JP5756223B1

JP5756223B1 - 高圧放電ランプの点灯装置、および高圧放電ランプの点灯方法

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Publication number: JP5756223B1
Application number: JP2014251132A
Authority: JP
Inventors: 哲也郷田; 真一牛島
Original assignee: Phoenix Electric Co Ltd
Current assignee: Phoenix Electric Co Ltd
Priority date: 2014-12-11
Filing date: 2014-12-11
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2034-12-11
Also published as: CN105188242A; JP2016115440A; US20160174348A1

Abstract

【課題】長期間にわたって適切な電極間距離を維持することができる高圧放電ランプの点灯装置を提供する。【解決手段】一対の電極２０を有する高圧放電ランプ１０を点灯させる交流電流を供給する高圧放電ランプ１０の点灯装置１００を用いて、高圧放電ランプ１０の電極間電圧Ｖが所定の電極間電圧下限値Ｖ1に到達したとき、高圧放電ランプ１０に供給する電力Ｗを増加させることにより、上記課題を解決できる。【選択図】図５

Description

本発明は、電極間距離をほぼ一定に保った状態で高圧放電ランプの点灯を維持することを目的とする、当該高圧放電ランプの点灯装置、および高圧放電ランプの点灯方法に関する。

高圧放電ランプは、１個のランプから得られる光量が非常に多いといった特性を有しており、プロジェクター等に広く用いられている。高圧放電ランプは、石英ガラス製の発光管部の内部空間に一対のタングステン製の電極が配設されているとともに、当該内部空間に水銀が封入されており、電極間に電圧を加えてアーク放電を生じさせることにより、蒸発した水銀が励起されて光を発するようになっている。

高圧放電ランプの点灯は、原則的に、定電力制御で維持される。高圧放電ランプに印加される電圧の値は主に電極間距離に応じて決まることから、高圧放電ランプに供給される電流の値は当該電極間距離で決まった電圧の値に応じて決まることになる。このような電流の値はバラスト（電源安定供給装置）が決定し、当該バラストから必要な電流が高圧放電ランプに供給される。

ところで、定電力で高圧放電ランプの点灯を維持していると、高圧放電ランプの電極は設定した電力に応じた温度となる。電極温度が比較的低い場合は、電極の表面にタングステンが堆積して電極間距離が短くなっていき、逆に、電極温度が比較的高い場合は電極が減肉して電極間距離が長くなっていく傾向にある。

電極間距離が短くなっていった場合、高圧放電ランプの電圧（電極間電圧）の値は小さくなっていくことから、バラストから当該高圧放電ランプに供給すべき電流の値は大きくなっていく。このため、電極間距離が短くなり電極間電圧の値が過度に小さくなりすぎると、供給すべき電流の値が高くなってバラストへの負担が大きくなる。バラストへの負担が大きくなると、バラストの温度上昇が大きくなるおそれがある。

このような問題に対応するため、例えば特許文献１では、高圧放電ランプに印加する電圧又は交流電流の周波数を適宜選択して所望の形状の電極を得る技術が開示されている。

特開２００２−１５８８３号公報

しかしながら、高圧放電ランプに印加する電圧や交流電流の周波数を適宜選択するだけでは、長期間、適切な電極間距離を維持するのが困難であった。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みて開発されたものである。それゆえに本発明の主たる課題は、長期間にわたって適切な電極間距離を維持することができる高圧放電ランプの点灯装置、および高圧放電ランプの点灯方法を提供することにある。

本発明の一局面によれば、
一対の電極を有する高圧放電ランプを点灯させる交流電流を供給する、高圧放電ランプの点灯装置であって、
高圧放電ランプの電極間電圧が所定の電極間電圧下限値に到達したとき、高圧放電ランプに供給する電力を増加させるとともに、交流電流の周波数を低減させる点灯装置が提供される。

また、本発明の他の局面によれば、
一対の電極を有する高圧放電ランプを点灯させる交流電流を供給する、高圧放電ランプの点灯装置であって、
高圧放電ランプの電極間電圧が所定の電極間電圧下限値に到達したとき、高圧放電ランプに供給する電力を増加させ、電力を増加させて所定の時間が経過した後、交流電流の周波数を低減させる点灯装置が提供される。

