WO2010070996A1 - 高圧放電灯点灯装置及び高圧放電灯の点灯方法 - Google Patents

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pressure discharge
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嘉昭 駒津
徹 永瀬
信一 鈴木
祐哉 山崎
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岩崎電気株式会社
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    • H05B41/3928Controlling the intensity of light continuously using semiconductor devices, e.g. thyristor with possibility of light intensity variations by pulse width modulation for high-pressure lamps, e.g. high-intensity discharge lamps, high-pressure mercury or sodium lamps
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    • Y02B20/00Energy efficient lighting technologies, e.g. halogen lamps or gas discharge lamps

Definitions

  • the present invention relates to a high pressure discharge lamp lighting device that supplies an alternating lamp current to light a high pressure discharge lamp, a light source device using the same, and a high pressure discharge lamp lighting method.
  • a light source device using a short arc high-pressure discharge lamp combined with a reflecting mirror is used as a backlight of a projector, a projection TV, or the like.
  • these high-pressure discharge lamps are required to improve various characteristics such as further improvement in brightness, downsizing, and longer life.
  • extending the service life is highly demanded, and further improvements are required.
  • maintaining the arc length during the service life is an important issue. More specifically, the lighting voltage of the high-pressure discharge lamp (hereinafter referred to as “lamp voltage”) is constant. Is required to be maintained.
  • the lamp voltage decreases at the initial stage when the cumulative lighting time of the high-pressure discharge lamp is about several tens of hours, and then rises for a while during the long lifetime.
  • the lamp voltage can be increased or decreased due to variations in individual lamps and variations in lighting conditions such as outside air temperature.
  • one method is to control the lamp voltage by changing the lighting frequency in accordance with the lamp voltage at the time of lamp lighting. Specifically, the lighting frequency is increased when the lamp voltage becomes lower than a certain reference value, and the lighting frequency is lowered when the lamp voltage becomes higher than a certain reference value.
  • the lamp voltage when the lamp operating frequency is high, the behavior of the lamp voltage tends to increase, and conversely, when the operating frequency is low, the behavior of the lamp voltage tends to decrease (hereinafter referred to as “the lamp voltage”). "High frequency” and "Low frequency” respectively).
  • Patent Document 2 there is proposed a control for lighting a lamp by switching a plurality of times to two or more different lighting frequencies. That is, from the beginning, a lamp current waveform obtained by synthesizing a plurality of frequency components including a high frequency component and a low frequency component with a predetermined balance is adopted so that the effect of the high frequency and the effect of the low frequency are exhibited in a composite manner.
  • FIG. 9A is a graph showing the relationship between the cumulative lighting time and the luminance maintenance ratio in the lighting test
  • FIG. 9B is a graph showing the relationship between the cumulative lighting time and the lamp voltage in the lighting test.
  • JP 2006-185663 A Japanese Patent No. 3851343
  • the light source device there is a minute brightness change synchronized with the lamp lighting frequency, and this and the frequency of the video synchronization signal in the light source device interfere with each other, and a striped pattern appears in the projected image. There is. In order to avoid this, only some limited lighting frequencies can be applied within the practical lighting frequency range of the lamp, so the case where the lighting frequency cannot be arbitrarily changed is also considered. It is desirable.
  • the inventors made a prototype of a high pressure discharge lamp lighting device having a function of switching the lamp lighting frequency, conducted a lamp lighting test with the lighting device, and observed and measured the lamp voltage during the test. As a result, although the lamp voltage during lighting tends to increase at high frequencies and conversely, the lamp voltage tends to decrease at low frequencies, it is the result of long-term observation within the lighting time. It was confirmed that the lamp voltage shows a completely different behavior immediately after switching.
  • the lamp voltage decreases from a few volts to a few dozen volts in the short term (although it should increase in the long term). It has been found that when the lighting frequency is switched from a high frequency to a low frequency, the lamp voltage shows a behavior of increasing from several V to several tens of V in the short term (although it should decrease in the long term).
  • the reason why the lamp voltage shows such behavior is considered as follows.
  • the time until polarity inversion is shortened.
  • the number of electron collisions at the electrode tip on the side where the anode is operating decreases, and the electrode tip temperature decreases.
  • the electrode tip temperature rapidly decreases, so that electrode evaporation is small.
  • a new projection is formed on the electrode tip projection, so that the arc length is shortened and the lamp voltage is lowered.
  • the present invention controls the lighting frequency by taking into account and utilizing the long-term / short-term tendency of rising / falling of the lamp voltage with respect to the lighting frequency, so that the lamp voltage, i.e., the arc length can be reduced both in the long term and in the short term.
  • the purpose is to maintain within an appropriate range.
