JP4087292B2

JP4087292B2 - 高輝度放電ランプ点灯装置およびその点灯方法

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Publication number: JP4087292B2
Application number: JP2003147991A
Authority: JP
Inventors: 茂樹原田; 喜久夫泉; 隆浩浦壁; 昭弘鈴木; 明彦岩田; 孝大澤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-05-26
Filing date: 2003-05-26
Publication date: 2008-05-21
Anticipated expiration: 2023-05-26
Also published as: CN1575083A; US7023143B2; US20040251849A1; DE102004025614A1; JP2004349213A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車のヘッドライト等の光源として用いられるメタルハライドランプ等の高輝度放電ランプの点灯装置およびその点灯方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車用のヘッドライトとして、ハロゲン電球に代わり、メタルハライドランプが用いられるようになっている。メタルハライドランプは、ＨＩＤ（ＨｉｇｈＩｎｔｅｎｓｉｔｙＤｉｓｃｈａｒｇｅ）ランプの一種で、ハロゲン電球に比べ、高発光効率、高色温度、長寿命である特徴を備えている。
【０００３】
メタルハライドランプの発光管内部には、ナトリウム、スカンジウム等の数種類の金属を沃素等のハロゲンと化合させたハロゲン化金属と、起動ガスとして高圧力キセノン、水銀が封入されている。メタルハライドランプの発光は、まず常温で気体であるキセノンによって始動放電し、キセノンのアーク放電によって、発光管内部を高温にし、管内温度が上昇するに従い、水銀が蒸発し、アーク放電に到り、更に管内が高温になる。この更なる管内温度の上昇に従い、ハロゲン化金属が蒸発、アーク放電に達し、高発光効率で高色温度である発光が得られる。なお、水銀は、キセノンとハロゲン化金属の放電のつなぎとしての役割を持つが、近年、水銀が封入されていないメタルハライドランプも提供されている。
【０００４】
メタルハライドランプの点灯装置では、上記の様に多種の物質に対し、放電が立ち消えしないように、順を追って放電を持続させることが要求される。即ち変化するランプの負荷特性に追従して、放電をコントロールしなければならない。
【０００５】
上述したようにメタルハライドランプの点灯回路には一般家庭の照明や液晶ディスプレイのバックライトで用いられている蛍光ランプ（低圧水銀蒸気放電ランプ）の点灯回路とは大きく異なる、特有の要求がある。
【０００６】
上記の要求を満たす、メタルハライドランプを用いた車載用ヘッドライトの点灯装置としては、例えば、特許文献１に記載されたものがある。本明細書ではこの特許文献１に記載されている回路構成を、回路上の特徴から「フルブリッジ低周波点灯方式」と称することとする。
【０００７】
上記のような、フルブリッジ低周波点灯方式は、メタルハライドランプの点灯に必要な要求を満たし、かつ比較的小型化、比較的低価格化が可能な点灯装置を実現できるが、更なる小型化、低価格化が望まれているところである。
【０００８】
一方、液晶ディスプレイのバックライトに用いられている蛍光灯の点灯装置においては、小型化、低価格化が徹底された結果、直流電源からの電圧をプッシュプル方式のＤＣ−ＡＣインバータを用いて交流波形に変換し、高周波でランプを点灯させる方法が一般的に用いられるようになっている。その例として特許文献２に記載されている点灯回路があり、本明細書ではこの特許文献２に記載されている回路構成を、回路上の特徴から「ＤＣ−ＡＣ１段昇圧高周波点灯方式」と称することとする。
【０００９】
上記ＤＣ−ＡＣ１段昇圧高周波点灯方式では、点灯回路内の電力変換は、プッシュプル方式のＤＣ−ＡＣインバータによって、ＤＣからＡＣへ１回だけ行われるため、回路構成が簡略化される。更に、高周波点灯により、装置体積の大きな部分を占めるトランスを小型化でき、従って点灯装置の小型化、低コスト化が実現できる。しかしながらこの回路方式をメタルハライドランプの点灯装置に用いる場合、メタルハライドランプ特有の要求を満たさなければならず、実現には至っていない。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００２−３５２９８９号公報
【特許文献２】
特開平７−２１１４７２号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述したようにフルブリッジ低周波点灯方式では、放電成長用コンデンサは高電圧が発生するトランスの二次側出力に並列に接続されている。そのため、高耐圧のコンデンサが必要となり、高輝度放電ランプ点灯装置の低コスト化、小型化の妨げになっていた。
