JP2005197181A

JP2005197181A - 放電灯点灯装置、照明装置、プロジェクタ

Info

Publication number: JP2005197181A
Application number: JP2004004565A
Authority: JP
Inventors: Yoji Konishi; 洋史小西; Toru Niwa; 徹丹羽; Hiroaki Hara; 寛明原; Junichi Kamikaya; 淳一上仮屋; Seinosuke Obara; 成乃亮小原
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2004-01-09
Filing date: 2004-01-09
Publication date: 2005-07-21

Abstract

【課題】ランプ始動後に初期の電極の形状を限定してアークジャンプの発生を抑制する。また、安定点灯後、ランプ電圧の上昇を抑えることにより、アークジャンプの発生を抑制する。
【解決手段】直流電源Ｅからチョッパ回路１と平滑コンデンサＣ１、極性反転回路２を介して高圧放電灯Ｌａに交番電圧を印加し、電圧検出回路３が検出したランプ電圧の検出値と切替電圧との大小関係に応じて制御回路４により矩形波点灯の周波数を複数段階に変化させる高圧放電灯の矩形波点灯装置において、始動時から所定期間の間は、所定の点灯周波数で固定して放電灯を点灯させるように極性反転回路を制御するようにした。また、周波数の切替時に切替前後の周波数よりも高い周波数で点灯させるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶プロジェクタなどの光源に用いられる高圧放電灯を点灯させる放電灯点灯装置、照明装置、プロジェクタに関するものである。

近年、液晶プロジェクタなどの投射型画像表示装置の開発・商品化が活発に行われている。かかる投射型画像表示装置には点光源に近い高輝度の光源が必要であり、一般的にショートアーク型の超高圧水銀ランプやメタルハライドランプなどの高圧放電灯が用いられている。この種のショートアーク型の高圧放電灯は、特許文献１に開示されているように、点灯時間の経過につれて、電極の輝点（電極が陰極側となるときの電子電流の放射点）が一定の位置に安定せず無秩序に移動する現象を生じることが知られている。この現象はアークジャンプと呼ばれ、液晶プロジェクタ用の光源においてアークジャンプが生じると、光学系に対する輝点の位置ずれによって、スクリーン上で光量が変動するという問題を生じる。この現象を回避するために、特許文献１では、電極の先端に突起部を形成することで、放電アークを突起部に集束させることが提案されている。また、電極の先端に突起部を形成するために、高圧放電灯を所定範囲の周波数（５０〜７００Ｈｚ）で矩形波点灯させることが提案されている。

また、当社の特願２００３−１０４１１号出願には、高圧放電灯の矩形波点灯装置において、ランプ電圧の検出値と切替電圧との大小関係に応じて矩形波点灯の周波数を複数段階に変化させる技術が提案されている（図６参照）。
特許第３３２７８９５号公報

特願２００３−１０４１１号出願に記載の技術は、始動時であるか安定点灯時であるかを問わずに、図６に示すように、ランプ電圧に応じて高圧放電灯のランプ電流の極性反転周波数を複数段階に変化させるものであった。

ところで、アークジャンプが生じる大きな要因は、上述のように、電極形状、特に、電極先端部の形状にあることが判っており、点灯初期の放電状況が電極形状の設定に与える影響は大きい。

しかるに、特願２００３−１０４１１号出願に記載の技術では、ランプが点灯してからランプ電圧が安定するまでの間の特別な制御を行っていないため、ランプ点灯時からランプ電圧立ち上がりの期間に、電極形状の変化を制御することが難しく、この種の原因によるアークジャンプの発生の抑制が不十分であった。また、ランプ電圧が上昇するにつれてアークジャンプの発生確率が上がり、ある程度上昇すると、アークジャンプの抑制はできないという問題があった。

本発明は、ランプが始動してから安定点灯するまでの所定時間、ランプ電流の極性を反転させる極性反転周波数を設定し、初期の電極の形状を限定することにより、アークジャンプの発生を抑制することを課題とするものである。さらに、安定点灯後、ランプ電圧の上昇を抑えることにより、アークジャンプの発生を抑制し、それにより、使用期間全般に亘ってアークジャンプの少ない、また、ランプ電圧の上昇の少ないランプ寿命の長い点灯装置を提供することを課題とする。

