JP2004296427A - 超高圧水銀ランプ発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】常に安定な放電ができる電極先端形状を維持する超高圧水銀ランプ発光装置を提供することである。
【解決手段】ショートアーク型超高圧水銀ランプ１０と点灯装置１００からなり、ショートアーク型超高圧水銀ランプ１は石英ガラスからなる発光部１１にタングステンを主成分とする一対の電極を２ｍｍ以下の間隔で対向配置し、この発光部１１に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、希ガスと、１×１０^−６〜１×１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲でハロゲンを封入したものである。そして、電極１の先端表面は前記点灯装置によりランプ点灯中において溶融状態になることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

この発明は超高圧水銀ランプ発光装置に関する。特に、発光管内に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀が封入され点灯時の水銀蒸気圧が１１０気圧以上となるショートアーク型超高圧水銀ランプを光源とした液晶ディスプレイ装置やＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）を使ったＤＬＰ（デジタルライトプロセッサ）などのプロジェクター装置に使われる発光装置に関する。

投射型プロジェクター装置は、矩形状のスクリーンに対して、均一にしかも十分な演色性をもって画像を照明させることが要求され、このため、光源としては、水銀や金属ハロゲン化物を封入させたメタルハライドランプが使われている。また、このようなメタルハライドランプも、最近では、より一層の小型化、点光源化が進められ、また電極間距離の極めて小さいものが実用化されている。

このような背景のもと、最近では、メタルハライドランプに代わって、今までにない高い水銀蒸気圧、例えば１５０気圧、を持つランプが提案されている。これは、水銀蒸気圧をより高くすることで、アークの広がりを抑える(絞り込む）とともに、より一層の光出力の向上を図るというものである。
このような超高圧放電ランプは、例えば、特開平２−１４８５６１号、特開平６−５２８３０号に開示されている。

上記ランプは、例えば、石英ガラスからなる発光管に、タングステンを主成分とする一対の電極を２ｍｍ以下の間隔で対向配置し、この発光管に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と１×１０^−６〜１×１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲でハロゲンを封入したショートアーク型超高圧水銀ランプが使われる。ハロゲンを封入する主目的は発光管の失透防止であるが、これにより、いわゆるハロゲンサイクルも生じる。

ところで、上記超高圧水銀ランプ（以下、単に放電ランプともいう）は、点灯時間の経過とともに電極先端にタングステンが析出して、電極先端が変形したり、突起が生成したりするという現象が起こる。この現象は必ずしも明らかではないが以下のように推測できる。
すなわち、ランプ点灯中に電極先端付近の高温部から蒸発したタングステンは発光管に存在するハロゲンや残留酸素と結合して、例えばハロゲンとして臭素（Ｂｒ）が封入される場合は、ＷＢｒ、ＷＢｒ２、ＷＯ、ＷＯ２、ＷＯ２Ｂｒ、ＷＯ２Ｂｒ２などのタングステン化合物として存在する。これら化合物は電極先端付近の気相中の高温部においては分解してタングステン原子または陽イオンとなる。そして、温度拡散（気相中の高温部＝アーク中心から、低温部＝電極先端近傍に向かうタングステン原子の拡散）、濃度拡散、および、アーク中でタングステン原子が電離して陽イオンになり、陰極動作しているときに電界によって陰極方向に引き寄せられる（ドリフト）ことによって、電極先端付近における気相中のタングステン蒸気密度が高くなり、電極先端に析出して、電極先端が変形したり、突起を生成したりするものと考えられる。
上記突起に関する内容は、例えば、特開２００１−３１２９９７号に開示される。

図９に電極先端と突起を模式化したものを示す。一対の電極１はそれぞれ球部１ａと軸部１ｂから構成され、球部１ａの先端に突起２が形成している。なお、ランプ点灯開始時に突起が存在しない場合であっても、その後の点灯により、図示するように突起２が生成して、この突起２を起点としてアーク放電Ａが生じている。

ここで、上記突起が理想の形態で形成されれば問題はないが、上記のごとく放電ランプの点灯に伴い物理現象により生じるものであるから、その形態は必ずしも理想の形態になるとはいえない。特に、凹凸を有するようないびつな形状となった場合は、放電の起点が不安定になり、点光源を前提に設計されたプロジェクター装置の光源としては十分な光を取り出すことができないなど致命的な問題を有する。
特開平２−１４８５６１号 特開平６−５２８３０号 特開２００１−３１２９９７号

