JP2008153155A - 放電ランプ用電源装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成により、放電ランプの光量を所定期間だけ他の期間に対して低減する制御を行えるようにした放電ランプ用電源装置及びその制御方法を提供する。
【解決手段】直流電源部２１からの直流電圧を、スイッチング素子２２をパルス発生回路２５によって所定のデューティ及び発振周波数でスイッチングし、その出力を平滑回路２３で平滑した後、放電ランプ１に印加する。パルス発生回路２５は、電流検出抵抗２４からのフィードバック信号に基づいて動作する電流制御回路２７の出力に応じてデューティが制御されると共に、緑の表示色の期間Ｔ内の一部期間ｔにおいて出力された周波数指令Ｃｆに基づいて動作するパルス周波数変更回路２９の出力により、発振周波数を一時的に高くするように動作する。
【選択図】図２

Description

本発明は、放電ランプを光源とする投射型の映像表示装置等に用いられる放電ランプ電源装置及びその制御方法に関する。

映像表示装置の１つに、ディジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）（Texas Instruments社登録商標：Digital Micromirror Device）を用いたＤＬＰ（Texas Instruments社登録商標：Digital Light Processing）による色順次方式がある。この方式の映像表示装置は、白色光を発光する光源ランプとスクリーンの間の光路上に、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３色のフィルタを備えて回転する色フィルタ、コンデンサレンズ、ＤＭＤ、投射レンズを順次光路上に配設して構成されている（例えば、特許文献１参照）。

上記光源ランプには、多くの場合、放電ランプが用いられる。この放電ランプの駆動は、直流電源、該直流電源が発生する直流電圧をスイッチングするスイッチング素子、その出力電流を放電ランプに供給する平滑回路を備えたランプ用電源装置によって行われる。

放電ランプには、緑色が赤色や青色に比べて強く出る発光スペクトルを有するものがある。このような特性を有する放電ランプを光源に用いた場合、緑の強い白色バランスの画像になり、表示画像の印象を悪くする。そこで、緑成分を相対的に抑制して他の波長域の色とのバランスをとり、最適な白色バランスで表示を行えるようにした表示装置がある（例えば、特許文献２参照）。

この表示装置における放電ランプ用電源装置は、正極状態でのランプ電流（＋Ｉ_Ｌ）と負極状態でのランプ電流（−Ｉ_Ｌ）とに分けてスイッチングすると共に、極性変換開始時に緑色の表示期間に対応して低い電流値とし、青色の表示期間および赤色の表示期間と進むに従い電流値を徐々に増やして所定値に到達した時点で極性変換を行う。これにより、最適な白色バランスを得ることができる。
特開２０００−２３１０６６号公報 特許第３７９７３４２号公報

しかし、従来の放電ランプ用電源装置によると、極性変換を行うとともに、電流値を制御する複雑な制御になるため、構成が複雑になるという問題がある。

従って、本発明の目的は、簡単な構成により、放電ランプの光量を所定期間だけ他の期間に対して低減する制御が行えるようにした放電ランプ用電源装置及びその制御方法を提供することにある。

（１）本発明は、上記目的を達成するため、直流電源を電源にしたスイッチング素子により駆動される放電ランプに流れるランプ電流が、大なる期間と小なる期間を有し、前記大なる期間では第１の周波数の高周波パルスで前記放電ランプを駆動し、小なる期間では前記第１の周波数よりも高い第２の周波数の高周波パルスで前記放電ランプを駆動することを特徴とする放電ランプ用電源装置を提供する。

このような構成によれば、ランプ電流が小なる期間を大なる期間とは異なる周波数にするという簡単な構成により、大なる期間に悪影響を及ぼすことなく小なる期間の放電ランプの光量を低減することができる。

（２）本発明は、上記目的を達成するため、直流電源を電源にして放電ランプを駆動するスイッチング素子と、前記スイッチング素子を高周波パルスによりスイッチングするパルス発生回路と、周期的に繰り返される所定の期間のうち、第１の期間に第１の周波数で前記高周波パルスを発生し、前記所定の期間のうち、前記第１の期間よりも短い第２の期間に前記第１の周波数よりも高い第２の周波数で前記高周波パルスを発生するように前記パルス発生回路を制御するパルス周波数変更回路と、を備えたことを特徴とする放電ランプ用電源装置を提供する。

