JP3411542B2 - 高圧放電ランプの点灯方法及び点灯装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は直流点灯の高圧放電
ランプの点灯方法及び点灯装置に関するものであり、特
に良好な始動性を損なわずランプの長寿命化を図ること
ができるものに関する。

【０００２】

【従来の技術】直流点灯の高圧放電ランプの点灯方法
は、電力制御に関しては例えば米国特許第4,240,009か
ら既知である。

【０００３】すなわち、そのクレーム1.(d)項に記載の
ように、ランプ立ち上がり時は定電流を供給し、その
後、安定点灯時は定電力を供給するように制御してい
る。

【０００４】高圧放電ランプの始動直後のランプ電流は
少なくとも安定時の1.2〜２倍程度とし、速やかな立ち
上がりを図るのが一般的である。

【０００５】しかしながら安定になるまで少なくとも数
分程度かかり、始動のたびに始動直後の高いランプ電流
により、陰極のタングステン電極の飛散（スパッタ）が
促進される。そして、飛散したタングステンは管壁に付
着していわゆる黒化が発生する。

【０００６】光学的には黒化は光量減衰の原因となり、
またランプの表面温度上昇の原因ともなるので、結果と
してランプ寿命低下の原因となる。

【０００７】このような電極飛散をできる限り少なくす
るために、従来からコイル付きの構造の電極が使用され
ている。この構造によりイオン衝撃による飛散は少なく
なるといわれている。また始動時の電極先端へのアーク
スポットの形成は早い。すなわち電極心棒がコイルで保
護された状態になっているのである。

【０００８】従来の数十気圧レベルのメタルハライドラ
ンプ等の高圧放電ランプでは上記のランプ電流による点
灯方法でも特に問題はなかった。

【０００９】しかしながら、最近100気圧以上の超高圧
水銀ランプが盛んに開発されるようになり、従来のよう
なコイル付きの電極は始動初期にコイルのエッジ等から
アークが形成しやすく、コイル部の温度が異常に高温状
態になって溶融しやすいという別の問題を生じる。

【００１０】僅かな電極溶融によっても、コイルのタン
グステンに含有する不純アルカリ成分がランプ内に表出
し、これが石英ガラスとの化学反応をおこしてガラスの
結晶化を招き失透し、寿命低下を招いていた。

【００１１】その点においては、コイルを使用しない単
一心棒の電極（その形状は種々有り、例えば円筒状、円
筒の端部を尖らせた形状、円筒の端部を丸めた形状、円
筒の端部を尖らせてその先端を丸めた形状等がある）が
電極溶融を生じにくいので有利であり、最近の超高圧水
銀ランプには潜在的に長寿命を達成できるので適用しや
すい。

【００１２】しかしながらコイルがないため、上記した
ように単一心棒の電極表面は始動時のイオン衝撃で飛散
を起こしやすく、ランプ始動時の黒化が促進されて、光
束維持率が悪くなるという問題が発生する。

【００１３】これらの問題は特にアーク長が２mm以下の
短アークの高圧放電ランプにおいて顕著になってくる。

【００１４】このことを２７０Ｗの超高圧水銀放電ラン
プを試作して従来の点灯方法により点灯させて検証し
た。

【００１５】バルブ外形14.5mm、アーク長1.3mm、陰極
は直径1.4mmのタングステン心棒で、点灯時の内圧約150
気圧のランプを試作して、直流にて点灯を試みた。

【００１６】図２は従来の点灯方法による電力制御特性
を説明する図であり、ランプ電圧に対するランプ電流特
性及びランプ電力特性を示す。又、従来の点灯方法によ
る始動時のランプ電流を説明する波形を図４に示す。

【００１７】エージング初期の安定点灯時のランプ電圧
はおおよそ５５Ｖから８５Ｖであり、エージングに伴い
寿命末期には約１５Ｖ程度ランプ電圧が上昇する。した
がって図２に示すように少なくとも５５Ｖから約100Ｖ
までの領域は270Ｗの定電力を維持する特性となってい
る。

【００１８】立ち上がり期間は約７Ａとした。これはラ
ンプ安定点灯時の最低電圧が５５Ｖの場合に、270Ｗを
供給するために必要なランプ電流（約５Ａ）に対して約
1.4倍である。一般的に２倍の10Ａ程度にまですること
もよくある。

【００１９】特に100気圧以上の超高圧水銀ランプで
は、アークはしぼられ、電極の輝点の温度は高く、電極
の電流密度も高くなる。すなわち、安定点灯時の熱蒸発
による電極消耗が激しくなり、エージングで電極先端が
消耗、アーク長が見かけ上長くなって光束維持率が低下
する。

