JP5108405B2 - 放電灯点灯装置及び車載用照明器具 - Google Patents

Description

本発明は、光源として高輝度放電灯（ＨＩＤランプ）を用いた車両のヘッドライトやフォグライトに対応した放電灯点灯装置及びそれを用いた車載用照明器具に関するものである。

従来、特許文献１（特開平６−２４３９７９号公報）によれば、高輝度放電灯を電子回路を用いて安定に点灯させる放電灯点灯装置において、放電灯電圧を検知して、所定の閾値よりも高くなった場合に警告を発生する構成が提案されている。しかしながら、警告を発生するだけであり、点灯維持につながる制御は行えない。

また、特許文献２（特開平８−２８８０７７号公報）に開示された放電灯点灯装置では、寿命末期検出手段を持ち、寿命末期には起動時の出力電力を低減して寿命を長くするようにしている。この場合、起動時の動作を変えているが、安定点灯時の出力電力を変えて対応しようとはしていない。

なお、特許文献１，２において、放電灯はいずれも水銀が封入されたタイプの放電灯である。水銀がある場合とない場合とで、点灯の安定性能は異なり、水銀がない放電灯では点灯の安定性は低くなる。よって、無水銀タイプの放電灯を使用する点灯装置では、より点灯の安定性を上げないと、立ち消えが発生しやすくなるので、点灯維持能力の向上が求められる。
特開平６−２４３９７９号公報 特開平８−２８８０７７号公報

高輝度放電灯は、定電力制御をすることが一般的である。点灯時間が長い高輝度放電灯は電極が磨耗して電極間隔が広がり、放電灯電圧が高くなる。この場合、定電力制御をしていると放電灯電流が低くなり、点灯維持しづらくなる。

本発明は上述のような点に鑑みてなされたものであり、高輝度放電灯を定電力制御する放電灯点灯装置において、高輝度放電灯の放電灯電圧が高くなった場合にも点灯維持しやすくすることを課題とする。

請求項１の発明は、上記の課題を解決するために、図１に示すように、高輝度放電灯１０の電圧を検知する電圧検知部６ｂと、高輝度放電灯１０の電流を検知する電流検知部６ｃと、前記各検知部６ｂ，６ｃにより検知される電力を用いて高輝度放電灯１０の出力電力を定電力制御する定電力制御部（マイコン７）とを備えた放電灯点灯装置において、定電力制御部は、高輝度放電灯１０の安定点灯時の電圧が所定の閾値以上になると出力電力を安定点灯時に通常出力している定電力よりも高い定電力に設定し、高輝度放電灯１０の点灯中に立ち消えが発生し再点灯して安定点灯状態にする場合、立ち消え前の高輝度放電灯１０の点灯電圧が定格電圧よりも高い所定の閾値以上になっていた場合には、再始動時の安定点灯時の出力電力を通常出力している定電力よりも、はじめから高い定電力に設定することを特徴とするものである。

本願と別の参考例の発明は、高輝度放電灯の電圧を検知する電圧検知部と、高輝度放電灯の電流を検知する電流検知部と、前記各検知部により検知される電力を用いて高輝度放電灯の出力電力を制御する定電力制御部を備えた放電灯点灯装置において、高輝度放電灯の安定点灯時の電圧が所定の閾値以上になると、出力電力を安定点灯時に通常出力している電力よりも高く設定し、高輝度放電灯の電圧を検知する電圧検知部により検知された放電灯の電圧が定格電圧よりも高い所定の閾値以上になる頻度を計測する手段を備え、前記定電力制御部は、計測された頻度に応じて安定点灯時の出力電力を通常出力している電力よりも高く設定することを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の放電灯点灯装置を備える車載用照明器具である。

請求項１の発明によれば、高輝度放電灯の安定点灯時の電圧が所定の閾値以上になると、出力電力を安定点灯時に通常出力している電力よりも高く設定するので、点灯維持性能が高くなり、高輝度放電灯の立ち消えを防止できる。また、高輝度放電灯の安定点灯時の電圧が所定の閾値未満であるときには、余分な出力電力を供給しないので、省電力である。

また、請求項１の発明によれば、高輝度放電灯が立ち消えと再点灯を繰り返すことを防止できる効果がある。

参考例の発明によれば、高輝度放電灯の安定点灯時の電圧が所定の閾値以上になると、出力電力を安定点灯時に通常出力している電力よりも高く設定するので、点灯維持性能が高くなり、高輝度放電灯の立ち消えを防止できる。また、高輝度放電灯の安定点灯時の電圧が所定の閾値未満であるときには、余分な出力電力を供給しないので、省電力である。さらに、高輝度放電灯の電圧が定格電圧よりも高い所定の閾値以上になる頻度に応じて安定点灯時の出力電力を通常出力している電力よりも高く設定することで、立ち消え防止可能な範囲内で出力電力を低減でき、過剰な電力消費を回避できる。

請求項２の発明によれば、放電灯が立ち消えしそうな場合には出力電力を高くすることで立ち消えを防止でき、且つ、通常動作時は省電力であることで車載用照明器具に用いた場合に燃費性能を改善できる効果がある。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１の回路図である。車載用のバッテリー等よりなる直流電源１と、直流電源１の電圧を昇降圧させるＤＣ−ＤＣコンバータ２と、昇降圧された直流電圧を矩形波に変換するＤＣ−ＡＣコンバータ３と、始動時に放電灯をブレイクダウンさせるためのパルスを発生させるために高電圧を発生させる高電圧回路４と、この高電圧を受けて放電灯をブレイクダウンさせるためのパルスを発生させると共にＤＣ−ＡＣコンバータ３の出力電力を放電灯に与えるイグナイタ回路５と、ＤＣ−ＤＣコンバータ２とＤＣ−ＡＣコンバータ３を制御する制御回路６及びマイコン７と、車両用前照灯となるＨＩＤランプ等よりなる放電灯１０から構成されている。

