JP5170596B2 - 高圧放電灯点灯装置及び光源装置 - Google Patents

Description

本発明は高圧放電灯点灯装置及び光源装置に関し、特に、定電力制御を行いながらランプ電流波形を制御する高圧放電灯点灯装置及びそれを内蔵した光源装置に関する。

従来から、半サイクルの矩形波からなるベース低周波電流部分とベース低周波電流部分よりも高い周波数の１サイクルの高周波電流部分からなる交流ランプ電流波形によって高圧放電灯を点灯する高圧放電灯点灯装置が知られている（例えば、特許文献１）。このような電流波形によると、ランプ点灯中に放電アークの起点が移動して発生するフリッカが防止される。そして、同文献には、ベース低周波電流部分のピーク値に対する高周波電流部分のピーク値を１．２倍から５倍の範囲とすることが開示されている。

ここでいうフリッカとは、高圧放電灯の点灯中に放電アークの起点が電極上を転々と移動してしまい、それにより光出力がちらついてしまう（変化してしまう）現象をいう。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。

また、特許文献２でも、フリッカを抑制するために、矩形波からなるベース電流部分とベース電流部分よりも電流値の高い一時的なピーク電流部分を有する交流ランプ電流波形によって高圧放電灯を点灯する高圧放電灯点灯装置が開示されている。同装置では、ランプ電力が一定となるように定電力制御されるので、ランプ電流の実効値に支配的なベース電流部分のピーク値がランプ電圧の増加に対して減少する。同文献では、ベース電流部分のピーク値の減少にかかわらずピーク電流部分のピーク値がほぼ一定に維持されるもの（以下、「ピーク固定制御」という）、及びベース電流部分のピーク値の減少に伴いピーク電流部分のピーク値も追従して減少するもの（以下、「ピーク追従制御」という）が開示されている。

特開２００１−２４４０８８号公報 特開２００７−２００６７８号公報

上記のピーク追従制御の場合、ランプ電圧が低い状態で問題がある。上記のフリッカは、ランプの寿命が進むことによりランプ電極表面が消耗してきた状態、即ち、ランプ電圧が高い状態でより発生し易い。従って、上記の特許文献１及び２に記載されるようなピーク部分を含むランプ電流波形によるフリッカ抑制効果は、ランプ電圧が高い状態でより効果を発揮する。逆に、ランプ電圧が低い状態ではピーク部分を含むランプ電流波形の存在意義は低く、むしろ、ピーク電流部分の電流値が高いためにランプ電極が過度に加熱され、ランプ寿命が早く進んでしまうという問題があった。また、特許文献１に開示されるような波形では、高いピーク電流値の高周波部分があることによって点灯装置の騒音が大きくなるという問題もあった。

一方、上記のピーク固定制御の場合、ランプ電圧が高い状態で問題がある。従来の高圧放電灯では寿命初期のランプ電圧は７０Ｖ前後であったが、近年の高圧放電灯では短アーク化が進み、寿命初期のランプ電圧は５０〜６０Ｖ程度となっている。そして、寿命末期のランプ電圧はいずれも１１０〜１２０Ｖ程度であるので、寿命初期から寿命末期にわたるランプ電圧範囲が従来の４０Ｖ程度から６０Ｖ程度へと大幅に拡大したことになる。従って、定電力制御を行うためにベース低周波電流部分のピーク値をランプ電圧の増加とともに減少させ、かつ高周波電流部分のピーク値を定格ランプ電圧下限値におけるベース低周波電流部分のピーク値に一致させて一定値とすると、寿命末期でランプ電圧が高い状態において、ベース低周波電流部分のピーク値と高周波電流部分のピーク値との差が非常に大きくなる。そのような２つの電流部分のピーク値の差が過度に大きいランプ電流波形でランプを点灯すると、その電流差に起因して光出力のチラツキが視認されてしまう。

上記のピーク追従制御及びピーク固定制御の問題点を解決するために、ランプ電圧に対してきめ細かくベース低周波電流部分のピーク値と高周波電流部分のピーク値を参照テーブル等により設定しておくことができる。しかし、多種のランプ（異なる定格電力、異なる種類）に対応してそれぞれの参照テーブルを作成するのは開発効率上好ましくなく、簡素な制御構成による対策が望まれる。

