JP2004342465A

JP2004342465A - 高圧放電灯点灯装置及び光源装置

Info

Publication number: JP2004342465A
Application number: JP2003137901A
Authority: JP
Inventors: Hisaharu Ito; 久治伊藤; Yoji Konishi; 洋史小西; Junichi Kamikaya; 淳一上仮屋; Jintaro Nagao; 仁太郎長尾
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2003-05-15
Filing date: 2003-05-15
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2023-05-15
Also published as: JP4069800B2

Abstract

【課題】高圧放電灯のフリッカを抑制し、かつ高圧放電灯の長寿命化を可能とする。
【解決手段】スイッチング素子Ｑ１、ダイオードＤ１、インダクタＬ１からなるチョッパ回路１と、チョッパ回路１の出力を平滑するコンデンサＣ１と、該コンデンサＣ１の出力を極性反転させて放電灯Ｌａを交流動作させるフルブリッジ回路２と、チョッパ回路１およびフルブリッジ回路２を制御する制御回路３とを設けた放電灯点灯装置において、放電灯Ｌａを始動させた直後の一定時間は電極の突起を形成しやすい交番周波数でフルブリッジ回路２を極性反転動作させ、前記一定時間の経過後は電極変化の少ない交番周波数でフルブリッジ回路２を極性反転動作させる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高圧放電灯点灯装置に関するものであり、例えば、メタルハライドランプを用いた液晶プロジェクタの光源装置として利用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開２００３−３６９９２号公報
【０００３】
図８に高圧放電灯点灯装置の従来例を示す。入力端子Ｉには、通常、交流電圧を整流平滑した直流電圧が供給される。この直流電圧はチョッパ回路１により降圧されて直流低電圧に変換される。チョッパ回路１はスイッチング素子Ｑ１、ダイオードＤ１、インダクタＬ１により構成され、スイッチング素子Ｑ１は制御回路３の出力端子ＯＵＴ１からの駆動信号によりオン、オフ制御される。コンデンサＣ１はチョッパ回路１の出力を平滑する。フルブリッジ回路２はスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５により構成され、制御回路３の出力端子ＯＵＴ２〜ＯＵＴ５からの駆動信号によりオン、オフ制御され、放電灯Ｌａを交流動作させる。放電灯Ｌａは例えばメタルハライドランプのような高圧放電灯よりなる。高圧パルス発生回路４は放電灯Ｌａを始動させるための高圧パルスを発生させる。
【０００４】
スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ５には半導体素子であるＭＯＳＦＥＴ等が使用される。制御回路３は出力演算制御部３１とフルブリッジ回路制御部３２とを備え、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２〜Ｑ５のオン、オフを制御する。制御回路３に放電灯Ｌａの管電圧に応じた電圧Ｖ１と管電流に応じた電圧Ｉ１が入力され、出力端子ＯＵＴ１からスイッチング素子Ｑ１にオン、オフの制御信号を送り、チョッパ回路１の出力電力が一定となるように制御する。また、スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５のオン、オフは放電灯Ｌａへの印加電圧の極性が低周波で交番するように制御され、従来はランプインフォメーション等で推奨される固定周波数で点灯させていた。
【０００５】
