JPH09237687A

JPH09237687A - 無電極放電灯、無電極放電灯装置および照明装置

Info

Publication number: JPH09237687A
Application number: JP8259743A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Kakiya; 勉垣谷; Ichiro Yokozeki; 一郎横関; Kozo Kamimura; 幸三上村; Akihiro Inoue; 昭浩井上; Isao Yamazaki; 勇生山崎; Keiichi Shimizu; 恵一清水; Akira Ito; 彰伊藤
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 1995-12-26
Filing date: 1996-09-30
Publication date: 1997-09-09

Abstract

(57)【要約】【課題】光出力のちらつき、立消えといった不安定な放
電現象を抑制でき、かつ、発光効率を高く維持できるよ
うにすることを目的とする。また、加えて調光点灯可能
にすることを目的とする。【解決手段】高周波変換装置１６１は、周波数変調装置
１６５により、たとえば１００Ｈｚ毎にスイッチング素
子１６２、１６３のスイッチング周波数を段階的に変化
させる。したがって、インピーダンス整合回路１６６の
共振条件との関係により無電極放電灯１６８に印加され
る電圧波形は、１００Ｈｚ毎に高圧部と低圧部とを繰返
す包絡線を有するものとなる。この場合、無電極放電灯
は光出力変動時間が１０ｍｓｅｃ以上のものである。前
記包絡線の高圧部のデューティはたとえば５０％であ
る。また、包絡線の瞬時値の最小値／最大値は、０．７
以下である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、無電極放電灯、
この無電極放電灯に高周波電磁界を作用させて発光させ
る無電極放電灯装置および照明装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】本願発明者らは、無電極放電灯装置とし
て、特開平８−１５４３８３号公報のもの（従来技術
１）を出願した。この出願に示されたものの一例は、相
対的に低周波の交流電圧を整流した実質的に非平滑の脈
流電圧を１ＭＨｚ以上の高周波交流電圧に変換し、イン
ピーダンス整合回路を介して無電極放電灯に供給するよ
うにしている。

【０００３】従来技術１は、高周波交流電圧を発生する
ための半導体スイッチング手段の寄生容量が、印加電圧
が大きくなるにしたがって減少することを利用し、脈流
電圧の波高値部分での寄生容量による電力損失を減少す
ることによって、総合的なスイッング損失を低減しよう
とするものである。

【０００４】また、従来技術１によれば、詳細な理由は
明らかではないが、繰返し変化する包絡線を有する高周
波交流電圧で点灯することによって、無電極放電灯の放
電のゆらぎによる光出力のちらつき、放電の立消えとい
った問題を抑制できるものであった。

【０００５】これに対して、平滑直流電圧をそのまま高
周波交流電圧に変換するようにしたものでは、つぎのよ
うな問題があった。すなわち、比較的寄生容量が大きく
なる印加電圧でスイッチング手段を連続して動作させる
ため、寄生容量による電力損失が大きく、総合的なスイ
ッチング損失が増大する。また、無電極放電灯の封入ガ
スがリークしたり透光性バルブ等と反応して不純ガスを
生成したりした寿命末期時に、無電極放電灯への入力が
過入力になると、放電が不安定になって、ちらつき、立
消えを生じる。

【０００６】特開平７−５７８８６号公報（従来技術
２）には、無電極放電灯を調光点灯するものが示されて
いる。この従来技術２は、無電極放電灯を点滅あるいは
時分割調光するものであって、調光を深くしたときの点
灯不安定状態を回避することを目的としている。その構
成としては、点灯期間の下限値を所定時間（無電極放電
灯が点灯に至るまでの時間と点灯後高周波電力供給手段
の出力が安定に至るまでの時間とを加えた時間）以上に
するものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来技術１は、上記作
用効果を期待できるものであるが、無電極放電灯の発光
効率について改善の余地があることが分かった。

【０００８】すなわち、従来技術１は、無電極放電灯の
熱時定数または光出力変動時間（この光出力変動時間の
定義は後記する。）について考慮されていない。しか
し、後で詳細を記載するように、光出力変動時間、さら
には光出力変動時間と包絡線の周期との関係は発光効率
に大きく影響するものであることが判明した。

【０００９】従来技術２は、従来技術１と同様に無電極
放電灯の光出力変動時間について一切考慮されていな
い。しかも、無電極放電灯を点滅あるいは時分割調光す
るものであって、点灯させる制御信号のオン期間のみ無
電極放電灯を点灯させるものであるから、光出力変動時
間を相対的に小さくし、かつ、制御信号のオン、オフ周
期は無電極放電灯の光出力変動時間より大きくするもの
であると推測される。しかし、このような従来技術２の
関係では、発光効率を高めることができないものであっ
た。

【００１０】本発明は、光出力のちらつき、立消えとい
った不安定な放電現象を抑制でき、かつ、発光効率を高
く維持できる無電極放電灯、無電極放電灯装置および照
明装置を提供することを目的とする。

【００１１】また、本発明は、無電極放電灯を光出力の
ちらつき、立消えといった不安定な放電現象の抑制、高
発光効率の維持を達成しながら調光点灯可能にすること
を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明によ
る無電極放電灯は、透光性バルブと；透光性バルブ内に
封入された放電媒体と；を具備してなり、周波数が１Ｍ
Ｈｚ以上の第１のレベルの高周波交流電圧を印加されて
安定点灯している状態から高周波交流電圧を第２のレベ
ルに段階的に立上げた場合、光出力が安定状態に達する
までの時間を光出力変動時間としたとき、この光出力変
動時間が７ｍｓｅｃ以上であることを特徴としている。

【００１３】本願発明者らは、無電極放電灯の放電の不
安定性、発光効率について種々研究し、実験を重ねた結
果、つぎの結論を得た。すなわち、放電の不安定さを改
善するには、無電極放電灯を付勢する高周波交流電圧が
繰返し変化する包絡線を有していることが有効である。
特に、包絡線における瞬時値の最小値／最大値が０．７
以下であることが好ましい。

