JP4983877B2 - 高圧放電ランプ点灯装置およびプロジェクタ - Google Patents

Description

本発明は高圧放電ランプ点灯装置および当該高圧放電ランプ点灯装置を搭載したプロジェクタに関する。特に、本発明は、発光管内に０.１５ｍｇ/ｍｍ^３以上の水銀が封入され点灯時の水銀蒸気圧が高い、例えば１１ＭＰａ以上の交流点灯型の高圧放電ランプであって、投射型プロジェクタ装置やリアプロジェクションテレビなどの投射用光源として使用するに好適な高圧放電ランプとその点灯装置からなる高圧放電ランプ点灯装置および当該高圧放電ランプを搭載したプロジェクタに関するものである。

投射型プロジェクタ装置は、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追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、最近は、より一層の小型化、点光源化が進められ、電極間距離も極めて小さいものが実用化されてきている。
このような背景のもと、近時、メタルハライドランプに代わり、極めて高い水銀蒸気圧、例えば２０ＭＰａ以上をもつ高圧放電ランプが使用されている。これは、水銀蒸気圧を高くすることで、アークの広がりを絞り込むとともに、一層の光出力の向上を図ったランプである。

上記ランプとしては、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０．１５ｍｇ/ｍｍ^３以上の水銀と、希ガスと１０ ^{− ６} μ mol/mm^３〜１０^−２μ mol/mm^３の範囲でハロゲンを封入した高圧放電ランプが使用される（ 例えば特許文献１参照） 。
この種の放電ランプおよびその点灯装置は、例えば特許文献２ に開示されている。
特許文献３ に開示される高圧放電ランプは、定常電力点灯時の管内水銀蒸気圧が１５ＭＰa 〜３５ＭＰaで、発光管内に１０ ^{− ６} μ mol/mm^３〜１０^−２μ mol/mm^３の範囲でハロゲン物質を封入したものであり、発光管内に一対の電極を設け、電極先端部の中心付近に突起部を設けることにより電極間に発生する放電アークの位置が電極先端の中央部や周辺部の間で安定せず、移動する所謂アークジャンプ現象の発生を抑制するようにしたものである。
そして、Ｄ Ｃ ／ Ｄ Ｃ コンバータとＤ Ｃ ／ Ａ Ｃ インバータと高圧発生装置から構成される点灯装置により、上記一対の電極間に交流電圧を印加して点灯させる。

一方、近年のようにプロジェクタが小型化され、一般家庭でも用いられるようになるに伴い、使用環境の明るさや、投影する映像の種類に合わせて、画面が明るくなりすぎないような配慮が必要となってきた。かかる要請に応えるべく、いわゆる調光機能と称される機能を有するプロジェクタが考案されている（例えば、特許文献３）。ここで、調光機能とは、高圧放電ランプを定格電力よりも低い電力で点灯させることにより、ランプの明るさ調整、低消費電力化等を図ろうとする機能をいう。以下、定格電力よりも低い電力で点灯させることを「調光電力点灯」という。
現在の高圧放電ランプ点灯装置では、「定格電力点灯」と「調光電力点灯」の両方を備えたものが一般的であり、本明細書では、「定格電力点灯」と「調光電力点灯」でランプを点灯させることを定常電力点灯モードと規定する。また、「調光電力点灯」は「定格電力点灯」の６０〜８０％の電力で動作されるのが一般的である。
図５に調光機能を有する点灯装置で高圧放電ランプを点灯させたときの電流波形の一例を示す。
同図に示すように、定格電力点灯をしているときに調光電力点灯指令信号がオンになると、電極を定格電力点灯の６０−８０％程度に低下させて、ランプを点灯させる。

更には最近において画面への投射そのものを必要としない場合には一時的に投射させない、例えばAVミュートといった機能を持ったプロジェクタも考案されている。
こういった機能は放電ランプが消灯直後は内部圧力が高いために再点灯が出来ないため、機械的にシャッターする場合や液晶パネルに印可される電圧を調整し、スクリーンに投射される光を遮断するなどして対応している。以下、画面を意図的に投射させない状態でランプを点灯させることを小電力点灯モードと規定する。

小電力点灯において電力は極限まで低い電力であることが望ましい。なぜならば、極限まで低い電力で点灯することにより、ランプからの発熱が激減し、プロジェクタからの騒音の主原因である冷却ファンの駆動を停止、または、低下することができ、プロジェクタからの騒音を極限まで小さくすることが出来るからである。更には低い電力で点灯させることでランプの熱的な負荷を軽減することが出来るため、投射が必要な場合と必要としない場合を組み合わせることで実質的なランプ寿命を伸ばすことが可能である。ここでランプの熱的な負荷とは発光管及び電極に対する熱的な負荷であり、これらは投入電力が低いほど小さくすることが出来る。

また、プロジェクタの性能の一つにコントラスト比がある。これは投影された画面が白の状態（明状態）と黒の状態（暗状態）で画面上の輝度を比較し、その比率を指すものである。コントラスト比が高いことで明暗のはっきりした画像を投影することが出来るため、明るさとともにプロジェクタの重要な性能とされている。現在、コントラスト比を高くするために前述した機械的なシャッター機能などを取り付けて黒の状態を作り出す技術（アイリス機能）が採用されている。
上記のように定格電力では一定以上の明るさが必要であるとともに調光電力点灯が可能であり、更に調光電力を究極に絞った小電力点灯が可能な高圧水銀ランプが求められている。

特開平２−１４８５６１ 号公報 特表２００９−５２７８７１ 号公報 特開２０００−１３１６６８ 号公報 特開２００６−３３２０１５ 号公報 特開２００５−５２２８１８ 号公報 特表２００９−５２７８７１ 号公報