以下、それぞれの構成について説明する。まず、負荷である放電灯１０に電力を与える電力変換装置３０の構成について説明する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ２は、スイッチング素子２ａとトランス２ｂと整流用のダイオード２ｃと平滑用のコンデンサ２ｄとから構成されている。スイッチング素子２ａはＭＯＳＦＥＴ等よりなり、制御回路６のＰＷＭ制御信号により所定の周波数、所定のパルス幅でＯＮ・ＯＦＦ駆動される。スイッチング素子２ａのパルス幅をＰＷＭ制御することで、コンデンサ２ｄの出力電圧Ｖ２を昇降圧制御することができる。トランス２ｂは、１次、２次巻線構成になっていて、２次巻線は１次巻線に対して負電位出力になっている。なお、ここでは、フライバック型の昇降圧タイプのＤＣ−ＤＣコンバータを用いているが、ＤＣ−ＤＣコンバータで昇降圧タイプのものであれば、他の回路構成でも構わない。

ＤＣ−ＡＣコンバータ３は、４個のスイッチング素子によりフルブリッジ回路を構成したものであり、制御回路６のドライバ６ｄの出力により対角方向の２個のスイッチング素子をＯＮ、対角方向の他方の２個のスイッチング素子をＯＦＦさせることにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の直流出力電圧を低周波の矩形波電圧に変換して出力するものである。

高電圧回路４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２のトランス２ｂの２次巻線の出力をコッククロフト回路で整流・平滑することで高電圧を得ているが、要するに、始動時に放電灯をブレイクダウンさせるためのパルスを発生させるために高電圧を発生させる回路であれば、別の回路構成を用いても良い。

イグナイタ回路５は、高電圧パルス発生用のパルストランス５ａと、放電ギャップ５ｂと、高電圧パルス発生用のコンデンサ５ｃとから構成されている。無負荷時にイグナイタ回路５により高電圧パルスを発生させ、放電灯をブレイクダウンして点灯させる。具体的には、コンデンサ５ｃに溜められる電荷を放電ギャップ５ｂでショートするときに発生するトランス５ａの１次側のエネルギをトランス５ａの２次側から放電灯１０に高電圧のパルスとして印加させる。このイグナイタ回路５は放電灯が放電を開始した後は動作を停止する。なお、イグナイタ回路５の構成は図示された回路構成に限定されるものではなく、要するに無負荷時に放電灯をブレイクダウンして点灯させるための高電圧パルスを発生させることができれば良い。

高輝度放電灯が点灯していない状態から、点灯装置３０にコネクタ３１を介して直流電源１から電力が供給されるとＤＣ−ＤＣコンバータ２は動作を開始する。最初、高輝度放電灯１０は放電をしていない状態である。ＤＣ−ＤＣコンバータ２から高電圧回路４を通して高電圧を供給し、それを受けてイグナイタ回路５は高電圧パルスを発生させる。イグナイタ回路５によって高電圧パルスを発生し、高輝度放電灯１０の電極間を絶縁破壊させて放電を開始する。

放電灯１０は車両用前照灯の放電灯であり、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４タイプの放電灯は始動する前に電極間に約４００Ｖ前後の電圧を加えてから高電圧パルスを印加して電極間の放電を開始させる。

６は制御回路であり、７はマイコンである。制御回路６の機能はハードウェアにより実現されており、マイコン７の機能はソフトウェアにより実現されているが、制御回路６の機能の一部をソフトウェアで実現しても良いし、マイコン７の機能の一部をハードウェアで実現しても良い。

制御回路６は、電源電圧を検出する電圧検出回路６ａ、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧検出用のオペアンプ６ｂ、出力電流検出用のオペアンプ６ｃ、ＤＣ−ＡＣコンバータ３のフルブリッジ回路を構成する各スイッチング素子を制御するためのＤＣ−ＡＣコンバータドライバ６ｄ、ＤＣ−ＤＣコンバータ２のスイッチング素子２ａを制御するためのＰＷＭ制御回路（６ｅ〜６ｈ）などを備えている。

６ａはＤＣ−ＤＣコンバータ２の入力電圧Ｖ１を検出するための検出回路である。この検出回路６ａは、抵抗分圧回路などで構成できる。直流電源１から電力が供給されると、電圧検出回路６ａにより検出される電源電圧が点灯可能電圧に達したことをマイコン７が判断し、ＤＣ−ＤＣコンバータ２とＤＣ−ＡＣコンバータ３と高電圧回路４を動作開始させる。

６ｂはＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧検出用のオペアンプであり、例えば、コンデンサ２ｄの端子電圧を分圧抵抗により分圧したものを反転増幅することで、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧Ｖ２を検出している。ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧はグランドレベルに対して出力が負電位なので、分圧抵抗とオペアンプ６ｂによって−１／１００倍に電圧変換してマイコン７に入力すれば、ちょうど０〜５Ｖの間で検出が可能になる。

６ｃは出力電流検出用のオペアンプであり、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電流を検出してマイコン７に入力している。点灯時には、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電流Ｉ２により実質的に放電灯電流Ｉｌａを検出する。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧Ｖ２により、実質的に放電灯電圧Ｖｌａを検出する。さらに、これらの検出値ＩｌａとＶｌａに基づいてマイコン７の演算機能により放電灯電力Ｗｌａ（＝Ｉｌａ×Ｖｌａ）を検出できるようになっている。安定点灯を維持するために、動作中は放電灯電圧Ｖｌａと放電灯電流Ｉｌａを絶えず検出してフィードバックして安定点灯させている。ただし、極性反転直後は直前の検出値をサンプルホールドして用いることもある。

６ｄはＤＣ−ＡＣコンバータドライバで、最近は、ＤＣ−ＡＣコンバータとドライバを内蔵しているハイブリッドＩＣも開発されているため、それを用いても動作可能であるし、ハーフブリッジ用のハイサイドドライバＩＣなどを用いるのもひとつの方法である。ＩＲ製のハーフブリッジドライバＩＲ２１１１を２個もしくはＰｈｉｌｉｐｓ製ＵＢＡ２０３２ＴＳを１個用いることによってフルフリッジのドライブをすることが可能である。