そこで、本発明は、簡素な制御構成で、定格ランプ電圧範囲の全域にわたってベース低周波電流部分のピーク値に対する高周波電流部分のピーク値を適正な値とし、フリッカ及びチラツキを防止しつつもランプ寿命を確保するための高圧放電灯点灯装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の側面は、高圧放電灯点灯装置であって、高圧放電灯に交流電流を供給する電力供給回路、高圧放電灯のランプ電圧及びランプ電流を検出する検出回路、及び検出回路による検出ランプ電圧及び検出ランプ電流に基づいて電力供給回路の出力電流波形を制御する制御部を備える。交流電流の１ユニットは、半サイクルの矩形波からなるベース低周波電流部分と、ベース低周波電流部分よりも高い周波数の１サイクルの高周波電流部分からなり、高周波電流部分のうちの少なくとも後半の半サイクルのピーク値がランプ電圧に対する１次関数となり、検出ランプ電圧と検出ランプ電流の積であるランプ電力が交流電流の１ユニットにわって一定となるように制御部が電力供給回路を制御するように構成される。定格ランプ電圧範囲の所定ランプ電圧未満の範囲においては、高周波電流部分の後半の半サイクルのピーク値がベース低周波電流部分のピーク値よりも低くなるようにした。

ここで、高周波電流部分の後半の半サイクルのピーク値を定格ランプ電圧範囲において一定としてもよい。
また、ベース低周波電流部分のピーク値に対する高周波電流部分の後半の半サイクルのピーク値の比が、定格ランプ電圧範囲において０．５以上２．０以下とする。

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、高圧放電灯点灯装置に接続される高圧放電灯、高圧放電灯が取り付けられるリフレクタ、並びに高圧放電灯点灯装置、高圧放電灯及びリフレクタを収容する筐体を備えた光源装置である。

本発明の実施例による高圧放電灯点灯装置の回路構成図である。 本発明の第１の実施例で使用するランプ電流波形及び各部波形の図である。 本発明の第２の実施例で使用するランプ電流波形及び各部波形の図である。 本発明の実施例を説明する図である。 本発明の変形例を説明する図である。 本発明の光源装置を示す図である。

図１に本発明の実施例による高圧放電灯点灯装置（以下、「点灯装置」という）の回路構成を示す。点灯装置は、交流入力を直流化する整流平滑回路１０、整流平滑回路１０の出力電圧を降下して高圧放電灯（以下、「ランプ」という）６０への電流を制限する降圧チョッパ回路２０、降圧チョッパ回路２０の出力を交流電流に変換してランプ６０に投入するフルブリッジ回路４０、降圧チョッパ回路２０及びフルブリッジ回路４０を制御する制御回路３０、並びにイグナイタ５０からなる。なお、本明細書では、整流平滑回路１０、降圧チョッパ回路２０及びフルブリッジ回路４０を含んだ部分を電流供給回路というものとする。但し、点灯装置外部から直流電圧が供給される場合には整流平滑回路１０は不要であるので、この場合は、回路２０及びフルブリッジ回路４０を含んだ部分を電流供給回路というものとする。

降圧チョッパ回路２０は、点灯中（本明細書では、安定点灯時をいう）においては、ランプ電力又はランプ電流が所定値となるように制御回路３０によってＰＷＭ制御される。ランプ電力が所定値で一定となるように定電力制御を行う場合には、ランプ電圧検出抵抗３１及び３２によって検出されるランプ電圧とランプ電流検出抵抗３３によって検出されるランプ電流の積（即ち、ランプ電力）がプロセッサ（マイクロコンピュータ）３５に記憶された電力設定値と一致するようにＰＷＭ制御回路３４によってトランジスタ２１がＰＷＭ制御される。また、ランプ電流が所定値で一定となるように定電流制御を行う場合には、ランプ電流検出抵抗３３によって検出されるランプ電流がプロセッサ３５に記憶された電流設定値と一致するようにＰＷＭ制御回路３４によってトランジスタ２１がＰＷＭ制御される。

フルブリッジ回路４０では、ブリッジ制御回路４５が、プロセッサ３５において設定された反転タイミングでトランジスタ４１及び４４とトランジスタ４２及び４３とが交互にオン・オフ駆動する。これにより、所望の反転タイミングで極性が切り替わるランプ電流波形を形成できる。

なお、イグナイタ回路５０はランプ始動時に動作し、ランプ点灯開始後は非動作状態となる。本発明はランプ点灯中の動作に関するものであるため、その説明を省略する。

上記より、電流供給回路は、プロセッサ３５、ＰＷＭ制御回路３４及びブリッジ制御回路４５（以下、これらの３構成要素をまとめて「制御部」という）によって、降圧チョッパ回路２０の出力電流値を制御するとともにフルブリッジ回路４０の極性反転タイミングを制御することにより、所望の波形の出力電流をランプ６０に投入することができる。

