JP2011054533A - 無電極放電灯点灯装置及び照明器具 - Google Patents

Abstract

【課題】 スパイク電流の発生が抑えられる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】 無電極放電灯が点灯する程度に誘導コイルへの出力電力を多くする点灯期間Ｔｏｎと、無電極放電灯が消灯する程度に誘導コイルへの出力電力を少なくする消灯期間Ｔｏｆｆとを、人の目で点滅が認識できない程度に十分に高い周波数で周期的に交互に繰り返す調光動作において、点灯期間Ｔｏｎから消灯期間Ｔｏｆｆへの切替のタイミングを、誘導コイルへの出力電圧のゼロクロス点とする。
【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た誘導コイルに高周波電力を供給し、無電極放電灯内に高周波電磁界によるプラズマ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。この種の無電極放電灯点灯装置は、誘導コイルとともに共振回路を構成する共振部と、直流電源と共振部との間に介在するスイッチング部とを備え、スイッチング部が直流電源と共振部との接続を周期的に切り替えることで上記の共振回路の共振により直流電源の直流電力を高周波電力に変換して誘導コイルに供給する。

この種の無電極放電灯装置において、光出力を低下させる、いわゆる調光動作を実現する方法としては、無電極放電灯を間欠点灯させるという方法がある（例えば、特許文献１参照）。すなわち、無電極放電灯が点灯する程度に誘導コイルへの出力電力を多くする点灯期間と、無電極放電灯が消灯する程度に誘導コイルへの出力電力を少なくする消灯期間とを、人の目で点滅として認識できない程度に十分に高い周波数で周期的に交互に繰り返す。この方法では、点灯期間と消灯期間との合計に対して点灯期間が占める割合（すなわちオンデューティ）を変化させることにより、無電極放電灯の光出力を変化させることができる。上記のような出力電力の変更は、スイッチング部の動作の周波数を、誘導コイルと共振部とが構成する共振回路の共振周波数に対して変更することにより実現される。

調光動作を実現する方法としては、上記のような間欠点灯による方法以外に、誘導コイルへの出力電力を減少させることにより無電極放電灯の光出力を低下させるという方法がある。しかしながら、誘導コイルへの出力電力がある程度少なくなると無電極放電灯の点灯維持が不可能になるから、上記のように出力電力の減少によって光出力を低下させる方法では、実現可能な光出力の下限が比較的に高くなってしまう。これに対し、間欠点灯による方法であれば、実現可能な光出力の下限が、出力電力の減少による方法に比べて低くなるという利点がある。

特開２０００−３５３６００号公報

しかしながら、上記のような無電極放電灯の間欠点灯において、誘導コイルへの出力電圧のゼロクロス点以外で、点灯期間から消灯期間への移行がなされると、スパイク電流が発生し、電磁ノイズの原因となる可能性があった。

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、スパイク電流の発生が抑えられる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、誘導コイルとともに共振回路を構成する共振部と、直流電源と共振部との間に介在し直流電源と共振部との電気的な接続を周期的に切り替えることで直流電源から入力された直流電力を交流電力に変換して誘導コイルに供給するスイッチング部と、スイッチング部を制御する制御部とを備え、制御部は、無電極放電灯が点灯する程度に共振部から誘導コイルへの出力電力を多くするようにスイッチング部を制御する点灯期間と、無電極放電灯が消灯する程度に共振部から誘導コイルへの出力電力を少なくするようにスイッチング部を制御する消灯期間とを、周期的に交互に繰り返す調光動作が可能であって、調光動作における点灯期間から消灯期間への切替のタイミングを、共振部から誘導コイルへの出力電圧のゼロクロス点とすることを特徴とする。

