高壓放電燈發光裝置的製作方法
2023-12-07 09:33:06
專利名稱：高壓放電燈發光裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及高壓放電燈發光裝置、高壓放電燈設備、投影儀類型的圖像顯示裝置以及高壓放電燈發光方法，具體涉及使得電流流進高壓放電燈而導致發光的高壓放電燈發光裝置。
背景技術：
在高壓放電燈中，用作諸如液晶投影儀等的投影儀類型圖像顯示裝置中的光源的高壓水銀燈在最近這些年來已經引起很大關注(參見日本專利申請公開號No.H4-303592)。
通常，高壓水銀燈具有布置在電弧管(arc tube)內部的一對相對的電極，所述電弧管密封滷素材料、惰性氣體以及水銀。高壓放電燈發光裝置將預定的高壓脈衝施加到高壓放電燈，使得電極之間的電介質擊穿，隨後導致預定頻率的交流電流流動，從而使得電燈發光。
這種高壓水銀燈的壽命是在2000小時到3000小時的數量級。
過去液晶投影儀主要用在學校教室、會議室等之中，但是最近這些年來已經越來越受到普通家庭的喜愛。
液晶投影儀所使用的光源實質上是點光源，即是在電極之間的短間隙中產生放電來產生光。從而，圖像穩定性強烈地受到放電穩定性的影響。出於上述原因，為了保證放電燈中的放電穩定性，諸如下面描述的結構和方法的電燈結構和發光方法已經使用一段時間了。
目前在液晶投影儀中使用的高壓水銀燈通常除了水銀之外還包括作為密封材料之一的滷素材料。這是由於所密封的滷素材料的滷素循環防止了在發光期間由於電極成分鎢蒸發導致的電燈變黑情況的出現。在防止電燈變黑方面，該滷素循環操作是非常有效的。然而，隨著循環的繼續，經由所述循環而傳遞到電極尖端的鎢聚集在其上，形成突起。可以通過改變所提供的交流電流的頻率來控制這種突起的生長，在日本專利申請公開號No.2001-312997以及日本專利申請公開號No.2003-338394中公開了這樣的方法。使用這樣的方法，當電燈被調度時，通過形成適當的突起來縮短電極之間的距離而產生點光源從而實現明度(luminance)的穩定。
另外，在壽命的第一個100到500小時或者附近期間，所述突起的生長可以通過改變所提供的AC電流的頻率而得到抑止，這樣的方法在日本專利申請公開號No.2003-338394中已經公開。使用這樣的方法，可以抑止壽命的第一個100到500小時或者附近中所產生突起的過度生長，實現了強度的穩定。所述方法涉及檢測放電電壓，使用該電壓的變化作為參考，執行反饋控制以恢復所述電極的尖端。
發明內容
然而，在最近這些年，已經出現新的問題，這是由於液晶投影儀顯示器的應用範圍延伸到包括能夠寬屏顯示和顯示電視畫面的家庭影院系統。主要用在學校教室和會議室的投影儀通常顯示靜止的圖像，每天最多使用幾個小時。另一方面，用作電視顯示器或者家庭影院的投影儀通常顯示運動的畫面。此外，這樣的投影儀是連續的使用。因此，可以假定，使用時間段不可比擬地比前一種技術中的使用時間段更長。此外，對於顯示在家庭影院系統上的圖像和電視畫面來講，對於亮度(brightness)、彩色再現等的微妙變化的要求比顯示在計算機屏幕上的圖像的要求要嚴格一些。因此需要電燈的長期穩定性。從而，主要用在學校教室和會議室中的投影儀的2000到3000小時的壽命是不夠的，需要的壽命比前述電燈的壽命長若干倍。另外，對於該較長壽命的持續時間來說，需要彩色再現、亮度等非常穩定。
然而，這種先前可利用的發光方法在諸如能夠實現電視屏幕和大屏幕的家庭影院系統的裝置中的應用不能獲得長壽命(例如6000小時)和穩定的彩色再現以及亮度。對於這些情況原因的分析揭示如下。在電極尖端處的突起生長在發光的初始階段很明顯，但是隨後，在發光的2000小時和3000小時之間的階段該突起並不是進一步的生長而是出現緩慢的尺寸減小，並且所述電極之間的間隙變寬。由於這樣的原因，放電區域逐漸擴展並且光學裝置的強度降低。在先前電燈的電燈發光方法中，這種情況是通過檢測放電電壓和改變所提供交流電流的頻率來控制的，但是在該過程中放電電壓的變化較慢，所以這樣的控制方法不是很有效。此外，由於電燈的電特性隨著它的驅動時間段的進展變化緩慢，因此用於控制突起生長和縮小的最佳條件是變化的。出於這樣的原因，在電燈驅動開始之後的2000和3000小時之間的期間，通過用於保持相同的驅動頻率條件控制方法很難完全保持電極的初始形式。
此外，對於諸如彩色再現和顯示圖像亮度的微妙變化的性質，存在穩定性的問題。如前面指出的，在諸如能夠顯現電視畫面和大屏幕的家庭影院系統的顯示器中，需要長期的穩定性。對於該問題的分析表明保持穩定性的關鍵是保持電極尖端的形狀。從光源發射的中心點位於電燈電極間隙中。投影儀的亮度和彩色再現受到發射中心點的尺寸的影響，由於相同點與光學系統的光軸的關係，從而所述相同點的位置是重要的。因而，如果保持了電極的形狀，則有可能保持諸如圖像彩色再現和亮度中微妙變化的性質的穩定性。
本發明的目標在於提供一種高壓放電燈發光裝置、高壓放電燈設備、投影儀類型的圖像顯示設備以及高壓放電燈發光方法，所有這些都能提高由強度的特定下降之前的時間段所確定的壽命，並能夠保持諸如彩色再現、亮度等的微妙變化的相關性質在壽命期間的穩定性。
為了實現這個目標，本發明的高壓放電燈發光裝置包括發光電路，用於提供交流電流至高壓放電燈從而導致發光，所述高壓放電燈具有電弧管，在所述電弧管中密封有滷素材料並且布置有一對電極，每個電極具有位於其尖端處的突起；頻率控制單元，用於獨立於操作數據改變交流電流的頻率，所述操作數據隨著高壓放電燈所經歷的發光時間而變化。
