(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
矩形波交流のランプ電流を供給して高圧放電ランプを点灯させる方法であって、
ランプ起動後の所定期間は直流電流を供給して始動し、
続いて供給電流を交流電流に切り替えて略定電流で制御し、
続いてランプ安定点灯時は略定電力で制御し、
前記略定電流制御時の交流電流の値は安定点灯時の規定最低電圧において定電力を供給できる電流値の１倍以上２倍以下であり、
前記ランプ起動後の直流電流値は略定電流制御時の交流電流値の0.5倍以上0.9倍以下である
ことを特徴とする高圧放電ランプの点灯方法。
【請求項２】
発光管内に希ガス及び水銀が封入され、アーク長が2mm以下、400W以下の高圧放電ランプに50〜500Hzの矩形波交流のランプ電流を供給して点灯する方法であって、
ランプ起動後５秒以内の期間は直流電流を供給して始動し、
続いて供給電流を交流電流に切り替えて略定電流で制御し、
続いてランプ安定点灯時は略定電力で制御し、
前記略定電流制御時の交流電流の値は安定点灯時の規定最低電圧において定電力を供給できる電流値の１倍以上２倍以下であり、
前記ランプ起動後の直流電流値は略定電流制御時の交流電流値の0.5倍以上0.9倍以下である
ことを特徴とする高圧放電ランプの点灯方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高圧放電ランプの点灯方法及び点灯装置に関するものであり、特に始動時の電極へのストレスが小さく、失透の原因になる電極溶けが生じにくく、始動性が良好なものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
高圧放電ランプの点灯方法は、電力制御に関しては例えば米国特許第4,240,009から既知である。
【０００３】
すなわち、その請求範囲「1．（d）」項に記載されているように、ランプ立ち上がり時は定電流を供給し、その後、安定点灯時に定電力パワーを供給する。
【０００４】
また、この種のランプの始動には高圧パルス電圧によって起動するが、矩形波交流のランプ電流の場合、矩形波の極性が切り替わる瞬間は電流が一旦途切れることとなる。
【０００５】
そのため、電極温度が低いコールドスタートの始動初期は転流ミスが発生し、グローからアークヘの移行が困難となり、ランプ黒化の原因となる。
【０００６】
このような問題を解決するために、始動直後の適当な期間、直流出力により始動し、電極温度が上昇するまで転流させないようにし、アークヘの移行を容易にすることが考えられた。
【０００７】
しかしながら、直流出力による始動は正極側となるランプ電極に大きな負担がかかり、ランプ寿命に影響するという問題がつきまとっていた。
【０００８】
特に近年では高輝度長寿命の超高圧水根ランプが盛んに開発されるようになり、この直流始動による正極側の負担は無視できなくなってきた。
【０００９】
すなわち、電極が僅かでも溶融すると、タングステン電極に含有するカリウム等の不純アルカリ成分がランプ内に表出し、これが石英ガラスとの化学反応をおこしてガラスの結晶化を招き失透し、寿命低下の原因となるのである。
【００１０】
この電極溶融現象は、ホットスタートで特に顕著である。これは電極の温度がまだ高いうちに更に直流始動で電極に大きな負担がかかるためである。
【００１１】
電極への負担を軽くするための一手段として直流期間を短くする（0．5秒以下）ことがあるが、電極温度が適度に上昇する前に交流点灯に移行し、転流ミスが発生しやすいという問題がある。
【００１２】
又、電極への負担を軽くするための別の手段としては、始動時の定電流値を電極溶融しない程度にまで十分下げることがある。
【００１３】
この場合、多少直流期間が長くとも（0.5〜5秒）電極溶融を生じにくく効果があるが、ランプ立ち上がり時のパワー不足のため、立ち上がり時間が長くなりやすい。
【００１４】
またランプの空冷状態によっては、直流期間内に安定点灯領域にまで到達しない場合も生じる。更に、ランプ電圧のバラツキで電圧が低い場合電流不足から規定の定電力が供給できないという問題も生じる。
【００１５】
特にこれらの問題は短アーク（2mm以下）の高圧放電ランプにおいて顕著である。
【００１６】
［従来例の試験］
上記の従来の点灯方法の問題点を確認するために、一例として150W超高圧水銀放電ランプにおいて、バルブ外形11mm、アーク長1.3mm、点灯時の内圧180気圧のランプを試作し、略100Hzの矩形波交流のランプ電流を供給して点灯を試みた。
【００１７】
図２は従来の点灯方法による電力制御特性を説明する図であり、同図において、(A)はランプ電圧に対するランプ電流特性、(B)はランプ電圧に対するランプ電力特性を示している。
【００１８】
