JP2013206859A - プラズマ放電ランプ起動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回路を複雑にすることなく圧電トランスの共振周波数の変動に対応するプラズマ放電ランプ起動装置を提供する。
【解決手段】圧電トランス１８と、スイッチング素子を含む駆動回路１６とを備え、駆動回路１６は、スイッチング素子のためのスイッチング駆動信号を生成する可変周波数発振回路１７０を備え、可変周波数発振回路１７０の制御端子１７０ｂが圧電トランス１８と誘導電界結合可能に配置され、制御端子１７０ｂの開放時に圧電トランス１８との空間を介した誘導電界結合により、可変周波数発振回路１７０から出力されるスイッチング駆動信号の周波数が圧電トランス１８の共振周波数に追従するようになっている。
【選択図】図１１

Description

本発明は、圧電トランスを用いたプラズマ放電ランプ起動装置に関する。

一般的なランプ用点灯装置等において、電圧を昇圧させるために圧電トランスが用いられたものが知られている。

圧電トランスは、巻線トランスに比較して軽量化、小型化、薄型化、効率の点で優れているが、温度、湿度等の環境変化や、負荷の変動、自己発熱によって、共振周波数が変化して出力電圧の低下が発生するという問題がある。そのため、圧電トランスの共振周波数の追尾を行うフィードバック制御が一般的に行われている。

例えば、特許文献１では、圧電トランスの出力電極から出力される電圧値を検出する検出回路と、検出された電圧値に基づいて駆動回路を帰還制御する帰還制御回路と、を備えた圧電トランスを使用した電源装置を提案している。

また、特許文献２では、放電灯等のための電源回路として、圧電トランスに、圧電トランスの固有共振周波数に一致する周波数の交流電圧を出力する検出電極を設け、デジタルシグナルプロセッサが検出電極からの出力される検出電圧の周波数を算出して、出力する駆動信号が算出した周波数に近づくように駆動信号を制御することを提案している。

さらには、特許文献３では、圧電トランスの入力側に流れる駆動電流を検出する駆動電流検出部と、駆動電流の検出信号について、基本周波数以外の周波数の通過を抑制するバンドパスフィルタ部と、バンドパスフィルタ部を介してフィードバックされた検出信号を増幅して、圧電トランスを駆動するアンプ部と、を備えており、自励発振させる圧電トランス用の自励発振回路を提案している。

特開平９−７４７４４号公報 特開２０１０−１１６０６号公報 特開２０１１−７８１５９号公報

しかしながら、上記のような従来の装置では、圧電トランスからの検出信号をフィードバックするための受動素子を含む回路を必要としており、回路が複雑化、大型化するという問題がある。

また、プラズマ放電ランプ用起動装置として携帯に適したものは未だ提案されていないが、ランプの点灯検査、圧電トランスの共振周波数の確認等に携帯用のものがあれば便利である。

本発明はかかる課題に鑑みなされたもので、回路を簡素化すると共に、圧電トランスの共振周波数の変動に対応するプラズマ放電ランプ起動装置を提供することをその目的とする。