【００１４】また、発光効率については、前記包絡線の
繰返し周期が、無電極放電灯の光出力変動時間より小さ
いことが有効である。あるいは、一部または全部が重複
するかも知れないが、無電極放電灯の光出力の瞬時値の
最小値／最大値が０．４以上になるように、前記光出力
変動時間と包絡線の周期とを関係付けることが有効であ
る。

【００１５】以下、これらの点について詳細に説明す
る。

【００１６】まず、請求項１以下の発明において、光出
力変動時間とは、つぎのように定義する。定義に先だ
ち、定義に使用する図の説明をする。

【００１７】図１は無電極放電灯の光出力を測定する状
態を簡略化して示す図、図２は高周波交流電圧波形と光
出力との関係を示す図である。

【００１８】図１に示すように、高周波発生手段１にて
付勢されて点灯している無電極放電灯２の光出力を受光
器３（例えば浜松ホトエレクトロニクス社製のシリコン
フォトダイオードＳ１１３３）にて受光し、デジタルオ
シロスコープ４（例えばテクトロＴＤＳ５４０）で光出
力の変化を曲線として表す。図２（ａ）は高周波交流電
圧波形を示し、図２（ｂ）はデジタルオシロスコープ４
で得られた光出力の変化を示している。そして、図２
（ａ）の高周波交流電圧を第１のレベルＶ１から第２の
レベルＶ２に段階的に変化させたときに、光出力が図２
（ｂ）に示すように、第１のレベルＶ１での安定点灯時
の光出力Ｌ１から第２のレベルＶ２での安定点灯時の光
出力Ｌ２に達するまでの時間Ｔを光出力変動時間とす
る。このような光出力変動時間は、無電極放電灯２の透
光性バルブの大きさ、形状、透光性バルブ内に封入する
放電媒体のガス圧等により、任意に設計可能である。

【００１９】つぎに、無電極放電灯の光出力変動時間と
発光効率との関係について説明する。

【００２０】図３は実験装置を示すブロック図、図４は
高周波交流電圧波形の一例を示す図である。

【００２１】図３において、３１は交流電源、３２は高
周波発生手段、３８は無電極放電灯である。高周波発生
手段３２は、交流電源３１の出力を直流電圧に変換する
ＡＣ／ＤＣ変換器３３、ＡＣ／ＤＣ変換器３３の出力に
含ませるリップルの大きさ、周期を変化させるリップル
発生器３４を有する。また、ＡＣ／ＤＣ変換器３３の出
力を高周波交流電圧たとえば１３．５６ＭＨｚの交流電
圧に変換するＤＣ／ＲＦ変換器３５、このＤＣ／ＲＦ変
換器３５と励起手段としての励起コイル３６との間に介
在するインピーダンス整合回路３７を有している。図４
は、周波数が１３．５６ＭＨｚ、包絡線の相対的に小さ
い第１のレベルと相対的に大きい第２のレベルとの繰返
し周波数が１００Ｈｚ、相対的に大きい第２のレベルの
デューティが５０％、第１のレベル／第２のレベルが
０．４５の場合の高周波交流電圧波形を示している。こ
のような実験装置で点灯した結果はつぎのとおりであっ
た。

【００２２】図５は光出力変動時間と相対発光効率との
関係を示す図である。ここで、相対発光効率とは、フラ
ットな包絡線を有する高周波交流電圧をインピーダンス
整合回路３７に入力して点灯した場合を１００％とし、
これに対する相対的な光出力を意味している。図５中の
○印は、無電極放電灯の放電媒体中の緩衝ガスとしてク
リプトンを主として封入した場合を示し、×印は同じく
キセノンを主として封入した場合を示している。図５か
ら分かるように、光出力変動時間を大きくするにしたが
って相対発光効率を高くできる。

【００２３】図６は、正弦波状脈流波形（図１９（ａ）
参照）の包絡線を有する高周波交流電圧で無電極放電灯
を点灯させた場合の光出力変動時間と相対発光効率との
関係を示す図である。なお、この場合の相対発光効率
は、交流電源電圧を略フラットな直流電圧に平滑し、こ
の直流電圧を高周波交流電圧に変換して点灯した場合を
１００％とし、これに対する相対的な光出力を意味して
いる。図６中の曲線（ａ）は包絡線の繰返し周波数が１
００Ｈｚ、同（ｂ）は周波数が２００Ｈｚ、同（ｃ）は
周波数が６００Ｈｚの場合を示している。図６から分か
るように、光出力変動時間に対して包絡線の繰返し周期
を小さく（周波数を大きく）していくにしたがって、相
対発光効率を高くできる。

【００２４】図７は、包絡線の繰返し周波数と相対発光
効率との関係を示す曲線図である。図７において、曲線
（ａ）はクリプトン６６．７ＫＰａ（５００ｔｏｒｒ）
を封入した無電極放電灯（光出力変動時間：約３５ｍｓ
ｅｃ）を点灯した場合、同（ｂ）はクリプトン１６．７
ＫＰａ（１２５ｔｏｒｒ）を封入した無電極放電灯（光
出力変動時間：約７ｍｓｅｃ）を点灯した場合を示して
いる。図７からも、上記したように繰返し周波数を大き
くすることにより、相対発光効率が高くなることが分か
る。

【００２５】図８、図９はそれぞれ封入ガスとして主に
クリプトンおよびヨウ化金属を封入した場合のガス圧と
相対発光効率との関係を示す図である。そして、図８は
図４のような包絡線で、低レベル／高レベルが０．４
５、高レベルのデューティが５０％の場合、図９は正弦
波交流電圧を全波整流した脈流電圧を正負対称にした包
絡線を有する高周波交流電圧で点灯した場合である。図
１０は同じくガス圧と光出力変動時間との関係を示す図
である。ここで、無電極放電灯は、短径が２３ｍｍ、長
径が２９ｍｍ、厚さが約１ｍｍの石英ガラスからなる回
転楕円体の透光性バルブを有するものである。

【００２６】図１０から明らかなように、透光性バルブ
をある形状としたとき、ガス圧が１６．７ＫＰａ（１２
５ｔｏｒｒ）以上であれば光出力変動時間は７ｍｓｅｃ
以上であった。