図２Ａ及び２Ｂに、本発明の各実施例における各部波形を示す。図２Ａ及び２Ｂにおいて、（ａ）は本発明の実施例で用いるランプ電流波形を示し、（ｂ）は（ａ）のランプ電流波形を実現するための降圧チョッパ回路２０の出力電流、（ｃ）はフルブリッジ回路４０の反転タイミングを示す。図２Ａ及び２Ｂの（ａ）に示すように、本発明のランプ電流波形は、その１ユニットが、半サイクルの矩形波からなるベース低周波電流部分Ｉｂと、ベース低周波電流部分Ｉｂよりも高い周波数の１サイクルの高周波電流部分Ｉｈからなる。高周波電流部分Ｉｈは前半の半サイクル部分（以下、「高周波電流部分Ｉｈ１」という）と後半の半サイクル部分Ｉｈ２（以下、「高周波電流部分Ｉｈ２」という）からなる。なお、ベース低周波電流部分Ｉｂの周波数は５０Ｈｚ〜１ｋＨｚ程度であり、高周波電流部分Ｉｈの周波数は５００Ｈｚ〜１０ｋＨｚ程度であればよい。

実施例１．
本実施例のランプ電流波形は、図２Ａの（ａ）に示すように、高周波電流部分Ｉｈ２のピーク値は定格ランプ電圧範囲（例えば、５０Ｖ〜１２０Ｖ）にわたって一定値ｐ２に固定される。そして、制御部は、ランプ電流波形の１ユニットにわたってランプ電力が一定となるように電力供給回路を制御する。従って、図２Ａの（ｂ）に示すように、降圧チョッパ回路２０は、高周波電流部分Ｉｈ２の期間においてはそのピークが一定となるように定電流制御を行い、ベース低周波電流部分Ｉｂ及び高周波電流部分Ｉｈ１の期間においてはその実効値（本実施例のような矩形波ではピーク値に等しい）が、ランプ電圧が増加すると減少し、ランプ電圧が減少すると増加するように定電力制御を行う（図２Ａ（ａ）及び（ｂ）の点線部参照）。なお、定格ランプ電圧範囲とは、定格ランプ電力での点灯が行われるランプ電圧範囲をいう。

このように、本実施例の制御においては、プロセッサ３５は、ピーク値ｐ２の値を記憶しておくとともに、（必要であれば高周波電流部分Ｉｈ２の期間の実効電力分を補正しつつ）ランプ電力設定値（即ち、定格ランプ電力）を検出ランプ電圧で除算してピーク値ｐ１の値を求めるだけでよいので、参照テーブル等を使用する必要がなく、簡素な制御とすることができる。

図３は本実施例におけるランプ電圧ＶＬに対するベース低周波電流部分Ｉｂのピーク値ｐ１と高周波電流部分Ｉｈ２のピーク値ｐ２の変化を示す。なお、高周波電流部分Ｉｈ１のピーク値はベース低周波電流部分Ｉｂのピーク値ｐ１に等しい。本実施例では、定格ランプ電圧範囲の所定ランプ電圧未満の範囲においては、ピーク値ｐ２がピーク値ｐ１よりも低い。

上記の構成により、ランプ電圧ＶＬが高い範囲では、ピーク値ｐ１に対するピーク値ｐ２の比ｐ１／ｐ２を所望値以下とすることができ、ベース低周波電流部分Ｉｂと高周波電流部分Ｉｈ２のピーク差に起因するチラツキを防止することができる。また、ランプ電圧ＶＬが低い範囲（ランプ電流実効値が高い範囲）では、高周波電流波形による過度の温度上昇を抑制し、ランプ電極の寿命を確保することができる。さらに、高い電流値のピーク部分がなくなるので騒音の問題もない。

表１及び２に、各定格電力のランプにおいて、同じランプに対して本実施例による点灯を行った場合（表１．実施例）と従来技術による点灯を行った場合（表２．比較例）を示す。また、参照例として、表３に、実施例及び比較例のランプとは異なる定格電力のランプについて、従来技術による点灯を行った場合の結果を示す。表１〜３において、「ＶＬ下限」及び「ＶＬ上限」とは、定格ランプ電圧範囲の下限値及び上限値にそれぞれ相当する。本実施例では、ピーク値ｐ２が、定格ランプ電圧下限値（ランプ寿命初期）でピーク値ｐ１未満になるようにし、かつ定格ランプ電圧範囲（ランプ寿命全体）にわたって一定となるようにした。比較例及び参照例では、ピーク値ｐ２が、定格ランプ電圧下限値（ランプ寿命初期）でピーク値ｐ１より高くなるようにし、定格ランプ電圧範囲（ランプ寿命全体）にわたって一定となるようにした。

