JP4389623B2

JP4389623B2 - 高圧放電ランプ点灯装置

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Publication number: JP4389623B2
Application number: JP2004088368A
Authority: JP
Inventors: 智良有本
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2004-03-25
Filing date: 2004-03-25
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2024-03-25
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Description

本発明は高圧放電ランプ点灯装置に関する。特に、本発明は、発光管内に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀が封入され、点灯時の水銀蒸気圧が１１０気圧以上の交流点灯型の超高圧放電ランプであって、投射型プロジェクター装置などの投射用光源として使用するに好適な超高圧放電ランプとその点灯装置からなる高圧放電ランプ点灯装置に関するものである。

投射型プロジェクター装置は、矩形状のスクリーンに対して均一に、しかも十分な演色性を追って画像を照明させることが要求され、このため、光源としては水銀や金属ハロゲン化物を封入させたメタルハライドランプが使われている。また、最近は、より一層の小型化、点光源化が進められ、電極間距離も極めて小さいものが実用化されてきている。
このような背景のもと、近時、メタルハライドランプに代わり、極めて高い水銀蒸気圧、例えば２００バール（約１９７気圧) 以上をもつ高圧放電ランプが使用されている。これは、水銀蒸気圧を高くすることで、アークの広がりを絞り込むとともに、一層の光出力の向上を図ったランプである。
最近は、より一層小型のプロジェクター装置が注目されつつある。上記プロジェクター装置用の放電ランプは、高い光出力や照度維持率が要求される反面、プロジェクター装置の小型化に伴い放電ランプもより小型が求められ、装置の小型化、電源の小型化が進み、始動時の電圧を小さくすること、換言すれば易始動性が望まれている。

上記ランプとしては、例えば、石英ガラスからなる発光管に一対の電極を２ｍｍ以下の間隔で対向配置し、この発光管に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、希ガスと１×１０^−６〜１×１０^−２μｍｏ１／ｍｍ^３の範囲でハロゲンを封入した超高圧放電ランプが使用される（例えば特許文献１，特許文献２参照）。
この種の放電ランプおよびその点灯装置は、例えば特許文献３に開示されている。
特許文献３に開示される高圧放電ランプは、定常点灯時の管内水銀蒸気圧が１５Ｍｐａ〜３５Ｍｐａで、発光管内に１×１０^−６〜１×１０^−２μｍｏ１／ｍｍ^３の範囲でハロゲン物質を封入したものであり、発光管内に一対の電極を設け、電極先端部の中心付近に突起部を設けることによりアークジャンプ現象の発生を抑制するようにしたものである。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータとＤＣ／ＡＣインバータと高圧発生装置から構成される点灯装置により、上記一対の電極間に交流電圧を印加して点灯させる。

特開平２−１４８５６１号公報特許第２９８０８８２号公報特開２００１−３１２９９７号公報

この種の超高圧放電ランプは、発光管内において対向するタングステン製電極の先端に、点灯時間の経過に伴い、突起が形成成長するという現象が起こる。特に、電極間距離が１．５ｍｍ以下、水銀量０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上、臭素などのハロゲン量１０^−６μｍｏ１／ｃｍ^３〜１０^−２μｍｏ１／ｃｍ^３を交流点灯させる上記突起は顕著に発生、成長する。
電極先端に突起が形成される現象は、必ずしも明らかではないが、以下のような推測ができる。
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。そして、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。

このような突起は、成長しなければ、アーク起点が当該突起に固定するという意味で、アークジャンプを防止できるという効果を有する。しかしながら、ランプの継続点灯に伴い、突起が成長すると電極間距離が短くなり、アーク輝点の位置が変化して光出力が低下するなどの問題を生じる。
前記した特許文献３には、上記突起部の形成によりランプ電圧が変動（低下）することが示されており、また突起部の形成によりランプ電圧（電極間距離）が変化した場合、両電極間に流れる電流量を調整したり、点灯周波数を第１の周波数から第２の周波数に切り換えることにより突起部の形成によるランプ電圧変動分を補正することが開示されている。
例えば、上記両電極間に流れる電流量については、ランプ電圧（電極間距離）が正規の値より低下した場合に、両電極間に流れる放電アーク電流を増大させることにより突起部の長さが縮小してランプ電圧が回復し、また、ランプ電圧（電極間距離）が正規の値より増加した場合に、放電アーク電流を減少させることにより突起部の長さが回復することが示されている。
このような考え方に基づき、特許文献３に記載の点灯装置では、検出したランプ電圧が基準電圧より低い場合に、高めの放電アーク電流を流し、また、ランプ電圧が基準電圧より高い場合に、放電アーク電流を減少させるように前記ＤＣ／ＤＣコンバータをフィードバック制御し、ランプ電圧の変動を抑制している。

