JP2005526362A - メタルハライドランプ駆動方法及び装置 - Google Patents

Abstract

メタルハライドランプ（１）を駆動する方法につき記述する。この方法は、ランプ内部に所望なイオン分布を得るように、ランプ内部に所望な方向で、且つ所望強度の光制御ＤＣ電界Ｅを発生する工程を含む。ランプにはＤＣ成分、好ましくは電流強度が一定で、デューティサイクルが５０％とは異なる転流電流を供給する。デューティサイクルを設定することにより、ランプ電流の所定平均値に設定して、ランプの効率及び/又は色温度に影響を与えることができる。

Description

本発明は、概して放電ランプ、特にＨＩＤランプ、もっと具体的に云えばメタルハライドランプを駆動するための方法及び装置に関する。

放電ランプは一般に知られている。一般に、これらのランプは、放電チャンバーを気密に包囲する光透過容器と、イオン化可能な封入物と、放電チャンバー内に互いに対向して位置付けられる一対の電極とを具えており、各電極は放電チャンバーからランプ容器を経て外部へと伸びる関連する電流導体に接続されている。動作（点灯）中、電圧が前記電極間に印加され、電極間に気体放電が起生して、電極間にランプ電流を流す。個々のランプは比較的広い範囲の動作電流で駆動させることができるが、ランプは一般的に特定のランプ電圧及びランプ電流で作動させて、特定の公称電力を消費するように設計されている。このような定格電力にて、ランプは定格の光量を発生する。ＨＩＤランプは当業者に周知であるため、それらの構成や動作についてはここでは詳細に説明しない。

高圧放電ランプは一般に転流ＤＣ（直流）電流を供給する電子安定器によって駆動される。このようなランプに対する電子安定器又は駆動装置は一般に、ＡＣ（交流）幹線電圧を受電する入力端子と、交流幹線電圧を整流ＤＣ電圧に整流する整流器と、整流した幹線ＤＣ電圧を高いＤＣ電圧に変換するＤＣ/ＤＣアップコンバータと、前記高いＤＣ電圧を低いＤＣ電圧（ランプ電圧）及び高いＤＣ電流（ランプ電流）に変換するダウンコンバータと、このＤＣ電流の方向を規則的に変えるコミュテータとを具えている。ダウンコンバータは、電流源のように作用する。一般的に、コミュテータは約１００Ｈｚ程度の周波数で動作する。従って、原則として、ランプは一定の大きさの電流で動作し、ランプ電流は極めて短い時間（転流期間）内でその方向を規則的に変化し、即ち、電極は各電流周期の５０％の期間中は陰極として動作し、各電流期間の他の５０％の期間中は陽極として動作する。この動作モードは方形波電流動作と称されている。

本発明の特徴の多くは種々のタイプのランプに適用し得るけれども、本発明は特にアスペクト比が比較的大きい、即ち、長さ/直径の比率が３もしくは４よりも大きいメタルハライドランプに関するものである。通常、アスペクト比は一般に２程度である。

メタルハライドランプの一つの問題は、それらの水平方位（水平方向の取付け姿勢）での特性と垂直方位（垂直方向の取付け姿勢）での特性が異なると云うことにある。水平方位では、粒子の空間分布が殆ど均一である。しかし、垂直方位では粒子の空間分布がランプの軸線に沿う位置に依存する。セグリゲーション（凝離）と称されるこの現象は対流及び拡散のような物理的効果により生じ、いずれもランプ内の大気状態によって決まる。セグリゲーションの量は圧力及びイオン化可能封入物の種類のような周囲状況に依存する。セグリゲーション効果は電極間隔が増大するにつれて、即ち、アスペクト比が大きくなるにつれて増大する。

メタルハライドランプでは、光は原子によって発生されるから、セグリゲーションの結果、ランプの中心軸線に沿う光強度及び光色がもはや一定にならなくなる。

本発明の一般的な目的は、メタルハライドランプの垂直方位における光発生能力を改善することにある。

特に、本発明はメタルハライドランプの効率を改善することを目的とする。

本発明の一見地での目的は、セグリゲーションの効果を相殺して、理想的には、ランプの中央軸線に沿う光強度及び光色をできるだけ一定に保つことにある。本発明の特別な目的は、ランプ方位に無関係に自動的に一定効率を維持するランプアセンブリを提供することにある。

本発明の他の見地での目的は、メタルハライドランプによって発生される光の強度、好ましくは色温度にも影響を与え得るようにすることにある。特に本発明の目的は、色温度を極めて大きな範囲に亘って変えることができる、色温度可変のランプアセンブリを提供することにある。

本発明は特に、ランプに流す電流が粒子分布に影響を及ぼすと云う認識に基づいて成したものである。本発明の主要点は斯かる識見により、メタルハライドランプがＤＣ成分を有する転流電流で動作されるようにする。ランプの種類に応じてこのＤＣ電流成分を変えることによって効率及び/又は色温度を変えるようにする。

本発明のこれら及び他の要点並びに特徴及び利点を、以下図面を参照してさらに説明する。

先ず、メタルハライドランプの一般的な動作及びランプ方位の影響について図１〜図４を参照して説明する。
図１は、参照番号１にて総称するメタルハライドランプの可能な一実施例を概略的に示したものである。このランプ１は、図示の例では円筒状をしており、内径がＤｉの光透過性の容器２を具えているが、他の形状とすることもできる。本発明にとって必須なことではないが、容器２はセラミック材料製とするのが好適であり、或いは石英で作ることもできる。容器２の長手方向の両端部は、コンパチブルな材料製のプラグ又はエンドキャップ３，４によって気密法にて閉成される。容器２とプラグ及び／又はエンドキャップ３，４は放電チャンバー５を包囲し、この放電チャンバーは容器２の内径Ｄｉに等しい直径を有し、且つエンドキャップ３と４との間の距離によって決定される軸長Ｌｉを有する。アスペクト比ＡＲは比Ｌｉ/Ｄｉとして規定される。

放電チャンバー５の内部には、２つの電極６，７が相互離間距離ＥＡで、且つ容器２の中心軸線にほぼ整列して配置される。電極導体８，９は電極６，７から気密法にてエンドキャップ３，４をそれぞれ経て外部へと延在する。エンドキャップ３，４を石英製とする場合には、導体８，９を石英内に溶融させることができる。一般的に、電極６，７は電極導体８，９の材料とは異なる材料製とし、例えば電極６，７はタングステン製とすることができる。

