JP2007115660A - 高圧放電ランプ点灯装置及び照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広いランプ電流範囲において、電極温度を適正に保つことができる高圧放電ランプ点灯装置、その高圧放電ランプ及び照明装置を提供することである。
【解決手段】高圧放電ランプ７を点灯させる点灯装置であって、高周波発生回路３からの高周波成分と低周波発生回路4からの低周波成分とを加算回路６にて重畳して、高周波成分と低周波成分とを有する重畳波電流を高圧放電ランプ７に供給して点灯する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高圧放電ランプを高周波点灯する高圧放電ランプ点灯装置及び照明装置に関する。

一般に、放電ランプ点灯装置では、部品の小型及び軽量化を図り、ちらつきのない安定した点灯を行うために、スイッチング式の電源回路を用いた高周波点灯が行われている。 一方、放電ランプを高周波点灯すると、音響共鳴現象が起こり易く点灯状態が不安定になることも知られている。

高周波点灯に用いられるスイッチング式の電源回路には種々の方式があるが、ここではチョッパ式のスイッチング電源回路とその出力電圧をインバータ回路を用いて高周波の交流電圧に変換し、負荷である高圧放電ランプに供給する高圧放電ランプ点灯装置について説明する。

一般に、高圧放電ランプ点灯装置として高圧放電（High Intensity Discharge：ＨＩＤと呼ばれる）ランプを点灯させるインバータ回路を有するものは、高圧放電ランプが音響共鳴現象を生ずることを防止するため、インバータ回路のスイッチング素子のスイッチング周波数（以下、動作周波数という）を非共鳴周波数帯に合わせることで動作周波数をほぼ一定とし、その状態でランプ出力を制御している。

例えば、上述したような、電源に昇圧チョッパ回路を接続し、この昇圧チョッパ回路にインバータ回路を接続し、このインバータ回路により高圧放電ランプを点灯させる高圧放電ランプ点灯装置では、インバータ回路の動作周波数を余り変化させずに昇圧チョッパ回路からの直流電圧を制御することによってランプ電力を制御している。

特許文献１には、高圧放電ランプを高周波点灯する技術が開示されており、高圧放電ランプに生じる音響共鳴現象を検出して出力周波数を変化させ、音響共鳴を回避した周波数で点灯することが述べられている。

一方、蛍光ランプを負荷とした特許文献２及び特許文献３では、ランプの調光（ランプ電流の減少）時にデューティ比（スイッチング周期のオン期間の割合）を大きくする技術が開示されており、スイッチング周波数の増加に伴う損失増加や、調光点灯時のストライエーションの防止が可能になる。なお、ストライエーションとは、アルゴンのような原子量の大きい不活性ガスを含む放電灯を交流点灯させた場合、管壁に縞模様が現れる現象であって、ランプ周囲温度が低い時や、調光点灯時などに生じやすく、ちらつき等の不快感を与えるものとなる。

高圧放電ランプは、そのランプの定格ランプ電流よりも、低いランプ電流、あるいは、高いランプ電流で使われる場合がある。例えば、調光時は、定格ランプ電流よりも低いランプ電流で点灯される。また、ランプの点灯後の立ち上がり時はランプ電圧が低いために、ランプ電流が高めに流れる傾向がある。また、ランプ点灯後に意図的に高い電流を流すことで、光出力の立ち上がりを促進する場合もある。
特公昭５７−１８３１７号公報 特開昭６３−５５８９４号公報 特開平６−２８３２８６号公報

しかしながら、高圧放電ランプでは、スイッチング素子のオンのデューティ比を非対称にすると電極温度が低下する傾向がある。

また、一般的に、定格ランプ電流よりも著しく離れたランプ電流で高圧放電ランプを点灯させることは好ましくない。定格ランプ電流よりも低いランプ電流で点灯させると、電極温度が低下することにより、ランプの立ち消え、ちらつきが発生し易くなる。さらに、電極物質のスパッタリングが促進され、ランプの寿命を短くする可能性もある。逆にランプ電流が高いと、電極温度が上昇することにより、電極物質の蒸発が過大になり、ランプ寿命を短くする。

つまり、高圧放電ランプは、電極温度の適正範囲があり、その範囲を外れると、ランプ寿命が短くなる。電極の寸法等が決まっていれば、電極温度はランプ電流によって決定されるから、おのずと、ランプ電流の適正範囲は制限されてしまう。このため、調光点灯したときに寿命が短くなったり、あるいは、深い調光をすること自体ができないなどの課題がある。また、点灯後の立ち上がり時に過大なランプ電流が流れることによって、寿命を短くしているという課題がある。

そこで、本発明は上記の問題に鑑み、広いランプ電流範囲において、電極温度を適正に保つことができる高圧放電ランプ点灯装置及び照明装置を提供することを目的とするものである。

請求項１記載の発明は、高周波成分と低周波成分とを含む電力を高圧放電ランプに出力する重畳電力出力手段；を具備したものである。

ここで、高圧放電ランプは、水銀ランプ、メタルハライドランプ、高圧ナトリウムランプなどを含むものとする。また、発光管にアルミナ管を用いたセラミック放電ランプも含む。

高周波成分の周波数は、１５kHz以上５００kHz以下とすることが望ましい。周波数が低いと可聴周波数にかかり、１５kHz以下だと、高圧放電ランプ点灯装置からの音の発生を防止できない。５００kHz以上とすると、放射ノイズが多大である。低周波成分の周波数は、１０Hz以上５００Hz以下とすることが望ましい。１０Hz以下であると、ランプの発光強度が変化しているのが視認できるので、ちらつきとなる。５００Hz以上であると、高圧放電ランプ点灯装置からの音の発生を防止できない。また、高周波成分、低周波成分、それぞれの波形は、正弦波、矩形波、三角波など、特に限定されない。

高圧放電ランプに、このような高周波成分と低周波成分とを有する重畳波電流をランプ電流として流した場合は、通常の重畳されていない同じ電流値のランプ電流（即ち一方の成分のみでのランプ電流）に比べて、電極温度が低下することが、本願発明者の研究によって見出された。この電極温度の特性を利用することによって、電極温度を適正範囲に制御してランプ寿命を延ばすことが可能となる。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の高圧放電ランプ点灯装置において、前記重畳電力出力手段から出力される重畳された電流値は、その高周波成分の電流値１１と低周波成分の電流値Ｉ２とが、Ｉ１＞Ｉ２の関係にあることを特徴とする。

重畳波電流は、高周波成分の電流と、低周波成分の電流に分解することが可能である。そして、重畳波電流の実効値Ｉは、高周波成分の電流の実効値をＩ1、低周波成分の電流の実効値をＩ2とすると、次の式で表すことができる。

Ｉ²＝Ｉ1²＋Ｉ2²
ここで、高周波成分の電流値Ｉ1を、低周波成分の電流値Ｉ2より大きくすることは、即ち、高周波成分が主であることを意味する。これによって、高圧放電ランプ点灯装置の部品の小型化および軽量化が可能である。

請求項３記載の発明は、前記重畳電力出力手段は、高周波成分と低周波成分との成分比を変化させる成分比変化手段を具備することを特徴とする。

重畳波の電流値Ｉが同じでも高周波成分電流値Ｉ1と低周波成分電流値Ｉ2の成分比Ｉ1：Ｉ2によって電極温度が変化することが、本願発明者によって見出された。成分比Ｉ1：Ｉ2を変化させることによって、電極温度を制御して温度調整することが可能である。従って、ランプ寿命を延ばしたり、ちらつき、立ち消えなどの不具合を軽減できる。

請求項４記載の発明は、請求項３に記載の高圧放電ランプ点灯装置において、前記成分比変化手段は、高圧放電ランプの立ち上がり時においては、前記重畳電力出力手段の出力に含まれる高周波成分と低周波成分とを変化させるように制御することを特徴とする。

点灯後の立ち上がり時には、光出力を早く立ち上げるために、安定点灯時よりも大きな電流をランプに流すことがある。このとき高周波成分と低周波成分とを有する重畳電流を流すことによって、電極温度を低下させて電極温度を適正範囲に保つことができる。その結果、電極物質の蒸発が低減されるので、ランプ寿命を延ばすことが可能である。なお、高圧放電ランプの点灯後の立ち上がり期間は、図７に示すように点灯後の所定時間（約６０秒）であるので、この期間に上記の制御を行って電極温度の上昇を抑えるようにすることが好ましい。

請求項５記載の発明は、請求項３に記載の高圧放電ランプ点灯装置において、前記成分比変化手段は、外部から入力する調光信号のレベルに応じて、高周波成分と低周波成分との成分比を変化させることをことを特徴とする。

