JP4974048B2

JP4974048B2 - 高圧放電灯点灯装置

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Publication number: JP4974048B2
Application number: JP2006217807A
Authority: JP
Inventors: 信一鈴木
Original assignee: Iwasaki Denki KK
Current assignee: Iwasaki Denki KK
Priority date: 2006-08-10
Filing date: 2006-08-10
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2026-08-10
Also published as: JP2008041588A

Description

本発明はプロジェクタ等に用いられる高圧放電灯を点灯させるための高圧放電灯点灯装置に関する。

近年、プロジェクタ等に用いられる高圧放電灯の場合、その光学特性を改善するため、年々短アーク化（電極間距離を短くすること）が進んでいる。
しかしこのような短アーク型の高圧放電灯では、ランプ電圧が安定状態に移行するまでに大きなランプ電流を流すため、電極の先端が高温で過熱されて電極を構成するタングステンが蒸発し、アーク長がランプ電圧安定状態になる前に長くなってしまうことで短寿命の原因となっていた。このような状態を回避するために、ランプ電圧が安定状態に移行するまでのランプ電流を降圧チョッパ回路部の制御回路で定電流制御、またはそれよりも低い電流で制御しながらランプ電圧を安定状態まで移行させ、電極の先端を比較的低温で加熱することでタングステン蒸発を極力なくし、アーク長の伸長を抑えながら定格ランプ電力を出力することができる。

ところで、高圧放電灯は矩形波点灯でも点灯周波数等によっては電極が突起状に成長することが特許文献１で開示されている。
電極が突起状に成長する現象は必ずしも明確ではないが下記のように推測される。
加熱させたタングステンが蒸発したことによって発光管内に存在するハロゲン等と結合し、タングステン化合物を形成する。このタングステン化合物は対流などによって管璧付近から電極先端付近へ拡散し、高温部でタングステン原子に分解される。そしてタングステン原子はアーク中で電離することで陽イオンとなる。交流点灯している両電極が陽極と陰極を点灯周波数ごとに繰り返すが、この陰極動作をしている時にアーク中の陽イオンは、電界によって陰極側に引き寄せられることで両電極先端に析出され、それが突起を形成するものと考えられている。
なお、特許文献１では、突起を形成するために点灯周波数について定常周波数と低周波数とを変調させる構成を開示している。

このように電極は突起状に成長するが、成長することによりアーク長が短くなるとともにランプ電圧も次第に低下して行く。そして、ランプ電圧が定格ランプ電圧より低い時は定電流制御、またはそれよりも低い電流で制御をしているためタングステンがほとんど蒸発せず、定格電力が出力されないまま点灯、つまり照度が低い状態での点灯や、ランプ電圧を抵抗分圧回路等により検知させ、分圧されたランプ電圧をマイクロコンピュータ（図示せず）に入力することで、あるランプ電圧以下になると回路動作を停止状態にさせる機能（以下、「低ランプ電圧保護・動作停止機能」という）が働いてしまうという問題があった。

上記の電極の成長を抑制することを考慮した点灯方法が特許文献２及び３に開示されている。
特許文献２では、電極成長の抑制や電極表面の修復を行う目的で、点灯周波数を通常よりも低くする期間（例えば点灯周波数５Ｈｚの期間）を設けたり、安定点灯中にランプ電流を定格値よりも高くする期間（１秒以上、通常１０秒程度）を設けたりする構成を開示している。詳細には、低周波期間によって電極部での熱的な集中度を高めて突起を溶かし、高ランプ電流期間によって電極表面を修復するというものであり、特に高ランプ電流期間は安定点灯時に設けるのが好ましいとしている。

また、特許文献３は、電極の消耗によってアーク長が長くなってしまうことと、電極の成長によってアーク長が短くなってしまうこととのバランスを図ることを目的とした制御方法を開示している。同特許文献ではランプ電圧を検出することでアーク長（電極間距離）を検出し、アーク長が長くなればパルス電流を通常のランプ電流に重畳して電極を成長させ、アーク長が短くなればパルス電流の重畳を停止して電極を消耗させ、これによりアーク長を適切な範囲内に維持させようとするものである。なお、電極の成長と抑制についての原理及び発想が特許文献２とは逆である。
特開２００６−０５９７９０号公報特開２００２−１７５８９０号公報特開２００４−１５８２７３号公報