放電容器２の内部、即ち放電チャンバー５内にはイオン化可能な封入物が配置される。封入物は一般に水銀（Hg）を十分な量含む雰囲気である。一般的に、この雰囲気はキセノン（Xe）及び／又はアルゴン（Ar）のような元素も含む。放電容器２の内部の総合圧力を１〜２気圧（atm）程度とする実際の例では、アルゴンとキセノンを１：１の比率で存在させることができる。総合圧力を１０〜２０気圧程度とする他の実際の例では、放電チャンバーに水銀と比較的少量のアルゴンを入れることができる。以下において、市場にて入手し得るランプの上記の例をそれぞれ低圧ランプ及び高圧ランプと称する。

放電容器２は１つ以上の金属ハロゲン化物質も収容する。これらの物質は臭化物又はハロゲン化物とし得るが、これらの物質は一般的には沃化物とする。このような可能物質の代表的な例に、沃化リチウム、沃化セリウム、沃化ナトリウムがある。他の物質でも可能である。

金属ハロゲン化物は、ランプの動作（点灯）中に溶融塩の塩溜りが放電チャンバー５の内部に存在するようになる過剰量の塩を含む飽和系として用立てられる。以下、塩溜りは放電チャンバー５内の最も低い位置に位置付けられるものとする。

動作時に、放電は電極６，７間に延在する。放電の温度が高いために、前記物質はイオン化されて、光を発生する。この発生する光の色は物質によって異なり、例えば、沃化ナトリウムによって発生される光は赤色であるが、沃化セリウムによって発生される光は緑色である。一般的に、ランプは適当な物質の混合物を収容し、この混合物の組成、即ち前記物質の素性並びにそれらの相対比は、特定の所望される総合色が得られるように選定する。

図２は、一端に標準のランプソケット（図示せず）にねじ込むのに好適な標準のランプ接続キャップ１２を有しているバルブ又は容器１１内に取付けたランプ１を示す。ランプ１はバルブ１１と軸方向に整列される。ランプ１は２つの支持導体１３及び１４によって支持され、これらの支持導体は電極導体８及び９にそれぞれ適切に接続され、且つキャップ１２の電気接点に電気的に接続される。ランプ１とその周りのバルブ１１との組み合わせを以後ランプアセンブリ１０と称する。

図２は、水平方位、即ち放電容器２の中心軸を水平方向に位置させたランプアセンブリを示す。この方位では、電極６と７との間の放電アークのアーク軸が水平方向に向く。この方位では、放電容器２内のその中心軸に沿う粒子の空間分布が図３に水平の線Ｈで示すようにほぼ均一になる。図３は、部分粒子圧又は粒子濃度を放電容器２の中心軸に沿う位置の関数として示したグラフである。この位置を図３の水平軸線によって表しており、ここでは参考までにエンドキャップ３と４、及び電極６と７の位置も示してある。このグラフは電極６と７との間のスペース、即ちアークの位置に関するだけである。

実際上、イオン化可能成分の混合物の組成は、各個々のイオン化可能成分の分圧が異なる値を有するように変えることができるが、このことは図３には示してない。なお、当面の議論にとっては、イオン化可能成分の分圧の正確な値はあまり関係ないため、図３の縦軸にはスケールマークを示してない。前記水平線Ｈのレベルに値１００％を記してあるだけである。この値は、部分成分圧がランプ軸に沿って到達する“最大”値に相当する。従って、すべての部分成分圧はランプ軸に沿ってほぼ一定である（従って、最大値に等しい）から、全ての相対的に異なる分圧は図３では１本の水平線Ｈだけで表される。

ランプ１内の所定位置における当該ランプの発光特性が、その所定位置におけるイオン化可能成分の分圧に依存するように実現することが重要である。前記所定位置における特定成分の分圧が高くなるにつれ、この特定成分に対応する特定のスペクトル特性を有する光が多く発生するようになる。従って、ランプの中心軸に沿うイオン化可能成分の分圧が、図３に線Ｈで示すように、一定である場合には、ランプ１の発光特性も全体としてランプ１の中心軸に沿って一定、即ち、光強度及び色が一定になる。

図４はランプ１の垂直方位に関連するセグリゲーションの問題を説明するための図である。この図４は図３に匹敵するものであり、参考までにランプ１の水平方位に対応する水平線Ｈも示してある。その他の点では、図４はランプ１の垂直方位に関連するものであり、この場合、放電アークのアーク軸は垂直方向となる。図示の例では、図１の図解に対応して、第２電極７が下側電極、第１電極６が上側電極となるものとする。曲線（Ａ）〜（Ｅ）は、この状態においては部分粒子圧が一定にならず、位置に左右されることを示している。特に、部分粒子圧は、底部電極７からの垂直方向の距離が増えるにつれて減少する。この現象は、当業者に明らかなように、放電チャンバー５内に生じる対流と拡散の組み合わせによって生じる自然現象である。

セグリゲーションの影響（効果）は状況に応じて多かれ少なかれ深刻な問題となる。原則として、その影響は放電チャンバー５内の圧力が増大すると一層深刻になる。例えば、曲線（Ａ）は１-２気圧程度の比較的低圧状態に関連し、曲線（Ｅ）は１０-２０気圧程度の比較的高圧状態に関連する。

さらに、セグリゲーションの影響はランプの一端（図示の例では上側端）にて最も顕著になる傾向にある。下側電極７に近い所の粒子濃度は、この例では実質上“ノーマル”、即ち下側電極７の箇所では、全ての曲線が水平線Ｈと互いに交差していることによって示されるように、水平状態における場合と同じになる。他の箇所では、粒子濃度の値が下側電極７に近い箇所の値からずれ、そのずれは下側電極７からの距離が大きくなるにつれて増大し、ずれは上側電極６の近くで最大になって終了する。原則として、セグリゲーションの影響は放電チャンバー５の長さＬｉが増大するにつれて一層深刻になる。

さらに、セグリゲーションの重症度は同じランプ内の異なる元素によって相違する。例えば、沃化セリウムの場合のセグリゲーションは、沃化ナトリウムの場合のセグリゲーションよりも一層深刻になり、曲線（Ｂ）は沃化セリウムの場合を表し、曲線（Ａ）は沃化ナトリウムの場合を表している。しかし、このことは、必ずしも沃化ナトリウムの分圧が常に沃化セリウムの分圧よりも高くなることを意味するとは限らない。

