JP2006120502A

JP2006120502A - 高圧放電灯点灯装置

Info

Publication number: JP2006120502A
Application number: JP2004308060A
Authority: JP
Inventors: Seiji Kikuchi; 誠次菊地
Original assignee: Iwasaki Electric Co Ltd
Current assignee: Iwasaki Electric Co Ltd
Priority date: 2004-10-22
Filing date: 2004-10-22
Publication date: 2006-05-11

Abstract

【課題】高圧放電灯のスパッタによる黒化から発生する短寿命を抑え、なおかつ小型化、低コスト化された高圧放電灯点灯装置を提供する。
【解決手段】矩形波点灯で点灯させる高圧放電灯点灯装置において、始動時のランプ電流の周波数と電流値をパラメーターにして、高圧放電灯にスパッタによる黒化の発生を極力抑える条件を設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流のランプ電流を供給して高圧放電灯を点灯させる高圧放電灯点灯装置に関する。

液晶プロジェクターなどバックライト用光源装置に使用される一般的な高圧放電灯点灯装置は、直流電源から供給される電流を所定の点灯周波数の矩形波電流に変換して高圧放電灯の点灯極性を切り換えながら点灯させるようになっている。

図４は第１の従来例、高圧放電灯点灯装置１２を示す、直流電源１から出力された直流電力をチョッパ回路３へ入力し、スイッチング素子２のデューティ比をＰＷＭ制御回路５でコントロールすることにより適切な直流電流に変換した後、フルブリッジ回路４へ入力する。フルブリッジ回路４は、始動時においてイグナイター回路７によって作られる高電圧を高圧放電灯９に印加して点灯させる。高圧放電灯９に対して、対となるスイッチング素子ＴＡ_１及びＴＡ_２、ＴＢ_１及びＴＢ_２をフルブリッジ制御回路６により交互に導通させて、例えば１１０Ｈｚ程度の矩形波を供給して前記高圧放電灯９を始動、安定点灯するようになされている（例えば、特許文献１）。
特公平６−６５１７５号

ところで、近年、液晶プロジェクターなどのバックライト光源として高圧水銀灯に替えて超高圧水銀灯が使用されている。
この超高圧水銀灯は、点灯中の蒸気圧が極めて高く（１０^６Ｐａ程度以上）、アーク放電が放電管の中心に集まり輝度も温度も高いので、連続スペクトルを生じ、光色も白色に近く演色性も良好で、発光効率が高いというメリットがある。
しかし、始動時から１１０Ｈｚ程度の矩形波で始動を行なうと前記高圧放電灯９の始動性が著しく悪く、また電極がスパッタされるなど、前記高圧放電灯の照度の低下や寿命を短くしてしまう問題がある。

図５は第２の従来例、高圧放電灯点灯装置１１を示す。直流電源１から出力された直流電力をチョッパ回路３へ入力し、スイッチング素子２のデューティ比をＰＷＭ制御回路５でコントロールすることにより適切な直流電流に変換した後、フルブリッジ回路４へ入力する。
始動時においては共振回路１０で作られた電圧を利用しイグナイター回路７によって作られる高電圧を高圧放電灯９に印加して点灯させる。またこの時の高圧放電灯９に印加される電力は共振回路１０で作られた高周波電力である。このフルブリッジ回路４は高圧放電灯９に対して、対となるトランジスタＴＡ_１及びＴＡ_２、ＴＢ_１及びＴＢ_２をフルブリッジ制御回路６により交互に導通させる。この放電灯点灯装置の場合、始動時は２０〜６０ｋＨｚ程度の正弦波を、点灯後は１１０Ｈｚ程度の矩形波を供給して前記高圧放電灯９を始動、安定点灯するようにしている。

しかし、従来例１の図４と比較すれば明らかな通り部品数が増え放電点灯装置を小型化、低コスト化することが難しいという問題がある。また、この場合、低周波出力時（即ち、安定点灯時）に対するランプ電流をある値に設定すると、自ずと高周波出力時における放電開始直後のランプ電流が決まることになる。ここで、放電開始直後のランプ電流は共振回路１０の回路定数と出力周波数によって決まる。従って、回路定数を変更しない限り、即ち、一度実装された回路上で出力周波数と放電開始直後のランプ電流を独立して制御することはできない。

