JP4857683B2 - 放電ランプ点灯装置 - Google Patents

Description

この発明は放電ランプ点灯装置に関する。特に、水銀が０．２ｍｇ／ｍｍ^３以上封入されて、点灯時の圧力は２００気圧以上になる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（登録商標）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（登録商標）を使う方式は、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ものである。ＤＭＤ素子とは、１画素ごとに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。
ＤＬＰ（登録商標）方式は、液晶方式に比較して、光学系が簡易であるとともに３枚もの液晶パネルを使う必要がないことから装置全体が小型簡易化するメリットがある。

プロジェクター装置の光源は、高い水銀蒸気圧の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、この種の水銀蒸気圧の高い放電ランプは、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には、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突起を完全に消滅させるための技術が開示される。

しかしながら、上記技術によって高圧放電ランプ（超高圧水銀ランプ）をプロジェクター装置の光源として点灯させてみても、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、いわゆるフリッカの発生を防止することである。

上記課題を解決するために、この発明の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から構成される。そして、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放電ランプに供給するとともに、周波数が定常周波数より低くかつ５〜２００Ｈｚの範囲から選択され、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単位の範囲から選択され、さらに、前記定常周波数に挿入される間隔が０．０１秒〜１２０秒の範囲の中から選択された低周波を、前記放電ランプの点灯電圧が、第一の所定値以上であるとき挿入しながら点灯させるとともに、前記放電ランプの点灯電圧が、第一の所定値以下に設定した第二の所定値以下であるときは、前記低周波を挿入しないことを特徴とする。

さらに、前記給電装置は、前記放電ランプの点灯電流が、第一の所定値以下であるとき挿入しながら点灯させるとともに、第一の所定値以上に設定した第二の所定値以上であるときは挿入しないことを特徴とする。

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、当該突起を起点とすることで安定なアーク放電を生成する。特に、前記特許文献１に記載されるような突起を消滅させる技術ではなく、積極的に突起を作る点に特徴を有する。

第二に、アーク起点となる突起以外の他の余計な突起の発生を防止できる。電極先端に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が、本発明は、余計な突起の発生を防止することでアークジャンプの発生を防止し、結果として、不安定な放電の発生を防止できる。

図１に本発明の対象となる放電ランプを示す。
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の中には一対の電極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が接合して外部の給電装置から給電が行なわれる。
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、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、０．２ｍｇ／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２００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２５０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。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のものは、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２００Ｗ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、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０．８〜２．０Ｗ／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、以下のように推測される。
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の先端を模式化したものである。電極２０は球部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。この突起２１は、ランプ点灯開始時に存在しない場合であっても、その後の点灯により、いわば自然発生的に形成される。
ここで、突起２１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。
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。

この突起は、本発明に係る放電ランプのように、電極間距離２ｍｍ以下であって発光管内に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、発光管内に０．２ｍｇ／ｍｍ^３以上もの水銀を含み、動作圧力が２００気圧以上にも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に開示される放電ランプは、封入水銀量が０．１８ｍｇ／ｍｍ^３という低レベルであり、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、本願発明が対象とされる放電ランプは、電極先端に突起が形成され、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り、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。この点は、後述する図７が参照される。

図３は上記放電ランプを点灯させる給電装置を示す。
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、コンデンサＣ１、スタータ回路３、および制御回路４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。
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。
制御回路４は、電力変換器４０、比較器４１、パルス幅変調回路４２、制御部４３、フルブリッジ回路駆動回路４４から構成される。電力変換器４０は、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３で検出された電圧信号や電流信号を電力信号に変換する。電力信号は比較器４１で基準電力値と比較されパルス幅変調回路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が実施される。また、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、制御部４３を介してフルブリッジ回路駆動回路４４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。

なお、放電ランプ１０に供給される交流矩形波出力の周波数は、６０〜１０００Ｈｚ（定常周波数）の範囲から選択されるものであり、例えば２００Ｈｚである。また、上記デッドタイム期間は、０．５μｓ〜１０μｓの範囲から選択される。

