JP5187545B2 - 高圧放電灯点灯装置 - Google Patents

Description

本発明はプロジェクタ用光源に用いられる高圧放電灯を点灯させるための高圧放電灯点灯装置の始動動作に関するものである。

近年、高圧放電灯点灯装置の電子化による小型、軽量化が進み図２に示すような降圧チョッパ回路とフルブリッジ回路、およびイグナイタ回路の組合せにより高圧放電灯を高周波始動させ、その後、低周波の矩形波で安定に点灯させる高圧放電灯点灯装置がプロジェクタに用いられている（例えば、特願２００５−２９４８７４号）。

図２を構成する従来回路の動作を説明すると、直流電源１０を受けて動作する降圧チョッパ回路２０を構成するＰＷＭ制御回路２８の制御方式は、抵抗２７によりランプ電流に比例したランプ電流信号を、抵抗２６によりランプ電圧に比例したランプ電圧信号を検出し、ランプ電流信号とランプ電圧信号を乗算器もしくはマイコン等で乗算した電圧信号を元にトランジスタ２１のデューティ比をＰＷＭ制御回路２８にて制御し、高圧放電灯５０を適正な電力にて点灯させるものである。

次に降圧チョッパ回路の制限された直流出力受けて動作するフルブリッジ回路３０の動作は、トランジスタ３１，３４とトランジスタ３２，３３がブリッジ制御回路３７にて交互に導通・非導通を繰り返すことにより、降圧チョッパ回路２０の直流出力を低周波の交流電流に変換し、高圧放電灯５０に供給するものである。

ここでトランジスタ３１，３２とトランジスタ３３，３４の中点に接続されたチョークコイル１３５とコンデンサ３６の直列回路は高圧放電灯始動時において、一定時間、通常の点灯周波数より高い周波数でトランジスタ３１，３４とトランジスタ３２，３３を交互に導通することになり、高圧放電灯始動前はその高い周波数によりチョークコイル１３５とコンデンサ３６が電圧共振し、チョークコイル１３５のインダクタンスとコンデンサ３６の容量で決まる正弦波の周波数の高い共振電圧がチョークコイル１３５およびコンデンサ３６端に発生し、コンデンサ３６に並列に接続されている高圧放電灯５０端にも、その高周波の共振電圧が印加される。

高圧放電灯５０が始動した直後においても通常の周波数より高い高周波にてブリッジ回路を動作させることにより、降圧チョッパ回路２０に加え、チョークコイル１３５も限流素子となり、制限された電流にて高圧放電灯５０は高周波点灯を開始する。そして、一定時間経過後に高周波点灯から低周波の矩形波点灯に移行することにより高圧放電灯５０は安定した点灯を維持することができる。
また、この時チョークコイル１３５とコンデンサ３６は高圧放電灯５０に流れる、チョッパ回路のスイッチング動作により発生するリップル電流を低減させるためのフィルタ回路の役割も担っている。

始動動作の説明に戻ると、高圧放電灯を始動させるためのイグナイタ回路１４０の動作は、先に説明したブリッジ制御回路３７によりブリッジ回路が高周波動作をするとコンデンサ３６端に発生する高周波の正弦波電圧を受け、チョークコイル１３５とコンデンサ３６の接続点側がプラス電位のときにダイオード１４１、抵抗１４２、コンデンサ１４３の向きに電流が流れコンデンサ１４３が充電される。
高周波の正弦波電圧の極性が反転し、チョークコイル１３５とコンデンサ３６の接続点がマイナス電位のときはコンデンサ１４６、抵抗１４５、ダイオード１４４の向きに電流が流れコンデンサ１４６が充電される。

上記動作を繰り返すことにより、コンデンサ１４３とコンデンサ１４６の直列回路端の電位は徐々に上昇し、この電位が一定電圧（例えば８００Ｖ）に達するとブレークダウンする特性の放電ギャップ１４７のブレークダウン電圧に達すると、コンデンサ１４３、１４６の直列回路より放電ギャップ１４７、パルストランス１４８の一次巻線に電流が流れパルストランス１４８の一次巻線には例えば８００Ｖに充電されたコンデンサ１４３、１４６の電圧が印加される。

