JP2007317529A - 高圧放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】より低い始動電圧で始動することにより始動時の電源ノイズおよび始動ミスを抑制すると共に、製造工程が簡単で信頼性が高い高圧放電ランプを提供する
【解決手段】発光管１０の内部に一対の電極３が対向配置された高圧放電ランプにおいて、ランプ電源６により駆動され紫外線を出力する発光ダイオード８を備え、発光管１０を始動する際に発光管１０および電極３に対して紫外線を照射するようにした。紫外線は、電極３を構成するタングステンあるいは発光管１０の内部に含まれる水銀に作用し、これらの金属表面より電子を放出させ、電極３に光電子を放出させるエネルギーを供給する。これにより、始動時に必要となる始動電圧をより低くすることができ、始動時の電源ノイズおよび始動ミスを抑制することができる。また、電極３に水銀が付着した状態であっても、紫外線強度を上げることにより始動電圧を低くすることが可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に反射鏡などに組み込まれ、プロジェクタ装置等の光学装置の光源として使用される高圧放電ランプに関するものである。

従来の高圧放電ランプは、内部にタングステンで構成された一対の電極が対向配置された発光管を含むランプと点灯装置で構成されている。発光管の内部空間には、アルゴン等の希ガスと、発光効率を上げるための水銀およびハロゲン化物が封入されている。水銀は人体等に有害であるため、水銀を含まないものも一部開発されているが、プロジェクタ用の光源としては未だ実現されていない。

高圧放電ランプでは、ランプ始動時にランプ電源により数ＫＶ以上の高電圧パルスを発生させ、これを電極に印加することにより光電子を放出させるエネルギーを供給している。電極材料としては、放電しやすいトリエーテッドタングステン等が使用される。近年、プロジェクタ装置等の小型化の要求が高まり、これに伴いランプおよび点灯装置の小型化と始動時の電源ノイズの低減が求められている。この始動ノイズの改善策としては、始動電圧を低くすることが有効である。

一方、発光管内に水銀を含む高圧放電ランプでは、点灯時においては発光管内部の水銀成分は蒸気となっているが、消灯した瞬間から温度が下がり始め、もとの液体に戻る。この冷却の過程において水銀は、発光管の管壁よりも熱容量の小さい電極に付着しながら徐々に成長するため、電極表面は液状の水銀が付着した状態となる。このように電極表面に水銀が付着した状態では、電極の仕事関数が高くなり、始動電圧の上昇を招き、これが始動ミスの要因となっている。

始動電圧を低くする方法として、例えば特許文献１では、発光管と側管部を有した高圧放電ランプにおいて、側管部の少なくとも１箇所に発光管とは別の密閉された空間（キャビティ）を設け、キャビティ内に酸素と希ガスを封入して始動補助線によってキャビティを放電させることにより、始動電圧を低下させることが可能な高圧放電ランプが提示されている。
特開２００５−１１６４５０号公報

このように、高圧放電ランプにおいては、始動時の電源ノイズおよび始動ミスを低減するために、始動電圧の低下が求められている。特許文献１に提示された構成では、始動電圧を低くすることはできるが、発光管とは別の密閉された空間であるキャビティを作製しなければならないため、ランプ製造工程が増えて煩雑になる。また、ランプの製造中または点灯中にキャビティの気密が破れる等の不具合が生じることが予想され、信頼性に問題がある。

本発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、より低い始動電圧で始動することができ、始動時の電源ノイズおよび始動ミスを抑制でき、また、製造工程が簡単で信頼性が高い高圧放電ランプを提供することを目的とする。

本発明に係る高圧放電ランプは、内部に一対の電極が対向配置された発光管と、前記一対の電極間に高電圧パルスを印加して前記発光管を始動させる電源回路とを備えた高圧放電ランプにおいて、前記発光管に対して、その外部からエネルギーを付与するエネルギー付与手段を、前記電源回路と別に配置したものである。

本発明によれば、発光管およびその内部の電極に対して発光管の外部からエネルギーを付与するエネルギー付与手段の作用により、発光管の始動電圧を低下させることができ、始動時の電源ノイズおよび始動ミスを抑制できる。

特に、エネルギー付与手段として発光ダイオードを備えたものでは、発光管を始動する際に発光ダイオードにより発光管および電極に対して紫外線を照射することで、光電子を放出させるエネルギーを供給できるため、発光管の始動電圧を容易に低下させることができるとともに、ランプの製造が容易であり、製造コストの上昇や製造時に発生する不具合を招く恐れもなく、信頼性の高い製品が得られる。

