用于高压放电灯的发光方法和装置以及高压放电灯装置 【技术领域】
本申请基于在日本提交的专利申请No.2002-96613，其内容通过引用结合于本文中。
本发明涉及一种用于高压放电灯的发光方法和装置，还涉及一种高压放电灯装置。背景技术
近年来，投影显示装置如液晶投影机有了很大的发展。用于投影显示装置的优选光源是接近点源的高强度光源。因此，投影显示装置通常使用高压短弧放电灯，例如所谓的高压水银灯。用于操作这种高压放电灯的发光电路例如是全桥配置(提供矩形波电压)的电子镇流器。
为了满足近来对与点源相当的高压放电灯的需求，一直在进行对具有短弧长的高压放电灯的开发。例如，在额定功率为150瓦的高压水银灯地情况下，电极距离从1.5-2.0毫米的传统电极距离缩短到1.5毫米或更小。然而令人遗憾的是，本发明的发明人注意到与这种额定功率为150瓦和电极距离为1.5毫米或更小的灯相关的问题，例如，在本发明的发明人所进行的寿命试验中，一些这种灯在500小时内就显示出放电管存在异常变黑。发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于高压放电灯的发光方法，用于高压放电灯的发光电路，以及高压放电灯装置，所有这些均不会出现上述的放电管的异常变黑。
上述目的通过根据本发明的用于高压放电灯的发光方法来实现。高压放电灯由放电管构成，放电管充有水银、稀有气体和卤素材料，并在其中设置了一对电极。发光方法包括：放电转换检测步骤，其中可检测一对电极间的放电是否在开始放电后和水银完全蒸发前已经转换到电弧放电；电压升高检测步骤，其中可在检测到已转换到电弧放电后和水银完全蒸发前检测灯电压是否已经升高到超过预定的水平；以及电流降低步骤，其中当在电压升高检测步骤中检测到灯电压超过预定水平时降低灯电流。
根据本发明的用于高压放电灯的发光方法，在检测到异常放电时降低灯电流。通过这种设置，可减少对电极根部的冲击，因此可以抑制会由异常放电所引起的放电管的变黑。附图说明
从下述介绍中并结合显示了本发明一个特定实施例的附图，可以清楚本发明的这些和其它目的、优点和特征。
在附图中：
图1是显示了异常放电状态的示意图；
图2是显示了本发明实施例的高压放电水银灯100的结构的视图；
图3是显示了灯部件的结构的部分剖开的视图；
图4是显示了本发明实施例的发光装置的一个代表性结构的视图；
图5是在用作控制电路502的微型计算机上运行的程序的代表性处理的流程图；
图6是在用于灯电流切断控制的微型计算机上运行的程序的代表性处理的流程图；和
图7是显示具有150瓦的额定功率的高压放电水银灯在异常放电期间的测量结果的表，即开始放电和发生异常放电之间的时间、异常放电的持续时间以及异常放电时的灯电压。具体实施方式
在具体涉及本发明的实施例之前，先介绍本发明人为实现本发明所进行的研发。首先，为了弄清楚上述放电管变黑的原因，本发明的发明人目测检查了灯工作的初始阶段中的放电状态。检查的结果是，已经发现与发生在一对电极顶部之间的理想放电不同，放电发生在一个电极的顶部和另一电极的根部，如图1所示。
在这种放电(在下文中将称为“异常放电”)期间，游离的离子轰击电极根部，使得电极材料钨从电极根部溅出。这种现象被认为是在灯工作的初始阶段所发生的放电管异常变黑的原因。本发明的发明人研究了异常放电期间的灯电压，得到了下面的结论。也就是说，在正常放电期间，在初始阶段首先发生辉光放电，然后在转换到电弧放电阶段时电压下降。然而，异常放电期间测得的灯电压要比电弧放电阶段的灯电压高很多。
另外，通过研究这种异常放电的持续时间，可对异常放电的原因做出下面的假定。即，由于灯开始工作后立刻发生剧烈的蒸发，因此水银蒸气并不是均匀地分布，因而只覆盖了电极顶部或沉积在电极顶部。这样，在电极顶部之间的放电不大可能保持，由于根部没有被水银蒸气覆盖，最终使得电子从阴极的根部发射。这种现象不仅在起动灯电流是直流电或低频交流电时发生，而且还在起动电流是高频交流电时发生。
