JP4175571B2 - 高圧放電ランプ点灯装置および自動車用ヘッドライト装置 - Google Patents

Description

本発明は、水銀を本質的に含まない高圧放電ランプを点灯する高圧放電ランプ点灯装置およびこれを用いた自動車用ヘッドライト装置に関する。

所望の発光金属のハロゲン化物である第１のハロゲン化物、第１のハロゲン化物の金属に比較して可視域に発光しにくい金属のハロゲン化物である第２のハロゲン化物および希ガスを含む放電媒体を封入し、水銀が本質的に封入されていないメタルハライド放電ランプ既知である（特許文献１参照。）。この高圧放電ランプは、従来のメタルハライド放電ランプのように環境負荷の大きい本質的に水銀を用いないにもかかわらず、ランプ電圧を高くして所望のランプ電力を投入できるので、大変優れたものである。

特開平１１−２３８４８８号公報

一般に、水銀を含むメタルハライドランプにおいて、室温程度の低温における始動時の光束立ち上がり時間を短縮するためには、定格ランプ電力の２倍以上の電力を投入する必要がある。しかし、水銀を含まないメタルハライドランプの場合、水銀を含むメタルハライドランプより放電媒体の蒸気圧が低いので、水銀を含むメタルハライドと同等の光束立ち上がり時間にするためには、さらに多くのランプ電力すなわち定格ランプ電力の２倍以上より多くのランプ電力を始動時に投入する必要がある。そこで、低温始動時には供給電力を所要の程度例えば定格ランプ電力の３倍程度まで多くすると効果的である。

また、水銀を含まないメタルハライドランプの場合、始動時に多くのランプ電力を投入すると、放電容器の内部温度が急激に上昇し、これに伴って放電媒体の金属ハロゲン化物の蒸発が活発になり、発光効率が上昇するとともに、発生光量が増大するので、安定点灯に向けてランプ電力を制御していく必要がある。

本発明は、低温時に水銀を本質的に含まない高圧放電ランプを始動した際に、高圧放電ランプに投入するランプ電力を適切に制御して、光束立ち上がりを早めるとともに短時間で安定点灯を行うようにした水銀を本質的に含まない高圧放電ランプを点灯するための高圧放電ランプ点灯装置およびこれを用いた自動車用ヘッドライト装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明の高圧放電ランプ点灯装置は、５〜１５気圧の希ガスおよび金属ハロゲン化物を含み水銀を本質的に含まない高圧放電ランプを付勢可能な点灯手段と；低温始動時には高圧放電ランプへの投入電力が定格ランプ電力の２倍より大きい値で継続して供給されてから一定の割合で低減し、引き続いて低減率が最初大きくて順次小さくなるように低減する目標供給ランプ電力パターンに沿って実供給ランプ電力を調節するように点灯手段を制御する制御手段と；を具備していることを特徴としている。

本発明によれば、低温時に水銀を本質的に含まない高圧放電ランプを始動した際には、水銀を本質的に含まない高圧放電ランプのための目標供給ランプ電力に沿って実供給ランプ電力を調節することにより、ランプ電力を適切に制御して光束立ち上がりを早めるとともに短時間で安定点灯へと落ち着く高圧放電ランプ点灯装置およびこれを用いた自動車用ヘッドライト装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態を説明する。

本発明を実施するための一形態において、高圧放電ランプ点灯装置は、図１に示すように、点灯手段ＯＣおよび制御手段ＣＣを具備していて、水銀を本質的に含まない高圧放電ランプＨＰＬを始動し、安定に点灯させる。高圧放電ランプＨＰＬは、本発明の一実施形態として図２および図３に示すように構成されている。

まず、水銀を本質的に含まない高圧放電ランプＨＰＬについて説明する。

この高圧放電ランプＨＰＬは、放電容器１、封着金属箔２、外部リード線３および放電媒体を備えて構成されている。

放電容器１は、その内部に細長い放電空間１ｃが形成されるとともに、放電空間１ｃを包囲する部分の肉厚が比較的大きくて、耐火性で、かつ、透光性の材料例えば石英ガラス、透光性セラミックスなどからなる。放電空間１ｃは、好ましくはほぼ円柱状をなし、軸方向の中央部の肉厚がその両側の肉厚より大きい。

また、放電容器１は、石英ガラス製の気密容器１ａおよび一対の電極１ｂからなる。上記放電空間１ｃは、中空の紡錘形状に成形された気密容器１ａの内部に形成されている。そして、気密容器１ａの両端に一対の細長い封止部１ａ１を一体に備えている。

電極１ｂは、気密容器１ａ内の放電空間１ｃの両端部にその一対が対向して封装され、好ましくは図３に示すように電極間距離Ｌが６ｍｍ以下になるように設定される。なお、一対の電極１ｂ、１ｂは、高圧放電ランプＨＰＬが直流点灯される場合には、アノードとして作用する側が、定格ランプ電力の約３倍のランプ電力が供給された際に、これに耐えるように構成される。例えば、電極１ｂの先端に軸部より径大の球状部分１ｂ１を形成することにより、これに対応することができる。

また、電極１ｂは、タングステン製で、電極軸１ｂ１および径大部１ｂ２を備えており、電極軸１ｂ１の基端が封止部１ａ１に埋設されることによって所定の位置に支持されている。径大部１ｂ２は、電極軸１ｂ１と一体に形成されている。また、電極軸１ｂ１の基部は、封止部１ａ１内において、封着金属箔２の一端に溶接されている。

