JP2011210564A - 高圧放電ランプ点灯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電極突起形状および先端形状を長期間最適に維持して、放電ランプの長寿命化を図ることができる点灯装置を提供すること。
【解決手段】石英ガラスからなる放電容器内に一対の電極が対向配置されるとともに水銀が封入された高圧放電ランプを点灯させる点灯装置において、６０〜１０００Ｈｚの範囲から選択された周波数（基本周波数）の定常点灯時の交流電流と、この基本周波数よりも低い５〜２００Ｈｚの範囲から選択された周波数の低周波とが交互に発生するよう交流電流を供給し、かつ、上記基本周波数を供給する期間が所定時間ごとに漸次増減するように制御する。これにより、タングステンを広範囲に溶かす時間帯と溶かさない時間帯を交互に形成することができ、電極の突起の形状を最適に保ち、光源の寿命を長くすることができる。
【選択図】 図４

Description

この発明はプロジェクタ等の光源に好適に使用される超高圧放電ランプとその給電装置よりなる高圧放電ランプ点灯装置に関する。

プロジェクタ等の光源用のランプには、放電容器の内部に水銀が０．２ｍｇ／ｍｍ^３以上封入されて、点灯時の圧力が２００気圧以上になる超高圧放電ランプが使用されている。このような高圧放電ランプは、点灯中、電極の先端側表面に突起が形成され、この突起にアークが保持されることにより、安定的な点灯状態が維持されることが知られている。
一方、高圧放電ランプを長期間同じ状態で点灯した場合には、突起が複数形成したり、電極の先端表面部に凹凸が発生したりすることがある。電極先端の表面部が乱れると、放電位置が不安定となり、アーク移動による照度低下やチラツキが発生することが知られている。

このような問題を解決するため、特許文献１には、周波数６０〜１０００Ｈｚの範囲から選択された周波数を定常点灯時の基本的な周波数として交流電流を供給し、かつ、所定の間隔をもって、基本周波数よりも低い周波数であって５〜２００Ｈｚの範囲から選択された周波数を供給する放電ランプの駆動方式について記載されている。
この技術によれば、定常点灯時に供給する基本周波数とそれよりも低い周波数とが、交互に発生するように交流電流を供給することで、放電に必要な突起の周辺に付着した余計なタングステンを溶かして電極先端をクリーニングし、さらに、溶けたタングステンを表面張力などによって突起部に供給することで、突起形状を安定的に維持することができるため、電極の長寿命化を図ることが可能になる。
また、特許文献２には、周波数の値を点灯時間で変化させることで電極の寿命を伸ばすという技術が開示されている。しかしながら、特許文献２に記載のものにおいては、周波数が時間経過中に常時増減することで、耳ざわりなノイズが発生し、実用上問題がある。
また、特許文献３には、ランプ電力を周期的に変化させることで電極磨耗を低減させ、ランプの寿命を伸ばすという技術が開示されている。しかし、この技術では、電力を変動させることによる明るさの変動を避けることができない。

特開２００６−５９７９０号公報 特開２００７−２８０７３４号公報 特許第４０８９６２７号公報

特許文献１に記載されるように基本周波数の交流電流を供給し、所定の間隔で基本周波数よりも低い周波数の交流電流を供給することで、電極の突起形状を安定的に維持することができるが、この従来の技術においても、さらに長期に亘って点灯を続けると、突起部周辺の電極先端の形状が損耗し、安定な放電を維持することができなくなる。
この理由を図１２を参照して説明する。高圧放電ランプの点灯初期の状態では、低周波が一定期間ごとに繰り返し供給される。この低周波電力が供給される期間に突起の周辺部分が加熱し、図１２（ａ）に示すように電極２０ａ，２０ｂの先端面の不要な突起は溶融して、それらは先端の主要な突起２１に供給されるようになる。
ところが、長期間に亘って高圧放電ランプを点灯した場合には、電極２０ａ，２０ｂの先端において加熱される部分（領域）が固定されてしまうため、不要な突起の形成と溶融が同じ領域で繰り返されることになり、この結果、図１２（ｂ）に示すように電極２０ａ，２０ｂの突起２１の周囲においてタングステンが消耗し、電極２０ａ，２０ｂの先端の形状がいびつになってしまう。

このような状態を回避するには、電極の後方の部位の温度を上げて溶融と堆積が生じる面積が広範囲になるよう、電極温度に変化をもたらす、すなわち、電極の加熱部分が先端に固定されないようにすることが必要である。
電極の加熱部分が固定化しないようにするには、簡単には低周波を供給する期間を長くすればよい。
しかしながら、単に低周波期間を長くしたとしても、電極の後方の温度が上がる間に突起先端の温度が急激に上昇して突起が損耗したり、消滅したりしてしまうという問題が生じる。

