JPWO2010035368A1 - 高圧放電ランプ点灯装置、それを用いた高圧放電ランプ装置、その高圧放電ランプ装置を用いたプロジェクタ、および高圧放電ランプの点灯方法 - Google Patents
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Abstract
Description
2 DC電源回路
3 高圧放電ランプ点灯装置
4 高圧水銀ランプ
5 DC/DCコンバータ
6 DC/ACインバータ
7 高電圧発生部
8 ランプ電流検出部
9 ランプ電圧検出部
10 制御回路
11 マイコン
12 PWM制御回路
13 点灯判別回路
14 タイマー
16 発光部
18 放電空間
19 電極
20 電極棒
21 電極コイル
22 先端部
23 突起部
26 反射鏡
27 ランプユニット
28 反射面
35 フロントプロジェクタ
42 リアプロジェクタ
50 カラーホイール
50a 境界線
51 カラーホイール
55 フロントプロジェクタ
56 光学ユニット
57,58 レンズ
59 DMDパネル
65 ミラー群
66 液晶パネル
70 プリズム
E 所定時間(所定の時間間隔)
L 電極間距離
(第1の実施形態)
<構成>
図1は、本発明の第1の実施形態である高圧放電ランプ装置1のブロック図を示す。
<動作>
次に、本実施形態に係る高圧放電ランプ点灯装置3の動作例について図1、図2および図5のフローチャートを参照して説明する。図5は、高圧放電ランプ点灯装置3における交流電流の変調制御を示すフローチャートである。ただし、図5のフローチャートにおいて後述する始動動作は省略している。
(1)まず、高圧水銀ランプ4を放電開始させるための点灯スイッチ(図示せず)がオンされると、制御回路10は、高電圧発生部7に例えば3[kV]、100[kHz]の高周波の高電圧を発生させる。発生された高周波の高電圧は高圧水銀ランプ4に印加される。
(2)高圧水銀ランプ4における電極19間において絶縁破壊が起こると電極19間に高周波のアーク放電電流が通電し始める。すなわち、高圧水銀ランプ4は放電を開始する。放電開始後も一定期間、高周波の電圧が高圧水銀ランプ4に印加され続ける。
(3)始動動作後、略矩形波の交流電流による定電流制御(例えば3[A]一定)の点灯に移行する。
(4)制御回路10は、水銀の蒸発に伴ってランプ電圧が上昇して所定の電圧(例えば60[V])に到達するまで定電流制御で高圧水銀ランプ4を点灯させる。その一方で、制御回路10は、ランプ電流検出部8の出力信号に基づき点灯開始したか否かを判別する。そして、図5に示すように点灯開始すれば、制御回路10は、タイマー14のカウントを開始させ(S11)、DC/ACインバータ6に制御信号dを入力する(S12)。制御信号dは、高圧水銀ランプ4に供給する交流電流の周波数を、所定の値、例えば135[Hz]に特定するための信号である。DC/ACインバータ6は、制御信号dから周波数を特定し、交流電流の極性反転動作を実行する。
(5)タイマー14の設定時間は、60[秒]以上300[秒]以下の範囲内から選択されており、本実施形態では100[秒]が選択されている。制御回路10は、点灯開始から100[秒]を経過するまで、DC/ACインバータ6への制御信号dの入力を維持する(S13:NO)。点灯開始から100[秒]を経過すれば、高圧水銀ランプ4が定常点灯状態にあり、制御回路10は、略矩形波の交流電流の変調制御を実行する(S13:YES)。
(6)制御回路10は、点灯開始から100[秒]を経過すれば、所定時間E(所定の時間間隔)の計測を開始する(S14)。
(7)次に、制御回路10は、DC/ACインバータ6に制御信号bを入力する(S15)。制御信号bは、B期間における交流電流の周波数を第1の値に特定するための信号である。これにより、制御信号bにより特定される第1の値の交流電流がDC/ACインバータ6から出力され、高圧水銀ランプ4に供給される。
(8)制御回路10は、B期間が経過するまでDC/ACインバータ6への制御信号bの入力を維持し(S16:NO)、B期間を経過すれば(S16:YES)、制御信号bから制御信号cに切り替える(S17)。制御信号cは、C期間における交流電流の周波数を第2の値に特定するための信号である。これにより制御信号cにより特定される第2の値の交流電流がDC/ACインバータ6から出力され、高圧水銀ランプ4に供給される。
(9)制御回路10は、C期間が経過するまでDC/ACインバータ6への制御信号cの入力を維持し(S18:NO)、C期間が経過すれば(S18:YES)、所定時間Eの経過を確認する(S19)。
(10)このとき、所定時間Eが経過していない場合(S19:NO)、制御回路10は、制御信号cから制御信号bに切り替え(S15)、前記(7)に戻って、S15以降の動作を続ける。
(11)所定時間Eが経過している場合(S19:YES)、所定時間Eの計測をリセットし(S20)、制御回路10は、制御信号cから制御信号aに切り替える(S21)。制御信号aは、A期間における交流電流の周波数を第3の値に特定するための信号である。これにより制御信号aにより特定される第3の値の交流電流がDC/ACインバータ6から出力され、高圧水銀ランプ4に供給される。
(12)制御回路10は、A期間が経過するまでDC/ACインバータ6への制御信号aの入力を維持し(S22:NO)、A期間が経過すれば(S22:YES)、制御回路10は、制御信号aから制御信号cに切り替える(S23)。これにより制御信号cにより特定される第2の値の交流電流がDC/ACインバータ6から出力され、高圧水銀ランプ4に供給される。
(13)制御回路10は、C期間が経過するまでDC/ACインバータ6への制御信号cの入力を維持し(S24:NO)、C期間が経過すれば(S24:YES)、制御信号cから制御信号bに切り替え(S15)、前記(7)に戻って、S15以降の動作を続ける。
