JP2011126394A - 放電ランプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フリッカーの発生時期を遅らせて放電ランプの寿命を延ばすことを可能にした放電ランプ装置を提供する。
【解決手段】発光管１１内に陰極１３と陽極１２が対向して配置され、陰極１３にエミッター物質が含有されてなる放電ランプ１と、放電ランプ１を点灯させる電源２と、電源２を制御する制御機構３を有する放電ランプ装置において、制御機構３は、点灯している放電ランプ１に対して、所定時間、電流供給を中止して、放電ランプ１を消灯させ、前記所定時間経過後、再び、電流供給を開始して放電ランプ１を点灯させる消灯時間制御手段３１を備えることを特徴とする放電ランプ装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、放電ランプ装置に係わり、特に、マイクロディバイスミラー、液晶やフイルム等に光を当てて、その光を利用して映像を映し出す投影装置（プロジェクタ）、半導体露光装置、液晶パネル検査装置、舞台照明、サーチライト等の技術分野で利用される放電ランプ装置に関する。

上記の技術分野で使用される放電ランプ装置は、光源として、発光管内に陰極と陽極が対向して配置され、陰極にエミッター物質を含有した放電ランプが用いられ、放電ランプは制御機構を有する電源によって点灯制御される。

また、上記の技術分野で使用される放電ランプ装置は、通常、放電ランプを必要なときは連続点灯して使用するものあり、特に監視目的に使用されるプロジェクタにおいては基本的に消灯しない。一方、意図的に放電ランプを消灯することもあるが、通常は、投影装置では、映像を映し出す必要がなくなった場合（例えば、映画館で上映時間の終了時等）に、放電ランプを消灯し、次の映像を写しだす時間（映画館での翌日の上映開始時）まで消灯するものである。また、液晶パネル検査装置、舞台照明、サーチライトに組み込まれた放電ランプ装置においても、必要なときだけ放電ランプを点灯させ、不要な時間帯は放電ランプを消灯しておく。

これらの放電ランプ装置において使用される放電ランプとしては、陰極にエミッター物質が含有されたドープドタングステンを用いたショートアーク型放電ランプが使用されるが、点灯中に陰極のエミッター物質が枯渇することや、電極が損耗すること等により、ある一定の点灯期間を過ぎると急にアークがふらつき出し、照射面がちらつく、いわゆるフリッカー現象が発生する。

これらの放電ランプを、例えば、投影装置の光源として利用している場合、使用中にフリッカー現象が発生すると、映像にちらつきが発生し、映像が見難くなるという問題がある。また、これらの放電ランプは、例えば、液晶パネル検査装置の光源として利用している場合、使用中にフリッカー現象が発生すると、液晶を透過して検査スクリーンに投影された光にちらつきが発生し、どの部分の液晶が故障しているのかを適正に判定できなくなるという問題があった。

このフリッカーレベルは電圧の振れ幅で定義することができるが、引用文献１には、電圧の振れは定格電流での点灯時では振れていなくても、ランプ電流を絞っていくと、振れ出すことが開示されている。以降、この電圧の振れ出しが始まる電流を、アーク安定最少電流と称す。このアーク安定最少電流は、点灯時間と共に上昇し、定格電流を超えると、フリッカーとして認識できるようになることが開示されている。引用文献１においては、アーク安定最少電流によって、放電ランプの寿命を予測している。

一方、近年においては、より一層寿命の長い放電ランプが求められているが、ランプの構成部材の研究は十分高いレベルに到達しており、構成部材を変えて、これ以上寿命を延ばすことは困難となってきている。

