JP4853638B2 - 高圧放電灯点灯装置 - Google Patents

Description

この発明は、高圧放電灯の寿命を短くすることなく、安定した光出力が得られる高圧放電灯点灯装置に関する。

図１は従来の一般的な定ランプ電力点灯方式の高圧放電灯点灯装置を示す回路構成図である。
この高圧放電灯点灯装置は、直流電源部１０と直流電源部１０の直流電圧をＰＷＭ（パルス幅変調）制御回路により所定のランプ電力に制御する直流電力供給部２０と、該直流電力供給部２０の直流出力電圧を低周波の交流矩形波電圧に変換し、高圧放電灯（以下、「ランプ」という）６０に印加するためのフルブリッジ回路４０と放電灯始動時に高圧パルス電圧を放電灯に印加するイグナイタ回路部５０とランプ電力を検出し定ランプ電力制御や定ランプ電流制御を行う制御回路部３０とで構成されている。

直流電源部１０の電圧を受け動作する直流電力供給部２０は後述のＰＷＭ制御回路３６により駆動されるスイッチング素子２１とダイオード２２と直流リアクトル２３と平滑コンデンサ２４により構成された降圧チョッパ回路から成り、直流電源回路部から供給される直流電圧に対して所定のランプ電力またはランプ電流制御を行うようになっている。

また、制御回路部３０は、ランプ６０に並列に接続されたランプ電圧を分圧して検出する分圧抵抗３１ｃの電圧と、ランプ６０と直列に接続されランプ電流を検出する抵抗３２の電圧とを掛算処理してランプ電力を算出する掛算器３３と該掛算器３３の出力端と基準電圧３９を分圧した抵抗３７の電圧とを比較する誤差増幅器３４と、前記誤差増幅器３４の出力を入力し、前記直流電力供給回路部２０のスイッチング素子２１の駆動パルスを出力するＰＷＭ制御回路３６とで構成される。

ＰＷＭ制御回路３６は誤差増幅器３４の出力に応じたデューティ比の駆動パルスを発生して、直流電力供給回路部２０のスイッチング素子２１を駆動し、これによりランプ電力を所定値に制御して放電灯を定ランプ電力、あるいは定ランプ電流にて点灯するようになっている。
また、ここで制御回路３０の基準電圧３９を分圧している抵抗３８ａをトランジスタ３８ｂにて短絡すると誤差増幅器３４の基準電圧となる抵抗端３７の電圧が上がるためＰＷＭ制御回路３６はトランジスタ２１のデューティ比を広げ、その間ランプに供給される電流が増大する。制御回路３０（少なくともトランジスタ３８ｂのベース端子）及びブリッジ制御回路４５はマイコン等の制御手段３００に接続される。

これを図８Ａ、図８Ｂに示すようにトランジスタ４１、４４およびトランジスタ４２、４３のＯＮ／ＯＦＦのタイミングに同期させてトランジスタ３８ｂを導通させることにより低周波の半サイクルの直前に１サイクルの高周波電流を印加してその１サイクル、又は後ろの半サイクルの電流を増大させたランプ電流波形となり、特許文献１で示されているように高圧放電ランプの電極のアークスポット移動によるフリッカを抑制する効果が得られる。
特開２００６−２０２７７５号公報

ところで、図１に示した従来の構成の高圧放電灯点灯装置を用いて図８Ａ、あるいは図８Ｂのランプ電流波形でランプ６０を点灯させる場合、そのメカニズムは必ずしも明確ではないが、その点灯周波数や点灯波形によっては図９Ａのように電極が突起状に成長することが知られている。

この現象は加熱された電極材料である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ている。

しかし、近年はプロジェクタの小型化を達成するためランプも小型が進み、図２Ａで示すようにレフレクタ７１外部の空冷手段７２によってランプ６０への空冷を強めることにより、ランプが短寿命とならないように工夫したものや、図２Ｂで示すようにランプ６０のフロント側（図の右側）に小さなリフレクタ（副鏡）７３を設け光の利用率を改善するようになりつつある。

