JP2008010153A - 放電灯点灯装置及び照明器具 - Google Patents

Abstract

【課題】点灯装置の部品ばらつきがあっても、適正な制御特性データを選択して、ばらつきの影響を減少させることができる放電灯点灯装置を提供する。
【解決手段】直流電圧を入力とし、交流電圧に変換し放電灯ｌａに供給して、放電灯を点灯させる放電灯点灯装置であって、点灯装置の制御回路３と、点灯装置を構成する少なくとも１つの部品の電圧又は電流を検出する検出回路４とを有し、前記制御回路３は、点灯制御用のマイコン演算部３１と、放電灯ｌａの点灯制御のための複数の制御特性データ部３２を有し、放電灯ｌａを予熱状態から始動、点灯動作の過程の何れかにおいて、前記検出回路４の検出結果によって、複数の制御特性データのうち１つを選択して点灯制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、放電灯を高周波で点灯させる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。

従来、放電灯点灯装置を構成する回路部品の精度に起因する出力のばらつきを補償して、製品を製造するために、製造工程において、点灯装置に電源を供給して、所定箇所の出力特性を測定して、所望の電圧又は電流値となるように制御回路に設けられた可変抵抗を変化させている。また、複数の制御特性をアナログ回路で用意しておき、所望の特性が得られるように切り替えることもある。

また、近年では、放電灯点灯装置の制御にマイクロコンピュータ（以下マイコンと呼ぶ）を用いたデジタル制御回路が多く用いられるようになってきた。マイコンを用いたデジタル制御回路を備える放電灯点灯装置において、部品ばらつきを補償する技術として、特許文献１には、発振周波数可調整のクロック信号発生手段を具備した技術、特許文献２には、可変のインピーダンス素子の定数を制御するマイコンを具備した技術、特許文献３には、ばらつき調整モードを持ち、放電灯への出力に応じた電圧信号に基づき、直流変換部及びインバータ部のスイッチング素子のオン・オフ制御の設定値を補正する技術が開示されている。
特開平１１−１１１４７５号公報 特開２０００−２３１９９６号公報 特開２００４−３５５８５８号公報

従来技術において、特許文献１のように、マイコンの発振周波数となるクロック信号を可変することは、マイコンの処理時間に変化を生じることになり、タイミングに関する制御に影響を受け、精密な制御が困難となる。

また、特許文献２のように、可変インピーダンス手段を実現するには、部品構成が複雑であり、装置が高価になる。

さらに、特許文献３のように、ばらつき調整モードを設けて、初期の電源投入時或いは放電灯の交換時の調整モードにより、直流変換部及びインバータ部のスイッチング素子のオン・オフ制御の設定値を補正するためのデータを読み取るものでは、ばらつき調整モードを経ないと出力補正ができない。

本発明は上述のような点に鑑みてなされたものであり、点灯装置の部品ばらつきがあっても、適正な制御特性データを選択して、ばらつきの影響を減少させることができる放電灯点灯装置を提供することを課題とする。

本発明によれば、上記の課題を解決するために、図１に示すように、直流電圧を入力とし、交流電圧に変換し放電灯ｌａに供給して、放電灯ｌａを点灯させる放電灯点灯装置であって、点灯装置の制御回路３と、点灯装置を構成する少なくとも１つの部品の電圧又は電流を検出する検出回路４とを有し、前記制御回路３は、点灯制御用のマイコン演算部３１と、放電灯ｌａの点灯制御のための複数の制御特性データ部３２を有し、放電灯ｌａの予熱状態から始動、点灯動作の過程の何れかにおいて、前記検出回路４の検出結果によって、複数の制御特性データのうち１つを選択して点灯制御を行うことを特徴とするものである。

本発明によれば、複数の制御特性データを予め想定される部品ばらつきの範囲内で、所望の出力特性を得られるように設定し、予熱状態から始動、点灯動作の過程における所定箇所を検出することで、点灯装置の部品のばらつきの影響が把握でき、複数の制御特性データから所望の特性を出力できる制御特性データを選ぶことができる。したがって、点灯装置の部品ばらつきがあっても、適正な制御特性データを選択して、ばらつきの影響を減少させることができる。適正に制御特性データを選ぶことで、点灯装置製造時の部品ばらつきに対する調整過程を省略できる可能性があり、製品毎の光出力のばらつきも抑制される。

