JP2010511972A - 放電ランプを動作させるための回路、および放電ランプの動作方法 - Google Patents

Abstract

高圧放電ランプの動作時に電極尖端が過剰に形成されると、フリッカ現象が発生してランプ電圧が低減される。本発明は、このような作用を阻止するのに寄与する。ランプが方形波電流によって動作する場合、本発明では極性反転を抑圧する。このことによって電極尖端が溶融される。

Description

本発明は放電ランプを動作させるための回路に関し、とりわけ、たとえば画像を投影するための装置で使用されるような高圧放電ランプおよび超高圧放電ランプに関する。本発明は、放電ランプに起因するフリッカ現象の問題に取り組むものである。とりわけ本発明は、フリッカ現象を低減するためのＤＣ電流によって生じる問題に取り組むものである。

従来技術
放電ランプの動作時には、電極尖端が成長する現象が発生する。放電ランプは以下では、ランプとも略称される。電極のある場所から蒸発していった材料が、該電極の有利な場所に再び堆積し、電極尖端の形成に繋がる。このような電極尖端はまず、ランプで生成されたアーク放電のプラズマアークが電極上で安定的な付着点を見つけ、複数の付着箇所間でジャンプしないという利点を有する。放電点のこのようなジャンプはアークジャンプとも称され、ランプのフリッカとなる。このことはとりわけ、ランプの光が画像の投影に使用される場合に妨害となる。

アークの付着点は、カソードとして作用する電極にのみ形成される。アノードでのアークの付着は面状である。それゆえ、交流電流によって動作するランプの場合にはこのようなアークジャンプは、問題を拡大することになる。というのも、極性交代のたびにアークは、アノードからカソードに交代する電極において付着点を見つけなければならないからである。上記のような電極尖端は、アークに有利な付着点となるので、アークジャンプは低減される。

しかし、このような電極尖端によっても問題が発生する。望ましくない状況では、２つ以上の電極尖端が形成されてしまう。その際には、アーク付着は異なる電極尖端の間でジャンプするという事態が生じる。

ＥＰ１６２４７３３Ａ２（Suzuki）ではこの問題は、ランプを動作させるための動作周波数すなわち交流電流の周波数を、制限された時間にわたって低減することによって解決される。このような手法は、電極がアノードとして作用する場合に加熱され、カソードとして作用する場合に冷却されることによって有効に作用する。動作周波数に相応する時間経過にともなって温度変動が得られる。周波数が高い場合、電極の熱容量に起因して中間の温度が発生する。いわゆる方形波モードではランプは、典型的には２００〜５０００Ｈｚの周波数を有する方形波電流によって動作する。ランプの構成によっては、２００Ｈｚですでに、電極の顕著な温度変化が生じることがある。温度変化が大きいと、電極は、過剰な数の電極尖端が溶融される温度に達してしまう。

また、電極尖端が過度に長くなり、電極間のプラズマアークが短くなる場合にも問題が発生する。プラズマアークが短くなると、ランプの動作電圧が低減される。ランプは一般的に一定の電力に制御されるので、動作電圧が低減されると電流が高くなる。このことは、ランプ用の動作装置内の部品の負荷に不利となる。ランプ電流の供給に関与する部品は、より高いランプ電流に対して選定しなければならなくなり、そうしないと損傷を受けてしまう。

ビデオプロジェクタはしばしば、異なる色の時間的シーケンスを有する光源を必要とする。ＵＳ５９１７５８８（Stanton）に記載されているように、このことは、ランプの光からフィルタリングする色が交代する回転カラーホイールによって実現することができる。光が所定の色をとる持続時間は、必ず等しくなければならないわけではない。むしろ、これらの持続時間の相対比を介して、投影される光に得られる所望の色温度に設定することができる。

通常、ランプは方形波のランプ電流によって動作する。この方形波のランプ電流の周期時間の逆数が、上記の動作周波数と解される。ランプ電流は従来技術では、直流電流源から反転装置を使用して生成される。この反転装置は通常は電子スイッチから構成され、この電子スイッチは、直流電流源の極性を方形波のランプ電流のタイミングで反転する。このような反転では、オーバーシュートを実際に完全に回避することはできない。それゆえ従来技術では、反転を行うべき時点と光の色が交代する時点とをまとめることにより、オーバーシュートが消失するようにする。こうするために、上記のカラーホイールに同期してＳｙｎｃパルスを有するＳｙｎｃ信号を供給する。このようなＳｙｎｃ信号によって、色交代とランプ電流の反転とが同期される。