また、本発明の他の目的は、携帯に適したプラズマ放電ランプ起動装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、圧電材料からなり、一次側電極と、一次側電極に印加された電圧が昇圧された電圧を出力する二次側電極とを備えた圧電トランスと、
スイッチング素子を有し、圧電トランスの一次側電極に、スイッチングされた電圧を印加する駆動回路と、
圧電トランスの二次側電極からの昇圧された電圧を出力する出力電極と、
を備え、出力電極からの放電によりプラズマ放電ランプの放電管内の放電を誘発可能となったプラズマ放電ランプ起動装置において、
前記駆動回路は、スイッチング素子のためのスイッチング駆動信号を生成する可変周波数発振回路を備え、前記可変周波数発振回路の制御端子が圧電トランスと誘導電界結合可能に配置され、前記制御端子の開放時に前記圧電トランスとの空間を介した誘導電界結合により、前記可変周波数発振回路から出力されるスイッチング駆動信号の周波数が前記圧電トランスの共振周波数に追従することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記制御端子には切換手段が接続され、切換手段の第１切換状態によって、時間と共に漸次変化する電圧が制御端子に入力されて、可変周波数発振回路から出力されるスイッチング駆動信号の周波数がスイープされると共に、切換手段の第２切換状態によって、制御端子が開放されて前記圧電トランスと誘導電界結合されることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、可変周波数発振回路から出力されるスイッチング駆動信号の周波数のスイープは、少なくとも第１時間（Ｔ１）に亘り、第２時間（Ｔ２（＜Ｔ１））で圧電トランスの共振周波数を含む周波数範囲で変化させることを繰り返すことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の発明において、前記圧電トランスの二次側電極と出力電極との間に倍電圧整流回路を設けることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１ないし４のいずれか１項に記載のプラズマ放電ランプ起動装置が、バッテリーを含み携帯型となったものである。

本発明によれば、可変周波数発振回路の制御端子が圧電トランスと誘導電界結合可能に配置され、制御端子の開放時に圧電トランスとの空間を介した誘導電界結合により、可変周波数発振回路から出力されるスイッチング駆動信号の周波数が圧電トランスの共振周波数に追従することができるために、受動素子を用いたフィードバック回路を要することなく、自励発振を行わせることができ、回路を簡素化することができる。

切換手段によって、周波数をスイープした発振と自励発振とを同じ可変周波数発振回路を用いて切換えることができるので、回路を簡素化することができる。

また、可変周波数発振回路のスイッチング駆動信号の周波数が共振周波数を含む周波数範囲で変化させるスイープを繰り返すことにより、基本的には、１回のスイープ毎に圧電トランスの共振周波数に合致させて圧電トランスを共振周波数で動作させることができるようになり、瞬間的に昇圧された電圧を出力することもできる。

また、ランプの点灯検査、圧電トランスの共振周波数の確認等に携帯用に適したプラズマ放電ランプ起動装置を提供することができる。

本発明のプラズマ放電ランプ起動装置を携帯用とした実施形態を表す全体ブロック図である。 図１のプラズマ放電ランプ起動装置の前段部分を表すブロック図である。 図２の駆動回路の回路図である。 圧電トランスの斜視図である。 圧電トランスの周波数特性を表す図である。 図１のプラズマ放電ランプ起動装置の後段部分を表すブロック図である。 図１のプラズマ放電ランプ起動装置が適用されるプラズマ放電ランプの構成を表すブロック図である。 プラズマ放電ランプの起動を表す図である。 本発明のプラズマ放電ランプ起動装置のタイムチャート例を表す図である。 スイッチング駆動信号のスイープ波形を表すグラフである。 本発明のプラズマ放電ランプ起動装置の説明図である。 図１のプラズマ放電ランプ起動装置を固定用として適用したプラズマ放電ランプの構成を表すブロック図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態による携帯用として実現したプラズマ放電ランプ起動装置１０を表しており、大略、電源部１２、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４、駆動回路１６、圧電トランス１８、倍電圧整流回路２０及び出力電極２２を備えている。

電源部１２は、バッテリー１２２と、電源スイッチ１２４とを備える。バッテリー１２２としては、６Ｖ程度の電池を使用することができる。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１４は、バッテリー１２２の電圧を、駆動回路１６の駆動に適した電圧Ｖ_０（約３０Ｖ）に昇圧するものである。

駆動回路１６は、図２に示したように、第１タイマー回路１６２と、第２タイマー回路１６４と、三角波生成回路１６６と、スイッチ１６８と、可変周波数発振回路１７０と、スイッチング回路１７２と、共振回路１７４とを備える。

第１タイマー回路１６２は、時間Ｔ１の間、オンとなる信号を生成し、第２タイマー回路１６４は第２周期Ｔ２（＜Ｔ１）でオンオフを繰り返す信号を生成する。三角波生成回路１６６は、第２タイマー回路１６４からの矩形波信号を積分して三角波信号に変換するものである。可変周波数発振回路１７０は、周波数が可変となったスイッチング駆動信号を生成するものである。

