JP2008084684A - 放電灯点灯装置および照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波発生装置の発振周波数すなわち点灯周波数の変更に伴うランプ電圧の過渡的な変化あるいは電圧レベルそのものの変化によって音響的共鳴現象の検出動作に悪影響を及ぼすことを抑制する。
【解決手段】検出手段１９が、異なる発振周波数の内のいずれか一の発振周波数で付勢されているときのみの高輝度放電灯１８のランプ電圧値に基づいて音響的共鳴現象を検出する（図２（ａ））。したがって、発振周波数の変更時に生じる過渡的なランプ電圧変化、周波数の違いにより生じるランプ電圧レベルの変化の影響を受け難い。しかも、実際に音響的共鳴現象が生じたときには確実にこのときのランプ電圧変動を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高輝度放電灯を高周波点灯するとともに、音響的共鳴現象の発生または継続を抑制した放電灯点灯装置および照明装置に関する。

従来、高輝度放電灯を高周波点灯するとともに、音響的共鳴現象の発生を抑制する放電灯点灯装置として特許文献１のものが提案されている。特許文献１に開示された技術は、所定のＰＷＭ周波数の一周期内において、高輝度放電灯の音響的共鳴現象が発生しない第１安定窓内の第１点灯周波数と第２点灯周波数との比率を高輝度放電灯のランプ電力が所定値になるように制御しながらインバータのスイッチング周波数を切換えるものである。
特開2004-241370号公報

特許文献１のものは、上述のように、音響的共鳴現象を発生させないとともにランプ電力を所定値に制御可能であり、有用である。

しかし、本発明者らの実験によれば、実際に放電灯点灯装置を実現しようとするには、さらに、改善すべき点があることが分った。

すなわち、所定周期内において、異なる周波数を切換えて高輝度放電灯を点灯した場合、図５に示すように、周波数の切換え時に過渡的にランプ電圧が大きく変化する現象があることが分った。また、例えば異なる周波数を第１の周波数と第２の周波数とした場合、第１の周波数で点灯しているときと第２の周波数で点灯しているときとではランプ電圧が変化することが分った。

このことを図５を参照して詳細に説明する。図５は、所定の一周期における第１点灯周波数と第２点灯周波数とで高輝度放電灯を点灯した場合のランプ電圧値（同図（a））、ランプ電流値（同図（ｂ））を示している。なお、図５は、所定の周期を１０ｍｓｅｃ、第１の点灯周波数を３０ｋＨｚ、第２点灯周波数を６０ｋＨｚとした場合のものである。

図５に示すように、第１の点灯周波数から第２の点灯周波数に切換える際にはランプ電圧が一旦大きく低下し、その後立上って最終的には第１の点灯周波数での点灯時より大きくなる。一方、第２の点灯周波数から第１の点灯周波数に切換える際にはランプ電圧が短時間大きくなった後、略一定レベル（第２点灯周波数での点灯時より小さい。）に落ち着く。

したがって、ランプ電圧を検出して、ランプ電圧値に応じて音響的共鳴現象を検出しようとした場合、前記周波数切換え時のランプ電圧の変化や点灯周波数に伴うランプ電圧のレベル変化を誤って音響的共鳴現象として検出してしまうことがあった。

また、ランプ電圧に基づいて高輝度放電灯への供給電力を一定化しようとした場合、やはり、前述のランプ電圧の変化分に影響されて安定した一定化制御を行えないことがあった。これに対して、十分長い期間の平均値または実効値を検出して、供給電圧を検出するようにすれば、一応安定した一定化制御を行えるかも知れないが、この場合には、迅速な一定化制御を行えないということになる。

