JP2010140732A - 高圧放電ランプ点灯装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】定常周波数(FH)よりも低い周波数(FL)の交流電流を、定常周波数の交流電流の中に周期的に挿入するとともに、その周波数(FL)は、当該放電ランプの点灯電流値が所定の下限値(ILmin)よりも小さいときは所定の下限周波数(FLmin)に設定され、放電ランプの点灯電流値が所定の上限値(ILmax)よりも大きいときは所定の上限周波数(FLmax)に設定され、放電ランプの点灯電流値が下限値(ILmin)と上限値(ILmax)の間にあっては当該点灯電流値に対応した周波数(FLsel)が選択設定されるとともに、この選択設定された周波数(FLsel)は、点灯電流値(IL)が大きくなるにつれて変化幅(△FL)が増大するように大きくなる関係にある。
【選択図】図1
Description
液晶パネルを使う方式は、1枚式と3枚式があるがいずれの方式であっても、光源からの放射光を3色(RGB)に分離して、液晶パネルにおいて画像情報に対応させた光を透過調整して、その後、パネルを透過した3色を合成させてスクリーン上に投射させる。
一方、DLPを使う方式も、1枚式と3枚式があるが、1枚式の場合には光源からの放射光をRGBの領域が分割形成された回転フィルターを介して空間変調素子(光変調デバイスともいい、具体的にはDMD素子などをいう)などを時分割で照射し、このDMD素子で特定の光を反射させてスクリーンに照射する。DMD素子とは小さな鏡を数百万個敷き詰めたものであって、一つ一つの小さな鏡の向きを制御することで光の投射が制御される。
さらに、前記テーブルは、放電ランプの累積点灯時間とともに、点灯電流値(IL)に対応した周波数(FLsel)が、初期に定めた周波数(FLsel)に比べて小さくなるように変化することを特徴とする。
第一に、電極先端に突起を形成させて、当該突起を起点として安定なアーク放電を形成する。これは、特許文献1のように、突起を消滅させる技術ではなく、積極的に突起を作り活用する技術である。これにより、当該突起を起点としたアークにより、放電ランプの点灯を安定化できるという格別の効果を有する。
第二に、アーク起点となる突起以外の余計な突起の発生を防止する。これは、突起が複数個形成されると、これら突起間でいわゆるアークジャンプが発生し、結果として、アークが不安定になるからである。本発明は、アーク起点となるべき突起のみを発生、維持するとともに、当該突起以外の余計な突起は消失させている。
第三に、定電力制御されるランプにおいて、ランプの点灯電流が変化した場合に、最適な条件にて上記第一の作用効果と第二の作用効果を達することができる。特に、ランプ電流値が小さいときは、低周波数(FL)を挿入しても電極に対する加熱作用が小さいので、周波数をより小さく設定させる。逆に、ランプ電流値が大きいときは、低周波数(FL)挿入による加熱効果が大きいので、周波数を高く設定する。しかしながら、低周波数(FL)をランプ電流との関係だけを考慮して設定すると、放電ランプがチラツクという現象が生じるし、また、定常周波数との同期を図れないという問題も生じる。本発明は、このような状況を鋭意検討した結果、より最適な点灯条件を導き出したものである。
放電ランプ10は、石英ガラスからなる放電容器によって形成された概略球形の発光部11を有する。この発光部11には、一対の電極20が2mm以下の間隔で対向配置している。また、発光部11の両端には封止部12が形成される。封止部12には、モリブデンよりなる導電用金属箔13が、例えばシュリンクシールにより気密に埋設される。金属箔13の一端には、電極20の軸部が接合しており、また、金属箔13の他端には外部リード14が接合して給電装置と電気的に接続する。