図３に示すように、第１タイマー回路１６２、第２タイマー回路１６４及び可変周波数発振回路１７０は、同じタイマーＩＣ（例えば、ＣＭＯＳタイマー５５５）を用いて構成される。各タイマーＩＣの入力端子１６２ａ、１６４ａ、１７０ａには、ＲＣの分圧電圧が入力され、それぞれ、抵抗Ｒ（Ｒ_１，Ｒ_２，Ｒ_３）とコンデンサＣ（Ｃ_１，Ｃ_２，Ｃ_３）による時定数によって決まる周波数によって決まる信号を出力する。即ち、周波数は、

によって決まる。但し、可変周波数発振回路１７０の制御端子１７０ｂにはスイッチ１６８を介して三角波生成回路１６６からの時間と共に漸次変化する三角波信号が入力可能となると共に、出力端子からの出力がフィードバックされて発振されるため、制御端子１７０ｂの入力に応じて発振周波数が変化するようになっている。また、第１タイマー回路１６２の出力は、可変周波数発振回路１７０に供給されるため、可変周波数発振回路１７０は、第１タイマー回路１６２の出力がオンとなる間、発振可能となっている。第１タイマー回路１６２には、外部コントロール信号が入力可能となっている。

可変周波数発振回路１７０の制御端子１７０ｂに三角波信号を供給することで、可変周波数発振回路１７０からは、所定の範囲で周波数のスイープが行われたスイッチング駆動信号が出力される。

スイッチング回路１７２は、例えばパワーＭＯＳＦＥＴからなる４つのスイッチング素子１７２ａ〜ｄを備え、フルブリッジ回路が構成される。

可変周波数発振回路１７０からのスイッチング駆動信号によって、４つのスイッチング素子１７２ａ〜ｄのうち、１７２ａ及び１７２ｂと、１７２ｃ及び１７２ｄとが交互に開閉するようになっている。このフルブリッジ回路は、後述の圧電トランス１８からの正帰還となるように接続される。

共振回路１７４は、図２及び図６に示したように、スイッチング回路１７２と圧電トランス１８との間に接続されたチョークコイル１７４Ｌと、必要に応じて圧電トランス１８と並列に接続されたコンデンサ１７４Ｃと、を備える。このチョークコイル１７４ＬのインダクタンスＬ₁、コンデンサ１７４Ｃの容量Ｃ₁₁と、圧電トランス１８の入力容量Ｃ₂₂で直列共振回路が構成される。

圧電トランス１８は、図４に示すように、厚み方向に分極方向を持つ一次側と長さ方向に分極方向を持つ二次側とを有する圧電材料１８２からなり、一次側に設けられた一次側電極対１８４と、二次側に設けられた二次側電極１８６とを備える。一次側電極対１８４から一次側に与えられた電気エネルギーを逆圧電効果によって機械的に弾性エネルギーに変換し、弾性エネルギーを二次側の圧電効果によって、二次側電極１８６から高圧の電気エネルギーを得ることができる。圧電トランス１８はモールド化されて、前記駆動回路１６の基板に近接して配置される。

この圧電トランス１８の共振周波数は、圧電材料の弾性波伝播速度と圧電トランス１８の寸法で決まるが、温度、湿度等の環境変動、自己発熱によって変化する。また、負荷が変動しても共振周波数が変化し、図５に示すように、無負荷状態から負荷状態になると、昇圧比が小さくなる。

倍電圧整流回路２０は、図６に示すように、圧電トランス１８の二次側電極１８６に接続されたコンデンサ２０４、ダイオード２０２、２０２及び抵抗２０６を含む。

出力電極２２は針状電極から構成することができ、倍電圧整流回路２０からの負極性高電圧が印加されるようになっている。

以上のように構成されるプラズマ放電ランプ起動装置１０によって起動されるプラズマ放電ランプ３０は、図７に示すようなマイクロ波によるプラズマ放電ランプとすることができる。

