JP2011060636A - 点灯制御装置、光源装置、投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】音響効果を良好に抑制することができる点灯制御装置を提供することを目的とする。
【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２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、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、インバーター部に、放電ランプ７の駆動期間において、放電ランプ７の点灯を維持する範囲内で不規則に、交流電流の半周期期間毎の停止期間を複数設け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出し発光効率が高いという利点を有する一方で、放電管内部の電極が放電により消耗することによって、ランプ寿命や射出される光のちらつき（フリッカー）などに影響を及ぼしやすいことが知られている。これらの課題は、放電ランプの駆動方式として、ＰＷＭ駆動（Pulse Width Modulation、パルス駆動）を採用することで軽減されることが知られており、例えば、特許文献１、２参照にはＰＷＭ駆動を採用するランプの構成が開示されている。

特開２００７−１１５５３４号公報 特開２００９−８１０４３号公報

図６は、上述したＰＷＭ駆動のための電流波形の例を示す説明図であり、周期Ｔａの間に電流を流すＯＮ期間（符号Ａで示す）と、電流を流さないＯＦＦ期間（符号Ｂで示す）と、を有している様子を示す。図に示す電流波形は、周期Ｔｂ（Ｔａ＞Ｔｂ）の交流電流を含んでいる。

このような間欠駆動においては、周期的にＯＮ期間とＯＦＦ期間とが生じるため、ＯＮ／ＯＦＦ切り替え周期と同じ周期で、ＯＮ／ＯＦＦ切り替え時に生じる放電管内のわずかな圧力変化が発生する。この圧力変化が規則的に生じ、圧力変化の周期（即ち周期Ｔａ）の周波数が、人間の可聴帯域の周波数と重なると、雑音として認識される音が発生する。

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、音響効果を良好に抑制することができる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、前記インバーター部に、前記ランプの駆動期間において、前記ランプの点灯を維持する範囲内で不規則に、前記交流電流の半周期期間毎の停止期間を複数設け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、停止期間（ＯＦＦ期間）から次のＯＦＦ期間までの周期が不規則となるため、音響効果の発生を抑制することができる点灯制御装置とすることができる。

ここで、「不規則」とは、ランプ点灯を維持できる範囲において許されるものである。例えば、不規則なＯＦＦ期間の配置として、ＯＦＦ期間が連続して配置されることも許容するが、この場合、ランプ点灯を維持できる期間内においてのみ、ＯＦＦ期間を連続させることが可能である。

本発明においては、前記駆動期間の中に複数の分割期間が連続して含まれ、前記制御部は、前記分割期間において複数の前記停止期間を設ける前記インバーター部の駆動信号を供給することが望ましい。
この構成によれば、予め設定したＯＦＦ期間の挿入パターンを複数回繰り返すことにより、ＯＦＦ期間から次のＯＦＦ期間までの周期が不規則となるため、インバーター部４に供給する駆動信号を容易に形成し、音響効果の発生を抑制することができる。

本発明においては、前記分割期間の周期が、人間の可聴帯域に含まれる周波数の周期よりも短いことが望ましい。
この構成によれば、仮に複数の分割期間同士を考えた場合に、ＯＦＦ期間の配置に周期性が生じたとしても、可聴帯域に含まれない周期となるために音響効果が発生せず、目的を達することが可能となる。

本発明においては、前記交流電流の周波数が、１０ｋＨｚ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音響効果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、音響効果を抑制した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、発光の際に離間した一対の電極間の放電を伴い、放電管内におけるＯＮ／ＯＦＦの切り替え時に放電管内の圧力変化を生じ易い。そのため、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て、より音響効果の抑制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、音響効果に起因する雑音の発生がなく高品質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。 デューティー比の設定の仕方を説明する説明図である。 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。 従来の駆動電流の電流波形の例を示す図である。

以下、図１〜図４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。デューティー比は、（動作時間）／（（動作時間）＋（休止時間））として定義される値である。

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。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。

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。

ここで、インバーター部４では、所定の期間内（図２中、符号Ｔ０で示す）において、定期的にトランジスター４１，４２の組とトランジスター４３，４４の組との両方をＯＦＦにし、放電ランプ７に電流を流さないＯＦＦ期間を形成する。

