(57)【要約】【課題】小型、高輝度、高効率という高圧放電ランプの特長を活かし、音響的共鳴現象の発生を回避できノイズ規制を越えることなく、商用交流電源の使用と機器仕様の画一化でコスト低減を実現出来る高圧放電ランプ点灯装置を得ることを目的とする。【解決手段】商用交流電源１０の交流電圧を一定の直流電圧に変換するコンバータ１、その直流電圧を可変周波数の交流電圧に変換するハーフブリッジインバータ２、および高圧放電ランプ４を含む共振回路３を備え、出力周波数を、音響的共鳴現象が発生しない周波数の下限値と商用交流電源１０への電流流出によるノイズ規制が存在しない周波数の上限値との間で設定するとともに、ハーフブリッジインバータ２の出力の高調波成分がノイズ規制を越えないようそのＤｕｔｙ比を所定の範囲内で制御するようにした。【選択図】図１
2009123409.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用交流電源に接続され上記商用交流電源の交流電圧を所定の一定直流電圧に変換するコンバータ、スイッチング素子からなり上記コンバータの直流電圧を可変周波数の交流電圧に変換するハーフブリッジインバータ、このハーフブリッジインバータの交流出力端に接続され高圧放電ランプとで所定の周波数で共振する共振回路を構成するインダクタとコンデンサ、および上記ハーフブリッジインバータのスイッチング素子をオンオフ制御することにより上記共振回路内の上記高圧放電ランプに高電圧を印加して放電を開始させるとともに放電時の上記高圧放電ランプの電力を所定値に保つよう上記ハーフブリッジインバータのデューティ比を制御する制御回路を備えた高圧放電ランプ点灯装置において、
上記高圧放電ランプに音響的共鳴現象が発生しない周波数の下限値を第１の周波数とし、上記商用交流電源への電流流出によるノイズ規制が存在しない周波数の上限値を第２の周波数としたとき、
上記制御回路は、上記ハーフブリッジインバータの出力周波数を、上記第１の周波数と上記第２の周波数との間で設定するとともに、上記ハーフブリッジインバータの出力の高調波成分が上記ノイズ規制を越えないよう上記ハーフブリッジインバータのデューティ比を所定の範囲内で制御するようにしたことを特徴とする高圧放電ランプ点灯装置。
【請求項２】
互いに電圧が異なる複数種別の商用交流電源に接続して使用できるよう、上記コンバータは、上記商用交流電源の交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣコンバータ、および接続される上記商用交流電源の種別に拘わらず上記ＡＣ／ＤＣコンバータからの直流電圧を上記所定の一定直流電圧に変換する昇圧チョッパを備えたことを特徴とする請求項１記載の高圧放電ランプ点灯装置。
【請求項３】
上記コンデンサは、第１のコンデンサと第２のコンデンサとからなり、上記共振回路は、上記ハーフブリッジインバータの交流出力端に上記インダクタと上記第２のコンデンサとを直列に接続し、更に、上記第２のコンデンサの端子間に上記第１のコンデンサと上記高圧放電ランプとを直列に接続したものであることを特徴とする請求項２記載の高圧放電ランプ点灯装置。
【請求項４】
上記第１のコンデンサに、チップコンデンサを使用したことを特徴とする請求項３記載の高圧放電ランプ点灯装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の高圧放電ランプ点灯装置およびこの高圧放電ランプ点灯装置により点灯される上記高圧放電ランプを備えた照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、メタルハライドランプ、高圧水銀ランプなどの高圧放電ランプの点灯装置およびそれを用いた照明装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高圧放電ランプは、小型、高輝度、高効率な照明用光源であるが、この高圧放電ランプを数１０ｋＨｚの周波数の正弦波電圧で点灯するとよく知られた音響的共鳴現象が発生するため、アークの湾曲、回転、揺らぎを生じて光のチラツキが発生し、ときにはランプが破損することもある。このため一般的に高圧放電ランプは数百Ｈｚ程度の矩形波電圧を印加して点灯している。このような低周波の矩形波電圧を印加する必要があるため、高圧放電ランプを駆動する点灯装置を小型、低コストで実現することが困難である。
【０００３】
