JP4710745B2 - 高電圧パルス発生用トランス装置、放電灯点灯装置、照明装置、プロジェクタ装置 - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。
特開２００２−９３６３１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。

本発明は、上記の課題を解決するために、図４〜図５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１つの部材からなるコア３０に、開口穴３１または溝３２をコア３０の軸方向に設け、前記開口穴３１または溝３２を前記コア３０の軸方向に貫通させ、前記開口穴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ものである。

本発明によれば、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。また、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。さらに、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。

（前提となる構成）
図１は本発明の前提となる構成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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（実施の形態１）
図４は本発明の実施の形態１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。

（比較例１）
図６は本発明に対する比較例１のパルストランスの外観を示す斜視図である。本例では、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。

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。

（実施の形態２）
上述の実施の形態１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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、本発明のように、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。

（実施の形態３）
上述の実施の形態２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。

本発明の前提となる構成のパルストランスの外観を示す斜視図である。 本発明の前提となる構成のパルストランスに用いる巻線の構成を示す図であり、（ａ）はエッジワイズ巻きされた２次巻線の斜視図、（ｂ）は平角銅線の斜視図である。 本発明の前提となる構成に用いるコアの外観を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１のパルストランスの外観を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に用いるコアの外観を示す斜視図である。 本発明に対する比較例１のパルストランスの外観を示す斜視図である。 本発明に対する比較例１に用いるコアの外観を示す斜視図である。 本発明の実施の形態２の放電灯点灯装置の回路図である。 本発明の実施の形態２の放電灯点灯装置の動作を示す電圧波形図である。 本発明の実施の形態２の放電灯点灯装置の動作を示す電流波形図である。 本発明の実施の形態３のプロジェクタ装置の内部構成を示す概略構成図である。

１０ １次巻線
２０ ２次巻線
３０ コア
３１ 開口穴
３２ 溝
４０ ボビン

Claims (4)

1. 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１つの部材からなるコアに、開口穴または溝をコアの軸方向に設け、前記開口穴または溝を前記コアの軸方向に貫通させ、前記開口穴または溝に高電圧パルスの出力線を設置したことを特徴とする高電圧パルス発生用トランス装置。
2. 請求項１に記載の高電圧パルス発生用トランス装置を放電灯の始動・再始動を行うイグナイタに備えていることを特徴とする放電灯点灯装置。
3. 少なくとも請求項２に記載の放電灯点灯装置と、該放電灯点灯装置により駆動される放電灯とを備えていることを特徴とする照明装置。
4. 光源として請求項３に記載の照明装置を用いたことを特徴とするプロジェクタ装置。

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