(57)【要約】【課題】始動時に必要な電圧を得ると共に、予熱時の制御を可能にする。【解決手段】  １次側コイルとコンデンサとが直列接続されて構成された第１の直列回路部と、前記１次側コイルと共にトランスを構成し前記１次側コイルよりも多い巻数を有する２次側コイルと放電灯とが直列接続されて構成された第２の直列回路部と、４つのトランジスタを有し、電源部からの直流電圧を交流電圧に変換して、並列接続された前記第１及び第２の直列回路部の両端に交流電圧を供給するブリッジ型の直流交流変換回路と、を具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次側コイルとコンデンサとが直列接続されて構成された第１の直列回路部と、
前記１次側コイルと共にトランスを構成し前記１次側コイルよりも多い巻数を有する２次側コイルと、放電灯とが直列接続されて構成された第２の直列回路部と、
４つのトランジスタを有し、電源部からの直流電圧を交流電圧に変換して、並列接続された前記第１及び第２の直列回路部の両端に交流電圧を供給するブリッジ型の直流交流変換回路と、
を具備した放電灯点灯装置。
【請求項２】
前記第２の直列回路部は、前記放電灯の両端に前記２次側コイルが分割されて設けられて構成されることを特徴とする請求項１に記載の放電灯点灯装置。
【請求項３】
コイルと放電灯とが直列接続されて構成された直列回路部と、
前記直列回路部の一端と前記コイルの中点との間に前記放電灯に並列に接続されるコンデンサと、
４つのトランジスタを有し、電源部からの直流電圧を交流電圧に変換して、前記直列回路部の両端に交流電圧を供給するブリッジ型の直流交流変換回路と、を具備し、
前記中点は、前記コイルの前記直列回路部の一端側の巻数が他方の巻数よりも多くなる点に設定されることを特徴とする放電灯点灯装置。
【請求項４】
前記直流交流変換回路を制御して、始動時に、前記４つのトランジスタを第１の周波数で駆動し、前記始動後の予熱時に、前記４つのトランジスタを前記第１の周波数と同一又は異なる第２の周波数で駆動し、前記予熱後の通常点灯時に、前記第１及び第２の周波数よりも低い第３の周波数で前記４つのトランジスタを駆動する制御手段を具備したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の放電灯点灯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放電灯点灯装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、メタルハライドランプ等のＨＩＤ（High Intensity Discharge）ランプは、高効率で高輝度であることから、道路照明等の屋外照明用等として、また、ＤＬＰ（デジタル・ライト・プロセッシング）や液晶プロジェクタ等の投射装置の光源としても利用されるようになってきた。
【０００３】
このようなＨＩＤランプを点灯させる従来の放電灯点灯装置においては、例えば、特許文献１に開示された始動器を採用するものがある。
【０００４】
特許文献１の装置は、ランプにアーク放電が継続して起こるような比較的小さい振幅で比較的低い周波数の方形波供給電圧を、ランプに供給すると共に、始動時において、コイル及びキャパシタが電気的に共振する比較的高い周波数の供給電圧をランプに供給するものである。特許文献１の装置では、始動時の比較的高い電圧をランプに供給可能であると共に、ランプの通常点灯を維持する電圧をランプに供給可能である。
【特許文献１】特表２００５−５０７５５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、一般的な直列共振回路のコンデンサ両端電圧を高くするためには、大きなインダクタンス、小さな静電容量、小さな寄生抵抗の条件が必要となる。特許文献１の装置では更に高周波でのブリッジ駆動の条件も課せられ、始動時の電圧として十分な電圧を得ることができない。このため、特許文献１の装置では、再点灯に長時間を要することがあるか又は始動のためのより高い電圧を発生する回路を別途用意する必要がある。
