直流ランプ点灯装置
【課題】
直流点灯型の高圧放電ランプを点灯する際に、電極部材の温度上昇による蒸発損耗を効果的に抑制する。
【解決手段】
直流ランプ点灯装置（１）が、ランプ電流及びランプ電圧に基づいて算出されたランプ電力が予め設定された定格電力に維持されるように定電力制御を行うＰＷＭ制御回路（２１）を備え、当該制御回路（２１）は、ランプ電流を定格電流より低く設定された一定の目標電流値に維持する電流優先制御手段（２３）と、前記電流優先制御手段（２３）により低電流化されたことにより落ち込んだ電力分を補って平均電力を定格電力に維持する電力優先制御手段（２４）と、これら各制御手段を予め設定されたミリ秒オーダーの制御周期で交互に切り換えるタイミング制御手段（２５）とを備えた。
直流点灯型の高圧放電ランプを点灯する際に、電極部材の温度上昇による蒸発損耗を効果的に抑制する。
【解決手段】
直流ランプ点灯装置（１）が、ランプ電流及びランプ電圧に基づいて算出されたランプ電力が予め設定された定格電力に維持されるように定電力制御を行うＰＷＭ制御回路（２１）を備え、当該制御回路（２１）は、ランプ電流を定格電流より低く設定された一定の目標電流値に維持する電流優先制御手段（２３）と、前記電流優先制御手段（２３）により低電流化されたことにより落ち込んだ電力分を補って平均電力を定格電力に維持する電力優先制御手段（２４）と、これら各制御手段を予め設定されたミリ秒オーダーの制御周期で交互に切り換えるタイミング制御手段（２５）とを備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光管の放電容器内に一対の電極が対向して配置された直流点灯型の高圧放電ランプを点灯する直流ランプ点灯装置とこれを用いた光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、各種検査用光源装置は、その光源となる高圧放電ランプとして、発光管の放電容器内に対向して配置された電極間の距離が２〜２.５ｍｍ程度のメタルハライドランプを用いたものが一般的であったが、近時は、放電容器内に封入する水銀量を０.１５ｍｇ／ｍｍ３以上とし、放電容器内に対向して配置する電極間の距離を１.５ｍｍ以下として、高輝度で配光制御が容易な点光源に近い光を生じさせるようにしたショートアーク型の超高圧水銀ランプを用いるものが多くなっている。
【０００３】
特に、光源となる高圧放電ランプから放射される光を楕円反射鏡で集光してライトガイドで照射位置まで伝送する検査用光源装置は、楕円反射鏡の一次焦点位置に配したランプの発光点から放射される光が高輝度で点光源に近いほど、ライトガイドへの入射光量が増して光利用効率が向上すると同時に、細径のライトガイドで必要な照度を得るのに十分な量の光を伝送することができるから、その光源となる高圧放電ランプとして、ショートアーク型の超高圧水銀ランプを用いたものが多くなっている。
【０００４】
この種の高圧放電ランプは、使用初期から寿命末期に至るまで、累積点灯時間の増加に伴って電極先端部の蒸発損耗が進行することにより電極間距離が広がり、ランプ電圧が上昇する傾向にあるため、定電流制御の場合はランプ入力電力が上昇してランプが破壊するおそれがあるため、一般にその点灯制御は、点灯始動時を除き定電力制御により行われている（特許文献１参照）。
【０００５】
しかし、本発明者の実験研究によれば、定電力制御を行った場合、電極間距離が短い点灯初期でランプの動作電圧（ランプ電圧）が低い状態にあるとき、つまり、ランプの動作電流（ランプ電流）が相対的に高い状態にあるときは、電極ないし電極軸の先端部や電極軸に巻装されたコイル等の電極部材の蒸発損耗が最も著しく、その後、電極先端部の蒸発損耗により電極間距離が拡がり、徐々にランプ電圧が上昇すると共にランプ電流が低下すると、電極部材の蒸発損耗も減少することが確認された。
すなわち、ランプを定電力制御で点灯する場合は、ランプ電流が相対的に高いランプの点灯初期において電極部材の蒸発損耗が最も顕著となることが判った。
【０００６】
電極部材の蒸発損耗は、アークと接して最も高温となる電極ないし電極軸の先端部に限らず、始動性の確保及び電極の過熱を防止するために電極軸に巻装されたコイルにも生じ、例えば、タングステン電極の電極軸に巻装されたタングステン線で成るコイルは、ランプ点灯時に、電極軸からの放熱を促す一方で、自身の温度がその融点に達するまで上昇はしないものの、タングステンが徐々に蒸発する。
そして、コイルから蒸発するタングステンは、発光管の放電容器の内面に付着して発光管の黒化を生じさせる原因となる場合があり、更に、コイルの蒸発損耗が進行すると、コイルの線径が次第に細くなって、その一部が欠落することがあり、これらの現象は、ランプ寿命特性を悪化させる要因となる。
【０００７】
また、図７に示す光源装置３１は、高圧放電ランプ３と、その発光管４の放電容器５の中心（発光点）を一次焦点位置に配して当該ランプ３から放射される光を二次焦点に集光させる楕円反射鏡９とから成るランプユニット３２が、ライドガイド３３を接続する光出射口３４を設けたハウジングケース３５内に設置され、その光出射口３４とランプユニット３２との間に位置する二次焦点近傍に波長選択フィルタ及び／又は減光フィルタなどのフィルタ３６が介装されている。
この光源装置３１にあっては、楕円反射鏡３４で集光した光をライトガイド３３に導く際に、フィルタ３６で反射された光成分の一部が、楕円反射鏡９の一次焦点付近に戻って、その一次焦点位置付近に配された放電容器内の電極部材の温度を上昇させるために、電極部材の蒸発損耗がより顕著なものとなる。
【０００８】
そこで、波長選択フィルタや減光フィルタで反射されて戻って来る光を遮るために、放電容器の反射鏡開口部側の表面に赤外線反射膜やフロスト加工を施した温度抑制加工部を設ける手段が提案されているが（特許文献２参照）、放電容器の表面にこのような加工を施すと、ランプの生産性が低下するのみならず、その信頼性が低下するおそれもあるから、好ましくない。
【０００９】
また、上記のような原因によって発生する電極部材の蒸発損耗を抑止・抑制するために、ショートアーク型の超高圧水銀ランプの電極間距離を予め長めに設定すると、つまり、電極間距離の設計値を１.５mmより長い例えば２mmにすると、高輝度で配光制御が容易な点光源が得られるという当該ランプの最大の長所が損なわれてしまうから、これも好ましくない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１０−３３５０８６号公報
【特許文献２】特開２０１０−０６１８１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、発光管の放電容器内に一対の電極が対向して配置された直流点灯型の高圧放電ランプを点灯する際に、その光源となる高圧放電ランプが、電極間距離が短いものであっても電極部材、特に電極軸に巻装されたコイルの温度上昇による蒸発損耗を効果的に抑制して寿命特性を向上させることを技術的課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明は、発光管の放電容器内に一対の電極が対向して配置された直流点灯型の高圧放電ランプに対し、安定点灯時に供給される直流電力をＰＷＭ制御により調整するスイッチング素子を有する降圧チョッパ回路と、ランプ動作電流及びランプ動作電圧に基づいて算出されたランプ動作電力が予め設定された定格電力に維持されるように前記スイッチング素子に供給されるＰＷＭ信号のデューティ比を決定して定電力制御を行うＰＷＭ制御回路とを備えた直流ランプ点灯装置において、
