JP2008026754A - 放電灯点灯装置及び投射型画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放電灯に流れる電流を瞬間的に減少させることで光出力を瞬間的に減少させることが出来る放電灯点灯装置を提供する。
【解決手段】放電灯Ｌａに電力を供給するコンデンサＣ３に並列に接続されたスイッチング素子ＳＷ１を設け、放電灯Ｌａの光出力を低下させる時にスイッチング素子ＳＷ１をＯＮするようにした。回転カラーフィルタと微細可動ミラー集積素子を用いたプロジェクタまたはプロジェクションテレビの光源に用いることで、回転カラーフィルタの色構成を変えることなく、放電灯に流れる電流を瞬間的に減少させることで光出力を瞬間的に減少させ、暗部階調を再現しやすくする。
【選択図】図１

Description

本発明は、放電灯点灯装置及びこれを用いた投射型画像表示装置に関するものであり、例えば、回転カラーフィルタと微細可動ミラー集積素子を用いたプロジェクタまたはプロジェクションテレビの光源に用いられる高圧放電灯点灯装置に適するものである。

近年、プロジェクタ市場は業務用だけでなく家庭用へも急速に拡大しており、今後も更なる市場拡大が期待されている。しかしテレビ市場においては液晶テレビやプラズマテレビに代表されるように大画面化へと移行しつつある。これまでは大画面の液晶テレビやプラズマテレビは高価であったため、プロジェクタの画質向上などの技術の進化と共に、この技術を生かした安価なリアプロジェクションテレビが北米を中心に需要が高まってきていた。しかしここ数年で液晶テレビやプラズマテレビの低価格化が進み、安価なリアプロジェクションテレビとの差異が縮まる傾向にある。そのため、プロジェクションテレビの市場を維持、拡大していくためには更なる画質の向上と低価格化が重要な要素になってくる。

図８に従来のプロジェクタの概略構成を示す。セット側の制御回路４５ａから高圧放電灯点灯装置２０に点灯命令信号が入力されて高圧放電灯点灯装置２０が動作し、高圧放電灯Ｌａが点灯される。点灯された高圧放電灯Ｌａから出力された光は、レンズ１１により集光され、回転カラーフィルタ１２を透過した光がレンズ１３を介してＤＭＤと呼ばれる画像表示素子１４に照射され、その反射光が投射レンズ１５を介してスクリーン（図示せず）に投影される。ここでＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）素子１４とは、ＣＭＯＳ半導体上に独立して動くミラーが数十万〜数百万個、敷き詰められた素子であり、個々のミラーを制御することにより濃淡画像を表示できる。回転カラーフィルタ１２が回転するにつれて、ＤＭＤ素子１４に照射される光がＲ（ｒｅｄ）、Ｇ（ｇｒｅｅｎ）、Ｂ（ｂｌｕｅ）と切り替わるため、これに同期してセット側の制御回路４５ａからＤＭＤ素子１４に三原色の画像信号を与えることにより、スクリーンにカラー映像を投影することができる。

プロジェクタの画質を向上させる要因のひとつとして、投影される映像のカラー表現力（階調）の向上が挙げられる。そのためには回転カラーフィルタ１２の色セグメントを増やすことが提案されている。例えば、図９（ａ）に示すように、ＲＧＢの三原色にＷ（ｗｈｉｔｅ）やＣ（ｃｙａｎ）、Ｍ（ｍａｇｅｎｔａ）、Ｙ（ｙｅｌｌｏｗ）等のセグメントを増やす工夫をすることで各セットメーカ毎にカラー表現力（階調）の差別化を図ってきた。図９（ｂ）は光の三原色の混合図を示す。

最近では暗部階調を再現させることで更なる他社差別化を図るようになっており、その手段として、例えばＧ（ｇｒｅｅｎ）よりも暗いＤＧ（ｄａｒｋ ｇｒｅｅｎ）等の新たなセグメントを回転カラーフィルタ１２に設けることで、暗部階調の再現性を向上するようになってきた。しかし、これでは色セグメントが増えることで回転カラーフィルタ１２の種類が無数に増えてしまい、回転カラーフィルタ１２の共通化が出来ず、セット全体としての低価格化が進まない。

そこで暗部階調の再現性を向上させる目的で、高圧放電灯Ｌａに流れる電流を所望の時間だけ減らすことが考えられるが、放電灯電圧は瞬間的ではなく徐々に変化してしまうので、本来欲しい明るさの部分で所望の明るさが出せないという大きな問題がある。この動作を以下に説明する。

