JP5011969B2 - 放電灯点灯装置及びプロジェクタ - Google Patents

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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、放電灯始動時のイグニッションパルスに関する。
従来の放電灯点灯装置としては、例えば、「電源と、放電灯と、前記電源および放電灯の間に介設される安定器としての電力供給手段と、所定電圧発生用のエネルギー供給源手段、両端電圧が所定の応答電圧に達すると導通する2端子電圧応答型のスイッチング素子、このスイッチング素子が導通時に前記エネルギー供給源手段から前記所定電圧が印加される1次巻線を有するとともに、前記電力供給手段と前記放電灯との間に介設され、前記1次巻線に前記所定電圧が印加すると始動用で高圧の第1電圧を前記放電灯に印加する2次巻線を有するパルストランス、および前記スイッチング素子の両端への前記応答電圧以上の電圧印加用のトリガ電源手段により成るパルス発生手段とを備え、前記トリガ電源手段は前記放電灯の始動用で高圧の第2電圧を発生する放電灯点灯装置。」が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2000−277276号公報(請求項1)
一般に、放電灯(以下、放電ランプともいう)の点灯開始時は、グロー放電を開始する為のイグニッションパルス(電圧)を放電ランプ電極両端に対し印加する。このイグニッションパルスは、時間幅が短いパルス状の電圧であるためグロー放電に至らない場合は、複数回のイグニッションパルスを印加する。これを所定時間の間印加してもグロー放電が持続できないときが点灯失敗ということになる。
しかしながら、従来の放電灯点灯装置は、放電ランプの状態に応じてイグニッションパルスの電圧を制御し、放電ランプに与えるストレスを抑制するもの(特許文献1)が知られているが、放電ランプ点灯の始動性を向上させることはできず、点灯失敗による黒化等放電ランプへのダメージが大きくなる、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、放電ランプ点灯開始時の始動性を向上させることができる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、一対の電極の一方と通電し、他方の電極の近傍に配置されるトリガー線を有する放電ランプを点灯させる放電灯点灯装置であって、点灯開始時に、放電ランプの電極両端にそれぞれ極性の異なったイグニッションパルスを印加し、且つ、前記トリガー線と通電する電極に印加するイグニッションパルスのパルス幅を、他方の電極に印加するイグニッションパルスのパルス幅より幅広とするイグナイタ回路を備えたものである。
トリガー線を有する放電ランプは、トリガー線とトリガー線が近傍に配置された電極との間の付近には、電極間よりも電位傾度の大きな電界が発生して当該電極間周囲の自由電子が増加する。このようなことから、本発明においては、トリガー線を有する放電ランプのトリガー線と通電する電極に印加するイグニッションパルスのパルス幅を、他方の電極に印加するイグニッションパルスのパルス幅より幅広としており、このため、トリガー線とトリガー線が近傍に配置された電極との間により長い期間放電ランプ電極間に電位差を発生させることができ、放電ランプ電極間周囲の自由電子を増加させ電極間の絶縁破壊からグロー放電、アーク放電への移行がより成功しやすくなり、放電ランプ点灯開始時の始動性を向上させることができる。また、始動性の向上により点灯失敗による放電ランプへのダメージを低下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は、前記イグナイタ回路は、前記電極の何れか一方に印加するイグニッションパルスのパルス幅が、他方の電極に印加するイグニッションパルスのパルス幅の2倍又は4倍である。
本発明においては、前記電極の何れか一方に印加するイグニッションパルスのパルス幅を、他方の電極に印加するイグニッションパルスのパルス幅の2倍又は4倍としており、このため、より長い期間放電ランプ電極間に電位差を発生させることができ、放電ランプ電極間周囲の自由電子を増加させ電極間の絶縁破壊からグロー放電、アーク放電への移行がより成功しやすくなり、放電ランプ点灯開始時の始動性を向上させることができる。また、始動性の向上により点灯失敗による放電ランプへのダメージを低下させることができる。
本発明に係るプロジェクタは、放電ランプと、上記の放電灯点灯装置と、空間光変調器と、前記放電ランプ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、上記放電灯点灯装置を備えたことにより、放電ランプの始動性を向上させることができ、映写開始時の放電ランプの点灯不良の発生を低減させることができる。
実施の形態1.
