JP2005322500A - 高圧放電ランプ点灯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】点灯始動時に消灯することなくアーク放電に移行できる高圧放電ランプを提供すること。
【解決手段】０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀が封入された高圧放電ランプ１０と給電装置よりなる。平滑回路２は、小容量コンデンサＣｘと始動性改善回路２１がチョッパー回路１の出力端に並列に接続され、大容量コンデンサＣ１が、抵抗Ｒ１とスイッチＳＷとダイオードＤ１の並列回路と、直列に接続されることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

この発明は高圧放電ランプ点灯装置に関する。特に、プロジェクター装置の光源として使う封入水銀量０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の高圧放電ランプ点灯装置に関する。

図４は高圧放電ランプ点灯装置を示す。
回路構成は、直流電源ＶDCと、スイッチング素子Ｑｘを有するチョッパー回路１と、コンデンサＣＸ，Ｃ１などを含む平滑回路２と、点灯始動用スタータ回路３よりなる。
回路の動作は、チョッパー回路１で所定の電流を供給するためにスイッチング制御しながら、平滑回路２において直流出力として放電ランプ１０に供給する。

スタータ回路３により放電ランプ１０に対して高電圧パルスを印加させると、電極間に絶縁破壊を発生させグロー放電を開始させる。グロー放電の継続時間は、諸条件により変化するものであり、数マイクロ秒で終わる場合や、数十ミリ秒あるいはそれ以上継続する場合もある。
放電ランプ１０は、グロー放電が終了するとアーク放電状態となる。アーク放電電圧は、グロー放電電圧よりも低い。

平滑回路２に含まれるコンデンサＣ１は、放電ランプ１０がアーク放電に移行した後において高周波リップルを低減させるための平滑コンデンサであり、比較的大容量のものが接続される。
また、コンデンサＣｘは、点灯始動時において、速やかにアーク放電に移行させるべく小容量のものが接続される。従って、点灯始動時であって、アーク放電に移行するまでは、高周波リップルの低減よりもアーク放電への移行を重視して、スイッチＳＷを開き、コンデンサＣｘを活用するとともに、放電ランプがアーク放電に移行した後に、スイッチＳＷを閉じてコンデンサＣｘとコンデンサＣ１の並列回路により大容量化している。
このような技術は、例えば、特許第３１８８８７３号に開示されている。

一方、プロジェクター装置の光源である放電ランプは一般に封入される水銀量がきわめて多い。このため、放電ランプの消灯時は、液体状態あるいは固体状態の水銀が電極に付着することが多くなる。なぜなら、金属である電極は、放電ランプの消灯によって最も冷えやすい部位であり、水銀が凝縮されやすいからである。
この状態において放電ランプを絶縁破壊させると、電極に付着した水銀を起点としてアーク放電が生じやすくなる。このアーク放電は、前記した熱によるアーク放電とは異なり、特殊なアーク放電といえるもので、電極に付着している水銀は蒸発して枯渇すると消えてしまう不安定なものである。
つまり、通常の放電ランプであれば、点灯開始（絶縁破壊）後にグロー放電を経てグロー放電と移行するが、封入水銀量の大きい放電ランプにあっては、グロー放電状態において、一時的に上記特殊アークという状態を経験することがある。
そして、本発明者は、この特殊アーク放電が生じた時に、放電ランプの消灯（立ち消え）が発生しやすいことを見出した。

封入水銀量０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の高圧放電ランプの点灯装置であって、点灯開始時に特殊なアーク放電を経験したとしても、放電ランプが消灯することなく安定に維持できる構成を提供することにある。

上記課題を解決するために、この発明に係る高圧放電ランプ点灯装置は、０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀が封入された高圧放電ランプと、この放電ランプに対する給電装置よりなる。そして、給電装置は、チョッパー回路と、このチョッパー回路の出力端に接続された平滑回路と、この平滑回路の後端に接続された起動器を有しており、前記平滑回路は、小容量コンデンサと始動性改善回路が、前記チョッパー回路の出力端に並列に接続され、前記始動性改善回路は、大容量コンデンサが、抵抗とスイッチと大容量コンデンサの充電に対して逆方向のダイオードの並列回路と、直列に接続されることを特徴とする。

