JP2007087821A - 高圧放電ランプ点灯装置及び照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ランプ始動後の過渡状態及び安定点灯において、ランプ電力及び音響共鳴現象を回避のための動作周波数を適正に制御することが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】直流電源手段１２と、インバータ手段１６と、高圧放電ランプＨＩＤと、ランプ電圧検出手段１９と、ランプ電力検出手段（１５，１８）と、制御手段２０とを有し、制御手段２０は、直流電源手段１２からの直流電圧とインバータ手段１６の動作周波数を制御するものであって、ランプ始動後の過渡状態において、ランプ電圧が所定の値に達するまでは、インバータ手段１６の動作周波数の制御によってランプ電力を制御し、ランプ電圧が所定の値に達した後は、直流電源手段１２からの直流電圧の制御によってランプ電力を制御する。
【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及び照明装置の電力制御に関する。

一般に、放電ランプ点灯装置では、部品の小型及び軽量化を図り、ちらつきのない安定した点灯を行うために、スイッチング式の電源回路を用いた高周波点灯が行われている。 一方、放電ランプを高周波点灯すると、音響共鳴現象が起こり易く点灯状態が不安定になることも知られている。

高周波点灯に用いられるスイッチング式の電源回路には種々の方式があるが、ここではチョッパ式のスイッチング電源回路とその出力電圧をインバータ回路を用いて高周波の交流電圧に変換して負荷である高圧放電ランプに供給する高圧放電ランプ点灯装置について説明する。

一般に、高圧放電ランプ点灯装置として高圧放電ランプを点灯させるインバータ回路を有するものは、高圧放電ランプが音響共鳴現象を生ずることを防止するため、インバータ回路のスイッチング素子のスイッチング周波数（以下、動作周波数という）を非共鳴周波数帯に合わせることで動作周波数をほぼ一定とし、その状態でランプ出力を制御している。

例えば、電源に昇圧チョッパ回路を接続し、この昇圧チョッパ回路にインバータ回路を接続し、このインバータ回路により高圧放電ランプを点灯させる高圧放電ランプ点灯装置では、インバータ回路の動作周波数を余り変化させずに昇圧チョッパ回路からの直流電圧を制御することによってランプ電力を制御している。

例えば、特許文献１では、音響共鳴を回避する周波数制御と、ランプ電力を制御する直流電圧制御とを同時に行わない制御が開示されている。

また、例えば、特許文献２では、音響共鳴が起こりランプ電圧（管電圧）が高くなったときにランプ電流（管電流）が減少する方向に高周波インバータの動作周波数を移動（変化）させることが開示されている。ここで、誘導性バラストを使用した場合には、ランプ電圧が高くなったとき、インバータの動作周波数を増加させて、ランプ電流を減少させている。これにより、ランプ電力が軽減され、電力の過剰な入力を抑制できる。
特開２００４−２３５０３３号公報 特開昭６０−２３５３９６号公報

ところで、高圧放電ランプでランプ始動後の過渡状態から安定点灯状態までの全期間を昇圧チョッパ回路を含む直流電源手段からの直流電圧制御によってランプ電力を制御するようにすると、直流電源手段からの直流電圧の変動範囲が大きくなり過ぎ、この変化に対応して耐圧等の高い部品が必要になるという問題がある。

一方、音響共鳴現象に対処するため、動作周波数を制御する場合には、ランプ電力が変化する都合上、動作周波数の制御範囲は所定の範囲に限定する必要がある。ところで、音響共鳴現象の発生しない非共鳴周波数帯（安定領域）は、図５に示すように動作周波数軸上に存在している。この非共鳴周波数帯（安定領域）はランプ始動後の立上り途中の過渡状態では周波数軸上を移動することが知られている。過渡状態で音響共鳴を回避するよう動作周波数を徐々に上げて制御するうちに周波数が上昇して、所定の範囲の端（上限）まで動作周波数が移動してしまった場合、これ以上音響共鳴を回避できなくなる。ここで、もし、動作周波数をもう一度所定の範囲の下限側に低下させた場合に、ただ単純に周波数を低下させると、図６に示す動作周波数対ランプ電力特性から分かるようにランプ電力が増加して、電力が過剰に入力されて危険であるという問題がある。

そこで、本発明は上記の問題に鑑み、ランプ始動後から安定点灯状態に至る過程においてランプ電力を直流電圧制御にみに依存せずに適正に制御することができる高圧放電ランプ点灯装置を提供することを目的とするものである。また、他の目的は、高圧放電ランプを高周波点灯したときの音響共鳴現象を回避するために、インバータの動作周波数を制御する際に、周波数を上げて制御するうちに、限定された周波数の制御範囲の上限にまで周波数が上昇した際に周波数を所定範囲の下限側に再度引き下げた場合に生ずる急激なランプ電力の増加を抑制することができる高圧放電ランプ点灯装置及び照明装置を提供することである。