此處所述「突起」用來指在高壓放電燈製造過程中，特別是在製造過程中的老化過程期間，以及在最終產品的初始發光期間所形成的部分(發光的第一個100小時或者更小)。此外，「隨著所經歷的發光時間變化的操作數據」用來指隨著高壓放電燈所經歷的發光時間變化的可測量操作數據。這樣的數據包括高壓放電燈電壓值、電流值、光學裝置的明度值、電極間隙距離(電弧長度)以及電弧管的溫度(特別是作為工作溫度的電弧管上部的溫度)。
此處，所述頻率控制單元可以在預定周期期間以規則或者不規則方式獨立於操作數據改變頻率，並且可以連續地或者間歇地重複所述預定周期。
此處，所述頻率控制單元可以在預定周期期間連續改變頻率。
此處，所述頻率控制單元可以在預定周期期間在兩個或者更多的值之間間歇地切換頻率。
此處，所述預定周期可以包括期間頻率連續變化的一個或者更多可變周期，以及期間頻率固定的一個或者更多固定周期。
此處，所述頻率控制單元可以使可變周期和固定周期輪流更替，在可變周期期間獨立於操作數據連續改變頻率，在固定周期期間固定頻率。
此處，所述頻率控制單元可以在兩個或者更多的不同值之間間歇地切換頻率。
此處，所述頻率控制單元可以以規則或者不規則的方式獨立於操作數據不斷地改變頻率。
此處，所述頻率可以在預定最大頻率以及至少為70Hz的預定最小頻率之間變化。
本發明還包括高壓放電燈設備，包括具有電弧管的高壓放電燈，在所述電弧管中密封有滷素材料並且布置有一對電極，每個電極具有位於其尖端的突起；以及高壓電燈發光裝置。
此外，本發明還包括具有高壓放電燈設備的投影儀類型的圖像顯示設備。
此外，本發明還包括高壓放電燈發光裝置，包括發光電路，用於將交流電流提供至高壓放電燈從而導致發光，所述高壓放電燈具有電弧管，在所述電弧管中密封有滷素材料並且布置有一對電極，每個電極具有位於其尖端的突起；以及頻率控制單元，用於在預定周期期間以規則或者不規則的方式改變交流電流的頻率，並且連續地或者間歇地重複所述預定周期。
此處，所述頻率控制單元可以在預定周期期間連續地改變頻率。
此處，所述頻率控制單元可以在預定周期期間在兩個或者更多的值之間間歇地切換頻率。
此處，所述預定周期可以包括期間頻率連續改變的一個或者更多可變周期，以及期間頻率固定的一個或者更多固定周期。
本發明還包括高壓放電燈發光裝置，包括發光電路，用於將交流電流提供至高壓放電燈從而導致發光，所述高壓放電燈具有電弧管，在所述電弧管中密封有滷素材料並且布置有一對電極，每個電極具有位於其尖端的突起；以及頻率控制單元，用於使可變周期和固定周期輪流更替，所述頻率控制單元在可變周期內根據預定的規則連續改變交流電流的頻率並在固定周期內固定所述頻率。
此外，本發明還包括高壓放電燈發光裝置，包括發光電路，所述發光電路用於將交流電流提供到高壓放電燈從而導致發光，所述高壓放電燈具有電弧管，在所述電弧管中密封有滷素材料並且布置有一對電極，每個電極具有位於其尖端的突起；以及頻率控制單元，用於根據預定的規則不斷地改變交流電流的頻率。
此外，本發明還包括高壓放電燈發光方法，包括發光步驟，將交流電流提供至高壓放電燈從而導致發光，所述高壓放電燈具有電弧管，在所述電弧管中密封有滷素材料並且布置有一對電極，每個電極具有位於其尖端的突起；以及頻率控制步驟，獨立於操作數據改變交流電流的頻率，所述操作數據隨著高壓放電燈所經歷的發光時間而改變。
此處，在所述頻率控制步驟中，在預定周期期間可以以規則或者不規則方式獨立於操作數據改變所述頻率，並且可以連續地或者間歇地重複所述預定周期。
此處，在所述頻率控制步驟中，可變周期和固定周期可以輪流更替，所述頻率在可變周期期間獨立於操作數據連續地改變，而在固定周期期間固定。
此處，在所述頻率控制步驟中，所述頻率可以在兩個或者更多的不同值之間間歇地切換。
此處，在頻率控制步驟中，所述頻率可以以規則或者不規則的方式獨立於操作數據改變。
本發明還包括高壓放電燈發光方法，包括發光步驟，將交流電流提供至高壓放電燈從而導致發光，所述高壓放電燈具有電弧管，在所述電弧管中密封有滷素材料並且布置有一對電極，每個電極具有位於其尖端的突起；和頻率控制步驟，在預定周期期間以規則或者不規則的方式改變交流電流的頻率，並且連續地或者間歇地重複所述預定周期。
另外，本發明還包括高壓放電燈發光方法，包括發光步驟，將交流電流提供至高壓放電燈從而導致發光，所述高壓放電燈具有電弧管，在所述電弧管中密封有滷素材料並且布置有一對電極，每個電極具有位於其尖端的突起；和頻率控制步驟，使得在可變周期和固定周期輪流更替，所述頻率控制單元在可變周期內根據預定的規則連續改變交流電流的頻率並在恆定周期內固定所述頻率。
此外，本發明包括高壓放電燈發光方法，包括發光步驟，將交流電流提供至高壓放電燈從而導致發光，所述高壓放電燈具有電弧管，在所述電弧管中密封有滷素材料並且布置有一對電極，每個電極具有位於其尖端的突起；和頻率控制步驟，根據預定的規則不斷地改變交流電流的頻率。
根據本發明，有可能提供高壓放電燈發光裝置、高壓電燈裝置、投影儀類型的圖像顯示裝置以及高壓放電燈發光方法，所有這些都能提高由明度特定程度下降之前的時間段所確定的壽命，並能夠保持諸如彩色再現、亮度的微妙變化的性質在壽命期間的穩定性。
