(57)【要約】【課題】  交流点灯方式の高圧放電ランプ点灯装置において、陰極動作時の電極温度低下に起因するスクリーン照度のちらつきを抑える構造を提供すること。【解決手段】発光管１０に０．１６ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀と、希ガスと、１×１０−６〜１×１０−２μｍｏｌ／ｍｍ３の範囲でハロゲンを封入した高圧放電ランプ１と、この放電ランプに対して直流電流を供給して点灯させる給電装置Ｅｘから構成される。給電装置Ｅｘは、周波数が６０Hz〜１０００Hzの交流矩形波電流に周波数が１２０Hz〜５０００Hzの交流成分を重畳させて、前記放電ランプに供給す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】
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０．１６ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀と、希ガスと、１×１０−６〜１×１０−２μｍｏｌ／ｍｍ３の範囲でハロゲンを封入した高圧放電ランプと、この放電ランプに対して、周波数が６０Hz〜１０００Hzの交流矩形波電流を供給して点灯させる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、前記交流矩形波電流に周波数が１２０Hz〜５０００Hzの交流成分を重畳させて、前記放電ランプに供給することを特徴とする高圧放電ランプ点灯装置。
【請求項２】
前記交流矩形波電流に交流成分を重畳させた、前記高圧放電ランプに供給される電流波形における最大値は、前記高圧放電ランプの定格実効値電流の０．５〜１．５倍である事を特徴とする請求項１の高圧放電ランプ点灯装置。
【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点灯装置に関する。特に、発光管内に０．１6ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀が封入され点灯時の水銀蒸気圧が１１０気圧以上となる高圧水銀ランプを光源とした液晶ディスプレイ装置やＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）を使ったＤＬＰ（デジタルライトプロセッサ）などのプロジェクター装置に使われる点灯装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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も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、このようなメタルハライドランプも、最近では、より一層の小型化、点光源化が進められ、また電極間距離の極めて小さいものが実用化されている。
【０００３】
このような背景のもと、最近では、メタルハライドランプに代わって、今までにない高い水銀蒸気圧、例えば１５０気圧、を持つランプが提案されている。これは、水銀蒸気圧をより高くすることで、アークの広がりを抑える(絞り込む）とともに、より一層の光出力の向上を図るというものである。
このような超高圧放電ランプは、例えば、特開平２−１４８５６１号、特開平６−５２８３０号に開示されている。
【０００４】
上記ランプは、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０．１６ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀１×１０−６〜１×１０−２μｍｏｌ／ｍｍ３の範囲でハロゲンを封入した超高圧水銀ランプが使われる。ハロゲンを封入する主目的は発光管の失透防止であるが、これにより、いわゆるハロゲンサイクルも生じる。
【０００５】
このような特徴をもつ上記高圧水銀ランプ（以下、単に放電ランプともいう）は、点灯方法によって、直流点灯方式と交流点灯方式に分けることができる。交流点灯方式は対向する二つの電極がほぼ同じ大きさに設計されており、また、周期的に極性が変わるため、各電極の先端に輝点が形成されることが特徴として挙げられる。
【０００６】
ここで、交流点灯方式では、一方の電極に着目すると、交流の半周期においては、熱負荷の高い陽極として動作し、もう半周期では熱負荷の低い陰極として動作することになる。
