JP2015079036A - 画像投射装置および画像投射装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光源の各部の温度が定格温度範囲から外れたままの状態となることを抑制して、光源の寿命低下を抑制する。【解決手段】光源（高圧水銀ランプ４ｂ）からの照射光を用いて、表示素子上に表示された画像を、投射光学系を介して投射する画像投射装置において、光源を冷却する冷却ファン１６と、所定条件下で冷却ファン１６の回転数を一定値とする制御から周期的に変化する回転制御パターンでの制御に変化させる冷却ファン回転数算出部２６、冷却ファン制御部２７と、を備える。【選択図】図５

Description

本発明は、画像投射装置および画像投射装置の制御方法に関する。さらに詳述すると、画像投射装置の光源を冷却する冷却ファンの制御に関する。

画像投射装置として広く知られたプロジェクタは、近来、液晶パネルの高解像化、光源ランプの高効率化に伴う明るさの改善、低価格化などが進んでいる。また、ＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）を利用した小型軽量な画像投射装置が普及し、オフィスや学校のみならず家庭においても広くこれら画像投射装置が利用されるようになってきている。特に、フロントタイプのプロジェクタは携帯性が向上し、数人規模の小会議にも使われるようになってきている。

このような画像投射装置の光源としては、種々のランプが用いられているが、高圧水銀ランプなどのアーク放電を利用したランプ（アークランプ）が広く用いられている。光源として、高圧水銀ランプを使用する場合、ランプの各部の温度が定格温度範囲内となるように冷却をコントロールする必要があり、ランプの一部の温度が、部位ごとに決められた定格温度範囲より高くても低くても、ランプの寿命低下に繋がってしまう。そのためランプの各部の温度が定格温度範囲内となるように、画像投射装置の設置条件等に基づいて、ランプを冷却する冷却ファンの回転数が制御される。

例えば、特許文献１には、光源としてのランプを含む冷却対象物と、冷却対象物を冷却する冷却ファンと、を備え、冷却対象物の温度定格を必要最小限で満たすような第１の冷却ファン回転数を設定するとともに、第１の冷却ファン回転数よりも速い回転数の第２の冷却ファン回転数を設定するスイッチを設け、プロジェクタの設置状態を検出する検出手段を設け、検出手段の出力によってスイッチを切り換えてプロジェクタの設置状態に対応した冷却ファンの回転数制御を行うプロジェクタが開示されている。

ところで、高圧水銀ランプなどのアークランプは、管球部の鉛直方向上側が鉛直方向下側よりも高温となるという性質を有しているため、画像投射装置を机や床などに置く時（据え置き状態）と、逆さにして天井に吊るして設置する時（天吊り状態）とでは、管球部の高温となる側の位置が異なることとなる。

このため、据え置き状態と天吊り状態のいずれの場合にも、適切にランプを冷却するために、画像投射装置では、ランプ側面の一方向側から冷却ファンにより送風して、ランプの冷却を行なう構造のものが多い。

このようなランプ側面の一方向側から送風する冷却ファンは、据え置き状態や天吊り状態において、ランプ側面から冷却することで、管球部の上部および下部をバランスよく冷却可能なように設けられている。

しかしながら、画像投射装置の設置角度が基準面に対して大きく傾けて使用されると、冷却ファンからの風が所望の気流とならず、管球部の上部および下部にバランスよくあたらなくなってしまう。例えば、後述する図１から図４に示す構成の画像投射装置では、投射レンズを真上側に大きく傾けた状態で使用すると、管球部の下部側が重点的に冷却され過冷却となり、逆に、管球部の上部側では、冷却が不十分となり過昇温となり、各部について設定された定格温度範囲から外れてしまうこととなる。また、逆に、投射レンズを真下側に大きく傾けて使用すると、管球部の上部側が過冷却、管球部の下部側が過昇温となり、設定された定格温度範囲から外れてしまうこととなる。

このように、管球部の一部が設定された定格温度範囲外で継続して使用されると、ランプの寿命低下に繋がってしまう。上記特許文献１の技術では、画像投射装置の設置状態に対応して冷却ファン回転数を変更して、ランプの高寿命化を図っているが、画像投射装置が大きく傾いた場合などにおける管球部の一部の温度が定格温度を外れることに対応することはできていない。

