JP2009205889A - 放電灯の駆動方法、駆動装置、及びプロジェクタ - Google Patents

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Abstract

【課題】照度低下等の弊害を防止でき、電極の偏った消耗を防止することができる放電灯の駆動方法、駆動装置、及び、これを用いたプロジェクタを提供すること。
【解決手段】発光管1を定格で動作させる定常的動作において、交流電流の一周期中の2つの極性における電流値の絶対値の差に相当する変位量ΔI/2を所定のパターンで変化させるので、、両電極15,16の先端部15a,16aを例えば交互に適度に溶融させつつ単一の大きな突起である先端部15a,16aを確実に維持又は成長させることができ、両電極の劣化抑制によって光源の寿命を長くすることができる。さらに、第1電極15が一周期のうち陽極として動作する時間の割合を第2電極16の場合に比較して小さくするので、副鏡3からの輻射熱等によって第1電極15の方が第2電極16よりも高温になる傾向を抑制することができる。
【選択図】図1

Description

本発明は、一対の電極を有する放電灯の駆動方法、駆動装置、及び、かかる放電灯を組み込んだ光源を備えるプロジェクタに関する。
放電発光型ランプの状態は使用時間とともに変化し、特に電極は、点灯中に消耗して形状が時間とともに変化する。例えば、電極先端部に複数の突起が成長したり、電極本体部の不規則な消耗が進行すると、アークの起点移動やアーク長変化が生じ、光源装置及びプロジェクタの輝度低下を引き起こし、放電ランプの寿命を縮めるという問題がある。
このような電極本体部の消耗の進行に対処する方法として、定常点灯時に定格電流値以上の点灯電流を供給し、消耗した電極先端部の形状を修復する技術がある(特許文献1参照)。
特許第3840054号公報
しかしながら、電流値の一時的な増加によって消耗した電極表面を修復する方法では、電極先端部を一時的に完全に溶融させるのでアーク長が一時的に急激に大きくなり、照度低下、ちらつき、色むら等の弊害を起こすおそれがある。
また、例えば前方に射出する光を効率良く取り込むために副鏡を備える光源では、副鏡側にある電極の劣化が過剰に進行し、一対の電極の劣化の進行に偏りが生じる。
そこで、本発明は、照度低下等の弊害を防止でき、電極の偏った消耗を防止することができる放電灯の駆動方法、駆動装置、及び、これを用いたプロジェクタを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明に係る放電灯の駆動方法は、第1電極及び第2電極を有する放電灯に交流電流を供給し放電させることによって発光を生じさせる放電灯の駆動方法であって、交流電流を放電灯に供給する定常的動作において、第1及び第2電極に均等な給電を行って第1電極の先端部が第2電極の先端部よりも高温となる場合に、交流電流の一周期中の2つの極性における各平均電流値の絶対値の差を所定のパターンで変化させるとともに、第1電極が一周期のうち陽極として動作する時間の割合を第2電極が一周期のうち陽極として動作する時間の割合よりも小さくする。以上において、高温となる場合とは、1周期の最大温度が高温となること、1周期の平均温度が高温となること、陽極期間の平均温度が高温となることのいずれか一以上に該当する場合を意味するものとする。
上記駆動方法では、定常的動作において、交流電流の一周期中の2つの極性における電流値の絶対値の差を所定のパターンで変化させるので、極性が交番する交流電流を基本としつつも、第1電極が陽極の際の電流値と第2電極が陽極の際の電流値とのバランスを適宜変化させることができる。よって、両電極の先端部を例えば交互に適度に溶融させつつ単一の大きな突起を確実に維持又は成長させることができ、両電極の劣化抑制によって光源の寿命を長くすることができる。しかも、本方法では、第1電極が一周期のうち陽極として動作する時間の割合を第2電極が一周期のうち陽極として動作する時間の割合よりも小さくするので、均等な給電の場合のように第1電極の方が第2電極よりも高温になる傾向を抑制することができ、第1電極のみが早期に劣化する現象を抑制することができる。
また、本発明の具体的な態様又は観点では、上記駆動方法において、所定のパターンの1周期の期間は、交流電流の複数周期分の期間に相当し、所定のパターンの1周期中に、2つの極性における半周期の平均電流値の絶対値の差が増減し、所定のパターンを繰り返すことにより、2つの極性における半周期の平均電流値の絶対値の差が周期的に変化する。この場合、両電極及びその周辺の熱的状態を比較的長いタイムスケールで大きく緩やかに変動させることができるので、例えば発光管中に定常的な対流が形成されることを回避できる。これにより、両電極の一部が偏って消耗することや電極材料が偏って析出することを抑えることができる。
本発明の別の態様では、第1電極及び第2電極間の放電により発生した光束を反射して被照明領域に射出する主反射鏡が第2電極側に配置され、第1電極及び第2電極の電極間空間からの光束を電極間空間側に向けて反射する副反射鏡が主反射鏡に対向して第1電極側に配置されており、第2電極が陽極として動作する際の電流値を、当該陽極期間内で変化させる。この場合、第2電極が陰極として動作する際のフリッカが効果的に抑制され、放電の安定化を図ることができる。なお、上記のように副反射鏡側の第1電極の方が相対的に高温となる原因として、第1電極の方がより副反射鏡に近く副反射鏡からの輻射熱にさらされやすいことや、発光管周辺を流れる冷却風が副反射鏡に遮られて副反射鏡に覆われている側すなわち第1電極を収納する半球側で冷却効率が低下することが考えられる。
本発明のさらに別の態様では、第2電極が陽極として動作する際の電流値を、当該陽極期間の末期に絶対値が最大となるように変化させる。この場合、フリッカの抑制をより効果的に図ることができる。
本発明のさらに別の態様では、交流電流の一周期中の2つの極性のうち少なくとも電流値の絶対値が小さくなる側の極性の電流値を、対応する極性期間内で変化させる。この場合、陰極として動作している電極においては、フリッカが抑制され、陽極として動作している電極においては、先端部の必要十分な溶融を確保できる。これにより、放電の安定化と電極形状の維持を図ることができる。
