JP4297091B2 - 高圧放電ランプ点灯装置 - Google Patents

Description

この発明は高圧放電ランプ点灯装置に関する。特に、水銀が０．２ｍｇ／ｍｍ^２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とその給電装置よりなる点灯装置に関する。

プロジェクター装置は、一般に、液晶パネルを使う方式とＤＬＰを使う方式が存在する。
液晶パネルを使う方式は、１枚式と３枚式があるがいずれの方式であっても、光源からの放射光を３色（ＲＧＢ）に分離して、液晶パネルにおいて画像情報に対応させた光を透過調整して、その後、パネルを透過した３色を合成させてスクリーン上に投射させる方式である。
一方、ＤＬＰを使う方式も、１枚式と３枚式があるが、１枚式の場合には光源からの放射光をＲＧＢの領域が分割形成された回転フィルターを介して空間変調素子（光変調デバイスともいい、具体的にはＤＭＤ素子などをいう）などを時分割で照射し、このＤＭＤ素子で特定の光を反射させてスクリーンに照射する。ＤＭＤ素子とは小さな鏡を数百万個敷き詰めたものであって、一つ一つの小さな鏡の向きを制御することで光の投射が制御される。

プロジェクター装置の光源は、高い水銀蒸気圧を有する高圧放電ランプが使用される。水銀蒸気圧を高くすることで、可視波長域の光を高い出力で得られるからである。
また、この種の放電ランプは、点灯中、電極の先端に突起が形成されることが知られている。例えば、特許文献１では、このような突起の存在を問題点と捉えて、突起を消滅させる技術が紹介されている。具体的には、定常周波数の中に、より低い周波数（例えば、５Ｈｚ）を１秒以上存在させることで、電極の表面を溶融させて突起を完全に消滅するという技術が開示されている。

しかしながら、上記技術によって、高圧放電ランプをプロジェクター装置の光源として使ってみても、実際には、アーク輝点が安定せず、いわゆるフリッカーが多々発生した。特に、封入水銀量が０．２０ｍｇ／ｍｍ^３以上の放電ランプにおいて顕著に発生した。
特開２００２−１７５８９０号公報

この発明が解決しようとする課題は、水銀封入量が０．２０ｍｇ／ｍｍ^３以上の超高圧放電ランプにおいて、アーク輝点を位置的に安定させて、いわゆるフリッカーの発生を防止し、さらには、放電ランプの点灯電圧が変化した場合、および、点灯電力を可変させた場合も当該可変の影響を受けることなく、アーク輝点を安定できる点灯装置を提供することである。

上記課題を解決するために、この発明の高圧放電ランプ点灯装置は、石英ガラスからなる放電容器内に、先端に突起が形成された一対の電極が２．０ｍｍ以下の間隔で対向配置して、この放電容器に０．２０ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、１０^―６μｍｏｌ／ｍｍ^３〜１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲のハロゲンが封入された高圧放電ランプと、この放電ランプに対して交流電流を供給して定電力制御を行う給電装置から構成される。
給電装置は、６０〜１０００Ｈｚの範囲から選択された周波数を定常周波数として、前記高圧放電ランプに供給するとともに、周波数が１０〜２００Ｈｚの範囲、挿入される波の数が半周期を１単位として１単位から１０単位の範囲、定常周波数に挿入される間隔が０．０１秒〜１２０秒の範囲の中から各々選択された低周波を、
放電ランプの点灯電圧が上昇した時は低い周波数に、放電ランプの点灯電圧が低下した時は高い周波数に変化させながら、定常周波数の中に挿入し、
あるいは、放電ランプの点灯電圧が上昇した時は波の数を多くし、放電ランプの点灯電圧が低下した時は波の数を少なくするように変化させながら、定常周波数の中に挿入し、
あるいは、放電ランプの点灯電圧が上昇した時は短い間隔にし、放電ランプの点灯電圧が低下した時は長い間隔に変化させながら、定常周波数の中に挿入することを特徴とする。