制御部６は、交流電流の周波数が１０ｋＨｚ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、周波数が１０ｋＨｚよりも小さくなると、ＯＦＦ期間中に放電ランプ内のプラズマが消失し、ランプが立ち消えるおそれが生じる。

従って、周波数を１０ｋＨｚ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。

図では、分割期間Ｔ０を更に５つの期間Ｔ１〜Ｔ５（Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３＜Ｔ４＜Ｔ５）に分割し、各期間の末尾にそれぞれ交流電流の半周期分の長さを有するＯＦＦ期間を設けている。図では、ＯＦＦ期間に当たる半周期分の波を破線で示し、符号Ｔｘで示している。

期間Ｔ１〜Ｔ５は、時間経過方向にＴ１からＴ５の各期間が長くなるように変化しており、それぞれ異なる期間となっている。しかし、各期間の長さはこれに限る物ではなく、時間経過方向に各期間が短くなるように変化することとしても良く、或いは期間長の変化の仕方に規則性が無くても良い。

分割期間Ｔ０およびＴ０内の期間Ｔ１〜Ｔ５の各長さについては、ＯＮ／ＯＦＦ切り替え周波数が可聴帯域の周波数と重ならないように設定する。すなわち、ＯＮ／ＯＦＦ切り替え周期と同じ周期で放電ランプの放電管内にわずかな圧力変化が発生するため、圧力変化の周期による周波数が、人間の可聴帯域の周波数と重ならないようにすることで、雑音として認識される音の発生（音響効果）を抑制する。

期間Ｔ１〜Ｔ５はそれぞれ異なる期間となっているため、分割期間Ｔ０内では不規則にＯＦＦ期間が挿入される。したがって、ＯＦＦ期間から次のＯＦＦ期間までの周期が不規則となり、音響効果の発生を抑制することができる。

また、ここでは、隣接する分割期間Ｔ０同士ではＯＦＦ期間の挿入パターンが同じになっているため、分割期間Ｔ０、およびＴ０内の期間Ｔ１〜Ｔ５について、予め長さを設定しておくことにより、インバーター部４に供給する駆動信号を容易に形成し、ＯＦＦ期間を挿入することができる。

更に、隣接する分割期間Ｔ０の繰り返し周期も、その周波数が、人間の可聴帯域の周波数と重ならないように設定されている。そのため、隣接する分割期間Ｔ０をまたがって、ＯＦＦ期間の配置に周期性が生じたとしても、可聴帯域に含まれない周期となるために音響効果の発生を抑制することができる。

次に、分割期間Ｔ０内におけるデューティー比は、次の様にして設定する。図３はデューティー比の設定の仕方を説明する説明図である。図中二点鎖線は、平均値を示す。

図３（ａ）は、放電ランプに投入する間欠電力を示す矩形波であり、放電ランプが間欠電力のＯＮ／ＯＦＦに応じて即時に応答するとした場合、輝度の変化は図３（ｂ）のように、間欠電力のパターンと同じく矩形波となり、電力ＯＮと同時に輝度が高まり、ＯＦＦと同時に輝度が０となる。

しかし、実際の放電ランプの場合には、ＯＦＦからＯＮに変わる際には、ＭＡＸまで立ち上がるまでに一定の時間を要するため、図３（ｃ）中符号Ｓ１で示した領域分だけ図３（ｂ）で示す状態からは輝度が減少する。また、ＯＮからＯＦＦに変わっても、一定の間は輝度は０にはならず、図中符号Ｓ２で示した領域分だけ図３（ｂ）で示す状態から輝度が増加する。

すなわち、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。通電を停止すると、熱プラズマは冷えて立ち消える。

しかし、このような放電ランプにおいては、瞬間的に電流が外部から供給されなくても、熱プラズマの熱によりプラズマ状態が維持されることが知られており、その時間は放電ランプの構造や、封入する物質の種類、封入圧力などに依存する。例えば、図１に示す放電管７１内で対向する電極間の距離が２ｍｍ以下であって、この放電管７１に０．１６ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、希ガスと、１０^−６μｍｏｌ／ｍｍ^３〜１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲でハロゲンを封入した放電ランプの場合、直前のプラズマの温度にもよるが、供給する電流を停止しても、数１０μ秒間はプラズマ状態を継続することができる。