しかし、特許文献２の方法によると、電極表面の状態を適切に保つという効果の有無について言及する以前に、開示される制御がプロジェクタ等の光源装置への適用には適さないという問題がある。点灯が交流電流で行われる場合、その周波数が５０Ｈｚ以下ではランプ電流の極性反転に起因するちらつきが視認できるようになってしまうので、それより低い周波数での点灯は光源装置には適切とはいえない。従って、安定点灯中に例えば５Ｈｚという低い周波数で点灯する同文献の点灯方法は光源装置には適していない。また、安定点灯中に所定の期間（例えば1秒間）だけランプ電流を増大させる期間を設けた場合、その期間だけ光出力が明るくなることになり視覚的に違和感を与え、やはり光源装置には適切な点灯方法とはいえない。

また、特許文献３に記載されているような、通常ランプ電流にパルスを重畳させる動作により電極を成長させることと、パルス重畳を停止させる動作により電極を消耗させることを繰り返す制御については（電極成長と抑制の原理が特許文献２のものが正しいとすると）、実際に特許文献３に開示される技術によって電極の成長が効果的に抑制できるか否かは不明である。その結果、同特許文献でも電極の突起は成長し続ける可能性があり、いずれは定格電力が出力されないまま点灯し続け、照度が低い状態での点灯、または低ランプ電圧保護動作機能が働いてしまい回路動作の停止状態になる可能性があった。

本発明の第１の側面は、高圧放電灯を始動させ高圧放電灯に直流又は交流の電力を投入するための電力供給手段、及び高圧放電灯のランプ電圧を検出して電力供給回路の出力を制御する制御手段からなる高圧放電灯点灯装置であって、制御手段が、始動からの所定時間経過時において、ランプ電圧が第１の電圧以上の場合、ランプ電圧に対するランプ電流又はランプ電力を規定した第１の出力特性に従う第１の制御を選択し、始動からの所定時間経過時において、ランプ電圧が第１の電圧未満の場合、ランプ電圧が第２の電圧以上になるまで、ランプ電圧に対するランプ電流又はランプ電力を規定した第２の出力特性に従う第２の制御を選択する高圧放電灯点灯装置である。

上記第１の側面において、第２の制御を、ランプ電力を定格電力に一定に保つ定電力制御とした。また、第２の出力特性のランプ電流又はランプ電力が、同じランプ電圧に対する第１の出力特性のランプ電流又はランプ電力よりも高くなるようにしてもよい。
さらに、第１の電圧及び第２の電圧を同一として、それを定格ランプ電圧の下限値とした。
また、制御手段が、所定時間経過時までは第１の制御を行うようにした。
ここで、ランプ電流波形に関しては、パルス重畳の有無、点灯周波数が一定でも一定でなくてもよい。

また、上記第１の側面において、高圧放電灯に投入される電力を交流電力とした場合、電力供給手段が、直流電源部からの出力を受け高圧放電灯へ供給する電流を制限する降圧チョッパ回路、及び降圧チョッパ回路により制限された直流電流を交流電流に変換し高圧放電灯に供給するフルブリッジ回路で構成され、制御手段が、ランプ電圧を検出する検出回路、及び降圧チョッパ回路を構成するトランジスタのデューティ比を制御する制御回路で構成されるようにした。

本発明の第２の側面は、高圧放電灯点灯装置、該高圧放電灯点灯装置を内包する筐体、高圧放電灯、及び該高圧放電灯が取り付けられるリフレクタからなる光源装置である。

本発明によると、電極の消耗を防止する構成に加えて、電極の成長によるアーク長の減少を簡素な構成により効果的に防止できる。従って電極を保護しつつも電極の成長に起因するランプ電圧の低下を防止し、照度低下への影響を効果的に防止できる。

図１は本発明による高圧放電灯点灯装置の回路図である。なお、以降の説明において、高圧放電灯６０（以下、「ランプ６０」という）に投入される電流、電圧及び電力をそれぞれランプ電流、ランプ電圧及びランプ電力という。図１の高圧放電灯点灯装置は、直流電源１０、降圧チョッパ回路２０、フルブリッジ回路４０及びイグナイタ回路５０からなる電力供給手段を構成する回路、並びに制御回路３０からなる制御手段を構成する回路からなる。

詳細に説明すると、直流電源１０の出力電流が降圧チョッパ回路２０によって制限されてフルブリッジ回路４０に投入される。この制限は、降圧チョッパ回路２０のスイッチングトランジスタ２１をＰＷＭ制御回路３３によってオンデューティ制御することによって行われる。具体的には、制御回路３０において、抵抗３１ａ及び３１ｂによって降圧チョッパ回路２０の出力電圧（ランプ電圧）が検出され、抵抗３２によって出力電流（ランプ電流）が検出され、それぞれマイクロコンピュータが搭載されたＰＷＭ制御回路３３に入力される。ＰＷＭ制御回路３３内でランプ電圧とランプ電流が乗算されてランプ電力が算出される。
ＰＷＭ制御回路３３は、上記ランプ電圧及びランプ電流又はランプ電力に基づいて、トランジスタ２１のオンデューティを制御する。即ち、本実施例では、ＰＷＭ制御回路３３はプロセッサとしての役割とドライバとしての役割を兼ねている。もちろん、それらを独立した構成としてもよい。

