JP5061057B2 - 高圧放電灯点灯装置、照明器具、プロジェクタ用の光源点灯装置 - Google Patents

Description

本発明は、高圧水銀ランプやメタルハライドランプなどの高輝度高圧放電灯（ＨＩＤランプ）を点灯させる高圧放電灯点灯装置、及びこれを用いた照明器具並びにプロジェクタ用の光源点灯装置に関するものである。

近年、メタルハライドランプ等の高輝度高圧放電灯が各種光源として普及し始めており、長寿命を求められている。図１１は高圧放電灯を点灯させる従来の高圧放電灯点灯装置の回路図である。商用交流電源Ｅから直流電圧を得るための電源回路１と、電源回路１から供給される直流電圧を降圧するダウンコンバータ２と、ダウンコンバータ２の出力電圧を極性反転せしめる極性反転回路３とを備えており、極性反転回路３の出力には、コンデンサＣ２とインダクタＬ２で構成された直列共振回路４が接続されており、コンデンサＣ２の両端に高圧放電灯Ｌａが接続されている。

電源回路１は、商用交流電源Ｅを全波整流するダイオードブリッジＤＢと、全波整流された直流電圧を高周波でスイッチングして昇圧された直流電圧を出力する昇圧チョッパ回路よりなる力率改善回路ＰＦＣと、その出力により充電される平滑コンデンサＣ０とで構成されており、商用交流電源Ｅからの入力力率を改善しながら、昇圧された直流電圧を出力するように構成されている。

ダウンコンバータ２は、高周波でスイッチングされるスイッチング素子Ｑ１と、エネルギー蓄積用のインダクタＬ１と、回生電流通電用のダイオードＤ１とで構成された降圧チョッパ回路であり、スイッチング素子Ｑ１のパルス幅を可変制御することにより、電源回路１から出力される直流電圧を降圧せしめて、コンデンサＣ１に充電する。

極性反転回路３は、コンデンサＣ１の両端に並列接続されたスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３の直列回路と、スイッチング素子Ｑ４，Ｑ５の直列回路よりなるフルブリッジインバータ回路であり、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ５がＯＮ、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４がＯＦＦの状態と、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ５がＯＦＦ、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４がＯＮの状態とが交互に切り換わることにより、コンデンサＣ１の直流電圧の極性を反転せしめて負荷回路に供給するものである。

制御回路６は、放電灯Ｌａの点灯を開始する場合には、対角位置に配置されたスイッチング素子Ｑ２，Ｑ５と、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４とを交互にオン・オフすることによって、共振回路４の両端に数１０ｋＨｚ〜数１００ｋＨｚの高周波電圧を発生させる。この高周波電圧を共振回路４の共振作用により昇圧させ、コンデンサＣ２に高圧の共振電圧を発生させる。そして、電圧検出回路５の検出電圧によって、制御回路６はスイッチング素子Ｑ２，Ｑ５とスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４の各組を交互にオン・オフさせ、高圧の共振電圧によって放電灯Ｌａを点灯させる。放電灯Ｌａの点灯を検出すると、共振回路４の両端に数１０Ｈｚ〜数１００Ｈｚの低周波の電圧を印加し、点灯を維持する。

図１１の点灯装置の始動時の動作波形図を図１２に示す。極性反転回路３の駆動周波数、ダウンコンバータ２の出力電圧、放電灯Ｌａに印加される共振電圧の時間的変化を示したものである。

放電灯Ｌａに印加させる電圧を、始動時の所定期間は定常点灯時の点灯周波数より高い周波数で、極性反転回路３のスイッチング素子Ｑ２とＱ５のペアと、スイッチング素子Ｑ３とＱ４のペアを高周波で交互にオン、オフさせるようにスイッチング動作させる。

図１２に示すように、制御回路６により設定された極性反転回路３の駆動周波数がデジタル的に可変され、図１３に示すように、共振回路４の共振点に駆動周波数を近づけ、共振電圧が所望の電圧値以上になると、極性反転回路３の駆動周波数を固定し、放電灯Ｌａに印加させていた。