調光機能を有する高圧放電ランプ点灯装置は、外部から入力された調光信号のレベルによって、高圧放電ランプヘ供給されるランプ電流が制御されて、調光が行われる。成分比変化手段が、この調光信号のレベルに応じて、高周波成分電流値Ｉ1と低周波数成分電流値Ｉ2の成分比Ｉ1：Ｉ2を変化させることによって、電極温度を調整することが可能となる。つまり、図3に示すように、調光によってランプ電流が小さくなったときは、成分比Ｉ1：Ｉ2を１：１から遠ざかる（異なる）ように制御し、調光によってランプ電流が大きくなったときは、成分比Ｉ1：Ｉ2を１：１に近づけるように制御することによって、調光の前後でランプの電極温度をほぼ一定に保つことができる。これによって、ランプ寿命を延ばし、ちらつき、立ち消えなどの不具合を軽減できる。

請求項６記載の発明は、請求項３乃至５のいずれか一記載の高圧放電ランプ点灯装置において、前記成分比変化手段は、高圧放電ランプの特性を検出するランプ特性検出手段の検出結果に応じて高周波成分と低周波成分との成分比を変化させることを特徴とする。

ここで、ランプ特性とは、高圧放電ランプの点灯状態を表すランプ電圧、ランプ電流、ランプ電力、又は光出力の特性を言う。

ランプ特性検出手段の検出結果に応じて高周波成分と低周波成分との成分比を変化させることにより、そのときのランプ特性の変化に応じて、電極温度を制御してランプ特性の変化にかかわらずランプの電極温度をほぼ一定に保つことが可能となる。

請求項７記載の発明は、請求項６に記載の高圧放電ランプ点灯装置において、前記ランプ特性検出手段は、ランプ電流を検出するランプ電流検出手段であって、前記成分比変化手段は、前記ランプ電流手段のランプ電流の検出結果に応じて高周波成分の電流値と低周波成分の電流値との比を変化させることを特徴とする。

ランプ電流は、ランプの電極温度に大きな影響を与える要素であるので、これを検出し、ランプ電流の増加，減少に応じて成分比Ｉ1：Ｉ2を変えることで、ランプ電流の変化にかかわらず電極温度をほぼ一定に保つことができる。

請求項８記載の発明は、請求項７に記載の高圧放電ランプ点灯装置において、前記ランプ電流検出手段がランプ電流の増加を検出することによって、電極温度が上昇した状態になると、前記成分比変化手段は、高周波成分の電流値と低周波成分の電流値との比を最も電極温度が低くなる高周波成分と低周波成分との比である１：１に近づけるように制御することを特徴とする。

ランプ電流を検出し、ランプ電流が増加した場合には、図３に示すように成分比Ｉ1：Ｉ2を１：１に近づけることで、電極温度を下げるように制御することができる。

請求項９記載の発明は、請求項１乃至８のいずれか一記載の高圧放電ランプ点灯装置において、前記重畳電力出力手段は、直流電源手段からの直流電圧を、直列接続されて交互にオンオフする２つのスイッチング素子の両端に供給して高周波電圧に変換し、前記高圧放電ランプに印加して点灯するインバータ手段と；前記インバータ手段の２つのスイッチング素子を交互にオンオフ制御する制御手段であって、交互にスイッチングするスイッチング素子のデューティ比を、前記２つのスイッチング素子のスイッチング周期よりも長い周期(低周波成分)で、該２つのスイッチング素子のデューティ比が交互に反転関係となるように切り替える制御手段と：を具備したことを特徴とする。

上記の説明において、用語の定義及び技術的意味は以下の通りである。
直流電源手段は、例えば、交流電源電圧を整流する全波整流回路と、その整流電圧を入力し昇圧した直流電圧を生成する昇圧チョッパ回路とで構成される。

インバータ手段は、例えば、直列接続されて交互にオンオフする２つのスイッチング素子とＬＣ共振回路を有したハーフブリッジ型の高周波インバータで構成され、制御手段によってスイッチング周波数（動作周波数）が制御され、その高周波出力は高圧放電ランプの両端に印加され、高圧放電ランプを高周波点灯させる。

制御手段は、交互にスイッチングする２つのスイッチング素子のデューティ比を、前記２つのスイッチング素子のスイッチング周期よりも長い周期で、該２つのスイッチング素子のデューティ比が交互に反転関係となるように切り替える。これによって、図１６〜図１９で説明するように、高周波成分に低周波成分が重畳されることになる。

請求項１０記載の発明は、請求項９記載の高圧放電ランプ点灯装置において、前記高圧放電ランプのランプ電圧を検出するランプ電圧検出手段を更に具備し、前記制御手段は、前記ランプ電圧検出手段で検出したランプ電圧が音響共鳴を判定する所定値を越えたときに、ランプ点灯時の前記２つのスイッチング素子のスイッチング周波数を、ランプ始動時のスイッチング周波数とは異なる、音響共鳴現象を回避した周波数に制御することを特徴とする。

ランプ電圧検出手段は、例えば、高圧放電ランプの両端の高周波電圧を検出する検出回路と、ダイオードとコンデンサの組を２組用いて高周波電圧を整流平滑する倍電圧整流回路とで構成される。このランプ電圧検出手段は、ランプ点灯後の過渡状態及び安定点灯状態におけるランプ電圧を検出するのに用いられるほか、音響共鳴現象が生じた場合にランプ電圧が変動して上昇するので、音声共鳴を有りを判定するための閾値を設けて検出することで音響共鳴の発生を検出するのにも用いられる。

請求項１１記載の発明による照明装置は、高圧放電ランプと；請求項１乃至１０のいずれか一記載の高圧放電ランプ点灯装置と；を具備したものである。

この照明装置は、高圧放電ランプの電極温度をランプ特性の変動によらずほぼ一定に制御可能な点灯装置によって、そのランプの長寿命化が図られ、ちらつきや立ち消えが軽減される。

請求項１２記載の発明は、請求項１１記載の照明装置において、定格ランプ電流をＩa[A]、電極の直径をＤ[mm]としたとき、Ｉa／Ｄ²が、４〜２０の範囲にあることを特徴とする。

高圧放電ランプは、そのランプの定格ランプ電流において、電極温度が適正となるように、電極の寸法が設計されている。調光時は、ランプ電流が定格ランプ電流よりも小さくなるので、電極温度が適正値よりも低くなってしまう。これによって、寿命が短くなるなどの不具合が生じるのは、前述したとおりである。

この不具合を防止するために、調光用のランプ設計として、予め、電極の寸法を小さくしておく場合がある。電極の寸法は、電極先端の直径で代表される。ところが、このようなランプを使えば、全光時や立ち上がり時などランプ電流の大きいときは、電極温度が適正値よりも高めとなるので、ランプ寿命が短くなってしまう。

本発明の構成によって、広いランプ電流範囲にわたって、電極温度を適正範囲に保つことができる。例えば、電極寸法を、通常の設計値よりも小さいランプに対して適用して有用である。このようなランプの場合、定格ランプ電流で点灯される全光時や、それ以上の電流で点灯される立ち上がり時は、通常のランプ電流波形で点灯すると、電極温度が適正値よりも高めになる。本発明によれば、高周波成分Ｉ1と低周波成分Ｉ2の成分比を調整して、電極温度を適正値に低下させることが可能である。調光時のようにランプ電流を小さく調整した場合でも、適正な電極温度とすることができる。これによって、広いランプ電流範囲において、長寿命化が図れ、ちらつきや立ち消えなどの不具合を防止できる。

請求項１及び２の発明によれば、高圧放電ランプに、高周波成分と低周波成分とを有する重畳波電力を供給すると、両成分の重畳されていない場合に比して、電極温度を低下させることができる。この特性を利用して、ランプ寿命を延ばし、ちらつきや立ち消えの不具合を防ぐことが可能である。なお、重畳波電流のうちの高周波成分を多くすれば、高圧放電ランプ点灯装置の部品の小型化および軽量化が可能である。

請求項３乃至５の発明によれば、高周波成分と低周波成分との成分比を変化させる成分比変化手段を設ければ、電極温度の調整が可能となる。高圧放電ランプの点灯後の立ち上がり時において、ランプ電流を大きくするように制御されるが、このとき電極温度の上昇を抑えるために、高周波成分と低周波成分との成分比を変化させることで、電極温度の上昇を抑え電極温度を一定に保つように制御できる。又、調光時はランプ電流を抑えるように制御が行われるが、それにより電極温度が低下する傾向となる。このため、調光度合いに応じて高周波成分と低周波成分との成分比を変化させることで、電極温度の低下を防ぎ電極温度を一定に保つように制御できる。

請求項６乃至８の発明によれば、ランプ特性検出手段の検出結果例えばランプ電流検出値に応じて、高周波成分と低周波成分との成分比を変化させることにより、成分比変化手段を実現できる。高周波成分の電流値と低周波成分の電流値との比を１：１に近づければ、電極温度最も低い状態に制御できる。

請求項９及び１０の発明によれば、直列接続されて交互にオンオフする２つのスイッチング素子のデューティ比を、２つのスイッチング素子のスイッチング周期（高周波成分）よりも長い周期(低周波成分)で、該２つのスイッチング素子のデューティ比が交互に反転関係となるように切り替えることにより、高周波成分と低周波成分を重畳したランプ駆動用信号波形を生成して、高圧放電ランプに供給することができる。ランプ点灯時のスイッチング素子のスイッチング周波数は、音響共鳴周波数を回避した周波数に制御することができる。

