JP4345401B2 - 高圧水銀ランプ装置 - Google Patents
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Description
本発明は、ディスプレイ装置等の光源に使用される高圧水銀ランプ装置に関する。
近年、液晶プロジェクタやＤＭＤ（ディジタルマイクロミラーデバイス）（登録商標）を用いたプロジェクタに代表される投射型ディスプレイ装置においては、光源に対して放物形状や楕円形状のリフレクタを配置し、平行光または収斂光を投射している。このようなディスプレイ装置においては、スクリーンに投影された映像の照度を向上させることが要求されており、光源の高輝度化が求められている。このような要請から、光源としては、発光管の内部に０．１６ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀を封入し、点灯時の発光管内部圧力を１５ＭＰａ以上という高圧条件下において、ショートギャップでアークの拡がりを抑制した性能を有する、高圧水銀ランプが好適に使用されている。
特開２０００−１３３２０６号公報
上記のような高圧水銀ランプにおいては、始動時においてグロー放電からアーク放電への移行を容易にするために、電極先端の近傍にコイルを放電空間に露出して設けられるものが多い。このようなランプを、ランプ点灯装置によって始動初期に直流電流を流して点灯させた場合、始動時に陰極として動作させる側の電極に設けられたコイルが蒸発し、蒸発物がコイル付近の発光管の管壁に付着し、発光管を黒化させてしまう。このため、発光管の黒化により光透過率が低下し、使用寿命が極めて短いものとなってしまう。
本発明者らが鋭意調査したところによると、コイルからの蒸発物による発光管の汚染は、とりわけランプの始動時に発生することが判明した。以下に、発光管の汚染の原因について説明する。
図６は、陰極の先端近傍にコイルが設けられた高圧水銀ランプにおいて、始動時に直流領域を有する始動方式で始動させた場合の、始動から定常点灯に至るまでの電流の推移を示す図である。
同図に示すように、まず、絶縁破壊後、直流領域で陰極となる電極の表面から水銀が蒸発して放電が開始され、電極表面に付着していた水銀が蒸発して、数十Ｖの水銀アーク放電が行われる（水銀アーク領域）。次に、水銀が完全に蒸発して枯渇すると、数百Ｖのグロー放電が行われる（グロー放電領域）。グロー放電により陰極が十分加熱されると、陰極からの熱電子の放出が容易となり、ついには数十Ｖのランプ電圧を有するアーク放電に移行する（熱アーク領域）。
同図に示すように、まず、絶縁破壊後、直流領域で陰極となる電極の表面から水銀が蒸発して放電が開始され、電極表面に付着していた水銀が蒸発して、数十Ｖの水銀アーク放電が行われる（水銀アーク領域）。次に、水銀が完全に蒸発して枯渇すると、数百Ｖのグロー放電が行われる（グロー放電領域）。グロー放電により陰極が十分加熱されると、陰極からの熱電子の放出が容易となり、ついには数十Ｖのランプ電圧を有するアーク放電に移行する（熱アーク領域）。
ここで、陰極に付着した水銀が蒸発してしまった直後のグロー放電領域においては、コイルの後端部近傍が特に加熱される場合がある。この加熱された箇所は易電子放出部となるため放電の起点となり易い。そのため、この放電起点となったコイルの後端部と陽極との間で放電が開始されると、このコイル後端部から蒸発物が飛散し、コイル後端部と発光管管壁が近接しているため、発光管の管壁に付着し黒化させてしまう。
このような現象が、ランプの点灯動作毎に繰り返し発生すると、発光管の黒化が進行して光透過率を低下させ、結果として、ランプが短寿命となってしまう。
このような現象が、ランプの点灯動作毎に繰り返し発生すると、発光管の黒化が進行して光透過率を低下させ、結果として、ランプが短寿命となってしまう。