ここで、ランプの空冷を強めるとフロント側の方が冷却され、ネック側（図の左側）の電極よりフロント側の電極の温度が低くなり、一対の電極でありながら動作温度に差が生じてしまう。
また、フロント側に副鏡をつけた場合、副鏡により電極が加熱され、逆にネック側の電極よりフロント側の電極の温度が高くなり、この場合も一対の電極でありながら動作温度に差が生じてしまう。

一対の電極の温度がほぼ対称である場合、ランプは寿命と共に図９Ｂに示すように突起を維持しながら電極先端側から消耗していくため、図８のような制御を行っていれば電極表面のアーク移動によるフリッカの問題は発生しない。
しかし、上述のように電極に温度差がある場合は、温度が低くなった側の電極のハロゲンサイクルが不十分となり、図９Ｃに示すように温度が低い側の電極に複数の突起が成長したり、電極表面が一応に荒れたりしてアークジャンプによるフリッカが発生しやすくなる問題がある。

本発明は、従来の放電灯点灯装置における上記問題を解消するためになされたもので、対称となる電流波形で点灯させたときに一対の電極の温度差が大きくなる場合、電極温度が低い側の電極が陽極動作時に低周波の矩形波の半サイクルの直前に挿入した低周波の矩形波電流より大きい値の高周波の矩形波電流の幅を広げる、又は高さを高くした放電灯点灯装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の側面は、直流電圧が入力され直流電流を出力する直流電力供給部、直流電流を交流変換して高圧放電灯に交流ランプ電流を供給するフルブリッジ回路、並びに直流電力供給部が出力する直流電流値及び該フルブリッジ回路のスイッチング動作を制御する制御回路を備え、交流ランプ電流波形が、電流値（＋ｉ１）・幅（ｄ１）の第１の期間、電流値（−ｉ２）・幅（ｄ２）の第２の期間、電流値（＋ｉ３）・幅（ｄ３）の第３の期間、電流値（−ｉ４）・幅（ｄ４）の第４の期間、電流値（＋ｉ５）・幅（ｄ５）の第５の期間、及び電流値（−ｉ６）・幅（ｄ６）の第６の期間を１つのユニットとする波形の繰り返しからなるように、制御回路によって直流電流値及びスイッチング動作が制御され、少なくとも、（ｄ１＋ｄ２）＜ｄ３、かつ、（ｄ４＋ｄ５）＜ｄ６、であり、ｉ５、ｉ２＞ｉ３、ｉ６、と設定された高圧放電灯点灯装置において、高圧放電灯が第１及び第２の電極を有し、仮に第１の電極から第２の電極に向けて流す電流とその逆方向の電流とを等しくした場合に第１の電極が第２の電極よりも温度が低くなる場合に、交流ランプ電流（ｉ１〜ｉ６）についてその正（＋）方向が第１の電極から第２の電極へ向かう方向として規定され、第５の期間について、ｉ５×ｄ５≧ｉ１×ｄ１、かつ、ｉ５×ｄ５＞ｉ２×ｄ２≧ｉ４×ｄ４となるように構成された高圧放電灯点灯装置である。
さらに、第５の期間について、ｄ５≧ｄ１、かつ、ｄ５＞ｄ２≧ｄ４としてもよいし、ｉ５≧ｉ１、かつ、ｉ５＞ｉ２≧ｉ４としてもよい。

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、高圧放電灯点灯装置から交流ランプ電流を供給される第１及び第２の電極を有する高圧放電灯、並びに高圧放電灯が取り付けられるレフレクタを備えた光源装置である。
ここで、さらに、高圧放電灯を冷却する冷却手段を備え、第１の電極がレフレクタのフロント側に設置され、第２の電極がレフレクタのネック側に設置される構成とした。
また、さらに、高圧放電灯に取り付けられた副鏡を備え、第１の電極がレフレクタのネック側に設置され、第２の電極が該レフレクタのフロント側に設置されるとともに副鏡が第２の電極付近に取り付けられる構成とした。