しかしながら、上記特許文献３に記載されるように電極間距離の変化を点灯周波数で調整しても、特定の場合には有効であると考えられるものの、良好に突起の成長を制御できないことが多々発生するということが判明した。
すなわち、前記特許文献３においては、検出したランプ電圧値が基準電圧（エ一ジング点灯中のランプ電圧の初期値) に対する増減値を求めて、１５０Ｈｚと８００Ｈｚの２値の切替えにより電極間距離の変動をフィードバック制御するというものである。
本発明者らが検討した結果、このような制御では必ずしも良好に突起の成長を制御できないことが分かった。特に、同文献には点灯周波数を２段階的に変化させる方法が開示されているが、このような制御では、ランプ電圧の変化が急激に起こるため、ランプ電圧および電極間距離を安定に維持することが困難になるものと考えられる。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、本発明の目的は、石英ガラスからなる放電容器に一対の電極が１．５ｍｍ以下の間隔で対向配置して、この放電容器に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、１０^−６μｍｏｌ／ｍｍ^３〜１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲の臭素が封入される超高圧放電ランプのランプ電圧、電極間距離を安定に維持することができる高圧放電ランプ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、この発明に係る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に一対の電極が１．５ｍｍ以下の間隔で対向配置して、この放電容器に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、１０^−６μｍｏｌ／ｍｍ^３〜１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲の臭素が封入される超高圧放電ランプと、この放電ランプに対して矩形波交流電流を供給して点灯させる給電装置とから構成される。
そして、前記給電装置は、前記放電ランプに対して当該放電ランプの点灯電圧を検知し、検知された点灯電圧が、設定された電圧下限値（Ｖｍｉｎ）より下回ったときは、該電圧下限値より下回っている期間中、所定時間毎に、当該放電ランプの点灯周波数を設定された周波数下限値（ｆｍｉｎ）に到達するまで所定数ずつ下げ、また、検知された点灯電圧が、設定された第一の電圧上限値（Ｖ１ｍａｘ）より上回ったときは、該電圧上限値を上回っている期間中、所定時間毎に、当該放電ランプの点灯周波数を設定された周波数上限値（ｆｍａｘ）に到達するまで所定数ずつ上げる。
さらに、検知された点灯電圧が、前記第一の電圧上限値（Ｖ１ｍａｘ）より高く設定された第二の電圧上限値（Ｖ２ｍａｘ）を上回ったときは、当該放電ランプの点灯周波数を第一の周波数上限値（ｆ１ｍａｘ）より高い第二の周波数（ｆ２）に変更することを特徴とする。

また、第一の周波数上限値（ｆ１ｍａｘ）は３００Ｈｚ〜５００Ｈｚ、前記周波数下限値（ｆｍｉｎ）は５０Ｈｚ〜１００Ｈｚ、前記第二の周波数（ｆ２ｍａｘ）は８００Ｈｚ〜１２００Ｈｚから選択された値であることを特徴とする。

本発明の高圧放電ランプ点灯装置は、第一の電圧上限値と電圧下限値を設定して、ランプ電圧ＶＬに変動に対応させて、ランプの点灯周波数をきめ細かく制御することで、放電ランプの電極先端に形成される突起の成長を微妙に制御することが可能となり、結果として、一定の電極間距離を安定なアーク放電を達成することができる。
次に、積算点灯時間が例えば７００時間程度になり電極先端の突起が損耗した場合には、ランプ点灯周波数をより高い値に変更することで小さな突起を新たに作ることができる。

