JP4605551B2 - 高圧放電灯点灯装置及び高圧放電灯の点灯方法 - Google Patents

Description

本発明は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及びそれを用いた光源装置並びに高圧放電灯の点灯方法に関する。

反射鏡と組み合わされた短アークの高圧放電灯を用いた光源装置は、プロジェクタやプロジェクションＴＶ等のバックライトとして用いられている。
近年、これらの高圧放電灯は、更なる明るさの向上や小型化、長寿命化等様々な特性の改善が要求されている。特に長寿命化は要求が高く、更なる改善が必要とされている。そして、長寿命化のためにはアーク長を寿命期間中に維持することが重要な課題となっており、より具体的には高圧放電灯の点灯電圧（以下、「ランプ電圧」という）を一定に維持することが必要とされる。

そのため、これらの高圧放電灯には水銀と微量のハロゲンが封入されており、点灯中に蒸発した電極材のタングステンがハロゲンサイクルによって電極先端に戻り、寿命期間中のアーク長変化を抑制し、ランプ電圧を維持している。
しかし実際には、高圧放電灯の累積点灯時間が数十時間程度の初期に、ランプ電圧は低下し、その後長期にわたる寿命期間中においてはランプ電圧が暫時上昇することが知られている。
また、寿命期間中においてはランプ個々のばらつき、外気温などの点灯条件のばらつきによってもランプ電圧が上昇や下降といった挙動を見せる。

しかし、これらのランプ電圧の変動を同じ点灯周波数条件で制御することは難しいことから、周波数を変化させる事により改善を試みる提案もなされている。例えば、特許文献１に記載されているように、ランプ点灯時のランプ電圧に応じて点灯周波数を変化させることによりランプ電圧を制御する方法がその１つである。具体的には、ランプ電圧がある基準値よりも低くなった場合は点灯周波数を高くし、ランプ電圧がある基準値よりも高くなった場合は点灯周波数を低くするという制御をしている。これは、ランプ点灯周波数が高い場合はランプ電圧の挙動が上昇傾向にあり、逆に点灯周波数が低い場合はランプ電圧の挙動が下降傾向にあるという既知の事実に基づいた制御である（以下、それぞれ「高周波」、「低周波」という）。

また別の方策として、例えば特許文献２のように、２つ以上の異なる点灯周波数に複数回切替えて変化させてランプを点灯させる制御が提案されている。すなわち、当初から高周波成分及び低周波成分を含む複数の周波数成分を所定のバランスで合成したランプ電流波形を採用し、高周波による効果及び低周波による効果を複合的に発揮させようというものである。

より具体的には、高圧放電灯に図８で示す複数の点灯周波数を組み合わせた交流矩形波電流を流し、前記高圧放電灯を点灯させている。そして図９（ａ）は、その点灯試験における累積点灯時間と輝度維持率の関係を表すグラフであり、図９（ｂ）は、その点灯試験における累積点灯時間とランプ電圧の関係を表すグラフである。この試験結果においては、ランプの寿命における輝度維持率、及びランプ電圧の挙動が良好になるように、複数の点灯周波数が任意に選択され、またその組み合わせを切り替えながら高圧放電灯を点灯させる設計となっている。
特開２００６−１８５６６３号公報 特許第３８５１３４３号

しかしながら、ランプの寿命中においてはランプ個々の特性バラツキ、点灯条件などから電極突起の成長、消耗を制御、維持する最適な条件も変化していく。そのため、複数の点灯周波数によるランプ電圧制御においても、ランプのパラメータを検出し、その点灯パラメータに応じて点灯周波数条件を変化させることが望ましい。

さらに、光源装置においてはランプの点灯周波数に同期した微小な輝度変化が存在し、これと光源装置内の映像同期信号の周波数とが干渉し合うことにより、投写映像に縞模様が表れてしまうことがある。これを回避するためには、ランプの実用的な点灯周波数範囲の中で何種類かの限定された点灯周波数しか適用することができないため、任意に点灯周波数を変化させることができない場合も考慮することが望ましい。

