多灯式放電灯点灯装置
【課題】インバータトランスの二次側にバラスト素子を設けることなく、複数の放電灯の各管電流の安定化および均一化を低コストに実施できる多灯式放電灯点灯装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る放電灯点灯装置１０は、インバータ手段１２と複数のインバータトランスＴＲ１〜ＴＲｎとを含み、その二次巻線Ｎｓ１〜Ｎｓ２には放電灯Ｌａ１〜Ｌａｎがそれぞれ接続されている。また、複数のインバータトランスＴＲ１〜ＴＲｎの一次巻線Ｎｐ１〜Ｎｐｎは直列に接続されて、インバータ手段１２に含まれるスイッチング手段１３と一次巻線Ｎｓ１〜Ｎｓｎとの間には、一次巻線Ｎｓ１〜Ｎｓｎに直列にバラストインピーダンス素子１８が接続されている。一次巻線Ｎｓ１〜Ｎｓｎを直列に接続し、その一次巻線Ｎｓ１〜Ｎｓｎにインダクタ１８を接続することによって、高耐圧性の素子を使用することなく、各管電流の安定化および均一化を実施することができる。
【解決手段】本発明に係る放電灯点灯装置１０は、インバータ手段１２と複数のインバータトランスＴＲ１〜ＴＲｎとを含み、その二次巻線Ｎｓ１〜Ｎｓ２には放電灯Ｌａ１〜Ｌａｎがそれぞれ接続されている。また、複数のインバータトランスＴＲ１〜ＴＲｎの一次巻線Ｎｐ１〜Ｎｐｎは直列に接続されて、インバータ手段１２に含まれるスイッチング手段１３と一次巻線Ｎｓ１〜Ｎｓｎとの間には、一次巻線Ｎｓ１〜Ｎｓｎに直列にバラストインピーダンス素子１８が接続されている。一次巻線Ｎｓ１〜Ｎｓｎを直列に接続し、その一次巻線Ｎｓ１〜Ｎｓｎにインダクタ１８を接続することによって、高耐圧性の素子を使用することなく、各管電流の安定化および均一化を実施することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の放電灯を点灯するための多灯式放電灯点灯装置に係り、詳しくは、液晶表示装置の多灯式バックライト用の光源として用いられる冷陰極管等を点灯する放電灯点灯装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示装置のバックライト用の光源として、例えば冷陰極管等の放電灯が広範に使用されており、一般に、このような放電灯は、インバータを有する放電灯点灯装置によって交流点灯される。近年、液晶表示装置の高輝度化および大型化に伴い、このような液晶表示装置の照明用光源として、複数の放電灯を使用した多灯式バックライトが多用されている。
【０００３】
一般に、放電灯の点灯には高電圧を要するため、放電灯点灯装置は、通常、二次側に高電圧を発生させるためのインバータトランスを有し、インバータトランスの一次側には高周波電圧を発生させるインバータ手段が接続され、二次側には、放電灯および負性抵抗特性を有する放電灯の管電流を安定化するためのいわゆるバラスト素子、例えばバラストコンデンサが接続されている。従来、複数の放電灯を点灯させる場合にも、個々の放電灯に対してそれぞれバラストコンデンサを接続することによって、多灯式放電灯点灯装置が実施されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
一方、複数の放電灯を点灯させる場合には、各放電灯の輝度を均一化するために各放電灯の管電流を均一にする必要があり、複数の放電灯に対してそれぞれ個別のバラストコンデンサを接続した放電灯点灯装置では、バラストコンデンサの特性のバラツキが管電流のバラツキの要因となる可能性がある。そのため、例えば、インバータトランスの二次側にバランスコイルを設けて各放電灯の管電流を均一化する回路構成が提案されている（例えば、特許文献２参照）。また、インバータトランスの一次側に低圧定電流源を設け、この低圧定電流源から電力を供給することによって、バラストコンデンサを不要とする回路構成も提案されており（例えば、特許文献３参照）、この回路構成を用いて放電灯点灯装置を多灯化すれば、管電流の均一化に対して一定の効果を奏することが予想される。
【特許文献１】特開２００２−１７５８９１号公報
【特許文献２】特開平７−４５３９３号公報
【特許文献３】特許第３２５６９９２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、例えば特許文献１に記載の放電灯点灯装置では、上述した管電流のバラツキの問題に加えて、放電灯の点灯に必要な管電圧を得るために、放電灯に直列に接続されたバラストコンデンサの電圧降下分を含めた出力電圧を二次側に発生させる必要があり、インバータトランスの形状が大きくなる結果、機器の小型化の妨げになるという問題がある。特許文献２に記載の放電灯点灯装置でも、二次側に設けたバランスコイルには大きなインダクタンスが要求されるため、バランスコイルとして大型の素子が必要となり、コストが増大すると共に機器の小型化の妨げになるという問題がある。
【０００６】