另外，抑制了在恆定發光期間因電極尖端突起的形狀變化而引起的明度改變，使得可以實現前面無法達到的3000小時或者更長的壽命。因而，壽命受到其它因素的限制，諸如因電燈外殼管的模糊而引起的透明度下降或者因電燈外殼管變型而引起的透明度下降。
圖1示出了高壓水銀燈100的總體結構；圖2為具有剖開斷面的示意圖，示出了其中使用了高壓水銀燈100的電燈單元200的結構；圖3示出了發光裝置300的結構的方框圖；圖4A示出了從使用傳統方法的發光測試中得到的累積發光時間與明度保持比之間的關係曲線圖；圖4B示出了從使用傳統方法的發光測試中得到的累積發光時間與電燈電壓之間的關係曲線圖；圖5A-5C示出了採用170Hz固定頻率的現有技術電燈中電極突起隨時間改變的概括圖；圖5A示出了發光開始之前的電極突起的形狀；圖5B示出了壽命初始階段的電極突起的形狀；圖5C示出了壽命的中間和後面階段的電極形狀；圖6包括上圖和下圖；上圖示出了方波交流電流的波形的時間改變；下圖與上圖對應，並示出了方波交流電流的頻率的時間改變；圖7A示出了從使用傳統方法的發光測試中得到的累積發光時間與明度保持比之間的關係曲線圖；圖7B示出了從使用傳統方法的發光測試中得到的累積發光時間與電燈電壓之間的關係曲線圖；
圖8示出了從發光測試中得到的明度轉變結果的表格；圖9示出了從發光測試中得到的電壓轉變結果的表格；圖10示出了液晶投影儀結構的方框圖；圖11示出了變型實例的方波交流電流的波形的時間改變；圖12示出了變型實例的方波交流電流的波形的時間改變；圖13示出了變型實例的方波交流電流的波形的時間改變；圖14示出了變型實例的方波交流電流的波形的時間改變；圖15示出了變型實例的方波交流電流的波形的時間改變；圖16示出了用於變型實例的發光裝置301的結構的方框圖；圖17示出了變型實例的方波交流電流的頻率的時間改變；圖18示出了變型實例的方波交流電流的頻率的時間改變；圖19示出了變型實例的方波交流電流的頻率的時間改變；和圖20示出了變型實例的方波交流電流的頻率的時間改變。
具體實施例方式
第一實施例下面參考附圖詳細描述了本發明的實施例。
1.高壓水銀燈的結構作為高壓放電燈的一個實例，下面將描述高壓水銀燈的結構。
圖1示出了具有130W額定功率的高壓水銀燈100(下文中稱作「電燈」)的總體結構。
如圖1所示，電弧管101具有由石英玻璃製成的外殼，並包括發光部分101a和提供在發光部分101a端部的密封部分101b和101c。
發光部分101a具有基本球形的形狀，並將作為發光材料的水銀109、惰性氣體(諸如氬(Ar)、氪(kr)、氙(Xe)等)以及用於輔助啟動的滷素材料(諸如碘(I)和溴化物(Br)等)密封在內部放電空間108中(光發射空間)。此外，在發光部分101a內部，一對鎢(W)電極102和103基本彼此相對布置。
在電弧管101中密封的水銀109的量設定在每單位容積150mg/cm3至650mg/cm3且包括150mg/cm3和650mg/cm3的範圍內，當電燈冷卻時，惰性氣體的壓力設定在0.01MPa至1MPa且包括0.01MPa和1MPa的範圍內。
滷素材料具有返回(return)鎢的功能，在公知為滷素循環的過程中將電燈100操作時因高溫導致從電極102和103蒸發的鎢返回至電極102和103。為了使所述循環有效地發揮作用，期望的是密封的溴化物的量在1*10-10mol/cm3至1*10-4mol/cm3且包括1*10-10mol/cm3和1*10-4mol/cm3的範圍內，優選的是，在1*10-9mol/cm3至1*10-5mol/cm3且包括1*10-9mol/cm3和1*10-5mol/cm3的範圍內。
電極102和103的尖端之間間隙，即電極間隙距離De，設定在0.5mm至2.0mm且包括0.5mm和2.0mm的範圍內。注意，實施例的電極102和103已經具有突起124和134，所述突起在完成製造時已形成一定程度，因此電極間隙距離De是突起124和134的尖端之間的間隙。
電極102和103(102a和103b)經過鉬箔片104和105電連接至外部鉬引線106和107，外部鉬引線106和107分別從每個密封部分101b和101c的端表面延伸至電弧管101的外部。
2.電燈單元的結構圖2為具有剖開斷面的透視圖，示出了部分電燈單元(高壓放電燈設備)200的結構。
電燈單元200包括電燈100和用於導致電燈100發光的高壓放電燈發光裝置(圖2中未示出)，以及作為反射器(反射材料)的凹面鏡203，用於反射從電燈100發射的光。
電弧管101的一端(參見圖1)具有安裝至其上的基座201，電燈100經過襯墊202安裝至凹面鏡203內。該安裝涉及以這樣的方式調整部件，即，使得電弧管101長度方向的中心軸與凹面鏡203的光軸基本對準，且電燈100的放電弧的位置基本上與凹面鏡203的焦點一致。
經過端子204將功率提供至電燈100的基座201側的引線107(參見圖1)。經過引線205將功率提供至另一引線106，所述引線205經過孔206通向外部，所述孔穿過凹面鏡203。
3.發光裝置的結構圖3示出了使得電燈100發光的發光裝置300的結構的方框圖。
如圖3所示，發光裝置300(高壓放電燈發光裝置)包括DC電源302、DC/DC轉換器304、DC/AC逆變器306、高電壓發生器308、控制單元310、電流檢測器312、電壓檢測器314和可編程振蕩器316。
DC電源320包括例如整流電路，並根據家庭使用的100V AC產生直流電流。
DC/DC轉換器304提供預定幅度的直流電流至DC/AC逆變器306。