【００１２】
また、フルブリッジ低周波点灯方式では、トランスの小型化と、ランプの安定性を両立させるため、昇圧のためのＤＣ−ＤＣコンバータ部と、交流化のためのインバータ部を分離していた。そのため、多段変換となり、回路の素子数が増加し、高輝度放電ランプ点灯装置の小型化、低コスト化の妨げとなっていた。
【００１３】
また、メタルハライドランプを点灯させるのに必要な要求を満たそうとすると、放電始動期間において、ホット状態において絶縁破壊ができるようにするためランプ両端に約２０ｋＶ以上の高電圧パルスを発生させる機能が必要である。しかしながらＤＣ−ＡＣ１段昇圧高周波点灯方式を用いた回路では、高電圧に昇圧させるためには、インバータのトランスの巻き線数を増やす必要があり、トランスが大型化し、高輝度放電ランプ点灯装置の小型化、低コスト化の妨げとなっていた。
【００１４】
さらに、ＤＣ−ＡＣ１段昇圧高周波点灯方式を用いた回路では、トランスの駆動周波数と、ランプの点灯周波数が同じであるため、放電の安定化のためにランプを低周波数で点灯させようとすると、トランスが大型化し高輝度放電ランプ点灯装置の小型化、低コスト化の妨げとなっていた。
【００１５】
従ってこの発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、メタルハライドランプにおいて正常点灯が可能であり、ＤＣ−ＡＣ１段昇圧高周波点灯方式を用いて小型で安価な高輝度放電ランプ点灯装置およびその点灯方法を得ることを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る高輝度放電ランプ点灯装置は、トランスの一次側に複数の電源を設け、トランスの一次側と複数の電源との間に第一及び第二のスイッチング素子を設け、第一及び第二のスイッチング素子を繰り返しオン、オフすることにより、トランスの二次側に一次側電圧よりも高電圧で高周波である交流電圧を発生させる高輝度放電ランプ点灯装置であって、複数の電源のうち、一つは直流電源であり、他の一つは直流電源に並列に接続されたコンデンサであり、直流電源の一端とコンデンサの一端との間に昇圧回路と第三のスイッチング素子とで構成される並列体を接続したものである。
【００１７】
この発明に係る高輝度放電ランプ点灯方法は、絶縁破壊後、放電過渡期間と定常放電期間の少なくとも一方の期間に、高輝度放電ランプを駆動する電圧の中心周波数が、８０ｋＨｚ以上、１２０ｋＨｚ以下の範囲で周波数を変調し、高輝度放電ランプを駆動するものである。
【００１８】
この発明に係る高輝度放電ランプ点灯方法は、トランスの一次側に設けた直流電源に並列に接続したコンデンサに充電して所望の電圧を得ると共に、第一及び第二のスイッチング素子を繰り返しオン、オフすることにより、トランスの二次側に設けた第二のコンデンサに、ギャップスイッチのオン電圧となる電圧まで充電し、その後、ギャップスイッチがオンすることにより発生したパルス電圧の逆起電圧を、高輝度放電ランプ両端に印加することによって高輝度放電ランプに絶縁破壊を発生させ、絶縁破壊の発生後、充電したコンデンサから、高輝度放電ランプにエネルギーを供給し、第一及び第二のスイッチング素子の駆動波形のデューティを調整して高輝度放電ランプに投入する電力を、定格電力よりも大きくすることによって迅速に光束を立ち上げ、光束の立ち上げ後、第一及び第二のスイッチング素子の駆動波形のデューティを調整し、高輝度放電ランプに投入する電力を定格電力に保つものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
この発明の高輝度放電ランプ点灯装置に係る実施の一形態について説明する。まず、車載用のメタルハライドランプの点灯に必要な４つのフェーズに付いて説明する。尚、以下の説明におけるフェーズＡ、Ｂ、Ｃは図２のＡ、Ｂ、Ｃに対応する。また、同図のＯは、詳しくは後段で説明するが放電待機期間を表す。
【００２０】
Ａ．放電始動期間
放電始動期間前のランプの負荷状態は、前回の放電終了からの経過時間によって異なる。前回の放電終了後、十分時間が経過し、管内温度が常温付近にまで低下し、管内圧力が低い状態では、絶縁破壊電圧は低い。これをコールド状態と称する。また、前回の放電終了後、時間が十分経過しておらず、管内温度が依然として高温で、管内圧力が依然として高い状態では、絶縁破壊電圧は、コールド状態よりも高い。これをホット状態と称する。放電開始期間では、絶縁破壊電圧の高いホット状態でも、確実に絶縁破壊が発生するように、数十ｋＶの高電圧を印加する必要がある。
【００２１】
Ｂ（Ｂ−１）．放電成長期間