【００２７】また、図８、図９から、繰返し周波数が大
きければ、ガス圧を小さくして光出力変動時間を小さく
しても、相対発光効率の低下が少ないことが分かる。

【００２８】図１１は封入ガス圧を変化させたときの熱
時定数（ここでは光出力変動時間と同じ。）と、相対発
光効率を低下させないための繰返し周波数との関係を示
す図であり、封入ガスが主としてクリプトンの場合であ
る。図１１に示すように、ガス圧が１６．７ＫＰａ（１
２５ｔｏｒｒ）で熱時定数が７ｍＳｅｃの場合には約１
４２Ｈｚ以上、同じく３３．３ＫＰａ（２５０ｔｏｒ
ｒ）で１４ｍＳｅｃの場合には約７２Ｈｚ以上、６６．
７ＫＰａ（５００ｔｏｒｒ）で３５ｍＳｅｃの場合には
約２９Ｈｚ以上で点灯することが必要である。これによ
って、いずれの場合も相対発光効率を９０％以上にでき
た。この関係は、封入ガスをアルゴン等他のガスとした
場合、気密容器を他の形状にした場合も同様であった。

【００２９】以上のように、無電極放電灯の光出力変動
時間と、繰返し周波数とは発光効率に密接に関係してい
ることが分かる。

【００３０】以上の知見により、請求項１記載の発明
は、上記のように光出力変動時間を７ｍｓｅｃ以上に規
定したものである。光出力変動時間が７ｍｓｅｃ以上で
あれば、包絡線の繰返し周波数をたとえば１４２Ｈｚと
しても、繰返し周期を光出力変動時間以下にすることが
できる。したがって、人間が光のちらつきと感じる周波
数以上に設定可能になる。また、交流電圧を整流して繰
返し変化する包絡線を得る場合、商用の交流電圧（５０
Ｈｚ、６０Ｈｚ）をそのままあるいは若干の波形変形を
行うことにより利用可能になる。

【００３１】請求項１および以下の発明において、無電
極放電灯は光出力変動時間の点を除けばどのような構成
であってもよい。たとえば、透光性バルブに封入される
放電媒体としては、エネルギを供給されることにより可
視光、紫外光、赤外光等の光照射を行う全ての媒体を含
む。一例としては、ナトリウム、スカンジウム、セリウ
ム、ネオジウム、タリウムおよび錫の各よう化物または
塩化物などのようにハロゲン化金属の形態で封入された
発光金属、水銀などの発光金属、クリプトン、アルゴン
およびキセノンなどの発光ガス等が用いられる。本発明
の無電極放電灯は、上記実験例で示したように比較的高
圧に放電媒体が封入されるものである。これによって、
大きい光出力を得られる。なお、緩衝ガスとして水銀を
含まないことが、気密容器の内部圧力を過剰に大きくし
ない点で好ましい。内部圧力を過剰に大きくしないこと
により、イオン化された発光金属の再結合が少なくな
り、イオンの残留が多くなって放電が消弧し難くなる。

【００３２】また、高周波交流電圧の周波数は１ＭＨｚ
以上であればよいが、放射雑音による他の電気機器への
悪影響を少なくできる点で、２．６ＭＨｚ〜１５ＭＨｚ
であることが好ましい。

【００３３】請求項２記載の発明による無電極放電灯装
置は、無電極放電灯と；無電極放電灯に周波数が１ＭＨ
ｚ以上の第１のレベルの高周波交流電圧を印加して安定
点灯している状態から高周波交流電圧を第２のレベルに
段階的に立上げた場合、無電極放電灯の光出力が安定状
態に達するまでの時間を光出力変動時間としたとき、こ
の光出力変動時間以下の周期で繰返し変化する包絡線を
有し、かつ、周波数が１ＭＨｚ以上である高周波交流電
圧を出力して無電極放電灯を付勢する高周波発生手段
と；を具備していることを特徴とする。

【００３４】光出力変動時間および包絡線の繰返し周期
の関係が、発光効率に密接に関係することは既に述べた
とおりである。

【００３５】さらに、ここでは、無電極放電灯の放電の
不安定性と包絡線との関係を説明する。

【００３６】図１２は、図４のような包絡線の瞬時値の
最小値／最大値と、インピーダンス整合回路３７への入
力電力との関係に対する寿命末期状態である無電極放電
灯３８の放電の不安定領域および安定領域を示す図であ
る。図１２から明らかなように、包絡線の瞬時値の最小
値／最大値を小さくする（すなわち、周期的に変化させ
る。）ことにより安定領域が広がっている。すなわち、
完全平滑時（最小値／最大値が１．０）には、２９０Ｗ
入力で不安定点灯するものが存在したが、包絡線の瞬時
値の最小値／最大値を約０．８にしたときには３００Ｗ
入力、０．６５にしたときには３２０Ｗ入力でも安定点
灯する。このことは、寿命末期状態の無電極放電灯に対
する電力が増加しても放電の不安定を抑制できることを
意味する。なお、図１２は一例として入力電力が百ワッ
トオーダーの場合を示しているが、例えば透光性バルブ
の容積を変えることによって入力電力を増減することが
できる。例えば数キロワットオーダーあるいはそれ以上
にしてもよい。そして、いずれの場合も上述の傾向は同
じであった。したがって、本発明は、入力電力が百ワッ
トオーダーの場合に限定されるものではない。

【００３７】以上のように、周期的に変化する包絡線を
有する高周波交流電圧で点灯することにより、無電極放
電灯の放電の不安定を抑制できることが分かる。

【００３８】したがって、請求項２記載の発明は、上記
のように、光出力変動時間以下の周期で変化する包絡線
を有する高周波交流電圧で無電極放電灯を付勢すること
を規定したものである。これにより、相対発光効率が高
くなり、かつ、放電の不安定性が抑制される。

【００３９】請求項２および以下の発明において、高周
波発生手段は、高周波変換装置として各種のインバータ
を使用できるものである。たとえば、ハーフブリッジ
形、フルブリッジ形、並列形、一石形等のものを使用で
きる。そして、これらインバータのスイッチング素子と
しても、電界効果トランジスタ、バイポーラトランジス
タ等適宜使用できる。

