JP2009224129A - 放電灯点灯装置及びその制御方法並びにプロジェクタ - Google Patents

放電灯点灯装置及びその制御方法並びにプロジェクタ Download PDF

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Abstract

【課題】放電灯駆動用の交流電流の周波数を従来よりも自由に選択可能な放電灯点灯装置及びその制御方法並びにプロジェクタを提供する。
【解決手段】直流電流Idを出力する電力制御回路20と、直流電流Idを入力し、直流電流Idを所与のタイミングで極性反転することで放電灯駆動用の交流電流Iを生成出力する交流変換回路30と、交流変換回路30に対して放電灯駆動用の交流電流Iの極性反転タイミングによりデューティ比を制御するデューティ比制御処理を行うとともに、電力制御回路20に対して極性反転タイミング区間ごとに直流電流Idの電流値を制御する区間電流制御処理を行う制御手段40とを含む放電灯点灯装置10であって、制御手段40は、デューティ比と所与の基準デューティ比との差に関連付けて極性反転タイミング区間ごとの直流電流Idの平均値と最大値との差を制御する区間電流制御処理を行う。
【選択図】図1

Description

本発明は、放電灯点灯装置及びその制御方法並びにプロジェクタに関する。
プロジェクタの光源として、高圧水銀ランプやメタルハライドランプなどの放電灯(放電ランプ)が使用されている。これらの放電灯においては、放電による電極の消耗により電極の形状が変化し、これにより放電開始位置が急に変わるフリッカが発生することがある。フリッカが発生すると、放電灯の輝度が突然大きく変動するため、望ましくない。
この問題を解決するために、放電灯駆動用の交流電流の半周期の後半で、交流駆動電流の電流値を高くすることにより、フリッカを抑制した放電灯の駆動方法が知られている。
特表平10−501919号公報
しかしながら、上記特許文献1の駆動方法では、周期的に電流値を変化させるため、フリッカが発生した場合に比べると小さいとはいえ、放電灯の輝度も周期的に変動することになる。例えば、放電灯駆動用の交流電流を78Hzとした場合には、その2倍の156Hz及びその整数倍の周波数で放電灯の輝度が周期的に変動する。
一方、液晶パネルを用いたプロジェクタにおいては、定期的に表示データを書き換えることになるため、輝度も周期的に変動することになる。例えば、書き換え周波数を50Hzとした場合には、50Hz及びその整数倍の周波数で輝度が周期的に変動する。
これらの放電灯と液晶パネルを組み合わせた場合、これらの周期的な輝度の変動が干渉して、スクロールノイズを発生させる原因となる。例えば、上述の例では、156Hzの放電灯の輝度変動と、150Hzの液晶パネルの輝度変動が干渉し、6Hzのスクロールノイズが発生する。
このため、従来においては、液晶パネルとの組み合わせによってスクロールノイズが視認できない周波数(例えば20Hz以上の周波数)になるように放電灯駆動用の交流電流の周波数を選択する必要があった。
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、放電灯駆動用の交流電流の周波数を従来よりも自由に選択可能な放電灯点灯装置及びその制御方法並びにプロジェクタを提供することを目的とする。
(1)本発明にかかる放電灯点灯装置は、直流電流を出力する電力制御回路と、前記直流電流を入力し、前記直流電流を所与のタイミングで極性反転することで放電灯駆動用の交流電流を生成出力する交流変換回路と、前記交流変換回路に対して前記放電灯駆動用の交流電流の極性反転タイミングによりデューティ比を制御するデューティ比制御処理を行うとともに、前記電力制御回路に対して前記極性反転タイミング区間ごとに前記直流電流の電流値を制御する区間電流制御処理を行う制御手段とを含む放電灯点灯装置であって、前記制御手段は、前記デューティ比と所与の基準デューティ比との差に関連付けて前記極性反転タイミング区間ごとの前記直流電流の平均値と最大値との差を制御する前記区間電流制御処理を行うことを特徴とする。
これにより、スクロールノイズを視認できないレベルに抑え、放電灯駆動用の交流電流の周波数を従来よりも自由に選択可能な放電灯点灯装置を実現することが可能になる。
デューティ比は、第1極性と第2極性に反転する放電灯駆動用の交流電流の1周期に占める第1極性の時間の割合である。
基準デューティ比は、例えば50%であってもよい。
(2)この放電灯点灯装置であって、前記制御手段は、前記デューティ比と前記基準デューティ比との差が大きいほど、前記極性反転タイミング区間ごとの前記直流電流の平均値と最大値との差を大きくする前記区間電流制御処理を行ってもよい。
(3)この放電灯点灯装置であって、前記制御手段は、前記極性反転タイミング区間の後半で前記極性反転タイミング区間内の前記直流電流の電流値を最大とする前記区間電流制御処理を行ってもよい。
(4)この放電灯点灯装置であって、前記制御手段は、前記極性反転タイミング区間内で前記直流電流の電流値を単調増加させる前記区間電流制御処理を行ってもよい。
(5)この放電灯点灯装置であって、前記制御手段は、前記デューティ比が前記基準デューティ比のときに前記極性反転タイミング区間ごとの前記直流電流の平均値と最大値との差を0とする前記区間電流制御処理を行ってもよい。
(6)この放電灯点灯装置であって、前記制御手段は、前記極性反転タイミング区間ごとの前記直流電流の平均値を同一とする前記区間電流制御処理を行ってもよい。
(7)この放電灯点灯装置であって、前記制御手段は、前記制御手段は、前記デューティ比を周期的なパターンで変化させる前記デューティ比制御処理を行ってもよい。
(8)この放電灯点灯装置であって、前記制御手段は、前記デューティ比が同一値に維持される区分期間を複数含み、前記区分期間のうち少なくとも2つの区分期間の前記デューティ比が互いに異なる前記周期的なパターンで変化させる前記デューティ比制御処理を行ってもよい。
