JP4519174B2 - 高輝度放電ランプの周波数変調方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、高輝度放電（ＨＩＤ）ランプを点灯させる入力信号を周波数変調して、ランプのアークを駆動する周波数変調された出力信号を発生する方法および装置に関する。

ＨＩＤランプのアークは、高周波信号（すなわち、信号の電流が、一般的には正弦波または三角波であり、約１００ｋＨｚ〜３００ｋＨｚの範囲にある周波数を有し、電流中に直流成分をまったく有しないかまたはほとんど有しない信号）によって駆動されてもよい。ＨＩＤランプを駆動するための高周波信号は、そのような信号が、より低周波信号を発生する要素よりも一般的には小さくかつ安価な要素によって発生されてもよいので、望ましいものである。しかしながら、高周波信号は、ＨＩＤランプに激しく現れる音響共鳴現象を伴う。

ランプのアークを駆動する信号の周波数変調は、ＨＩＤランプが高周波信号によって駆動されるときに音響共鳴を少なくとも部分的に回避するための公知の技術である。変調方法および装置は、とりわけ、様々なＨＩＤランプに利用できる装置を開発しようとする場合には、複雑で高価なものになりがちである。音響共鳴周波数は、ランプごとに変化し、また、ランプ温度によってランプ内においても変化する。

［発明の要約］
したがって、本発明の課題は、ＨＩＤランプのアークを駆動しかつ従来技術の問題を回避する信号を周波数変調する新しい装置および方法を提供することである。

本発明の他の課題は、信号の周波数変調が低周波変調と高周波変調との間で連続的に掃引し、より具体的には、低周波変調が１２５ｋＨｚ〜１５０ｋＨｚの範囲の周波数ｆ１であり、高周波変調が２３０ｋＨｚ〜３００ｋＨｚの範囲の周波数ｆ２であり、（ｆ２−ｆ１）がｆ１の少なくとも０．４倍である新しい装置および方法を提供することにある。

本発明の別の課題は、信号の周波数変調が低周波変調と高周波変調との間で連続的に掃引し、電力増幅器が、周波数変調信号の電流振幅がほぼ一定となるように、周波数変調された信号の振幅を低周波変調中に変更し、可変利得変成器（variable gain transformer）が周波数変調された信号の電圧をランプの始動中に調節するＨＩＤランプの新しい電子制御装置（ＥＣＧ）およびＨＩＤランプの点灯方法を提供することにある。

当業者には、以下の好ましい実施形態の図面および説明を考慮することによって、本発明のこれらのおよびその他の課題および利点が判明する。

［優れた実施例の説明］
本発明の方法および装置は、ランプ電流の周波数スペクトルを周波数の広い範囲にわたって拡張し、それによって、広い範囲にわたる周波数のより良好なかつ望ましくはほぼ均一な分布を達成する。そうすることによって、この方法および装置は、周波数スペクトルの大きさを、励起音響共鳴を回避するに十分に小さいレベルにまで減少させる。例えば、ある周波数における音響共鳴は、その周波数におけるスペクトル成分がスペクトル電力分布（ＳＰＤ：電力スペクトル密度（ＰＳＤ）としても知られている）の比として測定されたときに１％未満であれば、回避される。

本発明による方法および装置は、ランプを点灯させる入力信号を周波数変調して、ランプのアークを駆動する周波数変調された出力信号を発生する。その周波数変調は低周波変調と高周波変調との間で連続的に掃引する。２つの特定の変調周波数間で変調の周波数を掃引することによって、これらの特定の変調周波数間における周波数スペクトルの大きさは、励起音響共鳴を回避するに十分に小さいレベルにまで減少する。

一実施形態においては、低周波変調は約１２５ｋＨｚ〜１５０ｋＨｚの範囲の周波数ｆ１であり、高周波変調は約２３０ｋＨｚ〜３００ｋＨｚの範囲の周波数ｆ２であり、（ｆ２−ｆ１）はｆ１の少なくとも０．４倍である。ｆ１とｆ２との間の周波数スペクトルの大きさは励起音響共鳴を回避するに十分に小さい。

