JP2011060635A - 点灯制御装置、光源装置、投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ランプの低消費電力化と、発熱に起因するランプ破損の抑制と、を両立するランプの点灯制御装置を提供する。
【解決手段】放電ランプ７の点灯を制御する点灯制御装置１であって、印加電位から降圧した降圧電位を生成することで投入電力を制御する電力制御部２と、電力制御部２に接続され、該電力制御部から供給される直流電流を交流電流に変換するインバーター部４と、電力制御部２およびインバーター部４を制御する制御部６と、を備え、制御部６は、電力制御部２に、放電ランプ７から所望の輝度の光を得ることができる所定の電力を上限として、放電ランプ７の点灯を維持する範囲内で降圧電位を生成させ、降圧電位に対し、インバーター部４で生成する交流電流の周波数よりも低く、且つ人間の眼の応答時間よりも短い周期の周波数の変調を加える駆動信号を供給することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、点灯制御装置、光源装置、投写型表示装置に関するものである。

従来、プロジェクターは、会議でのプレゼンテーション用や家庭におけるホームシアター用などの映像投写装置として各方面に利用されている。このようなプロジェクターに使用される光源装置としては、例えば、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、及び高圧水銀ランプなどの電極を有する放電ランプが主に用いられている。

放電ランプは、比較的小型で大きな光束を得ることが可能であり、「消費電力に対する全光束量」を示すランプ効率（光源効率）が高いという利点を有する。例えば、プロジェクターには、５０Ｈｚから数百Ｈｚの交番化電流を用いて点灯される放電ランプが使用されているが、一般的に用いられている短アークの高圧水銀灯では約７０から７５ｌｍ／Ｗのランプ効率を実現している。ランプ効率が高い光源ほど、少ない消費電力でより多くの光束を得ることができるため好ましい。

一方で、ランプが発光すると不可避的に発熱を伴うため、発光量を多くすると、熱に起因してランプが破損するという不具合が発生しやすくなる。例えば、放電ランプの点灯を続けると、ランプの発熱により放電管が過熱し、放電管の破裂や放電管の失透による輝度低下などの不具合を生じることが知られている。また、発光を続けると放電管内部の電極が放電により消耗し、ランプが劣化または破損しやすいことが知られている。

このような課題に対し、放電ランプの駆動方式にＰＷＭ駆動（Pulse Width Modulation、パルス駆動）を採用する、或いはアーク放電を安定的に維持できる電極形状とする、という構成を採用することにより、ランプの長寿命化を図ることが提案されている（例えば、特許文献１から３参照）。

特開２００２−１５８８３号公報 特開２００１−３１２９９７号公報 特開平８−３１５９９２号公報

上述のように、ランプ効率が向上すると発光量が増えるため、少ない消費電力でより多くの光束を得られるが、発光量が増えると発熱量の増加につながり、発熱に起因する種々の破損につながる。一方で、発光量を減らすと発熱量は減少するが、所望の光束を得られなくなる。

「低消費電力を実現しつつ破損しにくい」ランプの実現という市場要求に対しては、相反する技術課題に応える必要があり、上述の特許文献の技術でもまだ満足行くものとはなっていない。また、このような課題は放電ランプに限らず、ランプ寿命低下の抑制と低消費電力化とを両立するという目的において、他の光源においても共通して発生するものである。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、ランプの低消費電力化と、発熱に起因するランプ破損の抑制と、を両立するランプの点灯制御装置を提供することを目的とする。また、このような点灯制御装置を備えた光源装置を提供することをあわせて目的とする。さらには、このような光源装置を備えた投写型表示装置を提供することをあわせて目的とする。

発明者は、種々の検討を重ねた結果、ランプの点灯制御に用いる電流の周波数が、人間の可聴帯域の周波数から外れていると、音響効果が発生しないという着想に至った。そして、このような周波数の電流を使用してランプの点灯制御を行うために、高周波の交流電流を用いることを着想した。