本発明によると、従来からフリッカを防止する効果を持つとされるランプ電流波形において、さらに、ランプに流れる電流波形を必要に応じて非対称とすることによりランプの電極間の温度差をなくし、従来着目されていなかったランプ電極間の温度差に起因するアークジャンプによるフリッカの発生も効果的に防止できる。

実施例１．
本発明の実施形態について従来例と比較し説明する。
本実施例において回路構成図は従来例の図１と同じであるため説明は省略する。図３Ａ、図３Ｂは本発明に係る高圧放電灯点灯装置の実施の形態を示すランプ電流波形とトランジスタの動作図である。なお、本明細書において電流値とはいわゆる低周波の期間Ｔ３及びＴ６においてはその平均値、高周波の期間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ４及びＴ５においてはそのピーク値をいうものとする。

より具体的には、本発明におけるランプ電流波形の１ユニットは、図４に示すようにＴ１〜Ｔ６の６個の期間からなる。なお、期間Ｔ１を電流値（＋ｉ１）・幅（ｄ１）、期間Ｔ２を電流値（−ｉ２）・幅（ｄ２）、期間Ｔ３を電流値（＋ｉ３）・幅（ｄ３）、期間Ｔ４を電流値（−ｉ４）・幅（ｄ４）、期間Ｔ５を電流値（＋ｉ５）・幅（ｄ５）、期間Ｔ６を電流値（−ｉ６）・幅（ｄ６）とする。なお、期間Ｔ１からＴ６までの１ユニットを１周期とするとその周波数は６０Ｈｚ〜１ＫＨｚ程度である。また、幅（ｄ１＋ｄ２＋ｄ４＋ｄ５）：（ｄ３＋ｄ６）は１：２０から１：４程度である。

期間Ｔ３及びＴ６の電流はランプの定格定常点灯を行う上で実効ランプ電流に対して支配的な電流である。従って、（ｄ１＋ｄ２）＜＜ｄ３、かつ、（ｄ４＋ｄ５）＜＜ｄ６であり、ランプ電力をほぼ一定にするためにもｄ３≒ｄ６、ｉ３≒ｉ６である。なお、このｉ３及びｉ６の絶対値は要求されるランプ電力に従って決まる。期間Ｔ２及びＴ５は従来技術でも示す通りフリッカ抑制のために最も支配的な電流である。期間Ｔ３及びＴ６は同様に、フリッカ抑制のために期間Ｔ２及びＴ５に次いで支配的な電流である。従って、特許文献１と同様に、少なくとも、ｉ２、ｉ５＞ｉ３、ｉ６である。

ここで、本実施例においては図２Ａで示すフロント側の電極や、図２Ｂで示すネック側の電極のように温度が低い側の電極が陽極動作時に図３Ａ又は３Ｂ（低温側の電極から高温側の電極へ向かう電流をグラフの正側とする）に示すように、少なくとも期間Ｔ５の幅ｄ５、又は期間Ｔ５及びＴ１の幅ｄ５及びｄ１を大きくし、低温側の電極から高温側の電極へ向かう電流のエネルギーを増大させる。即ち、図２Ａにおいては、フロント側電極からネック側電極へ向かう電流（図の左向きの電流）の幅をその逆方向に流れる電流の幅よりも大きくし、一方、図２Ｂにおいては、ネック側電極から副鏡側電極へ向かう電流（図右向きの電流）の幅をその逆方向に流れる電流の幅よりも大きくする。

このように、低温側の電極からの電流幅を広げることにより電極温度が上昇し、両電極の温度差が無くなり、どちらも最適なハロゲンサイクルとなり図９Ｂのように電極は突起を維持しつつ消耗するためアークジャンプによるフリッカを防止することが可能となる。
期間Ｔ５は電極間温度差の解消によるフリッカ防止対しても、温度差がなくなった場合のフリッカ防止に対しても有効な作用を持つので、各期間の電流値（電流の高さ）の相対的な関係を一定にするという前提の下、期間Ｔ５の電流幅増大は双方の効果を引き出すために最も効果的である。
従って、電流幅の大小関係を明記すると、図３Ａにおいては、ｄ５＝ｄ１＞ｄ２＝ｄ４であり、図３Ｂでは、ｄ５＞ｄ１＝ｄ２＞ｄ４であるが、ｄ５が最も大きく、ｄ４が最も小さく、ｄ１がｄ２以上であれば、ｄ１、ｄ２、ｄ４及びｄ５は適宜選択可能である。