フルブリッジ回路４０において、トランジスタ４１及び４４とトランジスタ４２及び４３とが数１００Ｈｚ程度で交互にオン・オフされることにより、投入された直流電流がその周波数の矩形波の交流電流に変換されて高圧放電灯６０に投入される。なお、イグナイタ回路５０は高圧放電灯６０を始動させるためのものであり、公知のものを用いればよい（本発明は点灯開始後の動作に関するものなので、始動用のイグナイタ回路についての詳細な説明を省略する）。なお、本発明はランプ電力又はランプ電流の制御に特徴があるので、回路構成そのものは一般的なものであってよい。

次に、始動後のランプ電力の制御について説明する。
図２は始動後（放電開始後）のランプ電圧の変化を示すものである。図示するように、一般的な高圧放電灯においては、始動後の数十秒間はランプ電圧が低い状態が続き、その後ランプ電圧が上昇し、始動後から数分後に安定点灯に達する。なお、数分後というのはランプの種類や定格電力によって異なるが１．５分〜２０分後程度である。

実施例１．
上記前提の下、実施例１では、ＰＷＭ制御回路３３が図３（ａ）に示すフローチャートに従ってランプ電力を制御する。なお、ランプ６０には定格電力２７５Ｗの超高圧水銀灯・アーク長１．２ｍｍを用いるものとする。

まず、ステップＳ１で電源が投入され、ステップＳ２でランプが始動（放電開始）する。そして、ステップＳ３において、表１の（１）欄に示す電力特性に従った制御（以下、「通常点灯制御」という）によってランプ６０を点灯する。なお、通常点灯制御を開始する時間は、ステップＳ２の直後であってもよいし、所定の期間経過後からであってもよい。また、フローチャートには示さないが、ＰＷＭ制御回路３３には常にランプ電圧及びランプ電流の検出値が取り込まれ、それによりランプ電力が算出され、各ステップにおいてその値を使用できるものとする。表１から分かるように通常点灯制御においては、ランプ電圧が６５Ｖ以上では定電力制御が行われ、それ未満では、ランプ電圧が減少するとランプ電流及びランプ電力も減少するような特性で制御が行われる。

ステップＳ４において、始動からの経過時間ｔがｔ１に達していなければ通常点灯制御（ステップＳ３）を継続し、経過時間ｔがｔ１に達したらステップＳ５に進む。本実施例ではｔ１を３分とした。なお、ｔ１は図２に示した安定点灯移行時前の適切な時間であればよい。

ステップＳ５において、ランプ電圧Ｖ_ＬがＶ１以上であれば、ステップＳ６に進み通常点灯制御を継続し、検出されたランプ電圧Ｖ_ＬがＶ１未満であればステップＳ７に進み、表１の（２）欄に示す電力特性に従った制御（以下、「低電圧時制御」という）に切り替えてランプ６０を点灯する。ここで、本実施例ではＶ１を定格ランプ電圧下限値の６５Ｖとした。表１から分かるように、低電圧時制御においては、ランプ電圧が６５Ｖ以上であっても６５Ｖ未満であっても定電力制御が行われる。なお、表１の（２）欄の「低電圧保護・停止」については後述する。

なお、図４は上述したような表１の（１）の特性と（２）の特性とを比較した図である。同図からも明らかなように、通常点灯制御におけるランプ電流、ランプ電力をそれぞれＩ_１、Ｐ_１として、低電圧時制御におけるランプ電流、ランプ電力をそれぞれＩ_２、Ｐ_２とすると、Ｖ_Ｌ≧６５Ｖにおいては、Ｉ_１＝Ｉ_２、Ｐ_１＝Ｐ_２であるが、４０Ｖ＜Ｖ_Ｌ＜６５Ｖにおいては、Ｉ_１＜Ｉ_２、Ｐ_１＜Ｐ_２であり、４０Ｖ＜Ｖ_Ｌにおいては全範囲でＰ_２は一定である。

