(57)【要約】【課題】高圧放電灯の始動時の異常放電に起因する照度劣化及び短寿命を防止する点灯装置及び始動方法を提供する。【解決手段】直流電圧から交流電流を生成して高圧放電灯に投入するブリッジ回路、ブリッジ回路を駆動するブリッジ制御回路、及びブリッジ回路の出力から始動パルスを生成し高圧放電灯に印加する始動回路を備えた高圧放電灯点灯装置において、高圧放電灯を始動するための所定の期間において、ブリッジ制御回路がブリッジ回路を第１の周波数と第１の周波数よりも低い第２の周波数とで交互に繰り返し駆動し、始動回路が、第１の周波数の期間に始動パルスを高圧放電灯に印加するように構成した。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧から交流電流を生成して高圧放電灯に投入するブリッジ回路、該ブリッジ回路を駆動するブリッジ制御回路、及び該ブリッジ回路の出力から始動パルスを生成し該高圧放電灯に印加する始動回路を備えた高圧放電灯点灯装置であって、
該高圧放電灯を始動するための所定の期間において、該ブリッジ制御回路が該ブリッジ回路を第１の周波数と該第１の周波数よりも低い第２の周波数とで交互に繰り返し駆動し、
該始動回路が、該第１の周波数の期間に該始動パルスを該高圧放電灯に印加するように構成された高圧放電灯点灯装置。
【請求項２】
請求項１記載の高圧放電灯点灯装置において、前記第２の周波数における前記交流電流が１周期以上の矩形波電流である高圧放電灯点灯装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載の高圧放電灯点灯装置において、前記第１の周波数が２０ｋHz以上６０ｋHz以下であり、前記第２の周波数が６０Hz以上６００Hz以下である高圧放電灯点灯装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３いずれか一項に記載の高圧放電灯点灯装置において、前記第１の周波数における電流値が前記第２の周波数の電流値の３０％以上１００％以下である高圧放電灯点灯装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４いずれか一項に記載の高圧放電灯点灯装置、該高圧放電灯点灯装置を内包する筐体、高圧放電灯、及び該高圧放電灯が取り付けられるレフレクタからなる光源装置。
【請求項６】
直流電圧から交流電流を生成し高圧放電灯に投入するブリッジ回路、及び該ブリッジ回路の出力から始動パルスを生成し該高圧放電灯に印加する始動回路を備えた高圧放電灯点灯装置における該高圧放電灯の始動方法であって、
該高圧放電灯を始動するための所定期間に、該始動パルス及び第１の周波数の交流電流と、該第１の周波数よりも低い第２の周波数の交流電流とを該高圧放電灯に交互に繰り返し印加することを特徴とする始動方法。
【請求項７】
請求項６記載の始動方法において、前記第２の周波数における前記交流電流が１周期以上の矩形波電流である始動方法。
【請求項８】
請求項６又は請求項７記載の始動方法において、前記第１の周波数が２０ｋHz以上６０ｋHz以下であり、前記第２の周波数が６０Hz以上６００Hz以下である始動方法。
【請求項９】
請求項６から請求項８いずれか一項に記載の始動方法において、前記第１の周波数における電流値が前記第２の周波数の電流値の３０％以上１００％以下である始動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流のランプ電流を供給して高圧放電灯を点灯させる高圧放電灯点灯装置における高圧放電灯の始動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、液晶プロジェクターなどのバックライト光源として高圧水銀灯に替えて超高圧水銀灯が使用されている。この超高圧水銀灯は、点灯中の蒸気分圧が極めて高く（１０６Ｐａ程度以上）、アーク放電が放電管の中心に集まり輝度も温度も高いので、連続スペクトルを生じ、光色も白色に近く演色性も良好で、発光効率が高いというメリットがある。
【０００３】
一般に、液晶プロジェクターなどバックライト用光源装置に使用される高圧放電灯点灯装置は、直流電源から供給される電流を所定の点灯周波数の矩形波電流に変換して高圧放電灯の点灯極性を切り換えながら点灯させるような構成が用いられている。また始動時には点灯回路から高電圧のパルス電圧（８〜１５ｋV）を印加するようにして、始動、再始動時の点灯性を良好にしている。
【０００４】
