JP4650795B2

JP4650795B2 - 高圧放電灯点灯装置

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Publication number: JP4650795B2
Application number: JP2006292464A
Authority: JP
Inventors: 義男西沢
Original assignee: iwasakidenki
Current assignee: iwasakidenki
Priority date: 2006-10-27
Filing date: 2006-10-27
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2026-10-27
Also published as: JP2008108670A

Description

本発明は、水銀ランプ、高圧ナトリウムランプ、メタルハライドランプなどのＨＩＤランプ（High Intensity Discharge Lamp：高輝度放電ランプ）を点灯させるための点灯制御装置及び点灯制御方法に関し、特に、液晶プロジェクタ用光源装置の反射鏡付光源ユニットに用いられる高圧水銀蒸気放電ランプの点灯装置及び点灯方法に用いて好適なものに関する。

液晶プロジェクタ用光源装置の反射鏡付光源ユニットに用いられる高圧水銀蒸気放電ランプ（以下、「放電灯」又は「ランプ」という）は、画質向上のため発光点を点光源化することが要請され、このため、電極間距離を小さくすると同時に発光管容積を小さくし、水銀蒸気圧をより高く（例えば１５０気圧程度）にすることで、アークの広がりを抑えて発光効率の向上を図っている。

ところで、この種の放電灯を点灯させる場合、一般的には高周波の共振電圧にイグナイタから高電圧（例えば１５ｋＶ）の始動パルスを印加することにより放電灯を絶縁破壊させ、予め設定された高周波始動電流にて一定時間点灯後、安定した放電を持続させるため、５０〜４００Ｈｚ程度の低周波の矩形波電流での点灯に移行させる。

図１Ａに示す一般的な定ランプ電力点灯方式の放電灯点灯装置を示す回路構成図によると、この放電灯点灯装置は、直流電源部Ｉと、直流電源部Ｉ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直流電力供給部IIと、直流電力供給部IIの直流出力電圧を高周波（１ｋＨｚ以上）または低周波の交流電圧に変換し、放電灯Vに印加するためのフルブリッジ回路IIIと、放電灯始動時に共振電圧および高圧パルス電圧を放電灯に印加するイグナイタ回路部IVとで構成されている。
なお、本明細書においては、「交流電流」とは、振幅を持つ電流がオフセットした結果一方の極性に電流が流れなくなったような電流（以下、「半波電流」という）を含むものとする。

直流電源部Ｉの電圧を受け動作する直流電力供給部IIは後述のＰＷＭ制御回路６により駆動されるスイッチング素子２、ダイオード３、直流リアクトル４及び平滑コンデンサ５により構成された降圧チョッパ回路から成り、直流電源回路部から供給される直流電圧に対して所定のランプ電力またはランプ電流になるよう制御される。

また、その制御は、放電灯V（２８）に並列に接続されたランプ電圧を分圧して検出する分圧抵抗１１の電圧と放電灯２８と直列に接続されランプ電流を検出する抵抗１２の電圧とを掛算処理してランプ電力を算出する掛算器９と、掛算器９の出力端と基準電圧８の電圧とを比較する誤差増幅器７と、誤差増幅器７の出力が入力され直流電力供給回路部IIのスイッチング素子２の駆動パルスを出力するＰＷＭ制御回路６とで構成される。

ＰＷＭ制御回路６は誤差増幅器７の出力に応じたデューティ比の駆動パルスを発生して、直流電力供給回路部IIのスイッチング素子２を駆動し、これによりランプ電力または電流を所定値に制御して放電灯２８を定ランプ電力、あるいは定ランプ電流にて点灯するようになっている。

ここで、放電灯始動前後のフルブリッジ回路IIIとイグナイタ回路IVの動作を説明する。まず、放電灯始動前について、ブリッジ制御回路１７がトランジスタ１３、１６およびトランジスタ１４、１５を数十ｋＨｚの高周波にて交互にＯＮ／ＯＦＦすることにより、チョークコイル１８とコンデンサ１９の直列回路に数十ｋＨｚの矩形波電圧が印加される。
このときチョークコイル１８のインダクタンス値、コンデンサ１９の容量および印加電圧の周波数を適正な値に設定することにより、チョークコイル１８とコンデンサ１９は電圧共振をおこし、放電灯２８の両端にその共振電圧が印加される。一般的には、この共振電圧のピーク値（０−Ｐ）は５００Ｖ〜１０００Ｖ程度となる。

