放電灯点灯装置及び照明器具
【課題】高輝度放電灯の始動に関する絶縁破壊性能とアーク移行性能を最適にし、スムースな始動を実現する。
【解決手段】始動時に、DC/ACインバータ5が高周波電圧を出力することで始動回路6が共振動作により高電圧を高輝度放電灯7に印加する区間Aと、DC/ACインバータ5が低周波矩形波電圧あるいは直流電圧を始動回路6を介して高輝度放電灯7に印加する区間Bとを交互に出力する放電灯点灯装置において、共振動作により高電圧を印加する区間Aを初期エージングの高輝度放電灯を絶縁破壊するに足る時間程度と設定し、且つ、その高電圧発生区間Aと低周波矩形波電圧あるいは直流電圧発生区間Bとを交互に出力する区間Cを寿命末期の高輝度放電灯を絶縁破壊するに足る時間程度と設定する。
【解決手段】始動時に、DC/ACインバータ5が高周波電圧を出力することで始動回路6が共振動作により高電圧を高輝度放電灯7に印加する区間Aと、DC/ACインバータ5が低周波矩形波電圧あるいは直流電圧を始動回路6を介して高輝度放電灯7に印加する区間Bとを交互に出力する放電灯点灯装置において、共振動作により高電圧を印加する区間Aを初期エージングの高輝度放電灯を絶縁破壊するに足る時間程度と設定し、且つ、その高電圧発生区間Aと低周波矩形波電圧あるいは直流電圧発生区間Bとを交互に出力する区間Cを寿命末期の高輝度放電灯を絶縁破壊するに足る時間程度と設定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は高輝度放電灯を点灯させるための放電灯点灯装置及びこれを用いた照明器具に関するものである。
【背景技術】
【0002】
高輝度放電灯はコンパクトな形状で高光束を得ることができ、点光源に近く、配光制御が容易なため、白熱灯やハロゲンランプの代替として近年広く使用されるようになってきた。この高輝度放電灯を点灯させるために直流電圧を高周波でスイッチングし、インダクタやコンデンサを介して低周波の矩形波に変換して高輝度放電灯を動作させる放電灯点灯装置がある。高輝度放電灯を高周波電力で点灯させると、音響的共鳴現象によってアーク放電が不安定になり、ちらつきが発生したり、立ち消えを起こすことがあるが、低周波の矩形波による交流点灯ではアーク放電を安定に継続することができる。
【0003】
高輝度放電灯は始動に際して数KV〜数十KVの高電圧のインパルス電圧を印加することによる絶縁破壊を必要とする。また、電極間の絶縁破壊が起きてから、その後のグロー放電を経てアーク放電へと移行することが必要であり、それぞれの動作状態に応じて最適な条件でエネルギーを供給し、始動状態から安定点灯状態へとスムースに移行できるように制御する必要がある。
【0004】
特開2004−265707(特許文献1)では、図7のように、高輝度放電灯の始動時に、共振動作により高電圧を印加する区間Aと低周波矩形波電圧を印加する区間Bとを交互に区間Cの間、繰り返すことが提案されている。共振動作により高電圧を印加する区間Aにより電極間の絶縁破壊を確実にし、低周波矩形波電圧を印加する区間Bによりグロー放電からアーク放電への移行を確実にするというものである。
【特許文献1】特開2004−265707号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
最近の検討によると、図7の各区間A、B、Cを夫々最適時間に設定することが重要であることが分かってきた。つまり、共振動作により高電圧を印加する区間Aが低周波矩形波電圧を印加する区間Bに対して短すぎると、グロー放電からアーク放電への移行はスムースにできるが、絶縁破壊性能が乏しくなり、逆に、共振動作により高電圧を印加する区間Aが低周波矩形波電圧を印加する区間Bに対して長すぎると、絶縁破壊はできるが、グロー放電からアーク放電への移行がスムースにならないという不都合が発生することが分かった。
【0006】
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、始動時に共振動作により高電圧を印加する区間と低周波矩形波電圧あるいは直流電圧を印加する区間及びその繰り返し周期について定性的あるいは定量的に最適な条件を導き、定義することで、高輝度放電灯の始動に関する重要な二因子である絶縁破壊性能とアーク移行性能を最適にし、スムースな始動を実現する放電灯点灯装置及び照明器具を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明にあっては、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(平滑用コンデンサ3)の電源電圧を電圧変換し、高輝度放電灯7を安定点灯させるDC/DCコンバータ4と、その直流電圧を交流電圧に変換するDC/ACインバータ5と、図4に示すように、少なくとも1つ以上のコンデンサ66及びインダクタ65からなる共振回路を具備して、DC/ACインバータ5の出力を高輝度放電灯7に供給する始動回路6とを備え、高輝度放電灯7の始動時には、図7に示すように、DC/ACインバータ5が高周波電圧を出力することで始動回路6が共振回路の共振動作により発生する高電圧を高輝度放電灯7に印加する区間Aと、DC/ACインバータ5が低周波矩形波電圧あるいは直流電圧を始動回路6を介して高輝度放電灯7に印加する区間Bとを交互に出力し、高輝度放電灯7の点灯時にはDC/ACインバータ5は低周波矩形波電圧を始動回路6を介して高輝度放電灯7に印加する放電灯点灯装置において、共振動作により高電圧を印加する区間Aを初期エージングの高輝度放電灯を絶縁破壊するに足る時間程度と設定し、且つ、その高電圧発生区間Aと低周波矩形波電圧あるいは直流電圧発生区間Bとを交互に出力する区間Cを寿命末期の高輝度放電灯を絶縁破壊するに足る時間程度と設定することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【0008】