ところで、上記の構成は３．５ｋＶ程度のパルスを発生させるものであるが、それ以前は８ｋＶ程度のパルス電圧で高圧放電灯を始動させていた。そのため、ランプソケットや点灯回路における導体部分の配置について十分な絶縁距離を確保する必要があり装置が大型化する傾向があった。近年プロジェクタの小型化が進むにつれ、装置内の絶縁距離を小さくする必要上、高圧放電灯の始動性を改善することによってこのパルス電圧を低くする要求があり、３．５ｋＶ程度で始動する高圧放電灯が開発された。

そこで、比較的に低い３．５ｋＶのパルス電圧を得ようとした場合、例えば上記パルストランス１４８の一次巻線：二次巻線の巻数を４ターン：２０ターン（５倍の昇圧比）に設定すると、パルストランス１４８の二次巻線は、一次巻線に印加される５倍弱の電圧（図４：３．５ｋＶ）が発生し、その電圧はコンデンサ３６を介して高圧放電灯５０に印加されるため高圧放電灯５０がブレークダウンし点灯に至る。

ところで、高圧放電灯を始動させるためのパルス電圧を低くした場合、これまでは高圧放電灯が始動するに当り十分なマージンをもったパルス電圧にて高圧放電灯点灯装置が設計されていたが、絶縁距離を小さくするためにはこのマージンも小さくすることが望ましい。しかし、このマージンが少なくなることにより、高圧放電灯が始動するまで時間がかかる場合が発生することや、高圧放電灯の寿命末期に始動性が悪化する問題がおきてしまう恐れがある。

そのため、マージンの小さい低くしたパルス電圧でも高圧放電灯の始動性を確保するため、パルス電圧の高さを変えないでパルス電圧の周波数を下げて幅のあるエネルギーの大きいパルス電圧を高圧放電灯に印加させる方法がある。
パルス電圧の周波数を下げるには、パルストランス１４８の一次巻線に電流を供給するコンデンサ１４３，１４６の容量を大きくする方法とパルストランスの一次巻線のインダクタンス値を大きくする方法が考えられる。

コンデンサ１４３及び１４６の容量を大きくするとコンデンサ容量とトランス１４８の一次巻線のインダクタンス値で決まる共振周波数が下がるため、パルス電圧の周波数も低くなるが、パルストランスの磁束密度は高まり飽和してしまう方向であるため、コンデンサ容量の増大に伴いパルストランスをより大型にする必要がある。

また、パルストランスの一次巻線のインダクタンス値を大きくする場合、パルストランスのコアの結合を調整するギャップを小さくする方法と、パルストランスの一次巻線の巻数を増やす方法が考えられる。

ギャップを小さくした場合、コンデンサの容量を大きくした場合と同様にパルストランスは飽和してしまう方向であるためパルストランスをより大型にする必要がある。

また、パルストランスの一次巻線の巻数を増やして、一次巻線のインダクタンス値を大きくした場合、磁束密度的には安全方向であるが、一次巻線の増加率と同じ比率で二次巻線数も増やさないと発生するパルス電圧が低下してしまう。
そのため、二次巻線を増やすことによりトランスの大型化、及び二次巻線のインダクタンス値増加により、矩形波点灯時におけるランプ電流の極性切換り時に発生するトランスの騒音が大きくなってしまう問題がある。

本発明は上記高圧放電灯点灯装置における問題点を鑑みなされたもので、トランスの大型化およびトランスからの騒音の増大を抑制しつつ、高圧放電灯の始動性を確保したパルス電圧を発生する高圧放電灯点灯装置を供給することを目的とする。

上記問題点を解決するため、本発明は共振電圧が発生するブリッジ回路３０のインダクタとしてトランスを用い、その一次巻線を共振回路側に接続し、一次巻線より巻数の多い二次巻線の出力を平滑・整流した電圧端に必要とするパルス電圧値と同じ（または若干低い）ブレークダウン電圧の放電ギャップと従来例のパルストランスの二次巻線に相当するチョークコイルの直列回路を接続し、かつそのチョークコイルを高圧放電灯５０と直列に接続させるものである。

本発明の第１の側面は、直流電源部と、直流電源部の出力を受け高圧放電灯へ供給される電力を制限する降圧チョッパ回路と、降圧チョッパ回路の制限された直流出力を高周波、または低周波の矩形波に変換し高圧放電灯に供給するフルブリッジ回路と、高圧放電灯を始動させるためのイグナイタ回路からなる高圧放電灯点灯装置において、高圧放電灯が放電を開始する前に動作するトランスとコンデンサによる電圧共振回路を設け、トランスの二次巻線に発生する電圧を平滑・整流した電圧源に放電ギャップとチョークコイルが直列に接続され、かつチョークコイルが高圧放電灯と直列に接続された高圧放電灯点灯装置である。