(9)本発明にかかる放電灯点灯装置の制御方法は、直流電流を出力する電力制御回路と、前記直流電流を入力し、前記直流電流を所与のタイミングで極性反転することで放電灯駆動用の交流電流を生成出力する交流変換回路とを含む放電灯点灯装置の制御方法であって、前記交流変換回路に対して前記放電灯駆動用の交流電流の極性反転タイミングによりデューティ比を制御するデューティ比制御処理を行う手順と、前記電力制御回路に対して前記極性反転タイミング区間ごとに前記直流電流の電流値を制御する区間電流制御処理を行う手順とを含み、前記区間電流制御処理を行う手順は、前記デューティ比と所与の基準デューティ比との差に関連付けて前記極性反転タイミング区間ごとの前記直流電流の平均値と最大値との差を制御する前記区間電流制御処理を行うことを特徴とする。
これにより、スクロールノイズを視認できないレベルに抑え、放電灯駆動用の交流電流の周波数を従来よりも自由に選択可能な放電灯点灯装置の制御方法を実現することが可能になる。
(10)本発明にかかるプロジェクタは、これらのいずれかの放電灯点灯装置を含むことを特徴とする。
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
1.プロジェクタの光学系
図1は、本発明の一実施例としてのプロジェクタ500を示す説明図である。プロジェクタ500は、光源装置200と、平行化レンズ305と、照明光学系310と、色分離光学系320と、3つの液晶ライトバルブ330R、330G、330Bと、クロスダイクロイックプリズム340と、投写光学系350とを有している。
光源装置200は、光源ユニット210と、放電灯点灯装置10と、を有している。光源ユニット210は、主反射鏡112と副反射鏡50と放電灯90とを有している。放電灯点灯装置10は、放電灯90に電力を供給して、放電灯90を点灯させる。主反射鏡112は、放電灯90から放出された光を、照射方向Dに向けて反射する。照射方向Dは、光軸AXと平行である。光源ユニット210からの光は、平行化レンズ305を通過して照明光学系310に入射する。この平行化レンズ305は、光源ユニット210からの光を、平行化する。
照明光学系310は、光源装置200からの光の照度を液晶ライトバルブ330R、330G、330Bにおいて均一化する。また、照明光学系310は、光源装置200からの光の偏光方向を一方向に揃える。この理由は、光源装置200からの光を液晶ライトバルブ330R、330G、330Bで有効に利用するためである。照度分布と偏光方向とが調整された光は、色分離光学系320に入射する。色分離光学系320は、入射光を、赤(R)、緑(G)、青(B)の3つの色光に分離する。3つの色光は、各色に対応付けられた液晶ライトバルブ330R、330G、330Bによって、それぞれ変調される。液晶ライトバルブ330R、330G、330Bは、液晶パネル560R、560G、560Bと、液晶パネル560R、560G、560Bのそれぞれの光入射側および出射側に配置される偏光板を備える。変調された3つの色光は、クロスダイクロイックプリズム340によって合成される。合成光は、投写光学系350に入射する。投写光学系350は、入射光を、図示しないスクリーンに投写する。これにより、スクリーン上には画像が表示される。
なお、平行化レンズ305と、照明光学系310と、色分離光学系320と、クロスダイクロイックプリズム340と、投写光学系350とのそれぞれの構成としては、周知の種々の構成を採用可能である。
図2は、光源装置200の構成を示す説明図である。光源装置200は、光源ユニット210と放電灯点灯装置10とを有している。図中には、光源ユニット210の断面図が示されている。光源ユニット210は、主反射鏡112と放電灯90と副反射鏡50とを有している。
放電灯90の形状は、第1端部90e1から第2端部90e2まで、照射方向Dに沿って延びる棒形状である。放電灯90の材料は、例えば、石英ガラス等の透光性材料である。放電灯90の中央部は球状に膨らんでおり、その内には、放電空間91が形成されている。放電空間91内には、希ガス、金属ハロゲン化合物等を含む放電媒体であるガスが封入されている。
また、放電空間91内には、2つの電極92、93が、放電灯90から突出している。第1電極92は、放電空間91の第1端部90e1側に配置され、第2電極93は、放電空間91の第2端部90e2側に配置されている。これらの電極92、93の形状は、光軸AXに沿って延びる棒形状である。放電空間91内では、各電極92、93の電極先端部(「放電端」とも呼ぶ)が、所定距離だけ離れて向かい合っている。なお、これらの電極92、93の材料は、例えば、タングステン等の金属である。
放電灯90の第1端部90e1には、第1端子536が設けられている。第1端子536と第1電極92とは、放電灯90の内部を通る導電性部材534によって電気的に接続されている。同様に、放電灯90の第2端部90e2には、第2端子546が設けられている。第2端子546と第2電極93とは、放電灯90の内部を通る導電性部材544によって電気的に接続されている。各端子536、546の材料は、例えば、タングステン等の金属である。また、各導電性部材534、544としては、例えば、モリブデン箔が利用される。
これらの端子536、546は、放電灯点灯装置10に接続されている。放電灯点灯装置10は、これらの端子536、546に、交流電流を供給する。その結果、2つの電極92、93の間でアーク放電が起きる。アーク放電により発生した光(放電光)は、破線の矢印で示すように、放電位置から全方向に向かって放射される。
放電灯90の第1端部90e1には、固定部材114によって、主反射鏡112が固定されている。主反射鏡112の反射面(放電灯90側の面)の形状は、回転楕円形状である。主反射鏡112は、放電光を照射方向Dに向かって反射する。なお、主反射鏡112の反射面の形状としては、回転楕円形状に限らず、放電光を照射方向Dに向かって反射するような種々の形状を採用可能である。例えば、回転放物線形状を採用してもよい。この場合は、主反射鏡112は、放電光を、光軸AXにほぼ平行な光に変換することができる。従って、平行化レンズ305を省略することができる。
放電灯90の第2端部90e2側には、固定部材522によって、副反射鏡50が固定されている。副反射鏡50の反射面(放電灯90側の面)の形状は、放電空間91の第2端部90e2側を囲む球面形状である。副反射鏡50は、放電光を、主反射鏡112に向かって反射する。これにより、放電空間91から放射される光の利用効率を高めることができる。