図１０は従来の高圧放電灯点灯装置の回路図を示し、図１１は各部の波形（放電灯Ｌａに流れるランプ電流ＩＬａの波形、インバータ回路２のスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５の動作状態、放電灯Ｌａに流れる電流波形の一部拡大波形、その拡大部における電流検出部４で検出された電流検出電圧と基準電圧）を示す。

図１０に示すように、直流電源Ｅを電源として、スイッチング素子Ｑ１とダイオードＤ１、インダクタＬ１からなる降圧チョッパ回路１と、コンデンサＣ２，Ｃ３と、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５と、そのスイッチング素子を駆動させるドライブ回路Ａ、ＢとインダクタＬ２からなるインバータ回路２と、電力制御を行なう制御回路３と、抵抗Ｒ１からなる電流検出部４と、抵抗Ｒ２，Ｒ３からなる放電灯電圧検出部５からなる放電灯点灯装置において、放電灯電圧検出部５により検出された放電灯検出電圧を制御回路３内にあるマイコン３０のＡ／Ｄ変換ポート３１に入力し、その変換されたデータに対応したデータテーブル３２内にある電力制御データＰｘを基準電圧（指令値）としてＰＷＭ制御回路３４へ伝達し、降圧チョッパ回路１が必要に応じた電力を放電灯Ｌａへ供給する。

図１１に示すように、放電灯電流を所望の電流値及び所望の時間だけ減らす場合には、コンデンサＣ１と抵抗Ｒ４で生じる時定数はあるものの、電力制御データＰｙを基準電圧としてＰＷＭ制御回路３４へ所望の時間だけ伝達して、放電灯電流を減らすことが出来る。しかしこの時、放電灯電流を所望の電流値まで減らすには時間Ｔ１が生じてしまう。これは放電灯電圧が瞬間的ではなく徐々に変化してしまうためである。

逆に放電灯電流を元の電流値に戻すには、電力制御データＰｘを基準電圧としてＰＷＭ制御回路３４へ伝達することで放電灯電流を元の電流値に戻すことが出来るが、この場合も放電灯電圧が瞬間的ではなく徐々に変化してしまうために、元の電流値に戻すには時間Ｔ３が生じてしまう。この時間Ｔ１及びＴ３は放電灯電圧が変化する（放電灯電圧が上昇すれば時間Ｔ１，Ｔ３は増加傾向にある）ため、本来欲しい明るさの部分で所望の明るさが出せなくなってしまう。

特許文献１には、回転カラーフィルタと微細可動ミラー集積素子を用いたプロジェクタの光源に用いられる高圧放電灯の点灯装置において、直流電流により点灯されている放電灯にパルス重畳信号と同期してパルス電流を重畳させる技術が開示されている。この特許文献１の技術では、チョッパ部の基準電圧にパルス電圧を重畳させることにより基準電圧を瞬間的に変化させているが、図１１と同様に、基準電圧の変化に対して放電灯電流は遅れて変化することになる。
特開２００５−３５３４８８号公報

本発明は上述の点に鑑みてなされたものであり、放電灯に流れる電流を瞬間的に減少させることで光出力を瞬間的に減少させることが出来る放電灯点灯装置を提供することが課題である。また、この放電灯点灯装置を用いて暗部階調を再現しやすくした投射型画像表示装置を提供することを課題とする。

請求項１の発明は、上記の課題を解決するために、図１に示すように、放電灯Ｌａに電力を供給するコンデンサＣ３に並列に接続されたスイッチング素子ＳＷ１を設け、放電灯Ｌａの光出力を低下させる時にスイッチング素子ＳＷ１をＯＮするようにしたことを特徴とする放電灯点灯装置である。

請求項２の発明は、請求項１において、前記コンデンサは、チョッパ回路１の出力に接続されたコンデンサ（図４のＣ２、図１、図５のＣ３）であることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項２において、チョッパ回路１の出力を上昇させる時は図６に示すように段階的に上昇させることを特徴とする。

請求項４の発明は、図７、図８に示すように、請求項１〜３のいずれかに記載の放電灯点灯装置２０を具備したことを特徴とする投射型画像表示装置である。

請求項１〜３の発明によれば、放電灯に流れる電流を瞬間的に減少させることで光出力を瞬間的に減少させることができる。

請求項４の発明によれば、放電灯の光出力を瞬間的に減少させることができるので、暗部階調を再現しやすくすることができる。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１の回路図を示す。図１０の従来例と比べると、放電灯Ｌａに電力を供給するコンデンサＣ３と並列に、スイッチング素子ＳＷ１と抵抗Ｒ５の直列回路を接続し、放電灯Ｌａの光出力を低下させる時に、スイッチング素子ＳＷ１を瞬間的にＯＮさせるようにした点が異なる。