本発明は、上記構成によって、以下の作用効果を有する。
第一に、電極先端に突起を形成させて、当該突起を起点として安定なアーク放電を形成する。これは、特許文献１のように、突起を消滅させる技術ではなく、積極的に突起を作り活用する技術である。これにより、当該突起を起点としたアークにより、放電ランプの点灯を安定化できるという格別の効果を有する。
第二に、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。これは、突起が複数個形成されると、これら突起間でいわゆるアークジャンプが発生し、結果として、アークが不安定になるからである。本発明は、アーク起点となるべき突起のみを発生、維持するとともに、当該突起以外の余計な突起は消失させている。
第三に、ランプの点灯電圧が変化した場合であっても、上記第一、第二の作用効果を達することができる。
第四に、ランプへ供給する点灯電力を変化させる場合であっても、上記第一、第二の作用効果を達することができる。

図１に本発明の対象となる高圧放電ランプを示す。
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を有する。この発光部１１には、一対の電極２０が２ｍｍ以下の間隔で対向配置している。また、発光部１１の両端には封止部１２が形成される。封止部１２には、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る。金属箔１３の一端には、電極２０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が接合して給電装置と電気的に接続する。
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３６０〜７８０ｎｍの放射光を得るもので、０．２ｍｇ／ｍｍ^３以上封入される。この封入量は、温度条件によっても異なるが、点灯時２００気圧以上で極めて高い蒸気圧となる。また、水銀をさらに封入させることで点灯時の水銀蒸気圧を２５０気圧以上、３００気圧以上という高い状態にすることができ、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の改善である。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、本発明の放電ランプのように極めて小型できわめて高い点灯蒸気圧を有するものは、放電容器の失透防止という作用もある。
放電ランプについて数値例を示すと、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７５ｍｍ^３、定格電圧７０Ｖ、定格電力１３５Ｗ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ため、ランプとしても小型化が要請され、その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く、ランプの管壁負荷値は０．８〜２．０Ｗ／ｍｍ^２、具体的には１．８Ｗ／ｍｍ^２となる。
このように、放電ランプとして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といったプレゼンテーション用機器に搭載された場合に、演色性の優れた放射光を提供できる。

電極２０の先端（他方の電極に対向する端部）には、ランプの点灯に伴い、突起が形成される。突起が形成される現象は、必ずしも明らかではないが、以下のように推測できる。
すなわち、ランプ点灯中に電極先端付近の高温部から蒸発したタングステン（電極の構成材料）は、発光管内に存在するハロゲンや残留酸素と結合して、例えばハロゲンがＢｒならＷＢｒ、ＷＢｒ_２、ＷＯ、ＷＯ_２、ＷＯ_２Ｂｒ、ＷＯ_２Ｂｒ_２などのタングステン化合物として存在する。これら化合物は電極先端付近の気相中の高温部においては分解してタングステン原子または陽イオンとなる。温度拡散（気相中の高温部＝アーク中から、低温部＝電極先端近傍に向かうタングステン原子の拡散） 、および、アーク中でタングステン原子が電離して陽イオンになり、陰極動作しているとき電界によって陰極方向へ引き寄せられる（＝ドリフト）ことによって、電極先端付近における気相中のタングステン蒸気密度が高くなり、電極先端に析出し、突起を形成するものと考えられる。

図２は電極先端と突起を示すことを目的として、図１に示す電極２０の先端を模式化して表したものである。電極２０は、それぞれ球部２０ａと軸部２０ｂから構成され、球部２０ａの先端に突起２１が形成される。突起２１は、ランプ点灯開始時に存在しない場合も、その後の点灯により、いわば自然発生的に形成される。
この突起は、いかなる放電ランプであっても生じるというわけではない。電極間距離が２ｍｍ以下であって、発光部に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、希ガスと、１×１０^−６〜１×１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲でハロゲンを封入したショートアーク型放電ランプにおいて、ランプ点灯に伴い、突起が形成されることが知られている。
なお、突起の大きさについて、数値例をあげると、電極の最大径（放電方向に垂直な方向）がφ１．０〜１．５ｍｍであって、電極間距離が１．０〜１．５ｍｍの場合に、約０．２〜０．６ｍｍ程度の直径となる。

ここで、上記突起は、本発明に係る放電ランプのように電極間距離２ｍｍ以下であって発光部に０．２ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀を含むプロジェクター装置の光源として用いられる場合は不可欠となる。
なぜなら、発光部に０．２ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀を含み、動作圧力が２００気圧以上に達する放電ランプにおいては、高い蒸気圧によって、アーク放電が小さく絞られ、結果として放電起点も小さく絞られるからである。
このため、特許文献１に開示するように、突起を消滅させた球面状の電極では、放電起点が小刻みに移動してしまい、プロジェクター装置の映像画面にフリッカー（チラツキ）という問題を導く。特に、２ｍｍ以下という短い電極間距離に形成されるアーク輝点は、０．５ｍｍ以下というわずかな移動であっても、映像画面にとして致命的なフリッカーとなりかねない。