６ｅ，６ｆ，６ｇ，６ｈはＰＷＭ信号生成回路で、６ｅはＡＮＤ回路、６ｆはラッチ回路、６ｇはコンパレータ、６ｈは電流検出回路である。マイコン７のＤＣ−ＤＣコンバータ高周波信号制御部７ｇからは、周波数固定のオン信号が出力される。このオン信号は、ラッチ回路６ｆのセット入力端子Ｓにも入力される。これにより、ラッチ回路６ｆの出力ＱがＨｉｇｈになる。ＡＮＤ回路６ｅにはＤＣ−ＤＣコンバータ高周波信号制御部７ｇからのオン信号と、ラッチ回路６ｆの出力Ｑとが入力されて、出力がＨｉｇｈになり、ＤＣ−ＤＣコンバータ２のスイッチング素子２ａをオンにする。

スイッチング素子２ａがオンになると、トランス２ｂの１次側に電流が流れ、電流検出回路６ｈにはトランス２ｂの１次側に流れる三角波（鋸歯状波）が発生する。この電流検出回路６ｈはＤＣ−ＤＣコンバータ２の１次側電流信号を検出し、スイッチング電流波形と相似した鋸歯状波の電圧信号を出力する検出回路であり、トランス２ｂの１次側のスイッチング素子２ａのＦＥＴがオンしているときのドレイン・ソース間抵抗Ｒｄｓ（ＯＮ）による電圧降下を検出する構成でも構わないが、ＮＥＣ製μＰＣ１５５５などを用いて発生させた三角波や鋸歯状波を出力するものでも構わない。

電流検出回路６ｈから出力された三角波（鋸歯状波）はコンパレータ６ｇに入力される。コンパレータ６ｇでは、マイコン７のＤＣ−ＤＣコンバータ出力指令値設定部７ｆの出力と、電流検出回路６ｈから出力された三角波（鋸歯状波）とを比較して、三角波（鋸歯状波）の方が高くなったら、ラッチ回路６ｆのリセット入力端子ＲにＨｉｇｈ信号を出力し、ラッチ回路６ｆをリセットする。ラッチ回路６ｆがリセットされると、ＡＮＤ回路６ｅの出力もＬｏｗになり、ＤＣ−ＤＣコンバータ２のスイッチング素子２ａはオフになる。ＤＣ−ＤＣコンバータ１次側の電流が遮断されると、電流検出回路６ｈから出力される三角波（鋸歯状波）信号もゼロになる。これにより、コンパレータ６ｇの出力はＬｏｗになるので、ラッチ回路６ｆのリセット入力端子ＲはＬｏｗレベルに戻るが、ラッチ回路６ｆの出力Ｑは、次にマイコン７からセット入力端子ＳにＬｏｗ→Ｈｉｇｈに変化する信号が入力されるまで、Ｌｏｗを維持する。

回路構成上、マイコン７のＤＣ−ＤＣコンバータ高周波信号制御部７ｇの信号はＡＮＤ回路６ｅに接続されているので、マイコン７からの信号によって直接オン・オフすることが可能になる。このような構成であれば、常にマイコン７によってスイッチング素子２ａのオン・オフを設定することが可能になる。

次に、マイコン７による制御の内容について説明する。図１の回路図では、マイコン７の処理内容を機能的にブロック化して図示しているが、実際には、プログラムによりシーケンシャルに個々の機能が実行される。

７ａは電源電圧監視用のＡ／Ｄ変換部であり、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の入力電圧を抵抗分圧したアナログ電圧をデジタル値に変換して入力する。このデジタル値が所定の電圧範囲内（例えば、９〜１６Ｖ）であれば、点灯可能と判断する。

７ｂは放電灯電圧監視用のＡ／Ｄ変換部であり、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧検出用のオペアンプ６ｂから出力されるアナログ電圧を受けて、これをデジタル値に変換する。

７ｃは放電灯電流監視用のＡ／Ｄ変換部であり、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電流検出用のオペアンプ６ｃから出力されるアナログ電圧を受けて、これをデジタル値に変換する。

なお、各Ａ／Ｄ変換部７ａ，７ｂ，７ｃは、１つのＡ／Ｄ変換器を複数のアナログ入力ポートに対して時分割的に振り分けて使用しても良い。

７ｇはＤＣ−ＤＣコンバータ高周波信号制御部であり、所定周波数（数十ＫＨｚ〜数百ＫＨｚ）の矩形波信号よりなる駆動信号を出力している。この駆動信号により、ＤＣ−ＤＣコンバータ２のスイッチング周波数が決定される。

また、ＤＣ−ＡＣコンバータ３の極性反転動作を制御するために、マイコン７には、ＤＣ−ＡＣコンバータ低周波信号制御部７ｄを設けてあり、対角方向の２個のスイッチング素子をＯＮ、対角方向の他方の２個のスイッチング素子をＯＦＦさせることにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の直流出力電圧を低周波の矩形波電圧に変換して出力するためのフルブリッジインバータ制御用の２信号を出力している。このフルブリッジインバータ制御用の２信号は、上述のＤＣ−ＡＣコンバータドライバ６ｄへ出力され、このドライバ６ｄからフルブリッジインバータの４個のスイッチング素子へドライブ信号が出力されている。

点灯直後は、ＤＣ−ＡＣコンバータ３の極性反転の周波数が低いＤＣフェーズと呼ばれる動作を行い、矩形波出力であっても半周期（直流動作時間）を長く設定することによって電極が温められて、電極の消耗を少なくすることによって電極寿命を長くさせるように動作する。また、点灯直後は放電灯の管温度が低いため、車両用として利用するために光束立ち上げを早めて、光の出力を早く立ち上げるための制御を行っている。

具体的には、放電を開始したら、初期光量を急速に立ち上げるために大電力を与えており、安定電力３５Ｗより高い最大７５Ｗの電力を数秒間印加する。高輝度放電灯１０は大電力を与えているにもかかわらず、最初の放電灯電圧は低い。安定するにつれて放電灯電圧は高くなっていく。通常、１分から２分ぐらい経過すると、放電灯電圧はある程度安定する。点灯装置は安定点灯状態に至るまで光の立上りを早めるために出力電力を高い電力から低い電力に徐々に変化させていく。安定点灯状態になったときには、定格出力電力に設定されて、制御部はその電力を出力するようにコントロールされる。

