JP5102446B2 - 放電灯点灯装置及び画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は放電灯を点灯させる放電灯点灯装置及びこれを用いた画像表示装置に関するものである。

従来の放電灯点灯装置の構成例を図２に示す。直流電源Ｅから供給される電圧をスイッチング素子Ｑ１、ダイオードＤ１、インダクタＬ１からなるチョッパ回路１で制御し、その制御された出力をコンデンサＣ１で平滑する。その出力はフルブリッジ型のスイッチング回路２により交流に変換される。始動時はこの交流変換された電圧を放電灯Ｌａに印加する。また、その始動時に高圧パルス発生回路４より高圧パルスを出力し、放電灯Ｌａの電極間をブレークダウンし、放電を開始する。放電が開始された後は、チョッパ回路１の出力電流Ｉｏ、出力電圧Ｖｏを検出し、制御回路３で放電灯Ｌａの安定後に一定の電力を供給できるようにしている。

特許文献１には直流高圧放電灯を点灯させる回路の実施の形態１０において、インダクタとコンデンサの直列回路に高周波電圧を印加し、共振用のコンデンサに発生する電圧により、ダイオードを介してパルス発生用のコンデンサを充電し、その充電電圧が放電ギャップのブレークオーバー電圧に達すると、パルス発生用のコンデンサからパルストランスの１次巻線に電流を流し、パルストランスの２次巻線に高圧パルスを発生させる構成が記載されているが、放電ギャップをブレークオーバーさせるには、高い電圧が必要であり、共振回路の電流も大きくなって部品にかかるストレスは大きくなる。また、共振カーブの急峻なところで共振させる必要があるため、共振用のインダクタ、コンデンサの部品ばらつきによりパルス発生用のコンデンサに発生する電圧のばらつきは大きくなる。また、電力制御用のダウンコンバータの出力電圧を変更した場合は、動作周波数、共振用のインダクタ、コンデンサの再選定が必要であった。
特開２００５−３８８１４号公報

図２は上記の特許文献１の直流点灯回路を交流点灯に置き換えたものである。この回路では放電ギャップＧＡＰをブレークオーバーさせる高い電圧を確保するには、共振回路の部品であるインダクタＬ２、コンデンサＣ２にかかるストレスも大きなものとなる。また、インダクタＬ２、コンデンサＣ２の部品ばらつきにより、コンデンサＣ３に発生する電圧のばらつきも大きくなってしまう。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、放電灯の始動用の高圧パルス発生回路のコンデンサの充電にＬＣ共振を利用する点灯装置において、共振回路のストレスを低減し、また、従来よりもばらつきが大きな部品を使用しても、パルス発生用コンデンサに発生する電圧のばらつきを小さくできる放電灯点灯装置を提供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、直流電源Ｅに接続された負荷電力調整用のチョッパ回路１と、チョッパ回路１の出力に接続された平滑用の第１のコンデンサＣ１と、インダクタＬ２と第２のコンデンサＣ２の直列回路よりなるＬＣ共振回路と、平滑用の第１のコンデンサＣ１の直流電圧を放電灯Ｌａの無負荷時及び点灯直後の一定期間は高周波に変換して前記ＬＣ共振回路に印加するスイッチング回路２と、放電灯Ｌａを始動させるための高圧パルス発生回路４とからなる放電灯点灯装置であって、前記高圧パルス発生回路４は、前記ＬＣ共振回路の共振電圧により充電される第３のコンデンサＣ３と、放電灯Ｌａと直列に２次巻線ｎ２を接続されたパルストランスＬ３と、該パルストランスＬ３の１次巻線ｎ１に第３のコンデンサＣ３の蓄積電荷を放電せしめる放電スイッチ（放電ギャップＧＡＰ）とを備え、前記ＬＣ共振回路のインダクタＬ２をトランス構造とし、インダクタＬ２の２次巻線Ｎ２の電圧に第２のコンデンサＣ２の電圧（図１）を加算した電圧で第３のコンデンサＣ３を充電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、スイッチング回路２の動作周波数ｆは、図１３に示すように、ＬＣ共振回路の無負荷時の共振電圧と高周波動作時の共振電圧とが略一致する周波数ｆｅと無負荷時の共振周波数ｆｏ１との間に設定したことを特徴とする。

請求項３の発明によれば、請求項１または２において、図１５に示すように、放電スイッチ（放電ギャップＧＡＰ）の両端もしくは第３のコンデンサＣ３の両端に抵抗Ｒ２を並列接続したことを特徴とする。