又、図３は同じく従来の点灯方法による始動時のランプ電流を説明する波形を示した図である。
【００１９】
実験的にはランプ立上がりが長くても安定点灯領域まで問題なく到達でき、始動性の点で転流ミスなく、しかも電極溶融が目視では顕著には見えない点として定電流値2.4Ａが妥協点であった。又、この時、直流出力の期間は適切なところとして約２秒と設定できた。
【００２０】
図５のカーブＢはこの時のランプ立ち上がりの様子を示しており、光量50％の時間は約90秒であった。
【００２１】
次に、定電流値を２Ａまで下げると、電極への負荷が減り、電極溶融の点では望ましいが、立ち上がり時間は図５のカーブＣに示すように120秒程度と長くなり、製品のバラツキ，ランプの空冷条件によっては安定点灯領域まで達し得ない可能性がある。
【００２２】
始動性の点においては直流期間が約2秒であれば２Ａ以上でアークヘの移行は良好であるが、交流に切り替ったタイミングでたまに転流ミスの事例が生じた。
【００２３】
次に、定電流値を2.8Ａまで高めると、立ち上がり特性は図５のカーブＡに示すように約60秒まで改善された。
【００２４】
しかしながら、ホットスタート（ランプオフから約30秒後の再点灯試験）で直流期間において、正極性側の電極先端が明らかに溶融する様子が観察できる。このことはランプ内部の様子を投影レンズ等によって拡大投射し観察することで確認できる。
【００２５】
超高圧放電ランプの場合、基本的に水銀以外のメタルハライドは入っておらず、アークの拡大投射で色温度の高いアークを目視で観察できる。電極が溶融すると、電極に含有するカリウム等の不純アルカリ成分が表出し、色温度の低いアークが生じることを目視で確認することができる。
【００２６】
寿命試験を行うと、ガラスの表面に不純アルカリ成分と石英ガラスの化学反応による結晶化が見いだされることからも、電極の溶融が生じていることを確認することができた。
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、高圧放電ランプ、特にアーク長が短く400W以下の高圧放電ランプを、矩形波交流のランプ電流で点灯するに際し、始動時の電極へのストレスが小さく、失透の原因になる電極溶けが生じにくく、しかも始動性が良好な点灯方法及び点灯装置を提供することを課題とする。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１記載の高圧放電ランプの点灯方法は、高圧放電ランプに矩形波交流のランプ電流を供給して点灯する方法であって、ランプ起動後の所定期間は直流電流を供給して始動し、続いて供給電流を交流電流に切り替えて略定電流で制御し、続いてランプ安定点灯時は略定電力で制御し、前記略定電流制御時の交流電流の値は安定点灯時の規定最低電圧において定電力を供給できる電流値の１倍以上２倍以下であり、前記ランプ起動後の直流電流値は略定電流制御時の交流電流値の0.5倍以上0.9倍以下であることを特徴とする。
【００２９】
本発明の請求項２記載の高圧放電ランプの点灯方法は、発光管内に希ガス及び水銀が封入され、アーク長が2mm以下、400W以下の高圧放電ランプに50〜500Hzの矩形波交流のランプ電流を供給して点灯する方法であって、ランプ起動後５秒以内の期間は直流電流を供給して始動し、続いて供給電流を交流電流に切り替えて略定電流で制御し、続いてランプ安定点灯時は略定電力で制御し、前記略定電流制御時の交流電流の値は安定点灯時の規定最低電圧において定電力を供給できる電流値の１倍以上２倍以下であり、前記ランプ起動後の直流電流値は略定電流制御時の交流電流値の0.5倍以上0.9倍以下であることを特徴とする。
【００３０】
これらによれば、始動初期の直流電流値と、それに続く略定電流制御される交流電流値とを適切に別々に設定し、直流電流による電極の溶解を防止すると共に、十分な交流電流により早い立ち上がりを図ることができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を好適な実施例を用いて説明する。
【００３６】
［実施例］
上記従来例と同様に、一例として150W超高圧水銀放電ランプにおいて、バルブ外形11mm、アーク長1.3mm、点灯時の内圧180気圧のランプを試作して、略100Hzの矩形波交流のランプ電流を供給して点灯を試みた。
【００３７】
図１は本発明の点灯方法による電力制御特性を説明する図であり、同図において、(A)はランプ電圧に対するランプ電流特性、(B)はランプ電圧に対するランプ電力特性を示している。又、図４に同じく本発明の点灯方法による始動時のランプ電流を説明する波形を示す。
【００３８】
図４に示すように点灯開始直後の直流期間はアーク移行性と電極への負担を考慮して可能な最小値、例えば約2.0Ａに設定している。
