JP3851343B2 - 高圧放電ランプ点灯装置 - Google Patents

Description

本発明は、高圧放電ランプの点灯装置、高圧放電ランプ装置、投射型画像表示装置及び高圧放電ランプ点灯方法に関し、特に、交流電流を流して高圧放電ランプを点灯させる高圧放電ランプ点灯装置に関する。

高圧放電ランプの中でも、高圧水銀ランプは、液晶プロジェクタなどの投射型画像表示装置の光源として用いられており、近年注目されている。
一般に高圧水銀ランプは、ハロゲン物質、希ガス及び水銀が封入された発光管内に一対の電極が対向して配設されている。高圧放電ランプ点灯装置はこの高圧放電ランプに所定の高圧パルス電圧を印加して電極間を絶縁破壊した後、所定の固定周期の交流電流を流して点灯させている。

このような高圧水銀ランプのランプ寿命は、２０００時間から３０００時間程度となっている。
特開平４−３０３５９２号公報

液晶プロジェクタは、従来、学校の教室や会議室において主に使用されていたが、近年では、一般家庭にも普及しつつある。
液晶プロジェクターにはその光源として短い電極間に放電を起こさせて発生する光、つまり点光源が使用されている。このため画像の安定性は放電の安定性によって左右される。このために放電ランプの放電の安定性を確保するために従来から次のようなランプの構成および、点灯方法が使用されてきた。

現在使用されている液晶プロジェクター用の高圧水銀ランプは一般に、封入物として水銀の他にハロゲン物質が封入されている。これは、封入したハロゲン物質のハロゲンサイクル作用を利用することで、点灯中に電極の材料であるタングステンが蒸発することにより発生するランプの黒化を防止するためである。このハロゲンサイクル作用はランプの黒化の防止には非常に効果的であるが、同時に、この作用により電極先端へ移送されたタングステンが堆積し電極に突起を形成する。この突起の成長は供給する交流電流の周波数を変えることで制御できることが特開２００１−３１２９９７号、特開２００３−３３８３９４号に開示されている。この方法では、適度な突起を形成することで電極間距離を短くし、点光源にすることで、出荷時の輝度の安定が図られる。

また、寿命初期の１００から５００時間な程度に発生する突起の成長に対し、供給する交流電流の周波数を変えることで，突起成長の抑制が出来ることが特開２００３−３３８３９４号に開示されている。この方法により、寿命初期の１００から５００時間程度に発生する突起の過度の成長が抑制でき、輝度安定が図れる。すなわち、放電電圧を検知して、その電圧変化を基準にフィードバック制御を行い、電極先端の修復を図る方法が採られてきた。

しかしながら近年、液晶プロジェクターの使用範囲がテレビ画面そして大画面を実現できるホームシアターなどのディスプレイとして使用されるにおよんで新たな課題がでてきた。学校の教室や会議室において主に使用されていたプロジェクターは、静止画が多く、その使用時間もせいぜい一日数時間の使用である。これに対して、テレビ表示あるいはホームシアターとして使用する場合には、動画表示が中心であり、しかも連続使用される。このため従来の使用とは比較にならない程の長時間の使用が前提となる。さらにテレビ画像やホームシアターで表示される画像は色再現や明るさの微妙な変化などの要求がコンピュータ画像に比べて厳しくなる。このためランプに対しては長時間にわたる安定性が求められる。この結果、従来学校の教室や会議室において主に使用されてきた液晶プロジェクタの寿命、２０００時間から３０００時間では不充分であり、従来ランプの寿命の数倍の寿命時間が求められている。しかもこの長期にわたる寿命期間中に極めて安定した色再現や明るさが求められるに至っている。

しかしながら、これら従来の点灯方法をテレビ画面そして大画面を実現できるホームシアターなどのディスプレイとして使用したところ上記した長寿命（例えば６０００時間）や、安定した色再現や明るさを得ることができなかった。この原因を解析した結果、次のことが明らかになった。ランプの電極先端は駆動の初期の時期に突起の成長が顕著に生じるが、その後の２０００時間から３０００時間の時期には突起の成長よりも減退がゆるやかに進み、電極間隔が徐々に拡大する。このため放電領域が拡大し、光学装置での輝度が低下していく。従来のランプの点灯方法では、放電電圧を検出し、供給する交流電流の周波数を変えることで制御を行なっているが、この過程では放電電圧の変化はゆるやかであり、この制御方法が有効に作用しない。また、ランプは駆動時間の経過とともに電気特性がおだやかに変化していくために、突起の成長と縮小を制御する最適な条件も変化していく。このような理由から、ランプの駆動初期から２０００時間あるいは３０００時間までの時間帯において、同じ駆動周波数条件で制御する制御方法ではランプ使用開始時の電極形状を完全に維持することが困難であった。

さらに、表示される画像の色再現や明るさの微妙な変化などに対する安定性がある。先に示したように、テレビ画面そして大画面を実現できるホームシアターなどのディスプレイでは、長時間にわたる安定性が要求される。この課題に対する分析の結果、安定性を維持するには、電極先端の形状を維持することにあることが明らかになった。光源の発光の中心は、ランプの電極間に位置している。プロジェクターの明るさ、色再現は発光中心の大きさで左右されるし、その位置もまた光学系の光軸との関係において重要である。この結果、電極先端の形状を維持していれば、画像の色再現や明るさの微妙な変化などに対する安定性が維持できることになる。

本発明は、輝度の低下によって決まる寿命特性を改善し、寿命期間にわたる色再現や明るさの微妙な変化などに対する安定性の維持を実現できる高圧放電ランプ点灯装置、高圧放電ランプ装置、投射型画像表示装置および高圧放電ランプ点灯方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る高圧放電ランプ点灯装置は、内部に、ハロゲン物質が封入され、かつ先端部に突起部が形成されている一対の電極が配置されている発光管を有する高圧放電ランプに対して交流電流を供給して点灯させる点灯回路を備え、前記交流電流の周波数は、前記高圧放電ランプの点灯経過時間とともに変化する動作データに依存することなく変化することを特徴とする。

