CN1717142B

CN1717142B - 高压放电灯照明装置

Info

Publication number: CN1717142B
Application number: CN2005100743753A
Authority: CN
Inventors: 菅谷胜美; 杉原壮; 铃木义一
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2004-06-28
Filing date: 2005-05-26
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2025-05-26
Also published as: CN1717142A; JP4604579B2; US20050285535A1; JP2006048931A; US7253568B2

Abstract

高压放电灯照明装置，提供一种防止因阳极损耗而降低寿命初期的屏幕照度的构造。由以下部分构成：在发光管(10)中封入了0.16mg/mm³以上的水银、稀有气体和1×10^-6～1×10^-2μmol/mm³的范围的卤素的高压放电灯(1)；以及向该放电灯提供直流电流使之照明的供电装置(Ex)。其特征在于，上述供电装置(Ex)把交流成分叠加在直流电流上，提供给上述放电灯。

Description

高压放电灯照明装置

技术领域

本发明涉及高压放电灯照明装置。特别涉及把发光管中封入0.16mg/mm³以上的水银、照明时的水银蒸气压为110气压以上的高压水银灯作为光源的液晶显示装置或使用DMD(数字反射镜装置)的DLP(数字光处理器)等投影机装置所使用的光源装置。

背景技术

投射型投影机装置应能够对于矩形状的屏幕以均匀且充分的演色性来照明图像。因此，作为光源，使用封入了水银或金属卤化物的金属卤化物灯。还有，这种金属卤化物灯最近正在向更加小型化、点光源化发展，还有，电极间距离极小的灯正在走向实用化。

在这种背景下，最近提出了具有目前没有的高水银蒸汽压，例如150气压的水银灯，以取代金属卤化物灯。它通过进一步提高水银蒸汽压而抑制(缩小)了电弧的扩展，并更进一步提高了光输出。

例如在特开平2-148561号、特开平6-52830号中公开了这种超高压放电灯。

例如，上述灯使用在由石英玻璃构成的发光管中以2mm以下的间隔相对配置一对电极，在该发光管中封入了0.16mg/mm³以上的水银、1×10^-6～1×10^-2μmol/mm³范围的卤素的超高压水银灯。封入卤素的主要目的是防止发光管失透，不过，由此也就产生了所谓的卤素循环(ハロゲンサイクル)。

具有这种特征的上述高压水银灯(以下简称放电灯)，根据照明方法，可以分为直流照明方式和交流照明方式。交流照明方式可以列举以下特征：相对的两个电极设为大致相同的大小，对于热，各电极大致接受相同的热负荷，还有，极性周期性地改变，因而在各电极的前端形成亮点。

而直流照明方式中，与作为阴极的电极相比，考虑到电子冲击所造成的热负荷，作为阳极的电极设计得大些，还有，亮点仅在阴极前端形成。仅其一方有亮点，这种特征在光学上对小的液晶单元及DMD等光学设备聚光时有好处。

但是，直流照明方式中阳极单方面被加热，损耗就会产生，这是出现的问题。

特别是在这种投影机用光源中，采用了恒定电功率控制方式，因而在寿命初期电极间短时，灯电压是在寿命过程中最低的，有大电流流过，因而阳极前端的损耗显著。

这种阳极的损耗意味着电弧长的增加，结果在寿命过程中的初期阶段，屏幕照度显著降低，这是存在的问题。

[专利文献1]特开平2-148561号

[专利文献2]特开平6-52830号

发明内容

[发明要解决的课题]

本发明要解决的课题，在于就主动地利用阴极亮点的直流照明方式的高压放电灯照明装置，提供一种防止因阳极损耗而降低寿命初期的屏幕照度的构造。

[用于解决课题的装置]

为了解决前述课题，本发明的高压放电灯照明装置由以下部分构成：在由石英玻璃构成的发光管中以2mm以下的间隔相对配置有一对电极，在该发光管中封入了0.16mg/mm³以上的水银、稀有气体和1×10^-6～1×10^-2μmol/mm³的范围的卤素的高压放电灯；以及向该放电灯提供直流电流使之照明的供电装置。并且其特征在于，上述供电装置把交流成分叠加在上述直流电流上，提供给上述放电灯。

还有，上述交流成分，频率为40～5000Hz，且最大电流值Imax和最小电流值Imin以及作为基准的直流电流值IDC的关系为0.05≤(Imax-Imin)/IDC≤2。

上述交流成分，特征在于，是以作为基准的直流电流值为中心、上下大致对称的正弦波形状。

上述交流成分，特征在于，是以作为基准的直流电流值为中心、上下大致对称的大致三角形状。

[发明效果]