上述したように、電力を究極に絞った小電力点灯が可能な高圧水銀ランプが求められているが、矩形波交流電流を供給した状態でそのまま大きく電力を下げて使用した場合、下記の問題が発生した。
この種の高圧水銀ランプは、点灯中、電極先端部に突起を形成させて、当該突起を起点として安定なアーク放電を形成させることが例えば特許文献４に記載されている。
特許文献４によれば、ランプ電圧に応じて或いはランプ点灯電力に応じて定常周波数及び間欠的（周期的）に挿入する低周波の周波数や波の数を変化させることでアーク起点となる突起を維持することで安定した動作が出来ると記載されている。

しかしながら、上記技術によって、高圧放電ランプを例えば定格電力１８０Wのランプを９０Wで点灯した場合、如何なる周波数を組み合わせた場合においてもアーク輝点が安定せず、いわゆるフリッカー現象および立ち消えが多々発生した。特に定格電力１８０Wに対して７０W以下では顕著にフリッカーが発生し、３０Ｗ以下では立ち消えが発生した。
この発明が解決しようとする課題は、ランプ点灯電力が極めて低い、定格消費電力に対して５０％以下の電力値でランプ駆動する小電力点灯モードの場合においても放電ランプのアーク輝点を位置的に安定させて、いわゆるフリッカーの発生を防止し、更には電極の変形を抑制することで画面投射モードでの点灯動作に影響を与えることの無く、極めて低い電力においても安定して動作させることができ、小電力モードから定常電力点灯モードに移行する際に立ち消えることなく点灯することができる点灯装置および当該高圧放電ランプ点灯装置を搭載したプロジェクタを提供することである。

まず、本願発明者らは、上記した従来の調光点灯電力よりも更に低い電力で動作させた場合について交流駆動動作でフリッカー現象が発生する様子を観察する為、電力を徐々に低下させた場合のアーク輝点部分を観察した。例えば１８０Wで定格動作しているランプを徐々に電力を変化させていくと定格動作と同じ周波数（これを定格周波数と呼ぶ）であれば、１４０Wでアーク輝点部を形成している突起部分が変形していくことを見出した。更には特許文献４に基づき、調光時の動作周波数（これを調光周波数）を定格動作周波数よりも低い周波数を選択し、更には間欠的に低周波を挿入することで１３０Wまでは安定して動作する周波数を見出すことが出来たが、更に電力を下げた場合にはどの周波数を選択しても突起部分が変形していくことが判明した。

この突起部分の変形について図３を用いて説明する。図３は高圧放電ランプの発光管部分を模式的に示したものであり、２０は電極、Ａは電極２０間に形成されているアークである。高圧放電ランプを定格電力で点灯する場合においては、電極材料であるタングステンが点灯時の熱で蒸発し、発光管の管壁に付着することによる発光管黒化現象を抑制するため、ハロゲンサイクルを促進すべく発光管内にハロゲン物質を封入している。蒸発したタングステンはハロゲンと化合し、対流でアークプラズマに戻ってきたときに解離してプラスイオンとなる。プラスイオンとなったタングステンは、陰極フェーズ側の電極先端の電界集中点であるアークスポットを中心とする領域に引き寄せられ、そこへ堆積する。次に、この電極が陽極フェーズに反転すると、電極先端の全体に電子が衝突し、電極温度は上昇し、陰極フェーズで堆積したタングステンは再び蒸発する。

定格電力点灯時は、この堆積と蒸発のバランスが、電極先端に適度な突起を維持できるレベルで安定している（図３（ａ））。しかしながら、調光動作時、即ち定格電力よりも低い電力で点灯している場合には、陰極フェーズ状態の電極先端部の温度が定格電力点灯時よりも低くなるため、電極先端の電界集中点であるアークスポットが突起先端の一部分に限定されるようになる（図３（ｂ））。即ち、突起部の中でも特に電界集中しやすいポイントとそうではないポイントが生じる。アークスポット部分は極めて高温であるため、陰極フェーズであるがタングステンが蒸発し、形状が変形する（図３（ｃ））。変形した形状によってはアークスポット部分の温度が低下し、次にアークスポットを形成しやすい場所へと移動する（図３（ｄ））。こういった現象を繰り返すことで突起全体が台形状に変形し、アークジャンプを繰り返すことが投射画面上のフリッカーとして認識されるものと考えられる。

こういった現象を回避する為には、そういった観点から低周波を間欠的に挿入することは電極先端の温度を上昇させることは有効であり、挿入する波の数を増やすことでより電極温度を上昇させることが出来るのは容易に想像される。しかしながら、交流駆動の場合、必ず電極温度が上昇する陽極フェーズと低下する陰極フェーズが交互に発生することから温度上昇量にも限界があることが推測される。更には低周波の周波数を低くしすぎた場合、例えば１０Ｈｚ程度とした場合、極性が反転するときの電流の変化が視認されることで投影した画面が明滅したように見える別事象のフリッカー現象が発生してしまう。

電力を３０Ｗ程度まで絞ったときに立ち消え現象がどのように発生するかを確認した。電力を定常電力点灯から小点灯に切り替えた直後は問題なく点灯するが、およそ１０秒程度で立ち消えが発生した。ランプ電圧を確認するとランプ電圧が２００Ｖ程度まで上昇し、その結果、バラストが異常電圧と判断してランプを消灯していることが分かった。一方、電極の様子を観察すると電極温度が極めて低くなることで熱電子放出できず、電極全体で放電する所謂グロー放電が持続していることが分かった。一般的に電極先端部の突起で放電するアーク放電に比べてグロー放電はランプ電圧が高くなり、およそ１５０〜２００Ｖ程度に至ることが分かっている。

