JP2006331872A - 高圧放電灯の点灯方法 - Google Patents

Abstract

【解決課題】 ２０００時間以上になってもカソード電極の先端が広がらず、アーク安定性を維持できる高圧放電灯の点灯方法の提供。
【手段】 石英ガラス封体の発光部に水銀が封入され、点灯時に水銀蒸気圧が15Mpa以上となり、アノード電極(A)の質量はカソード電極(K)の質量の１．５〜２．５倍を有する高圧放電灯の直流点灯方法において、
(a) ランプ点灯の立ち上がり期間のみ、又は
(b) 立ち上がり期間および直流通常点灯の一定期間だけ間欠的に矩形波の交流電流を供給して点灯することを特徴とするもので、高温のアーク中で両電極(K)(A)の先端部分から蒸発して発生した(＋)のタングステンイオンはカソード電極(K)の先端部分に析出するが、交流電流の供給により、カソード電極(K)に連続的に電子が流入した時にカソード電極(K)が高温になり、カソード電極(K)の先端部分のタングステンの蒸発が促進されて過度な電極成長が抑制される。
【選択図】 図５

Description

本発明は、直流ランプ電流を供給して高圧放電灯を点灯する方法の改良に関し、更に言えば、２０００時間以上においてもアークジャンプを抑制して安定な画像を提供できる液晶プロジェクター或いはカラーフィルタのような光学素子を搭載した投射型システムの点灯方法に関する。

従来の液晶プロジェクター装置のような情報・光学機器の光源として、近年、超高圧放電灯が盛んに用いられている。この種のランプの発光管内には0.15mg/mm³以上の水銀が封入され、安定点灯時の水銀蒸気圧が15Mpa以上に達するようになった。これによりアーク中の電界強度が増大するのでアーク長さ（すなわち、電極間距離）を2mm以下とすることができるようになり、短アーク化が可能となった。そして、この短アーク化によって、高輝度で点光源に近い光源の実用化が可能となった。このような超高圧水銀放電灯にあっては、前述のように点灯時の水銀蒸気圧が非常に高いので、アーク長さは細く且つ集中することになる。

前記従来の点灯方法のランプ電流波形を図８に示す。図７ａは直流点灯用高圧放電灯の使用初期のカソード電極(K)、アノード電極(A)及びアーク(R)の点灯状態の様子を示す。カソード電極(K)の先端は点灯による消耗を低減して寿命が維持でき且つ集中モードのアークとなるようにある程度の面積を確保している。その反面、アーク(R)の発生起点となる複数個のスポットがその表面にできやすく、複数個のスポットが発生するとアークジャンプが発生しやすい。そして発明者らは寿命を維持しながらこのアークジャンプを抑圧する手段として周期的にパルス電流を重畳する方法を以下の特許で公開した。
特開２００３−２７２８７９

発明者らの実験の結果、この方法で２０００時間程度までのアーク安定性は維持できて効果が見いだされたが、２０００時間以上になってくるとカソード電極(K)の先端が更に広がってくる傾向を示すものがあり、たとえパルス電流を重畳していてもアークジャンプが発生するようになってアーク安定性が十分保たれなくなってくる。その様子を図７ｂに示す。

これは高温のアーク中で両電極(K)(A)の先端のタングステンが高温アーク(R)により蒸発し、部分的に(＋)イオン化する。このタングステンイオンは主にマイナス側のカソード電極(K)の方向に移動し、カソード電極(K)の先端部分に析出して成長するため、カソード電極(K)の先端部分が時間と共に更に広がってくることになる。一方、アノード電極(A)は常に電子が流入して高温になるために消耗が激しくなり、前述のように２０００時間以上になってくると変形してくる傾向がある。

本発明は２０００時間以上になってもカソード電極の先端が広がらないようにし、アーク安定性を維持できる高圧放電灯の点灯方法を提供することをその課題とする。

請求項１は本発明の高圧放電灯の直流点灯方法(第１実施例)に関するもので、「石英ガラス封体の発光部に水銀が封入され、点灯時に水銀蒸気圧が15Mpa以上となり、アノード電極(A)の質量はカソード電極(K)の質量の１．５〜２．５倍を有する高圧放電灯の直流点灯方法において、
(a)ランプ点灯の立ち上がり期間のみ、又は
(b)立ち上がり期間および直流通常点灯の一定期間だけ間欠的に矩形波の交流電流を供給して点灯する」ことを特徴とするものである。