しかしながら、放電ランプの電極を陽極動作と陰極動作の両方に適した大きさに設計することは事実上不可能であり、交流点灯方式の放電ランプの電極は、陽極動作時は加熱され、陰極動作時は適正な温度以下となる。
このように電極の動作温度が陰極動作時に適正な温度以下であると、陰極輝点が不安定になり、その結果スクリーン照度のちらつきという問題がもたらされる。
特に、この種のプロジェクター用光源では、定電力制御方式が用いられるため、点灯に伴って電極先端が消耗し電極間が長くなると、ランプ電圧が上昇し、電流値が低くなり、陰極動作時の温度低下は大きなものとなるため、その結果、上記スクリーン照度のちらつきは甚だしいものとなる。
尚、本発明の高圧放電ランプ点灯装置に定電力制御方式が用いられるのは、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な負荷を一定に保つためである。
例えば、ランプ電流値を一定に制御して点灯させた場合、電極先端の温度が概ね一定に保たれるからアーク輝点は安定するが、ランプの点灯に伴いランプ電圧が上昇するとランプ電力が増大して放電容器への熱的な負荷が増大し、その温度上昇に起因するランプの短寿命といった問題を生じる。
【０００７】
また、この種のプロジェクター用光源におけるように、点灯中の水銀圧力が、例えば１５０気圧以上にも達する場合、陰極輝点が小さく絞られることと、放電空間内のガス対流が激しいことのために、上記陰極輝点が不安定にその電極先端における位置を変動させやすくなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
この発明が解決しようとする課題は、交流点灯方式の高圧放電ランプ点灯装置において、陰極動作時の電極温度低下に起因するスクリーン照度のちらつきを抑える構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本願発明の高圧放電ランプ点灯装置は、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０．１６ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀と、希ガスと、１×１０−６〜１×１０−２μｍｏｌ／ｍｍ３の範囲でハロゲンを封入した高圧放電ランプと、この放電ランプに対して、周波数が６０Hz〜１０００Hzの交流矩形波電流を供給して点灯させる給電装置から構成される。そして、前記給電装置は、前記交流矩形波電流に周波数が１２０Hz〜５０００Hzの交流成分を重畳させて、前記放電ランプに供給することを特徴とする。
【００１０】
また、前記交流矩形波電流に交流成分を重畳させた、前記高圧放電ランプに供給される電流波形における最大値は、前記高圧放電ランプの定格実効値電流の０．５〜１．５倍である事を特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
上記構成により、交流矩形波電流に交流成分を重畳させることで、陰極動作時の電極先端温度を適正な温度にまで上昇させることができる。これにより、陰極動作時の陰極輝点が安定し、結果として、スクリーンにおける照度のちらつきを防止することができる。
ここで、前記交流成分の周波数は、前記交流矩形波電流の周波数の２倍以上であることが好ましい。なぜなら、そのように周波数を選択することによって、どちらか一方の電極が陰極動作をする交流矩形波の半周期の間に必ず１度は電流が最大になり、陰極動作時の電極先端温度を効果的に上昇させることができるからである。
一方、陽極動作時の電極先端温度は、交流矩形波電流を供給する場合よりもさらに上昇し、電極材料であるタングステンの蒸発速度が増大することになるが、本願の放電ランプのようにハロゲンの封入された放電ランプにおいては、所謂ハロゲンサイクルによって放電容器へのタングステンの付着が防止されるため、放電容器の黒化といった問題が生じることはない。
【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点灯装置を示す。
