JP5180770B2 - 放電灯点灯装置及びそれを用いた照明器具並びにプロジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、高圧水銀ランプ及びメタルハライドランプ等の高輝度放電灯を点灯させる放電灯点灯装置及びそれを用いた照明器具並びにプロジェクタに関する。

従来から、高圧水銀ランプ及びメタルハライドランプ等の高輝度放電灯を点灯させる放電灯点灯装置が知られており、例えば特許文献１に開示されている。以下、このような放電灯点灯装置の従来例について図面を用いて説明する。この従来例は、図５（ａ）に示すように、直流電源ＤＣからの直流電圧を降圧して出力する降圧回路１と、高周波でスイッチングされる４つのスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５を具備し降圧回路１からの出力電圧の極性を周期的に反転させて高周波電圧を出力する極性反転回路２と、極性反転回路２からの高周波電圧が印加されて共振作用によって放電灯Ｌａを点灯させる共振回路２０と、スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５をスイッチングさせる駆動信号を出力する駆動回路３と、降圧回路１の出力電圧を制御する降圧制御回路４とを備える。

降圧回路１は、インダクタＬ１、コンデンサＣ１、ダイオードＤ１、及びスイッチング素子Ｑ１から成り、スイッチング素子Ｑ１のオン／オフを切り替えることで直流電源ＤＣからの直流電圧を降圧してコンデンサＣ１の両端間に出力する。また、直流電源ＤＣの低圧側の出力端には、放電灯Ｌａを流れる負荷電流を検出するための検出抵抗Ｒａが接続されている。降圧制御回路４は、マイコンから成り、スイッチング素子Ｑ１をスイッチングさせる駆動信号をスイッチング素子Ｑ１に与える。そして、検出抵抗Ｒａで検出された負荷電流に応じて駆動信号の周波数を変化させることで、降圧回路１の出力電圧が所定電圧となるように制御する。

極性反転回路２は、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の直列回路とを並列に接続して成り、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３の接続点とスイッチング素子Ｑ４，Ｑ５の接続点との間に共振回路２０及び放電灯Ｌａが接続されている。共振回路２０は、インダクタＬ２及びコンデンサＣ２の直列共振回路から成り、インダクタＬ２とコンデンサＣ２との接続点には放電灯Ｌａに印加される高周波電圧を検出するための電圧検出回路５が接続されている。電圧検出回路５は、高周波電圧を整流するコンデンサＣ３，Ｃ４及びダイオードＤ２，Ｄ３と、整流された脈流電圧を分圧する抵抗Ｒ１〜Ｒ４と、分圧した脈流電圧を平滑化するコンデンサＣ５から成り、コンデンサＣ５の両端間電圧が駆動回路３に与えられるようになっている。

駆動回路３は、マイコンから成り、１対のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ５、及び他方の１対のスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４のオン／オフを交互に切り替えるように各スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５に駆動信号を与えることで、各スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５を高周波でスイッチング動作させる。尚、駆動信号の駆動周波数は、共振回路２０のインダクタＬ２及びコンデンサＣ２のインダクタンス、キャパシタンスにバラツキがある場合や、放電灯Ｌａが寿命末期で必要な始動電圧が上昇した場合においてでも良好な始動動作を確保することができるように、共振回路２０の共振周波数よりも高い周波数から共振周波数に近付くように所定の周波数範囲内でスイープ制御される。また、上記の周波数範囲で駆動した場合と略同一の高周波電圧を得つつ共振回路２０を構成する部品を小型化する観点から、共振周波数の奇数分の一の周波数に近付くように駆動信号の駆動周波数をスイープ制御しても構わない。