本発明は、高輝度放電灯の始動過程において、共振動作により高電圧を印加する区間と低周波矩形波電圧あるいは直流電圧を印加する区間及びその繰り返し周期を、初期エージング放電灯及び寿命末期放電灯の絶縁破壊に必要な時間と関連させることで、絶縁破壊性能とアーク移行性能を最適にし、スムースな始動を実現する放電灯点灯装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0009】
(実施の形態1)
図1に本発明の実施の形態1の放電灯点灯装置の回路構成を示す。商用電源電圧を供給する交流電源1から整流器2を経て整流された出力をコンデンサ3により平滑し、DC/DCコンバータ4により高輝度放電灯7を安定に点灯させるために必要なランプ電流あるいはランプ電力を制御する。こうして所望の値に制御された出力はDC/ACインバータ5により低周波の矩形波出力へ変換され、高輝度放電灯7へ供給される。但し、この高輝度放電灯7は始動に際して数KV〜数十KVの高電圧のインパルス電圧による絶縁破壊を必要とする。始動回路6から高圧パルスを発生して高輝度放電灯7を始動させる。
【0010】
高輝度放電灯の始動過程では、電極間の絶縁破壊から、その後のグロー放電を経てアーク放電へと移行することが特徴であり、それぞれの動作状態に応じて最適な条件でエネルギーを供給し、始動状態から安定点灯状態へとスムースに移行できるように制御する必要がある。所謂、蛍光灯の場合は絶縁破壊も数百Vという比較的低い電圧で始動が可能であり、且つ、即時に定常放電状態に移行する点で高輝度放電灯とは異なる。そのため、高輝度放電灯の始動過程における制御は、蛍光灯の場合の始動過程における制御と比較して、複雑な制御となる。
【0011】
図2に始動回路6の一例(比較例)を示す。この回路方式はパルストランスを用いて、その一次側に印加される電圧を数十〜数百倍にして二次側に伝達する方式で比較的細い幅の高圧パルスを高輝度放電灯7へ印加するインパルス始動回路64である。コンデンサ61とパルストランス62の一次側62aの直列回路と、スイッチング素子63の直列回路と、高輝度放電灯7とパルストランス62の二次側62bの直列回路が前段のDC/ACインバータ5の出力端に接続される構成となっている。コンデンサ61に充電された電圧をスイッチング素子63によりパルストランス62の一次側62aを介して一気に放電し、その際に一次側62aに印加される電圧を二次側62bに数十〜数百倍にして伝達することで数KV〜数十KVの高圧パルスとして高輝度放電灯7へ印加することができる。
【0012】
この場合の高圧パルス波形は図3(a)のようになり、比較的幅の細いパルス、即ち、パルスエネルギーとしては比較的小さいものとなる。実際はこの高圧パルスは図3(b)のように、安定点灯時の低周波矩形波出力に重畳されて高輝度放電灯7に供給されることとなる。図3(c)のS点は、高輝度放電灯7が絶縁破壊し、始動したことを示している。S点以降は高圧パルスは停止される。
【0013】
図4に始動回路6の別の例(実施例)を示す。この回路方式はインダクタとコンデンサの共振回路で構成されており、前段のDC/ACインバータ5により上記共振回路の共振周波数近傍の高周波電圧を発生させる方式で、比較的太い幅の高圧パルスを高輝度放電灯7へ印加する共振昇圧始動回路67である。インダクタ65とコンデンサ66の直列回路が前段のDC/ACインバータ5の出力端に接続され、コンデンサ66に並列に高輝度放電灯7が接続される構成となっている。
【0014】
DC/ACインバータ5がインダクタ65とコンデンサ66で構成される共振回路の共振周波数近傍の高周波電圧を発生させることにより、インダクタ65あるいはコンデンサ66の両端に共振昇圧電圧を誘起することで数KV〜数十KVの高圧パルスとして高輝度放電灯7へ印加することができる。この場合の高圧パルス波形は図5(a)のようになり、数本のパルスがまとまって出力されることとなり、高輝度放電灯7の始動条件上は、比較的幅の太いパルス、即ち、パルスエネルギーとしては比較的大きいものとなる。なお、インダクタ65を前述のパルストランス62のような昇圧トランス構造とし、一次側の数倍の電圧として高輝度放電灯7へ印加することもある。
【0015】
図5(a)の高圧パルス波形は、DC/ACインバータ5の動作周波数がインダクタ65、コンデンサ66の共振周波数近傍で固定されている波形例であるが、実際にはインダクタ65、コンデンサ66の共振周波数のばらつきを吸収する等の目的でDC/ACインバータ5の動作周波数が共振周波数近傍でスイープされることもあり、そのときの高圧パルス波形は図5(b)のようになる。
【0016】
実際は、この高圧パルスは図6(a)のように、共振昇圧電圧による高圧パルス発生区間と安定時の低周波矩形波出力区間に分かれており、通常、点灯判別時点(図中のS点)で高輝度放電灯7の点灯状態を判別し、不点灯の場合はそれ以降の出力を停止する。これは先に述べたように高圧パルスのエネルギーが大きく、常時出力することは安全上、部品の耐久性上、好ましくないためである。また、高圧パルス発生区間はその性質上、どのような種別の高輝度放電灯7であっても点灯できるように、比較的長い期間となるように選定されている。図6(b)のS点までに高輝度放電灯7が絶縁破壊し、始動・点灯している場合、低周波矩形波出力区間として安定点灯まで動作が継続される。この時、先の例と同様に高圧パルスは停止されている。
【0017】
ここで最近の検討により、図2のインパルス始動回路64、図4の共振昇圧始動回路67について、夫々にメリット、デメリットがあることが分かってきた。
【0018】
先に述べたように、高輝度放電灯7の絶縁破壊に際しては、インパルス始動回路64はその高圧パルスエネルギーが小さいために、高輝度放電灯7に十分な絶縁破壊エネルギーを与えられないことがある。一方、共振昇圧始動回路67は高圧パルスエネルギーが大きいため、高輝度放電灯7の絶縁破壊を確実にできる。
【0019】
もう一つの始動条件である高輝度放電灯7のアーク放電移行については、低周波の電力供給がそのスムースな安定点灯移行に有効であることが分かっている。インパルス始動回路64は常に低周波矩形波が高輝度放電灯7に供給されることになるので、アーク放電移行がスムースである。一方、共振昇圧始動回路67は高周波動作により高圧パルスを発生させていることから、少なくとも高圧パルス発生区間は低周波矩形波を高輝度放電灯7に供給できないため、アーク放電移行がスムースにならないことが確認されている。