DC/AC逆變器306基於從控制單元310傳輸的控制信號產生預定頻率的方波交流電流，並將產生的方波交流電流傳輸至高電壓發生裝置308。
高電壓發生器308包括例如變壓器，產生高電壓並將所產生的高電壓施加至電燈100。
控制單元310集體控制諸如DC/DC轉換器304、DC/AC逆變器306的元件。
電流檢測器312檢測電燈100中的電流，電壓檢測器314檢測電燈100中的電壓。
可編程振蕩器316基於預定的程序產生預定頻率的方波交流電流。參考該波形，控制單元310將控制信號傳輸給DC/AC逆變器306。
通過改變程序中的設定值可以以期望方式改變方波交流電流的頻率。
當電燈100的發光開關(圖3中未示出)接通時，發光裝置300將高電壓脈衝施加至電燈100。隨後，當電燈100的電極之間發生電介質擊穿並且電弧放電電流開始在其間流動時，電流檢測器312將檢測信號傳輸至控制單元310，控制單元310中的發光鑑別電路判斷已經開始發光。
在判斷已經開始發光之後，控制單元310執行電流控制，使電流保持在預定水平直到電壓升高且電燈100達到其額定功率。然後，當電壓已經達到預定值時，控制單元310切換至額定功率控制。即，控制單元310將電流檢測器312檢測的電流值和電壓檢測單元314檢測的電壓值的乘積與控制單元310的存儲器中存儲的功率標準值進行比較，並控制來自DC/DC轉換器304的輸出電流，從而給出預定功率。
注意，控制單元310連接至開關，用於與在外部提供至發光裝置300的控制單元402(參見圖10)進行通信。
4.導致本申請發明的事件序列通過檢查從使用傳統技術(所述傳統技術固定發光期間流動的方波交流電流的頻率)的發光測試中得到的結果和通過檢查用於控制電極尖端突起的傳統技術得出了本申請的發明，下面將按照敘述順序對這些進行說明。
(1)當頻率固定時發光測試結果的檢查發明人對於若干燈100中在發光期間流動的方波交流電流的固定頻率設定了不同的值，並執行了發光測試以調查每個電燈100的明度維持比和電燈電壓的時間改變。
使用配備有130W額定功率的電燈100的電燈單元200來執行這些測試，穩定狀態發光期間電燈中流動的方波電流的固定頻率值分別設定為85Hz、170Hz、340Hz和510Hz。
圖4A和4B示出了這些測試結果的曲線圖。在測試中，在每個頻率處使用了5個電燈，將每組5個電燈的結果平均值繪製在曲線圖中。
在圖4A的曲線圖中，明度維持比表示為初始發光時期明度的百分數，在初始發光時期期間明度維持比據稱為100％。明度的測量是基於ANSI 1m測量(ANSI流明測量在9個預定點處測量由光學系統投影至屏幕上的光的強度，通過根據平均強度計算光通量來評定ANSI流明值)。另外圖4中的曲線圖為半對數曲線圖，水平軸的總發光時間用對數表示。這樣做使得可以更加容易看到發光初始階段期間的動態改變。
如圖4的曲線圖中所示，儘管固定頻率設定為85Hz的電燈的明度在開始發光之後基本上立刻增加，但是它在發光大概20小時之後到達峰值，此後急劇下降。該明度的下降是因電極突起的過分生長和電弧管101內壁在短時間內變黑而導致的。注意，在由於變黑而造成的惡化變得顯著之後，對於固定頻率為85Hz的電燈的發光測試是不連續的。
固定頻率設定為340Hz和510Hz的電燈的明度值在開始發光之後立刻下降，並且在100小時之後和1000小時之前已經分別降至50％的明度維持比，即壽命的標準值。
恆定頻率設定為170Hz的電燈的明度在發光開始之後立刻逐漸增加，但是在發光大約20小時達到峰值之後漸漸降低，提供了大約3000小時的壽命。
在發光測試中，對固定頻率為170Hz具有最長壽命的電燈的電極102和103尖端的觀察揭示了電極102和103的突起124和134的尺寸改變。
圖5A-5C示出了採用170Hz的傳統固定頻率的電燈100中電極102和103的突起124和134的時間改變的概括圖。
電極102和103可以通過以下步驟得到(i)將鎢線圈123和133安裝在電極軸121和131的尖端；(ii)在首先熔化和處理部分線圈以形成半球形電極尖端122和132之後，將電極軸121的尖端和121以及線圈123和133結合入電燈100之中；(iii)通過使預定頻率的交流電流流動一預定時間段來操作電燈100而在電極尖端122和132上形成突起124和134(詳情參見日本公開專利申請號No.2001-312997)。注意「基本球形」的部分可以用來指電極尖端。
如圖5A所示，在開始發光測試之前，電極102和103的突起124和134具有適當的長度。然而，如圖5B所示，在開始發光之後的第一個幾十小時，即壽命的初始階段，電極102和103的突起124和134過分生長。接著如圖5C所示，在壽命的中間和後面階段(2000至3000小時之間)，發現電極102和103的突起124和134幾乎消失了。注意，圖5C示出了其中突起已經完全消失的通常情況。
突起124和134過分生長以及消失的原因可以推斷如下。如上所述，為實現滷素循環，在電燈100的電弧管101內部包含有滷素材料。在發光期間，當構成電極102和103的鎢蒸發時，它與滷素化學結合，並利用電弧管101內部的對流將其返回成電弧等離子體，此處鎢與滷素分離變為等離子體離子。已經變成等離子體離子之後，鎢被吸引至以電弧斑點為中心的區域，所述電弧斑點是電場濃度最高的點並位於電極102和103的陰極相位側電極尖端，在此處鎢聚集。然後，當陰極相位側電極已經反轉為其陽極相位時，電極尖端的溫度因碰撞電子而增加，因而一旦再次蒸發，鎢就在陰極相位期間聚集在此處。
