JP2004241370A - 高圧放電ランプ点灯装置および照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 昇圧回路を用いることなくランプ電力を適正に制御できる高圧放電ランプ点灯装置を提供することである。
【解決手段】 ＰＷＭ制御回路２０は、高圧放電ランプ１２のランプ電力が所定値になるように、高圧放電ランプ１２の音響共鳴が発生しない第一安定窓内の第一点灯周波数と第二安定窓内の点灯周波数との比率をＰＷＭ制御により決定する。そして、インバータ制御回路２２は、所定の比率で、第一安定窓内の第一点灯周波数と第二安定窓内の点灯周波数とを切り替えてインバータ回路１８をスイッチング制御する。第一安定窓内の第一点灯周波数と第二安定窓内の点灯周波数との比率を調整してランプ電力を制御するので昇圧回路が必要なくなり、コストダウンや装置の簡素化が図れる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高圧放電ランプを高周波点灯する高圧放電ランプ点灯装置および照明装置に関する。

一般に、放電ランプ点灯装置は、ＬＣ共振型のインバータ回路を備え、放電ランプの始動時にはインバータ回路は高い周波数で発振を開始し、徐々に周波数を下げてＬＣ共振回路の共振周波数に近づける。これにより、インバータ回路の二次電圧が上昇し、二次電圧が放電ランプの始動電圧に達すると放電ランプが放電開始して点灯する。一旦、放電ランプが点灯した後はインバータ回路の周波数をさらに低下させ、安定点灯周波数（点灯時の周波数）で放電ランプを連続点灯する。

高圧放電ランプの場合は、グロー放電からアーク放電に転移して放電を開始する特性を有することから、アーク放電転移のために所定時間、高い二次電圧を印加する必要がある。そこで、インバータ回路の前段に設けられた昇圧回路により、高圧放電ランプの始動時には、点灯時よりも高い出力電圧値に制御するようにしている（特許文献１参照）。また、高圧放電ランプの点灯時には、昇圧回路の出力電圧によってランプ電力が定格電力値付近になるように調整している。

一方、高圧放電ランプには音響共鳴を発生する周波数領域があることから、始動時および点灯時には音響共鳴が起こらない安定窓の周波数で点灯することが行われている。そして、放電ランプの放電容器の真球度を０．５３〜０．８４、内径２．０〜６．０ｍｍの球形に形成し、音響共鳴を起こさせない複数個の周波数領域（安定窓）を有する高圧放電ランプを提供している（特許文献２参照）。
特開平２０００−５８２８４号公報 特開平２００２−４２７３２号公報

ところが、高圧放電ランプの始動時には昇圧回路によって点灯時よりも高い電圧をインバータ回路に供給しており、また、高圧放電ランプの点灯時には、昇圧回路の出力電圧の調整によりランプ電力を定格電力値付近に制御するので、高圧放電ランプの高周波点灯には昇圧回路が必要となる。従って、コストアップや大型化の原因となっている。

本発明の目的は、昇圧回路を用いることなくランプ電力を適正に制御できる高圧放電ランプ点灯装置を提供することである。

請求項１の発明に係る高圧放電ランプ点灯装置は、交流電圧を直流電圧に変換する整流平滑回路と；前記整流平滑回路で得られた直流電圧に基づき共振回路を介して高圧放電ランプに高周波電力を供給するインバータ回路と；前記高圧放電ランプのランプ電力が所定値になるように、所定のＰＷＭ周波数の一周期において、前記高圧放電ランプの音響共鳴が発生しない第一安定窓内の第一点灯周波数と第二安定窓内の第二点灯周波数との比率を制御するＰＷＭ制御回路と；前記ＰＷＭ制御回路で制御された比率で第一点灯周波数と第二点灯周波数とを切り替えて前記インバータ回路をスイッチング制御するインバータ制御回路と；を備えたことを特徴とする。

本発明および以下の発明において、特に指定しない限り用語の定義および技術的意味は以下による。整流平滑回路は、例えばダイオードブリッジの整流器に平滑コンデンサを並列接続して構成され、商用の交流電圧を直流電圧に変換するものであれば、全波整流型、倍電圧整流型、部分平滑型等のいずれでも良い。インバータ回路は、整流平滑回路で得られた直流電圧に基づき共振回路を介して高圧放電ランプに高周波電力を供給するものであり、例えば２個のスイッチ素子を有し、整流平滑回路からの直流電圧を入力として２個のスイッチ素子を交互にインバータ制御回路よりオンオフ制御して出力側に高周波電圧を出力するハーフブリッジ型で構成され、インバータ回路の出力側に接続された高圧放電ランプに共振回路を介して高周波電力を供給する。ハーフブリッジ型のほか、定電流プッシュプル型、一石式、フルブリッジ式のインバータ回路であってもよい。

高圧放電ランプは、水銀ランプ、メタルハライドランプ、高圧ナトリウムランプなどを示し、また、発光管にアルミナ管を用いたセラミック放電ランプも含む。共振回路はインダクタおよびコンデンサで構成され、インバータ回路から入力される高周波電圧の周波数に応じて、共振回路の共振周波数付近で高電圧を発生させる。

ＰＷＭ制御回路は、高圧放電ランプの音響共鳴が発生しない第一安定窓の第一点灯周波数と第二安定窓内の第二点灯周波数との比率を制御するものであり、高圧放電ランプのランプ電力が所定値になるように、第一安定窓の第一点灯周波数と第二安定窓内の第二点灯周波数との比率を決定する。一般的な方法として遅相領域で点灯させる場合には点灯周波数が高い場合にはランプ電力は小さくなり点灯周波数が低い場合にはランプ電力は大きくなるので、高い周波数の比率を大きくするとランプ電力を低くでき、低い周波数の比率を大きくするとランプ電力を高くできる。

インバータ制御回路は、第一安定窓内の第一点灯周波数および第二安定窓内の第二点灯周波数でインバータ回路をスイッチング制御する。第一点灯周波数と第二安定窓内の点灯周波数との比率は、ＰＷＭ制御回路で決定された比率とする。