本発明の目的は、グロー放電から熱アーク放電に移行するまでの間において、コイルから蒸発する蒸発物によって発光管内壁が黒化されることを軽減し、よって発光管の光透過率の低下を抑制し、長寿命の高圧水銀ランプ装置を提供することにある。
本発明は、上記の課題を解決するために、次のような手段を採用した。
第１の手段は、石英ガラスからなる発光管の内部に一対の電極を対向配置し、少なくとも一方の電極に放電空間に露出してなるコイルを設け、発光物質として０．１６ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀を封入してなる高圧水銀ランプと、該高圧水銀ランプを点灯する点灯装置とを備える高圧水銀ランプ装置において、前記コイルと前記発光管の管壁との最短距離をＬ（ｍｍ）、始動初期に前記高圧水銀ランプに流す直流電流の最大電流値をＩ（Ａ）とすると、前記最大電流値Ｉ（Ａ）は０．５以上であり、０．５≦Ｉ＜４の範囲において、Ｌ≧０．３５、Ｉ≧４の範囲において、Ｌ≧０．１２５Ｉ−０．１５、としたことを特徴とする。
第１の手段は、石英ガラスからなる発光管の内部に一対の電極を対向配置し、少なくとも一方の電極に放電空間に露出してなるコイルを設け、発光物質として０．１６ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀を封入してなる高圧水銀ランプと、該高圧水銀ランプを点灯する点灯装置とを備える高圧水銀ランプ装置において、前記コイルと前記発光管の管壁との最短距離をＬ（ｍｍ）、始動初期に前記高圧水銀ランプに流す直流電流の最大電流値をＩ（Ａ）とすると、前記最大電流値Ｉ（Ａ）は０．５以上であり、０．５≦Ｉ＜４の範囲において、Ｌ≧０．３５、Ｉ≧４の範囲において、Ｌ≧０．１２５Ｉ−０．１５、としたことを特徴とする。
請求項１に記載の発明によれば、石英ガラスからなる発光管の内部に一対の電極を対向配置し、少なくとも一方の電極に放電空間に露出してなるコイルを設け、発光物質として０．１６ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀を封入してなる高圧水銀ランプと、該高圧水銀ランプを点灯する点灯装置とを備える高圧水銀ランプ装置において、前記コイルと前記発光管の管壁との最短距離をＬ（ｍｍ）、始動初期に前記高圧水銀ランプに流す直流電流の最大電流値をＩ（Ａ）とすると、前記最大電流値Ｉ（Ａ）は０．５以上であり、０．５≦Ｉ＜４の範囲において、Ｌ≧０．３５、Ｉ≧４の範囲において、Ｌ≧０．１２５Ｉ−０．１５としたので、即ち、コイルと発光管の管壁との最短距離Ｌと始動初期に高圧水銀ランプに流す直流電流の最大電流値をＩとの関係を上記の範囲に設定したので、コイルからの蒸発物によって発光管内壁が黒化されることを軽減し、その結果として、発光管の光透過率の低下を抑制し、長寿命の高圧水銀ランプ装置を提供することが可能となる。
本発明の一実施形態を図１乃至図５を用いて説明する。
図１は、本実施形態の発明に係る高圧水銀ランプの構成を示す図であり、図２は図１に示した高圧水銀ランプの電極近傍の拡大図である。
図１は、本実施形態の発明に係る高圧水銀ランプの構成を示す図であり、図２は図１に示した高圧水銀ランプの電極近傍の拡大図である。
これらの図において、１は石英ガラスからなり、概略楕円球形からなる放電空間を有する高圧水銀ランプの発光管の発光管部、２，２は発光管部１の両端部から伸びるように形成された側管部、３は発光管部１内に陽極４と対向配置された陰極、３１は陰極３のリード棒５の先端より所要距離後退した部分に、例えば、タングステン等からなり、カシメ、溶接等の手段によって固定されたコイル、４は発光管部１内に陰極３と対向配置された陽極、５，５は電極３，４に連接されたリード棒、６，６は側管部２，２に埋設されリード棒５，５の基端部と接続された金属箔、７，７は外部リード、Ｌはコイル３１と発光管部１の管壁間との最短距離（ｍｍ）である。