【０００６】
本発明は、簡単な回路でランプ始動時の比較的高い電圧を発生することができ、更に、予熱制御を行うことができる放電灯点灯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】
【０００７】
本発明に係る放電灯点灯装置は、１次側コイルとコンデンサとが直列接続されて構成された第１の直列回路部と、前記１次側コイルと共にトランスを構成し前記１次側コイルよりも多い巻数を有する２次側コイルと放電灯とが直列接続されて構成された第２の直列回路部と、４つのトランジスタを有し、電源部からの直流電圧を交流電圧に変換して、並列接続された前記第１及び第２の直列回路部の両端に交流電圧を供給するブリッジ型の直流交流変換回路と、を具備したものである。
【０００８】
本発明においては、放電灯の始動時において、第１の直列回路の１次側コイルに発生した電圧が２次側コイルに誘起する。巻数比に応じて、２次側コイルには放電灯の始動に必要な十分高い電圧が発生し、この電圧が放電灯に供給されて、放電灯が始動する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、比較的低い入力電圧を用いて、通常点灯時の比較的低い電圧及び始動時の比較的高い電圧を供給することができ、更に、予熱制御を行うことができるという効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る放電灯点灯装置を示す回路図である。
【００１１】
電源部１１は直流電圧を発生する。電源部１１は定電力を発生するものである。実際の回路では、例えば、定電力制御チョッパ回路の出力平滑コンデンサ等によって、電源部１１を構成することができる。
【００１２】
電源部１１の正極性出力端は電源ラインを介してトランジスタＱ１，Ｑ３の各ドレインに接続される。また、電源部１１の負極性出力端は基準電位ラインを介してトランジスタＱ２，Ｑ４の各ソースに接続される。トランジスタＱ１のソースとトランジスタＱ２のドレインとは相互に接続される。また、トランジスタＱ３のソースとトランジスタＱ４のドレインとは相互に接続される。
【００１３】
これらのトランジスタＱ１〜Ｑ４は、電源部１１からの直流電圧を交流電圧に変換するブリッジ型の直流交流変換回路を構成する。
【００１４】
トランジスタＱ１のソースとトランジスタＱ２のドレインとの接続点（以下、第１の接続点という）は、コイルＬ１及びコンデンサＣの第１の直列回路を介して、トランジスタＱ３のソースとトランジスタＱ４のドレインとの接続点（以下、第２の接続点という）に接続される。また、第１の接続点と第２の接続点との間には、コイルＬ２及びランプ１２との第２の直列回路が接続される。ランプ１２としてはＨＩＤランプが採用される。
【００１５】
コンデンサＣは振動波形形成及び電流制限のために設けられる。また、コイルＬ１，Ｌ２によってトランスＴが構成される。なお、コイルＬ１をトランスＴの１次側とし、コイルＬ２をトランスＴの２次側とする。本実施の形態においては、コイルＬ２の巻数はコイルＬ１の巻数のｎ倍（ｎは正数）に設定される。巻数比ｎとしては例えば数倍から数百倍の値が設定される。
【００１６】
制御部１３は、トランジスタＱ１〜Ｑ４を駆動するための制御信号を発生する。制御部１３は、トランジスタＱ１，Ｑ４をオンにすると共に、トランジスタＱ２，Ｑ３をオフにする。また、制御部１３は、トランジスタＱ１，Ｑ４をオフにすると共に、トランジスタＱ２，Ｑ３をオンにする。制御部１３は、トランジスタＱ１〜Ｑ４のオン・オフの切換周波数（駆動周波数）を、ランプ１２の点灯時の各フェーズに応じて変化させるようになっている。