この発明が解決しようとする課題は、常に安定な放電ができる電極先端の形状を有する超高圧水銀ランプ発光装置を提供することである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る超高圧水銀ランプ発光装置は、ショートアーク型超高圧水銀ランプと点灯装置からなり、ショートアーク型超高圧水銀ランプは石英ガラスからなる発光管に、タングステンを主成分とする一対の電極を２ｍｍ以下の間隔で対向配置し、この発光管に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、希ガスと、１×１０^−６〜１×１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲でハロゲンを封入したものである。
そして、このショートアーク型超高圧水銀ランプは、一対の電極のうち少なくとも一方の電極の先端部表面は、前記点灯装置によりランプ点灯中において溶融状態になることを特徴とする。

さらに、請求項２に係る超高圧水銀ランプ発光装置は、点灯装置がショートアーク型超高圧水銀ランプに供給する交流ランプ電流が、極性反転直後に高いパルスを重畳させるものであることを特徴とする。
さらに、請求項３に係る超高圧水銀ランプ発光装置は、点灯装置がショートアーク型超高圧水銀ランプに供給する交流ランプ電流が、半周期の後半部に向かい上昇するものであることを特徴とする。
さらに、請求項４に係る超高圧水銀ランプ発光装置は、点灯装置が前記ショートアーク型超高圧水銀ランプに供給する交流ランプ電流は、高いパルスが重畳された後に漸次減少し、その後、半周期の後半部から漸次増大することを特徴とする。
さらに、請求項５に係る超高圧水銀ランプ発光装置は、点灯装置が前記ショートアーク型超高圧水銀ランプに供給する交流ランプ電流は、高いパルスが重畳された後に、当該半周期の全期間において、電流値が減少することを特徴とする。
さらに、請求項６に係る超高圧水銀ランプ発光装置は、超高圧放電ランプの電極の少なくとも一方は、軸部に形成された太径部と、この太径部の先端に設けられた突起部と、太径部から突起部に向けて形成された縮径部よりなることを特徴とする。
請求項８に係る超高圧水銀ランプは、石英ガラスからなる発光管に一対の電極を２ｍｍ以下の間隔で対向配置し、この発光管に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、希ガスと、１×１０^−６〜１×１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲でハロゲンを封入した交流点灯型ランプであり、一対の電極のうち少なくとも一方の電極は、その先端部表面は、ランプ点灯中において溶融状態になることを特徴とする。

以上、説明したように本発明に係る超高圧放電ランプ発光装置は、交流電流の半周期において極性切替直後に高パルス電流を重畳させるので、放電ランプの電極先端部表面が少なくとも陽極動作に切り替わるたびに溶融状態となり、これにより、電極先端部表面に凹凸が形成されるなど好ましくない形状の発生を防止できる。

図１に本発明の超高圧水銀ランプ発光装置の全体概略構成を示す。発光装置はショートアーク型超高圧水銀ランプ１０（以下、単に「放電ランプ」ともいう）と点灯装置１００から構成される。
放電ランプ１０は、石英ガラスからなる放電容器によって形成された概略球形の発光部１１を有し、この発光部１１には、タングステンを主成分とする一対の電極１が互いに対向して配置する。また、発光部１１の両端部から伸びるよう封止部１２が形成され、これらの封止部１２内には、通常モリブデンよりなる導電用金属箔１３が、例えばシュリンクシールにより気密に埋設されている。一対の電極１は軸部が、金属箔１３に溶接されて電気的に接続され、また、金属箔１３の他端には、外部に突出する外部リード１４が溶接されている。
外部リード１４は点灯装置１００と電気的に接続される。

