JP4888833B2 - 高圧放電灯点灯装置 - Google Patents

Description

本発明は、高圧放電灯の寿命改善をした高圧放電灯点灯装置において、ランプ電圧の低下による高圧放電灯点灯装置の加熱を防止する技術に関するものである。

近年、高圧放電灯を用いたプロジェクターにおいて、図１に示す回路構成の高圧放電灯点灯装置が普及しつつある。この高圧放電灯点灯装置は直流電源１、降圧チョッパー回路２、フルブリッジ回路３、イグナイタ回路４、調光制御回路９及び制御回路１０から構成され、イグナイタ回路４はイグナイタ制御回路７を含み、制御回路１０はＰＷＭ制御回路５及びフルブリッジ制御回路６を含む。

直流電源１は商用交流電源を整流平滑するものであればよく、力率改善回路などが含まれるのが一般的である。さらに、点灯回路は高圧放電灯Ｌａの電圧（以下、「ランプ電圧」という）を検出する抵抗Ｒ１及びＲ２からなる電圧検出回路、並びに高圧放電灯Ｌａに流れる電流（以下、「ランプ電流」という）を検出する抵抗Ｒ３からなる電流検出回路を備える。
ＰＷＭ制御回路５は降圧チョッパー回路２のスイッチング素子Ｑ１のオン幅をコントロールすることにより、直流電源１の出力電流を適切な値に変換した後、その出力電流がフルブリッジ回路３へ出力される。

フルブリッジ制御回路６はフルブリッジ回路３のスイッチング素子Ｑ２及びＱ５とＱ３及びＱ４とを交互に導通させ、図２（ａ）のように低周波矩形波電流の半サイクルの直前に、高周波矩形波電流を１サイクル印加したランプ電流を高圧放電灯Ｌａへ出力する。
即ち、交流ランプ電流について、ＰＷＭ制御回路５によってその電流値が制御され、フルブリッジ制御回路６によって極性反転間の時間幅が制御され、それらは制御回路１０内で連携動作している。なお、図２（ａ）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、従来例の全光時・調光時のライフにおけるランプ電圧変動を示す図である｛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＋低周波半サイクル（正）｝を１サイクルとするとその周期は６０Ｈｚ〜１ｋＨｚ程度である。

ここで、図２（ａ）の電流例は半サイクルの低周波電流の持続時間：２．５ｍＳｅｃ、高周波電流の前半の半端の持続時間：０．２５ｍＳｅｃ、高周波電流の後半の半端の持続時間：０．２５ｍＳｅｃとしたものである。

イグナイタ制御回路７は、高圧放電灯Ｌａの始動前には、トランスＴ１の１次巻線Ｎ１に数百Ｖの電圧を印加することにより、２次巻線Ｎ２に高電圧パルス（数ｋＶから十数ｋＶ）を発生させ、高圧放電灯Ｌａを始動する。高圧放電灯Ｌａの始動後は、イグナイタ制御回路７は動作を停止する。

調光制御回路９は点灯装置の外部（調光信号発振回路８）からの調光信号を受け取り、設定された調光電力になるようＰＷＭ制御回路５にて、降圧チョッパー回路２のトランジスタＱ１のオンデューティを制御する（減少させる）ことにより、高圧放電灯Ｌａの電力（以下、「ランプ電力」という）を低減する。

冷却ファン制御部１１ａは、後述するように調光信号に応じて冷却ファン１１ｂの出力を増減する。なお、冷却ファン制御部１１ａ及び冷却ファン１１ｂは高圧放電灯点灯装置には含まれないものとする。

図４は、例えば全光電力１８０Ｗ、調光電力１４０Ｗのランプ電力特性を例に示すものである。図４において、横軸がランプ電圧、縦軸がランプ電力であり、全光点灯時の電力特性及び調光時の電力特性を示す。
図４の例ではランプ電力が設定全光電力、設定調光電力になるまでは３Ａの定電流制御となっており１８０Ｗの全光モードの場合はランプ電圧６０Ｖ（Ｖ_{ｔ−ｆｕｌｌ}）以上から定電力制御、１４０Ｗの調光モードの場合はランプ電圧４７Ｖ（Ｖ_{ｔ−ｄｉｍ}）以上から定電力制御となる。

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。加熱され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（ａ）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）。

第２の点は適正なランプ電圧の維持である。即ち、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されるようにしなければならない。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。