【００１７】
即ち、本実施の形態においては、制御部１３は、始動時及び予熱時において、トランジスタＱ１〜Ｑ４を比較的高い周波数で駆動し、通常点灯時において、トランジスタＱ１〜Ｑ４を比較的低い周波数で駆動するようになっている。、
次に、このように構成された実施の形態の動作について図２乃至図６を参照して説明する。図２は実施の形態の動作を説明するためのフローチャートである。
【００１８】
＜始動時＞
電源部１１は電源ラインに正極性出力を供給し、基準電位ラインに負極性出力を供給する。電源ラインと基準電位ラインとの間に印加された直流電圧は、ブリッジ型の直流交流変換回路を構成するトランジスタＱ１〜Ｑ４に供給される。
【００１９】
ランプ１２の点灯開始時には、図２のステップＳ１からステップＳ２に処理を移行して、制御部１３はトランジスタＱ１〜Ｑ４の駆動周波数として第１の高い周波数を設定する。制御部１３は第１の高い周波数の制御信号をトランジスタＱ１〜Ｑ４に与えて、オン，オフさせる（ステップＳ３）。
【００２０】
即ち、ブリッジ回路を構成するトランジスタＱ１，Ｑ４が同時にオン，オフ制御され、トランジスタＱ２，Ｑ３も同時にオン，オフ制御される。トランジスタＱ１，Ｑ４がオンのときは、トランジスタＱ２，Ｑ３はオフであり、トランジスタＱ１，Ｑ４がオフのときは、トランジスタＱ２，Ｑ３はオンである。なお、短絡防止のために、短時間だけ、トランジスタＱ１〜Ｑ４が全てオフの状態が設定される。
【００２１】
トランジスタＱ１，Ｑ４がオンの場合には、電源部１１の正極性出力端から、トランジスタＱ１、コイルＬ１、コンデンサＣ及びトランジスタＱ４を介して負極性出力端に電流が流れる。逆に、トランジスタＱ２，Ｑ３がオンの場合には、電源部１１の正極性出力端から、トランジスタＱ３、コンデンサＣ、コイルＬ１及びトランジスタＱ２を介して負極性出力端に電流が流れる。
【００２２】
トランジスタＱ１，Ｑ４がオンの場合には、コイルＬ１を介してコンデンサＣが充電され、コンデンサＣの端子電圧が略電源部１１の電圧Ｖｉｎまで上昇する。次に、コイルＬ１に生じた逆起電力によって、コンデンサＣの端子電圧は、コイルＬ１に生じた電圧ＶＬが加算されて、Ｖｉｎ＋ＶＬまで上昇する。次に、コイルＬ１とコンデンサＣとの間において自由振動が発生し、コンデンサＣの端子電圧は極性を変えながら、所定値に収束する。トランジスタＱ２，Ｑ３がオンの場合にも、トランジスタＱ１，Ｑ４がオンの場合と同様の動作が行われる。
【００２３】
本実施の形態においては、コイルＬ１に生じた電圧によってコイルＬ２には巻数比に応じた高い電圧が発生する。コイルＬ２に発生する電圧は、コイルＬ１及びコンデンサＣに発生する電圧と略同様の波形であり、振幅は巻数比に応じて十分に大きな値となる。コイルＬ２に発生する電圧がランプ１２に印加される。
【００２４】
図３は横軸に時間をとり縦軸に電圧をとって、始動時におけるランプ１２の両端電圧（無負荷始動電圧）を示す波形図である。また、図４は図３の時間軸を１０倍に拡大して示す波形図である。図３において、期間Ｔ１はトランジスタＱ１，Ｑ４がオンの期間であり、期間Ｔ２はトランジスタＱ２，Ｑ３がオンの期間である。
【００２５】
図３に示すように、ランプ１２の両端には、トランジスタＱ１，Ｑ４のオンの各開始時及びトランジスタＱ２，Ｑ３のオンの各開始時において、極めて高い電圧が発生している。図３の例は、Ｖｉｎを２２０Ｖとし、Ｌ１が２．１μＨで７ターン、Ｌ２が１．３ｍＨで２００ターン、Ｃが０．０１μＦの場合において、トランジスタＱ１〜Ｑ４の駆動周波数を１７ｋＨｚに設定した場合の特性を示している。図３の例では、ランプ１２の両端電圧の最大値は約６６４０Ｖであり、最小値は約−４８００Ｖである。この高い電圧が、フルブリッジ駆動の極性反転時毎にランプ１２に印加される。なお、始動時における駆動周波数としては、数百Ｈｚ〜数百ｋＨｚを用いることができる。