絶縁破壊前は、ランプの抵抗は数ＭΩと大きい。絶縁破壊後、ランプの抵抗は、数十Ωまで急激に低下した後、管内温度、圧力の上昇に従って、定常状態の数百Ωまで上昇する。放電の体積過程においては、ランプ抵抗の急激な低下に対応して、放電が持続するのに十分なエネルギーを投入しなければ、放電が不安定になり、放電の立ち消えが発生する。また、放電のカソード表面過程においても、アーク放電が維持可能に熱電子放出できるように、十分なエネルギーを投入しなければならない。従って絶縁破壊直後は、放電の立ち消えが起こらないように、十分なエネルギーを投入する必要がある。
【００２２】
Ｂ（Ｂ−２）．光束立ち上げ期間
車載用のヘッドランプとしては、所定の時間内に所望の光束を得なければならない。そのために、定常放電期間の定格電力３５Ｗよりも大きい電力、例えば７０Ｗ程度を短時間に与え、十分なエネルギーをランプに投入することによって、短時間で光束を立ち上げる必要がある。
【００２３】
Ｂ．過渡放電期間
Ｂ−１の放電成長期間、Ｂ−２の光束立ち上げ期間は、時間的に明確に分割できず、一体としてＢ．過渡放電期間と称する。この過渡放電期間では、絶縁破壊後のランプ負荷がホット状態とコールド状態で異なるため、ホット状態とコールド状態を判断して、投入するエネルギーを調整しなければならない。即ちホット状態の方が、絶縁破壊後のランプ抵抗は高く、短時間で定常状態の抵抗まで上昇し、また、短時間で所望の光束に達する。そのため、ホット状態に対し、コールド状態と同じ時間、放電成長用、光束立ち上げ用のエネルギーを投入することは、過剰なエネルギー投入になり、ランプの寿命を低下させることになる。逆に、コールド状態にもかかわらず、放電成長用、光束立ち上げ用のエネルギーを十分な時間与えないと、放電の立ち消えが生じ、または所望の光束が得られるまでの時間が長くなることになる。
【００２４】
Ｃ．定常放電期間
ハロゲン化金属のアーク放電による定常点灯時には、定格電力３５Ｗが一定に保たれ、安定して放電が持続しなければならない。メタルハライドランプにおいて、点灯周波数は最も重要な要素で、後述する音響共鳴現象によって放電が不安定にならない周波数を選択する必要がある。
以上説明した車載用のメタルハライドランプの点灯に必要な４つのフェーズに鑑みて実施の形態を説明する。
【００２５】
実施の形態１．
実施の形態１について図１〜図７を参照して説明する。図１は実施の形態１に係る高輝度放電ランプ点灯装置の回路図であり、図２は高輝度放電ランプ点灯装置の点灯時のランプの電圧、電流波形である。また、図３は高輝度放電ランプ点灯装置において、周波数スウィープ波形を用いない場合の、点灯周波数と放電状態を示した図である。また、図４は高輝度放電ランプ点灯装置において、点灯周波数が８４．５ｋＨｚでの、時間に対するランプ管電圧、電流の変化を示した図であり、図５は図４のＡ部を拡大した図であり、図６は図５の放電位置に対応したアーク放電の形状を示す図である。さらに図７は周波数スウィープ波形を用いた場合の、点灯周波数と放電状態を示した図である。なお、図４のＡ部はアーク放電について説明するために示した部位である。
【００２６】
図１に示すように高輝度放電ランプ点灯装置は、直流電源１と、放電成長回路２と、ＤＣ−ＡＣインバータ回路４と、イグナイタ回路５と、制御回路６とを備えて構成され、メタルハライドランプ７を点灯する。
【００２７】
直流電源１は、１２Ｖの直流電圧を発生し、放電成長回路２に供給する。マイナス電位側はアース線３に接続される。
【００２８】
放電成長回路２は、放電成長期間にＨＩＤランプに十分なエネルギーを与えるための回路であり、放電成長用コンデンサ２ａ、放電成長用コンデンサ２ａの電圧を直流電源１の電圧より大きくするための昇圧回路２ｂ、放電始動前に放電成長用コンデンサ２ａから直流電源１に電流が流れないように働き、定常放電期間には直流電源１からの電流を低損失で流すように働く同期整流用のスイッチング素子２ｃ、放電成長用コンデンサ２ａから直流電源１に電流が流れないようにする逆阻止ダイオード２ｄ、スイッチング素子２ｃを制御する同期整流用制御回路２ｅで構成される。
【００２９】
ＤＣ−ＡＣインバータ回路４は、直流電源１の電圧、または放電成長用コンデンサ２ａの電圧を昇圧し、ＡＣに変換する回路であり、ハーフブリッジに構成されたスイッチング素子４ａ、４ｂ、プッシュプル動作するためのトランス４ｃで構成される。
【００３０】
イグナイタ回路５は、始動放電期間に絶縁破壊を発生させる高電圧パルスを発生させる回路であり、ダイオード５ａ、コンデンサ５ｂ、ダイオード５ｃ、ギャップスイッチ動作用のコンデンサ５ｄ、ギャップスイッチ５ｅ、イグニッション用のトランス５ｆ、トランス５ｆのインダクタンスと共振させるためのコンデンサ５ｇで構成される。ダイオード５ａ、コンデンサ５ｂ、ダイオード５ｃ、ギャップスイッチ動作用のコンデンサ５ｄはトランス４ｃの二次側に出力された電圧を昇圧するための倍電圧回路である。
【００３１】
制御回路６は、目的に合わせて点灯波形を変えるための回路であり、基本点灯波形の周波数を決定する周波数決定回路６ａ、電圧または電流を検出し、デューティによって電力を制御する電力制御回路６ｂで構成される。