従来、高周波電流を利用してランプの点灯を行うと、ランプの発熱により放電管が過熱し、放電管が破裂するという不具合が知られていた。対して、低周波電流を用いると、回路構成が簡易でありコストも手頃であったために、これまでは、主として低周波電流を用いる検討がなされてきた。

また、過去においては高周波電流で動作するパワートランジスターもあまり一般的でなく、且つパワー損失も低周波電流に比べて良くなかったため、高周波の交流波形に変調を掛ける試みも検討されなかった。

そこで、発明者は、これまで成されなかった新たな着想として、高周波の交流波形に低周波の変調を加えた高周波電流を形成する点灯制御装置の検討を行い、発明の完成に至った。

すなわち、上記の課題を解決するため、本発明の点灯制御装置は、ランプの点灯を制御する点灯制御装置であって、印加電位から降圧した降圧電位を生成することで投入電力を制御する電力制御部と、前記電力制御部に接続され、該電力制御部から供給される直流電流を交流電流に変換するインバーター部と、前記電力制御部および前記インバーター部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記電力制御部に、前記ランプから所望の輝度の光を得ることができる所定の電力を上限として、前記ランプの点灯を維持する範囲内で前記降圧電位を生成させ、前記降圧電位に対し、前記インバーター部で生成する交流電流の周波数よりも低く、且つ人間の眼の応答時間よりも短い周期の周波数の変調を加える駆動信号を供給することを特徴とする。

この構成によれば、射出される光は、降圧電位の変化に応じて輝度が変化するが、その変化は人間の眼の応答時間よりも短いため、観察者には、所望の輝度の印象が強く残り、ランプから射出される光の輝度が保たれているように感じられる。そのため、電流値を変化させ投入電力量を低下させたとしても、見た目の明るさはあまり減少せず、観察者には射出された光が所望の輝度を保っていると感じさせることができる。したがって、輝度を保ったまま投入電流を減らすことができ、低消費電力化が可能となる。また、電流が高周波電流となっているため、ランプ効率も向上し、低消費電力化を図ることができる。

また、投入電流が減少することにより、発光量が低下するため発熱量を抑制することができ、過熱が原因となるランプの破損を抑制し、長寿命化を図ることができる。

したがって、低消費電力化とランプ破損の抑制とを両立する点灯制御装置とすることができる。

本発明においては、前記交流電流の周波数が、１００ｋＨｚ以上３０ＭＨｚ以下の範囲であることが望ましい。
この構成によれば、交流切り替えに起因した雑音の発生（一般に音響効果または音響的共鳴現象と呼ばれる）を抑制した点灯制御を行うことができる。

本発明の光源装置は、ランプと上述の点灯制御装置とを備えることを特徴とする。
この構成によれば、電流波形を制御することで、低消費電力で且つ破損の少ない光源装置を提供することができる。

また、各種のランプ（光源）のなかでも、放電ランプは発熱に起因した破損を生じ易いため、本発明において、前記ランプが放電ランプであると、その他の光源に適用する場合と比べ、より長寿命化が期待でき好ましい。

本発明の投写型表示装置は、上述の光源装置を備えることを特徴とする。
この構成によれば、低消費電力で高輝度の画像形成が可能な投写型表示装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る点灯制御装置および光源装置の構成図である。 本実施形態に係る駆動電流の電流波形の例を示す図である。 本実施形態に係る駆動電流の電流波形の例を示す図である。 本発明に係る投写型表示装置の概略構成図である。

以下、図１〜図３を参照しながら、本発明の実施形態に係る点灯制御装置１および点灯制御装置１を備える光源装置１０について説明する。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の寸法の比率などは適宜異ならせてある。

図１は、本実施形態に係る点灯制御装置１、および点灯制御装置１を備える光源装置１０の構成図である。点灯制御装置１は、電源８から供給される電力を放電ランプ７の電極に供給し、放電ランプ７の点灯を制御するものである。

点灯制御装置１は、電源８から供給される電圧を降下させる電力制御部（降圧回路）２と、電力制御部２を介して供給される直流電流を交流電流に変換するインバーター部４と、これらを制御する制御部６と、を有している。