発光部１１には、水銀と、希ガスと、ハロゲンガスが封入されている。
水銀は、必要な可視光波長、例えば、波長３６０〜７８０ｎｍという放射光を得るためのもので、０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上封入されている。この封入量は、温度条件によっても異なるが、点灯時１５０気圧以上で極めて高い蒸気圧となる。また、水銀をより多く封入することで点灯時の水銀蒸気圧２００気圧以上、３００気圧以上という高い水銀蒸気圧の放電ランプを作ることができ、水銀蒸気圧が高くなるほどプロジェクター装置に適した光源を実現することができる。
希ガスは、例えば、アルゴンガスが約１３ｋＰａ封入され、点灯始動性を改善するためのものである。
ハロゲンは、沃素、臭素、塩素などが水銀その他の金属との化合物の形態で封入され、ハロゲンの封入量は、１０^−６〜１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲から選択される。その機能はハロゲンサイクルを利用した長寿命化も存在するが、本発明の放電ランプのように極めて小型で高い内圧を有するものは、このようなハロゲンを封入することが放電容器の失透防止を主目的としている。

放電ランプの数値例を示すと、例えば、発光部の最大外径はΦ８〜Φ１２ｍｍの範囲であって、例えば１０ｍｍ、電極間距離は０．５〜２．０ｍｍの範囲であって、例えば１．０ｍｍ、発光管内容積は５０〜１２０ｍｍ^３の範囲であって、例えば６５ｍｍ^３であり、点灯装置１００により５０Ｈｚ〜７００Ｈｚの範囲であって、例えば１５０Ｈｚであって、定格電圧８０Ｖ、定格電力２００Ｗの交流点灯が行われる。
また、この種の放電ランプは、小型化するプロジェクター装置に内蔵されるものであり、装置の全体寸法が極めて小型化される一方で高い光量が要求されることから、発光管部内の熱的影響は極めて厳しいものとなり、ランプの管壁負荷値は０．８〜２．０Ｗ／ｍｍ²、具体的には１．５Ｗ／ｍｍ²となる。
このような高い水銀蒸気圧や管壁負荷値を有することがプロジェクター装置やオーバーヘッドプロジェクターのようなプレゼンテーション用機器に搭載された場合に、演色性の良い放射光を提供することができる。

図２に点灯装置１００の概略構成例を示す。
点灯装置１００は、スイッチ素子Ｓ１がパルス巾制御されることによって電力が制御されるスイッチング部１０１と、そのスイッチング部１０１の直流電力を交流矩形波電力に変換するスイッチ素子Ｓ２〜Ｓ５からなるフルブリッジ回路１０２、および、これらスイッチング部１０１およびフルブリッジ回路１０１をそれぞれ制御する制御部１０３とから構成される。
放電ランプ１０には、直列にイグナイタ用のトランスＴＲ１が接続され、また、放電ランプ１０とトランスＴＲ１に直列にコンデンサＣ３が接続されており、放電ランプ１０とトランスＴＲ１の直列回路にフルブリッジ回路１０２から交流低周波電流を供給し放電ランプを点灯させる。なお、イグナイタは、本出願人の特開２００３-１７２８３号のイグナイタが給電回路部から分離された方式（外部トリガー方式）であっても良い。

スイッチング部１０１は、コンデンサＣ１と、制御部１０３の出力によりスイッチング動作をするスイッチ素子Ｓ１と、ダイオードＤ１とインダクタンスＬ１と平滑コンデンサＣ２から構成され、制御部１０３のＰＷＭ部２５により上記スイッチング素子Ｓ１のオン／オフ比が制御され、フルブリッジ回路１０２を介して放電ランプ１０に供給される電力（放電電力）が制御される。
また、スイッチング部１０１から放電ランプ１０に供給される電流を検出するため、電流検出用抵抗Ｒ１が、スイッチング部１０１とフルブリッジ回路１０２の間に設けられている。
フルブリッジ回路１０２は、ブリッジ状に接続されたトランジスタやＦＥＴからなるスイッチ素子Ｓ２〜Ｓ５と、該スイッチ素子Ｓ２〜Ｓ５に逆並列に接続されたダイオードＤ２〜Ｄ５から構成される。
上記スイッチ素子Ｓ２〜Ｓ５は、制御部１０３に設けられたフルブリッジ駆動回路２２により駆動され、放電ランプ１０に交流低周波電流を供給して、放電ランプ１０を点灯させる。
すなわち、スイッチ素子Ｓ２、Ｓ５、スイッチ素子Ｓ３、Ｓ４を交互にオンにして、スイッチング部１０１→スイッチ素子Ｓ２→放電ランプ１０→スイッチ素子Ｓ５→スイッチング部１０１、および、スイッチング部１０１→スイッチ素子Ｓ４→放電ランプ１０→スイッチ素子Ｓ３→スイッチング部１０１の経路で放電ランプ３に交流低周波を供給し、放電ランプ１０を点灯させる。

