JP2014123493A - 放電ランプ点灯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放電ランプを長時間点灯させた場合でも、フリッカーの発生を抑制することができ、長いフリッカー寿命が得られる放電ランプ点灯装置を提供する。
【解決手段】発光管と、この発光管内に互いに対向して配置された陽極および陰極と、前記発光管内に封入されたキセノンガスとを有し、前記陰極は、電子放射物質を有すると共に、炭素成分を有するショートアーク型の放電ランプ、この放電ランプに電力を供給する点灯回路、並びにこの点灯回路を制御する制御部を備えてなる放電ランプ点灯装置であって、前記制御部は、前記放電ランプが定常点灯していないときに、当該放電ランプを少なくとも１回以上短時間点灯させる短時間点灯動作を行う短時間点灯回路を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、放電ランプ点灯装置に関する。特に、映画館において映写機用光源として用いられる放電ランプ点灯装置に関する。

近年、映画館においては、フィルム映写機からデジタル映写機への置き換えが急速に進められている。そして、フィルム映写機およびデジタル映写機のいずれにおいても、光源としてショートアーク型キセノン放電ランプ等の放電ランプが広く用いられているが、フィルム映写機とデジタル映写機とでは、放電ランプに求められる輝度が異なっている。具体的に説明すると、デジタル映写機においては、インテグレーターロッドの端面に集光するにあたり、フィルム映写機と比較してより狭い範囲に集光することが必要である。このため、デジタル映写機用の放電ランプにおいては、より短くて細いアークを形成するために、希ガス（キセノン）が、フィルム映写機用の放電ランプよりも相当に高い圧力で封入されている。
このような放電ランプを備えた放電ランプ点灯装置としては、点灯開始時に放電ランプに供給される電流を制御する制御部を備えてなるもの（特許文献１参照。）、放電ランプに供給される電流を変化させることによって放電ランプを調光する制御部を備えてなるもの（特許文献２参照。）などが知られている。

ところで、キセノン放電ランプにおいては、例えば点灯時間が経過するに伴って陰極が変形することによって、フリッカーが生ずる。そして、放電ランプの使用開始からフリッカーが頻繁に発生するに到るまでの時間は、フリッカー寿命と呼ばれている。
従来、長いフリッカー寿命が得られるキセノン放電ランプとしては、先端面に、タングステン相中に縞状のタングステン炭化物相が形成された表層を有する陰極を備えてなるものが提案されている（特許文献３参照。）。

そして、映画館においては、デジタル映写機の普及により、専門的な特殊技能を有する映写技師以外の者であっても映写機の操作が可能となる。また、映画本編だけではなく広告など様々なフォーマットも再生できることから、一日の上映時間が長くなっており、これに伴って、光源である放電ランプも長時間連続して点灯されるようになっている。このため、デジタル映写機の光源としては、フリッカー寿命が一層長い放電ランプが望まれている。

特開２０１２−２２９９９号公報 特開２０１２−１６０３８７号公報 特開２０１２−１５０９５１号公報

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、放電ランプを長時間点灯させた場合でも、フリッカーの発生を抑制することができ、長いフリッカー寿命が得られる放電ランプ点灯装置を提供することにある。

本発明の放電ランプ点灯装置は、発光管と、この発光管内に互いに対向して配置された陽極および陰極と、前記発光管内に封入されたキセノンガスとを有し、前記陰極は、電子放射物質を有すると共に、炭素成分を有するショートアーク型の放電ランプ、
この放電ランプに電力を供給する点灯回路、並びに
この点灯回路を制御する制御部
を備えてなる放電ランプ点灯装置であって、
前記制御部は、前記放電ランプが定常点灯していないときに、当該放電ランプを少なくとも１回以上短時間点灯させる短時間点灯動作を行う短時間点灯回路を有することを特徴とする。

本発明の放電ランプ点灯装置においては、前記短時間点灯動作における総点灯時間は０．１〜７００秒間であることが好ましい。
また、前記短時間点灯動作における点灯回数が１〜２０回であることが好ましい。
また、前記短時間点灯動作における１回の短時間点灯の点灯時間が０．１〜５秒間であることが好ましい。
また、前記短時間点灯動作における点灯回数が２回以上である場合には、一の短時間点灯が終了してから後続の短時間点灯が開始するまでのオフ時間が１秒間以上であることが好ましい。

本発明の放電ランプ点灯装置によれば、制御部における短時間点灯回路によって、放電ランプが定常点灯していないときに、放電ランプを短時間点灯させる短時間点灯動作が行われることにより、放電ランプを長時間点灯させた場合でも、フリッカーの発生を抑制することができ、長いフリッカー寿命が得られる。

