JP4510212B2 - 放電灯起動装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に車両前照灯の点灯装置に適した放電灯起動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
車両用点灯装置としては、従来よりコア付きの起動トランスを有したものが用いられている。このコア付きの起動トランスにおいては、電流飽和が存在し、これを避けるにはコア体積を大きくするしかない。すなわち、通常トランスではコアがあるため、図８の直流重畳特性例で示すように、電流を増加させていくとある電流値でインダクタンスが飽和（空芯のインダクタンス値まで）してしまう。
【０００３】
また、コアは周囲温度の影響を受ける。図９はそのキューリー温度特性例を示す図であり、比較的低い温度（１００℃以下）で使用する破線のＡタイプのコアと、比較的高い温度（１５０℃以下）でも使用できる実線のＢタイプのコアの初期透磁率（μｉ）と温度Ｔ（℃）の関係を示している。
【０００４】
Ａタイプはキューリー温度が１７４℃で低温向きであり、Ｂタイプはキューリー温度が２００℃で高温向きである。高温時（１００℃〜２００℃程度）でのフェライトコアの場合、磁心が強磁性から常磁性に移る性質、つまり臨界温度（キューリー温度）があるため、キューリー温度が高いコアを選択しなければならない。
【０００５】
放電灯としてＨＩＤランプを用いる場合、ランプソケットに起動回路を内蔵させるようにするとランプとの距離が近くなり、そこからの熱が起動部品側へ伝わり、その温度が約１５０℃程度になるので、起動トランスは安全上からキューリー温度が２００℃以上のコアを選択しなければならない。このキューリー温度が高いコア材の場合は、初期透磁率（μｉ）が低くなる（同じ巻数ならばインダクタンス値が低くなる）ため、性能が低下し、さらにそのようなコアは一般的ではないので、市場に出る数量が少なく、コストアップになる。
【０００６】
また、フェライト系のコア材にて、エポキシ樹脂等により絶縁のためにモールドを行う場合、モールド材とコア材とで収縮率が異なるため、フェライトコアのワレやクラック等の致命的な欠陥が発生する。したがって、コアをモールド材から防ぐために、ボビン等で密閉するか、コアを単純形状（丸棒、角棒等）にすることが必要である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の放電灯起動装置にあっては、上記のようにコア材があるため、重量が増加し、振動、衝撃等によって支持点が破損し易くなる。また、その対策のために保持機構を強化したり、別部材を用いて保持しなければならず、コストアップになっていた。
【０００８】
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたもので、小型化、軽量化を図ることができ、振動、衝撃等による破損を防止でき、安価な構成の放電灯起動装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る放電灯起動装置は、次のように構成したものである。
【００１０】
（１）放電灯のソケットと、リング形状のボビン及びこれに巻回された１次巻線と２次巻線から成る空芯コイル構造の起動トランスとを備え、前記リング形状のボビンの中心に前記起動トランスの高圧電極を配置し、前記起動トランスの中心と前記ソケットの中心が同一の軸上となるように配置した。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図１〜図１１について説明する。図１及び図２は本発明の第１の実施例の構成を示す図で、図１の（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、図２の（ａ）は図１の（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）は後部のソケットケースを開けたときの状態を示す背面図であり、コネクタ付ハーネスを有している場合を示している。図３は本発明の第２の実施例の構成を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（ｄ）は後側のソケットケース３を開けたときの状態を示す背面図であり、ダイレクトカプラーを有している場合を示している。
