JP2008027821A - Transformer device for high-voltage pulse generating, discharge lamp lighting device, illumination device, and projector device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば、水銀ランプ、メタルハライドランプ等の高圧放電灯を始動・再始動させる高電圧パルスの発生に使用される高電圧パルス発生用トランス装置、及びそれを用いた放電灯点灯装置、照明装置、プロジェクタ装置に関する。 The present invention relates to, for example, a high voltage pulse generating transformer device used for generating a high voltage pulse for starting and restarting a high pressure discharge lamp such as a mercury lamp or a metal halide lamp, a discharge lamp lighting device using the same, and illumination The present invention relates to a device and a projector device.
従来から、水銀ランプやメタルハライドランプ等の高圧放電灯(HIDランプ)を点灯させる高圧放電灯点灯装置が提供されている。この高圧放電灯点灯装置では、高圧放電灯を始動・再始動させるために、イグナイタと呼ばれる高電圧パルスを発生させる装置が使用され、このイグナイタには、低電圧パルスを高電圧パルスに変換するために高電圧パルス発生用トランス装置が用いられている。 Conventionally, a high pressure discharge lamp lighting device for lighting a high pressure discharge lamp (HID lamp) such as a mercury lamp or a metal halide lamp has been provided. In this high pressure discharge lamp lighting device, a device for generating a high voltage pulse called an igniter is used to start and restart the high pressure discharge lamp, and this igniter is used to convert a low voltage pulse into a high voltage pulse. In addition, a transformer device for generating a high voltage pulse is used.
従来の一般的な高電圧パルス発生用トランス装置は、所望の高電圧を確保するための比率で1次巻線と2次巻線を磁性体よりなるコアに直巻きするか、もしくはボビンを介在して巻線していた。このうち、2次巻線には高電圧が発生するため、平角状の銅線(図2参照)を用いる方が耐電圧設計上有利であり、また、平角状の銅線であれば、全体的に厚みを抑えることができるため、円形の銅線を用いる場合に比べて厚み方向での小型化を図ることができる。 Conventional general high-voltage pulse generating transformer devices have a primary winding and a secondary winding directly wound around a core made of a magnetic material at a ratio for securing a desired high voltage, or a bobbin is interposed. And was winding. Among these, since a high voltage is generated in the secondary winding, it is more advantageous in terms of withstand voltage design to use a flat copper wire (see FIG. 2). Since the thickness can be suppressed, the size in the thickness direction can be reduced as compared with the case of using a circular copper wire.
この高電圧パルス発生用トランス装置の2次巻線は、放電灯に高電圧パルスを印加するために、放電灯と直列に接続して使用される(図8参照)。このため、放電灯が絶縁破壊した後、放電灯を低周波の矩形波電流で駆動する定常動作時には問題無いが、絶縁破壊直後のグロー放電状態から安定したアーク放電状態に速やかに移行させるべく、放電灯に高周波電流を流そうとすると、高電圧パルス発生用トランス装置の2次巻線のインダクタンス成分が高周波電流に対して限流インピーダンスとして働くことになる。 The secondary winding of the high voltage pulse generating transformer device is used in series with the discharge lamp in order to apply a high voltage pulse to the discharge lamp (see FIG. 8). For this reason, after the discharge lamp breaks down, there is no problem at the time of steady operation in which the discharge lamp is driven by a low-frequency rectangular wave current, but in order to quickly shift from the glow discharge state immediately after the breakdown to a stable arc discharge state, When a high frequency current is caused to flow through the discharge lamp, the inductance component of the secondary winding of the high voltage pulse generating transformer device acts as a current limiting impedance on the high frequency current.
このインピーダンスを低減するには、一般的に巻線のターン数を下げるか、もしくはコアの透磁率を下げる、コアの径や長さを小さくする等の手段が用いられる。しかし、2次巻線のターン数を下げた場合には、放電灯に印加される高電圧パルスが低くなり、好ましくない。また、コアの径を小さくする場合には、平角状の銅線をエッジワイズ巻きするには、内径と外径との比率に制限があって、巻線できるコアの径には限界がある。例えば、φ9の円柱状コア(棒状コア)に直巻きする平角銅線の場合、コアの外径で決まる巻線の内径と、(内径+平角銅線の幅)で決まる外径の比率が50%を超えると、一般的な巻線のやり方では、平角銅線の外側の絶縁皮膜の伸びが大きくなり、品質的に厳しくなる方向である。 In order to reduce this impedance, generally, means such as reducing the number of turns of the winding, reducing the magnetic permeability of the core, or reducing the diameter and length of the core are used. However, when the number of turns of the secondary winding is lowered, the high voltage pulse applied to the discharge lamp is lowered, which is not preferable. When the core diameter is reduced, the ratio of the inner diameter to the outer diameter is limited in order to edgewise wind a rectangular copper wire, and the core diameter that can be wound is limited. For example, in the case of a flat copper wire directly wound around a φ9 cylindrical core (rod core), the ratio of the inner diameter of the winding determined by the outer diameter of the core and the outer diameter determined by (inner diameter + width of the rectangular copper wire) is 50. If it exceeds%, the general winding method tends to increase the elongation of the insulating film on the outside of the flat copper wire, resulting in severe quality.