本発明の放電ランプ点灯装置の一例における構成の概略を示す説明図である。 図１に示す放電ランプ点灯装置に用いられる放電ランプの一例における構成を示す説明用断面図である。 炭化タングステン層が設けられた陰極本体を陽極本体と共に拡大して示す説明図である。 実施例における放電ランプ点灯装置における放電ランプのランプ電圧の振幅と点灯時間との関係を示すグラフである。

以下、本発明の放電ランプ点灯装置の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の放電ランプ点灯装置の一例における構成の概略を示す説明図である。この放電ランプ点灯装置は、例えば映画館においてデジタル映写機用の光源として用いられるものであって、放電ランプ１０と、この放電ランプ１０に電力を供給する点灯回路２０と、この点灯回路２０を制御する制御部５０とを備えてなる。

図２は、図１に示す放電ランプ点灯装置に用いられる放電ランプの一例における構成を示す説明用断面図である。
この放電ランプ１０は、ショートアーク型キセノン放電ランプであって、その発光管１１は、例えば石英ガラスにより構成されている。また、発光管１１は、内部に放電空間を形成する外形が略楕円球状の発光部１２と、この発光部１２の両端の各々に一体に連設された、管軸に沿って外方に伸びる円筒状の電極支持部１３と、電極支持部１３の各々の外端に一体に連接された、電極支持部１３の外径より大きい外径の封止部１４とを有する。

この発光管１１における発光部１２内には、それぞれ高融点金属例えばタングステンよりなる陽極１５および陰極１６が、互いに対向するよう配置されている。
具体的に説明すると、陽極１５は、発光管１１の管軸方向に沿って伸びる電極棒１５ｂと、この電極棒１５ｂの先端に設けられた陽極本体１５ａとにより構成されている。この陽極本体１５ａは、円柱状の胴部と円錐台状の先端部とによって構成されている。
一方、陰極１６は、発光管１１の管軸方向に沿って伸びる棒状の電極棒１６ｂと、この電極棒１６ｂの先端に設けられた陰極本体１６ａとにより構成されている。この陰極本体１６ａは、円柱状の後端部と略円錐状の先端部とにより構成されている。
そして、陽極１５および陰極１６は、陽極本体１５ａおよび陰極本体１６ａが互いに対向し、かつ、それぞれの電極棒１５ｂ，１６ｂが電極支持部１３および封止部１４を介して発光管１１の両端から突出するよう配置されている。また、電極棒１５ｂ，１６ｂにおける電極支持部１３に位置する部分の周面には、円筒状のガラス部材１７が設けられており、このガラス部材１７を介して電極棒１５ｂ，１６ｂが電極支持部１３に支持されている。
陽極１５および陰極１６間の距離（電極間距離）は、例えば２〜１０ｍｍである。

陰極本体１６ａには、電子を放出する機能が求められることから、仕事関数を低下させるエミッタ材である電子放射物質が含有されている。陰極本体１６ａに含有される電子放射物質としては、酸化トリウム（ＴｈＯ₂ ）、酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）などを用いることができる。
電子放射物質として酸化トリウムを用いる場合には、当該酸化トリウムは、動作温度（エミッタとして機能する温度）が高いため、陰極本体１６ａ全体或いは陰極本体１６ａにおける先端部のみに含有されていることが好ましい。
また、電子放射物質として酸化バリウム、酸化ストロンチウムまたは酸化カルシウムを用いる場合には、これらの電子放射物質は、動作温度が低いため、陰極本体１６ａの内部に含有されていることが好ましい。

陰極本体１６ａは炭素成分を有するものである。炭素成分を有する陰極本体１６ａの一形態としては、図３に示すように、陰極本体１６ａにおける先端の近傍に炭化タングステン層１６ｃが設けられた構成を挙げることができる。このような炭化タングステン層１６ｃが形成される位置は、陰極１６における陰極本体１６ａの先端面から軸方向に沿って少なくとも２ｍｍ後退した位置であることが好ましい。また、炭化タングステン層１６ｃの厚みは、１５〜１００μｍであることが好ましい。
陰極本体１６ａの先端に炭化タングステン層１６ｃを形成しない理由は、以下の通りである。融点の低い炭化タングステン（Ｗ₂ Ｃ若しくはＷＣ）を１５μｍ以上の厚みで先端に形成したときには、陰極本体１６ａにおける先端部の溶融量が過大となる。そのため、陰極本体１６ａの先端径が短時間で損傷して輝度が低下したり、炭化タングステン（Ｗ₂ Ｃ若しくはＷＣ）の蒸発によって発光管１２の内表面が黒化し、放射光の強度が低下することにより、早期にランプの寿命が到来したりする、という問題が引き起こされるからである。

