JP2008509518A - 放電ランプを動作させる方法及び回路装置 - Google Patents

Abstract

動作させる方法及び回路装置が記載されており、かつ、放電ランプ、特に、高輝度放電ランプ若しくはランプ（ＨＩＤ）又はＵＨＰ（超高性能）ランプが記載されており、ランプ交流の高い第１周波数又は低い第２周波数を有する第１及び第２動作位相によって区別され、前記動作位相は、電極先端の所定の形状を構成することにより、安定なアーク放電と、ランプの寿命の間のバーンアウト又は前記ランプの燃焼電圧の上昇が少なくなることとを達成するように、規定された間隔及び規定された期間で交互に活性化される。更に、放電ランプを備える照明ユニットと、前記のような回路装置と、投影ディスプレイ及び前記のような照明ユニット備える投影システムとが、記載されている。

Description

本発明は、放電ランプを動作させる方法及び回路装置に関する。本発明による方法及び本発明による回路装置は、特に、ＨＩＤ（高輝度ガス放電）ランプ又はＵＨＰ（超高性能）ランプ用のものである。本発明は、更に、放電ランプ及び前記のような回路装置を備える照明ユニットと、投影ディスプレイ及び前記のような照明ユニットとを備える投影システムとに関する。

この種のランプは、主に、直流及び交流において動作されることができる。しかしながら、一般に、電極の速い腐食を防止すると共に、前記ランプの効率を上昇することができるので、交流における動作が好まれている。

しかしながら、発せられた光の流れのちらつきを生じさせる不安定なアーク放電の危険性は、特に交流において動作している場合、絶え間ない極性の変化によっても、増加する。このことは、主に、前記アーク放電が前記電極の表面の温度及び状態に依存することによるものであり、更に、前記電極の温度の時間依存のパターンは、前記電極が陽極及び陰極として働いている位相において異なる。次いで、このことは、ランプ電流の期間において、前記電極の温度をかなり変化させる。これらの変化に対する有利な影響を有するために、前記ランプ電流の各半期の終了において、即ち、前記極性の変化の前に、変化されるべき前記半期と同じ極性を有する電力パルスを生成し、合計の電流が増加され前記電極の温度が上昇するように、該電力パルスを前記ランプ電流に重ね合わせることが知られている。このことは、前記アーク放電の安定性をかなり改善することができる。

前記電力パルスの効果は、更に強い又はあまり強くない明確なパルス状の成分を有するランプ交流であって、前記明確なパルス状の成分は、パルス状の増強された光の流れを生じるランプ交流において、前記ランプが動作されることである。

しかしながら、例えば、地色の画像（ground color images）の１つが、他の地色の画像とは異なるブライトネスによって再現される場合、特に、時間連続的色減少方法（time-sequential color reproduction methods）によって働くカラー投影ディスプレイにおいて、発せられる前記光の流れの変化は、外観を歪ませ得る。

従って、本発明の目的は、放電ランプを動作させる方法及び回路装置を作ることであって、これによって、安定なアーク放電ランプが、この目的のために前記ランプ電流上に電力パルスを重ね合わせる必要なしに達成されることができることにある。

更に、放電ランプを動作させるために、本発明によれば、前記ランプの寿命の間の前記電極のバーンアウト及び燃焼電圧の関連する上昇が、当該方法及び回路装置によって少なくともかなり減少される又は限定されることができる当該方法及び装置を提供することができるはずである。

この目的は、前記ランプ交流の第１周波数を有する第１動作位相と、前記ランプ交流の第２周波数を有する第２動作位相とを有する放電ランプを動作させる方法であって、前記第１周波数は、細い電極の先端が前記ランプの動作の間に電極体上に形成される（該先端は少なくとも大部分に渡って前記第２周波数によって再び溶解される）ように選択され、前記第２動作位相は前記第１動作位相の予め規定されている期間が経過した後に活性化される方法によって、添付請求項１によって達成される。

