JP2006049061A

JP2006049061A - 高圧放電ランプ用給電装置

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Publication number: JP2006049061A
Application number: JP2004227741A
Authority: JP
Inventors: Giichi Suzuki; 義一鈴木; Tomoyoshi Arimoto; 智良有本
Original assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 2004-08-04
Filing date: 2004-08-04
Publication date: 2006-02-16

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。給電装置はスイッチング素子を含むチョッパー回路と、このチョッパー回路の出力端に接続された少なくとも一つの平滑用コンデンサを含む平滑回路と、チョーパー回路のスイッチング素子を駆動するフィードバック系制御回路を有しており、前記スイッチング素子と並列に、抵抗と第二スイッチング素子の直列回路が接続されるとともに、前記制御回路は、少なくとも点灯始動時において前記第二スイッチング素子をオンさせるともに、放電ランプが安定した後においてオフする。
【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用給電装置に関する。

図４は高圧放電ランプ用給電装置を示す。
給電装置は、スイッチング素子Ｑｘを有するチョッパー回路１と、コイルＬｘやコンデンサＣｘを含む平滑回路２と、点灯始動用スタータ回路３、スイッチング素子Ｑｘを駆動する制御回路４より構成される。
制御回路４は、放電ランプ１０の点灯電圧や点灯電流を、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３によって検出された値をもとに、点灯電力を換算して求めるともに、基準電力値と比較してスイッチング素子Ｑｘをフィードバック制御する。
チョッパー回路１において制御された電流は、平滑回路２において直流出力となり放電ランプ１０に供給される。

点灯動作は、まず、スタータ回路３により高電圧パルスを発生させると、放電ランプ１０の電極間に絶縁破壊が発生してグロー放電が生じる。グロー放電はやがてアーク放電となり放電ランプは安定する。アーク放電状態の放電ランプの点灯電圧は、グロー放電状態の放電ランプの点灯電圧よりも低い。
ここで、グロー放電状態が存在する時間は、点灯条件などにより種々変化するものであり、数マイクロ秒で終わる場合もあれば数十ミリ秒あるいはそれ以上継続する場合もある。

平滑回路２に含まれるコンデンサＣｘは、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、グロー放電状態から速やかにアーク放電状態に移行させるために、コンデンサＣｘと並列に小容量のコンデンサを設ける技術も、例えば、特許第３１８８８７３号などに存在する。

一方、プロジェクター装置の光源に使う放電ランプは、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（粒状）の水銀が電極に付着することが多くなる。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となり、水銀が凝縮されやすいからである。
この状態から放電ランプを点灯始動させると、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、一時的な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が蒸発して枯渇すると消えてしまうとい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、点灯始動（絶縁破壊）後にグロー放電状態を経てアーク放電状態へと移行するが、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わけである。
このように特殊アークを生じると、放電ランプを安定に点灯させることができず、点灯初期の段階で消灯（立ち消え）してしまう。
特許３１８８８７３号

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用給電装置は、スイッチング素子を含むチョッパー回路と、このチョッパー回路の出力端に接続された少なくとも一つの平滑用コンデンサを含む平滑回路と、チョーパー回路のスイッチング素子を駆動するフィードバック系制御回路を有している。そして、前記スイッチング素子と並列に、抵抗と第二スイッチング素子の直列回路が接続されるとともに、前記制御回路は、少なくとも点灯始動時において前記第二スイッチング素子をオンさせるともに、放電ランプが安定した後においてオフすることを特徴とする。

以上構成により、放電ランプの点灯始動時において、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用給電装置を示す。
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、制御回路４より構成される。給電装置と放電ランプ１０により点灯装置が構成される。
チョッパー回路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を有し、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。スイッチング素子Ｑｘに並列に抵抗ＲｘとスイッチＳＷの直列回路が接続される。
平滑回路２は、チョッパー回路１の出力を平滑するもので、コイルＬｘ、コンデンサＣｘを有する。

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。
制御回路４は、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３からの電圧信号、電流信号を受けて、放電ランプの点灯電力を基準値と比較して駆動回路Ｇｘに送信する。これにより、放電ランプ１０はフィードバック制御される。
抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３は、放電ランプ１０の点灯電圧、点灯電流を検出するもので、抵抗Ｒ１、Ｒ２より点灯電圧を検出して、抵抗Ｒ３より点灯電流を検出する。
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。
また、図４と比較して、スイッチング素子Ｑｘがマイナスラインに接続されているが、回路機能上相違するものではない。

