JP4790691B2 - 光計測方法、高輝度放電灯を用いる照明器具、及び照明システム - Google Patents

Description

本発明は、ＨＩＤランプ（High Intensity Discharge Lamp）等の高輝度放電灯における光計測方法、放電灯を用いる照明器具、及び照明システムに関する。

ＨＩＤランプ等の高輝度放電灯を備えた照明装置においては、放電灯が所望の輝度で点灯されるように光出力を制御したり、或いは、放電灯の寿命を判定するために、放電灯から放射される光を計測することが行われている。

従来、放電灯の光出力を計測する方法としては、光センサを用いて放電灯の光出力を直接計測する方法や、反射光を用いて間接的に放電灯の光出力を計測する方法が用いられている。これらの方法は、点灯時の光量が比較的少なく、温度が比較的低い蛍光灯等の放電灯においては容易に用いることができるが、光量が多く温度も高い高輝度放電灯においては、そのまま用いることが困難である。

この問題を解決するために、例えば、図１２に示すように、反射鏡９の壁面に形成した透孔９１を介して放電灯８の発光管８１から放射した光をセンサ７１に導くことにより、放電灯８から発生する高温を回避しながら放電灯全体の光出力を検出する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−２１３９５５号公報

しかしながら、高輝度放電灯は、蛍光灯や白熱電球に比べて使用初期における光束ばらつきや点灯時間に対する減退特性の個体差が大きく、使用初期や点灯時の光量を計測するだけでは、その光量からどの程度の累積点灯時間が経過したか、また、放電灯がどの程度劣化しているか、寿命に達しているか等を判断することができない。また、計測された光量と放電灯の累積点灯時間や劣化の程度との間には相関がなく、これらを規定することが困難であった。

本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたもので、高輝度放電灯の累積点灯時間を計測し、劣化及び寿命を判断することのできる光計測方法、高輝度放電灯を用いる照明器具、及び照明システムを提供することを目的とする。

本発明の光計測方法は、灯体と、前記灯体に収納される高輝度放電灯と、光検出部と、制御部と、を備える照明器具の光計測方法であって、前記灯体は、開口部を有し、前記高輝度放電灯は、発光管を中心に相対する位置に二つの電極が配置され、当該二つの電極を結ぶ線分と、前記開口部を結ぶ線分が略垂直方向となるように設置され、前記光計測方法は、前記開口部を介して前記灯体の外部に位置する結像場所で、前記発光管から発した光の略中心と略周辺を検出するステップと、前記検出した光の略中心と略周辺との比較から前記高輝度放電灯の発光強度分布を算出するステップと、を有するものである。

この方法により、開口部を介して灯体の外部に位置する結像場所に結像された光の略中心と略周辺を検出し、両者の比較から高輝度放電灯の発光強度分布を算出するので，熱や過大な光量による影響を少なくすることができ，正確な光計測を行うことが可能となる。

また、本発明の一態様として、上記の光計測方法において、前記発光強度分布は、前記検出した光の略中心と略周辺の比で表されるものも含まれる。

この方法により、検出した光の略中心と略周辺の比で表される発光強度分布の経時変化に基づいて、高輝度放電灯の劣化や寿命を判断することができる。

本発明の照明器具は、灯体と、前記灯体に収納される高輝度放電灯と、光検出部と、制御部とを備える照明器具であって、前記灯体は、開口部を有し、前記高輝度放電灯は、発光管を中心に相対する位置に二つの電極が配置され、当該二つの電極を結ぶ線分と、前記開口部を結ぶ線分が略垂直方向となるように設置され、前記光検出部は、前記開口部を介して前記灯体の外部に位置する結像場所で、前記発光管から発した光の略中心と略周辺を結像させて検出し、前記制御部は、前記検出した光の略中心と略周辺との比較から前記高輝度放電灯の発光強度分布を算出するものである。