この目的は、この方法を実行する回路装置によって、添付請求項１１に記載のように、更に達成される。

本発明による解決策によれば、ランプは、ランプ交流の比較的高い周波数（この周波数は、上述の電力パルスに重ね合わせられた既知のランプ交流の周波数よりもかなり高くても良い）において動作されることができ、この結果、このことに関する有利な点は、即ち高周波数に通常関連する不利な点（まず激しい電極のバーンアウト、及び複数の電極の先端の形成による比較的頻繁なアークジャンプ又は不安定なアーク放電）を許容する必要なしに、細い電極の先端と前記電極における少ない電圧降下とによる、ほとんど更に安定なアーク放電が利用されることができることにある。これらの有利な点は、既知の態様における前記ランプの交流に電源パルスを重ね合わせる必要なしに、達成される。

前記のような２つの動作位相の交互活性化、特に、前記第２の動作位相の継続時間及び繰り返し周波数の適切な選択により、自身の寿命の間の前記ランプの燃焼電圧の上昇も、かなり低減される又は限定されることができる。

添付の従属請求項は、本発明の更なる有利な展開を含んでいる。

添付請求項２ないし５は、前記第１又は第２周波数の好適な領域を含んでいると共に、場合によっては、前記第１動作位相と前記第２動作位相との間の好適な時間の比が、添付請求項６及び７に与えられている。

添付請求項８及び９は、スイッチオン動作位相を含んでおり、該スイッチオン動作位相とは、前記ランプが連続的な動作においてではなく比較的短い期間においてのみ使用される度に、前記ランプのスイッチオンの後、好ましくは前記第２の動作位相の代わりに活性化される。

本発明のこれら及び他の見地は、非制限的な例として、以下に記載される実施例を参照して、明らかになり、説明されるであろう。

図１及び２は、（高輝度）ガス放電ランプの２つの電極１の相互に面している端部領域を模式的に示しており、前記電極の間で、アーク放電（図示略）が、動作状態において生じる。

自身の成長、即ち長さ及び直径が前記ランプの様々な動作パラメータに依存している尖頭１１、１２；１１ａであって、前記ランプに或る所望の又は望んでいない特性を生じさせることができる尖頭１１、１２；１１ａが、前記放電ランプの動作の間、電極体１０の前部の相互に面している表面上に出現する。

生じる電極の先端の幅又は直径ｄは、ランプ交流の周波数ｆに対して、ｃを約２５００μｍと約４０００μｍとの間にある定数として、式

に幾分か似ているように依存することが分かっている。

従って、比較的小さい直径を有する電極の先端は、例えば、約３００Ｈｚと約１０００Ｈｚとの間の、比較的高い周波数を使用して生成されることができ、比較的大きい直径を有する先端は、例えば、約２０ないし１５０又は２００Ｈｚの間の比較的低い動作周波数を使用することによって生成されることができる。

細い先端に対して比較的太い先端の不利な点は、前記太い先端の自由端からの電極体１０の方向への熱の輸送が、比較的激しいことである。

当該ランプの高輝度動作及び前記太い電極先端における関連する拡散アーク付着（diffuse arc adhesion）を有する場合、この結果として、前記電極における電圧降下はとても大きく、前記電極の温度が急峻に上昇し、従って、前記電極の材料が大規模に蒸発する。

更に、前記のような比較的激しい熱の輸送により、特に、比較的低いランプ電力と、前記のような関連する尖ったアーク付着とによって、太い先端の前記自由端における温度は、小さい直径を有する先端の場合よりも低い。このことの結果として、アークジャンプの危険が、細い先端の場合よりも太い先端の場合に、かなり高い。このことに加えて、前記アークジャンプの最大振幅も、前記電極先端の直径の増加を伴って上昇する。

逆に、比較的細い先端を有する電極の場合、比較的安定なアーク放電と電極における比較的低い電圧降下とを観察することができる。

しかしながら、前記電極の先端の太さにかかわらず、ランプ交流の比較的高い動作電圧の結果は、一般には、特に長い動作期間の後、前記電極の激しいバーンアウト（従って、及び燃焼電圧の増加）が観測されることができること、及び／又は前記電極における概ね比較的細いピークが形成され、前記ピークの間で、前記のようなアークがあちこちでジャンプすることである。

