高压放电灯照明装置 【技术领域】
本发明涉及高压放电灯照明装置。特别涉及由封入0.2mg/mm3以上的水银且照明时的压力达到200个大气压以上的超高压放电灯及其供电装置构成的照明装置。
背景技术
一般来说，投影装置存在使用液晶面板的方式和使用DLP的方式。
使用液晶面板的方式包括1块式和3块式，不管哪种方式，都是将来自光源的发射光分离为3色(RGB)，在液晶面板中对图像信息对应的光进行透射调整，之后合成透过面板的3色光，并投射到屏幕上。
另一方面，使用DLP的方式是将来自光源的发射光通过划分形成RGB区域的旋转滤光器对空间调制元件(也称为光调制装置，具体地说，称为DMD元件)等进行分时照射，通过该DMD元件反射特定的光投射到屏幕上。DMD元件是按像素布设数百万个小镜子的元件，通过控制一个一个小镜子的方向来控制光的投射。
DLP方式与液晶方式相比，光学系统较简单，同时不需要使用3块液晶面板，因此，具有装置整体小型、简单的优点。
投影装置地光源使用高水银蒸汽压的高压放电灯。因此，通过提高水银蒸汽压，能够以高输出获得可视波长区域的光。
还有，已知这种水银蒸汽压较高的放电灯在照明中会在电极的顶端形成突起。例如，在专利文献1中，介绍了将这种突起的存在作为问题点，消灭突起的技术。具体来说，披露了以下技术：在正常照明频率中，使更低的频率(例如，5Hz)存在1秒以上，从而使电极的表面熔化并完全消灭突起。
但是，采用上述技术，以高压放电灯(超高压水银灯)作为投影装置的光源进行照明，电弧的亮点不稳定，从而会过多地产生所谓闪烁。特别是，其在封入的水银大于0.20mg/mm3以上的放电灯中会显著发生。
[专利文献1]特开2002-175890号
【发明内容】
本发明要解决的课题为：在封入水银量大于0.20mg/mm3的超高压放电灯中，能够使电弧亮点位置稳定，防止所谓闪烁的发生。
为了解决上述课题，本发明的高压放电灯照明装置由高压放电灯和向所述高压放电灯提供交流电流的供电装置构成，其中，所述高压放电灯在石英玻璃制成的放电容器内，以小于等于2.0mm的间隔相对设有在顶端形成突起的一对电极，并且，在所述放电容器中封入大于等于0.20mg/mm3的水银以及范围为10-6～10-2μmol/mm3的卤素。
并且，供电装置的特征在于：以从60～1000Hz的范围中选择出的频率作为正常照明频率，向所述高压放电灯提供交流电流，并且以从低于所述正常照明的频率即5～50Hz的范围选择的频率作为低频率；
相对于所述正常照明频率的交流电流，按从半个周期至5个周期的长度，即从0.1秒～120秒，最好是1秒～120秒的范围选择出的间隔，插入所述低频率的交流电流，并进行照明。
还有，所述供电装置的特征在于设有：具有至少2个开关元件的转换电路、所述转换电路的后级即与放电灯串联的210μH及以下的线圈、以及对所述开关元件设置死区时间并交替进行接通断开驱动的控制部。
还有，所述超高压放电灯的特征在于：在所述放电容器的外表面设有触发电极。
本发明通过上述结构，能够获得以下作用效果。
首先，在电极顶端形成突起，以所述突起作为起点形成稳定的电弧放电。不是如专利文献1所披露的那样，采用消灭突起的技术，而是主动作成突起。这样，由于形成了以所述突起为起点的电弧，因此，具有能够使放电灯的照明稳定的效果。
第二，能够防止作为电弧起点的突起以外的多余突起的产生。其原因在于：若在电极顶端形成多个突起，则在这些突起之间会产生所谓电弧跳越，结果，会导致电弧不稳定。本发明仅生成、维持应作为上述电弧起点的突起，并能够防止所述突起以外的多余突起的生成、长大。
【附图说明】
图1表示本发明的高压放电灯。