請求項１記載の発明の高圧放電ランプ点灯装置は、交流電源からの電源電圧を入力し、直流電圧を生成する直流電源手段と；前記直流電源手段からの直流電圧を高周波電圧に変換し、ＬＣ共振回路を含む高圧放電ランプを点灯するインバータ手段と；前記高圧放電ランプのランプ電圧を検出するランプ電圧検出手段と；前記高圧放電ランプのランプ電力を検出するランプ電力検出手段と；前記直流電源手段からの直流電圧と前記インバータ手段の動作周波数を制御する制御手段であって、ランプ始動後の過渡状態において、前記ランプ電圧が所定の値に達するまでは、前記インバータ手段の動作周波数を制御することによって前記ランプ電力を制御し、前記ランプ電圧が前記所定の値に達した後は、前記直流電源手段からの直流電圧を制御することによって前記ランプ電力を制御する制御手段と；を具備したものである。

本発明及び以下の説明において、特に指定しない限り、用語の定義及び技術的意味は以下の通りである。
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含むものとする。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。

直流電源手段は、例えば、交流電源電圧を整流する全波整流回路と、その整流電圧を入力し昇圧した直流電圧を生成する昇圧チョッパ回路とで構成される。

インバータ手段は、例えば、交互にオンオフする２つのスイッチング素子とＬＣ共振回路を有したハーフブリッジ型の高周波インバータで構成され、制御手段によってスイッチング周波数（動作周波数）が制御され、その高周波出力は高圧放電ランプの両端に印加され、高圧放電ランプを高周波点灯させる。

制御手段が、電力制御する際に行う、インバータ手段の動作周波数の制御と直流電源手段からの直流電圧の制御とを切り換えるランプ電圧の所定値は、ランプ安定点灯時のランプ飽和電圧の例えば５０〜６０％の電圧値である。ランプ始動後は動作周波数の制御を行い、ランプ電圧が５０〜６０％の電圧値に達したときに直流電圧の制御に切り換える。

ランプ電圧検出手段は、例えば、高圧放電ランプの両端の高周波電圧を検出する検出回路と、ダイオードとコンデンサの組を２組用いて高周波電圧を整流平滑する倍電圧整流回路とで構成される。このランプ電圧検出手段は、制御手段による制御切換えの際のランプ電圧の前記所定値を検出するのに用いられるほか、音響共鳴現象が生じた場合にランプ電圧が変動して上昇するので、これを検出することで音響共鳴の発生を検出（音響共鳴判定）するのにも用いられる。

ランプ電力検出手段は、例えば、直流電源手段からの直流電圧を検出する検出手段と、インバータ手段のスイッチング素子電流を検出する検出手段とで構成され、検出された電圧と電流を演算することによってランプ電力に相当する信号を得る。

請求項２記載の高圧放電ランプ点灯装置は、請求項１に記載の高圧放電ランプ点灯装置において、前記ランプ電圧が所定の値に達するまでの前記直流電源手段からの直流電圧は、所定の値に保持し、また前記ランプ電圧が所定の値に達した後の前記インバータ手段の動作周波数は、非音響共鳴周波数に制御され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は、請求項１又は２に記載の高圧放電ランプ点灯装置において、前記ランプ電力検出手段は、前記直流電源手段からの直流電圧の検出手段と、前記インバータ手段のスイッチング素子電流の検出手段とで構成されることを特徴とする。

請求項４記載の高圧放電ランプ点灯装置は、請求項１乃至３のいずれか１つに記載の高圧放電ランプ点灯装置において、前記ランプ電圧検出手段は、前記高圧放電ランプの両端の高周波電圧を検出する検出回路と、この検出回路で検出した高周波電圧の交流半周期の半波電圧を整流平滑する第１の回路と、この第１の回路の整流平滑電圧に前記高周波電圧の次の交流半周期の半波電圧を加えた電圧を整流平滑する第２の回路とを備えたことを特徴とする。

請求項５記載の発明の高圧放電ランプ点灯装置は、交流電源からの電源電圧を入力し、直流電圧を生成する直流電源手段と；前記直流電源手段からの直流電圧を高周波電圧に変換し、高圧放電ランプに印加して点灯するインバータ手段と；前記高圧放電ランプのランプ電圧を検出するランプ電圧検出手段と；前記高圧放電ランプのランプ電力を検出するランプ電力検出手段と；前記直流電源手段からの直流電圧と前記インバータ手段の動作周波数を制御する機能を有し、ランプ始動後のランプ電圧の上昇による音響共鳴判定時に、前記インバータ手段の動作周波数を高い方向に所定の値ずつ移動させながら前記ランプ電圧の変化をチェックする制御によって安定点灯状態を見つけ音響共鳴現象の発生を回避させるようにすると共に、前記直流電源手段からの直流電圧を制御することによって前記ランプ電力を所定の値に制御するものであって、前記インバータ手段の動作周波数が所定の範囲の終わり（最大値）に達した場合には、前記直流電源手段からの直流電圧を制御することによって前記ランプ電力を低下させる第１の制御と、その後に前記インバータ手段の動作周波数を低下させる第２の制御とを行う制御手段と；を具備したものである。