請求項１１及び１２の発明によれば、請求項１乃至請求項１０に記載の高圧放電ランプ点灯装置を備えた、高圧放電ランプの電極温度制御が可能な照明装置を実現することが可能となる。

発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
図１は本発明の第１の実施形態の高圧放電ランプ点灯装置の概略的な構成を示すブロック図である。
図１において、高圧放電ランプ点灯装置１は、直流電源の電力を発生する電源回路２と、高周波成分の電力を発生する高周波発生回路３と、低周波成分の電力を発生する低周波発生回路４と、高周波成分の電力と低周波成分の電力とを加算し、高圧放電ランプ７に供給する加算回路６と、高周波発生回路３の高周波成分と低周波発生回路４の低周波成分との各出力の大きさを制御可能な制御回路５と、を含む重畳電力出力手段で構成される。

高圧放電ランプ７は、高周波成分の電力と低周波成分の電力とを含む重畳電力が供給される結果、高周波成分と低周波成分とを含む重畳波電流によって点灯する。

制御回路５は、高圧放電ランプ７の特性を検出するランプ特性検出手段を含み、このランプ特性検出手段の検出結果に応じて高周波成分と低周波成分との成分比を変化させる成分比変化手段で構成されていてもよい。

図２は図１の高圧放電ランプ点灯装置の原理を説明する図である。図２において、高周波発生回路３の出力端子３-1からの高周波成分の電圧と低周波発生回路４の出力端子４-1からの低周波成分の電圧とは、加算回路６で合成（重畳）されて高圧放電ランプ７の両端の電極７-1，７-2に印加される。高圧放電ランプ７が点灯状態に到ると、基準電位（０Ｖ）を基準に高周波成分電流と低周波成分電流とが重畳された重畳波電流を高圧放電ランプ７に供給することができる。

制御回路５には、図示しない操作手段があり、ユーザ又は調整者が操作することによって高圧放電ランプ７に供給する高周波成分電流と低周波成分電流との重畳割合を変えることが可能である。例えば、制御回路５の制御によって、高圧放電ランプ７の明るさ即ちランプ電力を一定に維持しながら、高周波成分の電流値と低周波成分の電流値の両方を変えることも可能である。或いは、制御回路５の制御によって、例えば、高周波成分（又は低周波成分）の電流値を一定とし、低周波成分（又は高周波成分）の電流値を変えることによって、高周波成分（又は低周波成分）の電流値に対する低周波成分（又は高周波成分）の電流値の重畳割合を変えることも可能である。或いは、制御回路５の制御によって、高圧放電ランプ７に供給される重畳された電流値は、その高周波成分の電流値１１と低周波成分の電流値Ｉ２とが、Ｉ１＞Ｉ２の関係、即ち高周波成分の重畳割合が低周波成分より常に多くなるようにしてもよい。

図３(a)〜(f)は上記高圧放電ランプ７に供給される高周波成分と低周波成分の重畳波電流の重畳割合を変えた状態を示している。この実施形態の場合は、高圧放電ランプ７の明るさ即ちランプ電力を一定にとなるように維持しながら、高周波成分の電流値に対する低周波成分の電流値の重畳率を(a)〜(f)の順に増加させている。

ここで、重畳率とは、高周波成分の電流の実効値（以下単に電流値）をＩ1、低周波成分の電流の実効値（以下単に電流値）をＩ2とすると、
重畳率＝｛Ｉ2／（Ｉ1＋Ｉ2）｝×１００[％] (1)
と表される。

図３において、(a)は低周波成分の電流値が０であって重畳率が０％、即ち高周波成分電流のみの場合を示している。(c)は重畳率が５０％の場合であり、このとき高圧放電ランプの電極温度が最も低い。(b)は重畳率が０％と５０％の中間の状態を示し、(d)，(e)は重畳率が５０％と１００％の間での状態を示している。図３(c)を中心として(c)の状態から低周波成分の電流値の重畳率を増加又は減少させるに従って、高圧放電ランプ７の両端の電極温度が高くなる特性を有する。つまり、高周波成分のみの場合（重畳率０％のとき）又は低周波成分のみの場合（重畳率１００％のとき）が電極温度が最も高くなる。従って、低周波成分の電流値の重畳率を制御すれば、電極温度を制御することが可能となる、ことが分かる。

図３でＩ1：Ｉ2は高周波成分の電流値Ｉ1と低周波成分の電流値Ｉ2の成分比を表している。高周波成分の電流値Ｉ1と低周波成分の電流値Ｉ2の重畳率が５０％のときをＩ1：Ｉ2＝１：１と表し、低周波成分の重畳率０％のときを２：０とし、低周波成分の重畳率１００％のときを０：２と表している。

高圧放電ランプとして、定格ランプ電力８０Ｗ、定格ランプ電流０．８５Ａのメタルハライドランプを使用した。このランプの電極は、材質がタングステン、先端部の直径が０．３５mmある。

図４に、電極温度の測定結果を示す。横軸は重畳率で、縦軸が電極温度である。
ランプ電流（重畳波電流）Ｉを０．６〜１Ａとして、高周波成分の電流値Ｉ1と、低周波成分の電流値Ｉ2の成分比を変化させたときの、電極温度を測定した。ここで、ランブ電流は、高周波成分としての周波数２０kHzの正弦波電流と、低周波成分としての周波数１００Hzの矩形波電流が重畳された波形である。なお、電極温度は、ＣＣＤカメラで撮影した画像、すなわち、輝度データに基づいて測定した。

また、図４に、電極温度の適正範囲を記入した。すなわち、この適正範囲に電極温度があれば、ランプの長寿命化を図り、ちらつき、立ち消えなどの不具合を防ぐことができる。

高圧放電ランプ点灯装置は、外部から制御回路に入力される調光信号レベルに応じて、高圧放電ランプの消費電力を、５０〜７０Ｗに制御する。このとき、ランプ電流Ｉは、０．６０〜０．８５Ａの間で推移する。また、点灯後の立ち上がり時は、最大１．１Ａまでランプ電流が流れる。

図４の測定結果から電極温度については、ランプ電流Ｉが０．６Ａ〜１．０Ａの間で変化しても式(1)に示す低周波成分の電流値Ｉ2の重畳率が５０％で最低温度となり、Ｉ2の重畳率が０％及び１００％で最高温度となることが分かる。

なお、高周波成分、低周波成分、それぞれの波形は、正弦波、矩形波、三角波など、特に限定されない。

図５は高周波成分、低周波成分ともに正弦波とした場合であり、図６は高周波成分を正弦波、低周波成分を三角波とした場合を示している。

図７は、高圧放電ランプ点灯装置におけるランプ電圧ＶLの特性図を示している。この図において、横軸は時間（秒）、縦軸はランプ電圧ＶLをそれぞれ示している。この図によって、電源投入から点灯までの始動期間（以下始動時）、点灯後から安定点灯までの立ち上がり期間（以下立ち上がり時）、立ち上がり後の安定点灯期間（以下安定点灯時）、の各用語を定義している。電源投入から点灯までの始動時はグロー放電期間に相当し、アーク放電に移行することによって点灯状態に入る。点灯状態に入ってから安定点灯するまでの期間が立ち上がり時である。電源投入から点灯までは例えば１秒、電源投入から安定点灯までは例えば６０秒を要する例を示している。なお、電源投入時には、高圧放電ランプ両端には急激に立ち上がるインパルス状の始動用高電圧（図示せず）が印加される。

図８は本発明の第１の実施形態の高圧放電ランプ点灯装置を示す回路図である。
図８において、高圧放電ランプ点灯装置１０は、交流電源ＡＣと、コンデンサＣ1，Ｃ2及びトランスＴ1からなるノイズフィルタ回路１１と、ダイオードＤ1〜Ｄ4からなる全波整流回路１３と、高域成分除去用のコンデンサＣ3と、コイルＬ1，スイッチング素子Ｑ1，ダイオードＤ5及び出力コンデンサＣ4を備え、全波整流回路１３からの整流電圧を入力し、直流電圧ＶDCを生成する昇圧チョッパ回路１４と、直流電圧検出手段としての電圧検出ライン１５と、昇圧チョッパ回路１４からの直流電圧ＶDCを、直列接続されて交互にオンオフする２つのスイッチング素子Ｑ2，Ｑ3の両端に入力し高周波交流電圧（以下、単に高周波電圧という）に変換し、高圧放電ランプＨＩＤＬに印加して点灯する、ＬＣ共振回路１７を含むインバータ手段であるインバータ回路１６と、インバータ回路１６のスイッチング素子電流の検出手段である電流検出回路１８と、高圧放電ランプＨＩＤＬと、高圧放電ランプＨＩＤＬのランプ電圧を検出するランプ電圧検出手段としてのランプ電圧検出回路１９と、昇圧チョッパ回路１４のスイッチング素子Ｑ1のスイッチング周波数及びデューティ比（スイッチング周期の期間におけるオン期間の割合）の一方又は両方を制御することによって昇圧チョッパ回路１４から出力される直流電圧ＶDCを制御したり、インバータ回路１６の２つのスイッチング素子Ｑ2，Ｑ3のスイッチング周波数（動作周波数）を制御することによって高圧放電ランプＨＩＤＬの点灯周波数を制御する制御手段である制御回路２０と、を備えている。