【００１７】
図４は実施例の起動トランスの第１の構造を示す図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｄ−Ｅ線断面図である。図５は起動トランスの第２の構造を示す図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＦ−Ｆ線断面図、（ｃ）は側面図である。図６は起動トランスの第３の構造を示す図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＧ−Ｇ線断面図、（ｃ）は１次巻線側の側面図、（ｄ）は２次巻線側の側面図、（ｅ）は側面図である。
【００１８】
また、図７は起動回路の構成例を示す図、図８は起動トランスの直流重畳特性例を示す図、図９はフェライトコアのキューリー温度特性例を示す図、図１０は放電灯であるＨＩＤランプの寿命特性を示す図である。図１１は起動パルス波形を示す図で、（ａ）は実施例の場合、（ｂ）は従来例の場合をそれぞれ示している。
【００１９】
まず、図１及び図２に示す本発明の第１の実施例について説明する。本実施例は、ＨＩＤランプを点灯するための点灯装置に含まれる点灯起動装置に係るものである。点灯装置には、装置本体（不図示）にＨＩＤランプ電源及び起動パルス発生用トリガ素子電源等が含まれており、点灯起動装置は、起動用部品及びＨＩＤランプソケット等の構造物で構成されている。また本実施例においては、点灯装置本体−点灯起動装置間の電気的接続は、ハーネス６と入力コネクタ７を有する点灯起動装置とダイレクトカプラーを有する点灯装置本体によって行われる。
【００２０】
図１の（ａ）は車両用点灯起動装置１の正面図であり、分割位置９より前側のソケットケース２は、インサート成形または挿入にて高圧電極２２、ＧＮＤ（接地）電極２３を有している。図１の（ｂ）は側面図であり、ソケットケース２に付随する７個の凸部２ａ（数は適宜増減可）が後側のソケットケース３に付随する切り込み窓部３ａに嵌合する。
【００２１】
次に、上記構成のソケット２０の内部を図２の（ａ）のＡ−Ａ線断面図及び図２の（ｂ）のソケットケース３を開けた背面図にて説明する。絶縁壁２８（この絶縁壁２８は高圧電極２２とＧＮＤ電極２３の電位差が２０数ｋＶとなるために絶縁用として用いられる）で囲まれた高圧電極２２のランプ側高圧電極２２ａから引き出された高圧電極引出電極２２ｃ（高圧電極２２を構成する電極板から成るもので、その形状はＨＩＤランプ電流の最大値である２．６Ａを流せるφ０．１〜φ１０相当の断面積を有するものとし、丸形は勿論のこと、角形（０．１〜８mm角程度）でも良い）は、ソケット隔壁２１を通過して起動トランス収容部４に貫通しており、さらに起動トランス３０の中心つまりリング中心空間部３５（高圧電極２２の引出電極２２ｃが入る穴形状でφ０．１〜φ１０相当の断面積を有する円形）を通り、その先端の起動トランス側高圧電極２２ｂに２次巻線３２の高圧側引出線３６に接続されている。
【００２２】
起動トランス３０は、ボビン３１（ソケット形状に合わせてリング形状で、内部は空洞もしくはボビン形成材料にて内部空気層を無くした構造のためリング形状と平行した面方向に２分割にて形成されて張り合わされた構造、また巻き付け部分は巻線効率から円形でかつ分割巻き型で３分割、分割数は３〜６程度）に２次巻線３２（１００〜４００Ｔ程度、線径＝φ０．１〜φ１程度、実験では０．３−３００Ｔとした場合の分布容量は、葯３ｐＦであった）を図４の（ａ）に示すように、各セクションに均等巻に巻き付ける。このように分割巻きを行うことによって、２次巻線３２の分布容量は増加する。