また、特許文献１（特開２００４−９５３３４号公報）によれば、放電灯Ｌａの製品ばらつきや寿命末期に始動電圧が上昇した場合においても良好な始動動作を確保するため、対角位置に配置されたスイッチング素子Ｑ２、Ｑ５及びスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４の組を交互にオン・オフする駆動周波数が共振回路４の共振点を通過するように、所定の周波数範囲で掃引（スイープ）しながら始動制御を行っている。

さらに、上記周波数で駆動した場合と略同一の電圧振幅を得ながら、共振回路４を構成する部品（インダクタＬ２、コンデンサＣ２）を小型化する観点から、極性反転回路３の駆動周波数の奇数倍（２ｎ＋１倍、ｎは自然数）の高調波で共振せしめるように、始動制御時の点灯周波数を設計している場合もある。この場合の電圧振幅は、高調波の倍率が高くなるほど漸減するが、特に高調波の倍率を３倍に設計すると、放電灯Ｌａに直列に接続されたインダクタＬ２と並列に接続されたコンデンサＣ２とで決まる共振周波数ｆ０で駆動した場合と略同程度の電圧振幅を得ることができ、共振回路の小型化が図れる。この３次高調波の共振電圧を放電灯の始動に利用することは、特許文献２（特表２００５−５０７５５４号公報）にも開示されている。
特開２００４−９５３３４号公報 特表２００５−５０７５５４号公報

上述の従来技術では、共振回路４のインダクタＬ２とコンデンサＣ２のばらつきによって、始動電圧には大きなばらつきが発生していた。そのばらつきを抑えるためにインダクタＬ２、コンデンサＣ２として部品定数の公差が非常に小さなものを選定もしくは選別する必要があった。

また、図１２、図１３に示すように、極性反転回路３の駆動周波数を徐々に共振点に近づけていく際に、一般的な電子安定器の制御回路はデジタル制御が殆どのため、掃引する周波数は段階的に変化されていく。この段階的に変化させる周波数の刻みは数％未満と小さく、図１３のｆ１→ｆ２→ｆ３→ｆ４→ｆ５のように略均等に変化させていても、共振電圧の変化はその周波数の可変割合には比例せず、図１３のＶ１→Ｖ２→Ｖ３→Ｖ４→Ｖ５のように２次関数的に上昇した共振電圧が発生する。そのため細かく共振電圧を設定するためには、分解能が高く、細かな周波数制御ができる制御回路を必要としていた。このように、極性反転回路の駆動周波数の設定周波数を細かく設定できるような高性能な制御回路が必要であり、そのために回路構成部品のコストも高くなっていた。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、高圧放電灯を高周波の共振電圧を用いて始動点灯させる高圧放電灯点灯装置において、始動電圧の高精度な制御を安価な構成で実現することを課題とする。

請求項１の発明によれば、上記の課題を解決するために、図１に示すように、商用交流電源Ｅを整流平滑して直流電圧を出力する電源回路１と、前記電源回路１から供給される直流電圧を降圧するダウンコンバータ２と、前記ダウンコンバータ２の出力電圧を受け、極性を周期的に反転させて高圧放電灯Ｌａに印加するための極性反転回路３と、前記極性反転回路３の出力電圧を受けて高圧放電灯Ｌａを始動させるための始動電圧を発生させる共振回路４と、前記ダウンコンバータ２及び極性反転回路３を制御して前記高圧放電灯Ｌａの点灯を制御する制御回路６とを備え、高圧放電灯Ｌａの始動時は、共振回路４を共振させるために極性反転回路３を比較的高い周波数で動作させ、通常点灯時は極性反転回路３を低周波で動作させる高圧放電灯点灯装置において、前記直流電圧を降圧するダウンコンバータ２の出力電圧を検出する第１の電圧検出手段（抵抗Ｒ２，Ｒ３）と、前記共振回路４の共振電圧を検出する第２の電圧検出手段５とを備え、前記制御回路６は、第１及び第２の電圧検出手段の検出結果を受けて、始動時のダウンコンバータ２の出力電圧と極性反転回路３の周波数を決定することを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１において、図２、図４〜図７に示すように、共振回路４の共振点に近づくように極性反転回路３の駆動周波数を掃引させる動作と、ダウンコンバータ２の出力電圧を可変させる動作を交互に行なうことで、共振電圧を所望の電圧に調整することを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１または２において、図８に示すように、極性反転回路３の駆動周波数を掃引動作させて所望の共振電圧値Ｖｐ１以上に達すると、ダウンコンバータ２の出力電圧を可変させる動作を行なうことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかにおいて、共振回路４の共振電圧を共振回路４のインダクタンスＬ２の２次側の巻線から検出することを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１〜３のいずれかにおいて、共振回路４の共振電圧を共振回路４のキャパシタンスＣ２から検出することを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれかにおいて、共振回路４とは別に、高圧放電灯Ｌａを始動させるための始動電圧を発生するイグナイタ回路を具備することを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の高圧放電灯点灯装置を備える照明器具である（図１０）。
請求項８の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の高圧放電灯点灯装置を備えるプロジェクタ用の光源点灯装置である（図９）。