電力制御部２は、降圧型のチョッパー回路であり、直列接続されるスイッチ素子２１、コイル２２、これらの素子から分岐して接続されるダイオード２３、コンデンサー２４を備えている。電力制御部２は、スイッチング素子２１がＯＮ／ＯＦＦされることによりデューティー比が制御され、電源８から略３００Ｖ〜４００Ｖで入力する入力電圧を所望の電圧に降下させる。

インバーター部４は、直流電流を交流電流に変換する機能を有しており、トランジスター４１〜４４を備えたブリッジ回路として構成されている。このブリッジ回路には、電力制御部２を介して整流された直流電流が入力され、トランジスター４１，４２とトランジスター４３，４４とのＯＮ／ＯＦＦを交互に切り替えることで、トランジスター４１，４２を含む経路と、トランジスター４３，４４を含む経路とに交互に電流が流れ、これにより、接続された放電ランプ７に交流電流が供給されるようになる。

制御部６は、例えばマイクロプロセッサー等から構成され、電力制御部２、インバーター部４にそれぞれ必要な駆動信号を供給する。制御部６は、これらのＯＮ／ＯＦＦ状態を制御することにより、点灯制御装置１の駆動を制御し、放電ランプ７の点灯を制御する。

放電ランプ７は、例えば高圧水銀灯、高圧ナトリウム灯やメタルハライド灯などの高圧放電灯を用いた反射型の光源である。放電ランプ７は、放電管７１が反射鏡７２の中央部に耐熱セメントを介して固着されており、不図示の放電管７１の電極はインバーター部４の出力側に接続されている。
本実施形態の点灯制御装置１および光源装置１０は、以上のような構成となっている。

次に、上述した点灯制御装置１の動作を説明する。図２は、本実施形態に係る駆動電流の電流波形を示す図である。図２（ａ）は、図１の電力制御部２で形成される直流電流の波形、（ｂ）は、インバーター部４で形成される交流電流の波形、（ｃ）は、図２（ａ）（ｂ）の波形を重畳させることにより形成される、放電ランプ７の駆動電流の波形を示す。以下、図１で示した符号を用いて各構成を示しながら説明を行う。

まず電力制御部２では、電源８から印加される電位をチョッパー処理により降下させて降圧電位を生成し、電流をインバーター部４に供給する。

詳しくは、電力制御部２においては、制御部６から供給される駆動信号に基づいて、ＯＮ／ＯＦＦの切り替えを行うことにより、変調した直流電流が形成される（図２（ａ））。図では、直流電流が台形変調された変調電流を示しており、形成される変調電流の周期をＴ１、周波数をｆ１、変調電流の振幅で表される最大電流値をＡ１、最小電流値をＡ２として示す。

周期Ｔ１は、人間の眼の応答時間よりも短い周期となっている。放電ランプ７に流れる電流量が、図２（ａ）に示されているように時間的に変化する場合、放電ランプ７では電流量に比例した光束の光を発する。そのため、降圧電位の変化に応じて電流量が変化すると、厳密には輝度が変化する。しかし、周期Ｔ１が人間の眼の応答時間よりも短い周期であるため、人間の眼では輝度の変化を感じることができない。

最大電流値Ａ１は、図１に示す放電ランプ７から所望の輝度の光を得るための電力に対応する電流値である。放電ランプ７は、印加可能な電圧が一定に定まっているため、電流量を変化させることにより発光量（輝度）が変化する。

最小電流値Ａ２は、放電ランプ７の点灯を維持することが可能な範囲の電流値であれば良い。一般的な放電ランプが発光している場合、熱プラズマにより熱電子放出が生じており、アーク放電による放電路が形成されている。外部から供給される電流（電子）は、この放電路を介して放電管内に封入されている水銀やナトリウムなどの封入物の原子を励起することにより光を放出している。電流量が低下すると、熱プラズマ量が減少し、熱プラズマが維持できないまでに電流量が低下すると、熱プラズマが消失してランプが立ち消える。

