JP2008171742A - 高圧放電灯点灯装置、プロジェクタ用の光源点灯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高圧放電灯の始動時に高周波電流を供給した後、低周波点灯または直流点灯に移行する高圧放電灯点灯装置において、電極の根元からの放電を防止し、放電灯の寿命を改善する。
【解決手段】高圧放電灯の始動直後から定常点灯時の点灯周波数より高い周波数で高圧放電灯に電力を供給する高圧放電灯点灯装置において、高圧放電灯の電極根元からの放電と電極先端からの放電を判別する手段を備え、電極の根元放電から電極の先端放電にアークが移行したことを判別すると、高周波動作から定常動作に移行する。高圧放電灯の始動直後から初期設定された時間は高周波動作を行い、この初期設定された時間の経過後に、高圧放電灯の電極の放電状態が電極の先端からではなく根元からの放電であると判別されると、始動時の高周波動作を初期設定された時間よりも延長させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、高圧水銀ランプ、およびメタルハライドランプなどの高輝度高圧放電灯を点灯させる高圧放電灯点灯装置、及びこれを用いたプロジェクタ用の光源点灯装置に関するものである。

近年、メタルハライドランプ等の高輝度放電灯が各種光源として普及し始めており、長寿命を求められている。図１０は高圧放電灯を交流点灯させる装置の回路図であり、図１１は各スイッチング素子の動作を示す波形図である。直流電源１から供給される電圧は降圧チョッパ２により電圧変換される。降圧チョッパ２の出力端にスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５よりなるフルブリッジ構成のインバータ回路を備え、その出力端に、放電灯Ｌａと、それに並列に接続されたキャパシタＣ２と直列に接続されたインダクタＬ２を有する。

電源投入後の所定期間は、定常点灯時の点灯周波数より高い周波数で、スイッチング素子Ｑ２とＱ５、スイッチング素子Ｑ３とＱ４のペアを交互に高周波でＯＮ／ＯＦＦ動作させることにより、放電灯Ｌａと、それに並列に接続されたキャパシタＣ２と直列に接続されるインダクタＬ２により共振させ、放電灯Ｌａの両端に降圧チョッパ２の出力以上の電圧を印加させる。更にその電圧を利用し、キャパシタＣ３にエネルギーを充電し、そのエネルギーをスイッチング素子Ｇのスイッチングにより、イグナイタＩｇの１次側Ｎ１に放出する。そのエネルギーがトランス構造になっているイグナイタＩｇの２次側Ｎ２に伝達され、高電圧パルスを共振電圧に更に重畳させる。この電圧を放電灯Ｌａに印加することで放電灯Ｌａを絶縁破壊させ、点灯させる。更に絶縁破壊後、図１１のＴ２の期間に示すように放電灯Ｌａに高周波電流を流すことにより、より安定な点灯状態（アーク放電状態）に移行することができる。

図１２は高圧放電灯を直流点灯させる装置の回路図であり、図１３は各スイッチング素子の動作を示す。直流電源１と、その直流出力を高周波で断続的にスイッチングするスイッチング素子Ｑ１とインダクタＬ１とダイオードＤ１を含む降圧チョッパ２と、さらに直流電源１に並列に接続された一対のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３を備え、一対のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３の接続点と降圧チョッパ２の出力端の間にインダクタＬ２とキャパシタＣ２の直列回路、及びキャパシタＣ２に並列に接続された放電灯Ｌａを備える。

始動時は一対のスイッチング素子Ｑ２、Ｑ３が交互にＯＮ／ＯＦＦし、直流電源１を交流に変換し、放電灯Ｌａに印加する。このとき、降圧チョッパ２のスイッチング素子Ｑ１は遮断している。定常時はスイッチング素子Ｑ２を遮断し、スイッチング素子Ｑ３は導通状態にし、スイッチング素子Ｑ１を高周波で断続的にスイッチングさせ、スイッチング素子Ｑ１、ダイオードＤ１、インダクタＬ１により構成される降圧チョッパ２のみを動作させ、直流にて放電灯Ｌａを点灯させる。

