JP2008529203A - 発光管での水銀の凝縮を監視する方法及び監視装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、水銀蒸気放電ランプ（１）のガス充填発光管（２）の水銀の凝縮を監視する方法であって、ランプ電圧とランプ電流を測定及び分析して、発光管内のガスの水銀の飽和状態の指標を与える。さらに、本発明は、この方法を行うための適切な監視装置である。
【選択図】図５

Description

本発明は、水銀蒸気放電ランプのガス充填発光管での水銀の凝縮を監視する方法に関する。さらに、本発明は、水銀蒸気放電ランプのガス充填発光管での水銀の凝縮を監視するための監視装置に関する。またさらに、本発明は、そのような方法によりランプの発光管でのガスの水銀の飽和状態を監視して水銀蒸気放電ランプを駆動する方法、そのような監視ユニットを有する水銀蒸気放電ランプを駆動する駆動ユニット、水銀蒸気放電ランプ及びそのような駆動ユニットを有するプロジェクタシステムに関する。

水銀蒸気放電ランプは、高温に耐えることができる材料、例えば石英ガラスからなる外被（エンベロープ）を有する。両側から、タングステン製の電極が、このエンベロープ内に突出している。このエンベロープは、以下で「発光管」とも呼ばれ、主に水銀と１つ又はそれ以上の希ガスからなる充填物を含んでいる。電極間に高電圧を印加することにより、電極端部間に光アークが発生し、その後、電極間をより低い電圧に保持することができる。水銀蒸気放電ランプは、その光学的特性により、とりわけ投写目的に好適に用いられている。そのような適用では、できるだけ点形状の光源が要求される。さらに、できるだけ自然な光のスペクトル構成を有する、できるだけ高い光度が望まれる。このような特性は、いわゆる「高圧ガス放電ランプ」又は「ＨＩＤ（High Intensity Discharge）ランプ」、特に「ＵＨＰランプ（Ultra High Performance Lamp）」によって光学的に達成することができる。

通常、そのような高圧放電ランプの発光管は、寸法が非常に小さく、例えば約１０ｍｍ³の容積を有する。そのようなランプの高い電極負荷は、電極からタングステンの蒸発を引き起こし、そして、それが発光管の壁に堆積し、発光管の非常に望ましくない黒化につながる。そのような壁の黒化は避けなければならず、さもなくば、発光管の壁温度が、熱放射の吸収により発光管の作動寿命中に上昇し、最終的に発光管を破損する。タングステン移動によるそのような壁黒化を回避するために、正確な量の酸素とハロゲン、好ましくは臭素が、発光管のガスに加えられている。そのようなランプ大気への添加物は、電極から蒸発するタングステンが電球壁に堆積するのを防ぐ。なぜなら、電球壁に近い電球のより冷たい領域では、タングステン原子が化学的に反応して揮発性のオキシハライド分子を形成し、この分子が解離する電極近傍のランプのより熱い領域へ、例えば対流によって移送されるからである。このようにして、タングステン原子は、再生方式でランプ電極に戻る。この移送サイクルは、通常、「再生サイクル」と呼ばれる。

ランプがランプの公称電力よりもかなり低い作動電力で駆動されると問題が起こる。ある電力レベルより低いと、水銀が凝縮し、その結果、ハロゲン、例えば臭素は、液体の水銀と結合する。再生サイクルは、かくして有効ではない。

しかしながら、プロジェクタランプ−−ここでは、ランプ電力がビデオコンテンツによって決定される−−の緩やかな減光の可能性が、次世代のマルチメディアプロジェクタに求められている。一般的には、今まで行われてきたように、プロジェクタ、例えばディスプレーの画像レンダリング要素の適切な制御によって、より暗いシーンのために画像を減光することが可能である。しかしながら、特定数の輝度レベル（例えば８ビット）を有するディスプレーでは、この技術は、いくつかのビットを使用することができないので、ダイナミックレンジの一部の欠損をもたらす。かくして、画像レンダリング要素によるプロジェクタの減光は、コントラストの損失につながる。一方、光源を減光することにより、暗いシーンでも、画像レンダリング要素によって提供される全コントラスト範囲を使用することができる。例えば、２００４年のＳＩＤ ０４ダイジェストのToyooka Takashi等による論文「適応ダイナミックレンジ制御のためのイルミネーション・コントロール・システム」は、ランプ電力の低減が光出力の動的縮小のための最も好ましい手段であるが、ＵＨＰランプの減光範囲によって課された制限により、これが使用されていないことを記載している。ＵＨＰランプの減光に対するこれらの制限は、通常、上述のように水銀の凝縮によって決定される。したがって、ビデオ投影の適用での暗いシーンの間、コントラストを増大するため、水銀の凝縮レベルよりもかなり下までランプ電力を低減することが望ましい。