按照上述构成，由于在直流电流值上叠加了交流成分，因而能在阳极前端形成突起。这样就能由突起的形成来补偿阳极损耗所造成的电极间距离的增大，结果就能够使电极间距离大致维持恒定，并能够使屏幕上的照度维持恒定。

附图说明

图1表示本发明的供电装置。

图2表示本发明的供电装置。

图3表示本发明的电流波形。

图4表示本发明的放电灯。

图5表示本发明的电极的放大图。

图6表示本发明的效果。

图7表不本发明的效果。

具体实施方式

图1表示本发明的高压放电灯照明装置。

在供电装置(Ex)中，降压斩波型镇流电路(Bx)从PFC等DC电源(Mx)接受电压的提供而动作。上述镇流电路(Bx)构成为，能够由FET等开关元件(Qx)使DC电源(Mx)给出的电流导通·截止，通过扼流线圈(Lx)对滤波电容器(Cx)充电，把该电压加在放电灯1上，使放电灯1中流过电流。

在开关元件(Qx)为导通状态的期间，由流过了开关元件(Qx)的电流直接对滤波电容器(Cx)充电，从而对作为负荷的放电灯1提供电流，并在扼流线圈(Lx)中以电流的形式积蓄能量，在上述开关元件(Qx)为截止状态的期间，由扼流线圈(Lx)中以电流的形式积蓄了的能量，通过同步惯性二极管(Dx)对滤波电容器(Cx)充电，从而对放电灯1提供电流。

在启动器(Ui)中，通过电阻(Ri)，由灯电压(VL)对电容器(Ci)充电。一旦激活栅极驱动电路(Gi)，由可控硅等构成的开关元件(Qi)就导通，使得上述电容器(Ci)通过变压器(Ki)的1次侧绕组(Pi)而放电，在2次侧绕组(Hi)中产生高压脉冲。

在启动器(Ui)的2次侧绕组(Hi)中产生的高压与镇流电路(Bx)的输出电压叠加，加在电极(2，3)之间，就能够启动放电灯1的放电。

供电控制电路(Fx)生成具有某种占空比的栅极驱动信号(Sg)，上述栅极驱动信号(Sg)通过栅极驱动电路(Gx)而加在上述开关元件(Qx)的栅极端子上，从而控制上述DC电源(Mx)给出的电流的导通·截止。

使得在上述放电灯1的电极(2，3)间流动的灯电流(IL)和在电极(2，3)间产生的灯电压(VL)能够由电流检测装置(Ix)和电压检测装置(Vx)检测。另外，上述电流检测装置(Ix)可以用并联电阻简单实现，还有，上述电压检测装置(Vx)可以用分压电阻简单实现。

上述电流检测装置(Ix)给出的灯电流信号(Si)和上述电压检测装置(Vx)给出的灯电压信号(Sv)输入到供电控制电路(Fx)，根据那个时刻的放电灯(Ld)的不同放电状态，即非放电状态、辉光放电状态(根据场合的不同，是怎样的辉光放电状态)、电弧放电状态(根据场合的不同，是怎样的电弧放电状态)等，对上述栅极驱动信号(Sg)的占空比进行反馈控制，使得灯电流(IL)或灯电压(VL)，或是作为该电流和电压的积的灯电功率与其目标值的差减少。

图2表示供电控制电路(Fx)的内部构成。

灯电流信号(Si)和灯电压信号(Sv)输入到电功率运算器，算出灯电功率值，该灯电功率值输入到运算放大器。

波形发生器，内装有正弦波发生电路和三角波发生电路，输出这些信号，并通过电容器C1，把由电阻R1、R2对直流电源Vcc分压而成的值叠加起来，输入到运算放大器的另一方端子。

该输入信号就成为在直流上叠加了交流成分的电功率波形的基准信号。

运算放大器通过脉冲宽度控制电路、栅极驱动电路(Gx)而控制开关元件Qx，把输入了的灯电功率值与基准信号进行比较，使其与基准值一致。

因此，在调整作为基准的直流电功率值时，就使直流电源Vcc变化，或是使阻抗R1、R2的分压比率变化。

还有，在调整应该叠加的交流成分时，就调整波形发生器。

图3表示向放电灯1提供的灯电流波形，(a)是在作为基准的直流电流值上叠加了正弦波波形的情况，(b)是在作为基准的直流电流值上叠加了三角波波形的情况。都是横轴表示时间(m秒)，纵轴表示灯电流值(A)。都是在作为基准的直流电流值IDC上叠加具有最大电流值Imax和最小电流值Imin的波形。在图中，作为基准的直流电流值为3A，交流成分的频率为250Hz，最大电流值Imax为4A，最小电流值Imin为2A。