ここで、本発明の放電ランプ点灯装置は、図３に示す給電装置によって、図１に示す放電ランプを定常周波数（６０〜１０００Ｈｚ）で点灯させつつ、その中に定期的に低周波が挿入される。この低周波は、定常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、また、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単位の範囲から選択され、さらに定常周波数に挿入される間隔が０．０１秒〜１２０秒の範囲から選択される。

図４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。
放電ランプの電流波形は、例えば２００Ｈｚの定常周波数の中に、例えば１０Ｈｚの低周波が間欠的に挿入される。
低周波数が挿入される間隔は、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め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、低周波が挿入される波の数は、図のように１周期に限定されるものではなく、後述するように、半周期を１単位として、１単位から１０単位の範囲から選択される。

低周波の周波数（５〜２００Ｈｚ）、挿入される波の数（半周期を１単位として１単位〜１０単位）、および挿入される間隔（０．０１秒〜１２０秒）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。
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９０Ｈｚ、低周波の周波数は５Ｈｚ、挿入される波の数は半周期を１単位として２単位、挿入間隔は１５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１２５Ｈｚ、低周波周波数は５Ｈｚ、挿入される波の数は半周期を１単位として２単位、挿入間隔は１５秒となる(点灯例２)。
また、放電ランプの定格電力が２００Ｗのとき、定常周波数は２００Ｈｚ、低周波周波数は７．５Ｈｚ、挿入される波の数は半周期を１単位として２単位、挿入間隔は１０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、低周波周波数は１５Ｈｚ、挿入される波の数は半周期を１単位として２単位、挿入間隔は０．１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、低周波周波数は４５Ｈｚ、挿入される波の数は半周期を１単位として１単位、挿入間隔は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、低周波周波数は１８０Ｈｚ、挿入される波の数は半周期を１単位として２単位、挿入間隔は０．０２秒となる（点灯例６）。

ここで、低周波を定常周波数点灯の中に周期的に挿入することの技術的な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が、電極先端に突起を形成させる方がアークを安定できるという意味で有利であることは既に説明した。
しかし、突起を生成するだけの制御のみであれば、本来必要となるべき突起以外に、余計な突起が派生することがある。本願発明において、低周波数点灯を定常周波数点灯の中に周期的に挿入する制御は、まさに、このような余計な突起の生成を防止することにほかならない。

図５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）が形成される。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、本願発明の制御を行なわない場合は、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、ＷＯ２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、ＷＢｒ２、ＷＯ２Ｂｒ、ＷＯ２Ｂｒ２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。

このように本願発明は、第一の突起については不可欠であるため、消滅させることなく維持させる必要があるが、第二の突起は必要のないものであり、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２の突起を消滅させるために作用するものといえる。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、前述のような電極表面の中間的な温度領域において、前記第二の突起の形成が始まる。そのとき、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、前記第二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、形成を始めた第二の突起は蒸発、浸食され、消失するのである。
ここで、前記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全体的に電極表面の温度を高く設定したとしても、前記第二の突起が発生成長する位置が電極後方へずれるだけであって、その発生成長を抑制することはできない。すなわち、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妨げることによって、その形成を抑制するという発想に基づいている。

ところで、挿入する低い周波数が５Ｈｚ未満であったり、挿入する間隔が０．０１秒未満であったり、低い周波数を半周期を１単位として１０単位を越えて挿入した場合は、電極先端の温度上昇が大きくなり過ぎるため、前記第二の突起ばかりか、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前記第一の突起までも消失させてしまう。
逆に、挿入する低い周波数が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、前記第二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、第二の突起の発生成長を抑制できない。また、挿入する間隔が１２０秒を超えた場合も、定常点灯の間に第二の突起が低い周波数の挿入によって浸食し得ないまでに成長してしまう。
なお、挿入する間隔は、０．１秒以上の場合であれば、電極の温度上昇を完璧に抑えることができ、また、挿入する周波数は５０Ｈｚ以下であれば、第二の突起の発生成長を完璧に抑えることができる。