  • a first aspect of the present invention is a high-pressure discharge lamp lighting device for alternating-current lighting of a high-pressure discharge lamp having a pair of electrodes, the control means for controlling the lighting frequency of alternating-current lighting, and detecting the lamp voltage of the high-pressure discharge lamp
  • the control means sets the main lighting frequency to the nth frequency fn (2 ⁇ n, f (n-1) ⁇ fn) is continued for a predetermined time, and then a composite current waveform including a plurality of frequencies selected from f1 to fn is output, and the composition ratio of each frequency component per unit time is determined.
  • the high-pressure discharge lamp lighting device is configured to change the average frequency of the combined current waveform so as to decrease according to the elapsed time and to set the main lighting frequency to the first frequency f1 again.
  • the predetermined time for the main lighting frequency to be the nth frequency fn be 30 minutes or more and 3 hours or less. Further, it is desirable that the content ratio is changed step by step, and the required time per step of the step change is 1 minute to 1 hour.
  • the second aspect of the present invention is a light source device including a high pressure discharge lamp lighting device according to the first aspect and a projector including the high pressure discharge lamp.
  • a third aspect of the present invention is a lighting method for a high-pressure discharge lamp having a pair of electrodes, wherein (A) a step of lighting with a main lighting frequency as a first frequency f1, and (B) a lamp voltage having a predetermined value.
  • a main lighting frequency as the n-th frequency fn (2 ⁇ n, f (n ⁇ 1) ⁇ fn) when it exceeds the predetermined time, (C) a plurality of frequencies selected from f1 to fn And a step of changing the content ratio of each frequency component per unit time so that the average frequency of the combined current waveform decreases according to the elapsed time, and (D) the main lighting frequency is
  • the lighting method includes a step of setting the frequency f1 to 1.
  • step (B) is 30 minutes or more and 3 hours or less.
  • the content ratio of the step (C) is changed stepwise so that the time required per step of the step change is 1 minute or more and 1 hour or less.
  • FIG. 1 is a circuit diagram of the present invention. 1 will be described below.
  • the high pressure discharge lamp lighting device of the present invention includes a full-wave rectifier circuit 10, a step-down chopper circuit 20 that controls a DC voltage of the full-wave rectifier circuit 10 to a predetermined lamp power or lamp current by a PWM (pulse width modulation) control circuit, and a step-down chopper circuit 20
  • a full bridge circuit 40 for converting the DC output voltage of the chopper circuit 20 into an AC rectangular wave current and applying it to the lamp 60, an igniter circuit 50 for applying a high voltage pulse voltage to the lamp at the start of the lamp, and the step-down chopper circuit 20
  • a control circuit 30 for controlling the full bridge circuit 40.
  • a full-wave rectification / capacitor input type circuit is shown as the rectifier circuit 10, but a booster circuit (power factor correction circuit) or the like is included as necessary.
  • the step-down chopper circuit 20 includes a transistor 21, a diode 22, a choke coil 23, and a smoothing capacitor 24 that are PWM-controlled by a PWM control circuit 34.
  • the DC voltage supplied from the full-wave rectifier circuit 10 is converted into a predetermined lamp power or lamp. Controlled to convert to current.
  • the full bridge circuit 40 is controlled by the bridge control circuit 45 so that the pair of transistors 41 and 44 and the pair of transistors 42 and 43 are alternately turned on / off at a predetermined frequency. As a result, an alternating current (basically a rectangular wave) is applied to the lamp 60.
  • the lamp 60 is assumed to have a rated power of about 50 to 400W.
  • the value of the predetermined lamp power or lamp current and the predetermined frequency are determined by the central control unit 35 in the control circuit 30.
  • the detection lamp current by the current detection means is centrally controlled.
  • the detection lamp voltage by the voltage detection means is multiplied by the detected lamp current. In the part 35, it can be used as needed.
  • the present invention detects a lamp parameter (for example, lamp voltage) at the time of lighting, lights up at a high frequency f2 for a predetermined time according to the detection result, and then increases the pressure at a combined lighting frequency composed of a plurality of frequency components of f1 and f2.
  • the discharge lamp is turned on, and the content rate (or content ratio, the same applies hereinafter) of each lighting frequency per unit time is adjusted.
  • the unit time does not necessarily have to be 1 second, and may be a unit of several seconds.
  • Lighting at high frequency Lamp voltage rises in the long run.
  • Lighting at low frequency Lamp voltage drops for a long time.
  • the boundary between the low frequency and the high frequency is 100 to 200 Hz.
  • Switching from low frequency to high frequency Lamp voltage drops in the short term.
  • Switching from high frequency to low frequency Lamp voltage rises in the short term.
  • f1 belonging to the above-mentioned low frequency to boundary frequency is used.
  • the lamp voltage when the lamp voltage is initially turned on at f1, the lamp voltage may become higher due to the consumption of the electrode itself as the life proceeds even if the lamp voltage tends to decrease.
  • the lamp voltage has risen in this way, it is desirable to perform control to decrease the lamp voltage once and then maintain or slightly increase the lamp voltage.