図１に本発明の対象となる高圧放電ランプを示す。（ａ）は全体構成を示し、（ｂ）は電極の拡大図を示す。
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、この発光管部１１には、一対の電極１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１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２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^−６μｍｏｌ／ｍｍ^３〜１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲から選択される。具体的には、発光部１１の内容積７５ｍｍ^３において臭素４μｇ（すなわち、６．７×１０^−４μｍｏｌ／ｍｍ^３）が封入される。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。
放電ランプの数値例を示すと、例えば、発光部の最大外径９．５ｍｍ、電極間距離１．５ｍｍ、発光管内容積７５ｍｍ^３、定格電圧７０Ｖ、定格電力２００／１８０Ｗ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ことから、発光管部内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／ｍｍ^２、具体的には１．５Ｗ／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。
電極の先端には図１（ｂ）に示すように突起１ａが形成される。なお、電極は先端の球部の後方にコイル１ｂが形成されている。このコイル１ｂは点灯始動性と、定常点灯時における放熱作用のためであって、本発明においては必須のものではない。

図２は本発明に係る高圧放電ランプ点灯装置の給電装置（点灯回路）の構成例を示す。
給電装置と放電ランプ１０により点灯装置１００が構成される。
給電装置は、スイッチ素子Ｓ１がパルス巾制御されることによって電力が制御されるスイッチング部１０１と、そのスイッチング部１０１の直流電力を交流矩形波電力に変換するスイッチ素子Ｓ２〜Ｓ５からなるフルブリッジ回路１０２、および、これらスイッチング部１０１およびフルブリッジ回路１０１をそれぞれを制御する制御部１０３から構成される。
放電ランプ１０には、直列にイグナイタ用のトランスＴＲ１が接続され、また、放電ランプ１０とトランスＴＲ１に直列にコンデンサＣ３が接続されており、放電ランプ１０とトランスＴＲ１の直列回路にフルブリッジ回路１０２から交流矩形波を供給し放電ランプを点灯させる。

スイッチング部１０１は、コンデンサＣ１と、制御部１０３の出力によりスイッチング動作をするスイッチ素子Ｓ１と、ダイオードＤ１とインダクタンスＬ１と平滑コンデンサＣ２から構成され、制御部１０３のＰＷＭ部２５により上記スイッチング素子Ｓ１のオン／オフ比が制御され、フルブリッジ回路１０２を介して放電ランプ１０に供給される電力（放電電力）が制御される。
また、スイッチング部１０１から放電ランプ１０に供給される電流を検出するため、電流検出用抵抗Ｒ１が、スイッチング部１０１とフルブリッジ回路１０２の間に設けられている。
フルブリッジ回路１０２は、ブリッジ状に接続されたトランジスタやＦＥＴからなるスイッチ素子Ｓ２〜Ｓ５から構成される。
上記スイッチ素子Ｓ２〜Ｓ５は、制御部１０３に設けられたフルブリッジ駆動回路２１により駆動され、放電ランプ１０に交流矩形波電流を供給して、放電ランプ１０を点灯させる。
すなわち、スイッチ素子Ｓ２、Ｓ５、スイッチ素子Ｓ３、Ｓ４を交互にオンにして、スイッチング部１０１→スイッチ素子Ｓ２→放電ランプ１０→スイッチ素子Ｓ５→スイッチング部１０１、および、スイッチング部１０１→スイッチ素子Ｓ４→放電ランプ１０→スイッチ素子Ｓ３→スイッチング部１０１の経路で放電ランプ３に交流矩形波を供給し、放電ランプ１０を点灯させる。

