JP6136317B2 - 光源駆動装置、表示装置および光源駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、放電灯を駆動する技術に関する。

高圧水銀灯等の放電灯を光源として用いたプロジェクター等の表示装置が知られている。このような表示装置において、光源の安定動作は、表示される画像の品質を決定する要因の一つである。特許文献１は、アンテナを介して放電容器内部に電磁波を供給し、放電容器の溶融を防止する技術を開示している。特許文献２は、放電灯内の２つの電極の一方が陽極として動作する期間の電力量と陰極として動作する期間の電力量との比を変化させる制御を特定のタイミングで行って、電極の溶融を抑制する技術を開示している。特許文献３は、それぞれ異なる周波数の交流電流が供給される３つの期間を所定の配列で反復し、電極先端の状態を維持する技術を開示している。

特開２００７−１１５５３４号公報 特開２０１０−１１４０６４号公報 特開２０１２−１４９９５号公報

本発明は、放電灯の寿命の低下を抑制する技術を提供する。

本発明は、一対の電極を有する放電灯に対して、高周波の第１の駆動信号と、前記第１の駆動信号より低周波の第２の駆動信号とを供給する供給手段と、前記第１の駆動信号を第１期間、供給した後で前記第２の駆動信号を第２期間、供給し、前記一対の電極間の電圧が大きくなるほど前記第２期間が長くなるように前記供給手段を制御する制御手段とを有する光源駆動装置を提供する。この光源駆動装置によれば、第２期間が一定である場合に比べて放電灯の寿命の低下を抑制することができる。

好ましい態様において、前記第２期間は、２分よりも長いことを特徴とする。この光源駆動装置によれば、第２期間が２分以下である場合に比べて電極の形状の不規則な変化を抑制することができる。

別の好ましい態様において、前記第２期間は、５分以上であることを特徴とする。この光源駆動装置によれば、第２期間が５分より短い場合に比べて電極の形状の不規則な変化を抑制することができる。

別の好ましい態様において、前記第１期間は、一定であることを特徴とする。この光源駆動装置によれば、第１期間を変化させることなく、放電灯の寿命の低下を抑制することができる。

別の好ましい態様において、前記第１の駆動信号の周波数は１ｋＨｚ以上であることを特徴とする。この光源駆動装置によれば、第２期間に放電灯の寿命の低下が抑制される。

別の好ましい態様において、前記第２の駆動信号は、複数の周波数成分を含むことを特徴とする。この光源駆動装置によれば、第２の駆動信号が単一の周波数成分のみを含む場合に比べて、放電灯の内部に生じた熱を攪拌させることができる。

また、本発明は、一対の電極を有する放電灯と、前記放電灯に対して、高周波の第１の駆動信号と、前記第１の駆動信号より低周波の第２の駆動信号とを供給する供給手段と、前記第１の駆動信号を第１期間、供給した後で前記第２の駆動信号を第２期間、供給し、前記一対の電極間の電圧が大きくなるほど前記第２期間が長くなるように前記供給手段を制御する制御手段と、前記放電灯から出力された光を、画像データに応じて変調する光変調器とを有する表示装置を提供する。この表示装置によれば、第２期間が一定である場合に比べて放電灯の寿命の低下を抑制することができる。

また、本発明は、一対の電極を有する放電灯に対して、高周波の第１の駆動信号を第１期間供給するステップと、前記一対の電極間の電圧を検出するステップと、前記第１の駆動信号より低周波の第２の駆動信号を第２期間供給するステップと、前記一対の電極間の電圧が大きくなるほど前記第２期間が長くなるように、前記一対の電極間の電圧に基いて前記第２期間を決定するステップとを有する光源駆動方法を提供する。この光源駆動方法によれば、第２期間が一定である場合に比べて放電灯の寿命の低下を抑制することができる。

画像表示装置のハードウェア構成を示す図。 ランプの構造を示す模式図。 電極間電圧Ｖｄの変化を示す図。 駆動信号を例示する図。 駆動信号の周波数成分を例示する図。 画像表示装置の動作を示すフローチャート。 電極間電圧Ｖｄと期間Ｂの長さとの対応の一例を示す図。 実施例および比較例の試験結果を示す図。