前記ＰＷＭ制御回路は、ランプ動作電流を定格電流より低く設定された一定の目標電流値に維持する電流優先制御手段と、前記電流優先制御手段により低電流化されたことにより落ち込んだ電力分を補って平均電力を定格電力に維持する電力優先制御手段と、これら各制御手段を予め設定されたミリ秒オーダーの制御周期で交互に切り換えるタイミング制御手段とを備えたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明による直流ランプ点灯装置によれば、高圧放電ランプが、ランプ動作電流を定格電流より低く設定された一定の目標電流値に維持する電流優先制御による給電と、電流優先制御手段により低電流化されたことにより落ち込んだ電力分を補って平均電力を定格電力に維持する電力優先制御による給電を、ミリ秒オーダーの制御周期で交互に切り換えて定電力制御されている。
電流優先制御手段により給電されている間は、ランプ動作電流が、ランプ電圧によらず定格電流より低く設定された一定の目標電流値に維持されているので、通常点灯時に比して低電流化され、電極部材の温度上昇による蒸発損耗が抑制されて寿命特性が良化する。
また、電力優先制御手段により給電されている間は、電流優先制御手段により低電流化されたことにより落ち込んだ電力分を補って平均電力が定格電力に維持されるので、１サイクルの制御周期内で定電力制御されていることとなり、累積点灯時間の増大に伴いランプ電圧が上昇した場合であっても、定電流制御のようにランプ入力電力が上昇してランプが破壊されることもない。
さらに、電流優先制御手段による給電と電力優先制御手段による給電が、ミリ秒オーダーの周期で実行され、その周期が極めて短いので、ランプ動作電流の変動によるちらつきも生じないという優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る直流ランプ点灯装置の一例を示す回路図。
【図２】陰極側電極の拡大図。
【図３】制御周期と電流制御時間との関係を示すグラフ。
【図４】点灯制御装置の処理手順を示すフローチャート
【図５】制御周期内の電流、電圧、電力変化を示すグラフ。
【図６】累積点灯時間とランプ電流の関係を示すグラフ。
【図７】光源装置を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、発光管の放電容器内に一対の電極が対向して配置された直流点灯型の高圧放電ランプが電極間距離の短いものであっても、電極部材の温度上昇による蒸発損耗を効果的に抑制して、寿命特性を向上させるという目的を達成するために、直流点灯型の高圧放電ランプに対し定電力制御を行うＰＷＭ制御回路に、ランプ動作電流を定格電流より低く設定された一定の目標電流値に維持する電流優先制御手段と、前記電流優先制御手段により低電流化されたことにより落ち込んだ電力分を補って平均電力を定格電力に維持する電力優先制御手段と、これら各制御手段を予め設定されたミリ秒オーダーの制御周期で交互に切り換えるタイミング制御手段とを備えた。
【実施例１】
【００１６】
図１に示す本発明に係る直流ランプ点灯装置１は、交流電源２から直流点灯型の高圧放電ランプ３に対して直流電力を供給するものである。
高圧放電ランプ３は、発光管４の放電容器５内に一対の電極６Ａ，６Ｂが対向して配置され、陰極となる電極６Ａは、タングステンで形成された電極ロッド７の先端側に当該電極ロッド７を所定長さ露出させた状態でコイル８が巻回され、陽極となる電極６Ｂは先丸状のロッドで形成され、発光管４の陽極側が、反射鏡９のネック部１０に挿通されて固定されている。
本例の高圧放電ランプ３は、定格電力Ｐｃ＝１００Ｗ、定格電圧Ｅｃ＝１００Ｖ、定格電流Ｉｃ＝１Ａのものを用いた。
【００１７】
点灯装置１は、交流電源２から放電ランプ３に至る給電回路１１上に、交流電源２から供給される電力を直流に変換するＡＣ／ＤＣコンバータ１２と、安定点灯時に供給される直流電力をＰＷＭ制御により所定電圧まで降圧させるスイッチング素子１３を有する降圧チョッパ回路１４と、始動時に始動パルスを印加するイグナイタ回路１５と、ランプ動作電流（ランプ電流）を検出する電流検出回路１６と、ランプ動作電圧（ランプ電圧）を検出する電圧検出回路１７を備えると共に、前記検出回路１６及び１７により検出されたランプ電流及びランプ電圧に基づいて算出されたランプ動作電力（ランプ電力）が予め設定された定格電力に維持されるようにスイッチング素子１３に供給されるＰＷＭ信号のデューティ比を決定して定電力制御を行うＰＷＭ制御回路２１を備えている。
【００１８】
ＰＷＭ制御回路２１は、Ｉ／Ｏポート２２の入力側が電流検出回路１６及び電圧検出回路１７に接続され、出力側がスイッチング素子１３に接続されている。
そして、検出されたランプ電流を定格電流より低く設定された一定の目標電流値に維持する電流優先制御手段２３と、前記電流優先制御手段２３により低電流化されたことにより落ち込んだ電力分を補って平均電力を定格電力に維持する電力優先制御手段２４と、これら各制御手段を予め設定されたミリ秒オーダーの制御周期で交互に切り換えるタイミング制御手段２５と、前記電流優先制御手段２３及び電力優先制御手段２４により決定されたデューティ比に応じたＰＷＭ信号を出力する生成するＰＷＭ信号生成器２６を備えている。
【００１９】
電流優先制御手段２３には、定格電流Ｉｃ（＝１Ａ）より低い一定の目標電流値Ｉｄ（例えば０.８Ａ）が設定され、電流検出回路１６により検出された瞬時ランプ電流ＩＬを目標電流値Ｉｄと比較して、その差に基づいてＰＷＭ信号のデューティ比を決定することにより、ランプ電流ＩＬを目標電流値Ｉｄに維持するようになっている。
なお、目標電流値Ｉｄは、式（１）を満足することが好ましい。
０.４５Ｉｃ≦Ｉｄ≦０.９Ｉｃ ………（１）
目標電流値Ｉｄが０.４５Ｉｃ未満では、放電が不安定になって立消えが発生するおそれがあり、０.９Ｉｃを超えると、電流低下によるコイル温度上昇抑止効果が得られないからである。
また、目標電流値Ｉｄは、式（１）の条件を満たし、且つ、定格電力Ｐｃに維持して点灯している場合に、ランプ電圧ＥＬが累積点灯時間に応じて上昇する放電ランプ３の寿命末期時におけるランプ電流ＩＬ以下に設定されていることが望ましい。
【００２０】
電力優先制御手段２４には、定格電力Ｐｃが１サイクルの制御周期の間に連続供給されたときの積算電力量が目標積算電力量Ｗｃとして設定されると共に、電流優先制御手段２３により低電流化されたことによる電力不足分に基づいて目標電力Ｐｆが設定されている。
そして、電流検出回路１６と電圧検出回路１７で検出された瞬時ランプ電流ＩＬ及び瞬時ランプ電圧ＥＬの積から瞬時ランプ電力ＰＬ＝ＩＬ×ＥＬを算出し、さらに、１サイクルの制御周期の開始か終了までの積算電力量Ｗｓをその都度記憶していく。
ＰＷＭ信号のデューティ比は、算出された瞬時ランプ電力ＰＬを目標電力Ｐｆと比較し、その差に基づいて決定すると共に、瞬時ランプ電力ＰＬが目標電力Ｐｆに達したときは、積算電力量Ｗｓが目標積算電力量Ｗｃと一致するように、その都度、目標電力Ｐｆを修正する。
【００２１】
また、タイミング制御手段２５では、電流優先制御手段２３による一回の連続制御時間（電流制御時間）Ｔｄと、電力優先制御手段２４による一回の連続制御時間（電力制御時間）Ｔｐが設定され、１サイクルの制御周期ＴｓがＴｄ＋Ｔｐで定義される（図５（ｂ）参照）。
このとき、これらの制御時間は式（２），（３）を満足することが好ましい。
１≦Ｔｓ≦１０（msec） ………（２）
０.１≦Ｔｄ／Ｔｓ＜０.５ …………（３）
制御周期Ｔｓが１msec未満では、電流低下によるコイル温度上昇抑止効果が得られず、１０msecを超えると、ちらつき感が増加し実用上好ましくないからである。
また、Ｔｄ／Ｔｓが０.１未満では、制御周期Ｔｓが下限値にときに応答速度の問題でランプ電流が下がりきらないため、温度上昇抑止効果が得られず、０.５を超えると、Ｔｓが上限値のときに電極先端温度が低下しすぎて放電が不安定になるためである。