発光管内での水銀の凝縮状態に関する正確な情報が入手可能である場合、少なくともしばらくはランプ電力を低減し、これにより、再生サイクルの中断の結果、著しい黒化が生じる前に、ランプ電力を増大させることが可能である。ランプの熱慣性により、水銀の凝縮と蒸発は、正確には電力の変動に追従しない。ランプの強制的な冷却がその電力レベルで適用されると、状況はさらに複雑になる。かくして、凝縮した水銀を伴うランプ作動の期間は、ランプ電力の履歴，各低電力レベル及び高電力レベルの状況，及び強制的な冷却の強度の先立つ経過に依る。したがって、発光管内での水銀の凝縮状態は、ランプ電力の単なる監視によって十分に制御することができない。

したがって、本発明の目的は、水銀の凝縮のよりよい監視のための容易で安価な方法及びこれに対応する監視装置を提供することである。

このため、本発明は、水銀蒸気放電ランプのガス充填発光管の水銀の凝縮を監視する方法であって、ランプ電圧とランプ電流を測定及び分析して、発光管内のガスの水銀の飽和状態の指標を得る方法を提供する。

通常の作動モードでは、水銀蒸気放電ランプは、負の電流−電圧特性を示す。電流の低減によって、通常生じるランプ電力の低減は、作動電圧の増大をもたらす。しかしながら、水銀が凝縮する場合、電力（又は電流）の変動に対する電圧応答は、主に水銀圧の変動により決定される。これが、電流の低減に対するランプ電圧の異なる応答を起こす。飽和していないランプの場合とは逆に、飽和したランプの電圧は、水銀の凝縮及びその結果の水銀圧の低減により下がる。電圧応答の振る舞いにおける同様の差異が、電流の増加の場合に観察される。この振る舞いは、次のように説明することができる。非飽和レジーム中、すなわち通常の作動モードで電流が低減されると、電極間のプラズマが低い温度に冷却され、電離度が低下する。その結果、作動電圧がそうであるように、ランプの抵抗が増大する。一方、飽和状態では、電流の増加は、ランプの熱出力の増大をもたらす。まず、これは、溶融体からの水銀の蒸発をもたらす。また、ガス中の蒸発した水銀原子の増加は、ランプの抵抗の増大をもたらす。この効果は、支配的な役割を果たし、飽和したランプでは電流が増大すると電圧の増大をもたらす。

電流レベルに応じた電圧の振る舞いについての観察は、電圧と電流を同時に測定することによって、並びにこれらの測定の相互の関係を測定することによって、電球内での水銀の飽和状態の指標を、容易且つ簡単に決定するのに、本発明による方法において良好な効果を生む。

水銀蒸気放電ランプのガス充填発光管の水銀の凝縮を監視するための適切な監視装置は、ランプ電圧を測定するための電圧測定ユニットと、ランプ電流を測定するための電流測定ユニットと、測定されたランプ電圧及び測定されたランプ電流を分析し、分析の結果に応じて発光管内のガスの水銀の飽和状態についての指標を与えるための分析ユニットと、を有する。

このような監視装置は、基本的には、水銀蒸気放電ランプを制御するための任意のランプ制御ユニットで実現可能である。同様に、このようなランプ制御ユニットは、水銀蒸気放電ランプを有するほとんどすべてのプロジェクタシステム又は他の画像表現システムに組み込むことができる。少なくとも分析ユニットは、画像表現制御ユニット又はランプ制御ユニットのプログラム可能なマイクロプロセッサでのソフトウェアとして実現することができる。例えば、ほとんどのプロジェクタシステムは、既に電圧と電流を調整するための適当な電圧及び電流測定ユニットを特徴としているので、また、通常、そのような装置は、プログラム可能なマイクロプロセッサも特徴としているので、既存の制御ユニット及び／又はプロジェクタシステムは、単に適切なソフトウェアのアップデートを行うことによって適応させることができる。

ランプの発光管でのガスの水銀の飽和状態を本発明により監視すると、この測定を、水銀蒸気放電ランプを作動させるための方法に用いることができ、ここでは、ランプ電力及び／又はランプの冷却が水銀の飽和状態に応じて制御される。例えば、水銀の飽和状態を表すための代表値が、制御サイクルでの使用のために電力制御部及び／又は冷却制御部に送出される。特に、水銀の凝縮状態の監視を用いて、水銀が凝縮し始める電力レベル未満で一時的なランプの減光を達成するように、ランプ電力を制御することができる。本発明を用いて、発光管の壁の著しい黒化を回避するために、ランプ電力を増大させなければならないポイントを決定することができる。

