JP5461734B1 - 高圧放電ランプの点灯回路、およびその点灯方法 - Google Patents

Abstract

【課題】点灯周波数を変調させることなく、使用開始当初における電極間距離の変動を小さくして照度維持率の大幅な低下を避けることができる高圧放電ランプの点灯回路およびその点灯方法を提供する。
【解決手段】交流のランプ電流Ａ_Lを高圧放電ランプ２８に供給して点灯させる点灯回路１０において、各半周期の前半に少なくとも１つのパルス電流Ａ_P1を有するとともに、各半周期の後半に少なくとも２つのパルス電流Ａ_P1、Ａ_P2を有するランプ電流Ａ_Lを供給することにより、上記課題を解決できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、高圧放電ランプの両端電圧（＝ランプ電圧）を長時間安定させることのできる点灯回路、およびその点灯方法に関する。

高圧放電ランプは、例えばプロジェクターに用いられる。高圧放電ランプは原理的に直流電流及び交流電流の両方により動作することが可能である。しかしながら、通常、交流電流による動作は、直流電流による動作に比べて、片方の電極の急速な損耗を回避することができるので、高圧放電ランプの効率を向上させるのに好ましいと考えられている。

しかし、交流電流で高圧放電ランプを動作させる場合であっても、当該高圧放電ランプの両端電圧（＝ランプ電圧）の上昇や降下が生じることがあった。このような上昇や降下は、当該高圧放電ランプが新品のときから見られる現象であった。とりわけ、高圧放電ランプを定格電力で点灯させる、プロジェクターの「ノーマルモード」の場合に、当該ランプ電圧の大幅な上昇が見られた。これは、定格電力が高圧放電ランプに与えられることにより、高圧放電ランプ内に配置された一対の電極がともに消耗して当該一対の電極間距離が大きくなることが原因である。

プロジェクターに用いられる光源は、光利用率の観点から、点光源であることが望ましい。しかし、高圧放電ランプの電極間距離が大きくなると、発光面積が大きくなってしまう。このため、光利用率が低下して、使用開始当初における高圧放電ランプの照度維持率（＝ある段階において、高圧放電ランプから光学系を通って有効利用される光の照度÷新品時において、高圧放電ランプから光学系を通って有効利用される光の照度。以下同じ。）の低下が大きくなるという問題があった。

このような問題を回避するため、高圧放電ランプの点灯周波数を変調する技術が公開されている（例えば、特許文献１）。点灯周波数を変調する技術は、端的に言えば、高圧放電ランプのランプ電圧が上昇してきたとき（＝電極間距離が長くなってきたとき）はより低い周波数で高圧放電ランプを点灯させ、逆に、ランプ電圧が低下してきたとき（＝電極間距離が短くなってきたとき）はより高い周波数で高圧放電ランプを点灯させる技術である。

点灯周波数を変調する技術（特許文献１の技術）によれば、高圧放電ランプにおける電極間距離の変動を小さくすることにより、使用開始当初における照度維持率の大幅な低下を避けることができる。

特開２０１３−０３３６０５号公報

しかしながら、現在、商用プロジェクターの大部分を占めるＤＬＰ(Digital Light Processing)方式に点灯周波数を変調する技術を適用した場合、投影される画像に影響を及ぼすおそれがある。すなわち、点灯周波数を変調する技術を適用する場合、カラーホイールと同期が取れる周波数でしか使用できないという問題が生じるが、仮に、カラーホイールと同期がとれていない状態で点灯周波数を変調する技術を適用したとすると、ランプ電流の極性反転時（＝ゼロアンペアのとき）に高圧放電ランプから放射される光の出力が変動して（暗くなって）投影画面にチラツキが生じることになる。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みて開発されたものである。それゆえに本発明の主たる課題は、点灯周波数を変調させることなく、使用開始当初における電極間距離の変動を小さくして照度維持率の大幅な低下を避けることができる高圧放電ランプの点灯回路およびその点灯方法を提供することにある。

請求項１に記載した発明は、
交流のランプ電流を高圧放電ランプに供給して点灯させる点灯回路であって、
交流ランプ電流は、基本ランプ電流と、基本ランプ電流よりも出力電流が大きいパルス電流とで構成されており、
パルス電流は、基本ランプ電流の各半周期の前半に少なくとも１つ重畳されているとともに、各半周期の後半に少なくとも２つ重畳されており、
各半周期の前半に重畳される１つのパルス電流は、各半周期の最初に位置しており、かつ、各半周期の後半に重畳される１つのパルス電流は、各半周期の最後に位置していることを特徴とする
高圧放電ランプの点灯回路である。