以上を考慮すると、複数の点灯周波数を組合せ、点灯中のランプパラメータに応じて点灯周波数の組合せを変化させる制御を実施すれば、理想的なランプ電圧制御が可能であると考えられた。そして、これによりアーク長の変化が抑制され、長寿命化が可能であると考えられていた。

発明者らは、ランプ点灯周波数切り替え機能を有する高圧放電灯点灯装置を試作し、その点灯装置にてランプの点灯試験を実施し、試験中のランプ電圧観測、測定を行なった。
その結果、確かに高周波では点灯中のランプ電圧は上昇傾向にあり、逆に低周波ではランプ電圧は下降傾向にあるものの、それは点灯時間内で長期的に観測した場合の結果であり、点灯周波数を切替えた直後にはランプ電圧が全く異なる挙動を示すことが確認された。

すなわち、図１０に示すように、点灯周波数を低周波から高周波に切替えるとランプ電圧は（長期的には上昇するはずであるにもかかわらず）短期的に数Ｖから十数Ｖ低下し、逆に点灯周波数を高周波から低周波に切替えるとランプ電圧は（長期的には低下するはずであるにもかかわらず）短期的に数Ｖから十数Ｖ上昇するという挙動を示すことが分かった。

ランプ電圧がこのような挙動を見せるのは、以下のような理由であると考えられる。
低周波から高周波に切り替える場合、極性反転するまでの時間が短くなる。陽極動作をしている側の電極先端での電子衝突回数が減少し、電極先端温度が低下する。切替直後は急激に電極先端温度が低下するため電極蒸発が少なく、短期間においては電極先端突起に新たな突起が形成されるため、アーク長が短くなり、ランプ電圧低下を引き起こす。しばらく高周波で点灯を続けると、既知の事実の通り、突起は蒸発し、ランプ電圧が上昇を開始する。

逆に、高周波から低周波に切り替える場合、極性反転するまでの時間が長くなる。電極先端での電子衝突回数が増えることで、電極先端温度が上昇し、電極の蒸発が促進されるものと考えられる。切替え直後は電極先端温度が急激に上昇するため、電極先端突起が蒸発し、アーク長が長くなり、ランプ電圧上昇を引き起こすが、しばらく低周波で点灯を続けると、ハロゲンサイクルにより、電極先端突起が再形成され、ランプ電圧が下降を開始する。

従って、本発明は、点灯周波数に対するランプ電圧の長期的／短期的な上昇／下降の傾向を考慮及び利用して点灯周波数を制御することによって、ランプ電圧、即ち、アーク長を長期的にも短期的にも適正な範囲に維持することを目的とする。

本発明の第１の側面は、一対の電極を有する高圧放電灯を交流点灯させる高圧放電灯点灯装置であって、交流点灯の点灯周波数を制御する制御手段、及び高圧放電灯のランプ電圧を検出する検出手段を備え、制御手段が、主点灯周波数を第１の周波数ｆ１として点灯させた状態から、ランプ電圧が所定値を超えた場合に主点灯周波数を第ｎの周波数ｆｎ（２≦ｎ、ｆ(ｎ−１)＜ｆｎ）として所定の時間継続し、その後ｆ１〜ｆｎから選択された複数の周波数を成分とする合成電流波形を出力して各周波数成分の単位時間当たりの含有構成比を、合成電流波形の平均周波数が経過時間に応じて下がるように変化させ、再び主点灯周波数を第１の周波数ｆ１とするように構成された高圧放電灯点灯装置である。

ここで、主点灯周波数を第ｎの周波数ｆｎとする所定の時間を３０分以上３時間以下とするのが好ましい。
また、含有構成比の変化が段階的に行なわれるように構成し、段階的変化の１段当たりの所要時間を１分以上１時間以下とするのが望ましい。

本発明の第２の側面は、上記第１の側面の高圧放電灯点灯装置及び高圧放電灯を内包したプロジェクタからなる光源装置である。

本発明の第３の側面は、一対の電極を有する高圧放電灯の点灯方法であって、（Ａ）主点灯周波数を第１の周波数ｆ１として点灯させるステップ、（Ｂ）ランプ電圧が所定値を超えた場合に主点灯周波数を第ｎの周波数ｆｎ（２≦ｎ、ｆ(ｎ−１)＜ｆｎ）として所定の時間継続するステップ、（Ｃ）ｆ１〜ｆｎから選択された複数の周波数を成分とする合成電流波形を出力して各周波数成分の単位時間当たりの含有構成比を、合成電流波形の平均周波数が経過時間に応じて下がるように変化させるステップ、及び（Ｄ）主点灯周波数を第１の周波数ｆ１とするステップからなる点灯方法である。