このような構成によれば、第２の期間の周波数を第１の期間より高い周波数にするという簡単な構成により、第１の期間に悪影響を及ぼすことなく第２の期間の放電ランプの光量を低減する放電ランプ用電源装置を構成することができる。

（３）本発明は、上記目的を達成するため、直流電源を電源にしたスイッチング素子により駆動される放電ランプに流れるランプ電流が、大なる期間と小なる期間を有し、前記大なる期間では第１の周波数の高周波パルスで前記放電ランプを駆動し、小なる期間では前記第１の周波数よりも高い第２の周波数の高周波パルスで前記放電ランプを駆動することを特徴とする放電ランプ用電源装置の制御方法を提供する。

このような方法によれば、ランプ電流が小なる期間を大なる期間とは異なる周波数にするという簡単な方法により、大なる期間に悪影響を及ぼすことなく小なる期間の放電ランプの光量を低減することができる。

本発明の放電ランプ用電源装置及びその制御方法によれば、簡単な構成により、他の期間に対して所定期間だけ放電ランプの光量を低減する制御を行うことができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る映像表示装置を示す。この映像表示装置１００は、白色光を発光する光源としての放電ランプ１と、放電ランプ１による光を所定方向へ反射させるリフレクタ２と、Ｒ、Ｇ、Ｂの３色のフィルタを備えたカラーホイール３と、カラーホイール３からの光を平行光にするコンデンサレンズ４と、コンデンサレンズ４からの光を選択して投影方向へ出力するＤＭＤ素子５と、ＤＭＤ素子５からの光映像を投射面へ投影する投射レンズ６と、投射レンズ６からの光映像が照射されるスクリーン７と、カラーホイール３を回転駆動するモータ８と、ＤＭＤ素子５及びモータ８を制御する制御部９と、制御部９の制御の下で放電ランプ１を発光制御する放電ランプ用電源装置１０と、上記各部材を内蔵すると共にスクリーン７を外部から視認可能に装着する筐体１１と、を備えて構成されている。

放電ランプ１は、例えば、ショートアークランプ、超高圧型水銀ランプ、メタルハライドランプ等を用いることができる。

リフレクタ２は、例えば、放電ランプ１に一体的に取り付けられ、通常、楕円形状に形成されている。また、リフレクタ２は、放電ランプ１が発した光を集光し、集光した光をカラーホイール３上に合焦できるように構成されている。

カラーホイール３は、軸着されたモータ８によって高速回転させることにより、ＤＭＤ素子５に入射する光の色がＲ、Ｇ、Ｂと順番に変化し、光路上に出光した照明光の色に対応した映像をＤＭＤ素子５上に表示させることで、色を表現できるように構成されている。一般に、カラーホイール３は、同一円周上に６０°間隔にＲ、Ｇ、Ｂ、Ｒ、Ｇ、Ｂのセグメントを順に配設した６セグメント方式が用いられている。

ＤＭＤ素子５は、例えば、１７ｍｍ×１３ｍｍのサイズの半導体素子上に、約８０万個の微細なミラーエレメントを敷き詰め、１枚のパネル状にしたものである。ミラーエレメントは、支柱に載置された１個以上のヒンジに取り付けられており、それぞれ±１０度程度に動けるように構成されている。即ち、１つのミラーエレメントが１つの画素に対応し、例えば、＋１０度に傾いたときに放電ランプ１からの光が投射レンズ６に反射し、また、−１０度に傾いた時には投射レンズ６に反射光が入らないように動作する。

制御部９は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、画像メモリ等を備えて構成され、画像メモリまたは外部から取り込んだ画像データに応じてカラーホイール３を回転させると共に、その色フィルタが光路上に介在するタイミングでＤＭＤ素子５の各ミラーエレメントを駆動制御する構成及びソフトウェアを備えている。