制御部１０３は、フルブリッジ駆動回路２１を備え、フルブリッジ駆動回路２１は、スイッチ素子Ｓ２〜Ｓ５の駆動信号を発生する。
また、放電ランプ１０の電流検出値、電圧検出値は乗算器２２に入力されて点灯電力が算出され、比較器２４において基準電力信号発生器２３からの信号を比較することでフィードバック制御を行う。
以上は、放電ランプの通常の点灯における一般的な制御を表している。
後述するように、高パルス重畳回路２６の信号は基準電力信号発生器２３に送信され、高パルスを重畳させるとともに、調光回路２７からの信号が高パルス重畳回路２６と基準電力信号発生器２３に送信される。なお、調光回路２７にはプロジェクター装置本体から調光モードなどの情報が送信される。

図３は放電ランプの交流電流波形であって、縦軸に電流値、横軸に時間を示す。
（ａ）は本発明の基本的な電流波形を表す。点灯装置１００から放電ランプ１０に供給される交流電流は、極性切換直後の期間Ｔａにおいて高いパルス電流が重畳されており、その後の期間Ｔｂにおいて重畳が回避される。
このような高いパルス電流の重畳により、電極先端部は、少なくとも表面部分が溶融状態となる。このため、電極先端に、タンスグテンの析出による凹凸やいびつな形状が発生することなく安定した放電を行なうことができる。
そして、本発明では、少なくともそれぞれの電極が温度の高くなる陽極動作に切り替わる一周期毎に、少なくとも電極の先端部表面を溶融させることで、ランプ点灯中に電極先端部に凹凸やいびつな形状が発生したとしても、一周期ごとに溶融状態を作ることで、常に凹凸やいびつな形状の発生を防止できる。
従って、パルス電流を重畳は、少なくとも当該陽極動作の半周期において、突起部先端面を溶融できるだけの電流値と期間が必要ということになる。
ここで、前記放電ランプの設計例において、数値例をあげると、半周期Ｔは１０ｍｓ（５０Ｈｚ）〜０．７ｍｓ（７００Ｈｚ）であり、期間Ｔａは半周期Ｔの１／２〜1／５ぐらいである。電流値は、期間Ｔａにおいて２．５〜３．０Ａであり、期間Ｔｂにおいて１．８〜２．５Ａである。

（ｂ）は本発明の超高圧水銀ランプにおいて、調光するために電流値を変化させた場合の電流波形を表す。調光とは、プロジェクター装置を種々の目的に応じて、明るさを変化させる場合に放電ランプの電流量を増減調整することである。
図において、期間Ｔｂの電流値Ｉ’は基準電流値Ｉより低下しており、このような電流値Ｉ’の変化により調光制御が行われる。しかしながら、期間Ｔａは、突起部表面を溶融させる必要があるため、調光に対応させて電流値を変化させるわけにはいかない。すなわち、期間Ｔｂは調光という目的のために電流値を適宜変化させているが、期間Ｔａは電極先端部の表面溶融という目的のために、常に高いパルス電流を重畳させる必要がある。この点こそが本発明の大きな特徴である。
数値例をあげると、調光時の電流値Ｉ’は、基準電流値Ｉの１／１．１〜１／１．３ぐらいであり、具体的には、基準電流値が例えば２．５Ａの場合は、調光電流の平均値は１．９〜２．３Ａとなる。