請求項６記載の照明装置は、請求項１〜５のいずれか１つに記載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；を具備したものである。

請求項１の発明によれば、ランプ始動後の過渡状態において、ランプ始動時からランプ電圧が所定値に達するまでの第１の区間（図２のＡ）は音響共鳴現象が殆んど起こらないので、インバータ手段の動作周波数制御を音響共鳴現象回避に用いる必要がない。そのため、インバータ手段の動作周波数制御を、目標電力特性の曲線（図３のランプ電力曲線参照）に合った電力制御にのみ用いることができる。従って、前記第１の区間には、直流電源手段からの直流電圧制御によってランプ電力を制御する必要がなく、ランプ電圧が所定値に達した後にはじめて第２の区間（図２のＢ）に直流電圧制御によるランプ電力制御を用いるので、直流電源手段からの直流電圧の変動範囲が大きくなり過ぎることがなく、耐圧等の高い部品を用意する必要もなくなる。つまり、ランプ始動後の過渡状態において、ランプ電圧に応じてランプ電力制御の仕方を適切に変えて、ランプ電力を適正に制御することが可能となる。

請求項２の発明によれば、請求項１と同様な効果が得られると共に、第１の区間は直流電源手段からの直流電圧を一定値に保持し、第２の区間はインバータ手段の動作周波数は、非音響共鳴周波数に保持できる。従って、音響共鳴を回避しながらランプ電力制御ができる。
請求項３の発明によれば、ランプ電力に相当する信号を得ることができる。
請求項４の発明によれば、ランプ高周波電圧の変化を整流平滑して検出することができる。

請求項５の発明によれば、高圧放電ランプを高周波点灯したときの音響共鳴現象を回避するために、インバータの動作周波数を制御する際に、周波数を上げて制御するうちに、限定された周波数の制御範囲の上限にまで周波数が上昇した後に周波数を再度下げた場合に生ずる急激なランプ電力の増加を抑制でき、部品に与えるストレスを減少させることができる。
さらに、請求項６の発明によれば、請求項１〜５のいずれかの効果を有する照明装置が得られる。

発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
図１は本発明の第１の実施形態の高圧放電ランプ点灯装置を示す回路図である。
図１において、高圧放電ランプ点灯装置１０は、交流電源ＡＣと、コンデンサＣ1，Ｃ2及びトランスＴ1からなるノイズフィルタ回路１１と、ダイオードＤ1〜Ｄ4からなる全波整流回路１３と、高域成分除去用のコンデンサＣ3と、コイルＬ1，スイッチング素子Ｑ1，ダイオードＤ5及び出力コンデンサＣ4を備え、全波整流回路１３からの整流電圧を入力し、直流電圧ＶDCを生成する昇圧チョッパ回路１４と、直流電圧検出手段としての電圧検出ライン１５と、昇圧チョッパ回路１４からの直流電圧ＶDCを、直列接続されて交互にオンオフする２つのスイッチング素子Ｑ2，Ｑ3の両端に入力し高周波交流電圧（以下、単に高周波電圧という）に変換し、高圧放電ランプＨＩＤを点灯する、ＬＣ共振回路１７を含むインバータ手段であるインバータ回路１６と、インバータ回路１６のスイッチング素子電流の検出手段である電流検出回路１８と、高圧放電ランプＨＩＤと、高圧放電ランプＨＩＤのランプ電圧を検出するランプ電圧検出手段としてのランプ電圧検出回路１９と、昇圧チョッパ回路１４のスイッチング素子Ｑ1のスイッチング周波数及びデューティ比の一方又は両方を制御することによって昇圧チョッパ回路１４から出力される直流電圧ＶDCを制御したり、インバータ回路１６の２つのスイッチング素子Ｑ2，Ｑ3のスイッチング周波数（動作周波数）を制御することによって高圧放電ランプＨＩＤの点灯周波数を制御する制御手段である制御回路２０と、を備えている。

なお、ダイオードＤ8及びコンデンサＣ10は、昇圧チョッパ回路１４の入力側に設けたトランスＴ2の一次コイルＬ1に流れる電流を二次コイルで検出し、整流・平滑して制御回路２０に伝達するための回路である。また、昇圧チョッパ回路１４のスイッチング素子Ｑ1のソースと基準電位点間に設けた抵抗Ｒ6は、スイッチング素子Ｑ1を流れる電流を検出して制御回路２０に伝達するための抵抗である。

本実施形態においては、制御回路２０は、直流電源回路１２から出力される直流電圧ＶDCを制御したり、インバータ回路１６の動作周波数を制御するものであるが、ランプ始動後の過渡状態において、ランプ電圧が所定の値に達するまでは、インバータ回路１６の動作周波数の制御によってランプ電力を制御し、ランプ電圧が前記所定の値に達した後は、直流電源回路１２からの直流電圧ＶDCの制御によってランプ電力を制御する機能を備えている。