ここで、ステップ（Ｂ）の継続時間を３０分以上３時間以下とすることが好ましい。
また、ステップ（Ｃ）の含有構成比の変化を段階的に行ない、段階的変化の１段当たりの所要時間を１分以上１時間以下とするのが望ましい。

本発明によると、点灯周波数に対するランプ電圧の長期的／短期的な上昇／下降の傾向を考慮及び利用して点灯周波数を制御する構成としたので、ランプ電圧、即ち、アーク長を長期的にも短期的にも適正な範囲に維持することが可能となった。

図１は本発明の回路構成図である。図１について以下に説明する。本発明の高圧放電灯点灯装置は、全波整流回路１０、全波整流回路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又はランプ電流に制御する降圧チョッパ回路２０、降圧チョッパ回路２０の直流出力電圧を交流矩形波電流に変換してランプ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に印加するためのイグナイタ回路５０、並びに降圧チョッパ回路２０及びフルブリッジ回路４０を制御するための制御回路３０で構成されている。なお、図面を見やすくするために整流回路１０として全波整流・コンデンサインプット型の回路を示しているが、必要に応じて昇圧回路（力率改善回路）等も含むものとする。

降圧チョッパ回路２０はＰＷＭ制御回路３４によってＰＷＭ制御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で構成され、全波整流回路１０から供給される直流電圧を所定のランプ電力又はランプ電流に変換するように制御される。フルブリッジ回路４０はブリッジ制御回路４５によってトランジスタ４１及び４４の組とトランジスタ４２及び４３の組とが所定の周波数で交互にオン／オフするように制御される。これにより、ランプ６０に（基本的には矩形波の）交流電流が印加される。ランプ６０には定格電力５０〜４００Ｗ程度のものを想定している。なお、上記の所定のランプ電力又はランプ電流の値及び所定の周波数は制御回路３０内の中央制御部３５によって決定される。また、定ランプ電流制御には電流検出手段（抵抗３３）による検出ランプ電流を、定ランプ電力制御には電圧検出手段（抵抗３１及び３２）による検出ランプ電圧と検出ランプ電流の乗算値を中央制御部３５内において必要に応じて使用することができる。

本発明は、点灯時のランプパラメータ（例えば、ランプ電圧）を検出し、検出結果に応じて所定の時間高周波ｆ２で点灯し、その後ｆ１とｆ２の複数の周波数成分からなる合成点灯周波数にて高圧放電灯を点灯し、各点灯周波数の単位時間あたりの含有率（又は含有構成比、以下同じ）を調整するものである。なお、単位時間とは、必ずしも１秒とする必要はなく数秒単位であってもよい。また、含有率を時間比で決定する方法や、サイクル数の比で決定する方法があり、いずれも同等の効果を得られる。

ここで、再度、点灯周波数及びその切替えとランプ電圧の挙動の関係についてまとめると以下の通りである。
高周波での点灯・・・長期的にランプ電圧が上昇する。
低周波での点灯・・・長期的にランプ電圧が下降する。但し、ライフが進むと電極自体が消耗してランプ電圧が上昇する場合がある。
なお、低周波と高周波の境目は１００〜２００Ｈｚにある。
低周波から高周波への切替え・・・短期的にランプ電圧が下降する。
高周波から低周波への切替え・・・短期的にランプ電圧が上昇する。

上記の具体例として、まず通常点灯時の周波数ｆ１のみ（ｆ１＝１００％／ｆ２＝０％）で点灯させる。ここで、ｆ１として上記で言う低周波〜境界周波数に属するものを用いる。上述したように、ランプ電圧はｆ１での点灯では当初下降傾向にあってもライフが進むにつれて電極自体の消耗によりランプ電圧が高くなる場合がある。このようにランプ電圧が上昇してきた場合、ランプ電圧を一度降下させ、その後ランプ電圧を維持又は僅かに上昇させる制御を行うことが望ましい。

