JP4241615B2 - 放電ランプの動作 - Google Patents

Description

本発明は、２つの電極を含む放電ランプを動作させる方法であって、当該電極に交流電流（AC）を与えることを含む方法に関する。本発明は、放電ランプを動作させる電子回路、放電ランプの動作を支援するソフトウェアプログラム、及び、かかる放電ランプを含む照明システムにも関する。

高強度放電ランプは、技術状態から知られている。かかる放電ランプは、不活性ガス若しくは蒸気を含む管を含む。更に、２つの電極は、管内に突出する。ランプを動作させるため、電極間にアーク（電弧）が確立・維持されるように適切な交流がこれらの電極に供給される。

高強度放電ランプの一の特別なタイプは、例えば水銀蒸気及びタングステン電極を採用しうる超高性能（Ultra High Performance: UHP）ランプである。UHPランプにおける共通の電極構造は、タングステンコイルが上に配置されるタングステンロッドからなる。UHPランプは、例えば投映型のアプリケーションのために使用され、その場合、ディスプレイに関する光学的要求は、長さ１ｍｍのオーダーである。UHPランプにおける電極は、純タングステンの融点近く若しくはそれを超えるまでもの温度まで達する。これらの電極温度は、高収縮高圧水銀アークの場合における電極の熱放出を可能とし、例えばアークジャンピング（arc jumping）を防ぐために必要とされる。電極が過剰に高温になる場合、しかしながら、電極のいわゆる“焼き戻り（バーニング・バック：burning back）”が起こる。その結果、電極間の隙間が増大し、光学系の性能を減ずる。かかる“バーニング・バック”は、貧弱なランプ整備性の通常的な理由である。それゆえに、良好に定義された電極温度を保証するためにUHPランプの注意深い設計及び動作が必要である。同様の要求が他の種類の放電ランプにも同等に与えられうる。

放電ランプの2つの電極に対して最適な温度を提供する際の問題は、特に、2つの電極が異なる温度に達する場合に生じうる。かかる状況は、2つの類似の電極が採用された場合にも生じる、というのは、これらの電極は非対称的に用いられるからである。結果として、一の電極が、適切な方法でその設計条件下で依然として稼動できる一方で、他の電極は、あまりに冷たいゆえにアークジャンピングに悩まされるか、若しくは、あまりに熱いゆえに“バーニング・バック”を形成することになる。

放電ランプの2つの電極間の非対称性をもたらしうるファクタは多様にある。

第1に、放電ランプは、通常的には、ランプに対して冷却フィンとして機能できるリフレクタ内に採用される。リフレクタ内におけるランプの搭載に依存して、ランプの一端及びそれに伴い一の電極は、他の電極を備える他端よりも冷却されるだろう。

更に、強制空冷で動作されるUHPランプが増えつつある。この冷却は、通常的には、ランプの前端か若しくはランプの上側に向けられる。このエアフローの詳細に依存して、大きく異なる電極温度が観測できる。

現在のUHPランプは、更に、水平のバーニング位置で動作するように設計される。しかしながら、いくつかのアプリケーションは、傾斜位置若しくは鉛直位置でもランプを使用する。その結果、2つの電極は、熱いガスの対流の上向き流れにより異なる熱負荷を受け、それ故に、異なる温度に達する。

放電ランプの寿命期間中、電極の構造も、電極の部分、例えばロッド上のコイルの機械的な動きにより変化しうる。新しいランプにおいてさえも、電極構造は、公差に起因して変化しうる。電極の１つが既に“焼き戻り”し始めている場合、熱を通し且つ放出するその能力が変化し、プロセスが加速して早期のランプの故障をもたらしうる。

これらの非対称性の大部分は、予期できないので、異なる電極を用いることによって補償できない。異なる電極は、更に、ランプの一般的な使用を妨げ、採用されるシステムにランプを挿入する際に追加の配慮を必要とする。

本発明の一目的は、放電ランプの性能及び寿命を増加させることである。特に本発明の目的は、放電ランプの2つの電極間の温度バランスを維持する可能性を提供することである。

これらの目的は、２つの電極を含む放電ランプを動作させる方法であって、当該電極に交流電流（AC）を与えることを含む本発明による方法によって到達される。この交流電流は、2つの電極間の温度差を補償するための直流成分を有することが提案される。直流成分は、この目的のために選択され、第2の一の電極よりも低い温度を有することが予測される第1の一の電極が、直流のための陽極として機能する一方で、第2の電極が、直流のための陰極として機能するようにする。