次に、小電力点灯モードから定常電力点灯モードに移行する際の立ち消え現象がどのように発生するかを確認した。定常電力点灯モードから移行して、５分程度の短時間であれば、陽極動作している側の電極突起に大きな変化は観られない、この様子を（図４（ａ））に現す。時間が５分を超え１時間を過ぎる頃には（図４（ｂ））のように、突起が損耗していき小さく丸くなってくる。更に放置し、２０時間以上経過すると（図４（ｃ））のように突起が消滅してしまう。意図的に、長時間に渡り小電力点灯モードで放置しない限り、（図４（ｃ））の状態にはならい。即ち、小電力点灯モードから定常電力点灯モードに移行する際の立ち消えは、（図４（ｃ））の電極状態で発生していることになる。
これから、小電力点灯モードから定常電力点灯モードに移行する際の立ち消えは、電極突起の損耗と陽極動作における温度低下が原因となり、移行時に陰極動作に切り替わったとき電極突起の温度が低すぎ放電電流を維持できず立ち消えると考えに至った。
本願発明者らは、以上のように調光電力が非常に低い場合に発生するフリッカー現象及び立ち消えの原因を解明し、加えて、小電力点灯モードから定常電力モードに移行する際の立ち消え、更にこれらの問題を解決する方法について鋭意検討した結果、本願発明に係る高圧放電ランプの点灯方法等に到達したものである。

即ち、上記目的を達成するために、本願発明に係る第１の高圧放電ランプの点灯方法は、石英ガラスからなる放電容器に体積のほぼ等しい一対の電極を電極間距離２ｍｍ以下で対向配置して、この放電容器に０.１５ ｍｇ/mm^３以上の水銀と、１０ ^{− ６} μ mol/mm^３〜１０^−２μ mol/mm^３の範囲のハロゲンと所定量の希ガスが封入される高圧放電ランプと、この放電ランプに対して矩形波交流電流を供給して点灯させる給電装置とから構成される高圧放電ランプ点灯装置において、始動直後の初期点灯期間を除いた定格消費電力に対して５０％以下の電力値でランプ駆動する小電力点灯モードで動作させる場合、矩形波交流電流の第一の時間単位と第二の時間単位で構成され、交互に繰り返して前記放電ランプを駆動し、第一の時間単位は時間幅ｔ１であるとともに、第二の時間単位は時間幅ｔ２の繰り返しで構成され、且つ５回以上繰り返すことで構成されることを特徴としている。

本願の高圧放電ランプには０.１５ｍｇ/mm^３以上の水銀が封入されている。このような高圧放電ランプにおいて定格点灯の５０％以下の電力では仮に全く冷却を行なわなかったとしても蒸発できない水銀即ち、未蒸発水銀が発生する。これは本来、照度寿命、明るさといった性能を引き出すために定常電力点灯に耐えうる発光管設計が決まるが、５０％以下の電力では冷却が無い環境下においても水銀を蒸発させるに足る発光管温度にはならないためである。従来、未蒸発水銀は放電アークや放電起点を絞るといった作用の働きも低く、動作圧力も低下する結果、光出力を低下させるために好ましくないものと考えられていた。しかしながら、定格点灯の５０％以下の電力で動作させたときには放電アーク及び放電起点を絞らない為、一定の電極温度を保つ役割に寄与するため、陰極動作する電極の熱電子放出させ易くしていると推測される。

ここで一定の時間、極性が固定される点灯方法として直流点灯が考えられる。特にはランプ調光方法として電流が低い場合には直流点灯とすることが特許文献５に記載されている。

特許文献５によれば、直流点灯の場合、ランプが消灯してしまうことなく、充分低い電流まで動作が可能であることが記載されている。そこで本願の高圧放電ランプを定格消費電力に対して５０％以下の電力値で直流点灯駆動させて確認をした。この場合、３０分程度は安定して動作をするものの陰極側の電極先端が変形し、そのあと定常動作に切り替えたときに電圧が大幅に上昇し、スクリーン照度が大きく低下していることが確認された。また、定常動作に切り替える際に立ち消える事も確認された。
ここでこの現象が如何にして生じるのか推察してみた。直流点灯の場合、陰極側の電極先端の温度が交流駆動する定常動作時の温度に比べると著しく低いために電極先端の一部でのみ放電する所謂スポットモードで動作することが特許文献５にも記載されている。安定してスポットモードで動作するため、交流駆動とは違い、アークスポットが移動することは無い。しかしながら、アークスポットとなる部分は非常に狭い領域で溶融しており、非常に高温となっている。数秒といった短時間の動作であれば、大きな影響は無いが、暫く点灯を継続するとアークスポットとなっていた部分が変形する。次に定常動作として例えば定格点灯した場合、変形した電極先端が定格点灯時の電流に耐えられず、更に変形して電圧が大きく上昇する。
このような現象は電極間距離が長く、また水銀密度が低い種類のＨＩＤランプでは発生し得ないかもしれない。しかしながら、本願のように電極間距離が２ｍｍ以下と短く、また、０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀が封入された高圧放電ランプの場合、未蒸発水銀があるもののアークは絞られており、定常動作時に比べると低いとしても電極先端部の電流密度は無視できないため、アークスポットの集中が電極の変形を招くと推察される。
また、特許文献６によれば、特許文献５に有るＤＣ型電圧を供給するには、フルブリッジ回路を実現するために半導体デバイスが使用されている、一般的なＡＣ型電圧を供給する駆動ユニットでは、ＤＣ型電圧供給を無理に続けると誤動作がもたらせる旨が記載されている。更には、この一般的なＡＣ型電圧を供給する駆動ユニットであっても、ＤＣ型電圧供給を行い、放電ランプを安定して点灯できると記載されている。しかしながら、特許文献５で確認された“照度不安定”、“立ち消え”は、依然として残されているのを確認した。

一方、本願のように交流駆動の矩形波交流電流の第一の時間単位は時間幅ｔ１であるとともに、第二の時間単位は時間幅ｔ２の繰り返しで構成され、且つ５回以上繰り返すことで構成されることで、陰極動作する電極先端のアークスポットが固定されるとともに適当な期間、極性が反転されることで陽極動作する電極先端温度を適正に保つことができるため、長時間安定した動作ができるとともに、小電力点灯モードから定常電力点灯モードに移行する際に立ち消えることが抑制される。