また、ボビンに平角銅線をエッジワイズ巻きし、直巻きの場合に比べて径を小さくしたコアをボビンに挿入することも考えられるが、コアと巻線との距離が離れるため、結合が悪くなり、好ましくない。 In addition, it is conceivable that a rectangular copper wire is wound edgewise on the bobbin and a core having a smaller diameter than that in the case of direct winding is inserted into the bobbin. However, since the distance between the core and the winding is increased, the coupling is poor. It is not preferable.
なお、特許文献1は平角銅線がエッジワイズ巻きされたコアの充填孔に金属系磁心が挿入された電磁装置が開示されているが、これは金属系磁心が挿入された充填孔が開口穴または溝とはなっていないから、コアの透磁率は低くならないものであり、巻線のインダクタンス値を低減する効果は無い。
本発明は上述の点に鑑みてなされたものであり、放電灯を始動・再始動させるための高電圧パルスを発生させる高電圧パルス発生用トランス装置において、放電灯に直列に接続して使用される2次巻線のインダクタンス値を低減することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above points, and is used in a transformer device for generating a high voltage pulse for starting and restarting a discharge lamp, connected in series to the discharge lamp. It is an object to reduce the inductance value of the secondary winding.
請求項1の発明は、上記の課題を解決するために、図1〜図7に示すように、放電灯を始動・再始動させるための高電圧パルスを発生させる高電圧パルス発生用トランス装置において、高電圧パルスを発生する2次巻線20として平角銅線がエッジワイズ巻きされた磁性体からなるコア30に、開口穴31または溝32をコア30の軸方向に設けたことを特徴とするものである。
In order to solve the above-mentioned problem, the invention of claim 1 is a high voltage pulse generating transformer device for generating a high voltage pulse for starting and restarting a discharge lamp, as shown in FIGS. An
請求項2の発明は、請求項1において、開口穴31または溝32をコア30の軸方向に貫通させたことを特徴とする(図5、図7参照)。
The invention of
請求項3の発明は、請求項2において、開口穴31または溝32に高電圧パルスの出力線23を設置したことを特徴とする(図4、図6参照)。
The invention of claim 3 is characterized in that, in
請求項1の発明によれば、コアの軸方向に開口穴または溝を設けることにより、巻線の加工性を変えずに、トランスの2次巻線のインダクタンス値を低減させることができる。 According to the first aspect of the present invention, by providing the opening hole or groove in the axial direction of the core, the inductance value of the secondary winding of the transformer can be reduced without changing the workability of the winding.
請求項2の発明によれば、開口穴または溝をコアの軸方向に貫通させたので、加工が容易となる。 According to the second aspect of the present invention, since the opening hole or the groove is penetrated in the axial direction of the core, the processing becomes easy.
請求項3の発明によれば、高電圧パルスの出力線を開口穴または溝に通すことにより、空間を有効活用できるため、高電圧パルス発生用トランス装置の小型化に寄与すると共に、1次巻線と2次巻線の結合を上げる効果も得られる。 According to the invention of claim 3, since the space can be effectively utilized by passing the output line of the high voltage pulse through the opening hole or groove, it contributes to the downsizing of the transformer device for generating the high voltage pulse and the primary winding. An effect of increasing the coupling between the wire and the secondary winding is also obtained.
