JP2008282666A - 高圧放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】 １００Ｈｚ以下の低周波駆動を含む交流駆動方式でも、電極の突起が消滅せずに維持できる高圧放電ランプを提供すること。
【解決手段】 発光管に一対の電極を２ｍｍ以下の間隔で対向配置し、この発光管に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、希ガスと、１×１０^−６〜１×１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲でハロゲンを封入した高圧放電ランプにおいて、前記電極は突起と大径部とコイル部からなり、前記突起の径方向長さＡと軸方向長さＢの関係が、０．３５≦Ｂ／Ａ≦０．７５であり、前記突起の表面積Ｓ_１と前記大径部の表面積Ｓ_２の関係が、０．０３≦Ｓ_１／Ｓ_２≦０．２３であり、１００Ｈｚ以下の低周波駆動を含む交流駆動で点灯されることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、データプロジェクタや液晶プロジェクタ、ＤＬＰ（デジタルライトプロセッサ）プロジェクタなどの装置に用いられる高圧放電ランプに関する。特に、発光管内に水銀が０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上封入され、水銀蒸気圧が１１０気圧以上となる高圧放電ランプに関する。

近年、液晶プロジェクタや、デジタル・ライト・プロセッシング技術を使用したDLPプロジェクタが普及しつつある。その画像投影用光源として、ショートアーク型メタルハライドランプやショートアーク型高圧放電ランプが使用されている。これらのランプは、直流駆動方式または交流駆動方式により点灯される。直流駆動方式の場合、点灯時間の経過とともに主に陽極がタングステンの蒸発により磨耗し、電極間の距離が長くなり、光出力が低下しやすい。一方、交流駆動方式の場合、点灯時間の経過とともに大径部先端に突起が形成されるという現象が起こる。点灯により溶融と固化を繰り返して突起が形成され、この突起により極間の長さが安定し、光出力が低下しにくくなる。交流駆動方式は、直流駆動方式に比べて長時間にわたって光出力を維持できるため、高圧放電ランプの寿命を延ばすことができる。

図１０（ａ）は、高圧放電ランプ１０の構成を示す説明用断面図、図１０（ｂ）は、高圧放電ランプ１０の電極１の構成を示す拡大図である。
高圧放電ランプ１０は、例えば、石英ガラスからなる発光管６に一対の電極１を２ｍｍ以下の間隔で対向配置し、この発光管に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、希ガスと、１×１０^−６〜１×１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲でハロゲンを封入したものである。高圧放電ランプ１０には図示しない点灯装置から電力が供給される。この供給電力量によって、電極１の温度が変わることが知られている。具体的には、定格入力より著しく低い入力で点灯させると、電極１の温度が低くなる。一方、電力を過入力すると、電極１の温度が高くなる。また、プロジェクタ光学系の光学素子（例えばカラーホイール）からの反射光が電極に戻ることによって、電極１の温度が高くなることもある。

発光管の内部に封入されたハロゲンの役割は、主に発光管の黒化・失透防止であるが、これにより、いわゆるハロゲンサイクルも生じる。高圧放電ランプ１０の点灯中に電極先端付近の高温部から蒸発したタングステンは、発光管６の内部に存在するハロゲンや残留酸素と結合し、電極先端付近の気相中の高温部において分解されて拡散する。電離して陽イオンとなったタングステン原子は電極１に再び引き寄せられ、電極先端にタングステンが析出する。突起２は、このハロゲンサイクルによって生成されるものと考えられている。
しかし、電極１の温度が低すぎると、大径部３の先端付近から蒸発するタングステン蒸気圧が小さく、十分な密度のタングステンが電極先端に抽出できず、結果として突起２が再生できない。また、突起２ができたとしても先端が平面になることや、突起２全体に凹凸があるなどの、アーク輝点が移動しやすい異常突起になる。一方、電極１の温度が高すぎると、大径部３の先端付近から蒸発するタングステン蒸気圧は大きいものの、タングステン蒸気が液化または固化できず、突起２が消滅する。

特開２００４−３６２８６１公報には、上記の問題を鑑み、電極の形状変化を抑えて常に安定なアーク放電を作ることが記載されている。特開２００３−５１２８２公報には、このような高圧放電ランプ１０の大径部３と突起２の寸法比が記載されている。
一方、特開２００５−１９０７６６公報には、交流駆動方式の周波数を適宜変化させることで、突起２の成長を制御できることが記載されている。このような交流駆動方式として、６０〜１０００Ｈｚの定常周波数で駆動し、定常周波数より低く、かつ、１〜１００Ｈｚの低周波を３０秒〜２分毎に１〜５周期挿入して点灯させることが記載されている。
特開２００３−５１２８２公報 特開２００４−３６２８６１公報 特開２００５−１９０７６６公報

しかしながら、特開２００４−３６２８６１公報に記載された大径部３と突起２の寸法比を有する高圧放電ランプ１０を、特開２００５−１９０７６６公報に記載された交流駆動方式で点灯すると、ある場合には突起２の形状が維持できても、別の場合では突起２が消滅する問題が発生した。突起２が消滅すると、アークの位置がずれやすくチラツキが発生し、また、電極間の距離が長くなるため光出力も低下してしまう。
本発明は、上記の問題点に鑑み、１００Ｈｚ以下の低周波駆動を含む交流駆動方式でも、電極の突起が消滅せずに維持できる高圧放電ランプを提供することを目的とする。

