(57)【要約】【課題】高圧放電ランプの主電極間の距離を狭めてアーク長を短くした場合や、定格電力未満の低電力で点灯を行なう調光点灯の場合に、水銀を封入した発光管の発光部の内面温度が低すぎて、不安定な放電となったり、水銀が未蒸発となって、ランプ電圧の低下による電極の損耗、発光部の黒化を生じたり、照度不足、光色の色調不良等を生ずることを防止する。【解決手段】ランプが安定点灯状態にあるときに一対の主電極６Ｒ、６Ｌが対向して配置される発光管２の発光部３の内面における最低温度を未蒸発の水銀が溜まらない程度の温度に保持するヒータ４が設けられている。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の主電極が対向して配置される発光管の発光部内に水銀が封入された高圧放電ランプ装置において、ランプが安定点灯状態にあるときに前記発光部の内面における最低温度を未蒸発の水銀が溜まらない程度の温度に保持するヒータが設けられていることを特徴とする高圧放電ランプ装置。
【請求項２】
前記ヒータへの通電量を可変制御する通電コントローラを備えている請求項１記載の高圧放電ランプ装置。
【請求項３】
前記通電コントローラが、ランプの点灯始動時又は始動後に前記ヒータへの通電を開始させて、ランプの点灯始動初期における前記主電極間の電圧が安定点灯時のランプ電圧より低いときに前記ヒータへの通電量を一定時間だけ最大とした後、前記発光部の内面における最低温度を未蒸発の水銀が溜まらない程度の温度に保持するに足る通電量にまで低下させるように構成されている請求項２記載の高圧放電ランプ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一対の主電極が対向して配置される発光管の発光部内に水銀が封入された高圧放電ランプ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶プロジェクタや投射型液晶ディスプレイ装置等のバックライトは、矩形状のスクリーンに対して充分な輝度、効率及び演色性を以って均一に画像を投射することが要求されるため、その光源として、一対の主電極が対向して配置される発光管の発光部内に水銀や金属ハロゲン化物を封入した高圧放電ランプが用いられている。そして近時は、その光源の小型化、点光源化をより一層推進することが求められている。
【０００３】これらの要求に鑑み、金属ハロゲン化物を封入した高圧放電ランプに代わって、０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀を封入してランプの安定点灯時における水銀蒸気圧が１００気圧を超える超高圧水銀ランプと称する高圧放電ランプが提案されている（特開平２−１４８５６１号公報、特開平６−５２８３０号公報）。
【０００４】この種のランプは、高輝度・高効率・高演色性を実現するために、ランプの安定点灯時における発光部内の水銀蒸気圧を１００気圧以上に高めることにより、主電極間に生ずるアークの径方向の拡がりを抑えて光出力を向上させるようにしたもので、その発光管のシール部は、耐圧性を高めるために排気用の細管を設けない所謂溶封タイプとし、また、発光部の肉厚は、自動車の前照灯等に用いる高圧放電ランプのそれに比べて約３倍の２ｍｍ前後としている。
【０００５】しかし、このように肉厚が大きい発光部は、熱容量が大きくて温まり難いので、ランプの点灯始動時に発光部の内面に溜まっている液滴状の水銀が温められて水銀蒸気となり、その蒸気分圧が上昇してランプの光出力が立ち上がるまでにかなりの時間を要し、例えば１５０Ｗ程度のランプでは、実に約６０秒もの時間を要する。
【０００６】そのため、この種のランプをバックライトとする液晶プロジェクタや投射型液晶ディスプレイ装置は、立ち上がりが遅く、これら装置をプレゼンテーションなどに使用したときに、スクリーンが画像を投射するに充分な明るさに達するまでの待ち時間が長いという問題があった。