このことは、本発明による回路装置及び本発明による方法を使用することにより少なくとも大規模に防止され、この結果、比較的高い動作周波数の前記のような利点は、前記のような比較的高い動作周波数の不利な点を受け入れることなく、かつ、ランプ交流を（特に、極性の各変化の前に）既知の態様において電力パルスに重ね合わせる必要なしに、利用されることができる。

この目的のために、前記ランプの動作パラメータ、特に前記ランプの交流の周波数は、前記電極先端が図１及び２に示されている形状を交互に呈するように、設定される及び変更される又は制御される。

図１に示されている前記第１電極の形状の場合、比較的太い第１電極先端１１が、電極体１０の自由端に生じ、該第１電極先端１１上に、比較的細い第２電極先端１２が成長している。

図２に示されている前記第２電極の形状の場合、細い第２電極先端１２は溶融し、この材料は、大部分において、太い第１電極先端１１上に堆積し、この結果、新しい１つの第３電極先端１１ａが、図１における第１電極先端１１の直径よりも大きい直径を有して生じている。

これら２つの電極の形状の間の交互の変化は、前記ランプの寿命の間の電極のバーンアウトと燃焼電圧の関連する上昇とを制限する又は減少するので、複数の尖頭の形成と、結果として生じるアークジャンプとを少なくとも大幅に防止する。

前記ランプ交流の適切な周波数は、これによって、これらの電極の形態が、適切な間隔及び期間において交互に生成され活性化される前記ランプの動作パラメータとして選択されるのが好ましい。

特に、図１に示されている比較的細い第２電極先端１２を生成する場合、前記ランプは、約３００Ｈｚと約３０００Ｈｚとの間の範囲における比較的高い第１周波数ｆ_１を有するランプ交流における第１動作位相の間、動作されることができる。

高い周波数ｆ_１における前記ランプの連続的な動作の上述の不利な点を回避するため、前記ランプ交流の周波数は、第２動作位相（再生位相）における限定された間隔で、比較的低い第２周波数ｆ_２に切り換えられ、この結果、細い第２電極先端１２は溶解し、この材料は、少なくとも大部分において、太い第１電極先端１１上に堆積する。このようにして、図２に示されているような太い第３電極先端１１ａが、排他的に、かつ、図１に示されている第１電極先端１１の直径よりも概ね幾分か大きい直径を有して、作られる。

第２周波数ｆ_２は、約０Ｈｚと約３００Ｈｚとの間、好ましくは、約２０Ｈｚと約２００Ｈｚとの間、又は第１周波数ｆ_１の約１／２０と約１／２との間の範囲にあることができる。第１周波数ｆ_１は、第２周波数ｆ_２の整数倍（ｆ_１＝ｎ＊ｆ_２）として規定されることもできる。

代替的には又は付加的には、前記第２動作位相において、継続時間が約０．１秒と約１０秒との間である直流成分が、前記ランプに供給されることもきる。この直流成分は、好ましくは、第１の、次いで、反対の第２の極性を有して走らされる。

図２に示されている電極の形状が、少なくとも大部分において達成されている場合、前記第１動作位相は、再び細い第２電極先端１２が形成されるように変化される。

前記第２動作位相は、ランプの種類に依存して、約０．５時間及び約１０時間の間の前記第１動作位相の継続時間が終了した後、規則的に活性化されるのが好ましく、前記第２動作位相は、約０．１秒と約３６００秒との間の継続時間を有するのが好ましい。

分化（differentiation）は、前記ランプが、連続的なモードにおいて、少なくとも大きい程度において使用される場合と、前記ランプが比較的短い継続時間に渡ってオンに切り換えられ、次いで再びオフに切り換えられる場合との間に、なされるのが好ましい。前者の場合、前記ランプの動作期間がとられ、前記第１動作位相の期間の後、前記継続時間の前記第２動作位相は、前記第１動作位相に戻る前に、活性化される。前記ランプが、一方では、比較的短い期間に渡ってのみ動作され、前記第２動作位相は、前記ランプをオンに切り換える後であって、好ましくは前記第１動作位相のみが使用される前に、スイッチオン動作位相の形態で常に活性化されることができる。