(14)制御回路10は、以降、点灯スイッチがオフされるまで、S15〜S24の一連のステップを繰り返す。
<交流電流の波形例>
図6には、上記動作により得られる定常点灯状態における略矩形波の交流電流の波形の一例が示されている。
<試験結果>
図8は、点灯試験における電圧推移の結果を示す表であり、本実施形態に係る高圧放電ランプ装置1と、当該高圧放電ランプ装置1とはA期間の長さを示す設定周期が異なる3つの高圧放電ランプ装置との試験結果を示している。なお、当該試験に用いた各高圧放電ランプ装置において、共通する構成要素については、簡単のため同一の符号を用いて説明する。
<各周波数の値、各期間および所定時間Eの設定範囲>
次に、第1〜第3の値、A〜C期間および所定時間Eにおける設定範囲について説明する。
<プロジェクタ>
次に、高圧放電ランプ装置1を用いたプロジェクタについて説明する。
(第2の実施形態)
プロジェクタの画像表示方式には、上記した、3原色R,G,Bに対応した3枚の画像表示デバイスを用いて3原色の画像を同時合成して投射する方式と、1枚のみの画像表示デバイスを用いて原色となる各色の画像を時系列に投射する方式とがある。
<構成>
図11に、単板DLP方式のフロントプロジェクタの具体的な構成例を示す。
<動作>
フロントプロジェクタ55は、ランプユニット27からの光を、レンズ57を介して高速で回転するカラーホイール50を透過させることによって、R,G,B,Wの4色の光を時分割で、DMDパネル59に照射させることができる。また、DMDパネル59は各色に対応したそれぞれの映像信号に従って内蔵のマイクロミラーが反射するよう制御ユニット38によって制御されている。そして、DMDパネル59で反射されたR、G、B、Wの4色の画像の光が、投射レンズ39を介してスクリーン(図示せず)に表示される。各色の画像は時系列に高速で切り替わるため、人間の目には、混合された色としてかつ目的とする投射画像として感知される。
<交流電流の波形例>
《波形例1》
図13に、各色のセグメントが均等な角度で分割配置されたカラーホイール50を用いた構成において本発明を適用した交流電流の波形例を示す。カラーホイール50におけるB,G,R,Wの各セグメントの角度は全て90度である(図12(a)参照)。このカラーホイール50はビデオ入力信号周波数の3倍の180[Hz]に対応した回転数10800[r.p.m]で回転しており、光源に第1の実施形態と同じ定格電力180[W]の高圧水銀ランプ4を用いている。第1〜第3の値、A〜C期間および所定時間Eは次のように設定されている。
《波形例2》
投射画像の色再現性を高めるものとして、4色のセグメントの角度を不均等に配置したカラーホイールを用いた構成が知られている。図12(b)に、Rセグメントの角度を大きくし、Wセグメントの角度を小さくしたカラーホイール51を示す。このカラーホイール51を用いた場合には、カラーホイール51を透過して得られる各色の光のうち、R色の光の発生時間が最も長く、W色の光の発生時間が最も短い。このようにR色の光の発生時間を長くして、ランプユニット27から出た光において本来含有比率の少ないR色の利用比率が増加することで投射画像の色再現性を高めることができる。
《波形例3》
また、投射画像の色再現性をさらに高めるものとして、上記と同じく4色のセグメントの回転角度を不均等に配置したカラーホイールを用いることに加えて、色のセグメント毎に透過するランプの光量を変化させる方法が知られている。例えば、Rセグメントを通る光量を増加しWセグメントを通る光量を減少させるようにランプユニット27の出射光量を制御することで、R色の利用比率がさらに増加するので投射画像の色再現性をさらに高めることができる。ランプユニット27の出射光量の制御は、高圧放電ランプ点灯装置3において、その内部のマイコン11が電流の増減の制御を行うことで実現することができる。
《波形例4》
図15に示す波形例では、Rセグメントの電流増加が、あるC期間では、一対の電極19のうち一方の電極のみに偏り、次のC期間では他方の電極19のみに偏っている。C期間が何度も繰り返されるような時間間隔で見た場合には、一対の電極19における電流増加は、両電極に交互に印加されることになるので、各電極19における突起部23の成長および減退のバランスが取られている。しかしながら、C期間を長く設定した場合には、電流増加が一方の電極に印加される期間が長くなるので、当該C期間の間に、電極の突起部23における成長および減退のバランスが崩れる場合がある。
<同期方式の具体例>
次に、制御ユニット38から送出される同期信号と、その同期信号に反応して高圧放電ランプ点灯装置3が交流電流の極性反転動作をおこなう同期方式の具体例について説明する。この同期方式として、カラーホイールの1回転毎に同期信号を発生させる第1の同期方式と、カラーホイールの各色セグメントの切り替わり毎に同期信号を発生させる第2の同期方式とがある。以下の具体例では、各セグメントの回転角度が不均等なカラーホイール51、およびセグメント毎に電流増減をする方法を組み合わせた構成を有するプロジェクタを用いている。また、第1〜第3の値、A〜C期間、ならびに所定時間Eは、図15に示す交流電流の波形例と同じ設定のものを用いている。
《第1の同期方式》
まず、第1の同期方式について、図17を用いて説明する。図17には、制御ユニット38により、カラーホイール51のWセグメントの開始のタイミングにあわせて発生された同期信号が示されている。また、説明し易くするため、図17において、同期信号のうち、交流電流の供給におけるB期間を開始するタイミングの同期信号をSY1、C期間を開始するタイミングの同期信号をSY2、およびA期間を開始するタイミングの同期信号をSY3で示している。
《第2の同期方式》