如果維持了聚集和蒸發之間的平衡，那麼電極102和103的尖端處的突起124和134就既不會生成也不會消失，它們可以保持在適當的尺寸。由此可見，如果無法維持平衡，那麼電極102和103尖端處的突起124和134的尺寸將會改變。
考慮到的是，突起124和134在壽命的初始階段過分生長，這是由於大量的鎢聚集在形成電弧起始點的突起124和134的部分處。
由於突起124和134過分生長導致電極間隙距離De的縮短，電燈100朝著成為點光源的方向相應移動，與凹面鏡203結合，電燈100的聚光效率提高，因此明度增加。
在使用170Hz固定頻率的電燈的發光測試(參見圖4A)中，由於電極間隙距離縮短，因而明度一直提高直到在開始發光之後將近20小時。
注意，由於電燈執行維持額定功率的功率控制，因此當電極間隙距離縮短時，電流值增加而電壓值下降。因此，在發光測試中，由於電極間隙距離在開始發光之後大約20小時電極間隙距離變短，因此在該時間段內電壓值特別低。
隨後，在壽命的中間和後面階段，開始電極102和103的再結晶，並且由於電極102和103的成分發生改變，因此蒸發的鎢返回電極102和103的尖端變得更加困難。因此，突起124和134縮短並且最終消失。此外，由於在突起124和134已經消失後鎢繼續從電極尖端122和132蒸發，因此電極尖端122和132逐漸被侵蝕。
由於突起124和134的消失導致了電極間隙距離De的變長(電弧長度增加)，電燈100逐漸移動遠離理想的點光源，與反射鏡203結合，電燈100的聚光效率下降，因而明度下降。
在固定頻率為170Hz的電燈的發光測試(參見圖4A)中，在壽命的中間和後面階段中明度的單調下降是由電極102和103的尖端侵蝕以及電極間隙距離變長導致的。
(2)控制電極尖端突起的檢查方法用於控制電極尖端突起的現有技術方法具有如下問題。
首先，在日本公開專利申請號No.2001-312997中公開了一種通過選擇將被提供的交流電流的固定頻率有意在製造階段促進突起生長的方法。在該方法中，經過形成適當的突起來縮短電極間隙距離從而形成點光源來實現發光期間的穩定明度。為了提供更高的電燈明度，目前使用的高壓水銀燈被設計成通過滷素循環以及通過形成這些突起來積極支持電極突起的生長，從而使電弧放電集中。
此外，在日本公開專利申請號No.2003-338394中公開了這樣一種方法，所述方法通過改變所提供的交流電流的固定頻率使得突起的生長在壽命的初始階段得到抑制，所述壽命的初始階段在大約100至500小時。根據該方法，就可能抑制壽命初始階段突起的過分產生，使得可以實現穩定的明度，所述壽命的初始階段在大約100至500小時，因此該方法已經用來解決這類問題。
由於這個在壽命期間的突起控制的方法涉及檢測電燈正常驅動期間的放電電壓，因此，在放電電壓沒有波動的情況下，不開始頻率改變。因此，使用這種方法，僅僅在電燈的電極尖端的狀態已經從初始使用狀態改變時才開始頻率改變控制。
換言之，這是一種依賴於突起的形狀已經改變之後的恢復控制的方法，通過所述方法可以在突起已經過分生長之後以這樣一種方式實施頻率改變控制，即，使得已經生長的突起蒸發，使電極恢復至其原始狀態。
該方法存在的問題之一在於，很難有效控制電極突起的尺寸隨驅動時間緩慢減小的過程。在現有技術的方法中，該過程的控制基於隨時間改變的電燈操作數據值來執行，諸如電燈電壓。然而，如果檢測到的操作數據慢慢改變，那麼就很難有效地控制該過程。另外，由於電燈的電學性質隨著經歷的驅動時間而漸漸發生改變，因此控制突起的生長和減小的最優條件也發生改變。因此，為了控制目的在初始階段已經設置的驅動頻率、控制周期以及其它控制條件有時偏離了最優條件。因而，就產生了問題，即利用所述突起控制的方法不能在壽命期間有效地控制突起。
在本發明中，為了處理這個問題，不斷地改變提供至電燈的交流電流的頻率，而無需參考隨經歷的電燈發光時間而改變的電燈操作數據值，因此電極突起的形狀穩定在它們的製造形狀，使得壽命被延長。
根據實驗清楚的是，有利於電極尖端突起的生長和消失的最優條件根據諸如電燈設計條件以及累積發光時間(當發生穩定狀態發光時)的因素而發生改變。鑑於此，嘗試了其中不斷地改變可操作頻率的實驗，結果發現以這種方式改變頻率具有維持電極初始形狀的效果。
5.實施例的照明方法圖6示出了實施例的電燈發光裝置所產生的方波交流電流。上圖示出了方波交流電流隨時間的改變；下圖與上圖對應且示出了方波交流電流的頻率隨時間的改變。
在實施例中，在穩定狀態發光期間，方波交流電流頻率分別逐步切換至每個340Hz、255Hz、170Hz、128Hz和85Hz，所述切換在每個方波循環後進行。
當頻率逐步從最大頻率340Hz減小至最小頻率85Hz時，它再次逐步增加至340Hz，並重複該頻率切換。
如圖6所示，重複的頻率切換循環稱作可變循環。在發光期間，周期性地重複可變循環中的頻率切換。注意，該可變循環具有大約50.0ms的周期。
執行與上述的類似但是利用了本發明的電燈發光方法的明度測試。
圖7A和7B示出了這些測試結果的曲線圖。在同一圖形中示出了現有技術的170Hz固定頻率方法的曲線，以方便比較。
如圖7A的曲線圖所示，在壽命的初始階段使用實施例的可變方法，沒有出現使用固定頻率方法可以看到的那種明度增加，並且從發光開始直到100小時標記，明度基本保持恆定。在電燈中，在壽命期間通常需要恆定的明度，使用可變方法就可能實現比現有技術大得多的壽命期間明度的穩定性。