  • the predetermined value (threshold value) of the lamp voltage is not limited to one, and a plurality of higher threshold values such as second and third values may be set.
  • the frequency of the high frequency to be inserted may be set as f3, f4 (f2 ⁇ f3, f4) according to the threshold value.
  • the change in the content ratio may be stepwise or continuous.
  • the actual specifications may be set to have many steps within a reasonable range.
  • the time required for each stage is made too short, it becomes a mode close to instantaneous switching from low frequency to high frequency, leading to a steep rise in lamp voltage, which is contrary to the spirit of the present invention.
  • this is made too long, the period during which the high frequency is contained becomes longer, and the rise of the lamp voltage, which is a long-term trend of high frequency, is induced, and the lamp voltage is expected to reach the threshold relatively soon thereafter. Is done. From this point of view, it is desirable to set the time required for each stage to about 1 minute to 1 hour.
  • the lamp voltage can be maintained within a predetermined range without causing short-term oscillation of the lamp voltage as shown in FIG. Further, in the present invention, since knowledge of the operation of the lamp voltage with respect to the lighting frequency and its switching is used, no means for detecting the lamp voltage drop is necessary for this control.
  • FIG. 2 shows the result of an experiment in which the above example was actually performed.
  • f1 100 Hz
  • f2 300 Hz
  • the predetermined value of the lamp voltage was set to 85V.
  • the lamp voltage tends to decrease or maintain for a long time (as initially planned) until the lighting time is around 410 hours, but the lamp starts from around 410 hours due to the progress of life.
  • the voltage has risen.
  • the central control unit 35 detects that the lamp voltage has reached the predetermined value 85V, and switches the lighting frequency to f2. This lowered the lamp voltage to about 75V in the short term.
  • FIG. 3 shows a light source device as an application using the high pressure discharge lamp lighting device.
  • 100 is the high pressure discharge lamp lighting device of FIG. 1 described above
  • 70 is a reflecting mirror to which the lamp is attached
  • 110 is a high pressure discharge lamp lighting device
  • a housing containing the lamp In addition, the figure is a schematic illustration of the embodiment, and the dimensions, arrangement, and the like are not as illustrated.
  • a projector is configured by appropriately arranging a video system member or the like (not shown) in the housing.
  • FIG. 4 shows a flowchart of the lighting method according to the present invention.
  • the frequency components contained in the composite wave are a plurality of frequencies selected from f1 (low frequency), f2,..., Fn (high frequency).
  • Lighting is started in step S100.
  • step S110 the lighting frequency is turned on with the first frequency f1.
  • f1 is used as a component, but if the main frequency component is f1, other frequency components may be contained somewhat.
  • step S115 it is determined whether or not the lamp voltage (VL) exceeds a predetermined value (for example, 85V). If the lamp voltage exceeds the predetermined value, the process proceeds to step S120. Otherwise, the process returns to step S110 and the lighting at f1 is continued.
  • VL lamp voltage
  • step S120 the lighting frequency is set to the nth frequency fn (2 ⁇ n, f (n ⁇ 1) ⁇ fn), and continues for a predetermined time.
  • the lamp voltage decreases in a short time.
  • fn is used as a component, but if the main frequency component is fn, other frequency components may be contained to some extent.
  • the predetermined time is about 30 minutes to 3 hours.
  • step S130 a combined current waveform including a plurality of frequencies selected from f1, f2,..., Fn is output.
  • the composition ratio of each frequency component per unit time is changed so that the average frequency of the combined current waveform decreases with the elapsed time.
  • the lamp voltage that is, the arc length
  • the lighting frequency is controlled by taking into account and utilizing the long-term / short-term tendency of rising / falling of the lamp voltage with respect to the lighting frequency. It became possible to maintain it within an appropriate range in the short term.
  • the “rectangular wave” as the output current in this embodiment includes a waveform that is not strictly a perfect rectangular wave.
  • the waveform includes slight irregularities, and also includes a waveform having a different time product of current for each polarity at the time of lighting as shown in FIG. Therefore, the lamp current during normal lighting is intended to include such a waveform.
  • the frequency content is expressed as a percentage (%) as a time distribution.
  • the time obtained by multiplying the number of cycles of a certain frequency several times and the content time are strictly Since the values do not match, the content value may be approximate, and the frequency will be interrupted in the middle of one cycle, and lighting at another frequency will be started. It is.
  • the lamp parameter is set as the lamp voltage, and the low frequency and the high frequency are switched according to the lamp voltage.
  • the lamp parameter is set as the lighting duration from the start of lighting, and the low frequency is set for each predetermined lighting duration.
  • the high frequency may be switched. In the case of a lamp whose lamp voltage behavior is known in advance, this operation can be performed without detecting the lamp voltage.
  • the AC power supply circuit is composed of a rectifier circuit, a step-down chopper circuit, and a full bridge circuit, but other configurations may be used as long as an AC rectangular wave can be supplied to the lamp.