(実施の形態1)
図1は本発明の実施の形態1の高電圧パルス発生用トランス装置(以下、単にパルストランスと略す)の外観を示す斜視図である。このパルストランスは、円柱状の磁性体よりなるコア30と、このコア30の外周部に巻装された2次巻線20と、一面側が開口し内部に2次巻線20とコア30が収納されるボビン40と、このボビン40の外周部に巻装される1次巻線10とを備えている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a perspective view showing the appearance of a high voltage pulse generating transformer device (hereinafter simply referred to as a pulse transformer) according to Embodiment 1 of the present invention. This pulse transformer includes a
2次巻線20は、図2(b)に示すような平角状の銅線(絶縁皮膜込みの幅:2.0mm、厚さ:0.15mm)を、図2(a)に示すようにエッジワイズ巻きしたものであり、ボビン40の開口部側の巻端20aは低圧側端子21に、ボビン40の内部側の巻端20bは高電圧パルスの出力線23を介して高圧側端子22に接続されている。高電圧パルスの出力線23は絶縁部材で被覆されている。
As shown in FIG. 2 (a), the
コア30は、図3(a),(b)に示すように、例えば円柱状に形成した高抵抗のフェライトからなる絶縁型のコアであり、これにより2次巻線20をコア30に直接巻装した際の絶縁性を確保しているので、コア30と2次巻線20との間にボビンを介装する必要がなくなる。
As shown in FIGS. 3A and 3B, the
本発明では、パルストランスの2次巻線のインダクタンス値を低減する手段として、図3(a),(b)に示すように、磁性体からなるコア30に、開口穴31または溝32をコアの軸方向に設けてある。この開口穴31または溝32の大きさや長さを調整することにより、所望のインダクタンス値に低減することができる。
In the present invention, as a means for reducing the inductance value of the secondary winding of the pulse transformer, as shown in FIGS. 3A and 3B, an
ボビン40は、絶縁性樹脂を用いて箱状に形成され、2次巻線20を巻装したコア30を収納する一面側が開口している。また、ボビン40には、2次巻線20の低圧側端子21、1次巻線10の両端とそれぞれ接続される端子11,12が下面側から一部突出するように埋設されている。ボビン40の外周部には複数のリブ41を設けてあり、1次巻線10を所定ピッチで巻装できるようにしてある。
The
なお、ボビン40の開口から絶縁性樹脂を充填しても良い。このとき、コア30の開口穴31または溝32にも充填用の樹脂が入り込む場合があるが、樹脂の透磁率は低いものであるので、2次巻線のインダクタンス値を低減する効果に影響が生じることは無い。
Insulating resin may be filled from the opening of the
このように、開口穴31や溝32を設けたコア30を用い、従来のパルストランスに使用しているコアと置き換えることにより、同一形状・同一サイズで、2次巻線のインダクタンス値の低減を図ることができる。
Thus, by using the
(実施の形態2)
図4は本発明の実施の形態2のパルストランスの外観を示す斜視図である。本実施の形態では、コアの加工性も考慮し、図5(b)のようにコア30の側面全体に溝32を設けた形状を採用している。また、図5(a)のようにコア30の軸方向に貫通した開口穴31を設けたものを採用しても良い。このように、コア30の軸方向に貫通した開口穴31または溝32を有する構造であれば、高電圧パルスの出力線23を開口穴31または溝32に通すことができ、空間を有効活用できる。
(Embodiment 2)
FIG. 4 is a perspective view showing the appearance of the pulse transformer according to the second embodiment of the present invention. In the present embodiment, in consideration of the workability of the core, a shape in which the groove 32 is provided on the entire side surface of the
(実施の形態3)
図6は本発明の実施の形態3のパルストランスの外観を示す斜視図である。本実施の形態では、一体型のコアでなく、図7のような2個のコア30a,30bを組み合わせて、中心に開口穴31を有する円柱状のコア30を形成したものである。
(Embodiment 3)
FIG. 6 is a perspective view showing the appearance of the pulse transformer according to the third embodiment of the present invention. In the present embodiment, a
図1のような構造であれば、出力線23が1次巻線10と2次巻線20の間に挟まれる構造となっていたので、ボビン40が大型化していたが、図4のようなインダクタンス低減のためにコア30の側面全体に溝32を設けたコア形状、または図6のような貫通した開口穴31を設けたコア形状であれば、その溝32又は開口穴31に高電圧パルスの出力線32を通すことができるから、空間を有効に活用して、ボビン40を小型化することができ、更に、1次巻線10と2次巻線20の距離を縮めて結合度を高めることができる。
In the structure as shown in FIG. 1, the
(実施の形態4)
上述の実施の形態1〜3のいずれかに記載のパルストランスPTは、例えば図8に示すような、水銀ランプ、メタルハライドランプ等の高圧放電灯Laと、この高圧放電灯Laを点灯させる放電灯点灯装置を備えた照明装置において、放電灯点灯装置のイグナイタIgに用いられる。図中のパルストランスPTと、その1次巻線N1に接続されたコンデンサC3、その充電用の抵抗R4とダイオードD2、放電用のスイッチ素子GとでイグナイタIgを構成している。
(Embodiment 4)
The pulse transformer PT according to any of the first to third embodiments described above includes, for example, a high-pressure discharge lamp La such as a mercury lamp or a metal halide lamp as shown in FIG. 8, and a discharge lamp for lighting the high-pressure discharge lamp La. In an illuminating device provided with a lighting device, it is used as an igniter Ig for a discharge lamp lighting device. The pulse transformer PT, the capacitor C3 connected to the primary winding N1, the charging resistor R4 and the diode D2, and the discharging switch element G constitute an igniter Ig.
