(57)【要約】【課題】変更した点灯周波数でも音響的共鳴現象を生じてしまったり、点灯周波数の変更、音響的共鳴現象の発生といったことを頻繁に繰り返したりすることを防止すること。【解決手段】検出手段１９が高輝度放電灯１８の音響的共鳴現象を検出しない間は、制御装置１４は高周波発生装置１０の出力周波数を所定周波数領域の上限とする。  一方、検出手段１９が音響的共鳴現象を検出すると、制御装置１４は高周波発生装置１０の出力周波数を低い方向に変化させる。高輝度放電灯１８は、点灯初期においてはランプ電圧の上昇とともに音響的共鳴現象を生じる周波数が低下していく特性を有するから、高周波発生装置の出力周波数を低い方向に変化させることは音響的共鳴を生じる周波数の変化に対して逃げていく関係となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高輝度放電灯を付勢する高周波発生装置と；
高輝度放電灯の音響的共鳴現象を検出する検出手段と；
所定の周波数領域内において高周波発生装置の出力周波数を変化可能であり、検出手段が音響的共鳴現象を検出しないときは出力周波数を変化させず、検出手段が音響的共鳴現象を検出したときは出力周波数を大きい周波数から小さい周波数の方向に変化させる制御装置と；
を具備していることを特徴とする放電灯点灯装置。
【請求項２】
前記制御装置は、出力周波数を大きい周波数から小さい周波数の方向に変化させて所定の周波数領域の下限値に達した場合には、所定の周波数領域の上限値から変化を開始するものであることを特徴とする請求項１記載の放電灯点灯装置。
【請求項３】
前記制御装置は、前記所定の周波数領域内の出力周波数とこの出力周波数とは異なる第２の出力周波数とを所定の周期内で時間比を制御しながら切換えるものである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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高輝度放電灯を高周波点灯するとともに、音響的共鳴現象による不都合を解消するようにした放電灯点灯装置および照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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に記載されたものは、高輝度放電灯の点灯開始時の不安定状態における音響的共鳴現象の発生を抑制しようとするものである。そして、高輝度放電灯の点灯開始からの第１の期間と、第１の期間終了から安定点灯に達するまでの第２の期間とで高輝度放電灯の点灯周波数を変化させる技術が開示されている。また、特許文献１によれば、第１の期間の点灯周波数を第２の期間の点灯周波数より低くするとされている。
【特許文献１】特開2003-282286号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
高輝度放電灯を高周波電圧で点灯した場合、音響的共鳴現象を生じる周波数領域（非安定領域）と音響的共鳴現象を生じない周波数領域（安定領域）が混在し、かつ、これら周波数領域は高輝度放電灯の個々の偏差、寿命状態、点灯姿勢、点灯初期と安定点灯時の違い等によって異なる（あるいは変化する）ことが知られている。また、安定領域内にも弱い音響的共鳴現象を生じる周波数が存在したり、非安定領域内であっても周波数に応じて音響的共鳴現象の程度には強弱があったりすることも知られている。
【０００４】
したがって、高輝度放電灯を点灯する場合、音響的共鳴現象を検出する手段を設け、音響的共鳴現象を検出したときには、点灯周波数を変更して音響的共鳴現象を避けようとすることが考えられる。
【０００５】
しかし、音響的共鳴現象を生じる周波数または周波数領域は、上述のように放電灯個々または点灯条件等によってまちまちであるから、実際には音響的共鳴現象を避け得る周波数を特定することは困難である。このため、変更した点灯周波数でも音響的共鳴現象を生じてしまう虞がある。そこで、音響的共鳴現象を検出する度に点灯周波数を変更することも考えられるが、この場合でも音響的共鳴現象を生じる周波数または周波数領域の変化を把握できていないという状況は同じであるから、点灯周波数の変更、音響的共鳴現象の発生といったことを頻繁に繰り返すことにもなりかねない。
【０００６】
そこで、本発明者は、高輝度放電灯が音響的共鳴現象を生じる周波数の経時的変化に着目して実験を重ねた結果、点灯初期においては、ランプ電圧の上昇とともに音響的共鳴現象を生じる周波数（あるいは周波数領域）が低下していくことを見出した。また、高輝度放電灯の寿命と非安定周波数との関係については、使用時間が経過するに伴って非安定周波数が低下することを見出した。
【０００７】
