JP2005302380A - 発光回路およびキセノンランプの発光方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明はカメラ等のフラッシュに用いる充電用メインコンデンサの小型化、低電圧化を図る様にした発光回路に関する。
【解決手段】 キセノン（Ｘｅ）ランプ６を発光させる際に比較的小容量のプリコンデンサ(第１のコンデンサ)１２によって、初期放電を行い、初期放以降はメインコンデンサ(第２のコンデンサ)５によってＸｅランプ６を発光させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、キセノン（Ｘｅ）ランプ等の放電ランプを点灯させるための発光回路およびにキセノンランプの発光方法に係わり、特に、放電維持用の電圧を供給するメインのコンデンサを小型化し、放電維持電圧を簡単に可変出来る様にした発光回路およびキセノンランプの発光方法に関する。

従来から、ストロボフラッシュを点灯させるための発光回路１１として発光ランプにＸｅランプ６を用いた発光回路およびＸｅランプの発光方法が非特許文献１に開示されている。

図５は、非特許文献１に開示されたカメラあるいはデジタルスチルカメラ内蔵のストロボ用発光回路およびＸｅランプ発光装置の回路構成を示すもので、図５において、入力端子Ｔ１，Ｔ２間には３００Ｖ〜３２０Ｖの電圧が供給され、この両端子Ｔ１、Ｔ２間に８０μＦ〜２００μＦのメインコンデンサ(第２のコンデンサ)５が並列に接続されると共に抵抗９とコンデンサ１０の直列回路が並列に接続されている。また、Ｘｅランプ６の一方の放電電極Ｅ２とＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistors）７のコレクタＣとを直列接続し、Ｘｅランプ６の他方の放電電極Ｅ１を入力端子Ｔ１に接続し、ＩＧＢＴ７のエミッタＥを入力端子Ｔ２に接続している。１５はＩＧＢＴ７のゲートＧにゲートパルスを与えるためのゲート端子である。

さらに、トリガコイル８の１次コイルＬ１の始端を抵抗９とトリガコイル８に起動パルスを与えるためのコンデンサ１０の直列接続点に接続し、１次コイルＬ１の終端と２次コイルＬ２の終端とを接続すると共にこの接続点をＸｅランプ６の１方の放電電極Ｅ２とＩＧＢＴ７のコレクタＣの直列接続点に接続し、トリガコイル８の２次コイルＬ２の始端をＸｅランプ６の管壁に対抗させた電極Ｄに接続させた発光回路１１が示されている。

このＸｅランプを使ったストロボフラッシュ用の発光回路１１は、入力端子Ｔ１、Ｔ２に供給される３００Ｖ〜３２０Ｖの電圧を通してメインコンデンサ５を充電する。充電したエネルギーをＩＧＢＴ７のゲートＧにトリガを与え、トリガコイル８の働きによりＸｅランプ６の壁面に対抗配置した電極Ｄに２〜４Ｋｖの高電圧を供給し、メインコンデンサ５の充電電圧をＸｅランプ６の電極Ｅ１、Ｅ２に与える事により、Ｘｅ管６は放電を開始する。このとき放電が可能な最低電圧はアーク長が１２ｍｍ、ガス圧を２気圧としたショートアークＸｅランプ６の場合、２４０Ｖ以上必要となる。この電圧を低くしすぎるとストロボが発光しない場合が発生するため、Ｘｅランプ６の印加電圧は通常３００Ｖ以上を必要としている。また、スイッチング手段としてＩＧＢＴの代わりにサイリスタを用いたストロボ発光回路が非特許文献２に開示されている。
株式会社ルネサンステクノロジ、ストロボ用ＩＧＢＴ、平成１６年２月１９日検索、インターンット、 ｈｔｔｐ／／ｗｗｗ．ｒｅｎｅｓａｓ．ｃｏｍ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｄｉｓｃｒｅｔｅ／ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ／ｓｔｏｒｏｂｅ／ 東芝セミコンダクタ株式会社、カメラ、ストロボ回路用トランジスタ／整流素子、平成１６年３月２５日検索、インターンット、 ｈｔｔｐ／／ｗｗｗ．ｓｅｍｉｃｏｎ.ｔｏｓｈｉｂａ．ｃｏ．ｊｐ／ｓｏｌｕｔｉｏｎ／ｃａｍｅｒａ／ｓｔｏｒｏｂｅ．ｈｔｍｌ

