JP4449715B2

JP4449715B2 - 無電極放電灯点灯装置及びその照明器具。

Info

Publication number: JP4449715B2
Application number: JP2004341248A
Authority: JP
Inventors: 正平山本; 宏小笠原
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2004-11-25
Filing date: 2004-11-25
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2024-11-25
Also published as: JP2006155961A

Description

本発明は、無電極放電灯を点灯させる無電極放電灯点灯装置及びその照明器具に関するものである。

無電極放電灯点灯装置に関する従来例としては、例えば特開２０００−３５３６００号公報に示されるものがある。このものは、安定器が、静電容量―インダクタンス型共振回路で、無電極ランプに給電する無線周波電場を発生する無線周波インダクタを持つ負荷回路を含む。直流―交流変換器回路が負荷回路に結合されて、無線周波インダクタによって使われる交流電流をその中に誘起する。周波数シフト・キーイング（ＦＳＫ）を用いる調光回路が安定器の駆動回路に結合される。調光回路は、相互結合された２次側調光用インダクタ、直列接続の調光用スイッチ及び信号発生器で構成される。周波数シフト・キーイング（ＦＳＫ）は、調光用スイッチのゲートにパルスが印加されたとき、結合された２次側インダクタの電圧を分路する。パルスが調光用スイッチのゲートに印加されると、安定器の周波数が一層高いレベルに移り、無線周波インダクタ電流を減少させ、無電極ランプのアークを消滅させる。
特開２０００−３５３６００号公報（第３頁）

上記従来例においては、アークを消滅させ、再び点灯させる際に、誘導コイルに高い再点弧電圧を印加する必要がある。この場合、誘導コイルには大きな電流が流れ、この大きな電流により誘導コイル及び誘導コイルが巻回された磁性体が振動して、騒音が発生することが懸念される。

本発明は、このような課題を鑑みてなしたものであって、その目的とするところは、調光点灯を行った場合に想定される騒音を抑制することのできる無電極放電灯点灯装置を提供することである。

請求項１に係る発明は、コアに巻回され無電極放電灯に誘導電界を誘起する誘導コイルと、誘導コイルに高周波電力を供給する高周波電源回路と、無電極放電灯が点灯可能な電圧となる点灯期間と無電極放電灯が点灯維持できない電圧となる不点灯期間とを交互に無電極放電灯に印加するよう高周波電源回路を調光制御する調光制御回路と、を備える無電極放電灯点灯装置において、調光制御回路は、無電極放電灯が点灯維持できない電圧となる不点灯期間を、無電極放電灯内のイオンが残存する所定の期間内となるように、調光が深い場合に不点灯期間中に点灯期間と同じ高さのパルス電圧を印加するものであることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１記載の発明において、前記調光制御回路は、不点灯期間から点灯期間に移行させる際に誘導コイルの電圧をスイープさせるものであることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、前記請求項１乃至２のいずれかに記載の無電極放電灯点灯装置を備える照明器具であることを特徴とする。

本発明によれば、無電極放電灯が点灯維持できない電圧となる不点灯期間が、無電極放電灯内のイオンが残存する所定の期間以上とならないため、誘導コイルの電圧を抑制することができ、これによりコアの振動に起因する騒音が抑制され、深い調光比おいて点灯期間を短くした場合においても、聴覚感度の高い領域を避けることができ、実質的に騒音を抑制することができる。

（第１の実施形態）
本実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係る無電極放電灯点灯装置の回路構成及び無電極放電灯の断面を示す図である。図２は、図１に示す回路構成における誘導コイルの電圧波形図である。図３は、本実施形態の別例の回路構成図である。

本実施形態の無電極放電灯点灯装置は、コア１巻回され無電極放電灯２に誘導電界を誘起する誘導コイル３と、誘導コイル３に高周波電力を供給する高周波電源回路４と、無電極放電灯２が点灯可能な電圧となる点灯期間（ｔ１）と無電極放電灯２が点灯維持できない電圧となる不点灯期間（ｔ２）とを交互に無電極放電灯２に印加するよう高周波電源回路４を調光制御する調光制御回路５と、を備えている。

無電極放電灯２は、直径が約１６０ｍｍ、高さが２４０ｍｍの略電球形状のバルブ６内にバッファガスであるアルゴンガスと水銀とが封入されるもので、バルブ６の内面には蛍光体が塗布されている。また、バルブ６は、内径が３２ｍｍであって中心方向に突出する窪み部７を有しており、その窪み部７内には金属体８により支持される筒状のコア１が設置されており、コア１の周囲には４０ターン巻回された誘導コイル３が形成されている。