従属項及びこれに続く詳細な説明は、本発明の特に有利な実施形態及び特徴を開示している。

本発明の特に基本的な実施形態では、ある属性のみ、例えばランプの電流／電圧特性の傾きの符号が、水銀の凝縮状態についての定性的な指標を与えるために決定される。言い換えると、電流の増加により電圧が増加又は減少するのか、又は、電流の低下が電圧の増加又は減少を生じるのか、が単に監視される。そして、この情報が、飽和レジーム又は非飽和レジームのいずれでランプが作動しているかの指標として用いられる。

電流電圧の傾きの符号の分析は、測定したランプ電圧及び測定したランプ電流の傾きの単なる分析によって、例えば、ある短期間のランプ電圧及びある短期間のランプ電流を測定し、ランプ電流及びランプ電圧の傾きを決定することにより、実現することができる。測定したランプ電流の傾きと測定したランプ電圧の傾きの関係は、電流／電圧特性の傾きをもたらし、かくして、傾きの所要の符号をもたらす。

本発明のさらなる実施形態では、ランプ電流の傾きに対するランプ電圧の傾きの比が、ランプでの水銀の飽和状態についての定量的な指標を与えるのに用いられる。

概して、本発明は、すべてのタイプの水銀蒸気放電ランプに用いることができる。好ましくは、ＨＩＤランプ、特にＵＨＰランプに用いられる。本発明は、映写システムでの使用を意図していない他のランプ、例えば自動車の照明システムのためのランプにも適用することができる。

本発明の他の目的及び特徴は、添付図面と併せて以下の詳細な説明から明らかになるであろう。しかしながら、図面は単に図示のために描かれており、本発明の制限の定義としてのものではない。図面では、同様の参照符号は同じ要素を意味する。

図面の対象物の寸法は、明瞭さのために選択されており、実際の相対寸法を必ずしも反映していない。

図１に示した高圧水銀蒸気放電ランプ１は、石英ガラスの楕円状の発光管２を有する。発光管の端部には、モリブデン箔８，９を真空密的に内部にシールしている円筒状の石英部分６，７が隣接している。モリブデン箔８，９の内側端部は、発光管２内に突出する電極４，５に連結されている。これらの電極４，５は、タングステンから製造されている。バルブ内に突出する端部に、電極４，５は、タングステンの巻付部又はコイル部を有している。モリブデン箔８，９の外側端部は、ランプの外側に通じた電流供給ワイヤ１０，１１に連結されている。

発光管２は、希ガス及び水銀で満たされている。さらに、少量の臭素も発光管２に存在する。このようなランプ１の作動原理、特にガスへの臭素の追加のおかげでタングステンが発光管の内壁に付着しないことを確保する再生サイクルは、すでに上述のように詳細に説明した。臭素原子が液体の水銀に結合されるため、そして、その結果、再生サイクルが中断されるという問題を、液体に凝縮する水銀が生じるということもすでに説明した。

図２は、２００ＷのＵＨＰランプにおける水銀圧と作動電力との関係を示している。水銀圧は、ひし形のマーカによって示されている。１２０Ｗより下の作動電力で、水銀が凝縮し始めることが明白に分かる。また、図２は、インテグラル光出力と作動電力との関係（円形のマーカ）を示している。これは、２００ＷのＵＨＰランプでは、水銀が液体で存在する飽和レジームでＵＨＰランプが作動しないことを確保したいとき、光出力の引下げは３０％に制限されることを示している。同じ問題は、通常の１２０ＷのＵＨＰランプで起こる。これらは、水銀の凝縮を回避するとき１００Ｗ未満に減光することができない。一方、水銀の凝縮の状態は、ランプ電力の引下げからある遅れで起こるので、原則として、ある時間長さの間は、必ずしもランプへの損傷を引き起こすことなく、より低い電力範囲でランプを作動させることが可能である。このため、本発明により水銀の状態を監視する。

監視装置１４を有するランプ制御ユニット１３は、発光管での水銀の飽和状態を監視するために使用することができ、図３を用いて以下のように説明される。この図は、概略的に、本発明に関連する構成要素を示している。また、このランプ制御ユニット１３は、水銀蒸気放電ランプの作動に通常必要な他の構成要素も含んでいる。このようなランプ制御ユニットは、しばしば「ランプドライバ」と呼ばれる。