（実施形態１）
図１は本発明の放電灯点灯装置の具体的構成を示す回路図である。この点灯装置は、ハーフブリッジ型のインバータ回路部の前段に昇圧型のチョッパ回路部を備える電子安定器である。交流電源ＶｓはダイオードブリッジＤＢにより全波整流される。昇圧型のチョッパ回路部は、インダクタＬ１、ダイオードＤ１、スイッチング素子Ｑ１とチョッパ制御部１から成り、ダイオードブリッジＤＢの出力を昇圧し、平滑用のコンデンサＣ２に直流電圧を出力する。インバータ回路部は、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３の直列回路を備え、スイッチング素子Ｑ３の両端に直流カット用のコンデンサＣ３を介して、共振用のインダクタＬ２、共振用のコンデンサＣ４、更には負荷となるランプｌａが接続される。スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３はインバータ制御部２の制御信号により交互にオン・オフ制御され、高周波電圧を発生し、ランプｌａを点灯させる。

この点灯装置は、マイコン制御回路３によって制御され、インバータ制御部２、チョッパ制御部１に対し制御指令が送られる。マイコン制御回路３は、マイコン演算部３１と複数制御特性データ部３２を有し、所定検出値により複数制御特性データの１つを選択して、インバータ制御部２或いはチョッパ制御部１に制御指令を送る。

複数の制御特性データは、点灯制御用のマイコンのプログラムコードに記述することが可能であり、アナログ回路で構成する必要は無い。また、不揮発性メモリを持つマイコンにおいては、複数の制御特性データは、不揮発性メモリに記憶させておくことが可能である。このようにすることで、複数の特性データを持つことが容易となり、より広いばらつきに対応する制御特性データを持つことが可能である。また、特性データをアナログ回路で構成する場合のようなばらつきは無くなる。さらに、複数の制御特性データを不揮発性メモリに記憶させる場合には、マイコンのプログラムコードは短くなり、設計が容易になる。

ここでは、複数の制御特性データとして、図２のような周波数と出力特性の対応関係のデータテーブルを用いる場合について説明するが、具体的な実現手段は特に問わない。

図２に複数制御特性データ部３２の制御特性データの例を示す。この例では、無負荷時特性データと負荷時特性データの２種類を持っている。無負荷時特性データはＡ、Ｂ、Ｃ、…で示された周波数ｆと出力電圧Ｖの関係データであり、負荷時特性データは、ａ、ｂ、ｃ、…で示された周波数ｆと出力電圧Ｖの関係データである。

特性Ａはｆ＝ｆ１で出力Ｖ０が得られる特性である。特性Ｂはｆ＝ｆ２＞ｆｌで、特性Ｃはｆ＝ｆ３＞ｆ２で、それぞれ出力Ｖ０が得られる特性である。

図３に電源投入から点灯までのスイッチング周波数ｆｓｗとランプｌａに出力されるランプ電圧Ｖｌａの時間経過を示す。電源投入から一定期間Ｔは、スイッチング周波数ｆｓｗを固定する予熱状態とする。この間、ランプｌａにはほぼ一定の高周波電圧が印加される。

電源投入から一定期間Ｔが経過すると、周波数が徐々に下げられる。これに伴い、ランプｌａには次第に高い振幅となる高周波電圧が印加され、やがてランプｌａは点灯に至る。その後も周波数は徐々に低下し、安定した点灯状態に至る。

図３には、十分安定した後の調光状態の周波数とランプ電圧波形も示している。

ここで、予熱状態の期間Ｔは、周波数が一定でランプ電圧Ｖｌａの振幅もほぼ一定値を示す。そこで、予熱状態におけるランプ電圧Ｖｌａを所定値として検出する。

放電灯の点灯制御において、予熱状態を一定周波数にて制御することは一般的に行われており、その間に検出部で検出することは、点灯までのより早い期間で検出することになり、適正な制御特性データを早く選択できることになる。更には、一定周波数の期間Ｔにおいて検出することが検出値の精度を確保する上でも好ましい。

このように、点灯に至るまでの早い期間において、ばらつき影響を少なくする制御特性データを選択することで、適正な特性で予熱、始動過程を行うことができ、放電灯の寿命を適正に維持することが可能になる。

コンデンサＣ２に出力する電圧値、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３のスイッチング周波数、インダクタＬ２、コンデンサＣ４，Ｃ３の定数が決まれば、予熱状態におけるランプ両端に出力される電圧は設計上予測できる。製品の製造においては、部品の回路定数値がばらつくことによって、上記予測値からずれが生じる。そこで、予熱状態におけるランプ電圧を検出し、予測値と比較することにより、回路定数のばらつき度合いが推定できる。

