JP5152229B2 - 光源装置 - Google Patents
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Description
特許文献1(特開2007−087637公報)に記載のものは、交流点灯されるランプを具備した、プロジェクター装置に用いられる光源装置に関するものであり、低周波を定常周波数点灯の中に周期的に挿入することで、余計な突起の生成を防止することが記載されている(同文献の段落0021等参照)。
特許文献2(特開2003−347071公報)に記載のものも、交流点灯されるランプを具備したプロジェクター装置に用いられる光源装置に関するものである。特許文献2に記載のものは、ランプが垂直点灯され、垂直点灯させる際、ランプの上部電極が負電極として電圧を印加される時間T1を、下部電極が負電極として電圧が印加される時間T2よりも大きくすることで、上部電極の温度上昇を抑制できることが記載されている(例えば同文献の段落0029などの記載参照)。
特許文献4(特開2007−165067公報)に記載のものは、交流点灯されるランプを具備した、プロジェクター装置に用いられる光源装置に関するものであり、プロジェクター装置には、カラーホイールを用いるものがあることが示されている(例えば同文献の段落0013などの記載参照)。
当然、デジタルサイネージ用の光源装置は、その投影方向や投影場所が1つに定まらず、あるときは従来のようにランプを水平配置した点灯が求められ、またあるときには、ランプを垂直配置した点灯が求められる。このように、デジタルサイネージ用の光源装置には、具備されるランプが水平配置や垂直配置のいずれにおいても、点灯できることが望まれる。
特許文献1の光源装置は、ランプを水平配置するように設計されており、ランプを水平配置する場合は、一般的に、ランプに供給される電流のデューティ比は1:1である。この特許文献1の光源装置が、ランプを垂直配置にして点灯してしまうと、ランプの内部で熱対流が生じ、上側の電極が下側の電極よりも熱くなってしまう。この種のランプは、電極が高温に過熱されており、これに熱対流による加熱が加わると、上側電極は溶融して欠損してしまう問題があった。
また、下側電極は、上側電極に比べて冷えてしまい、低周波を挿入しても、余計な突起の形成を抑制できないことがあった。
特許文献3に記載のものは、特許文献1に記載のものと同様、ランプを垂直配置して使用することを想定したものではない。
また、プロジェクター装置に用いられる光源装置においては、特許文献4に示されるようにRGBWの領域が分割形成されたカラーホイールを介して光を照射するものがあるが、このようなカラーホイールを使用する場合には、R/G/B/Wの領域の途中で、ランプの電極に印加する電流の極性の切り替わりが生じると、リップルが生じランプからの照度が一時的に明るくなったり、暗くなったりする。
したがって、図13(a)に示すように、極性の切り替わりとカラーホイールのR/G/B/Wの領域の切り替えのタイミングを合わせるのが望ましい。
特許文献2に記載の光源装置においては、ランプを垂直配置するように設計され、ランプに供給される電流のデューティ(電流の極性が正の期間と負の期間の長さの比)は1:1になっておらず、カラーホイールを使用した装置に適用した場合、図13(b)に示すように、電流の極性の切り替えとカラーホイールのR/G/B/Wの領域の切り替えのタイミングは必ずしも一致しない。このため、電流の極性が切り替わるときに生じるリップルによってランプからの照度が一時的に明るくなったり暗くなったりし、ちらつきの原因になるといった問題がある。
特許文献2に記載されるものにおいては、図13(b)に示したように電流のデューティが必ずしも1:1にならないので、液晶画面全体の切り替わりのタイミングと電流極性の切り替わりが必ずしも一致せず、上記カラーホイールの場合と同様、ランプからの照度が一時的に明るくなったり暗くなったりし、ちらつきの原因になることが考えられる。
また、特許文献2に示されるように、ランプ電流の極性が正の期間と負の期間の長さを異ならせることで、ランプを垂直配置できるようにするものも提案されているが、カラーホイール、あるいは、液晶ディスプレイに使用する場合、電流極性の切換のタイミングが、カラーホイールのR/G/B/Wの領域の切り替えや液晶画面のリフレッシュのタイミングに必ずしも一致せず画面がちらつくといった問題があった。
本発明は、上記従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、水平配置及び垂直配置のいずれにおいても、電極の欠損といった問題を生ずることなくランプを点灯させることができ、且つ、余計な突起の形成を抑制することができ、さらに、カラーホイール等を用いた装置などに適用しても、画面のちらつきを生じさせることなく画像を表示することができる光源装置を提供することである。
すなわち、水平配置のときは、定常点灯周波数(以下では定常周波数ともいう)で点灯させているときも低周波で点灯させているときも上記電力量の比率a/bを第1の値c(a≦bとする)として点灯させ、垂直配置のときは、以下のAまたはBの内、Bのようにする。
A.定常点灯周波数での点灯時と低周波での点灯時には、その電力量の比率a’/b’(a’はランプの一方(上側)の電極から他方(下側)の電極に流れる電力量、b’は他方の電極(下側)から一方の電極(上側)に流れる電力量)を水平配置のときとは違う値にする。
すなわち、電力量の比率a’/b’を上記第1の値cより小さな第2の値dに設定して上記定常周波数の交流電流を供給し、且つ、予め定められた頻度で、上記定常周波数より周波数が低い所定の周波数の低周波数の交流電流を挿入し、該低周波の交流電流の上記電力量の比率a’/b’を、上記第1の値cより小さな第3の値eに設定して、上記ランプを点灯させる。
B.定常点灯周波数(前記電力比は前記cで略1)で点灯時は、電力量の比率a’/b’を水平配置のときと同じにし、低周波数で点灯時にのみ、水平配置のときとは違う電力比にする。
すなわち、電力量の比率a’/b’を上記第1の値cに設定して上記定常周波数の交流電流を供給し、且つ、予め定められた頻度で、上記定常周波数より周波数が低い所定の周波数の低周波数の交流電流を挿入し、該低周波の交流電流の上記電力量の比率a’/b’を、上記第1の値cより小さな第3の値eに設定して、上記ランプを点灯させる。
