(57)【要約】実質的にＨＩＤランプの第２長手方向音響モードの周波数の半分の周波数である周波数においてハーフブリッジ型共振インバータのデューティサイクルを変調する高周波において動作されるＨＩＤランプのアークの安定性及びアークの直線性を備える色混合の方法である。前記方法はまた、このような共振インバータの高周波領域においてスイッチング周波数をスイープする。前記デューティサイクル変調は、実質的に前記第２長手方向音響モードの周波数と等しい固定電力周波数成分を作成するよう電力変調を実施する。前記ハーフブリッジ型共振インバータのスイッチング周波数のスイーピングは、アークの安定性及びアークの直線性を実現するように前記ＨＩＤランプを駆動する。
2005500654.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高輝度放電（ＨＩＤ）ランプのアークの安定性及びアークの直線性を備える色混合のための方法であって、
（ａ）   アークの安定性及びアークの直線性を実現するよう高周波領域にわたってスイープされる高周波においてハーフブリッジ型共振インバータで前記ＨＩＤランプを駆動するステップと、
（ｂ）   実質的に前記ＨＩＤランプの第２長手方向音響モードの周波数と等しい電力周波数成分における電力変調を実現するために前記ハーフブリッジ型共振インバータのデューティサイクルを変調し、前記ＨＩＤランプの垂直軸に沿った色混合を実現するステップとを有する方法。
【請求項２】
前記高周波領域が、実質的に４５ｋＨｚ乃至５５ｋＨｚであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ステップ（ｂ）が、実質的に前記第２長手方向音響モードの周波数の半分と等しい変調周波数において前記デューティサイクルを変調するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
ステップ（ｂ）が、正弦波関数で前記デューティサイクルを変調するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記電力周波数成分は、実質的に２４ｋＨｚであり、前記ＨＩＤランプを駆動する前記高周波に依存しないことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記デューティサイクルが、５０％の公称値を持ち、前記公称値プラス又はマイナス２０％のあたりで対称的に変動することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
高輝度放電（ＨＩＤ）ランプのアークの安定性及びアークの直線性を備える色混合のための方法であって、
（ａ）  アークの安定性及びアークの直線性を実現するよう高周波領域にわたってスイープされる高周波においてハーフブリッジ型共振インバータで前記ＨＩＤランプを駆動するステップと、
（ｂ）  実質的に前記ＨＩＤランプの第２長手方向音響モードの周波数の半分と等しい変調する周波数を持つ関数で前記ハーフブリッジ型共振インバータのデューティサイクルを変調するステップと、
（ｃ）  前記ＨＩＤランプの垂直軸に沿った色混合を実現するために前記ハーフブリッジ型共振インバータで前記第２長手方向音響モードを励起するステップとを有する方法。
【請求項８】
前記高周波領域が、実質的に５０ｋＨｚの公称周波数の場合４５ｋＨｚ乃至５５ｋＨｚであることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
ステップ（ｂ）が、実質的に前記第２長手方向音響モードの周波数と等しい電力周波数成分における電力変調を実現することを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記電力周波数成分は、実質的に２４ｋＨｚであり、前記ＨＩＤランプを駆動する前記高周波に依存しないことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記関数が正弦波関数であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１２】
前記デューティサイクルが、５０％の公称値を持ち、前記公称値プラス又はマイナス２０％のあたりで対称的に変動することを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１３】
高輝度放電（ＨＩＤ）ランプに電力供給をするハーフブリッジ型共振インバータであって、
アークの安定性及びアークの直線性を実現するためにスイープされるスイッチング高周波領域にわたって公称高周波の前記ＨＩＤランプを駆動し、前記ＨＩＤランプの垂直軸に沿った色混合又は垂直分離の低減を達成するために該ＨＩＤランプの第２長手方向音響モードを励起する周波数における該ＨＩＤランプに対する電力変調を実現するための変調されるデューティサイクルを持つハーフブリッジ回路並びに、