また、通常点灯時には、ベース部と、これに重畳する複数のパルス部とを有する波形の交流電流を供給し、電力を増加させる際には、矩形状の波形の交流電流を供給するのが好ましい。

また、通常点灯時には、各半周期内で極性が複数回切り替わる波形の交流電流を供給し、電力を増加させる際には、矩形状の波形の交流電流を供給するのが好ましい。
さらに、複数のパルス部として、第1のパルス部と、第２のパルス部と、第３のパルス部とを設け、第１のパルス部は、各半周期の最初に位置しており、第３のパルス部は、各半周期の最後に位置しており、第２のパルス部は、第１のパルス部および第３のパルス部の間に位置しており、第１のパルス部の電流値は、第２のパルス部および第３のパルス部の電流値と比較して小さく設定するのが好ましい。

また、本発明の他の局面によれば、
一対の電極を有する高圧放電ランプに交流電流を供給して点灯させる点灯方法であって、
高圧放電ランプの電極間電圧が所定の電極間電圧下限値に到達したとき、高圧放電ランプに供給する電力を増加させるとともに、交流電流の周波数を低減させる点灯方法が提供される。

本発明によれば、高圧放電ランプの電極間電圧が所定の値よりも小さくなったとき、すなわち、電極間距離が所定の長さよりも短くなったときに、当該高圧放電ランプに供給する電力の値を増加させるようになっている。電力の値を増加させることにより、高圧放電ランプ内の電極温度が上昇し、電極先端が溶解する。これにより、電極間距離が再び長くなり、電極間電圧も所定の値に戻る。以上のことから、長期間にわたって適切な電極間距離を維持することができる。

一般的な高圧放電ランプの例を説明するための図である。本実施例にかかる点灯装置の一例を説明するための図である。第１実施例にかかる通常電流波形の一例を示す図である。高圧放電ランプの電極間電圧値の動きの一例を示す図である。第１実施例にかかる電圧低下時電流波形の一例を示す図である。第１実施例にかかる電圧低下時電流波形の他の例を示す図である。第１実施例にかかる電圧低下時電流波形の他の例を示す図である。第２実施例にかかる通常電流波形の一例を示す図である。第２実施例にかかる電圧低下時電流波形の一例を示す図である。第２実施例にかかる電圧低下時電流波形の他の例を示す図である。周波数を低減させた場合における電流波形の例を示す図である。

以下、本発明が適用された高圧放電ランプ１０、および、この高圧放電ランプ１０を点灯させる点灯装置１００の実施例について説明する。

（高圧放電ランプ１０の説明）
最初に、高圧放電ランプ１０について説明する。高圧放電ランプ１０は、図１に示すように、石英ガラスで一体的に形成された発光管部１２と当該発光管部１２から延出する一対の封止部１４とを有しており、発光管部１２内には封止部１４によって密閉された内部空間１６が形成されている。また、各封止部１４内にはモリブデン製の箔１８が埋設されている。

さらに、一端が箔１８の一方端部に接続されているとともに他端が内部空間１６内に配置されたタングステン製の一対の電極２０と、一端が箔１８の他方端部に接続されているとともに他端が封止部１４から外部へ延出する一対のリード棒２２とがそれぞれ設けられている。また、内部空間１６には、所定量の水銀２４およびハロゲン（例えば臭素）が封入されている。

高圧放電ランプ１０に設けられた一対のリード棒２２に所定の高電圧を印加すると、発光管部１２の内部空間１６に設けられた一対の電極２０間で開始したグロー放電がアーク放電に移行し、このアークによって蒸発/励起された水銀２４によって光が放射される。

点灯装置１００は、図２に示すように、大略、電力供給回路１０２と、点灯状態送信手段１０４とで構成されている。

電力供給回路１０２は、電源１０６から受けた電気を高圧放電ランプ１０の点灯に適した交流の電圧および電流に変換した上で、一対のリード線１０８を介して当該高圧放電ランプ１０に供給するための回路である。この電力供給回路１０２による高圧放電ランプ１０の点灯方法については、後に詳述する。