７ｅは電力指令値演算部であり、点灯してからの経過時間と前回消灯してからの経過時間をカウントしながら放電灯１０の状態に適した電力指令値を目標値として設定し、放電灯電圧・電流監視用のＡ／Ｄ変換部７ｂ、７ｃから入力された現状の放電灯電圧、放電灯電流を参照しながら、フィードバック制御により電力指令値を演算出力する。また、放電灯１０の状況からＤＣ−ＡＣコンバータ低周波信号制御部７ｄに極性反転の出力指令を与える。

７ｆはＤＣ−ＤＣコンバータ出力指令値設定部であり、出力指令値をＤ／Ａ変換して、コンパレータ６ｇに基準電圧として出力する。

ここで、電力指令値演算部７ｅの詳細な構成を図２、図３に示す。図２は従来の構成であり、図３は本発明の構成である。マイコン７による動作については図５、図６、図７、図８のフローチャートにて説明する。

図２の電力指令値演算部７ｅの構成について説明する。タイマー７ｅ１は放電灯が点灯してからの点灯時間をカウントしている。そのために、電源電圧監視用のＡ／Ｄ変換部７ａの出力により電源が投入されたかを判定し、また、放電灯電圧監視用のＡ／Ｄ変換部７ｂの出力により放電灯電圧を監視することにより、放電灯が点灯したかどうかを判別している。タイマー７ｅ１で得られた点灯時間の情報を電力指令値変換部７ｅ２に送り、点灯時間に応じた電力指令値を設定し、基準電流演算部７ｅ３に送る。基準電流演算部７ｅ３では、電力指令値を放電灯電圧値で割って、基準電流を作成して、誤差検出部７ｅ４に送る。誤差検出部７ｅ４は、放電灯電流監視用のＡ／Ｄ変換部７ｃで得られた放電灯電流と、基準電流演算部７ｅ３から出力される基準電流との差分を誤差信号として出力する。ＤＣ−ＤＣコンバータ出力指令値設定部７ｆでは、誤差信号の値に応じて、コンパレータ６ｇにアナログ出力を設定する。

図３の電力指令値演算部７ｅの構成について説明する。図３の構成では、図２の構成に比ベて、立消え防止部７ｅ５が追加されている。立消え防止部７ｅ５では、タイマー７ｅ１から放電灯点灯時間のデータを取得し、放電灯電圧監視用のＡ／Ｄ変換部７ａより放電灯電圧の値を取得し、放電灯電流監視用のＡ／Ｄ変換部７ｃから放電灯電流の値を取得している。タイマー７ｅ１の点灯時間データに基づいて安定点灯状態であることを確認し、また、放電灯電圧もしくは放電灯電流を監視して、所定の値の信号が入ったときに、電力指令値変換部７ｅ２に送り、電力指令値変換部７ｅ２は、立ち消え防止部７ｅ５より送られた情報に基づき電力指令値を高く設定する。

例えば、放電灯電圧を監視する場合について図４を用いて説明する。図４の（ａ）は安定点灯状態における放電灯電圧、（ｂ）は安定点灯状態における電力指令値である。点灯時間が経過するにつれて、電極が消耗し、電極間距離が広がることにより、寿命末期に近づくにつれて、安定点灯状態の放電灯電圧は高くなる。安定点灯状態の放電灯電圧が所定の電圧閾値を越えると、安定点灯状態における電力指令値を高くする。これにより、放電灯に注入される電力が増大するから、電極ロスも増加し、電極温度が上昇する。電極温度が上昇すると、電子の放射効率が改善され、点灯維持能力が改善される。これにより立ち消えを防止できる。

安定点灯状態か否かの判断は、上述のように、マイコンのタイマー機能を用いて点灯してからの経過時間を計測することによって判断できる。無水銀タイプのＤ４規格またはＤ３規格のランプでは、３５Ｗの定格電力のもので、およそ４０〜４５Ｖで安定する。水銀を含むＤ１規格またはＤ２規格のランプにくらべ、およそ半分の電圧である。

点灯時間が経過するにつれて電極が消耗され、放電長が長くなり、放電灯電圧も高くなる。寿命末期のランプの電圧はまちまちであるが、無水銀タイプのＤ４規格またはＤ３規格のランプでは、およそ５０Ｖ強ぐらいで寿命末期に近くなる。

電極の消耗が進むと立ち消えが起きやすくなる。ＤＣ−ＡＣコンバータ３によって矩形波点灯しているため、電流が２つの電極に対して交互に極性が反転するように流れている。点灯しづらくなるのは一方の極性に集中する傾向にある。その状態では、極性反転後に小規模な立ち消えが発生する。

この場合、放電灯電流はゼロに近づき、放電灯電圧が高くなる。放電灯電圧が高い状態が維持され続けると立ち消えてしまう。立ち消えが数マイクロ秒であれば問題ないが、矩形波点灯周波数は凡そ３００〜１０００Ｈｚのため、半周期で１〜１．６ｍｓなので、数百マイクロ秒も休止が続くと出力電圧も高くなる。

このような極性反転後の立ち消えは、すぐに目に見える立ち消えにはならないが、極性反転時に流れる電流の交互の極性で発生し始めると目に見える立ち消えに至りやすくなる。

そこで、ＤＣ−ＡＣコンバータ３の出力極性の切り替えで決まる放電灯に流れる電流の２方向のうち、どちらかもしくは両方に立ち消えが発生しつつある場合には、出力電力の指令値を定格出力電力の設定値よりも高く設定することによって点灯を維持することが可能になる。

すなわち、点灯維持性能を高めるためには、電極からの熱電子放射を促進することが有効であり、単純に電極の温度を上げることが必要になる。温度を上げるためには出力電力を増加して電極温度を高くすることが有効である。

以上のように、安定点灯時に放電灯電圧が高くなった場合に出力電力を、定格出力電力に近い範囲で少し高く設定することによって熱電子を放出させやすくなり、点灯維持性能が高くなる。

