JP4487644B2 - 高圧放電ランプ点灯装置およびプロジェクター装置 - Google Patents

Description

この発明は高圧放電ランプ点灯装置およびプロジェクター装置に関する。

プロジェクター装置は、一般に、液晶パネルを使う方式とＤＬＰ使う方式が存在する。
液晶パネルを使う方式は、１枚式と３枚式があるがいずれの方式であっても、光源からの放射光を３色（ＲＧＢ）に分離して、液晶パネルにおいて画像情報に対応させた光を透過調整して、その後、パネルを透過した３色を合成させてスクリーン上に投射させる方式である。
一方、ＤＬＰを使う方式にも、１枚式と３枚式があるが1枚式の場合は、光源からの放射光をＲＧＢの領域が分割形成された回転フィルターを介して空間変調素子（光変調デバイスともいい、具体的にはＤＭＤ素子などをいう）などを時分割で照射し、このＤＭＤ素子で特定の光を反射させてスクリーンに照射するものである。ＤＭＤ素子とは、１画素ごとに小さな鏡を数百万個敷き詰めたものであって、一つ一つの小さな鏡の向きを制御することで光の投射が制御される。
ＤＬＰ１枚方式は、液晶方式に比較して、光学系が簡易であるとともに３枚もの液晶パネルを使う必要がないことから装置全体が小型簡易化するメリットがある。
これらプロジェクター装置の光源は、高圧放電ランプ、特に超高圧水銀ランプがよく使われる。

図９は交流放電ランプの一般的な回路構成を示す。
回路の構成は、直流電源Ｖ_ＤＣと、スイッチング素子Ｑｘを有する降圧チョッパー回路１と、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４からなるフルブリッジ回路２と、点灯始動用スタータ回路３からなる。
回路の動作は、直流電源Ｖ_ＤＣからフルブリッジ回路２に電圧、電流を供給しながら、フルブリッジ回路２のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３を交互にオンして、放電ランプ１０に交流矩形波電圧を供給し、高圧放電ランプを点灯させる。また、放電ランプ１０の始動時には、スタータ回路３から放電ランプ１０に高電圧パルスが印加されて放電ランプ１０を始動させる。

フルブリッジ回路２の動作においては、いわゆるデッドタイムと呼ばれるスッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を全てオフにする期間が設けられる。これはクロスカレントを防止してスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の破損を防ぐためである。

さらに、放電ランプに供給する電流は、上記デッドタイムが終了して、いずれかのスイッチング素子がオンしたとしても、直ちに所望量流れるわけではなく、なだらかな立ち上がり波形に示されるように除々に増加しながら所望量に到達する。これはフルブリッジ回路２の出力から放電ランプの間にインダクタンスＬ１、コンデンサＣ１、トランスＴｒ１が存在するからである。
このランプ電流のなだらかな立ち上がりは、ランプ電流がゼロではないまでも、不十分な供給量となるため、放電ランプの光出力を低下させる大きな要因となる。

このようなデッドタイム終了後のランプ電流のなだらかな立ち上がりは、一般の用途においては格別の問題を生じさせることはない。なぜなら、デットタイムとそれに続く電流のなだらかな立ち上がりによって生じる光の落ち込みは、せいぜい数１００μ秒程度であり、光出力の変動として実用上影響を及ぼさないからである。
しかしながら、ＤＭＤ素子を使い、回転カラーフィルタなどを用いた色順次式プロジェクター装置では致命的な問題になる。これはＤＭＤ素子や回転フィルターを使う場合は、数１０μ秒レベルにおける光出力の変動が投射画像の精度に大きな影響を及ぼすからである。
特開昭６２−２６７９６号