また、特許文献３に記載の放電灯点灯装置を多灯化した場合には、上述したような問題は回避され得るが、この回路構成には次のような問題がある。すなわち、一般に、液晶ディスプレイのバックライトとして用いられる放電灯点灯装置の電源には、液晶ドライブ回路等と共通の定電圧電源が用いられるため、放電灯点灯装置に定電流源を使用することは、液晶ディスプレイ装置に新たな構成要素を追加することを意味し、装置全体としてのコストが増大する。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みて、インバータトランスの二次側にバラスト素子を設けることなく、複数の放電灯の各管電流の安定化および均一化を低コストに実施できる多灯式放電灯点灯装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明は、高周波電圧を出力するインバータ手段と複数のインバータトランスとを含み、該複数のインバータトランスの二次巻線にそれぞれ接続された複数の放電灯を点灯する多灯式放電灯点灯装置において、前記インバータ手段はスイッチング手段を含み、前記複数のインバータトランスの一次巻線は直列に接続されており、前記スイッチング手段と前記直列に接続された一次巻線との間には、該一次巻線に直列にバラストインピーダンス素子が接続されていることを特徴とする。
【０００９】
また、前記バラストインピーダンス素子は、コンデンサまたはインダクタのいずれか、あるいは、それらの組合せで構成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る放電灯点灯装置によれば、バラストインピーダンス素子をスイッチング手段とインバータトランスの一次巻線との間に直列に接続することにより、二次側にバラスト素子を接続せずに管電流を安定化できる放電灯点灯装置を、従来の構成から部品点数を増大させることなく実現することができる。また、複数のインバータトランスの一次巻線が直列に接続されているため、各インバータトランスの一次巻線には均一な電流が流れることに加えて、各放電灯は、それぞれのインバータトランスの二次巻線に個別のバラスト素子を介することなく接続されているため、各放電灯の管電流からバラスト素子の特性のバラツキの影響を排除することができ、各放電灯の管電流を均一化することができる。
【００１１】
また、本発明において、バラストインピーダンス素子は、高電圧が印加されるインバータトランスの二次側ではなく一次側に接続されているため、高耐圧性の素子を使用する必要がなく、部品コストが低減すると共に、素子の絶縁破壊による故障や発火の危険性がなくなり、装置の安全性が増大する。また、インバータトランスの二次側に、放電灯に直列にバラスト素子を接続する必要がないため、インバータトランスの出力電力を低く抑えることができる。さらに、トランスの二次側に巻線間短絡（いわゆるレアショート）が発生した場合でも、一次側のバラストインピーダンス素子により巻線に流れる過電流を抑制し、インバータトランスの発煙や発火を防止することができる。
【００１２】
特に、バラストインピーダンス素子としてインダクタを使用した場合、そのインダクタンスを二次側に接続する場合よりも小さくすることができるため、バラストインピーダンス素子を小型化することが可能となる。また、一次側のインダクタによって高次の高調波成分が抑制されるため、インバータトランスに印加される入力波形からノイズを除去することができ、高調波成分によるトランスの発熱が抑制されるため、全体としてトランスの発熱が低減する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明に係る多灯式放電灯点灯装置の一実施形態を、図面を参照して詳述する。図１は、本発明に係る多灯式放電灯点灯装置の一実施形態として、複数（ｎ本とする）の放電灯を点灯制御する放電灯点灯装置１０の回路構成を示す図である。放電灯点灯装置１０は、インバータ手段１２とｎ個のインバータトランスＴＲ１〜ＴＲｎとを含み、各インバータトランスＴＲ１〜ＴＲｎの二次巻線Ｎｓ１〜Ｎｓｎには、例えば冷陰極管等の放電灯Ｌａ１〜Ｌａｎがバラスト素子を介することなく直接接続されている。また、各インバータトランスＴＲ１〜ＴＲｎの一次巻線Ｎｐ１〜Ｎｐｎは直列に接続されており（以下、直列に接続された一次巻線Ｎｐ１〜Ｎｐｎの全体を一次側巻線Ｎｐと称する）、この一次側巻線Ｎｐには、本実施形態におけるバラストインピーダンス素子としてインダクタ１８が直列に接続されて、インバータ手段１２に含まれるスイッチング手段１３に接続されている。
【００１４】
本実施形態において、インバータ手段１２は、スイッチング手段１３であるフルブリッジ回路と、このフルブリッジ回路１３を駆動する制御回路２１を含んでいる。フルブリッジ回路１３は、図２に示すように、直列に接続された１組のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３と、同様に直列に接続された１組のスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４とを並列に接続してなり、例えば、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２はＰＭＯＳＦＥＴ、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４はＮＭＯＳＦＥＴから構成される。インバータ手段１２は、制御回路２１から出力されるゲート電圧に従って、スイッチング素子の組（Ｑ１，Ｑ４）と（Ｑ２，Ｑ３）のオン・オフを所定の周波数（例えば６０ｋＨｚ程度）で交互に繰返し、直流電圧Ｖｉｎを高周波電圧に変換して出力端子Ａ、Ｂに出力するものである。
【００１５】