周波数スペクトルの大きさを励起音響共鳴を回避するに十分に小さいレベルにまで減少させるための好ましい技術は、電流振幅を一定にまたはほぼ一定に維持し、かつ、周波数変調の周波数を、低周波変調の周波数から高周波変調の周波数までほぼ線形に掃引することである。これは図１Ａ〜図１Ｃに示されるような鋸波パターンまたは三角波パターンを提供する。図に示されるように、パターンは対称または非対称であってもよい。掃引は、より一定の電流振幅を提供するために、線形からわずかに逸脱してもよく、それによって装置からのより一定に近い出力電力を達成する。

高周波変調の周波数および低周波変調の周波数は、アークの目に見えるフリッカ（ちらつき）を回避するように選択されるべきである。このために、低周波変調は約１２５ｋＨｚ〜１５０ｋＨｚの範囲の周波数ｆ１であり、高周波変調は約２３０ｋＨｚ〜３００ｋＨｚの範囲の周波数ｆ２である。掃引時間（低周波変調から高周波変調へ、そして低周波変調へ戻る時間）は約２〜２０ｍｓである。

より詳細には、ｆ１は１２５ｋＨｚ、１３０ｋＨｚ、および１３５ｋＨｚの内の１つであってもよく、ｆ２は２３０ｋＨｚ、２４０ｋＨｚ、および２５０ｋＨｚの内の１つであってもよく、掃引時間は８．３３ｍｓおよび１０ｍｓの内の１つであってもよい。代替的に、ｆ１は１００ｋＨｚであってもよく、ｆ２は１４０ｋＨｚおよび１５０ｋＨｚの内の１つであってもよく、掃引時間は８．３３ｍｓおよび１０ｍｓの内の１つであってもよい。試験において、１００ｋＨｚまたはそれ以下あるいは１５０ｋＨｚ以上の低周波変調（および、２５０ｋＨｚの高周波変調）で掃引されたランプは、１２５ｋＨｚ〜１５０ｋＨｚの範囲の低周波変調で掃引されたランプのように安定しているとは思えないアーク（ランプ内で揺れたアーク）を有した。高周波変調の周波数は２３０ｋＨｚ〜３００ｋＨｚの範囲において満足できる結果をもたらした（３００ｋＨｚよりも高い周波数は試験されなかった）。さらに、掃引時間が調査された。遅い掃引は、恐らくはランプ電力の小さな周波数依存性変動による光振幅の目に見える振動を発生させたが、関連するアーク不安定性のようには思われなかった。３０ｍｓのような長い掃引時間は、気に障るフリッカ（ちらつき）を生じたが、２ｍｓ〜１５ｍｓの掃引時間は目に見えるアークの乱れを生じなかった。

調査されたランプは、Ｐｈｉｌｉｐｓ社のＣＤＭ−Ｒ ７０Ｗ／８３０ ＰＡＲ ３０、Ｓｙｌｖａｎｉａ社のＭＰＤ７０ ＰＡＲ ３０、およびＯＳＲＡＭ社のＰｏｗｅｒｂａｌｌ ＨＣＩ−Ｔ ７０Ｗ／ＷＤＬの内のそれぞれの１つのサンプルであった。図２Ａおよび図２Ｂは、２５０ｋＨｚから１２５ｋＨｚへ急速に（約０．０６ｍｓ以下）戻る（例えば、図１Ａに示されるように）ときの掃引の末期における電流波形および電圧波形をそれぞれ示す。これらの波形はＰｏｗｅｒｂａｌｌランプ用に得られた。線形周波数傾斜の上昇する部分は１０ｍｓを要する。電流および電圧は、互いにぴったりと重なり合う実質的に同一の正弦波であり、すなわち、図２Ｃにおいて左側目盛と右側目盛とを比較することによってわかるように、１００Ｖ／Ａの倍率を除けば、同一である。

ＯＳＲＡＭ社のＰｏｗｅｒｂａｌｌ ＨＣＩ−Ｔ ７０Ｗ／ＷＤＬランプによって照射されたフォトダイオードからの信号は、フーリエ変換信号解析器によって解析された。図３はその結果として得られたスペクトルを示し、この図３において、ランプ電力はランプの電圧の周波数または電流の周波数のほぼ２倍であり、この場合には２５０ｋＨｚから５００ｋＨｚまで掃引する。プラズマの非対称性のために、小さな信号が１２５ｋＨｚ〜２５０ｋＨｚの範囲内に現れる。信号の傾きは、プラズマの熱慣性およびフォトダイオードのキャパシタンスによるものである。ランプは、１０ｍｓで１２５ｋＨｚから２５０ｋＨｚまでＨＦ掃引されることによって電力を供給される。これらの条件下において、アークは安定しているように思えた。このグラフは、２００個の捕捉されたスペクトルの平均値を示す。