【0020】
即ち、インパルス始動回路64は絶縁破壊には不利、アーク放電移行には有利であり、共振昇圧始動回路67は絶縁破壊には有利、アーク放電移行には不利であり、互いに一長一短である。
【0021】
この双方の優位点を併せ持つ優れた始動方式として、特開2004−265707(特許文献1)が提案されている。ここでは、図7のように共振昇圧始動回路67の区間Aと低周波矩形波の区間Bを交互に区間Cの間、繰り返すことで、その双方の始動に対する優位点を結び付けている。即ち、共振昇圧始動回路67の区間Aにより絶縁破壊性能を確実に確保し、アーク放電への移行性能は低周波矩形波の区間Bにより確保するというものである。DC/ACインバータ5の動作周波数は、区間Aでは十KHz以上(数十KHz〜数百KHz)の高周波、区間Bでは1KHz未満(百Hz〜数百Hz)の低周波もしくは直流とされている。
【0022】
ところで、最近の検討によると、特開2004−265707の各区間A、B、Cを夫々最適時間に設定することが重要であり、それが最適でないと先のインパルス始動回路64、共振昇圧始動回路67のデメリットの要因が大きく表面化することが分かった。つまり、共振昇圧始動回路67の区間Aが短すぎると先のインパルス始動回路64のデメリットが表面化し、アーク放電への移行はスムースにできるが、絶縁破壊性能が乏しくなり、逆に、共振昇圧始動回路67の区間Aが長すぎると、先の共振昇圧始動回路67のデメリットが表面化し、絶縁破壊はできるが、アーク放電への移行がスムースにならないということが発生する。
【0023】
加えて、特に高輝度放電灯7は図8のように、商品出荷時の初期エージング(例えば0〜100時間)の放電灯は比較的始動しやすいが、寿命末期(例えば10,000時間)に近づくにつれ、その放電灯の電極スパッタ等々が原因で放電灯は徐々に始動し難くなっていくことも分かっている。
【0024】
つまり、初期エージング放電灯の絶縁破壊に要する時間を区間Aと設定すると、寿命末期放電灯では絶縁破壊性能が十分でなく、一方、寿命末期放電灯の絶縁破壊に要する時間を区間Aと設定すると、初期エージング放電灯においてはアーク放電への移行性能が不足するという二律背反が発生する。その点も踏まえて、本点灯回路が実市場で組み合わされる可能性のある全ての高輝度放電灯に対して絶縁破壊性能とアーク移行性能を総合的に満足させ、確実な始動性能を確保することは非常に重要である。
【0025】
本発明による区間Aと区間Cの設定について、図9を用いて説明する。図9に示すように、一般的な初期エージング高輝度放電灯についての絶縁破壊必要時間AAと寿命末期高輝度放電灯についての絶縁破壊必要時間CCが明らかになっている。よって、図7の共振動作により高電圧を印加する区間Aを、一般的な初期エージング高輝度放電灯についての絶縁破壊必要時間AA程度と設定し、且つ、図7の高電圧発生区間と低周波矩形波電圧あるいは直流電圧発生区間とを交互に出力する区間Cを、寿命末期高輝度放電灯についての絶縁破壊必要時間CC程度と設定する。なお、「〜程度と設定」とは、例えば「区間Aが時間AAと同じ、区間Cが時間CC以上」でも良いし、「区間Aが時間AA以上、区間Cが時間CCと同じ」であっても良いし、「区間Aが時間AA以上、区間Cが時間CC以上」であっても良い。
【0026】
低周波矩形波または直流出力の区間Bについては、通常点灯時の低周波矩形波に相当する周期、あるいはそれよりも長い周期として設定される。
【0027】
これらの時間の設定は、DC/ACインバータ5の制御回路8により夫々の時間においてDC/ACインバータ5の極性反転動作を制御することで実現される。Aの区間においてはDC/ACインバータ5を始動回路6の共振周波数近傍の高周波(数十KHz〜数百KHz)で動作させることにより共振昇圧高電圧を出力し、Bの区間においてはDC/ACインバータ5を、低周波(百Hz〜数百Hz)で動作あるいは直流動作させることにより低周波矩形波電圧あるいは直流電圧として出力することができ、それらを交互に繰り返すことで区間Cを構成する。
【0028】
通常、制御回路8は8ビットマイコン等で構成され、区間A、B、Cの動作周波数や区間A、B、Cの持続時間はマイコンプログラムにより任意に設定することができる。
【0029】
尚、DC/ACインバータ5の動作は先の従来例でも記載したとおり、共振周波数近傍での周波数固定動作のみならず、周波数スイープ動作するものとして構成することも出来る。
【0030】
本実施の形態では、DC/DCコンバータ4が降圧チョッパ回路で構成されているが、特開2004−265707号公報にも記載のように、昇圧チョッパ回路、あるいはフライバック型の昇降圧コンバータ回路で構成することもできる。また、本構成ではDC/DCコンバータ4とDC/ACインバータ5が独立した構成となっているが、特開2004−265707号公報にも記載のように、両者を兼用したフルブリッジ回路あるいはハーフブリッジ回路で構成することもできる。例えば、低周波矩形波電圧の出力時には、フルブリッジ回路の低電位側の一対のスイッチング素子を低周波で交互にON/OFFし、ON状態のスイッチング素子と対角方向に位置する高電位側のスイッチング素子を高周波でON/OFFさせることにより、DC/DCコンバータとDC/ACインバータの機能を1つのフルブリッジ回路で兼用することができる。
【0031】
(実施の形態2)
実施の形態1の説明に加えて、図10を用いて実施の形態2を説明する。実施の形態1において、図7の区間Aを長く設定しすぎると、先の始動回路67で見られたアーク放電への移行がスムースでないというデメリットが顕在化してくるので、その値には十分留意が必要である。ここでアーク放電への移行がスムースでなくなる時間をDとすると、区間Aは実施の形態1の条件に加えて、アーク放電への移行がスムースでなくなる時間D以下である必要がある。そこで、本実施の形態では、図7の高周波動作区間Aを、一般的な初期エージング高輝度放電灯についての絶縁破壊必要時間AA以上で、且つ、アーク放電への移行がスムースでなくなる時間D以下と設定する。Bの区間については、通常点灯時の低周波矩形波に相当する周期、あるいはそれよりも低い周期として設定される。これらの時間の設定は実施の形態1と同様に制御回路8のマイコンにより制御される。