本発明のさらに別の態様では、交流電流の一周期中の2つの極性のうち少なくとも電流値の絶対値が小さくなる側の極性の電流値を、対応する極性期間の末期に絶対値が最大となるように変化させる。この場合、フリッカ抑制と電極先端部の溶融による形状維持とを、より効果的に図ることができる。
本発明に係る駆動装置は、第1電極及び第2電極を有する放電灯に交流電流を供給し放電させることによって放電灯を発光させる駆動装置であって、交流電流を放電灯に供給する定常的動作において、第1及び第2電極に均等な給電を行って第1電極の先端部が第2電極の先端部よりも高温となる場合に、交流電流の一周期中の2つの極性における各平均電流値の絶対値の差を所定のパターンで変化させるとともに、第1電極が一周期のうち陽極として動作する時間の割合を第2電極が一周期のうち陽極として動作する時間の割合よりも小さくする電流駆動回路を備える。
上記駆動装置では、定常的動作において、電流駆動回路が交流電流の一周期中の2つの極性における電流値の絶対値の差を所定のパターンで変化させるので、極性が交番する交流電流を基本としつつも、第1電極が陽極の際の電流値と第2電極が陽極の際の電流値とのバランスを緩やかに変化させることができる。よって、両電極の先端部を交互に適度に溶融させつつ単一の大きな突起を確実に維持又は成長させることができ、両電極の劣化抑制によって光源の寿命を長くすることができる。しかも、本装置では、第1電極が一周期のうち陽極として動作する時間の割合を第2電極が一周期のうち陽極として動作する時間の割合よりも小さくするので、均等な給電の場合のように第1電極の方が第2電極よりも高温になる傾向を抑制することができ、第1電極のみが早期に劣化する現象を抑制することができる。
本発明に係るプロジェクタは、上述の駆動方法で駆動されて発光する光源装置と、光源装置からの光束によって照明される光変調装置と、光変調装置によって形成された像を投射する投射光学系と、を備える。
上記プロジェクタでは、上述の光源装置を用いているので、光源装置の両電極が劣化することや、いずれかの電極に偏って劣化することを抑制ことができる。これにより、プロジェクタの投射輝度を長期にわたって保持することができる。
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係る放電灯用の駆動装置を組み込んだ光源装置等について説明する。
図1は、光源装置100の構造を概念的に説明する断面図である。光源装置100において、光源ユニット10は、放電灯として、放電発光型の発光管1と、楕円型の主反射鏡であるリフレクタ2と、球面状の副反射鏡である副鏡3とを備える。また、光源駆動装置70は、放電灯用の駆動装置として、光源ユニット10に交流電流を供給して所望の状態で発光させるための電気回路を備える。
光源ユニット10において、発光管1は、中央部が球状に膨出した透光性の石英ガラス管で構成され、照明用の光を放射する封体である本体部分11と、この本体部分11の両端を通る軸線に沿って延びる第1及び第2封止部13,14とを備える。
本体部分11内に形成される放電空間12には、タングステン製の第1電極15の先端部分と、同様にタングステン製の第2電極16の先端部分とが所定距離で離間配置されており、希ガス、ハロゲンを含む化合物及び水銀が封入されている。この本体部分11の両端に延びる各封止部13,14は、その内部に本体部分11に設けた第1及び第2電極15,16の根元部分に対し電気的に接続されるモリブデン製の金属箔17a,17bを封入しており、ガラス材料等によって外部に対して気密な封止を形成している。これらの金属箔17a,17bに接続されたリード線18a,18bを介して発光管1に光源駆動装置70により交流パルス状の電力を供給すると、一対の電極15,16間でアーク放電が生じ、本体部分11が高輝度で発光する。
副鏡3は、発光管1の本体部分11のうち、第1電極15がある光束射出前方側の略半分を近接して覆っている。この副鏡3は、石英ガラス製の一体成形品であり、発光管1の本体部分11から前方に放射された光束を本体部分11に戻す副反射部3aと、この副反射部3aの根元部を支持した状態で第1封止部13の周囲に固定される支持部3bとを備える。支持部3bは、第1封止部13を挿通させるとともに、副反射部3aを本体部分11に対してアライメントした状態で保持している。
リフレクタ2は、発光管1の本体部分11のうち、第2電極16がある光束射出後方側の略半分に対向して配置されている。このリフレクタ2は、結晶化ガラスや石英ガラス製の一体成形品であり、発光管1の第2封止部14が挿通される首状部2aと、この首状部2aから拡がる楕円曲面状の主反射部2bとを備える。首状部2aは、第2封止部14を挿通させるとともに、主反射部2bを本体部分11に対してアライメントした状態で保持している。
発光管1は、主反射部2bの回転対称軸又は光軸に対応するシステム光軸OAに沿って配置されるとともに、本体部分11内の第1及び第2電極15,16間の発光中心Oが主反射部2bの楕円曲面の第1焦点F1位置と略一致するように配置される。発光管1を点灯した場合、本体部分11の発光中心O周辺のアークから放射された光束は、主反射部2bで反射され、或いは副反射部3aでの反射を経て主反射部2bでさらに反射され、楕円曲面の第2焦点F2位置に収束する光束となる。つまり、リフレクタ2及び副鏡3は、システム光軸OAに対して略軸対称な反射曲面を有し、一対の電極15,16は、その軸心である電極軸をシステム光軸OAと略一致させるように配置されている。
発光管1は、例えば石英ガラス管中に金属箔17a,17bの先端に固定された第1及び第2電極15,16を支持し、両封止部13,14に対応する部分で石英ガラス管を周囲からバーナで加熱して軟化、収縮させるシュリンクシールによって作製される。副鏡3は、発光管1の第1封止部13に支持部3bを挿通させた状態で無機接着剤Cを注入及び充填して固化することにより、発光管1に固定される。発光管1は、リフレクタ2の首状部2aに第2封止部14を挿入した状態で、無機接着剤Cを注入及び充填して固化することにより、リフレクタ2に固定される。
図2は、図1に示す光源ユニット10を所望の状態で点灯動作させるための光源駆動装置70の構成を模式的に示すブロック図である。