この構成により、開口部を介して灯体の外部に位置する結像場所に結像された光の略中心と略周辺を検出し、両者の比較から高輝度放電灯の発酵強度分布を算出するので，熱や過大な光量による影響を少なくすることができ，正確な光計測を行うことが可能となる。

また、本発明の一態様として、上記の照明器具において、前記開口部の前記灯体の外部近傍に、前記発光管から発した光を所定の方向に反射する反射板を備えるものも含まれる。

この構成により、結像場所を例えば照明器具の上部に形成することができるので、照明器具の小型化を図ることが可能となる。

更に、本発明の一態様として、上記の照明器具において、前記結像場所に、前記発光管から発した光の略中心と略周辺を投影する投影板を備え、前記光検出部は、前記投影板に投影された前記発光管から発した光の略中心と略周辺の像を検出するものも含まれる。

この構成により、高輝度放電灯から発生する熱や、過大な光量による影響を少なくすることができ，高輝度放電灯の発光強度分布を正確に計測することが可能となる。

本発明の照明制御システムは、上記の光計測方法によって算出された前記高輝度放電灯の使用開始時の前記発光強度分布を基準値とし、前記基準値に対する前記高輝度放電灯の所定点灯時間毎の前記発光強度分布の変化に基づいて、前記高輝度放電灯の劣化、及び寿命を判断するものである。

この構成により、高輝度放電灯における累積点灯時間の計測、劣化及び寿命を判断することができ、照明制御システムを安定して使用することができる。

本発明によれば、高輝度放電灯の累積点灯時間を計測し、劣化及び寿命を判断することができる光計測方法、高輝度放電灯を用いる照明器具、及び照明システムを提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る照明器具の概略構成を示す図である。図１において、本実施形態の照明器具は、放電管１と、反射板２と、点灯装置３と、投影板４と、光検出部５と、制御部６を有する構成である。

放電管１は、片口金タイプの高輝度放電灯であり、石英から成る封入管１１に内挿され、水銀、希ガス及び金属ハロゲン化物が封入された発光管１２と、発光管１２の内部に対向して配置された一対の電極から延伸し、封入管１１によって支持される電極線１３と、ステム１４に支持され、電極線１３を接続する引き出し線１５と、封入管１１、ステム１４及び引き出し線１５を外包し、内部が真空に保たれた外管１６と、外管１６を固定するとともに、引き出し線１５と電気的に接続された口金１７を備えて構成される。そして、この放電管１は、口金１７が点灯装置３に接続されたソケット７に螺合することで保持されている。

反射板２は、放電管１から放射される光を所望の照射エリアに効率良く照射するために、例えば、放電管１を覆って下方向に開口した放物曲面の形状を有する金属や樹脂等で形成されており、内面には反射率の高い金属メッキが施されている。また、この反射板２の壁面には、発光管１２の発光面における略中央部の垂直な水平方向の延長線上の位置に、数ミリ径の開口部２１が設けられている。

点灯装置３は、器具電源から供給される電力によって放電管１を点灯するための高周波電力を生成するインバータ回路である。ただし、後述するような調光制御を必要としない場合、点灯装置３には一般的な安定器を使用することができ、その実施形態は限定されない。

投影板４は、発光管１２から開口部２１を介して放射される光を投影する機能を有し、発光管１２の発光強度に比例した明るさの像が開口部を焦点として投影される。この投影板４は、投影された像を背面から観測できるように、樹脂等の光を透過できる材料から形成されている。

光検出部５は、フォトダイオードなどの光電変換素子と、光電変換された電気信号を増幅する増幅器からなる第１の光センサ、及び同じ構成の第２の光センサ５２から構成されている。第１の光センサ５１は、開口部２１を焦点として投影板４に投影された発光管１２の像の略中心部に配置され、第２の光センサ５２は、開口部２１を焦点として投影板４に投影された像の上部位置に配置されて、それぞれ当該位置の像の明るさを検出することにより発光管１２の中央部および下部の発光強度を検出するものである。検出された発光強度は電気信号に変換され、制御部６に送出される。

