JP5321411B2

JP5321411B2 - 高圧放電灯点灯装置及び光源装置

Info

Publication number: JP5321411B2
Application number: JP2009247383A
Authority: JP
Inventors: 祐哉山崎; 徹永瀬; 信一鈴木; 嘉昭駒津
Original assignee: Iwasaki Denki KK
Current assignee: Iwasaki Denki KK
Priority date: 2009-10-28
Filing date: 2009-10-28
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2029-10-28
Also published as: JP2011096427A

Description

本発明は高圧放電灯を点灯させるための高圧放電灯点灯装置の改良、特に高圧放電灯のための始動回路の改良に関する。

図７に従来の高圧放電灯点灯装置の回路構成図を示す。高圧放電灯点灯装置（以下、「点灯装置」という）は直流電源部２０、フルブリッジ回路３０及びイグナイタ回路７０からなる（例えば、特許文献１の図４）。
フルブリッジ回路３０では、トランジスタ３１及び３４とトランジスタ３２及び３３とがブリッジ制御回路３７によって所定の周波数で交互にオン・オフを繰り返すように制御され、これにより直流電源部２０からの直流出力が交流矩形波出力に変換されて高圧放電灯５０（以下、「ランプ」という）に供給される。以下、ランプ始動時の動作に特化して構成及び動作を説明する。

イグナイタ回路７０では、まず、フルブリッジ回路３０の交流出力電圧が、ダイオード７１及び７４、抵抗７２及び７５並びにコンデンサ７３及び７６で構成された倍電圧回路によって２倍に増幅される。即ち、直流電源部２０の出力電圧をＶ１、トランジスタ３３と３４との接続点の電位を０とした場合に、トランジスタ３１及び３４がオン、トランジスタ３２及び３３がオフのときには、フルブリッジ回路３０の出力がダイオード７１を介してコンデンサ７３に充電され、一方、トランジスタ３１及び３４がオフ、トランジスタ３２及び３３がオンのときには、フルブリッジ回路３０の出力がダイオード７４を介してコンデンサ７６に充電される。結果として、コンデンサ７３に＋Ｖ１、コンデンサ７６に−Ｖ１が蓄えられ、この電位差２×Ｖ１が放電ギャップ７７の特性値Ｖｓを超えることにより放電ギャップ７７がブレークダウンして導通する。このＶｓがパルストランス７８の１次巻線に印加され、２次巻線側で増幅された高電圧パルスがフルブリッジ回路３０の出力電圧に重畳されてランプ５０に印加される。

これにより、フルブリッジ回路３０の出力電圧（即ち、直流電源部２０の出力電圧）の数十倍のパルス電圧をランプ５０に印加することができる。

また、ランプ５０について、最近では図２に示すように、ランプの始動性を高めるためにランプ５０に補助導体であるトリガー線５１を設けたものが普及している。トリガー線５１の一端は電極Ａに電気的に接続され、他端は電極Ｂの周囲に巻き付けられる。電極Ａが正極性、電極Ｂが負極性となった場合、正電極となっているトリガー線５１によって電極Ｂからの電子の放出が誘発される作用により始動性が向上する。

特開２００６−３０２５５０号公報

ところで、図２のようなトリガー線５１を有するランプにおいては、電子は負の電荷であるため電極Ａを正電極、電極Ｂを負電極としてパルス電圧を印加することが想定されている。
一方、図７に示すような点灯装置では、特定の極性でパルス電圧を出力することを想定していない。即ち、トランジスタ３１及び３４がオンの状態で放電ギャップ７７が導通した場合には電極Ａが正電極の状態でパルスが印加されることになり、電極Ｂから見た電極Ａの電圧ＶＬは図３（ａ）に示すように正側に大きいパルス電圧が得られる。一方、トランジスタ３２及び３３がオンの状態で放電ギャップ７７が導通した場合には電極Ａが負電極となった状態でパルスが印加され、電圧ＶＬは図３（ｃ）に示すように矩形波の負側サイクルに対して正側に大きいパルス電圧が重畳される。なお、説明の便宜上、図３（ａ）ではパルスを直線で描いているが、パルス部を拡大すると図３（ｂ）に示すような減衰波形となっている。

このように、図３（ａ）の場合にトリガー線５１は有効に作用するが、図３（ａ）のようになる確率はフルブリッジ回路３０の開始動作並びにコンデンサ７３及び７６の充電状態に依存して約５０％となる。
従って、トリガー線５１を有するランプ５０を始動させる場合、確実に図３（ａ）のような固定の極性でパルス電圧を印加する構成が必要となる。