本発明は、高周波発生装置の発振周波数すなわち点灯周波数の変更に伴うランプ電圧の過渡的な変化あるいはレベルそのものの変化によって音響的共鳴現象の検出動作に悪影響を及ぼすことを抑制して、高輝度放電灯を安定に点灯できる放電灯点灯装置および照明装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、高周波発生装置の発振周波数すなわち点灯周波数の変更に伴うランプ電圧の過渡的な変化あるいはレベルそのものの変化がランプ電力検出信号に関与することを抑制して高輝度放電灯を安定に点灯できる放電灯点灯装置および照明装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の放電灯点灯装置は、高輝度放電灯を付勢するとともに、自己の発振周波数に応じて高輝度放電灯に供給する電力を変化する高周波発生装置と；所定周期内において高周波発生装置の発振周波数を互いに異なる２種以上に変化させ、かつ、これら異なる発振周波数の時間比を制御可能な制御装置と；異なる発振周波数の内のいずれか一の発振周波数で付勢されているときの高輝度放電灯のランプ電圧値に基づいて音響的共鳴現象を検出する検出手段と；を具備していることを特徴とする。

本発明および以下の各発明において、各構成および用語の範囲または意味するところは以下のものとする。

対象とする高機度放電灯としては、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等始動中、点灯中に音響共鳴現象を生じる可能性のある放電灯である。その寸法、形状、材料等は限定されるものではない。

高周波発生装置は、その具体構成を限定されるものではないが、発振周波数の変化によって高輝度放電灯への供給電力を変化できるものであって、代表的には並列または直列の共振回路を備え、正弦波電圧を出力するインバータを主として構成されるものである。インバータを主とした高周波電源装置は広く実用化されており、比較的安価で容易に採用し得る。インバータとしては、ハーフブリッジ形、フルブリッジ形、一石形、並列形等どのようなものでもよい。そして、高周波電力を放電灯に対して直接供給するもの、あるいはトランス等の絶縁手段を介して供給するもののいずれでもよい。

また、高周波発生装置は、高輝度放電灯が音響的共鳴現象を生じるような波形の高周波電圧を出力するものである。すなわち、一般の高輝度放電灯は矩形波の電圧では音響的共鳴現象を生じ難く、正弦波では生じ易いことが知られている。したがって、本発明では、正弦波の高周波電圧を出力する高周波発生装置が典型的な対象となるが、これに限定されるものではなく、結局は高輝度放電灯との組合わせにもよるが、音響的共鳴現象を生じる可能性があるものを対象とする。

さらに、高周波とは、商用周波数を越えるものであるが、好ましくは可聴周波数以上であり、上限については高周波雑音やスイッチング損失の点から数百ｋＨｚ以下であることが好ましい。

制御装置によって所定周期内で異ならせる高周波発生装置の２種類以上の発振周波数は、その内の少なくとも1種類が安定点灯窓（音響共鳴現象が生じない周波数領域）内のものであれば、他は安定点灯窓内でも、非安定点灯領域内のものでもよい。また、制御装置は、必要に応じて所定周期の長さを変化させるものであってよい。

検出手段は、ランプ電圧に基づいて音響的共鳴現象を検出する。すなわち、高輝度放電灯は音響的共鳴現象を生じると、比較的初期状態ではランプ電圧が上昇したり、またアークが揺らいでいる状態ではランプ電圧が脈動したりする。したがって、ランプ電圧を監視することにより、音響的共鳴現象が生じたことを検出できる。

また、この検出手段は、所定周期内の複数の発振周波数で付勢されている内のいずれか一の発振周波数で作動しているときのランプ電圧に基づいて音響的共鳴現象を検出する。ここで、いずれか一の発振周波数で作動しているときとは、いずれか一の発振周波数で作動している期間の全部であってもよいが、図５に示したように周波数変更時には過渡的にランプ電圧が変化するから、この期間を避けたものとすることもできる。検出手段が音響的共鳴現象を検出した場合には、所定周期内の発振周波数の少なくとも１種を音響的共鳴現象が生じない周波数に変更したり、異なる発振周波数との時間比を変更したりして、音響的共鳴現象が解消するように、発振周波数を制御することが好ましい。しかし、不安定な状態で点灯が継続することによる不快感解消、点灯装置等への負担軽減のために、高周波発生装置の出力を停止して強制消灯させるようにしてもよい。

請求項１記載の発明は、検出手段が、異なる発振周波数の内のいずれか一の発振周波数で付勢されているときの高輝度放電灯のランプ電圧値に基づいて音響的共鳴現象を検出する。したがって、発振周波数の変更時に生じる過渡的なランプ電圧変化、周波数の違いにより生じるランプ電圧レベルの変化の影響を受け難く、かつ、実際に音響的共鳴現象が生じたときにはこのときのランプ電圧変動を検出して音響的共鳴現象を検出する。

