JP4692675B2

JP4692675B2 - 放電灯点灯装置及びプロジェクタ

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Publication number: JP4692675B2
Application number: JP2009295053A
Authority: JP
Inventors: 武士竹澤
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2009-12-25
Filing date: 2009-12-25
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2026-03-28
Also published as: JP2010092883A

Description

本発明は、放電灯点灯装置及びそれを内蔵したプロジェクタに関し、特に、ランプ始動時の駆動電流の制御に関する。

従来の放電灯点灯装置は、例えば、「ランプ電圧が低い点灯初期にはスイッチングによって放電ランプへの供給電流を制御する定電流制御を行い、ランプ電圧が安定した安定期には、スイッチングによって放電ランプへの供給電力を制御する定電力制御を行う放電ランプ点灯装置において、スイッチング素子の導通期間と非導通期間の比が前記スイッチング素子のスイッチング周波数を変換することによって制御されるとともに、更には、異常状態においては、スイッチング周波数が予め設定された下限値になり、かつスイッチング素子の導通期間を短縮する・・・」というものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第２９４２１１３号公報（請求項１）

従来の放電灯点灯装置は、高圧放電灯（以下、ランプとも言う）始動後、ランプ電圧が上昇し、ランプ電力が定格電力に達するまで一定の駆動電流を供給し、定格電力に達した後、ランプ電力が一定となるよう定電力制御を行っている。ランプ電圧は発光管内の圧力に依存し、発光管内の圧力は、ランプ発光による温度上昇及び、温度上昇に伴う水銀の蒸発による分子数の増加により上昇する。さらに、副鏡付きランプの場合、副鏡により自身が発光した戻り光により更に温度が上昇し発光管内の圧力が急激に上昇する。しかしながら、一定の駆動電流を供給しているため、ランプ電圧の急激な上昇に伴い、ランプ電力も急激に上昇する。ランプ電力の急激な上昇は、発光管内の電極先端に加わる電子の衝突負荷を急激に増加させ、その結果、電極先端が溶けるという問題点があった。また、電極先端が溶けることによって、放電アークが大きくなり照度劣化が発生するという問題点があった。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、ランプ始動時の駆動電流を制御することにより、ランプ電力の急激な上昇を抑制し、電極先端の溶解及び照度劣化を軽減させることを可能にした放電灯点灯装置及びそれを内蔵したプロジェクタを提供することを目的とする。

本発明に係る放電灯点灯装置は、直流電圧を入力し、高圧放電灯に所定の電力を供給するための電流制御を行う直流電源回路と、該直流電圧電源回路の出力電流を所定の周波数の交流電流に変換し、高圧放電灯に駆動電流を供給するインバータと、前記インバータの出力側に接続され、始動時に高電圧を生成して前記高圧放電灯を始動させるイグナイタと、前記高圧放電灯のランプ電圧に相当する電圧を検出する電圧検出回路と、前記高圧放電灯の駆動電流に相当する電流を検出する電流検出回路と、前記直流電圧電源回路、前記インバータ及び前記イグナイタを制御する制御手段とを備え、前記直流電源回路は、副鏡付き高圧放電灯に駆動電流を供給し、前記制御手段は、前記イグナイタにより前記高圧放電灯を始動させた後、前記電圧検出回路により検出されたランプ電圧に相当する電圧と、前記電流検出回路により検出された駆動電流とから前記高圧放電灯に供給される電力を求め、前記電力が所定の電力値となるまでの間、前記高圧放電灯を始動させた後前記ランプ電圧が急激に上昇したとき前記電力を求め、前記電力の急激な上昇を抑制させるように、前記直流電源回路が供給する駆動電流を時間の経過と共に降下させる。このため、ランプ始動時のランプ電圧の急激な上昇に伴うランプ電力の急激な上昇を抑制することができ、ランプ電極先端の溶解及び照度劣化を軽減させることができる。

本発明に係る放電灯点灯装置において、前記制御手段は、前記高圧放電灯に供給される電力が所定の電力値となったとき、該電力を前記所定の電力値に維持するように、前記直流電源回路に前記駆動電流を制御させる。本発明においては、高圧放電灯に供給される電力が所定の電力値となったとき、電力を所定の電力値に維持するように、直流電源回路に駆動電流を制御しており、このため、前記高圧放電灯に供給される電力が所定の電力値まで上昇したあとは、高圧放電灯に供給される電力を前記所定の電力値に維持することができる。