また、図１に示す放電灯点灯装置１０は、上述した構成要素に加えて、調光回路２２、電流検知回路２３、保護回路２４を含んでいる。本発明に係る放電灯点灯装置は、これらの回路２２〜２４の有無に限定されるものではないが、各回路２２〜２４の機能を簡単に説明すれば、次のようなものである。まず、電流検知回路２３は、カレントトランス２５によって検知された電流値に応じた適切な信号を生成して制御回路２１に出力し、それによって、制御回路２１は、例えばインバータ手段１２に含まれるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオンデューティを変動させ、インバータトランスＴＲ１〜ＴＲｎに投入される電力を調整するものである。保護回路２４は、インバータトランスＴＲ１〜ＴＲｎの各三次巻線Ｎｔ１〜Ｎｔｎによって検知された電圧に応じた適切な信号を生成して制御回路２１に出力し、それによって、制御回路２１は、例えば放電灯Ｌａ１〜Ｌａｎのオープンやショート等の異常が検出された場合にインバータ手段２１の動作を停止させ、装置を保護するものである。また、調光回路２２は、例えばバースト調光により放電等Ｌａの輝度を調整するための信号を制御回路２１に出力するものであり、これによって、制御回路２１は、例えば１５０〜３００Ｈｚ程度の周波数でインバータ手段１２を間欠的に動作させることによって、放電灯Ｌａ１〜Ｌａｎの平均的な輝度を調整するものである。図示の例では、電流検出回路２３はカレントトランス２５によって電流を検知しているが、放電灯Ｌａ１〜Ｌａｎの管電流を検知してもよい。
【００１６】
本実施形態における放電灯点灯装置１０は、一次側巻線Ｎｐに直列に接続されたインダクタ１８を備え、このインダクタ１８がバラストインピーダンス素子として機能することによって、各放電灯Ｌａ１〜Ｌａｎの管電流の安定化を実現するものである。すなわち、何らかの原因で放電灯Ｌａ１〜Ｌａｎのいずれかの管電流（以下、二次側電流ともいう）が増大した場合、一次側巻線Ｎｐを流れる電流（以下、一次側電流ともいう）も増大するが、インバータ手段１２によって印加される電圧は一定であるため、インダクタ１８のインピーダンスは、一次側電流を減少させてその降下電圧を低下させるように作用し、結果として二次側の管電流の増大が抑制される。同様に、放電灯Ｌａ１〜Ｌａｎのいずれかの管電流が減少すると一次側電流も減少するが、この際、インダクタ１８のインピーダンスは、一次側電流を増大させてその降下電圧を上昇させるように作用し、結果として二次側の管電流の減少が抑制される。また、各インバータトランスＴＲ１〜ＴＲｎの一次巻線Ｎｐ１〜Ｎｐｎには共通の一次側電流が流れるため、各インバータトランスＴＲ１〜ＴＲｎの二次巻線Ｎｓ１〜Ｎｓｎにはそれぞれ同一の二次側電流が流れることになり、各放電灯Ｌａ１〜Ｌａｎの管電流を均一化することができる。
【００１７】
本発明は、使用するインピーダンス素子の種類に限定されるものではなく、本発明に係るバラストインピーダンス素子として、抵抗、コンデンサ、インダクタ、またはそれらの組合せのいずれも使用することができるが、好ましくは、本実施形態におけるバラストインピーダンス素子のように、インダクタまたはインダクタを含む組合せを使用するものである。本発明に係る放電灯点灯装置では、バラストインピーダンス素子をインバータトランスの一次側に接続するため高耐圧の素子を使用する必要がなく、したがって、抵抗に比べて電力損失の少ないインダクタを、高耐圧性のインダクタは形状が大きくなるという従来の欠点を克服しつつ、バラスト素子として有利に使用することができる。
【００１８】
さらに、各インバータトランスＴＲ１〜ＴＲｎの巻線比（２次巻線の巻数／１次巻線の巻数）をＮ、各放電灯Ｌａ１〜Ｌａｎの等価負荷抵抗をＲとすれば、インバータトランスの一次側から見た負荷抵抗の総和はｎＲ／Ｎ2になるため、一次側巻線Ｎｐに接続するバラストインピーダンス素子のインピーダンスは、ｎＲ／Ｎ2に対して十分大きければ良い。また、本実施形態におけるインバータトランスＴＲ１〜ＴＲｎの巻線比Ｎは、インバータ手段１２の出力電圧を増大させることなく必要な管電圧を各放電灯Ｌａ１〜Ｌａｎに印加するため、ｎ個のインバータトランスを並列に接続してそれぞれの二次巻線にバラスト素子を接続してなる従来の回路構成における巻線比Ｍに対して、好ましくは、Ｎ＝ｎＭ程度に設定されている。
したがって、本実施形態における放電灯点灯装置１０のように、インダクタ１８をバラストインピーダンス素子として使用する場合には、従来の回路構成で各二次側回路に個別に接続されるインダクタの自己インダクタンスＬに対して、ｎＬ／Ｎ2＝Ｌ／ｎＭ2程度の小さな自己インダクタンスを有する単一のインダクタを使用すればよく、それによってバラスト素子として同等の機能を果すものである。この結果、素子自体をさらに小型化することが可能になると共にその個数も低減されるため、放電灯点灯装置を小型化することが可能となる。
例えば、放電灯点灯装置１０の回路構成で２灯の放電灯を点灯する（ｎ＝２）場合、インバータトランスＴＲ１、ＴＲ２の巻線比Ｎを２００とし、インダクタ１８の自己インダクタンスを１５μＨ程度とすれば、このインダクタ１８は、巻線比Ｍ＝１００の２個のインバータトランスを並列に接続してなる従来の回路構成において、自己インダクタンスが３００ｍＨ程度の２個のインダクタを各放電灯に対して個別に接続した場合と同等の作用を有するバラスト素子として機能する。
【００１９】