なお、ダイオードＤ8及びコンデンサＣ10は、昇圧チョッパ回路１４の入力側に設けたトランスＴ2の二次コイルからの電圧を整流・平滑して制御回路２０の電源として供給するための回路である。また、昇圧チョッパ回路１４のスイッチング素子Ｑ1のソースと基準電位点間に設けた抵抗Ｒ6は、スイッチング素子Ｑ1を流れる電流を検出して制御回路２０に伝達するための抵抗である。

本実施形態においては、制御回路２０は、インバータ回路１６の２つのスイッチング素子Ｑ2，Ｑ3を交互にオンオフ制御するものであって、交互にオンオフするスイッチング素子Ｑ2，Ｑ3を、ランプ始動時には第１のデューティ比にて、ランプ点灯時には第１のデューティ比とは異なる第２のデューティ比にて制御する機能を有し、ランプ点灯時には、前記第２のデューティ比を、前記２つのスイッチング素子Ｑ2，Ｑ3のスイッチング周期（高周波の周期）よりも長い周期（低周波の周期）で、２つのスイッチング素子Ｑ2，Ｑ3のデューティ比が交互に反転関係（逆比関係）となるように切り替える。

直流電源手段としての直流電源回路１２はダイオードＤ1〜Ｄ4を備え、交流電源ＡＣからの交流電源電圧を入力し、全波整流する全波整流回路１３と、トランスＴ2の一次コイルＬ1，スイッチング素子Ｑ1，ダイオードＤ5及び出力コンデンサＣ4を備え、全波整流回路１３からの全波整流電圧を入力し、昇圧して所定の直流電圧ＶDCを生成する昇圧チョッパ回路１４とで構成されている。

昇圧チョッパ回路１４は、スイッチング素子Ｑ1がオンしているときにトランスＴ2の一次コイルＬ1にエネルギーを蓄え、Ｑ1がオフのときにダイオードＤ5が導通し、前記一次コイルＬ1に蓄えられたエネルギーを出力コンデンサＣ4に放出する。このとき、Ｔ2の一次コイルＬ1に発生する電圧は入力電圧（整流回路１３からの整流電圧）に直列に加算するので、出力電圧は入力より高い電圧（昇圧電圧）となる。昇圧チョッパ回路１４から出力される直流電圧ＶDCは、スイッチング素子Ｑ1のスイッチング周波数及びデューティ比の一方或いは両方を制御することによって制御される。

インバータ回路１６は、昇圧チョッパ回路１４からの直流電圧ＶDCが入力し、始動時は、互に同じスイッチング周波数で第１のデューティ比であるデューティ比５０％の互に反転関係にある２種類のスイッチングパルスで交互にオンオフし、点灯時は、互に同じ周波数で第１のデューティ比とは異なった第２のデューティ比の例えばデューティ比７０％の互に反転関係にある２種類のスイッチングパルスで交互にオンオフする直列接続された２つのスイッチング素子Ｑ2，Ｑ3と、直流カット用コンデンサＣ5と、コイルＬ2及びコンデンサＣ6からなるＬＣ共振回路１７とを有したハーフブリッジ型の高周波インバータで構成され、直流電源回路１２からの直流電圧ＶDCを入力し、高周波電圧に変換して、高圧放電ランプＨＩＤＬに供給する。
高圧放電ランプＨＩＤＬの点灯周波数は、インバータ回路１６の２つのスイッチング素子Ｑ2，Ｑ3のスイッチング周波数（動作周波数）を制御することによって制御される。

インバータ回路１６からの高周波出力は、高圧放電ランプＨＩＤＬの両端に印加され、高圧放電ランプＨＩＤＬを高周波点灯させる。
インバータ回路１６は、昇圧チョッパ回路１４の出力コンデンサＣ4の正極側の出力端と負極側出力端（基準電位点）との間にスイッチング素子Ｑ2，Ｑ3としての２つの例えばＮチャネル型ＦＥＴのドレイン，ソースを直列に接続し、スイッチング素子Ｑ2のスイッチ電流とは逆方向に電流が流れる極性にスイッチング素子Ｑ2と並列に寄生ダイオード（図示せず）が接続されており、同様にスイッチング素子Ｑ3のスイッチ電流とは逆方向に電流が流れる極性にスイッチング素子Ｑ3と並列に寄生ダイオード（図示せず）が接続されており、スイッチング素子Ｑ2，Ｑ3の接続点と基準電位点との間に、コンデンサＣ5を介してコイルＬ2及びコンデンサＣ6からなる共振回路１７が接続され、共振回路１７のコンデンサＣ6に並列に高圧放電ランプＨＩＤＬが接続され、前記スイッチング素子Ｑ2，Ｑ3のゲートには、制御回路２０から２つのスイッチング素子Ｑ2，Ｑ3を所望の動作周波数で交互にオン，オフさせるスイッチングパルスが供給されるようになっている。

インバータ回路１６の動作を簡単に説明する。交流電力ＡＣが投入されると、直流電源回路１２から出力される直流電圧ＶDCは、インバータ回路１６におけるスイッチング素子Ｑ2，Ｑ3の直列回路の両端に供給される。スイッチング素子Ｑ2，Ｑ3は、制御回路２０からの所定の周波数のスイッチングパルスにて交互にオン，オフされる。スイッチング素子Ｑ2がオン、スイッチング素子Ｑ3がオフのときは、出力コンデンサＣ4の正極側出力端→スイッチング素子Ｑ2→コンデンサＣ5→コイルＬ2→コンデンサＣ6→出力コンデンサＣ4の負極側出力端の経路で電流が流れ、次にスイッチング素子Ｑ2がオフ、スイッチング素子Ｑ3がオンすると、コイルＬ2に蓄えたエネルギーに基づいて、コイルＬ2→コンデンサＣ6→スイッチング素子Ｑ3の寄生ダイオード（図示せず）→コンデンサＣ5のように電流が流れる。これにより、コンデンサＣ6が充電され、スイッチング素子Ｑ3がオンの期間に、コンデンサＣ6の充電電圧に基づいて、コンデンサＣ6→コイルＬ2→コンデンサＣ5→スイッチング素子Ｑ3→コンデンサＣ6の経路で電流が流れる。次に、スイッチング素子Ｑ2がオン、スイッチング素子Ｑ3がオフすると、コイルＬ2に蓄えたエネルギーに基づいて、まずコンデンサＣ6→コイルＬ2→コンデンサＣ5→スイッチング素子Ｑ2の寄生ダイオード（図示せず）の経路で電流が流れた後、再び出力コンデンサＣ4の正極側出力端→スイッチング素子Ｑ2→コンデンサＣ5→コイルＬ2→コンデンサＣ6→出力コンデンサＣ4の負極側出力端の経路で電流が流れる。すなわち、ＬＣ共振回路１７のコイルＬ2とコンデンサＣ6によって共振電流が流れることになる。そして、このとき生じる共振電圧によって高圧放電ランプＨＩＤＬが放電を開始して点灯する。高圧放電ランプＨＩＤＬが点灯後は、電流経路がコンデンサＣ5，コイルＬ2，高圧放電ランプＨＩＤＬを主たる電流経路として放電電流が流れ、スイッチング素子Ｑ2，Ｑ3のオンオフ動作に伴って、コンデンサＣ5の充電及び放電、コイルＬ2のエネルギー蓄積及び放出が行われ、放電ランプＨＩＤＬには制御回路２０のスイッチング周波数（動作周波数）による高周波電流が流れ、高周波点灯を維持する。

直流電源回路１２から出力される直流電圧ＶDCdetを検出する検出ライン１５からなる電圧の検出手段と、抵抗Ｒ1，Ｒ2及びコンデンサＣ7からなり、インバータ回路１６のスイッチング素子Ｑ3を流れる電流Ｉdetを検出する電流検出手段とでランプ電力検出手段が構成されており、制御回路２０では、前記の検出された電流値Ｉdetを低周波１周期分（例えば１／１００秒）の電流値の平均値を演算し、さらにその演算した電流値と前記の検出された電圧ＶDCdetとを演算することによってランプ電力に相当する信号を得ることが可能である。なお、スイッチング素子Ｑ3を流れる電流Ｉdetを検出する電流検出回路１８は、ランプ電流に相当する信号を得るランプ電流検出手段としての機能を有している。制御回路２０は、電流Ｉdetを検出することにより、ランプ電流に換算することができる。