ここで、「突起部」とは、高圧放電ランプの製造工程、特に製造工程のエージング中、および完成品の点灯初期（点灯経過時間１００時間以内）に形成されたものを示す。また「点灯経過時間とともに変化する動作データ」とは、高圧放電ランプの電圧値、電流値、光学装置における輝度、電極間の距離（アーク長）及び発光管の温度（特に点灯中高温となる発光管上部の温度）などの、高圧放電ランプの点灯時間が経過するに伴って変化する測定可能な動作データのことである。

また、前記点灯回路は、前記周波数が一定期間、前記高圧放電ランプの点灯経過時間とともに変化する動作データに依存することなく規則的に、または不規則的に変化し、かつこの一定期間を１サイクルとしてこれを連続的に繰り返す、またはこれを断続的に続ける動作を行うことを特徴とする。
また、前記点灯回路は、前記周波数が前記高圧放電ランプの点灯経過時間とともに変化する動作データに依存することなく連続的に変化する変化期間と、前記周波数が固定されている固定期間とを交互に繰り返す動作を行うことを特徴とする。

また、前記点灯回路は、前記周波数を少なくとも２つ以上の異なる値に断続的に切り替える動作を行うことを特徴とする。
さらに、前記点灯回路は、前記周波数を前記高圧放電ランプの点灯経過時間とともに変化する動作データに依存することなく規則的に、または不規則的に常時変化させる動作を行うことを特徴とする。

また、本発明に係る高圧放電ランプ点灯装置は、内部に、ハロゲン物質が封入され、かつ先端部に突起部が形成されている一対の電極が配置されている発光管を有する高圧放電ランプに対して交流電流を供給して点灯させる点灯回路を備え、前記点灯回路は、前記交流電流の周波数が規則的に、または不規則的に一定期間変化し、かつこの一定期間を１サイクルとしてこれを連続的に繰り返す、または断続的に続ける動作を行うことを特徴とする。

また、本発明に係る高圧放電ランプ点灯装置は、内部に、ハロゲン物質が封入され、かつ先端部に突起部が形成されている一対の電極が配置されている発光管を有する高圧放電ランプに対して交流電流を供給して点灯させる点灯回路を備え、前記点灯回路は、前記交流電流の周波数が予め定められ規則に従って連続的に変化する変化期間と、前記周波数が固定されている固定期間とを交互に繰り返す動作を行うことを特徴とする。

また、本発明に係る高圧放電ランプ点灯装置は、内部に、ハロゲン物質が封入され、かつ先端部に突起部が形成されている一対の電極が配置されている発光管を有する高圧放電ランプに対して交流電流を供給して点灯させる点灯回路を備え、前記交流電流の周波数は、予め定められた規則に従って常時変化していることを特徴とする。
さらに、前記周波数は、前記一定期間中、連続的に変化していることを特徴とする。

また、前記周波数は、前記一定期間中、少なくとも２つ以上の値に断続的に切り替えられて変化していることを特徴とする。
また、前記一定期間中には、前記周波数が連続的に変化する変化期間と、前記周波数が固定されている固定期間とを含むことを特徴とする。
また、前記周波数は、予め定められた最大周波数と最小周波数との間で変化し、前記最小周波数は７０Ｈｚ以上であることを特徴とする。

また、本発明に係る高圧放電ランプ装置は、内部に、ハロゲン物質が封入され、かつ先端部に突起部が形成されている一対の電極が配置されている発光管を有する高圧放電ランプと、この高圧放電ランプを点灯させるための前記高圧放電ランプ点灯装置とを備えていることを特徴とする。
また、本発明に係る投射型画像表示装置は、前記高圧放電ランプ装置を備えたことを特徴とする。

本発明に係る高圧放電ランプの点灯方法は、内部に、ハロゲン物質が封入され、かつ先端部に突起部が形成されている一対の電極が配置されている発光管を有する高圧放電ランプに対して交流電流を供給して点灯させる高圧放電ランプの点灯方法であって、前記交流電流の周波数を、前記高圧放電ランプの点灯経過時間とともに変化する動作データに依存することなく変化させることを特徴とする。

また、前記周波数を、一定期間、前記高圧放電ランプの点灯経過時間とともに変化する動作データに依存することなく規則的に、または不規則的に変化させ、かつこの一定期間を１サイクルとしてこれを連続的に繰り返す、またはこれを断続的に続けることを特徴とする。
また、前記周波数を前記高圧放電ランプの点灯経過時間とともに変化する動作データに依存することなく連続的に変化する変化期間と、前記周波数が固定されている固定期間とを交互に繰り返すことを特徴とする。

さらに、前記周波数を少なくとも２つ以上の異なる値に断続的に切り替えることを特徴とする。
また、前記周波数を、前記高圧放電ランプの点灯経過時間とともに変化する動作データに依存することなく規則的に、または不規則的に常時変化させることを特徴とする。
また、本発明に係る高圧放電ランプの点灯方法は、内部に、ハロゲン物質が封入され、かつ先端部に突起部が形成されている一対の電極が配置されている発光管を有する高圧放電ランプに対して交流電流を供給して点灯させる高圧放電ランプの点灯方法であって、前記交流電流の周波数を、規則的に、または不規則的に一定期間変化させ、かつこの一定期間を１サイクルとしてこれを連続的に繰り返す、または断続的に続けることを特徴とする。

また、本発明に係る高圧放電ランプの点灯方法は、内部に、ハロゲン物質が封入され、かつ先端部に突起部が形成されている一対の電極が配置されている発光管を有する高圧放電ランプに対して交流電流を供給して点灯させる高圧放電ランプの点灯方法であって、前記交流電流の周波数を予め定められ規則に従って連続的に変化させる変化期間と、前記周波数を固定した固定期間とを交互に繰り返すことを特徴とする。