そこで本発明は、光源の各部の温度が定格温度範囲から外れたままの状態となることを抑制して、光源の寿命低下を抑制することができる画像投射装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するため、本発明に係る画像投射装置は、光源からの照射光を用いて、表示素子上に表示された画像を、投射光学系を介して投射する画像投射装置において、前記光源を冷却する冷却ファンと、所定条件下で前記冷却ファンの回転数を一定値とする制御から周期的に変化する回転制御パターンでの制御に変化させる冷却制御手段と、を備えるものである。

本発明によれば、画像投射装置が真上や真下など通常使用時と比較して大きく傾けて投射された場合などにおいても、光源の各部の温度が定格温度範囲から外れたままの状態となることを抑制して、光源の寿命低下を抑制することができる。

本発明に係る画像投射装置の一実施形態を示す外観斜視図である。 画像投射装置の側面図であって、被照射面への投射状態を示した図である。 （Ａ）画像投射装置の外装カバーを外した状態を示す斜視図、（Ｂ）（Ａ）の丸囲み部分の拡大構成図である。 照明ユニット、投射ユニット、および光源ユニットの断面図である。 画像投射装置の要部構成を示す機能ブロック図である。 画像投射装置が実行する処理の一例を示すフローチャートである。 冷却ファンの回転制御パターンの一例と当該回転制御パターンが適用された場合の管球部上部、管球部下部の温度変化を説明するグラフである。

以下、本発明に係る構成を図１から図７に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。

本実施形態に係る画像投射装置は、光源（高圧水銀ランプ４ｂ）からの照射光を用いて、表示素子（ＤＭＤ素子１０ａ）上に表示された画像を、投射光学系（投射ユニット３ｂｋ）を介して投射する画像投射装置（画像投射装置１）において、光源を冷却する冷却ファン（冷却ファン１６）と、所定条件下で冷却ファンの回転数を一定値とする制御から周期的に変化する回転制御パターンでの制御に変化させる冷却制御手段（冷却ファン回転数算出部２６、冷却ファン制御部２７）と、を備えるものである。なお、括弧内は実施形態での符号、適用例を示す。

（画像投射装置の構成）
図１は、画像投射装置の一実施形態を示す外観斜視図である。また、図２は、画像投射装置の側面図であって、被照射面であるスクリーンへの投射状態を示した図である。

画像投射装置１は、パーソナルコンピュータなどの情報処理装置やビデオカメラなどの撮像装置等から入力される映像データを基に映像を生成し、その映像をスクリーン１５に投影表示する装置（プロジェクタ）である。

画像投射装置１は、装置内部に光源としてのランプや多数の電子基板を備えており、起動時には、装置の内部温度が上昇する。このため、画像投射装置１には、内部の構成部品が耐熱温度を超えないように、吸気口１１および排気口１２が設けられており、強制気流による空冷方式が一般的に採用されている。

図３（Ａ）は、画像投射装置１の外装カバー２を外した状態を示す斜視図である。また、図３（Ｂ）は図３（Ａ）の丸囲み部分で示す光学エンジン３と光源ユニット４の拡大構成図である。図３に示すように、画像投射装置１は、光学エンジン３および光源ユニット４を備えている。また、図４は、光学エンジン３を構成する照射光学系を備えた照明ユニット３ａ、投射光学系を備えた投射ユニット３ｂ、および光源ユニット４の上面から見た断面図である。

図３に示すように、吸気口１１、排気口１２の内側には、それぞれ吸気ファン１３、排気ファン１４が設けられており、吸気ファン１３から吸入した外気を排気ファン１４から排出することで、装置内の強制気流による空冷がなされる。

画像投射装置１においては、光源ユニット４の光源からの光（白色光）が光学エンジン３の照明ユニット３ａに照射される。照明ユニット３ａ内では、照射された白色光をＲＧＢに分光して、照射光学系により画像表示素子ユニット１０へ導き、変調信号に応じて画像形成する画像表示素子ユニット１０とその画像を投射ユニット３ｂの投射光学系によりスクリーン１５へ拡大投射する構成となっている。