交流成分的频率必须是从40～5000Hz的范围选取的数值。交流成分的频率不到40Hz的话，就会产生给屏幕上带来不良影响的照度变动。这是由于电流值的大小的时间间隔变长，所以亮度上产生强弱。还有，交流成分的频率超过5000Hz的话，能够在阳极前端形成突起的作用就会变小。

因此，交流成分的频率必须是从40～5000Hz的范围选取的数值，不过，优选的是，必须是从100～2000Hz的范围选取的数值。

交流成分的振幅在作为基准的直流电流值IDC、交流成分的最大电流Imax、最小电流值Imin时，必须满足0.05≤(Imax-Imin)/IDC≤2的条件，优选的是，0.1≤(Imax-Imin)/IDC≤1.0。这是由于振幅的程度会引起作为突起形成增长的前提的温度变化。这一点后述。

图4表示高压放电灯(以下简称“放电灯”)的整体构成。

放电灯1具有由石英玻璃构成的放电容器所形成的大致球形的发光部10，在该发光部10内，阳极2和阴极3相对配置。还有，从发光部10两端部延伸而形成各个封止部11，在这些封止部11中，例如通过热缩密封而气封地埋设有通常由钼构成的导电用金属箔4。金属箔4的一端与阳极2或阴极3连接，金属箔4的另一端与外部引线5连接。

发光部10中封入了水银、稀有气体和卤素气体。

水银用于获得必要的可见光波长，例如波长360～780nm的辐射光，封入了0.16mg/mm³以上。该封入量也随温度条件而不同，要成为照明时150气压以上的极高的蒸气压。还有，封入更多水银，就能够制造照明时的水银蒸气压200气压以上、300气压以上的高水银蒸气压的放电灯，水银蒸气压越高，就越能实现适合投影机装置的光源。

作为稀有气体，封入例如约13kPa的氩气，改善照明启动性。

作为卤素，以与水银以外的金属的化合物的形态封入碘、溴、氯等。卤素的封入量，例如可以从10^-6～10^-2μmol/mm³的范围选取，可以认为，其作用在于利用卤素循环而延长寿命，不过，如本发明的放电灯这样极小型而具有高内压的放电灯，封入这种卤素具有防止放电容器破损、失透的作用。

以下给出这种放电灯的数值例，例如，发光部的外径从φ6.0～15.0mm的范围选取，例如9.5mm，内径从φ3.0～7.0mm的范围选取，例如φ4.4mm，电极间距离从0.5～2.0mm的范围选取，例如1.0mm，发光管内容积从40～300mm³的范围选取，例如60mm³。作为照明条件，例如从管壁负荷0.8～2.0W/mm²的范围选取，例如1.5W/mm²，额定电压75V，额定电功率200W。

另外，该放电灯内藏于小型化的投影机装置等中，整体构造极为小型化，另一方面要求高光量。因此，发光部内的热条件就极为苛刻。

并且，放电灯搭载于投影机装置或顶式投影机之类的显示用设备上，提供演色性良好的辐射光。

此处，对于在直流电流上叠加交流成分而在阳极前端形成突起的机理，不一定很清楚，现说明如下。

即，通过叠加交流成分，使阳极前端面上与电弧的接触区域的面积变化，从而可以使钨的蒸发区域和钨凝固、析出区域不断变化。

即可以认为，电流增加了时，钨(W)、钨氧化物(WOx)、钨溴化物(WBrx)和钨溴氧化物(WOxBry)从阳极前端的大范围蒸发，电流值减少了时，作为钨(W)原子，在阳极前端的电弧接触点凝固、析出。

可以认为，这种现象周期性重复，使得在阳极前面生成突起，就能够抑制阳极的单调性损耗引起的电弧长的伸长。

还有，对于上述突起生成，优选的是，交流成分的电流值相对于作为基准的直流电流上下对称。即，交流成分中电流值增加的时间和电流减少的时间相等，还有，这意味着最大电流值相对于作为基准的直流电流值的电流差和最小电流值相对于作为基准的直流电流值的电流差相等。因此，相对于基准的直流电流值定期叠加脉冲的方法，在阳极前端形成突起的作用效果并不充分。