この発明が解決しようとする課題は、ＤＬＰ型プロジェクター装置に使われる交流点灯型放電ランプの点灯装置において、極性切替に伴うランプ電力と光量の落ち込みを良好に解決できる構造を提供することである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、石英ガラスからなる放電容器の内部に一対の電極が対向配置する高圧放電ランプと、この高圧放電ランプに交流の放電電流を供給する給電装置とから構成される。そして、給電装置は、チョッパー回路と、このチョッパー回路の後段に接続されて少なくとも２個のスイッチング素子により放電ランプの極性切替を制御するインバータ回路と、外部からパルス重畳タイミング信号を受信する入力端子と、前記チョッパー回路および前記インバータ回路に対する制御部を有する。また、前記インバータ回路と前記放電ランプの間に接続されるコイルのインダクタンスが２１０μＨ以下であり、前記制御部は、前記パルス重畳タイミング信号に基く当該パルス重畳の周期を放電ランプの極性切替の周期と関連させることなく、当該放電ランプに対してパルスを周期的に重畳させることを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、少なくともＲＧＢの色領域が形成された回転フィルターと、この回転フィルターの回転駆動手段と、この回転フィルターを通過した光を受光する空間変調素子と、高圧放電ランプ点灯装置からなるプロジェクター装置に関する。そして、点灯装置は、石英ガラスからなる放電容器の内部に一対の電極が対向配置する高圧放電ランプと、この高圧放電ランプに交流の放電電流を供給する給電装置からなり、この給電装置は、チョッパー回路と、このチョッパー回路の後段に接続されてスイッチング素子により放電ランプの極性切替を制御するインバータ回路と、外部からパルス重畳タイミング信号を受信する入力端子と、前記チョッパー回路および前記インバータ回路に対する制御部を有する。そして、前記インバータ回路と放電ランプの間に接続されるコイルのインダクタンスが２１０μＨ以下であり、前記制御部は、前記パルス重畳タイミング信号に基く当該パルス重畳の周期を放電ランプの極性切替の周期と関連させることなく、当該放電ランプに対してパルスを周期的に重畳させることを特徴とする。

本発明者は、放電ランプと直列に接続されたインダクタンスを２１０μＨ以下とすることで、放電ランプの極性切替に伴う光出力の落ち込みを実用上問題とならない程度まで減少できることを見出した。
さらに、放電ランプに供給する交流のランプ電流に対して、周期的にパルスを重畳させることで、放電ランプの点灯が安定にできることが知られている。
本発明は、上記インダクタンスを規定することで、放電ランプの極性切替に伴う光出力の落ち込みを実用上問題とならない程度まで減少できたという発明に基いて、上記周期的なパルスを放電ランプの極性切替とは無関係に、すなわち同期させることなく（非同期）重畳できるという構成を見出したわけである。これにより、放電ランプの極性切替と、パルスの重畳のタイミングを制御することが必要なくなるので、給電装置全体の制御は極めて簡素化できる。

図１は高圧放電ランプ点灯装置の概略構成を示す。
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チョッパー回路１と、チョッパー回路１の出力側に接続され直流電圧を極性切替を伴う交流電圧に変化させて高圧放電ランプ１０（以下、「放電ランプ」ともいう）に供給するフルブリッジ型インバータ回路２（以下、単に「インバータ回路」ともいう）と、放電ランプ１０に直列接続されたインダクタンスＬ１、コンデンサＣ１と、スタータ回路３と、チョッパー回路１およびインバータ回路２を駆動する制御部４から構成される。
本発明では、チョッパー回路１、インバータ回路２、制御部４により給電装置を構成し、放電ランプ１０を含めて点灯装置が構成される。スタータ回路３は給電装置に含めており、通常は設けられるが、不可欠な構成要素というわけではない。

チョッパー回路１は、降圧型のチョッパー回路であり、直流電源Ｖ_ＤＣに接続されて、スイッチング素子Ｑｘと、ダイオードＤｘと、インダクタンスＬｘと、平滑コンデンサＣｘと、スイッチング素子Ｑｘの駆動回路Ｇｘから構成される。スイッチング素子Ｑｘは、駆動回路Ｇｘによりオン／オフ駆動される。この駆動はディーテュ比が制御されることで放電ランプ１０に供給される電流あるいは電力が制御される。駆動回路Ｇｘは制御部４からの信号が入力される。

インバータ回路２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。インバータ回路２は、極性切替を伴う交流矩形波電流を放電ランプに対して供給して、放電ランプ１０を点灯させる。
駆動回路Ｇ１〜Ｇ４も制御部４からの信号で駆動する。なお、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４には、各々に並列にダイオードが逆並列に接続されることもあるが、この実施例においてダイオードは省略している。

放電ランプに電流が供給される動作は、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、チョッパー回路１、スイッチング素子Ｑ１、インダクタンスＬ１、放電ランプ１０、スイッチング素子Ｑ４、チョッパー回路１の経路で流れる電流と、チョッパー回路１、スイッチング素子Ｑ３、放電ランプ１０、インダクタンスＬ１、スイッチング素子Ｑ２、チョッパー回路１の経路で流れる電流を交互に生成することで放電ランプ１０に交流矩形波電流を供給している。