光源ユニット４の光源（ランプ）としては、種々のランプを用いることができるが、例えば、アークランプを用いることができる。また、例えば、高圧水銀ランプ４ｂを用いることが好ましい。また、光源ユニット４の側面の一方向側には光源冷却手段としての１つの冷却ファン１６が設けられている。

上述したように、高圧水銀ランプ４ｂは、管球部の鉛直方向上側が管球部の鉛直方向下側よりも高温となる性質を有しており、高圧水銀ランプ４ｂの管球部上部の定格温度範囲（例えば、９００°±１０°）は、管球部下部の定格温度範囲（例えば、８００°±１０°）よりも高く設定されている。冷却ファン１６は、管球部上部、下部などの光源ユニット４の各部が設定された定格温度範囲内の温度となるように、その回転数が制御される。また、光源ユニット４からの光の出射方向と投射ユニット３ｂからの映像光の出射方向は、図４に示すように、略９０°の関係となっている。

また、光学エンジン３の照明ユニット３ａは、光源から照射された光を分光するカラーホイール５と、カラーホイール５から出射した光を照射光学系に導くライトトンネル６と、照射光学系としてのリレーレンズ７、平面ミラー８および凹面ミラー９と、を備えている。また、照明ユニット３ａ内には、画像表示素子ユニット１０が設けられる。

照明ユニット３ａでは、先ず、光源からの白色光が、円盤状のカラーホイール５で単位時間毎にＲＧＢの各色が繰り返す光に変換され出射される。次いで、板ガラスを張り合わせて筒状に構成されたライトトンネル６に、カラーホイール５から出射された光が導かれ伝送される。

次いで、ライトトンネル６から出射された光は、２枚のレンズを組み合わせてなるリレーレンズ７により、光の軸上色収差を補正しつつ集光される。また、リレーレンズ７から出射される光は、平面ミラー８および凹面ミラー９によって反射されて、複数のマイクロミラーからなる略矩形のミラー面を有し、映像データに基づいて各マイクロミラーが時分割駆動されることにより、所定の映像を形成するように投射光を加工して反射する画像表示素子としてのＤＭＤ素子１０ａを備えた画像表示素子ユニット１０に集光される。

ＤＭＤ素子１０ａにより、時分割で映像データに基づいて、複数のマイクロミラーが使用する光は投射レンズへ反射され、捨てる光はＯＦＦ光板へ反射される。画像表示素子ユニット１０で使用する光は投射ユニット３ｂへ反射し、投射ユニット３ｂ内の複数の投射レンズを通り拡大された映像光はスクリーン１５上へ拡大投影される。

（画像投射装置の機能）
図５は、画像投射装置１の要部構成を示す機能ブロック図である。図５に示す機能ブロック図において、冷却ファン制御部２７および冷却ファン回転数算出部２６は、冷却制御手段として機能し、ランプ電力算出部２５、映像処理部２８およびデバイス駆動制御部２９は光源制御手段として機能する。

画像投射装置１の映像信号入力処理部２３には、にＨＤＭＩ１７（High Definition Multimedia Interface）（登録商標）などのデジタル信号やＶＧＡ１８やコンポーネント信号（Component Video Signal）１９等のアナログの信号入力がされる。

映像信号入力処理部２３では、入力信号に応じてＲＧＢやＹＰｂＰｒ信号等の映像を加工するための所定の処理を行う。例えば、デジタル信号の場合は入力信号のビット数に応じて映像処理部２８が規定するビットフォーマットに変換する処理等を行う。また、アナログ信号の場合はアナログ信号をデジタルサンプリングするＤＡＣ処理等を行う。映像信号入力処理部２３で処理されたＲＧＢあるいはＹＰｂＰｒのフォーマット信号は映像処理部２８に入力される。

映像処理部２８では、入力信号に応じたデジタル画像処理等を行われる。具体的には、コントラスト、明るさ、彩度、色相、ＲＧＢゲイン、シャープネス、拡大縮小等のスケーラー機能等入力信号や提供する機能、あるいは駆動系の特性に応じて適切な画像処理が実行される。映像処理部２８でのデジタル画像処理後の入力信号は、デバイス駆動制御部２９に渡される。なお、任意に指定された、あるいは登録されたレイアウトの画像信号の生成も可能である。