特許第４０００８９７号公報

本発明の目的は、上記の従来技術の問題点に鑑み、フリッカーの発生時期を遅らせて放電ランプの寿命を延ばすことを可能にした放電ランプ装置を提供することにある。

前記の課題を解決するために、請求項１記載の発明は、発光管内に陰極と陽極が対向して配置され、前記陰極にエミッター物質が含有されてなる放電ランプと、該放電ランプを点灯させる電源と、該電源を制御する制御機構を有する放電ランプ装置において、前記制御機構は、点灯している前記放電ランプに対して、電流供給を中止して、前記放電ランプを消灯させ、所定時間経過後、再び、電流供給を開始して前記放電ランプを点灯させる消灯時間制御手段を備えることを特徴とする放電ランプ装置である。
請求項２記載の発明は、発光管内に陰極と陽極が対向して配置され、前記陰極にエミッター物質が含有されてなる放電ランプと、該放電ランプを点灯させる電源と、該電源を制御する制御機構を有する放電ランプ装置において、前記制御機構は、点灯している前記放電ランプに対して、電流供給を中止して、前記放電ランプを消灯させ、陰極温度が所定温度以下になった時点で、再び、電流供給を開始して前記放電ランプを点灯させる消灯時間制御手段を有することを特徴とする放電ランプ装置である。
請求項３記載の発明は、前記消灯時間制御手段は、前記点灯している前記放電ランプに対して、電流供給を中止することに代えて、前記点灯している前記放電ランプに対して、前記放電ランプへ供給される電流値を徐々に下げてから、電流供給を中止することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の放電ランプ装置である

請求項１に記載の発明によれば、アーク安定最少電流を低下させ、その結果、放電ランプの寿命を延ばすことができる。
請求項２に記載の発明によれば、アーク安定最少電流を低下させ、その結果、放電ランプの寿命を延ばすことができると共に、放電ランプへの電流供給中止後の消灯時間（ＯＦＦ時間）を容易に設定することができる。
請求項３に記載の発明によれば、放電ランプへの電流供給中止後の消灯時間（ＯＦＦ時間）を短く設定することができ、放電ランプの無投影状態への影響を小さくすることができる。

第１の実施形態に係る放電ランプ装置の構成を示す図である。 消灯時間制御手段によって放電ランプへの電流供給または電流不供給を制御した際の、放電ランプのランプ電流、ランプ電圧、陰極先端温度の変化を示した図である。 点灯中の放電ランプを所定時間消灯後、再び点灯していく場合の、放電ランプのアーク安定最少電流の時間的変化を示す図である。 点灯中の放電ランプを所定時間消灯後、再び点灯していく場合の、放電ランプのアーク安定最少電流の時間的変化を示す表である。 放電ランプの陰極先端部におけるタングステン結晶粒の結合状態を示す図である。 消灯時間（ＯＦＦ時間）を決めるための実験結果を示す表である。 第２の実施形態に係る放電ランプ装置の構成を示す図である。

本発明の第１の実施形態を図１〜図６を用いて説明する。
図１は本実施形態に係る放電ランプ装置の構成を示す図である。
同図に示すように、放電ランプ１は、発光管１１とその両端に連続する封止部１４とを備え、発光管１１の内部には、陽極１２と陰極１３とが、互いに向き合って配置され、それぞれ封止部１４で保持されている。封止部１４の内部では不図示の金属箔を介して、または電極から伸びるリードに直接ガラス部材を溶着したシール部（ロッドシール）を通して外部リード棒１５に接続され、外部リード棒１５は電源２に接続されている。発光管１１内には、発光物質として、水銀が封入され、更に、バッファガスとして、キセノン、アルゴン、クリプトンの少なくとも１種類以上が封入されている。本実施形態の放電ランプは、ショートアーク水銀ランプである。あるいは、発光管１１内には、発光物質として、キセノン、アルゴン、クリプトンの少なくとも１種類が封入されているものあり、このような放電ランプはショートアーク希ガスランプである。

放電ランプ１は、電源２から電力が供給されると、陽極１２と陰極１３の間でアーク放電することにより発光する。なお、この放電ランプ１は、陽極１２を上、陰極１３を下にして図示されているが、この上下関係はランプ設計により任意に決められるもので、発光管１１の管軸、すなわち陽極１２と陰極１３が伸びる方向に形成される仮想中心軸が地面に対して垂直のものも水平のものも可能である。陰極１３は、エミッター物質としてトリム又はランタン又はその他希土類金属又はそれらの化合物が含有されたエミッタドープドタングステンを使用している。

また、同図に示すように、放電ランプ１の外部リード棒１５には、放電ランプ１を点灯するための電源２が接続されており、この電源２には制御機構３が接続されており、制御機構３は、消灯時間制御手段３１を備えている。消灯時間制御手段３１は、点灯している放電ランプ１に対して、所定時間、電流供給を中止して放電ランプ１を消灯させ、所定時間経過後、再び、放電ランプ１を点灯させるように制御する機能を有する。