表１．実施例

表２．比較例

表３．参照例

表２の比較例で示すように、ｐ２／ｐ１が２．１８以上となると、ベース低周波電流部分Ｉｂと高周波電流部分Ｉｈ２のピーク差に起因するチラツキが発生する。また、表３の参照例に示すように、ｐ２／ｐ１は１．９２（約２．０）まで高くすることができる。一方、表１の実施例で示すように、ｐ２／ｐ１が１．０以下（例えば、０．６８）であってもフリッカは発生せず、問題ない。また、ｐ１＜ｐ２の場合と同様に、ｐ１＞ｐ２の場合も、ｐ１とｐ２の差が２倍以内であれば光出力段差に起因するチラツキは視認されないので、ｐ２／ｐ１が０．５以上であれば使用上問題ない。従って、定格ランプ電圧範囲において、０．５≦ｐ２／ｐ１≦２．０とすることが好ましい。

実施例２．
本実施例のランプ電流は、図２Ｂの（ａ）に示すように、高周波電流部分Ｉｈのピーク値は定格ランプ電圧範囲（例えば、５０Ｖ〜１２０Ｖ）にわたって一定値ｐ２に固定される。そして、制御部は、ランプ電流波形の１ユニットにわたってランプ電力が一定となるように電力供給回路を制御する。従って、図２Ｂの（ｂ）に示すように、降圧チョッパ回路２０は、高周波電流部分Ｉｈの期間においてはそのピークが一定となるように定電流制御を行い、ベース低周波電流部分Ｉｂの期間においてはその実効値（本実施例のような矩形波ではピーク値に等しい）が、ランプ電圧が増加すると減少し、ランプ電圧が減少すると増加するように定電力制御を行う（図２Ｂ（ａ）及び（ｂ）の点線部参照）。本実施例についても、ピーク値ｐ１及びｐ２の関係について、図３の設定が適用される。

このように、本実施例の制御においては、プロセッサ３５は、ピーク値ｐ２の値を記憶しておくとともに、（必要であれば高周波電流部分Ｉｈ２の期間の実効電力分を補正しつつ）定格ランプ電力（即ち、ランプ電力設定値）を検出ランプ電圧で除算してピーク値ｐ１の値を求めるだけでよいので、参照テーブル等を使用する必要がなく、簡素な制御とすることができる。本実施例における他の効果も実施例１と同様である。

変形例．
実施例１及び２では、ピーク値ｐ２をランプ電圧ＶＬにかかわらず固定値（即ち、傾き０の一次関数）としたが、変形例として、ピーク値ｐ２がランプ電圧ＶＬに対して傾きを持った１次関数となるものを示す。図４に、本変形例におけるランプ電圧ＶＬに対するピーク値ｐ１とピーク値ｐ２の変化を示す。なお、ｐ２＝ａ×ＶＬ＋ｂとしたときに、定格ランプ電圧範囲が比較的広い場合は、定格ランプ電圧範囲において０．５≦ｐ２／ｐ１≦２．０となるようにａを負の値とすることが望ましい。一方、定格ランプ電圧範囲が比較的狭い場合は、ａを正の値としても０．５≦ｐ２／ｐ１≦２．０となる。

本変形例においても、ランプ電圧ＶＬが高い範囲では、ピーク値ｐ１に対するピーク値ｐ２の比ｐ２／ｐ１を所望値以下とすることができ、ベース低周波電流部分Ｉｂと高周波電流部分Ｉｈのピーク差に起因するチラツキを防止することができる。また、ランプ電圧ＶＬが低い範囲では、ピーク電流による過度の温度上昇を抑制し、ランプ電極の寿命を確保することができる。またさらに、高い電流値のピーク電流がなくなるので騒音の問題もない。このように、ピーク値ｐ２をランプ電圧ＶＬに対する負の傾きの１次関数とすることにより、参照テーブル等が不要な簡素な制御としつつも、将来的に定格ランプ電圧範囲が拡大された場合にも、新たなランプに適した関数を容易に決定することができる。

