JP5098407B2 - 放電灯点灯装置及び投射型画像装置または照明装置 - Google Patents

Description

本発明は高圧水銀灯ランプ等の放電灯を点灯させる放電灯点灯装置、及びこれら放電灯を用いた投射型画像装置または照明装置に関するものである。

投射型画像表示装置（例えばプロジェクター）の使用される状況に関して、従来までは学校等の教育機関や企業の会議室等での使用と、一部のマニア層の支持が主だったものであったが、現在では広く民生市場にも普及しつつあり、学校等の教育機関や企業の会議室等に於いても、従来以上にその使用される環境が急速に拡大しつつある。

また、使用される環境が拡大するだけではなく、従来以上に使用される状況が拡大しており、投射型画像表示装置の使用時間そのものが確実に増えている。

また使用環境の拡大とともに、投射型画像表示装置というものについての知識が浅いユーザーが使用する機会も多くなっており、そういったユーザーに対して長期的に安心して使用可能だという安心感を与えることも重要な意義があり、そのような市場環境の中では長期的に出来る限りメンテナンスフリーであることに対しての要望が非常に大きくなっている。

投射型画像表示装置の構成要素を考えた際、非常に大きな比重を占めるのが放電灯の寿命である。放電灯については他の構成要素に対しての寿命が短く、交換できることが前提の構造になっている。交換自体はユーザーが比較的容易に可能であるものの必ずしも交換用放電灯が用意されているとは限らないし、寿命が短く頻繁に交換が必要な場合にはマイナスイメージを抱かれることは否めない。

投射型画像装置または照明装置に用いられる高圧放電灯（以下放電灯）の寿命に関しては、放電灯として内部に封入されるハロゲン化物等の種類や比率の最適化または、バルブや電極構造の技術改良により、有効使用性能を初期照度の維持率（以下照度維持率）５０％とした場合、一般的に約２０００〜３０００時間程度であり、投射型画像装置または照明装置の他の構成要素と比較して、十分な時間であるとは言い難い。

このため、従来から放電灯の長寿命化への取り組みは重要課題として積極的に行われてきた。

前述のような放電灯の寿命に関しては、放電灯自身での改良の一方で、放電灯を点灯させる制御技術での改善もさまざまな手法により実施されている。

その中で、特許文献１に記載されるように、放電灯の駆動制御信号の周波数を時間とともに変化させることで、放電灯の寿命を良化させることを図る放電灯点灯装置が開示されている。

また、特許文献２に記載されるように、時間とともに周期的に変化する電力制御パターンを記憶し発生させる演算部を有し、その電力制御パターンにより放電灯の電力値を時間とともに周期的に変化させることで、放電灯の寿命を良化させることを図る放電灯点灯装置も開示されている。
特開２００６−１５６４１４号公報 特開２００５−２０９５７２号公報

しかしながら、前述のような改善を実施した場合に於いても、投射型画像装置または照明装置の数万時間の寿命がある他の構成要素と比較して、十分長寿命であるとは言い難く放電灯寿命に対して、更なる延命のための改良を図る必要がある。

本発明は、上記課題を解決するもので、投射型画像表示装置及び照明装置及び放電灯点灯装置に使用される放電灯に対して更なる延命化を実現する放電灯点灯装置を提供するものである。

上記の課題を解決するために、本発明の放電灯制御装置は、御信号に応じて入力直流電圧を降圧して所望の直流電圧を出力する直流−直流変換器と、矩形波状の駆動制御信号に応じて前記直流−直流変換器からの直流電流を交流電流に転流する転流器と、前記転流器からの交流電流が供給される放電灯と、前記駆動制御信号を出力するとともに、前記放電灯に流れる電流の値または前記放電灯の電圧の値に基づいて、前記放電灯における電力値を制御可能な前記電力制御信号を出力する制御部とを有する放電灯制御装置であって、
前記制御部は、時間とともに電力値が周期的に変化する電力制御パターンと、それに同調して前記駆動制御信号の周波数が変化する周波数制御パターンを、それぞれ１つ以上記録し発生させる演算部を有し、放電灯の点灯直後から放電灯の電力値を時間とともに周期的に変化させるとともに、それと同調して周期的に前記駆動制御信号の周波数を変化させることを特徴とする。