以下、上記従来例の動作について図５（ｂ）を用いて説明する。先ず、放電灯Ｌａを始動させるために必要な高周波電圧を得るために、駆動回路３は各スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５に与える駆動周波数を共振回路２０の共振周波数に近付くようにスイープ制御する（本従来例では、最大周波数が１２０ｋＨｚ、最小周波数が９５ｋＨｚの範囲内でスイープ制御する）。ここで、放電灯Ｌａに印加される高周波電圧を電圧検出回路５で検出し、検出電圧が所定の電圧、即ち、放電灯Ｌａを始動させるのに必要な電圧に達すると、駆動回路３は駆動周波数のスイープ制御を停止して周波数を一定期間固定する（本従来例では、１０５ｋＨｚで周波数を固定する）。この一定期間の間、放電灯Ｌａには数１０ｋＨｚ〜数１００ｋＨｚの高周波電圧が印加され、放電灯Ｌａが始動して点灯する。尚、この一定期間の間に放電灯Ｌａが点灯しない場合には、駆動回路３は駆動周波数を装置始動時の周波数に変化させ、再度スイープ制御を行う。放電灯Ｌａが点灯した後は、放電灯Ｌａに数１０Ｈｚ〜数１００Ｈｚの低周波電圧が印加されるように駆動回路３は駆動周波数を制御し、放電灯Ｌａの点灯状態を維持する。
特表２００５−５０７５５４号公報

ところで、上記従来例では、駆動回路３の駆動周波数が所定範囲の最大周波数に近い周波数である場合、放電灯Ｌａに印加される高周波電圧は放電灯Ｌａが点灯した直後の電圧と殆ど差が無い程度に低くなる。放電灯Ｌａが点灯しているか否かを素早く判別することは難しく、放電灯Ｌａが点灯して一定の時間を経過した後に点灯・不点灯の状態を判別していた。このため、高周波電圧が低い状態で放電灯Ｌａが点灯した場合には、駆動回路３は最大周波数から最小周波数まで周波数をスイープする制御を繰り返すようになっている。

しかしながら、上述の場合では、不点灯時ではなく点灯時の共振特性にしたがって高周波電圧が変動するため、周波数を減少させる方向にスイープさせても高周波電圧が所定電圧に到達しないことから、周波数のスイープを停止させる条件を満たすことができずに周波数のスイープが継続し、進相領域まで周波数が変動してしまう。放電灯Ｌａの点灯が維持される場合は問題無いが、仮に放電灯Ｌａが立ち消えしてしまうと、不点灯時の共振特性にしたがって共振回路２０が進相領域で動作するために回路を構成する素子に過大なストレスが加わり、素子が破壊される虞があった。

本発明は、上記の点に鑑みて為されたもので、共振回路が進相領域で動作するのを防ぐことのできる放電灯点灯装置及びそれを用いた照明器具並びにプロジェクタを提供することを目的とする。

請求項１の発明は、上記目的を達成するために、直流電源からの直流電圧を降圧して出力する降圧回路と、高周波でスイッチングされる１乃至複数のスイッチング素子を具備し降圧回路からの出力電圧の極性を周期的に反転させて高周波電圧を出力する極性反転回路と、極性反転回路からの高周波電圧が印加されて共振作用によって放電灯を点灯させる共振回路と、降圧回路の出力電圧を制御する降圧制御回路と、極性反転回路のスイッチング素子をスイッチングさせる駆動信号をスイッチング素子に与えるとともに駆動信号の駆動周波数を変動させることで高周波電圧を制御する駆動回路とを備え、駆動回路は、共振回路の遅相領域における共振周波数近傍に駆動周波数を設定する周波数設定モードと、周波数設定モードで設定された周波数まで駆動周波数を変動させて放電灯が始動可能な大きさの高周波電圧を放電灯に印加する始動モードとを有し、降圧制御回路は、周波数設定モードにおいて放電灯が始動できない程度に降圧回路の出力電圧を下げるように降圧回路を制御することを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、高周波電圧を検出する電圧検出回路を備え、駆動回路は、周波数設定モードにおいて電圧検出回路で検出された高周波電圧が所定電圧に達するまで駆動周波数を変動させるとともに、所定電圧に達すると駆動周波数を固定するように制御することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、駆動回路は、始動モードにおいて駆動周波数を予め設定された初期の周波数から周波数設定モードで設定された周波数まで変動させた後に当該周波数を所定期間固定するように制御し、当該一連の制御を少なくとも１回繰り返すことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項２の発明において、駆動回路は、始動モードにおいて駆動周波数を予め設定された初期の周波数から周波数設定モードで設定された周波数まで変動させた後に再度初期の周波数まで変動させるように制御し、当該一連の制御を少なくとも１回繰り返すことを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１乃至４の何れか１項に記載の放電灯点灯装置と、放電灯点灯装置を収納する器具本体とを備えたことを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１乃至４の何れか１項に記載の放電灯点灯装置を搭載したことを特徴とする。