イグナイタ回路IVはこの高周波の共振電圧を受け、ダイオード２０、抵抗２１、コンデンサ２２と電流が流れコンデンサ２２が徐々に充電されていく。また、逆の電圧極性においてはコンデンサ２５、抵抗２４、ダイオード２３と電流が流れコンデンサ２５が徐々に充電される。そして、コンデンサ２２、コンデンサ２５端に接続された放電ギャップ２６およびパルストランス２７の一次巻線間の電圧が放電ギャップ２６のブレークダウンを超えると、放電ギャップ２６はブレークダウンしコンデンサ２２、２５の充電電圧がトランス２７の一次巻線に印加される。

すると放電灯２８に直列に接続されたパルストランス２７の二次巻線端に放電ギャップ２６のブレークダウン電圧をトランスの昇圧比倍したパルス電圧が発生し、コンデンサ１９を介して、そのパルス電圧は共振電圧に重畳して放電灯２８に印加される。
このパルス電圧により放電灯２８は絶縁破壊を起こし、ランプ電流は図５で示すようにグロー放電（期間Ａ）を経てアーク放電（期間Ｂ〜Ｅ）へ移行していく。
この時のアーク放電時のランプ電流値は先のフルブリッジ回路IIIからの矩形波高周波電圧を受け、チョークコイル１８のインダクタンス値とその周波数により決まる値に限流されたものになる。また、このときのランプ電流波形はコイルのインダクタンス成分等により三角波のような波形となる。

制御回路２９はランプ電圧検出値Ｖ_Ｌを受けてその電圧変化からアーク放電開始を検出し、内部のタイマにより図５の期間Ｂ〜Ｄをカウントし、そのカウントが終了後に期間Ｅへ移行するようブリッジ制御回路１７に周波数制御のための指令を出力する。

この過程をもう少し詳細に説明すると、液晶プロジェクタ等に使用される放電灯２８は一般的に空冷条件下で使用するものであり、また反射鏡付となるため左右の電極近傍の熱容量が異なり、かつ空冷の受け方も異なるため、ランプ消灯時の電極近傍の温度の下がり方に差が生じる。そして、図６Ａに示すように温度が早く低下する側の電極近傍に、かたよって蒸発していた水銀が液化し付着することとなる。

先の図３においてはランプが絶縁破壊を起こすと、まず水銀付着の少ない側の電極が陽極となる極性で半波電流でグロー放電を開始する。このグロー放電により陽極側の電極は、ほぼ一様に電子でたたかれるため全体に加熱されていく。すると、電極の中でも例えば図６Ｂで示す外側コイルもエッジや図６Ｃで示す内側コイルのエッジのように熱容量の小さい部分が先に温度が上昇し、その部分が十分加熱されると、その点をスポットとして熱電子放射であるアーク放電が開始される。

アーク放電に移行しても、水銀が付着していなかった側の電極が陽極となる方向で半波でしか電流は流れないが、半波のアーク放電を持続させることにより、もう一方の水銀が付着していた側の電極の水銀も徐々に蒸発していくにつれ、電極の温度も上昇し非対称ながらも電流が流れ始め（図５の期間Ｃ）、十分温度が上昇すると対称な全波の高周波電流（図５の期間Ｄ）となる。
そして、対称な高周波電流となってから、５０〜４００Ｈｚの低周波の矩形波（図５の期間Ｅ）電流へ移行させることにより、その時点での立ち消えや電極への必要以上のスパッタを防止することが可能となる（例えば、特許文献１の図１２、及び特許文献２の図６参照）。

次に、図２に液晶プロジェクタ用光源装置に用いられる放電灯の発光管の一例を示す。電極３の根元側に放熱コイル４が形成されており、電極３の根元３ａ側のコイルエンド４ａから放電管５の内壁５ａまでの距離Ｌが大きいと、封止部６に埋設された電極３の根元３ａ周辺が温まらずに水銀の蒸発が遅れ、始動立ち上がり時間が長くなったり、プロジェクタ装置の電源投入後（点灯開始後）から画面が所定の明るさに達するまでの所要時間が長くなったりするため、その距離は１ｍｍ以下に設計されている。

しかしながら、その距離を１ｍｍ以下とした高圧水銀ランプ２では、その点灯が繰り返し行われると、先の説明のように始動パルスを印加して放電を開始させグロー放電からアーク放電へ移行する際に、瞬間的にアークが広がり特に図６Ｃのようにアーク放電に移行した際のアークスポットと放電管５の内壁５ａの距離が近い場合、図５の丸点線（Ｘ部）で示す時点で瞬間的に広がったアークが内壁５ａに接触し電極構成材料であるタングステンが付着し黒化現象を起こすことがあり、この場合、早期に照度低下を生じ、黒化現象が激しい場合は内壁への熱的な負荷が増大して放電管を破損させ、ランプ寿命を短縮させるという問題があった。