上述の動作パラメータも、特に、太い第３電極先端１１ａの限定された横方向の伸長によって前記第１動作位相の間に複数の細い電極先端が前記第１動作位相の間に形成されることがないように、設定される。

図３は、高輝度放電ランプに関して、ボルトを単位とする燃焼電圧Ｕの時間を単位とする時間Ｔに対するパターンを示しており、ランプ交流の高い第１周波数ｆ_１は、「Ｉ」とマークされている前記第１動作位相の間、５００Ｈｚ辺りであり、「ＩＩ」とマークされている第２動作位相の間の低い第２周波数ｆ_２は、約９０Ｈｚである。

各々約１時間の継続時間を有する第１動作位相Ｉの間の燃焼電圧Ｕは、約８０から８１ボルトの値から開始して約７２から７４ボルトまで降下していることは、明らかに認識されることができる。図１に示されているように形成された細い第２電極先端１２は、この低い燃焼電圧に到達する際に各々活性化される約１５分の継続時間を有する第２動作位相ＩＩによって溶解され、この態様において、太い第３電極先端１１ａは、前記燃焼電圧が約８０から８１ボルトの値まで再度上るように、図２に示されているように生成される又は再生される。

図４は、３つの異なる動作の方法に対する１５０ワットの電力によるＵＨＰランプの平均燃焼電圧のパターンの時間圧縮された表現を示している。

「１」とマークされている領域（動作の第１モード）において、前記ランプは、上述の第１動作位相に対応する５００Ｈｚのランプ交流の高い第１周波数ｆ_１において排他的に動作されていた。上述のように、前記燃焼電圧が、比較的長い動作期間（ここでは、約４０稼働時間）の後の電極の燃焼により全体として上昇していることは容易に認識されることができる。

領域「２」に示されている平均動作電圧Ｕのパターンは、動作の第２モードに対して得られ、前記動作の第２モードにおいて、前記第１動作位相は第２動作位相と交互になっている。前記第１動作位相において、ランプ交流は、再び、５００Ｈｚの第１周波数ｆ_１を有し、第２周波数ｆ_２は、前記第２動作位相において９０Ｈｚであった。前記第２動作位相は、約９０秒にわたって、約２時間ごとに活性化された。

この領域「２」（動作の第２モード）おいて、前記燃焼電圧の上昇及びこれによる前記電極のバーンアウトがかなり小さいことは、明らかに分かる。前記燃焼電圧のパターンにおけるジャンプは、前記第２動作位相の間の細い電極先端１２のそれぞれの溶解を示している。

最後に、平均燃焼電圧Ｕのパターンは、動作の第３モードに関して領域「３」において示されており、該動作の第３モードは、前記第２動作位相が約１１時間毎にのみ活性化されることを除いて、前記第２モードに対応している。

燃焼電圧Ｕが、第２モード（領域「２」）における場合よりもあまり頻繁でない再生位相（低い第２周波数ｆ_２を有する第２動作位相）（及び前記電極は、再びより激しく燃焼する）のために、比較的長い動作期間（ここでは約２００時間）の間に、より急激に上昇していることは明確に分かる。しかしながら、この上昇は、前記第１モード（領域「１」）の場合におけるものよりも依然として低く、前記第１モードにおいて、再生は起こらず、排他的に、ランプ交流の高い第１周波数ｆ_１（第１動作位相）が活性化される。

第２動作位相において活性化されたランプ交流の低い第２周波数ｆ_２が、前記ランプの寿命の間に（例えば、最初、９０Ｈｚから８０又は７０Ｈｚに）減少される場合、前記のような燃焼電圧の長期的上昇は更に減少され得る。

比較的太い第３電極先端１１ａの最初の生成（即ち、特に、製造後、最初に前記ランプをオンに切り換えた後）は、好ましくは、（工場等における）調整位相の間になされ、該調整位相において、前記ランプは、例えば、約０．１分と１０分との間の期間又は必要である場合にはかなり長い期間に渡って、約２０から２００Ｈｚ（好ましくは９０へＨｚ）からの範囲において、ランプ交流の比較的低い調整周波数ｆ_Ｋにおけるオンへの最初の切り換えの後に動作される。次いで、好ましくは、後の前記第１動作位相に対する高い周波数ｆ_１は、好ましくは、約２＊ｆ_Ｋと約１５ｆ_Ｋとの間の範囲における調整周波数ｆ_Ｋの値に依存して規定されることができる。