しかるに、この音響的共鳴現象は、数百ｋＨｚといった高周波の正弦波電圧で点灯すると発生しないことが知られている。例えば、特許文献１には、ハーフブリッジインバータの交流出力端に、高圧放電ランプとインダクタとコンデンサとからなる共振回路を接続し、ハーフブリッジインバータから５００ｋＨｚ程度の高周波電圧を出力して高圧放電ランプを点灯させる装置が紹介されている。
【０００４】
【特許文献１】特表２００４−５３８６１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
以上のように、高圧放電ランプ点灯装置を、低周波でなく数百ｋＨｚ程度の高周波電圧で駆動することにより、音響的共鳴現象の発生を回避するとともに点灯装置の小型化が可能となり、高圧放電ランプの持つ本来の小型、高輝度、高効率という特長を合わせ活かすことで、商業施設や大型施設などの照明装置への広範囲な適用が期待される。
そして、このような汎用性を追求すると、コンセントから簡単に電力が得られる商用交流電源を使用することがコスト的にも望ましい。また、ハーフブリッジインバータは、その入力側の直流電圧がそのまま出力側の、高圧放電ランプとインダクタとコンデンサとからなる共振回路に印加されるので、機器仕様の画一化を考慮すると、インバータの入力電圧は一定の直流電圧に設定することがコスト的にも望ましい。
【０００６】
しかるに、電源として商用交流電源を使用し、かつ、インバータの入力直流電圧を一定値に設定した場合、以下のような課題が生じる。
即ち、インバータは、一般にそのスイッチング素子のオンオフ動作に由来して歪み波電流の発生源となる。従って、この歪み波電流が、点灯装置と接続された商用交流電源に流出することになる。この場合、その歪み波電流の周波数に相当する、インバータの出力周波数が比較的低い場合はほとんど問題にならないが、この種装置では、上述した通り、音響的共鳴現象の発生を回避するためかなり高い周波数とする必要があり、流出する電流が、当該商用交流電源の系統で設定されたノイズ規制のレベルを越える可能性がある。
【０００７】
ノイズ規制として、例えば、日本国内では電気用品安全法、国際的にはＣＩＳＰＲ１５「電気照明及び類似機器の無線妨害波特性の許容値及び測定法」による規格が存在する。電気用品安全法では、５２６．５ｋＨｚ以上の雑音端子電圧が規格化されており、ＣＩＳＰＲ１５では、特に、５００ｋＨｚ以上で低いレベルが規格化されている。従って、高圧放電ランプ点灯装置はこれらの規格を満足する必要がある。点灯周波数を５００ｋＨｚ以下とするのか、５２６．５ｋＨｚ以下とするのかは、高圧放電ランプ点灯装置が使用される地域に合致した規格によるものとなる。
【０００８】
更に、高圧放電ランプが点灯動作に入ると、運転状況に応じてインバータが高圧放電ランプへの供給電力を制御することになる。しかるに、インバータの入力直流電圧は一定値に設定されているので、その出力電圧実効値の調整は、スイッチング素子のオンオフに基づく、いわゆるデューティ比（Ｄｕｔｙ比）を制御することにより行うことになる。この場合、そのＤｕｔｙ比の値によっては新たな高調波、即ち、インバータの出力周波数を基本波としたその整数倍の周波数の高調波が発生し、たとえ、インバータの出力基本周波数を上述のノイズ規制に係わらない周波数に設定していても上記高調波成分のためにノイズ規制のレベルを越える可能性がある。
【０００９】
本願発明者等は、音響的共鳴現象の発生を回避し比較的高い周波数で駆動する高圧放電ランプ点灯装置に関して商業施設や大型施設などの照明装置への広範囲な適用を意図した場合、上述した、ノイズ規制に係る特有の課題が存在することを新たに見出したが、従来のこの種高圧放電ランプ点灯装置は、いずれもこれらの課題を解決しうるものでないことも判明した。
【００１０】
この発明は、以上のような従来未解決な課題を解決したもので、小型、高輝度、高効率という高圧放電ランプの特長を活かし、音響的共鳴現象の発生を回避できるとともに、ノイズ規制を越えることなく、商用交流電源の使用と機器仕様の画一化でその点灯装置のコスト低減を実現することが出来る高圧放電ランプ点灯装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明に係る高圧放電ランプ点灯装置は、商用交流電源に接続され商用交流電源の交流電圧を所定の一定直流電圧に変換するコンバータ、スイッチング素子からなりコンバータの直流電圧を可変周波数の交流電圧に変換するハーフブリッジインバータ、このハーフブリッジインバータの交流出力端に接続され高圧放電ランプとで所定の周波数で共振する共振回路を構成するインダクタとコンデンサ、およびハーフブリッジインバータのスイッチング素子をオンオフ制御することにより共振回路内の高圧放電ランプに高電圧を印加して放電を開始させるとともに放電時の高圧放電ランプの電力を所定値に保つようハーフブリッジインバータのデューティ比を制御する制御回路を備えた高圧放電ランプ点灯装置において、