另外，可以看出，使用可變方法，在壽命的中間和後面階段明度降低比現有技術更加緩和，並且可以實現大於6000小時的延長壽命。
可以想到的是，以這種方式使用本發明的發光方法可以延長壽命，這是因為通過保持上述聚集和蒸發之間的平衡，與現有技術相比就可能將電極102和103尖端處的突起124和134的形狀維持在首次使用的初始狀態更長一段時間。
圖8和圖9分別示出了從上述發光測試得到的明度轉變和電壓轉變的表格；頻率切換(1)在該實施例中，頻率沒有直接在340Hz和85Hz之間改變。在340Hz和85Hz之間有255Hz、170Hz和128Hz三個頻率，所述頻率逐步改變，分別取值340Hz、255Hz、170Hz、128Hz和85Hz。使用這種方法是因為如果頻率突然改變，則方波有時會因發光電路的性質而失真。通過以這樣的方式逐步改變頻率，就可能抑制方波的失真。
(2)在該實施例中，頻率在340Hz和85H之間改變，橫跨了在固定頻率中提供了最長壽命的170Hz頻率。可以想到，在橫跨170Hz(壽命方面的最優值)值之間改變頻率使得能夠比現有技術更好的維持聚集和蒸發之間的平衡，從而使得電燈的壽命被可靠地延長。此處「壽命方面的最優值」是指，在壽命的第一部分可以得到毫無使用問題的光通量，並且此外對於延長的時間段，光通量維持因子並未下降。
在穩定狀態電燈發光期間應當選擇哪種模式來改變方波交流電流的頻率將根據電燈的組成而改變(電弧管的容積，管內包含的材料成分，電極間隙距離等)，並且可以通過實驗來確定適合的模式。
(3)頻率改變的下限當電燈100正被驅動進行穩定狀態發光時，能夠使用幾Hz的最小頻率。然而，如果發光裝置和投影儀顯示屏幕閃爍的最小頻率為50Hz或者60Hz，即商業上提供的交流電流的頻率，則顯示屏幕將看起來是閃爍的。為了避免這種不期望的狀態，必須避開商業頻率，要這樣做就需要60Hz或者更高的最小頻率。實驗表明，當頻率設定為商業頻率之上10Hz時，這種閃爍減小到不再容易看見的程度。因此，當必須考慮相對於當前最大商業使用頻率的餘量時，可以選擇70Hz或者更高的頻率作為安全頻率。注意已經證實的是，在這些頻率處電極尖端的突起將會生長。
(4)頻率改變的上限已經證實的是，當在130W驅動130W的電燈100時，在300Hz、400Hz、500Hz和550Hz中每個固定頻率處，穩定狀態驅動均是可能的。對於其它電學條件也進行了實驗，結果發現300Hz至500Hz之間且包括300Hz和500Hz的任何頻率均可用作最大固定頻率。此外，當將個別電燈中的改變考慮在內時，穩定狀態驅動的最大頻率可能也落在300Hz至500Hz且包括300Hz和500Hz的範圍。此時，同樣對電燈的電極突起進行評估。使用該固定頻率的範圍，電燈的電極突起不是生長，而是相反看起來尺寸趨向於減小。這一點通過電燈放電電壓數據得到證實。換言之，在這些頻率處，電極尖端處所產生的突起的生長最小，或者電極間隙距離增加。
(5)期望的是，將被改變的頻率的最大頻率是最小頻率的至少3倍。這是因為，認為如果在最大和最小頻率之間建立了接近於該幅度的差值，那麼就很容易適當地維持電極間隙距離。
(6)在實施例中，頻率在340Hz、170Hz和85Hz的三個頻率中切換，但是它可以改為僅僅在兩個頻率之間切換。當這種情況時，為了超過現有技術延長適當地維持電極間隙距離的時間段，期望的是將兩個頻率中的較高者設置為在壽命的初始階段電極尖端生長的頻率，而將兩個頻率中的較低者設置為在壽命的初始階段電極尖端尺寸減小的頻率。
6.圖像顯示裝置屬於本發明且包括電燈發光裝置300的電燈單元200可以應用在投影儀類型的圖像顯示裝置中。
圖10示出了使用上述電燈單元200的液晶投影儀400的結構示意圖，所述液晶投影儀是這種投影儀類型的圖像顯示裝置的一個實例。
如圖10所示，透射型液晶投影儀400包括電源單元401、控制單元402、聚光器透鏡403、透射型彩色液晶顯示面板404、包含有驅動馬達的透鏡單元405以及用於冷卻目的的風扇裝置406。
電源單元401將商業使用的AC輸入(100V)變換成預定的DC電壓，並將所述DC電壓提供至控制單元402。
控制單元402驅動彩色液晶顯示面板404，使其基於從外部輸入的圖像信號顯示彩色圖像。另外，控制單元402控制透鏡單元405內部的驅動馬達，使得透鏡單元405執行聚焦操作和變焦操作。
從電燈單元200輻射的光通過聚光器透鏡403會聚，並經過放置在光路中的彩色液晶顯示面板404傳輸，因此形成在液晶顯示面板上的圖像經過透鏡單元405並投射到屏幕(圖10中未示出)上。
使用比現有技術壽命更長且包括本發明的高壓水銀燈和發光裝置的電燈單元使得可以提供具有極大經濟價值的液晶投影儀。
注意包括本發明的電燈發光裝置300的電燈單元200可以應用在其它投影儀類型的圖像顯示裝置中，諸如使用DMP(數字微鏡裝置)的DLP(已註冊商標)型投影儀、使用其它反射類型的液晶部件的液晶投影儀等。
7.變型儘管在上面已經對實施例進行了描述，但是本發明並不受到上述實施例的限制，只要不背離本發明的範圍就可能提供適當的變型。
(1)可以想到用於切換方波交流電流頻率的模式的各種變型。圖11至圖15示出了這些變型的實例。這些圖均採用與圖6的上圖相同的方式示出所述模式。