発光部11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の放射光を得るもので、0.2mg/mm3以上封入される。この封入量は、温度条件によっても異なるが、点灯時200気圧以上で極めて高い蒸気圧となる。また、水銀をさらに封入させることで点灯時の水銀蒸気圧を250気圧以上、300気圧以上という高い状態にすることができ、水銀蒸気圧が高くなるほどプロジェクター装置に適した光源を実現できる。
また、この種の放電ランプは、小型化するプロジェクター装置に内蔵されるため、ランプとしても小型化が要請され、その一方で高い発光光量も要求される。このため、発光部内の熱的影響は極めて厳しく、ランプの管壁負荷値は0.8〜2.0W/mm2、具体的には1.8W/mm2となる。
このように、放電ランプとして高い水銀蒸気圧や管壁負荷値を有することが、プロジェクター装置やオーバーヘッドプロジェクターといったプレゼンテーション用機器に搭載された場合に、演色性の優れた放射光を提供できる。
この突起は、いかなる放電ランプであっても生じるというわけではない。電極間距離が2mm以下であって、発光部に0.15mg/mm3以上の水銀と、希ガスと、1×10−6〜1×10−2μmol/mm3の範囲でハロゲンを封入したショートアーク型放電ランプにおいて、ランプ点灯に伴い、突起が形成されることが知られている。
なお、突起の大きさについて、数値例をあげると、電極の最大径(放電方向に垂直な方向)がφ1.0〜1.5mmであって、電極間距離が1.0〜1.5mmの場合に、約0.2〜0.6mm程度の直径となる。
なぜなら、発光部に0.2mg/mm3以上の水銀を含み、動作圧力が200気圧以上に達する放電ランプにおいては、高い蒸気圧によって、アーク放電が小さく絞られ、結果として放電起点も小さく絞られるからである。
このため、特許文献1に開示するように、突起を消滅させた球面状の電極では、放電起点が小刻みに移動してしまい、プロジェクター装置の映像画面にフリッカー(チラツキ)という問題を導く。特に、2mm以下という短い電極間距離に形成されるアーク輝点は、0.5mm以下というわずかな移動であっても、映像画面にとして致命的なフリッカーとなりかねない。
低周波は、例えば、周波数が5〜200Hz、挿入される波の数が半周期を1単位として1単位から10単位の範囲、定常周波数に対して挿入される間隔(時間)が0.01秒〜120秒である。
図示されるように、放電ランプの電流波形は、例えば200Hzで駆動される定常周波数(FH)の交流電流であって、その中に、例えば10Hzの低周波(FL)の交流電流が間欠的かつ周期的に挿入される。
低周波(FL)は、5〜200Hzの範囲から選択される周波数であって、定常周波数の交流電流に間欠的かつ周期的に挿入される間隔(低周波の挿入間隔)は、0.01秒〜120秒の範囲から選択される時間となる。低周波が、定常周波数の中に挿入される間隔とは、図において、低周波の挿入間隔と示される期間であり、1回の低周波波形が始まるタイミングから、次の低周波波形が始まるタイミングまでの時間間隔と定義される。
また、低周波は、挿入される波の数について半周期を1単位として、1単位から10単位の範囲で挿入される。因みに、図では波の数が2単位になっている。波の数が1単位から10単位の範囲ということは、半周期から5周期の長さで間欠的(周期的)に挿入されることになる。
しかし、突起を生成させるための制御をしていると、本来必要となる突起以外に余計な突起も派生してしまう。本発明は、低周波を定常周波数の中に間欠的(周期的)に挿入させることが、余計な突起を消失させる作用を奏する点を見出したにほかならない。