光源駆動装置70は、図1等に示す一対の電極15,16間で放電を行うための交流電流を発生させるとともに、両電極15,16に対する交流電流の供給状態を制御する。光源駆動装置70は、点灯装置70aと、制御装置70bと、DC/DCコンバータ70cとを備える。ここでは、一例として、光源駆動装置70が、外部電源を使用する場合について説明する。つまり、光源駆動装置70は、AC/DCコンバータ81に接続されており、AC/DCコンバータ81は、商用電源90に接続されている。AC/DCコンバータ81は、商用電源90から供給される交流電圧を直流電圧に変換する。
点灯装置70aは、図1の光源ユニット10を点灯駆動させる回路部分である。点灯装置70aにより、光源駆動装置70から出力される駆動波形が調整される。ここで、駆動波形は、出力電流又は電圧の周波数、振幅、デューティ比、正負の振幅比、波形特性等を要素とするものであり、点灯装置70aから光源ユニット10に対して、例えば矩形波、かかる矩形波に三角波を重畳した重畳波その他の、任意の波形特性を有する駆動電流が出力される。
制御装置70bは、例えば、マイクロコンピュータ、メモリ、センサ、インターフェース等から構成される回路ユニットであり、電源であるDC/DCコンバータ70cにて生成された適切な駆動電圧により駆動される。制御装置70bは、点灯装置70aの動作状態を制御する駆動制御部74と、発光管1の状態を判断する判断部75と、点灯装置70aの動作態様すなわち給電条件等の各種情報を記憶するデータ収納部76とを備える。
駆動制御部74は、データ収納部76等に保管されたプログラムに従って動作する部分である。駆動制御部74は、データ収納部76に保管された初期動作用給電条件及び定常的動作用給電条件から発光管1の現状に適合するものを選択するとともに、選択された給電条件に従った初期動作や定常的動作を点灯装置70aに行わせる。なお、駆動制御部74は、点灯装置70aと協働して、発光管1に給電して必要な点灯動作を行わせるための電流駆動回路として機能する。本実施形態において、第2電極16及び第1電極15に定常的エネルギーを供給する動作を定常的動作とし、定常的動作を行う前の点灯開始時に定常的動作とは異なる動作で第2電極16及び第1電極15にエネルギーを供給する動作を初期動作とする。
判断部75は、発光管1の状態、すなわち発光管1の累積点灯時間、発光管1への電極間電圧等に基づいて、発光管1の劣化段階等を判断する部分である。
データ収納部76は、駆動制御部74の動作用プログラム等のほか、発光管1の初期動作の態様として複数の初期用給電条件を記憶し、発光管1の定常的動作の態様として複数の定常用給電条件を記憶する。具体的には、データ収納部76は、初期動作に含まれる始動時や立上げ時の電流値、周波数等の設定値等の各種パラメータを記憶する。また、データ収納部76は、定常的動作での点灯周波数、電流値、電流変位量、区分期間、電流変位周期、デューティ比、三角波跳ね上げ率等に関する各種パラメータを記憶する。ここで、電流変位量とは、正負の振幅値が等しい矩形波状の交流成分、すなわち発光管1を点灯するための点灯周波数の交流成分に重畳させるべき直流成分を意味する。このような電流変位量は、第1電極15が陽極の際の電流値の絶対値と、第2電極16が陽極の際の電流値の絶対値と差(後述する相対差ΔI)を所定のパターンで緩やかに変化させるものとなっている。また、上記のデューティ比は、第1電極15が一周期のうち陽極として動作する時間の割合R1を意味するものとし、この場合、第2電極16が一周期のうち陽極として動作する時間の割合R2は、1からR1を引いた値となる。
図3は、図1の発光管1の本体部分11の内部を説明するための拡大断面図であり、図4(A)〜4(C)は、両電極15,16の補修を説明する概念図である。図示のように、本体部分11内において、第1及び第2電極15,16は、先端部15a,16aと、大径部15b,16bと、軸部15c,16cとをそれぞれ備える。
図4(A)に示す第1電極15の場合、先端部15a先端側の表面に、複数の微小な凹凸63が形成されている。この場合、先端部15aと凹凸63との間で放電起点が移動する現象、つまりフリッカやアークジャンプが発生する。ここで、フリッカは放電の起点の移動が連続的に起こるものであり、アークジャンプは、当初の放電起点位置から放電起点が完全に移動するものである。フリッカやアークジャンプは、画面のちらつきや照度低下を発生させる。
上記のようなフリッカやアークジャンプを事後に又は事前に防止するため、発光管1の定常動作において、以下に詳述するが、第1及び第2電極15,16に対して周期的な補修を交互に行なうものとする。
図4(B)に示す場合、例えば第1電極15が陽極として動作する際の電流値を、第2電極16が陽極として動作する際の電流値よりも大きくしている。これにより、第1電極15の先端側の温度が上昇し、図4(A)の凹凸63が溶かされて溶融部64が形成される。ここで、一周期内において、第1電極15が陽極である場合における電流値の絶対値I1と、第2電極16が陽極である場合における電流値の絶対値I2との差を相対差ΔIとすると、第1電極15の電流は、通常よりも相対差ΔIの半分すなわちΔI/2だけ全体としてシフトしていることになり、このようなシフトによる増加分ΔI/2(以下、変位量)と増加期間tとの調整によって、第1電極15の先端側の温度上昇を適宜調節できる。このような第1電極15の先端側における温度上昇の調節により、先端部15aを略残したままで表面に溶融部64を形成することができ、凹凸63を平滑化することができる。以上のように第1電極15の先端側を十分に加熱した後は、図4(C)に示すように、一周期内において、第2電極16が陽極として動作する際の電流値の絶対値を、第1電極15が陽極として動作する際の電流値の絶対値よりも大きくする。これにより、第1電極15の先端側の温度が下降し、図4(B)の溶融部64が徐々に冷却され、このように冷却された溶融部64の固化に伴って、図4(C)に示すように先端部15aの形状が適度に大きな先細りに保持される。