給電装置（Ｅｘ）において、降圧チョッパ型のバラスト回路（Ｂｘ）は、ＰＦＣ等のＤＣ電源（Ｍｘ）より電圧の供給を受けて動作する。前記バラスト回路（Ｂｘ）においては、ＦＥＴ等のスイッチ素子（Ｑｘ）によってＤＣ電源（Ｍｘ）よりの電流をオン・オフし、チョークコイル（Ｌｘ）を介して平滑コンデンサ（Ｃｘ）に充電が行われ、この電圧が放電ランプ１に印加され、フルブリッジ回路（Ｒｘ）を介して、放電ランプ１に電流を流すことができるように構成されている。
【００１３】
スイッチ素子（Ｑｘ）がオン状態の期間は、スイッチ素子（Ｑｘ）を通じた電流により、直接的に平滑コンデンサ（Ｃｘ）への充電と負荷である放電ランプ１への電流供給が行われるとともに、チョークコイル（Ｌｘ）に電流の形でエネルギーを蓄え、前記スイッチ素子（Ｑｘ）がオフ状態の期間は、チョークコイル（Ｌｘ）に電流の形で蓄えられたエネルギーによって、フライホイールダイオード（Ｄｘ）を介して平滑コンデンサ（Ｃｘ）への充電とフルブリッジ回路（Ｒｘ）を介しての放電ランプ１への電流供給が行われる。
【００１４】
フルブリッジ回路（Ｒｘ）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。
【００１５】
フルブリッジ回路（Ｒｘ）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１に交流矩形波電流を供給する。
スタータ（Ｕｉ）においては、抵抗（Ｒｉ）を介して、ランプ電圧（ＶＬ）によってコンデンサ（Ｃｉ）が充電される。ゲート駆動回路（Ｇｉ）を活性化すると、サイリスタ等よりなるスイッチ素子（Ｑｉ）が導通することにより、前記コンデンサ（Ｃｉ）がトランス（Ｋｉ）の１次側巻線（Ｉｉ）を通じて放電し、２次側巻線（Ｈｉ）に高電圧パルスを発生する。
スタータ（Ｕｉ）の２次側巻線（Ｈｉ）に発生した高電圧は、バラスト回路（Ｂｘ）の出力電圧に重畳されて電極（２，３）間に印加され、放電ランプ１の放電を始動することができる。
【００１６】
給電制御回路（Ｆｘ）は、あるデューティサイクル比を有するゲート駆動信号（Ｓｇ）を生成し、前記ゲート駆動信号（Ｓｇ）は、ゲート駆動回路（Ｇｘ）を介して、前記スイッチ素子（Ｑｘ）のゲート端子に加えられることにより、前記したＤＣ電源（Ｍｘ）よりの電流のオン・オフが制御される。
【００１７】
放電ランプ１の電極間を流れるランプ電流と、電極間に発生するランプ電圧とは、電流検出手段（Ｉｘ）と、電圧検出手段（Ｖｘ）とによって、検出できるように構成される。なお、前記電流検出手段（Ｉｘ）については、シャント抵抗を用いて、また前記電圧検出手段（Ｖｘ）については、分圧抵抗を用いて簡単に実現することができる。
【００１８】
電流検出手段（Ｉｘ）よりのランプ電流信号（Ｓｉ）、および前記電圧検出手段（Ｖｘ）よりのランプ電圧信号（Ｓｖ）は、給電制御回路（Ｆｘ）に入力され、その時点における放電ランプ（Ｌｄ）の放電状態の別、すなわち非放電状態であるか、グロー放電状態であるか（場合によっては、どのようなグロー放電状態であるか）、アーク放電状態であるか（場合によっては、どのようなアーク放電状態であるか）などに基づいて、ランプ電流（ＩＬ）やランプ電圧（ＶＬ）が、あるいはこれら電流と電圧の積であるランプ電力が、その目標値との差が減少するように、前記ゲート駆動信号（Ｓｇ）のデューティサイクル比がフィードバック的に制御される。
【００１９】
図２は給電制御回路（Ｆｘ）の内部構成を示す。
ランプ電流信号（Ｓｉ）とランプ電圧信号（Ｓｖ）は電力演算器に入力してランプ電力値が算出され、このランプ電力値はオペアンプに入力する。
波形発生器は、正弦波発生回路や三角波発生回路を内蔵しており、これら信号を出力するとともに、コンデンサＣ１を介して、直流電源Ｖｃｃを抵抗Ｒ１、Ｒ２で分圧させた値に重畳させてオペアンプの他方の端子に入力する。
この入力信号が交流に交流成分を重畳させた電力波形の基準信号となる。
オペアンプでは、基準信号と入力されたランプ電力値を比較して、基準値に一致するようにパルス幅制御回路、ゲート駆動回路（Ｇｘ）を介して、スイッチ素子Ｑｘを制御する。
【００２０】
従って、ベースとなる交流矩形波電力値を調整するときは、直流電源Ｖｃｃを変化させるか、あるいは抵抗値Ｒ１、Ｒ２の分圧比率を変化させることとなる。
また、重畳させるべき交流成分を調整するときは、波形発生器を調整することとなる。
【００２１】