圖11的切換模式與第一實施例的切換模式類似之處在於，當頻率已經逐步從最大頻率降低至最小頻率時，它再次逐步增加至最大頻率，但不同之處在於，頻率每方波半周期切換一次。例如，在一個可變循環中，頻率將每方波半周期切換一次，依次取值340Hz、255Hz、170Hz、128Hz、85Hz、128Hz、170Hz和255Hz。
在圖12的切換模式中，一個可變循環是頻率逐步從最大值頻率切換至最小值頻率的周期，每整個方波周期進行一次切換步驟。例如在一個可變循環中，頻率將每個整方波周期切換一次，依次取值340Hz、255Hz、170Hz、128Hz和85Hz。
在圖13的切換模式中，頻率從最大值頻率切換至最小值頻率，每方波半周期進行一次切換步驟。例如在一個可變循環中，頻率將每方波半周期切換一次，依次取值340Hz、255Hz、170Hz、128Hz、85Hz、128Hz、170Hz和255Hz。
在圖14的切換模式中，一個可變循環是頻率以規則間隔進行切換並依次切換至頻率固定周期a、b和c的三個頻率的周期。例如固定周期a的固定頻率可以是340Hz，固定周期b的固定頻率可以是170Hz，固定周期c的固定頻率可以是85Hz。
在圖15的切換模式中，一個可變循環是頻率固定的固定周期和頻率改變的可變周期輪流更替的周期。例如一個可變循環可以由兩個周期構成，第一個為固定頻率為340Hz的固定周期，第二個為期間執行類似於圖12所示可變周期的頻率切換的可變周期。
(2)在實施例中，頻率間歇地改變，但是連續改變頻率也是可以接受的。
下面描述實現頻率連續改變的發光裝置。圖16示出了變型實例的發光裝置301的結構方框圖。由於圖16所示的發光裝置301具有與實施例(圖3)的發光裝置300基本相同的結構，因此下面的描述集中在那些不相同的方面。
振蕩器318產生調製信號，振蕩器320產生正在調製的信號。
頻率確定電路316使用正在調製信號對調製信號進行調製，並產生已調製方波。
控制單元310參考方波並將預定控制信號傳輸至DC/AC逆變器306。
採用這種發光裝置301，使用簡單電路結構可以不斷地改變供給電燈的方波交流電流的頻率，並且可能精確控制該頻率改變。
注意，可以使用公知的頻率調製電路之一來代替頻率確定電路316以及振蕩器318和320。
(3)對於頻率改變可以想出各種其他變型實例。在圖17至圖20中示出了這些變型實例。圖17至圖20的曲線圖將時間(t)繪製在水平軸上，將頻率(f)繪製在豎直軸上，指示時間隨頻率的改變。
(A)規則改變和不規則改變可以規則地改變頻率，即根據某一預定的規則改變，或者不規則地改變。圖17的曲線圖以概念的方式示出了規則改變和不規則改變。如圖17所示，周期A1內的頻率改變是規則的，而周期A2內的頻率改變是不規則的。注意雖然周期A2內的頻率改變是不規則的，但限定了最大值頻率(fmax)和最小值頻率(fmin)，頻率在兩者之間改變。
(B)間歇改變和連續改變可以間歇地改變頻率，或者連續改變頻率，即不斷地改變。圖18A和18B的曲線圖以概念的方式示出了間歇改變和連續改變。
在圖18A的曲線圖中，頻率改變的預定周期之後是固定頻率的周期，隨後接著是其間散置有另一些固定頻率周期的另一些頻率改變的預定周期。
另一方面，在圖18B的曲線圖中，頻率連續改變。
(C)間歇和連續改變的結合上面(B)中描述的間歇改變和連續改變的周期可以結合。例如如圖19所示，間歇改變的周期和連續改變的周期可以輪流更替。
(D)固定頻率周期和改變頻率周期的組合儘管在圖中沒有特別示出，但是包括一個或多個連續頻率改變周期和一個或多個固定頻率周期的周期可以形成一個循環，並且該循環可以重複。例如，連續改變的周期和隨後固定頻率的周期可以組合併看作單個循環，並且該循環可以重複。
(E)不規則重複如圖20所示，可以建立連續改變的周期和固定頻率的周期，並且可以不規則地重複這兩個周期。也就是說，兩個周期中的哪個周期將跟隨給定周期不是按照預定的順序，而是可以不進行規定。
(F)與依賴於操作數據(諸如放電電壓數據)的頻率改變的結合在上面(A)至(E)的描述中，已經描述了不依賴於操作數據的頻率改變周期和固定頻率周期的結合。然而，還可以接受的是，使用期間頻率根據操作數據而改變的周期來代替固定頻率的周期。
(4)通過應用本發明的發光方法和在穩定狀態發光期間改變發光功率的發光方法的結合，就可能進一步抑制由於模糊、變形等造成的電燈電弧管透明度降低，使得可以實現更長的壽命。
這是因為，通過切換至低功率(例如，在額定功率的60％至95％的範圍內)，可以降低發光期間電弧產生的熱，並可以抑制電弧管中的模糊、變形等。
8.附加信息儘管在實施例中，描述了包含水銀作為發光材料的高壓水銀燈的實例，但是本發明還可以應用在其他高壓放電燈中，諸如金屬滷化物燈等。
工業應用本發明的高壓放電燈發光裝置提供了比現有技術更長的壽命，因而可以在液晶顯示裝置等中應用。
權利要求
1.一種高壓放電燈發光裝置，包括發光電路，用於將交流電流提供至高壓放電燈從而導致發光，所述高壓放電燈具有電弧管，在所述電弧管中密封有滷素材料並布置有一對電極，並且每個電極具有位於其尖端的突起；和頻率控制單元，用於獨立於操作數據改變交流電流的頻率，所述操作數據隨著高壓放電燈所經歷的發光時間而改變。
2.根據權利要求1所述的高壓放電燈發光裝置，其中所述頻率控制單元在預定周期期間以規則或者不規則方式獨立於操作數據改變頻率，並且連續地或者間歇地重複所述預定周期。
3.根據權利要求2所述的高壓放電燈發光裝置，其中所述頻率控制單元在預定周期期間連續改變頻率。