ここで、図５はランプのライフにおける点灯時間とランプ電圧の変化を示している。
図５でわかるように初期に電極の先端に突起が成長することにより、ランプ電圧は一時的に低下する。
更に調光点灯時は、全光点灯時と比較し電極温度が低くタングステンの蒸発量が少なくなるため、突起が全光点灯時より成長しやすく、その結果、全光点灯時と比較しランプ電圧の初期の落ち込みが大きくなる。

このランプ電圧低下について、例えば、特願２００６−２１７８０７号においては、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設定ランプ未満の場合（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。

一方、近年、高圧放電灯を用いたプロジェクターにおいて、動作時の冷却ファンの騒音の低減が重要な課題となりつつある。そのため、一般的には全光点灯に対し調光点灯時は同じランプ電圧ではランプ電力が低減される分、高圧放電灯点灯装置およびランプとも発熱量が低減するという前提の下、調光点灯時は冷却ファン１１ｂの動作電圧（即ち、出力）を下げる静音化が検討されてきている。
特開２００１−２４４０８８号公報

しかしながら、高圧放電灯点灯装置の回路損失について、調光時の損失が全光時の損失に比べて十分小さいとは一概にいえない。図６に示すように、ランプ電圧が６０Ｖ付近以上の場合においては調光点灯時の回路損失（点線）は全光点灯時の回路損失（実線）に比べて相応に小さいが、ランプ電圧が６０Ｖ（Ｖ_{ｔ−ｆｕｌｌ}）付近から４７Ｖ（Ｖ_{ｔ−ｄｉｍ}）付近にかけてはその回路損失の差は縮まり、ランプ電圧が４７Ｖ付近では差はなくなる。従って、調光時において、回路損失が全光時と大きく変わらないにもかかわらず、冷却ファンの出力を下げていることになる。特に、ランプ電圧４７Ｖ付近においては、同じ回路損失でありながら全光時には十分冷却され、調光時には十分には冷却されないという状態が発生する。

そのため、プロジェクター動作時の冷却ファンの騒音低下のため、調光点灯時に冷却ファンの動作電圧を下げるとランプライフ初期における調光点灯時のランプ電圧が低下したときの高圧放電灯点灯装置の発熱を冷却しきれず、温度保護回路の動作温度にまで達してしまう可能性があり、最悪の場合、高圧放電灯点灯装置の破壊を引き起こしてしまう可能性がある。

また、このランプ電圧低下について、例えば上記文献（特願２００６−２１７８０７号）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設定ランプ電圧未満の場合（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が、この場合も、ランプ電圧が回復するまでは高圧放電灯点灯装置が供給する電流を増やすため高圧放電灯点灯装置の発熱が大きくなり根本的な対策にはならない。

そこで、調光時においても突起の形成によるフリッカの防止を考慮しつつも、高圧放電灯点灯装置の発熱を増やさず、突起の過成長によるランプ電圧低下防止（または、低下したランプ電圧を回復させる）が必要である。

本発明の第１の側面は、調光時に出力が低減される冷却ファンを備えた光源装置に使用される高圧放電灯点灯装置であって、冷却ファンが光源装置の内部を冷却するためのものであり、高圧放電灯に交流電流を供給する電力供給回路、電力供給回路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回路、および外部から受信した調光信号に基づいて設定された電力に低減する調光制御回路からなり、交流電流が所定の周波数の矩形波電流（以下、「低周波電流」という）の半サイクルの直前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サイクル印加される電流波形の繰り返しからなるとともに、高周波電流の１サイクルのうちの後半の半サイクルのみ又は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制御回路によって電力供給回路が制御される高圧放電灯点灯装置において、制御回路が高圧放電灯電圧を検出する検出回路を備え、調光時に高圧放電灯電圧が所定の設定値Ｖ_ｓを下回った場合、低周波電流の半サイクルの持続時間を長くするよう構成された高圧放電灯点灯装置である。

ここで、低周波電流の半サイクルの持続時間を長くする場合に、制御回路において、｛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＋低周波半サイクル（正）｝を１サイクルとするとその周期を６０Ｈｚ〜１００Ｈｚとした。
また、制御回路において、高圧放電灯電圧が所定値Ｖ_ｔ以上を維持している場合は高圧放電灯への投入電力が一定になるように制御され、所定値Ｖ_ｔを下回った場合に高圧放電灯への投入電流が一定になるように制御されるよう構成され、所定の設定値Ｖ_ｓが全光点灯時用の所定値Ｖ_{ｔ−ｆｕｌｌ}と等しくなるようにした。