この発明によれば、共振部から誘導コイルへの出力電圧のゼロクロス点以外で点灯期間から消灯期間への切替が行われる場合に比べ、スパイク電流の発生が抑えられる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、制御部は、調光動作の消灯期間中にも共振部から誘導コイルへの交流電力の出力を継続させるものであって、調光動作における消灯期間から点灯期間への切替のタイミングを、共振部から誘導コイルへの出力電圧のゼロクロス点とすることを特徴とする。

この発明によれば、共振部から誘導コイルへの出力電圧のゼロクロス点以外で消灯期間から点灯期間への切替が行われる場合に比べ、スパイク電流の発生が抑えられる。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の発明において、制御部は、無電極放電灯の光出力を指示する調光信号を外部から入力され、無電極放電灯の光出力を調光信号によって指示された光出力とするように、点灯期間の継続時間と消灯期間の継続時間とをそれぞれ演算によって決定す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１項に記載の無電極放電灯点灯装置と、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、制御部は、調光動作における点灯期間から消灯期間への切替のタイミングを、共振部から誘導コイルへの出力電圧のゼロクロス点とするので、共振部から誘導コイルへの出力電圧のゼロクロス点以外で点灯期間から消灯期間への切替が行われる場合に比べ、スパイク電流の発生が抑えられる。

請求項２の発明によれば、制御部は、調光動作における消灯期間から点灯期間への切替のタイミングを、共振部から誘導コイルへの出力電圧のゼロクロス点とするので、共振部から誘導コイルへの出力電圧のゼロクロス点以外で消灯期間から点灯期間への切替が行われる場合に比べ、スパイク電流の発生が抑えられる。

（ａ）（ｂ）はそれぞれ本発明の実施形態における誘導コイルの両端電圧の波形を示す説明図であり、（ｂ）は（ａ）よりも無電極放電灯の光出力を低下させた状態を示す。 同上を示す回路ブロック図である。 同上において動作周波数と出力電力との関係を示す説明図である。 同上において動作周波数の時間変化を示す説明図である。 （ａ）（ｂ）はそれぞれ同上におけるスイッチング部の各スイッチング素子のオンオフ状態の時間変化を示す説明図であり、（ｂ）は（ａ）よりも光出力を低下させた状態を示す。 同上の変更例における誘導コイルの両端電圧の波形を示す説明図である。 図６の例における点灯維持回数と消灯期間の長さとのそれぞれについて光出力との関係を示す説明図である。 同上の別の変更例を示す回路ブロック図である。 図８の例において直流出力電圧と光出力との関係を示す説明図である。 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。

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。

本実施形態は、図２に示すように、無電極放電灯１に近接配置された誘導コイル２と、直流電源３から入力された直流電力を高周波の交流電力に変換して誘導コイル２に出力することにより無電極放電灯１を点灯させるインバータ部４と、インバータ部４を制御する制御部５とを備える。直流電源３としては例えば周知の直流電源回路や電池を用いることができる。

詳しく説明すると、無電極放電灯１は、透光性を有する例えばガラスのような材料からなり内面に蛍光物質の膜が設けられた中空のバルブに、水銀蒸気と希ガスとを含む放電ガスが封入されたものである。すなわち、誘導コイル２が発生させる高周波の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、上記の放電ガスが紫外線を発生させ、この紫外線が上記の蛍光物質によって可視光に変換されることで、無電極放電灯１が発光する。上記のような無電極放電灯１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。

インバータ部４は、誘導コイル２とともに共振回路を構成する共振部４１と、直流電源３と共振部４１との間に介在して直流電源３と共振部４１との接続を周期的に切り替えることで上記の共振回路の共振による交流電力を誘導コイル２に出力させるスイッチング部４２とを備える。

スイッチング部４２は、２個のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の直列回路と、これら２個のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が交互にオンされるように各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をそれぞれ周期的にオンオフ駆動する駆動回路４２ａとからなる。駆動回路４２ａが各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をオンオフする動作の周波数（すなわち共振部４１から誘導コイル２への出力電圧の周波数。以下、「動作周波数」と呼ぶ。）は、制御部５によって制御される。上記のような駆動回路４２ａは周知の電子回路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。