なお、上記cの値は通常略1に設定するが、ランプの周囲に反射ミラーが設けられている場合等、ランプの周囲環境によってはランプを水平配置した場合であっても、ランプの一対の電極のうちの一方の電極がより熱くなることがあり、このような場合には、上記cの値は必ずしも1にならない。
(1)放電容器の内部で一対の電極が対向配置されると共に、水銀が封入された高圧放電ランプと、このランプに、交流電流を供給する給電装置と、を備えた光源装置において、前記給電装置は、予め設定された所定の周波数を定常周波数として、該定常周波数の交流電流を上記ランプに供給する。
そして、ランプが水平配置(1対の電極を水平に配置)された状態を示す信号が入力された場合、該ランプのいずれか一方の電極から他方の電極に流れる電力量をa、他方の電極から一方の電極に流れる電力量をbとしたとき、上記電力量の比率a/bを第1の値c(a≦bとする)に設定して、上記定常周波数の交流電流を供給し、且つ、予め定められた周期で、上記定常周波数より周波数が低い所定の周波数の低周波数であって、上記電力量の比率が上記第1の値である交流電流を挿入して、上記ランプを点灯させる。
また、ランプが垂直配置(1対の電極を上下方向に配置)された状態を示す信号が入力された場合、該ランプの上側の電極から下側の電極に流れる電力量をa’、下側の電極から上側の電極に流れる電力量をb’としたとき、上記電力量の比率a’/b’を上記第1の値cに設定して上記定常周波数の交流電流を供給し、且つ、予め定められた頻度で、上記定常周波数より周波数が低い所定の周波数の低周波数の交流電流を挿入し、該低周波の交流電流の上記電力量の比率a’/b’を、上記第1の値cより小さな第3の値eに設定して、上記ランプを点灯させる。
(2)上記(1)において、ランプが垂直配置された状態を示す信号が入力された場合に、上記電力量の比率a’/b’を上記第1の値cに設定して上記定常周波数の交流電流を供給するとともに、低周波の交流電流の上記電力量の比率a’/b’を、上記第1の値cより小さな第3の値eに設定し、前記第3の値eを1/3≦e<1の範囲にし、上記低周波を挿入する頻度z×100%を、以下の(3)式の範囲内にし、上記ランプを点灯させる。ここで、以下のeは上記電力比である。
4e+0.7≦z≦8e+5…(ハ)
ランプが水平配置された状態を示す信号が入力された場合、該ランプのいずれか一方の電極から他方の電極に流れる電力量aと、他方の電極から一方の電極に流れる電力量bの比率a/bを第1の値cに設定して、上記定常周波数の交流電流を供給し、且つ、予め定められた周期で、上記定常周波数より周波数が低い所定の周波数の低周波数であって、上記電力量の比率が上記第1の値cである交流電流を挿入して、上記ランプを点灯させ、また、ランプが垂直配置された状態を示す信号が入力された場合、該ランプの上側の電極から下側の電極に流れる電力量a’と、下側の電極から上側の電極に流れる電力量b’の比率a’/b’を上記第1の値cに設定して上記定常周波数の交流電流を供給し、且つ、予め定められた頻度で、上記定常周波数より周波数が低い所定の周波数の低周波数の交流電流を挿入し、該低周波の交流電流の上記電力量の比率a’/b’を、上記第1の値cより小さな第3の値eに設定して、上記ランプを点灯させるようにしたので、水平配置及び垂直配置のいずれにおいても、電極の欠損といった問題を生ずることなくランプを点灯させることができ、且つ、余計な突起の形成を抑制することができる。
(2)カラーホイール等を用いた装置、あるいは液晶ディスプレイに適用した場合でも、電流の極性切換のタイミングをカラーホイールの領域の切り替えのタイミング、液晶画面のリフレッシュレートに合わせることができ、配置状態にかかわらず、画面のちらつきを生じさせることなく画像を表示させることができる。
図1に示すように、本発明に係る光源装置は、高圧放電ランプ10と、このランプ10に具備された一対の電極に電気的に接続された給電装置20と、この給電装置20に制御信号を出力する制御回路50と、この制御回路50にランプ10の状態(水平配置か又は垂直配置か)を示す信号を出力する検知回路30と、この制御回路50にカラーホイールの領域の切り換えタイミングや液晶のリフレッシュレートなどの時間分割信号を出力する時間分割素子40とを備える。
上記ランプ10の配置方向を検知する検知回路30としては、例えば振り子素子を用いることができる。すなわち、ランプの配置状態(水平又は垂直配置)に応じて傾きが変わる振り子素子を設け、この振り子素子の傾きを検知して、ランプの状態(水平又は垂直配置)を検知する。
なお、本発明において、上記検知回路を設けることは必須ではなく、切り替えスイッチ等を設けて利用者がランプの配置状態に応じてスイッチを切り替えるようにしてもよい。例えば、利用者が目視によってランプの配置状態を確認し、その状態をリモコンなどで光源装置に入力することも考えられる。この場合は、検知回路に代え、リモコンからの信号を受信する受信回路が制御回路50に設けられる。
高圧放電ランプ10は、球状の発光部11と円柱状の封止部12とからなる放電管13と、この発光部11の内部で対向配置された一対の電極14a,14bと、この電極14a,14bに電気的に接続されると共に封止部12に埋設された金属箔15と、金属箔15に電気的に接続されると共に封止部12から突出する外部リード16とを備える。
また、発光部11の外周部にはランプの点灯開始時に高電圧が印加される補助電極Etが設けられている。
上記発光部11には、水銀と、希ガスと、ハロゲンガスが封入されている。水銀は、必要な可視光波長、例えば、波長360nm〜780nmの放射光を得るためのもので、0.15mg/mm3 以上封入されている。この封入量は、温度条件によっても異なるが、点灯時200気圧以上、300気圧以上という高い水銀蒸気圧の放電ランプを作ることができ、水銀蒸気圧が高くなるほど輝度を向上させた光源を実現できる。
