JP4971739B2 - 無電極放電灯点灯装置及びその照明器具 - Google Patents

Description

本発明は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。

第１の従来例として特開２００５−１５８４６４号公報に示される無電極放電灯点灯装置がある。これは、共振回路を有する電力変換回路の出力を無電極放電灯に近接する誘導コイルに供給するものであり、図１４に示すように、動作周波数ｆｉｎｖが徐々に減少して始動周波数ｆｍに達すると、電力変換回路の出力電圧Ｖｘが始動電圧に達し、無電極放電灯が点灯して共振特性が曲線イから曲線ロへ変化することで出力電圧Ｖｘが下降する。さらに無電極放電灯が点灯した後も動作周波数ｆｉｎｖは始動終了周波数ｆｅまで減少し、その後、動作周波数ｆｉｎｖは電力変換回路の共振電流が無電極放電灯の定格点灯時における所望のレベルになるように制御されて周波数ｆｘに落ち着く。即ち、電力変換回路の出力は所定動作周波数での連続発振動作を行っている。

第２の従来例として特開２０００−３５３６００号公報に示される無電極放電灯点灯装置がある。これは、図１５のように、無電極放電灯に近接する誘導コイルの両端電圧Ｖｃｏｉｌの振幅を間欠的に変化させ、期間Ｔｏｎでは無電極放電灯をターンオンして点灯させ、期間Ｔｏｆｆでは誘導コイルの両端電圧を点灯維持電圧未満となるようにし、かつ誘導コイルの両端電圧をゼロにしないことで無電極放電灯をターンオフさせて消灯させ、一周期Ｔにおける期間Ｔｏｎと期間Ｔｏｆｆの時間比率により無電極放電灯の点滅動作を行い、所望の出力を得ている。

第３の従来例である特開２００６−１５５９６３号公報に示されるように、無電極放電灯点灯時のプラズマ抵抗Ｒｃと誘導コイルへの入力電力Ｐとの間には、Ｒｃ＝２．０×１０⁶ ×Ｐ^-1.8 のような関係がある。
特開２００５−１５８４６４号公報 特開２０００−３５３６００号公報 特開２００６−１５５９６３号公報

従来では無電極放電灯は電力変換回路の動作周波数として１３．５６ＭＨｚ（ＩＳＭバンド）に代表される数ＭＨｚ〜数百ＭＨｚの高周波が用いられていたが、近年、装置の小型化、低コスト化のため数十ｋＨｚ〜数百ｋＨｚでの商品開発及び研究が行われている。

第１の従来例のように、電力変換回路の出力が所定動作周波数での連続動作を行う場合、動作周波数の低周波化により、電力変換回路のスイッチング素子から共振回路を含む負荷側を見たＱが高いことで、部品定数のばらつきや、無電極放電灯の周囲に金属筐体が近接した場合や周囲温度変化により生じる共振回路の共振周波数ずれ等による電力変換回路出力ヘの影響がより大きくなり、無電極放電灯の点灯が不安定になったり、点灯維持電力を下回ることがあれば立ち消えが発生する等の問題があった。なお、Ｑが高いことは電力変換回路の出力が誘導コイルによるインダクタ負荷であること等が原因であり、従って例えば有電極の蛍光灯負荷と比較してもＱが高くなるのである。また言い換えれば、安定点灯できる動作周波数の範囲が例えば有電極の蛍光灯負荷と比較して狭いのである。

また、第３の従来例である特開２００６−１５５９６３号公報に示されるように、無電極放電灯点灯時のプラズマ抵抗Ｒｃと誘導コイルへの入力電力Ｐとの間には、Ｒｃ＝２．０×１０⁶ ×Ｐ^-1.8 のような関係がある。即ち無電極放電灯が特に低出力の場合には、プラズマ抵抗Ｒｃが増大し、負荷インピーダンスの影響を受けやすくなるため、さらに無電極放電灯の点灯が不安定になったり、立ち消えが発生しやすくなる、という問題があった。