次に、第2の同期方式について説明する。図18には、制御ユニット38により、カラーホイール51の各セグメントの開始のタイミングにあわせて発生された同期信号が示されている。また、図18において、図17と同様に、同期信号のうち、交流電流の供給におけるB期間を開始するタイミングの同期信号をSY4、C期間を開始するタイミングの同期信号をSY5、およびA期間を開始するタイミングの同期信号をSY6で示している。
<リアプロジェクタ>
上記第1および第2の実施形態である高圧放電ランプ装置1は、図19に示す投射型画像表示装置の一例であるリアプロジェクタ42の光源としても用いることができる。リアプロジェクタ42は、ランプユニット27、光学ユニット、投射レンズ、ミラーおよび高圧放電ランプ点灯装置(いずれも図示せず)等が筐体43内に収納された構成を有している。投射レンズから投射されミラーで反射された画像が、透過式スクリーン44の裏側から投影されて画像表示される。
例えば、以下のような変形例が考えられる。
<変形例>
(1)上記実施形態では、所定時間Eの間において、B期間とC期間とを交互に繰り返して、交流電流の周波数を2つの値に交互に切り替える構成が示されているが、当該周波数の交互の切り替えを、例えば第4の値や第5の値などを加えて、3つ以上の値で交互に切り替える構成としてもよい。もっとも、この場合には、C期間の長さが0.5周期の奇数倍であってもよい。B期間における交流電流の位相が、その前のB期間における交流電流の位相に対して逆位相となる限り、C期間、第4の値の交流電流を供給する期間および第5の値の交流電流を供給する期間における各期間の長さ(各期間の長さとなる周期の設定)を互いに調整することができる。
(2)上記実施形態では、各A期間の前後にC期間を設けるように制御する構成が示されているが、これに限らず、各A期間の前後のうち少なくとも一方をB期間とするように制御する構成としても良い。
(3)上記各実施形態では、高圧水銀ランプとして定格電力180[W]の高圧水銀ランプ4を用いた場合について説明したが、これに限らず定格電力が例えば80[W]以上1000[W]以下の範囲内の高圧水銀ランプを用いた場合でも上記と同様の作用効果を得ることができる。その場合、定電流制御時のランプ電流の値は3[A]に限定されるものではなく、高圧水銀ランプの設計の応じて種々に決定される。また定電力制御に移行するときのランプ電圧は上記したように60[V]ではなく、その種々の定電流制御時のランプ電流と定電力の値に応じて決定される。
(4)上記各実施形態では、高圧放電ランプとして具体的に高圧水銀ランプ4を用いた場合について説明したが、これに限らず公知のシュートアーク型のメタルハライドランプ等を用いた場合でも上記と同様の作用効果を得ることができる。
(5)近時、この種の高圧放電ランプ装置1には、使用する空間の大きさ等に応じて段階的にランプ電力を切り替える調光機能が付与されているものがある。つまり、通常モードではランプ電力を定格電力(例えば180[W])に一定にして定電力制御を行うが、調光モードではランプ電力を切り替えて例えば100[W]に一定にして定電力制御を行うというものである。各実施形態にかかる高圧放電ランプ装置1がこのように調光機能を有する場合、上記した「定電力」とは通常モードに設定されているときはその通常モードの定電力を、調光モードに設定されているときはその調光モードの定電力をそれぞれ示す。
このようなプロジェクタは、光源からの射出光を利用し、画像情報に応じて処理された光学像を拡大投射するものであって、その光源として点光源により近く、高輝度で高演色な高圧放電ランプ、特に高圧水銀ランプが広く使用されている。
また、本発明に係るプロジェクタは、前記高圧放電ランプ装置を備えたことを特徴とする。
また、上記構成の高圧放電ランプの点灯方法は、上記高圧放電ランプ点灯装置と同様の効果を得ることができる。
(第1の実施形態)
<構成>
図1は、本発明の第1の実施形態である高圧放電ランプ装置1のブロック図を示す。
図1に示すように、高圧放電ランプ装置1は、外部の交流電源(AC100[V])に接続されるDC電源回路2から高圧放電ランプ点灯装置3(電子安定器)を介して高圧放電ランプ、例えば高圧水銀ランプ4に接続された構成からなる。
高圧放電ランプ点灯装置3は、主にDC/DCコンバータ5、DC/ACインバータ6、高電圧発生部7、ランプ電流検出部8、ランプ電圧検出部9、制御回路10から構成されている。
ランプ電流検出部8は、DC/DCコンバータ5とDC/ACインバータ6とを結ぶ配線に流れる電流(ランプ電流に相当する)を検出し、ランプ電流の大きさを示す信号を出力する。
制御回路10は、マイコン11、PWM制御回路12、点灯判別回路13、タイマー14を備える。マイコン11は、ランプ電流検出部8の出力信号、ランプ電圧検出部9の出力信号、タイマー14の出力信号を受けて、DC/DCコンバータ5およびDC/ACインバータ6を制御する。このうち、DC/ACインバータ6を制御する信号には、交流電流を生成する際の周波数を制御する周波数制御信号が含まれている。つまり、制御回路10は、この周波数制御信号に基づいて周波数の異なる交流電流を生成するようにDC/ACインバータ6に制御信号を送っている。したがって、マイコン11の設定プログラムを適宜変えることにより所望とする種々の周波数の交流電流を得ることができる。
次に、一例として定格電力180[W]の高圧水銀ランプ4の概略構成について図2を参照して説明する。
発光部16の内部(放電空間18)には、発光物質である水銀(Hg)と、始動補助用の希ガスとして例えばアルゴンガス(Ar)、クリプトンガス(Kr)、あるいはキセノンガス(Xe)またはそれら2種以上の混合ガスと、ハロゲンサイクル作用のためのヨウ素(I)あるいは臭素(Br)、またはそれらの混合物とがそれぞれ所定量封入されている。一例として、水銀の封入量は150[mg/cm3]以上390[mg/cm3]の範囲内で、アルゴンガスの封入量(25℃)は0.01[MPa]以上1[MPa]以下の範囲内で、臭素の封入量は1×10−10[mol/cm3]以上1×10−4[mol/cm3]の範囲内で、好ましくは1×10−9[mol/cm3]以上1×10−5[mol/cm3]の範囲内でそれぞれ設定されている。