封着金属箔２は、モリブデン箔からなり、気密容器１ａの封止部１ａ１内に気密に封着されている。

外部リード線３は、先端が封着金属箔２に溶接され、基端が放電容器１から外部へ露出している。

本発明において点灯される高圧放電ランプＨＰＬは、特定の放電媒体を具備している。すなわち、放電媒体は、放電容器１内の放電空間１ｃ内に封入されていて、希ガスおよび金属ハロゲン化物が封入されている。しかし、本質的に水銀が封入されていない。

本発明において、「本質的に水銀が封入されていない」とは、水銀を全く封入していないだけでなく、気密容器１ａの内容積１ｃｃ当たり２ｍｇ未満、好ましくは１ｍｇ以下の水銀が存在していることを許容するという意味である。しかし、水銀を全く封入しないことは環境上望ましいことである。従来のように水銀蒸気によって放電ランプの電気特性を維持する場合には、短アーク形においては気密容器の内容積１ｃｃ当たり２０〜４０ｍｇ、さらに場合によっては５０ｍｇ以上封入していたことからすれば、水銀量が実質的に少ないといえる。

希ガスは、５〜１５気圧の圧力で封入されている。なお、希ガスは、好適にはキセノンである。希ガスの封入圧を５〜１５気圧に限定している理由は、この範囲であれば、点灯直後４秒までの光束立ち上がりを早めて自動車用ヘッドライト装置に必要なその前面の代表点での光度８０００ｃｄを得ることができるからである。

金属ハロゲン化物は、少なくとも発光金属のハロゲン化物を含むものとする。発光金属のハロゲン化物としては、例えばナトリウム（Ｎａ）、スカンジウム（Ｓｃ）および希土類金属例えばジスプロシウム（Ｄｙ）などを含む複数種の発光金属のハロゲン化物を用いることができる。また、ナトリウム（Ｎａ）、スカンジウム（Ｓｃ）およびインジウム（Ｉ）のハロゲン化物を発光金属のハロゲン化物として封入することもできる。

さらに要すれば、金属ハロゲン化物として、蒸気圧が相対的に高くて、かつ、可視域における発光が相対的に少ない金属のハロゲン化物を、発光金属のハロゲン化物に加えることができる。この場合、発光金属のハロゲン化物を第１のハロゲン化物とすれば、上記蒸気圧が相対的に高くて、かつ、可視域における発光が相対的に少ない金属のハロゲン化物を発光金属のハロゲン化物と区別して第２の金属ハロゲン化物ということができる。第２の金属ハロゲン化物としては、例えばマグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、アンチモン（Ｓｂ）、ベリリウム（Ｂｅ）、レニウム（Ｒｅ）、ガリウム（Ｇａ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）およびハフニウム（Ｈｆ）からなるグループの中から選択された１種または複数種の金属のハロゲン化物を用いることができる。

本発明において、高圧放電ランプの定格ランプ電力は、一般的には２５０Ｗ以下、好ましくは１００Ｗ以下、最適には６０Ｗ以下である。

次に、図３を参照して自動車用ヘッドライト装置に用いる高圧放電ランプとしてのメタルハライドランプにける放電容器１の各部の寸法について説明する。

電極１ｂ、１ｂの間の中心軸上の距離を電極間距離Ｌ（ｍｍ）とし、その中央寄り８０％の中に位置する放電空間１ｃの最大内径をＤ（ｍｍ）とし、最大肉厚をｔ（ｍｍ）とする。そして、Ｄ／Ｌを０．２５〜１．５０、またｔ／Ｌを０．１６〜１．１０の範囲に設定している。

上記のように構成されているメタルハライドランプは、安定点灯時にランプ電力１００Ｗ以下で点灯することができる。また、自動車用ヘッドライト装置に用いる高圧放電ランプにおいては、一般的には８０Ｗ以下、好ましくは６０Ｗ以下、最適には４０Ｗ程度である。

以下の実施例１は、本発明の高圧放電ランプ点灯装置により点灯される高圧放電ランプＨＰＬの実施例を示す。
放電容器：中央部の外径６．５ｍｍ、最大内径４．５ｍｍ、電極間距離４．２ｍｍ、
電極軸径０．４ｍｍ、長さ７ｍｍ、径大部の直径０．６ｍｍ、
Ｄ／Ｌ約１．０７、ｔ／Ｌ０．２４
放電媒体：発光金属のハロゲン化物−ＳｃＩ_３０．２ｍｇ、ＮａＩ１．０ｍｇ、
希ガスＸｅ８気圧
定格ランプ電力：４０Ｗ

次に図１を参照して点灯手段ＯＣおよび制御手段ＣＣについて説明する。図１は、本発明の高圧放電ランプ点灯装置の一実施形態を示す回路ブロック図である。本実施形態は、自動車用ヘッドライト装置に用いる高圧放電ランプ点灯装置である。図において、ＤＣは直流電源、ＳＷ１は電源スイッチ、Ｃ１は電解コンデンサ、ＯＣは点灯手段、ＣＣは制御手段、ＩＧはイグナイタ、ＨＰＬは高圧放電ランプである。

直流電源ＤＣは、直流電圧１２Ｖのバッテリーからなる。

電源スイッチＳＷ１は、直流電源ＤＣと後述する点灯手段ＯＣとの間に直列接続されていて、高圧放電ランプＨＤＬの点滅を司る。

電解コンデンサＣ１は、電源スイッチＳＷを介して直流電源ＤＣと並列に接続している。

点灯手段ＯＣは、高圧放電ランプＨＤＬを点灯する手段であり、電子式に構成されていることが好ましい。また、交流電圧は、その波形を矩形波にすることができる。さらに、高圧放電ランプの安定点灯中には、定電力制御を行うことができるように構成することが好ましい。

