JP2005078910A - 高輝度放電ランプ点灯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 放電始動時の立ち消えが無く正常点灯が可能な、小型で安価な高輝度放電ランプ点灯装置を得る。
【解決手段】 ＦＥＴ３１,ＦＥＴ３２のオンオフ切り替え動作に従って、ＤＣ／ＡＣコンバータトランス３３が直流電源からの直流電圧を交流電圧に変換すると同時に電圧の昇圧を行うＤＣ／ＡＣ昇圧回路部３０と、ＤＣ／ＡＣコンバータトランス３３の二次巻線３５に直列に接続された漏れインダクタンス４１と、二次巻線３５に並列に接続された第１の共振用コンデンサ４２を有する第１の共振回路部４０と、メタルハライドランプ６２と、メタルハライドランプ６２に点灯始動のための電圧を出力するイグナイタトランス５５と、第２の共振用コンデンサ６１を有する第２の共振回路部６０を備える。
【選択図】 図１

Description

この発明は、高輝度放電ランプ点灯装置に関するものである。

近年、自動車のヘッドライト等に、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（Ｈｉｇｈ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）ランプの一種であり、ハロゲン電球に比べて、高発光効率、高色温度、長寿命であるという特徴を備えている。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、起動ガスとして用いられる高圧力キセノン、水銀が封入されている。メタルハライドランプの発光では、まず常温で気体であるキセノンにより放電が始動し、キセノンのアーク放電によって発光管内部が高温になると、温度上昇に従って蒸発した水銀によりアーク放電に到り、さらに管内が高温になる。この更なる管内温度の上昇に従ってハロゲン化金属が蒸発してアーク放電に達し、高発光効率かつ高色温度の発光が得られる。なお、水銀は、キセノンの放電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。

メタルハライドランプの点灯装置には、このように、ランプ点灯の温度上昇の各段階でガス中の各物質の密度が大きく変化するため、メタルハライドランプの点灯装置では、電子温度が低くなって放電が立ち消えしないように、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制御しなければならない。このように、メタルハライドランプ点灯の制御には、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）の点灯回路とは異なる特有の要求がある。

従来の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回路として、例えば、特許文献１に記載された放電灯点灯装置がある。ここでは、特許文献１に記載された放電灯点灯装置の回路構成を、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。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、かつ比較的小型で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。

また、従来の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は、例えば特許文献２に記載された点灯装置のように、装置の小型化、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。ここでは、特許文献２に記載された点灯装置の回路構成を、回路上の特徴から「昇圧高周波インバータ１段階方式」と称する。昇圧高周波インバータ１段階方式では、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直流から交流へ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、装置体積の大部分を占めるトランスを小型化することが可能であり、点灯装置の小型化、低コスト化が実現できる。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には、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。

特開２００２−３５２９８９号公報 特開平７−２１１４７２号公報

上述したフルブリッジ低周波点灯方式においては、トランスの小型化と、高輝度放電ランプの安定性を両立させるため、昇圧のためのＤＣ／ＤＣコンバータ部と直流電圧を交流電圧に変換するためのインバータ部を分離して、多段変換の構成にしていた。このため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。

メタルハライドランプの点灯装置には、放電始動期間における絶縁破壊を起こすために、ランプの両端に約２０ｋＶ以上の高電圧パルスを発生させる機能が必要である。フルブリッジ低周波点灯方式では、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を放電始動専用のトランスに印加することで、ランプに高電圧パルスを印加している。この高電圧パルスの発生回路では、放電始動専用のトランスの大型化を防止するために、始動専用のトランスの一次側に入力する電圧をある程度高くする必要がある。

一方、昇圧高周波インバータ１段階方式を用いた回路では、放電始動時の高電圧パルスを発生させるためには、ＤＣ／ＡＣインバータのトランスの巻線比を大きくするか、トランスの二次側出力に新たに昇圧回路を設ける必要があった。このため、トランスが大型化したり、素子数が増加したりするので、高輝度放電ランプ点灯装置の小型化、低コスト化の妨げになるという問題があった。

また、フルブリッジ低周波点灯方式では、メタルハライドランプをしばらくの間点灯して消弧した後に再点灯を行う場合、放電の立ち消えを防ぐためにトランスの二次側出力に比較的高耐圧で比較的大容量の放電成長用コンデンサを設け、放電始動直後のメタルハライドランプの放電を維持するのに充分な電圧を印加していた。このため、高輝度放電ランプ点灯装置の小型化、低コスト化が妨げられるという問題があった。

一方、昇圧高周波インバータ１段階方式を用いた回路では、その回路構成上、トランスの駆動周波数とランプの点灯周波数が等しくなるため、放電成長に必要な電圧をランプに印加するためには、トランスの巻数比を大きくするか、一次側のＤＣ回路部分に大容量のコンデンサを設け、このコンデンサを一時的に昇圧する必要があった。このため、トランスおよびコンデンサが大型で高価になり、回路素子が増加するため、高輝度放電ランプ点灯装置の小型化、低コスト化が妨げられるという問題があった。

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、昇圧高周波インバータ１段階方式を用いて、放電始動時の立ち消えが無く正常点灯が可能な、小型で安価な高輝度放電ランプ点灯装置を得ることを目的とする。