ランプ電圧検出回路１９は、高圧放電ランプＨＩＤＬの両端の高周波電圧を抵抗Ｒ3，Ｒ4の直列回路で分圧して検出する検出回路と、ダイオードＤ6とコンデンサＣ8からなり、高周波電圧の交流半周期の半波電圧を整流平滑する第１の回路と、ダイオードＤ7とコンデンサＣ9からなり、前記第１の回路の整流平滑電圧に前記高周波電圧の次の交流半周期の半波電圧を加えた電圧を整流平滑する第２の回路との２つの回路を用いた倍電圧整流回路と、で構成される。このランプ電圧検出回路１９で検出された直流のランプ検出電圧ＶLdetは、制御回路２０がランプ電圧の変化をチェックするのに用いられるほか、音響共鳴現象が生じた場合には非音響共鳴時に比べてランプ電圧が上昇するので、そのランプ電圧の上昇を検出することによって音響共鳴現象の発生を検出（即ち音響共鳴判定）するのにも用いられる。

図９は、図８の高圧放電ランプ点灯装置における、ランプ電流Ｉとスイッチング素子Ｑ2，Ｑ3のデューティ比の関係を示す。符号ＡまたはＢの制御カーブは、ランプ電流Ｉを定格１００％から定格２００％まで変化した場合に、その変化に伴い、スイッチング素子Ｑ2，Ｑ3のデューティ比制御を行う２つのモードを表している。モードＡではランプ電流Ｉの増加に伴い、スイッチング素子Ｑ2のデューティ比を直線状（リニア）に増加させた場合を示し、モードＢはランプ電流Ｉの増加に伴い、スイッチング素子Ｑ2のデューティ比を曲線状（湾曲カーブ）に増加させた場合を示している。

図１０は、図８の高圧放電ランプ点灯装置における、ランプ点灯中のスイッチング素子Ｑ2，Ｑ3のデューティ比と電極温度の関係を示している。ａ，ｂ，ｃランプ電流の値の大小をパラメータとして、各ランプ電流値の大小に応じた電源温度を示している。

スイッチング素子Ｑ2，Ｑ3のオンオフ制御のデューティ比が５０％の時が最も温度が高く、そのデューティ比を低周波成分の半周期ごとに反転関係（逆比関係）となるように交互に切り替えかつ該デューティ比を５０％よりも増加する方向に制御（設定）することにより、電極温度が低下する。

図１１は、ランプ電流と電極温度の関係を示す図である。図１０の特性を利用し、かつ図９に示した制御（ランプ電流の上昇に従いデューティ比を増加させる制御）を行うことにより、ランプ電流の変化に伴う電極温度の変化を抑制して、電極温度を略一定とすることが可能となる。即ち、ランプ電流Ｉの増加に伴って電源温度が上昇した場合には制御回路２０はＱ2，Ｑ3のデューティ比を増加させることによって電源温度を一定に制御できる。図１１で、点線は無制御(従来)、実線は本実施例のデューティ比制御による電源温度制御を示している。

図１２は、ランプ始動時及び立ち上がり時の、スイッチングデューティ比の制御及びランプ電流波形についての実施例を示している。(a)は電源投入後の時間経過に伴うデューティ比の変化を示し、(b)は(a)のデューティ比の変化に対応して、低周波の半周期ごとに変化する高周波のランプ電流の変化を示している。高周波電流に低周波電流が重畳した波形整形装置となっている。

図１２は、電源投入からランプ点灯（アーク放電検出）までの始動時はデューティ比を５０％にし、ランプ点灯後の立ち上がり時は、インバータ回路１６におけるスイッチング素子Ｑ2，Ｑ3の高周波でのデューティ比を、ランプ立ち上がり特性のランプ電流に応じて、低周波（１００Ｈｚ）の半周期ごとに逆比関係に切り替える動作例を示している。グロー放電中にはデューティ比を５０％にすることによって、グロー放電からアーク放電ヘの転移する時の半波放電の発生を抑制している。

図１３はランプの点灯後のランプ電圧特性の一例を示している。図７のランプ電圧特性の一部（立ち上がり時）を拡大した図である。図示しないが、ランプの点灯後のランプ電力の特性もランプ電圧と同様な過渡特性をとるが、ランプ電力は通常は少なくとも安定点灯時には定格電力（目標電力）となるように制御される。
図１３に示すランプ電圧特性は個々のランプに固有の特性となっており、ランプ点灯後、ランプ電圧は徐々に上昇する特性を示す。この過渡状態の電圧上昇期間は発光管の温度が上昇している期間である。その過渡状態（立ち上がり状態）を経過した後、安定状態となりほぼ一定の電圧となる。

図１４はランプ電圧検出回路１９における倍電圧整流電圧の波形、即ち、ランプ電圧検出回路１９の点ｇにおけるコンデンサＣ9の出力信号の波形を示している。
ここで、図８を参照して、ランプ電圧検出回路１９におけるダイオードＤ6とコンデンサＣ8の第１の回路とダイオードＤ7とコンデンサＣ9の第２の回路との２つの回路を用いた倍電圧整流回路の動作を説明する。高圧放電ランプＨＩＤＬの両端ａ，ｂに高周波電圧が印加されて、高周波点灯している状態で、高圧放電ランプＨＩＤＬの一端ａに−、他端ｂに＋の電圧がかかる（即ちｅ−ｂ間に−電圧がかかる）と、点ｂの＋電圧はダイオードＤ6のアノードに加わり導通して、コンデンサＣ8に充電され、点ｆが＋電圧、点ｅが−電圧となる。この状態で、高圧放電ランプＨＩＤＬの両端電圧の極性が反転して、点ｂが−電圧になる（即ちｅ−ｂ間に＋電圧がかかる）と、点ｅの＋電圧にコンデンサＣ8に充電されている電圧が加算された状態となり、略２倍の電圧がダイオードＤ7を通してコンデンサＣ9に充電され、コンデンサＣ9の出力端ｇからは図１４に示す高周波電圧波形ｊの略包絡線波形ｋ（波形ｋはコンデンサＣ9で平滑された波形である）に相当する電圧がランプ検出電圧ＶLdetとして制御回路２０に出力される。ランプ検出電圧ＶLdetは、抵抗Ｒ４の両端電圧の略２倍の電圧（倍電圧）となっている。

ランプ検出電圧ＶLdetは、音響共鳴現象が生じた場合には非音響共鳴時に比べてランプ電圧が上昇するので、制御回路２０はそのときのランプ検出電圧を基準電圧Ｖ1（非音響共鳴時の電圧に基づいた音響共鳴判定値）と比較することによって音響共鳴現象の発生を検出（音響共鳴判定）することができる。従って、音響的共鳴現象検出手段は、ランプ電圧検出手段による検出結果を利用して音響的共鳴現象の発生を検出することができる。

以上のように構成された図８の高圧放電ランプ点灯装置においては、ランプ始動時には、ＬＣ共振を利用して高電圧を発生することが出来るので、特別にイグナイタ回路を必要としない。また、点灯中の音響共鳴を回避するために、ランプ電圧を検出することにより音響共鳴発生の有無を判定することが出来る。

図１５乃至図１７は、本第１の実施形態における動作波形の一例を示す。
図１５は、ランプ始動時のスイッチング素子Ｑ2，Ｑ3の電流波形例であって、デューティ比が５０％の例である。
図１６は、ランプ点灯中のスイッチング素子Ｑ2，Ｑ3の電流波形例であって、デューティ比が約７０％の例である。

図１７は、ランプ点灯中のスイッチング素子Ｑ2，Ｑ3の電流波形例であって、図１６の電流波形とはデューティ比が反転関係（逆比関係）にある約３０％の例である。

因みに、図１５のランプ始動時のスイッチング周波数は、図１６又は図１７のランプ点灯中のスイッチング周波数の２倍となっている。

このようにランプ始動時とランプ点灯時とでスイッチング周波数を変更している。高圧放電ランプが点灯するまでの始動時には、インバータ回路１６のスイッチング素子のスイッチング周波数（動作周波数）を比較的高い周波数で駆動し、ランプ点灯時には始動時のスイッチング周波数とは異なった比較的低い、音響共鳴現象を回避した周波数とすることで、ランプ電力を所望の値に調整することができる。何故なら、放電ランプについては、インバータ手段のスイッチング周波数を変えることによってランプ電力を調整でき、スイッチング周波数を高くすればランプ電力は減少し、スイッチング周波数を低くすればランプ電力は増加するからである。

図１８は、ランプ点灯中に、制御回路２０によって、図１６のスイッチング制御と図１７のスイッチング制御が低周波の周期の半周期ごとに切り換えられる動作がなされたときの、ランプ電流波形の一例を示している。

このとき、ランプ電流波形は、スイッチング周期（高周波の点灯周期）よりも長い周期の矩形状の低周波波形が重畳された波形となる。図１６のように制御されると、図１８のようにランプ出力波形の一定期間（半周期）には低周波成分が重畳される。ランプ点灯中にスイッチング素子Ｑ2とＱ3のオンオフ制御のデューティ比を低周波の半周期ごとに、図１６のデューティ比と、図１６とは反転関係（逆比関係）の図１７のデューティ比とに交互に切り替えることにより、図１８のランプ電流波形が得られる。低周波電力成分をランプに印加することができるので、高圧放電ランプＨＩＤＬの電極温度の上昇を抑えてランプ寿命を延ばすことができる。