以上のように、特許文献１に記載されるように所定の間隔で基本周波数よりも低い周波数の交流電流を供給して点灯させることで、突起形状を安定的に維持することができるものの、これを長期に亘って続けると、突起部周辺の電極先端の形状が損耗し安定な放電を維持することができなくなるといった問題が生じた。
本発明は上記問題を解決するためになされたものであって、本発明が解決しようとする課題は、電極の温度制御を確実に行い、電極突起形状および先端形状を長期間最適に維持して、放電ランプの長寿命化を図ることができる点灯装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、前記石英ガラスからなる放電容器内に一対の電極が対向配置されるとともに水銀が封入された高圧放電ランプを点灯させる点灯装置において、定常点灯時の周波数（定常点灯時の周波数を「基本周波数」と称する）を供給する期間と、それよりも低い周波数の低周波を供給する期間が徐々に変化するように制御し、電極先端の過剰な加熱、溶融が起こらないようにする。
具体的には、上記点灯装置に設けられた給電装置から、高圧放電ランプに、定常点灯時の周波数（基本周波数）と低周波とが交互に発生するよう交流電流を供給すると共に、基本周波数を供給する期間が所定時間ごとに漸次増減するように制御する。すなわち、基本周波数を供給する期間が徐々に短くなるように（すなわち低周波を供給する期間が徐々に長くなるように）制御し、その後、基本周波数を供給する期間が徐々に長くなるように（すなわち低周波を供給する期間が徐々に短くなるように）制御する。
前記基本周波数の交流電流は、６０〜１０００Ｈｚの範囲から選択された周波数の交流電流であり、前記低周波数の交流電流は、前記基本周波数の交流電流の周波数よりも低い５〜２００Ｈｚの範囲から選択された周波数の交流電流であり、かつ、半サイクル以上の長さであって、基本周波数と低周波の交流電流が交互に発生しているときの低周波は５サイクル以下の長さであり、前記低周波数の交流電流が発生してから次の前記低周波数の交流電流が発生するまでの間隔が１２０秒以下である。

定常時の周波数（基本周波数）を供給する期間を短くすると、単位時間当たりに低周波数の交流電流が発生する回数が増えることになる。このように、低周波数の交流電流が発生する回数を徐々に増やしていくことで、電極において加熱される部分が徐々に広がり、突起にタングステンを供給するために加熱される電極の面積が広がるようになる。もちろん、低周波の供給回数が多い（すなわち基本周波数の供給期間が短い）状態のままでは、電極の温度は全体的に高温になるため、電極は全体的に損耗してしまう。
そこで、さらに、基本周波数の電流を供給する期間を短い状態から徐々に長い状態に変化するよう基本周波数の供給期間を変化させる。これにより、低周波の発生回数が徐々に少なくなり、電極の温度が下がり、電極の損耗と突起の消失を抑制する。
この動作の繰り返しにより、タングステンを広範囲に溶かす時間帯と溶かさない時間帯が交互に形成される。言い換えると、電極が加熱される領域をスイングさせる（時間的に変動させる）ことによって、突起（電極）の形状を最適に保ち、光源の寿命を長くする。
また、基本周波数及び低周波の電流が供給される期間を急激に変化させず、徐々に変化させることにより、ランプのチラツキを防止することができる。
すなわち、基本周波数から、低周波周波数のみの交流電流に瞬時に切り替えを行った場合、周波数が急激に変わることで、人の目にはランプに電力変化が生じたときと同様のちらつきが視認されるようになる。基本周波数と低周波周波数の変化が定期的であったり、緩やかな変更である場合は、ちらつきとして視認されない。

本発明においては、以下の効果を得ることができる。
（１）放電容器内に一対の電極が対向配置されるとともに水銀が封入された高圧放電ランプを点灯させる点灯装置において、基本周波数を供給する期間が所定時間ごとに漸次増減するように制御しているので、タングステンを広範囲に溶かす時間帯と溶かさない時間帯を交互に形成することができ、電極の突起の形状を最適に保ち、光源の寿命を長くすることができる。
（２）基本周波数の電流が供給される期間を急激に変化させず、徐々に増減するように制御しているので、ランプのチラツキを防止することができる。また、基本周波数の期間をゆっくり漸次変化させることにより、突起部形状の急激な変化が起こり難くなり、ランプ電圧の急激な変動も起こり難くなる。

本実施形態にかかる高圧放電ランプの断面図である。 本実施形態にかかる電極の先端を模式化して示した図である。 本実施形態にかかる高圧放電ランプを点灯するための給電装置の回路図である。 基本周波数のサイクル数の設定値の変化パターンの一例と高圧放電ランプに供給されるランプの電流波形の一例を示す図である。 本発明に係る給電装置から高圧放電ランプに供給されるランプの電流波形の一例を示す図である。 本発明に係る電流波形制御に使用する設定値の変化パターンを説明する図である。 本発明に係る電極先端の温度状態および消粍状態を説明する図である。 本発明に係る電流波形制御に使用する設定値の変化の状態を説明する他の例を示す図である。 本発明に係るランプの電流波形の他の例（１）を示す図である。 本発明に係るランプの電流波形の他の例（２）を示す図である。 本発明に係る電流波形制御に使用する設定値の変化パターンの他の例を示す図である。 従来技術に係る電極先端の温度状態および消耗状態を説明する図である。