当業者に明らかなように、所定の単位空間内に発生する光の量は、このような単位空間内の光発生粒子の量に比例するから、セグリゲーションはランプ１の効率に影響を及ぼす。従って、セグリゲーションは総じてランプの光出力を低減させる。また、セグリゲーションはランプの長さに沿う光強度の分布を不規則にし、特にランプの高い方の部分が発生する光の量がランプの低い方の部分が発生する光の量よりも少なくなる。

上述したようなことは、ランプが１つの光発生物質しか含有していない場合に言えることである。また、混合物質を含有する場合にも上述したことは当てはまるも、先に説明したように、混合物中の様々な成分によって程度の差はある。ランプによって発生される光の総合色印象は混合物の様々な成分による光寄与度に依存するから、セグリゲーションは一方では総じてランプによって発生される光の色を変化させ、他方ではセグリゲーションはランプの長さに沿う色分布を不均一にする。

このような影響はランプ１の上側先端部において最も目立ち、またランプの下側先端部の状況は正常である。図４に示したように、下側電極７の箇所では、光発生成分の相対分圧が水平方位の状況にほぼ相当し、発生する光は設計期待値に一致する。これに対し、上側電極６の箇所では、相対分圧が水平方位の状況からずれ、そのずれ量は種々の成分によって異なる。例えば、沃化ナトリウムと沃化セリウムの混合物を所定の比率で含有するランプの場合には、沃化ナトリウムによって発生される赤みがかった光の量（例えば：曲線Ａ）が、上側電極６の箇所では、その上側電極６付近のナトリウム原子の濃度が低下するために低減し、また沃化セリウムによって発生される緑がかった光の量（例えば：曲線Ｂ）も、セリウム原子の量が低下するために低減する。上側電極６の箇所では、赤みがかった光の強度も、緑がかった光の強度も低減するため、上側電極６の周りの総合光強度が低減する。緑がかった光は赤みがかった光よりも多く低減するから、上側電極６の周りに発生する光の色に対する総合印象は赤みがかった方へとシフトされる。

曲線（Ｄ）及び（Ｅ）は、上側電極６の周りにおける所定量のスペースに実質上光発生イオンがなくなるような程度にセグリゲーションが深刻なものとなり得ることを示している。残りのものは水銀バッファガスによって発生される背景グローである。

本発明は、電界がイオンを輸送し、その結果として同じ元素の原子も反対方向に輸送すると云う認識に基づいて成したものである。これは次のように概略説明することができる。図５に概略的に示したように、互いに上下に垂直方向に位置付けられ、上側の電極５６が下側の電極５７に対して負に帯電される２つの電極５６と５７について考察する。これらの電極間の電界を矢印Ｅにて示してある。正の帯電粒子Ｐ+は、この粒子を負に帯電された上側電極５６の方へ引っ張る力を受けることになる。平衡状態においては、正に帯電した粒子の雲５８が上側電極５６の近くに形成されて、上側電極５６の負電荷を有効にシールドし、これにより電界Ｅを低減させることになる。

従って、これらの電極５６と５７との間では、電界が粒子分布のシフトを誘起し、負電極に近い正の粒子の濃度を増大させるようになる。この結果、粒子の軸方向勾配が確立される。

本発明はこの認識を用いて、放電チャンバー内の粒子分布を操作することによりメタルハライドランプにより発生される光（光量及び/又は色温度）を操作する。特に、本発明によればランプの動作中に、ランプ電極６，７に供給されるランプ電流の平均ＤＣ電流成分が、概して、所望方向で、且つ所望強度の光制御電界Ｅをランプ電極６，７間に発現させるように選択選択されるようにする。

以下の説明は、ランプ電極６，７に斯様な光制御電圧を供給するための手段を実現する駆動装置の可能な実施例に関するものである。上記創意に富んだ好適用途の代表的な例については後に説明する。

前述したように、メタルハライドランプは転流ＤＣ電流で通常通り動作させる。図６Ａはランプ１を駆動するための駆動装置又は電子安定器６０を概略的に示すブロック図である。電子安定器又は駆動装置６０は、一般的にＡＣ幹線電圧を受電する入力端子６１と、ＡＣ幹線電圧を整流ＤＣ電圧に整流する整流器６２と、幹線電圧を整流したＤＣ電圧を高いＤＣ電圧に変換するためのＤＣ/ＤＣアップコンバータ６３と、前記高いＤＣ電圧を低いＤＣ電圧（ランプ電圧）及び対応するＤＣ電流（ランプ電流）に変換するためのダウンコンバータ６４と、このＤＣ電流の方向を極めて短い時間（転流期間）内に規則的に変えるためのコミュテータ６５とを具えている。

駆動装置６０は通常の如く、電流の向きが交互するも、電流の大きさは一定で、デューティサイクルが５０％、即ち電流の一方向の期間が電流の反対方向の期間に等しく、各電極が各電流期間の５０％の期間は陰極として動作し、他の５０％の各電流期間中は陽極として動作するように、電流源を構成すると見做せるように設計する。図６Ｂは斯かる方形波電流の動作を説明するランプ電流Ｉを時間の関数として示したグラフである。この図から明らかなように、ランプ電流の大きさはほぼ一定（Ｉ_ＮＯＭ）のままであるが、電流の方向は、電流の極性が正から負及びその逆に変化するように示してあるように、規則的に変化する。全電流期間において、電流はその期間の５０％の期間中（正の電流期間）は第１電極６から第２電極７へと流れ、残りの５０％の期間中（負の電流期間）は反対方向に流れる。従って、平均電流Ｉ_ＡＶはゼロである。

上述したように、本発明によれば、ランプ電流の平均電流Ｉ_ＡＶをゼロとは異なる値にする。

図６Ｃは本発明を実現する一方法を示す。この場合には、正の電流期間中の電流強度が負の電流期間中の電流強度とは異なるから、平均電流Ｉ_ＡＶはゼロでなくなる。また、電流のデューティサイクルは５０％で、即ち、電流は５０％の時間（+）中は一方向に流れ、残りの５０％の時間（−）中は反対方向に流れるが、正期間（+）中の電流の大きさの方が負期間（−）中の電流の大きさよりも大きくなる。従って、概して第１電極６から第２電極７には破線Ｉ_ＡＶで示す平均電流Ｉ_ＡＶが流れる。