本発明の第２の側面は、直流電源部、直流電源部の出力を受け高圧放電灯へ供給される電力を制限する降圧チョッパ回路、降圧チョッパ回路の制限された直流出力を高周波または低周波の矩形波に変換し高圧放電灯に供給するフルブリッジ回路、及び高圧放電灯を始動させるためのイグナイタ回路からなる高圧放電灯点灯装置において、イグナイタ回路が、高圧放電灯に直列接続されたチョークコイル、第１のコンデンサと放電ギャップが直接接続され、チョークコイルに並列接続された放電回路、及び第１のコンデンサを充電するための昇圧回路からなる高圧放電灯点灯装置である。
ここで、昇圧回路がフルブリッジ回路に設けられたトランスと第２のコンデンサによる電圧共振回路からなり、トランスの１次巻線が第２のコンデンサに接続され、トランスの２次巻線に発生した電圧により第１のコンデンサが充電される構成とした。

本発明の第３の側面は、上記第１又は第２の側面の高圧放電灯点灯装置、高圧放電灯、高圧放電灯が取り付けられるレフレクタ、及び少なくとも該高圧放電灯点灯装置を内包する筐体を備えた光源装置である。

本発明の高圧放電灯点灯装置によれば、共振電圧が発生するブリッジ回路３０のインダクタとしてトランスを用い、その一次巻線を共振回路側に接続し、一次巻線より巻数の多い二次巻線の出力を平滑・整流した電圧端に必要とするパルス電圧値と同じブレークダウン電圧の放電ギャップと従来例のパルストランスの二次巻線に相当するチョークコイルの直列回路を接続し、かつチョークコイルを高圧放電灯５０と直列に接続に接続し、放電ギャップをブレークダウンさせることにより、同じピークのパルス電圧でも減衰が小さく、パルストランスを大きくせず、かつ、パルストランスからの騒音も大きくしないで、幅の広いパルス電圧を供給することにより始動性の良い高圧放電灯点灯装置が供給可能となる。

次に、実施の形態について説明する。
図１は本発明に係る高圧放電灯点灯装置の実施の形態を示す回路構成図で、図２に示した従来例のものと同一または対応する部材については、同一の番号を付して、その説明を省略する。
本発明に係る高圧放電灯点灯装置において従来例と異なる点は、従来回路の共振チョークコイル１３５の代わりにトランス３５を設け、その一次巻線数をコンデンサ３６に接続し、一次巻線より巻数の多い二次巻線の出力をダイオード４１にて整流し、コンデンサ４２にて平滑した電圧端に必要とするパルス電圧値（例えば３．５ｋＶ）と同じ（または若干低い）ブレークダウン電圧の放電ギャップ４３とチョークコイル４８（従来回路のパルストランス１４８と同じ巻数、同じインダクタンス）の直列回路を接続したところである。

図１におけるイグナイタ回路４０の動作は、先に説明したブリッジ制御回路３７によりブリッジ回路が高周波動作をすると従来例と同様にトランス３５の一次巻線のインダクタンスとコンデンサ３６の容量で決まる正弦波の周波数の高い共振電圧がトランス３５の一次巻線およびコンデンサ３６端に発生し、コンデンサ３６に並列に接続されている高圧放電灯５０端にも、その高周波の共振電圧が印加される。

またトランス３５の一次巻線より巻数の多い二次巻線にも、その昇圧比に応じた電圧が発生し、ダイオード４１、コンデンサ４２、抵抗４９と電流が流れコンデンサ４２が充電されていく。

コンデンサ４２の電位が放電ギャップ４３のブレークダウン電圧（例えば３ｋＶ）に達すると、コンデンサ４２より放電ギャップ４３、チョークコイル４８に電流が流れチョークコイルには例えば３ｋＶに充電されたコンデンサ４２の電圧とそれに振動電圧が重畳した電圧（図３：３．５ｋＶ）が発生し高圧放電灯に印加される。