したがって、符号Ｔｘで示す各ＯＦＦ時間を１０μ秒〜５０μ秒程度に設定しても、放電管７１内のプラズマは立ち消えることなくプラズマ状態を継続するため、電流を再度供給することでプラズマを維持させることが可能である。より短いＯＦＦ時間の場合には、当然プラズマ状態を維持可能である。また、プラズマ残存中は、ＯＮからＯＦＦに変わっても一定の間は輝度は０にならず、領域Ｓ２に示すように、徐々に減衰しながら発光が持続することとなる。

ここで、図３（ａ）の間欠電力と総電力量が等しい連続（ＣＷ）駆動を行う場合、投入する電力および得られる輝度は、図３（ａ）（ｂ）に示す平均値と等しくなることから、Ｓ１＜Ｓ２となるデューティー比であれば、間欠駆動のほうが連続駆動よりもランプ効率が向上することになる。

このようにして、分割期間Ｔ０内におけるデューティー比として、連続駆動よりもランプ効率が高くなるようなデューティー比を設定する。

加えて、このような間欠駆動をさせる際には、電流がＯＦＦの期間には発光量は減少するが、その期間がμ秒オーダーである場合、発光量の減少によるちらつき等は観察者の目では殆ど認識することができない上、観察者にとっては明るい瞬間の輝度の方が印象として残る。そのため、見た目の明るさはあまり減少しない。したがって、観察者が認識する輝度を維持しながら低消費電力化が可能な光源装置１０とすることができる。

また、プラズマ状態を継続したまま放電電流のＯＮ／ＯＦＦを繰り返すため、全体としては電流のＯＦＦ期間があることにより、常時導通（アーク放電）状態に比べ、放電ランプ７を構成する放電電極に加わるアーク放電の衝撃を低下させることができ、放電ランプ７の電極寿命を長くすることができる。

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、音響効果を抑制しつつランプ効率を高くし、低消費電力化が可能となる。

図４は、本実施形態に係る間欠電流の電流波形についての他の例を示す図である。図４は図２に対応する図であり、デューティー比は同じになっている。

図に示す間欠電流では、分割期間Ｔ０において符号Ｔｘで示すＯＦＦ期間が不規則に挿入されており、隣接する分割期間Ｔ０同士で、ＯＦＦ期間が挿入されるタイミングが異なっている。すなわち、全駆動期間においてＯＦＦ期間が不規則に挿入されている。

このような場合には、分割期間Ｔ０内では不規則にＯＦＦ期間が挿入されるが、隣接する分割期間Ｔ０同士ではＯＦＦ期間の挿入パターンが同じになっている図２の場合と異なり、ＯＦＦ期間から次のＯＦＦ期間までの周期がより不規則となるため、音響効果の発生をさらに抑制することができる。

以上のような構成の点灯制御装置によれば、電流波形を制御してＯＦＦ期間を不規則に挿入することにより、音響効果の発生を抑制することができ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、音響効果を抑制した光源装置を提供することができる。

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、音響効果の抑制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。

［画像表示装置］
図５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）、Ｔ０…分割期間、Ｔｘ…ＯＦＦ期間（停止期間）

Claims (7)

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、前記インバーター部に、前記ランプの駆動期間において、前記ランプの点灯を維持する範囲内で不規則に、前記交流電流の半周期期間毎の停止期間を複数設け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. 前記駆動期間の中に複数の分割期間が連続して含まれ、
   前記制御部は、前記分割期間において複数の前記停止期間を設ける前記インバーター部の駆動信号を供給することを特徴とする請求項１に記載の点灯制御装置。
3. 前記分割期間の周期が、人間の可聴帯域に含まれる周波数の周期よりも短いことを特徴とする請求項２に記載の点灯制御装置。
4. 前記交流電流の周波数が、１０ｋＨｚ以上３０ＭＨｚ以下の範囲であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の点灯制御装置。
5. ランプと、請求項１から４のいずれか１項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。
6. 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５に記載の光源装置。
7. 請求項５または６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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