なお、固定部材114、522の材料としては、放電灯90の発熱に耐える任意の耐熱材料(例えば、無機接着剤)を採用可能である。また、主反射鏡112及び副反射鏡50と放電灯90との配置を固定する方法としては、主反射鏡112及び副反射鏡50を放電灯90に固定する方法に限らず、任意の方法を採用可能である。例えば、放電灯90と主反射鏡112とを、独立に、プロジェクタの筐体(図示せず)に固定してもよい。副反射鏡50についても同様である。
2.放電灯点灯装置
(1)放電灯点灯装置の構成
図3は、本実施の形態に係る放電灯点灯装置の回路図の一例である。
放電灯点灯装置10は、電力制御回路20を含む。電力制御回路20は、放電灯90に供給する駆動電力を制御する。本実施の形態においては、電力制御回路20は、直流電源80を入力とし、当該入力電圧を降圧して直流電流Idを出力するダウンチョッパー回路で構成されている。
電力制御回路20は、スイッチ素子21、ダイオード22、コイル23及びコンデンサ24を含んで構成されてもよい。スイッチ素子21は、例えばトランジスタで構成されてもよい。本実施の形態においては、スイッチ素子21の一端は直流電源80の正電圧側に接続され、他端はダイオード22のカソード端子及びコイル23の一端に接続されている。また、コイル23の他端にはコンデンサ24の一端が接続され、コンデンサ24の他端はダイオード22のアノード端子及び直流電源80の負電圧側に接続されている。スイッチ素子21の制御端子には制御手段40から電流制御信号が入力されてスイッチ素子21のON/OFFが制御される。電流制御信号には、例えばPWM制御信号が用いられてもよい。
ここで、スイッチ素子21がONすると、コイル23に電流が流れ、コイル23にエネルギーが蓄えられる。その後、スイッチ素子21がOFFすると、コイル23に蓄えられたエネルギーがコンデンサ24とダイオード22とを通る経路で放出される。その結果、スイッチ素子21がONする時間の割合に応じた直流電流Idが発生する。
放電灯点灯装置10は、交流変換回路30を含む。交流変換回路30は、電力制御回路20から出力される直流電流Idを入力し、所与のタイミングで極性反転することにより、任意の周波数及びデューティ比をもつ放電灯駆動用の駆動電流を生成出力する。デューティ比は、第1極性と第2極性に反転する放電灯駆動用の交流電流Iの1周期に占める第1極性の時間の割合である。本実施の形態においては、交流変換回路30はインバータブリッジ回路(フルブリッジ回路)で構成されている。
交流変換回路30は、例えば、トランジスタなどの第1乃至第4のスイッチ素子31乃至34を含んで構成され、直列接続された第1及び第2のスイッチ素子31及び32と、直列接続された第3及び第4のスイッチ素子33及び34を、互いに並列接続して構成される。第1乃至第4のスイッチ素子31乃至34の制御端子には、それぞれ制御手段40から周波数制御信号が入力され、第1乃至第4のスイッチ素子31乃至34のON/OFFが制御される。
交流変換回路30は、第1及び第4のスイッチ素子31及び34と、第2及び第3のスイッチ素子32及び33を交互にON/OFFを繰り返すことにより、電力制御回路20から出力される直流電流Idの極性を交互に反転し、第1及び第2のスイッチ素子31及び32の共通接続点及び第3及び第4のスイッチ素子33及び34の共通接続点から、制御された周波数及びデューティ比をもった放電灯駆動用の交流電流Iを生成出力する。
すなわち、第1及び第4のスイッチ素子31及び34がONの時には第2及び第3のスイッチ素子32及び33をOFFにし、第1及び第4のスイッチ素子31及び34がOFFの時には第2及び第3のスイッチ素子32及び33をONにするように制御する。従って、第1及び第4のスイッチ素子31及び34がONの時には、コンデンサ24の一端から第1のスイッチ素子31、放電灯90、第4のスイッチ素子34の順に流れる放電灯駆動用の交流電流Iが発生する。また、第2及び第3のスイッチ素子32及び33をONの時には、コンデンサ24の一端から第3のスイッチ素子33、放電灯90、第2のスイッチ素子32の順に流れる放電灯駆動用の交流電流Iが発生する。
放電灯点灯装置10は、制御手段40を含む。制御手段40は、電力制御回路20及び交流変換回路30を制御することにより、放電灯駆動用の交流電流Iの電流値、周波数、デューティ比及び波形を制御する。制御回路40は、交流変換回路30に対して放電灯駆動用の交流電流Iの極性反転タイミングによりデューティ比を制御するデューティ比制御処理を行うとともに、電力制御回路20に対して、極性反転タイミング区間ごとに、出力される直流電流Idの電流値を制御する区間電流制御処理を行う。ここで、極性反転タイミング区間とは、時間的に隣接する極性反転タイミング同士の間の時間である。すなわち、放電灯駆動用の交流電流Iの1周期には2つの極性反転タイミング区間が含まれる。
制御手段40の構成は、特に限定されるものではないが、本実施の形態においては、制御手段40は、システムコントローラ41、電力制御回路コントローラ42及び交流変換回路コントローラ43含んで構成されている。なお、制御手段40は、その一部又は全てを半導体集積回路で構成してもよい。
システムコントローラ41は、電力制御回路コントローラ42及び交流変換回路コントローラ43を制御することにより、電力制御回路20及び交流変換回路30を制御する。システムコントローラ41は、後述する放電灯点灯装置10内部に設けた動作検出部60により検出した放電灯駆動電圧及び放電灯駆動用の交流電流Iに基づき、電力制御回路コントローラ42及び交流変換回路コントローラ43を制御してもよい。
本実施の形態においては、システムコントローラ41は記憶部44を含んで構成されている。なお、記憶部44は、システムコントローラ41とは独立に設けてもよい。
システムコントローラ41は、記憶部44に格納された情報に基づき、電力制御回路20及び交流変換回路30を制御してもよい。記憶部44には、例えば放電灯駆動用の交流電流Iの電流値、周波数、デューティ比及び波形に関する情報が格納されていてもよい。
電力制御回路コントローラ42は、システムコントローラ41からの制御信号に基づき、電力制御回路20へ電流制御信号を出力することにより、電力制御回路20を制御する。
交流変換回路コントローラ43は、システムコントローラ41からの制御信号に基づき、交流変換回路30へ反転制御信号を出力することにより、交流変換回路30を制御する。