請求項２に記載の放電灯点灯装置は、高輝度放電灯を付勢するとともに、自己の発振周波数に応じて高輝度放電灯に供給する電力を変化する高周波発生装置と；所定周期内において高周波発生装置の発振周波数を互いに異なる２種以上に変化させ、かつ、これら異なる発振周波数の時間比を制御して高輝度放電灯への供給電力を予め設定された所定値に近づける制御装置と；異なる発振周波数の内のいずれか一の発振周波数で付勢されているときの高輝度放電灯のランプ電圧値に基づいて高輝度放電灯への供給電力を算出して、制御装置の発振周波数時間比制御に反映させる検出手段と；を具備していることを特徴とする。

請求項２記載の発明における制御装置は、高周波発生装置の互いに異なる発振周波数の時間比を制御して高輝度放電灯への供給電力を制御するものである。したがって、所定周期を固定的とし、その周期内での時間比を変化させてもよいが、点灯周波数の順序および継続時間を固定的とするとともに予め設定された範囲内で周期を変化可能として時間比を変化させるようなものであってもよい。

また、請求項２記載の発明における検出手段が、ランプ電圧値に基づいて高輝度放電灯への供給電力を算出するとは、ランプ電流も検出して演算することを許容する。この場合、いずれか一の発振周波数での点灯時のランプ電圧×ランプ電流で電力を算出し、さらに、所定周期内における時間比により供給電力を算出することができる。しかし、本発明は、この方法以外でも、高輝度放電灯への供給電力を算出できるものであればどのような方法でもよい。

請求項２記載の発明は、検出手段が、異なる発振周波数の内のいずれか一の発振周波数で付勢されているときの高輝度放電灯のランプ電圧値に基づいて高輝度放電灯への供給電力を算出する。このため、検出手段は、発振周波数の変更時に生じる過渡的なランプ電圧変化、周波数の違いにより生じるランプ電圧レベルの変化によって算出値を変化させることが無いか、少ない。このため、この検出手段の算出値に応じて発振周波数の時間比を変化させる制御装置の動作も安定したものとなる。

請求項３に記載の放電灯点灯装置は、請求項１または２記載の放電灯点灯装置において、前記高周波発生装置の入力側に、商用交流電源電圧を整流する整流手段と；整流手段の出力電圧を平滑化する出力可変の直流電源装置と；をさらに具備し、前記制御手段は、前記所定周期内の発振周波数の種類に応じて前記直流電源装置の出力電圧値を変化させるようにしたことを特徴とする。

高輝度放電灯は、所定周期内にて発振周波数（点灯周波数）を変更した場合、図５を参照して説明したように、点灯周波数毎にランプ電圧レベルが異なる。また、点灯周波数の変更時に過渡的にランプ電圧が変化する。このような場合、ランプ電圧が大きく変化すると、印加電圧との関係（印加電圧が相対的に小さい）で高輝度放電灯が立消えることがある。

このため、請求項３記載の発明では、点灯周波数の種類に応じて直流電源装置の出力を変化するようにしている。例えば、図５において、第２の点灯周波数で点灯する期間は、第１の点灯周波数で点灯する期間よりも直流電源装置の出力電圧を大きくする。これにより、高輝度放電灯を立消えさせることなく点灯できるとともに、第２の点灯周波数の選択範囲を広げることができる。

また、これと同時にあるいは別個に第２の点灯周波数から第１の点灯周波数に変更するときの短時間のみ直流電源装置の出力電圧を変化させるようにしてもよい。ここで、短時間とは、発振周波数の変更によりランプ電圧が過渡的に上昇する時間に対応して決定することができる。例えば図５に示したように、第２の点灯周波数から第１の点灯周波数に変更したときのランプ電圧の急激な上昇はせいぜい０．１〜０．２ｍｓｅｃであるから、これと同程度ないしは若干大きめに設定すればよい。