図１８で「Ｑ2長」と記載のある期間は、スイッチング素子Ｑ2のオン期間がＱ3のオン期間よりも長いデューティ比に設定されていることを示し、「Ｑ3長」と記載のある期間は、スイッチング素子Ｑ3のオン期間がＱ2のオン期間よりも長いデューティ比に設定されていることを示している。

図１９は、スイッチング素子Ｑ2，Ｑ3のオンオフ動作と、高圧放電ランプＨＩＤＬのランプ電流波形との関係を説明する図である。具体的には、ランプ点灯中のインバータ回路１６におけるスイッチング素子Ｑ2，Ｑ3の高周波（４０ｋＨｚ）でのオンオフ（Ｑ2が７０％デューティ比）と、スイッチング素子Ｑ2，Ｑ3の高周波（４０ｋＨｚ）でのオンオフ（Ｑ2が３０％デューティ比）とを、低周波（１００Ｈｚ）の半周期ごとに切り替える動作を示している。
低周波（例えば１００Ｈｚ）の半周期ごとに図１６に示すデューティ比（Ｑ2が７０％のデューティ比）と図１７に示すデューティ比（Ｑ2が３０％のデューティ比）が切り替わる。その結果、高圧放電ランプＨＩＤＬのランプ電流波形は図１８に示すようになっている。

なお、図１６〜１８及び図１９では、スイッチング素子Ｑ2，Ｑ3のオンのデューティ比が７０％，３０％及びその反転関係の３０％，７０％の場合について説明しているが、デューティ比が１００％，０％及びその反転関係の０％，１００％の場合も本願発明に含めてもよい。

以上のように構成された図８の高圧放電ランプ点灯装置においては、ランプ始動時には例えばデューティ比を５０％にして２つのスイッチング素子Ｑ2，Ｑ3をＬＣ共振を利用した高周波のみで効率的に駆動して始動し、点灯時は始動時とは異なった例えば７０％のデューティ比で駆動することで、高周波成分に低周波成分を重畳でき、その結果、電極温度が上がり過ぎるのを抑えることが可能となる。

従って、ランプ点灯後の立ち上がり時にはランプ電流増大に伴い電極温度が上がり易いので、スイッチング素子Ｑ2のデューティ比を５０％〜１００％の間で５０％よりも大きくし、安定点灯時に入るとそのデューティ比を５０％近くまで戻す（小さくする）ことによって、適切な電極温度で効率的な点灯を行うことが可能となる。

また、高圧放電ランプが点灯するまでの始動時には、インバータ回路１６のスイッチング素子のスイッチング周波数（動作周波数）を比較的高い周波数で駆動し、ランプ点灯時には始動時のスイッチング周波数とは異なった比較的低い、音響共鳴現象を回避した周波数とすることで、ランプ電力を所望の値に制御することができる。

図２０は本発明に係る照明装置の構造を説明する断面図である。図８の高圧放電ランプ点灯装置１０と、高圧放電ランプＨＩＤＬが装着される器具本体２３とで、照明装置２１を構成することができる。
図２０に示すように、高圧放電ランプＨＩＤＬは器具本体２３のソケット２４に装着され、高圧放電ランプ点灯装置１０により点灯される。点灯した高圧放電ランプＨＩＤＬからの光は、前面側の反射板２５で反射され前面ガラス２６を介して照射される。図２０の照明装置によれば、高圧放電ランプ点灯装置１０の効果を有する照明装置を実現することができる。

図２１は高圧放電ランプＨＩＤＬの構造の断面図を示している。
図２１において、高圧放電ランプＨＩＤＬは、ガラス容器６１の内部に一対の棒状の電極６２，６３が先端部分を対向して取り付けている。電極６２，６３が先端部分には保温目的の導体が巻き付けられている。
高圧放電ランプＨＩＤＬにおいて、定格ランプ電流をＩa[A]、電極の直径をＤ[mm]としたとき、電流密度Ｉａ／Ｄ²は、４〜２０の範囲にあることが望ましい。

調光用のランプ設計として、予め、電極の寸法を小さくしておく場合がある。電極の寸法は、電極先端６２，６３の直径で代表される。ところが、このようなランプを使えば、全光時や立ち上がり時などランプ電流の大きいときは、電極温度が適正値よりも高目となるので、ランプ寿命が短くなってしまう。

本発明の構成によって、広いランプ電流範囲にわたって、電極温度を適正範囲に保つことができる。このようなランプの場合、定格ランプ電流で点灯される全光時や、それ以上の電流で点灯される立ち上がり時は、通常のランプ電流波形で点灯すると、電極温度が適正値よりも高めになる。本発明によれば、前述したとおり、Ｉ1とＩ2の比率を調整して、電極温度を低下させることが可能である。すなわち、電極温度を適正値にすることができる。調光時は、調整したランプ電流波形で点灯させることによって、適正な電極温度となる。これによって、広いランプ電流範囲において、短寿命、ちらつき、立ち消えなどの不具合を防止できる。

なお、本第１の実施形態の応用として、以下(1)〜(3)に述べるような実施例を挙げることができる。

(1)高圧放電ランプ点灯装置１０において、制御回路２０に設けた成分比変化手段は、高圧放電ランプＨＩＤＬの立ち上がり時においては、重畳電力出力手段の出力に含まれる高周波成分と低周波成分とを変化させるように制御する構成としてもよい。

点灯後の立ち上がり時には、ランプ電流が過大に流れる。このとき高周波成分と低周波成分とを有する重畳電流を流すことによって、電極温度を低下させて電極温度を適正範囲に保つことができる。その結果、電極物質の蒸発が低減されるので、ランプ寿命を延ばすことが可能である。なお、高圧放電ランプの点灯後の立ち上がり期間は、図７に示すように点灯後の所定時間（約６０秒）であるので、この期間に上記の制御を行って、電極温度の上昇を抑えるようにする。

(2)更に、高圧放電ランプ点灯装置１０において、ランプ特性検出手段は、ランプ電流を検出するランプ電流検出手段であって、ランプ電流の検出結果に応じて高周波成分の電流値と低周波成分の電流値との比を変化させることが好ましい。

ランプ電流は、ランプの電極温度に大きな影響を与える要素であるので、制御回路２０は、電流検出回路１８の検出値に基づいてランプ電流を検出し、ランプ電流の増加，減少に応じて成分比Ｉ1：Ｉ2を変えることで、ランプ電流の変化にかかわらず電極温度をほぼ一定に保つことができる。

(3)高圧放電ランプ点灯装置１０において、ランプ特性検出手段は、ランプ電流を検出するランプ電流検出手段であって、ランプ電流が増加すると、高周波成分の電流値と低周波成分の電流値との比を１：１に近づけるように制御回路２０に設けた成分比変化手段が制御する構成としてもよい。

制御回路２０は、電流検出回路１８の検出値に基づいてランプ電流を検出し、ランプ電流が増加した場合には、図３に示すように成分比Ｉ1：Ｉ2を１：１に近づけることで、電極温度を下げるように制御することができる。

以上述べた第１の実施形態によれば、高周波成分と低周波成分の成分比を変える、或いは、直列に接続された２つのスイッチング素子のオンオフ制御のデューティ比を変えることによって、高圧放電ランプの電極温度を制御して、高圧放電ランプの長寿命化を図り、ちらつきや立ち消えなどの不具合を防止できる高圧放電ランプ点灯装置及びこれを用いた照明装置を提供することができる。

［第２の実施形態］
図２２は本発明の第２の実施形態の高圧放電ランプ点灯装置を示す回路図である。図１１と同一部分には同一符号を付して説明する。
図２２において、高圧放電ランプ点灯装置１０Ａは、交流電源ＡＣと、コンデンサＣ1，Ｃ2及びトランスＴ1からなるノイズフィルタ回路１１と、ダイオードＤ1〜Ｄ4からなる全波整流回路１３と、高域成分除去用のコンデンサＣ3と、コイルＬＩ，スイッチング素子ＱＩ，ダイオードＤ５及び出力コンデンサＣ４を備え、全波整流回路１３からの整流電圧を入力し、直流電圧ＶDCを生成する昇圧チョッパ回路１４と、直流電圧検出手段としての電圧検出ライン１５と、昇圧チョッパ回路１４からの直流電圧を、直列接続されて交互にオンオフする２つのスイッチング素子Ｑ2．Ｑ3の両端に入力し高周波電圧に変換し、高圧放電ランプＨＩＤＬに印加して点灯する、ＬＣ共振回路１７を含むインバータ手段であるインバータ回路１６と、インバータ回路１６のスイッチング素子電流の検出手段である電流検出回路１８と、高圧放電ランプＨＩＤＬと、高圧放電ランプＨＩＤＬのランプ電圧を検出するランプ電圧検出手段としてのランプ電圧検出回路１９と、昇圧チョッパ回路１４のスイッチング素子Ｑ1のスイッチング周波数及びデューティ比の一方又は両方を制御することによって昇圧チョッパ回路１４から出力される直流電圧ＶDCを制御したり、インバータ回路１６の２つのスイッチング素子Ｑ2、Ｑ3のスイッチング周波数（動作周波数）を制御することによって高圧放電ランプＨＩＤＬの点灯周波数を制御する制御手段である制御回路２０と、高圧放電ランプＨＩＤＬを調光するための調光信号（例えばＰＷＭ信号）を制御回路２０に与えるための調光信号発生回路２８と、を備えている。なお、ダイオードＤ8及びコンデンサＣ10は、昇圧チョッパ回路１４の入力側に設けたトランスＴ2の二次コイルからの電圧を整流・平滑して制御回路２０の電源として供給するための回路である。また、昇圧チョッパ回路１４のスイッチング素子Ｑ1のソースと基準電位点間に設けた抵抗Ｒ6は、スイッチング素子を流れる電流を検出して制御回路２０に伝達するための抵抗である。