高圧放電ランプの限流手段は、それぞれ高圧放電ランプに印加される電圧の態様に応じて適切なインピーダンスを有していなければならない。しかし、直流電源電圧値を所望に制御したり、アクティブフィルタ作用をさせたりするために、スイッチングレギュレータを用いる場合、構成要素の一部であるインダクタがスイッチングにより限流作用をも担当するので、見かけ上の限流素子を省略することができる。

また、交流点灯の際の周波数は、高圧放電ランプが音響的共鳴現象を生じないように配慮する必要がある。高圧放電ランプが自動車用ヘッドライト装置に用いるようなサイズの放電容器を備える場合においては、約２ｋＨｚ以下の周波数であれば、実際上問題を生じるようなことはない。なお、好ましくは上記に加えて１００Ｈｚ以上である。

さらに、点灯手段は、その無負荷出力電圧を２００〜６００Ｖ程度に設定することができる。

本実施形態において、点灯手段ＯＣは、スイッチングレギュレータDC/DCおよびインバータDC/ACから構成されている。

スイッチングレギュレータDC/DCは、出力トランスＴ、スイッチング手段Ｑ１、ゲートドライブ信号発生回路ＧＤＧ、ダイオードＤ１および平滑コンデンサＣ２により主として構成されている。出力トランスＴの１次巻線ｗｐおよびスイッチング手段Ｑ１は、電解コンデンサＣ１の両端間に直列接続している。スイッチング手段Ｑ１は、ＭＯＳＦＥＴからなる。

なお、スイッチング手段Ｑ１と直列に挿入されている抵抗器Ｒ１は、スイッチング電流検出用である。ゲートドライブ信号発生回路ＧＤＧは、ゲートドライブ信号を発生して、スイッチング手段Ｑ１のゲート・ソース間に印加する。そして、外部から制御入力する制御信号に応じてゲートドライブ信号をＰＷＭ制御することができる。出力トランスＴの２次巻線ｗｓの両端にダイオードＤ１および平滑コンデンサＣ２が直列接続している。

そうして、スイッチングレギュレータDC/DCの昇圧され、かつ制御された直流出力電圧が平滑コンデンサＣ２の両端間に得られる。

インバータDC/ACは、フルブリッジ形インバータからなり、４つのスイッチング手段Ｑ２〜Ｑ５、ゲートドライブ回路ＧＤＣ１〜ＧＤＣ４、矩形波発振回路ＯＳＣ、切換手段ＳＷ２、反転回路Ｎおよび非反転回路Ｙからなる。４つのスイッチング手段Ｑ２〜Ｑ５は、それぞれＭＯＳＦＥＴからなり、ブリッジ回路を構成するように接続されている。そして、ブリッジ回路の入力端は、スイッチングレギュレータDC/DCの直流出力端間に接続している。

ゲートドライブ回路ＧＤＣ１〜ＧＤＣ４は、反転回路Ｎまたは非反転回路Ｙを経由した後記矩形波発振回路ＯＳＣの出力信号または直流電位に同期してゲートドライブ信号を形成して、それぞれ対応するスイッチング手段Ｑ２〜Ｑ５のゲート・ソース間にゲートドライブ信号を供給し、それらをオンさせる。矩形波発振回路ＯＳＣは、周波数１００Ｈｚ〜２ｋＨｚの矩形波の出力信号を発振する。

切換手段ＳＷ２は、矩形波発振回路ＯＳＣの出力信号と直流電位とを選択的にゲートドライブ回路ＧＤＣ１およびＧＤＣ３に対して反転回路Ｎを介して接続し、またゲートドライブ回路ＧＤＣ２およびＧＤＣ４に対して非反転回路Ｙを介して接続している。

そうして、矩形波発振回路ＯＳＣの出力が切換手段ＳＷ２および反転回路Ｎまたは非反転回路Ｙを介してゲートドライブ回路ＧＤＣ１〜ＧＤＣ４に印加されることにより、４つのスイッチング手段のうちＱ２およびＱ５とＱ３およびＱ４とが交互にスイッチングしてインバータ動作を行い、それらが構成するブリッジ回路の出力端から交流出力電圧が得られる。

また、直流電位が切換手段ＳＷ２および反転回路Ｎまたは非反転回路Ｙを介してゲートドライブ回路ＧＤＣ１〜ＧＤＣ４に印加されることにより、４つのスイッチング手段のうちＱ２およびＱ５がオンし、Ｑ３およびＱ４がオフするので、ブリッジ回路の出力端から直流出力電圧が得られる。

以上を要約すれば、点灯手段ＯＣは、本実施形態において、直流出力および交流出力のいずれか一方が選択されることにより、後述する高圧放電ランプＨＰＬを直流点灯または交流点灯することができる。

制御手段ＣＣは、点灯手段ＯＣに対して高圧放電ランプＨＰＬへの低温始動時の投入電力切り換え制御を行う手段である。すなわち、低温始動時には高圧放電ランプＨＰＬに対する投入電力が定格ランプ電力の２倍より大きい値で継続して供給してから所定の一定の割合で低減し、引き続いて低減率が最初大きくて順次小さくなるように低減する目標供給ランプ電力パターンに沿って点灯手段ＯＣが高圧放電ランプＨＰＬに供給する実供給ランプ電力を調節するように制御する。