【０００７】この立ち上がりの遅さを改善するために、発光管のシール部に電熱線を巻装して成るヒータによって、ランプの点灯始動前に発光部の表面温度を予め１００℃以上に加熱する手段が提案されている（特開２００１−２６６７９７号公報）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ランプは、いつ点灯始動されるか分からないので、点灯始動前に発光部を予熱しようとすれば、その予熱を行うヒータは、ランプを点灯しないときも常時通電状態にしておかなければならないので、電力消費量が著しく嵩むという問題がある。また、モバイル系と称される携帯型のディスプレイ装置などは、バックライトとなるランプの発光管にヒータを設けたとしても、該装置を持ち運ぶ際は、そのヒータに通電して発光管の発光部を予熱することができないため、持ち運んで直ぐ使用する場合はランプの光出力の立ち上がりが遅くなってしまう。
【０００９】また、近時は、ランプの光学的効率を高めるうえで、ランプ電力を変更せずにショートアーク化することが望まれており、そのためには、発光部の大きさや形状を変えずに、その発光部内に対向して配置される主電極間の距離を狭めることによってアーク長を短くせざるを得ないが、主電極間の距離を狭めると、その分だけ各主電極の背面側に生ずるシャドウの面積が大きくなって、発光部の内面における温度差が大きくなり、シャドウの中心に位置する各主電極の固定箇所近傍における発光部の内面温度は、従来のアーク長の長いものに比べて著しく低温となる。
【００１０】すなわち、図４は、同一の大きさ及び形状を有する発光管４０の発光部４１内に対向して配置された主電極４２Ｒ、４２Ｌ間の距離が異なるものを対比して示すもので、同図（ａ）の如く主電極４２Ｒ、４２Ｌ間の距離が広くてアーク長が長いものは、主電極４２Ｒ、４２Ｌの各々の背面側に生ずるシャドウ４３の面積が比較的小さいのに対し、同図（ｂ）の如く主電極４２Ｒ、４２Ｌ間の距離を狭めてアーク長を短くしたものは、その背面側に生ずるシャドウ４３の面積が大きい。
【００１１】このため、図４（ｂ）の発光部４１は、シャドウ４３の中心に位置する各主電極４２Ｒ、４２Ｌの固定箇所近傍における内面の温度が他に比べて著しく低くなり、ランプが安定点灯状態にあるときも、その最低温度となる内面に未蒸発の水銀が溜まりやすい。したがって、発光部４１の内部に０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀を封入しても、その水銀量に見合った蒸気分圧を得ることができず、安定点灯時のランプ電圧は規格範囲よりも著しく低くなり、ランプ電流は規格範囲よりも大きな値となるので、主電極４２Ｒ、４２Ｌの損耗が早まり、その電極材であるタングステンの蒸発飛散による発光部４１内面の黒化が早期に生じて、ランプ寿命が損なわれるおそれがある。
【００１２】また、発光部４１の内面に未蒸発の水銀が溜まるような低温部分があると、ハロゲン化合物によって黒化を防止するハロゲンサイクルが活発に行われず、そのハロゲンサイクルに異常を来して早期に黒化を生ずる原因となる。
【００１３】また、定格電力未満の低電力でランプを点灯させる調光点灯を行なう場合も、発光部の内面に著しく温度の低い部分があると、水銀の未蒸発によるランプ電圧の低下や光色不良、不安定な放電等を生ずるおそれがある。
【００１４】そこで本発明は、ランプの光学的効率を向上させるためにそのアーク長を短くした場合や、調光点灯を行なう場合に、発光管の発光部内に封入された水銀の未蒸発によって、ランプ電圧の低下や光色不良を生じたり、主電極の損耗が早まったり、その電極材であるタングステンの蒸発飛散による発光部内面の黒化が早期に生じたりしないようにすることを主たる技術的課題とし、また、同時に、ランプの点灯始動前に発光管を予熱せずに光出力の立ち上がりを速めることを従たる技術的課題としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、一対の主電極が対向して配置される発光管の発光部内に水銀が封入された高圧放電ランプ装置において、ランプが安定点灯状態にあるときに前記発光部の内面における最低温度を未蒸発の水銀が溜まらない程度の温度に保持するヒータが設けられていることを特徴とする。