図１は一般的な高圧放電灯点灯装置の回路構成を示すものである。直流電源１から出力された直流電力はチョッパー回路３へ入力され、スイッチング素子２のデューティ比をＰＷＭ制御回路５で制御することにより適切な直流電流に変換した後、フルブリッジ回路４へ入力される。なお、ここでは、チョッパー回路３はその出力電圧を直流電源１の出力電圧以下に降圧する降圧コンバータである。
このフルブリッジ回路４は高圧放電灯９に対して、対となるトランジスタＴＡ１及びＴＡ２とＴＢ１及びＴＢ２をフルブリッジ制御回路６によって交互に導通させる。本例においては、このフルブリッジ回路４を始動時は２０ｋ〜６０ｋＨｚの高周波で駆動して高圧パルスを高圧放電灯９に印加し、点灯後は１１０Ｈｚ程度の低周波で駆動して矩形波電流を供給して点灯するように制御している。
なお、本明細書において、「始動時」とは、高圧パルス印加による高圧放電灯電極間の絶縁破壊時、及びその直後の期間、即ち、安定的なアーク放電に移行するまでの期間を含むものとする。
【０００５】
イグナイター回路７において、まず、フルブリッジ回路４の出力電圧が共振回路１０によって増幅される。なお、この時フルブリッジ回路４の駆動周波数は共振回路の共振点近傍に設定される。そして、この増幅された電圧が、ダイオードＤ１及びＤ２並びにコンデンサＣ１及びＣ２で構成された倍電圧回路によってさらに２倍に増幅される。即ち、共振回路１０の出力電圧をＶｒ(ピーク)、トランジスタＴＢ１とＴＡ２との接続点の電位を０とした場合に、コンデンサＣ１に−Ｖｒ、コンデンサＣ２に＋Ｖｒが蓄えられ、この電位差２×Ｖｒが放電ギャップＧ１の特性値Ｖｓを超えると放電ギャップＧ１が導通し、このＶｓがパルストランスＴ１の１次巻き線に印加され、２次巻き線側でさらに増幅された高電圧パルスが高圧放電灯９に印加される。なお、本明細書においては、イグナイター回路７と共振回路１０とを併せて始動回路と呼ぶものとする。
【０００６】
図７は上記の回路における始動中の周波数制御のタイミングを示す図である。図示するように、ｔ＝３（秒）までは高周波電流を高圧放電灯９に通電し、ｔ＝３（秒）以降は低周波電流を通電し、放電を維持する。なお、上記の回路においては、低周波期間においては共振回路１０のインピーダンスは低いので、高圧放電灯９に投入される電流は矩形波となる。一方、高周波期間においては、共振回路１０のインピーダンスが高くなることにより電流波形がなまり略正弦波の電流が高圧放電灯９に投入されることになる。
【０００７】
図３は、始動後に正常にアーク放電に移行した場合の高圧放電灯のバルブ部分を示すものであり、１２はアーク、１３は心棒、１４は電極、１５はバルブである。図示するように、一対の電極の先端間をまっすぐにアークが走るのが理想的である。
【０００８】
ところが、図７に示したようなタイミングでランプに電流を供給する場合、高周波期間に図８のような異常なアーク放電が発生する場合がある。図８においては、図９に示す電極１４の細線ワイヤー１６と心棒１３の間から、片側の電極の先端に向かってアーク放電する。また、両電極とも電極１４の細線ワイヤー１６と心棒１３の間からアーク放電することもある。
このような状態が始動時に発生すると、心棒は電極先端に比べて、電流密度が上昇し、過渡的に発熱し、それにより心棒の素材であるタングステンが電流によってスパッタリングして飛散してしまう。これによりバルブ内部が黒化するなどして、照度劣化し、また寿命を満足できないことになる。
【０００９】
上記の異常放電の対策として、特許文献１では、始動時の放電開始後に電源から供給する電力を中断させることで、その後のアーク放電が良好に行われることが開示されている。その原理としては、中断期間により高圧放電灯に封入されている気体の脱イオン化が促進され、それがアークの正常な放電に貢献するというものである。
【特許文献１】特表２００３−５３１４６８号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、特許文献１では、一度点灯した高圧放電灯をいったん消灯させ再始動させているので、結果として始動を繰り返すことになり、電極へのダメージが懸念される。
ところで、発明者は、ランプ始動時のアーク放電のバルブ内での挙動を観測した結果、図７のタイミングによる制御において、高周波期間に異常アーク放電が発生し、高周波から低周波の切り替わり時に図８のような異常アーク放電から図３に示すような正常な放電に移ることを発見した。しかし、高周波出力期間は良好な始動性の確保（即ち、共振電圧の確保）のためにも省くことができないプロセスである。
