JPH0679517B2 - 無電極高光度放電ランプ用始動回路 - Google Patents

無電極高光度放電ランプ用始動回路

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JPH0679517B2
JPH0679517B2 JP3145259A JP14525991A JPH0679517B2 JP H0679517 B2 JPH0679517 B2 JP H0679517B2 JP 3145259 A JP3145259 A JP 3145259A JP 14525991 A JP14525991 A JP 14525991A JP H0679517 B2 JPH0679517 B2 JP H0679517B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は一般に高光度放電（ＨＩ
Ｄ）ランプに関するものである。更に詳しく述べると、
本発明は無電極ＨＩＤランプの中でアーク放電を開始す
るための回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】高光度放電（ＨＩＤ）ランプでは、水銀
蒸気、ナトリウム蒸気のような中圧から高圧の電離可能
なガスは、通常そのガスを電流が通ることによって生じ
る励起の際に可視光を放射する。ＨＩＤランプの１つの
種類には高圧ガスのランプ充てん物の中でソレノイド状
の電界を発生することによってアーク放電を発生する無
電極ランプが含まれる。詳しく述べると、ランプ充てん
物、すなわち放電プラズマはアーク管を取り囲む励起コ
イルに無線周波（ＲＦ）電流を供給することによって励
起される。アーク管および励起コイルのアセンブリは実
質的に、ＲＦエネルギをプラズマに結合する変圧器とし
て作用する。すなわち、励起コイルは一次コイルとして
作用し、プラズマは単巻二次コイルとして作用する。励
起コイル内のＲＦ電流は時間とともに変化する磁界を作
り、その結果、それ自体で完全に閉じた電界、すなわち
ソレノイド状の電界がプラズマ内に形成される。この電
界により電流が流れるので、アーク管の中にドーナツ形
のアーク放電が生じる。
【０００３】室温では、励起コイルの作るソレノイド状
の電界は通常充分に高くないので、ガス状充てん物を電
離してアーク放電を開始することはできない。この欠点
を克服する１つの方法はたとえばまずアーク管を液体窒
素の中に浸すことにより、ガス温度を非常に低い値に下
げて、その後でガス温度が上昇できるように充てん物の
ガス圧を下げることである。温度が上昇するにつれて、
充てん物の電離すなわち降伏が生じてアーク放電が開始
される。しかし、アーク放電を開始する液体窒素法は広
汎な商用には実際的でない。
【０００４】無電極ＨＩＤランプを始動するためのより
最近の方法は、始動補助装置を使って、励起コイルの巻
回部（ターン）の両端間に発生される高電圧をアーク管
に容量結合することである。この電圧勾配の結果、始動
補助装置と励起コイルとの間に、したがってアーク管を
通って容量性電流が流れる。これによりガス状の充てん
物が電離され、その中に低電流のグロー放電が生ずる。
ガスが充分に電離されると、比較的低電流のグロー放電
から比較的高電流、高光度のソレノイド状アーク放電へ
の遷移が行なわれる。米国特許第４，９０２，９３７号
明細書に述べられているように、このような始動補助装
置はたとえば一対の容量性始動電極で構成することがで
きる。各始動電極は、アーク管を囲み、かつＨＩＤラン
プの励起コイルに接続された導電性の環を有する。始動
電極対の間に高電圧信号を結合することにより、始動電
極対の間に電界が生じる。この電界の大きさは充分に大
きいので、アーク管壁容量によりアーク管にグロー放電
が生じる。更に、始動補助装置を介してアーク管に直
接、比較的大きな電界を印加することによりアーク管の
早期劣化が生じることがあるということがわかったの