本発明が解決しようとする課題は、近時、カメラやデジタルカメラの小型化に伴いＸｅランプ６のアーク長も短いショートアーク長ものが必要となっているがアーク長が、短くなるとＸｅランプ６のインピーダンスが低くなり３００Ｖを加えるとメインコンデンサ５が15μＦほどの容量でも１５０Ａの大電流が流れてしまい容量を増やせない問題を生ずる。

また、ＩＧＢＴを使う場合、現状の製品での放電電流は１５０Ａが最大であり、大電流化した場合、部品サイズもコストも大きくなってしまい、高電圧で、メインコンデンサ５の容量を増やすと流れる電流が増えるため、Ｘｅランプ６の耐用時間も減少する問題があつた。

さらに、電流を抑える為にはメインコンデンサ５の容量を小さくすれば良いが、容量を小さくするとＸｅランプ６の放電による発光照度が暗くなってしまい、また、高耐圧のメインコンデンサ５で高容量化を行うと放電電流の増加が著しくなる問題があつた。

本発明は叙上の課題を解消するために成されたもので、Ｘｅランプ６の発光回路１１に使うメインコンデンサ５の低電圧化を図ると共に発光回路１１のメインコンデンサ５のチャージ電圧に幅を持たせたことにより、メインコンデンサ５のサイズ（体積の増減）と容量（キャパシタンスの増減）の兼ね合いからＸｅランプ６の最良の発光効率（サイズと容量効率）を自由に選択することが出来る発光回路１１およびＸｅランプ６の発光方法を得ようとするものである。

第１の本発明は、電極間の放電により発光し、１方の電極に電圧が供給された放電ランプと、放電ランプの他方の電極に直列接続され、他方の電極に電圧が供給されたスイッチング手段と、スイッチング手段のオン動作に応じて放電ランプの放電を開始させるためのトリガコイルと、放電ランプの１方の電極とスイッチング手段の他方の電極間に並列接続され、放電ランプの電極に放電初期電圧を供給する第１のコンデンサと、第１のコンデンサの１方の電極に対し逆方向に接続された逆流防止用ダイオードと、逆流防止用ダイオードの１端に順方向に接続されると共にスイッチング手段の他方の電極間に接続され、第１のコンデンサの初期放電以降放電ランプに電圧を供給し、該放電ランプの放電を持続させる第２のコンデンサを有することを特徴とする発光回路としたものである。

第２の発明は、キセノンランプをスイッチング手段で駆動し、トリガコイルに放電開始電圧を供給し、第１のコンデンサからの電圧によりキセノンランプに初期放電電圧を供給し、第1のコンデンサの初期放電以降は第2のコンデンサによりキセノンランプの放電を持続させてなることを特徴とするキセノンランプの発光方法としたものである。

本発明発光回路およびキセノンランプの発光方法によると、下記に示す効果を得ることができる。

（１）Ｘｅランプの発光回路に使うメインコンデンサの低電圧化が可能となる。
（２）発光回路のメインコンデンサのチャージ電圧に１００Ｖ〜３００Ｖの幅を持たせたことにより、メインコンデンサのサイズと容量効率を自由に選択する事が出来る。
（３）アーク長の短いＸｅランプに放電電流を合わせることが出来る。
（４）電流を制限できるのでＩＧＢＴの小型化が可能となる。
（５）メインコンデンサの低電圧化によりコンデンサの小型化・大容量化が期待できる。
（６）電流を抑制するのでキセノンランプの耐用時間を増やせる。
等の利点を有する。

以下本発明の１形態例を図１乃至図４によって説明する。図１は本発明の発光回路としてのフラッシュ回路の１形態例を示す回路図、図２は本発明に用いるＩＧＢＴの１形態例を示す等価回路図、図３は本発明発光回路の動作を説明するための波形図、図４は本発明のメインコンデンサの他の構成を示す回路図である。