さらに、第２の従来例のように点滅動作を行う場合においても、調光点灯時は点滅動作をするものの、全点灯時（即ち定格点灯時）では通常、第１の従来例のように電力変換回路の出力が所定動作周波数での連続発振動作となっており、特に定格点灯時、低周波では上述のような立ち消えが発生する、という問題があった。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、その目的は数十ｋＨｚ〜数百ｋＨｚといった比較的に低い高周波電力で動作する無電極放電灯の点灯を安定させ、立ち消えを抑制することである。

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、直流電源Ｅからの電力供給を受け高周波電圧を出力する少なくともスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４と共振回路を含む電力変換回路９と、前記電力変換回路９の出力端に接続され、バルブ内に放電ガスを封入した無電極放電灯６に近接配置される誘導コイル５と、前記電力変換回路９における動作周波数可変により前記無電極放電灯６を点滅動作させ、その点灯、消灯のデューティに応じて所定の電力を出力する周波数制御回路を有する無電極放電灯点灯装置において、ＰＷＭ信号を前記周波数制御回路に入力するＰＷＭ発振回路１３を有し、前記無電極放電灯６の定格出力時において前記点滅動作を維持し、前記点滅動作における点灯期間の前記動作周波数は、前記共振回路の共振周波数近傍に設定し、前記周波数制御回路は、前記動作周波数可変の際にスイープを行い、前記無電極放電灯６の点弧始動時及び再点弧始動時に前記誘導コイル５に発生する電圧を徐々に増加させることを特徴とするものである。

本発明によれば、ＰＷＭ信号を周波数制御回路に入力するＰＷＭ発振回路を備え、無電極放電灯の定格点灯時において点滅動作を維持し、点滅動作における点灯期間の動作周波数は、共振回路の共振周波数近傍に設定し、周波数制御回路は、動作周波数可変の際にスイープを行い、無電極放電灯の点弧始動時及び再点弧始動時に誘導コイルに発生する電圧を徐々に増加させるので、数十ｋＨｚ〜数百ｋＨｚといった低周波数で動作する無電極放電灯の点灯を安定させ、立ち消えを抑制可能な無電極放電灯点灯装置を提供することができる。

以下、本発明を実施するための形態について説明するが、後述の実施形態２、３が請求項１、２の構成にそれぞれ対応しており、実施形態１は前提となる構成として説明する。
（実施形態１）
本発明の実施形態１の構成を図１に示す。交流電源ＡＣからの電力供給を受けて、直流電圧ＶＤＣを出力する直流電源Ｅと、直流電源Ｅからの電力供給を受けて高周波電圧Ｖｃｏｉｌを出力する電力変換回路９と、電力変換回路９を駆動するドライブ回路１１と、電力変換回路９の出力に接続される誘導コイル５と、誘導コイル５に近接配置される無電極放電灯６から構成され、無電極放電灯６は照明器具（図１２、図１３参照）に搭載される。またこれらのうち直流電源Ｅ、電力変換回路９、ドライブ回路１１及びＰＷＭ発振回路１３等により点灯回路１が構成される。

無電極放電灯６は、透明な球状のガラスバルブまたは内面に蛍光体が塗布された球状のガラスバルブ内に不活性ガス・金属蒸気等の放電ガス（例えば、水銀及び希ガス）が封入されている。

直流電源Ｅは、整流用ダイオードブリッジ１０とスイッチング素子Ｑ６、インダクタＬ１０、ダイオードＤ１０、制御回路２及び平滑用コンデンサＣ１０からなる昇圧チョッパ回路で構成される。

電力変換回路９は、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４、インダクタＬｓ、コンデンサＣｐ、Ｃｓから構成されており、誘導コイル５に対して数十ｋＨｚから数百ｋＨｚの高周波電流を流すことにより、誘導コイル５に高周波電磁界を発生させて無電極放電灯６に高周波電力を供給する。これに応じて、無電極放電灯６内に高周波プラズマ電流を発生させて紫外線もしくは可視光を発生させるようになっている。