本発明の図１の回路によるパルス電圧波形を図３に、従来例の図２の回路によるパルス電圧波形を図４に示す。測定における回路定数及びグラフの目盛り等は以下の通りである。
＜図１＞
チョークコイル４８：２５μＨ（２０ターン）
コンデンサ４２：０.００３μＦ
共振周波数：５８０ｋＨｚ（＝１／｛２π（２５μ×０.００３μ）^１／２｝）
放電ギャップ４３のブレークダウン電圧：３０００Ｖ
＜図２＞
トランス１４８：１次側１μＨ（４ターン）、２次側２５μＨ（２０ターン）
コンデンサ１４３と１４６の合成容量：０.０７５μＦ
共振周波数：５８０ｋＨｚ
放電ギャップ１４７のブレークダウン電圧：８００Ｖ
＜図３（Ａ）及び図４（Ａ）＞
上段：高圧放電灯５０両端にかかるパルス電圧、２ｋＶ／div
下段：各放電ギャップの電流、１００Ａ／div
時間軸：１μsec／div
＜図３（Ｂ）及び図４（Ｂ）＞
上段：高圧放電灯５０両端にかかるパルス電圧、２ｋＶ／div
下段：各放電ギャップの電流、１００Ａ／div
時間軸：４００ｎsec／div

この図からも明らかなように、本発明におけるイグナイタ回路の方が、放電ギャップを含むループにおいて、チョークコイルのインダクタンスが大きく、コンデンサの容量が小さく、従ってループインピーダンスが大きいので、同じピーク電圧（約３．５ｋＶ）でもギャップに流れる電流が小さくなるため、エネルギー損失が低減することにより、パルス電圧の減衰が少ない。これにより、図３（Ａ）及び図４（Ａ）を拡大した図３（Ｂ）及び図４（Ｂ）からも分かるように、ランプ始動性に影響が大きい最初の半サイクルの開始部分（図中の丸破線部）のパルス幅も広いものが得られる。
このときのランプに直列に接続されるインダクタンスは同じ値であるため、ランプ点灯時の騒音が増大することはない。

また、従来例のパルストランス１４８の一次、二次巻線の巻数は４ターン：２０ターン、インダクタンスは１μＨ：２５μＨ（本発明のチョークコイル４８は従来例のパルストランス１４８の二次巻線と同じ仕様で２０ターン、２５μＨ）であり、従来例のギャップ電圧が８００Ｖであるから、１ターン当たりの電圧は８００Ｖ／４ターン＝２００Ｖである。一方、本発明のギャップ電圧は３０００Ｖであるから、１ターン当たりの電圧は３０００Ｖ／２０ターン＝１５０Ｖとなり、同じ５８０ｋＨｚの周波数でも本発明の方がトランス（チョークコイル４８）の磁束密度が７５％の値となり余裕がある。
従って同じ磁束密度で使用する場合、更に共振周波数を低くすることが可能となり、より幅の広いパルス電圧を得ることができる。

ここで、コンデンサ容量を増やすことで共振周波数を下げれば、ランプに直列に接続されるインダクタンスは、同じ値であるため、ランプ点灯時の騒音が増大することはない。
図５（Ａ）及びその拡大図５（Ｂ）は、コンデンサ４２の容量を図３の場合の２倍の０．００６μＦ、チョークコイル４８のインダクタンスを２５μH、その共振周波数を約４１０ｋＨｚとし、従来例の磁束密度に近い値まで周波数を下げたときのパルス電圧波形であり、更に始動性を改善したものである。なお、目盛りは図３（Ａ）及び（Ｂ）と同じである。

以上のように、本実施の形態における高圧放電灯点灯装置は、共振電圧が発生するブリッジ回路３０のインダクタとしてトランス３５を用い、その一次巻線より巻数の多い二次巻線を設け、その出力を平滑・整流した電圧端に必要とするパルス電圧値と同じブレークダウン電圧の放電ギャップと従来例のパルストランスの二次巻線に相当するチョークコイル４８の直列回路を接続し、かつチョークコイル４８を高圧放電灯５０と直列に接続させてパルス電圧を高圧放電灯に印加することにより、始動性が改善できる減衰し難いパルス電圧、更には幅を広くして始動性を改善できるパルス電圧を供給することが可能である。また、図２の従来回路に対して部品点数も減少する。