１．概要
図１は、一実施形態に係る画像表示装置１のハードウェア構成を示す図である。この例で、画像表示装置１は、入力された映像信号に応じた映像をスクリーン（図示略）に投射する装置、すなわちプロジェクターである。画像表示装置１は、光源駆動装置１０と、電源２０と、ランプ３０（光源）と、ライトバルブ４０と、投射レンズ５０とを有する。ランプ３０は、投射される画像の光源となる放電灯、この例では高圧水銀灯である。

図２は、ランプ３０の構造を示す断面模式図である。ランプ３０は、容器３００と、一対の電極３０１（３０１ａおよび３０１ｂ）と、接続部材３０２と、端子３０３とを有する。容器３００は、ランプ３０の各部を収容する部材であって、内部に空間ｓｐを有する。空間ｓｐには、高圧の水銀ガスが封入されている。容器３００は、石英ガラス等のガラスまたは光透過性セラミックスなどにより形成される。電極３０１ａおよび３０１ｂは、空間ｓｐに設けられている。また、電極３０１ａと電極３０１ｂとは対向している。電極３０１ａと３０１ｂとの間の距離（以下、「電極間距離ｄ」という）は、例えば１μｍ以上５ｍｍ以下である。電極３０１は、芯棒３０１１と、コイル部３０１２と、末端部３０１３と、突起３０１４とを有する。電極３０１は、芯棒３０１１にタングステンなどの電極線を巻き付けてコイル部３０１２を形成し、コイル部３０１２を加熱・溶融することにより末端部３０１３が形成されている。末端部３０１３は、熱容量の大きな領域である。突起３０１４は、ランプ３０が一度も点灯されていないときには形成されておらず、電極３０１に交流電流（駆動信号）が供給されると形成される。なお、突起３０１４は、ランプ３０を消灯した後も維持される。接続部材３０２は、電極３０１と端子３０３とを接続する導電性の部材である。端子３０３は、電極３０１に電流を供給するための端子である。

再び図１を参照する。電源２０は、光源駆動装置１０に対して直流電流を供給する。光源駆動装置１０は、ランプ３０を点灯させる装置である。光源駆動装置１０は、処理回路１０１と、ランプ駆動回路１０２と、電圧測定回路１０３とを有する。処理回路１０１は、光源駆動装置１０の各部を制御する。この例で、処理回路１０１は、ＭＣＵ（Micro Control Unit）１０１１を有する。ＭＣＵ１０１１は、光源駆動装置１０の各部を制御するとともに、入力された映像信号に対して画像処理を行う。ＭＣＵ１０１１は、画像処理をした映像信号をライトバルブ４０に出力する。ランプ駆動回路１０２は、電源２０から供給された直流電流の極性を正または負に切り替えて交流電流を生成し、生成した交流電流をランプ３０に供給する回路である。電圧測定回路１０３は、電極３０１ａと電極３０１ｂとの間の電圧（以下、「電極間電圧Ｖｄ」という）を測定する。

ライトバルブ４０は、ＭＣＵ１０１１から供給される映像信号に応じて、ランプ３０から発生された光を変調する装置、例えば液晶パネルである。投射レンズ５０は、ライトバルブ４０により変調された光により示される映像をスクリーンに投射するレンズである。

ランプ３０すなわち高圧水銀灯の寿命は、画像表示装置１の品質を決める要因の一つである。高圧水銀灯の寿命を決める要因は主として以下の２つである。
（ａ）電極間距離ｄの変化
（ｂ）容器３００の内部の黒化および失透現象
以下、これらの現象についてそれぞれ説明する。

１−１．対向電極の電極間距離の変化
高圧水銀灯を点灯し続けると、容器３００の内部にある電極３０１（末端部３０１３および突起３０１４）が溶融し、電極間距離ｄが長くなる。電極間距離ｄが長くなると、アーク放電の形が細長くなる（すなわち発光部の形も細長くなる）。発光部の形が細長くなるとプロジェクターの光学系全体を通じて投射面に出力される光束が減る。その結果、表示される画像の明るさが低減してしまう。