なお、特許文献１には、直流を降圧形チョッパ回路に入力して電流制御を行い該降圧チョッパ回路の出力をインバータに入力し、該インバータの出力端に放電灯を接続して矩形波点灯する放電灯点灯装置において、前記放電灯に直列に接続したインダクタと該放電灯に並列に接続したコンデンサとからなる始動回路を備えた構成が開示されているが、この従来技術では、放電灯に並列に接続したコンデンサを非線形コンデンサとすることにより極性反転毎にパルスエネルギーの大なる始動パルスを発生するというものであり、放電灯の状態に応じて始動時動作を制御するものではなかった。
特開平５−３６４８４号公報

高圧放電灯を高周波にて始動させる装置において、放電灯がブレイクダウンし、インバータが高周波で動作している間の放電灯の放電が、電極の先端からの放電ではなく、根元から放電している状態で、定常動作（低周波点灯または直流点灯）に移行した場合に放電灯の根元に大きな電流が集中し、電極にダメージを与えることがあり、寿命への悪影響が懸念されていた。また、その場合に定常動作（低周波点灯または直流点灯）に移行した場合、立ち消えしてしまう場合があった。

交流高圧放電灯の場合、放電灯に流れる高周波電流は、放電灯の電極の先端から正常にアーク放電していた場合は、図１４で示すように電流のゼロ点に対して、略正負対称な電流が流れるが、根元から放電していた場合は、図１５で示すように電流のゼロ点に対して、正負非対称な電流が流れる。このように、放電灯に流れる高周波電流が、ゼロ電流に対して、非対称に電流が流れている時に定常点灯（低周波点灯または直流点灯）に移行した場合、ランプの電極に大きなダメージを与えてしまい、最悪の場合は電極が根元から折れてしまう場合がある。

従来の回路の場合、この高周波電流が正負対称に流れるようになるまでの時間を予め想定し、固定の時間Ｔ２を設定し、高周波電流を流し、定常点灯（低周波点灯）に移行させていた。しかし、この高周波電流が正負対称に流れるようになるまでの時間は、ランプの種類、状態により異なり、ランプ毎に時間を設定する必要があった。また、電流が非対称のまま定常点灯に移行させないため、高周波電流を流す予め設定する時間Ｔ２にはマージンを取っていた。

例えば、図１５で示したように、放電灯が点灯して、高周波電流が非対称な時間は約０．５〜１秒くらいであるが、放電灯のばらつき、経年劣化を考慮し、約４秒の高周波電流を流す時間を設けている。高周波電流を流す時間を長く設定しておけば、様々な状態の放電灯に流れる電流が非対称から対称になる確率を高くできるが、その分、定常点灯に移行するまでの時間がかかり、定格の点灯電圧、明るさが得られるまでの時間が掛かってしまうことになっていた。

本発明は上述のような点に鑑みてなされたものであり、高圧放電灯の始動時に高周波電流を供給した後、低周波点灯または直流点灯に移行する高圧放電灯点灯装置において、電極の根元からの放電を防止し、放電灯の寿命を改善することを課題とする。