本実施形態においては、制御回路２０は、インバータ回路１６の２つのスイッチング素子Ｑ2，Ｑ3を交互にオンオフ制御するものであって、交互にオンオフするスイッチング素子Ｑ2，Ｑ3を、ランプ始動時には略５０％のデューティ比にて、ランプ点灯時には５０％とは異なるデューティ比にて制御する機能を有し、ランプ点灯時には、前記デューティ比を、前記２つのスイッチング素子Ｑ2、Ｑ3のスイッチング周期（高周波の周期）よりも長い周期（低周波の周期）で、２つのスイッチング素子Ｑ2，Ｑ3のデューティ比が交互に反転関係（逆比関係）となるように切り替える。昇圧チョッパ回路１４から出力される直流電圧ＶDCは、スイッチング素子Ｑ1のスイッチング周波数及びデューティ比の一方或いは両方を制御することによって制御される。インバータ回路１６は、昇圧チョッパ回路１４からの直流電圧が入力し、点灯前のランプ始動時は、互に同じスイッチング周波数でデューティ比５０％の互に反転関係にある２種類のスイッチングパルスで交互にオンオフし、ランプ点灯時は、例えばデューティ比７０％の互に反転関係にある２種類のスイッチングパルスで交互にオンオフする直列接続された２つのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と、直流カット用コンデンサＣ5と、コイルＬ2及びコンデンサＣ6からなるＬＣ共振回路１７とを有したハーフブリッジ型の高周波インバータで構成され、直流電源回路からの直流電圧を入力し、高周波電圧に変換して、高圧放電ランプＨＩＤＬに供給する。

高圧放電ランプＨＩＤＬの点灯周波数は、インバータ回路１６の２つのスイッチング泰子Ｑ2．Ｑ3のスイッチング周波数（動作周波数）を制御することによって制御される。インバータ回路１６からの高周波出力は、高圧放電ランプＨＩＤＬの両端に印加され、高圧放電ランブＨＩＤＬを高周波点灯させる。
直流電源回路１２から出力される直流電圧ＶDCdetを検出する検出ライン１５からなる電圧の検出手段と、抵抗Ｒ1，Ｒ2及びコンデンサＣ7からなり、インバータ回路１６のスイッチング素子Ｑ3を流れる電流Ｉdetを検出する電流検出手段とでランプ電力検出手段が構成されており、制御回路２０では、前記の検出された電流値Ｉdetを低周波１周期分（例えば１／１００秒）の電流値の平均値を演算し、さらにその演算した電流値と前記の検出された電圧ＶDCdetとを演算することによってランプ電力に相当する信号を得ることが可能である。なお、スイッチング素子Ｑ3を流れる電流Ｉdetを検出する電流検出回路１８は、ランプ電流に相当する信号を得るランプ電流検出手段としての機能を有している。制御回路２０は、電流Ｉdetを検出することにより、ランプ電流に換算することができる。

制御回路２０内の電源監視手段は、整流手段である全波整流回路１３の出力の電圧を検出している。

上記のように構成された高圧放電ランプ点灯装置１０Ａにおける、調光時の電極温度制御に関わる動作の一例を図２３を参照して説明する。

図２３は、ランプ電流を変化させたときの、ランプ電流における低周波成分電流の重畳率の制御の例を示す図である。図２３において、横軸はランプ電流、縦軸は低周波成分電流値の重畳率である。

制御回路２０は、電流検出回路１８の検出値に基づいてランプ電流を検出し、高周波成分電流値Ｉ1と低周波成分電流値Ｉ2の和に対する低周波成分電流値Ｉ2の重畳率を図２３のように制御する。すなわち、ランプ電流が低い場合は、低周波成分の重畳率を０％に近く、即ち高周波成分のみとなるように制御する。逆に、ランプ電流が高い場合は、重畳率を５０％に近く、高周波成分と低周波成分が半々になるように制御する。これにより、ランプ電流が低いときに電極温度も低くなるのを防ぎ、ランプ電流が高いときには電極温度が高くなるのを抑えて、調光度によらず常に電極温度をほぼ一定とすることが可能となる。従って、高圧放電ランプを長寿命化し、しかもちらつきや立ち消えなどの不具合を防ぐことができる。

なお、本第２の実施形態の応用として、以下に述べるような実施例を挙げることができる。すなわち、調光機能を有する高圧放電ランプ点灯装置１０Ａにおいて、制御回路２０は、高周波成分と低周波成分の成分比Ｉ1：Ｉ2を変化させる成分比変化手段を備え、成分比変化手段は、重畳波電流の高周波成分電流値をＩ1、低周波成分電流値をＩ2としたとき、外部から入力する調光信号のレベルに応じて、その成分比Ｉ1：Ｉ2を変化させる構成としてもよい。

このような構成の調光機能を有する高圧放電ランプ点灯装置では、外部から入力された調光信号のレベルによって、高圧放電ランプヘ供給されるランプ電流が制御されて、調光が行われる。成分比変化手段が、この調光信号のレベルに応じて、高周波成分電流値Ｉ1と低周波数成分電流値Ｉ2の成分比Ｉ1：Ｉ2を変化させることによって、電極温度を調整することが可能となる。つまり、調光によってランプ電流が小さくなったときは、成分比Ｉ1：Ｉ2を１：１から遠ざかる（異なる）ように制御し、調光によってランプ電流が大きくなったときは、成分比Ｉ1：Ｉ2を１：１に近づけるように制御することによって、調光の前後でランプ電流が変化しても高圧放電ランプの電極温度をほぼ一定に保つことができる。これによって、ランプ寿命を延ばし、ちらつきや立ち消えなどの不具合を軽減できる。

なお、図２２の高圧放電ランプ点灯装置と、高圧放電ランプとを用いて、図２０と同様に照明装置を構成すれば、高圧放電ランプの長寿命化を図った照明装置を実現できることは勿論である。

以上述べた第２の実施形態によれば、高圧放電ランプを調光制御したときに、調光信号のレベルに応じて、高周波成分と低周波成分の成分比を変える、或いは、直列に接続された２つのスイッチング素子のオンオフ制御のデューティ比を変えることによって、高圧放電ランプの電極温度を制御して、調光の前後で電極温度をほぼ一定に保つことができ、高圧放電ランプの長寿命化を図り、ちらつきや立ち消えなどの不具合を防止できる高圧放電ランプ点灯装置及びこれを用いた照明装置を提供することができる。

［第３の実施形態］
図２４は第３の実施形態の高圧放電ランプ点灯装置を示す回路図である。
図２４において、符号３７は放電空間を形成するガラス管内に充填物として水銀とハロゲン化金属が密封された高圧放電ランプである。符号３０は高圧放電ランプ３７に図２５(b)の波形を供給して点灯する高圧放電ランプ点灯装置であり、高圧放電ランプ点灯装置３０は、交流電源３１と、全波整流回路３２と、昇圧回路３３と、放電アークを安定に励起する非共鳴周波数成分を有する波形であって、その波形の中心線が一定レベルに保持されている波形信号を発生する発生手段である降圧回路３４と、波形信号の中心線が音響的共鳴周波数（高周波）より低い周波数（低周波）で極性が交互に変化する手段であるインバータ回路３５と、高圧放電ランプ３７の放電を開始させるために十分な高電圧を高圧放電ランプ３７に印加する始動手段３６とで構成されている。

以上のように構成された図２４の回路動作を図２５を用いて説明する。図２５で、(a)は降圧回路３４の出力波形、(b)はインバータ回路３５の出力波形を示している。
降圧回路３４は、トランジスタ３８とダイオード３９とチョークコイル４０と静電容量可変が可能なコンデンサ４１とで降圧チョッパ回路を構成し、抵抗４２，４３で検出するランプ電圧に相当する検出信号と、抵抗４４で検出するランプ電流に相当する検出信号から制御回路４５でランプ電力を演算しランプ電力が定格値になるようにトランジスタ３８のオン・オフ比を可変する構成で、トランジスタ３８のオン・オフ周波数を放電アークを安定に励起する非共鳴周波数に設定し、チョークコイル４０とコンデンサ４１とで構成するフィルタ回路を非共鳴周波数成分がカットされない特性とすることで降圧回路３４の出力電流波形は、図２５(a)に示すように放電アークを安定に励起する非共鳴周波数（高周波）で瞬時値が周期的に変動する中心線に所定の直流バイアスが重畳された波形となる。