本发明人通过下面的假定得到本发明：(1)放电管的异常变黑是在异常放电时由游离的离子轰击电极根部所造成的；(2)异常放电的发生可通过监测灯电压来检测；以及(3)异常放电是由覆盖了电极顶部的水银所造成的。本发明基于在预定时限内检测到灯电压升高(发生异常放电)时降低灯电流的技术思想。此预定时限根据放电开始到水银完全蒸发所需的过渡期来确定。应当理解，本发明不同于用于防止灯电极的过度损坏、灯破损或发光电路发生故障的过电压保护/切断功能。
在本发明的一个方面，用于高压放电灯的第一发光方法用于使具有发光管的高压放电灯发光，发光管在其中设有两个电极，并充有水银、稀有气体和卤素材料。根据第一发光方法，在过渡状态的预定时限内，当在一对电极间的放电转换到电弧放电阶段后检测到灯电压超过预定的水平时，降低灯电流。过渡状态始于放电开始，并持续到水银完全蒸发。
应当注意的是，这里所用的用语“降低”灯电流覆盖了将灯电流降低到零的概念，即“切断”灯电流。然而在优选实施例的下述介绍中，出于方便的原因，将灯电流降低到零称为“切断”，而将灯电流降低到不为零称为“降低”。此外，灯电流降低控制可以在检测到灯电压已经升高到超过预定水平后立刻进行。或者，灯电流降低控制可在灯电压升高并保持高位一段时间后进行，以防止响应于噪音而无用地进行灯电流控制。不必要特别限定灯电压应当保持在高位多久后再进行灯电流降低控制。
这里，各个灯的到水银完全蒸发所需的具体时间长度取决于技术标准。因此，显然希望考虑到例如异常放电的状态而根据经验来确定时限的持续长度。然而一般来说，从一对电极间的最近发生的介质击穿开始约5秒的持续时间就足以符合实际了。这里，介质击穿特别描述为“最近”发生的，这是因为介质击穿在放电渐弱的情况下可不止一次地发生。此外，预定时限的持续时间可以是“5秒”。这是因为对于粘附在电极顶部的水银响应放电管中的温度升高而完全蒸发来说，通常需要约5秒，因此降低了异常放电的可能性。
另外，应考虑到异常放电时的灯电压高于正常电弧放电阶段的电压的上述发现来确定灯电压的“预定水平”。因此，可确定“预定水平”使其位于电弧放电时的灯电压和异常放电时的灯电压之间。在一个特定示例中，预定水平可以确定为等于额定灯电压，或等于额定灯电压的50％。或者，预定水平可以根据经验来确定。
此外，还要注意下面几点。异常放电可发生在电极间的放电转换到电弧放电阶段之前，因此在灯开始工作后立刻发生。另外，对首先发生在电极之间的辉光放电的持续时间、即辉光放电转换成电弧放电之前所用的时间来说存在着固定的上限，这适用于大部分的灯。考虑到上述各点，本发明的发明人已经发现，本发明的用于高压放电灯的第二发光方法也很有效。
在本发明的另一方面，用于高压放电灯的第二发光方法用于使具有发光管的高压放电灯发光，发光管在其中设有一对电极，并充有水银、稀有气体和卤素材料。根据第二发光方法，在过渡状态的第一预定时限内，当在经过第二预定时限后检测到灯电压超过了预定水平时，降低灯电流。过渡状态始于放电开始，并持续到水银完全蒸发。第二预定时限确定成位于第一预定时限内。预定水平高于正常电弧放电阶段的灯电压。这里所用的用语“降低”灯电流覆盖了“切断”灯电流。另外，“第一预定时限”可理解为“始于放电开始并持续到水银完全蒸发的过渡状态中的一个预定时限”。
这里，“第二预定时限”的持续时间根据初始发生在电极间的正常辉光放电(在下文中这种辉光放电称为“初始辉光放电”)的持续时间来确定。例如，在初始辉光放电最长持续2毫秒的灯的情况下，第二预定时限的持续时间确定为2毫秒。然而，各个灯的第二预定时限的最佳持续时间也可以不同，这例如取决于技术标准。因此，最好根据经验来确定第二时限的持续时间。