（ｃ）は期間Ｔａが半周期に対して比較的短い場合の電流波形を表す。
すなわち、期間Ｔｂにおいてある程度高い電流値が供給される場合は、期間Ｔａで重畳されるパルスのエネルギー（時間と電流量）は低めに設定できることを示す。これは期間Ｔｂにおいて、点灯装置から供給される電流も電極先端部の溶融に貢献しているからである。
その一方で、例えば、（ｂ）に示すように、期間Ｔｂにおいて電流値が低い場合には、期間Ｔａにおいて、期間Ｔｂでも溶融状態を維持できるだけのエネルギーを供給しておかなければならないことになる。
つまり、極性切替直後は、電極先端部表面を溶融開始させるために高パルス電流を重畳させる必要があるが、その時間と電流値は、後続する期間Ｔｂでも電流値との兼ね合いで適宜選択できるわけである。したがって、点灯装置は、プロジェクター装置から使用状況に関する情報を受信することで期間Ｔｂに供給するべき電流情報を入手すると、その電流値に対応させて期間Ｔａの時間と電流値を選定することになる。このような動作は、図２に示す回路図において、高パルス重畳回路２６と調光回路２７が接続することに意味され、プロジェクター装置が調光モードであるか非調光モードであるか、あるいは調光モードの場合に調光のレベルを把握することで、期間Ｔａに供給すべきエネルギー量を調整する機能を有している。なお、現実にはコンピュータ機能が制御部１０３のいずれかに内蔵されており、このような制御機能を担うこととなる。
そして、特に、放電ランプの寿命や点灯装置の耐圧を考慮すると、電極先端部表面の溶融を最小のエネルギーによって達成することが望ましく、高電流パルスの供給も溶融状態さえ形成できるのであれば可能な限り、低い電流値あるいは短い時間であることが望ましい。

ここで、プロジェクター装置の一般的な調光モードについて数値例を紹介する。放電ランプの定格電力が、例えば２００Ｗの場合、調光は１６０〜１８０Ｗの範囲で行なわれる。このような調光は、例えばプロジェクターを小さな部屋で使う場合において明るさがそれほど必要ない場合や冷却ファンの騒音を小さくして使いたい場合などに行なわれる。

図４は高電流パルス波形の変形例を示し、図３と同様に縦軸は電流値、横軸は時間を表している。（ａ）は高電流パルスが直線的に漸次減少する波形を示し、（ｂ）、（ｃ）は高電流パルスが曲線的に漸次減少する波形である。
このように重畳されたパルス電流が、方形波的であって、その後急激に減少するのではなく、連続的に減少することによって、少なくとも一周期ごとの陽極動作時における電極先端突起の加熱を調節して、電極先端面の溶融度合いを制御できる。このような連続的に変化する波形は、電流の変化に伴う光出力の変動を低減できるので、プロジェクター装置に用いられた場合の映像ちらつきを低減する効果がある。
この電流波形は、特に減光モードにおいて適する。期間Ｔｂにおける電流値が小さいため、期間Ｔａのピーク値との変化が大きくなるからである。
なお、パルスの形状は上記（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す波形に限定されるものではなく、上記気泡の発生などが実用上問題なければ、例えば、段階的に電流量を減少させる方法や、漸次あるいは段階的に上昇させて、その後減少させる方法も可能である。

図５は電極１の拡大図を示す。（ａ）は大径部の先端が概略球面状の電極を示し、（ｂ）は大径部の先端が縮径部をもつ電極を示し、両図とも、電極１は、突起部２、縮径部３、大径部４と軸部１ｂから構成される。
（ａ）において、大径部４の先端には突起部２が形成される。
突起部２は、前記したように点灯時間の経過とともに形成されるものであり、電極間距離２ｍｍ以下、発光管内に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、希ガスと、１×１０^−６〜１×１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲でハロゲンを封入するという特有の形態においてタングステン原子の堆積などにより生じる。また、突起部２は、ランプ点灯中において、アーク起点となりアークの位置を安定に維持させることができ、いわゆるアークジャンプなどアークのふらつきを防止する。なお、突起部２の概略球面形状となる場合が多い。
大径部４は、例えば、糸状のタングステンをコイル状に巻き付けたものが溶融して形成される。溶融はＴＩＧ溶接やレーザ照射により行なわれ、後端には図示のようにコイル部分が残る場合がある。このコイル部分は、点灯始動時においては表面の凹凸効果により始動の種（始動開始位置）として機能するとともに、点灯後においては表面の凹凸効果と熱容量により放熱の機能を有している。また、コイルは細線のため加熱されやすく、グロー放電からアーク放電への移行を容易にする働きもある。
縮径部３はコイルを溶融させることで大径部４の先端に形成される。なお、縮径部３の先端部分におけるタングステン結晶の平均粒径は５０μ以上である。

