JP4171285B2

JP4171285B2 - 高圧放電灯の点灯方法および点灯装置

Info

Publication number: JP4171285B2
Application number: JP2002322185A
Authority: JP
Inventors: 敏孝藤井; 敦二中川
Original assignee: Phoenix Electric Co Ltd
Current assignee: Phoenix Electric Co Ltd
Priority date: 2002-11-06
Filing date: 2002-11-06
Publication date: 2008-10-22
Anticipated expiration: 2022-11-06
Also published as: US20040085027A1; US6914393B2; JP2004158273A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、パルス電流の重畳によりアークジャンプを抑制するようにした高圧放電灯の点灯方法および点灯装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶プロジェクター装置のような情報・光学機器の光源には、超高圧水銀ランプやメタルハライドランプ等のような高圧放電灯が用いられており、近年では、輝度や光利用効率の向上等のために電極間距離（アーク長）の短い高圧放電灯が種々開発されている。
【０００３】
しかし、このような短アーク型の高圧放電灯では、電極の先端が高温に加熱されてタングステン蒸発により消耗されるため、長時間にわたって連続点灯する場合には、いわゆるアークジャンプ（電極輝点が変動する現象）が生じやすく、このアークジャンプがスクリーン上における照度変化（フリッカ）の原因となっていた。そのため、短アーク型の高圧放電灯の開発においては、アークジャンプを抑制することが重要な技術課題となっていた。
【０００４】
このような課題を解決するための一手段として、特表平１０−５０１９１９号公報（特許文献１）には、「交流の矩形ランプ電流にパルス電流を重畳させることによってアークジャンプを抑制する技術」が開示されている。
【０００５】
しかし、この従来技術では、高圧放電灯の連続使用時間が長くなるにつれて電極が成長し、アーク長が短くなるため、ランプ電圧が次第に低下して点灯を維持できなくなるという問題があった。また、電極の成長に伴って輝点が移動するため、リフレクタ等の光学部品に対する最適位置を保持できず、照度の低下を招くおそれもあった。
【０００６】
【特許文献１】
特表平１０−５０１９１９号（請求項１，図４）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
それゆえに、この発明の主たる目的は、電極の消耗を抑制することによってアークジャンプを防止でき、しかも、電極の成長を抑制することによってランプ電圧や照度の低下を防止できる、高圧放電灯の点灯方法および点灯装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載した発明は、「高圧放電灯１２に付与されるランプ電圧が降下して下限閾値に達しとたきに前記高圧放電灯１２に付与されるランプ電流に対してパルス電流を重畳する重畳動作から、前記パルス電流の重畳を停止する重畳停止動作に切り替え、前記ランプ電圧が上昇して前記下限閾値よりも高い上限閾値に達したときに前記重畳停止動作から前記重畳動作に切り替えるようにした高圧放電灯の点灯方法」である。なお、高圧放電灯１２に付与されるランプ電流としては、「直流」または「交流」のいずれであってもよく、それぞれにおいて以下の作用・効果を得ることができる。
【０００９】