そして、ステップＳ７及びＳ５において、低電圧時制御中にランプ電圧Ｖ_ＬがＶ１（６５Ｖ）以上になったらステップＳ６に進み通常点灯制御に移行する。

また、ｔ１における制御切替え時に、視覚的に違和感のある光束変化の段差が出ないように、１秒〜１０秒程度の期間をかけてなだらかに移行するようにしてもよい。例えば、ｔ１の時点でランプ電圧Ｖが５０Ｖであった場合、ｔ１以前は通常点灯制御を行っていたのでランプ電流は３．８Ａであり、ここで３．８Ａから低電圧時制御における５．５Ａに移行する場合、３．８Ａから５．５Ａまでを１〜１０秒程度をかけて変化させてもよいという趣旨である。

なお、万が一ランプなどに異常があった場合に備えて、電源投入後所定の期間経過後（本実施例では４分後）にランプ電圧が４０Ｖ以下であった場合に、回路の動作を停止させる保護機能を追加してもよい。表１の（２）欄はその保護機能を反映したものである。もちろん、保護機能は（１）の通常点灯制御において適用してもよい。

表２は、表１（１）の通常点灯制御のみを用いて点灯したランプＡと、表１（１）及び（２）の通常点灯制御及び低電圧時制御を図３（ａ）に示すようなフローを用いて点灯したランプＢについて、累積点灯時間に対するランプ電圧の変化を比較するものである。なお、ランプは先に示した定格電力２７５Ｗの超高圧水銀灯・アーク長１．２ｍｍの高圧放電灯であり、投入したランプ電流は矩形波である。

表２から分かるように、累積点灯時間が３００時間を越えたあたりからランプ電圧の差が顕著なものとなる。累積点灯時間が６００時間の時点で、ランプＡはランプ電圧が約３５％も低下しているのに対し、本発明を適用したランプＢでは約１０％の増加している。これはランプの使用上全く問題のないレベルである。ランプ電圧は電極間距離にほぼ比例するので、電極の成長に関しても同様の比較・考察が成り立つ。即ち、電極は成長していない。

なお、本実施例は本発明の基本的概念を実現するための一例である。その基本的概念をここでまとめると、「ランプ始動開始後の所定の時間までに到達すべきランプ電圧に達しないランプ、即ち、電極が成長しつつあるランプについては、始動後の比較的早い期間に、電極が成長していないランプのための通常制御よりも高出力の点灯を行う。これにより、電極の成長を防止又は逆行させ、アーク長が減少するのを防止することができる。」というものである。

実施例２．
実施例１では、単一の電圧（Ｖ１）について各制御の切替え判断をするものを示したが、本実施例では、通常点灯制御から低電圧時制御への移行判断のための電圧と、低電圧時制御から通常点灯制御への移行判断のための電圧とを異ならせたものを示す。
図３（ｂ）に示すように、ステップＳ５において通常点灯制御から低電圧時制御への切替え判断のための電圧をＶ１として、ステップ８において低電圧時制御から通常点灯制御への切替え判断のための電圧をＶ２として、Ｖ１＜Ｖ２としてヒステリシスを持たせてもよい。上述したように、ランプ電圧Ｖ≧６５Ｖでは、通常点灯制御も低電圧時制御も出力は同じであるが、このヒステリシスにより、当初低電圧状態であったランプ６０が低電圧時制御で点灯された後、確実に通常点灯可能な状態となった後に、通常点灯制御に戻すことができる。

一方、図３（ｂ）において、Ｖ１＞Ｖ２として早めに低電圧時制御から通常点灯制御に移行するようにしてもよい。この場合、電極の成長抑制の観点からはＶ１≦Ｖ２の場合よりも劣るが、逆に電極の消耗を抑制する効果をより担保しつつ、本発明の効果を得ることができる。

また、Ｖ１又はＶ２の値をランプの状態に応じて可変としてもよい。例えば、ランプの点灯が累積される過程でランプ電圧が低下傾向にあれば、電極の「消耗」よりも「成長」が進んでいることになるから、電極の成長を抑制する効果をもつ低電圧時制御の効きを強めるために、Ｖ１を（それ以前よりも）下げ、又はＶ２を（それ以前よりも）上げればよい。そうすれば、ｔ１の時点で低電圧時制御に移行し易く、移行しても通常点灯制御に戻り難くなり、低電圧時制御の機会が増えることになる。

また逆に、ランプの点灯が累積される過程でランプ電圧が上昇傾向にあれば、電極の「成長」よりも「消耗」が進んでいることになるから、上記と反対に低電圧時制御の効きを緩めるために、Ｖ１を（それ以前よりも）上げ、又はＶ２を（それ以前よりも）下げればよい。そうすれば、ｔ１の時点で低電圧時制御に移行し難く、又は移行しても通常点灯制御に戻り易くなり、低電圧時制御の機会が減ることになる。