図１は、本発明の実施形態にかかる高圧放電ランプの断面図である。
高圧放電ランプ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を有する。この発光部１１の中には一対の電極２０ａ，２０ｂが２ｍｍ以下という極めて小さい間隔で対向配置している。また、発光部１１の両端部には封止部１２が形成される。この封止部１２には、モリブデンよりなる導電用の金属箔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。金属箔１３の一端には電極２０ａ，２０ｂの軸部が接合しており、また、金属箔１３の他端には外部リード１４が接合し、給電装置（３０）から電力が給電される。

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、プロジェクタ等の光源用に使用する場合に必要な可視光波長、例えば、波長３６０〜７８０ｎｍの放射光を得るためのものであり、具体的数値でいうと０．２０ｍｇ／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、点灯時における放電容器内部の圧力を２００気圧以上という高い蒸気圧を実現するものである。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２５０気圧以上、３００気圧以上という高い水銀蒸気圧の高圧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に適した光源を実現できる。

希ガスは、例えば、アルゴンガスが約１３ｋＰａ封入される。その機能は点灯始動性を改善することにある。
また、ハロゲンは、沃素、臭素、塩素などが水銀あるいはその他の金属と化合物の形態で封入される。ハロゲンの封入量は、１０^−６μｍｏｌ／ｍｍ^３〜１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲から選択される。ハロゲンの機能は、いわゆるハロゲンサイクルを利用した長寿命化であるが、本発明の高圧放電ランプのように極めて小型で極めて高い点灯蒸気圧のものは、放電容器の失透防止という作用もある。
高圧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、放電容器内容積５５ｍｍ^３、定格電圧７０Ｖ、定格電力１８０Ｗであり交流方式で電力が供給される。

また、この種の高圧放電ランプは、小型化が進行するプロジェクタに内蔵されるものであり、全体寸法として極めて小型化が要請させる一方で、高い発光光量も要求される。このため、発光部内の熱的影響は極めて厳しいものとなる。ランプの管壁負荷値は０．８〜２．５Ｗ／ｍｍ^２、具体的には２．４Ｗ／ｍｍ^２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やオーバーヘッドプロジェクタ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は図１に示す電極の先端を模式化して示したものであり、ランプ動作時に電極先端に形成される突起を説明する説明図である。電極２０ａ，２０ｂは、それぞれ球部２０１と軸部２０２から構成され、球部２０１の先端に突起２１が形成されている。この突起２１は、ランプ点灯時、電極先端において溶融したタングステンが凝集して形成されるものである。

次に、本発明の実施形態に係わるランプ点灯装置について図３を参照して説明する。図３において、ランプ点灯装置は、高圧放電ランプを点灯するための給電装置３０と高圧放電ランプ１０から構成される。
給電装置３０は、直流電圧Ｖｄｃが供給されて、これを降圧する降圧チョッパ回路Ｕ１と、降圧チョッパ回路Ｕ１の出力側に接続され直流電圧を交流電圧に変化させて放電ランプ１０に供給するフルブリッジ型インバータ回路Ｕ２（以下、「フルブリッジ回路」ともいう）と、この高圧放電ランプ１０に直列接続されたコイルＬｈ、コンデンサＣｈで構成されたスタータ回路Ｕ３と、上記フルブリッジ回路Ｕ２のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を駆動するドライバ５１と、制御部Ｕ４からなる。
制御部Ｕ４は例えばマイクロプロセッサ等の処理装置で構成することができ、本図ではその機能構成をブロック図で示している。

図３において、降圧チョッパ回路Ｕ１は、直流電圧Ｖｄｃが供給される＋側電源端子に接続されたスイッチング素子ＱｘとリアクトルＬｘと、スイッチング素子ＱｘとリアクトルＬｘの接続点と−側電源端子間にカソード側が接続されたダイオードＤｘと、リアクトルＬｘの出力側に接続された平滑コンデンサＣｘと、平滑コンデンサＣｘの−側端子とダイオードＤｘのアノード側の間に接続された電流検出用の抵抗Ｒｘから構成される。
上記スイッチング素子Ｑｘは、制御部Ｕ４が出力するゲート信号Ｇｘで駆動され、スイッチング素子Ｑｘを所定のデューティで駆動することにより、入力直流電圧Ｖｄｃをこのデューティに応じた電圧に降圧する。降圧チョッパ回路Ｕ１の出力側には、電圧検出用の抵抗の直列回路Ｖｘが設けられている。
フルブリッジ回路Ｕ２は、ブリッジ状に接続したスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４から構成され、これらのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４はドライバ５１が出力するゲート信号Ｇ１〜Ｇ４により駆動され、対角に配置されたスイッチング素子Ｑ１、Ｑ４、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３を交互にオンにすることにより、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の接続点と、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４の接続点間に矩形波状の交流電圧が発生する。