本発明によれば、第一安定窓内の第一点灯周波数と第二安定窓内の第二点灯周波数で点灯される比率を調整してランプ電力を制御するので昇圧回路が必要なくなり、コストダウンや装置の簡素化、小型化が図れる。

請求項２の発明に係る高圧放電ランプ点灯装置は、交流電圧を直流電圧に変換する整流平滑回路と；前記整流平滑回路で得られた直流電圧に基づき共振回路を介して高圧放電ランプに高周波電力を供給するインバータ回路と；前記高圧放電ランプのランプ電力が所定値になるように、所定のＰＷＭ周波数の一周期において、前記高圧放電ランプの音響共鳴が発生しない第一安定窓内の第一点灯周波数と音響共鳴が発生する第二点灯周波数との比率を制御するＰＷＭ制御回路と；前記ＰＷＭ制御回路で制御された比率で第一点灯周波数と音響共鳴が発生する前記第二点灯周波数とを切り替えて前記インバータ回路をスイッチング制御するインバータ制御回路と；を備えたことを特徴とする。

本発明は、請求項１の発明の第二安定窓の第二点灯周波数に代えて、音響共鳴が発生する第二点灯周波数を用いてＰＷＭ制御を行い高圧放電ランプのランプ電力を所定値に制御するようにしたものである。

ＰＷＭ制御回路で二つの点灯周波数のＰＷＭ制御を行う場合には、一方の点灯周波数が安定窓の点灯周波数である場合には、他方の点灯周波数が音響共鳴が発生する点灯周波数であってもアークの曲がりやちらつきを発生しない。本発明によれば、高圧放電ランプが少なくとも一つ以上の安定窓領域を持つ場合には、ＰＷＭ制御によるランプ電力一定制御が可能となるので、適用範囲が広がる。また、第一安定窓内の第一点灯周波数でのランプ電流が第二点灯周波数でのランプ電流より大きい方が高圧放電ランプのアークの曲がりやちらつきが発生しにくく、そのように設定することが好ましい。

請求項３の発明に係る高圧放電ランプ点灯装置は、請求項１または２の発明において、前記第二点灯周波数を、前記共振回路の無負荷共振周波数と略一致させたことを特徴とする。

本発明は、請求項１または２の発明において、第二点灯周波数を共振回路の無負荷共振周波数と略一致させたものである。本発明によれば、請求項１または２の発明の効果に加え、ランプ電力が低く高圧放電ランプが立ち消えしそうな場合でも十分に高い二次電圧を発生できるので、高圧放電ランプを立ち消えさせることなく安定に点灯できる。

請求項４の発明に係る高圧放電ランプ点灯装置は、請求項３の発明において、前記高圧放電ランプの始動時には、前記共振回路の無負荷共振周波数近傍で動作させることを特徴とする。

本発明は、高圧放電ランプの始動時には共振回路の無負荷共振周波数近傍の好ましくは遅相周波数領域で発振を開始し、ランプ電力が低く抑制される安定窓周波数側において、その周波数を共振回路の共振周波数と一致させることで高圧を発生し高圧放電ランプを始動させるようにしたものである。本発明によれば、高圧放電ランプの始動直後は、点灯周波数はランプ電力が低く制御される安定窓周波数側にいるので、始動直後においても安定窓内周波数であり、アークの湾曲などで高圧放電ランプの発光管にストレスを与えることがない。

請求項５の発明に係る高圧放電ランプ点灯装置は、請求項２乃至４のいずれか一の発明において、前記ＰＷＭ制御回路は、所定のＰＷＭ周波数の一周期において、前記音響共鳴が発生しない第一安定窓内の第一点灯周波数の比率を１００％〜１０％の範囲に設定したことを特徴とする。

本発明は、請求項２乃至４のいずれか一の発明において、音響共鳴が発生しない第一安定窓内の第一点灯周波数と音響共鳴が発生する第二点灯周波数との比率を、１００％〜１０％の範囲に設定したものである。高圧放電ランプの真球度により音響共鳴による影響が異なる。高圧放電ランプの形状の真球度が大きいほど安定窓の点灯周波数の比率が小さくて良い特性を有する。真球度が０．６以上の場合には、安定窓の点灯周波数の比率は１０％程度で良いことから、第一安定窓内の第一点灯周波数の比率を１００％〜１０％の範囲とする。本発明によれば、高圧放電ランプの種類や特性に応じて第一安定窓内の第一点灯周波数の比率を設定し、高圧放電ランプを安定点灯することができる。

請求項６の発明に係る高圧放電ランプ点灯装置は、請求項１乃至５のいずれか一の発明において、第一点灯周波数で点灯中のランプ電力Ｗ１と第二点灯周波数で点灯中のランプ電力Ｗ２との比を、Ｗ１／Ｗ２≧２．０としたことを特徴とする。

本発明では、Ｗ１／Ｗ２≧２．０としたので、より少ないＰＷＭ変化幅にてランプ電力の平均値を一定化できる。第一安定窓で点灯する割合を増加させることができるので、より安定点灯が可能となる。

請求項７の発明に係る高圧放電ランプ点灯装置は、請求項１乃至６のいずれか一の発明において、前記ＰＷＭ制御回路は、前記インバータ回路のスイッチングが行われたことを検出して動作を開始することを特徴とする。

本発明は、ＰＷＭ制御回路は、インバータ回路のスイッチングが行われた後に動作開始するようにしたものである。本発明によれば、ＰＷＭ制御回路はインバータ回路の発振開始後、高圧放電ランプが安定点灯した後に動作するので、高圧放電ランプが安定点灯に至るまでのランプ電力変化を理想的に行うことができる。

請求項８の発明に係る高圧放電ランプ点灯装置は、請求項１乃至７のいずれか一の発明において、前記所定のＰＷＭ周波数は、１００Ｈｚ以上かつ第一点灯周波数未満に設定したことを特徴とする。