また、エネルギー付与手段として電極に振動を与える振動装置とこれを駆動する駆動回路を備えたものでは、電極表面に付着している水銀を振るい落とすことができるので、電極表面に水銀が付着していない状態が保たれ、発光管の始動電圧の上昇を防止することができ、始動時の電源ノイズおよび始動ミスを抑制できる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態である実施の形態１〜実施の形態４について説明する。なお、本発明による高圧放電ランプは、発光管およびその内部の電極に対して発光管の外部からエネルギーを付与するエネルギー付与手段を電源回路と別に備えたことを特徴とするものであるが、以下の実施の形態１〜３では、エネルギー付与手段として発光ダイオードを備えた高圧放電ランプについて説明し、実施の形態４では、エネルギー付与手段として電極に振動を与える振動装置とこれを駆動する駆動回路を備えた高圧放電ランプについて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における高圧放電ランプの構成を管軸に沿った断面で示す断面図である。放電容器１は、例えば石英ガラスからなり、楕円球型の発光管１０と、この発光管１０の両端部からそれぞれ外側に伸びるように設けられた封止部１１とを備えている。発光管１０の内部空間には、アルゴン（Ａｒ）等の希ガスと、発光効率を上げるための水銀およびハロゲン化物が封入されている。

発光管１０の内部には、一対の電極３が対向配置されている。一対の電極３は、タングステンからなる２本の円柱状の電極棒２の先端部に同じくタングステンからなるコイルが巻かれて形成された陰極３ａおよび陽極３ｂで構成されている。これらは互いに近接した状態で対向配置され、先端間の距離は約０．８〜１．３ｍｍである。

また、封止部１１の内部には、電極棒２とリード線４とを電気的に接続する薄い短冊状のモリブデンからなる金属箔５が埋設されている。金属箔５の断面形状は、密着性を増し破裂を少なくするため両側のエッジが尖ったナイフ形状となっている。リード線４は放電容器１の外部へ伸び、ランプ電源６に接続される。ランプ電源６から発光管１０の一対の電極３に至る回路が、発光管１０に対する電源回路を構成し、この電源回路により、発光管１０の一対の電極３に高電圧パルスが印加される。

放電容器１の周囲には、発光管１０から放射される光を所望の方向へ反射し、照射対象部分（図示せず）に導く紫外線透過リフレクタ７が配置されている。紫外線透過リフレクタ７は、結晶化ガラスや硼硅酸ガラスからなり、主に楕円タイプと放物面タイプの２種類が使用されている。楕円タイプの場合、発光管１０からの光は第２焦点に集光され、放物面タイプの場合は平行光となる。これらは光学系の構成により適宜選択される。なお、ランプがプロジェクタに使用される場合、赤外線および紫外線は不要なため、紫外線、赤外線を透過し、それ以外の光を反射するコーティングが施されているリフレクタを用いるのが一般的である。

さらに、本実施の形態における高圧放電ランプは、発光管１０およびその内部の電極３に対して発光管１０の外部からエネルギーを付与するエネルギー付与手段として、ランプ電源６により駆動され紫外線を出力する発光ダイオード８を備えている。発光ダイオード８は、発光管１０に対して紫外線透過リフレクタ７よりも外側に配設されており、発光ダイオード８からの出力光（紫外線）９は、紫外線透過リフレクタ７を透過して発光管１０および電極３に照射される。

本実施の形態における発光ダイオード８の動作について説明する。発光ダイオード８は、発光管１０を始動する際に駆動され、発光管１０および電極３に対して紫外線を照射する。紫外線は、電極３を構成するタングステンあるいは発光管１０の内部に含まれる水銀に作用し、これらの金属表面より電子を放出させ、電極３に光電子を放出させるエネルギーを供給する。

1個の光電子を放出させるエネルギーは仕事関数で定義され、この仕事関数を超えたエネルギーを持つ紫外線が金属表面にあたると光電効果によって電子が飛び出す。すなわち、発光ダイオード８からの紫外線エネルギーを前記仕事関数より大きくなるよう設定することにより、多数の光電子が放出される。なお、発光管１０の始動後は、発光ダイオード８は駆動を停止するよう制御されており、紫外線の照射を停止する。

図２は、本実施の形態における高圧放電ランプの始動シーケンスの一例を示す図である。まず、ランプ電源６は、図２（ａ）に示すランプ始動トリガにより、図２（ｂ）で示すＬＥＤ駆動電圧を発生する（矢印Ａ）。これにより、発光ダイオード８は発光管１０および電極３に対して紫外線を照射する。また、紫外線の照射とあわせてランプ電源６は、図２（ｃ）に示す高電圧パルスを陰極３ａと陽極３ｂの間に印加し、絶縁破壊により発光管１０を始動させる（矢印Ｂ）。

