(57)【要約】【課題】  点灯始動時にいわゆる特殊アーク放電を経験したとしても、放電ランプが消灯することなく安定に維持できることである。【課題を解決するための手段】  スイッチング素子を含むチョッパー回路と、このチョッパー回路の出力端に接続された少なくとも一つの平滑用コンデンサを含む平滑回路と、チョーパー回路のスイッチング素子を駆動するフィードバック系制御回路を有する。  前記平滑回路の出力側に、第二のスイッチ素子が接続され、この第二のスイッチ素子は、前記制御回路により、点灯始動時はアナログ動作をするとともに、定常点灯時は導通するよう制御される半導体素子であることを特徴とする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング素子を含むチョッパー回路と、このチョッパー回路の出力端に接続された少なくとも一つの平滑用コンデンサを含む平滑回路と、チョーパー回路のスイッチング素子を駆動するフィードバック系制御回路を有する高圧放電ランプ用給電装置において、
前記平滑回路の出力側に、第二のスイッチ素子が接続され、
この第二のスイッチ素子は、前記制御回路により、点灯始動時はアナログ動作をするとともに、定常点灯時は導通するよう制御される半導体素子であることを特徴とする高圧放電ランプ用給電装置。
【請求項２】
スイッチング素子を含むチョッパー回路と、このチョッパー回路の出力端に接続された少なくとも一つの平滑用コンデンサを含む平滑回路と、チョーパー回路のスイッチング素子を駆動するフィードバック系制御回路を有する高圧放電ランプ用給電装置において、
前記スイッチング素子は、前記制御回路により、点灯始動時はアナログ動作をするとともに、定常点灯時はスイッチング動作をするよう制御される半導体素子であることを特徴とする高圧放電ランプ用給電装置。
【請求項３】
前記平滑回路の出力側に、交流電流を生成する極性切替回路が接続されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高圧放電ランプ用給電装置。
【請求項４】
スイッチング素子を含むチョッパー回路と、このチョッパー回路の出力端に接続された少なくとも一つの平滑用コンデンサを含む平滑回路と、この平滑回路の出力端に接続されて交流電流を生成する極性切替回路と、チョーパー回路のスイッチング素子を駆動するフィードバック系制御回路を有する高圧放電ランプ用給電装置において、
前記極性切替回路は、前記制御回路により、点灯始動時はアナログ動作をするとともに、定常点灯時はスイッチング動作をするよう制御される半導体素子を有することを特徴とする高圧放電ランプ用給電装置。
【請求項５】
０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀を封入した高圧放電ランプと、この高圧放電ランプに対する給電装置よりなる光源装置において、
前記給電装置は、請求項１〜請求項４に記載のものであることを特徴とする光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は高圧放電ランプ用給電装置および光源装置に関する。特に、プロジェクター装置の光源として使う高圧放電ランプ用の給電装置およびその光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図４は高圧放電ランプ用給電装置を示す。
給電装置は、スイッチング素子Ｑｘを有するチョッパー回路１と、コイルやコンデンサを含む平滑回路２と、点灯始動用スタータ回路３と、スイッチング素子Ｑｘを駆動する制御回路４より構成される。
制御回路４は、放電ランプ１０の点灯電圧や点灯電流を抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３による検出値をもとに点灯電力に換算して求めて、基準電力値と比較して、スイッチング素子Ｑｘに対しフィードバック制御する。
チョッパー回路１の出力は、平滑回路２において直流出力となって、放電ランプ１０に供給される。
【０００３】
点灯動作を説明すると、まず、スタータ回路３により高電圧パルスを発生させると、放電ランプ１０の電極間に絶縁破壊が発生してグロー放電が生じる。電極が暖まるとグロー放電はやがてアーク放電となり放電ランプの点灯も安定する。
グロー放電は、点灯条件により種々変化するものであり、数マイクロ秒で終わる場合もあれば数十ミリ秒あるいはそれ以上継続する場合もある。
【０００４】
一方、プロジェクター装置の光源に使う放電ランプは、封入水銀量がきわめて大きい。このため、点灯時に気化していた水銀は、消灯時には液体状態（粒状）となって、電極上に多く付着する。金属からなる電極は、放電ランプの消灯によって最も冷えやすい部位となり、水銀が凝縮されやすいからである。