【００４０】また、包絡線は、正弦波を正負対称にした
波形、三角波を正負対称にした波形、最大値、最小値が
段階的に変化するもの等どのようなものでもよい。そし
て、最大値、最小値が段階的に変化するものである場
合、最大値のデューティは適宜設定可能である。本願発
明者らの実験によれば、前記デューティを２０〜８０％
の間で変化させても略同様の結果が得られた。また、包
絡線の最小値は、零電圧より大きい（たとえば無電極放
電灯の放電維持電圧より大きい）ことが、発光効率をよ
り高くできる点で好ましいが、これに限られるものでは
ない。

【００４１】また、高周波発生手段は、必要に応じてイ
ンピーダンス整合回路を用いることができる。このイン
ピーダンス整合回路は、高周波変換装置と、励起手段お
よび無電極放電灯との間に介在して、力率改善、電力の
反射抑制等の作用を行う。このようなインピーダンス整
合回路は、インダクタ、キャパシタを主として適宜構成
され得るものである。

【００４２】請求項３記載の発明は、無電極放電灯と；
繰返し変化する包絡線を有し、かつ、周波数が１ＭＨｚ
以上の高周波交流電圧を出力する高周波発生手段と；を
具備し、前記無電極放電灯および前記高周波発生手段
は、無電極放電灯の光出力の瞬時値の最小値／最大値が
０．４以上になるように設定されていることを特徴とす
る。

【００４３】無電極放電灯の光出力の瞬時値の最小値／
最大値と発光効率との関係を以下に説明する。

【００４４】図１３は光出力を示す図、図１４は光出力
の瞬時値の最小値／最大値と相対発光効率との関係を示
す図である。なお、図１３の光出力は図１と同様の測定
によって得られたものであり、脈動する光出力のＡを最
大値、Ｂを最小値としている。そして、図１４から明ら
かなように、最小値／最大値を０．４以上にすることに
より、相対発光効率を９０％以上の高いものにできるこ
とが分かる。

【００４５】したがって、請求項３記載の発明は、無電
極放電灯の光出力の瞬時値の最小値／最大値を０．４以
上にすることを規定している。光出力の最大値、最小値
が、光出力変動時間と包絡線の繰返し周波数とにより決
定されることは、これまでの説明から容易に理解される
であろう。

【００４６】請求項４記載の発明は、請求項２または３
記載の無電極放電灯装置において、高周波発生手段が、
相対的に小さい第１のレベルと相対的に大きい第２のレ
ベルとを段階的に繰返す包絡線を有する高周波交流電圧
を出力するものであることを特徴とする。

【００４７】本発明の包絡線を有する高周波交流電圧波
形の一例は、図４に示されている。

【００４８】請求項４および以下の発明において、包絡
線は正負対称であることが好ましいが、これに限られる
ものではない。

【００４９】請求項５記載の発明は、請求項２または３
記載の無電極放電灯装置において、高周波発生手段は、
正弦波状脈流波形の包絡線を有する高周波交流電圧を出
力するものであることを特徴とする。

【００５０】ここで、正弦波状脈流波形とは、正弦波交
流電圧を全波整流した波形を正負対称にしたような波形
であり、一例としては、図１７、図１９（ｂ）、図２６
（ｃ）に示すものである。これらの図に関する説明は後
述する。なお、この発明においても、正負対称であるこ
とが好ましいが、これに限られるものではない。また、
完全な正弦波の他、正弦波に類似した波形も含む。

【００５１】請求項６記載の発明は、請求項２または３
記載の無電極放電灯装置において、高周波発生手段は、
正弦波状脈流波形の谷部を削除した間欠的な包絡線を有
する高周波交流電圧を出力するものであることを特徴と
する。

【００５２】本発明の包絡線を有する高周波交流電圧の
一例は図２６（ｃ）に示されるものであり、説明は後述
する。

【００５３】請求項７記載の発明は、請求項２または３
記載の無電極放電灯装置において、高周波発生手段は、
正弦波状脈流波形の谷部を谷埋めした波形の包絡線を有
する高周波交流電圧を出力するものであることを特徴と
する。

【００５４】本発明の包絡線を有する高周波交流電圧の
一例は図１９（ａ）に示されるものであり、説明は後述
する。

【００５５】請求項８記載の発明は、特許請求の範囲２
ないし７のいずれか一記載の無電極放電灯装置におい
て、前記高周波発生手段は、瞬時値の最小値／最大値が
０．７以下の包絡線を有する高周波交流電圧を出力する
ものであることを特徴とする。

【００５６】図１２から明らかなように、包絡線の瞬時
値の最小値／最大値が０．７を境として、これより小さ
くするにしたがって、安定領域が大きく広がっている。
したがって、請求項８記載の発明は、特に好ましい範囲
として、包絡線の瞬時値の最小値／最大値が０．７以下
であることを規定している。

【００５７】請求項９記載の発明は、特許請求の範囲２
ないし４、７および８のいずれか一記載の無電極放電灯
装置において、前記高周波発生手段は、瞬時値の最小値
が無電極放電灯の放電を維持可能である包絡線を有する
高周波交流電圧を出力するものであることを特徴とす
る。

【００５８】周期的に変化する包絡線を有する高周波交
流電圧で点灯する場合、包絡線の最小値の電圧値設定に
より（繰返し周波数、最小値のデューティも関係す
る。）、包絡線の最小値の期間では、無電極放電灯にお
けるアーク放電路長が短くなる（アークリングの径が小
さくなる。）とともに、アークの温度が低下することが
ある。アーク放電路長が短くなると、励起手段としての
励起コイルとの結合係数が悪くなって、エネルギが無電
極放電灯に伝達され難くなるため、発光効率が低下す
る。また、アークの温度が低下すると、アーク中の電子
のエネルギが小さくなるため、発光金属や発光ガスの原
子に衝突しても励起し難くなるため、入力された電力が
発光に寄与しない割合が増加して、発光効率が低下す
る。

【００５９】したがって、請求項９記載の発明は、包絡
線の最小値を上記のように規定している。これにより、
アーク放電路が短くなったり、温度が低下したりするこ
とによる発光効率の低下を防止可能である。

【００６０】本発明において、放電を維持可能とは、既
に点灯している無電極放電灯を立消えさせないことを意
味し、始動点灯させることまでをも要件とするものでは
ない。