【００１６】本発明によれば、ランプが安定点灯状態にあるときに、ヒータによって発光部の内面における最低温度が未蒸発の水銀が溜まらない程度の温度に保持されることにより、発光部に封入された水銀量に見合うだけの充分な蒸気分圧が得られるので、安定点灯時のランプ電圧やランプ電流が規格範囲を逸脱することがなく、また、ハロゲンサイクルに異常を来すこともないので、主電極の損耗や発光部内面の黒化が早期に進行するおそれが解消される。更に、前記ヒータを利用して、ランプを点灯始動させる際に発光管の発光部を加熱することにより、光出力の立ち上がりを速めることもできる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面によって具体的に説明する。
図１は本発明による高圧放電ランプ装置の一例を示す図、図２はその立ちあがり特性の一例を示すグラフ、図３はヒータへの通電量を可変制御する通電コントローラの制御手順の一例を示すフローチャートである。
【００１８】本例の高圧放電ランプ装置は、例えばアーク長を従来の１．５ｍｍに比べて著しく短い０．８ｍｍとした１５０Ｗの超高圧水銀ランプ１に発光管２の発光部３を加熱するためのヒータ４が設けられている。発光部３は、約６０ｍｍ３程度の内容積を有し、その内部には、該発光部３の両端を封止するシール部５Ｒ、５Ｌに埋設して固定された一対の主電極６Ｒ、６Ｌが互いに対向して配置されると共に、水銀が約１２ｍｇ、点灯始動用補助ガスとなるアルゴンが約２０ｋＰａ（常温時）封入されている。
【００１９】ヒータ４は、鉄、ニッケル、クロム、アルミニウムなどを主成分とする線径約０．２９ｍｍ、長さ１７０ｍｍの電熱線で成り、該電熱線を一方のシール部５Ｒから発光部３を跨いで他方のシール部５Ｌへ至るように発光管２の外表面にスパイラル状に巻装させると共に、シール部５Ｒ及び５Ｌの発光部３に近い側を夫々密巻きにして、該電熱線に１５Ｖ−３．６Ａの電力を供給すると外気中で数秒後に約１０００℃の温度に到達すべく設計された５４Ｗのヒータとなっている。
【００２０】図中７は、ランプ１の電極端子８Ｒ、８Ｌとランプ電源９との間に接続されたランプ点灯装置であって、該点灯装置７は、ランプ１の点灯始動に必要な電気的条件を与える始動装置１０や、ランプ電流を規定値に制御する安定器１１のほかに、ランプ１の主電極６Ｒ、６Ｌ間の電圧を検出してその検出信号を出力する電圧検出器１２を備えている。なお、ランプ電源９は、ヒータ４の電源をも兼ねている。
【００２１】図中１３は、ヒータ４への通電量を可変制御する通電コントローラであって、例えばランプ電源９の投入時に起動してヒータ４への通電を所定のタイミングで開始させるスイッチ手段や、ヒータ４への通電量を段階的もしくは連続的に可変する電力制御手段を有し、ランプ１の点灯始動時又は始動後にヒータ４への通電を開始させて、ランプ１の点灯始動初期における主電極６Ｒ、６Ｌ間の電圧が安定点灯時のランプ電圧より低いときにヒータ４への通電量を一定時間だけ最大とした後、その通電量を、ランプ１が安定点灯状態にあるときに発光部３の内面における最低温度を未蒸発の水銀が溜まらない程度の温度に保持するに足る通電量にまで低下させるように構成されている。
【００２２】以上が本例に示す高圧放電ランプ装置の構成であり、次にその動作について説明する。ランプ電源９がオンされると、ランプ点灯装置７が起動してランプ１が点灯始動されると共に、そのランプ１の点灯始動時又は始動後に通電コントローラ１３がヒータ４への通電を開始させて、ランプ１の点灯始動初期における主電極６Ｒ、６Ｌ間の電圧が安定点灯時のランプ電圧より低いとき、すなわちランプ電圧の１００％に相当する電圧値に達する前に、ヒータ４への通電量を一定時間だけ設計値の５４Ｗ（１５Ｖ−３．６Ａ）とした後、その通電量を、ランプ１が安定点灯状態にあるときに発光部３の内面における最低温度を未蒸発の水銀が溜まらない程度の温度に保持することができる８Ｗ前後にまで段階的もしくは連続的に低下させる。
【００２３】これにより、ランプ１の点灯始動前に発光管２の発光部３を予熱せずに、ランプ１の点灯始動時又は始動後にその発光部３をヒータ４で加熱開始して光出力の立ち上がり速度を速めることができる。また、主電極６Ｒ、６Ｌ間の電圧が安定点灯時のランプ電圧より低いときにヒータ４への通電量を一定時間だけ最大した後、その通電量を低下させれば、ヒータ４で加熱する発光部３の表面温度が異常に上昇してその発光部３が膨らみや破裂を生ずるおそれもない。