点灯状態送信手段１０４は、電力供給回路１０２による高圧放電ランプ１０の点灯状態をリアルタイムに確認し、その結果を電力供給回路１０２へ戻す役割を有している。本実施例において、この点灯状態送信手段１０４は、大略、一対のリード線１０８間に設けられた電圧計１１０と、いずれか一方のリード線１０８に設けられた電流計１１２と、電圧計１１０で測定された電圧値Ｖ、および電流計１１２で測定された電流値Ａを受けた後、これらの値を電力供給回路１０２へ送る送信回路１１４とで構成されている。なお、送信回路１１４と電圧計１１０との間は、電圧値送信線１１６で連絡されており、送信回路１１４と電流計１１２との間は、電流値送信線１１８で連絡されており、さらに、送信回路１１４と電力供給回路１０２との間は、送信線１２０で連絡されている。

（電流波形の第１実施例について）
次に、上述した点灯装置１００から高圧放電ランプ１０に供給される交流電流について説明する。高圧放電ランプ１０に供給される電流波形の第１実施例（通常電流波形Ｎ）は、図３に示すように、その半周期Ｈにおいて、ベース部２００と、当該ベース部２００に重畳された複数のパルス部２０２，２０４，２０６とを有している。なお、通常電流波形Ｎによる通常点灯時の点灯電力は１２０Ｗから４００Ｗ、点灯周波数は６０Ｈｚから２４０Ｈｚである。ここで点灯電力を１２０Ｗから４００Ｗとした理由は、現在のプロジェクターにおいて高圧放電ランプ１０に要求される明るさを考慮した場合、高圧放電ランプ１０の電力は、およそ１２０Ｗから４００Ｗの範囲になるためである。またプロジェクターの映像信号周波数とランプ点灯周波数の同期の関係から、ランプの点灯周波数は６０Ｈｚから２４０Ｈｚの範囲としている。

本実施例にかかる通常電流波形Ｎでは、１つの半周期Ｈにおいて３つのパルス部２０２，２０４，２０６が重畳されている。第１のパルス部２０２は、半周期Ｈの最初に位置している。また、第３のパルス部２０６は、半周期Ｈの最後に位置している。さらに、第２のパルス部２０４は、第１のパルス部２０２と第３のパルス部２０６との間に位置している。また、第２のパルス部２０４と第３のパルス部２０６とは、それぞれほぼ同じ電流値Ａおよび継続時間Ｔを有している。さらに、第１のパルス部２０２は、第２のパルス部２０４および第３のパルス部２０６と比較して、電流値Ａが小さく、かつ、継続時間Ｔが短く設定されている。なお、図３におけるＡ₁は、半周期Ｈにおける電流値Ａの平均値を示している。また、半周期Ｈにおいて重畳されるパルス部の数、継続時間Ｔおよび位置等は本実施例に限定されるものではない。

また、図示した半周期Ｈに続く次の半周期は、電流値Ａがゼロの線を中心として極性が反転した電流波形となっている。このように、第１実施例にかかる通常電流波形Ｎは、半周期毎に極性が反転した電流波形となっている。

本実施例の通常電流波形Ｎのように、ベース部２００の半周期Ｈにおける前半に１本のパルス部２０２を重畳し、さらに、当該半周期Ｈの後半に２本のパルス部２０４，２０６を重畳することにより、使用開始当初における電極間距離の変動を小さくして照度維持率の大幅な低下を避けることができる。

本実施例の通常電流波形Ｎを用いて高圧放電ランプ１０を連続して点灯させたとき、当該高圧放電ランプ１０の電極間距離Ｄが短くなっていき、高圧放電ランプ１０の電極間電圧Ｖが図４（ａ）のＸ部に示すように低下していく。そして、当該電極間電圧Ｖが予め設定した電極間電圧下限値Ｖ₁に到達したことが点灯状態送信手段１０４の電圧計１１０から電圧値送信線１１６、送信回路１１４、および送信線１２０を介して電力供給回路１０２に伝達されたとき、電力供給回路１０２は高圧放電ランプ１０に供給する電力Ｗ（電力値）を増加させる。すなわち、図５に示すように、電力供給回路１０２は、高圧放電ランプ１０に供給する電流波形（電圧低下時電流波形Ｓ）を、通常の平均電流値Ａ₁よりも高い電流値Ａ₂を有し、かつ、半周期Ｈの間、ほぼ一定の電流値Ａ₂である矩形状にする。