本発明の目的は、２つの電極を含む放電ランプを動作させる電子回路であって、提案の方法を実現する手段を含む電子回路によっても同等に到達される。更に、本発明の目的は、２つの電極を備える放電ランプを動作させるためのソフトウェアプログラムであって、該放電ランプへの電力供給を制御するドライバの処理手段において実行されるときに提案の方法を実現するソフトウェアコードを含むソフトウェアプログラムによっても同等に到達される。最後に、本発明の目的は、２つの電極を備える放電ランプと提案の方法により当該放電ランプを動作させる手段とを含む、例えば投射システムのような照明システムによって到達される。

動作されることになる放電ランプの２つの電極は、特に、必須でないが類似の電極であってよい。

本発明は、電極は陽極のように動作する場合により多く加熱され、陰極のように動作する場合により少なく加熱されるという認識から発展する。それ故に、２つの電極の温度を平衡化するために使用される直流電流成分を有する交流電流で放電ランプを動作させることが提案される。

本発明の効果として、放電ランプは、両電極が同一温度で稼動するように動作することが可能となり、これにより、両電極に対する最適な温度の設定が可能となる。これにより、電極のアークジャンピングや“バーニング・バック” を防ぐことができる。その結果、ガス放電ランプの性能が改善し、また、ランプが非対称的態様で動作する場合に対してその寿命が増加することになる。

本発明の好ましい実施例は、従属項クレームから明らかになる。

放電ランプの電極に印加される交流電流の所望のDC成分は、幾らかの方法で達成できる。

本発明の第１の好ましい実施例では、DC成分は、標準的なACランプ電流にDC電流を重畳することによって得られる。

本発明の第２の好ましい実施例では、DC成分は、２つの電流方向に対して異なる強度のAC電流を用いることによって得られる。

本発明の第３の好ましい実施例では、DC成分は、ランプの２つの電流方向での動作時間を変化させることによって得られる。標準的なAC動作では、交流電流の波形は、２つの電流方向に対して同一の長さの２つの半周期を備えるデューティーサイクルを有するが、提案の調整は、標準の５０：５０の状況から逸脱したデューティーサイクルでの動作を生む。

本発明の第４の好ましい実施例では、交流電流の各半周期で採用される１以上の追加の電流パルスのエネルギ量(エネルギコンテンツ)を、該追加の電流パルスのエネルギ量が該半周期の一方で他方よりも大きくなるように、適合することによって得られる。かかる追加の電流パルスのエネルギ量は、特には、各半周期に対して個別的に追加の電流パルス(複数のパルスを含む)の振幅及び／又は時間を調整することによって適合できる。

温度を調整するために採用されるDC成分の量は、好ましくは、全体の電流量の０．１％〜５０％の範囲内である。

予測される温度状況は、同様に異なる態様で決定できる。

例えばランプの所定の向きや冷却エアフローを生成する手段の配列に起因して、電極の非対称的な加熱がランプの寿命期間中に基本的に一定である場合、幾つかのサンプルのランプを用いて必要とされるDC成分量を所定すれば十分であろう。この際、この量は、ランプの電源に対する固定のDC成分として設定できる。

例えば動作条件の変化や電極構造の変化に起因して、電極の非対称的な加熱がランプの寿命期間中に一定でない場合、電極の温度は、その全体の寿命期間中、効果的には、各ランプに対して個別的に監視される。この際、DC成分の必要量は、各々の温度状況に基づいて連続的若しくは反復的に決定できる。

より簡易な方法で温度状況を決定するために、ランプのバーニング電圧が、ランプに供給される交流電流の一半周期中に、数回、少なくとも２回、ランプのドライバにより測定できる。計測電圧が一半周期中にわずかに増加している場合、当該半周期において陰極として機能する電極が十分熱いと看做せる。電圧は、一半周期中に減少しているか若しくは急降下を示す場合、対照的に、当該半周期において陽極として機能する電極が冷たすぎると看做せる。各々の陰極のみがこれらの電圧変化を引き起こすので、両電極が、交流電流の向きを考慮したときは独立的に観測できる。冷たすぎると認められる電極の対応する検出は、文献米国特許第6,232,725号に記載されている。