一方、上述のように、本発明の点灯装置は複数の制御特性データを持っているので、予熱状態のランプ電圧検出値から推定した回路定数値において、所望の出力特性を得られるような制御特性データを選択することで、部品ばらつきの影響を少なくすることが可能となる。

特に、予熱状態においては、放電灯は点灯しておらず、検出値には放電灯自体の特性ばらつきの影響はほとんど現れず、点灯装置の部品のばらつきの影響がより強く現れるので、予熱状態の検出値で部品ばらつきの影響を把握し、適正な制御特性データを選択することが可能になる。

次に制御特性の実現方法を述べる。図２に示した複数の制御特性データは、これに従って制御したときの周波数ｆと出力電圧Ｖの関係である。

図４は制御特性実現手段の一例である。この例では、あるスイッチング周波数において、スイッチング素子Ｑ２とＱ３のオン・オフ時間の比（以下オンデューティと呼ぶ）を変えた状態を示している。

図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）においては、出力の大きさは（ａ）＞（ｂ）＞（ｃ）の順になる。即ちオンデューティが５０％の状態がもっとも大きな出力が得られる。オンデューティが５０％から離れるに従って出力は小さくなる。従って、オンデューティを異ならせた制御状態を複数実現することで複数の制御特性が実現可能である。

このことから予熱状態における検出値が設計の予測値より大きい場合には、例えばオンデューティの大きい制御特性データを選択することで出力を下げることができ、部品ばらつきの影響を小さくすることが可能である。即ち、所望の特性値に近づけることができる。

次に具体的な複数制御特性データの選択手段について説明する。予熱状態のランプ電圧検出値：Ｖｌａに対して、スイッチング素子Ｑ２のオン時間デューテイ：ｄの関係を関数値で持ち、ｄ＝ｆ（Ｖｌａ）を演算するのが正確と考えられる。もちろん、関数ｆ（Ｖｌａ）は点灯回路の諸定数の関係から得られ、数式で実現、或いは測定によって近似関数で実現のどちらを採用しても良い。また、実現の容易性を考慮するならば、上記何れの関数実現においても、Ｖｌａとｄの関係をテーブルデータとしてメモリ上に持つのが簡単である。

図５はテーブルデータのメモリ上での格納形態の一例である。メモリ番地のａｄｄ１にランプ電圧Ｖ１、ａｄｄ２にそれに対応するオンデューティｄ１の値を格納、以下順に、ａｄｄ３にランプ電圧Ｖ２、ａｄｄ４にオンデューティｄ２、ａｄｄ５にランプ電圧Ｖ３、ａｄｄ６にオンデューティｄ３、ａｄｄ７にランプ電圧Ｖ４、ａｄｄ８にオンデューティｄ４と、ランプ電圧とオンデューティの値をペアにして順に格納している。なお、ランプ電圧とオンデューティの値に必要なデータ領域は必ずしも同じである必要は無い。

また、別の格納形態としては、ある所定のランプ電圧Ｖ０の値に対してメモリ番地ａｄｄを対応させ、そこにオンデューティ値ｄ₀ を格納する。次にＶ０からΔＶだけ大きい場合には、ａｄｄ＋１を対応させてｄ₁ を、ΔＶだけ小さい場合にはａｄｄ−１を対応させてｄ_-1を格納するものとする。Ｖ０＋ΔＶ×Ｎに対しては、ａｄｄ＋Ｎを対応させてｄ_N を格納、Ｖ０−ΔＶ×Ｎに対しては、ａｄｄ−Ｎを対応させてｄ_-Nを格納する。この場合には、Ｖｌａの検出分解能がΔＶに限定されるものの、データ格納領域が少なくて済むという利点がある。

なお、メモリ上でのデータの格納形態はここで例示した形態に限らず、マイコン及びデータ格納メモリの制約に応じて適当な格納形態を用いればよいことは言うまでもない。

図７は、制御特性データ選択のフローチャートを示している。図７（ａ）はオンデューティの算出に関数を使用した場合、（ｂ）はテーブルデータから抽出する場合である。テーブルデータの実現については上記に述べた通りである。フローチャートは点灯装置の点灯制御の一部しか示しておらず、その他の制御の具体的な手段に関しては特定するものではない。