本願第１の発明は、発光管に一対の電極を２ｍｍ以下の間隔で対向配置し、この発光管に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、希ガスと、１×１０^−６〜１×１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲でハロゲンを封入した高圧放電ランプにおいて、前記電極は突起と大径部とコイル部からなり、前記突起の径方向長さＡと軸方向長さＢの関係が、０．３５≦Ｂ／Ａ≦０．７５であり、前記突起の表面積Ｓ_１と前記大径部の表面積Ｓ_２の関係が、０．０３≦Ｓ_１／Ｓ_２≦０．２３であり、１００Ｈｚ以下の低周波駆動を含む交流駆動で点灯されることを特徴とする。
また、本願第２の発明は、発光管に一対の電極を２ｍｍ以下の間隔で対向配置し、この発光管に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、希ガスと、１×１０^−６〜１×１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲でハロゲンを封入した高圧放電ランプにおいて、前記電極は突起と大径部とコイル部からなり、前記突起の径方向長さＡと軸方向長さＢの関係が、０．３５≦Ｂ／Ａ≦０．７５であり、前記突起の体積Ｖ_１と前記大径部の体積Ｖ_２の関係が、０．００５≦Ｖ_１／Ｖ_２≦０．１１であり、１００Ｈｚ以下の低周波駆動を含む交流駆動で点灯されることを特徴とする。

本発明に係る高圧放電ランプによれば、突起の表面積Ｓ_１と大径部の表面積Ｓ_２の関係が、０．０３≦Ｓ_１／Ｓ_２≦０．２３となる場合、または、突起の体積Ｖ_１と大径部の体積Ｖ_２の関係が、０．００５≦Ｖ_１／Ｖ_２≦０．１１となる場合であれば、突起の径方向長さＡと軸方向長さＢの関係が、０．３５≦Ｂ／Ａ≦０．７５となるように突起と大径部を形成すれば、１００Ｈｚ以下の低周波駆動を含む交流駆動で高圧放電ランプを点灯しても、電極の温度変化による溶融と成長とのバランスがとれ、突起の形状が維持される。

以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の高圧放電ランプの構成を示す説明用断面図である。
高圧放電ランプ１０は、石英ガラスよりなる概略球形の発光管６を有し、この発光管６に、一対の電極１を互いに対向して配置する。また、発光管６の両端部から伸びるよう封止部７が形成され、これらの封止部７内には、例えばモリブデンよりなる導電用の金属箔８がシュリンクシールにより気密に埋設されている。一対の電極１は、軸部５が金属箔８に溶接されて電気的に接続され、また、金属箔８の他端には、外部に突出する外部リード９が溶接されている。

発光管６には、水銀と、希ガスと、ハロゲンガスが封入されている。
水銀は、必要な可視光波長、例えば、波長３６０〜７８０ｎｍという放射光を得るためのもので、０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上封入される。この水銀封入量は温度条件によっても異なるが、点灯時に発光管６の内圧が１５０気圧以上の極めて高い蒸気圧となるように製作される。また、水銀をより多く封入することで点灯時の水銀蒸気圧が２００気圧以上または３００気圧以上となる高圧放電ランプ１０を製作することができ、この水銀蒸気圧が高くなるほどプロジェクタ装置に適した光源を実現することができる。
希ガスは、点灯始動性を改善するために用いられ、例えば、アルゴンガスが約１３ｋＰａ封入される。

ハロゲンは、沃素、臭素、塩素などが水銀その他の金属との化合物の形態で封入され、ハロゲンの封入量は、１×１０^−６〜１×１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲から選択される。ハロゲンを封入することによって、ハロゲンサイクルが発生し、高圧放電ランプ１０の寿命を長くすることができる。また、本発明の高圧放電ランプ１０のように極めて小型で高い内圧を有するものでは、ハロゲンを封入することによって、発光管６の黒化・失透を防止する効果がある。

高圧放電ランプ１０の数値例を示すと、例えば、発光管６の最大外径１１．３ｍｍ、電極間距離１．１ｍｍ、発光管６の内容積１１５ｍｍ^３である。高圧放電ランプ１０は、プロジェクタ装置に内蔵されるものであり、装置の小型化に伴い、高圧放電ランプ１０も小型化することが求められている。また、高圧放電ランプ１０の光量も要求されるので、印加電力も高く、発光管内部の熱的影響は極めて厳しいものとなる。高圧放電ランプ１０の管壁負荷値（発光管の内表面の単位面積当たりの印加電力）は０．８〜３．０Ｗ／ｍｍ²、具体的には２．５Ｗ／ｍｍ²となる。
このような高い水銀蒸気圧や管壁負荷値を有する高圧放電ランプ１０は、プロジェクタ装置やオーバーヘッドプロジェクタのようなプレゼンテーション用機器に搭載され、演色性の良い放射光を提供することができる。