前記(a)のランプ電流波形を図２(a)、図３(a)に、(b)のランプ電流波形を図２(b)、図３(b)に示す。点灯により高温のアーク中で両電極(K)(A)の先端部分から蒸発して発生した(＋)のタングステンイオンは通常の直流電流を供給する期間は主にカソード電極(K)の方向に移動し、カソード電極(K)の先端部分に析出するが、立ち上がり期間或いは通常点灯の一定期間だけ間欠的に矩形波の交流電流を供給するので、カソード電極(K)側に連続的に電子が流入した場合、カソード電極(K)に連続的に流入した電子によってカソード電極(K)が高温になり、カソード電極(K)の先端部分のタングステンの蒸発を促進して過度な電極成長を抑制する。同時に、この期間、直流点灯時におけるアノード電極(A)側が(−)となるので、前記高温アークによって発生した(＋)のタングステンイオンはアノード電極(A)側に引っ張られてカソード電極(K)の先端部分に析出しにくいことも上げられる。

そしてこの蒸発した(＋)のタングステンイオンは前記点灯により消耗が激しくなったアノード電極(A)の先端部分に析出する。以上のように直流電流と矩形波の交流電流を併用することで、電極先端の消耗と析出をバランス良く制御することができる。ここで、点灯初期の電極(K)(A)と矩形波の交流電流の期間のアークの様子を図１(ａ)に、２０００時間経過後の様子を図１(ｂ)に示す。

なお、立ち上がり期間であれば、交流電流を供給することによる副作用として発生するある程度のスクリーンみだれは許容できるし、通常点灯の一定期間だけ間欠的に矩形波の交流電流を供給する場合もスクリーンみだれは発生するが、継続的でなく一定期間だけ間欠的に矩形波の交流電流を供給するのであるから、この場合も副作用として発生するある程度のスクリーンみだれは許容できる。

また、アノード電極の質量とカソード電極の質量の比率は１．５倍〜２．５倍としている。これは１．５倍以下では通常の直流点灯期間においてアノード電極の温度が上がりすぎて消耗が激しくなる。逆に２．５倍以上では交流点灯期間においてアノード電極がマイナス側として動作する際、電極先端の温度が低くなりすぎてアークが不安定になりやすい。

請求項２は本発明の高圧放電灯の他の点灯方法(第2実施例)に関するもので、「該直流電流に周期的にパルス電流を重畳する」ことを特徴とする。これは通常の直流電流を供給して点灯する期間にアークジャンプを抑圧する手段として、周期的にパルス電流を重畳して、さらに安定なアークを達成する。そのメカニズムは、アーク(R)の現在のアーク発生起点である現アークスポットの温度が、重畳されたパルス電力によって周期的に高められ、他のスポットに移動しようとする前に現アークスポットでの電子放出が良好となり、その結果、アーク(R)の安定性が向上したものと考えられる。それ故、アーク発生面が大きい先端の太いカソード電極(K)を使用することができるようになり、カソード電極(K)の先端部分の消耗・劣化を回避できるようになった。実験の結果でも、高圧放電灯(5)に供給されるパルス重畳電力が、高圧放電灯の定格電力の１％であれば、前述のフリッカ防止効果を十分達成できることがわかった。なお、好ましくは２〜７％(この場合確実にフリッカ防止が達成できる。)であり最大２０％である。２０％以上とした場合、パルス重畳電力が過大となり、もはや主体がパルス点灯となり直流点灯でなくなる(特開２００３−２７２８７９参照)。なお、この種の波形は同期を必要としない液晶プロジェクター用に適する。

請求項３は本発明の高圧放電灯の更に他の点灯方法(第３実施例)に関するもので、「高圧放電灯から照射された光を、カラーフィルタを複数に分割したカラーセグメントに順次通して画像をスクリーンに投射する投射型システムに適用する請求項１に記載の点灯方法であって、矩形波の交流電流の正レベルと負レベルの絶対値は直流電流値に等しく、極性がカラーセグメントの変化するタイミングに同期して切り替わる」ことを特徴とする。

このランプ電流波形を図４(a)(b)に示す。アーク安定性を維持するために直流電流と矩形波の交流電流を併用する点は請求項１と同じであるが、矩形波の交流電流の極性が切り替わるタイミングをカラーフィルタのカラーセグメントの切り替わりと同期させることにより、画質乱れのない安定な動作を実現できるものである。立ち上がり期間でも画像は見えるので同期させておかないと電気的なフリッカで劣悪な画質になるからである。図４(a)(b)の例では矩形波の交流電流に対して赤のカラーセグメントのタイミングが負レベルになるようにしているが、より強い逆電流とするには青と赤の２つのカラーセグメントのタイミングを負レベルにしても良い。これは電極設計との兼ね合いでカソード電極先端の消耗と析出をバランス良くなるように選ぶ事ができる。