高圧放電ランプに音響的共鳴現象が発生しない周波数の下限値を第１の周波数とし、商用交流電源への電流流出によるノイズ規制が存在しない周波数の上限値を第２の周波数としたとき、
制御回路は、ハーフブリッジインバータの出力周波数を、第１の周波数と第２の周波数との間で設定するとともに、ハーフブリッジインバータの出力の高調波成分がノイズ規制を越えないようハーフブリッジインバータのデューティ比を所定の範囲内で制御するようにしたものである。
【００１２】
また、この発明に係る照明装置は、以上の高圧放電ランプ点灯装置およびこの高圧放電ランプ点灯装置により点灯される高圧放電ランプを備えたものである。
【発明の効果】
【００１３】
以上のように、この発明に係る高圧放電ランプ点灯装置の制御回路は、ハーフブリッジインバータの出力周波数を、高圧放電ランプに音響的共鳴現象が発生しない周波数の下限値である第１の周波数と、商用交流電源への電流流出によるノイズ規制が存在しない周波数の上限値である第２の周波数との間で設定するので、音響的共鳴現象が発生しないことは勿論、ハーフブリッジインバータから商用交流電源に流出した電流の基本波成分がノイズ規制に関係することはない。更に、ハーフブリッジインバータのデューティ比を所定の範囲内で制御するようにしたので、上記流出電流の高調波成分もノイズ規制を越えることはない。
従って、小型、高輝度、高効率という高圧放電ランプの特長を活かし、商用交流電源の使用と機器仕様の画一化で点灯装置のコスト低減を実現でき、商業施設や大型施設などの照明装置への広範囲な適用が容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
実施の形態１．
図１は、本願発明の実施の形態１による高圧放電ランプ点灯装置の回路構成を示す図である。コンバータ１は、商用交流電源１０からの交流電圧を一定直流電圧に変換する。この一定直流電圧は、ＭＯＳ−ＦＥＴなどのスイッチング素子２個からなるハーフブリッジインバータ２に供給され、可変周波数の交流電圧に変換される。ハーフブリッジインバータ２の交流出力端には、高圧放電ランプ４、インダクタＬ１、第１のコンデンサＣ１および第２のコンデンサＣ２からなる共振回路３が接続される。共振回路３は、ハーフブリッジインバータ２の交流出力端に、インダクタＬ１と第２のコンデンサＣ２とを直列に接続し、更に、第２のコンデンサＣ２の端子間に第１のコンデンサＣ１と高圧放電ランプ４とを直列に接続して構成されている。
【００１５】
また、コンバータ１は、商用交流電源１０からの交流電圧を整流して直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣコンバータ５と、ＡＣ／ＤＣコンバータ５からの出力電圧を昇圧して所定の一定直流電圧に変換する昇圧チョッパ６と、この昇圧チョッパ６の出力端に接続された平滑用コンデンサＣ３と、高圧放電ランプ点灯装置で発生したノイズをカットするためのフィルタ７とにより構成される。
コンバータ１は、世界中の互いに電圧が異なる複数種別の商用交流電源で共通に用いることができるようにするため電源電圧フリーの設計に基づくものであり、１００〜２４０Ｖ±２０％（８０Ｖ〜２８８Ｖ）の商用交流電圧の入力に対して、所定の一定直流電圧、例えば、４１５Ｖを出力する。直流電圧の電圧値は、最高値となる２４０Ｖ＋２０％、すなわち２８８Ｖの正弦波電圧の波高値が４０７Ｖとなるため、これ以上の電圧値として例えば、４１５Ｖに設定される。
【００１６】
ハーフブリッジインバータ２の入力直流電圧が、使用され得る複数種別の商用交流電源１０の内、最高の電圧値に基づき４１５Ｖと設定され、比較的高い値になるが、汎用の高圧放電ランプ４を使用するのに特に支障はなく、一般的に昇降圧チョッパより安価となる昇圧チョッパ６で実現できるという利点がある。また、商用交流電源１０の種別に拘わらず一定値の直流電圧に設定することで、その電圧が印加される、共振回路３の構成部品の耐電圧仕様が画一化できコスト的にも有利となる。
【００１７】