图2表示本发明的高压放电灯的电极。
图3表示本发明的高压放电灯照明装置的供电装置。
图4表示本发明的放电灯的电流波形。
图5表示用于说明本发明的电极的放大图。
图6表示本发明的放电灯的电流波形的其它例子。
图7表示本发明的放电灯的电极尺寸例。
【具体实施方式】
图1表示作为本发明的对象的高压放电灯。
放电灯10具有近似球形的发光部11，该发光部11是通过由石英玻璃制成的放电容器形成的。在所述发光部11中以小于2mm的间隔相对设有一对电极20。在发光部11的两端形成密封部12。在所述密封部12内，例如可通过收缩密封气密地埋设由钼制成的导电用金属箔13。电极20的轴部与金属箔13的一端接合，另外，在金属箔13的另一端与外部导线14接合，由外部的供电装置进行供电。
在发光部11中封入了水银、惰性气体和卤素气体。水银用于获得必要的可见光，例如波长为360～780nm的发射光，封入量大于0.2mg/mm3。该封入量因温度条件而不同，在照明时形成200气压以上的极高蒸气压。此外，可以通过封入更多的水银，制作照明时的水银蒸气压在250气压以上、300气压以上的高水银蒸气压放电灯，水银蒸气压越高，越可以获得适合投影装置的理想光源。
惰性气体封入例如约13kPa的氩气。其作用在于改善照明起动性能。卤素是以碘、溴、氯等与水银或其它金属的化合物的形态封入的。卤素的封入量从10-6～10-2μmol/mm3的范围中选择。卤素的作用是利用所谓卤素周期，延长寿命，但对于如本发明的放电灯这样极小型极高照明蒸汽压的装置而言，还具有防止放电容器丧失透明度的作用。
放电灯的数值例：例如发光部的最大外径9.5mm，电极间距1.5mm，发光管内容积75mm3，额定电压70V，额定电功率200W，进行交流照明。
还有，这种放电灯内置于小型化投影装置中，要求装置整体尺寸极小但发光光量较高。因此，发光管部内的热量的影响极大，灯管壁的负荷值为0.8～2.0W/mm2，具体地说，为1.5W/mm2。
在将具有这种高水银蒸气压及管壁负荷值的装置安装于投影装置或顶式投影仪之类的显示仪器上时，可以提供色调效果良好的放射光。
在电极20的顶端(与另一电极相对的端部)上，伴随灯的照明，形成突起。形成这些突起的现象不一定很明白，但可以作以下的推断。
即，灯照明时从电极顶端附近的高温部蒸发的钨(电极的构成材料)与发光管中存在的卤素或残留氧结合，例如，假如作为卤素封入了溴(Br)，那么就以WBr、WBr2、WO、WO2、WO2Br、WO2Br2等钨化合物存在。这些化合物在电极顶端附近的气相中的高温部分解，成为钨原子或阳离子。可以认为：由于温度扩散(钨原子从气相中的高温部＝电弧中向低温部＝电极顶端附近的钨原子扩散)，以及在电弧中钨原子电离，成为阳离子，当阴极工作时由于电场而被向阴极方向吸引(漂移)，因而在电极顶端附近的气相中的钨蒸气密度增高，从电极顶端析出而形成突起。
图2目的在于表示电极顶端和突起，示意地表示图1所示的电极20的顶端。电极20分别由球部20a和轴部20b构成，在球部20a的顶端形成突起21。所述突起21即使在照明开始时不存在，仍能通过之后的照明，譬如以自然生成的方式形成。
并不是说对于任何放电灯均要生成所述突起。公知的是，在电极间距小于2mm，发光部中封入0.15mg/mm3以上的水银、惰性气体以及1×10-6～1×10-2μmol/mm3范围的卤素的短弧型放电灯中，随着灯的照明，会生成突起。
另外，对于所述突起，举出数值例：在电极的最大直径(垂直于放电方向的方向)为φ1.0～1.5mm，电极间距为1.0～1.5mm的情况下，为0.2～0.6mm的直径。