図２は、放電管１の発光管１２から放射される発光強度分布の例を示す図である。同図において、発光管１２の内部に封入されたガスが重力作用で上下に分布することにより、発光強度は中央部において大きく、端部において小さくなるように分布する。また、点灯時間の経過と共に、中央部は発光強度が大きく減少するが、端部における発光強度はあまり変化しない。このため、放電管の劣化や寿命を精度良く判断することができない。このことから、本実施形態では、発光管中央と端部の発光強度を検出すると共に、それらの比がどのように変化するかによって、放電管の劣化や寿命を精度良く判断しようとするものである。

制御部６は、マイクロコンピュータなどからなり、点灯装置３のインバータ回路の動作とその周波数を制御して放電管１の点滅および調光の制御を行い、また、放電管１の累積点灯時間の計測、及び放電管１の劣化や寿命の判断等の処理を行う。

次に、以上のように構成された本発明の第１の実施形態に係る照明器具の動作について説明する。

まず、放電管１の累積点灯時間の計測、及び寿命の判定を行う際の動作について説明する。図３は、累積点灯時間の計測、及び寿命判定の動作手順を説明するためのフローチャートである。

まず、ステップＳ２０１において、照明器具に放電管１を初めて装着した際、及び放電管１を交換した際の点灯時に、第１及び第２の光センサ５１、５２によってそれぞれ発光部の中央部および端部の発光強度を検出する。

制御部６は、発光部の中央部に対する端部の発光強度の比を算出し（ステップＳ２０２）、算出した発光強度比（以下、基準値という）を不図示のメモリに記憶する（ステップＳ２０３）。

次いで、制御部６は、放電管１の点灯時間を計測し、計測した時間を順次加算して累積点灯時間を算出する（ステップＳ２０４）。

そして、所定の点灯時間毎に、第１及び第２の光センサ５１、５２によってそれぞれ発光部の中央部および端部の発光強度を検出し（ステップＳ２０５）、更に、発光部の中央部に対する端部の発光強度の比を算出する（ステップＳ２０６）。

続いて、制御部６は、不図示のメモリに記憶されている基準値を読み出し、現在の発光強度比の基準値に対する比率を算出し（ステップＳ２０７）、その比率が所定の閾値（例えば、０．８）以下であるか否かを判定する（ステップＳ２０８）。

判定の結果、現在の発光強度比の基準値に対する比率が所定の閾値以下に減少していた場合は、放電管１はその寿命に至ったものであると判断する（ステップＳ２０９）。

制御部６は、放電管１の寿命を判断すると、点灯装置３に対して放電灯１を点灯しないように制御したり、寿命を示すインジケータを点灯させたり、また、警報等を発することで放電管１の交換を促す（ステップＳ２１０）。更に、照明システムの場合は、寿命到来を報知する信号を送信してシステム内で情報を共有することができる。

一方、ステップＳ２０８の手順で、現在の発光強度比の基準値に対する比率が閾値より大きいと判定した場合は、ステップＳ２０５の処理手順に戻って、以降の処理手順を繰り返す。

次に、照明器具における調光制御について説明する。図４は、調光制御の処理手順を説明するためのフローチャートである。

ステップＳ１０１において、第１の光センサ５１によって放電管１の発光部中央の発光強度を検出する。なお、検出する発光部の位置は中央に限らず、更に、第２の光センサ５１によって発光部端部の発光強度を検出し、第１の光センサ５１によって検出した発光部中央の発光強度との平均値をとるようにしてもよい。

制御部６は、不図示のメモリから予め定めた発光強度の目標値を読み出し、検出した発光強度の値と比較して、検出値が目標値より大きいか否かを判定する（ステップＳ１０２）。

判定の結果、検出値が目標値より大きい場合は、ステップＳ１０３において、点灯装置３のインバータ回路の動作周波数を検出値が下がる方向に制御し、ステップＳ１０１の手順に戻る。