スタータ回路Ｕ３は、コイルＬｈ、コンデンサＣｈで構成されたものである。これはコイルＬｈ、コンデンサＣｈで構成した共振回路の共振周波数をブリッジ回路Ｕ２から出力することでその共振作用によりコンデンサＣｈに高い電圧を発生させることができる。
従って、スタータ回路Ｕ３は始動時のみ高い周波数で動作し、高電圧が放電ランプ１０の両端に印加され、ランプが点灯する。
上記回路において、ランプ定常時におけるフルブリッジ回路Ｕ２の駆動周波数を変更する場合は、フルブリッジ回路Ｕ２のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のスイッチング周期を調整することで達成でき、また、出力電圧は降圧チョッパ回路Ｕ１のスイッチング素子Ｑｘの動作デューティを調整することで達成できる。
降圧チョッパ回路Ｕ１のスイッチング素子Ｑｘは、制御部Ｕ４が出力するゲート信号Ｇｘのデューティに応じてオン／オフし、ランプ１０に供給される電力が変化する。すなわち、電力アップならＱｘのデューティを下げるなどして、その入力された電力調整信号値に合致する電力値になるようにゲート信号Ｇｘの制御を行う。

制御部Ｕ４は、ランプ電力を制御する電力制御部５２、高周波（基本周波数）の信号を発生する高周波発生部６０、高周波発生部６０から出力される高周波信号のサイクル数をカウントする第１のサイクル数カウンタ６１、高周波発生部６０から出力される高周波信号のカウント値の設定値を保持する第１のカウント設定値制御部６２、上記基本周波数よりも低い周波数の低周波の信号を発生する低周波発生部７０、低周波発生部７０から出力される低周波信号のサイクル数をカウントする第２のサイクル数カウンタ７１、低周波発生部７０から出力される低周波信号のカウント値の設定値を保持する第２のカウント設定値制御部７２、高周波発生部６１、低周波発生部７１の出力のいずれか一方を選択的にドライバ５１に出力するセレクタ８０から構成されている。
電力制御部５２は、電流検出用の抵抗Ｒｘの両端電圧と、電圧検出用の抵抗Ｖｘにより検出された電圧から、ランプ電流Ｉ、ランプ電圧Ｖを求めてランプ電力を演算し、この電力が点灯電力指令に一致するような降圧チョッパ回路Ｕ１のスイッチング素子Ｑｘのデューティを制御する。

本発明におけるフルブリッジ部Ｕ２から出力される駆動周波数は高周波（基本周波数）と、それより周波数が低い低周波を組み合わせた波形を基本としている。
ここでいう高周波とは、高圧放電ランプを定常的に点灯する際の基本周波数であり、低周波とは定常点灯的に供給される交流電流の周波数である。
前記特許文献１に開示されているように、上記基本周波数は６０〜１０００Ｈｚの範囲から選択されるものであり、低周波は上記６０〜１０００Ｈｚの範囲から選択される基本周波数よりも低い周波数であり、５〜２００Ｈｚの範囲から選択されるものである。
また、上記低周波は、半サイクル以上の長さであって、基本周波数と低周波の交流電流が交互に発生しているときの低周波は５サイクル以下の長さであり、前記低周波数の交流電流が発生してから次の前記低周波数の交流電流が発生するまでの間隔は１２０秒以下である。上記低周波の周波数、挿入される長さおよび挿入される間隔は、放電ランプの設計、特に電極の熱的な設計との関係において選定される。
このように高周波と低周波を組み合わせた波形の交流電流を供給することで、特許文献１に記載されるように、低周波数の交流電流を供給して電極先端部を溶融して、アーク起点となる突起以外の余計な突起の発生を防止することができるようになる。

高圧放電ランプを６０Ｈｚから１０００Ｈｚの周波数で定常点灯させると、電極表面の中間的な温度領域において、第２の突起の形成が始まる。この第２の突起は放電には実質的に寄与しない、いわば余計な突起である。このような第２の突起が形成された場合に、定常点灯の周波数より低い周波数に切替えると、陽極として動作している期間、電極先端は、長い陽極動作期間のため温度が上昇する。この温度上昇は、前記第２の突起が発生する中間的な温度領域へ伝導し、その領域の電極表面温度を上昇させるため、形成を始めた第２の突起は蒸発、浸食され、消失する。
ここで、第２の突起の発生成長を抑制するためには、電極表面の温度を時間的に変化させることが本質的に重要である。低い周波数が５Ｈｚ未満であったり、低い周波数を０．０１秒未満の間隔で発生させ続けたり、低い周波数を５周期を越えて発生させ続けた場合は、電極先端の温度上昇が大きくなり過ぎるため、第２の突起ばかりか、本発明に係わる超高圧放電ランプにとって必要不可欠である第１の突起までも消失させてしまう。
逆に、低い周波数が２００Ｈｚを超えたり、半周期未満の低い周波数を挿入した場合は、第２の突起が発生する中間的な温度領域の十分な温度上昇が得られないため、第２の突起の発生成長を抑制できない。また、低い周波数が発生する間隔が１２０秒を超えた場合も、定常点灯の間に第２の突起が浸食し得ないまでに成長してしまう。
本願発明によれば、高圧放電ランプに供給する基本周波数が６０〜１０００Ｈｚの範囲であって、低周波数の交流電流を、基本周波数の交流電流の周波数よりも低い５〜２００Ｈｚの範囲から選択された周波数の交流電流とし、かつ、半サイクル以上の長さであって、基本周波数と低周波の交流電流が交互に発生しているときの低周波は５サイクル以下の長さであり、低周波数の交流電流が発生してから次の低周波数の交流電流が発生するまでの間隔を１２０秒以下とすることによって、先の発明と同様の効果、すなわち、放電に実質的に寄与することのない余計な突起の発生及び成長を完璧に抑えることができるという効果を奏することができる。