前記制御部は、時間とともに電力値が周期的に変化する電力制御パターンを１つ以上記録し発生させる演算部を有し、その電力値の変化に同調して前記駆動制御信号の周波数を変化させる周波数制御回路を有することを特徴とする。

前記制御部は、時間とともに電力値が周期的に変化する電力制御パターンと、それに同調して前記駆動制御信号の周波数が変化する周波数制御パターンを、２つ以上記録し発生させる演算部を有し、且つ、検出された周囲環境、または使用積算時間またはユーザーの放電灯照度設定により、放電灯を制御する外部信号を備え、前記電力制御パターンと前記周波数制御パターンを選択指示することを特徴とする。

前記制御部は、時間とともに電力値が周期的に変化する電力制御パターンを２つ以上記録し発生させる演算部を有し、その電力値の変化に同調して前記駆動制御信号の周波数を変化させる周波数制御回路を有し、且つ、検出された周囲環境、または使用積算時間、またはユーザーの放電灯照度設定により、放電灯を制御する外部信号を備え、前記電力制御パターンと前記周波数制御回路の出力値を選択指示することを特徴とする。

本発明により、投射型画像装置（プロジェクター）、または照明装置に用いられる放電灯の電力値と駆動周波数を周期的に同調して変化させることが可能になり、それによって、初期輝度の低下率で定められる放電灯の寿命特性を５０％程度以上改善することができる。

その効果として、投射型画像装置（プロジェクター）、または照明装置に使用される放電灯の交換回数を大きく減らすことが可能になり、ユーザーに対して安心感を与え、ユーザーのメンテナンスコストの削減に貢献する。

以下に本発明の実施の形態について、図１から図５を用いて説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の一実施の形態における放電灯点灯装置の構成を示すブロック図である。

本発明の放電灯点灯装置は、図１に於いて、放電灯Ｌによって決まる放電灯電圧を生成し、所望の放電灯電力を供給する電力供給部（直流−直流変換器）１、電力供給部１の出力電圧を、Ｑ１〜Ｑ４のスイッチ素子をＯＮ／ＯＦＦ制御することで、放電灯Ｌに交流電圧を印加し、交流電流を流すインバータ（転流器）２、放電灯Ｌを点灯させるため、放電灯Ｌの電極間に放電を起こさせることを目的として、点灯始動時のみ高電圧を発生させる高圧発生部３、放電灯Ｌへの供給電力とインバータ２への駆動信号であるＳＷドライブ１とＳＷドライブ２を制御する制御部４、とで構成されている。

電力供給部（直流−直流変換器）１は、入力電圧である約３８０Ｖの電圧を降圧することにより放電灯Ｌが必要とする電圧を生成し、所望の放電灯電力を供給する。放電灯電力の制御は、制御部４にて電力供給部駆動信号ａにより行われる。

インバータ（整流器）２は、４つのスイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４からなるフルブリッジ回路部と、電圧検出部２１と、電流検出部２２とで構成されており、制御部４から相互に位相制御された矩形波信号であるＳＷドライブ１とＳＷドライブ２によって、フルブリッジ回路部の４つのスイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４をＯＮ／ＯＦＦ制御し、電力供給部（直流−直流変換器）１にて生成された直流電圧を交流電圧に変換することで、放電灯Ｌに交流電流を流す。また、電圧検出部２１から放電灯電圧信号ｂと、電流検出部２２から放電灯電流信号ｃを、制御部４にフィードバックする機能も兼ね備えている。

制御部４の構成を図２に示す。制御部４には、インバータ２の電圧検出部２１からフィードバックされる放電灯電圧信号ｂと、電流検出部２２からフィードバックされる放電灯電流信号ｃが、マイコン等で構成される演算部Ｍに入力される。