さらに、平滑回路の出力側に、交流電流を生成するフルブリッジ回路が接続されることを特徴とする。

以上の構成により、電極に水銀が付着したことに起因する特殊アークが発生したとしても、良好にグロー放電からアーク放電への移行を達成できる。

図１は本発明に係る高圧放電ランプ点灯装置を示す。給電装置はチョッパー回路１、平滑回路２、起動器であるスタータ回路３より構成される。給電装置と放電ランプにより点灯装置が構成される。
チョッパ−回路１は、スイッチング素子Ｑｘと、スイッチング素子Ｑｘを制御する駆動回路Ｇｘと、ダイオードＤｘより構成される。直流電源Ｖｄｃからの直流電流を所定のスイッチング周期に対応した電流値に変換する。
平滑回路２は、チョッパ−回路２の出力が平滑するもので、コイルＬｘ、コンデンサＣｘと、始動性改善回路２１より構成される。始動性改善回路２１はダイオードＤ１、抵抗Ｒ１、スイッチＳＷの並列回路とコンデンサＣ１と直列に接続されて構成される。コンデンサＣｘと始動性改善回路２１は並列に接続される。ここで、コンデンサＣｘは小容量であり、コンデンサＣ１は大容量のものが接続される。そして、ダイオードＤ１はコンデンサのＣ１の充電方向に対して逆方向に接続される。
スタータ回路３はイグナイタトランスＴｒを有し、放電ランプ１０の点灯始動時に高電圧パルスを発生する。
放電ランプ１０は、後述するが、封入水銀量が０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上である。

次に、放電ランプ１０の点灯開始時の動作について説明する。
まず、スタータ回路３により、トランスＴｒ１に高電圧パルスを発生させると、放電ランプ１０の電極間がブレークダウンして放電が開始する。なお、高電圧パルスは数値例をあげると数ＫＶ〜数十ＫＶ程度である。

次に、放電ランプに絶縁破壊が生じると、その後の点灯を安定に維持するために、比較的に大きめの電流を放電ランプに供給しなければならない。コンデンサＣ１は大容量であり、予め充電状態にあるため、このコンデンサＣ１からの大電流が放電ランプ１０に供給される。なお、スイッチＳＷは絶縁破壊のときから開いたままの状態である。

コンデンサＣ１の放電が終了すると、続いて、チョッパー回路１の出力端から電流が供給される。このとき、小容量のコンデンサＣｘを介して、迅速に放電ランプ１０に供給される。コンデンサＣｘが小容量であるため、放電ランプ１０への電流供給が迅速に行なわれるからである。
また、コンデンサＣ１は大容量であるが、スイッチＳＷが開いていることと、高い抵抗値を有する抵抗Ｒ１とダイオードＤ１の存在により、コンデンサＣ１に対する充電は抑制される。
つまり、絶縁破壊直後は大容量であるコンデンサＣ１の放電電流を活用することで安定に放電を持続するとともに、コンデンサＣ１の放電電流が枯渇した状態では、チョッパー回路１から流れてくる電流がコンデンサＣ１に充電されることなく、放電ランプに供給されるというわけである。
ここで、コンデンサの容量について数値例をあげると、コンデンサＣｘは１００ｐＦ〜０．１μＦの範囲であり、例えば０．０９μＦ、コンデンサＣ１は０．２〜１０μＦの範囲であり、例えば０．４７μＦである。また、抵抗Ｒ１は、５０Ｋオーム〜２００Ｋオームの範囲であり、例えば、１００Ｋオームである。

その後、放電ランプ１０がアーク放電に移行した後は、スイッチＳＷを閉じることにより、コンデンサＣ１を直流電流のリップル除去に活用できる。

前記したように、封入水銀量が０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の放電ランプは、点灯始動させる際に電極に水銀が付着していることが多い。そして、この水銀を起点として放電が発生したならば、その瞬間はグロー放電というよりはアーク放電（これを便宜上、「特殊アーク」、あるいは「特殊アーク状態」と称する）に近い状態となる。
しかも、電極に付着している水銀が、特殊アークの起点となった場合は、比較的短時間で蒸発してしまう。この際、次の放電アークが別の水銀（電極の他の部位に付着している水銀）から生じるか、あるいは陰極からうまく生じてくれれば放電を維持することが可能となるが、いずれからも良好に生じない場合は、放電ランプは立ち消えとなる。

また、放電ランプの種類にもよるが、グロー放電では電極間電圧が１００〜２００Ｖとなるのに対し、始動初期におけるアーク放電では電極間電圧は１０〜２０Ｖというレベルになる。
従って、グロー放電から特殊アーク、あるいは特殊アークからグロー放電に変化する場合、電極間電圧はケタ違いに変化することになる。