所述突起在如本发明的放电灯那样，用作电极间距小于2mm且在发光管内含有入0.2mg/mm3以上的水银的投影装置光源的情况下，是不可缺少的。
这是由于在发光管内含有0.2mg/mm3以上的水银且工作压力达到200个大气压以上的放电灯中，通过较高的蒸汽压，能够压缩电弧放电，结果，也会压缩放电起点。
因此，如专利文献1所述，在消灭了突起的球面状电极中，放电起点在一点一点移动，从而在投影装置的图像画面中会产生所谓闪烁(闪变)的问题。特别是，以所谓2mm以下的小电极间距形成的电弧亮点，即使产生0.5mm以下的很小的移动，也一定会在图像画面上产生致命的闪烁。
在这一点上，专利文献1所披露的放电灯由于封入水银量为0.18mg/mm3，并不是象本发明那样达到0.20mg/mm3以上，因此可以认为，缩小发放电电弧或放电起点的作用效果降低，即，如果是顶端球面状的电极，就能够解决闪烁的问题。
还有，由于作为本发明对象的放电灯在电极的顶端形成了突起，并以此处为起点产生放电电弧，因此，电极的球部20a难以阻挡由电弧发出的光，因此，能够光的利用率提高，并具有能获得更清楚的图像的优点。图2为示意图，通常，在轴部20b的顶端具有相当于直径大于轴径的球部的要件。这一点参见后面所述的图7。
图3为点亮上述放电灯的供电装置。
照明装置由放电灯10和供电装置构成。供电装置由提供直流电压的降压限制电路1、与降压限制电路1的输出端相连并将直流电压变为交流电压，提供给放电灯10(以下称为「放电灯」)的全桥式转换电路2(以下称为「全桥式电路」)、与放电灯串联的线圈L1、电容器C1、以及起动电路3构成。
另外，通过降压限制电路1、全桥式电路2、以及起动电路3构成供电装置，并含有放电灯10，从而称为照明装置。
降压限制电路1与直流电源VDC连接，由开关元件Qx、二极管Dx、线圈Lx、滤波电容器Cx、以及开关元件Qx的驱动电路Gx构成。开关元件Qx由驱动电路Gx进行接通/断开驱动。由该驱动来调整开关元件Qx的解谐(デイ-テユ)比，控制向放电灯10提供的电流或电功率。
全桥式电路2由开关元件Q1～Q4、开关元件Q1～Q4的驱动电路G1～G4构成，其中，所述开关元件Q1～Q4由以桥状连接的晶体管或FET构成。在开关元件Q1～Q4上，有的反相并联连接有二极管，但在本实施例中省略了二极管。
上述开关元件Q1～Q4通过未图示的控制部、由驱动电路G1～G4驱动。
全桥式电路2的动作为：反复交替接通、断开开关元件Q1、Q4以及开关元件Q2、Q3。接通开关元件Q1、Q4时，电流按降压限制电路1→开关元件Q1→线圈L1→放电灯10→开关元件Q4→降压限制电路1流过；而接通开关元件Q2、Q3时，电流按降压限制电路1→开关元件Q3→放电灯10→线圈L1→开关元件Q2→降压限制电路1的路径向放电灯10提供交流矩形波电流。
在驱动上述开关元件Q1～Q4时，为了防止开关元件Q1～Q4同时接通，在交流矩形波的极性切换时，设置了开关元件Q1～Q4全部关闭的期间(死区时间Td)。
另外，提供给放电灯10的交流矩形波输出的频率范围是从60～1000Hz(正常频率)的范围内选择出的，例如200Hz。另外，上述死区时间从0.5μs～10μs的范围选择。
此处，本发明的高压放电灯照明装置的特征在于：通过图3所示的供电装置，以正常频率(60～1000Hz)点亮图1所示的放电灯，并且以半周期～5周期的长度以及0.1秒～120秒的间隔插入低于正常频率的频率。
图4表示放电灯10的电流波形，纵轴表示电流值，横轴表示时间。
如图所示，在以正常频率例如200Hz驱动中，放电灯10的电流波形由低于所述正常频率的低频率例如10Hz间歇地驱动。