請求項４は本発明の高圧放電灯の他の点灯方法(第4実施例)に関するもので、「高圧放電灯から照射された光を、カラーフィルタを複数に分割したカラーセグメントに順次通して画像をスクリーンに投射する投射型システムに適用する請求項２に記載の点灯方法であって、
パルス電流は少なくとも一つの特定のカラーセグメントに同期して重畳し、
矩形波の交流電流の一方の極性のレベルは直流電流のパルス電流の波高値に等しく、他方の極性のレベルは直流電流のパルス電流が重畳されていない方の波高値に等しく、且つ上記特定のカラーセグメントに同期して切り替わる」ことを特徴とする。

通常の直流電流を供給して普通(定常)点灯する期間にアークジャンプを抑圧する手段として、周期的にパルス電流を重畳して、さらに安定なアークを達成する。そのメカニズムは前記のとおりである。このランプ電流波形を図５(a)(b)に示す。ここでは赤のカラーセグメントにパルス電流を重畳している。矩形波の交流電流の期間では赤のカラーセグメントのタイミングでパルス電流と同じ波高値レベルとし、それ以外のセグメントではパルス電流以外の波高値としている。こうすることにより、直流電流の期間と矩形波の交流電流の期間で色合いの変化が少ない安定な画質が達成できる。

以上説明したように、本発明によれば通常は直流電流を供給して点灯し、ランプ点灯の立ち上がり期間のみ又は立ち上がり期間および、通常点灯のある定められた期間は矩形波の交流電流を供給して点灯することにより電極先端の消耗と析出をバランス良く制御することができる。その結果２０００時間以上においてもアークジャンプを抑圧して安定な画質を提供することが可能になる。

以下、本発明を図示実施例に従って詳述する。ここでは請求項４（図５(a)）に記載される内容の第４実施例を典型的な代表例として説明し、他の実施例は代表例をベースに説明する。なお、説明を簡略化するために相違点だけを重点的に説明し、一致点は第４実施例の説明を援用する。

図６は本発明の投射型システムの一実施例である。ここでは、例えば６０Ｈｚのビデオ映像による投射型システムを例にとる。勿論、本発明はこれに限られるものではない。本システムでは光源(E)としてリフレクタ(2)に装着され、電気回路に形成された点灯手段(5)から供給される直流ランプ電流(R)によって点灯される高圧放電灯(1)が用いられ、高圧放電灯(1)から照射された光は直接或いはリフレクタ(2)に反射されて前方のカラーフィルタ(3)に照射される。

前記光源(E)は石英ガラス封体の発光部に水銀と必要充填物とが封入され、点灯時に水銀蒸気圧が15Mpa以上となるもので、発光部内に設けられているアノード電極(A)の質量はカソード電極(B)の質量の１．５〜２．５倍である。これは前述のように１．５倍以下では通常の直流点灯期間においてアノード電極の温度が上がりすぎて消耗が激しくなり、逆に２．５倍以上では交流点灯期間においてアノード電極がマイナス側として動作する際、電極先端の温度が低くなりすぎてアークが不安定になりやすいからである。点灯方法は直流点灯である。安定点灯時の水銀蒸気圧が15Mpa以上とするのは、前述のようにアーク中の電界強度が増大するのでアーク長さ（すなわち、電極間距離）を2mm以下とすることができるようになり、短アーク化、高輝度で近点光源化を可能とするためである。

カラーフィルタ(3)の一例を示せば、可視光の波長を選択的に通過させる性質をもつダイクロイックフィルタで形成された赤、緑、青、赤、緑、青の６色のカラーセグメント(3a)(3b)(3c)(3d)(3e)(3f)で分割構成された回転円盤で、その軸を中心に回転できるように構成され、カラーフィルタ駆動装置(8)にて一定速度で回転するように制御されている。例えばビデオ周波数が１フレーム６０Ｈｚの場合(１画面が毎秒６０回で変化していること)、これに対して例えばカラーフィルタ(3)が3倍の速度で回転するとすれば１８０Ｈｚで回転することになる。

光源(E)からの光(φ1)が定速で回転しているカラーフィルタ(3)の各セグメント(3a)(3b)(3c)…を時分割で順次照射すると、カラーフィルタ(3)の各セグメント(3a)(3b)(3c)…を通過した光(φ2)はそれぞれに対応した色の光、即ち順次赤、緑及び青となる。

図５(a)に示すように通常の直流点灯期間にはアークジャンプ抑圧用にパルス電流を重畳する。これは例えば赤セグメントに挿入し、これを(Ip)で表している。が、これは図６において、カラーフィルタ(3)からの同期信号(S)が点灯手段(5)に入力し、赤セグメント(3a)(3d)に相当する期間の電力が増加するように動作する。これにより前述のメカニズム(重畳されたパルス電流によるアーク(R)の現在のアーク発生起点である現アークスポットの温度の周期的上昇と、これによる現アークスポットでの電子放出能の向上に基づくアーク移動阻止効果＝フリッカ防止効果)が、作用し、アークジャンプが緩和あるいは消失する。