制御部１０３は、コンデンサＣ２の両端電圧（ランプ点灯電圧Ｖ）を検出する電圧検出器２６と、電圧検出器２６により検出されるランプ点灯電圧に応じて点灯周波数を所定量ずつ増加あるいは減少させる周波数設定器２７と、点灯周波数を増加あるいは減少させる時間間隔を設定するタイマ２８と、フルブリッジ駆動回路２１を備え、フルブリッジ駆動回路２１は、上記周波数設定器２７が出力する周波数でスイッチ素子Ｓ２〜Ｓ５を駆動する。
また、制御部１０３は、乗算器２２と電力設定器２３を備え、電力設定器２３は所定の電力設定信号を出力して、乗算器２２は電流検出抵抗Ｒ１により検出されたランプ電流と、点灯電圧とを乗算して放電ランプ１０に供給される電力を算出する。
なお、上記電力設定器２３の電力設定信号は、放電ランプ１０の明るさを調整可能とするため、放電ランプ１０を安定に点灯できる範囲内で微調整できるようにするのが望ましく、例えば、前記したように放電ランプ１０の定格電力が２００Ｗ／１８０Ｗの場合、定常点灯モード時の調整範囲は１７５Ｗ〜２２０Ｗ程度となる。

上記乗算器２２により算出された電力は、上記電力設定器２３が出力する電力設定信号と、比較器２４で比較され、比較結果がＰＷＭ部２５に送られる。ＰＷＭ部２５は、上記算出された電力と基準電力値が等しくなるようなデューティのパルス信号を発生し、スイッチ素子Ｓ１をＰＷＭ制御する。

本実施例の点灯回路により、放電ランプ１０に供給される電力（放電電力）、点灯周波数は次のように制御される。
ランプ点灯電圧と電流検出抵抗Ｒ１の両端の電圧から乗算器２２により、放電ランプ１０に供給される電力が算出される。
乗算器２２により算出された放電ランプ１０に供給される電力に比例した電圧信号と、電力設定器２３が出力する電力設定信号が比較器２４に与えられる。比較器２４の出力電圧はスイッチ素子Ｓ１をパルス巾制御するＰＷＭ部２５に与えられ、ＰＷＭ部２５は比較器２５の出力電圧がゼロになるようにスイッチ素子Ｓ１のパルス巾制御を行う。
一方、電圧検知器２６により検出されたランプ点灯電圧に応じて、周波数設定器２７は、ランプ点灯周波数を増加もしくは減少させる。
ここで、放電ランプ１０に供給する電力が一定の場合、点灯周波数が高いと、突起が成長して電極間のアーク長が短くなり、ランプ点灯電圧は低くなる。また、点灯周波数が低いと、突起の成長が抑制され、電極間のアーク長が長くなり、ランプ点灯電圧は高くなる。

本実施例では、ランプ点灯電圧が設定された第一の電圧上限値（Ｖ１ｍａｘ）（例えば７１Ｖ）より上回ったときに、放電ランプ１０の点灯周波数を所定数Δｆ（例えば２５Ｈｚ）だけ上げて当該点灯電圧を下げるように制御する。また、ランプ点灯電圧が設定された電圧下限値（Ｖｍｉｎ）（例えば６９Ｖ）より下回ったときに、当該放電ランプの点灯周波数を所定数Δｆ（例えば２５Ｈｚ）だけ下げて当該点灯電圧を上げるように制御する。
なお、上記第一の電圧上限値は定格電圧の＋１Ｖ程度、電圧下限値は定格電圧の−１Ｖ程度に設定することが望ましい。

また、上記周波数の変更から所定時間Δｔ（例えば２分）経過後に、ランプ点灯電圧が上記第一の電圧上限値（Ｖ１ｍａｘ）を上回っていれば、再度、周波数を所定数Δｆ上げ、また、ランプ点灯電圧が上記下限値（Ｖｍｉｎ）を下回っていれば、再度、周波数を所定数Δｆ下げる。
従って、点灯周波数は、ランプ点灯電圧が第一の電圧上限値（Ｖ１ｍａｘ）を上回っている限り所定時間毎に上げることになり、ランプ点灯電圧が電圧下限値（Ｖｍｉｎ）を下回っている限り所定時間毎に下げることとなる。
所定時間毎に制御する理由は、前記したように周波数を増減させた場合、直ちに電極の突起が成長あるいは抑制されランプ点灯電圧が変化するわけではなく、電極の突起の成長／抑制にはある程度の時間を要することから、所定時間Δｔ経過後、まだランプ点灯電圧が上記上限値を上回るか、下限値を下回る場合に、再度、周波数を変更するようにしたものである。なお、以下では、上記Δｔを待機時間という。