誘導コイル２は、一端が直流電源３の低電圧側の出力端（すなわち回路のグランド）に接続され、他端が共振部４１を介してスイッチング部４２のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の接続点に接続されている。

共振部４１は、スイッチング部４２のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の接続点と誘導コイル２の上記他端との間に接続されたインダクタＬｓと直列コンデンサＣｓとの直列回路と、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グランドに接続された並列コンデンサＣｐとからなる。すなわち、インバータ部４はいわゆるハーフブリッジ形のインバータ回路である。

ここで、動作周波数は、図３に示す周波数ｆ１，ｆ２のように、共振部４１と誘導コイル２とが構成する共振回路の共振周波数ｆ０よりも高い範囲内で制御される。従って、動作周波数が低くされるほど、共振部４１から誘導コイル２への出力電力（以下、単に「出力電力」と呼ぶ。）は増加する。

制御部５は、無電極放電灯１の光出力を指示する電気信号である調光信号を外部から入力され、調光信号によって指示された光出力が最大値以外である場合には、図１（ａ）（ｂ）及び図４に示すように、動作周波数を無電極放電灯１が点灯する程度に出力電力を多くするような点灯周波数ｆ１（例えば１３５ｋＨｚ）とする点灯期間Ｔｏｎと、動作周波数を無電極放電灯１が消灯する程度に出力電力を少なくするような消灯周波数ｆ２（＞ｆ１、例えば２８０ｋＨｚ）とする消灯期間Ｔｏｆｆとを、人の目で点滅として認識できない程度に十分に高い周波数（以下、「点滅周波数」と呼ぶ。）で周期的に交互に繰り返す調光動作を行う。上記の点滅周波数は、例えば１００Ｈｚ以上とする。また、制御部５は、調光信号によって指示された光出力が最大値である場合には、上記の点灯期間Ｔｏｎのみを継続するという全点灯動作を行う。

また、調光信号によって指示される光出力は３段階以上であって、制御部５は、無電極放電灯１の光出力を調光信号によって指示された光出力とするように、点灯期間Ｔｏｎと消灯期間Ｔｏｆｆとの長さの比を決定する。図１（ａ）の例では図１（ｂ）の例に比べて消灯期間Ｔｏｆｆを消灯期間Ｔｏｆｆ中の出力電力の１周期分（すなわちゼロクロス点２個分）長くすることにより光出力を２段階低下させている。

さらに、制御部５は、点灯期間Ｔｏｎと消灯期間Ｔｏｆｆとの相互の切り替えのタイミングを、共振部４１から誘導コイル２への出力電圧（すなわち誘導コイル２の両端電圧）のゼロクロス点とする。具体的には、制御部５は上記のゼロクロス点を計数しており、点灯期間Ｔｏｎの開始後に計数されたゼロクロス点の数が予め定められた点灯維持回数に達したときに点灯期間Ｔｏｎを終了して消灯期間Ｔｏｆｆを開始し、消灯期間Ｔｏｆｆの開始後に計数されたゼロクロス点の数が予め定められた消灯維持回数に達したときに消灯期間Ｔｏｆｆを終了して点灯期間Ｔｏｎを開始する。上記動作において、点灯期間Ｔｏｎの継続時間は点灯維持回数に正比例し、消灯期間Ｔｏｆｆの継続時間は消灯維持回数に正比例する。制御部５がゼロクロス点を検出する方法としては、誘導コイル２の両端電圧に対して適宜の分圧や整流が施された検出電圧に基いてゼロクロス点を検出してもよいし、スイッチング部４２の駆動回路４２ａから入力される電気信号に基いて、スイッチング部４２のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオンオフが切り替えられるタイミングをゼロクロス点として検出してもよい。上記動作により、点灯期間Ｔｏｎと消灯期間Ｔｏｆｆとの切り替えのタイミングは、図５（ａ）（ｂ）に示すようにスイッチング部４２のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオンオフが切り替えられるタイミングに略一致する。