  • the input power source is a DC power source
  • the front stage of the full bridge circuit may be only a DC / DC converter.
  • other types of circuits such as push-pull inverters may be used instead of the full bridge circuit as long as direct current can be converted into alternating current.
  • control circuit 30 can perform inversion control of the transistors 41 to 44 of the full bridge circuit 40 and PWM control of the transistor 21 of the step-down chopper circuit 20, the configuration in the control circuit is limited to that shown in the figure. Not.

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Abstract

高圧放電灯の点灯において、ランプ電圧を適正な範囲に維持する。一対の電極を有する高圧放電灯を交流点灯させる高圧放電灯点灯装置において、交流点灯の点灯周波数を制御する制御手段、及び高圧放電灯のランプ電圧を検出する検出手段を備え、制御手段が、主点灯周波数を第1の周波数f1として点灯させた状態から、ランプ電圧が所定値を超えた場合に主点灯周波数を第nの周波数fn(2≦n、f(n-1)<fn)として所定の時間継続し、その後f1~fnから選択された複数の周波数を成分とする合成電流波形を出力して各周波数成分の単位時間当たりの含有構成比を、合成電流波形の平均周波数が経過時間に応じて下がるように変化させ、再び主点灯周波数を第1の周波数f1とするように構成した。

Description

高圧放電灯点灯装置及び高圧放電灯の点灯方法
 本発明は交流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及びそれを用いた光源装置並びに高圧放電灯の点灯方法に関する。
 反射鏡と組み合わされた短アークの高圧放電灯を用いた光源装置は、プロジェクタやプロジェクションTV等のバックライトとして用いられている。
 近年、これらの高圧放電灯は、更なる明るさの向上や小型化、長寿命化等様々な特性の改善が要求されている。特に長寿命化は要求が高く、更なる改善が必要とされている。そして、長寿命化のためにはアーク長を寿命期間中に維持することが重要な課題となっており、より具体的には高圧放電灯の点灯電圧(以下、「ランプ電圧」という)を一定に維持することが必要とされる。
 そのため、これらの高圧放電灯には水銀と微量のハロゲンが封入されており、点灯中に蒸発した電極材のタングステンがハロゲンサイクルによって電極先端に戻り、寿命期間中のアーク長変化を抑制し、ランプ電圧を維持している。
 しかし実際には、高圧放電灯の累積点灯時間が数十時間程度の初期に、ランプ電圧は低下し、その後長期にわたる寿命期間中においてはランプ電圧が暫時上昇することが知られている。
 また、寿命期間中においてはランプ個々のばらつき、外気温などの点灯条件のばらつきによってもランプ電圧が上昇や下降といった挙動を見せる。
 しかし、これらのランプ電圧の変動を同じ点灯周波数条件で制御することは難しいことから、周波数を変化させる事により改善を試みる提案もなされている。例えば、特許文献1に記載されているように、ランプ点灯時のランプ電圧に応じて点灯周波数を変化させることによりランプ電圧を制御する方法がその1つである。具体的には、ランプ電圧がある基準値よりも低くなった場合は点灯周波数を高くし、ランプ電圧がある基準値よりも高くなった場合は点灯周波数を低くするという制御をしている。これは、ランプ点灯周波数が高い場合はランプ電圧の挙動が上昇傾向にあり、逆に点灯周波数が低い場合はランプ電圧の挙動が下降傾向にあるという既知の事実に基づいた制御である(以下、それぞれ「高周波」、「低周波」という)。
 また別の方策として、例えば特許文献2のように、2つ以上の異なる点灯周波数に複数回切替えて変化させてランプを点灯させる制御が提案されている。すなわち、当初から高周波成分及び低周波成分を含む複数の周波数成分を所定のバランスで合成したランプ電流波形を採用し、高周波による効果及び低周波による効果を複合的に発揮させようというものである。
 より具体的には、高圧放電灯に図8で示す複数の点灯周波数を組み合わせた交流矩形波電流を流し、前記高圧放電灯を点灯させている。そして図9Aは、その点灯試験における累積点灯時間と輝度維持率の関係を表すグラフであり、図9Bは、その点灯試験における累積点灯時間とランプ電圧の関係を表すグラフである。この試験結果においては、ランプの寿命における輝度維持率、及びランプ電圧の挙動が良好になるように、複数の点灯周波数が任意に選択され、またその組み合わせを切り替えながら高圧放電灯を点灯させる設計となっている。
