JP4531264B2 - ランプ作動制御装置および方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明はランプ作動装置および方法、特に放電ランプの動作特性を維持するランプコントローラに関するものである。
【産業上の利用分野】
【０００２】
高性能照明システムは、小さなアークから明るい光を発生するように設計された放電ランプおよび精密反射器を内蔵する技術において既知である。かかるシステムは電極間に極めて短いギャップ、代表的には、１mmおよび1.4mm間のギャップを有する球形または卵形の短アーク高圧水銀ランプのようなＨＩＤランプを含む。この結果、アーク輝度は全種類のランプの最高の輝度間にランクされる。短アーク高圧水銀ランプの主な長所は最適な性能に対する極めて短いアーク長さおよび精密なアーク位置の維持に通常依存する臨界的に収束された光学的集光システムを用いる照明システムに対して理想的な極めて高い輝度の光の近点源を構成することである。これは、例えばＴＶ投射システムまたはＬＣＤ表示装置のような投射の目的に理想的に好適とする。
【０００３】
【従来の技術】
これらランプは精密な反射器および光学部材に関連して用いられ、最大に集光された均一なコリメート出力光を発生する。これら光学部材の撮像特性は臨界的ではないが、むしろその機能はアークランプから放出されたエネルギーのほぼ大部分を集光するとともにこれを最小のエタンデュまたは幾何学的な光束寸法のビームに向けるようにする。光学的な集光系の利点は、小寸法および／または口径の投射システムに関する電力消費および製造コストの低減程度をできるだけ小さくするようにした光ビームを発生させることである。
【０００４】
この集光系に関してはいくつかの利点がある。上述したように、小アークギャップから光を発生させる必要がある。その理由はアークギャップが小さければ小さいほど、所定の光出力を発生させる必要のある電力が小さくなるからである。同様に、上述した光学的集光系は安定なアークを必要とする反射器を内蔵し、その集光効率は、アークが著しく動く場合に、著しく低減する。例えば、或る集光系では集められた光の５０％までもが損失し得るようになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したランプの固有の特性は、電極間のアークギャップの変化である。ランプのＡＣ作動中、放電アークは安定しない。その理由は放電アークの起点が電極の先端部の任意の箇所間でジャンプするからである。同様に、電極自体からのタングステン材料（Ｗ）はランプ作動中に蒸発し電極先端部に再堆積する。
【０００６】
アークランプが一定の出力を発生するように構成されたアークランプ電力源を提供することも既知である。かかる電力源を用いる場合にはアークランプ内の出力を測定して、所望の出力が達成され、保持されるように電流を調整する。これがため、アークが電極に当たり長いアークを発生するか、または何等かの理由でアークが短くなる場合には、適宜の電圧および電流変化を与えて所望の予め設定された電力を保持する。しかし、これらの電力源はランプのアークギャップを感知し、制御する機構を有していない。これがため、アークギャップが残存してそれ自体の固有の寸法のとなるも出力は保持される。これがため、アークギャップは変動し許容し得ない寸法となる。
【０００７】
ランプ作動の整合性および再現性を改善する幾つかの方策が試みられている。例えば、デラ等による米国特許第5,608,294号には、放電アークの上述したランダムなジャンプから生じるフリッカーを低減するランプの作動方法が開示されている。この米国特許に開示された方法は、ＡＣ方形波ランプ電流の半周期の所定の一部分に発生する安定化電流パルスを追加することである。この安定化電流パルスはランプ電流と同一の極性を有し、且つ、発生した半周期の後の部分でランプ電流に重畳される。上記デラ等の方法および装置による高圧放電灯が作動する際にランプのフリッカーをほぼ抑止し得ることが判明した。
【０００８】
しかし、本発明はこの技術によってアークギャップを、上述した反射器および光学部材のような或る臨界的システムに対する許容し得ない範囲に亘って変化せしめ得るようにすることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明はアークギャップをその間に有する一対の電極を具える電気放電ランプを作動させる方法において、電力源から前記電気放電ランプに電圧および電流を供給し、ランプ作動パラメータを感知する手段および前記電力源により前記電気放電ランプに供給されるランプ電流を構成する手段を有するコントローラを設け、ランプ作動のパラメータを感知し、感知したパラメータと所望のランプパラメータとを比較し、前記ランプ電流の特定の時間的部分にパルスを供給し得るようにランプ電流を設定することにより所定のランプパラメータを補償するようにしたことを特徴とする。