【0032】
(実施の形態3)
実施の形態1の説明に加えて、図11を用いて実施の形態3を説明する。上述の図8は現時点で商品化されている放電灯を対象としたサンプリングであり、昨今のように小型化、高効率化等の特徴を持つ新規放電灯が次々市場にリリースされる現状を鑑みると、設計時以後にその絶縁破壊に要する時間が長くなることも十分に考慮しておく必要がある。すなわち、図11に示すように、設計時に検証できる高輝度放電灯サンプルよりも絶縁破壊が困難な放電灯が市場に流出するリスクを鑑み、若干その時間を長めに設計しておくことが必要とされる。
【0033】
但し、図7の区間Aを長く設定しすぎると先の始動回路67で見られたアーク放電への移行がスムースでないというデメリットが顕在化してくるので、その値には十分留意が必要である。検討の結果、区間Aは10m秒以上長くなると放電灯のアーク放電への移行がスムースでなくなる。
【0034】
一方、図7の区間Cは寿命末期の放電灯を対象とした絶縁破壊時間の設定という意味で、予測されるその時間のばらつきは非常に大きなものとなる。一方、一般的には1秒以上の区間において区間Aを伴う区間Cのような高電圧波形が発生することは、本点灯回路に用いられている電子部品の信頼性上、あるいは使用者の安全上、好ましいことではない。
【0035】
よって、図7の区間Aを1m秒〜10m秒と設定し、且つ、図7の区間Cを10m秒〜1秒と設定する。Bの区間については通常点灯時の低周波矩形波に相当する周期、あるいはそれよりも長い周期として設定される。これらの時間の設定は実施の形態1と同様に制御回路8のマイコンにより制御される。
【0036】
(実施の形態4)
図12を用いて実施の形態4を説明する。図12において、高輝度放電灯7の累積点灯時間を判別する手段として、放電灯の管電圧検出回路9を設け、管電圧が高くなると累積点灯時間が長くなっていると判別することができる。これは放電灯がその寿命につれ、その管電圧が高くなる性質を利用している。管電圧検出回路9により判定された管電圧を制御回路8に伝達し、不揮発性のメモリにその情報を蓄積しておくことで、次回の始動時において、区間Cを放電灯寿命、即ち累積点灯時間が長くなるにつれて長く設定することができる。
【0037】
その他、単純に制御回路8に不揮発性のタイマ機能(電源がOFFされてもタイマカウント値が保持される機能)を持たせ、このタイマにより放電灯の点灯時間をカウントすると共に、放電灯の交換時にはタイマをリセットすることにより、放電灯の累積点灯時間を判別するように構成しても良い。
【0038】
(実施の形態5)
実施の形態1〜4の放電灯点灯装置は、高輝度放電灯を装着した照明器具に内蔵され、もしくは灯具とは別設の外付け安定器として使用することができる。また、このような照明器具を人感センサや明るさセンサと組み合わせてセンサ出力に応じて光出力が制御される照明システムを構成しても良い。また、タイマと組み合わせて時間帯に応じて光出力が制御される照明システムを構成しても良い。さらに、高輝度放電灯を光源とする投射型の画像表示装置や車両用の前照灯点灯装置に利用しても良く、放電灯の始動がスムースであることにより光出力の立ち上がりが早くなる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【0039】
【図1】本発明の実施の形態1の回路図である。
【図2】従来のインパルス始動回路の回路図である。
【図3】図2の始動回路の動作波形図である。
【図4】本発明に用いる共振昇圧始動回路の回路図である。
【図5】図4の始動回路の動作波形図である。
【図6】図4の始動回路の動作波形図である。
【図7】本発明の実施の形態1の動作波形図である。
【図8】本発明の実施の形態1の説明図である。
【図9】本発明の実施の形態1の説明図である。
【図10】本発明の実施の形態2の説明図である。
【図11】本発明の実施の形態3の説明図である。
【図12】本発明の実施の形態4の回路図である。
【符号の説明】
【0040】
3 平滑用コンデンサ
4 DC/DCコンバータ
5 DC/ACインバータ
6 始動回路
7 高輝度放電灯
8 制御回路
【技術分野】
【0001】
本発明は高輝度放電灯を点灯させるための放電灯点灯装置及びこれを用いた照明器具に関するものである。
【背景技術】
【0002】
高輝度放電灯はコンパクトな形状で高光束を得ることができ、点光源に近く、配光制御が容易なため、白熱灯やハロゲンランプの代替として近年広く使用されるようになってきた。この高輝度放電灯を点灯させるために直流電圧を高周波でスイッチングし、インダクタやコンデンサを介して低周波の矩形波に変換して高輝度放電灯を動作させる放電灯点灯装置がある。高輝度放電灯を高周波電力で点灯させると、音響的共鳴現象によってアーク放電が不安定になり、ちらつきが発生したり、立ち消えを起こすことがあるが、低周波の矩形波による交流点灯ではアーク放電を安定に継続することができる。
【0003】
高輝度放電灯は始動に際して数KV〜数十KVの高電圧のインパルス電圧を印加することによる絶縁破壊を必要とする。また、電極間の絶縁破壊が起きてから、その後のグロー放電を経てアーク放電へと移行することが必要であり、それぞれの動作状態に応じて最適な条件でエネルギーを供給し、始動状態から安定点灯状態へとスムースに移行できるように制御する必要がある。
【0004】
特開2004−265707(特許文献1)では、図7のように、高輝度放電灯の始動時に、共振動作により高電圧を印加する区間Aと低周波矩形波電圧を印加する区間Bとを交互に区間Cの間、繰り返すことが提案されている。共振動作により高電圧を印加する区間Aにより電極間の絶縁破壊を確実にし、低周波矩形波電圧を印加する区間Bによりグロー放電からアーク放電への移行を確実にするというものである。
【特許文献1】特開2004−265707号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