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、調光信号を発生する調光信号発振手段、冷却ファン、高圧放電灯、高圧放電灯が取り付けられるレフレクタ、及び少なくとも高圧放電灯点灯装置を内包する筐体からなる光源装置である。

本発明の高圧放電灯点灯装置及び高圧放電灯の点灯方法によれば、ランプ電圧が所定電圧以下となった場合、各半サイクルの低周波電流の持続時間をそれまでより長くし、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＋低周波半サイクル（正）を１サイクルとするとその周期を６０Ｈｚ〜１００Ｈｚにすることにより、高圧放電灯点灯装置の調光時の発熱を増大させず、陽極動作時の電極温度を高め、フリッカの防止を行いつつも過度のランプ電圧低下を抑えることができる。

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。本発明と従来例の異なる点は、ランプ電圧が設定ランプ電圧以下となった時の各サイクルの低周波電流の持続時間である。本発明は、ランプ電圧が設定値Ｖ_ｓ以下となった時、陽極動作をしている側の電極温度上昇を高め、かつアークスポット部分の温度差を最適に保つようにするため、半サイクルの低周波電流の持続時間の持続時間を５ｍＳｅｃ以上にさせるようにしている。

ここで、初期ランプ電圧の低下の大きい調光点灯モードで本発明を説明すると、例えば、ランプは全光点灯モードの若干の初期ランプ電圧低下を考慮した場合、全光点灯モードの定電力ランプ電圧範囲の下限値が６０Ｖとすると、ランプ電圧の初期設定値は、例えば５Ｖのマージンを持った場合、６５Ｖが下限となる。
この下限ランプ電圧のランプを調光点灯で使用した場合、ランプ電力が低い分、電極温度も全光点灯時より低いため、タングステンの蒸発量が少なくなり、突起成長が助長され次第にランプ電圧が低下していく。

例えば、本発明における設定値Ｖ_ｓを６０Ｖとすると、ランプ電圧が６０Ｖまで低下した場合、ランプ電流波形を図２（ａ）に示す波形から図２（ｂ）に示す波形に切替える。図２（ａ）のランプ電流波形は、半サイクルの低周波電流の持続時間：２．５ｍＳｅｃ、高周波電流の前半の半端の持続時間：０．２５ｍＳｅｃ、高周波電流の後半の半端の持続時間：０．２５ｍＳｅｃであり、図２（ｂ）のランプ電流波形は、半サイクルの低周波電流の持続時間：５．５ｍＳｅｃ、高周波電流の前半の半端の持続時間：０．２５ｍＳｅｃ、高周波電流の後半の半端の持続時間：０．２５ｍＳｅｃである。

すると低周波部分の点灯時間が長くなることにより、両電極とも陽極動作をしている側の電極温度はより高くなるため、それ以前と比較しタングステンの蒸発量が増大し突起が必要以上に成長してしまうことが防止される。

また、低周波部分の点灯時間を長くしただけでは高圧放電灯点灯装置からの供給電流を増大することがなく、高圧放電灯点灯装置の回路損失は増大しないため、その際に発熱が増えてしまうこともない。
更に、低周波部分の点灯時間を長くしても、その直前の高周波電流の後半の半サイクルの電流値が低周波電流の１．１〜１．５倍あるため、アークスポットは固定されフリッカを引き起こすことはない。

また、設定値Ｖ_ｓについて、ランプ電圧が低下してきた時の設定値をＶ_ｓ１として、ランプ電圧が上昇してきたときの設定値をＶ_ｓ２とした場合、Ｖ_ｓ１＜Ｖ_ｓ２として、設定値近傍で低周波の半サイクルの電流持続時間が度々切換ってしまうことは避けられる。

また、ランプ電圧が設定値以下になったとき、低周波の半サイクルの持続時間の最大値を限定し、｛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＋低周波半サイクル（正）｝を１サイクルとするとその周期を６０Ｈｚ〜１００Ｈｚにするのが望ましい。なぜなら、低周波の半サイクルの持続時間をそれ以上短くすると（１００Ｈｚより高いと）陽極動作時の電極温度を高くすることができず、本発明の上記の効果が得られ難くなるからである。また、それ以上長くすると（６０Ｈｚより低いと）陽極動作時の電極温度が高くなりすぎて電極にダメージを与え、結果的にランプ電圧上昇が早くなり、ランプ寿命が短くなってしまうからである。もちろん、上記１サイクルが６０Ｈｚ未満であっても、調光時に冷却ファンの出力を抑えて低騒音化を図りつつ高圧放電灯点灯装置の故障を回避するという本発明の最低限の目的は達成できる。