ランプを点灯させると、電極の球部20aの先端中心に突起21(第一の突起)が形成する。この突起21は、放電起点となるものでアークを安定させるために必要な突起である。そして、ランプを引き続き点灯させるにつれて、突起21の周囲に別の突起22(第二の突起)が発生する。この突起22は、本来必要のない突起であり、突起21との間で放電起点が移動することで、いわゆるフリッカの問題を生じさせる。第二の突起は一つとは限らず、多数発生する場合もある。
すなわち、放電ランプ動作中の電極表面には温度分布が存在し、先端部が最も温度が高く、後方ほど温度が低い。電極先端付近の高温領域では、タングステンの蒸発および放電容器内に残存する酸素と反応して生成されるWO、WO2などの酸化タングステンの蒸発とによって、電極表面が浸食される。ただし、放電起点である電極先端には、アーク中の高いタングステン蒸気密度のため、むしろタングステンが析出、堆積し、前記第一の突起が形成されることは前述のとおりである。
一方、電極表面の低温領域では、放電容器内に封入された臭素および残存する酸素との反応によって生成されるWBr、WBr2、WO2Br、WO2Br2などの蒸発によって、やはり電極表面は浸食される。すなわち、電極表面の温度によって蒸発するタングステン化合物の種類は異なるが、電極表面の高温領域、低温領域とも浸食されることになる。
次に、電極表面の上記高温領域と低温領域の中間の温度領域においては、タングステンの熱化学的性質によって上記のようなタングステン化合物の生成が少なく、したがって、電極表面の浸食は少ない。むしろ、放電容器内に存在するタングステン蒸気の析出、堆積の方が支配的であるため、前記第二の突起が発生成長するのである。
ここで、第二の突起の発生成長を抑制するためには、電極表面の温度を時間的に変化させることが本質的に重要である。例えば、電極の寸法を小さくすることによって、電極の表面全体の温度を高く設定したとしても、第二の突起は電極後方の温度が低い部分で発生するだけであって、結果として、第二の突起の発生を抑制していることにはならない。
つまり、本発明は、電極表面の温度を適当な時間間隔で変化させて、第二の突起が一定の位置に発生することを防止するものであり、そのための手段として、定期的に低周波を挿入するという構成を採用している。
低周波の周波数が5Hz未満の場合、波の数が10単位より多い場合は、あるいは、挿入される間隔が0.01秒未満の場合は、電極先端の温度が高くなり過ぎるため、前記第二の突起ばかりか、本来必要不可欠な前記第一の突起までも消失させてしまう。
また、周波数が200Hzを超える場合、あるいは波の数が1単位より少ない場合は、前記第二の突起が発生する領域に対して十分な温度上昇が得られず、結果として、第二の突起を消失できない。
また、挿入される間隔が120秒を超えた場合は、定常点灯の間に、第二の突起が大きく成長し過ぎ、たとえ低周波を挿入しても消失できない。
本発明は、封入水銀量が0.2mg/mm3以上という放電ランプにおいて、電極先端に突起を形成することがアークを安定させるために不可欠であるということを発明したにほかならない。そして、電極先端に突起が存在することを前提とした上で、不必要な突起が発生、成長することを防止するために、所定の低周波での点灯を間欠的(周期的)に挿入したということが大きな特徴といえる。
図において、ランプ電流(IL)が2.0Aよりも小さい場合は、定常周波数(FH)は74Hzに固定されており、また、低周波数(FL)は24.67Hzに固定される。このときのランプ電流は下限値(ILmin)であり、74Hzは定常周波数の下限値(FHmin)、24.67Hzは低周波数の下限値(FLmin)となる。
同様に、ランプ電流(IL)が2.6Aよりも大きい場合は、定常周波数(FH)は740Hzに固定されており、また、低周波数(FL)は370Hzに固定される。このときのランプ電流は上限値(ILmax)であり、740Hzは定常周波数の上限値(FHmax)、370Hzは低周波数の上限値(FLmax)となる。