制御部４は、電力演算器４１、比較器４２、パルス幅変調回路４３、周波数設定回路４４、タイマー回路４５、パルス重畳回路４６から構成される。
電力検算器４１は、抵抗Ｒ_Ｘ１、Ｒ_ｘ２によって検出された電圧信号Ｓ_ＶＬと、抵抗Ｒ_Ｘ３に検出された電流信号Ｓ_ＶＩを受信して、電圧信号Ｓ_ＶＬと電流信号Ｓ_ＶＩから電力値を算出する。
比較器（オペアンプ）４２は、電力演算器４１の出力と基準電力値を比較するもので、その出力をパルス幅変調回路（ＰＷＭ回路）４３に入力する。パルス幅変調回路４３の出力はチョッパー回路１の駆動回路Ｇｘに入力される。
このような電力演算器４１、比較器４２、パルス幅変調回路４３によるフィードバック制御によって、放電ランプ１０の点灯電力は一定値に維持される。

周波数設定器４４は、インバータ回路２のスイッチング周期を設定する回路であり、この周期に基いてスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４がオン／オフのタイミングが決まる。
入力端子Ｔ４は給電装置外部からパルス重畳のタイミング信号を入力するもので、具体的には回転フィルターや空間変調素子（ＤＭＤ素子）のタイミング信号が入力する。
タイマー回路４５は、入力端子Ｔ４からの信号を受けて、設定された所定時間だけオン信号を出力する。
パルス重畳回路４６は、スイッチ素子Ｑ_Ｙ、抵抗Ｒ_Ｙ１、抵抗Ｒ_Ｙ２、抵抗Ｒ_Ｙ３から構成される。スイッチ素子Ｑ_Ｙがタイマー回路４５からのオン信号を受信すると、スイッチ素子Ｑ_Ｙはオフ状態となり、比較器４２に対する基準値を変化させる。つまり、入力端子Ｔ４がパルス重畳に関する信号を受信すると、チョッパー回路１のスイッチング素子Ｑｘは所定時間だけ比較器４２の高い電力基準値に対応した出力をすることとなり、結果として後段の放電ランプに対して高電力を供給することとなる。

ここで、タイマー回路４５と周波数設定回路４４は接続しておらず、すなわち、周波数設定回路４４は、パルス重畳信号の入力とは同期制御などを図る必要がなく無関係に駆動することができる。
この内容こそが本願発明の大きな特徴であって、後述するインダクタンスＬ１の数値規定と相俟って構成される内容である。
周波数設定回路４４が、パルス重畳信号の入力と同期することなく駆動できることは制御回路の簡素化という利点はもとより、放電ランプのみを対象として制御できる点にも大きな利点がある。この点については後で詳述する。

スタータ回路３は、抵抗Ｒ１、スイッチ素子Ｑ５、コンデンサＣ２、高電圧トランスＴ２、スイッチ素子Ｑ５の駆動回路Ｇ５より構成される。スタータ回路３の高圧側入力端と低圧側入力端は、放電ランプ１０と並列に接続されているから、放電ランプ１０に印加される電圧と同じ電圧がスタータ回路３にも供給される。この印加電圧を受けてスタータ回路３では、抵抗Ｒ１を介してコンデンサＣ２が充電される。
スイッチ素子Ｑ５はＳＣＲサイリスタなどから構成される。スイッチ素子Ｑ５が駆動回路Ｇ５によって導通すると、コンデンサＣ２の充電電圧が高電圧トランスＴ２の一次巻線に発生して、ニ次巻線にも絶縁破壊用トリガ電圧が発生する。

図２はインバータ回路のスイッチング素子の駆動に際し、デッドタイムと放電ランプ１０の点灯状態を示すものであり、（ａ）は放電ランプ１０に流れる電流波形、（ｂ）は放電ランプ１０の電力波形、（ｃ）は放電ランプ１０から放射される光出力を模式的に示す。（ａ）（ｂ）（ｃ）いずれも横軸は時間を示し、縦軸は（ａ）は電流量、（ｂ）は電力量、（ｃ）は光出力値を示す。
（ａ）において、電流波形Ｉ１はスイッチング素子Ｑ１、Ｑ４をオンしたときに流れる電流波形であり、波形Ｉ２はスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３をオンしたときに流れる電流波形を示す。両波形の間に形成される電流量ゼロの期間Ｔｄは、いわゆるデッドタイムを示す。
いま電流波形Ｉ１に着目したとき、デッドタイムＴｄの後に立ち上がり期間Ｔ１が存在する。この立ち上がり期間Ｔ１が放電ランプの光出力を低下させて投射画像の精度に影響を及ぼす原因となっている。