請求項１，２の発明によれば、降圧回路の出力電圧を下げた状態で周波数設定モードにおいて共振回路の遅相領域における共振周波数近傍に駆動周波数を設定できるので、従来例のように高周波電圧が低い状態で放電灯が点灯することがなく、したがって駆動周波数が共振回路の進相領域まで変動して共振回路が進相領域で動作してしまうのを防ぐことができる。

請求項３の発明によれば、放電灯に始動可能な大きさの高周波電圧を印加する最適な時間を任意に設定することができ、したがって共振回路及び極性反転回路を構成する素子への電気的及び熱的ストレスを低減することができる。

請求項４の発明によれば、放電灯を始動可能な大きさの高周波電圧を確保するとともに、共振回路を構成する素子への電気的及び熱的ストレスを低減することができる。

請求項５の発明によれば、請求項１乃至４の何れか１項の効果を奏する照明器具を実現することができる。

請求項６の発明によれば、請求項１乃至４の何れか１項の効果を奏するプロジェクタを実現することができる。

（実施形態１）
以下、本発明に係る放電灯点灯装置の実施形態１について図面を用いて説明する。但し、本実施形態の基本的な構成は従来例と共通であるので、共通する部位には同一の番号を付して説明を省略するものとする。本実施形態の回路構成は、図１（ａ）に示すように従来例と基本的に同じであるが、駆動回路３及び降圧制御回路４における制御に特徴がある。

駆動回路３は、共振回路２０の遅相領域における共振周波数近傍に駆動周波数を設定する周波数設定モードと、周波数設定モードで設定された周波数まで駆動周波数を変動させて放電灯Ｌａが始動可能な大きさの高周波電圧を放電灯Ｌａに印加する始動モードとを有する。また、降圧制御回路４は、周波数設定モードにおいて放電灯Ｌａが始動できない程度に降圧回路１の出力電圧を下げるように降圧回路１を制御する。尚、本実施形態では降圧回路１の後段に抵抗Ｒ６，Ｒ７の直列回路から成る分圧回路が設けられており、抵抗Ｒ６，Ｒ７の接続点から降圧回路１の出力電圧の分圧を降圧制御回路４に与えることで、降圧回路１の出力電圧が所定電圧となるように制御している。

図２に示すように、共振回路２０の共振周波数はインダクタＬ２及びコンデンサＣ２のインダクタンス、キャパシタンスのバラツキによって図中ア〜ウのように変動する。ここで、高周波電圧が遅相領域における所定電圧に達するとスイープ制御を停止するようにすれば、ア〜ウの何れの場合においても遅相領域のみで共振回路２０を動作させることができる。

しかしながら、上記従来例でも説明したように、高周波電圧が低い状態で放電灯Ｌａが点灯した場合には、高周波電圧が所定電圧に達さないことからスイープ制御を停止させることができず、共振回路２０を進相領域で動作させてしまう虞がある。そこで、本実施形態では始動モードの前に周波数設定モードを設けることで上記問題点を解決している。