本発明は、ＰＷＭ周波数は、１００Ｈｚ以上かつ第一点灯周波数未満に設定したものである。本発明によれば、ＰＷＭ周波数を１００Ｈｚ以上としたので、ランプ電流のリップルに対して視感度が応答せず、ちらつきを感じさせない。また、第一点灯周波数未満としたのでランプ電力を適切に制御できる。

請求項９の発明に係る高圧放電ランプ点灯装置は、請求項１乃至８のいずれか一の発明において、前記ＰＷＭ制御回路および前記インバータ制御回路には、それぞれ個別の制御電源が構成され、前記インバータ制御回路の起動後にＰＷＭ制御回路が動作開始することを特徴とする。

本発明は、ＰＷＭ制御回路およびインバータ制御回路にはそれぞれ個別の制御電源を供給し、インバータ制御回路の起動後にＰＷＭ制御回路が動作開始するようにしたものである。高圧放電ランプの始動した直後においては、点灯周波数の大きさによっては高圧放電ランプに供給できる電力が少ない場合がある。始動直後に高圧放電ランプへの供給電力が少ない場合には、電極の加熱が十分でなく電極スパッタが発生することがある。そこで、インバータ制御回路により高圧放電ランプを始動し、電極の加熱が十分に行われた後にＰＷＭ制御回路を起動する。インバータ制御回路やＰＷＭ制御回路の動作タイミングは、それぞれ個別の制御電源の立ち上がりで管理する。

本発明によれば、ＰＷＭ制御回路の制御電源はインバータ制御回路の発振開始後に供給されて動作することになるので、高圧放電ランプの安定点灯までのランプ電力が理想的に変化する。

請求項１０の発明に係る高圧放電ランプ点灯装置は、請求項９の発明において、前記インバータ制御回路の制御電源は前記インバータ回路のスイッチングスナバ回路から供給され、前記ＰＷＭ制御回路の制御電源は前記整流平滑回路の平滑コンデンサの充放電回路または前記共振回路から供給されることを特徴とする。

インバータ回路のスイッチングスナバ回路として接続されたコンデンサはスイッチングに同期して充放電する。このときに流れる電流を用いインバータ制御回路の電源を構成する。一方、整流平滑回路の平滑コンデンサで電源を構成すると、
インバータ回路での消費電力が大きくなってからＰＷＭ制御回路の動作に十分な電源を確保できる程度に平滑コンデンサが充放電するので、ランプ電力が比較的大きくなった後にＰＷＭ制御回路を起動させることができる。また共振回路のコンデンサの電流をＰＷＭ制御回路の制御電源とすることも可能である。この場合は、共振回路のコンデンサの電流は始動パルス発生時に大電流が流れるため容易にＰＷＭ制御回路を起動させてしまうので遅延回路を設けることになる。

本発明によれば、高圧放電ランプ点灯装置を構成する回路からインバータ制御回路やＰＷＭ制御回路の制御電源を供給することができるので、回路構成を複雑にすることなく制御電源を安定的に供給できる。

請求項１１の発明に係る高圧放電ランプ点灯装置は、請求項１乃至１０のいずれか一の発明において、前記ＰＷＭ制御回路は、前記高圧放電ランプのランプ電圧が前記第一安定窓での単一点灯周波数におけるインバータ負荷特性での最大電力時のランプ電圧以下の範囲でＰＷＭ制御を行うことを特徴とする。

ＬＣ共振型インバータを一定周波数で動作させると、あるランプ電圧値で最大電力となり、負荷短絡および二次開放状態にてランプ電力が零となる負荷カーブを有する。

第一安定窓内の第一点灯周波数においては、ランプ電圧が高くなるほど進相発振に至りインバータ回路のスイッチングロスで効率が悪化する場合がある。そこで、高圧放電ランプのランプ電圧が第一安定窓内の第一点灯周波数におけるインバータ負荷特性での最大電力時の電圧以下の範囲でＰＷＭ制御を行い、それ以上のランプ電圧を有する高圧放電ランプを点灯する場合には、点灯周波数が高い第二安定窓の点灯周波数で点灯させる。

本発明によれば、高いランプ電圧を有する高圧放電ランプを点灯してもＰＷＭ制御中に進相発振することが防止でき、スイッチングロスで効率が悪化することを防止できる。

請求項１２の発明に係る高圧放電ランプ点灯装置は、請求項１乃至１１のいずれか一の発明において、前記共振回路の無負荷共振周波数を前記第一安定窓内の第一点灯周波数の２〜３倍に設定し、前記ＰＷＭ制御回路は、前記高圧放電ランプのランプ電圧が第二点灯周波数におけるインバータ負荷特性でのランプ電力所定値となるときのランプ電圧以下の範囲でＰＷＭ制御を行うことを特徴とする。

高圧放電ランプの無負荷共振周波数が高圧放電ランプの点灯時の発振周波数の２〜３倍の間となるように共振回路のインダクタおよびコンデンサを設定すると、第一安定窓内の第一点灯周波数においてもランプ電圧が高くなってもインバータのスイッチング波形は３次共振状態となり、進相発振に至ることがない。そこで、第一安定窓内の第一点灯周波数におけるインバータ負荷特性での最大電力時のランプ電圧以上のランプ電圧を有する高圧放電ランプであってもＰＷＭ制御を行う。この場合、ＰＷＭ制御回路は、高圧放電ランプのランプ電圧が第二点灯周波数におけるインバータ負荷特性でのランプ電力所定値となるときのランプ電圧以下の範囲でＰＷＭ制御を行う。これは、第二点灯周波数におけるインバータ負荷特性でのランプ電力所定値となるときのランプ電圧以上とすると、ランプ電力を所定値に制御できなくなるからである。

本発明によれば、第一安定窓内の第一点灯周波数におけるインバータ負荷特性での最大電力時のランプ電圧以上のランプ電圧を有する高圧放電ランプであってもＰＷＭ制御を行うことができ、ＰＷＭ制御の範囲を広くすることができる。