（映像表示装置の動作）
次に、図１の映像表示装置１００の動作を説明する。
制御部９及び放電ランプ用電源装置１０が動作し、モータ８が回転すると共に放電ランプ１が点灯すると、放電ランプ１の光は、カラーホイール３に到達し、カラーホイール３の回転に応じてＲ、Ｇ、Ｂの順に色分割される。

カラーホイール３から光路へ出射した光は、コンデンサレンズ４によって平行光に変換され、ＤＭＤ素子５に照射される。ＤＭＤ素子５は、制御部９の制御の下に、入射されたＲ、Ｇ、Ｂの光に応じて、対応するミラーエレメントが入射光を反射する。このとき、映像信号に応じて、ＤＭＤ素子５の全てのミラーエレメントの傾斜動作がデジタル制御されることにより、スクリーン７には、画像が拡大表示される。ＤＭＤ素子５による反射光は投射レンズ６に到達し、投射レンズ６によってスクリーン７上に投影される。

投射レンズ６で投影された映像は、Ｒ、Ｇ、Ｂが順番に表示されるが、その切り替えは高速に行われるため、スクリーン７の映像を観賞している視聴者には、Ｒ、Ｇ、Ｂが混ざった色として知覚される。これにより、カラーの映像を得ることができる。

（放電ランプ用電源装置の構成）
図２は、放電ランプ用電源装置１０の詳細構成を示す。放電ランプ用電源装置１０は、直流電源部２１と、直流電源部２１に接続されたスイッチング素子２２と、スイッチング素子２２の出力電流を平滑する平滑回路２３と、直流電源部２１の負端子と放電ランプ１の低電位側との間に接続された電流検出抵抗２４と、スイッチング素子２２をＰＷＭ（パルス幅変調）制御するパルス発生回路２５と、放電ランプ１に流す電流値の電流指令Ｃ_ｉ及びパルス周波数を決定する周波数指令Ｃ_ｆを出力する電流変更回路２６と、電流指令Ｃ_ｉと電流検出抵抗２４に生じる検出電圧Ｖ_ｆとの偏差値を出力する電流制御回路２７と、電流制御回路２７の出力電圧を所定のレベルにしてパルス発生回路２５へ出力するゲイン設定回路２８と、周波数指令Ｃ_ｆに基づいてパルス発生回路２５の発振周波数を変更するパルス周波数変更回路２９と、を備えて構成されている。

なお、図２において、スイッチング素子２２〜平滑回路２３〜放電ランプ１〜電流検出抵抗２４及び電流制御回路２７〜ゲイン設定回路２８〜パルス発生回路２５〜スイッチング素子２２の経路によりフィードバック制御系が構成されている。

直流電源部２１は、例えば、ＡＣ１００Ｖの商用電源から２５０〜３７０Ｖ程度の直流電圧を生成する両波倍電圧整流回路により構成されている。

スイッチング素子２２は、スイッチング用のＮチャネルのＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）ＦＥＴ(電界効果トランジスタ)２２ａと、ＭＯＳＦＥＴ２２のオフ時に平滑回路２３に蓄えられた電気エネルギーを通過させるためのダイオード２２ｂと、を備えて構成されている。

平滑回路２３は、スイッチング素子２２と放電ランプ１の間に接続されたコイル２３ａと、放電ランプ１に並列接続された平滑コンデンサ２３ｂとを備えて構成されている。

パルス発生回路２５は、ＰＷＭＩＣ２５ａと、このＰＷＭＩＣ２５ａの発振容量端子ＣＦに接続されたコンデンサ２５ｂと、発振抵抗端子Ｔｏｎ，Ｔｏｆｆに接続された抵抗２５ｃ，２５ｄとを備えて構成されている。コンデンサ２５ｂ及び抵抗２５ｃ，２５ｄの値を選択することにより、三角波状発振波形の発振周波数が決まる。具体的には、三角波の上り勾配の傾きがコンデンサ２５ｂと抵抗２５ｃの積により決定され、下り勾配の傾きがコンデンサ２５ｂと抵抗２５ｄの積により決定される。