デバイス駆動制御部２９では、入力信号に応じて白色光に色をつけるカラーホイール５、光の出捨を選択する画像表示素子ユニット１０のＤＭＤ素子１０ａ、光源としての高圧水銀ランプ４ｂの駆動電流をコントロールするランプ電源４ａ（Lamp Ballast）の駆動条件を決定し、カラーホイール５、ＤＭＤ素子１０ａ、ランプ電源４ａに駆動の指示を出す。

一方、センサ入力処理部２４では、画像投射装置１に設けられた外部センサの入力を処理する。本実施形態では、外部センサとして画像投射装置１が設置された環境の気温、湿度等を検出する外気検出手段としての外気センサ２０、画像投射装置１の基準面に対する設置角度（傾き）を検出する傾き検出手段としての傾きセンサ２１、画像投射装置１の設置された環境の明るさを検出する外光検出手段としての外光センサ２２を備えている。

そして、ランプ電力算出部２５では、センサ入力処理部２４および映像信号入力処理部２３からの情報に基づいて、高圧水銀ランプ４ｂの適切な点灯電力（駆動電力ともいう）を算出するとともに、算出された点灯電力を映像処理部２８での処理に反映させる。

冷却ファン回転数算出部２６では、ランプ電力算出部２５およびセンサ入力処理部２４からの情報に基づいて、冷却ファン１６の適切な回転数を算出し、冷却ファン制御部２７により冷却ファン１６がその回転数になるように制御を行う。

（冷却ファン制御）
図６は、本実施形態に係る画像投射装置が実行する処理の一例を示すフローチャートである。

画像投射装置１が起動されると、先ず、傾きセンサ２１により当該画像投射装置１の傾きが検出され、センサ入力処理部２４に入力される（Ｓ１０１）。なお、ここでいう画像投射装置１の傾きとは、図２に示す画像投射装置１の前面側（投射レンズ側）と背面側の傾きをいう。

この検出結果に基づいて、傾きセンサ２１で検出される傾き（角度）が予め設定した閾値である所定値以上の値である場合（Ｓ１０２：Ｙｅｓ）は、冷却ファン１６の回転数を一定とする制御ではなく、以下に説明するように、冷却ファン１６の回転数が周期的に変化する回転制御パターンが適用される。

なお、傾きが小さい（閾値未満）の場合（Ｓ１０２：Ｎｏ）は、冷却ファン１６の回転数は周期変化させない所定の一定値に制御されるものであればよい。なお、この一定値は外気温やランプの点灯電力等に基づいて決定される値である。

また、映像信号入力処理部２３に入力された映像信号と、外光センサ２２が検出してセンサ入力処理部２４に入力された明るさに基づいて、ランプ電力算出部２５により高圧水銀ランプ４ｂの点灯電力が算出される（Ｓ１０３）。

また、外気センサ２０により検出された外気温がセンサ入力処理部２４に入力される（Ｓ１０４）。

そして、冷却ファン回転数算出部２６は、上記の、傾きの大きさ、ランプの点灯電力の大きさ、外気温の高低の３つの値に基づいて、冷却ファン１６の回転制御パターンとして所定パターンを選択または算出する（Ｓ１０５）。なお、周期、最大値、最小値、平均値などで決定される回転制御パターンのパターンは、傾きの大きさ、ランプの点灯電力の大きさ、外気温の高低に応じて、予め用意されたパターンテーブルから選択されるものであっても、その都度、演算により求められるものであっても良い。

そして、冷却ファン制御部２７は、設定された回転制御パターンに基づいて、冷却ファン１６の回転数を制御するものである（Ｓ１０６）。なお、上記の処理は、所定間隔で断続的に実行されて、画像投射装置１の傾き等に変化が生じた場合は、その都度、冷却ファン１６の回転制御パターンが変更され、当該回転制御パターンに基づいて動作するよう冷却ファン１６は制御される。