この発明に係る高輝度放電ランプ点灯装置は、少なくとも１つのスイッチング素子を有して直流電圧を交流電圧に変換すると共に、変換した交流電圧を昇圧する変圧器を有するＤＣ／ＡＣインバータ部と、ＤＣ／ＡＣインバータ部の出力側に接続し、インダクタンス素子と第１の共振用コンデンサを有する第１の共振回路部と、第１の共振回路部に接続し、高輝度放電ランプと、高輝度放電ランプを点灯始動させるための電圧を発生する放電始動用変圧器と、第２の共振用コンデンサを有し、第１の共振回路部と共にＤＣ／ＡＣインバータ部の出力電圧を放電の各期間に応じて効率的に高輝度放電ランプに供給する第２の共振回路部とを備えたものである。

この発明によれば、直流電圧を交流電圧に変換する際に同時に昇圧を行うＤＣ／ＡＣインバータ部を備え、ＤＣ／ＡＣインバータ部の変圧器の二次側に第１の共振回路部および第２の共振回路部を設けたので、回路を小型化することができるとともに、放電成長期間に高輝度放電ランプにエネルギーを十分供給することが可能となり、メタルハライドランプ６２を正常に点灯する装置の小型化が可能になるという効果がある。

以下、この発明の実施の形態を説明する。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１による、メタルハライドランプ点灯装置１００（高輝度放電ランプ点灯装置）の構成を示す回路図である。図に示すように、メタルハライドランプ点灯装置１００は、バッテリ等の直流電源１０、平滑コンデンサ２０、ＤＣ／ＡＣ昇圧回路部３０（ＤＣ／ＡＣインバータ部）、第１の共振回路部４０、高電圧パルス発生回路部５０、第２の共振回路部６０、点灯制御回路部７０を備えている。

ＤＣ／ＡＣ昇圧回路部３０は、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）３１およびＦＥＴ３２（スイッチング素子）と、ＤＣ／ＡＣコンバータトランス３３（変圧器）を備えている。ＦＥＴ３１およびＦＥＴ３２は、点灯制御回路部７０からのパルス信号がゲートに入力されることによりオン、オフを切り替える。これにより、ＤＣ／ＡＣコンバータトランス３３の一次巻線３４に流れる電流が変化し、二次巻線３５に直流電源１０または平滑コンデンサ２０のＤＣ／ＡＣコンバータトランス３３の巻数比倍のピーク値を持つ矩形波電圧が発生する。

第１の共振回路部４０は、ＤＣ／ＡＣコンバータトランス３３の漏れインダクタンス成分である漏れインダクタンス４１と第１の共振用コンデンサ４２からなる。なお、第１の共振回路部４０は、ＤＣ／ＡＣコンバータトランス３３の二次巻線３５に接続したインダクタンス素子と第１の共振用コンデンサ４２から構成してもよい。

高電圧パルス発生回路部５０は、抵抗５１、ダイオード５２、ギャップスイッチ昇圧コンデンサ５３、ギャップスイッチ５４、イグナイタトランス５５（放電始動用変圧器）を備えている。イグナイタトランス５５は、メタルハライドランプ６２の点灯始動のために必要な約２０ｋＶの電圧を出力するためのトランスである。抵抗５１とダイオード５２を通してギャップスイッチ昇圧コンデンサ５３が充電される。ギャップスイッチ昇圧コンデンサ５３の電圧が閾値に達すると、ギャップスイッチ５４がオンになり、ギャップスイッチ昇圧コンデンサ５３の電圧がイグナイタトランス５５の一次巻線に入力されて、イグナイタトランス５５の二次巻線に巻数比倍の高電圧パルスが発生する。

第２の共振回路部６０は、イグナイタトランス５５、第２の共振用コンデンサ６１、メタルハライドランプ６２（高輝度放電ランプ）を含む。第２の共振回路部６０は、放電始動後に、イグナイタトランス５５のインダクタンスによって発生する第２の共振回路部６０の無効電力を第２の共振用コンデンサ６１により低減し、メタルハライドランプ６２に電力を投入しやすくする。

点灯制御回路部７０は、目的に合わせて点灯電圧波形を変えるための回路であり、周波数決定回路７１、電力制御回路７２、および始動時制御回路７３を含む。

次に、メタルハライドランプ点灯装置１００の動作について説明する。
メタルハライドランプの点灯には、Ｏ．放電待機期間、Ａ．放電始動期間、Ｂ．過渡放電期間、Ｃ．定常放電期間の４つのフェーズがある。以下、Ａ．放電始動期間、Ｂ．過渡放電期間、Ｃ．定常放電期間のそれぞれについての特徴を説明する。

Ａ．放電始動期間
放電待機期間（Ｏ）におけるメタルハライドランプ６２の負荷状態はコンデンサと同等であり、そのインピーダンスは数ＭΩ程度で比較的大きい。このインピーダンスは前回の放電終了からの経過時間によって値が異なる。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て管内圧力が低い状態では絶縁破壊電圧は低い。ここでは、この状態をコールド状態と称する。一方、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。ここでは、この状態をホット状態と称する。放電始動期間においては、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、メタルハライドランプ６２に数十ｋＶの高電圧を印加する必要がある。

