JP2004335471A - ガス放電ランプの駆動装置およびガス放電ランプの駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス放電ランプの駆動装置および駆動方法を提供し、一方でランプを確実に駆動フェーズへ移行させ、また他方では電極への負荷を最小限にできる始動特性を達成する。
【解決手段】検出装置と開制御装置とが設けられており、検出装置は、設定された限界値が小さすぎて接続されたガス放電ランプが目標電力を収容する状態へ移行できなくなってしまう場合に開制御装置へ所定の信号を送出し、開制御装置は、調整装置を介して限界値を設定し、検出装置が開制御装置へ所定の信号を送出した場合に限界値を高める。
【選択図】図２

Description

本発明は電極を備えたガス放電ランプの駆動装置および駆動方法に関する。本発明は特にガス放電ランプの始動時に発生する問題点の解決を目指すものである。

ガス放電ランプは高い電圧によって点弧される。点弧後、ランプは始動フェーズにおいて始動温度から駆動温度へ加熱される。点弧後にガス放電ランプに印加される電圧は燃焼電圧と称されるが、これは広い範囲で見るとランプ電流に追従するとはいえない。燃焼電圧は始動フェーズにおいて始動燃焼電圧から駆動燃焼電圧へ上昇する。定められた通りに機能するガス放電ランプでは始動フェーズに続いて駆動フェーズが生じる。

ランプ技術では高圧ガス放電ランプと低圧ガス放電ランプとが区別される。高圧ガス放電ランプ（以下単にランプとも称する）では、始動フェーズ中ランプ管内の圧力が初期圧から駆動圧へ上昇する機能が重要である。このため以下に説明する本発明は高圧ガス放電ランプで使用すると特に有利である。ただし本発明を低圧ガス放電ランプに使用することもできる。

駆動フェーズにおいてはたいてい駆動装置によってランプの電力が目標電力へ向かって制御される。始動フェーズ中は燃焼電圧が低いので、始動フェーズにおける電力制御では目標電力を発生させるために高いランプ電流が必要である。この電流は駆動フェーズにおけるランプ電流よりも数倍高くなる。このような電流はランプの電極を破壊してしまうことがある。したがって従来技術では、駆動装置が始動フェーズ中にランプへ送出する電流が一定の始動電流に制限されている。これにより少なくとも始動フェーズの第１の区間ではランプに一定の始動電流が給電される。始動フェーズが進行するにつれて燃焼電圧が増大される。燃焼電圧が一定の電流とともに所望の目標電力を生じる値に達すると、電力制御部が作動される。燃焼電圧がさらに上昇する場合にはランプ電流の電力制御部が目標電圧の値まで低減される。燃焼電圧が駆動燃焼電圧の値に達すると始動フェーズは終了する。駆動燃焼電圧は実験によればそれぞればらつきを有しており、ランプの動作期間にわたっても変動する。したがって駆動燃焼電圧は目標電力のもとで所定の時間範囲においてほぼ一定となる燃焼電圧によって定義される。観察される時間範囲は例えば１分である。また、駆動燃焼電圧とともに目標電圧を定める駆動ランプ電流もこれに相関している。

始動電流の値については次の点に注意が必要である。すなわち始動フェーズ中はランプの圧力ひいてはランプ電圧が一定に上昇して駆動燃焼電圧に達するように電力をランプに加えなければならないということである。そうでないとランプが始動フェーズ中に所定の状態にとどまって目標電力に達しなくなってしまう。こうしたケースを確実に排除するために、従来技術として、ランプの駆動電流を格段に上回る始動電流を選定するという手段が挙げられる。この手段はSakataによる米国特許第５０８３０６５号明細書に記載されている。こうした始動電流を選定する手段は所望に応じて、目標光電流を得るのに最小の時間しか必要としないという特長を有している。

しかし始動電流が高くなると電極に強い負荷がかかり、そこに損傷が生じたり、ランプの寿命が低下したりする。オーバーヒートは電極の黒化や焼損をまねき、また高速で電極に衝突するイオンが引き起こすいわゆるスパッタリングも電極を損耗させる。
米国特許第５０８３０６５号明細書 独国公開第１００２１５３７号明細書 国際公開第９５３５６４５号明細書

本発明の課題は、ガス放電ランプの駆動装置および駆動方法を提供し、一方でランプを確実に駆動フェーズへ移行させ、また他方では電極への負荷を最小限にできる始動特性を達成することである。