【００２２】
図３のグラフは、横軸に制御周期Ｔｓを示し、縦軸に電流制御時間Ｔｄを示す。
グラフは、式（２）及び（３）の条件を示し、Ｔｓ＝１、Ｔｄ＝０.５Ｔｓ、Ｔｓ＝１０、Ｔｄ＝０.１Ｔｓの４本の線で囲まれた斜線部分が式（２）及び（３）の条件を満たす部分である（境界条件は式（２）及び（３）に従う）。
そして、目標電流値Ｉｄを式（１）の条件の範囲で変化させ、制御周期Ｔｓ及び定電流制御時間Ｔｄを式（２）及び（３）の条件で変化させて実験を行ったところ、放電が不安定になったり、立ち消えしたり、ちらつきを生じたりすることなく、電極部材の温度上昇による蒸発損耗を効果的に抑制して、寿命特性を向上させることができた。
【００２３】
ここで、電極軸に巻装されたコイル線材の蒸発損耗を抑制できる理由を次のように推察する。本発明に係る直流ランプ点灯装置の電流優先制御時と電力優先制御時において、電流優先制御時（低電流期間）には陰極先端部と放電アークとの接触面積が相対的に減り、電力優先制御時には電流増加に伴い接触面積が増える。この二種類の制御をミリ秒オーダーの制御周期で交互に切り換ることにより、陰極先端部と放電アークとの接触面積がこれに略追随して増減する。したがって、陰極先端部から離間して巻装されているコイル体への熱の伝わり方が通常の定電力制御で点灯させた場合よりも抑制されているものと思われる。
【００２４】
図４は、ＰＷＭ制御回路２１における制御手順を示すフローチャートである。
スイッチ（図示せず）をオンして、イグナイタ回路１５より始動パルスが発せられ、高圧放電ランプ３が点灯すると、処理が実行開始される。
まず、ステップＳＴＰ１でタイマを起動させて制御開始からの時刻ｔｎを計時し、ステップＳＴＰ２で電流検出回路１６及び電圧検出回路１７からランプ電流ＩＬ及びランプ電圧ＥＬを検出し、ステップＳＴＰ３でランプ電力ＰＬ＝ＩＬ×ＥＬを算出し、ステップＳＴＰ４で１サイクルの制御周期Ｔｓの開始から現時点までの時刻ｔｎにおける積算電力量Ｗｎを算出し、所定の記憶領域に記憶していく。
時間ΔＴにおける電力量ΔＷは、
ΔＷ＝ランプ電力ＰＬ×データ検出時間ΔＴ
であるから、積算電力量Ｗｎは、
Ｗｎ＝Σ（ＰＬ×ΔＴ）
で算出できる。
【００２５】
次いで、ステップＳＴＰ５で電流優先制御を行うか、電力優先制御を行うかが判断される。この判断は、時刻ｔｎ＜Ｔｄであるか否かで判断される。
そして、時刻ｔｎ＜Ｔｄであれば、電流優先制御を行うためにステップＳＴＰ６に移行し、予め設定された目標電流値Ｉｄを所定の記憶領域から読み出し、ステップＳＴＰ７に移行して、検出された瞬時ランプ電流ＩＬと目標電流値Ｉｄとを比較し、ＩＬ＝ＩｄであればステップＳＴＰ８に移行して現在のＰＷＭ信号のデューティ比を維持し、ＩＬ≠ＩｄであればステップＳＴＰ９に移行してその差に応じてＰＷＭ信号のデューティ比を増減する。
【００２６】
上記ＰＷＭ制御は、ランプ電流を所定の値に保つようにスイッチング素子１３のオンオフ時間をＰＷＭ制御回路２１によって制御する。
一般に放電ランプは負性特性を有するため、ランプ電流ＩＬを低下させるには、ＰＷＭ信号のデューティ比を高く、つまりオン時間を長くする必要がある。
そこで、ステップＳＴＰ９でランプ電流を低下させる場合は、目標電流値Ｉｄとの差に応じてＰＷＭ信号のデューティ比を高くするように調整し、ランプ電流を上昇させる場合はデューティ比を低くするように調整する。
【００２７】
ステップＳＴＰ１０では、ステップＳＴＰ８及び９で設定されたデューティ比のＰＷＭ信号をスイッチング素子１３に対して出力し、ステップＳＴＰ１に戻る。
【００２８】
また、ステップＳＴＰ５で時刻ｔｎ≧Ｔｄと判断されると、電力優先制御を行うためにステップＳＴＰ１１に移行して目標ランプ電力Ｐｆを以下のように算出する（図５（ｄ）参照）。
１サイクルの制御周期Ｔｓの開始からの経過時間をｔｎとすると、定格電力Ｐｃが供給されたと仮定したときの積算電力量Ｗｃは、
Ｗｃ＝Ｐｃ×ｔｎ
であり、それまでの積算電力量ＷｎはステップＳＴＰ３で算出されているから、不足している電力量Ｗｘは、
Ｗｘ＝Ｗｃ−Ｗｎ＝Ｐｃ×ｔｎ−Ｗｎ
で表される。この不足電力量Ｗｘを１サイクルの制御周期Ｔｓの残りの時間で上乗せすればよいから、上乗せする電力量ΔＰｎは、
ΔＰｎ＝Ｗｘ／（Ｔｓ−ｔｎ）
で表され、目標ランプ電力Ｐｆは、
Ｐｆ＝Ｐｃ＋ΔＰｎ
＝Ｐｃ＋（Ｐｃ×ｔｎ−Ｗｎ）／（Ｔｓ−ｔｎ）
で算出できる。
【００２９】
次いで、ステップＳＴＰ１２で、ランプ電力ＰＬと目標ランプ電力Ｐｆを比較し、ＰＬ＝ＰｆであればステップＳＴＰ１３に移行して現在のＰＷＭ信号のデューティ比を維持し、ＰＬ≠ＰｆであればステップＳＴＰ１４に移行してその差に応じてＰＷＭ信号のデューティ比を増減する。
【００３０】
ステップＳＴＰ１４でランプ電力を増加させる場合は、目標電力Ｐｆとの差に応じてＰＷＭ信号のデューティ比を減少させ、これによって、目標電力Ｐｆとの差が小さくなれば一致するまで減少させる制御を行い、デューティ比の減少により目標電力Ｐｆとの差が大きくなればデューティ比を増加させる制御を行う。
逆に、ランプ電力を減少させる場合は、目標電力Ｐｆとの差に応じてＰＷＭ信号のデューティ比を増加させ、これによって、目標電力Ｐｆとの差が小さくなれば一致するまで増加させる制御を行い、デューティ比の増加により目標電力Ｐｆとの差が大きくなればデューティ比を減少させる制御を行えばよい。
なお、ランプ電力はランプ電圧値にランプ電流値を乗じれば算出される。
【００３１】
次いで、ステップＳＴＰ１５では、ステップＳＴＰ１３及び１４で設定されたデューティ比のＰＷＭ信号をスイッチング素子１３に対して出力する。
ステップＳＴＰ１６では、電力優先制御を継続するか否かを時刻ｔｎ＜Ｔｓで判断し、ｔｎ＜Ｔｓの場合は、電力優先制御を継続すべくそのままステップＳＴＰ２に戻り、ｔｎ≧Ｔｓの場合は、電力優先制御を終了して電流優先制御を実行させるためステップＳＴＰ１７で時刻ｔｎ＝０にリセットし再起動してから、ステップＳＴＰ２に戻る。
【００３２】
ここで、ステップＳＴＰ６〜１０が電流優先制御手段２３における処理、ステップＳＴＰ１１〜１５が電力優先制御手段２４における処理、ステップＳＴＰ５及び１６がタイミング制御手段２５における処理である。
【００３３】
以上が本発明の一構成例であって、次に、その作用について図５及び図６を伴って説明する。
図５（ａ）はＰＷＭ信号、（ｂ）はランプ電流ＩＬ、（ｃ）はランプ電圧ＥＬ、（ｄ）はランプ電力ＰＬを示す。
時刻ｔｎがＴｄより小さいときは、電流優先制御が実行され、検出されたランプ電流ＩＬが目標電流値Ｉｄ（０.８Ａ）まで低下されるようにＰＷＭ制御が行われる。
ランプ電流を低下させる場合は、目標電流値Ｉｄとの差に応じてＰＷＭ信号のデューティ比を高くするように調整する。
【００３４】
例えば、定格電圧Ｅｃ（１００Ｖ）、定格電流（１Ａ）を供給するときのＰＷＭ信号のデューティ比ｄ１／ｄ０＝５０％のときに、そのデューティ比を変化させてランプ電流ＩＬを目標電流値Ｉｄ（０.８Ａ）まで低下させる場合、ランプ電流ＩＬをモニタしながら、目標電流値Ｉｄとの差に応じて、ＰＷＭ信号のデューティ比が例えばｄ１／ｄ０＝６０％と高くなるように設定される。
この場合、ランプ電圧ＥＬは図５（ｃ）に示すように定格電圧Ｅｃより高くなり、ランプ電力ＰＬは図５（ｄ）に示すように定格電力Ｐｃより低めであった。
したがって、電流優先制御が行われている間は、電力が低めに維持されるので、１サイクルの制御周期内で定電力制御とするためには電力優先制御ではその不足分を補う必要がある。
【００３５】
時刻ｔｎがＴｄに達すると、電力優先制御が実行され、算出されたランプ電力ＰＬが目標ランプ電力Ｐｆまで上昇されるようにＰＷＭ制御が行われる。
１サイクルの制御周期の開始から時刻ｔｎまでの電力量の不足分Ｗｘに基づき目標ランプ電力Ｐｆが算出され（ステップＳＴＰ１１）、ランプ電力ＰＬ＝Ｐｆとなるようにデューティ比が決定される。