【００６１】請求項１０記載の発明は、請求項２ないし
９のいずれか一記載の無電極放電灯装置において、高周
波発生手段は、包絡線の振幅を少なくとも部分的に変化
させることによって無電極放電灯の光出力を変化させる
ものであることを特徴とする。

【００６２】振幅を変化することにより、無電極放電灯
に供給される電力が変化し、もって、無電極放電灯は調
光点灯される。この場合、無電極放電灯に供給される電
力が変化できればよく、したがって、包絡線の振幅を変
化させる手段はどのようなものであってもよい。たとえ
ば、周期的に変化する直流電圧を高周波変換装置で高周
波交流電圧に変換するようなものにあっては、高周波変
換装置の入力および出力の一方または両方を制御するこ
とによって包絡線の振幅を変化させるようにすることが
できる。また、振幅を変化する期間は、部分的であって
も、全期間であってもよい。いずれにしても、光出力変
動時間と包絡線の繰返し周波数との関係、あるいは光出
力の変動率を上記のように設定してあるから、発光効率
を高く維持し、かつ、放電の不安定を抑制しながら、調
光点灯が可能になる。

【００６３】なお、光出力を変化させるとは、いわゆる
調光点灯させる他、光出力一定化制御のように、光出力
を調整するものであってもよい。

【００６４】請求項１１記載の発明は、請求項２ないし
４および７ないし９のいずれか一記載の無電極放電灯装
置において、高周波発生手段は、包絡線の相対的に小さ
いレベルを変化させることによって無電極放電灯の光出
力を変化させるものであることを特徴とする。

【００６５】相対的に小さいレベルのみを変化させるこ
とにより、無電極放電灯に供給される電力が変化し、も
って、無電極放電灯は調光点灯される。

【００６６】本発明において、相対的に大きいレベルを
変化させない理由は、相対的に大きいレベルとしては、
無電極放電灯の点灯維持に適正な値に固定しておくこと
が電源容量の点、定数設計の点等から有利だからであ
る。

【００６７】請求項１２記載の発明は、請求項６記載の
無電極放電灯装置において、高周波発生手段は、正弦波
状脈流波形の谷部を削除した間欠的な包絡線の削除位相
を変化することによって光出力を変化させるものである
ことを特徴とする。

【００６８】請求項１３記載の発明による照明装置は、
照明器具本体と；無電極放電灯を照明器具本体に支持さ
れた請求項２ないし１２のいずれか一記載の無電極放電
灯装置と；を具備していることを特徴とする。

【００６９】

【発明の実施の形態】つぎに、本発明の第１の実施形態
を説明する。

【００７０】図１５は本発明の第１の実施形態の回路
図、図１６は同じく出力電圧波形図、図１７は異なる出
力電圧波形図である。１５１は交流電源たとえば５０Ｈ
ｚの商用電源である。１５２は高周波発生手段であっ
て、繰返し周波数が１００Ｈｚ以上で最小値／最大値が
０．７以下の包絡線を有する高周波交流電圧を出力する
ものである。高周波交流電圧は、周波数が１ＭＨｚ以上
たとえば１３．５６ＭＨｚである。本実施形態の高周波
発生手段１５２を詳細に説明する。１５３は高周波カッ
トフィルタ、１５４は整流装置である。１５５は平滑化
手段たとえば昇圧チョッパで、整流装置１５４の出力電
圧を昇圧して平滑化された直流電圧にする。また、この
平滑化手段１５５は、アクティブフィルタとしても作用
し、交流電源１５１からの入力電流の高調波を低減して
正弦波化する。すなわち、平滑化手段１５５は、インダ
クタ１５６、スイッチング素子１５７、逆流防止用ダイ
オード１５８、平滑コンデンサ１５９およびスイッチン
グ素子１５７の駆動装置１６０を含んで形成されてい
る。このような平滑化手段１５５自体は周知である。１
６１は高周波変換装置で、前記平滑化手段１５５からの
直流出力電圧を高周波交流電圧に変換する。本実施形態
では、周知のハーフブリッジ形のもので、一対のスイッ
チング素子１６２、１６３、これらスイッチング素子１
６２、１６３の駆動装置１６４および周波数変調装置１
６５を含んで形成されている。１６６はインピーダンス
整合回路で、高周波変換装置１６１の出力に対して共振
する共振回路をも兼用している。

【００７１】１６７は励起手段たとえば励起コイルであ
り、１６８は無電極放電灯である。無電極放電灯１６８
は、内部に放電媒体が封入された透光性バルブを有して
おり、光出力変動時間が１０ｍｓｅｃ以上のものであ
る。透光性バルブは、たとえば石英ガラス、多結晶アル
ミナ等により、球状、筒状等の形状に形成される。

【００７２】なお、必要に応じて、無電極放電灯１６８
を始動させるための始動手段（図示しない。）が適宜用
いられる。

【００７３】つぎに、本実施形態の作用を説明する。図
示しない電源スイッチを投入することにより、交流電源
１５１の出力電圧は整流装置１５４で全波整流され、平
滑化手段１５５で平滑化直流電圧に変換される。さら
に、この平滑化直流電圧は、高周波変換装置１６１で高
周波交流電圧に変換され、インピーダンス整合回路１６
６を介して無電極放電灯１６８に給電される。高周波変
換装置１６１では、周波数変調装置１６５により、たと
えば１００Ｈｚ毎にスイッチング素子１６２、１６３の
スイッチング周波数を段階的に変化させる。したがっ
て、インピーダンス整合回路１６６の共振条件との関係
により無電極放電灯１６８に印加される電圧波形は、図
１６のようになる。すなわち、１００Ｈｚ毎に高圧部と
低圧部とを繰返す包絡線を有するものとなる。高圧部の
デューティはたとえば５０％である。また、この包絡線
の瞬時値の最小値／最大値は、０．７以下たとえば０．
５である。

【００７４】なお、周波数変調装置１６５は、段階的に
周波数を変化させる他、連続的に変化させるようなもの
であってもよい。この場合、無電極放電灯１６８への印
加電圧は、図１７のようになる。