本実施の形態では、発光ダイオード８からの紫外線の照射により、多数の光電子が放出されているため、従来に比べて絶縁破壊のために必要な電圧が低下し、始動電圧が低下する。このため、図２（ｃ）に示す始動パルスの電圧を従来の高圧放電ランプよりも低電圧にすることができる。始動に成功すれば放電はグロー放電よりアーク放電に移行する。図２（ｄ）に示す始動確認により始動が確認され次第、発光ダイオード８からの紫外線照射は不要となるため、発光ダイオード８の駆動を停止する（矢印Ｄ）。

以上のように、本実施の形態によれば、ランプ電源６により駆動され紫外線を出力する発光ダイオード８を備え、発光管１０を始動する際に発光管１０および電極３に対して紫外線を照射するようにしたので、始動時に必要となる始動電圧をより低くすることができ、始動時に発生する電源ノイズおよび始動ミスを抑制、軽減することができる。また、電極３に水銀が付着した状態であっても、紫外線強度を上げることにより始動電圧を低くすることが可能である。

さらに、本実施の形態で用いられる発光ダイオード８は、一般に市販されている安価なものであり取り付けも容易である。また、発光ダイオード８からの出力光（紫外線）９を透過する紫外線透過リフレクタ７を用いたので、リフレクタに穴等を設けなくてもよい。すなわち、本実施の形態は、製造工程が複雑になったり、製造コストの大幅な上昇を招いたりするものではない。前述の先行技術の構成（発光管の側管部にキャビティを設ける）と比べると製造工程が簡単であり、製造中または点灯中に不具合が生じる可能性も低く、信頼性の高い製品が得られる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、発光ダイオード８から出力される紫外線が、紫外線透過リフレクタ７を透過して発光管１０および電極３に照射される構成としたが、発光ダイオード８からの出力光は必ずしも紫外線透過リフレクタ７を通して照射する必要はない。本発明の実施の形態２では、発光ダイオード８からの出力光を直接、発光管１０および電極３に照射する構成とした。

図３は、本発明の実施の形態２における高圧放電ランプの構成を管軸に沿った断面で示す断面図である。なお、図中、同一または相当部分には同一符号を付し、説明を省略する。本実施の形態における高圧放電ランプは、発光管１０から放射される光を所望の方向へ反射し照射対象部分（図示せず）に導くためのリフレクタ７７を有しており、発光ダイオード８は、発光管１０に対してリフレクタ７７よりも外側に配設されている。

本実施の形態では、リフレクタ７７に発光ダイオード８からの出力光（紫外線）９を通すための穴１２を設けた。発光ダイオード８から出力される紫外線はこの穴１２を通って発光管１０および電極３に照射される。

すなわち、本実施の形態で用いられるリフレクタ７７は、紫外線透過リフレクタである必要はなく、紫外線を透過しないリフレクタを用いることができる。なお、本実施の形態における高圧放電ランプは、リフレクタ７７に発光ダイオード８からの出力光（紫外線）９を通すための穴１２を設けたこと以外は上記実施の形態１と同様の構成であり、始動シーケンスについても上記実施の形態１と同様であるため（図２参照）、説明を省略する。

本実施の形態においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られ、上記実施の形態１に比べてリフレクタ７７に穴１２を開ける工程が増えるものの、発光管１０および電極３に対して紫外線を直接照射できるため、リフレクタ７７の透過効率を考慮する必要がなく、発光ダイオード８の出力を小さくすることができる。これにより、発光ダイオード８のコストを抑えることができる。

実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３における高圧放電ランプの構成を管軸に沿った断面で示す断面図である。なお、図中、同一または相当部分には同一符号を付し、説明を省略する。本実施の形態における高圧放電ランプは、発光管１０（電極３）の外側に、始動補助線であるトリガワイヤ１３を巻きつけたこと以外は、上記実施の形態１と同様の構成であり、始動シーケンスについても上記実施の形態１と同様であるため（図２参照）、説明を省略する。トリガワイヤ１３は、例えば線形０．３ｍｍのカンタル線であり、リード線４に接続され、電極３と電気的に接続されている。

本実施の形態では、発光管１０（電極３）の外側に始動補助線であるトリガワイヤ１３を巻きつけることにより、光電子を放出させるために必要なエネルギーの仕事関数が小さくなるため、上記実施の形態１と同様の効果に加え、さらに低い始動電圧で始動することが可能となる。また、トリガワイヤ１３を付加することにより、発光ダイオード８の出力を小さくすることができる。