本発明によれば、直流電源Ｅと、直流電源Ｅを電源としてＤＣ−ＤＣ変換を行い出力電力を制御可能なチョッパ回路１と、チョッパ回路１の出力端間に接続されたコンデンサＣ１と、コンデンサＣ１の両端電圧を電源としてＤＣ−ＡＣ変換を行う極性反転回路２と、極性反転回路２により交番電圧が印加される高圧放電灯Ｌａと、チョッパ回路１の出力電力を制御するとともに極性反転回路２の出力制御を行う制御回路４と、高圧放電灯Ｌａのランプ電圧に相当する電圧を検出する電圧検出回路３と備え、制御回路４は、電圧検出回路３が検出した電圧の電圧範囲を規定する切替電圧が設定され、検出した電圧と切替電圧との大小関係に応じて高圧放電灯Ｌａのランプ電流の極性を反転させる反転周波数を複数段階に変化させるように極性反転回路２を制御する放電灯点灯装置において、始動時から所定期間の間は、所定の点灯周波数で固定して放電灯Ｌａを点灯させるように極性反転回路２を制御することを特徴とするものである。

請求項１の発明によれば、ランプ電圧の検出値と切替電圧との大小関係に応じて矩形波点灯の周波数を複数段階に変化させる高圧放電灯の矩形波点灯装置において、始動時から所定期間の間は、所定の点灯周波数で固定して放電灯を点灯させるように極性反転回路を制御するようにしたから、初期の電極の形状を限定することができ、アークジャンプの発生を抑制することができる。

請求項１１の発明によれば、ランプ電圧の検出値と切替電圧との大小関係に応じて矩形波点灯の周波数を複数段階に変化させる高圧放電灯の矩形波点灯装置において、ランプ電圧の検出値が切替電圧を超えて反転周波数が変化するときに、変化する前後の反転周波数とは異なる所定の反転周波数にて所定期間にわたり点灯させるようにしたから、安定点灯後、ランプ電圧の上昇を抑えることにより、アークジャンプの発生を抑制することができる。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の回路図である。直流電源（商用電源を全波整流した脈流電源を含む）Ｅを降圧型のチョッパ回路１により降圧するとともに、チョッパ回路１の出力電圧を平滑コンデンサＣ１により平滑し、さらに平滑コンデンサＣ１の両端電圧である直流電圧をフルブリッジ回路からなる極性反転回路２により極性が交番する交番電圧に変換し、高圧放電灯Ｌａを含む負荷回路に極性反転回路２から出力された交番電圧を印加するように構成されている。負荷回路は、コンデンサＣ２とインダクタＬ２との直列回路からなり、高圧放電灯ＬａをコンデンサＣ２に並列接続した構成を有する。

チョッパ回路１は、直流電源Ｅと平滑コンデンサＣ１との間に挿入されたＭＯＳＦＥＴからなるスイッチング素子Ｑ１とインダクタＬ１との直列回路を有し、インダクタＬ１と平滑コンデンサＣ１との直列回路にはダイオードＤ１が並列接続される。ダイオードＤ１は、スイッチング素子Ｑ１のオン時にインダクタＬ１に蓄積されたエネルギが、スイッチング素子Ｑ１のオフ時に平滑コンデンサＣ１を通して回生電流として放出されるように極性が定められている。また、図示例では直流電源Ｅの負極とダイオードＤ１のアノードとの間に電流検出用の抵抗Ｒ１が挿入されている。平滑コンデンサＣ１の端子電圧は２個の抵抗Ｒ２，Ｒ３の直列回路からなる電圧検出回路３により分圧され、抵抗Ｒ３の両端電圧が平滑コンデンサＣ１の端子電圧に比例する電圧として電圧検出回路３から出力される。

極性反転回路２は、それぞれＭＯＳＦＥＴからなる４個のスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５をブリッジ接続した回路であって、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３の直列回路と、スイッチング素子Ｑ４，Ｑ５の直列回路とがそれぞれブリッジ回路の各アームとして平滑コンデンサＣ１の両端間に接続される。スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３の接続点とスイッチング素子Ｑ４，Ｑ５の接続点との間には負荷回路が接続される。つまり、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ５をオンにしスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４をオフにする状態と、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ５をオフにしスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４をオンにする状態とを交互に繰り返すように制御することによって、負荷回路に交番電圧を印加する。負荷回路にはコンデンサＣ２とインダクタＬ２との直列回路が含まれ、コンデンサＣ２の両端電圧が高圧放電灯Ｌａに印加されるから、スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５のオンオフの周波数（以下、「反転周波数」と呼ぶ）を変化させることによって、高圧放電灯Ｌａの点灯周波数を変化させることが可能になる。