ここで、放電ギャップ７７の代わりに半導体スイッチング素子を用いて、所望のタイミングで半導体スイッチング素子をオンする構成を採用すれば、特定のタイミング（極性）でパルスを重畳することができる。しかし、半導体スイッチング素子は非導通状態から導通状態に遷移する間に抵抗値が時間とともに減少していくため、この抵抗成分によって（特に導通開始の高抵抗時に）コンデンサ７３及び７６の放電電流が消費されてしまい、トランス７８の１次巻線に充分な電圧を発生させることができなくなってしまう。また、半導体スイッチング素子を制御する制御回路が必要となるために部品点数の増加及びコストアップにつながり、好ましくない。

そこで、本発明は、高圧放電灯点灯装置のイグナイタ回路において、半導体スイッチング素子を用いずに、交流出力回路（例えば、フルフルブリッジ回路）出力の２倍の電圧を利用して固定の極性のパルス電圧をランプに印加する構成を提供することを目的とする。

本発明の第１の側面は、高圧放電灯点灯装置であって、第１のライン（Ｌ１）及び第２のライン（Ｌ２）間に交流電圧を出力する交流出力回路（３０）、及び交流電圧にパルス電圧を重畳してホット側出力端（Ｔｈ）及び基準出力端（Ｔｃ）から高圧放電灯に印加するイグナイタ回路（４０）を備え、第２のラインが基準出力端に接続され、イグナイタ回路が、第２のラインに接続された第１のコンデンサ（４３）、第１のコンデンサと第１のラインの間に接続された第１の抵抗（４２）、第２のラインに接続された第２のコンデンサ（４６）、第２のコンデンサと第１のラインの間にカソードを第１のライン側にして接続されたダイオード（４４）、第１のコンデンサの第１の抵抗側の点（４３０）と第２のコンデンサのダイオード側の点（４６０）との間に接続された放電ギャップ（４７）、及び１次巻線が放電ギャップに直列接続され、２次巻線が第１のラインとホット側出力端の間に接続されたトランス（４８）を備えた高圧放電灯点灯装置である。

本発明の第２の側面は、高圧放電灯点灯装置であって、第１のライン（Ｌ１）及び第２のライン（Ｌ２）間に交流電圧を出力する交流出力回路（３０）、及び交流電圧にパルス電圧を重畳してホット側出力端（Ｔｈ）及び基準出力端（Ｔｃ）から高圧放電灯に印加するイグナイタ回路（４０）を備え、第２のラインが基準出力端に接続され、イグナイタ回路が、第１のラインに接続された第１のコンデンサ（４３）、第１のコンデンサと第２のラインの間に接続された第１の抵抗（４２）、第１のラインに接続された第２のコンデンサ（４６）、第２のコンデンサと第２のラインの間にカソードを第１のライン側にして接続されたダイオード（４４）、第１のコンデンサの第１の抵抗側の点（４３０）と第２のコンデンサのダイオード側の点（４６０）との間に接続された放電ギャップ（４７）、及び１次巻線が放電ギャップに直列接続され、２次巻線が第１のラインとホット側出力端の間に接続されたトランス（４８）を備えた高圧放電灯点灯装置である。

本発明の第３の側面は、上記の高圧放電灯点灯装置（６１）、ホット側出力端に接続される第１の電極（Ａ）及び基準出力端に接続される第２の電極（Ｂ）を有する高圧放電灯（５０）、高圧放電灯が取り付けられるリフレクタ（５５）、並びに高圧放電点灯装置及びリフレクタを内包する筐体（６２）を備えた光源装置であって、高圧放電灯が補助巻線（５１）を備え、補助巻線の一端が第１の電極に電気的に接続されるとともに他端が第２の電極の周囲に巻き付けられた光源装置である。

本発明の第１の実施例の高圧放電灯点灯装置を示す図である。高圧放電ランプの構成を説明する図である。イグナイタ回路の出力波形を説明する図である。イグナイタ回路の出力波形を説明する図である。イグナイタ回路の出力波形を説明する図である。本発明の変形例を説明する図である。本発明の第２の実施例の高圧放電灯点灯装置を示す図である。本発明の光源装置を示す図である。従来の高圧放電灯点灯装置を示す図である。