以下、図１に基づいてカメラあるいは携帯用の小型デジタルカメラのフラッシュ用の発光回路に適用した構成について説明する。なお、図５との対応部分には同一符号を付して説明する。

図１において、１は直流源からの電圧が供給される入力端子で、この電圧は飽和型の発振回路（ＯＳＣ）２に入力されて交流信号に変換され、ステップアップトランス３の１次側コイルに供給される。ステップアップトランス３でステップアップされた電圧は２次側コイルから発光回路１１に電源電圧として供給される。図１の回路構成では、ステップアップトランス３の２次側コイルは巻き始めの始端Ｗ１と巻き終わりの終端Ｗ２間に中間タップＷＴ形成し、この中間タップＷＴと終端Ｗ２から１００Ｖ〜３００Ｖの電圧が選択可能になされている。

ステップアップトランス３の２次側の始端Ｗ１は第１の整流ダイオード４のアノード側に接続され、カソードは放電ランプを構成するキセノン（Ｘｅ）ランプ６の１方の電極Ｅ１に接続される。Ｘｅランプ６の他方の電極Ｅ２はスイッチングトランジスタを構成するＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ：Insulated Gate Bipolar Transistors）７のコレクタＣに接続され、ＩＧＢＴ７のエミッタＥはステップアップトランス３の２次側の終端Ｗ２に接続されている。なお、１５はＩＧＢＴ７のゲートＧにゲートパルスを与えるためのゲート端子である。

また、抵抗９（１ＭΩ）とコンデンサ１０（０．０４μＦ）の直列回路と、第１のコンデンサを構成するプリコンデンサ（１μＦ）１２の夫々の１端を整流ダイオード４のアノードに接続すると共に夫々の他端をステップアップトランス３の２次側の終端Ｗ２に互いに並列に接続する。

さらに、トリガコイル８の１次コイルＬ１の始端を抵抗９とコンデンサ１０の直列接続点に接続し、１次コイルＬ１の終端と２次コイルＬ２の終端とを接続すると共にこの接続点をＸｅランプ６の１方の放電電極Ｅ２とＩＧＢＴ７のコレクタＣの直列接続点に接続し、トリガコイル８の２次コイルＬ２の始端をＸｅランプ６の管壁に対抗させた電極Ｄに接続させている。

ステップアップトランス３の２次側コイルの始端Ｗ１と終端Ｗ２間に形成した中間タップＷＴには第２の整流ダイオード１３のアノードが接続され、この整流ダイオード１３のカソードに逆流防止ダイオード１４のアノードを直列に接続し、逆流防止ダイオード１４のカソードをプリコンデンサ１２と第１の整流ダイオード４のカソードの接続点に接続する。

また、さらに整流ダイオード１３と逆流防止ダイオード１４の接続点とステップアップトランス３の２次側コイルの終端Ｗ２間に第２のコンデンサを構成するメインコンデンサ（４０μＦ〜２００μＦ）５が接続されている。

上述のＸｅランプ６はガラス管内にキセノン（ｘｅｎｏｎ）ガスを封入し、ガス中のアーク放電による発光を利用したランプであり、分光分布は紫外線から可視光線まで自然昼光に似た連続スペクトルを生じ、近赤外線領域に強い線スペクトルを有する。連続スペクトル部分の分光分布は電気入力の変化に対して、ほとんど変わらず、輝度が高く、点灯と同時に安定な光出力に達するため、広くストロボのフラッシュに用いられている。

この様なＸｅランプ６は小型化が進み、ショートアークＸｅランプではアーク長が８ｍｍ以下のものが用いられている。このようなショートアークＸｅ管６はインピーダンスが低いので、高電圧を加えると放電電流が急激に増加しやすく、１５０Ａ以上の電流が流れてしまうが、電圧を低くする事で電流を抑制できる。