Ｂ．過渡放電期間
過渡放電期間は、さらにＢ−１．放電成長期間とＢ−２．光束立ち上げ期間に分類される。これらは時間的には明確に分割できず、一体として過渡放電期間と称する。一般には、放電成長期間は点灯始動から数十マイクロ秒から数百マイクロ秒の間の期間であり、光束立ち上げ期間は放電成長期間後、数ミリ秒から数十秒程度の期間である。

Ｂ−１．放電成長期間
Ａ．放電始動期間で述べた絶縁破壊前の場合と同様に、絶縁破壊後のメタルハライドランプ６２のインピーダンスも前回の放電終了からの経過時間に依存する。コールド状態から放電が始動すると、メタルハライドランプ６２のインピーダンスは放電始動前の数ＭΩから数十Ωまで急激に低下した後、メタルハライドランプ６２の点灯管内温度、圧力の上昇に従って、定常状態の数百Ωまで上昇する。逆にホット状態から放電始動すると、点灯管内温度が高温で管内圧力が高いため、メタルハライドランプ６２のインピーダンスは数ＭΩから定常状態のインピーダンスよりもまだ高い数百Ωまで低下した後、徐々に定常状態のインピーダンスまで低下するという過程をたどる。
放電の体積過程においては、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なように熱電子放出するの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。上述したように、メタルハライドランプ６２の状態によって管内の圧力や温度状態等の変化に合わせて、放電を立ち消えさせないために必要な投入エネルギーも変化する。コールド状態からの始動では、その体積過程における管内ガスはキセノンが主であり、管内圧力は低いため必要投入エネルギーも比較的少ない。これに対し、ホット状態からの始動では、その体積過程における管内ガスはキセノンおよび水銀蒸気が主であり、管内圧力が高いため必要投入エネルギーは多くなる。

Ｂ−２．光束立ち上げ期間
メタルハライドランプ６２では所定の時間内に所望の光束を得なければならない。そのためには、各放電期間を経てハロゲン化金属を電離する過程まで急速に移行させる必要がある。このため、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メタルハライドランプ６２に投入しなければならない。ここでも、ホット状態とコールド状態でランプの挙動は異なる。このため、ホット状態かコールド状態かを判断して、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のインピーダンスは高く、短時間で定常状態のインピーダンスまで移行し、また、短時間で所望の光束に達する。そのため、ホット状態の場合に、コールド状態と同じ時間、放電成長用および光束立ち上げ用のエネルギーを投入すると、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るか、或いは所望の光束が得られるまでの時間が長くなる。

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するようにしなければならない。メタルハライドランプ６２において、点灯周波数は最も重要な要素のひとつで、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。

以下、上述した４つのフェーズに沿って、メタルハライドランプ点灯装置１００の動作を説明する。
なお、実施の形態１では、特にことわらない限り、直流電源１０には車載用のバッテリを用いており、電源電圧は１２Ｖとする。また、ＤＣ／ＡＣコンバータトランス３３の巻数比を１：１７、ＤＣ／ＡＣコンバータトランス３３の漏れインダクタンス４１を０．３５ｍＨ、第１の共振用コンデンサ４２を３ｎＦ、イグナイタトランス５５のインダクタンスを１ｍＨ、第２の共振用コンデンサ６１を３．５ｎＦとする。また、高電圧パルス発生回路部５０において、抵抗５１を５ｋΩ、ギャップスイッチ昇圧コンデンサ５３を０．１μＦとし、ギャップスイッチ５４には８００Ｖでオンになる素子を用いている。

図２は、実施の形態１による、メタルハライドランプ点灯装置１００によるメタルハライドランプ６２点灯の制御シーケンスを説明する図である。図中の期間Ａ、Ｂ−１、Ｂ−２、Ｃ、Ｏは上述した各フェーズに相当し、各期間において点灯制御回路部７０が制御するＦＥＴ３１、ＦＥＴ３２の駆動周波数とオンデューティを示している。なお、ここでＦＥＴ３１およびＦＥＴ３２のオンデューティとは、点灯制御回路部７０から出力されるＦＥＴ３１およびＦＥＴ３２のゲートパルス信号の１／２周期を１００％とした場合に、そのうちＦＥＴ３１およびＦＥＴ３２をオンにする信号が出力されている時間の割合を表したものである。

点灯制御回路部７０は、周波数決定回路７１において基本点灯波形の周波数を決定し、電力制御回路７２において、電圧および電流を検出し、オンデューティを変えることによってメタルハライドランプ６２に投入する電力を制御する。また、始動時制御回路７３において、放電待機期間にギャップスイッチを動作させ、放電成長期間にはメタルハライドランプ６２に対して放電を維持するのに必要なエネルギーを供給するための制御を行う。

まず、放電待機期間（Ｏ）における動作について説明する。
メタルハライドランプ６２の点灯スイッチ（図示せず）をオンにすると、点灯制御回路部７０からＦＥＴ３１およびＦＥＴ３２にゲートパルス信号が入力され、ＦＥＴ３１、ＦＥＴ３２がオン、オフ切り替え動作を繰り返し、ＤＣ／ＡＣコンバータトランス３３の二次巻線３５に電源電圧のＤＣ／ＡＣコンバータトランス３３巻数比倍の波高値を持つ矩形波電圧が発生する。なお、ここでＦＥＴ３１およびＦＥＴ３２の駆動周波数は、ＤＣ／ＡＣコンバータトランス３３の大型化を防止するため、約１００ｋＨｚ以上であることが望ましい。ここでは、図２に示すように駆動周波数は１７０ｋＨｚとする。

