JP2010113822A - 高圧放電灯点灯装置及び高圧放電灯の点灯方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高圧放電灯点灯装置において、ランプ電極に形成されるフリッカ防止のための突起の過度の成長及び複数の突起発生を抑制する。
【解決手段】第１及び第２の電極が内部に対向配置された発光管を有する高圧放電灯に低周波の交流電流を供給するための交流電力供給手段を備えた高圧放電灯点灯装置において、定格ランプ電力投入のためのランプ電流の実効値以上の交流電流を供給する第１の期間、及び定格ランプ電力投入のためのランプ電流の実効値以下の交流電流を供給する第２の期間が所定の周期で繰り返されるように交流電力供給手段を構成した。
【選択図】図１−Ａ

Description

本発明は低周波の交流ランプ電流を供給して高圧放電灯を点灯させる高圧放電灯点灯装置、および高圧放電灯の点灯方法に関する。

液晶プロジェクタ等の光源装置においては、図３−Ａに示すような高圧水銀ランプのような高圧放電灯（以下、「ランプ」又は「高圧放電灯」という）が用いられる。このようなランプにはハロゲン物質、希ガス及び水銀が封入され、発光管内には一対の電極が対向配置されている。このようなランプは、図４に示すような通常５０Ｈｚ〜４００Ｈｚの固定周波数の矩形波電流によって点灯される。

この高圧放電灯点灯装置の回路構成は図５に示すように直流電源部１０、直流電源部１０の直流電圧をＰＷＭ（パルス幅変調）制御回路により所定のランプ電力に制御する直流電力供給回路部２０、直流電力供給回路部２０の直流出力電圧を低周波の交流電圧に変換し、ランプ６０に印加するためのフルブリッジ回路４０、ランプ始動時に高圧パルス電圧をランプ６０に印加するためのイグナイタ回路部５０、及びランプ電力を検出し定ランプ電力制御を行う制御回路部３０で構成されている。

直流電源回路部１０は、商用交流電源１１、全波整流回路１２及び平滑コンデンサ１３で構成され、商用交流電源１１の交流電圧を整流回路で全波整流し、更に平滑コンデンサで平滑して直流電圧に変換するようになっている。なお、直流電源回路部１０は交流電源を直流変換できれば昇圧コンバータ等の他の回路構成であってもよい。

直流電力供給回路部２０は後述のＰＷＭ制御回路３７により駆動されるトランジスタ２１、ダイオード２２、チョークコイル２３及び平滑コンデンサ２４により構成された降圧チョッパ回路からなり、直流電力供給回路部２０から供給される直流電圧に対して所定のランプ電力となるよう制御を行うようになっている。

制御回路部３０は、ランプ６０に並列に接続されたランプ電圧を分圧して検出する抵抗３１ａと３１ｂの接続点の電圧とランプ６０と直列に接続されランプ電流を検出する抵抗３３の電圧とを掛算処理してランプ電力を算出する掛算器３４、掛算器３４の出力端と基準電圧源３８の電圧とを入力する誤差増幅器３５、誤差増幅器３５の出力端と基準電圧源３８の入力との間に接続された位相補償回路３６、及び誤差増幅器３５の出力を入力し、直流電力供給回路部２０のトランジスタ２１の駆動パルスを出力するＰＷＭ制御回路３７で構成される。

抵抗３１ａ、３１ｂにより検出されたランプ電圧に相当する電圧信号と、ランプ電流検出抵抗３３で電圧に変換されて検出されたランプ電流に相当する電圧信号を、掛算器３４で掛算してランプ電力信号に変換し、誤差増幅器３５に入力して基準電圧源３８の電圧と比較し、誤差増幅器３５の出力をＰＷＭ制御回路３７に入力させる。
ＰＷＭ制御回路３７は誤差増幅器３５の出力に応じたデューティ比の駆動パルスを発生して、直流電力供給回路部２０のトランジスタ２１を駆動し、これによりランプ電力を所定値に制御してランプ６０を一定の電力にて点灯するようになっている。

ところで、ランプを上記のような低周波の矩形波交流電流で点灯し続けると、放電アークの起点が電極先端上でジャンプするいわゆるフリッカが発生してしまうことが知られている。これは図３−Ｂに示すように点灯時間が進むにつれ、電極先端部が荒れ、放電アークの起点が電極先端の複数の凸部を移動し一点に定まらなくなることによる。
このフリッカを抑制するために、ランプに何らかの特殊な波形の電流を投入することによる対策がこれまで報告されてきた。例えば、特許文献１では、低周波矩形波電流をベースとしてその半サイクルの終了間際にパルス電流を重畳するものが開示されている。そして、そのような電流波形で点灯することにより、ランプ電極先端に例えば図３−Ｃに示すような１つの突起が成長し、その突起にアークの起点が定まることによりフリッカが抑制される。