ハーフブリッジインバータ２の２個のスイッチング素子は、ドライバ回路８からの電圧または電流によってオンオフ制御される。２個のスイッチング素子が交互にオン、オフされることにより矩形波電圧がハーフブリッジインバータ２の出力端から出力される。ドライバ回路８は、制御回路９に接続され、制御回路９の信号に基づきスイッチング素子を制御するための電圧または電流が出力される。
【００１８】
高圧放電ランプ４の高圧側にはランプ電圧を検出するためのコンデンサＣ４が接続され、低圧側にはランプ電流を検出するためのカレントトランスＣＴが接続されている。コンデンサＣ４は、静電容量がコンデンサＣ１やＣ２に比べて十分小さくインピーダンスが大きいため、高圧放電ランプ４を点灯する動作上は実質的に無視できる。また、カレントトランスＣＴは、インダクタンスが十分小さくインピーダンスも小さいため、高圧放電ランプ４を点灯する動作上は実質的に無視できる。カレントトランスＣＴの２次側巻線には抵抗Ｒが接続され、検出したランプ電流の大きさを電圧に変換する。コンデンサＣ４およびカレントトランスＣＴで検出されたランプ電圧やランプ電流の情報は制御回路９に送られ、これを基に制御回路９がハーフブリッジインバータ２の動作を制御する。
【００１９】
次に、本願発明の高圧放電ランプ点灯装置の動作について説明する。好適な例として、各回路素子の具体的な特性値とともに示す。インダクタＬ１は、フェライトコアを用いて作製したインダクタンス６０μＨのインダクタ、第１のコンデンサＣ１は、直流耐電圧６３０Ｖで静電容量２２００ｐＦのチップ積層セラミックコンデンサ、第２のコンデンサＣ２は、直流耐電圧１０ｋＶの高電圧セラミックコンデンサ１０００ｐＦを２個並列に用いて２０００ｐＦとした。高圧放電ランプの点灯前の共振周波数ｆ１は、
【００２０】
【数１】
2009123409.tif 000003
【００２１】
で表されるから、ｆ１＝約４５９ｋＨｚとなる。
高圧放電ランプ点灯装置に商用交流電源１０から交流電圧が入力されると、コンバータ１によりハーフブリッジインバータ２には４１５Ｖの直流電圧が印加される。また、図示していないが同時に商用交流電圧から５Ｖや１５Ｖなどの制御用直流電圧が作成され、制御回路９やドライバ回路８に必要な電力が供給される。
【００２２】
制御回路９は、電力が供給されると動作を開始し、高圧放電ランプ４を始動するシーケンスを行う。即ち、点灯前の共振周波数よりやや高い周波数の矩形波をハーフブリッジインバータ２から出力するようにドライバ回路８に信号を送り、ドライバ回路８がハーフブリッジインバータ２を駆動する。このとき、ハーフブリッジインバータ２から出力される矩形波電圧の最大値は、コンバータ１の出力と同じ４１５Ｖである。また、矩形波電圧のＤｕｔｙ比はほぼ５０％である方が望ましい。なお、制御回路９で制御するＤｕｔｙ比については後段で詳述する。
【００２３】
インダクタＬ１および第２のコンデンサＣ２には正弦波状の電流が流れ、第２のコンデンサＣ２の両端には正弦波状の電圧が印加される。この電圧は、第１のコンデンサＣ１と高圧放電ランプ４にも印加されるが、消灯時（点灯前）の高圧放電ランプ４のインピーダンスは十分大きく、静電容量も第１のコンデンサＣ１よりはるかに小さいので、第２のコンデンサＣ２の両端に発生した電圧とほぼ同じ大きさの電圧が高圧放電ランプ４に印加される。ハーフブリッジインバータ２の出力矩形波電圧の周波数は、５００ｋＨｚから、４９５ｋＨｚ，４９０ｋＨｚ、４８５ｋＨｚ，４８０ｋＨｚというように徐々に低下させてスイープしていく。但し、周波数をスイープする下限は点灯前の共振周波数ｆ１であり、共振周波数ｆ１より少し高い周波数でスイープを停止するのが望ましい。なお、周波数のスイープは連続的に周波数を変化させても良いし、上述の例のように離散的に変化させてもよい。
【００２４】
ここで、ハーフブリッジインバータ２の出力周波数を共振周波数ｆ１より高い周波数の範囲に設定する理由は、スイッチング素子に流れる電流が遅相位相となりスイッチング素子が破壊されないようにするためである。
【００２５】
出力周波数のスイープにより点灯前の共振周波数ｆ１に近づくにつれて、第２のコンデンサＣ２の両端には高電圧が発生する。この高電圧とほぼ同じ大きさの電圧が高圧放電ランプ４に印加され、その電圧が高圧放電ランプ４の放電開始電圧以上の電圧となると、高圧放電ランプ４は放電を開始し点灯する。高圧放電ランプの放電開始電圧は１〜３ｋＶ程度であり、このような高い電圧が第２のコンデンサＣ２の両端に発生し、高圧放電ランプ４に印加される。
