JP2009238383A - 放電灯点灯装置及び照明器具 - Google Patents

Abstract

【課題】フィラメント抵抗に起因する電気特性を検出し、放電灯の使用時間によりフィラメントに起因する電気特性が変化しても、装着された放電灯の状態を正確に判別し、装着された放電灯に応じた最適な出力制御を行う放電灯点灯装置を提供する。
【解決手段】直流電源Ｅの出力端に接続された少なくとも１つ以上のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を備えるインバータ１と、インバータ１のスイッチングを制御する制御回路４と、インバータ１の出力端に接続された放電灯Ｌａが接続可能な共振回路３と、共振回路３に接続される放電灯Ｌａのフィラメント抵抗に起因する電気特性を検出する検出回路６と、共振回路３に接続される放電灯Ｌａの累積点灯時間を計時する点灯時間タイマ７１と、検出回路６の出力信号と点灯時間タイマ７１の累積点灯時間に応じてランプ判別を行うランプ判別手段７２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は放電灯を高周波電力により点灯させる放電灯点灯装置に関するものであり、特にフィラメント特性の異なる複数の放電灯を定格出力で点灯させる用途に適するものである。

従来、放電灯の種類を判別し、その判別結果に基づいて点灯制御を適切に行い、１種類の放電灯点灯装置を複数の異種の放電灯について共用可能とする技術が提案されている。例えば、フィラメント抵抗に起因する電気特性を検出する手段を用いたものとして、以下の従来技術がある。

特許文献１（特開２００２−３２４６８９号公報）では、フィラメント先行予熱期間の前にフィラメントに一定期間だけ微小電流を流し、フィラメント電気特性の違いを検出し、検出結果に基づいてインバータの動作制御を行うことが提案されている。

特許文献２（特開平１１−３０７２９０号公報）では、フィラメント抵抗を検出し、検出された抵抗値に基づいてインバータの動作制御を行うことが提案されている。

これらの従来例は、フィラメント抵抗に起因する電気特性を検出して接続された放電灯を判別するランプ判別手段を設けることで、定格電力や定格電流の異なる複数の放電灯を各々の定格電力で点灯させることができるとしている。

また、フィラメントの状態を検出する手段として、特許文献３（特開２００７−９５４７３号公報）、特許文献４（特開２００７−１２３２６２号公報）、特許文献５（特開２００７−８０７４０号公報）に開示された技術が知られている。これらの文献に開示された発明では、いずれもフィラメント抵抗に起因する電気特性を検出し、記憶されている放電灯の累積点灯時間に対するフィラメント電気特性の変化と比較することで、フィラメント（エミッタ）の消耗具合や累積点灯時間を推定できるとしている。
特開２００２−３２４６８９号公報 特開平１１−３０７２９０号公報 特開２００７−９５４７３号公報 特開２００７−１２３２６２号公報 特開２００７−８０７４０号公報

特許文献１，２では、フィラメント抵抗に起因する電気特性を検出し、安定器に接続された放電灯を判別しているが、フィラメント抵抗に起因する電気特性は放電灯の使用時間と共に変化するため、常に適合対象ランプにおいてフィラメント特性の違いを検出できるとは限らないという問題がある。

図１０に一定電流をフィラメントに流した場合の定格電力の異なる放電灯Ａと放電灯Ｂのフィラメント電圧Ｖｆの経年変化を示す。未使用（ｔ＝ｔ０）の放電灯Ａ，Ｂの比較では、フィラメント電圧Ｖｆの差が大きいからランプ種別を判別できる。しかし、放電灯の使用時間が増加すると、各放電灯のフィラメント抵抗値が増加するため、一定時間後（ｔ＝ｔ１）では、放電灯Ｂのフィラメント電圧は未使用（ｔ＝ｔ０）の放電灯Ａでのフィラメント電圧と同等となる。したがって、従来例のように、フィラメントに一定期間だけ微小電流を流し、フィラメント電圧を検出したとしても、放電灯の使用時間に応じてフィラメント電圧が変化するため、放電灯の正確なランプ種別判定は不可能となる。