請求項４の発明によれば、図２１、図２２に示すように、請求項１〜３の放電灯点灯装置をプロジェクタのような画像表示装置に使用することを特徴とする。

請求項１の発明によれば、インダクタの１次巻線と２次巻線の巻数比に応じて昇圧された共振電圧によりパルス発生用の第３のコンデンサを充電できるので、共振電圧の低いところで共振させることができ、共振回路に印加される電圧、電流が小さくなり、ストレスが軽減できるため、小型で安価な部品を使用することができる。また、共振電圧の低いところは共振カーブの傾きが緩やかなので、共振電圧のばらつきが小さくなり、インダクタやコンデンサの部品ばらつきを大きく許容することができるため、部品の選別が不要になり、選別費用を削減できる。

また、チョッパ回路の出力電圧を変更した場合にも、インダクタの１次巻線と２次巻線の巻数比の変更のみでパルス発生用の第３のコンデンサの充電電圧を調整することができるため、動作周波数、インダクタ、コンデンサの再設定が不要になり、設計変更に要する時間も短縮できる。

請求項２の発明によれば、無負荷時と高周波動作時は同じ周波数でスイッチング回路を動作させながら、その動作周波数を無負荷時の共振電圧と高周波動作時の共振電圧とが略一致する周波数と無負荷時の共振周波数との間に設定することで、高周波動作時の共振回路のコンデンサに発生する電圧は必ず無負荷時よりも低くなり、高圧パルス発生回路が動作しなくなる。これにより、高周波動作時に高圧パルス発生回路が動作することによる過電流を無くすことで、放電灯の電極へのストレスが小さくなり、放電灯の寿命改善ができる。

請求項３の発明によれば、定常動作時の出力極性反転時の異常なオーバーシュート電圧により高圧パルス発生回路が動作することを防止でき、定常時に高圧パルス発生回路が動作することによる過電流を無くすことで、放電灯の電極へのストレスが小さくなり、放電灯の寿命改善ができる。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の回路図である。以下、その回路構成と動作について説明する。直流電源Ｅから供給される電圧をスイッチング素子Ｑ１、ダイオードＤ１、インダクタＬ１からなるチョッパ回路１で制御し、その制御された出力をコンデンサＣ１で平滑する。その出力はスイッチング回路２により交流に変換される。ここでは、スイッチング回路２としてフルブリッジ型の極性反転回路を用いており、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ５とスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４が交互にオン・オフすることで直流−交流変換しているが、定常点灯時に低周波出力または直流出力、無負荷時と始動直後に高周波出力が可能な回路であれば、構成は図示された回路には限定されない。

スイッチング回路２は無負荷時に制御回路３によりインダクタＬ２の１次巻線Ｎ１とコンデンサＣ２の共振周波数の奇数分の１の周波数付近で高周波動作を行なう。この時にインダクタＬ２の１次巻線Ｎ１、コンデンサＣ２のＬＣ共振によりコンデンサＣ２に発生する昇圧された電圧とインダクタＬ２の２次巻線Ｎ２に発生する電圧を加算した電圧を抵抗Ｒ１、ダイオードＤ２を介してコンデンサＣ３に充電する。この充電電圧が放電ギャップＧＡＰのブレークオーバー電圧に達すると、コンデンサＣ３からパルストランスＬ３の１次巻線ｎ１に電流が流れ、その電流でパルストランスＬ３の２次巻線ｎ２に電圧が発生する。この電圧が高圧パルスであり、この高圧パルスにより放電灯Ｌａがブレークダウンし、コンデンサＣ１、スイッチング回路２、インダクタＬ２、放電灯Ｌａ、パルストランスＬ３の２次巻線ｎ２というループで電流が流れ始める。スイッチング回路２は点灯直後の一定期間は無負荷時と同じ高い周波数で交番動作し、その後、数十Ｈｚ〜数百Ｈｚの定常動作に移行する。

インダクタＬ２の１次巻線Ｎ１の一端と２次巻線Ｎ２の一端が接続されるが、接続箇所は１次巻線Ｎ１の巻き終わりと２次巻線Ｎ２の巻き始め、もしくは１次巻線Ｎ１の巻き始めと２次巻線Ｎ２の巻き終わりとする。

図２はインダクタＬ２をトランス構造としていない場合の比較回路例である。図３に示すコンデンサＣ３の電圧ＶＣ３を発生させる場合、図２の回路では図３のｆｂの範囲で部品ばらつきを設定する必要がある。

これに対して、図１の本発明の回路の場合は、図３のｆａの範囲で部品ばらつきを設定し、出力される電圧ＶＣ３’をインダクタＬ２の１次巻線Ｎ１と２次巻線Ｎ２の巻数比でＶＣ３の範囲に昇圧するため、図２の回路に比べて部品ばらつきを広い範囲で設定することができる。