また、前記直流電源装置の出力電圧値を大きく変化させるタイミングとしては、第２の点灯周波数から第１の点灯周波数に変更するときの他、周波数を変更する全てのタイミングであってもよい。ランプ電圧の急変時に十分な大きさの電圧を印加することは放電の安定化に作用すると考えられるからである。

請求項４に記載の照明装置は、照明器具本体と；照明器具本体に装着された高輝度放電灯と；高輝度放電灯を点灯する請求項１ないし３のいずれか一記載の放電灯点灯装置と；を具備していることを特徴とする。

本発明において、照明器具本体は、屋外用、屋内用のいずれでもよく、また、埋込み形、露出形等その形状もどのようなものでもよい。また、放電灯点灯装置は、必ずしもその全部が照明器具本体に設けられている必要はない。

請求項４記載の発明によれば、請求項１ないし３のいずれか一の発明と同様な作用の放電灯点灯装置を用いることにより、音響共鳴現象を正しく検出でき、または、ランプ電力を所定値に制御可能となる。

なお、本願明細書において、直列的、並列的の「的」とは、他の部品を介在させて直列または並列の場合および介在させないで直列または並列の場合の両方を含むことを意味する。

請求項１の発明によれば、異なる発振周波数の内のいずれか一の発振周波数で付勢されているときのみの高輝度放電灯のランプ電圧値に基づいて音響共鳴現象を検出するから、発振周波数の変更時に生じる過渡的なランプ電圧変化、周波数の違いにより生じるランプ電圧レベルの変化の影響を受け難く、かつ、実際に音響共鳴現象が生じたときにはこのときのランプ電圧変動を検出して音響共鳴現象を検出することができる。

請求項２の発明によれば、検出手段が、異なる発振周波数の内のいずれか一の発振周波数で付勢されているときの高輝度放電灯のランプ電圧値に基づいて高輝度放電灯への供給電力を算出するから、算出値が、発振周波数の変更時に生じる過渡的なランプ電圧変化、周波数の違いにより生じるランプ電圧レベルの変化によって影響されることを減少でき、高輝度放電灯を所定の電力で点灯でき、また、装置全体の動作も安定化できる。

請求項３の発明によれば、所定周期内の点灯周波数の種類に応じて直流電源装置の出力を変化するようにしているから、高輝度放電灯を立消えさせることなく点灯することを可能にできるとともに、点灯周波数の選択範囲を広くすることを可能にできる。

請求項４の発明によれば、請求項１ないし３に記載の発明のいずれかと同様な効果を奏する照明装置を提供できる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施形態を示す回路図、図２は同実施形態の作用を説明するための点灯周波数とランプ電圧値およびランプ電流値との関係を示す図である。

図１において、１は商用電源であり、この商用電源１の出力電圧は全波整流器のような整流手段２に入力されるようになっている。整流手段２の出力電圧はアクティブフィルタのような直流電源装置３に供給され、所用の直流電圧に変換される。本実施形態における直流電源装置３は、入力側に設けられたフィルタ用のコンデンサ４、電界効果形トランジスタにより構成されているスイッチング装置５、電力蓄積用のインダクタ６、逆流防止用のダイオード７および平滑用のコンデンサ８を主要部品として構成される昇圧チョッパである。この直流電源装置３は、出力制御手段９からの信号にてスイッチング装置５のオン期間を制御される（周期一定の場合のオンデューティ制御またはオン期間一定の場合の周波数制御）ことにより出力電圧を制御される。このような直流電源装置３の構成および作用は周知である。

そして、この直流電源装置３の出力電圧は高周波発生装置１０に供給され、高周波電圧に変換される。この高周波発生装置１０は、直流電源装置３の出力端間に互いに直列接続された一対のスイッチング装置１１、１２および直列共振回路１３を主として構成されている。前記一対のスイッチング装置１１、１２はそれぞれ電界効果形トランジスタによって構成され、制御装置１４によって交互にオンオフ制御されるようになっている。

前記直列共振回路１３は、直流カット用のコンデンサ１５、限流兼共振用のインダクタ１６および共振用のコンデンサ１７を直列に含み、一方のスイッチング装置１２のドレイン・ソースと並列的に設けられている。したがって、一対のスイッチング装置１１、１２のスイッチング周波数（発振周波数）を直列共振回路１３の共振特性の遅相領域とすれば、発振周波数が大きい程共振出力は小さくなる。