このように高圧放電ランプ１０に供給する電力Ｗを増加させることにより、当該高圧放電ランプ１０の電極２０の温度が上昇し、当該電極２０の先端が溶解する。これにより、電極間距離Ｄが再び長くなり、図４（ａ）のＹ部に示すように、電極間電圧Ｖも所定の値に戻る。

高圧放電ランプ１０に供給する電力Ｗを増加させてから所定の時間が経過すると、電力供給回路１０２は高圧放電ランプ１０に供給する電流波形を通常電流波形Ｎに戻す。すると、再び、時間と共に緩やかに電極間距離Ｄは短くなっていき、電極間電圧Ｖが低下していく（図４（ａ）のＺ部）。以後、同様の動作が繰り返される。電流波形を電圧低下時電流波形Ｓから通常電流波形Ｎに戻すのは、上述のように所定の時間が経過してからでもよいし、図４（ｂ）に示すように、予め設定した電極間電圧上限値Ｖ₂に到達したときに、電圧低下時電流波形Ｓから通常電流波形Ｎに戻してもよい。

（第１実施例にかかる電流波形の変形例）
第１実施例の電流波形Ｎにおいて、高圧放電ランプ１０に供給する電力Ｗを増加させたときの電流波形Ｓは、上記のものに限定されず、例えば、図６に示すように、ベース部２００と、パルス部２０２，２０４，２０６との比率は変化させないままで、各部２００，２０２，２０４，２０６の電流値Ａを大きくすることが考えられる。あるいは、図７に示すように、パルス部２０２，２０４，２０６の高さ（ピーク電流値Ａ）は変化させることなく、ベース部２００の電流値Ａを大きくしてもよい。この場合、各パルス部２０２，２０４，２０６間の電流値Ａが増加することにより、半周期Ｈ全体としての電力Ｗが増加（平均電流値Ａ₂が増加）する。

（電流波形の第２実施例について）
高圧放電ランプ１０に供給される通常電流波形Ｎの第２実施例は、図８に示すように、各半周期Ｈ内で極性が複数回切り替わるようになっている。つまり、電流波形の第２実施例は、各半周期Ｈにおいて、電流値Ａがプラス側にあるプラス区間２１０と、電流値Ａがマイナス側にあるマイナス区間２１２とをそれぞれ複数有している。なお、図示した半周期Ｈに続く次の半周期Ｈは、電流値Ａがゼロの線を中心としてプラス区間２１０とマイナス区間２１２とが反転した電流波形となっている。また、図８におけるＡ₁は、半周期Ｈにおけるプラス区間２１０の電流値Ａの平均値を示しており、Ａ₂は、半周期Ｈにおけるマイナス区間２１２の電流値Ａの平均値を示している。このように、第２実施例の電流波形Ｎは、上述のようにプラス区間２１０とマイナス区間２１２とを有していることから、プラス領域およびマイナス領域にそれぞれ平均電流値Ａ₁およびＡ₂が存在する。

第２実施例のような電流波形Ｎを用いることにより、例えば、ＤＬＰ(Digital Light Processing)を利用した映像表示システムに適した高圧放電ランプ１０の点灯を行うことができる。ＤＬＰには、例えば、赤、青、緑の領域に分けられ、高速で回転するカラーホイールが使用される。第２実施例にかかる電流波形Ｎのプラス区間２１０やマイナス区間２１２を当該カラーホイールの各色領域に対応させることにより、所望の色を投影することができる。

本実施例の通常電流波形Ｎを用いて高圧放電ランプ１０を連続して点灯させたとき、当該高圧放電ランプ１０の電極間距離Ｄが短くなっていき、高圧放電ランプ１０の電極間電圧Ｖが図４（ａ）のＸ部に示すように低下していく。そして、当該電極間電圧Ｖが予め設定した電極間電圧下限値Ｖ₁に到達したことが点灯状態送信手段１０４の電圧計１１０から電圧値送信線１１６、送信回路１１４、および送信線１２０を介して電力供給回路１０２に伝達されたとき、電力供給回路１０２は高圧放電ランプ１０に供給する電力Ｗを増加させる。すなわち、図９に示すように、電力供給回路１０２は、高圧放電ランプ１０に供給する電流波形（電圧低下時電流波形Ｓ）を、平均電流値Ａ₁およびＡ₂よりも高い電流値Ａ₃を有し、かつ、半周期Ｈの間、ほぼ一定の電流値Ａ₃である矩形状にする。つまり、半周期Ｈの期間内における極性の切り替わりがなくなる。