この課題は、検出装置と開制御装置とが設けられており、検出装置は、設定された限界値が小さすぎて接続されたガス放電ランプが目標電力を収容する状態へ移行できなくなってしまう場合に開制御装置へ所定の信号を送出し、開制御装置は、調整装置を介して限界値を設定し、検出装置が開制御装置へ所定の信号を送出した場合に限界値を高めるように構成して解決される。

課題はまた、ガス放電ランプの点弧後、接続されたガス放電ランプの電極が損なわれないように小さく選定された始動電流を発生させ、生じた始動電流によってガス放電ランプが目標電力を収容する状態へ移行するか否かを検出し、ガス放電ランプが目標電力を収容する状態へ移行するのに充分な始動電流が生じていないと判別された場合に始動電流を高めることにより解決される。

本発明の特に有利な実施形態は従属請求項に記載されている。

特に主としてビーマーなどのプロジェクションの分野で使用されるいわゆる超高圧ランプでは、電極表面の微細構造がランプの寿命やフリッカに重大な影響を与える。Derraによる独国公開第１００２１５３７号明細書にはこうした微細構造が記載されている。微細構造はランプの製造時に形成されるか、または駆動中にランプの適切な駆動によって形成される。以下に説明する本発明では、いわゆる微細構造が始動フェーズにおいて過度に高い始動電流によって破壊されることが阻止される。

本発明によれば、始動フェーズは低い始動電流で開始され、その値は接続されたランプの電極が損なわれない値に選定されている。発生した始動電流によってさしあたりランプが目標電力を収容する状態に達しない場合、本発明により始動電流を増大する。

以下に本発明を図示の実施例に則して詳細に説明する。

図１には本発明の高圧ガス放電ランプの駆動に適した駆動装置の実施例のブロック回路図が示されている。この種の駆動装置の基本的な構造および機能はDerraによる国際公開第９５３５６４５号明細書に記載されている。以下に個々のブロックについて簡単に説明する。

ブロック１は一般に電源電圧給電部からエネルギを引き出す直流電圧給電部を含む。送出される直流電圧の値は接続されたランプ６の燃焼電圧を上回る。

直流電圧給電部はダウンコンバータ２に給電する。このダウンコンバータは直流電圧給電部から送出される電圧値を接続されたランプ６の燃焼電圧に相応する値へ変換して逓降させる。ダウンコンバータ２はランプ電流を調整するための調整装置を有している。ランプ電流の調整はダウンコンバータの出力側に生じる電圧の選定によって行われる。

調整の手法はいわゆるパルス幅変調ＰＷＭである。これはダウンコンバータ２内の電子スイッチのオンオフ比を定めるものである。

ダウンコンバータ２の構成はパワーエレクトロニクスについての一般の文献から得られる。Derraによる国際公開第９５３５６４５号明細書ではスイッチを用いたトポロジが選択されている。ただし例えばハーフブリッジなどの複数のスイッチを用いた構成も可能である。ダウンコンバータ２は電流制限部として用いられるチョークを含む。これによりダウンコンバータ２はランプ電流に対する設定可能な電流源に相応する特性を有する。

選択されたトポロジに応じてダウンコンバータ２は直流電流または交流電流を送出する。ダウンコンバータ２が交流電流を送出するケースでは、ダウンコンバータ２の出力は整流器３へ供給され、この整流器が出力側に直流電流を送出する。ダウンコンバータ２が直流電流を送出する場合には整流器３は省略される。

整流器３またはダウンコンバータ２からの直流電流はフルブリッジ回路４へ供給され、この回路が直流電流を矩形の交流電流へ変換する。矩形の交流電流の周波数は通常のダウンコンバータ２の周波数に比べて低く、５０Ｈｚ〜１ｋＨｚのあいだの値である。矩形の交流電流への変換は交流電流で動作するランプや同様の光電流を必要とするランプの分野では必須である。こうした分野での適用の例としてビーマーまたはリアプロジェクションＴＶなどが挙げられる。ランプ電極に配慮した本発明は、直流電流で動作するランプにも、また矩形でない交流電流で動作するランプにも適用可能である。適用分野に応じてブロック３，４のいずれかまたは双方を省略することもできる。

フルブリッジ回路４とランプ６とのあいだに点弧ユニット５が接続されており、この点弧ユニットがランプの点弧に必要な電圧を送出する。ランプの点弧後には点弧ユニット５は通常何らの機能も担当しない。