この点で特許文献１に開示する放電ランプは、封入水銀量が０．１８ｍｇ／ｍｍ^３というレベルであり、本願発明のように０．２０ｍｇ／ｍｍ^３以上ではないので、放電アークや放電起点を絞るという作用の働きが低く、すなわち、先端球面状の電極であればフリッカーの問題を解決できたものと考えられる。

また、電極先端に突起が形成されることで、そこを起点としてアーク放電が発生するため、アークからの光が電極の球部２０ａによって遮られにくくなる。このため、光の利用効率が向上し、より明るい映像が得られるという利点も生じる。なお、図２は模式化した図面ではあるが、通常、軸部２０ｂの先端には、軸径より大きい径を有する球部に相当する要素を有している。

高圧放電ランプは、後述する給電装置によって、定常周波数（６０〜１０００Ｈｚ）で交流点灯される。また、定常周波数よりも低い周波数（低周波）が当該定常周波数の中に挿入される。
低周波は、周波数が５〜２００Ｈｚ、挿入される波の数が半周期を１単位として１単位から１０単位の範囲、定常周波数に対して挿入される間隔（時間）が０．０１秒〜１２０秒である。

図３は放電ランプ１０の電流波形を示し、縦軸は電流値、横軸は時間を表す。
図示されるように、放電ランプの電流波形は、例えば２００Ｈｚで駆動される定常周波数の中に、例えば１０Ｈｚの低周波が間欠的に挿入される。
低周波は、５〜２００Ｈｚの範囲から選択される周波数であって、定常周波数の中に間欠的（周期的）に挿入される間隔（低周波の挿入間隔）は、０．０１秒〜１２０秒の範囲から選択される時間となる。低周波が、定常周波数の中に挿入される間隔とは、図において、低周波の挿入間隔と示される期間であり、１回の低周波波形が始まるタイミングから、次の低周波波形が始まるタイミングまでの時間間隔と定義される。
また、低周波は、挿入される波の数について半周期を１単位として、１単位から１０単位の範囲で挿入される。因みに、図では波の数が２単位になっている。波の数が１単位から１０単位の範囲ということは、半周期から５周期の長さで間欠的（周期的）に挿入されることになる。

ここで、低周波を定常周波数の中に間欠的（周期的）に挿入することの作用効果について説明する。
本発明が対象とする放電ランプでは、電極先端に突起を形成させることが、アーク安定の観点から有利であることは既に説明した。
しかし、突起を生成させるための制御をしていると、本来必要となる突起以外に余計な突起も派生してしまう。
本発明は、低周波を定常周波数の中に間欠的（周期的）に挿入させることが、余計な突起を消失させる作用を奏する点を見出したにほかならない。

図４は、本願発明を説明するための比較図であって、本願発明の周波数制御を施さない場合に生じる好ましくない状態を模式的に表す。
ランプを点灯させると、電極の球部２０aの先端中心に突起２１（第一の突起）が形成する。この突起２１は、放電起点となるものでアークを安定させるために必要な突起である。そして、ランプを引き続き点灯させるにつれて、突起２１の周囲に別の突起２２（第二の突起）が発生する。この突起２２は、本来必要のない突起であり、突起２１との間で放電起点が移動することで、いわゆるフリッカの問題を生じさせる。第二の突起は一つとは限らず、多数発生する場合もある。

ここで、不必要な突起２２（第二の突起）が発生成長する現象は、以下のように説明できる。
すなわち、放電ランプ動作中の電極表面には温度分布が存在し、先端部が最も温度が高く、後方ほど温度が低い。
電極先端付近の高温領域では、タングステンの蒸発および放電容器内に残存する酸素と反応して生成されるＷＯ、ＷＯ_２などの酸化タングステンの蒸発とによって、電極表面が浸食される。ただし、放電起点である電極先端には、アーク中の高いタングステン蒸気密度のため、むしろタングステンが析出、堆積し、前記第一の突起が形成されることは前述のとおりである。
一方、電極表面の低温領域では、放電容器内に封入された臭素および残存する酸素との反応によって生成されるＷＢｒ、ＷＢｒ_２、ＷＯ_２Ｂｒ、ＷＯ_２Ｂｒ_２などの蒸発によって、やはり電極表面は浸食される。
すなわち、電極表面の温度によって蒸発するタングステン化合物の種類は異なるが、電極表面の高温領域、低温領域とも浸食されることになる。
次に、電極表面の上記高温領域と低温領域の中間の温度領域においては、タングステンの熱化学的性質によって上記のようなタングステン化合物の生成が少なく、したがって、電極表面の浸食は少ない。むしろ、放電容器内に存在するタングステン蒸気の析出、堆積の方が支配的であるため、前記第二の突起が発生成長するのである。