本発明によれば、極性反転回路の駆動周波数の設定とダウンコンバータの出力電圧の可変により、共振電圧の微調整を行なうことにより、共振回路での共振電圧を設定できるようにしたから、共振回路のインダクタンス、キャパシタンスのばらつきによる共振電圧のばらつきを抑え、放電灯に印加する始動電圧を精度良く制御することにより、始動の安定性を図ることができる。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１の高圧放電灯点灯装置の構成を示す。図１１の従来例と同一の構成には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

図２は本実施形態の高圧放電灯点灯装置による極性反転回路３の駆動周波数、ダウンコンバータ２の出力電圧、放電灯Ｌａに印加される共振電圧を示し、図３は駆動周波数の変化に合わせてダウンコンバータ２の出力電圧を可変させた場合とさせない場合の共振回路４の共振電圧の変化を示す。

本実施形態の制御回路６は、ダウンコンバータ２の出力電圧を抵抗Ｒ２，Ｒ３の直列回路により分圧して検出している。制御回路６はダウンコンバータ２の出力電圧が所定値となるように、ダウンコンバータ制御回路７に制御指令を与えている。例えば、電流検出抵抗Ｒ１に流れるスイッチング電流のピーク値を制御指令として与えている。

また、共振回路４の共振電圧を電圧検出回路５により検出している。図示された構成では、共振回路４のインダクタＬ２とコンデンサＣ２の接続点の対地電圧を検出しているが、インダクタＬ２に２次巻線を設けて、その２次巻線電圧を検出しても良い。また、コンデンサＣ２の両端電圧を検出しても良い。

本実施形態の制御回路６は汎用のマイコンにより実現でき、ダウンコンバータ２の出力電圧と、共振回路４の共振電圧を共に検出し、極性反転回路３の駆動周波数の制御と、ダウンコンバータ２の出力電圧の制御を組み合わせることにより、共振回路４の共振電圧を精度良く制御している。

まず、極性反転回路３の駆動周波数を段階的に共振点に近づくように可変させて共振回路４による共振電圧を変化させる。共振電圧が所望の電圧値以上に昇圧されているかを判別して、所望の電圧値に至っていない場合は、極性反転回路３の駆動周波数を次の周波数に変化させる前に、ダウンコンバータ２の出力電圧を上昇させて共振電圧が所望の電圧値以上になるように、極性反転回路３の駆動周波数の変化とダウンコンバータ２の出力電圧を上昇させる動作を交互に繰り返し行ない、所望の電圧値以上となるように共振電圧を調整する。

具体的な制御の一例を図２により説明すると、例えば、共振電圧の所望の電圧値として７００Ｖに設定した場合、共振回路４のインダクタンスが７５μＨ、キャパシタンスが１０ｎＦとした時、極性反転回路３の駆動周波数を３９ｋＨｚ→３８ｋＨｚ→３７ｋＨｚのように段階的に共振点に近づくように可変させて、駆動周波数を１段階変化させるたびに、ダウンコンバータ２の出力電圧を１８５Ｖ→２００Ｖのように２段階に切り替える。これにより、駆動周波数の刻み幅は同じでも、共振電圧をきめ細かく制御することができる。以上の制御は、制御回路６のマイコンにより実現できる。

例えば、ダウンコンバータ２の出力電圧が２００Ｖのときに、極性反転回路３を３８ｋＨｚで駆動させた時の共振電圧が６００Ｖに昇圧されたとする。次にダウンコンバータ２の出力電圧を１８５Ｖに設定して、駆動周波数３８ｋＨｚの次のステップの駆動周波数３７ｋＨｚに切り替えて極性反転回路３を動作させる。この時の共振電圧が６５０Ｖまで昇圧されたとする。次に駆動周波数は３７ｋＨｚのままで、ダウンコンバータ２の出力電圧を２００Ｖに設定する。これにより、所望の電圧値として設定した７００Ｖに調整できる。