つまり、ランプ電流が「直流」のときに、重畳動作を継続すると、カソード電極１２ｃの先端が突起状に成長するとともに、ランプ電圧が次第に降下していく（図４（Ｂ））。そこで、重畳動作から重畳停止動作に切り替える。すると、カソード電極１２ｃの成長およびランプ電圧の降下が抑制されて点灯が維持される。このとき、カソード電極１２ｃの先端は突起状に成長しているので、パルス電流の重畳を停止してもアークジャンプは生じない。その後、重畳停止動作を継続すると、カソード電極１２ｃの先端がタングステン蒸発によって消耗され、アークジャンプが生じやすくなる（図４（Ｃ））。そこで、重畳停止動作から重畳動作に切り替えてカソード電極１２ｃを再び成長させる。このような重畳動作と重畳停止動作とを交互に繰り返すことによって、高圧放電灯１２の寿命が延ばされるとともに、寿命途中の照度維持が図られる。
【００１０】
一方、ランプ電流が交流のときに、重畳動作を継続すると、両電極の先端が突起状に成長するとともに、ランプ電圧が次第に降下していく（図８（Ａ））。そこで、重畳動作から重畳停止動作に切り替える。すると、両電極の成長およびランプ電圧の降下が抑制されて点灯が維持される。このとき、両電極の先端は突起状に成長しているので、パルス電流の重畳を停止してもアークジャンプは生じない。その後、重畳停止動作を継続すると、両電極の先端がタングステン蒸発によって消耗され、アークジャンプが生じやすくなる（図８（Ｂ））。そこで、重畳停止動作から重畳動作に切り替えて両電極を再び成長させる。このような重畳動作と重畳停止動作とを交互に繰り返すことによって、高圧放電灯の寿命が延ばされるとともに、寿命途中の照度維持が図られる。
【００１２】
また、この発明は、ランプ電圧が所定の閾値に達したときに重畳動作と重畳停止動作とを切り替えるようにしたものである。
【００１３】
請求項２に記載した発明は、「高圧放電灯１２にランプ電流を供給する電源１４、前記ランプ電流にパルス電流を重畳させるパルス重畳手段１６ａ，１６ｅ，２４，２６、および前記パルス重畳手段１６ａ，１６ｅ，２４，２６による重畳動作と重畳停止動作とを切り替えるパルスＯＮ／ＯＦＦ手段２８を備える高圧放電灯の点灯装置１０であって、前記パルスＯＮ／ＯＦＦ手段２８は、前記ランプ電圧が降下して予め設定された下限閾値に達したときに前記重畳動作から前記重畳停止動作に切り替え、前記ランプ電圧が上昇して予め設定された上限閾値に達したときに前記重畳停止動作から前記重畳動作に切り替えることを特徴とする高圧放電灯の点灯装置１０」である。
【００１４】
この発明は、請求項１に記載した発明を実施するための装置であり、ランプ電圧に基づいて、重畳動作と重畳停止動作とがパルスＯＮ／ＯＦＦ手段２８によって切り替えられる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１を参照して、この発明が適用された高圧放電灯の点灯装置１０は、液晶プロジェクター装置のような情報・光学機器において、光源としての高圧放電灯１２を点灯させるためのものである。
【００２０】
ここで、高圧放電灯１２は、超高圧水銀ランプやメタルハライドランプ等のような点光源に近い短アーク型（アーク長＝２mm以下）の直流点灯ランプであり、両端部に封止部を有する発光管１２ａと、発光管１２ａの内部に互いに対抗して配置されたアノード電極１２ｂおよびカソード電極１２ｃとを備え、発光管１２ａの内部には、稀ガス，金属ハロゲン化物，水銀，その他の必要物質が封入されている。なお、超高圧水銀ランプの場合、水銀の充填量は点灯時の内圧が１５ＭＰａ以上となるように０.１５ｍｇ／ｍｍ3以上に設定されている。
【００２１】
点灯装置１０は、高圧放電灯１２を直流のランプ電流によって点灯させるものであり、直流電源１４，ダウンコンバータ１６，イグナイタ１８，電圧検出回路２０，電流検出回路２２，パルス発生回路２４，演算回路２６およびパルスＯＮ／ＯＦＦ回路２８等により構成される。
【００２２】
直流電源１４は、ランプ始動時に必要な直流電圧（通常２００Ｖ以上）を高圧放電灯１２に印加するとともに、定常点灯時には点灯用のランプ電流を高圧放電灯１２に供給するものである。
【００２３】