消灯時間制御手段３１によって、放電ランプ１への電流供給または電流不供給を制御するものであるが、消灯時間制御手段３１は、制御信号Ｓ１を受けると、電源２に対して放電ランプ１への電流供給を中止し、その後、所定の時間後、制御機構３によって、オープン電圧やブレークダウン電圧（イグニッション電圧）や突入電流（電極が熱い時は突入電流は不要又は少なくてよい）を制御し、放電ランプ１への電流供給を復帰させるものである。

図２は、消灯時間制御手段３１によって放電ランプ１への電流供給または電流不供給を制御した際の、放電ランプ１の電流、電圧、陰極先端温度の変化を示した図である。
同図に示すように、時刻Ｔ１で、制御信号Ｓ１が発生し、消灯時間制御手段３１が始動し、時刻Ｔ１で、放電ランプ１への電流供給を中止し、電圧が下がり、陰極先端の温度が低下し、つまり、放電ランプ１が消灯した状態になる。

制御信号Ｓ１を受けた時点で、消灯時間制御手段３１は所定の時間経過後、時刻Ｔ２で、電極１２、１３間にオープン電圧をかけ、更にブレークダウン電圧を印加して、放電ランプ１を再び点灯させる。

次に、点灯中の放電ランプを所定時間消灯後、再び点灯することによって、放電ランプの寿命を延ばすことができる理由を、図３及び図４の表１を用いて説明する。
図３及び図４の表１は、ある放電ランプについて、点灯中の放電ランプを所定時間消灯後、再び点灯していく場合の、放電ランプのアーク安定最少電流の時間的変化を示す図である。なお、ここで使用した放電ランプの定格電流は８０Ａである。

図４の表１に示すように、点灯時間１００時間経過後から、２４時間おきに定格電流８０Ａより低い値の電流を流してアーク安定最少電流を測定した。点灯時間２２０時間経過時点までのアーク安定最少電流の変化から、アーク安定最少電流が８０Ａになる時間を予測した。つまり、アーク安定最少電流が８０Ａとなると、定格電流の８０Ａと同一になり、定格電流の８０Ａでランプを点灯しても、フリッカーが発生することを意味する。

アーク安定最少電流が定格電流８０Ａと同一となるとの予測は、図３に示すように、点灯時間１００時間経過後から点灯時間２２０時間経過時点までの間のアーク安定最少電流の変化の推移を最少二乗法により求めた予測線Ａより求めたものである。つまり、この予測線Ａが、アーク安定最少電流８０Ａと交わる時点Ｂを予測寿命とすると、この放電ランプの寿命時間は２４６時間となる。

本実験においては、図３及び図４の表１に示すように、放電ランプの点灯時間２２０時間経過後に、アーク安定最少電流を測定した後、消灯した。消灯時間は１分間で、その後、再点灯を行い、点灯時間２２２時間経過後においてアーク安定最少電流を測定したところ５３Ａであった。また、先に寿命予測した時間近傍の２４４時間時点では、アーク安定最少電流を測定すると５７Ａであり、当初の寿命予測では、アーク安定最少電流が８０Ａにおいてフリッカーが発生する寿命末期となるはずであったが、アーク安定最少電流が８０Ａより低い値となり、フリッカーが発生せず、放電ランプは使用可能状態を持続していることがわかる。

その後、この放電ランプを３４０時間まで点灯すると、アーク安定最少電流が８０Ａを超え、フリッカーが発生する状態となったので、消灯した。消灯時間は１分間で、その後、再点灯を行い、３４２時間で、アーク安定最少電流を測定したところ、その値は８０Ａよりは低い６０Ａとなった。つまり、定格電流８０Ａで放電ランプを点灯してもフリッカーが発生せず、寿命がさらに延びたことがわかる。再び放電ランプを点灯すると、４６０時間で、アーク安定最少電流が８１Ａとなり、フリッカーが発生したので寿命とした。

このように、この放電ランプでは、連続点灯すると、２４６時間でフリッカーが発生して、ランプ寿命となっていたところ、点灯している放電ランプに対して、電流供給を中止して放電ランプを消灯させ、消灯時間１分経過後、再び、電流流供給を開始して放電ランプを点灯させ、さらに、数時間後に、点灯している放電ランプに対して、電流供給を中止して放電ランプを消灯させ、消灯時間１分経過後、再び、電流供給を開始して放電ランプを点灯させると、フリッカーの発生時期を４６０時間まで延ばすことができ、フリッカーの発生時刻を大幅に遅らせることができ、放電ランプの寿命を大幅に延ばすことができた。