図３に示す制御部Ｕ４において、フルブリッジ部Ｕ２の駆動信号は次のように決定される。
図３においては、まず高周波発生部６０により高周波（基本周波数）でＤｕｔｙ（オン／オフ比）５０％の矩形波信号が生成および出力される。セレクタ８０はＲ側に選択されているものとし、その場合は高周波発生部６０の信号はセレクタ８０を介してドライバ５１に送出される。
これにより、ドライバ５１から、ゲート信号Ｇ１〜Ｇ４がフルブリッジ回路Ｕ２のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４に供給され、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は上記高周波信号に応じた周波数で駆動される。そして、フルブリッジ回路Ｕ２から上記高周波信号の周波数の矩形波状の交流電圧が発生する。この交流電圧は放電ランプ１０に供給される。
また、高周波発生部６０からの高周波信号はサイクル数カウンタ６１にて、そのサイクル数がカウントされている。カウント設定値制御部６２はサイクル数カウンタ６１の設定値を保持する機能であり、前記サイクル数カウンタ６１はカウントしたサイクル数が前記設定値と一致すれば、すなわち高周波信号が所定のサイクル数の実行が完了したならば信号Ｓ’を出力し、セレクタ８０をＳ側に切り替える。また、これと同時に、高周波発生部６０の動作を停止させるとともに低周波発生部７０を起動する。

低周波発生部７０からは、低周波でＤｕｔｙ５０％の矩形波信号が生成および出力されており、セレクタ８０がＳ側に切り替わると、低周波発生部７０から低周波信号がドライバ５１へ送出される。これにより、ドライバ５１から、ゲート信号Ｇ１〜Ｇ４がフルブリッジ回路Ｕ２のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４に供給され、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は上記低周波信号に応じた周波数で駆動される。そして、フルブリッジ回路Ｕ２から上記低周波信号の周波数の矩形波状の交流電圧が発生する。この交流電圧は放電ランプ１０に供給される。
同様に、また低周波発生部７０からの信号はサイクル数カウンタ７１にて、そのサイクル数がカウントされている。カウント設定値制御部７２はサイクル数カウンタ７１の設定値を保持する機能であり、前記サイクル数カウンタ７１は前記設定値と一致すれば、すなわち低周波信号が所定のサイクル数を実行したならば信号Ｒ’を出力し、セレクタ８０をＲ側に切り替えるともに低周波発生部７０を停止させるとともに高周波発生部６０を起動する。これにより低周波発生部６０からドライバ５１へ出力されるのでフルブリッジ回路Ｕ２は再び高周波の交流電圧を出力する。

上記において設定した例を以下に示す。
高周波発生部６０ ３７０Ｈｚ
カウント設定値制御部６２ １００．５サイクル
低周波発生部７０ ９０Ｈｚ
カウント設定値制御部７２ １サイクル

本発明における制御方式では、前記したカウント設定値制御部６２の設定値を逐次時間とともに制御することを特徴としており、点灯経過時間とともにこれを変化させることが可能である。
図４（ａ）に基本周波数のサイクル数の設定値の変化パターンの一例を示し、縦軸は基本周波数の発生サイクル数（回）、横軸は時間である。図４（ｂ）に給電装置３０から高圧放電ランプ１０に供給されるランプの電流波形の一例を示し、縦軸は電流値、横軸は時間を表している。
図４（ａ）に示すように、予め設定された最大サイクル数ＦｃｙＭａｘから１秒ごとに１サイクルずつの変動率で減じるように設定値を変化させていくことで高周波（基本周波数）が出力される期間を少しずつ短くすることができ、減じた結果、予め設定された最小サイクル数ＦｃｙＭｉｎに到達したら、今度は１秒ごとに１サイクルずつ増加させることで高周波が出力される期間を少しずつ長くすることが可能である。
この説明では１秒ごとに１サイクルの変動率の例をもって説明しているが、これら数値についてはこの限りではなく、任意に設定することができる。なお、ここでは低周波側にもカウント設定値制御部７２を設けているが、この値は例えば１サイクル、あるいは０．５サイクルという固定した数値でも構わない。