このように、第一の突起は不可欠であるため消滅させることなく維持する必要がある。一方、第二の突起は不必要であって消滅させなければならない。
本願発明の周波数制御は、上記第二の突起を消滅させるために作用するものである。このメカニズムについて以下に説明する。

放電ランプを６０Ｈｚから１０００Ｈｚの周波数で定常点灯させると、前述のように電極表面の中間的な温度領域において、前記第二の突起が生じ始める。このとき、定常周波数より低い周波数に切替えると、陽極として動作する期間が長くなり、電極先端の温度は上昇する。この温度上昇は、第二の突起が生じ始めた中間的な温度領域へと伝導し、当該領域の表面温度を上昇させる。結果として、生じ始めた第二の突起は蒸発、浸食して消失するのである。
ここで、第二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。例えば、電極の寸法を小さくすることによって、電極の表面全体の温度を高く設定したとしても、第二の突起は電極後方の温度が低い部分で発生するだけであって、結果として、第二の突起の発生を抑制していることにはならない。
つまり、本発明は、電極表面の温度を適当な時間間隔で変化させて、第二の突起が一定の位置に発生することを防止するものであり、そのための手段として、定期的に低周波を挿入するという構成を採用している。

低周波は、５〜２００Ｈｚの範囲から選択された周波数であり、波の数は半周期を１単位として１単位から１０単位の範囲であり、挿入される間隔は０．０１秒〜１２０秒の範囲から選択されたものとなる。
低周波の周波数が５Ｈｚ未満の場合、波の数が１０単位より多い場合は、あるいは、挿入される間隔が０．０１秒未満の場合は、電極先端の温度が高くなり過ぎるため、前記第二の突起ばかりか、本来必要不可欠な前記第一の突起までも消失させてしまう。
また、周波数が２００Ｈｚを超える場合、あるいは波の数が１単位より少ない場合は、前記第二の突起が発生する領域に対して十分な温度上昇が得られず、結果として、第二の突起を消失できない。
また、挿入される間隔が１２０秒を超えた場合は、定常点灯の間に、第二の突起が大きく成長し過ぎ、たとえ低周波を挿入しても消失できない。

ここで、本発明の対象となる放電ランプは、封入水銀量が０．２ｍｇ／ｍｍ^３以上であることが前提となる。本発明者らの実験によれば、封入水銀量が０．２ｍｇ／ｍｍ^３より小さい場合、具体的には、０．１８ｍｇ／ｍｍ^３の場合は、点灯中の水銀蒸気圧によるアークに対する影響は小さいことを確認している。すなわち、封入水銀量が０．１８ｍｇ／ｍｍ^３程度の場合は、電極先端の表面が（突起がなく）滑らかな場合であっても、アークは揺らぐことはない。しかし、封入水銀量が０．２ｍｇ／ｍｍ^３以上となると、ランプ点灯中の蒸気圧によるアークの絞り効果が際立って大きくなり、これにより、アークが移動（フラツク）という現象が発生するからである。
本発明は、封入水銀量が０．２ｍｇ／ｍｍ^３以上という放電ランプにおいて、電極先端に突起を形成することがアークを安定させるために不可欠であるということを発明したにほかならない。そして、電極先端に突起が存在することを前提とした上で、不必要な突起が発生、成長することを防止するために、所定の低周波での点灯を間欠的（周期的）に挿入したということが大きな特徴といえる。

さらに、放電ランプの点灯電圧（ランプ電圧ともいう）が変化した場合、当該変化に対応して、低周波の周波数、波の数、挿入される間隔の各パラメータを上記範囲内で変化させる。
さらに、これらパラメータの変化は、いずれか一つを変化させてもよいし、２つあるいは３つの要素を全て変化させてもかまわない。
さらに、放電ランプの点灯電圧が変化した場合、定常周波数のパラメータ、例えば、周波数を変化させてもよい。