【００３９】
約２秒後に交流点灯に切り替わるが、立上り特性と電極への負担を考慮して可能な最大値、例えば約2.8Ａに設定している。
【００４０】
すなわち、従来の点灯方法の場合、点灯開始直後の直流の電流値と、それに続く交流の電流値は同じであったが、本発明においては両者の電流値を別に設定し、交流の電流値の方が、直流の電流値よりも大きくなるように設定している。
【００４１】
これにより、点灯開始直後の直流は十分なアーク移行性を確保でき、且つ、電極に負担が少ない電流値とすることができ、それに続く交流は十分な立上り特性が得られ、且つ、電極への負担が少ない電流値とすることができる。交流の場合、極性が反転するために直流の場合よりも電極への負担が少ないため、より高い電流値に設定することができる。
【００４２】
本実施例では直流期間を約２秒としたが、直流の電流値は小さく、電極への負担は小さいので、２秒以上としても良い。但し、実験によれば５秒を越えて印加すると電極表面に溶融が確認されたので、直流期間は最大５秒とすることが好ましい。
【００４３】
ランプ立ち上がり期間の交流の定電流値はランプの安定点灯時の規定最低電圧（本実施例では約70V）において定電力（本実施例では150W）を供給できる電流値（本実施例では150W／70V＝2．14A）から、その最大2倍までの範囲が適正であることがわかった（本実施例では約1．3倍の2.8Ａを選択した）。
【００４４】
２倍を越えると交流点灯でも両電極への負担が顕著になり寿命低下の原因となってしまう。
【００４５】
次に始動直後の直流期間の電流値は交流の定電流値に対して0.5倍から0.9倍の範囲に設定することが適正であることがわかった。
（実施例では直流電流値／交流電流値＝2.0Ａ／2.8Ａ＝0.714とした。）
この比率が0.5倍未満になるとアークヘの移行性あるいは始動性の点で転流ミスが顕著になってくる。又、この比率が0.9倍を越えると電極溶融による寿命劣化の問題が顆著になってくるからである。
【００４６】
［点灯装置］
次に本発明にかかる点灯装置について説明する。
【００４７】
図６に本発明の点灯方法による点灯装置の実施例を示す。直流電源(1)はランプ始動時に必要な出力開放電圧を供給し、通常200V以上である。
【００４８】
直流電源(1)はダウンコンバータ(2)に電力供給する。ダウンコンバータ(2)はスイッチング素子(11)、パワーダイオード(12)、チョークコイル(13)及び平滑用コンデンサ(14)で構成し、典型的なスイッチング電源の降圧式チョッパを形成している。
【００４９】
ダウンコンバータ(2)の出力には出力電圧を検出する電圧検出回路(7)と出力電流を検出する電流検出回路(6)があり、検出されたそれぞれ電圧と電流は演算回路(8)に入力されパルス幅変調回路(9)を介してスイッチング素子(11)にフィードバックされる。
【００５０】
ダウンコンバータ(2)は高周波（数十kHz〜数百kHz）でスイッチングしており、ランプ安定点灯後に一定の電力を供給できるようにするため、検出した出力電圧と出力電流を演算し、パルス幅変調回路(9)によってパルス幅を制御される。
【００５１】
電圧検出回路(7)は、簡単には抵抗(28)と抵抗(29)により分圧して出力することができ、電流検出回路(6)については一般的には例えば1Ω以下の低抵抗を使用する。
【００５２】
チョークコイル(13)の出力端（正極側）と基準電位間には平滑用コンデンサー(14)が接続されている。これはダウンコンバータ(2)が高周波（数十kHz〜数百kHz）でスイッチングしているために発生するリップルの影響を軽減するために用いられる。一般的には容量が0.1μF〜10μF程度のコンデンサーが使用され、リップル含有率を5％以下にする。
【００５３】
ダウンコンバータの直流出力（電位はランプ電圧と等価）はスイッチング素子Q2（23），Q3（24），Q4（25），Q5（26）からなるフルブリッジインバータ(3)に供給される。
【００５４】
ダウンコンバータ(2)のチョークコイル(13)の出力端（正極側）はQ2(23)のドレイン及びQ3(24)のドレインに接続される。
【００５５】
ダウンコンバータの基準電位側は電流検出回路を介しQ4(25)，Q5(26)のソースに接続される。
【００５６】
チョークコイル(13)の出力端と基準電位間にはQ2(23)のソースとQ4(25)のドレインを接続した回路とQ3(24)のソースとQ5(26)のドレインを接続した回路を形成し、フルブリッジインバータ(3)の出力、すなわちQ2(23)，Q3(24)のソース相互間にはイグナイタ(4)を介して放電ランプ(5)が接続される。
【００５７】