コントロールユニット７はダウンコンバータ２、整流器３、フルブリッジ回路４および点弧ユニット５に接続されている。コントロールユニット７は開制御装置、閉ループ制御装置、検出装置、駆動パラメータ（例えば燃焼電圧、ランプ電流）を検出する測定装置、ランプごとのデータおよび特性曲線を記憶する記憶装置を含む。個々の装置はコントロールユニット７にまとめられている。これはコントロールユニット７がたいてい複数の装置の機能を統合したマイクロコントローラを含んでいるからである。多くの場合にこの装置はハードウェアまたはソフトウェアとして実現可能である。最近ではコストおよびフレキシビリティの点から開制御タスクおよび閉ループ制御タスクはソフトウェアによって実現されることが多くなっている。

コントロールユニット７にいたる全ての接続線路は入力側にも出力側にもなりうる。入力として接続線路から燃焼電圧およびランプ電流に関する情報がブロック２〜５の任意のいずれかからコントロールユニット７へ供給される。出力としてコントロールユニット７から接続線路へ駆動装置の点弧・始動・駆動オンおよび駆動オフの命令が送出される。

コントロールユニット７に含まれる閉ループ制御装置がランプ電流および燃焼電圧からランプ電力を計算し、これと記憶されているランプの目標電力とを比較する。ランプ電力が目標電力よりも小さい場合には、開制御装置が調整装置を介してランプ電力と目標電力とが一致するまでランプ電流を高める。

本発明の始動に対して、コントロールユニット７に含まれる開制御装置はダウンコンバータ２に含まれる調整装置を介して点弧後にまずランプ電流の限界値を設定する。ランプは始動フェーズにあるので、このときのランプ電流を始動電流と称する。本発明によれば限界値は電極の損傷が生じない大きさに選定される。この限界値は駆動すべきランプに依存して定められる。一連の実験で求められた値がコントロールユニット７に記憶される。

限界値は始動フェーズ中一定であり、これにより簡単な実施例が得られる。ただしランプ電流の限界値が燃焼電圧に依存して選定される場合、電極にかかる負荷とランプのプラズマアークの安定性とに関して始動を最適化しなければならない。最適な依存関係は実験によって求められ、特性曲線のかたちでコントロールユニット７に記憶される。

測定装置を介してコントロールユニット７はまず燃焼電圧を求め、これに対応する最適なランプ電流限界値を設定する。始動フェーズが経過していくうちに燃焼電圧は徐々に高まり、理想的なケースではランプ電力を生じさせる値、すなわち目標電力に相応する値へ達し、ランプを駆動フェーズへ移行させる。一定の限界値の変更または記憶された特性曲線によって定められる限界値の変更はこうした理想的なケースでは必要ない。

電極を保護するためには理想的なケースから多少離れてしまうとしてもできるだけ低い限界値を選定すべきである。ふつうランプ内で変換される電力は小さく、燃焼電圧はランプ内で目標電力が得られるほどまで上昇しない。むしろ燃焼電圧は所定の値にとどまって上昇しなくなることが多い。

本発明によれば検出装置がこうしたケースを識別し、所定の信号を開制御装置へ送出する。これにより限界値の上昇がトリガされ、これに応じて燃焼電圧が再び上昇しはじめる。たいていのケースでは限界値をいちど上昇させれば充分であり、ランプは駆動フェーズへ移行する。また検出装置が複数回にわたってランプが目標電力に到達しなかったことを識別するときには、開制御装置への所定の信号のトリガによって限界値のさらなる上昇が行われるように構成してもよい。

限界値の増大は開制御装置が調整装置に一定の限界値よりも高い一定の限界値を設定させることにより行われる。この手段は簡単に実現可能である。

検出装置が信号を最初に受信したのちランプが駆動フェーズに確実に移行するようにするために、調整装置を介して段階的または連続的に限界値を上昇させるように開制御装置を構成してもよい。

上述したように、記憶された特性曲線によって限界値と燃焼電圧との依存関係を制御する開制御装置も可能である。この種の開制御装置では検出装置の信号は燃焼電圧に依存しており、これが記憶された特性曲線として表される。この種の開制御装置では検出装置の信号が記憶された特性曲線からの偏差を示している。コントロールユニット７は複数の特性曲線を記憶しており、そのつど開制御装置にとって妥当なものがアクティブに切り換えられる。始動フェーズは最も低い限界値を有する特性曲線で開始される。検出装置の信号が検出されると、開制御装置はより高い限界値を有する別の特性曲線をアクティブにする。本発明のこの実施例は確かに一定の限界値しか用いない実施例よりは複雑であるが、当該のランプで行われた実験に則してランプの始動を最適化することができる。用いられる基準として
ａ）電極の損傷が最小となり、最大の寿命を達成できること
ｂ）始動フェーズが短くなること
ｃ）ランプ内のプラズマアークが安定すること
が挙げられる。