実施例１．
図１は本発明の第１の実施例の高圧放電灯点灯装置（以下、「点灯装置」という）を示す図である。点灯装置は直流電源部２０、直流電源部２０からの直流入力を交流出力に変換する交流出力回路としてのフルブリッジ回路３０、及びイグナイタ回路４０からなる。なお、直流電源部２０は点灯装置に含んでもよいし、点灯装置の外部から直流電力が供給される場合には点灯装置に含まなくてもよい。
なお、以降の説明を明瞭にするために、フルブリッジ回路３０の出力ラインについて、トランジスタ３１とトランジスタ３２の接続点が属する側をラインＬ１、トランジスタ３３とトランジスタ３４の接続点が属する側をラインＬ２とする。また、本実施例では、点灯装置の出力端について、ランプ５０の電極Ａが接続される側をホット側出力端Ｔｈ、電極Ｂが接続される側を基準（コールド側）出力端Ｔｃとする。本実施例では、ラインＬ２側に基準出力端Ｔｃが設けられている。

図１の点灯装置は、図７に示した従来例とはイグナイタ回路が異なる。イグナイタ回路４０は、ラインＬ２に接続されたコンデンサ４３、コンデンサ４３とラインＬ１の間に接続された抵抗４２、ラインＬ２に接続されたコンデンサ４６、コンデンサ４６とラインＬ１の間にカソードをラインＬ１側にして接続されたダイオード４４、コンデンサ４３の抵抗４２側の点４３０とコンデンサ４６のダイオード４４側の点４６０との間に接続された放電ギャップ４７、及び１次巻線が放電ギャップ４７に直列接続され、２次巻線がラインＬ１とホット側出力端Ｔｈの間に接続されたパルストランス４８を備える。また、後述するように、必要に応じて抵抗４５がコンデンサ４６に直列接続される。

Ｌ２を基準電位として、イグナイタ回路４０の動作を説明する。
最初にラインＬ１が高電位（＋Ｖ１）となった場合、ラインＬ１の電圧がコンデンサ４３に充電され、点４３０の電位が＋Ｖ１となる。一方、コンデンサ４６側には電流が流れず、点４６０の電位は０のままである。
次にラインＬ１が低電位（−Ｖ１）に反転すると、コンデンサ４３の電荷が放電され、点４３０の電位が−Ｖ１となる。一方、ラインＬ２からコンデンサ４６、抵抗４５及びダイオード４４を介してラインＬ１に電流が流れ、点４６０の電位が−Ｖ１となる。
次にラインＬ１が再び高電位（＋Ｖ１）に反転すると、ラインＬ１の電圧が再びコンデンサ４３に充電され、点４３０の電位が＋Ｖ１となる。一方、コンデンサ４６側には電流が流れず、点４６０の電位は−Ｖ１から変化しない。
ここで点４３０と点４６０の電位差が２×Ｖ１（＞放電ギャップ特性値Ｖｓ）となり、放電ギャップ４７がブレークダウンして導通する。

上記とは逆に、最初にラインＬ１が低電位（−Ｖ１）となった場合、ラインＬ２からコンデンサ４３及び４６を介してラインＬ１に流れる電流により、点４３０及び４６０の電位が−Ｖ１となる。
次にラインＬ１が高電位（＋Ｖ１）に反転すると、ラインＬ１の電圧がコンデンサ４３に充電され、点４３０の電位が＋Ｖ１となる。一方、コンデンサ４６側には電流が流れず、点４６０の電位は−Ｖ１から変化しない。
ここで点４３０と点４６０の電位差が２×Ｖ１となり、放電ギャップ４７がブレークダウンして導通する。

従って、フルブリッジ回路３０の出力ラインＬ１が高電位から開始しても低電位から開始しても、必ずラインＬ１が高電位の時に放電ギャップ４７が導通することになる。

放電ギャップ４７が導通すると、電流が点４３０からパルストランス４８の１次巻線を介して点４６０に流れる。この電流に応じてパルストランス４８の２次巻線側にはその巻数比に応じたパルス電圧が発生し、そのパルス電圧がラインＬ１の電圧（＋Ｖ１）に重畳される。これによって、電圧ＶＬとして、図３（ａ）に示す電圧波形が得られる。即ち、電極Ａ側が正電極の時にパルス電圧が重畳されることになる。

なお、パルストランス４８の１次巻線の電流の向きを考慮して２次巻線の巻方向を決めることが望ましい。即ち、パルス電圧が重畳される時のラインＬ１の電圧とパルス電圧の最初の半サイクルとが同じ極性となるように１次巻線と２次巻線の巻方向を決定することが望ましい。そのようにすることで、図３（ｂ）に示すように、パルス電圧のうちの最も高い最初の半サイクルが正側に重畳されることになる。この巻方向を逆にすると、２番目に高い２サイクル目が正側に重畳されることになる。なお、本実施例では１次巻線と２次巻線が逆極性となるように巻かれている。