【００３２】
次に高輝度放電ランプ点灯装置の動作について、図２を参照し、上述した車載用メタルハライドランプを点灯する場合に要求される条件に沿って説明する。
【００３３】
Ｏ．放電待機期間
図示していない点灯スイッチをオンすると、制御回路６からスイッチング素子４ａ、４ｂにゲート信号が入力され、スイッチング素子４ａ、４ｂがオン、オフを繰り返し、二次側にトランス４ｃの巻き線数比倍の電圧が発生する。ここで、ＤＣ−ＡＣインバータによるスイッチング素子４ａ、４ｂの駆動周波数は、トランス４ｃの小型化を実現するために、１００ｋＨｚ付近で駆動されるのが望ましい。本実施の形態では、ＤＣ−ＡＣ一段昇圧高周波点灯方式を用いているので、従来必要だったＤＣ−ＤＣコンバータ用の高周波スイッチが不要となり、その高周波スイッチを用いた場合に発生する熱を放熱するための能力を、インバータのスイッチが発生する熱の放熱にあてることができるため、インバータの高周波動作が効果的に実施することが可能になる。
【００３４】
また、点灯スイッチがオンすると、昇圧回路２ｂも動作を開始し、直流電源１の電圧を昇圧し、放電成長用コンデンサ２ａを充電し始める。放電成長用コンデンサ２ａの電位が電源の電位よりも高くなっても、同期整流用のスイッチング素子２ｃがオフになっているため、電流は逆流しない。図１では、電流の逆流を防止するために同期生流用のスイッチング素子２ｃを用いているが、低コスト化、小型化を目的として、ダイオードを用いてもよい。しかし、ダイオードを用いた場合は、スイッチング素子よりもオン抵抗が大きいため、損失が大きくなることは考慮しなければならない。
【００３５】
つぎに、具体的な電圧値を適用して説明する。直流電源１の電圧として、車載用のバッテリを想定し１２Ｖとする。昇圧回路２ｂで倍に昇圧すると放電成長用コンデンサ２ａは２４Ｖまで充電され、トランス４ｃの一次側には２４Ｖが印加される。トランス４ｃの巻き線数比を１：１７とすると、トランス二次側には、４００Ｖ程度の電圧が発生する。
【００３６】
二次側では、逓倍圧回路を用いて昇圧する。トランス４ｃの出力が正（図１で上側が＋）の場合に、ダイオード５ａを通してコンデンサ５ｂを充電する。次に、トランス４ｃの出力が反転し、負（図１で下側が−）になると、コンデンサ５ｂからの放電電流により、ギャップスイッチ動作用のコンデンサ５ｄを充電する。このとき、トランス４ｃの出力が負であることから、ギャップスイッチ動作用のコンデンサ５ｄの両端にトランス４ｃの出力の倍の略８００Ｖの電圧が発生し、ギャップスイッチ５ｅの両端に同じく略８００Ｖが印加される。
【００３７】
Ａ．放電始動期間
ギャップスイッチ５ｅのオン電圧を略８００Ｖとした場合、ギャップスイッチ動作用のコンデンサ５ｄ電圧が略８００Ｖになると、ギャップスイッチ５ｅがオンする。そして、トランス５ｆの一次巻き線にパルス電流が流れ、二次巻き線に約２０ｋＶの高電圧が発生し、ランプ７の両端の電極に高電圧が印加される。この電圧は、コールド状態およびホット状態の放電開始電圧を超えているので、絶縁破壊が起きる。
【００３８】
バッテリ電圧からギャップスイッチ５ｅのオン電圧までの昇圧の過程をまとめると、直流電源１となるバッテリの電圧１２Ｖが、昇圧回路２ｂによって２倍の２４Ｖに昇圧され、放電成長用コンデンサ２ａに充電された後、トランス４ｃによって略４００Ｖに昇圧され、倍電圧回路によって２倍の略８００Ｖに昇圧され、ギャップスイッチ５ｅ両端に略８００Ｖが印加される。
【００３９】
上述したように３段階で昇圧している理由は、ＨＩＤランプの点灯経過において、ギャップスイッチ５ｅのオン電圧を必要とするのは、絶縁破壊する場合だけであり、絶縁破壊後、放電が維持している間は、電圧は８５Ｖ程度あれば十分で、電力が投入できれば良い。よって、トランス４ｃの小型化という観点から、トランス４ｃによる昇圧は低く抑え、巻き線数比を極力少なくする。そして、絶縁破壊時に必要な電圧は、一次側の昇圧回路２ｂもしくは、二次側の倍電圧回路で昇圧する。絶縁破壊後は一次側の昇圧回路２ｂの昇圧機能を停止させる。これによりギャップスイッチ５ｅは、絶縁破壊後はオンすることはない。また、一次側の昇圧回路２ｂと、二次側倍電圧回路の昇圧割合の配分は、それぞれ２倍として説明したが、素子の耐圧、体積等を考慮して異なる配分にしても良い。
【００４０】
Ｂ（Ｂ−１）．放電成長期間
絶縁破壊によりランプ７に電流が流れると、ランプ電極間電圧が急激に低下する。この時、放電待機期間から引き続き、スイッチング素子４ａ、４ｂはオン、オフを繰り返しており、直流電源１からのエネルギーと、放電待機期間に充電していた放電成長用コンデンサ２ａに蓄積されていたエネルギーが、ランプに放電成長用エネルギーとして供給され、放電が成長し、放電の立ち消えが防止される。放電成長用コンデンサ２ａの容量は、絶縁破壊直後、放電が維持、成長するのに十分なエネルギーを供給できる値に設定する。また、放電成長用コンデンサ２ａはトランスの一次側にあるため、低耐圧のコンデンサで良く、点灯装置の小型化、低コスト化が可能になる。