本発明が対象とする高圧放電ランプは、通常、給電装置によって定電力点灯制御が行われる。これは、給電装置から放電ランプに供給する点灯電力を一定する維持する制御であり、光出力の水準を安定に保つためと、放電ランプへの負荷、特に石英ガラスからなる放電容器への熱的負荷を一定に保つために行う。
そして、放電ランプが点灯時間の経過とともに、電極が消耗し、電極間距離が長くなると、ランプ電圧は上昇し、定電力制御であるためランプ電流は逆に低下してしまう。
ランプ電流が低下すると、電極への熱の流入が減少するため、低周波を挿入することによる電極表面温度に対する影響も小さくなってしまう。結果として、前述した第ニの突起を消失させる効果が不十分になる。
本発明は、このような状況に鑑み、放電ランプの点灯電圧の変化を検出し、点灯電圧の変化に対応して、低周波の周波数、波の数、挿入される間隔を調整するものである。
なお、「放電ランプの点灯電圧の変化に応じて」とは、点灯電圧の変化に対応させてリニアに制御するだけでなく、電圧値の閾値を設けて、この閾値を上回る場合あるいは下回る場合に低周波数のパラメータを変化させる場合も含む。

例えば、ランプ電圧が上昇した場合は、低周波の周波数を低くする。陽極動作の時間を長くすることによって、ランプ電流の減少を補償して、電極表面の温度を上昇できるからである。

さらに、ランプ電圧が上昇した場合は、低周波の波の数を多くしてもよい。一回の低周波の挿入時間を長くすることになり、電極表面における温度変化の頻度を増やすことにより、第二の突起の消失を促進できるからである。

あるいは、ランプ電圧が上昇した場合は、低周波の挿入間隔を短くしてもよい。挿入間隔を短くすることによって、第二の突起の成長を小さくする作用回数が増し、第二の突起の消失を促進できるからである。

さらに、ランプ電圧が上昇した場合は定常周波数を高くしてもよい。定常周波数が高いほど第一の突起が高く形成されるという性質を利用して、ランプ電圧を低くできるからである。
前述した、ランプ電圧が上昇した場合に、低周波の周波数、波の数、挿入される間隔を変化させる方法は、ランプ電流の減少によって、第二の突起を消失させる作用が低下することを補償しているのに対して、定常点灯の周波数を高くする方法は、ランプ電圧（ランプ電流）を回復させる方法といえる。

以上、ランプ電圧が上昇した場合について説明したが、ランプ電圧が低下した場合（すなわち、ランプ電流が増加した場合）については、各パラメータを逆に変化させることになる。

ここで、ランプ電圧に応じたパラメータ変化の数値例を紹介する。
放電ランプの定格電力が１２０W、ランプ電圧が７０V、ランプ電流が１．７Aの定電力制御において、定常周波数が１８０Hz、低周波の周波数が１５Hz、波の数が２単位（１周期）、挿入される間隔が１秒とする。
いま仮に、ランプ電圧が７０Ｖから８５Ｖに上昇したとすると、ランプ電流は１．７Ａから１．４Ａに変化する。定電力制御をしているからである。
そして、このランプ電圧の変化に対して、定常周波数は１８０Hz、低周波の周波数は１０Hz、波の数は２単位（１周期）、挿入される間隔は０．５秒に変化させる。
このようにすれば、ランプ電圧が上昇し、ランプ電流が減少したときでも、不所望な第二の突起の成長を防止でき、アークを安定させることができる。

次に、点灯電力の変化について説明する。
前記のように、本発明が対象とする高圧放電ランプは、通常、定電力点灯制御が行われるが、点灯電力値そのものを切り替える点灯方法がある。例えば、プロジェクター装置において、スクリーン上の明るさを低減させて使う場合（通称、「エコモード点灯」ともいう）である。これは、通常使用の点灯電力が１３５Ｗの場合に、エコモードでは１２０Ｗで使用する態様をいう。
この場合、ランプ電力が低下することで、ランプ電流も低下してしまい、電極への熱の流入も減少してしまう。
このため、低周波を挿入することによる電極表面の温度変化が小さくなってしまい、前述した第ニの突起を消失させる効果が不十分になってしまう。
従って、定電力制御する場合にあって、点灯電力値そのものを変化させた場合は、当該変化に対応させて、低周波の各パラメータも変化させることになる。
なお、「放電ランプの点灯電力の変化に応じて」とは、点灯電力値の変化に対応させてリニアに制御するだけでなく、電力値に閾値を設けて、この閾値を上回る場合あるいは下回る場合に低周波数のパラメータを変化させてもかまわない。
標準の点灯モードからエコモードに変化させる場合であっても、電力値を瞬時に変化させる場合もあれば、時間をかけて漸次変化させる場合もある。前記の例で言えば、電力値１３５Ｗから瞬時に１２０Wにする場合もあれば、電力値１３５Wから漸次に１２０Wに低下させる場合もある。