実施の形態１のメタルハライドランプ点灯装置１００では、従来の技術で関連して述べた昇圧高周波インバータ１段階方式を用いているので、従来のフルブリッジ低周波点灯方式で必要だったＤＣ／ＤＣコンバータ用の高周波スイッチが不要となる。そのため、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、ＤＣ／ＡＣ昇圧回路部３０のスイッチング素子が発生する熱の放熱にあてることができるため、ＦＥＴ３１およびＦＥＴ３２の駆動周波数を高くしても、新たに放熱機構を付け加えることなく、動作させることが可能である。

ＦＥＴ３１およびＦＥＴ３２の動作により、ＤＣ／ＡＣコンバータトランス３３の二次巻線３５にピーク値が約２００Ｖの矩形波電圧が発生すると、第１の共振回路部４０に電流が流れ、第１の共振用コンデンサ４２の両端に電圧が発生する。発生する電圧は、図３に示すようにＤＣ／ＡＣコンバータトランス３３の二次巻線３５側の伝達特性に依存し、ＦＥＴ３１およびＦＥＴ３２の駆動周波数とメタルハライドランプ６２のインピーダンスに依存する。これはすなわち、第１の共振回路部４０を流れる電流に依存するということであり、従って、第１の共振回路部４０の出力電圧は、ＦＥＴ３１およびＦＥＴ３２のオンデューティにも依存する。

上述したように、放電待機期間の場合、メタルハライドランプ６２のインピーダンスは数ＭΩと十分大きいため、ＦＥＴ３１およびＦＥＴ３２の駆動周波数が一定で、第１の共振用コンデンサ４２の容量が一定の場合には、第１の共振用コンデンサ４２の出力電圧はＦＥＴ３１およびＦＥＴ３２のオンデューティにのみ依存する。

ＦＥＴ３１およびＦＥＴ３２の駆動周波数を１７０ｋＨｚとした場合の、ＦＥＴ３１およびＦＥＴ３２のオンデューティと第１の共振回路部４０の出力電圧（第１の共振用コンデンサ４２の両端電圧）およびメタルハライドランプ６２の電圧のピーク値の関係を図４に示す。図に示すように、第１の共振回路部４０の出力とメタルハライドランプ６２の電圧はＦＥＴ３１およびＦＥＴ３２のオンデューティに依存する。

放電待機期間においては、ギャップスイッチ５４がオンする電圧までギャップスイッチ昇圧コンデンサ５３を充電しなければならない。
第１の共振用コンデンサ４２の両端に電圧が発生すると、第１の共振回路部４０の出力が正、すなわち、図１において第１の共振用コンデンサ４２の上側が正の場合に、高電圧パルス発生回路部５０のダイオード５２が導通してギャップスイッチ昇圧コンデンサ５３が充電される。第１の共振回路部４０の出力が反転し、出力が負、すなわち図１において第１の共振用コンデンサ４２の上側が負になると、ダイオードが非導通となりギャップスイッチ昇圧コンデンサ５３は充電されない。すなわち、ギャップスイッチ昇圧コンデンサ５３の電圧は、第１の共振回路部４０の出力電圧のピーク値と等しい。今、ＦＥＴ３１およびＦＥＴ３２の駆動周波数を上述したＤＣ／ＡＣコンバータトランス３３の二次側の伝達特性が最大となる周波数である１７０ｋＨｚに設定した場合、図４に示すようにオンデューティを６０％に設定すれば、第１の共振回路部４０の出力電圧を８００Ｖにすることができるので、ギャップスイッチ５４を８００Ｖまで昇圧することが出来る。

なお、第１の共振回路部４０の出力が負の場合、高電圧パルス発生回路部５０のダイオード５２には、ギャップスイッチ昇圧コンデンサ５３の電圧と第１の共振回路部４０の負側のピーク電圧を足した電圧が印加されるため、ダイオード５２の耐圧は第１の共振回路部４０の出力電圧のピーク値の２倍にしておく必要がある。

さらに、第１の共振用コンデンサ４２の耐圧を低くするため、第１の共振回路部４０の出力電圧は８００Ｖを超えないように、ＦＥＴ３１およびＦＥＴ３２のオンデューティを調整する。これは、第１の共振用コンデンサ４２の耐圧仕様の上昇は、コンデンサの大型化につながるからである。

なお、ギャップスイッチ５４がオンする電圧までギャップスイッチ昇圧コンデンサ５３が充電されるのにかかる時間は、抵抗５１とギャップスイッチ昇圧コンデンサ５３の積で定まる時定数と、第１の共振回路部４０の出力周波数により決定される。

次に、放電開始期間（Ａ）における動作について説明する。
ギャップスイッチ昇圧コンデンサ５３の電圧が８００Ｖになると、ギャップスイッチ５４がオンし、イグナイタトランス５５の一次巻線に８００Ｖの電圧が印加され、二次巻線に巻線数比倍の電圧が発生する。ここでは、イグナイタトランス５５の一次巻線と二次巻線の巻線数比を６：２２０とする。この場合、二次巻線には約３０ｋＶの電圧が発生し、メタルハライドランプ６２の両端の電極に印加される。この電圧はコールド状態およびホット状態の絶縁破壊電圧を超えているので、絶縁破壊が起こる。