【００７５】つぎに、本発明の第２の実施形態を説明す
る。図１８は本発明の第２の実施形態の回路図である。
図１９は同じく出力電圧波形図である。図１８におい
て、図１５と同じあるいは対応する部分には同じ符号を
付してある。本実施例の高周波発生手段１８０は、平滑
化手段１８１として、いわゆる部分平滑手段を用いたも
のである。すなわち、整流装置１５４の出力端間にダイ
オード１８２を中間に介在した第１、第２の平滑コンデ
ンサ１８３、１８４を接続している。そして、各平滑コ
ンデンサ１８３、１８４に対して放電経路を形成するダ
イオード１８５、１８６を接続している。このような平
滑化手段１８１は、第１、第２の平滑コンデンサ１８
３、１８４が整流装置１５４の出力電圧の瞬時値が相対
的に大きい期間にそれぞれ整流装置１５４の出力電圧の
ピーク値の１／２の電圧に充電される。そして、整流装
置１５４の出力電圧の瞬時値が相対的に小さい期間に、
各平滑コンデンサ１８３、１８４の充電電荷は、高周波
変換装置１６１’に放電される。したがって、高周波変
換装置１６１’の出力電圧波形は、図１９（ａ）のよう
になる。この場合、包絡線の最小値／最大値は約０．５
である。

【００７６】本実施形態の作用は、これまでの説明から
容易に理解されるので、説明を省略する。なお、本実施
形態において、平滑手段１８１を省略すれば、図１９
（ｂ）に示されるような正弦波脈流状波形の包絡線を有
する高周波交流電圧を出力するものになる。

【００７７】つぎに、本発明の第３の実施形態を説明す
る。図２０は本発明の第３の実施形態の回路図、図２１
は同じく出力電圧波形図である。図２０においても、図
１５または図１８と同じあるいは対応する部分には同じ
符号を付してある。本実施形態の平滑化手段１５５’
は、図１５の平滑化手段１５５に対して、ＯＮ／ＯＦＦ
回路２０１を設けたものである。このＯＮ／ＯＦＦ回路
２０１は、駆動回路１６０を周期的たとえば１００Ｈｚ
でオンオフさせる。したがって、オン時には駆動回路１
６０がスイッチング素子１５７を駆動して所定の昇圧作
用を行わせる。また、オフ時には駆動回路１６０がスイ
ッチング素子１５７を駆動しないから、昇圧作用を行わ
ず、整流装置１５４の出力がそのまま高周波変換装置１
６１’に入力される。したがって、高周波変換装置１６
１’の出力電圧波形は図２１のようになる。なお、本実
施形態において、ＯＮ／ＯＦＦ回路２０１によるオフ期
間は、整流装置１５４の脈流電圧の零電圧部と一致させ
ないことが好ましい。

【００７８】つぎに、本発明の第４の実施形態を説明す
る。図２２は本発明の第４の実施形態の回路図、図２３
は同じく各部の出力電圧波形および光出力波形図であ
る。図２２においても、これまでの実施形態を示す図と
同じあるいは対応する部分には同じ符号を付してある。

【００７９】本実施形態は、無電極放電灯１６８を調光
点灯可能にしたものである。本実施形態は交流電源１５
１の電圧を直流化するためのＡＣ／ＤＣ変換器２２１を
有し、このＡＣ／ＤＣ変換器２２１に駆動信号を供給し
て、図２３（ａ）に示すように周期的に変化する直流電
圧を出力する。このようなＡＣ／ＤＣ変換器２２１は、
たとえば図１５の平滑化手段１５５を主として構成する
ことができる。この場合、電圧値を周期的に変化させる
にはスイッチング装置１５７のオンデューティを周期的
に変化させればよい。そして、本実施形態ではさらに、
低レベルの電圧値を調光信号に応じて変化させる。この
場合も、スイッチング装置１５７のオンデューティを変
化させることにより実現可能である。

【００８０】２２２は高周波変換装置であり、前記ＡＣ
／ＤＣ変換器２２１の出力電圧を図２３（ｂ）に示すよ
うな、周期的に変化する包絡線を有する高周波交流電圧
に変換する。また、２２３は整合回路で、高周波変換装
置２２２および励起手段１６７の間に介在している。

【００８１】つぎに、本実施形態の作用を説明する。高
周波変換装置２２２の出力が図２３（ｂ）に示す波形で
あるとき、光出力波形は図２３（ｃ）である。これに対
して、ＡＣ／ＤＣ変換器２２１の出力電圧の低レベルの
電圧Ｖ１の値を図２３（ａ）より小さくすると、高周波
交流電圧は図２３（ｄ）のようになり、光出力は図２３
（ｅ）のようになる。また、ＡＣ／ＤＣ変換器２２１の
出力電圧の低レベルの電圧Ｖ１の値を図２３（ａ）より
大きくすると、高周波交流電圧は図２３（ｆ）のように
なり、光出力は図２３（ｇ）のようになる。ここで、光
出力波形が図２３（ｃ）であるときを全光点灯とする
と、図２３（ｅ）の状態は減光点灯であり、図２３
（ｇ）の状態は増光点灯である。

【００８２】なお、調光点灯する場合、図２４のように
してもよい。すなわち、図２４は高周波交流電圧の包絡
線の高レベルのオンデューティも変化させるものであ
る。図２４（ａ）は増光点灯する場合の高周波交流電圧
波形を示し、同（ｂ）は減光点灯する場合の高周波交流
電圧波形を示している。このようにすることにより、一
層調光度を深くすることができる。

【００８３】また、以上のことから、レベルを変化させ
るのではなく、高レベル（言い換えれば低レベル）のデ
ューティを変化させるだけでも調光可能であることが理
解されるであろう。