本発明に係るプロジェクタは、高圧放電灯又は副鏡付き高圧放電灯と、上記放電灯点灯装置と、空間光変調器と、前記高圧放電灯からの光を前記空間光変調器に導く光学手段と、前記空間光変調器に描画された画像をスクリーンに投射する投射手段とを備えるものである。本発明においては、放電灯点灯装置が、高圧放電灯に供給される電力の増加率を所定の値以下となるように駆動電流を制御しており、このため、高圧放電灯の電極先端が溶けることによって、放電アークが大きくなり照度劣化の発生を軽減することができる。

本発明の実施の形態１に係る放電灯点灯装置の構成図である。副鏡付きランプの副鏡による戻り光を示す図である。副鏡付きランプのランプ電圧とランプ電流を示す図である。副鏡付きランプのランプ電力を示す図である。本発明の実施の形態１に係るランプ電圧とランプ電流を示す図である。本発明の実施の形態１に係るランプ電力を示す図である。本発明の実施の形態２に係るプロジェクタの光学系構成図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る放電灯点灯装置の構成を示すブロック図である。図１の放電灯点灯装置は、ダウンチョッパー１１、インバータ１２、イグナイタ１３、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４及び制御手段である制御回路１５から構成されており、イグナイタ１３の出力端にはランプ２０が接続されている。ダウンチョッパー１１は、本発明の直流電源回路に相当し、高圧放電灯であるランプ２０に電力を供給するために入力した直流電圧を調整するものであり、この例では入力電圧をチョッパー処理により降下させ、ランプ２０に電力を供給するため後述する動作により電流制御を行う。このダウンチョッパー１１の出力電流はインバータ１２に出力する。なお、ダウンチョッパー１１の出力端には並列に抵抗Ｒ１，Ｒ２が接続されており、抵抗Ｒ１とＲ２との接続点の電位がダウンチョッパー１１の出力電圧として制御回路１５に供給される。また、ダウンチョッパー１１の負電位側には、電流検出回路である抵抗Ｒ３が直列に接続されており、抵抗Ｒ３に流れる電流が駆動電流（以下、ランプ電流とも言う）として検出されて制御回路１５に供給される。

インバータ１２は、例えばフルブリッジ接続された４個のスイッチング素子から構成され、交互にスイッチングすることにより、入力した直流電圧を交流電圧に変換してイグナイタ１３に出力する。イグナイタ１３は、例えばイグナイタトランス及びその駆動回路から構成されており、ランプ始動時時に高電圧を発生してランプ２０に印加する。さらに、イグナイタ１３の出力端には並列に抵抗Ｒ４，Ｒ５が接続されており、抵抗Ｒ４とＲ５との接続点の電位をランプ２０のランプ電圧として検出する電圧検出回路を構成し、検出されたランプ電圧は制御回路１５に供給される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は制御回路１５の駆動電圧を生成するものであり、入力電圧を降下させて制御回路１５に供給する。制御回路１５は、例えばマイクロプロセッサ等から構成され、ダウンチョッパー１１、インバータ１２及びイグナイタ１３をそれぞれ制御する。制御回路１５は、検出されたランプ電圧とランプ電流とからランプ２０に供給されるランプ電力を求め、後述の動作により、ダウンチョッパー１１の出力電流を制御する。また、制御回路１５は、インバータ１２の出力周波数を適宜制御するとともに、イグナイタ１３を始動時に制御して高電圧を発生させる。尚、制御回路１５には、外部から制御信号を取り込むための外部制御ＩＦ１５ａ及び周波数を調整する可変抵抗ＶＲがそれぞれ接続されている。ランプ２０は、例えば反射型の光源装置であり、発光管２１が反射鏡２２の中央部に耐熱セメントを介して固着されている。

次に、図１の放電灯点灯装置の動作を説明する。ダウンチョッパー１１は入力した直流電圧をチョッパー処理により降下させ、その出力電流はインバータ１２に出力される。インバータ１２は、入力した直流電流を所定の周波数の交流電流に変換してイグナイタ１３に出力する。イグナイタ１３はランプ始動時に高電圧を発生してランプ２０に印加し、ランプ２０が点灯すると、インバータ１２の出力電圧がそのままランプ２０に印加されて点灯状態を継続する。このとき、制御回路１５は、後述する動作により、ランプ２０のランプ電圧及びランプ電流を取り込んでランプ２０の電力が急激に上昇しないようにダウンチョッパー１１を制御している。次に、ランプ始動時におけるランプ電力の急激な上昇とランプ電圧との関係について説明する。

