JP2008010155A - 放電灯点灯装置及び照明器具 - Google Patents

Abstract

【課題】始動時に高周波電圧と矩形波電圧を交互に発生する放電灯点灯装置において、確実な始動性を確保する。
【解決手段】放電灯Ｌａの始動時に、共振回路が共振動作を行う高周波電圧を出力する期間ＨＦ１，ＨＦ２と矩形波電圧を出力する期間ＦＢ１，ＦＢ２とを交互に繰り返し、放電灯Ｌａの点灯時には低周波矩形波電圧を始動回路４を介して放電灯Ｌａに印加する放電灯点灯装置において、矩形波電圧を出力する期間ＦＢ１，ＦＢ２において放電灯Ｌａの始動を検出する始動検出回路５と、放電灯Ｌａの始動を検出した場合には高周波電圧を停止もしくは高周波電圧の周波数を低くする制御回路３Ｃを備え、該制御回路３Ｃは、一度でも放電灯Ｌａの始動を検出した場合には高周波電圧と矩形波電圧を交互に出力する期間の繰り返しの回数を増加させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、高圧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。

高圧放電灯はコンパクトな形状で高輝度の出力光束を得ることができ、点光源に近く、配光制御が容易であるので、白熱ランプやハロゲンランプの代替として最近使用されるようになってきた。一般に高圧放電灯は始動するのに数ＫＶの高電圧パルスが必要とされており、従来例としての代表的な回路構成を図６に示す。

１は直流電源、２はＤＣ／ＤＣコンバータ、３はＤＣ／ＡＣインバータであり、インダクタＬ２とコンデンサＣ２で共振回路を構成している。また、２ＣはＤＣ／ＤＣコンバータ２の制御回路であり、３ＣはＤＣ／ＡＣインバータ３の制御回路である。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２はスイッチング素子Ｑ１、ダイオードＤ１、インダクタＬ１で構成されており、直流電源１を電圧変換して降圧された電圧を平滑用のコンデンサＣ１に充電する。ここで、コンデンサＣ１の両端電圧はほぼランプ電圧に等しく、検出も容易であるため、ランプ電圧を検出する代わりにコンデンサＣ１の電圧を制御回路２Ｃにより検出し、その値に応じてスイッチング素子Ｑ１の駆動信号を制御回路２Ｃより出力する。尚、本従来例のＤＣ／ＤＣコンバータ２はいわゆる降圧チョッパ回路であり、動作はごく一般的なものであるので、動作説明は省略する。

次に、ＤＣ／ＡＣインバータ３はスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５から構成されたフルブリッジ回路であり、その交流出力側には共振インダクタＬ２、共振コンデンサＣ２からなる共振回路で構成された始動回路を介して放電灯Ｌａが接続されている。

ＤＣ／ＡＣインバータ３は制御回路３Ｃにより制御される。制御回路３Ｃは例えば制御用のマイクロコンピュータで構成されており、その動作をフローチャート（図７）と波形図（図８）で説明する。

まず、放電灯Ｌａの始動時にスイッチング素子Ｑ２、Ｑ５がオン、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４がオフの状態と、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ５がオフ、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４がオンの状態を高周波で交互にスイッチング動作させ、共振回路Ｌ２、Ｃ２により高周波の高電圧パルスを発生させる高周波動作期間（ＨＦ１）と、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ５がオン、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４がオフの状態を数ｍｓ程度維持する矩形波動作期間（ＦＢ１）と、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ５がオン、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４がオフの状態と、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ５がオフ、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４がオンの状態を高周波で交互にスイッチング動作させ、共振回路Ｌ２、Ｃ２により高周波の高電圧パルスを発生させる高周波動作期間（ＨＦ２）と、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ５がオフ、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４がオンの状態を数ｍｓ程度維持する矩形波動作期間（ＦＢ２）を繰り返し、再度ＨＦ１の動作に戻る。