また、上記問題を回避するため図７に示すように予め高周波点灯時のピーク電流を低減させ、アーク放電移行時に瞬間的にアーク広がってもアークが内壁５ａに接触しないような設計も考えられるが、半波点灯時に陰極側となっていた電極の温度上昇が不十分となり、一定時間後に低周波の矩形波点灯へ移行した場合、その電極が陽極となった時、図７の破線で示す時点（Ｙ部）でアーク放電を行えず必要以上にスパッタされたり、立ち消えをおこしてしまったりする場合がある。また、予め高周波点灯時のピーク電流を低減させた設計において高周波点灯時間を長くし、小さくした高周波電流において両電極の温度を十分高めてから低周波の矩形波点灯へ移行させるという考えもあるが、この場合、再始動（発光管が冷えていない段階での始動）させた場合、最初から発光管内の圧力が高いため、高周波点灯時間を長くすることにより発光管内に圧力の高い部分と低い部分の定在波が成長し、音響的共鳴現象によるチラツキや立ち消えの原因となってしまう場合がある。その観点からも、高周波電流の期間（各図の期間Ａの終わりから期間Ｅの始まりまで）は３Ｓｅｃ以内とする必要がある。

また、直流点灯用のランプにおいて類似の問題に取り組むものが特許文献３に開示されている。同文献では、放電開始後の第１の期間では２Ａ程度の直流電流を１０秒程度印加し、第２の期間では４Ａ程度の直流電流を２０秒程度印加し、その後直流２．７Ａの定格点灯を行うものである。これにより放電開始初期の陰極におけるアーク起点のずれに対処するものである。
しかし、特許文献３は直流点灯を前提としているので、交流点灯を前提としている上述の技術のように過渡的に半波放電になってしまうことに起因する問題を解決できるものではない。また、同文献ではランプに印加する電流は必ず一定の直流電流とすることができるが、交流点灯の場合、同じ実効電流をランプに印加してもそれが半波電流になるのか全波電流になるのかはランプの状態によって決まり、それに従って、電流ピーク値も変わってくる。またさらに、同文献では直流点灯のみを行うものであるから上述の音響共鳴現象を考慮する必要は全くないが、高周波点灯を用いる技術においては、その期間（図５の期間Ｄ又は図７の期間Ｃ）は所定の期間内に終了しなければならない。従って、交流点灯の場合、直流点灯に比べて設計上の制約が多く、直流点灯とは異なる対処が要求される。
特開平８−１２４６８７号公報特開２００６−４９１８１号公報特開２００５−５０５７６号公報

上述したように高周波始動における従来の点灯装置においては、ランプの小型化が進み特にランプ消灯直後の発光管内の一対の電極近傍の温度低下の差が大きく、そのため片側の電極に殆どの水銀が付着してしまうような場合、しかもグロー放電からアーク放電へ移行する際にアークスポットが放電管５の内壁５ａの距離が近い場合、瞬間的に広がったアークが内壁５ａに接触し電極構成材料であるタングステンが付着し黒化現象を起こすことがあり、この場合、早期に照度低下を生じ、黒化現象が激しい場合は内壁への熱的な負荷が増大して放電管を破損させ、ランプ寿命を短縮させるという問題があった。
本発明は上記問題に対して、アーク放電移行時の高周波電流を適切に制御することにより、電極材料の飛散による放電管内部の黒化防止及び長寿命化を図ることを技術的課題としている。

本発明の第１の側面は、高圧放電灯に交流電流を印加する交流電流供給回路、及び高圧放電灯の点灯を開始させるイグナイタ回路を備え、高圧放電灯が放電開始後にグロー放電からアーク放電へ移行した後の所定の期間に、定常点灯時よりも高い周波数の交流電流を印加する高圧放電灯点灯装置において、所定の期間が少なくとも第１の期間及びその後に続く第２の期間からなり、交流電流供給回路において、第１の期間における交流電流の振幅を第２の期間における交流電流の振幅よりも小さくし、第１の期間を５０ｍＳｅｃ以上５００ｍＳｅｃ以下とした高圧放電灯点灯装置である。
また、高圧放電灯の定格ランプ電流が１２０Ｗ以上２００Ｗ以下の場合に、第１の期間における交流電流のピーク値を２Ａ以下とした。

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、高圧放電灯、高圧放電灯が取り付けられるレフレクタ、及び少なくとも高圧放電灯点灯装置を内包する筐体からなる光源装置である。