このように、第２のコンデンサＣ２には高電圧が印加されるため、高耐電圧のものが必要になるが、一般にセラミックコンデンサの交流耐電圧は高周波になるほど低くなり、５００ｋＨｚ程度の周波数では直流耐電圧の半分以下になる。この原因は、コンデンサの有する誘電正接や浮遊性の抵抗性分や誘導成分によるものと考えられ、コンデンサ素子の構造に起因するところが大きい。また、高周波における耐電圧の低下は静電容量が大きくなるほど顕著になる。これもやはりコンデンサ素子の形状に起因するものと考えられる。
一方、第１のコンデンサＣ１には電圧はほとんど印加されないので、第１のコンデンサＣ１には、基板の表面実装に形成するタイプであって、端子間の耐電圧特性では劣るが小形となるチップコンデンサを使用することが出来る。
【００２６】
以上の理由により、この実施の形態１では、高い電圧が印加されない第１のコンデンサＣ１には、端子間の耐電圧は低いが小形で大容量のチップ積層セラミックコンデンサを採用し、高い電圧が印加される第２のコンデンサＣ２には、高電圧セラミックコンデンサを２個並列に接続して用い、コンデンサ１個当りの容量を低減して耐電圧特性を確保するようにしている。
以上の構成により、装置の回路基板の大きさを大きくすることなく十分な耐電圧特性が得られる。
【００２７】
さて、高圧放電ランプ４が放電を開始し点灯すると、第１のコンデンサＣ１にも電流が流れる。このときの回路の共振周波数ｆ２は厳密ではないが、大よそ
【００２８】
【数２】
2009123409.tif 000004
【００２９】
で表される。上述の好適な条件のときは、ｆ２＝約３１７ｋＨｚとなる。
高圧放電ランプ４が点灯すると、高圧放電ランプ４を定格電力で点灯するために、制御回路９は電力制御を行う。高圧放電ランプ４の電力制御は、ハーフブリッジインバータ２から出力される矩形波電圧のＤｕｔｙ比を制御して行ってもよいし、周波数を制御して行ってもよい。当然のことながら周波数とＤｕｔｙ比の両方を制御して行ってもよい。
【００３０】
ここで、ハーフブリッジインバータ２から出力される電圧の周波数は、以下の範囲内で設定する。即ち、先ず、高圧放電ランプ４が音響的共鳴現象で破壊される等の支障が生じないよう、その音響的共鳴現象が発生しない周波数の下限値（第１の周波数）以上とする必要がある。なお、後段でも例示するように、この下限値は、高圧放電ランプ４の種別や容量によって異なるものである。
そして、この点灯装置が商用交流電源１０に接続されていることから考慮が必要となるノイズ規制の観点から、このノイズ規制が存在しない周波数の上限値（第２の周波数）、例えば、既述した、５２６．５または５００ｋＨｚ以下に、出力周波数を設定する。なお、図１には、点灯装置から商用交流電源１０に流出するノイズを抑制するためのフィルタ７が設けられているが、コストや大きさの面から現実的にはそのノイズ抑制効果には限度があり、ノイズ発生源であるハーフブリッジインバータ２におけるノイズ発生量を管理する必要がある。
【００３１】
上記の通り、高圧放電ランプ４の電力制御は、ハーフブリッジインバータ２から出力される矩形波電圧のＤｕｔｙ比または周波数、もしくはその両者を制御して行うことができるが、周波数には、既述した音響的共鳴現象とノイズ規制の面から所定の範囲に限定されるため、Ｄｕｔｙ比による制御も必要となる。この場合、制御されるＤｕｔｙ比の値によっては、高調波を発生し、ハーフブリッジインバータ２から出力される基本周波数はノイズ規制に係らない周波数以下に設定されていても、その高調波成分がノイズ規制のレベルを越える可能性がある。
そこで、以下、このＤｕｔｙ比を変化させたときの高調波の発生状況について説明する。
【００３２】
図２は、ハーフブリッジインバータ２の出力電圧波形を完全な矩形波形とみなした時のＤｕｔｙ比を定義したものである。図３は、図２の矩形波形をフーリエ変換することで、Ｄｕｔｙ比と高調波成分との関係を示したものである。図から分かるように、高調波としては２次高調波が主要成分であるが、実際の回路では、共振回路３を構成するインダクタＬ１とコンデンサＣ１、Ｃ２がフィルタとして機能し、これらの高調波成分は、図３の計算値よりは小さい値になる。
【００３３】
図４および図５は、それぞれハーフブリッジインバータ２の電圧、電流波形実測値および高圧放電ランプ点灯装置の雑音端子電圧測定結果の周波数スペクトルを示す。そして、いずれも、（ａ）Ｄｕｔｙ比が小さい場合、およびＤｕｔｙ比が大きいほぼ５０％の場合についての測定結果である。Ｄｕｔｙ比が低下するにつれて高調波、特に２次高調波が増大する傾向にあることが分かる。