そして、本発明はインバータ回路２の出力から放電ランプ１０に至る電流供給経路におけるインダクタンスを２１０μＨ以下にすることで、上記光出力の低下を実現するものであり、これにより前記したパルス重畳信号と放電ランプの極性切替の非同期動作を可能としている。
ここで、インダクタンスとは、厳密にはコイルＬ１のみではなく、放電ランプ１０の定常点灯時に形成される電流ループにおけるインダクタンスの総和でなければならない。しかし、代表的には、コイルＬ１のインダクタンスによって決定されるため、本発明においては、コイルＬ１のインダクタンスに着目して数値規定している。従って、インダクタンスの数値規定は、より好ましくは、定常点灯時における電流ループ、すなわち、コンデンサＣｘ、フルブリッジ回路２、コイルＬ１、放電ランプ１０、フルブリッジ回路２、コンデンサＣｘにおけるインダクタンスの総和であるが、実用的な効果という観点からコイルＬ１を数値規定することとしている。
なお、インダクタンスＬ１、コンデンサＣ１は、ランプの定常点灯時においてはノイズ防止のために必要であり、具体的には、インダクタンスＬ１は０．１５μＨ以上、コンデンサＣ１は１０００ｐＦ以上存在することが望ましい。

そして、本発明者らは、放電ランプの極性切替による電力ディップ（電力の瞬間的な落ち込み）が１２μ秒以下であれば、ＤＬＰ方式プロジェクター装置の光源として実質的に光出力の落ち込みが問題にならないことを見出した。さらに、より好ましくは電力ディップが６μ秒以下であれば完全に光出力低下の影響を受けることなく、あたかも放電ランプを極性切替することなしに、すなわち直流点灯しているに等しい点灯状態が形成できることも併せて見出した。

ここで、放電ランプ１０に供給される交流矩形波出力について、数値例をあげると、周波数は６０〜１０００Ｈｚの範囲であり、例えば２００Ｈｚである。また、デッドタイム期間は、通常０．５μｓ〜１０μｓの範囲内であり、交流矩形波出力の周波数が２００Ｈｚの場合は、デッドタイムＴｄは例えば１μｓ程度に選定される。

図３は放電ランプの電流波形とパルス重畳の関係を表すタイムチャートである。放電ランプの電流波形はインバータ回路２のスイッチング素子により極性が交互に切替り、これにより交流矩形波点灯が行なわれる。
（ａ）はパルス重畳に関する外部信号を示し、図１の入力端子Ｔ４に入力する信号である。
（ｂ）はパルス重畳に関する外部信号を受けて、制御部４内で発生するパルス重畳指示信号を示す。図１のタイマー回路４５の出力である。
（ｃ）はチョッパー回路１の出力電流を示す。一定の電流値に対してパルスが重畳していることが示される。なお、この出力電流は、実際には脈流成分を含んでいるが、図においては便宜上、パルス成分を除いて完全に平滑された直流電流を表している。
（ｄ）は放電ランプに供給される電流波形を示す。

パルス重畳に関する外部信号が制御部４に入力すると、タイマー回路４５が所定時間、パルス重畳指示信号を発生する。このパルス重畳指示信号が発生している期間、チョッパー回路１の直流出力にはパルス電流が重畳され、結果として、インバータ回路２の出力にもパルス電流が重畳される。
（ｄ）に示す放電ランプの電流波形では、概略矩形状であって周期的に反転（極性切替）していることがわかる。そして、パルスは電流波形の極性切替のタイミングとは無関係に重畳していることがわかる。これが本願発明の特徴であり、パルスを極性切替とは無関係（同期させることなく）に重畳できることによって、回路構成が簡略するだけでなく、放電ランプを対象として点灯周波数を設定することができる。そして、後述するように、放電ランプの点灯周波数をパルス重畳の制約を受けることなく変化することも可能となる。