【００４１】
Ｂ（Ｂ−２）．光束立ち上げ期間
放電成長期間終了後も、スイッチング素子４ａ、４ｂはオン、オフを繰り返し、二次側に電力を供給している。ランプ７がコールド状態の場合、定格電圧３５Ｗよりも大きい、例えば７０Ｗの電力を投入し、短時間で所望の光束まで立ち上げる。電力の調整は、スイッチング素子４ａ、４ｂのデューティを変えることによって行う。ホット状態の場合は、この期間を経過せずに、次の定常放電期間へ移行する。
【００４２】
Ｃ．定常放電期間
光束が立ち上がった後は、定常放電期間にはいる。スイッチング素子４ａ、４ｂのデューティを調整して、定格３５Ｗ一定で放電を繰り返す。定常放電時間では、音響共鳴現象による不安定放電を避けるため、周波数に変調をかけた周波数スウィープ方式の波形で点灯駆動する。例えば、中心周波数９０ｋＨｚ、変調周波数１ｋＨｚ、最小周波数８０ｋＨｚ、最大周波数１００ｋＨｚの波形で点灯駆動する。放電待機期間の点灯開始から、点灯終了まで、連続して周波数スウィープ波形で点灯駆動される。
【００４３】
つぎに、音響共鳴現象を避けるための、周波数スウィープ方式について説明する。トランスの体積を決定する一次巻き線数は、周波数に反比例し、周波数が大きいほど、一次巻き線数は少なくなる。そのため、高周波化により、トランスの小型化が可能になる。一方、高周波数化するほど、トランスのコアロスが大きくなり、温度は上昇する。本願発明者らは、これらの関係を考慮した結果、車載用の点灯回路においては、１００ｋＨｚ付近の周波数でトランスを設計するのが最適であるとの結論に至った。これは、特許文献１に記載された回路において、ＤＣ−ＤＣコンバータのトランスが１００ｋＨｚで駆動され、トランスの小型化に成功し、現在車載用に用いられているという実績からもいえる。
【００４４】
しかし、数ｋＨｚ以上の高周波数でメタルハライドランプを点灯させようとすると、音響共鳴現象が発生し、放電が不安定になったり、立ち消えたりする現象が起こる。この音響共鳴現象に関する詳細は、例えば照明学会誌、第７７巻、第１０号、平成５年の第２９〜３６頁（以下、「照明学会論文」と記す）に報告されている。
【００４５】
上記照明学会論文によると、音響共鳴現象によるアーク放電の不安定性の発生するメカニズムについて、以下のように説明している。即ちランプ内のお互いの反射方向に進む波が定在波を作り、定在波の振動周波数がランプの持つ固有周波数に近付き、定在波が共鳴する。定在波とは、点灯中のランプを支配する水銀蒸気の粗密波である。定在波は圧力分布が時間的に変化しない波であり、その形状によって、ランプ内に不均一な圧力分布を生じる。この圧力分布の中で、アークはエネルギー状態が最も低くなるように放電するため、アークが曲がるとしている。
【００４６】
上記照明学会論文に限らず、音響共鳴現象を説明する論文や特許は数多く見られ、中には理論式を仮定し、音響共鳴が発生する周波数、発生しない周波数、または、音響共鳴が発生するがアークが直線になり放電が安定する周波数を求めているものもある。しかし、例えば上記照明学会論文や、特許第３１８９６０９号公報に開示される理論式を用いても、必ずしも実験的に得られる周波数と一致しているとはいえない。
【００４７】
即ち、ＨＩＤを高周波点灯する場合に、放電が安定している周波数を理論式から得ることは困難であり、これまで提案されてきた対策方法が有効であるかどうかについても理論的には求めることができない。従って、点灯回路を設計する場合に、使用したい周波数領域については実験によって求める方法しかないというのが現状である。
【００４８】
実験結果を明確に示している例として、特公平７−６６８６６号公報に開示された点灯方法がある。これでは音響共鳴現象による不安定放電を回避する方法として、点灯周波数に周波数変調をかける周波数点灯スウィープ方式を用いている。周波数スウィープ点灯方法によって、音響共鳴現象による不安定放電を回避できることは、上記照明学会論文や、特開昭６１−１６５９９９号公報に開示されているように公知の技術であるが、特公平７−６６８６６号公報では、実験結果を示すことにより、周波数スウィープ波形の、中心周波数を２０ｋＨｚから８０ｋＨｚまで限定することによって権利化している。
【００４９】
しかし、特公平７−６６８６６号公報では、周波数が５０ｋＨｚを超える領域では、安定放電が得られる領域が無く、また、８０ｋＨｚ以上の点灯については、実験結果を示していない。これまで説明した理由から、２０ｋＨｚ〜８０ｋＨｚの実験結果からでは、８０ｋＨｚ以上の現象を推測することはできない。
【００５０】
このような技術的背景のなかで、本願発明者らは１００ｋＨｚ付近の周波数領域において、周波数スウィープ点灯方式を用いて、十分広い安定周波数を得る条件を実験により見出した。これに関し、以下に説明する。
【００５１】