また、ランプ電力に応じたパラメータ変化の数値例についても紹介する。
放電ランプの定格電力が１３５W、ランプ電圧が７０V、ランプ電流が１．９Aの定電力制御の場合において、定常周波数は１８０Hz、低周波の周波数は１５Hz、波の数は２単位、挿入される間隔は１秒とする。
いま仮に、ランプ電力が１３５Ｗから１２０Ｗに低下すると、ランプ電圧はほとんど変化しないにも関わらず、ランプ電流は１．９Ａから１．７Ａに変化する。
この場合、定常周波数は１８０Hz、低周波の周波数は１０Hz、波の数は２単位、挿入される間隔は０．５秒に変化させる。
このようにすれば、ランプ電力が低下し、ランプ電流が減少したときでも、不所望な第二の突起の成長を防止でき、アークを安定させることができる。

図５は放電ランプを点灯させる給電装置の例を示す。
点灯装置は放電ランプ１０と給電装置から構成される。給電装置は、直流電圧が供給される降圧チョッパ回路１と、降圧チョッパ回路１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２（以下、「フルブリッジ回路」ともいう）と、放電ランプに直列接続されたコイルＬ１、およびスタータ回路３から構成される。
なお、降圧チョッパ回路１、フルブリッジ回路２、スタータ回路３、制御回路４により給電装置を構成し、放電ランプ１０を含めて点灯装置と称される。

降圧チョッパ回路１は、直流電源Ｖ_ＤＣに接続され、スイッチング素子Ｑｘと、ダイオードＤｘと、コイルＬｘと、平滑コンデンサＣｘと、スイッチング素子Ｑｘの駆動回路Ｇｘから構成される。スイッチング素子Ｑｘは、駆動回路Ｇｘによりオン／オフ駆動される。この駆動によって、スイッチング素子Ｑｘのディーテュ比が調整されて、放電ランプ１０に供給される電流あるいは電力が制御される。
ダイオードＤｘとコイルＬｘの後段には、電圧検出用の抵抗Ｒ１，Ｒ２と、電流検出用の抵抗Ｒ３が接続する。

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のスイッチング素子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。なお、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４には、各々に並列にダイオードが逆並列に接続されることもあるが、この実施例においてダイオードは省略している。
上記スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、図示略の制御部を介して駆動回路Ｇ１〜Ｇ４により駆動される。

フルブリッジ回路２の動作は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４と、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３を交互にオン、オフを繰り返す。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４がオンするときは、降圧チョッパ回路１→スイッチング素子Ｑ１→コイルＬ１→放電ランプ１０→スイッチング素子Ｑ４→降圧チョッパ回路１に電流が流れる。一方、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３がオンするときは、降圧チョッパ回路１→スイッチング素子Ｑ３→放電ランプ１０→コイルＬ１→スイッチング素子Ｑ２→降圧チョッパ回路１の経路で放電ランプ１０に交流矩形波電流を供給する。
上記スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を駆動するに際し、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の同時オンを防止するため、交流矩形波の極性切り替わり時に、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の全てオフにする期間（デッドタイムＴｄ）が設けられる。
スタータ回路３は、スイッチ素子Ｑ６、駆動回路Ｇ６、抵抗Ｒ４、コンデンサＣ１、トランスＴ１より構成される。放電ランプ１０の始動時にコンデンサＣ１に蓄積したエネルギをスイッチ素子Ｑ５をオンすることによりトランスＴ１に印加し昇圧してランプに高電圧を印加しランプを始動させる。この実施例では放電ランプ１０の外表面に高電圧印加用のトリガを配置した、いわゆる外部トリガ方式である。