放電灯点灯装置10は、動作検出部60を含んでもよい。動作検出部60は、放電灯90の動作、例えば放電灯の放電灯駆動電圧や放電灯駆動用の交流電流Iを検出し、駆動電圧情報や駆動電流情報を出力してもよい。本実施の形態においては、動作検出部60は、第1乃至第3の抵抗61乃至63を含んで構成されている。
動作検出部60は、放電灯90と並列に、互いに直列接続された第1及び第2の抵抗61及び62で分圧した電圧により放電灯駆動電圧を検出し、放電灯90に直列に接続された第3の抵抗63に発生する電圧により放電灯駆動用の交流電流Iを検出している。
放電灯点灯装置10は、イグナイタ回路70を含んでもよい。イグナイタ回路70は、放電灯90の点灯開始時にのみ動作し、放電灯90の点灯開始時に放電灯90の電極間を絶縁破壊して放電路を形成するために必要な高電圧(通常制御動作時よりも高い電圧)を放電灯90の電極間に供給する。本実施の形態においては、イグナイタ回路70は、放電灯90と並列に接続されている。
図4(A)乃至4(D)は、放電灯90に供給する駆動電力の極性と電極の温度との関係を示す説明図である。図4(A)、図4(B)は、2つの電極92、93の動作状態を示している。図中には、2つの電極92、93の先端部分が示されている。電極92、93の先端には突起552p、562pがそれぞれ設けられている。放電は、これらの突起552p、562pの間で生じる。本実施例では、突起が無い場合と比べて、各電極92、93における放電位置(アーク位置)の移動を抑えることができる。ただし、このような突起を省略してもよい。
図4(A)は、第1電極92が陽極として動作し、第2電極93が陰極として動作する第1極性状態P1を示している。第1極性状態P1では、放電によって、第2電極93(陰極)から第1電極92(陽極)へ電子が移動する。陰極(第2電極93)からは、電子が放出される。陰極(第2電極93)から放出された電子は、陽極(第1電極92)の先端に衝突する。この衝突によって熱が生じ、そして、陽極(第1電極92)の先端(突起552p)の温度が上昇する。
図4(B)は、第1電極92が陰極として動作し、第2電極93が陽極として動作する第2極性状態P2を示している。第2極性状態P2では、第1極性状態P1とは逆に、第1電極92から第2電極93へ電子が移動する。その結果、第2電極93の先端(突起562p)の温度が上昇する。
このように、陽極の温度は、陰極と比べて高くなりやすい。ここで、一方の電極の温度が他方の電極と比べて高い状態が続くことは、種々の不具合を引き起こし得る。例えば、高温電極の先端が過剰に溶けた場合には、意図しない電極変形が生じ得る。その結果、アーク長が適正値からずれる場合がある。また、低温電極の先端の溶融が不十分な場合には、先端に生じた微少な凹凸が溶けずに残り得る。その結果、いわゆるアークジャンプが生じる場合がある(アーク位置が安定せずに移動する)。
このような不具合を抑制する技術として、各電極の極性を繰り返し交替させる交流駆動を利用可能である。図4(C)は、放電灯90(図2)に供給される交流電力(駆動信号)を示すタイミングチャートである。横軸は時間Tを示し、縦軸は交流電流Iの電流値を示している。交流電流Iは、放電灯90を流れる電流を示す。正値は、第1極性状態P1を示し、負値は、第2極性状態P2を示す。図4(C)の例では、矩形波交流電流が利用されている。そして、第1極性状態P1と第2極性状態P2とが交互に繰り返される。ここで、第1極性区間Tpは、第1極性状態P1が続く時間を示し、第2極性区間Tnは、第2極性状態P2が続く時間を示す。また、第1極性区間Tpの平均電流値は+A0であり、第2極性区間Tnの平均電流値は−A0である。なお、駆動周波数は、放電灯90の特性に合わせて、実験的に決定可能である(例えば、30Hz〜1kHzの範囲の値が採用される)。他の値+A0、−A0、Tp、Tnも、同様に実験的に決定可能である。
図4(D)は、第1電極92の温度変化を示すタイミングチャートである。横軸は時間Tを示し、縦軸は温度Hを示している。第1極性状態P1では、第1電極92の温度Hが上昇し、第2極性状態P2では、第1電極92の温度Hが降下する。また、第1極性状態P1と第2極性状態P2状態が繰り返されるので、温度Hは、最小値Hminと最大値Hmaxとの間で周期的に変化する。なお、図示は省略するが、第2電極93の温度は、第1電極92の温度Hとは逆位相で変化する。すなわち、第1極性状態P1では、第2電極93の温度が降下し、第2極性状態P2では、第2電極93の温度が上昇する。
第1極性状態P1では、第1電極92(突起552p)の先端が溶融するので、第1電極92(突起552p)の先端が滑らかになる。これにより、第1電極92での放電位置の移動を抑制できる。また、第2電極93(突起562p)の先端の温度が降下するので、第2電極93(突起562p)の過剰な溶融が抑制される。これにより、意図しない電極変形を抑制できる。第2極性状態P2では、第1電極92と第2電極93の立場が逆である。従って、2つの状態P1、P2を繰り返すことによって、2つの電極92、93のそれぞれにおける不具合を抑制できる。
ここで、電流Iの波形が対称である場合、すなわち、電流Iの波形が「|+A0|=|−A0|、Tp=Tn」という条件を満たす場合には、2つの電極92、93の間で、供給される電力の条件が同じである。従って、2つの電極92、93の間の温度の差が小さくなると推定される。ところが、このような対称の電流波形での駆動を維持し続けると、放電空間91内に定常的な対流が発生し電極の軸部の局所に電極材料が堆積或いは偏析して針状に成長し、放電空間91を包囲する透光性材料の壁面に向けて意図しない放電が生じる可能性がある。このような意図しない放電は、当該内壁を劣化させ、放電灯90の寿命を低下させる原因となる。また、このような対称の電流波形での駆動を維持し続けると、電極が一定の温度分布で長時間持続されるため、経時的な状態変化に伴って生じた電極の非対称性が、時間と共により助長される方向に向かう。
(2)区間電流制御処理の具体例
次に、本実施の形態に係る放電灯点灯装置10における区間電流制御処理の具体例について説明する。
本実施の形態に係る放電灯点灯装置10において、制御手段40は、放電灯駆動用の交流電流Iのデューティ比と所与の基準デューティ比との差に関連付けて、交流変換回路30による極性反転タイミング区間ごとに、電力制御回路40から出力される直流電流Idの平均値と最大値との差を制御する区間電流制御処理を行う。本実施の形態においては、基準デューティ比を50%とした例について説明する。