上記基本周波数の発生時間及び基本周波数の変動率は、以下の条件１，条件２を満たすように設定するのが望ましい。
［条件１］ サイクル数が最大となる時点において、基本周波数の発生時間を、低周波周波数の半周期（ｓ）の２倍以上、１０００倍以下とする。
［条件２］ 基本周波数のサイクル数が１サイクル増減するのに要する時間を「サイクル増減速度（ｓ）」と称すると、サイクル増減速度（ｓ）を０．５ｓ以上、１０ｓ以下とする。
なお、例えば、サイクル増減速度が１ｓであるとは、１ｓ経過するごとに基本周波数のサイクル数が１サイクル増減することである。

［条件１の理由］
上記条件１のように設定するのが望ましい理由は以下の通りである。
突起形状を良好に保つためには、図４（ａ）に示す基本周波数のサイクル数が最大となる時点（ＦｃｙＭａｘ）において、基本周波数を連続的に形成する期間を適正な範囲に設定する必要がある。
基本周波数のサイクル数が最大となる時点において、基本周波数を発生する期間が短すぎる場合には、ＦｃｙＭａｘとＦｃｙＭｉｎの幅が小さくなり、スイング幅をほとんど持たないことと同じになるため、電極の先端が先細りして突起形状がいびつになってしまう。このような問題を回避するため、基本周波数を発生する期間を、低周波周波数の半周期の２倍以上とすることが望ましい。
一方、基本周波数が発生する期間が長すぎる場合には、低周波の発生から次の低周波の発生までの時間が長くなって電極の温度が低くなり、低負荷領域が長すぎてしまい、損耗モードとなり、突起がいびつになってしまう。
そのため、基本周波数を形成する期間としては１０００倍以下の範囲にするのが望ましいと考えられる。

［条件２の理由］
上記条件２のように設定するのが望ましい理由は以下の通りである。
サイクルの増減速度が速すぎる場合には、電極温度はその変化に追従することができなくなり、スイングの効果が得られず、突起の形状はいびつとなる。
例えば、サイクル増減速度が０．２ｓの場合、１ｓの間に５サイクル増減することになる。この場合、電極先端の温度を緩やかに変化させることができなくなる。スイングの効果がなく、電極先端の温度を広範囲に加熱することができない。電極先端形状が乱れて安定な放電を維持できなくなる。
このサイクル増減速度が０．５ｓ（１ｓ経過するごとに２サイクル増減する）になると、電極先端の温度は、サイクルの増減に追従できるようになり、電極先端温度を広範囲に加熱することができるようになる。この結果、先端の突起を維持することができる。
低周波交流電流の発生間隔の増減速度（基本周波数の１サイクルが増減する時間）は０．５以上であることが望ましい。

一方、このサイクルの増減速度が遅すぎる場合には、電極にとって負荷の高い時間、換言すると電極温度が低い状態が長くなりすぎて、先端の突起はいびつになる。
例えば、サイクルの増減速度が２０ｓである場合（２０ｓ経過するごとに1サイクル増減する）、負荷の高い時間が長いために電極温度の低下を招き、先端の突起を維持できなくなる。また、サイクルの増減速度が１０ｓになると（１０ｓ経過するごとに1サイクル増減する）、電極先端温度の低温〜高温の制御ができるようになり、先端の突起を維持することができる。
このことから、低周波交流電流の発生間隔の増減速度（基本周波数の１サイクルが増減する時間）は１０以下であることが望ましい。無論、このような設定値は必要な条件があいさえすれば、２サイクル、あるいは３サイクルと言った複数サイクルを段階的に増減するように設定しても構わない。

さらに、詳細については説明を省略するが、ランプ電圧値やランプ電流値に依存して高周波発生部の周波数、あるいは低周波発生部の周波数を変化させる技術を併用し組み合わせても構わないし、同様にランプ電圧値やランプ電流値に依存して、カウント設定値制御部６２、７２のサイクル数の各設定値（ＦｃｙＭａｘ、ＦｃｙＭｉｎ）、あるいは変動率を切り替えるようにパラメータをテーブル化し、最適なパラメータを選択できるようにしても構わない。

以下、本発明における電流波形の具体例および上記カウント設定値制御部６２おけるサイクル数の設定値の変化パターン例について説明する。
ここで、以下に説明する実施例で使用したランプの仕様、ランプ動作条件は以下の通りである。
［実施例に係るランプの仕様］
・定格電力：２７０Ｗ
・定格電圧：８０Ｖ
・発光部の内容積：８０ｍｍ^３
・電極間距離：１．２ｍｍ
（封入物）
・水銀量：０．２８ｍｇ／ｍｍ^３
・希ガス（具体的にはアルゴンガス）：１３ｋＰａ
・ハロゲン（例えば、沃素、臭素、塩素）量：１０^−６〜１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３
［ランプ動作条件］
・基本周波数：３７０Ｈｚ
・低周波周波数：４６．２５Ｈｚ、９２Ｈｚ
・最小の低周波挿入間隔：０ｍｓ
・最大の低周波挿入間隔：３００ｍｓ
・サイクル増減速度：１サイクル／２ｓ