前記ハーフブリッジ回路と前記ＨＩＤランプとの間に結合される共振フィルタを有するインバータ。
【請求項１４】
前記変調されるデューティサイクルが、実質的に前記第２長手方向音響モードの周波数の半分と等しい変調周波数を持つことを特徴とする請求項１３に記載のインバータ。
【請求項１５】
前記公称高周波が略々５０ｋＨｚであり、前記高周波領域が実質的に４５ｋＨｚ乃至５５ｋＨｚであることを特徴とする請求項１３に記載のインバータ。
【請求項１６】
前記変調されるデューティサイクルが正弦波関数で変調されることを特徴とする請求項１３に記載のインバータ。
【請求項１７】
前記電力変調の周波数は実質的に２４ｋＨｚであり、前記ＨＩＤランプを駆動する前記公称高周波に依存しないことを特徴とする請求項１３に記載のインバータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高輝度放電（ＨＩＤ）ランプにおける垂直分離（ｖｅｒｔｉｃａｌ ｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ）を低減する方法に関し、より特定的には、ハーフブリッジ型共振インバータの動作について高周波領域中のスイープするスイッチング周波数（ｓｗｅｅｐｉｎｇ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）と組み合わせてデューティサイクル変調を用いる高周波で動作されるＨＩＤランプのアークの安定性及びアークの直線性（ａｒｃ ｓｔｒａｉｇｈｔｅｎｉｎｇ）を備える色混合のための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
或る高輝度放電（ＨＩＤ）ランプが垂直方向に動作される場合には、このランプは、垂直分離と呼ばれる現象を呈する。垂直分離は、垂直軸に沿った放電から発せられる光の一様ではない色によって識別される。より特定的には、ＨＩＤランプの色が頂部から底部まで変化する。垂直分離は、ランプ中の化学物質（ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）の一様ではない分布をもたらす重力に起因する。簡単に言えば、化学物質の大半は、アーク全体にわたって均一に分布されるのではなく、アークの底部に配置される。
【０００３】
垂直分離の不利な点を克服するための或る試みにおいては、第２長手方向音響モード（ｓｅｃｏｎｄ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｍｏｄｅ）が励起された。この第２長手方向音響モードが励起された場合には、ランプ中の化学物質が混合され、これは、ＨＩＤランプの垂直軸に沿った一様な色をもたらした。即ち、垂直分離が低減された。更に、遅い速度（例えば１００Ｈｚ）で４５ｋＨｚから５５ｋＨｚまでスイープされる高周波でのＨＩＤランプの駆動はアークの安定性及びアークの直線性を供給することが示された。
【０００４】
別の試みにおいては、フルブリッジ型共振インバータが、パルス幅変調（ＰＷＭ）技術の使用を介して振幅変調された４５ｋＨｚ乃至５５ｋＨｚの正弦波形を合成するために高周波（例えば２５０ｋＨｚ）で動作された。この振幅変調された波形が、色混合又は垂直分離の低減のために用いられる第２長手方向音響モードの励起を生成した。必要とされる高周波スイッチング及びＰＷＭ動作は、回路電力損失が非常に高いことから、実施を非効率にする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ハーフブリッジ型共振インバータの動作について高周波領域中のスイープするスイッチング周波数と組み合わせてデューティサイクル変調を用いる高周波で動作されるＨＩＤランプのアークの安定性及びアークの直線性を備える色混合の方法に関する。前記デューティサイクル変調は、実質的に第２長手方向音響モードの周波数と等しい固定電力周波数成分（ｆｉｘｅｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｐｏｗｅｒ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）を作成するよう電力変調を実施する。前記スイープするスイッチング周波数は、アークの安定性及びアークの直線性を実現するようにＨＩＤランプを駆動する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
ここで、図１を参照すると、従来のハーフブリッジ型共振インバータ１２０の概略図が示されている。本発明は、第２長手方向音響モードの励起によって色混合を達成するために本発明の方法を実施するために高輝度放電（ＨＩＤ）ランプ１５０に結合される従来のハーフブリッジ型共振インバータ１２０を用いる。共振インバータ１２０は、５０％又は０．５の公称デューティサイクル（ｎｏｍｉｎａｌ ｄｕｔｙ ｃｙｃｌｅ）（スイッチがオンである時間量）で、好ましくは５０ｋＨｚの公称高周波（ｎｏｍｉｎａｌ ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を持つスイープされる高周波領域で相補的に切り換えられる又は駆動される２つのトランジスタＳ１１及びＳ１２又はスイッチＳ１１及びＳ１２を備えるハーフブリッジ回路を含む。