高圧放電灯Ｌａの一般的な特性を図９に示す。管電圧は一定ではなく、使用時間により図９の定電力動作範囲で大きく変化する。例えば、定格電圧８０Ｖと言われる放電灯であれば、初期管電圧として６０Ｖから１００Ｖの幅を持っており、使用中に５０Ｖから１５０Ｖまで変化する場合がある。この高圧放電灯は定電力動作範囲内では一定電力で動作するため、管電流も管電圧と同様に大きく変化する。このため、管電圧が上昇すると、管電流が減少するので放電灯の電極温度がハロゲンサイクルに最適な温度の下限近傍で点灯することになり、ハロゲンサイクルが適切に行なえないこともあり、電極先端が消耗しやすくなる。電極先端を消耗すると電極間距離が長くなり、管電圧が上昇することになる。すると更に、管電流が減少するため、ハロゲンサイクルに適切な温度を保てなくなり、電極の消耗を加速させるので、管電圧が上がった後の放電灯の寿命は短くなる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したランプインフォメーション等で推奨される固定周波数で点灯させる方法では、初期管電圧の放電灯であれば、フリッカが発生することははとんど無いが、管電圧が変化し、初期管電圧から大きく外れると、図１０に示す電極の突起を消耗しやすい交番周波数で点灯させていた場合には、アークスポットが安定しなくなり、フリッカが発生しやすくなるという問題がある。また、突起を消耗するだけでなく、電極そのものを消耗してしまうため、放電灯の寿命を加速的に短くしてしまう問題もある。また、電極の突起が成長しやすい周波数であれば、この突起が大きく成長し過ぎて、管電圧を低下させ、管電流が増加し、点灯装置の部品温度を上げることにより、ロスによる点灯装置の破壊につながるという問題がある。
【０００７】
本発明の目的は、管電圧の変化に関わらず、ハロゲンサイクルを適切に行わせ、電極形状を適切に保ち、フリッカの発生を抑制すると共に、放電灯の長寿命化が可能な高圧放電灯点灯装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
従来はランプインフォメーション等で推奨される固定した交番周波数で極性反転動作させていたが、本発明によれば、放電灯を始動させた直後の一定時間は電極の突起を形成しやすい交番周波数で極性反転動作させるように制御し、その後は電極変化の少ない交番周波数で極性反転動作させるように制御すること（図２参照）を特徴としており、通常点灯時に電極の突起部にアークスポットを形成させることで、フリッカを抑制する。また、電極に突起を形成させることで、直接電極を消耗させないため、放電灯の寿命を長くできる。また、図４に示すように、片側の電極に電流が流れる時間を交互に増やし、適切なハロゲンサイクルを行なえるように電極温度を保つように制御することで、電極の消耗を抑制し、放電灯の長寿命化が可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の特徴及び利点を明確にすべく、以下添付した図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１に本発明の実施の形態１の回路図を示す。回路の構成としては、従来例の回路図である図８とほぼ同じであるが、制御回路３の内部にタイマー制御部３３が設けられている点が従来例とは異なる。制御回路３は出力演算制御部３１とフルブリッジ回路制御部３２とタイマー制御部３３を備え、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２〜Ｑ５のオン、オフを制御する。制御回路３に放電灯Ｌａの管電圧に応じた電圧Ｖ１と管電流に応じた電圧Ｉ１が入力され、出力端子ＯＵＴ１からスイッチング素子Ｑ１にオン、オフの制御信号を送り、チョッパ回路１の出力電力が一定となるように制御する。また、スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５のオン、オフは放電灯Ｌａへの印加電圧の極性が低周波で交番するように制御され、従来はランプインフォメーション等で推奨される固定周波数で点灯させていたのに対して、本発明では、放電灯を始動させた直後の一定時間は電極の突起を形成しやすい周波数で交番させ、その後は電極変化の少ない交番周波数で動作させる。電源投入後、交番周波数を切り換えるまでの一定時間はタイマー制御部３３で制御する。