本発明により、アーク放電移行時の半波点灯のピーク電流を一定時間制限し、その後、本来の設計値である高周波電流値へ移行させることにより、電極材料の飛散による放電管内部の黒化防止及び長寿命化を図ることが可能となった。また、ピーク値を制限する時間を適切に規定したので全体として高周波期間を長く取る必要もなく、音響共鳴現象が発生することもない。

本発明における放電灯点灯装置の回路構成は従来例である図１Ａと同じであり、その制御のみが異なるため、異なる部分を以下に説明する。
従来例と同様に、ブリッジ制御回路１７がフルブリッジ回路のトランジスタ１３、１６トランジスタ１４、１５を交互に数十ｋＨｚの高周波でＯＮ／ＯＦＦさせることによりチョークコイル１８とコンデンサ１９が共振し放電灯には０−Ｐで５００Ｖ〜１０００Ｖ程度の高周波電圧が印加される。その電圧にイグナイタ回路からのパルス電圧が重畳されることにより放電灯２８は絶縁破壊を起こし図５の期間Ａと同様に水銀が付着していない側の電極が陽極となる方向で半波でグロー放電が開始される。なお、ランプ２８には定格電力１２０Ｗ〜２００Ｗのものを想定している。

そして従来例と同様に陽極側電極全体が電子でたたかれ一様に発熱していくが、次第に図６Ｂ、図６Ｃのように熱容量の小さいコイルエッジの温度が高くなり、その部分を起点にアーク放電へ移行する。この際、半波放電したアーク放電の電流のピーク値を２Ａ以下に設定することにより、図６Ｃのように内側コイルエッジがアークスポットとなり、グロー放電からアーク放電へ移行した際に、瞬間的にアークが広がってもアークが図２の内壁５ａに接触するほどの大きさとならないため電極材料の飛散による、放電管内部の黒化防止が生じることがない。

また、上記半波放電で２Ａピークの電流のみを印加し続けたのでは、従来例で述べたように所定時間後に低周波の矩形波点灯へ移行した場合に、半波点灯時に陰極側となっていた電極の温度上昇が不十分となり、その電極が陽極となった場合、アーク放電を行えずスパッタされたり、立ち消えをおこしてしまったりするおそれがある。また、予め高周波点灯時のピーク電流を低減させた設計において高周波点灯時間を長くし、小さくした高周波電流においても両電極の温度を十分高めてから低周波の矩形波点灯へ移行させるという考えもあるが、この場合、再始動（発光管が冷えていない段階での始動）させた場合、最初から発光管内の圧力が高いため、高周波点灯時間を長くすると発光管内に圧力の高い部分と低い部分の定在波が成長し、音響的共鳴現象によるチラツキや立ち消えの原因となってしまうおそれがある。

そのため、半波放電で２Ａピークの電流に制限する期間を、グロー放電からアーク放電に移行してから５０ｍＳｅｃ〜５００ｍＳｅｃに限定することが望ましい。そのため、本実施例では、図３に示すランプ始動直後の電流波形（期間Ｂ）において期間Ｂ１及びＢ２のようにアーク放電電流値を２段階で切り替えるようにしている。なお、期間Ｂ１の電流値の下限は放電を維持できる程度であればよく、例えば、０．６Ａ程度以上であればよい。
従って、従来例の図５との違いは期間Ｂの動作にあり、図の期間Ｂ１が上記のグロー放電からアーク放電に移行してからの５０ｍＳｅｃ〜５００ｍＳｅｃに相当する。

ここで、高周波電流のピーク値を２段階に切り替える方法としては、種々の方法が考えられる。例えば、図１Ｂに示すように、直流電力供給回路部IIの出力電圧（即ちフルブリッジ回路IIIへの入力電流）を制御するようにすればよい。図１Ｂにおいては、制御回路２９に検出ランプ電圧Ｖ_Ｌが入力されてその電圧変化からアーク放電の開始が検出され、内部のタイマによってそのアーク放電の開始時から期間Ｂ１の時間がカウントされ、そのカウント終了まではスイッチング素子２のスイッチングにおけるオンデューティ比が小さくなるようにＰＷＭ制御回路６に指令が出力される構成となっている。

また、フルブリッジ回路の周波数を変更するようにしてもよい。この場合は、回路構成は図１Ａと同じになる。制御回路２９に検出ランプ電圧Ｖ_Ｌが入力されてその電圧変化からアーク放電の開始が検出され、内部のタイマによってそのアーク放電の開始時から期間Ｂ１の時間がカウントされ、そのカウント終了まではフルブリッジ回路のスイッチング周波数を期間Ｂ２の周波数より高くするようにブリッジ制御回路１７に周波数制御の指令が出力される構成となっている。これにより、ランプ２８に直列に接続されたトランス・コイル類（例えば、チョークコイル１８）のインピーダンスを上昇させ期間Ｂ１におけるランプ電流を限流することができる。
なお、類似の考え方として、上記のトランス・コイル類のインダクタンスを可変としてそのランプ電流を限流する構成とすることもできる。