ここで、放電ランプを交流点灯する場合に、パルスを重畳することが好ましいことを説明しておく。高圧放電ランプを交流点灯させると、点灯時間の経過に伴い、電極の先端に突起が発生、成長することが知られている。この突起そのものは、アークの発生起点となり、存在すること自体はアークのフラツキを防止できるという意味で望ましい。しかし、この突起は常に望ましい位置に発生、成長するとは限らず、不所望な位置に発生したり、不所望な方向に伸びることもある。
ランプ電流にパルスを重畳させることは、突起を高温で溶融させることができ、これにより電極先端のほぼ中心位置に発生、成長できるからである。
なお、突起の発生、成長については、段落［００４３］でも詳述する。
このように、本願発明では、パルス重畳のタイミングがランプ電流の極性切替のタイミングに同期する必要はない。従って、ランプ電流の半周期にパルス重畳が存在しない場合や、２回発生する場合があってもかまわない。しかし、突起の成長という観点から考えると、パルス重畳の発生周波数はランプ電流の半周期毎に概ね生じるような周波数が好ましい。具体的には、前記のように放電ランプの点灯周波数が６０〜１０００Ｈｚの場合はパルス重畳の周波数は１２０〜２０００Ｈｚぐらいに設定することが望ましい。

図４はパルスが重畳されたランプ電流波形のバリュエーションを示す。
（ａ）はパルス重畳指示信号であって、図３（ｂ）と同一の波形を示す。（ｂ−１）〜（ｂ−３）はランプ電流波形を示す。
図より明らかなように、パルスはランプ電流波形の半周期にほぼ１つ発生し、０〜２個の範囲で発生している状態が示される。

図１に戻って、放電ランプ１０のトリガ電極Ｅｔについて補足する。
スタータ回路３の高電圧トランスＴ２の二次巻線の一端は、トリガ電極Ｅｔとして放電ランプ１０の外表面に配設される。一方、ニ次巻線の他端は放電ランプ１０の一方の電極と電気的に接続される。
この回路構成により、放電ランプ１０の点灯始動時にトリガ電圧を発生させると、トリガ電極Ｅｔと放電容器内の電極との間で、石英ガラス（放電容器の構成材料）を介在させた、いわゆる誘電体バリア放電を発生する。この誘電体バリア放電により、放電容器内にプラズマが発生すると、このプラズマを種として、放電容器内の第一の電極と第ニの電極の間で予め印加された無負荷開放電圧により放電が発生する。
トリガ電圧は５ｋｖ〜２０ｋｖであり、例えば１３ｋｖである。また、無負荷開放伝電圧は２５０ｖ〜４００ｖであり、例えば３５０ｖである。

スタータ回路３は、トリガ電極Ｅｔが放電容器の外面に配置しており、図９に示した回路のように放電ランプと直列に高電圧発生トランスを接続させるものではない。つまり、点灯始動時の高電圧は、放電ランプの電極間に発生させる方式ではないことが大きな特徴である（以下、「外部トリガ方式」ともいう）。
この回路構成は、点灯始動時のみ必要となる高電圧発生用インダクタンス（高電圧発生用トランスのニ次巻線）が、点灯始動後において電流供給経路に存在しないという点で、インダクタンスを小さくさせる目的から極めて有利である。

具体的に説明すると、図９に示す回路構成では放電ランプが点灯した後においても、ランプ電流はインダクタンスの高い二次巻線を流れることになる。
本発明は、このニ次巻線こそが、前記した電流立上がり期間Ｔ１の長期化の原因になることを突き止めて、当該インダクタンス成分を外すことで放電ランプの光出力の低下防止と投射画像の精度低下防止を達成している。
なお、図９に示す回路において、切替スイッチなどを用いて点灯始動後は二次巻線を電流供給経路に用いない回路構成も理論的には可能であるが部品点数が増し、回路構成が複雑、大型化することから望ましいことでない。特に、プロジェクター装置は小型化が著しいため回路構成の簡素化が強く求められるからである。

図５は放電ランプの全体構成を示す。（ａ）は内部構造を示す断面図を示し、（ｂ）はトリガ電極を含む外観図を示す。なお、（ａ）においてトリガ電極は省略している。
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。

トリガ電極Ｅｔが発光部１１の外面に配設される。トリガ電極Ｅｔは図１のスタータ回路３から導かれており、一方の封止部１２の根元を巻きついた後、発光部１１の表面と接触して張り渡すように配設されて、他方の封止部１２の根元に巻き付けられる。

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４００〜７００ｎｍという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／ｍｍ^３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。

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８５ｍｍ^３、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。

なお、図１では、フルブリッジ回路２は４つのスイッチング素子からなる回路を用いて説明したが、この形態に限定されず、他の回路構成を採用することもできる。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。

さらに、チョッパー回路に存在するコンデンサＣｘは、点灯始動時と定常点灯時において、容量が変化するような構成を採用することができる。この構成は、例えば、コンデンサを並列に複数個接続して、スイッチ素子により回路構成を切替ることが考えられる。

