JP2010009901A

JP2010009901A - 高圧放電ランプの点灯装置、及びそれを備えた投射型画像表示装置

Info

Publication number: JP2010009901A
Application number: JP2008166812A
Authority: JP
Inventors: Masaru Ikeda; 勝池田
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2008-06-26
Filing date: 2008-06-26
Publication date: 2010-01-14

Abstract

【課題】高圧放電ランプの輝度向上において、ランプ内に封入する水銀量を増加し、その結果、ランプ点灯立ち上げ時にランプが破損しやすい条件に至ったとしても、破損が生じないようにできる高圧放電ランプの点灯装置、及びそれを備えた投射型画像表示装置を提供することを目的とする。
【解決手段】ランプ１００に供給する電流を調整する電流調整部３０２と、ランプ１００の電流、電圧を検出する管電流検出部３０４、管電圧検出部３０５と、ランプ１００の電圧を記憶させておく電圧記憶部３０６ｃを有し、点灯開始時の初期の投入電流値を、消灯前のランプ電圧に応じて制御し、ランプ点灯立ち上げ時、ランプ電圧が消灯前の電圧に到達するまでは、所定の電力を超えないように制御し、ランプ電圧が消灯前の電圧に到達した時点で、所定の電力での定電力制御に切換える。
【選択図】図３

Description

本発明は、高圧放電ランプの点灯装置、及びそれを備えた投射型画像表示装置に関する。

従来、スクリーンに映像を投射するプロジェクターなどの投射型画像表示装置の光源として、石英管の内部に、発光物質として水銀が封入され、かつ一対の電極が配置されている発光部を有する高圧放電ランプが用いられている。

通常、これらの高圧放電ランプの点灯装置としては、点灯初期段階では、予め定められた電流値で点灯させ（定電流制御)、その後、ランプ電圧が予め定められた電圧に到達すると所定の電力（定格電力）を供給する定電力制御に移行させるようにしている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、この種の投射型画像表示装置に対しては明るさ（スクリーン上の照度）の向上が求められており、それに伴い、搭載される高圧放電ランプについても明るさの向上が求められている。

その方法として、内部に封入する水銀量を増加させて、高圧放電ランプ自体の輝度を高めることにより、照度を向上させる方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２０００−３０６６８７号公報特開平２−１４８５６１号公報

しかしながら、上記特許文献２のように内部に封入する水銀量を増加させた高圧放電ランプを試作し、これに反射鏡を付して高圧放電ランプユニットとし、従来の点灯装置を用いて点灯して、照度を評価したところ、内部に２５０ｍｇ／ｃｍ³以上の水銀量を封入したランプについては、点灯立ち上げ時（点灯初期）に、ランプの破損が発生した。水銀を２５０ｍｇ／ｃｍ³以上封入すると、安定点灯時（定格電力点灯時）には、ランプの中の圧力（ランプ内圧）は２５０気圧以上に達する。

ランプの破損の原因を突き止めるべく、２５０ｍｇ／ｃｍ³以上の水銀量を封入したランプを調査したところ、前回点灯時の消灯前のランプ電圧が高いランプ（電極間距離が長いランプ）が、ランプ電圧が低いランプ（電極間距離が短いランプ）よりも、破損しやすいことが判明した。更に詳細に調査すると、ランプ電圧が高いほど、点灯立ち上がり時のランプの温度上昇速度が速いことが判明した。

以上の結果より、発明者らは、ランプの破損の原因を次のように推察した。

高圧放電ランプは、消灯時は通常０．２気圧程度である。点灯を開始すると、ランプの温度が上昇するにつれ、水銀が蒸発し、ランプ内圧が上昇し、安定点灯時（定格電力点灯時）には２５０気圧に到達する。ランプの内圧の上昇速度は、ランプ温度の上昇速度に依存する。

２５０ｍｇ／ｃｍ³以上の水銀を封入したランプにおけるランプ電圧が高いランプは、点灯立ち上げ時、急速に内圧が上昇し、ランプの構成材料である石英の強度が、圧力に耐え切れず、破損が発生したと推察した。