この所定時間毎の制御を行うために制御部１０３はタイマ２８を有する。タイマ２８は待機時間Δｔ（例えば２分）でタイムアップする。周波数設定器２７は、ランプ点灯周波数ｆをΔｆ変更したのち、タイマ２８がタイムアップするまで待ち、タイマ２８がタイムアップしたとき、ランプ点灯電圧が上記上限値を上回るか、あるいは下限値を下回るかを判断して、上限値を上回るか、あるいは下限値を下回る場合に再度、周波数をΔｆ変更する。

このように、ランプ点灯周波数は、ランプ点灯電圧が第一の電圧上限値（Ｖ１ｍａｘ）を上回っている限り周波数が上昇し、点灯電圧が電圧下限値（Ｖｍｉｎ）を下回っている限り周波数は下げられる。
しかし、点灯周波数にも上限値と下限値を設定することが望ましい。点灯周波数が第一の周波数上限値（ｆ１ｍａｘ）はあるいは周波数下限値（ｆｍｉｎ）に到達すると、点灯周波数をそれ以上に上昇あるいは下降させることはない。例えば、第一の周波数上限値が４００Ｈｚの場合は、点灯周波数が４００Ｈｚに到達するまでは、ランプ電圧との関係で周波数はΔｆ（例えば、２５Ｈｚ）ごとに上昇する。しかし、点灯周波数が４００Ｈｚに到達した後は、ランプ電圧が第一の電圧上限値（Ｖ１ｍａｘ）を超えていたとしても、それ以上に周波数を上昇させることはない。この場合、ランプ点灯電圧が第一の電圧上限値（Ｖ１ｍａｘ）を超えていても点灯周波数は４００Ｈｚに固定される。下限値についても同様である。例えば、周波数下限値が７５Ｈｚの場合は、点灯周波数が７５Ｈｚに到達するまでは、ランプ電圧との関係で周波数はΔｆ（例えば、２５Ｈｚ）ごとに下降する。しかし、点灯周波数が７５Ｈｚに到達した後は、ランプ電圧が電圧下限値（Ｖｍｉｎ）を超えていたとしても、それ以上に周波数を下降させることはない。この場合、ランプ点灯電圧が電圧下限値（Ｖｍｉｎ）を超えていても点灯周波数は７５Ｈｚに固定される。

このように点灯周波数について、第一の周波数上限値ｆ１maxあるいは下限値ｆｍｉｎを設ける理由は、放電ランプの点灯電圧が後述の第二の電圧上限値（V２ｍａｘ）以下であるときは、第一の周波数上限値ｆ１ｍａｘと周波数下限値ｆｍｉｎの範囲の外の周波数で点灯すると、突起の長さの変化が激しく、電極間距離を制御できなくなるからである。
なお、具体的な数値例をあげると、第一の周波数上限値は、３００Ｈｚ〜５００Ｈｚ程度であり、例えば４００Ｈｚ、周波数下限値は５０Ｈｚ〜１００Ｈｚ程度であり、例えば７５Ｈｚである。

以上のように、放電ランプの点灯電圧が設定された電圧下限値（Ｖｍｉｎ）より下回ったときに、放電ランプの点灯周波数を所定数だけ下げて当該灯点灯電圧を上げるように制御して、また、放電ランプの点灯電圧が設定された第一の電圧上限値（Ｖｍａｘ）より上回ったときに、放電ランプの点灯周波数を、所定数だけ上げて点灯電圧を下げるように制御している。この制御によって、点灯電圧の変化に敏感に反応させて電極先端に生ずる突起の大きさを制御することができ、結果として、安定な点灯を実施することができる。