従来例１においてはランプ始動時に１１０Ｈｚ程度の低周波のランプ電流で放電開始させようとすると、初期段階でランプにスパッタが頻発し、黒化するなど、ランプの照度不足や短寿命の原因になる。また、従来例２においては、共振回路を新たに設ける必要があることから部品数が多くなり、小型化低コスト化が図れない。また、１つの回路定数の設定に対して周波数やランプ電流を自由に制御できないことから、回路の標準化が図りにくいという問題もある。

本発明の第１の側面は、可変の直流電力を供給する直流出力回路、直流電力を交流電力に変換し高圧放電灯に供給するインバータ回路、及び始動時に高圧放電灯に高圧パルスを印加するイグナイター回路を備えた高圧放電灯点灯装置において、インバータ回路が、高圧パルスの印加期間を含む第１の期間においては第１の周波数の矩形波を出力し、第１の期間の後に続く第２の期間においては第２の周波数の交流波形を出力し、第１の周波数を第２の周波数よりも高くした高圧放電灯点灯装置である。ここで、第１の周波数を６ｋＨｚよりも高くする構成とした。さらに、好適には第１の周波数を８ｋＨｚ以上とした。また、第１の周波数を２０ｋＨｚ以下とした。
またさらに、高圧放電灯に対して、第１の期間の終了時に第１の電流が印加され、第２の期間の開始時に第２の電流が印加されるように直流出力回路を制御する制御回路を備え、第１の電流値が第２の電流値以下となるようにした。ここで、第１の電流値が第２の電流値の５０〜１００％の範囲内となるようにした。さらに、第１の電流値が第２の電流値の７０〜９０％の範囲内となるようにした。

本発明の第２の側面は、高圧放電灯、高圧放電灯の配光を決めるリフレクタ、及び上記第１の側面に記載の高圧放電灯点灯装置からなる光源装置である。

本発明によれば、放電開始時の電流又は周波数を調整するので始動時のスパッタによる黒化などに起因するランプの照度低下や短寿命化を抑制することができる。また、チョッパ回路の制御とフルブリッジ回路の制御を工夫することで電流制限と高周波出力を両立するので、回路部品の簡素化及び最適化が可能となり、小型化。低コスト化が図れる。

図１は本発明の実施例を示す回路図である。図中、図４及び図５に示す従来例と同様の構成部分には同様の符号を用いている。下記に示す通り、本実施例と従来例１とは、期間１におけるチョッパ回路３及びフルブリッジ回路４の制御が異なり、従来例２とは、共振回路がない点、即ち、イグナイター回路７以外のＬ要素（コイル、トランス等）がない点で構成上異なる。また、高周波出力時の動作について、従来例２においては共振回路のＬ成分の作用で高圧放電灯に印加される電流又は電圧はほぼ正弦波になるが、本実施例の回路においては、電流又は電圧の波形を鈍らせるほどのＬ要素がフルブリッジ回路４と高圧放電灯９の間に接続されていないので、印加される波形は矩形波となる（通常、イグナイター回路７のインダクタンスは低く設定され、このＬ成分の影響は十分に小さい）。

図２は本実施例を説明するタイムチャートである。図中（ａ）はフルブリッジ回路４の出力周波数、（ｂ）はランプ電流、（ｃ）はパルス発生の有無を示している。また、パルス発生期間を期間Ｔ１、安定点灯移行後の期間をＴ２とする。電源投入後、チョッパ回路３が直流電流をフルブリッジ回路４に印加するとともに、イグナイター回路７から高圧放電灯９に始動用の高圧パルスが印加される。期間Ｔ１に、チョッパ回路３の出力電流及びフルブリッジ回路４の出力周波数が適切に制御される。即ち、期間Ｔ１においては、放電開始後に流れるランプ電流（以下、「短絡電流」という）を抑制するためにチョッパ回路３を制御するとともに、フルブリッジ回路４の出力周波数を期間Ｔ２よりも高くする。
なお、短絡電流の制御、即ちチョッパ回路３の制御はフィードフォワードとしてもよいし、ランプ電圧又はランプ電流を（図示されない）検出回路によって検出してフィードバックする制御としてもよい。

