JP5125628B2 - 高圧放電灯点灯装置 - Google Patents

Description

本発明は各種高圧放電灯に使用される点灯装置に関するものである。

以下、従来の高圧放電灯点灯装置について図面を用いて説明する。図８は従来の高圧放電灯点灯装置の構成を示すブロック図である。図８の高圧放電灯点灯装置は、直流電源１からＤＣＤＣコンバータ２および交流変換回路３を介して高圧放電灯（ランプ）４が接続されている。ここでＤＣＤＣコンバータ２は制御回路５からのＰＷＭ制御信号６によって直流電源１の電圧を数十ｋＨｚの高周波電圧に変換し、その高周波電圧を平滑してコンバータ出力電圧を得ている。

そして、高圧放電灯（ランプ）４の点灯は、点灯波形発生回路７により生成した電圧波形が駆動回路８を介して交流変換回路３のインバータ部９にコンバータ出力電圧とともに加わり、このインバータ部９から出力したインバータ電圧が共振回路部１０を経て、高圧放電灯４に加わる。

この時、高圧放電灯４に加わるランプ電圧は、図９に示すルーチンのようなランプにおける放電のステップにより行われることとなる。そして、そのランプ放電のステップは、まず、最初の約１秒間に起動放電として約３ｋＶ、約３４０ｋＨｚの電圧を周期的に加える。そして次に、ならし放電として約０．５秒間に約２〜３Ａの電流が流れる様に５０ｋＨｚ程度の電圧を加える。そしてランプが点灯しているかどうかを判定したうえで、点灯状態である場合は更に約１.５秒間のプリヒート放電として約２〜３Ａの電流が流れる様に５０ｋＨｚ程度の電圧を加える。その後、定常放電状態の６０〜１２０Ｖ、１３５ｋＨｚの電圧が加え続けられ、点灯が途切れた場合には最初の起動放電に戻る。

そして、起動放電に必要な高電圧は、図８に示すインバータ部９から１１４ｋＨｚ、１５０Ｖの電圧波形を共振回路部１０に印加すると第３高調波の３４０ｋＨｚで共振することにより得るものである。つまり、この共振により得られる電圧の上昇によって、約３ｋＶ、３４０ｋＨｚの起動電圧を得ている。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては例えば特許文献１が知られている。
特開２００４−１２７６５６号公報

従来の高圧放電灯点灯装置では、図８の共振回路部１０における、昇圧後の電圧と周波数との関係は図１０の共振曲線１１ａのようになる。ここで起動放電に必要な電圧をＶｅとし、共振周波数を３４０ｋＨｚ（インバータ電圧の周波数はこの１／３）としている。

ここでは、起動放電に必要な電圧Ｖｅは、共振回路部はコイル（Ｌ）とコンデンサ（Ｃ）による共振であり、共振点ではそのインピーダンスが非常に小さくなるため、大電流が流れ大きな電力を消費することになる。そこで、出来る限り電力消費を減らし、かつ高圧放電灯点灯を点灯し易くするために起動放電電圧Ｖｅは周期的に発生させる。

すなわち、起動放電電圧をＶｅのポイントで得るために、インバータ部９から供給する電圧の周波数ｆを、図８の制御回路に設けた複数のアナログスイッチ調整用の可変抵抗により適当なものとなるよう設定していた。これにより、複数のアナログスイッチを機能させ、インバータ部９から発する電圧の周波数を図１０に示すｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ２、ｆ１の順に切り替えて起動放電に必要な電圧Ｖｅを得ていた。

しかしながら、図８の共振回路部１０を構成するＬおよびＣは値にバラツキを有するため、図１０に示す共振曲線１１ａはＬおよびＣの値により、左右にシフトすることとなる。このため、例えば共振曲線１１ａが破線１１ｂのようにシフトした場合、ＶｅはＶｅ’へと低下することとなる。つまり、起動放電のために供給する電圧はＬおよびＣの値により大きく変動を伴うものとなり、完成した高圧放電灯点灯装置のセットを1台ごとに、上記の可変抵抗を調整する必要があり、かつ小さな調整で起動放電電圧が大きく変化するためにランプ点灯が不安定となる要素を有するという課題点があった。