制御回路２０が、電力制御する際に行う、インバータ回路１６の動作周波数の制御と直流電源回路１２からの直流電圧の制御とを切り換えるランプ電圧の所定の値（図２のＤに相当する）は、ランプ安定点灯時のランプ飽和電圧の例えば５０〜６０％の電圧値である。この所定の値は、高圧放電ランプＨＩＤのランプ電圧が始動後から徐々に上昇する過渡状態において始動直後（即ち点灯直後）からランプ電圧が飽和電圧に至る例えば５０〜６０％の所定の電圧値に達するまでの第１の区間Ａは音響共鳴現象が殆んど発生せず、ランプ電圧が飽和電圧に至る例えば５０〜６０％の前記所定の電圧値に達しそれ以上となった第２の区間Ｂでは、音響共鳴現象が発生し易くなることに基づいている。

直流電源手段としての直流電源回路１２はダイオードＤ1〜Ｄ4を備え、交流電源ＡＣからの交流電源電圧を入力し、全波整流する全波整流回路１３と、トランスＴ2の一次コイルＬ1，スイッチング素子Ｑ1，ダイオードＤ5及び出力コンデンサＣ4を備え、全波整流回路１３からの全波整流電圧を入力し、昇圧して所定の直流電圧ＶDCを生成する昇圧チョッパ回路１４とで構成されている。

昇圧チョッパ回路１４は、スイッチング素子Ｑ1がオンしているときにトランスＴ2の一次コイルＬ1にエネルギーを蓄え、Ｑ1がオフのときにダイオードＤ5が導通し、前記一次コイルＬ1に蓄えられたエネルギーを出力コンデンサＣ4に放出する。このとき、Ｔ2の一次コイルＬ1に発生する電圧は入力電圧（整流回路１３からの整流電圧）に直列に加算するので、出力電圧は入力より高い電圧（昇圧電圧）となる。昇圧チョッパ回路１４から出力される直流電圧ＶDCは、スイッチング素子Ｑ1のスイッチング周波数及びデューティ比の一方或いは両方を制御することによって制御される。

インバータ回路１６は、昇圧チョッパ回路１４からの直流電圧ＶDCが入力し、同じスイッチング周波数でデューティ比５０％の互に反転関係にある２種類のスイッチングパルスで交互にオンオフする直列接続された２つのスイッチング素子Ｑ1，Ｑ2と、直流カット用コンデンサＣ5と、コイルＬ2及びコンデンサＣ6からなるＬＣ共振回路１７とを有したハーフブリッジ型の高周波インバータで構成され、直流電源回路１２からの直流電圧を入力し、高周波電圧に変換して、高圧放電ランプＨＩＤに供給する。
高圧放電ランプＨＩＤの点灯周波数は、インバータ回路１６の２つのスイッチング素子Ｑ2，Ｑ3のスイッチング周波数（動作周波数）を制御することによって制御される。

インバータ回路１６からの高周波出力は、高圧放電ランプＨＩＤの両端に印加され、高圧放電ランプＨＩＤを高周波点灯させる。
インバータ回路１６は、昇圧チョッパ回路１４の出力コンデンサＣ4の正極側の出力端と負極側出力端（基準電位点）との間にスイッチング素子Ｑ2，Ｑ3としての２つの例えばＮチャネル型ＦＥＴのドレイン，ソースを直列に接続し、スイッチング素子Ｑ2のスイッチ電流とは逆方向に電流が流れる極性にスイッチング素子Ｑ2と並列に寄生ダイオード（図示せず）が接続されており、同様にスイッチング素子Ｑ3のスイッチ電流とは逆方向に電流が流れる極性にスイッチング素子Ｑ3と並列に寄生ダイオード（図示せず）が接続されており、スイッチング素子Ｑ2，Ｑ3の接続点と基準電位点との間に、コンデンサＣ5を介してコイルＬ2及びコンデンサＣ6からなる共振回路１７が接続され、共振回路１７のコンデンサＣ6に並列に高圧放電ランプＨＩＤが接続され、前記スイッチング素子Ｑ2，Ｑ3のゲートには、制御回路２０から２つのスイッチング素子Ｑ2，Ｑ3を所望の動作周波数で交互にオン，オフさせるスイッチングパルスが供給されるようになっている。