図７に、冷却ファン１６の回転制御パターンの一例と当該回転制御パターンが適用された場合の管球部上部、管球部下部の温度変化を説明するグラフを示す。図７に示すグラフは、横軸が経過時間［ｓｅｃ］、縦軸は、ファン回転数Ｆについてはファン回転数［ｒｐｍ］、管球部上部温度Ｌ１，管球部下部温度Ｌ２については温度［℃］を示している。また、破線で示す範囲Ｒ１は管球部上部の定格温度範囲、Ｒ２は管球部下部の定格温度範囲を示している。

ここで、通常時のように、ファン回転数Ｆを所定の一定値に制御した場合を考える。すなわち、ファン回転数Ｆを一定値で制御する場合、通常の使用形態（傾きがない、傾きが少ない）において、管球部上部温度Ｌ１および管球部下部温度Ｌ２が定格温度範囲Ｒ１，Ｒ２に収まるようなファン回転数Ｆで制御される。しかしながら、画像投射装置１の傾きが大きくなると、傾きの方向に応じて一方の温度が過冷却により低下、他方の温度が過昇温となり、ファン回転数Ｆをどのような一定値に設定しても、少なくとも管球部上部温度Ｌ１、管球部下部温度Ｌ２のいずれかが定格温度範囲Ｒ１，Ｒ２を外れた状態が継続してしまうこととなる。このような定格温度範囲Ｒ１，Ｒ２を外れた状態が継続すると、ランプの寿命が著しく低下してしまう。

これに対し、本実施形態において適用される冷却ファン１６の回転制御パターンは、冷却ファン１６のファン回転数Ｆが周期的に変化するパターンを有している。また、この回転制御パターンは、管球部上部温度Ｌ１および管球部下部温度Ｌ２を、それぞれについて設定された定格温度範囲Ｒ１，Ｒ２に周期的に入ったり外れたりさせるような回転数の範囲で設定されるものである。

具体的には、図７に示すように、例えば、経過時間ｔ１でのファン回転数Ｆａでは、管球部下部温度Ｌ２ａは定格温度範囲Ｒ２を超えているが、管球部上部温度Ｌ１ａは定格温度範囲Ｒ１内に収まっている。一方、経過時間ｔ２でのファン回転数Ｆｂでは、管球部上部温度Ｌ１ｂは定格温度範囲Ｒ１を下回っているが、管球部下部温度Ｌ２ｂは定格温度範囲Ｒ２内に収まっている。

このように、経過時間によって冷却ファン１６の回転数を増減させるようにすることで、管球部上部温度Ｌ１および管球部下部温度Ｌ２ともに、回転制御パターンの周期の一部の時間では、定格温度範囲Ｒ１，Ｒ２内に入れることが可能である。

したがって、ランプの管球部の一部が継続して定格温度範囲を外れた状態となることを防止することができる。よって、ファン回転数を一定値に制御し、ランプの管球部の一部が継続して定格温度範囲を外れた状態となる場合に比べて、ランプ寿命の低下を抑制することができる。

以下に冷却ファン１６の回転制御パターンの他の例について説明する。

傾きセンサ２１で検出される画像投射装置１の傾きが大きいほど、冷却ファン１６からの風が所望の気流とならず、管球部上部と管球部下部との温度差が生じやすいため、冷却ファン制御部２７は、ファン回転数の変化の周期における回転数の最大値と最小値との差が大きくなるような回転制御パターンでの制御をすることが好ましい。

また、回転制御パターンのファン回転数の最大値と最小値の平均値、または単位時間当たりの平均値などを、基準値とすると、回転制御パターンの基準値は、外気センサ２０により検出された外気温が高いほど高く、外気温が低いほど低く制御される。

また、上述のように高圧水銀ランプ４ｂの駆動電力は、入力された映像信号と、外光センサ２２による設置環境の明るさに基づいて決定されるが、冷却ファン１６の基準値は、高圧水銀ランプ４ｂの駆動電力が大きいほど高く、駆動電力が小さい低く制御される。

また、高圧水銀ランプ４ｂの駆動電力についても、冷却ファンの１６の回転制御パターンの変化に応じて、周期的に変化する制御パターンを用いて制御することも好ましい。このように、高圧水銀ランプ４ｂの駆動電力を冷却ファン１６の回転制御パターンと連動して周期的に変化させる制御とすることで、冷却ファン１６の回転制御パターンにおける制御量（回転数の最大値と最小値の差）を少なくすることが可能となる。