（実施形態２）
図８は本発明の実施形態２の構成を示す回路図である。本実施形態では、制御特性データの実現手段として、昇圧チョッパの出力電圧であるコンデンサＣ２の電圧を変えるものとする。昇圧チョッパの出力電圧はコンデンサＣ２に現れるが、この電圧はインバータ回路の入力電圧となるので、この電圧の大小で出力特性を大きくも小さくもできる。

また、所定値の検出箇所としてスイッチング素子Ｑ３の電流値を検出し、検出のタイミングは予熱状態の期間とする。予熱状態においては、ランプｌａは非点灯状態であり、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３のインバータ負荷はコンデンサＣ３、インダクタＬ２、コンデンサＣ４とランプフィラメントの直列接続から成る共振回路となる。従って、上記共振回路に共振電流を流し、コンデンサＣ４に高周波電圧を発生させるとき、発生電圧の振幅と共振電流の振幅には、ほぼ比例関係が成り立つ。

共振電流は、コンデンサＣ３、インダクタＬ２、コンデンサＣ４とランプフィラメントの直列接続とスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３にも流れるので、スイッチング素子Ｑ３の電流値を図８に示すような構成で検出することが可能である。

スイッチング素子Ｑ３の電流の検出値によって、昇圧チョッパ制御部１への制御を変えることで結果としてインバータの出力を変えることが可能となる。制御特性データの実現手段と検出箇所が変わったことにより、複数制御特性データの実際のデータ値は実施形態１と異なるが、部品ばらつきの影響を少なくすることができるという効果は同様である。

（実施形態３）
本実施形態では、制御特性データの実現手段として、実施形態１と同様にスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３のオンデューティの変化を用いる。また、所定値の検出箇所は実施形態１と同様にランプ電圧とする。ただし、検出のタイミングについては、予熱状態と点灯状態の期間とする。すなわち、この例では、検出タイミングに点灯状態が追加された点が実施形態１とは異なる。

予熱状態において部品ばらつきの影響を把握し、適正な特性データを選択しても出力のばらつきは抑えられる。しかし、点灯状態においては、放電灯自体の特性ばらつきの影響が光出力のばらつきとして現れる。従って、点灯状態においても検出部によって検出することによって、放電灯自体のばらつき影響を把握することが可能になる。

まず、予熱状態のランプ電圧を検出し、部品ばらつきを推定し、適した制御特性データを選択することは実施形態１と同じである。このことにより予熱状態以後の制御において制御特性データの選択によって、部品ばらつきの影響を抑えた制御が可能となるのは、実施形態１で述べたとおりである。このように、予熱状態の検出値によって特性データを選択することで、部品ばらつきに起因する点灯装置の出力特性の影響を少なくすることが可能である。

一方、ランプが点灯した後は、ランプ固有の放電特性のばらつきの影響が現れる。予熱状態における部品ばらつきの影響を抑える制御特性データの選択によっても、部品のばらつきに起因するランプ電流値のばらつきを抑えることは可能である。しかし、ランプ固有の放電特性のばらつきの影響は点灯状態とならないと推定することは困難である。そこで、点灯状態の周波数が安定する状態において、ランプ電圧を検出し、所望の設計値と比較することで、ランプの特性自体のばらつきが推定できる。それに従って、点灯状態の制御特性データを選択することで、ランプ固有の放電特性のばらつきの影響を小さくすることができる。

ここでは、主として放電灯自体の特性ばらつきの影響を少なくするような制御特性データを選択することが可能であり、より光出力ばらつきの少ない放電灯点灯装置が実現できる。

この実施形態によれば、ランプ固有の特性ばらつきの影響を小さく抑えた制御が可能となるので、照明器具が多数設置されるようなオフィス等において、従来の点灯装置を具備した照明器具に比べて、ランプ個々の光出力のばらつきが少ない照明器具が実現できる。

本実施形態によれば、従来の点灯装置の製造過程において必要であった、調整過程が省略できる可能性がある。その効果を確認する手段について、図１〜図８の回路の場合において示すと次の通りである。１個の製品を抽出する。そして、点灯状態（図３における周波数安定状態）におけるスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３の周波数、オンデューティを測定する。次に例えば、インバータの共振回路を構成するインダクタＬ２またはコンデンサＣ４の一方を設計上のばらつき許容範囲内で異なる定数のものと交換して、点灯状態におけるスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３の周波数、オンデューティを測定する。部品交換前後のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３の周波数、オンデューティが変化していれば、マイコン制御回路は所定値を検出して、その検出値に応じた制御特性データを選択して、制御を変化させたことが確かめられる。

