JP5140723B2 - 放電ランプを作動させるための回路装置および放電ランプを作動させるための方法 - Google Patents

Description

本発明は、交流電流を用いて放電ランプを作動させるための回路装置、殊に、画像を投影するための器機に使用されるような高圧放電ランプおよび超高圧放電ランプを作動させるための回路装置に関する。本発明は、ランプ電流の極性変化後に生じる放電ランプのアークの不安定性に起因するフリッカ現象の問題に取り組むものである。殊に本発明は、放電ランプの電極の変化の識別と関連する問題に取り組むものである。

背景技術
放電ランプ（以下ではランプと略記する）の作動時に電極の先端部が成長する現象が発生する。電極におけるある個所から蒸発した材料がその電極上における有利な個所に再び堆積し、これにより電極の先端部が成長する。このような電極の先端部は差し当たり、ランプ内で生成されたアーク放電のプラズマアークが電極上の安定した付着点を発見し、複数の付着点間をジャンプしないという利点を有する。放電点のこのようなジャンプはアークジャンプとも称され、ランプのフリッカとなって現われる。これは殊に、ランプの光が画像の投影に使用される場合には障害となる。

アークの付着点は、その時点においてカソードとして作用する電極にのみ形成される。アノードにおけるアークの付着は面状である。極性が変わるたびにアークはアノードからカソードに変わる電極において付着点を発見する必要があるので、交流電流により作動されるランプにおいてアークジャンプは一般的な問題である。上述の電極の先端部はアークにとって有利な付着点を形成し、したがってアークジャンプを低減する。

もっともこの電極の先端部によって問題が発生する可能性もある。好適でない状況では、電極の先端部が複数形成される虞がある。この場合には、アークの付着が電極の種々の先端部間でジャンプすることになる可能性がある。

刊行物EP 1 624 733 A2（Suzuki）においては、ランプを作動させる動作周波数、すなわち交流電流の周波数を限定的な時間にわたり低減することによってこの問題が解決されている。この方法は、電極がアノードとして作用している間は加熱され、カソードとして作用している間は冷却されることによって作用する。動作周波数に対応する時間経過と一緒に温度は変動する。高周波数では、電極の熱容量に起因して中間の温度が生じる。いわゆる矩形波モードでは、ランプが通常の場合５０〜５０００Ｈｚの周波数を有する矩形波電流でもって作動される。ランプの構造様式によっては、５０Ｈｚの周波数において既に電極の温度変化が顕著になる可能性がある。温度変化が激しい場合には、電極の温度が電極の余剰な先端部を溶かす温度に達する。

ビデオプロジェクタでは時間的に連続して異なる色を示す光源が要求されることが多い。この要求を、US 5,917,558（Stanton）に記載されているように、ランプの光をフィルタリングすることにより色を変化させる回転カラーホイールによって満たすことができる。光が所定の色を帯びている期間は必ずしも等しくなくてよい。むしろそのような期間の比率を介して、投影される光について生じる色温度を所望の色温度に調節することができる。

通常の場合、ランプは矩形波のランプ電流によって作動される。矩形波のランプ電流の周期時間の逆数が上述の動作周波数と解される。ランプ電流は従来技術では、直流電流源から反転装置を使用して生成される。通常の場合、この反転装置は複数の電子スイッチから構成されており、これらの電子スイッチにより直流電流源の極性が矩形波のランプ電流のサイクルで反転される。実際のところ、この反転ではオーバーシュートを完全に回避することはできない。したがって従来技術においては、反転が行われるべき時点と光の色が変わる時点とを合わせることにより、オーバーシュートをなくしている。このために、上述のカラーホイールと同期するＳｙｎｃパルスを有するＳｙｎｃ信号が供給される。Ｓｙｎｃ信号によって色の変化とランプ電流の反転とが同期される。

一般的に、２つの電極における電極の先端部は同様には成長しない。このことは、ランプの設置条件が電極の熱効率に様々な影響を及ぼしていることによって惹起される。殊にランプが水平に設置されずに作動される場合には、それにより通常の場合は、高い位置にある電極の温度が高くなってしまう。一方の電極において複数の先端部が成長する場合、上述の従来技術においては、フリッカ現象を回避するために電極を溶融することが提案される。しかしながら電極を２つとも溶融させると、電極の先端部を１つしか有していない電極を損傷させる虞がある。１つの電極の先端部ではフリッカ現象を惹起しないにもかかわらず、その電極の先端部が場合によっては溶融される。