なお、点灯時間（使用時間）が短く、立ち消えが起きにくい放電灯（新品のランプなど）については通常の定格電力で点灯維持することによって、過剰な電力を注入することがなく、これによりトータルの寿命も長くなる。

以上の説明では、動作の概要をブロック図で示したが、ソフト上で詳細に動作を明確にする。

図５は、マイコン７の動作を示すフローチャートである。基本的に、初期設定ブロック、無負荷ブロック、点灯ブロック（異常処理ブロックを含む）からなる。

まず、初期設定ブロックについて説明する。処理２０ａ０では、リセット信号が入力され、メモリクリア、ポートの設定等、マイコンの基本的な初期設定を行う。処理２０ａ１では、電源電圧Ｖ１の判定をして、始動可能かどうかを確認する。電源電圧Ｖ１は例えば抵抗分圧によってマイコン７のＡ／Ｄ変換ポートに入力することによって検出可能であり、抵抗分圧された電源電圧Ｖ１をマイコンのＡ／Ｄ変換機能によってデジタル値に変換した後、マイコンの比較演算機能により始動可能下限電圧（例えば９Ｖ）、始動可能上限電圧（例えば１６Ｖ）との大小関係を比較判定することにより始動可能か否かを判定する。ここでは、９≦Ｖ１≦１６であれば「始動可能」と判定され、始動時間をカウントするタイマＴ１をカウントし始める（２０ａ２）。

次に、無負荷ブロックについて説明する。図６に無負荷ブロックの詳細を示してある。

処理２０ａ３では、点灯する前の無負荷出力動作の設定をする。具体的には、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧Ｖ２を無負荷二次電圧（例えば、４００Ｖ程度）となるように電圧を立ち上げる設定をすると共に、ＤＣ−ＡＣコンバータ３の極性反転周期を無負荷時に適した長い周期（または極性反転しない一定の電圧極性）に設定する。

処理２０ａ４では、無負荷動作時間を監視する。つまり、初期設定ブロックの処理２０ａ２でカウントし始めたタイマＴ１のカウント値が１秒以上となっているか否かを判定する。タイマＴ１のカウント値が１秒未満であれば、処理２０ａ５に移行して無負荷動作を継続する。また、無負荷動作を開始してから１秒以上が経過すると、処理２０ａ４から処理２０ａ２７へ移行して、永久停止する。

処理２０ａ５では、無負荷動作として出力電圧Ｖ２が上昇しているかどうかを確認する。これは点灯前に放電灯電極に高電圧（４００Ｖ程度）が印加されてから、パルス印加によってブレイクダウンして電圧Ｖ２が（数十Ｖ程度に）下がることになるため、まず、電圧Ｖ２が上がるかを確認する必要があるため設けられている。本当にオープン状態であればすぐに電圧Ｖ２が上昇する。これを検出するには、例えば、抵抗分圧を経てオペアンプ６ｂにより検出されたＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧Ｖ２をマイコン７のＡ／Ｄ変換機能によりデジタル値に変換し、４００［Ｖ］以上か否かを判定する。出力電圧Ｖ２が４００［Ｖ］未満であれば、処理２０ａ５から処理２０ａ３に戻って、無負荷動作を継続する。処理２０ａ４，２０ａ５はループになっていて、電圧Ｖ２が上がらないまま１秒が経過すると、タイムアウトで停止する。処理２０ａ５で出力電圧Ｖ２が４００［Ｖ］以上になれば、放電灯電極に高電圧が印加されていると考えられるから、処理２０ａ６に移行する。

無負荷二次電圧が上昇したら、放電灯がブレイクダウンをしたかどうかを、以下の処理にて判断する。

処理２０ａ６は、無負荷二次電圧が４００Ｖになった以降の出力設定をする。処理２０ａ３の出力設定と同じでも構わない。

処理２０ａ７は、無負荷動作時間の監視である。始動してから１秒後にまだオープン状態であれば、永久停止２０ａ２７へジャンプする。

処理２０ａ８では、パルス印加によって放電灯がブレイクダウンして電圧が下がり、点灯したことを確認する。出力電圧Ｖ２が２２０［Ｖ］以下になれば、放電灯は点灯したと判断して、次の点灯ブロックに移行する。一方、放電灯が点灯しない（出力電圧Ｖ２＞２２０［Ｖ］）のときは、処理２０ａ８から処理２０ａ６に戻って、無負荷動作を継続する。処理２０ａ７，２０ａ８はループになっていて、無負荷動作を開始してから１秒経過後にまだ出力電圧Ｖ２が２２０［Ｖ］より高ければ、タイムアウトで停止する。無負荷動作を開始してから１秒以内に点灯したら、点灯ブロックへ移行する。

図５に戻って、点灯ブロックでは、処理２０ａ１０で点灯タイマＴ２をカウント開始し、その後は、処理２０ａ１１〜処理２０ａ１６の点灯ループを繰り返す。

処理２０ａ１０では、点灯を開始したとき、点灯時間をカウントするタイマＴ２のカウントを開始する。安定点灯状態となる時間までカウントを継続し、安定点灯状態に達したときにはカウントを停止する。

処理２０ａ１１の点灯出力動作では、点灯時の出力電力を設定する。具体的には、検出されたＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧Ｖ２と出力電流より基準となる電力を演算し、図１のＤＣ−ＤＣコンバータ出力指令値設定部７ｆより出力指令値を出力する。ここでの出力電力の設定は、点灯タイマＴ２の計測時間に応じて始動初期には安定出力電力ＷＬＡよりも出力電力を増加させて光束の立上りを促進する処理をする。また、安定点灯状態では所定の安定出力電力ＷＬＡとなるように制御する。さらに、後述の安定点灯時出力電力アップのフラグが設定されている場合、ここで安定出力電力ＷＬＡを増加させて、出力電力を増加させる。

処理２０ａ１２では、低周波反転の判定を行う。所定の時間を経過した場合に極性反転処理に移行する。低周波経過時間タイマの計測時間を判定して所定の時間が経過していれば、処理２０ａ１６ヘ分岐する。経過していなければ、処理２０ａ１３ヘ分岐する。

