JP5287525B2 - 高圧放電灯点灯装置及び高圧放電灯の点灯方法 - Google Patents

Description

本発明は高圧放電灯を点灯させるための高圧放電灯点灯装置及において、高圧放電灯の寿命を改善する技術に関するものである。

近年、高圧放電灯点灯装置の電子化による小型、軽量化が進み、図１に示すような降圧チョッパ回路２０とフルブリッジ回路３０、およびイグナイタ回路４０の組合せにより図４に示すような高圧放電灯（以下、「ランプ」という）５０を矩形波始動させ、その後任意の波形で安定に点灯させる高圧放電灯点灯装置が普及しつつある。

図１の回路の動作を説明する。降圧チョッパ回路２０を構成するＰＷＭ制御回路２８の制御において、抵抗２６によってランプ電圧に比例したランプ電圧信号が検出され、抵抗２７によってランプ電流に比例したランプ電流信号が検出される。ランプ電流信号とランプ電圧信号を乗算器にて乗算した電圧信号またはマイコンにて演算した電圧信号と、ランプ５０の定格ランプ電圧時に定格ランプ電力で点灯できるように予め設定した基準電圧とが誤差増幅器にて比較され、ランプ電流信号とランプ電圧信号を乗算した電圧信号またはマイコンにて演算した電圧信号が一定となるようにトランジスタ２１のデューティ比がパルス幅制御される。これによってランプ５０が所望の電力で点灯される。

次に、降圧チョッパ回路２０の直流出力を受けて動作するフルブリッジ回路３０の動作を説明する。トランジスタ３１及び３４の組とトランジスタ３２及び３３の組がブリッジ制御回路３７によって交互に導通し、図２のように低周波矩形波電流の半サイクルの直後に、高周波矩形波電流を１サイクル印加したランプ電流をランプ５０へ出力する。
ＰＷＭ制御回路２８の動作とブリッジ制御回路３７の動作は制御手段１５によって連動される。即ち、降圧チョッパ回路２０及びフルブリッジ回路３０で電力供給手段が構成され、それが制御手段１５によって制御される。そして、交流ランプ電流について、ＰＷＭ制御回路２８によってその電流値が制御され、フルブリッジ制御回路３０によって極性反転間の時間幅が制御される。

イグナイタ回路４０は、ランプ５０に高圧パルスを発生、印加させ、ランプ５０を始動させる。ランプ５０が始動した後、イグナイタ回路４０は動作を停止する。

ところで、高圧放電灯の点灯に際しては投入するランプ電流波形について、以下の２点を考慮しなければならない。
第１の点はフリッカの防止である。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。

この問題については、図２のようなランプ電流波形を用いて、高周波電流の後半の半サイクルの部分の作用により電極先端に適度な大きさの突起を形成し、その突起にアークの起点が定まるようにしてフリッカを好適に防止できることが分かっている（例えば、特許文献１）。
なお、図２において、高周波期間の後半の半サイクル部のピーク電流値は低周波期間の電流値の１．１〜１．５倍であり、高周波期間の１サイクルの時間幅：低周波期間の半サイクルの時間幅は、１：４〜１：２０である。また、｛低周波半サイクル（正）＋高周波１サイクル＋低周波半サイクル（負）＋高周波１サイクル｝を単位サイクルとするとその繰り返し周波数は５０Ｈｚ〜１ｋＨｚ程度である。

第２の点は適正なランプ電圧の維持である。ランプ電圧が低過ぎると最大定格ランプ電流を投入しても所望のランプ電力が投入できず、その結果、照度が低下してしまう。反対にランプ電圧が高過ぎると、一般に保護動作が働き、ランプへの電力供給が停止される。この保護動作が働く状態はランプが寿命に達したことを意味する。言い換えると、適正なランプ電圧を維持できればランプの長寿命化につながる。
なお、適正なランプ電圧の維持とは、電極上に形成される突起の成長を適切に抑制して電極間の距離が適正な範囲に維持することである。突起はフリッカ防止のためにも存在している必要があるが、アークの起点さえ定まればそれ以上長い必要はない。しかし、ランプ電圧が低く、十分なランプ電力を投入できないような状況では突起が必要以上に成長し易く、問題となる。この問題について、例えば特許文献２においては、通常の矩形波点灯の高圧放電灯点灯装置について、ランプ点灯開始後の所定期間において、検出されたランプ電圧が６０Ｖ未満の場合（突起が成長し過ぎてしまっている場合）にはランプ電流を多めに投入することにより突起の成長を抑制し、電極間距離がそれ以上縮まらないようにしている。