で、アーク放電の開始後、バイメタル条片のような感熱
部材を使ってアーク管から離れるように始動電極を動か
し、これによってランプの有効寿命を維持する。
【０００５】無電極ＨＩＤランプ用のらせん状の始動電
極が米国特許第４，８９４，５９０号明細書に述べられ
ている。単一の円錐らせん形の始動電極がその狭い方の
端でアーク管の表面に隣接するように配置される。励起
コイルの発生する磁束がらせん形の電極の巻回部と交差
するように始動電極の広い方の端が配置される。これに
より高電圧信号が発生され、その結果充分に高い電界勾
配が生じて、アーク管内にグロー放電が生じる。アーク
管の中でアーク放電が開始した後、バイメタル条片を使
って始動電極をアーク管から離れるように動かす。
【０００６】圧電手段によって休止位置からアーク管に
隣接した始動位置に動かされるようにした始動電極が米
国特許第４，８９４，５８９号明細書に述べられてい
る。アーク放電が開始された後、圧電手段が不作動にさ
れ、始動電極が休止位置に戻る。圧電手段によって始動
電極を選択的に動かすことができるので、アーク管がま
だ熱くても必要な場合にはランプを再起動することがで
きる。
【０００７】米国特許第４，９８２，１４０号明細書に
は別の無電極ＨＩＤランプ用始動補助装置が説明されて
おり、この装置は第２の導電性コイルのまわりに配置さ
れた第１の導電性コイルを含み、各コイルの形状は円錐
台状になっている。コイルは互いに逆方向に巻かれてい
るので、その中に誘導される電圧は加算されて充分に高
い電界勾配を形成し、アーク管の中にアーク放電を開始
する。バイメタル支持体を使って始動補助装置はアーク
管に隣接した始動位置とアーク管から離れた所定の場所
のランプ動作位置との間を動かされる。
【０００８】上記各始動補助装置は無電極ＨＩＤランプ
でアーク放電を開始する際に有効であるが、用途によっ
ては始動補助装置の移動を必要としない始動補助装置を
提供することが望ましい。特に、アーク管を囲む外側エ
ンベロープをそなえたＨＩＤランプの場合、高信頼度で
始動補助装置を動かすことが難しいことがある。したが
って、上述のような始動補助装置は多数の用途で実際的
でないものとなる。
【０００９】更に、励起コイル電流がその最大振幅に達
するのとほぼ同時に充てん物に電離電界を印加する始動
補助装置が提供されることが望ましい。そうでなくて励
起コイル電流がその最大振幅に達する前に始動補助装置
がグロー放電を開始すると、ランプ装置が制動されて最
大コイル電流が小さくなり、ソレノイド状アーク放電へ
の遷移が妨げられることがある。
【００１０】
【発明の目的】したがって、本発明の１つの目的はアー
ク管に近接した始動位置とアーク管からもっと遠く離れ
たランプ動作位置との間に始動補助装置を動かす必要の
ない無電極ＨＩＤランプ用始動回路を提供することであ
る。
【００１１】本発明のもう１つの目的は安定器回路から
独立し、安定器回路の動作を妨害しない同調始動回路を
用い、これにより最適始動時間で始動電流を印加するこ
とのできる無電極ＨＩＤランプ装置用始動回路を提供す
ることである。
【００１２】本発明の更にもう１つの目的はランプ始動
後、容量結合された比較的大きな始動電流を遮断してラ
ンプの有効寿命を維持する無電極ＨＩＤランプ用始動装
置を提供することである。
【００１３】
【発明の概要】上記の目的および他の目的を達成するた
め、無電極ＨＩＤランプ用始動回路は固定の始動プロー
ブ、ならびにランプのアーク管の中でアーク放電を開始
するための容量結合始動電流を発生するために無線周波
信号を始動プローブに供給するための、同調出力回路を
そなえた、高効率電源装置、を含む。高効率電源装置は
Ｄ級またはＥ級電力増幅器を有することが好ましい。同
調出力回路は直列に結合されたインダクタンスと容量を
含む。同調回路の容量は始動プローブと励起コイルとの
間の寄生容量を含むことが好ましい。本発明の一実施例
によれば、始動回路は、ランプ安定器を動作させて励起