特開2006-185663号公報 特許第3851343号
 しかしながら、ランプの寿命中においてはランプ個々の特性バラツキ、点灯条件などから電極突起の成長、消耗を制御、維持する最適な条件も変化していく。そのため、複数の点灯周波数によるランプ電圧制御においても、ランプのパラメータを検出し、その点灯パラメータに応じて点灯周波数条件を変化させることが望ましい。
 さらに、光源装置においてはランプの点灯周波数に同期した微小な輝度変化が存在し、これと光源装置内の映像同期信号の周波数とが干渉し合うことにより、投写映像に縞模様が表れてしまうことがある。これを回避するためには、ランプの実用的な点灯周波数範囲の中で何種類かの限定された点灯周波数しか適用することができないため、任意に点灯周波数を変化させることができない場合も考慮することが望ましい。
 以上を考慮すると、複数の点灯周波数を組合せ、点灯中のランプパラメータに応じて点灯周波数の組合せを変化させる制御を実施すれば、理想的なランプ電圧制御が可能であると考えられた。そして、これによりアーク長の変化が抑制され、長寿命化が可能であると考えられていた。
 発明者らは、ランプ点灯周波数切り替え機能を有する高圧放電灯点灯装置を試作し、その点灯装置にてランプの点灯試験を実施し、試験中のランプ電圧観測、測定を行なった。
 その結果、確かに高周波では点灯中のランプ電圧は上昇傾向にあり、逆に低周波ではランプ電圧は下降傾向にあるものの、それは点灯時間内で長期的に観測した場合の結果であり、点灯周波数を切替えた直後にはランプ電圧が全く異なる挙動を示すことが確認された。
 すなわち、図10に示すように、点灯周波数を低周波から高周波に切替えるとランプ電圧は(長期的には上昇するはずであるにもかかわらず)短期的に数Vから十数V低下し、逆に点灯周波数を高周波から低周波に切替えるとランプ電圧は(長期的には低下するはずであるにもかかわらず)短期的に数Vから十数V上昇するという挙動を示すことが分かった。
 ランプ電圧がこのような挙動を見せるのは、以下のような理由であると考えられる。
 低周波から高周波に切り替える場合、極性反転するまでの時間が短くなる。陽極動作をしている側の電極先端での電子衝突回数が減少し、電極先端温度が低下する。切替直後は急激に電極先端温度が低下するため電極蒸発が少なく、短期間においては電極先端突起に新たな突起が形成されるため、アーク長が短くなり、ランプ電圧低下を引き起こす。しばらく高周波で点灯を続けると、既知の事実の通り、突起は蒸発し、ランプ電圧が上昇を開始する。
 逆に、高周波から低周波に切り替える場合、極性反転するまでの時間が長くなる。電極先端での電子衝突回数が増えることで、電極先端温度が上昇し、電極の蒸発が促進されるものと考えられる。切替え直後は電極先端温度が急激に上昇するため、電極先端突起が蒸発し、アーク長が長くなり、ランプ電圧上昇を引き起こすが、しばらく低周波で点灯を続けると、ハロゲンサイクルにより、電極先端突起が再形成され、ランプ電圧が下降を開始する。
 従って、本発明は、点灯周波数に対するランプ電圧の長期的/短期的な上昇/下降の傾向を考慮及び利用して点灯周波数を制御することによって、ランプ電圧、即ち、アーク長を長期的にも短期的にも適正な範囲に維持することを目的とする。
 本発明の第1の側面は、一対の電極を有する高圧放電灯を交流点灯させる高圧放電灯点灯装置であって、交流点灯の点灯周波数を制御する制御手段、及び高圧放電灯のランプ電圧を検出する検出手段を備え、制御手段が、主点灯周波数を第1の周波数f1として点灯させた状態から、ランプ電圧が所定値を超えた場合に主点灯周波数を第nの周波数fn(2≦n、f(n-1)<fn)として所定の時間継続し、その後f1~fnから選択された複数の周波数を成分とする合成電流波形を出力して各周波数成分の単位時間当たりの含有構成比を、合成電流波形の平均周波数が経過時間に応じて下がるように変化させ、再び主点灯周波数を第1の周波数f1とするように構成された高圧放電灯点灯装置である。
 ここで、主点灯周波数を第nの周波数fnとする所定の時間を30分以上3時間以下とするのが好ましい。
 また、含有構成比の変化が段階的に行なわれるように構成し、段階的変化の1段当たりの所要時間を1分以上1時間以下とするのが望ましい。
 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及び高圧放電灯を内包したプロジェクタからなる光源装置である。
 本発明の第3の側面は、一対の電極を有する高圧放電灯の点灯方法であって、(A)主点灯周波数を第1の周波数f1として点灯させるステップ、(B)ランプ電圧が所定値を超えた場合に主点灯周波数を第nの周波数fn(2≦n、f(n-1)<fn)として所定の時間継続するステップ、(C)f1~fnから選択された複数の周波数を成分とする合成電流波形を出力して各周波数成分の単位時間当たりの含有構成比を、合成電流波形の平均周波数が経過時間に応じて下がるように変化させるステップ、及び(D)主点灯周波数を第1の周波数f1とするステップからなる点灯方法である。