電極先端に突起が成長する現象のメカニズムは必ずしも明確ではないが下記のように推測される。電極材料であるタングステンがアークにより加熱・蒸発し、それが発光管内に存在するハロゲン等と結合してタングステン化合物が形成される。このタングステン化合物は対流などによって管璧付近から電極先端付近へ拡散され、高温部でタングステン原子に分解される。そしてタングステン原子はアーク中で電離することで陽イオンとなる。交流点灯している両電極が陽極と陰極を点灯周波数ごとに繰り返すが、この陰極動作をしている時にアーク中の陽イオンは、電界によって陰極側に引き寄せられることで両電極先端に析出され、それが突起を形成するものと考えられている。
なお、封入したハロゲン物質はランプ点灯時に適正なハロゲンサイクルを行うためのものであり、これによりランプ点灯中に蒸発した電極の材料であるタングステンが発光管内壁に付着し黒化を防止することができる。一方、蒸発したタングステンは電極の先端に付着し、電極先端の突起を成長させる作用もある。
特表平１０−５０１９１９号公報

ところが、特許文献１のような電流波形を用いた場合、確かに電極上に放電アークの起点となり得るような突起が成長されることは確認されているが、その成長に伴う弊害も確認されている。
第１に、図３−Ｄに示すような突起の過度の成長の問題である。突起が成長すると電極間距離が減少してランプ電圧が下がる。特にライフ初期のランプにおいて、突起が過度に成長するとランプ電圧がさらに下がり、定格ランプ電流を投入してもランプ電力が確保できなくなる場合がある。この場合、ランプ温度が下がり、その結果突起がさらに成長してランプ電力もさらに下がるという悪循環に陥り、最終的に照度不足や電極間ショート等のランプの不具合をもたらすおそれがある。

また、低周波の矩形波電流の半サイクルの終了間際にパルス電流を重畳することにより、瞬間的に突起部の温度が高めることにより、通常の低周波の矩形波点灯と比較し、極性反転時にアークスポットが移動し難い効果はあるものの、ライフが進むにつれ電極表面が荒れてくると図３−Ｂに示すように複数の突起が成長し、最終的には従来例と同様に放電アークの起点が電極先端の複数の凸部を移動し一点に定まらなくなりフリッカの問題が発生してしまう可能性がある。
従って、フリッカ防止のための突起については、突起の過度の成長による問題及び複数の突起による問題を解決するための確実かつ簡素な対策が要求されている。

本発明の第１の側面は、第１及び第２の電極が内部に対向配置された発光管を有する高圧放電灯に低周波の交流電流を供給するための交流電力供給手段を備えた高圧放電灯点灯装置において、定格ランプ電力投入のためのランプ電流の実効値以上の交流電流を供給する第１の期間、及び定格ランプ電力投入のためのランプ電流の実効値以下の交流電流を供給する第２の期間が所定の周期で繰り返されるように交流電力供給手段が構成され、交流電流の周波数が１００Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下であり、所定の周期が５０Ｈｚ以上５００Ｈｚ以下の範囲から選択されたものであり、所定の周期における交流電流の実効値が定格ランプ電力投入のためのランプ電流又はＥＣＯ（節電）モードのランプ電力投入のためのランプ電流に等しい高圧放電灯点灯装置である。

本発明第２の側面は、交流電力供給手段を備えた高圧放電灯点灯装置による高圧放電灯の点灯方法であって、第１の期間において定格ランプ電力投入のためのランプ電流の実効値以上の交流電流を供給し、第２の期間において定格ランプ電力投入のためのランプ電流の実効値以下の交流電流を供給し、第１の期間と第２の期間を所定の周期で繰り返し、交流電流の周波数が１００Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下であり、所定の周期が５０Ｈｚ以上５００Ｈｚ以下の範囲から選択されたものであり、所定の周期における交流電流の実効値が定格ランプ電力投入のためのランプ電流又はＥＣＯ（節電）モードのランプ電力投入のためのランプ電流に等しい点灯方法である。

本発明の第３の側面は上記第１の側面の各構成を選択的に採用したものである。即ち、第１及び第２の電極が内部に対向配置された発光管を有する高圧放電灯に低周波の交流電流を供給するための交流電力供給手段を備えた高圧放電灯点灯装置において、定格ランプ電力投入のためのランプ電流の実効値以上の交流電流を供給する第１の期間、及び定格ランプ電力投入のためのランプ電流の実効値以下の交流電流を供給する第２の期間が所定の周期で繰り返されるように交流電力供給手段を構成した。