次に、一次側にバラストインピーダンス素子を接続することの利点の一つとして、インバータトランスＴＲ１〜ＴＲｎの二次側に巻線間短絡（いわゆるレアショート）が発生した場合の動作について説明する。
従来の放電灯点灯装置では、複数のインバータトランスのいずれかの二次巻線にレアショートが発生すると、その二次側回路は、放電灯およびバラスト素子のインピーダンスによらず、二次巻線のショート部分の抵抗ｒsが二次側に接続された状態になるため、インバータトランスに過大な電流が流れ、発煙や発火の要因となるおそれがある。このレアショートによる発熱の問題について、ｎ個のインバータトランスを並列に接続してそれぞれの二次巻線にバラスト素子を接続してなる従来の回路構成と、本実施形態における放電灯点装置１０とを比較すれば、次の通りである。ただし、以下の計算例では、簡単のため、ｎ個のインバータトランスのすべての二次巻線でレアショートが発生しているものとし、それぞれのショート部分の抵抗を一次側から見た各抵抗値をｒpとする。
まず、従来の回路構成では、インバータトランスの一次側の電圧をＶｐとすれば、ショート部分の電力損失Ｐは、
Ｐ＝ｎＶｐ2／ｒp ・・・・（１）
と表される。一方、本実施形態における放電灯点灯装置１０では、ｎ個のインバータトランスＴＲ１〜ＴＲｎが直列に接続され、その一次側巻線Ｎｐにバラストインピーダンス素子としてのインダクタ１８（自己インダクタンスをＬとする）を備えているため、ショート部分での電力損失Ｐは、
Ｐ＝（ｎｒpＶｐ2）／（（ωＬ）2＋ｎ2ｒp2）・・・・（２）
となる。式（１）と（２）を比較すると、放電灯点灯装置１０では、インダクタ１８のインピーダンスωＬにより電力損失が低減することが分かり、過電流による発熱が抑制される。
【００２０】
また、本実施形態において、インダクタ１８は、ローパスフィルタとして機能するため、インバータ手段１２の出力電圧の高調波成分をカットして、一次側巻線Ｎｐに印加される電圧波形をほぼ正弦波状とすることができる。これによって、インバータトランスＴＲ１〜ＴＲｎからノイズが除去されると共に、高調波成分によるインバータトランスＴＲ１〜ＴＲｎの発熱が抑制される。
【００２１】
さらに、本実施形態における放電灯点灯装置１０は、そのインバータ手段１２が、フルブリッジ回路１３と制御回路２１からなる高効率の他励型回路にて構成され、フルブリッジ回路１３は、制御回路２１によって所定の周波数で駆動される。したがって、例えば、インバータトランスの一次側に設けられたＬＣ共振回路の共振周波数によってインバータ手段の駆動周波数が決定されるロイヤー回路等の場合とは異なり、共振周波数に対する影響を考慮することなく、バラストとして適切な任意のインピーダンスを有する素子を一次側に接続することができる。
【００２２】
以上の説明では、本発明に係るバラストインピーダンス素子をインダクタ１８として説明したが、本発明に係るバラストインピーダンス素子の別の態様として、図３に示すような、コンデンサ３２とインダクタ３１からなる直列回路３３を使用することもできる。
【００２３】
本実施形態における放電灯点灯装置１０において、バラストインピーダンス素子をこの直列回路３３とすることによって、上述した作用・効果に加えて、次のような作用を得ることができる。例えば、図４に示すように、インバータ手段１２の出力波形に、一方向の電圧がＶ、他方向の電圧がＶ＋ΔＶであるような非対称性が存在する場合、その出力電圧には、平均してΔＶ’（但し、ΔＶ’はΔＶの時間平均）の直流電圧が重畳されることになる。このため、バラストインピーダンス素子がインダクタ３１のみであると、インバータトランスＴＲ１〜ＴＲｎに大きな直流電流が重畳されて、磁気飽和や効率の低下の原因となる。この際、そのバラストインピーダンス素子に対して、インバータ手段１２に直列に接続されたコンデンサ３２を付加することによって、非対称な電圧波形の直流成分をカットし、インバータトランスＴＲの一次巻線１４に印加される電圧の対称性を改善することができる。
【００２４】
また、本実施形態において、二次側共振回路の共振周波数を調整して管電流を安定化させると共に、インバータ手段１２の出力電圧の高調波成分をより効果的にカットして、インバータトランスＴＲの一次側巻線Ｎｐに印加される電圧波形をほぼ正弦波状とするために、インバータトランスＴＲ１〜ＴＲｎの一次側巻線Ｎｐに並列にコンデンサを接続してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る放電灯点灯装置の一実施形態を示す回路構成図である。
【図２】図１に示す放電等点灯装置のインバータ手段を示す回路構成図である。
【図３】本発明に係るバラストインピーダンス素子の別の態様を示す回路構成図である。
【図４】インバータ手段による非対称な電圧波形を模式的に示すグラフである。
【符号の説明】
【００２６】
１０：放電灯点灯装置、１２：インバータ手段、１３：スイッチング手段（フルブリッジ回路）、１８，３３：バラストインピーダンス素子、ＴＲ１〜ＴＲｎ：インバータトランス、Ｌａ１〜Ｌａｎ：放電灯
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の放電灯を点灯するための多灯式放電灯点灯装置に係り、詳しくは、液晶表示装置の多灯式バックライト用の光源として用いられる冷陰極管等を点灯する放電灯点灯装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示装置のバックライト用の光源として、例えば冷陰極管等の放電灯が広範に使用されており、一般に、このような放電灯は、インバータを有する放電灯点灯装置によって交流点灯される。近年、液晶表示装置の高輝度化および大型化に伴い、このような液晶表示装置の照明用光源として、複数の放電灯を使用した多灯式バックライトが多用されている。