誘導コイル３に高周波電力を供給する高周波電源回路４は、直流電圧を供給する電源部Ｅ１と、電源部Ｅ１の両端に直列接続されたスイッチング素子Ｑ１及びＱ２と、スイッチング素子Ｑ２の両端に接続されたインダクタンスＬｓとコンデンサＣｐの直列回路と、コンデンサＣｐの両端に接続されたコンデンサＣｓで構成されている。コンデンサＣｓの負荷（無電極放電灯２）側の端子とコンデンサＣｐの回路グランドの端子間には、コア１に巻回され無電極放電灯２に誘導電界を誘起する誘導コイル３と、誘導コイル３の両端の電圧を検出する抵抗Ｒ１とＲ２の直列回路が接続されている。

間欠発振制御部９は、無電極放電灯２が点灯可能な電圧となる点灯期間を規定するものである。間欠発振制御部９のコンパレータ（ＯＰ１）の反転入力端子は、誘導コイル電圧を検出する抵抗Ｒ１とＲ２の接続点に接続されている。コンパレータ（ＯＰ１）の非反転入力端子は、誘導コイル電圧と比較される第１の基準電圧を出力する基準電源Ｅ２に接続されている。コンパレータ（ＯＰ１）の出力端子は、抵抗Ｒ３及びコンデンサＣ１の直列回路で構成されるタイマー回路１０に接続されている。抵抗Ｒ３とコンデンサＣ１の接続点は、コンパレータ（ＯＰ２）の反転入力端子に接続されている。コンパレータ（ＯＰ２）の非反転入力端子には、無電極放電灯２の点灯期間を規定する第２の基準電圧を出力する基準電源部１０が接続されている。基準電源部１０は、基準電源Ｅ３と、基準電源Ｅ３に接続された抵抗Ｒ４、Ｒ５及び外部からの調光信号に応じてスイッチングするスイッチング素子Ｑ３の直列回路と、基準電源Ｅ３の負極と抵抗Ｒ４とＲ５の接続点に接続されたコンデンサＣ２とで構成され、抵抗Ｒ４とＲ５の接続点がコンパレータ（ＯＰ２）の非反転入力端子に接続されている。コンパレータ（ＯＰ２）の出力端子は、スイッチング素子Ｑ１及びＱ２のスイッチング信号の周波数を切り換えるスイッチング素子Ｑ４に接続されている。

ドライバー１２は、発振器を内蔵し、前述のようにスイッチング素子Ｑ１及びＱ２に矩形波のスイッチング信号を出力するもので、その入力端子と回路のグランド間には、発振周波数を決定するコンデンサＣ３及び抵抗Ｒ６と、抵抗Ｒ６に並列に接続された抵抗Ｒ７とスイッチング素子Ｑ４の直列回路が接続されている。ここでドライバー１２の発振周波数は、スイッチング素子Ｑ４がオフの場合には、１/（Ｒ６×Ｃ３）で決定され、スイッチング素子Ｑ４がオンの場合には、１/（（１/Ｒ６+１/Ｒ７）×Ｃ３）で決定される周波数となるようになっている。すなわち、スイッチング素子Ｑ４がオンの場合には、オフの場合に比べて周波数が高くなるのである。ドライバー１２は、発振周波数に対応する矩形波が交互に出力される２つの出力端子を有しており、それぞれの出力端子は、スイッチング素子Ｑ１及びＱ２の操作部に接続されている。また、回路のグランド側のスイッチング素子Ｑ２に接続されるドライバー１２の出力端子には、スイッチング素子Ｑ２のスイッチング信号を検出するカウンタ１３が接続されている。カウンタ１３のリセット端子は、間欠発振制御部８の出力端子即ち、コンパレータ（ＯＰ２）の出力端子に接続されている。そしてカウンタ１３の出力端子も、カウント数により周波数を切り換えるためスイッチング素子Ｑ４の操作部に接続されている。