ハロゲンは、沃素、臭素、塩素などが水銀あるいはその他の金属と化合物の形態で封入される。ハロゲンの封入量は、10-6μmol/mm3 〜10-2μmol/mm3の範囲から選択される。ハロゲンの機能は、いわゆるハロゲンサイクルを利用した長寿命化であるが、本発明の放電ランプのように極めて小型で極めて高い点灯蒸気圧のものは、放電容器の失透防止という作用もある。
放電ランプの数値例を示すと、例えば、発光部の最大外径9.5mm、電極間距離1.5mm、発光部内容積75mm3 、定格電圧70V、定格電力200Wであり、交流点灯される。
給電装置20は、直流電圧が供給される降圧チョッパ回路1と、降圧チョッパ回路1の出力側に接続され、直流電圧を交流電圧に変化させて放電ランプに供給するフルブリッジ型インバータ回路2(以下、「フルブリッジ回路」ともいう。)と、放電ランプ10に直列接続されたコイルL1、コンデンサC1、およびスタータ回路3と、上記フルブリッジ回路2のスイッチング素子Q1〜Q4を駆動するドライバ4とから構成される。
制御部50は例えばマイクロプロセッサ等の処理装置で構成することができ、ここではその機能構成をブロック図で示している。
上記スイッチング素子Qxを所定のデューティで駆動することにより、入力直流電圧Vdcをこのデューティに応じた電圧に降圧する。降圧チョッパ回路1の出力側には、電圧検出用の抵抗R1,R2の直列回路が設けられている。
フルブリッジ回路2は、ブリッジ状に接続したスイッチング素子Q1〜Q4から構成され、スイッチング素子Q1,Q4、スイッチング素子Q2,Q3を交互にオンにすることにより、スイッチング素子Q1,Q2の接続点と、スイッチング素子Q3,Q4の接続点間に矩形波状の交流電圧が発生する。
スイッチング素子Q5をオンにすると、コンデンサC2に充電されていた電荷がスイッチング素子Q5、トランスT2の一次側巻線を介して放電し、トランスT2の二次側にパルス状の高電圧が発生する。この高電圧は、ランプ10の補助電極Etに印加され、ランプを点灯させる。
降圧チョッパ回路1のスイッチング素子Qxは、ゲート信号Gxのデューティに応じてオン/オフし、ランプ10に供給される電力が変化する。すなわち、電力アップならQxのデューティを上げ、電力ダウンならQxのデューティを下げるなどして、その入力された電力調整信号値に合致する電力値になるようにゲート信号Gxの制御を行う。また、一方の電極から他方の電極に流れる電力量と他方の電極から一方の電極に流れる電力量の調整も同様に、ランプの極性切換毎に上記デューティを変えて電力量を調整する。
駆動信号発生部51は、例えば、プロセッサなどから構成され、フルブリッジ回路2のスイッチング素子Q1〜Q4を駆動するための駆動信号を発生する。
ランプ10の極性切換周期の調整は、図1に示した時間分割素子40から与えられる同期信号(カラーホイールからの同期信号、液晶駆動回路等からの同期信号)に応じて、駆動信号発生部51から出力される駆動信号を制御し、フルブリッジ回路2のスイッチング素子Q1〜Q4のスイッチング周期を調整することで実現される。
コントローラ52は、点灯指令やランプ配置方向検知回路からの出力に応じて、ランプ10の点灯動作を制御する点灯動作制御部52aと、駆動信号発生部51の出力を受ける駆動信号選択部52bを備える。
また、外部からの点灯電力指令に応じてランプ電力を制御するとともに、ランプの配置方向を検出する検知回路30から与えられるランプ10の配置方向を示す信号に応じて、一方の電極から他方の電極に流れる電力量と、他方の電極から一方の電極に流れる電力量を制御する電力制御部52cを備える。
フルブリッジ回路2は、ドライバ4からのドライブ信号に応じた極性反転動作を行う。 また、駆動信号選択部52bは、駆動信号発生部51から放電ランプの極性切換信号を受信し、この極性切換信号を電力制御部52cに送信し、電力制御部52cは、この極性切換信号に応じて、一方の電極から他方の電極に流れる電力量と、他方の電極から一方の電極に流れる電力量を制御する。
大きく分けて表1に示すように以下のA,Bの2つ点灯のさせ方があるが、本発明においてはBのように点灯させる。ここで、ランプの一方(上側)の電極から他方(下側)の電極に流れる電力量aと、他方の電極から一方の電極に流れる電力量bの比率a/bを電力比と言うこととする。
A.水平配置のときは、定常周波数のときも低周波のときも共に、上記電力比を前記電力比c(c=略1/1)として点灯させるが、垂直配置のとき、定常点灯周波数と低周波との電力比を水平配置のときとは違う電力比にする。
例えば、垂直配置のとき、定常点灯周波数のときは前記電力比dとし(例えばd=4/6)、低周波数のときは、前記電力比eとする(例えばe=4/6、なお、d=eである必要はない)。
B.水平配置のときは、定常周波数のときも低周波のときも共に、上記電力比を前記電力比c(c=略1/1)として点灯させ、垂直配置のときは、低周波の電力比のみを水平配置のときとは違う電力比にする。
例えば、垂直配置のとき、定常点灯周波数のときは前記電力比c(例えばc=略1/1)とし、低周波数のときは、電力比dとする(例えばd=4/6、なお、必ずしも上記Aのときと同じ電力比ではない)。
ランプの一対の電極が上記反射ミラーの出射方向に平行になるようにランプを配置した場合、ランプを水平配置した場合であっても、ランプの一対の電極のうち、光出射方向側にある電極(ランプの一対の電極の内、ミラーから離れた側にある電極)はミラーからの反射光を受けて、ミラー側にある電極(一対の電極の内、ミラーに近い側にある電極)より熱くなる。すなわち、ランプを水平配置した場合であっても、一方の電極が他方の電極より加熱される場合がある。
この場合には、ミラー側にある電極から他方の電極に流れる電力量と、他方の電極からミラー側にある電極に流れる電力量を異ならせて、ランプの電極が同程度に加熱されるようにすることが望ましい。
この場合は、より加熱される他方の電極(ミラーから離れた側にある電極)からミラー側にある電極に流れる電力量をミラー側にある電極から他方の電極に流れる電力量よりやや小さくして、ランプの電極が同程度に加熱されるようにする必要がある。
すなわち、前記電力比cは、ランプの周囲環境を考慮しなければ基本的に1/1であるが、前述したようにランプの周囲環境によっては、ランプを水平配置した場合であっても、ランプの一対の電極のうちの一方の電極がより熱くなることがあり、このような場合には、上記電力比cは、必ずしも1/1にならない。