（実施例１：基本周波数の発生回数が０になる場合）
図５は、給電装置３０から高圧放電ランプ１０に供給されるランプの電流波形の一例であり、縦軸は電流値、横軸は時間を表している。また、図６はこの電流波形制御に使用するサイクル数の設定値の変化の状態を説明する図であり、縦軸は基本周波数の発生サイクル数（回）、横軸は時間である。
図６のように時間がｔａ，ｔｂ，ｔｃ，ｔｄ…のように変化し、サイクル数の設定値が変化すると、電流波形は図５に示すように、（ａ）→（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）の順に変わる。その後、時間ｔｄ以降、ｔｃ’，ｔｂ’，ｔａ’となるときは図５において（ｄ）→（ｃ）→（ｂ）→（ａ）のように変化する。
この例において図５（ａ）は、基本周波数（高周波）の交流電流と低周波の周波数の交流電流の組合せによる動作状態において、基本周波数のサイクル数が最大の場合（ＦｃｙＭａｘ）であり、基本周波数を供給する期間（τＫ）が最も長い場合（換言すると低周波数の交流電流が発生する回数が最も少ない場合）の波形である。
この波形（ａ）から、予め設定された最大サイクル数（ＦｃｙＭａｘ）から所定時間ごと（例えば１秒ごと）に、１サイクルずつの変動率で減じるように設定値を変化させることで、順次（ｂ）から（ｄ）まで波形を変化させる。

上記の例において具体的数値をいうと、基本周波数の値は３７０Ｈｚであり、低周波周波数の値は９２Ｈｚである。（ａ）の状態において、ＦｃｙＭａｘは３７（サイクル）（時間にして１００ｍｓ）であり、ＦｃｙＭｉｎは０（サイクル）である。なお、図５（ａ）〜図５（ｃ）における低周波周波数の発生回数は１サイクルである。

図６に示すように、最大サイクル数（ＦｃｙＭａｘ）から高周波が出力される期間を少しずつ一定の速度で短くして最小サイクル数（ＦｃｙＭｉｎ；この場合０）に到達させる。その後、再び最大サイクル数まで、少しずつ一定の速度で変化させる。このように高周波数の交流電流供給期間を変化させることで、低周波数の交流電流が発生する回数が増減する。なお図は一例でありこのような変化に限定されるものではない。

図７は電極先端の温度変化の状態を説明する図である。
低周波周波数が発生後、次の低周波周波数が発生するまでの期間（τＫ）が比較的長い場合、単位時間当たりに低周波が出力される回数が少ないので、電極２０ａの先端付近において加熱される領域は比較的前方の領域（（ａ）部分）にとどまる。このとき、突起２１の温度は比較的低く、突起に対してタングステン（Ｗ）が堆積する（Ｗ堆積モード）。
高周波の出力を回数を徐々に減らし、低周波の出力が徐々に増えると、電極における温度が高い頻度が増えて、突起の温度が高くなり、電極先端の加熱領域が後方に広がる。
基本周波数が出力される期間が最小サイクル数（ＦｃｙＭｉｎ）に到達すると、電極２０ａの先端付近において加熱される領域は最大となり、例えば電極２０ａ後方の（ｄ）部分にまで到達する。電極先端の突起部２１を構成するタングステンが溶ける動作（Ｗ溶融モード）が生じる。
本発明によれば、高周波のサイクル数を増減させて低周波の発生回数を常に変動させることで、電極が加熱される領域が常に変化する。この結果、長期間に亘ってランプを点灯しても電極先端形状を適正な形状に維持することができるようになる。なお、この実施例の場合、基本周波数の期間をゆっくり漸次変化させるため、突起部形状の急激な変化が起こり難くなり、電圧の急激な変動もまた起こり難くなる。

（実施例２：基本周波数の発生回数が０にならない場合）
図８は、電流波形の制御に使用する設定値の他の例であり、縦軸は基本周波数の発生サイクル数（回）、横軸は時間である。また図９はランプの電流波形の一例であり縦軸は電流値、横軸は時間である。
図８に示すように、時間ｔａ，ｔｂ，ｔｃ，…のように変化すると、図９の波形は（ａ）→（ｂ）→（ｃ）の順に変わり、時間ｔｃにおいて基本周波数が出力される期間が最小サイクル数（ＦｃｙＭｉｎ）に到達すると、図９の波形は（ｃ）→（ｂ）→（ａ）の順に変化する。

（実施例３：低周波周波数の発生サイクルが０．５（半サイクル）である場合）
図１０はランプの電流波形の他の例であり、縦軸は電流値、横軸は時間を表している。
この例においては低周波周波数の発生サイクルが０．５、すなわち半サイクルであり、低周波が発生するごとに極性が反転するよう（すなわち交互）に発生する。なおこの電流波形において制御に使用するサイクル数の設定値は同図（ｄ）である。
すなわち、時間ｔａ，ｔｂ，ｔｃ，…のように変化すると、図１０の波形は（ａ）→（ｂ）→（ｃ）の順に変わり、時間ｔｃにおいて基本周波数が出力される期間が最小サイクル数（ＦｃｙＭｉｎ）に到達すると、図１０の波形は（ｃ）→（ｂ）→（ａ）の順に変化する。無論、図９のように基本周波数が発生するように制御しても良い。