特許第３８４４０４６号
特開２００８−４１５８８号公報

確かに、図２のようなランプ電流波形を用いると電極先端に突起ができフリッカを抑制することができるが、その突起は図５Ａの９０及び９１に示すように細く小さいため、消耗が激しい。さらに、突起が溶けた際、次に突起が成長を始める基点が再び同じ位置になるとは限らず、その結果、突起が移動してしまう場合がある。突起が移動してしまうとアークが移動してしまい、プロジェクタ等に搭載したときに光軸が最適な位置からずれてしまい、その結果、照度の低下をもたらしてしまう。
さらに、特許文献２のような制御を図２のようなランプ電流波形で行うと、突起が小さいため、突起を過度に溶かしてしまうことがあり、突起の移動を誘発することになる。

そこで、フリッカ、アークの移動を抑制し、さらに適正なランプ電圧維持ができるよう消耗し難い太い突起を電極上に形成させる必要がある。

本発明の第１の側面は、高圧放電灯に交流電流を供給する電力供給手段（２０、３０）及び電力供給手段によって供給される交流電流の電流値及び極性反転間の時間幅を周期的に変化させるための制御手段（１５）からなり、交流電流が期間ＴＬ及び期間ＴＳの繰り返しからなり、期間ＴＬにおいては、所定の周波数の矩形波電流（以下、「低周波電流」という）の半サイクルの直後に所定の周波数よりも高い周波数の電流（以下、「高周波電流」という）が１サイクル印加され、高周波電流１サイクルのうちの後半の半サイクルのみ又は高周波電流１サイクル全部のピーク電流値が低周波電流の電流値よりも高く、期間ＴＳにおいては、低周波電流のみが繰り返されるように、制御手段によって電力供給手段が制御される高圧放電灯点灯装置である。

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（６１）、高圧放電灯（５０）、高圧放電灯が取り付けられるリフレクタ（６２）、並びに高圧放電灯点灯装置及びリフレクタを内包する筐体（６３）を備えたプロジェクタである。

本発明の第３の側面は、交流電流を供給する電力供給手段（２０、３０）及び電力供給手段によって供給される交流電流の電流値及び極性反転間の時間幅を周期的に変化させるための制御手段（１５）を用いた高圧放電灯の点灯方法であって、所定の周波数の矩形波電流（以下、「低周波電流」という）の半サイクルの直後に該所定の周波数よりも高い周波数の電流（以下、「高周波電流」という）を１サイクル印加するステップであって、高周波電流１サイクルのうちの後半の半サイクルのみ又は高周波電流１サイクル全部のピーク電流値が低周波電流の電流値よりも高くなるように印加するステップ（ＴＬ）、及び低周波電流のみを通電するステップ（ＴＳ）からなり、ステップ（ＴＬ）とステップ（ＴＳ）が繰り返される点灯方法である。

ここで、期間ＴＬ又はステップ（ＴＬ）における｛半サイクルの正の低周波電流、１サイクルの高周波電流、半サイクルの負の低周波電流、１サイクルの高周波電流｝を単位サイクルＵＬとして、単位サイクルＵＬの繰り返し周波数を７０Ｈｚ以上２００Ｈｚ以下とした。
また、期間ＴＳ又はステップ（ＴＳ）における低周波電流の周波数を５０Ｈｚ以上１００Ｈｚ以下とした。
またさらに、期間ＴＬ又はステップ（ＴＬ）の継続時間と期間ＴＳ又はステップ（ＴＳ）の継続時間の合計に対する期間ＴＳ又はステップ（ＴＳ）の継続時間の比が１０％以上５０％以下となるようにした。

従来の高圧放電灯点灯装置の回路構成図である。 従来の高圧放電灯点灯装置のランプ電流波形を示す図である。 本発明のランプ電流波形を示す図である。 高圧放電灯の構造を示す図である。 従来の点灯方法による電極突起形状を示す図である。 本発明の点灯方法による電極突起形状を示す図である。 電極の状態を説明する図である。 本発明の点灯方法による電極突起形状の変化を示す図である。 本発明の点灯方法による電極突起形状の変化を示す図である。 本発明の点灯方法による電極突起形状の変化を示す図である。 本発明の実施例のランプ電流波形を示す図である。 従来のランプ電流波形を用いた際のランプ電圧変動を示す図である。 本発明のランプ電流波形を用いた際のランプ電圧変動を示す図である。 本発明の光源装置を示す図である。

本発明の実施の形態を以下に説明する。回路構成は図１に示したものと同様であり、その構成及び動作の説明は省略する。本発明のランプ電流波は、図３に示すよう、期間ＴＬ（ステップ（ＴＬ））と期間ＴＳ（ステップ（ＴＳ））が交互に繰り返される。期間ＴＬでは従来通り、電極に細く小さな突起が成長し、期間ＴＳではその突起が溶かされる。この繰り返しにより、図５Ｂの９２及び９３で示すように径が太く、略円錐状の突起が形成される。その突起の成長過程は以下のようである。