以下、図１の構成について説明する。

まず、チョッパ回路１の回路構成について説明する。直流電源Ｅの正極はスイッチング素子Ｑ１、インダクタＬ１を介してコンデンサＣ２の正極に接続されており、コンデンサＣ２の負極は電流検出用の抵抗Ｒ１を介して直流電源Ｅの負極に接続されている。コンデンサＣ２の負極には回生電流通電用のダイオードＤ１のアノードが接続されており、ダイオードＤ１のカソードはスイッチング素子Ｑ１とインダクタＬ１の接続点に接続されている。

スイッチング素子Ｑ１はＰＷＭ制御回路３４の出力により高周波でＯＮ・ＯＦＦ駆動され、スイッチング素子Ｑ１がＯＮのとき、直流電源Ｅからスイッチング素子Ｑ１、インダクタＬ１、コンデンサＣ２、抵抗Ｒ１を介して電流が流れ、スイッチング素子Ｑ１がＯＦＦのとき、インダクタＬ１、コンデンサＣ２、ダイオードＤ１を介して回生電流が流れる。これにより、直流電源Ｅの直流電圧を降圧した直流電圧がコンデンサＣ２に充電される。スイッチング素子Ｑ１がＯＮのとき、インダクタＬ１に流れるチョッパ電流は抵抗Ｒ１により検出され、電流検出電圧としてＰＷＭ制御回路３４に入力されており、（基準電圧で決まる）所定の電流値に達すると、スイッチング素子Ｑ１がＯＦＦするように制御される。ＰＷＭ制御回路３４によりスイッチング素子Ｑ１のＯＮデューティ（一周期に占めるＯＮ時間の割合）を変えることにより、コンデンサＣ２に得られる電圧を可変制御できる。以上により降圧チョッパ回路を構成している。

なお、直流電源Ｅは例えば商用交流電源を整流・平滑した直流電圧であり、例えば、全波整流回路の出力に接続された昇圧チョッパ回路（図示せず）の出力電圧であっても良い。

コンデンサＣ２の両端には、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３の直列回路と、スイッチング素子Ｑ４，Ｑ５の直列回路が並列に接続されている。スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３はドライブ回路Ａにより高周波または低周波で交互にＯＮ・ＯＦＦ駆動され、スイッチング素子Ｑ４，Ｑ５はドライブ回路Ｂにより高周波または低周波で交互にＯＮ・ＯＦＦ駆動される。ドライブ回路Ａ，Ｂは例えばＩＲ社製造のＩＲ２１１１などが用いられ、制御回路３のコントロール部３３によりスイッチング素子Ｑ２，Ｑ５がＯＮ、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４がＯＦＦの状態と、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ５がＯＦＦ、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４がＯＮの状態とが高周波（数十ｋＨｚ〜百数十ｋＨｚ）または低周波（数Ｈｚ〜数百Ｈｚ）で交番するように制御される。以上によりフルブリッジ型のインバータ回路（極性反転回路）２を構成している。

次に、負荷回路について説明する。スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３の接続点にはインダクタＬ２の一端が接続されており、インダクタＬ２の他端には放電ランプＬａの一端が接続されている。放電ランプＬａの他端はスイッチング素子Ｑ４，Ｑ５の接続点に接続されている。放電ランプＬａの両端にはコンデンサＣ３が並列接続されている。インダクタＬ２とコンデンサＣ３は共振回路を構成している。高周波動作期間（始動時）には、共振回路の共振作用により高周波の高電圧が得られて放電ランプＬａを絶縁破壊すると共に、グロー放電からアーク放電へ移行させるためのエネルギーを供給する（なお、放電ランプＬａの絶縁破壊のために別設のイグナイタ回路（図示せず）により高電圧パルスを印加するように構成しても良い）。低周波動作期間（定常点灯時）には、コンデンサＣ２の電圧が低周波で極性反転しながら放電ランプＬａに印加される。

コンデンサＣ２の電圧は抵抗Ｒ２，Ｒ３からなる電圧検出部５により分圧されて、ランプ電圧Ｖｌａの検出値としてマイコン３０のＡ／Ｄ変換ポート３１に取り込まれる。これによりランプ電圧検出回路を構成している。

次に、制御回路３について説明する。制御回路３はチョッパ回路１のスイッチング素子Ｑ１を制御するためのＰＷＭ制御回路３４と、ＰＷＭ制御回路３４の基準電圧やフルブリッジ型のインバータ回路２のスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５の極性反転周期を制御するためのマイコン３０を備えており、本実施形態では、このマイコン３０を用いてスイッチング素子ＳＷ１のオン・オフも制御している。マイコン３０としては、例えば三菱製のＭ３７５４０などを用いる。