図２は、本発明の高圧放電ランプ１０の電極１の構成を示す拡大図である。
図２に示すように、電極１は、突起２、大径部３およびコイル部４からなり、軸部５の先端に接続されている。大径部３は、軸部５より径が大きく、軸部５寄りにコイル部４が設けられる。また、大径部３の軸方向先端中央部に半球状の突起２が形成される。突起２は、高圧放電ランプ１０を点灯することによって成長させて形成される。

大径部３は、タングステンよりなる、球状のものであり、突起２との境界面からコイル部４との境界面１２までの部位をいい、軸部５にコイルを巻回して溶融させて大径部３を形成して電極１を製作される。大径部３は塊状であることにより、熱容量を大きくすることができる。高圧放電ランプ１０では、発光管６の内部は、熱的条件が極めて厳しいものとなるので、熱容量を確保することが重要である。

コイル部４は、糸状のタングステンよりなるものであり、大径部３との境界面１２から軸部５に至るまでの部位をいい、大径部３を形成するときに溶融せずにコイルが残った部分より形成される。コイル部４を設けることによって、大径部３の外表面に凹凸を設けることができる。これより、コイル部４は、点灯始動時の放電始動を誘導し、放電始動開始位置となる。また、コイル部４は細線のため加熱されやすく、グロー放電からアーク放電への移行を容易にする働きがある。

突起２は、タングステンよりなる、半球状のものであり、点灯に伴う物理現象により生成される。例えば、軸部５に大径部３およびコイル部４が形成された電極１を備える高圧放電ランプ１０を点灯し、点灯に伴う物理現象により突起２を生成・成長させて形成する。突起２は、高圧放電ランプ１０の点灯中、その表面の一部が溶融状態になり、突起２にタングステンを輸送させると共に、突起２から蒸発したタングステンを析出させる。

なお、以上の説明では溶融により電極１を形成する場合を示したが、例えば、電極製造時に、大径部３の先端を切削加工し、寸法の小さな突起２を形成することや、突起２と大径部３とが連接した形状の型を用意し、注型成形することもできる。また、大径部３の形状も、球状だけでなく、円錐台のものや、円錐台と円柱などが組み合わさった複雑な形状のものも、電極１として使用できる。また、コイル部４も、大径部３の胴部にコイル状のタングステンを巻回し、端部を、例えばかしめなどによって固定することにより形成することもできる。

図３は、高圧放電ランプ１の点灯装置２１の回路図である。
ここでは、一例として、発光管２の外表面には金属線が巻きつけられた外部トリガに高電圧パルスを印加する、いわゆる外部トリガ方式を示す。点灯装置２１は、降圧チョッパ回路２２、フルブリッジ回路２３、高圧発生回路２４により構成される。降圧チョッパ回路２２には、直流電圧Ｖ_ＤＣが供給され、降圧チョッパ回路２２の出力側にフルブリッジ回路２３が接続される。フルブリッジ回路２３は、直流電圧を交流電圧に変化させ、フルブリッジ回路２３の出力側に高圧発生回路２４が接続される。高圧放電ランプ１０の外部リードには、フルブリッジ回路２３の出力にコイルＬ１、コンデンサＣ１を直列接続して給電され、高圧放電ランプ１０の外部トリガには高圧発生回路２４の出力が給電される。

降圧チョッパ回路２２は、直流電源Ｖ_ＤＣに接続され、スイッチング素子Ｑｘと、ダイオードＤｘと、コイルＬｘと、平滑コンデンサＣｘと、スイッチング素子Ｑｘの駆動回路Ｇｘから構成される。スイッチング素子Ｑｘは、駆動回路Ｇｘによりオン／オフ駆動される。この駆動によって、スイッチング素子Ｑｘのディーテュ比が調整されて、高圧放電ランプ１０に供給される電流あるいは電力が制御される。すなわち、抵抗Ｒ１、Ｒ２で検出された電圧信号Ｓｖ、Ｒ３で検出された電流信号Ｓｉに基づいて制御回路２５が駆動回路Ｇｘを介して、スイッチング素子Ｑｘをフィードバック制御する。これにより、初期点灯期間においてはランプ電流を所定値とする定電流制御が、定常点灯時には放電ランプの点灯電力を一定値とする定電力制御がそれぞれ実施される。

フルブリッジ回路２３は、ブリッジ状に接続されたトランジスタやＦＥＴのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４と、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の駆動回路Ｇ１〜Ｇ４から構成される。なお、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４には、各々に並列にダイオードが逆並列に接続されることもあるが、この実施例においてダイオードは省略している。上記スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、図示略の制御部を介して駆動回路Ｇ１〜Ｇ４により駆動される。
フルブリッジ回路２３の動作は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４と、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３を交互にオン、オフを繰り返す。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４がオンするときは、降圧チョッパ回路２２→スイッチング素子Ｑ１→コイルＬ１→高圧放電ランプ１０→スイッチング素子Ｑ４→降圧チョッパ回路２２の経路で電流が流れる。一方、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３がオンするときは、降圧チョッパ回路２２→スイッチング素子Ｑ３→高圧放電ランプ１０→コイルＬ１→スイッチング素子Ｑ２→降圧チョッパ回路２２の経路で電流が流れる。このようにして、高圧放電ランプ１０に交流矩形波電流を供給する。

スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のスイッチング周期を調整すると、交流矩形波電流の周波数を自在に変更することができる。交流矩形波電流を一定周波数駆動とするだけでなく、交流矩形波電流の周波数を切り替えることもできる。周波数の切り替えは、予め、定常周波数（例えば３６０Ｈｚ）と、それよりも低い周波数（例えば４５Ｈｚ）を設定し、この低周波を挿入する波の数や挿入する間隔を決め、そのような信号が駆動回路Ｇ１〜Ｇ４に入力するようにすれば、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４がこの信号通りに動作し、定常周波数に低周波数が挿入された交流矩形波電流を供給するようになる。なお、制御回路２５で検出された電力信号が入力され、駆動回路Ｇ１〜Ｇ４に出力する信号形成回路を設ければ、電力信号に応じてスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のスイッチング周期を調整することもできる。本願では特に、定常周波数に１００Ｈｚ以下の低周波を挿入する駆動方式や、１００Ｈｚ以下の一定低周波数駆動など、すなわち、１００Ｈｚ以下の低周波駆動を含む交流駆動とされる。

高圧発生回路２４は、スイッチ素子Ｑ５、駆動回路Ｇ５、抵抗Ｒ１、コンデンサＣ２、トランスＴ２より構成される。高圧放電ランプ１０の始動時にコンデンサＣ２に蓄積したエネルギーを、駆動回路Ｇ５によりスイッチ素子Ｑ５をオンすることによりトランスＴ２に印加し昇圧して、外部トリガから高電圧パルスを印加して高圧放電ランプ１０を始動させる。

周波数の高低が電極１の形状にどのような影響を与えるのか、高周波駆動時と低周波駆動時のときの電極温度を測定することにより確認した。この測定結果より、電極１の温度は、電極１にプラス電荷が入力する時に高くなり、マイナス電荷が入力する時に低くなること、また、電極１にプラス電荷が入力する時の温度上昇幅は、高周波駆動時には比較的低く抑えられ、低周波駆動時は大きくなることがわかった。これは、周波数が高いと極性がすぐに入れ替わるので、電極１にプラス電荷が入力する時の最高到達温度が小さく、電極１は過剰に高温になることがないためと考えられる。また、周波数が低いと電極１に電力を入力する期間が長くなるので、電極１にプラス電荷が入力する時の最高到達温度が大きく、電極１はより高温になるためと考えられる。

定常周波数に１００Ｈｚ以下の低周波を挿入して高圧放電ランプ１０を点灯すると、定常周波駆動時に突起２が成長し続けて電極１の電極間距離が短くなるが、低周波駆動時に突起２を溶かして成長を抑えることができる。さらに、不所望な位置にタングステンが析出して大径部３に凸部ができても、低周波駆動時に大径部３が高温となって凸部を溶かしてしまうので、突起２が２つ３つ形成される異常突起に成長しない。

しかしながら、１００Ｈｚ以下の低周波駆動を含む交流駆動で高圧放電ランプ１０を点灯すると、低周波駆動時に電極１の温度上昇によって突起２が消滅する場合が発生する。１００Ｈｚ以下の低周波のみによる駆動でも同様である。そこで、１００Ｈｚ以下の低周波駆動を含む交流駆動でも突起２の成長・溶融のバランスが保てる、突起２の形状を見つけ出す必要がある。
図２に示す電極１の温度は、その表面積Ｓ_１、Ｓ_２に依存する。表面積Ｓ_１、Ｓ_２の大きさによって、放熱量が決まるためである。ただし、突起２の表面積をＳ_１、大径部３の表面積をＳ_２とする。高圧放電ランプ１０の点灯によって、電極１の温度が上昇するが、同時に電極１の表面から放熱されるので、表面積Ｓ_１、Ｓ_２を適切な値にすれば、突起２からのタングステンの蒸発と、大径部３から突起２へのタングステンの供給とのバランスがとれ、突起２の形状が維持される。

突起２の成長・溶融を定量的に判断するために、突起２の径方向長さＡと軸方向長さＢも測定し、突起軸方向長さ／突起径方向長さ Ｂ／Ａの値を求めた。低周波駆動時に電極１が高温となるので、表面積Ｓ_１、Ｓ_２が適切な値の範囲内でも、突起２の径方向長さＡが大きくて軸方向長さＢが小さいと、突起２と大径部３との境界が溶融して消滅することがあるためである。

図４は、電極１の突起２と大径部３を区別する境界面１１を説明するための電極１の拡大断面図である。
電極１の外表面に存在する変曲点ｃ、ｄが、突起２と大径部３を区別する指標となる。図４に示すように、変曲点ｃ、ｄが軸方向Ｌに対して垂直線上に存在しない場合は、変曲点ｃを通り軸方向Ｌに垂直な線Ｅと、変曲点ｄを通り軸方向Ｌに垂直な線Ｆとからの距離が等しい位置にある線を境界線Ｇとする。境界線Ｇを含み軸方向Ｌに垂直な面を突起２と大径部３を区別する境界面１１とする。また、電極１の大径部３とコイル部４を区別する境界面１２は、図２に示すように、コイル部４の凹凸が形成されている部分に沿って形成される。なお、コイル部４が電極１の軸部５側の終端に設けられていなくても、コイル部４の凹凸が形成されている部分から軸部５寄りの部位全体をコイル部４とする。電極１の大径部３とコイル部４を区別する境界面１２までの部位について、図４に示す突起２と大径部３を区別する境界面１１を境にして、図２に示す突起２の表面積Ｓ_１と大径部３の表面積Ｓ_２を求めることになる。
また、径方向長さＡは、変曲点ｃと変曲点ｄを結ぶ線分とする。軸方向長さＢは、突起２と大径部３との境界面１１に突起２の先端から下ろした垂線の長さとする。