应注意到在灯电流一旦被“切断”的情况下，最好是重新起动灯工作。最好是灯的工作很快就重新起动。通过各种研究，本发明的发明人已经发现，灯的工作最好是在2秒内重新起动。这是由于在切断电流之前已产生的游离离子和电子在2秒内减少。如果已损失了许多游离离子和电子，无法容易地重新起动灯的工作。因此，在重新起动灯工作之前所允许经过的时间不会总是“2秒”，例如可取决于技术标准而使各个灯的这个时间不同。
在本发明的另一个方面，高压放电灯装置包括本发明的发光装置。这里，这种高压放电灯装置的特定示例包括采用高压放电灯作为光源的各种类型的液晶投影机、通用的照明设备、汽车前灯、医用照明设备，以及用于紫外线可固化的树脂的固化设备。另外，本发明的高压放电灯装置在投入市场时可带有或不带有装置原来配有的高压放电灯。在带有高压放电灯的情况下，高压放电灯装置可设置连接灯的插座，或不设置插座而使灯与装置的发光电路直接相连。
应注意到，异常放电更显著地出现在弧长为1.5毫米或更短的灯中。这是因为一个电极的顶部和另一电极的根部之间的距离相对较短，因此在它们之间更容易产生放电。然而自然可以理解，本发明不仅可应用于弧长为1.5毫米或更短的灯，而且可应用于具有传统弧长的灯。具有传统弧长的灯并不能完全消除发生异常放电的可能性。优选实施例
下面将参考附图并主要通过用于高压放电灯的发光方法的优选实施例来对本发明进行介绍。首先将对作为高压放电灯的一个示例的高压水银灯的结构进行介绍。图2是显示了此实施例使用的高压水银灯100的结构的视图。如图所示，高压水银灯100包括放电管101，放电管在其中封闭有放电空间111。两个电极102和103分别从放电管101的密封部分104和105处向内延伸，从而在放电空间111中互相面对，且之间存在预定的电极距离(De)。各电极102和103由钨制电极棒形成，电极棒具有安装在放电端周围的钨圈。顶部被加热到使该钨圈熔化成圆顶形。在此实施例中，电极棒的直径为0.4毫米，长度为7.0毫米(在形成顶部之前)，钨圈由直径为0.275毫米的线形成双层的6个圈(在形成顶部之前)。
放电管101包括石英制成的管壳，并具有大致球形的形状。钨电极102和103分别固定地连接到密封部分104和105上，使得密封了放电空间111，并连接到嵌入在管中的钼片106和107的第一端。钼片106和107的第二端分别连接到外部钼引线108和109上。放电管101的内径(Di)为4.4毫米，内容积为0.06立方厘米。电极距离(De)即钨电极102和103之间的距离为1.1毫米。
放电空间111充有用作发光材料的水银110、作为启动辅助的稀有气体如氩气，以及卤族元素溴。在此实施例中，水银110的量为13.8毫克(近似等于在灯稳定工作下23兆帕的水银蒸气压力)。在灯冷下来的条件下氩气的压力为20千帕，溴的量为1.0×10-6摩尔/立方厘米。
现在参考图3，所完成的灯200包括放电管101，在其一端连接有端盖120。在所完成的灯200上连接反射镜210，构成了灯部件300。
接下来将详细介绍根据本发明的用于操作高压放电灯的发光方法、发光装置及其它技术(在下文中前者简称为“发光方法”，后者简称为“发光装置”)。(1)发光装置的结构
图4是显示了根据此实施例的发光装置的结构的框图。如图所示，此实施例的发光装置400包括直流电源电路450和发光电路500，并可用家用100伏交流电源600来使灯100工作。
直流电源电路450可包括整流电路，以从交流电源600中产生直流电压。在由微型计算机构成的控制电路502所施加的控制下，直流/直流变换器501向直流/交流逆变器503提供预定水平的直流电流。直流/交流逆变器503也在控制电路502的控制下产生预定频率的矩形波电压，并将其提供给灯100。用于起动灯100的高压发生器504例如包括电源变压器，其可向灯100提供所产生的高电压，以便在电极之间产生介质击穿，从而开始放电。
