JP2010123522A - 無電極放電灯点灯装置及び照明器具 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数種類の無電極放電灯に自動的に対応可能な無電極放電灯点灯装置及び照明器具を提供する。
【解決手段】 無電極放電灯４２に近接配置される誘導コイル４１に交流電力を供給するインバータ回路２と、インバータ回路２の出力の周波数である動作周波数を制御する制御回路３とを備える。インバータ回路２は、誘導コイル４１及び無電極放電灯４２とともに共振回路を構成する可変インダクタ部Ｌｓｖ及び可変キャパシタ部Ｃｓｖ，Ｃｐｖを備える。制御回路３は、上記共振回路のインピーダンスを検出し、検出されたインピーダンスに応じて自動的にスイッチＳＷ１〜ＳＷ３のオンオフを切り替えることにより可変インダクタ部Ｌｓｖ及び可変キャパシタ部Ｃｓｖ，Ｃｐｖの回路定数を変更する。
【選択図】図１

Description

本発明は、無電極放電灯点灯装置及び照明器具に関するものである。

従来から、無電極放電灯に近接配置される誘導コイルによって高周波電磁界を発生させることで無電極放電灯を点灯させる無電極放電灯点灯装置が提供されている（例えば、特許文献１参照）。

この種の無電極放電灯点灯装置として、例えば図７に示すものがある。この無電極放電灯点灯装置は、無電極放電灯４２に近接配置されて無電極放電灯４２とともに負荷回路４を構成する誘導コイル４１と、交流電源ＡＣから供給された交流電力を直流電力に変換する直流電源回路１と、直流電源回路１が出力した直流電力を高周波の交流電力に変換して誘導コイル４１に出力する電源回路としてのインバータ回路２と、インバータ回路２の出力の周波数を制御する制御回路３とを備える。

無電極放電灯４２は、例えばガラスのような透明な材料からなり中空であってバッファガスと呼ばれる希ガスと金属蒸気とを含む放電ガスが封入されたバルブを有する。バルブの内面には紫外線を可視光に変換する蛍光体膜が塗布されており、誘導コイル４１が発生させる高周波電磁界によって上記のバルブ内にアーク放電が発生すると、発生した紫外線が上記の蛍光体膜において可視光に変換されることにより、無電極放電灯４２が発光する。

直流電源回路１は、交流電源ＡＣから供給された交流電流を全波整流するダイオードブリッジＤＢと、ダイオードブリッジＤＢの出力端間に接続されたインダクタＬ０とダイオードＤ０と出力コンデンサＣ０との直列回路と、インダクタＬ０とダイオードＤ０との接続点とダイオードブリッジＤＢの低電圧側の出力端との間に接続されたスイッチング素子Ｑ０と、出力コンデンサＣ０の両端電圧（すなわち直流電源回路１の出力電圧）Ｖｄｃを一定とするようなデューティ比でスイッチング素子Ｑ０をオンオフ駆動する電圧制御部１１とを備える、周知の昇圧型コンバータ（ブーストコンバータ）である。

