(57)【要約】【課題】  陽極損耗が原因と考えられる寿命初期のスクリーン照度の低下を抑えた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、直流電流に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直流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、前記直流電流に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】
前記交流成分は、周波数が４０〜５０００Hzであって、
かつ、最大電流値Ｉmaxと最小電流値Ｉmin、およびベースとなる直流電流値ＩDCの関係が、
０．０５≦(Ｉmax−Ｉmin)／ＩDC≦２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。
【請求項３】
前記交流成分は、ベースとなる直流電流値を中心に上下にほぼ対称的な正弦波形状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。
【請求項４】
前記交流成分は、ベースとなる直流電流値を中心に上下にほぼ対称的な略三角形状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。
【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、熱的に各電極がほぼ同じ熱負荷を受け、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】
それに対し、直流点灯方式では、陰極となる電極と比較し、陽極となる電極は電子衝突による熱負荷を考慮し、大きく設計されており、また、輝点は陰極先端のみに形成される。この一方のみに輝点をもつという特徴は、光学的に小さな液晶素子やDMDなどの光学デバイスに集光する際にメリットとなる。
【０００７】
しかしながら、直流点灯方式では、陽極が一方的に加熱され、損耗が生じてしまうことが問題となる。
特に、この種のプロジェクター用光源では、一定電力制御方式が用いられるため、寿命初期の電極間が短い時には、ランプ電圧が寿命中において最も低く、大きな電流が流れるため、陽極先端の損耗は著しかった。
この陽極の損耗は、アーク長の伸びを意味し、結果として寿命中の初期段階において、スクリーン照度が著しく低下することが問題になっていた。
【特許文献１】特開平２−１４８５６１号
【特許文献２】特開平６−５２８３０号
【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、陰極輝点を積極的に利用する直流点灯方式の高圧放電ランプ点灯装置において、陽極損耗が原因と考えられる寿命初期のスクリーン照度の低下を抑えた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直流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、前記直流電流に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、前記交流成分は、周波数が４０〜５０００Hzであって、かつ、最大電流値Ｉmaxと最小電流値Ｉmin、およびベースとなる直流電流値ＩDCの関係が、０．０５≦(Ｉmax−Ｉmin)／ＩDC≦２であることを特徴とする。
【００１１】
前記交流成分は、ベースとなる直流電流値を中心に上下にほぼ対称的な正弦波形状であることを特徴とする。
前記交流成分は、ベースとなる直流電流値を中心に上下にほぼ対称的な略三角形状であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
上記構成により、直流電流値に交流成分を重畳させることで、陽極の先端に突起を形成することができる。これにより、陽極損耗による電極間距離の増大を突起の形成により補うことができ、結果として、電極間距離をほぼ一定に維持できるとともに、スクリーンにおける照度を一定に維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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、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。
【００１４】
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）への充電と放電ランプ１への電流供給が行われる。
【００１５】
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（Ｐｉ）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】
前記放電ランプ１の電極（２，３）間を流れるランプ電流（ＩＬ）と、電極（２，３）間に発生するランプ電圧（ＶＬ）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】
前記電流検出手段（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。
この入力信号が直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、ベースとなる直流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）はベースとなる直流電流値に正弦波波形を重畳させた場合、（ｂ）はベースとなる直流電流値に三角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直流電流値ＩDCに最大電流値Ｉｍａｘと最小電流値Ｉｍｉｎを有する波形として重畳されている。図においては、ベースとなる直流電流値は３Ａであり、交流成分は周波数２５０Ｈｚ、最大電流値Ｉｍａｘは４Ａ、最小電流値Ｉｍｉｎは２Ａである。
【００２２】
交流成分の周波数は４０〜５０００Ｈｚの範囲から選ばれた数値が必要となる。交流成分の周波数が４０Hz未満になると、スクリーン上に悪影響を及ぼすほどの照度変動を発生させる。電流値の大小の時間間隔が長くなるため、明るさに強弱を生じるからである。また、交流成分の周波数が５０００Hzを超えると、陽極先端にできる突起を形成できる作用が小さくなる。
従って、交流成分の周波数は４０〜５０００Ｈｚの範囲から選ばれた数値が必要となるが、望ましくは、１００〜２０００Ｈｚの範囲から選ばれた数値が必要となる。
【００２３】
交流成分の振幅は、ベースとなる直流電流値ＩDC、交流成分の最大電流Ｉｍａｘ、最小電流値Ｉｍｉｎとしたとき、０．０５≦ (Ｉmax−Ｉmin)／ IDC ≦２の条件を満たす必要があり、望ましくは、０．１≦ (Ｉmax−Ｉmin)／ IDC ≦１．０である。振幅の程度により、突起形成成長の前提となる温度変化が生じるからである。この点は後述する。