処理２０ａ１６ではＤＣ−ＡＣコンバータ３の出力極性を反転させると共に、Ｓ＆Ｈタイマをリセットする。この処理２０ａ１６は各極性反転時に１回だけ実行する。

処理２０ａ１３のＳ＆Ｈタイマは、極性反転直後の電圧・電流の計測値をサンプルホールド（Ｓ＆Ｈ）する時間を計測するためのＳ＆Ｈタイマの経過時間を測定して、極性反転後、所定の時間が経過してなければ、処理２０ａ１４を飛ばす処理をする。極性反転直後は電流・電圧が安定しないからである。極性反転後、所定の時間が経過していれば、処理２０ａ１４の処理を行う。

異常処理ブロック２０ａ１５は図７にて説明する。

まず、処理２０ａ１７の立ち消え判定では、無負荷２次電圧が２２０Ｖより高くなったときに、立ち消えたと判定し、処理２０ａ２１にて出力停止処理をする。そうでなければ処理２０ａ１８に移行する。

立ち消えた後の処理は、処理２０ａ２１にてＤＣ−ＤＣコンバータ出力停止処理をする。処理２０ａ２２にて点灯時間計測タイマＴ１が３秒以上経過していたら、無負荷ブロックへ移行する。そうでなければ２０ａ２３で点灯時間計測タイマＴ１が１秒以上経過していれば処理２０ａ２７の永久停止処理にてストップする。そうでなければ処理２０ａ２４で停止処理して、初期設定ブロックの始動可能判定処理２０ａ１へ移行する。

放電灯が立ち消えても、点灯してから１秒以上３秒以内であれば永久停止をすることで、連続して立ち消えして点滅が持続するのを防ぐように設定してある。

処理２０ａ１８では、負荷が短絡しているかどうかの判断をする。放電灯電圧Ｖ２が２０Ｖより高ければ、短絡時間をカウン卜するタイマＴ３をリセットして２０ａ１９へ移行する。そうでなければ処理２０ａ２５でタイマＴ３をカウントアップして、処理２０ａ２６にてタイマＴ３が１秒より長く経過したら処理２０ａ２７の永久停止に移行する。そうでなければ点灯ループへもどる。

処理２０ａ１９と処理２０ａ２０は点灯維持に必要な電源電圧Ｖ１の上限と下限を判定する。車両用の１２Ｖ系のバッテリーであれば、下限６Ｖから上限２０Ｖの間であれば、点灯ループの処理２０ａ１１へと移行する。それ以外の電圧であれば、処理２０ａ２４にて停止処理して、初期設定ブロックの始動可能判定処理２０ａ１へと移行し、始動可能電圧になるまで待つ状態になる。

図５の処理２０ａ１４では、極性反転立消え判定処理をする。図８にて詳細を説明する。

処理２０ａ２８は放電灯電圧ＶＬＡが高くなっているかどうかを設定されている閾値と比べて判定する。放電灯電圧ＶＬＡが閾値より高ければ処理２０ａ２９へ移行して出力電力の指令値を高くする。放電灯電圧ＶＬＡが閾値より低ければ処理２０ａ３０へ移行して出力電力の指令値を維持するように、出力電力の指令値を設定する。最終的に設定された出力電力は、点灯ループの点灯出力動作の処理２０ａ１１にて出力電力の指令値として使用される。

点灯してから放電灯電圧ＶＬＡは始動時から安定時にかけて低い状態から高い状態に変化して、やがて安定する。無水銀ランプでも有水銀ランプでもこの動作は変わらない。安定時に異常な状態、つまり規模の小さいものから人間の目で分かるぐらいのちらつきが発生した場合は、放電灯電圧ＶＬＡが上下する。有水銀の放電灯は定格電圧が８５Ｖであり、定格を超える高い電圧は１１０Ｖぐらいの検出値が多くなると立ち消えが目立ってくる。よって、放電灯電圧ＶＬＡの判定の閾値としては有水銀の放電灯では１１０Ｖよりも少し低い電圧、つまり１０５Ｖ程度に設定すれば、寿命末期に放電灯電圧ＶＬＡが高くなると、あらかじめ電力を高くすることで点灯維持能力を高くすることが可能になる。これにより、放電灯の立ち消えが目立たなくなる効果がある。

無水銀ランプであれば、定格電圧が４０〜４５Ｖであり、寿命末期であれば放電灯電圧ＶＬＡは５５Ｖ前後にも至る。そこで、無水銀の放電灯では、寿命末期になる５５Ｖ付近に放電灯電圧ＶＬＡの判定の閾値電圧を設定することにより、放電灯電圧ＶＬＡが高くなると、あらかじめ出力電力を高くして点灯維持能力を高くすることが可能になる。

安定点灯時の定格は通常３５Ｗが使用されている。有水銀のランプであるＤ１規格やＤ２規格でも、無水銀のランプであるＤ３規格やＤ４規格でも、定格電力は３５Ｗである。電力定格としては±１Ｗであるが、量産用としては±３Ｗまで許容される場合もある。点灯維持能力は、ランプ電力を２Ｗ上げるだけでもかなり効果が出てくる。ランプ電力を３Ｗも余分に与えるとエネルギーとして８％も余分に与えることになり、かなり点灯維持能力が上がる。

このように、放電灯電圧ＶＬＡの極度に高い状態に対応して、点灯維持を持続するために、本実施形態のような出力電力指令値アップの対策を実施すれば、出力電力が高くなることで、電極温度が高くなり、電極温度に比例して熱電子放射がしやすくなり、点灯維持が持続しやすくなるのである。

また、放電灯電圧ＶＬＡの高い状態を検出して直ちに出力電力を上げるのではなく、時間的に余裕を持たせてから出力電力を上げる方法も実用的である。

図９にその制御手順を示す。上述の図８の極性反転立ち消えブロックの内容を修正したものである。処理２０ｂ１では安定点灯状態になったか否かを判定する。点灯時間タイマＴ２の計測値が安定点灯状態に達するのに要する時間Ｔａより長ければ、安定点灯状態になったと判定し、処理２０ｂ２で電力アップタイマＴｘのカウント開始を許可する。そうでなければ、処理２０ａ３０で出力電力指令値を維持する処理をして、図５の異常処理ブロックへ移行する。