本発明は、この知見に基づいてなされたもので、音響的共鳴現象を生じる周波数（あるいは周波数領域）の変化特性を巧みに利用し、高輝度放電灯の点灯周波数を前記変化特性を考慮して制御することにより、音響的共鳴現象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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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高周波発生装置と；高輝度放電灯の音響的共鳴現象を検出する検出手段と；所定の周波数領域内において高周波発生装置の出力周波数を変化可能であり、検出手段が音響的共鳴現象を検出しないときは出力周波数を変化させず、検出手段が音響的共鳴現象を検出したときは出力周波数を大きい周波数から小さい周波数の方向に変化させる制御装置と；を具備していることを特徴とする。
【０００９】
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。
【００１０】
対象とする高輝度放電灯としては、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、点灯中に音響的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。
【００１１】
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、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発生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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
検出手段は、例えば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。しかし、その他、ランプ電流や光出力を監視して音響的共鳴現象を検出するようなものであってもよい。
【００１５】
制御装置は、出力周波数を大きい周波数から小さい周波数の方向に変化させる場合、連続的に変化させるものであっても段階的に変化させるものであってもよい。そして、このように高周波発生装置の出力周波数を変化させる制御装置としては、高周波発生装置を他励式インバータとした場合に容易に構成し得る。すなわち、他励式インバータのスイッチングを制御する手段として制御用ＩＣ、マイコン、ディジタルシグナルプロセッサ等を用い、これらに処理手順を記憶させることによって実現可能である。
【００１６】
なお、制御装置が出力周波数を変化する所定の周波数領域を設定するに当っては、少なくとも安定領域の一部が含まれることが過去の実験等により推定される領域を選定することができるものである。
【００１７】
請求項１記載の発明は、高輝度放電灯の始動に際し、制御装置が高周波発生装置の出力周波数を予め設定された所定周波数領域の上限に制御する。そして、高輝度放電灯が始動し、安定点灯に向かってランプ電圧が時間とともに立上がっていく過程で、検出手段が音響的共鳴現象を検出しない間は、制御装置は高周波発生装置の出力周波数を前記所定周波数領域の上限とする。
【００１８】
一方、高輝度放電灯のランプ電圧が立上がっていく過程で、検出手段が音響的共鳴現象を検出すると、制御装置は高周波発生装置の出力周波数を低い方向に変化させる。上述したように、高輝度放電灯は、点灯初期においてはランプ電圧の上昇とともに音響的共鳴現象を生じる周波数が低下していく特性を有するから、高周波発生装置の出力周波数を低い方向に変化させることは音響的共鳴を生じる周波数の変化方向に対して向かっていくのではなく、逃げていく関係となる。そして、さらに音響的共鳴を生じる周波数が変化（低下）しない限り高周波発生装置の出力周波数は変化を停止する。これにより、点灯周波数を変更しても再度音響的共鳴現象が生じてしまうといった不都合はなくなる。
【００１９】
高輝度放電灯の寿命中においても、検出手段が音響的共鳴現象を検出すると、制御装置は高周波発生装置の出力周波数を低い方向に変化させる。この場合も、高輝度放電灯は、点灯時間の経過とともに音響的共鳴現象を生じる周波数が低下していく特性を有するから、高周波発生装置の出力周波数を低い方向に変化させることは音響的共鳴現象を生じる周波数の変化方向に対して逃げていく関係となる。
【００２０】
請求項２に記載の放電灯点灯装置は、請求項１記載の発明において、前記制御装置は、発振周波数を大きい周波数から小さい周波数の方向に変化させて所定の周波数領域の下限値に達した場合には、所定の周波数領域の上限値から変化を開始するものであることを特徴とする。
【００２１】
請求項２記載の発明は、高周波発生装置の出力周波数が所定の周波数領域内を音響的共鳴周波数に追いかけられて下限値までくると、制御装置は高周波発生装置の出力周波数を所定の周波数領域内の上限値まで転移させ、必要なら低い周波数方向に変化させる。
【００２２】
したがって、低い方向に変化してくる音響的共鳴周波数とぶつかることを確実に避けることになり、より安全サイドに作用する。
【００２３】
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、前記制御装置は、前記所定の周波数領域内の出力周波数とこの出力周波数とは異なる第２の出力周波数とを所定の周期内で時間比を制御しながら切換えるものであることを特徴とする。