そして、調光信号によって新たに光出力が指示されたとき、制御部５は、調光信号によって指示された光出力に対して無電極放電灯１の光出力を一致させるような点灯維持回数と消灯維持回数とを演算する。ここで、本実施形態では、点灯周波数ｆ１が消灯周波数ｆ２よりも低く、すなわち点灯期間Ｔｏｎ中のゼロクロス点の間隔が消灯期間Ｔｏｆｆ中のゼロクロス点の間隔よりも長いことにより、点灯維持回数を１回増減することでの光出力の変動幅が、消灯維持回数を１回増減することによる光出力の変動幅よりも大きいので、点灯維持回数の変更によって光出力の大まかな変更を行い、消灯維持回数の変更によって光出力の微調整を行っている。すなわち、制御部５は、消灯維持回数を、全体での光出力の変動幅が点灯維持回数の１回分の光出力の変動幅よりも小さくなるような所定の調整範囲内で変更する。そして、消灯維持回数が調整範囲の最小値以外である状態から光出力を１段階上昇させる際には消灯維持回数を１回減少させることによって光出力を上昇させ、消灯維持回数が調整範囲の最小値である状態から光出力を１段階上昇させる際には点灯維持回数を１回増加させた上で消灯維持回数を調整範囲の最大値とする。上記の調整範囲は、点灯維持回数が少ないほど調整範囲を広くするように点灯維持回数に応じて変化させれば、調整範囲を一定にする場合に比べ、光出力をより細かく変化させることができる。上記のような制御部５は例えばマイコンと呼ばれる周知の集積回路を用いて実現可能であるので、詳細な図示並びに説明は省略する。

上記構成によれば、点灯期間Ｔｏｎと消灯期間Ｔｏｆｆとの相互の切替がゼロクロス点以外で行われる場合に比べ、点灯期間Ｔｏｎと消灯期間Ｔｏｆｆとの相互の切替時のスパイク電流が発生しにくい。

また、点灯維持回数と消灯維持回数との両方を変化させることで光出力を変化させるので、点灯維持回数の変化のみによって光出力を変化させる場合に比べて光出力を細かく変化させることができる。特に、例えば、製造コストを抑えるために点灯期間Ｔｏｎ中の動作周波数ｆ１を低くした場合や、誘導コイル２の電磁場の作用による騒音を抑えるために点滅周波数を高くした場合など、点灯期間Ｔｏｎ中の動作周波数ｆ１と点滅周波数とが互いに近い場合には、個々の点灯期間Ｔｏｎ中のゼロクロス点の個数が少なくなることにより、上記の効果が顕著となる。

ここで、点灯維持回数を変更せず消灯維持回数の増加（すなわち消灯期間Ｔｏｆｆの延長）のみによって無電極放電灯１の光出力を低下させる場合、光出力が低下されるほど消灯期間Ｔｏｆｆが長くなることにより、点灯期間Ｔｏｎの開始時に無電極放電灯１内のプラズマが少なくなり、従って再点灯に必要な電力が増加するから、電磁ノイズの増加や消費電力の増大が発生してしまう。これに対し、本実施形態では点灯維持回数を減少させることによっても無電極放電灯１の光出力を低下させるので、消灯期間Ｔｏｆｆが長くなり過ぎることを避けることができる。

なお、図６に示すように、消灯期間Ｔｏｆｆ中に、スイッチング部４２の各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をそれぞれオフ状態に維持するように制御部５が駆動回路４２ａを制御することで、共振部４１から誘導コイル２への出力電力をゼロにまで低下させてもよい。この場合、消灯期間Ｔｏｆｆから点灯期間Ｔｏｎへの切替のタイミングに制限が無くなるので、図７に示すように、消灯期間Ｔｏｆｆの長さ（継続時間）を連続的に変化させることで、無電極放電灯１の光出力を連続的に変化させることができる。