ＥＰ１６２４７３３Ａ２（Suzuki）に記載された従来技術では、上記のように、制限された時間にわたって動作周波数を低減することにより、付加的な電極尖端が溶融されるようにする。その際には、周波数の低減によって反転とＳｙｎｃ信号との同期が保証されなくなるという問題が生じる。それゆえこの反転は、ちょうど色交代が行われない時点でも行われるようになってしまう。

本発明の開示
テストにより、投影用の高圧放電ランプの動作中に電極尖端が成長し、これが、上記のフリッカおよび高いランプ電流の問題の原因となることが明らかになった。このような電極尖端を制御によって溶融することが、これら２つの問題を解消することになる。

本発明の課題は、放電ランプを動作させるための回路において、電極尖端の溶融を制御によって行うと同時に、反転が常に色交代に同期して行われるようにする回路を提供することである。

さらに本発明の課題は、上記の課題に対応する方法を提供することでもある。本発明は方法も対象とするので、以下の説明は、装置の特徴に関するものとしても、方法の特徴に関するものとしても解すべきである。

前記課題は、直流電流源を有する放電ランプ動作用の回路であって、前記直流電流源は反転装置を介して放電ランプに結合可能であり、電極尖端の大きさの尺度である測定値が所定の閾値を超えるかまたは下回る場合に少なくとも前記反転装置の１つの反転を制御装置が抑圧する回路によって解決される。反転装置の入力端に直流電流源が接続されている。反転装置は、放電ランプを接続することができる出力端を有する。前記反転装置は、直流電流源が前記出力端に結合され、該直流電流源が該出力端に結合される極性が制御装置によって反転されるように構成されている。このことは、反転装置によって、接続された放電ランプを流れるランプ電流を反転すること、すなわち極性反転することが可能であることを意味する。この制御装置は反転装置に結合され、ランプを流れる電流の電流方向を設定する。反転の時間的シーケンスが、ランプを動作させるための動作周波数を決定する。

制御装置はＳｙｎｃ入力端を有し、動作中、このＳｙｎｃ入力端には、Ｓｙｎｃパルスを含むＳｙｎｃ信号が供給される。制御装置によって、Ｓｙｎｃパルスと同期する反転が行われる。上記のように、投影される光の色交代は通常、回転するカラーホイールによって行われる。反転が行われる場合には、色交代と同時に行わなければならない。しかし、反転なしで実施される色交代も考えられる。一般的にＳｙｎｃ信号は、カラーホイールの１回転ごとに１つのＳｙｎｃパルスを有するように形成される。すなわち、Ｓｙｎｃ信号は一般的には、色交代ごとに１つのＳｙｎｃパルスを有するわけではない。むしろ、色交代のシーケンスは有利には制御装置に記憶されている。このことは、使用されるカラーホイールに対して個別に整合することができる。とりわけ、カラーホイールでの色交代の間隔は一定でなくてもよい。１回転ごとに複数のＳｙｎｃパルスを出力するカラーホイールも公知である。Ｓｙｎｃパルスの重要な機能は、制御装置がカラーホイールのその時点の位置に関する情報を得て、色交代が発生する時点に関する情報を得ることである。

したがって、Ｓｙｎｃパルスと、反転装置の出力端での直流電流源の極性の反転とが同期しているということは、以下のことを指す：制御装置には、反転を行うべき時点のシーケンスが記憶されている。各Ｓｙｎｃパルスで制御装置は、記憶された時点に相応して、反転のシーケンスを開始する。しかしこれらの時点は固定的でなく、２つのＳｙｎｃパルスの時間的間隔に正規化される。それゆえ所与のカラーホイールでは、カラーホイールの回転数が変化しても、反転は常に色交代に相応する。本発明で行われる反転の抑圧は、反転とＳｙｎｃパルスとの間の同期に介入しない。抑圧されない反転はすべて、色交代に時間的に一致する。