インバータ回路２は、周知のいわゆるハーフブリッジ形であって、直流電源回路１の出力端間すなわち出力コンデンサＣ０の両端間に接続されたスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２との直列回路と、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の接続点に一端が接続されたインダクタＬｓと、インダクタＬｓの他端に一端が接続されて他端が誘導コイル４１の一端に接続された直列コンデンサＣｓと、一端がインダクタＬｓと直列コンデンサＣｓとの接続点に接続され他端がスイッチング素子Ｑ２と誘導コイル４１との接続点に接続された並列コンデンサＣｐと、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を交互にオンオフ駆動する駆動部２１とを備える。つまり、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が交互にオンオフされることで、インダクタＬｓと直列コンデンサＣｓと並列コンデンサＣｐと誘導コイル４１とが構成する共振回路と直流電源回路１との接続が切り替えられ、この共振回路の共振により、直流電源回路１が出力した直流電力が高周波の交流電力に変換されて誘導コイル４１に供給されるのであり、２個のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が請求項におけるスイッチング部を構成し、インバータ回路２のコンデンサＣｓ，ＣｐとインダクタＬｓとが請求項における共振部を構成する。また、各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２はそれぞれＮチャネル型のＦＥＴからなり、駆動部２１は、各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のゲートに対してそれぞれ矩形波状の駆動信号を出力することによって各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をそれぞれオンオフ駆動する。さらに、駆動部２１は、制御端子ＣＯＮを有し、制御端子ＣＯＮから流出する制御電流Ｉｏが多いほど、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をオンオフする周波数、すなわちインバータ部２の出力の周波数（以下、「動作周波数」と呼ぶ。）ｆを高くする。より具体的には、駆動部２１は、図８に示すように、制御端子ＣＯＮの電位（以下、「制御電圧」と呼ぶ。）ＶＩに応じた周波数でスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をオンオフ駆動する周知の電圧制御発振器ＶＣＯと、定電圧源Ｅ０に一端が接続されて他端がグランドに接続された２個の抵抗Ｒａ，Ｒｂの直列回路とを備える。抵抗Ｒａ，Ｒｂの接続点は制御端子ＣＯＮに接続されている。電圧制御発振器ＶＣＯは図９に示すように制御電圧ＶＩが低いほど動作周波数ｆを高くするものであって、制御電流Ｉｏが多くなると、低電圧側の抵抗Ｒｂに流れる電流が減少して制御電圧ＶＩが低くなることにより、動作周波数ｆが高くなる。

また、制御回路３は、アノードがインバータ回路２の駆動部２１の制御端子ＣＯＮに接続されたダイオードＤ１と、ダイオードＤ１のカソードに一端が接続された抵抗Ｒ１と、反転入力端子と出力端子とが互いに接続されてボルテージフォロワを構成するとともに出力端子が抵抗Ｒ１の他端に接続されたオペアンプＯＰ１と、出力端がオペアンプＯＰ１の非反転入力端子に接続されたＤ／Ａ変換器３ａとを介してインバータ回路２の駆動部２１の制御端子ＣＯＮに接続されたＭＰＵからなる。すなわち、制御回路３は、Ｄ／Ａ変換器３ａを介したオペアンプＯＰ１への出力電圧を変更することで、制御電流Ｉｏを変更し、これによって動作周波数ｆを制御する。動作周波数ｆが変化すると、インバータ回路２の共振部と誘導コイル４１と無電極放電灯４２とが構成する共振回路の共振周波数と動作周波数ｆとの関係により、誘導コイル４１に出力される電力も変化する。
特開２００３−３３２０９０号公報

インバータ回路２の共振部と負荷回路４とが構成する共振回路のインピーダンスは、無電極放電灯４２のバルブに封入される希ガスの構成によって変化する。無電極放電灯４２において希ガスとしてアルゴンのみが用いられている場合における動作周波数ｆ（Ｈｚ）とインバータ回路２の出力電力Ｐ（Ｗ）との関係を図１０（ａ）に示し、無電極放電灯４２において希ガスとしてクリプトンとアルゴンとを８：２の比率で混合したガスが用いられている場合における動作周波数ｆ（Ｈｚ）とインバータ回路２の出力電力Ｐ（Ｗ）との関係を図１０（ｂ）に示す。上記の２つの場合では共振周波数はともに１３０ｋＨｚ程度であって差はないものの、前者ではピークでの出力電力Ｐが約７２Ｗあるのに対し、後者ではピークでの出力電力Ｐが約４０Ｗと低くなっている。また、無電極放電灯４２のバルブの形状にも例えば円柱形状や球形状といったように様々なものが存在するが、このように無電極放電灯４２のバルブの形状が異なる場合にも、無電極放電灯４２のバルブ内に形成される放電路の形状が異なることにより上記のインピーダンスが異なる。