請求項１３の発明に係る照明装置は、請求項１乃至請求項１２のいずれか一の高圧放電ランプ点灯装置と；前記高圧放電ランプ点灯装置で点灯される高圧放電ランプと；前記高圧放電ランプが装着される器具本体と；を備えたことを特徴とする。本発明によれば、請求項１乃至請求項１２のいずれか一の効果を有する照明装置が得られる。

請求項１の発明によれば、第一安定窓内の第一点灯周波数と第二安定窓内の点灯周波数で点灯される比率を調整してランプ電力を制御するので昇圧回路が必要なくなり、コストダウンや装置の簡素化、小型化が図れる。請求項２の発明によれば、高圧放電ランプが少なくとも一つ以上の安定窓領域を持つ場合には、ＰＷＭ制御によるランプ電力一定制御が可能となるので適用範囲が広がる。請求項３の発明によれば、請求項１または２の発明の効果に加え、ランプ電力が低く高圧放電ランプが立ち消えしそうな場合でも十分に高い二次電圧を発生できるので、高圧放電ランプを立ち消えさせることなく安定に点灯できる。請求項４の発明によれば、高圧放電ランプの始動直後は、点灯周波数はランプ電力が低く制御される安定窓周波数側にいるので、始動直後においても安定窓内周波数であり、アークの湾曲などで高圧放電ランプの発光管にストレスを与えることがない。

請求項５の発明によれば、高圧放電ランプの種類や特性に応じて第一安定窓内の第一点灯周波数の比率を設定し、高圧放電ランプを安定点灯することができる。請求項６の発明によれば、Ｗ１／Ｗ２≧２．０としたので、より少ないＰＷＭ変化幅にてランプ電力を一定化できる。第一安定窓で点灯する割合を増加させることができるので、より安定点灯が可能となる。

請求項７の発明によれば、ＰＷＭ制御回路はインバータ回路の発振開始後、高圧放電ランプが安定点灯した後に動作するので、高圧放電ランプが安定点灯に至るまでのランプ電力変化を理想的に行うことができる。

請求項８の発明によれば、ＰＷＭ周波数を１００Ｈｚ以上としたので、ランプ電流のリップルに対して視感度が応答せず、ちらつきを感じさせない。また、インバータ回路の第一安定窓周波数未満としたのでランプ電力を適切に制御できる。

請求項９の発明によれば、ＰＷＭ制御回路の制御電源はインバータ制御回路の発振開始後に供給されて動作することになるので、高圧放電ランプの安定点灯までのランプ電力が理想的に変化する。請求項１０の発明によれば、高圧放電ランプ点灯装置を構成する回路からインバータ制御回路やＰＷＭ制御回路の制御電源を供給することができるので、回路構成を複雑にすることなく制御電源を安定的に供給できる。

請求項１１の発明によれば、高いランプ電圧を有する高圧放電ランプを点灯してもＰＷＭ制御中に進相発振することが防止でき、スイッチングロスで効率が悪化することを防止できる。請求項１２の発明によれば、第一安定窓内の第一点灯周波数におけるインバータ負荷特性での最大電力時のランプ電圧以上のランプ電圧を有する高圧放電ランプであってもＰＷＭ制御を行うことができ、ＰＷＭ制御の範囲を広くすることができる。請求項１３の発明によれば、請求項１乃至請求項１２のいずれか一の効果を有する照明装置が得られる。

本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る高圧放電ランプ点灯装置１１の構成図、図２は本発明の第１の実施の形態で使用する高圧放電ランプ１２の一例の説明図である。

図２において、高圧放電ランプ１２は発光管１３にアルミナ管を使用したセラミック放電ランプであり、発光管１３は透光性アルミナより構成される。セラミック放電ランプの発光管１３は、一般の高圧放電ランプ１２の発光管に使われている石英ガラスより、封入物である金属ハロゲン化物に対して化学的および熱的に安定である。発光管１３は、内部が真空に保持された外管１４に収納され、外管１４の一端部に口金１５が設けられる。口金１５の先端部１５ａとネジ部１５ｂとの間に高圧放電ランプ点灯装置１１から高周波電圧が印加される。

このような高周波点灯用に設計された高圧放電ランプの発光管１３の真球度は０．５３〜０．８４であり、音響共鳴を起こさせない複数の周波数領域（安定窓）を有する。例えば、２０Ｗ用に設計されたセラミックメタルハライドランプでは、発光管１３内の電極間距離３．６mmで内径６ｍｍを有し、主な安定窓は、０ｋＨｚ〜２０ｋＨｚ、４０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚ、８０ｋＨｚ〜８８ｋＨｚである。

次に、そのような高圧放電ランプ１２を点灯する高圧放電ランプ点灯装置１１について説明する。図１は高圧放電ランプ点灯装置１１のブロック構成図である。交流電源１６からの交流電圧は、高圧放電ランプ点灯装置１１の整流平滑回路１７に入力され直流電圧に変換される。整流平滑回路１７で得られた直流電圧はインバータ回路１８に入力され、インバータ回路１８のスイッチ素子のオンオフにより高周波電圧に変換されて共振回路１９を介して高圧放電ランプ１２に高周波電力を供給する。

インバータ回路１８は、２個のスイッチ素子を有し整流平滑回路１７からの直流電圧を入力として２個のスイッチ素子を交互にオンオフ制御して出力側に高周波電圧を出力するハーフブリッジ型で構成される。また、共振回路１９はインダクタおよびコンデンサで構成され、高圧放電ランプ１２の始動時において、インバータ回路１８から入力される高周波電圧の周波数に応じて、共振回路１９の共振周波数付近で高電圧を発生させ高圧放電ランプ１２を点灯させる。