そして、この状態から放電ランプを点灯させると、電極上に付着した水銀がその他の部位に存在する水銀より放電しやすくなり、電極上の水銀によってアーク放電が発生する。このアーク放電は、電極は暖まることで生じるアーク放電とは異なり、一時的に生ずる特殊なアーク放電といえるもので、電極上に付着している水銀が蒸発して枯渇すると消えてしまうという不安定なものである。もちろん、水銀の付着状態によっては、特殊アークが発生しないこともあり、この場合は、前記したようにグロー放電が生じることとなる。つまり、特殊アークは、消灯時における水銀の状態によって、不規則的に発生するものといえる。
【０００５】
ここで、通常の放電ランプであれば、点灯始動（絶縁破壊）後にグロー放電状態を経てアーク放電状態へと移行するわけであるが、封入水銀量の大きい放電ランプにあっては、グロー放電状態において、一時的に上記特殊アークという状態を不規則的に経験する場合があるとわけである。
この特殊アークが生じると、放電ランプを安定に点灯させることができず、点灯初期の段階で消灯（立ち消え）してしまう。
【特許文献１】特許３１８８８７３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
高圧放電ランプ用給電装置であって、点灯始動時にいわゆる特殊アーク放電を経験したとしても、放電ランプが消灯することなく安定に維持できることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る高圧放電ランプ用給電装置は、スイッチング素子を含むチョッパー回路と、このチョッパー回路の出力端に接続された少なくとも一つの平滑用コンデンサを含む平滑回路と、チョーパー回路のスイッチング素子を駆動するフィードバック系制御回路を有する。
そして、第一の発明（請求項１）は、前記平滑回路の出力側に、第二のスイッチ素子が接続され、この第二のスイッチ素子は、前記制御回路により、点灯始動時はアナログ動作をするとともに、定常点灯時は導通するよう制御される半導体素子であることを特徴とする。
【０００８】
また、第二の発明（請求項２）は、前記スイッチング素子が、前記制御回路により、点灯始動時はアナログ動作をするとともに、定常点灯時はスイッチング動作をするよう制御される半導体素子であることを特徴とする。
すなわち、第一の発明が、平滑回路の出力側に別個にスイッチ素子を接続させて、このスイッチ素子に点灯始動時のアナログ動作をさせたのに対し、第二の発明はチョッパー回路のスイッチング素子に同様の機能をさせるものである。
【０００９】
また、第三の発明（請求項４）は、平滑回路の出力端に交流電流を生成する極性切替回路が接続される構成であって、この極性切替回路のスイッチング素子に点灯始動時のアナログ動作をさせる。
【００１０】
また、第一の発明および第二の発明において、平滑回路の出力側に極性切替回路を接続させてもよい。
また、第一〜第三の発明において、０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀を封入した高圧放電ランプと、この高圧放電ランプに対する給電装置よりなる光源装置において、この給電装置は、前記構成を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
以上構成により、放電ランプの点灯始動時において、いわゆる特殊アークが発生したとしても、良好にグロー放電からアーク放電への移行を達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は本発明に係る高圧放電ランプ用給電装置の第一の発明の実施例を示す。
給電装置はチョッパー回路１、平滑回路２、起動器であるスタータ回路３、制御回路４より構成される。給電装置と放電ランプ１０により光源装置が構成される。
チョッパ−回路１は、スイッチング素子Ｑｘと、スイッチング素子Ｑｘを制御する駆動回路Ｇｘと、ダイオードＤｘを有し、直流電源Ｖｄｃからの直流電流を所定のスイッチング周期に対応した電流値に変換する。
平滑回路２は、チョッパ−回路１の出力を平滑するもので、コイルＬｘ、コンデンサＣｘを有する。
スタータ回路３は、イグナイタトランスＴｒを有し、放電ランプ１０の点灯始動時に高電圧パルスを発生する。
【００１３】
制御回路４は、抵抗Ｒ１、Ｒ２からの電圧信号、抵抗Ｒ３からの電流信号を受けて、放電ランプの点灯電力を生成して、所定の基準値と比較して駆動回路Ｇｘに送信する。これにより、放電ランプ１０は一定電力に維持されるフィードバック制御が行われる。
制御回路４には、電流電力演算回路、パルス幅変調回路などが含まれる。
放電ランプ１０は、後述するが、封入水銀量が０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上である。