電極19は、図3に示すように、電極棒20とその一端部に取り付けられた電極コイル21とからなる。特に電極19の先端部22(一端部)は、電極棒20の一部と電極コイル21の一部とがそれぞれ一体的に溶融されて例えば略半球状、略球状または略円錐状等の形状に加工されている。また、この電極19の先端部22には、点灯中のハロゲンサイクル作用によって、電極19の構成材料であるタングステンが蒸発した後、ハロゲンによって再び電極19、特にその先端部22の頂点部に戻って堆積し、その堆積物からなる突起部23が機械的加工を行うことなく自己形成される。ここで示す突起部23は製造工程の点灯工程中に形成させたもので、製品完成時には既に形成された状態にある。前記電極間距離Lは、具体的にはこれら突起部23間の距離を示す。
図2に戻り、電極19の他端部は、封止部17に気密に封着されたモリブデン製の金属箔24を介して外部リード線25の一端部に接続されている。外部リード線25の他端部は封止部17の端面から外部に突出し、図示していない電力供給線または口金等に接続される。
すなわち、ランプユニット27は、図4に示すように、上記した高圧水銀ランプ4と、内面が凹面の反射面28を有する基体がガラスまたは金属からなる反射鏡26とを備えており、この反射鏡26内に高圧水銀ランプ4がその長手方向の中心軸Xと反射鏡26の光軸Yとが略一致し、反射鏡26による集光効率が高まるように組み込まれ、高圧水銀ランプ4からの射出光が反射面28により反射されるように構成されている。
そして、この高圧水銀ランプ4は、口金30が反射鏡26のネック部32内に挿入され、かつ接着剤33を介して固着されている。このとき、電力供給線31は、反射鏡26に設けられた貫通孔34に挿通される。
<動作>
次に、本実施形態に係る高圧放電ランプ点灯装置3の動作例について図1、図2および図5のフローチャートを参照して説明する。図5は、高圧放電ランプ点灯装置3における交流電流の変調制御を示すフローチャートである。ただし、図5のフローチャートにおいて後述する始動動作は省略している。
(1)まず、高圧水銀ランプ4を放電開始させるための点灯スイッチ(図示せず)がオンされると、制御回路10は、高電圧発生部7に例えば3[kV]、100[kHz]の高周波の高電圧を発生させる。発生された高周波の高電圧は高圧水銀ランプ4に印加される。
(2)高圧水銀ランプ4における電極19間において絶縁破壊が起こると電極19間に高周波のアーク放電電流が通電し始める。すなわち、高圧水銀ランプ4は放電を開始する。放電開始後も一定期間、高周波の電圧が高圧水銀ランプ4に印加され続ける。
なお、上記始動動作において、高圧水銀ランプ4を放電開始させるための高電圧発生部7からの出力は高周波の高電圧に限定されるものでなく、これに代えて公知の間欠発振型の高電圧パルスを用いてもよい。また、放電開始後のアーク放電を安定させる方法についても当該高周波動作に限るものでなく、これに代えて公知の直流動作または20[Hz]未満の低周波電流による定電流制御の動作を用いてもよい。
(3)始動動作後、略矩形波の交流電流による定電流制御(例えば3[A]一定)の点灯に移行する。
(4)制御回路10は、水銀の蒸発に伴ってランプ電圧が上昇して所定の電圧(例えば60[V])に到達するまで定電流制御で高圧水銀ランプ4を点灯させる。その一方で、制御回路10は、ランプ電流検出部8の出力信号に基づき点灯開始したか否かを判別する。そして、図5に示すように点灯開始すれば、制御回路10は、タイマー14のカウントを開始させ(S11)、DC/ACインバータ6に制御信号dを入力する(S12)。制御信号dは、高圧水銀ランプ4に供給する交流電流の周波数を、所定の値、例えば135[Hz]に特定するための信号である。DC/ACインバータ6は、制御信号dから周波数を特定し、交流電流の極性反転動作を実行する。
(5)タイマー14の設定時間は、60[秒]以上300[秒]以下の範囲内から選択されており、本実施形態では100[秒]が選択されている。制御回路10は、点灯開始から100[秒]を経過するまで、DC/ACインバータ6への制御信号dの入力を維持する(S13:NO)。点灯開始から100[秒]を経過すれば、高圧水銀ランプ4が定常点灯状態にあり、制御回路10は、略矩形波の交流電流の変調制御を実行する(S13:YES)。
(6)制御回路10は、点灯開始から100[秒]を経過すれば、所定時間E(所定の時間間隔)の計測を開始する(S14)。
(7)次に、制御回路10は、DC/ACインバータ6に制御信号bを入力する(S15)。制御信号bは、B期間における交流電流の周波数を第1の値に特定するための信号である。これにより、制御信号bにより特定される第1の値の交流電流がDC/ACインバータ6から出力され、高圧水銀ランプ4に供給される。
(8)制御回路10は、B期間が経過するまでDC/ACインバータ6への制御信号bの入力を維持し(S16:NO)、B期間を経過すれば(S16:YES)、制御信号bから制御信号cに切り替える(S17)。制御信号cは、C期間における交流電流の周波数を第2の値に特定するための信号である。これにより制御信号cにより特定される第2の値の交流電流がDC/ACインバータ6から出力され、高圧水銀ランプ4に供給される。
(9)制御回路10は、C期間が経過するまでDC/ACインバータ6への制御信号cの入力を維持し(S18:NO)、C期間が経過すれば(S18:YES)、所定時間Eの経過を確認する(S19)。