【００２３】
分布容量は通常、磁心（この場合は巻中心）から遠くなるほど増加する。そして、この容量値が後に示す起動パルス幅を大きくする重要なポイントとなる。そこで起動パルス幅が大きい例として、図１１の（ａ）に示すように綺麗な振動波形が実験において得られている。
【００２４】
また、分布容量は狭い巻幅にて層（重ねて巻く）を形成して巻き付けた方が大きくなって起動パルス幅が増加し、ＨＩＤランプ電極の摩耗を抑えて寿命が向上することが、図１０のＨＩＤランプの寿命特性図に示すように実験で判明した。図１０では、起動パルス幅大（０．４ｍｓｅｃ）、パルス幅小（０．２ｍｓｅｃ）とした場合のＨＩＤランプの寿命特性を示す図であり、横軸に点滅動作による経過時間、縦軸に全光束の相対値をとったグラフである。起動パルス幅大の方が全光束劣化が少ないために寿命が長いといえる。このときの点滅モードは、車両用点灯装置（ＨＩＤ点灯装置と本発明の点灯起動装置）にて、ＯＮ：９分４５秒、ＯＦＦ：１５秒を５回繰り返した後、１０分間ＯＦＦしたサイクルにて行ったものである。通常、起動パルスのエネルギー（ＨＩＤランプを起動するためのエネルギー）は、パルス幅×波高値で決まるため、起動パルス幅が増加すると波高値（起動パルス電圧）を下げることが可能（限界は２０ｋＶ前後）となり、１次−２次巻線の昇圧比も低くできるため、小型化が可能となったり、２次巻線数が減少するためにその銅損が減少して効率が向上する等のメリットがある。
【００２５】
因みに、２次巻線３２を磁路方向に分割巻きを行わず、１列にて整列巻きを行った場合の分布容量は、同じ巻数にて約０．００１ｐＦであり、このような分布容量では、起動パルス幅は、０．２μｓｅｃ前後となり、急峻な立上がりを持つ起動パルスとなる（図１１の（ａ），（ｂ）参照）。
【００２６】
また、ボビン３１は巻線効率（巻線をある芯棒に巻き付ける場合、同じ断面積の巻芯であれば丸形が最も外周が短くなり、巻線長が短くなるために巻線での銅損が最小となる）から角形ではなく丸形を用いている。さらに、ボビン３１の分割層の幅は、巻線の最大外径の整数倍に設定することで、より巻線が効率よく配置できるようにしている（ボビン断面の中心線の円周上にて３〜３０mm程度）。また、分割層の壁厚は０．５〜２mm程度としている。１次−２次電位差を考慮して１次巻線３３（１〜１０Ｔ程度、線径＝φ０．１〜φ１程度。実験ではφ０．５−４Ｔとした）は、２次巻線３２の低圧側−高圧側の中間セクションＡ（Ｓａ）は勿論、２次巻線３２の低圧側セクションＢ（Ｓｂ）に巻き付けを行っても良い。但し、１次巻線３３を２次巻線３２の高圧側セクションＣ（Ｓｃ）に巻き付ける場合は、３層絶縁電線等の絶縁性が高い（１０〜２０ｋＶの耐電圧）巻線を採用する場合に可能となる。
【００２７】
また、ボビン３１に設けられた２カ所の引出線絡げ部５０（数は適宜増減可）に２次巻線３２の低圧側引出線３７と１次巻線３３の２本の引出線３８を絡げ、起動トランス収容部４の側壁に這わすように３カ所のスリット２ｂ（数は適宜増減可）を通り、起動部品収納部５へ起動部品収容部５に納まる起動回路部品と起動トランス３０とハーネスＡｓｓｙ８とを接続する接続板２９に溶接もしくは高温半田等で接続（環境温度がＨＩＤランプ近傍のため約１５０℃程度まで上昇するので、有機基板等で一般に用いられる低温半田接合が不可となる）し、ハーネスＡｓｓｙ８へとつなげる。
【００２８】
その際、引出線３７及び３８がコイル３５（主には２次巻線３２）と接触をしないように（絶縁確保）、クリップ５１にて起動トランス収容部４に密着させている。
【００２９】
このように、起動トランス３０を収容部４に組み付けた後、モールド材４０（エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、シリコン樹脂等）にて起動トランス３０のみをモールドする。このとき、リング中心空間部３５を含む起動トランス３０全体にモールド材４０が流れ込むため、絶縁確保が容易に行える。場合によっては（絶縁性確保、湿度対策、振動による部品の欠落防止等の目的で）、起動部品収容部５にも起動部品を組付け後にモールドを行う場合もある。