なお、始動時に高圧放電ランプＨＰＬに対して印加する電圧を直流電圧とし、さらに直流点灯から交流点灯へ切り換える制御を行う場合には、上記に加えて制御手段ＣＣは、（１）直流・交流切り換え制御、および（２）直流点灯時間制御、をそれぞれ行うように構成することができる。これらの制御については後述する。

また、制御手段ＣＣが上述の低温始動時に行う投入電力切り換え制御は、高温始動時における制御を加えることによって、変化した周囲温度における投入ランプ電力切り換え制御を行うことができる。この投入ランプ電力切り換え制御は、高圧放電ランプＨＰＬが始動し点灯したときに供給ランプ電力を低温始動時と高温始動時との少なくとも２段階に切り換える制御である。

低温始動時においては、光束立ち上がりが早くなるように定格ランプ電力より大きなランプ電力例えば定格ランプ電力の約３倍の電力を高圧放電ランプＨＰＬに供給し、高温始動時においては定格ランプ電力に近いランプ電力を供給する。なお、「低温始動」とは、高圧放電ランプ内の温度が室温程度以下の温度下での始動を意味し、したがって消灯してからの経過時間が長い場合に低温になる。また、「高温始動」とは、高圧放電ランプの安定時の温度に近い温度下での始動を意味し、したがっていわゆるホットリスタートはこれに該当する。「定格ランプ電力に近い」とは、定格ランプ電力に対して１０５〜１５０％の範囲である。なお、好ましくは１２０〜１４０％の範囲である。

また、低温始動時および高温始動時の判別は、高圧放電ランプの温度、消灯してからの経過時間であるところの消灯時間または点灯時に流れるランプ電流の大きさなどに応じて行うことができる。さらに、高圧放電ランプに供給するランプ電力の制御は、高圧放電ランプに印加する電圧を変化することにより容易にこれを行うことができる。

また、要すれば、高圧放電ランプの消灯時間に応じて連続的に供給ランプ電力を制御するように構成することができる。

さらに、低温始動時および高温始動時に高圧放電ランプに対してどの程度のランプ電力を供給するかは、予め実験またはシミュレーションなどにより決定することができる。そして、低温および高温の程度とランプ電力時間との関係を予めテーブルデータとしてメモリに記憶しておき、演算に基づいて必要なデータをメモリから読み出して、点灯手段を自動的に制御するように構成することができる。

本実施形態において、制御手段ＣＣは、ランプ電圧検出部ＬＶＤ、ランプ電流検出部ＬＣＤ、点灯検出部ＬＤおよびランプ電力制御部ＬＰＣにより構成されている。なお、点灯手段ＯＣが交流および直流を切り換えて高圧放電ランプＨＰＬに供給する場合には、上記に加えて点灯時間制御部ＤＣＣを備えることができる。

ランプ電圧検出部ＬＶＤは、スイッチングレギュレータDC/DCの直流出力電圧が得られる平滑コンデンサＣ２の両端間に接続された一対の抵抗器Ｒ２、Ｒ３の直列回路からなり、抵抗器Ｒ３の両端に高圧放電ランプＨＰＬのランプ電圧に比例した電圧が得られる。

ランプ電流検出部ＬＣＤは、スイッチングレギュレータDC/DCの直流出力およびインバータDC/ACの直流入力端の間に直列に挿入された抵抗器Ｒ４からなり、抵抗器Ｒ４の電圧降下がランプ電流に比例する。

点灯検出部ＬＤは、ランプ電圧検出部ＬＶＤの検出出力に応動する。すなわち、高圧放電ランプＨＰＬは、放電開始すると、その電極間に現れる電圧がそれ以前に現れる無負荷電圧より明らかに低いランプ電圧になる。そこで、点灯検出部ＬＤは、ランプ電圧検出部ＬＶＤの検出出力を監視していて、検出出力が急減したことをもって高圧放電ランプＨＰＬが点灯したことを検出することができる。

ランプ電力制御部ＬＰＣは、目標ランプ電力演算回路ＴＯ、実ランプ電力演算回路ＡＯおよび差動増幅回路ＤＡから構成されている。

目標ランプ電力演算回路ＴＯは、予め初期値に対する目標供給ランプ電力をテーブルデータとしてメモリに記憶していて、消灯時間に応じて算出された直流電圧印加時間に応じた目標供給ランプ電力を演算する。

図４は、本発明の高圧放電ランプ点灯装置の一実施形態における目標供給ランプ電力パターンを示すグラフである。このグラフは、目標供給ランプ電力特性すなわち初期値に対する目標供給ランプ電力のパターンを示すもので、目標ランプ電力設定手段としてのテーブルデータを説明している。本発明においは、低温始動時には高圧放電ランプＨＰＬに対して定格ランプ電力の２倍より大きいランプ電力、例えば約３倍のランプ電力を投入することができる。なお、「約３倍」とは、２．５〜３．５倍程度を含む意味である。これより多くのランプ電力を始動時に供給すると、光束立ち上がりは早くなるが、電極の消耗が無視できなくなる。そして、上記ランプ電力を継続して供給してから、続いて所定の一定の割合で低減し、さらに引き続いて低減率が最初大きくて順次小さくなって安定時のランプ電力に落ち着くように低減する目標ランプ電力パターンを示している。

なお、図４において、横軸はカウンタ初期値を、縦軸は目標供給ランプ電力［Ｗ］を、それぞれ示す。上記の関係は、点灯する高圧放電ランプＨＰＬの特性により左右されるので、ここでは実験によりテーブルデータを求め、それをグラフ化したものである。