しかし、電圧を低くすると発光エネルギー効率が悪くなってしまうが、電圧が低いとメインコンデンサ５の容量を上げても電流が急激に増加し難い長所もあり、この場合の発光エネルギー不足は、コンデンサ容量を増加する事で補う事が可能であり、ＩＧＢＴ７も小型な物を使用可能となる。この様に電流を抑えやすいのでショートアークＸｅ管６を使用する場合が多い。

また、ＩＧＢＴ７はパワ−ＭＯＳＦＥＴ（ｎチャンネル）のＮ−Ｎ基板をＰ−Ｎ基板としたもので等価回路は図２の様に表すことが出来る。すなはち，ＩＧＢＴ７はＭＯＳＦＥＴとＰＮＰＴｒとの複合素子で構成され、ゲートＧとエミッタＥ間への電圧印加によってＭＯＳＦＥＴがオンとなり、ＭＯＳＦＥＴのドレイン電流がＰＮＰＴｒのベース電流となる。このベース電流によってＰＮＰＴｒがオンしＩＧＢＴ７がオン状態になり、ゲートＧとエミッタＥ間の電圧が閾値以下になるとＭＯＳＦＥＴのドレイン電流がなくなり、ＰＮＰＴｒのベース電流も零となってＩＧＢＴではオフとなる。等価回路において、ＮＰＮＴｒのベース・エミッタ間の抵抗は小さく設計され、ＰＮＰＴｒとの連動でおこるラッチアップ現象を防いでいる。

上述に説明した図１および図２の構成における動作を以下、図３の波形図と共に説明する。図１において、プリコンデンサ１２には、Ｘｅ管６の最低放電電圧に応じた電圧（例えば３００V）を供給すると、ステップアップトランス３の端子Ｗ１から整流ダイオード４を通してプリコンデンサ１２に所定の電荷が充電さる。プリコンデンサ１２は図１に示す様に１μＦ程の容量があれば良い。

メインコンデンサ５への充電は、ステップアップトランス３の中間端子ＷＴから整流ダイオード１３を通して充電される。上述の発光回路１１では、昇圧回路にステップアップトランス３を使用しているが、メインコンデンサ５の電圧が低くなるとＤＣ−ＤＣコンバータ等の他の昇圧回路を使うことが出来る。本発明ではメインコンデンサ５への充電電圧の設定値を１００Ｖ〜３００Ｖの範囲で自由に選択が出来る。この設定値は、ストロボのガイドナンバ、メインコンデンサ５の外型サイズによる容量の制限、充電時間などを考慮して決定する事になる。

充電が完了した状態で、ＩＧＢＴ７のゲートＧの端子１５に図示しないがＩＧＢＴ駆動回路（例えば、三洋電機ＴＮＤ７２１ＭＨ５）により図３のＶＧＥで示すゲートーエミッタ間電圧Ｖ１を与えＩＧで示すトリガＰ１を与えると、トリガコイル８には図３のＶｔｒで示すパルスＰ２が流れ、トリガコイル８の働きによりＸｅ管６の壁面に対抗した電極Ｄに２〜４ｋｖの高電圧が加えられ、同時にＸｅ管６の両極Ｅ１、Ｅ２間には、プリコンデンサ１２の電圧（例えば３００Ｖ）が加わり、トリガコイル８によって発生した高電圧をトリガとして、図３のＩＣで示すコレクタ電流Ｉｘｅが流れＸｅ管６内部では放電が始まる。

初期放電は数ナノ／秒の間プリコンデンサ１２のエネルギーが使用され、プリコンデンサ１２の電圧が降下し、メインコンデンサ５の電圧を下回ると、メインコンデンサ５のエネルギーが逆流防止ダイオード１４を通して数１０ナノ／秒の間Ｘｅ管６に加えられ放電が持続される、この放電はメインコンデンサ５の電圧が７０Ｖ〜５０Ｖ位まで低下する間、持続されて放電が終了する様に成されている。