まず、期間ＴＬでは図６Ａのように、細く小さな突起が成長する。次に期間ＴＳではその突起は溶かされ、電極先端は突起があった部分が頂点となるような山型の形状になる（図６Ｂ）。このとき、山形でなだらかではあるが突起が存在しているため、アークはそこを基点として放電を続けるので、フリッカは起こらない。そして次に期間ＴＬになったとき、アークの基点として高温になっている山型突起の頂点に、また細く小さい突起が成長する（図６Ｃ）。以上の動作を繰り返すことにより、径が太く、略円錐状の突起が形成される。

なお、期間ＴＬ、期間ＴＳの周波数には適切な範囲があり、その範囲を超えると上述したような略円錐状の突起が形成されないばかりか、フリッカの発生、極性反転が視認できてしまう等の問題が発生する。この適切な範囲については後述する。

さらに、略円錐状の突起が形成するには期間ＴＬと期間ＴＳの時間比も重要である。期間ＴＬの時間比を多くし過ぎると（あるいは、期間ＴＳの時間比を少なくし過ぎると）、期間ＴＬで成長した細い突起を期間ＴＳで適度に溶かすことができず、細い突起が過度に成長してしまう。反対に期間ＴＬの時間比を小さくし過ぎると（あるいは、期間ＴＳの時間比を多くし過ぎると）、細い突起が成長しても期間ＴＳで突起が完全に溶かされしまい、図５Ｃのようになってしまう。

実施例．
本発明の波形を用いてランプのライフテストを行った。なお、回路構成図は図１と同じである。
図８Ａに従来の波形を用いた場合のライフテスト約１０００時間のランプ電圧の推移を示す。ここで、従来の波形とは、図２の波形において、周波数を１００Ｈｚ、高周波期間の１サイクルの時間幅：低周波期間の半サイクルの時間幅を１：６としたものである。なお、高周波期間の後半の半サイクルのピーク電流値を低周波期間の電流値の１．１〜１．５倍とした（ランプ電圧に応じてこの範囲で変化する）。

図８Ｂは本発明の波形を用いた場合のライフテスト約１０００時間のランプ電圧の推移である。ここで、本発明の波形について、図７に示すように、期間ＴＬを｛半サイクルの正の低周波電流、１サイクルの高周波電流、半サイクルの負の低周波電流、１サイクルの高周波電流｝の単位サイクルＵＬから構成し、単位サイクルＵＬの繰り返し周波数を１００Ｈｚとし、サイクル数を２０サイクルとした。また、期間ＴＳでの単位サイクルＵＳの周波数を５０Ｈｚとし、サイクル数を１０サイクルとした。
従来例の図８Ａではランプ電圧が大きく上昇している（即ち、ランプ電極が消耗して電極間距離が広がっている）のに対し、本発明の図８Ｂではランプ電圧の変動は非常に小さく、即ち、突起の消耗が小さく長寿命が達成され、良好な結果が得られた。

本発明の各期間の波形について、単位サイクルＵＬの繰り返し周波数が７０Ｈｚ未満となると、電極が図５Ｃに示すように切り株状となり、アークスポットの移動によるフリッカが起きやすくなる一方、２００Ｈｚを超えるとランプ電圧が上昇してしまうことが分かった。従って、単位サイクルＵＬの繰り返し周波数は７０Ｈｚ以上２００Ｈｚ以下が好ましい。
また、期間ＴＳでの周波数が５０Ｈｚ未満となると、極性反転が視認できるようになり光源装置用としては不適当であることが知られている。一方、期間ＴＳでの周波数が１００Ｈｚを超えるとランプ電圧が上昇してしまうことが分かった。従って、期間ＴＳでの周波数は５０Ｈｚ以上１００Ｈｚ以下が好ましい。

期間ＴＬと期間ＴＳの継続時間について、ＴＳ／（ＴＬ＋ＴＳ）が１０％未満の場合、波形は図２に示すような従来波形に近づくことになり、本発明の効果を得ることができなくなる。また、ＴＳ／（ＴＬ＋ＴＳ）が５０％を超えると、矩形波の効果（即ち、電極を溶かす効果）が過剰となり、上述の図５Ｃと同様の電極状態をもたらすことになる。従って、ＴＳ／（ＴＬ＋ＴＳ）は１０％以上５０％以下とするのが好ましい。なお、上記の実施例ではＴＳ／（ＴＬ＋ＴＳ）＝５０％である。