図1は実施の形態1に係る放電灯点灯装置の構成図である。放電灯点灯装置は、ダウンチョッパー回路2、インバータブリッジ回路3、イグナイタ回路8及び制御部6から構成されており、イグナイタ回路8の出力端には高圧放電ランプ7が接続されている。
ダウンチョッパー回路2は、降圧型のチョッパー回路であり、インダクターLl、スイッチング素子S1及びダイオードDから構成されており、スイッチング素子S1がオン/オフによりデューティ比が制御されることで高圧放電ランプ7に供給される電流あるいは電力が制御される。
インバータブリッジ回路3は、フルブリッジ接続された4個のスイッチング素子S2〜S5から構成されており、スイッチング素子S2、S5のペアと、スイッチング素子S3、S4のペアが交互にオン制御されて、ダウンチョッパー回路2、スイッチング素子S2、イグナイタ回路8、高圧放電ランプ7、スイッチング素子S5、ダウンチョッパー回路2の経路で流れる電流と、ダウンチョッパー回路2、スイッチング素子S4、イグナイタ回路8、高圧放電ランプ7、スイッチング素子S3、ダウンチョッパー回路2の経路で流れる電流を交互に生成することで高圧放電ランプ7に交流矩形波電流を供給する。
イグナイタ回路8は、後述する動作により、高圧放電ランプ7の始動時に高電圧のイグニッションパルス(パルス)を印加するものであり、イグナイタトランス4a,4b(以下、区別しない場合は単にイグナイタトランス4という)、イグナイタトランス駆動回路5a,5b(以下、区別しない場合は単にイグナイタトランス駆動回路5という)により構成されている。イグナイタトランス4は、1次巻線Tr1と2次巻線Tr2から構成されており、1次巻線Tr1はイグナイタトランス駆動回路5に接続され、2次巻線Tr2の一端はインバータブリッジ回路3と、他端側は高圧放電ランプ7に接続される。そして、イグナイタトランス4a,4bは、それぞれ高圧放電ランプ7への出力電圧が逆極性にとなるように接続される。
制御部6は、例えばマイクロプロセッサ等から構成され、ダウンチョッパー回路2、インバータブリッジ回路3及びイグナイタトランス駆動回路5をそれぞれ制御する。
高圧放電ランプ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装置であり、管内に電極711a、711bが設けられた発光管71は反射鏡72の中央部に耐熱セメントを介して固着されており、発光管71の電極711aと接続された外部リード線73は口金74に接続されており、口金74はイグナイタトランス4の出力の一端に接続される。また、発光管71の電極711bと接続された外部リード線75は反射鏡72の周辺部に口金76を介して接続されており、口金76はイグナイタトランス4の出力の他端に接続される。
図2は実施の形態1に係るイグナイタトランス駆動回路の回路図である。図に示すように、イグナイタトランス駆動回路5には、インバータ出力Vsが供給され、このインバータ出力Vsの出力を整流するダイオードDと直列に接続される制限抵抗Rと出力端子間に接続されるコンデンサCと、このコンデンサCの一端に接続され、両端電圧が応答電圧(放電開始電圧)に達すると導通する放電ギャップGとにより構成されており、放電ギャップGの他端とコンデンサCの他端との間にイグナイタトランス4の1次巻線Tr1が接続されている。もちろん、コンデンサCは倍電圧充電回路であってもよい。
このような構成により、ダウンチョッパー回路2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ブリッジ回路3に出力される。インバータブリッジ回路3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回路8に出力する。イグナイタ回路8は点灯開始時に、後述する動作により、イグニッションパルスを発生して高圧放電ランプ7に印加し、高圧放電ランプ7が点灯するとイグナイタ回路8は動作を停止して、インバータブリッジ回路3の出力電圧がそのまま高圧放電ランプ7に印加されて点灯状態を継続する。
ところで、高圧放電ランプ7の始動時に必要なイグニッションパルスは、その印加電圧が高い為(例えば、5kV〜15kV程度)、それによる部品コストの上昇等を考慮して、高圧放電ランプ7の電極それぞれに、逆極性のイグニッションパルスをそれぞれ印加し、その差により、電位差を実現している。
図3は従来の放電灯点灯装置におけるイグニッションパルスの波形図である。図に示すように、従来の放電灯点灯装置は、高圧放電ランプの正極側に、図3(a)に示すようなイグニッションパルス(パルス幅T)を印加し、高圧放電ランプの負極側に、図3(b)に示すように、図3(a)と同じパルス幅で逆位相となるイグニッションパルス(パルス幅T)を印加することにより、図3(c)に示すように、合成されたイグニッションパルスが印加される。即ち、各電極に印加する電圧の絶対値は、高圧放電ランプ7の両端に印加される電圧の半分の値に設定される。
高圧放電ランプ7の始動時に必要なイグニッションパルスは、所定のレベル以上の電圧を印加する時間が長いほど、ランプ電極間周囲の自由電子を増加させグロー放電からアーク放電への移行がより成功しやすくなり始動性は向上する。つまり、高圧放電ランプ7の始動性を向上させるには、なるべく長い時間イグニッションパルスを印加することが望ましい。こうすることによって一回の点灯シーケンスでランプが点灯する可能性が高まり、ランプに与えるダメージを最小限にすることができる。このようなイグニッションパルスの印加時間を増加させ、始動性を向上させる本実施の形態における点灯開始時の動作について次に説明する。