コイルを駆動するために使用される周波数よりも高い周
波数で動作する。このようにして、始動回路はランプ安
定器回路から独立しているので、たとえばＤ級型安定器
の出力共振回路を離調させることによりその動作を妨げ
ることはない。更に、このような独立の始動回路を使う
ことにより、励起コイル電流がその最大振幅に達するの
とほぼ同時に始動電流を発生させることができる。アー
ク放電が開始されると、始動回路が不作動にされるの
で、ランプ安定器回路に対して事実上、高インピーダン
スとなる。その結果、容量結合された始動電流が遮断さ
れるので、ランプの有効寿命が維持される。
【００１４】本発明の特徴および利点は添付の図面を参
照した本発明の以下の詳細な説明から明らかとなろう。
【００１５】
【詳しい説明】図１は本発明の一実施例による固定の始
動プローブ１２を用いる無電極ＨＩＤランプ１０を含む
ＨＩＤランプ装置を示す。ランプ１０は口金１５に取付
けられた外側エンベロープ１４を含んでおり、棒１８に
よって外側エンベロープ１４の中に支持されたアーク管
１６を囲んでいる。エンベロープ１４およびアーク管１
６はそれぞれ溶融石英または多結晶アルミナのような光
を透過する材料で構成されている。アーク管１６には充
てん物が入っており、この充てん物の中でソレノイド状
のアーク放電がランプ動作中に励起される。米国特許第
４，８１０，９３８号明細書に述べられている適当な充
てん物の例はハロゲン化ナトリウム、ハロゲン化セリウ
ム、およびキセノンを適切な重量比で組み合わせたもの
であって、白色温度で高効能および良好な演色性を示す
可視光を発生する。たとえば、上記特許によるこのよう
な充てん物は約５００トル（Torr）の分圧のキセノンと
組み合わせた、等しい重量比のヨウ化ナトリウムおよび
塩化セリウムよりなる。別の適当な充てん物の例は米国
特許第４，９７２，１２０号明細書に述べられている。
この特許に記載の充てん物はハロゲン化ランタン、ハロ
ゲン化ナトリウム、ハロゲン化セリウム、および緩衝ガ
スとしてのキセノンまたはクリプトンの組み合わせより
なる。たとえば、上記特許によれば充てん物はヨウ化ラ
ンタン、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化セリウム、および２
５０トルの分圧のキセノンの組み合わせで構成すること
ができる。
【００１６】励起コイル２０は無線周波（ＲＦ）安定器
２２に結合されており、充てん物の中でアーク放電を励
起するためのアーク管１６を囲んでいる。たとえば、図
示するようにコイル２０の巻回部はコイル中心線２３の
各々の側でほぼＶ字形の横断面となるように配置され
る。このようなコイル構成は米国特許第４，８１２，７
０２号明細書に述べられている。
【００１７】動作について説明すると、コイル２０のＲ
Ｆ電流によって時間とともに変化する磁界が形成され、
この磁界によってそれ自身で完全に閉じる電界がアーク
管１６の中に作られる。このソレノイド状電界によりア
ーク管１６の中の充てん物を通って電流が流れ、その中
にドーナツ形のアーク放電２４が生じる。ＲＦ安定器２
２に対する適当な動作周波数は０．１から３０メガヘル
ツ（MHz ）の範囲にあり、動作周波数の例は１３．５６
MHz および６．７８MHz である。これらの周波数は、そ
の中で適度な量の電磁放射が許容できる電磁スペクトル
の工業、科学および医学用（ISM;Industrial,Scientifi
c and Medical ）帯域の中にあり、このような放射は一
般に無電極ＨＩＤランプ装置によって放出される。
【００１８】図１に示すように、始動プローブ１２はア
ーク管１６に近接してアーク管支持棒１８の中に据え付
けられている。始動プローブは一実施例ではたとえば銅
の薄片で構成される。しかし、たとえば針金のループ
（図示しない）のような他の適当な始動プローブを本発
明の始動回路と一緒に使ってもよい。始動プローブ１２