上記の測定値は有利には、ランプ電圧に比例する値である。通常、ランプ電圧は実効値で表される。方形波動作では、これは単に、方形波の振幅である。電極尖端が成長するとランプ電圧は低減する。それゆえ、最小値を設定する。この最小値を下回ると、このことは、確実な動作を行うには電極尖端が過度に長くなりすぎていることを意味する。この場合、制御装置は少なくとも１つの反転を抑圧する。このことによって少なくとも１つの電極が加熱され、相応の電極尖端が溶融し、ランプ電圧は再び上昇する。

また、電極尖端の長さに関する情報を含む別の測定値も可能である。たとえばアーク長を光学的に測定することができる。電極尖端が長くなるとともに小さくなる測定値も、その逆の測定値も可能であるから、所定の閾値を下回る場合、または超えた場合に、反転を抑圧しなければならない。重要なのは、電極尖端が過度に長くなった場合に反転を抑圧することである。

従来は、電極尖端が過度に長くなる場合に制御装置が少なくとも１つの反転を抑圧することを規定したのみであり、何回の反転を抑圧すべきかに関しては何も記載がなされていない。このことに関する最も簡単な設定は、測定値が所定の閾値を超えるまで、または下回るまで、抑圧を継続することである。この所定の閾値を超えることはもちろん、該所定の閾値を超えることが過度に長い電極尖端を意味する場合に関連する。その逆の場合、たとえばランプ電圧を測定値とする場合、閾値を下回るまで反転を抑圧する。このような手法の欠点は、抑圧中にランプが直流電流によって動作する際の直流電流の極性がランダムであることだ。また、１つの電極尖端のみが溶融されることにより、ランプの電極長が非対称的になってしまう。

有利には、反転の抑圧を所定の直流時間にわたって行う。有利には直流時間は、電極尖端の長さが該直流時間の経過後にも未だ所望の値にまで低減されることがないように短く選択される。その際には、直流時間の経過後に再び直流時間を開始し、その間に、他方の電極尖端を溶融する。

このような直流時間の代わりに、制御装置によって抑圧される反転の回数を設定する数Ｎも設定することができる。その際に有利なのは、Ｎ回の反転の抑圧後にそれぞれの電極尖端が未だ所望の長さまで溶融されないようにＮを選択することである。Ｎ回の反転後に、異なる数のＮ回の反転を抑圧し、その後に他方の電極尖端を溶融する。

溶融過程を両電極に均等に分配するために、抑圧の停止によって、連続する複数回の反転の抑圧を中断することができる。このことによってランプ電流の極性が交代し、他方の電極尖端が溶融される。停止される抑圧の回数はもちろん、電極尖端が溶融しなくなるほど大きくしてはならない。

低い耐熱性を有する電極の場合には、連続する２回の反転を抑圧するだけですでに、電極の過熱が生じてしまう。その際に有利なのは、ｍ番目ごとの反転のみを抑圧することである。このことにより、溶融過程を非常に高精度で制御することができる。

連続する反転の抑圧により、その時点でアノードになっている電極のみが溶融される。このような一連の抑圧される反転を直流フェーズと称することができる。というのも、反転が抑圧される時間に直流電流がランプを流れるからである。連続する直流フェーズで電極が交互にアノードになると有利である。このことにより、電極は均等に溶融される。電極に関して交互に現れるこのような直流フェーズは、記憶装置を使用して実施される。この記憶装置は、直前の直流フェーズでどの電極がアノードであったかを検出するのに使用される。次の直流フェーズは、その時点で他方の電極がアノードである場合に開始される。もちろん直流フェーズは、１つの反転の抑圧のみから構成することもできる。

通常は反転装置は、４つの電子的スイッチから成るフルブリッジによって構成する。このようなフルブリッジは直流電流源によって給電され、ランプはブリッジ分岐にある。対角線上に設けられたスイッチが同時にスイッチングされる。このようにして直流電流源は、交代する極性でランプに結合される。１つの反転は、１つの対角線上にあるスイッチのスイッチオフと、他方の対角線上にあるスイッチのスイッチオンとから成る。相互に隣り合う２つのスイッチが、直流電流源の負極に結合されており、その他の２つのスイッチは正極に結合されている。負極は通常、この回路の基準電位となる。それゆえ、負極に結合されたスイッチはたいてい、問題なく駆動制御される。正極に結合されたスイッチはハイサイドスイッチと称され、公知のように、このようなスイッチを駆動制御するのは面倒である。ハイサイドスイッチを駆動制御するためには、チャージポンプが必要である。このチャージポンプには、反転時にのみエネルギーが供給される。