入力された放電灯電圧信号ｂは、メモリＮ内の電力パターン部４１で演算され、所望の放電灯電力となるための設定すべき目標放電灯電流値ｅを得て、その値と放電灯電流信号ｃを比較部４３で常に比較し、二者が同一となるように電力制御信号ｆを出力する。

その電力制御信号ｆは、電力制御部４４に入力され、電力供給部１の制御信号である電力供給部駆動信号ａを出力し、放電灯Ｌの電力値が狙いの電力値となるように制御されている。

また、演算部ＭのメモリＮ内の電力パターン部４１には、放電灯電力を時間とともに周期的に変化させるための電力変化パターンが記憶されており、その電力変化パターンに従い、入力された放電灯電圧信号ｂから演算された目標放電灯電流値ｅを変化させることによって、図３上部に示すように、最大定格電力が２５０Ｗの放電灯Ｌに供給する電力を２００Ｗから２５０Ｗの変化範囲で、１周期約２４０ｓｅｃにて変化できるようにプログラミングされている。

また、電力パターン部４１は、目標放電灯電流値ｅを出力すると同時に、その時の電力値情報ｇを周波数パターン部４２に出力し、周波数パターン部４２は入力された電力値情報ｇに応じた周波数制御信号ｈを駆動制御部４５に出力する。

駆動制御部４５は、周波数制御信号ｈに応じた周波数で、ＳＷドライブ１とＳＷドライブ２を出力し、インバータ２の出力電流すなわち放電灯電流の周波数を制御する。

それによって、駆動制御部４５は、図３下部に示す変化パターンのように、周波数８５Ｈｚから１７０Ｈｚの変化範囲で１周期約２４０ｓｅｃにて電力変化パターンと同期して変化させることが可能となる。

上述の放電灯電力と駆動周波数の周期的な変動を実施させるかどうかについては、それを制御するものは存在せず、放電灯Ｌが点灯直後から自動的に周期的な変動を発生させるものである。

ただし、電流検出部２２からの放電灯電流信号ｃ、または電圧検出部２１からの放電灯電圧信号ｂの信号を元に、放電灯電力と駆動周波数の周期的な変動を実施するかどうかを制御可能であるし、後述する外部制御信号５によっても同様に制御可能である。

外部制御信号５は、放電灯点灯のＯＮ／ＯＦＦ等を行う、放電灯点灯装置の外部からの制御信号である。

その放電灯点灯装置の外部の制御部４は、放電灯Ｌの使用温度の管理と、制御や使用積算時間の管理を行う機能を有し、放電灯Ｌの使用温度や使用積算時間の状況に応じて、外部制御信号５の出力信号ｄの制御情報を変化することが可能である。

また、上述した電力パターン部４１や周波数パターン部４２等の演算部Ｍの一部機能を外部制御信号５によって行うことも可能である。

放電灯Ｌの電力と同調して駆動周波数を周期的に変化させる方法としては、上述したメモリＮ内に周波数変化パターンとして格納し制御を行う手段とは別に、演算部Ｍから電力値に応じた制御電圧または電流を出力させ、その電圧または電流に応じて駆動周波数が変化する周波数制御回路、例えば電圧制御発振器（ＶＣＯ）等によっても実現可能である。

また、上述の図２の電力パターン部または周波数パターン部はそれぞれ１つにて説明を行っているが、それぞれ複数個以上、または１つの電力パターン部に対して複数の周波数パターン部、または、その逆に１つの周波数パターン部に対して複数の電力パターン部を持つことも可能であり、放電灯Ｌの使用温度や使用時間によって外部制御信号５の出力信号ｄに従って、または電流検出部２２からの放電灯電流信号ｃ、及び電圧検出部２１からの放電灯電圧信号ｂの信号によって、所定の条件によって選択できるようにすることも可能である。