また、発光管部１内には、０．１６ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀、希ガス、ハロゲンガスが封入されている。
また、発光管部１内には、０．１６ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀、希ガス、ハロゲンガスが封入されている。
図３は、本発明の高圧水銀ランプを点灯するために用いられる点灯装置を示す図である。
同図において、Ｕｂは安定器またはバラストと呼ばれる降圧チョッパ方式の給電回路であり、この給電回路Ｕｂは、その入力端子にＤＣ定電圧電源Ｕａが接続され、出力端子Ｔ１，Ｔ２にはイグナイターＵｅを介して、高圧水銀ランプの外部リード７，７が接続されている。給電回路Ｕｂは、ＦＥＴ等のスイッチ素子ＱｂによってＤＣ電源Ｕａからの電流をオン・オフし、スイッチ素子ＱｂがオンのときはチョークコイルＬｂを介して電流を流し、オフのときはチョークコイルＬｂの誘導作用によりダイオードＤｂを介して平滑コンデンサＣｂへの充電と高圧水銀ランプへの電流供給を行っている。
同図において、Ｕｂは安定器またはバラストと呼ばれる降圧チョッパ方式の給電回路であり、この給電回路Ｕｂは、その入力端子にＤＣ定電圧電源Ｕａが接続され、出力端子Ｔ１，Ｔ２にはイグナイターＵｅを介して、高圧水銀ランプの外部リード７，７が接続されている。給電回路Ｕｂは、ＦＥＴ等のスイッチ素子ＱｂによってＤＣ電源Ｕａからの電流をオン・オフし、スイッチ素子ＱｂがオンのときはチョークコイルＬｂを介して電流を流し、オフのときはチョークコイルＬｂの誘導作用によりダイオードＤｂを介して平滑コンデンサＣｂへの充電と高圧水銀ランプへの電流供給を行っている。
ゲート駆動回路Ｇｂからスイッチ素子Ｑｂに出力されるゲート信号は、高圧水銀ランプの陰極３と陽極４間を流れる放電電流、陰極３と陽極４間の電圧、または前記電流と前記電圧の積であるランプ電力が、その時点における高圧水銀ランプの状態に応じて適切な値となるように、適当なデューティサイクル比を有するように制御される。
始動に先立って高圧水銀ランプに印加されている無負荷開放電圧がイグナイターＵｅのコンデンサＣｅに印加され、コンデンサＣｅは充電される。高圧水銀ランプを始動する場合は、適当なタイミングでゲート駆動回路Ｇｅによってサイリスタ等のスイッチ素子Ｑｅを導通させると、コンデンサＣｅの電荷が急速に放電して、高圧トランスＴｅの２次側巻線Ｓｅに高圧のパルス電圧が発生する。この高圧パルス電圧が無負荷開放電圧に重畳されて高圧水銀ランプの陰極３と陽極４に印加され、高圧水銀ランプは放電を開始する。
次に、図２に示すように、コイル３１と発光管部１の管壁間の最短距離Ｌ（ｍｍ）が異なる、定格消費電力が１５０〜３００Ｗの高圧水銀ランプを多数作製し、これらのランプを始動初期に流す直流電流の最大電流値（以下、簡単に「最大直流電流値」という）Ｉ（Ａ）が３〜６．５Ａの範囲で変化した点灯装置を用いて、前記各高圧水銀ランプを１００回点灯させた時の発光管の黒化度合いについての実験を行った。
ここで、最大直流電流とは、始動時の直流電流としては、一定の直流電流の他に、直流電流が階段状に増加させる場合もあるので、その場合は、階段状の直流電流の最大電流を指す。
また、始動時、直流電流で始動するのは、陰極となる電極が固定され、固定された電極が優先的に暖められるので、交流始動のように交互に陰極が暖められる場合より、グロー放電時間を短くすることができるためであり、始動後は、直流または交流で点灯される。
また、始動時、直流電流で始動するのは、陰極となる電極が固定され、固定された電極が優先的に暖められるので、交流始動のように交互に陰極が暖められる場合より、グロー放電時間を短くすることができるためであり、始動後は、直流または交流で点灯される。
図４は、上記の実験の結果を示す表である。