次に、過渡放電期間の放電成長期間（Ｂ−１）におけるメタルハライドランプ点灯装置１００の動作について説明する。
メタルハライドランプ６２の絶縁破壊後もＦＥＴ３１およびＦＥＴ３２はオンオフ動作を繰り返し、メタルハライドランプ６２に電力を供給し続ける。上述したように、絶縁破壊後の放電成長期間には、メタルハライドランプ６２の状態に応じて放電が立ち消えないために必要なエネルギーをメタルハライドランプ６２に投入する必要がある。放電成長期間におけるメタルハライドランプ６２のインピーダンスはメタルハライドランプ６２の状態に応じて変化し、このため放電立ち消え防止に必要なエネルギーも変化する。

コールド状態における絶縁破壊後のメタルハライドランプ６２のインピーダンスは、数十Ωと比較的低いため、比較的低電圧の印加でメタルハライドランプ６２の放電の立ち消えを防止することが出来る。これに対し、ホット状態における絶縁破壊後のメタルハライドランプ６２のインピーダンスは数百Ω以上と高いため、比較的高電圧をメタルハライドランプ６２に印加しなければ放電の立ち消えを防止することはできない。従って、放電成長期間にメタルハライドランプ６２に印加する電圧は、ホット状態における絶縁破壊後に印加する電圧に合わせた方がよい。

フルブリッジ低周波点灯方式では、放電を維持するのに必要なエネルギーをメタルハライドランプ６２に供給するために、大容量のコンデンサをＤＣ／ＤＣコンバータの二次側とインバータ間の直流回路部分に設け、コンデンサを直流電流によって充電した後、メタルハライドランプ６２に直流電圧を印加していた。
しかし、実施の形態１によるメタルハライドランプ点灯装置１００は昇圧高周波インバータ１段階方式を用いており、直流回路部分はＤＣ／ＡＣコンバータトランス３３の一次側の前段にある直流電源１０と平滑コンデンサ２０により構成される部分のみである。この部分に、従来方式と同様にコンデンサを設けようとすると、充電電圧が低いために従来方式よりも大容量のコンデンサを設ける必要がある。また、メタルハライドランプ６２に必要な電圧を印加するためには、ＤＣ／ＡＣコンバータトランス３３に巻数比の大きなものを用いるか、上述のコンデンサの電圧を一時的に昇圧する回路を追加する必要があり、装置の小型化、低コスト化の妨げとなる。そこで、実施の形態１では、第１の共振回路部４０によりＤＣ／ＡＣコンバータトランス３３の出力電圧を増幅する方式を用いる。

ここで、一例としてホット状態で放電始動した場合のメタルハライドランプ６２のインピーダンスを５００Ωとした場合のＦＥＴ３１およびＦＥＴ３２の駆動周波数と第１の共振回路部４０の出力電圧（第１の共振用コンデンサ４２の両端電圧）およびメタルハライドランプ６２の電圧の関係を図５に示す。なお、図５において、ＦＥＴ３１およびＦＥＴ３２のオンデューティは９０％で一定である。
図に示すように、ＦＥＴ３１およびＦＥＴ３２の駆動周波数を１７０ｋＨｚとした時、メタルハライドランプ６２の電圧は最大になる。すなわち、メタルハライドランプ６２に充分な電圧を印加するためには、図３に示すメタルハライドランプ６２のインピーダンスが５００Ωの場合のＤＣ／ＡＣコンバータトランス３３の二次巻線３５側の伝達特性において、ゲインが最大となる周波数でＦＥＴ３１およびＦＥＴ３２を駆動する必要がある。

また、メタルハライドランプ６２に放電を維持させるのに充分なエネルギーを投入するためには、メタルハライドランプ６２に供給する電流量を最大にする必要がある。このため、ＦＥＴ３１およびＦＥＴ３２のオンデューティは、放電始動後、瞬時に最大デューティとなる方が望ましい。

以上のことをまとめると、実施の形態１によるメタルハライドランプ点灯装置１００のように昇圧高周波インバータ１段階方式を用いた回路では、放電成長期間にはＤＣ／ＡＣコンバータトランス３３の二次巻線３５側の共振回路部の出力が最大となる周波数でＦＥＴ３１およびＦＥＴ３２を駆動し、このときのオンデューティが最大となるようなシーケンスが望ましい。
実施の形態１では、そのようなシーケンスを実現するため、放電待機期間には、ＦＥＴ３１およびＦＥＴ３２をＤＣ／ＡＣコンバータトランス３３の二次巻線３５側の伝達関数が最大となる周波数１７０ｋＨｚで駆動し、オンデューティを調整して放電始動した後、１７０ｋＨｚの周波数のまま、瞬時にオンデューティを最大値である９０％にすることで放電成長を行うようにした。