さらに、放電ランプの点灯電圧が第一の所定値以上であるときは、低周波を周期的に挿入させるが、放電ランプの点灯電圧が第一の所定値以下に設定した第二の所定値以下になったときは、当該低周波を挿入しない。
また、放電ランプの点灯電流が第一の所定値以下であるときは、低周波を挿入しながら点灯させるが、放電ランプの点灯電流が第一の所定値以上に設定した第ニの所定値以上であるときは、同様に低周波を挿入しない。

これは、この種の放電ランプは、定電力制御されるため、放電ランプの点灯電圧が低くなると、必然的に点灯電流は高くなり、また、放電ランプの点灯電圧が高くなると、必然的に点灯電流は低くなるため、点灯電圧と点灯電流のいずれかに基き制御できることを意味する。
本発明は、点灯電圧により低周波の挿入を制御する場合と、点灯電流により低周波の挿入を制御する場合を規定するものである。

ランプ電圧が低い場合に低周波を挿入すると、第一の突起の温度上昇が必要以上に大きくなり、低周波を挿入している間に、第一の突起が変形あるいは溶融消滅してしまうからである。
同様に、ランプ電流が高い場合に低周波を挿入した場合も、第一の突起の温度上昇が必要以上に大きくなり、低周波を挿入している間に、第一の突起が変形あるいは溶融消滅してしまう。

上記制御は、具体的には、抵抗Ｒ１、Ｒ２によって検出された放電ランプ１０の点灯電圧が第一の所定値以上または抵抗Ｒ３によって検出された点灯電流が第一の所定値以下であるときは、制御部４３により低周波を挿入することを判断し、放電ランプの点灯電圧が第二の所定値以下または点灯電流が第ニの所定値以上であるときは、低周波を挿入しないように制御部４３が判断して、フルブリッジ回路駆動回路４４を介してフルブリッジ回路２を制御する。
そして、放電ランプの点灯電圧が、前記第二の所定値以上に設定した第一の所定値以上であるときは、上記低周波の交流電流を挿入する。
第一の所定値および第二の所定値は、放電ランプの点灯電力および電極の熱的な設計との関係で適宜決められるが、数値例を挙げると、定格電力が１３５Wの場合、第一の所定値は７０V、および第二の所定値は６５Vとなる。

この数値例に基いて制御動作を具体的に説明する。
例えば４５Ｈｚの低周波の交流電流を半周期を１単位として２単位挿入しながら点灯している間に、放電ランプの点灯電圧が６５V以下に低下すると、給電装置は低周波の交流電流の挿入を停止する。この場合、例えば、３６０Ｈｚの定常周波数の交流電流を放電ランプに供給する。
その後、放電ランプの点灯電圧が、７０V以上に上昇すると、給電装置は再び低周波の交流電流を挿入しながら点灯する。

この給電装置によれば、放電ランプの点灯電圧が変化しても、第一の突起が維持されるので、アークが安定に保たれる。
ここで、放電ランプの点灯電圧に関する第一の所定値と第二の所定値は、数Ｖ、例えば５Vの差を設けることが好ましい。なぜなら、第一の所定値および第二の所定値が近い値に設定された場合、放電ランプの点灯電圧の僅かな変動にともなって、低周波の交流電流の挿入と挿入停止が頻繁に繰り返されることになり、第一の突起への熱的作用が不安定になるため、第一の突起の形状が不安定になるからである。

なお、上記実施形態では、放電ランプの点灯電圧に応じて、低周波の交流電流の挿入と挿入停止を切換えたが、放電ランプの点灯電流に応じて低周波の交流電流の挿入と挿入停止を切換えてもよい。
この場合は、放電ランプの点灯電流が第一の所定値以下であるときは、低周波の交流電流を挿入し、放電ランプの点灯電流が第二の所定値以上であるときは、低周波の交流電流を挿入しない。
また、図３に示す回路において、電圧信号ＶＬではなく、電流信号ＩＬを制御部４３に入力させることとなる。