【００３０】
また、ＧＮＤ電極２３は、ソケット隔壁２１の内部を通り、起動部品収納部５につながっており、ハーネスＡｓｓｙ８に接続して入力コネクタ７を介して点灯装置本体と接続させている。
【００３１】
次に、図３に示す本実施例の第２の実施例を説明する。本実施例においては、点灯装置本体−点灯起動装置間の電気的接続は、ダイレクトカプラーを有する点灯装置本体とダイレクトカプラー８１を有する点灯起動装置及びその両者を接続するためのコネクタ付きハーネス（不図示）によって行われる。また、ダイレクトカプラー８１内にある入力端子８２（図７に示す＋４００Ｖ、−６００Ｖ、ＧＮＤの３端子）は、ＨＩＤ−ＧＮＤ電極及び２次巻線３２の低圧側電極２３と一体化（ソケットケース２もしくは３にインサート成形等によって形成）あるいは別部材にて形成された金属電極である。この点が第１の実施例と異なり、その他においては、第１の実施例と同じであるので省略する。
【００３２】
図７に示す起動回路の構成例において、入力は不図示の点灯装置から供給される主電源の＋４００ＶとＧＮＤ、また高圧パルス用トリガ素子であるＳＧ（スパークギャップ）用電源の−６００Ｖである。ＳＧは車載用として４００〜３ｋＶの範囲内で選択を行い、ここでは８００Ｖにてブレークダウンするものを使用している。また、点灯装置内にある−６００Ｖの電源出力端子に直列接続される抵抗（不図示）を設けて、そこから起動回路へ供給するようにしている。そして、−６００Ｖと＋４００Ｖにて１ｋＶの電位を上記の抵抗（不図示）と充放電用コンデンサＣ２をシリーズに接続したものに加え、その定数にて起動パルス周期を決定する（通常は３０〜１５０Ｈｚ程度）。
【００３３】
上記コンデンサＣ２の電位がＳＧのブレークダウン電圧（８００ＶのＳＧの場合は８００Ｖ±１５％）に達したとき、起動トランスＴの１次巻線Ｎ１に電流が流れ、２次巻線Ｎ２に高電位が発生して＋４００Ｖ電源に起動パルス（２５ｋＶ程度）が発生し、ＨＩＤランプが点灯する。その他の電子部品としてＣ１は入力電源用フィルターとなるコンデンサ、Ｒ１はコンデンサＣ２に貯まった電荷を放出させるための抵抗である。
【００３４】
ここで、図８に示すコア有無時の直流重畳特性例について説明する。横軸に電流、縦軸にインダクタンスをとると、コアのある場合は、ある電流値（ここでは２Ａ）にてインダクタンスが低減し、飽和現象が現れる。さらに周囲温度が変化した場合（＋１００℃）、飽和現象は＋２５℃のときに比べて早くなる。しかし、コアのない空芯コイルの場合は、電流に依存することなく安定したインダクタンスを得ることができ、周囲温度が変化した場合においても空芯コイルの場合はインダクタンス変化はない。
【００３５】
図９にコアのキューリー温度特性例を示す。本データーはＮｉ系フェライトコアの場合を示している。キューリー温度とは、磁心が強磁性から常磁性に移る臨界温度であり、実際には試料の初期透磁率（μｉ）を測定してこれと温度の関係を図に描き、その降下部において最大値（ＭＡＸ）の８０％の点と２０％の点を結ぶ線の延長線がμｉ＝１の線と交わる点を求めて、その温度をキューリー温度と決めている。
【００３６】
Ａタイプではキューリー温度が１７４℃、Ｂタイプでは２００℃となる。車載用として、またＨＩＤランプの近傍に配置する条件下からこのキューリー温度は高い方が望まれるが、図９からもわかるようにキューリー温度が高くなればμｉが下がることとなる。つまり、要求するインダクタンスを得るためには、巻数を多く巻かなければならないこととなり、巻線の占有率が上がり、大型化する。さらに、巻線の抵抗分が上がることとなり、図４に示すようにトランスＴの２次巻線Ｎ２は＋４００Ｖ電源ラインに直列接続されていることから、抵抗分＝ロスとなり、起動回路の効率を下げることにつながる。また、キューリー温度が高いコア材は、市場では使用数が少なく一般的でないため、どうしてもコストアップとなる。そこで、本実施例による空芯コイル構造とすることで、解決できる。