しかしながら、このタイプの実現法は好ましくない。その理由は、電流期間の“正”半サイクル期間中のランプ電流の大きさが、電流期間の“負”半サイクル期間中のランプ電流の大きさと異なり、即ち電流強度が一定にならないからである。光強度は電流強度に比例するから、このことはランプにとって不所望なフリッカーをまねくことになる。

図６Ｄは本発明の好適な実現法を示し、この場合には上述したような欠点がなくなり、しかも既存のランプ駆動装置にソフトウェア又はハードウェアを適切に適合させることによって実現するのも容易である。この場合には、電流強度が常に一定のままとなるが、デューティサイクルが５０％ではないため、平均電流強度Ｉ_ＡＶはゼロでない。図６Ｄに明示してあるように、”正”電流の大きさは常に”負”電流の大きさに等しいが、“正”電流期間（+）の方が“負”電流期間（−）よりも長く存続する。またこの場合には、概して、破線Ｉ_ＡＶにて示した平均電流Ｉ_ＡＶが第１電極６から第２電極７へ流れる。

いずれの場合にも、前記平均電流Ｉ_ＡＶは前述したように、正イオンの分布を上側電極６の方へシフトさせる。

従って、本発明のこのような局面からして、駆動装置６０は５０％とは異なるデューティサイクルを有するように設計する。本発明の好適例によれば、駆動装置６０は調整可能なデューティサイクルを有するべく設計する。可能な例では、駆動装置６０にデューティサイクル制御信号Ｓを受信するための制御入力端子６６を設け、デューティサイクルを設定することにより駆動装置６０がその制御入力端子６６にて受信されるデューティサイクル制御信号に応答し得るようにする。

本発明の一見地では、水平方位での動作用に意図したランプを垂直方位に取付けた場合に、セグリゲーションがランプの諸特性に影響を及ぼし、一般的に低圧ランプ（１〜２気圧）において生じるような効率低下をまねくことになる問題を解決することにある。本発明はこのような観点からして、セグリゲーションを低減させることができ、従って効率を向上する手段を設けるようにする。ランプ方位が異なっても、ランプ効率を所望に制御することができ、且つランプ効率を所定値に設定し得るランプシステムを提供することも可能である。さらに、ランプの方位に無関係に効率を自動的に一定に保てるランプシステムを提供することもできる。

なお、メタルハライドランプは動作中にランプ内部の所定箇所に塩溜りを収容する。この塩溜りは粒子の２つの流れ、即ち塩溜りに入る粒子の流入と、塩溜りから出る粒子の流出との２つの流れを受ける。定常状態においては、流入と流出は釣り合っている。ランプ電流の平均電流成分Ｉ_ＡＶをゼロでなくすると、この平均電流成分の大きさ及び方向に応じて、流入又は流出が影響される。定常状態では、ランプ内の新たな粒子分布に関連して、流入と流出との間に新たな平衡が確立する。

この平均電流成分の方向はセグリゲーションを増大させるように意図的に選定することができ、この場合には平均電流成分が粒子の流出入の平衡を、より多くの粒子が塩溜りに入るようにシフトさせる。しかし、本発明の特定な実施に当たっては、平均電流成分Ｉ_ＡＶの方向を、上述したセグリゲーションの影響を有効になくすか、又は少なくとも低減させるように選定する。このためにはセグリゲーションを補償するために、イオン流を塩溜りから離す方向に向けなければならない。この場合には、概して上側電極６を下側電極７に対して負とし、且つ平均電流Ｉ_ＡＶを図１に示したように上方に向けるようにする。

さらに、１つの特定のランプ見本に対しては、１つの特定な最適デューティサイクルに対応する１つの特定な最適電界がある。この最適デューティサイクルは同じタイプの種々のランプに対してほぼ同じであり、この最適値は製造者が実験的に決定することができる。このようにして、駆動装置６０にはランプ１を水平位置（Ｈ）か、特定電極（例えば第１電極６を上（Ｕ）にするか、下（Ｄ）にすることにそれぞれ相当する垂直位置（Ｕ，Ｄ）にて動作させる３つの位置Ｕ，Ｈ，Ｄを有するモード選択スイッチ６７を設けることができる。

ランプ１を水平方位にて取付ける場合に、ユーザはモード選択スイッチ６７をそのＨ-位置に設定することがでる。駆動装置６０はこの選択に応答してデューティサイクルが５０％で、電流強度が一定の転流電流を発生する。

ランプを垂直方位にて取付ける場合には、ユーザは電極を上にするか、下にするかに応じて、モード選択スイッチ６７をＵ-位置か、Ｄ-位置のいずれかに設定することができる。通常、このことはキャップ１２を下にして（ランプバルブ“直立”）、又はキャップ１２を上にして（ランプバルブ“吊り下げ”）ランプバルブ１１を取付けることに相当する。駆動装置６０はこの選択に応答して、電流強度が一定で、予定した最適デューティサイクルの転流ＤＣ電流を発生する。

ランプが対称のものである場合、直立バルブの場合のセグリゲーションは吊り下げバルブの場合のセグリゲーションと同じであり、上部方位における補正用の光制御電界は、下部方位に対する光制御電界と比較して、強度は同じとするが、方向は反対とすることができる。ランプが対称ではない場合には、これら２つの電界強度は互いに相違させることができる。

所定の電極（７；６）が他の電極（６；７）に対して正である期間をそれぞれ（Ｔ_７；Ｔ_６）と称して；総電流期間をＴ_Ｔ＝Ｔ_７+Ｔ_６とする。この際、デューティサイクルＤ_Ｕ（これは、モード選択スイッチ６７がＵ-位置にある場合に相当する）は、比Ｔ_７/Ｔ_Ｔとして定義することができ、また（モード選択スイッチ６７がＤ-位置にある場合に相当する）デューティサイクルＤ_Ｄは、比Ｔ_６/Ｔ_Ｔとして定義することができる。対称ランプの場合には、Ｄ_Ｄ＝１−Ｄ_Ｕである。