インバータ回路１６の動作を簡単に説明する。交流電力ＡＣが投入されると、直流電源回路１２から出力される直流電圧ＶDCは、インバータ回路１６におけるスイッチング素子Ｑ2，Ｑ3の直列回路の両端に供給される。スイッチング素子Ｑ2，Ｑ3は、制御回路２０からの所定の周波数のスイッチングパルスにて交互にオン，オフされる。スイッチング素子Ｑ2がオン、スイッチング素子Ｑ3がオフのときは、出力コンデンサＣ4の正極側出力端→スイッチング素子Ｑ2→コンデンサＣ5→コイルＬ2→コンデンサＣ6→出力コンデンサＣ4の負極側出力端の経路で電流が流れ、次にスイッチング素子Ｑ2がオフ、スイッチング素子Ｑ3がオンすると、コイルＬ2に蓄えたエネルギーに基づいて、コイルＬ2→コンデンサＣ6→スイッチング素子Ｑ3の寄生ダイオード（図示せず）→コンデンサＣ5のように電流が流れる。これにより、コンデンサＣ6が充電され、スイッチング素子Ｑ3がオンの期間に、コンデンサＣ6の充電電圧に基づいて、コンデンサＣ6→コイルＬ2→コンデンサＣ5→スイッチング素子Ｑ3→コンデンサＣ6の経路で電流が流れる。次に、スイッチング素子Ｑ2がオン、スイッチング素子Ｑ3がオフすると、コイルＬ2に蓄えたエネルギーに基づいて、まずコンデンサＣ6→コイルＬ2→コンデンサＣ5→寄生ダイオード（図示せず）の経路で電流が流れた後、再び出力コンデンサＣ4の正極側出力端→スイッチング素子Ｑ2→コンデンサＣ5→コイルＬ2→コンデンサＣ6→出力コンデンサＣの負極側出力端の経路で電流が流れる。すなわち、ＬＣ共振回路１７のコイルＬ2とコンデンサＣ6によって共振電流が流れることになる。そして、このとき生じる共振電圧によって高圧放電ランプＨＩＤが放電を開始して点灯する。高圧放電ランプＨＩＤが点灯後は、電流経路がコンデンサＣ5，コイルＬ2，高圧放電ランプＨＩＤを主たる電流経路として放電電流が流れ、スイッチング素子Ｑ2，Ｑ3のオンオフ動作に伴って、コンデンサＣ5の充電及び放電、コイルＬ2のエネルギー蓄積及び放出が行われ、放電ランプＨＩＤには制御回路２０のスイッチング周波数（動作周波数）による高周波電流が流れ、高周波点灯を維持する。

ランプ電力検出手段は、直流電源回路１２から出力される直流電圧ＶDCdetを検出する検出ライン１５からなる電圧の検出手段と、インバータ回路１６のスイッチング素子Ｑ3を流れる電流Ｉdetを検出する、抵抗Ｒ1，Ｒ2及びコンデンサＣ7からなる電流の検出手段とで構成され、制御回路２０で前記の検出された電圧ＶDCdetと電流Ｉdetを演算することによってランプ電力に相当する信号を得る。

ランプ電圧検出回路１９は、高圧放電ランプＨＩＤの両端の高周波電圧を抵抗Ｒ3，Ｒ4の直列回路で分圧して検出する検出回路と、ダイオードＤ6とコンデンサＣ8からなり、高周波電圧の交流半周期の半波電圧を整流平滑する第１の回路とダイオードＤ7とコンデンサＣ9からなり、前記第１の回路の整流平滑電圧に前記高周波電圧の次の交流半周期の半波電圧を加えた電圧を整流平滑する第２の回路を２つの回路を用いた倍電圧整流回路と、で構成される。このランプ電圧検出回路１９で検出された直流のランプ検出電圧は、制御回路２０によるランプ電圧の前記所定値を検出してランプ電力を制御する際の制御方法を切り換えるのに用いられるほか、音響共鳴現象が生じた場合には非音響共鳴時に比べてランプ電圧が上昇するので、そのランプ電圧の上昇を検出することによって音響共鳴現象の発生を検出（即ち音響共鳴判定）するのにも用いられる。

図２及び図３はランプの始動後の過渡特性の一例を示している。図２はランプ電圧特性を示し、図３はランプ電力特性を示している。
図２示すランプ電圧特性は個々のランプに固有の特性となっており、一方、図３に示すランプ電力特性は、ランプ始動後の電力特性曲線であり、電力制御における理想的な目標電力曲線と一致するものである。

図２に示すように、ランプ始動後、ランプ電圧は徐々に上昇する特性を示す。この過渡状態の電圧上昇期間は発光管の温度が上昇している期間である。音響共鳴現象は実験の結果この過渡状態期間中の初期の期間Ａでは殆んど発生しない。そこで、音響共鳴現象の発生しない過渡期間中の初期の期間Ａ（この期間では、０≦ランプ電圧＜Ｄ）でのランプ電力制御は、インバータ回路１６の動作周波数制御により行うことにより、全期間を昇圧チョッパ回路１４の直流電圧ＶDCで制御する場合に比べ直流電圧ＶDCの制御範囲を小さくでき、部品耐圧の観点からの部品選定が容易になる。