【００２０】このような問題を解決するため、陰極タン
グステン電極の重量は超高圧化に伴って重く設計され
る。今回のランプの例では電極重量は約230mgであり、
例えば同等の２７０Ｗランプで約70気圧のランプの電極
に比べて1.5倍の重量となっている。

【００２１】したがって、始動初期の立ち上がり期間に
おいては、電極を適切に加熱して速やかに安定状態にさ
せるためには通常安定時の1.2倍から２倍の電流が必要
となる。

【００２２】しかしながら、この条件でランプのオン・
オフを繰り返すと、５０回程度でランプ内の黒化現象が
顕著に見出された。その結果、光束維持率は１００時間
程度で７０％となり、その低下は著しい。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は、ラン
プの始動性を損なわずランプ本来の長寿命を維持できる
高圧放電ランプの点灯方法及び点灯装置を供することを
課題とする。

【００２４】特に、発光管内に希ガス及び水銀が封入さ
れ、アーク長が２mm以下、４００Ｗ以下で、陰極のタン
グステン電流が単一心棒で構成された高圧放電ランプに
直流のランプ電流を供給して点灯する方法において、始
動時の陰極の電流物質の飛散を抑圧してランプ黒化によ
る寿命低下を抑えるとともに始動性を損なわず、ランプ
の早い立ち上がりを得ることを課題とする。

【００２５】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１の高圧
放電ランプの点灯方法は、発光管内に希ガス及び水銀が
封入され、アーク長が２mm以下、400Ｗ以下で、陰極の
タングステン電極が単一心棒で構成された高圧放電ラン
プを直流のランプ電流により点灯する方法であって、ラ
ンプ始動初期の所定期間は始動初期用電流を供給し、続
いて、ランプ立ち上がり期間には略定電流で制御し、続
いて、ランプ安定点灯時は略定電力で制御し、前記ラン
プ立ち上がり期間の略定電流の電流値はランプの安定点
灯時の規定最低電圧において定電力を供給できる電流値
以上であり、前記始動初期用電流の電流値は前記ランプ
立ち上がり期間の電流値以下であり、通電時にスパッタ
が発生せず且つ始動可能な範囲の電流値としたことを特
徴とする。

【００２６】これによれば、始動直後のアークスポット
の位置が不安定な期間は電流を適切に低く設定して電極
のスパッタを発生させないようにし、電極の負担を軽く
することができる。したがって、ランプ本来の長寿命を
維持することができる。

【００２７】そして、アークスポットが電極先端部に移
行静止後は電流を適切に高く設定してランプの立ち上が
り時間を早くすることができるので、始動性は損なうこ
とがない。

【００２８】請求項２記載の高圧放電ランプの点灯方法
は、請求項１の点灯方法において、前記ランプ始動初期
の一定期間は１０秒以下であることを特徴とする。

【００２９】これは、始動直後のアークスポットの位置
が不安定な期間が１０秒以下であることに着目して、ア
ークスポットが電極先端部に移行静止後に電流値を変更
するものである。

【００３０】請求項３に記載の高圧放電ランプの点灯装
置は、高圧放電ランプ点灯用直流電流を供給する直流電
源(1)と、ランプ電流を検出電圧として検出する電流検
出回路(6)と、ランプ電圧を検出電圧として検出する電
圧検出回路(7)と、該直流電源(1)に接続され、前記ラン
プ電流検出電圧とランプ電圧検出電圧とから高圧放電ラ
ンプ(5)の電力制御をおこなうダウンコンバータ(2)と、
該電圧検出回路(7)にて検出された検出電圧を反転増幅
する反転増幅器(16)と、前記電流検出回路(6)で検出さ
れた検出電圧と前記反転増幅器(16)の出力を加算する加
算回路(15)と、該加算回路(15)の出力に基づいてダウン
コンバータ(2)にパルス幅制御を行わせて前記高圧放電
ランプ(5)の電力制御を行わせるパルス幅変調回路(9)
と、前記反転増幅器(16)の出力に接続され、前記ランプ
立ち上がり期間の電流値が、ランプ(5)の安定点灯時の
規定最低電圧おいて定電力を供給できる電流値以下とな
るように規定する電圧リミッタ回路(17)と、ランプ起動
直後の所定期間において、前記電圧リミッタ回路(17)に
接続され、始動初期用電流の電流値が前記ランプ立ち上
がり期間の電流値以下であり、通電時にスパッタが発生
せず且つ始動可能な範囲の電流値となるように設定する
ためのタイマー(20)とを備えたことを特徴とする。