また、図４と比較して、スイッチング素子Ｑｘがマイナスラインに接続されるが、回路機能上相違するものではない。
【００１４】
次に、放電ランプ１０の点灯開始時の動作について説明する。
まず、スタータ回路３によりトランスＴｒに高電圧パルスを発生させると、放電ランプ１０の電極間がブレークダウンして放電が開始する。放電ランプに絶縁破壊が生じると、チョッパー回路１から電流が供給される。高電圧パルスは数値例をあげると数ＫＶ〜数十ＫＶ程度である。
【００１５】
平滑回路２の出力端には、半導体素子からなるスイッチ素子ＳＷが接続される。このスイッチ素子ＳＷは、例えば、ＦＥＴからなる半導体素子であり、点灯始動時はアナログ動作をする。
【００１６】
スイッチ素子ＳＷを始動時にアナログ動作させる理由は、以下のとおりである。
すなわち、絶縁破壊後の放電ランプはグロー放電状態であるが、前記のごとく、一時的に特殊アークを生ずることがある。
グロー放電のときはランプ電圧は高いが、アーク放電のときはランプ電圧は低くなり、一時的に、特殊アークが生じて再びグロー放電に戻ると、ランプ電圧は低い状態から高い状態へ変化することとなる。
この変化は、きわめて短い時間に発生することから、制御回路４を介したフィードバック系制御では追随することが難しい。従来の放電ランプは、この追随の遅れが原因となって、放電ランプが立ち消えとなっていたわけである。
この現象を定量的に一例を示すと、定常点灯時にフィードバック系制御で反応できる時間は、せいぜい２００μ秒程度であり、一方、特殊アークに起因する立ち消えを防止するためには、少なくとも１００μ秒以内における追随反応が必要となる。
【００１７】
ここで、スイッチ素子ＳＷをアナログ動作することで迅速な追随反応を達成するためには、平滑コンデンサＣｘに所定電圧以上の充電が行われていなければならない。コンデンサＣｘの放電こそがランプ電圧の急激な変化に対して迅速に対応できるからである。コンデンサの容量について、一例を挙げると、出力電力が120W程度でスイッチング周波数が100KHz付近の場合、概ね0.5μＦ程度である。
【００１８】
本願発明は、このような特殊アークに起因する立ち消えを防止するために、点灯始動時にスイッチＳＷをアナログ制御することに特徴を有する。
スイッチＳＷがＦＥＴの場合は、ゲートに印加する電圧を除々に上げるとデバイス固有のゲート電圧−ドレイン電流特性に基づきドレイン電流が除々に増加するという動作をする。バイポーラトランジスタの場合はベース電流とコレクタ電流との間で同様な動作をする。
ここで、アナログ動作とは、ゲート（ゲート・ソース間）に所定電圧を印加させて等価的に抵抗動作させることであり、スイッチ素子が等価的に抵抗状態となる。ゲートに印加する電圧を除々に上げるとデバイス固有にゲート電圧−ドレイン電流特性に基づきドレイン電流が除々に増加するという動作を利用し、ゲートに所定の電圧を印可し所定のドレイン電流にし、概ね抵抗的な動作をさせる。スイッチング動作がゲート印加用電圧として所望するドレイン電流に対して充分以上のゲート電圧を用意しておき、このゲート電圧を印加する時間と、印加しない時間を交互に切り替えてドレイン電流を断続的に流し、すなわち、等価的にスイッチ素子をして機能させることと異なる。
【００１９】
図６は、スイッチ素子ＳＷのアナログ動作を説明するための図を示し、スイッチ素子としてＭＯＳＦＥＴを使った場合のドレイン電流とゲート・ソース間電圧の特性を示す。
図より、ゲート・ソース間電圧VGSがある一定以下の電圧ではドレイン電流が流れないことを示し、ゲート・ソース間電圧VGSの値の取り方によって、ドレイン電流が制御可能なことを示している。
また、ゲート・ソース間電圧VGSを徐々に上げて行くと、ドレイン電流も徐々に増加するし、図の例では、ゲート・ソース間電圧VGSを4.2Vにすれば、ドレイン電流は約1A流れることを示している。
ちなみに、このＭＯＳＦＥＴにおいて、ゲート・ソース間電圧VGSに、例えば0Vと、例えば6Vを交互に印加すると、ドレイン電流は断続的に流れるスイッチング動作となる。
【００２０】
スイッチＳＷをアナログ動作させるタイミングは、スタータ回路３を起動させる前であってもよいし、スタータ回路３を起動させた直後であってもかまわない。ようは、特殊アークが生じるだろうタイミングでアナログ動作できていればよい。
また、スイッチＳＷは、ＦＥＴのほかに、バイポールトランジスタなどが適用できる。
【００２１】
放電ランプ１０が、アーク放電に移行した後、すなわち、定常点灯後は、スイッチ素子ＳＷを常時オン状態（導通）となる。このタイミングは、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２により、ランプ電圧を検出する方法や、あるいはスタータ回路３の起動時からタイマーにより設定することが考えられる。