図４は、１２５ｋＨｚ〜２５０ｋＨｚでスキャンした場合のＳＰＤ比測定値を示す。２５０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの約１．３％のレベルにおける均一の平坦部は、電流周波数または電圧周波数の２倍の周波数における電力周波数成分を示していることに注意されたい。また、１２５ｋＨｚ〜２５０ｋＨｚの０．４％のレベルの存在は、上述したように、プラズマの非対称性によるものであることにも注意されたい。明らかに、ワイドスキャン技術は、いずれかの周波数におけるスペクトル成分をほぼ１％にまで減少させるという良い働きをしている。このレベルは、音響干渉を回避するための合理的なレベルであることが示されている。

図５は、１００ｋＨｚ〜２５０ｋＨｚでスキャンした場合のＳＰＤ比を示し、これは２つのＰＡＲ３０ランプにおいて不安定性をもたらした。平坦部は、やはり、図４の場合と同様に、電流周波数または電圧周波数の２倍の周波数に位置し、ここでは約１．３％のレベルにおいて２００ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの範囲に及んでいる。明らかに、共鳴が励起に特に敏感な２００ｋＨｚ〜２５０ｋＨｚの領域に存在する。

図６は、ＨＩＤランプのＨＦ電力の掃引装置１０の実施形態を示す。関数発生器１２と電力増幅器１４との間を結合するコンデンサ１６は、掃引の低周波数限界における振幅を減少させる役割をし、増幅器における降下および高周波数限界における結合利得を補償する。その結果、図２Ａ〜図２Ｃからわかるように、周波数に対してきわめて一定の電力がランプに供給される。可変利得整合変成器１８は、始動中に大きな電圧を提供し、かつ、ランプが立ち上がるときに合理的なインピーダンス整合を増幅器出力に提供する。変成器１８はスイッチによって選択される複数の出力タップを有し、そのスイッチは、それが消弧を回避するように切り替えられているときに、連続的な電流伝導路を保証する。巻数比は始動および消灯のための４から点灯のための２．１までに設定されてもよい。同様に、掃引周波数および掃引振幅を制御するのに使用される関数発生器１２は、何らかのより新しい装置とは異なり、連続的な出力を発生させるとともに調節を行う。実験用の構成には、ＩＥＣ（商標）Ｆ３４関数発生器およびＥＮＩ（商標）１１４０ＬＡ電力増幅器が含まれた。

別の実施形態において、周波数変調された出力信号の振幅は、周波数変調された出力信号の電流振幅が実質的に一定となるように、高周波変調および低周波変調の内の少なくとも一方の周波数変調中に、好ましくは低周波変調中に変更される。電力増幅器１４がこの機能を提供する。周波数変調された出力信号の電圧は例えば可変利得変成器１８によってランプの始動中に調節されてもよい。

本発明の実施形態が本明細書および図面において説明されたが、本明細書および図面を考慮に入れて読めば、本発明は特許請求の範囲によって規定されることがわかるはずである。

本発明の様々な周波数変調掃引のための時間に対する周波数を示す図 本発明の様々な周波数変調掃引のための時間に対する周波数を示す図 本発明の様々な周波数変調掃引のための時間に対する周波数を示す図 本発明の実施形態における時間に対する電流を示す図 本発明の実施形態における時間に対する電圧を示す図 図２Ａおよび図Ｂを組み合わせた図 本発明の実施形態の周波数スペクトルを示す図 本発明の試験における周波数に対するＳＰＤ比を示す図 本発明の試験における周波数に対するＳＰＤ比を示す図 本発明による装置の実施形態の概略図

符号の説明

１０ 高周波電力の掃引装置
１２ 関数発生器
１４ 電力増幅器
１６ コンデンサ
１８ 変成器

Claims (17)