第一の時間幅ｔ１は２０ｍｓ〜５００ｍｓで、かつ第二の時間単位の時間幅ｔ２は０．０１ｍｓ〜５ｍｓであった場合、定格消費電力に対して５０％以下の電力値でランプ駆動する小電力点灯モードであってもフリッカーの発生を抑制し、安定して動作させることができる。しかしながら、長時間に亘って点灯した場合、僅かながら電極先端が変形し、先端部の突起の位置が変化（ずれ）する場合がある。特に第一の時間幅ｔ１は２０ｍｓ〜５００ｍｓで、かつ第二の時間単位の第二の時間幅ｔ２は０．０１ｍｓ〜５ｍｓであってもｔ１およびｔ２の期間が長い場合、例えばｔ２が５ｍｓ、ｔ２が５００ｍｓの場合などは突起部は非常に狭い領域で溶融するものの、溶融部はある大きさを有しており、長時間の点灯の中で僅かながら突起の先端部が変形し、狭い領域で徐々に突起の位置が変化（ずれ）していく。わずかな突起位置のずれは電極間距離が２．０ｍｍよりも長い場合はその変形量の問題は相対的に大きくない。しかしながら、電極間距離が２．０ｍｍ以下の極めて短い電極間距離の場合、突起の位置がずれることが、スクリーン照度に影響を及ぼし始める。特にはＬＣＤパネルやＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）の小型化により、このような僅かな変形も長時間の使用に影響することが分かった。このような結果から、更に長寿命を確保するためにｔ１，ｔ２の時間を更に厳密に調査した。その結果、第一の時間幅ｔ１は３０ｍｓ〜１００ｍｓで、かつ第二の時間単位の第二の時間幅ｔ２は０．０５ｍｓ〜１ｍｓであれば、僅かな突起の位置ずれもなく、長時間に亘って安定して電極先端部を保つことが出来ることが分かった。
また、小電力点灯モードから定常電力点灯モードに移行する際の立ち消えと第二の時間単位の第二の時間幅ｔ２の繰り返し回数について調査を行った。その結果、１回、３回の場合では、立ち消えを完全に抑える事ができなかった。繰り返し回数を５回以上にすることで、立ち消えを完全に抑制出来る事が確認できた。

以下に基づき、本発明においては、以下のようにして上記目的を達成する。
（１）石英ガラスからなる放電容器に第一の電極と第二の電極が電極間距離２ｍｍ以下で対向配置して、この放電容器に０．１５ｍｇ/mm^３以上の水銀と、１０ ^{− ６} μ mol/mm^３〜１０^−２μ mol/mm^３の範囲のハロゲンと所定量の希ガスが封入される高圧放電ランプと、この高圧放電ランプに対して矩形波交流電流を供給して点灯させる給電装置と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、前記高圧放電ランプに対して、定常電力点灯モードと、定格消費電力に対して５０％以下の電力値でランプ駆動する小電力点灯モードとを切り替え可能に駆動するものであって、前記高圧放電ランプに対して１００Ｈｚ〜５ｋＨｚの範囲から選択された定常電力点灯周波数の第一の極性と第二の極性が交互に繰り返す交流電流ＩＨによって駆動される前記定常電力点灯モードと、前記高圧放電ランプに対して、定常電力点灯モードの定格消費電力に対して５０％以下の交流電流ＩＬによって駆動される小電力モードで構成され、前記交流電流ＩＬは、第一の時間単位と第二の時間単位で構成され、交互に繰り返して前記放電ランプを駆動し、第一の時間単位は時間幅ｔ１で第一の極性または第二の極性のどちらか一方の極性を持ち、第二の時間単位は、時間幅ｔ２で第一の極性と第二の極性が交互に５回以上繰り返されて動作させる。
（２）上記（１）において、時間幅ｔ１は２０ｍｓ〜５００ｍｓであるとともに、かつ第二の時間単位の時間幅ｔ２は０．０１ｍｓ〜５ｍｓとする。
（３）上記（１）において、小電力点灯モードでの駆動時の電流は、第一の時間単位 ≦ 第二の時間単位の関係にある。
（４）上記（１）〜（３）のいずれかの高圧放電ランプ点灯装置を画像を投影する機能を備えたプロジェクタに搭載する。
（５）上記（４）のプロジェクタにおいて、定常電力点灯モードで一定の期間、プロジェクタの画像信号に変化が無い場合に小電力点灯モードに移行する機能を具備する。
（６）上記（４）のプロジェクタにおいて、小電力点灯モードで一定の期間、プロジェクタの画像信号に変化が無い場合に自動的に高圧放電ランプを消灯する機能を具備する。
（７）上記（４）のプロジェクタにおいて、小電力点灯モードで一定の期間動作させた後、検知手段と連動して定常電力点灯動作に移行する機能を具備する。

本発明においては、以下の効果を得ることができる。
（１）定格消費電力に対して５０％以下の電力値でランプ駆動するとき、矩形波交流電流の第一の時間単位と第二の時間単位で構成され、交互に繰り返して前記放電ランプを駆動し、第一の時間単位は時間幅ｔ１であるとともに、第二の時間単位は時間幅ｔ２の繰り返しで構成され、且つ５回以上繰り返すとように動作させたので、放電ランプのアーク輝点を位置的に安定させて、いわゆるフリッカーの発生を防止することができ、極めて低い電力でも立ち消えることなく、安定して点灯させることができる。
（２）矩形波交流電流の時間幅ｔ１は２０ｍｓ〜５００ｍｓであるとともに、かつ第二の時間単位の時間幅ｔ２は０．０１ｍｓ〜５ｍｓなるように動作させたので、電極に対する熱的な負荷に偏りが生じるのを防止することで、電極先端部の突起の位置ずれを防止でき、長時間に亘り小電力で動作させても、照度寿命特性を確保することができる。
（３）本発明の高圧放電ランプ点灯装置をプロジェクタに搭載し、定格消費電力に対して５０％以下の電力値で前記放電ランプを点灯中に、一定の期間、プロジェクタの画像信号に変化が無い場合に定格消費電力に対して５０％以下の電力値でランプ駆動する小電力点灯モードに移行させることにより、無駄な電力の消費を防ぎ、省電力化を図ることができる。
（４）本発明の高圧放電ランプ点灯装置をプロジェクタに搭載し、定格消費電力に対して５０％以下の電力値でランプ駆動する小電力点灯モードで前記放電ランプを点灯中に、一定の期間、プロジェクタの画像信号に変化が無い場合に自動的に高圧放電ランプを消灯することにより、プロジェクタの消し忘れを防止することができる。
（５）本発明の高圧放電ランプ点灯装置をプロジェクタに搭載し、定格消費電力に対して５０％未満の電力値で前記放電ランプを点灯中に、検知手段と連動してプロジェクタを点灯させることで無駄な電力の消費を防ぎ、省電力化を図ることができる。