本発明で提案されているように反転を抑圧すると、ハイサイドスイッチの駆動制御が保証されなくなる可能性がある。有利には、制御装置はこの場合、反転を抑圧せず、迅速に連続する２つの反転を発生させる。このような迅速に連続する反転により、チャージポンプは再びエネルギーを受け取り、ハイサイドスイッチの駆動制御は保証される。これら２つの反転は、電極尖端の耐熱性によって、２つの反転による温度変動が無くなるように、迅速に連続しなければならない。３０μｓ未満の時間間隔の場合、電極尖端の温度が近似的に一定に維持されることが実証されている。

以下では実施例に基づき本発明を詳細に説明する。

高圧放電ランプを動作させるための回路である。 反転が抑圧されない場合のランプ電流の時間特性経過を示す。 反転の対称的な抑圧が行われる場合のランプ電流の時間特性経過を示す。 反転の対称的な抑圧が行われる場合のランプ電流の時間特性経過を示す。

本発明の有利な実施形態
図１ 高圧放電ランプを動作させるための回路を示す。この回路のトポロジーは従来技術から公知のと同様である。電子的スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３およびＳ４はフルブリッジ回路で、直流電流源Ｑの正極と負極との間に接続されている。直流電流源Ｑは一般的には、降圧形コンバータ（バックコンバータ）から成り、この降圧形コンバータは、たとえば商用電源電圧からエネルギーを受け取る。ノードＡ１とＡ２との間にあるブリッジ分岐にランプＥＬが接続されている。ランプＥＬには点灯トランスの巻線Ｌが直列接続されており、該点灯トランスに点灯装置Ｚが、ランプの点灯に使用される電圧を入力結合する。

このフルブリッジ回路が反転装置を構成する。反転装置の入力側を成すのは、このフルブリッジ回路の高電位および低電位であり、これらは直流電流源Ｑの正極および負極に接続されている。反転装置の出力側を、ノードＡ１とＡ２との間のブリッジ分岐が構成する。

スイッチＳ１およびＳ４が閉成されると、ノードＡ１からノードＡ２へランプ電流が流れる。反転後にはスイッチＳ３およびＳ２が閉成され、ノードＡ２からノードＡ１へランプ電流が流れる。このようにして、ランプＥＬにおいて方形波の電流が生成される。

これらのスイッチは制御装置Ｃによって制御される。破線で示されているのは、制御装置Ｃからスイッチへの制御線路である。ハイサイドスイッチＳ１およびＳ３は駆動制御にチャージポンプを必要とする。このチャージポンプは制御装置Ｃ内に一緒に含むことができ、図中には示されていない。

測定入力端Ｍを介して制御装置にフルブリッジの入力電圧が供給される。この入力電圧はランプ電圧に相応する。ランプ電圧が所定の閾値を下回ると、制御装置Ｃは少なくとも１つの反転を抑圧する。

Ｓｙｎｃ入力端Ｓに、図中にない回転カラーホイールの駆動によって生成されるＳｙｎｃ信号が供給される。制御装置Ｃと直流電流源Ｑとの接続線は、制御装置Ｃをランプ電流の制御にも使用できることを示している。

実際には、制御装置をマイクロコントローラによって構成するのが普通である。測定入力端およびＳｙｎｃ入力端は、マイクロコントローラのアナログ入力側ないしはデジタル入力側に接続されている。公知のドライバ回路を介して、マイクロコントローラは電子的スイッチを制御する。この電子的スイッチは一般的にはＭＯＳＦＥＴである。本発明の大部分は、このマイクロコントローラのソフトウェアで構成される。

図２に、反転の抑圧が行われない場合のランプ電流の時間的特性経過が示されている。反転は番号１〜１４によって示されている。反転の直前にランプ電流はパルス状に上昇する。これは、たとえばＷＯ９５／３５６４５に記載された、フリッカ現象を低減するための手段である。この手段は、本発明による反転の抑圧と無関係である。電流の方形波形の周波数は、通常は２００Ｈｚ〜５ｋＨｚの間である。

図３では、反転３，４および６，７が制御装置Ｃによって抑圧されているのが理解できる。反転５で、制御装置Ｃは抑圧を停止している。このことにより、両電極の電極尖端は対称的に溶融される。