なお、ランプを水平配置した場合の一方の電極と他方の電極の加熱量の差は、ランプを垂直配置した場合の加熱量の差より小さいので、この場合の他方の電極からミラー側にある電極に流れる電力量(a”)に対する、ミラー側にある電極から他方の電極に流れる電力量(b”)の比率c(=a”/b”)は、後述するランプを垂直配置した場合の電力量の比率d(及びe)より大きな値となる。
なお、上記A,Bの点灯方式において、垂直配置のときの低周波の電力比に応じて、「垂直配置のときの低周波の挿入時間(頻度)(相対値)」の範囲には好ましい範囲(電極に悪影響を与えない範囲)があり、その点については、後述する実験結果で説明する。
なお、本発明において、上記「垂直配置のときの低周波の挿入時間(頻度)(相対値)」とは、水平配置のときの低周波の挿入時間(頻度)に対する、垂直配置のときの低周波の挿入時間(頻度)の割合、すなわち、[垂直配置のときの低周波挿入時間(頻度)]/[水平配置のときの低周波挿入時間(頻度)]を意味する。
例えば、上側電極への低周波の挿入時間(相対値)は、低周波のデューティをα、低周波の周波数(Hz)をβ、ある一定時間毎の挿入回数をγ(回)とすると[α/100/β×γ]で表される。
図4は、Aの点灯方式により点灯させる場合のランプに流れる電流波形の一例を示した図であり、この例は、デューティ(オン時間と、オン時間+オフ時間との比)を変えることにより前記電力比を所定の値に設定する場合を示している。
図4において、(a)はランプを水平配置した場合の電流波形を示し、(b)はランプを垂直配置した場合の電流波形を示す。
図4に示すように、水平配置の場合は、定常周波数において、その極性切換周期が略1:1(前記電力比cは略1/1)であり、低周波においても、その極性切換周期が略1:1(電力比は前記cで略1/1)である。
一方、垂直配置の場合は、定常点灯周波数において、その極性切換周期が略4:6(前記電力比dは4/6)であり、低周波においても、その極性切換周期が略4:6(前記電力比eは4/6)であることを示している。なお、この例の低周波の挿入頻度(相対値)は、1.1である。
このように、垂直配置のときに、定常点灯周波数における極性切換周期を変更するとともに、低周波の極性切換周期を変更することにより、上側電極が加熱されることを抑制でき、上側電極の欠損を抑制でき、さらに、上側電極及び下側電極の両方に、余計な突起が形成されることを抑制できる。
検知回路30は、放電ランプ10の配置状態に応じてランプの状態(水平配置又は垂直配置)を検知し、その結果を制御回路50に出力する。
制御回路50はランプ10が水平配置されているか垂直配置されているかに応じて、次のように制御する。
(1)水平配置(水平点灯)の場合
ランプ10が水平配置されると、高圧放電ランプ10に具備された一対の電極はその水平方向に向かって対向配置されるので、発光管の内部で生じる熱対流によって、一方の電極も他方の電極も同程度に加熱される。このため、一方の電極から他方の電極に流れる電力量と、他方の電極から一方の電極に流れる電力量とが略同一となるように、交流電流が供給されることで、一対の電極が同程度加熱されることになり、どちらか一方が加熱されることが抑制され、電極の欠損も抑制できる。
なお、ランプに印加される電圧が略一定であるとすると、上記電力量はランプの電極間に流れる電流に略比例する。図4に示す波形はランプの電極間に流れる電流波形を示したものであり、ランプ電圧が略一定であるとすると電流波形は電力波形に略一致し、ランプ電力が一定になるように定電力制御している場合には、同図に示すように電流波形の振幅は略一定になる。
また、制御部50の駆動信号発生部51は、時間分割素子40から同期信号が与えられる場合、この同期信号に応じてドライバ4を駆動し、フルブリッジ回路2のスイッチング素子Q1〜Q4のスイッチング周期を制御し、上記同期信号に同期させてランプ10に流れる電力の極性切り替えを行う。
これにより、一方の電極から他方の電極に流れる電力量と、他方の電極から一方の電極に流れる電力量とが略同一となるように、交流電流が供給される。
ランプが垂直配置されると、高圧放電ランプに具備された一対の電極は、前記図2に示したように、一方の電極14aが重力方向(図2においては紙面上下方向)の上側に配置され、他方の電極14bが重力方向の下側に配置される。重力方向の上下方向で電極が配置されると、ランプ点灯時、発光管の内部で熱対流が生じて上側が熱くなるので、上側に配置された電極14aが下側の電極14bよりも電極が熱くなる。
電極は、前述したように送り出す電力量が大きいほど加熱量が大きくなる。
従って、上側に配置された電極14aから下側に配置された電極14bに流れる電力量が、下側に配置された電極14bから上側に配置された電極14aに流れる電力量よりも小さくなるように交流電力(電流)を供給することで、上側に配置された電極14aの加熱量を下側に配置された電極14bよりも小さくすることができる。これにより、垂直点灯されたランプであっても、上側電極14aが熱対流で加熱されていても、供給される電力量によって、上側電極14aの温度上昇を抑制でき、電極14aの欠損を抑制できる。
制御部50は、ランプ10が垂直配置された場合、上側に配置された電極から下側に配置された電極に流れる電力量が、下側に配置された電極から上側に配置された電極に流れる電力量よりも小さくなるように定常点灯周波数における極性切換周期を変更するとともに、低周波の極性切換周期を変更する。
これにより、上側に配置された電極から下側に配置された電極に流れる電力量が、下側に配置された電極から上側に配置された電極に流れる電力量よりも小さくなるように、交流電流が供給され、上側電極の加熱が抑制される。
図5は、図4と同様、ランプに流れる電流波形の一例を示した図であり、この例は、垂直配置時に、プラス側とマイナス側の電流の大きさを変えることにより、上側に配置された電極から下側に配置された電極に流れる電力量が、下側に配置された電極から上側に配置された電極に流れる電力量よりも小さくなるようにした場合の例を示したものである。
図5おいて、(a)はランプを水平配置した場合の電流波形を示し、(b)はランプを垂直配置した場合の電流波形を示す。