该低频率为从5～50Hz的范围中选择出的频率，并以0.1秒～120秒，最好1秒～120秒的间隔周期性地产生。在图中，插入所述低频率的间隔显示为“低频率插入周期”的时间，并将其定义为从1个低频率波形开始的时间至下一低频率波形开始时间的时间间隔。另外，插入低频率照明的长度并不限于如图所示那样的1个周期，而是如后面所述那样，从大于半个周期、小于5个周期的期间中选择。
上述低频率的频率(5～50Hz)，插入的长度(半个周期～5个周期)以及插入的间隔(0.1秒～120秒)是针对与放电灯的设计，特别是电极的热设计的关系选择的。
作为一个例子，在放电灯的额定功率为120W时，正常频率为90Hz，低频率的频率为5Hz，插入周期为1个周期，插入时间为15秒(照明例1)。在放电灯的额定功率为150W时，正常频率为125Hz，低频率的频率为5Hz，插入周期为1个周期，插入时间为15秒(照明例2)。还有，在放电灯的额定功率为200W时，正常频率为200Hz，低频率的频率为7.5Hz，插入周期为1个周期，插入时间为10秒(照明例3)。还有，在放电灯的额定功率为250W时，正常频率为400Hz，低频率的频率为15Hz，插入周期为1个周期，插入时间为0.1秒(照明例4)。
此处，对在正常频率照明中，周期性地插入低频率照明的技术的作用效果进行了说明。已经说明了由于在电极顶端形成突起意味着能够稳定电弧，因而作为本发明对象的放电灯是具有优点的。
然而，若仅仅采用生成突起的控制，则会在原本必要的突起之外，派生出多余的突起。另外，在本发明中，在正常频率照明中周期性地插入低频率照明的控制无非是防止所述多余突起的生成。
图5为用于说明本发明的比较图，其示意地表示在不实施本发明的频率控制的情况下产生的不良的状态。
若点亮灯，则在电极的球部20a的顶端中心形成突起物21(第一突起)。所述突起21由于作为放电起点能够稳定电弧，因此，是必需的突起。另外，在不进行本发明的控制的情况下，随着继续使灯点亮，则会在突起21的周围产生其它的突起22(第二突起)。所述突起22为本来不必要的突起，由于放电起点在突起22和突起21之间移动，因此，会产生所谓闪烁的问题。第二突起不限于一个，产生的多个的情况也会出现。
此处，不必要的突起22(第二突起)产生生长的现象如下所述。
即，温度分布存在于放电灯工作中的电极表面，顶端部温度最高，越往后温度越低。
在电极顶端附近的高温区域，钨的蒸发以及残存在放电容器内的氧反应生成的WO、WO2等氧化钨的蒸发，会腐蚀电极表面。但是，如前面所述，在作为放电起点的的顶端，由于电弧中的高钨蒸汽浓度，因此，钨就会析出和堆积，从而形成第一突起。
另一方面，在电极表面的低温区域中，封入放电容器中的溴与残留的氧反应生成的WBr、WBr2、WO2Br、WO2Br等的蒸发，仍会腐蚀电极表面。
即，虽然由于电极表面的温度而蒸发的钨化合物的种类不同，但是，仍会腐蚀电极表面的高温区域、低温区域。
接着，在电极表面的上述高温区域和低温区域中间的温度区域中，由于钨的热化学性质，上述钨化合物的生成较少，因此，电极表面的腐蚀较小。而由于存在于放电容器内的钨蒸汽的析出、堆积占有优势，因此，所述第二突起会发生生长。
这样，在本发明中，由于第一突起是不可缺少的，因此不应使其消灭，并必须维持，但第二突起是不必要的，因此，必须将其消除。
本发明的频率控制的作用在于消除上述第2突起。下面，对其机理进行说明。