図5(a)は、基準デューティ比の場合の電力制御回路40から出力される直流電流Id及び放電灯駆動用の交流電流Iの波形を示している。横軸は時間、縦軸は電流値を示している。時刻t1、t2及びt3は、放電灯駆動用の交流電流Iの極性反転タイミングを示す。放電灯駆動用の交流電流Iが第1極性(第1電極92が陽極)になる期間を第1極性区間Tp、第2極性(第2電極93が陽極)になる期間を第2極性区間Tnとし、第1極性区間Tpと第2極性区間Tnを合わせて1周期となっている。また、極性反転タイミング区間には、第1極性区間Tpと、第2極性区間Tnとがある。ここで、放電灯駆動用の交流電流Iのデューティ比は、交流電流Iの1周期に占める第1極性区間Tpの割合とする。
本実施の形態においては、制御手段40が、放電灯駆動用の交流電流Iのデューティ比が基準デューティ比と等しいときに極性反転タイミング区間内において電力制御回路40から出力される直流電流Idの平均値と最大値との差を0とする区間電流制御処理を行っている。すなわち、第1極性区間Tp及び第2極性区間Tnのそれぞれの期間内において、電力制御回路40から出力される直流電流Idを一定にする区間電流制御処理を行っている。
図5(b)は、放電灯駆動用の交流電流Iのデューティ比が40%の場合の電力制御回路40から出力される直流電流Id及び放電灯駆動用の交流電流Iの波形を示している。極性反転タイミング区間内、すなわち、第1極性区間Tp及び第2極性区間Tnのそれぞれにおいて、電力制御回路40から出力される直流電流Idの平均値と最大値との差を設けている。
本実施の形態においては、制御手段40が、極性反転タイミング区間内において電力制御回路40から出力される直流電流Idの電流値を直線的に単調増加させる区間電流制御処理を行っている。なお、放電灯駆動用の交流電流Iの波形はこれに限られるわけではなく、例えば、極性反転タイミング区間の後半で、極性反転タイミング区間内において電力制御回路40から出力される直流電流Idの電流値を最大とするような他の区間電流制御処理を行ってもよい。
図5(c)は、放電灯駆動用の交流電流Iのデューティ比が30%の場合の電力制御回路40から出力される直流電流Id及び放電灯駆動用の交流電流Iの波形を示している。
放電灯駆動用の交流電流Iのデューティ比が30%の場合、極性反転タイミング区間内、すなわち、第1極性区間Tp及び第2極性区間Tnのそれぞれにおいて、電力制御回路40から出力される直流電流Idの平均値と最大値との差が、図5(b)に示す放電灯駆動用の交流電流Iのデューティ比が40%の場合よりもさらに大きくなっている。
このように、制御手段40は、放電灯駆動用の交流電流Iのデューティ比と基準デューティ比との差が大きいほど、極性反転タイミング区間ごとに、電力制御回路40から出力される直流電流Idの平均値と最大値との差を大きくする区間電流制御処理を行ってもよい。
ここまでは、放電灯駆動用の交流電流Iのデューティ比が基準デューティ比よりも小さい場合について説明したが、放電灯駆動用の交流電流Iのデューティ比が基準デューティ比よりも大きい場合についても同様である。
図5(d)は、放電灯駆動用の交流電流Iのデューティ比が60%の場合の電力制御回路40から出力される直流電流Id及び放電灯駆動用の交流電流Iの波形を示している。また、図5(e)は、放電灯駆動用の交流電流Iのデューティ比が70%の場合の電力制御回路40から出力される直流電流Id及び放電灯駆動用の交流電流Iの波形を示している。
これらの場合についても、制御手段40は、放電灯駆動用の交流電流Iのデューティ比と基準デューティ比との差が大きいほど、極性反転タイミング区間ごとに、電力制御回路40から出力される直流電流Idの平均値と最大値との差を大きくする区間電流制御処理を行っている。
なお、図5(a)乃至図5(e)を用いて説明した実施の形態においては、制御手段40は、反転タイミング区間ごとに電力制御回路40から出力される直流電流Idの平均値を同一とする区間電流制御処理を行っている。これにより、放電灯駆動用の交流電流Iの電流値変動による放電灯90の輝度変動を最小限に抑えることができる。
(3)区間電流制御処理とデューティ比制御処理を組み合わせた制御の具体例
次に、本実施の形態に係る放電灯点灯装置10における区間電流制御処理とデューティ比制御処理を組み合わせた制御の具体例について説明する。
本実施の形態に係る放電灯点灯装置10において、制御手段40は、放電灯駆動用の交流電流Iのデューティ比を周期的なパターンで変化させるデューティ比制御処理を行いつつ、変化させたデューティ比と基準デューティ比との差に関連付けて、極性反転タイミング区間ごとに、電力制御回路40から出力される直流電流Idの平均値と最大値との差を制御する区間電流制御処理を行っている。
図6(a)は、放電灯駆動用の交流電流Iのデューティ比を変化させる周期的なパターンの一例である。横軸は時間、縦軸はデューティ比を示している。
本実施の形態においては、制御手段40は、放電灯駆動用の交流電流Iのデューティ比が同一値に維持される区分期間を周期的なパターンの1周期Tmの期間中に16期間(区分期間D1乃至D16)含み、段階的にデューティ比を変化させるデューティ比制御処理を行っている。すなわち、区分期間とは、同一のデューティ比制御処理が継続する期間である。1区分期間当たりの長さは、例えば、1秒間とすることができる。
図6(a)に示す例では、区分期間D1ではデューティ比を50%とし、その後5%刻みでデューティ比を上げ、区分期間D5ではデューティ比を最大の70%としている。さらにその後5%刻みでデューティ比を下げ、区分期間D13ではデューティ比を最小の30%としている。またさらにその後5%刻みでデューティ比を上げ、周期Tmでデューティ比の増減を繰り返す。
なお、放電灯駆動用の交流電流Iのデューティ比を変化させる周期的なパターンは、上述の例には限定されず、制御手段40は、放電灯駆動用の交流電流Iのデューティ比が同一値に維持される区分期間を複数含み、区分期間のうち少なくとも2つの区分期間のデューティ比が互いに異なるような、他の周期的なパターンで変化させるデューティ比制御処理を行ってもよい。
