JP4557439B2 - 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
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水銀を実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。
【０００２】
【従来の技術】
特願平１０−２８１３４号には、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が記載されている。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。（従来技術１） なお、特開平１１−８６７９５号公報にも従来技術１とほぼ同じ技術が開示されている。
【０００３】
また、平成１２年１２月４日に発表された照明学会・第１５回光源物性応用研究会資料（社団法人 照明学会発行）の第６９〜７３ページには、ＮａＩ−ＳｃＩ３系金属ハロゲン化物にＩｎＩを添加した無水銀の自動車用メタルハライドランプが開示されている。（従来技術２）
さらに、特開平３−１１６６８５号公報には、高圧放電ランプを交流で点灯する場合、始動直後は電極表面の温度すなわち陰極スポットの温度が十分でないことなどにより、放電が安定しにくいので、これを改良するために、始動時から点灯に至るまでの間は、直流電圧を高圧放電ランプに印加し、点灯したら低周波交流電圧を印加する技術が開示されている。（従来技術３）
さらに、特開平６−２３１８８９号公報には、メタルハライドランプなどの高圧放電ランプの低周波交流始動におけるアークの立ち消えや明るさのちらつきを低減するために、電源投入から点灯後の所定時間までの間直流電圧を高圧放電ランプに印加し、その後交流電圧に切り換える技術が開示されている。（従来技術４）
【発明が解決しようとする課題】
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を始動時に投入する必要がある。そこで、高温始動時には定格ランプ電力に近いランプ電力を供給し、低温始動時には供給ランプ電力を所要の程度たとえば３倍程度まで多くすると効果的である。
【０００４】
上記に加えて、始動時のアークの立ち消えや明るさのちらつきを低減するために、従来技術４により直流電圧を印加して始動すると、始動直後に陰極スポットが著しく高温になり、電極物質がスパッタし、陽極においてはその先端が溶けるように消耗する。そして、管壁に黒化を生じて寿命短縮を招来するという問題があることが分かった。
【０００５】
本発明は、光束立ち上がりを短縮するとともに、寿命短縮を生じないようにした水銀を本質的に含まない高圧放電ランプを用い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を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を達成するための手段】
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直流および交流のいずれか一方を選択して付勢可能な点灯手段と；始動時には点灯手段により高圧放電ランプを直流点灯し、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に供給し、かつ、直流点灯を、前記低温始動時の点灯時間よりも相対的に長時間と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を提供する。
【０００７】
本発明および以下の各発明において、特に指定しない限り用語の定義および技術的意味は次による。
【０００８】
＜高圧放電ランプについて＞
（放電媒体について）
本発明において点灯される高圧放電ランプは、特定の放電媒体を具備している。
【０００９】
すなわち、まず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。
【００１０】
次に、希ガスが５〜１５気圧封入されている。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。
【００１１】
さらに、金属ハロゲン化物が封入されている。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、たとえばナトリウムＮａ、スカンジウムＳｃおよび希土類金属たと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、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第２の金属ハロゲン化物として発光金属のハロゲン化物に加えることができる。第２の金属ハロゲン化物としては、たとえばマグネシウム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。
【００１２】
（高圧放電ランプのその他の構成について）
本発明において点灯する高圧放電ランプにおいて必須要件ではないが、所望により以下の構成を加えることにより、特に自動車用ヘッドライト装置の場合に効果的である。
【００１３】
１ 気密容器について
気密容器は、その内部に細長い放電空間が形成されるとともに、放電空間を包囲する部分の肉厚が比較的大きくて、耐火性で、かつ、透光性の材料たとえば石英ガラス、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。
【００１４】
２ 電極について
電極は、気密容器の両端内部にその一対が対向して封装され、好ましくは電極間距離が６ｍｍ以下に設定される。また、一対の電極は、直流点灯の際にアノードとして作用するときに、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。たとえば、電極の先端に軸部より径大の球状部分を形成することにより、これに対応することができる。
【００１５】
３ 定格ランプ電力について
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。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の場合においては、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。
【００１６】
＜点灯手段について＞
点灯手段は、高圧放電ランプを直流および交流のいずれでも付勢することができる。これを実現するための具体的な回路構成は自由であるが、たとえば以下に例示する回路構成を採用することができる。いずれにしても、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。
【００１７】
１ 直流点灯回路および交流点灯回路を並列的に備える構成
この構成においては、いずれか所望の点灯回路を高圧放電ランプに対して選択的に切り換えて接続する。
【００１８】
２ インバータのスイッチング手段を切り換える構成
この構成においては、直流電源と高圧放電ランプとの間にインバータを介在させ、インバータのスイッチング手段を連続してオンさせることにより、インバータ動作を停止させて直流入力電圧をそのまま高圧放電ランプに印加する。交流電圧を印加する際には、インバータ動作を行って交流電圧を出力するようにスイッチング手段を制御する。
【００１９】
次に、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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
＜制御手段について＞
制御手段は、点灯手段に対して（１）直流・交流切り換え制御、（２）投入電力切り換え制御、（３）直流点灯時間制御をそれぞれ行うように構成されている。以下、各制御について説明する。
直流・交流切り換え制御について
この制御は、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、さらに後掲（３）の制御に基づいて直流点灯から交流店頭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。
投入ランプ電力切り換え制御について
この制御は、高圧放電ランプ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たとえば定格ランプ電力の約３倍の電力を供給し、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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
（３）直流点灯時間制御について
この制御は、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。
【００２５】
また、高圧放電ランプ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。
【００２６】
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。
【００２７】
＜その他の構成について＞
本発明において必須構成要件ではないが、イグナイタを付加することができる。水銀を本質的に含まない高圧放電ランプを始動するには、イグナイタのパルス電圧を、水銀を封入した高圧放電ランプのそれより若干高くする必要があったとしても、コスト、大きさおよび重量などにおいて実現を困難にすることはない。
【００２８】
＜本発明の作用について＞