ＰＷＭ制御回路２０は、ランプ電力検出回路２１で検出されたランプ電圧およびランプ電流から換算された高圧放電ランプ１２のランプ電力を入力し、そのランプ電力が所定値になるように高圧放電ランプ１２の音響共鳴が発生しない第一安定窓内の第一点灯周波数と第二安定窓内の点灯周波数との比率をＰＷＭ制御する。インバータ制御回路２２は、所定のＰＷＭ周波数で第一安定窓内の第一点灯周波数と第二安定窓内の点灯周波数とを切り替えてインバータ回路１８をスイッチング制御する。ここで、ＰＷＭ制御回路２０はインバータ回路１８のスイッチングが行われたことを検出して動作を開始する。これは、ＰＷＭ制御回路２０の制御電源は、インバータ回路１８の発振開始後に供給されるからである。これにより、始動から安定点灯に至るまでのランプ電力を変化させることができる。

図３は、２０Ｗ用に設計されたセラミックメタルハライドランプの正弦波点灯時における安定窓の説明図である。図３に示すように、音響共鳴を起こさせない複数の周波数領域（安定窓）として、０ｋＨｚ〜２０ｋＨｚ、４０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚ、８０ｋＨｚ〜８８ｋＨｚの周波数領域を有している。いま、４０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚを第一安定窓とし、８０ｋＨｚ〜８８ｋＨｚを第二安定窓に選定したとする。そして、第一安定窓の中央値である４５ｋＨｚを第一点灯周波数とし、第二安定窓の中央値である８４ｋＨｚを第二点灯周波数に選択する。そうすると、ＰＷＭ制御回路２０は、高圧放電ランプ１２のランプ電力が所定値になるように、この第一点灯周波数４５ｋＨｚと第二点灯周波数８４ｋＨｚで動作する時間の比率を決定する。

図４は、ＰＷＭ周波数のある一周期Ｔにおける第一点灯周波数４５ｋＨｚと第二点灯周波数８４ｋＨｚとの比率の説明図であり、図５はランプ電力と点灯周波数との特性図である。図４に示すように、所定のＰＷＭ周期Ｔ内では、第一点灯周波数４５ｋＨｚのランプ電流と第二点灯周波数８４ｋＨｚのランプ電流とが混在しており、この第一点灯周波数４５ｋＨｚと第二点灯周波数８４ｋＨｚで動作する時間の比率を変化させる。これは、図５に示すように、点灯周波数が低い第一点灯周波数４５ｋＨｚではランプ電力Ｗ４５が大きく、点灯周波数が高い第二点灯周波数８４ｋＨｚではランプ電力Ｗ８４が小さくなるので、第一点灯周波数４５ｋＨｚと第二点灯周波数８４ｋＨｚで動作する時間の比率を変化させることによってランプ電力を調整できるからである。

ここで、所定のＰＷＭ周期Ｔを定めるＰＷＭ周波数は、１００Ｈｚ以上かつ第一点灯周波数未満に設定する。ＰＷＭ周波数を１００Ｈｚ以上とするのは、ランプ電流のリップルに対して視感度が応答せず、ちらつきを感じないようにするためである。また、第一点灯周波数未満とするのは、ランプ電力を適切に制御できるようにするためである。

以上の説明では、第一点灯周波数を４５ｋＨｚとし第二点灯周波数を８４ｋＨｚとした場合について説明したが、第一点灯周波数を１８ｋＨｚとし第二点灯周波数を４５ｋＨｚとしても良いし、第一点灯周波数を１８ｋＨｚとし第二点灯周波数を８４ｋＨｚとしても良い。

図６は、第１の実施の形態での無負荷時におけるインバータ回路１８の二次電圧と周波数との特性図である。第１の実施の形態では、第二安定窓内での点灯周波数８４ｋＨｚを共振回路１９の無負荷共振周波数と略一致させる。ランプ電力が小さくなる周波数８４ｋＨｚを共振回路１９の無負荷共振周波数と略一致させるので、ランプ電力が小さく高圧放電ランプ１２が立ち消えしそうな場合でも、十分に高い二次電圧を発生できる。従って、高圧放電ランプ１２を立ち消えさせることなく安定に点灯できる。

また、高圧放電ランプ１２の始動時には、第二安定窓内の周波数で、かつ共振回路１９の無負荷共振周波数近傍および遅相周波数で動作させる。共振回路１９の遅相周波数領域で発振開始し、共振回路１９の共振周波数（点灯周波数８４ｋＨｚ付近の周波数）で高圧を発生し、高圧放電ランプ１２を始動させる。始動直後においては、周波数は点灯周波数８４ｋＨｚ付近であるので、始動直後においても安定窓内周波数であり、アークの湾曲などで高圧放電ランプ１２の発光管１３にストレスを与えることがない。

以上の説明では、ＰＷＭ制御回路２０で行うＰＷＭ制御の点灯周波数は、いずれも安定窓の周波数（４５ｋＨｚ、８４ｋＨｚ）を用いるようにしたが、一方の点灯周波数を安定窓以外の音響共鳴が発生する周波数を用いてもよい。この場合、その音響共鳴を起こす周波数は安定窓の点灯周波数より高い周波数とする。例えば、第一安定窓内の第一点灯周波数４５ｋＨｚを選択したときは、音響共鳴を起こす第二点灯周波数としてそれより高い９０ｋＨｚ以上を選択する。

図７は、放電容器の真球度が０．５３〜０．８４、内径２．０〜６．０ｍｍの球形の高圧放電ランプに対して、第一安定窓内の第一点灯周波数が４５ｋＨｚ、第二点灯周波数が９０ｋＨｚ（非安定窓）の場合の第一安定窓内の第一点灯周波数と音響共鳴が発生する第二点灯周波数との比率（安定窓周波数比率）（％）と、ランプ電圧ＶＬ、ランプ電力ＷＬとの特性図である。

図７に示すように、安定窓周波数比率が０％〜１０％のとき（音響共鳴を起こす点灯周波数９０ｋＨｚが１００％〜９０％含むとき）は、ランプ電圧ＶＬが急峻に変化する特性を示すが、安定窓周波数比率が１０％以上ではランプ電圧ＶＬはほぼ一定の特性を有する。また、ランプ電力ＷＬは安定窓周波数比率が１０％以上でほぼ一定の特性を示す。このことから、放電容器の真球度が０．５３〜０．８４、内径２．０〜６．０ｍｍの球形の高圧放電ランプについては、安定窓周波数比率を１００％〜１０％の範囲に設定することができる。