上述した例では、モード選択スイッチ６７はユーザが制御できるものとした。しかしながら、本発明は好適例において、メタルハライドランプによって光を発生するシステムも提供することにあり、このシステムでは、水平方位に匹敵し得る最適な動作状態が実際のランプ方位に自動的に適合すべく設定されるようにする。このことは、ユーザがランプをある規定された方位での使用に限定されず、ユーザはランプ駆動装置に対する最適動作状態を選択する必要もないことを意味し、ユーザが望む如何なる方位でランプを配置しても、駆動装置は最適モードで動作すべく自動的に適合される。

このようなシステム７０を図７に示す。このシステム７０は図６Ａ-Ｄにつき上述したようなランプ駆動装置又は安定器６０を具えているが、これはユーザが制御し得るモード選択スイッチ６７を有していない。このシステム７０はさらに、ランプアセンブリ１０のランプキャップ１２を受け入れるホルダー６８を具えており、このホルダー６８は本来既知のように、コミュテータ６５の出力端子に接続した接点を有している。

システム７０はさらに、ランプ１の実際の方位を検出すると共に、その方位を示す制御信号Ｓをランプ駆動装置６０の制御入力端子に与えるための位置検出器８０も備えているも、ランプ駆動装置６０は方位検出器によって検知されるような実際のランプ方位に対応する最適な動作状態に従ってランプを駆動すべく適合される。この点に関し、駆動装置６０の応答性は当業者に明らかなように、上述した場合と同じである。

原則として、方位を示す検出信号を発生させるのに好適な任意の検出器を用いることができる。図８は、このような方位検出器の可能な実施例を示す。この例の方位検出器８０は、直径が大きな条溝８２を中央部分に設けた、例えばガラス製の円筒状容器８１を具えている。容器８１は例えば水銀のような導電性の液体を少量入れて密閉する。容器８１の内部には、その第１軸方向端部付近に第１対の接点電極８４を配置し、これらの接点電極は容器８１の壁部を経て延在する第１組の導体８５に接続する。同様に、反対側の軸方向端部にも第２対の接点電極８６を配置し、これらの接点電極を第２組の導体８７に関連付ける。前記条溝内には２つ一組の管状電極８８を配置し、これには容器８１の壁部を経て延在する第３組の導体８９を接続する。

図８は、水平方位における検出器８０を示す。導電性の液体８３は容器８１の内部の最も下側の位置、この場合には前記条溝８２の箇所に動いており、中央の双方の電極８８に接触している。従って、２つの対応する導体８９間に導電通路が形成される。同様に、検出器８０を直立方位に配置した場合には、導電性の液体８３が円筒容器８１のいずれかの軸方向端部における電極８４；８６に接触する。

前記導体８５，８７，８９は駆動装置６０の制御入力端子６６に結合され、従って、駆動装置６０は検出器出力信号を受信し、駆動装置６０はランプの方位を知って、そのランプをそれなりに駆動する。

方位検出器８０はランプアセンブリ１０のバルブ１１内に配置することができる。しかしこの場合には、センサ信号を駆動装置の方へと案内するためにランプキャップ１２内に接点を設ける必要がある。従って、センサ（検出器）はランプアセンブリ１０用の前記ホルダー６８に関連付け、ホルダーが常にそれに取付けられるランプと必ず同じ方位を有するようにする。この場合、前記センサと駆動装置との間は固定接続とすることができる。

前述したように、平均電流Ｉ_ＶＡは塩溜りから離れる方向に向けられるイオン流を誘起する。平均電流Ｉ_ＶＡの大きさが大きくなればなるほど、イオン流は強くなる。他方では、塩溜りは原子のリフローによって維持される。好ましくは、平均電流Ｉ_ＶＡの大きさはあまり高くなり過ぎないように選択すべきである。その理由は、この場合に塩溜りが異なる位置に変位されると共に、セグリゲーションが刺激され、それが別の方向になったり、しなかったりするからである。

他の見地での本発明は、色特性を変えられるランプシステムを提供することにある。このような実施にとって好適な駆動装置を図９に示してある。システム９０は図６Ａ-Ｄにつき前述したようなランプ駆動装置又は安定器６０を具えているが、このシステムにはユーザが制御可能なモード選択スイッチ６７はなく、その代わりに、例えば、予定した範囲内で連続的に変えることができる制御信号を発生するポテンショメータの如き制御設定デバイス９１を用いる。この制御設定デバイス９１はユーザが制御することができるが、適当にプログラムしたコントローラとすることもできる。

また、駆動装置６０は電流強度が一定の転流ＤＣ電流を発生するが、この場合、デューティサイクルＤは、セグリゲーションの量を所望通りに変化させるように、ユーザが直接か、或いは適当にプログラムしたコントローラによって変えることができる。原則として、デューティサイクルＤは０から１００％まで変えることができる。ここでは上側電極６を下側電極７に対して負として、上述したようにセグリゲーションを所望程度に減らすことができるが、上側電極６を下側電極７に対して正として、セグリゲーションを増大させ、色分離効果又は色変化効果を強めることもできる。

この点に関し、１０-２０気圧程度の比較的高圧のメタルハライドランプの場合に、平均電流Ｉ_ＶＡのレベルを変化させると、驚くべきことに、発生する光の色に大きな影響を及ぼすと云うことを確かめた。

このようなシステムでは、良好に規定した線を標準のＸＹ-色度、即ち色度図内で移動させるようにランプを制御することが可能になった。塩混合物の組成によってこの色度図における所定のゼロ色点を選択することができる。転流電流の平均電流Ｉ_ＶＡ（デューティサイクル）を変えることによって、ランプの色点は前記ゼロ色点に交差する線に沿ってシフトする。この線の角度は特に、総合ランプ圧及びランプ内の水銀の量に依存し：低圧ランプ（即ち、総合ランプ圧が約３気圧以下）の場合には、前記線は色等温線にほぼ平行となるのに対し、高圧ランプ（即ち、総合ランプ圧が約１０気圧以上）の場合には、前記線が色等温線にほぼ垂直となり、色温度に大きな変化をもたらす。

この見地での本発明はランプの垂直方位でも水平方位でも実施することができる。前述したように、セグリゲーションはメタルハライドランプを垂直方向に取付ける場合に生じるのであって、このセグリゲーションはＤＣ電流成分を印加することによって減らしたり、増やしたりすることができる。この点で重要なことは、ＤＣ電流成分を印加することにより粒子分布を瞬時的に変えることができると云うことにある。