【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、陽極２と陰極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の一端は陽極２あるいは陰極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される。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９．４ｍｍ、内径はφ３．０〜７．０ｍｍの範囲から選ばれて例えばφ４．４mm、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７５Ｖ、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
【００２７】
ここで、直流電流に交流成分を重畳させることで、陽極先端に突起が形成される理由について、必ずしも明らかではないが、以下のように説明する。
すなわち、交流成分を重畳することにより、陽極先端面におけるアークとの接触領域の面積を変化させることにより、タングステンの蒸発領域と、タングステン凝固、析出領域をたえず変化させることが可能となる。
つまり、電流が増加した際には、陽極先端の広範囲から、タングステン(W)、タングステン酸化物(WOx)、タングステン臭化物(WBrx)、およびタングステン臭酸化物(WOxBry)が蒸発し、電流値が減少した際には、タングステン(W)原子として陽極先端のアーク接触点に、凝固、析出すると考えられる。
【００２８】
この現象が周期的に繰り返されることにより、陽極前面に突起が生成し、陽極の単調的な損耗によるアーク長の伸びが抑制できるものと考えている。
また、上記突起生成には、ベースとなる直流電流に対して交流成分の電流値が上下対称になることが望ましい。つまり、交流成分は電流値が増加している時間と電流が減少している時間が等しく、また、ベースとなる直流電流値に対して最大電流値までの電流差と、ベースとなる直流電流値に対して最小電流値までの電流差が等しいことを意味する。従って、べースの直流電流値に対して、定期的にパルスを重畳させる方法では、陽極先端に突起を形成するという作用効果が十分ではない。
【００２９】
図５は交流成分の一周期における陽極前面付近の状態を模式図で示したものである。（ａ）は最大電流が印加された状態を示し、（ｂ）は最小電流が印加された状態を示す。
陽極３と陰極２の間には放電アークＡが形成されている。（ａ）に示すように、最大電流が印加された状態では、アークは、陽極先端の広範囲と接することにより、タングステン(W)、タングステン酸化物(WOx)、タングステン臭化物(WBrx)、およびタングステン臭酸化物(WOxBry)が広範囲から蒸発することになる。一方（ｂ）では、電流値が減少した際には、アークは絞られ、陽極との接触範囲も減少し、イオン化されたタングステンが電子と再結合し、タングステン(W)原子として陽極先端のアーク接触点に、凝固、析出すると考えられる。この現象が周期的に繰り返されることにより、陽極前面に突起が生成し、陽極の単調的な損耗によるアーク長の伸びが抑制できると考えている。
【００３０】
このように直流点灯方式のランプ電流に交流成分を印加することにより、陽極表面において蒸発領域と凝固、析出領域を変化させることによって、陽極先端に突起が形成できる。
しかし、この現象はあらゆるタイプの放電ランプにおいて生じる現象というわけではなく、本発明が対象とする高圧水銀ランプ、具体的には、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放電ランプにおいて、顕著に発生する現象である。
つまり、この現象は、水銀密度が高く、かつ、アーク長が短いランプ設計にすることにより、電流密度が高いアークが形成されたランプに特徴的に生じる現象であると考えられる。
【００３１】
次に、本発明に係る高圧放電ランプ点灯装置の効果について説明する。
段落［００２４］、［００２５］、［００２６］で説明した範囲内の高圧放電ランプと、図１、図２に示した給電装置によって、点灯条件を変化させた。
まず、ベースとなる直流電流値（ＩDC）は全て２．７Ａの範囲であり、定格点灯電力２００Ｗとした。
重畳させるべき交流成分は、周波数が２０Ｈｚ、４０Ｈｚ、１００Ｈｚ、５００Ｈｚ、１０００Ｈｚ、５０００Ｈｚ、１００００Ｈｚ、および交流成分を重畳させない場合の８パターンで点灯させた。また、各周波数において、重畳率(Ｉmax−Ｉmin)／ IDCを「0.03」〜「2.0」の範囲で変化させて突起生成の有無を測定した。
【００３２】
この結果、交流成分を重畳させていない場合と、重畳させた交流成分が１００００Ｈｚの場合は、陽極先端に突起は形成されなかった。また、交流成分が２０Ｈｚ〜５０００Ｈｚの場合、重畳率が０．０３以下のときは突起が形成されず、重畳率が０．０５のときは突起が生成されたがきわめて小さい。一方、重畳率が０．２〜２．０の範囲では突起が良好に形成された。
なお、交流成分が２０Ｈｚの場合はスクリーン上におけるチラツキが大きく、実用上使えないこともわかった。
【００３３】
図７は本願発明と従来技術の差を示すグラフであり、本願発明は交流成分を重畳させたのに対し、従来技術は交流成分を重畳させない場合の５００時間点灯における照度維持率とランプ電圧を測定した。（ａ）は照度維持率を表し、（ｂ）はランプ電圧の変化を表す。
本願発明は、ベースとなる直流電流２．７Ａに、５００Hｚであって重畳率０．４の交流成分を重畳させたものである。従来技術は直流電流２．７Ａである。いずれも、初期定格点灯電力２００Ｗで点灯させた。
初度維持率はスクリーンにおける照度であり、点灯初期の照度を１００とした場合の相対値を表している。
【００３４】
（ｂ）図より、従来のランプは、点灯５０時間経過後からランプ電圧が急激に上昇している。また、１００時間経過後には９０Ｖを超えており、初期の約７５Ｖから１５Ｖも上昇していることがわかる。一方、本願発明のランプはランプ電圧の上昇率が従来ランプより小さいことがわかる。
このことは、本願発明の放電ランプは、ランプ点灯に伴い陽極先端に突起が形成され、電極間距離の増大が抑えられたことを意味している。
【００３５】
また、（ａ）図より、本願発明のランプは、照度維持率が１００時間で９５％、３００時間で９０％、５００時間で８５％を示し、従来ランプが１００時間で９０％、３００時間で８３％、５００時間で７８％程度であることと比較すれば、照度維持の効果が発揮されていることが示される。
これは、本願発明の高圧放電ランプはプロジェクター装置に使うことから、アーク輝点の光量を採用するもので、電極間距離の増大による光量の減少が抑制されたことを示している。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【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。
【図５】本発明に係る電極の拡大図を示す。
【図６】本発明の効果を示す。
【図７】本発明の効果を示す。
【符号の説明】
【００３７】
１  放電ランプ
２  陽極
３  陰極
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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【図５】
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【図６】
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【図７】
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