発光管１１における発光部１２内には、発光ガスとしてキセノンガスが封入されている。キセノンガスの封入圧は、例えば静圧で０．５〜５．０ＭＰａである。また、発光部１２内には、水銀が封入されておらず、また、いわゆるハロゲンサイクル作用を利用しないものであるから、臭素等のハロゲンも封入されていない。
また、放電ランプ１０の定格電流は、例えば２５〜１７５Ａ、定格電圧は、例えば２０〜４５Ｖ、定格電力は、例えば１〜８ｋＷである。

図示の例の点灯回路２０は、いわゆるスイッチング方式によるものであり、ソフトスタート回路２１と、第１の整流・平滑回路２２と、インバータ回路２３と、トランス回路２４と、第２の整流・平滑回路２５と、イグナイタ２６とにより構成されている。
ソフトスタート回路２１は、放電ランプ１０の点灯時の突入電流を減少させるものである。このソフトスタート回路２１は、抵抗素子およびヒューズよりなる抵抗器Ｒと、制御部５０からの指令信号によって作動するスイッチング素子Ｓとを有する。
第１の整流・平滑回路２２は、ソフトスタート回路２１からの交流電力を直流電力に変換し、当該直流電力を平滑化するものである。この第１の整流・平滑回路２２は、４つの整流ダイオードＤ１〜Ｄ４よりなるブリッジ回路と、コンデンサＣ１とを有する。
インバータ回路２３は、第１の整流・平滑回路２１からの直流電力を、例えば２０〜１０００ｋＨｚの高周波電力に変換するものである。このインバータ回路２３は、制御部５０からの例えばパルス幅制御信号等によって作動する４つのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４よりなるブリッジ回路を有する。
トランス回路２４は、インバータ回路２３から一次側に入力された高周波電力の電圧を放電ランプ１０を点灯するために適した電圧に変圧して２次側から出力するものである。 第２の整流・平滑回路２５は、トランス回路２４の二次側から出力された高周波電力を直流電力に変化し、当該直流電力を平滑化するものである。この第２の整流・平滑回路２５は、２つの整流ダイオードＤ５，Ｄ６と、インダクタＬ１と、コンデンサＣ２とを有する。
イグナイタ２６は、放電ランプ１０の点灯始動時にのみ高電圧を印加するためのものである。

制御部５０は、点灯回路２０を制御する制御回路を有すると共に、放電ランプ１０が定常点灯していないときに、当該放電ランプ１０を少なくとも１回以上短時間点灯させる短時間点灯動作を行う短時間点灯回路を有するものである。

本発明の放電ランプ点灯装置においては、点灯回路２０におけるイグナイタ２６が動作すると、高電圧が放電ランプ１０の陽極１５および陰極１６の間に印加されて絶縁破壊が生じ、これにより、放電ランプ１０に電流が流れ始める。
絶縁破壊が生じた後においては、放電ランプ１０に流れるランプ電流の値が上昇し、グロー放電を経てアーク放電に移行する。そして、ランプ電流がピーク値まで達すると、陽極１５および陰極１６が十分な温度に上昇することにより、安定したアーク放電が形成される。その後、点灯回路２０から所要の直流電力が供給されることにより、放電ランプ１０の定常点灯が達成される。

そして、本発明の放電ランプ点灯装置においては、制御部５０の短時間点灯回路によって、放電ランプ１０が定常点灯していないときに、放電ランプ１０を少なくとも１回以上短時間点灯させる短時間点灯動作が所定のタイミングで行われる。
放電ランプ１０の短時間点灯動作は、例えば直流電流による一方の極性を有する単一パルス波の単数若しくは複数から構成される直流単一パルス波、若しくは直流単一パルス波群が、放電ランプ１０に供給されることによって実行される。直流単一パルス波は、急峻なランプ電流の上昇、下降による波形を形成する。この直流単一パルス波は、点灯回路２０および制御部５０の動作によって、放電ランプ１０定常点灯と同様のプロセスで放電ランプ１０に供給される。

以上において、短時間点灯動作が実行される所定のタイミングは、放電ランプ１０が定常点灯していないときであれば、放電ランプ１０の消灯後、または放電ランプ１０の点灯始動前など適宜設定することができる。
また、短時間点灯動作における放電ランプ１０の総点灯時間は、例えば０．１〜７００ｓである。