請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した点灯回路による点灯方法である。

本発明によれば、点灯周波数を変調することなく、使用開始当初における電極間距離の変動を小さくして照度維持率の大幅な低下を避けることができた。

本発明が適用された点灯回路の一例を示す回路図である。 本発明が適用されたランプ電流の波形の一例を示す図である。 実施例および比較例における、点灯時間とランプ電圧との関係を示すグラフである。 実施例および比較例における、点灯時間と照度維持率との関係を示すグラフである。

以下、本発明が適用された点灯回路１０の実施例について、図面を用いて説明する。図１に示すように、点灯回路１０は、ダウンコンバータ１２と、フルブリッジ回路１４と、パルス幅変調回路１６と、演算回路１８と、パルス発生回路２０と、入力端子２２と、出力端子２４とで構成されている。

ダウンコンバータ１２は、パルス幅変調回路１６からの信号により、入力端子２２を介して点灯回路１０内に導入された直流電圧源２６からの直流電圧を所定の電圧値まで降圧する回路であり、降圧した直流電圧をフルブリッジ回路１４に供給するようになっている。図示しないが、ダウンコンバータ１２には、パワーダイオードと、チョークコイルと、コンデンサとで構成された、典型的なスイッチング電源の降圧式チョッパ回路が使用されている。

フルブリッジ回路１４は、ダウンコンバータ１２からの直流電圧を交流電圧に変換した後、出力端子２４を介してこの交流電圧を高圧放電ランプ２８に供給するようになっている。このフルブリッジ回路１４から高圧放電ランプ２８に供給するランプ電流Ａ_Lの波形は、後述するように、パルス幅変調回路１６、演算回路１８およびパルス発生回路２０によって制御される。

パルス発生回路２０は、フルブリッジ回路１４から高圧放電ランプ２８に供給するランプ電流Ａ_Lを形成するため、図２に示すように、基本ランプ電流Ａ_LBに重畳するパルス電流Ａ_P1〜Ａ_P3を発生させる回路であり、当該パルス電流Ａ_P1〜Ａ_P3を発生させるための発信器（図示せず）を有している。パルス発生回路２０は、繰返し周期(ｔ_S)と、パルス電流位置(ｔ_S1〜ｔ_S3)と、パルス電流幅(ｔ_P1〜ｔ_P3)とを定義するパルス重畳信号Ｓ_PIを演算回路１８に出力する。なお、パルス発生回路２０は、本実施例の点灯回路１０のように点灯回路１０内に設けてもよいし、点灯回路１０内にはパルス発生回路２０を設けず、外部からのパルス重畳信号Ｓ_PIを点灯回路１０内に受け入れてもよい。

図１に戻って、演算回路１８は、ダウンコンバータ１２からフルブリッジ回路１４に出力されるランプ電圧Ｖ_Lおよびランプ電流信号Ａ_LS、さらに、パルス発生回路２０からのパルス重畳信号Ｓ_PIを取り込んで電力制御を行い、パルス幅変調回路１６に出力する回路である。演算回路１８では、ランプ電圧Ｖ_Lおよびランプ電流信号Ａ_LSに基づき、ランプ電圧Ｖ_Lを基準として、ランプ電流Ａ_Lの供給量を演算し、かつ、パルス重畳信号Ｓ_PIに基づいて、基本ランプ電流Ａ_LBに対して、必要な期間（＝パルス幅(t_P1〜t_P3)）だけ、出力電流が基本ランプ電流Ａ_LBから増加する(I_P1〜I_P3＝パルス高)ように重畳タイミングを演算してパルス幅変調回路１６に制御信号Ｓ_Cを出力する。これにより、フルブリッジ回路１４から高圧放電ランプ２８に供給される出力電力も増加する。なお、各パルス高I_P1〜I_P3は、基本ランプ電流Ａ_LBの１１０％〜３００％が望ましく、それぞれ互いに異なっていてもよい。また、各パルス電流幅ｔ_P1〜ｔ_P3は、半周期(繰返し周期)ｔ_Sの１〜５０％が望ましく、それぞれ互いに異なっていてもよい。