そこで本発明は、常に安定した起動放電電圧を得るものである。

そしてこの目的を達成するために、高圧放電灯と、この高圧放電灯を起動放電させる交流ランプ電圧を供給する共振回路とを備え、前記交流ランプ電圧の周波数を前記共振回路の共振周波数よりも高い起点周波数を起点として所定の時間毎に下降させ、前記起点周波数から前記周波数の下降に伴って前記共振回路に発生する共振電圧が上昇した際には前記周波数を更に下降させ、高い周波数側から低い周波数側へと前記共振周波数通過をすることによって前記周波数の下降に伴って前記共振回路に発生する共振電圧が低下した際には、前記周波数を前記共振周波数よりも低い下限周波数で下降を終えさせ、この後前記周波数を上昇方向へと反転させるとともに前記下限周波数から所定の時間毎に上昇させ、かつ前記周波数を低い周波数側から高い周波数へと前記共振周波数を通過させつつ前記起点周波数方向へと上昇させることで、前記高圧放電灯の起動放電電圧を前記周波数の下降時および上昇時における共振周波数を通過する際における共振電圧により得ることを特徴としたものである。

本発明によれば、起動放電時には必ずピーク電圧の供給が可能となり、その結果共振回路のＬ、Ｃ値のバラツキに関係しない安定した起動放電の電圧値を確保した高圧放電灯点灯装置の提供を可能とするものである。

以下、本発明の一実施の形態における高圧放電灯点灯装置について図を用いて説明する。

（実施の形態）
図１は本発明の第一の実施の形態における高圧放電灯点灯装置の構成を示すブロック図である。

図１の高圧放電灯点灯装置は、直流電源１３からＤＣＤＣコンバータ１４および交流変換回路１５を介して高圧放電灯（ランプ）１６が接続されている。ここでＤＣＤＣコンバータ１４は制御回路１７からのＰＷＭ制御信号１８によって直流電源１３の電圧を数十ｋＨｚの高周波電圧に変換し、その高周波電圧を平滑してコンバータ出力電圧を得ている。

そして、高圧放電灯（ランプ）１６の点灯は、点灯波形発生回路１９により生成した電圧波形が駆動回路２０を介して交流変換回路１５のインバータ部２１にコンバータ出力電圧とともに加わり、このインバータ部２１から出力したインバータ電圧が共振回路部２２を経て昇圧され、高圧放電灯１６に加わる。

この時、高圧放電灯１６に加わるランプ電圧は、図２に示すルーチンのようなランプ放電のステップにより行われることとなる。そして、そのランプ放電のステップは、まず、最初の約１秒間に起動放電として約３ｋＶ、約３４０ｋＨｚの電圧を周期的に加える。そして次に、ならし放電として約０．５秒間に約２〜３Ａの電流が流れる様に５０ｋＨｚ程度の電圧を加える。ここでランプが点灯しているかどうかを判定したうえで、点灯状態である場合は更に約１.５秒間のプリヒート放電として約２〜３Ａの電流が流れる様に５０ｋＨｚ程度の電圧を加える。その後、定常放電状態の６０〜１２０Ｖ、１３５ｋＨｚの電圧を加える。また、約０.５秒間の、ならし放電までの間に点灯が途切れた場合や、点灯が起こらなかった場合には最初の１秒間の起動放電に戻る。

ここで、起動放電に必要な高電圧は、図１に示す交流変換回路１５から供給することとなり、この起動放電に必要な高電圧は以下のようにして得ることができる。まず、インバータ部２１から１１４ｋＨｚ、１５０Ｖの電圧波形を共振回路部２２に印加する。この共振回路部２２は、この電圧波形の周波数における第３高調波である約３４０ｋＨｚで共振するようにインダクタンスおよびキャパシタの定数を決定している。そして、その共振回路部２２の共振周波数近辺の周波数における共振回路部２２からの出力電圧により起動放電に必要な高電圧を得ている。

つまり、この共振により得られる電圧の上昇によって、約３ｋＶ、３４０ｋＨｚの起動電圧を得ているものである。

ここで、図１の共振回路部２２における昇圧後の電圧であるところのランプ電圧と、ランプ電圧の周波数との関係は、図３に示す共振曲線２３ａのようになる。ここで起動放電に必要な電圧をＶｅ１とし、共振周波数を３４０ｋＨｚ（図１に示すインバータ部から発する電圧の周波数はこの約１／３の周波数の１１４ｋＨｚ）としている。