プラズマ放電ランプ３０は、発光物質が封入された放電管３２内に第１アンテナ部材３４の一端部と第２アンテナ部材３６の一端部とを互いに離反させて突出させており、第１アンテナ部材３４にマイクロ波を供給して、第１アンテナ部材３４の突出端からマイクロ波を放出して放電管３２内の発光物質を励起させて発光させるものである。また、放電管３２の背後には金属レフレクタ３８が設けられている。

図７において、ランプ駆動回路４０は、発振器及び減衰器等を含むマイクロ波発振回路４０２と、増幅回路４０４と、カプラー４０６と、サーキュレータ４０８と、ランプの点灯の有無によるインピーダンスの変化によって発生するマイクロ波の反射の変化を検出してランプ点灯監視信号を出力する検出器４１０と、温度を検出する温度センサ４１２と、ランプの点灯制御を行う制御回路４１４等を含む。

このようなマイクロ波によるプラズマ放電ランプは無電極であるために、有電極放電ランプに比較して、ランプの寿命が長くちらつきを防止できるという利点があるが、放電管３２の放電空間内のガス圧が高く、放電開始電圧が高いために、マイクロ波を給電しただけでは放電を開始せずにランプ点灯に移行できない。そのため、図８（ａ）に示すように、第２アンテナ部材３６の他端部を放電管３２から突出させて、プラズマ放電ランプ起動装置１０の針状の前記出力電極２２から高電圧パルスを印加して、火花放電により発生した高電界により、放電管３２内のガスの電離から補助プラズマを発生させ、その後は、マイクロ波による高密度のプラズマの発生を促し放電を持続させることができる。または、図８（ｂ）に示すように、放電管３２のマイクロ波の給電電極近傍から数ミリ離れた地点で、針状の出力電極２２から高電圧パルスを印加して、不平等電界下でコロナ放電を発生させ、高電界によりマイクロ波放電の起動の補助を行うことができる。前者の場合、出力電極２２からの高電圧パルスは、短いパルス幅で十分であるが、後者の場合、ある程度の長さを持ったパルス幅である必要がある。このような用途に応じたものとするべく、本発明のプラズマ放電ランプ起動装置１０は、スイッチ１６８を切換え、前者のための圧電トランス１８に対する周波数スイープと、後者のための圧電トランス１８に対する自励発振の両方を共通の回路で実現可能となっている。

即ち、スイッチ１６８を切換えて、三角波生成回路１６６を可変周波数発振回路１７０に接続して、三角波電圧を可変周波数発振回路１７０の制御端子１７０ｂに供給すると、可変周波数発振回路１７０は、制御端子１７０ｂに供給される電圧に応じてその発振周波数が変化するために、周波数をスイープすることができ、周波数を基本的に１回のスイープ毎に圧電トランス１８の共振周波数にほぼ合致させることができる。よって、圧電トランス１８の共振周波数が変化したとしても、スイープ中のいずれかで圧電トランス１８を共振周波数で動作させることができ、瞬間的な高電圧パルスを出力電極２２に印加することができる。

この動作について図９を参照して説明すると、電源スイッチ１２４をオンにすると（図９（ａ））、第１タイマー回路１６２がＴ１（例えば約２秒）の計時を開始し（図９（ｃ））、第２タイマー回路１６４もＴ２（例えば約８０ｍｓ）の計時を行い（図９（ｄ））、このＴ２の間に三角波生成回路１６６によって三角波が生成され（図９（ｅ））、可変周波数発振回路１７０がスイープ発振を行い（図９（ｆ））、共振周波数に合致した瞬間に圧電トランス１８が高電圧パルスを出力する（図９（ｇ））。そして、時間Ｔ１の計時が完了すると、発振が停止される。