4.根據權利要求2所述的高壓放電燈發光裝置，其中所述頻率控制單元在預定周期期間在兩個或者更多的值之間間歇地切換頻率。
5.根據權利要求2所述的高壓放電燈發光裝置，其中所述預定周期包括期間頻率連續改變的一個或者更多可變周期以及期間頻率固定的一個或者更多固定周期。
6.根據權利要求1所述的高壓放電燈發光裝置，其中所述頻率控制單元使可變周期和固定周期輪流更替，在可變周期期間獨立於操作數據連續改變頻率，在固定周期期間固定頻率。
7.根據權利要求1所述的高壓放電燈發光裝置，其中所述頻率控制單元在兩個或者更多不同的值之間間歇地切換頻率。
8.根據權利要求1所述的高壓放電燈發光裝置，其中所述頻率控制單元以規則或者不規則的方式獨立於操作數據不斷地改變頻率。
9.根據權利要求1所述的高壓放電燈發光裝置，其中所述頻率在預定最大頻率以及至少為70Hz的預定最小頻率之間變化。
10.一種高壓放電燈設備，包括具有電弧管的高壓放電燈，在所述電弧管中密封有滷素材料並布置有一對電極，每個電極具有位於其尖端的突起；和根據權利要求1所述的高壓燈發光裝置。
11.一種投影儀類型的圖像顯示設備，包括根據權利要求10所述的高壓放電燈設備。
12.一種高壓放電燈發光裝置，包括發光電路，用於將交流電流提供至高壓放電燈從而導致發光，所述高壓放電燈具有電弧管，在所述電弧管中密封有滷素材料並且布置有一對電極，每個電極具有位於其尖端的突起；和頻率控制單元，用於在預定周期期間以規則或者不規則的方式改變交流電流的頻率，並且連續地或者間歇地重複所述預定周期。
13.根據權利要求12所述的高壓放電燈發光裝置，其中所述頻率控制單元在預定周期期間連續地改變頻率。
14.根據權利要求12所述的高壓放電燈發光裝置，其中所述頻率控制單元在預定周期期間在兩個或者更多的值之間間歇地切換頻率。
15.根據權利要求12所述的高壓放電燈發光裝置，其中預定周期可以包括期間頻率連續改變的一個或者更多可變周期，以及期間頻率固定的一個或者更多固定周期。
16.一種高壓放電燈發光裝置，包括發光電路，用於將交流電流提供至高壓放電燈從而導致發光，所述高壓放電燈具有電弧管，在所述電弧管中密封有滷素材料並且布置有一對電極，每個電極具有位於其尖端的突起；和頻率控制單元，用於使可變周期和固定周期輪流更替，所述頻率控制單元在可變周期內根據預定的規則連續改變交流電流的頻率並在恆定周期內固定所述頻率。
17.一種高壓放電燈發光裝置，包括發光電路，所述發光電路用於將交流電流提供至高壓放電燈從而導致發光，所述高壓放電燈具有電弧管，在所述電弧管中密封有滷素材料並且布置有一對電極，每個電極具有位於其尖端的突起；和頻率控制單元，用於根據預定的規則不斷地改變交流電流的頻率
18.一種高壓放電燈發光方法，包括發光步驟，將交流電流提供至高壓放電燈從而導致發光，所述高壓放電燈具有電弧管，在所述電弧管中密封有滷素材料並且布置有一對電極，每個電極具有位於其尖端的突起；和頻率控制步驟，獨立於操作數據改變交流電流的頻率，所述操作數據隨著高壓放電燈所經歷的發光時間而改變。
19.根據權利要求18所述的高壓放電燈發光方法，其中在所述頻率控制步驟中，在預定周期期間以規則或者不規則方式獨立於操作數據改變所述頻率，並且連續地或者間歇地重複所述預定周期。
20.根據權利要求18所述的高壓放電燈發光方法，其中在所述頻率控制步驟中，可變周期和固定周期輪流更替，所述頻率在可變周期期間獨立於操作數據連續改變，而在固定周期期間固定。
21.根據權利要求18所述的高壓放電燈發光方法，其中在所述頻率控制步驟中，所述頻率在兩個或者更多不同值之間間歇地切換。
22.根據權利要求18所述的高壓放電燈發光方法，其中在所述頻率控制步驟中，所述頻率以規則或者不規則的方式獨立於操作數據改變。
23.一種高壓放電燈發光方法，包括發光步驟，將交流電流提供至高壓放電燈從而導致發光，所述高壓放電燈具有電弧管，在所述電弧管中密封有滷素材料並且布置有一對電極，每個電極具有位於其尖端的突起；和頻率控制步驟，在預定周期期間以規則或者不規則的方式改變交流電流的頻率，並且連續地或者間歇地重複所述預定周期。
24.一種高壓放電燈發光方法，包括發光步驟，將交流電流提供至高壓放電燈從而導致發光，所述高壓放電燈具有電弧管，在所述電弧管中密封有滷素材料並且布置有一對電極，每個電極具有位於其尖端的突起；和頻率控制步驟，使得可變周期和固定周期輪流交替，所述頻率控制單元在可變周期內根據預定的規則連續改變交流電流的頻率並在固定周期內固定所述頻率。
25.一種高壓放電燈發光方法，包括發光步驟，將交流電流提供至高壓放電燈從而導致發光，所述高壓放電燈具有電弧管，在所述電弧管中密封有滷素材料並且布置有一對電極，每個電極具有位於其尖端的突起；和頻率控制步驟，根據預定的規則不斷地改變交流電流的頻率。
全文摘要
本發明的高壓放電燈發光裝置包括發光電路，用於提供交流電流至高壓放電燈從而導致發光，所述高壓放電燈具有電弧管，在所述電弧管中密封有滷素材料並布置有一對電極，並且每個電極在其尖端處具有突起。交流電流的頻率獨立於操作數據變化，所述操作數據隨著高壓放電燈所經歷的發光時間而變化。
文檔編號H05B41/292GK101057529SQ20058003861
公開日2007年10月17日 申請日期2005年11月8日 優先權日2004年11月11日
發明者小笹稔, 小野俊介, 池田勝, 山本匡宏 申請人:松下電器產業株式會社