(10)このとき、所定時間Eが経過していない場合(S19:NO)、制御回路10は、制御信号cから制御信号bに切り替え(S15)、前記(7)に戻って、S15以降の動作を続ける。
(11)所定時間Eが経過している場合(S19:YES)、所定時間Eの計測をリセットし(S20)、制御回路10は、制御信号cから制御信号aに切り替える(S21)。制御信号aは、A期間における交流電流の周波数を第3の値に特定するための信号である。これにより制御信号aにより特定される第3の値の交流電流がDC/ACインバータ6から出力され、高圧水銀ランプ4に供給される。
(12)制御回路10は、A期間が経過するまでDC/ACインバータ6への制御信号aの入力を維持し(S22:NO)、A期間が経過すれば(S22:YES)、制御回路10は、制御信号aから制御信号cに切り替える(S23)。これにより制御信号cにより特定される第2の値の交流電流がDC/ACインバータ6から出力され、高圧水銀ランプ4に供給される。
(13)制御回路10は、C期間が経過するまでDC/ACインバータ6への制御信号cの入力を維持し(S24:NO)、C期間が経過すれば(S24:YES)、制御信号cから制御信号bに切り替え(S15)、前記(7)に戻って、S15以降の動作を続ける。
(14)制御回路10は、以降、点灯スイッチがオフされるまで、S15〜S24の一連のステップを繰り返す。
第1の値は、20[Hz]以上200[Hz]以下の範囲から選択され、B期間の長さは、0.5周期以上10周期以下の範囲から選択された周期に設定される。
第2の値は、300[Hz]以上1000[Hz]以下の範囲から選択され、C期間の長さは、2周期以上200周期以下の範囲から選択された周期に設定される。
また、これら第1〜第3の値、A〜C期間および所定時間Eを前述の設定範囲とした理由については後述する。
<交流電流の波形例>
図6には、上記動作により得られる定常点灯状態における略矩形波の交流電流の波形の一例が示されている。
第1の値が65[Hz]であり、B期間の長さが0.5周期である。
第2の値が340[Hz]であり、C期間の長さが10周期である。
第3の値が55[Hz]であり、A期間の長さが6.5周期である。そして、A期間を繰り返す所定時間Eが、約30[秒]に設定されている。
さらに、所定時間Eの間において、各B期間における交流電流の位相が、当該B期間が現れる順に交互に逆位相となるように制御されている。具体的に説明すると、B期間の長さは0.5周期の奇数倍であり、C期間の長さは0.5周期の遇数倍であるので、B期間から、C期間、B期間へと繰り返された後のB期間における交流電流の位相が、その前のB期間における交流電流の位相に対して逆位相となる。C期間における交流電流は、B期間における交流電流の位相に連動しているので、B期間における交流電流の位相と同様、当該C期間が現れる順に、その交流電流の位相が交互に逆位相となる。
<試験結果>
図8は、点灯試験における電圧推移の結果を示す表であり、本実施形態に係る高圧放電ランプ装置1と、当該高圧放電ランプ装置1とはA期間の長さを示す設定周期が異なる3つの高圧放電ランプ装置との試験結果を示している。なお、当該試験に用いた各高圧放電ランプ装置において、共通する構成要素については、簡単のため同一の符号を用いて説明する。
図8に示すように、累積点灯時間100時間後では、試験−1のランプ電圧が53[V]であり、試験−2のランプ電圧が57[V]であり、試験開始時の75[V]と比べて、試験−1および試験−2のランプ電圧が過度に低下していることが分かる。このようにランプ電圧が過度に低下して60[V]以下となった場合には、高圧水銀ランプ4に定格電力を供給できなくなる。このため、高圧水銀ランプ4の照度が低下するとともに、高圧水銀ランプ4の発光管内部の温度が低下して、ハロゲンサイクルが適正に動作しなくなり、発光管の黒化に繋がってしまう。
<各周波数の値、各期間および所定時間Eの設定範囲>
次に、第1〜第3の値、A〜C期間および所定時間Eにおける設定範囲について説明する。
なお、A〜C期間の長さは、それぞれ0.5周期の倍数であって、例えば0.3周期または0.7周期等を設定することはない。
<プロジェクタ>
次に、高圧放電ランプ装置1を用いたプロジェクタについて説明する。
図10に示すように、光学ユニット37は、ダイクロイックミラーを含むミラー群65と3原色R,G,Bに対応した3枚の透過型の液晶パネル66R、66G、66Bとプリズム70を有する。ランプユニット27から出た光は、ミラー群65を通ることでR、G、Bの3色の光に分離され、それぞれの液晶パネル66R、66G、66Bに透過される。液晶パネル66R、66G、66Bは、R,G,Bに対応させるそれぞれの映像信号に従った画像が表示されるよう制御ユニット38によって駆動される。液晶パネルを透過したR、G、Bの3色の映像の光はプリズム70で合成され、投射レンズ39を介してスクリーン(図示せず)に表示される。
(第2の実施形態)
プロジェクタの画像表示方式には、上記した、3原色R,G,Bに対応した3枚の画像表示デバイスを用いて3原色の画像を同時合成して投射する方式と、1枚のみの画像表示デバイスを用いて原色となる各色の画像を時系列に投射する方式とがある。
<構成>
図11に、単板DLP方式のフロントプロジェクタの具体的な構成例を示す。
図11に示す単板DLP方式のフロントプロジェクタ55は、上記第1の実施形態に係るフロントプロジェクタ35が、3枚の透過型の液晶パネル66R、66G、66Bを有する光学ユニット37を備えているのに対して、1枚のDMDパネルを有する光学ユニットを備えている点が異なっている。なお、図10に示すフロントプロジェクタ35と同じ構成要素については、簡単のため、同じ符号で示し、その説明を省略する。
<動作>