コントローラによってランプパラメータをモニタするとともにこれに応答して電力源によってランプ電流波形の特定の時間部分に電流パルスを印加する命令を出す。
【００１０】
本発明電気放電ランプ作動装置は、アークギャップをその間に有する一対の電極を具える電気放電ランプを作動させる装置において、前記電気放電ランプの電極対に作動電圧および電流を供給する電力源と、前記電気放電ランプの少なくとも１つの電気パラメータを感知する手段と、前記電気放電ランプの少なくとも１つの感知電気パラメータに応答して前記電力源に供給すべき出力制御信号を取出すコントローラとを具え、該コントローラは少なくとも１つの感知電気パラメータと電気放電ランプの関連する所望のパラメータとを比較する手段を設け、前記コントローラの前記出力制御信号に応答して、前記電力源により前記ランプ電流を調整しこれにランプ電流波形の特定の時間的部分に高エネルギー電流パルスを供給して電気放電ランプの関連する所望のパラメータからの少なくとも１つの電気パラメータの任意の変位を補償するようにしたことを特徴とする。
【００１１】
本発明の重要な態様は、ランプ電流波形に重畳された幅狭高エネルギー電流パルスのエネルギー内容がアークギャップの長さに類似の電極電圧をモニタしながら電流パルスの長さ制御によってアークの長さ全体に亘り著しい影響及ぼす、と云う認識にある。高エネルギー電流パルスのエネルギーはマルチプレクサのフィードバックループによりランプ電極間のアークギャップの長さをモニタし、且つアークギャップの長さを長い時間周期に亘ってほぼ一定に保持するように制御することができる。本発明の他の態様はランプ電流波形のエネルギーに対するよりも高エネルギー電流パルスのエネルギー内容に更に一層感知することである。
【００１２】
【作用】
放電ランプの作動中時間が経過するにつれて、ランプ電極間のアークギャップの長さは通常増大するようになる。本発明によればアークギャップの長さを再調整してその長さを元の長さに戻すように高エネルギー電流パルスを自動的に調整することができる。所望に応じ、アークギャップは、時間が経つと、アークギャップの寸法を元の長さの寸法以下に低減し得るように自動的に調整することができる。その逆の効果も可能、即ち、ランプが新しくなった場合には、元の長さを越えてアークギャップの長さを増大させることもできる。
【００１３】
本発明の他の特徴はアークの長さをアーク電圧の関数として記載し、この関数をマイクロプロセッサーのコントローラに蓄積することができることにある。
【００１４】
本発明によれば、振幅を放電ランプの作動中自動的に調整できる高振幅幅狭電流パルスを有する放電ランプのバラスト（安定器）を開発することができる。幅狭電流パルス（高エネルギーパルス）のパルス高さ（振幅）は、アーク電圧を一定に保持するアルゴリズムに従って調整することができる。例えば、アークが電極に当たってアークの長さ、従ってアーク電圧を増大する場合には、高エネルギー電流パルスの高さを低くすることができ、アーク電圧が減少する（アークギャップが減少する）場合には、パルス高さを増大してアーク電圧、従ってアークギャップを一定に保持し得るようにする。
【００１５】
好適な実施例では、感知手段は、アークギャップの両端間の電圧を測定し、高エネルギー電流パルスの振幅を調整しアークギャップほぼ一定に保持するようにしてアークギャップを感知する。
【００１６】
本発明方法および装置の利点は、電気放電ランプのアーク長さを一定に保持することにある。
【００１７】
本発明方法および装置のさらに他の利点は、全集光系の集光効率を良好に保持することにある。
【００１８】
【実施例】
本発明の好適な例を図面につき説明する。
本例では、本発明を照明システムに適用する。この新規な照明システムはアークギャップの長さをアーク電圧の関数としてモニタするマイクロプロセッサ制御ランプドライバを用いる閉ループフィードバック制御によってランプのアークギャップを積極的に制御する。この情報をマイクロプロセッサにより処理してランプ電流波形の幅狭高振幅パルスの適当な振幅および低振幅幅広パルスに対する部分を取出す。照明システム１０はランプユニット１２、ランプドライバ即ち、電力源１４およびコントローラ１６を具える。