ダウンコンバータ１６は、チョッピング方式により出力電圧を降下させるものであり、スイッチング素子１６ａ，パワーダイオード１６ｂ，チョークコイル１６ｃ，平滑コンデンサ１６ｄおよびパルス幅変調回路１６ｅによって、典型的なスイッチング電源の降圧式チョッパ回路として構成される。
【００２４】
ダウンコンバータ１６では、パルス幅変調回路１６ｅから出力された制御信号でスイッチング素子１６ａがＯＮ／ＯＦＦ制御されることにより、直流電源１４から供給された電流がチョッピング制御される。そして、チョッピング制御によって得られた矩形波が、パワーダイオード１６ｂ，チョークコイル１６ｃおよび平滑コンデンサ１６ｄによって平滑化され、電源電圧よりも低い出力電圧が平滑コンデンサ１６ｄの両端に得られる。
【００２５】
イグナイタ１８は、点灯開始時に高圧放電灯１２に対して高電圧パルスを印加するものであり、ダウンコンバータ１８の出力側において出力ライン３０ａに対して直列に接続される。
【００２６】
電圧検出回路２０は、ランプ電圧を検出するための抵抗分圧回路であり、出力ライン３０ａと０Ｖライン３０ｂとの間に直列接続された抵抗３２ａおよび３２ｂによって構成される。そして、これらの抵抗３２ａおよび３２ｂの接続点Ｐの電圧が「ランプ電圧信号」として演算回路２６およびパルスＯＮ／ＯＦＦ回路２８に与えられる。
【００２７】
電流検出回路２２は、ランプ電流を検出するための回路であり、０Ｖライン３０ｂに対して直列に接続された図示しない抵抗（一般には１Ω以下）等によって構成される。そして、その抵抗を流れる電流によって生じる電圧が「ランプ電流信号」として演算回路２６に与えられる。
【００２８】
パルス発生回路２４は、ランプ電流に重畳されるパルス電流の繰返し周期（ｔｓ）とパルス幅（ｔｐ）とを定めるためのパルス波すなわち「パルス重畳信号」を生成するものであり、定常点灯時には、「パルス重畳信号」が演算回路２６に対して所定の周期で与えられる。ただし、パルス発生回路２４は、本実施例のように点灯装置１０の内部回路として構成されてもよいし、点灯装置１０の外部回路（図示せず）として構成されてもよい。
【００２９】
パルスＯＮ／ＯＦＦ回路２８は、ランプ電流に対するパルス電流の重畳動作と重畳停止動作とを切り替えるために、パルス発生回路２４の「パルス重畳信号」を出力するタイミングを制御するものである。
【００３０】
つまり、パルスＯＮ／ＯＦＦ回路２８は、ランプ電圧が予め設定された下限閾値（たとえば５０Ｖ：定格動作電圧の最小ランプ電圧として一般的にありうる値）以上を維持している状態から下限閾値よりも低くなったときに、パルス発生回路２４に「ＯＦＦ信号」を与えて「パルス重畳信号」の出力を停止させる。そして、ランプ電圧が再び上昇して下限閾値よりも高い上限閾値に達すると、パルス発生回路２４に「ＯＮ信号」を与えて「パルス重畳信号」を再び出力させる。
【００３１】
したがって、パルスＯＮ／ＯＦＦ回路２８が「ＯＮ信号」を出力した後は、パルス電流の重畳動作が開始され、「ＯＦＦ信号」を出力した後は、パルス電流の重畳停止動作が開始されることとなり、重畳動作と重畳停止動作とが下限閾値および上限閾値に基づいて切り替えられることになる。
【００３３】
演算回路２６は、電圧検出回路２０から与えられた「ランプ電圧信号」，電流検出回路２０から与えられた「ランプ電流信号」およびパルス発生回路２４から与えられた「パルス重畳信号」を取り込んで「指令信号」を生成するものである。
【００３４】
つまり、演算回路２６では、「ランプ電圧信号」および「ランプ電流信号」に基づいて、高圧放電灯１２を定電力制御するための電流供給量が算出され、また、「パルス重畳信号」に基づいて、ランプ電流に重畳されるパルス電流のパルス幅，パルス高および重畳タイミングが算出される。そして、それらの算出結果を満足するようにスイッチング素子１６ａを制御するための「指令信号」が生成され、この「指令信号」がパルス幅変調回路１６ｅに与えられる。
【００３５】
ただし、演算回路２６としては、回路構成を簡素化する等のためにマイクロコンピュータが用いられてもよい。