在此实施例中，在产生初始放电即在灯100的电极之间产生辉光放电时，灯电压检测器506向控制电路502发出表示放电开始的检测信号。控制电路502包括异常放电检测器5021。异常放电检测器5021通过在控制电路502(微型计算机)上运行的程序来实现其功能。控制电路502所进行的处理将在下文中进行介绍。
在稳定工作状态下，由灯电流检测器505和灯电压检测器506发出的检测信号送到控制器5022中。响应于检测信号，控制器5022发出信号给直流/直流变换器501，从而控制灯功率。这里所进行的控制是恒定功率控制。更具体地说，控制器5022将灯电流检测器505所检测到的电流和灯电压检测器506所检测到的电压的乘积与储存在控制电路502中的内存储器(未显示)中的基准功率进行比较。根据比较的结果，控制器5022控制直流/直流变换器501的输出电流(负荷比)，以使灯功率保持恒定。(2)发光装置的处理
接下来将详细介绍在用作控制电路502的微型计算机上运行的程序的处理步骤。图5是显示了程序的处理步骤的一个示例的流程图。
图中所示的处理在接通电源时开始。当在灯100的电极之间施加预定电压时，控制电路502输出起动脉冲(S101)。控制电路502然后判断灯电压是否为300伏或更低(S102)，以便检测灯工作的开始，即在电极之间形成初始辉光放电。当灯电压未降到300伏或更低时(S102：否)，可以断定尽管输出了起动脉冲但放电未能发生。在这种情况下，控制电路502再次输出起动脉冲(S101)。
另一方面，当灯电压低于300伏(S102：是)时，控制电路502进一步判断灯电压是否已经降到30伏或更低(S104)，以便检测放电是否已经转换到电弧放电阶段。应注意到在步骤S104和S102之间、即在辉光放电已经开始后一定会存在2毫秒的时间(S103)。这是因为此实施例的灯100的初始辉光放电最长进行2毫秒。
当在2毫秒后判断灯电压为30伏或更低(S104：是)时，控制电路502断定放电已经成功地转换到电弧放电阶段，因此进行正常灯工作的功率控制(S105)。然而，当在2毫秒后灯电压超过30伏(S104：否)时，可断定发生了异常放电，而未发生从初始辉光放电阶段到电弧放电阶段的放电转换。
因此，控制电路502使电流降低(S106)。在此实施例中，发光装置进行恒定功率控制，通过将用于恒定功率控制的基准功率改变到较小值而使灯电流降低。灯电流降低控制持续地进行，直到在步骤S104中判断灯电压降到30伏或更低，即放电转换到正常电弧放电。然而作为选择，也可以只在预定的时限进行灯电流降低控制。
当灯电压最终降到30伏或更低时(S104：是)，控制电路502进行正常灯工作的功率控制(S105)。此后，控制电路502判断灯是否已经工作了至少5秒(S107)。当工作时间少于5秒时(S107：否)，处理回到步骤S104。在此时灯电压超过30伏的情况下(S104：否)，可以断定在一旦放电转换到电弧放电阶段后就会发生异常放电。因此，控制电路502进行灯电流降低控制(S106)。
在灯工作了5秒后，可假设将不再发生异常放电。因此，控制电路502进行正常灯工作的功率控制(S108)，在检测到灯电压达到预定为异常电压的水平(检测到异常条件如电极损坏的阈值)时(S109：是)切断电流(S110)。这就实现了所谓的过电压保护/切断功能，这种功能通常设置在传统的发光电路中，以便防止灯电极的过度损坏、灯破损或发光电路出现故障。在这种情况下，除非进行外部控制，否则灯无法重新起动。