例えば、図１０に示すように、共振周波数が約７０ｋＨｚの圧電トランス１８に対して、約６０ｋＨｚ〜約８０ｋＨｚの範囲でスイープをさせることで、瞬間的に共振周波数に合致させることができ、火花放電を可能にする。このようなスイープでの間欠放電によって、消費電流を抑え、省電力化を図り、バッテリー駆動の携帯用として適したものとすることができる。

次に、スイッチ１２４を切換えて（図９（ｈ））、三角波生成回路１６６と可変周波数発振回路１７０とを非接続とした後、外部コントロール信号が入力されると（図９（ｂ））、再び第１タイマー回路１６２が計時を開始し、可変周波数発振回路１７０は発振を開始する。このときの発振周波数は、基本的に固定値となる。この固定値は、初めに圧電トランス１８の既定の共振周波数と合致させておくことで、直流の電圧を出力電極２２に印加することができる。ところで、既述のように圧電トランス１８の共振周波数は温度等の影響で変化していくので、可変周波数発振回路１７０の出力の発振周波数が固定であると、圧電トランス１８の共振周波数からずれてしまうおそれがある。しかしながら可変周波数発振回路１７０と圧電トランス１８とを誘導電界結合可能な距離に設定しておくことにより、可変周波数発振回路１７０の開放となった制御端子１７０ｂには、誘導電界の結合によって、圧電トランス１８からのフィードバック信号が誘導されるために、可変周波数発振回路１７０の発振周波数が、圧電トランス１８の共振周波数に追従していくことができる。

図１１には、誘導電界結合による等価的な正帰還フィードバックを仮想線で示している。この正帰還フィードバックは、圧電トランスの電圧をピックアップし、仮想コンデンサＣｐの空間的容量結合を介して、可変周波数発振回路１７０の制御端子１７０ｂに結合される。

このようにして、圧電トランス１８と可変周波数発振回路１７０との間で実在の受動素子を有するフィードバック回路を設けることなく、空間放射を利用した誘導電界結合によって自励発振させることができ、連続的な高電圧パルスを出力電極２２に印加することで、コロナ放電を発生させることができ、回路を簡素化することができ、携帯用として適したものとすることができる。

可変周波数発振回路１７０の発振は、第１タイマー回路１６２からの信号がオンになっている間、継続され、オフになっている間は休止することで、圧電トランス１８の発熱を抑え、省電力化を図り、バッテリー駆動の携帯用として適したものとすることができ、また、出力電極２２に人体が誤って接触した場合の保護を図ることもできる。また、第１タイマー回路１６２の時間Ｔ１の計時は、図９に示したように、電源起動時または外部コントロール信号の入力時の１回とすることで、消費電流を抑えることができる。

同じ可変周波数発振回路１７０を用いて周波数をスイープした発振と自励発振とを切換えることができるので、回路を簡素化することができる。

共振回路１７４は、図６に示した回路において、インダクタンスＬ₁のチョークコイル１７４Ｌと直列に且つ圧電トランス１８の一次側電極対１８４と並列に設けられた容量をＣ₁₁とし、圧電トランス１８の容量をＣ₂₂としたときに、これらで直列共振回路が構成されているために、入力波形の高周波成分の低減を図り、正弦波を生成することができる。この直列共振回路のＱ値が高く負荷抵抗が高いと圧電トランス１８が破壊しやすいので、Ｑ値を低くして、ＬＣ直列共振回路における共振周波数よりも周波数が低い状態でスイープまたは作動させるようにして、圧電トランス１８の破壊を防止する。そして、低い周波数で容量性リアクタンス状態で圧電トランス１８を駆動することで、容量両端の電圧を高め、圧電トランス１８の出力電圧を上げることができる。