【００８４】つぎに、本発明の第５の実施形態を説明す
る。図２５は本発明の第５の実施形態の回路図、図２６
は同じく各部の出力電圧波形および光出力波形図であ
る。図２５においても、これまでの実施形態を示す図と
同じあるいは対応する部分には同じ符号を付してある。
本実施形態も調光点灯可能にしたものである。図２５に
おいて、２５１は位相制御装置であって、全波整流装置
１５４で全波整流された脈流電圧の谷部を削除するもの
である。このような位相制御装置２５１はたとえばつぎ
のように構成することができる。すなわち、全波整流装
置１５４の出力端と高周波変換装置１６１’（２２２）
の間にスイッチング装置２５２を設け、このスイッチン
グ装置２５２の導通位相を制御するようにしている。２
５３は前記スイッチング装置２５２の駆動回路であり、
２５４は脈流電圧のゼロクロスを検出するゼロクロス検
出回路である。２５５はゼロクロス検出時点からスイッ
チング装置２５２をオンする時期（位相）に駆動回路に
オン信号を供給する第１のタイマ回路、２５６はゼロク
ロス検出時点からスイッチング装置２５２をオフする時
期（位相）に駆動回路にオフ信号を供給する第２のタイ
マ回路である。２５７は調光信号に応じて第１、第２の
タイマ回路２５５、２５６のオン信号またはオフ信号の
出力時期（位相）を変化させる調光回路である。

【００８５】つぎに、本実施形態の作用を説明する。全
波整流装置１５４の出力電圧は図２６（ａ）のようにな
る。ゼロクロス検出回路２５４は、図２６（ａ）の脈流
電圧のゼロクロス点を検出し、第１、第２のタイマ回路
２５５、２５６それぞれに供給する。第１、第２のタイ
マ回路２５５、２５６は、ゼロクロス点から予め調光回
路２５７にて設定された時点（位相）でオン信号または
オフ信号を出力する。したがって、位相制御装置２５２
の出力電圧は図２６（ｂ）のようになり、高周波変換装
置１６１’は図２６（ｃ）の包絡線を有する高周波交流
電圧を出力する。調光回路２５７が、調光信号に応じて
オン信号、オフ信号の出力時期（位相）を変化すると、
高周波交流電圧の包絡線の谷部を削除される位相（θ）
が変化し、これによって、調光点灯可能であることが理
解される。本実施形態では、スイッチング装置２５２を
脈流電圧の全期間オンさせた場合が、フル点灯状態にな
る。

【００８６】なお、本実施形態の位相制御装置２５１を
省略した場合には、図２６（ａ）を正負対称にした包絡
線を有する高周波交流電圧を出力するものになる。そし
て、この場合に調光（光出力変化）する手段としては、
図１５に示すような高周波変換装置１６１のスイッチン
グ素子１６２、１６３のゲート電圧を変化させるように
してもよい。図１５のようなスイッチング素子１６２、
１６３は、ゲート電圧に応じて通流する電流が変化する
から、出力電圧の振副が変化する。この場合には、高周
波交流電圧の周波数を変化させる必要がないから、周波
数を固定化でき、高周波障害を生じ難い。

【００８７】つぎに、本発明の第６の実施形態を説明す
る。図２７は本発明の第６の実施形態の回路図である。
図２７においても、これまでの実施形態を示す図と同じ
あるいは対応する部分には同じ符号を付してある。本実
施形態も調光点灯可能にしたものである。図２７におい
て、高周波変換装置１６１’’は、図１５の高周波変換
装置１６１に類似しているが、入力電圧値に応じて出力
周波数を変化させるＶＦ変換器２７１を有している点
で、図１５のものと異なっている。そして、前記ＶＦ変
換器２７１に同図（ａ）に示す変調信号（調光信号）を
入力するようになっている。

【００８８】本実施形態の作用を説明する。ＶＦ変換器
２７１に入力する変調信号の低レベルおよび高レベルの
一方または両方を変化させることにより、これに応じて
ＤＣ／ＲＦ変換器の出力電圧の包絡線も変化する。した
がって、同図（ｂ）に示す包絡線の低レベルおよび高レ
ベルの一方または両方が変化し、調光点灯可能になる。

【００８９】図２８は照明装置の一実施形態を示す簡略
図である。２８０は照明器具本体で、無電極放電灯１６
８’を支持している。すなわち、本実施形態の無電極放
電灯１６８’は、支持用細管２８１を一体的に有してい
る。そして、この支持用細管２８１を支持固定するソケ
ット２８２が、内面が反射面を呈する反射体２８３の端
部付近に配置されている。また、前記反射体２８３の開
口を覆うように、たとえばプリズムからなる透光性カバ
ー２８４が配設されている。ここで、透光性カバー２８
４には、電磁波が外部に漏れることを防止するために、
金属メッシュ（図示しない。）が埋込まれていることが
好ましい。励起手段としての励起コイル１６７’の両端
部は、詳細な図示を省略するが、所要の絶縁処理を施さ
れて、腕状のアルミニウム等からなる導電体に接続され
ている。さらに、図示を省略したが、これまでに説明し
た高周波発生手段が前記導電体に電気的に接続される。
なお、高周波発生手段は、照明器具本体内に設けても、
本体外に設けてもよい。

【００９０】本実施形態の作用は容易に理解されるの
で、説明を省略する。なお、図２８中の矢印は、無電極
放電灯１６８’からの放射光を示す。

【００９１】

【発明の効果】請求項１記載の発明は、光出力変動時間
を７ｍｓｅｃ以上にしたから、高周波交流電圧の包絡線
の繰返し周波数を人間が光のちらつきを感じない周波数
にすることが容易になり、かつ、発光効率を高く維持で
きる無電極放電灯を提供できる。

【００９２】請求項２ないし９記載の発明は、無電極放
電灯の発光効率を高く維持できるとともに、放電の不安
定を抑制できる無電極放電灯装置を提供できる。

【００９３】請求項１０ないし１２記載の発明は、加え
て調光点灯可能な無電極放電灯装置を提供できる。

【００９４】請求項１３記載の発明は、光のちらつき、
無電極放電灯の立消え等を抑制でき、発光効率を高く維
持できる照明装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】無電極放電灯の光出力を測定する状態を簡略化
して示す図