【００３１】これによれば、タイマー(20)によりランプ
始動直後の所定期間を設定し、その期間だけ電圧リミッ
タ回路(17)の設定を変化させることにより、ランプ始動
直後の所定期間の電流値を小さくして、請求項１記載の
点灯方法を実施することができる。

【００３２】請求項４記載の高圧放電ランプの点灯装置
は、請求項３の点灯装置において、電圧リミッタ回路(1
7)はシャントレギュレータ(27)を備えており、タイマー
(20)の信号を利用して該シャントレギュレータ(27)のリ
ファレンスに入力される電圧値を変更することにより前
記電圧リミッタ回路の設定を変更できるようにしたこと
を特徴とする。

【００３３】これによれば、タイマーにより所定時間後
に電圧リミッタ回路(17)のシャントレギュレータ(27)の
リファレンス入力を変化させることができる。それによ
り、ランプ始動直後の所定期間の電流値を小さくし、所
定期間経過後に電流値を大きくすることを容易に行うこ
とができる。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下、本発明を好適な実施例を用
いて説明する。

【００３５】［実施例］上記の従来例と同様に一例とし
て２７０Ｗ、バルブ外形14.5mm、アーク長1.3mm、陰極
は直径1.4mmのタングステン心棒で、点灯時の内圧約150
気圧の超高圧水銀放電ランプを試作して本発明の点灯方
法にて点灯を試みて検証した。

【００３６】上記の従来例においてランプのオン・オフ
を繰り返すと、黒化現象が顕著で光束維持率の低下が著
しい原因は、心棒のみの陰極構造にある。

【００３７】図８に示したように、始動時のアークスポ
ット(51)は最初は電極(50)先端から遠い場所に位置し、
電極表面上を移動しながら徐々に電極先端の一点に移行
して行き安定なアークスポット(52)になる。

【００３８】始動初期のアークスポットが不安定な期間
には衝撃によるスパッタが顕著にみられる。そこで、始
動初期の定電流値を５Ａまで下げてみた。

【００３９】定電流値を５Ａまで下げると、始動時の電
流スパッタは大幅に小さくすることができ５０回程度の
オンオフでも黒化は見出されず、問題ないことを確認で
きた。

【００４０】しかしながらこの場合の立ち上がり時間
は、ランプ立ち上がりを説明する図５の「カーブＢ」に
示すように１２０秒程度と長くなり、バラツキやランプ
への空冷条件によっては安定点灯領域まで達し得ない可
能性がある。

【００４１】そこで本発明ではランプ始動時初期のアー
クスポットが陰極心棒の表面を移動する期間のみ電流を
低くし、例えば始動性を損なわない程度の電流値にして
いる。本実施例では３秒間、４Ａとして実験した。

【００４２】アークスポットが陰極心棒の表面を移動す
る期間は１０秒以内であるので、始動初期の低い電流を
供給する期間は１０秒以内とすることが好ましい。

【００４３】又、始動初期の電流値は、立ち上がりの略
定電流の電流値の0.5倍〜0.9倍が好ましい。これは、0.
5倍未満であると始動性に悪影響を与え、0.9倍を越える
と始動初期の衝撃によるスパッタの影響が大きくなるか
らである。

【００４４】そして、アークスポットが陰極先端に移行
し、静止した後に電流を大きくするようにした。このと
きの電流値は本実施例では７Ａとした。図５の「カーブ
Ａ」はこの時のランプ立ち上がりの様子を示し、光量５
０％に達するのに要した時間は約６０秒であった。

【００４５】このようなランプ始動時初期の電流値を低
く抑えた点灯方法により、コイルのない心棒のみの陰極
タングステン電極でもスパッタの発生が極めて少なく、
且つ、立ち上がりも良好な点灯方式を実現できた。

【００４６】ランプ立ち上がり期間の定電流値はランプ
の安定点灯時の規定最低電圧において定電力を供給でき
る電流値の１倍から最大２倍までの範囲が適正であるこ
とがわかった。２倍を越えると電極への負担が顕著にな
り寿命低下の原因となってしまう。

【００４７】図１は本発明の点灯方法による電力制御特
性を説明する図であり、ランプ電圧に対するランプ電流
特性及びランプ電力特性を示している。又、図３に同じ
く本発明の点灯方法による始動時のランプ電流を説明す
る波形を示す。

【００４８】次に本発明にかかる点灯装置について説明
する。

【００４９】図６は本発明の点灯方法による点灯装置の
実施例を示した図である。

【００５０】直流電源(1)はランプ(5)始動特に必要な出
力開放電圧(ＯＣＶ)を供給し、通常２００Ｖ以上であ
る。

【００５１】直流電源(1)の出力はダウンコンバータ(2)
に供給される。ダウンコンバータ(2)はスイッチング素
子(11)、パワーダイオード（12）、チョークコイル(13)
及び平滑用コンデンサ(14)で構成され、典型的なスイッ
チング電源の降圧式チョッパを形成している。

