是超高压水银灯，其灯输入为灯输入200W、标准电压70V、标准电弧长1mm，其内容积为100mm³、每一个单位容积的密封水银量0.25mg/mm³、密封溴量为6×10^-4μmol/mm³。

实验是以0.1W/V、0.2W/V、0.6W/V(上述的图4)、1.0W/V、1.5W/V的比例，使灯功率相对于灯电压线性变化的情况下、研究灯电压的变化。此外，点灯频率依然为150Hz。

将上述以0.1W/V、0.2W/V、1.0W/V、1.5W/V的比例变化的情况下的结果，分别在图9～图12示出。

首先，在以0.1W/V的比例使点灯功率变化的情况下，与以一定功率点灯的情况几乎相同，灯电压大体上示出上升趋势，可知不能对灯电压进行控制。

接着，在以0.2W/V、0.66W/V以及1.0W/V的比例使点灯功率变化的情况下(图10、上述图4、图11)，可知使点灯功率变化的比例越大，灯电压的大体变动幅度就越大，但依然能够将灯电压控制在预定的70V左右。

最后，在以1.5W/V的比例使点灯功率变化的情况下(图12)，灯电压的大体变动幅度变得极大，灯电压变高时导致投入过大的点灯功率(约230W)的结构。考虑这是由灯早期的劣化引起的。

根据以上研究，判断在使灯功率对应于灯电压变化的比例，优选在0.2～1.0W/V的范围内。

发明效果

如以上说明，本发明可以获得以下效果。

(1)一种超高压放电灯的点灯装置，在由石英玻璃构成的放电容器中，一对电极以不高于1.5mm的间隔对置，在该放电容器中密封不低于0.15mg/mm³的水银和10^-6μmol/mm³～10^-2μmol/mm³范围的溴，其中，在放电灯的点灯电压减小的情况下，与之对应将放电功率控制为连续减小，并且在上述放电灯的点灯电压增加的情况下，与之对应将放电功率控制为连续增加，因此，能够将超高压放电灯的灯电压、电极间距离稳定维持。

(2)尤其，通过将放电功率对应于上述点灯电压的变化比例设定为0.2～1.0W/V的范围，可有效地稳定维持电极间距离。

Claims

1.一种高压放电灯点灯装置，包括超高压放电灯和供电装置，所述超高压放电灯在由石英玻璃构成的放电容器中一对电极以不高于1.5mm的间隔相对置，并在该放电容器中密封不低于0.15mg/mm³的水银和10^-6μmol/mm³～10^-2μmol/mm³范围的溴，所述供电装置向该超高压放电灯供给矩形波交流电流，其特征在于，

对于上述超高压放电灯，上述供电装置在上述超高压放电灯的点灯电压减小的情况下，以使放电功率减小的方式进行控制，而且，在上述超高压放电灯的点灯电压增加的情况下，以使放电功率增加的方式进行控制，并且，这些放电功率的控制是对应于上述电压的变化连续而进行的；

上述放电功率控制是在0.2～1.0W/V的范围内进行的。