本発明においては、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点灯手段により始動時には直流点灯するので、放電が安定しやすく、また低温始動時には定格ランプ電力より大きいランプ電力、たとえば定格ランプ電力の２倍以上より大きいランプ電力を高圧放電ランプに供給するので、水銀蒸気がなくても発光金属のハロゲン化物の蒸気圧が迅速に上昇するから、その結果光束立ち上がりが早くなる。しかも、低温始動時の直流点灯時間は相対的に短いので、大きなランプ電力により電極が異常過熱するのを回避することができる。このため、電極物質のスパッタによる高圧放電ランプの短寿命が生じにくくなる。
【００２９】
一方、高温始動時すなわちホットリスタート時には、高圧放電ランプ内では発光金属のハロゲン化物の蒸気圧がまだ高いので、定格ランプ電力に近いランプ電力を供給して始動させることができる。しかし、この場合には、直流点灯は相対的に長いので、放電が十分安定し、アークの立ち消えを生じるようなことはない。また、その間に供給されるランプ電力は、定格ランプ電力に近いので、電極の損傷は生じない。
【００３０】
以上説明したように、本発明においては水銀が本質的に含まれていない高圧放電ランプを低温始動時および高温始動時のいずれでにおいても、電極の損傷を招来することなく、しかも光束立ち上がりが早いので、自動車用ヘッドライト装置に適用して、その規格を十分満足することができる。しかし、本発明は、その用途が自動車用ヘッドライト装置に限定されるものではなく、種々の用途に適応する。
【００３１】
請求項２の発明の高圧放電ランプ点灯装置は、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直流および交流のいずれか一方を選択して付勢可能な点灯手段と；高圧放電ランプにその始動時には直流点灯し、所定時間後交流点灯に切り換えるとともに、ランプの消灯時間の増加に応じて直流点灯時間を減少し、かつ、供給ランプ電力を定格ランプ電力に近い値から増加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。
【００３２】
本発明は、高圧放電ランプの消灯時間に応じて始動時の直流点灯時間および供給ランプ電力を所定に変化するようにした構成を規定している。
【００３３】
すなわち、高圧放電ランプの温度は、消灯直後の高温状態から時間の経過とともに低下していき、やがて室温または外気温に等しい低温状態となる。したがって、消灯時間を計測することによって高圧放電ランプの温度を知ることができる。消灯時間は、時計を目視することにより計時することもできるが、消灯時間用タイマを用いて自動的に計時するように構成することが好ましい。なお、高圧放電ランプの消灯は、ランプ電圧またはランプ電流を監視することによって、容易に把握することができる。
【００３４】
また、消灯時間に応じて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。そして、消灯時間と直流点灯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。
【００３５】
そうして、本発明においては、高圧放電ランプの消灯時間に応じて直流点灯時間および供給ランプ電力を加減するので、低温時と高温時とだけでなく、それらの中間における始動時においても光束立ち上がりが短縮されるとともに、寿命短縮を生じない。で、しかも
また、消灯時間に応じて高圧放電ランプの温度を間接的に求めることにより、制御を自動化しやすい。
【００３６】
したがって、自動車用ヘッドライト装置に適用することにより、頗る効果的である。
【００３７】
請求項３の高圧放電ランプ点灯装置は、請求項１または２記載の高圧放電ランプ点灯装置において、制御手段は、低温始動時に定格ランプ電力の約３倍のランプ電力を高圧放電ランプに供給するように点灯手段を制御することを特徴としている。
【００３８】
本発明は、本質的に水銀を含まない高圧放電ランプにとって最適な低温始動時の供給ランプ電力を規定している。すなわち、制御手段が定格ランプ電力の約３倍のランプ電力を高圧放電ランプに供給するように制御することにより、始動４秒後の光束立ち上がりが安定時の光束の８０％以上になるとともに、直流点灯時に電極が消耗しにくい範囲に止めることができる。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。また、ランプ電力が２．５倍を下回ると、光束立ち上がりが遅くなりすぎる。
【００３９】
そうして、本発明においては、低温時に水銀を含まない高圧放電ランプを早い光束立ち上がりで始動することができる。
【００４０】
請求項４の発明の高圧放電ランプ点灯装置は、請求項１ないし３のいずれか一記載の高圧放電ランプ点灯装置において、制御手段は、低温始動時の直流点灯時間を数十ｍ秒に、また高温始動時の直流点灯時間を数百ｍ秒になるように点灯手段を制御することを特徴としている。
【００４１】
本発明は、制御手段により制御される低温始動時および高温始動時の好適な直流点灯時間を規定している。すなわち、低温始動時の直流点灯時間は、高温始動時のそれの数百ｍ秒より１桁少ない数十ｍ秒である。しかし、低温始動時には高圧放電ランプに定格ランプ電力より相当に大きいランプ電力が投入されるので、高圧放電ランプは容易に始動する。また、高温始動時には、高圧放電ランプには定格ランプ電力に近いランプ電力が投入されるのであるが、数百ｍ秒の間直流電圧が印加されるので、高圧放電ランプは確実に始動する。
【００４２】
なお、「数十ｍ秒」とは、１０〜６０ｍ秒の範囲をいう。好適には１３〜３０ｍ秒の範囲である。また、「数百ｍ秒」とは、１００〜５００ｍ秒の範囲をいう。好適には２５０〜３５０ｍ秒の範囲である。
【００４３】
そうして、本発明においては、光束立ち上がりが早く、しかも寿命短縮を生じにくくなる好適な直流点灯時間が設定された高圧放電ランプ点灯装置が得られる。
【００４４】
請求項５の発明の高圧放電ランプ点灯装置は、請求項１ないし４のいずれか一記載の高圧放電ランプ点灯装置において、交流電圧の周波数は、１００Ｈｚ〜２ｋＨｚであることを特徴としている。
【００４５】
本発明は、交流電圧の好適な周波数を規定している。すなわち、周波数が上記の範囲であれば、自動車用ヘッドライト装置に用いられるようなサイズの高圧放電ランプにおいては、音響的共鳴現象が生じない。なお、周波数が１００Ｈｚ未満であると、明るさのちらつきを生じることがある。
【００４６】
請求項６の発明の高圧放電ランプ点灯装置は、請求項１ないし５のいずれか一記載の高圧放電ランプ点灯装置において、制御手段は、消灯時間に対する目標供給ランプ電力を予め記憶しておき、消灯時間に応じて目標供給ランプ電力を決定し、かつ、高圧放電ランプに供給される実供給ランプ電力を演算して、目標供給ランプ電力との差に応じて実供給ランプ電力を調節するとともに、高圧放電ランプの消灯時間に対する直流点灯時間を予め記憶しておき、これに基づいて消灯時間に応じて直流点灯時間を決定し、所定の直流点灯時間になったときに高圧放電ランプを交流点灯に切り換えることを特徴としている。
【００４７】
本発明は、所定の供給ランプ電力を自動的に制御するのに好適な構成と、高圧放電ランプに対する消灯時間に応じて直流点灯から交流点灯へ切り換える構成とを規定している。
【００４８】
まず、供給ランプ電力を自動的に切り換える構成について説明する。
【００４９】
目標供給ランプ電力は、消灯時間に対する関数として予め定めておき、そのデータをたとえばテーブルデータとしてメモリに記憶しておく。なお、低温始動時から高温始動時までの各段階において、どの程度のランプ電力を投入するかは、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。
【００５０】
一方、実際に高圧放電ランプに供給されているランプ電力であるところの実供給ランプ電力は、ランプ電圧およびランプ電流を検出して、それらの検出値を演算手段に入力して演算することにより、これを求めることができる。なお、ランプ電圧およびランプ電流を検出する場合、それらを直接検出するだけでなく、比例的に得られるのであれば、間接的に検出してもよい。
【００５１】
また、本発明においては、高圧放電ランプを直流点灯から交流点灯に切り換えるので、インバータを介して直流を交流に変換して高圧放電ランプに印加する構成の場合には、直流回路側においてランプ電圧およびランプ電流を間接的に検出するように構成することにより、回路構成を簡単にすることができる。
【００５２】
さらに、実供給ランプ電力を調節する手段は、どのような手段によってこれを行ってもよい。たとえば、点灯手段がスイッチングレギュレータおよびインバータを縦続接続して構成されている場合には、スイッチングレギュレータをＰＷＭ制御することにより、その出力電圧、したがってインバータの入力電圧すなわち直流電圧を制御することができる。そこで、インバータの主スイッチング手段を連続して制御することにより、インバータの出力端に直流電圧が現れるので、そこに接続する高圧放電ランプに直流電圧を印加することができる。また、インバータの主スイッチング手段をスイッチング周波数でスイッチングさせることにより、インバータがインバータ動作を行い、その出力端に交流電圧が現れるので、そこに接続する高圧放電ランプに交流電圧を印加することができる。そうして、スイッチングレギュレータをＰＷＭ制御することによって、インバータの出力端に現れる直流電圧および交流電圧のいずれをも制御することができる。このため、高圧放電ランプの実供給電力が制御される。
【００５３】
そうして、消灯時間に対する目標ランプ電力と実供給ランプ電力とを比較してその差が０になるように実供給ランプ電力を調節することにより、目標ランプ電力が高圧放電ランプに供給される。
【００５４】
次に、高圧放電ランプを直流点灯から交流点灯に切り換える構成について説明する。
【００５５】
消灯時間に対する直流点灯時間を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、消灯時間と直流点灯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、実際の消灯時間に応じて対応する必要なデータをメモリから読み出して、消灯時間に応じた直流点灯時間を決定し、所定の直流点灯時間に到達したときに、高圧放電ランプを直流点灯から交流点灯へ切り換える。これにより、直流点灯から交流店頭への切り換えを自動的に行える。