次に、連続点灯している放電ランプを任意の時期で所定時間だけ消灯すると、寿命が延びる理由を図５を用いて説明する。
図５は、放電ランプの陰極先端部におけるタングステン結晶粒の結合図を示している。 同図に示すように、結晶粒と結晶粒の境にある黒色の線は、粒界を示している。エミッター物質は、この粒界を通り陰極先端へと供給力される。つまり、粒界の数が多いほど、エミッターの供給能力は高くなる。図５（ａ）は、点灯初期における結晶粒の結合図である。この場合、粒界の数が多いため、エミッターの供給力が高い状態にある。したがって、この場合は、フリッカー現象は認識できない状態である。一方、図５（ｂ）は、長時間ランプを連続点灯した場合の結晶粒の様子を示している。この場合、結晶粒が統合して巨大化し、図５（ａ）に比べて、粒界の数が減少していることが分かる。この状態では、粒界を通して陰極の先端にエミッター物質が供給され難くなり、フリッカー現象が発生すると考えられる。

つまり、連続点灯中に、電流供給を中止し、ランプを消灯すると、陰極の温度が下がり、陰極が冷える過程において、陰極先端の結晶粒が割れて、新たな粒界が生成し、再度放電ランプを点灯すると、エミッター物質は、この生成された粒界を通り陰極先端へと供給されるので、エミッターの供給能力の低下を抑制し、フリッカーの発生時期を遅らせて放電ランプの寿命を延ばすと考えられる。

次に、消灯時間（ＯＦＦ時間）を決めるための実験を図６の表２を用いて説明する。
実験には、キセノンを封入した３種類の放電ランプ（Ａ、Ｂ、Ｃ）を用意し、各放電ランプの仕様、各種電流波形における、アーク安定最少電流が低下するまでの最少ＯＦＦ時間、及び陰極胴部温度を測定した。ここで、電流波形は、Ｔｙｐｅ１（定常電流から一気に０Ａにまで電流を下げ、最少ＯＦＦ時間経過後、再び定常電流となる制御方法）及び、Ｔｙｐｅ２（定常電流から徐々に、例えば、１０Ａ／ｓｅｃの割合でアーク放電が維持できなくなるまで電流を下げ消灯し、最少ＯＦＦ時間経過後、再び定常電流となる制御方法）を実施した。

まず、各放電ランプについて、アーク安定最少電流の上昇が確認できる時間まで点灯させる。その時点において、所定のＯＦＦ時間（例えば、０．１ｓｅｃから始める）を挿入し、アーク安定最少電流を確認する。このとき、アーク安定最少電流がＯＦＦ時間挿入の前後で変化（アーク安定最少電流が下がる）がなければ、再び所定のＯＦＦ時間（前回のＯＦＦ時間に０．１ｓｅｃ加算、または前回までのＯＦＦ時間が１ｓｅｃ以上の場合は、１ｓｅｃ加算）を挿入し、アーク安定最低電流を確認する。この動作をアーク安定最少電流が下るまで繰り返し、アーク安定最少電流が下がった時のＯＦＦ時間を最少ＯＦＦ時間と定義する。

最少ＯＦＦ時間の測定値は、最少ＯＦＦ時間をそれぞれの放電ランプで３〜５回（１回目の測定の後、再びアーク安定最少電流の上昇が確認されるまで点灯し、２回目の測定、点灯、アーク安定最少電流上昇、測定を繰り返す）測定し、その結果の幅を記録した。

ＯＦＦ時間終了後、放電ランプを定格電力で点灯させるためには、陰極先端温度がある温度以下になる必要があると考えられる。しかし、放電ランプの電極は電流供給を中止すると温度が下がり収縮し、そのために、陰極先端位置は電流供給が中止された後、急激にその位置を変えるため、陰極先端温度を測定することは非常に困難である。そのため、ここでは、測定し易い陰極電極胴部の温度を測定することにより、陰極先端温度の指標とした。