図３に、周波数一定の波形（即ち、周波数スウィープではない）での、６０ｋＨｚから１３０ｋＨｚまでの各周波数における、管電圧の上昇分と、目視による放電の状態を観察した結果を示す。定管電圧の上昇分は、放電の不安定性の定量的な評価を、目視による放電の状態観察は、放電の不安定性の定性的な評価を示している。アーク放電が不安定になると、管電圧が上昇することは周知である。
【００５２】
図３で示した管電圧は、ランプ両端の電極間に印加される正極性の電圧ピーク値を、１周期の１００倍の時定数でホールドした値である。また、管電圧の上昇分とは、上述の管電圧の時間変動に対する最大値と最小値の差を示している。つまり、電圧の上昇分が大きいと、電圧変動が大きく、放電の不安定性が大きいことを表している。また、測定に使用したＨＩＤランプは、Ｐｈｉｌｉｐｓ社製、Ｄ２Ｒ、定格８５Ｖ、３５Ｗである。
【００５３】
図３において、８５ｋＨｚ以下と１０８ｋＨｚ以上は、放電が絶縁破壊から数秒以内に消滅している（状態▲３▼）。この領域は、音響共鳴現象によって、放電が立ち消えていると考えられる。８５ｋＨｚ〜８８ｋＨｚ、９２ｋＨｚ〜１０１ｋＨｚ、１０６ｋＨｚ〜１０８ｋＨｚでは、放電は持続しているが、絶えずアーク放電の形状が変形し、安定していない（状態▲２▼）。この領域でも軽度の音響共鳴周波数が発生していると考えられる。これら状態▲２▼および状態▲３▼の放電は点灯に用いることはできない。８８ｋＨｚ〜９２ｋＨｚ、１０１ｋＨｚ〜１０６ｋＨｚでは、放電が直線状になり、放電は安定している（状態▲１▼）。この領域のみ点灯に用いることができるが、使用できる周波数領域は非常に狭いものである。
【００５４】
使用できる周波数領域が狭い場合、ランプメーカの違いによる差やランプの固体差によって、安定放電周波数はずれを生じる。つまり、すべてのランプに放電が安定する周波数が共通に存在しない。そのため使用できる周波数を広げるために、点灯周波数に変調をかける周波数スウィープ方式を用いたが、その根拠を以下に説明する。
【００５５】
図４〜図６に、管電圧の変化とアーク放電の形状が詳細に示されている。周波数はアーク形状が激しく変化している８４．５ｋＨｚである。図６に示すアーク放電の形状は、投射レンズにより拡大し、スクリーンに上下反転し投射したものを高速ビデオカメラで撮影した。図５の時間に対する管電圧の変化を示した詳細図に付した番号と、図６のアーク放電の形状の番号は一致している。
【００５６】
これらの図から、管電圧が低い時には、アーク放電は直線状になり安定しているが、管電圧が上昇するに従い、アーク形状が湾曲し、変化することを示している。この結果は、従来から言われている管電圧と音響共鳴現象による放電の不安定性に相関があることを確認したことに加え、新しい事実を示している。それは、アーク放電が安定状態から、不安定状態に変化する時間（図５中の▲１▼から▲３▼までの時間）が、約１０ｍｓｅｃであるということである。つまり、音響共鳴による定在波は成長する時間が約１０ｍｓｅｃであり、固定された周波数を１０ｍｓｅｃ以上続けなければ、音響共鳴による定在波の成長を阻止できることを示している。この結果は、時間に対する管電圧のサンプリング精度を上げることによってはじめて得られたもので、過去にこのように精度よく測定された例はない。
【００５７】
上記の実験結果より、１０ｍｓｅｃ以上、一定周波数を続けない波形として、ある中心周波数に対し、変調周波数1ｋＨｚ、中心周波数からの周波数の振り幅±１０ｋＨｚである周波数スウィープ波形を用いてその効果を示す。図７に中心周波数と管電圧上昇分の関係を示す。図３の周波数スウィープを用いない場合と比較して、安定放電領域が広がっているのがわかる（状態▲１▼）。つまり、ランプメーカの違いによる差やランプの固体差を吸収できるように、設定周波数マージンが広がっていることを示している。
【００５８】
なお、周波数スウィープ点灯方式を用いても、６０ｋＨｚから１３０ｋＨｚという限定された周波数領域においても、すべての周波数で安定した放電が得られてはいない。これは、周波数スウィープ点灯を行う周波数の近辺に、一定周波数点灯にて、安定した周波数があることが必要であると思われる。
【００５９】
また、ランプによっては、周波数８０ｋＨｚ以上の領域に安定領域が存在しない場合もある。この場合、スウィープ点灯方式を用いても安定した放電は得にくい。
また、音響共鳴現象による放電不安定性が発生する周波数は、管内音波により変化する。言い換えると、管内圧力、温度により変化するものである。この領域に安定領域ができるように、電力制御回路６ｂを用いて、定格電力付近で投入電力を調整することも可能である。
【００６０】
実施の形態２．
つぎに、高輝度放電ランプ点灯装置の実施の形態２について図８を参照して説明する。実施の形態２は放電成長用コンデンサ２ａで蓄積させるのに必要な容量Ｃａを小さくする点灯方法に関するものである。図８は図１に示す二次側のギャップスイッチ５ｅ両端の電圧と、一次側の放電成長用コンデンサ２ａの電圧と、インバータへの信号の関係を示す。なお、適宜、実施の形態１の説明に用いた図１〜図７およびそれらに関しての説明を参照する。