また、低温および高温の中間に位置する温度における始動時に際しても適切な直流点灯時間を設定して光束立ち上がりを早めるとともに、電極の損傷、したがってスパッタによる高圧放電ランプの寿命短縮を回避することができる。
【００５６】
そうして、本発明においては、消灯時間に応じて所定のランプ電力を、所定時間、しかも自動的に供給することにより、高圧放電ランプの光束立ち上がりが早くなるとともに、寿命短縮を回避し、しかもこれらの制御を自動的に行うことができる。
【００５７】
請求項７の発明の高圧放電ランプ点灯装置は、請求項１ないし６のいずれか一記載の高圧放電ランプ点灯装置において、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具備していることを特徴としている。
【００５８】
本発明は、水銀を本質的に含まない高圧放電ランプ、点灯手段および制御手段を要素として構成されている。
【００５９】
請求項８の発明の自動車用ヘッドライト装置は、自動車用ヘッドライト装置本体と；自動車用ヘッドライト装置本体に配設された請求項７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している。
【００６０】
「自動車用ヘッドライト装置本体」とは、自動車用ヘッドライト装置から高圧放電ランプ点灯装置を除いた残余の部分をいう。
【００６１】
そうして、本発明においては、水銀を含まない高圧放電ランプおよび請求項１ないし６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。
【００６２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００６３】
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図である。
【００６４】
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。
【００６５】
直流電源ＤＣは、直流電圧１２Ｖのバッテリーからなる。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
＜点灯手段ＯＣについて＞
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。
【００６９】
（スイッチングレギュレータDC/DCについて）
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。
【００７０】
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。
【００７１】
＜インバータDC/ACについて＞
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。
【００７２】
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。要約すれば、点灯手段ＯＣは、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。
【００７３】
＜制御手段ＣＣについて＞
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、ランプ電力制御部ＬＰＣ、および直流点灯時間制御部ＤＣＣにより構成されている。
【００７４】
（ランプ電圧検出部ＬＶＤについて）
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。
【００７５】
（ランプ電流検出部ＬＣＤについて）
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。
【００７６】
（点灯検出部ＬＤについて）
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。
【００７７】
＜ランプ電力制御部ＬＰＣについて＞
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。
【００７８】
（目標ランプ電力演算回路ＴＯについて）
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。
【００７９】
図２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初期値に対する目標供給ランプ電力の関係を示すグラフである。
【００８０】
図において、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、このテーブルデータは、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３倍と大きく、カウンタ初期値が大きくなるにしたがって目標供給ランプ電力がちいさくなり、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。
【００８１】
（実ランプ電力演算回路ＡＯについて）
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。
【００８２】
（差動増幅回路ＤＡについて）
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。
【００８３】
＜直流点灯時間制御部ＤＣＣについて＞
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。
【００８４】
（消灯時間タイマＬＯＴについて）
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。
【００８５】
（初期値設定回路ＩＶＳについて）
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。
【００８６】
図３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。
【００８７】
図４は、同じく横軸を時間的に拡大して示すグラフである。
【００８８】
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。
【００８９】
（カウンタＣＴについて）
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。
【００９０】
（直流点灯時間タイマＤＶＴについて）
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
＜イグナイタＩＧについて＞
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。
【００９４】
＜高圧放電ランプＨＰＬについて＞
高圧放電ランプＨＰＬは、図６および図７に示す構造を備えている。
【００９５】
図６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高圧放電ランプを示す縦断面図である。
【００９６】
図７は、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である。
【００９７】
すなわち、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。
【００９８】
（放電容器１について）
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。気密容器１ａは、中空の紡錘形状に成形されてなり、その両端に一対の細長い封止部１ａ１を一体に備えているとともに、内部に細長い円柱状の放電空間１ｃが形成されている。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。
【００９９】
（封着金属箔２について）
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。
【０１００】
（外部リード線３について）
外部リード線３は、先端が封着金属箔に溶接され、基端が放電容器１から外部へ露出している。
【０１０１】
（放電媒体について）
放電媒体は、放電容器１内に封入されていて、発光金属のハロゲン化物および希ガスが封入されている。発光金属のハロゲン化物は、ナトリウムＮａ、スカンジウムＳｃおよび希土類金属のハロゲン化物からなる。希ガスは、キセノンが封入されている
次に、図７を参照して放電容器１の各部の寸法について説明する。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。点灯中液化状態で放電空間１ｃの内面に付着したハロゲン化物Ｈは、図７に示すように、気密容器１ａの中心から垂下した鉛直線ｌ１に対して±８０°以内の範囲に入っている。
【実施例１】
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−ＳｃＩ３０．２ｍｇ、ＮａＩ１．０ｍｇ、希ガスＸｅ８気圧
定格ランプ電力：４０Ｗ
＜回路動作について＞
（低温始動時の回路動作について）
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３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。
【０１０４】