在上述示例中，在发生异常放电时进行灯电流降低控制。或者可进行灯电流切断控制，以便在发生异常放电时切断灯电流的供应。图6是显示了在微型计算机上运行的用于进行灯电流切断控制的程序的处理步骤的一个示例的流程图。在图中所示的步骤中，将省略与灯电流降低控制相类似的步骤的介绍。
在灯电流切断控制过程中，当灯电压超过30伏(S104：否)时，控制电路502停止提供灯电流(S1061)，因此暂时中止了放电。在图6所示的示例中，下一个步骤是判断在中止后是否已经过去1.5秒(S1062)。在过了1.5秒后，处理回到步骤S101，重新起动灯工作。
虽然在上述示例中灯的工作在过了1.5秒后重新开始，然而没有必要将时限限定在1.5秒。还应当注意到，一旦放电发生，在放电空间中会产生一定量的游离离子和电子，使得放电容易进行。在过了很长时间才重新起动灯工作的情况下，已经存在的游离离子和电子将丧失，因此放电空间回到放电难以开始的状态。考虑到上述各点，在此实施例中，在过了1.5秒后重新起动灯工作。本发明的发明人通过所进行的研究已经确认，优选的时间是2秒或更短。然而也可以根据灯的技术标准(如额定功率)来设置不同的最佳时间。
接下来，将参考测量数据来介绍设定上述灯电压和经过时间的理由。图7是显示了高压水银灯在异常放电期间的测量结果的表。各个测量的灯的额定功率为150瓦(在异常放电期间对三种不同的基准功率设定各进行十次采样)。更具体地说，此表显示了在开始放电和发生异常放电之间的时间、异常放电的持续时间以及异常放电时的灯电压。测量未在灯电流切断控制下进行，但通过改变异常放电的基准功率设定来进行灯电流降低控制。
异常放电的持续时间根据异常放电的基准功率设定而变化。对各个灯在异常放电时测得的灯电压基本上是均匀的，与异常放电的不同基准功率设定无关。所设定的基准功率越小，灯电流降低就越大。这里，假定使放电从异常状态转换到正常状态的因素是粘附在各电极顶部的水银的蒸发程度。水银随着放电管中的温度升高而蒸发，温度的升高根据供应到放电管中的全部功率来确定。因此，当异常放电的基准功率设定得较小时，异常放电持续得较长。然而由于灯电流降低，游离离子对各电极根部的轰击的作用较小，因此放电管的异常变黑得到抑制。
如图7所示，已经发现在放电开始到异常放电结束之间的时间不会超过约5秒。根据上述发现，进行步骤S107，以允许根据本发明的控制能够如需要地在任何时间进行，直到超过5秒。另外，尽管灯电压可在180到220伏的范围内变化，然而有证据表明在异常放电时灯电压约为200伏。因此，用于步骤S104的基准电压可令人满意地确定为小于约170V。然而，为了方便起见，本实施例的基准电压确定为30V，其超过了额定灯电压的约50％(超过正常电弧放电时的灯电压的数值)。
如上所述，根据本发明的用于高压放电灯的发光方法和其它技术用于减轻异常放电时对各电极根部的轰击，因此可抑制放电管的变黑。改进
到此时，已经通过实施例对本发明进行了介绍。然而自然可以理解，本发明并不限于上述的特定实施例，并且可以进行如下所述的各种改进。
也就是说，在上述实施例中，控制电路502是通过微型计算机来实现的。然而，广泛应用于代替微型计算机的是包括各种电路的组合的发光控制电路(在下文中称为“模拟发光电路”)。例如在日本未审查的专利申请NO.5-67496或NO.5-144577中公开了这种模拟发光电路。
本发明可应用上述模拟发光电路。为此，要求模拟发光电路包括例如用于检测灯电压是否在预定时限内达到预定阈值的电路，或用于检测灯电压超过预定阈值的时间是否超过预定时限的电路。时间测量功能可以通过调整时间常数电路的时间常数或通过使用计数器来实现。灯电压是否超过预定阈值的检测例如是由将灯电压与阈值进行比较的比较电路来进行。
尽管已经参考附图并通过示例对本发明进行了充分的介绍，然而应当注意到，对本领域的技术人员来说显然可进行各种变化和改进。因此，除非这些变化和改进不属于本发明的范围，否则都应当被认为被包括在内。