また、本発明に係る高圧放電ランプの点灯方法は、内部に、ハロゲン物質が封入され、かつ先端部に突起部が形成されている一対の電極が配置されている発光管を有する高圧放電ランプに対して交流電流を供給して点灯させる高圧放電ランプの点灯方法であって、前記交流電流の周波数を予め定められた規則に従って常時変化させることを特徴とする。
さらに、また、本発明に係る高圧放電ランプ点灯装置は、内部に、ハロゲン物質が封入され、かつ先端部に突起部が形成されている一対の電極が配置されている発光管を有する高圧水銀放電ランプに対して交流電流を供給して点灯させる点灯回路を備え、前記点灯回路は、前記交流電流の周波数を、前記高圧水銀放電ランプの点灯経過時間とともに変化する動作データに依存することなく変化させ、当該周波数の値を２つ以上の異なる値に切り替えて動作を継続させることを特徴とする。

また、前記点灯回路は、第１の固定周波数値で動作させる第１期間と、前記第１の固定周波数値とは異なる第２の固定周波数値で動作させる第２期間との組み合わせを１サイクルとして、このサイクルを繰り返す動作を行うことを特徴とする。
また、第１の固定期間または第２の固定期間の少なくとも一方は、固定周波数を複数周期分含む長さであることを特徴とする。

本発明によれば、輝度の低下によって決まる寿命特性を改善し、寿命期間にわたる色再現や明るさの微妙な変化などに対する安定性の維持を実現できる高圧放電ランプ点灯装置、高圧放電ランプ装置、投射型画像表示装置および高圧放電ランプ点灯方法を提供することが可能となる。
また、定常点灯での電極先端の突起形状変化に起因する輝度の変化が抑制されて従来のランプでは達成できなかった２０００時間から３０００時間を越える寿命を実現することが可能となる。従って、寿命はこれ以外の要因、例えばランプ外管の白濁による光透過率の低下、あるいはランプ外管の変形による光透過率の低下により制限されることになる。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
１．高圧水銀ランプの構成
高圧放電ランプの一例としての高圧水銀ランプの構成について説明する。
図１は、定格電力１３０Ｗの高圧水銀ランプ１００（以下、単に「ランプ」という。）の概略構成を示す図である。

同図に示すように、発光管１０１は、その外囲器の構成材料が石英ガラス製であり、発光部１０１ａと当該発光部１０１ａの両端に設けられた封止部１０１ｂ，１０１ｃとを備えている。
発光部１０１ａは略回転楕円体形状をしており、その内部の放電空間（発光空間）１０８内には、発光物質である水銀１０９及び始動補助用としてのアルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）などの希ガスと、ヨウ素（Ｉ）、臭素（Ｂｒ）などのハロゲン物質が封入されている。また、発光部１０１ａの内部には一対のタングステン（Ｗ）製の電極１０２，１０３が互いに略対向して配置されている。

上記水銀１０９の封入量は、発光管１０１の内容積あたり１５０〜６５０ｍｇ／ｃｍ³の範囲に、希ガスのランプ冷却時の封入圧力は、０．０１ＭＰａ〜１ＭＰａの範囲にそれぞれ設定されている。
上記ハロゲン物質は、点灯時の高温により電極１０２，１０３から蒸発したタングステンを電極１０２，１０３に戻すという、いわゆるハロゲンサイクル作用を行なう機能を有している。上記作用を効果的に機能させるためには、臭素の封入量は１×１０^-10〜１×１０^-4ｍｏｌ／ｃｍ³の範囲に設定することが好ましい、より好ましい範囲は１×１０^-9ｍｏｌ／ｃｍ³〜１×１０^-5ｍｏｌ／ｃｍ³である。

電極１０２及び１０３の先端部同士の間隔、即ち電極間距離Ｄｅは、０．５〜２．０ｍｍの範囲に設定されている。なお、本実施の形態の電極１０２，１０３では、製品完成時において、その先端部にある程度の突起１２４，１３４が形成されているので、上記電極間距離Ｄｅとは、突起１２４，１３４の先端同士の間隔を示す。
電極１０２，１０３（１０２ａ，１０３ａ）は、モリブデン箔１０４，１０５を介して、外部モリブデンリード線１０６，１０７と電気的に接続されており、この外部モリブデンリード線１０６，１０７は、封止部１０１ｂ，１０１ｃの端面から発光管１０１外部に導出されている。
２．ランプユニットの構成
図２は、ランプユニット（高圧水銀ランプ装置）２００の構成を示す一部切り欠き斜視図である。

ランプユニット２００は、ランプ１００、当該ランプ１００を点灯させる点灯装置（図示しない）、当該ランプ１００から放射される光を反射するリフレクター（反射材）としての凹面反射鏡２０３を備えている。
発光管１０１（図１参照）の片方の端部には口金２０１が装着されており、ランプ１００はスペーサ２０２を介して凹面反射鏡２０３に取り付けられている。この取り付けは、発光管１０１の長手方向の中心軸と凹面反射鏡の光軸とが略平行となり、かつランプ１００の放電アークの位置が凹面反射鏡２０３の焦点位置と略一致するように調整して行なわれる。

ランプ１００の口金２０１側のリード線１０７（図１参照）には端子２０４を介して電力が供給される。他方のリード線１０６には、凹面反射鏡２０３に穿設された貫通孔２０６を通過し、外側に引き出されたリード線２０５を介して電力が供給される。
３．点灯装置の構成
図３は、上記ランプ１００を点灯させる点灯装置３００の構成を示すブロック図である。

同図に示すように点灯装置３００は、ＤＣ電源３０２、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０４、ＤＣ／ＡＣインバータ３０６、高圧発生器３０８、制御部３１０、電流検出器３１２、電圧検出器３１４、プログラマブル発振器３１６から構成される。
ＤＣ電源３０２は、例えば、整流回路を含んでおり、家庭用の交流１００Ｖから直流電圧を生成する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３０４は、所定の大きさの直流をＤＣ／ＡＣインバータ３０６に供給する。
ＤＣ／ＡＣインバータ３０６は、制御部３１０から送出された制御信号に基づいて、所定の周波数の矩形波交流電流を生成して高圧発生器３０８に送る。
高圧発生器３０８は、例えばトランスを含んでおり、高電圧を発生させてランプ１００に印加する。