【００１９】
照明システム１０に用いられるランプユニット１２は好適には放電ランプ１８、反射器２０および光学部品２２を具える。ランプ１８は好適には短アーク高輝度放電ランプ、例えばフィリップス社製のＣＳ１００Ｗ２ランプとする。ランプ１８には代表的には密閉石英ガラス容器を設け、これに主として水銀および少量のヨウ化物および希土類金属より成るイオン化充填物を封入する。このランプ１８には一対のタングステン（Ｗ）電極２４を設け、これら電極間に狭いアークギャップ、代表的には１mm乃至1.4mmの範囲のアークギャップ２６を画成する。このランプ１８は熱負荷を両電極で分担するＡＣ駆動ランプとする。電力源によって代表的には方形波ＡＣをランプに給電する。
【００２０】
ランプ１８は上述したように精密反射器２０と相俟って使用する。反射器２０は最大集光効率が得られるように設計し、従って作動中アークギャップ２６（図２）が極めて僅かな変位となるようにする必要がある。アークギャップのかかる変位は光出力の著しい損失につながる。加うるに、ランプユニット１２には追加の光学素子２２を設けて光出力を最適化し、例えばコリメート光出力となるようにする。この小アークギャップおよび光学系によって幅狭高強度光ビームを液晶表示装置（LCD）の素子のような小区域に収束し得るようにする。
【００２１】
この電圧および電流は電力源１４によってランプユニット１２に供給する。好適には、電力源１４はランプ１８の電極２４に接続リード部２８を経て電力（電圧および電流）を供給するウォルカー“セーフアーク”電力源とする。ランプ電流を電力源（１４）で感知し、これをマイクロプロセッサのコントローラ１６の電流感知入力端子に接続ライン３２を経て供給する。
【００２２】
コントローラ１６はアーク電圧を受け、処理用マイクロプロセッサに供給するモトローラ社製の６８０１１型マイクロプロセッサとすることができる。このコントローラによってアーク電圧およびランプ電流情報を処理し、出力制御ライン３８を経て選択信号を供給し、この選択信号によって電力源１４が幅狭高エネルギー電流パルスの高さ（振幅）を調整してアークギャップ２６の長さを長時間一定に保持し得るようにする。コントローラは高エネルギー安定化電流パルス４０のアーク電圧対電流レベルに関連するルックアップテーブルを含み得るようにする（図３）。
【００２３】
図３はランプ電流波形を時間の関数として示す。破線４２は読取ったランプ電力に対する高エネルギー電流パルス４０のレベルを示すとともに矢印の頭部はアークギャップを一定に保持するためにパルス４０の高さを調整することを示す。この調整は、アークギャップの関数としてのアーク電圧を測定することによってアークギャップ２６の長さをモニタするコントローラ１６により行われるフィードバックによって達成される。アークギャップが増大し始めるにつれて、測定されたアーク電圧も増大し、コントローラがこれに応答して電力源１４の制御信号を発生し制御された時間周期に亘りエネルギーパルス４０の高さを再調整してアークギャップを元の大きさに戻すようにコントローラに命令を出す。アークギャップが減少する傾向にある場合には、能動的なフィードバック制御によって逆の影響を生ずる。これがため、コントローラはアークギャップの長さをアーク電圧の関数としてモニタし、この情報を処理し、短い高さの振幅パルス４０の振幅を調整するように電力源に命令を出し、これにより低い振幅パルス４４の部分を発生する。これがため、アークが電極に当たってアークギャップ、従ってアーク電圧が増大する場合には、コントローラおよび電力源によって安定化パルス４０の高さのを低くしてアーク電圧、従ってアークギャップを一定に保持する。
【００２４】
図３において、持続幅のパルス４０はランプ電流の交互の正および負の半周期に存在するが、勿論これらパルスは連続の半周期に存在するとともに調整される。また、電流パルス４０も周期状に、例えば、ランプ電流の第３周期毎に、第５周期毎に、等・・・半周期毎に、或はバースト時に、発生させることができる。
【００２５】
図４は、コントローラによって低振幅の電流パルスの振幅および安定化電流パルス４０の振幅を制御し得る本発明の他の特徴を示す。パルス４４は
パルス４０の変化に比例して増減し、ことによりランプドライブの一時的なエネルギー分布を制御しながら、電力を一定に保持する。これがため、本発明によればアーク長さおよび位置の双方の制御を著しく改善することができる。
【００２６】