チョッパ回路３の出力電流が一定であった場合、ランプ電流はランプのインピーダンスに対して単調減少する。ランプのインピーダンスは放電開始直後が最も低く、その後徐々に上昇していくことから、ランプ電流は放電開始直後が最も大きく、その後徐々に減少していく。従って、前述の短絡電流の定義によると、短絡電流はそのランプに流れる電流値としては最大のものと考えることができる。この短絡電流が流れる期間はある時間幅を持っているので、「短絡電流」は期間Ｔ１と期間Ｔ２にわたって流れる。本実施例においては期間１と期間２とでチョッパ回路３の出力を変える制御をするので、「短絡電流値」を期間Ｔ１と期間Ｔ２においてそれぞれ異なるものとすることができる。即ち、期間Ｔ１の終了時と期間Ｔ２の開始時ではランプのインピーダンスは実質同じであるが、チョッパ回路３の出力電流を制御して、それぞれの短絡電流を異なるものとしている。

なお、本実施例においては、期間Ｔ２では低周波矩形波で点灯するようにしているが、この期間では任意のランプ電流波形を適宜選択可能である。また、可変な直流電流を供給する直流出力回路として図１に示すようなチョッパ回路を用いたが、直流電流を可変に制御・供給できれば、他の回路構成のものであってもよい。また、インバータ回路としてフルブリッジ回路を用いているが、矩形波が出力できれば他の電源回路を用いてもよい。
さらに、本実施例では、パルス発生の終了、チョッパ回路３における直流電流の切り換え、及びフルブリッジ回路４における出力周波数の切り換えをほぼ同時に行っているが、チョッパ回路３の制御の切り換え又はフルブリッジ回路４の制御切り換えは、パルス発生終了時よりいくらか遅くても問題はない。即ち、本実施例においては期間Ｔ１の終了時をパルス発生終了時で規定したが、チョッパ回路３の出力切換え時、又はフルブリッジ回路４の周波数切換え時でＴ１の終了時を規定してもよい。

図１に示す回路を用いて、期間Ｔ１におけるフルブリッジ回路４の出力周波数と短絡電流との関係を測定した。なお、測定の条件は、始動パルス電圧：１１ｋＶ±１ｋＶ、始動パルス発生数：１５０回／ｓ、期間Ｔ２における短絡電流：３Ａｒｍｓ、期間Ｔ２における点灯周波数：１１０Ｈｚ、適合ランプは超高圧水銀灯１６５Ｗであり、また２次無負荷電圧は３７０Ｖに固定した。

また、測定は、始動時ランプ電流周波数を１ｋＨｚ、２ｋＨｚ、４ｋＨｚ、６ｋＨｚ、８ｋＨｚ、１２ｋＨｚ、１５ｋＨｚ、及び２０ｋＨｚまた、期間Ｔ１における短絡電流値を１．５Ａ、１．８Ａ、２．１Ａ、２．４Ａ、及び２．７Ａ（いずれも実効値）として数個のランプを用い、５分点灯５分消灯の繰り返しを５０回づつ行い、対象ランプにおいてスパッタによる黒化の有無を調べた。なお、測定結果を表１に示す。

結果から明らかなように出力周波数は８ｋＨｚ以上２０ｋＨｚ以下、かつ、電流値が２．１Ａ以上であれば著しいスパッタによる黒化は発生せず、また高圧放電灯の寿命を満足できる範囲内でパラメーターを選択できることが確認できた。従って、黒化防止の効果を得るためには、出力周波数を６ｋＨｚよりも高くすること、又は電流値を１．８Ａ以上とすることが必須の条件となり、好ましくは周波数を８ｋＨｚ以上２０ｋＨｚ以下、かつ、電流値を２．１Ａ以上とすれば十分である。なお、電流値に関しては、適合ランプの定格に応じて同様の考え方を適用できる。即ち、他の定格のランプにおいても、期間Ｔ２の短絡電流に対して期間Ｔ１の短絡電流を５０％〜１００％とすることが必須であり、好ましくは７０％〜９０％とすれば十分である。