また、チョッパ回路１の出力電圧を変更した場合は、インダクタＬ２の１次巻線Ｎ１と２次巻線Ｎ２の巻数比を変えることで、チョッパ回路１の出力電圧変更前のコンデンサＣ３の電圧ＶＣ３に調整することができる。

図４は実施の形態１での無負荷時のコンデンサＣ３の出力電圧波形図、図５は高周波動作時のコンデンサＣ３の出力電圧波形図である。無負荷時と高周波動作時のスイッチング回路２の動作周波数は同じであるが、後述の図１３に示す周波数ｆｃに設定することにより、無負荷時には高圧パルス発生回路４の放電ギャップＧＡＰがブレークオーバーする高い電圧が発生し、高周波動作時には放電ギャップＧＡＰがブレークオーバーできない電圧までコンデンサＣ３の電圧ＶＣ３は低下する。

本実施の形態１では、高圧パルス発生回路４の放電スイッチとして、所定のブレークオーバー電圧で導通する放電ギャップＧＡＰを用いているが、電圧応答型の２端子サイリスタ（ＳＳＳ、サイダックなど）を用いても良い。以下の実施の形態においても同様である。

（実施の形態２）
図６は本発明の実施の形態２の回路図である。基本的な回路構成は図１と同様であるが、インダクタＬ２の１次巻線Ｎ１と２次巻線Ｎ２の接続形態が異なり、接続箇所は、１次巻線Ｎ１の巻き始めと２次巻線Ｎ２の巻き始め、もしくは１次巻線Ｎ１の巻き終わりと２次巻線Ｎ２の巻き終わりとなる。

上述の実施の形態１では、第２のコンデンサＣ２の電圧にインダクタＬ２の２次巻線Ｎ２の電圧を加算した電圧で第３のコンデンサＣ３を充電する構成であったのに対して、本実施の形態２では、第１のコンデンサＣ１の電圧にインダクタＬ２の２次巻線Ｎ２の電圧を加算した電圧で第３のコンデンサＣ３を充電する構成となっている。

図７は実施の形態２での無負荷時のコンデンサＣ３の出力電圧波形図、図８は高周波動作時のコンデンサＣ３の出力電圧波形図である。この実施の形態２においても、無負荷時と高周波動作時のスイッチング回路２の動作周波数は同じであるが、後述の図１３に示す周波数ｆｃに設定することにより、無負荷時には高圧パルス発生回路の放電ギャップＧＡＰがブレークオーバーする高い電圧が発生し、高周波動作時には放電ギャップＧＡＰがブレークオーバーできない電圧までコンデンサＣ３の電圧ＶＣ３は低下する。

（比較例１）
図９は本発明に対する比較例１の回路図である。基本的な回路構成は図１と同様であるが、インダクタＬ２の１次巻線Ｎ１と２次巻線Ｎ２は接続されていない。また、実施の形態１や実施の形態２のように極性を固定する必要はない。

上述の実施の形態１又は２では、第２のコンデンサＣ２又は第１のコンデンサＣ１の電圧にインダクタＬ２の２次巻線Ｎ２の電圧を加算した電圧で第３のコンデンサＣ３を充電する構成であったのに対して、本比較例１では、インダクタＬ２の２次巻線Ｎ２の電圧で第３のコンデンサＣ３を充電する構成となっている。

図１０は図９の比較例１での無負荷時のコンデンサＣ３の電圧ＶＣ３であり、図１１は図９の比較例１での高周波動作時のコンデンサＣ３の電圧ＶＣ３である。コンデンサＣ３の電圧ＶＣ３は無負荷時の方が高周波動作時よりも高くなる。

図１２は無負荷時共振点ｆｏ１と高周波動作時共振点ｆｏ２と定常時点灯周波数ｆａの関係を示している。

高周波動作時はパルストランスＬ３の２次巻線ｎ２が接続されるため、式１、式２に示すように、無負荷時とは共振点が変わる。無負荷時の共振点ｆｏ１は、インダクタＬ２の１次巻線Ｎ１のインダクタンス値をＬ２とすると、
ｆｏ１＝１／２π√（Ｌ２・Ｃ２） …式１
となり、高周波動作時の共振点ｆｏ２は、パルストランスＬ３の２次巻線ｎ２のインダクタンス値をＬ３とすると、
ｆｏ２＝１／２π√｛Ｃ２・Ｌ２・Ｌ３／（Ｌ２＋Ｌ３）｝ …式２
となる。