【００２６】
このように、トランジスタＱ１，Ｑ４とトランジスタＱ２，Ｑ３とのオンオフを第１の高い周波数で駆動することにより、ランプ１２へ高い電圧の振動電圧を印加することができる。
【００２７】
また、図４に示すように、ランプ１２に印加される電圧波形は、比較的歪が少ない減衰振動波形となっていることが分かる。
【００２８】
このように、始動時においては、フルブリッジの極性反転時にコイルＬ１とコンデンサＣとで自由振動が発生する。そして、この自由振動時に、コイルＬ１に印加される電圧がコイルＬ１とコイルＬ２の巻数比に応じてコイルＬ２に誘導される。なお、上述したように、第１の直列回路の自由振動は次の極性反転までに収束し、電流は略ゼロとなる。
【００２９】
＜予熱時＞
コイルＬ２に発生した大きな電圧がランプ１２に印加されると、ランプ１２は絶縁破壊を起こす。始動期間の制御によってランプ１２が絶縁破壊を起こすと、次に、予熱期間に移行する（ステップＳ４）。予熱期間は、放電開始直後の不安定な放電状態から安定した放電状態に移行させるための期間である。
【００３０】
絶縁破壊がきっかけとなり、ランプ１２はグロー放電に移行し、更にアーク放電に移行して通常点灯状態となる。本実施の形態においては、始動期間、予熱期間及び通常点灯期間の全期間に、電源部１１からのエネルギーによって、ランプ１２を点灯させる。
【００３１】
予熱時には、ランプ１２により多くのランプ電流を流した方が、短時間に安定した放電状態が得られる。しかしながら、ランプ電流が大きい場合には、ランプ１２の電極等にダメージが発生してしまう。このため、予熱時においては、ランプ電流を制御可能であることが望ましい。本実施の形態においては、トランジスタＱ１〜Ｑ４の駆動周波数を制御することで、予熱制御を行っている。
【００３２】
図５は横軸に時間をとり縦軸に電流をとって、予熱時のランプ電流の変化を示す波形図である。図５（ａ）は図３の例と同様の条件において、予熱時のトランジスタＱ１〜Ｑ４の駆動周波数（予熱周波数）を１０ＫＨｚに設定した場合の特性を示し、図５（ｂ）は１２ＫＨｚに設定した場合の特性を示している。図５の例は、トランジスタＱ１〜Ｑ４の駆動周波数を、始動時と予熱時とにおいて同一に設定した例である。なお、予熱時のランプ電流の特性は、周囲の環境温度等の影響を受けるものであり、図５は特定の条件の元での例である。
【００３３】
図５（ａ），（ｂ）のいずれの例の場合にも、また、図示しない８ＫＨｚ〜１５ＫＨｚまでのいずれの例の場合にも、予熱開始直後において、ランプ電流は交流にならず脈流となる。なお、この極性はランプ１２の端子を逆に接続すると反転する。また、予熱開始直後の脈流は、時間の経過と共に交流に変化する。また、予熱周波数が８ＫＨｚから１５ＫＨｚに高くなるほど予熱時のランプ電流値が減少する。また、予熱周波数を８ＫＨｚから１５ＫＨｚに高くするほど脈流から交流に変化するまでの時間が長くなる。即ち、予熱電流を小さくすると交流に変化するまでの時間が長くなる。
【００３４】
以上から、放電開始（予熱開始）直後においては不安定な放電が時間と共に安定して、交流に変化するものと考えられる。予熱期間においては、流れるランプ電流が大きいほど、内部ガス又は電極の温度上昇が早く、安定した放電状態に短時間で移行する。このランプ電流は、予熱周波数を変化させることで、制御可能である。
【００３５】
図６は図５の時間軸を拡大して示す波形図である。図６は予熱周波数が１２ＫＨｚの例であり、図６（ａ）は図５の脈流区間を示し、図６（ｂ）は図５の交流区間を示す。
【００３６】