以上は、第1電極15に着目した補修駆動の説明であったが、第2電極16に対しても同様の補修駆動が同時並行して行われる。つまり、図4(C)に示す状態で、第2電極16の先端側の温度が上昇して溶融部64が形成される。次に、図4(B)の状態に戻すならば、第2電極16の先端側の温度が降下し、冷却された溶融部64の固化に伴って先端部16aの形状が先細りに保持される。
つまり、図4(B)のように陽極の第1電極15を加熱し第2電極16を冷却する状態と、図4(C)のように陽極の第2電極16を加熱し第1電極15を冷却する状態とを交互に繰り返すことで、第1及び第2電極15,16を交互に補修することになり、両電極15,16の劣化を抑制することができ、発光管1の寿命を長くすることができる。
図3に戻って、発光管1を定格で動作させる定常的動作においては、一対の電極15,16の先端部15a,16a間の電極間空間にアーク放電によるアークARが形成される。このアークAR及びその付近領域は極めて高温となる。このため、放電空間12内において、アークARから上方に流れる対流AFが形成される。この対流AFは、本体部分11の頂部11aに当たって上半部11bに沿って移動し、両電極15,16の軸部15c,16c等を通過することによって冷却されつつ降下する。このように降下した対流AFは、本体部分11の下半部11cに沿って更に降下するが、アークAR下方で互いに衝突して上方のアークARに戻されるように上昇する。つまり、両電極15,16の周囲に対流AFが形成され循環するが、このような対流AFは、アークARによって溶融蒸発した電極材料を含むため、定常的な対流によって軸部15c,16cの局所に電極材料が堆積或いは偏析して針状に成長し、例えば上半部11bに向けて意図しない放電が生じる可能性がある。このような意図しない放電は、本体部分11の内壁を劣化させ、発光管1の寿命を低下させる原因となる。また、単一の駆動波形による点灯を長時間続けると、電極が一定の温度分布で長時間持続されるため、経時的な状態変化に伴って生じた電極の非対称性が、時間と共により助長される方向に向かう。このため、第1及び第2電極15,16間に供給する交流電流において、第1電極15が陽極時の電流値の絶対値I1と第2電極16が陽極時の電流値の絶対値I2との差に相当する相対差ΔIを比較的長い周期で緩やかに周期的に変化させ、電極15,16の温度分布を周期的に変動させることで、電極の偏った劣化を防止し、更に左右電極15,16間に生じ得る数百Kの温度差によって、対流に時間的な変動を起こし、放電空間12内に定常的な対流AFが形成されることを防止する。具体的には、一対の電極15,16に供給される一定周波数(点灯周波数)の電流波形の周期に比較して十分に大きな周期で、その電流波形における2つの極性の電流値の絶対値の差(相対差)ΔIを周期的に変化させる。このため、正負の振幅値が等しい点灯周波数の交流成分に対して、上記のような相対差ΔIを実現するように比較的長い周期で周期的に変化する直流成分(変位量ΔI/2)を重畳させた重畳電流を両電極15,16間に供給する。この際、電流波形の変位量ΔI/2を周期的に変化させるパターンとして、例えば変位量ΔI/2の変位周期が複数の区分期間で構成され各区分期間において変位量ΔI/2が一定期間以上維持されるものを用いる。つまり、両電極15,16に供給する電流波形の変位量ΔI/2を段階的に変化させ、かつ、周期的に増減させる。このような変位量ΔI/2の変域とその変動周期とを調整することにより、図4(B)及び4(C)に示すような第1及び第2電極15,16の補修も並行して達成される。
具体的な駆動条件について説明すると、両電極15,16に供給される点灯周波数は、例えば60Hz〜500Hz程度になっているものとする。そして、電流波形における変位量ΔI/2に関する変位周期を構成する各区分期間を例えば1秒程度以上(具体例では10秒)とするとともに、各区分期間において変位量ΔI/2を例えば点灯周波数の交流成分の振幅の50%以下程度の一定値に維持する。ここで、変位量ΔI/2を例えば10程度(具体例では12)のレベルに区分することにより、各区分期間を統合した変位量ΔI/2に関する変位周期は、例えば10秒以上(具体例では120秒)となる。このような変位量ΔI/2に関する変位パターンにより、第1及び第2電極15,16の先端部15a,16aを溶かして成長させる補修が可能になり、先端部15a,16aの形状を長期間にわたって維持することができるので、アークの起点移動やアーク長変化を防止でき、両電極15,16の寿命を長くすることができる。また、このような変位パターンにより、第1及び第2電極15,16及びその周辺の熱的状態を対流AFに影響を与える程度のロングスパンで緩やかに変動させることができるようになるので、発光管1の本体部分11内において定常的な対流AFが形成されることを回避できる。結果的に、電極材料が両電極15,16の意図しない場所に針状に成長することを防止でき、さらに両電極15,16の偏った劣化を防止できる。
以下、副鏡3側の第1電極15の方がリフレクタ2側の第2電極16よりも高温になりやすい点について説明する。まず、第1電極15の方が第2電極16に比較してより副鏡3の近くに配置されるので、第1電極15は、副鏡3からの輻射熱にさらされやすい。このため、第1電極15の方が第2電極16よりも相対的に高温になりやすい。また、光源ユニット10は不図示の冷却装置からの冷却風によって適当な温度まで冷却されているが、発光管1の本体部分11のうち副鏡3に覆われている半球側で冷却効率が低下する傾向が生じる。このため、第1電極15の方が第2電極16よりも相対的に高温になりやすい。以上のように、副鏡3側の第1電極15の方が第2電極16よりも高温になりやすいので、第1電極15の劣化が加速される。このため、例えば定常的動作時において電極15,16に供給する矩形波型の交流電流のデューティ比を0.5よりも小さくしている。すなわち、第1電極15が陽極として動作する時間の割合R1を、第2電極16が陽極として動作する時間の割合R2よりも小さくしている。そして、上記のように第1及び第2電極15,16間に供給する交流電流の偏りとしての相対差ΔI又は変位量ΔI/2を周期的に変化させる際に、第1電極15を基準とする交流電流のデューティ比を0.5よりも小さく設定することにより、副鏡3側の第1電極15の温度上昇を抑える。具体的には、第1電極15が陽極として動作する時間の割合R1を例えば40%程度とし、これに対応して第2電極16が陽極として動作する時間の割合R2を例えば60%程度とする。つまり、1周期のうち第1電極15が陽極として動作する時間の割合を示す交流電流のデューティ比は0.4程度となる。これによって、アークARの輝度を保ちつつ副鏡3側の第1電極15の偏った損耗を防止できる。以上の交流電流のデューティ比については、上記0.4に限定されるものではなく、第1電極15が高温になりやすい程度に応じて適宜調整される。