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２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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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５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。
【０１０８】
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、目標供給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２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。
【０１０９】
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２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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
（高温始動時の回路動作について）
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。
【０１１３】
したがって、消灯時間タイマＬＯＴの出力値が５［秒］なので、図４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。
【０１１４】
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２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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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２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。
【０１１７】
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５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。
【０１１８】
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２の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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
図１２は、同じく高圧放電ランプを示す正面図である。
【０１２６】
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。
【０１２７】
ヘッドライト本体１１は、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。
【０１２８】
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６および図７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。
【０１２９】
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。
【０１３０】
【発明の効果】
請求項１ないし６の各発明によれば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点灯手段により始動時に直流点灯し、所定時間後交流点灯に切り換えるに当たり、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に供給し、かつ、直流点灯を相対的に長時間とするように制御手段によって点灯手段を制御することにより、光束立ち上がりが短縮するとともに、寿命短縮を生じない高圧放電ランプ点灯装置を提供することができる。
【０１３１】
請求項２の発明によれば、加えて消灯時間の増加に応じて直流点灯時間を減少し、かつ、供給ランプ電力を定格ランプ電力に近い値から増加するように制御手段によって点灯手段を制御することにより、低温時と高温時の中間における始動時においても光束立ち上がりが短縮されるとともに、寿命短縮を生じないで、しかも制御の自動化が容易であり、したがって自動車のヘッドライト装置に好適な高圧放電ランプ点灯装置を提供することができる。
【０１３２】
請求項３の発明によれば、加えて制御手段が低温始動時に定格ランプ電力の約３倍のランプ電力を高圧放電ランプに供給するように点灯手段を制御することにより、低温時に水銀を含まない高圧放電ランプを早い光束立ち上がりで始動する高圧放電ランプ点灯装置を提供することができる。
【０１３３】
請求項４の発明によれば、加えて制御手段が低温始動時の直流点灯時間を数十ｍ秒に、また高温始動時の直流点灯時間を数百ｍ秒になるように点灯手段を制御することにより、光束立ち上がりが早く、しかも寿命短縮を生じにくくするのに好適な直流点灯時間が設定された高圧放電ランプ点灯装置を提供することができる。
【０１３４】
請求項５の発明によれば、加えて交流電圧の周波数が１００Ｈｚ〜２ｋＨｚであることにより、自動車用ヘッドライト装置に用いられるようなサイズの高圧放電ランプにおいては、音響的共鳴現象および明るさのちらつきが生じない高圧放電ランプ点灯装置を提供することができる。
【０１３５】
請求項６の発明によれば、加えて制御手段が、消灯時間に対する目標供給ランプ電力を予め記憶しておき、消灯時間に応じて目標供給ランプ電力を決定し、かつ、高圧放電ランプに供給される実供給ランプ電力を演算して、目標供給ランプ電力との差に応じて実供給ランプ電力を調節するとともに、高圧放電ランプの消灯時間に対する直流点灯時間を予め記憶しておき、これに基づいて消灯時間に応じて直流点灯時間を決定し、所定の直流点灯時間になったときに高圧放電ランプを交流点灯に切り換えることにより、高圧放電ランプの光束立ち上がりが早くなるとともに、寿命短縮を回避し、しかもこれらの制御を自動的に行う高圧放電ランプ点灯装置を提供することができる。
【０１３６】
請求項７の発明によれば、加えて水銀を含まない高圧放電ランプを備えた高圧放電ランプ点灯装置を提供することができる。
【０１３７】
請求項８の発明によれば、請求項１ないし６の効果を有する自動車用ヘッドライト装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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
【図２】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初期値に対する目標供給ランプ電力の関係を示すグラフ
【図３】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
【図４】同じく横軸を時間的に拡大して示すグラフ
【図５】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
【図６】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
【図７】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
【図８】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
【図９】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
【図１０】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
【図１１】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
【図１２】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…スイッチング手段
Ｑ２…スイッチング手段
Ｑ３…スイッチング手段
Ｑ４…スイッチング手段
Ｑ５…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
【発明の属する技術分野】
本発明は、水銀を実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。
【０００２】
【従来の技術】
特願平１０−２８１３４号には、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が記載されている。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。（従来技術１） なお、特開平１１−８６７９５号公報にも従来技術１とほぼ同じ技術が開示されている。
【０００３】
また、平成１２年１２月４日に発表された照明学会・第１５回光源物性応用研究会資料（社団法人 照明学会発行）の第６９〜７３ページには、ＮａＩ−ＳｃＩ３系金属ハロゲン化物にＩｎＩを添加した無水銀の自動車用メタルハライドランプが開示されている。（従来技術２）
さらに、特開平３−１１６６８５号公報には、高圧放電ランプを交流で点灯する場合、始動直後は電極表面の温度すなわち陰極スポットの温度が十分でないことなどにより、放電が安定しにくいので、これを改良するために、始動時から点灯に至るまでの間は、直流電圧を高圧放電ランプに印加し、点灯したら低周波交流電圧を印加する技術が開示されている。（従来技術３）