なお、本実施の形態では、上記実施の形態１に示した紫外線透過リフレクタ７を備えた高圧放電ランプにトリガワイヤ１３を付加した例について説明したが、上記実施の形態２に示した穴１２を有するリフレクタ７７を備えた高圧放電ランプにもトリガワイヤ１３を設けることができ、同様の効果が得られる。

さらに、上記実施の形態１〜３では、発光管１０および電極３に対して紫外線を照射するエネルギー付与手段として発光ダイオード８を用いたが、エネルギー付与手段は発光ダイオード８に限定されるものではなく、紫外線を出力する装置（部品）であれば検討した上で用いることができる。

実施の形態４．
上記実施の形態１〜３では、発光管１０およびその内部の電極３に対して発光管１０の外部からエネルギーを付与するエネルギー付与手段として発光ダイオード８を備え、発光ダイオード８からの出力光（紫外線）９を発光管１０および電極３に照射することにより、始動電圧を低下させることが可能な高圧放電ランプについて述べた。本実施の形態では、エネルギー付与手段として電極３に振動を与える振動装置１４を備え、駆動電圧を上昇させる原因となる電極３表面への水銀の付着を抑制することが可能な高圧放電ランプについて説明する。

図５は、本発明の実施の形態４における高圧放電ランプの構成を管軸に沿った断面で示す断面図である。なお、図中、同一または相当部分には同一符号を付している。放電容器１は、例えば石英ガラスからなり、楕円球型の発光管１０と、この発光管１０の両端部からそれぞれ外側に伸びるように設けられた封止部１１とを備えている。発光管１０の内部空間には、アルゴン（Ａｒ）等の希ガスと、発光効率を上げるための水銀およびハロゲン化物が封入されている。

発光管１０の内部には、一対の電極３が対向配置されている。一対の電極３は、タングステンからなる２本の円柱状の電極棒２の先端部に同じくタングステンからなるコイルが巻かれて形成された陰極３ａおよび陽極３ｂで構成されている。これらは互いに近接した状態で対向配置され、先端間の距離は約０．８〜１．３ｍｍである。

また、封止部１１の内部には、電極棒２とリード線４とを電気的に接続する薄い短冊状のモリブデンからなる金属箔５が埋設されている。金属箔５の断面形状は、密着性を増し破裂を少なくするため両側のエッジが尖ったナイフ形状となっている。リード線４は放電容器１の外部へ伸び、ランプ電源６に接続される。放電容器１の周囲には、発光管１０から放射される光を所望の方向へ反射し照射対象部分（図示せず）に導く紫外線透過リフレクタ７が配置されている。

さらに、本実施の形態における高圧放電ランプは、電磁石と鉄で構成された可動部を有するソレノイドで構成された振動装置１４と、これを駆動するためのソレノイド駆動回路１５を備えている。振動装置１４は、リフレクタ７に直接衝撃を与えてこれを振動させ、この振動が発光管１０に伝わり、発光管１０内部の電極３を振動させる。これにより電極３に付着したほとんどの水銀（液状）は電極３から振るい落とされ、発光管１０の底部や壁に付着する。なお、振動装置１４については、水銀を効果的に振るい落とし、且つ再付着しない最適な振幅等の条件を設定することが望ましい。

図６は、本実施の形態における高圧放電ランプの始動シーケンスの一例を示す図である。まず、図６（ａ）に示すランプ始動トリガにより、ソレノイド駆動回路１５は、図６（ｂ）で示すソレノイド駆動電圧を発生させ（矢印Ａ）、振動装置１４を振動させる。ソレノイド駆動電圧がオフした後（矢印Ｂ）、ランプ電源６は、図６（ｃ）に示す高電圧パルスを陰極３ａと陽極３ｂの間に印加し、絶縁破壊により発光管１０を始動させる。始動に成功した後は、放電はグロー放電よりアーク放電に移行する（図６（ｄ））。

このように、本実施の形態では、発光管１０の始動直前に振動装置１４によって電極３に振動を加え、電極３の表面に付着した水銀を振るい落とすことにより、電極３の表面に水銀が付着することを防止している。このため、電極３の表面は水銀が付着していない状態が保たれ、タングステン表面が常に露出していることになる。すなわち、電極３の仕事関数が高くなることがなく、絶縁破壊のために必要な電圧をほぼ一定に保つことができ、ほぼ一定のランプ始動電圧を保つことができる。

以上のように、本実施の形態によれば、電極３に振動を与える振動装置１４を設け、発光管１０の始動直前に電極３の表面に付着している水銀を振るい落とすようにしたので、電極３の表面に水銀が付着していない状態が保たれ、電極３への水銀付着に起因する始動電圧の上昇を防止することができ、始動時の電源ノイズおよび始動ミスを抑制することが可能である。

