JP4826388B2 - 高圧放電灯点灯装置及び照明器具 - Google Patents

Description

本発明は、高圧水銀ランプ、メタルハライドランプなどの高輝度高圧放電灯（ＨＩＤランプ）を点灯させる高圧放電灯点灯装置及びこれを用いた照明器具に関するものである。

従来の技術として、例えば、特許第２８７１８９１号公報（特許文献１）には、ランプを定格点灯した際のランプ電圧を安定器が記憶又は推定し、その値に応じて次回ランプ始動時のランプ電力を制御することが提案されている。

しかしながら、特許文献１の技術では、ランプの経年変化等に対する光束の立ち上がりや、再始動状態（ホット・リスタート）での始動に対する電力を制御することに主眼を置いており、近年知られるようになった、発光管内部の不純ガスの影響によるランプの始動性のばらつきを吸収するものではない。
特許第２８７１８９１号公報

近年、省エネルギー等の観点から、ランプに供給される電力に対する発光効率が改善された非常に高効率なランプが市場投入されつつある。しかし、高効率を追求する過程でランプの発光管内部の封入ガス構成を変更し、結果、水銀量を極端に減らしたランプもある。このような水銀量が極端に少ないランプにおいては、従来のランプに比べて発光管内部の不純ガス（例えば水素）の影響を受けやすく、具体的にはランプ始動直後のアーク放電が不安定になる。特に始動直後で発光管内の温度が低く、封入されたガスが蒸発していない状態においては電極間の電子の移動が活発でないため、この現象は顕著である。よって、不純ガスが多く混入されたランプにおいては、始動直後のアーク放電が安定せずに立消えが発生する恐れがある。

ランプ内部に含まれる不純ガスの量を相対的に推し量る特性として、ランプが始動しアーク放電に移行した後の最小ランプ電圧Ｖｍｉｎがある。あるランプ電圧−ランプ電力特性を備えた安定器でランプ始動後にランプ電力を供給した際に、不純ガスの量が多いほど最小ランプ電圧Ｖｍｉｎは高くなり、不純ガスが少ないほど最小ランプ電圧Ｖｍｉｎは小さくなる。つまり、最小ランプ電圧Ｖｍｉｎの高いランプ程、アーク放電の維持が不安定となり、立消えが発生しやすくなる。

一方、始動直後のアーク放電を安定維持させるためには安定器からより多くの電力をランプに供給してやればよい。ランプの製造工程内で混入する不純ガスの最大量、具体的にはＶｍｉｎの最大値を把握し、そのＶｍｉｎ値が最大のランプにおいても、始動直後にアーク放電を維持できるだけの電力を安定器から供給することで、始動直後に立消えを起こさず定格安定点灯に移行させることが可能である。

しかしながら、上記の手法をとった場合、不純ガスの混入量が少ないランプにおいては過大な電力が供給されることになり、電極の磨耗を引き起こし、短寿命となる問題がある。また、生産直後に不純ガスが多く混入されているランプにおいても定格点灯を長く続けるなかで外管内部に備えられたゲッターに不純ガスが吸着し、徐々に始動性が改善されるため、始動後の電力供給が上記不純ガスが少ないランプと同様に過大供給されることとなる。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ランプに含まれる不純ガスが多く始動後のアーク放電維持が不安定なランプにおいても立消えを起こさず安定点灯させ、かつランプに含まれる不純ガスが少なく始動直後のランプ電力を多く必要としないランプにおいても過大な電力が供給されない放電灯点灯装置を提供することである。

本発明にあっては、上記の課題を解決するために、図１に示すように、高圧放電灯の定格ランプ電圧範囲に対して一定電力を供給するための一つの出力電力特性カーブを備えると共に、定格ランプ電圧範囲までのランプ電圧に対しては複数の出力電力特性カーブＷ１，Ｗ２，Ｗ３を備え、高圧放電灯の始動後、初期設定された出力電力特性カーブ（例えば、Ｗ１）に基づいて高圧放電灯にランプ電力を供給した際に、アーク放電移行後の最小ランプ電圧Ｖｍｉｎまたは最小ランプ電圧を含んだ所定期間の最小ランプ電圧相当値Ｖｍｉｎ’（図５参照）を検出する最小ランプ電圧検出手段（図４参照）を備え、所定の最小ランプ電圧範囲において、前記最小ランプ電圧検出手段が検出した最小ランプ電圧Ｖｍｉｎまたは最小ランプ電圧相当値Ｖｍｉｎ’が大きい程、前記複数の出力電力特性カーブＷ１，Ｗ２，Ｗ３から大きな出力電力特性カーブを再設定し、その後の電力制御を行うことを特徴とするものである。