以上の構成において、電源部Ｅ１がＯＮになると、調光制御回路５がスイッチング素子Ｑ１及びＱ２に交互にスイッチング信号を出力し、インダクタＬｓ、コンデンサＣｐ及びコンデンサＣｓを介して誘導コイルに数１０ｋＨｚ〜数ＭＨｚの高周波電圧が印加される。高周波電圧の周波数をこの範囲とするのは、高周波電圧の周波数が数１０ｋＨｚ未満では誘導コイル３の巻数、又は誘導コイル３が巻回されるコア１（磁性体）の容積が増大し、また、高周波電圧の周波数が数ＭＨｚを超える場合には、高周波電源回路４の損失が増加すると共に、表皮効果により誘導コイル３の損失も増加するからである。誘導コイル３に数１０ｋＨｚ〜数ＭＨｚの高周波電圧が印加されると、無電極放電灯２には電磁誘導電界が誘起され、無電極放電灯２内の偶存電子が電磁誘導電界により加速されることにより放電が発生し点灯する。ここで、誘導コイル電圧は、図２（ａ）に示すように点灯期間と不点灯期間を繰り返す。この点灯期間と不点灯期間の動作について詳細に説明する。図１において、無電極放電灯２の点灯時、誘導コイル３の電圧は、抵抗R１と抵抗R２で分圧されコンパレータ（ＯＰ１）の反転入力端子に入力される。調光点灯時には、無電極放電灯２内に流れる電流が減少し、誘導コイル電圧が上昇することにより誘導コイル３の検出電圧も上昇する。誘導コイル３の検出電圧が基準電源Ｅ２で規定される基準電圧を超えると間欠部制限手段８のコンパレータ（ＯＰ１）の出力端子がＨレベルとなり、抵抗Ｒ３を介してコンデンサＣ１が充電され、コンパレータ（ＯＰ２）の反転入力端子の電圧が上昇する。一方、コンパレータ（ＯＰ２）の非反転入力端子に接続される基準電源部１０は、外部からの調光信号に応じた電圧を出力する。基準電源部１０が出力する電圧値は以下のように決定される。すなわち、外部から調光比に対応したデューティ比を出力する調光信号がスイッチング素子Ｑ３の操作部に入力される。スイッチング素子Ｑ３は、調光信号のデューティ比に応じてオン・オフされ、デューティ比によりコンデンサＣ２の電圧が変化する。すなわち、オンデューティ比が大きい場合には、スイッチング素子Ｑ３がオンされる時間が長くなり、抵抗Ｒ５に分流する電流量が多くなるため、コンデンサＣ２の両端の電圧値は小さくなる。一方、オンデューティ比が小さい場合には、スイッチング素子Ｑ３がオンされる時間が短くなり、抵抗Ｒ５に分流する電流量が少なくなるため、コンデンサＣ２の両端の電圧値は大きくなる。コンパレータ（ＯＰ２）は、このように決定された基準電源部１０の基準電圧とコンデンサC1の電圧を比較し、コンデンサC1の電圧が基準電源部１０の基準電圧を越える場合に、Hレベルの信号をスイッチング素子Ｑ４に出力する。

スイッチング素子Ｑ４がオンされると、抵抗Ｒ６とＲ７が並列接続されることになり、ドライバー１２に接続される合成抵抗値は減少する。これによりスイッチング素子Ｑ１及びＱ２のスイッチング信号は、１/（Ｒ６×Ｃ３）で決定される周波数から、１/（（１/Ｒ６+１/Ｒ７）×Ｃ３）で決定されるより高い周波数となる。これにより、ドライバー１２が出力するスイッチング信号の周波数は、高周波電源回路４のスイッチング素子Ｑ２に接続されたインダクタンスＬｓとコンデンサＣｐの直列回路と、コンデンサＣｐの両端に接続されたコンデンサＣｓで決定される共振周波数からより離れることになり誘導コイル３の電圧は減少し、無電極放電灯２は不点灯の状態となる。

カウンタ１３は、コンパレータ（ＯＰ２）のＨレベルの出力信号を受けることによりリセットされ、ドライバー１２が出力するスイッチング周波数のカウントを開始する。そしてスイッチング周波数をカウントした数が、イオンが残存する所定の不点灯期間に相当するカウント数に到達した場合に、スイッチング素子Ｑ４をオフにする。これにより、不点灯期間は終了し、１/（Ｒ６×Ｃ３）で決定される周波数となる点灯期間に戻る。ここで、不点灯期間における周波数は、点灯期間の周波数に比べて約７％高くなるように、抵抗Ｒ６、Ｒ７及びコンデンサＣ３の定数を設定している。以上のように、点灯期間と不点灯期間を繰り返すことにより、誘導コイル３の電圧は図２（a）に示す波形のようになる。また、調光信号のデューティ比が小さい場合には、間欠発振制御部８のスイッチング素子のオフ時間が小さくなることにより、オペアンプ（OP２）の第２の基準電圧が低下し、図２（ｂ）に示すように不点灯期間は一定であるが、点灯期間が短くなる。