【００６１】
放電成長用コンデンサ２ａは、放電成長期間にランプに供給するためのエネルギーの他に、ギャップスイッチ５ｅがオン可能な電圧まで上昇させるためのエネルギーを蓄積しなければならない。今、ギャップスイッチ５ｅのオン電圧をＶｇ、ギャップスイッチ５ｅに並列に接続されたギャップスイッチ動作用のコンデンサ５ｄの容量をＣｇとすると、Ｖｇまで上昇させるのに必要なエネルギーＷｇは、
Ｗｇ＝１／２・Ｃｇ・Ｖｇ^２（１）
である。このエネルギーを一次側の放電成長用コンデンサ２ａで蓄積させるのに必要な容量Ｃａは、一次側の電圧をＶａとすると
Ｃａ＝Ｃｇ・Ｖｇ^２／Ｖａ² （２）
となる。実施の形態２では、このＣａを小さくできる点灯方法に関している。
【００６２】
放電準備期間に、スイッチング素子４ａ、４ｂがオン、オフを繰り返すと、ギャップスイッチ動作用のコンデンサ５ｄが充電され、電圧が徐々に上がっていく。この時、コンデンサ５ｄを充電するため、放電成長用コンデンサ２ａは放電する。コンデンサ５ｄの電位が０．９・Ｖｇまで充電した時点で、インバータの駆動を停止させ、放電成長用コンデンサ２ａを再充電する。放電成長用コンデンサ２ａがフルに充電される時間にインバータの駆動を再開する。インバータの駆動が再開すると、ギャップスイッチのコンデンサ５ｄの電位は再び上昇し、Ｖｇになった時点でギャップスイッチ５ｅがオンする。
【００６３】
このような点灯方法にすると、Ｖｇまで上昇させるのに必要なエネルギーは、
Ｗｇ＝１／２・Ｃｇ・（Ｖｇ^２−（０．９・Ｖｇ）^２）（３）
でよく、このエネルギーを一次側の放電成長用コンデンサ２ａで蓄積させるのに必要な容量Ｃａは、
Ｃａ＝Ｃｇ・０．１９・Ｖｇ^２／Ｖａ² （４）
となる。その分、放電成長用コンデンサ２ａの容量を小さくすることが可能となる。
【００６４】
インバータを停止するタイミングとなるギャップスイッチ５ｅ両端の電圧Ｖｇｓを０．９・Ｖｇとしたが、式（４）より、Ｖｇｓは、可能な限りＶｇに近い方が、放電成長用コンデンサ２ａの容量は小さくなることがわかる。なお、Ｖｇｓにかける係数はギャップスイッチ５ｅの素子のばらつきとの関係で決められる。
【００６５】
実施の形態２では、ギャップスイッチ動作用コンデンサ５ｄの充電中に、放電成長用コンデンサ２ａの再充電期間を一回設ける方法について述べたが、再充電期間を二回以上設けてもよい。これにより、放電成長用コンデンサ２ａ容量をより小さくすることが可能となるものである。
【００６６】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、直流電源からの電圧を、ＤＣ−ＡＣインバータを用いて交流波形に変換し、高周波でランプを点灯させる「ＤＣ−ＡＣ１段昇圧高周波点灯方式」を用い、更に一次側に複数の電源を備えているため、放電成長期間にＨＩＤランプにエネルギーを十分供給することができるので回路構成が簡略化され、ＨＩＤランプを点灯する装置の小型化、低価格化が可能になる効果がある。
【００６７】
この発明によれば、上記高輝度放電ランプ点灯装置のトランスの一次側に設けた直流電源に並列に接続した放電成長用コンデンサに充電して所望の電圧を得ると共に、複数のスイッチング素子を繰り返しオン、オフすることにより、トランスの二次側に設けたギャップスイッチ動作用コンデンサに、ギャップスイッチのオン電圧となる電圧まで充電する放電準備期間を設けたので、つぎに続く放電始動期間において、ギャップスイッチをオンさせ、それにより発生したパルス電圧の逆起電圧により、ＨＩＤランプを絶縁破壊することが可能となり、安定した点灯が可能となる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る高輝度放電ランプ点灯装置の回路を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る高輝度放電ランプ点灯装置の点灯時のランプの電圧、電流の波形を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る高輝度放電ランプ点灯装置において、周波数スウィープ波形を用いない場合の、点灯周波数と放電の状態を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係る高輝度放電ランプ点灯装置において、点灯周波数が８４．５ｋＨｚでの、時間に対するランプ管電圧、電流の変化を示した図である。
【図５】図４のＡ部を拡大した図である。
【図６】図５の放電位置に対応したアーク放電の形状を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態１に係る高輝度放電ランプ点灯装置において、周波数スウィープ波形を用いた場合の、点灯周波数と放電の状態を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態２に係る高輝度放電ランプ点灯装置の二次側のギャップスイッチ両端の電圧と、一次側の放電成長用コンデンサの電圧と、インバータへの信号の関係を示す図である。