図６に示すように、ランプ電流はのこぎり波状に変化する。コイルのインダクタンス分によって電流が鋸歯状に変化する。電流値のピークは、トランジスタＱ１〜Ｑ４の駆動周波数によって決定される。図６（ａ）の脈流区間では、ランプ電流は若干飽和状態となっているのに対し、図６（ｂ）に示すように、交流区間においては、歪が少ない鋸歯状波形のランプ電流が得られている。脈流区間より交流区間の方が同一方向への電流ピーク値が小さくなるので、飽和しにくくなる。
【００３７】
図５の例では、予熱周波数として１０ＫＨｚよりも若干高い周波数を採用すると、予熱電流のピーク値も低く、予熱時間も比較的長いと考えられる。このように、予熱周波数を適宜制御することで、ランプ電極等にダメージを与えることなく、予熱が可能である。
【００３８】
＜通常点灯期間＞
次に、予熱を終了させて通常点灯期間に移行する。この場合には、制御部１３は、ステップＳ６からステップＳ７に処理を移行して、トランジスタＱ１〜Ｑ４の駆動周波数として、始動時及び予熱時の駆動周波数よりも低い周波数に設定する。図５の例では、通常点灯期間において、駆動周波数を１００Ｈｚにした例を示している。
【００３９】
通常点灯時には、トランジスタＱ１〜Ｑ４による直流交流変換回路が発生する矩形波電圧に基づいて、主にコイルＬ２及びランプ１２を介して電流が流れる。なお、駆動周波数が低くなっても、コイルＬ１側にはコンデンサＣが直列接続されるため、電流が流れ続けることはない。また、通常点灯時には、電源部１１の電圧Ｖｉｎも低い電圧値になるので、極性反転時のコイルＬ１の電流は大幅に低下する。通常点灯期間にはランプ１２は安定したアーク放電に移行しており、安定したランプ電流が得られている。
【００４０】
このように本実施の形態においては、自由振動する１次側コイル及びコンデンサによる第１の直列回路と、２次側コイル及びランプの第２の直列回路とを並列接続し、第１及び第２の直列回路の両端に、４つのトランジスタを用いたブリッジ型の直流交流変換回路によって矩形波電圧を供給している。１次側コイルと２次側コイルとの巻数比に応じて２次側コイルに大電圧を発生させることができ、
更に、始動期間が終了して予熱期間になると、トランジスタの駆動周波数を制御することで、ランプ電極等にダメージを与えることなく、安定放電状態に移行させることができる。例えば、従来の高圧パルス始動方式では電源から制御不能なランプラッシュ電流が流れたが、本実施の形態ではこのランプラッシュ電流を十分に抑制しながら、予熱を行うことができる。これにより、ランプの長寿命化を図ることができる。
【００４１】
このように、比較的簡単な構成の回路によって、始動から通常点灯まで高圧放電灯を点灯させることができ、始動回路が一段ですむため、小型化及び低コスト化に有利である。
【００４２】
なお、制御部１３は、始動期間、予熱期間及び通常点灯期間の切換えを、例えば、駆動開始からの時間によって制御するようにしてもよい。
【００４３】
図７は第１の実施の形態の変形例を示す回路図である。図７において図１と同一の構成要素には同一符号を付して説明を省略する。
【００４４】
図７の例は、図１においてコイルＬ１の一端側に配置されたコンデンサＣを、コイルＬ１の他端側に配置したものである。この場合でも、コンデンサＣ及びコイルＬ１による第１の直列回路は、図１のコンデンサＣ及びコイルＬ１と同様の動作を呈する。
【００４５】
他の構成及び作用は、図１の実施の形態と同様である。
【００４６】
図８は本発明の第２の実施の形態を示す回路図である。図８において図１と同一の構成要素には同一符号を付して説明を省略する。
【００４７】
本実施の形態は、図１においてトランスＴを構成するコイルＬ１，Ｌ２のうち２次側のコイルＬ２を、コイルＬ２１，Ｌ２２に分割し、ランプ１２の両端に配置した点が第１の実施の形態と異なる。
【００４８】
本実施の形態においては、コイルＬ１の巻数とコイルＬ２１，Ｌ２２の巻数の和との比を適宜設定することにより、各コイルＬ２１，Ｌ２２の端子電圧を十分高い電圧に設定することができる。これにより、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、ランプ１２の始動に必要な十分に高い電圧を得ることができる。