本発明による方法は、更に、ランプへの電流供給を制御すると共にDC成分を連続的に調整する制御ループ内に組み込むことができる。

更に、調整DC成分に関する情報、例えば最後に印加された値だけや全体のランプ履歴のようなより大量な情報が、不揮発性メモリに記憶されてよい。情報は、例えば、それぞれに採用されたDC成分の値、決定された温度若しくは温度差、又は決定されたランプ電圧を含んでよい。記憶された情報は、DC成分の必要量についての将来の予測のために使用できる。

両電極を常に最適な温度で動作させるため、例えば両電極が冷たすぎるか若しくは十分熱い場合は、更に平均のランプ電力の調整が可能とされるべきである。この局面は、与えられた制御ループ内に含められてよい。これにより、調整されるが最適な温度でない場合における両電極でのアークジャンピングや両電極の“バーニング・バック” を防ぐことができる。

動作される放電ランプは、特にはUHPランプであることができるが、如何なる他の放電ランプであってもよい。

本発明による方法は、放電ランプを動作させるために採用される電子回路で実現できる。

本発明による方法は、特には、放電ランプのドライバを制御する例えばマイクロコンピューターに実装されてよいソフトウェアにより実現できる。

本発明の他の目的及び特徴は、添付図面と連携して考慮される本発明の選択された実施例についての次の詳細な説明から明らかになるだろう。

図１は、本発明による方法の一実施例が実現されてよい投映システムの構成要素をブロック図形式で示す。

投映システムは、本発明により動作されるUHPランプ11を含む。UHPランプ11の2つの電極１２，１３は、その端部に制御可能な電源回路１４が接続される。電源回路１４は、特に、制御可能な値の直流電流を供給する電源ユニットと、供給される直流電流を、ランプ１１を動作させるために所望される交流電流I_Lampへと変換する制御可能なインバータとを含む。

電源回路１４は、マイクロコントローラ15により制御される。マイクロコントローラ15は、従来的な態様で電源回路１４を制御することができるソフトウェアを含む。即ち、ソフトウェアは、電源回路１４をして、2つの電極１２，１３間にアークを確立・維持するのに適したUHPランプ11に交流電流I_Lampを供給させる。ソフトウェアは、更に、従来的に供給された交流電流を調整して、所望の直流電流成分を含むようにする。

マイクロコントローラ15は、更に、不揮発性メモリを含む。このメモリには、供給された直流電流成分の履歴が記憶される。マイクロコントローラ15は、UHPランプ11に関する各々の電圧U_Lampを検出する電圧検出器16を介して、電流ランプ電圧に関する入力情報として受ける。電源回路１４、マイクロコントローラ15及び電圧検出器16は共に、UHPランプ11のドライバを構成する。

マイクロコントローラのソフトウェアは、制御ループ内において電源回路１４により供給される電流I_Lampの直流電流成分を調整する。この制御ループ内では、ソフトウェアは、先ず、電圧検出器16により受信したランプ電圧に関する情報を評価する。ランプバーニング電圧U_Lampは、ランプ１１に供給される交流電流の各半周期中に反復的に電圧検出器16により測定される。この電圧U_Lampがソフトウェアにより一半周期中に増加していると判断された場合、当該半周期中に陰極として機能する電極１２，１３は十分熱い。電圧がソフトウェアにより一半周期中に減少しているか若しくは急降下を示すと判断された場合、当該半周期中に陰極として機能する電極１２，１３は冷たすぎる。

この評価に基づいて、ソフトウェアは、電源回路１４の従来的な制御を調整し、従って、従来的に供給される交流電流の従来的な制御を調整する。即ち、一の電極１２，１３が冷たすぎると判断された場合、直流電流成分が、当該電極１２，１３が従前よりも陽極として機能しているという認識で増加される。両電極１２，１３が十分熱いと判断された場合、直流電流成分が、純粋な交流電流動作に近づけるために低減される。以下、直流電流を含むように従来的な交流電流を調整するための4つの異なる解決策を、図２ないし図7を参照して説明する。

更に、全体的な平均ランプ電力は、両電極１２，１３が冷たすぎると判断された場合、制御ループ内で増加される。両電極１２，１３が十分熱いと判断された場合、マイクロコントローラ15に記憶されるランプ履歴から両電極が臨界的温度境界に近づく傾向に無いと結論付けることができるが、平均ランプ電力は低くされる。