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。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、チョッパー回路１から電流が供給される。このとき、スイッチング素子Ｑｘに並列接続されたスイッチＳＷはオン状態となる。
上記のように、絶縁破壊後の放電ランプはグロー放電状態であるが、一時的に特殊アーク放電を生ずる。そして、グロー放電のときはランプ電圧が高く、アーク放電のときはランプ電圧は低くなる。つまり、一時的に特殊アーク放電が生じてグロー放電状態に戻ると、ランプ電圧は低い状態から高い状態へと変化する。この変化はきわめて短い時間で発生することから制御回路４を介したフィードバック系制御では追随できず、これが原因となって、放電ランプが立ち消えとなってしまう。数値で一例を示すと、ランプ電圧が上昇した場にフィードバック系制御で反応できる時間は、２００μ秒程度であり、一方、放電ランプの立ち消えを防止するには、少なくとも１００μ秒以内の反応を必要とする。

本願発明は、放電ランプの点灯始動時において、スイッチング素子Ｑｘに並列接続したスイッチＳＷをオンすることで、フィードバック系よりも迅速な電流供給を可能とする。
すなわち、特殊アーク放電が生じることなく、急激な電圧変化が生じていないときは主にスイッチング素子Ｑｘを介して電流供給を行うとともに、急激な電圧変化が生じたときには抵抗Ｒｘ、スイッチＳＷを介して電流供給を行うわけである。

スイッチＳＷをオンさせるタイミングは、スタータ回路３を起動させる前であってもよいし、スタータ回路３を起動させた直後であってもかまわない。ようは、特殊アークが生じるタイミングでオンされていればよい。
スイッチＳＷは、ＭＯＳＦＥＴ、バイポーラトランジスタ、リレーなどスイッチ機能を有する素子であれば、とくに限定されることはない。
また、抵抗Ｒｘは、始動性向上のために接続されており、たとえば、４７０オーム程度である。

スイッチＳＷの開閉制御（オンオフ制御）は、図示していないが、例えば、制御回路４やスタータ回路の内部に設けられたタイマー回路と連動して動作する。

放電ランプ１０がアーク放電に移行した後は、スイッチＳＷをオフすることで不要な発熱を排除することができる。オフするタイミングは、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２によりランプ電圧を検出してアーク放電で安定した状態の電圧値を測定する方法や、あるいはスタータ回路の起動からタイマー回路により予め設定した時間で決定することができる。これらは制御回路４により行われ、スイッチＳＷを駆動することで開閉制御する。

ここで、特殊アーク放電について説明しておく。
前記したように、封入水銀量が０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上という放電ランプにあっては、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」と称している）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、比較的短時間で水銀は蒸発してしまう。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、あるいは陰極からの放電にうまく遷移し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継続できない場合は、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であるのに対し、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は、電極間電圧はケタ違いに変化していることを意味する。

図２は交流点灯型放電ランプの点灯装置であって図１の変形例を示す。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５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５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→トランスＴｒ１→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→トランスＴｒ１→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、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。従って、発光管部内部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５は、図１に示す給電装置の変形例を示す。
図１の回路がスイッチング素子Ｑｘのみに並列に、抵抗ＲｘとスイッチＳＷの直列回路を接続しているのに対し、図５はスイッチング素子ＱｘとコイルＬｘの直列回路に並列に抵抗ＲｘとスイッチＳＷの直列回路が接続されている点で相違している。
なお、この回路構成、すなわち、抵抗ＲｘとスイッチＳＷの直列回路を、スイッチング素子Ｑｘ、コイルＬｘに並列に接続する構成は、図２に示すフルブリッジ型回路に適用することもできる。

図６は、図２に示す給電装置の変形例を示す。
図２の回路がスイッチング素子Ｑｘのみに並列に、抵抗ＲｘとスイッチＳＷの直列回路を接続しているのに対し、図６はスイッチング素子Ｑｘ、コイルＬｘ、抵抗Ｒ３の直列回路と並列に、抵抗ＲｘとスイッチＳＷの直列回路が接続されている点で相違している。つまり、抵抗ＲｘとスイッチＳＷの直列回路はフルブリッジ回路６のスイッチング素子Ｑ２に接続されている。
この回路の利点は、降圧チョッパー回路１からの電流に、抵抗Ｒｘを介した電流が加わることにある。
また、フルブリッジ回路６は除外して直流点灯型放電ランプに適用することもできる。

また、抵抗ＲｘとスイッチＳＷの直列回路は、正特性サーミスタを使うこともできる。この場合、スイッチをオンオフする駆動回路が不必要となり、正特性サーミスタの自発的な動作により機能させることができる。