このように高圧放電ランプ１０に供給する電力Ｗを増加させることにより、当該高圧放電ランプ１０の電極２０の温度が上昇して、当該電極２０の先端が溶解する。これにより、電極間距離Ｄが再び長くなり、図４（ａ）のＹ部に示すように、電極間電圧Ｖも所定の値に戻る。

（第２実施例にかかる電流波形の変形例）
第２実施例の電流波形Ｎにおいて、高圧放電ランプ１０に供給する電力Ｗを増加させたときの電流波形Ｓは、上記のものに限定されず、例えば、図１０に示すように、各プラス区間２１０およびマイナス区間２１２における電流値Ａの絶対値を大きくしてもよい。これにより、半周期Ｈ全体として高圧放電ランプ１０に供給する電力Ｗが増加する。

（周波数の低減）
上述した実施例（第１実施例および第２実施例）では、高圧放電ランプ１０の電極間距離Ｄが短くなっていき、電極間電圧Ｖが予め設定した電極間電圧下限値Ｖ₁に到達したときに当該高圧放電ランプ１０に供給する電力Ｗを増加させるようにしているが、これに加えて、電流波形の周波数を低減してもよい。本実施例では、上述のように、電圧低下時電流波形Ｓを、半周期の間ほぼ一定の電流値Ａ₂，Ａ₃である矩形状にしているので、周波数を低減したとしても高圧放電ランプ１０からの光がチラついて見えるのを回避することができる。仮に、ベース部２００にパルス部２０２，２０４，２０６を重畳させる第１実施例の通常電流波形Ｎや、各半周期Ｈ内で極性が複数回切り替わる第２実施例の通常電流波形Ｎの周波数を低減すると、高圧放電ランプ１０からの光がチラついて見えるおそれがある。

第１実施例にかかる電流波形Ｎを用いて具体的に説明すると、図１１に示すように、高圧放電ランプ１０に供給する電流波形Ｓを通常の平均電流値Ａ₁よりも高い値Ａ₂の矩形状（図１１（ａ））に変化させてから所定の時間（例えば、０．５秒）が経過した後、矩形状の電流波形のままで周波数を（例えば、２０Ｈｚまで）低減する（図１１（ｂ））。なお、所定の時間については、点灯装置１００の電力変化への応答性を考慮し、確実に変化が完了する時間をもって決定するのが望ましい。

周波数の低減は、上述したように、高圧放電ランプ１０に供給する電力Ｗを増加させてから所定の時間が経過した後に開始してもよいし、電力Ｗを増加させるのと同時に開始してもよい。また、周波数の低減は、予め設定した時間（例えば、１〜５秒間）だけ行うことにしてもよいし、上述のように、電極間電圧Ｖが所定の電極間電圧上限値Ｖ₂に到達するまで継続してもよい。

第２実施例にかかる電流波形Ｎを用いる場合もこれと同様であり、高圧放電ランプ１０に供給する電流波形を通常の平均電流値Ａ₁やＡ₂よりも高い値Ａ₃の矩形状に変化させてから所定の時間（例えば、０．５秒）が経過した後、矩形状の電流波形のままで周波数を（例えば、２０Ｈｚまで）低減する。なお、周波数の低減は、高圧放電ランプ１０に供給する電力Ｗを増加させてから所定の時間が経過した後に開始してもよいし、電力Ｗを増加させるのと同時に開始してもよい。また、周波数の低減は、予め設定した時間（例えば、１〜５秒間）だけ行うことにしてもよいし、上述のように、電極間電圧Ｖが所定の電極間電圧上限値Ｖ₂に到達するまで継続してもよい。

このように高圧放電ランプ１０に供給する電力Ｗを増加させるだけでなく、矩形状の電流波形の周波数も低減することにより、さらに早く電極間距離Ｄを長くすることができ、電圧低下時電流波形Ｓから通常電流波形Ｎに素早く戻すことができる。