上記点灯制御は、放電ランプを点灯させて、所定時間（概ね７００時間）経過までは良好に行なことができる。しかし、所定時間（７００時間）を経過したころから、当該制御に関わらず放電が著しく不安になるという問題が発生する。この状態は突起の損耗が激しくなり電極間距離が制御できないほどに長くなっている。
この問題を解決するために、本発明に係る高圧放電ランプは、前記第一の電圧上限値（Ｖ１ｍａｘ）よりも高い第二の電圧上限値（Ｖ２ｍａｘ）を設けている。
そして、放電ランプの点灯電圧が、第一の電圧上限値（Ｖ１ｍａｘ）を超えて、第ニの電圧上限値（Ｖ２ｍａｘ）に到達すると、放電ランプの点灯周波数をより高い値に変更する。具体的には、８００〜１５００Ｈｚの間の値に変更する。
ここで、所定時間（例えば、７００時間）とは、点灯時間の積算時間であり、７００という数値は、この種（プロジェクター装置に適用される高圧放電ランプ）の放電ランプにおける一般的かつ平均的な時間を便宜上示したものであって、個々の放電ランプによって多少の時間差を有していることは言うまでもない。

そして、電圧検出器２６により検出されるランプ点灯電圧が設定された第二の電圧上限値（Ｖ２ｍａｘ、例えば１２０Ｖ）を超えると、周波数設定器２７において８００〜１５００Ｈｚの範囲内の所定の周波数、例えば、１０００Ｈｚに切り替える。この場合、前記した所定周波数（Δｆ）の増減制御が行なわれない。

図３は上記周波数制御を放電ランプの突起成長との関係において説明するための図面である。
（ａ）は放電ランプの点灯開始約１時間程度であって、電極の先端に突起が形成された状態を示す。ここでいう「点灯開始」とは放電ランプを製造した後、初めて放電ランプを点灯させた状態を意味する。
（ｂ）は放電ランプが第一の電圧上限値と、電圧下限値の範囲で周波数制御される状態であって、点灯開始後約７００時間までの状態を示す。この状態では周波数制御によって、突起の先端位置が所定位置に維持されていることがわかる。このため、電極間距離も所定値に維持されることになる。なお、電極先端の球面部分（突起以外の部分）は、（ａ）に比較して消耗していることが分かる。
（ｃ）は電極先端の球面部分における消耗が激しくなった状態を示す。このような状態になると、第一の電圧上限値と下限値に基いて周波数制御するだけでは、突起の先端位置を所定位置に維持することは極めて困難となる。この状態が点灯開始後の７００時間近傍にあたる。
（ｄ）は電極先端の球面部分の消耗が進み、突起は維持できなくなって消滅した状態を示す。この状態におけるランプ点灯電圧は高く、第二の上限値は当該状態を検知できる数値が設定される。この状態は点灯開始後、例えば９００時間であり、点灯周波数が８００〜１５００Ｈｚの範囲の高い値に変更される。
（ｅ）は電極先端の平坦部に小さな突起が発生した状態を示す。上記高い周波数の点灯により小さな突起が発生する。この突起によって、アークが突起を起点に維持されるため、アークがふらつくことが防止される。すなわち、小さな突起が存在しない状態においては、電極先端の平面部において、アーク発生位置が動いてしまい、結果として位置的に不安定なアークを発生させてしまう。

本発明の高圧放電ランプ点灯装置は、ランプ点灯電圧に対して、第一の電圧上限値と下限値を設定することによって、電極先端の消耗が発生したとしても、突起の先端を所定位置に維持することで、アークの位置的安定とランプ電圧を安定を図ることができる。
電極先端の消耗が激しくなり、突起先端の位置が下がり過ぎて、上記制御が働かない状態になると、第ニの電圧上限値により点灯周波数を第二の周波数に変更させる。

放電ランプが第二の周波数で点灯される状態においては、周波数を所定値ごとに増減する制御は行なわれない。突起の先端位置を微妙に制御して電極間距離を所定値に維持する必要がないからである。
この第二の周波数は、８００Ｈｚ〜１２００Ｈｚの範囲のものであって、例えば１０００Ｈｚで点灯される。
なお、放電ランプを第ニの周波数で点灯させる状態において、ランプ電圧が第二の電圧上限値（Ｖ２ｍａｘ）を下回った場合は、放電ランプの点灯周波数は第一の周波数上限値に戻し、以下、点灯電圧に対応させた所定周波数ごとの増減制御を行なうこととなる。