ランプ電力ＰＬを増加させるためには、ランプ電圧ＥＬとランプ電流ＩＬの積を増加させる必要があり、ランプ電圧ＥＬとランプ電流ＩＬをモニタしてその積を算出しながら、目標電流値Ｉｄとの差に応じて、ＰＷＭ信号のデューティ比が例えばｄ１／ｄ０＝４０％と低くなるように設定される。
【００３６】
図６は累積点灯時間の増加に伴う平均ランプ電力、平均ランプ電圧、平均ランプ電流を示す。
放電ランプ３は累積点灯時間の増加に伴って電極６Ａ，６Ｂ先端部の蒸発損耗が進行することにより電極間距離が長くなり、ランプ電圧が上昇する傾向にある。
本例では、図６（ａ）に示すように定電力制御が行われているが、図６（ｂ）に示すように累積点灯時間の増加に伴って平均ランプ電圧ＥＡＶは徐々に上昇し、ランプの種類によっても異なるが寿命末期まで約１０％程上昇する傾向にある。
これに伴い平均ランプ電流ＩＡＶは、図６（ｃ）に示すように、点灯初期において定格電流Ｉｃと同程度であり、累積点灯時間の増加に伴い徐々に低下して、寿命末期において約１０％程低下するが、平均ランプ電流ＩＡＶが低下すればするほど、電極部材の加熱が抑制されて蒸発損耗の弊害も低減される。
【００３７】
この場合に、本発明に係る電流優先制御においては、目標電流値Ｉｄがランプ電流ＩＬに対する比ではなく、点灯初期における設計値である定格電流Ｉｃに対する比で設定されており、例えば、定格電流Ｉｃ＝１Ａのときに、目標電流Ｉｄ＝０.８５Ａに設定されている。
点灯初期の平均ランプ電流ＩＡＶが定格電流Ｉｃと同程度であり、寿命末期に至るまで徐々に低下して０.９Ａまで低下する場合に、点灯初期においては、平均ランプ電流ＩＡＶと目標電流Ｉｄとの差ΔＩ＝ＩＡＶ−Ｉｄ＝０.１５Ａと大きいため、低電流化による温度抑制効果が高い。
一方、寿命末期に近づくにつれて平均ランプ電流ＩＡＶが低下してくると、電極先端の加熱が抑制されて蒸発損耗の弊害も低減されるだけでなく、これに伴って、目標電流Ｉｄとの差ΔＩ＝ＩＡＶ−Ｉｄも小さくなって、低電流化による温度抑制効果が自動的に緩和されていく。
したがって、電極部材の蒸発損耗の程度が少なくなるのに伴って、電流優先制御時のランプ電流の低下に伴う加熱抑制効果も自動的に緩和されることとなり、電極先端が冷却され過ぎて放電が不安定になることもない。
さらに、電流優先制御手段２３による給電と電力優先制御手段２４による給電が、ミリ秒オーダーの周期（最長１０msec）で交互に実行され、その周期は、人間の視力の時間分解能より十分小さいので、ランプ電流の変動によるちらつきを感じることもない。
【００３８】
また、この点灯装置１を内蔵した光源装置３１は、図７に示すように、高圧放電ランプ３を楕円反射鏡９に装着したランプユニット３２が、ライドガイド３３を接続する光出射口３４を設けたハウジングケース３５内に設置されて成る。
放電ランプ３は、楕円反射鏡９の一次焦点位置に発光管４の放電容器５の中心（発光点）が配され、その二次焦点に集光された光が、光出射口３４に接続されたライトガイド３３に導かれるように成っている。
そして、光出射口３４とランプユニット３２との間に位置する二次焦点近傍には波長選択フィルタ及び／又は減光フィルタなどのフィルタ３６が介装されている。
【００３９】
まず、定格ランプ電力Ｐｃ＝１００Ｗ、定格ランプ電圧Ｅｃ＝６０Ｖ、定格ランプ電流１.６７Ａ、電極ロッド７の露出部分長さＤ＝０.５ｍｍの高圧放電ランプ３を点灯装置１に接続し、電流優先制御時における目標電流値Ｉｄ＝０.８Ａ、１サイクルの制御周期Ｔｓ＝５msec、電流制御時間Ｔｄ＝１msec、Ｔｄ／Ｔｓ＝０.２に設定し、ランプ単体で点灯実験を行い、電極６Ａの先端側に巻かれたコイル８の最高温度を測定したところ２０００℃であった。
次いで、この放電ランプ３を反射鏡９に装着し、光源装置３１に組み込んで点灯させても、寿命時間（３０００時間）を通じてコイル８が著しく損耗する程度までに加熱されることはなかった。
【００４０】
比較のため、同様の条件で、電流優先制御を行わず、ランプ電力ＰＬが定格電力Ｐｃに維持されるように従来の定電力制御を行った場合、コイル８の最高温度は２２００℃であった。
すなわち、本発明に係る点灯装置１によれば、従来の定電力制御を行う場合に比して、コイル８の最高温度の温度差が２００℃もあり、その分、電極軸に巻装されたコイルの温度上昇を抑制することができた。
次いで、この放電ランプ３を反射鏡９に装着し、光源装置３１に組み込んで、従来の定電力制御により点灯させた場合は、コイル８が加熱されて蒸発損耗し、その一部が欠落するものが見受けられた。
【００４１】
なお、光源装置３１として使用する場合、反射鏡９としては楕円反射鏡に限らず、高圧放電ランプ３の発光点から放射される光を反射させて平行光にする放物面反射鏡（図示せず）が取り付けられると共に、該反射鏡の前方に前記平行光を集光させるレンズ系（図示せず）を配する場合であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明によれば、発光管の放電容器内に一対の電極が対向して配置された直流点灯型の高圧放電ランプを点灯する直流ランプ点灯装置の用途に適用しうる。
【符号の説明】
【００４３】
１ 直流ランプ点灯装置
２ 交流電源
３ 高圧放電ランプ
４ 発光管
５ 放電容器
６Ａ，６Ｂ 電極
７ 電極ロッド
８ コイル
９ 反射鏡
１３ スイッチング素子
１４ 降圧チョッパ回路
１５ イグナイタ回路
２１ ＰＷＭ制御回路
２３ 電流優先制御手段
２４ 電力優先制御手段
２５ タイミング制御手段
２６ ＰＷＭ信号生成器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光管の放電容器内に一対の電極が対向して配置された直流点灯型の高圧放電ランプを点灯する直流ランプ点灯装置とこれを用いた光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、各種検査用光源装置は、その光源となる高圧放電ランプとして、発光管の放電容器内に対向して配置された電極間の距離が２〜２.５ｍｍ程度のメタルハライドランプを用いたものが一般的であったが、近時は、放電容器内に封入する水銀量を０.１５ｍｇ／ｍｍ３以上とし、放電容器内に対向して配置する電極間の距離を１.５ｍｍ以下として、高輝度で配光制御が容易な点光源に近い光を生じさせるようにしたショートアーク型の超高圧水銀ランプを用いるものが多くなっている。
【０００３】
特に、光源となる高圧放電ランプから放射される光を楕円反射鏡で集光してライトガイドで照射位置まで伝送する検査用光源装置は、楕円反射鏡の一次焦点位置に配したランプの発光点から放射される光が高輝度で点光源に近いほど、ライトガイドへの入射光量が増して光利用効率が向上すると同時に、細径のライトガイドで必要な照度を得るのに十分な量の光を伝送することができるから、その光源となる高圧放電ランプとして、ショートアーク型の超高圧水銀ランプを用いたものが多くなっている。
【０００４】
この種の高圧放電ランプは、使用初期から寿命末期に至るまで、累積点灯時間の増加に伴って電極先端部の蒸発損耗が進行することにより電極間距離が広がり、ランプ電圧が上昇する傾向にあるため、定電流制御の場合はランプ入力電力が上昇してランプが破壊するおそれがあるため、一般にその点灯制御は、点灯始動時を除き定電力制御により行われている（特許文献１参照）。
【０００５】
しかし、本発明者の実験研究によれば、定電力制御を行った場合、電極間距離が短い点灯初期でランプの動作電圧（ランプ電圧）が低い状態にあるとき、つまり、ランプの動作電流（ランプ電流）が相対的に高い状態にあるときは、電極ないし電極軸の先端部や電極軸に巻装されたコイル等の電極部材の蒸発損耗が最も著しく、その後、電極先端部の蒸発損耗により電極間距離が拡がり、徐々にランプ電圧が上昇すると共にランプ電流が低下すると、電極部材の蒸発損耗も減少することが確認された。