 ここで、ステップ(B)の継続時間を30分以上3時間以下とすることが好ましい。
 また、ステップ(C)の含有構成比の変化を段階的に行ない、段階的変化の1段当たりの所要時間を1分以上1時間以下とするのが望ましい。
本発明の高圧放電灯点灯装置を示す回路構成図である。 本発明を実施したランプ電圧変動を示す図である。 本発明の光源装置を説明する図である。 本発明の点灯方法のフローチャートである。 本発明を説明する図である。 本発明を説明する図である。 本発明を説明する図である。 従来の点灯方法によるランプ電流を示す図である。 従来の点灯方法を説明する図である。 従来の点灯方法を説明する図である。 従来の点灯方法を説明する図である。
 図1は本発明の回路構成図である。図1について以下に説明する。本発明の高圧放電灯点灯装置は、全波整流回路10、全波整流回路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又はランプ電流に制御する降圧チョッパ回路20、降圧チョッパ回路20の直流出力電圧を交流矩形波電流に変換してランプ60に印加するためのフルブリッジ回路40、ランプ始動時に高圧パルス電圧をランプに印加するためのイグナイタ回路50、並びに降圧チョッパ回路20及びフルブリッジ回路40を制御するための制御回路30で構成されている。なお、図面を見やすくするために整流回路10として全波整流・コンデンサインプット型の回路を示しているが、必要に応じて昇圧回路(力率改善回路)等も含むものとする。
 降圧チョッパ回路20はPWM制御回路34によってPWM制御されるトランジスタ21、ダイオード22、チョークコイル23、及び平滑コンデンサ24で構成され、全波整流回路10から供給される直流電圧を所定のランプ電力又はランプ電流に変換するように制御される。フルブリッジ回路40はブリッジ制御回路45によってトランジスタ41及び44の組とトランジスタ42及び43の組とが所定の周波数で交互にオン/オフするように制御される。これにより、ランプ60に(基本的には矩形波の)交流電流が印加される。ランプ60には定格電力50~400W程度のものを想定している。なお、上記の所定のランプ電力又はランプ電流の値及び所定の周波数は制御回路30内の中央制御部35によって決定される。また、定ランプ電流制御には電流検出手段(抵抗33)による検出ランプ電流を、定ランプ電力制御には電圧検出手段(抵抗31及び32)による検出ランプ電圧と検出ランプ電流の乗算値を中央制御部35内において必要に応じて使用することができる。
 本発明は、点灯時のランプパラメータ(例えば、ランプ電圧)を検出し、検出結果に応じて所定の時間高周波f2で点灯し、その後f1とf2の複数の周波数成分からなる合成点灯周波数にて高圧放電灯を点灯し、各点灯周波数の単位時間あたりの含有率(又は含有構成比、以下同じ)を調整するものである。なお、単位時間とは、必ずしも1秒とする必要はなく数秒単位であってもよい。また、含有率を時間比で決定する方法や、サイクル数の比で決定する方法があり、いずれも同等の効果を得られる。
 ここで、再度、点灯周波数及びその切替えとランプ電圧の挙動の関係についてまとめると以下の通りである。
 高周波での点灯・・・長期的にランプ電圧が上昇する。
 低周波での点灯・・・長期的にランプ電圧が下降する。但し、ライフが進むと電極自体が消耗してランプ電圧が上昇する場合がある。
 なお、低周波と高周波の境目は100~200Hzにある。
 低周波から高周波への切替え・・・短期的にランプ電圧が下降する。
 高周波から低周波への切替え・・・短期的にランプ電圧が上昇する。
 上記の具体例として、まず通常点灯時の周波数f1のみ(f1=100%/f2=0%)で点灯させる。ここで、f1として上記で言う低周波~境界周波数に属するものを用いる。上述したように、ランプ電圧はf1での点灯では当初下降傾向にあってもライフが進むにつれて電極自体の消耗によりランプ電圧が高くなる場合がある。このようにランプ電圧が上昇してきた場合、ランプ電圧を一度降下させ、その後ランプ電圧を維持又は僅かに上昇させる制御を行うことが望ましい。
 そこで、ランプ電圧が所定値を超えた場合、ランプ電圧を短期的に下げるために、低周波f1から高周波f2への切替えを利用する。そして、高周波f2のみ(f1<f2:f1=0%/f2=100%)で2時間点灯させ、これによりランプ電圧を短期的に下降させる。仮に、この直後に点灯周波数を瞬時にf1に戻すと、ランプ電圧が急峻に上昇してしまうことが予想される。そこで、f2のみの状態から例えば(f1=20%/f2=80%)に変化させ10分点灯し、次に(f1=40%/f2=60%)に変化させ10分点灯させ、同様に(f1=60%/f2=40%)、(f1=80%/f2=20%)の状態を各10分点灯させ、再び低周波f1のみ(f1=100%/f2=0%)の状態で点灯させる。その後、ランプ電圧が再び所定値を超えた場合は、上記同様の点灯方法を行う。