実施例２．
実施例１では電流幅の変化によって各期間のエネルギーを調整するものを示したが、本実施例では電流値の変化によって各期間のエネルギーを調整するものを示す。
図５は本発明の他の実施例の形態を示す回路構成図で、図１に示した実施例１のものと同一または対応する部材については同一の番号を付してその説明を省略する。本発明に係る高圧放電灯点灯装置において実施例１と異なる点は、制御回路３０の基準電圧３９と誤差増幅器３４の間に新たに抵抗３８Ｃ、トランジスタ３８ｄを接続したところであり、トランジスタ３８ｄのベース端子も制御手段３００に接続されている。トランジスタ３８ｄをトランジスタ３８ｂと同時に導通させた場合、誤差増幅器３４の基準電圧である抵抗３７端の電圧が更に高くなることにより、図６Ａでは期間Ｔ１及びＴ５の電流値ｉ１及びｉ５、図６Ｂでは期間Ｔ５の電流値ｉ５をさらに増大させることができる。

ここで、本実施例においても図２Ａで示すフロント側の電極や、図２Ｂで示すネック側の電極のように温度が低い側の電極が陽極動作時に図６Ａ又は６Ｂ（低温側電極から高温側電極へ向かう電流をグラフの正側とする）に示すように、少なくとも期間Ｔ５の電流値ｉ５、又は期間Ｔ５及びＴ１の電流値ｉ５及びｉ１を大きくし、低温側電極から高温側電極へ向かう電流値を増大させる。即ち、図２Ａにおいては、フロント側電極からネック側電極へ向かう電流（図の左向きの電流）の電流値をその逆方向に流れる電流値よりも大きくし、一方、図２Ｂにおいては、ネック側電極から副鏡側電極へ向かう電流（図の右向きの電流）の電流値をその逆方向に流れる電流値よりも大きくする。

このように、低温側の電極からの電流値を増大させることにより電極温度が上昇し、両電極の温度差が無くなり、どちらも最適なハロゲンサイクルとなり図９Ｂのように電極は突起を維持しつつ消耗するためアークジャンプによるフリッカを防止することが可能となる。
実施例１と同様に、期間Ｔ５は電極間温度差の解消によるフリッカ防止対しても、温度差がなくなった場合のフリッカ防止に対しても有効な作用を持つので、各期間の電流幅の相対的な関係を一定にするという前提の下、期間Ｔ５の電流値増大は双方の効果を引き出すために最も効果的である。
従って、電流値の大小関係を明記すると、図６Ａにおいては、ｉ５＝ｉ１＞ｉ２＝ｉ４であり、図６Ｂでは、ｉ５＞ｉ１＝ｉ２＞ｉ４であるが、ｉ５が最も大きく、ｉ４が最も小さく、ｉ１がｉ２以上であれば、ｉ１、ｉ２、ｉ４及びｉ５は適宜選択可能である。

なお、実施例１においては特定の期間の電流幅を増大させ、実施例２においては電流値を増大させている。これらから分かるように、期間Ｔ５は電極間温度差の解消によるフリッカ防止対しても、温度差がない場合のフリッカ防止に対しても有効な作用を持つので、期間Ｔ５の電流エネルギー増大は双方の効果を引き出すために最も効果的であることが分かる。
従って、電流エネルギーを電流値×通電時間と定義すると、従来の図８Ａの波形を変化させて、ｉ５×ｄ５＝ｉ１×ｄ１＞ｉ２×ｄ２＝ｉ４×ｄ４となるようにしてもよく、また、図８Ｂの波形を変化させて、ｉ５×ｄ５＞ｉ１×ｄ１＝ｉ２×ｄ２＞ｉ４×ｄ４となるようにしてもよい。まとめると、ｉ５×ｄ５が最も大きく、ｉ４×ｄ４が最も小さく、ｉ１×ｄ１がｉ２×ｄ２以上であれば、ｉ１×ｄ１、ｉ２×ｄ２、ｉ４×ｄ４及びｉ５×ｄ５本発明の効果、即ち、互いに関係する電極間の温度差解消とそれによるフリッカ抑制という双方の効果を引き出すことが可能となる。なお、各期間（Ｔ１〜Ｔ６）の説明に用いた図４は電流値ｉと電流幅ｄ双方を変化させた一例である。