ここで、第二の周波数で放電ランプを点灯することで、放電ランプの点灯が安定する理由を補足すると、交流矩形波点灯において，電極は陰極動作と陽極動作を交互にくりかえすが，陽極動作のとき電極先端温度は上昇するため，電極先端に析出したタングステンが溶融し平坦化されると考えられる。点灯周波数を1ｋＨｚ程度にすると陽極動作の半周期も短くなるので、前記平坦化される時間が短くなるとともに電極先端温度の上昇も小さくなるため，析出するタングステンが平坦化されることなく小さい突起が形成されるものと推察される。

次に、放電ランプの定常点灯モードと省電力点灯モードについて説明する。省電力点灯モードとは、プロジェクター装置において暗めの映像を楽しみたいというニーズや空冷ファンの回転数を下げて静音状態で使いたいというニーズに応えるものであり、定常伝統モードよりも点灯電力を下げて点灯する使用をいう。
例えば、定常点灯モードの定格点灯電圧が７０Ｖの場合は、省電力点灯モードの点灯電圧は６０Ｖとなる。
そして、定常点灯モードにおいて使用している状態から、省電力点灯モードに切り換えた場合は、放電ランプの突起を制御する条件も自動的に変更しなければならない。具体的には、第一の電圧上限値（Ｖ１ｍａｘ）、第二の電圧上限値（Ｖ２ｍａｘ）、電圧下限値（Ｖｍｉｎ）が省電力モードに相当する値に変更する。上記省電力点灯モードの点灯電圧が６０Ｖの場合を例として、数値例をあげると、第一の電圧上限値（Ｖ１ｍａｘ）は７１Ｖから６１Ｖに変わり、第二の電圧上限値（Ｖ２ｍａｘ）は１１５Ｖから９５Ｖに変わり、電圧下限値（Ｖｍｉｎ）は６９Ｖから５９Ｖに変わる。
なお、周波数上限値（ｆ１ｍａｘ）、周波数下限値（ｆ１ｍｉｎ）、第二の周波数（ｆ２）は、定格点灯モードと省電力モードで変化させる必要はない。しかし、両モードの電圧値の差が大きい場合などにおいて、周波数上限値（ｆ１ｍａｘ）、周波数下限値（ｆ１ｍｉｎ）、第二の周波数（ｆ２）を、定格点灯モードと省電力モードで変化させる場合は、省電力モードの設定値を定格点灯モードの設定値より小さくするとよい。

図４は定常点灯モード（ランプ電力２００Ｗ、７０Ｖ）で放電ランプを点灯始動させて、上記周波数制御を行なった場合のランプ電圧と点灯周波数の変化を示す。
横軸は時間（分）を示し、左端から右端に向けて積算点灯時間の経過を表すが、図において点灯始動後６００時間から１０００時間までを表している。縦軸はランプ点灯電圧ＶＬ（Ｖ）および点灯周波数ｆ（Ｈｚ）であり、太線は点灯周波数ｆを示し、細線はランプ点灯デンあるＶＬを示している。放電ランプは図１に示すものであり、電極間距離は１．０ｍｍである。第一の電圧上限値（Ｖ１ｍａｘ）は８０Ｖ、第二の電圧上限値（Ｖ２ｍａｘ）は１１５Ｖ、電圧下限値（Ｖｍｉｎ）は６９Ｖである。また、始動時は点灯周波数を２００Ｈｚとして、ランプ電圧が電圧下限値（Ｖｍｉｎ）を下回ると下回っている期間、３分毎（Δｔ）に２５Ｈｚ（Δｆ）づつ下げている。また、ランプ電圧が第一の電圧上限値（Ｖ１ｍａｘ）を上回ると上回っている期間、同様に、３分毎に（Δｔ）に２５Ｈｚ（Δｆ）づつ上げている。また、周波数上限値（ｆ１ｍａｘ）は４００Ｈｚ、周波数下限値（ｆｍｉｎ）は７５Ｈｚ、第二の周波数（ｆ２）は１０００Ｈｚである。