ドライブ回路１１は、図２に示すように定電圧源Ｅｓ、電圧制御発振器ＶＣＯ、抵抗Ｒ１０，Ｒ１１で構成される。電圧制御発振器ＶＣＯの入力端子ＶＩには、定電圧源Ｅｓの出力電圧が抵抗Ｒ１０，Ｒ１１で分圧されて与えられており、その分圧点からのシンク電流Ｉｖｐに応じて電圧が変化する。従って電圧制御発振器ＶＣＯの入力端子ＶＩにはシンク電流Ｉｖｐに応じた電圧が入力され、電圧制御発振器ＶＣＯはそれに応じた動作周波数ｆｉｎｖでＨｏｕｔ端子とＨ−ＧＮＤ端子間、Ｌｏｕｔ端子とＬ−ＧＮＤ端子間に、相互に位相が略１８０°ずれたスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４に対する略矩形波状の駆動信号を出力する。なお、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４としてＦＥＴを例示しているが、これに限定されるものではない。

ＰＷＭ発振回路１３は、ある周波数ｆｐｗｍのオン、オフの繰り返しであるＰＷＭ信号（電圧Ｖｐｗｍ）を発生し、そのデューティ（時間比率）は所定値に設定され、ＰＷＭ発振回路１３の出力は抵抗、ダイオードを介してドライブ回路１１に接続され、ＰＷＭ信号に応じてシンク電流Ｉｖｐを変化させ、動作周波数ｆｉｎｖを可変する。

本実施形態の動作について図３〜図５を参照しながら説明する。いま、ドライブ回路１１において電圧制御発振器ＶＣＯの入力端子ＶＩの電圧と動作周波数ｆｉｎｖの関係は図３のように設定されているものとする。図４は、電力変換回路９の始動時の共振曲線イと点灯時の共振曲線ロを示す。

ＰＷＭ信号ＶｐｗｍがＬレベルの時は動作周波数ｆｉｎｖ＝ｆｓ、Ｈレベルの時は動作周波数ｆｉｎｖ＝ｆｅ（＜ｆｓ）となり、周波数ｆｅは無電極放電灯６の点弧始動に充分な高周波電圧Ｖｃｏｉｌが発生できる程度に、電力変換回路９の共振周波数付近に設定され、周波数ｆｓは無電極放電灯６が点灯維持できない程度の高周波電圧Ｖｃｏｉｌが発生するように設定される。

図５に示すように、時間ｔ＝ｔ１でＶｐｗｍ＝Ｈとすることで、高周波電圧Ｖｃｏｉｌが増大し、時間ｔ＝ｔ２で無電極放電灯６が初期点弧始動を行うことで点灯する。また、時間ｔ＝ｔ３でＶｐｗｍ＝Ｌとすることで、高周波電圧Ｖｃｏｉｌが減少し、無電極放電灯６が消灯する。さらに、時間ｔ＝ｔ４でＶｐｗｍ＝Ｈとすることで高周波電圧Ｖｃｏｉｌが増大し、時間ｔ＝ｔ５で無電極放電灯６が再点弧始動を行うことで点灯し、時間ｔ＝ｔ６でＶｐｗｍ＝Ｌとすることで、高周波電圧Ｖｃｏｉｌが減少し、無電極放電灯６が消灯する。

ここで、図５に示すように、初期点弧始動時の最高電圧Ｖｃｏｉｌ＝Ｖｉｇｎ１に対して再点弧始動時の最高電圧Ｖｃｏｉｌ＝Ｖｉｇｎ２は小さくなるが、これは無電極放電灯６に残留するイオンの存在のためである。

以降、ＰＷＭ信号に応じてこれらの一連の動作を繰り返し行うことにより無電極放電灯６の点滅動作が可能となり、ＰＷＭ信号ＶｐｗｍのＯＮデューティを可変することにより、無電極放電灯６の出力を所定値に設定可能となる。

なお、動作周波数ｆｉｎｖは装置の低コスト化のため、数十ｋＨｚ〜数百ｋＨｚとし、点滅動作の周波数ｆｐｗｍは人間の目にちらつき感を与えないよう、１００Ｈｚ〜数ｋＨｚに設定される。