ここで、本発明では、突起部２の少なくとも先端表面はランプ点灯中において溶融状態になることを特徴とする。すなわち、前記したように点灯装置から供給される交流電流の半周期毎であって極性切換直後に高い電流パルスを重畳させることで、少なくとも陽極動作時において、突起部表面を溶融することを特徴としている。
突起部２は、ランプ点灯に従い自然現象的に発生するものであるため、その形態は凹凸を生じるなど不所望な形状である場合が多く、凹凸の程度が大きい場合などにあってはアーク放電に悪影響を与えかねないからである。
上記溶融制御は突起部が形成された後も継続的に行われる。突起部２の先端表面は、突起部が形成された後においても、タングステン原子が堆積、消耗して形態変化が繰り返されるからである。

（ｂ）は電極の全体形状の変形例であって、縮径部３が球面というよりは楕円球状であって、全体が概略砲弾形状であることを特徴としている。
この形状の利点は、縮径部３の突起部以外の表面が、アークから離れているため、アークの熱的影響を受けにくく、このため、縮径部３の表面におけるタングステンの蒸発を少なくできる。

ここで、今までの説明においては、突起部２は放電ランプ製造完成時に存在しておらず、その後のランプ点灯に従い縮径部先端に自然的に生成するものと説明してきた。しかしながら、例えば、軸部１ｂの先端を利用して予め突起部２を形成することもできる。
この場合も、ランプ点灯中にタングステン原子が堆積、消耗して突起部の形態変化は少なからず生ずるため、本発明の溶融制御は有効である。特に、図５（ｂ）に示す縮径部３が概略楕円形状である電極は、タングステンの蒸発が少ないため点灯中の突起部の形状変化の影響を受けにくいため、高電流パルスも小さくできるなど利点は大きい。
また、上記のように予め突起部２を形成する場合でも、前記のようにランプの点灯によって形成する場合でも、安定した放電を得るため、突起部の先端部が略半球形に形成されていることが好ましい。
なお、突起部をランプの点灯によらず当初から形成する発明については、本出願人の特願２００３−３３８１１号を参照できる。
また、ランプ点灯中において突起の成長、消滅が著しいと、電極間距離が変動してランプ電圧の変動を招き好ましくない。本出願人は特願２００２−２９５８６４号において電力を調整することで突起の成長消滅を制御すること、および特願２００２−３２４７８０号では点灯周波数を制御することで突起の成長消滅を制御することを提案している。

なお、電極について、数値例をあげると以下のようになる。
突起部２は、外径がΦ０．１５〜０．６ｍｍであって、例えばΦ０．３ｍｍ、軸方向の長さは０．１〜０．４ｍｍであって、例えば０．２５ｍｍである。
縮径部３は、軸方向の長さは０．７〜１．５ｍｍであって、例えば１．０ｍｍである。
太径部４は、外径がφ１．０〜２．０ｍｍであって、例えば１．４ｍｍであり、軸方向の長さは０．７〜２．０ｍｍであって、例えば１．０ｍｍである。
軸部１ｂは、外径はΦ０．２〜０．６ｍｍの範囲であって、例えば０．４ｍｍである。
コイル４の線径はΦ０．１〜０．３の範囲であって、例えば、０．２５ｍｍである。
なお、以上の数値例は一例であり、特に、前記した放電ランプの設計値との関係で適用されるものである。

ここで、以上の実施形態の説明においては、専ら電極先端に突起が形成された場合について述べたが、上記突起が形成されるほどではなく、電極先端部へのタングステンの析出によって電極先端の変形が生じる場合においても、本発明の溶融制御は安定な放電のため有効である。