まず、ランプ始動時のランプ電圧とランプ圧力との関係について説明する。ランプ圧力Ｐは、状態方程式ＰＶ＝ｎＲＴで表されるように発光管内部の温度Ｔと分子数ｎに比例する。尚、Ｖは発光管内部の体積、Ｒは気体定数である。発光管内部の温度Ｔは発光により上昇する。また、温度上昇により発光管内の水銀が蒸発し分子数ｎが増加する。副鏡付きランプの場合、自身の発光が反射した戻り光による温度上昇が加わり、さらに温度Ｔが上昇する。この結果、ランプ圧力Ｐは急激に上昇する。ランプ電圧はランプ圧力に依存しており、ランプ圧力の上昇に伴いランプ電圧も急激に上昇する。このような副鏡付きランプのランプ電圧の急激な上昇とランプ電力について次に説明する。

図２は副鏡付きランプの副鏡による戻り光を示す図である。図２において、ランプ２０は、例えば高圧水銀ランプであり、発光管２１の内部には、水銀、希ガス及び少量のハロゲン等が封入され、電極２４が封入されている。副鏡２３は、電極２４から射出した光を反射し発光管２１の内部を通過して反射鏡２２（図２において図示せず）に光を戻す作用をなすものである。尚、発光管２１は高圧水銀ランプに限られるものではなく、他のランプ、例えばメタルハライドランプやキセノンランプ等でもよい。図２に示すように、ランプ２０は、電極２４間の放電により発光した光が副鏡により反射され、反射された戻り光が発光管２１内を通過する。このとき発光管２１内はこの戻り光により熱が発生するため、発光管２１内の温度が更に上昇する。

図３は副鏡付きランプのランプ電圧とランプ電流を示す図、図４は副鏡付きランプのランプ電力を示す図である。図３において、ランプ始動後、ランプ電圧は上述したランプ圧力の上昇に伴い上昇して定格電圧で安定する。副鏡付きランプのランプ電圧は、副鏡の無いランプに対して急激に上昇している。ここで、従来の放電灯点灯装置は、ランプ始動後のランプ電流は、ランプ電力が定格電力（例えば、１３５Ｗ）に達するまで一定の駆動電流を供給し、定格電力に達した後、ランプ電力が一定となるよう電流を定電力制御を行っている。従って、ランプ電圧とランプ電流により定まるランプ電力は図４に示すように定格電力に達するまで、ランプ電圧の急激な上昇に伴いランプ電力も急激に上昇する。このようなランプ電力の急激な上昇は、発光管内の電極先端に加わる電子の衝突負荷を急激に増加させ、その結果、電極先端が溶け、電極先端が溶けることによって、放電アークが大きくなり照度劣化の原因となる。

上記のようなランプ電力の急激な上昇による電極先端の溶解及び照度劣化を軽減させるためには、ランプ電力の急激な上昇を抑制するようにランプ電流を制御することが必要である。このような、ランプ電流の制御動作の詳細について図５及び図６により次に説明する。

図５は本発明の実施の形態１に係るランプ電圧とランプ電流を示す図、図６は本発明の実施の形態１に係るランプ電力を示す図である。制御回路１５は、イグナイタ１３によりランプ２０を始動させた後、電圧検出回路及び電流検出回路により検出されたランプ電圧とランプ電流とを乗積してランプ電力を算出し、ランプ電力が所定の電力値（定格電力値、例えば、１３５Ｗ）未満のとき、ランプ電圧の増加率である単位時間当たりの電圧の増加値を求め、ランプ電力の増加率である単位時間当たりの電力の増加値が所定の値以下となるランプ電流値を求める。制御回路１５は、求めた電流値のランプ電流をランプ２０に供給するようダウンチョッパー１１に電流制御させる。ランプ電圧の上昇により、ランプ電力が所定の電力値となったとき、制御回路１５は、ランプ２０に供給される電力が一定になるように、ダウンチョッパー１１にランプ電流を制御させる。このようにダウンチョッパー１１にランプ電流を制御させることにより、図６に示すように、ランプ始動後一定の電流を供給する定電流制御を行う従来の放電灯点灯装置におけるランプ電力の上昇に対して、本発明による放電灯点灯装置のランプ電力は、ランプ電力の増加率を所定の値以下とする電流制御を行っているため、ランプ電力の急激な上昇を抑制している。