このように、グロー放電からアーク放電に移行してから期間Ｂ１におけるランプ電流のピーク値を制限する方法についてのあらゆるバリエーションも本発明の範疇に入るものとする。なお、期間Ｂ１においてランプ電流のピーク値を２Ａ以下とするのは、予め規定された設定値に基づくフィードフォワード的な構成でよく、それにより従来回路に新たな部品を追加することなく本発明の動作を得ることができる（但し、コイル類のインダクタンスを可変とする構成を除く）。
また、本実施例では期間Ｂを期間Ｂ１及びＢ２の２つの期間に分ける２段構成のものを開示したが、３段構成以上のものであってもよいし、期間Ｂ１後の電流値をステップ的に増加させるのではなく徐々に増加させるようにしてもよい。

上述のように、グロー放電からアーク放電への移行後の５０ｍＳｅｃ〜５００ｍＳｅｃのランプ電流のピーク値を２Ａとしたことによって、アーク放電移行直後にアークスポットが内側コイルエッジにできることによる黒化を防止するとともに、水銀が付着していない側の電極も高周波点灯期間に十分に温度が上昇し、スムーズな全波によるアーク放電への移行が可能となる。また、ランプ電流のピーク値を一定期間低減しても高周波点灯期間（期間Ｂ〜Ｄ）を実質的に延長する必要もないので音響共鳴現象の発生も回避できる。

上記実施例では、黒化を防止するとともにスムーズな定常点灯への移行を可能とする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４に示す。
図４において、３１は上記で説明した放電灯点灯装置、３２はランプ２８が取り付けられるレフレクタ、３３は必要に応じて放電灯点灯装置３１、ランプ２８及びレフレクタ３２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。また、図示されない映像系の部材等を筐体３３内に適宜配置してプロジェクタを構成することもできる。

上記より、黒化を防止するとともにスムーズな定常点灯への移行を可能とする高圧放電灯点灯装置を内蔵したので、改善された光学特性の光源装置を得ることができる。

従来及び本発明の放電灯点灯装置の一例を示す説明図。本発明の放電灯点灯装置の一例を示す説明図。プロジェクタ等に用いられる放電灯の発光管の図。本発明における放電灯点灯装置における始動時ランプ電流波形を示す図。本発明の光源装置を示す図。従来の放電灯点灯装置における始動時ランプ電流波形を示す図。プロジェクタ等に用いられる放電灯の発光管における水銀とアークスポットを示す図。プロジェクタ等に用いられる放電灯の発光管における水銀とアークスポットを示す図。プロジェクタ等に用いられる放電灯の発光管における水銀とアークスポットを示す図。従来の放電灯点灯装置における始動時ランプ電流を補足説明する図。

符号の説明

Ｉ．直流電源部
II．直流電力供給回路部
III．フルブリッジ回路
IV．イグナイタ回路
V、２８．放電灯
６．ＰＷＭ制御回路
１７．ブリッジ制御回路
２９．制御回路
３１．放電灯点灯装置
３２．レフレクタ
３３．筐体

Claims

高圧放電灯に交流電流を印加する交流電流供給回路、及び該高圧放電灯の点灯を開始させるイグナイタ回路を備え、該高圧放電灯が放電開始後にグロー放電からアーク放電へ移行した後の所定の期間に、定常点灯時よりも高い周波数の交流電流を印加する高圧放電灯点灯装置において、
前記所定の期間が少なくとも第１の期間及びその後に続く第２の期間からなり、
前記交流電流供給回路において、前記第１の期間における交流電流の振幅を前記第２の期間における交流電流の振幅よりも小さくし、該第１の期間を５０ｍＳｅｃ以上５００ｍＳｅｃ以下としたことを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
請求項１記載の高圧放電灯点灯装置において、
前記高圧放電灯の定格ランプ電力が１２０Ｗ以上２００Ｗ以下の場合に、前記第１の期間における交流電流のピーク値を２Ａ以下としたことを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
請求項１又は請求項２記載の高圧放電灯点灯装置、高圧放電灯、該高圧放電灯が取り付けられるレフレクタ、及び少なくとも該高圧放電灯点灯装置を内包する筐体からなる光源装置。