図８は、放電容器の真球度が０．５３未満の高圧放電ランプに対して、第一安定窓内の第一点灯周波数が４５ｋＨｚで第二点灯周波数を７５ｋＨｚ〜１１０ｋＨｚまで変化させたときの安定限界比率（％）の特性図である。第二点灯周波数が７５ｋＨｚ〜８２ｋＨｚのときは安定限界比率は８０％〜６５％であり、安定窓周波数４５ｋＨｚを８０％〜６５％含む必要有りであることを示している。同様に、第二点灯周波数が８６ｋＨｚ〜１１０ｋＨｚのときは安定限界比率は５５％〜１０％であり、安定窓周波数４５ｋＨｚを５５％〜１０％含む必要有りであることを示している。なお、第二点灯周波数が８２ｋＨｚ〜８６ｋＨｚのときは安定限界比率は０％であり、安定窓周波数４５ｋＨｚは０％であっても良いことを示している。これは、８２ｋＨｚ〜８６ｋＨｚの周波数は測定に用いた高圧放電ランプの第二安定窓であるからである。このように、放電容器の真球度が０．５３未満の高圧放電ランプについては、音響共鳴を起こす第二点灯周波数によって安定窓周波数比率が異なってくるが、第二点灯周波数を１００ｋＨｚ以上として、第二点灯周波数で動作しているときのランプ電力を小さく設定した場合には、安定窓周波数比率を１０％とすることができる。このことから、第二点灯周波数はＬＣの共振点付近にこだわらずランプが立ち消えしない範囲で高く設定してもよく安定窓周波数比率を１００％〜１０％の範囲に設定することができる。

また、第一点灯周波数でのランプ電力Ｗ１と第二点灯周波数でのランプ電力Ｗ２との比を、Ｗ１／Ｗ２≧２．０とすると、より少ないＰＷＭ変化幅にてランプ電力を一定化できる。すなわち、第一安定窓で点灯する割合を増加させるので、より安定点灯が可能となる。

次に、ＰＷＭ制御回路２０およびインバータ制御回路２２の制御電源について説明する。ＰＷＭ制御回路２０およびインバータ制御回路２２には、それぞれ個別の制御電源が構成されるようにする。そして、インバータ制御回路２２の起動後にＰＷＭ制御回路２０を動作開始させる。

ＰＷＭ制御回路２０は、ランプ電力検出回路の検出値に従い、ランプ電圧が一定値以上になると、高い周波数の第二安定窓の周波数または第二点灯周波数を選択するので、ＰＷＭ制御回路２０が動作していても高圧放電ランプの始動は可能である。一方、高圧放電ランプの始動した直後において第二点灯周波数が選択されていると、高圧放電ランプに供給できる電力が少ない場合がある。始動直後に高圧放電ランプへの供給電力が少ない場合には、電極の加熱が十分でなく電極スパッタが長時間継続することがある。

そこで、インバータ制御回路２２により高圧放電ランプを始動し、第一安定窓周波数で高圧放電ランプを安定点灯させた後にＰＷＭ制御回路２０を起動する。そして、インバータ制御回路２２やＰＷＭ制御回路２０の動作タイミングは、それぞれ個別の制御電源の立ち上がりで管理する。

図９はインバータ制御回路２２の制御電源の説明図である。図９では、インバータ制御回路２２の制御電源をインバータ回路１８のスイッチングスナバ回路２７から供給するようにしたものを示している。インバータ回路１８の２個のスイッチ素子Ｓ１、Ｓ２の直列接続点にはスイッチングスナバ回路２７が設けられている。スイッチングスナバ回路２７はコンデンサＣ１で構成され、スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２のオンオフ動作時の電圧立ち上がりに傾きを持たせることでスイッチングロスを低減する。そして、インバータ制御回路２２の制御電源を取り出すためにダイオードＤ１、Ｄ２を介してコンデンサＣ２が設けられている。スイッチングスナバ回路２７はインバータ回路１８のスイッチング素子Ｓ１がオン、Ｓ２がオフしてスイッチング素子Ｓ２に電圧が印加されるとコンデンサＣ１およびコンデンサＣ２に電荷が充電されコンデンサＣ２の両端に電圧が発生する。このことから、コンデンサＣ２の電圧発生でインバータ制御回路２２の動作タイミングのトリガとすることができる。従って、インバータ制御回路２２は発振開始後に起動することになる。なお、インバータ制御回路は抵抗Ｒ１によりスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２の発振を起動させ、以降、スイッチングスナバ回路２７より安定的に制御電源を得る。

図１０はＰＭＷ制御回路２０の制御電源の説明図である。図１０では、ＰＷＭ制御回路２０の制御電源を整流平滑回路１７の平滑コンデンサの充放電回路２８から供給するようにしたものを示している。整流平滑回路１７はダイオードＤ１１、Ｄ１２で交流電源１６からの交流を直流に整流し、平滑コンデンサＣ１１、Ｃ１２、Ｃ１３で平滑する。そして、ＰＷＭ制御回路２０の制御電源を取り出すためにダイオードＤ１３、Ｄ１４を介してコンデンサＣ１４が設けられている。整流平滑回路１７の平滑コンデンサＣ１１、Ｃ１２、Ｃ１３の充放電電流は、インバータ回路１８の消費電流が大きくなってから増加するので、コンデンサＣ１４の電圧もインバータ回路１８の消費電流が大きくなってからＰＷＭ制御回路の起動に十分な大きさの電圧を発生する。従って、コンデンサＣ１４から供給できる制御電源はインバータ回路１８の消費電流が大きくなってから供給可能となり、ＰＷＭ制御回路２０の動作タイミングのトリガとすることができる。つまり、ＰＷＭ制御回路２０はインバータ回路１８の負荷となる高圧放電ランプの消費電力が比較的大きくなった後に起動することになる。