処理２０ｂ２ではマイコンのタイマー機能を用いて時間計測を開始する。今回は、数秒程度あればよいので、あらかじめタイマによる割込み時間を１００ｍｓに設定しておいて、１００ｍｓに１回タイマ変数Ｔｘをカウントアップするように設定すれば良い。８ビットのマイコンであれば、２バイトのカウンタで最大６５５３．５秒まで測定することが可能である。

処理２０ａ２８では放電灯電圧ＶＬＡが高くなっているかどうかを設定されている閾値と比べて判定する。放電灯電圧ＶＬＡが閾値より高ければ処理２０ｂ３でタイマ変数Ｔｘを参照する。

処理２０ｂ３でＴｘ≧５であれば、０．５秒以上は放電灯電圧ＶＬＡの高い状態が継続したと判断し、処理２０ａ２９で出力電力指令値アップのフラグを立てる。

処理２０ｂ４ではタイマ変数Ｔｘをリセットし、図５の異常処理ブロックへ移行する。

このように、図９の制御手順を図８の制御手順に代えて用いれば、放電灯電圧ＶＬＡの高い状態を検出して直ちに出力電力を上げるのではなく、時間的な余裕を持たせて出力電力を上昇させることができる。

（実施形態２）
図１０により本発明の実施形態２の動作を説明する。本実施形態では、立ち消えした後に再度点灯する場合の安定点灯時の出力電力の指令値が通常時よりも高くなるように設定するものである。基本的な構成は実施形態１と同様であり、マイコン７の制御フローについても異常処理ブロック（図７）に対してのみ修正を加え、立ち消え後の再点灯時の出力電力をアップする構成を追加したものである。

処理２０ａ１７の立ち消え判定で無負荷２次電圧Ｖ２が２２０Ｖより高くなって立ち消え判定した場合、処理２０ａ２１で出力停止処理をし、追加された処理２０ａ３２にて出力電力の指令値を高くするようにしている。この場合、立ち消え処理後、再点灯する経路である処理２０ａ２２，２０ａ２３の後に処理２０ａ３１、２０ａ３２を追加したものである。

処理２０ａ３１では、点灯時間タイマＴ２が安定時間Ｔａに達していたときには、出力電力をアップする処理２０ａ３２に移行する。そうでなければそのまま処理２０ａ２４に移行する。

処理２０ａ３２では、出力電力の指令値を高くするフラグを立てておく。そのまま停止処理２０ａ２４を経由して初期設定ブロックの始動可能電圧判定の処理２０ａ１に戻る。初期設定ブロックに戻った後は、無負荷ブロックを通って再点灯する。点灯したときには処理２０ａ１１からの点灯ループに移行し、出力電力アップフラグが立っているので、安定点灯時の出力電力を高くする。

そうすることにより、安定点灯状態で立ち消えした場合には、その後の再始動時の安定出力電力をはじめから高く設定することになるため、再始動後の安定点灯状態での出力電力が高くなり、ランプの温度が上がり、電極温度も上がり、熱電子放出をしやすくなる。熱電子が放出しやすくなることによって点灯維持能力が上がる効果がある。これにより再始動後の立ち消えの確率を低下させ、放電灯が始動と立ち消えを繰り返して点滅することを防止できる。

なお、実施形態１の図７の異常処理ブロックの処理２０ａ２３から処理２０ａ２４に移行した場合でも、図８または図９の処理２０ａ２９を通過した後に立ち消えした場合には、同様に、出力電力指令値アップフラグが立っているので、再点灯後の安定点灯時の出力電力を高くすることができる。つまり、処理２０ａ２４から初期設定ブロックの処理２０ａ０ではなく処理２０ａ１に戻ることで、処理２０ａ０でフラグがリセットされないから、立ち消え前に出力電力指令値アップフラグが立っていれば、再点灯後の安定点灯時の出力電力を高くすることができるのである。

このように、実施形態１でも実施形態２と同様に、点灯中にバルブが立ち消えをした場合、立ち消え前の安定点灯中の電圧が定格電圧より所定の閾値を超えていた場合には、再点灯したときの安定出力電力設定値よりも高くするようにして点灯維持能力を上げている。そうすることによって立ち消えしやすい状態を予想して最初から出力電力を高く設定して再度立ち消えしにくくすることができる。

（実施形態３）
図１１により本発明の実施形態３の動作を説明する。本実施形態では、立消えの頻度を測定するために、実施形態１の極性反転立ち消え判定ブロック（図８または図９）を図１１に示す制御手順に置き換えたものである。図１１に示す制御手順では、図８の極性反転立ち消え判定ブロックにおいて、処理２１ａ１から２１ａ７を追加したものである。また、図５の処理２０ａ１６では低周波反転と同時に、極性反転フラグをＨにする処理を追加する。

処理２１ａ１では、極性反転フラグを参照することで、極性反転をしたかどうかを確認する。極性反転による立ち消えの影響を確認するためにこの処理がある。処理内容は、極性反転したときに、図５の処理２０ａ１６で極性反転フラグをＨにして、処理２１ａ１で極性反転フラグがＨならＬに変えて処理２０ａ２８に移行する。そうでない場合は処理２１ａ６に移行する。これにより、極性反転をした場合には１回だけ処理２０ａ２８に移行する。

処理２０ａ２８は放電灯電圧ＶＬＡが高くなっているかどうかを設定されている閾値と比べて判定する。放電灯電圧ＶＬＡが閾値より高ければ処理２１ａ２へ移行する。

処理２１ａ２では立ち消え回数カウント用の変数ＴＫ１をカウントアップして、点滅した回数をインクリメントする。

処理２１ａ３ではタイマ変数ＴＫＴのカウント開始を許可する。マイコンのタイマー機能を用いて時間を測定する。

本フローでは、放電灯電圧ＶＬＡが閾値以上である状態が発生してから０．１秒以内に５回より多くの頻度でその状態が検出されたら処理２０ａ２９によって出力電力アップのフラグを立てて、点灯ループ（処理２０ａ１１）にて出力が上げられる設定がされる。