図５は、電極１の変曲点ｃを拡大表示した図である。
変曲点ｃとなり得る変曲点は、電極１の外表面に複数存在することもある。そのような場合は、変曲点ｃの候補点となる変曲点ｈと変曲点ｉを結ぶ線分ｊの中点を変曲点ｃとみなし、変曲点ｃを通り軸方向Ｌに垂直な線をＥとする。また、変曲点ｃの候補点となる変曲点が３つ以上あるときは、軸方向に最も離れた２つの変曲点を選び、その変曲点を結ぶ線分の中点を変曲点ｃとみなす。

定常周波数に低周波を挿入して高圧放電ランプと点灯したときの電極の形状、体積、面積を測定した。
〔実施例１〕
実験対象として用いた高圧放電ランプの仕様を以下に示す。
＜ランプ仕様＞
放電容器：材質；石英ガラス、発光管部の最大外径；φ１０．０〜１１．３ｍｍ、全長；９．０〜１１．１ｍｍ
電極：材質；タングステン
電極間距離：２ｍｍ以下
封入物：水銀；０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上、
臭素ガス（ハロゲン）；１．０×１０^−６〜１．０×１０^−２ｍｏｌ／ｍｍ^３
この高圧放電ランプを、３６０Ｈｚの定常周波数に、１２０ｍｓ毎に４５Ｈｚ低周波を１周期挿入するように設定した交流駆動方式で１時間点灯した。入力電力を１７０Ｗ、２３０Ｗ、２７５Ｗ、３５０Ｗ高圧放電ランプ１０に給電し、それぞれの高圧放電ランプの点灯後の電極について、突起の形状を目視で確認し、突起および大径部の表面積、突起の径方向長さＡ、突起の軸方向長さＢを上記した基準により測定した。突起の形状は、突起維持と突起消滅に区分した。ただし、突起が消滅したものだけではなく、例えば、突起が小さすぎるもの、先端が平面、凹凸があるなどの異常突起であるもの、および、大径部との境となるくびれ（変曲点ｃ、ｄ）がほとんどないものも、突起が維持できていないと判断し、突起消滅とした。

図６は、３６０Ｈｚの定常周波数に４５Ｈｚの低周波を挿入したときの実験結果を示すグラフである。
横軸に突起表面積／大径部表面積 Ｓ_１／Ｓ_２をとり、縦軸に突起軸方向長さ／突起径方向長さ Ｂ／Ａをとり、測定データをプロットした。入力電力２３０Ｗのとき、突起維持できた場合を黒塗りの四角で示し、突起消滅と判断した場合を白抜きの四角で示した。入力電力２７５Ｗのとき、突起維持できた場合を黒塗りの丸で示し、突起消滅と判断した場合を白抜きの丸で示した。入力電力１７０Ｗのとき、突起維持できた場合を黒塗りの三角で示し、入力電力３５０Ｗのとき、突起維持できた場合を黒塗りのひし形で示した。
線分ａは突起軸方向長さ／突起径方向長さ Ｂ／Ａ＝０．３５を示し、線分ｂは突起軸方向長さ／突起径方向長さ Ｂ／Ａ＝０．７５を示し、線分ｃは突起表面積／大径部表面積 Ｓ_１／Ｓ_２＝０．０３を示し、線分ｄは突起表面積／大径部表面積 Ｓ_１／Ｓ_２＝０．２３を示す。

プロット点（１）の突起表面積／大径部表面積 Ｓ_１／Ｓ_２は０．２２５であり、突起維持と判断された。プロット点（２）の突起表面積／大径部表面積 Ｓ_１／Ｓ_２は０．２５５であり、突起消滅と判断された。これより、突起表面積／大径部表面積 Ｓ_１／Ｓ_２が０．２３以下のときは突起維持できるが、突起表面積／大径部表面積 Ｓ_１／Ｓ_２が０．２３を越えるときは突起消滅に相当することがわかった。突起表面積／大径部表面積 Ｓ_１／Ｓ_２が０．２３を越えるときは、突起が著しく大きくなり、大径部との境となるくびれ（変曲点ｃ、ｄ）がほとんどない状態となる。この状態の電極は温度が高く、大径部との境となるくびれが溶融して消滅しかかっており、突起消滅直前の状態であり、アーク輝点を維持できない。
プロット点（３）の突起表面積／大径部表面積 Ｓ_１／Ｓ_２は０．０３２であり、突起維持と判断された。プロット点（４）の突起表面積／大径部表面積 Ｓ_１／Ｓ_２は０．０２０であり、突起消滅と判断された。これより、突起表面積／大径部表面積 Ｓ_１／Ｓ_２が０．０３以上のときは突起維持できるが、突起表面積／大径部表面積 Ｓ_１／Ｓ_２が０．０３未満のときは異常突起となり、突起消滅に相当することがわかった。突起表面積／大径部表面積 Ｓ_１／Ｓ_２が０．０３未満のときは、電極温度が低い状態となり、そのために突起が十分に成長せず、アーク輝点を維持できない。