また、本発明による制御では、定ランプ電流制御又は定ランプ電力制御を行っているので、高周波電流部分の幅や高さを大きくしても実効値電流又は実効ランプ電力値はほぼ定格値となるような制御であり、ランプの電極に必要以上のストレスを与えないため、本制御によりランプの寿命を短くすることはない。

なお、実施例1及び２においては、説明の明確化のために制御回路３０を主にアナログ回路で構成したが、制御回路３０の一部又は全部及び制御手段３００をマイコンで構成してもよい。具体的には、少なくともランプ電圧値（抵抗３１ｃの電圧）及びランプ電流値（抵抗３２の電圧）がそのマイコンに入力され、ブリッジ制御回路４５への制御信号及びＰＷＭ制御回路３６への制御信号が出力される構成であればよい。

実施例３．
上記実施例１及び２では、好適にフリッカを防止しつつも、寿命を短くすることなく安定した光出力が得られる高圧放電灯点灯装置を示したが、それを用いたアプリケーションとしての光源装置を図７に示す。
図７において、７４は上記で説明した高圧放電灯点灯装置、７５は必要に応じて高圧放電灯点灯装置７４、ランプ６０及びレフレクタ７１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。また、図２Ａに示したようにレフレクタ７１の外部に空冷手段７２を設けてもよいし、図２Ｂに示したようにランプ６０に副鏡７３を取り付けてもよい。なお、ランプ（又はレフレクタ）の冷却手段の最適な例として空冷手段７２を示したが、ヒートシンク等の放熱手段等他の冷却手段を用いてもよい。さらに、図示されない映像系の部材等を筐体７５内に適宜配置してプロジェクタを構成することもできる。

上記より、フリッカを防止しつつも、寿命を短くすることなく安定した光出力が得られる高圧放電灯点灯装置を内蔵したので、改善された光学特性及び寿命特性の光源装置を得ることができる。

なお、上記実施例は本発明の最も好適な例として示したものであるが、それに関連して以下を注記しておく。
（１）上記実施例では、低周波期間Ｔ３及びＴ６におけるランプ電流を矩形波として説明した。しかし、本発明でいう期間Ｔ３及びＴ６における矩形波とは、厳密に矩形でないような波形、例えば、矩形波に他の電流波形が重畳したような波形、矩形波の一部が窪んだような波形、或いは１つの期間Ｔ３又はＴ６の開始時と終了時で電流値が異なるような波形も含まれる。
（２）上記実施例では、高周波期間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ４及びＴ５におけるランプ電流を矩形波として説明した。しかし、本発明でいう期間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ４及びＴ５における矩形波とは、厳密に矩形でないような波形、例えば、矩形波が回路のインピーダンス（特に、イグナイタ回路に使用するパルストランスのインダクタンス成分）により歪んだ波形、或いはスイッチング動作の影響によりピーク付近が割れているような波形も含まれる。

本発明の第１の実施例を示す回路構成図。 本発明の第１及び第２の実施例を説明する図。 本発明の第１及び第２の実施例を説明する図。 本発明の第１の実施例の各部波形を示す図。 本発明の第１の実施例の各部波形を示す図。 本発明の第１及び第２の実施例を説明する図。 本発明の第２の実施例を示す回路構成図。 本発明の第２の実施例の各部波形を示す図。 本発明の第２の実施例の各部波形を示す図。 本発明の第３の実施例の光源装置を示す図。 従来例の各部波形を示す図。 従来例の各部波形を示す図。 突起が成長したランプの電極を示す図。 電極温度が対象なランプのライフ中における電極を示す図。 電極温度が非対象なランプのライフ中における電極を示す図。