【符号の説明】
１直流電源、２放電成長回路、２ａ放電成長用コンデンサ、２ｂ昇圧回路、２ｃ，４ａ，４ｂスイッチング素子、２ｄ逆阻止ダイオード、２ｅ同期整流用制御回路、３アース線、４ＤＣ−ＡＣインバータ回路、４ｃトランス、５イグナイタ回路、５ａ，５ｃダイオード、５ｂ，５ｄコンデンサ、５ｅギャップスイッチ、５ｆトランス、５ｇ共振用コンデンサ、６制御回路、６ａ周波数決定回路、６ｂ電力制御回路、７メタルハライドランプ。

Claims

トランスの一次側に複数の電源を設け、前記トランスの一次側と前記複数の電源との間に第一及び第二のスイッチング素子を設け、前記第一及び第二のスイッチング素子を繰り返しオン、オフすることにより、前記トランスの二次側に一次側電圧よりも高電圧で高周波である交流電圧を発生させる高輝度放電ランプ点灯装置であって、
前記複数の電源のうち、一つは直流電源であり、他の一つは当該直流電源に並列に接続されたコンデンサであり、
前記直流電源の一端と前記コンデンサの一端との間に昇圧回路と第三のスイッチング素子とで構成される並列体を接続したことを特徴とする高輝度放電ランプ点灯装置。
第三のスイッチング素子として逆阻止ダイオードを設け、コンデンサの電圧が直流電源の電圧よりも高い電圧であることを特徴とする請求項１記載の高輝度放電ランプ点灯装置。
第三のスイッチング素子として同期整流用のスイッチング素子を設け、コンデンサの電圧が直流電源の電圧よりも高い電圧であることを特徴とする請求項１記載の高輝度放電ランプ点灯装置。
トランスの二次側に逓倍圧回路を設け、前記逓倍圧回路のギャップスイッチに並列に接続された第二のコンデンサの両端電圧を、前記トランスの二次側に発生する電圧よりも高くしたことを特徴とする請求項１記載の高輝度放電ランプ点灯装置。
請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の高輝度放電ランプ点灯装置を用いて高輝度放電ランプを点灯する高輝度放電ランプ点灯方法であって、
絶縁破壊後、放電過渡期間と定常放電期間の、少なくとも一方の期間に、前記高輝度放電ランプを駆動する電圧の中心周波数が、８０ｋＨｚ以上、１２０ｋＨｚ以下の範囲で周波数を変調し、前記高輝度放電ランプを駆動することを特徴とする高輝度放電ランプ点灯方法。
請求項４に記載の高輝度放電ランプ点灯装置を用いて高輝度放電ランプを点灯する高輝度放電ランプ点灯方法であって、
トランスの一次側に設けた直流電源に並列に接続したコンデンサに充電して所望の電圧を得ると共に、第一及び第二のスイッチング素子を繰り返しオン、オフすることにより、前記トランスの二次側に設けた第二のコンデンサに、ギャップスイッチのオン電圧となる電圧まで充電し、
その後、前記ギャップスイッチがオンすることにより発生したパルス電圧の逆起電圧を、前記高輝度放電ランプ両端に印加することによって前記高輝度放電ランプに絶縁破壊を発生させ、
前記絶縁破壊の発生後、充電した前記コンデンサから、前記高輝度放電ランプにエネルギーを供給し、前記第一及び第二のスイッチング素子の駆動波形のデューティを調整して前記高輝度放電ランプに投入する電力を、定格電力よりも大きくすることによって迅速に光束を立ち上げ、
前記光束の立ち上げ後、前記第一及び第二のスイッチング素子の駆動波形のデューティを調整し、前記高輝度放電ランプに投入する電力を定格電力に保つこと
を特徴とする高輝度放電ランプ点灯方法。
放電成長期間から、光束立ち上げ期間を経過して定常放電期間まで、或いはそれらの期間のいずれか一つの期間に、高輝度放電ランプを駆動する電圧の周波数を変調することを特徴とする請求項６記載の高輝度放電ランプ点灯方法。
放電が安定した状態の高輝度放電ランプの両端電圧から、音響共鳴現象により放電が不安定になり、前記高輝度放電ランプの両端電圧が上昇し始める時間以上に同じ駆動電圧周波数を持続しないように、変調周波数、および、最小周波数および最大周波数を定め、前記高輝度放電ランプを点灯することを特徴とする請求項５および請求項７記載の高輝度放電ランプ点灯方法。
同じ駆動電圧周波数が１０ｍｓｅｃ以上、持続しないように変調周波数、および、最小周波数および最大周波数を定め、高輝度放電ランプを点灯することを特徴とする請求項８記載の高輝度放電ランプ点灯方法。
放電準備期間において、第一及び第二のスイッチング素子を繰り返しオン、オフすることによりトランスの二次側に設けられた第二のコンデンサを、ギャップスイッチのオン電圧に１より小さい係数をかけた電圧に充電し、当該充電後、前記第一及び第二のスイッチング素子がオフすることによって、前記第二のコンデンサの両端電圧を保持すると共に、コンデンサを直流電源から所定の電圧に充電し、当該充電後、前記第一及び第二のスイッチング素子を繰り返しオン、オフすることにより、前記第二のコンデンサの両端電圧を、前記ギャップスイッチのオン電圧に充電することを特徴とする請求項６記載の高輝度放電ランプ点灯方法。