そして、無電極放電灯４２にインバータ回路２が対応していない場合、上記のようなインピーダンスの違いにより、インバータ回路２の出力電力が不足して無電極放電灯４２の立ち消えが発生することや、逆にインバータ回路２の出力電力が過剰となって回路部品に過剰な電気的ストレスがかかってしまうことが考えられる。

本発明は、上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、複数種類の無電極放電灯に自動的に対応可能な無電極放電灯点灯装置及び照明器具を提供することにある。

請求項１の発明は、無電極放電灯に近接配置される誘導コイルと、直流電力を入力されて誘導コイルに交流電力を供給する電源回路と、電源回路の出力の周波数である動作周波数を制御する制御回路とを備え、電源回路は、制御回路の制御によって回路定数が可変であって誘導コイル及び無電極放電灯とともに共振回路を構成する共振部と、直流電力が入力される入力端と共振部との接続を切り替える少なくとも１個のスイッチング素子を備えるスイッチング部とを有し、制御回路は、無電極放電灯の始動後の所定のタイミングで前記共振回路のインピーダンスを検出するとともに、検出されたインピーダンスに応じて、共振部の回路定数を変更することを特徴とする。

この発明によれば、電源回路の共振部が誘導コイル及び無電極放電灯とともに構成する共振回路のインピーダンスに応じて共振部の回路定数が制御回路によって変更されることにより、複数種類の無電極放電灯に自動的に対応可能となる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、制御回路は、無電極放電灯が点灯した後の所定の測定期間中での電源回路の出力電力の最大値に基いて前記共振回路のインピーダンスを検出することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、制御回路は、無電極放電灯の始動時、前記共振回路の共振周波数を含むような範囲で動作周波数を徐々に変化させる始動スイープ動作を行うとともに、始動スイープ動作中に無電極放電灯の始動を検出するものであって、前記測定期間は、始動スイープ動作中に無電極放電灯の始動が検出されてから始動スイープ動作の終了時点までの期間であることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかの発明において、制御回路は、電源回路から誘導コイルへの交流電力の出力を停止させた状態で、共振部の回路定数を変更することを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかの発明において、共振部は、制御回路の制御によって誘導係数が可変な可変インダクタ部と、制御回路の制御によって容量係数が可変な可変キャパシタ部とを有することを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の無電極放電灯点灯装置と、無電極放電灯点灯装置によって点灯される無電極放電灯と無電極放電灯点灯装置とをそれぞれ保持する器具本体とを備えることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、電源回路の共振部が誘導コイル及び無電極放電灯とともに構成する共振回路のインピーダンスに応じて共振部の回路定数が制御回路によって変更されることにより、複数種類の無電極放電灯に自動的に対応可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

本実施形態の基本構成は従来例と共通であるので、共通する部分については同じ符号を付して説明を省略する。

本実施形態では、図１に示すように、インバータ部２のローサイドのスイッチング素子Ｑ２とグランドとの間に、インバータ部２の出力電流を検出するための検出抵抗Ｒｄが挿入され、スイッチング素子Ｑ２と検出抵抗Ｒｄとの接続点はＡ／Ｄ変換器３ｂを介して制御回路３に接続されている。すなわち、制御回路３は、検出抵抗Ｒｄの両端電圧の実効値に基いて、インバータ回路２の出力電流の実効値に応じた電流である検出電流Ｉｄを得る。

さらに、インバータ回路２のインダクタＬｓに並列に、制御回路３によってオンオフ制御されるスイッチＳＷ１と調整用インダクタＬｓ２との直列回路が接続されている。すなわち、上記のインダクタＬｓ，Ｌｓ２とスイッチＳＷ１とは、全体として、回路定数としての誘導係数がスイッチＳＷ１のオンオフに応じて２段階に可変な可変インダクタ部Ｌｓｖを構成している。また、インバータ回路２の各コンデンサＣｓ，Ｃｐには、それぞれ、制御回路３によってオンオフ制御されるスイッチＳＷ２，ＳＷ３と調整用コンデンサＣｓ２，Ｃｐ２との直列回路が接続されている。すなわち、インバータ回路２の直列コンデンサＣｓと並列コンデンサＣｐとは、それぞれ、並列に接続された調整用コンデンサＣｓ２，Ｃｐ２及びスイッチＳＷ２，ＳＷ３とともに、全体として、回路定数としての容量係数がスイッチＳＷ２，ＳＷ３のオンオフに応じて２段階に可変な可変キャパシタ部Ｃｓｖ，Ｃｐｖを構成している。