若以60Hz～1000Hz的频率使放电灯正常点亮，则在前面所述的电极表面的中间温度区域，开始所述第二突起的形成。此时，若切换为比正常照明的频率低的频率，则在作为阳极而工作的期间，电极顶端由于在较长阳极工作期间，因而温度会上升。由于所述温度的上升传递至所述第二突起产生的中间的温度区域，从而会提高该区域的电极表面温度，因此，会使开始形成的第2突起蒸发、腐蚀并消失。
此处，为了抑制所述第二突起的生长，随时间改变电极表面的温度在本质上是重要的。例如，即使通过减小电极的尺寸而整体提高电极表面的温度，所述第二突起生长的位置也仅会向电极后方偏移，从而不能抑制其生长。即，本发明基于的设想为：以适当的时间间隔改变电极表面的温度，从而防止第二突起在一定位置处产生，从而抑制第二突起的形成。
可是，在插入的低频率不满5Hz，插入的间隔不满0.1秒，或超过5个周期地插入低频率的情况下，由于电极顶端的温度上升过大，因此，不但所述第二突起，而且本发明的超高温放电灯必不可少的所述第一突起也会消失。
相反，在插入的低频率超过50Hz，或插入不足半个周期的低频率的情况下，由于所述第二突起产生的中间的温度区域的温度不会充分升高，因此，不能抑制第二突起的生长。另外，在插入的间隔超过120秒的情况下，在正常照明期间，第二突起就会生长至不能由低频率的插入来腐蚀的程度。
插入低频率照明的具体方式可以通过在图3所示的电路结构中，调整全桥式电路2的开关元件Q1～Q4的开关周期来实现。
图6为在放电灯中流过的电流波形，其表示与图4所示的电流波形不同的其它电流波形。
(a)表示插入半个周期的低频率电流波形的情况。在这种情况下，在低频率插入周期中，由于一个电极是作为阳极而持续工作的，因此，将图中的期间Ta定义为半个周期的长度以解释低频率插入周期。另外，最好在插入所述半个周期的低频率照明的情况下，以与前插入不同的极性插入。
(b)表示低频率的电流波形大于半个周期但小于1个周期时的情况。在这种情况下，将电流极性固定的期间较长的期间定义为半个周期。即，在图中，将期间Tb定义为半个周期的长度，以能够解释图中插入3/4周期的期间、低频率电流。将极性的固定为较长的期间定义为半个周期的理由为：在该期间，能够实现第二突起因电极表面的升温而消失的效果。另外，在插入这种大于半个周期但小于1个周期的低频率照明的情况下，希望以期间长的极性交替变化的方式插入。因此，能够使两个电极均匀地升温。
(c)表示在低频率照明的插入时，频率不同(变化)的形态。在这种情况下，通过最低的频率定义插入周期(插入了几个周期)。在图中，将期间Tc定义为半个周期，以能够解释插入1个周期的低频率。用最低频率的波形来定义低频率的理由为：该频率插入期间，极性的固定时间最长，因此，能够发挥电极顶端的升温效果。
以上的定义用于防止低频率插入状态(形态)作为电流波形而不清晰的情况，是为使低频率的插入期间或插入周期明确而定义的。
此处，构成本发明对象的放电灯的特征在于：封入水银量为0.2mg/mm3以上。根据本发明人的实验确定：在封入水银量小于0.2mg/mm3的情况下，具体来说，在0.18mg/mm3的情况下，照明中水银蒸汽压对电弧的影响较小。即，在封入水银量为0.18mg/mm3的情况下，即使存在电极顶端的表面光滑(没有突起等)的情况，电弧也不会摇动。但是，若封入水银量大于0.2mg/mm3，则在灯照明中由蒸汽压缩小电弧的效果会显著增大，因此，会发生电弧移动(闪烁)的现象。
本发明仅在于：在封入水银量大于0.2mg/mm3的放电灯中，在电极顶端形成突起这一点对于稳定电弧而言是必不可少的。另外，以在电极顶端存在突起为前提，为了防止不必要的突起的产生、生长，插入规定的低频率照明，这是一大特征。
返回图3的供电装置的电路，本发明的高压放电灯照明装置作为全桥式电路2的后级，与放电灯串联的线圈L1的电感最好小于210μH。