なお、電極間電圧下限値Ｖ₁は、下記の式によって定めるのが好適である。
電極間電圧下限値Ｖ₁ ≧ 定格電力値 ÷ 設計電流値 × ０．８
ここで、定格電力値とは、通常点灯モードでの電力値である。高圧放電ランプ１０が用いられるプロジェクター等の機器には、一般に、「通常点灯モード」と、これよりも低い電力で高圧放電ランプ１０を点灯させる「省電力モード」とを備えている。
また、設計電流値とは、定格電力値で点灯した時の平均電流値である。

また、電力Ｗを増加させる際の電力増加率は、下記の式によって定めるのが好適である。
電力増加率＝１．３６ × （点灯電力値/定格電力値）² − ２．６７ × （点灯電力値/定格電力値）＋２．３１
ここで、点灯電力値とは、電力Ｗを増加させる直前の点灯中の電力値である。
上式の電力増加率より大きくなると電極２０が溶解する速度が速くなりすぎて上昇後の電極間電圧Ｖが大きくばらつく。逆に小さくなると電極２０が溶解する速度が遅く効果が得られにくい。

また、交流電流の周波数を低減させる際の低減率は、下記の式によって定めるのが好適である。
周波数低減率＝（点灯電力値/定格電力値） × ３０
上式によると、点灯電力値が低いほど低減後の周波数は低くなり、電力Ｗが低くても電極２０を溶解させる効果は失われない。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０…高圧放電ランプ、１２…発光管部、１４…封止部、１６…内部空間、１８…箔、２０…電極、２２…リード棒、２４…水銀、１００…点灯装置、１０２…電力供給回路、１０４…点灯状態送信手段、１０６…電源、１０８…リード線、１１０…電圧計、１１２…電流計、１１４…送信回路、１１６…電圧値送信線、１１８…電流値送信線、１２０…送信線、２００…ベース部、２０２，２０４，２０６…パルス部、２１０…プラス区間、２１２…マイナス区間、Ｈ…半周期、Ｎ…通常電流波形、Ｄ…（高圧放電ランプの）電極間距離、Ｖ₁…電極間電圧下限値、Ｗ…電力、Ａ₁…通常平均電流値、Ｓ…電圧低下時電流波形、Ｔ…継続時間

Claims

一対の電極を有する高圧放電ランプを点灯させる交流電流を供給する、高圧放電ランプの点灯装置であって、
前記高圧放電ランプの電極間電圧が所定の電極間電圧下限値に到達したとき、前記高圧放電ランプに供給する電力を増加させるとともに、前記交流電流の周波数を低減させる点灯装置。
一対の電極を有する高圧放電ランプを点灯させる交流電流を供給する、高圧放電ランプの点灯装置であって、
前記高圧放電ランプの電極間電圧が所定の電極間電圧下限値に到達したとき、前記高圧放電ランプに供給する電力を増加させ、
前記電力を増加させて所定の時間が経過した後、前記交流電流の周波数を低減させる点灯装置。
通常点灯時には、ベース部と、これに重畳する複数のパルス部とを有する波形の前記交流電流を供給し、
前記電力を増加させる際には、矩形状の波形の交流電流を供給する請求項１または２に記載の点灯装置。
通常点灯時には、各半周期内で極性が複数回切り替わる波形の前記交流電流を供給し、
前記電力を増加させる際には、矩形状の波形の交流電流を供給する請求項１または２に記載の点灯装置。
前記複数のパルス部として、第1のパルス部と、第２のパルス部と、第３のパルス部とを有しており、
前記第１のパルス部は、各半周期の最初に位置しており、
前記第３のパルス部は、各半周期の最後に位置しており、
前記第２のパルス部は、前記第１のパルス部および前記第３のパルス部の間に位置しており、
前記第１のパルス部の電流値は、前記第２のパルス部および前記第３のパルス部の電流値と比較して小さく設定されている、請求項３に記載の点灯装置。
一対の電極を有する高圧放電ランプに交流電流を供給して点灯させる点灯方法であって、
前記高圧放電ランプの電極間電圧が所定の電極間電圧下限値に到達したとき、前記高圧放電ランプに供給する電力を増加させるとともに、前記交流電流の周波数を低減させる点灯方法。