【００２２】
ここで、特殊アークについて説明しておく。
前記したように、封入水銀量が０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上という放電ランプにあっては、点灯始動させる際に電極に水銀が付着していることが多い。そして、この水銀を起点として放電が発生したならば、その瞬間はグロー放電というよりはアーク放電（これを便宜上、「特殊アーク」と称している）に近い状態となる。
しかも、電極に付着している水銀が、特殊アークの起点となった場合は、比較的短時間で水銀は蒸発してしまう。この際、次の放電アークが別の水銀（電極の他の部位に付着している水銀）から生じるか、あるいは陰極からの放電にうまく遷移してくれれば放電を維持することが可能となるが、いずれからも良好に継続できない場合は、放電ランプは立ち消えとなる。
【００２３】
また、放電ランプの種類にもよるが、グロー放電では電極間電圧が１００〜２００Ｖとなるのに対し、始動初期におけるアーク放電では電極間電圧は概ね１０Ｖというレベルになる。
従って、グロー放電から特殊アーク、あるいは特殊アークからグロー放電に変化する場合、電極間電圧はケタ違いに変化している。
【００２４】
図２は交流点灯型放電ランプの点灯装置であって図１の変形例を示す。図２は平滑回路２と放電ランプ１０の間にフルブリッジ回路５を有する以外は、図１に示す回路と基本的には同一である。
フルブリッジ回路５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。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の切替により交流矩形波電流を放電ランプ１０に対して供給できる。
具体的には、点灯始動時はスイッチング素子Ｑ１、Ｑ４のペアと、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３のペアを交互にオンにして、スイッチング素子Ｑ１→トランスＴｒ１→放電ランプ１０→スイッチング素子Ｑ４→スイッチ素子ＳＷの経路で流れる電流と、スイッチング素子Ｑ３→放電ランプ１０→トランスＴｒ１→スイッチング素子Ｑ２→スイッチ素子ＳＷの経路で流れる電流を交互に生成する。放電ランプ安定時にはスイッチング素子Ｑ１、Ｑ４のペアと、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３のペアを交互にオンにして、スイッチング素子Ｑ１→トランスＴｒ１→放電ランプ１０→スイッチング素子Ｑ４→スイッチ素子ＳＷの経路で流れる電流と、スイッチング素子Ｑ３→放電ランプ１０→トランスＴｒ１→スイッチング素子Ｑ２→スイッチ素子ＳＷの経路で流れる電流を交互に生成する。
平滑回路２とフルブリッジ回路５の間には、スイッチ素子ＳＷが接続される。このスイッチ素子ＳＷは、図１に示すスイッチ素子と同じであり、点灯始動時はアナログ動作するとともに、定常点灯時は導通するように制御される。
【００２５】
図３は放電ランプの全体構成を示す。
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、この発光部１１には、一対の電極２０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２０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。
【００２６】
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４００〜７００ｎｍという放射光を得るためのもので、０．１５ｍｇ／ｍｍ３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。
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、１０−６〜１０−２μｍｏｌ／ｍｍ３の範囲から選択される。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。
なお、直流点灯用の放電ランプの場合は、電極２０は陰極と陽極で異なる形状、体積のものとなる。
【００２７】
放電ランプの数値例を示すと、例えば、発光部の最大外径９．４ｍｍ、電極間距離１．０ｍｍ、発光管内容積８５ｍｍ３、定格電圧７５Ｖ、定格電力１２０Ｗ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／ｍｍ2、具体的には１．３Ｗ／ｍｍ2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。
【００２８】
図５は、図１および図２における制御回路４の内部構造を示す。