電極間距離ｄが長くなってしまうことを抑制する方法として、高圧水銀灯に低周波（例えば１ｋＨｚ未満の周波数）の交流電流を供給する方法がある。低周波の交流電流を用いて高圧水銀灯を駆動すると、電極が溶融と凝固を繰り返すことにより、電極間距離ｄが回復して短くなることが知られている。なお、この場合において、駆動周波数に定期的な揺らぎを設けて（すなわち複数の周波数成分を有する駆動信号を用いて）、水銀灯内部の高圧ガスを熱的に撹拌することもある。

１−２．容器内部の黒化および失透現象
高圧水銀灯を使用していると、累積使用時間の経過とともに容器３００の内部に電極３０１からの飛散物質が付着する。その結果、容器３００の内部が徐々に黒化する。黒化現象は容器３００の光透過率を減少させるだけなく、光が容器３００の表面で熱に変化することにより、容器３００の温度上昇をもたらす。その結果、容器３００が白濁する失透現象が発生し、さらに光透過率が低下することを加速させる。容器３００の黒化および失透を抑制する方法としては、高圧水銀灯に高周波（例えば１ｋＨｚ以上の周波数）の交流電流を供給する方法が知られている。

１−３．水銀灯駆動の問題点
既に説明したように、電極間距離ｄの変化並びに黒化および失透現象のそれぞれは、供給される交流電流の周波数を変化させることによって抑制することができる。しかし、電極間距離ｄの変化を抑制する交流電流は低周波であり、黒化および失透現象を抑制する交流電流は高周波であるという点において、これらの交流電流はそれぞれ相反している。そこで、ランプ駆動回路１０２は、これら相反する交流電流をランプ３０に交互に供給する。

図３は、高周波の交流電流と低周波の交流電流とが交互に供給された場合における電極間電圧Ｖｄの変化の一例を示す図である。図３において、横軸は時間ｔを示し、縦軸は電極間電圧Ｖｄを示す。この例で、ランプ３０は定電流（実効電流一定）で駆動されるので、電極間電圧Ｖｄは、電極間距離ｄに比例する。すなわち、電極間電圧Ｖｄが大きいことは電極間距離ｄが長いことを示し、電極間電圧Ｖｄが小さいことは電極間距離ｄが短いことを示す。期間Ａは、ランプ駆動回路１０２により高周波の交流電流が供給されている期間を示す。期間Ａにおいて、時間の経過とともに電極間電圧Ｖｄは大きくなる（電極間距離ｄは長くなる）。期間Ｂは、ランプ駆動回路１０２により低周波の交流電流が供給されている時間を示す。期間Ｂにおいて、時間の経過とともに電極間電圧Ｖｄは小さくなる（電極間距離ｄは短くなる）。図３は、期間Ａと期間Ｂがそれぞれ一定の時間で駆動された場合の電極間電圧Ｖｄの理想的な変化を示している。図３に示す通り、期間Ａと期間Ｂとの時間が最適化されていれば、期間ＡにＶ１に上昇した電極間電圧Ｖｄは、期間ＢにＶ０に戻る。すなわち、期間Ａに長くなった電極間距離ｄは期間Ｂに回復して元の長さに戻る。このように、低周波の交流電流と高周波の交流電流とが交互に供給されると、電極間距離ｄの変化並びに黒化および失透現象はそれぞれ抑制される。

しかし、個々の製品において期間Ａと期間Ｂとの時間を最適化することは容易でない場合も多く、また、使用時間の経過とともに電極間距離ｄの変化率が変わってしまう場合もある。したがって、期間Ａと期間Ｂとの時間の比率を常に最適な状態に保つことは難しい場合も多い。本実施形態に係る画像表示装置１は、以下に述べる処理によりランプ３０における電極間距離ｄの変化並びに黒化および失透現象に対処する。