そこで、ランプ電圧が所定値を超えた場合、ランプ電圧を短期的に下げるために、低周波ｆ１から高周波ｆ２への切替えを利用する。そして、高周波ｆ２のみ（ｆ１＜ｆ２：ｆ１＝０％／ｆ２＝１００％）で２時間点灯させ、これによりランプ電圧を短期的に下降させる。仮に、この直後に点灯周波数を瞬時にｆ１に戻すと、ランプ電圧が急峻に上昇してしまうことが予想される。そこで、ｆ２のみの状態から例えば（ｆ１＝２０％／ｆ２＝８０％）に変化させ１０分点灯し、次に（ｆ１＝４０％／ｆ２＝６０％）に変化させ１０分点灯させ、同様に（ｆ１＝６０％／ｆ２＝４０％）、（ｆ１＝８０％／ｆ２＝２０％）の状態を各１０分点灯させ、再び低周波ｆ１のみ（ｆ１＝１００％／ｆ２＝０％）の状態で点灯させる。その後、ランプ電圧が再び所定値を超えた場合は、上記同様の点灯方法を行う。

また、ランプ電圧の所定値（しきい値）は１つとは限らず、さらに高い第２、第３などの複数のしきい値を設定してもよい。挿入する高周波の周波数もしきい値によってｆ３、ｆ４（ｆ２＜ｆ３、ｆ４）と設定してもよい。
なお、含有構成比の変化は段階的であっても連続的なものであってもよい。
以上の制御により、図１０のような短期的なランプ電圧の振動を起こすことなく、ランプ電圧、即ち、アーク長を適正な範囲に維持することができる。

また、周波数含有率を変化させる際の、その段階数と各段階の所要時間について、段階数は多い方が各含有率変化点での変化率が小さいため、ランプ電圧の変動を小さくすることができる。従って、実仕様（プログラムの仕様等）において無理のない範囲で段階が多い設定とすればよい。また、各段階の所要時間について、これを短くし過ぎると、低周波→高周波の瞬時の切替えに近い態様となり、ランプ電圧の急峻な上昇を招いてしまい本発明の趣旨に反してしまう。一方、これを長くし過ぎると、高周波を含有する期間が長くなり、高周波の長期的傾向であるランプ電圧の上昇が誘発され、ランプ電圧がその後比較的早くしきい値に達してしまうことが予想される。このような観点から、各段階の所要時間を１分以上１時間以下程度に設定するのが望ましい。

上記動作を繰り返すことにより、図１０のような短期的なランプ電圧の振動を起こすことなく、ランプ電圧を所定の範囲に維持することができる。また、本発明では点灯周波数及びその切替えに対するランプ電圧の挙動の知識を利用しているので、本制御に関してはランプ電圧低下を検出するための手段が不要である。

上記例を実際に行った実験結果を図２に示す。
実験では、ｆ１＝１００Ｈｚ、ｆ２＝３００Ｈｚとし、上記ランプ電圧の所定値を８５Ｖに設定した。
低周波ｆ１で点灯させていると、点灯時間４１０時間付近まではランプ電圧が（当初予定しているような）長期的な低下又は維持傾向にあったものの、ライフの進行により４１０時間付近からランプ電圧が上昇した。
点灯時間約４４２時間において（図の破線）、ランプ電圧が所定値８５Ｖに達したことを中央制御部３５が検出し、点灯周波数をｆ２に切替えた。これによりランプ電圧が短期的に約７５Ｖに低下した。

その後、（ｆ１＝２０％／ｆ２＝８０％）、（ｆ１＝４０％／ｆ２＝６０％）、（ｆ１＝６０％／ｆ２＝４０％）、（ｆ１＝８０％／ｆ２＝２０％）の各状態を１０分ずつ点灯させ、再びｆ１のみの点灯に戻した。この含有構成比の段階的変化によって、短期的な急激なランプ電圧の上昇を抑えることができた。なお、図９では、経過時間４８８時間以降でも上記と同様の一連の制御が行なわれた。

