(57)【要約】【課題】簡単な方法で低損失で発熱の少ない小型の給電装置を提供すること。【解決手段】０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀が封入された高圧放電ランプ１０と給電装置よりなる。給電装置はチョッパー回路１を含み、チョッパー回路１の転流ダイオードＤｘと直列に過飽和リアクトルＬｙと転流ダイオードＤｘと同一極性に接続されているダイオードＤｙの並列回路が接続されてい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、チョッ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に対する給電装置において、
前記チョッパー回路は、転流ダイオードと、この転流ダイオードと直列に接続された、過飽和リアクトルと前記転流ダイオードと同一極性に接続される他のダイオードの並列回路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２】
前記平滑回路の出力端に極性切替回路が接続されたことを特徴とする請求項１の高圧放電ランプ用給電装置。
【請求項３】
前記高圧放電ランプは、０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀が封入されたことを特徴とする請求項１または請求項２の高圧放電ランプ用給電装置。
【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、プロジェクター装置の光源に使う封入水銀量０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上の高圧放電ランプの給電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図３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、転流ダイオードＤｘを有するチョッパー回路１と、コイルＬｘやコンデンサＣｘを含む平滑回路２と、点灯始動用スタータ回路３、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。
放電ランプ１０の点灯電圧や点灯電流は、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３によって検出して、制御回路４にて点灯電力を換算して求めるともに、基準電力値と比較してスイッチング素子Ｑｘをフィードバック制御する。チョッパー回路１において制御された電流は、平滑回路２において直流出力となり放電ランプ１０に供給される。
【０００３】
点灯動作を説明すると、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。グロー放電はやがてアーク放電となって放電ランプは安定していくが、グロー放電を発生・維持させるためには、給電装置は高い出力電圧を持たなければならない。アーク放電時の放電ランプの点灯電圧は、グロー放電時の放電ランプの点灯電圧よりも低くなる。
ここで、グロー放電の状態は、点灯条件などにより種々変化し、数マイクロ秒の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】
コンデンサＣｘは、放電ランプが安定した後において、高周波リップルを低減させるために必要となる平滑用のコンデンサであり、比較的、大容量のものが採用される。
また、入力側に、商用電源とＰＦＣを用いた高圧放電ランプ点灯電源においては、チョッパー回路の損失を減らすために、チョッパー回路に共振回路など複雑な機構を用いることもある。
【０００５】
一方、プロジェクター装置の光源に使う放電ランプは、封入される水銀量が、その他の用途に使う水銀ランプに比べてきわめて大きい。このため、放電ランプを消灯させた時は、液状（粒状）の水銀が電極に付着しやすくなる。金属である電極は、ランプ消灯時は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、このような状態から放電ランプを始動させると、電極に付着した水銀が起点となり、まずアーク放電を発生させる。このアーク放電は、前記した熱によるアーク放電とは異なり、一時的な特殊なアーク放電といえるものであって、電極に付着している水銀が蒸発して枯渇すると消滅する不安定なものである。
つまり、通常の放電ランプであれば、始動（絶縁破壊）後に、グロー放電からアーク放電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、上記特殊なアーク放電（以下、「特殊アーク」ともいう）を経験するというわけである。
【０００６】
このような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はできず、点灯初期の段階で消灯（立ち消え）してしまいやすい。因みに、特殊アークが生じている時間は、点灯開始から概ね１０秒以内である。
従って、この種の放電ランプの給電装置は、特殊アークが発生したとしても、放電ランプに対して、十分な電流が供給できるよう、電源Ｖdcから供給される電圧は、比較的高い値に設定される。これに伴い、チョッパー回路を構成するスイッチング素子Ｑｘや転流ダイオードＤｘは、高圧放電ランプが要求する無負荷開放電圧よりも高い電圧に耐えるだけの特性を持つものが採用される。
【０００７】
このように比較的高い耐電圧特性を有するスイッチング素子や転流ダイオードを採用することで、始動時における問題、すなわち、特殊アークが生じても安易に立ち消えを起こすという問題を解消して安定点灯まで導くことが可能になる。
その一方で、スイッチング素子がオンした瞬間には、転流ダイオードＤｘに大きな電流（転流）が流れてしまい、このことがスイッチング素子Ｑｘのスイッチング損失を大きくさせるという新たな問題を発生させる。