すなわち、ランプを定電力制御で点灯する場合は、ランプ電流が相対的に高いランプの点灯初期において電極部材の蒸発損耗が最も顕著となることが判った。
【０００６】
電極部材の蒸発損耗は、アークと接して最も高温となる電極ないし電極軸の先端部に限らず、始動性の確保及び電極の過熱を防止するために電極軸に巻装されたコイルにも生じ、例えば、タングステン電極の電極軸に巻装されたタングステン線で成るコイルは、ランプ点灯時に、電極軸からの放熱を促す一方で、自身の温度がその融点に達するまで上昇はしないものの、タングステンが徐々に蒸発する。
そして、コイルから蒸発するタングステンは、発光管の放電容器の内面に付着して発光管の黒化を生じさせる原因となる場合があり、更に、コイルの蒸発損耗が進行すると、コイルの線径が次第に細くなって、その一部が欠落することがあり、これらの現象は、ランプ寿命特性を悪化させる要因となる。
【０００７】
また、図７に示す光源装置３１は、高圧放電ランプ３と、その発光管４の放電容器５の中心（発光点）を一次焦点位置に配して当該ランプ３から放射される光を二次焦点に集光させる楕円反射鏡９とから成るランプユニット３２が、ライドガイド３３を接続する光出射口３４を設けたハウジングケース３５内に設置され、その光出射口３４とランプユニット３２との間に位置する二次焦点近傍に波長選択フィルタ及び／又は減光フィルタなどのフィルタ３６が介装されている。
この光源装置３１にあっては、楕円反射鏡３４で集光した光をライトガイド３３に導く際に、フィルタ３６で反射された光成分の一部が、楕円反射鏡９の一次焦点付近に戻って、その一次焦点位置付近に配された放電容器内の電極部材の温度を上昇させるために、電極部材の蒸発損耗がより顕著なものとなる。
【０００８】
そこで、波長選択フィルタや減光フィルタで反射されて戻って来る光を遮るために、放電容器の反射鏡開口部側の表面に赤外線反射膜やフロスト加工を施した温度抑制加工部を設ける手段が提案されているが（特許文献２参照）、放電容器の表面にこのような加工を施すと、ランプの生産性が低下するのみならず、その信頼性が低下するおそれもあるから、好ましくない。
【０００９】
また、上記のような原因によって発生する電極部材の蒸発損耗を抑止・抑制するために、ショートアーク型の超高圧水銀ランプの電極間距離を予め長めに設定すると、つまり、電極間距離の設計値を１.５mmより長い例えば２mmにすると、高輝度で配光制御が容易な点光源が得られるという当該ランプの最大の長所が損なわれてしまうから、これも好ましくない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１０−３３５０８６号公報
【特許文献２】特開２０１０−０６１８１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、発光管の放電容器内に一対の電極が対向して配置された直流点灯型の高圧放電ランプを点灯する際に、その光源となる高圧放電ランプが、電極間距離が短いものであっても電極部材、特に電極軸に巻装されたコイルの温度上昇による蒸発損耗を効果的に抑制して寿命特性を向上させることを技術的課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明は、発光管の放電容器内に一対の電極が対向して配置された直流点灯型の高圧放電ランプに対し、安定点灯時に供給される直流電力をＰＷＭ制御により調整するスイッチング素子を有する降圧チョッパ回路と、ランプ動作電流及びランプ動作電圧に基づいて算出されたランプ動作電力が予め設定された定格電力に維持されるように前記スイッチング素子に供給されるＰＷＭ信号のデューティ比を決定して定電力制御を行うＰＷＭ制御回路とを備えた直流ランプ点灯装置において、
前記ＰＷＭ制御回路は、ランプ動作電流を定格電流より低く設定された一定の目標電流値に維持する電流優先制御手段と、前記電流優先制御手段により低電流化されたことにより落ち込んだ電力分を補って平均電力を定格電力に維持する電力優先制御手段と、これら各制御手段を予め設定されたミリ秒オーダーの制御周期で交互に切り換えるタイミング制御手段とを備えたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明による直流ランプ点灯装置によれば、高圧放電ランプが、ランプ動作電流を定格電流より低く設定された一定の目標電流値に維持する電流優先制御による給電と、電流優先制御手段により低電流化されたことにより落ち込んだ電力分を補って平均電力を定格電力に維持する電力優先制御による給電を、ミリ秒オーダーの制御周期で交互に切り換えて定電力制御されている。
電流優先制御手段により給電されている間は、ランプ動作電流が、ランプ電圧によらず定格電流より低く設定された一定の目標電流値に維持されているので、通常点灯時に比して低電流化され、電極部材の温度上昇による蒸発損耗が抑制されて寿命特性が良化する。
また、電力優先制御手段により給電されている間は、電流優先制御手段により低電流化されたことにより落ち込んだ電力分を補って平均電力が定格電力に維持されるので、１サイクルの制御周期内で定電力制御されていることとなり、累積点灯時間の増大に伴いランプ電圧が上昇した場合であっても、定電流制御のようにランプ入力電力が上昇してランプが破壊されることもない。
さらに、電流優先制御手段による給電と電力優先制御手段による給電が、ミリ秒オーダーの周期で実行され、その周期が極めて短いので、ランプ動作電流の変動によるちらつきも生じないという優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る直流ランプ点灯装置の一例を示す回路図。
【図２】陰極側電極の拡大図。
【図３】制御周期と電流制御時間との関係を示すグラフ。
【図４】点灯制御装置の処理手順を示すフローチャート
【図５】制御周期内の電流、電圧、電力変化を示すグラフ。
【図６】累積点灯時間とランプ電流の関係を示すグラフ。
【図７】光源装置を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、発光管の放電容器内に一対の電極が対向して配置された直流点灯型の高圧放電ランプが電極間距離の短いものであっても、電極部材の温度上昇による蒸発損耗を効果的に抑制して、寿命特性を向上させるという目的を達成するために、直流点灯型の高圧放電ランプに対し定電力制御を行うＰＷＭ制御回路に、ランプ動作電流を定格電流より低く設定された一定の目標電流値に維持する電流優先制御手段と、前記電流優先制御手段により低電流化されたことにより落ち込んだ電力分を補って平均電力を定格電力に維持する電力優先制御手段と、これら各制御手段を予め設定されたミリ秒オーダーの制御周期で交互に切り換えるタイミング制御手段とを備えた。
【実施例１】
【００１６】
図１に示す本発明に係る直流ランプ点灯装置１は、交流電源２から直流点灯型の高圧放電ランプ３に対して直流電力を供給するものである。
高圧放電ランプ３は、発光管４の放電容器５内に一対の電極６Ａ，６Ｂが対向して配置され、陰極となる電極６Ａは、タングステンで形成された電極ロッド７の先端側に当該電極ロッド７を所定長さ露出させた状態でコイル８が巻回され、陽極となる電極６Ｂは先丸状のロッドで形成され、発光管４の陽極側が、反射鏡９のネック部１０に挿通されて固定されている。
本例の高圧放電ランプ３は、定格電力Ｐｃ＝１００Ｗ、定格電圧Ｅｃ＝１００Ｖ、定格電流Ｉｃ＝１Ａのものを用いた。
【００１７】