ランプ駆動回路１０２は、一対の電極を有する放電灯（ランプ３０）に対して、高周波の第１の駆動信号と、第１の駆動信号より低周波の第２の駆動信号とを供給する供給手段の一例である。ＭＣＵ１０１１は、第１の駆動信号を第１期間、供給した後で第２の駆動信号を第２期間、供給し、一対の電極間の電圧が大きくなるほど第２期間が長くなるようにランプ駆動回路１０２を制御する制御手段の一例である。

２．動作
図４は、本実施形態で用いられる駆動信号を例示する図である。この例で、ランプ駆動回路１０２は、高周波の駆動信号ｉ１、および低周波の駆動信号ｉ２の２種類の駆動信号のいずれかを選択的にランプ３０に供給する。高周波とは例えば１ｋＨｚ以上の周波数をいい、低周波とは例えば１ｋＨｚ未満の周波数をいう。駆動信号ｉ１は、容器３００の内部の黒化および失透を抑制（または低減）するための信号である。駆動信号ｉ２は、長くなった電極間距離ｄを回復させる（または電極間距離ｄを維持する）ための信号である。この例で、駆動信号ｉ２は、直流成分を含む複数の周波数成分を含む。

図５は、駆動信号ｉ２の周波数成分を例示する図である。図５において、縦軸は電流を、横軸は時間を示している。この例で、駆動信号ｉ２は、周波数ω１の期間と、周波数ω２の期間と、周波数ω３の期間とを含んでいる。なお周波数ω３の期間は半周期分の長さ（１／ω３／２）しかないので、この期間において電流の極性は変化しない。ここでは、これを直流成分という。駆動信号ｉ２において、周波数ω１の期間、周波数ω２の期間、および周波数ω３の期間は繰り返される。周波数ω３の期間は、１サイクル毎に、正電流の期間と負電流の期間が切り替えられる。

図６は、画像表示装置１の動作を示すフローチャートである。図６のフローは、例えば、画像表示装置１の電源が投入されたことを契機として開始される。ステップＳ１０１において、ＭＣＵ１０１１は、駆動信号ｉ１がランプ３０に供給されるように、ランプ駆動回路１０２を制御する。ステップＳ１０２において、ＭＣＵ１０１１は、期間Ａが経過したか否かを判断する。具体的には、ＭＣＵ１０１１は、駆動信号ｉ１が供給されてからの経過時間を、光源駆動装置１０に内蔵されたタイマーにより計測しており、経過時間が期間Ａを超えたか判断する。期間Ａの長さは、一定（例えば、１５分）である。期間Ａが経過したと判断された場合（ステップＳ１０２：ＹＥＳ）、ＭＣＵ１０１１は、処理をステップＳ１０３に移行する。期間Ａが経過していないと判断された場合（ステップＳ１０２：ＮＯ）、ＭＣＵ１０１１は、処理をステップＳ１０１に移行する。

ステップＳ１０３において、ＭＣＵ１０１１は、電極間電圧Ｖｄを検出する。具体的には、ＭＣＵ１０１１は、電極間電圧Ｖｄを示す信号を電圧測定回路１０３からサンプリングする。ステップＳ１０４において、ＭＣＵ１０１１は、期間Ｂの長さを決定する。ＭＣＵ１０１１は、電極間電圧Ｖｄと期間Ｂの長さとが対応付けられたデータを、ＭＣＵ１０１１に内蔵されたメモリに記憶している。ＭＣＵ１０１１は、このデータに基づいて、期間Ｂの長さを決定する。

図７は、電極間電圧Ｖｄと期間Ｂの長さとの対応の一例を示す図である。期間Ｂの長さは、ステップＳ１０３において検出された電極間電圧Ｖｄの値に応じて決定される。期間Ｂの長さは、突起３０１４の形状が不規則に変化することを抑制する観点から、２分よりも長いことが好ましく、５分以上であることがより好ましい。図７の例では、期間Ｂの長さの最短時間は５分である。図７では、電極間電圧Ｖｄが７５Ｖ以下の場合に、期間Ｂの長さは５分に決定される。電極間電圧Ｖｄが７５Ｖよりも大きく８５Ｖ以下の場合、期間Ｂの長さは１０分に決定される。電極間電圧Ｖｄが１４５Ｖよりも大きい場合、期間Ｂの長さは４５分に決定される。図７に示す通り、ＭＣＵ１０１１は、電極間電圧Ｖｄが大きくなるほど、期間Ｂの長さを長くする。