請求項１の発明は、上記の課題を解決するために、高圧放電灯Ｌａの始動直後から定常点灯時の点灯周波数より高い周波数で高圧放電灯に電力を供給する高圧放電灯点灯装置において、高圧放電灯Ｌａの電極根元からの放電と電極先端からの放電を判別する手段６を備え、電極の根元放電から電極の先端放電にアークが移行したことを判別すると、高周波動作から定常動作に移行することを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、定常点灯時は直流または低周波にて放電灯を点灯させ、電極の根元放電から電極の先端放電にアークが移行したことを判別すると、高周波動作から直流点灯動作または低周波点灯動作に移行することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または２の発明において、高圧放電灯の電極根元からの放電と電極先端からの放電を判別する手段は、ランプ電圧、ランプ電流またはランプ出力光のようなランプ出力が非対称か否かを判別する手段であることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかにおいて、高圧放電灯の始動直後から初期設定された時間は高周波動作を行い、この初期設定された時間の経過後に、高圧放電灯の電極の放電状態が電極の先端からではなく根元からの放電であると判別されると、始動時の高周波動作を初期設定された時間よりも延長させることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかにおいて、始動時の高周波動作の後、高圧放電灯の電極の放電状態が電極の根元からではなく先端からの放電であると判別されると、所定の時間は高周波動作を継続した後、定常動作に移行することを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の高圧放電灯点灯装置を搭載したプロジェクタ用の光源点灯装置である。

本発明によれば、高圧放電灯の始動時に所定期間は定常点灯時の点灯周波数より高い周波数で放電灯に電力を供給する放電灯点灯装置において、高圧放電灯がブレイクダウンした後に起こる電極の根元からの放電を検出する手段を備え、電極の根元放電から先端放電にアークが移行してから、定常動作である直流点灯または低周波点灯に移行させるようにしたので、電極へのダメージが軽減され、放電灯の長寿命に寄与することができる。

（実施形態１）
本発明の実施形態１の回路図を図１に示す。以下、その回路構成について説明する。直流電源１の正極はパワーＭＯＳＦＥＴよりなるスイッチング素子Ｑ１のドレインに接続されている。スイッチング素子Ｑ１のソースはインダクタＬ１の一端とダイオードＤ１のカソードに接続されている。インダクタＬ１の他端は平滑コンデンサＣ１の正極に接続されている。平滑コンデンサＣ１の負極はダイオードＤ１のアノードに接続されている。ダイオードＤ１のアノードは電流検出用の低抵抗Ｒ１を介して直流電源１の負極に接続されている。直流電源１は例えば商用交流電源を整流平滑した直流電圧を供給する。

スイッチング素子Ｑ１とインダクタＬ１とダイオードＤ１は降圧チョッパ２を構成しており、直流電源１の直流電圧を任意の直流電圧に降圧して平滑コンデンサＣ１に出力する。平滑コンデンサＣ１の電圧は抵抗Ｒ２，Ｒ３の直列回路により分圧されて演算回路３に入力されている。また、電流検出抵抗Ｒ１の両端電圧も演算回路３に入力されている。演算回路３では入力された電圧検出値と電流検出値に基づいて降圧チョッパ２の出力指令値を作成し、パルス幅変調回路４に出力指令値を出力する。パルス幅変調回路４は演算回路３からの出力指令値に基づいて降圧チョッパ２のスイッチング素子Ｑ１のパルス幅を制御する。これにより、平滑コンデンサＣ１には所望の直流電圧が得られる。

平滑コンデンサＣ１の両端には、パワーＭＯＳＦＥＴよりなるスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３の直列回路と、同じくパワーＭＯＳＦＥＴよりなるスイッチング素子Ｑ４，Ｑ５の直列回路が並列接続されている。スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３のゲートに印加されるドライブ電圧は１８０度位相が異なり、スイッチング素子Ｑ４，Ｑ５のゲートに印加されるドライブ電圧も１８０度位相が異なるので、直列接続されたスイッチング素子が同時にＯＮすることはなく、いずれか一方がＯＮしている。ドライブ回路５からスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３に与えられるドライブ信号とスイッチング素子Ｑ４，Ｑ５に与えられるドライブ信号は同期しており、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ５がＯＮする期間ではスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４はＯＦＦしており、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ５がＯＦＦする期間ではスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４はＯＮしている。したがって、平滑コンデンサＣ１の両端の直流電圧はドライブ回路５の出力周波数で極性反転する交流電圧に変換される。

スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３の接続点にはインダクタＬ２の一端が接続されており、インダクタＬ２の他端にはコンデンサＣ２の一端と放電灯Ｌａの一端が接続されている。スイッチング素子Ｑ４，Ｑ５の接続点はコンデンサＣ２の他端に接続されると共に、パルストランスよりなるイグナイタＩｇの二次側Ｎ２を介して放電灯Ｌａの他端に接続されている。したがって、放電灯ＬａとイグナイタＩｇの二次側Ｎ２とコンデンサＣ２は閉回路を構成している。コンデンサＣ２の両端には、抵抗Ｒ４とダイオードＤ２の直列回路を介してコンデンサＣ３が並列接続されており、コンデンサＣ３は放電ギャップのような電圧応答型のスイッチング素子Ｇを介してイグナイタＩｇの一次側Ｎ１に接続されている。

電源投入後の所定期間は、定常点灯時の点灯周波数より高い周波数で、スイッチング素子Ｑ２とＱ５、スイッチング素子Ｑ３とＱ４のペアを交互に高周波でＯＮ／ＯＦＦ動作させることにより、放電灯Ｌａと、それに並列に接続されたキャパシタＣ２と直列に接続されるインダクタＬ２により共振させ、放電灯Ｌａの両端に降圧チョッパ２の出力以上の電圧を印加させる。更にその電圧を利用し、キャパシタＣ３にエネルギーを充電し、そのエネルギーをスイッチング素子Ｇのスイッチングにより、イグナイタＩｇの１次側Ｎ１に放出する。そのエネルギーがトランス構造になっているイグナイタＩｇの２次側Ｎ２に伝達され、高電圧パルスを共振電圧に更に重畳させる。この電圧を放電灯Ｌａに印加することで放電灯Ｌａを絶縁破壊させ、点灯させる。更に絶縁破壊後、放電灯Ｌａに高周波電流を流すことにより、より安定な点灯状態（アーク放電状態）に移行することができる。

放電灯Ｌａの一端とインダクタＬ２の接続点の電圧は、判別回路６に入力され、監視されている。この判別回路６は放電灯の電極根元からの放電と電極先端からの放電を判別する回路であり、放電灯がブレイクダウンした後の電圧を検出し、その電圧を整流し、基準電圧と比較する。基準電圧に対して、高い電圧が検出された場合には、電極の先端からの放電ではなく、根元からの放電であり、ランプ電流がゼロ点に対して、非対称な状態と判断する（図１５参照）。また、基準電圧に対して、低い電圧が検出された場合には電極の先端から放電し、ランプ電流がゼロ点に対して略対称な状態と判断し、略対称になった場合に定常点灯（低周波点灯）に移行する。

図示された判別回路６では、コンパレータＣＰの＋入力に接続されたコンデンサＣ４の充電量が放電量を上回るほどの非対称電圧が検出されたときに、コンデンサＣ４の電圧がコンパレータＣＰの−入力の基準電圧を越えて上昇し、コンパレータＣＰの出力がＨレベルとなることにより一方の極性の非対称電圧を検出できる構成を例示しているが、反対の極性の非対称電圧をも検出できるようにするには、判別回路６の入力端に全波整流手段を挿入しておけばよい。

判別回路６の出力はドライブ回路５に入力されており、ドライブ回路５は、放電灯がブレイクダウンした後、放電灯の電極根元からの放電が継続している間は、絶縁破壊後、放電灯Ｌａに高周波電流を流すことにより安定な点灯状態へと移行させる。また、電極先端からの放電が始まったと判別されると、定常点灯（低周波点灯）に移行する。

図２は本実施形態による判別回路６を適用可能な高圧放電灯点灯装置の他の例を示す回路図である。直流電源１と、その直流出力を高周波で断続的にスイッチングするスイッチング素子Ｑ１とインダクタＬ１とダイオードＤ１を含む降圧チョッパ２と、さらに直流電源１に並列に接続された一対のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３を備え、一対のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３の接続点と降圧チョッパ２の出力端の間にインダクタＬ２とキャパシタＣ２の直列回路、及びキャパシタＣ２に並列に接続された放電灯Ｌａを備える。