逆に、放電灯電圧ＶＬＡが閾値よりも低い場合は、処理２０ａ２８から処理２１ａ６に移行する。

処理２０ａ６は立ち消え検出タイマのリセット機能を持っていて、立消え検出タイマＴＫＴが１０秒より経過すると処理２１ａ７にて立ち消え検出タイマＴＫＴおよびカウントＴＫ１をリセットする。さらに、タイマ変数ＴＫＴのカウントを停止する。

一般的にＤＣ−ＡＣコンバータ３の周波数は、３００〜１０００Ｈｚがランプメーカーから推奨されているので、極性反転は１秒間に６００回から２０００回発生することになる。０．１秒では６０回〜２００回の極性反転になる。本実施形態による設定では、点灯周波数が３００Ｈｚのときに、立ち消え回数のカウントは０．１秒で５回の設定とした。この場合、０．１秒に極性反転回数は６０回のため、そのうちの立ち消え回数が５回より大きいとき、つまり６回以上になると出力電力の指令値を上げる構成になる。つまり、確率で言えば、立ち消えの確率が１０％になった場合、出力電力の指令値を上げることになる。

また、放電灯電圧ＶＬＡが極性反転より高くならない状態が続いた場合には、１０秒後にリセットされてカウントし始める。その場合、出力電圧が高くなっていなければ、元の電力に戻る設計になっている。

ここで、出力を高くする設定は、０．１秒以内で判断するが、いったん出力電力を高くした状態から低くする場合は、少なくとも１０秒以上経過しないと、元に戻らないように時間的にヒステリシス特性を持たせている。これにより、頻繁に出力電力を上げ下げしてちらつきにならないようにする。

これ以外にも出力電力の変化を段階的にしても構わない。たとえば、立ち消えの頻度に応じて出力電力を高くすることも効果がある。これにより、規模の小さい目に見えないＤＣ−ＡＣコンバータの半周期だけで立ち直る立ち消えを検出して出力電力を少しずつ上げるように制御することによって、目に見えてくる立ち消えが発生する前に点灯維持能力を上げて、ちらつきの発生を予見して抑制することが可能になる。

ＤＣ−ＡＣコンバータ３が極性反転するたびに立ち消えが発生しやすくなるが、立ち消えするのは片側の極性から始まる。例えば、極性反転直後は立ち消えのような波形になるが、ＤＣ−ＡＣコンバータ３が極性反転する前にようやく点灯し始めたり、あるいは一方の極性では立ち消えしているが極性反転後には再び点灯に戻ったりする動作となる場合があり、そういう場合が増えてくると本格的な立ち消えに至る。これは本格的に立ち消える一歩手前の状態であり、立ち消えしないためにはこのような状態を前もって予見することが必要になる。

このように、立ち消えにも規模の大小があり、目で見える立ち消えが発生する前に、何回か片側の電流が流れる方向で立ち消えが繰り返されて、小さい立ち消えが繰り返されて初めて目で見える立ち消えに成長する。

そこで、このような小さい立ち消えが繰り返し発生する頻度を計測することによって目で見える立ち消えに成長する前に、出力電力を定格電力よりも少し上げることによって点灯維持能力が向上して、点灯維持動作を長くすることが可能になる。結果的に、放電灯の寿命を延ばすことができ、ユーザーの利便性が高まる。

また、立ち消えが始まるのは、電流が流れる２方向のうち一方向で発生しやすくなる。したがって、電極温度は、放電灯電流が流れる極性によって低くなったり高くなったりする。電極温度が低くならないようにするには、電極の温度が下がる時間を短くするのも効果的である。そこで、立ち消えしそうな状態では、ＤＣ−ＡＣコンバータ３の極性反転の周波数を高く設定して、点灯周期を短くし、点灯維持能力を上げることも有効である。

（実施形態４）
上述の実施形態１〜３の放電灯点灯装置は、高輝度放電灯と共に車載用照明器具に搭載することで、車両のヘッドライトやフォグライトなどの車載用光源の点灯装置として利用することができる。

本発明の実施形態１の回路図である。 従来の電力指令値演算部の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態１に用いる電力指令値演算部の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態１の動作説明図である。 本発明の実施形態１の制御動作を示すフローチャートである。 図５の無負荷ブロックの詳細を示すフローチャートである。 図５の異常処理ブロックの詳細を示すフローチャートである。 図５の極性反転立ち消え判定ブロックの詳細を示すフローチャートである。 図５の極性反転立ち消え判定ブロックの一変形例を示すフローチャートである。 本発明の実施形態２の異常処理ブロックの詳細を示すフローチャートである。 本発明の実施形態３の極性反転立ち消え判定ブロックの詳細を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 直流電源
２ ＤＣ−ＤＣコンバータ
３ ＤＣ−ＡＣコンバータ
４ 高電圧回路
５ イグナイタ回路
６ 制御回路
７ マイコン
１０ 放電灯
７ｅ５ 立ち消え防止部

Claims (2)

1. 高輝度放電灯の電圧を検知する電圧検知部と、高輝度放電灯の電流を検知する電流検知部と、前記各検知部により検知される電力を用いて高輝度放電灯の出力電力を定電力制御する定電力制御部とを備えた放電灯点灯装置において、定電力制御部は、高輝度放電灯の安定点灯時の電圧が所定の閾値以上になると出力電力を安定点灯時に通常出力している定電力よりも高い定電力に設定し、高輝度放電灯の点灯中に立ち消えが発生し再点灯して安定点灯状態にする場合、立ち消え前の高輝度放電灯の点灯電圧が定格電圧よりも高い所定の閾値以上になっていた場合には、再始動時の安定点灯時の出力電力を通常出力している定電力よりも、はじめから高い定電力に設定することを特徴とする放電灯点灯装置。
2. 請求項１に記載の放電灯点灯装置を備えることを特徴とする車載用照明器具。

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