また、本実施の形態では、振動装置１４として一般に市販されている安価なソレノイドを用い、リフレクタ７を介して電極３に振動を与える構成であるため、取り付けも容易で、製造工程が複雑になったりするものではない。前述の先行技術の構成（発光管の側管部にキャビティを設ける）と比べると製造工程が簡単であるため、製造中または点灯中に不具合が生じる可能性も低く、信頼性の高い製品が得られる。

なお、本実施の形態で用いられる振動装置１４はソレノイドに限定されるものではなく、携帯電話に使用されるような振動モータを用いることもできる。また、振動装置１４による電極３の振動は、発光管１０を始動させる直前に毎回行ってもよいが、必ずしも毎回振動させる必要はなく、例えば３回に1回行うように制御してもよい。さらに、上記実施の形態１〜３と本実施の形態４を組み合わせることにより、より低い始動電圧で駆動することが可能な高圧放電ランプが得られる。

本発明は、液晶およびDMD素子を用いたフロントまたは背面投射型のプロジェクタに適用できる。

本発明の実施の形態１における高圧放電ランプの構成を管軸に沿った断面で示す断面図である。 本発明の実施の形態１における高圧放電ランプの始動シーケンスの一例を示す図である。 本発明の実施の形態２における高圧放電ランプの構成を管軸に沿った断面で示す断面図である。 本発明の実施の形態３における高圧放電ランプの構成を管軸に沿った断面で示す断面図である。 本発明の実施の形態４における高圧放電ランプの構成を管軸に沿った断面で示す断面図である。 本発明の実施の形態４における高圧放電ランプの始動シーケンスの一例を示す図である。

符号の説明

１ 放電容器、２ 電極棒、３ 電極、３ａ 陰極、３ｂ 陽極、４ リード線、
５ 金属箔、６ ランプ電源、７ 紫外線透過リフレクタ、８ 発光ダイオード、
９ 出力光（紫外線）、１０ 発光管、１１ 封止部、１２ 穴、１３ トリガワイヤ、
１４ 振動装置、１５ ソレノイド駆動回路、７７ リフレクタ。

Claims (8)

1. 内部に一対の電極が対向配置された発光管と、前記一対の電極間に高電圧パルスを印加して前記発光管を始動させる電源回路とを備えた高圧放電ランプにおいて、前記発光管に対して、その外部からエネルギーを付与するエネルギー付与手段を、前記電源回路と別に配置したことを特徴とする高圧放電ランプ。
2. 請求項１記載の高圧放電ランプであって、前記エネルギー付与手段は紫外線を出力する発光ダイオードを含み、この発光ダイオードは、前記発光管を始動する際に前記発光管に対して紫外線を照射し、前記発光管の始動後にその紫外線の照射を停止することを特徴とする高圧放電ランプ。
3. 請求項２記載の高圧放電ランプであって、前記発光管から放射される光を所望の方向へ反射し照射対象部分に導くリフレクタを有し、前記発光ダイオードは、前記発光管に対して前記リフレクタよりも外側に配設され、前記発光ダイオードから出力される紫外線は、前記リフレクタを透過して前記発光管に照射されることを特徴とする高圧放電ランプ。
4. 請求項２記載の高圧放電ランプであって、前記発光管から放射される光を所望の方向へ反射し照射対象部分に導くリフレクタを有し、前記発光ダイオードは、前記発光管に対して前記リフレクタよりも外側に配設され、前記発光ダイオードから出力される紫外線は、前記リフレクタに設けられた穴を通って前記発光管に照射されることを特徴とする高圧放電ランプ。
5. 請求項１記載の高圧放電ランプであって、前記エネルギー付与手段は、前記電極に振動を与える振動装置とこれを駆動する駆動回路であり、また、前記発光管の内部には水銀が封入されており、前記振動装置は、前記電極表面に付着した液状の水銀を振動により振るい落とすことを特徴とする高圧放電ランプ。
6. 請求項５記載の高圧放電ランプであって、前記振動装置は、前記発光管を始動する直前に駆動され前記電極に振動を与えることを特徴とする高圧放電ランプ。
7. 請求項５記載の高圧放電ランプであって、前記発光管から放射される光を所望の方向へ反射し照射対象部分に導くリフレクタを有し、前記振動装置は、前記リフレクタを介して前記電極に振動を与えることを特徴とする高圧放電ランプ。
8. 請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の高圧放電ランプであって、前記発光管の外側に、前記電極と電気的に接続されたトリガワイヤを巻きつけたことを特徴とする高圧放電ランプ。

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