以下、本実施形態の動作について図面を用いて説明する。周波数設定モードでは、図１（ｂ）に示すように降圧回路１の出力電圧を低下させた状態で駆動周波数のスイープ制御を行う（本実施形態では、通常時の出力電圧２００Ｖの十分の一である２０Ｖまで低下させている）。駆動回路３は、駆動周波数を予め設定された初期の周波数（本実施形態では１２０ｋＨｚ）から共振回路２０の共振周波数（本実施形態では１００ｋＨｚ）近傍まで漸増させ、高周波電圧が所定電圧（本実施形態では３００Ｖ）に達するとスイープ制御を停止するとともに、当該時点における駆動周波数（本実施形態では１０５ｋＨｚ）を始動モードにおいてスイープ制御を停止する駆動周波数として設定する。ここで、周波数設定モードでは降圧回路１の出力電圧を低下させていることから、始動モードであれば３０００Ｖまで達する高周波電圧が３００Ｖまでしか達しないため、放電灯Ｌａが点灯することはない。周波数設定モードで駆動周波数を設定すると駆動回路３は始動モードに移行し、同時に降圧制御回路４は降圧回路１の出力電圧を通常時の出力電圧に戻すよう制御する。

尚、本実施形態では、周波数設定モードにおける高周波電圧と始動モードにおける高周波電圧との間の差が大きいので、電圧検出回路５において抵抗Ｒ４と並列に抵抗Ｒ５、ｎｐｎ型トランジスタＴｒの直列回路を設けている。而して、周波数設定モードにおいてはトランジスタＴｒをオンにすることで分圧比を大きくするとともに、始動モードにおいてはトランジスタＴｒをオフにすることで分圧比を小さくすることで、電圧検出回路５の検出精度を向上させている。

上述のように、共振回路２０の遅相領域における共振周波数近傍に駆動周波数を周波数設定モードで設定した後に始動モードに移行することで、放電灯Ｌａの点灯・不点灯に依らずスイープ制御を予め設定した駆動周波数で停止することができるので、駆動周波数が共振回路２０の進相領域まで変動して共振回路２０が進相領域で動作してしまうのを防ぐことができる。

尚、図１（ｂ）に示す例では始動モードにおいて放電灯Ｌａを始動可能な大きさの高周波電圧を印加し続けているが、例えば図３（ａ）に示すように、駆動周波数を予め設定された初期の周波数から周波数設定モードで設定された周波数まで変動させた後に、再度初期の周波数から周波数設定モードで設定された周波数まで変動させるという一連の制御を繰り返すようにしても構わない。また、図３（ｂ）に示すように、駆動周波数を予め設定された初期の周波数から周波数設定モードで設定された周波数まで変動させた後に当該周波数を所定期間固定するように制御し、当該一連の制御を繰り返すようにしても構わない。この場合、放電灯Ｌａに始動可能な大きさの高周波電圧を印加する最適な時間を任意に設定することができ、したがって共振回路２０及び極性反転回路２を構成する素子への電気的及び熱的ストレスを低減することができる。また、図３（ｃ）に示すように、駆動周波数を予め設定された初期の周波数から周波数設定モードで設定された周波数まで変動させた後に再度初期の周波数まで変動させるように制御し、当該一連の制御を繰り返すようにしても構わない。この場合、放電灯Ｌａを始動可能な大きさの高周波電圧を確保するとともに、共振回路２０を構成する素子への電気的及び熱的ストレスを低減することができる。

（実施形態２）
以下、本発明に係る放電灯点灯装置の実施形態２について図面を用いて説明する。但し、本実施形態の基本的な構成は実施形態１と共通であるので、共通する部位には同一の番号を付して説明を省略するものとする。本実施形態は、図４に示すように、直流電源ＤＣの代わりに交流電源ＡＣ、フィルタ回路６、整流回路ＤＢ、昇圧回路７、昇圧制御回路８を設けている。

フィルタ回路６は、交流電源ＡＣからの交流電圧のノイズを除去するためのもので、コンデンサＣ６，Ｃ７、及びラインフィルタＬＦから成る。整流回路ＤＢはダイオードブリッジから成り、交流電源ＡＣからの交流電圧を整流して脈流電圧を出力する。昇圧回路７は、コンデンサＣ８，Ｃ９、インダクタＬ３、ダイオードＤ４、スイッチング素子Ｑ６から成り、スイッチング素子Ｑ６のオン／オフを切り替えることで整流回路ＤＢからの脈流電圧を昇圧し、昇圧された脈流電圧をコンデンサＣ９で平滑化して所望の直流電圧をコンデンサＣ９の両端間に出力する。また、スイッチング素子Ｑ６には、スイッチング素子Ｑ６を流れる電流を検出する検出抵抗Ｒｂが直列に接続されている。昇圧制御回路８は、マイコンから成り、スイッチング素子Ｑ６をスイッチングさせる駆動信号をスイッチング素子Ｑ６に与える。そして、検出抵抗Ｒｂで検出された電流に応じて駆動信号の周波数を変化させることで、昇圧回路７の出力電圧が所定電圧となるように制御する。尚、上記各回路は周知であるので、ここでは詳細な説明を省略するものとする。