ＯＦＦ時間は、例えば、放電ランプＡでＴｙｐｅ１の電流波形の場合は、６ｓｅｃ以上必要であることがわかる。放電ランプＡでＴｙｐｅ１の電流波形の場合で、ＯＦＦ時間が３ｓｅｃ以上６ｓｅｃ未満の場合は、放電ランプＡを消灯しても、アーク安定最少電流が降下しない場合があり、寿命を延ばすことができない場合がある。また、ＯＦＦ時間は、例えば、ランプＢでＴｙｐｅ２の電流波形の場合は、０．３ｓｅｃ以上必要であることがわかる。ランプＢでＴｙｐｅ２の電流波形の場合で、ＯＦＦ時間が０．１ｓｅｃ以上０．３ｓｅｃ未満の場合は、放電ランプＢを消灯しても、アーク安定最少電流が降下しない場合があり、寿命を延ばすことができない場合がある。更に、ＯＦＦ時間は、例えば、放電ランプＣでＴｙｐｅ１の電流波形の場合、陰極胴部温度１５２０Ｋ以下で電流投入を再開するように設定する。これは、放電ランプＣでＴｙｐｅ１の電流波形の場合で、ＯＦＦ時間が５ｓｅｃ以上であれば、消灯時間が長くなり、それだけ陰極の温度が下がるものであり、陰極胴部温度１５２０Ｋ以下となるには、ＯＦＦ時間が５ｓｅｃ以上必要という意味である。

放電ランプへの電流中止方法として、Ｔｙｐｅ２の電流波形のように、徐々に電流供給を下げるようにすることにより、ＯＦＦ時間を短くすることができる。これは、電流供給を徐々に下げると、電流値の下がり始めでは、放電ランプの光出力が弱くなるものの、放電ランプの光を利用することができる。一方、電流供給が徐々に下がる範囲では、陰極温度が定格電流時よりも下がるため、完全に電流供給がなくなってから（電流値が０になってから）、陰極温度が所定温度（結晶粒が割れる温度）まで下がる時間が短くなるためと考えられる。この結果、Ｔｙｐｅ２の電流波形のように、徐々に電流を下げるようにすることにより、電流値の下がり始めでは、放電ランプの光出力が弱くなるものの、放電ランプの光を利用することができ、しかも、放電ランプが完全に消灯する消灯時間を短くすることができるので、放電ランプの消灯による無投影状態の影響を小さくすることができる。

本発明の第２の実施形態を図７を用いて説明する。
図７は本実施形態に係る放電ランプ装置の構成を示す図である。
先に述べたように、陰極の温度を測定して、消灯時間（ＯＦＦ時間）を決めてもよい。 この方法は、図７に示すように、陰極の胴部の温度を、放射温度計４で測定し、その測定した温度を信号Ｓ２として、消灯時間制御手段３１に送る。この結果、放射温度計４で、冷めて行く陰極１３の温度を測定し、陰極１３の温度が所定温度以下になると、陰極１３先端の結晶粒の割れが確実に発生し、粒界を確実に発生させることができるので、その時点で、再度放電ランプ１を点灯すると、エミッター物質は、この割れた粒界を通り陰極１３先端へと供給されるので、エミッターの供給能力の低下を抑制し、フリッカーの発生時期を遅らせて放電ランプ１の寿命を延ばすことができるものである。なお、図７に示した他の符号の構成は図１に示した同符号の構成に対応するので、説明を省略する。

１ 放電ランプ
１１ 発光管
１２ 陽極
１３ 陰極
１４ 封止部
１５ 外部リード棒
２ 電源
３ 制御機構
３１ 消灯時間制御手段
４ 放射温度計

Claims (3)

1. 発光管内に陰極と陽極が対向して配置され、前記陰極にエミッター物質が含有されてなる放電ランプと、該放電ランプを点灯させる電源と、該電源を制御する制御機構を有する放電ランプ装置において、
   前記制御機構は、点灯している前記放電ランプに対して、電流供給を中止して、前記放電ランプを消灯させ、所定時間経過後、再び、電流供給を開始して前記放電ランプを点灯させる消灯時間制御手段を備えることを特徴とする放電ランプ装置。
2. 発光管内に陰極と陽極が対向して配置され、前記陰極にエミッター物質が含有されてなる放電ランプと、該放電ランプを点灯させる電源と、該電源を制御する制御機構を有する放電ランプ装置において、
   前記制御機構は、点灯している前記放電ランプに対して、電流供給を中止して、前記放電ランプを消灯させ、陰極温度が所定温度以下になった時点で、再び、電流供給を開始して前記放電ランプを点灯させる消灯時間制御手段を有することを特徴とする放電ランプ装置。
3. 前記消灯時間制御手段は、前記点灯している前記放電ランプに対して、電流供給を中止することに代えて、前記点灯している前記放電ランプに対して、前記放電ランプへ供給される電流値を徐々に下げてから、電流供給を中止することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の放電ランプ装置。