一般的に放電灯の使用時間が経過して行くと、フィラメントに塗布されているエミッタ（熱電子放出物質）の減少と共にフィラメント予熱時の熱間抵抗が増加していく傾向にある。したがって、従来例では、未使用（ｔ＝ｔ０）の放電灯Ａと一定時間使用後（ｔ＝ｔ１）の放電灯Ｂとでは、フィラメント電圧が略同等であるため、放電灯Ａの定格ランプ電力で放電灯Ｂを点灯させることになる。これにより放電灯Ｂの寿命短縮や不点灯・ちらつき等が発生する可能性がある。また、温度上昇によりランプソケットや口金部の損傷といった不具合が発生する可能性もある。

仮に、未使用ランプや点灯初期のみにランプ種別判別を行い、装着された放電灯のランプ種別を記憶装置にて保持しておき、最適なランプ出力で点灯させていたとしても、ランプ交換時に記憶装置のリセットを忘れた場合には再度ランプの種別を判別することなく、これまで通りのランプ出力で放電灯を点灯させることになるため、点灯装置の出力が放電灯と適合しなくなるという問題が発生する。

また、特許文献３，４，５では、フィラメント（エミッタ）の消耗具合や累積点灯時間を推定できるとしているが、放電灯の種別を判別することは出来ない。

本発明は上述のような問題点を解決するためになされたものであり、フィラメント抵抗に起因する電気特性を検出し、放電灯の使用時間によりフィラメントに起因する電気特性が変化しても、装着された放電灯の状態（ランプの種類や正常・異常）を正確に判別し、装着された放電灯に応じた最適な出力制御を行う放電灯点灯装置を提供することを課題とする。

請求項１の発明は、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Ｅの出力端に接続された少なくとも１つ以上のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を備えるインバータ１と、前記インバータ１のスイッチングを制御する制御回路４と、前記インバータ１の出力端に接続された放電灯Ｌａが接続可能な共振回路３と、前記共振回路３に接続される放電灯Ｌａのフィラメント抵抗に起因する電気特性を検出する検出回路６と、前記共振回路３に接続される放電灯Ｌａの累積点灯時間を計時する点灯時間タイマ７１と、前記検出回路６の出力信号と点灯時間タイマ７１の累積点灯時間に応じてランプ判別を行うランプ判別手段７２とを備えることを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記検出回路６は、図５に示すように、フィラメント先行予熱の前に一定期間だけフィラメントの加熱・放熱を行い、その際に得られるフィラメント抵抗に起因する特性変化を検出し、放電灯のフィラメントに塗布されているエミッタ量は判別されるランプ種別が異なる毎に１．５倍以上異なることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、フィラメント抵抗に起因する電気特性を検出し、予め記憶された累積点灯時間とフィラメント抵抗に起因する電気特性との関係と比較することで、接続されたランプの種類を正確に判別することが出来る。例えば、検出されたフィラメント抵抗に起因する電気特性と累積点灯時間によっては、ランプ異常、ランプ誤使用であると判断し、ランプ点滅、発振停止（消灯）などの動作に移行し、使用者に対する注意喚起や危険回避を行うことができる。

請求項２の発明によれば、エミッタ残量に相当するフィラメント抵抗に起因する電気特性を検出することで、エミッタ塗布量の異なる、フィラメントコイルが同じランプ間においても正確にランプ判別を行うことができる。特に、フィラメントに塗布されるエミッタ量が１．５倍以上異なるランプ間においては、フィラメント抵抗に起因する電気特性の差が顕著に検出できるため、更に正確にランプ判別を行うことができる。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１の回路図である。以下、その回路構成について説明する。インバータ１は交互にオン／オフされる一対のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と直流カット用コンデンサＣｄとからなり、直流電源Ｅから供給される一定の直流電圧Ｖｄｃを矩形波の高周波電圧に変換して負荷回路２に出力する。負荷回路２はインダクタＬ１とコンデンサＣ２，Ｃ１よりなる共振回路３を備え、共振回路３の出力に放電灯Ｌａが接続される。放電灯Ｌａは各電極にフィラメントを備える熱陰極型蛍光ランプである。

インバータ１のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は制御回路４により交互にオン・オフ制御される。スイッチング素子Ｑ１がオンすると、直流電源Ｖｄｃからスイッチング素子Ｑ１、コンデンサＣｄ、共振回路３を介して電流が流れ、スイッチング素子Ｑ２がオンすると、コンデンサＣｄ、スイッチング素子Ｑ２、共振回路３を介して反対方向に電流が流れる。

共振回路３は共振用インダクタＬ１と共振用コンデンサＣ２により直列共振回路を構成しており、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオン・オフにより高周波交流電圧が印加されると、共振用コンデンサＣ２の両端には共振作用により昇圧された共振電圧が発生し、コンデンサＣ１を介して放電灯Ｌａの両端に印加される。