この放電灯点灯装置は、直流電源1から供給される電圧をコンバータ回路2により制御し、コンバータ回路2の出力端にインバータ回路3を備え、インバータ回路3の出力端に、放電灯Laと、それに並列に接続されたコンデンサC2および直列に接続されたインダクタL2を有する。
In this discharge lamp lighting device, the voltage supplied from the DC power source 1 is controlled by the
コンバータ回路2は、スイッチング素子Q1とインダクタL1とダイオードD1を備えており、ここでは降圧チョッパ回路の構成を備えている。コンバータ回路2の出力電圧は抵抗R1,R2により検出され、出力電流は抵抗R3により検出され、検出された電圧・電流を演算回路5により演算した結果に基づいて、PWM制御回路6によりスイッチング素子Q1が高周波でオン・オフ駆動される。これにより、放電灯Laの状態に応じて、直流電源1の出力電圧を電圧変換した直流電圧がコンデンサC1に充電される。ここで、直流電源1は、例えば、商用交流電源を昇圧チョッパ回路等により整流・平滑した直流電圧であっても良い。また、コンバータ回路2は直流電源1を電圧変換できる回路であれば良い。
The
インバータ回路3は、4個のスイッチング素子Q2〜Q5で構成されたフルブリッジ回路であり、スイッチング素子Q2、Q5がオン、スイッチング素子Q3、Q4がオフの状態と、スイッチング素子Q2、Q5がオフ、スイッチング素子Q3、Q4がオンの状態とが交番することにより、入力直流電圧を交流電圧に変換して出力する。 The inverter circuit 3 is a full bridge circuit composed of four switching elements Q2 to Q5. The switching elements Q2 and Q5 are on, the switching elements Q3 and Q4 are off, and the switching elements Q2 and Q5 are off. When the switching elements Q3, Q4 are alternately switched on, the input DC voltage is converted into an AC voltage and output.
ドライブ回路4は、インバータ回路3のスイッチング素子Q2、Q3とスイッチング素子Q4、Q5のオン・オフ制御を行う。始動時には、インバータ回路3のスイッチング素子Q2とQ5、スイッチング素子Q3とQ4のペアを交互に高周波でオン・オフ動作させることにより、放電灯Laに並列に接続されたコンデンサC2と直列に接続されたインダクタL2を共振させ、放電灯Laの両端にコンバータ回路2の出力以上の電圧を印加させる。更にその電圧を利用し、コンデンサC3にエネルギーを充電し、そのエネルギーを電圧応答型のスイッチ素子Gのオンにより、パルストランスPTの1次巻線N1に放出する。そのエネルギーがパルストランスPTの2次巻線N2に伝達され、高電圧パルスが共振電圧に重畳された電圧が放電灯Laに印加される。
The drive circuit 4 performs on / off control of the switching elements Q2, Q3 and the switching elements Q4, Q5 of the inverter circuit 3. At the time of start-up, a pair of switching elements Q2 and Q5 and switching elements Q3 and Q4 of the inverter circuit 3 are alternately turned on and off at a high frequency to be connected in series with a capacitor C2 connected in parallel to the discharge lamp La. The inductor L2 is resonated, and a voltage higher than the output of the
放電灯Laに印加される電圧の概略波形を図9に示す。この電圧を放電灯Laに印加し、放電灯Laを絶縁破壊させ、点灯させる。更に絶縁破壊後、図10に示すように放電灯Laに高周波電流を流すことにより、より早く安定な点灯状態(アーク放電状態)に移行させることができる。 A schematic waveform of the voltage applied to the discharge lamp La is shown in FIG. This voltage is applied to the discharge lamp La, causing the discharge lamp La to break down and light up. Further, after the dielectric breakdown, as shown in FIG. 10, a high-frequency current is allowed to flow through the discharge lamp La, whereby a stable lighting state (arc discharge state) can be shifted more quickly.