本実施形態においても、実施形態１と同様の効果を奏することができる。尚、上記各実施形態は、放電灯点灯装置を収納する器具本体を備えた照明器具やプロジェクタに用いることができ、上記と同様の効果を奏することができる。

本発明に係る放電灯点灯装置の実施形態１を示す図で、（ａ）は回路図で、（ｂ）は高周波電圧、駆動周波数、降圧回路の出力電圧の各波形図である。 同上の共振周波数のバラツキを示す波形図である。 （ａ）〜（ｃ）は同上の始動モードにおける他の動作例を示す図である。 本発明に係る放電灯点灯装置の実施形態２を示す回路図である。 従来の放電灯点灯装置を示す図で、（ａ）は回路図で、（ｂ）は始動時の高周波電圧、駆動周波数、降圧回路の出力電圧の各波形図で、（ｃ）は低電圧で始動した場合の高周波電圧、駆動周波数、降圧回路の出力電圧の各波形図である。

符号の説明

１ 降圧回路
２ 極性反転回路
２０ 共振回路
３ 駆動回路
４ 降圧制御回路
５ 電圧検出回路
ＤＣ 直流電源
Ｌａ 放電灯
Ｑ２〜Ｑ５ スイッチング素子

Claims (6)

1. 直流電源からの直流電圧を降圧して出力する降圧回路と、高周波でスイッチングされる１乃至複数のスイッチング素子を具備し降圧回路からの出力電圧の極性を周期的に反転させて高周波電圧を出力する極性反転回路と、極性反転回路からの高周波電圧が印加されて共振作用によって放電灯を点灯させる共振回路と、降圧回路の出力電圧を制御する降圧制御回路と、極性反転回路のスイッチング素子をスイッチングさせる駆動信号をスイッチング素子に与えるとともに駆動信号の駆動周波数を変動させることで高周波電圧を制御する駆動回路とを備え、駆動回路は、共振回路の遅相領域における共振周波数近傍に駆動周波数を設定する周波数設定モードと、周波数設定モードで設定された周波数まで駆動周波数を変動させて放電灯が始動可能な大きさの高周波電圧を放電灯に印加する始動モードとを有し、降圧制御回路は、周波数設定モードにおいて放電灯が始動できない程度に降圧回路の出力電圧を下げるように降圧回路を制御することを特徴とする放電灯点灯装置。
2. 前記高周波電圧を検出する電圧検出回路を備え、駆動回路は、周波数設定モードにおいて電圧検出回路で検出された高周波電圧が所定電圧に達するまで駆動周波数を変動させるとともに、所定電圧に達すると駆動周波数を固定するように制御することを特徴とする請求項１記載の放電灯点灯装置。
3. 前記駆動回路は、始動モードにおいて駆動周波数を予め設定された初期の周波数から周波数設定モードで設定された周波数まで変動させた後に当該周波数を所定期間固定するように制御し、当該一連の制御を少なくとも１回繰り返すことを特徴とする請求項２記載の放電灯点灯装置。
4. 前記駆動回路は、始動モードにおいて駆動周波数を予め設定された初期の周波数から周波数設定モードで設定された周波数まで変動させた後に再度初期の周波数まで変動させるように制御し、当該一連の制御を少なくとも１回繰り返すことを特徴とする請求項２記載の放電灯点灯装置。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の放電灯点灯装置と、放電灯点灯装置を収納する器具本体とを備えたことを特徴とする照明器具。
6. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の放電灯点灯装置を搭載したことを特徴とするプロジェクタ。

Images