图5用示意图表示交流成分的一周期中的阳极前面附近的状态。(a)表示加了最大电流的状态，(b)表示加了最小电流的状态。

在阳极3和阴极2之间形成了放电电弧A。如(a)所示，在加了最大电流的状态下，电弧与阳极前端的大范围接触，使钨(W)、钨氧化物(WOx)、钨溴化物(WBrx)和钨溴氧化物(WOxBry)从大范围蒸发。而在(b)中，可以认为，电流值减少了时，电弧缩小，与阳极的接触范围也减少，电离了的钨与电子再结合，作为钨(W)原子而在阳极前端的电弧接触点凝固、析出。可以认为，这种现象周期性地重复，使得在阳极前面生成突起，就能够抑制阳极的单调性损耗引起的电弧长的伸长。

这样在直流照明方式的灯电流上加上交流成分，使得阳极表面上以蒸发区域和凝固、析出区域而变化，就能够在阳极前端形成突起。

但是，该现象并不是在所有类型的放电灯中产生的现象，在本发明作为对象的高压水银灯中，具体而言，在发光管中以2mm以下的间隔相对配置有一对电极，在该发光管中封入了0.16mg/mm³以上的水银、稀有气体和10^-6～10^-2μmol/mm³的范围的卤素的放电灯中，是显著发生的现象。

即可以认为，该现象是在通过水银密度高且电弧长短的灯设计而形成了电流密度高的电弧的灯中，作为特征而产生的现象。

其次，说明本发明的高压放电灯照明装置的效果。

根据段落以上说明了的范围内的高压放电灯和图1、图2表示的供电装置来改变照明条件。

首先，作为基准的直流电流值(IDC)都是2.7A的范围，额定照明电功率为200W。

应该叠加的交流成分，频率为20Hz、40Hz、100Hz、500Hz、1000Hz、5000Hz、10000Hz以及不叠加交流成分的情况这8种，依此进行了照明。还有，在各频率中，使叠加率(Imax-Imin)/IDC在“0.03”～“2.0”的范围变化，测量了突起生成的有无。

结果，在不叠加交流成分的场合和叠加的交流成分为10000Hz的场合，在阳极前端未形成突起。还有，交流成分为20Hz～5000Hz的场合，叠加率为0.03以下时不形成突起，叠加率为0.05时生成了突起但极小。而叠加率在0.2～2.0的范围时很好地形成了突起。

另外也明白了，交流成分为20Hz的场合，在屏幕上的闪烁大，实用上不能使用。

图7是表示本发明和现有技术的差的曲线，与本发明叠加了交流成分的情况相比，现有技术不叠加交流成分，测量了这种场合的500小时照明的照度维持率和灯电压。(a)表示照度维持率，(b)表示灯电压的变化。

本发明是在作为基准的直流电流2.7A上叠加了500Hz、叠加率0.4的交流成分。现有技术是直流电流2.7A。都是以初期额定照明电功率200W来照明。

初次维持率为屏幕上的照度，表示把照明初期的照度作为100的相对值。

参照(b)图，现有的灯经过照明50小时后，灯电压急剧上升。还有，经过100小时后超过了90v，可以看出，从初期的约75v上升了15v。另一方面可以看出，本发明的灯，灯电压的上升率比现有灯小。

这意味着本发明的放电灯随着灯的照明而在阳极前端形成突起，从而抑制了电极间距离的增大。

还有，参照(a)图，本发明的灯，照度维持率在100小时为95％，在300小时为90％，在500小时为85％，与现有灯在100小时为90％，在300小时为83％，在500小时为78％的程度相比，表明发挥了照度维持的效果。

这表明本发明的高压放电灯从用于投影仪装置起，由于采用了电弧亮点的光量，因而抑制了电极间距离的增大引起的光量的减少。

Claims

1.一种高压放电灯照明装置，由以下部分构成：在由石英玻璃构成的发光管中以2mm及以下的间隔相对配置有一对电极，在该发光管中封入了0.16mg/mm³及以上的水银、稀有气体和1×10^-6～1×10^-2μmol/mm³的范围的卤素的高压放电灯；以及向该放电灯提供直流电流使之照明的供电装置，其特征在于，

所述供电装置把交流成分叠加在所述直流电流上，提供给所述放电灯，

所述交流成分的频率为40～5000Hz，

且最大电流值Imax和最小电流值Imin以及作为基准的直流电流值IDC的关系为：

0.05≤(Imax-Imin)/IDC≤2。

2.根据权利要求1所述的高压放电灯照明装置，其特征在于，

所述交流成分是以作为基准的直流电流值为中心、上下对称的正弦波形状。

3.根据权利要求1所述的高压放电灯照明装置，其特征在于，

所述交流成分是以作为基准的直流电流值为中心、上下对称的三角形状。