このため、実施の形態１、実施の形態２、比較例１において、図１３のようにコンデンサＣ３の電圧ＶＣ３は無負荷時の電圧よりも高周波動作時の方が小さくなるように、スイッチング回路２の交番動作周波数ｆを無負荷時の共振カーブと高周波動作時の共振カーブの交点ｆｅと無負荷時の共振点ｆｏ１の間に設定する。

例えば、スイッチング回路２の交番動作周波数を図１３のｆｃにすると、無負荷時よりも高周波動作時の方が電圧ＶＣ３は小さくなる。スイッチング回路２の交番動作周波数を図１３のｆｄにすると、無負荷時よりも高周波動作時の方が電圧ＶＣ３は大きくなる。

式２から分かるようにイグナイタＬ３の２次巻線ｎ２のインダクタンス値Ｌ３を小さくすると、高周波動作時の共振点ｆｏ２は高くなり、図１３のｃの範囲は広くなる。

このように設定することにより、実施の形態１、実施の形態２、比較例１いずれの場合もコンデンサＣ３の電圧ＶＣ３は無負荷時の方が高周波動作時よりも高くなる。

（比較例２）
図１４は本発明に対する比較例２の回路図である。基本的な回路構成は図１と同様であるが、インダクタＬ２の２次巻線Ｎ２を放電灯Ｌａと直列になるように接続した。放電灯Ｌａに対してコンデンサＣ２の電圧とインダクタＬ２の２次巻線Ｎ２の電圧を加算した電圧が印加されるため、図１の回路よりも無負荷２次電圧が高くなる。インダクタＬ２の１次巻線Ｎ１の一端と２次巻線Ｎ２の一端が接続されるが、接続箇所は１次巻線Ｎ１の巻き終わりと２次巻線Ｎ２の巻き始め、もしくは１次巻線Ｎ１の巻き始めと２次巻線Ｎ２の巻き終わりとなる。

（実施の形態３）
図１５は本発明の実施の形態３の回路図である。基本的な回路構成は図１と同様であるが、放電ギャップＧＡＰの両端に抵抗Ｒ２を接続したものである。抵抗Ｒ２が無い場合で、スイッチング回路２の交番時のオーバーシュート電圧が大きい場合は、オーバーシュート電圧がコンデンサＣ３に充電されて、放電ギャップＧＡＰがブレークオーバーし、パルストランスＬ３により高圧パルスが発生して、定常時に過電流が流れることがある。この定常時の大きなオーバーシュート電圧による放電ギャップＧＡＰのブレークオーバーを無くすために抵抗Ｒ２を接続する。この抵抗Ｒ２は、点灯信号がオフした後のコンデンサＣ３の放電用の抵抗としても利用できる。図１６にスイッチング回路２の交番時のオーバーシュート電圧の波形の例を示す。

コンデンサＣ３の充放電条件は、無負荷時には図１７の破線で示すように充電分が放電分より大きくなるように設定し、高周波動作時には図１８の破線で示すように充電分が放電分よりも大きくならないように設定する必要がある。

無負荷時のコンデンサＣ２とＣ３の充放電カーブの例を図１９に示す。図中、コンデンサＣ３の充電後の電圧をＶ１、放電後の電圧をＶ２、充電時間をｔ１、放電時間をｔ２とすると、
Ｖ１＝Ｖｏ×｛１−ｅｘｐ（−ｔ１／Ｒ１・Ｃ３）｝ …式３
Ｖ２＝Ｖ１×ｅｘｐ（−ｔ２／Ｒ２・Ｃ３） …式４
となる。抵抗Ｒ１、Ｒ２、コンデンサＣ３の値は、次の条件を満たすように設計する。

無負荷時の充放電条件： Ｖ１−Ｖ２＞０ …式５
高周波動作の充放電条件： Ｖ１−Ｖ２＜０ …式６

抵抗Ｒ２は放電ギャップＧＡＰの両端ではなく、コンデンサＣ３の両端に接続しても良い。図６の実施の形態２、図９の比較例１、図１４の比較例２においても抵抗Ｒ２を接続しても良い。

（実施の形態４）
図２０は本発明の実施の形態４の回路図である。本実施の形態４は、図１に示した実施の形態１の交流点灯装置を、直流点灯装置に変更した場合の回路例を示す。無負荷時及び高周波動作時にはスイッチング素子Ｑ２、Ｑ３を交互に動作させることにより、放電灯Ｌａを交流点灯させる。高周波動作を一定期間行なった後は、スイッチング素子Ｑ２をオフし、スイッチング素子Ｑ３をオンさせて放電灯Ｌａを直流点灯させる。なお、上述の実施の形態２、３についても、交流点灯装置に関して説明しているが、直流点灯装置にも適用できる。