つまり、始動時の問題を解決できる一方で、定常点灯時はスイッチングロスを生じるというわけである。
【特許文献１】特許第３１９９９７３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
封入水銀量０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上の高圧放電ランプの点灯装置であって、始動時に特殊アークの影響を受けることなく始動動作を遂行することができ、かつ、定常点灯時はスイッチングロスを生じることのない給電装置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、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、チョッ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、前記チョッパー回路は、転流ダイオードと、この転流ダイオードと直列に接続された、過飽和リアクトルと前記転流ダイオードと同一極性に接続される他のダイオードの並列回路を有することを特徴とする。
【００１０】
また、前記平滑回路の出力端に極性切替回路が接続されたことを特徴とする。
さらに、前記高圧放電ランプは、０．１５ｍｇ／ｍｍ３以上の水銀が封入されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
上記成により、始動時に特殊アークが発生したとしても、ランプの立ち消えをなくし、あるいは低減させることができ、また、定常点灯時はスイッチングロスを低減させた駆動を可能とする給電装置を提供できる。
【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により点灯装置が構成される。
チョッパー回路１は、降圧型のチョッパー回路であり、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、転流ダイオードＤｘと、ダイオードＤYと、過飽和リアクトルLY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、チョッパー回路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。
制御回路４は、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３からの電圧信号、電流信号を受けて、放電ランプの点灯電力を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はフィードバック制御される。
抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は、放電ランプ１０の点灯電圧、点灯電流を検出するもので、抵抗Ｒ１、Ｒ２より点灯電圧を検出して、抵抗Ｒ３より点灯電流を検出する。
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。
【００１３】
次に、放電ランプ１０の点灯開始時（始動時）の動作を説明する。
スタータ回路３により、トランスＴｒ１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。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。
【００１４】
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。絶縁破壊後の放電ランプはグロー放電状態であるが、前記したように、この種の放電ランプは一時的に特殊アーク放電を生ずることがある。
ここで、グロー放電のときはランプ電圧が高いが、アーク放電になるとランプ電圧は低くなる。このため、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が低い状態から瞬時に高い状態へと変化することになる。
この変化は、きわめて短時間で発生することから、当該変化に迅速に応答するためには、電源Ｖdcの出力電圧を高めに設定するとともに、スイッチング素子Ｑｘや転流ダイオードＤｘには耐電圧特性や耐電流特性の優れた素子を採用しなければならない。
【００１５】
このように、スイッチング素子Ｑｘや転流ダイオードＤｘとして耐電圧特性や耐電流特性の優れた素子を使うことで、特殊アークに起因する始動時のランプ立ち消えの問題を解決できる。その一方で、定常点灯時には、スイッチング素子Ｑｘや転流ダイオードＤｘは高耐圧の大型素子であるゆえ、スイッチング動作に伴い、転流ダイオードＤｘに電流Ｉ１が流れ、これがスイッチング素子Ｑｘのスイッチング損失を発生させる。
本願発明は、この問題を解決するために、チョッパー回路の転流ダイオードＤｘと直列に、過飽和リアクトルＬｙとダイオードＤｙの並列回路を接続している。また、ダイオードＤｙは転流ダイオードＤｘと同一極性に接続される。
【００１６】
この点をもう少し説明すると、スイッチング素子Ｑｘがオフからオンになるときに、スイッチング素子Ｑｘに電流Ｉ１（サージ電流）が流れる。
このサージ電流の原因は、第一に、スイッチング素子ＱXのドレイン−ソース間の静電容量と、スイッチングによる電圧の変化によって生じること、第二に、転流ダイオードＤXのリカバリータイム特性によって生じることである。
後者は、スイッチング素子Ｑｘがオフの期間、転流ダイオードＤXに流れる順方向電流（Ｉ２）によって、転流ダイオードＤXに電荷が蓄積され、次に、スイッチング素子Ｑｘがオンになり転流ダイオードＤXが逆バイアスされたときに、この蓄積電荷が放出されるまで転流ダイオードＤXに逆方向の短絡電流（Ｉ１）が流れることである。