図３は本発明をプロジェクターなどの光源装置に適用した場合の実施例である。６１は上記で説明した各実施例の高圧放電灯点灯装置、６２は高圧放電灯Ｌａが取り付けられるレフレクタ、６３は高圧放電灯点灯装置６１、高圧放電灯Ｌａ及びレフレクタ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ーが構成される。なお、８は上述した調光信号発振回路、９は調光制御回路、１１ａは冷却ファン制御部、１１ｂは冷却ファンであり、これらの接続は有線であっても無線であってもよい。また、図示していないが、各構成要素への電源供給は適宜行われているものとする。

以上より、調光時において発熱の少ない高圧放電灯点灯装置を内蔵したので、調光時においてファン出力を低下させて低騒音化を図っても、高圧放電灯点灯装置の信頼性が確保される。従って、低騒音かつ高信頼性の光源装置を得ることができる。

本発明は、プロジェクターなどの光学的用途に適用することができる。

高圧放電灯点灯装置の回路構成を示す図である。 本発明のランプ電流波形を示す図である（横軸：時間、縦軸：電流）。 高圧放電灯点灯装置を含む光源装置を示す図である。 従来例の全光時・調光時の電力特性を示す図である。 従来例の全光時・調光時のライフにおけるランプ電圧変動を示す図である。 従来例の全光時・調光時の電力特性と回路損失を示す図である。 従来例の全光時・調光時のライフにおけるランプ電圧変動を示す図である。

符号の説明

１．直流電源
２．降圧チョッパー回路
３．フルブリッジ回路
４．イグナイタ回路
５．ＰＷＭ制御回路
６．フルブリッジ制御回路
７．イグナイタ制御回路
８．調光信号発信回路
９．調光制御回路
１０．制御回路
１１ａ．冷却ファン制御部
１１ｂ．冷却ファン
Ｌａ．高圧放電灯
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３．抵抗

Claims (3)

1. 調光時に出力が低減される冷却ファンを備えた光源装置に使用される高圧放電灯点灯装置であって、該冷却ファンが該光源装置の内部を冷却するためのものであり、高圧放電灯に交流電流を供給する電力供給回路、該電力供給回路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回路、および外部から受信した調光信号に基づいて設定された電力に低減する調光制御回路からなり、該交流電流が所定の周波数の矩形波電流（以下、「低周波電流」という）の半サイクルの直前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）が１サイクル印加される電流波形の繰り返しからなるとともに、該高周波電流の１サイクルのうちの後半の半サイクルのみ又は１サイクル全部のピーク電流値が該低周波電流の電流値よりも高くなるように該制御回路によって該電力供給回路が制御される高圧放電灯点灯装置において、
   前記制御回路が高圧放電灯電圧を検出する検出回路を備え、調光時に該高圧放電灯電圧が所定の設定値Ｖ_ｓを下回った場合、前記低周波電流の半サイクルの持続時間を長くするよう構成され、
   前記制御回路において、前記高圧放電灯電圧が所定値Ｖ _ｔ 以上を維持している場合は前記高圧放電灯への投入電力が一定になるように制御され、該所定値Ｖ _ｔ を下回った場合に該高圧放電灯への投入電流が一定になるように制御されるよう構成され、
   前記所定の設定値Ｖ _ｓ が全光点灯時用の所定値Ｖ _{ｔ−ｆｕｌｌ} と等しい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、
   前記低周波電流の半サイクルの持続時間を長くする場合に、｛前記高周波１サイクル＋低周波半サイクル（負）＋高周波１サイクル＋低周波半サイクル（正）｝を１サイクルとするとその周期を６０Ｈｚ〜１００Ｈｚにするよう前記制御回路が構成されたことを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の高圧放電灯点灯装置、前記調光信号を発生する調光信号発振手段、前記冷却ファン、高圧放電灯、該高圧放電灯が取り付けられるレフレクタ、及び少なくとも該高圧放電灯点灯装置を内包する筐体からなる光源装置。

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