【００３６】
以下には、点灯装置１０による高圧放電灯１２の点灯動作について説明する。点灯装置１０の電源スイッチ(図示せず)をオンにすると、直流電源１４から高圧放電灯１２に対して始動電圧(通常２００Ｖ以上)が印加されるとともに、イグナイタ１８の作用によって高圧放電灯１２に対して高電圧が印加される。すると、アノード電極１２ｂとカソード電極１２ｃとの間がブレークダウンされてグロー放電が開始される。そして、電極温度が上昇して熱電子電流が多くなってくるとグロー放電段階からアーク放電段階すなわち定常点灯段階へと移行し、そのタイミングと同期してイグナイタ１８が停止される。
【００３７】
定常点灯段階では、電圧検出回路２０において「ランプ電圧信号」が生成されるとともに、電流検出回路２２において「ランプ電流信号」が生成され、これらの信号が演算回路２６に与えられる。また、パルス発生回路２４において生成された「パルス重畳信号」がランプ電圧に基づいて演算回路２６に与えられる。
【００３８】
そして、演算回路２６において「指令信号」が生成され、この「指令信号」に基づいてパルス幅変調回路１６ｅからスイッチング素子１６ａに対して「制御信号」が与えられる。すると、この「制御信号」に基づいてスイッチング素子１６ａがＯＮ／ＯＦＦ制御され、図３に示すように、ランプ電流に対するパルス電流の重畳動作と重畳停止動作とがランプ電圧に基づいて繰り返される。
【００３９】
未使用の高圧放電灯１２を点灯させた初期の段階（点灯初期段階）では、図４（Ａ）に示すように、カソード電極１２ｃの先端は平坦であるが、重畳動作を開始してから時間が経過するにつれて、図４（Ｂ）に示すように、カソード電極１２ｃの先端が突起状に成長する。したがって、アーク長が徐々に縮小されるとともに、ランプ電圧が徐々に低下される。
【００４０】
そして、カソード電極１２ｃの先端がさらに成長して、ランプ電圧が下限閾値（たとえば５０Ｖ）まで降下すると、すなわち、高圧放電灯１２の点灯を維持できる電圧範囲内で予め設定された下限電圧値まで降下すると、重畳動作から重畳停止動作に切り替えられる。これにより、電極の成長が停止され、ランプ電圧の降下が停止される。なお、パルス電流の重畳が停止されたとしても、カソード電極１２ｃの先端は既に突起状に成長しているので、アークジャンプが発生する心配はない。
【００４１】
重畳停止動作では、図４（Ｃ）に示すように、カソード電極１２ｃの先端がタングステンの蒸発に伴って消耗される。したがって、時間が経過するにつれてアーク長が長くなり、それに伴ってランプ電圧が再び上昇する。そして、ランプ電圧が上限閾値（たとえば５５Ｖ）まで上昇すると、すなわち、アークジャンプを抑制できる電圧範囲内で予め設定された上限電圧値まで上昇すると、パルス電流の重畳動作が再び開始される。
【００４２】
このように、本実施例では、スイッチング素子１６ａ，パルス幅変調回路１６ｅ，パルス発生回路２４および演算回路２６が、ランプ電流にパルス電流を重畳させる「パルス重畳手段」として機能し、パルス電流の重畳動作と重畳停止動作とが切り替えられることによって、高圧放電灯１２の寿命を延ばすことができ、また、寿命途中において安定した点灯を得ることができる。
【００４３】
発明者等は、以下の実験により本発明の実用性を検証した。
【００４４】
［実験方法］高圧放電灯として定格電力２７０Ｗの超高圧水銀灯（バルブ外径１２mm，アーク長１．３mm，点灯時内圧約１５Ｍｐａ）を試作し、この超高圧水銀灯を本発明の点灯装置で点灯させたときの照度維持率と、従来の点灯装置で点灯させたときの照度維持率とを比較した。なお、本発明の点灯装置および従来の点灯装置としては、以下のものを使用した。
【００４５】
本発明の点灯装置…「パルス波高値１３０％，パルス周波数２２０Ｈｚ，パルス幅０．６５msec，パルス電力１１Ｗ（定格電力の約４％）」の条件を満たすパルス電流の重畳動作と重畳停止動作とを繰り返すもの。
【００４６】