本発明は、上記第ニの原因に着目して、スイッチング素子Ｑｘのオン時に電流Ｉ１を減少させることで、スイッチング素子Ｑｘの損失を低減させるものである。
【００１７】
本発明の動作を、図１を使って説明する。
スイッチング素子Ｑｘがオンした際、上記のように、転流ダイオードＤｘに逆方向の短絡電流Ｉ１が生じようとする。しかし、ダイオードＤｙと過飽和リアクトルＬｙの並列回路が、この短絡電流Ｉ１を阻止あるいは低減するように働き、結果として、スイッチング素子Ｑｘに流れる電流を減少させるため、スイッチング素子Ｑｘの損失を大幅に低減させている。
ダイオードＤｙは、コストや実装上からもダイオードＤｘに比べて、小型な素子でなければならない。具体的には、出力電流（順方向電流）値が、ダイオードＤｘに比べて１／２以下、好ましくは１／４以下、より好ましくは１／５以下である。一例をあげると、ダイオードＤｘは新電元工業株式会社製の型式ＳＦ１０Ｌ６０Ｕであって、出力電流１０Ａ、ダイオードＤｙは東芝製の型式１Ｒ５ＮＵ４１で出力電流１．５Ａである。
【００１８】
スイッチング素子ＱXがオン状態からオフされると、まずは、小型ダイオードＤｙにフライホイール電流が流れ、その後は、過飽和リアクトルＬｙを介して流れる。これにより、小型ダイオードＤｙの損失を防ぐことができ、同時に、小型ダイオードＤｙに電荷が蓄積されることを防止できる。
【００１９】
次に、スイッチング素子Ｑｘがオフ状態からオンすると、転流ダイオードＤｘに逆方向の短絡電流Ｉ１が生じようとするが、小型ダイオードＤｙには電荷の蓄積がなされていないので逆電流が少なく、すなわち、逆方向の短絡電流Ｉ１が阻止あるいは軽減される。結果として、スイッチング素子Ｑｘの損失は大幅に減少する。
スイッチング素子Ｑｘが、オン・オフする毎に、これらの一連の動作を繰り返すことにより、チョッパー回路１のスイッチング素子Ｑｘの損失による発熱を低減できる効果は大きい。
【００２０】
なお、小型ダイオードＤｙから過飽和リアクトルＬｙに電流を移行させるタイミングは、小型ダイオードＤｙの逆回復時間や電流容量や発熱状況などにより適宜選択される。
【００２１】
ここで、特殊アーク放電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。
【００２２】
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。
【００２３】
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において、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構成である。
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に対して供給することができる。
具体的には、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、平滑コンダンサＣｘ→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→平滑コンダンサＣｘの経路で流れる電流と、平滑コンダンサＣｘ→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→平滑コンダンサＣｘの経路で流れる電流を交互に生成する。
【００２４】
図４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。
【００２５】
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ためのものである。
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。
【００２６】
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することができる。
【００２７】
図２において、交流電流を生成する手段はフルブリッジ回路に限定されず、他の回路構成を採用できる。特に、スイッチング素子の数は４つでなくても、少なくとも２つのスイッチング素子により、デッドタイムを介在させて交互にオン・オフ駆動できれば十分である。
また、スタータ回路３は、電流経路に高圧トランスを接続する方式に限定されず、放電ランプ１０の外面にトリガワイヤを配設する方式（いわゆる外部トリガ方式）であってもかまわない。
【００２８】
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、チョッパー回路の転流ダイオードＤｘと直列に、過飽和リアクトルＬｙと小型ダイオードＤｙの並列回路が接続され、かつ、ダイオードＤｙは転流ダイオードＤｘと同一極性に接続されているので、チョッパー回路のスイッチング損失低減することができ、かつ、発熱を押さえ小型化を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【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】高圧放電ランプ点灯装置を示す。
【図４】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。
【符号の説明】
【００３０】
１  チョッパー回路
２  平滑回路
３  スタータ回路
４  制御回路
５  フルブリッジ回路
１０  放電ランプ
２０  電極
Ｑｘ  スイッチング素子
Ｄｘ  転流ダイオード
Ｄｙ  ダイオード
Ｌｙ  過飽和リアクトル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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