抵抗Ｒ４とコンデンサＣ１よりなるＣＲフィルタ回路が接続されたマイコン３０の２値出力ポートには、デューティ可変の矩形波電圧（ＰＷＭ信号）が出力されている。このデューティ可変の矩形波電圧をＣＲフィルタ回路により直流電圧に平滑化することにより、ＰＷＭ制御回路３４に基準電圧の指令値を与えている。これによりマイコン３０は降圧チョッパ回路１の出力電圧（コンデンサＣ２の電圧）を任意に制御することができる。

マイコン３０にはあらかじめ所定の電力制御特性となるように、ランプ電圧Ｖｌａの検出値に対応した第１の電力制御データＰｘと第２の電力制御データＰｙがメモリ上のデータテーブル３２として格納されている。マイコン３０のコントロール部３３は、Ａ／Ｄ変換ポート３１によりランプ電圧Ｖｌａの検出値をＡ／Ｄ変換したデジタル値に対応して、第１の電力制御データＰｘまたは第２の電力制御データＰｙを読み出して、読み出した値に応じてＰＷＭ信号のパルス幅を可変とする。

コントロール部３３が第１の電力制御データＰｘを選択している場合には、マイコン３０のＡ／Ｄ変換ポート３１で取得されたランプ電圧のデジタル値０，１，２，…，１０２３に対応したデータＸ０，Ｘ１，Ｘ２，…，Ｘ１０２３を基準電圧（指令値）としてＰＷＭ制御回路３４へ伝達する。

コントロール部３３が第２の電力制御データＰｙを選択している場合には、マイコン３０のＡ／Ｄ変換ポート３１で取得されたランプ電圧のデジタル値０，１，２，…，１０２３に対応したデータＹ０，Ｙ１，Ｙ２，…，Ｙ１０２３を基準電圧（指令値）としてＰＷＭ制御回路３４へ伝達する。

第１の電力制御データＰｘは通常の点灯動作用のデータであり、第２の電力制御データＰｙは暗部階調再現のための調光点灯用のデータである。第１の電力制御データＰｘに代えて、第２の電力制御データＰｙを用いることにより、放電灯Ｌａのランプ電流ＩＬａを通常動作時よりも低減でき、暗部階調を再現しやすくなる。

図２は各部の波形（放電灯Ｌａに流れるランプ電流ＩＬａの電流波形、インバータ回路２のスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５の動作状態、スイッチング素子ＳＷ１の動作状態、放電灯Ｌａに流れる電流波形の一部拡大波形、その拡大部における電流検出部４で検出された電流検出電圧と基準電圧）を示す。

図２に示すように、放電灯Ｌａに流れるランプ電流ＩＬａを所望の電流値まで減らすには、所望のタイミングで所望の電流値になるまでスイッチング素子ＳＷ１を数百ｎｓ〜数十μｓの時間Ｔ１だけＯＮする。

図２では、ランプ電流ＩＬａを所望の電流値まで減らして維持するための電力制御データＰｙを基準電圧としてＰＷＭ制御回路３４へ伝達するタイミングは、スイッチング素子ＳＷ１のＯＮするタイミングに同期させた図を示しているが、実使用上問題なければスイッチング素子ＳＷ１のＯＮするタイミングの前後のいずれでもよい。またスイッチング素子Ｑ１の動作周波数は図２では周波数固定タイプで示しているが、周波数可変タイプでもよい。

（実施形態２）
本発明の実施形態２の回路構成は、図１０の従来例と同じである。図３は本実施形態の各部の波形（放電灯Ｌａに流れるランプ電流ＩＬａの波形、インバータ回路２のスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５の動作状態、放電灯Ｌａに流れる電流波形の一部拡大波形、その拡大部における電流検出部４で検出された電流検出電圧と基準電圧）を示す。

図３に示すように、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ５がＯＮしている場合はスイッチング素子Ｑ３もしくはＱ４を瞬時ＯＮする、また、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４がＯＮしている場合はスイッチング素子Ｑ２もしくはＱ５を瞬時ＯＮすることで放電灯電流を瞬間的に減らすという同様の効果を得ることが出来る。

（実施形態３）
図４は本発明の実施形態３の回路図である。図１の実施形態１と比べると、スイッチング素子ＳＷ１と抵抗Ｒ６の直列回路がコンデンサＣ２に並列接続されている点が異なる。その他の構成及び動作は実施形態１と同様であり、各部の動作波形及びその説明は図２と同じである。