本実施形態の動作を説明する。電源が投入されると、制御回路３は、図２及び図３に示すように、動作周波数ｆを所定の始点周波数ｆｓから所定の終点周波数ｆｅまで所定の時間ｔ０〜ｔ３をかけて徐々に低下させる始動スイープ動作を開始する。図３において、曲線Ａは無電極放電灯４２が点灯していない状態での動作周波数ｆと検出電流Ｉｄとの関係を示し、曲線Ｂ１は無電極放電灯４２が点灯した状態での動作周波数ｆと検出電流Ｉｄとの関係を示す。曲線の形状としては動作周波数ｆとインバータ部２の出力電力との関係も図３と同様となる。始動スイープ動作において、終点周波数ｆｅは、インバータ回路２の可変インダクタ部Ｌｓｖ及び可変キャパシタ部Ｃｓｖ，Ｃｐｖと負荷回路４とが構成する共振回路（以下、単に「共振回路」と呼ぶ。）の共振周波数（以下、単に「共振周波数」と呼ぶ。）がとり得る範囲よりも僅かに低い程度とされている。つまり、始動スイープ動作中に動作周波数ｆがとり得る範囲には共振周波数が含まれる。そして、始動スイープ動作中、動作周波数ｆが共振周波数に達する前に、動作周波数ｆがある周波数（以下、「始動周波数」と呼ぶ。）ｆｉとなった時点ｔ１で、インバータ回路２の出力電力が無電極放電灯４２の始動に必要な程度に達し、ここにおいて無電極放電灯４２が点灯して特性が図３の曲線Ａに示すものから図３の曲線Ｂ１に示すものに変化することで、検出電流Ｉｄが低下する。

制御回路３は、例えば上記の検出電流Ｉｄの低下に基いて無電極放電灯４２の点灯を検出するとともに、無電極放電灯４２の点灯が検出されてから始動スイープ動作が終了するまでの期間内での検出電流Ｉｄの最大値（つまり動作周波数ｆが共振周波数となった時点ｔ２での検出電流Ｉｄであり、インバータ回路２の出力電力の最大値に応じた検出値）Ｉｄ１を検出する。そして、制御回路３は、始動スイープ動作中に得られた検出電流Ｉｄの最大値（以下、「最大検出電流」と呼ぶ。）Ｉｄ１を、始動スイープ動作の終了時ｔ３に、所定の目標最大検出電流Ｉｄ０と比較し、共振部の各スイッチＳＷ１〜ＳＷ３を切り替えるべきか否かを判断するとともに、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ３を切り替えるべきと判断されれば、例えば各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をともにオフさせることでインバータ回路２の出力電力を停止させた状態で、最大検出電流Ｉｄ１を目標最大検出電流Ｉｄ０に近づけるように、つまり無電極放電灯４２が点灯した状態での特性を図３に破線Ｂ０で示すような特性とするように、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ３のオンオフを切り替え、その後ｔ４に再度の始動スイープ動作を開始する。再度の始動スイープ動作でも、動作周波数ｆが始動周波数ｆｉに達した時点ｔ５で無電極放電灯４２が点灯し、その後に動作周波数ｆが共振周波数となった時点ｔ６での検出電流Ｉｄが２回目の始動スイープ動作における最大検出電流となっている。図２の例では、２回目の始動スイープ動作における最大検出電流が目標最大検出電流Ｉｄ０となっており、２回目の始動スイープ動作の終了時点ｔ７以後、制御回路３は動作周波数ｆを一定に維持する定常動作に移行している。ここで、上記の最大検出電流Ｉｄ１は共振回路のインピーダンスに応じた値となるから、上記動作はすなわち共振回路のインピーダンスを検出して検出されたインピーダンスに応じて共振回路の回路定数を変更していることになる。