図１１（ａ）〜（ｃ）に、サイクル数設定値の他の例を示す。同図はいずれも縦軸は基本周波数の発生サイクル数（回）、横軸は時間である。
同図（ａ）は最小サイクル数（ＦｃｙＭｉｎ）から一定の速度で高周波が出力される期間を長くしていき、最大サイクル数（ＦｃｙＭａｘ）に到達させ、最大サイクル数のまま、所定の時間保持し、その後、最大サイクル数（ＦｃｙＭａｘ）から高周波が出力される期間を少しずつ一定の速度で短くしていくようにしたものである。
同図（ｂ）は最小サイクル数（ＦｃｙＭｉｎ）から一定の速度で高周波が出力される期間を長くしていき最大サイクル数（ＦｃｙＭａｘ）に到達させ、最大サイクル数に到達したら所定の時間その状態を保持し、その後、最大サイクル数（ＦｃｙＭａｘ）から高周波が出力される期間を少しずつ一定の速度で短くし、最小サイクル数（ＦｃｙＭｉｎ）に到達したら所定時間その状態を保持するようにしたものである。
同図（ｃ）は、上記（ｂ）において、最小サイクル数（ＦｃｙＭｉｎ）から最大サイクル数（ＦｃｙＭａｘ）に上昇させる過程で、所定のサイクル数に達したとき、その状態を所定時間保持し、また、最小サイクル数（ＦｃｙＭｉｎ）から最大サイクル数（ＦｃｙＭａｘ）に下降させる過程で所定のサイクル数に達したとき、その状態を所定時間保持するようにしたものである。
このようなパラメータは、実用上においては予めランプの仕様にあわせて最適なパラメータを実験的に求めておき、このパラメータをカウント設定値制御部６２、７２に格納することで、図１１に示す制御を実現することができる。

以上、実施例に基づいて本発明を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるも
のではなく、種々の変更を加えることができることは言うまでもない。例えば、高圧放電ランプにおける電極等の各部においては適宜の変更が可能である。また、本発明はプロジェクタ用途以外の同種の高圧放電ランプ点灯装置に適用することが可能であり、水銀の封入量が０．２０ｍｇ／ｍｍ^３以下の高圧放電ランプであっても、おおむね同等の挙動が認められるような水銀封入量（例えば０．１２ｍｇ／ｍｍ^３〜０．２０ｍｇ／ｍｍ^３）を備えたものにも適用することができる。

１０ 放電ランプ
１１ 発光部
１２ 封止部
１３ 金属箔
１４ 外部リード
２０ａ，２０ｂ 電極
２１ 突起
２０１ 球部
２０２ 軸部
３０ 給電装置
５１ ドライバ
５２ 電力制御部
６０ 高周波発生部
６１ 第１のサイクル数カウンタ
６２ 第１のカウント値制御部
７０ 低周波発生部
７２ 第２のカウント値制御部
７１ 第２のサイクル数カウンタ
８０ セレクタ
Ｕ１ 降圧チョッパ回路
Ｕ２ フルブリッジ回路（フルブリッジ型インバータ回路）
Ｕ３ スタータ回路
Ｕ４ 制御部
Ｌｈ，Ｌｘ コイル
Ｃｘ，Ｃｐ，Ｃｈ コンデンサ
Ｑｘ スイッチング素子
Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４ スイッチング素子
Ｖｘ 電圧検出用の抵抗
Ｒｘ 電流検出用の抵抗
Ｇｘ，Ｇ１〜Ｇ４ ゲート信号

Claims (1)

1. 石英ガラスからなる放電容器内に一対の電極が対向配置されるとともに水銀が封入されてなる高圧放電ランプと、
   この放電ランプに対して交流電流を供給する給電装置とを備えて構成される高圧放電ランプ点灯装置において、
   前記給電装置は、前記高圧放電ランプに対して、定常点灯時の周波数からなる基本周波数の交流電流とこの基本周波数よりも低い低周波数の交流電流を交互に供給するものであるとともに、
   前記基本周波数の交流電流は、６０〜１０００Ｈｚの範囲から選択された周波数の交流電流であり、
   前記低周波数の交流電流は、前記基本周波数の交流電流の周波数よりも低い５〜２００Ｈｚの範囲から選択された周波数の交流電流であり、かつ、半サイクル以上の長さであって、前記低周波数の交流電流が発生してから次の前記低周波数の交流電流が発生するまでの間隔が１２０秒以下であり、
   前記給電装置は、前記高圧放電ランプに、前記基本周波数を供給する期間が所定時間ごとに漸次増減するよう交流電流を供給する
   ことを特徴とする高圧放電ランプ点灯装置。

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