以上のように本実施の形態１においては、ランプ２０の始動後、ランプ発光による温度上昇並びに副鏡による戻り光による温度上昇に伴いランプ圧力が急激に上昇し、ランプ圧力上昇に伴うランプ電圧が急激に上昇したとき、制御回路１５は、ランプ２０に供給される電力を求め、ランプ電力が急激に上昇しないようダウンチョッパー１１にランプ電流を制御させることにより、ランプ電力の急激な上昇を抑制し、ランプ電力の急激な上昇によるランプ２０の電極の先端に加わる電子の衝突による負荷を軽減し、ランプ電極の溶解を軽減できる。また、電極先端が溶けることによって、放電アークが大きくなり照度劣化の発生を軽減させることができる。

尚、上記説明では、ランプ電力の増加率が所定の値以下とする場合を説明したが、本発明はこれに限らず、ランプ電圧上昇に伴いランプ電力の急激な上昇を抑制させる制御であれば良く、例えば、ランプ電力の増加率が所定の一定値とするランプ電流制御でも良い。

また、例えば、制御回路１５は、イグナイタ１３によりランプ２０を始動させた後、ランプ電力が所定の電力値未満のとき、ダウンチョッパー１１が供給するランプ電流を時間の経過と共に降下させるように制御させても良い。

更に、例えば、ランプ電圧の電圧値と増加率とに応じたランプ電流のテーブルを予め作成し、テーブルを参照することによりランプ電流を制御しても良く、また、ランプ電流を離散的に変化させても良い。

また、本実施形態では、副鏡付きランプに駆動電流を供給する場合を説明したが、本発明はこれに限らず、副鏡の付いていないランプを用いても良い。

実施の形態２．
図７は本発明の実施の形態２に係るプロジェクタの光学系構成図である。本実施の形態におけるプロジェクタは、上記の実施の形態１の放電灯点灯装置を照明光学系に組み込んだものである。図７の放電灯点灯装置１０は、図１の放電灯点灯装置１０に相当するものである。

このプロジェクタは、照明光学系１００と、ダイクロイックミラー２１０，２１２と、反射ミラー２２０，２２２，２２４と、入射側レンズ２３０と、リレーレンズ２３２と、３枚のフィールドレンズ２４０，２４２，２４４と、空間光変調器である３枚の液晶パネル２５０，２５２，２５４と、各液晶パネルの出射側及び入射側にそれぞれ配置された偏光板２５１，２５３，２５５，２５６，２５７，２５８と、クロスダイクロイックプリズム２６０と、投射レンズ２７０を備えている。

照明光学系１００は、ほぼ平行な光線束を射出するランプ２０と、照明装置１２０と、反射ミラー１５０と、コンデンサレンズ１６０とを備えている。ランプ２０は、放射状の光線を射出する放射光源としての副鏡付き発光管２１と反射鏡２２から構成されている。ランプ２０から放射された光は照明装置１２０でその輝度が均一化された後、反射ミラー１５０を介してコンデンサレンズ１６０に入る。コンデンサレンズ１６０は、照明装置１２０から照射された均一光を液晶パネル２５０，２５２，２５４のパネル面へ入射させる。

さらに、２枚のダイクロイックミラー２１０，２１２は、照明光学系１００から射出された光を、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３つの色光に分離する色光分離光学系２１４を構成している。第１のダイクロイックミラー２１０は、照明光学系１００から射出された光の赤色光成分を透過させるとともに、青色光成分と緑色光成分とを反射する。
第１のダイクロイックミラー２１０を透過した赤色光は、反射ミラー２２０で反射され、フィールドレンズ２４０を通って赤光用の液晶パネル２５０に達する。このフィールドレンズ２４０は、通過した各部分光線束が、各部分光線束の主光線（中心軸）に平行な光束となるように集光する機能を有している。他の液晶パネルの前に設けられたフィールドレンズ２４２，２４４も同様に作用する。

第１のダイクロイックミラー２１０で反射された青色光と緑色光のうちで、緑色光は第２のダイクロイックミラー２１２によって反射され、フィールドレンズ２４２を通って緑光用の液晶パネル２５２に達する。一方、青色光は、第２のダイクロイックミラー２１２を透過し、入射側レンズ２３０と、リレーレンズ２３２および反射ミラー２２２，２２４を備えたリレーレンズ系を通過する。リレーレンズ系を通過した青色光は、さらにフィールドレンズ２４４を通って青色光用の液晶パネル２５４に達する。