なお、前述したように、プラス側は上側に配置された電極から下側に配置された電極に流れる電流を示し、マイナス側は下側に配置された電極から上側に配置された電極に流れる電流を示す。
一方、垂直配置の場合は、定常点灯周波数において、前記電力比dは3/7であり、低周波においても前記電力比eは3/7である。
このように、垂直配置のとき、水平配置のときと同じようにデューティを略1:1を保ったまま、電流値を変更することでも、図4のときと同様の効果を得ることができる。
図3の回路においては、以下のように、上側に配置された電極から下側に配置された電極に流れる電力量が、下側に配置された電極から上側に配置された電極に流れる電力量よりも小さくなるように制御する。
水平配置時、制御部50の電力制御部52cは前述したように、検知回路30から与えられるランプ10が水平配置されたことを示す信号に応じて、一方の電極から他方の電極に流れる電力量と、他方の電極から一方の電極に流れる電力量が略同じになるように降圧チョッパ回路1のスイッチング素子Qxを制御する。
また、制御部50の駆動信号発生部51は、時間分割素子40から同期信号が与えられる場合、この同期信号に応じてドライバ4を駆動し、フルブリッジ回路2のスイッチング素子Q1〜Q4のスイッチング周期を制御し、上記同期信号に同期させてランプ10に流れる電力の極性切り替えを行う。
これにより、一方の電極から他方の電極に流れる電力量と、他方の電極から一方の電極に流れる電力量とが略同一となるように、交流電流が供給される。
また、制御部50の駆動信号発生部51は、時間分割素子40から同期信号が与えられる場合、この同期信号に応じてドライバ4を駆動し、フルブリッジ回路2のスイッチング素子Q1〜Q4のスイッチング周期を制御し、上記同期信号に同期させてランプ10に流れる電力の極性切り替えを行う。
これにより、上側に配置された電極から下側に配置された電極に流れる電力量が、下側に配置された電極から上側に配置された電極に流れる電力量よりも小さくなるように、交流電流が供給され、上側電極の加熱が抑制される。
同様に、垂直配置の低周波の電力比については、水平配置のときの低周波のときの電力比と異なり、上側電極から下側電極に送り出す電力量が、下側電極から上側電極に送りだされる電力量に比べて小さいものであれば、デューティを変化させても、電流値を変化させてもかまわない。また、デューティと電流値の両方を変化させてもよい。
なお、Aの点灯方式において、電流値を変化させる場合、後述する図8(特許文献3の図1)に示すように、1つの極性中において電流値を変化させてもよい。
図6は、Bの点灯方式により点灯させる場合のランプに流れる電流波形の一例を示した図であり、この例は、デューティを変えることにより前記電力比を所定の値に設定する場合を示している。
この例は、デューティ(オン時間と、オン時間+オフ時間との比)を変えることにより前記電力比を所定の値に設定する場合を示している。
図6において、(a)はランプを水平配置した場合の電流波形を示し、(b)はランプを垂直配置した場合の電流波形を示す。
一方、垂直配置の場合は、定常周波数において、その極性切換周期が略1:1(前記電力比dは略1/1)であり、低周波においては、その極性切換周期が略4:6(前記電力比eは4/6)であることを示している。なお、この例の低周波の挿入頻度(相対値)は2.0である。
このように、垂直配置のときに、低周波の極性切換周期を変更することにより、上側電極が加熱されることを抑制でき、上側電極の欠損を抑制でき、さらに、上側電極及び下側電極の両方に、余計な突起が形成されることを抑制できる。
なお、図6の波形で点灯させる場合の制御部50の動作は、前記図4の波形で点灯させる場合に説明したのと同様である。
図7において、(a)はランプを水平配置した場合の電流波形を示し、(b)はランプを垂直配置した場合の電流波形を示す。
図7の場合も、図6と同様、水平配置の場合は、定常周波数において、前記電力比cは略1/1)であり、低周波においても、電力比は前記cで略1/1である。
一方、垂直配置の場合は、定常周波数において、前記電力比dは1/1であり、低周波においては、前記電力比eは3/7である。
このように、垂直配置で、低周波のとき、水平配置のときと同じようにデューティを略1:1を保ったまま、電流値を変更することでも、図6のときと同様の効果を得ることができる。
なお、図7の波形で点灯させる場合の制御部50の動作は、前記図5の波形で点灯させる場合に説明したのと同様である。
一方、Bの点灯方式において、垂直配置の低周波の電力比は、水平配置のときの低周波のときの電力比と異なる。この場合、上側電極から下側電極に送り出す電力量が、下側電極から上側電極に送り出す電力量に比べて小さいものであれば、前記図6に示したようにデューティを変化させても、図7に示したように電流値を変化させてもかまわないし、デューティと電流値の両方を変化させてもかまわない。
また、Bの点灯方式において、電流値を変化させる場合、図8に示すように、1つの極性中において電流値を変化させてもかまわない。
図8の場合も、水平配置の場合は、定常周波数において、前記電力比cは略1/1)であり、低周波においても、電力比は前記cで略1/1である。
一方、垂直配置の場合は、定常周波数においては前記電力比dは1/1であるが、低周波においては、一つの極性中において電流を短時間増加させ、電力比eを4/6としている。なお、この場合の低周波挿入頻度(相対値)は4.0である。
このように、垂直配置で、低周波のとき、水平配置のときと同じようにデューティを略1:1を保ったまま、電流値を変更することでも、図7のときと同様の効果を得ることができる。
以上のようにランプに流れる電力量を制御することで、前述したように、両電極の加熱が抑制でき、両電極の欠損を抑制できる。さらに、上記のように低周波を挿入することで、電極に不要な突起が生成されるのを抑制することできる。
特許文献4に記載されるように、本発明に係る光源装置においても、ランプからの出射光がカラーホイールに向かって出射されることがある。
カラーホイールは、回転フィルターとも呼ばれ、円板状のガラスから構成される。フィルターには、赤(R)、緑(G)、青(B)、白(W)の領域がそれぞれ扇型に形成されている。