なお、以上において、副鏡3側の第1電極15の方が高温となる場合とは、定常的動作において第1電極15と第2電極16とに振幅やデューティ比に関して均等な給電を行って第1電極15が第2電極16よりも高温となることを意味し、両電極15,16間に供給する交流電流の1周期の最大温度が第1電極15側で相対的に高温となること、このような1周期の平均温度が第1電極15側で相対的に高温となること、陽極期間の平均温度が第1電極15側で相対的に高温となることのいずれかを場合を意味するものとする。
図5(A)〜5(C)は、一対の電極15,16に供給する交流電流を説明するためのグラフである。各グラフにおいて、横軸は時間、縦軸は電流値を示す。図5(A)は、両電極15,16間で点灯させるための交流成分を示す。この交流成分は、点灯周波数に対応する一定の周期Taの矩形波であり、電流値A0に対応する正負等しい振幅±A0を有する。ただし、第1電極15が陽極として動作する時間Ta1の割合R1=Ta1/Taの方が、第2電極16が陽極として動作する時間Ta2の割合R2=Ta2/Taよりも小さくなっているため、1周期のうち第1電極15が陽極として動作する時間の割合を示す交流電流のデューティ比は0.5よりも小さい。図5(B)は、図5(A)の交流成分に重畳される直流成分に対応する変位量ΔI/2を示す。この変位量ΔI/2は、段階的に変化するとともに、周期Tmで周期的に増減している。各周期Tmは、副鏡3側の第1電極15の陽極電流が相対的に大きくなる前半期H1と、リフレクタ2側の第2電極16の陽極電流が相対的に大きくなる後半期H2とからなる。また、直流成分である変位量ΔI/2は、前半期H1において第1電極15の陽極電流が相対的に大きくなる6段階の区分期間P1〜P6と、後半期H2において第2電極16の陽極電流が相対的に大きくなる6段階の区分期間P7〜P12との、全体で12段階に変化する。なお、前半期H1における陽極電流の最大値DM1(区分期間P4の直流電流値)と、後半期H2における陽極電流の最大値DM2(区分期間P10の直流電流値)とは、ともに交流成分の例えば10%であり、互いに等しくなっている。図5(C)は、図5(A)の交流成分に図5(B)の変位量ΔI/2を重畳した電流波形を示す。両電極15,16には、交流電流が供給されているが、直流成分に対応する変位量ΔI/2が比較的長い周期で緩やかに正負に変化している。そして、第1電極15が陽極として動作する時間の割合R1の方が、第2電極16が陽極として動作する時間の割合R2よりも小さくなっている。これにより、第1及び第2電極15,16の補修を行いつつこれらの偏った消耗を防止できるだけでなく、副鏡3側の第1電極15の相対的な温度上昇を抑えることができる。
なお、図5に示すような電流波形の相対差ΔIに関連する変位その他を含む動作パターンにおいて、両電極15,16に供給する電流の点灯周波数や最大値DM1,DM2を一定に維持する必要はなく、各区分期間P1,P2,P3,…ごとに異なる点灯周波数や電流値を割り当てることができる。
また、図5に示すような電流波形の相対差ΔIに関連する変位その他を含む動作パターンにおいて、点灯周波数、電流値、電流変位量(具体的には駆動波形の変位量ΔI/2の変域)、区分期間、電流変位周期、デューティ比等の設定値は、判断部75で得た両電極15,16の消耗度その他の劣化段階に関する情報に基づいて増減変更することができる。例えば、両電極15,16の劣化が進行した場合には、点灯周波数、電流値を一時的に増減させることで両電極15,16の先端部15a,16aの形状を維持することができる。また、最大電流値すなわち変位量ΔI/2の範囲を増加させることで、経時的に劣化した電極を確実に溶融し、先端形状を良好に維持することができる。
図6(A)〜6(C)は、図5(A)〜5(C)に示す交流電流の変形例を説明するグラフである。図6(A)は、両電極15,16を点灯するための交流成分を示し、図6(B)は、図6(A)の交流成分に重畳される直流成分に対応する変位量ΔI/2を示し、図6(C)は、図6(A)の交流成分に図6(B)の変位量ΔI/2を重畳した電流波形を示す。この場合、区分期間P1,P2,P3,…が切り替わるごとに直流成分すなわち変位量ΔI/2が段階的に変化している点と、第1電極15が陽極として動作する時間の割合が相対的に小さくなっている点で元と共通する。しかしながら、図5(A)や5(B)に示す場合と異なり、交流電流の一周期あたりの正と負の極性のうち、リフレクタ2側の第2電極16が陽極として動作する極性時に、駆動波形を変化させている。すなわち、第2電極16が陽極として動作する時間Ta2において、矩形波に漸増する三角波を重畳させた重畳波が供給されている。重畳前の交流成分の平均電流値は、A0に維持されているが、ピーク値は、A1になっている。ここで、平均電流値A0に対するピーク値A1の比を重畳波の三角波跳上げ率とすると、三角波跳上げ率A1/A0は、矩形波の三角波跳上げ率1よりも増加している。三角波跳上げ率の調整により、第2電極16が陰極として動作する際、フリッカが効果的に抑制され、放電の安定化を図ることができる。
図7(A)〜7(C)は、図5(A)〜5(C)に示す交流電流の別の変形例を説明するグラフである。図7(A)は、両電極15,16を点灯するための交流成分を示し、図7(B)は、図7(A)の交流成分に重畳される直流成分に対応する変位量ΔI/2を示し、図7(C)は、図7(A)の交流成分に図7(B)の変位量ΔI/2を重畳した電流波形を示す。この場合、区分期間P1,P2,P3,…が切り替わるごとに直流成分すなわち変位量ΔI/2が段階的に変化している点と、第1電極15が陽極として動作する時間の割合が相対的に小さくなっている点で元と共通するが、交流電流の一周期あたりの正と負の極性のうち電流値の絶対値が小さくなる側の極性時に、駆動波形を変化させている。すなわち、前半期H1では第2電極16の陽極時に、後半期H2では第1電極15の陽極時に、矩形波に漸増する三角波を重畳させた重畳波が供給されている。重畳前の交流成分の平均電流値は、A0に維持されているが、ピーク値は、A1になっている。このような三角波跳上げ率A1/A0の調整により、陽極先端における十分な溶融と、陰極におけるフリッカ抑制とを図ることができる。