ランプ電流(IL)が2.1A以上であって2.2Aより小さい場合(2.1A≦IL<2.2A)は、定常周波数(FH)は148Hzであり、低周波数(FL)は29.6Hzに設定される。定常周波数(FH)の増加量(ΔFH)は74Hz、低周波数(FL)の増加量(ΔFL)は4.93Hzである。
ランプ電流(IL)が2.2A以上であって2.3Aより小さい場合(2.2A≦IL<2.3A)は、定常周波数(FH)は370Hzであり、低周波数(FL)は46.25Hzに設定される。定常周波数(FH)の増加量(ΔFH)は222Hz、低周波数(FL)の増加量(ΔFL)は16.65Hzである。
ランプ電流(IL)が2.3A以上であって2.4Aより小さい場合(2.3A≦IL<2.4A)は、定常周波数(FH)は740Hzであり、低周波数(FL)は74Hzに設定される。定常周波数(FH)の増加量(ΔFH)は370Hz、低周波数(FL)の増加量(ΔFL)は27.75Hzである。
ランプ電流(IL)が2.4A以上であって2.5Aより小さい場合(2.4A≦IL<2.5A)は、定常周波数(FH)は740Hzであり、低周波数(FL)は123.33Hzに設定される。低周波数(FL)の増加量(ΔFL)は49.33Hzである。
ランプ電流(IL)が2.5A以上であって2.6Aより小さい場合(2.5A≦IL<2.6A)は、定常周波数(FH)は740Hzであり、低周波数(FL)は185Hzに設定される。低周波数(FL)の増加量(ΔFL)は61.67Hzである。
図において、ランプ電流(IL)が1.6Aよりも小さい場合は、定常周波数(FH)は74Hzに固定されており、また、低周波数(FL)は24.67Hzに固定される。このときのランプ電流は下限値(ILmin)であり、74Hzは定常周波数の下限値(FHmin)、24.67Hzは低周波数の下限値(FLmin)となる。
同様に、ランプ電流(IL)が1.6Aよりも大きい場合は、定常周波数(FH)は925Hzに固定されており、また、低周波数(FL)は462.5Hzに固定される。このときのランプ電流は上限値(ILmax)であり、925Hzは定常周波数の上限値(FHmax)、462.5Hzは低周波数の上限値(FLmax)となる。
ランプ電流(IL)が1.7A以上であって1.8Aより小さい場合(1.7A≦IL<1.8A)は、定常周波数(FH)は154.2Hzであり、低周波数(FL)は25.7Hzに設定される。定常周波数(FH)の増加量(ΔFH)は80.2Hz、低周波数(FL)の増加量(ΔFL)は1.03Hzである。
ランプ電流(IL)が1.8A以上であって1.9Aより小さい場合(1.8A≦IL<1.9A)は、定常周波数(FH)は462.5Hzであり、低周波数(FL)は46.25Hzに設定される。定常周波数(FH)の増加量(ΔFH)は308.3Hz、低周波数(FL)の増加量(ΔFL)は20.55Hzである。
ランプ電流(IL)が1.9A以上であって2.0Aより小さい場合(1.9A≦IL<2.0A)は、定常周波数(FH)は925Hzであり、低周波数(FL)は92.5Hzに設定される。定常周波数(FH)の増加量(ΔFH)は462.5Hz、低周波数(FL)の増加量(ΔFL)は46.25Hzである。
ランプ電流(IL)が2.0A以上であって2.1Aより小さい場合(2.0A≦IL<2.1A)は、定常周波数(FH)は925Hzであり、低周波数(FL)は154.17Hzに設定される。低周波数(FL)の増加量(ΔFL)は61.67Hzである。
ランプ電流(IL)が2.1A以上であって2.2Aより小さい場合(2.1A≦IL<2.2A)は、定常周波数(FH)は925Hzであり、低周波数(FL)は231.25Hzに設定される。低周波数(FL)の増加量(ΔFL)は81.08Hzである。