本発明によれば、ランプに含まれる不純ガスが多く始動直後のアーク放電維持が不安定なランプにおいても立消えを起こさず安定点灯させることができる。また、ランプに含まれる不純ガスが少なく始動直後のランプ電流を多く必要としないランプにおいても過大な電力が供給されない利点がある。

（実施形態１）
図１に本発明の実施形態１に係る安定器の「ランプ電圧に対するランプ電力の出力特性」（以下、「電力カーブ」と呼ぶ）を示す。この電力カーブの特徴は、低ランプ電圧領域において電力カーブを複数備えていることである。低ランプ電圧領域における電力カーブＷ１は、ランプの生産工程で最大量の不純ガスが含まれたランプ、つまりＶｍｉｎの最も高いランプを始動直後のアーク放電から安定して点灯させることができる出力特性である。電力カーブＷ２はＶｍｉｎの値が中程度のランプを始動直後のアーク放電から安定して点灯させることができる出力特性である。電力カーブＷ３はＶｍｉｎが低いランプを始動直後のアーク放電から安定して点灯させることができる出力特性である。

また、上記安定器にはランプが始動して、アーク放電に移行した後の最小ランプ電圧Ｖｍｉｎ又はその相当値である最小ランプ電圧を含む所定期間のランプ電圧Ｖｍｉｎ’を検出する機能が備わっており、検出した電圧値に応じて上記の低ランプ電圧領域における電力カーブを切り替えることが可能である。

つまり、「ある初期電力カーブ」でもってランプ始動直後のランプ電力を供給した場合、不純ガスの量によってＶｍｉｎ値に差が出ることを最小ランプ電圧検出機能によって検出し、その値が大きい場合にはその後の出力特性をＷ１に、中程度の場合にＷ２、小さい場合にＷ３に切り替えることで、始動直後のアーク放電を安定維持させながら、そのランプに適したランプ電力を供給することで電極の磨耗を防ぐことができる。

このときの「ある初期電力カーブ」の選定は、ランプの生産過程で不純ガスが多く含まれるランプを適合ランプとする場合にはＷ１と同様の出力電力特性にするのがよく、不純ガスの含まれる量が相対的に少ないランプを適合ランプとする場合には、Ｗ２又はＷ３を選定するのが効果的である。

仮にＷ２，Ｗ３を選定した安定器に不純ガスの多いランプが組み合わされた場合には始動直後に立ち消えが発生することも考えられるが、始動直後の立ち消えが発生した際には、次回の始動にＷ１の出力電力特性を初期選定するように安定器を制御することで始動直後の立ち消えを繰り返すことは回避できる。

（実施形態２）
本発明の実施形態２に係る安定器１の回路図を図２に示す。この安定器１は、直流電源回路部２と、インバータ回路部３から構成されている。インバータ回路部３は、降圧チョッパ回路４と極性反転回路５で構成されている。また、直流電源回路部２の動作を制御する直流電源制御部６と、インバータ回路部３の動作を制御するインバータ制御部７を備え、それぞれの制御部６，７に電源電圧を供給する制御電源部８を備えている。

直流電源回路部２は、交流電源１０を全波整流する整流器ＤＢ１と、インダクタＬ１とスイッチング素子Ｑ１とダイオードＤ１とコンデンサＣ１よりなる昇圧チョッパ回路とからなり、商用の交流電源１０からの交流入力を直流出力に変換してインバータ回路部３へ供給する。直流電源制御部６は、Ａ点に得られるコンデンサＣ１の直流電圧が所定値となるように、スイッチング素子Ｑ１のオン・オフを制御している。この直流電源制御部６としては、市販の力率改善制御用の集積回路などを用いることができる。

降圧チョッパ回路４は、スイッチング素子Ｑ２とダイオードＤ２とインダクタＬ２とコンデンサＣ２とからなり、入力電圧を降圧した直流電圧を出力する。ここで降圧チョッパ回路４の動作については一般的な技術であるので説明を省略するが、スイッチング素子Ｑ２のオン／オフを制御することで放電灯１１への供給電力を調節する安定化要素として用いられている。なお、ダイオードＤ７はスイッチング素子Ｑ２の逆並列ダイオードである。

極性反転回路５は、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ６のペアとＱ４，Ｑ５のペアがインバータ制御部７からの制御信号により数十〜数百Ｈｚの低周波で交互にオンされることで、放電灯１１に矩形波交流電力を供給する。ただし、放電灯１１の始動時にはスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４を高周波で交互にオン・オフさせて、インダクタＬ３とコンデンサＣ３の共振作用により昇圧された高電圧を放電灯１１に印加して絶縁破壊させる。なお、ダイオードＤ３〜Ｄ６は各スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ６の逆並列ダイオードである。