ここで、放電ランプと直列にコイルを接続する場合、コイルのインダクタンスを小さくすることが光変動を小さくできる点でプロジェクター装置にとって有利であることが知られている。
特に、光変調デバイスに単板ＤＭＤと回転カラーフィルタを用いる場合は、放射光の落ち込みが低減することから放電ランプの極性切り替えと同期を図る必要がない点で有利となる。
しかしながら、インダクタンスが小さくなると、コンデンサＣｘの容量を小さくしたとしてもインダクタンスに蓄えられるエネルギーが小さくなる。この結果、コンデンサからの放出エネルギーも小さくなり、始動性を改善することはできなくなり、放電ランプの点灯始動性が低下しかねない。コンデンサは負荷の急激な電圧変化に追従することができず、また、インダクタンスは本来追従機能を有するがインダクタンスを小さくすることで機能は大きく低下するからである。
そして、このような場合において、スイッチング素子Ｑｘと並列に抵抗Ｒｘを設けると、コンデンサＣｘの値如何にかかわらず始動性を確保できる。

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。

次に、本発明の高圧放電ランプ給電装置の実験を説明する。
抵抗Ｒｘとして、１８００Ω、９００Ω、６００Ω、４５０Ω、３６０Ω、３００Ω、および抵抗Ｒｘを接続しない場合の各々について放電ランプの点灯状態を確認した。
各実験は、放電ランプが安定に点灯している状態から消灯させて、その後、１分後、1分３０秒後、２分後、２分３０秒後に放電ランプを再点灯（スタータを起動）させた。
この再点灯起動によって、放電ランプが再点灯できるか否かを測定した。
放電ランプは、図３および段落００２０、００２１に記載したものであって、定格電力１２０Ｗ、定格電圧７５Ｖ、定格電流１．６Ａ、電極間距離１．０ｍｍの交流点灯型放電ランプを採用した。また、回路は、図２に示した回路構成で段落００１９に記載したものを採用した。

図７に上記実験の結果を示す。
すべての放電ランプは消灯1分後の再起動により点灯した。消灯後の時間経過が小さいため電極が暖かく、電子放出能力が高くかつ水銀が電極表面に付着しにくい状態のため、前述の電極表面に付着している水銀が蒸発し枯渇する時に消える現象が発生しない、放電ランプが再起動しやすい状態だからと考えられる。
消灯1分３０秒後の再起動について、抵抗Ｒｘを接続しない場合は点灯することはできなかったが、抵抗Ｒｘを接続した場合は抵抗値にかかわらず点灯することができた。抵抗Ｒｘを接続することで放電ランプがグロー放電状態であっても再点灯できることを証明している。
消灯２分後の再起動について、抵抗Ｒｘを接続しない場合と、抵抗Ｒｘが１８００Ω、９００Ωの場合は、放電ランプを再点灯できなかった。一方、抵抗Ｒｘが６００Ω、４５０Ω、３６０Ω、３００Ωの各々の場合は放電ランプを再点灯することができた。また、消灯２分３０秒後の再起動についても全く同じ結果となった。この結果、抵抗Ｒｘを介して流れる電流値が、ある値以上であれば再点灯できることが示される。

上記のように、放電ランプを消灯させた後、１〜２分に再起動させた場合に当該放電ランプが良好に再点灯できるということは、すなわち、放電ランプが特殊アークの後にグロー放電状態になったとしても点灯を持続できることを意味している。
また、抵抗Ｒｘを流れる電流量が、上記実験においては０．６Ａ以上は、より高い確率で放電を維持できることが判明している。
この０．６Ａという数値は、直流電源の電圧Ｖ_ＤＣ、始動時のランプ電圧と抵抗Ｒｘの抵抗値で決まるものであり、具体的には、‘（直流電源の電圧Ｖ_ＤＣ−始動時のランプ電圧）÷抵抗Ｒｘの抵抗値）’より大きいことを意味している。
が好ましい。

以上説明したように、本発明に係る高圧放電ランプ用給電装置は、放電ランプの点灯始動時において、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。

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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

高圧放電ランプに対する給電装置において、
スイッチング素子を含むチョッパー回路と、このチョッパー回路の出力端に接続された少なくとも一つの平滑用コンデンサを含む平滑回路と、チョーパー回路のスイッチング素子を駆動するフィードバック系制御回路を有しており、
前記スイッチング素子と並列に、抵抗と第二スイッチング素子の直列回路が接続されるとともに、
前記制御回路は、少なくとも点灯始動時において前記第二スイッチング素子をオンさせるともに、放電ランプが安定した後においてオフすることを特徴とする高圧放電ランプ用給電装置。
前記高圧放電ランプは、０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀が封入されたことを特徴とする請求項１の高圧放電ランプ用給電装置。
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たことを特徴とする請求項１の高圧放電ランプ用給電装置。