本発明の高圧放電ランプ点灯装置の対象となる高圧放電ランプを示す図である。 本発明の高圧放電ランプ点灯装置の対象となる高圧放電ランプの電極を示す図である。 高圧放電ランプの電極突起が変形する様子を示す。 小電力点灯モード時における電極突起が変化する様子。 本発明の実施例の高圧放電ランプ点灯装置の構成を示す図である。 本発明の実施例の高圧放電ランプ点灯装置を搭載したプロジェクタの構成例を示す図である。 本発明の放電ランプの電流波形の一例を示す図である。 本発明の放電ランプの電流波形の別の一例を示す図である。 本発明の放電ランプの電流波形の別の一例を示す図である。 本発明の放電ランプの電流波形の別の一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１に本発明の対象となる高圧放電ランプを示す。
高圧放電ランプ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を有する。この発光部１１の中には一対の電極２０が２ｍｍ以下の間隔で対向配置している。また、発光部１１の両端部には封止部１２が形成される。この封止部１２には、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る。金属箔１３の一端には電極２０の軸部が接合しており、また、金属箔１３の他端には外部リード１４が接合して外部の給電装置から給電が行なわれる。
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３６０〜７８０ｎｍの放射光を得るためのもので、０．１５ｍｇ／ｍｍ^３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２００ 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２５０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装置に適した光源を実現できる。

希ガスは、例えば、アルゴンガスが約１３ｋＰａ封入される。その機能は点灯始動性を改善することにある。ハロゲンは、沃素、臭素、塩素などが水銀あるいはその他の金属と化合物の形態で封入される。ハロゲンの封入量は、１０^−６μｍｏｌ／ｍｍ^３〜１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲から選択される。ハロゲンの機能は、いわゆるハロゲンサイクルを利用した長寿命化であるが、本発明の高圧放電ランプのように極めて小型できわめて高い点灯蒸気圧のものは、放電容器の失透防止をいう作用もある。
高圧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５５ｍｍ^３、定格電圧７０Ｖ、定格電力１８０Ｗ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装置に内蔵されるものであり、全体寸法として極めて小型化が要請させる一方で高い発光光量も要求される。このため、発光部内の熱的影響は極めて厳しいものとなる。ランプの管壁負荷値は０．８〜２．５Ｗ／ｍｍ^２、具体的には２．４Ｗ／ｍｍ^２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装置やオーバーヘッドプロジェクタ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。

図２は電極先端と突起を示すことを目的として、図１に示す電極２０の先端を模式化して表したものである。電極２０は、それぞれ球部２０ａと軸部２０ｂから構成され、球部２０ａの先端に突起２１が形成されている。
ここで、上記突起２１は、本発明に係る放電ランプのように電極間距離２ ｍ ｍ 以下であって発光部に０．１５ｍｇ ／ ｍｍ ^３ 以上の水銀を含むプロジェクタ装置の光源として用いられる場合は不可欠となる。なぜなら、発光部に０．１５ｍｇ ／ ｍｍ ^３ 以上の水銀を含み、動作圧力が２００気圧以上に達する放電ランプにおいては、高い蒸気圧によって、アーク放電が小さく絞られ、結果として放電起点も小さく絞られるからである。
また、電極先端に突起２１が形成されることで、そこを起点としてアーク放電が発生するため、アークからの光が電極の球部２ ０ ａ によって遮られにくくなる。このため、光の利用効率が向上し、より明るい映像が得られるという利点も生じる。なお、図２ は模式化した図面ではあるが、通常、軸部２ ０ ｂ の先端には、軸径より大きい径を有する球部に相当する要素を有している。

次に上記放電ランプを点灯させる給電装置を図５示す。
点灯装置は放電ランプ１０と給電装置から構成される。給電装置は、直流電圧が供給される降圧チョッパ回路１と、降圧チョッパ回路１の出力側に接続され直流電圧を交流電圧に変化させて放電ランプ１０に供給するフルブリッジ型インバータ回路２（以下、「フルブリッジ回路」ともいう）と、放電ランプに直列接続されたコイルＬ１、コンデンサＣ１、およびスタータ回路３と、上記フルブリッジ回路２のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を駆動するドライバ４と、制御部５から構成される。
制御部５は例えばマイクロプロセッサ等の処理装置で構成することができ、図５ではその機能構成をブロック図で示している。

図５において、降圧チョッパ回路１は、直流電圧が供給される+側電源端子に接続されたスイッチング素子ＱｘとリアクトルＬｘと、スイッチング素子ＱｘとリアクトルＬｘの接続点と−側電源端子間にカソード側が接続されたダイオードＤｘと、リアクトルＬｘの出力側に接続された平滑コンデンサＣｘと、平滑コンデンサＣｘの−側端子とダイオードＤｘのアノード側の間に接続された電流検出用の抵抗Ｒｘから構成される。
上記スイッチング素子Ｑｘを所定のデューティで駆動することにより、入力直流電圧Ｖdcをこのデューティに応じた電圧に降圧する。降圧チョッパ回路１の出力側には、電圧検出用の抵抗Ｒ１,Ｒ２の直列回路が設けられている。
フルブリッジ回路２は、ブリッジ状に接続したスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４から構成され、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３を交互にオンにすることにより、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の接続点と、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４の接続点間に矩形波状の交流電圧が発生する。
スタータ回路３は、抵抗R3とスイッチング素子Ｑ５の直列回路と、コンデンサＣ２とトランスＴ１から構成される。
スイッチング素子Ｑ５をオンにすると、コンデンサＣ２に充電されていた電荷がスイッチング素子Ｑ５、トランスＴ１の一次側巻線を介して放電し、トランスＴ１の二次側にパルス状の高電圧が発生する。この高電圧は、放電ランプ１０の補助電極Ｅｔに印加され、ランプを点灯する。