電流制御回路２７は、電流検出抵抗２４の検出電圧Ｖ_ｆ及び電流指令Ｃ_ｉを入力とする演算増幅器を用いて構成されている。なお、図示を省略しているが、ＩＣ、各回路に供給するための電源回路が、別途用意されている。

ゲイン設定回路２８は、電流制御回路２７の出力端子とグランド間に直列接続されて、電流制御回路２７の出力電圧を抵抗分圧してＰＷＭＩＣ２５ａのフィードバック端子Ｆ／Ｂへ出力する抵抗２８ａ，２８ｂにより構成されている。

パルス周波数変更回路２９は、周波数指令Ｃ_ｆがベースに入力されると共に、それぞれのエミッタが接地されたトランジスタ２９ａ，２９ｂを備えて構成されている。トランジスタ２９ａのコレクタは抵抗２９ｃを介して発振抵抗端子Ｔｏｆｆに接続され、トランジスタ２９ｂのコレクタは抵抗２９ｄを介して発振抵抗端子Ｔｏｎに接続されている。

（放電ランプ用電源装置の動作）
次に、図２の放電ランプ用電源装置１０の動作について説明する。
図３は、放電ランプ用電源装置１０の各部の動作を示す。このタイミングチャートにおいて、（ａ）はカラーホイール３の透過色、（ｂ）は放電ランプ１に流れるランプ電流の通電タイミング、（ｃ）はパルス周波数変更回路２９の動作モード、（ｄ）はパルス発生回路２５の動作周波数の状態を示す。なお、図３の（ａ）に示すＲ、Ｇ、Ｂの３つの期間Ｔが、画像の１フレームになる。

直流電源部２１から出力される直流電圧は、スイッチング素子２２に印加される。スイッチング素子２２は、所定の周波数（例えば、７０ＫＨｚ）及び電流設定値により動作しているパルス発生回路２５の制御によってＰＷＭ制御され、矩形波電流が平滑回路２３に印加され、平滑される。平滑回路２３によって平滑された電流が放電ランプ１に流れ、放電ランプ１が点灯する。

放電ランプ１に流れた電流により、電流検出抵抗２４に電圧降下（検出電圧Ｖ_ｆ）が発生し、この検出電圧Ｖ_ｆが電流制御回路２７の−入力端子に入力される。電流制御回路２７は、検出電圧Ｖ_ｆと電流変更回路２６から＋入力端子に入力された電流指令Ｃ_ｉの差分に基づいて、パルス発生回路２５のフィードバック端子Ｆ／Ｂに入力される電圧が一定値になるような出力電圧を生成する。

一方、電流変更回路２６からの周波数指令Ｃ_ｆに基づいて、パルス周波数変更回路２９は、トランジスタ２９ａ，２９ｂを、図３の（ａ）に示す緑の表示色の期間Ｔの一部の期間（電流小期間）ｔだけ、図３の（ｃ）に示すようにオンにすることにより、パルス発生回路２５の発振抵抗端子Ｔｏｆｆ，Ｔｏｎとアース間の抵抗値を上記期間ｔにおいてのみ変化させる。これにより、図３の（ｄ）に示すように、パルス発生回路２５の発振周波数（同動作周波数）が電流小期間ｔだけ高くなる。例えば、２倍の７０ＫＨｚから１４０ＫＨｚに変更される。この期間ｔは、例えば、緑の表示色の期間Ｔの１／４００〜１／４に設定する。この制御により、放電ランプ１の通電電流は、上記期間ｔについてのみ低減し、緑の表示色の発光出力が低減される。

（実施の形態の効果）
本実施の形態によれば、下記の効果を奏する。
（１）放電ランプ１の発光出力が高くなる表示色の期間Ｔにおける一部期間ｔについてのみ、スイッチング素子２２のスイッチング周波数を他の期間よりも高くしたため、放電ランプ用電源装置１０の構成を簡略にすることができる。
（２）上記（１）の構成により、期間Ｔにおけるスイッチング損失が増大せず、スイッチング効率の低下や熱対策を不要にすることができる。したがって、コスト増を防止することができる。

なお、上記実施の形態においては、電流小期間ｔにおけるパルス発生回路２５の発振周波数を期間Ｔの２倍にするものとしたが、例えば、１．５〜２．５倍であっても同様の効果を得ることができる。