すなわち、低温始動時したがってカウンタ初期値が小さいときには、目標供給ランプ電力が定格ランプ電力の２倍より大きいランプ電力を継続して供給するように、例えば定格ランプ電力の３倍と大きな値を所定のカウンタ値になるまで継続する。この段階を第１の段階Ｓ１とすれば、この第１の段階Ｓ１に引き続いて次の段階である第２の段階Ｓ２となる。第２の段階Ｓ２ではカウンタ初期値が大きくなるにしたがって所定の一定の割合でランプ電力を低減させる。この段階Ｓ２は、第１の段階Ｓ１に比較してカウンタ値の変化が小さい。第２の段階Ｓ２が終わると第３の段階Ｓ３に移行する。この第３の段階Ｓ３では、最初に低減率が大きくてカウンタ値が大きくなるにしたがって低減率が順次小さくなるように低減して目標供給ランプ電力が小さくなり、やがて定格ランプ電力に等しくなるように設定されている。この第３の段階Ｓ３は、カウンタ値の範囲が最も大きい。

実ランプ電力演算回路ＡＯは、ランプ電圧検出部ＬＶＤおよびランプ電流検出部ＬＣＤの検出出力に基づいて演算により高圧放電ランプＨＰＬに実際に供給されている実供給ランプ電力を求める。

差動増幅回路ＤＡは、目標ランプ電力演算回路ＴＯが演算して求めた目標供給ランプ電力と、実ランプ電力演算回路ＡＯが演算して求めた実供給ランプ電力とを入力して、その差をゲートドライブ信号発生回路ＧＤＧの制御入力として出力する。その結果、高圧放電ランプＨＰＬの始動から安定点灯に至るまでの間、実ランプ電力が図４に示す目標ランプ電力に沿って変化することが理解できる。

なお、本発明の実施に際して、所望により始動時には点灯手段ＯＣにより高圧放電ランプＨＰＬを直流点灯し、所定時間後交流点灯に切り換えるとともに、低温始動時には定格ランプ電力より大きいランプ電力を高圧放電ランプに供給し、かつ、直流点灯を相対的に短時間とし、高温始動時には定格ランプ電力に近いランプ電力を高圧放電ランプＨＰＬに供給し、かつ、直流点灯を相対的に長時間とするように点灯手段ＯＣを制御することが許容される。この場合、上記の構成に加えて、制御手段に直流・交流切り換え制御および直流点灯時間制御の構成を追加すればよい。これらの構成について以下説明する。

直流・交流切り換え制御は、始動時に高圧放電ランプに対して印加する電圧を直流電圧とし、さらに後述の直流点灯時間制御に基づいて直流点灯から交流点灯へ切り換えるための制御である。なお、切り換えの際に電源の瞬断が生じるのを回避すべきであり、そのためにも無接点で切り換えが行われるのが好ましい。インバータDC/ACのスイッチング手段を利用して無接点切り換えを行う場合、スイッチング手段のドライブ信号を連続信号にすればインバータDC/ACの出力端に直流が得られ、また発振周波数の断続信号にすれば発振周波数の交流が得られる。

本実施形態において、直流・交流切り換え制御は、前記インバータDC/ACの切換手段ＳＷ２により構成されている。

直流点灯時間制御は、低温始動時および高温始動時のいずれであるかにより直流点灯時間を変化させる制御である。すなわち、直流点灯は、低温始動時には相対的に短時間であり、高温始動時には相対的に長時間である。低温始動時および高温始動時の判別は、高圧放電ランプの温度、消灯してからの経過時間であるところの消灯時間または点灯時に流れるランプ電流の大きさなどに応じて行うことができる。

また、高圧放電ランプＨＰＬの始動時の低温および高温の程度に応じて連続的に投入電力を制御するように構成することができる。

さらに、低温始動時および高温始動時にどの程度の時間直流点灯するかは、予め実験またはシミュレーションなどにより決定することができる。

本実施形態において、直流点灯時間制御は、直流点灯時間制御部ＤＣＣにより構成されている。直流点灯時間制御部ＤＣＣは、消灯時間タイマＬＯＴ、初期値設定回路ＩＶＳ、カウンタＣＴおよび直流点灯時間タイマＤＶＴから構成されている。

消灯時間タイマＬＯＴは、点灯検出部ＬＤの検出出力を監視してその出力がなくなったときを消灯と判定し、動作を開始して消灯時間を計時する。なお、消灯時間タイマＬＯＴは、内蔵バッテリーによって電源スイッチＳＷ１がオフになっても動作を継続するように構成されている。

初期値設定回路ＩＶＳは、予め消灯時間に対するカウンタＣＴの初期値すなわちカウンタ初期値をテーブルデータとしてメモリに記憶していて、後記カウンタＣＴに対して消灯時間に応じた初期値を付与する。

図５は、本発明の高圧放電ランプ点灯装置の一実施形態における消灯時間に対するカウンタ初期値の関係を決定するテーブルデータを示すグラフである。

図６は、同じく横軸を時間的に拡大して示すグラフである。

各図において、横軸は消灯時間［秒］を、縦軸はカウンタ初期値を、それぞれ示す。上記の関係は、点灯する高圧放電ランプの特性により左右されるので、ここでは実験によりテーブルデータを求め、それをグラフ化したものである。