発明の開示
本発明の課題は、電極の先端部を複数有している電極においてのみ電極の先端部の溶融が行われる、放電ランプを作動させるための回路装置を提供することである。

さらに本発明の課題は、上記の課題に対応する方法を提供することである。本発明は方法の態様も有するので、以下の記述を装置の特徴ならびに方法の特徴を顧慮して解するべきである。

この課題は、直流電流源と接続されている入力側と、放電ランプと接続可能な出力側とを有し、直流電流源を出力側に接続し、直流電流源を出力側に接続させている極性が制御装置によって反転されるように構成されている反転装置を有する、放電ランプを作動させる回路装置によって解決される。ランプに流れる電流の方向は制御装置による制御の下で反転される。すなわち極性が逆転される。制御装置は測定入力側を有し、この測定入力側は測定装置と接続されている。測定装置は、ランプ電圧の大きさについての尺度である測定値を供給する。本発明によれば、制御装置は、高いランプ電圧が生じているランプ電流の極性がより長く出力側に接続されるように反転装置を制御する。

提案される解決手段は、電極の複数の先端部を有する電極がその時点においてアノードである場合には、ランプ電圧が少なくとも平均して高まっていることを示す多数の検査によってもたらされた。

電極の複数の先端部を有する電極を検出するための別の可能性は、異なる極性の間にランプ電圧の変動を比較することである。このために、ハイパスフィルタを介してランプ電圧の交流電圧成分を一方の極性の間に検出して、他方の極性の間に交流電流成分と比較することができる。高い交流電圧成分を有する極性においてはカソードである電極が複数の先端部を有する。

どちらの極性において高いランプ電流が生じているかを確認するための最も簡単な手法は制御装置に対応付けることができる比較器によって実現される。比較器は第１の極性での測定値および第２の極性での測定値を記憶し、記憶したそれらの測定値を比較する。比較器はマーキング信号を出力し、このマーキング信号はどちらの極性において高いランプ電圧が生じているかに関する情報として制御装置によって使用される。勿論この場合、これは記憶した測定値の高いほうが対応付けられている極性である。マーキング信号は、高いランプ電圧が生じるランプ電流の極性が存在する時間を延長させる１ビットがマイクロコントローラのメモリセルにセットされるように構成されている。マーキング信号の他の構成および本発明の教示に応じたマーキング信号の使用も当業者には周知である。

ランプ電圧は突然の変動に曝されているので、ランプ電圧の個々の値の測定は不安定である。したがって有利には、比較器が測定値から所定の第１の期間にわたる平均値を形成し、この平均値を記憶する。もちろん、平均値形成はその都度ランプ電流の一方の極性に対応付けられている値を介してのみ行うことが許される。矩形波ランプ電流においては平均値形成をその都度、矩形の半分の周期にわたり拡張することができる。測定精度を高めるために、平均値形成をランプ電流の同じ極性の複数の半周期にわたり行うこともできる。

したがって「高いランプ電圧が生じている」という表現は、本明細書において平均して高いランプ電圧が生じていることと解釈することができる。重要であることは、制御装置が異なるランプ電流極性においてランプ電圧の比較を行い、またどちらの極性において高いランプ電圧が生じているかの判定が異なる極性のランプ電圧の値に依存することである。制御装置はディジタルで実現されているので、有利にはいわゆるヒストグラム評価を行うことができる。一方の極性のランプ電圧に関して制御装置に供給された測定値は間隔に応じて分類され、測定値の大部分が配属されている間隔が他方の極性と比較される。

ランプ電流の一方の極性におけるランプ電圧は他方の極性のランプ電圧と正確に一致することはない。いずれの電極も複数の先端部を有さない場合には、比較されるランプ電圧の差が僅かである可能性もある。測定によって、所望のランプタイプについてそれぞれのランプ電圧のどの程度の差において高い確率で電極の複数の先端が存在するかを求めることができる。したがって有利には、記憶した測定値の差が所定の閾値を上回ったときに初めて、比較器はマーキング信号を出力する。この閾値は上述の測定に応じて、高い確率で電極の複数の先端部が存在する場合に初めてマーキング信号が出力されるように選択されている。

測定精度をさらに高めるために、比較器は記憶した測定値の差分形成後に、所定の第２の期間にわたる差分値の平均値も形成し、この差分の平均値が所定の限界値を上回った場合にはマーキング信号を出力することができる。アークを不安定性にする可能性のある電極の先端部の成長時間は公知のランプでは１秒を上回る。したがって、第２の期間を秒範囲で選択することができる。