制御回路４は、電力演算器４０、比較器４１、パルス幅変調回路４２、周波数設定回路４３、矩形波駆動回路４４より構成される。
抵抗Ｒ１，Ｒ２で検出された電圧信号、Ｒ３で検出された電流信号は電力演算器４０にて電力信号に変換されて比較器４１で基準電力値と比較することでパルス幅変調回路４２を介してスイッチング素子Ｑｘをフィードバック制御する。これにより、ランプの点灯電力を一定値とする、いわゆる定電力制御を実施している。
また、抵抗Ｒ１，Ｒ２で検出された電圧信号と電力変換４０にて電力信号に変換された電力信号は周波設定回路４３に送信される。ここで、ランプ電圧と電力値に対応した、低周波の周波数、挿入される波の数、挿入される間隔、あるいは定常点灯時の周波数が設定される。周波設定回路４３の信号は矩形波駆動回路４４に送信されてフルブリッジ回路２のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４のスイッチングを制御する。従って、低周波の定常周波数への挿入は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４のスイッチング動作、タイミングによって行われる。この例では制御回路４が演算した電力値を周波設定回路４３に送信して挿入される低周波の周波数、挿入周期、挿入時間、あるいは定常点灯時の周波数が設定されるが、電力値については点灯装置の外部からの点灯電力信号に基づいた信号を周波設定回路４３に送信して挿入される低周波の周波数、挿入される波の数、挿入される間隔、あるいは定常点灯時の周波数を設定してもよいことは言うまでもない。

低周波の周波数（５〜２００Ｈｚ）、挿入される波の数（１単位〜１０単位）、および挿入される間隔（０．０１〜１２０秒）の各基準値は、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適宜選定される。ここでいう基準値とはランプ電力が低下する前の値すなわち定格電力での値を意味する。
一例をあげると、放電ランプの定格電力が１２０Ｗのとき、定常周波数は１８０Ｈｚ、低周波の周波数は１５Ｈｚ、挿入される波の数は２単位（１周期）、挿入される間隔は１秒となる（点灯例１）。
また、放電ランプの定格電力が１５０Ｗのとき、定常周波数は２００Ｈｚ、低周波の周波数は１０Ｈｚ、挿入される波の数は２単位（１周期）、挿入される間隔は１秒となる(点灯例２)。
また、放電ランプの定格電力が３００Ｗのとき、定常周波数は３００Ｈｚ、低周波の周波数は７．５Ｈｚ、挿入される波の数は２単位（１周期）、挿入される間隔は０．５秒となる（点灯例３）。
また、放電ランプの定格電力が２５０Ｗのとき、定常周波数は４００Ｈｚ、低周波の周波数は５Ｈｚ、挿入される波の数は２単位（１周期）、挿入される間隔は０．５秒となる（点灯例４）。
また、放電ランプの定格電力が１３５Ｗのとき、定常周波数は３６０Ｈｚ、低周波の周波数は４５Ｈｚ、挿入される波の数は１単位（０．５周期）、挿入される間隔は０．０２秒となる（点灯例５）。
また、放電ランプの定格電力が１３５Ｗのとき、定常周波数は５４０Ｈｚ、低周波の周波数は１８０Ｈｚ、挿入される波の数は２単位（１周期）、挿入される間隔は０．０２秒となる（点灯例６）。

図６は放電ランプに流れる電流波形であって、図３に示す電流波形とは異なる他の電流波形を示す。
（ａ）は、低周波が波の数で１単位（半周期）挿入した場合を示す。この場合、低周波の挿入期間は、一方の電極が陽極として動作しつづけるため、図示の期間Ｔａを低周波の長さと定義して低周波数の挿入間隔が解釈される。なお、このような半周期の低周波数点灯を挿入する場合は、前の挿入とは異なる極性で挿入することが好ましい。
（ｂ）は、低周波数の波の数が１単位より大きく２単位より小さい場合を示す。この場合は、電流の極性が固定される期間が長い期間を低周波の長さを定義できる。つまり、図においては、期間Ｔｂを半周期の長さと定義して、図では３／４周期の期間、低周波電流を挿入したことと解釈できる。極性の固定が長い期間を半周期と定義する理由は、当該期間で電極表面の昇温による第二の突起の消失効果を奏しているからである。なお、このような半周期より大きく１周期より小さい低周波点灯を挿入する場合は、期間の長い方の極性が交互に変わるように挿入することが望ましい。両電極を均等に昇温できるからである。
（ｃ）は、低周波の挿入に際し、周波数が異なる（変化する）形態を示している。この場合は、最も低い周波数によって挿入サイクル（何単位あるいは何周期挿入したか）が定義される。図では、期間Ｔｃを半周期と定義して、低周波数が１周期挿入されたものと解釈できる。最も低い周波数の波形をもって低周波と定義する理由は、当該周波数の挿入期間が極性の固定時間が最も長くなり、電極先端の昇温効果を発揮できるからである。
以上の定義は、低周波の挿入状態（形態）が電流波形として不明瞭になることを防止するもので、低周波の波の数や挿入される間隔を明確にするために定義したものといえる。