図４はランプ電圧検出回路における倍電圧整流電圧の波形、即ち、ランプ電圧検出回路１９の点ｇにおけるコンデンサＣ9の出力信号の波形を示している。
ここで、ランプ電圧検出回路１９におけるダイオードＤ6とコンデンサＣ8の回路とダイオードＤ7とコンデンサＣ9の回路を２つの回路を用いた倍電圧整流回路の動作を説明する。高圧放電ランプＨＩＤの両端ａ，ｂに高周波電圧が印加されて、高周波点灯している状態で、高圧放電ランプＨＩＤの一端ａに−、他端ｂに＋の電圧がかかる（即ちｅ−ｂ間に−電圧がかかる）と、点ｂの＋電圧はダイオードＤ6のアノードに加わり、コンデンサＣ8に充電され、点ｆが＋電圧、点ｅが−電圧となる。この状態で、高圧放電ランプＨＩＤの両端電圧の極性が反転して、点ｂが−電圧になる（即ちｅ−ｂ間に＋電圧がかかる）と、点ｅの＋電圧にコンデンサＣ8に充電されている電圧が加算された状態となり、略２倍の電圧がダイオードＤ7を通してコンデンサＣ9に充電され、コンデンサＣ9の出力端ｇからは図４の高周波電圧波形ｊの略包絡線波形ｋ（これはコンデンサＣ9で平滑された波形）に相当する電圧がランプ検出電圧ＶLdetとして制御回路２０に出力される。ランプ検出電圧ＶLdetは、抵抗Ｒ４の両端電圧の略２倍の電圧（倍電圧）となっている。

ランプ検出電圧ＶLdetは、音響共鳴現象が生じた場合には非音響共鳴時に比べてランプ電圧が上昇するので、制御回路２０はそのときのランプ検出電圧を基準電圧Ｖ1（非音響共鳴時の電圧に基づいた値）と比較することによって音響共鳴現象の発生を検出（音響共鳴判定）することができる。

以上のように構成された図１の高圧放電ランプ点灯装置においては、ランプ始動後のランプ電力制御は、目標電力カーブの立上り曲線（図３参照）に沿うように、制御回路２０がインバータ回路１６の動作周波数を制御することによって行われる。

ランプ安定時或いはランプ始動後の立上り（５０〜６０％立上り）以降のランプ電力制御は、制御回路２０がインバータ回路１６の動作周波数制御から昇圧チョッパ回路１４の直流電圧制御に切り換えて制御を行う。

その切換えのタイミングはランプ電圧の検出値が予め決めた上記立上りの所定値Ｄ（図２参照）となったところで行う。つまり、本実施形態では、始動時（立上り時）はインバータ回路１６の動作周波数制御にてランプ電力制御を行うようにした点に特徴がある。

ランプ始動後の過渡状態において、ランプ始動時からランプ電圧が所定値Ｄに達するまでの第１の区間Ａ（図２参照）は音響共鳴現象が殆んど起こらないので、インバータ回路１６の動作周波数制御を音響共鳴現象回避に用いる必要がない。そのため、第１の区間Ａでは、インバータ回路１６の動作周波数制御を、目標電力特性（図３のランプ電力曲線参照）に合った電力制御にのみ用いることができる。

従って、前記第１の区間Ａには、直流電源回路１２からの直流電圧制御によってランプ電力を制御する必要がなく、インバータ回路１６の動作周波数制御によってランプ電力制御を行う一方、ランプ電圧が所定値Ｄに達した後の第２の区間Ｂ（図２参照）には、直流電源回路１２の直流電圧制御によるランプ電力制御を用いることができるので、第２の区間Ｂでの電力制御時のみでは直流電源回路１２からの直流電圧ＶDCの変動範囲が大きくなり過ぎることがなくなり、耐圧等の高い部品を選定する必要がなくなる。

本第１の実施形態によれば、ランプ始動後の過渡状態において、ランプ電圧に応じてランプ電力制御の仕方を適切に変えて、ランプ電力を適正に制御することが可能となる。

［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に使用する高圧放電ランプ点灯装置の構成は、図１の第１の実施形態と同様である。第１の実施形態と異なる点は、制御手段としての制御回路２０の機能である。

図５は、音響共鳴現象の発生の有無を示す図である。横軸はインバータ回路１６の動作周波数である。四角で囲まれた周波数帯は、音響共鳴現象が発生しない非共鳴周波数帯（安定領域）を示し、それ以外の周波数帯は音響共鳴周波数帯（不安定領域）を示している。非共鳴周波数帯（安定領域）は、ランプばらつき，経年変化及びランプ電圧の変動等により周波数軸上を移動することが知られている。

図６は本発明の第２の実施形態におけるインバータ回路１６の出力電圧（ランプ電圧ＶＬ）および点灯時のランプ電力と動作周波数との関係を示す特性図である。点灯時のランプ電力はインバータ回路１６の動作周波数を低い周波数から高い周波数に上げていくほど単調に減少する特性を有している。