必要である場合、同じ極性と、前記のような期間の約６パーセントの期間とを有する電力パルスが、この調整位相の間の前記アーク放電の安定性を改善するように、極性の変化の前に前記ランプ交流の各期間の調整位相において重ね合わされることができる。

代替的には、前記電極材料を適切に鋳造することによって、前記ランプの製造の間に太い前記第３電極先端１１ａを作成することもできる。

ＵＨＰランプの動作の好適な数字の例を以下に与える。ランプをオンに切り換えた後、前記ランプは、先ず、好ましくは約２０Ｈｚと約２００Ｈｚとの間（好ましくは約１００Ｈｚ）のランプ交流の第３周波数ｆ_３を有する約０．１分間と１０分間との間（好ましくは約９０秒間）に渡るスイッチオン動作位相において、先ず動作される。この第３周波数ｆ_３は、大抵、調整周波数ｆ_Ｋ又は前記第２動作位相の間の第２周波数ｆ_２にほぼ等しいものであり、太い前記第３電極先端１１ａを作成する働きをすることができる。

次いで、前記第１動作位相が活性化され、前記ランプ交流は約５００Ｈｚの第１周波数ｆ_１を有する。例えば、約４時間の予め決定されている期間が経過した後、前記第２動作位相は、次いで前記第１動作位相への切り換えが生じる前に、約１００Ｈｚの第２周波数ｆ_２を有する約９０秒の期間に渡って活性化される。

図５は、最後に、例えば、約１００から２４０ボルトの、前記回路装置の入力において存在する交流電圧Ｕ_ａｃから放電ランプ３１用の上述の周波数を有するランプ交流を生成する当該回路装置の実施例の模式的なブロック回路図と、投影システムの本質的な要素とを示している。

当該回路装置は、整流段１０と、電力／電流コントローラ１１と、電圧変換機１２と、制御ユニット２０と、点火段３０及び画像プロセッサ４０を備えるコミュテータをと含んでおり、前記画像プロセッサにおいて、表されるべきビデオ／グラフィックの信号Ｖが、画像生成のために存在する。

ＡＣ電圧Ｕ_ａｃは、整流段１０を経て直流電圧に変換される。この直流電圧から、電力／電流コントローラ１１が、電力／電流コントローラ１１と関係している放電ランプ３１に利用可能な電流を有している直流を生成し、該直流は、調整位相又はスイッチオン動作位相の間、電力パルスに必要とされるように重ね合わせられる。この目的のために、電力／電流コントローラ１１は、これに応じて、制御ユニット２０によって制御される。

生成された直流は、コミュテータ３０による前記スイッチオン動作位相又は調整位相の後、上述の交互に活性化される（第１又は第２）動作位相に対応する第１又は第２周波数ｆ_１、ｆ_２を有する主に矩形のランプ交流に変換される。

電圧変換器１３（整流段１０に設けられる）は、電力／電流コントローラ１１の電圧供給に使用される。

前記投影システムは、本質的に、放電ランプ３１、光学積分器３２、色変調器３３、ディスプレイ３４及びレンズシステム３５で構成されている。色変調器３３及び表示器３４は、画像プロセッサ４０上に存在するビデオ／グラフィック信号Ｖに依存して、画像プロセッサ４０によって既知の態様で制御される。

制御ユニット２０及び画像プロセッサ４０は通信接続によって連結されており、前記電力パルスの生成が、前記スイッチオン動作位相において、電力／電流コントローラ１１によって行われると共に、コミュテータ３０による直流のコミュテーションが予め規定されている時間距離及び継続時間によって前記第１及び第２動作位相における上述の周波数ｆ_１、ｆ_２によって行われる態様において、同期化及び設計されている。