がリード線２８によって始動回路２６に結合されてい
る。図示するように始動回路２６は安定器２２から独立
しており、また安定器２２に比べて充分に高い周波数で
動作することが好ましい。始動回路２６に対する適当な
動作周波数は約１MHz から４MHz の範囲内にあり、もち
ろん安定器の動作周波数によって左右される。
【００１９】ここでは始動プローブ１２は固定のものと
して説明しているが、本発明の始動回路２６は米国特許
第４，９０２，９３７号、米国特許第４，８９４，５９
０号、米国特許第４，８９４，５８９号、米国特許第
４，９８２，１４０号の明細書等に述べられているよう
な可動の始動補助装置に使ってもよい。
【００２０】図２は本発明の一実施例による始動回路を
用いるＨＩＤランプ装置を図式的に表わしたものであ
る。たとえば安定器２２は、１９９０年１月３０日出願
の米国特許出願第４７２，１４４号の明細書に述べられ
ている安定器のように、Ｄ級電力増幅器を有する。Ｄ級
安定器は半ブリッジ構成で直流電源ＶDDと直列に接続さ
れた２個のスイッチング素子Ｑ1 およびＱ2 を含む。ス
イッチング素子Ｑ1 およびＱ2 は図ではＭＯＳＦＥＴと
して示されているが、絶縁ゲート・バイポーラ・トラン
ジスタ（ＩＧＢＴ）またはＭＯＳ制御サイリスタ（ＭＣ
Ｔ）のように容量性ゲートを持つ他の型のスイッチング
素子であってよい。スイッチング素子Ｑ1 およびＱ2 は
それぞれ入力隔離変圧器３０および３２を介して安定器
ドライバ２８に結合されている。動作について説明する
と、スイッチング素子は一方が導電（オン）状態にある
間は他方が非導電（オフ）状態となるようにカットオフ
と飽和状態とに交互に駆動される。したがって、Ｄ級安
定器は方形波信号で駆動するのが都合がよい。代案とし
て安定器ドライバ２８は、１９８９年１２月２１日出願
の米国特許出願第４５４，６１４号の明細書に述べられ
ているように、２つの位相外れ正弦波状信号を発生する
手段で構成してもよい。
【００２１】共振負荷回路網は素子Ｑ1 とＱ2 との間の
接続点でスイッチング素子Ｑ2 と並列に半ブリッジに接
続されている。共振負荷回路網にはＨＩＤランプ１０の
励起コイル２０およびそれと並列に接続された同調コン
デンサＣp が含まれている。（図をわかりやすくするた
め、コイル２０はアーク管１６のまわりのその動作位置
には図示されていない。）コンデンサＣp とコイル２０
の並列組合わせはインピーダンス変成器として動作し
て、アーク放電２４のインピーダンスを安定器負荷に反
映する。阻止／同調コンデンサＣs がコイル２０とコン
デンサＣp の並列組合わせと直列に接続されている。詳
しく説明すると、コンデンサＣs は直流電圧阻止と共振
回路同調の両方の目的で使用される。上記米国特許出願
第４７２，１４４号明細書に述べられているように、効
率が最大となるインピーダンス整合が行なわれるように
コンデンサＣs およびＣp が選定される。
【００２２】本発明によれば、始動回路２６には共振回
路が含まれており、共振回路には容量Ｃo と直列に結合
されたインダクタンスＬo が含まれている。共振回路
は、アーク管１６の中でのアーク放電２４を開始するた
めにＲＦ電力を供給する高効率ＲＦ電源装置３０の周波
数に同調している。容量Ｃo は始動プローブ１２と励起
コイル２０との間の寄生容量で構成することが好まし
い。安定器２２と始動回路２６との間の結合を最小にす
るため、高効率ＲＦ電源装置３０は安定器２２よりも高
い周波数で駆動される。すなわち、アーク放電の開始後
に始動回路を不作動にするときにインダクタンスＬo お
よび容量Ｃo を含む同調回路が励起コイル２０によって
励振されないように始動回路２６の動作周波数は選定し
なければならない。更に、容量結合された始動電流は、
始動プローブを動かす必要もなく消滅される。安定器２
２をたとえば１３．５０MHz で駆動した場合、始動回路
２６の好ましい動作周波数は１５から４０MHz の範囲内