点灯装置１は、交流電源２から放電ランプ３に至る給電回路１１上に、交流電源２から供給される電力を直流に変換するＡＣ／ＤＣコンバータ１２と、安定点灯時に供給される直流電力をＰＷＭ制御により所定電圧まで降圧させるスイッチング素子１３を有する降圧チョッパ回路１４と、始動時に始動パルスを印加するイグナイタ回路１５と、ランプ動作電流（ランプ電流）を検出する電流検出回路１６と、ランプ動作電圧（ランプ電圧）を検出する電圧検出回路１７を備えると共に、前記検出回路１６及び１７により検出されたランプ電流及びランプ電圧に基づいて算出されたランプ動作電力（ランプ電力）が予め設定された定格電力に維持されるようにスイッチング素子１３に供給されるＰＷＭ信号のデューティ比を決定して定電力制御を行うＰＷＭ制御回路２１を備えている。
【００１８】
ＰＷＭ制御回路２１は、Ｉ／Ｏポート２２の入力側が電流検出回路１６及び電圧検出回路１７に接続され、出力側がスイッチング素子１３に接続されている。
そして、検出されたランプ電流を定格電流より低く設定された一定の目標電流値に維持する電流優先制御手段２３と、前記電流優先制御手段２３により低電流化されたことにより落ち込んだ電力分を補って平均電力を定格電力に維持する電力優先制御手段２４と、これら各制御手段を予め設定されたミリ秒オーダーの制御周期で交互に切り換えるタイミング制御手段２５と、前記電流優先制御手段２３及び電力優先制御手段２４により決定されたデューティ比に応じたＰＷＭ信号を出力する生成するＰＷＭ信号生成器２６を備えている。
【００１９】
電流優先制御手段２３には、定格電流Ｉｃ（＝１Ａ）より低い一定の目標電流値Ｉｄ（例えば０.８Ａ）が設定され、電流検出回路１６により検出された瞬時ランプ電流ＩＬを目標電流値Ｉｄと比較して、その差に基づいてＰＷＭ信号のデューティ比を決定することにより、ランプ電流ＩＬを目標電流値Ｉｄに維持するようになっている。
なお、目標電流値Ｉｄは、式（１）を満足することが好ましい。
０.４５Ｉｃ≦Ｉｄ≦０.９Ｉｃ ………（１）
目標電流値Ｉｄが０.４５Ｉｃ未満では、放電が不安定になって立消えが発生するおそれがあり、０.９Ｉｃを超えると、電流低下によるコイル温度上昇抑止効果が得られないからである。
また、目標電流値Ｉｄは、式（１）の条件を満たし、且つ、定格電力Ｐｃに維持して点灯している場合に、ランプ電圧ＥＬが累積点灯時間に応じて上昇する放電ランプ３の寿命末期時におけるランプ電流ＩＬ以下に設定されていることが望ましい。
【００２０】
電力優先制御手段２４には、定格電力Ｐｃが１サイクルの制御周期の間に連続供給されたときの積算電力量が目標積算電力量Ｗｃとして設定されると共に、電流優先制御手段２３により低電流化されたことによる電力不足分に基づいて目標電力Ｐｆが設定されている。
そして、電流検出回路１６と電圧検出回路１７で検出された瞬時ランプ電流ＩＬ及び瞬時ランプ電圧ＥＬの積から瞬時ランプ電力ＰＬ＝ＩＬ×ＥＬを算出し、さらに、１サイクルの制御周期の開始か終了までの積算電力量Ｗｓをその都度記憶していく。
ＰＷＭ信号のデューティ比は、算出された瞬時ランプ電力ＰＬを目標電力Ｐｆと比較し、その差に基づいて決定すると共に、瞬時ランプ電力ＰＬが目標電力Ｐｆに達したときは、積算電力量Ｗｓが目標積算電力量Ｗｃと一致するように、その都度、目標電力Ｐｆを修正する。
【００２１】
また、タイミング制御手段２５では、電流優先制御手段２３による一回の連続制御時間（電流制御時間）Ｔｄと、電力優先制御手段２４による一回の連続制御時間（電力制御時間）Ｔｐが設定され、１サイクルの制御周期ＴｓがＴｄ＋Ｔｐで定義される（図５（ｂ）参照）。
このとき、これらの制御時間は式（２），（３）を満足することが好ましい。
１≦Ｔｓ≦１０（msec） ………（２）
０.１≦Ｔｄ／Ｔｓ＜０.５ …………（３）
制御周期Ｔｓが１msec未満では、電流低下によるコイル温度上昇抑止効果が得られず、１０msecを超えると、ちらつき感が増加し実用上好ましくないからである。
また、Ｔｄ／Ｔｓが０.１未満では、制御周期Ｔｓが下限値にときに応答速度の問題でランプ電流が下がりきらないため、温度上昇抑止効果が得られず、０.５を超えると、Ｔｓが上限値のときに電極先端温度が低下しすぎて放電が不安定になるためである。
【００２２】
図３のグラフは、横軸に制御周期Ｔｓを示し、縦軸に電流制御時間Ｔｄを示す。
グラフは、式（２）及び（３）の条件を示し、Ｔｓ＝１、Ｔｄ＝０.５Ｔｓ、Ｔｓ＝１０、Ｔｄ＝０.１Ｔｓの４本の線で囲まれた斜線部分が式（２）及び（３）の条件を満たす部分である（境界条件は式（２）及び（３）に従う）。
そして、目標電流値Ｉｄを式（１）の条件の範囲で変化させ、制御周期Ｔｓ及び定電流制御時間Ｔｄを式（２）及び（３）の条件で変化させて実験を行ったところ、放電が不安定になったり、立ち消えしたり、ちらつきを生じたりすることなく、電極部材の温度上昇による蒸発損耗を効果的に抑制して、寿命特性を向上させることができた。
【００２３】
ここで、電極軸に巻装されたコイル線材の蒸発損耗を抑制できる理由を次のように推察する。本発明に係る直流ランプ点灯装置の電流優先制御時と電力優先制御時において、電流優先制御時（低電流期間）には陰極先端部と放電アークとの接触面積が相対的に減り、電力優先制御時には電流増加に伴い接触面積が増える。この二種類の制御をミリ秒オーダーの制御周期で交互に切り換ることにより、陰極先端部と放電アークとの接触面積がこれに略追随して増減する。したがって、陰極先端部から離間して巻装されているコイル体への熱の伝わり方が通常の定電力制御で点灯させた場合よりも抑制されているものと思われる。
【００２４】
図４は、ＰＷＭ制御回路２１における制御手順を示すフローチャートである。
スイッチ（図示せず）をオンして、イグナイタ回路１５より始動パルスが発せられ、高圧放電ランプ３が点灯すると、処理が実行開始される。
まず、ステップＳＴＰ１でタイマを起動させて制御開始からの時刻ｔｎを計時し、ステップＳＴＰ２で電流検出回路１６及び電圧検出回路１７からランプ電流ＩＬ及びランプ電圧ＥＬを検出し、ステップＳＴＰ３でランプ電力ＰＬ＝ＩＬ×ＥＬを算出し、ステップＳＴＰ４で１サイクルの制御周期Ｔｓの開始から現時点までの時刻ｔｎにおける積算電力量Ｗｎを算出し、所定の記憶領域に記憶していく。
時間ΔＴにおける電力量ΔＷは、
ΔＷ＝ランプ電力ＰＬ×データ検出時間ΔＴ
であるから、積算電力量Ｗｎは、
Ｗｎ＝Σ（ＰＬ×ΔＴ）
で算出できる。
【００２５】
次いで、ステップＳＴＰ５で電流優先制御を行うか、電力優先制御を行うかが判断される。この判断は、時刻ｔｎ＜Ｔｄであるか否かで判断される。
そして、時刻ｔｎ＜Ｔｄであれば、電流優先制御を行うためにステップＳＴＰ６に移行し、予め設定された目標電流値Ｉｄを所定の記憶領域から読み出し、ステップＳＴＰ７に移行して、検出された瞬時ランプ電流ＩＬと目標電流値Ｉｄとを比較し、ＩＬ＝ＩｄであればステップＳＴＰ８に移行して現在のＰＷＭ信号のデューティ比を維持し、ＩＬ≠ＩｄであればステップＳＴＰ９に移行してその差に応じてＰＷＭ信号のデューティ比を増減する。
【００２６】
上記ＰＷＭ制御は、ランプ電流を所定の値に保つようにスイッチング素子１３のオンオフ時間をＰＷＭ制御回路２１によって制御する。
一般に放電ランプは負性特性を有するため、ランプ電流ＩＬを低下させるには、ＰＷＭ信号のデューティ比を高く、つまりオン時間を長くする必要がある。
そこで、ステップＳＴＰ９でランプ電流を低下させる場合は、目標電流値Ｉｄとの差に応じてＰＷＭ信号のデューティ比を高くするように調整し、ランプ電流を上昇させる場合はデューティ比を低くするように調整する。
【００２７】
ステップＳＴＰ１０では、ステップＳＴＰ８及び９で設定されたデューティ比のＰＷＭ信号をスイッチング素子１３に対して出力し、ステップＳＴＰ１に戻る。
【００２８】
また、ステップＳＴＰ５で時刻ｔｎ≧Ｔｄと判断されると、電力優先制御を行うためにステップＳＴＰ１１に移行して目標ランプ電力Ｐｆを以下のように算出する（図５（ｄ）参照）。