通常の場合、ランプ電流は矩形波である。矩形波信号は制御装置から反転装置に供給される。カラーホイールを備えたビデオプロジェクタにおいては、反転がカラーホイールの回転と同期して行われなければならない。このために制御装置はＳｙｎｃ入力側を有し、このＳｙｎｃ入力側には動作中にＳｙｎｃパルスを含むＳｙｎｃ信号が供給される。制御装置によってＳｙｎｃパルスと同期する反転が行われる。上述したように、投影される光の色の変化は通常の場合、回転するカラーホイールによって行われる。反転が行われる場合には、この反転は色の変化と同時に行われるべきである。しかしながら、反転が行われずに色が変化することも考えられる。一般的に、Ｓｙｎｃ信号はカラーホイールの１回転毎に１つのＳｙｎｃパルスを有するものである。すなわち一般的に、Ｓｙｎｃ信号はあらゆる色の変化についてＳｙｎｃパルスを含むものではない。むしろ、一連の色変化が有利には制御装置に記憶されている。これは使用されるカラーホイールについて個別に調整されなければならない。殊に、カラーホイールにおける色の変化の間隔が一定である必要はない。１回転毎に複数のＳｙｎｃパルスを出力するカラーホイールも公知である。Ｓｙｎｃパルスの重要な機能は、制御装置がカラーホイールのその時点の位置に関する情報を取得して、それと共に、どの時点において色が変化するかに関する情報を有することにある。

したがって、Ｓｙｎｃパルスと、反転装置の出力側における直流電流源の極性の反転との同期とは以下のことを指す：制御装置には、反転を行うべき一連の時点が記憶されている。各Ｓｙｎｃパルスにおいて制御装置は一連の反転を記憶されている時点に応じて開始する。もっともこれらの時点は固定されているのではなく、２つのＳｙｎｃパルスの時間間隔について正規化される。したがって所定のカラーホイールにおいては、カラーホイールの回転数が変化したとしても、反転は常に色の変化と一致する。反転が抑制されても反転とＳｙｎｃパルスの同期には影響が及ぼされない。抑制が行われない全ての反転は色の変化と時間的に一致する。

本発明の教示は一方では、高いランプ電圧が生じている極性を有するランプ電流が流れる時間の延長を要求する。他方で制御装置は、例えばＳｙｎｃパルスによって設定された期間内に極性の反転を行う。同期と極性の延長に応じるために、制御装置は有利には、高いランプ電圧が生じている極性に続く反転を少なくとも１回抑制する。

同期について特別な要求が課されていない場合には、所定の第１のスイッチング時間にわたり第１の極性が出力側に接続されており、所定の第２のスイッチング時間にわたり第２の極性が出力側に接続されているように制御装置が反転装置を制御し、第１の極性において高いランプ電圧が生じている場合には制御装置は第１のスイッチング時間を延長する。

場合によっては、ランプが特定の動作周波数について最適化されている。有利には、制御装置が延長した第１のスイッチング時間分だけ第２のスイッチング時間を短縮する。

本明細書に開示されているランプは交流電流用に設計されている。提案される溶融プロセスはランプ電流における直流電流成分に影響を及ぼすので、直流電流成分がランプを破壊しないようにすることを顧慮しなければならない。したがって制御装置は少なくとも、２つの極性におけるランプ電圧が等しい場合には、第１のスイッチング時間および第２のスイッチング時間を所定の値にリセットしなければならない。この所定の値により、ランプ電流が平均して直流電流成分を含まないことが保証される。

有利には、反転の抑制を所定の直流電流時間にわたり行うこともできる。有利には、この直流電流時間は結果として生じる直流電流成分によるランプの損傷が排除されるように短く選択されている。

このような直流電流時間の代わりに、反転の回数を表す数Ｎを設定することもできる。

熱慣性の低い電極では、反転を連続して２回抑制しただけで電極が過熱される可能性がある。この場合有利には、反転がｍ番目毎にのみ抑制される。溶融プロセスの非常に精確な制御を実施できるようにするためには、「ｍ」が奇数の自然数でなくてはならない。何故ならば、それ以外の場合には、所望の一方の側の溶融を惹起する直流電流成分が生じないからである。

実際には、通常の場合、制御装置はマイクロコントローラを用いて実現されている。測定入力側およびＳｙｎｃ入力側は、マイクロコントローラのアナログ入力側ないしはディジタル入力側に接続されている。公知のドライバ回路を介して、マイクロコントローラは、一般的にはＭＯＳＦＥＴである電子スイッチを制御する。本発明の大部分は、このマイクロコントローラのソフトウェアで実現されている。

高圧放電ランプを作動させるための回路装置を示す。 反転の抑制が行われないランプ電流の時間特性経過を示す。 反転が２回抑制されているランプ電流の時間特性経過を示す。 ３回目毎に反転の抑制が行われるランプ電流の時間特性経過を示す。 一方の極性に関してスイッチング時間が延長されているランプ電流の時間特性経過を示す。