そこで、電極へのダメージ抑制、始動性の確保、及び始動時の異常放電の防止を全て両立するための始動手段・方法が必要となる。  
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の側面は、直流電圧から交流電流を生成して高圧放電灯に投入するブリッジ回路、ブリッジ回路を駆動するブリッジ制御回路、及びブリッジ回路の出力から始動パルスを生成し高圧放電灯に印加する始動回路を備えた高圧放電灯点灯装置であって、高圧放電灯を始動するための所定の期間において、ブリッジ制御回路がブリッジ回路を第１の周波数と第１の周波数よりも低い第２の周波数とで交互に繰り返し駆動し、始動回路が、第１の周波数の期間に始動パルスを高圧放電灯に印加するように構成された高圧放電灯点灯装置である。ここで、第２の周波数における交流電流を１周期以上の矩形波電流とした。また、第１の周波数を２０ｋHz以上６０ｋHz以下とし、第２の周波数を６０Hz以上６００Hz以下とした。またさらに、第１の周波数における電流値を第２の周波数の電流値の３０％以上１００％以下とした。
【００１２】
本発明の第２の側面は、上記第１の側面の高圧放電灯点灯装置、高圧放電灯点灯装置を内包する筐体、高圧放電灯、及び高圧放電灯が取り付けられるレフレクタからなる光源装置である。
【００１３】
本発明の第３の側面は、直流電圧から交流電流を生成し高圧放電灯に投入するブリッジ回路、及びブリッジ回路の出力から始動パルスを生成し高圧放電灯に印加する始動回路を備えた高圧放電灯点灯装置における高圧放電灯の始動方法であって、高圧放電灯を始動するための所定期間に、始動パルス及び第１の周波数の交流電流と、第１の周波数よりも低い第２の周波数の交流電流とを高圧放電灯に交互に繰り返し印加する始動方法である。ここで、第２の周波数における交流電流を１周期以上の矩形波電流とした。また、第１の周波数を２０ｋHz以上６０ｋHz以下とし、第２の周波数を６０Hz以上６００Hz以下とした。またさらに、第１の周波数における電流値を第２の周波数の電流値の３０％以上１００％以下とした。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によると、始動時に高周波電流と低周波電流を繰り返し印加することによって、高周波期間で発生の可能性がある異常アーク放電を回避し正常なアーク放電にスムーズに移行することが可能になる。また、異常放電が発生してしまったとしてもそれを持続させることなく正常なアーク放電に移行できる。しかも、電極へのダメージを与えることがなく、かつ、始動性も確保できる。
さらに、第１の周波数における電流値を第２の周波数における電流値に対して適切な範囲とすることにより、電極へのダメージ軽減と始動性の確保を好適に両立することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
実施例１．
図１は第１の実施例に用いる回路構成を示す図であり、その構成は前述の通りである。動作について説明する。フルブリッジ回路４は高圧放電灯９に対して、対となるトランジスタＴＡ１及びＴＡ２とＴＢ１及びＴＢ２をフルブリッジ制御回路６によって交互に導通させる。フルブリッジ回路４を始動開始時（電極間の絶縁破壊時）は２０ｋ〜６０ｋＨｚの高周波で駆動して共振回路１０からイグナイター回路７に電圧を供給し、高圧パルスを高圧放電灯９に印加する。始動後にアーク放電が確立された後は、フルブリッジ制御回路６は、点灯後は１１０Ｈｚ程度の低周波でフルブリッジ回路４を駆動して矩形波電流を高圧放電灯９に供給して点灯制御する。本実施例が図７に示す従来例と異なる点は、絶縁破壊時からアーク放電確立時までの周波数制御にある。
【００１６】
図２は本実施形態の周波数制御のタイミング図である。この電流波形は、フルブリッジ制御回路６によってフルブリッジ回路４の動作を高周波と低周波とを繰り返し切り換えることによって得られるものである。本実施例の場合は高周波出力の期間を１．５秒、低周波出力の期間を１．５秒とし、双方を繰り返して高圧放電灯を点灯させている。具体的には、ｔ＝０〜１．５（秒）を高周波期間、ｔ＝１．５〜３（秒）を低周波期間とし、この周期で高周波期間を２回繰り返すものである。なお、図１の回路において、低周波期間においては共振回路１０のインピーダンスは低くその電流波形は矩形波となるが、高周波期間においては共振回路１０のインピーダンスが高くなるので電流波形がなまり、正弦波に近くなる。
