JP5411559B2 - 放電ランプ点灯装置及びその点灯方法 - Google Patents

Description

本発明は、管壁負荷の高い高圧放電ランプの点灯装置に関するものである。

近年、高圧放電ランプは定格３００Ｗ程度の高圧放電ランプ1個搭載で３０００〜４０００ＡＮＳＩルーメンもの高い照度を達成できるようになっている。このような高出力のランプは極めて発光効率の高い、換言すれば「管壁負荷」の高いものが要求される。

この種のランプは通常、照度を高くするために定格出力（例えば３００Ｗ）限界まで電力を供給して点灯させるため、始動動作から安定出力に移行した通常点灯時には、ランプに略一定の電力が供給されつづける。

特開２００１−１８５３８２号公報 特開２００８−１５９４３４号公報 特開２００９−０６４５８１号公報 特開２００８−１０８６７０号公報 特開２００４−９５３３４号公報 特開２００８−２６９８３６号公報

図６（ａ）は、従来の放電ランプ点灯装置により３００Ｗ、アーク長１．２ｍｍ、管壁負荷２．５Ｗ／ｍｍ^２の直流式高圧放電ランプを駆動した際のランプ点灯装置の出力電力特性を示している。図６（ｂ）は、同点灯装置の出力電流特性を示している。始動時初期のアーク放電のランプ電圧Ｖ_Ｌは１５Ｖ程度と低く、その後、発光管内の水銀蒸発に伴ってランプ電圧Ｖ_Ｌが上昇し、発光管の温度も上昇する。ランプ電圧Ｖ_Ｌが６０Ｖ以上では一定電力３００Ｗを維持するように制御され、その後供給される電流は徐々に低減される。この種のランプの初期のランプ電圧Ｖ_Ｌは概ね６０Ｖ〜９０Ｖ程度の範囲で変動があるが、使用開始直後は電圧の変動を考慮しても高々９０Ｖ程度までである。

しかし、経時変化により次第にランプ電圧Ｖ_Ｌは上昇傾向を示し寿命末期には１２０Ｖ〜１４０Ｖに増加してくる。この理由については次のように説明される。

図５（ａ）は、使用開始直後における直流式ランプのカソード電極５０及びアノード電極５１とアーク放電の様子を、図５（ｂ）は、使用開始１５００時間経過後における直流式ランプのカソード電極５０及びアノード電極５１とアーク放電の様子を、それぞれ示している。

図５（ａ）に示す使用開始直後の放電状態は、３００Ｗの放電ランプでアーク長約１．２ｍｍ程度である。ところが、図５（ｂ）に示す使用開始１５００時間経過後の放電状態は、カソード電極５０の先端部及びアノード電極５１の先端部のタングステン消耗と析出によりアーク長が伸びていることを示している。この傾向は、一般に管壁負荷が高くなるほど顕著になる。

照度を高くするには内容積の小さい発光管の封体に大きな電力を供給する必要がある。そのため、電極サイズは大きくならざるを得ないが、封体内に収める必要があるため限界がある。従って、高輝度放電ランプでは、小さな電極に大電流を流すことが必要となる。その結果、電極先端の消耗は激しくなり、寿命が近づくにつれてランプ電圧Ｖ_Ｌの上昇は早くなる。

図７（ａ）は、ランプ電圧Ｖ_Ｌの経時変化を示している。初期電圧７０Ｖであったものが、５００時間後には１００Ｖ、１０００時間後には１１５Ｖ、２０００時間には１３０Ｖにまで上昇している。点灯装置の電力制御回路において、１４０Ｖ程度まで達した時点でランプ電圧Ｖ_Ｌが異常電圧と判断して放電を停止（シャットダウン）させるための制御が行われるのが通常である。

このように、経時変化によってアーク長が伸延すると、ランプ内部の封体ガラスの温度が上昇し、同時に失透現象が現れてくる。その結果、照度維持率は急速に低下する。従来の放電ランプ点灯装置を用いた場合、この種の管壁負荷のランプでは通常、５００時間あたりから失透が急激に進行し始める。

図７（ｂ）は、従来の放電ランプ点灯装置で放電ランプを点灯させた際の、点灯時間と照度維持率の関係を示した図である。この図に示すように、点灯時間と共に照度維持率が低下し、１２００時間後には照度維持率が５０％にまで低下する。このように、従来の放電ランプ点灯装置では、実用管壁負荷の高い高輝度放電ランプほど寿命は短く、上記の例の場合、実用レベルの照度を維持できるのは高々１０００時間〜１５００時間程度が限界であった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、管壁負荷の高い高出力の高圧放電ランプの長寿命化を実現する放電ランプ点灯装置を提供することを目的とする。