上述のシーケンスを用いてメタルハライドランプ６２をしばらくの間点灯した後、１０秒後の再点灯確率を電源電圧および各条件についてまとめたものを図６に示す。なお、回路の各定数は上述したとおりである。
図６において、同一の特性線上で電源電圧が高いということは、第１の共振回路部４０の出力電圧が高いということである。図６に示されるように、ＤＣ／ＡＣコンバータトランス３３の巻数比が１：１７で、ＦＥＴ３１およびＦＥＴ３２のオンデューティを８０％とした場合には、電源電圧１４Ｖでほぼ１００％の再点灯性が得られている。これに対し、上記と同じ巻数比でＦＥＴ３１およびＦＥＴ３２のオンデューティを９０％とした場合には、電源電圧１２Ｖでほぼ１００％の再点灯確率が得られる。このように、ＦＥＴ３１およびＦＥＴ３２のオンデューティをなるべく１００％近くにしたほうが、少ないトランス巻数比で確実に再点灯することができる。トランスの巻数比が小さくなるということにより、トランスを小型化することができる。

ここで、車載用のメタルハライドランプ６２の点灯始動時の電圧範囲は、車載用バッテリの変動分から、９Ｖから１６Ｖとなっている。電源電圧９Ｖの場合には、トランス巻数比を１：２５、ＦＥＴ３１およびＦＥＴ３２のオンデューティを９０％とした場合にほぼ１００％の再点灯性が得られる。上記のトランス巻数比は、図１における第１の共振回路部４０および第２の共振回路部６０のイグナイタトランス５５と第２の共振用コンデンサ６１の値を変え、第１の共振回路部４０の出力を変えることにより低減できる。

次に、過渡放電期間の光束立ち上げ期間（Ｂ−２）におけるメタルハライドランプ点灯装置１００の動作について説明する。
光束立ち上げ期間では、メタルハライドランプ６２がコールド状態の場合、メタルハライドランプ６２の定格電力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、ＦＥＴ３１およびＦＥＴ３２のオン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管内温度が依然として高温のため、コールド状態に比べてこの期間は短い。

ここで、ＦＥＴ３１およびＦＥＴ３２の駆動周波数について説明する。放電待機期間、放電始動期間、放電成長期間まではＦＥＴ３１およびＦＥＴ３２の駆動周波数は特に指定した周波数に定める必要は無く、各期間において必要な電圧および電流を得ることが可能ならばよい。この周波数は、ＤＣ／ＡＣコンバータトランス３３の二次巻線３５側回路のコンデンサやインダクタンスなどの定数によって異なる。これに対し、光束立ち上げ期間と定常放電期間においては、メタルハライドランプ６２特有の性質に合わせて駆動周波数を調整する必要がある。

メタルハライドランプ６２特有の性質とは、数ｋＨｚ以上の周波数でメタルハライドランプ６２を点灯させようとすると、放電が不安定になったり、立ち消えしたりする現象が発生することである。これは一般に音響共鳴現象と呼ばれている。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、ｐ．２９−３６に報告されている。上記の文献によると、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。即ちランプ内でお互いの反射方向に進む波同士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発生する。なお、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の共鳴である。定在波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。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。

光束立ち上げ期間は過渡放電期間の一部であり、その時間は数ミリ秒から数十秒になる。この期間における管内圧力および管内温度は投入電力および経過時間により変化し、メタルハライドランプ６２の初期状態にも依存するため一義的には定まらない。光束立ち上げ期間に一定周波数でメタルハライドランプ６２を点灯すると、点灯管の状態によっては音響共鳴現象が生じ、メタルハライドランプ６２のちらつきや立ち消えの原因となる。

そこで、光束立ち上げ期間において、変化する管内圧力や管内温度などで発生する音響共鳴による放電のちらつきや立ち消えを回避するために、以下の２つの方法が考えられる。

１つは、メタルハライドランプ６２の電圧の変化を検知し、メタルハライドランプ６２の電圧の変化が大きくなると、その変化が小さくなるように周波数を設定する制御を行う方法である。
この方法は、音響共鳴現象が生じるとアークが曲がり、メタルハライドランプ６２のインピーダンスが大きく変化するという周知の事実を用いている。メタルハライドランプ６２のインピーダンスが変化すると、メタルハライドランプ６２に印加する電圧の変化は大きくなる。逆に音響共鳴が生じない場合には、メタルハライドランプ６２のインピーダンスは安定しており、電圧の変化は小さい。即ち電圧の変化を検知しておき、その変化が大きくならないように周波数を設定すると、音響共鳴現象が生じない。

もう１つの方法は、前回の放電終了からの経過時間をカウントしておき、経過時間に応じて周波数を設定して放電を開始する方法である。
この方法は、メタルハライドランプ６２の管内温度や管内圧力の変化は、メタルハライドランプ６２の初期状態にある程度依存するため、メタルハライドランプ６２の初期状態を前回点灯終了からの経過時間と過去の経験値から判断し、光束立ち上げ期間に使用する周波数を決定する。このとき、周波数は光束立ち上げ期間中一定である必要はなく、周波数の時間的変化を過去の経験値から設定しても良い。

ただし、上記の２方法とも、ＤＣ／ＡＣコンバータトランス３３の二次巻線３５側伝達特性との兼ね合いによりＦＥＴ３１およびＦＥＴ３２のオンデューティを調整し、規定の時間内に光束を立ち上げることが可能な範囲の周波数に設定しなければならない。