ここで、交流電流の周波数が１００Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下であり、所定の周期が５０Ｈｚ以上５００Ｈｚ以下の範囲から選択される構成とした。
また、定格ランプ電力投入のためのランプ電流の実効値に対して、第１の期間の交流電流の実効値が１００〜１５０％であり、第２の期間の交流電流の実効値が５０〜１００％となるようにした。
また、交流電力供給手段が基準電圧源を有し、交流電流が基準電圧源からの基準電圧信号の変化に対して単調増加又は単調減少するように構成され、基準電圧信号が方形波、三角波、正弦波、のこぎり波、指数関数波若しくは非周期波形又はこれらの複合波のいずれかの波形を有する構成とした。
また、所定の周期における交流電流の実効値が定格ランプ電力投入のためのランプ電流に等しくなるようにした。

本発明によると、高圧放電灯においてランプ電流である矩形波交流電流を、電極の先端に形成された両突起を積極的に溶解させるための第１の矩形波電流の期間、および両突起を積極的に成長させるための第２の矩形波電流の期間を設け、それぞれの期間の電流比や持続時間比を制御することによりライフ初期のランプにおいて、突起が過度に成長することやライフが進むにつれ電極表面が荒れ複数の突起が成長することを抑制することが可能となる。

本発明における点灯装置の回路構成および基本的な動作は図５に示した従来例の回路と同じであるため説明を省略する。
図１−Ａは本発明における高圧放電灯のランプ電流波形である。図１−Ａに示すように、
ランプ電流は周波数が１００Ｈｚ〜１０００Ｈｚの矩形波交流電流であるが、点灯装置を構成する制御回路部３０の基準電圧源３８の値を制御することにより、設定ランプ電力投入のためのランプ電流の実効値（破線の高さ）の１００％〜１５０％の第１の矩形波電流の期間（以下、「第１の期間」という）と、設定ランプ電力投入のためのランプ電流の実効値（破線の高さ）の５０％〜１００％の第２の矩形波電流の期間（以下、「第２の期間」という）が５０Ｈｚ〜５００Ｈｚの周期にて繰り返される電流波形となっている（５０Ｈｚ未満では電流値の変化に伴う照度変化が視認できるようになってしまうので好ましくない）。なお、ここでは、設定ランプ電力とは定格ランプ電力を意味する。

ここで、一般的には陽極側ではタングステンが蒸発されて突起が溶解し、陰極側ではタングステンが引き寄せられて突起が成長するが、陽極動作と陰極動作をあわせた１サイクルにおいては電流値が大きいほど突起は成長より溶解が強まり、逆に電流値が小さいと突起は溶解より成長が強まるため、第１の期間では積極的に突起を溶解させ、第２の期間では積極的に突起を成長させることが可能となる。そして、それぞれの期間の電流比や持続時間比をランプ電圧に応じて制御することによりライフ初期のランプにおいて、突起が過度に成長することを防止することが可能となる。

また、常に突起の溶解・成長を繰り返すことにより、ライフが進んだランプにおいては、電極表面が荒れ難くなり、その結果、複数突起が成長することなく図３−Ｃのような電極形状を維持でき、放電アークの起点が電極先端の複数の凸部を移動し一点に定まらなくなるフリッカの問題を抑制することが可能となる。

定格ランプ電力点灯に対し電力を低減させて点灯させるＥＣＯ（節電）モード点灯においては、上記と同様の効果を得るために、図２−Ａに示すように第１の期間に対する第２の期間の長さを定格点灯時よりも長くすることにより実現してもよいし、図２−Ｂに示すように第１の期間及び第２の期間の実効値を定格点灯時よりも一律に低減させて実現させてもよい。

図１−Ｂ、図１−Ｃ、図１−Ｄは本発明の他の実施例の一つである。設定ランプ電力投入のためのランプ電流の実効値よりも大きい第１の期間と、設定ランプ電力投入のためのランプ電流の実効値よりも小さい第２の期間は、図１Ａのように２つの異なる実効値電流を繰り返すのではなく、１周期においての実効値電流が設定ランプ電力投入のためのランプ電流の実効値と等しければ実効値電流は段階的、または連続的な変化の繰り返しでも同様の効果が得られる。