Q2〜05の各ゲートにはパルス発生回路(21)からの交流信号がフルブリッジ駆動回路(10)を介して供給される。フルブリッジ駆動回路(10)は反転ドライバー(35)，（36）、非反転ドライバー（37），（38）がそれぞれQ4(25)，Q3(24)，Q2(23)，Q5(26)のゲートに接続される。
【００５８】
これにより、ランプ安定点灯時にはQ3(24)，Q4(25)とQ2(23)，Q5(26)をそれぞれ交互に導通、遮断を繰り返してランプを矩形波の交流点灯させる。パルス発生回路(21)の周波数としては通常50〜500Hzが採用される。
【００５９】
演算回路(8)は出力電圧を検出する電圧検出回路(7)から演算増幅器によるバッファ回路と演算増幅器(18)と基準電圧(22)、抵抗(32)，(33)で構成する反転増幅器(16)を介して加算回路(15)に入力し、又、出力電流を検出する電流検出回路(6)の信号を加算回路（15）に入力してランプ安定点灯時に略定電力特性を達成できる。
【００６０】
ランプ立ち上がり期間の略定電流特性については反転増幅器(16)の出力に電圧リミッタ回路(17)を追加することにより達成できる。
【００６１】
電圧リミッタ回路(17)はシャントレギュレータ（27）が一般的に使用され、抵抗(30)と抵抗(31)で分圧する電圧をシャントレギュレータ(27)のリファレンスに入力して所要のランプ電圧以下の領域を略定電流にすることができる。
【００６２】
これにより交流の定電流値（本実施例では2.8Ａ）を定めることができる。
【００６３】
ランプ始動時の直流期間の電流値を所要の値（本実施例では2.0Ａ）に設定するためには、タイマー(20)の出力を、ダイオード(39)と適切に設定された抵抗(40)の直列回路を介してシャントレギュレータ(27)のリファレンスに接続することにより、達成できる。
【００６４】
すなわち、タイマー(20)を利用して、始動開始直後の直流期間だけシャントレギュレータ(27)のリファレンスに入力される電圧値を変化させ、電流値を所要の値にする。
【００６５】
直流期間経過後はタイマー(20)により抵抗(40)が利かなくなるため、シャントレギュレータ(27) のリファレンスに入力される電圧値が変化し、交流の定電流値に変化する。
【００６６】
反転増幅器(16)の出力電圧の様子を図７に示す。同図では、リミッタ開放時、交流点灯時のリミッタ及び、直流点灯時のリミッタの出力を示しており、リミッタの制御により図１に示すような出力電流制御特性を作り出しすことができる。
【００６７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば高圧放電ランプ、特にアーク長の短く400W以下の高圧放電ランプを矩形波交流のランプ電流で点灯する場合に、始動時の交流電流値と始動初期の直流電流値を別々に最適設定することにより、電極への負担を軽くして、ランプ本来の長寿命を維持しながらも、始動性を損なうことなく短時間でランプを点灯させることができる。
【００６８】
特に電極への負担がランプの寿命にデリケートに影響する、超高圧水銀ランプに対しては効果が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の点灯方法による電力制御特性を説明する図。
【図２】従来の点灯方法による電力制御特性を説明する図。
【図３】従来の点灯方法による始動時のランプ電流を説明する波形を示した図。
【図４】本発明の点灯方法による始動時のランプ電流を説明する波形を示した図。
【図５】電流値の違いによるランプ立ち上がりを比較する図。
【図６】本発明の点灯方法による点灯装置の一例を示した図。
【図７】本発明の点灯方法による電力制御のリミッタ特性を説明する図。
【符号の説明】
(1)  直流電源
(2)  ダウンコンバータ
(3)  フルブリッジインバータ
(4)  イグナイタ
(5)  放電ランプ
(6)  電流検出回路
(7)  電圧検出回路
(8)  演算回路
(9)  パルス幅変調回路
(10)フルブリッジ駆動回路
(11)，(23)，(24)，(25)，(26)  スイッチング素子
(12)  パワーダイオード
(13)  チョークコイル
(14)  平滑用コンデンサー
(15)  加算回路
(16)  反転増幅器
(17)  電圧リミツタ回路
(18)，(19)  オペアンブ
(20)  タイマー
(21)  パルス発生回路
(22)  基準電圧
(27)  シャントレギュレータ
(28)，(29)，(30)，(31)，(32)，(33)，(34)，(40)  抵抗
(35)，(36)  反転ドライバー
(37)，(38)  非反転ドライバー
(39)  ダイオード
【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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