【０００３】
一般に、放電灯の点灯には高電圧を要するため、放電灯点灯装置は、通常、二次側に高電圧を発生させるためのインバータトランスを有し、インバータトランスの一次側には高周波電圧を発生させるインバータ手段が接続され、二次側には、放電灯および負性抵抗特性を有する放電灯の管電流を安定化するためのいわゆるバラスト素子、例えばバラストコンデンサが接続されている。従来、複数の放電灯を点灯させる場合にも、個々の放電灯に対してそれぞれバラストコンデンサを接続することによって、多灯式放電灯点灯装置が実施されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
一方、複数の放電灯を点灯させる場合には、各放電灯の輝度を均一化するために各放電灯の管電流を均一にする必要があり、複数の放電灯に対してそれぞれ個別のバラストコンデンサを接続した放電灯点灯装置では、バラストコンデンサの特性のバラツキが管電流のバラツキの要因となる可能性がある。そのため、例えば、インバータトランスの二次側にバランスコイルを設けて各放電灯の管電流を均一化する回路構成が提案されている（例えば、特許文献２参照）。また、インバータトランスの一次側に低圧定電流源を設け、この低圧定電流源から電力を供給することによって、バラストコンデンサを不要とする回路構成も提案されており（例えば、特許文献３参照）、この回路構成を用いて放電灯点灯装置を多灯化すれば、管電流の均一化に対して一定の効果を奏することが予想される。
【特許文献１】特開２００２−１７５８９１号公報
【特許文献２】特開平７−４５３９３号公報
【特許文献３】特許第３２５６９９２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、例えば特許文献１に記載の放電灯点灯装置では、上述した管電流のバラツキの問題に加えて、放電灯の点灯に必要な管電圧を得るために、放電灯に直列に接続されたバラストコンデンサの電圧降下分を含めた出力電圧を二次側に発生させる必要があり、インバータトランスの形状が大きくなる結果、機器の小型化の妨げになるという問題がある。特許文献２に記載の放電灯点灯装置でも、二次側に設けたバランスコイルには大きなインダクタンスが要求されるため、バランスコイルとして大型の素子が必要となり、コストが増大すると共に機器の小型化の妨げになるという問題がある。
【０００６】
また、特許文献３に記載の放電灯点灯装置を多灯化した場合には、上述したような問題は回避され得るが、この回路構成には次のような問題がある。すなわち、一般に、液晶ディスプレイのバックライトとして用いられる放電灯点灯装置の電源には、液晶ドライブ回路等と共通の定電圧電源が用いられるため、放電灯点灯装置に定電流源を使用することは、液晶ディスプレイ装置に新たな構成要素を追加することを意味し、装置全体としてのコストが増大する。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みて、インバータトランスの二次側にバラスト素子を設けることなく、複数の放電灯の各管電流の安定化および均一化を低コストに実施できる多灯式放電灯点灯装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明は、高周波電圧を出力するインバータ手段と複数のインバータトランスとを含み、該複数のインバータトランスの二次巻線にそれぞれ接続された複数の放電灯を点灯する多灯式放電灯点灯装置において、前記インバータ手段はスイッチング手段を含み、前記複数のインバータトランスの一次巻線は直列に接続されており、前記スイッチング手段と前記直列に接続された一次巻線との間には、該一次巻線に直列にバラストインピーダンス素子が接続されていることを特徴とする。
【０００９】
また、前記バラストインピーダンス素子は、コンデンサまたはインダクタのいずれか、あるいは、それらの組合せで構成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る放電灯点灯装置によれば、バラストインピーダンス素子をスイッチング手段とインバータトランスの一次巻線との間に直列に接続することにより、二次側にバラスト素子を接続せずに管電流を安定化できる放電灯点灯装置を、従来の構成から部品点数を増大させることなく実現することができる。また、複数のインバータトランスの一次巻線が直列に接続されているため、各インバータトランスの一次巻線には均一な電流が流れることに加えて、各放電灯は、それぞれのインバータトランスの二次巻線に個別のバラスト素子を介することなく接続されているため、各放電灯の管電流からバラスト素子の特性のバラツキの影響を排除することができ、各放電灯の管電流を均一化することができる。
【００１１】