図６は放電ランプの電流波形の変形例を示し、図３、図４と同様に、縦軸は電流値、横軸は時間を表す。
この変形例は、交流電流の極性換直後に高パルス電流が重畳されることに加えて、その後、半周期の後半部に向かい電流量を増大させることを特徴としている。これにより、電極の温度を半周期毎に、特に温度が低下する陰極動作の後半において、昇温することができ、電極先端の溶融面から安定に電子放射できる。
すなわち、陰極動作の半周期における期間Ｔｂにおいて、電極先端温度が後半に向かって低下するため、放電起点、いわゆる陰極輝点は収縮するが、その収縮する場所は常に一定とは限らず、輝点移動などのアーク不安定が生じることがある。特に、本願発明のように発光部に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上もの多量の水銀が封入される動作圧力の高い放電ランプにあっては、放電起点が絞られるため上記のようなアーク不安定が生じ易いからである。

（ａ）は、高パルスが重畳された後、漸次増大する電流波形を表している。この波形の利点は、高圧パルスにより電極先端部表面を溶融できるとともに、電極の昇温が簡単な制御で行えることである。
（ｂ）は、高圧パルスの重畳は漸次減少型に行われ、その後、漸次増大する電流波形であって、半周期の電流波形は概略Ｍ字型をしている。この波形の利点は、上記電極先端部溶融とを電極の昇温ができるのはもちろん、両制御が電流値の急激な変化を伴うことなくスムーズに行えることである。
（ｃ）は、（ｂ）に示すＭ字型制御に加えて、高パルス電流の電流値を高めに設定した電流波形である。この波形の利点は、高パルス電流のエネルギーが大きいため電極先端部表面の溶融効果も大きく、このため調光モードの使用、特に大きな減光を伴う使用に効果がある。
なお、（ｃ）の電流波形は、半周期前半の電流値の平均が半周期後半の電流値の平均よりも大きいことを特徴としている。
また、電極先端部表面の溶融と電極昇温の両方の効果を達成するための電流波形は、上記（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す電流波形に限定されず、その他の電流波形を採用することもできる。
以上のように、交流電流の半周期において、極性切替直後に高パルス電流を重畳させた後、半周期の後段に向かい電流値を増大させることで、電極先端部の溶融ができるとともに、電極を良好に昇温でき、結果として同一箇所からの電子放射を安定的に維持することができる。

図７は放電ランプの電流波形の変形例を示し、図３、図４、図６と同様に、縦軸は電流値、横軸は時間を表す。
この変形例は、交流電流の極性切換直後に高パルス電流が重畳されて、その後、当該パルスの全期間において電流量が減少することを特徴としている。

（ａ）（ｂ）は、高パルスが重畳された後、漸次減少する電流波形を表している。この波形の利点は、高圧パルスにより電極先端部表面を溶融できるとともに、その後の電流の減少量が一定であるために、例えば、ＤＭＤ素子や回転フィルターと同期を図るときに制御が容易になることである。
（ｃ）は、高パルスが重畳された後、電流量が曲線的に減少する波形を表している。

ここで、本発明の放電ランプは、電極間距離が２ｍｍ以下であって、希ガスと、１×１０^−６〜１×１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲でハロゲンを封入した超高圧水銀ランプが前提となっている。なぜなら、上記構成を具備する放電ランプであるからこそ、ランプの点灯に伴い電極先端にタングステンが析出して、電極先端が変形したり、突起が形成されたりし、また、最初から突起が形成されている場合であっても突起の形状変化という問題を生じるからである。
従って、上記構成を具備していない放電ランプであって、使用用途などが全く異なる放電ランプにおいては、予め突起を形成させた電極を有する放電ランプは存在するかもしれない。しかしながら、そのような放電ランプは、もともと突起の生成、成長、形状変化という技術課題が存在しないものであるから、このような先行技術は本発明と全く次元を異にするものといえる。
繰り返しになるが、本発明は、ランプ点灯に伴うタングステンの析出によって、電極先端の形状が変化する条件を具備した放電ランプにおいて、特に、突起の形状変化に伴う問題を解決するものである。