図より、ランプ電流値(IL)の増加に応じて、定常周波数(FH)及び低周波数(FL)はともにステップ的に増加していることが分り、また、定常周波数(FH)の増加量(ΔFH)も低周波数の増加量(ΔFL)もともにランプ電流値(IL)が大きくなるに連れて増大していることが理解できる。
本発明者らは、放電ランプの点灯時間の経過とともに、ランプ電圧が不安定に変動する現象が増加する傾向にあることを見出した。これは、そのまま光学系に捕捉される光束量の変動につながり好ましくない。放電ランプの電極はハロゲンサイクルによって、消耗したタングステンを再利用するよう設計されてはいるが、点灯時間に伴い、タングステンの電極の先端以外の部分への帰還や温度が低すぎる発光管内壁部への凝集が生じることもあり、電極の先端に必ずしも100%のタングステンが帰還して再利用できるわけではない。前述のランプ電圧の変動現象は、点灯時間に伴って、アーク中のタングステンが潤沢でなくなると、電極の先端突起の再形成が不十分となり、貧弱な細い先端突起しか形成されず、電極の損耗が生じやすくなるためであると鋭意観測した結果から考えた。さらに電極の損耗が生じて電極間距離が拡長し、ランプ電圧が高くなると、一般的にランプ電力を一定で点灯させる電源においてはランプ電流が低くなり、電極の溶融量が減り、アーク中のタングステン量はさらに減少してしまうことになり、前述の悪循環が加速されると理解した。これらの問題を解決するには、放電ランプの累積点灯時間に応じて電極先端の融点到達温度領域をより拡大させ、アーク中のタングステン量を増やしてやることが好ましい。すなわち、点灯電流値(IL)に対応した低周波数(FL)もしくは周波数(FH)をランプの点灯初期値に比べて小さい値とすることで、極性が陽極となった電極先端の融点到達温度領域が拡大し、アーク中のタングステン量を電流耐性ある突起の再形成に必要なものとすることができる。
具体的には、累積点灯時間経過ごとに異なるテーブルに従ってもよいが、例えば、点灯電流値(IL)とそれに対応した低周波数(FL)もしくは周波数(FH)および定常周波数(FH)を保持(記憶)したテーブルにおいて、累積点灯時間の経過時間によって点灯電流値(IL)が一つ以上低い設定の周波数を選択することによってなされてもよい。放電ランプの累積点灯時間の記録は、プロジェクターでおこなっても点灯電源でおこなっても構わない。むろん、ランプを新規交換した後は累積点灯時間の記録がリセットされる。
点灯装置は放電ランプ10と給電装置から構成される。給電装置は、直流電圧が供給される降圧チョッパ回路1と、降圧チョッパ回路1の出力側に接続され直流電圧を交流電圧に変化させて放電ランプ10に供給するフルブリッジ型インバータ回路2(以下、「フルブリッジ回路」ともいう)と、放電ランプに直列接続されたコイルL1、およびスタータ回路3から構成される。なお、降圧チョッパ回路1、フルブリッジ回路2、スタータ回路3、制御回路4により給電装置を構成し、放電ランプ10を含めて点灯装置と称される。
一例をあげると、放電ランプの定格電力が120Wのとき、定常周波数は180Hz、低周波の周波数は15Hz、挿入される波の数は2単位(1周期)、挿入される間隔は1秒となる(点灯例1)。
また、放電ランプの定格電力が150Wのとき、定常周波数は200Hz、低周波の周波数は10Hz、挿入される波の数は2単位(1周期)、挿入される間隔は1秒となる(点灯例2)。
また、放電ランプの定格電力が300Wのとき、定常周波数は300Hz、低周波の周波数は7.5Hz、挿入される波の数は2単位(1周期)、挿入される間隔は0.5秒となる(点灯例3)。
また、放電ランプの定格電力が250Wのとき、定常周波数は400Hz、低周波の周波数は5Hz、挿入される波の数は2単位(1周期)、挿入される間隔は0.5秒となる(点灯例4)。
また、放電ランプの定格電力が135Wのとき、定常周波数は360Hz、低周波の周波数は45Hz、挿入される波の数は1単位(0.5周期)、挿入される間隔は0.02秒となる(点灯例5)。