水平ランプ方位では、塩溜りが所定箇所に形成され、その箇所は対称的な長くて細いランプの場合には一般的にそのランプの一端か両端である。先に説明したように、塩溜り内への、及び塩溜りからの粒子の流入と流出との間には、ランプ内部の所定の粒子分布に相当する平衡性がある。本発明によれば、ＤＣ電流成分を印加することによりこの粒子分布をシフトさせることができる。この現象は“電流誘起分布シフト”とも称される。

規定初期状態を得るために、ランプをＤＣ電流（例えば、デューティサイクル０％）で動作させることができる。この場合には、ある時間後にランプの両端の一方に塩溜りが位置付けられ；この際セグリゲーションは最大になる。

このような出発状態から、デューティサイクルを０％から上昇させることによってセグリゲーションを低減させることができる。デューティサイクルを増大させると、粒子の流入と流出との間に新たな平衡性が確立し、塩溜りは最初ほぼ所定位置に留まる。セグリゲーションはデューティサイクルを５０％に上げることによってなくすことができる。５０％以上のデューティサイクルは塩の不所望な輸送をまねくことになる。

０〜５０％のデューティサイクルの範囲は、本発明の斯かる見地にて達成し得るランプの色範囲を決定する。デューティサイクルが０％のときには、ランプによって発生される光を色度図における所定の色点によって表すことができる。“水平ゼロ”色点とも称されるこの色点の正確な位置は、ランプ内の元素混合物の組成に依存し、これは当業者に明らかなように、斯かる組成を適当に選択することによって選択することができる。デューティサイクルを上げれば、色点は水平色ゼロ点から離れる方向にシフトする。デューティサイクルが５０％に達すると、最終点に達する。このように、色点は水平ゼロ色点によって規定される一方の端点と５０％のデューティサイクルによって規定される反対側の端点とを有するある線を移動し、この線を以後“色線”と称する。これは１５００Ｋ〜２０００Ｋ程度の色温度の変化を伴う。

初期状態を逆転、即ち最初にデューティサイクルを１００％に設定する場合には、デューティサイクルを１００％から５０％に変えることによってほぼ同じ結果が得られる。

このように、高圧ランプ（１０-２０気圧）の場合に、色温度を１５００Ｋ〜２０００Ｋ程度の範囲に亘って変えることができることを確かめた。

非対称構成のランプの場合には、塩溜りの位置は好ましい箇所、即ち一般的にはランプの一端であるランプの最冷箇所とする。この好適位置が、デューティサイクルを０％に設定することによって得られる初期位置に相当するものとする場合には、塩の輸送が起こる前に、デューティサイクルを５０％以上の限定範囲にまで上げることができる。従って、色温度の変化範囲が大きくなる。

斯かる色温度の範囲は、垂直ランプ方位の場合には、このような場合に塩溜りが一般的にランプの一端、即ちランプの最冷スポット、一般的には下側端部に位置付けられることによりさらに広くなる（２５００〜３０００Ｋ）。この場合、上述したのと同じランプを水平方位から垂直方位に向きを変えると共に、平均ＤＣ電流をゼロにすると、セグリゲーションが生じ、色温度がシフトし得る。このシフトはランプ内の元素混合物の組成及びセグリゲーションの量に依存する。再度、ランプによって発生される光は色度図における色点によって表すことができ、この色点を以後“垂直ゼロ”色点と称する。

そこで、平均ＤＣ電流を加えると、この平均ＤＣ電流の方向に応じて、セグリゲーションが増加したり、減少したりし、いずれの場合にも色点がシフトする。

垂直方向で点灯するランプの場合には、対流により放電が非対称になる。一般的に、ランプの上側端の温度はランプの下側端の温度よりも高くなる。従って、塩成分の分圧は、凝縮が起こるまえの塩溜りの直ぐ上の分圧よりも高くなり得る。このため、及びこの効果が全ての塩成分に対して等しい程度に起こらないことのために、無-セグリゲーションから最大セグリゲーションまでの範囲は色温度における追加の変化量に相当し、且つ最大色温度変化量は、ランプを水平方向に取付ける場合におけるよりも大きくなり得る。

従って、垂直に取付けた高圧ランプ（１０-２０気圧）の場合に、約２５００〜３０００Ｋの色温度変化を得ることができることを確かめた。

このようなシステムでは、多色ランプを提供することもできることが明らかになった。これを説明するためにもう一度図４を参照する。先に説明したように、セグリゲーションの重大性は物質によって異なり、このことは本発明による光制御平均電流Ｉ_ＡＶによって生じさせるような増強セグリゲーションについても云えることである。曲線（Ａ）及び（Ｂ）は、平均電流Ｉ_ＡＶをゼロとして動作させたランプに対する沃化ナトリウム及び沃化セリウムをそれぞれ表すものとする。さらに、曲線（Ｃ）及び（Ｄ）は、セグリゲーションを増強させるように選択した方向性を有する平均電流Ｉ_ＡＶで動作させた同じランプに対する沃化ナトリウム及び沃化セリウムをそれぞれ表すものとする。この場合に、ランプは３つの帯の光を呈する。ランプの下側領域では、光の色が“正常な”白色光に近い色になるも、赤みがかった方へシフトされている。第１領域の上部におけるランプの第２領域IIでは、沃化セリウムが殆ど完全になくなり、放出光は沃化セリウムによる緑分担分を呈さなくなり、光の色はこの際は沃化ナトリウムによって完全に決定され、即ち赤色になる。第２領域の上部におけるランプの第３領域IIIでは、沃化ナトリウムも完全になくなり、放出光は沃化ナトリウムによる赤分担分を呈さなくなる。ランプが他の塩を何等含有していない場合には、この第３領域は水銀バッファによる青みがかったグローを放出する。ランプがセグリゲーションの少ない第３塩成分を有する場合には、この第３塩成分によって発生される光が優位を占めるようになる。

従って、種々色の多数の帯からなる極めてカラフルな効果が得られる。

平均電流Ｉ_ＡＶの大きさを変えると、イオン流の向きを、セグリゲーションを低下させるべく塩溜りから離れる方向に向けたり、セグリゲーションを増大させるべく塩溜りの方へと向けたりすることができる。最初の場合には、平均電流Ｉ_ＡＶは、前述したように全体として塩溜りが変位される閾値レベル以下に選択するのが好適である。二番目の場合には、平均電流Ｉ_ＡＶの大きさは斯様な制約の影響を受けない。