従来の点灯装置…「パルス波高値１３０％，パルス周波数２２０Ｈｚ，パルス幅０．６５msec，パルス電力１１Ｗ（定格電力の約４％）」の条件を満たすパルス電流の重畳動作のみを継続するもの。
【００４７】
［実験結果］経過時間と照度維持率との関係を図５のグラフに示した。
【００４８】
このグラフより、本発明の点灯装置（本発明）によれば、従来の点灯装置（従来技術）に比べて高いレベルで照度を維持できることがわかった。
【００４９】
なお、上述の実施例では、下限閾値（たとえば５０Ｖ）および上限閾値（たとえば５５Ｖ）に基づいて重畳動作と重畳停止動作とを切り替えるようにしているが、下限閾値および上限閾値に到達する時間を実験等で予め求めておき、その時間をタイマによりカウントすることによって「切替タイミング信号」を生成し、この「切替タイミング信号」に基づいて重畳動作と重畳停止動作とを切り替える参考実施例を挙げることもできる。
【００５０】
この場合には、図６に示すように、上述の実施例におけるパルスＯＮ／ＯＦＦ回路２８に代えてタイマ３４が用いられ、タイマ３４が「パルスＯＮ／ＯＦＦ手段」として機能する。
【００５１】
また、上述の実施例では、本発明を直流点灯型の高圧放電灯１２に適用した場合を示したが、本発明は、交流点灯型の高圧放電灯にも適用可能である。交流点灯型の高圧放電灯に対しては、図７に示すように、交流のランプ電流に対して交流のパルス電流の重畳動作と重畳停止動作とが繰り返されることになる。そして、重畳動作においては、図８（Ａ）に示すような電極成長現象が生じ、重畳停止動作においては、図８（Ｂ）に示すような電極消耗現象が生じることになり、これらの現象が繰り返されることによって高圧放電灯の長寿命化および点灯の安定化が図られる。
【００５２】
【発明の効果】
この発明によれば、パルス電流の重畳動作と重畳停止動作とをランプ電圧に基づいて繰り返すことによって、電極間距離（アーク長）の大幅な変動を抑制できるので、長時間連続点灯する場合でも、アークを安定させることができるとともに、照度の低下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例（直流点灯型）を示すブロック図である。
【図２】ランプ電圧の変動を示すグラフである。
【図３】ランプ電流（直流）およびパルス電流の波形を示すグラフである。
【図４】電極（直流点灯型）の状態を示す図である。
【図５】経過時間と照度維持率との関係を示すグラフである。
【図６】この発明の参考実施例（交流点灯型）を示すブロック図である。
【図７】ランプ電流（交流）およびパルス電流の波形を示すグラフである。
【図８】電極（交流点灯型）の状態を示す図である。
【符号の説明】
１０… 点灯装置
１２… 高圧放電灯
１２ｂ… アノード電極
１２ｃ… カソード電極
１４… 直流電源
１６… ダウンコンバータ
１６ａ… スイッチング素子
１６ｅ… パルス幅変調回路
２０… 電圧検出回路
２２… 電流検出回路
２４… パルス発生回路
２６… 演算回路
２８… パルスＯＮ／ＯＦＦ回路
３４… タイマ

Claims

高圧放電灯に付与されるランプ電圧が降下して下限閾値に達したときに前記高圧放電灯に付与されるランプ電流に対してパルス電流を重畳する重畳動作から、前記パルス電流の重畳を停止する重畳停止動作に切り替え、
前記ランプ電圧が上昇して前記下限閾値よりも高い上限閾値に達したときに前記重畳停止動作から前記重畳動作に切り替えるようにした高圧放電灯の点灯方法。
高圧放電灯にランプ電流を供給する電源、
前記ランプ電流にパルス電流を重畳させるパルス重畳手段、および
前記パルス重畳手段による重畳動作と重畳停止動作とを切り替えるパルスＯＮ／ＯＦＦ手段を備える高圧放電灯の点灯装置であって、
前記パルスＯＮ／ＯＦＦ手段は、前記ランプ電圧が降下して予め設定された下限閾値に達したときに前記重畳動作から前記重畳停止動作に切り替え、前記ランプ電圧が上昇して予め設定された上限閾値に達したときに前記重畳停止動作から前記重畳動作に切り替えることを特徴とする高圧放電灯の点灯装置。