さらに、特開平６−２３１８８９号公報には、メタルハライドランプなどの高圧放電ランプの低周波交流始動におけるアークの立ち消えや明るさのちらつきを低減するために、電源投入から点灯後の所定時間までの間直流電圧を高圧放電ランプに印加し、その後交流電圧に切り換える技術が開示されている。（従来技術４）
【発明が解決しようとする課題】
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を始動時に投入する必要がある。そこで、高温始動時には定格ランプ電力に近いランプ電力を供給し、低温始動時には供給ランプ電力を所要の程度たとえば３倍程度まで多くすると効果的である。
【０００４】
上記に加えて、始動時のアークの立ち消えや明るさのちらつきを低減するために、従来技術４により直流電圧を印加して始動すると、始動直後に陰極スポットが著しく高温になり、電極物質がスパッタし、陽極においてはその先端が溶けるように消耗する。そして、管壁に黒化を生じて寿命短縮を招来するという問題があることが分かった。
【０００５】
本発明は、光束立ち上がりを短縮するとともに、寿命短縮を生じないようにした水銀を本質的に含まない高圧放電ランプを用い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を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を達成するための手段】
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直流および交流のいずれか一方を選択して付勢可能な点灯手段と；始動時には点灯手段により高圧放電ランプを直流点灯し、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に供給し、かつ、直流点灯を、前記低温始動時の点灯時間よりも相対的に長時間と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を提供する。
【０００７】
本発明および以下の各発明において、特に指定しない限り用語の定義および技術的意味は次による。
【０００８】
＜高圧放電ランプについて＞
（放電媒体について）
本発明において点灯される高圧放電ランプは、特定の放電媒体を具備している。
【０００９】
すなわち、まず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。
【００１０】
次に、希ガスが５〜１５気圧封入されている。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。
【００１１】
さらに、金属ハロゲン化物が封入されている。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、たとえばナトリウムＮａ、スカンジウムＳｃおよび希土類金属たと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、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第２の金属ハロゲン化物として発光金属のハロゲン化物に加えることができる。第２の金属ハロゲン化物としては、たとえばマグネシウム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。
【００１２】
（高圧放電ランプのその他の構成について）
本発明において点灯する高圧放電ランプにおいて必須要件ではないが、所望により以下の構成を加えることにより、特に自動車用ヘッドライト装置の場合に効果的である。
【００１３】
１ 気密容器について
気密容器は、その内部に細長い放電空間が形成されるとともに、放電空間を包囲する部分の肉厚が比較的大きくて、耐火性で、かつ、透光性の材料たとえば石英ガラス、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。
【００１４】
２ 電極について
電極は、気密容器の両端内部にその一対が対向して封装され、好ましくは電極間距離が６ｍｍ以下に設定される。また、一対の電極は、直流点灯の際にアノードとして作用するときに、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。たとえば、電極の先端に軸部より径大の球状部分を形成することにより、これに対応することができる。
【００１５】
３ 定格ランプ電力について
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。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の場合においては、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。
【００１６】
＜点灯手段について＞
点灯手段は、高圧放電ランプを直流および交流のいずれでも付勢することができる。これを実現するための具体的な回路構成は自由であるが、たとえば以下に例示する回路構成を採用することができる。いずれにしても、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。
【００１７】
１ 直流点灯回路および交流点灯回路を並列的に備える構成
この構成においては、いずれか所望の点灯回路を高圧放電ランプに対して選択的に切り換えて接続する。
【００１８】
２ インバータのスイッチング手段を切り換える構成
この構成においては、直流電源と高圧放電ランプとの間にインバータを介在させ、インバータのスイッチング手段を連続してオンさせることにより、インバータ動作を停止させて直流入力電圧をそのまま高圧放電ランプに印加する。交流電圧を印加する際には、インバータ動作を行って交流電圧を出力するようにスイッチング手段を制御する。
【００１９】
次に、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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
＜制御手段について＞
制御手段は、点灯手段に対して（１）直流・交流切り換え制御、（２）投入電力切り換え制御、（３）直流点灯時間制御をそれぞれ行うように構成されている。以下、各制御について説明する。
直流・交流切り換え制御について
この制御は、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、さらに後掲（３）の制御に基づいて直流点灯から交流店頭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。
投入ランプ電力切り換え制御について
この制御は、高圧放電ランプ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たとえば定格ランプ電力の約３倍の電力を供給し、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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
（３）直流点灯時間制御について
この制御は、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。
【００２５】
また、高圧放電ランプ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。
【００２６】
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。
【００２７】
＜その他の構成について＞
本発明において必須構成要件ではないが、イグナイタを付加することができる。水銀を本質的に含まない高圧放電ランプを始動するには、イグナイタのパルス電圧を、水銀を封入した高圧放電ランプのそれより若干高くする必要があったとしても、コスト、大きさおよび重量などにおいて実現を困難にすることはない。
【００２８】
＜本発明の作用について＞
本発明においては、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点灯手段により始動時には直流点灯するので、放電が安定しやすく、また低温始動時には定格ランプ電力より大きいランプ電力、たとえば定格ランプ電力の２倍以上より大きいランプ電力を高圧放電ランプに供給するので、水銀蒸気がなくても発光金属のハロゲン化物の蒸気圧が迅速に上昇するから、その結果光束立ち上がりが早くなる。しかも、低温始動時の直流点灯時間は相対的に短いので、大きなランプ電力により電極が異常過熱するのを回避することができる。このため、電極物質のスパッタによる高圧放電ランプの短寿命が生じにくくなる。
【００２９】
一方、高温始動時すなわちホットリスタート時には、高圧放電ランプ内では発光金属のハロゲン化物の蒸気圧がまだ高いので、定格ランプ電力に近いランプ電力を供給して始動させることができる。しかし、この場合には、直流点灯は相対的に長いので、放電が十分安定し、アークの立ち消えを生じるようなことはない。また、その間に供給されるランプ電力は、定格ランプ電力に近いので、電極の損傷は生じない。
【００３０】
以上説明したように、本発明においては水銀が本質的に含まれていない高圧放電ランプを低温始動時および高温始動時のいずれでにおいても、電極の損傷を招来することなく、しかも光束立ち上がりが早いので、自動車用ヘッドライト装置に適用して、その規格を十分満足することができる。しかし、本発明は、その用途が自動車用ヘッドライト装置に限定されるものではなく、種々の用途に適応する。
【００３１】
請求項２の発明の高圧放電ランプ点灯装置は、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直流および交流のいずれか一方を選択して付勢可能な点灯手段と；高圧放電ランプにその始動時には直流点灯し、所定時間後交流点灯に切り換えるとともに、ランプの消灯時間の増加に応じて直流点灯時間を減少し、かつ、供給ランプ電力を定格ランプ電力に近い値から増加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。