要するに、本発明はメタルハライドランプを駆動する方法を提供することに成功したのであって、その方法は、ランプ内部に所望な方向及び所望な強度で光制御ＤＣ電界を発生して、ランプ内部に所望なイオン分布を得る工程を含むものである。ランプにはＤＣ成分、好ましくは電流強度が一定で、デューティサイクルが５０％とは異なる転流電流を供給する。デューティサイクルを設定することによって、ランプ電流を所定の平均値に設定して、ランプの効率及び/又は色温度を変えることができる。

本発明をこれまでは幾つかの実施例について説明したが、本発明がこのような実施例に限定されるものでなく請求の範囲にて規定した本発明の保護範囲内で様々な変更を加え得ることは当業者に明らかである。

例えば、上述したところでは、適切な方向及び適切な強度を有する適切な光制御電界Ｅを発生させることにより、ランプ内部に所望な粒子分布確率させることができると説明し、さらに、適切な平均電流強度Ｉ_ＡＶを有するランプ電流を用いることは粒子分布を操作するのに好適なやり方であると説明した。しかしながら本発明の範疇では、適切な光制御電界を生じさせるのには、例えば外部電磁石を使用するような別のやり方でも可能である。

さらに、上述した説明は主として定常状態の作動に関するものである。ランプの始動段階中は、平均電流強度Ｉ_ＡＶをゼロにするのが好適である。

メタルハライドランプの一実施例を概略的に示した図である。 ランプアセンブリを概略的に示した図である。 ランプの水平方位におけるこのランプの中心軸線に沿う粒子分布を説明するグラフである。 ランプの垂直方位におけるこのランプの中心軸線に沿う粒子分布を説明するグラフである。 電気的に誘起されるイオンドリフトを図解した図である。 電子安定器を概略的に示したブロック図である。 方形波電流の動作を説明するランプ電流Ｉを時間の関数として示したグラフである。 平均値がゼロでなく、デューティサイクルが５０％の整流電流を説明するランプ電流を時間の関数として示たグラフである。 平均値がゼロでなく、電流強度が一定の整流電流を説明するランプ電流を時間の関数として示たグラフである。 本発明による電子安定器の一実施例を概略的に示したブロック図である。 方位検出器の一実施例を概略的に示した図である。 本発明による電子安定器の他の実施例を概略的に示したブロック図である。

Claims (33)