以上の動作により、無電極放電灯２が点灯する点灯期間の期間に無電極放電灯２内に発生するイオンは不点灯期間の期間内において減少するが、不点灯期間の期間がカウンターで設定された期間以上とならないため、不点灯期間から点灯期間に切り替わる際に、誘導コイル３の両端に無電極放電灯２を再点弧させる高い電圧を印加する必要が無くなる。この結果、誘導コイル３への過大な電流が抑制され、誘導コイル３が巻回されたコア１の振動が減少し、騒音が抑制される。実際にインダクタンスＬｓを４８０μＨ、コンデンサＣｓを１８ｎＦ、コンデンサＣｐを２２ｎＦ、誘導コイルを１６０μＨ、電源部Ｅの電源電圧を４１５Ｖ、動作周波数を１３５ｋＨｚとして、不点灯期間の印加時間の最大値と無電極放電灯２の中心部から２０ｃｍの位置における騒音レベルとの関係を測定したところ、不点灯期間が５ｍｓ、０．５ｍｓでは３９ｄＢであったのに対し、０．２５ｍｓでは３２ｄＢとなり、不点灯期間が０．２５ｍｓにおいて騒音レベルが大幅に低減されることが分かった。このように、不点灯期間をイオンが残存する所定の時間に設定することで、誘導コイル３及び誘導コイル３が巻回されたコア１の振動により発生する騒音を抑制することが可能となるのである。また、不点灯期間が、０．０２ｍｓよりも短くなると騒音を抑制する効果が飽和するとともに回路にストレスが生じるため、不点灯期間の範囲は０．０２ｍｓ以上、０．２５ｍｓ以下であることが望ましい。また、不点灯期間における周波数を、点灯期間の周波数に比べて約７％高くなるようにすることにより、調光制御回路５を簡略化できると共に、調光信号の指示値に対して光出力が急激に変化することを抑制することが可能となる。

なお、本実施形態においては、不点灯期間を経時するためにカウンタ１３を設けたが、コンデンサと抵抗からなるタイマーを設けて不点灯期間を経時してもよい。また、本実施形態においては、調光信号に応じてスイッチング素子Ｑ３をオン・オフして連続的に調光するようにしたが、調光比を固定しこの調光比に応じた基準電源Ｅ３のみをコンパレータＯＰ２に接続するようにしても良い。また、本実施形態においては、誘導コイル３の電圧を検出することにより点灯期間を把握するようにしたが、図３に示すように、スイッチング信号をカウントするカウンタ１４と、調光信号に対応する基準カウント数を出力する調光信号変換器１５と、カウンタ１４が出力するカウント数と調光信号変換器１５が出力する基準カウント数を比較し、カウンタ１４が出力するカウント数が基準カウント数以上となった場合にHレベルの信号を出力する比較器１６を設け、点灯期間におけるスイッチング周波数に同期した信号のみをカウントし、調光信号変換器１５が出力する基準カウント数とを比較器１６で比較するようにしてもよい。
（第２の実施形態）
本実施形態を図４に基づいて説明する。図４は、本実施形態の調光制御回路を示す図である。図５は、図４に示す回路構成における誘導コイル電圧波形のほう絡線を示す図である。

本実施形態は、調光が深い場合に、不点灯期間にパルス期間を設けた点が第１の実施形態と異なり、他は第１の実施形態と同じである。

具体的には、以下の構成により不点灯期間の期間にパルス期間を設ける。すなわち、図４に示すようにドライバー１２の出力端子及び間欠発振制御部９の出力端子間に、不点灯期間のほぼ半分の期間においてパルスを発生させるカウンタ２０を設けるのである。

カウンタ２０は、不点灯期間（ｔ３）においてドライバー１２が出力するスイッチング信号をカウントし、設定されたカウント数となった場合にスイッチング素子Q4をオフにする。これにより、ドライバー１２が出力する周波数は低くなり、高周波電源回路４の共振周波数に近づくのでコイル電圧が上昇する。そして、一定の期間後にスイッチング素子Q4をオンすることによりドライバー１２が出力する周波数は低くなり元の不点灯期間の周波数に戻る。これにより、不点灯期間内にパルス電圧が発生することになる。ここで、カウンタ１３がカウントする期間は、第１の実施形態で示した所定の不点灯期間の約２倍としている。これにより、図５に示すように点灯期間終了からパルス期間開始までの期間、及びパルス期間終了から点灯期間開始までの期間が第１の実施形態で示した不点灯期間（ｔ２）に略等しくなり、誘導コイル電圧の不点灯期間は無電極放電灯内のイオンが残存する所定の期間に保たれ、深い調光比おいて点灯期間を短くした場合においても、聴覚感度の高い領域を避けることができ、実質的に騒音を抑制することが可能となる。
（第３の実施形態）
本実施形態を図６に基づいて説明する。図６は、本実施形態の調光制御回路の一部を示す図である。図７（ａ）は、誘導コイル電圧を不連続に変化させた場合の誘導コイル電圧波形のほう絡線を示す図、（ｂ）は誘導コイル電圧をスイープさせた場合の誘導コイル電圧波形のほう絡線を示す図、（ｃ）は（ｂ）に比してスイープさせる時間を短くした場合の誘導コイル電圧波形のほう絡線を示す図である。