再び図６を参照する。ステップＳ１０５において、ＭＣＵ１０１１は、駆動信号ｉ２がランプ３０に供給されるように、ランプ駆動回路１０２を制御する。ステップＳ１０６において、ＭＣＵ１０１１は、ステップＳ１０４で決定された期間Ｂが経過したか否かを判断する。具体的には、ＭＣＵ１０１１は、駆動信号ｉ２が供給されてからの経過時間を、タイマーにより計測しており、経過時間が期間Ｂを超えたか判断する。期間Ｂが経過したと判断された場合（ステップＳ１０６：ＹＥＳ）、ＭＣＵ１０１１は、処理をステップＳ１０１に移行する。期間Ｂが経過していないと判断された場合（ステップＳ１０６：ＮＯ）、ＭＣＵ１０１１は、処理をステップＳ１０５に移行する。

本実施形態によれば、電極間電圧Ｖｄが大きくなるほど、駆動信号ｉ２が供給される期間Ｂは長くなる。したがって、ランプ３０を長時間（数百時間または数千時間）点灯させることにより電極間距離ｄが長くなってしまった場合であっても、電極間距離ｄに応じて期間Ｂの長さが決められる。すなわち、期間Ａの長さと期間Ｂの長さとが固定されている場合と比較して、光源の寿命の低下を抑制することができる。

３．実施例
次に本発明の具体的実施例について説明する。ここでは、下記の構成の画像表示装置１を用いた。
（実施例）
放電灯の容器の構成材料：石英ガラス
放電灯内の封入物：水銀
放電灯内の点灯時の気圧：２００ａｔｍ
電極の構成材料：タングステン
定格電力：２３０Ｗ
点灯開始時の電極間電圧：７０Ｖ
駆動信号ｉ１の周波数：３．５ｋＨｚ
駆動信号ｉ１の波形：矩形状
期間Ａ：１５分
駆動信号ｉ２の周波数：３００Ｈｚ以下の複数の周波数成分を含む
駆動信号ｉ２の波形：矩形状
期間Ｂ：電極間電圧の値に応じて図７に示した長さに調整する

（比較例）
期間Ｂが５分で一定である点以外は、実施例と同じである。

図８は、実施例および比較例の試験結果を示す図である。図８（ａ）は、電極間電圧Ｖｄの経時変化を示している。図８（ａ）において、横軸は高圧水銀灯が点灯された累積時間Ｔ［ｈ］を示し、縦軸は電極間電圧Ｖｄ［Ｖ］を示す。図８（ａ）において、白丸は比較例を表し、黒丸は実施例を表す。図８（ａ）に示す通り、実施例においては、比較例に比べて電極間電圧Ｖｄの上昇が抑制され、高圧水銀灯の明るさの低減が抑制されている。また、図８（ｂ）は、放電灯の照度が点灯開始時の５０％になるまでの時間Ｔｈを示している。図８（ｂ）に示す通り、実施例における時間Ｔｈは１０，０００時間、比較例における時間Ｔｈは７，０００時間であり、実施例においては、比較例よりも、照度が低下するまでの時間が長くなっている。

４．変形例
本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。以下、変形例をいくつか説明する。以下の変形例のうち２つ以上のものが組み合わせて用いられてもよい。

ランプ３０の構造は、上述の実施形態に記載したものに限らない。例えば、上述の実施形態ではランプ３０が高圧水銀灯である例について説明したが、ランプ３０は、メタルハライドランプ等、高圧水銀灯以外の放電灯であってもよい。