尚、上述の実施形態は本発明の好適な実施の例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。

１ 画像投射装置
２ 外装カバー
３ 光学エンジン
３ａ 照明ユニット
３ｂ 投射ユニット
４ 光源ユニット
４ａ ランプ電源
４ｂ 高圧水銀ランプ
５ カラーホイール
６ ライトトンネル
７ リレーレンズ
８ 平面ミラー
９ 凹面ミラー
１０ 画像表示素子ユニット
１０ａ ＤＭＤ素子
１１ 吸気口
１２ 排気口
１３ 吸気ファン
１４ 排気ファン
１５ スクリーン
１６ 冷却ファン
１７ ＨＤＭＩ
１８ ＶＧＡ
１９ コンポーネント信号
２０ 外気センサ
２１ 傾きセンサ
２２ 外光センサ
２３ 映像信号入力処理部
２４ センサ入力処理部
２５ ランプ電力算出部
２６ 冷却ファン回転数算出部
２７ 冷却ファン制御部
２８ 映像処理部
２９ デバイス駆動制御部

特開２００３−９１０４７号公報

Claims (10)

1. 光源からの照射光を用いて、表示素子上に表示された画像を、投射光学系を介して投射する画像投射装置において、
   前記光源を冷却する冷却ファンと、
   所定条件下で前記冷却ファンの回転数を一定値とする制御から周期的に変化する回転制御パターンでの制御に変化させる冷却制御手段と、を備えることを特徴とする画像投射装置。
2. 画像投射装置の傾きを検出する傾き検出手段を備え、
   前記冷却制御手段は、前記傾き検出手段により検出された傾きが所定値以上の場合に、前記冷却ファンの回転数を一定値とする制御から周期的に変化する回転制御パターンでの制御に変化させることを特徴とする請求項１に記載の画像投射装置。
3. 画像投射装置が傾きのない状態で設置された際の前記光源の管球部の鉛直方向上側を管球部上部、鉛直方向下側を管球部下部として、
   前記回転制御パターンの周期的な変化は、前記管球部上部および前記管球部下部の温度を、それぞれについて設定された定格温度の範囲に周期的に入れたり外れさせたりするものであることを特徴とする請求項１または２に記載の画像投射装置。
4. 前記冷却制御手段は、
   前記傾き検出手段が検出する画像投射装置の傾きが大きいほど、
   前記冷却ファンの回転数の差が大きく変化する回転制御パターンでの制御に変化させることを特徴とする請求項２に記載の画像投射装置。
5. 画像投射装置の外気温を検出する外気検出手段を備え、
   前記冷却制御手段は、前記外気検出手段で検出される外気温が高いほど、基準値が大きい回転制御パターンでの制御に変化させることを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載の画像投射装置。
6. 画像投射装置が設置された環境の明るさを検出する外光検出手段と、
   前記光源の駆動電力を制御する光源制御手段と、を備え、
   該光源制御手段は、入力された映像信号と、前記外光検出手段による検出結果に基づいて、前記光源の駆動電力を制御することを特徴とする請求項１から５までのいずれかに記載の画像投射装置。
7. 前記冷却制御手段は、前記光源制御手段で制御される前記光源の駆動電力が大きいほど、基準値が大きい回転制御パターンでの制御に変化させることを特徴とする請求項６に記載の画像投射装置。
8. 前記光源制御手段は、前記冷却制御手段による前記冷却ファンの回転制御パターンの変化に応じて、前記光源の駆動電力を周期的に変化させることを特徴とする請求項６に記載の画像投射装置。
9. 前記光源は、高圧水銀ランプであることを特徴とする請求項１から８までのいずれかに記載の画像投射装置。
10. 光源からの照射光を用いて、表示素子上に表示された画像を、投射光学系を介して投射する画像投射装置の制御方法であって、
    前記光源を冷却する冷却ファンの回転数を、所定条件下で一定値とする制御から周期的に変化する回転制御パターンでの制御に変化させるようにしたことを特徴とする画像投射装置の制御方法。