なお、図示はしないが、共振回路４とは別に、放電灯Ｌａを始動または再始動させるための高電圧パルスを発生させるイグナイタ回路を併用しても良い。例えば、ダウンコンバータ２の出力電圧により充電されるキャパシタと、このキャパシタの充電電圧が閾値を越えたとき又は制御回路６の指令によりオンするスイッチ素子と、このスイッチ素子を介して前記キャパシタに１次巻線を接続されたパルストランスとでイグナイタ回路を構成し、共振回路４により所望の電圧値が発生しているタイミングでパルストランスの２次巻線に発生させた高電圧パルスを放電灯Ｌａに印加すれば、放電灯Ｌａが始動しにくい環境（例えば、再始動時）であっても良好な始動が可能となる。以下の各実施形態においても同様である。

（実施形態２）
図４、図５は本発明の実施形態２の高圧放電灯点灯装置による極性反転回路の駆動周波数、ダウンコンバータの出力電圧、放電灯に印加される共振電圧を示したものである。回路構成は図１と同じである。

実施形態１と異なる点は、極性反転回路の駆動周波数を共振回路の共振点より高い周波数Ａから徐々に共振点に近づけ、所望の共振電圧Ｖｐに到達すれば、図４では極性反転回路の駆動周波数を徐々に上げながら周波数Ａに戻すように掃引（スイープ）させて、図５では極性反転回路の駆動周波数を周波数Ａから再度掃引（スイープ）させる点である。駆動周波数の掃引（スイープ）に併せてダウンコンバータの出力電圧を可変させることにより、共振電圧を微調整することが可能となり、共振回路のインダクタンス、キャパシタンスのばらつきによる共振電圧のばらつきを抑制し、放電灯に印加する電圧を安定的に供給することが出来る。

（実施形態３）
図６、図７は本発明の実施形態３の高圧放電灯点灯装置による極性反転回路の駆動周波数、ダウンコンバータの出力電圧、放電灯に印加される共振電圧を示したものである。回路構成は図１と同じである。

実施形態２と異なる点は、ダウンコンバータの出力電圧を可変させる動作である。図６、図７に示すように、ダウンコンバータの出力電圧を図４、図５に示すような段階的な可変動作ではなく、上下に連続的に可変させる動作とすることで、共振回路の仕様を変えずに様々な電圧値を放電灯に印加できる放電灯点灯装置を提供することが出来る。

（実施形態４）
図８は本発明の実施形態４の高圧放電灯点灯装置による極性反転回路の駆動周波数、ダウンコンバータの出力電圧、放電灯に印加される共振電圧を示したものである。回路構成は図１と同じである。

実施形態１〜３と異なる点は、極性反転回路の駆動周波数を掃引（スイープ）させて共振点に近づけて共振電圧を徐々に昇圧させて、所望の電圧値Ｖｐ１に到達するまでダウンコンバータの出力電圧は可変させず、所望の電圧値Ｖｐ１に到達すればダウンコンバータの出力電圧を可変（上昇）させることである。ダウンコンバータの出力電圧が上昇した後、最終的に得られる共振電圧は電圧値Ｖｐ２となる。

本実施形態によれば、放電灯を始動させる共振電圧を発生させる一部の期間においてのみダウンコンバータの出力電圧を可変させることで、部品への電気的ストレスを全体的に低減することができる。

（実施形態５）
実施形態１〜４で述べた周波数で駆動した場合と略同一の電圧振幅を得つつ、共振回路を構成する部品を小型化する観点から、極性反転回路の始動制御時の周波数を奇数倍（２ｎ＋１倍、ｎは自然数）した高調波の周波数を共振回路の共振周波数としても同様な動作が実現可能である。