制御部３１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０４、ＤＣ／ＡＣインバータ３０６等を統括的に制御する。
電流検出器３１２はランプ１００の電流を検出し、電圧検出器３１４はランプ１００の電圧を検出する。
プログラマブル発振器３１６は、所定のプログラムに基づいて、所定周波数の矩形波交流を発生させる。制御部３１０は、この波形を参照して、ＤＣ／ＡＣインバータ３０６に制御信号を送出する。

上記プログラムの設定値を変更することにより、矩形波交流電流の周波数を所望のパターンで変化させることが可能である。
図示しないランプ１００の点灯スイッチがｏｎに切り替えられると、点灯装置３００はランプ１００に高圧パルスを印加する。そして、ランプ１００の電極間が絶縁破壊して当該電極間にアーク放電電流が流れ出すと、電流検出器３１２が制御部３１０に検知信号を送り、制御部３１０内の点灯判別回路が「点灯開始」を判断する。

「点灯開始」後、制御部３１０は、電圧が上昇して定格電力に到達するまでは定電流制御を行う。そして、電圧が所定値に到達した後には定電力制御に移行する。すなわち、制御部３１０は電流検出器３１２により検出された電流値と、電圧検出器３１４により検出された電圧値との積を、当該制御部３１０の内部メモリに格納された電力基準値と比較し、定電力となるようにＤＣ／ＤＣコンバータ３０４の出力電流を制御する。

なお、制御部３１０には、点灯装置３００外部に設けられた制御ユニット４０２（図１０参照）と通信する為のスイッチが接続されている。
４．本願発明に至った経緯
本願発明は、従来の点灯中に流す矩形波交流電流の周波数を固定する手法を用いた点灯試験結果の考察と、従来の電極先端の突起を制御する手法の考察とを契機として到達したものであるので、以下、これらについて順に述べる。

（１）周波数を固定した場合の点灯試験結果の考察
本願発明者らは、ランプ１００の点灯中に流す矩形波交流電流の固定周波数を異なる値に設定して、ランプ１００の輝度維持率とランプ電圧の経時的な変化を調査する点灯試験を行なった。
当試験は、定格電力１３０Ｗのランプ１００を高圧水銀ランプ装置２００の取り付けた状態で、ランプの定常点灯中に流す矩形波電流の固定周波数を８５Ｈｚ，１７０Ｈｚ，３４０Ｈｚ，５１０Ｈｚと異なる値に設定して行なった。

図４に、この試験結果のグラフを示す。本試験では各周波数とも５本ずつランプを使用し、５本分の平均値をグラフに描いている。
図４のグラフにおいて、輝度維持率は点灯初期における輝度を１００％としたときの相対値を表したものである。この輝度は、ＡＮＳＩｌｍ測定（アンシルーメン測定：光学系から投影された画面照度をスクリーン上で定められた９点で測定し、その平均照度から光束を算出した値で評価する。）に基づいて求めた。また、図４のグラフは片対数グラフであり、横軸の累積点灯時間を対数的に表している。これは、点灯初期段階における動的な変化を把握しやすくするためである。

同図のグラフに示すように、固定周波数を８５Ｈｚと設定したランプにおいては、点灯開始直後からかなり輝度が高くなっていくものの、点灯時間２０時間付近をピークにその後は急激に輝度が低下している。この輝度の低下は、電極の突起が過度に成長し、発光管１０１内壁が短時間に黒化したことに因るものである。なお、この固定周波数８５Ｈｚのランプは、黒化による特性劣化が顕著となった以後の点灯試験を中止した。

固定周波数を３４０Ｈｚ、５１０Ｈｚと設定したランプにおいては、点灯開始直後から輝度が低下し、それぞれ１００時間過ぎ、１０００時間より前に、ランプ寿命の基準である輝度維持率５０％を下回る結果となった。
固定周波数を１７０Ｈｚとしたランプにおいては、点灯開始直後から徐々に輝度が高くなっていくものの、点灯時間２０時間付近をピークにその後は緩やかに輝度が下がり、３０００時間程度の寿命となった。

上記点灯試験において、一番寿命が長かった固定周波数が１７０Ｈｚのランプにおける電極１０２，１０３の先端部分の観察を行なったところ、当該電極１０２，１０３の突起１２４，１３４部分の大きさが変化することを見出した。
図５は、従来の固定周波数が１７０Ｈｚのランプ１００における電極１０２，１０３の突起１２４，１３４の経時的な変化を示す模式図である。

電極１０２，１０３は、電極軸１２１，１３１の先端にタングステン線コイル１２３，１３３を取り付け、この電極軸１２１，１３１の先端及びコイル１２３，１３３の一部を溶融・加工して略半球状の電極先端部１２２，１３２を形成したものをランプ１００内に組み込み、そのランプ１００を所定周波数の交流を所定時間通電させ点灯させることによって、この電極先端部１２２，１３２に突起１２４，１３４を形成し、得られたものである（詳細は、特開２００１−３１２９９７号公報等を参照。）。なお、電極先端部の形状として「略球形状」のものを用いてもよい。

図５（ａ）に示すように、点灯試験開始前においては、電極１０２，１０３の突起１２４，１３４は適切な長さに保たれているものの、図５（ｂ）に示すように、寿命初期段階の点灯開始後数十時間後においては、電極１０２，１０３の突起１２４，１３４が過度に成長した。そして、図５（ｃ）に示すように寿命中後期（２０００〜３０００時間）の段階になると、電極１０２，１０３の突起１２４，１３４はほぼ消失することがわかった。なお、図５（ｃ）では模式的に完全に消失している様に示している。