【００５２】ダウンコンバータ(2)の出力は、出力電圧
を検出する電圧検出回路(7)と出力電流を検出する電流
検出回路(6)とに接続されている。検出された電圧と電
流は演算回路(8)に入力されパルス幅変調回路(9)を介し
てダウンコンバータ(2)のスイッチング素子(11)にフィ
ードバックされる。

【００５３】ダウンコンバータ(2)は高周波(数十kHz〜
数百kHz)でスイッチングしており、ランプ安定点灯後に
一定の電力を供給できるようにするため、検出した出力
電圧と出力電流を演算し、パルス幅変調回路(9)によっ
てパルス幅を制御するように動作させている。電圧検出
回路(7)は簡単には抵抗(28)と抵抗(29)により分圧して
出力する。

【００５４】電流検出回路(6)については一般的には例
えば1Ω以下の低抵抗を使用する。チョークコイル(13)
の出力端(正極側)と基準電位間には平滑用コンデンサー
(14)が接続される。これはダウンコンバータ(2)が高周
波（数十kHz〜数百kHz）でスイッチングしていることに
起因して発生するリップルの影響を少なくするためのも
のである。典型的にはリップル含有率を５％以下にする
ことを目的とし、一般的には0.1μＦ〜１０μＦのもの
が使用される。

【００５５】演算回路(8)は出力電圧を検出する電圧検
出回路(7)から演算増幅器(19)によるバッファ回路と演
算増幅器(18)と基準電圧(22)、抵抗(32)、(33)で構成す
る反転増幅器(18)を介して加算回路(15)に入力すると共
に、出力電流を検出する電流検出回路(6)の信号を加算
回路(15)に入力してランプ安定点灯時に略定電力特性を
達成できる。

【００５６】ランプ立ち上がり期間の略定電流特性につ
いては反転増幅器(16)の出力に電圧リミッタ回路(17)を
追加して達成できる。

【００５７】電圧リミッタ回路(17)はシャントレギュレ
ータ(27)が一般的に使用され、抵抗(30)と(31)で分圧す
る電圧をシャントレギュレータのリファレンスに入力し
て所要のランプ電圧以下の領域を略定電流にすることが
できる。

【００５８】これにより、例えば図１の立ち上がり時の
定電流値である７Ａを決めている。

【００５９】ランプ始動時の電流値の小さい（ソフトス
タート）期間の電流値を所要の値に設定するためには、
始動直後の所定期間を設定可能なタイマー(20)の出力を
ダイオード(39)と適切に設定された抵抗(40)の直列回路
を介してシャントレギュレータ(27)のリファレンスに接
続することにより達成できる。

【００６０】すなわち、タイマー(20)を利用して、始動
直後の所定期間だけシャントレギュレータ(27)のリファ
レンスに入力される電圧値を変化させ、電流値をソフト
スタートに適した小さい値にする。

【００６１】反転増幅器出力電圧の様子を図７に示す。
ここには、立ち上がり時のリミッタ及びソフトスタート
時のリミッタの様子を示しており、これにより図１に示
した出力電流制御特性を作り出している。

【００６２】

【発明の効果】以上述べたように本発明方法によれば、
特にアーク長の短い２mm以下で４００Ｗ以下の高圧放電
ランプを直流点灯し、陰極として電極溶融しにくい単一
の心棒のタングステン電極を使用する場合において、前
記ランプ立ち上がり期間の略定電流の電流値がランプの
安定点灯時の規定最低電圧において定電力を供給できる
電流値以下となるようにし、且つ、前記始動初期用電流
の電流値が前記ランプ立ち上がり期間の電流値以下であ
り、通電時にスパッタが発生せず且つ始動可能な範囲の
電流値となるようにしてあり、本発明装置にあっては、
ランプ立ち上がり期間の電流値が、ランプの安定点灯時
の規定最低電圧おいて定電力を供給できる電流値以下と
なるように規定する電圧リミッタ回路と、ランプ起動直
後の所定期間において、前記電圧リミッタ回路に接続さ
れ、始動初期用電流の電流値が前記ランプ立ち上がり期
間の電流値以下であり、通電時にスパッタが発生せず且
つ始動可能な範囲の電流値となるように設定するための
タイマーとを備えているので、始動直後の数秒間は電流
を適切に低く設定して電極のスパッタを発生させないよ
うにし、電極の負担を軽くすることができる。これによ
り、ランプ本来の長寿命を維持することができる。