従って、提案されたシステムは、UHPランプ11の両電極１２，１３を常に最適温度で動作させることを可能とする。

図2ないし図７は、異なるランプ電流I_Lampを時間ｔで示す。

図2及び図3は、UHPランプ11に従来的に供給される交流電流I_Lampの過程を示す。図２は、標準的なブロック電流を示す。このブロック電流では、各デューティーサイクルは、同一長さの２つの半周期I,IIを有し、その間、同一振幅であるが極性が反対の一定電流が供給される。正の電流の半周期Iを正半周期と称し、負の電流の半周期IIを負半周期と称する。図３は、各半周期I,IIの端部に矩形ブロック電流として同一極性を有する追加の電流パルスP1,P2が付加された、同様の標準的なブロック電流を示す。かかる追加のパルスを含む電流の使用は、例えば文献EP0 766 906 Aから知られている。図2及び図3からわかるように、従来的な交流電流は、直流電流成分を一切有していない。かかる従来的な電流は、また、マイクロコントローラ15が、両電極１２，１３が現に十分熱いと判断した場合、若しくは、両電極１２，１３が冷たすぎであり、従って全体の平均電力を増加しなければならないと判断した場合、UHPランプ11に図1の電源回路１４により供給される。

図2及び図3に図示される従来的な供給交流電流のいずれかの１つから生じるときの、供給交流電流の直流電流成分を所望の値に調整する異なる可能性が、図4ないし図7に示される。

図4に示す解決策では、所望の直流電流は、単に、図２の供給された交流電流のブロック電流に重畳される。追加の直流電流は、マイクロコントローラ15による制御信号に応じて電源回路１４により供給される。図示の解決策では、正の直流電流が、従来的な交流電流に重畳されている。その結果、ランプに供給される交流電流I_Lampは、図示のように、重畳された直流電流に対応する正の直流電流成分DCを含む。同一の効果は、従来的な交流電流の両方向に異なる電流強度を用いることによって、直流電流を重畳する追加の手段を有することなく、従って、従来的に使用された電源の構造を変更することなく、達成できる。

図５は、図2に示す標準的な交流ブロック電流から同様に生ずる。図５に示す解決策では、直流電流成分は、従来的な交流電流のデューティーサイクルの半周期の一方の長さを増加し、デューティーサイクルの他方の半周期の長さを短くすることによって達成される。半周期の長さは、マイクロコントローラ15による制御信号に応じて電源回路１４において設定される。図示の解決策では、各々の正の半周期Iは、各々の負の半周期IIよりも長い。その結果、交流電流は、図示のような正の直流電流成分DCを含む。

図６は、図３に示す追加の電流パルスを持つ標準的な交流ブロック電流から生ずる。図6に示す解決策では、直流電流成分は、各半周期における追加の電流パルスの振幅を変調することによって達成される。追加の電流パルスの振幅変調は、マイクロコントローラ15による制御信号に応じて電源回路１４において設定される。図示した状況では、正の半周期Iにおける追加の電流パルスP1は、負の半周期IIにおける追加の電流パルスP2よりも大きな振幅を有する。その結果、交流電流は、図示のような正の直流電流成分DCを含む。

図７は、同様に、図３に示す追加の電流パルスを持つ標準的な交流ブロック電流から生ずる。図７に示す解決策では、直流電流成分は、各半周期における追加の電流パルスの時間を変調することによって達成される。追加の電流パルスの時間変調は、マイクロコントローラ15による制御信号に応じて電源回路１４において設定される。図示した状況では、正の半周期Iにおける追加の電流パルスP1は、負の半周期IIにおける追加の電流パルスP2よりも長い持続時間を有する。その結果、交流電流は、図示のような正の直流電流成分DCを含む。

本発明の示した実施例は、選択されたものに過ぎず、多様な態様で変更が可能である。

本発明による投映システムの一実施例の部品のブロック図である。 直流電流成分の無い交流ブロック電流を示す図である。 直流電流成分の無い、電流パルスを持つ交流ブロック電流を示す図である。 直流電流が重畳された交流ブロック電流を示す図である。 非対称のデューティーサイクルを持つ交流ブロック電流を示す図である。 振幅変調された電流パルスを持つ交流ブロック電流を示す図である。 時間変調された電流パルスを持つ交流ブロック電流を示す図である。

Claims (22)