図において、６００時間近傍ではランプ電圧ＶＬが約７５Ｖ、点灯周波数ｆが２００Ｈｚであり、６５０時間近傍ではランプ電圧ＶＬが約８５Ｖ、点灯周波数ｆが４００Ｈｚであり、７５０時間近傍ではランプ電圧ＶＬが約１００Ｖ、点灯周波数ｆが４００Ｈｚであることがわかる。すなわち、積算点灯時間が７００時間に近くなるにしたがい、放電ランプの電極は、図３（ｃ）に示すような状態になり、ランプ電圧ＶＬが上昇するとともに、点灯周波数が上限値４００Ｈｚまで到達していることを示している。なお、図示されていない点灯後６００時間までの期間は、ランプ電圧ＶＬは７０Ｖ近傍、点灯周波数ｆは２００Ｈｚ近傍でほぼ維持されており、放電ランプの電極間距離も０．１ｍｍに保持されている。つまり、放電ランプは図３（ｂ）の状態である。

８４０時間近傍では、放電ランプの点灯周波数は１０００Ｈｚに変化している。これは、ランプ電圧ＶＬが第二の電圧上限値（Ｖ２ｍａｘ）である１１５Ｖを超えたため、点灯周波数が第２の周波数である１０００Ｈｚに変化した状態を示す。
図においては、８５０時間近傍において、ランプ電圧ＶＬが第二の電圧上限値（Ｖ２ｍａｘ）である１１５Ｖを再び下回ったため、点灯周波数は第一の周波数上限値４００Ｈｚに戻っている。
その後、８７０時間近傍からは、ランプ電圧ＶＬが第二の電圧上限値（Ｖ２ｍａｘ）である１１５Ｖを再び上回ったため、点灯周波数は１０００Ｈｚに変化している。この状態は、図３（ｅ）に示す状態である。そして、９００時間を越えたあたりから、電極先端には目視できる程度の小さな突起が形成されて放電アークがこの突起に支持されていた。つまり、放電アークが安定するため、輝点も安定しておりフリッカを生じていなかった。

本発明の高圧放電ランプ点灯装置に係る放電ランプを示す。本発明の高圧放電ランプ点灯装置に係る給電装置を示す。周波数制御と放電ランプの突起成長との関係を示す。点灯周波数とランプ電圧の関係を示す。

符号の説明

１電極
１ａ突起
１０放電ランプ
１１発光管部
１２封止部
１３金属箔
１００点灯装置
１０１スイッチング部
１０２フルブリッジ回路
１０３制御部

Claims

石英ガラスからなる放電容器に一対の電極が１．５ｍｍ以下の間隔で対向配置して、この放電容器に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、１０^−６μｍｏｌ／ｍｍ^３〜１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲の臭素が封入される超高圧放電ランプと、この放電ランプに対して矩形波交流電流を供給して点灯させる給電装置と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、前記放電ランプに対して、
当該放電ランプの点灯電圧を検知し、
検知された点灯電圧が、設定された電圧下限値（Ｖｍｉｎ）より下回ったときは、該電圧下限値より下回っている期間中、当該放電ランプの点灯周波数を、設定された周波数下限値（ｆｍｉｎ）に到達するまで、所定時間毎に周波数を下げ、
検知された点灯電圧が、設定された第一の電圧上限値（Ｖ１ｍａｘ）より上回ったときは、該電圧上限値を上回っている期間中、当該放電ランプの点灯周波数を、設定された周波数上限値（ｆｍａｘ）に到達するまで、所定時間毎に周波数を上げ、
検知された点灯電圧が、前記第一の電圧上限値（Ｖ１ｍａｘ）より高く設定された第二の電圧上限値（Ｖ２ｍａｘ）を上回ったときは、当該放電ランプの点灯周波数を、前記周波数上限値（ｆｍａｘ）よりも高い周波数（ｆ２）に変更することを特徴とする高圧放電ランプ点灯装置。
前記第一の周波数上限値（ｆ１ｍａｘ）は３００Ｈｚ〜５００Ｈｚ、前記周波数下限値（ｆｍｉｎ）は５０Ｈｚ〜１００Ｈｚ、前記周波数（ｆ２）は８００Ｈｚ〜１２００Ｈｚから選択された値であることを特徴とする請求項１の高圧放電ランプ点灯装置。