上記回路において、第一の時間単位は時間幅ｔ１であるとともに、第二の時間単位は時間幅ｔ２の繰り返しで構成され、且つ５回以上繰り返すことで構成されるように動作させるにはフルブリッジ回路２のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のスイッチング周期を調整することで達成でき、また、出力電圧は降圧チョッパ回路１のスイッチング素子Ｑｘの動作デューティを調整することで達成できる。
降圧チョッパ回路１のスイッチング素子Ｑｘは、ゲート信号Ｇｘのデューティに応じてオン／オフし、ランプ１０に供給される電力が変化する。すなわち、電力アップならＱｘのデューティを下げるなどして、その入力された電力調整信号値に合致する電力値になるようにゲート信号Gｘの制御を行う。
これにより、出力される電流波形を図７に示す。

制御部５は、駆動信号発生手段５１とコントローラ５２から構成される。
駆動信号発生手段５１は、例えば交流信号発生部５１a〜５１c、第一の時間単位は時間幅ｔ１であるとともに、第二の時間単位は時間幅ｔ２の繰り返しで構成され、且つ５回以上繰り返すことで構成されるように駆動期間が非対称な矩形波を発生させる非対称矩形波信号発生部５１ｃと、これらの出力を選択するセレクタ５１ｄから構成される、交流信号発生部５１a〜５１ｂ、非対称矩形波発生部５１ｃの出力を選択的に出力し、フルブリッジ回路２のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を駆動するための駆動信号を発生する。
コントローラ５２は、ランプ１０の点灯動作を制御する点灯動作制御部５２aと、外部からの点灯電力指令に応じて、降圧チョッパ回路１のスイッチング素子Ｑｘを設定されたデューティで駆動し、ランプ電力を制御する電力制御部５２cを備える。
また、上記スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の駆動信号を設定するため、定常電力点灯か、０．５×Ｐ（Ｗ）以下の電力で動作させる小電力点灯かに応じて上記駆動信号発生手段５１のセレクタに周波数選択指令を送出する周波数選択部５２bを備える。

電力制御部５２ cは、電流検出用の抵抗Rxの両端電圧と、電圧検出用の抵抗Ｒ１、Ｒ２により検出された電圧から、ランプ電流I、ランプ電圧Vを求めてランプ電力を演算し、この電力が点灯電力指令に一致するような降圧チョッパ回路１のスイッチング素子Ｑｘのデューティを制御する。
セレクタ５１ｄは、周波数選択部５２ｂからの指令に応じて、交流信号発生部５１ａ〜５１ｂ、非対称矩形波信号発生部５１ｃの出力を選択的にドライバ４に送出する。
なお、周波数選択部５２ｂから出力される非対称比率増減信号に応じて、非対称矩形波信号発生部５１ｃから出力される矩形波の時間幅ｔ１を第二の時間単位の時間幅ｔ２の値に応じて増減してもよい。
更には、第一の時間単位における放電ランプ点灯電力と第二の時間単位における放電ランプ点灯電力を
第一の時間単位 ≦ 第二の時間単位
となるように変化させても良い。これは、陽極として動作している電極突起部の温度上昇を改善することになる。
ここで定常電力点灯から小電力点灯に移行する際には定格消費電力に対して５０％以下の電力から徐々に電力を低下させながら小点灯電力に移行しても良い。そうすることで電極温度の急激な変化を更に抑えることが出来る。この場合には降圧チョッパ回路１のスイッチング素子Ｑｘのデューティを制御して電力を徐々に減じながら、小電力点灯に移行することで実現される。
また、後述するように、小電力点灯から定常電力点灯に移行する際、徐々に動作電力を増大させたり、陽極動作していた電極側の陽極駆動期間を徐々に小さくしながら（Ｔｂ/Ｔａを変化させながら）、定常電力点灯に移行させる場合には、電力制御部５２ｃでランプに供給する電力を徐々に増加させたり、非対称矩形波信号発生部５１ｃに送出される非対称比率増減信号により、矩形波の非対称率を制御する。

ここで本実施例に係る高圧放電ランプ点灯装置を搭載したプロジェクタの構成例を図６に示す。
プロジェクタは、上述した高圧放電ランプ点灯装置３０及び高圧放電ランプ１０と、プロジェクタ制御部３１と、液晶表示装置等から構成される画像表示装置３２と、画像表示装置３２に表示された画像を拡大表示する拡大装置３３から構成され、拡大装置３３により拡大された画像は、スクリーン３２に投影表示される。
プロジェクタ制御部３１は、パソコン３５あるいはテレビなどの外部装置から与えられる画像信号を処理する画像制御部３１ａと、上述した高圧放電ランプ点灯装置３０に、点灯指令及び点灯電力指令を送出する点灯制御部３１ｂを備える。

次に、定常電力点灯動作モードから本実施例の小電力モードへの切り替え制御について説明する。ここで定常電力点灯モードとは、「定格電力」、「調光電力」で動作させる場合を指す。なお、「調光電力」の点灯電力は高圧放電ランプ及び給電装置の設計によって決まるものであるが、「調光電力」とは「定格電力」に対しておよそ６０〜８０％程度の電力で動作させることである。
制御部５に与えられる点灯電力指令信号により、小電力モードが選択されると、図５に示す制御部５は第一の時間単位は時間幅ｔ１であるとともに、第二の時間単位は時間幅ｔ２の繰り返しで構成され、且つ５回以上繰り返す構成となるような駆動期間が非対称な矩形波を発生させる、非対称矩形波を選択する。すなわち、周波数選択部５２ｂは、セレクタ５１ｄにより非対称矩形波信号発生部５１ｃの出力を選択させ、ドライバ４は、スイッチング阻止Ｑ１〜Ｑ４に非対称矩形波の駆動信号を与え、Ｑ１、Ｑ４、或いはＱ３、Ｑ２を交互にオンする時間を非対称にすることで、高圧放電ランプ１０を非対称矩形波駆動する。
また、点灯電力指令信号が定常電力点灯モードを選択した場合には、矩形波交流点灯で点灯動作する。すなわち、周波数選択部５２ｂは、セレクタ５１ｄにより交流信号発生部５１ａ、５１ｂの出力を選択させ、ドライバ４は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４に交流駆動信号を与え、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４、或いはＱ３、Ｗ２を交互にオンにして高圧放電ランプ１０に交流矩形波電流を供給する。