またここでは、図１のインバータ部２1から発するインバータ電圧波形のインバータ周波数は制御回路１７のマイクロコンピュータにより制御され、図４に示すようにインバータ周波数を起点周波数から一定の時間△ｔごとに下降させている。これにより、図１に示す共振回路部２２で得られる昇圧後の電圧は、図３におけるインバータ周波数下降の起点となる周波数ｆｂから共振周波数ｆｒまでのＡの周波数領域においては、インバータ周波数の下降（時間の経過）に伴いランプ起動電圧である共振電圧はＶｂからＶｒへと上昇することとなる。また、共振周波数ｆｒを超えた周波数領域のＢにおいては、インバータ周波数の下降に伴いランプ起動電圧である共振電圧は下降することとなる。そして、この共振電圧が下降したことを図５に示す共振電圧検出回路２４およびマイクロコンピュータで検出した時、この時の周波数ｆｖでインバータ周波数の下降を止め、次にその周波数ｆｖから起点の周波数ｆｂまで上昇させる。

あるいは、インバータ周波数を下降させている状態において、図３におけるＡの周波数領域におけるインバータ周波数の最後の値での共振電圧と、周波数領域のＢにおけるインバータ周波数の最初の値での共振電圧とが、同じ値であることを図５に示す共振電圧検出回路２４およびマイクロコンピュータで検出した場合もまた、この時の周波数ｆｖでインバータ周波数の下降を止め、次にその周波数から起点の周波数ｆｂまで上昇させる。

ここで反転上昇に転じたインバータ周波数は再びＡの周波数領域へ戻ることとなるが、そのインバータ周波数は、ランプ起動放電に必要な電圧であるＶｅ１以上を得ることができる値であれば、周波数ｆｖに到達した時点で、ある一定期間固定してもかまわない。つまり、インバータ周波数の下降に伴いランプ起動電圧である共振電圧の下降を感知した周波数をｆｖとした場合、この周波数ｆｖにおいて周波数変化を一旦停止し、規定の時間が経過した後にインバータ周波数を反転上昇させて再び起点の周波数ｆｂまで戻しても構わない。

また、インバータ周波数の下降に伴いランプ起動電圧である共振電圧の下降を感知した周波数をｆｖとし、このｆｖから規定の期間に対応した時間だけ周波数を反転して上昇させることにより、Ａの周波数領域のランプ起動放電に必要な電圧であるＶｅ１以上を得る周波数ｆｖｅに近づけ、そのあとで周波数変化を一旦停止し、さらにその後で起点の周波数ｆｂまで上昇させても構わない。

以上の構成と動作により、共振電圧を図１に示す共振回路部２２のＬやＣの定数に依存することなく、常に安定して得ることが可能となる。つまり、たとえ、共振周波数が変化した場合であっても、最適な共振電圧を得るためのパラメータをインバータ周波数の上昇に対する共振電圧の変化としているため、最適な共振電圧はＬやＣの定数が変動した場合であっても問題なく得ることが可能となる。

つまり、図３に示す曲線２３ａ、２３ｂのように、ＬやＣの定数が変動することで共振曲線がシフトした場合であっても、ｆｂからｆｖおよびｆｖｅまでに到達する時間が変化するだけであり、そこで得る起動放電に必要な電圧をＶｅ１は変化しないこととなる。当然ながら、ランプ起動放電に必要な電圧であるＶｅ１以上を得るための共振電圧の最大値Ｖｒを有するようにＬやＣの定数を決定する必要があるものの、このＶｒはＬやＣの一般的な変動幅である５〜１０％においては大きな変化を起こすものではない。

以上のランプ起動放電のための共振電圧の供給は、時間と共振電圧との関係として図６（ａ）〜（ｄ）のように示すことができる。

まず、図６（ａ）もしくは図６（ｂ）に示すように時間と共振電圧との関係は、時間の変化に伴い２つの頂部を有したピーク波形となる場合を例にとる。これは先述のように、図３に示すインバータ周波数が、起点周波数ｆｂの高周波数側から低周波数側へと下降して共振周波数ｆｒを超え、周波数の高いＡ領域から周波数の低いＢ領域にオーバーシュートした状態から再びＡ領域へ戻ることに起因するものである。