上述の実施形態では、高周波の駆動信号ｉ１が単一の周波数成分のみを含む場合について説明したが、駆動信号ｉ１は、複数の周波数成分を含んでいてもよい。また、駆動信号ｉ２の具体例は実施形態で説明したものに限定されない。例えば、駆動信号ｉ２は２つまたは４つ以上の周波数成分を含んでいてもよいし、単一の周波数成分のみを含んでいてもよい。

実施形態で示した期間Ａの長さは一例であり、期間Ａの長さはこれに限らない。また、期間Ｂの長さも図７に示した長さに限らない。電極間電圧Ｖｄが大きくなるほど、期間Ｂの長さが長くなれば、期間Ｂの長さは図７に示した長さとは異なる長さであってもよい。

画像表示装置１の動作は、図６に示した動作に限らない。例えば、電極間電圧Ｖｄが検出されるタイミングは、期間Ａの終期に限らない。電極間電圧Ｖｄの検出は、期間Ａの間であればどのタイミングで行われてもよい。

画像表示装置１は、プロジェクターに限定されない。放電灯を光源として用いるものであれば、画像表示装置１はプロジェクター以外の装置であってもよい。

１…画像表示装置、１０…光源駆動装置、２０…電源、３０…ランプ、４０…ライトバルブ、５０…投射レンズ、１０１…処理回路、１０１１…ＭＣＵ、１０２…ランプ駆動回路、１０３…電圧測定回路、３００…容器、３０１…電極、３０２…接続部材、３０３…端子、３０１１…芯棒、３０１２…コイル部、３０１３…末端部、３０１４…突起

Claims (8)

1. 一対の電極を有する放電灯に対して、第１周波数の第１の駆動信号と、前記第１周波数よりも低い第２周波数の第２の駆動信号と、を供給する供給手段と、
   前記第１の駆動信号を第１期間供給し、前記第１期間の後で前記第２の駆動信号を第２期間供給するように前記供給手段を制御する制御手段と、
   を有し、
   前記制御手段は、前記放電灯の電極間電圧を検出し、検出された前記電極間電圧に基づいて前記第２期間の長さを決定し、決定された前記第２期間において前記第２の駆動信号を供給し、
   前記制御手段は、前記電極間電圧が大きくなるほど前記第２期間を長くする光源駆動装置。
2. 請求項１に記載の光源駆動装置であって、
   前記第２期間は、２分よりも長いことを特徴とする光源駆動装置。
3. 請求項２に記載の光源駆動装置であって、
   前記第２期間は、５分以上であることを特徴とする光源駆動装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光源駆動装置であって、
   前記第１期間は、一定であることを特徴とする光源駆動装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光源駆動装置であって、
   前記第１周波数は、１ｋＨｚ以上であることを特徴とする光源駆動装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光源駆動装置であって、
   前記第２の駆動信号は、複数の周波数成分を含むことを特徴とする光源駆動装置。
7. 一対の電極を有する放電灯と、
   前記放電灯に対して、第１周波数の第１の駆動信号と、前記第１周波数よりも低い第２周波数の第２の駆動信号と、を供給する供給手段と、
   前記第１の駆動信号を第１期間供給し、前記第１期間の後で前記第２の駆動信号を第２期間供給するように前記供給手段を制御する制御手段と、
   前記放電灯から出力された光を、画像データに応じて変調する光変調器と
   を有し、
   前記制御手段は、前記放電灯の電極間電圧を検出し、検出された前記電極間電圧に基づいて前記第２期間の長さを決定し、決定された前記第２期間において前記第２の駆動信号を供給し、
   前記制御手段は、前記電極間電圧が大きくなるほど前記第２期間を長くする表示装置。
8. 一対の電極を有する放電灯に対して、第１周波数の第１の駆動信号を第１期間供給するステップと、
   前記放電灯の電極間電圧を検出するステップと、
   検出された前記電極間電圧に基づいて、第２期間の長さを決定するステップと、
   前記放電灯に対して、前記第１期間の後で、前記第１周波数よりも低い第２周波数の第２の駆動信号を前記第２期間供給するステップと、
   を有し、
   前記電極間電圧が大きくなるほど前記第２期間を長くする光源駆動方法。

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