水銀封入量が２５０ｍｇ／ｃｍ³未満のランプにおいても、ランプ電圧が高いランプは、点灯立ち上げ時、急速に内圧上昇すると考えられるが、破損の問題が発生せず、２５０ｍｇ／ｃｍ³以上封入した時にランプ破損が顕在化してきた。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、高圧放電ランプの輝度向上において、ランプ内に封入する水銀量を増加し、その結果、ランプ点灯立ち上げ時にランプが破損しやすい条件に至ったとしても、破損が生じないようにできる高圧放電ランプの点灯装置及びそれを備えた投射型画像表示装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するべく、発明者らは、ランプ点灯立ち上げ時のランプ内圧の上昇速度を、ランプの状態に関わらず、一定の速度で立ち上げることで、ランプの破損を防ぐことを考えた。

ここでランプ電圧について説明すると、ランプ電圧は、一対の電極の電極間距離に依存する。電極間距離は、製造バラツキによるランプ個体間のバラツキ、及びランプ１本を取り上げたとしても、点灯中に電極先端部の材料が、蒸発、堆積（所謂ハロゲンサイクル）を繰り返しており、その電極間距離は時間変化的に見ても、一定ではない。すなわち、ランプ電圧は、ランプ個体間バラツキ、および時間変化的なバラツキが発生する。従来の点灯方法である予め定められた電流値でランプを点灯すると、ランプの温度上昇速度のバラツキが発生し、それに伴うランプ内圧の上昇速度のバラツキが発生する。

そこで発明者らは、内圧の上昇速度のバラツキを抑制し、一定速度にするために前回点灯時の消灯前の電圧によって、点灯立ち上げ時の投入電流を制御することを考えた。

すなわち、本発明の高圧放電ランプの点灯装置は、内部に、発光物質として水銀が封入され、かつ一対の電極が配置されている発光部を有する高圧放電ランプを点灯させる点灯装置であって、高圧放電ランプに供給する電流を調整する電流調整部と、高圧放電ランプの電流、電圧を検出する検出部と、高圧放電ランプの電圧を記憶させておく記憶部を有し、点灯装置の電流制御は、高圧放電ランプへの点灯初期における投入電流値を、高圧放電ランプの消灯前の電圧に応じて制御し、ランプ点灯立ち上げ時、ランプ電圧が消灯前の電圧に到達するまでは、所定の電力を超えないように制御し、ランプ電圧が消灯前の電圧に到達した時点で、所定の電力での定電力制御に切換えることを特徴とする点灯装置である。

また投入電流値は、所定の電力を消灯直前の電圧で除算した値であることを特徴とする点灯装置である。

また高圧放電ランプには内容積あたり２５０ｍｇ／ｃｍ³以上の水銀が封入されていることを特徴とする点灯装置である。

また本発明の投射型画像表示装置は、上記の高圧放電ランプの点灯装置を備えることを特徴とする。

本発明は、高圧放電ランプの輝度向上において、ランプ内に封入する水銀量を増加し、その結果、ランプ点灯立ち上げ時にランプが破損しやすい条件に至ったとしても、ランプの内圧の上昇速度を、ランプの個体間バラツキおよび時間的変化のバラツキに関係なく常に一定にさせることにより破損が生じないようにすることが可能となる。

以下本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
最初に、高圧放電ランプの点灯装置における構成部品について説明する。

図１は、高圧放電ランプの一例としての、定格電力３００Ｗの高圧水銀ランプ（以下、単に「ランプ」という）１００の構成を示す図であり、便宜上、電極が露出する部分での断面図で示している。

図１に示すように、ランプ１００は、回転楕円体形状の発光部１０１ａと、この発光部１０１ａの両端部に形成された封止部１０１ｂ、１０１ｃとを有する石英製の発光管１０１を備えている。発光部１０１ａ内部の発光空間内には、発光物質である水銀１０９及び始動補助用としてのアルゴン、クリプトン、キセノンなどの希ガスと、併せてヨウ素、臭素などのハロゲン物質が封入されている。この場合、水銀１０９の封入量は、発光管１０１の内容積あたり２５０ｍｇ／ｃｍ³以上、希ガスのランプ冷却時の封入圧力は０．０１ＭＰａ〜１ＭＰａの範囲にそれぞれ設定されている。

また、発光部１０１の内部には一対のタングステン（Ｗ）製の電極１０２、１０３が互いに略対向して配置されている。

この電極１０２、１０３の先端部１２４、１３４同士の間隔、すなわち電極間距離Ｄｅは、０．５〜２．０ｍｍの範囲に設定される。この電極間距離Ｄｅは、製造バラツキによるランプ個体間のバラツキ、及びランプ１本を取り上げたとしても、点灯中に電極先端部の材料が、蒸発、堆積（所謂ハロゲンサイクル）を繰り返しており、その電極間距離は時間変化的に見ても、一定ではない。