カウンタＣＴは、点灯検出部ＬＤの検出出力に基づいて後記直流点灯時間タイマＤＶＴおよび目標ランプ電力演算回路ＴＯに初期値を送出する。カウンタ動作を開始するが、初期値設定回路ＩＶＳの出力であるカウンタ初期値に応じて、予め動作時間がテーブルデータとしてメモリに記憶していて、カウンタ初期値に応じて決定される直流電圧印加時間の間動作を継続する。

直流点灯時間タイマＤＶＴは、点灯検出部ＬＤの検出出力に基づいて時間をカウント開始するが、カウンタ初期値に応じて予め直流点灯時間がテーブルデータとしてメモリに記憶されていて、カウンタ初期値により決定される直流点灯時間の間、切換手段ＳＷ２を図１において下側に切り換えているが、カウンタＣＴからのカウンタ出力が直流点灯加時間に達したときに、切換手段ＳＷ２を図１において上側に切り換える。

図７は、本発明の高圧放電ランプ点灯装置の一実施形態におけるカウンタ初期値に対する直流電圧印加時間の関係を決定するテーブルデータを示すグラフである。

図において、横軸はカウンタ初期値を、縦軸は直流点灯時間［ｍ秒］を、それぞれ示す。上記の関係は、点灯する高圧放電ランプの特性により左右されるので、ここでは実験によりテーブルデータを求め、それをグラフ化したものである。

イグナイタＩＧは、慣用の構成であり、電源スイッチＳＷ１が投入されることにより動作を開始して、所要の始動パルスを発生する。発生した始動パルスは、後述する高圧放電ランプＨＰＬに印加される。

次に、本発明の回路動作を図示の本実施形態を参照して説明する。

まず、低温始動時の回路動作について説明する。この場合においては、前回の消灯時から十分に時間が経過しているため、高圧放電ランプＨＰＬが少なくとも室温程度まで冷却している。このような状態において、電源スイッチＳＷ１が投入されると、直流点灯時間制御部ＤＣＣのカウンタＣＴが初期値設定回路ＩＶＳのカウンタ初期値を読む。ところが、図５から理解できるように、消灯時間タイマＬＯＴの出力値が十分に大きいので、カウンタ初期値は０である。

次に、カウンタ初期値に基づき、ランプ電力制御部ＬＰＣの目標ランプ電力演算回路ＴＯが目標供給ランプ電力を図４の目標供給ランプ電力パターンに示すテーブルデータに基づいて１２０Ｗに設定する。また、切換手段ＳＷ２は、直流電圧印加時間タイマＤＶＴにより、図１において下側に操作されている。このため、インバータDC/ACのスイッチング手段Ｑ２およびＱ５がオンし、Ｑ３およびＱ５がオフする。

一方、電源スイッチＳＷ１の投入により、スイッチングレギュレータDC/DCの入力端に直流電源ＤＣの電圧が印加されるので、スイッチングレギュレータDC/DCは動作を開始し、スイッチングレギュレータDC/DCの昇圧された直流出力電圧がイグナイタＩＧに印加される。これにより、イグナイタＩＧは、高電圧の始動パルスを発生する。そして、始動パルスは、高圧放電ランプＨＰＬに直流電圧とともに印加される。この始動パルスにより、高圧放電ランプＨＰＬは、その電極間が絶縁破壊を起こして始動し、引き続いてアーク放電に転移して点灯する。

高圧放電ランプＨＰＬが点灯すると、スイッチングレギュレータDC/DCの直流出力電圧は、ほぼランプ電圧まで低下する。その結果、ランプ電圧検出部ＬＶＤは、この電圧低下をもって高圧放電ランプＨＰＬが点灯したことを検出して、消灯時間タイマＬＯＴ、カウンタＣＴおよび直流点灯時間タイマＤＶＴに通知する。この通知により、カウンタＣＴは、直流点灯時間タイマＤＶＴにカウンタ初期値が０であったことを通知するとともに、カウントを開始する。

一方、直流点灯時間タイマＤＶＴは、ＣＴから通知を受けると、カウンタからＣＴ初期値の送出を受けると、図４に示すテーブルデータに基づいて、直流点灯時間を５０ｍ秒と決定し、その間切換手段ＳＷ２を上記の状態に維持する。なお、この場合の直流点灯時間を１５ｍ秒程度にすることもできる。

他方、上記と同時にランプ電圧検出部ＬＶＤおよびランプ電流検出部ＬＣＤの検出出力が実ランプ電力演算回路ＡＯに入力され、高圧放電ランプＨＰＬのランプ電力にほぼ等しい値が実供給ランプ電力として演算される。そして、実供給ランプ電力と、目標ランプ電力演算回路ＴＯから出力された目標供給ランプ電力とが差動増幅器ＤＡに制御入力し、それらが比較演算される結果、差の電力に応じた制御信号が出力されてスイッチングレギュレータDC/DCのゲートドライブ信号発生回路ＧＤＧに制御入力する。ゲートドライブ信号発生回路ＧＤＧは、差動増幅器ＤＡの出力に応じてゲートドライブ信号を差の電力が０になるようにＰＷＭ制御する。

すなわち、図４に示す目標供給ランプ電力パターンに沿って目標ランプ電力に等しいランプ電力が高圧放電ランプＨＰＬに供給される。なお、高圧放電ランプＨＰＬの点灯後、カウンタＣＴのカウントの進行に伴って目標供給ランプ電力は、安定点灯に達した後には図４に示すテーブルデータに沿って徐々に低減していき、定格ランプ電力に落ち着く。