（実施の形態５）
上述の各実施の形態の放電灯点灯装置は、プロジェクタやリアプロジェクションテレビのような画像表示装置の光源となる放電灯の点灯に用いられる。ここでは、プロジェクタに実装する場合を例示する。図２１は画像表示装置３０の内部構成を示す概略構成図である。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３６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と共に画像表示装置３０の内部に実装されているが、本発明の放電灯点灯装置４０を採用することにより、従来よりも小型で安価な部品を使用することができる。また、放電灯Ｌａの寿命を改善できるので、ランプ交換の頻度を少なくして、ユーザーの利便性を高めることができる。

本発明の実施の形態１の回路図である。 本発明の前提となるＬＣ共振を利用した高圧放電灯点灯装置の回路図である。 本発明の実施の形態１のＬＣ共振回路の共振カーブを示す図である。 本発明の実施の形態１の無負荷時の第３のコンデンサの出力電圧波形図である。 本発明の実施の形態１の高周波動作時の第３のコンデンサの出力電圧波形図である。 本発明の実施の形態２の回路図である。 本発明の実施の形態２の無負荷時の第３のコンデンサの出力電圧波形図である。 本発明の実施の形態２の高周波動作時の第３のコンデンサの出力電圧波形図である。 本発明に対する比較例１の回路図である。 本発明に対する比較例１の無負荷時の第３のコンデンサの出力電圧波形図である。 本発明に対する比較例１の高周波動作時の第３のコンデンサの出力電圧波形図である。 本発明の実施の形態１または２の放電灯が点灯する際の周波数の変化を示す図である。 本発明の実施の形態１または２の無負荷時と高周波動作時の共振特性を示す図である。 本発明に対する比較例２の回路図である。 本発明の実施の形態３の回路図である。 本発明の実施の形態３の定常時のランプ電圧の波形図である。 本発明の実施の形態３の無負荷時の第３のコンデンサの電圧変化を示す波形図である。 本発明の実施の形態３の高周波動作時の第３のコンデンサの電圧変化を示す波形図である。 本発明の実施の形態３の第３のコンデンサの充放電カーブの例を示す波形図である。 本発明の実施の形態４の回路図である。 本発明の実施の形態５の画像表示装置の内部構成を示す概略構成図である。

符号の説明

Ｅ 直流電源
１ チョッパ回路
２ スイッチング回路
３ 制御回路
４ 高圧パルス発生回路
Ｑ１〜Ｑ５ スイッチング素子
Ｄ１、Ｄ２ ダイオード
Ｃ１〜Ｃ３ コンデンサ
Ｒ１、Ｒ２ 抵抗
Ｌ１ チョッパ用インダクタ
Ｌ２ 共振用インダクタ
Ｌ３ パルストランス
Ｌａ 放電灯

Claims (4)

1. 直流電源に接続された負荷電力調整用のチョッパ回路と、チョッパ回路の出力に接続された平滑用の第１のコンデンサと、インダクタと第２のコンデンサの直列回路よりなるＬＣ共振回路と、平滑用の第１のコンデンサの直流電圧を放電灯の無負荷時及び点灯直後の一定期間は高周波に変換して前記ＬＣ共振回路に印加するスイッチング回路と、放電灯を始動させるための高圧パルス発生回路とからなる放電灯点灯装置であって、
   前記高圧パルス発生回路は、前記ＬＣ共振回路の共振電圧により充電される第３のコンデンサと、放電灯と直列に２次巻線を接続されたパルストランスと、該パルストランスの１次巻線に第３のコンデンサの蓄積電荷を放電せしめる放電スイッチとを備え、
   前記ＬＣ共振回路のインダクタをトランス構造とし、インダクタの２次巻線の電圧に第２のコンデンサの電圧を加算した電圧で第３のコンデンサを充電することを特徴とする放電灯点灯装置。
2. 請求項１において、スイッチング回路の動作周波数は、ＬＣ共振回路の無負荷時の共振電圧と高周波動作時の共振電圧とが略一致する周波数と無負荷時の共振周波数との間に設定したことを特徴とする放電灯点灯装置。
3. 請求項１または２のいずれかにおいて、放電スイッチの両端もしくは第３のコンデンサの両端に抵抗を並列接続したことを特徴とする放電灯点灯装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の放電灯点灯装置と、該放電灯点灯装置により点灯される放電灯と、この放電灯からの光を透過または反射する画像表示手段と、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光学系とを備えることを特徴とする画像表示装置。

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