このような周期で電流量が変化する電流が放電ランプ７を流れる場合、放電ランプ７を流れる電流値が最小電流値Ａ２の場合に得られる光の輝度は、当然のことながら電流値が最大電流値Ａ１の場合に得られる光の輝度よりも小さくなる。

しかし、周期Ｔ１が十分に短く、最大電流値Ａ１から最小電流値Ａ２への変化が、人間の眼の応答時間よりも短い場合には、観察者には、電流値が最大電流値Ａ１の場合に得られる明るい光の印象が強く残る。そのため観察者には、ランプから射出される光の輝度が保たれているように感じられる。

したがって、電流値を変化させ投入電力量を低下させたとしても、見た目の明るさはあまり減少せず、所望の輝度を保った光（所望の輝度を保ったと感じられる光）を得ることができる。

次いで、インバーター部４では、制御部６からの駆動制御により、所定の周波数でトランジスター４１，４２とトランジスター４３，４４とが１８０度の位相差を有して交互にＯＮ／ＯＦＦ制御される。これにより、供給された直流電流が交流電流に変換される（図２（ｂ））。ここでは、形成される交流電流の周期をＴ２、周波数をｆ２として示す。図に示すように、周波数ｆ１と周波数ｆ２とは、ｆ１＜ｆ２の関係を有している。

制御部６は、周波数ｆ２が１００ｋＨｚ以上３０ＭＨｚ以下の範囲となるように、インバーター部４の駆動制御を行う。通常用いられるインバーター部４のトランジスターは、安価で入手が容易な汎用のパワートランジスターを用いることが多いため、周波数が３０ＭＨｚを超えるような高速駆動は困難である。

また、周波数ｆ２が１００ｋＨｚよりも小さくなり、例えば２０ｋＨｚの周波数となると、交流の切り替え時に生じる放電管内のわずかな圧力変化が周期的に発生するため、交流切り替えに起因した雑音が発生する。一般に音響効果と呼ばれるこの現象は、交流の周波数が人間の可聴帯域の周波数と重なることにより生じるため、雑音発生を抑制するためには、交流の周波数が、人間の可聴帯域の周波数と重ならないようにすることが必要となる。

従って、周波数ｆ２を１００ｋＨｚ以上３０ＭＨｚ以下の範囲とすることにより、良好な点灯が可能となる。

そして、高周波スイッチ部３で形成されるパルス電流の波形と、インバーター部４で形成される交流波形と、の位相位置を同期させて重畳することにより、放電ランプ７に供給される交流の変調電流が形成される（図２（ｃ））。

このような変調電流を用いて放電ランプ７を発光させることで、観察者には所望の輝度を保った光を感じさせながら投入電流を減らすことができ、低消費電力化が可能となる。

図３は、本実施形態に係る変調電流の電流波形についての他の例を示す図であり、図２に対応する図である。

電力制御部２においては、周期Ｔ１のうち幅Ｗ１の間は最小電流値Ａ２、幅Ｗ２の間は最大電流値Ａ１の電流値となるようにステップ変調された変調電流が形成される（図３（ａ））。この変調電流に、インバーター部４で形成される交流波形（図３（ｂ））と、の位相位置を同期させて重畳することにより、放電ランプ７に供給される交流の変調電流が形成される（図３（ｃ））。

このような変調電流を用いても、観察者には所望の輝度を保った光を感じさせながら投入電流を減らすことができ、低消費電力化が可能となる。

以上のような構成の点灯制御装置によれば、低消費電力化とランプ破損の抑制とを両立する点灯制御装置とすることができる。

また、以上のような構成の光源装置１０によれば、電流波形を制御することで、低消費電力で且つ破損の少ない光源装置１０とすることができる。

なお、本実施形態では、放電ランプを用いた光源装置を示したが、これに限らず、発熱に起因したランプ寿命低下の抑制と、ランプ効率の向上と、を両立するという目的において、蛍光ランプ、冷陰極ランプ、及びフィラメント型のランプなどにも適用することができる。

また、本実施形態では、電流に図２（ａ），図３（ａ）に示すような変調を加えることとしたが、変調のパターンはこれに限らない。本発明においては、周期的な変調が加わるならば、時間が経過するにつれて電流量が増加する傾斜を有した台形変調や、三段以上の多段のステップ変調など、他の変調パターンとすることもできる。