図３は放電ランプ１に供給されるランプ電流波形を示し、（ａ）はベースとなる交流矩形波に正弦波波形を重畳させた場合、（ｂ）はベースとなる交流矩形波に三角波波形を重畳させた場合、そして（ｃ）はベースとなる交流矩形波に矩形波波形を重畳させた場合を示す。いずれも横軸は時間（ｍ秒）と表し、縦軸はランプ電流値（Ａ）を表す。いずれもベースとなる実効値Iを有する交流矩形波電流に振幅を有する波形として重畳されている。図においては、ベースとなる交流矩形波電流の実効値は２Ａ、周波数は１００Hzであり、交流成分は周波数５００Ｈｚ、振幅は1Aである。
【００２２】
ベースとなる交流矩形波電流は６０〜１０００Ｈｚから選ばれた周波数が望ましい。また、交流成分の周波数は交流矩形波の周波数の１２０〜５０００Ｈｚの範囲から選ばれた数値であることが好ましい。交流成分の周波数が交流矩形波の周波数の２倍未満になると、交流矩形波の半周期の間に電流のピークの現れない半周期ができるため、陰極動作時の電極先端温度の上昇が不十分になる。また、交流成分の周波数が５０００Hzを超えると、電流値の変化速度に電極先端温度の変化が追従せず、やはり陰極動作時の電極先端温度の上昇が不十分になる。
【００２３】
交流成分の振幅（H）は、高圧放電ランプの定格実効値電流をIｒ、ベースとなる交流矩形波電流の実効値をIとするとき、Ｉｒ／２≦Ｈ+Ｉ≦(３／２)×Ｉｒの条件を満たす必要があり、望ましくは、Ｉr≦Ｈ+Ｉ≦(３／２)×Ｉｒである。ピーク電流値が高圧放電ランプの定格実効値電流の１／２（＝０．５）を下回ると前記陰極輝点の不安定性が大きくなり、逆にピーク電流値が高圧放電ランプの定格実効値電流の３／２（＝１．５）超えると陽極動作時の電極先端温度が高くなり過ぎて、電極の消耗が速くなるためである。
【００２４】
図４は高圧放電ランプ（以下、単に「放電ランプ」ともいう）の全体構成を示す。
放電ランプ１は、石英ガラスからなる放電容器によって形成された大略球形の発光部１０を有し、この発光部１０内には、電極２、３が互いに対向するよう配置している。また、発光部１０の両端部から伸びるよう各々封止部１１が形成され、これらの封止部１１には、通常モリブデンよりなる導電用金属箔４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。金属箔４の一端は電極２あるいは３が接合しており、金属箔４の他端は外部リード５が接合している。
【００２５】
発光部１０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、０．１６ｍｇ／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する。ハロゲンの封入量は、例えば、１０−６〜１０−２μｍｏｌ／ｍｍ３の範囲から選択できるものであって、その機能は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は放電容器の破損、失透の防止という作用があると考えられる。
【００２６】
このような放電ランプの数値例を示すと、例えば、発光部の外径はφ６．０〜１５．０ｍｍの範囲から選ばれて例えば１０ｍｍ、内径はφ３．０〜７．０ｍｍの範囲から選ばれて例えばφ４．６mm、電極間距離は０．５〜２．０ｍｍの範囲から選ばれて例えば１．０ｍｍ、発光管内容積は４０〜３００ｍｍ３の範囲から選ばれて例えば６０ｍｍ３である。点灯条件は、例えば、管壁負荷０．８〜２．０Ｗ／ｍｍ2範囲から選ばれて例えば１．５Ｗ／ｍｍ2というものであり、定格電圧７０Ｖ、定格電流２．８６A、定格電力２００Ｗである。
また、この放電ランプは、小型化するプロジェクター装置などに内蔵されるものであり、全体構造が極めて小型化される一方で高い光量が要求される。したがって、発光部内の熱的条件は極めて厳しいものとなる。
そして、放電ランプは、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、演色性の良い放射光を提供する
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る給電装置を示す。
【図２】本発明に係る給電装置を示す。
【図３】本発明に係る電流波形を示す。
【図４】本発明に係る放電ランプを示す。
【符号の説明】
【００２８】
１  放電ランプ
２  電極
３  電極
４  金属箔
５  外部リード
１０  発光部
１１  封止部
Ｅｘ  給電装置
Ｆｘ  給電制御回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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