また、本発明において、バラストインピーダンス素子は、高電圧が印加されるインバータトランスの二次側ではなく一次側に接続されているため、高耐圧性の素子を使用する必要がなく、部品コストが低減すると共に、素子の絶縁破壊による故障や発火の危険性がなくなり、装置の安全性が増大する。また、インバータトランスの二次側に、放電灯に直列にバラスト素子を接続する必要がないため、インバータトランスの出力電力を低く抑えることができる。さらに、トランスの二次側に巻線間短絡（いわゆるレアショート）が発生した場合でも、一次側のバラストインピーダンス素子により巻線に流れる過電流を抑制し、インバータトランスの発煙や発火を防止することができる。
【００１２】
特に、バラストインピーダンス素子としてインダクタを使用した場合、そのインダクタンスを二次側に接続する場合よりも小さくすることができるため、バラストインピーダンス素子を小型化することが可能となる。また、一次側のインダクタによって高次の高調波成分が抑制されるため、インバータトランスに印加される入力波形からノイズを除去することができ、高調波成分によるトランスの発熱が抑制されるため、全体としてトランスの発熱が低減する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明に係る多灯式放電灯点灯装置の一実施形態を、図面を参照して詳述する。図１は、本発明に係る多灯式放電灯点灯装置の一実施形態として、複数（ｎ本とする）の放電灯を点灯制御する放電灯点灯装置１０の回路構成を示す図である。放電灯点灯装置１０は、インバータ手段１２とｎ個のインバータトランスＴＲ１〜ＴＲｎとを含み、各インバータトランスＴＲ１〜ＴＲｎの二次巻線Ｎｓ１〜Ｎｓｎには、例えば冷陰極管等の放電灯Ｌａ１〜Ｌａｎがバラスト素子を介することなく直接接続されている。また、各インバータトランスＴＲ１〜ＴＲｎの一次巻線Ｎｐ１〜Ｎｐｎは直列に接続されており（以下、直列に接続された一次巻線Ｎｐ１〜Ｎｐｎの全体を一次側巻線Ｎｐと称する）、この一次側巻線Ｎｐには、本実施形態におけるバラストインピーダンス素子としてインダクタ１８が直列に接続されて、インバータ手段１２に含まれるスイッチング手段１３に接続されている。
【００１４】
本実施形態において、インバータ手段１２は、スイッチング手段１３であるフルブリッジ回路と、このフルブリッジ回路１３を駆動する制御回路２１を含んでいる。フルブリッジ回路１３は、図２に示すように、直列に接続された１組のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３と、同様に直列に接続された１組のスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４とを並列に接続してなり、例えば、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２はＰＭＯＳＦＥＴ、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４はＮＭＯＳＦＥＴから構成される。インバータ手段１２は、制御回路２１から出力されるゲート電圧に従って、スイッチング素子の組（Ｑ１，Ｑ４）と（Ｑ２，Ｑ３）のオン・オフを所定の周波数（例えば６０ｋＨｚ程度）で交互に繰返し、直流電圧Ｖｉｎを高周波電圧に変換して出力端子Ａ、Ｂに出力するものである。
【００１５】
また、図１に示す放電灯点灯装置１０は、上述した構成要素に加えて、調光回路２２、電流検知回路２３、保護回路２４を含んでいる。本発明に係る放電灯点灯装置は、これらの回路２２〜２４の有無に限定されるものではないが、各回路２２〜２４の機能を簡単に説明すれば、次のようなものである。まず、電流検知回路２３は、カレントトランス２５によって検知された電流値に応じた適切な信号を生成して制御回路２１に出力し、それによって、制御回路２１は、例えばインバータ手段１２に含まれるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオンデューティを変動させ、インバータトランスＴＲ１〜ＴＲｎに投入される電力を調整するものである。保護回路２４は、インバータトランスＴＲ１〜ＴＲｎの各三次巻線Ｎｔ１〜Ｎｔｎによって検知された電圧に応じた適切な信号を生成して制御回路２１に出力し、それによって、制御回路２１は、例えば放電灯Ｌａ１〜Ｌａｎのオープンやショート等の異常が検出された場合にインバータ手段２１の動作を停止させ、装置を保護するものである。また、調光回路２２は、例えばバースト調光により放電等Ｌａの輝度を調整するための信号を制御回路２１に出力するものであり、これによって、制御回路２１は、例えば１５０〜３００Ｈｚ程度の周波数でインバータ手段１２を間欠的に動作させることによって、放電灯Ｌａ１〜Ｌａｎの平均的な輝度を調整するものである。図示の例では、電流検出回路２３はカレントトランス２５によって電流を検知しているが、放電灯Ｌａ１〜Ｌａｎの管電流を検知してもよい。
【００１６】
本実施形態における放電灯点灯装置１０は、一次側巻線Ｎｐに直列に接続されたインダクタ１８を備え、このインダクタ１８がバラストインピーダンス素子として機能することによって、各放電灯Ｌａ１〜Ｌａｎの管電流の安定化を実現するものである。すなわち、何らかの原因で放電灯Ｌａ１〜Ｌａｎのいずれかの管電流（以下、二次側電流ともいう）が増大した場合、一次側巻線Ｎｐを流れる電流（以下、一次側電流ともいう）も増大するが、インバータ手段１２によって印加される電圧は一定であるため、インダクタ１８のインピーダンスは、一次側電流を減少させてその降下電圧を低下させるように作用し、結果として二次側の管電流の増大が抑制される。同様に、放電灯Ｌａ１〜Ｌａｎのいずれかの管電流が減少すると一次側電流も減少するが、この際、インダクタ１８のインピーダンスは、一次側電流を増大させてその降下電圧を上昇させるように作用し、結果として二次側の管電流の減少が抑制される。また、各インバータトランスＴＲ１〜ＴＲｎの一次巻線Ｎｐ１〜Ｎｐｎには共通の一次側電流が流れるため、各インバータトランスＴＲ１〜ＴＲｎの二次巻線Ｎｓ１〜Ｎｓｎにはそれぞれ同一の二次側電流が流れることになり、各放電灯Ｌａ１〜Ｌａｎの管電流を均一化することができる。