［画像表示装置］
図４は、本発明に係る投写型表示装置の概略構成図である。
本実施形態のプロジェクター（投写型表示装置）１００は、赤色光、緑色光、青色光をそれぞれ射出する赤色光源装置１０Ｒ，緑色光源装置１０Ｇ、青色光源装置１０Ｂを備えており、これら光源装置が上記実施形態の光源装置１０である。

プロジェクター１００は、光源装置１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂから射出された各色光をそれぞれ変調する透過型の液晶ライトバルブ１０４Ｒ，１０４Ｇ，１０４Ｂと、液晶ライトバルブ１０４Ｒ，１０４Ｇ，１０４Ｂから射出された光を合成して投写レンズ１０７に導くクロスダイクロイックプリズム１０６と、液晶ライトバルブ１０４Ｒ，１０４Ｇ，１０４Ｂによって形成された像を拡大してスクリーン１１０に投写する投写レンズ１０７と、を備えている。

さらに、プロジェクター１００は、光源装置１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂから射出された光の照度分布を均一化させるための均一化光学系１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂを備えており、照度分布が均一化された光によって液晶ライトバルブ１０４Ｒ，１０４Ｇ，１０４Ｂを照明している。本実施形態では、均一化光学系１０２Ｒ，１０２Ｇ、１０２Ｂは、例えばホログラム１０２ａとフィールドレンズ１０２ｂによって構成されている。

各液晶ライトバルブ１０４Ｒ，１０４Ｇ，１０４Ｂによって変調された３つの色光は、クロスダイクロイックプリズム１０６に入射する。このプリズムは４つの直角プリズムを貼り合わせて形成され、その内面に赤色光を反射する誘電体多層膜と青色光を反射する誘電体多層膜とが十字状に配置されている。これらの誘電体多層膜によって３つの色光が合成され、カラー画像を表す光が形成される。そして、合成された光は投写光学系である投写レンズ１０７によりスクリーン１１０上に投写され、拡大された画像が表示される。

本実施形態のプロジェクター１００においては、赤色光源装置１０Ｒ，緑色光源装置１０Ｇ，青色光源装置１０Ｂとして上記実施形態の光源装置１０が用いられているので、信頼性が高く、且つ低消費電力で高輝度な画像表示が可能なプロジェクターを実現することができる。

なお、色光合成手段として、クロスダイクロイックプリズムを用いることとしたが、これに限るものではない。色光合成手段としては、例えば、ダイクロイックミラーをクロス配置とし色光を合成するもの、ダイクロイックミラーを平行に配置し色光を合成するものを用いることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

１…点灯制御装置、２…電力制御部、４…インバーター部、６…制御部、７…放電ランプ（ランプ）、１０…光源装置、１００…プロジェクター（投写型表示装置）

Claims (5)

1. ランプの点灯を制御する点灯制御装置であって、
   印加電位から降圧した降圧電位を生成することで投入電力を制御する電力制御部と、
   前記電力制御部に接続され、該電力制御部から供給される直流電流を交流電流に変換するインバーター部と、
   前記電力制御部および前記インバーター部を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記電力制御部に、前記ランプから所望の輝度の光を得ることができる所定の電力を上限として、前記ランプの点灯を維持する範囲内で前記降圧電位を生成させ、
   前記降圧電位に対し、前記インバーター部で生成する交流電流の周波数よりも低く、且つ人間の眼の応答時間よりも短い周期の周波数の変調を加える駆動信号を供給することを特徴とする点灯制御装置。
2. 前記交流電流の周波数が、１００ｋＨｚ以上３０ＭＨｚ以下の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の点灯制御装置。
3. ランプと、請求項１または２に記載の点灯制御装置と、を備えることを特徴とする光源装置。
4. 前記ランプが放電ランプであることを特徴とする請求項３に記載の光源装置。
5. 請求項３または４に記載の光源装置を備えることを特徴とする投写型表示装置。

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