【００２４】そして、ランプ１が安定点灯状態となってからは、ヒータ４に８Ｗ程度の僅かな電力を供給して、発光部３の内面における最低温度を未蒸発の水銀が溜まらない程度の温度に保持することにより、発光部３に封入された水銀量に見合うだけの充分な蒸気分圧が得られるので、安定点灯時のランプ電圧やランプ電流が規格範囲を逸脱することがなく、また、ハロゲンサイクルに異常を来すこともないので、主電極６Ｒ、６Ｌの損耗や発光部３内面の黒化が早期に進行するおそれがなくなる。
【００２５】つまり、例えば、ランプ１の光出力の立ち上がりを速めるために、該ランプ１が安定点灯状態となるまで、ヒータ４へその設計値である５４Ｗの最大電力を供給し続けると、発光管３の表面温度が異常に上昇し、その発光部３が膨らみを生じて安定点灯時のランプ電圧が低下したり、破裂を生ずるおそれがあるが、上記の如く、ランプ１の点灯始動初期における主電極６Ｒ、６Ｌ間の電圧が安定点灯時のランプ電圧より低いときにヒータ４への通電量を一定時間だけ最大とした後、その通電量を低下させるようにすれば、発光部３が膨らんだり破裂するおそれを解消することができる。
【００２６】また、アーク長０．８ｍｍの１５０Ｗのランプ１が安定点灯状態にあるときにその発光部３の内面における最低温度を未蒸発の水銀が溜まらない程度の温度に保持するために必要なヒータ４への通電量は、僅か８Ｗ程度で足りるので、そのヒータ４の電力消費量がそれほど嵩むことなく水銀の未蒸発による不具合を確実に解消することができる。
【００２７】なお、ランプ１の点灯始動初期におけるヒータ４への通電量は、必ずしも設計値を最大とする場合に限らず、その最大値は設計値を超えるものであってもよく、例えば図２のグラフは、ランプ１の点灯始動初期における主電極６Ｒ、６Ｌ間の電圧が安定点灯時におけるランプ電圧の５５％以内にあるときに、通電コントローラ１３により、ヒータ４へ設計値の電流値３．６Ａを大きく上回る７．０Ａの最大電流を３秒間だけ流した後、その電流値を設計値の３．６Ａに低下させ、更に、ランプ電圧の６５％に達してから、０．５〜０．６Ａ程度にまで低下させた場合の立ち上がり特性を示しており、このグラフによれば、主電極６Ｒ、６Ｌ間の電圧がランプ電圧の１００％に達した後も、発光管２の表面温度は上昇するが、その上昇幅は比較的小さいので、発光部３が膨らんで安定点灯時のランプ電圧が低下したり、ランプ寿命が短くなるという危惧はない。
【００２８】また、ランプ１の点灯始動時にヒータ４への通電を開始してランプ１の主電極６Ｒ、６Ｌ間の電圧が安定点灯時のランプ電圧の６５％に達するまでの間に、ヒータ４へ３．６Ａの電流を一定的に流した場合と、上記の如く最初の３秒間だけ７．０Ａの電流を流してから３．６Ａに低下させた場合との比較実験によれば、前者は、ランプ１の安定点灯時における明るさの約２分の１に相当する明るさが得られるまでの平均所要時間が約２５秒であったのに対し、後者のそれは僅か１５秒前後であり、光出力の立ち上がり速度が著しく速まることが確認された。また、ヒータ４の通電開始時に２秒間だけ８．５Ａの電流を流してから３．６Ａに低下させた場合における前記平均所要時間は、１４秒前後であった。
【００２９】また、ランプ１の点灯始動初期における主電極６Ｒ、６Ｌ間の電圧が安定点灯時におけるランプ電圧の１００％以内にあるときは、ヒータ４へ設計値の３．６Ａを大きく上回る７．０Ａ〜８．５Ａもの最大電流を流しても、ほんの数秒間程度なら、発光部３の過熱によってランプ寿命が損なわれるおそれは少なく、ヒータ４の損傷も少なくて済むことが実験により確認された。
【００３０】以下、通電コントローラ１３でヒータ４への通電量を制御する手順の一例を図３のフローチャートによって説明する。まず、ステップ▲１▼でランプ電源９が投入されたか否かを判定し、ランプ電源９が投入されると、ステップ▲２▼へ移行して、ヒータ４への通電を開始し、例えばランプ１の点灯始動とほぼ同時にヒータ４へ７．０Ａの最大電流を供給する。
【００３１】次いで、ステップ▲３▼へ移行して、３秒間経過したか否かを判定し、３秒間経過すると、ステップ▲４▼へ移行して、ヒータ４への通電量を可変する電力制御手段によりヒータ４へ供給する電流を７．０Ａから設計値の３．６Ａにまで低下させる。