最近の検討によると、図7の各区間A、B、Cを夫々最適時間に設定することが重要であることが分かってきた。つまり、共振動作により高電圧を印加する区間Aが低周波矩形波電圧を印加する区間Bに対して短すぎると、グロー放電からアーク放電への移行はスムースにできるが、絶縁破壊性能が乏しくなり、逆に、共振動作により高電圧を印加する区間Aが低周波矩形波電圧を印加する区間Bに対して長すぎると、絶縁破壊はできるが、グロー放電からアーク放電への移行がスムースにならないという不都合が発生することが分かった。
【0006】
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、始動時に共振動作により高電圧を印加する区間と低周波矩形波電圧あるいは直流電圧を印加する区間及びその繰り返し周期について定性的あるいは定量的に最適な条件を導き、定義することで、高輝度放電灯の始動に関する重要な二因子である絶縁破壊性能とアーク移行性能を最適にし、スムースな始動を実現する放電灯点灯装置及び照明器具を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明にあっては、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(平滑用コンデンサ3)の電源電圧を電圧変換し、高輝度放電灯7を安定点灯させるDC/DCコンバータ4と、その直流電圧を交流電圧に変換するDC/ACインバータ5と、図4に示すように、少なくとも1つ以上のコンデンサ66及びインダクタ65からなる共振回路を具備して、DC/ACインバータ5の出力を高輝度放電灯7に供給する始動回路6とを備え、高輝度放電灯7の始動時には、図7に示すように、DC/ACインバータ5が高周波電圧を出力することで始動回路6が共振回路の共振動作により発生する高電圧を高輝度放電灯7に印加する区間Aと、DC/ACインバータ5が低周波矩形波電圧あるいは直流電圧を始動回路6を介して高輝度放電灯7に印加する区間Bとを交互に出力し、高輝度放電灯7の点灯時にはDC/ACインバータ5は低周波矩形波電圧を始動回路6を介して高輝度放電灯7に印加する放電灯点灯装置において、共振動作により高電圧を印加する区間Aを初期エージングの高輝度放電灯を絶縁破壊するに足る時間程度と設定し、且つ、その高電圧発生区間Aと低周波矩形波電圧あるいは直流電圧発生区間Bとを交互に出力する区間Cを寿命末期の高輝度放電灯を絶縁破壊するに足る時間程度と設定することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【0008】
本発明は、高輝度放電灯の始動過程において、共振動作により高電圧を印加する区間と低周波矩形波電圧あるいは直流電圧を印加する区間及びその繰り返し周期を、初期エージング放電灯及び寿命末期放電灯の絶縁破壊に必要な時間と関連させることで、絶縁破壊性能とアーク移行性能を最適にし、スムースな始動を実現する放電灯点灯装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0009】
(実施の形態1)
図1に本発明の実施の形態1の放電灯点灯装置の回路構成を示す。商用電源電圧を供給する交流電源1から整流器2を経て整流された出力をコンデンサ3により平滑し、DC/DCコンバータ4により高輝度放電灯7を安定に点灯させるために必要なランプ電流あるいはランプ電力を制御する。こうして所望の値に制御された出力はDC/ACインバータ5により低周波の矩形波出力へ変換され、高輝度放電灯7へ供給される。但し、この高輝度放電灯7は始動に際して数KV〜数十KVの高電圧のインパルス電圧による絶縁破壊を必要とする。始動回路6から高圧パルスを発生して高輝度放電灯7を始動させる。
【0010】
高輝度放電灯の始動過程では、電極間の絶縁破壊から、その後のグロー放電を経てアーク放電へと移行することが特徴であり、それぞれの動作状態に応じて最適な条件でエネルギーを供給し、始動状態から安定点灯状態へとスムースに移行できるように制御する必要がある。所謂、蛍光灯の場合は絶縁破壊も数百Vという比較的低い電圧で始動が可能であり、且つ、即時に定常放電状態に移行する点で高輝度放電灯とは異なる。そのため、高輝度放電灯の始動過程における制御は、蛍光灯の場合の始動過程における制御と比較して、複雑な制御となる。
【0011】
図2に始動回路6の一例(比較例)を示す。この回路方式はパルストランスを用いて、その一次側に印加される電圧を数十〜数百倍にして二次側に伝達する方式で比較的細い幅の高圧パルスを高輝度放電灯7へ印加するインパルス始動回路64である。コンデンサ61とパルストランス62の一次側62aの直列回路と、スイッチング素子63の直列回路と、高輝度放電灯7とパルストランス62の二次側62bの直列回路が前段のDC/ACインバータ5の出力端に接続される構成となっている。コンデンサ61に充電された電圧をスイッチング素子63によりパルストランス62の一次側62aを介して一気に放電し、その際に一次側62aに印加される電圧を二次側62bに数十〜数百倍にして伝達することで数KV〜数十KVの高圧パルスとして高輝度放電灯7へ印加することができる。
【0012】
この場合の高圧パルス波形は図3(a)のようになり、比較的幅の細いパルス、即ち、パルスエネルギーとしては比較的小さいものとなる。実際はこの高圧パルスは図3(b)のように、安定点灯時の低周波矩形波出力に重畳されて高輝度放電灯7に供給されることとなる。図3(c)のS点は、高輝度放電灯7が絶縁破壊し、始動したことを示している。S点以降は高圧パルスは停止される。
【0013】
図4に始動回路6の別の例(実施例)を示す。この回路方式はインダクタとコンデンサの共振回路で構成されており、前段のDC/ACインバータ5により上記共振回路の共振周波数近傍の高周波電圧を発生させる方式で、比較的太い幅の高圧パルスを高輝度放電灯7へ印加する共振昇圧始動回路67である。インダクタ65とコンデンサ66の直列回路が前段のDC/ACインバータ5の出力端に接続され、コンデンサ66に並列に高輝度放電灯7が接続される構成となっている。
【0014】