始動時は一対のスイッチング素子Ｑ２、Ｑ３が交互にＯＮ／ＯＦＦし、直流電源１を交流に変換し、放電灯Ｌａに印加する。このとき、降圧チョッパ２のスイッチング素子Ｑ１は遮断している。定常時はスイッチング素子Ｑ２を遮断し、スイッチング素子Ｑ３は導通状態にし、スイッチング素子Ｑ１を高周波で断続的にスイッチングさせ、スイッチング素子Ｑ１、ダイオードＤ１、インダクタＬ１により構成される降圧チョッパ２のみを動作させ、直流にて放電灯Ｌａを点灯させる。

この図２の点灯装置においても、放電灯Ｌａの一端とインダクタＬ２の接続点の電圧は、判別回路６に入力され、監視されている。この判別回路６は放電灯の電極根元からの放電と電極先端からの放電を判別する回路であり、放電灯がブレイクダウンした後の電圧を検出し、その電圧を整流し、基準電圧と比較する。基準電圧に対して、高い電圧が検出された場合には、電極の先端からの放電ではなく、根元からの放電であり、ランプ電流がゼロ点に対して、非対称な状態と判断する。また、基準電圧に対して、低い電圧が検出された場合には電極の先端から放電し、ランプ電流がゼロ点に対して略対称な状態と判断し、略対称になった場合に定常点灯（直流点灯）に移行する。

なお、本実施形態では、判別回路６として、ランプ電圧の非対称か否かを判別する手段を例示したが、これに限定されるものではなく、例えば、ランプ電流やランプ出力光のようなランプ出力が非対称か否かを判別する手段であっても構わない。

（実施形態２）
図３は実施形態２の始動時の動作を示すフローチャートである。本実施形態では、図４〜図６に示すように、高周波電流を流す時間（第１次の初期設定時間）を予め設定しておき、例えば、初期設定時間を０．５秒とする。この０．５秒間は高周波電流が流れ、０．５秒の経過後に、まだ高周波電流が非対称であれば、更にインバータ回路は０．５秒間、高周波動作を継続し、この延長された０．５秒の経過後に再判定を行う。これを繰返し、高周波電流が非対称の場合はインバータ回路が高周波動作を継続し、高周波電流が対称になっていれば、インバータ回路は低周波動作を行い、降圧チョッパ２により、定電流、定電力制御を行い、放電灯を安定点灯させる。

（実施形態３）
図７は実施形態３の始動時の動作を示すフローチャートである。本実施形態では、図８に示すように、ランプ電流がゼロ点に対して非対称な状態と、ランプ電流がゼロ点に対して略対称な状態とを判別し、ランプ電流がゼロ点に対して略対称になってから約０．５秒後にインバータ回路は低周波動作を行い、降圧チョッパ２により、定電流、定電力制御を行い、放電灯を安定点灯させる。このようにすれば、根元放電から先端放電に移行した後、さらに０．５秒の高周波動作を継続して、より安定した放電状態に移行させてから定常動作に移行するので、定常動作への移行後に根元放電に戻る恐れが少なく、放電灯を安定して点灯させることができる。

実施形態２，３の動作を実現するには図１のドライブ回路５に図３または図７の処理を実行する機能を備えていれば良く、この機能はプロジェクタの光源点灯制御用のマイコンを用いて実現しても良い。