上記実施例では、ランプ電圧制御を向上した高圧放電灯点灯装置を示したが、それを用いたアプリケーションとしての光源装置を図３に示す。
図３において、１００は上記で説明した図１の高圧放電灯点灯装置、７０はランプが取り付けられる反射鏡、１１０は高圧放電灯点灯装置、ランプを内蔵する筐体である。なお、図は実施例を模擬的に図示したものであり、寸法、配置などは図面通りではない。そして、図示されない映像系の部材等を筐体に適宜配置してプロジェクタが構成される。

図４に本発明による点灯方法のフローチャートを示す。なお、本実施例においては、合成波に含有する周波数成分をｆ１（低周波）、ｆ２、・・・、ｆｎ（高周波）から選択される複数の周波数とした。
ステップＳ１００で点灯を開始する。
ステップＳ１１０において、点灯周波数を第１の周波数ｆ１として点灯させる。本実施例ではｆ１のみを成分としているが、主となる周波数成分がｆ１であれば他の周波数成分が多少含有されていてもよい。

ステップＳ１１５において、ランプ電圧（ＶＬ）が所定値（例えば８５Ｖ）を超えているか否かを判断する。ランプ電圧が所定値を超えている場合はステップＳ１２０に進み、それ以外はステップＳ１１０に戻りｆ１での点灯を続ける。

ステップＳ１２０において、点灯周波数を第ｎの周波数ｆｎ（２≦ｎ、ｆ(ｎ−１)＜ｆｎ）として所定の時間継続する。ステップＳ１２０により、ランプ電圧が短期的に下がる。
なお、本実施例ではｆｎのみを成分としているが、主となる周波数成分がｆｎであれば他の周波数成分が多少含有されていてもよい。ここで、上記所定の時間を約３０分以上３時間以下とするのが望ましい。

ステップＳ１３０において、ｆ１、ｆ２・・・、ｆｎから選択された複数の周波数を成分とする合成電流波形を出力する。この際に、合成電流波形の平均周波数が経過時間とともに下がるように、各周波数成分の単位時間当たりの含有構成比を変化させる。また、周波数成分の含有構成比の変化を段階的に行ない、段階的変化の１段当たりの所要時間を１分以上１時間以下とするのが望ましい。ステップＳ１３０によって、短期的な急激なランプ電圧の上昇を抑えることができる。

ステップＳ１３０が終了するとステップＳ１１０に戻る。
なお、ステップＳ１２０及びＳ１３０において、ｎ＝２とすれば、実験例で示したｆ１及びｆ２を用いる実施例を実現することができる。

なお、上記実施例は本発明の最も好適な例として示したものであるが、それに関連して以下を注記しておく。
（１）本実施例における出力電流としての「矩形波」とは、厳密には完全な矩形波ではないような波形も含む。例えば、完全な矩形波では無く、図５のように矩形波半サイクルの開始時の電流値と終了時の電流値とが僅かに異なるような波形や、図６のように半サイクルの中盤に僅かな凹凸があるような波形、また図７のように点灯時の極性ごとに電流の時間積が異なる波形も含む。従って、通常点灯時におけるランプ電流はそのような波形も含む趣旨である。

（２）本発明においては、周波数の含有率を時間配分として百分率（％）で表現しているが、実際の設計においてはある周波数のサイクル数を数倍した時間と、含有率時間が厳密に一致することはないため、含有率の値はおおよそである場合もあり、周波数があるサイクルの途中で途切れ、別の周波数での点灯が開始されるようなものになるが、趣旨は前記したとおりである。

（３）本発明において、ランプパラメータをランプ電圧としてランプ電圧に応じて低周波と高周波を切替える構成としたが、ランプパラメータを点灯開始からの点灯継続時間として、所定の点灯継続時間ごとに低周波と高周波を切替えるようにしてもよい。予めランプ電圧の挙動が分かっているようなランプの場合には、ランプ電圧を検出することなくこの動作を行なうことができる。