電流信号、電圧信号が入力される電流電力演算回路と、スイッチング素子Ｑｘを駆動させるパルス幅制御回路からなるフィードバック系とは、別に、スイッチ素子ＳＷを駆動する回路部を有し、バイアス１発生回路とバイアス２発生回路を有する。バイアス１発生回路は点灯始動時にスイッチ素子ＳＷをアナログ動作させるときの信号を発するものであり、バイアス２発生回路は定常点灯時に完全導通させるためのものである。スイッチ素子ＳＷには、信号切替回路により選択された信号が入力される。
なお、図２は図５に示される制御回路４以外にフルブリッジ回路５を駆動する回路が付加されることは言うまでもない。
【００２９】
図７は、図１、図２におけるスイッチング素子ＳＷの動作とランプ電流の時間変化を示す。（ａ）の縦軸はスイッチング素子ＳＷのソース・ドレイン間の等価抵抗値、横軸は時間を示し、スイッチング素子ＳＷの動作を表す。（ｂ）の縦軸はランプ電流、横軸は時間を示し、ランプ電流の時間変化を示す。
スイッチング素子ＳＷについて、期間Ｔ１は点灯始動時でありスイッチング素子ＳＷがアナログ動作する期間を示し、期間Ｔ２は定常点灯でありスイッチング素子ＳＷが閉動作をする期間を示す。スイッチング素子ＳＷが閉動作する期間において、ランプ電流が変化するのは、定電流制御から定電力制御への変化を表している。
【００３０】
ここで、スイッチ素子ＳＷは、図１、図２に示すように、独立して接続する構成でもよいが、図４に示す回路において、チョッパー回路１のスイッチング素子Ｑｘで兼用できる。
この場合、スイッチング素子Ｑｘは、制御回路４により、点灯始動時はアナログ動作するとともに、定常点灯時はスイッチング動作（チョッパー）することとなる。アナログ動作やタイミングなどは、すべて図1で説明した内容と同じである。
【００３１】
さらに、図２に示す極性切替回路を有する構成においてもスイッチ素子ＳＷを設けないで、チョッパー回路のスイッチング素子Ｑｘをアナログ動作させることもできる。
この場合の利点は、比較して高価なスイッチ素子の追加の必要が無くコスト・効率・実装スペースに有利である。
【００３２】
図８は、請求項２（図４に相当）におけるスイッチング素子Ｑｘの動作とランプ電流の時間変化を示す。（ａ）の縦軸はスイッチング素子Ｑｘのソース・ドレイン電流、横軸は時間を示し、スイッチング素子Ｑｘの動作を表す。（ｂ）の縦軸はランプ電流、横軸は時間を示し、ランプ電流の時間変化を示す。
スイッチング素子Ｑｘについて、期間Ｔ１は点灯始動時でありスイッチング素子Ｑｘがアナログ動作する期間を示し、期間Ｔ２は定常点灯でありスイッチング素子Ｑｘがスイッチング動作する期間を示す。スイッチング素子Ｑｘがスイッチング動作する期間において、ランプ電流が変化するのは、定電流制御から定電力制御への変化を表している。
【００３３】
また、スイッチ素子は、極性切替回路のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のうち、いずれかのスイッチング素子で兼用することもできる。
この場合、当該スイッチング素子は、制御回路４により、点灯始動時はアナログ動作するとともに、定常点灯時はスイッチング動作することとなる。アナログ動作やタイミングなどは、すべて図1で説明した内容と同じである。
アナログ動作スイッチング素子Ｑｘをアナログ動作させることの特有の利点は、スイッチ素子ＳＷを別個に接続することがないため回路構成が簡略することはもちろん、定常点灯時はスイッチ素子ＳＷを常時導通することによる熱的問題や素子損耗の問題がなくなる。
【００３４】
以上説明したように、本発明に係る高圧放電ランプ用給電装置は、点灯始動時にいずれかのスイッチ素子をアナログ動作させて等価的に抵抗動作させるため、いわゆる特殊アークが発生したとしても、良好にグロー放電からアーク放電への移行を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の高圧放電ランプ点灯装置を示す。
【図２】本発明の高圧放電ランプ点灯装置を示す。
【図３】本発明の高圧放電ランプ点灯装置に使う放電ランプを示す。
【図４】高圧放電ランプ点灯装置を示す。
【図５】本発明の高圧放電ランプ点灯装置の制御回路を示す。
【図６】ＭＯＳＦＥＴの特性の一例を示す。
【図７】本発明の説明用タイミングチャートを示す。
【図８】本発明の説明用タイミングチャートを示す。
【符号の説明】
【００３６】
１  チョッパー回路
２  平滑回路
３  スタータ回路
４  フルブリッジ回路
１０  放電ランプ
２０  電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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