【００３７】
次に、上述の実施例における起動トランス３０の形状について説明する。図４は起動トランス３０の形状をリング形状にした閉磁路の場合の第１の構造を示す図である。ボビン３１は空芯部３４を有する（もしくはボビン形成材料にて内部空気層を無くした構造で、どちらの場合もコア等の磁性体がない）リング形状で、セクション壁３１ｂを図では６カ所（数は適宜増減可）有している。そして、セクション壁３１ｂにより仕切られた３セクションを２次巻線３２の巻スペース、１セクションを１次巻線３３の巻スペース（セクションＡ：Ｓａ）に割り当てている。また、ボビン３１の巻スペースは全て巻線効率から丸形を用いている。２次巻線３２の巻スペースに接するセクション壁３１ｂには全てスリット３１ａを設け、２次巻線３２のセクション間の渡り用としてしている。
【００３８】
ここで、ボビン３１の構造上、図４の（ｂ）に示すように成型時においてはボビン分割位置３１ｅにて２分割に成形したものを張り合わせて形成する。そして、１次−２次電位差を考慮して１次巻線３３は２次巻線３２の低圧側−高圧側の中間セクションＡ（Ｓａ）に配置している。勿論、２次巻線３２の低圧側セクションＢ（Ｓｂ）に巻き付けを行っても良い。但し、２次巻線３２の高圧側セクションＣ（Ｓｃ）に巻き付ける場合は、３層絶縁電線等の絶縁性が高い（１０〜２０ｋＶの耐電圧）巻線を採用する場合に可能となる。
【００３９】
また、ボビン３１に設けられた２カ所の引出線絡げ部５０にセクション壁３１ｂの１カ所に設けた２次巻線用溝３１ｄを通って２次巻線３２の低圧側引出線３７を出し、１次巻線用溝３１ｃ（２カ所）を通って１次巻線３３の引出線３８（２本）を絡げ、起動トランス収容部４に納め、起動回路へと接続を行っている。２次巻線３２の高圧側引出線３６は、リング中心空間部３５を通って起動トランス側の高圧電極２２ｂに接続、つまり高圧電極２２へ接続されている。そして、起動トランス３０と回路との接続が終わった後にモールド材４０にて起動トランス３０の全体を覆い隠す（絶縁と振動対策及び固定の目的）ようにしてモールドを行う。
【００４０】
図５は起動トランス３０の形状を馬蹄形状にした半開磁路の場合の第２の構造を示す図である。この場合もセクション壁３１ｂにより分割巻き形状としている。１次巻線３３の巻付セクションは、２次巻線３２の低圧側セクションＢ（Ｓｂ）に配置している。また、図４に示すものと同様に、ボビン３１は分割位置３１ｅにて２分割としている。２次巻線３２の低圧側引出線３７を保持するため、セクション壁３１ｂに２次巻線用飛出部３１ｆを設けている。このような形状とすることで、起動トランス収容部４のスペースが小さくなり、小型化及び軽量化が可能となる。
【００４１】
図６は起動トランス３０を横型配置可能なストレート形状にした開磁路の場合の第３の構造を示す図である。この場合も、セクション壁３１ｂにより分割巻き形状としている。１次巻線３３の巻付セクションは、２次巻線３２の低圧側セクションＢ（Ｓｂ）に配置している。この起動トランス３０は、第１の実施例に比べて、さらに小型化、軽量化が可能となる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、空芯コイル構造とすることによって電流飽和がなくなり、周囲温度の影響を受けず、小型化、軽量化を図ることができ、起動トランスをソケットの中心と同一の軸となるように配置（第３の起動トランス実施例を除く）することで振動、衝撃等による破損を防止でき、起動トランスのボビンを分割巻きにすることによって分布容量が増して起動パルス幅が大きくなってＨＩＤランプ寿命を伸ばす要因となり、さらに、点灯装置本体と点灯起動装置の接続において任意の接続方式を採用することであらゆる車種に対応できるという効果がある。
【００４３】
すなわち、各構成要素について、次のような効果が得られる。
【００４４】
（１）空芯コイル構造において
・電流飽和がない（従来ではコアがあるため、直流重畳特性において電流を増加させていくとある電流値でインダクタンスが飽和してしまう）。