本実施形態では、最初の始動スイープ動作時には、共振部の各スイッチＳＷ１〜ＳＷ３のオンオフ状態は、それぞれ、共振回路のインピーダンスが最も大きくなるように、つまり動作周波数ｆが共振回路の共振周波数であるときのインバータ回路２の出力電力が最も小さく（最大検出電流が最も小さく）なるように、選択されており、上記の各スイッチＳＷ１〜ＳＷ３の切替後には最大検出電流は増加する。

上記構成によれば、最大検出電流Ｉｄ１に基いて自動的に各スイッチＳＷ１〜ＳＷ３を切り替えることで、共振回路のインピーダンスを無電極放電灯４２に応じたインピーダンスに切り替えることができるから、複数種類の無電極放電灯４２に自動的に対応可能となる。

なお、可変インダクタ部Ｌｓｖや可変キャパシタ部Ｃｓｖ，Ｃｐｖの構成は上記に限られず、例えば、図４に示す構成としてもよい。図４の例では、可変インダクタ部Ｌｓｖを、制御回路３によってオンオフ制御されるスイッチとインダクタとの並列回路を３個、互いに直列に接続して構成している。また、各可変キャパシタ部Ｃｓｖ，Ｃｐｖを、それぞれ、制御回路３によってオンオフ制御されるスイッチとコンデンサとの直列回路を３個、互いに並列に接続して構成している。さらに、可変インダクタ部Ｌｓｖの３個のインダクタの誘導係数の比を１：２：４とするとともに、各可変キャパシタ部Ｃｓｖ，Ｃｐｖについて、それぞれ、３個のコンデンサの容量係数の比を１：２：４としている。つまり、可変インダクタ部Ｌｓｖの誘導係数は最も誘導係数が小さいインダクタの誘導係数（以下、「単位誘導係数」と呼ぶ。）の０から７までの整数倍の８段階（０を除けば７段階）に変更可能であり、各可変キャパシタ部Ｃｓｖ，Ｃｐｖの容量係数はそれぞれ最も容量係数が小さいコンデンサの容量係数（以下、「単位容量係数」と呼ぶ。）の０から７までの整数倍の８段階（０を除けば７段階）に変更可能である。図４の例において、可変インダクタ部Ｌｓｖにおけるスイッチとインダクタとの並列回路の個数や、可変キャパシタ部Ｃｓｖ，Ｃｐｖにおけるスイッチとコンデンサとの直列回路の個数は、さらに増加させてもよく、その場合には上記と同様に各インダクタの誘導係数や各コンデンサの容量係数は２^ｎ−１（ｎは１から上記個数までの整数）の比とすれば、可変インダクタ部Ｌｓｖの誘導係数や可変キャパシタ部Ｃｓｖ，Ｃｐｖの容量係数を単位誘導係数（又は単位容量係数）刻みで変更可能となる。このように誘導係数や容量係数を可変とする段階数を増やせば、より多くの種類の無電極放電灯４２に対応可能となる。

また、制御回路３の動作としては、例えば、最大検出電流Ｉｄ１と共振部のスイッチのオンオフ状態との組を示すテーブルを予め保持しておいて、このテーブルと最大検出電流Ｉｄ１との照合によりスイッチの切替の要否及び切替後のスイッチのオンオフ状態を決定する。または、始動スイープ動作中に最大検出電流Ｉｄ１と目標最大検出電流Ｉｄ０との差を所定の切替閾値と比較し、最大検出電流Ｉｄ１と目標最大検出電流Ｉｄ０との差が切替閾値以上であれば、いったんインバータ回路２を停止させた上で、１段階ずつ共振回路のインピーダンスを変化させるように共振部のスイッチのオンオフを切り替えた後、再度の始動スイープ動作を開始するという動作を、最大検出電流Ｉｄ１と目標最大検出電流Ｉｄ０との差が切替閾値未満となるまで繰り返すようにしてもよい。