電極１０２、１０３は封止部１０１ｂ、１０１ｃ内に封入されたモリブデン箔１０４、１０５に電気的に接続されている。

モリブデン箔１０４、１０５は封止部１０１ｂ、１０１ｃの端面から発光管１０１の外部に導出した外部リード１０６、１０７と接続されている。なお前記ハロゲン物質としては、１×１０^-10〜１×１０^-4ｍｏｌ／ｃｍ³の範囲内で臭素が用いられており、これはいわゆるハロゲンサイクル作用による電極１０２、１０３から蒸発したタングステンを電極に戻して発光部１０１ａの内面に電極材料が堆積するのを抑制している。ハロゲンサイクル作用を最も効果的に機能させるための臭素の封入量としては、特に１×１０^-9〜１×１０^-5ｍｏｌ／ｃｍ³以下の範囲内であることが好ましい。

図２は、上記ランプ１００を組み込んだランプユニット２００の構成を示す一部切り欠き斜視図である。

同図に示すように、ランプユニット２００は、ランプ１００の発光管１０１片方の管端部に口金２０１が装着され、スペーサー２０２を介して外側に引き出された端子２０４、及び反射ミラー２０３に設けられた貫通孔２０６を通過して外側に引き出されたリード線２０５を介してそれぞれ電流が供給されるようになっている。

図３は、本発明の実施の形態１における高圧放電ランプの点灯装置の構成を示す図である。

同図に示すように、電子安定器３００は、電流調整部（ＤＣ／ＤＣコンバーター）３０２、ＤＣ／ＡＣインバーター３０３、管電流検出部３０４、管電圧検出部３０５、制御回路３０６、高圧パルス発生部３０７を有する。

ＤＣ電源回路３０１は、例えば、整流回路を含んでおり、家庭用の交流１００Ｖから直流電圧を生成し、電子安定器に供給する。

電流調整部（ＤＣ／ＤＣコンバーター）３０２は、所定の大きさの直流をＤＣ／ＡＣインバーター３０３に供給する。

ＤＣ／ＡＣインバーター３０３は、制御回路３０６から送出された制御信号に基づいて、所定の周波数の矩形波交流電流を生成する。

高圧パルス発生部３０７は、例えばトランスを含んでおり、高電圧を発生させてランプ１００に印加する。

制御回路３０６は、電流調整部３０２、ＤＣ／ＡＣインバーター３０３等を統括的に制御し、電力演算回路３０６ａ、ＰＷＭ制御回路３０６ｂ、電圧記憶部３０６ｃを有する。

演算回路３０６ａは、管電流検出部３０４と管電圧検出部３０５が検出したランプ電流およびランプ電圧に基づいて、ランプ電力を演算する。

ＰＷＭ制御回路３０６ｂは、パルス幅変調により電流などを制御する。

電圧記憶部３０６ｃは、例えば、ＥＥＰＲＯＭが使われており、管電圧検出部３０５で、検出したランプ電圧を記憶する。

次に、本実施の形態の高圧放電ランプの点灯装置の点灯方法について発明に至った経緯を併せて説明する。

課題を解決するための手段の欄でも説明したように、本発明者らの検討によれば、前回点灯時の消灯前のランプ電圧が高いランプ（電極間距離が長いランプ）が、ランプ電圧が低いランプ（電極間距離が短いランプ）よりも、破損しやすいことが判明し、更に詳細に調査すると、ランプ電圧が高いほど、点灯立ち上がり時のランプの温度上昇速度が速いことが判明している。

このため、ランプ点灯立ち上げ時のランプ内圧の上昇速度を、ランプの状態に関わらず、一定の速度で立ち上げることで、ランプの破損を防ぐことを図る。

図４は、本実施の形態の高圧放電ランプの点灯装置の点灯方法の具体的な制御を示すフローチャートである。係る制御は上述した電子安定器３００により実行される。

点灯を開始すると、ランプ１００の電極１０２、１０３間に高電圧が印加される（Ｓ１）。

演算回路３０６ａにて、電圧記憶部３０６ｃに記憶されている前回点灯時の消灯前の電圧値から、初期投入電流値を算出する。本実施の形態では、前回点灯時の消灯前の電圧値は８０Ｖであった為、所定電力３００Ｗを８０Ｖで除算した値である３．７５Ａが算出される（Ｓ２）。