ここではＡＣランプ用の点灯回路を示しているが、インバータ回路２を省略し、ＤＣランプ用の点灯回路としてもよい。

（実施形態４）
図５は本発明の実施形態４の回路図を示す。基本的な回路構成は実施形態１の図１と同じであるが、マイコン３０のデータテーブル３２において、電力制御データＰｚ、Ｐｕをさらに追加した点が異なる。図６は各部の波形（放電灯Ｌａに流れるランプ電流ＩＬａの波形、インバータ回路２のスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５の動作状態、スイッチング素子ＳＷ１の動作状態、放電灯Ｌａに流れる電流波形の一部拡大波形、その拡大部における基準電圧）を示す。

図６に示すように、放電灯電流を所望の電流値まで減らした後に元の電流値に戻す場合、制御回路３におけるマイコン３０のデータテーブル３２内にある電力制御データＰｘを基準電圧としてＰＷＭ制御回路３４に伝達する前に、少なくとも２つ以上の電力制御データＰｚ及びＰｕを伝達することで放電灯電流をすばやく元に戻すことができ、元の電流値に戻るまでの時間を短縮できる。この時、電力制御データＰｚ及びＰｕはＰｘよりも電圧値が高くなくては効果が薄れる。また、電力制御データＰｚ＜Ｐｕの関係を持つことで、電流値が元に戻ったときのオーバーシュートを軽減することができる。

（実施形態５）
図７に本発明で使用するプロジェクタ４０の内部構造の概略図を示す。プロジェクタ４０内は、放電灯点灯装置２０、放電灯Ｌａ、電源部４２、メイン制御基板４５及び光学系１０とこれらを空冷する冷却用ファン４３ａ，４３ｂ，４３ｃ等から構成されており、光学系１０は、例えば図８のレンズ１１、１３、１５、回転カラーフィルタ１２、ＤＭＤ素子１４を含んで構成されている。電源部４２から放電灯点灯装置２０に電源が供給されて、放電灯Ｌａを点灯させる。点灯した放電灯Ｌａからの光は光学系１０を通して投射窓４１から外部のスクリーンに投射される。外部からの映像信号を外部信号入力部４４に入力すると、メイン制御基板４５上の制御回路の制御下で、同期信号に合わせて回転カラーフィルタ１２が回転し、三原色の映像信号が時分割的にＤＭＤ素子１４に出力される。

回転カラーフィルタ１２に新たな暗部階調のセグメントを設けなくても、実施形態１〜４の放電灯点灯装置２０を用いれば、従来のセグメントをそのまま利用しながら暗部階調の再現性を高める効果を得ることができる。したがって、回転カラーフィルタ１２を共用化することでコストダウンが可能となる。

このように、本発明によれば、回転カラーフィルタと微細可動ミラー集積素子を用いたプロジェクタまたはプロジェクションテレビの光源に用いられる高圧放電灯点灯装置において、回転カラーフィルタの色構成を変えることなく、放電灯に流れる電流を瞬間的に減少させることで光出力を瞬間的に減少させ、暗部階調を再現しやすくすることが出来るものである。

本発明の実施形態１の回路図である。 本発明の実施形態１の動作波形図である。 本発明の実施形態２の動作波形図である。 本発明の実施形態３の回路図である。 本発明の実施形態４の回路図である。 本発明の実施形態４の動作波形図である。 本発明の実施形態５のプロジェクタの内部構成を示す概略構成図である。 図７のプロジェクタの光学系の構成を示す説明図である。 従来の回転カラーフィルタの構成図であり、（ａ）はフィルタの色配置を示す説明図、（ｂ）光の三原色の混合図である。 従来の放電灯点灯装置の回路図である。 図１０の回路の動作波形図である。

符号の説明

１ チョッパ回路
２ インバータ回路
３ 制御回路
Ｌａ 放電灯
１２ 回転カラーフィルタ
１４ ＤＭＤ素子
ＳＷ１ スイッチング素子

Claims (4)

1. 放電灯に電力を供給するコンデンサに並列に接続されたスイッチング素子を設け、放電灯の光出力を低下させる時にスイッチング素子をＯＮするようにしたことを特徴とする放電灯点灯装置。
2. 請求項１において、前記コンデンサはチョッパ回路の出力に接続されたコンデンサであることを特徴とする放電灯点灯装置。
3. 請求項２において、チョッパ回路の出力を上昇させる時は段階的に上昇させることを特徴とする放電灯点灯装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の放電灯点灯装置を具備したことを特徴とする投射型画像表示装置。

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