一方、ステップＳ１０２で検出値が目標値より大きくないと判定した場合は、続いて、検出値が目標値より小さいか否かを判定する（ステップＳ１０４）。

その結果、目標値より小さいと判定した場合は、ステップＳ１０５において、検出値が上がる方向にインバータ回路の動作周波数を制御し、ステップＳ１０１の手順に戻る。一方、検出値が目標値より小さくないと判定された場合は、そのままステップＳ１０１の手順に戻る。

このように、制御部６は、検出部５によって検出された放電管の発光強度を予めメモリ内に設定されている目標値と比較して、偏差が小さくなるように調光制御を行う。

図５は、図３の手順で計測した放電管１の発光部中央と端部の発光強度比の基準値に対する比率の推移を示す図であり、縦軸は発光強度比の基準値に対する比率、横軸は累積点灯時間である。

図５を参照すると、発光強度比の基準値に対する比率は、一旦上昇した後は単調に減少する傾向にある。このことから、累積点灯時間に伴う発光強度比の基準値に対する比率を監視することによって放電管１の劣化の度合いを推定することができるとともに、予め設定した所定の値、例えば０．８を下回った際に、放電管１はその寿命に達したと判断することが可能である。

高輝度放電管において、発光部中央と端部の発光強度比が時間の経過と共に減少する現象は、次のように考察される。

前述したように、発光管１２には、水銀、希ガスとともに金属ハロゲン化物が封入されている。この金属ハロゲン化物は、点灯を続けるに従って気化し、発光管１２の内壁に黒化物として付着する。付着した黒化物は赤外線を吸収し、このため発光管１２の温度が上昇する。これによって発生した熱は、発光管１２の端部に拡散して全体の温度を上昇させる。発光管１２の端部における発光は、プラズマからの光を多く含んでおらず、アルミナが熱せられることによる黒体輻射が主である。従って、黒化現象が進行すれば端部からの放射は増加すると推定される．逆に、プラズマからの放射が主である中心部は、光学的に厚くなった発光管により吸収されるため、発光強度が減少すると考えられる。これらのことから、発光管１２の発光部中央と端部の発光強度比、及び発光強度比の基準値に対する比率は共に累積点灯時間に伴って減少するものと推定される。

以上説明したように、このような本発明の第１の実施形態に係る照明器具によれば、反射板の側面に設けた開口部を介して発光管を投影板に投影し、投影板に配置した２つの光センサで発光管の中央部および端部の発光強度を検出して、発光管中央部と端部との発光強度比を算出する。照明器具に放電管を装着した際の発光強度比を基準値とする所定の点灯時間毎の発光強度比との比率によって放電管の劣化の度合いを推定し、予め設定した比率の閾値を下回った際に、放電管の寿命が到来したと判断することができる。

また、反射板の開口部を介して投影板に発光管の像を投影することにより、ピンホールカメラと同様の原理で投影板上に発光管の発光強度分布を検出することができ、従来技術のように、放電管から放射される光を直接検出するのではないため、検出部に対して放電管の光量対策をする必要がない。また、従来は、非常に高温になる反射板によって検出部の温度が上昇するのを防ぐ必要があったが、本実施形態では、反射板に設けた開口部を介して極く少量の光を外部に放出するだけであり、投影板上が過大な光量にならず、温度上昇も小さいので、検出部の熱対策が不要となる。

さらに、反射板に設ける開口部は、従来に比して小さな径でよく、このため反射板内での光学特性への影響を最小限に留めることができ、照明器具に対する影響は殆ど発生しない。

図６は、本実施形態の変形例に係る照明器具の概略構成を示す図である。この変形例における照明器具は、光検出部５の第２の光センサ５２が開口部２１を焦点として投影板４に投影された発光管１２の像の下部位置に配置され、当該位置の像の明るさを検出することにより発光管１２上部の発光強度を検出するものである。その他の構成および作用効果は、図１に示した第１の実施形態の照明器具と同様であるので、その説明は省略する。