従って、たとえ、ハーフブリッジインバータ２の出力周波数（基本波周波数）を、音響的共鳴現象およびノイズ規制の制限から上述した第１の周波数と第２の周波数との間の周波数に設定しても、例えば、その２次高調波の周波数がノイズ規制が関係する帯域に該当し、そのときの高調波成分の大きさによってはノイズ規制値を越える可能性がある。この場合、図３、図５の特性を考慮して、制御するＤｕｔｙ比を、所定の値から５０％までの範囲に制限することで、ノイズ規制を越えないようにすることが出来る。
【００３４】
次に、想定される容量の高圧放電ランプにつき発明者等が実際に測定した結果を基に、周波数の設定とＤｕｔｙ比の制御要領について説明する。
１００Ｗの高圧放電ランプであれば、製造者や種類によっても多少の差があるが、約３５０ｋＨｚで音響的共鳴現象の消失が確認された。個体差や長時間点灯することによる高圧放電ランプの特性変化、環境変化などを考慮すると、１００Ｗの高圧放電ランプでは、４００ｋＨｚ以上で点灯することが望ましく、また、ノイズ規制のことを考慮すると、５００ｋＨｚ以下で点灯することが望ましい。点灯周波数を４５０ｋＨｚとした場合、Ｄｕｔｙ比３４％で高圧放電ランプの電力を１００Ｗとすることができた。
また、Ｄｕｔｙ比を５０％にすると、４５０ｋＨｚでは約１３０Ｗの電力が高圧放電ランプに入力された。なお、ここで述べた電力は、高圧放電ランプが点灯した後、十分安定したときの電力であり、始動直後から約３分間は高圧放電ランプ内部のガス圧が上昇している過程である。従って、強制的に定格電力に合わせようとすると過大な電流が流れて、高圧放電ランプ点灯装置の回路を破損する恐れがあるので、定格電流以上流れないように制御した。
【００３５】
一方、Ｄｕｔｙ比を５０％に固定して周波数で電力を制御すると、４７０ｋＨｚのとき高圧放電ランプに１００Ｗを入力することができた。このように、本願発明の高圧放電ランプ点灯装置であれば、点灯後の共振周波数を十分低くすることができるので、高圧放電ランプの電力を所望の周波数で点灯して、定格電力に制御しても高いＤｕｔｙ比を維持することができる。点灯時のＤｕｔｙ比が高いことは、このような高周波で点灯する高圧放電ランプ点灯装置では非常に重要である。即ち、Ｄｕｔｙ比を小さくしていくと、２次高調波成分が増加する。２次高調波成分の周波数は基本波の２倍であるから、基本波すなわちハーフブリッジインバータ２が出力する矩形波電圧の周波数が、例えば、２５０ｋＨｚ〜５２６．５ｋＨｚであれば、２次高調波は５００ｋＨｚ〜１０５３ｋＨｚとなる。この周波数域は、電気用品安全法やＣＩＳＰＲ１５で低い雑音端子電圧が規格として要求されている周波数域である。従って、２次高調波成分が大きくなるような場合には、フィルタを高性能なものにしなければならず、高コストあるいは回路基板の大型化が避けられない。しかし、本願発明の高圧放電ランプ点灯装置では、Ｄｕｔｙ比を所定の高い範囲に設定するので、特別高性能なフィルタを用いなくても電気用品安全法やＣＩＳＰＲ１５のノイズ規制を満足することができた。
【００３６】
以上では、高圧放電ランプの電力が１００Ｗのときについて述べたが、高圧放電ランプの電力はこれに限るものではない。高圧放電ランプの定格電力が１５０Ｗのときは、約３００ｋＨｚ以上で音響的共鳴現象の消失が確認された。定格電力が２００Ｗのときは、約２５０ｋＨｚで音響的共鳴現象の消失が確認された。定格電力が３００Ｗのときは、約２００ｋＨｚで音響的共鳴現象の消失が確認された。
しかし、高圧放電ランプを点灯する周波数が２００ｋＨｚであれば、２次高調波が４００ｋＨｚであるので、ノイズ規制が存在しない周波数の上限値（第２の周波数）が上述したように、５００また５２６．５ｋＨｚとされる場合は、本発明に寄らなくてもよいが、定格電力が２００Ｗのときに確認されたように音響的共鳴現象の消失が２５０ｋＨｚ以上の場合は、その２次高調波が５００ｋＨｚ以上となるので、ノイズ規制を満足するために本発明は有効である。
【００３７】
また、高圧放電ランプの定格電力が７０Ｗのときは、約４００ｋＨｚで音響的共鳴現象の消失が確認されたが、定格電力が３０Ｗのときは、５００ｋＨｚでも音響的共鳴現象の消失は確認されなかった。従って、ノイズ規制が存在しない周波数の上限値（第２の周波数）が５００ｋＨｚとされる場合は、定格電力が７０Ｗの高圧放電ランプでは本願発明は有効であるが、定格電力が３０Ｗの高圧放電ランプでは、点灯周波数を５００ｋＨｚ以上としなければならないので本願発明の適用は有効でない。
【００３８】