図6(b)は、図6(a)に示す放電灯駆動用の交流電流Iのデューティ比を変化させる周期的なパターンの一例に対応した、電力制御回路40から出力される直流電流Idの平均値と最大値との差の変化の一例である。横軸は時間、縦軸は重畳率を示す。ここで重畳率は、以下の式で定義される値である。
重畳率=(直流電流Idの平均値と最大値との差)/直流電流Idの平均値
すなわち、直流電流Idの平均値を一定になるように区間電流制御処理を行った場合には、重畳率は直流電流Idの平均値と最大値との差に比例する。
本実施の形態においては、図6(a)を用いて説明したように、放電灯駆動用の交流電流Iのデューティ比が同一値に維持される区分期間を有し、デューティ比が段階的に変化している。したがって、制御手段40は、デューティ比の段階的な変化に関連付けて、段階的に重畳率を変化させる区間電流制御処理を行っている。すなわち、区分期間とは、同一の重畳率である区間電流制御処理が継続する期間でもある。
図6(b)に示す例では、区分期間D1では重畳率を0%とし、その後2%刻みでデューティ比を上げ、区分期間D5では重畳率を最大の8%としている。さらにその後2%刻みでデューティ比を下げ、区分期間D9では重畳率を再び0%としている。またさらにその後2%刻みで重畳率を上げ、区分期間D13では重畳率を最大の8%としている。その後2%刻みで重畳率を下げ、周期Tm/2で重畳率の増減を繰り返す。
すなわち、本実施の形態においては、制御手段40は、放電灯駆動用の交流電流Iのデューティ比と基準デューティ比との差が大きいほど、極性反転タイミング区間ごとに、電力制御回路40から出力される直流電流Idの平均値と最大値との差を大きくする区間電流制御処理を行っている。
図7(a)及び図7(b)は、本実施の形態における放電灯駆動用の交流電流Iの波形推移を示したグラフである。横軸は時間、縦軸は電流値を示す。本実施の形態においては、第1極性時の平均電流を+A0、第2極性時の平均電流を−A0となるように、区間電流制御処理を行っている。
図7(a)は、図6(a)における区分期間D1から区分期間D4までに亘る交流電流Iの波形推移を示す。区分期間D1ではデューティ比50%で重畳率0%の電流波形が継続する。区分期間D2になると、デューティ比55%で重畳率2%の電流波形に変化し、区分期間D2の間継続する。区分期間D3になると、デューティ比60%で重畳率4%の電流波形に変化し、区分期間D3の間継続する。区分期間D4になると、デューティ比65%で重畳率6%の電流波形に変化し、区分期間D4の間継続する。その後、区分期間D5乃至区分期間D8も同様に、交流電流Iは、図6(a)及び図6(b)に示すデューティ比及び重畳率の電流波形となる。
図7(b)は、図6(a)における区分期間D9から区分期間D12までに亘る交流電流Iの波形推移を示す。区分期間D9ではデューティ比50%で重畳率0%の電流波形が継続する。区分期間D10になると、デューティ比45%で重畳率2%の電流波形に変化し、区分期間D10の間継続する。区分期間D11になると、デューティ比40%で重畳率4%の電流波形に変化し、区分期間D11の間継続する。区分期間D12になると、デューティ比35%で重畳率6%の電流波形に変化し、区分期間D12の間継続する。その後、区分期間D13乃至区分期間D16も同様に、交流電流Iは、図6(a)及び図6(b)に示すデューティ比及び重畳率の電流波形となる。
このように、放電灯駆動用の交流電流Iのデューティ比が同一値に維持される区分期間を複数含み、区分期間のうち少なくとも2つの区分期間のデューティ比が互いに異なるようにデューティ比制御処理を行うことにより、放電灯90の両電極及びその周辺の熱的状態を比較的長いタイムスケールで大きく変動させることができる。このため、放電灯の発光管中に定常的な安定した対流が形成されることを回避することができる。したがって、両電極が偏って消耗することや電極材料が偏って析出することを抑えることができるため、放電灯90の長寿命化を図ることができる。
(4)本実施の形態に係る放電灯点灯装置をプロジェクタに適用した場合の効果の検証例
本実施の形態に係る放電灯点灯装置10を、放電灯90と、光変調手段として液晶パネル95を用いたプロジェクタ100に適用した場合の効果の検証例について説明する。
図8は、本実施の形態に係る放電灯点灯装置10を適用したプロジェクタ100の構成を説明するための図である。
プロジェクタ100は、放電灯点灯装置10及び放電灯90を含む。放電灯点灯装置10は、放電灯90を駆動する交流電流Iを放電灯90に供給する。これらの構成は、図1を用いて説明した構成と同一である。
プロジェクタ100は、液晶パネル95を含む。液晶パネル95は、放電灯90からの投射光120を変調する、光変調手段として機能する。液晶パネル95は、図示しない制御回路からの制御信号に基づき、画素単位で偏光状態を調節される。液晶パネル95の透過光130がスクリーン110に投影されることにより、プロジェクタ100は所望の映像を投影する。
図9(a)は、液晶パネル95による輝度変動を、フーリエ変換して模式的に示したグラフである。横軸は周波数、縦軸は強度である。
液晶パネル95を用いたプロジェクタ100においては、液晶パネル95の表示データを定期的に書き換えることになるため、輝度も周期的に変動することになる。例えば、書き換え周波数を50Hzとした場合には、50Hz及びその整数倍の周波数で輝度が周期的に変動する。
図9(b)は、放電灯90による輝度変動を、フーリエ変換して模式的に示したグラフである。横軸は周波数、縦軸は強度である。
極性反転タイミング区間ごとの直流電流Idを変動させて(例えば、極性反転タイミング区間内で単調増加させて)、放電灯駆動用の交流電流Iを生成した場合には、放電灯90の輝度も周期的に変動することになる。例えば、デューティ比を50%として、放電灯駆動用の交流電流を78Hzとした場合には、その2倍の156Hz及びその整数倍の周波数で放電灯の輝度が周期的に変動する。
これらの液晶パネル95と放電灯90を組み合わせた場合、これらの周期的な輝度の変動が干渉して、スクロールノイズを発生させる原因となる。例えば、上述の例では、特に、150Hzの液晶パネル95の輝度変動と、156Hzの放電灯90の輝度変動とが干渉し、6Hzのスクロールノイズが発生する。