DC/ACインバータ5がインダクタ65とコンデンサ66で構成される共振回路の共振周波数近傍の高周波電圧を発生させることにより、インダクタ65あるいはコンデンサ66の両端に共振昇圧電圧を誘起することで数KV〜数十KVの高圧パルスとして高輝度放電灯7へ印加することができる。この場合の高圧パルス波形は図5(a)のようになり、数本のパルスがまとまって出力されることとなり、高輝度放電灯7の始動条件上は、比較的幅の太いパルス、即ち、パルスエネルギーとしては比較的大きいものとなる。なお、インダクタ65を前述のパルストランス62のような昇圧トランス構造とし、一次側の数倍の電圧として高輝度放電灯7へ印加することもある。
【0015】
図5(a)の高圧パルス波形は、DC/ACインバータ5の動作周波数がインダクタ65、コンデンサ66の共振周波数近傍で固定されている波形例であるが、実際にはインダクタ65、コンデンサ66の共振周波数のばらつきを吸収する等の目的でDC/ACインバータ5の動作周波数が共振周波数近傍でスイープされることもあり、そのときの高圧パルス波形は図5(b)のようになる。
【0016】
実際は、この高圧パルスは図6(a)のように、共振昇圧電圧による高圧パルス発生区間と安定時の低周波矩形波出力区間に分かれており、通常、点灯判別時点(図中のS点)で高輝度放電灯7の点灯状態を判別し、不点灯の場合はそれ以降の出力を停止する。これは先に述べたように高圧パルスのエネルギーが大きく、常時出力することは安全上、部品の耐久性上、好ましくないためである。また、高圧パルス発生区間はその性質上、どのような種別の高輝度放電灯7であっても点灯できるように、比較的長い期間となるように選定されている。図6(b)のS点までに高輝度放電灯7が絶縁破壊し、始動・点灯している場合、低周波矩形波出力区間として安定点灯まで動作が継続される。この時、先の例と同様に高圧パルスは停止されている。
【0017】
ここで最近の検討により、図2のインパルス始動回路64、図4の共振昇圧始動回路67について、夫々にメリット、デメリットがあることが分かってきた。
【0018】
先に述べたように、高輝度放電灯7の絶縁破壊に際しては、インパルス始動回路64はその高圧パルスエネルギーが小さいために、高輝度放電灯7に十分な絶縁破壊エネルギーを与えられないことがある。一方、共振昇圧始動回路67は高圧パルスエネルギーが大きいため、高輝度放電灯7の絶縁破壊を確実にできる。
【0019】
もう一つの始動条件である高輝度放電灯7のアーク放電移行については、低周波の電力供給がそのスムースな安定点灯移行に有効であることが分かっている。インパルス始動回路64は常に低周波矩形波が高輝度放電灯7に供給されることになるので、アーク放電移行がスムースである。一方、共振昇圧始動回路67は高周波動作により高圧パルスを発生させていることから、少なくとも高圧パルス発生区間は低周波矩形波を高輝度放電灯7に供給できないため、アーク放電移行がスムースにならないことが確認されている。
【0020】
即ち、インパルス始動回路64は絶縁破壊には不利、アーク放電移行には有利であり、共振昇圧始動回路67は絶縁破壊には有利、アーク放電移行には不利であり、互いに一長一短である。
【0021】
この双方の優位点を併せ持つ優れた始動方式として、特開2004−265707(特許文献1)が提案されている。ここでは、図7のように共振昇圧始動回路67の区間Aと低周波矩形波の区間Bを交互に区間Cの間、繰り返すことで、その双方の始動に対する優位点を結び付けている。即ち、共振昇圧始動回路67の区間Aにより絶縁破壊性能を確実に確保し、アーク放電への移行性能は低周波矩形波の区間Bにより確保するというものである。DC/ACインバータ5の動作周波数は、区間Aでは十KHz以上(数十KHz〜数百KHz)の高周波、区間Bでは1KHz未満(百Hz〜数百Hz)の低周波もしくは直流とされている。
【0022】
ところで、最近の検討によると、特開2004−265707の各区間A、B、Cを夫々最適時間に設定することが重要であり、それが最適でないと先のインパルス始動回路64、共振昇圧始動回路67のデメリットの要因が大きく表面化することが分かった。つまり、共振昇圧始動回路67の区間Aが短すぎると先のインパルス始動回路64のデメリットが表面化し、アーク放電への移行はスムースにできるが、絶縁破壊性能が乏しくなり、逆に、共振昇圧始動回路67の区間Aが長すぎると、先の共振昇圧始動回路67のデメリットが表面化し、絶縁破壊はできるが、アーク放電への移行がスムースにならないということが発生する。
【0023】
加えて、特に高輝度放電灯7は図8のように、商品出荷時の初期エージング(例えば0〜100時間)の放電灯は比較的始動しやすいが、寿命末期(例えば10,000時間)に近づくにつれ、その放電灯の電極スパッタ等々が原因で放電灯は徐々に始動し難くなっていくことも分かっている。
【0024】
つまり、初期エージング放電灯の絶縁破壊に要する時間を区間Aと設定すると、寿命末期放電灯では絶縁破壊性能が十分でなく、一方、寿命末期放電灯の絶縁破壊に要する時間を区間Aと設定すると、初期エージング放電灯においてはアーク放電への移行性能が不足するという二律背反が発生する。その点も踏まえて、本点灯回路が実市場で組み合わされる可能性のある全ての高輝度放電灯に対して絶縁破壊性能とアーク移行性能を総合的に満足させ、確実な始動性能を確保することは非常に重要である。
【0025】
本発明による区間Aと区間Cの設定について、図9を用いて説明する。図9に示すように、一般的な初期エージング高輝度放電灯についての絶縁破壊必要時間AAと寿命末期高輝度放電灯についての絶縁破壊必要時間CCが明らかになっている。よって、図7の共振動作により高電圧を印加する区間Aを、一般的な初期エージング高輝度放電灯についての絶縁破壊必要時間AA程度と設定し、且つ、図7の高電圧発生区間と低周波矩形波電圧あるいは直流電圧発生区間とを交互に出力する区間Cを、寿命末期高輝度放電灯についての絶縁破壊必要時間CC程度と設定する。なお、「〜程度と設定」とは、例えば「区間Aが時間AAと同じ、区間Cが時間CC以上」でも良いし、「区間Aが時間AA以上、区間Cが時間CCと同じ」であっても良いし、「区間Aが時間AA以上、区間Cが時間CC以上」であっても良い。