にあり、２７．１２MHz が好ましい周波数である。２
７．１２MHz では、容量Ｃo およびインダクタンスＬo
の数値例はそれぞれ１−２ピコファラドおよび１７−３
４マイクロヘンリーである。
【００２３】始動回路２６を安定器２２より充分に高い
周波数で駆動することのもう１つの利点は、充てん物の
電離が開始されると、放電を通して同じ電流を駆動する
ために必要な電圧が低くなる。詳しく説明すると、電離
が生じれば、放電インピーダンスが容量性になるにつれ
て電流が増大する。更に電離電流が大きくなる程、ソレ
ノイド状の全放電への遷移がより容易になる。その結
果、周波数は容量性インピーダンスに逆比例するので、
比較的高い周波数の始動装置を使うと、比較的低い始動
回路電圧でもグロー放電から高輝度ソレノイド状放電へ
の遷移がより容易になる。
【００２４】独立の始動回路２６を用いることの更にも
う１つの利点は、これを最適の時点に作動し、励起コイ
ル電流がその最大振幅に達するのとほぼ同時に始動電流
を発生することができるので、グロー放電から高光度ソ
レノイド状放電への遷移を妨げる恐れのある制動系の形
成が防止される。
【００２５】図３は高周波ＲＦ電源装置３０を含む始動
回路２６の一実施例の概略回路図である。図示するよう
に、ＲＦ電源装置３０にはＤ級電力増幅器が含まれてい
る。このＤ級電力増幅器には半ブリッジ構成で直流電源
ＶDDと直列に接続された２個のスイッチング素子Ｑ3 お
よびＱ4 が含まれている。スイッチング素子Ｑ3 および
Ｑ4 は図ではＭＯＳＦＥＴとして示されているが、ＩＧ
ＢＴまたはＭＣＴのような容量性ゲートを持つ他の型の
スイッチング素子を使ってもよい。スイッチング素子Ｑ
3 およびＱ4 はそれぞれ入力隔離変圧器３６および３８
を介して高周波発振器３４に結合されている。Ｄ級電力
増幅器２６の動作は上記のＤ級安定器２２の動作と類似
しているが、Ｄ級回路２６の周波数の方が充分に高いこ
とが好ましい。
【００２６】図４は高効率Ｅ級電力増幅器を含む始動回
路２６の別の実施例を示す。このＥ級電力増幅器には直
流電源ＶDDと直列に接続された単一のスイッチング素
子、ならびに直流電源ＶDDからの入力電流をほぼ一定に
するためのＲＦチョークＬRFC が含まれている。スイッ
チング素子Ｑ5 は図ではＭＯＳＦＥＴとして示されてい
るが、ＩＧＢＴまたはＭＣＴのような容量性ゲートを持
つ他の型のスイッチング素子を用いてもよい。スイッチ
ング素子Ｑ5 は隔離変圧器４０を介して高周波発振器３
４に結合される。これにより、上記のように安定器２２
より充分に高い始動回路動作周波数が与えられる。
【００２７】本発明の実施例を図示し、説明してきた
が、このような実施例は例示のためのものに過ぎないこ
とは明らかである。当業者は本発明を逸脱することなく
多数の変形、変化、および置換を考え付き得る。したが
って、本発明の範囲は請求範囲の記載により限定され
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】無電極ＨＩＤランプの一部破断側面図を含む、
本発明の一実施例による始動回路を用いるＨＩＤランプ
装置の一部の概略構成図である。
【図２】図１のＨＩＤランプ装置のより詳細な概略回路
図である。
【図３】図２の始動回路の一実施例の概略回路図であ
る。
【図４】図２の始動回路の別の実施例の概略回路図であ
る。
【符号の説明】
１０ 無電極ＨＩＤランプ １２ 始動プローブ １６ アーク管 ２０ 励起コイル ２４ アーク放電 ２６ 始動回路 Ｑ1 −Ｑ5 スイッチング素子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−95462（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−108604（ＪＰ，Ａ) 実開 昭57−45158（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭37−6045（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 励起コイルに第１の無線周波信号が印加