（実施形態４）
実施形態４について以下に説明する。上述の各実施形態の放電灯点灯装置はプロジェクタの光源である高圧放電灯の点灯に用いられる。図９はプロジェクタの内部構成を示す概略図である。図中、３１は投光窓、３２は電源部、３３ａ、３３ｂ、３３ｃは冷却用ファン、３４は外部信号入力部、３５は光学系、３６はメイン制御基板、４０は放電灯点灯装置、Ｌａは放電灯である。破線で示した枠内にメイン制御基板が実装されている。光学系３５の途中には、放電灯Ｌａからの光を透過または反射する画像表示手段（透過型液晶表示板または反射型画像表示素子）が設けられており、この画像表示手段を介する透過光または反射光をスクリーンに投射するように光学系３５が設計されている。このように、放電灯点灯装置４０は放電灯Ｌａと共にプロジェクタ３０の内部に実装されている。本発明の放電灯点灯装置を採用することにより、電極へのダメージが軽減され、放電灯Ｌａの長寿命に寄与することができる。また、所望の明るさが得られるまでの時間を短縮できる。

なお、リアプロジェクショテレビのように、プロジェクタとスクリーンを一体化した画像表示装置に本発明の高圧放電灯点灯装置を適用しても良く、放電灯Ｌａの長寿命化によりメンテナンスが容易となる。また、電源投入後、画像が表示されるまでの時間を短縮できる。さらに、家庭用や業務用の一般的な照明器具に本発明の高圧放電灯点灯装置を搭載し、高圧放電灯を光源として利用した場合にも、電源投入後、所望の明るさを速やかに得られると共に、放電灯の寿命を改善する効果があることは言うまでも無い。

本発明の実施形態１の高圧放電灯点灯装置の回路図である。 本発明の実施形態１の高圧放電灯点灯装置の一変形例を示す回路図である。 本発明の実施形態２の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施形態２の動作波形図である。 本発明の実施形態２の高周波動作延長時の動作波形図である。 本発明の実施形態２の高周波動作再延長時の動作波形図である。 本発明の実施形態３の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施形態３の動作波形図である。 本発明の実施形態４のプロジェクタ用の光源点灯装置の概略構成図である。 従来の交流高圧放電灯の点灯装置の回路図である。 図１０の点灯装置のスイッチング素子の動作を示す波形図である。 従来の直流高圧放電灯の点灯装置の回路図である。 図１２の点灯装置のスイッチング素子の動作を示す波形図である。 電極の先端から放電した場合の高周波動作時の放電灯のランプ電流を示す波形図である。 電極の根元から放電した場合の高周波動作時の放電灯のランプ電流を示す波形図である。

符号の説明

Ｌａ 高圧放電灯
５ ドライブ回路
６ 判別回路

Claims (6)

1. 高圧放電灯の始動直後から定常点灯時の点灯周波数より高い周波数で高圧放電灯に電力を供給する高圧放電灯点灯装置において、高圧放電灯の電極根元からの放電と電極先端からの放電を判別する手段を備え、電極の根元放電から電極の先端放電にアークが移行したことを判別すると、高周波動作から定常動作に移行することを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
2. 請求項１において、定常点灯時は直流または低周波にて放電灯を点灯させ、電極の根元放電から電極の先端放電にアークが移行したことを判別すると、高周波動作から直流点灯動作または低周波点灯動作に移行することを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
3. 請求項１または２において、高圧放電灯の電極根元からの放電と電極先端からの放電を判別する手段は、ランプ電圧、ランプ電流またはランプ出力光のようなランプ出力が非対称か否かを判別する手段であることを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、高圧放電灯の始動直後から初期設定された時間は高周波動作を行い、この初期設定された時間の経過後に、高圧放電灯の電極の放電状態が電極の先端からではなく根元からの放電であると判別されると、始動時の高周波動作を初期設定された時間よりも延長させることを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、始動時の高周波動作の後、高圧放電灯の電極の放電状態が電極の根元からではなく先端からの放電であると判別されると、所定の時間は高周波動作を継続した後、定常動作に移行することを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の高圧放電灯点灯装置を搭載したプロジェクタ用の光源点灯装置。

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