次に、定常放電期間（Ｃ）におけるメタルハライドランプ点灯装置１００の動作について説明する。
光束が立ち上がった後は定常放電期間にはいる。ＦＥＴ３１およびＦＥＴ３２のオンデューティを調整して、定格３５Ｗ一定で放電を繰り返す。３５Ｗ一定制御はＤＣ／ＡＣコンバータトランス３３の二次巻線３５側回路の電圧と電流を図１における点灯制御回路部７０に取り込み、現行電力と定常電力である３５Ｗの比較を行い、必要なオンデューティのゲートパルス信号をＦＥＴ３１、ＦＥＴ３２に出力することにより行う。

定常放電期間では、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。実施の形態１では、中心周波数９０ｋＨｚ、変調周波数１ｋＨｚ、最小周波数８０ｋＨｚ、最大周波数１００ｋＨｚの波形で点灯駆動した。また、放電待機期間から、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しても良い。

図７に、定常点灯時のメタルハライドランプ６２の電圧および電流波形の一例を示す。図に示すように、メタルハライドランプ６２を点灯する各期間にわたって、第１の共振回路部４０および第２の共振回路部６０の２段の共振回路を設けたことにより、矩形波であるＤＣ／ＡＣコンバータトランス３３の出力電圧が、正弦波に近い波形に形成されてメタルハライドランプ６２に印加される。すなわち、２段の共振回路が電気的なフィルタの役割を果たし、メタルハライドランプ６２に供給される波形は、予想外の高調波を含まず、予想した周波数で点灯を制御することを可能にしている。

以上のように、この実施の形態１によれば、直流電源１０からの電圧を、ＤＣ／ＡＣ昇圧回路部３０によって交流波形に変換し、高周波でメタルハライドランプ６２を点灯させる「昇圧高周波１段階点灯方式」を用いた。さらに、ＤＣ／ＡＣコンバータトランス３３の二次巻線３５側に設置した、ＤＣ／ＡＣコンバータトランス３３の漏れインダクタンス４１と第１の共振用コンデンサ４２を有する第１の共振回路部４０により、放電成長期間にメタルハライドランプ６２にエネルギーを十分供給することができるため、回路構成が簡略化され、メタルハライドランプ６２を正常に点灯する装置の小型化、低価格化が可能になるという効果がある。

また、第１の共振回路部４０を構成する際に、ＤＣ／ＡＣコンバータトランス３３の漏れインダクタンス４１を用いることにより、新たにインダクタンスを追加する必要がなく、回路の小型化、低コスト化が実現できる。

また、高電圧パルス発生回路部５０を設けたことにより、メタルハライドランプ６２の点灯始動用のイグナイタトランス５５の一次側巻線に入力する電圧を得るために、ＤＣ／ＡＣコンバータトランス３３の巻線比を大きくしたり、ＤＣ／ＡＣ昇圧回路部３０の二次側に新たな昇圧回路を設けたりする必要が無くなり、回路の小型化、低コスト化が実現できるという効果がある。

また、実施の形態１によれば、ＤＣ／ＡＣコンバータトランス３３の二次巻線３５に比較的低容量の第１の共振用コンデンサ４２を接続するだけで、放電開始から定常点灯までの各期間に、放電を維持するために必要な電圧を出力することができる。これにより、フルブリッジ低周波点灯方式で用いていた、比較的大容量のコンデンサを用いる必要がなくなり、メタルハライドランプ６２を点灯する装置の小型化、低価格化が可能になるという効果がある。

また、点灯制御回路部７０が、ＦＥＴ３１およびＦＥＴ３２の駆動周波数およびオンデューティをメタルハライドランプ６２点灯の各期間の状態に応じて制御するようにしたので、放電の各期間に必要な電圧を出力するために新たな回路を設けることなく、放電の立ち消えを防ぎ、安定な放電を維持することが可能となる。

また、実施の形態１によれば、ＤＣ／ＡＣコンバータトランス３３の二次巻線３５側出力回路に、第１の共振回路部４０と第２の共振回路部６０の２段の共振回路を設けたことにより、この共振回路が電気的フィルタの役割を果たし、矩形波であるＤＣ／ＡＣコンバータトランス３３の二次巻線３５の電圧を、各放電期間にわたってメタルハライドランプ６２に印加する電圧を正弦波に近い電圧に形成する。これにより、予想外の高調波を考慮する必要が無く、予想できる周波数で点灯を安定に制御することが可能である。

また、実施の形態１によれば、メタルハライドランプ６２内の圧力および温度が急激に変化する光束立ち上げ期間において、点灯制御回路部７０がメタルハライドランプ６２の電圧の上昇を検知し、ＦＥＴ３１およびＦＥＴ３２の駆動周波数を調整することによって電圧の変動を抑えるようにしたので、音響共鳴現象によるランプ光のちらつきをなくし、規定時間内に光束を立ち上げることが可能である。

また、点灯制御回路部７０が、前回の点灯終了から次の点灯開始までの経過時間を計測し、経過時間に応じた周波数でメタルハライドランプ６２を駆動するようにしたので、音響共鳴現象によるアーク光のちらつきを防ぎ、規定時間内に光束を立ち上げることが可能である。

さらに、実施の形態１によれば、定常放電期間にメタルハライドランプ６２に印加する電圧波形を周波数スウィープ波形とすることにより、ランプ光のちらつきがなく、安定な点灯を維持することができる。