上述の発光回路１１ではスイッチング手段としてＩＧＢＴ７を用いたが図１に破線で示す様にサイリスタＳＲのアノードをトリガコイル８の１次コイルＬ１および２次コイルＬ２の接続点に接続し、サイリスタＳＲのカソードをステップアップトランス３の２次側の終端端子Ｗ２に接続し、サイリスタＳＲの端子Ｖ１にトリガ用パルスを印加するようにしても良い。また上述の発光回路１１ではステップアップトランス３の中間端子ＷＴと終端端子Ｗ２間に供給した交流電圧を整流してメインコンデンサ５を充電したが、図４Ａに示す様に入力端子Ｔ１、Ｔ２に電源電圧を直接供給する様にしても良い。また図４Ｂおよび図４Ｃに示す様に２個のメインコンデンサ５ａ、５ｂを直列接続させることや、直列接続中点を接地するなどして、コンデンサ５、５ａ、５ｂ等の容量の増減を図ることが出来る。

また、本発明は、前述し、かつ図面に示した様なカメラやデジタルカメラ（ＤＳＣ、ＤＶＣ）に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、他の形態例ではカメラ付の携帯用ＰＣ、カメラ付の携帯用電話、カメラ付のリモコン、カメラ付の携帯用カーナビ、カムコーダ、カメラ付の携帯用記録再生装置、カメラ付のＰＤＡ等の電子機器や電子機器の発光方法に用いることができる。

本発明の発光回路としてのフラッシュ回路の１形態例を示す回路図である。 本発の発光回路に用いるＩＧＢＴの１形態例を示す等価回路図である。 本発明の発光回路の動作を説明するための波形図のである。 本発明の発光回路に用いるメインコンデンサの他の構成を示す回路図である。 従来の発光回路の回路図である。

符号の説明

１…入力端子、２…ＯＳＣ、３…ステップアップトランス、４、１３…整流ダイオード、５…メインコンデンサ（第２のコンデンサ）、６…Ｘｅランプ、７…ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、８…トリガコイル、１１…発光回路、１２…プリコンデンサ（第１のコンデンサ）、１４…逆流防止ダイオード、１５…ゲート端子

Claims (7)

1. 電極間の放電により発光し、１方の電極に電圧が供給された放電ランプと、
   上記放電ランプの他方の電極に直列接続され、他方の電極に電圧が供給されたスイッチング手段と、
   上記スイッチング手段のオン動作に応じて上記放電ランプの放電を開始させるためのトリガコイルと、
   上記放電ランプの１方の上記電極と上記スイッチング手段の上記他方の電極間に並列接続され、該放電ランプの上記電極に放電初期電圧を供給する第１のコンデンサと、
   上記第１のコンデンサの１方の電極に対し逆方向に接続された逆流防止用ダイオードと、
   上記逆流防止用ダイオードの１端に順方向に接続されると共に上記スイッチング手段の上記他方の電極間に接続され、上記第１のコンデンサの初期放電以降上記放電ランプに電圧を供給し、該放電ランプの放電を持続させる第２のコンデンサを有することを特徴とする発光回路。
2. 前記放電ランプはキセノンランプであることを特徴とする請求項１記載の発光回路。
3. 前記第２のコンデンサの電圧を１００Ｖ乃至３００Ｖに選択可能になしたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の発光回路。
4. 前記スイッチング手段は絶縁ゲートバイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項１乃至請求項３記載のいずれか１項記載の発光回路。
5. 前記スイッチング手段はサイリスタであることを特徴とする請求項１乃至請求項３記載のいずれか１項記載の発光回路。
6. キセノンランプをスイッチング手段で駆動し、トリガコイルに放電開始電圧を供給し、
   第１のコンデンサからの電圧により上記キセノンランプに初期放電電圧を供給し、
   上記第1のコンデンサの初期放電以降は第2のコンデンサにより該キセノンランプの放電を持続させてなることを特徴とするキセノンランプの発光方法。
7. 前記第１のコンデンサの初期放電電圧が前記第２のコンデンサの両端電圧を下回った時点で逆流防止ダイオードを介して前記キセノンランプに放電維持電圧を
   供給させたことを特徴とする請求項６記載のキセノンランプの発光方法。

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