この突起１２４，１３４の過度成長と消失の理由は、以下のように推測できる。すなわち、前述のようにランプ１００の発光管１０１内にはハロゲンサイクル作用を実現するために、ハロゲン物質を封入している。点灯中に電極１０２，１０３の材料であるタングステンが蒸発すると、当該タングステンはハロゲンと化合し、発光管１０１内の対流でアークプラズマに戻ってきて、解離してプラスイオンとなる。プラスイオンとなったタングステンは、電極１０２，１０３の内の陰極フェーズ側の電極先端の電界集中点であるアークスポットを中心とする領域に引き寄せられ、そこに堆積する。次に、この陰極フェーズ側の電極が陽極フェーズに反転すると、電極先端に電子が衝突することにより当該電極先端の温度が上昇し、陰極フェーズで堆積したタングステンは再び蒸発する。

この堆積と蒸発のバランスが保たれていれば、電極１０２，１０３先端の突起１２４，１３４は成長も消失もせずに適度な大きさに維持することができる。言い換えると、このバランスが取れていないと、電極１０２，１０３先端の突起１２４，１３４の大きさは変化する。
寿命初期の段階において、突起１２４，１３４が過度に成長したのは、アークの起点となる突起１２４，１３４部分にタングステンが大量に堆積したからであると考えられる。

突起１２４，１３４の過度成長は、電極間距離Ｄｅの短縮につながるので、それだけ点光源に近づき、ランプ１００を凹面反射鏡２０３と組み合わせたときの集光効率が向上し、輝度が上がる。
上記点灯試験の固定周波数１７０Ｈｚのランプにおいて［図４（ｂ）参照］、点灯開始後約２０時間まで輝度が上昇したのは電極間距離が短縮化したことに起因している。

なお、ランプは定電力制御であるので、電極間距離が短くなると、電流値が高くなり電圧値が低くなる。上記点灯試験において、点灯開始後約２０時間付近で特に電圧値が低いのはこの時間帯に電極間距離が短くなったからである。
次に寿命中期から後期の段階においては、電極１０２，１０３の再結晶化が始まり、当該電極１０２，１０３の組成が変化するため、蒸発したタングステンが電極１０２，１０３の先端に戻りにくくなる。このため、突起１２４，１３４が短くなり、やがては消失する。そして、突起１２４，１３４が消失した後も、電極先端部１２２，１３２のタングステンがさらに蒸発し続けるので、当該電極先端部１２２，１３２が徐々に削られる。

突起１２４，１３４の消失は、電極間距離Ｄｅが長くなる（アーク長が拡大する）ことにつながり、理想的な点光源から徐々にずれていくため、ランプ１００を凹面反射鏡２０３に組み合わせたときの集光効率は低下し、輝度も低下する。
上記点灯試験の固定周波数１７０Ｈｚのランプにおいて［図４（ｂ）参照］、寿命中・後期に輝度が単調減少しているのは、電極１０２，１０３の先端が削られて、電極間距離が長くなったことが原因である。

（２）電極先端の突起を制御する手法の考察
従来の電極先端の突起の制御方法の問題点は次の通りである。
まず、製造段階において供給する交流電流の周波数を選択することにより、意図的に突起を成長を促進させることが特開２００１−３１２９９７号に開示されている。この方法は、適度な突起を形成することで電極間距離を短くし、点光源にすることで、出荷時の輝度安定が図れる。現在使用されている高圧水銀ランプは、ハロゲンサイクルによる電極突起の成長を積極的に応用し、その突起を形成することで放電のアークを集中させ、ランプの輝度が高くなるように設計されている。

また、寿命中の初期段階である１００時間から５００時間程度に発生する突起の過度の成長に対し、供給する交流電流の周波数を変えることで、成長の抑制が出来ることが特開２００３−３３８３９４号に開示されている。この方法により、寿命初期の１００時間から５００時間程度に発生する突起の過度の成長が抑制でき、輝度安定が図れ、このような課題を解決するために使用されてきた。

上記寿命中の突起制御方法は、定常駆動中のランプの放電電圧を検知して制御を行うので、放電電圧の変動が無ければ周波数の変化は開始されない。すなわち、ランプの電極先端が、ランプ使用開始の初期状態から変形した後で、事後的に周波数変化の制御を開始することになる。
言い換えれば、突起の過度の成長後に周波数変化の制御を行い、既に成長した突起を蒸発させて元に戻す制御となり、突起部が変形した後の修復制御による方法となる。

この方法の課題として、ランプの電極突起が駆動時間とともにゆるやかに減退していく過程では有効に制御することが困難であった。この過程において従来の制御方法では、ランプ電圧などの時間において変化するランプの動作データの値に基づいて制御を行う。しかし、この検出した動作データがゆるやかに変化する場合には、有効に制御することが難しくなる。さらにランプは駆動時間の経過とともに電気特性が緩やかに変化していくために、突起の成長と縮小を制御する最適な条件も変化していく。すなわち、制御のために初期に設定した駆動周波数、制御時間その他の制御条件が最適条件から外れていく場合もある。これらの理由から、上記寿命中の突起制御方法では有効に制御できないという課題があった。

本発明では、この新たな課題に対し、ランプは駆動時間の経過とともに変化するランプの動作データ値にかかわりなく、ランプに供給する交流電流の周波数を絶えず変化させることで、ランプ製作時に形成された電極部突起の形状を安定させ、寿命の延長を可能にした。
電極先端の突起の成長と消失を促進する最適な条件は、ランプの設計条件によっても変化するし、定常点灯した場合には累積点灯時間によっても変化していくことが、実験的に明らかになっている。このことを考慮して点灯可能な周波数を絶えず変化させることで実験を試みたところ、初期の形状を維持する作用のあることを見出した。
５．本実施の形態に係る点灯方法
図６は、本実施の形態に係るランプの点灯装置が生成する矩形波交流電流を示し、上部のグラフは矩形波交流電流の時間的な変化を示し、下部のグラフは上部のグラフに対応しており上記矩形波交流電流の周波数の時間的な変化を示す。