本発明で注目すべき点は、点滅動作時における点灯期間の動作周波数ｆｉｎｖである周波数ｆｅは電力変換回路９の共振周波数付近に設定されることであり、無電極放電灯６が再点弧始動を行った後の動作点は、点灯時における曲線ロ（図４）のピーク付近となるため、部品定数のばらつきや、無電極放電灯の周囲に金属筐体が近接した場合や周囲温度変化により生じる共振回路の共振周波数ずれ等による電力変換回路９の出力への影響が小さくなり、無電極放電灯の点灯が不安定になったり、立ち消えしたりすることが抑制できるという効果がある。

さらに注目すべき点は、無電極放電灯６の定格点灯時においても点滅動作を維持していることであり、前述の第１の従来例（特開２００５−１５８４６４号公報）のように、電力変換回路９の出力が所定動作周波数での連続動作である場合と比較して、動作周波数ｆｉｎｖ（＝ｆｅ）は、より電力変換回路９の共振周波数に近づくように設定可能であるため、同様にして無電極放電灯の点灯が不安定になったり、立ち消えしたりすることが抑制できるという効果がある。

また、ＰＷＭ発振回路１３は点灯回路１に内蔵されるため、従来のように外部より信号線を経由してＰＷＭ信号を導入する場合と比較して、信号線を介して発生する雑音を低減でき、また逆に外部からの雑音誘導を抑制でき、安定動作ができるという効果がある。

（実施形態２）
図６に本発明の実施形態２の回路構成を示す。実施形態１と同一の構成、動作及び効果については説明を省略する。実施形態１（図１）との相違点は、始動スイープ回路１２を有することであり、始動スイープ回路１２はＰＷＭ発振回路１３からのＰＷＭ信号を受けて動作周波数ｆｉｎｖのスイープを行い、誘導コイル５に発生する電圧Ｖｃｏｉｌを所定の速度で徐々に増加させ、無電極放電灯６の点弧始動、再点弧始動を行うことが可能となる。始動スイープ回路１２は直流電圧Ｅ１、オペアンプＱ８、抵抗Ｒ１、コンデンサＣ１からなる積分回路、コンデンサＣ１の電荷放電のためのスイッチング素子Ｑ７、抵抗Ｒ２，Ｒ３等から構成される。

始動スイープ回路１２の動作について説明すると、ＰＷＭ信号Ｖｐｗｍがスイッチング素子Ｑ７の制御端子に入力され、スイッチング素子Ｑ７がＯＮ→ＯＦＦに変化すると、直流電圧Ｅ１からの電力供給を受けて抵抗Ｒ１を介してコンデンサＣ１を充電し、コンデンサＣ１の両端電圧ＶＣ１をオペアンプＱ８の非反転入力端子に印加し、その出力である制御電圧Ｖｆを抵抗Ｒ４、ダイオードＤ４を介してドライブ回路１１に出力する。その結果、抵抗Ｒ１、コンデンサＣ１より決定される時定数τ＝τ１〔＝Ｃ１×Ｒ１〕に応じて動作周波数ｆｉｎｖは周波数ｆｓから周波数ｆｅまで徐々にスイープする。図３の関係を考慮すると、動作周波数ｆｉｎｖは減少方向にスイープすることとなり、電力変換回路９の共振曲線が図７であるとすると、スイープに応じて誘導コイル電圧Ｖｃｏｉｌが増加し、無電極放電灯６の点弧始動が可能となる。

一方、スイッチング素子Ｑ７がＯＦＦ→ＯＮに変化すると、コンデンサＣ１の電荷が抵抗Ｒ３、スイッチング素子Ｑ７を介して放電され、コンデンサＣ１の両端電圧ＶＣ１のレベルは抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２//Ｒ３の分圧で決定され、誘導コイル電圧Ｖｃｏｉｌ＝Ｖｓｔ１となり、誘導コイル電圧Ｖｃｏｉｌが減少するので、無電極放電灯６の点灯維持に必要な電圧より下回ることで消灯する。