このように、スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５を駆動することにより、高周波動作期間による高周波高圧パルス電圧で放電灯を絶縁破壊し、その後の矩形波動作期間でグロー放電からアーク放電へ移行させ、放電灯を始動させる。以上の動作を所定期間にわたり繰り返し、所定期間を経過した後は通常の低周波矩形波点灯へと移行する。

特開２００４−２６５７０７号公報（特許文献１）では、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と低周波矩形波電圧を印加する区間とを交互に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。
特開２００４−２６５７０７号公報

上記従来例では、いったん放電灯が点灯した後も高周波電圧の発生期間と矩形波電圧の発生期間を交互に繰り返す。この際、共振インダクタＬ２が高周波に対して高いインピーダンスを持っているため、高周波電圧の発生期間で共振インダクタＬ２が大きな限流要素となり、放電灯の立ち消えを誘発する要因となっている。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、始動時に高周波電圧と矩形波電圧を交互に発生する放電灯点灯装置において、確実な始動性を確保することを課題とする。

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１の電源電圧を所望の直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の直流出力を平滑する平滑コンデンサＣ１と、平滑コンデンサＣ１が平滑した直流電圧を交流電圧に変換するＤＣ／ＡＣインバータ３と、少なくとも１つ以上のコンデンサＣ２及びインダクタＬ２から成る共振回路を具備してＤＣ／ＡＣインバータ３の出力を放電灯Ｌａに供給する始動回路４を備え、放電灯Ｌａの始動時に、図２及び図３に示すように、前記共振回路が共振動作を行う高周波電圧を出力する期間ＨＦ１，ＨＦ２と矩形波電圧を出力する期間ＦＢ１，ＦＢ２とを交互に繰り返し、放電灯Ｌａの点灯時には低周波矩形波電圧を始動回路４を介して放電灯Ｌａに印加する放電灯点灯装置において、矩形波電圧を出力する期間ＦＢ１，ＦＢ２において放電灯Ｌａの始動を検出する始動検出回路５と、放電灯Ｌａの始動を検出した場合には高周波電圧を停止もしくは高周波電圧の周波数を低くする制御回路３Ｃを備え、該制御回路３Ｃは、一度でも放電灯Ｌａの始動を検出した場合には高周波電圧と矩形波電圧を交互に出力する期間の繰り返しの回数を増加させるように設定することを特徴とするものである。

本発明によれば、放電灯の始動時に、共振動作により高周波電圧を出力する期間と矩形波電圧を出力する期間とを交互に繰り返す放電灯点灯装置において、高圧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、確実な始動を可能とした放電灯点灯装置を提供することができる。また、放電灯の電極が十分に暖まっておらず立ち消えした場合にも、一度でも放電灯の始動を検出した場合には高周波電圧と矩形波電圧を交互に出力する期間の繰り返しの回数を増加させるように設定するので、再度放電灯を始動させることができ、より良好な始動性が得られる。さらに、放電灯が装着されていない場合は比較的短時間で高電圧の発生を停止することになるので、安全性の観点からも好ましい。

（実施形態１）
本発明の実施形態１の放電灯点灯装置の回路構成を図１に示す。この点灯装置は、直流電源１と、直流電源１の電源電圧を所望の直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の直流出力を平滑する平滑コンデンサＣ１と、平滑コンデンサＣ１が平滑した直流電圧を交流電圧に変換するＤＣ／ＡＣインバータ３と、共振動作に寄与するコンデンサＣ２及びインダクタＬ２から成る共振回路を具備してＤＣ／ＡＣインバータ３の出力を放電灯Ｌａに供給する始動回路４と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２を制御する制御回路２ＣとＤＣ／ＡＣインバータ３を制御する制御回路３Ｃから構成されている。従来例の図６と回路的に異なる点は放電灯Ｌａの始動検出回路５を具備した点である。ここで、始動検出回路５は例えばコンデンサＣ１の両端電圧を抵抗で分圧して制御回路３Ｃに入力するようなものである。