次に、本発明の実施例について説明する。
図４は、光量低減のために、スイッチング素子２２のＯＮ期間のデューティを変更したときの特性を示し、（ａ）はスイッチング素子のデューティの変化を示す図、（ｂ）はパルス発生回路２５の発振周波数を変更しない場合の放電ランプに流れる三角波状電流波形及び該三角波電流波形の平均値を示す特性図、（ｃ）は本実施例における放電ランプに流れる三角波状電流波形及び該三角波電流波形の平均値を示す特性図である。なお、図４の各図の横軸は、７０ＫＨｚの１周期、すなわち、１４．３μｓｅｃを１０００目盛として表示している。また、コイル２３ａのインダクタンスを７００μＨとした。

図４の（ａ）の特性は、７０ＫＨｚ周期でＯＮ／ＯＦＦ状態を繰り返しているスイッチング素子２２のデューティを、０．４から０．３５に変更したものである。

図４の（ｂ）は、放電ランプ１に流れる三角波状電流波形と、この三角波電流波形の平均値を示している。図４の（ｂ）における電流減少の様子を観察すると、三角状電流波形の一部が電流０アンペアに到達、すなわち、コイル２３ａのインダクタンスを流れる電流が、不連続モードと呼ばれる状態に達すると電流減少が停止する。このときの平均電流は０．５２Ａであり、初期電流１００％（１．５Ａ）に対し、約３５％（＝｛（０．５２／１．５）×１００｝）の電流量に相当する。これは、図３に示す電流小期間ｔにおいて通常時の５０％の電流は流せるものの、通常時の２５％の電流は流せないことになる。

上記の不具合を回避するためには、電流小期間ｔで電流を減少させる際に不連続モードを発生させなければよく、そのためには、三角状の波形の振幅、すなわち、一般に電流リップルと呼ばれる量を低減することが必要になる。この電流リップル量を低減する方法の１つに、スイッチング素子２２のパルス周波数を高くする方法がある。

例えば、スイッチング素子２２のパルス周波数を７０ＫＨｚから１４０ＫＨｚに上げると、平均電流は０．２６Ａになる。これは、初期電流１．５Ａ（１００％）の１７％に相当するため、期間ｔの電流を２５％にできたことになる。

しかし、上記方法の不都合として、スイッチング周波数の増大に比例してスイッチング素子２２のスイッチング損失の増加により、スイッチング効率の低下を招いたり、熱対策が必要になるという問題がある。

そこで、図３において、期間Ｔのスイッチング周波数を７０ＫＨｚ、電流小期間ｔのスイッチング周波数を１４０ＫＨｚにしてスイッチング素子２２を駆動したところ、図４の（ｃ）に示すようになった。この結果、図４の（ｃ）に示すように、電流小期間ｔの平均電流は０．２６Ａとなった。これは初期電流１．５Ａ（１００％）の１７％に相当するため、期間Ｔに対して電流２５％を実現できた。これにより、スイッチング素子２２のスイッチング損失やコストを増大させることなく、緑の表示色の表示期間において必要な電流低減を行うことができる。

［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、その要旨を変更しない範囲内で種々な変形が可能である。

例えば、上記実施の形態においては、放電ランプ１をスイッチング素子２２でスイッチングして得られた直流電流により駆動する直流駆動方式を採用したが、放電ランプ１を交流駆動方式に対応したランプを用いて交流駆動方式により駆動してもよい。

上記実施の形態においては、ＲＧＢの３色のうちのＧに対して通電電流を制御するものとしたが、本発明はＧの制御に限定されるものではなく、他の波長域の光とのバランスがとれない特性を有する放電ランプに適用可能である。