図６に示すように、高圧放電ランプの始動時には無負荷時共振周波数ｆ0の１／３以上１／２以下の周波数ｆ1でインバータ回路１６を発振制御する。始動時の周波数をこの範囲に設定することによって、ＬＣ共振回路１７の進相発振を抑制することができる。さらにはランプが点灯した直後であっても、放電を維持できる程度の電力をランプに供給しているので、ランプが立消えることなくの放電維持が確実となる。

そして、高圧放電ランプＨＩＤを点灯させる。高圧放電ランプＨＩＤが点灯した後には、無負荷時共振周波数ｆ0の１／５から１／４の範囲内の音響共鳴の発生しない安定領域内の周波数ｆ2で周波数一定制御する。このようにすることによって、高圧放電ランプの安定点灯時において高圧放電ランプの負荷電力の最高点付近が高圧放電ランプの動作点とすることができるとともに安定点灯時に高圧放電ランプが立ち消えなどにより消灯した場合でも進相発振を抑制できスイッチングロスを低く抑えることができる。

以上述べたように、音響共鳴現象はランプ始動時（立上り時）の所定期間Ａ（図２参照）で起こり難いことが実験的に判っている。従って、始動時（立上り時）の期間Ａでは、音響共鳴に基づくランプ電圧変動に応じてインバータ回路１６の動作周波数制御を行なわなくてもよく、目標電力特性（図３参照）に合った電力制御を行うべく動作周波数制御が行われる。ランプ立上り後半以降からランプ安定時に亘る期間Ｂ（図２参照）には、音響共鳴に基づくランプ電圧変動に応じたインバータ回路１６の動作周波数制御を行って、音響共鳴に基づくランプ電圧変動を無くす制御を行う一方、その動作周波数制御の結果としてランプ電力が目標電力特性に合わなくなる分、直流電源回路１２の直流電圧ＶDCの制御を行って電力調整が行われる。

期間Ｂの制御については、音響共鳴現象に基づくランプ電圧変動の起こらない安定点灯となるようにインバータ回路１６の動作周波数を変えて（上げて）いくと、ランプ電力が目標電力特性に一致しなく（合わなく）なり、その結果昇圧チョッパ回路１４の直流電圧制御によるランプ電力制御が行なわれて、ランプ電力が所望の値（目標電力値）となるように制御される。

一方、上記の音響共鳴現象を回避すべく、即ち、ランプ電圧変動を無くすべく、インバータ回路１６の動作周波数を上げて音響共鳴現象のない安定領域を求めて行く際、動作周波数の調整範囲にも規制（予め定めた範囲）があるため、動作周波数の上限に至ると動作周波数を、下限側の低周波数に戻してから再度動作周波数を上げて音響共鳴現象の無い（即ちランプ電圧変動のない）周波数領域を探していくように動作周波数制御がなされる。その際、動作周波数を高い（上限）のところから低いところへ一挙に（急激に）切り換えると、ランプ電力が低いところから急激に高くなる方向に変化する（図６参照）。これにより、急激な電力投入がなされることで、部品の耐圧等の関係で不具合を生じる虞が生ずる。

このため、本第２の実施形態では、制御手段である制御回路２０は次のような制御を行う。
すなわち、制御回路２０は、直流電源回路１２からの直流電圧とインバータ回路１６の動作周波数を制御する機能を有しており、ランプ始動後のランプ電圧の上昇による音響共鳴判定時（図４参照）に、インバータ回路１６の動作周波数を高い方向に所定の値ずつ移動しながらランプ電力検出回路１９からのランプ検出電圧をチェックする制御によって安定点灯状態を見つけ音響共鳴現象の発生を回避させるようにすると共に、直流電源回路１２からの直流電圧の制御によってランプ電力を所定の値（目標電力値）となるように制御するものであって、インバータ回路１６の動作周波数が所定の範囲の終わり（最大値）に達した場合には、図６に示すように直流電源回路１２からの直流電圧の制御によってランプ電力を所定量低下させる第１の制御（符号Ｅにて示す）と、その後に前記インバータ回路１６の動作周波数を所定の範囲の始め（最小値）若しくはその近くに低下させる第２の制御（符号Ｆにて示す）とを行うものである。

インバータ回路１６の動作周波数を高→低へ戻すときには、先ず、(1)第１の制御として、インバータ回路１６の直流電圧制御でランプ電力を一旦一気に低いところに制御した後(これは、ランプ電力を高い方へ一気に変えることは部品耐圧等の観点に支障を来たすが、ランプ電力を低い方へ一気に変えることは何ら支障がないからである)、次に、(2)第２の制御として、インバータ回路１６の動作周波数を低い周波数に戻すように動作周波数を高速に（一気に）低い方に切り換える。この(2)により、動作周波数を低い方に切り換えても切り換えられるランプ電力の絶対値が低いために部品耐圧等による不具合は生じない。加えて、(2)において、インバータ回路１６の動作周波数を高い方から一気に低い方に切り換えることにより、動作周波数帯に存在する音響共鳴領域（不安定領域）を瞬時に通り抜けて低い周波数へリターンすることができる。