本発明の第１の実施例の高圧放電灯点灯装置のランプ電流波形を示す図である。 本発明の他の実施例の高圧放電灯点灯装置のランプ電流波形を示す図である。 本発明の他の実施例の高圧放電灯点灯装置のランプ電流波形を示す図である。 本発明の他の実施例の高圧放電灯点灯装置のランプ電流波形を示す図である。 ＥＣＯモードにおける本発明の実施例の高圧放電灯点灯装置のランプ電流波形を示す図である。 ＥＣＯモードにおける本発明の他の実施例の高圧放電灯点灯装置のランプ電流波形を示す図である。 高圧放電灯の図である。 高圧放電灯の電極の変化を示す図である。 高圧放電灯の電極の変化を示す図である。 高圧放電灯の電極の変化を示す図である。 従来の高圧放電灯点灯装置のランプ電流波形を示す図ある。 一般的な高圧放電灯点灯装置の回路構成図である。

符号の説明

１：発光管
２：発光部
３ａ、３ｂ：タングステン
４ａ、４ｂ：封止
５ａ、５ｂ：モリブデン箔
１０：直流電源回路部
２０：直流電力供給回路部
２１：トランジスタ
２２：ダイオード
２３：チョークコイル
２４：平滑コンデンサ
３０：制御回路部
３１ａ，３１ｂ，３３：抵抗
３４：掛算器
３５：誤差増幅器
３６：位相補償回路
３７：ＰＷＭ制御回路
３８：基準電圧源
４０：フルブリッジ回路
４１，４２，４３，４４：トランジスタ
４５：ブリッジ制御回路
５０：イグナイタ回路部
６０：高圧放電灯

Claims (7)

1. 第１及び第２の電極が内部に対向配置された発光管を有する高圧放電灯に低周波の交流電流を供給するための交流電力供給手段を備えた高圧放電灯点灯装置において、
   定格ランプ電力投入のためのランプ電流の実効値以上の前記交流電流を供給する第１の期間、及び該定格ランプ電力投入のためのランプ電流の実効値以下の前記交流電流を供給する第２の期間が所定の周期で繰り返されるように前記交流電力供給手段が構成され、
   前記交流電流の周波数が１００Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下であり、前記所定の周期が５０Ｈｚ以上５００Ｈｚ以下の範囲から選択されたものであり、
   前記所定の周期における交流電流の実効値が前記定格ランプ電力投入のためのランプ電流又はＥＣＯ（節電）モードのランプ電力投入のためのランプ電流に等しい高圧放電灯点灯装置。
2. 交流電力供給手段を備えた高圧放電灯点灯装置による高圧放電灯の点灯方法であって、
   第１の期間において定格ランプ電力投入のためのランプ電流の実効値以上の交流電流を供給し、第２の期間において該定格ランプ電力投入のためのランプ電流の実効値以下の交流電流を供給し、前記第１の期間と前記第２の期間を所定の周期で繰り返し、
   前記交流電流の周波数が１００Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下であり、前記所定の周期が５０Ｈｚ以上５００Ｈｚ以下の範囲から選択されたものであり、
   前記所定の周期における交流電流の実効値が前記定格ランプ電力投入のためのランプ電流又はＥＣＯ（節電）モードのランプ電力投入のためのランプ電流に等しい点灯方法。
3. 第１及び第２の電極が内部に対向配置された発光管を有する高圧放電灯に低周波の交流電流を供給するための交流電力供給手段を備えた高圧放電灯点灯装置において、
   定格ランプ電力投入のためのランプ電流の実効値以上の前記交流電流を供給する第１の期間、及び該定格ランプ電力投入のためのランプ電流の実効値以下の前記交流電流を供給する第２の期間が所定の周期で繰り返されるように前記交流電力供給手段が構成された高圧放電灯点灯装置。
4. 請求項３記載の高圧放電灯点灯装置において、前記交流電流の周波数が１００Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下であり、前記所定の周期が５０Ｈｚ以上５００Ｈｚ以下の範囲から選択される高圧放電灯点灯装置。
5. 請求項３記載の高圧放電灯点灯装置において、前記定格ランプ電力投入のためのランプ電流の実効値に対して、前記第１の期間の交流電流の実効値が１００〜１５０％であり、前記第２の期間の交流電流の実効値が５０〜１００％である高圧放電灯点灯装置。
6. 請求項３記載の高圧放電灯点灯装置において、前記交流電力供給手段が基準電圧源を有し、
   前記交流電流が前記基準電圧源からの基準電圧信号の変化に対して単調増加又は単調減少するように構成され、前記基準電圧信号が方形波、三角波、正弦波、のこぎり波、指数関数波若しくは非周期波形又はこれらの複合波のいずれかの波形を有する高圧放電灯点灯装置。
7. 請求項３記載の高圧放電灯点灯装置において、前記所定の周期における交流電流の実効値が前記定格ランプ電力投入のためのランプ電流又はＥＣＯ（節電）モードのランプ電力投入のためのランプ電流に等しい高圧放電灯点灯装置。

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