チョッパ回路１および極性反転回路２に含まれるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ５のオンオフは制御回路４により制御される。制御回路４は、点灯信号Ｓ１が外部から入力されるとチョッパ回路１および極性反転回路２のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ５の制御を開始し、また調光信号Ｓ２が外部から入力されるとチョッパ回路１の出力電力を変更する。また、制御回路４は、抵抗Ｒ１の両端電圧により高圧放電灯Ｌａのランプ電流を監視しており、抵抗Ｒ１の両端電圧として検出した電流値が、電圧検出回路３にて検出されたランプ電圧に応じて決まる電力指令値にて指令された目標電流値に一致するようにスイッチング素子Ｑ１のオン・オフのデューティ比を増減させる。なお、電力指令値は調光信号入力部６から入力される調光信号Ｓ２によって指示された電力を保つようにランプ電圧に応じて適切な値に設定される。さらに、制御回路４は、スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５をオンオフさせるための制御信号を出力し、制御信号はドライバ２ａ，２ｂを通してスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５に与えられる。ここに、高圧放電灯Ｌａに設けた２個の電極が均等に消耗するように、スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５のオンオフのデューティ比は５０％に設定される。

図２に本発明による放電灯点灯装置の動作説明図を示す。点灯信号入力部５から制御回路４に入力される点灯信号Ｓ１がオンすると、制御回路４はランプ点灯動作（高電圧出力によりランプの絶縁を破壊する動作）を開始する。ランプが点灯すると、ランプ電圧が急激に下がるので、電圧検出回路３の出力によりランプが点灯していることを確認することができる。なお、ランプの点灯確認にはランプ電圧の低下を検出するという手段のほかにも、ランプ電流が流れ出すことを検出するか、もしくはランプの出力光を検出するなどの手段を用いても良い。

電圧検出回路３の出力によりランプが点灯していることを確認すると、制御回路４内のタイマー回路がカウント動作を開始する。制御回路４内のタイマー回路がカウントしている一定時間の間は、極性反転回路２に対して、任意の固定反転周波数ｆを出力し、極性反転周波数を決定する。以下この区間をＡ区間とする。Ａ区間が終了すると、従来例（特願２００３−１０４１１号出願）で示すように、ランプ電圧に応じて反転周波数を複数段階に制御する動作に移行し、またはＡ区間とは異なる固定の極性反転周波数に移行する。以下この区間をＢ区間とする。

Ａ区間の反転周波数を適切に設定することにより、図３に示すように、ランプ電圧の立ち上がりと時間の関係のカーブを形成することが容易に出来る。図中、実線はＡ区間に任意の固定反転周波数ｆを設定したときのランプ電圧Ｖｌａの立ち上がりを示す。破線はＡ区間を設けない場合のランプ電圧Ｖｌａの立ち上がりを示す。

図３の実線で示すように、Ａ区間の反転周波数を適切に設定することにより、ランプが点灯してからランプ電圧Ｖｌａは一度上昇してから下降し、安定する。この現象は、ランプ電極の先端にある複数の電極突起が飛ばされ、ハロゲンサイクルが活発におこなわれ、ランプ電極に新しい電極突起を形成することになる。よって、点灯するごとに新しい電極突起が形成され、アークスポットは安定するので、アークジャンプを抑制することが出来る。

また、Ａ区間はランプ電圧が安定する時間であって、その時間は１０分程度に設定するのが適切である。また、Ａ区間の反転周波数ｆは定格ランプ電圧時の点灯周波数ｆ１より大きい周波数に設定すると良い。

（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２の動作説明図である。実施の形態１との相違点についてのみ説明する。本実施の形態では、Ａ区間内に調光入力信号部６より入力される調光信号Ｓ２のオンを制御回路４が検知すると、検知してからすぐに定格ランプ点灯時のＡ区間の反転周波数ｆよりも大きい反転周波数ｆｄｉｍを極性反転回路２に出力する。

ランプが点灯してからＡ区間の間に調光信号Ｓ２がオンされたとき、定格ランプ点灯時のＡ区間の反転周波数ｆよりも大きい反転周波数ｆｄｉｍに切り替えることで、省電力点灯時の場合でも図４に示すランプ電圧の立ち上がりと時間の関係のカーブを形成することが容易に出来る。図中、破線は省電力点灯時に、Ａ区間に所定の固定反転周波数ｆを設定したときのランプ電圧Ｖｌａの立ち上がりを示す。実線は省電力点灯時に、Ａ区間に反転周波数ｆｄｉｍを設定したときのランプ電圧Ｖｌａの立ち上がりを示す。すなわち、省電力点灯時に電力が減った熱量を反転周波数ｆよりも大きい反転周波数ｆｄｉｍを用いて補うことで、点灯してからランプ電圧が一度上昇してから下降し安定する。