フロントプロジェクタ55は、ランプユニット27からの光を、レンズ57を介して高速で回転するカラーホイール50を透過させることによって、R,G,B,Wの4色の光を時分割で、DMDパネル59に照射させることができる。また、DMDパネル59は各色に対応したそれぞれの映像信号に従って内蔵のマイクロミラーが反射するよう制御ユニット38によって制御されている。そして、DMDパネル59で反射されたR、G、B、Wの4色の画像の光が、投射レンズ39を介してスクリーン(図示せず)に表示される。各色の画像は時系列に高速で切り替わるため、人間の目には、混合された色としてかつ目的とする投射画像として感知される。
<交流電流の波形例>
《波形例1》
図13に、各色のセグメントが均等な角度で分割配置されたカラーホイール50を用いた構成において本発明を適用した交流電流の波形例を示す。カラーホイール50におけるB,G,R,Wの各セグメントの角度は全て90度である(図12(a)参照)。このカラーホイール50はビデオ入力信号周波数の3倍の180[Hz]に対応した回転数10800[r.p.m]で回転しており、光源に第1の実施形態と同じ定格電力180[W]の高圧水銀ランプ4を用いている。第1〜第3の値、A〜C期間および所定時間Eは次のように設定されている。
第2の値が360[Hz]であり、C期間の長さが16周期であり、その間、カラーホイールは8回転する。
第3の値が45[Hz]であり、A期間の長さが6.5周期であり、その間、カラーホイールは26回転する。
そして、上記第1の実施形態と同じく、A期間と次のA期間との間には、B期間およびC期間が交互に複数回繰り返され、各A期間の前後には、それぞれC期間が設けられている。また、所定時間Eの間において、各B期間における交流電流の位相が、当該B期間が現れる順に交互に逆位相となるように制御されている。さらに、A期間における交流電流の位相が、当該A期間が現れる順に交互に逆位相となるように制御されている。
《波形例2》
投射画像の色再現性を高めるものとして、4色のセグメントの角度を不均等に配置したカラーホイールを用いた構成が知られている。図12(b)に、Rセグメントの角度を大きくし、Wセグメントの角度を小さくしたカラーホイール51を示す。このカラーホイール51を用いた場合には、カラーホイール51を透過して得られる各色の光のうち、R色の光の発生時間が最も長く、W色の光の発生時間が最も短い。このようにR色の光の発生時間を長くして、ランプユニット27から出た光において本来含有比率の少ないR色の利用比率が増加することで投射画像の色再現性を高めることができる。
具体的には、図13に示す波形例では、C期間に供給される交流電流が、360[Hz]と1つの周波数で固定されているのに対して、図14に示す波形例では、C期間が、270[Hz]、341[Hz]、381[Hz]、540[Hz]の4種類の0.5周期の周波数で構成されている。したがって、図14に示す波形例における第2の値は、これら4種類の0.5周期の周波数による平均値となる。具体的には、図14に示す波形例のC期間では、Bセグメントに対する381[Hz]の0.5周期と、Gセグメントに対する341[Hz]の0.5周期と、Rセグメントに対する270[Hz]の0.5周期と、Wセグメントに対する540[Hz]の0.5周期である。これらを1サイクルとして、当該サイクルが順次繰り返されている。210[Hz]以上1000[Hz]以下の範囲から選択された、これら4つの周波数で構成されるC期間の平均周波数は383[Hz]であり、この383[Hz]が第2の値である。なお、上記1サイクルが、カラーホイール51の1回転に対応している。
C期間の平均周波数が300[Hz]以上1000[Hz]以下の範囲に含まれている限り、本発明の効果を得ることができる。
《波形例3》
また、投射画像の色再現性をさらに高めるものとして、上記と同じく4色のセグメントの回転角度を不均等に配置したカラーホイールを用いることに加えて、色のセグメント毎に透過するランプの光量を変化させる方法が知られている。例えば、Rセグメントを通る光量を増加しWセグメントを通る光量を減少させるようにランプユニット27の出射光量を制御することで、R色の利用比率がさらに増加するので投射画像の色再現性をさらに高めることができる。ランプユニット27の出射光量の制御は、高圧放電ランプ点灯装置3において、その内部のマイコン11が電流の増減の制御を行うことで実現することができる。
図15に示す波形例と、図14に示す波形例とは、第1〜第3の値、A〜C期間、所定時間Eおよびカラーホイールが同じ設定である。一方、図14に示す波形例では、電流値が各セグメント間で一定となる構成であるのに対して、図15に示す波形例では、カラーホイールの各セグメントを透過する光量を変化させるため、各セグメント間で電流値が異なる構成とされている。
なお、電流増減の動作方法を組み合わせる場合においては、図15に示すように、A期間、B期間およびC期間において、極性反転の直前に最も電流増加させる色のセグメント(本実施形態ではRセグメント)が来るように、交流電流の極性反転動作とカラーホイール51の回転周期とのタイミングを設定するのが好ましい。そうすることで、電流減少したセグメント(本実施形態ではWセグメント)の期間に生じやすい高圧水銀ランプ4のアークの不安定性を効果的に解消することができる。
《波形例4》
図15に示す波形例では、Rセグメントの電流増加が、あるC期間では、一対の電極19のうち一方の電極のみに偏り、次のC期間では他方の電極19のみに偏っている。C期間が何度も繰り返されるような時間間隔で見た場合には、一対の電極19における電流増加は、両電極に交互に印加されることになるので、各電極19における突起部23の成長および減退のバランスが取られている。しかしながら、C期間を長く設定した場合には、電流増加が一方の電極に印加される期間が長くなるので、当該C期間の間に、電極の突起部23における成長および減退のバランスが崩れる場合がある。