1. ２つの電極を含む放電ランプを動作させる方法であって、該電極に交流電流を与えることを含む方法において、
   該交流電流は、前記2つの電極間の温度差を補償する直流成分を有し、
   該直流成分は、該電極うちの第2の電極よりも低い温度を有すると予測される第1の電極が該直流成分に対して陽極として機能する一方で該第2の電極が該直流成分に対して陰極として機能するように、選択される、方法。
2. 該直流成分は、全電流の０．１％〜５０％を構成する、請求項１に記載の方法。
3. 該直流成分は、直流電流を交流ランプ電流に重畳することにより得られる、請求項１又は２に記載の方法。
4. 該直流成分は、前記交流電流の両方向において異なる電流強度を与えることにより得られる、請求項１〜３の何れか１項に記載の方法。
5. 該直流成分は、該放電ランプに交流電流を、正の電流の半周期が負の電流の半周期とは異なる長さを有するデューティーサイクルで与えることにより得られる、請求項１〜４の何れか１項に記載の方法。
6. 該直流成分は、該交流電流のデューティーサイクルの各半周期に１以上の追加の電流パルスを供給することにより得られ、該追加の電流パルスのエネルギ量が、該半周期の一方で他方よりも大きくなるように制御される、請求項１〜５の何れか１項に記載の方法。
7. 該直流成分は、該放電ランプの非水平バーニング位置に起因した該電極間での予測温度差に応じて決定される、請求項１〜６の何れか１項に記載の方法。
8. 該直流成分は、該電極の不均一な冷却に起因した該電極間での予測温度差に応じて決定される、請求項１〜７の何れか１項に記載の方法。
9. 該直流成分は、該放電ランプの動作の全時間に対して事前に所定される、請求項１〜８の何れか１項に記載の方法。
10. 該直流成分は、該電極間での予測温度差を表す測定値に基づいて該放電ランプの動作中に調整される、請求項１〜８の何れか１項に記載の方法。
11. 該放電ランプにおける電圧は、該放電ランプに供給される交流電流のデューティーサイクルのそれぞれの半周期中に少なくとも２回測定され、一の半周期中に検出された増加する電圧は、当該半周期で陰極として機能する電極が十分熱いことの表れとされる一方、一の半周期中における減少する電圧若しくは電圧の急降下は、当該半周期で陰極として機能する電極が冷たすぎることの表れとされる、請求項１０に記載の方法。
12. 該直流成分は、制御ループで該放電ランプの動作中に調整され、該制御ループでは、該直流電流成分の値が、冷たすぎであり該他の電極よりも低い温度を有するとみなされた電極に対してより大きなアノード電流が付与されるようにそれぞれに適合される、請求項１０又は１１に記載の方法。
13. 該直流成分は、制御ループで該放電ランプの動作中に調整され、該制御ループでは、該直流電流成分の値が、双方の電極が十分熱いとみなされた場合に減少される、請求項１０〜１２の何れか１項に記載の方法。
14. 該放電ランプに付与される全パワーは、双方の電極が冷たすぎるとみなされた場合に増加される、請求項１０〜１３の何れか１項に記載の方法。
15. 該放電ランプに付与される全パワーは、双方の電極が十分熱いとみなされた場合に減少される、請求項１０〜１４の何れか１項に記載の方法。
16. 前記直流電流の実行された調整に関する情報が、直流電流の将来的な調整を支援するために不揮発性メモリに記録される、請求項１０〜１５の何れか１項に記載の方法。
17. ２つの電極を備える放電ランプを動作させるための電子回路であって、請求項１〜１６のいずれか１項による方法を実現するための手段を含む電子回路。
18. ２つの電極を備える放電ランプを動作させるためのソフトウェアプログラムであって、該放電ランプへの電力供給を制御するドライバの処理手段において実行されるときに請求項１〜１６のいずれか１項による方法を実現するソフトウェアコードを含むソフトウェアプログラム。
19. ２つの電極を備える放電ランプと、請求項１〜１６のいずれか１項による方法を実現する手段とを含む照明システム。
20. 該放電ランプに対して異なるバーニング位置を可能とする、請求項１９に記載の照明システム。
21. 該放電ランプが、当該照明システムの動作中に該電極の一方が他方よりも冷却されるように配置されている、請求項１９又は２０に記載の照明システム。
22. 投映システムである請求項１９〜２１の何れか１項に記載の照明システム。

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