再び、図1及び図2において、制御部6は、高圧放電ランプ7の点灯開始時、イグナイタトランス駆動回路5に対する出力を供給する為、ダウンチョッパ回路及びインバータを起動する。イグナイタトランス駆動回路5は、インバータ出力Vsが供給されると、コンデンサCが充電され、その両端電圧Vcが上昇する。この後、両端電圧Vcが放電ギャップGの応答電圧Vg(例えば800V)に達すると、放電ギャップGが絶縁破壊を起こし、コンデンサC、1次巻線Tr1、放電ギャップG及びコンデンサCの閉回路が形成され、コンデンサCがその閉回路に電荷を放出する。このとき、イグナイタトランス4の2次巻線Tr2に、1次巻線と2次巻線の巻線比に応じた電圧(例えば数千ボルト)が誘起されて、高圧放電ランプ7の電極に印加する。
図4は実施の形態1に係るイグニッションパルスの波形図である。また、図4(a)はイグナイタトランス4aの2次巻線Tr2に誘起されるイグニッションパルス波形を示す図、図4(b)はイグナイタトランス4bの2次巻線Tr2に誘起されるイグニッションパルス波形を示す図、図4(c)は図4(a)及び図4(b)が合成されたイグニッションパルス波形を示す図である。
イグナイタ回路8のイグナイタトランス4及びイグナイタトランス駆動回路5のコンデンサCの放電時定数は、図4(b)に示すように、イグナイタトランス4bの2次巻線Tr2に誘起されるイグニッションパルス幅が、図4(a)に示すイグナイタトランス4aの2次巻線Tr2に誘起されるイグニッションパルス幅Tに対して2倍のパルス幅T2となるような時定数に設定される。
このように、高圧放電ランプ7の電極711bには、図4(a)に示すパルス幅Tのイグニッションパルスが印加され、高圧放電ランプ7の電極711aには、図4(b)に示すパルス幅2Tのイグニッションパルスが印加されることにより、高圧放電ランプ7の電極間には、図4(c)に示すようなイグニッションパルスが印加されることとなる。
以上のように本実施形態1においては、高圧放電ランプ7の電極711bに印加するイグニッションパルスのパルス幅を、電極711aに印加するイグニッションパルスのパルス幅の2倍のパルス幅としており、このため、より長い期間高圧放電ランプ7の電極間に電位差を発生させることができ、高圧放電ランプ7の電極間周囲の自由電子を増加させグロー放電からアーク放電への移行がより成功しやすくなり、高圧放電ランプ7点灯開始時の始動性を向上させることができる。
また、始動性の向上により点灯失敗による高圧放電ランプ7へのダメージを低下させることができる。
尚、本実施の形態1では、高圧放電ランプ7の電極711aに印加されるイグニッションパルスのパルス幅を2Tとしたが、パルス幅はこれに限らず、何れか1方のパルス幅が他方のパルス幅より幅広であれば良い。例えば、図5に示すように、電極711bに印加されるイグニッションパルス(図5(a))の4倍のパルス幅とするイグニッションパルス(図5(b))を電極711aに印加し、電極間に図5(c)に示すような合成されたイグニッションパルスを印加しても良い。
また、本実施の形態1では、電極711aに印加されるイグニッションパルスの幅を幅広としたが、本発明はこれに限らず、電極711bに印加されるイグニッションパルスの幅を幅広としても良い。
実施の形態2.
本実施の形態における高圧放電ランプ7は、一対の電極の一方と通電し、他方の電極の近傍に配置されるトリガー線を有するものである。尚、その他の構成及び動作は上記実施の形態1と同様である。
図6は実施の形態2に係る高圧放電ランプの断面構成を模式的に示す図である。図6に示すように、本実施の形態2における高圧放電ランプ7は、管内に一対の電極711a、711b(例えば、タングステン電極)が対向して設けられた発光管71と、この発光管71の両端を封止する電極封止部712a、712bと、電極封止部712a、b内に設けられた金属箔714a、bを介して、電極711a、bと接続される外部リード線73、75とを有しており、さらに、発光管71の外周面の電極711aの近傍の位置には、導電性材料からなるトリガー線713が巻き付けられており、外部リード線75と接続されている。尚、外部リード線73、75は、配線を介して、インバータブリッジ回路3に電気的に接続されている。
本実施の形態における高圧放電ランプ7の始動動作を説明する。まず、ランプの始動時には、上記実施の形態1と同様の動作により、高電圧のイグニッションパルスがイグナイタ回路8から出力され、電極711a、711bにそれぞれ印加される。このとき、トリガー線713は電極711bと同電位になり、トリガー線713と電極711aとの間の付近には、電極711a、711b間よりも電位傾度の大きな電界が発生する。即ち、トリガー線713と発光管71内の電極711aとの間で、発光管71の構成材料を介在させた、いわゆる誘電体バリア放電を発生する。この誘電体バリア放電により、発光管71内にプラズマが発生すると、このプラズマを種として、発光管71内の電極間での放電が発生する。
以上のように本実施形態2においては、トリガー線713を有する高圧放電ランプ7のトリガー線713と通電する電極711bに印加するイグニッションパルスのパルス幅を、電極711aに印加するイグニッションパルスのパルス幅より幅広としており、このため、トリガー線713とトリガー線713が近傍に配置された電極711aとの間により長い期間高圧放電ランプ7の電極間に電位差を発生させることができ、高圧放電ランプ7の電極間周囲の自由電子を増加させグロー放電からアーク放電への移行がより成功しやすくなり、高圧放電ランプ7点灯開始時の始動性を向上させることができる。また、始動性の向上により点灯失敗による放電ランプへのダメージを低下させることができる。
実施の形態3.