【００３２】
本発明は、高圧放電ランプの消灯時間に応じて始動時の直流点灯時間および供給ランプ電力を所定に変化するようにした構成を規定している。
【００３３】
すなわち、高圧放電ランプの温度は、消灯直後の高温状態から時間の経過とともに低下していき、やがて室温または外気温に等しい低温状態となる。したがって、消灯時間を計測することによって高圧放電ランプの温度を知ることができる。消灯時間は、時計を目視することにより計時することもできるが、消灯時間用タイマを用いて自動的に計時するように構成することが好ましい。なお、高圧放電ランプの消灯は、ランプ電圧またはランプ電流を監視することによって、容易に把握することができる。
【００３４】
また、消灯時間に応じて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。そして、消灯時間と直流点灯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。
【００３５】
そうして、本発明においては、高圧放電ランプの消灯時間に応じて直流点灯時間および供給ランプ電力を加減するので、低温時と高温時とだけでなく、それらの中間における始動時においても光束立ち上がりが短縮されるとともに、寿命短縮を生じない。で、しかも
また、消灯時間に応じて高圧放電ランプの温度を間接的に求めることにより、制御を自動化しやすい。
【００３６】
したがって、自動車用ヘッドライト装置に適用することにより、頗る効果的である。
【００３７】
請求項３の高圧放電ランプ点灯装置は、請求項１または２記載の高圧放電ランプ点灯装置において、制御手段は、低温始動時に定格ランプ電力の約３倍のランプ電力を高圧放電ランプに供給するように点灯手段を制御することを特徴としている。
【００３８】
本発明は、本質的に水銀を含まない高圧放電ランプにとって最適な低温始動時の供給ランプ電力を規定している。すなわち、制御手段が定格ランプ電力の約３倍のランプ電力を高圧放電ランプに供給するように制御することにより、始動４秒後の光束立ち上がりが安定時の光束の８０％以上になるとともに、直流点灯時に電極が消耗しにくい範囲に止めることができる。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。また、ランプ電力が２．５倍を下回ると、光束立ち上がりが遅くなりすぎる。
【００３９】
そうして、本発明においては、低温時に水銀を含まない高圧放電ランプを早い光束立ち上がりで始動することができる。
【００４０】
請求項４の発明の高圧放電ランプ点灯装置は、請求項１ないし３のいずれか一記載の高圧放電ランプ点灯装置において、制御手段は、低温始動時の直流点灯時間を数十ｍ秒に、また高温始動時の直流点灯時間を数百ｍ秒になるように点灯手段を制御することを特徴としている。
【００４１】
本発明は、制御手段により制御される低温始動時および高温始動時の好適な直流点灯時間を規定している。すなわち、低温始動時の直流点灯時間は、高温始動時のそれの数百ｍ秒より１桁少ない数十ｍ秒である。しかし、低温始動時には高圧放電ランプに定格ランプ電力より相当に大きいランプ電力が投入されるので、高圧放電ランプは容易に始動する。また、高温始動時には、高圧放電ランプには定格ランプ電力に近いランプ電力が投入されるのであるが、数百ｍ秒の間直流電圧が印加されるので、高圧放電ランプは確実に始動する。
【００４２】
なお、「数十ｍ秒」とは、１０〜６０ｍ秒の範囲をいう。好適には１３〜３０ｍ秒の範囲である。また、「数百ｍ秒」とは、１００〜５００ｍ秒の範囲をいう。好適には２５０〜３５０ｍ秒の範囲である。
【００４３】
そうして、本発明においては、光束立ち上がりが早く、しかも寿命短縮を生じにくくなる好適な直流点灯時間が設定された高圧放電ランプ点灯装置が得られる。
【００４４】
請求項５の発明の高圧放電ランプ点灯装置は、請求項１ないし４のいずれか一記載の高圧放電ランプ点灯装置において、交流電圧の周波数は、１００Ｈｚ〜２ｋＨｚであることを特徴としている。
【００４５】
本発明は、交流電圧の好適な周波数を規定している。すなわち、周波数が上記の範囲であれば、自動車用ヘッドライト装置に用いられるようなサイズの高圧放電ランプにおいては、音響的共鳴現象が生じない。なお、周波数が１００Ｈｚ未満であると、明るさのちらつきを生じることがある。
【００４６】
請求項６の発明の高圧放電ランプ点灯装置は、請求項１ないし５のいずれか一記載の高圧放電ランプ点灯装置において、制御手段は、消灯時間に対する目標供給ランプ電力を予め記憶しておき、消灯時間に応じて目標供給ランプ電力を決定し、かつ、高圧放電ランプに供給される実供給ランプ電力を演算して、目標供給ランプ電力との差に応じて実供給ランプ電力を調節するとともに、高圧放電ランプの消灯時間に対する直流点灯時間を予め記憶しておき、これに基づいて消灯時間に応じて直流点灯時間を決定し、所定の直流点灯時間になったときに高圧放電ランプを交流点灯に切り換えることを特徴としている。
【００４７】
本発明は、所定の供給ランプ電力を自動的に制御するのに好適な構成と、高圧放電ランプに対する消灯時間に応じて直流点灯から交流点灯へ切り換える構成とを規定している。
【００４８】
まず、供給ランプ電力を自動的に切り換える構成について説明する。
【００４９】
目標供給ランプ電力は、消灯時間に対する関数として予め定めておき、そのデータをたとえばテーブルデータとしてメモリに記憶しておく。なお、低温始動時から高温始動時までの各段階において、どの程度のランプ電力を投入するかは、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。
【００５０】
一方、実際に高圧放電ランプに供給されているランプ電力であるところの実供給ランプ電力は、ランプ電圧およびランプ電流を検出して、それらの検出値を演算手段に入力して演算することにより、これを求めることができる。なお、ランプ電圧およびランプ電流を検出する場合、それらを直接検出するだけでなく、比例的に得られるのであれば、間接的に検出してもよい。
【００５１】
また、本発明においては、高圧放電ランプを直流点灯から交流点灯に切り換えるので、インバータを介して直流を交流に変換して高圧放電ランプに印加する構成の場合には、直流回路側においてランプ電圧およびランプ電流を間接的に検出するように構成することにより、回路構成を簡単にすることができる。
【００５２】
さらに、実供給ランプ電力を調節する手段は、どのような手段によってこれを行ってもよい。たとえば、点灯手段がスイッチングレギュレータおよびインバータを縦続接続して構成されている場合には、スイッチングレギュレータをＰＷＭ制御することにより、その出力電圧、したがってインバータの入力電圧すなわち直流電圧を制御することができる。そこで、インバータの主スイッチング手段を連続して制御することにより、インバータの出力端に直流電圧が現れるので、そこに接続する高圧放電ランプに直流電圧を印加することができる。また、インバータの主スイッチング手段をスイッチング周波数でスイッチングさせることにより、インバータがインバータ動作を行い、その出力端に交流電圧が現れるので、そこに接続する高圧放電ランプに交流電圧を印加することができる。そうして、スイッチングレギュレータをＰＷＭ制御することによって、インバータの出力端に現れる直流電圧および交流電圧のいずれをも制御することができる。このため、高圧放電ランプの実供給電力が制御される。
【００５３】
そうして、消灯時間に対する目標ランプ電力と実供給ランプ電力とを比較してその差が０になるように実供給ランプ電力を調節することにより、目標ランプ電力が高圧放電ランプに供給される。
【００５４】
次に、高圧放電ランプを直流点灯から交流点灯に切り換える構成について説明する。
【００５５】
消灯時間に対する直流点灯時間を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、消灯時間と直流点灯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、実際の消灯時間に応じて対応する必要なデータをメモリから読み出して、消灯時間に応じた直流点灯時間を決定し、所定の直流点灯時間に到達したときに、高圧放電ランプを直流点灯から交流点灯へ切り換える。これにより、直流点灯から交流店頭への切り換えを自動的に行える。
また、低温および高温の中間に位置する温度における始動時に際しても適切な直流点灯時間を設定して光束立ち上がりを早めるとともに、電極の損傷、したがってスパッタによる高圧放電ランプの寿命短縮を回避することができる。
【００５６】
そうして、本発明においては、消灯時間に応じて所定のランプ電力を、所定時間、しかも自動的に供給することにより、高圧放電ランプの光束立ち上がりが早くなるとともに、寿命短縮を回避し、しかもこれらの制御を自動的に行うことができる。
【００５７】
請求項７の発明の高圧放電ランプ点灯装置は、請求項１ないし６のいずれか一記載の高圧放電ランプ点灯装置において、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具備していることを特徴としている。
【００５８】
本発明は、水銀を本質的に含まない高圧放電ランプ、点灯手段および制御手段を要素として構成されている。
【００５９】
請求項８の発明の自動車用ヘッドライト装置は、自動車用ヘッドライト装置本体と；自動車用ヘッドライト装置本体に配設された請求項７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している。
【００６０】
「自動車用ヘッドライト装置本体」とは、自動車用ヘッドライト装置から高圧放電ランプ点灯装置を除いた残余の部分をいう。
【００６１】