インバータ制御回路４は、放電灯Ｌａの始動前に放電灯Ｌａが点灯しないレベルでフィラメントに電流を流す予熱モードと、放電灯Ｌａの始動に必要な高電圧を印加する始動モードを経て、安定点灯モードに移行するようにスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチング周波数を制御する機能を備えている。

共振回路３が一般的な遅相モードで動作している場合、予熱モードでは共振回路３の無負荷共振周波数よりも十分に高いスイッチング周波数で動作し、始動モードでは共振回路３の無負荷共振周波数より少し高いスイッチング周波数でインバータ１は動作する。点灯モードでは、放電灯Ｌａの点灯時インピーダンスが共振回路３のＱを低下させることにより、無負荷共振周波数より点灯時共振周波数が低下するので、無負荷共振周波数よりも低く点灯時共振周波数よりも高いスイッチング周波数でインバータ１は動作する。

なお、放電灯Ｌａのフィラメントの予熱回路については簡略化のために図示していないが、コンデンサ予熱方式もしくは巻線予熱方式のいずれを用いても構わない。コンデンサ予熱方式であれば、放電灯Ｌａの一対のフィラメントの各一端間に予熱用のコンデンサ（図示せず）を接続し、前記一対のフィラメントの各他端間に共振回路３の高周波交流電力を供給する構成が一般的である。巻線予熱方式であれば、予熱トランスの１次巻線に高周波交流電力を供給し、予熱トランスに設けた一対の２次巻線からそれぞれ予熱用のコンデンサを介して放電灯Ｌａの一対のフィラメントに予熱電流を供給する構成が一般的である。巻線予熱方式の別の構成例として、共振回路３のインダクタ（例えば共振用インダクタＬ１）に予熱用の一対の２次巻線を設けて、これらの２次巻線からそれぞれ予熱用のコンデンサを介して放電灯Ｌａの一対のフィラメントに予熱電流を供給するように構成しても良い。

直流電源Ｅは、商用交流電源Ｖｓを全波整流器ＤＢ１により整流し、インダクタＬ２と、ダイオードＤ１と、平滑コンデンサＣ３と、スイッチング素子Ｑ３と、チョッパ制御回路５とから構成される周知の昇圧チョッパ回路により全波整流器ＤＢ１の整流出力を平滑化して、一定の直流電圧Ｖｄｃを出力している。

フィラメント電圧検出回路６は先行予熱モードの最後、始動モードに移行する前のフィラメント電圧を検出し、マイコン７へ出力する。マイコンはＡ／Ｄ変換入力ポートとＥＥＰＲＯＭを備える汎用マイコンよりなり、Ａ／Ｄ変換入力ポートからフィラメント電圧を取得する。図１ではマイコンのプログラムにより実現される機能をブロック化して図示している。図１に示すように、マイコン７はランプ点灯時間を累積する点灯時間タイマ７１と、点灯時間とフィラメント電圧とを対応付けているランプ判別テーブル７２を備えている。

図１の構成例では、商用交流電源Ｖｓが投入されてチョッパ制御回路５により直流電源Ｅが一定電圧Ｖｄｃを出力している時間を点灯時間として計時しているが、より厳密に点灯時間をカウントするには、インバータ制御回路４が起動電圧に達してから停止電圧に至るまでの時間を点灯時間としてカウントすることも可能である。例えば、上述の先行予熱モード、始動モード、点灯モードの切り替えはマイコン７のプログラムによりインバータ制御回路４に発振周波数切替制御信号を与えることにより実現可能であるので、マイコン７はインバータ制御回路４が点灯モードとなっている時間のみをカウントすることもできる。

マイコン７はＥＥＰＲＯＭのような不揮発性メモリ７３を備えており、点灯時間タイマ７１のカウント値は定期的に不揮発性メモリ７３に書き込まれるので、電源を遮断しても前回までの累積点灯時間はそのまま保持することができる。電源を再投入したときには、前回までの累積点灯時間を不揮発性メモリ７３から読み出して、点灯時間タイマ７１に再設定することにより、前回のカウント値から点灯時間のカウントを再開することができる。リセット部７４はランプ交換時に使用者が点灯時間タイマ７１をリセットするためのものである。ランプ判別テーブル７２でランプを判別した後、マイコン７は接続されたランプに適した出力となるようにインバータ制御回路４に対して指令を与えることにより、点灯モードにおけるインバータ動作周波数を変化させる。