また、短時間点灯動作における点灯回数（短時間点灯動作において放電ランプ１０に供給される直流単一パルス波の数）は、１〜２０回（直流単一パルス波の数が１〜２０個）であることが好ましい。短時間点灯動作における点灯回数が２０回を超える場合には、陰極１６の損耗が激しくなって輝度の低下が発生したり、陽極１５への熱衝撃によってクラックが発生して短寿命の原因になったりする。

また、短時間点灯動作における１回の短時間点灯の点灯時間（放電ランプ１０に供給される直流単一パルス波の時間的長さ）は、０．１〜５秒間であることが好ましい。１回の点灯時間が０．１秒間未満である場合には、陰極１６の温度が十分に上昇せずに先端の活性化がなされない。一方、１回の点灯時間が５秒間を超える場合には、活性化された陰極１６の先端が改めて非活性の方向に進み、十分な短時間点灯の効果を得ることができない。

また、短時間点灯動作における点灯回数が２回以上である場合には、一の短時間点灯が終了してから後続の短時間点灯が開始するまでのオフ時間が１秒間以上であることが好ましく、より好ましくは５〜３０秒間である。このオフ時間が１秒間未満である場合には、陰極１６の温度が十分に下がりきらず、次の短時間点灯時に十分な熱衝撃が得られず、効果が得られない。

このような放電ランプ点灯装置によれば、制御部５０における短時間点灯回路によって、放電ランプ１０が定常点灯していないときに、放電ランプ１０を短時間点灯させる短時間点灯動作が行われることにより、放電ランプ１０を長時間点灯させた場合でも、放電ランプ１０のフリッカーの発生を抑制することができ、長いフリッカー寿命が得られる。

本発明の放電ランプ点灯装置において、放電ランプ１０のフリッカーの発生が抑制されて長いフリッカー寿命が得られる理由は定かではないが、例えば以下のように推測される。

（１）放電ランプ１０の消灯直後においては、陰極本体１６ａの表面形状は粗く荒れた状態である。そして、放電ランプ１０に対して短時間点灯動作を行うと、点灯による熱によって陰極本体１６ａの表面が溶融して滑らかな形状となる。このように、陰極本体１６ａの表面が滑らかな形状に修復されることにより、放電ランプ１０の点灯始動時において、円滑で速やかな始動オペレーションが行われる。これにより、陰極本体１６ａの先端が損耗しにくくなるので、フリッカーの発生が抑制される、と考えられる。

（２）陰極本体１６ａには、炭化タングステン層１６ｃなどによって炭素成分が含有されている。例えば炭化タングステンは、酸化物エミッタを還元して、エミッタとする機能を有する。そして、還元に使用された炭素は酸化物エミッタの酸素と結合し一酸化炭素もしくは二酸化炭素となりランプ中に供給される。この一酸化炭素もしくは二酸化炭素が放電アーク中に飛散すると、プラズマ中で分解されて炭素イオンとなる。この炭素イオンは陽イオンであるために陰極１６側に引き寄せられて、陰極本体１６ａの表面に衝突し、再び炭化タングステンとして堆積することとなる。ここで、陰極本体１６ａの表面に堆積した炭化タングステンは、通常のタングステンよりも融点が低いため、短時間の点灯であっても、点灯による熱によって溶融しやすい。従って、溶融しやすい炭化タングステンが短時間点灯によって溶融し、上記（１）の作用が補助されている、と考えられる。

（３）放電ランプ１０の消灯後においては、陰極本体１６ａの表面からエミッタが消失しているが、短時間点灯を行うと、点灯による熱によって、電子放射物質が還元され、陰極本体１６ａの表面に供給される。そして、放電ランプ１０の点灯始動時においては、陰極本体１６ａの表面にエミッタが供給されていることにより、円滑で速やかな始動オペレーションが行われる。これにより、陰極本体１６ａの先端が損耗しにくくなるので、フリッカーの発生が抑制される、と考えられる。

以上、本発明の放電ランプ点灯装置の実施の形態について説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されず、種々の変更を加えることが可能である。
例えば点灯回路は、図１に示すものに限定されず、種々の構成のものを採用することができる。