この直列共振回路１３の共振用のコンデンサ１７に対して高輝度放電灯１８が並列的に設けられている。

さらに、高輝度放電灯１８に対して検出手段１９が設けられている。本実施形態における検出手段１９は、高輝度放電灯１８のランプ電圧を検出するとともに、ランプ電流を検出するものである。すなわち、高輝度放電灯１８に対して並列的に接続されたランプ電圧検出器２０、直列的に接続されたランプ電流検出器２１およびこれら検出器２０、２１の検出信号を入力して演算、比較、記憶等を行う処理部２２を有している。そして、第１の点灯周波数での点灯期間から切換え初期の過渡変動を除いた期間における高輝度放電灯１８への供給電力を算出するとともにあるいは別個に音響的共鳴現象を検出する（図２の電気特性計測期間）。

検出手段１９の処理部２２は、検出結果および算出結果の少なくともいずれかに応じて制御装置１４を制御する。すなわち、発振周波数または発振周波数の時間比の少なくとも一方を変化させる。さらには、検出手段１９の処理部２２によって出力制御装置９を制御するようにしてもよい。

なお、検出手段１９、制御装置１４および出力制御装置９の演算、比較、記憶等の信号処理部分については、ＩＣ、マイコン、ディジタルシグナルプロセッサ等で構成することもでき、これらを一体的に構成することもできる。

次に、第１の実施形態の作用の概略を説明する。商用電源１の電圧は直流電源装置３により平滑化された直流電圧に変換され、高周波発生装置１０に供給される。高周波発生装置１０では、所定期間内（例えば１０ｍｓｅｃ）で第１の発振周波数（例えば２０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚの間）と第２の発振周波数（６０ｋＨｚ〜８０ｋＨｚの間）とを切換えて一対のスイッチング装置１１、１２をオンオフする。直列共振回路１３は、このようなスイッチング出力を供給されて共振し、共振出力にて高輝度放電灯１８を点灯する。

高輝度放電灯１８が安定に点灯している期間において、検出手段１９は、ランプ電圧およびランプ電流を検出して、音響的共鳴現象の発生を監視するとともに、高輝度放電灯１８への供給電力の一定化を図っている。

すなわち、一方ではランプ電圧における異常電圧の有無を監視し、音響的共鳴現象の発生を監視する。また、他方で、ランプ電圧信号とランプ電流信号との積算および第1の点灯周波数での点灯時間比から供給電力を算出し、別途予め設定されている設定値との対比により差があればこの差が減少するように点灯周波数の時間比を変化すべく制御装置１４を制御する。

ここで、高輝度放電灯１８が寿命末期、周囲環境、取付け姿勢、または放電灯個々の特性度により音響敵共鳴現象を生じると、図２（ａ）に（イ）として模式的に表すランプ電圧の上昇が生じる。

このランプ電圧の上昇は検出手段１９にて検出されるので、検出手段１９は制御装置１４を制御して点灯周波数の時間比を変えたり、第1の点灯周波数自体を変化させる。もちろん、併せて第２の点灯周波数を変化させてもよい。

なお、音響的共鳴現象の発生によりランプ電流（ｂ）にも変化が生じるが、図２（ｂ）においてはこの変化分の作図を省略してある。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図３は本発明の第２の実施形態作用を説明するための点灯周波数と、ランプ電圧値、ランプ電流値および直流電源装置の出力電圧値との関係を示す図である。すなわち、図３（ａ）、（ｂ）は図２と同様に点灯周波数に応じたランプ電圧値、ランプ電流値を示しているが、同図（ｃ）は点灯周波数に応じて直流電源装置の出力電圧値が変化する様子を模式的に示している。本実施形態の回路構成としては、図１のものと同様とすることが可能である。

本実施形態において、検出手段１９からの検出結果に応じて制御装置１４が発振周波数（点灯周波数）を変更するのに応じて直流電源装置３の出力電圧値を変更する。まず第１に、第２の点灯周波数で点灯する期間は第１の点灯周波数で点灯する期間より直流電源装置３の出力を大きくしている。