上記実施例では、従来の高圧放電灯の構成のままで、フリッカ、アークの移動を抑制し、さらに適正なランプ電圧維持ができるよう消耗し難い太い突起を電極上に形成させることができる高圧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プロジェクタを図９に示す。図９において、６１は上記で説明した実施例の高圧放電灯点灯装置、６２は高圧放電灯５０が取り付けられるリフレクタ、６３は高圧放電灯点灯装置６１、高圧放電灯５０及びリフレクタ６２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。そして、図示されない映像系の部材等を筐体６３内に適宜配置してプロジェクタが構成される。
これにより、フリッカ、アークの移動がなく、さらにランプ長寿命で信頼性の高いプロジェクタを得ることができる。

本発明によると、図５Ｂに示すような径が太く、略円錐状の突起を形成することができる。また、これにより突起の移動もなく、また消耗しにくい突起を形成することが可能となった。

１０：直流電源
１５：制御手段
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
２５、２６、２７：抵抗
２８：ＰＷＭ制御回路
３０：フルブリッジ回路
３１、３２、３３、３４：トランジスタ
３７：ブリッジ制御回路
４０：イグナイタ回路
５０：高圧放電灯
６１：高圧放電灯点灯装置
６２：リフレクタ
６３：筐体
８０、８１、８２、８３：ランプ電極
９０、９１、９２、９３：突起

Claims (7)

1. 高圧放電灯に交流電流を供給する電力供給手段（２０、３０）及び該電力供給手段によって供給される交流電流の電流値及び極性反転間の時間幅を周期的に変化させるための制御手段（１５）からなり、該交流電流が期間ＴＬ及び期間ＴＳの繰り返しからなり、
   該期間ＴＬにおいては、第１の周波数の矩形波電流からなる第１の低周波電流の半サイクルの直後に該所定の周波数よりも高い周波数の電流からなる高周波電流が１サイクル印加され、該高周波電流１サイクルのうちの後半の半サイクルのみ又は該高周波電流１サイクル全部のピーク電流値が該第１の低周波電流の電流値よりも高く、該期間ＴＳにおいては、第２の周波数の矩形波電流からなる第２の低周波電流のみが繰り返されるように、前記制御手段によって前記電力供給手段が制御され、前記期間ＴＬの継続時間と前記期間ＴＳの継続時間の合計に対する該期間ＴＳの継続時間の比が１０％以上５０％以下であることを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
2. 請求項１記載の高圧放電灯点灯装置において、前記期間ＴＬの｛半サイクルの正の前記第１の低周波電流、１サイクルの高周波電流、半サイクルの負の前記第１の低周波電流、１サイクルの高周波電流｝を単位サイクルＵＬとして、該単位サイクルＵＬの繰り返し周波数が７０Ｈｚ以上２００Ｈｚ以下であることを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
3. 請求項１記載の高圧放電灯点灯装置において、前記期間ＴＳを構成する前記第２の低周波電流の周波数が５０Ｈｚ以上１００Ｈｚ以下であることを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
4. 請求項１記載の高圧放電灯点灯装置（６１）、高圧放電灯（５０）、該高圧放電灯が取り付けられるリフレクタ（６２）、並びに該高圧放電灯点灯装置及び該リフレクタを内包する筐体（６３）を備えたプロジェクタ。
5. 交流電流を供給する電力供給手段（２０、３０）及び該電力供給手段によって供給される交流電流の電流値及び極性反転間の時間幅を周期的に変化させるための制御手段（１５）を用いた高圧放電灯の点灯方法であって、
   第１の周波数の矩形波電流からなる第１の低周波電流の半サイクルの直後に該所定の周波数よりも高い周波数の電流からなる高周波電流を１サイクル印加するステップであって、該高周波電流１サイクルのうちの後半の半サイクルのみ又は該高周波電流１サイクル全部のピーク電流値が該第１の低周波電流の電流値よりも高くなるように印加するステップ（ＴＬ）、及び
   第２の周波数の矩形波電流からなる第２の低周波電流のみを通電するステップ（ＴＳ）
   からなり、
   前記ステップ（ＴＬ）と前記ステップ（ＴＳ）が繰り返され、前記ステップ（ＴＬ）の継続時間と前記ステップ（ＴＳ）の継続時間の合計に対する該ステップ（ＴＳ）の継続時間の比が１０％以上５０％以下である、点灯方法。
6. 請求項５記載の点灯方法において、前記ステップ（ＴＬ）における｛半サイクルの正の前記第１の低周波電流、１サイクルの高周波電流、半サイクルの負の前記第１の低周波電流、１サイクルの高周波電流｝を単位サイクルＵＬとして、該単位サイクルＵＬの繰り返し周波数が７０Ｈｚ以上２００Ｈｚ以下である点灯方法。
7. 請求項５記載の点灯方法において、前記ステップ（ＴＳ）における前記第２の低周波電流の周波数が５０Ｈｚ以上１００Ｈｚ以下である点灯方法。

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