図２に本実施形態でのランプ判別テーブル７２に記憶されている点灯時間に対するフィラメント電圧の変化を示す。本実施形態では、放電灯の累積点灯時間と検出されたフィラメント電圧とを比較し、放電灯の種別を判別するので、負荷回路２に装着された放電灯Ｌａを正確に判別することができる。

仮に、使用時間ｔ＝ｔａで放電灯Ａを使用後、新しい放電灯Ａに交換したにもかかわらず、リセットを忘れた場合や、放電灯Ｂもしくは他の不適合ランプにランプ交換された場合は、累積点灯時間に対してフィラメント電圧がマイコンで記憶された値（Ｖｆａ）と大幅に異なるため、マイコン７の制御によりランプ点滅を行い、使用者に注意を促す。使用者はランプ点滅によりランプの誤使用や交換時のリセット忘れを認識し、適切な対応を行うことができる。

（実施形態２）
本発明の実施形態２の回路図を図３に示す。本実施形態の先の実施形態と異なる点は、フィラメント電圧検出回路６ではなく、エミッタ残量検出回路８が具備されている点である。先の実施形態では、フィラメント電圧を検出していたが、フィラメントコイルの長さ、太さ、エミッタ量によってはランプ間のフィラメント電圧に差が発生しない場合や、累積点灯時間が増加してもフィラメント電圧に変化が少ない場合がある。

本実施形態では、適合ランプとして、エミッタ塗布量が１．５倍以上異なる放電灯Ａと放電灯Ｂを判別対象として想定しており、エミッタ残量検出回路８によりエミッタ残量を検出することで、ランプ判別を行うものである。

ここで、エミッタ塗布量を通常の１．５倍としたランプの利点について説明しておく。判別するランプ間においてエミッタ塗布量の差が１．５倍以上あれば、充分エミッタ残量に違いが発生し、誤検出を防ぐのは勿論であるが、ランプ出力に対するランプ寿命について明確な違いがあることが発見されている。通常、ランプ電流を多く流した場合、フィラメントの表面温度が上昇し、エミッタの消耗が早くなり、ランプ寿命が短くなる。しかし、松下電器産業株式会社より通常ランプの１．５倍以上エミッタを塗布しているランプ（Ｇ−Ｈｆ蛍光灯：ＦＨＦ６３）が発売されており、そのランプによれば、ＦＨＦ３２などの従来ランプに比べて２倍程度（明るさ約２倍）のランプ電流を流した場合も定格ランプ寿命が１．５倍になるとされている。このように、エミッタを１．５倍以上塗布することにより、ランプ寿命を確保しながら、ランプ出力を増大させることができる。

以下に本実施形態の特徴を説明する。本実施形態のエミッタ残量検出回路８は、フィラメントの先行予熱前にフィラメントを加熱・放熱することで、フィラメント電圧の変化を捉え、エミッタ量を検出する。検出されたエミッタ残量と累積点灯時間の情報に基づいてマイコン７によりランプ判別を行う。

エミッタ残量の測定原理を図４と図５を用いて説明する。図４の回路において、スイッチＳＷをオンして直流電源Ｅ２によりフィラメントｆ１を加熱する。一定時間後、スイッチＳＷがオフすると、フィラメントｆ１は抵抗Ｒを通じて微小電流が流れるだけとなり、その熱慣性に従って放熱することになる。この放熱過程の温度変化をフィラメント抵抗値の変化として捉え、フィラメントの両端電圧を検出することでエミッタ残量を検出することができる。

図５にエミッタ量が多い放電灯Ａとエミッタ量が少ない放電灯Ｂのフィラメント電圧の変化を示す。エミッタ量が多い放電灯Ａの方がフィラメント電圧の減少に時間が掛かっていることが分かる。これはエミッタ量が多い方が熱容量が大きいため、放熱に時間がかかるのである。フィラメント温度が高いと、抵抗値が高いため、結果的に同じ微小電流をフィラメントに流した場合はエミッタ量が多い方がフィラメント電圧が減少し難いことになる。フィラメント加熱後、完全に冷却されるまでの時間によりエミッタの残量を検出することができる。