必要に応じて、ランプ３１の燃焼電圧も、最初に規定されている値に対する前記第２動作位相の間の上述の説明に従って、本発明による開始時の上昇の際に、第２周波数ｆ_２を減少するために、これ自体は知られている既知の態様においてモニタされることができる。

制御ユニット２０及び／又は画像プロセッサ４０は、この目的に適合するようにこれに応じてプログラムされ、前記のような動作位相の動作パラメータが記憶されるメモリを備えている。

投影システム用の照明ユニットにおいて前記放電ランプを使用する場合、前記投影システムは、（例えば、ＤＬＰおよびＬＣＯＳシステムのような）前記ランプの電力期間における光のゆらぎに対して敏感に反応し、以下のものは、好ましくは、動作周波数ｆ_１及びｆ_２の選択に関して観測されるべきである。

光のゆらぎ、アーチファクト又は他の画像インターフェースを回避するために、前記第１又は第２動作位相それぞれにおける第１及び第２周波数ｆ_１及びｆ_２それぞれは、各々前記画像周波数に対する整数比のものであるべきである。

類似の態様において、スイッチオン動作位相の第３周波数ｆ_３も規定されることができるが、この同期は、前記スイッチオン動作位相の間の概ね短い継続期間のため、あまり重大ではない。

最後に、本発明による方法の実行のための回路装置は、特に、制御ユニット２０、マイクロプロセッサ又はソフトウェアプログラムを備えたマイクロコントローラを含んでおり、これにより、説明された前記方法のステップは、実行される又は制御されることができる。

第１電極の先端の略図を与えている。 第２電極の先端の略図を与えている。 ランプの燃焼電圧を時間に対してプロットしたパターンを示している。 様々な種類の動作の間の、ランプの燃焼電圧を時間に対してプロットしたパターンを示している。 当該方法を実行する回路装置の回路の基本回路図を示している。

Claims (13)

1. ランプ交流の第１周波数を有する第１動作位相と、ランプ交流の第２周波数を有する第２動作位相とを有する放電ランプを動作させる方法であって、前記第１周波数は、細い電極先端が前記のようなランプの動作の間に電極体上に形成されると共に、前記のような先端が前記第２周波数によって少なくとも大部分において再び溶解されるように、選択され、前記第２動作位相は、前記第１動作位相の予め規定された期間が経過した後に活性化される、放電ランプを動作させる方法。
2. 前記第１周波数は、約３００Ｈｚと約３０００Ｈｚとの間の範囲内にあり、好ましくは約５００Ｈｚである、請求項１に記載の方法。
3. 前記第２周波数は、約０Ｈｚと約３００Ｈｚとの間の範囲内にあり、好ましくは約９０Ｈｚである、請求項１に記載の方法。
4. 前記第１周波数は前記第２周波数の整数倍である、請求項１に記載の方法。
5. 前記第２周波数は、前記ランプの寿命の間に生じる前記ランプの燃焼電圧の上昇に依存して減少される、請求項３に記載の方法。
6. 前記第２動作位相は、約１／２時間と約１０時間との間の前記第１動作位相の動作期間の後、規則的に活性化される、請求項１に記載の方法。
7. 前記第２動作位相は、約０．１秒と約３６００秒との間の継続期間に渡って活性化される、請求項１に記載の方法。
8. 前記第２動作位相は、前記ランプをオンに切り換えた後に、スイッチオン動作位相の形態で活性化される、請求項１に記載の方法。
9. 前記スイッチオン動作位相は、約０．１分と約１０分との間の継続時間、好ましくは約９０秒間に渡って、活性化される、請求項８に記載の方法。
10. プログラムがマイクロコンピュータまたはマイクロコントローラにロードされた場合に、請求項１ないし９の少なくとも１つに記載の方法を実行するためのプログラムコード手段を備えるデータ処理の前記プログラム。
11. 請求項１ないし９の何れか一項に記載の方法によって放電ランプを動作させる回路装置。
12. 高輝度放電ランプと請求項１１に記載の回路装置とを備える照明ユニット。
13. 投影ディスプレイと請求項１２に記載の照明ユニットとを備える投影システム。

Images