実施例３．
実施例１及び２においては、好適にアーク長の減少を防止する高圧放電灯点灯装置を示したが、本実施例においてはそれを用いた光源装置を示す。
図５は第３の実施例に係る光源装置を示す図である。図において、７１は上記で説明した高圧放電灯点灯装置、７２は高圧放電灯６０が取り付けられるレフレクタ、７３は必要に応じて高圧放電灯点灯装置７１、高圧放電灯６０及びレフレクタ７２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７３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、実施例１及び２で示したような確実にアーク長の減少を防止でき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。

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、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、例えば以下のように変更することも可能である。
（１）実施例１及び２ではランプ電流を矩形波の交流電流としたが、ランプ電流が直流、正弦波、三角波若しくは他の波形又はそれらの組み合わせであっても、あるいは低周波、高周波若しくは不規則波又はこれらの組み合わせであっても、本発明の原理を適用することができる。なぜなら、比較的長い期間（数秒〜数分）のランプ電力の実効値さえ制御できれば、本発明の効果は得られるからである。また、上記のような変形例を実現するための回路構成はそれぞれの公知のものを用いればよい。

（２）実施例１及び２において、低電圧時制御として定電力制御を用いたが、低電圧時に相応のランプ電力（通常点灯制御よりも高いランプ電力）を投入できれば、定電力制御以外の制御方法（例えば、定電流制御、所定のテーブルに従った制御等）を用いても相応の効果が得られる。

（３）実施例１及び２においては、ｔ１以前の制御に通常点灯制御を用いたが、他の制御（即ち、安定点灯到達前のための専用の制御）を用いてもよい。

本発明の活用は、主にプロジェクタやプロジェクションＴＶ、映写機などの光源装置に使用される。

本発明の高圧放電灯点灯装置の回路構成を示す図一般的な高圧放電灯のランプ電圧の挙動を示す図本発明の制御を示すフローチャート本発明のランプ電力特性を示す図本発明の光源装置を示す図

符号の説明

１０：直流電源
１１：ＡＣ電源
１２：全波整流回路
１３：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
３１ａ、３１ｂ、３２：抵抗
３３：ＰＷＭ制御回路
４０：フルブリッジ回路
４１，４２，４３，４４：トランジスタ
５０：イグナイタ回路
６０：高圧放電灯
７１．高圧放電灯点灯装置
７２．レフレクタ
７３．筐体

Claims

高圧放電灯を始動させ該高圧放電灯に直流又は交流の電力を投入するための電力供給手段、及び該高圧放電灯のランプ電圧を検出して該電力供給回路の出力を制御する制御手段からなる高圧放電灯点灯装置であって、
前記制御手段が、
始動からの所定時間経過時までは、ランプ電圧に対するランプ電流又はランプ電力を規定した第１の出力特性に従う第１の制御を行い、
前記所定時間経過時において、前記ランプ電圧が第１の電圧以上の場合、前記第１の制御を選択し、
前記所定時間経過時において、前記ランプ電圧が該第１の電圧未満の場合、前記第１の制御から、同じランプ電圧に対して前記第１の出力特性よりも高いランプ電流又はランプ電力を規定した第２の出力特性に従う第２の制御に切り替え、ランプ電圧が第２の電圧以上になるまで、第２の制御を行う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、前記第２の制御がランプ電力を定格電力に一定に保つ定電力制御であ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、前記制御手段が、前記第１の制御から前記第２の制御への切替えを、１秒〜１０秒の期間をかけてなだらかに移行させることを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
請求項１から請求項３いずれか一項に記載の高圧放電灯点灯装置において、前記第１の電圧及び前記第２の電圧が同一であり、ともに定格ランプ電圧の下限値である高圧放電灯点灯装置。
請求項１から請求項４いずれか一項に記載の高圧放電灯点灯装置において、前記高圧放電灯に投入される電力が交流電力であり、
前記電力供給手段が、直流電源部からの出力を受け該高圧放電灯へ供給する電流を制限する降圧チョッパ回路、及び該降圧チョッパ回路により制限された直流電流を交流電流に変換し該高圧放電灯に供給するフルブリッジ回路からなり、
前記制御手段が、ランプ電圧を検出する検出回路、及び該降圧チョッパ回路を構成するトランジスタのデューティ比を制御する制御回路からなることを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
請求項１から請求項５いずれか一項に記載の高圧放電灯点灯装置、該高圧放電灯点灯装置を内包する筐体、高圧放電灯、及び該高圧放電灯が取り付けられるレフレクタからなる光源装置。