（実施形態４）
本発明の実施形態４の動作を図９に示す。本実施形態では、所定期間における検出値が設計上の所定範囲を越えた時には、部品の劣化などが進行して、通常の使用に耐えない状態になったと判断し、インバータの動作を停止させることとする。このときのランプ電圧Ｖｌａの様子を示したのが図９である。予熱状態においては、インバータを動作させるが、そこにおいて検出値が所定範囲を超えた場合には、その後のインバータの発振動作を停止させるものとした。図中の点線は動作を停止させない場合（正常時）のランプ電圧Ｖｌａの包絡線を示している。

照明器具の長時間の使用においては、部品の劣化が問題となることがある。具体的な症状としては、出力特性が設計上の許容範囲を超えるなどして現れる。このような状態を放置しておくことは、安全上好ましくないことが多く、対策は必要である。設計上、部品のばらつき範囲は特定でき、それに起因する出力のばらつき範囲も特定できる。検出値がその範囲を超える場合は、部品が間違って装着されている、或いは、劣化により特性値が設計の範囲を超えたという可能性があり、本実施形態では、正常動作を続けないようにした。このように、異常状態での動作を続けないことにより、点灯装置の破壊、異常発熱などの不具合を防止できる。

（実施形態５）
本発明の実施形態５の動作を図１０に示す。本実施形態は実施形態４の変形例である。図９の例では、検出値が設計上の所定範囲を越えた時は、インバータの動作を停止していたが、単に正常動作を続けないようにすれば十分であり、例えば出力を低く抑えて動作させるなどして、最低限の光を確保することも可能である。そこで、本実施形態では、検出値が設計上の所定範囲を越えた時は、調光状態として点灯を維持するものとした。その効果としては、調光状態においては点灯装置部品へのストレスが低減されること、調光状態でも点灯を維持することで最低限の光を確保できることにより、照明器具としての本来の機能と部品劣化時の安全動作との平衡を保つ動作となる。

上述の所定値の検出とそれに従う制御特性データの選択は、点灯装置の動作のたびに毎回行っても良いし、最初の電源投入時に１回だけ行い、その後の使用時においては記憶データに従い、特性データを選択するようにしても良い。

上述の制御特性データの実現手段、所定値の検出箇所、検出のタイミングはいずれも一例であり、これらに限定されるものではない。

本発明の実施形態１の構成を示す回路図である。 本発明の実施形態１の制御特性データの例を示す説明図である。 本発明の実施形態１の動作説明図である。 本発明の実施形態１の制御特性実現手段の一例を示す説明図である。 本発明の実施形態１のテーブルデータのメモリ上での格納形態の一例を示す説明図である。 本発明の実施形態１のテーブルデータのメモリ上での格納形態の他の一例を示す説明図である。 本発明の実施形態１の制御特性データ選択のフローチャートである。 本発明の実施形態２の構成を示す回路図である。 本発明の実施形態４の動作波形図である。 本発明の実施形態５の動作波形図である。

符号の説明

ｌａ 放電灯
３ マイコン制御回路
４ 検出回路
３１ マイコン演算部
３２ 複数制御特性データ部

Claims (6)

1. 直流電圧を入力とし、交流電圧に変換し放電灯に供給して、放電灯を点灯させる放電灯点灯装置であって、点灯装置の点灯制御部と、点灯装置を構成する少なくとも１つの部品の電圧又は電流を検出する検出部とを有し、前記点灯制御部は、点灯制御用のマイコンと、放電灯の点灯制御のための複数の制御特性データを有し、放電灯の予熱状態から始動、点灯動作の過程の何れかにおいて、前記検出部の検出結果によって、複数の制御特性データのうち１つを選択して点灯制御を行うことを特徴とする放電灯点灯装置。
2. 請求項１において、点灯制御部は、予熱状態における検出部の検出結果によって、特性データを選択することを特徴とする放電灯点灯装置。
3. 請求項１または２において、点灯制御部は、点灯状態における検出部の検出結果によって、特性データを選択することを特徴とする放電灯点灯装置。
4. 請求項２または３において、点灯制御部は、予熱状態において一定周波数の高周波電圧を放電灯に印加する期間を有し、その期間における検出部の検出結果によって、特性データを選択することを特徴とする放電灯点灯装置。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、点灯制御部は、検出部の検出値が所定値を超えた場合には、点灯動作を停止又は調光状態とすることを特徴とする放電灯点灯装置。
6. 請求項１〜５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。

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