［第３の実施形態］
図７は本発明の第３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１０は、高圧放電ランプＨＩＤが装着される器具本体２３と共に照明装置２１を構成する。図７に示すように、高圧放電ランプＨＩＤ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１０により点灯される。点灯した高圧放電ランプＨＩＤ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１０の効果を有する照明装置が得られる。

本発明の第１の実施形態の高圧放電ランプ点灯装置を示す回路図。 ランプの始動後の過渡特性の一例であって、ランプ電圧特性を示す図。 ランプの始動後の過渡特性の一例であって、ランプ電力特性（目標電力特性）を示す図。 ランプ電圧検出回路における倍電圧整流出力信号の波形を示す図。 音響共鳴現象の発生の有無を示す図。 本発明の第２の実施形態におけるインバータ回路の出力電圧（ランプ電圧ＶＬ）および点灯時のランプ電力と動作周波数との関係を示す特性図。 本発明の第３の実施形態の照明装置を示す断面図。

符号の説明

１０…高圧放電ランプ点灯装置、１２…直流電源回路（直流電源手段）、１３…全波整流回路、１４…昇圧チョッパ回路、１５…直流電圧検出ライン（直流電圧検出手段）、１６…インバータ回路（インバータ手段）、１７…ＬＣ共振回路、１８…電流検出回路（電流検出手段）、１９…ランプ電圧検出回路（ランプ電圧検出手段）、２０…制御回路（制御手段）、２１…照明装置、ＨＩＤ…高圧放電ランプ。

Claims (6)

1. 交流電源からの電源電圧を入力し、直流電圧を生成する直流電源手段と；
   前記直流電源手段からの直流電圧を高周波電圧に変換し、ＬＣ共振回路を含む高圧放電ランプを点灯するインバータ手段と；
   前記高圧放電ランプのランプ電圧を検出するランプ電圧検出手段と；
   前記高圧放電ランプのランプ電力を検出するランプ電力検出手段と；
   前記直流電源手段からの直流電圧と前記インバータ手段の動作周波数を制御する制御手段であって、ランプ始動後の過渡状態において、前記ランプ電圧が所定の値に達するまでは、前記インバータ手段の動作周波数を制御することによって前記ランプ電力を制御し、前記ランプ電圧が前記所定の値に達した後は、前記直流電源手段からの直流電圧を制御することによって前記ランプ電力を制御する制御手段と；
   を具備したことを特徴とする高圧放電ランプ点灯装置。
2. 前記ランプ電圧が所定の値に達するまでの前記直流電源手段からの直流電圧は、所定の値に保持し、また前記ランプ電圧が所定の値に達した後の前記インバータ手段の動作周波数は、非音響共鳴周波数に制御されることを特徴とする請求項１に記載の高圧放電ランプ点灯装置。
3. 前記ランプ電力検出手段は、前記直流電源手段からの直流電圧の検出手段と、前記インバータ手段のスイッチング素子電流の検出手段とで構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の高圧放電ランプ点灯装置。
4. 前記ランプ電圧検出手段は、前記高圧放電ランプの両端の高周波電圧を検出する検出回路と、この検出回路で検出した高周波電圧の交流半周期の半波電圧を整流平滑する第１の回路と、この第１の回路の整流平滑電圧に前記高周波電圧の次の交流半周期の半波電圧を加えた電圧を整流平滑する第２の回路とを備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の高圧放電ランプ点灯装置。
5. 交流電源からの電源電圧を入力し、直流電圧を生成する直流電源手段と；
   前記直流電源手段からの直流電圧を高周波電圧に変換し、高圧放電ランプに印加して点灯するインバータ手段と；
   前記高圧放電ランプのランプ電圧を検出するランプ電圧検出手段と；
   前記高圧放電ランプのランプ電力を検出するランプ電力検出手段と；
   前記直流電源手段からの直流電圧と前記インバータ手段の動作周波数を制御する機能を有し、ランプ始動後のランプ電圧の上昇による音響共鳴判定時に、前記インバータ手段の動作周波数を高い方向に所定の値ずつ移動させながら前記ランプ電圧の変化をチェックする制御によって安定点灯状態を見つけ音響共鳴現象の発生を回避させるようにすると共に、前記直流電源手段からの直流電圧を制御することによって前記ランプ電力を所定の値に制御するものであって、前記インバータ手段の動作周波数が所定の範囲の終わり（最大値）に達した場合には、前記直流電源手段からの直流電圧を制御することによって前記ランプ電力を低下させる第１の制御と、その後に前記インバータ手段の動作周波数を低下させる第２の制御とを行う制御手段と；
   を具備したことを特徴とする高圧放電ランプ点灯装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載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；
   を具備したことを特徴とする照明装置。

Images