図8は、光源駆動装置70の動作を説明するフローチャートである。制御装置70bは、データ収納部76に保管した駆動制御テーブルから、発光管1の点灯開始に必要な適当な初期駆動データを読み出す(ステップS11)。
次に、制御装置70bは、ステップS11で読み出した初期用給電条件に基づいて点灯装置70aを制御し、発光管1の始動から立ち上げ動作を含む初期動作を制御する(ステップS12)。
次に、制御装置70bは、データ収納部76に保管された駆動制御テーブルから、発光管1の発光維持に必要な適当な定常的駆動データを読み出す(ステップS13)。具体的には、定常的動作時の、点灯周波数、電流値、電流変位量(具体的には駆動波形の変位量ΔI/2の変域)、区分期間、電流変位周期、デューティ比、三角波跳ね上げ率等の設定値が読み出される。この際、判断部75で得た両電極15,16の消耗度その他の劣化段階に関する情報に基づいて、点灯周波数、電流値等の点灯波形や、電流変位量(具体的には駆動波形の変位量ΔI/2の変域)、区分期間、電流変位周期、デューティ比等を含む駆動パターン又は変位パターンが選択される。
次に、制御装置70bは、ステップS13で読み出した定常用給電条件に基づいて、点灯装置70aの発光管1の定常的動作を制御する(ステップS14)。具体的な動作は、図4、5(A)〜5(C)、6(A)〜6(C)、7(A)〜7(C)等に例示するものとなる。
ここで、判断部75は、定常的動作中において、光源ユニット10の点灯動作の終了を要求する割込要求信号が入力されたか否かを判断する(ステップS15)。このような割込要求信号の入力があった場合、現在の累積点灯時間、現在の発光管1に供給されている電圧等、現在の発光管1の状態を示す情報をデータ収納部76に記録し、消灯動作に移行させる。
以上の説明から明らかなように、本実施形態の光源装置100によれば、制御装置70bの制御下で動作する点灯装置70aにより、発光管1を定格で動作させる定常的動作において、交流電流の一周期中の2つの極性における電流値の絶対値の差に相当する相対差ΔIやこれを直流成分として実現するための変位量ΔI/2を所定のパターンで変化させるので、極性が交番する交流電流を基本としつつも、第1電極15が陽極の際の最大電流値と第2電極16が陽極の際の最大電流値とのバランスを適宜変化させることができる。よって、両電極15,16の先端部15a,16aを例えば交互に適度に溶融させつつ単一の大きな突起である先端部15a,16aを確実に維持又は成長させることができ、両電極の劣化抑制によって光源の寿命を長くすることができる。さらに、本光源装置100においては、第1電極15が一周期のうち陽極として動作する時間の割合を第2電極16が一周期のうち陽極として動作する時間の割合よりも小さくするので、副鏡3からの輻射熱等によって第1電極15の方が第2電極16よりも高温になる傾向を抑制することができ、第1電極15のみが早期に劣化する現象を抑制することができる。
図9は、図1の光源装置100を組み込んだプロジェクタの構造を説明するための概念図である。プロジェクタ200は、光源装置100と、照明光学系20と、色分離光学系30と、光変調部40と、クロスダイクロイックプリズム50と、投射レンズ60とを備える。ここで、光変調部40は、同様の構造を有する3つの液晶ライトバルブ40a,40b,40cを含む。
上記プロジェクタ200において、光源装置100は、図1に示した光源ユニット10と、光源駆動装置70とを備え、照明光学系20等を介して光変調部40すなわち液晶ライトバルブ40a,40b,40cを照明するための照明光を発生する。
照明光学系20は、光源光の光束方向を平行化する平行化レンズ22と、光を分割して重畳するためのインテグレータ光学系を構成する第1及び第2フライアイレンズ23a,23bと、光の偏光方向を揃える偏光変換素子24と、両フライアイレンズ23a,23bを経た光を重畳させる重畳レンズ25と、光の光路を折り曲げるミラー26とを備える。照明光学系20において、平行化レンズ22は、光源ユニット10から射出された照明光の光束方向を略平行に変換する。第1及び第2フライアイレンズ23a,23bは、それぞれマトリクス状に配置された複数の要素レンズからなり、第1フライアイレンズ23aを構成する要素レンズによって平行化レンズ22を経た光を分割して個別に集光し、第2フライアイレンズ23bを構成する要素レンズによって第1フライアイレンズ23aからの分割光束を適当な発散角にして射出させる。偏光変換素子24は、PBS、ミラー、位相差板等を一組の要素とするアレイで形成されており、第1フライアイレンズ23aにより分割された各部分光束の偏光方向を一方向の直線偏光に揃える役割を有する。重畳レンズ25は、偏光変換素子24を経た照明光を全体として適宜収束させて、後段の各色の光変調装置である液晶ライトバルブ40a,40b,40cの被照明領域に対する重畳照明を可能にする。つまり、両フライアイレンズ23a,23bと重畳レンズ25とを経た照明光は、以下に詳述する色分離光学系30を経て、光変調部40に設けられた各色の液晶パネル41a,41b,41cを均一に重畳照明する。
色分離光学系30は、第1及び第2ダイクロイックミラー31a,31bと、反射ミラー32a,32b,32cと、3つのフィールドレンズ33a,33b,33cとを備え、照明光学系20からの照明光を赤(R)、緑(G)、及び青(B)の3色に分離するとともに、各色光を後段の液晶ライトバルブ40a,40b,40cへ導く。より詳しく説明すると、まず、第1ダイクロイックミラー31aは、RGBの3色のうちR光を透過させG光及びB光を反射する。また、第2ダイクロイックミラー31bは、GBの2色のうちG光を反射しB光を透過させる。次に、この色分離光学系30において、第1ダイクロイックミラー31aを透過したR光は、反射ミラー32aを経て入射角度を調節するためのフィールドレンズ33aに入射する。また、第1ダイクロイックミラー31aで反射され、さらに、第2ダイクロイックミラー31bでも反射されたG光は、入射角度を調節するためのフィールドレンズ33bに入射する。さらに、第2ダイクロイックミラー31bを通過したB光は、リレーレンズLL1,LL2及び反射ミラー32b,32cを経て入射角度を調節するためのフィールドレンズ33cに入射する。