また、第２の点灯周波数から第１の点灯周波数に切換える際には、直流電源装置３の出力電圧値をさらに大きなものとしている。そして、第１の点灯周波数で点灯している期間には最も小さい電圧とする

なお、本実施形態においても、第1の実施形態と同様に音響的共鳴現象の検出から解消、供給電力検出から一定化制御までを行うようにしてもよい。

次に、本発明による照明装置の一実施形態を図４を参照して説明する。図４は照明装置の一実施形態を簡略化して示す一部断面図である。

図４において、４０は照明器具本体であって、スポットライトとして構成され、天井面４１に直付けされている。４２は片口金形の高輝度放電灯であり、ソケット４３に装着されている。この高輝度放電灯４２には椀状の反射体４４が光学的に対向して設けられている。

また、反射体４４の開口側には前面ガラス４５が配設されており、前記高輝度放電灯４２からの光が前面ガラス４５を通して反射体４４の投光開口から照射されるようになっている。

４６は前記高輝度放電灯４２を点灯する放電灯点灯装置であり、上述した実施形態のものと同様な作用を行なうものである。本実施形態において放電灯点灯装置４６は天井内に配置されている。

本実施形態の照明装置は、店舗、スタジオ等においてスポット照明器具として使用して好適であり、また、音響的共鳴現象の発生または継続を抑制できるから、光のちらつきや立消えの問題を軽減できる。

また、高輝度放電灯への供給電力の一定化制御も可能であり、光出力を一定化できる。

本発明の放電灯点灯装置の第１の実施形態を示す回路図 同実施形態の作用を説明するための点灯周波数とランプ電圧値およびランプ電流値との関係を示す図 本発明の第２の実施形態作用を説明するための点灯周波数と、ランプ電圧値、ランプ電流値および直流電源装置の出力電圧値との関係を示す図 本発明の照明装置の一実施形態を簡略化して示す一部断面図 従来装置における点灯周波数とランプ電圧値およびランプ電流値との関係を示す図

符号の説明

２…整流手段、３…直流電源装置、９…出力制御手段、１０…高周波発生装置、１３…直列共振回路、１４…制御装置、１８…高輝度放電灯、１９…検出手段、２０…ランプ電圧検出器、２１…ランプ電流検出器、２２…処理部。

Claims (4)

1. 高輝度放電灯を付勢するとともに、自己の発振周波数に応じて高輝度放電灯に供給する電力を変化する高周波発生装置と；
   所定周期内において高周波発生装置の発振周波数を互いに異なる２種以上に変化させ、かつ、これら異なる発振周波数の時間比を制御可能な制御装置と；
   異なる発振周波数の内のいずれか一の発振周波数で付勢されているときの高輝度放電灯のランプ電圧値に基づいて音響的共鳴現象を検出する検出手段と；
   を具備していることを特徴とする放電灯点灯装置。
2. 高輝度放電灯を付勢するとともに、自己の発振周波数に応じて高輝度放電灯に供給する電力を変化する高周波発生装置と；
   所定周期内において高周波発生装置の発振周波数を互いに異なる２種以上に変化させ、かつ、これら異なる発振周波数の時間比を制御して高輝度放電灯への供給電力を予め設定された所定値に近づける制御装置と；
   異なる発振周波数の内のいずれか一の発振周波数で付勢されているときの高輝度放電灯のランプ電圧値に基づいて高輝度放電灯への供給電力を算出して、制御装置の発振周波数時間比制御に反映させる検出手段と；
   を具備していることを特徴とする放電灯点灯装置。
3. 前記高周波発生装置の入力側に、商用交流電源電圧を整流する整流手段と；整流手段の出力電圧を平滑化する出力可変の直流電源装置と；をさらに具備し、前記制御装置は、前記所定周期内の発振周波数の種類に応じて前記直流電源装置の出力電圧値を変化させるようにしたことを特徴とする請求項１または２記載の放電灯点灯装置。
4. 照明器具本体と；
   照明器具本体に装着された高輝度放電灯と；
   高輝度放電灯を点灯する請求項１ないし３のいずれか一記載の放電灯点灯装置と；
   を具備していることを特徴とする照明装置。

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