本実施形態においては、不点灯期間から点灯期間に変化させる際に誘導コイル３の電圧をスイープさせて変化させるようにした点が第１の実施形態と異なる。

不点灯期間から点灯期間に変化させる際にスイープさせて変化させるため、本実施形態においては、スイッチング素子Q４に対して並列にコンデンサC４を接続している。

この構成において、不点灯期間においてはスイッチング素子Q4がオンであり、ドライバー１２が出力するスイッチング周波数は、コンデンサC３、抵抗R６及び抵抗R７で決定される。そして、スイッチング素子Q4が、カウンター１３（図６において図示しない）によりオフされた場合には、抵抗R７とコンデンサC４との直列回路が形成され、コンデンサC4が徐々に充電されることにより、コンデンサＣ４が無い場合には図７（ａ）に示すように不連続的に変化する誘導コイル電圧が（ｂ）に示すように不点灯期間から点灯期間にかけて連続的に変化する。

このように誘導コイル電圧をスイープさせると、誘導コイル電圧を不連続的に電圧を変化させる場合に比べて低い誘導コイル電圧で無電極放電灯２を再点弧させることができ、より騒音を押さえることが可能となる。これは、誘導コイル電圧が一定値を超える場合には、電圧を低くしても電圧印加時間を比較的長くすることでイオンを形成させることができるためである。

また、点灯期間に対する不点灯期間の比が小さい場合、不点灯期間から点灯期間へ移行させる時間は、図７（ｃ）に示すように短くする。点灯期間に対する不点灯期間の比が小さい場合、不点灯期間におけるイオンの量が多く、誘導コイル３の電圧が低い場合においても無電極放電灯２を再点弧できるためであり、このようにすることにより、無電極放電灯２が点灯しない、いわゆるデッドタイムを短縮できるので、調光信号に応じたリニアな光出力を得ることが可能となる。

なお、以上の実施形態に示した無電極放電灯点灯装置は、例えば図示しない開口を有する略回転楕円形の灯具と共に照明器具を構成する。

第１の実施形態に係る無電極放電灯点灯装置の回路構成及び無電極放電灯の断面を示す図である。同実施形態の回路構成における誘導コイルの電圧波形図である。本実施形態の別例の回路構成図である。第２の実施形態における調光制御回路を示す図である。同実施形態の同実施形態の回路構成における誘導コイル電圧波形のほう絡線を示す図である。第３の実施形態における調光制御回路の一部を示す図である。（ａ）は、誘導コイル電圧を不連続に変化させた場合の誘導コイル電圧波形のほう絡線を示す図、（ｂ）は誘導コイル電圧をスイープさせた場合の誘導コイル電圧波形のほう絡線を示す図、（ｃ）は（ｂ）に比してスイープさせる時間を短くした場合の誘導コイル電圧波形のほう絡線を示す図である。

符号の説明

１コア
２無電極放電灯
３誘導コイル
４高周波電源回路
５調光制御回路
６バルブ
７窪み部
８金属体
９間欠発振制御部
１０タイマー回路
１１基準電源部
１２ドライバー
１３カウンタ

Claims

コアに巻回され無電極放電灯に誘導電界を誘起する誘導コイルと、誘導コイルに高周波電力を供給する高周波電源回路と、無電極放電灯が点灯可能な電圧となる点灯期間と無電極放電灯が点灯維持できない電圧となる不点灯期間とを交互に無電極放電灯に印加するよう高周波電源回路を調光制御する調光制御回路と、を備える無電極放電灯点灯装置において、調光制御回路は、無電極放電灯が点灯維持できない電圧となる不点灯期間を、無電極放電灯内のイオンが残存する所定の期間内となるように、調光が深い場合に不点灯期間中に点灯期間と同じ高さのパルス電圧を印加するものであることを特徴とする無電極放電灯点灯装置。
前記調光制御回路は、不点灯期間から点灯期間に移行する際に誘導コイルの電圧をスイープさせるものであることを特徴とする請求項１記載の無電極放電灯点灯装置。
前記請求項１乃至２のいずれかに記載の無電極放電灯点灯装置を備える照明器具。