【００２４】
高輝度放電灯の安定点灯には限流インピーダンス装置が必要であり、一般にはインダクタまたはコンデンサあるいはこれらを組合わせたものが用いられる。この場合、高周波発生装置の出力周波数（高輝度放電灯の点灯周波数）を変化させると限流インピーダンス装置のインピーダンス値も変化する。このため、高輝度放電灯への供給電力が変化して光出力の安定化が図れなくなる。
【００２５】
請求項３記載の発明は、所定の周波数領域内の出力周波数とこの出力周波数とは異なる第２の出力周波数とを所定の周期内で時間比を制御しながら切換えるから、所定の周波数領域内の出力周波数の変化により生じた供給電力の変化分を前記時間比を制御することによりキャンセルすることが可能である。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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、音響共鳴現象を抑制でき、または、ランプ電力を所定値に制御可能となる。
【００２９】
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。
【発明の効果】
【００３０】
請求項１の発明によれば、高周波発生装置の出力周波数を音響的共鳴を生じる周波数の変化に対して逃げていく関係に変化させるから、高周波発生装置の出力周波数と音響的共鳴を生じる周波数とのぶつかりを避けることができ、音響的共鳴現象の発生確率を現象することができる。
【００３１】
請求項２の発明によれば、高周波発生装置の出力周波数が所定の周波数領域内を音響的共鳴現象を生じる周波数に追いかけられて下限値までくると、制御装置は高周波発生装置の出力周波数を所定の周波数領域内の上限値まで転移させるから、低い方向に変化してくる音響的共鳴現象を生じる周波数とぶつかることを確実に避けることになり、より音響的共鳴現象を抑制できる。
【００３２】
請求項３の発明によれば、所定の周波数領域内の出力周波数とこの出力周波数とは異なる第２の出力周波数とを所定の周期内で時間比を制御しながら切換えるから、出力周波数の制御により高輝度放電灯への供給電圧が変化しようとするのをキャンセルすることが容易であり、光出力の安定化が図れる。
【００３３】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
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は高輝度放電灯の音響的共鳴現象を生じる周波数の分布の一例を示す図、図３は高輝度放電灯の点灯初期における音響的共鳴現象を生じる周波数の変化とランプ電圧の立上がり状況を示す図、図４は高輝度放電灯の寿命中における音響的共鳴現象を生じる周波数の変化を示す図である。
【００３５】
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、所要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。
【００３６】
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。
【００３７】
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（出力周波数）を直列共振回路１３の共振特性の遅相領域とすれば、出力周波数が大きい程共振出力は小さくなる。
【００３８】
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。本実施形態の高輝度放電灯１８は１７０Ｗ級のセラミックバルブを有するメタルハライドランプであって、安定周波数領域と非安定周波数領域の分布の一例は図２に示すものである。なお、図２において、影部が非安定周波数領域で、白部分が安定周波数領域である。もっとも、安定周波数領域内にも非安定周波数が存在したり、非安定周波数領域が変化したりすることは上述のとおりである。
【００３９】
また、高輝度放電灯１８を始動点灯した際に、安定周波数と強い音響的共鳴現象を生じる周波数との境界の周波数とランプ電圧とがどのように変化するのかを調べた結果、図３に示すとおりであった。ただし、ランプ電圧は点灯周波数を２９ｋＨｚとしたときのものである。図３において、横軸は時間（秒）、左の縦軸はランプ電圧（Ｖ）、右の縦軸は音響的共鳴現象を示した周波数（ｋＨｚ）を示している。
【００４０】
図３からも明らかなように、ランプ電圧が時間の経過とともに立上がっていくのに対し、強い音響的共鳴現象を生じる周波数（安定周波数との境界の周波数）は低い周波数へと変化していくものであった。また、始動直後には実質上問題となる音響的共鳴現象を生じる周波数または周波数領域は存在しなかった。
【００４１】
さらに、高輝度放電灯１８の寿命中における音響的共鳴現象を生じる周波数の変化状態を調べた結果は、図４に示すとおりであった。すなわち、時間の経過とともに、音響的共鳴現象を生じる周波数は低下するものであった。なお、図４において、横軸は時間（時）、縦軸は周波数（ｋＨｚ）である。