ランプ制御ユニット１３の核心部は、リード１０，１１によりランプ１に接続された２つのコネクタ２１，２２を有する電力供給ユニット２０である。この場合、ランプ１は、冷却ユニット１２を備えた冷却ＵＨＰランプ１である。冷却ユニット１２は、ランプ制御ユニット１３の一部である冷却制御ユニット１９によって制御される。ランプ制御ユニット１３は、２つのコネクタ２３，２４により電源１８に接続されている。

本発明により、ランプ制御ユニット１３は、監視装置１４を含んでいる。これは、順に、電圧測定ユニット１５を有し、電圧測定ユニット１５は、ランプ１に並列で電力供給ユニット２０の極２１，２２に接続され、ランプ１のリード１０，１１間の電圧を測定する。さらに、ランプ１へのリード１０中に配置された電流測定ユニット１６は、ランプ１を流れる電流を測定する。この電流測定ユニット１６は、例えば、インダクションを用いて電流を測定することができる。

また、監視装置１４は、分析ユニット１７を有しており、電圧測定ユニット１５及び電流測定ユニット１６が、分析ユニット１７に接続され測定結果を報告する。分析ユニット１７では、電圧測定ユニット１５及び電流測定ユニット１６の測定値が記録され、これによる電流及び電圧曲線が分析される。

図４は、本発明による監視装置を有するランプドライバ２６の具現可能でより詳細な回路を示している。ドライバ回路２６は、直流コンバータ２８と、整流段４０と、点火装置４５と、制御回路２７と、電圧測定ユニット３５と、電流測定ユニット３６とを有している。

制御回路２７は、コンバータ２８と、整流段４０と、点火装置４５を制御し、ガス放電ランプ１に対するランプドライバ２６の電圧の振る舞いを監視する。整流段４０は、４つのスイッチ４６，４７，４８，４９を制御するドライバ５０を有している。点火装置４５は、点火制御部４１と、２つのチョーク４３，４４によりランプ１を点火することができる対称的な高電圧を発生する点火変圧器と、を有している。

コンバータ２８は、例えば３８０Ｖの外部直流電源２５により給電される。直流コンバータ２８は、スイッチ３２と、ダイオード２９と、インダクタンス３３と、コンデンサ３１を有している。制御回路２７は、レベルコンバータ３９を介してスイッチ３２を制御し、これによりランプ１の電流をも制御する。

電圧測定ユニット３５は、コンデンサ３１と並列に接続され、２つの抵抗３７，３８を有する分圧器の形態で実現されている。コンデンサ３４が、抵抗３８と並列に接続されている。

電圧測定のため、減電圧が分圧器３７，３８によりコンデンサ３１で迂回され、アナログ・デジタルコンバータを用いて制御回路２７で測定される。コンデンサ３４は、測定信号の高周波ひずみを低減するように働く。ランプ１での電流が、インダクションの原理で作動する電流測定ユニット３６を用いて、制御回路２７で監視される。制御回路２７が、レベルコンバータ３９とスイッチ３２を用いて、ランプ１の電流を制御するので、瞬時電流レベルも制御回路２７により支配される。この場合、本発明により要求される電流測定ユニットは、制御回路に直接的に一体化され、そして、図４に示す外部電流測定ユニット３６は、例えば確認目的のために使用し、又は、あるタイプのランプに対しては完全に省くことができる。

制御回路２７は、プログラム可能なマイクロプロセッサからなる。ここでは、分析ユニット１７は、制御回路のマイクロプロセッサで実行されるソフトウェアの形式で実施されている。分析ユニット１７は、電圧測定ユニット１５及び電流測定ユニット１６により報告された測定値を記録及び分析する。

図５は、同じ期間に並行して記録された電流（上側）及び電圧（下側）曲線の一例を示している。互いに区別するために異なってクロスハッチされた領域では、ランプ電力の変化−−したがってランプ電流の変化−−に応じた電圧の振る舞いが分析される。これにより、電流が減じられるとき電圧が低下するか否か、又は電圧が増加するか否かが判断される。この観測をするだけで、発光管での水銀の飽和状態を決定することができる。

図５から明白なように、水銀の凝縮が発生する領域における電流の変化に応じた電圧の振る舞いが、非飽和レジームでランプが作動する領域での振る舞いと明らかに異なる。水銀の凝縮レジーム中では電流の低減が電圧の対応する低下を起こし、電流の増加が電圧の対応する増加を起こす一方、水銀の非飽和レジーム中では電流の低減が電圧の増加を導き、逆もまた同様である。したがって、ランプは、水銀の凝縮レジームでは正の電流−電圧特性を示し、一方、水銀の非飽和レジームでは、通常の（負の）電流−電圧特性を示す。電流の低減に応じた電圧低下の関係の正確な評価により、定量的な水銀の凝縮についての結論を導くことができる。