本実施の形態では、ランプの定常点灯中に、矩形波交流電流の周波数を、３４０Ｈｚ、２５５Ｈｚ、１７０Ｈｚ、１２８Ｈｚ、８５Ｈｚの各周波数を、矩形波の１周期毎に階段的に切り換える。
切り替える周波数の中の最大の周波数である３４０Ｈｚから、最小の周波数である８５Ｈｚまで周波数を段階的に小さくすると、再び周波数を３４０Ｈｚまで段階的に大きくし、この周波数の切り替えを反復させる。

図６に示すように、周波数の切り替えを繰り返す周期（サイクル）を可変周期と称することとする。点灯中、可変周期中の周波数の切り替えが常時反復されることとなる。なお、この可変周期は１周期約５０．０ｍｓである。
この本発明に係るランプの点灯方法を使用して、前記と同様の点灯試験を行なった。
図７に、この試験結果のグラフを示す。同図においては比較の便宜のため従来の１７０Ｈｚ周波数固定方式のグラフも示している。

図７（ａ）のグラフに示すように、本実施の形態に係る可変方式の点灯方法は、従来の周波数固定方式のような寿命初期の段階の輝度の上昇はなく、点灯開始から１００時間までは略一定の輝度となっている。一般に、ランプにおいては寿命中輝度が一定であることが要請されているところ、上記可変方式によれば従来より寿命中の輝度を安定することができた。

そして、寿命中後期の段階においては、従来よりなだらかに輝度が減少しており、６０００時間以上という長寿命が実現できたことがわかる。
このように、本発明の点灯方法において寿命を長くすることができたのは、上述の堆積と蒸発のバランスを保つことにより、ランプ使用開始の初期状態における電極１０２，１０３の先端の突起１２４，１３４の形状を、従来より長時間に亘って維持できたためと考えられる。

図８，図９は、上記した点灯試験におけるそれぞれ輝度推移と電圧推移の結果を示す表である。
（切り替える周波数について）
（１）本実施の形態においては、周波数を３４０Ｈｚと８５Ｈｚの間で直接変化させるのでなく、３４０Ｈｚと８５Ｈｚの周波数の間には、２５５Ｈｚ、１７０Ｈｚ、１２８Ｈｚの３つの周波数があり、３４０Ｈｚ、２５５Ｈｚ、１７０Ｈｚ、１２８Ｈｚ、８５Ｈｚと階段的に変化させるようにしている。これは、点灯回路の特性上、周波数を急激に変化させると、矩形波が歪んでしまうことがあるからである。このように周波数を段階的に変化させることで矩形波のひずみを抑制することが可能である。

（２）本実施の形態においては、固定周波数で最も寿命が長くなった１７０Ｈｚの周波数を挟むようにして、３４０Ｈｚと８５Ｈｚの間で周波数を変化させている。固定周波数の中の寿命面で最適な１７０Ｈｚを挟んで周波数を変化させれば、前述の堆積と蒸発のバランスを従来より保つことができ、確実にランプの寿命を長くすることができると考えられる。ここでいう、「寿命面で最適」とは、寿命初期に実用上問題のない光束が得られることに加えて、光束維持率が長時間低下しにくいということを意味している。

ランプの定常点灯中の矩形波交流電流の周波数を如何なるパターンで変化させればよいかは、ランプの各種仕様（発光管容積、管内封入物質の組成、電極間距離等）によって変わり、実験から好適なパターンを決めることができる。
（３）変化させる周波数の下限について
ランプ１００を定常点灯駆動させる場合の最小周波数は、数Hzから駆動可能である。しかしながら、現在商用周波数として使用されている５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚで駆動させた場合には、照明装置の点滅とプロジェクター表示画面の点滅が位相の変化と共に同期し、あたかも表示画面が点滅しているような状況となる。このような不具合を避けるためには、最小周波数として商用周波数との干渉を避けるために６０Ｈｚ以上が求められる。実験によれば、１０Ｈｚずらした場合には、このような点滅が目立たないほどに軽減された。従って、現在商用周波数として使用されている最大周波数へのマージンを考察すると７０Ｈｚ以上が安全な周波数として選択できる。なお、この周波数において、電極先端の突起が成長していく事も確認している。

（４）変化させる周波数の上限について
１３０Ｗランプ１００を１３０Ｗで駆動した場合に固定周波数で３００Ｈｚ、４００Ｈｚ、５００Ｈｚ、５５０Ｈｚの各周波数において定常駆動が可能であることを確認している。他の電力条件についても実験を行ったが、固定周波数３００Ｈｚ〜５００Ｈｚであれば、最大周波数として使用可能である。ランプの固有のバラツキを考慮しても、定常駆動が可能な最大の駆動周波数は、３００Ｈｚ〜５００Ｈｚの範囲内にある。またこの時にランプの電極突起についても評価した。ランプの電極突起はこの周波数で成長することはなく、減少傾向も見られる。このことは、ランプの放電電圧からも確認している。すなわち、この周波数は電極先端に発生する突起の成長が最も少なく、もしくは電極間距離が増大する駆動周波数である。

（５）変化させる最大の周波数は、最小の周波数の３倍以上であることが好ましい。最大と最小の周波数にこの程度の差を設けると、電極間距離を適正に維持しやすいと考えられるからである。
（６）本実施の形態においては、周波数を３４０Ｈｚ、１７０Ｈｚ、８５Ｈｚの３つの周波数を切り替えて変化させているが、切り替える周波数が２つのみであっても構わない。その場合、電極間距離を従来より適正に維持する期間を長くするためには、上記２つの周波数の内の大きい方の周波数を、寿命初期段階に電極の先端が成長する周波数に設定し、かつ、小さい方の周波数を、寿命初期段階に電極の先端が後退する周波数に設定することが好ましい。
６．画像表示装置
本発明に係るランプの点灯装置３００を備えたランプユニット２００は、投射型画像表示装置に適用することができる。