本発明は上述した例にのみ限定されるものではなく、要旨を変更しない範囲内で種々の変形や変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明照明システムの構成を示す概略図である。
【図２】 図２は図１に示される照明システムに用いられる慣例のアークランプの電極構造およびアークギャップを示す側面図である。
【図３】 図３はランプ電流波形を時間の関数として示す特性図である。
【図４】 図４はランプ電流波形を時間の関数として示す他の特性図である。

Claims (10)

1. 長さのあるアークギャップをその間に有する一対の電極を備え、前記アークギャップの長さを制御する電気放電ランプを作動させる装置において、
   前記電気放電ランプの電極対に作動電圧および電流を供給する電力源であって、ランプ電流が、ランプ電流波形の特定の時間的部分の間に高エネルギー電流パルスを有する前記電力源と、
   前記電気放電ランプの電極アーク電圧を表す信号に応答して前記電力源に供給すべき出力制御信号を取出すコントローラであって、このコントローラは前記電極アーク電圧と電気放電ランプの関連する所望の値とを比較する手段を有する前記コントローラと、を有し、
   更に、前記電気放電ランプの前記電極アーク電圧である電気ランプパラメータにより前記アークギャップの長さを感知する手段を有し、前記電力源は、前記コントローラの前記出力制御信号に応答して、前記高エネルギー電流パルスの振幅を調整し、それによって、前記関連する所望の値からの前記電極アーク電圧のあらゆる変位を補償することを特徴とする電気放電ランプ作動装置。
2. 前記電力源は、前記コントローラの修正された制御信号に応答して、前記高エネルギーパルスの振幅を調節して電極のアークギャップの長さを一定に保持し得るようにした請求項１記載の電気放電ランプ作動装置。
3. 前記電力源は、前記コントローラの修正された制御信号に応答して、前記高エネルギーパルスの振幅を調節して前記アーク電圧が増大する際に、前記高エネルギー電流パルスの振幅を減少させるか、またはその逆として、アーク電圧を一定に保持するようにした請求項１又は請求項２記載の電気放電ランプ作動装置。
4. 前記電力源によって、比較的広い長方形電流パルスに幅狭の高エネルギー電流パルスが重畳されたＡＣ電流波形を前記ランプ電極に供給するようにし、
   前記長方形電流パルスの振幅を前記幅狭の高エネルギー電流パルス振幅変化の関数として調整してランプ電力を一定に保持するように、前記コントローラの出力制御信号によって前記電力源に命令を出すようにした請求項１乃至３の何れか１項に記載の電気放電ランプ作動装置。
5. 前記コントローラは、前記アーク電圧および前記ランプ電流間の関係を規定するデータを格納するルックアップテーブルを含むマイクロプロセッサーを有する請求項１記載の電気放電ランプ作動装置。
6. 前記電力源は、ランプ電流の後半の部分に発生したランプ周期が重畳された同一極性の高エネルギー電流パルスを有する交流電流波形を発生させるようにした請求項１記載の電気放電ランプ作動装置。
7. 前記電力源によって、ランプ電流の各半周期に高エネルギー電流パルスを発生させるようにした請求項６記載の電気放電ランプ作動装置。
8. 前記電力源によって、交流ランプ電流の連続でない半周期に高エネルギー電流パルスを発生させるようにした請求項６記載の電気放電ランプ作動装置。
9. アークギャップをその間に有する一対の電極を具える電気放電ランプを作動させる方法において、
   電力源から前記ランプ電極に電圧および電流を供給し、前記電流は、ランプ電流波形の特定の時間的部分の間に、高エネルギー電流パルスを与えられ、
   ランプ作動パラメータを感知する手段および前記電力源により前記電気放電ランプに供給されるランプ電流を構成する手段を有するコントローラを設け、
   電極アーク電圧であるランプ作動のパラメータを感知し、
   前記電気アーク電圧と関連する所望の値とを比較し、
   この比較の結果として、前記ランプ電流のランプ電流波形の特定の時間部分に重畳される幅狭の高エネルギー電流パルスの振幅を調整し得るように、前記ランプ電流を調整するようにした電気放電ランプの作動方法。
10. 前記電力源は交流ランプ電流を前記ランプ電極に供給し、前記高エネルギー電流パルスは前記交流ランプ電流の極性と同一の極性を有する請求項９記載の電気放電ランプの作動方法。

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