（実施形態６）
上述の各実施形態の高圧放電灯点灯装置はプロジェクタの光源である高圧放電灯の点灯に用いられる。図９はプロジェクタの内部構成を示す概略図である。図中、３１は投光窓、３２は電源部、３３ａ、３３ｂ、３３ｃは冷却用ファン、３４は外部信号入力部、３５は光学系、３６はメイン制御基板、４０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が実装されている。光学系３５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３５が設計されている。このように、放電灯点灯装置４０は放電灯Ｌａと共にプロジェクタ３０の内部に実装されている。本発明の放電灯点灯装置を採用することにより、共振回路の部品定数にばらつきがあっても、始動電圧のばらつきを抑えることができ、始動の安定性を確保することができる。

なお、リアプロジェクションテレビのように、プロジェクタとスクリーンを一体化した画像表示装置に本発明の高圧放電灯点灯装置を適用しても良い。

（実施形態７）
図１０は本発明の高圧放電灯点灯装置を用いた照明器具の構成例を示す。（ａ）はスポットライトにＨＩＤランプを用いた例、（ｂ）はダウンライトにＨＩＤランプを用いた例であり、図中、Ｌａは高圧放電灯（ＨＩＤランプ）、８１は高圧放電灯を装着した灯体、８２は配線、８３は点灯装置の回路を格納した電子安定器である。これらの照明器具を複数組み合わせて照明システムを構築しても良い。これらの点灯装置として前述の実施形態１〜５のいずれかの高圧放電灯点灯装置を用いることで、始動の安定性を確保することができる。

本発明の実施形態１の構成を示す回路図である。 本発明の実施形態１の動作説明図である。 本発明の実施形態１の動作説明図である。 本発明の実施形態２の動作説明図である。 本発明の実施形態２の動作説明図である。 本発明の実施形態３の動作説明図である。 本発明の実施形態３の動作説明図である。 本発明の実施形態４の動作説明図である。 本発明の実施形態６のプロジェクタ用の光源点灯装置の概略構成図である。 本発明の実施形態７の照明器具の概略構成図である。 従来例の構成を示す回路図である。 従来例の動作説明図である。 従来例の動作説明図である。

符号の説明

１ 電源回路
２ ダウンコンバータ
３ 極性反転回路
４ 共振回路
５ 電圧検出回路
６ 制御回路
７ ダウンコンバータ制御回路
Ｌａ 高圧放電灯

Claims (8)

1. 商用交流電源を整流平滑して直流電圧を出力する電源回路と、
   前記電源回路から供給される直流電圧を降圧するダウンコンバータと、
   前記ダウンコンバータの出力電圧を受け、極性を周期的に反転させて高圧放電灯に印加するための極性反転回路と、
   前記極性反転回路の出力電圧を受けて高圧放電灯を始動させるための始動電圧を発生させる共振回路と、
   前記ダウンコンバータ及び極性反転回路を制御して前記高圧放電灯の点灯を制御する制御回路とを備え、
   高圧放電灯の始動時は、共振回路を共振させるために極性反転回路を比較的高い周波数で動作させ、通常点灯時は極性反転回路を低周波で動作させる高圧放電灯点灯装置において、
   前記直流電圧を降圧するダウンコンバータの出力電圧を検出する第１の電圧検出手段と、
   前記共振回路の共振電圧を検出する第２の電圧検出手段とを備え、
   前記制御回路は、第１及び第２の電圧検出手段の検出結果を受けて、始動時のダウンコンバータの出力電圧と極性反転回路の周波数を決定することを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
2. 請求項１において、共振回路の共振点に近づくように極性反転回路の駆動周波数を掃引させる動作と、ダウンコンバータの出力電圧を可変させる動作を交互に行なうことで、共振電圧を所望の電圧に調整することを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
3. 請求項１または２において、極性反転回路の駆動周波数を掃引動作させて所望の共振電圧値以上に達すると、ダウンコンバータの出力電圧を可変させる動作を行なうことを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、共振回路の共振電圧を共振回路のインダクタンスの２次側の巻線から検出することを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
5. 請求項１〜３のいずれかにおいて、共振回路の共振電圧を共振回路のキャパシタンスから検出することを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
6. 請求項１〜５のいずれかにおいて、共振回路とは別に、高圧放電灯を始動させるための始動電圧を発生するイグナイタ回路を具備することを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の高圧放電灯点灯装置を備える照明器具。
8. 請求項１〜６のいずれかに記載の高圧放電灯点灯装置を備えるプロジェクタ用の光源点灯装置。

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