プロット点（５）の突起軸方向長さ／突起径方向長さ Ｂ／Ａは０．７４５であり、突起維持と判断された。プロット点（５）より突起軸方向長さ／突起径方向長さ Ｂ／Ａが大きくなる事例は生じなかった。突起軸方向長さ／突起径方向長さ Ｂ／Ａが０．７５を超える状態は発生しないことがわかった。１００Ｈｚ以下の低周波駆動を含む交流駆動により高圧放電ランプが点灯される場合は、低周波駆動時に電極の温度が高くなるため、突起先端のタングステンが特に蒸発しやすい状態にあり、突起が成長する高さに限界があるためである。
プロット点（６）の突起軸方向長さ／突起径方向長さ Ｂ／Ａは０．３５であり、突起維持と判断された。プロット点（７）の突起軸方向長さ／突起径方向長さ Ｂ／Ａは０．３４６であり、突起消滅と判断された。これより、突起軸方向長さ／突起径方向長さ Ｂ／Ａが０．３５以上のときは突起維持できるが、突起軸方向長さ／突起径方向長さ Ｂ／Ａが０．３５未満のときは異常突起になることがわかった。突起軸方向長さ／突起径方向長さ Ｂ／Ａが０．３５未満のときは、突起の径方向長さＡに対する軸方向長さＢが著しく短く、突起先端が平面状態になる。

以上より、突起の径方向長さＡと軸方向長さＢの関係が、０．３５≦Ｂ／Ａ≦０．７５であり、かつ突起の表面積Ｓ_１と大径部の表面積Ｓ_２の関係が、０．０３≦Ｓ_１／Ｓ_２≦０．２３となるように突起と大径部を形成すれば、１００Ｈｚ以下の低周波駆動を含む交流駆動で高圧放電ランプを点灯しても、電極の温度変化による溶融と成長とのバランスがとれ、突起の形状が維持されることがわかった。このような条件を満たす電極を用いることによって、安定したアーク放電が形成され、アークの位置がずれることがなく、チラツキを抑制できる高圧放電ランプを提供することができる。
また、電極の最適形状を予め決めておくことによって、プロジェクタ使用中に突起が消滅して照度が落ちることを防止し、信頼性の高い製品を提供することができる。

〔実施例２〕
続いて、実施例２について説明する。電極１は体積Ｖ_１、Ｖ_２の大小によって管理されることが多いため、表面積Ｓ_１、Ｓ_２の代わりに体積Ｖ_１、Ｖ_２を用いて、電極１の温度を判断する。実施例１で用いた高圧放電ランプについて、体積Ｖ_１、Ｖ_２を測定し、突起軸方向長さ／突起径方向長さ Ｂ／Ａとの関係を求めた。

図２に示す電極１の温度は、その体積Ｖ_１、Ｖ_２にも依存する。体積Ｖ_１、Ｖ_２の大きさによって、熱容量が決まるためである。ただし、突起２の体積をＶ_１、大径部３の体積をＶ_２とする。高圧放電ランプ１０では、発光管６の内部の熱的条件が極めて厳しいものとなるので、電極１の熱容量を確保して過剰昇温を防ぐことが重要である。電極１の体積Ｖ_１、Ｖ_２を適切な値にすれば、突起２からのタングステンの蒸発と、大径部３から突起２へのタングステンの供給とのバランスがとれ、突起２の形状が維持される。

図７は、３６０Ｈｚの定常周波数に４５Ｈｚ低周波を挿入したときの実験結果を示すグラフである。
横軸に突起体積／大径部体積 Ｖ_１／Ｖ_２をとり、縦軸に突起軸方向長さ／突起径方向長さ Ｂ／Ａをとり、測定データをプロットした。入力電力２３０Ｗのとき、突起維持できた場合を黒塗りの四角で示し、突起消滅と判断した場合を白抜きの四角で示した。入力電力２７５Ｗのとき、突起維持できた場合を黒塗りの丸で示し、突起消滅と判断した場合を白抜きの丸で示した。入力電力１７０Ｗのとき、突起維持できた場合を黒塗りの三角で示し、入力電力３５０Ｗのとき、突起維持できた場合を黒塗りのひし形で示した。
線分ａは突起軸方向長さ／突起径方向長さ Ｂ／Ａ＝０．３５を示し、線分ｂは突起軸方向長さ／突起径方向長さ Ｂ／Ａ＝０．７５を示し、線分ｅは突起体積／大径部体積 Ｖ_１／Ｖ_２＝０．００５を示し、線分ｆは突起体積／大径部体積 Ｖ_１／Ｖ_２＝０．１１を示す。