また、本実施例でも従来と同様に、高周波期間には共振回路１０及びイグナイター回路７の作用によって高圧パルスが発生する。但し、この高圧パルスは必ずしも上記の高周波周波数と同じ周波数で印加される必要はなく、いくらか間引かれてもよい。
【００１７】
ここで、ある高圧放電灯について、例えば図７のような始動方法においてはｔ＝２以降で異常放電が発生してしまうような場合でも、図２のように早い段階で高周波期間を終了（中断）して低周波期間に移行すれば異常放電は起こらないことになる。また、図２のｔ＝１．５までの高周波期間に異常放電が発生してしまったとしても、ｔ＝１．５から２．５までの低周波期間で正常な状態に回復することができる。これにより、異常放電の持続を防止でき、図３に示すような正常なアーク放電が得られる。
【００１８】
そして、ｔ＝２．５以降にも高周波期間が設けられているので、仮にその直前にアークが立ち消えそうになっていても（あるいは立ち消えてしまったとしても）、始動パルス印加の機会があるので始動性が損なわれることもない。
【００１９】
この合計時間３秒という設定について、高周波の印加時間の合計を従来と同じ（既に点灯確率が確保されていると分かっている）３秒とすれば、高圧放電灯の点灯確率を落すことなく点灯させることが可能である。また、図７のような始動方法においては、異常放電防止の観点からこの高周波期間を長くすることは好ましくないが、図２のような始動方法によって異常放電を起こりにくくし、又は異常放電が継続しないようすれば、合計の高周波期間をより長く設定して（例えば、１．５秒を３回で合計４．５秒にする等して）始動性をより向上することができる。
【００２０】
なお、高周波出力用の周波数の選定について、この高周波でのスイッチングは共振電圧の発生を目的としているので、共振回路１０に用いるトランスのインダクタンスとコンデンサのキャパシタンスによって決まる共振周波数との兼ね合いで決定される。この共振周波数を高くすればするほど用いるトランスやコンデンサは小型の部品で済む。一方、この周波数をあまり高く設定すると、フルブリッジ回路４に用いるトランジスタやフルブリッジ制御回路に用いるフルブリッジドライバに高性能で高価なものを用いる必要が生じてしまう。上記を勘案して、高周波周波数の上限を６０ｋＨｚとしている。また、下限周波数は上述したように共振回路１０の小型化の観点や可聴域である１１ｋ−１２ｋＨｚを避ける観点等から２０ｋＨｚとしている。
【００２１】
また、低周波出力用の周波数の選定については、その上限周波数を寿命の確保、音響共鳴現象の回避等の観点から６００Ｈｚと、下限周波数を寿命の確保、ちらつき防止等の観点から６０Ｈｚとすることが望ましい。
【００２２】
実施例２．
図４は第２の実施例の周波数制御を示すタイミング図である。本実施例は、合計のパルス発生時間（即ち、高周波期間の合計の長さ）を変えないで高周波と低周波の繰り返し回数を変えた場合の例である。図４においては、高周波期間を１秒、低周波期間を１秒としている。そして、これを３回繰り返して実施例１と同様に、高周波の出力時間を合計で３秒としている。なお、本実施例の効果は実施例１と同様であるが、１回当たりの高周波期間を短くしているので異常アーク放電発生（又は継続）の確率は低いものと期待される。
【００２３】
上記実施例では、高周波の合計時間、すなわち合計パルス発生時間を３秒としているが、点灯させる高圧放電灯の仕様に応じて適宜変更可能である。なお、一般に、この合計パルス発生時間が長いほど点灯確率（即ち、始動性の良さ）は高いものと考えられる。
また、１回の低周波期間の長さについて、その長さが１周期以上であれば本発明の効果が期待できる。例えば、低周波周波数が１００Ｈｚであれば、１回当たりの低周波期間の長さは０．０１秒以上あればよい。
【００２４】
実施例３．
上記実施例では高周波期間と低周波期間とをそれぞれ一定の長さとしたが、高周波期間を設ける必要性に応じてその長さを可変としてもよい。
図５（ａ）及び（ｂ）は第３の実施例を示す図である。本実施例では、図示するように、高周波期間を徐々に短くしている。始動性確保の要求は始動開始からの時間に応じて低くなっていくものと考えられるので、高周波期間、即ちパルス発生期間を徐々に減らし、異常アーク放電を誘発する高周波期間を不要に設けないようにしている。図５（ａ）に示すように高周波期間と低周波期間の合計時間を一定（２秒）として高周波期間の割合を減らしていくようにしてもよいし、図５（ｂ）に示すように低周波期間を一定として高周波期間だけを短くしていくようにしてもよい。