図６（ａ）に示す共振電圧は、図３に示すインバータ周波数ｆｖから、規定の期間に対応した時間のみ周波数を反転して上昇させ、その後周波数を任意の期間で固定し、更にその後、起点周波数へ上昇た場合のものである。また、図６（ｂ）に示す共振電圧は図３に示すインバータ周波数ｆｖから、ｆｖにおいて反転したインバータ周波数を再び起点の周波数ｆｂまで、周波数の変化を続けた上で戻した場合のものである。具体的にインバータ周波数を変化させる時間は、図４に示す様に変化ステップ（例えば△ｔ＝０．２（μｓｅｃ））を設定し、上記のピークを持つ共振電圧波形を起動放電に必要な電圧Ｖｅ１が１（ｍｓｅｃ）程度以上続く様にすることにより確実に図１に示す高圧放電灯（ランプ）１６を点灯させることができる。

また、ランプ起動電圧が、起点→ピーク→起点という変化を辿ることにより、上述のように、電力のピークとなる期間が１（ｍｓｅｃ）程度という短い時間の制御ができることで必要以上の消費電力を抑制することができる。これに加え、ピーク電圧を瞬間的に２点とすることで点灯をさせやすくすることができる。

これらと同様に、図６（ｃ）に示す共振電圧は、図３に示すインバータ周波数ｆｖで一定の時間で周波数を固定した後にｆｖから、ｆｖにおいて反転したインバータ周波数を再び起点の周波数ｆｂまで戻した場合のものである。これにより、起動放電に必要な電圧Ｖｅ１を維持したうえでの、電力のピークとなる期間△Ｔの制御が確実にできることで必要以上の消費電力を抑制することができる。これに加え、ピーク電圧を瞬間的に２点とすることで点灯をさせやすくすることができる。

また、図６（ｄ）に示すように、ピーク電圧を３つ以上有することにより、確実な点灯を行うことも可能である。この場合、インバータ周波数は図３に示す、ｆｂ→ｆｖ→変動停止→ｆｒ→ｆｖ→変動停止→ｆｂという順序で変化および制御することにより、３つのピーク電圧を有することができる。

図１に示す高圧放電灯１６は印加するピーク電圧波形が高いほど起動、つまり点灯は起こり易いのは当然であるものの、起動放電に必要な電圧Ｖｅ１よりも共振電圧が高くなる時間が長くなる場合には放電点灯装置における消費電力が必要以上に大きくなる。そこで、この消費電力を抑制するためには、図６（ｃ）、（ｄ）のようにピーク電圧波形とピーク電圧波形の間に平坦部を設けることで、より確実に図１の高圧放電灯（ランプ）１６を点灯させ、かつ 消費電力を低減させることが可能となる。

ここで図４において△ｔは一定の時間としているものの、△ｔあたりにおける共振電圧に応じて変化させても構わない。例えば、インバータ周波数が共振周波数に接近し、△ｔあたりの共振電圧の上昇が小さくなった場合には、それに応じて△ｔの時間を短くしてもよい。

次に、図１に示す共振回路部２２の共振電圧検出回路について説明する。図５の共振電圧検出回路２４は共振回路部２２を構成するＬおよびＣ（Ｃは高電圧の印加を半分にするためＣａとＣｂの直列構成としている）において、ＣａとＣｂの交点電圧を抵抗２５と抵抗２６で分圧している。更にダイオード２７とコンデンサ２９で交流の共振電圧を整流し、その整流電圧（ｖｐ）を抵抗３０とツェナーダイオード３１を介して共振検出電圧（ｖｚ）を発生させマイクロコンピュータ（図示せず）のＡ／Ｄコンバータ（図示せず）によって読み取る。ここで、上記マイクロコンピュータ（図示せず）のＡ／Ｄコンバータ（図示せず）によって読み取る電圧は、高圧放電灯（ランプ）１６が点灯した場合の検出にも利用する。