また、立ち上がり期間は図５(a)に示す様に矩形波の交流電流となる。矩形波の交流電流の期間では赤のカラーセグメントのタイミングでパルス電流（Ip）と同じ波高値レベル（[図５(a)では(−Ip)で表示している。）とし、それ以外のセグメントではパルス電流を重畳していない波高値（IL）としている。こうすることにより、直流電流の期間と矩形波の交流電流の期間で色合いの変化が少ない安定な画質が達成できる。

図５(b)は図５(a)に示す場合に加えて、通常の直流点灯(定常点灯)期間において、カラーセグメント(この場合は赤)に一致して周期的且つ一定期間だけ矩形波の交流電流に切り替える。この場合も、波高値レベルは前述相応パルス電流（Ip）である。

図２(a)は、立ち上がり期間だけ矩形波の交流電流とした例であり、図２(b)は、通常の直流点灯(定常点灯)期間において、周期的且つ一定期間だけ矩形波の交流電流に切り替えた例である。また、図３(a)は、図２(a)の場合にパルス電流を重畳した場合であり、図３(b)は、図３(a)に通常の直流点灯(定常点灯)期間において、周期的且つ一定期間だけ矩形波の交流電流に切り替えた例である。

本発明は、立ち上がり期間或いは定常点灯期間に交流を使用することで電極の消耗やフリッカの発生を抑制し、２０００時間以上の点灯時間経過後でも所期の性能を維持させる事が出来るものであり、ランプ性能の向上を大幅に図ることが出来、これが故に省資源に寄与することができるものである。

(a)は本発明が適用される初期状態の点灯状態の図であり、(b)は２０００時間経過後の電極部分の点灯時の様子を示す図である。 (a)は本発明の第１実施例のランプ電流を説明する図であり、(b)は第１実施例の他のランプ電流を説明する図である。 (a)は本発明の第２実施例のランプ電流を説明する図であり、(b)は第２実施例の他のランプ電流を説明する図である。 (a)は本発明の第３実施例のランプ電流を説明する図であり、(b)は第３実施例の他のランプ電流を説明する図である。 (a)は本発明の第４実施例のランプ電流を説明する図であり、(b)は第４実施例の他のランプ電流を説明する図である。 本発明の実施例を示すブロック図 (a)は従来例における初期状態の点灯状態の図であり、(b)は２０００時間経過後の電極部分の点灯時の様子を示す図である。 従来例のランプ電流を説明する図

符号の説明

(E)…光源
(R)…ランプ電流
(Φ)…光源から照射された光
(1)…高圧放電灯
(2)…リフレクタ
(3)…カラーフィルタ
(3a)(3b)(3c)(3d)(3d)(3e)…カラーセグメント
(4)…光学素子(ＤＭＤ)
(5)…点灯手段
(6)…投影レンズ系
(7)…スクリーン

Claims (4)

1. 石英ガラス封体の発光部に水銀が封入され、点灯時に水銀蒸気圧が15Mpa以上となり、アノード電極の質量はカソード電極の質量の１．５〜２．５倍を有する高圧放電灯の直流点灯方法において、
   (a)ランプ点灯の立ち上がり期間のみ、又は
   (b)立ち上がり期間および直流通常点灯の一定期間だけ間欠的に矩形波の交流電流を供給して点灯することを特徴とする高圧放電灯の点灯方法。
2. 該直流電流に周期的にパルス電流を重畳することを特徴とする請求項１に記載の高圧放電灯の直流点灯方法。
3. 高圧放電灯から照射された光を、カラーフィルタを複数に分割したカラーセグメントに順次通して画像をスクリーンに投射する投射型システムに適用する請求項１に記載の点灯方法であって、
   矩形波の交流電流の正レベルと負レベルの絶対値は直流電流値に等しく、極性がカラーセグメントの変化するタイミングに同期して切り替わることを特徴とする高圧放電灯の直流点灯方法。
4. 高圧放電灯から照射された光を、カラーフィルタを複数に分割したカラーセグメントに順次通して画像をスクリーンに投射する投射型システムに適用する請求項２に記載の点灯方法であって、
   パルス電流は少なくとも一つの特定のカラーセグメントに同期して重畳し、
   矩形波の交流電流の一方の極性のレベルは直流電流のパルス電流の波高値に等しく、他方の極性のレベルは直流電流のパルス電流が重畳されていない方の波高値に等しく、且つ上記特定のカラーセグメントに同期して切り替わる事を特徴とする高圧放電灯の直流点灯方法。

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