この現象はランプ電極の先端にある複数の電極突起が飛ばされ、ハロゲンサイクルが活発に行われ、ランプ電極に新しい電極突起を形成することになる。よって、点灯するごとに新しい電極突起が形成され、アークスポットは安定するのでアークジャンプを抑制することが出来る。

尚、所定の時間に関しては、実施の形態１，２ともに約１０分程度としたが、これは初期の電極形成が一旦安定する時間であって、この時間を決める方法としては、点灯命令（点灯信号オン）を受けてからの時間カウント、点灯確認してからの時間カウント、電極形状の変化の程度（時間あたりのランプ電圧変化）がやや収まってからの時間カウントのいずれでも良い。また、時間あたりのランプ電圧変化が充分収まるのを確認することで、所定の時間が経過したと判定しても良い。

（実施の形態３）
図５は本発明の実施の形態３の動作説明図である。基本回路構成は図１と同様である。液晶プロジェクタ用ＨＩＤ／ＵＨＰランプ点灯装置は、明るさをコントロールするため、通常ランプ電力を略一定にする。そのため、ランプ電圧の変化に従い、ランプ電流が変化するので、電極温度はランプ電圧が高くなるにつれて低くなる。そのため、従来はランプ電圧が高くなると反転周波数を上げることにしていた。従来例の動作を図６に示す。従来例の制御方法は、点灯初期、安定時に関わらず、ランプ電圧によりランプ電流の極性を反転させる反転周波数を複数段階に変化させる制御を行うものであった。

ところが、反転周波数を変化する際のランプ電圧の変化を観察すると、高い周波数に変化した直後、一旦ランプ電圧が数Ｖ減少する挙動が見られた。その理由は、電極先端部と電極中心部の熱容量の違いにより温度差を生じ、ハロゲンと結合したタンデステンが電極先端部に再付着し易いためと思われる。

そこで、本実施の形態では、図５に示すように、ランプ電圧が高くなり、あらかじめ設定した切替電圧を超えると、予定した反転周波数に移行する前に、移行する前後の反転周波数よりも高い周波数で極性反転させる時間帯を設けることにしたものである。この周波数切替時間帯の周波数は、ランプ電圧ごとに設定した反転周波数に対し、明らかに高い周波数であることが好ましい。さらに、その時間帯は、電極形状が変化するのに必要な時間（１〜１．５ｍｍの短アーク長ランプにおいては約５分程度）を確保することが好ましい。これにより、電極先端にタングステンが堆積した結果、スポットが固定され、アークジャンプが発生しにくくなる。また、ランプ電圧の上昇を抑制する効果があるので、ランプ電圧が高いと光の利用効率が落ちるという液晶プロジェクタの光学システムにおいては、使用期間が延びる（長寿命化）という効果を併せ持つ。

なお、ランプ電圧の低下を促す効果が余りに顕著であると、その結果、反転周波数の移行が行われないことがあり得る。そこで、ランプ電圧が反転周波数を切り替える切替電圧よりもさらに下がり続ける場合、点灯装置、ランプの温度上昇などの制約より、実用的には５Ｖ程度のランプ電圧低下以降は、あらかじめ設定された反転周波数に移行させることが好ましい。

本発明の実施の形態１の回路図である。本発明の実施の形態１の動作波形図である。本発明の実施の形態１の動作説明図である。本発明の実施の形態２の動作説明図である。本発明の実施の形態３の動作説明図である。従来例の動作説明図である。