【００１０】
図２に本発明による放電灯点灯時の動作説明図を示す。制御回路３では管電圧もしくは管電流を監視しており、点灯信号をオンした後に、管電流が流れ始めたのを検知すると制御回路３のタイマー制御部３３が動作を始める。タイマー制御部３３が一定時間をカウントしているＡ区間では、フルブリッジ回路２は、電極に突起を形成しやすい交番周波数で動作する。タイマー制御部３３がタイマーアップすると通常点灯のＢ区間に移り、フルブリッジ回路２は、突起を消耗し難い交番周波数で動作する。電極に突起を形成しやすい交番周波数、突起を消耗し難い交番周波数はランプによって異なるが、特許文献１に開示されたランプは、下限の周波数である１００Ｈｚから上限の周波数である２７０Ｈｚまでの交番周波数（例えば１７０Ｈｚ）では、電極に突起を形成しやすいとされており、所定の周波数範囲（１００Ｈｚ〜２７０Ｈｚ）外の周波数（例えば３４０Ｈｚ）では、突起を消耗し難いとされている。したがって、Ａ区間並びにＢ区間における交番周波数は、それぞれ使用するランプに応じて適切な範囲を選定すれば良い。
【００１１】
通常点灯時は、Ａ区間で形成された突起部を利用してアークスポットが形成されるため、フリッカが発生し難くなる。また、通常点灯のＢ区間では、突起を消耗し難い周波数で動作させるため、電極自身を消耗することもないので、放電灯の長寿命化がはかれる。
【００１２】
なお、上記Ａ区間の電極に突起を形成しやすい交番周波数は、図９の定電力動作範囲内の管電圧によっても異なってくる。管電圧が変化する前と同じ交番周波数で動作させると管内の温度が異なるため、管内に封入されている物質の振る舞いが変わってくる。そのため、電極に突起が形成される形状が変わる。その時に、突起が充分な大きさに形成されていないと、フリッカが発生しやすくなる。そこで、点灯中の管電圧を連続的もしくは一定時間毎に監視し、記憶させておく。次回点灯させる時は、消灯前に最後に記憶した管電圧に合せた交番周波数で動作させることで電極に毎回同じような形状の突起を形成させる。そうすることで、上述したようにフリッカを抑制することができ、放電灯の長寿命化を図ることができる。
【００１３】
このように、消灯前の管電圧を記憶しておき、その電圧によって放電灯を始動させた直後の電極に突起を形成させる一定時間の交番周波数を変化させるように制御し、その後は電極変化の少ない交番周波数で動作させるように制御すると、消灯前の管電圧により始動時の交番周波数を変化させることができ、電極に突起を形成させやすい周波数に変わるので、始動毎に安定した突起を形成させることができる。その結果、アークスポットが安定し、効果的なフリッカの抑制が可能になる。
【００１４】
更に、図２のＢ区間の交番周波数を管電圧が上昇するのに合せて上昇させることで、突起や電極を常に適切な形状に保つことができるので、フリッカが起こらなくなり、放電灯の寿命を更に延ばすことができる。すなわち、通常点灯時の交番周波数を管電圧によって変化させることで、電極を適切な形状に形成することができ、放電灯の長寿命化が可能となる。
【００１５】
なお、点灯中に交番周波数を上昇させていく制御については、特開２００２−１５８８３に記述されているが、始動直後は通常点灯時よりも低い交番周波数で動作させて、放電灯の耐用年数、動作電圧、出力パワー、アーク長及び電極ギャップの少なくとも１つの測定値を監視し、ある条件に達した後に通常点灯時の交番周波数に上昇させるとなっている。それに対し本発明では、始動直後の交番周波数から通常点灯時の周波数に切替える際に放電灯の状態を監視することはなく、タイマー制御部で一定時間電極に突起を形成しやすい交番周波数で動作させるように制御している。このようにすれば、通常点灯時は始動時に形成された突起部にアークスポットを形成させて、フリッカを抑制することができる。また、電極に突起を形成させることで、直接電極を消耗させないため、放電灯の寿命を長くできる。また、通常点灯時に管電圧によって周波数を変化させることで、放電灯は常に最適な電極形状を維持することができ、フリッカの抑制や、長寿命化が可能となる。