従って、以上で例示した高圧放電ランプの特性およびノイズ規制の実態を前提とすると、本願発明の高圧放電ランプ点灯装置は、概ね高圧放電ランプの定格が７０Ｗ〜２００Ｗのとき、点灯周波数を２５０ｋＨｚ〜５２６．５ｋＨｚとして音響的共鳴現象を回避しつつ、２次高調波を低く抑え、また高圧放電ランプ点灯装置の回路基板を小型、低コストに実現することができる。
もっとも、音響的共鳴現象に係る高圧放電ランプ自体の改良や、商用交流電源でのノイズ規制の内容によっては、上記した範囲外にあっても、本願発明の適用が有効となることが期待できる。
【００３９】
次に、発明者等は、本願発明を完成させる過程で、従来の特許文献１に開示された高圧放電ランプ点灯装置の共振回路の構成を適用した試作も検討したので、本願発明の比較参考例として以下に説明する。従来の高圧放電ランプ点灯装置の回路構成を図６に示す。
従来の高圧放電ランプ点灯装置の点灯前の共振周波数ｆ３は、
【００４０】
【数３】
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【００４１】
で表される。高圧放電ランプの点灯前に高圧放電ランプに印加される電圧はコンデンサＣ３の両端の電圧であるから、コンデンサＣ３は高圧放電ランプの放電開始に必要な１〜３ｋＶ程度の高電圧に耐える必要がある。点灯前の共振回路ではコンデンサＣ２とコンデンサＣ３とが直列に接続されているため、コンデンサＣ２とコンデンサＣ３との両端の電圧は同位相であり、コンデンサＣ３の静電容量がコンデンサＣ２の静電容量に比べて小さいほど、コンデンサＣ３の両端に大きな電圧が発生するため有利である。しかし、式（３）から分かるように、コンデンサＣ３が小さくなるほど、コンデンサＣ２とコンデンサＣ３との合成静電容量は小さくなるので、点灯前の共振周波数ｆ３は高くなる。
【００４２】
既述したように、コンデンサの交流耐電圧は周波数が高くなるほど低くなるので、点灯前の共振周波数ｆ３が高くなりすぎると高圧放電ランプ５０の点灯に必要な高電圧がコンデンサＣ３の両端に発生したときにコンデンサＣ３が絶縁破壊を起こし破損してしまう恐れがある。また、スイッチング素子も高周波特性の優れたものを使用する必要があり低コスト化を妨げる。従って、コンデンサＣ３に静電容量の小さなコンデンサを用いるのは困難になる。一方、コンデンサＣ３に静電容量の小さなコンデンサを用いたとしても、インダクタＬ１のインダクタンスを大きくすれば、点灯前の共振周波数を低くしてコンデンサＣ３の耐電圧を十分確保することも可能であるが、インダクタＬ１が大きくなるとインダクタＬ１の損失が大きくなり、インダクタＬ１を特別な手段で冷却したり、インダクタＬ１のサイズを大きくしたりする必要がある。インダクタＬ１は、元々、比較的大型な部品であるため、インダクタＬ１を大きくすることは高圧放電ランプ点灯装置の回路基板が大型になるため小型化を妨げる。従って、インダクタＬ１のインダクタンスを大きくすることと、コンデンサＣ３の静電容量を小さくすることは実質的に困難である。
なお、コンデンサＣ３を小さくした場合に、共振により発生する高電圧を使用せずに、イグナイタなど他の高電圧発生部品を用いて高圧放電ランプを放電開始させる方法もあるが、これはイグナイタなどの新たな部品が存在するため、低コスト化や小型化の点で不利であることは明白である。
【００４３】
以上の制限から、コンデンサＣ３を大きくした場合について考える。本願発明の高圧放電ランプ点灯装置の点灯前の共振周波数と同じ共振周波数にして点灯する場合を考える。コンデンサＣ２を４０００ｐＦ、コンデンサＣ３を４０００ｐＦとしたとき、コンデンサＣ２とコンデンサＣ３との合成静電容量は２０００ｐＦになるから、インダクタＬ１を６０μＨとすると、共振周波数は約４５９ｋＨｚになり本願発明の場合と一致する。
従って、本願発明の高圧放電ランプ点灯装置と同様に周波数５００ｋＨｚから徐々に周波数をスイープさせて低下させると高圧放電ランプを放電開始させることができる。
但し、高圧放電ランプと並列に接続されたコンデンサＣ３に印加される電圧は、コンデンサＣ２とコンデンサＣ３との直列接続による分圧のため、本願発明の高圧放電ランプ点灯装置の半分となり、高圧放電ランプの放電開始の確実性では劣る。また、高電圧ランプを放電開始させるのに必要な１〜３ｋＶ程度の高電圧が印加されるが、静電容量が大きいため本願発明に比較して交流耐電圧が低下しており、十分な耐電圧を確保するのも困難となる。さらに、コンデンサＣ２にも高電圧が印加されるため、コンデンサＣ２にチップ積層セラミックコンデンサを使用することができなくなり、回路基板の小型化が妨げられる。