本発明に係る放電ランプ点灯装置は、電源回路、放電ランプの始動回路、チョッパー回路と、パルス幅制御回路（ＰＷＭ回路）、放電ランプのランプ電圧及びランプ電流を検出する電圧及び検出回路と、出力電圧と出力電流とを演算して前記チョッパー回路にＰＷＭ信号を帰還する電力制御回路とを有する放電ランプ点灯装置であって、
前記電力制御回路は、放電ランプの経時変化による前記電圧検出回路により検出された定常動作時におけるランプ電圧Ｖ_Ｌの上昇に対応して、放電ランプの定格電力よりも低い電力を供給するように、パルス幅制御回路の出力を制御させる電力制御手段を具備することを特徴とする。

本発明に係る放電ランプ点灯装置は、管壁負荷の高い特に高出力の高圧水銀放電ランプを点灯する場合に効果が大きい。例えば、管壁負荷２．０Ｗ／ｍｍ^２以上の放電ランプを従来の放電ランプ点灯装置で点灯させた場合、照度維持率の低下が早く、寿命１０００時間程度しかない。本発明に係る放電ランプ点灯装置によれば、失透が進行し始める５００時間付近までに相当するランプ電圧Ｖ_Ｌまでは定格出力で点灯させるがそれ以後はランプ電圧の上昇に対応して定格出力以下の電力で点灯させるため、管壁負荷が低減されて放電ランプを長寿命化することができる。

本発明の実施形態に係る放電ランプ点灯装置 （ａ）本発明の電力制御を行った放電ランプ点灯装置の放電ランプ電圧Ｖ_Ｌとランプ電力Ｗ_Ｌの関係図（ｂ）本発明の電力制御を行った放電ランプ点灯装置の放電ランプ電圧Ｖ_Ｌとランプ電流Ｉ_Ｌの関係図 （ａ）本発明の電力制御を行ったランプ電圧Ｖ_Ｌの点灯時間tとの関係図（ｂ）本発明の放電ランプ点灯装置の照度維持率Ｌ_ｍの点灯時間ｔとの関係図 本発明の実施形態に係る電力制御装置の制御フロー図 （ａ）は、使用開始直後における直流式ランプのカソード電極及びアノード電極とアーク放電の様子を示す図（ｂ）は、使用開始１５００時間経過後における直流式ランプのカソード電極及びアノード電極とアーク放電の様子を示す図 （ａ）従来の放電ランプ点灯装置の出力電力Ｗ_Ｌとランプ電圧Ｖ_Ｌの関係図（ｂ）従来の放電ランプ点灯装置のランプ電流Ｉ_Ｌとランプ電圧Ｖ_Ｌの関係図 （ａ）従来の放電ランプ点灯装置のランプ電圧Ｖ_Ｌの点灯時間ｔとの関係図（ｂ）従来の放電ランプ点灯装置の照度維持率Ｌ_ｍの点灯時間ｔとの関係図

図１は、本発明に係る放電ランプ点灯装置の一例を図示している。直流電源回路１は、ランプを駆動するための電源回路であり、出力電圧は３００Ｖ以上である。ここでは典型的な電源電圧値の一例として、３５０Ｖとする。直流電源回路の出力電圧を放電ランプの通常動作時におけるランプ電圧Ｖ_Ｌに低減するための降圧チョッパー回路２と、降圧チョッパー回路の出力電圧を検出する電圧検出回路３と、放電ランプＬの出力電流を検出する電流検出回路４と、放電ランプＬを始動するための始動回路５と、降圧チョッパー回路２の出力電圧と出力電流を演算して降圧チョッパー回路にＰＷＭ信号を帰還するための電力制御回路６と、ＰＷＭ信号を発生させるＰＷＭ回路７とを有している。

放電ランプＬは、定格出力３００Ｗ、初期のアーク長１．２ｍｍ、管壁負荷２．５Ｗ／ｍｍ^２の直流点灯高圧放電ランプを用いている。

電力制御回路７の基本的な動作は、ランプ点灯立ち上がり期間は概略一定の電流を供給するように制御し、ランプ安定点灯期間は概略定電力をランプに供給するように制御するとともに、ランプ電圧Ｖ_Ｌが寿命とともに上昇するに伴い、供給電力を徐々に低減するように制御するというものである。このような供給電力の制御はマイコンを用いて行われる。