そうして、本発明においては、水銀を含まない高圧放電ランプおよび請求項１ないし６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。
【００６２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００６３】
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図である。
【００６４】
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。
【００６５】
直流電源ＤＣは、直流電圧１２Ｖのバッテリーからなる。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
＜点灯手段ＯＣについて＞
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。
【００６９】
（スイッチングレギュレータDC/DCについて）
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。
【００７０】
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。
【００７１】
＜インバータDC/ACについて＞
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。
【００７２】
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。要約すれば、点灯手段ＯＣは、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。
【００７３】
＜制御手段ＣＣについて＞
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、ランプ電力制御部ＬＰＣ、および直流点灯時間制御部ＤＣＣにより構成されている。
【００７４】
（ランプ電圧検出部ＬＶＤについて）
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。
【００７５】
（ランプ電流検出部ＬＣＤについて）
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。
【００７６】
（点灯検出部ＬＤについて）
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。
【００７７】
＜ランプ電力制御部ＬＰＣについて＞
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。
【００７８】
（目標ランプ電力演算回路ＴＯについて）
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。
【００７９】
図２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初期値に対する目標供給ランプ電力の関係を示すグラフである。
【００８０】
図において、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、このテーブルデータは、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３倍と大きく、カウンタ初期値が大きくなるにしたがって目標供給ランプ電力がちいさくなり、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。
【００８１】
（実ランプ電力演算回路ＡＯについて）
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。
【００８２】
（差動増幅回路ＤＡについて）
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。
【００８３】
＜直流点灯時間制御部ＤＣＣについて＞
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。
【００８４】
（消灯時間タイマＬＯＴについて）
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。
【００８５】
（初期値設定回路ＩＶＳについて）
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。
【００８６】
図３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。
【００８７】
図４は、同じく横軸を時間的に拡大して示すグラフである。
【００８８】
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。
【００８９】
（カウンタＣＴについて）
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。
【００９０】
（直流点灯時間タイマＤＶＴについて）
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
＜イグナイタＩＧについて＞
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。
【００９４】
＜高圧放電ランプＨＰＬについて＞
高圧放電ランプＨＰＬは、図６および図７に示す構造を備えている。
【００９５】
図６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高圧放電ランプを示す縦断面図である。
【００９６】
図７は、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である。
【００９７】
すなわち、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。
【００９８】
（放電容器１について）
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。気密容器１ａは、中空の紡錘形状に成形されてなり、その両端に一対の細長い封止部１ａ１を一体に備えているとともに、内部に細長い円柱状の放電空間１ｃが形成されている。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。
【００９９】
（封着金属箔２について）
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。
【０１００】
（外部リード線３について）
外部リード線３は、先端が封着金属箔に溶接され、基端が放電容器１から外部へ露出している。
【０１０１】
（放電媒体について）
放電媒体は、放電容器１内に封入されていて、発光金属のハロゲン化物および希ガスが封入されている。発光金属のハロゲン化物は、ナトリウムＮａ、スカンジウムＳｃおよび希土類金属のハロゲン化物からなる。希ガスは、キセノンが封入されている
次に、図７を参照して放電容器１の各部の寸法について説明する。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。点灯中液化状態で放電空間１ｃの内面に付着したハロゲン化物Ｈは、図７に示すように、気密容器１ａの中心から垂下した鉛直線ｌ１に対して±８０°以内の範囲に入っている。
【実施例１】
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−ＳｃＩ３０．２ｍｇ、ＮａＩ１．０ｍｇ、希ガスＸｅ８気圧
定格ランプ電力：４０Ｗ
＜回路動作について＞
（低温始動時の回路動作について）
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３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。
【０１０４】
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２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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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５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。
【０１０８】
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、目標供給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２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。
【０１０９】
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２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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
（高温始動時の回路動作について）
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。
【０１１３】
したがって、消灯時間タイマＬＯＴの出力値が５［秒］なので、図４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。
【０１１４】