低周波点灯を挿入する具体的な手段は、図３に示す回路構成において、フルブリッジ回路２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る。

図６は放電ランプに流れる電流波形であって、図４に示す電流波形とは異なる他の電流波形を示す。
（ａ）は、低周波数の電流波形を半周期を１単位として１単位挿入した場合を示す。この場合、低周波数挿入間隔は、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を半周期の長さと定義して低周波数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、低周波数の電流波形が、半周期より大きく１周期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半周期（１単位）と定義できる。つまり、図においては、期間Ｔｂを１単位と定義して、図では３単位、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、低周波数点灯の挿入に際し、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（何単位挿入したか）が定義される。図では、期間Ｔｃを半周期（１単位）と定義して、低周波数が２単位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、低周波数の挿入状態（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、低周波数を挿入する波の数や挿入間隔を明確にするために定義したものといえる。

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以上であることが特徴といえる。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（突起などがなく）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０．２ｍｇ／ｍｍ^３以上となると、ランプ点灯中における蒸気圧によるアークを絞る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。
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、電極先端には突起が存在することを前提として、不必要な突起が発生、成長することを防止するために、所定の低周波数の点灯を挿入したということが大きな特徴といえる。

スタータ回路３は、抵抗Ｒ１、スイッチ素子Ｑ５、コンデンサＣ２、高電圧トランスＴ２、スイッチ素子Ｑ５の駆動回路Ｇ５より構成される。スタータ回路３の高圧側入力端と低圧側入力端は、放電ランプ１０と並列に接続されているから、放電ランプ１０に印加される電圧と同じ電圧がスタータ回路３にも供給される。この印加電圧を受けてスタータ回路３では、抵抗Ｒ１を介してコンデンサＣ２が充電される。
スイッチ素子Ｑ５はＳＣＲサイリスタなどから構成される。スイッチ素子Ｑ５が駆動回路Ｇ５によって導通すると、コンデンサＣ２の充電電圧が高電圧トランスＴ２の一次巻線に発生して、ニ次巻線に絶縁破壊用トリガ電圧が発生する。

なお、図３では、フルブリッジ回路２は４つのスイッチング素子からなる回路を用いて説明したが、この形態に限定されず、他の回路構成を採用することもできる。特に、スイッチング素子の数は４つでなくても、少なくとも２つのスイッチング素子により、デッドタイムを介在させて交互にオンオフ駆動できれば十分である。

また、降圧チョッパ回路は必須の構成要素ではなく、電流量調整手段として他の回路方式を採用することもできる。
さらに、降圧チョッパ回路に存在するコンデンサＣｘは、点灯始動時と定常点灯時において、容量が変化するような構成を採用することができる。この構成は、例えば、コンデンサを並列に複数個接続して、スイッチ素子により回路構成を切替えることが考えられる。

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 (2)

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から構成される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放電ランプに供給するとともに、
   周波数が定常周波数より低くかつ５〜２００Ｈｚの範囲から選択され、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単位の範囲から選択され、さらに、前記定常周波数に挿入される間隔が０．０１秒〜１２０秒の範囲の中から選択された低周波を、
   前記放電ランプの点灯電圧が、第一の所定値以上であるとき挿入しながら点灯させるとともに、
   前記放電ランプの点灯電圧が、第一の所定値以下に設定した第二の所定値以下であるときは、前記低周波を挿入しないことを特徴とする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から構成される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放電ランプに供給するとともに、
   周波数が定常周波数より低くかつ５〜２００Ｈｚの範囲から選択され、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単位の範囲から選択され、さらに、前記定常周波数に挿入される間隔が０．０１秒〜１２０秒の範囲の中から選択された低周波を、
   前記放電ランプの点灯電流が、
   第一の所定値以下であるとき挿入しながら点灯させるとともに、
   第一の所定値以上に設定した第二の所定値以上であるときは挿入しないことを特徴とする放電ランプ点灯装置。
   

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