1. 放電ランプ、特にＨＩＤランプ、もっと具体的に云えばメタルハライドランプ、最も具体的に云えばアスペクト比が３又は４よりも大きなメタルハライドランプを駆動するのに、該ランプに転流ＤＣ電流を供給して駆動する方法であって；当該方法がランプ内部に所望な方向で、且つ所望な強度を有する光制御電界Ｅを発生して、ランプ内部に所望な粒子分布を得る工程を具えている放電ランプ駆動方法。
2. 前記ランプに平均電流強度がゼロとは異なる整流電流を供給する請求項１に記載の方法。
3. 前記ランプに電流強度が一定で、且つデューティサイクルが５０％とは異なる転流電流を供給する請求項２に記載の方法。
4. 前記ランプの効率を変えるために、前記ランプの平均電流強度を可変とする請求項２又は３に記載の方法。
5. 前記ランプの効率が実質上方位にほぼ無関係となるようにランプを動作させるために；
   - ランプの実際の方位を決定し；
   - ランプが水平方位にあることが確定される場合に、ランプに電流強度が一定で、デューティサイクルがほぼ５０％に等しい転流電流を供給し；
   - ランプが垂直方位にあることが確定される場合には、ランプに電流
   強度が同じ一定値で、デューティサイクルが実質上５０％とは異なる転流電流を供給する；
   請求項３に記載の方法。
6. 前記ランプを垂直方位に配置し、且つ前記平均電流強度を、セグリゲーションが低減、好ましくはなくなるような方向に電流-誘起粒子分布をシフトさせるように設定する請求項２〜４の何れか一項に記載の方法。
7. 前記ランプを垂直方位に配置し、且つ前記平均電流強度を、セグリゲーションが増加するような方向に電流-誘起粒子分布がシフトさせるように設定する請求項２〜４の何れか一項に記載の方法。
8. 前記ランプを水平方位に配置し、且つ前記平均電流強度を、電流-誘起粒子分布がシフトされて、ランプ効能を低減せるように設定する請求項２〜４の何れか一項に記載の方法。
9. ランプの色温度を変えるために前記平均電流強度を可変とする請求項２又は３に記載の方法。
10. 前記ランプを水平方位に配置し、且つ前記平均電流強度を、電流-誘起粒子分布がシフトされるように設定し、色線上の色点を水平ゼロ色点とは異なる位置に設定する請求項９に記載の方法。
11. 前記ランプを垂直方位に配置し、且つ前記平均電流強度を、電流-誘起粒子分布がシフトされるように設定し、色線上の色点を垂直ゼロ色点とは異なる位置に設定する請求項９に記載の方法。
12. 前記色点を前記色線上にて移動させるために、前記平均電流強度を可変とする請求項１０〜１１の何れか一項に記載の方法。
13. 色温度を約１５００〜２０００Ｋ程度の範囲に亘って変化させる、水平方位に配置した高圧ランプ（１０気圧以上）で実施される請求項１２に記載の方法。
14. 色温度を約２５００〜３０００Ｋ程度の範囲に亘って変化させる、垂直方位に配置した高圧ランプ（１０気圧以上）で実施される請求項１２に記載の方法。
15. 放電ランプ、特にＨＩＤランプ、もっと具体的に云えばメタルハライドランプ、最も具体的に云えばアスペクト比が３又は４よりも大きなメタルハライドランプを駆動するための駆動装置であって、当該装置が：
    ‐電流強度がほぼ一定の電流を発生する電流発生手段と；
    ‐前記電流を受電し、且つ前記ランプに接続する出力端子を有しており、前記電流を５０％とは異なるデューティサイクルに転流する転流手段と；
    を具えている駆動装置。
16. 前記転流手段を、前記電流を可変デューティサイクルで転流するように構成配置した請求項１５に記載の駆動装置。
17. 前記駆動装置がデューティサイクル制御信号受信用の制御入力端子も具え、且つ前記駆動装置が前記制御入力端子にて受信した制御信号に応答して、デューティサイクルをそれ相当に設定するようにした請求項１６に記載の駆動装置。
18. 前記駆動装置に、前記制御入力端子に結合されるモード選択スイッチを設け、該モード選択スイッチが少なくとも３つの切り替え位置を有するようにした請求項１７に記載の駆動装置。
19. 前記モード選択スイッチが前記ランプの水平方位を示す第１位置にセットされる時には、５０％のデューティサイクルで、且つ一定の電流強度の転流電流を発生すべく構成配置され、且つ前記モード選択スイッチが前記ランプの垂直方位を示す第２位置又は第３位置にセットされる時には、一定の電流強度で、５０％とは異なる予定したデューティサイクルの転流ＤＣ電流を発生すべく構成配置した請求項１８に記載の駆動装置。
20. 前記モード選択スイッチがランプの直立方位を示す前記第２位置にセットされる場合に、前記予定したデューティサイクルが５０％とは異なる第１予定値Ｄ_Ｄを有し、且つ前記モード選択スイッチがランプの吊り下げ方位を示す前記第３位置にセットされる場合に、前記予定のデューティサイクルが５０％とは異なる第２予定値Ｄ_Ｕを有し、Ｄ_Ｄ≠Ｄ_Ｕとした請求項１９に記載の駆動装置。
21. Ｄ_Ｄ＝１００％-Ｄ_Ｕとした、非対称ランプ駆動用に設計した請求項２０に記載の駆動装置。
22. 前記駆動装置に、前記制御入力端子に結合される制御設定デバイスを設けて、可変電流制御粒子分布シフトに適合され：
    -前記制御設定デバイスを、予定範囲内で連続的に可変の制御信号を発生するように構成し；
    -且つ前記駆動装置を、前記制御信号に応答して前記転流ランプ電流のデューティサイクルを連続的に変化させるように構成配置した請求項１７に記載の駆動装置。
23. 前記ランプの始動段階の期間中に前記電流を５０％に等しいデューティサイクルで発生すべく適合させた請求項１５〜２２の何れか一項に記載の駆動装置。
24. 放電ランプ、特にＨＩＤランプ、もっと具体的に云えばメタルハライドランプ、最も具体的に云えばアスペクト比が３又は４よりも大きなメタルハライドランプを方位に無関係に自動設定効率で駆動するためのシステムであって、配置方位にほぼ無関係の効率でランプを作動させることのできるシステムが：
    ‐請求項１５〜２３の何れか一項に記載の駆動装置と；
    ‐該駆動装置の制御入力端子に結合される少なくとも１個の出力端子を有し、ランプの実際の方位を検出し、且つ前記出力端子に前記検出した方位を示す制御信号を発生するように構成した位置検出器と；
    を具えている放電ランプ駆動用システム。
25. 前記駆動装置が前記位置検出器の出力信号に応答して、該位置検出器出力信号がランプの水平方位を示す第１値を有する場合には、５０％のデューティサイクルで、電流強度が一定の転流電流を発生し、且つ前記位置検出器出力信号がランプの垂直方位を示す第２値又は第３値を有する場合には、前記駆動装置が、電流強度が一定で、５０％とは異なる予定したデューティサイクルの転流ＤＣ電流を発生するようにした請求項２４に記載のシステム。
26. 前記駆動装置が位置検出器出力信号に応答し、該位置検出器出力信号がランプの直立方位を示す第２の値を有する場合に、一定電流強度で、且つ５０％とは異なる第１予定値を有するデューティサイクルの転流電流を発生し、且つ前記駆動装置が位置検出器出力信号に応答し、該位置検出器出力信号がランプの吊り下げ方位を示す第３の値を有する場合には、一定電流強度で、且つ５０％とは異なる第２の予定値を有するデューティサイクルの転流電流を発生し、ここに、Ｄ_Ｄ≠Ｄ_Ｕとした請求項２５に記載のシステム。
27. Ｄ_Ｄ＝１００％-Ｄ_Ｕとした、非対称ランプ駆動用に設計した請求項２６に記載のシステム。
28. ランプアセンブリのランプキャップを受け入れるホルダーも具え、該ホルダーがコミュテータの出力端子に接続される接点を有し、前記位置検出器を前記ホルダーに関連付けた請求項２４〜２７の何れか一項に記載のシステム。
29. 放電ランプ又はランプホルダーに関連付けることができ、さらにランプ又はランプホルダーの実際の方位をそれぞれ検出して、斯様な方位を示す出力制御信号も発生することのできる位置検出器。
30. 中央部に直径が大きい条溝を具備し、内部に少量の導電性液体を含有する円筒状の容器で：
    - 該容器の第１軸端付近で該容器内に配置した第１対の接点電極と；
    - 反対側の軸端に配置した第２対の接点電極と；
    - 前記条溝内に配置した２つで一組の管状電極と；
    を有する円筒容器を具えている請求項２９に記載の位置検出器。
31. ランプが該ランプ駆動装置の制御出力端子に結合させた少なくとも１つの出力端子を有する方位-位置検出器に関連付けられ；該位置検出器を、ランプの実際の方位を検出すると共に、斯様な方位を示す制御信号を前記位置検出器の出力端子に発生するように構成配置した放電ランプ、特にＨＩＤランプ、もっと具体的に云えばメタルハライドランプ、もっとも具体的に云えばアスペクト比が３又は４よりも大きなメタルハライドランプ。
32. ランプアセンブリのランプキャップを受け入れるランプホルダーであって、ランプ駆動装置の入力端子に結合される少なくとも１つの出力端子を有する方位-位置検出器に関連付けられ；該位置検出器を、ランプの実際の方位を検出すると共に、斯様な方位を示す制御信号を前記位置検出器の出力端子に発生するように構成配置したランプホルダー。
33. - 放電ランプ、特にＨＩＤランプ、もっと具体的に云えばメタルハライドランプ、最も具体的に云えばアスペクト比が３又は４よりも大きなメタルハライドランプ、好ましくはランプ圧が１０気圧以上の高圧ランプと；
    - 請求項１７〜２２の何れかに記載の駆動装置であって、該駆動装置を、ランプ内の粒子分布を可変電流制御でシフトさせるために、ランプを可変設定の平均電流強度で駆動可能にして、色点を色度図における色線上を１５００Ｋ以上、好ましくは２５００Ｋ以上の比較的大きな色温度範囲に亘って移動させることができるようにした駆動装置と；
    を具えている色温度可変の光発生システム。

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