光変調部40を構成する各液晶ライトバルブ40a,40b,40cは、入射した照明光の空間的強度分布を変調する非発光型の光変調装置である。液晶ライトバルブ40a,40b,40cは、色分離光学系30から射出された各色光に対応してそれぞれ照明される3つの液晶パネル41a,41b,41cと、各液晶パネル41a,41b,41cの入射側にそれぞれ配置される3つの第1偏光フィルタ42a,42b,42cと、各液晶パネル41a,41b,41cの射出側にそれぞれ配置される3つの第2偏光フィルタ43a,43b,43cとを備える。第1ダイクロイックミラー31aを透過したR光は、フィールドレンズ33a等を介して液晶ライトバルブ40aに入射し、液晶ライトバルブ40aの液晶パネル41aを照明する。第1及び第2ダイクロイックミラー31a,31bの双方で反射されたG光は、フィールドレンズ33b等を介して液晶ライトバルブ40bに入射し、液晶ライトバルブ40bの液晶パネル41bを照明する。第1ダイクロイックミラー31aで反射され、第2ダイクロイックミラー31bを透過したB光は、フィールドレンズ33c等を介して液晶ライトバルブ40cに入射し、液晶ライトバルブ40cの液晶パネル41cを照明する。各液晶パネル41a〜41cは、入射した照明光の偏光方向の空間的強度分布を変調し、各液晶パネル41a〜41cにそれぞれ入射した3色の光は、各液晶パネル41a〜41cに電気的信号として入力された駆動信号或いは画像信号に応じて、画素単位で偏光状態を調節される。この際、第1偏光フィルタ42a〜42cによって、各液晶パネル41a〜41cに入射する照明光の偏光方向が調整されるとともに、第2偏光フィルタ43a〜43cによって、各液晶パネル41a〜41cから射出される変調光から所定の偏光方向の変調光が取り出される。以上により、各液晶ライトバルブ40a,40b,40cは、それぞれに対応する各色の像光を形成する。
クロスダイクロイックプリズム50は、各液晶ライトバルブ40a,40b,40cからの各色の像光を合成する。より詳しく説明すると、クロスダイクロイックプリズム50は、4つの直角プリズムを貼り合わせた平面視略正方形状をなし、直角プリズム同士を貼り合わせた界面には、X字状に交差する一対の誘電体多層膜51a,51bが形成されている。一方の第1誘電体多層膜51aは、R光を反射し、他方の第2誘電体多層膜51bは、B光を反射する。クロスダイクロイックプリズム50は、液晶ライトバルブ40aからのR光を誘電体多層膜51aで反射して進行方向右側に射出させ、液晶ライトバルブ40bからのG光を誘電体多層膜51a,51bを介して直進・射出させ、液晶ライトバルブ40cからのB光を誘電体多層膜51bで反射して進行方向左側に射出させる。このようにして、クロスダイクロイックプリズム50によりR光、G光及びB光が合成され、カラー画像による画像光である合成光が形成される。
投射レンズ60は、投射光学系であり、クロスダイクロイックプリズム50を経て形成された合成光による画像光を所望の拡大率で拡大してスクリーン(不図示)上にカラーの画像を投射する。
以上のプロジェクタ200によれば、光源装置100を構成する一対の電極15,16を交互に補修することができ、また、一対の電極15,16のいずれかが偏って早期に劣化することを防止できるので、プロジェクタ200の投射輝度を長期にわたって保持することができる。
この発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
例えば、図5、6、7に示す変位パターンは、単なる例示であり、一対の電極15,16に供給する交流電流を様々な変位パターンで変化させることができ、第1及び第2電極15,16の補修を行いつつ、発光管1内に対流AFが過度に局在することを防止することができ、一対の電極15,16のいずれかが偏って早期に劣化することを防止できる。
また、上記実施形態では、副鏡3を設けたことから第1電極15が第2電極16よりも高温になるものとしたが、副鏡3を設けなくても、空冷の状態によって両電極15,16間に温度差が生じる場合があり、両電極15,16のサイズが異なっていると両電極15,16間に温度差が生じる場合がある。このような場合も、図5、6、7に示す波形を用いることで、両電極15,16の温度差を補償した電流駆動が可能になる。
また、上記実施形態のうち図6の動作では、交流電流の一周期あたりの正と負の極性のうちリフレクタ2側の第2電極16が陽極として動作する極性時、矩形波に漸増する三角波を重畳させた重畳波が供給されているが、第2電極16が陽極として動作する極性時に限らず、第1電極15が陽極として動作する極性時に三角波を重畳させた重畳波を供給することもできる。
また、上記実施形態のうち図7の動作では、交流電流の一周期あたりの正と負の極性のうち電流値の絶対値が小さくなる側の極性時、矩形波に漸増する三角波を重畳させた重畳波が供給されているが、電流値の絶対値が小さくなる極性時に限らず、電流値の絶対値が大きくなる極性時に三角波を重畳させた重畳波を供給することもできる。
また、上記実施形態の光源ユニット10に用いるランプとしては、高圧水銀ランプやメタルハライドランプ等種々のものが考えられる。
また、上記実施形態のプロジェクタ200では、光源装置100からの光を複数の部分光束に分割するため、一対のフライアイレンズ23a,23bを用いていたが、この発明は、このようなフライアイレンズすなわちレンズアレイを用いないプロジェクタにも適用可能である。さらに、フライアイレンズ23a,23bをロッドインテグレータに置き換えることもできる。
また、上記プロジェクタ200において、光源装置100からの光を特定方向の偏光とする偏光変換素子24を用いていたが、この発明は、このような偏光変換素子24を用いないプロジェクタにも適用可能である。