検出装置として次のような手段が考えられる。

検出装置の簡単な実施例では、時間測定装置が始動フェーズ開始から経過した時間を測定する。所定の時間が経過した後、検出装置は開制御装置へ所定の信号を送出する。設定時間は一般にランプごとに一連の実験によって定められる。設定時間の経過後にランプが目標電力に達しない場合には開制御装置はより高い限界値を有効にする。設定時間の経過後にランプがすでに目標電力に達している場合には、開制御装置はランプ電流が高くても許容し、閉ループ制御装置が燃焼電圧と目標電力とを一致させるべく制御する。

検出装置の別の実施例として、検出装置が燃焼電圧の上昇分を検出するようにすることもできる。燃焼電圧が迅速に上昇するにつれてランプが駆動フェーズへ移行する確率も大きくなるからである。燃焼電圧の上昇分が設定された値を下回ると検出装置は所定の信号を開制御装置へ送信する。燃焼電圧の上昇分に対して設定される値は一般にランプごとに実験で求められる。前述した実施例とは異なり、第２の実施例の検出装置は設定された限界値が低いので早期に識別される。これにより始動フェーズを短くすることができる。

図２には例としてランプ電流およびランプ電力と燃焼電圧との依存関係のグラフが示されている。２つの異なる特性曲線で制御された２つの始動特性のケースが表されている。

横軸には燃焼電圧ＵＬが単位Ｖで表されている。左の縦軸にはランプ電流ＩＬが単位Ａで表されており、右の縦軸にはランプ電力ＰＬが単位Ｗで表されている。

まずランプ電流と燃焼電圧との依存関係を説明する。はじめに燃焼電圧０Ｖ〜約１７Ｖの範囲では、記憶されたランプ電流の特性曲線Ａは２．５Ａの一定の限界値を有している。これはポイントＩ１ＡからＩ２Ａまでの部分である。燃焼電圧がポイントＩ２Ａで約１７Ｖの値を超えてからポイントＩ３Ａの２３Ｖに達するまでは限界値は線形に３．２Ａまで上昇する。燃焼電圧が２３Ｖ〜３０Ｖのあいだは限界値は３．２Ａで一定である。燃焼電圧がポイントＩ４Ａで３０Ｖを超えてからポイントＩ５Ａの３２Ｖまでは限界値は線形に２．８Ａまで低下する。２２Ｖ〜３２Ｖの範囲の限界値の上昇はランプのプラズマアークの安定化に用いられる。

ポイントＩ５Ａに達したときに検出装置が開制御装置へ信号を送信しなければ特性曲線Ａは妥当であると見なされる。限界値はポイントＩ６Ａを経てポイントＩ７Ａまでの燃焼電圧３２Ｖ〜５３．５Ｖの範囲で一定の２．８Ａにとどまる。ポイントＩ７Ａでランプは約１５０Ｗの目標電力を収容する状態に達する。これ以降は燃焼電圧がさらに上昇してもランプ電流はもはや特性曲線Ａの定める限界値によっては制限されず、ポイントＩ８Ｃの燃焼電圧１４０Ｖにいたるまで電力一定を表す双曲線にしたがう。

高い燃焼電圧はランプの寿命が終わりに近づいているという指標である。したがってここで扱っている駆動装置はたいてい燃焼電圧に対して設定された閾値電圧を有している。この閾値電圧が所定の時間にわたって上回られる場合、駆動装置はオフにされる。

ポイントＩ５Ａで特性曲線は分岐している。図２の実施例では、燃焼電圧がこのポイントＩ５Ａに達して時点で検出装置が開制御装置へ所定の信号を送信することがわかる。これにより特性曲線Ｂがアクティブとなる。燃焼電圧３２Ｖでの限界値は特性曲線Ｂでは３．５Ｖであり、ポイントＩ５ＡからポイントＩ５Ｂまでのあいだに跳躍的な変化が起こっている。特性曲線Ｂにより限界値は３．５Ａのとき燃焼電圧に依存しない。燃焼電圧が特性曲線Ｂに沿ってさらに上昇すると、ポイントＩ６Ｂで電力一定を表す双曲線上の４３Ｖの値となり、上述した電力制御が開始される。

図示の実施例では燃焼電圧はポイントＩ５Ａで特性曲線Ａから特性曲線Ｂへ切り替わることなく３２Ｖを超えては上昇しない。この場合にはランプは電力一定を表す双曲線にしたがわず、目標電力には達しない。