プロット点（８）の突起体積／大径部体積 Ｖ_１／Ｖ_２は０．１０７であり、突起維持と判断された。プロット点（９）の突起体積／大径部体積 Ｖ_１／Ｖ_２は０．１１３であり、突起消滅と判断された。これより、突起体積／大径部体積 Ｖ_１／Ｖ_２が０．１１以下のときは突起維持できるが、突起体積／大径部体積 Ｖ_１／Ｖ_２が０．１１を超えるときは突起消滅に相当することがわかった。突起体積／大径部体積 Ｖ_１／Ｖ_２が０．１１を超えるときは、突起が著しく大きくなり、大径部との境となるくびれ（変曲点ｃ、ｄ）がほとんどない状態となる。電極の温度が高く、大径部との境となるくびれが溶融して消滅しかかっており、突起消滅直前の状態であり、アーク輝点を維持できない。
プロット点（１０）の突起体積／大径部体積 Ｖ_１／Ｖ_２は０．００７２であり、突起維持と判断された。プロット点（１１）の突起体積／大径部体積 Ｖ_１／Ｖ_２は０．００４４であり、突起消滅と判断された。これより、突起体積／大径部体積 Ｖ_１／Ｖ_２が０．００５以上のときは突起維持できるが、突起体積／大径部体積 Ｖ_１／Ｖ_２が０．００５未満のときは異常突起となり、突起消滅に相当することがわかった。突起体積／大径部体積 Ｖ_１／Ｖ_２が０．００５未満のときは、電極温度が低い状態となり、そのために突起が十分に成長せず、アークの輝点を維持できない。
また、実施例１と同様に、突起軸方向長さ／突起径方向長さ Ｂ／Ａが０．７５を超える状態は発生しない。突起軸方向長さ／突起径方向長さ Ｂ／Ａが０．３５未満のときは、突起の径方向長さＡに対する軸方向長さＢが著しく短く、突起先端が平面状態になる。

突起の径方向長さＡと軸方向長さＢの関係が、０．３５≦Ｂ／Ａ≦０．７５であり、かつ突起の体積Ｖ_１と大径部の体積Ｖ_２の関係が、０．００５≦Ｖ_１／Ｖ_２≦０．１１となるように突起と大径部を形成すれば、１００Ｈｚ以下の低周波駆動を含む交流駆動で高圧放電ランプを点灯しても、電極の温度変化による溶融と成長とのバランスがとれ、突起の形状が維持されることがわかった。このような条件を満たす電極を用いることによって、安定したアーク放電が形成され、アークの位置がずれることがなく、チラツキを抑制できる高圧放電ランプを提供することができる。
また、電極の最適形状を予め決めておくことによって、プロジェクタ使用中に突起が消滅して照度が落ちることを防止し、信頼性の高い製品を提供することができる。

〔実施例３〕
続いて、実施例３について説明する。実施例３では、実施例１、２と高圧放電ランプの駆動周波数を変更したものである。実施例１に示す高圧放電ランプを、３７０Ｈｚの定常周波数に、４０ｍｓ毎に低周波を１周期挿入するように設定した交流駆動方式で、入力電圧を２３０Ｗとして１００時間点灯した。挿入する低周波数を９２．５Ｈｚ、６１．７Ｈｚとしたときの、それぞれの高圧放電ランプの点灯後の電極について、突起の形状を目視で確認し、突起および大径部の体積、突起の径方向長さＡ軸方向長さＢを上記した基準により測定した。

図８は、３７０Ｈｚの定常周波数に低周波を挿入し、入力電圧を２３０Ｗとしたときの実験結果を示すグラフである。図８（ａ）は、横軸に突起表面積／大径部表面積 Ｓ_１／Ｓ_２をとり、縦軸に突起軸方向長さ／突起径方向長さ Ｂ／Ａをとり、測定データをプロットしたグラフであり、図８（ｂ）は、横軸に突起体積／大径部体積 Ｖ_１／Ｖ_２をとり、縦軸に突起軸方向長さ／突起径方向長さ Ｂ／Ａをとり、測定データをプロットしたグラフである。
挿入する低周波数が９２．５Ｈｚのとき、突起維持できた場合を黒塗りの四角で示し、挿入する低周波数が６１．７Ｈｚのとき、突起維持できた場合を黒塗りの丸で示した。
線分ａは突起軸方向長さ／突起径方向長さ Ｂ／Ａ＝０．３５を示し、線分ｂは突起軸方向長さ／突起径方向長さ Ｂ／Ａ＝０．７５を示し、線分ｃは突起表面積／大径部表面積 Ｓ_１／Ｓ_２＝０．０３を示し、線分ｄは突起表面積／大径部表面積 Ｓ_１／Ｓ_２＝０．２３を示し、線分ｅは突起体積／大径部体積 Ｖ_１／Ｖ_２＝０．００５を示し、線分ｆは突起体積／大径部体積 Ｖ_１／Ｖ_２＝０．１１を示す。

挿入する低周波数を変更した場合でも、突起の表面積Ｓ_１と大径部の表面積Ｓ_２の関係が、０．０３≦Ｓ_１／Ｓ_２≦０．２３となる場合、または、突起の体積Ｖ_１と大径部の体積Ｖ_２の関係が、０．００５≦Ｖ_１／Ｖ_２≦０．１１となる場合であれば、突起の径方向長さＡと軸方向長さＢの関係が、０．３５≦Ｂ／Ａ≦０．７５となるように突起と大径部を形成すれば、１００Ｈｚ以下の低周波駆動を含む交流駆動で高圧放電ランプを点灯しても、電極の温度変化による溶融と成長とのバランスがとれ、突起の形状が維持されることが確認できた。