図６に放電灯Ａと放電灯Ｂのエミッタ残量と累積点灯時間の関係を示す。本実施形態では、ランプ判別テーブル７２に図６の関係が記憶されており、エミッタ残量検出回路８と点灯時間タイマ７１との出力を得て、判別された放電灯の種別に適した動作となるようにマイコン７から制御回路４に周波数制御指令信号を出力する。

以上のようにフィラメントの先行予熱前にフィラメントを加熱・放熱することで、フィラメント電圧の変化を捉え、エミッタ量を検出することで正確に放電灯の種別を判別することが出来る。

（実施形態３）
本発明の実施形態３の回路図を図７に示す。実施形態２と異なる点は、放電灯Ｌａの点滅回数を累積する点滅回数カウンタ７５を具備する点である。一般的にフィラメント（エミッタ）の劣化は点灯時間と点滅回数によって影響される。本実施形態では点滅回数によって、ランプ判別テーブル７２を変更する。

図８に本実施形態のランプ判別テーブル７２の記憶内容を示す。通常は実線のデータが使用されるが、累積点灯時間に対して、点滅回数が多い場合（頻繁に点滅を行った場合）は点線のデータに変更する。頻繁に点滅を行うため、エミッタ量の減少が早いと判断するためである。

本実施形態では、累積点灯時間だけでなく、点滅回数も考慮することで、使用環境に応じた更に正確なランプ判別を行うことができる。

これまでの実施形態では述べなかったが、蛍光灯の使用初期の照度を定格点灯時の７０〜８０％程度に抑え、使用時間の経過に伴って光出力を増やすように調光制御することで寿命末期までの使用期間中における見かけ上の照度をほぼ一定に保つことができ、使用初期における蛍光灯を定格出力よりも少ない電力で調光点灯することで省電力が図れる初期照度補正機能付き照明器具においては、累積点灯時間を計時する点灯時間タイマを具備しているため、本発明を有効に活用できることは言うまでも無い。これにより様々な種別の放電灯に対応できる初期照度補正機能付き照明器具を提供できるのである。

（実施形態４）
実施形態１，２，３のいずれかの放電灯点灯装置を搭載された照明器具の外観の一例を図９に示す。実施形態１，２，３とも、上述のような判別機能を有する放電灯点灯装置を組み込み、放電灯点灯装置が取り付けられる器具本体３１と、器具本体に設けられ放電灯Ｌａが着脱自由に装着されるとともに放電灯点灯装置と放電灯を電気的に接続するソケット３２とを備えることで、接続された放電灯Ｌａの種類を正確に判別することが出来る照明器具３０を提供することが可能となる。

本発明の実施形態１の回路図である。 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２の回路図である。 本発明の実施形態２のエミッタ残量検出回路の原理説明のための回路図である。 本発明の実施形態２の動作説明図である。 本発明の実施形態２の動作説明図である。 本発明の実施形態３の回路図である。 本発明の実施形態３の動作説明図である。 本発明の実施形態４の照明器具の斜視図である。 従来例の動作説明図である。

符号の説明

Ｅ 直流電源
１ インバータ
３ 共振回路
４ 制御回路
６ フィラメント電圧検出回路
７１ 点灯時間タイマ
７２ ランプ判別テーブル
Ｌａ 放電灯

Claims (3)

1. 直流電源の出力端に接続された少なくとも１つ以上のスイッチング素子を備えるインバータと、
   前記インバータのスイッチングを制御する制御回路と、
   前記インバータの出力端に接続された放電灯が接続可能な共振回路と、
   前記共振回路に接続される放電灯のフィラメント抵抗に起因する電気特性を検出する検出回路と、
   前記共振回路に接続される放電灯の累積点灯時間を計時する点灯時間タイマと、
   前記検出回路の出力信号と点灯時間タイマの累積点灯時間に応じてランプ判別を行うランプ判別手段とを備えることを特徴とする放電灯点灯装置。
2. 前記検出回路は、フィラメント先行予熱の前に一定期間だけフィラメントの加熱・放熱を行い、その際に得られるフィラメント抵抗に起因する特性変化を検出し、放電灯のフィラメントに塗布されているエミッタ量は判別されるランプ種別が異なる毎に１．５倍以上異なることを特徴とする請求項１記載の放電灯点灯装置。
3. 請求項１または２のいずれかに記載の放電灯点灯装置と、この放電灯点灯装置により点灯動作が制御される放電灯とを含むことを特徴とする照明器具。

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