ポイントＰ１Ａ〜Ｐ７Ａを通る特性曲線Ａとしてランプ電流に対応するランプ電力が示されている。ポイントＰ５ＢおよびＰ６Ｂは特性曲線Ｂの相応のポイントＩ５Ｂ，Ｉ６Ｂでのランプ電力を表している。電力一定を表す双曲線に達したランプ電流はポイントＰ８Ｃの１５０Ｗまでランプ電力のグラフに追従する。

図３には検出装置により評価された所定の時間にわたる燃焼電圧の変化、および開制御装置により評価された所定の時間にわたるランプ電流の変化のグラフが示されている。

横軸には検出装置で評価された所定の時間にわたる燃焼電圧変化分が示されている。縦軸には開制御装置で相応に評価された、燃焼電圧の変化に相応するランプ電流の変化分が示されている。

図３からわかるように、燃焼電圧が変化しなければ始動フェーズでランプ電流は１秒当たり３０ｍＡずつ高まる。燃焼電圧が１秒当たり１Ｖずつ高まる場合には、ランプ電流は瞬時値にとどまる。さらに燃焼電圧が１秒当たり２Ｖずつ高まるときランプ電流は１秒当たり３０ｍＡずつ低下する。

図３では燃焼電圧の変化分とランプ電流の変化分とのあいだに線形の関係が設定されている。ただし非線形の関係または一定でない関係を有するように設定してもよい。

燃焼電圧が１秒当たり２Ｖよりも迅速に低下または上昇する場合、低下するにしても上昇するにしても１秒当たり３０ｍＡずつの最大変化分が設定される。最大変化分はランプのタイプおよび適用目的に応じて１秒当たり３０ｍＡから偏差してもよい。

本発明の駆動装置の第１の実施例のブロック図である。 ランプ電流およびランプ電圧と種々の始動特性のもとでの燃焼電圧との依存関係を表すグラフである。 ランプ電流の時間変化分と燃焼電圧の時間変化分との依存関係を表すグラフである。

符号の説明

１ 直流電圧給電部
２ ダウンコンバータ
３ 整流器
４ フルブリッジ回路
５ 点弧ユニット
６ ランプ
７ コントロールユニット

Claims (11)

1. 接続されたガス放電ランプの電力を目標電力へと閉ループ制御するのに適した閉ループ制御装置と、接続されたガス放電ランプのランプ電流を所定の限界値に制限するのに適した調整装置とを備えている
   ガス放電ランプの駆動装置において、
   検出装置と開制御装置とが設けられており、
   検出装置は、設定された限界値が小さすぎて接続されたガス放電ランプが目標電力を収容する状態へ移行できなくなってしまう場合に開制御装置へ所定の信号を送出し、
   開制御装置は、調整装置を介して限界値を設定し、検出装置が開制御装置へ所定の信号を送出した場合に限界値を高める
   ことを特徴とするガス放電ランプの駆動装置。
2. 開制御装置は測定装置を介して燃焼電圧を検出し、記憶された第１の特性曲線により燃焼電圧に依存して限界値を設定する、請求項１記載の装置。
3. 検出装置の信号が受信されると開制御装置は記憶された第２の特性曲線をアクティブにする、請求項２記載の装置。
4. 検出装置は時間測定装置を含んでおり、該時間測定装置は接続されたガス放電ランプが点弧されたのち設定された時間が経過すると所定の信号を制御装置へ送信する、請求項１記載の装置。
5. 検出装置は測定装置を介して燃焼電圧の上昇分を検出し、上昇分が設定された値を下回る場合には所定の信号を制御装置へ送信する、請求項１記載の装置。
6. 開制御装置は検出装置の信号が受信されたのち限界値を設定された値だけ高める、請求項１記載の装置。
7. 開制御装置は検出装置の所定の信号が受信されたのち限界値を連続的に高める、請求項１記載の装置。
8. 調整装置、開制御装置、検出装置および閉ループ制御装置の機能が少なくとも部分的にソフトウェアプログラムによって実現されており、少なくとも１つのマイクロコントローラによって実行される、請求項１記載の装置。
9. ガス放電ランプの点弧後、接続されたガス放電ランプの電極が損なわれないように小さく選定された始動電流を発生させるステップと、
   生じた始動電流によってガス放電ランプが目標電力を収容する状態へ移行するか否かを検出するステップと、
   ガス放電ランプが目標電力を収容する状態へ移行するのに充分な始動電流が生じていないと判別された場合に始動電流を高めるステップとを有する
   ことを特徴とするガス放電ランプの駆動方法。
10. 始動電流を記憶された第１の特性曲線の燃焼電圧との依存関係に応じて調整する、請求項９記載の方法。
11. 始動電流の増大を記憶された第２の特性曲線への切り換えによって行う、請求項９記載の方法。

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