一方、放電灯駆動用の交流電流Iのデューティ比を50%から離れて、例えば、40%、30%と変えると、放電灯90の輝度変動は、78Hzの奇数倍の周波数成分が強くなり、78Hzの偶数倍の周波数成分が弱くなることが知られている。したがって、放電灯駆動用の交流電流Iのデューティ比とデューティ比50%との差が大きくなるほど、156Hzの液晶パネル95の輝度変動と、150Hzの放電灯90の輝度変動との干渉によるスクロールノイズは、視認しにくくなる。
また、極性反転タイミング区間ごとの直流電流Idの平均値と最大値との差が小さければ、放電灯90の輝度変動は小さくなるため、液晶パネル95の輝度変動との干渉によるスクロールノイズは、視認しにくくなる。
本実施の形態に係る放電灯点灯装置10は、放電灯駆動用の交流電流Iのデューティ比と基準デューティ比である50%との差が大きいほど、極性反転タイミング区間ごとの直流電流Idの平均値と最大値との差を大きくする区間電流制御処理を行っている。
すなわち、放電灯90の輝度変動で、156Hzの周波数成分が大きくなりえる場合(デューティ比が50%に近い場合)には、極性反転タイミング区間ごとの直流電流Idの平均値と最大値との差を小さくすることにより、スクロールノイズの抑制が可能になる。
また、放電灯90の輝度変動で、156Hzの周波数成分が小さくなる場合(デューティ比が50%から遠い場合)には、スクロールノイズが視認しにくくなるため、極性反転タイミング区間ごとの直流電流Idの平均値と最大値との差を大きくすることにより、従来から知られているフリッカ抑制効果を引き出すことが可能になる。
このように、本実施の形態に係る放電灯点灯装置10では、放電灯90のフリッカを抑制しつつ、従来よりも容易にスクロールノイズを視認できないレベルに抑えることが可能になる。したがって、液晶パネル95の書き換え周波数(動作周波数)に対して、放電灯駆動用の交流電流の周波数を従来よりも自由に選択可能になる。さらに、放電灯駆動用の交流電流のデューティ比を周期的なパターンで変化させることにより、放電灯90の長寿命化を図ることができる。
3.プロジェクタの回路構成
図10は、本実施の形態に係るプロジェクタの構成の一例を示す図である。プロジェクタ500は、先に説明した光学系のほかに、画像信号変換部510、直流電源装置520、放電灯点灯装置10、放電灯90、液晶パネル560R、560G、560B、画像処理装置570を含む。
画像信号変換部510は、外部から入力された画像信号502(輝度−色差信号やアナログRGB信号など)を所定のワード長のデジタルRGB信号に変換して画像信号512R、512G、512Bを生成し、画像処理装置570に供給する。
画像処理装置570は、3つの画像信号512R、512G、512Bに対してそれぞれ画像処理を行い、液晶パネル560R、560G、560Bをそれぞれ駆動するための駆動信号572R、572G、572Bを出力する。
直流電源装置520は、外部の交流電源600から供給される交流電圧を一定の直流電圧に変換し、トランス(図示しないが、直流電源装置520に含まれる)の2次側にある画像信号変換部510、画像処理装置570及びトランスの1次側にある放電灯点灯装置10に直流電圧を供給する。
放電灯点灯装置10は、起動時に放電灯90の電極間に高電圧を発生して絶縁破壊させて放電路を形成し、以後放電灯90が放電を維持するための駆動電流を供給する。
液晶パネル560R、560G、560Bには、それぞれ駆動信号572R、572G、572Bによる画像が表示されており、当該画像によって各液晶パネルに入射する色光の輝度が変調される。
CPU580は、プロジェクタの点灯開始から消灯に至るまでの動作を制御する。プロジェクタの電源が投入され直流電源装置520の出力電圧が所定の値になると、点灯信号582を発生して放電灯点灯装置10に供給する。CPU580は、放電灯点灯装置10から放電灯90の点灯情報532を受け取ってもよい。
このように構成したプロジェクタ500は、放電灯90のフリッカを抑制しつつ、従来よりも容易にスクロールノイズを視認できないレベルに抑えることが可能になる。したがって、液晶パネル560R、560G、560Bの書き換え周波数(動作周波数)に対して、放電灯駆動用の交流電流の周波数を従来よりも自由に選択可能になる。さらに、放電灯駆動用の交流電流のデューティ比を周期的なパターンで変化させることにより、放電灯90の長寿命化を図ったプロジェクタを実現することができる。
なお、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。
上記各実施形態においては、3つの液晶パネルを用いたプロジェクタを例示して説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、1つ、2つ又は4つ以上の液晶パネルを用いたプロジェクタにも適用可能である。
上記各実施形態においては、透過型のプロジェクタを例示して説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、反射型のプロジェクタにも適用することが可能である。ここで、「透過型」とは、透過型の液晶パネル等のように光変調手段としての電気光学変調装置が光を透過するタイプであることを意味しており、「反射型」とは、反射型の液晶パネルやマイクロミラー型光変調装置などのように光変調手段としての電気光学変調装置が光を反射するタイプであることを意味している。マイクロミラー型光変調装置としては、例えば、DMD(デジタルマイクロミラーデバイス)(Texas Instruments社の商標)を用いることができる。反射型のプロジェクタにこの発明を適用した場合にも、透過型のプロジェクタと同様の効果を得ることができる。
本発明は、投写画像を観察する側から投写するフロント投写型プロジェクタに適用する場合にも、投写画像を観察する側とは反対の側から投写するリア投写型プロジェクタに適用する場合にも可能である。
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成(例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成)を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
例えば、本実施の形態においては、放電灯駆動用の交流電流Iのデューティ比を周期的なパターンで変化させる場合について説明したが、放電灯駆動用の交流電流Iのデューティ比が異なる複数の動作モードを有し、適宜動作モードを切り替えて動作する放電灯点灯装置及びこれを用いたプロジェクタであってもよい。