【００１６】
（実施の形態２）
図３に本発明の実施の形態２の回路図を示す。回路の構成としては、従来例の回路図である図８とほぼ同じであるが、制御回路３のフルブリッジ回路制御部３２が管電圧に応じた電圧Ｖ１を監視するようになっている点が従来例とは異なる。
【００１７】
図９の初期管電圧の範囲では正極側、負極側のデューティ比を５０：５０で制御させているが、管電圧が上昇すると図４のようにデューティ比をＴ１：Ｔ２（Ｔ１≠Ｔ２）に切り換えて適切な電極温度を保つようにする。デューティ比を変えると、デューティの大きな期間Ｔ１の極側の温度は、デューティ比を５０：５０で動作させるよりも高くなる。デューティが大きくなる極を交互にすれば、両極ともに５０：５０のデューティ比で動作させるよりも電極温度は高くなる。そうすることで、適切なハロゲンサイクルが可能になり、放電灯の長寿命化が可能になる。また、図２のように始動直後に電極に突起を形成させるようにすると、フリッカの抑制が可能になる。図４の実線部が本発明の動作波形であり、点線部が従来のデューティ比５０：５０の動作波形である。
【００１８】
このように、放電灯の使用時間、管電圧、管電流、管電力の状態により交番波形の正極側と負極側の時間比を変化させるように制御することで、電極温度を保つように制御することができる。特に管電圧が上昇した際に、片側の電極に電流が流れる時間を交互に増やし、適切なハロゲンサイクルを行なえるように電極温度を保つように制御する。その結果、電極の消耗を抑制することができ、放電灯の長寿命化が可能となる。
【００１９】
（実施の形態３）
図５に本発明の実施の形態３の回路図を示す。Ｉは入力端子、Ｌａは放電灯、４は高圧パルス発生回路、Ｃ１、Ｃ６〜Ｃｎはコンデンサ、Ｑ１、Ｑ６〜Ｑｎはスイッチング素子、Ｄ１はダイオード、Ｌ１はインダクタ、３は制御回路である。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ６〜Ｑｎには半導体スイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴ等が使用される。入力端子Ｉには、通常、交流電圧を整流平滑した直流電圧が供給される。この直流電圧はチョッパ回路１により降圧されて直流低電圧に変換される。チョッパ回路１はスイッチング素子Ｑ１、ダイオードＤ１、インダクタＬ１により構成され、スイッチング素子Ｑ１は制御回路３の出力端子ＯＵＴ１からの駆動信号によりオン、オフ制御される。制御回路３は出力演算制御部３１を備え、この出力演算制御部３１には放電灯Ｌａの管電圧に応じた電圧Ｖ１と管電流に応じた電圧Ｉ１が入力され、出力端子ＯＵＴ１からスイッチング素子Ｑ１にオン、オフの制御信号を送り、チョッパ回路１の出力電力が一定となるように制御する。コンデンサＣ１、Ｃ６〜Ｃｎはチョッパ回路１の出力を平滑する。高圧パルス発生回路４は放電灯Ｌａを始動させるための高圧パルスを発生させる。
【００２０】
図９の管電圧が０Ｖから初期管電圧の範囲においては、スイッチング素子Ｑ６〜Ｑｎは制御回路３の出力端子ＯＵＴ６〜ＯＵＴｎからの制御信号によりオンしている。管電圧が上昇していくと、スイッチング素子Ｑ６〜Ｑｎは制御回路３の出力端子ＯＵＴ６〜ＯＵＴｎからの制御信号により（ｎ−５）段階で順にオフしていく。そうすると、回路上コンデンサＣ６〜Ｃｎが（ｎ−５）段階で順に無くなることになり、（ｎ−５）段階で順にリップル電流が大きくなり、電流ピークが大きくなる。電流ピークを大きくすることで、リップル電流が小さい時より電極温度が上がり、最適なハロゲンサイクルを行なえる温度を保つことができ、放電灯の長寿命化が可能になる。
【００２１】
なお、図５のように多数のコンデンサＣ１、Ｃ６〜Ｃｎを接続せずに、１個だけを使用し、チョッパ回路の動作周波数を低くしていくことでリップル電流を増やす方法もあるが、放電灯Ｌａの音響共鳴周波数で動作させると光出力のちらつきが発生するため、好ましくない。