【００４５】
・周囲温度の影響を受けない（コアがあるときは、直流重畳特性においては高温時（１００℃程度）にはインダクタンス飽和が室温時よりも低い電流値で飽和する。また磁性体が持つキューリー点があるため、キューリー温度より高い温度では絶対に使用できない）。
【００４６】
（２）リング形状の空芯起動トランスにおいて
・閉磁路とすることで、開磁路起動トランスよりも磁束の漏れが少ない。つまり、外部へのノイズ放射量が少なくなる。そのため、ソケットケースの周囲にシールド用の金属ケース等の処理を行わなくてすむ。リング中心空間部にて高圧電極との接続を行うため空間利用度が増して薄型化が可能となり、モールド材もそのリング中心空間部に流れ込むために絶縁確保でき、ソケット中心と同一線上に重心がくるために振動に対しても有利となり、また磁路を長くできるので、２次側インダクタンス値を大きくでき、起動パルス波形を大きくすることが可能となる。
【００４７】
（３）馬蹄形状の空芯起動トランスにおいて
・リング形状に比べて、さらに軽量化が可能となる。
【００４８】
（４）ストレート形状の空芯起動トランスにおいて
・馬蹄形状に比べて、さらに軽量化が可能となり、巻線加工性が向上する。
【００４９】
（５）起動トランスのボビンを分割巻きとすることにおいて
・分割巻きとすることによって、２次巻線間の分布容量が高く（数百倍〜数千倍）なり、出力波形のパルス幅が大きくなる。このパルス幅が大きくなることによって、ランプ電極に加わるストレスが緩和して電極摩耗を低く抑え、さらにはランプ寿命を延ばす要因となる。
【００５０】
（６）点灯装置本体と点灯起動装置の接続において
・コネクタ付きハーネスによって、ダイレクトカプラー方式よりもカプラー（コネクタ）部の小型化が可能である。またダイレクトカプラーによっては、コネクタ付きハーネス長を任意に選択できるため、自動車の車種が異なる場合でも簡単に対応できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施例の構成を示す図
【図２】 本発明の第１の実施例の構成を示す図
【図３】 本発明の第２の実施例の構成を示す図
【図４】 起動トランスの第１の構造を示す図
【図５】 起動トランスの第２の構造を示す図
【図６】 起動トランスの第３の構造を示す図
【図７】 起動回路の構成例を示す図
【図８】 起動トランスの直流重畳特性例を示す図
【図９】 コアのキューリー温度特性例を示す図
【図１０】 ＨＩＤランプの寿命特性を示す図
【図１１】 起動パルス波形を示す図
【符号の説明】
１ 車両用点灯起動装置
２ ソケットケース
２ａ 凸部
２ｂ スリット
３ ソケットケース
３ａ 切り込み窓
４ 起動トランス収容部
５ 起動部品収納部
６ ハーネス
７ 入力コネクタ
８ ハーネスＡｓｓｙ
９ 分割位置
２０ ソケット
２１ ソケット隔壁
２２ 高圧電極
２２ａ ランプ側高圧電極
２２ｂ 起動トランス側高圧電極
２２ｃ 引出電極
２３ ＧＮＤ電極
２８ 絶縁壁
２９ 接続板
３０ 起動トランス
３１ ボビン
３１ａ スリット
３１ｂ セクション壁
３１ｃ １次巻線用溝
３１ｄ ２次巻線用溝
３１ｅ ボビン分割位置
３１ｆ ２次巻線用飛出部
３２ ２次巻線
３３ １次巻線
３４ 空芯部
３５ リング中心空間部
３６ 高圧側引出線
３７ 低圧側引出線
３８ 引出線
４０ モールド材
５０ 引出線絡げ部
５１ クリップ
８１ ダイレクトカプラー
８２ 入力端子
Ｓａ １次巻線中間セクションＡ
Ｓｂ １次巻線低圧側セクションＢ
Ｓｃ １次巻線高圧側セクションＣ

Claims (1)

1. 放電灯のソケットと、リング形状のボビン及びこれに巻回された１次巻線と２次巻線から成る空芯コイル構造の起動トランスとを備え、前記リング形状のボビンの中心に前記起動トランスの高圧電極を配置し、前記起動トランスの中心と前記ソケットの中心が同一の軸上となるように配置したことを特徴とする放電灯起動装置。

Images