すなわち、図７に示すインバータ周波数の起点となる周波数ｆｂの時の共振検出電圧（ｖｚ）＝Ｖｂが、図５における高圧放電灯（ランプ）１６が点灯した際には、ランプ電極間が導通状態になるため共振検出電圧（ｖｚ）は、図７に示すＶｓ（ほぼ０Ｖ）に近くなる。このＶｂとＶｓの差（ΔＶ）を検出すれば、ランプの点灯状態を検出できる。しかし、ランプの点灯検出電圧の約５（Ｖ）と共振電圧ピークの約３（ｋＶ）とは電圧差が大きく、比較動作にとって不都合な状態となる。そこで、図５に示すツェナーダイオード３１等の非直線素子における一定電圧付近の特性を利用し、抵抗３０と協働させて共振電圧のピークを圧縮し、つまりｖｐ波形をｖｚ波形へと圧縮し、ｖｚ波形の変動を検知することでランプの点灯検出と共振電圧のピークとを検出する。

また、共振電圧のピーク付近は数（ｋＶ）におよぶ高電圧であり、周波数のステップごとにおける大きなノイズが発生するので、周波数を変化させる時間変化ステップ（△ｔ＝０．２μｓｅｃ）の期間において、Ａ／Ｄコンバータで読み取った共振検出電圧（ｖｚ）をマイクロコンピュータで平均化処理してピークを安定して検出する。

これにより、ノイズを抑えたうえで安定したピーク電圧を得ることとなり、消費電力を抑制するとともに変動を少ないものとすると同時に、ランプの点灯を確実にすることができる。

本発明の高圧放電灯点灯装置は、高圧放電灯の起動放電時における放電電圧を安定化させる効果を有し、各種電子機器において有用である。

本発明の一実施の形態における高圧放電灯点灯装置の回路ブロック図 本発明の一実施の形態における高圧放電灯点灯装置の起動放電ルーチン図 本発明の一実施の形態における高圧放電灯点灯装置のランプ電圧とランプ電圧周波数との関係図 本発明の一実施の形態における高圧放電灯点灯装置のランプ電圧周波数と時間との関係図 本発明の一実施の形態における高圧放電灯点灯装置の回路図 （ａ）本発明の一実施の形態における高圧放電灯点灯装置のランプ電圧と時間との第１の関係図、（ｂ）同第２の関係図、（ｃ）同第３の関係図、（ｄ）同第４の関係図 本発明の一実施の形態における高圧放電灯点灯装置の点灯時におけるランプ電圧と時間との関係図 従来の高圧放電灯点灯装置の回路ブロック図 従来の高圧放電灯点灯装置の起動放電ルーチン図 従来の高圧放電灯点灯装置のランプ電圧とランプ電圧周波数との関係図

符号の説明

１３ 直流電源
１４ ＤＣＤＣコンバータ
１５ 交流変換回路
１６ 高圧放電灯（ランプ）
１７ 制御回路
１８ ＰＷＭ制御信号
１９ 点灯波形発生回路
２０ 駆動回路
２１ インバータ部
２２ 共振回路部

Claims (3)

1. 高圧放電灯と、
   この高圧放電灯を起動放電させる交流ランプ電圧を供給する共振回路とを備え、
   前記交流ランプ電圧の周波数を前記共振回路の共振周波数よりも高い起点周波数を起点として所定の時間毎に下降させ、
   前記起点周波数から前記周波数の下降に伴って前記共振回路に発生する共振電圧が上昇した際には前記周波数を更に下降させ、
   高い周波数側から低い周波数側へと前記共振周波数通過をすることによって前記周波数の下降に伴って前記共振回路に発生する共振電圧が低下した際には、
   前記周波数を前記共振周波数よりも低い下限周波数で下降を終えさせ、
   この後前記周波数を上昇方向へと反転させるとともに前記下限周波数から所定の時間毎に上昇させ、かつ
   前記周波数を低い周波数側から高い周波数へと前記共振周波数を通過させつつ前記起点周波数方向へと上昇させることで、
   前記高圧放電灯の起動放電電圧を前記周波数の下降時および上昇時における共振周波数を通過する際における共振電圧により得る
   高圧放電灯点灯装置。
2. 周波数を共振周波数よりも低い下限周波数で下降を終えた際に所定の期間は前記周波数を固定した後に、
   前記周波数を上昇方向へと反転させる請求項１に記載の高圧放電灯点灯装置。
3. 共振回路の共振電圧が所定の閾値よりも低下したことを共振電圧検出回路にて検出することにより、
   高圧放電灯の点灯を検知する請求項１もしくは２のいずれかに記載の高圧放電灯点灯装置。

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