本発明の実施の形態に係るプロジェクタの光学系を説明するための図。 本発明の実施の形態に係るプロジェクタの光学系を説明するための図。 本発明の実施の形態に係る放電灯点灯装置の構成を説明するための図。 本発明の実施の形態に係る放電灯点灯装置の構成を説明するための図。 本発明の実施の形態に係る放電灯点灯装置の制御を説明するための図。 本発明の実施の形態に係る放電灯点灯装置の制御を説明するための図。 本発明の実施の形態に係る放電灯点灯装置の制御を説明するための図。 本発明の実施の形態に係る放電灯点灯装置の効果を説明するための図。 本発明の実施の形態に係る放電灯点灯装置の効果を説明するための図。 本発明の実施の形態に係るプロジェクタの構成を説明するための図。
符号の説明
10 放電灯点灯装置、20 電力制御回路、21 スイッチ素子、22 ダイオード、23 コイル、24 コンデンサ、30 交流変換回路、31〜34 スイッチ素子、40 制御手段、41 システムコントローラ、42 電力制御回路コントローラ、43 交流変換回路コントローラ、44 記憶部、50 副反射鏡、60 動作検出部、61〜63 抵抗、70 イグナイタ回路、80 直流電源、90 放電灯、90e1 第1端部、90e2 第2端部、91 放電空間、92 第1電極、93 第2電極、95 液晶パネル、100 プロジェクタ、110 スクリーン、112 主反射鏡、114 固定部材、120 投射光、130 透過光、200 光源装置、210 光源ユニット、305 平行化レンズ、310 照明光学系、320 色分離光学系、330R 液晶ライトバルブ、330G 液晶ライトバルブ、330B 液晶ライトバルブ、340 クロスダイクロイックプリズム、350 投射光学系、500 プロジェクタ、510 画像信号変換部、512R 画像信号(R)、512G 画像信号(G)、512B 画像信号(B)、520 直流電源装置、522 固定部材、532 点灯情報、534 導電性部材、536 第1端子、544 導電性部材、546 第2端子、552p 突起、562p 突起、560R 液晶パネル(R)、560G 液晶パネル(G)、560B 液晶パネル(B)、570 画像処理装置、572R 液晶パネル(R)駆動信号、572G 液晶パネル(G)駆動信号、572B 液晶パネル(B)駆動信号、580 CPU、582 点灯信号、600 交流電源、700 スクリーン

Claims (10)

  1. 直流電流を出力する電力制御回路と、
    前記直流電流を入力し、前記直流電流を所与のタイミングで極性反転することで放電灯駆動用の交流電流を生成出力する交流変換回路と、
    前記交流変換回路に対して前記放電灯駆動用の交流電流の極性反転タイミングによりデューティ比を制御するデューティ比制御処理を行うとともに、前記電力制御回路に対して前記極性反転タイミング区間ごとに前記直流電流の電流値を制御する区間電流制御処理を行う制御手段とを含む放電灯点灯装置であって、
    前記制御手段は、前記デューティ比と所与の基準デューティ比との差に関連付けて前記極性反転タイミング区間ごとの前記直流電流の平均値と最大値との差を制御する前記区間電流制御処理を行うことを特徴とする放電灯点灯装置。
  2. 請求項1に記載の放電灯点灯装置であって、
    前記制御手段は、前記デューティ比と前記基準デューティ比との差が大きいほど、前記極性反転タイミング区間ごとの前記直流電流の平均値と最大値との差を大きくする前記区間電流制御処理を行うことを特徴とする放電灯点灯装置。
  3. 請求項1又は2のいずれかに記載の放電灯点灯装置であって、
    前記制御手段は、前記極性反転タイミング区間の後半で前記極性反転タイミング区間内の前記直流電流の電流値を最大とする前記区間電流制御処理を行うことを特徴とする放電灯点灯装置。
  4. 請求項1乃至3のいずれかに記載の放電灯点灯装置であって、
    前記制御手段は、前記極性反転タイミング区間内で前記直流電流の電流値を単調増加させる前記区間電流制御処理を行うことを特徴とする放電灯点灯装置。
  5. 請求項1乃至4のいずれかに記載の放電灯点灯装置であって、
    前記制御手段は、前記デューティ比が前記基準デューティ比のときに前記極性反転タイミング区間ごとの前記直流電流の平均値と最大値との差を0とする前記区間電流制御処理を行うことを特徴とする放電灯点灯装置。
  6. 請求項1乃至5のいずれかに記載の放電灯点灯装置であって、
    前記制御手段は、前記極性反転タイミング区間ごとの前記直流電流の平均値を同一とする前記区間電流制御処理を行うことを特徴とする放電灯点灯装置。
  7. 請求項1乃至6のいずれかに記載の放電灯点灯装置であって、
    前記制御手段は、前記デューティ比を周期的なパターンで変化させる前記デューティ比制御処理を行うことを特徴とする放電灯点灯装置。
  8. 請求項7に記載の放電灯点灯装置であって、
    前記制御手段は、前記デューティ比が同一値に維持される区分期間を複数含み、前記区分期間のうち少なくとも2つの区分期間の前記デューティ比が互いに異なる前記周期的なパターンで変化させる前記デューティ比制御処理を行うことを特徴とする放電灯点灯装置。
  9. 直流電流を出力する電力制御回路と、
    前記直流電流を入力し、前記直流電流を所与のタイミングで極性反転することで放電灯駆動用の交流電流を生成出力する交流変換回路とを含む放電灯点灯装置の制御方法であって、
    前記交流変換回路に対して前記放電灯駆動用の交流電流の極性反転タイミングによりデューティ比を制御するデューティ比制御処理を行う手順と、前記電力制御回路に対して前記極性反転タイミング区間ごとに前記直流電流の電流値を制御する区間電流制御処理を行う手順とを含み、
    前記区間電流制御処理を行う手順は、前記デューティ比と所与の基準デューティ比との差に関連付けて前記極性反転タイミング区間ごとの前記直流電流の平均値と最大値との差を制御する前記区間電流制御処理を行うことを特徴とする放電灯点灯装置の制御方法。
  10. 請求項1乃至8のいずれかに記載の放電灯点灯装置を含むことを特徴とするプロジェクタ。
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