ＰＷＭ制御回路３０６ｂを制御し、電流調整部３０２から初期電流（３．７５Ａ）を投入し（Ｓ３）、制御ループ（Ｓ４）に移行する。

管電圧検出部３０５にてランプ電圧を検出し、ランプ電圧が前回点灯時の消灯時のランプ電圧（本実施の形態では８０Ｖ）に到達していなければ（Ｎｏ）、３．７５Ａの電流を投入し続け、ランプ電圧が８０Ｖに到達していれば（Ｙｅｓ）、３００Ｗの定電力制御に切り換える（Ｓ５）。

本実施の形態の点灯回路の制御方法では、ランプ電圧が前回点灯時の消灯前のランプ電圧に到達するまでは、所定の電力を超えることはない。

定電力制御で点灯している間、管電圧検出部３０５で検出されたランプ電圧は、点灯終了時まで、定められた時間間隔で、電圧記憶部３０６ｃに記憶され、（Ｓ６）、点灯終了まで制御を続行させる（Ｓ７）。

点灯終了時に電圧記憶部３０６ｃに記憶されたランプ電圧値は、次回点灯時の初期投入電流に反映される。今回の点灯での消灯前のランプ電圧は、１００Ｖであったので、次回点灯時の初期投入電流は、所定電力３００Ｗを１００Ｖで除算した値である３Ａになる。

図５は、本実施の形態の点灯方法と従来の点灯方法における、点灯時間と、高圧放電ランプ１００の発光部１０１ａの上部温度の関係を示すグラフである。ランプ内圧の上昇速度は、ランプ温度の上昇速度に依存するので、ランプ内圧の上昇速度と考えても差支えはない。

従来の点灯方法は、予め定められた電流値でランプを点灯させ、その後、ランプ電圧が予め定められた電圧に到達すると、所定の電力（定格電力）を供給する定電力制御に移行させる点灯方法である。今回の実験では予め３．７５Ａに設定している。

実験に使用したランプは、水銀封入量が、２５０ｍｇ／ｃｍ³（安定点灯時にはランプ内圧２５０ａｔｍ）が共通で、ランプ電圧が８０Ｖのランプと１００Ｖのランプの２本を使用している。

図５に示す温度上昇の推移によれば、従来の点灯方法においては、ランプ電圧が８０Ｖのランプを点灯させた時、発光部Ｔｏｐ部温度がＭａｘ温度９５０℃に到達する時間は約２５０秒、ランプ電圧が１００Ｖのランプを点灯させた時、９５０℃に到達する時間は、約１５０秒である。ランプ内圧の上昇速度は、ランプ温度の上昇速度に依存する。

従来の点灯方法では、電圧が１００Ｖのランプを点灯させた場合、８０Ｖのランプを点灯させるのと比較すると、ランプ内圧が２５０ａｔｍに到達する時間が約１００秒早くなる。

これに対して、本実施の形態の点灯方法では、８０Ｖのランプを点灯させた時、Ｍａｘ温度９５０℃に到達する時間は約２５０秒、１００Ｖのランプを点灯させた時は、本実施の形態の点灯装置の機能により初期投入電流が３Ａに制御され、Ｍａｘ温度９５０℃に到達する時間が約２５０秒とほぼ同じになる。これは、本実施の形態の点灯方法では、ランプの状態に関わらず、ランプ内圧の上昇速度がほぼ同じであることを意味する。

ランプ破損について、本実施の形態での点灯方法と従来の点灯方法とを比較した結果を表１に示す。

点灯サイクルは２時間点灯１５分間消灯を１サイクルとし、何サイクル目に破損が発生したかを調査した結果である。それぞれランプ４本ずつで試験を行っている。

従来の点灯方法では、ランプ４本すべてが点灯立ち上げ時（点灯初期）に、ランプの破損が発生した。それに対し、本発明の点灯方法では点灯立ち上げ時における初期破損は発生しなかった。

本発明の点灯方法では、ランプの内圧の上昇速度を、ランプの個体間バラツキおよび時間的変化のバラツキに関係なく常に一定にさせることにより破損防止している効果が現れている。