図７で示す電流波形で駆動した実際の評価結果を表１に示す。点灯回路の条件は、
ｔ１＝５０ｍｓ，２＝０．１ｍｓ，ｔ２を５回繰り返す，前記１８０Ｗランプを使用し、定格ランプ入力；１８０Ｗで評価を行った。
評価結果を表１に示す。表１は、小電力点灯モードである１００Ｗ〜１４０Ｗの範囲で変化させ、各電力値における点灯の可否、電極損耗、フリッカー及び突起の位置ずれ有無を調べたものである。ここで表中の判定基準は以下のとおりとしている。◎とは点灯可能な状態でフリッカーがなく、かつ電極先端部の損耗が無いだけでなく、突起の位置ずれもんく、長時間に亘って安定して動作が可能なことを示す。○とは点灯可能な状態でフリッカーがなく、かつ電極先端部の損耗は無いが、長時間の点灯では突起の位置ずれを生じ、４０００時間超の照度維持特性が必要な長寿命ランプへの適用が困難であることを示す。×は点灯そのもの不可能な状態、または点灯可能な状態であっても電極損耗が大きい、フリッカーなどの現象により正常な使用ができないことを示す。
表１に示されるように、定格電力の１１％よりも低い電力では、点灯を持続することができなかった。これは極性が陰極側でどうさする側の電極温度が極端に低くなるために、十分な熱電子放出ができないために放電を維持できなくなり、グロー放電となることで異常電圧と検知され保護回路が働いたと考えられる。また、定格電力の５０％よりも高い電力では、長時間、陽極側で動作し電極温度が高くなりすぎたため突起が消失した。このため本件発明の範囲を１１％〜５０％から選択した電力で点灯させる場合のみフリッカーもなく、電極先端部の突起の消失もなく、小電力点灯モードから定常電力点灯モードへの移行時の立ち消えもなく良好な点灯状態を構成することができた。

ところで、小電力点灯時には、ランプに非対称な矩形波電流を供給する必要があり、図５に示したフルブリッジ回路２のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４に非対称矩形波の駆動信号を与え、Ｑ１、Ｑ４、或いはＱ３、Ｑ２を交互にオンする時間を非対称にする必要がある。
実際の回路構成においては、例えばコンデンサを充電することで、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２へのハイレベルのゲート駆動信号を生成している。この場合、上記コンデンサが放電してしまうので、長時間に亘り、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３をオン状態に保つことは難しく、周期的にコンデンサを充電する必要がある。このようなコンデンサを用いた駆動回路を用いた場合、コンデンサを充電する期間、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３は一時的にオフとなり、周期的な極性反転動作が行われることとなる。ここでコンデンサが充電される期間はコンデンサの容量にもよるが、およそ０．１ｍｓ程度である。したがって、極性反転期間、即ち駆動期間Ｔｂはおよそ０．１ｍｓ程度が望ましい。
仮に直流点灯駆動をしようとした場合には、図５に示したフルブリッジ回路２のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４に直流の駆動信号を与え、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４、或いはＱ３、Ｑ２をオン状態に保つ必要がある。
そのため、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４のゲートＧ１、Ｇ４、或いはＱ３、Ｑ２のゲートＧ３、Ｇ２にハイレベルの信号を継続的に与える必要があり、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３のゲート駆動信号には、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４のゲート駆動信号より、ハイレベルの電圧を印加する必要がある。
スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３のゲートＧ１、Ｇ３に供給するハイレベルの駆動信号は、別電源を用いるか、或いは、チャージポンプ回路などを用いて生成することも考えられるが、部品点数も増加し、コストも増加する。
したがって、第一の時間単位は時間幅ｔ１であるとともに、第二の時間単位は時間幅ｔ２の繰り返しで構成され、且つ５回以上繰り返すことで構成される矩形波点灯駆動させることは、実際の回路構成においても、特別に部品点数を増やすことなく、安価に点灯回路を構成することができる。

一般的に高圧放電ランプに使用される電極は主にタングステンで構成されており、照度寿命特性を改善する目的で９９．９９９％以上の極めて高純度のタングステンが使用される。高純度のタングステンは不純物が少ないという意味で長寿命を期待できる半面、結晶粒が粗大化するため、脆いという欠点を有している。特に先端部は極めて高温になることから結晶粒が粗大化しやすい。熱的なストレスが急激に加わることで熱応力により結晶粒界間で割れが生じるなどの不具合が生じる。従って、定常電力点灯に移行する場合は交流駆動に移行してから電力を移行させることが望ましい。

上記のように制御することで、例えば、パソコンなどの外部信号を通じてプロジェクタからスクリーン面に画像を投影している状態で、画面に変化が無い状態が継続された際などに自動的に小電力モードに移行させることができ、省電力化を図ることができる。
更には、小電力モードへ移行すると共に、高圧水銀ランプの冷却を止めるなどにより、更に省電力を図ることが出来る。また、短い点灯時間で繰り返し使用される環境の場合、始動時のダメージにより高圧放電ランプの寿命時間に悪影響を及ぼすことがある。小電力モードを利用することで高圧放電ランプを消すことなく、連続点灯動作させることで実質的に寿命特性を改善されると共に瞬時に画面を投影することが出来るなどの利点が考えられる。