３枚の液晶パネル２５０，２５２，２５４は、それぞれに入射する各色光を、与えられた画像信号に応じて画像を形成するための光に変換して射出する光変調装置としての機能を有する。なお、この液晶パネル２５０，２５２，２５４の光入射側には偏光板２５６，２５７，２５８が有り、また、液晶パネル２５０，２５２，２５４の光出射側には偏光板２５１，２５３，２５５がそれぞれ設けられていて、それらにより各色光の偏光方向が調整されている。そして、これらの液晶パネル２５０，２５２，２５４を通過した光は、続いてクロスダイクロイックプリズム２６０に入る。

クロスダイクロイックプリズム２６０は、３枚の液晶パネル２５０，２５２，２５４から射出された３色の色光を合成する色光合成光学系としての機能を有する。クロスダイクロイックプリズム２６０には、赤光を反射する誘電体多層膜と、青光を反射する誘電体多層膜とが、４つの直角プリズムの界面に略Ｘ字状に形成されている。これらの誘電体多層膜によって３つの色光が合成されて、カラー画像を投射するための合成光が形成される。クロスダイクロイックプリズム２６０で生成された合成光は、投射レンズ２７０に入り、そこから投射スクリーン３００上に投射される。これにより液晶パネル２５０，２５２，２５４で表示された画像が投射スクリーン３００上に投射される。

以上のように本実施の形態２においては、上記実施の形態１の放電灯点灯装置を備え、放電灯点灯装置により点灯されたランプ２０を照明光学系に適用することにより、ランプ２０始動時のランプ電力の急激な上昇を抑制でき、ランプ電極先端の溶解を軽減させ、ランプ照度の劣化を軽減させることができ、投射スクリーン３００上に投射される画像の明るさを維持することができる。

１０放電灯点灯装置、１１ダウンチョッパー、１２インバータ、１３イグナイタ、１４コンバータ、１５制御回路、１５ａＩＦ、２０ランプ、２１発光管、２２反射鏡、２３副鏡、２４電極、Ｒ１抵抗、Ｒ２抵抗、Ｒ３抵抗、Ｒ４抵抗、Ｒ５抵抗、１００照明光学系、１２０照明装置、１５０反射ミラー、１６０コンデンサレンズ、２１０ダイクロイックミラー、２１２ダイクロイックミラー、２１４色光分離光学系、２２０反射ミラー、２２２反射ミラー、２２４反射ミラー、２３０入射側レンズ、２３２リレーレンズ、２４０フィールドレンズ、２４２フィールドレンズ、２４４フィールドレンズ、２５０液晶パネル、２５１偏光板、２５３偏光板、２５５偏光板、２５６偏光板、２５７偏光板、２５８偏光板、２５２液晶パネル、２５４液晶パネル、２６０クロスダイクロイックプリズム、２７０投射レンズ、３００投射スクリーン。

Claims

直流電圧を入力し、高圧放電灯に所定の電力を供給するための電流制御を行う直流電源回路と、
該直流電圧電源回路の出力電流を所定の周波数の交流電流に変換し、高圧放電灯に駆動電流を供給するインバータと、
前記インバータの出力側に接続され、始動時に高電圧を生成して前記高圧放電灯を始動させるイグナイタと、
前記高圧放電灯のランプ電圧に相当する電圧を検出する電圧検出回路と、
前記高圧放電灯の駆動電流に相当する電流を検出する電流検出回路と、
前記直流電圧電源回路、前記インバータ及び前記イグナイタを制御する制御手段とを備え、
前記直流電源回路は、副鏡付き高圧放電灯に駆動電流を供給し、
前記制御手段は、前記イグナイタにより前記高圧放電灯を始動させた後、前記電圧検出回路により検出されたランプ電圧に相当する電圧と、前記電流検出回路により検出された駆動電流とから前記高圧放電灯に供給される電力を求め、
前記電力が所定の電力値となるまでの間、前記高圧放電灯を始動させた後前記ランプ電圧が急激に上昇したとき前記電力を求め、前記電力の急激な上昇を抑制させるように、前記直流電源回路が供給する駆動電流を時間の経過と共に降下させることを特徴とする放電灯点灯装置。
前記制御手段は、前記高圧放電灯に供給される電力が所定の電力値となったとき、
該電力を前記所定の電力値に維持するように、前記直流電源回路に前記駆動電流を制御させることを特徴とする請求項１記載の放電灯点灯装置。
副鏡付き高圧放電灯と、
請求項１または２記載の放電灯点灯装置と、
空間光変調器と、
前記高圧放電灯からの光を前記空間光変調器に導く光学手段と、
前記空間光変調器に描画された画像をスクリーンに投射する投射手段と
を備えることを特徴とするプロジェクタ。