図7は実施の形態3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又は2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の放電灯点灯装置に相当するものである。
このプロジェクタは、光学手段である照明光学系100、ダイクロイックミラー210,212、反射ミラー220,222,224、入射側レンズ230、リレーレンズ232及び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、投写手段である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、クロスダイクロイックプリズム260及び投射レンズ270とを備えている。
照明光学系100は、ほぼ平行な光線束を射出する光源110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。光源110は、放射状の光線を射出する放射光源としての高圧放電ランプ7(図1参照)から構成されている。光源110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3においては、上記実施の形態1又は2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高圧放電ランプ7を照明光学系100に適用して、上述のように点灯させることにより、映写の開始時に高圧放電ランプの点灯不良が発生するような事態が避けられる。
尚、本実施の形態3では、3枚の液晶パネル250,252,254を用いて光変調を行ったが、本発明はこれに限らず、他の空間光変調器を用いても良く、例えば、半導体基板の上に敷き詰められた微小面積のミラーの傾きを映像データに基いて制御することによって映像を投写するDMD(Digital Micro Mirror Device :登録商標)を用いても良い。
実施の形態1に係る放電灯点灯装置の構成図である。 実施の形態1に係るイグナイタトランス駆動回路の回路図である。 従来の放電灯点灯装置におけるイグニッションパルスの波形図である。 実施の形態1に係るイグニッションパルスの波形図である。 実施の形態1に係るイグニッションパルスの波形図である。 実施の形態2に係る高圧放電ランプの断面構成を模式的に示す図である。 実施の形態3に係るプロジェクタの光学系構成図である。
符号の説明
2 ダウンチョッパー回路、3 インバータブリッジ回路、4a イグナイタトランス、4b イグナイタトランス、5a イグナイタトランス駆動回路、5b イグナイタトランス駆動回路、6 制御部、7 高圧放電ランプ、8 イグナイタ回路、10 放電灯点灯装置、71 発光管、72 反射鏡、73 外部リード線、74 口金、75 外部リード線、76 口金、100 照明光学系、110 光源、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、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、252 液晶パネル、253 偏光板、254 液晶パネル、255 偏光板、256 偏光板、257 偏光板、258 偏光板、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、711a 電極、711b 電極、712a 電極封止部、712b 電極封止部、713 トリガー線、714a 金属箔、714b 金属箔、Vs インバータ出力、R 制限抵抗、C コンデンサ、D ダイオード、G 放電ギャップ、Ll インダクター、S1 スイッチング素子、S2 スイッチング素子、S3 スイッチング素子、S4 スイッチング素子、S5 スイッチング素子、SW スイッチ回路、Tr1 1次巻線、Tr2 2次巻線。

Claims (3)

  1. 一対の電極の一方と通電し、他方の電極の近傍に配置されるトリガー線を有する放電ランプを点灯させる放電灯点灯装置であって、
    点灯開始時に、放電ランプの電極両端にそれぞれ極性の異なったイグニッションパルスを印加し、且つ、前記トリガー線と通電する電極に印加するイグニッションパルスのパルス幅を、他方の電極に印加するイグニッションパルスのパルス幅より幅広とするイグナイタ回路を備えたことを特徴とする放電灯点灯装置。
  2. 前記イグナイタ回路は、
    前記電極の何れか一方に印加するイグニッションパルスのパルス幅が、他方の電極に印加するイグニッションパルスのパルス幅の2倍又は4倍であることを特徴とする請求項1記載の放電灯点灯装置。
  3. 放電ランプと、
    請求項1又は請求項2に記載の放電灯点灯装置と、
    空間光変調器と、
    前記放電ランプ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。
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