さらに、上述したように複数の電力パターン部、及び複数の周波数パターン部を演算部Ｍ内に格納するのではなく、外部制御信号５に同等機能を持たせることも可能である。

放電灯Ｌは、高温の電極部からの熱電子放出によるアーク放電によって点灯状態が維持されるが、そのアーク放電により電極の金属が蒸発し、徐々に電極が消失しアーク放電させるための電極が無くなるか、または、電極の消失していく過程で電極間距離が長くなるためにアーク放電が不可能となって、点灯できなくなり寿命を迎える。

ただし、それ以前に電極間距離が長くなることによって、光源であるアーク放電の形状が点光源に近いものから楕円状の長細い形状となっていくために、その光源の集光効率が悪化し、初期照度維持率は電極間距離の増加とともに減少する。一般的に初期照度維持率が５０％以下になるところが寿命と考えられている。

そのため、電極の消失を極力低減する目的として、放電灯内部にはハロゲンガスが封入されており、蒸発した金属を再び電極として再生成させ、寿命を大幅に改善している。

そのメカニズムは、まず、電極の素材であるタングステン等の金属が電子を放出して金属イオンとなり、この金属イオンが放電灯内部に封入されているハロゲンガスと結合してハロゲン化合物となる。次に、そのハロゲン化合物が熱対流し、電極のアーク放電により熱集中している高温部に近づくことで、高温のため再度、金属とハロゲンガスに分解されて電極を再生成する。

上記のことから、電極形状を長期間に渡ってアーク放電に最適な形状に維持させていくことが放電灯の寿命に関しては最も重要なことであり、それを電極を再生成することで行っているために、放電灯の電力と駆動周波数は重要な要素であり相互に影響を及ぼす。

つまり、電極の再生成の際の重要な要素は電極部の温度であるため、放電灯電力については当然ながら、放電灯の電力が高いほど電極部の温度は高温になり、駆動周波数によっても電極の温度と熱集中範囲が変化することが知られており、両者の最適条件を決定することが非常に重要である。

放電灯の電力値を周期的に変動させた場合の効果については、特許文献２によって開示されているため、周波数の変化を同調させた場合の効果について、図４を用いて説明する。

図４は、最大定格電力２５０Ｗの放電灯を用いて、２００Ｗから２５０Ｗまで放電灯電力を変動させながら、放電灯駆動周波数を８５Ｈｚ固定の時と、１７０Ｈｚ固定の時と、８５Ｈｚから１７０Ｈｚまで、図３のように電力変動と同調して変化させた時の初期照度維持率を比較したものである。実験によって、放電灯電力が２００Ｗの時は、８５Ｈｚが初期照度維持率が最適の駆動周波数であり、２５０Ｗの時は、１７０Ｈｚが最適な駆動周波数であったため、その駆動周波数を実験の条件とした。

結果として、放電灯電力の変動と同調させて駆動周波数も変動させた時が最良となり、駆動周波数が固定の時と比較すると、使用時間が２５００時間時点での初期照度維持率が１０％程度良化する結果となった。

図５に本発明を実施した時の放電灯の初期照度維持率の推移を、本来の寿命（固定電力／固定周波数）と周波数変動時の寿命（固定電力）と電力変動時の寿命（固定周波数）とを比較して示す。

初期照度維持率５０％時が放電灯の寿命とした時に、本来の寿命に対しては２倍以上、電力のみ変動時と比較しても３０％程度の改善効果が得られており、放電灯の長寿命化に大きな効果を与えることが可能である。

この実験では、放電灯電力の最大値と最小値に対してだけの最良駆動周波数を決定して、その中間は比例的に周波数を決定したが、さらに細かなポイントでの駆動周波数決めによって駆動周波数を変動させる、または、放電灯電力と駆動周波数の変化周期も最適化することで更なる長寿命化も期待できる。