インバータ制御部７はコンデンサＣ２の電圧により放電灯１１のランプ電圧Ｖｌａを検出し、また、抵抗Ｒ１によりチョッパ電流を検出することでランプ電流を検出し、ランプ電圧Ｖｌａに応じたランプ電力Ｗｌａとなるように、スイッチング素子Ｑ２を制御する。さらに、スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ６に制御信号を与えて、極性反転動作を制御する。

降圧チョッパ回路４の出力端電圧は、ランプ１１が始動した後はランプ１１のランプ電圧Ｖｌａとほぼ等しくなり、その出力電圧の分圧値をランプ電圧Ｖｌａの相当値としてインバータ制御部７で読込む。インバータ制御部７は読込んだ値に応じて、ランプ１１に供給するランプ電力Ｗｌａを決定し、スイッチング素子Ｑ２をＯＮ／ＯＦＦ制御することで所望のランプ電力Ｗｌａを生成する。ランプ電力Ｗｌａはインバータ制御部７に搭載された「ランプ電圧Ｖｌａに対応してランプに供給するランプ電力Ｗｌａのデータテーブル」（以下「電力カーブ」と呼ぶ）を参照して算出され決定される。

図３に本発明の安定器１に搭載した「電力カーブ」を示す。ここで本発明の特徴は、低ランプ電圧領域における「電力カーブ」を複数持っていることにある。また、ランプ始動後の低ランプ電圧領域における電力カーブの初期値として、もっとも出力が大きくなるＷ１が選択されており、ランプ始動直後の電力制御は電力カーブＷ１に応じて行われる。

更に、インバータ制御部７はランプが始動しアーク放電に移行した後の最小ランプ電圧の相当値Ｖｍｉｎ’を検出することが可能である。具体的には図４に示すようにランプ始動後の降圧チョッパ回路４の出力電圧を抵抗Ｒ２〜Ｒ６とコンデンサＣ４で分圧・平滑し、インバータ制御部７に搭載された最小ランプ電圧検出ＩＣ１で読込む。このとき、降圧チョッパ回路４の出力電圧は図５に示すような変移を示し、ＩＣ１はその電圧変移から最小ランプ電圧相当値Ｖｍｉｎ’を捉え、読込んでいる。

インバータ制御部７は、読込んだＶｍｉｎ’の値に応じて前述の低ランプ電圧領域における複数の電力カーブの中から一つを再設定し、以後、その出力特性に沿ってランプを安定点灯させるための電力制御を行う。

次に、ランプ始動直後から安定点灯に至るまでの安定器１の動作を説明する。ランプを始動直後、安定器１は初期設定された電力カーブＷ１に沿ってランプ電圧Ｖｌａに応じたランプ電流Ｉｌａを供給する。ここで、安定器１は始動後の最小ランプ電圧相当値Ｖｍｉｎ’を読込む。この時、ランプ内部に不純ガスが多く含まれたランプほど、Ｖｍｉｎ’の値が大きくなる。読込んだＶｍｉｎ’の値をインバータ制御部７内部の閾値Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２（Ｖｒｅｆ１＞Ｖｒｅｆ２）と比較する。その結果、Ｖｍｉｎ’≧Ｖｒｅｆ１の場合には、その後の出力特性として電力カーブＷ１を再設定する。Ｖｒｅｆ２≦Ｖｍｉｎ’＜Ｖｒｅｆ１の場合にはその後の出力特性として電力カーブＷ２を再設定する。Ｖｍｉｎ’＜Ｖｒｅｆ２の場合にはその後の出力特性として電力カーブＷ３を再設定する。

その結果、定格ランプ電圧に至るまで、不純ガスが多く含まれたランプには多くの電力が供給され、アーク放電を安定に維持することができ、含まれる不純ガスが少ないランプには電力の供給を抑えることで電極に対して過大なストレスを与え続けることを回避することが可能となった。

（実施形態３）
次に本発明の実施形態３を説明する。基本的な回路構成は実施形態２と同じであるが、本実施形態３では、ランプ始動後の低ランプ電圧領域における電力カーブの初期値として、図３において最も出力が小さくなるＷ３が選択されている。読込んだＶｍｉｎ’の値をインバータ制御部７内部の閾値Ｖｒｅｆ３，Ｖｒｅｆ４（Ｖｒｅｆ３＞Ｖｒｅｆ４）と比較する。その結果、Ｖｍｉｎ’≧Ｖｒｅｆ３の場合には、その後の出力特性として電力カーブＷ１を再設定する。Ｖｒｅｆ４≦Ｖｍｉｎ’＜Ｖｒｅｆ３の場合にはその後の出力特性として電力カーブＷ２を再設定する。Ｖｍｉｎ’＜Ｖｒｅｆ４の場合にはその後の出力特性として電力カーブＷ３を再設定する。