【００２２】
そこで、多数のコンデンサを順次切り離して行くことでリップル電流を段階的に大きくする第１の制御と、チョッパ回路の動作周波数を連続的に低くして行くことでリップル電流を連続的に大きくする第２の制御とを組み合わせることで、チョッパ回路の動作周波数の変化範囲を狭い範囲に制限して、放電灯Ｌａの音響共鳴周波数での動作を回避しながら、リップル電流を連続的に大きくして行く制御を実現しても良い。
【００２３】
このように、管電圧の上昇に伴い、管電流のリップル電流を連続的又は段階的に大きくするように制御すると、管電圧が上がることで管電流が減少するが、それに伴って電極温度が下がらないように、リップル電流を大きくし、電流ピークを上げて、適切なハロゲンサイクルが行なえる温度を保つことができる。その結果、電極の消耗を防ぐことができ、放電灯の長寿命化が可能となる。また、管電流のリップル電流が段階的でなく連続的に大きくなるように制御すると、光のちらつきが目立ちにくい利点がある。
【００２４】
実施の形態３では、直流高圧放電灯点灯回路について記述したが、図５の回路構成において、図１又は図３に示すようなフルブリッジ回路２を介して放電灯Ｌａと高圧パルス発生回路４を接続すれば、交流高圧放電灯点灯回路においても適用することができる。
【００２５】
また、管電圧の上昇時のほか、管電力を切替えて小さくする際にも、管電流のリップル電流を大きくすると良い。つまり、管電力を下げることで、電極温度が下がらないように、リップル電流を大きくし、電流ピークを上げて、適切なハロゲンサイクルが行なえる温度を保つようにする。その結果、電極の消耗を防ぐことができ、放電灯の長寿命化が可能となる。
【００２６】
以上の実施の形態では、チョッパ回路として降圧チョッパ回路を用いる例を示しているが、チョッパ回路として図６の昇圧チョッパ回路や図７の昇降圧チョッパ回路を使用することもできる。図６の昇圧チョッパ回路では、スイッチング素子Ｑ１がオンすると入力電圧によりインダクタＬ１に電流が流れて、スイッチング素子Ｑ１がオフするとインダクタＬ１の起電力と入力電圧の和がダイオードＤ１を介してコンデンサＣ１に充電される。図７の昇降圧チョッパ回路では、スイッチング素子Ｑ１がオンすると入力電圧によりインダクタＬ１に電流が流れて、スイッチング素子Ｑ１がオフするとインダクタＬ１の起電力によりダイオードＤ１を介してコンデンサＣ１が充電される。なお、図５の降圧チョッパ回路では、スイッチング素子Ｑ１がオンすると入力電圧がインダクタＬ１を介して降圧されてコンデンサＣ１に充電され、スイッチング素子Ｑ１がオフするとインダクタＬ１の蓄積エネルギーがダイオードＤ１を介してコンデンサＣ１に放出される。本発明のチョッパ回路としては、降圧、昇圧、昇降圧のいずれのチョッパ回路を用いても構わない。
【００２７】
なお、いずれの実施の形態においても、スイッチング素子としてはＭＯＳＦＥＴのほか、バイポーラトランジスタやリレー等を用いても構わない。
【００２８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、放電灯の電極に突起を形成させることにより、アークスポットを安定させることで、フリッカを抑制もしくは無くすことができる。また、最適な交番周波数で動作させて、電極や突起の消耗を抑制することで、放電灯の長寿命化を図ることができる。また、管電圧の上昇時や管電力の低下時には、リップル電流を大きくすることで最適な電極温度を保ち、最適なハロゲンサイクルを行なわせることで放電灯の長寿命化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の回路図である。
【図２】本発明の実施の形態１の動作説明図である。
【図３】本発明の実施の形態２の回路図である。
【図４】本発明の実施の形態２の動作説明図である。
【図５】本発明の実施の形態３の回路図である。
【図６】本発明に用いる昇圧チョッパ回路の回路図である。
【図７】本発明に用いる昇降圧チョッパ回路の回路図である。
【図８】従来例の回路図である。
【図９】高圧放電灯の一般的な特性を示す特性図である。