ここで小電力点灯は画面に投射しないことを主としているが、これに限ったことではない。即ち、投射モードにおいて暗い画面をより暗く映し出すために定格点灯電力の５０％未満の電力で動作させることは非常に有効である。所謂コントラスト比の改善効果も期待できる。

小電力点灯のもう一つの効果として前述したコントラスト比の改善も挙げられる。ここでコントラスト比が高いということはそれだけくっきりとした画像を表現することが出来ることからスクリーン照度と併せてプロジェクタの重要な性能である。例えば画像表示手段として液晶素子を使用した場合、液晶素子の性能にもよるが概ねコントラスト比は５００：１程度である。ここで５００：１とは白画面を投影したときのスクリーン面の照度と黒画面を投影したときのスクリーン面の照度の比率で表される。例えば、黒画面投影時に小電力点灯として定格点灯の２５％の電力で動作させることで実質的に２０００：１のコントラスト比を達成することが可能となる。実際には前述したように水銀の未蒸発による動作圧力の低下に伴って電力比以上に光量が低下することから２０００：１を上回るコントラスト比を実現することが出来る。

請求項３にある小電力点灯モードでの駆動時の電流は、第一の時間単位 ≦ 第二の時間単位の関係にある他の実施例を図８、図９及び図１０に示す。
図８に示した実施例では、第一の時間単位で陰極動作している電極突起の温度を下げずに、第二の時間単位に移行させるものである。
図９に示した実施例では、第一の時間単位において陽極動作側電極突起温度を上昇させるため陽極側電極の電流を増やしているものである。
図１０に示した実施例では、第一の時間単位に供給する電力と第二の時間単位に供給する電力を同じとなるようにし、第一の時間単位で陽極動作する電極側突起により多くの電流が流れるよう非対称にしたものである。
尚、ここで増加させた第二の時間単位の電力は、投射装置の画面におけるちらつきが発生しない範囲に留めることが望ましい。

以上の実施例では、画像表示手段として液晶素子の例を示したが、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）を使用しても良い。ＤＬＰプロジェクタの場合、概ね液晶素子を使用したプロジェクタに比べてコントラスト比を大きくすることが出来るが、本発明と組み合わせることで更なるコントラスト比の改善が可能となる。

１ 降圧チョッパー回路
２ フルブリッジ回路
３ スタータ回路
４ ドライバ
５ 制御部
５１ 駆動信号発生手段
５１ａ、５１ｂ 交流信号発生部
５１ｃ 非対称矩形波信号発生部
５１ｄ セレクタ
５２ コントローラ
５２ａ 点灯動作制御部
５２ｂ 周波数選択部
５２ｃ 電力制御部
１０ 高圧放電ランプ
１１ 発光部
１２ 封止部
１３ 導電用金属箔
１４ 外部リード
２０ 電極
２０ａ 球部
２０ｂ 軸部
２１ 突起
３０ 高圧放電ランプ点灯装置
３１ プロジェクタ制御部
３１ａ 画像制御部
３１ｂ 点灯制御部
３２ 画像表示装置
３３ 拡大装置
３４ スクリーン
３５ パソコン
Ｃｘ、Ｃ２ コンデンサ
Ｄｘ ダイオード
Ｌｘ リアクトル
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒｘ 抵抗
Ｑ１〜Ｑ４、Ｑ５、Ｑｘ スイッチング素子
Ｔ１ トランス
Ｅｔ 補助電極

Claims (7)

1. 石英ガラスからなる放電容器に第一の電極と第二の電極が電極間距離２ｍｍ以下で対向配置して、この放電容器に０．１５ｍｇ/mm^３以上の水銀と、１０ ^{− ６} μ mol/mm^３〜１０^−２μ mol/mm^３の範囲のハロゲンと所定量の希ガスが封入される高圧放電ランプと、この高圧放電ランプに対して矩形波交流電流を供給して点灯させる給電装置と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、前記高圧放電ランプに対して、定常電力点灯モードと、定格消費電力に対して５０％以下の電力値でランプ駆動する小電力点灯モードとを切り替え可能に駆動するものであって、
   前記高圧放電ランプに対して１００Ｈｚ〜５ｋＨｚの範囲から選択された定常電力点灯周波数の第一の極性と第二の極性が交互に繰り返す交流電流ＩＨによって駆動される前記定常電力点灯モードと、
   前記高圧放電ランプに対して、定常電力点灯モードの定格消費電力に対して５０％以下の交流電流ＩＬによって駆動される小電力モードで構成され、
   前記交流電流ＩＬは、第一の時間単位と第二の時間単位で構成され、交互に繰り返して前記放電ランプを駆動し、
   第一の時間単位は時間幅ｔ１で第一の極性または第二の極性のどちらか一方の極性を持ち、第二の時間単位は、時間幅ｔ２で第一の極性と第二の極性が交互に５回以上繰り返されて成ることを特徴とする高圧放電ランプ点灯装置。
2. 時間幅ｔ１は２０ｍｓ〜５００ｍｓであるとともに、かつ第二の時間単位の時間幅ｔ２は０．０１ｍｓ〜５ｍｓであることを特徴とする請求項１に記載の高圧放電ランプ点灯装置。
3. 小電力点灯モードでの駆動時の電流は、
   第一の時間単位 ≦ 第二の時間単位
   の関係にある請求項１に記載の高圧放電ランプ点灯装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の高圧放電ランプ点灯装置を搭載した画像を投影するプロジェクタ。
5. 定常電力点灯モードで一定の期間、プロジェクタの画像信号に変化が無い場合に小電力点灯モードに移行する機能を具備することを特徴とした請求項４に記載のプロジェクタ。
6. 小電力点灯モードで一定の期間、プロジェクタの画像信号に変化が無い場合に自動的に高圧放電ランプを消灯する機能を具備することを特徴とした請求項４に記載のプロジェクタ。
7. 小電力点灯モードで一定の期間動作させた後、検知手段と連動して定常電力点灯動作に移行する機能を具備することを特徴とした請求項４に記載のプロジェクタ。

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