本発明の放電灯点灯装置は、放電灯に供給する電力と放電灯の駆動周波数を相互に同調して周期的に変化させることが可能であり、さらには放電灯の使用温度や使用時間または放電灯の電圧値や電流値によって周期的な電力と周波数の変化をＯＮ／ＯＦＦすること、及び周期的な変化パターンを複数搭載し、外部信号等によりそれを選択し実行することが可能であり、それにより、放電灯の寿命特性に対して３０％程度以上の改善効果が得られることから、高圧水銀ランプ等の放電灯を点灯させる放電灯点灯装置及び、これら放電灯を用いた投射型画像装置（プロジェクター）または照明装置として有用である。

本発明の一実施の形態における放電灯点灯装置の構成を示すブロック図 本発明の一実施の形態における放電灯点灯装置の制御部の構成例を示すブロック図 本発明の一実施の形態における放電灯点灯装置の電力変化パターンと周波数変化パターンの一例を示す図 本発明の一実施の形態における放電灯点灯装置の放電灯と従来型の改善手法での放電灯の初期照度維持率を比較した図 本発明の一実施の形態における放電灯点灯装置の放電灯と従来型の改善手法での放電灯と本来の放電灯の初期照度維持率を比較した図

符号の説明

１ 電力供給部
２ インバータ
３ 高圧発生部
４ 制御部
５ 外部制御信号
２１ 電圧検出部
２２ 電流検出部
４１ 電力パターン部
４２ 周波数パターン部
４３ 比較部
４４ 電力制御部
４５ 駆動制御部
Ｌ 放電灯
Ｍ 演算部
Ｎ メモリ
ａ 電力供給部駆動信号
ｂ 放電灯電圧信号
ｃ 放電灯電流信号
ｄ 外部制御信号５の出力信号
ｅ 目標放電灯電流値
ｆ 電力制御信号
ｇ 電力値情報
ｈ 周波数制御信号

Claims (4)

1. 電力制御信号に応じて入力直流電圧を降圧して所望の直流電圧を出力する直流−直流変換器と、矩形波状の駆動制御信号に応じて前記直流−直流変換器からの直流電流を交流電流に転流する転流器と、前記転流器からの交流電流が供給される放電灯と、前記駆動制御信号を出力するとともに、前記放電灯に流れる電流の値または前記放電灯の電圧の値に基づいて、前記放電灯における電力値を制御可能な前記電力制御信号を出力する制御部とを有する放電灯制御装置であって、
   前記制御部は、時間とともに電力値が周期的に変化する電力制御パターンと、それに同調して前記駆動制御信号の周波数が変化する周波数制御パターンを、それぞれ１つ以上記録し発生させる演算部を有し、放電灯の点灯直後から放電灯の電力値を時間とともに周期的に変化させるとともに、それと同調して周期的に前記駆動制御信号の周波数を変化させることを特徴とする放電灯制御装置。
2. 前記制御部は、時間とともに電力値が周期的に変化する電力制御パターンを１つ以上記録し発生させる演算部を有し、その電力値の変化に同調して前記駆動制御信号の周波数を変化させる周波数制御回路を有することを特徴とする請求項１記載の放電灯制御装置。
3. 前記制御部は、時間とともに電力値が周期的に変化する電力制御パターンと、それに同調して前記駆動制御信号の周波数が変化する周波数制御パターンを、２つ以上記録し発生させる演算部を有し、且つ、検出された周囲環境、または使用積算時間またはユーザーの放電灯照度設定により、放電灯を制御する外部信号を備え、前記電力制御パターンと前記周波数制御パターンを選択指示することを特徴とする請求項１記載の放電灯制御装置。
4. 前記制御部は、時間とともに電力値が周期的に変化する電力制御パターンを２つ以上記録し発生させる演算部を有し、その電力値の変化に同調して前記駆動制御信号の周波数を変化させる周波数制御回路を有し、且つ、検出された周囲環境、または使用積算時間、またはユーザーの放電灯照度設定により、放電灯を制御する外部信号を備え、前記電力制御パターンと前記周波数制御回路の出力値を選択指示することを特徴とする請求項１記載の放電灯制御装置。

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