また、放電ランプの定格電力が135Wのとき、定常周波数は540Hz、低周波の周波数は180Hz、挿入される波の数は2単位(1周期)、挿入される間隔は0.02秒となる(点灯例6)。
2 フルブリッジ回路
3 スタータ回路
4 制御回路
10 放電ランプ
11 発光部
12 封止部
13 金属箔
20 電極
21 突起
FH 定常周波数
FL 低周波数
Claims (8)
- 石英ガラスからなる放電容器内に、先端に突起が形成された一対の電極が2.0mm以下の間隔で対向配置して、この放電容器に0.20mg/mm3以上の水銀と、10―6μmol/mm3〜10−2μmol/mm3の範囲のハロゲンが封入された高圧放電ランプと、この放電ランプに対して60〜1000Hzの範囲から選択された定常周波数の交流電流を供給して定電力制御を行う給電装置から構成される高圧放電ランプ点灯装置において、
前記給電装置は、
前記定常周波数(FH)よりも低い周波数(FL)の交流電流を、定常周波数の交流電流の中に周期的に挿入するとともに、
その周波数(FL)は、当該放電ランプの点灯電流値が所定の下限値(ILmin)よりも小さいときは所定の下限周波数(FLmin)に設定され、放電ランプの点灯電流値が所定の上限値(ILmax)よりも大きいときは所定の上限周波数(FLmax)に設定され、放電ランプの点灯電流値が下限値(ILmin)と上限値(ILmax)の間にあっては当該点灯電流値に対応した周波数(FLsel)が選択設定されるとともに、
この選択設定された周波数(FLsel)は、点灯電流値(IL)が大きくなるにつれて変化幅(△FL)が増大するように大きくなる関係にあることを特徴とする高圧放電ランプ点灯装置。 - 前記給電装置は、
前記交流電流の定常周波数(FH)を、当該放電ランプの点灯電流値が所定の下限値(ILmin)よりも小さいときは所定の下限周波数(FHmin)に設定され、放電ランプの点灯電流値が所定の上限値(ILmax)よりも大きいときは所定の上限周波数(FHmax)に設定され、放電ランプの点灯電流値が下限値(ILmin)と上限値(ILmax)の間にあっては当該点灯電流値に対応した周波数(FHsel)が選択設定されるとともに、
この選択設定された周波数(FHsel)は、点灯電流値(IL)が大きくなるにつれて変化幅(△FH)が増大するように大きくなる関係にあることを特徴とする請求項1の高圧放電ランプ点灯装置。 - 前記周期的に挿入される交流電流の低い周波数(FL)は、放電ランプの点灯電流値(IL)の変化に応じて、ステップ的に変化することを特徴とする請求項1の高圧放電ランプ点灯装置。
- 前記給電装置は、前記放電ランプの定格電力値(WL)ごとに、点灯電流値(IL)とそれに対応した周波数(FL)の関係をテーブルとして保持していることを特徴とする請求項1の高圧放電ランプ点灯装置
- 前記テーブルは、前記放電ランプの累積点灯時間とともに変化することを特徴とする請求項4の高圧放電ランプ点灯装置。
- 前記テーブルは、前記放電ランプの累積点灯時間とともに、点灯電流値(IL)に対応した周波数(FLsel)が、初期に定めた周波数(FLsel)に比べて小さくなるように変化することを特徴とする請求項5の高圧放電ランプ点灯装置。
- 前記テーブルは、前記放電ランプの点灯中の電圧の一定の変動(ΔVL)を検出するとともに変化することを特徴とする請求項4の高圧放電ランプ点灯装置。
- 前記テーブルは、前記放電ランプの点灯中の電圧の一定の変動(ΔVL)を検出するとともに、点灯電流値(IL)に対応した周波数(FLsel)が、初期に定めた周波数(FL)に比べて小さくなるように変化することを特徴とする請求項7の高圧放電ランプ点灯装置。
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