【００４９】
なお、本実施の形態においては、ランプ１２の始動に必要な電圧をコイルＬ２１，Ｌ２２で分けて夫々異極の電圧を発生させればよく、１つのコイルに発生する電圧は半分ですむ。即ち、各コイルの対地電圧を低減させることができ、周辺素子への悪影響を一層低減させることができる。
【００５０】
図９は第２の実施の形態の変形例を示す回路図である。図２において図８と同一の構成要素には同一符号を付して説明を省略する。
【００５１】
図９の例は、図８においてコイルＬ１の一端側に配置されたコンデンサＣを、コイルＬ１の他端側に配置したものである。この場合でも、コンデンサＣ及びコイルＬ１による第１の直列回路は、図８のコンデンサＣ及びコイルＬ１と同様の動作を呈する。
【００５２】
他の構成及び作用は、図８の実施の形態と同様である。
【００５３】
図１０は本発明の第３の実施の形態を示す回路図である。図１０において図１と同一の構成要素には同一符号を付して説明を省略する。
【００５４】
本実施の形態は、トランスＴに代えてコイルＬ３を採用した点が第１の実施の形態と異なる。コンデンサＣは一端が第２の直列回路の第２の接続点に接続され、他端はコイルＬ３の中点に接続される。
【００５５】
コイルＬ３の中点からランプ１２側のコイル部分Ｌ３２の巻数ｎ２と、コイルＬ３の中点から第１の接続点側のコイル部分Ｌ３１の巻数ｎ１との巻数比ｎ２／ｎ１は、１よりも大きくなるように設定される。
【００５６】
第１の接続点と第２の接続点との間には、コイルＬ３のコイル部分Ｌ３１とコンデンサＣとが直列接続されて第１の直列回路が構成されている。従って、始動時において、コンデンサＣの両端電圧は、第１の実施の形態のコンデンサＣと同様に変化する。また、コイル部分Ｌ３２には巻数比に応じた電圧が誘起するので、ランプ１２の両端には、図３と同様の電圧が印加される。
【００５７】
他の作用は第１の実施の形態と同様である。
【００５８】
このように、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００５９】
図１１は第３の実施の形態の変形例を示す回路図である。図１１において図１０と同一の構成要素には同一符号を付して説明を省略する。
【００６０】
図１１の例は、図１０の第１の接続点側にランプ１２及びコンデンサＣを配置し、第２の接続点側にコイルＬ３を配置したものである。
【００６１】
他の構成及び作用は、図１０の実施の形態と同様である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る放電灯点灯装置を示す回路図。
【図２】実施の形態の動作を説明するためのフローチャート。
【図３】横軸に時間をとり縦軸に電圧をとって、始動時におけるランプ１２の両端電圧（無負荷始動電圧）を示す波形図。
【図４】図３の時間軸を１０倍に拡大して示す波形図。
【図５】横軸に時間をとり縦軸に電流をとって、予熱時のランプ電流の変化を示す波形図。
【図６】図５の時間軸を拡大して示す波形図。
【図７】第１の実施の形態の変形例を示す回路図。
【図８】本発明の第２の実施の形態を示す回路図。
【図９】第２の実施の形態の変形例を示す回路図。
【図１０】本発明の第３の実施の形態を示す回路図。
【図１１】第３の実施の形態の変形例を示す回路図。
【符号の説明】
【００６３】
１１…電源部、Ｑ１〜Ｑ４…トランジスタ、Ｌ１，Ｌ２…コイル、Ｔ…トランス、Ｃ…コンデンサ、１２…ランプ、１３…制御部。  
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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