図６はプロジェクター装置の概略構成を示す。
光源装置１００、回転フィルター２００、ロッドインテグレータレンズ３００、レンズ４００、空間変調素子５００（以下、ＤＭＤ素子ともいう）、レンズ６００より構成される。光源装置１００は放電ランプ１０と凹面反射鏡３０より構成される。
光源装置１００は、放電ランプ１０のアーク輝点と凹面反射鏡３０の第一焦点が一致している。凹面反射鏡３０の第二焦点はロッドインテグレータレンズ３００の入射端に位置しており、凹面反射鏡３０からの反射光は回転フィルター２００を介してロッドインテグレータレンズ３００に入射する。放電ランプ１０は給電装置１１０により給電制御が行なわれる。フィルター２００はフィルター制御装置２１０により回転制御されて、ＤＭＤ素子５００は制御装置５１０で制御される。
なお、放電ランプ１０は、例えば、定格電力１２０Ｗ、定格電流１．６Ａで点灯する。凹面反射鏡３０の前面開口には光透過性のガラス部材３１が装着している。

図７は回転フィルター２００の拡大図を示す。（ａ）は青色を投影する状態を示し、（ｂ）は青色と緑色の境界を投影する状態を示す。
回転フィルターは、カラーホイールとも呼ばれ、円盤状のガラスから構成される。フィルターには赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の領域がそれぞれ扇型に形成されている。
光源装置１００からの反射光は、回転フィルター２００上に形成される光透過領域２０１を透過する。フィルター２００が回転することにより、光透過領域２０１に対応する色が順次、後段のロッドレンズに導かれることとなる。従って、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）が時間分割的に投影されるため、瞬間的にはいずれかの色しか投影されないが、人間の視覚的にはこれらの色あるいはその混合色が画像として認識される。なお、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）以外に、白（Ｗ）を設ける場合もある。白（Ｗ）は画像を全体に明るくするためのものであるが、この実施例では便宜上省略する。
ここで、フィルター２００は、例えば、１８０Ｈｚで回転（毎秒１８０回転）するため、１秒間に赤、緑、青が１８０回投影されることとなる。

これらプロジェクター装置の光源は、高圧放電ランプ、特に超高圧水銀ランプがよく採用され、交流点灯の場合、概ね９０Ｈｚ〜２００Ｈｚの範囲で点灯される。
ここで、本発明の高圧放電ランプ点灯装置においては、放電ランプの点灯周波数（すなわち、極性切替のタイミング）は、空間変調素子の駆動周波数や回転フィルタの色変化の周波数に同期する必要はなく、さらに、パルス重畳のタイミングと同期を図る必要もない。

この点をもう少し詳細に説明すると、従来の点灯装置においては、放電ランプの点灯周波数は、空間変調素子の駆動周波数と同期していなければならず、同期していない場合は極性切替のタイミングによっては映像情報を乱して画像の精度を低下させる現象が生じていた。
このため、点灯周波数を空間変調素子の駆動周波数に同期させて、放電ランプの極性切替のタイミングが空間変調素子の駆動との関係で影響のないようにしなければならなかった。例えば、映像信号がＰＡＬ信号であり空間変調素子の駆動周波数が５０Ｈｚの場合は、放電ランプは５０Ｈｚに同期させて１５０Ｈｚあるいは２００Ｈｚで点灯制御することになる。また、映像信号がＮＴＳＣ信号でありＤＭＤ素子の駆動周波数が６０Ｈｚの場合は、放電ランプは６０Ｈｚに同期させて１８０ＨＺで点灯制御することになる。
このため、放電ランプの給電装置は、空間変調素子と同期を図るために同期端子や同期制御回路、さらには空間変調素子の駆動周波数に応じて周波数を変化させる周波数選択回路などが必要になる。

また、回転フィルターとの同期については、放電ランプの極性切替のタイミングが色変化のタイミングと一致することが投射映像のチラツキ防止との関係で効果的だからである。
このため、給電装置は回転フィルターの色変化の周波数と同期するために、同様に同期制御に関する回路が必要となっていた。
パルス重畳との同期については、前記したとおりである。

この発明に係る高圧放電ランプ点灯装置は、インバータ回路の出力から放電ランプの間の電流供給経路におけるインダクタンスを２１０μＨ以下にする構成から、事実上の電力ディップおよび光ディップを防止することができる。
このため、放電ランプの点灯周波数は、空間変調素子の駆動周波数、回転フィルタの色変化の周波数、パルス重畳の周波数と同期を図る必要はなく、独立かつ非同期で駆動制御できるわけである。この点は本発明の高圧放電ランプ点灯装置を使ったプロジェクター装置の大きな特徴であるといえる。