なお、抵抗４２及び４５はコンデンサ４３への突入電流を抑制するとともに、コンデンサ４３の充電速度を調整するために接続される。また、抵抗４２はラインＬ１とコンデンサ４３との間のインピーダンスを高くして、コンデンサ４３の充放電動作がフルブリッジ回路３０の動作の影響を受けないようにしている。

また、パルス電圧が印加された後に、その矩形波の残余の期間（図３（ａ）のＨ）が長く継続することが望ましい。それにより、そのパルスよる絶縁破壊後のアーク成長を確実にすることができるからである。
従って、図４に示すように、始動時に限ってフルブリッジ回路３０の出力のラインＬ１側が高電位となる期間Ｔ＋をその逆の期間Ｔ−よりも長くして期間Ｈを長く確保するようにしてもよい。この場合でも、期間Ｔ−がコンデンサ４３及び４６の充電時間よりも長ければ、コンデンサ４３及び４６の充電電圧の変化は図３（ａ）の場合と同様になる。

このように、本発明によると、トリガー線を有するランプを始動させるイグナイタ回路において、少ない部品点数及び簡素な構成で、フルブリッジ回路３０の２倍の電圧を利用して図３（ａ）のような固定の極性のパルス電圧をランプに印加する構成を達成できる。

実施例２．
図５に本発明の第２の実施例を示す。第１の実施例とはイグナイタ回路が異なる。イグナイタ回路４０´は、ラインＬ１に接続されたコンデンサ４３、コンデンサ４３とラインＬ２の間に接続された抵抗４２、ラインＬ１に接続されたコンデンサ４６、コンデンサ４６とラインＬ２の間にカソードをラインＬ１側にして接続されたダイオード４４、コンデンサ４３の抵抗４２側の点４３０とコンデンサ４６のダイオード４４側の点４６０との間に接続された放電ギャップ４７、及び１次巻線が放電ギャップ４７に直列接続され、２次巻線がラインＬ１とホット側出力端Ｔｈの間に接続されたパルストランス４８を備える。また、必要に応じてコンデンサ４６にも抵抗が直列接続されてもよい。

第１の実施例と同様にラインＬ２を基準電位として、イグナイタ回路４０´の動作について説明する。点４３０の電位はラインＬ１の電位反転時の過渡期を除いて常に０である。
最初にラインＬ１が高電位（＋Ｖ１）となった場合、コンデンサ４６には電流が流れないため点４６０の電位はラインＬ１と同じ＋Ｖ１となる。
次にラインＬ１が低電位（−Ｖ１）に反転すると、ラインＬ２からダイオード４４及びコンデンサ４６を介してラインＬ１に電流が流れ、点４６０の電位が０となる。
次にラインＬ１が再び高電位（＋Ｖ１）に反転すると（即ち、電位が２Ｖ１上昇すると）、点４６０の電位は＋２Ｖ１にシフトされ、点４３０との電位差が２×Ｖ１（＞放電ギャップ特性値Ｖｓ）となり、放電ギャップ４７がブレークダウンして導通する。

上記とは逆に、最初にラインＬ１が低電位（−Ｖ１）となった場合、ラインＬ２からダイオード４４及びコンデンサ４６を介してラインＬ１に電流が流れ、点４６０の電位は０となる。
次にラインＬ１が高電位（＋Ｖ１）に反転すると（即ち、電位が２Ｖ１上昇すると）、コンデンサ４６には電流が流れないため点４６０の電位が＋２Ｖ１にシフトされる。これにより、点４３０との電位差が２×Ｖ１となり、放電ギャップ４７がブレークダウンして導通する。

従って、本実施例でも、フルブリッジ回路３０のラインＬ１が高電位から開始しても低電位から開始しても、必ずラインＬ１が高電位の時に放電ギャップ４７が導通することになる。
放電ギャップ４７が導通してからの動作は実施例１と同様である。

実施例３．
図６に上記の高圧放電ランプ点灯装置を用いたアプリケーションとしての光源装置（プロジェクタ）を示す。図６において、６１は上記で説明した点灯装置、６２は点灯装置６１及びランプ５０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６２内に適宜配置してプロジェクタが構成される。これにより、始動性の良いプロジェクタを得ることができる。