発明の有利な実施形態
図１は、従来技術から公知であるようなトポロジを有する、高圧放電ランプを作動させるための回路装置を示す。電子スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３およびＳ４はフルブリッジ回路の形態で、直流電流源Ｑの正極と負極との間に接続されている。直流電流源Ｑは一般的に降圧変換器（バックコンバータ）から構成されており、この降圧変換器には例えば電源電圧からエネルギが供給される。ノードＡ１とノードＡ２との間にあるブリッジ分岐内にランプＥＬが接続されている。ランプＥＬには点灯トランスの巻線Ｌが直列に接続されており、この点灯トランスには点弧装置Ｚによってランプの点弧に使用される電圧が印加される。この点弧装置は本発明にとって重要ではない。

フルブリッジ回路は反転装置を形成する。直流電流源Ｑの正極および負極と接続されているフルブリッジ回路の高電位および低電位が反転装置の入力側を形成する。ノードＡ１とノードＡ２との間のブリッジ分岐が反転装置の出力側を形成する。

スイッチＳ１およびＳ４が閉成されると、ランプ電流は第１の極性を有し、ノードＡ１からノードＡ２へと流れる。反転後にはスイッチＳ３およびＳ２が閉成され、第２の極性を有するランプ電流がノードＡ２からノードＡ１へと流れる。このようにして、ランプＥＬにおいて矩形波電流が生成される。第１の極性と第２の極性の名称は任意のものであり、一般性を制限するものではない。

これらのスイッチは制御装置Ｃによって制御される。制御装置Ｃからスイッチへの制御線路は破線で示されている。ハイサイド側のスイッチＳ１およびＳ３の駆動制御にはチャージポンプが必要とされ、このチャージポンプを制御装置Ｃ内に一緒に含ませることができるが、図示していない。

測定入力側Ｍを介して制御装置には、ランプ電圧に相当するフルブリッジの入力電圧が供給される。ランプ電流の一方の極性において、他方の極性よりも所定の閾値分高いランプ電圧が生じると、制御装置Ｃは高いランプ電圧を有する極性に続く反転を少なくとも１回抑制する。

Ｓｙｎｃ入力側Ｓには、図示していない回転カラーホイールの駆動によって生成されるＳｙｎｃ信号が印加される。制御装置Ｃと直流電流源Ｑとの接続は、制御装置Ｃをランプ電流の制御にも使用できることを示唆している。

図２には、反転の抑制が行われないランプ電流の時間特性経過が示されている。反転には１〜１４の番号が付されている。反転の直前にランプ電流はパルス状に上昇している。これは、例えば刊行物WO 95/35645に記載されているような、フリッカ現象を低減するための措置である。この措置は本発明によるランプ電流の極性の変化に依存しない。矩形波状の経過を有する電流の周波数は通常の場合５０Ｈｚ〜５ｋＨｚの間にある。

図３においては、連続する反転６および７が制御装置Ｃによって抑制されていることが見て取れる。この措置の後に制御装置Ｃは差し当たり、ランプの過熱を確実に回避するためにさらなる反転の抑制を行わない。さらに制御装置Ｃは、電極の複数の先端部に関する条件、すなわち異なるランプ電流極性は異なるランプ電圧を有しているか否かを検査する。肯定の場合には、制御装置Ｃが高いランプ電圧を有するランプ電流極性に対応付けられている連続する２回の反転を新たに抑制する。

図４においては、図３とは異なり、反転を連続して２回抑制することは行われていない。このことは電極の熱慣性が低い場合、または動作周波数が低い場合には、該当する電極を過熱させないために必要とされる。図４においては、反転が３回目毎に抑制されている。５回目毎、６回目毎またはｍ回目毎（ただしｍは奇数の自然数である）の反転を抑制することも可能である。溶融は常に同一の電極に作用するように、「ｍ」は奇数でなくてはならない。制御装置Ｃは抑制を所定の時間にわたり、または、抑制の所定の回数だけ、または、異なるランプ電流極性においてランプ電圧の不均衡がもはや存在しなくなるまで行う。

図５には、反転の抑制が行われているのではなく、反転が時間的にずらされたランプ電流の時間特性経過が示されている。したがって制御装置Ｃは、高いランプ電圧が生じている極性を有する電流が流れる時間を延長している。図５においては、一方の極性に関して電流の流れる時間を延長した分と同じだけ、他方の極性に関して電流の流れる時間は短縮されている。文献においては、制御装置Ｃが行うランプ電流の時間経過特性の変更はデューティー比の変更とも称される。デューティー比の変更はランプ電流の基本周波数を変化させない。