 また、ランプ電圧の所定値(しきい値)は1つとは限らず、さらに高い第2、第3などの複数のしきい値を設定してもよい。挿入する高周波の周波数もしきい値によってf3、f4(f2<f3、f4)と設定してもよい。
 なお、含有構成比の変化は段階的であっても連続的なものであってもよい。
 以上の制御により、図10のような短期的なランプ電圧の振動を起こすことなく、ランプ電圧、即ち、アーク長を適正な範囲に維持することができる。
 また、周波数含有率を変化させる際の、その段階数と各段階の所要時間について、段階数は多い方が各含有率変化点での変化率が小さいため、ランプ電圧の変動を小さくすることができる。従って、実仕様(プログラムの仕様等)において無理のない範囲で段階が多い設定とすればよい。また、各段階の所要時間について、これを短くし過ぎると、低周波→高周波の瞬時の切替えに近い態様となり、ランプ電圧の急峻な上昇を招いてしまい本発明の趣旨に反してしまう。一方、これを長くし過ぎると、高周波を含有する期間が長くなり、高周波の長期的傾向であるランプ電圧の上昇が誘発され、ランプ電圧がその後比較的早くしきい値に達してしまうことが予想される。このような観点から、各段階の所要時間を1分以上1時間以下程度に設定するのが望ましい。
 上記動作を繰り返すことにより、図10のような短期的なランプ電圧の振動を起こすことなく、ランプ電圧を所定の範囲に維持することができる。また、本発明では点灯周波数及びその切替えに対するランプ電圧の挙動の知識を利用しているので、本制御に関してはランプ電圧低下を検出するための手段が不要である。
 上記例を実際に行った実験結果を図2に示す。
 実験では、f1=100Hz、f2=300Hzとし、上記ランプ電圧の所定値を85Vに設定した。
 低周波f1で点灯させていると、点灯時間410時間付近まではランプ電圧が(当初予定しているような)長期的な低下又は維持傾向にあったものの、ライフの進行により410時間付近からランプ電圧が上昇した。
 点灯時間約442時間において(図の破線)、ランプ電圧が所定値85Vに達したことを中央制御部35が検出し、点灯周波数をf2に切替えた。これによりランプ電圧が短期的に約75Vに低下した。
 その後、(f1=20%/f2=80%)、(f1=40%/f2=60%)、(f1=60%/f2=40%)、(f1=80%/f2=20%)の各状態を10分ずつ点灯させ、再びf1のみの点灯に戻した。この含有構成比の段階的変化によって、短期的な急激なランプ電圧の上昇を抑えることができた。なお、図2では、経過時間488時間以降でも上記と同様の一連の制御が行なわれた。
 上記実施例では、ランプ電圧制御を向上した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3に示す。
 図3において、100は上記で説明した図1の高圧放電灯点灯装置、70はランプが取り付けられる反射鏡、110は高圧放電灯点灯装置、ランプ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に適宜配置してプロジェクタが構成される。
 図4に本発明による点灯方法のフローチャートを示す。なお、本実施例においては、合成波に含有する周波数成分をf1(低周波)、f2、・・・、fn(高周波)から選択される複数の周波数とした。
 ステップS100で点灯を開始する。
 ステップS110において、点灯周波数を第1の周波数f1として点灯させる。本実施例ではf1のみを成分としているが、主となる周波数成分がf1であれば他の周波数成分が多少含有されていてもよい。
 ステップS115において、ランプ電圧(VL)が所定値(例えば85V)を超えているか否かを判断する。ランプ電圧が所定値を超えている場合はステップS120に進み、それ以外はステップS110に戻りf1での点灯を続ける。
 ステップS120において、点灯周波数を第nの周波数fn(2≦n、f(n-1)<fn)として所定の時間継続する。ステップS120により、ランプ電圧が短期的に下がる。
 なお、本実施例ではfnのみを成分としているが、主となる周波数成分がfnであれば他の周波数成分が多少含有されていてもよい。ここで、上記所定の時間を約30分以上3時間以下とするのが望ましい。
 ステップS130において、f1、f2・・・、fnから選択された複数の周波数を成分とする合成電流波形を出力する。この際に、合成電流波形の平均周波数が経過時間とともに下がるように、各周波数成分の単位時間当たりの含有構成比を変化させる。また、周波数成分の含有構成比の変化を段階的に行ない、段階的変化の1段当たりの所要時間を1分以上1時間以下とするのが望ましい。ステップS130によって、短期的な急激なランプ電圧の上昇を抑えることができる。
 ステップS130が終了するとステップS110に戻る。
 なお、ステップS120及びS130において、n=2とすれば、実験例で示したf1及びf2を用いる実施例を実現することができる。
 本発明によると、点灯周波数に対するランプ電圧の長期的/短期的な上昇/下降の傾向を考慮及び利用して点灯周波数を制御する構成としたので、ランプ電圧、即ち、アーク長を長期的にも短期的にも適正な範囲に維持することが可能となった。