ランプからの出射光は、カラーホイール上の形成される光集光領域を通過する。カラーホイールが回転することにより、光集光領域に対向する色の領域を通過し、それぞれの色が出射される。ここで、カラーホイールが例えば180Hzで回転(毎秒180回転)すると、赤(R)、緑(G)、青(B)、白(W)の領域を180回通過することになる。
制御部50は、上記同期信号に応じてドライバ4を駆動し、フルブリッジ回路2のスイッチング素子Q1〜Q4のスイッチング周期を制御し、上記同期信号に同期させてランプ10に流れる電力の極性切り替えを行う。
図9(a)(b)はカラーホイールを用いた場合のランプの電極間に流れる電流と、カラーホイールのR,G,B,Wの各領域の切り替えを示したものであり、同図はランプに流れる電流のデューティが1:1の場合を示している。
図9(a)(b)に示すように、カラーホイールを用いる場合には、カラーホイールの領域の切り替えのタイミングに同期させてランプに流れる交流電力(電流)の極性を切り替える。なお、図9(a)は水平点灯時であって電力比が1/1の場合を示し、定常周波数の場合の電流波形を示している。
図9(b)は垂直点灯時であって電力比が1/1ではない場合(電力比3/7)を示し、定常点灯周波数の場合の電流波形を示す。
なお、図9(a)では、ランプに流れる電流のデューティは1:1であるが、周期によって縦軸、すなわち電流量が異なっている。これは、カラーホイールを通過して形成された映像の色再現性や明るさ調整のために、カラーホイールの色毎の電流量を変化させるためである。
すなわち、形成する映像において、色再現性を向上させたい場合、赤(R)や青(B)の電流量を向上させることになり、また明るさを向上させたい場合、緑(G)や白(W)の電流量を向上させることになって、電流が各周期で変化することになる。
各周期で電流が変化しても、ある所定の期間においては、一方の電極から他方の電極に流れる電流と、他方の電極から一方の電極に流れる電流は略等しいことから、単位時間あたりの一方の電極から他方の電極に流れる電力量と、他方の電極から一方の電極に流れる電力量は略等しくなる。すなわち、図9(a)に示すハッチングを付した部分のプラス側の面積の合計とマイナス側の面積の合計は略等しい。
なお、この場合においても、前記したように、一方の電極から他方の電極に流れる電力量より、他方の電極から一方の電極に流れる電力量をやや大きくして、ランプの電極が同程度に加熱されるようにしてもよい。
また、前述したように、ランプの上側に配置された電極から下側に配置された電極に流れる電力量a’に対する、下側に配置された電極から上側に配置された電極に流れる電力量b’の比率をd(=a’/b’)とし、前記比率c(ランプを水平配置した場合における一方の電極から他方の電極に流れる電力量に対する、他方の電極から一方の電極に流れる電力量との比率)より、小さな値に設定する。
この場合、上側に配置された電極から下側に配置された電極に流れる電力量と、下側に配置された電極から上側に配置された電極に流れる電力量との比率は例えば3:7になっており、単位時間あたりの電力量についても、電流量と同様、3:7となる。すなわち、図9(b)に示すハッチングを付した部分のマイナス側とプラス側の面積の比は3:7となっている。
以上のようにランプに流れる電力量を制御することで、前述したように、両電極の欠損を抑制できる。また、カラーホイールの領域の切り替えタイミングに合わせてランプに流れる電力量の極性の切り替えを行うことにより、画面のちらつきを抑制することができる。
この場合は、ランプの電流の極性切り替えのタイミングもカラーホイールの領域の切り替えタイミングに合わせることが望ましく、この場合、デューティは必ずしも1:1にはならない。
このため、水平点灯時には、ランプの電流の極性切り替えのタイミングはカラーホイールのセグメントの幅に合わせて制御する。またこれと同時に、一方の電極から他方の電極に流れる電力量と、他方の電極から一方の電極に流れる電力量が略同じになるように制御する。
例えば図10(a)においては、一方の電極から他方の電極に流れる電力量と、他方の電極から一方の電極に流れる電力量が略同じになるように、RGBWの1周期T内において、一方の電極から他方の電極に流れる電流の大きさと、他方の電極から一方の電極に電流が流れる電流の大きさを制御している。
単位時間あたりの電力量についても、電流量と同様、例えば、3:7となる。すなわち、図10(b)に示すハッチングを付した部分のマイナス側とプラス側の面積の比は3:7となる。
このように、例えば、カラーホイールを用いたとき、デューティは必ずしも1:1にはならず、カラーホイールのセグメントの領域の切り替えのタイミングにあわせてデューティを定める必要があり、図10(a)(b)に示すように、水平点灯時のデューティと垂直点灯のデューティは同一にして、電流の極性切り替えのタイミングをカラーホイールの領域の切り替えタイミングに合わせる。
また、それと同時に、水平点灯時の電力量を略1:1になるように制御するとともに、垂直点灯時の定常周波数(及び/または低周波)の電力量を例えば略3:7のように制御する。これにより、電極の欠損を抑制することができる。
(A)実験結果1
前記A方式で点灯させる場合において、垂直配置時の低周波の時間(もしくは頻度)について、水平配置時の低周波の時間(もしくは頻度)に比べて、好ましい範囲について調べる実験を行なった。
この実験に用いたランプは、石英ガラスの放電管の最大外径がφ11.3mm、発光部には水銀0.29mg/mm3、臭素ガスを3×10-3μmol/mm3、および希ガス100Torr封入したものであり、電極間距離は1.1mmである。
このランプの点灯条件は、垂直配置した上で、定常点灯周波数が370Hz、低周波が46Hzとし、200時間点灯させた。
このとき、水平配置時の定常周波数、低周波での点灯時の電力比(一方(上側)に配置された電極から他方(下側)に配置された電極に流れる電力量と、他方(下側)に配置された電極から一方(上側)に配置された電極に流れる電力量との比率)は50/50(前記電力比cに相当)であり、垂直配置時の定常周波数での点灯時の電力比と、低周波の電力比とは、A方式で説明したように、いずれも電力比を変えるものであり、その電力比が20/80、25/75、30/70、35/65、40/60、45/55、50/50のそれぞれで点灯を行い、それぞれの電力比において、低周波の挿入時間(頻度)(相対値)を変更した。なお、ここでは、垂直配置時の[定常周波数での点灯時の電力比d]=[低周波で点灯時の電力比e]としたが、必ずしもd=eである必要はなく、d≠eとしても、同様な結果が得られるものと考えられる。