（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態に係る照明器具の概略構成を示す図である。図７において、本実施形態の照明器具は、放電管１と、反射板２と、点灯装置３と、光検出部５と、制御部６を有する構成であり、図１に示した第１の実施形態に係る照明器具とは、投影板４がない点が異なる。

図７において、第１の光センサ５１は、開口部２１を焦点として発光管１２の略中央部から放射された光を直接受光してその発光強度を検出し、第２の光センサ５２は、開口部２１を焦点として発光管１２下部から放射された光を直接受光してその発光強度を検出する。

このような本発明の第２の実施形態に係る照明器具によれば、第１の実施形態に係る照明器具の作用効果に加え、投影板４がないことによって構造が簡単になる。

図８は、本実施形態の変形例に係る照明器具の概略構成を示す図である。この変形例における照明器具は、光検出部５の第２の光センサ５２が開口部２１を焦点として発光管１２上部の発光強度を検出するものであり、その他の構成および作用効果は、図７に示した第２の実施形態の照明器具と同様であるので、その説明は省略する。

（第３の実施形態）
図９は、本発明の第３の実施形態に係る照明器具の概略構成を示す図である。図９において、本実施形態の照明器具は、放電管１と、反射板２と、平面鏡２２と、点灯装置３と、投影板４と、光検出部５と、制御部６を有する構成であり、図１に示した第１の実施形態に係る照明器具とは、平面鏡２２が付設され、反射板２が上部に配置されていることが異なる。

図９において、反射板２の壁面に設けられた開口部２１の近傍に平面鏡２２を設け、発光管１２から開口部２１を介して放射される光を上方に反射させる。これによって、発光管１２の発光強度に比例した像が開口部２１を焦点として投影板４上に投影される。

このような本発明の第３の実施形態に係る照明器具によれば、第１の実施形態に係る照明器具の作用効果に加え、投影板４が上部に配置されることによって装置の横幅が狭くなり、コンパクト化を図ることができる。

（第４の実施形態）
図１０は、本発明の第４の実施形態に係る照明器具の概略構成を示す図である。図１０において、本実施形態の照明器具は、放電管１と、反射板２と、平面鏡２２と、点灯装置３と、光検出部５と、制御部６を有する構成であり、図９に示した第３の実施形態に係る照明器具とは、投影板４がない点が異なる。

図１０において、第１の光センサ５１は、開口部２１を焦点として発光管１２の略中央部から放射された光を直接受光してその発光強度を検出し、第２の光センサ５２は、開口部２１を焦点として発光管１２下部から放射された光を直接受光してその発光強度を検出する。

このような本発明の第４の実施形態に係る照明器具によれば、第３の実施形態に係る照明器具の作用効果に加え、投影板４がないことによって構造が簡単になる。

（第５の実施形態）
図１１は、本発明の第５の実施形態に係る照明器具の概略構成を示す図である。図１１において、本実施形態の照明器具は、放電管１と、反射板２と、点灯装置３と、投影板４と、光検出部５と、制御部６を有する構成であり、図１に示した第１の実施形態に係る照明器具とは、反射板２に設けた開口部２１の位置が異なる。

図１１において、反射板２の壁面には、放電管１の発光面の略中央部から斜め上方に所定の角度を有する方向の延長線上に、数ミリ径の開口部２１が設けられている。

開口部２１をこのような位置に設けることにより、投影板４上には、発光管１２の垂直な発光面から斜めに放射される光が投射されることになるので、光検出部５の第１、第２の光センサ５１、５２で受光した信号をｃｏｓθ則に従って補正する。また、第１の実施形態に係る照明器具の場合と光路長が異なる場合は、光路長の自乗に反比例する補正を行う。

このような本発明の第５の実施形態に係る照明器具によれば、第１の実施形態に係る照明器具の作用効果に加え、開口部２１を上方に設けることで投影板４が上部に配置され、これによって装置の横幅が狭くなり、コンパクト化を図ることができる。