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２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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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２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。
【０１１７】
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５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。
【０１１８】
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２の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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
図１２は、同じく高圧放電ランプを示す正面図である。
【０１２６】
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。
【０１２７】
ヘッドライト本体１１は、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。
【０１２８】
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６および図７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。
【０１２９】
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。
【０１３０】
【発明の効果】
請求項１ないし６の各発明によれば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点灯手段により始動時に直流点灯し、所定時間後交流点灯に切り換えるに当たり、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に供給し、かつ、直流点灯を相対的に長時間とするように制御手段によって点灯手段を制御することにより、光束立ち上がりが短縮するとともに、寿命短縮を生じない高圧放電ランプ点灯装置を提供することができる。
【０１３１】
請求項２の発明によれば、加えて消灯時間の増加に応じて直流点灯時間を減少し、かつ、供給ランプ電力を定格ランプ電力に近い値から増加するように制御手段によって点灯手段を制御することにより、低温時と高温時の中間における始動時においても光束立ち上がりが短縮されるとともに、寿命短縮を生じないで、しかも制御の自動化が容易であり、したがって自動車のヘッドライト装置に好適な高圧放電ランプ点灯装置を提供することができる。
【０１３２】
請求項３の発明によれば、加えて制御手段が低温始動時に定格ランプ電力の約３倍のランプ電力を高圧放電ランプに供給するように点灯手段を制御することにより、低温時に水銀を含まない高圧放電ランプを早い光束立ち上がりで始動する高圧放電ランプ点灯装置を提供することができる。
【０１３３】
請求項４の発明によれば、加えて制御手段が低温始動時の直流点灯時間を数十ｍ秒に、また高温始動時の直流点灯時間を数百ｍ秒になるように点灯手段を制御することにより、光束立ち上がりが早く、しかも寿命短縮を生じにくくするのに好適な直流点灯時間が設定された高圧放電ランプ点灯装置を提供することができる。
【０１３４】
請求項５の発明によれば、加えて交流電圧の周波数が１００Ｈｚ〜２ｋＨｚであることにより、自動車用ヘッドライト装置に用いられるようなサイズの高圧放電ランプにおいては、音響的共鳴現象および明るさのちらつきが生じない高圧放電ランプ点灯装置を提供することができる。
【０１３５】
請求項６の発明によれば、加えて制御手段が、消灯時間に対する目標供給ランプ電力を予め記憶しておき、消灯時間に応じて目標供給ランプ電力を決定し、かつ、高圧放電ランプに供給される実供給ランプ電力を演算して、目標供給ランプ電力との差に応じて実供給ランプ電力を調節するとともに、高圧放電ランプの消灯時間に対する直流点灯時間を予め記憶しておき、これに基づいて消灯時間に応じて直流点灯時間を決定し、所定の直流点灯時間になったときに高圧放電ランプを交流点灯に切り換えることにより、高圧放電ランプの光束立ち上がりが早くなるとともに、寿命短縮を回避し、しかもこれらの制御を自動的に行う高圧放電ランプ点灯装置を提供することができる。
【０１３６】
請求項７の発明によれば、加えて水銀を含まない高圧放電ランプを備えた高圧放電ランプ点灯装置を提供することができる。
【０１３７】
請求項８の発明によれば、請求項１ないし６の効果を有する自動車用ヘッドライト装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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
【図２】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初期値に対する目標供給ランプ電力の関係を示すグラフ
【図３】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
【図４】同じく横軸を時間的に拡大して示すグラフ
【図５】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
【図６】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
【図７】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
【図８】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
【図９】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
【図１０】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
【図１１】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
【図１２】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…スイッチング手段
Ｑ２…スイッチング手段
Ｑ３…スイッチング手段
Ｑ４…スイッチング手段
Ｑ５…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 (8)
- 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直流および交流のいずれか一方を選択して付勢可能な点灯手段と；始動時には点灯手段により高圧放電ランプを直流点灯し、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に供給し、かつ、直流点灯を、前記低温始動時の点灯時間よりも相対的に長時間と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。
- 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直流および交流のいずれか一方を選択して付勢可能な点灯手段と；高圧放電ランプにその始動時には直流点灯し、所定時間後交流点灯に切り換えるとともに、ランプの消灯時間の増加に応じて直流点灯時間を減少し、かつ、供給ランプ電力を定格ランプ電力に近い値から増加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。
- 制御手段は、低温始動時に定格ランプ電力の約３倍のランプ電力を高圧放電ランプに供給するように点灯手段を制御することを特徴とする請求項１または２記載の高圧放電ランプ点灯装置。
- 制御手段は、低温始動時の直流点灯時間を数十ｍ秒に、また高温始動時の直流点灯時間を数百ｍ秒になるように点灯手段を制御することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一記載の高圧放電ランプ点灯装置。
- 交流電圧の周波数は、１００Ｈｚ〜２ｋＨｚであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一記載の高圧放電ランプ点灯装置。
- 制御手段は、消灯時間に対する目標供給ランプ電力を予め記憶しておき、消灯時間に応じて目標供給ランプ電力を決定し、かつ、高圧放電ランプに供給される実供給ランプ電力を演算して、目標供給ランプ電力との差に応じて実供給ランプ電力を調節するとともに、高圧放電ランプの消灯時間に対する直流点灯時間を予め記憶しておき、これに基づいて消灯時間に応じて直流点灯時間を決定し、所定の直流点灯時間になったときに高圧放電ランプを交流点灯に切り換えることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一記載の高圧放電ランプ点灯装置。
- 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具備していることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一記載の高圧放電ランプ点灯装置。
- 自動車用ヘッドライト装置本体と；自動車用ヘッドライト装置本体に配設された請求項７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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