【００１７】
本発明は、使用するインピーダンス素子の種類に限定されるものではなく、本発明に係るバラストインピーダンス素子として、抵抗、コンデンサ、インダクタ、またはそれらの組合せのいずれも使用することができるが、好ましくは、本実施形態におけるバラストインピーダンス素子のように、インダクタまたはインダクタを含む組合せを使用するものである。本発明に係る放電灯点灯装置では、バラストインピーダンス素子をインバータトランスの一次側に接続するため高耐圧の素子を使用する必要がなく、したがって、抵抗に比べて電力損失の少ないインダクタを、高耐圧性のインダクタは形状が大きくなるという従来の欠点を克服しつつ、バラスト素子として有利に使用することができる。
【００１８】
さらに、各インバータトランスＴＲ１〜ＴＲｎの巻線比（２次巻線の巻数／１次巻線の巻数）をＮ、各放電灯Ｌａ１〜Ｌａｎの等価負荷抵抗をＲとすれば、インバータトランスの一次側から見た負荷抵抗の総和はｎＲ／Ｎ2になるため、一次側巻線Ｎｐに接続するバラストインピーダンス素子のインピーダンスは、ｎＲ／Ｎ2に対して十分大きければ良い。また、本実施形態におけるインバータトランスＴＲ１〜ＴＲｎの巻線比Ｎは、インバータ手段１２の出力電圧を増大させることなく必要な管電圧を各放電灯Ｌａ１〜Ｌａｎに印加するため、ｎ個のインバータトランスを並列に接続してそれぞれの二次巻線にバラスト素子を接続してなる従来の回路構成における巻線比Ｍに対して、好ましくは、Ｎ＝ｎＭ程度に設定されている。
したがって、本実施形態における放電灯点灯装置１０のように、インダクタ１８をバラストインピーダンス素子として使用する場合には、従来の回路構成で各二次側回路に個別に接続されるインダクタの自己インダクタンスＬに対して、ｎＬ／Ｎ2＝Ｌ／ｎＭ2程度の小さな自己インダクタンスを有する単一のインダクタを使用すればよく、それによってバラスト素子として同等の機能を果すものである。この結果、素子自体をさらに小型化することが可能になると共にその個数も低減されるため、放電灯点灯装置を小型化することが可能となる。
例えば、放電灯点灯装置１０の回路構成で２灯の放電灯を点灯する（ｎ＝２）場合、インバータトランスＴＲ１、ＴＲ２の巻線比Ｎを２００とし、インダクタ１８の自己インダクタンスを１５μＨ程度とすれば、このインダクタ１８は、巻線比Ｍ＝１００の２個のインバータトランスを並列に接続してなる従来の回路構成において、自己インダクタンスが３００ｍＨ程度の２個のインダクタを各放電灯に対して個別に接続した場合と同等の作用を有するバラスト素子として機能する。
【００１９】
次に、一次側にバラストインピーダンス素子を接続することの利点の一つとして、インバータトランスＴＲ１〜ＴＲｎの二次側に巻線間短絡（いわゆるレアショート）が発生した場合の動作について説明する。
従来の放電灯点灯装置では、複数のインバータトランスのいずれかの二次巻線にレアショートが発生すると、その二次側回路は、放電灯およびバラスト素子のインピーダンスによらず、二次巻線のショート部分の抵抗ｒsが二次側に接続された状態になるため、インバータトランスに過大な電流が流れ、発煙や発火の要因となるおそれがある。このレアショートによる発熱の問題について、ｎ個のインバータトランスを並列に接続してそれぞれの二次巻線にバラスト素子を接続してなる従来の回路構成と、本実施形態における放電灯点装置１０とを比較すれば、次の通りである。ただし、以下の計算例では、簡単のため、ｎ個のインバータトランスのすべての二次巻線でレアショートが発生しているものとし、それぞれのショート部分の抵抗を一次側から見た各抵抗値をｒpとする。
まず、従来の回路構成では、インバータトランスの一次側の電圧をＶｐとすれば、ショート部分の電力損失Ｐは、
Ｐ＝ｎＶｐ2／ｒp ・・・・（１）
と表される。一方、本実施形態における放電灯点灯装置１０では、ｎ個のインバータトランスＴＲ１〜ＴＲｎが直列に接続され、その一次側巻線Ｎｐにバラストインピーダンス素子としてのインダクタ１８（自己インダクタンスをＬとする）を備えているため、ショート部分での電力損失Ｐは、
Ｐ＝（ｎｒpＶｐ2）／（（ωＬ）2＋ｎ2ｒp2）・・・・（２）
となる。式（１）と（２）を比較すると、放電灯点灯装置１０では、インダクタ１８のインピーダンスωＬにより電力損失が低減することが分かり、過電流による発熱が抑制される。
【００２０】
また、本実施形態において、インダクタ１８は、ローパスフィルタとして機能するため、インバータ手段１２の出力電圧の高調波成分をカットして、一次側巻線Ｎｐに印加される電圧波形をほぼ正弦波状とすることができる。これによって、インバータトランスＴＲ１〜ＴＲｎからノイズが除去されると共に、高調波成分によるインバータトランスＴＲ１〜ＴＲｎの発熱が抑制される。
【００２１】