ここで、ＰＷＭ制御回路２０の制御電源を整流平滑回路１７の平滑コンデンサの充放電回路２８から供給することに代えて、共振回路１９のコンデンサの電流をＰＷＭ制御回路２０の制御電源とすることも可能である。この場合は、共振回路１９のコンデンサの電流は始動時に立ち上がるのでＰＷＭ制御回路の動作を遅らせるために遅延回路を設けることになる。このように、高圧放電ランプ点灯装置を構成する回路からインバータ制御回路２２やＰＷＭ制御回路２０の制御電源を供給することができるので、回路構成を複雑にすることなく制御電源を安定的に供給できる。

次に、ＰＷＭ制御回路２０でＰＷＭ制御を行う範囲について説明する。点灯中に進相発振することを防止するために、ＰＷＭ制御回路２０は、高圧放電ランプのランプ電圧が第一安定窓内の第一点灯周波数におけるインバータ負荷特性での最大電力時のランプ電圧以下の範囲でのみＰＷＭ制御を行う。最大電力以上では第二点灯周波数でのみ動作させる。

図１１は、インバータ回路１８の負荷特性曲線の特性図である。縦軸はランプ電力ＷＬであり横軸はランプ電圧ＶＬであり、第一安定窓内の第一点灯周波数の４５ｋＨｚで動作させたときの４５ｋＨｚ特性曲線Ｓ１、第二安定窓の点灯周波数または第二点灯周波数の８４ｋＨｚ（無負荷共振周波数）で動作させたときの８４ｋＨｚ特性曲線Ｓ２を示している。第一安定窓内の第一点灯周波数４５ｋＨｚで動作させた場合においては、４５ｋＨｚ特性曲線Ｓ１に沿った特性となり、図１２に示すように、ランプ電圧ＶＬが高くなり１００Ｖを超えた１５０Ｖや２００Ｖでは進相発振に至っている。

そこで、図１３に示すように、高圧放電ランプのランプ電圧ＶＬが第一安定窓内の第一点灯周波数におけるインバータ負荷特性での最大電力時のランプ電圧（１００Ｖ）以下の範囲でＰＷＭ制御を行う。図１３では、５０Ｖ〜１００Ｖの間においてＰＷＭ制御を行う場合を示している。ＰＷＭ制御回路２０が動作開始するランプ電力レベルを１７Ｗ程度に設定すると、Ｖ１１の間ではＰＷＭ制御回路２０が動作／不動作を繰り返すため、１７Ｗ程度の一定電力領域が現れる。ランプ電圧５０Ｖ〜１００ＶでＰＷＭ制御回路２０が理想的に動作する。そして、最大電力時のランプ電圧（１００Ｖ）以上のランプ電圧ＶＬでは、８４ｋＨｚ特性曲線Ｓ２に沿って制御する。つまり、点灯周波数が高い第二安定窓の点灯周波数または第二点灯周波数で制御する。これにより、点灯中に進相発振することが防止でき、スイッチングロスで効率が悪化することを防止できる。

ここで、共振回路１９の無負荷共振周波数を第一安定窓内の第一点灯周波数４５ｋＨｚの２〜３倍に設定した場合には、ランプ電圧ＶＬが高くなっても３次共振状態となり進相発振とはならないので遅相スイッチングが可能となる。

図１４は、無負荷共振周波数を第一安定窓内の第一点灯周波数４５ｋＨｚの２〜３倍に設定した場合のインバータ回路１８の負荷特性曲線の特性図である。縦軸はランプ電力ＷＬであり横軸はランプ電圧ＶＬであり、第一安定窓内の第一点灯周波数の４５ｋＨｚで動作させたときの４５ｋＨｚ特性曲線Ｓ１、第二点灯周波数の１００ｋＨｚ（無負荷共振周波数）で動作させたときの１００ｋＨｚ特性曲線Ｓ３を示している。第一安定窓内の第一点灯周波数４５ｋＨｚで動作させた場合おいては、４５ｋＨｚ特性曲線Ｓ１に沿った特性となり、図１５に示すように、ランプ電圧ＶＬが高くなり１００Ｖを超えた１５０Ｖや２００Ｖではスイッチイング電流は３次共振状態となり、進相発振に至ることがない。

そこで、第一安定窓内の第一点灯周波数におけるインバータ負荷特性での最大電力時の電圧１００Ｖ以上のランプ電圧を有する高圧放電ランプを点灯する場合であってもＰＷＭ制御を行う。１００ｋＨｚ特性曲線Ｓ３は、ランプ電圧ＶＬが１７０Ｖになるとランプ電力所定値となる。従って、ＰＷＭ制御回路２０でのＰＷＭ制御の上限はランプ電圧ＶＬが１７０Ｖまでとなる。これ以上のランプ電圧ＶＬでは、ランプ電力を所定値に制御できなくなる不具合が生じる。このように、無負荷共振周波数を第一安定窓内の第一点灯周波数４５ｋＨｚの２〜３倍に設定すると、第一安定窓内の第一点灯周波数におけるインバータ負荷特性での最大電力時のランプ電圧以上のランプ電圧を有する高圧放電ランプであってもＰＷＭ制御を行うことができ、ＰＷＭ制御の範囲を広くすることができる。

図１６は本発明の第２の実施の形態に係る照明装置の説明図である。第１の実施の形態の高圧放電ランプ点灯装置１１は、高圧放電ランプ１２が装着される器具本体２３と共に照明装置を構成する。図１６に示すように、高圧放電ランプ１２は器具本体２３のソケット２４に装着され、高圧放電ランプ点灯装置１１により点灯される。点灯した高圧放電ランプ１２からの光は、前面側の反射板２５で反射され前面ガラス２６を介して照射される。この第２の実施の形態の照明装置によれば、第１の実施の形態における高圧放電ランプ点灯装置１１の効果を有する照明装置が得られる。