従って、ＰＷＭ信号Ｖｐｗｍにより周期的にＯＮ、ＯＦＦを繰り返すことにより点滅動作が可能となり、ＰＷＭ信号ＶｐｗｍのＯＮデューティを可変することにより、無電極放電灯６に対する平均的な電力が連続点灯時よりも低くなり、その結果、無電極放電灯６の出力が可変となり、ＰＷＭ信号ＶｐｗｍのＯＮデューティを可変することにより、無電極放電灯６の出力を所定値に設定可能となる。

本発明で注目すべき点は、点滅動作における点灯期間の動作周波数ｆｉｎｖ＝ｆｅを、電力変換回路９の共振周波数により近づけられることである。なぜなら、実施形態１の場合では周波数ｆｓからｆｅに急激に変化させているが、動作周波数ｆｉｎｖ＝ｆｅに近づくほど点弧始動時、再点弧始動時における電力変換回路９の出力インピーダンスはゼロに近づくため、最高電圧である誘導コイル電圧Ｖｃｏｉｌ＝Ｖｉｇｎ１、Ｖｉｇｎ２は、オーバーシュート、振動等により過大となり、不安定動作となる可能性があり、近づけすぎることは好ましくないためである。

一方、本実施形態の場合、始動スイープ回路１２の働きにより誘導コイル５に発生する電圧Ｖｃｏｉｌを所定の速度で徐々に増加させることができるため、終点の周波数ｆｅに適するまでのある周波数ｆｍで無電極放電灯６の点弧始動、再点弧始動を行うことができ（図７、図８参照）、周波数ｆｅを電力変換回路９の共振周波数により近づけたとしても、誘導コイル電圧Ｖｃｏｉｌが不安定となることはない。即ち、周波数ｆｅを電力変換回路９の共振周波数により近づけられることで、無電極放電灯の点灯が不安定になったり、立ち消えしたりすることがより抑制できるという効果がある。

（実施形態３）
図９に本発明の実施形態３の回路構成を示す。実施形態２と同一の構成、動作及び効果については説明を省略する。実施形態２との相違点は、始動スイープ回路１２とは別の始動スイープ回路１４を有し、初期点弧始動時のスイープは始動スイープ回路１２により行われ、再点弧始動時のスイープは始動スイープ回路１４により行われることである。

図９、図１０を参照して動作を説明する。始動スイープ回路１２は初期点弧始動時のみ発生する始動制御信号Ｖｔを受けて動作し、始動スイープ回路１４はＰＷＭ発振回路１３からのＰＷＭ信号を受けて動作する。始動スイープ回路１４はコンデンサＣ２、抵抗Ｒ５、スイッチング素子Ｑ８から構成される。

始動スイープ回路１４の動作について説明すると、ＰＷＭ信号Ｖｐｗｍがスイッチング素子Ｑ８の制御端子に入力され、スイッチング素子Ｑ８がＯＮ→ＯＦＦに変化すると、シンク電流Ｉｖｐの供給を受けてコンデンサＣ２を充電し、一方、スイッチング素子Ｑ８がＯＦＦ→ＯＮに変化すると、コンデンサＣ２の電荷が抵抗Ｒ５、スイッチング素子Ｑ８を介して放電され、始動スイープ回路１２と同様に周波数ｆｓ〜ｆｅのスイープが行われる。

なお、始動制御信号ＶｔとＰＷＭ信号ＶｐｗｍのＨレベルとなるタイミングが干渉しないように制御されており、始動スイープ回路１２、１４側に流れ込むシンク電流をそれぞれＩｓ、Ｉｐとすると、初期点弧始動時はシンク電流Ｉｖｐ＝Ｉｓ、再点弧始動時はシンク電流Ｉｖｐ＝Ｉｐとなる。

本実施形態で注目すべき点は、初期点弧始動時と再点弧始動時とで別々の始動スイープ回路１２、１４を用いることで、スイープの速度を個別に設定できることである。

特に初期点弧始動時では再点弧始動時と比較して、無電極放電灯６の始動に必要な印加エネルギーは大きくなるため、最高電圧である誘導コイル電圧Ｖｃｏｉｌ＝Ｖｉｇｎ１は大きくなりがちとなる。よって出来るだけスイープ速度は遅くして誘導コイル電圧Ｖｃｏｉｌを低減して回路ストレスを低減することが望ましい。