    されたときにアーク放電を励起するための充てん物が封
    入されているアーク管のまわりに配置された励起コイル
    を有する型式の無電極高光度放電ランプのための始動回
    路に於いて、少なくとも上記アーク管の中でアーク放電
    を開始する際、上記アーク管に近接して配置される始動
    プローブ、ならびに上記始動プローブに第２の無線周波
    信号を供給するために上記始動プローブに結合された高
    効率の無線周波電源装置であって、インダクタンスと容
    量とを直列接続した同調出力回路を含む無線周波電源装
    置、をそなえることを特徴とする始動回路。
  2. 【請求項２】 上記電源装置は、半ブリッジ構成で直列
    接続された第１および第２のスイッチング素子を持つＤ
    級電力増幅器を有し、上記同調出力回路が上記スイッチ
    ング素子相互の間の接続点に結合されている請求項１記
    載の始動回路。
  3. 【請求項３】 上記電源装置は、無線周波チョーク手段
    と直列に結合されたスイッチング素子を持つＥ級電力増
    幅器を有し、上記出力同調回路が上記スイッチングと上
    記無線周波チョーク手段との間の接続点に結合されてい
    る請求項１記載の始動回路。
  4. 【請求項４】 上記容量は、上記励起コイルと上記始動
    プローブとの間の寄生容量を含む請求項１記載の始動回
    路。
  5. 【請求項５】 上記始動プローブが薄片で構成されてい
    る請求項１記載の始動回路。
  6. 【請求項６】 上記薄片が銅よりなる請求項５記載の始
    動回路。
  7. 【請求項７】 上記第２の無線周波信号の周波数が上記
    第１の無線周波信号の周波数より高い請求項１記載の始
    動回路。
  8. 【請求項８】 上記第１の無線周波信号の周波数が約
    ０．１MHz から３０MHz の範囲内にあり、上記第２の無
    線周波信号の周波数が約１MHz から４０MHz の範囲内に
    ある請求項７記載の始動回路。
  9. 【請求項９】 上記第２の無線周波信号の周波数が約２
    ７．１２MHz であり、上記第１の無線周波信号の周波数
    が約１３．５６MHz である請求項８記載の始動回路。
  10. 【請求項１０】 無電極高光度放電ランプ装置に於い
    て、充てん物の入っているアーク管のまわりに配置され
    た励起コイルを含む無電極高光度放電ランプ、上記励起
    コイルに第１の無線周波信号を供給することにより上記
    アーク管の中でアーク放電を励起するための安定器、少
    なくとも上記アーク管の中でアーク放電を開始する際、
    上記アーク管に近接して配置される始動プローブ、なら
    びに請求項１から９のうちのいずれか１項による始動回
    路であって、上記始動プローブに結合されて上記始動プ
    ローブに第２の無線周波信号を供給する始動回路であ
    り、容量とインダクタンスとの直列接続を含む同調出力
    回路をそなえた始動回路、を含むことを特徴とする無電
    極高光度放電ランプ装置。
  11. 【請求項１１】 上記安定器は、半ブリッジ構成で直列
    接続された２個のスイッチング素子を有すると共に、上
    記２個のスイッチング素子の間の接続点に結合された出
    力共振回路をそなえたＤ級電力増幅器を含み、安定器出
    力容量と直列接続された上記励起コイルのインダクタン
    スが上記出力共振回路に含まれている請求項１０記載の
    高光度放電ランプ装置。
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