上記各種の無電極放電灯点灯装置は、図５や図６に示すような照明器具６に用いることができる。上記の各照明器具６は、それぞれ、直流電源回路１とインバータ回路２と制御回路３と誘導コイル４１と無電極放電灯４２とをそれぞれ収納した器具本体６０を備える。図５の照明器具６は路傍に配設され、図６の照明器具６は電柱ＰＯに対して固定されるといったように、上記の各照明器具６はそれぞれ屋外に設置して用いられるものであって、器具本体６０は防水性を有する。上記のような器具本体６０は周知技術で実現可能であるので、詳細な図示並びに説明は省略する。共振回路のインピーダンスは無電極放電灯４２の経年変化によっても変化するので、本発明は、上記のように屋外に設置されて無電極放電灯４２が長期間にわたり交換されないような照明器具６にも好適である。

本発明の実施形態を示す回路ブロック図である。 同上の動作を示す説明図である。 同上において動作周波数と検出電流との関係の一例を示す説明図である。 同上の変更例を示す回路ブロック図である。 同上を用いた照明器具の一例を示す、一部破断した正面図である。 同上を用いた照明器具の別の例を示す正面図である。 従来例を示す回路ブロック図である。 同上におけるインバータ回路の駆動部を示す回路ブロック図である。 同上における制御電圧と動作周波数との関係を示す説明図である。 （ａ）（ｂ）は互いに共通の無電極放電灯点灯装置に互いに異なる無電極放電灯が取り付けられた場合におけるインバータ回路の出力電力と動作周波数との関係の例を示す説明図である。

符号の説明

２ インバータ回路（請求項における電源回路）
３ 制御回路
６ 照明器具
４１ 誘導コイル
４２ 無電極放電灯
６０ 器具本体
Ｃｐｖ，Ｃｓｖ 可変キャパシタ部
Ｌｓｖ 可変インダクタ部
Ｑ１，Ｑ２ スイッチング素子

Claims (6)

1. 無電極放電灯に近接配置される誘導コイルと、
   直流電力を入力されて誘導コイルに交流電力を供給する電源回路と、
   電源回路の出力の周波数である動作周波数を制御する制御回路とを備え、
   電源回路は、制御回路の制御によって回路定数が可変であって誘導コイル及び無電極放電灯とともに共振回路を構成する共振部と、直流電力が入力される入力端と共振部との接続を切り替える少なくとも１個のスイッチング素子を備えるスイッチング部とを有し、
   制御回路は、無電極放電灯の始動後の所定のタイミングで前記共振回路のインピーダンスを検出するとともに、検出されたインピーダンスに応じて、共振部の回路定数を変更することを特徴とする無電極放電灯点灯装置。
2. 制御回路は、無電極放電灯が点灯した後の所定の測定期間中での電源回路の出力電力の最大値に基いて前記共振回路のインピーダンスを検出することを特徴とする請求項１記載の無電極放電灯点灯装置。
3. 制御回路は、無電極放電灯の始動時、前記共振回路の共振周波数を含むような範囲で動作周波数を徐々に変化させる始動スイープ動作を行うとともに、始動スイープ動作中に無電極放電灯の始動を検出するものであって、
   前記測定期間は、始動スイープ動作中に無電極放電灯の始動が検出されてから始動スイープ動作の終了時点までの期間であることを特徴とする請求項２記載の無電極放電灯点灯装置。
4. 制御回路は、電源回路から誘導コイルへの交流電力の出力を停止させた状態で、共振部の回路定数を変更することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の無電極放電灯点灯装置。
5. 共振部は、制御回路の制御によって誘導係数が可変な可変インダクタ部と、制御回路の制御によって容量係数が可変な可変キャパシタ部とを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の無電極放電灯点灯装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の無電極放電灯点灯装置と、無電極放電灯点灯装置によって点灯される無電極放電灯と無電極放電灯点灯装置とをそれぞれ保持する器具本体とを備えることを特徴とする照明器具。

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