其理由在于：在全桥式电路2的开关元件Q1～Q4的死区时间中，能够减少放电灯光输出的下降。
该效果意味着：无论使用液晶面板的方式还是使用DLP的方式，均能够抑制随时间流逝的光量变化。另外，特别是在DLP方式的情况下，能够不与DMD元件或旋转滤光器等的驱动的同步而改变放电灯的极性。因此，在本发明的正常频率的照明中，插入了低频率照明，从突起控制的观点来看，能够自由进行，在这一点上，其效果较大。
起动电路3由电阻R1、开关元件Q5、电容器C2、高压变压器T2、以及开关元件Q5的驱动电路G5构成。由于起动电路3的高压输入端与低压输入端与放电灯10并联，因此，也会对起动电路3提供与施加到放电灯10的电压同样的电压。起动电路3接收该施加电压之后，通过电阻R1对电容器C2进行充电。
开关元件Q5由SCR半导体开关元件等构成。若开关元件Q5由驱动电路G5导通，则电容器C2的充电电压在高压变压器T2的一次线圈中产生，在二次线圈中也产生破坏绝缘的触发电压。
此处，本发明的高压放电灯照明装置最好在放电容器的外面设置触发电极。其意味着不采用使照明起动时的高电压在放电灯的电极之间产生的方式(以下也称为「外部触发方式」)。就图3的电路图而言，高压变压器T2的二次线圈的一端作为触发电极Et，设置在放电灯10的外表面。二次线圈的另一端与放电灯10的一个电极电连接。
这种电路结构的优点在于：仅在照明起动时需要的高压发生用电感T2不存在于照明起动后的正常照明时的电流供给路径中，因此，能够减小正常照明时形成的电路回路中的电感总和，即线圈L1。
通过这种电路结构，如果在放电灯10的照明起动时产生触发电压，那么在触发电极Et与放电容器中的电极之间，夹设有石英玻璃(放电容器的构成材料)的所谓电介质势垒放电将发生。若通过所述电介质势垒放电，在放电容器中产生等离子体，则该等离子体作为种子，在放电容器的第一电极与第二电极之间通过预先施加的无负荷开路电压，产生放电。
触发电压为5Kv～20Kv，例如13Kv。此外，无负荷开路电压为250v～400v，例如350v。
严格地说，电感不仅指线圈L1，而是在放电灯10正常点亮时形成的电流回路中的电感的总和。但是，由于有代表性的是由线圈L1的电感决定的，因此，在本发明中，着眼于线圈L1的电感进行数值规定。因此，电感的数值规定最好是在正常点亮时的电流回路中的电容器Cx、全桥式电路2、线圈L1、放电灯10、全桥式电路2、以及电容器Cx中的电感的总和，但是从实用效果来考虑，是对线圈L1进行数值规定。
另外，为防止放电灯正常照明时的噪音，线圈L1、电容器C1是必须的，具体地说，在0.15μH以上比较理想。
在图3中，虽然利用由4个开关元件形成的电路对全桥式电路2进行了说明，但不应局限于这种形态，也可以采用其它的电路结构。特别是开关元件数可以不是4个，只要能够采用至少2个开关元件，以死区时间为中介，实现接通和关闭交替进行的驱动就可以。
此外，降压限制电路不是必要的构成元件，作为电流量调整部件，也可以采用其它的电路方式。
再有，降压限制电路中存在的电容器Cx可以采用在照明起动时和正常照明时容量变化的结构。这种结构可以考虑例如并联多个电容器，由开关元件来切换电路结构。
图7表示由本发明的高压放电灯照明装置实现的照明控制和电极的关系，(a)表示电极的放大图，(b)表示具体的数值。
由(b)所示的电极尺寸表示由上面介绍的照明例1～3的尺寸例。发光部尺寸将与图1所示的发光部11的放电方向垂直的方向上的最大外径作为外径值，将最大内径作为内径值。
这些数值例作为一个例子，不应限制本发明的范围。