また、図２に示したパルス発生回路２５及びパルス周波数変更回路２９の構成は、一例であり、同様の機能を発揮しさえすれば、どのような構成であってもよい。

本発明の実施の形態に係る映像表示装置を示す構成図である。 放電ランプ用電源装置の詳細構成を示す回路図である。 放電ランプ用電源装置の各部の動作を示し、（ａ）はカラーホイールの透過色を示す図、（ｂ）は放電ランプに流れるランプ電流の通電タイミングを示す図、（ｃ）はパルス周波数変更回路の動作モードを示す図、（ｄ）はパルス発生回路の動作周波数の状態を示す図である。 光量低減のためにスイッチング素子のＯＮ期間のデューティを変更したときの特性を示し、（ａ）はスイッチング素子のデューティの変化を示す図、（ｂ）はパルス発生回路の発振周波数を変更しない場合の放電ランプに流れる三角波状電流波形及び該三角波電流波形の平均値を示す特性図、（ｃ）は本実施例における放電ランプに流れる三角波状電流波形及び該三角波電流波形の平均値を示す特性図である。

符号の説明

１ 放電ランプ
２ リフレクタ
３ カラーホイール
４ コンデンサレンズ
５ ＤＭＤ素子
６ 投射レンズ
７ スクリーン
８ モータ
９ 制御部
１０ 放電ランプ用電源装置
１１ 筐体
２１ 直流電源部
２２ スイッチング素子
２２ａ ＭＯＳＦＥＴ
２２ｂ ダイオード
２３ 平滑回路
２３ａ コイル
２３ｂ 平滑コンデンサ
２４ 電流検出抵抗
２５ パルス発生回路
２５ａ ＰＷＭＩＣ
２５ｂ コンデンサ
２５ｃ，２５ｄ 抵抗
２６ 電流変更回路
２７ 電流制御回路
２８ ゲイン設定回路
２８ａ，２８ｂ 抵抗
２９ パルス周波数変更回路
２９ａ，２９ｂ トランジスタ
２９ｃ，２９ｄ 抵抗
１００ 映像表示装置
Ｔ 期間
ｔ 電流小期間

Claims (10)

1. 直流電源を電源にしたスイッチング素子により駆動される放電ランプに流れるランプ電流が、大なる期間と小なる期間を有し、前記大なる期間では第１の周波数の高周波パルスで前記放電ランプを駆動し、小なる期間では前記第１の周波数よりも高い第２の周波数の高周波パルスで前記放電ランプを駆動することを特徴とする放電ランプ用電源装置。
2. 前記ランプ電流の前記大なる期間は、前記小なる期間よりも長いことを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ用電源装置。
3. 直流電源を電源にして放電ランプを駆動するスイッチング素子と、
   前記スイッチング素子を高周波パルスによりスイッチングするパルス発生回路と、
   周期的に繰り返される所定の期間のうち、第１の期間に第１の周波数で前記高周波パルスを発生し、前記所定の期間のうち、前記第１の期間よりも短い第２の期間に前記第１の周波数よりも高い第２の周波数で前記高周波パルスを発生するように前記パルス発生回路を制御するパルス周波数変更回路と、を備えたことを特徴とする放電ランプ用電源装置。
4. 前記第２の期間は、前記所定の期間の１／４００〜１／４であることを特徴とする請求項３に記載の放電ランプ用電源装置。
5. 前記第２の周波数は、前記第１の周波数の１．５〜２．５倍であることを特徴とする請求項３に記載の放電ランプ用電源装置。
6. 前記第１の期間は、前記所定の期間のうち前記第２の期間を除く期間である特徴とする請求項３に記載の放電ランプ用電源装置。
7. 前記所定の期間は、緑の表示色の期間であることを特徴とする請求項３に記載の放電ランプ用電源装置。
8. 前記放電ランプは、投射型の映像表示装置に用いられる光源であることを特徴とする請求項３に記載の放電ランプ用電源装置。
9. 直流電源を電源にしたスイッチング素子により駆動される放電ランプに流れるランプ電流が、大なる期間と小なる期間を有し、前記大なる期間では第１の周波数の高周波パルスで前記放電ランプを駆動し、小なる期間では前記第１の周波数よりも高い第２の周波数の高周波パルスで前記放電ランプを駆動することを特徴とする放電ランプ用電源装置の制御方法。
10. 前記ランプ電流の前記大なる期間は、前記小なる期間よりも長いことを特徴とする請求項９に記載の放電ランプ用電源装置の制御方法。

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