一方、図１１に示すように点灯期間Ｔｏｎの内、再点弧始動期間をＴ１、点灯後の期間をＴ２とすると、
（再点弧始動占有率）＝Ｔ１／（Ｔ１＋Ｔ２）×１００（％）
と表わされる。この再点弧始動占有率は安定して点滅動作が行えるかどうかの重要なファクターでもあり、スイープ時間が長くなり、この割合が大きすぎると、例えば無電極放電灯６の周囲温度変化、金属筐体接近等による影響で、再点弧始動期間Ｔ１の変動に対する無電極放電灯６の出力変化が大きく、場合によっては不安定点灯、立ち消えの可能性がある。従って、あまりスイープ速度を遅くすることは望ましくない。

このような観点から、本実施形態のように両者のスイープの速度を個別に設定することで、初期点弧始動時の誘導コイル電圧Ｖｃｏｉｌのストレスを小さくしたまま、安定した立消えのない再点弧始動動作を行うことができる、という効果がある。

なお、本実施形態では、ばらつき要因があっても安定動作させるため再点弧始動時のスイープ速度を、検討により（再点弧始動占有率）＜５０％となるよう設定する。

（実施形態４）
上述の実施形態１〜３の無電極放電灯点灯装置は、例えば、図１２の街路灯１５、図１３の防犯灯１６、あるいはダウンライト（図示せず）等の照明器具に広く用いることができ、上述の各実施形態で述べたのと同様の効果が得られる。

本発明の実施形態１の全体構成を示す回路図である。 本発明の実施形態１の要部構成を示す回路図である。 本発明の実施形態１の動作を示す特性図である。 本発明の実施形態１の共振特性を示す特性図である。 本発明の実施形態１の動作波形図である。 本発明の実施形態２の回路図である。 本発明の実施形態２の共振特性を示す特性図である。 本発明の実施形態３の動作波形図である。 本発明の実施形態３の回路図である。 本発明の実施形態３の動作波形図である。 本発明の実施形態３の動作波形図である。 本発明の実施形態４の街路灯の一部破断せる正面図である。 本発明の実施形態４の防犯灯の側面図である。 従来例の共振特性を示す特性図である。 従来例の動作波形図である。

符号の説明

１ 点灯回路
５ 誘導コイル
６ 無電極放電灯
９ 電力変換回路
１３ ＰＷＭ発振回路
Ｅ 直流電源

Claims (4)

1. 直流電源からの電力供給を受け高周波電圧を出力する少なくともスイッチング素子と共振回路を含む電力変換回路と、
   前記電力変換回路の出力端に接続され、バルブ内に放電ガスを封入した無電極放電灯に近接配置される誘導コイルと、
   前記電力変換回路における動作周波数可変により前記無電極放電灯を点滅動作させ、その点灯、消灯のデューティに応じて所定の電力を出力する周波数制御回路を有する無電極放電灯点灯装置において、
   ＰＷＭ信号を前記周波数制御回路に入力するＰＷＭ発振回路を有し、
   前記無電極放電灯の定格出力時において前記点滅動作を維持し、
   前記点滅動作における点灯期間の前記動作周波数は、前記共振回路の共振周波数近傍に設定し、
   前記周波数制御回路は、前記動作周波数可変の際にスイープを行い、前記無電極放電灯の点弧始動時及び再点弧始動時に前記誘導コイルに発生する電圧を徐々に増加させることを特徴とする無電極放電灯点灯装置。
2. 前記周波数制御回路は、前記点弧始動時と再点弧始動時とで独立して前記スイープの速度設定を行うことを特徴とする請求項１に記載の無電極放電灯点灯装置。
3. 前記点滅動作における点灯期間のうち前記再点弧始動に要する時間の占有率は５０％より小さいことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の無電極放電灯点灯装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の無電極放電灯点灯装置を備えた照明器具。

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