上述したランプ１００を組み込んだランプユニット２００、電子安定器３００から構成される点灯装置は、投射型画像表示装置に組み込んで用いることができる。図６は、投射型画像表示装置の一例として液晶プロジェクター４００の構成を示す概略図である。

同図に示すように、透過方式の液晶プロジェクター４００は、電源ユニット４０１と制御ユニット４０２と集光レンズ４０３と、透過型のカラー液晶表示板４０４と駆動モーターが内蔵されたレンズユニット４０５および冷却用のファン４０６とからなる。

電源ユニット４０１は、商用ＡＣ入力（１００Ｖ）を所定の直流電圧に変換して、制御ユニット４０２、電子安定器３００に供給する。

制御ユニット４０２は、外部から入力された画像信号に基づき、カラー液晶表示板４０４を駆動してカラー画像を表示させる。また、レンズユニット４０５内の駆動モーターを制御してフォーカシング動作やズーム動作を実行させる。

ランプユニット２００から射出された光は、集光レンズ４０３で集光され、光路途中に配されたカラー液晶表示板４０４を透過し、レンズユニット４０５を介して当該液晶表示板４０４に形成された画像を図外のスクリーン上に投影させる。

このような投射型画像表示装置において、前述のような点灯方法を用いることによって輝度向上時に、使用する高圧放電ランプが破損しないようにすることが可能となる。

本発明に係わる高圧放電ランプ点灯装置及びそれを備えた投射型画像表示装置は、ランプの内圧の上昇速度を、ランプの個体間バラツキおよび時間的変化のバラツキに関係なく常に一定にさせることにより破損を防ぐことができ、ランプの長寿命化に貢献することができ、ＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス：登録商標）を使用したＤＬＰ（デジタル・ライト・プロセッシング：登録商標）方式のプロジェクターや、その他反射型液晶素子を用いた液晶プロジェクター、リア投射型タイプの画像表示装置にも適用できる。

高圧水銀ランプの概略構成を示す図高圧水銀ランプを用いたランプユニット（高圧放電ランプ装置）の構成を示す一部切り欠き斜視図本発明の実施の形態１に係わる点灯装置の構成を示す図本発明の実施の形態１に係わる点灯装置の点灯方法を示すフローチャート本発明の実施の形態１の点灯装置の点灯方法と従来の点灯方法における点灯時間と、高圧放電ランプの発光部の上部温度の関係を示すグラフ本発明の実施の形態１に係わる点灯装置を用いた液晶プロジェクターの構成を示すブロック図

符号の説明

１００高圧水銀ランプ
２００ランプユニット（高圧放電ランプ装置）
３００電子安定器
３０１ＤＣ電源回路
３０２電流調整部（ＤＣ／ＤＣコンバーター）
３０３ＤＣ／ＡＣインバーター
３０４管電流検出部
３０５管電圧検出部
３０６ａ演算回路
３０６ｂＰＷＭ制御回路
３０６ｃ電圧記憶部
４００液晶プロジェクター

Claims

発光管内部に、発光物質として水銀が封入され、かつ一対の電極が配置されている発光部を有する高圧放電ランプを点灯させる点灯装置であって、
前記高圧放電ランプに供給する電流を調整する電流調整部と、
前記高圧放電ランプの電流、電圧を検出する検出部と、
前記高圧放電ランプの電圧を記憶させておく記憶部とを有し、
前記点灯装置の電流制御は、前記高圧放電ランプへの点灯初期における投入電流値を、前記高圧放電ランプの前回点灯時の消灯前の電圧に応じて制御することを特徴とする高圧放電ランプの点灯装置。
前記高圧放電ランプ点灯立ち上げ時、ランプ電圧が前回点灯時の消灯前の電圧に到達するまでは、所定の電力を超えないように制御し、前記ランプ電圧が消灯前の電圧に到達した時点で、前記所定の電力での定電力制御に切換えることを特徴とする請求項１記載の高圧放電ランプの点灯装置。
前記投入電流値は、前記所定の電力を前回点灯時の消灯前の電圧で除算した値であることを特徴とする請求項１記載の点灯装置。
前記高圧放電ランプには、前記発光管の内容積あたり２５０ｍｇ／ｃｍ³以上の水銀が封入されていることを特徴とする請求項１記載の点灯装置。
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の点灯装置を備えることを特徴とする投射型画像装置。