図16に示す波形例と、図15に示す波形例とは、C期間の交流電流における極性反転動作の設定と、周波数の構成と、その平均値である第2の値が異なる。なお、第1および第3の値、AおよびB期間、ならびに所定時間Eは、図15に示す交流電流の波形例と同じ設定とされている。
また、本実施形態では、色再現性の向上を狙いR色の利用比率を増加するためのカラーホイールの構成ならびに電流増減の方法を示したが、R色のみに限るものではなく他の色の利用比率を増加する場合であっても本発明の適用は同様に可能である。まプロジェクタの性能目的によっては色再現性の向上に加えてスクリーン照度の向上を目的にカラーホイールの構成ならびに電流増減の方法を工夫する場合もあり、そのような場合であっても本発明の適用は同様に可能である。また、カラーホイールのセグメントについて、上記4色に黄色のYフィルタあるいはシアン色のCフィルタを加えた5色または6色セグメント、あるいは3原色のRフィルタ、Gフィルタ、Bフィルタに、Yフィルタ、Cフィルタ、さらにマゼンタ色のMフィルタを加えた6色セグメントにも本発明の適用は同様に可能である。
<同期方式の具体例>
次に、制御ユニット38から送出される同期信号と、その同期信号に反応して高圧放電ランプ点灯装置3が交流電流の極性反転動作をおこなう同期方式の具体例について説明する。この同期方式として、カラーホイールの1回転毎に同期信号を発生させる第1の同期方式と、カラーホイールの各色セグメントの切り替わり毎に同期信号を発生させる第2の同期方式とがある。以下の具体例では、各セグメントの回転角度が不均等なカラーホイール51、およびセグメント毎に電流増減をする方法を組み合わせた構成を有するプロジェクタを用いている。また、第1〜第3の値、A〜C期間、ならびに所定時間Eは、図15に示す交流電流の波形例と同じ設定のものを用いている。
《第1の同期方式》
まず、第1の同期方式について、図17を用いて説明する。図17には、制御ユニット38により、カラーホイール51のWセグメントの開始のタイミングにあわせて発生された同期信号が示されている。また、説明し易くするため、図17において、同期信号のうち、交流電流の供給におけるB期間を開始するタイミングの同期信号をSY1、C期間を開始するタイミングの同期信号をSY2、およびA期間を開始するタイミングの同期信号をSY3で示している。
《第2の同期方式》
次に、第2の同期方式について説明する。図18には、制御ユニット38により、カラーホイール51の各セグメントの開始のタイミングにあわせて発生された同期信号が示されている。また、図18において、図17と同様に、同期信号のうち、交流電流の供給におけるB期間を開始するタイミングの同期信号をSY4、C期間を開始するタイミングの同期信号をSY5、およびA期間を開始するタイミングの同期信号をSY6で示している。
<リアプロジェクタ>
上記第1および第2の実施形態である高圧放電ランプ装置1は、図19に示す投射型画像表示装置の一例であるリアプロジェクタ42の光源としても用いることができる。リアプロジェクタ42は、ランプユニット27、光学ユニット、投射レンズ、ミラーおよび高圧放電ランプ点灯装置(いずれも図示せず)等が筐体43内に収納された構成を有している。投射レンズから投射されミラーで反射された画像が、透過式スクリーン44の裏側から投影されて画像表示される。
例えば、以下のような変形例が考えられる。
<変形例>
(1)上記実施形態では、所定時間Eの間において、B期間とC期間とを交互に繰り返して、交流電流の周波数を2つの値に交互に切り替える構成が示されているが、当該周波数の交互の切り替えを、例えば第4の値や第5の値などを加えて、3つ以上の値で交互に切り替える構成としてもよい。もっとも、この場合には、C期間の長さが0.5周期の奇数倍であってもよい。B期間における交流電流の位相が、その前のB期間における交流電流の位相に対して逆位相となる限り、C期間、第4の値の交流電流を供給する期間および第5の値の交流電流を供給する期間における各期間の長さ(各期間の長さとなる周期の設定)を互いに調整することができる。
(2)上記実施形態では、各A期間の前後にC期間を設けるように制御する構成が示されているが、これに限らず、各A期間の前後のうち少なくとも一方をB期間とするように制御する構成としても良い。
(3)上記各実施形態では、高圧水銀ランプとして定格電力180[W]の高圧水銀ランプ4を用いた場合について説明したが、これに限らず定格電力が例えば80[W]以上1000[W]以下の範囲内の高圧水銀ランプを用いた場合でも上記と同様の作用効果を得ることができる。その場合、定電流制御時のランプ電流の値は3[A]に限定されるものではなく、高圧水銀ランプの設計の応じて種々に決定される。また定電力制御に移行するときのランプ電圧は上記したように60[V]ではなく、その種々の定電流制御時のランプ電流と定電力の値に応じて決定される。
(4)上記各実施形態では、高圧放電ランプとして具体的に高圧水銀ランプ4を用いた場合について説明したが、これに限らず公知のショートアーク型のメタルハライドランプ等を用いた場合でも上記と同様の作用効果を得ることができる。
(5)近時、この種の高圧放電ランプ装置1には、使用する空間の大きさ等に応じて段階的にランプ電力を切り替える調光機能が付与されているものがある。つまり、通常モードではランプ電力を定格電力(例えば180[W])に一定にして定電力制御を行うが、調光モードではランプ電力を切り替えて例えば100[W]に一定にして定電力制御を行うというものである。各実施形態にかかる高圧放電ランプ装置1がこのように調光機能を有する場合、上記した「定電力」とは通常モードに設定されているときはその通常モードの定電力を、調光モードに設定されているときはその調光モードの定電力をそれぞれ示す。
2 DC電源回路