前記したように本発明に係る交流点灯型の高圧放電ランプはランプ点灯に伴い電極先端に突起が発生する。特に、電極間距離が２ｍｍ以下であって、発光部に０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、希ガスと、１×１０^−６〜１×１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲でハロゲンを封入した放電ランプは突起の発生は著しい。

この現象は必ずしも明らかではないが以下のように推測できる。
すなわち、ランプ点灯中に電極先端付近の高温部から蒸発したタングステンは、発光管内に存在するハロゲンや残留酸素と結合して、例えばハロゲンとして臭素（Ｂｒ）が封入される場合は、ＷＢｒ、ＷＢｒ２、ＷＯ、ＷＯ２、ＷＯ２Ｂｒ、ＷＯ２Ｂｒ２などのタングステン化合物として存在する。
これら化合物は電極先端付近の起相中の高温部においては分解してタングステン原子または陽イオンとなる。そして、温度拡散（気相中の高温部＝アーク中心から、低温部＝電極先端近傍に向かうタングステン原子の拡散）および、アーク中でタングステン原子が電離して陽イオンになり、陰極動作しているときに電解によって陰極方向に引き寄せられる（ドリフト）ことによって、電極先端付近における気相中のタングステン蒸気密度が高くなり、電極先端に析出して突起を形成するものと考えられる。

図８は電極先端と突起を模式化したものである。
一対の電極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が形成している。なお、ランプ点灯開始時に突起が存在しない場合、その後の点灯により、図示するように突起２１が生成して、この突起２０によってアーク放電Ａが生じている。

突起の発生成長はランプの点灯周波数に依存することが知られている。
すなわち、点灯周波数が低いほど太く短い突起が形成され、点灯周波数が高いほど細く長い突起が形成される。例えば、定格電圧７５Ｖ、定格電力１２０Ｗのランプの場合。周波数９０Ｈｚで点灯すれば、直径０．４ｍｍ、高さ０．１ｍｍ程度の突起が形成されるのに対し、周波数１５０Ｈｚで点灯すれば、直径０．２ｍｍ、高さ０．２ｍｍ程度の突起が形成される。

このように点灯周波数によって突起の形状が異なることが必ずしも明らかではないが以下の用に推察できる。即ち,電極先端付近ヘのタングステンの析出は、前述のドリフトの効果も加わる陰極動作の半サイクルにおいて主に生じるものと考えられる。この陰極動作の半サイクルの間に析出したタングステンは、次の陽極動作の半サイクルにおいて加熱溶融され扁平に変形する。従って、陽極動作の半サイクルの時間が長いほど、従って、点灯周波数が低いほど、より扁平に変形して太く短い突起が形成されるものと推察される。

ここで、周期的にパルスを重畳させることによる放電ランプ点灯の安定化作用について、考察すると、パルス発生時陽極動作にある電極の突起先端はパルスのエネルギーによって溶融し表面が滑らかに調整されるとともに、パルス発生時陰極動作にある電極の突起先端もパルスのエネルギーによって昇温することによって、アーク輝点が安定するものと考えられる。

このようにパルスの安定化作用は電極先端の加熱に基くものと考えられるので、その効果は電極先端の突起の寸法に依存することになる。すなわち、点灯周波数が低く過ぎて太く短い突起が形成された場合には、パルスによる加熱効果が低いし、逆に点灯周波数が高過ぎて細く長い突起が形成された場合には、パルスによる加熱効果が大きすぎて、突起が磨耗しアーク長が伸びるといった問題が生じる。
例えば、定格電圧７５Ｖ、定格電力１２０Ｗのランプの場合、１８０Ｈｚ（約５．６ｍｓ間隔）、高さ２Ａ、幅４００μ秒の電流パルスに対して、点灯周波数を１５０Ｈｚに選定した場合が最も安定した放電が得られた。
このように、点灯周波数は、回転フィルターの動作やパルスとは独立に、突起の形成の観点からのみ設定するのが望ましい。