〔実施例４〕
続いて、実施例４について説明する。実施例４では、実施例１、２と高圧放電ランプを低周波駆動のみで点灯したものである。実施例１に示す高圧放電ランプを、９０Ｈｚの低周波数で、１時間点灯した。入力電力を２３０Ｗ、１３５Ｗとしたときの、それぞれの高圧放電ランプの点灯後の電極について、突起の形状を目視で確認し、突起および大径部の体積、突起の径方向長さＡ、軸方向長さＢを上記した基準により測定した。

図９は、９０Ｈｚの低周波数で点灯としたときの実験結果を示すグラフである。図９（ａ）は、横軸に突起表面積／大径部表面積 Ｓ_１／Ｓ_２をとり、縦軸に突起軸方向長さ／突起径方向長さ Ｂ／Ａをとり、測定データをプロットしたグラフであり、図９（ｂ）は、横軸に突起体積／大径部体積 Ｖ_１／Ｖ_２をとり、縦軸に突起軸方向長さ／突起径方向長さ Ｂ／Ａをとり、測定データをプロットしたグラフである。
入力電力２３０Ｗのとき、突起維持できた場合を黒塗りの四角で示し、突起消滅した場合を白抜きの四角で示した。入力電力１３５Ｗのとき、突起維持できた場合を黒塗りの丸で示し、突起消滅と判断した場合を白抜きの丸で示した。
線分ａは突起軸方向長さ／突起径方向長さ Ｂ／Ａ＝０．３５を示し、線分ｂは突起軸方向長さ／突起径方向長さ Ｂ／Ａ＝０．７５を示し、線分ｃは突起表面積／大径部表面積 Ｓ_１／Ｓ_２＝０．０３を示し、線分ｄは突起表面積／大径部表面積 Ｓ_１／Ｓ_２＝０．２３を示し、線分ｅは突起体積／大径部体積 Ｖ_１／Ｖ_２＝０．００５を示し、線分ｆは突起体積／大径部体積 Ｖ_１／Ｖ_２＝０．１１を示す。

定常周波数に低周波を挿入するのではなく、低周波数のみで点灯した場合でも、突起の表面積Ｓ_１と大径部の表面積Ｓ_２の関係が、０．０３≦Ｓ_１／Ｓ_２≦０．２３となる場合、または、突起の体積Ｖ_１と大径部の体積Ｖ_２の関係が、０．００５≦Ｖ_１／Ｖ_２≦０．１１となる場合であれば、突起の径方向長さＡと軸方向長さＢの関係が、０．３５≦Ｂ／Ａ≦０．７５となるように突起と大径部を形成すれば、１００Ｈｚ以下の低周波駆動を含む交流駆動で高圧放電ランプを点灯しても、電極の温度変化による溶融と成長とのバランスがとれ、突起の形状が維持されることが確認できた。

本発明の高圧放電ランプの構成を示す説明用断面図 本発明の高圧放電ランプの電極の構成を示す拡大図 本発明の高圧放電ランプの点灯装置の回路図 本発明の高圧放電ランプの電極の拡大断面図 本発明の高圧放電ランプの電極の拡大断面図 本発明の高圧放電ランプの実験結果を示すグラフ 本発明の高圧放電ランプの実験結果を示すグラフ 本発明の高圧放電ランプの実験結果を示すグラフ 本発明の高圧放電ランプの実験結果を示すグラフ 従来の高圧放電ランプの構成を示す説明図

符号の説明

１ 電極
２ 突起
３ 大径部
４ コイル部
５ 軸部
６ 発光管
７ 封止部
８ 金属箔
９ 外部リード
１０ 高圧放電ランプ

Claims (2)

1. 発光管に一対の電極を２ｍｍ以下の間隔で対向配置し、この発光管に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、希ガスと、１×１０^−６〜１×１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲でハロゲンを封入した高圧放電ランプにおいて、
   前記電極は突起と大径部とコイル部からなり、前記突起の径方向長さＡと軸方向長さＢの関係が、０．３５≦Ｂ／Ａ≦０．７５であり、前記突起の表面積Ｓ_１と前記大径部の表面積Ｓ_２の関係が、０．０３≦Ｓ_１／Ｓ_２≦０．２３であり、１００Ｈｚ以下の低周波駆動を含む交流駆動で点灯されることを特徴とする高圧放電ランプ。
2. 発光管に一対の電極を２ｍｍ以下の間隔で対向配置し、この発光管に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、希ガスと、１×１０^−６〜１×１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲でハロゲンを封入した高圧放電ランプにおいて、
   前記電極は突起と大径部とコイル部からなり、前記突起の径方向長さＡと軸方向長さＢの関係が、０．３５≦Ｂ／Ａ≦０．７５であり、前記突起の体積Ｖ_１と前記大径部の体積Ｖ_２の関係が、０．００５≦Ｖ_１／Ｖ_２≦０．１１であり、１００Ｈｚ以下の低周波駆動を含む交流駆動で点灯されることを特徴とする高圧放電ランプ。

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