この低周波の挿入時間(頻度)(相対値)によって200時間点灯させた後、電極を観察して、その電極が、先端形状に異常な損耗や変形を伴っていないもの(水平点灯時の電極の寿命時間に対して7割以上の寿命時間を確保できるもの)を「○」とし、先端形状に異常な損耗や変形を伴っているもの(7割未満の寿命時間のもの)はNGとした。
図11(a)に示す表は、それぞれの電力比(図11中はDutyと記載)において、低周波の挿入時間(図11中は低周波挿入頻度と記載)を変えた場合の電極の品質を示したものであり、電極がNGの場合、そのNGであった電極の位置と、原因を記入している。電力比(Duty)は20/80〜50/50の範囲で変えて、各低周波の挿入時間での電極の形状を観察した。
図11(a)において、例えばDutyが25/75の挿入頻度0.3の場合のA:「上下:低い」とは、上側電極と下側電極のいずれもNGであって、両電極温度が低くなってしまって、不要な突起が形成されてNGになったものである。また、B:「上:低い」とは上側電極がNGであって、上側電極温度が低くなってしまった場合、C:「下:低い」とは下側電極がNGであって下側電極温度か低い場合、D:「上下:高い」とは上側電極と下側電極のいずれもNGで両極温度が高くなってしまい、突起が溶けてしまった場合、E:「上:高い」とは上側電極がNGであって、上側電極温度が高くなってしまい、突起が溶けてしまった場合、F:「下:高い」とは下側電極がNGであって、下側電極温度が高くなってしまい、突起が溶けてしまった場合である。
図11(a)の表において、電力比25/75及び30/70は、下側電極が送り出す電力量が、上側電極が送り出す電力量よりも、相対的に大きい。このため、低周波挿入時間(頻度)を長くすると、下側電極が加熱される時間も長くなってしまって溶けてしまう。このため、電力比25/75の場合は、低周波挿入時間を1.4以内に、電力比30/70は1.5以内にして、下側電極が加熱される時間を短くする必要があることがわかる。
また、電力比25/75及び30/70は、上側電極が送り出す電力量が、下側電極が送り出す電力量よりも、相対的に小さい。このため、低周波挿入時間を短くすると、上側電極が加熱される時間も短くなってしまって、余計な突起が形成されてしまう。このため、電力比25/75の場合は、低周波挿入時間を0.55以上に、電力比30/70は0.45以上にして、上側電極が加熱される時間を長くする必要があることがわかる。
電力比30/70と電力比25/75の低周波挿入時間1.45を比較すると、電力比25/75は、下側電極が送り出す電力量が大きくなるので、下側電極が高温になって、溶けてしまう。このため、電力比25/75は、低周波の時間を、電力比30/70の低周波挿入時間1.45より短い1.4にすると、下側電極が加熱される時間が短くなるので、溶ける不備を回避できる。
電力比30/70と電力比35/65の低周波挿入時間1.5を比較すると、電力比35/65は、上側電極が送り出す電力量が大きくなるので、上側電極が高温になって、溶けてしまう。このため、電力比35/65は、低周波の挿入時間を、電力比30/70の低周波挿入時間1.5より短い1.45にすると、上側電極が加熱される時間が短くなるので、溶ける不備を回避できる。
なお、電力比35/65、40/60、45/55の順で低周波挿入時間が短くなるのは、上述したように、上側電極が送り出す電力量が増加するためである。
なお、電力比30/70、25/75の順で低周波挿入時間が長くなるのは、上述したように、上側電極が受ける電力量が減少するためである。
電力比40/60と電力比45/55の低周波挿入時間0.4を比較すると、電力比45/55は、下側電極が送り出す電力量が小さくなるので、下側電極が低温になって、余計な突起が形成されてしまう。このため、電力比45/55は、低周波挿入時間を、電力比45/55の低周波挿入時間0.4より長い0.45にすると、下側電極が加熱される時間が長くなるので、余計な突起を溶かすことができる。
また、図11(a)の表から、電力比が25/75であれば、低周波挿入時間を適切に選定すれば、電極は問題のない「○」となるが、電力比を20/80にすると、低周波挿入時間にかかわらず、電極は全て「NG」となる。
また、電力比が50/50でも低周波挿入時間にかかわらず、電極は全て「NG」となる。すなわち、電力比は1/3≦[電力比]<1の範囲内にすることが望ましい。
グラフ中には、4本の線分を引いており、それぞれ、図11(a)の表において低周波挿入時間が「○」になるときの臨界を示している。
図11(c)に図11(a)の表から読み取った臨界値を示す。なお、図11(b)は図11(c)の表の値をプロットしたものである。
図11(c)の横の行の1行目の[25/75]、[30/70]、…、[45/55]は図11(a)の表のDutyを示し、次の行の0.33、0.45、…0.82は上記比を数値にした値である。また、その下の行の各値は、図11(a)の表から読み取った臨界値である。
例えば[25/75]の列の0.55,1.4は図11(a)の表のDutyが25/75の行の「○」となる低周波挿入頻度の臨界値を示し、[30/70]の列の0.45,1.5は図11(a)の表のDutyが30/70の行の「○」となる低周波挿入頻度の臨界値を示し、また、[25/75]の列の2、0.32、[30/70]の列の1.7、0.35等は、図11(a)において、「○」となる低周波挿入頻度の臨界値を延長したラインが、Dutyが25/75の行、30.70の行と交わる位置の値を示している。
従って、電力比xによって、低周波の挿入時間yは、次の(イ)(ロ)の2式の範囲にあれば、垂直配置のときに、上側電極及び下側電極の欠損を抑制でき、且つ、上側電極及び下側電極の両方に、余計な突起が形成されることを抑制できる。
−0.01x+0.8≦y≦0.03x+0.8…(イ)