放電灯Ｌａが点灯していない状態では、制御回路２Ｃからは所定の駆動信号が出力される。ここで、所定の駆動信号は例えば周波数が数十ＫＨｚ、デューティが数十％の矩形波信号であり、周波数やデューティは、コンデンサＣ１の出力電圧によって決定される。

次に、ＤＣ／ＡＣインバータ３を制御回路３Ｃで高周波スイッチング動作させることにより、コンデンサＣ１の電圧を高周波の高圧パルス電圧に変換する。具体的にはスイッチング素子Ｑ２、Ｑ５がオン、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４がオフの状態と、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ５がオフ、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４がオンの状態を交互に高周波で繰り返し、共振回路Ｌ２、Ｃ２により高周波の高電圧を放電灯Ｌａに印加する。

本実施形態においては制御回路３Ｃの出力周波数を数十〜数百ＫＨｚ程度に設定し、共振回路Ｌ２、Ｃ２の共振周波数付近でスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５を駆動することにより高電圧パルスを得ている。

本実施形態の動作を図２の制御フローチャートおよび図３の動作波形に示す。まず、点灯フラグ：ＦＬＡＧ１と点灯履歴フラグ：ＦＬＡＧ２を初期化しておく。点灯フラグＦＬＡＧ１が１であれば、点灯しており、０であれば不点である。また、点灯履歴フラグＦＬＡＧ２が１であれば、一度でも放電灯Ｌａの始動を検出したことが有り、０であれば一度も放電灯Ｌａの始動を検出したことが無い、ということである。点灯フラグＦＬＡＧを判定し、ＦＬＡＧ１＝１（点灯）であれば、高周波動作期間（ＨＦ１）はスキップする。ＦＬＡＧ１＝０（不点）であれば、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ５がオン、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４がオフの状態と、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ５がオフ、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４がオンの状態を高周波で交互にスイッチング動作させ、共振回路Ｌ２、Ｃ２により高周波の高電圧パルスを発生させる高周波動作期間（ＨＦ１）を行う。

高周波動作ＨＦ１が終わると、次に矩形波動作ＦＢ１へと移行し、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ５がオン、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４がオフの状態を数ミリ秒間維持した後に、始動検出回路５によって放電灯Ｌａの点灯状態を検出する。点灯／不点灯を判別するには、コンデンサＣ１の電圧Ｖｌａが所定の閾値（Ｖｔｈとする）以下であれば放電灯が点灯したと判定し、閾値を超えていれば不点と判定する。放電灯が点灯したと判定された場合には、点灯フラグＦＬＡＧ１＝１、点灯履歴フラグＦＬＡＧ２＝１とし、高周波動作ＨＦ２をスキップし、数ｍｓ待機し、矩形波動作ＦＢ２へと移行する。放電灯が不点と判定された場合には、点灯フラグＦＬＡＧ１＝０とし、ＨＦ２にて高周波動作させ、その後に矩形波動作ＦＢ２へ移行し、数ミリ秒経過後に再び点灯判別する。ここでもコンデンサＣ１の電圧Ｖｌａが所定の閾値（Ｖｔｈとする）以下であれば放電灯が点灯したと判定し、閾値を超えていれば不点と判定する。

放電灯が点灯していると判定された場合には、点灯フラグＦＬＡＧ１＝１、点灯履歴フラグＦＬＡＧ２＝１とし、数ｍｓ待機した後、所定期間Ｔが経過したか判定する。放電灯が不点と判定された場合には、点灯フラグＦＬＡＧ１＝０とし、所定期間Ｔが経過したかを判定する。所定期間Ｔが未経過のとき、放電灯が不点なら高周波動作ＨＦ１へと戻り、再度高周波の高電圧パルスを発生させ、放電灯を絶縁破壊する。所定期間Ｔが未経過のとき、放電灯が点灯していれば、高周波動作ＨＦ１はスキップして、矩形波動作ＦＢ１へと移行する。