図４は、本発明の電力制御回路７の具体的な動作の一例を説明するフローチャートである。電圧検出回路３によって検出したランプ電圧Ｖ_Ｌの値に応じて電流値を制御することで４段階の動作を行っている。ランプ電圧Ｖ_Ｌの値が６０Ｖ未満のとき（ランプ立ち上がり期間）ランプ電流Ｉ_Ｌの値を５Ａ一定に制御する。ランプ電圧Ｖ_Ｌの値が６０Ｖ以上９０Ｖ未満のときランプ電流を調節して供給電力がランプの定格出力である３００Ｗ一定になるように制御する。ランプ電圧Ｖ_Ｌの値が９０Ｖ以上１４０Ｖ以下のときランプ電流を調節して供給電力がランプの定格出力よりも徐々に小さくなるように制御して、照度維持率の低下を抑える。そして、１４０Ｖより大きいときはランプ電流Ｉ_Ｌの値を０にしてランプをシャットダウンさせる。

このように、放電ランプの出力電圧Ｖ_Ｌの値が上昇を始めたあとで出力電流を調節することにより点灯装置の出力電力特性でランプ寿命改善を図ることができる。

図２（ａ）は、図４の電力制御を行った放電ランプ点灯装置の放電ランプ電圧Ｖ_Ｌとランプ電力Ｗ_Ｌの関係を図示している。図２（ｂ）は、図４の電力制御を行った放電ランプ点灯装置の放電ランプ電圧Ｖ_Ｌとランプ電流Ｉ_Ｌの関係を図示している。

ランプ電圧Ｖ_Ｌ＝９０Ｖまでの電力制御は従来の放電ランプ点灯装置と同様である。
しかし、上述の通り放電ランプの総点灯時間が増加するにつれてランプ電圧Ｖ_Ｌは上昇し、ついには９０Ｖ以上となる。そこで、ランプ電圧Ｖ_Ｌ９０Ｖ以上１４０Ｖ以下の間は電力制御回路６によりランプ電力を低減させることにより、定格出力以下の電力で放電ランプを点灯させる。

具体例として、−１０％／３０Ｖの傾斜でランプ点灯装置の出力電力を低減させる。すなわち、ランプ電圧Ｖ_Ｌ＝１２０Ｖ（９０Ｖから３０Ｖ上昇した電圧）では、定格出力３００Ｗに対する１０％減すなわち２７０Ｗというように、直線的に傾斜させる。言い換えると90V以上にて−1(W/V)の傾斜で電力低減の制御を行っている。90V以上で一度に例えば１０Ｗ低減させる方法も考えられるが、その場合、ランプ立ち上がり、安定動作になる課程で急激な電力低下になり、スクリーンの照度がその瞬間暗くなるのが認識されやすい。徐々に低減させることで、スクリーン照度の変化が認識できず違和感がない。

図３（ａ）は、上述のような電力制御を行った場合のランプ電圧Ｖ_Ｌを点灯時間の関数で示している。この図から、ランプ電圧Ｖ_Ｌの上昇は点灯開始から５００時間までは従来例（比較例）とほぼ同じ１００Ｖであるが、その後ランプ電圧が５００時間を超えてランプ電圧Ｖ_Ｌの値が９０Ｖ以上の領域になるとランプ電力が徐々に低減し、寿命末期にあたるランプ電圧Ｖ_Ｌの値が１２０Ｖになる頃には定格出力の１０％減で駆動する計算になる。この状態は、ランプの管壁負荷を１０％程度低減したことに相当する。

このように、出力電力を低減させて管壁負荷が低下したことにより、タングステン消耗と析出の化学反応は緩和され、アーク長の伸びは遅くなる。従って、ランプ内部の封体ガラスの温度上昇も緩和され、失透現象の発生を遅らせることができる。

図３（ｂ）は、点灯時間と照度維持率の関係を図示している。照度維持率とは、点灯開始時を１００％とした場合の照度である。電力低減制御を行わない従来の点灯装置では点灯開始直後から照度はほぼ直線的に低下し始めるが、本発明に係る電力低減制御を行った場合には、電力低減が作動し始める５００時間付近から照度低下の推移が緩和されているのがわかる。

この実施形態の例によると、寿命末期にあたるランプ電力Ｖ_Ｌ＝１２０Ｖでは、ランプ電力が本来の定格出力の９０％で駆動することになるが、電力低減制御を行わない従来の照度維持率を考慮すれば、照度の低下による影響は小さく、むしろ寿命改善効果の方が顕著に大きくなる。その結果、図３（ａ）に示すように照度維持率５０％となる寿命時間は２０００時間を実現することができた。このときのランプ電圧Ｖ_Ｌは１２０Ｖであり、ランプ電圧Ｖ_Ｌについても 従来例（比較例）の１３０Ｖから１０Ｖも低減改善できたことになる。