（４）実施例においては、交流電力供給回路を整流回路、降圧チョッパ回路及びフルブリッジ回路で構成したが、ランプに交流矩形波が供給できれば他の構成であってもよい。例えば、入力電源が直流電源であれば、フルブリッジ回路の前段部はＤＣ／ＤＣコンバータのみでよい。また、直流を交流に変換できればフルブリッジ回路の代わりにプッシュプル型インバータなどの他の方式の回路を用いてもよい。

（５）また、制御回路３０は、フルブリッジ回路４０のトランジスタ４１〜４４の反転制御と降圧チョッパ回路２０のトランジスタ２１のＰＷＭ制御を行うことができれば、制御回路内の構成は図示したものに限定されない。

本発明の高圧放電灯点灯装置を示す回路構成図である。 本発明を実施したランプ電圧変動を示す図である。 本発明の光源装置を説明する図である。 本発明の点灯方法のフローチャートである。 本発明を説明する図である。 本発明を説明する図である。 本発明を説明する図である。 従来の点灯方法によるランプ電流を示す図である。 従来の点灯方法を説明する図である。 従来の点灯方法を説明する図である。

符号の説明

１：ＡＣ電源
１０：全波整流回路
１１：ダイオードブリッジ
１２：コンデンサ
２０：降圧チョッパ回路
２１：トランジスタ
２２：ダイオード
２３：チョークコイル
２４：コンデンサ
３０：制御回路
３１，３２，３３：抵抗
３４：ＰＷＭ制御回路
３５：中央制御部
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
５１：イグナイタ制御回路
６０：高圧放電灯
７０：反射鏡
１００：高圧放電灯点灯装置
１１０：プロジェクタ筐体

Claims (7)

1. 一対の電極を有する高圧放電灯を交流点灯させる高圧放電灯点灯装置であって、
   前記交流点灯の点灯周波数を制御する制御手段、及び
   前記高圧放電灯のランプ電圧を検出する検出手段
   を備え、
   前記制御手段が、主点灯周波数を第１の周波数ｆ１として点灯させた状態から、前記ランプ電圧が所定値を超えた場合に主点灯周波数を第ｎの周波数ｆｎ（２≦ｎ、ｆ(ｎ−１)＜ｆｎ）として所定の時間継続し、その後ｆ１〜ｆｎから選択された複数の周波数を成分とする合成電流波形を出力して各周波数成分の単位時間当たりの含有構成比を、該合成電流波形の平均周波数が経過時間に応じて下がるように変化させ、再び主点灯周波数を前記第１の周波数ｆ１とするように構成された高圧放電灯点灯装置。
2. 請求項１記載の高圧放電灯点灯装置において、前記主点灯周波数を第ｎの周波数ｆｎとする所定の時間を３０分以上３時間以下とした高圧放電灯点灯装置。
3. 請求項１記載の高圧放電灯点灯装置において、前記含有構成比の変化が段階的に行なわれるように構成され、段階的変化の１段当たりの所要時間が１分以上１時間以下である高圧放電灯点灯装置。
4. 請求項１から３いずれか一項に記載の高圧放電灯点灯装置及び前記高圧放電灯を内包したプロジェクタからなる光源装置。
5. 一対の電極を有する高圧放電灯の点灯方法であって、
   （Ａ）主点灯周波数を第１の周波数ｆ１として点灯させるステップ、
   （Ｂ）ランプ電圧が所定値を超えた場合に主点灯周波数を第ｎの周波数ｆｎ（２≦ｎ、ｆ(ｎ−１)＜ｆｎ）として所定の時間継続するステップ、
   （Ｃ）ｆ１〜ｆｎから選択された複数の周波数を成分とする合成電流波形を出力して各周波数成分の単位時間当たりの含有構成比を、該合成電流波形の平均周波数が経過時間に応じて下がるように変化させるステップ、及び
   （Ｄ）主点灯周波数を前記第１の周波数ｆ１とするステップ
   からなる点灯方法。
6. 請求項５記載の点灯方法において、前記ステップ（Ｂ）の継続時間が３０分以上３時間以下である点灯方法。
7. 請求項５記載の点灯方法において、前記ステップ（Ｃ）の含有構成比の変化を段階的に行ない、段階的変化の１段当たりの所要時間が１分以上１時間以下である点灯方法。

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