図１に戻り、放電ランプが特殊アーク状態からグロー放電状態に変化したケースを考える。この場合、電極間電圧が１０〜２０Ｖという状態から１００〜２００Ｖという状態に変化することとなる。このため、チョッパー回路１から流れる電流は、放電ランプ１０に流れにくくなり、コンデンサＣ１に流れ込もうとする。
そして、ダイオードＤ１が、この電流のコンデンサＣ１への流れ込みを防ぐ役割と持つ。ダイオードＤ１が逆流方向に接続されることで、本ケースにおいても、コンデンサＣ１への流れ込みを防止して、放電ランプへの電流供給を持続できる。

このような機能は、ダイオードＤ１、抵抗Ｒ１、スイッチＳＷの並列回路でなくても、理論上は可能である。例えば、ダイオードＤ１と抵抗Ｒ１をなくし、スイッチＳＷとコンデンサＣ１の直列回路として、スイッチＳＷの開閉制御により行なうことも可能である。しかし、特殊アークの発生は予期できるものではなく、また、きわめて短時間であること、消灯と再点灯を繰り返す場合のスイッチＳＷのオン動作などが応答できない。
本発明の始動性改善回路は、きわめて簡単な構成で特殊アーク発生の問題に対処することができる。

図２は交流点灯型放電ランプの点灯装置を示す。図において、平滑回路２と放電ランプ１０の間にフルブリッジ回路４を有する以外は、図１に示す回路と基本的には同一構成である。
フルブリッジ回路２は、ブリッジ状に接続されたトランジスタやＦＥＴからなるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４と、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の駆動回路Ｇ１〜Ｇ４から構成される。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の切替により交流矩形波電流を放電ランプ１０に対して供給することができる。
具体的には、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４のペアと、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３のペアを交互にオンにして、スイッチング素子Ｑ１→インダクタンスＬ１→放電ランプ１０→スイッチング素子Ｑ４の経路で流れる電流と、スイッチング素子Ｑ３→放電ランプ１０→インダクタンスＬ１→スイッチング素子Ｑ２の経路で流れる電流を交互に生成する。

図３は放電ランプの全体構成を示す。
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、一対の電極２０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２０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。

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４００〜７００ｎｍ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。
なお、図１に示す直流点灯用の放電ランプの場合は、電極２０は陰極と陽極で異なる形状、体積のものとなる。

放電ランプの数値例を示すと、例えば、発光部の最大外径９．４ｍｍ、電極間距離１．０ｍｍ、発光管内容積８５ｍｍ^３、定格電圧７５Ｖ、定格電力１２０Ｗであり、交流点灯される。
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１．３Ｗ／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において、交流電流を生成する手段はフルブリッジ回路に限定されず、他の回路構成を採用できる。特に、スイッチング素子の数は４つでなくても、少なくとも２つのスイッチング素子により、デッドタイムを介在させて交互にオンオフ駆動できれば十分である。
また、スタータ回路３は、電流経路に高圧トランスを接続する方式に限定されず、放電ランプ１０の外面にトリガワイヤを配設する方式（いわゆる外部トリガ方式）であってもかまわない。

以上、説明したように、本発明の高圧放電ランプ点灯装置は、小容量コンデンサと始動性改善回路の並列回路を有し、始動性改善回路が、抵抗とスイッチとダイオードの並列回路と大容量コンデンサの直列接続により構成することで、電極に水銀が付着したことに起因する特殊アークが発生しても良好にグロー放電からアーク放電への移行を達成できる。

本発明の高圧放電ランプ点灯装置を示す。 本発明の高圧放電ランプ点灯装置を示す。 本発明の高圧放電ランプ点灯装置に使う放電ランプを示す。 高圧放電ランプ点灯装置を示す。

符号の説明

１ チョッパー回路
２ 平滑回路
３ スタータ回路
４ フルブリッジ回路
１０ 放電ランプ
２０ 電極
２１ 始動性改善回路

Claims (2)

1. ０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀が封入された高圧放電ランプと、この放電ランプに対する給電装置よりなる高圧放電ランプ点灯装置において、
   前記給電装置は、チョッパー回路と、このチョッパー回路の出力端に接続された平滑回路と、この平滑回路の後端に接続された起動器を有しており、
   前記平滑回路は、小容量コンデンサと始動性改善回路が、前記チョッパー回路の出力端に並列に接続され、
   前記始動性改善回路は、大容量コンデンサが、抵抗とスイッチと大容量コンデンサの充電に対して逆方向のダイオードとの並列回路と、直列に接続されることを特徴とする高圧放電ランプ点灯装置。
2. 前記平滑回路の出力側に、交流電流を生成するフルブリッジ回路が接続されることを特徴とする請求項１の高圧放電ランプ点灯装置。
   

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