この発明の実施の形態１による、メタルハライドランプ点灯装置１００の構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態１による、メタルハライドランプの点灯制御のシーケンスを説明する図である。 ＤＣ／ＡＣコンバータトランス３３の二次巻線３５側の伝達特性を示す図である。 ＦＥＴ３１およびＦＥＴ３２のオンデューティと第１の共振回路部４０の出力電圧（第１の共振用コンデンサ４２の両端電圧）およびメタルハライドランプ６２の電圧のピーク値の関係を示す図である。 ＦＥＴ３１およびＦＥＴ３２の駆動周波数と第１の共振回路部４０の出力電圧（第１の共振用コンデンサ４２の両端電圧）およびメタルハライドランプ６２の電圧のピーク値の関係を示す図である。 実施の形態１による、複数の条件での、メタルハライドランプ６２の再点灯確率を示した図である。 定常放電期間での、メタルハライドランプ６２の電圧および電流波形の一例を示す図である。

符号の説明

１０ 直流電源、２０ 平滑コンデンサ、３０ ＤＣ／ＡＣ昇圧回路部（ＤＣ／ＡＣインバータ部）、３１，３２ ＦＥＴ（スイッチング素子）、３３ ＤＣ／ＡＣコンバータトランス（変圧器）、３４ 一次巻線、３５ 二次巻線、４０ 第１の共振回路部、４１ 漏れインダクタンス、４２ 第１の共振用コンデンサ、５０ 高電圧パルス発生回路部、５１ 抵抗、５２ ダイオード、５３ ギャップスイッチ昇圧コンデンサ、５４ ギャップスイッチ、５５ イグナイタトランス（放電始動用変圧器）、６０ 第２の共振回路部、６１ 第２の共振用コンデンサ、６２ メタルハライドランプ（高輝度放電ランプ）、７０ 点灯制御回路部、７１ 周波数決定回路、７２ 電力制御回路、７３ 始動時制御回路、１００ メタルハライドランプ点灯装置（高輝度放電ランプ点灯装置）。

Claims (6)

1. 少なくとも１つのスイッチング素子を有して直流電圧を交流電圧に変換すると共に、変換した交流電圧を昇圧する変圧器を有するＤＣ／ＡＣインバータ部と、
   上記ＤＣ／ＡＣインバータ部の出力側に接続し、インダクタンス素子と第１の共振用コンデンサを有する第１の共振回路部と、
   上記第１の共振回路部に接続し、高輝度放電ランプと、上記高輝度放電ランプを点灯始動させるための電圧を発生する放電始動用変圧器と、第２の共振用コンデンサを有し、上記第１の共振回路部と共に上記ＤＣ／ＡＣインバータ部の出力電圧を放電の各期間に応じて効率的に上記高輝度放電ランプに供給し、かつ上記ＤＣ／ＡＣインバータ部の出力電圧の波形をスムージングして上記高輝度放電ランプに供給する第２の共振回路部とを備えた高輝度放電ランプ点灯装置。
2. 第１の共振回路部は、インダクタンス素子の代わりにＤＣ／ＡＣインバータ部の変圧器の漏れインダクタンスを利用す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。
3. 第１の共振回路部を介してＤＣ／ＡＣインバータ部の出力電圧を入力して、放電始動用変圧器の一次側に電圧を発生させるギャップスイッチと、上記ギャップスイッチをオンにするための電圧を蓄積するギャップスイッチ昇圧コンデンサを有する高電圧パルス発生回路部を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の高輝度放電ランプ点灯装置。
4. 高輝度放電ランプの放電始動から定常放電までの各期間に必要な電力を供給できるように、ＤＣ／ＡＣインバータ部のスイッチング素子を駆動する周波数およびデューティ比を制御する点灯制御回路部を備え、
   上記高輝度放電ランプの放電待機期間には、放電始動用変圧器の一次側に電圧を発生させるギャップスイッチがオンになるまで昇圧可能な周波数およびデューティ比で駆動し、
   放電成長期間には、上記ＤＣ／ＡＣインバータ部の変圧器の二次側回路の伝達効率が最大となる周波数およびデューティ比で駆動し、
   光束立ち上げ期間には、規定の時間内に光束を安定に立ち上げることが可能な周波数およびデューティ比で駆動し、
   定常放電期間には、上記高輝度放電ランプに規定電力が印加可能で、放電が安定して持続する周波数およびデューティ比で駆動することを特徴とする請求項１から請求項３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。
5. 点灯制御回路部は、光束立ち上げ期間において高輝度放電ランプの電圧の変動を検知し、スイッチング素子を駆動する周波数を上記高輝度放電ランプの電圧の変動を抑え、放電が安定する周波数になるよう制御し、周波数に応じてデューティ比を調整することにより、上記高輝度放電ランプに光束立ち上げに必要な電力を供給することを特徴とする請求項４記載の高輝度放電ランプ点灯装置。
6. 点灯制御回路部は、光束立ち上げ期間にスイッチング素子を駆動する周波数とデューティ比を、前回の高輝度放電ランプの点灯終了からの経過時間に基づいて上記高輝度放電ランプの点灯前に設定することを特徴とする請求項４記載の高輝度放電ランプ点灯装置。

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