または、図８に示すように、直流電源３として出力電圧を変更可能な周知の直流電源回路を用い、制御部５が消灯期間Ｔｏｆｆの長さを変更する代わりに図９に示すように直流電源３の出力電圧（以下、「直流出力電圧」と呼ぶ。）Ｖｄｃを変更することで無電極放電灯１の光出力を微調整するように構成した場合であっても、無電極放電灯１の光出力を連続的に変化させることができる。詳しく説明すると、図８の直流電源３は、外部の交流電源ＡＣから入力された交流電力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の直流出力端間に接続されたインダクタＬ１とスイッチング素子Ｑ３との直列回路と、スイッチング素子Ｑ３に並列に接続されたダイオードＤ１と出力コンデンサＣ１との直列回路と、スイッチング素子Ｑ３を周期的にオンオフ駆動するチョッパ駆動回路３１とを備え、出力コンデンサＣ１の両端を出力端とする、周知のブーストコンバータ（昇圧チョッパ回路）である。チョッパ駆動回路３１は、出力コンデンサＣ１の両端電圧（すなわち直流出力電圧）Ｖｄｃを検出しており、検出された直流出力電圧Ｖｄｃを、制御部５によって指示された電圧とするように、スイッチング素子Ｑ３のオンデューティをフィードバック制御する。また、図８の例では、外部から入力される調光信号は、指示する光出力に応じたオンデューティの矩形波であって、抵抗Ｒ１，Ｒ２による分圧及びコンデンサＣ２による平滑化により、指示する光出力に応じた電圧値の直流電圧に変換された上で、制御部５に入力されている。

上記各種の無電極放電灯点灯装置は、図１０及び図１１に示すように無電極放電灯１とともに器具本体６１に保持して照明器具６を構成することができる。照明器具６は、器具本体６１の形状や構造を適宜選択することにより、図１０のような街路灯や、図１１のような防犯灯とすることができる。このような各種の照明器具６はそれぞれ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。

１ 無電極放電灯
２ 誘導コイル
３ 直流電源
５ 制御部
６ 照明器具
４１ 共振部
４２ スイッチング部
６１ 器具本体
Ｔｏｎ 点灯期間
Ｔｏｆｆ 消灯期間

Claims (4)

1. 無電極放電灯に近接配置される誘導コイルと、
   誘導コイルとともに共振回路を構成する共振部と、
   直流電源と共振部との間に介在し直流電源と共振部との電気的な接続を周期的に切り替えることで直流電源から入力された直流電力を交流電力に変換して誘導コイルに供給するスイッチング部と、
   スイッチング部を制御する制御部とを備え、
   制御部は、無電極放電灯が点灯する程度に共振部から誘導コイルへの出力電力を多くするようにスイッチング部を制御する点灯期間と、無電極放電灯が消灯する程度に共振部から誘導コイルへの出力電力を少なくするようにスイッチング部を制御する消灯期間とを、周期的に交互に繰り返す調光動作が可能であって、調光動作における点灯期間から消灯期間への切替のタイミングを、共振部から誘導コイルへの出力電圧のゼロクロス点とすることを特徴とする無電極放電灯点灯装置。
2. 制御部は、調光動作の消灯期間中にも共振部から誘導コイルへの交流電力の出力を継続させるものであって、調光動作における消灯期間から点灯期間への切替のタイミングを、共振部から誘導コイルへの出力電圧のゼロクロス点と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. 制御部は、無電極放電灯の光出力を指示する調光信号を外部から入力され、無電極放電灯の光出力を調光信号によって指示された光出力とするように、点灯期間の継続時間と消灯期間の継続時間とをそれぞれ演算によって決定することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の無電極放電灯点灯装置。
4. 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と、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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