以上、本発明の各種実施形態を説明したが、本発明は前記実施形態において示された事項に限定されず、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者がその変更・応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。

本発明の光計測方法、高輝度放電灯を用いる照明器具、及び照明システムは、高輝度放電灯の累積点灯時間を計測し、劣化及び寿命を判断することができる効果を有し、一般施設、屋内外用照明等として有用である。

本発明の第１の実施形態に係る照明器具の概略構成を示す図 発光管の発光強度分布を示す図 本発明の第１の実施形態に係る照明器具の調光制御動作手順を説明するためのフローチャート 本発明の第１の実施形態に係る照明器具における放電管の累積点灯時間の計測、及び寿命判定の動作手順を説明するためのフローチャート 放電管における発光管中央と端部の発光強度比の基準値に対する比率の時間的推移を示す図 本発明の第１の実施形態に係る照明器具の変形例の概略構成を示す図 本発明の第２の実施形態に係る照明器具の概略構成を示す図 本発明の第２の実施形態に係る照明器具の変形例の概略構成を示す図 本発明の第３の実施形態に係る照明器具の概略構成を示す図 本発明の第４の実施形態に係る照明器具の概略構成を示す図 本発明の第５の実施形態に係る照明器具の概略構成を示す図 従来の照明器具における放電管の概略構成を示す図

符号の説明

１ 放電管
１２ 発光管
２ 反射板
２１ 開口部
２２ 平面鏡
４ 投影板
５ 光検出部
５１ 第１の光センサ
５２ 第２の光センサ
６ 制御部

Claims (6)

1. 灯体と、前記灯体に収納される高輝度放電灯と、光検出部と、制御部と、を備える照明器具の光計測方法であって、
   前記灯体は、開口部を有し、
   前記高輝度放電灯は、
   発光管を中心に相対する位置に二つの電極が配置され、
   当該二つの電極を結ぶ線分と、前記開口部を結ぶ線分が略垂直方向となるように設置され、
   前記光計測方法は、
   前記開口部を介して前記灯体の外部に位置する結像場所で、前記発光管から発した光の略中心と略周辺を検出するステップと、
   前記検出した光の略中心と略周辺との比較から前記高輝度放電灯の発光強度分布を算出するステップと、
   を有する光計測方法。
2. 請求項１に記載の光計測方法であって、
   前記発光強度分布は、前記検出した光の略中心と略周辺の比で表されるものである光計測方法。
3. 灯体と、前記灯体に収納される高輝度放電灯と、光検出部と、制御部とを備える照明器具であって、
   前記灯体は、開口部を有し、
   前記高輝度放電灯は、
   発光管を中心に相対する位置に二つの電極が配置され、
   当該二つの電極を結ぶ線分と、前記開口部を結ぶ線分が略垂直方向となるように設置され、
   前記光検出部は、
   前記開口部を介して前記灯体の外部に位置する結像場所で、前記発光管から発した光の略中心と略周辺を結像させて検出し、
   前記制御部は、
   前記検出した光の略中心と略周辺との比較から前記高輝度放電灯の発光強度分布を算出する照明器具。
4. 請求項３に記載の照明器具であって、
   前記開口部の前記灯体の外部近傍に、前記発光管から発した光を所定の方向に反射する反射板を備える照明器具。
5. 請求項３又は４に記載の照明器具であって、
   前記結像場所に、前記発光管から発した光の略中心と略周辺を投影する投影板を備え、
   前記光検出部は、
   前記投影板に投影された前記発光管から発した光の略中心と略周辺の像を検出する照明器具。
6. 請求項２に記載の光計測方法によって算出された前記高輝度放電灯の使用開始時の前記発光強度分布を基準値とし、前記基準値に対する前記高輝度放電灯の所定点灯時間毎の前記発光強度分布の変化に基づいて、前記高輝度放電灯の劣化、及び寿命を判断する照明システム。