この回路構成であると、放電灯Laが絶縁破壊し、インバータ回路3が高周波で動作している間の放電灯Laに流れる高周波電流はインダクタL2とパルストランスPTの放電灯Laに直列に接続される2次巻線N2のインピーダンスによって制限される。 With this circuit configuration, the discharge lamp La breaks down, and the high-frequency current flowing through the discharge lamp La while the inverter circuit 3 is operating at a high frequency is connected in series to the inductor L2 and the discharge lamp La of the pulse transformer PT. Limited by the impedance of the secondary winding N2.
このように、高圧放電灯点灯装置に使用する、点灯始動装置であるイグナイタIgにおいて、パルストランスPTの2次巻線N2は放電灯Laに直列に接続される。そのため、低周波で電流を流す定常動作時には、殆どインピーダンスは無視することができるが、始動直後に高周波の電流を流そうとした場合に、このイグナイタIgのパルストランスPTのインダクタンスが限流インピーダンスとなり、電流を制限してしまうので、回路設計において大きな制約になっていた。 Thus, in the igniter Ig that is a lighting start device used in the high pressure discharge lamp lighting device, the secondary winding N2 of the pulse transformer PT is connected in series to the discharge lamp La. For this reason, the impedance can be almost ignored during steady operation in which current flows at a low frequency. However, when attempting to flow a high-frequency current immediately after starting, the inductance of the pulse transformer PT of the igniter Ig becomes a current-limiting impedance. Since the current is limited, the circuit design is a great restriction.
例えば、パルストランスPTの2次巻線N2のインダクタンス値が100μH、インバータ回路3の高周波出力が40KHzで動作させた場合、パルストランスPTの2次巻線N2のインピーダンスωLは約25Ωとなる。このインピーダンスを低減させ、極力ランプに流す電流への制限を減らす必要がある。 For example, when the inductance value of the secondary winding N2 of the pulse transformer PT is 100 μH and the high frequency output of the inverter circuit 3 is operated at 40 KHz, the impedance ωL of the secondary winding N2 of the pulse transformer PT is about 25Ω. It is necessary to reduce this impedance and reduce the restriction on the current flowing through the lamp as much as possible.
一般的なパルストランスの場合、コアの磁性体の材質、コア径、長さ、巻線のターン数でインダクタンス値が決まってしまう。そこで、これらのパラメータが既に決まっている場合に、実施の形態1〜3のように、コアの軸方向に開口穴または溝を設けることで、パルストランスのインダクタンス値を低減させ、始動時に高周波で動作させた場合のインピーダンスの低減を図る。これにより絶縁破壊後に大きな高周波電流を流して安定な点灯状態(アーク放電状態)に速やかに移行させることができる。 In the case of a general pulse transformer, the inductance value is determined by the material of the core magnetic material, the core diameter, the length, and the number of turns of the winding. Therefore, when these parameters are already determined, as in the first to third embodiments, by providing an opening hole or groove in the axial direction of the core, the inductance value of the pulse transformer is reduced, and at a high frequency at the start Improve impedance when operated. As a result, a large high-frequency current can be passed after dielectric breakdown to promptly shift to a stable lighting state (arc discharge state).
(実施の形態5)
上述の実施の形態4の放電灯点灯装置は、プロジェクタ装置の光源となる放電灯の点灯に用いることができる。図11はプロジェクタ装置50の内部構成を示す概略構成図である。図中、51は投光窓、52は電源部、53a,53b,53cは冷却用ファン、54は外部信号入力部、55は光学系、56はメイン制御基板、60は放電灯点灯装置、Laは放電灯である。破線で示した枠内にメイン制御基板56が実装されている。光学系55の途中には、放電灯Laからの光を透過または反射する画像表示手段(透過型液晶表示板または反射型画像表示素子)が設けられており、この画像表示手段を介する透過光または反射光をスクリーンに投射するように光学系55が設計されている。
(Embodiment 5)
The discharge lamp lighting device according to the fourth embodiment described above can be used for lighting a discharge lamp serving as a light source of a projector device. FIG. 11 is a schematic configuration diagram showing the internal configuration of the
10 1次巻線
20 2次巻線
30 コア
31 開口穴
32 溝
40 ボビン
10 Primary winding 20 Secondary winding 30
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