【００４２】
高輝度放電灯１８に対して音響的共鳴現象を検出する検出手段１９が並列的に接続されている。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分圧抵抗２０、２１、この分圧抵抗の出力をピーク・ピーク間電圧として取り出すためのコンデンサ２２、２３、ダイオード２４、２５および処理部２６によって構成されている。処理部２６は検出信号を入力して演算、比較、記憶等を行うものである。しかし、演算、比較、記憶等を制御装置１４に行なわせるようにして、処理部２６をインターフェイスとして作用させてもよい。
【００４３】
本実施形態では、処理部２６は、コンデンサ２３に現れる電圧が予め設定された基準値を上回る場合に音響的共鳴現象が生じていると判断する。
【００４４】
そして、その結果に応じて制御装置１４は、高周波発生装置１０の出力周波数すなわち一対のスイッチング装置１１、１２のスイッチング周波数を制御する。また、制御装置１４による出力周波数制御の結果に応じて出力制御装置９を制御して、スイッチング装置５のオン期間を制御する。
【００４５】
なお、２７は電流検出器であって、ランプ電流相当分を検出するために設けられている。このランプ電流検出信号は前記検出手段１９のランプ電圧検出信号と演算されて高輝度放電灯１８への供給電力を算出するのに使用される。
【００４６】
次に、第１の実施形態の作用を説明する。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、制御装置１４に制御されて、所定期間内（例えば１０ｍｓｅｃ）で所定の周波数領域（例えば２５ｋＨｚ〜４０ｋＨｚ）の上限の出力周波数（第１の出力周波数、４０ｋＨｚ）と第２の出力周波数（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を始動点灯する。
【００４７】
高輝度放電灯１８の始動初期あるいは安定に点灯している期間において、検出手段１９にて検出されたランプ電圧信号および電流検出器２７にて検出されたランプ電流信号から、高輝度放電灯１８への供給電力の一定化を図っている。
【００４８】
すなわち、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出力周波数の時間比を変化すべく一対のスイッチング装置１１、１２のスイッチング周波数を制御する。
【００４９】
ここで、高輝度放電灯１８が音響敵共鳴現象を生じると、検出手段１９にて検出されるから、制御装置１４は第１の出力周波数を低い方向に変化させる（４０ｋＨｚ−ｆｘ）。そして、この周波数で音響的共鳴現象が検出されないと、出力周波数は（４０ｋＨｚ−ｆｘ）を維持される。
【００５０】
このとき、高輝度放電灯１８への供給電力が変化しようとするが、所定期間内での第１の出力周波数と第２の出力周波数との時間比を制御することにより、供給電力の一定化が図られる。
【００５１】
また、出力周波数が（４０ｋＨｚ−ｆｘ）の状態で音響的共鳴現象が検出されると、制御装置１４は、さらに出力周波数を低い方向に変化させる（４０ｋＨｚ−２ｆｘ）。
【００５２】
以後は、上述した作用を繰り返す。そして、出力周波数が前記所定の周波数領域（２５ｋＨｚ〜４０ｋＨｚ）の下限（２５ｋＨｚ）に達すると、制御装置１４は出力周波数を４０ｋＨｚに転移させる。これにより、出力周波数は、これまで追いかけられてきた音響的共鳴現象を生じる周波数または周波数領域を飛び越える形になり、音響的共鳴現象を生じる周波数または周波数領域にぶつかる危険性が減少する。
【００５３】
次に、本発明による照明装置の一実施形態を図５を参照して説明する。図５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。
【００５４】
図５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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】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
【図２】高輝度放電灯の音響的共鳴現象を生じる周波数の分布の一例を示す図
【図３】高輝度放電灯の点灯初期における音響的共鳴現象を生じる周波数の変化とランプ電圧の立上がり状況を示す図
【図４】高輝度放電灯の寿命中における音響的共鳴現象を生じる周波数の変化を示す図
【図５】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
【符号の説明】
【００６０】
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、２７…ランプ電流検出器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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