以上のように構成することにより、放電灯が点灯と判定された場合に高周波動作を停止するので、共振インダクタＬ２によって管電流が限流されるのを防ぐことができ、放電灯の始動性を向上できる。

また、矩形波動作期間に始動検出回路５によって放電灯の点灯状態を検出し、点灯と判定された場合は矩形波動作期間を延長している。例えば、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ５がオン、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４がオフ（ＦＢ１）の際に点灯と判定された場合、ＦＢ１の期間を数倍程度まで延長している。スイッチング素子Ｑ２、Ｑ５がオフ、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４がオン（ＦＢ２）の際に点灯と判定された場合も同様に、ＦＢ２の期間を数倍程度まで延長している。このように構成することにより、放電灯の電極を十分に暖めることができ、確実な始動効果が得られる。

上記の動作を所定期間Ｔにわたり繰り返し、所定期間Ｔを経過した後は、通常の低周波矩形波点灯へと移行するが、点灯履歴フラグＦＬＡＧ２を判定し、一度でも放電灯Ｌａの始動を検出した場合（ＦＬＡＧ２＝１）には高周波電圧と矩形波電圧を交互に出力する期間の繰り返しの回数を増加させるように設定するべく、所定期間ＴをＴ２（＞Ｔ）へと延長する。

放電灯が装着されていない状態（無負荷状態）では高電圧が継続的に発生することになるが、それでは安全上好ましくないため、一般的には高電圧の発生期間は１秒程度以下に抑えるのが通例となっている。しかしながら、高電圧の発生期間が１秒程度の短期間である場合、一度放電灯が点灯しても１秒以上経過した後に立ち消えするケースがあるため、始動性を確保できない場合がある。

そこで、点灯判別のステップで点灯と判定された際に、点灯履歴フラグ：ＦＬＡＧ２を１にセットし、ＦＬＡＧ２＝１の状態を保持しておく。その後、所定期間Ｔの経過後にＦＬＡＧ２をチェックし、ＦＬＡＧ２＝０であれば放電灯が一度も点灯していないと見なして直ちに高電圧発生を停止する。この際、ＦＬＡＧ２＝１であれば一度でも放電灯が点灯した形跡があると判断し、高電圧発生期間を延長する。本実施形態では例として高電圧発生期間を数倍〜数百倍程度の所定期間Ｔ２まで延長している。

このように構成することにより、放電灯の電極が十分に暖まっておらず立ち消えした場合にも延長された所定期間Ｔ２内は高電圧を発生させるので、再度放電灯を始動させることができ、より良好な始動性が得られる。さらに、放電灯が装着されていない場合は比較的短時間の所定期間Ｔで高電圧発生を停止するので、安全性の観点からも好ましい。

なお、上述の構成では、矩形波動作時に始動検出回路５によって放電灯の点灯状態を検出し、点灯と判定された場合、高周波動作を停止させているが、この構成に代えて、高周波動作を停止させるのではなく、周波数を通常の高周波動作時ＨＦ１またはＨＦ２よりも下げて高周波動作させるように構成しても、同様の効果が得られる。具体的なフローチャートは図示しないが、図２の制御フローにおいて、高周波動作ＨＦ１をスキップするのに代えて、高周波動作ＨＦ１より低い周波数の高周波動作ＨＦ１’を実行し、高周波動作ＨＦ２をスキップするのに代えて、高周波動作ＨＦ２より低い周波数の高周波動作ＨＦ２’を実行すれば良い。