【００６３】しかも、アークスポットが電極先端部に移
行静止後は電流を適切に高く設定してランプの立ち上が
り時間を早くすることができるので、始動性は損なうこ
とがない。

【００６４】本発明は特に電極にかかる負担がランプの
寿命にデリケートに影響する、超高圧水銀ランプに対し
ては効果が大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の点灯方法による電力制御特性を説明す
る図。

【図２】従来の点灯方法による電力制御特性を説明する
図。

【図３】本発明の点灯方法による始動時のランプ電流を
説明する波形。

【図４】従来の点灯方法による始動時のランプ電流を説
明する波形を示した図。

【図５】ランプ立ち上がりを説明する図。

【図６】本発明の点灯方法による点灯装置の一例を例示
した図。

【図７】本発明の点灯方法による電力制御のリミッタ特
性を説明する図。

【図８】始動時のアークスポットを説明する図。

【符号の説明】

(1) 直流電源 (2) ダウンコンバータ (4) イグナイタ (5) 放電ランプ (6) 電流検出回路 (7) 電圧検出回路 (8) 演算回路 (9) パルス幅変調回路 (11) スイッチング素子 (12) パワーダイオード (13) チョークコイル (14) 平滑用コンデンサー (15) 加算回路 (16) 反転増幅器 (17) 電圧リミッタ回路 (18)，(19) オペアンプ (20) タイマー (22) 基準電圧 (27) シャントレギュレータ (28)，(29)，(30)，(31)，(32)，(33)，(34)，(40) 抵
抗 (39) ダイオード (50) 電極（陰極） (51) 始動直後の不安定なアークスポット (52) 始動数秒後の安定なアークスポット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H05B 41/16 H05B 41/16 340 H05B 41/282

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発光管内に希ガス及び水銀が封入され、
   アーク長が２mm以下、400Ｗ以下で、陰極のタングステ
   ン電極が単一心棒で構成された高圧放電ランプを直流の
   ランプ電流により点灯する方法であって、 ランプ始動初期の所定期間は始動初期用電流を供給し、 続いて、ランプ立ち上がり期間には略定電流で制御し、 続いて、ランプ安定点灯時は略定電力で制御し、 前記ランプ立ち上がり期間の略定電流の電流値はランプ
   の安定点灯時の規定最低電圧において定電力を供給でき
   る電流値以上であり、 前記始動初期用電流の電流値は前記ランプ立ち上がり期
   間の電流値以下であり、通電時にスパッタが発生せず且
   つ始動可能な範囲の電流値としたことを特徴とする高圧
   放電ランプの点灯方法。
2. 【請求項２】 前記ランプ始動初期の一定期間は１０秒
   以下であることを特徴とする請求項１記載の高圧放電ラ
   ンプの点灯方法。
3. 【請求項３】 高圧放電ランプ点灯用直流電流を供給す
   る直流電源と、ランプ電流を検出電圧として検出する電流検出回路と、 ランプ電圧を検出電圧として検出する電圧検出回路と、 該直流電源に接続され、前記ランプ電流検出電圧とラン
   プ電圧検出電圧とから高圧放電ランプの電力制御をおこ
   なうダウンコンバータと、 該電圧検出回路にて検出された検出電圧を反転増幅する
   反転増幅器と、 前記電流検出回路で検出された検出電圧と前記反転増幅
   器の出力を加算する加算回路と、 該加算回路の出力に基づいてダウンコンバータにパルス
   幅制御を行わせて前記高圧放電ランプの電力制御を行わ
   せるパルス幅変調回路と、 前記反転増幅器の出力に接続され、前記ランプ立ち上が
   り期間の電流値が、ランプの安定点灯時の規定最低電圧
   おいて定電力を供給できる電流値以下となるように規定
   する電圧リミッタ回路と、ランプ起動直後の所定期間において、前記電圧リミッタ
   回路に接続され、始動初期用電流の電流値が前記ランプ
   立ち上がり期間の電流値以下であり、通電時に スパッタ
   が発生せず且つ始動可能な範囲の電流値となるように設
   定するためのタイマーとを備えた ことを特徴とする高圧
   放電ランプの点灯装置。
4. 【請求項４】 電圧リミッタ回路はシャントレギュレー
   タを備えており、タイマーの信号を利用して該シャント
   レギュレータのリファレンスに入力される電圧値を変更
   することにより前記電圧リミッタ回路の設定を変更でき
   るようにしたことを特徴とする請求項３記載の高圧放電
   ランプの点灯装置。