【0026】
低周波矩形波または直流出力の区間Bについては、通常点灯時の低周波矩形波に相当する周期、あるいはそれよりも長い周期として設定される。
【0027】
これらの時間の設定は、DC/ACインバータ5の制御回路8により夫々の時間においてDC/ACインバータ5の極性反転動作を制御することで実現される。Aの区間においてはDC/ACインバータ5を始動回路6の共振周波数近傍の高周波(数十KHz〜数百KHz)で動作させることにより共振昇圧高電圧を出力し、Bの区間においてはDC/ACインバータ5を、低周波(百Hz〜数百Hz)で動作あるいは直流動作させることにより低周波矩形波電圧あるいは直流電圧として出力することができ、それらを交互に繰り返すことで区間Cを構成する。
【0028】
通常、制御回路8は8ビットマイコン等で構成され、区間A、B、Cの動作周波数や区間A、B、Cの持続時間はマイコンプログラムにより任意に設定することができる。
【0029】
尚、DC/ACインバータ5の動作は先の従来例でも記載したとおり、共振周波数近傍での周波数固定動作のみならず、周波数スイープ動作するものとして構成することも出来る。
【0030】
本実施の形態では、DC/DCコンバータ4が降圧チョッパ回路で構成されているが、特開2004−265707号公報にも記載のように、昇圧チョッパ回路、あるいはフライバック型の昇降圧コンバータ回路で構成することもできる。また、本構成ではDC/DCコンバータ4とDC/ACインバータ5が独立した構成となっているが、特開2004−265707号公報にも記載のように、両者を兼用したフルブリッジ回路あるいはハーフブリッジ回路で構成することもできる。例えば、低周波矩形波電圧の出力時には、フルブリッジ回路の低電位側の一対のスイッチング素子を低周波で交互にON/OFFし、ON状態のスイッチング素子と対角方向に位置する高電位側のスイッチング素子を高周波でON/OFFさせることにより、DC/DCコンバータとDC/ACインバータの機能を1つのフルブリッジ回路で兼用することができる。
【0031】
(実施の形態2)
実施の形態1の説明に加えて、図10を用いて実施の形態2を説明する。実施の形態1において、図7の区間Aを長く設定しすぎると、先の始動回路67で見られたアーク放電への移行がスムースでないというデメリットが顕在化してくるので、その値には十分留意が必要である。ここでアーク放電への移行がスムースでなくなる時間をDとすると、区間Aは実施の形態1の条件に加えて、アーク放電への移行がスムースでなくなる時間D以下である必要がある。そこで、本実施の形態では、図7の高周波動作区間Aを、一般的な初期エージング高輝度放電灯についての絶縁破壊必要時間AA以上で、且つ、アーク放電への移行がスムースでなくなる時間D以下と設定する。Bの区間については、通常点灯時の低周波矩形波に相当する周期、あるいはそれよりも低い周期として設定される。これらの時間の設定は実施の形態1と同様に制御回路8のマイコンにより制御される。
【0032】
(実施の形態3)
実施の形態1の説明に加えて、図11を用いて実施の形態3を説明する。上述の図8は現時点で商品化されている放電灯を対象としたサンプリングであり、昨今のように小型化、高効率化等の特徴を持つ新規放電灯が次々市場にリリースされる現状を鑑みると、設計時以後にその絶縁破壊に要する時間が長くなることも十分に考慮しておく必要がある。すなわち、図11に示すように、設計時に検証できる高輝度放電灯サンプルよりも絶縁破壊が困難な放電灯が市場に流出するリスクを鑑み、若干その時間を長めに設計しておくことが必要とされる。
【0033】
但し、図7の区間Aを長く設定しすぎると先の始動回路67で見られたアーク放電への移行がスムースでないというデメリットが顕在化してくるので、その値には十分留意が必要である。検討の結果、区間Aは10m秒以上長くなると放電灯のアーク放電への移行がスムースでなくなる。
【0034】
一方、図7の区間Cは寿命末期の放電灯を対象とした絶縁破壊時間の設定という意味で、予測されるその時間のばらつきは非常に大きなものとなる。一方、一般的には1秒以上の区間において区間Aを伴う区間Cのような高電圧波形が発生することは、本点灯回路に用いられている電子部品の信頼性上、あるいは使用者の安全上、好ましいことではない。
【0035】
よって、図7の区間Aを1m秒〜10m秒と設定し、且つ、図7の区間Cを10m秒〜1秒と設定する。Bの区間については通常点灯時の低周波矩形波に相当する周期、あるいはそれよりも長い周期として設定される。これらの時間の設定は実施の形態1と同様に制御回路8のマイコンにより制御される。
【0036】
(実施の形態4)
図12を用いて実施の形態4を説明する。図12において、高輝度放電灯7の累積点灯時間を判別する手段として、放電灯の管電圧検出回路9を設け、管電圧が高くなると累積点灯時間が長くなっていると判別することができる。これは放電灯がその寿命につれ、その管電圧が高くなる性質を利用している。管電圧検出回路9により判定された管電圧を制御回路8に伝達し、不揮発性のメモリにその情報を蓄積しておくことで、次回の始動時において、区間Cを放電灯寿命、即ち累積点灯時間が長くなるにつれて長く設定することができる。
【0037】
その他、単純に制御回路8に不揮発性のタイマ機能(電源がOFFされてもタイマカウント値が保持される機能)を持たせ、このタイマにより放電灯の点灯時間をカウントすると共に、放電灯の交換時にはタイマをリセットすることにより、放電灯の累積点灯時間を判別するように構成しても良い。
【0038】
(実施の形態5)
実施の形態1〜4の放電灯点灯装置は、高輝度放電灯を装着した照明器具に内蔵され、もしくは灯具とは別設の外付け安定器として使用することができる。また、このような照明器具を人感センサや明るさセンサと組み合わせてセンサ出力に応じて光出力が制御される照明システムを構成しても良い。また、タイマと組み合わせて時間帯に応じて光出力が制御される照明システムを構成しても良い。さらに、高輝度放電灯を光源とする投射型の画像表示装置や車両用の前照灯点灯装置に利用しても良く、放電灯の始動がスムースであることにより光出力の立ち上がりが早くなる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【0039】