【００２５】
実施例１〜実施例３に関して．
ところで、一般的な高圧放電灯において、高周波電流（２０ｋＨｚ〜６０ｋＨｚ）の方が低周波電流（６０Ｈｚ〜６００Ｈｚ）よりも電極への負担が大きいことが分かってきている。従って、高周波期間の電流値を低周波期間の電流値よりも小さくすることが電極負担軽減の観点からは望ましい。一方、高周波期間の電流値を低減しすぎるとそれと同時に共振回路１０での共振電圧も低下し、始動性が損なわれてしまうことになる。従って、高周波期間の電流値は電極への負担を軽減しつつ始動性を確保できる範囲にあることが望ましい。具体的には、高周波期間の電流値が低周波期間の電流値の３０％〜１００％であれば電極への負担の軽減と始動性の確保を両立できることが見出された。なお、ここでいう電流値とはピーク値のことである。
【００２６】
図１０は上述のように高周波期間の電流値を低周波期間の電流値よりも小さくするものを示している。図１０（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ図２及び図４における高周波期間の電流値を低減したものである。もちろん、この制御方法は他の期間割合のもの（例えば図５）についても適用可能である。このような制御により、電極へのダメージ軽減と始動性の確保についての好適な両立が可能となる。
【００２７】
実施例４．
実施例１−３においては、好適に異常放電を回避する高圧放電灯点灯装置を示したが、本実施例においてはそれを用いた光源装置を示す。
図６は第４の実施例に係る光源装置を示す図である。図において、２１は上記で説明した高圧放電灯点灯装置、２２は高圧放電灯９が取り付けられるレフレクタ、２３は必要に応じて高圧放電灯点灯装置２１、高圧放電灯９及びレフレクタ２２を内蔵する筐体である。なお、図は実施例を模擬的に図示したものであり、寸法、配置などは図面通りではない。また、図示されない映像系の部材等を筐体２３内に適宜配置してプロジェクターを構成することもできる。
【００２８】
上記より、実施例１−３で示したような改善された始動制御がされる高圧放電灯点灯装置を内蔵したので、始動に関して信頼性の高い光源装置を得ることができる。
【００２９】
（１）上記実施例では低周波時の交流電流として矩形波電流を用いたが、本発明の原理は矩形波電流以外の場合にも適用できる。例えば、正弦波若しくは三角波又はこれらと矩形波の合成波電流等によって始動・点灯する場合にも適用できる。
（２）上記実施例においては、ブリッジ回路としてフルブリッジ回路構成のものを用いたが、直流電力を交流電力に変換できる回路であれば、プッシュプル型等他の回路構成のものを用いることも可能である。
（３）上記実施例では、始動回路におけるパルストランスＴ１の１次側の構成として、共振回路と倍電圧回路の組み合わせを用いたが、高周波期間にパルストランスＴ１の１次側に放電ギャップＧ１の特性値Ｖｓを越える電圧を印加できれば他の構成であってもよい。例えば、その構成を、共振回路とｎ倍電圧回路の組み合わせ、ｎ倍電圧回路のみ、又は共振回路のみで構成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第１の実施例を示す図
【図２】本発明の高圧放電灯点灯装置を説明する図
【図３】理想的なアーク放電を示す図
【図４】本発明の第２の実施例を示す図
【図５】本発明の第３の実施例を示す図
【図６】本発明の第４の実施例を示す図
【図７】従来技術を示す図
【図８】異常アーク放電を示す図
【図９】電極の詳細を示す図
【図１０】本発明の第１〜第３の実施例を説明するための図
【符号の説明】
【００３１】
１．直流電源
２．スイッチング素子
３．チョッパー回路
４．フルブリッジ回路
５．ＰＷＭ制御回路
６．フルブリッジ制御回路
７．イグナイター回路
９．高圧放電灯
１０．共振回路
１２．アーク
１３．電極心棒
１４．電極
１５．バルブ
１６．細線ワイヤー
２１．高圧放電灯点灯装置
２２．レフレクタ
２３．筐体
【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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【図９】
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【図１０】
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