１サイクルの制御周期Ｔｓの開始からの経過時間をｔｎとすると、定格電力Ｐｃが供給されたと仮定したときの積算電力量Ｗｃは、
Ｗｃ＝Ｐｃ×ｔｎ
であり、それまでの積算電力量ＷｎはステップＳＴＰ３で算出されているから、不足している電力量Ｗｘは、
Ｗｘ＝Ｗｃ−Ｗｎ＝Ｐｃ×ｔｎ−Ｗｎ
で表される。この不足電力量Ｗｘを１サイクルの制御周期Ｔｓの残りの時間で上乗せすればよいから、上乗せする電力量ΔＰｎは、
ΔＰｎ＝Ｗｘ／（Ｔｓ−ｔｎ）
で表され、目標ランプ電力Ｐｆは、
Ｐｆ＝Ｐｃ＋ΔＰｎ
＝Ｐｃ＋（Ｐｃ×ｔｎ−Ｗｎ）／（Ｔｓ−ｔｎ）
で算出できる。
【００２９】
次いで、ステップＳＴＰ１２で、ランプ電力ＰＬと目標ランプ電力Ｐｆを比較し、ＰＬ＝ＰｆであればステップＳＴＰ１３に移行して現在のＰＷＭ信号のデューティ比を維持し、ＰＬ≠ＰｆであればステップＳＴＰ１４に移行してその差に応じてＰＷＭ信号のデューティ比を増減する。
【００３０】
ステップＳＴＰ１４でランプ電力を増加させる場合は、目標電力Ｐｆとの差に応じてＰＷＭ信号のデューティ比を減少させ、これによって、目標電力Ｐｆとの差が小さくなれば一致するまで減少させる制御を行い、デューティ比の減少により目標電力Ｐｆとの差が大きくなればデューティ比を増加させる制御を行う。
逆に、ランプ電力を減少させる場合は、目標電力Ｐｆとの差に応じてＰＷＭ信号のデューティ比を増加させ、これによって、目標電力Ｐｆとの差が小さくなれば一致するまで増加させる制御を行い、デューティ比の増加により目標電力Ｐｆとの差が大きくなればデューティ比を減少させる制御を行えばよい。
なお、ランプ電力はランプ電圧値にランプ電流値を乗じれば算出される。
【００３１】
次いで、ステップＳＴＰ１５では、ステップＳＴＰ１３及び１４で設定されたデューティ比のＰＷＭ信号をスイッチング素子１３に対して出力する。
ステップＳＴＰ１６では、電力優先制御を継続するか否かを時刻ｔｎ＜Ｔｓで判断し、ｔｎ＜Ｔｓの場合は、電力優先制御を継続すべくそのままステップＳＴＰ２に戻り、ｔｎ≧Ｔｓの場合は、電力優先制御を終了して電流優先制御を実行させるためステップＳＴＰ１７で時刻ｔｎ＝０にリセットし再起動してから、ステップＳＴＰ２に戻る。
【００３２】
ここで、ステップＳＴＰ６〜１０が電流優先制御手段２３における処理、ステップＳＴＰ１１〜１５が電力優先制御手段２４における処理、ステップＳＴＰ５及び１６がタイミング制御手段２５における処理である。
【００３３】
以上が本発明の一構成例であって、次に、その作用について図５及び図６を伴って説明する。
図５（ａ）はＰＷＭ信号、（ｂ）はランプ電流ＩＬ、（ｃ）はランプ電圧ＥＬ、（ｄ）はランプ電力ＰＬを示す。
時刻ｔｎがＴｄより小さいときは、電流優先制御が実行され、検出されたランプ電流ＩＬが目標電流値Ｉｄ（０.８Ａ）まで低下されるようにＰＷＭ制御が行われる。
ランプ電流を低下させる場合は、目標電流値Ｉｄとの差に応じてＰＷＭ信号のデューティ比を高くするように調整する。
【００３４】
例えば、定格電圧Ｅｃ（１００Ｖ）、定格電流（１Ａ）を供給するときのＰＷＭ信号のデューティ比ｄ１／ｄ０＝５０％のときに、そのデューティ比を変化させてランプ電流ＩＬを目標電流値Ｉｄ（０.８Ａ）まで低下させる場合、ランプ電流ＩＬをモニタしながら、目標電流値Ｉｄとの差に応じて、ＰＷＭ信号のデューティ比が例えばｄ１／ｄ０＝６０％と高くなるように設定される。
この場合、ランプ電圧ＥＬは図５（ｃ）に示すように定格電圧Ｅｃより高くなり、ランプ電力ＰＬは図５（ｄ）に示すように定格電力Ｐｃより低めであった。
したがって、電流優先制御が行われている間は、電力が低めに維持されるので、１サイクルの制御周期内で定電力制御とするためには電力優先制御ではその不足分を補う必要がある。
【００３５】
時刻ｔｎがＴｄに達すると、電力優先制御が実行され、算出されたランプ電力ＰＬが目標ランプ電力Ｐｆまで上昇されるようにＰＷＭ制御が行われる。
１サイクルの制御周期の開始から時刻ｔｎまでの電力量の不足分Ｗｘに基づき目標ランプ電力Ｐｆが算出され（ステップＳＴＰ１１）、ランプ電力ＰＬ＝Ｐｆとなるようにデューティ比が決定される。
ランプ電力ＰＬを増加させるためには、ランプ電圧ＥＬとランプ電流ＩＬの積を増加させる必要があり、ランプ電圧ＥＬとランプ電流ＩＬをモニタしてその積を算出しながら、目標電流値Ｉｄとの差に応じて、ＰＷＭ信号のデューティ比が例えばｄ１／ｄ０＝４０％と低くなるように設定される。
【００３６】
図６は累積点灯時間の増加に伴う平均ランプ電力、平均ランプ電圧、平均ランプ電流を示す。
放電ランプ３は累積点灯時間の増加に伴って電極６Ａ，６Ｂ先端部の蒸発損耗が進行することにより電極間距離が長くなり、ランプ電圧が上昇する傾向にある。
本例では、図６（ａ）に示すように定電力制御が行われているが、図６（ｂ）に示すように累積点灯時間の増加に伴って平均ランプ電圧ＥＡＶは徐々に上昇し、ランプの種類によっても異なるが寿命末期まで約１０％程上昇する傾向にある。
これに伴い平均ランプ電流ＩＡＶは、図６（ｃ）に示すように、点灯初期において定格電流Ｉｃと同程度であり、累積点灯時間の増加に伴い徐々に低下して、寿命末期において約１０％程低下するが、平均ランプ電流ＩＡＶが低下すればするほど、電極部材の加熱が抑制されて蒸発損耗の弊害も低減される。
【００３７】
この場合に、本発明に係る電流優先制御においては、目標電流値Ｉｄがランプ電流ＩＬに対する比ではなく、点灯初期における設計値である定格電流Ｉｃに対する比で設定されており、例えば、定格電流Ｉｃ＝１Ａのときに、目標電流Ｉｄ＝０.８５Ａに設定されている。
点灯初期の平均ランプ電流ＩＡＶが定格電流Ｉｃと同程度であり、寿命末期に至るまで徐々に低下して０.９Ａまで低下する場合に、点灯初期においては、平均ランプ電流ＩＡＶと目標電流Ｉｄとの差ΔＩ＝ＩＡＶ−Ｉｄ＝０.１５Ａと大きいため、低電流化による温度抑制効果が高い。
一方、寿命末期に近づくにつれて平均ランプ電流ＩＡＶが低下してくると、電極先端の加熱が抑制されて蒸発損耗の弊害も低減されるだけでなく、これに伴って、目標電流Ｉｄとの差ΔＩ＝ＩＡＶ−Ｉｄも小さくなって、低電流化による温度抑制効果が自動的に緩和されていく。
したがって、電極部材の蒸発損耗の程度が少なくなるのに伴って、電流優先制御時のランプ電流の低下に伴う加熱抑制効果も自動的に緩和されることとなり、電極先端が冷却され過ぎて放電が不安定になることもない。
さらに、電流優先制御手段２３による給電と電力優先制御手段２４による給電が、ミリ秒オーダーの周期（最長１０msec）で交互に実行され、その周期は、人間の視力の時間分解能より十分小さいので、ランプ電流の変動によるちらつきを感じることもない。
【００３８】
また、この点灯装置１を内蔵した光源装置３１は、図７に示すように、高圧放電ランプ３を楕円反射鏡９に装着したランプユニット３２が、ライドガイド３３を接続する光出射口３４を設けたハウジングケース３５内に設置されて成る。
放電ランプ３は、楕円反射鏡９の一次焦点位置に発光管４の放電容器５の中心（発光点）が配され、その二次焦点に集光された光が、光出射口３４に接続されたライトガイド３３に導かれるように成っている。
そして、光出射口３４とランプユニット３２との間に位置する二次焦点近傍には波長選択フィルタ及び／又は減光フィルタなどのフィルタ３６が介装されている。
【００３９】
まず、定格ランプ電力Ｐｃ＝１００Ｗ、定格ランプ電圧Ｅｃ＝６０Ｖ、定格ランプ電流１.６７Ａ、電極ロッド７の露出部分長さＤ＝０.５ｍｍの高圧放電ランプ３を点灯装置１に接続し、電流優先制御時における目標電流値Ｉｄ＝０.８Ａ、１サイクルの制御周期Ｔｓ＝５msec、電流制御時間Ｔｄ＝１msec、Ｔｄ／Ｔｓ＝０.２に設定し、ランプ単体で点灯実験を行い、電極６Ａの先端側に巻かれたコイル８の最高温度を測定したところ２０００℃であった。