3 高圧放電ランプ点灯装置
4 高圧水銀ランプ
5 DC/DCコンバータ
6 DC/ACインバータ
7 高電圧発生部
8 ランプ電流検出部
9 ランプ電圧検出部
10 制御回路
11 マイコン
12 PWM制御回路
13 点灯判別回路
14 タイマー
16 発光部
18 放電空間
19 電極
20 電極棒
21 電極コイル
22 先端部
23 突起部
26 反射鏡
27 ランプユニット
28 反射面
35 フロントプロジェクタ
42 リアプロジェクタ
50 カラーホイール
50a 境界線
51 カラーホイール
55 フロントプロジェクタ
56 光学ユニット
57,58 レンズ
59 DMDパネル
65 ミラー群
66 液晶パネル
70 プリズム
E 所定時間(所定の時間間隔)
L 電極間距離
Claims (17)
- 内部に、ハロゲン物質が封入され、かつ先端部に突起部が形成されてなる一対の電極が対向配置されている発光管を有する高圧放電ランプに対して交流電流を供給して点灯させる高圧放電ランプ点灯装置であって、
前記高圧放電ランプに供給する交流電流の周波数を、第1の値と、この第1の値より高い第2の値と、前記第1の値以下の第3の値とに切り替える周波数切替回路と、この周波数切替回路を制御する制御回路とを備え、
前記制御回路は、
前記第3の値の交流電流を供給するA期間を、所定の時間間隔で繰り返すとともに、
前記所定の時間間隔の間に、前記第1の値の交流電流を供給するB期間と、前記第2の値の交流電流を供給するC期間とを交互に繰り返し、
前記A期間の長さを、前記B期間よりも長く、かつ前記第3の値の交流電流の5.5周期以上50周期以下の所定の周期とするように、前記周波数切替回路を制御する
ことを特徴とする高圧放電ランプ点灯装置。 - 前記制御回路は、前記所定の時間間隔の間において、
前記A期間の後を前記C期間とし、その後、前記B期間と、前記C期間とを交互に繰り返し、最後を前記C期間とするように、前記周波数切替回路を制御する
ことを特徴とする請求項1に記載の高圧放電ランプ点灯装置。 - 前記第1の値が、20[Hz]以上200[Hz]以下の範囲である
ことを特徴とする請求項1に記載の高圧放電ランプ点灯装置。 - 前記B期間の長さが、前記第1の値の交流電流の0.5周期以上10周期以下の所定の周期である
ことを特徴とする請求項3に記載の高圧放電ランプ点灯装置。 - 前記第2の値が、300[Hz]以上1000[Hz]以下の範囲である
ことを特徴とする請求項1に記載の高圧放電ランプ点灯装置。 - 前記第2の値が、210[Hz]以上1000[Hz]以下の範囲から選択される複数の0.5周期の周波数の平均値であり、かつその平均値が、300[Hz]以上1000[Hz]以下の範囲である請求項1に記載の高圧放電ランプ点灯装置。
- 前記C期間の長さが、前記第2の値の交流電流の2周期以上200周期以下の所定の周期である
ことを特徴とする請求項5に記載の高圧放電ランプ点灯装置。 - 前記第3の値が、15[Hz]以上150[Hz]以下の範囲である
ことを特徴とする請求項1に記載の高圧放電ランプ点灯装置。 - 前記A期間を繰り返す前記所定の時間間隔が、1[秒]以上300[秒]以下の範囲である
ことを特徴とする請求項8に記載の高圧放電ランプ点灯装置。 - 前記制御回路が、前記所定の時間間隔の間に前記B期間を複数回繰り返すとともに、この複数の前記B期間における交流電流の位相を、前記B期間が現れる順に交互に逆位相となるように、前記周波数切替回路を制御する
ことを特徴とする請求項1に記載の高圧放電ランプ点灯装置。 - 前記制御回路が、前記A期間における交流電流の位相を、前記A期間が現れる順に交互に逆位相となるように、前記周波数切替回路を制御する
ことを特徴とする請求項1に記載の高圧放電ランプ点灯装置。 - 内部に、ハロゲン物質が封入され、かつ先端部に突起部が形成されてなる一対の電極が対向配置されている発光管を有する高圧放電ランプと、
この高圧放電ランプを点灯させる請求項1に記載された高圧放電ランプ点灯装置と、
を備えたことを特徴とする高圧放電ランプ装置。 - 請求項12に記載された高圧放電ランプ装置を備えたことを特徴とするプロジェクタ。
- 内部に、ハロゲン物質が封入され、かつ先端部に突起部が形成されてなる一対の電極が対向配置されている発光管を有する高圧放電ランプに対して交流電流を供給して点灯させる高圧放電ランプの点灯方法であって、
前記交流電流の周波数を、第1の値と、この第1の値より高い第2の値と、前記第1の値以下の第3の値とに切り替えるに際し、
前記周波数を、前記第3の値に所定の時間間隔で切り替えて、前記第3の値の交流電流を供給するA期間を前記所定の時間間隔で繰り返すとともに、
前記所定の時間間隔の間に、前記第1の値と、前記第2の値とを交互に切り替えて、前記第1の値の交流電流を供給するB期間と、前記第2の値の交流電流を供給するC期間とを交互に繰り返し、
前記A期間の長さを、前記B期間よりも長く、かつ前記第3の値の交流電流の5.5周期以上50周期以下の所定の周期とする
ことを特徴とする高圧放電ランプの点灯方法。 - 前記所定の時間間隔の間において、
前記A期間の後を前記C期間とし、その後、前記B期間と、前記C期間とを交互に繰り返し、最後を前記C期間とする
ことを特徴とする請求項14に記載の高圧放電ランプの点灯方法。 - 前記所定の時間間隔の間において、前記B期間を複数回繰り返し、さらにこの複数の前記B期間における交流電流の位相を、前記B期間が現れる順に交互に逆位相とする
ことを特徴とする請求項14に記載の高圧放電ランプの点灯方法。 - 前記A期間における交流電流の位相を、前記A期間が現れる順に交互に逆位相とする
ことを特徴とする請求項14に記載の高圧放電ランプの点灯方法。
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