以上により、本発明は、定格ランプ電圧範囲の全域にわたってベース低周波電流部分のピーク値に対する高周波電流部分のピーク値を適正な値とし、フリッカ及びチラツキを防止しつつもランプ寿命を確保するための高圧放電灯点灯装置を提供することができる。また、制御構成が簡素であるので、現存する、又は将来開発される多種のランプを点灯するための点灯装置を短い開発期間で提供することができる。

図５に上記点灯装置を利用した光源装置を示す。光源装置は、上記点灯装置である点灯装置７０、点灯装置７０に接続されるランプ６０、ランプ６０が取り付けられるリフレクタ７１、並びに点灯装置７０、ランプ６０及びリフレクタ７１を収容する筐体７２備える。そして、不図示の映像系の構成部材が筐体７２内部に装備されてプロジェクタを構成することができる。なお、図５は本発明の光源装置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。

これにより、光源装置用にアーク長がより短いランプが開発された場合でも、フリッカ及びチラツキを防止しつつもランプ寿命を確保する点灯装置を内蔵した光源装置を短い開発期間で提供することができる。

上記に本発明の最も好適な実施例を示したが、本発明は発明の趣旨を逸脱することなく以下のように変形可能である。
（１）上記実施例では、ランプ電流波形において、ベース低周波電流部分と高周波電流部分が周期的に繰り返される構成を示したが、高周波電流部分はベース低周波電流部分に対して間欠的又は不規則に挿入されるようにしてもよい。
（２）上記実施例において、整流平滑回路１０、降圧チョッパ回路２０、制御回路３０、フルブリッジ回路４０、及びイグナイタ回路５０の具体例を示したが、これらは上述した機能を達成できるものであれば当業者に周知の他の回路構成であってもよい。例えば、図１では、整流平滑回路１０としていわゆるコンデンサインプット型の回路を示しているが、昇圧チョッパ回路（力率改善回路）を用いてもよい。また、降圧チョッパ回路２０をフォワード型等の他の構成のＤＣ／ＤＣコンバータとしてもよく、それはＤＣ出力電流の制御ができればよい。また、フルブリッジ回路４０をプッシュプル型等の他の構成のＤＣ／ＡＣコンバータとしてもよく、出力電流の極性反転制御ができるものであればよい。

１０．整流平滑回路
２０．降圧チョッパ回路
３０．制御回路
３１、３２．ランプ電圧検出抵抗
３３．ランプ電流検出抵抗
３４．ＰＷＭ制御回路
３５．プロセッサ
４０．フルブリッジ回路
４５．ブリッジ制御回路
６０．高圧放電灯（ランプ）
７０．高圧放電灯点灯装置（点灯装置）
７１．リフレクタ
７２．筐体

Claims (4)

1. 高圧放電灯点灯装置であって、
   高圧放電灯に交流電流を供給する電力供給回路、
   前記高圧放電灯のランプ電圧及びランプ電流を検出する検出回路、及び
   前記検出回路による検出ランプ電圧及び検出ランプ電流に基づいて前記電力供給回路の出力電流波形を制御する制御部
   を備え、
   前記交流電流の１ユニットが、半サイクルの矩形波からなるベース低周波電流部分と、該ベース低周波電流部分よりも高い周波数の１サイクルの高周波電流部分からなり、前記高周波電流部分のうちの少なくとも後半の半サイクルのピーク値がランプ電圧に対する１次関数となり、検出ランプ電圧と検出ランプ電流の積であるランプ電力が前記交流電流の１ユニットにわって一定となるように前記制御部が前記電力供給回路を制御するように構成され、
   定格ランプ電圧範囲の所定ランプ電圧未満の範囲においては、前記高周波電流部分の後半の半サイクルのピーク値が前記ベース低周波電流部分のピーク値よりも低いことを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
2. 請求項１に記載の高圧放電灯点灯装置において、前記高周波電流部分のうちの少なくとも後半の半サイクルのピーク値が前記定格ランプ電圧範囲において一定である、高圧放電灯点灯装置。
3. 請求項１に記載の高圧放電灯点灯装置において、前記ベース低周波電流部分のピーク値に対する前記高周波電流部分の後半の半サイクルのピーク値の比が、前記定格ランプ電圧範囲において０．５以上２．０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、該高圧放電灯点灯装置に接続される前記高圧放電灯、該高圧放電灯が取り付けられるリフレクタ、並びに該高圧放電灯点灯装置、該高圧放電灯及び該リフレクタを収容する筐体を備えた光源装置。

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