【００３２】そして、ステップ▲５▼へ移行し、電圧検出器１２で検出されるランプ１の主電極６Ｒ、６Ｌ間の電圧が、安定点灯時のランプ電圧の６５％に達したか否かを判定し、６５％に達すると、ステップ▲６▼に移行して、ヒータ４へ供給する電流を０．５〜０．６Ａ程度まで低下させる。
【００３３】以上のように、ランプ１の点灯始動初期における主電極６Ｒ、６Ｌ間の電圧に応じたヒータ４の通電制御を行えば、ランプ１の点灯始動前に発光管２の発光部３をヒータ４で予熱せずに、点灯始動と同時又はその始動後にヒータ４による加熱を開始しても、予熱した場合と同等もしくはそれ以上の速度で光出力を立ち上げることができると同時に、ヒータ４の熱で発光部３の表面温度が異常に上昇して該発光部３が膨らみを生じたり破裂を生ずることも防止できる。
【００３４】また、ランプ１が安定点灯状態となってからは、ヒータ４へ僅かな電力を供給するだけで、発光部３の内面における最低温度がその内面に未蒸発の水銀が溜まらない程度の温度に保持されて、発光部３に封入された水銀量に見合うだけの充分な蒸気分圧が得られるので、安定点灯時のランプ電圧やランプ電流が規格範囲を逸脱することがなく、ハロゲンサイクルに異常を来すこともないので、主電極６Ｒ、６Ｌの損耗や発光部３内面の黒化が早期に進行するおそれが解消される。
【００３５】また、従来において、定格電力１５０Ｗのランプ１を例えばその定格電力の約８５％に相当する１２８Ｗの低電力で点灯させる調光点灯を行なう場合は、主電極６Ｒ、６Ｌの背面側における発光部３の内面温度が著しく低くなって、不安定な放電を生ずると共に、水銀の一部が未蒸発となるために、明るさが１５０Ｗ点灯時の７０％程度にとどまり、また、光色も緑色が強い好ましくない色味を呈していたが、そのランプ１の安定点灯時に、上記の如く発光管２に設けたヒータ４へ８Ｗ程度の電力を供給して発光部３を加熱する実験によれば、その発光部３内に封入した水銀が全て蒸発して、明るさが定格電力で点灯させたときの８８％程度に達するという好ましい結果が得られた。
【００３６】更に、ランプ１が安定点灯状態にあるときに、ヒータ４によって発光部３をその内面に未蒸発の水銀が溜まらない程度の温度に加熱するものと、加熱しないものとのランプ寿命を比較する寿命試験によれば、発光部３を加熱しないものは、主電極６Ｒ、６Ｌの背面側の内面が早期に黒化し、その黒化の進行により発光部３の表面温度が著しく上昇して発光部３の膨らみや破裂を生じ、ランプ寿命の規定基準を満足することができなかったのに対し、発光部３をヒータ４で加熱したものは、黒化の発生がなく、ランプ寿命が規定基準を大きく上回ることが確認された。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、光学的効率を向上させるために短アーク化したランプであっても、該ランプが安定点灯状態にあるときに、発光部の内面における最低温度をヒータで未蒸発の水銀が溜まらない程度の温度に保持して、その発光部に封入された水銀量に見合うだけの充分な蒸気分圧を得ることができるので、安定点灯時のランプ電圧及びランプ電流が規格範囲を逸脱することがなく、ハロゲンサイクルに異常を来すこともないので、主電極の損耗や発光部内面の黒化が早期に進行するおそれが解消されるという優れた効果がある。
【００３８】また、定格電力未満の低電力で点灯を行なう調光点灯の場合に生ずる不安定な放電や、水銀の未蒸発による照度不足や光色の色調不良等も著しく改善することができるという優れた効果がある。更に、ランプを点灯始動させる際に、前記ヒータを利用して発光管の発光部を加熱することにより、光出力の立ち上がりを速めることができるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による高圧放電ランプ装置の一例を示す図
【図２】本発明による高圧放電ランプ装置の立ち上がり特性を示すグラフ
【図３】ヒータへの通電量を制御する手順の一例を示すフローチャート
【図４】本発明が解決しようとする課題を説明するための図
【符号の説明】
１………………ランプ
２………………発光管
３………………発光部
４………………ヒータ
１３………………通電コントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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