1. ランプを点灯させるための入力信号を受け取り、その入力信号を周波数変調して、ランプのアークを駆動する周波数変調された出力信号を発生する関数発生器を備え、
   その周波数変調された出力信号の周波数変調は低周波変調と高周波変調との間で連続的に掃引し、低周波変調が約１２５ｋＨｚ〜１５０ｋＨｚの範囲の周波数ｆ１であり、高周波変調が約２３０ｋＨｚ〜３００ｋＨｚの範囲の周波数ｆ２であり、（ｆ２−ｆ１）がｆ１の少なくとも０．４倍であり、
   周波数変調された出力信号の電圧をランプの始動中に調節する可変利得変成器を備えることを特徴とする高輝度放電ランプの電子制御装置。
2. 周波数変調の周波数が低周波変調と高周波変調との間で実質的に線形に変化することを特徴とする請求項１に記載の電子制御装置。
3. 低周波変調から高周波変調へ、そして低周波変調へ戻る掃引時間が約２〜２０ｍｓであることを特徴とする請求項１に記載の電子制御装置。
4. 前記関数発生器から周波数変調された出力信号を受け取り、周波数変調された出力信号の電流振幅が実質的に一定となるように、周波数変調された出力信号の振幅を低周波変調中に変更する電力増幅器をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の電子制御装置。
5. ランプを点灯させるための入力信号を受け取り、その入力信号を周波数変調して、ランプのアークを駆動する周波数変調された出力信号を発生し、その周波数変調された出力信号の周波数変調が低周波変調と高周波変調との間で連続的に掃引する関数発生器と、
   この関数発生器から周波数変調された出力信号を受け取り、周波数変調された出力信号の電流振幅が実質的に一定となるように、周波数変調された出力信号の振幅を高周波変調および低周波変調の内の少なくとも一方の周波数変調中に変更する電力増幅器と、
   この電力増幅器から周波数変調された出力信号を受け取り、この周波数変調された出力信号の電圧をランプの始動中に調節する可変利得変成器と、
   を備えることを特徴とする高輝度放電ランプの電子制御装置。
6. 低周波変調が変調周波数ｆ１を有し、高周波変調が変調周波数ｆ２を有し、（ｆ２−ｆ１）がｆ１の少なくとも０．４倍であることを特徴とする請求項５に記載の電子制御装置。
7. 低周波変調が約１２５ｋＨｚ〜１５０ｋＨｚの範囲にあり、高周波変調が約２３０ｋＨｚ〜３００ｋＨｚの範囲にあることを特徴とする請求項６に記載の電子制御装置。
8. 低周波変調から高周波変調へ、そして低周波変調へ戻る掃引時間が約２〜２０ｍｓであることを特徴とする請求項６に記載の電子制御装置。
9. 周波数変調の周波数が、周波数変調の周波数がほぼ三角形パターンを有するように、低周波変調と高周波変調との間で実質的に線形に変化することを特徴とする請求項５に記載の電子制御装置。
10. 三角形パターンが対称であることを特徴とする請求項９に記載の電子制御装置。
11. 三角形パターンが非対称であることを特徴とする請求項９に記載の電子制御装置。
12. ランプを点灯させる入力信号を周波数変調して、周波数変調された出力信号を発生するステップを有し、
    その周波数変調された出力信号の周波数変調は低周波変調と高周波変調との間で連続的に掃引し、低周波変調が約１２５ｋＨｚ〜１５０ｋＨｚの範囲の周波数ｆ１であり、高周波変調が約２３０ｋＨｚ〜３００ｋＨｚの範囲の周波数ｆ２であり、（ｆ２−ｆ１）がｆ１の少なくとも０．４倍であり、
    周波数変調された出力信号によってランプのアークを駆動するステップと、
    周波数変調された出力信号の電圧をランプの始動中に調節するステップと、
    を有することを特徴とする高輝度放電ランプの点灯方法。
13. 周波数変調された出力信号の電流振幅がほぼ一定となるように、周波数変調された出力信号の振幅を、高周波変調および低周波変調の内の少なくとも一方の周波数変調中に変更するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 低周波変調から高周波変調へ、そして低周波変調へ戻る掃引時間が約２〜２０ｍｓであることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
15. 周波数変調の周波数が、周波数変調の周波数がほぼ三角形パターンを有するように、低周波変調と高周波変調との間で実質的に線形に変化することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
16. 三角形パターンが対称であることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 三角形パターンが非対称であることを特徴とする請求項１５に記載の方法。

Images