ランプ電流の基本周波数の変化が不利に作用する可能性がない場合には、一方の極性を有する電流の流れる時間を短縮することなく、他方の極性を有する電流の流れる時間を延長することができる。

図５によるランプ電流の変化の持続時間または反復に関しては、反転の抑制についての記述が相応に当てはまる。

Claims (12)

1. 放電ランプを作動させるための回路装置であって、
   前記回路装置は反転装置（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）を有し、該反転装置（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）は、直流電流源（Ｑ）と接続されている入力側（＋，−）と、放電ランプ（ＥＬ）と接続可能な出力側（Ａ１，Ａ２）とを有し、
   前記反転装置（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）は、前記直流電流源（Ｑ）を前記出力側（Ａ１，Ａ２）に接続し、前記直流電流源（Ｑ）を前記出力側（Ａ１，Ａ２）に接続している極性が制御装置（Ｃ）によって反転されるように構成されており、
   前記制御装置（Ｃ）は測定入力側（Ｍ）を有し、該測定入力側（Ｍ）は測定装置と接続されており、該測定装置はランプ電圧の大きさについての尺度である測定値を供給する回路装置において、
   前記制御装置（Ｃ）は、高いランプ電圧の生じている極性がより長く前記出力側（Ａ１，Ａ２）に接続されるよう前記反転装置（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）を制御し、
   前記制御装置（Ｃ）は比較器を有し、該比較器は第１の極性における測定値および第２の極性における測定値を記憶し、記憶した測定値を比較し、どちらの極性において高いランプ電圧が生じているかに関する情報として前記制御装置（Ｃ）が使用するマーキング信号を出力することを特徴とする、回路装置。
2. 前記記憶した測定値は所定の第１の期間にわたる平均値である、請求項１記載の回路装置。
3. 前記比較器は、前記記憶した測定値の差分が所定の閾値を上回る場合にのみマーキング信号を出力する、請求項１または２記載の回路装置。
4. 前記比較器は前記平均値を前記記憶した測定値の差分から形成し、該差分の平均値を所定の第２の期間にわたり形成し、前記平均値が所定の限界値を上回る場合には前記マーキング信号を出力する、請求項１から３までのいずれか１項記載の回路装置。
5. 前記制御装置（Ｃ）は所定の間隔をおいて前記極性を反転させ、高いランプ電圧が生じている極性に続く反転を少なくとも１回抑制する、請求項１から４までのいずれか１項記載の回路装置。
6. 前記制御装置（Ｃ）は、所定の第１のスイッチング時間にわたり第１の極性が前記出力側（Ａ１，Ａ２）に接続され、所定の第２のスイッチング時間にわたり第２の極性が前記出力側（Ａ１，Ａ２）に接続されるように前記反転装置（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）を制御し、前記第１の極性において高いランプ電圧が生じている場合には前記第１のスイッチング時間を延長する、請求項１から４までのいずれか１項記載の回路装置。
7. 前記制御装置（Ｃ）は、延長した前記第１のスイッチング時間分だけ前記第２のスイッチング時間を短縮する、請求項６記載の回路装置。
8. ２つの極性におけるランプ電圧が等しい場合、前記制御装置（Ｃ）は前記第１のスイッチング時間および前記第２のスイッチング時間を所定の値にリセットする、請求項６または７記載の回路装置。
9. 前記制御装置（Ｃ）はマイクロコントローラを有し、前記制御装置（Ｃ）の機能は前記マイクロコントローラ内のソフトウェアプログラムによって決定されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の回路装置。
10. 前記放電ランプ（ＥＬ）は超高圧放電ランプである、請求項１から９までのいずれか１項記載の回路装置。
11. 放電ランプを作動させるための方法において、
    ランプ電圧の大きさについての尺度である測定値を供給するよう構成されている測定装置を準備するステップと、
    反転装置（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）を介して放電ランプ（ＥＬ）を直流電流源（Ｑ）に接続するステップと、
    所定のスイッチング時間が経過する度に前記反転装置（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）を用いて前記直流電流源（Ｑ）の極性を反転させるステップと、
    各極性に関して測定値を記憶するステップと、
    記憶した測定値を比較するステップと、
    高いランプ電圧が生じている極性のスイッチング時間を延長するステップと、
    ２つの極性において等しいランプ電圧が生じている場合には、所定の値に前記スイッチング時間をリセットするステップとを有することを特徴とする、放電ランプを作動させるための方法。
12. 請求項１１記載の方法が実施されるように回路装置を制御することを特徴とする、ソフトウェアプログラム。

Images