パルス幅変調回路１６は、演算回路１８から受けた制御信号Ｓ_Cに基づいて、ダウンコンバータ１２のスイッチング素子を制御する回路である。パルス幅変調回路１６は、演算回路１８からの制御信号Ｓ_Cにより、高圧放電ランプ２８に供給される電力が一定になるように、かつ、規定のパルス幅(t_P1〜t_P3)とパルス高(I_P1〜I_P3)および重畳タイミングにて基本ランプ電流Ａ_LBにパルス電流を重畳するようにダウンコンバータ１２を制御する。

次に、本実施例における交流のランプ電流Ａ_Lの波形について説明する。本実施例では、図２に示すように、基本ランプ電流Ａ_LBの各半周期における前半に１本のパルス電流を重畳し、各半周期における後半に２本のパルス電流を重畳するようになっている。パルス電流が各半周期の前半に位置するか、あるいは、後半に位置するかについては、当該パルス電流の幅方向中心位置（＝１／２パルス電流幅ｔ_P1〜ｔ_P3の位置、すなわち、パルス電流位置ｔ_S1〜ｔ_S3）で決まる。さらに言えば、本実施例のランプ電流Ａ_Lの波形では、前半に重畳される１本のパルス電流は、各半周期の最初に位置しており、かつ、後半に重畳される２本のパルス電流の内の１本は、各半周期の最後に位置している。

このように、基本ランプ電流Ａ_LBの各半周期における前半に１本のパルス電流Ａ_P1を重畳し、さらに、各半周期における後半に２本のパルス電流Ａ_P2、Ａ_P3を重畳することにより、点灯周波数を変調することなく、使用開始当初における照度維持率の大幅な低下を避けることができる。比較試験を行った結果を以下に説明する。

（比較試験）
比較の対象として、基本ランプ電流Ａ_LBの各半周期における前半にのみ１本のパルス電流を重畳した場合（ケース１）、各半周期における後半にのみ１本のパルス電流を重畳した場合（ケース２）、および、各半周期における前半に１本のパルス電流を重畳し、後半に１本のパルス電流を重畳した場合（ケース３）を用意した。なお、上記実施例、つまり、各半周期における前半に１本のパルス電流を重畳し、後半に２本のパルス電流を重畳する場合を「ケース４」とする。いずれのケースでも、高圧放電ランプ２８に対して定電力制御（１５０〜４００Ｗ）を行った。以下では、２００Ｗで定電力制御を行った場合を例として説明する。

各ケースの使用開始当初（３００時間）における、「点灯時間」と「ランプ電圧」との関係、および、「点灯時間」と「照度維持率」との関係は、図３、図４、および表１に示すようになった。ケース１の場合、ランプ電圧が上昇したため１５０時間で試験を打ち切った。これは、基本ランプ電流Ａ_LBの各半周期における前半にのみパルス電流を重畳すると、高圧放電ランプ２８内における一対の電極が消耗して電極間距離が長くなっていくためである。

ケース２の場合、早い段階でランプ電圧が５０Ｖ程度まで降下し、その後は５０〜５５Ｖの間で推移している。これは、基本ランプ電流Ａ_LBの各半周期における後半にのみパルス電流を重畳すると、高圧放電ランプ２８内における一対の電極表面にタングステンが析出して電極間距離が短くなるためである。早い段階でランプ電圧が低下した後、それ以上低下していくことがないのは、電極表面にタングステンが析出していくと、高温の発光部から電極表面（より正しくは、一対の電極表面にそれぞれ析出したタングステンの互いに対向する表面）までの距離が短くなって当該発光部から受ける熱量が大きくなり、熱によって溶けるタングステンの量と析出するタングステンの量とがほぼ平衡になるからと考えられる。

ケース３の場合、当初１００時間程度までランプ電圧は安定していたが、その後、ランプ電圧は急激に上昇した。これは、当初１００時間に到達するまでにケース３のランプ電圧は徐々に上昇しており、これに伴ってランプ電流値が低下する（定電力制御）ことにより、タングステン析出の条件である電極質量と電極温度とのバランスが崩れたことが原因と考えられる。バランスが崩れた結果、析出がほとんどなくなって電極が消耗する一方となり、電極間距離が大きくなったことで急激なランプ電圧の上昇が始まったと考えられる。