本発明の第１の実施の形態に係る高圧放電ランプ点灯装置の構成図。 本発明の第１の実施の形態で使用する高圧放電ランプの一例の説明図。 ２０Ｗ用に設計されたセラミックメタルハライドランプにおける安定窓の説明図。 ＰＷＭ周波数のある一周期Ｔにおける第一点灯周波数４５ｋＨｚと第二点灯周波数８４ｋＨｚとの比率の説明図。 ランプ電力と点灯周波数との特性図。 本発明の第１の実施の形態での無負荷時におけるインバータ回路の二次電圧と周波数との特性図。 安定窓周波数比率とランプ電圧およびランプ電力との特性図。 真球度が小さい高圧放電ランプの安定限界比率と第二点灯周波数との特性図。 インバータ制御回路の制御電源の説明図。 ＰＭＷ制御回路の制御電源の説明図。 インバータ回路の負荷特性曲線の特性図。 進相発振の特性図。 ＰＷＭ制御の一例の説明図。 無負荷共振周波数を第一安定窓内の第一点灯周波数の２〜３倍に設定した場合のインバータ回路の負荷特性曲線の特性図。 ３次共振状態の特性図。 本発明の第２の実施の形態に係る照明装置の説明図。

符号の説明

１１…高圧放電ランプ点灯装置、１２…高圧放電ランプ、１３…発光管、１４…外管、１５…口金、１６…交流電源、１７…整流平滑回路、１８…インバータ回路、１９…共振回路、２０…ＰＷＭ制御回路、２１…ランプ電力検出回路、２２…インバータ制御回路、２３…器具本体、２４…ソケット、２５…反射板、２６…前面ガラス、２７…スイッチングスナバ回路、２８…充放電回路

Claims (13)

1. 交流電圧を直流電圧に変換する整流平滑回路と；
   前記整流平滑回路で得られた直流電圧に基づき共振回路を介して高圧放電ランプに高周波電力を供給するインバータ回路と；
   前記高圧放電ランプのランプ電力が所定値になるように、所定のＰＷＭ周波数の一周期において、前記高圧放電ランプの音響共鳴が発生しない第一安定窓内の第一点灯周波数と第二安定窓内の第二点灯周波数との比率を制御するＰＷＭ制御回路と；
   前記ＰＷＭ制御回路で制御された比率で第一点灯周波数と第二点灯周波数とを切り替えて前記インバータ回路をスイッチング制御するインバータ制御回路と；
   を備えたことを特徴とする高圧放電ランプ点灯装置。
2. 交流電圧を直流電圧に変換する整流平滑回路と；
   前記整流平滑回路で得られた直流電圧に基づき共振回路を介して高圧放電ランプに高周波電力を供給するインバータ回路と；
   前記高圧放電ランプのランプ電力が所定値になるように、所定のＰＷＭ周波数の一周期において、前記高圧放電ランプの音響共鳴が発生しない第一安定窓内の第一点灯周波数と音響共鳴が発生する第二点灯周波数との比率を制御するＰＷＭ制御回路と；
   前記ＰＷＭ制御回路で制御された比率で第一点灯周波数と音響共鳴が発生する前記第二点灯周波数とを切り替えて前記インバータ回路をスイッチング制御するインバータ制御回路と；
   を備えたことを特徴とする高圧放電ランプ点灯装置。
3. 前記第二点灯周波数を、前記共振回路の無負荷共振周波数と略一致させた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。
4. 前記高圧放電ランプの始動時には、前記共振回路の無負荷共振周波数近傍で動作させることを特徴とする請求項３記載の高圧放電ランプ点灯装置。
5. 前記ＰＷＭ制御回路は、所定のＰＷＭ周波数の一周期において、前記音響共鳴が発生しない第一安定窓内の第一点灯周波数の比率を１００％〜１０％の範囲に設定したことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一記載の高圧放電ランプ点灯装置。
6. 第一点灯周波数で点灯中のランプ電力Ｗ１と第二点灯周波数で点灯中のランプ電力Ｗ２との比を、Ｗ１／Ｗ２≧２．０としたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一記載の高圧放電ランプ点灯装置。
7. 前記ＰＷＭ制御回路は、前記インバータ回路のスイッチングが行われたことを検出して動作を開始することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一記載の高圧放電ランプ点灯装置。
8. 前記所定のＰＷＭ周波数は、１００Ｈｚ以上かつ第一点灯周波数未満に設定したことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一記載の高圧放電ランプ点灯装置。
9. 前記ＰＷＭ制御回路および前記インバータ制御回路には、それぞれ個別の制御電源が構成され、前記インバータ制御回路の起動後にＰＷＭ制御回路が動作開始することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一記載の高圧放電ランプ点灯装置。
10. 前記インバータ制御回路の制御電源は前記インバータ回路のスイッチングスナバ回路から供給され、前記ＰＷＭ制御回路の制御電源は前記整流平滑回路の平滑コンデンサの充放電回路または前記共振回路から供給されることを特徴とする請求項９記載の高圧放電ランプ点灯装置。
11. 前記ＰＷＭ制御回路は、前記高圧放電ランプのランプ電圧が前記第一安定窓での単一点灯周波数におけるインバータ負荷特性での最大電力時のランプ電圧以下の範囲でＰＷＭ制御を行うことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一記載の高圧放電ランプ点灯装置。
12. 前記共振回路の無負荷共振周波数を前記第一点灯周波数の２〜３倍に設定し、前記ＰＷＭ制御回路は、前記高圧放電ランプのランプ電圧が第二点灯周波数におけるインバータ負荷特性でのランプ電力所定値となるときのランプ電圧以下の範囲でＰＷＭ制御を行うことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一記載の高圧放電ランプ点灯装置。
13. 請求項１乃至請求項１２のいずれか一の高圧放電ランプ点灯装置と；
    前記高圧放電ランプ点灯装置で点灯される高圧放電ランプと；
    前記高圧放電ランプが装着される器具本体と；
    を備えたことを特徴とする照明装置。

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