図１０は、投射型画像表示装置の一例としての上述のランプユニット２００を使用した液晶プロジェクタ４００の構成を示す概略図である。
同図に示すように透過型方式の液晶プロジェクタ４００は、電源ユニット４０１と、制御ユニット４０２と集光レンズ４０３と、透過型のカラー液晶表示板４０４と駆動モータが内蔵されたレンズユニット４０５および冷却用のファン装置４０６とからなる。

電源ユニット４０１は、商用ＡＣ入力（１００Ｖ）を所定の直流電圧に変換して、制御ユニット４０２に供給する。
制御ユニット４０２は、外部から入力された画像信号に基づき、カラー液晶表示板４０４を駆動してカラー画像を表示させる。また、レンズユニット４０５内の駆動モータを制御してフォーカシング動作やズーム動作を実行させる。

ランプユニット２００から射出された光は、集光レンズ４０３で集光され、光路途中に配されたカラー液晶表示板４０４を透過し、レンズユニット４０５を介して当該液晶表示板４０４に形成された画像を図外のスクリーン上に投影させる。
本発明に係る高圧水銀ランプと点灯装置からなる従来より長寿命なランプユニットを使用することにより、商品価値の高い液晶プロジェクタを提供することができる。

なお、本発明に係るランプの点灯装置３００を備えたランプユニット２００は、ＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）を使用したＤＬＰ（登録商標）方式のプロジェクタや、その他反射型液晶素子を用いた液晶プロジェクタ等、他の投射型画像表示装置にも適用することができる。
７．変形例
以上、本実施の形態について説明してきたが、本発明は上記した形態に限定されないことは勿論であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更できるものである。

（１）矩形波交流電流の周波数の切り替えるパターンについては、種々の変形例が考えられる。当該変形例を図１１〜図１５に示す。いずれの図においても図６の上部のグラフと同様な表現とした図である。
図１１に示す切り替えパターンは、最大の周波数から最小の周波数まで周波数を階段的に小さくすると、再び周波数を最大の周波数まで階段的に大きくする点は実施の形態１と同様であるが、半周期毎に周波数を切り替える点が異なっている。例えば、１可変周期は周波数を３４０Ｈｚ、２５５Ｈｚ、１７０Ｈｚ、１２８Ｈｚ、８５Ｈｚ、１２８Ｈｚ、１７０Ｈｚ、２５５Ｈｚと順次半周期毎に切り替えるものである。

図１２に示す切り替えパターンは、最大の周波数から最小の周波数まで矩形波の１周期毎に段階的に周波数を切り替える周期を１可変周期とする。例えば、１可変周期は周波数を３４０Ｈｚ、２５５Ｈｚ、１７０Ｈｚ、１２８Ｈｚ、８５Ｈｚと、矩形波の１周期毎に切り替えるものである。
図１３に示す切り替えパターンは、最大の周波数から最小の周波数まで矩形波の半周期毎に周波数を切り替える。例えば、可変１周期は周波数を３４０Ｈｚ、２５５Ｈｚ、１７０Ｈｚ、１２８Ｈｚ、８５Ｈｚ、１２８Ｈｚ、１７０Ｈｚ、２５５Ｈｚと順次矩形波の半周期毎に切り替えるものである。

図１４に示す切り替えパターンは、一定時間ごとに周波数を固定した固定期間ａ，ｂ，ｃの３種類の周波数を順次切り換える周期を１可変周期（１サイクル）とし、このサイクルを繰り返すものである。例えば、固定期間ａ（第１期間）の固定周波数は３４０Ｈｚ、固定期間ｂ（第２期間）の固定周波数は１７０Ｈｚ、固定期間ｃ（第３期間）の固定周波数は８５Ｈｚである。

また、図１４に示すように、各固定期間ａ，ｂ，ｃは、固定周波数を複数周期分含む長さであり、固定期間ａは７．５周期分、固定期間ｂは６．５周期分、固定期間ｃは２．５周期分含んでいる。
図１５に示す切り替えパターンは、一定時間ごとに周波数を固定した固定期間と周波数を変化させる可変期間を交互に切り替える周期を、１可変周期とするものである。例えば、可変１周期は、固定周波数は３４０Ｈｚとした固定期間と、図１２に示す可変周期における周波数切り替えと同様な切り替えを行なう可変期間の２つの期間から構成される。

（２）本実施の形態においては、周波数を段階的に（飛び飛びに）変化させるものであったが、周波数をリニアに変化させるようにしても構わない。
周波数のリニア変化を実現するための点灯装置について説明する。図１６は変形例に係る点灯装置３０１の構成を示すブロック図である。図１６に示す点灯装置３０１は、実施の形態に係る点灯装置３００（図３参照）と基本的には同様の構成をしているので異なる点を中心に説明する。

発振器３１８は被変調信号を生成し、発振器３２０は変調信号を生成する。
周波数決定回路３１６は、上記被変調信号を変調信号により変調すると共に、変調した矩形波を生成する。
制御部３１０は、上記矩形波を参照してＤＣ／ＡＣインバータ３０６に所定の制御信号を送出する。

このような点灯装置３０１によれば、簡単な回路構成でランプに供給する矩形波交流電流の周波数を常時変化させることができると共に、周波数の変化を細やかに制御することが可能である。
なお、周波数決定回路３１６、発振器３１８、３２０に代えて公知の周波数変調回路を用いてもよいであろう。

（３）周波数の変化については、さらに種々の変形例が考えられる。当該変形例を図１７〜図２０に示す。図１７〜図２０中のグラフは、いずれも、横軸に時間（ｔ）、縦軸に周波数（ｆ）を取り、周波数の時間的な変化を示している。
（Ａ）規則的変化と不規則的変化
周波数を規則的に、すなわち一定のきまりに従って変化させてもよいし、不規則的に変化させてもよい。図１７中のグラフは規則的変化と不規則的変化を概念的に示している。同図に示すように、期間Ａ₁における周波数の変化は規則的であるのに対して、期間Ａ₂における周波数の変化は不規則的である。なお、期間Ａ２においては、不規則的な変化といっても、周波数の最大（ｆmax）と最小（ｆmin）を定め、両者の間で変化させるようにしている。