なお、図１の実施例においては最も好適なものを示したが、図６に示すように適当な絶縁型の昇圧回路４４を用いてコンデンサ４２を充電する構成としてもよい。具体的には、スイッチング部４５、トランス４６、ダイオード４１及びコンデンサ４２を含めた構成でフライバック型、フォワード型等の一般的な昇圧コンバータを構成すればよい。なお、昇圧回路４４はコンデンサ４２の充電さえできればよいので電流容量は小さくてよい。
このようにフルブリッジ回路の動作とは独立してコンデンサ４２を充電してパルス電圧を発生させることができるので、パルスの間隔やタイミングを所望の態様で制御できる。

上記実施例では、構成部品を大型化せずにかつ騒音を抑制しつつも始動性を改善した高圧放電灯点灯装置を示したが、それを用いたアプリケーションとしての光源装置を図７に示す。
図７において、６１は上記で説明した各実施例の高圧放電灯点灯装置、６２は高圧放電灯５０が取り付けられるレフレクタ、６３は高圧放電灯点灯装置６１、高圧放電灯５０及びレフレクタ６２を内蔵する筐体である。なお、図は実施例を模擬的に図示したものであり、寸法、配置などは図面通りではない。そして、図示されない映像系の部材等を筐体６３内に適宜配置してプロジェクタが構成される。

上記より、構成部品を大型化せずにかつ騒音を抑制しつつも始動性を改善した高圧放電灯点灯装置を内蔵したので、プロジェクタの小型化を視野に入れつつ信頼性の高いプロジェクタを得ることができる。

本発明に係る高圧放電灯点灯装置の実施の形態を示す回路構成図。 従来の高圧放電灯点灯装置を示す回路構成図。 本発明における改善されたパルス電圧波形を示す図。 従来例におけるパルス電圧波形を示す図。 本発明における更に改善されたパルス電圧波形を示す図。 本発明の変形例を示す図。 本発明の光源装置を示す図。

符号の説明

１０：直流電源
２０：降圧チョッパ回路
３０：フルブリッジ回路
３１、３２、３３、３４：トランジスタ
３５：トランス
３６：コンデンサ
３７：ブリッジ制御回路
４０：イグナイタ回路
４１：ダイオード
４２：コンデンサ
４３：放電ギャップ
４４：昇圧回路
４５：スイッチング部
４６：トランス
４８：チョークコイル
４９：抵抗
５０：高圧放電灯
６１：高圧放電灯点灯装置
６２：レフレクタ
６３：筐体

Claims (3)

1. 直流電源部と、該直流電源部の出力を受け高圧放電灯へ供給される電力を制限する降圧チョッパ回路と、該降圧チョッパ回路の制限された直流出力を高周波または低周波の矩形波に変換し該高圧放電灯に供給するフルブリッジ回路と、該高圧放電灯を始動させるためのイグナイタ回路からなる高圧放電灯点灯装置において、
   前記高圧放電灯が放電を開始する前に動作するトランスとコンデンサによる電圧共振回路を設け、前記トランスの二次巻線に発生する電圧を平滑・整流した電圧源に放電ギャップとチョークコイルが直列に接続され、かつ前記チョークコイルが前記高圧放電灯と直列に接続されたことを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
   
2. 直流電源部、該直流電源部の出力を受け高圧放電灯へ供給される電力を制限する降圧チョッパ回路、該降圧チョッパ回路の制限された直流出力を高周波または低周波の矩形波に変換し該高圧放電灯に供給するフルブリッジ回路、及び該高圧放電灯を始動させるためのイグナイタ回路からなる高圧放電灯点灯装置において、
   前記イグナイタ回路が、
   前記高圧放電灯に直列接続されたチョークコイル、
   第１のコンデンサと放電ギャップが直接接続され、該チョークコイルに並列接続された放電回路、及び
   該第１のコンデンサを充電するための昇圧回路
   からなり、
   前記昇圧回路が前記フルブリッジ回路に設けられたトランスと第２のコンデンサによる電圧共振回路からなり、該トランスの１次巻線が該第２のコンデンサに接続され、該トランスの２次巻線に発生した電圧により前記第１のコンデンサが充電される高圧放電灯点灯装置。
   
3. 請求項１又は２に記載の高圧放電灯点灯装置、高圧放電灯、該高圧放電灯が取り付けられるレフレクタ、及び少なくとも該高圧放電灯点灯装置を内包する筐体を備えた光源装置。

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