【図２】高周波交流電圧波形と光出力との関係を示す図

【図３】実験装置を示すブロック図

【図４】高周波交流電圧波形の一例を示す図

【図５】光出力変動時間と相対発光効率との関係を示す
図

【図６】正弦波状脈流波形の包絡線を有する高周波交流
電圧で無電極放電灯を点灯させた場合の光出力変動時間
と相対発光効率との関係を示す図

【図７】包絡線の繰返し周波数と相対発光効率との関係
を示す曲線図

【図８】封入ガスとして主にクリプトンおよびヨウ化金
属を封入した場合のガス圧と相対発光効率との関係を示
す図

【図９】封入ガスとして主にクリプトンおよびヨウ化金
属を封入した場合のガス圧と相対発光効率との関係を示
す図

【図１０】同じくガス圧と光出力変動時間との関係を示
す図

【図１１】封入ガス圧を変化させたときの熱時定数と、
相対発光効率を低下させないための繰返し周波数との関
係を示す図

【図１２】包絡線の瞬時値の最小値／最大値と、インピ
ーダンス整合回路への入力電力との関係に対する寿命末
期状態である無電極放電灯の放電の不安定領域および安
定領域を示す図

【図１３】光出力を示す図

【図１４】光出力の瞬時値の最小値／最大値と相対発光
効率との関係を示す図

【図１５】本発明の第１の実施形態の回路図

【図１６】同じく出力電圧波形図

【図１７】異なる出力電圧波形図

【図１８】本発明の第２の実施形態の回路図

【図１９】同じく出力電圧波形図

【図２０】本発明の第３の実施形態の回路図

【図２１】同じく出力電圧波形図

【図２２】本発明の第４の実施形態の回路図

【図２３】同じく各部の出力電圧波形および光出力波形
図

【図２４】他の実施形態の出力電圧波形図

【図２５】本発明の第５の実施形態の回路図

【図２６】同じく出力電圧波形形図

【図２７】本発明の第６の実施形態の回路図

【図２８】照明器具の一実施形態を簡略化して示す図

【符号の説明】

１、３２、１５２、１８０…高周波発生手段７５、７５’、１０１…平滑化手段１６１、１６１’、１６１’’、２２２…高周波変換装
置２、３８、１６８…無電極放電灯２８０…照明器具本体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者井上昭浩東京都品川区東品川四丁目３番１号東芝ライテック株式会社内 (72)発明者山崎勇生東京都品川区東品川四丁目３番１号東芝ライテック株式会社内 (72)発明者清水恵一東京都品川区東品川四丁目３番１号東芝ライテック株式会社内 (72)発明者伊藤彰東京都品川区東品川四丁目３番１号東芝ライテック株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】透光性バルブと；透光性バルブ内に封入さ
れた放電媒体と；を具備してなり、周波数が１ＭＨｚ以上の第１のレベルの高周波交流電圧
を印加されて安定点灯している状態から高周波交流電圧
を第２のレベルに段階的に立上げた場合、光出力が安定
状態に達するまでの時間を光出力変動時間としたとき、
この光出力変動時間が７ｍｓｅｃ以上であることを特徴
とする無電極放電灯。
【請求項２】無電極放電灯と；無電極放電灯に周波数が
１ＭＨｚ以上の第１のレベルの高周波交流電圧を印加し
て安定点灯している状態から高周波交流電圧を第２のレ
ベルに段階的に立上げた場合、無電極放電灯の光出力が
安定状態に達するまでの時間を光出力変動時間としたと
き、この光出力変動時間以下の周期で繰返し変化する包
絡線を有し、かつ、周波数が１ＭＨｚ以上である高周波
交流電圧を出力して無電極放電灯を付勢する高周波発生
手段と；を具備していることを特徴とする無電極放電灯
装置。
【請求項３】無電極放電灯と；繰返し変化する包絡線を
有し、かつ、周波数が１ＭＨｚ以上の高周波交流電圧を
出力して無電極放電灯を付勢する高周波発生手段と；を
具備し、前記無電極放電灯および前記高周波発生手段は、無電極
放電灯の光出力の瞬時値の最小値／最大値が０．４以上
になるように設定されていることを特徴とする無電極放
電灯装置。
【請求項４】高周波発生手段は、相対的に小さい第１の
レベルと相対的に大きい第２のレベルとを段階的に繰返
す包絡線を有する高周波交流電圧を出力するものである
ことを特徴とする請求項２または３記載の無電極放電灯
装置。
【請求項５】高周波発生手段は、正弦波状脈流波形の包
絡線を有する高周波交流電圧を出力するものであること
を特徴とする請求項２または３記載の無電極放電灯装
置。
【請求項６】高周波発生手段は、正弦波状脈流波形の谷
部を削除した間欠的な包絡線を有する高周波交流電圧を
出力するものであることを特徴とする請求項２または３
記載の無電極放電灯装置。
【請求項７】高周波発生手段は、正弦波状脈流波形の谷
部を谷埋めした波形の包絡線を有する高周波交流電圧を
出力するものであることを特徴とする請求項２または３
記載の無電極放電灯装置。
【請求項８】高周波発生手段は、瞬時値の最小値／最大
値が０．７以下の包絡線を有する高周波交流電圧を出力
するものであることを特徴とする請求項２ないし７のい
ずれか一記載の無電極放電灯装置。
【請求項９】高周波発生手段は、瞬時値の最小値が無電
極放電灯の放電を維持可能である包絡線を有する高周波
交流電圧を出力するものであることを特徴とする請求項
２ないし４、７および８のいずれか一記載の無電極放電
灯装置。
【請求項１０】高周波発生手段は、包絡線の振幅を少な
くとも部分的に変化させることによって光出力を変化さ
せるものであることを特徴とする請求項２ないし９のい
ずれか一記載の無電極放電灯装置。
【請求項１１】高周波発生手段は、包絡線の相対的に小
さいレベルのみを変化させることによって無電極放電灯
の光出力を変化させるものであることを特徴とする請求
項２ないし４および７ないし９のいずれか一記載の無電
極放電灯装置。
【請求項１２】高周波発生手段は、正弦波状脈流波形の
包絡線の谷部の削除位相を変化することによって光出力
を変化させるものであることを特徴とする請求項５また
は６記載の無電極放電灯装置。
【請求項１３】照明器具本体と；無電極放電灯を照明器
具本体に支持された請求項２ないし１２のいずれか一記
載の無電極放電灯装置と；を具備していることを特徴と
する照明装置。