最後に、インダクタンスを２１０μＨ以下に設定した根拠について説明する。
実験は、図１に示す給電装置と図６に示すプロジェクター装置を使い、インダクタンスＬ１の値を変化させて、光出力の落ち込み状態を検討した。放電ランプは定格電力１２０Ｗ、点灯周波数１５０Ｈｚで点灯させた。
具体的には、ランプ点灯始動後、定常点灯に移行した状態において、インダクタンスＬ１（図１に示す）を可変させながら、各インダクタンスＬ１において、概ね１分程度、スクリーンに投射された映像を見ながら映像のちらつきを判断した。なお、空間変調素子や回転フィルターと、放電ランプの極性切替のタイミングは同期させていない。さらに、各インダクタンス値における極性切替に伴う電力波形の落ち込み（図２（ｂ）に相当する）を測定した。この電力波形の落ち込み幅は半値幅で測定した。

実験の結果を図１０に示す。
各インダクタンス値（例えば、０μＨ、１０．１μＨ、２０．５μＨ・・・）における電力波形の落ち込み幅、映像ちらつきの状態、判定をそれぞれ示している。
この実験の結果、インダクタンス値が７６．１μＨ以下の場合は映像ちらつきがほとんど発生しておらず、インダクタンス値が８５．６μＨから２０６．０μＨの場合は映像ちらつきがわずかにあるが実用上問題ないことが確認された。一方、インダクタンス値が２１６．１μＨの場合に、映像ちらつきが実用上問題となることが示される。
従って、インダクタンス値が２１０μＨ以下（実験値は２０６．０μＨであるが測定誤差などを考慮して）であれば、極性切替に伴う光出力の落ち込みと、それに伴う映像チラツキは問題ないレベルであり、結果として、空間変調素子や回転フィルターと同期を図らなくても使用できることが分かる。また、インダクタンス値が８０．０μＨ以下（実験値は７６．１μＨであるが測定誤差などを考慮して）であれば、映像の美しさという点でより好ましい投射ができることがわかる。

本発明に係る高圧放電ランプ点灯装置を示す。 本発明に係る高圧放電ランプ点灯装置による電流波形を示す。 本発明に係る高圧放電ランプ点灯装置による電流波形を示す。 本発明に係る高圧放電ランプ点灯装置による電流波形を示す。 放電ランプの全体構成を示す。 プロジェクター装置の全体構成を示す。

回転フィルタを示す。 突起を説明する図を示す。 放電ランプの一般的な点灯回路を示す。 本発明の効果を示す実験結果を表す。

符号の説明

１ チョッパー回路
２ インバータ回路
３ スタータ回路
４ 制御部
１０ 放電ランプ
２０ 電極
３０ 凹面反射鏡

Claims (2)

1. 石英ガラスからなる放電容器の内部に一対の電極が対向配置する高圧放電ランプと、この高圧放電ランプに交流の放電電流を供給する給電装置とから構成される高圧放電ランプ点灯装置であって、
   前記給電装置は、チョッパー回路と、このチョッパー回路の後段に接続されて少なくとも２個のスイッチング素子により放電ランプの極性切替を制御するインバータ回路と、外部からパルス重畳タイミング信号を受信する入力端子と、前記チョッパー回路および前記インバータ回路に対する制御部を有し、
   前記インバータ回路と前記放電ランプの間に接続されるコイルのインダクタンスが２１０μＨ以下であり、
   前記制御部は、前記パルス重畳タイミング信号に基く当該パルス重畳の周期を放電ランプの極性切替の周期と関連させることなく、当該放電ランプに対してパルスを周期的に重畳させることを特徴とする高圧放電ランプ点灯装置。
2. 少なくともＲＧＢの色領域が形成された回転フィルターと、この回転フィルターの回転駆動手段と、この回転フィルターを通過した光を受光する空間変調素子と、高圧放電ランプ点灯装置からなるプロジェクター装置において、
   前記点灯装置は、石英ガラスからなる放電容器の内部に一対の電極が対向配置する高圧放電ランプと、この高圧放電ランプに交流の放電電流を供給する給電装置からなり、
   前記給電装置は、チョッパー回路と、このチョッパー回路の後段に接続されてスイッチング素子により放電ランプの極性切替を制御するインバータ回路と、外部からパルス重畳タイミング信号を受信する入力端子と、前記チョッパー回路および前記インバータ回路に対する制御部を有し、
   前記インバータ回路と放電ランプの間に接続されるコイルのインダクタンスが２１０μＨ以下であり、
   前記制御部は、前記パルス重畳タイミング信号に基く当該パルス重畳の周期を放電ランプの極性切替の周期と関連させることなく、当該放電ランプに対してパルスを周期的に重畳させることを特徴とするプロジェクター装置。

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