但し、電力制御による供給電力の低減は以下の点において考慮を要する。それは、「点灯中のランプ内部の水銀蒸気が顕著に溶け残らない範囲で低減する」という点である。出力電力を急激に低減させると、発光管内の水銀蒸気圧が低下する。最悪の場合、水銀の溶け残りが発生してハロゲンサイクルが劣化してしまうのである。本発明はこの重要な知見に基づいている。従って、単にランプ電圧の上昇に伴って供給電力を定格出力以下に低減させればよいというものではなく、ハロゲンサイクルの劣化問題が生じない程度に低減することが必要である。発明者らの実験によると、ランプ電圧Ｖ_Ｌが90V以上にて１０％／３０Ｖ程度の電力低減であれば、殆ど問題とならないことが確認されている。これは点灯時間の経過とともにアーク長が長くなるため、アーク放電増大により発光管内の温度が上昇し、結果的に温度バランスがとれるためと考えられる。

以上のように、本発明に係る放電ランプ点灯装置によると管壁負荷の高い放電ランプの照度維持率の低下を抑えて従来よりも長寿命化することができる。なお、実施形態で説明した放電ランプ点灯装置は直流点灯方式であるが、ランプ電圧の上昇に応じて供給電力を減少させるという本発明の基本的な考え方は交流点灯方式の放電ランプ点灯装置においても等しく妥当するものである。

本発明に係る放電ランプ点灯装置によると、点灯時間に応じた効果的な電力制御を行う結果、従来と同じ放電ランプを用いても照度の低下を抑えて寿命を改善することができるなど、産業上の利用可能性は極めて大きい。

１ 電源回路
２ 降圧チョッパー回路
３ 電圧検出回路
４ 電流検出回路
５ 始動回路
６ 電力制御回路
７ ＰＷＭ回路
Ｌ 高圧放電ランプ

Claims (3)

1. 電源回路と、放電ランプの始動回路と、前記放電ランプに電力を供給するチョッパー回路と、前記チョッパー回路にＰＷＭ信号を供給するパルス幅制御回路（ＰＷＭ回路）と、
   前記チョッパー回路の出力電圧を検出する電圧検出回路と、前記放電ランプの出力電流を検出する電流検出回路と、
   前記出力電圧と出力電流とを演算して前記チョッパー回路にＰＷＭ信号を帰還する電力制御回路とを有する放電ランプ点灯装置であって、
   前記放電ランプは高圧水銀放電ランプであり、
   前記電力制御回路は、
   前記放電ランプの経時変化による前記電圧検出回路により検出された定常動作時におけるランプ電圧Ｖ_Ｌの上昇に対応して、前記放電ランプの定格電力よりも低い電力を供給するとともに点灯中の前記放電ランプ内部の水銀蒸気が顕著に溶け残らない範囲で定格出力の１０％／３０Ｖ程度の傾斜で低減するように、前記パルス幅制御回路の出力を制御させる電力制御手段を具備することを特徴とする放電ランプ点灯装置。
2. 前記放電ランプは管壁負荷の値が２．０Ｗ／ｍｍ^２以上であることを特徴とする請求項１記載の放電ランプ点灯装置。
3. カソード電極とアノード電極との間に高電圧を印加することによりアーク放電を生じさせて点灯する管壁負荷２．０Ｗ／ｍｍ^２以上である高圧水銀放電ランプの始動回路と、前記高圧水銀放電ランプの定常動作時におけるランプ電圧Ｖ_Ｌを出力するチョッパー回路と、前記チョッパー回路の出力電圧を検出する電圧検出回路と、前記高圧水銀放電ランプの出力電流を検出する電流検出回路と、
   ＰＷＭ信号を発生させるパルス幅制御回路と
   前記出力電圧と出力電流とを演算して前記チョッパー回路にＰＷＭ信号を帰還する電力制御回路とを有する放電ランプ点灯装置において、
   前記電力制御回路による制御は、
   前記高圧水銀放電ランプ始動時における点灯立ち上がり期間には一定の電流を供給するステップと、
   前記高圧水銀放電ランプ安定点灯時における定常動作時には前記高圧水銀放電ランプのランプ電圧Ｖ_Ｌの上昇に応じて前記高圧水銀放電ランプへの供給電力を点灯中の前記高圧水銀放電ランプ内部の水銀蒸気が顕著に溶け残らない範囲で定格出力の１０％／３０Ｖ程度の傾斜で低減させるステップと
   を実行させる電流制御プログラムを具備することを特徴とする放電ランプ点灯装置の点灯方法。

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