図４では、図３と比較して付加的に反転８も抑圧されている。このことにより、両電極の電極尖端は非対称的に溶融される。反転６，７および８が抑圧されている間にアノードを成す電極尖端の方が、より大きく溶融される。このことにより、両電極の非対称性が補償される。このようにして、フリッカ現象により大きく寄与する電極尖端を所期のようにより大きく溶融することもできる。

Claims (15)

1. 反転装置を備えた、放電ランプを動作させるための回路であって、
   前記反転装置は、直流電流源に結合された入力端と、放電ランプに結合可能な出力端とを有し、
   前記反転装置は、前記直流電流源を前記出力端に結合するように構成されており、
   前記直流電流源が前記出力端に結合される極性は、制御装置によって反転可能に構成されており、
   前記制御装置はＳｙｎｃ入力端を有し、前記直流電流源の極性を、該Ｓｙｎｃ入力端に供給されるＳｙｎｃ信号のＳｙｎｃパルスに同期して反転し、
   前記制御装置は、測定装置に結合された測定入力端を有し、
   前記測定装置は、電極尖端の大きさの尺度である測定値を供給するように設けられている回路において、
   前記測定値が所定の閾値を超えるかまたは下回る場合、前記制御装置は少なくとも１つの反転を抑圧することを特徴とする回路。
2. 前記測定値は、放電ランプのランプ電圧に比例する値であり、
   前記測定値が所定の閾値を下回る場合、前記制御装置は少なくとも１つの反転を抑圧する、請求項１記載の回路。
3. 前記測定値が前記所定の閾値を超えるかまたは下回っている間、前記制御装置は反転を抑圧する、請求項１または２記載の回路。
4. 前記制御装置は所定の直流時間中に、前記測定値が前記所定の閾値を通り過ぎると直ちに、反転を抑圧する、請求項１または２記載の回路。
5. 前記測定値が前記所定の閾値を通り過ぎると直ちに、前記制御装置は所定の回数Ｎの反転を抑圧する、請求項１または２記載の回路。
6. 前記制御装置は、ｎ番目ごとの反転で反転の抑圧を停止し、ただしｎは、２を上回る自然数である、請求項１から５までのいずれか１項記載の回路。
7. 前記測定値が前記所定の閾値を通り過ぎると直ちに、前記制御装置はｍ番目ごとの反転を抑圧し、ただしｍは所定の自然数である、請求項１または２記載の回路。
8. 前記制御装置は記憶装置を有し、
   前記記憶装置は、抑圧される反転のシーケンスでどの電極がアノードであるかを記憶し、
   その時点で他方の電極がアノードになった場合、前記シーケンスの次のシーケンスの抑圧される反転が開始される、請求項１から７までのいずれか１項記載の回路。
9. 前記制御装置は１つの反転を抑圧する代わりに、相互間に最大３０μｓの時間間隔を有する２つの反転を行う、請求項１から８までのいずれか１項記載の回路。
10. 前記制御装置はマイクロコントローラを有し、
    前記制御装置の機能は、前記マイクロコントローラ内のソフトウェアプログラムによって決定されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の回路。
11. 請求項１０記載のソフトウェアプログラムを含むことを特徴とする、コンピュータプログラム製品。
12. 前記放電ランプは超高圧放電ランプである、請求項１から１０までのいずれか１項記載の回路。
13. 請求項１から１０までのいずれか１項記載の回路を備えた投影装置において、
    放電ランプから放出された白色光を、少なくとも３つの異なる色を有する光の時間的シーケンスに変換するように配置および構成されたカラーホイールを有し、
    前記Ｓｙｎｃパルスの時点は、前記カラーホイールの回転に同期して現れるように選択されていることを特徴とする、投影装置。
14. 放電ランプの動作方法において、
    ・電極尖端の大きさの尺度である測定値を出力するように構成された測定装置を動作させるステップと、
    ・反転装置を介して放電ランプを直流電流源に結合するステップと、
    ・前記反転装置によって、Ｓｙｎｃ信号のＳｙｎｃパルスと同期して前記直流電流源の極性を反転するステップと、
    ・前記測定値と閾値とを比較するステップと、
    ・前記測定値が前記閾値を通過した場合、前記直流電流源の極性の反転を抑圧するステップ
    とを実施することを特徴とする方法。
15. 請求項１４記載の方法が実施されるように回路を制御することを特徴とする、ソフトウェアプログラム。

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