0.006x+0.15≦y≦−0.04x+3…(ロ)
次にBの点灯方式において、垂直配置時の低周波挿入時間(頻度)について、水平配置時の低周波の挿入時間(もしくは頻度)に比べて、好ましい範囲について調べる実験を行った。
この実験に用いたランプは、石英ガラスの放電管の最大外径がφ11.3mm、発光部には水銀0.29mg/mm3、臭素ガスを3×10-3μmol/mm3、および希ガス100Torr封入したものであり、電極間距離は1.1mmである。
このランプの点灯条件は、垂直配置した上で、定常点灯周波数が370Hz、低周波が46Hzとし、200時間点灯させる。
このとき、Bの点灯方式では、垂直配置時の定常点灯時の電力比(上側に配置された電極から下側に配置された電極に送り出す電力量と、下側に配置された電極から上側に配置された電極に送り出す電力量との比率)は、50/50(前記電力比cに相当)である。
これに対して低周波の電力比(前記電力比eに相当)は、20/80、25/75、30/70、35/65、40/60、45/55、50/50のそれぞれで点灯を行い、それぞれの電力比において、低周波の挿入時間(頻度)を変更した。
この低周波の挿入時間(頻度)によって200時間点灯させた後、電極を観察して、その電極が、先端形状に異常な損耗や変形を伴っていないもの(水平点灯時の電極の寿命時間に対して7割以上の寿命時間を確保できるもの)を「○」とし、先端形状に異常な損耗や変形を伴っているもの(7割未満の寿命時間のもの)はNGとした。
Bの方式で点灯させる場合は、低周波の電力比を制御しているだけなので、臨界を示す線分は2つになる。
図12(a)に示す表は、それぞれの電力比(図12中はDuty比と記載)において、低周波の挿入時間(図12中は低周波挿入頻度と記載)を変えた場合の電極の品質を示したものであり、電極がNGの場合、そのNGであった電極の位置と、原因を記入している。電力比(Duty)は20/80〜50/50の範囲で変えて、各低周波の挿入時間での電極の形状を観察した。ここで、E:「上:高い」とは上側電極がNGであって、上側電極温度が高くなってしまい、突起が溶けてしまった場合、F:「下:高い」とは下側電極がNGであって、下側電極温度が高くなってしまい、突起が溶けてしまった場合である。
なお、図12(a)の表から、電力比が20/75であれば、低周波挿入時間を適切に選定すれば、電極は問題のない「○」となるが、電力比を20/80にすると、低周波挿入時間にかかわらず、電極は全て「NG」となる。
また、電力比が50/50でも低周波挿入時間にかかわらず、電極は全て「NG」となる。すなわち、電力比は1/3≦[電力比]<1の範囲内にすることが望ましいことがわかる。
グラフ中には、2本の線分を引いており、それぞれ、図12(a)の表において低周波挿入時間が「○」になるときの臨界を示している。
図12(c)の表は図11(c)と同様に、図12(a)の表から読み取った臨界値を示したものであり、図12(b)のグラフは図12(c)の表をプロットしたものである。
図12(b)に示すグラフにおいて、y=8x+5は、図12(a)の表におけるF:「下:高い」を示し、y=4x+0.7は、表におけるE:「上:高い」を示している。
従って、電力比xによって、低周波の挿入時間yは、次の(ハ)式の範囲にあれば、垂直配置のときに、上側電極及び下側電極の欠損を抑制でき、且つ、上側電極及び下側電極の両方に、余計な突起が形成されることを抑制できる。
4x+0.7≦z≦8x+5…(ハ)
2 フルブリッジ回路(フルブリッジ型インバータ回路)
3 スタータ回路
4 ドライバ
50 制御部
10 放電ランプ
11 発光部
12 封止部
13 放電管
14a,14b 電極
15 金属箔
16 外部リード
20 給電装置
30 検知回路
40 時間分割素子
50 制御部
51 駆動信号発生部
52 コントローラ
52a 点灯動作制御部
52b 駆動信号選択部
52c 電力制御部
Qx スイッチング素子
L1,Lx コイル
Cx,C1,C2 コンデンサ
Q1,Q2,Q3,Q4,Q5 スイッチング素子
Dx ダイオード
R1〜R3,Rx 抵抗
T2 トランス
Et 補助電極
Claims (2)
- 放電容器の内部で一対の電極が対向配置されると共に、水銀が封入された高圧放電ランプと、このランプに、交流電流を供給する給電装置と、を備えた光源装置において、
前記給電装置は、
予め設定された所定の周波数を定常周波数として、該定常周波数の交流電流を上記ランプに供給し、
ランプが水平配置された状態を示す信号が入力された場合、
該ランプの一方(上側)の電極から他方(下側)の電極に流れる電力量をa、他方の電極から一方の電極に流れる電力量をbとしたとき、
上記電力量の比率a/bを第1の値cに設定して、上記定常周波数の交流電流を供給し、且つ、予め定められた周期で、上記定常周波数より周波数が低い所定の周波数の低周波数であって、上記電力量の比率が上記第1の値である交流電流を挿入して、上記ランプを点灯させ、
ランプが垂直配置された状態を示す信号が入力された場合、
該ランプの上側の電極から下側の電極に流れる電力量をa’、下側の電極から上側の電極に流れる電力量をb’としたとき、
上記電力量の比率a’/b’を第1の値cに設定して上記定常周波数の交流電流を供給し、且つ、予め定められた頻度で、上記定常周波数より周波数が低い所定の周波数の低周波数の交流電流を挿入し、該低周波の交流電流の上記電力量の比率a’/b’を、上記第1の値cより小さな第3の値eに設定して、上記ランプを点灯させる
ことを特徴とする光源装置。 - ランプが垂直配置された状態を示す信号が入力された場合に、
上記電力量の比率a’/b’を上記第1の値cに設定して上記定常周波数の交流電流を供給するとともに、低周波の交流電流の上記電力量の比率a’/b’を、上記第1の値cより小さな第3の値eに設定し、
前記第3の値eを1/3≦e<1の範囲にし、
上記低周波を挿入する頻度z×100%を、以下の(3)式の範囲内に設定し、上記ランプを点灯させる
4e+0.7≦z≦8e+5…(3)
ことを特徴とする請求項1に記載の光源装置。
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