【図１０】高圧放電灯の一般的な断面構造を示す説明図である。
【符号の説明】
Ｉ入力端子
１チョッパ回路
２フルブリッジ回路
３制御回路
４高圧パルス発生回路
Ｌａ高圧放電灯
Ｑ１〜Ｑｎスイッチング素子
Ｄ１ダイオード
Ｃ１〜Ｃｎコンデンサ
Ｌ１インダクタ

Claims

スイッチング素子、ダイオード、インダクタからなるチョッパ回路と、チョッパ回路の出力を平滑するコンデンサと、該コンデンサの出力を極性反転させて放電灯を交流動作させるフルブリッジ回路と、チョッパ回路およびフルブリッジ回路を制御する制御回路とを設けた放電灯点灯装置において、放電灯を始動させた直後の一定時間は電極の突起を形成しやすい交番周波数でフルブリッジ回路を極性反転動作させ、前記一定時間の経過後は電極変化の少ない交番周波数でフルブリッジ回路を極性反転動作させることを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
請求項１において、前記一定時間の経過後は放電灯の管電圧が上昇すると、それに応じて交番周波数を上げることを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
スイッチング素子、ダイオード、インダクタからなるチョッパ回路と、チョッパ回路の出力を平滑するコンデンサと、該コンデンサの出力を極性反転させて放電灯を交流動作させるフルブリッジ回路と、チョッパ回路およびフルブリッジ回路を制御する制御回路とを設けた放電灯点灯装置において、放電灯の使用時間、管電圧、管電流、管電力の状態により極性反転の正極側と負極側の時間比を変化させることを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
請求項３において、放電灯を始動させた直後の一定時間は電極の突起を形成しやすい交番周波数でフルブリッジ回路を極性反転動作させ、前記一定時間の経過後は放電灯の使用時間、管電圧、管電流、管電力の状態により極性反転の正極側と負極側の時間比を変化させることを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
請求項１、２又は４のいずれかにおいて、放電灯が消灯する前の管電圧を記憶しておく記憶手段を備え、放電灯を始動させた直後の一定時間は前記記憶手段に記憶された管電圧に応じて電極の突起を形成しやすい交番周波数でフルブリッジ回路を極性反転動作させることを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
スイッチング素子、ダイオード、インダクタからなるチョッパ回路と、チョッパ回路の出力を平滑するコンデンサと、コンデンサの電圧を印加される放電灯と、チョッパ回路を制御する制御回路とを設けた放電灯点灯装置において、管電圧の上昇に伴い、管電流のリップル電流を連続的又は段階的に大きくすることを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
スイッチング素子、ダイオード、インダクタからなるチョッパ回路と、チョッパ回路の出力を平滑するコンデンサと、コンデンサの電圧を印加される放電灯と、チョッパ回路を制御する制御回路とを設けた放電灯点灯装置において、放電灯の管電力を切替えて小さくする際に、管電流のリップル電流を大きくすることを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
スイッチング素子、ダイオード、インダクタからなるチョッパ回路と、チョッパ回路の出力を平滑するコンデンサと、コンデンサの電圧を印加される放電灯と、チョッパ回路を制御する制御回路とを設けた放電灯点灯装置において、放電灯の管電力を切替えて小さくする際に、管電流のリップル電流を大きくすると共に、管電圧の上昇に伴い、管電流のリップル電流を連続的又は段階的に大きくすることを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
請求項１〜８のいずれかに記載の高圧放電灯点灯装置を用いた光源装置。