（Ｂ）断続的変化と連続的変化
周波数を断続的に変化させてもよいし、連続的に、すなわち常時変化させてもよい。図１８（ａ）（ｂ）中のグラフは断続的変化と連続的変化を概念的に示している。
図１８（ａ）中のグラフにおいては、周波数を変化させる一定期間の後には周波数を固定させる期間が続き、上記周波数変化の一定期間が時々とだえながら続いている。

これに対して図１８（ｂ）中のグラフでは、周波数は連続的に変化している。
（Ｃ）断続的変化と連続的変化の組み合わせ
上記（Ｂ）で述べた断続的変化の期間と連続的変化の期間を組み合わせてもよい。例えば、図１９中のグラフに示すように、断続的変化の期間と連続的変化の期間を交互に繰り返すようにしてもよい。

（Ｄ）変化期間と固定期間のグループ化
特に図示しないが、周波数を連続的に変化させる期間と周波数を固定させる期間の両者をグループ化した期間を１サイクルとして繰り返すようにしてもよい。例えば、連続的に変化させる期間とその後に続く固定させる期間の２つの期間をグループ化し、１サイクルとして取り扱って、これを繰り返すようにしてもよい。

（Ｅ）不規則的な繰り返し
図２０中のグラフに示すように、連続的変化の期間と周波数固定期間の２つを準備しておき、この両者の期間を不規則的に繰り返すとしてもよい。すなわち、予め両者の順番を定めるのではなく、ある期間の後に両者いずれの期間とするかを不定にするとしてもよい。

（Ｆ）動作データ（放電電圧等）に依存する周波数変化との組み合わせ
上述の（Ａ）〜（Ｅ）においては、動作データに依存せずに周波数を変化させる期間と周波数を固定させる期間との組み合わせについて述べたが、上記周波数を固定させる期間に替えて、動作データに依存させて周波数を変化させる期間を用いるようにしても構わない。
８．その他
上記実施の形態においては、発光物質として水銀が封入された高圧水銀ランプを例として説明したが、本発明は、メタルハライドランプなどの他の高圧放電ランプにも適用することができる。

本発明に係る高圧放電ランプ点灯装置は、従来より長寿命なので液晶表示装置などに適用することができる。

高圧水銀ランプ１００の概略構成を示す図である。 高圧水銀ランプ１００を用いたランプユニット２００の構成を示す一部切り欠き斜視図である。 点灯装置３００の構成を示すブロック図である。 （ａ）は従来の方式を用いた点灯試験結果の累積点灯時間と輝度維持率の関係を示すグラフである。 （ｂ）は従来の方式を用いた点灯試験結果の累積点灯時間とランプ電圧の関係を示すグラフである。 従来の固定周波数が１７０Ｈｚのランプにおける電極の突起の経時的な変化を示す模式図であり、（ａ）は点灯開始前の電極の突起の形状を示し、（ｂ）は寿命初期段階の電極の突起の形状を示し、（ｃ）は寿命中後期段階の電極の突起の形状を示している。 上部のグラフは矩形波交流電流の波形の時間的な変化を示す。下部のグラフは上部のグラフに対応しており上記矩形波交流電流の周波数の時間的な変化を示す。 （ａ）は従来の方式を用いた点灯試験結果の累積点灯時間と輝度維持率の関係を示すグラフである。 （ｂ）は従来の方式を用いた点灯試験結果の累積点灯時間とランプ電圧の関係を示すグラフである、 点灯試験における輝度推移の結果を示す表である。 点灯試験における電圧推移の結果を示す表である。 液晶プロジェクタの構成を示すブロック図である。 一変形例に係る矩形波交流電流の波形の時間的な変化を示す図である。 一変形例に係る矩形波交流電流の波形の時間的な変化を示す図である。 一変形例に係る矩形波交流電流の波形の時間的な変化を示す図である。 一変形例に係る矩形波交流電流の波形の時間的な変化を示す図である。 一変形例に係る矩形波交流電流の波形の時間的な変化を示す図である。 変形例に係る点灯装置３０１の構成を示すブロック図である。 一変形例に係る矩形波交流電流の周波数の時間的な変化を示す図である。 一変形例に係る矩形波交流電流の周波数の時間的な変化を示す図である。 一変形例に係る矩形波交流電流の周波数の時間的な変化を示す図である。 一変形例に係る矩形波交流電流の周波数の時間的な変化を示す図である。

符号の説明

１００ 高圧水銀ランプ
１０１ 発光管
１０１ａ 発光部
１０１ｂ，１０１ｃ 封止部
１０２，１０３ 電極
２００ ランプユニット（高圧放電ランプ装置）
３００，３０１ 点灯装置
４００ 液晶表示装置

Claims (3)

1. 内部に、ハロゲン物質が封入され、かつ先端部に突起部がハロゲンサイクル作用によって形成されているタングステン製の一対の電極が配置されている発光管を有する高圧水銀放電ランプに対して交流電流を供給して点灯させる点灯回路を備え、
   前記点灯回路は、連続点灯中において、前記交流電流の周波数を、前記高圧水銀放電ランプの点灯経過時間とともに変化する動作データに依存することなく２つ以上の異なる値に複数回切り替えて変化させ、変化させる最大の周波数が、３００Ｈｚ〜５００Ｈｚであって、かつ最小の周波数の３倍以上であることを特徴とする高圧放電ランプ点灯装置。
   
2. 前記点灯回路は、
   第１の固定周波数値で動作させる第１期間と、前記第１の固定周波数値とは異なる第２の固定周波数値で動作させる第２期間との組み合わせを１サイクルとして、このサイクルを繰り返す動作を行うことを特徴とする請求項１に記載の高圧放電ランプ点灯装置。
3. 第１の固定期間または第２の固定期間の少なくとも一方は、固定周波数を複数周期分含む長さであることを特徴とする請求項２に記載の高圧放電ランプ点灯装置。

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