また、倍電圧整流回路２０によって、出力電極２２には負極性高電圧（−１００００Ｖ程度）が印加される。圧電トランス１８の出力インピーダンスが高いため、出力電極２２までの配線途中に金属などがあった場合でも、倍電圧整流回路２０よりインピーダンスの変化が緩和され、その抵抗２０６によりインピーダンスが下がり、途中の金属への放電を防ぐことができる。例えば、前述のように出力電極２２が、金属レフレクタ３８を貫通して、放電管３２のマイクロ波の給電電極近傍から数ミリ離れた地点から、針状の前記出力電極２２から高電圧パルスを印加する場合であっても、金属レフレクタ３８への放電を防ぎ、電圧の下降を防ぐことができる。また、無負荷時の圧電トランス１８の過電圧破壊を防ぐことができる。さらには、倍電圧整流回路２０によって、圧電トランス１８の出力電圧が下がっても、その電圧低下を補償することができる。尚、倍電圧整流回路は、２倍以上のｎ倍電圧整流回路とすることができる。

ランプが点灯されれば、プラズマ放電ランプ起動装置１０は不要となるので、その動作を停止することができる。

尚、以上の例のプラズマ放電ランプ起動装置１０は、プラズマ放電ランプ３０とは別体の携帯用として説明した。これによって、ランプの点灯検査、圧電トランスの共振周波数の確認等の簡易な装置として供することができる。

但し、本発明は携帯用に限るものではなく、図１２に示したように、プラズマ放電ランプ３０及びランプ駆動回路４０に組み込んだ、固定式のものとすることも可能であり、商用電源からの交流電圧を所定の直流電圧に変換し、圧電トランス１８と駆動回路１６とを誘導電界結合可能に配置することで、同様に作動させることができる。

１０ プラズマ放電ランプ起動装置
１６ 駆動回路
１８ 圧電トランス
２０ 倍電圧整流回路
２２ 出力電極
３０ プラズマ放電ランプ
３２ 放電管
１２２ バッテリー
１６８ スイッチ（切換手段）
１７０ 可変周波数発振回路
１７０ｂ 制御端子
１７２ａ〜ｄ スイッチング素子
１８４ 一次側電極
１８６ 二次側電極

Claims (5)

1. 圧電材料からなり、一次側電極と、一次側電極に印加された電圧が昇圧された電圧を出力する二次側電極とを備えた圧電トランスと、
   スイッチング素子を有し、圧電トランスの一次側電極に、スイッチングされた電圧を印加する駆動回路と、
   圧電トランスの二次側電極からの昇圧された電圧を出力する出力電極と、
   を備え、出力電極からの放電によりプラズマ放電ランプの放電管内の放電を誘発可能となったプラズマ放電ランプ起動装置において、
   前記駆動回路は、スイッチング素子のためのスイッチング駆動信号を生成する可変周波数発振回路を備え、前記可変周波数発振回路の制御端子が圧電トランスと誘導電界結合可能に配置され、前記制御端子の開放時に前記圧電トランスとの空間を介した誘導電界結合により、前記可変周波数発振回路から出力されるスイッチング駆動信号の周波数が前記圧電トランスの共振周波数に追従することを特徴とするプラズマ放電ランプ起動装置。
2. 前記制御端子には切換手段が接続され、切換手段の第１切換状態によって、時間と共に漸次変化する電圧が制御端子に入力されて、可変周波数発振回路から出力されるスイッチング駆動信号の周波数がスイープされると共に、切換手段の第２切換状態によって、制御端子が開放されて前記圧電トランスと誘導電界結合されることを特徴とする請求項１記載のプラズマ放電ランプ起動装置。
3. 可変周波数発振回路から出力されるスイッチング駆動信号の周波数のスイープは、少なくとも第１時間（Ｔ１）に亘り、第２時間（Ｔ２（＜Ｔ１））で圧電トランスの共振周波数を含む周波数範囲で変化させることを繰り返すことを特徴とする請求項２記載のプラズマ放電ランプ起動装置。
4. 前記圧電トランスの二次側電極と出力電極との間に倍電圧整流回路を設けることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のプラズマ放電ランプ起動装置。
5. バッテリーを含み携帯型となった請求項１ないし４のいずれか１項に記載のプラズマ放電ランプ起動装置。

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