したがって、監視装置１４により、ランプ１での水銀の飽和状態を直接的に決定することができる。よって、例えば、作動ランプ電力を引上げ又は冷却のレベルを引下げることで、黒化が起こりランプを破損することを防止するのに間に合うように測定を行うことができるように、適切な制御信号を、監視装置１４からランプ制御ユニット１３の電力供給ユニット２０及び冷却制御ユニット１９に送出すればよい。これにより、少なくともある期間にわたって、作動中に公称電力より相当程度下までランプの減光をすることができる。数時間にわたる試運転では、冷却ユニット１２及び電力供給ユニット２０の適当な制御により、ＵＨＰランプを飽和レジームで作動させるレベルまでランプを減光することが可能であった。さらに、ランプを公称電力の４０％まで減光することさえできた。このことは、例えば、本発明により、上述の適応ダイナミックレンジ制御を、ランプを減光することにより実現することができ、また、これにより最適な性能を獲得することができることを示している。

本発明は、好ましい実施形態及び変形例の形式で開示してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、多くの追加的な改変及び変形を行うことができることが理解できるであろう。明瞭さのために、この適用を通して単数の使用は複数を排除するものではなく、「有する」は他のステップ又は要素を排除するものではないことが理解すべきである。また、単数の存在として明白に記載されていない限り、「ユニット」は多くのブロック又は装置を含んでいてもよい。

高圧水銀蒸気放電ランプの長手方向断面を示す。 ２００ワットＵＨＰバーナーの作動電力に対するインテグラル光出力と水銀圧のグラフである。 本発明による監視ユニットを含むランプ制御ユニットの概略ブロックダイヤグラムである。 本発明による監視ユニットを含むランプ制御ユニットの詳細ブロックダイヤグラムである。 ランプ電力変動中における１２０ワットＵＨＰランプの電圧変動である。

符号の説明

１ 高圧水銀蒸気放電ランプ
２ 発光管
４，５ 電極
１２ 冷却ユニット
１３ ランプ制御ユニット
１４ 監視装置
１５ 電圧測定ユニット
１６ 電流測定ユニット
１７ 分析ユニット
１８ 電源
１９ 冷却制御ユニット
２０ 電力供給ユニット
２５ 外部直流電源
２６ ランプドライバ
２７ 制御回路
２８ コンバータ
３５ 電圧測定ユニット
３６ 電流測定ユニット
３９ レベルコンバータ
４０ 整流段
４１ 点火制御部
４５ 点火配置
５０ ドライバ

Claims (9)

1. 水銀蒸気放電ランプのガス充填発光管の水銀の凝縮を監視する方法であって、
   ランプ電圧とランプ電流を測定及び分析して、前記発光管内のガスの水銀の飽和状態の指標を与えること特徴とする方法。
2. 前記ランプの電流−電圧特性の属性を決定して、水銀の飽和状態についての指標を与える、請求項１に記載の方法。
3. 測定したランプ電圧とランプ電流の分析は、ランプ電圧変動及びランプ電流変動の傾きの分析を含む、請求項１又は２に記載の方法。
4. ランプ電流変動の傾きに対するランプ電圧変動の傾きの比を、水銀の飽和状態の指標に使用する、請求項３に記載の方法。
5. 前記水銀蒸気放電ランプは、高輝度放電（ＨＩＤ）ランプ、特に超高性能（ＵＨＰ）ランプである、請求項１乃至４の何れか１項に記載の方法。
6. 水銀蒸気放電ランプを作動させる方法であって、
   請求項１乃至４の何れか１項に記載の方法により、前記ランプの発光管内のガスの水銀の飽和状態を監視し、
   前記水銀の飽和状態に応じて、前記ランプの電力及び／又は前記ランプの冷却を制御することを特徴とする方法。
7. 水銀蒸気放電ランプのガス充填発光管の水銀の凝縮を監視するための監視装置であって、
   ランプ電圧を測定するための電圧測定ユニットと、
   ランプ電流を測定するための電流測定ユニットと、
   測定されたランプ電圧及び測定されたランプ電流を分析し、分析の結果に応じて前記発光管内のガスの水銀の飽和状態についての指標を与えるための分析ユニットと、を有することを特徴とする監視装置。
8. 請求項７に記載の監視装置を有する水銀蒸気放電ランプを作動させるための駆動ユニット。
9. 水銀蒸気放電ランプと、請求項８に記載の駆動ユニットと、を有する映像表現システム、特にプロジェクタシステム。

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