（実施形態２）
図４、図５は実施形態２の要部動作を示す制御フローチャート及び波形である。ここでは、点灯フラグＦＬＡＧ１と点灯履歴フラグＦＬＡＧ２による制御は図示していないが、本実施形態においても、実施形態１のように所定期間Ｔの間に一度でも放電灯が点灯と判定された場合には、所定期間ＴをＴ２（＞Ｔ）に延長することで、高周波電圧と矩形波電圧を交互に出力する期間の繰り返しの回数を増加させるように構成しても良い。具体的には、図４の点灯判別１または点灯判別２で一度でも点灯と判別されたときには、所定期間ＴをＴ２（＞Ｔ）で上書きすれば良い。

回路構成は実施形態１と同様のため説明を省略する。上述の実施形態１において、矩形波発生期間ＦＢ１で放電灯が不点と判定された場合には高周波発生期間ＨＦ２を経た後に矩形波発生期間ＦＢ２へ移行し、矩形波発生期間ＦＢ２で放電灯が不点と判定された場合には高周波発生期間ＨＦ１を経た後に矩形波発生期間ＦＢ１へ移行していた。しかし、本実施形態では矩形波発生期間ＦＢ１で放電灯が不点と判定された場合には再度、高周波発生期間ＨＦ１を経た後に矩形波発生期間ＦＢ１へ移行し、矩形波発生期間ＦＢ２で放電灯が不点と判定された場合には再度、高周波発生期間ＨＦ２を経た後に矩形波発生期間ＦＢ２へ移行するよう構成した。このように構成することにより、放電灯が不点であった場合に、不点であった方の極性に再度矩形波を出力するので、放電灯を速やかに始動できる。

上述の各実施形態において、放電灯の始動検出回路５は管電圧を検出しているが、管電流を検出してもかまわない。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２は降圧チョッパ回路で構成されているが、特開２００４−２６５７０７でも説明されているように、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、ＤＣ／ＤＣコンバータとＤＣ／ＡＣインバータが独立した構成となっているが、それぞれが兼用され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。

（実施形態３）
実施形態１，２のいずれかに記載の放電灯点灯装置は、高圧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、高圧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の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施形態１の動作説明のための波形図である。 本発明の実施形態２の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施形態２の動作説明のための波形図である。 従来例の構成を示す回路図である。 従来例の動作を示すフローチャートである。 従来例の動作説明のための波形図である。

符号の説明

Ｌａ 放電灯
１ 直流電源
２ ＤＣ／ＤＣコンバータ
３ ＤＣ／ＡＣインバータ
３Ｃ 制御回路
４ 始動回路
５ 始動検出回路
ＨＦ１，ＨＦ２ 高周波動作期間
ＦＢ１，ＦＢ２ 矩形波動作期間

Claims (4)

1. 直流電源の電源電圧を所望の直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、ＤＣ／ＤＣコンバータの直流出力を平滑する平滑コンデンサと、平滑コンデンサが平滑した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成る共振回路を具備してＤＣ／ＡＣインバータの出力を放電灯に供給する始動回路を備え、放電灯の始動時に、前記共振回路が共振動作を行う高周波電圧を出力する期間と矩形波電圧を出力する期間とを交互に繰り返し、放電灯の点灯時には低周波矩形波電圧を始動回路を介して放電灯に印加する放電灯点灯装置において、矩形波電圧を出力する期間において放電灯の始動を検出する始動検出手段と、放電灯の始動を検出した場合には高周波電圧を停止もしくは高周波電圧の周波数を低くする制御手段を備え、該制御手段は、一度でも放電灯の始動を検出した場合には高周波電圧と矩形波電圧を交互に出力する期間の繰り返しの回数を増加させるように設定することを特徴とする放電灯点灯装置。
2. 請求項１において、前記制御手段は、矩形波電圧を出力する期間において放電灯の始動を検出した場合に、矩形波電圧を出力する期間を延長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、前記制御手段は、矩形波電圧を出力する期間において放電灯が不点と判定した場合に、高周波電圧を発生後不点と判定したのと同じ極性側に矩形波電圧を出力することを特徴とする放電灯点灯装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の放電灯点灯装置を搭載した照明器具。

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