【００４４】
コンデンサＣ２にチップ積層セラミックコンデンサを使用するためには、コンデンサＣ２の静電容量を大きくする必要がある。例えば、コンデンサＣ２を８００００ｐＦのチップ積層セラミックコンデンサとすると、コンデンサＣ３は２０５０ｐＦでほぼ同一の共振周波数となる。高圧放電ランプが点灯すると、コンデンサＣ２には高圧放電ランプに流れる電流とコンデンサＣ３に流れる電流とを合計した大きな電流が流れるから、その大きな電流に耐えるものでなくてはならない。しかし、８００００ｐＦといった大きな静電容量で大電流に耐えるものは入手が困難であるから、実質的には小さな静電容量のチップ積層セラミックコンデンサを複数並列に接続しなければならず、小型化や低コスト化が妨げられる。
一方、本願発明の高圧放電ランプ点灯装置では、第１のコンデンサＣ１には高圧放電ランプに流れる電流しか流れないので普通に入手可能なチップ積層セラミックコンデンサで十分である。
【００４５】
次に、高圧放電ランプ点灯後について考える。コンデンサＣ２を８００００ｐＦ、コンデンサＣ３を２０５０ｐＦとしたとき、上述した本願発明の高圧放電ランプと同様に４５０ｋＨｚにおいてＤｕｔｙ比３４％で高圧放電ランプの電力を１００Ｗとすることができた。また、Ｄｕｔｙ比を５０％としたときは、５００ｋＨｚにおいて１００Ｗとすることができた。このように、コンデンサＣ２に大きな静電容量のコンデンサを用いることができれば本願発明と同様に２次高調波を小さく抑えて高圧放電ランプを定格電力で点灯することが可能であるが、チップ積層セラミックコンデンサを用いて回路基板を小型化することは困難である。一方、コンデンサＣ２、コンデンサＣ３を４０００ｐＦとすると、Ｄｕｔｙ比１４％のとき高圧放電ランプの電力を１００Ｗとすることができたが、Ｄｕｔｙ比が低いため２次高調波成分が大きくなった。
【００４６】
また、この発明の各変形例において、互いに電圧が異なる複数種別の商用交流電源に接続して使用できるよう、コンバータは、商用交流電源の交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣコンバータ、および接続される商用交流電源の種別に拘わらずＡＣ／ＤＣコンバータからの直流電圧を所定の一定直流電圧に変換する昇圧チョッパを備えたものでは、一般的に、昇降圧チョッパより安価となる昇圧チョッパを使用して一定直流電圧を実現できるという利点がある。
【００４７】
また、共振回路は、ハーフブリッジインバータの交流出力端にインダクタと第２のコンデンサとを直列に接続し、更に、第２のコンデンサの端子間に第１のコンデンサと高圧放電ランプとを直列に接続したものとしたものでは、特に、第１のコンデンサには、比較的高い電圧が印加されず、比較的耐電圧仕様の低いコンデンサを使用することが出来る。
【００４８】
また、第１のコンデンサに、チップコンデンサを使用したものでは、基板の表面実装タイプであるので耐電圧特性は比較的低いが小形となるという、チップコンデンサの特徴を活かして点灯装置の小型化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本願発明の実施の形態１による高圧放電ランプ点灯装置の構成を示す図である。
【図２】完全な矩形波形とみなした時のハーフブリッジインバータ２の出力電圧波形とＤｕｔｙ比の定義を示したものである。
【図３】図２の矩形波形をフーリエ変換することで、Ｄｕｔｙ比と高調波成分との関係を示したものである。
【図４】Ｄｕｔｙ比が、小大異なる場合の、ハーフブリッジインバータ２の電圧、電流波形実測値を示す図である。
【図５】Ｄｕｔｙ比が、小大異なる場合の、高圧放電ランプ点灯装置の雑音端子電圧測定結果の周波数スペクトルを示す図である。
【図６】従来の高圧放電ランプ点灯装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１  コンバータ、２  ハーフブリッジインバータ、３  共振回路、
４  高圧放電ランプ、５  ＡＣ／ＤＣコンバータ、６  昇圧チョッパ、９  制御回路、
１０  商用交流電源、Ｌ１  インダクタ、Ｃ１  第１のコンデンサ、
Ｃ２  第２のコンデンサ。
【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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