図８は放電ランプ１０とこの放電ランプ１０を取り囲む凹面反射鏡２０、さらにこの組み合わせ（以下、放電ランプ１０と凹面反射鏡２０の組み合わせを光源装置と称する）をプロジェクター装置３０に組み込んだ状態を示す。プロジェクター装置３０は、現実には、複雑な光学部品や電気部品などが密集するものであるが、図８においては説明の便宜上簡略化して表現している。
放電ランプ１０は凹面反射鏡２０の頂部開口を通して保持される。放電ランプ１０の一方の端子Ｔ１と他方の端子Ｔ２に不図示の給電装置が接続される。凹面反射鏡２０は楕円反射鏡や放物面鏡が採用され、反射面には所定の波長の光を反射する蒸着膜が施される。
凹面反射鏡２０の焦点位置は、放電ランプ１０のアーク位置に設計されており、アーク起点の光を効率よく反射鏡によって取り出すことができる。

なお、以上説明した電極構造は、放電ランプの両電極に採用することが望ましい。しかしながら、いずれか一方の電極にのみ採用することもできる。

以上、説明したように本発明に係る超高圧放電ランプ発光装置は、交流電流の半周期において極性切替直後に高パルス電流を重畳させるので、放電ランプの電極先端部表面が少なくとも陽極動作に切り替わるたびに溶融状態となり、これにより、電極先端部表面に凹凸が形成されるなど好ましくない形状の発生を防止できる。

本発明に係る超高圧水銀ランプを示す。 本発明に係る超高圧水銀ランプ発光装置の点灯装置を示す。 本発明の超高圧水銀ランプの電流波形を示す。 本発明の超高圧水銀ランプの電流波形を示す。 本発明に係る超高圧水銀ランプの電極を示す。 本発明の超高圧水銀ランプの電流波形を示す。 本発明の超高圧水銀ランプの電流波形を示す。 本発明に係る超高圧水銀ランプを使った光源装置を示す。 超高圧水銀ランプの電極を示す。

符号の説明

１ 電極
２ 突起部
３ 縮径部
４ 大径部
１０ 放電ランプ
１１ 発光部
１２ 封止部
１００ 点灯装置

Claims (8)

1. 石英ガラスからなる発光管に、タングステンを主成分とする一対の電極を２ｍｍ以下の間隔で対向配置し、この発光管に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、希ガスと、１×１０^−６〜１×１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲でハロゲンを封入したショートアーク型超高圧水銀ランプと、この水銀ランプを交流点灯させる点灯装置から構成される超高圧水銀ランプ発光装置において、
   前記ショートアーク型超高圧水銀ランプは、一対の電極のうち少なくとも一方の電極の先端部表面は、前記点灯装置により、ランプ点灯中において溶融状態になることを特徴とする超高圧水銀ランプ発光装置。
2. 前記点灯装置が前記ショートアーク型超高圧水銀ランプに供給する交流ランプ電流は、極性反転直後に高いパルスが重畳されることを特徴とする請求項１の超高圧水銀ランプ発光装置。
3. 前記点灯装置が前記ショートアーク型超高圧水銀ランプに供給する交流ランプ電流は、高いパルスの後から半周期の後半に向けて上昇することを特徴とする請求項２の超高圧水銀ランプ発光装置。
4. 前記点灯装置が前記ショートアーク型超高圧水銀ランプに供給する交流ランプ電流は、高いパルスが重畳された後に漸次減少し、その後、半周期の後半部から漸次増大することを特徴とする請求項２の超高圧水銀ランプ発光装置。
5. 前記点灯装置が前記ショートアーク型超高圧水銀ランプに供給する交流ランプ電流は、高いパルスが重畳された後、当該半周期の全期間において減少することを特徴とする請求項２の超高圧水銀ランプ発光装置。
6. 前記電極の少なくとも一方は、軸部に形成された太径部と、この太径部の先端に設けられた突起部と、太径部から突起部に向けて形成された縮径部よりなることを特徴とする請求項１の超高圧水銀ランプ発光装置。
7. 前記突起部の先端は略半球形であることを特徴とする請求項５の超高圧水銀ランプ発光装置。
8. 石英ガラスからなる発光管に、タングステンを主成分とする一対の電極を２ｍｍ以下の間隔で対向配置し、この発光管に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、希ガスと、１×１０^−６〜１×１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲でハロゲンを封入した交流点灯型の超高圧水銀ランプにおいて、
   前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極は、その先端部表面が、ランプ点灯中において溶融状態になることを特徴とする超高圧水銀ランプ。
   

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