ここで、黒化の状態は、目視により判定したものであり、「○」は発光管部１内壁に付着物がほとんど認められなかったものであり、「×」は付着物が認められ、明らかに黒化が認められたものである。
ここで、黒化の状態は、目視により判定したものであり、「○」は発光管部１内壁に付着物がほとんど認められなかったものであり、「×」は付着物が認められ、明らかに黒化が認められたものである。
同図から明らかなように、最大直流電流値Ｉが３〜４Ａまでの範囲では最短距離Ｌが０．３ｍｍ以内でしか黒化が認められないが、最大直流電流値Ｉが５Ａになると最短距離Ｌが０．３５ｍｍ、最大直流電流値Ｉが６Ａになると最短距離Ｌが０．４ｍｍ、最大直流電流値Ｉが６．５Ａになると最短距離Ｌが０．６ｍｍにおいても黒化が認められるようになった。
図５は、図４に示した実験結果をまとめたものであり、最大直流電流Ｉ（Ａ）と最短距離Ｌ（ｍｍ）との関係を示す図である。
同図に示すように、最大直流電流値Ｉが４Ａ未満である場合は、即ち、０．５≦Ｉ＜４の範囲においては、最短距離Ｌを０．３５ｍｍ以上にすれば黒化を回避することができることが分かる。これは電流値を小さく抑えることにより、コイル後端部が過剰に加熱されることが抑制され、コイルの蒸発を抑えることができるためと考えられる。なお、ここで、最大直流電流Ｉの下限値を０．５Ａとしたのは、０．５Ａ未満では電流が低すぎて、放電が持続しないためである。
また、最大直流電流値Ｉが４Ａ以上の場合は、即ち、Ｉ≧４の範囲においては、Ｌ≧０．１２５Ｉ−０．１５となるように電流値の増大と共に、最短距離Ｌを制御することにより、コイルからの蒸発物が管壁に付着することを回避することができ、発光管の黒化を抑制することができるようになる。
同図に示すように、最大直流電流値Ｉが４Ａ未満である場合は、即ち、０．５≦Ｉ＜４の範囲においては、最短距離Ｌを０．３５ｍｍ以上にすれば黒化を回避することができることが分かる。これは電流値を小さく抑えることにより、コイル後端部が過剰に加熱されることが抑制され、コイルの蒸発を抑えることができるためと考えられる。なお、ここで、最大直流電流Ｉの下限値を０．５Ａとしたのは、０．５Ａ未満では電流が低すぎて、放電が持続しないためである。
また、最大直流電流値Ｉが４Ａ以上の場合は、即ち、Ｉ≧４の範囲においては、Ｌ≧０．１２５Ｉ−０．１５となるように電流値の増大と共に、最短距離Ｌを制御することにより、コイルからの蒸発物が管壁に付着することを回避することができ、発光管の黒化を抑制することができるようになる。
１ 発光管部
２ 側管部
３ 陰極
３１ コイル
４ 陽極
５ リード棒
６ 金属箔
７ 外部リード
Ｌ コイルと発光管部の管壁間の最短距離
Ｕｂ 給電回路
Ｕａ ＤＣ定電圧電源
Ｔ１，Ｔ２ 給電回路Ｕｂの出力端子
Ｕｅ イグナイター
Ｑｂ，Ｑｅ スイッチ素子
Ｌｂ チョークコイル
Ｄｂ ダイオード
Ｃｂ 平滑コンデンサ
Ｇｂ，Ｇｅ ゲート駆動回路
Ｃｅ コンデンサ
Ｔｅ 高圧トランス
Ｓｅ ２次側巻線
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Claims (1)
- 石英ガラスからなる発光管の内部に一対の電極を対向配置し、少なくとも一方の電極に放電空間に露出してなるコイルを設け、発光物質として０．１６ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀を封入してなる高圧水銀ランプと、該高圧水銀ランプを点灯する点灯装置とを備える高圧水銀ランプ装置において、
前記コイルと前記発光管の管壁との最短距離をＬ（ｍｍ）、始動初期に前記高圧水銀ランプに流す直流電流の最大電流値をＩ（Ａ）とすると、
前記最大電流値Ｉ（Ａ）は０．５以上であり、０．５≦Ｉ＜４の範囲において、Ｌ≧０．３５、Ｉ≧４の範囲において、Ｌ≧０．１２５Ｉ−０．１５、としたことを特徴とする高圧水銀ランプ装置。
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