本発明が適用されたケース４の場合、３００時間の間、ランプ電圧を安定させることができている。これは、各半周期の前半に１本、後半に２本のパルス電流を重畳させることで、「各半周期における前半に重畳したパルス電流」によって生じる高圧放電ランプ２８内の電極の消耗と、「各半周期における後半に重畳したパルス電流」によって生じる当該電極表面へのタングステンの析出とが調和し、これにより、長期的に見て電極間距離に大きな変動が生じないことが理由と考えられる。

以上のことから、図４に示すように、ケース４は、他のケースに比べて、当初３００時間まで高い照度維持率を保つことがわかる。

また、ケース４に関し、各半周期における前半に重畳したパルス電流のパルス幅やパルス高、および、後半に重畳した２本のパルス電流のパルス幅やパルス高を調整することで、高圧放電ランプ２８に用いられる電極の質量や点灯電力、あるいはプロジェクターの種類が変わっても長時間安定したランプ電圧を維持することができる。

なお、パルス電流の本数は、上述した実施例のものに限定されるものではなく、高圧放電ランプ２８内の電極の消耗とタングステンの析出とのバランスがとれていれば、基本ランプ電流Ａ_LBの各半周期における前半に２本以上、かつ、各半周期における後半に３本以上のパルス電流を重畳してもよい。

また、パルス電流を重畳させる位置についても各半周期の前半に１本、後半に２本であれば、いずれの位置であってもよいが、上記実施例のように、前半に重畳される１本のパルス電流が各半周期の最初に位置しており、かつ、後半に重畳される２本のパルス電流の内の１本が各半周期の最後に位置するように設定するのが好適である。「各半周期の最初に位置する」とは、電流の極性が変わるのと同時にパルス電流が開始することを意味しており、「各半周期の最後に位置する」とは、パルス電流が終わると同時に電流の極性が変わることを意味している。

なぜならば、パルス電流を重畳させる位置が各半周期の前であるほど電極を消耗させる効果が大きく、また、同位置が各半周期の後ろであるほど電極に析出させる効果が大きい。このため、各半周期の最初と最後にパルス電流を位置させることで、当該パルス電流の高さが低くても十分な効果を得ることができる。パルス電流の高さを低くすることにより電極で生じる熱量を抑えることが可能となり、電極が過熱することで生じる不具合を回避できるからである。

さらに、実施例の点灯回路１０は、直流電圧源２６からの直流電圧を受けるようになっているが、もちろん、交流電圧源からの交流電圧を受けるようにしてもよい。この場合、点灯回路１０におけるダウンコンバータ１２の上流側には、交流電圧を直流電圧に変換する整流回路（図示せず）が設けられることになる。

１０…点灯回路、１２…ダウンコンバータ、１４…フルブリッジ回路、１６…パルス幅変調回路、１８…演算回路、２０…パルス発生回路、２２…入力端子、２４…出力端子、２６…直流電圧源、２８…高圧放電ランプ

Claims (2)

1. 交流のランプ電流を高圧放電ランプに供給して点灯させる点灯回路であって、
   前記交流ランプ電流は、基本ランプ電流と、前記基本ランプ電流よりも出力電流が大きいパルス電流とで構成されており、
   前記パルス電流は、前記基本ランプ電流の各半周期の前半に少なくとも１つ重畳されているとともに、前記各半周期の後半に少なくとも２つ重畳されており、
   前記各半周期の前半に重畳される１つの前記パルス電流は、前記各半周期の最初に位置しており、かつ、前記各半周期の後半に重畳される１つの前記パルス電流は、前記各半周期の最後に位置していることを特徴とする
   高圧放電ランプの点灯回路。
2. 交流のランプ電流を高圧放電ランプに供給して点灯させる方法であって、
   前記交流ランプ電流は、基本ランプ電流と、前記基本ランプ電流よりも出力電流が大きいパルス電流とで構成されており、
   前記パルス電流は、前記基本ランプ電流の各半周期の前半に少なくとも１つ重畳されているとともに、前記各半周期の後半に少なくとも２つ重畳されており、
   前記各半周期の前半に重畳される１つの前記パルス電流は、前記各半周期の最初に位置しており、かつ、前記各半周期の後半に重畳される１つの前記パルス電流は、前記各半周期の最後に位置していることを特徴とする
   高圧放電ランプの点灯方法。

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