本発明に係る高圧放電ランプを示す。 本発明に係る高圧放電ランプの電極を示す 本発明に係る放電ランプの電流波形を示す。 本発明を説明するための電極の拡大図を示す。 本発明に係る高圧放電ランプ点灯装置の給電装置を示す。 本発明に係る放電ランプの電流波形の他の形態を示す。

符号の説明

１ 降圧チョッパ回路
２ フルブリッジ回路
３ スタータ回路
１０ 放電ランプ
２０ 電極
２１ 突起

Claims (4)

1. 石英ガラスからなる放電容器内に、先端に突起が形成された一対の電極が２．０ｍｍ以下の間隔で対向配置して、この放電容器に０．２０ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、１０^―６μｍｏｌ／ｍｍ^３〜１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲のハロゲンが封入された高圧放電ランプと、この放電ランプに対して交流電流を供給して定電力制御を行う給電装置から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、
   ６０〜１０００Ｈｚの範囲から選択された周波数を定常周波数として、前記高圧放電ランプに供給するとともに、
   周波数が１０〜２００Ｈｚの範囲、挿入される波の数が半周期を１単位として１単位から１０単位の範囲、定常周波数に挿入される間隔が０．０１秒〜１２０秒の範囲の中から各々選択された低周波を、
   放電ランプの点灯電圧が上昇した時は低い周波数に、放電ランプの点灯電圧が低下した時は高い周波数に変化させながら、
   前記定常周波数の中に挿入することを特徴とする高圧放電ランプ点灯装置。
2. 石英ガラスからなる放電容器内に、先端に突起が形成された一対の電極が２．０ｍｍ以下の間隔で対向配置して、この放電容器に０．２０ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、１０^―６μｍｏｌ／ｍｍ^３〜１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲のハロゲンが封入された高圧放電ランプと、この放電ランプに対して交流電流を供給して定電力制御を行う給電装置から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、
   ６０〜１０００Ｈｚの範囲から選択された周波数を定常周波数として、前記高圧放電ランプに供給するとともに、
   周波数が１０〜２００Ｈｚの範囲、挿入される波の数が半周期を１単位として１単位から１０単位の範囲、定常周波数に挿入される間隔が０．０１秒〜１２０秒の範囲の中から各々選択された低周波を、
   放電ランプの点灯電圧が上昇した時は波の数を多くし、放電ランプの点灯電圧が低下した時は波の数を少なくするように変化させながら、
   前記定常周波数の中に挿入することを特徴とする高圧放電ランプ点灯装置。
3. 石英ガラスからなる放電容器内に、先端に突起が形成された一対の電極が２．０ｍｍ以下の間隔で対向配置して、この放電容器に０．２０ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、１０^―６μｍｏｌ／ｍｍ^３〜１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲のハロゲンが封入された高圧放電ランプと、この放電ランプに対して交流電流を供給して定電力制御を行う給電装置から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、
   ６０〜１０００Ｈｚの範囲から選択された周波数を定常周波数として、前記高圧放電ランプに供給するとともに、
   周波数が１０〜２００Ｈｚの範囲、挿入される波の数が半周期を１単位として１単位から１０単位の範囲、定常周波数に挿入される間隔が０．０１秒〜１２０秒の範囲の中から各々選択された低周波を、
   放電ランプの点灯電圧が上昇した時は短い間隔にし、放電ランプの点灯電圧が低下した時は長い間隔に変化させながら、
   前記定常周波数の中に挿入することを特徴とする高圧放電ランプ点灯装置。
4. 前記給電装置は、前記放電ランプの点灯電圧の値に応じて定常周波数の周波数も変化させることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか記載の高圧放電ランプ点灯装置。

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