そうして、高圧放電ランプＨＰＬが点灯し、定格ランプ電力４０Ｗの３倍である１２０Ｗのランプ電力が初期供給ランプ電力として供給され、５０ｍｓの間直流点灯することにより、放電容器１の内部温度が急激に上昇し、これに伴って放電媒体の金属ハロゲン化物の蒸発が活発になり、発光効率が上昇するとともに、発生光量が増大して、図８に示すように、点灯開始４秒間で安定点灯時の光束の８０％以上に到達する。しかし、カウンタＣＴは、カウント動作を開始してカウントアップするので、図４のテーブルデータに基づいて目標ランプ電力が順次更新され、次第に安定状態へと移行していく。そして、短時間で安定時の発光光量に落ち着く。安定した後は、発光光量が一定に維持される。

図８は、本発明の高圧放電ランプ点灯装置の一実施形態における点灯時間に対する発光光量の関係を示すグラフである。

図において、横軸は点灯時間［秒］を、縦軸は安定点灯時を１００％とする発光光量［％］を、それぞれ示す。なお、図において、点灯時間０秒の時点にパルス状の強い発光が現れているのは、始動パルスの印加により高圧放電ランプＨＰＬが始動した瞬間を示している。

次に、高温始動時の回路動作について説明する。

この場合は、高圧放電ランプＨＰＬが短時間（以下、５秒間として説明する。）消灯して再始動されるようなときである。このため、消灯前の点灯による余熱で相当な高温状態にあり、金属蒸気圧も高い。

したがって、消灯時間タイマＬＯＴの出力値が５［秒］なので、図６から理解できるように、初期値設定回路ＩＶＳはカウンタ初期値１８をカウンタＣＴに与える。

一方、目標ランプ電力演算回路ＴＯは、カウンタＣＴからカウンタ初期値１８が通知されるので、図４に示すテーブルデータに基づいて点灯初期の目標供給ランプ電力を５２Ｗに設定する。

他方、電源スイッチＳＷ１のオンによりスイッチングレギュレータDC/DCの直流出力電圧によってイグナイタＩＧが動作して始動パルスが発生すると、高圧放電ランプＨＰＬが始動して点灯する。点灯すると、ランプ電圧検出部ＬＶＤがそれを検出して、カウンタＣＴ、消灯時間タイマＬＯＴおよび直流電圧印加時間タイマＤＶＴに通知する。

カウンタＣＴは、この通知を受けると、カウント動作を開始するとともに、カウンタ初期値を直流点灯時間タイマＤＶＴおよび目標ランプ電力演算回路ＴＯに送出する。そして、目標ランプ電力演算回路ＴＯは、上述のように点灯初期の目標供給ランプ電力を５２Ｗに設定するので、高圧放電ランプＨＰＬは５２Ｗで点灯開始する。しかし、カウンタＣＴは、カウント動作を開始してカウントアップするので、図４の目標供給ランプ電力パターンに沿ったテーブルデータに基づいて目標ランプ電力が順次更新され、次第に安定状態へと移行していく。

ところで、直流点灯時間タイマＤＶＴは、初期値を元にして時間をカウントし、図７に示す入出力特性が予め付与されているので、直流点灯時間を３００ｍ秒と決定する。なお、この場合の直流点灯時間を１００ｍ秒程度にすることもできる。直流点灯時間が終了すると、直流点灯時間タイマＤＶＴは切換手段ＳＷ２を図において上側に切り換える。これにより、インバータDC/ACが動作するので、交流が発生して高圧放電ランプＨＰＬに印加され、以後高圧放電ランプＨＰＬは交流点灯を行う。

そして、直流点灯時間の経過に伴って順次目標供給ランプ電力を図４の目標供給ランプ電力パターンに沿ったテーブルデータに基づいて低減していき、定格ランプ電力に収斂していく。

図９は、本発明の高圧放電ランプ点灯装置の一実施形態における消灯時間と初期供給ランプ電力および直流点灯時間との関係を概念的に示すグラフである。

図において、横軸は消灯時間を、縦軸は初期供給ランプ電力および直流点灯時間を、それぞれ示す。図において、曲線Ａは初期供給ランプ電力、曲線Ｂは直流点灯時間を、それぞれ示す。

図から理解できるように、初期供給ランプ電力と直流点灯時間とは、消灯時間に対して相反的な関係にあり、これが本発明における特徴の１つである。

図１０は、本発明の高圧放電ランプ点灯装置の一実施形態における実施例の初期供給ランプ電力と点灯時間の関係を示すグラフである。

図において、横軸は初期供給ランプ電力（Ｗ）を、縦軸は直流点灯時間（秒）を、それぞれ示す。なお、図において、曲線Ｃはランプ１を、曲線Ｄはランプ２を、それぞれ示す。

図１１は、本発明の自動車用ヘッドライト装置の一実施形態を示す斜視図である。

図１２は、同じく高圧放電ランプを示す正面図である。

各図において、１１はヘッドライト装置本体、１２は高圧放電ランプ、１３Ａ、１３Ｂは高圧放電ランプ点灯装置である。

ヘッドライト本体１１は、自動車用ヘッドライト装置から高圧放電ランプ１２および高圧放電ランプ点灯装置１３Ａ、１３Ｂを除いた残余の部分をいい、前面透過パネル１１ａ、リフレクタ１１ｂ、１１ｃ、ランプソケット１１ｄおよび取付部１１ｅなどから構成されている。前面レンズ１１ａは、自動車の外面と合わせた形状をなし、所要の光学的手段たとえばプリズムを備えている。リフレクタ１１ｂ、１１ｃは、各高圧放電ランプ１２ごとに配設されていて、それぞれに要求される配光特性を得るように構成されている。ランプソケット１１ｄは、高圧放電ランプ点灯装置の出力端に接続し、高圧放電ランプ１２の口金１２ｄに接続する。取付部１１ｅは、ヘッドライト装置本体１１を自動車の所定の位置に取り付けるための手段である。