 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)本実施例における出力電流としての「矩形波」とは、厳密には完全な矩形波ではないような波形も含む。例えば、完全な矩形波では無く、図5のように矩形波半サイクルの開始時の電流値と終了時の電流値とが僅かに異なるような波形や、図6のように半サイクルの中盤に僅かな凹凸があるような波形、また図7のように点灯時の極性ごとに電流の時間積が異なる波形も含む。従って、通常点灯時におけるランプ電流はそのような波形も含む趣旨である。
 (2)本発明においては、周波数の含有率を時間配分として百分率(%)で表現しているが、実際の設計においてはある周波数のサイクル数を数倍した時間と、含有率時間が厳密に一致することはないため、含有率の値はおおよそである場合もあり、周波数があるサイクルの途中で途切れ、別の周波数での点灯が開始されるようなものになるが、趣旨は前記したとおりである。
 (3)本発明において、ランプパラメータをランプ電圧としてランプ電圧に応じて低周波と高周波を切替える構成としたが、ランプパラメータを点灯開始からの点灯継続時間として、所定の点灯継続時間ごとに低周波と高周波を切替えるようにしてもよい。予めランプ電圧の挙動が分かっているようなランプの場合には、ランプ電圧を検出することなくこの動作を行なうことができる。
 (4)実施例においては、交流電力供給回路を整流回路、降圧チョッパ回路及びフルブリッジ回路で構成したが、ランプに交流矩形波が供給できれば他の構成であってもよい。例えば、入力電源が直流電源であれば、フルブリッジ回路の前段部はDC/DCコンバータのみでよい。また、直流を交流に変換できればフルブリッジ回路の代わりにプッシュプル型インバータなどの他の方式の回路を用いてもよい。
 (5)また、制御回路30は、フルブリッジ回路40のトランジスタ41~44の反転制御と降圧チョッパ回路20のトランジスタ21のPWM制御を行うことができれば、制御回路内の構成は図示したものに限定されない。
1:AC電源
10:全波整流回路
11:ダイオードブリッジ
12:コンデンサ
20:降圧チョッパ回路
21:トランジスタ
22:ダイオード
23:チョークコイル
24:コンデンサ
30:制御回路
31,32,33:抵抗
34:PWM制御回路
35:中央制御部
40:フルブリッジ回路
41,42,43,44:トランジスタ
45:ブリッジ制御回路
50:イグナイタ回路
51:イグナイタ制御回路
60:高圧放電灯
70:反射鏡
100:高圧放電灯点灯装置
110:プロジェクタ筐体

Claims (7)

  1.  一対の電極を有する高圧放電灯を交流点灯させる高圧放電灯点灯装置であって、
     前記交流点灯の点灯周波数を制御する制御手段、及び
     前記高圧放電灯のランプ電圧を検出する検出手段
    を備え、
     前記制御手段が、主点灯周波数を第1の周波数f1として点灯させた状態から、前記ランプ電圧が所定値を超えた場合に主点灯周波数を第nの周波数fn(2≦n、f(n-1)<fn)として所定の時間継続し、その後f1~fnから選択された複数の周波数を成分とする合成電流波形を出力して各周波数成分の単位時間当たりの含有構成比を、該合成電流波形の平均周波数が経過時間に応じて下がるように変化させ、再び主点灯周波数を前記第1の周波数f1とするように構成された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、前記主点灯周波数を第nの周波数fnとする所定の時間を30分以上3時間以下とした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、前記含有構成比の変化が段階的に行なわれるように構成され、段階的変化の1段当たりの所要時間が1分以上1時間以下である高圧放電灯点灯装置。
  4.  請求項1から3いずれか一項に記載の高圧放電灯点灯装置及び前記高圧放電灯を内包したプロジェクタからなる光源装置。
  5.  一対の電極を有する高圧放電灯の点灯方法であって、
     (A)主点灯周波数を第1の周波数f1として点灯させるステップ、
     (B)ランプ電圧が所定値を超えた場合に主点灯周波数を第nの周波数fn(2≦n、f(n-1)<fn)として所定の時間継続するステップ、
     (C)f1~fnから選択された複数の周波数を成分とする合成電流波形を出力して各周波数成分の単位時間当たりの含有構成比を、該合成電流波形の平均周波数が経過時間に応じて下がるように変化させるステップ、及び
     (D)主点灯周波数を前記第1の周波数f1とするステップ
    からなる点灯方法。
  6.  請求項5記載の点灯方法において、前記ステップ(B)の継続時間が30分以上3時間以下である点灯方法。
  7.  請求項5記載の点灯方法において、前記ステップ(C)の含有構成比の変化を段階的に行ない、段階的変化の1段当たりの所要時間が1分以上1時間以下である点灯方法。
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