【図1】本発明の実施の形態1の回路図である。
【図2】従来のインパルス始動回路の回路図である。
【図3】図2の始動回路の動作波形図である。
【図4】本発明に用いる共振昇圧始動回路の回路図である。
【図5】図4の始動回路の動作波形図である。
【図6】図4の始動回路の動作波形図である。
【図7】本発明の実施の形態1の動作波形図である。
【図8】本発明の実施の形態1の説明図である。
【図9】本発明の実施の形態1の説明図である。
【図10】本発明の実施の形態2の説明図である。
【図11】本発明の実施の形態3の説明図である。
【図12】本発明の実施の形態4の回路図である。
【符号の説明】
【0040】
3 平滑用コンデンサ
4 DC/DCコンバータ
5 DC/ACインバータ
6 始動回路
7 高輝度放電灯
8 制御回路
【特許請求の範囲】
【請求項1】
直流電源の電源電圧を電圧変換し、高輝度放電灯を安定点灯させるDC/DCコンバータと、その直流電圧を交流電圧に変換するDC/ACインバータと、少なくとも1つ以上のコンデンサ及びインダクタからなる共振回路を具備して、DC/ACインバータの出力を高輝度放電灯に供給する始動回路とを備え、高輝度放電灯の始動時には、DC/ACインバータが高周波電圧を出力することで始動回路が共振回路の共振動作により発生する高電圧を高輝度放電灯に印加する区間と、DC/ACインバータが低周波矩形波電圧あるいは直流電圧を始動回路を介して高輝度放電灯に印加する区間とを交互に出力し、高輝度放電灯の点灯時にはDC/ACインバータは低周波矩形波電圧を始動回路を介して高輝度放電灯に印加する放電灯点灯装置において、共振動作により高電圧を印加する区間を初期エージングの高輝度放電灯を絶縁破壊するに足る時間程度と設定し、且つ、その高電圧発生区間と低周波矩形波電圧あるいは直流電圧発生区間とを交互に出力する区間を寿命末期の高輝度放電灯を絶縁破壊するに足る時間程度と設定することを特徴とする放電灯点灯装置。
【請求項2】
請求項1において、共振動作により高電圧を印加する区間を初期エージングの高輝度放電灯を絶縁破壊するに足る時間以上、且つ、高周波点灯によりアーク放電移行が妨げられない時間以下と設定することを特徴とする放電灯点灯装置。
【請求項3】
請求項1または2において、初期エージングの高輝度放電灯を絶縁破壊するに足る時間を1m秒以上10m秒以下とし、寿命末期の高輝度放電灯を絶縁破壊するに足る時間を10m秒以上1秒以下とすることを特徴とする放電灯点灯装置。
【請求項4】
請求項1〜3のいずれかにおいて、高輝度放電灯の累積点灯時間を判別する手段を備え、累積点灯時間の増加につれて高電圧発生区間と低周波矩形波電圧あるいは直流電圧発生区間とを交互に出力する区間を増加させることを特徴とする放電灯点灯装置。
【請求項5】
請求項1〜4のいずれかに記載の放電灯点灯装置を具備する照明器具。
【請求項1】
直流電源の電源電圧を電圧変換し、高輝度放電灯を安定点灯させるDC/DCコンバータと、その直流電圧を交流電圧に変換するDC/ACインバータと、少なくとも1つ以上のコンデンサ及びインダクタからなる共振回路を具備して、DC/ACインバータの出力を高輝度放電灯に供給する始動回路とを備え、高輝度放電灯の始動時には、DC/ACインバータが高周波電圧を出力することで始動回路が共振回路の共振動作により発生する高電圧を高輝度放電灯に印加する区間と、DC/ACインバータが低周波矩形波電圧あるいは直流電圧を始動回路を介して高輝度放電灯に印加する区間とを交互に出力し、高輝度放電灯の点灯時にはDC/ACインバータは低周波矩形波電圧を始動回路を介して高輝度放電灯に印加する放電灯点灯装置において、共振動作により高電圧を印加する区間を初期エージングの高輝度放電灯を絶縁破壊するに足る時間程度と設定し、且つ、その高電圧発生区間と低周波矩形波電圧あるいは直流電圧発生区間とを交互に出力する区間を寿命末期の高輝度放電灯を絶縁破壊するに足る時間程度と設定することを特徴とする放電灯点灯装置。
【請求項2】
請求項1において、共振動作により高電圧を印加する区間を初期エージングの高輝度放電灯を絶縁破壊するに足る時間以上、且つ、高周波点灯によりアーク放電移行が妨げられない時間以下と設定することを特徴とする放電灯点灯装置。
【請求項3】
請求項1または2において、初期エージングの高輝度放電灯を絶縁破壊するに足る時間を1m秒以上10m秒以下とし、寿命末期の高輝度放電灯を絶縁破壊するに足る時間を10m秒以上1秒以下とすることを特徴とする放電灯点灯装置。
【請求項4】
請求項1〜3のいずれかにおいて、高輝度放電灯の累積点灯時間を判別する手段を備え、累積点灯時間の増加につれて高電圧発生区間と低周波矩形波電圧あるいは直流電圧発生区間とを交互に出力する区間を増加させることを特徴とする放電灯点灯装置。
【請求項5】
請求項1〜4のいずれかに記載の放電灯点灯装置を具備する照明器具。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【公開番号】特開2007−317511(P2007−317511A)
【公開日】平成19年12月6日(2007.12.6)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−146102(P2006−146102)
【出願日】平成18年5月26日(2006.5.26)
【出願人】(000005832)松下電工株式会社 (17,916)
【出願人】(000210078)池田電機株式会社 (21)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成19年12月6日(2007.12.6)
【国際特許分類】
【出願日】平成18年5月26日(2006.5.26)
【出願人】(000005832)松下電工株式会社 (17,916)
【出願人】(000210078)池田電機株式会社 (21)
【Fターム(参考)】
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