高圧放電ランプ１２は、発光管１２ａ、外管１２ｂ、リード線１２ｃおよび口金１２ｄなどから構成されている。発光管１２ａは、図２および図３に示す構造を備え、一方の端部で口金１２ｄに指示されている。外管１２ｂは、発光管１２ａの外側を包囲している。リード線１２ｃは、発光管１２ａの他方の端部から導出され、発光管１２ａに沿って口金に接続している。なお、１２ｃ１は、絶縁チューブである。口金１２ｄは、ヘッドライト装置本体１１のリフレクタ１１ｂ、１１ｃに、その背面から装着されるとともに、口金１２ｄの背面からランプソケット１１ｄを接続する。そうして、２灯の高圧放電ランプ１２がヘッドライト装置本体１１に装着されて、４灯式のヘッドライト装置が構成される。各高圧放電ランプ１２の発光部は、ヘッドライト装置本体１１のリフレクタ１１ｂ、１１ｃの焦点にほぼ位置する。

高圧放電ランプ点灯装置１３Ａ、１３Ｂは、それぞれ図１に示す構成を備えていて、金属製容器１３ａ内に収納されているとともに、高圧放電ランプ１２を付勢して点灯させる。

そうして、本発明の自動車用ヘッドライト装置においては、水銀を含まない高圧放電ランプおよび請求項１の高圧放電ランプ点灯装置を備えていることにより、環境負荷の大きい水銀を封入していなくても光束立ち上がりが早くて、しかも高圧放電ランプの寿命短縮が生じにくい自動車用ヘッドライト装置が得られる。

本発明の高圧放電ランプ点灯装置の一実施形態を示す回路図 本発明の高圧放電ランプ点灯装置の一実施形態における高圧放電ランプを示す縦断面 同じく各部の寸法を説明するために放電容器の内部を模式的に示す模式図 本発明の高圧放電ランプ点灯装置の一実施形態における目標供給ランプ電力パターンを示すグラフ 本発明の高圧放電ランプ点灯装置の一実施形態における消灯時間に対するカウンタ初期値の関係を決定するテーブルデータを示すグラフ 同じく横軸を時間的に拡大して示すグラフ 本発明の高圧放電ランプ点灯装置の一実施形態におけるカウンタ初期値に対する直流電圧印加時間の関係を決定するテーブルデータを示すグラフ 本発明の高圧放電ランプ点灯装置の一実施形態における点灯時間に対する発光光量の関係を示すグラフ 本発明の高圧放電ランプ点灯装置の一実施形態における消灯時間と初期供給ランプ電力および直流点灯時間との関係を概念的に示すグラフ 本発明の高圧放電ランプ点灯装置の一実施形態における実施例の初期供給ランプ電力と点灯時間の関係を示すグラフ 本発明の自動車用ヘッドライト装置の一実施形態を示す斜視図 同じく高圧放電ランプを示す正面図

符号の説明

ＡＯ…実ランプ電力演算回路、Ｃ１…電解コンデンサ、Ｃ２…平滑コンデンサ、ＣＣ…制御手段、ＣＴ…カウンタ、Ｄ１…ダイオード、ＤＡ…差動増幅回路、ＤＣ…直流電源、DC/AC…インバータ、DC/DC…スイッチングレギュレータ、ＤＶＴ…直流点灯時間タイマ、ＧＤＣ１…ゲートドライブ回路、ＧＤＣ２…ゲートドライブ回路、ＧＤＣ３…ゲートドライブ回路、ＧＤＣ４…ゲートドライブ回路、ＧＤＧ…ゲートドライブ信号発生回路、ＨＰＬ…高圧放電ランプ、ＩＢＳ…初期値設定回路、ＩＧ…イグナイタ、ＬＣＤ…ランプ電流検出部、ＬＯＴ…消灯時間タイマ、ＬＰＣ…ランプ電力制御部、ＬＶＤ…ランプ電圧検出部、Ｎ…反転回路、ＯＣ…点灯手段、ＯＳＣ…矩形波発振回路、Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４…スイッチング手段、ＳＷ１…電源スイッチ、ＳＷ２…切換手段、Ｔ…出力トランス、ＴＯ…目標ランプ電力演算回路、ｗｐ…１次巻線、ｗｓ…２次巻線、Ｙ…非反転回路

Claims (2)

1. ５〜１５気圧の希ガスおよび金属ハロゲン化物を含み水銀を本質的に含まない高圧放電ランプを付勢可能な点灯手段と；
   低温始動時には高圧放電ランプへの投入電力が定格ランプ電力の２倍より大きい値で継続して供給されてから一定の割合で低減し、引き続いて低減率が最初大きくて順次小さくなるように低減する目標供給ランプ電力パターンに沿って実供給ランプ電力を調節するように点灯手段を制御する制御手段と；
   を具備していることを特徴とする高圧放電ランプ点灯装置。
2. 自動車用ヘッドライト装置本体と；
   希ガスおよび金属ハロゲン化物を含み水銀を本質的に含まないで構成され、自動車用ヘッドライト装置本体に配設された高圧放電ランプと；
   高圧放電ランプを付勢する請求項１記載の高圧放電ランプ点灯装置と；
   を具備していることを特徴とする自動車用ヘッドライト装置。

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