さらに、本実施形態における放電灯点灯装置１０は、そのインバータ手段１２が、フルブリッジ回路１３と制御回路２１からなる高効率の他励型回路にて構成され、フルブリッジ回路１３は、制御回路２１によって所定の周波数で駆動される。したがって、例えば、インバータトランスの一次側に設けられたＬＣ共振回路の共振周波数によってインバータ手段の駆動周波数が決定されるロイヤー回路等の場合とは異なり、共振周波数に対する影響を考慮することなく、バラストとして適切な任意のインピーダンスを有する素子を一次側に接続することができる。
【００２２】
以上の説明では、本発明に係るバラストインピーダンス素子をインダクタ１８として説明したが、本発明に係るバラストインピーダンス素子の別の態様として、図３に示すような、コンデンサ３２とインダクタ３１からなる直列回路３３を使用することもできる。
【００２３】
本実施形態における放電灯点灯装置１０において、バラストインピーダンス素子をこの直列回路３３とすることによって、上述した作用・効果に加えて、次のような作用を得ることができる。例えば、図４に示すように、インバータ手段１２の出力波形に、一方向の電圧がＶ、他方向の電圧がＶ＋ΔＶであるような非対称性が存在する場合、その出力電圧には、平均してΔＶ’（但し、ΔＶ’はΔＶの時間平均）の直流電圧が重畳されることになる。このため、バラストインピーダンス素子がインダクタ３１のみであると、インバータトランスＴＲ１〜ＴＲｎに大きな直流電流が重畳されて、磁気飽和や効率の低下の原因となる。この際、そのバラストインピーダンス素子に対して、インバータ手段１２に直列に接続されたコンデンサ３２を付加することによって、非対称な電圧波形の直流成分をカットし、インバータトランスＴＲの一次巻線１４に印加される電圧の対称性を改善することができる。
【００２４】
また、本実施形態において、二次側共振回路の共振周波数を調整して管電流を安定化させると共に、インバータ手段１２の出力電圧の高調波成分をより効果的にカットして、インバータトランスＴＲの一次側巻線Ｎｐに印加される電圧波形をほぼ正弦波状とするために、インバータトランスＴＲ１〜ＴＲｎの一次側巻線Ｎｐに並列にコンデンサを接続してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る放電灯点灯装置の一実施形態を示す回路構成図である。
【図２】図１に示す放電等点灯装置のインバータ手段を示す回路構成図である。
【図３】本発明に係るバラストインピーダンス素子の別の態様を示す回路構成図である。
【図４】インバータ手段による非対称な電圧波形を模式的に示すグラフである。
【符号の説明】
【００２６】
１０：放電灯点灯装置、１２：インバータ手段、１３：スイッチング手段（フルブリッジ回路）、１８，３３：バラストインピーダンス素子、ＴＲ１〜ＴＲｎ：インバータトランス、Ｌａ１〜Ｌａｎ：放電灯
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波電圧を出力するインバータ手段と複数のインバータトランスとを含み、該複数のインバータトランスの二次巻線にそれぞれ接続された複数の放電灯を点灯する多灯式放電灯点灯装置において、
前記インバータ手段はスイッチング手段を含み、
前記複数のインバータトランスの一次巻線は直列に接続されており、
前記スイッチング手段と前記直列に接続された一次巻線との間には、該一次巻線に直列にバラストインピーダンス素子が接続されていることを特徴とする放電灯点灯装置。
【請求項２】
前記バラストインピーダンス素子は、コンデンサまたはインダクタのいずれか、あるいは、それらの組合せで構成されることを特徴とする請求項１に記載の放電灯点灯装置。
【請求項１】
高周波電圧を出力するインバータ手段と複数のインバータトランスとを含み、該複数のインバータトランスの二次巻線にそれぞれ接続された複数の放電灯を点灯する多灯式放電灯点灯装置において、
前記インバータ手段はスイッチング手段を含み、
前記複数のインバータトランスの一次巻線は直列に接続されており、
前記スイッチング手段と前記直列に接続された一次巻線との間には、該一次巻線に直列にバラストインピーダンス素子が接続されていることを特徴とする放電灯点灯装置。
【請求項２】
前記バラストインピーダンス素子は、コンデンサまたはインダクタのいずれか、あるいは、それらの組合せで構成されることを特徴とする請求項１に記載の放電灯点灯装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００８−１４０５４７（Ｐ２００８−１４０５４７Ａ）
【公開日】平成２０年６月１９日（２００８．６．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３１３９９８（Ｐ２００４−３１３９９８）
【出願日】平成１６年１０月２８日（２００４．１０．２８）
【出願人】（０００１１４２１５）ミネベア株式会社 (846)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年６月１９日（２００８．６．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１０月２８日（２００４．１０．２８）
【出願人】（０００１１４２１５）ミネベア株式会社 (846)
【Ｆターム（参考）】
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