インバータ回路３５は、トランジスタ４６，４７，４８，４９と駆動回路５０とで構成され、駆動回路５０からの出力信号によりトランジスタ４６，４９がオンする期間とトランジスタ４７，４８がオンする期間を交互に発生させることによって、降圧回路３４の出力波形を非共鳴周波数（高周波）より低い周波数（低周波）で極性が交互に変化する図２５(b)に示すような波形に変換して高圧放電ランプ３７に供給する構成のものであり、始動手段３６の高電圧で放電を開始した高圧放電ランプ３７は、図２５(b)に示す波形で点灯する。コンデンサ４１の静電容量を大きくするほど変調深度（つまり、低周波成分に対する高周波成分Ｐの振幅の割合）が小さくなり、またコンデンサ４１の静電容量を小さくするほぼ変調深度が大きくなる。

上記のように構成された高圧放電ランプ点灯装置３０では、コンデンサ４１の静電容量を可変とすることで、高周波成分と低周波成分の成分比を変える、つまり低周波成分電流値の重畳率を変えることが可能である。従って、コンデンサ４１の静電容量を変えることによって、高圧放電ランプの電極温度を制御でき、高圧放電ランプ３７の電極温度の変動を調整してほぼ一定に保つことができ、高圧放電ランプの長寿命化を図り、ちらつきや立ち消えなどの不具合を防ぐことができる。

なお、図２４の高圧放電ランプ点灯装置と、高圧放電ランプとを用いて、図２０と同様に照明装置を構成すれば、高圧放電ランプの長寿命化を図った照明装置を実現できることは勿論である。

以上述べた第３の実施形態によれば、コンデンサ４１の静電容量を変えることによって、高圧放電ランプの電極温度を制御でき、高圧放電ランプ３７の電極温度が変化しても、この変化を調整してほぼ一定に保つことができ、高圧放電ランプの長寿命化を図り、ちらつきや立ち消えなどの不具合を防止できる高圧放電ランプ点灯装置及びこれを用いた照明装置を提供することが可能となる。

本発明の第１の実施形態の高圧放電ランプ点灯装置を示す概略的なブロック図。 図１の高圧放電ランプ点灯装置の原理を説明する図。 高圧放電ランプに供給される高周波成分と低周波成分の重畳波電流における、低周波成分の重畳率を５０％を基準に変化させたときの、重畳波電流の波形と電極温度の変化の関係を示す図。 ランプ電流における低周波成分電流の重畳率の変化に対する電極温度の変化特性を示す図。 高周波成分、低周波成分ともに正弦波とした場合の重畳波電流を示す波形図。 高周波成分を正弦波、低周波成分を三角波とした場合の重畳波電流を示す波形図。 高圧放電ランプ点灯装置におけるランプ電圧ＶLの特性図 本発明の第１の実施形態の高圧放電ランプ点灯装置を示す回路図。 本発明の第１の実施形態における、ランプ電流の増加に対するスイッチング素子のデューティ比制御の関係を示す図。 本発明の第１の実施形態における、ランプ点灯中のスイッチング泰子のデューティ比の変化に対する電極温度の関係を、ランプ電流の大小をパラメータとして示す図。 図９のデューティ比制御による、ランプ電流の変化に対する電極温度の関係を説明する図。 ランプ始動時及び点灯後の、スイッチング素子のデューティ比の制御及びランプ電流波形の例を示す図。 本発明の第１の実施形態におけるランプの点灯後のランプ電圧特性の一例を示す図。 本発明の第１の実施形態におけるランプ電圧検出回路の出力信号の波形図。 本発明の第１の実施形態における、ランプ始動時のスイッチング素子の電流波形の一例を示す図。 本発明の第１の実施形態における、ランプ点灯中のスイッチング素子の電流波形の一例を示す図。 本発明の第１の実施形態における、ランプ点灯中のスイッチング素子の電流波形例であって、図１６の電流波形とはデューティ比が反転関係（逆比関係）にある電流波形の一例を示す図。 本発明の第１の実施形態におけるランプ電流波形の一例を示す図。 本発明の第１の実施形態における、スイッチング素子のオンオフ動作と、高圧放電ランプのランプ電流波形との関係を説明する図。 本発明に係る照明装置の構造を説明する断面図。 高圧放電ランプの構造を示す断面図。 本発明の第２の実施形態の高圧放電ランプ点灯装置を示す回路図。 ランプ電流を変化させたときの、ランプ電流における低周波成分電流の重畳率の制御の例を示す図。 本発明の第３の実施形態の高圧放電ランプ点灯装置を示す回路図。 図２４の回路動作を説明する波形図。

符号の説明

１，１０，１０Ａ…高圧放電ランプ点灯装置、２，１２…直流電源回路（直流電源手段）、３…高周波発生回路、４…低周波発生回路、５，２０…制御回路（制御手段）、１３…全波整流回路、１４…昇圧チョッパ回路、１５…直流電圧検出ライン（直流電圧検出手段）、１６…インバータ回路（インバータ手段）、１７…ＬＣ共振回路、１８…電流検出回路（電流検出手段）、１９…ランプ電圧検出回路（ランプ電圧検出手段）、２１…照明装置、７，ＨＩＤＬ…高圧放電ランプ。

Claims (12)

1. 高周波成分と低周波成分とを含む電力を高圧放電ランプに出力する重畳電力出力手段；を具備したことを特徴とする高圧放電ランプ点灯装置。
2. 前記重畳電力出力手段から出力される重畳された電流値は、その高周波成分の電流値１１と低周波成分の電流値Ｉ２とが、Ｉ１＞Ｉ２の関係にあることを特徴とする請求項１記載の高圧放電ランプ点灯装置。
3. 前記重畳電力出力手段は、高周波成分と低周波成分との成分比を変化させる成分比変化手段を具備することを特徴とする請求項１または２記載の高圧放電ランプ点灯装置。
4. 前記成分比変化手段は、高圧放電ランプの立ち上がり時においては、前記重畳電力出力手段の出力に含まれる高周波成分と低周波成分とを変化させるように制御することを特徴とする請求項３記載の高圧放電ランプ点灯装置。
5. 前記成分比変化手段は、外部から入力する調光信号のレベルに応じて、高周波成分と低周波成分との成分比を変化させることをことを特徴とする請求項３記載の高圧放電ランプ点灯装置。
6. 前記成分比変化手段は、高圧放電ランプの特性を検出するランプ特性検出手段の検出結果に応じて高周波成分と低周波成分との成分比を変化させることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか一記載の高圧放電ランプ点灯装置。
7. 前記ランプ特性検出手段は、ランプ電流を検出するランプ電流検出手段であって、前記成分比変化手段は、前記ランプ電流手段のランプ電流の検出結果に応じて高周波成分の電流値と低周波成分の電流値との比を変化させることを特徴とする請求項６記載の高圧放電ランプ点灯装置。
8. 前記ランプ電流検出手段がランプ電流の増加を検出することによって、電極温度が上昇した状態になると、前記成分比変化手段は、高周波成分の電流値と低周波成分の電流値との比を最も電極温度が低くなる高周波成分と低周波成分との比である１：１に近づけるように制御することを特徴とする請求項７記載の高圧放電ランプ点灯装置。
9. 前記重畳電力出力手段は、
   直流電源手段からの直流電圧を、直列接続されて交互にオンオフする２つのスイッチング素子の両端に供給して高周波電圧に変換し、前記高圧放電ランプに印加して点灯するインバータ手段と；
   前記インバータ手段の２つのスイッチング素子を交互にオンオフ制御する制御手段であって、交互にスイッチングするスイッチング素子のデューティ比を、前記２つのスイッチング素子のスイッチング周期よりも長い周期(低周波成分)で、該２つのスイッチング素子のデューティ比が交互に反転関係となるように切り替える制御手段と：
   を具備したことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一記載の高圧放電ランプ点灯装置。
10. 前記高圧放電ランプのランプ電圧を検出するランプ電圧検出手段を更に具備し、
    前記制御手段は、前記ランプ電圧検出手段で検出したランプ電圧が音響共鳴を判定する定値を越えたときに、ランプ点灯時の前記２つのスイッチング素子のスイッチング周波数を、ランプ始動時のスイッチング周波数とは異なる、音響共鳴現象を回避した周波数に制御することを特徴とする請求項９記載の高圧放電ランプ点灯装置。
11. 高圧放電ランプと；
    請求項１乃至１０のいずれか一記載の高圧放電ランプ点灯装置と；
    を具備したことを特徴とする照明装置。
12. 前記高圧放電ランプは、定格ランプ電流をＩa[Ａ]、電極の直径をＤ[ｍｍ]としたとき、ｌa／Ｄ²が、４〜２０の範囲にあることを特徴とする請求項１１記載の照明装置。

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