符号の説明

１０．直流電源部
２０．直流電力供給回路部
２１．トランジスタ
２２．ダイオード
２３．直流リアクトル
２４．コンデンサ
３０．制御回路部
３１ａ．ツェナーダイオード
３１ｂ、３１ｃ、３２．抵抗
３３．掛算器
３４．誤差増幅器
３５．積分回路
３６．ＰＷＭ制御回路
３７、３８、３８ａ、３８ｃ．抵抗
３８ｂ、３８ｄ．トランジスタ
３９．基準電圧
４０．フルブリッジ回路
４１〜４４．トランジスタ
４５．ブリッジ制御回路
５０．イグナイタ回路部
６０．高圧放電灯（ランプ）
７１．レフレクタ
７２．空冷手段
７３．副鏡
７４．高圧放電灯点灯装置
７５．筐体
３００．制御手段

Claims (6)

1. 直流電圧が入力され直流電流を出力する直流電力供給部、該直流電流を交流変換して高圧放電灯に交流ランプ電流を供給するフルブリッジ回路、並びに該直流電力供給部が出力する直流電流値及び該フルブリッジ回路のスイッチング動作を制御する制御回路を備え、
   前記交流ランプ電流波形が、電流値（＋ｉ１）・幅（ｄ１）の第１の期間、電流値（−ｉ２）・幅（ｄ２）の第２の期間、電流値（＋ｉ３）・幅（ｄ３）の第３の期間、電流値（−ｉ４）・幅（ｄ４）の第４の期間、電流値（＋ｉ５）・幅（ｄ５）の第５の期間、及び電流値（−ｉ６）・幅（ｄ６）の第６の期間を１つのユニットとする波形の繰り返しからなるように、前記制御回路によって前記直流電流値及びスイッチング動作が制御され、
   少なくとも、（ｄ１＋ｄ２）＜ｄ３、かつ、（ｄ４＋ｄ５）＜ｄ６、であり、
   ｉ５、ｉ２＞ｉ３、ｉ６、と設定された高圧放電灯点灯装置において、
   前記高圧放電灯が第１及び第２の電極を有し、仮に該第１の電極から該第２の電極に向けて流す電流とその逆方向の電流とを等しくした場合に該第１の電極が該第２の電極よりも温度が低くなる場合に、前記交流ランプ電流（ｉ１〜ｉ６）について、その（＋）方向が該第１の電極から該第２の電極へ向かう方向として規定され、
   前記第５の期間について、
   ｉ５×ｄ５≧ｉ１×ｄ１、かつ、ｉ５×ｄ５＞ｉ２×ｄ２≧ｉ４×ｄ４
   である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、前記第５の期間について、さらに、
   ｄ５≧ｄ１、かつ、ｄ５＞ｄ２≧ｄ４
   である高圧放電灯点灯装置。
3. 請求項１記載の高圧放電灯点灯装置において、前記第５の期間について、さらに、
   ｉ５≧ｉ１、かつ、ｉ５＞ｉ２≧ｉ４
   である高圧放電灯点灯装置。
4. 請求項１から請求項３いずれか一項に記載の高圧放電灯点灯装置、該高圧放電灯点灯装置から交流ランプ電流を供給される第１及び第２の電極を有する高圧放電灯、並びに該高圧放電灯が取り付けられるレフレクタを備えた光源装置。
5. 請求項４記載の光源装置であって、さらに、前記高圧放電灯を冷却する冷却手段を備え、
   前記第１の電極が該レフレクタのフロント側に設置され、前記第２の電極が該レフレクタのネック側に設置された光源装置。
6. 請求項４記載の光源装置であって、さらに、前記高圧放電灯に取り付けられた副鏡を備え、
   前記第１の電極が該レフレクタのネック側に設置され、前記第２の電極が該レフレクタのフロント側に設置されるとともに前記副鏡が該第２の電極付近に取り付けられた光源装置。
   

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