なお、測定においては２０ｋＨｚまでを確認したが、さらに高い周波数でも同様の黒化抑制又は防止効果が期待できる。またさらに、フルブリッジ回路４を構成するスイッチング素子などの適切な選定による小型化・低コスト化を図るという観点においては、上述の８ｋＨｚから２０ｋＨｚの範囲が最適なものである。なお、例えば、この８ｋ〜２０ｋＨｚでの設計に対応した特性（又は定格）のスイッチング素子を用いた場合、３０ｋＨｚ程度までの設計が実現可能であるが、上述のようにスイッチング素子の性能を上げれば高い周波数での実施も可能である。

以上述べたように、本発明によれば、ランプ始動時のスパッタによる黒化などに起因するランプの照度低下や短寿命化を抑制することができる。また、共振回路や追加的なＬ成分（コイル、トランス等）を要しないので、小型化、低コスト化された高圧放電灯点灯装置を提供することができる。

図３は上記の高圧放電灯点灯装置を用いた光源装置である。上記実施例の高圧放電灯点灯装置１１、高圧放電灯９、及び高圧放電灯９の配光を決めるリフレクタ１２を備える構成とした。この構成により、高圧放電灯の始動性、発光特性及び寿命を確保しつつ、小型、軽量、かつ、低コストな光源装置が得られる。

本発明は、小型化、低コスト化が要求される液晶プロジェクーなどのバックライト用光源装置に好適である。

本発明による高圧放電灯点灯装置を示す図本発明の高圧放電灯装置の制御を説明する図本発明による光源装置を示す図従来例１の高圧放電灯点灯装置を示す図従来例２の高圧放電灯点灯装置を示す図

符号の説明

１直流電源
２スイッチング素子
３チョッパ回路
４フルブリッジ回路
５ＰＷＭ制御回路
６フルブリッジ制御回路
８イグナイター制御回路
９高圧放電灯
１０共振回路
１１高圧放電灯点灯装置
１２リフレクタ
ＴＡ₁ スイッチング素子
ＴＢ₁ スイッチング素子
ＴＡ_２スイッチング素子
ＴＢ_２スイッチング素子

Claims

可変の直流電力を供給する直流出力回路、該直流電力を交流電力に変換し高圧放電灯に供給するインバータ回路、及び始動時に該高圧放電灯に高圧パルスを印加するイグナイター回路を備えた高圧放電灯点灯装置において、
該インバータ回路が、該高圧パルスの印加期間を含む第１の期間においては第１の周波数の矩形波を出力し、該第１の期間の後に続く第２の期間においては第２の周波数の交流波形を出力し、該第１の周波数を該第２の周波数よりも高くしたことを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
請求項１記載の高圧放電灯点灯装置であって、該第１の周波数を６ｋＨｚよりも高くしたことを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
請求項２記載の高圧放電灯点灯装置であって、さらに、該第１の周波数を８ｋＨｚ以上としたことを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
請求項２又は請求項３記載の高圧放電灯点灯装置であって、さらに、該第１の周波数を２０ｋＨｚ以下としたことを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
請求項１から４いずれか一項に記載の高圧放電灯点灯装置であって、さらに、
前記高圧放電灯に対して、前記第１の期間の終了時に第１の電流が印加され、前記第２の期間の開始時に第２の電流が印加されるように該直流出力回路を制御する制御回路を備え、
該第１の電流値が該第２の電流値以下であることを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
請求項５記載の高圧放電灯点灯装置であって、
前記第１の電流値が前記第２の電流値の５０〜１００％の範囲内であることを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
請求項６記載の高圧放電灯点灯装置であって、さらに、
前記第１の電流値が前記第２の電流値の７０〜９０％の範囲内であることを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
高圧放電灯、該高圧放電灯の配光を決めるリフレクタ、及び請求項１から請求項７いずれか一項に記載の高圧放電灯点灯装置からなることを特徴とする光源装置。