次いで、この放電ランプ３を反射鏡９に装着し、光源装置３１に組み込んで点灯させても、寿命時間（３０００時間）を通じてコイル８が著しく損耗する程度までに加熱されることはなかった。
【００４０】
比較のため、同様の条件で、電流優先制御を行わず、ランプ電力ＰＬが定格電力Ｐｃに維持されるように従来の定電力制御を行った場合、コイル８の最高温度は２２００℃であった。
すなわち、本発明に係る点灯装置１によれば、従来の定電力制御を行う場合に比して、コイル８の最高温度の温度差が２００℃もあり、その分、電極軸に巻装されたコイルの温度上昇を抑制することができた。
次いで、この放電ランプ３を反射鏡９に装着し、光源装置３１に組み込んで、従来の定電力制御により点灯させた場合は、コイル８が加熱されて蒸発損耗し、その一部が欠落するものが見受けられた。
【００４１】
なお、光源装置３１として使用する場合、反射鏡９としては楕円反射鏡に限らず、高圧放電ランプ３の発光点から放射される光を反射させて平行光にする放物面反射鏡（図示せず）が取り付けられると共に、該反射鏡の前方に前記平行光を集光させるレンズ系（図示せず）を配する場合であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明によれば、発光管の放電容器内に一対の電極が対向して配置された直流点灯型の高圧放電ランプを点灯する直流ランプ点灯装置の用途に適用しうる。
【符号の説明】
【００４３】
１ 直流ランプ点灯装置
２ 交流電源
３ 高圧放電ランプ
４ 発光管
５ 放電容器
６Ａ，６Ｂ 電極
７ 電極ロッド
８ コイル
９ 反射鏡
１３ スイッチング素子
１４ 降圧チョッパ回路
１５ イグナイタ回路
２１ ＰＷＭ制御回路
２３ 電流優先制御手段
２４ 電力優先制御手段
２５ タイミング制御手段
２６ ＰＷＭ信号生成器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光管の放電容器内に一対の電極が対向して配置された直流点灯型の高圧放電ランプに対し、安定点灯時に供給される直流電力をＰＷＭ制御により調整するスイッチング素子を有する降圧チョッパ回路と、ランプ動作電流及びランプ動作電圧に基づいて算出されたランプ動作電力が予め設定された定格電力に維持されるように前記スイッチング素子に供給されるＰＷＭ信号のデューティ比を決定して定電力制御を行うＰＷＭ制御回路とを備えた直流ランプ点灯装置において、
前記ＰＷＭ制御回路は、ランプ動作電流を定格電流より低く設定された一定の目標電流値に維持する電流優先制御手段と、前記電流優先制御手段により低電流化されたことにより落ち込んだ電力分を補って平均電力を定格電力に維持する電力優先制御手段と、これら各制御手段を予め設定されたミリ秒オーダーの制御周期で交互に切り換えるタイミング制御手段とを備えたことを特徴とする直流ランプ点灯装置。
【請求項２】
電力優先制御手段による一回の連続制御時間をＴｐ、電流優先制御手段による一回の連続制御時間Ｔｄ、Ｔｐ＋Ｔｄで定義される１サイクルの制御時間をＴｓとしたときに、
１≦Ｔｓ≦１０（ｍｓｅｃ）
０.１≦Ｔｄ／Ｔｓ＜０.５
である請求項１記載の直流ランプ点灯装置。
【請求項３】
前記電流優先制御手段によりランプ動作電流が維持される目標電流値は、定格電流より低く、且つ、寿命末期におけるランプ電流値以下に設定された請求項１又は２記載の直流ランプ点灯装置。
【請求項４】
前記電流優先制御手段によりランプ動作電流が維持される目標電流値をＩｄ、ランプの設計値である定格電流をＩｃとしたときに、
０.４５Ｉｃ≦Ｉｄ≦０.９Ｉｃ
である請求項１乃至３いずれか記載の直流ランプ点灯装置。
【請求項５】
放電容器内に一対の電極が対向して配置され、陰極となる電極ロッドの先端側に電極ロッドを所定長さ露出させた状態でコイルが巻回された直流点灯型の高圧放電ランプを光源とし、請求項１乃至４いずれか記載の直流ランプ点灯装置を備えたことを特徴とする光源装置。
【請求項６】
前記高圧放電ランプに、該ランプの発光点を一次焦点位置に配して、その発光点から放射される光を二次焦点に集光させる楕円反射鏡が取り付けられている請求項５記載の光源装置。
【請求項７】
前記高圧放電ランプに、該ランプの発光点から放射される光を反射させて平行光にする放物面反射鏡が取り付けられると共に、該反射鏡の前方に前記平行光を集光させるレンズ系が配設されている請求項５記載の光源装置。
【請求項１】
発光管の放電容器内に一対の電極が対向して配置された直流点灯型の高圧放電ランプに対し、安定点灯時に供給される直流電力をＰＷＭ制御により調整するスイッチング素子を有する降圧チョッパ回路と、ランプ動作電流及びランプ動作電圧に基づいて算出されたランプ動作電力が予め設定された定格電力に維持されるように前記スイッチング素子に供給されるＰＷＭ信号のデューティ比を決定して定電力制御を行うＰＷＭ制御回路とを備えた直流ランプ点灯装置において、
前記ＰＷＭ制御回路は、ランプ動作電流を定格電流より低く設定された一定の目標電流値に維持する電流優先制御手段と、前記電流優先制御手段により低電流化されたことにより落ち込んだ電力分を補って平均電力を定格電力に維持する電力優先制御手段と、これら各制御手段を予め設定されたミリ秒オーダーの制御周期で交互に切り換えるタイミング制御手段とを備えたことを特徴とする直流ランプ点灯装置。
【請求項２】
電力優先制御手段による一回の連続制御時間をＴｐ、電流優先制御手段による一回の連続制御時間Ｔｄ、Ｔｐ＋Ｔｄで定義される１サイクルの制御時間をＴｓとしたときに、
１≦Ｔｓ≦１０（ｍｓｅｃ）
０.１≦Ｔｄ／Ｔｓ＜０.５
である請求項１記載の直流ランプ点灯装置。
【請求項３】
前記電流優先制御手段によりランプ動作電流が維持される目標電流値は、定格電流より低く、且つ、寿命末期におけるランプ電流値以下に設定された請求項１又は２記載の直流ランプ点灯装置。
【請求項４】
前記電流優先制御手段によりランプ動作電流が維持される目標電流値をＩｄ、ランプの設計値である定格電流をＩｃとしたときに、
０.４５Ｉｃ≦Ｉｄ≦０.９Ｉｃ
である請求項１乃至３いずれか記載の直流ランプ点灯装置。
【請求項５】
放電容器内に一対の電極が対向して配置され、陰極となる電極ロッドの先端側に電極ロッドを所定長さ露出させた状態でコイルが巻回された直流点灯型の高圧放電ランプを光源とし、請求項１乃至４いずれか記載の直流ランプ点灯装置を備えたことを特徴とする光源装置。
【請求項６】
前記高圧放電ランプに、該ランプの発光点を一次焦点位置に配して、その発光点から放射される光を二次焦点に集光させる楕円反射鏡が取り付けられている請求項５記載の光源装置。
【請求項７】
前記高圧放電ランプに、該ランプの発光点から放射される光を反射させて平行光にする放物面反射鏡が取り付けられると共に、該反射鏡の前方に前記平行光を集光させるレンズ系が配設されている請求項５記載の光源装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１１４００９（Ｐ２０１２−１１４００９Ａ）
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６３１０２（Ｐ２０１０−２６３１０２）
【出願日】平成２２年１１月２６日（２０１０．１１．２６）
【出願人】（００００００１９２）岩崎電気株式会社 (533)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月２６日（２０１０．１１．２６）
【出願人】（００００００１９２）岩崎電気株式会社 (533)
【Ｆターム（参考）】
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