符号の説明

１チョッパ回路
２極性反転回路
３電圧検出回路
４制御回路
５点灯信号入力部
６調光信号入力部
Ｃ１平滑コンデンサ
Ｅ直流電源
Ｌａ高圧放電灯

Claims

直流電源と、直流電源を電源としてＤＣ−ＤＣ変換を行い出力電力を制御可能なチョッパ回路と、チョッパ回路の出力端間に接続されたコンデンサと、コンデンサの両端電圧を電源としてＤＣ−ＡＣ変換を行う極性反転回路と、極性反転回路により交番電圧が印加される高圧放電灯と、チョッパ回路の出力電力を制御するとともに極性反転回路の出力制御を行う制御回路と、高圧放電灯のランプ電圧に相当する電圧を検出する電圧検出回路と備え、制御回路は、電圧検出回路が検出した電圧の電圧範囲を規定する切替電圧が設定され、検出した電圧と切替電圧との大小関係に応じて高圧放電灯のランプ電流の極性を反転させる反転周波数を複数段階に変化させるように極性反転回路を制御する放電灯点灯装置において、始動時から所定期間の間は、所定の点灯周波数で固定して放電灯を点灯させるように極性反転回路を制御することを特徴とする放電灯点灯装置。
請求項１において、始動時から所定期間の間、放電灯を点灯させる所定の固定点灯周波数の設定として、定格ランプ電圧時の点灯周波数より大きい周波数を選択することを特徴とする放電灯点灯装置。
請求項１において、始動時から所定期間の間、放電灯を点灯させる所定の固定点灯周波数の設定として、定格ランプ点灯時より省電力点灯時の点灯周波数の方が大きい周波数を選択することを特徴とする放電灯点灯装置。
請求項１〜３のいずれかにおいて、放電灯を固定点灯周波数で点灯させる所定期間は、点灯信号印加からカウントを開始したタイマーにより設定されることを特徴とする放電灯点灯装置。
請求項１〜３のいずれかにおいて、放電灯を固定点灯周波数で点灯させる所定期間は、ランプ電流、ランプ電圧もしくは光検出などの手段による点灯検出時からカウントを開始したタイマーにより設定されることを特徴とする放電灯点灯装置。
請求項１〜３のいずれかにおいて、放電灯を固定点灯周波数で点灯させる所定期間は、ランプ電圧が定格最小電圧を超えてからカウントを開始したタイマーにより設定されることを特徴とする放電灯点灯装置。
請求項４〜６のいずれかにおいて、タイマーによる設定時間を約１０分程度としたことを特徴とする放電灯点灯装置。
請求項１〜３のいずれかにおいて、放電灯を固定点灯周波数で点灯させる所定期間は、ランプ電圧の検出値の単位時間当たりの変動が所定の基準値以下となるまでの時間としたことを特徴とする放電灯点灯装置。
請求項８において、ランプ電圧の単位時間当たりの変動を判定する基準値を約１Ｖ／５分に設定したことを特徴とする放電灯点灯装置。
請求項１〜３のいずれかにおいて、放電灯を固定点灯周波数で点灯させる所定期間は、ランプ電圧の検出値の単位時間当たりの変動が所定の基準値以下となってからカウントを開始したタイマーにより設定されることを特徴とする放電灯点灯装置。
直流電源と、直流電源を電源としてＤＣ−ＤＣ変換を行い出力電力を制御可能なチョッパ回路と、チョッパ回路の出力端間に接続されたコンデンサと、コンデンサの両端電圧を電源としてＤＣ−ＡＣ変換を行う極性反転回路と、極性反転回路により交番電圧が印加される高圧放電灯と、チョッパ回路の出力電力を制御するとともに極性反転回路の出力制御を行う制御回路と、高圧放電灯のランプ電圧に相当する電圧を検出する電圧検出回路と備え、制御回路は、電圧検出回路が検出した電圧の電圧範囲を規定する切替電圧が設定され、検出した電圧と切替電圧との大小関係に応じて高圧放電灯のランプ電流の極性を反転させる反転周波数を複数段階に変化させるように極性反転回路を制御する放電灯点灯装置において、電圧検出回路により検出した電圧が切替電圧を超えて反転周波数が変化するときに、変化する前後の反転周波数とは異なる所定の反転周波数にて所定期間にわたり点灯させることを特徴とする放電灯点灯装置。
請求項１１において、変化する前後の反転周波数とは異なる所定の反転周波数は、変化する前後のいずれの反転周波数よりも高い周波数であることを特徴とする放電灯点灯装置。
請求項１１において、変化する前後の反転周波数とは異なる所定の反転周波数にて点灯させる所定期間は、電圧検出回路により検出した電圧が切替電圧を超えた時点からカウントを開始したタイマーにより設定されることを特徴とする放電灯点灯装置。
請求項１３において、タイマーの設定時間を約５分程度としたことを特徴とする放電灯点灯装置。
請求項１１において、変化する前後の反転周波数とは異なる所定の反転周波数にて点灯させる所定期間は、電圧検出回路により検出した電圧が切替電圧を超えた時点からランプ電圧が規定の電圧低下するまでの時間としたことを特徴とする放電灯点灯装置。
請求項１５において、規定の電圧は約５Ｖ程度としたことを特徴とする放電灯点灯装置。
請求項１〜１６のいずれかに記載の放電灯点灯装置を備えることを特徴とする照明装置。
請求項１〜１６のいずれかに記載の放電灯点灯装置を備えることを特徴とするプロジェクタ。