また、上記実施形態では、透過型のプロジェクタに本発明を適用した場合の例について説明したが、本発明は、反射型プロジェクタにも適用することが可能である。ここで、「透過型」とは、液晶パネル等を含む液晶ライトバルブが光を透過するタイプであることを意味しており、「反射型」とは、液晶ライトバルブが光を反射するタイプであることを意味している。なお、光変調装置は液晶パネル等に限られず、例えばマイクロミラーを用いた光変調装置であってもよい。
また、プロジェクタとしては、投射面を観察する方向から画像投射を行う前面プロジェクタと、投射面を観察する方向とは反対側から画像投射を行う背面プロジェクタとがあるが、図9に示すプロジェクタの構成は、いずれにも適用可能である。
また、上記実施形態では、3つの液晶パネル41a〜41cを用いたプロジェクタ200の例のみを挙げたが、本発明は、1つの液晶パネルのみを用いたプロジェクタ、2つの液晶パネルを用いたプロジェクタ、或いは、4つ以上の液晶パネルを用いたプロジェクタにも適用可能である。
また、上記実施形態では、色分離光学系30や液晶ライトバルブ40a,40b,40c等を用いて各色の光変調を行っているが、これらに代えて、例えば光源装置100及び照明光学系20によって照明されるカラーホイールと、マイクロミラーの画素によって構成されカラーホイールの透過光が照射されるデバイスとを組み合わせたものを用いることによって、カラーの光変調及び合成を行うこともできる。
本発明の一実施形態の光源装置について説明する断面図である。 光源装置に組み込まれた光源駆動装置の構成を示すブロック図である。 発光管の本体部分を説明する拡大断面図である。。 (A)〜(C)は光源駆動装置による電極の補修を説明する拡大図である。 (A)〜(C)は両電極に供給される交流電流の波形を説明する図である。 (A)〜(C)は両電極に供給される交流電流の変形例を説明する図である。 (A)〜(C)は両電極に供給される交流電流の別の変形例を説明する図である。 光源駆動装置の動作を説明するフローチャートである。 光源装置を組み込んだプロジェクタを説明する図である。
符号の説明
2…リフレクタ、 3…副鏡、 10…光源ユニット、 11…本体部分、 12…放電空間、 13,14…封止部、 15…第1電極、 15a,16a…先端部、 16…第2電極、 20…照明光学系、 22…平行化レンズ、 23a,23b…フライアイレンズ、 24…偏光変換素子、 25…重畳レンズ、 31a,31b…ダイクロイックミラー、 40…光変調部、 40a,40b,40c…液晶ライトバルブ、 41a,41b,41c…液晶パネル、 50…クロスダイクロイックプリズム、 60…投射レンズ、 70…光源駆動装置、 70a…点灯装置、 70b…制御装置、 74…駆動制御部、 75…判断部、 76…データ収納部、 100…光源装置、 200…プロジェクタ、 AR…アーク、 OA…システム光軸

Claims (8)

  1. 第1電極及び第2電極を有する放電灯に交流電流を供給し放電させることによって発光を生じさせる放電灯の駆動方法であって、
    前記交流電流を前記放電灯に供給する定常的動作において、前記第1及び前記第2電極に均等な給電を行って前記第1電極の先端部が前記第2電極の先端部よりも高温となる場合に、前記交流電流の一周期中の2つの極性における各平均電流値の絶対値の差を所定のパターンで変化させるとともに、前記第1電極が一周期のうち陽極として動作する時間の割合を前記第2電極が一周期のうち陽極として動作する時間の割合よりも小さくする、放電灯の駆動方法。
  2. 前記所定のパターンの1周期の期間は、前記交流電流の複数周期分の期間に相当し、
    前記所定のパターンの1周期中に、前記2つの極性における半周期の平均電流値の絶対値の差が増減し、
    前記所定のパターンを繰り返すことにより、前記2つの極性における半周期の平均電流値の絶対値の差が周期的に変化する、請求項1に記載の放電灯の駆動方法。
  3. 前記第1電極及び前記第2電極間の放電により発生した光束を反射して被照明領域に射出する主反射鏡が前記第2電極側に配置され、前記第1電極及び前記第2電極の電極間空間からの光束を前記電極間空間側に向けて反射する副反射鏡が前記主反射鏡に対向して前記第1電極側に配置されており、
    前記第2電極が陽極として動作する際の電流値を、当該陽極期間内で変化させる、請求項1及び請求項2のいずれか一項に記載の放電灯の駆動方法。
  4. 前記第2電極が陽極として動作する際の電流値を、当該陽極期間の末期に絶対値が最大となるように変化させる、請求項3に記載の放電灯の駆動方法。
  5. 前記交流電流の一周期中の2つの極性のうち少なくとも電流値の絶対値が小さくなる側の極性の電流値を、対応する極性期間内で変化させる、請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の放電灯の駆動方法。
  6. 前記交流電流の一周期中の2つの極性のうち少なくとも電流値の絶対値が小さくなる側の極性の電流値を、対応する極性期間の末期に絶対値が最大となるように変化させる、請求項5に記載の放電灯の駆動方法。
  7. 第1電極及び第2電極を有する放電灯に交流電流を供給し放電させることによって放電灯を発光させる駆動装置であって、
    前記交流電流を前記放電灯に供給する定常的動作において、前記第1及び前記第2電極に均等な給電を行って前記第1電極の先端部が前記第2電極の先端部よりも高温となる場合に、前記交流電流の一周期中の2つの極性における各平均電流値の絶対値の差を所定のパターンで変化させるとともに、前記第1電極が一周期のうち陽極として動作する時間の割合を前記第2電極が一周期のうち陽極として動作する時間の割合よりも小さくする電流駆動回路を備える、駆動装置。
  8. 請求項1から請求項6までのいずれか一項に記載の駆動方法で駆動されて発光する光源装置と、
    前記光源装置からの光束によって照明される光変調装置と、
    前記光変調装置によって形成された像を投射する投射光学系と、
    を備えるプロジェクタ。
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