上記においては、最も好適な例を示したが、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で以下のように変形可能である。
（１）図１又は図５において示したダイオード４４の向き、パルストランス４８の挿入位置、ホット側出力端Ｔｈの向き及びトリガー線の向きの組合せは、可能な組合せの一例に過ぎない。例えば、図１においてダイオード４４の向きを逆にし、ホット側出力端（電極Ａ）と基準側出力端（電極Ｂ）の位置を逆にすれば、やはり電極Ａ側が正電極となる時にパルス電圧が重畳されることになる。あるいは、パルストランスの２次巻線をホット側出力端とラインＬ１の間ではなく基準出力端とラインＬ２の間に挿入してもよい。また、パルストランスの２次巻線をホット側とコールド側に分割して挿入するような構成としてもよい。
（２）交流出力回路としてフルブリッジ回路３０を示したが、交流電圧を供給できる回路であれば、プッシュプル回路、ハーフフルブリッジ回路等、他の形式の回路であってもよい。
（３）図１及び図５において、抵抗４５をコンデンサ４６とダイオード４４の間に挿入したが、ダイオード４４とラインＬ１又はＬ２の間に挿入してもよい。

３０．フルブリッジ回路
４０、４０´．イグナイタ回路
４２、４５．抵抗
４３、４６．コンデンサ
４４．ダイオード
４７．放電ギャップ
４８．パルストランス
５０．高圧放電灯（ランプ）
５１．トリガー線
５５．リフレクタ
６１．高圧放電灯点灯装置（点灯装置）
６２．筐体
Ａ、Ｂ．電極
Ｌ１、Ｌ２．ライン
Ｔｈ．ホット側出力端
Ｔｃ．基準（コールド側）出力端

Claims

高圧放電灯点灯装置であって、
第１のライン（Ｌ１）及び第２のライン（Ｌ２）間に交流電圧を出力する交流出力回路（３０）、及び
該交流電圧にパルス電圧を重畳してホット側出力端（Ｔｈ）及び基準出力端（Ｔｃ）から高圧放電灯に印加するイグナイタ回路（４０）
を備え、前記第２のラインが前記基準出力端に接続され、
前記イグナイタ回路が、
前記第２のラインに接続された第１のコンデンサ（４３）、
前記第１のコンデンサと前記第１のラインの間に接続された第１の抵抗（４２）、
前記第２のラインに接続された第２のコンデンサ（４６）、
前記第２のコンデンサと前記第１のラインの間に、カソードを該第１のライン側にして接続されたダイオード（４４）、
前記第１のコンデンサの前記第１の抵抗側の点（４３０）と、前記第２のコンデンサの前記ダイオード側の点（４６０）との間に接続された放電ギャップ（４７）、及び
１次巻線が前記放電ギャップに直列接続され、２次巻線が前記第１のラインと前記ホット側出力端の間に接続されたトランス（４８）
を備えた高圧放電灯点灯装置。
高圧放電灯点灯装置であって、
第１のライン（Ｌ１）及び第２のライン（Ｌ２）間に交流電圧を出力する交流出力回路（３０）、及び
該交流電圧にパルス電圧を重畳してホット側出力端（Ｔｈ）及び基準出力端（Ｔｃ）から高圧放電灯に印加するイグナイタ回路（４０）
を備え、前記第２のラインが前記基準出力端に接続され、
前記イグナイタ回路が、
前記第１のラインに接続された第１のコンデンサ（４３）、
前記第１のコンデンサと前記第２のラインの間に接続された第１の抵抗（４２）、
前記第１のラインに接続された第２のコンデンサ（４６）、
前記第２のコンデンサと前記第２のラインの間に、カソードを該第１のライン側にして接続されたダイオード（４４）、
前記第１のコンデンサの前記第１の抵抗側の点（４３０）と、前記第２のコンデンサの前記ダイオード側の点（４６０）との間に接続された放電ギャップ（４７）、及び
１次巻線が前記放電ギャップに直列接続され、２次巻線が前記第１のラインと前記ホット側出力端の間に接続されたトランス（４８）
を備えた高圧放電灯点灯装置。
請求項１又は２の高圧放電灯点灯装置において、
前記パルス電圧が重畳される交流電圧の半サイクルに対して該パルス電圧が同じ極性となるように前記トランスの１次巻線と２次巻線の巻方向が決定された高圧放電灯点灯装置。
請求項１又は２の高圧放電灯点灯装置であって、さらに、前記第２のコンデンサに直列接続された第２の抵抗（４５）を備えた高圧放電灯点灯装置。
請求項１又は２記載の高圧放電灯点灯装置（６１）、前記ホット側出力端に接続される第１の電極（Ａ）及び前記基準出力端に接続される第２の電極（Ｂ）を有する高圧放電灯（５０）、該高圧放電灯が取り付けられるリフレクタ（５５）、並びに該高圧放電点灯装置及び該リフレクタを内包する筐体（６２）を備えた光源装置であって、前記高圧放電灯が補助巻線（５１）を備え、該補助巻線の一端が前記第１の電極に電気的に接続されるとともに、他端が前記第２の電極の周囲に巻き付けられた光源装置。