実施形態１においては、電力カーブの初期値として最も出力の大きいＷ１を選択しているため、Ｖｍｉｎ’を読込んで電力カーブを再設定するまでの期間はランプに大きな電力が投入されることとなる。例えば、不純ガスが多く含まれるランプが市場に提供される確率が低い場合、不純ガスの少ないランプに対して始動の度に過大な電力が供給されることとなる。そこで、電力カーブの初期値を最も出力の小さいＷ３にする。これにより市場投入される大部分の不純ガスの少ないランプに対して過大な電力を供給することを回避できる。この場合、低い確率ではあるが市場において不純ガスの多く含まれたランプと組み合わされて使用される可能性がある。その場合、ランプ始動直後の電力供給が少ないので、Ｖｍｉｎ’を読込み、電力カーブを再設定する前にランプがアーク放電を維持しきれず立消えを起こす可能性がある。ランプ始動直後に立消えが発生した場合には、インバータ制御部７が立消えを認識し、電力カーブの初期値を最も出力の大きいＷ１に再設定する。その後、再度ランプを始動させることで始動直後の立消えが続くことを回避できる。

（実施形態４）
図６は本発明の高圧放電灯点灯装置を用いた照明器具の構成例を示す。（ａ）、（ｂ）はそれぞれスポットライトにＨＩＤランプを用いた例、（ｃ）はダウンライトにＨＩＤランプを用いた例であり、図中、１は点灯装置の回路を格納した安定器、１１は高圧放電灯、１２は高圧放電灯を装着した灯体、１３は配線である。これらの照明器具を複数組み合わせて照明システムを構築しても良い。これらの点灯装置として前述の実施形態１〜３のいずれかの高圧放電灯点灯装置を用いることで、ランプに含まれる不純ガスが多く始動後のアーク放電維持が不安定なランプにおいても立消えを起こさず安定点灯させることができる。また、ランプに含まれる不純ガスが少なく始動直後のランプ電力を多く必要としないランプにおいても過大な電力が供給されない利点がある。

本発明の実施形態１に用いる電力カーブを示す特性図である。 本発明の実施形態２及び３の回路図である。 本発明の実施形態２及び３に用いる電力カーブを示す特性図である。 本発明の実施形態２及び３に用いる最小ランプ電圧検出回路の構成を示す回路図である。 本発明の実施形態２及び３におけるアーク放電移行後の降圧チョッパ回路の出力電圧の変移を示す説明図である。 本発明の実施形態４の照明器具の外観を示す斜視図である。

符号の説明

１ 安定器
２ 直流電源回路部
３ インバータ回路部
７ インバータ制御部
１１ 高圧放電灯

Claims (4)

1. 高圧放電灯の定格ランプ電圧範囲に対して一定電力を供給するための一つの出力電力特性カーブを備えると共に、定格ランプ電圧範囲までのランプ電圧に対しては複数の出力電力特性カーブを備え、高圧放電灯の始動後、初期設定された出力電力特性カーブに基づいて高圧放電灯にランプ電力を供給した際に、アーク放電移行後の最小ランプ電圧または最小ランプ電圧を含んだ所定期間の最小ランプ電圧相当値を検出する最小ランプ電圧検出手段を備え、所定の最小ランプ電圧範囲において、前記最小ランプ電圧検出手段が検出した最小ランプ電圧または最小ランプ電圧相当値が大きい程、前記複数の出力電力特性カーブから大きな出力電力特性カーブを再設定し、その後の電力制御を行うことを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
2. 請求項１において、高圧放電灯を始動後にランプ電力を供給する初期設定された出力電力特性カーブとは、前記定格ランプ電圧範囲までの複数の出力電力特性カーブにおいて、最小ランプ電圧または最小ランプ電圧相当値が所定の最小ランプ電圧範囲における最大値であった際に再設定される出力電力特性カーブであることを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
3. 請求項１において、高圧放電灯を始動後にランプ電力を供給する初期設定された出力電力特性カーブとは、前記定格ランプ電圧範囲までの複数の出力電力特性カーブにおいて、最小ランプ電圧または最小ランプ電圧相当値が所定の最小ランプ電圧範囲における最大値であった際に再設定される出力電力特性カーブ以外のものであり、ランプ始動後に立ち消えが発生した際には、初期設定された出力電力特性カーブを、前記定格ランプ電圧範囲までの複数の出力電力特性カーブにおいて、最小ランプ電圧または最小ランプ電圧相当値が所定の最小ランプ電圧範囲における最大値であった際に、選択される出力電力特性カーブに再設定した後に、再度ランプを始動させることを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の高圧放電灯点灯装置を搭載した照明器具。

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