図２に示す構成に従い、下記の仕様の放電ランプ（ショートアーク型キセノン放電ランプ）を作製し、この放電ランプを用い、図１に示す構成に従って放電ランプ点灯装置を作製した。
放電ランプの仕様：
・発光管は石英ガラス製で、発光部の最大外径が４２ｍｍ、発光部の内容積が４０ｍｍ³ である。
・陽極および陰極の各々はタングステン製で、電極間距離が３．０ｍｍである。
・陰極本体全体には、電子放射物質として酸化トリウムが含有されている。
・陰極本体における先端の近傍に炭化タングステン層が設けられている。この炭化タングステン層が形成れた位置は、陰極本体の先端面から軸方向に沿って２ｍｍ後退した位置であり、炭化タングステン層の厚みは３０μｍである
・発光管内には、静圧で１．６ＭＰａのキセノンガスが封入されている。
・放電ランプの定格電流は７５Ａ、定格電圧は２４Ｖ、定格電力は１．８ｋＷである。

〈実験例１〉
上記の放電ランプ点灯装置を用い、下記の条件で放電ランプの定常点灯を繰り返し行うと共に、定常点灯の点灯始動前に、下記の条件で短時間点灯動作を行った。
定常点灯条件：
・放電ランプを２時間連続点灯させた後、３０分間消灯する動作を繰り返した。
短時間点灯動作条件：
・１回の短時間点灯の点灯時間（直流単一パルス波の時間的長さ）が１秒間、短時間点灯の点灯回数が５回（直流単一パルス波の数が５個）、短時間点灯の総点灯時間が５秒間、一の短時間点灯が終了してから後続の短時間点灯が開始するまでのオフ時間が１５秒間の条件で短時間点灯動作を行った。
そして、放電ランプにフリッカーが生じると、ランプ電圧の振幅（ランプ電圧の短時間の変動値）が大きくなることから、ランプ電圧の振幅と放電ランプの総点灯時間との関係を調べた。結果を実線にて図４に示す。
また、ランプ電圧の振幅が１．２Ｖ以上となるまでの総点灯時間をフリッカー寿命として測定した。その結果、放電ランプのフリッカー寿命は、２２００時間であった。

〈比較実験例１〉
短時間点灯動作を行わなかったこと以外は、実験例１と同様の条件で放電ランプを定常点灯させ、ランプ電圧の振幅と放電ランプの総点灯時間との関係を調べた。結果を点線にて図４に示す。
また、実験例１と同様にして放電ランプのフリッカー寿命を測定した。その結果、放電ランプのフリッカー寿命は、１５００時間であった。

以上の結果から明らかなように、放電ランプが定常点灯していないときに短時間点灯動作を行うことにより、放電ランプを長時間点灯させた場合でも、フリッカーの発生が抑制されて長いフリッカー寿命が得られることが確認された。

１０ 放電ランプ
１１ 発光管
１２ 発光部
１３ 電極支持部
１４ 封止部
１５ 陽極
１５ａ 陽極本体
１５ｂ 電極棒
１６ 陰極
１６ａ 陰極本体
１６ｂ 電極棒
１６ｃ 炭化タングステン層
１７ ガラス部材
２０ 点灯回路
２１ ソフトスタート回路
２２ 第１の整流・平滑回路
２３ インバータ回路
２４ トランス回路
２５ 第２の整流・平滑回路
２６ イグナイタ
３０ 交流電源
５０ 制御部
Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ
Ｄ１〜Ｄ６ 整流ダイオード
Ｌ１ インダクタ
Ｒ 抵抗器
Ｓ，Ｓ１〜Ｓ４ スイッチング素子

Claims (5)

1. 発光管と、この発光管内に互いに対向して配置された陽極および陰極と、前記発光管内に封入されたキセノンガスとを有し、前記陰極は、電子放射物質を有すると共に、炭素成分を有するショートアーク型の放電ランプ、
   この放電ランプに電力を供給する点灯回路、並びに
   この点灯回路を制御する制御部
   を備えてなる放電ランプ点灯装置であって、
   前記制御部は、前記放電ランプが定常点灯していないときに、当該放電ランプを少なくとも１回以上短時間点灯させる短時間点灯動作を行う短時間点灯回路を有することを特徴とする放電ランプ点灯装置。
2. 前記短時間点灯動作における総点灯時間は０．１〜７００秒間であることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ点灯装置。
3. 前記短時間点灯動作における点灯回数が１〜２０回であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の放電ランプ点灯装置。
4. 前記短時間点灯動作における１回の短時間点灯の点灯時間が０．１〜５秒間であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の放電ランプ点灯装置。
5. 前記短時間点灯動作における点灯回数が２回以上であり、一の短時間点灯が終了してから後続の短時間点灯が開始するまでのオフ時間が１秒間以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の放電ランプ点灯装置。

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