【０００７】
更にこの概略図を参照すると、共振インバータ１２０は、エネルギ蓄積コンデンサＣ１１と並列に結合され、入力電圧Ｖｉｎを与える高ＤＣ電圧源１２２を含む。エネルギ蓄積コンデンサＣ１１は２つのトランジスタＳ１１及びＳ１２又はスイッチＳ１１及びＳ１２によって規定されるハーフブリッジ回路と並列に接続される。例示的な実施例において、トランジスタＳ１１及びＳ１２又はスイッチＳ１１及びＳ１２は、ＭＯＳＦＥＴであるが、他の適当な電力スイッチング装置であり得る。このようにして、エネルギ蓄積コンデンサＣ１１の第１端子及び第２端子は、各々、トランジスタＳ１１のドレイン又はスイッチＳ１１及びトランジスタＳ１２のソース又はスイッチＳ１２に結合される。トランジスタＳ１１のソース又はスイッチＳ１１は、ハーフブリッジ出力ノードＡを介してトランジスタＳ１２のドレイン又はスイッチＳ１２に結合される。トランジスタＳ１１及びＳ１２のゲート又はスイッチＳ１１及びＳ１２は、それらの導通状態及び非導通状態を制御するためにインバータ制御回路（図示せず）に結合される。
【０００８】
共振インバータ１２０は、ハーフブリッジ出力ノードＡに結合される第１端子及び主共振フィルタのインダクタＬ１１の第１端子に結合される第２端子を持つＤＣブロックコンデンサＣ１２を更に含む。主共振フィルタはインダクタＬ１１及びコンデンサＣ１３によって規定される。ＨＩＤランプ１５０は、コンデンサＣ１３と並列に結合される。高ＤＣ電圧源１２２の負の端子、エネルギ蓄積コンデンサＣ１１の第２端子、トランジスタＳ１２のソース又はスイッチＳ１２、及びコンデンサＣ１３の第２端子は共に結合される。
【０００９】
ここで、図２乃至４を参照して、アークの安定性及びアークの直線性を備える第２長手方向音響モードの励起による色混合を達成するために共振インバータ１２０を用いる本発明の方法を以下に詳細に記載する。
【００１０】
第２長手方向音響モードの励起によって色混合を達成するために、ＨＩＤランプ１５０に対する電力は第２長手方向音響モードの周波数で変調されなければならない。例示的な実施例において、第２長手方向音響モードは略々２４ｋＨｚである。本発明の方法は、トランジスタＳ１１及びＳ１２又はスイッチＳ１１及びＳ１２のデューティサイクルを変調することにより、必要な電力変調を得る。一般に、デューティサイクルが５０％又は０．５である場合に、ＨＩＤランプ１５０によって呈される負荷に対する電力は最大になる。デューティサイクルが５０％から減少されるにつれて、又は他の例においては５０％から増大されるにつれて、負荷電力は減少するであろう。このようにして、負荷電力は、単にデューティサイクルを適切に変調することによって、該負荷電力が公称値のあたりで増大又は減少されるように変調され得る。
【００１１】
負荷電力の２４ｋＨｚ変調をもたらすために、デューティサイクル（ＤＣ）は、１２ｋＨｚの周波数において５０％と４０％との間で切り換えられ得る。ＨＩＤランプ１５０の第２長手方向音響モードは２４ｋＨｚであることから、負荷電力は第１の量だけ変調されるであろう。他方で、デューティサイクル（ＤＣ）を５０％と３０％との間で変えることによって、負荷電力は第２の量だけ変調されるでろう。ここで、第２の量は第１の量より大きい。理解されるであろうように、第２長手方向音響モードの励起の程度が変更及び制御され得る。このようにして、色混合を達成するために、又は即ち、垂直分離を除去しないとしても最小化するために、しかるべくデューティサイクルＤＣを変えるようにデューティサイクルＤＣを変調することで、ＨＩＤランプ１５０において第２長手方向音響モードを励起するように負荷電力を変調する。
【００１２】
デューティサイクルＤＣは、正弦波関数又は他の対称形の波形関数で変調され得る。多数の変調関数があり、このような関数について記載することは非常に大変であることから、変調されるデューティサイクルの１つの例しか詳細には記載しない。例示的な正弦波的に変調されるデューティサイクル（ＤＣｍ）は、
ＤＣｍ ＝ ＤＣｎ ＋ ａｍ ｓｉｎ（２＊ｐｉ＊ｆｍ＊ｔ）
式（１）
というように表わされ得る。ここで、ＤＣｎはデューティサイクルの公称値であり、ａｍは変調インデックス（ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘ）であり、ｆｍは変調周波数である。例示的な実施例において、ＤＣｎは実質的に０．５又は５０％であり、変調インデックスａｍは０と０．５との間で変動し、変調周波数ｆｍは実質的に第２長手方向音響モードの周波数の半分（１／２）に設定される。変調インデックスａｍは、変調周波数ｆｍの２倍の周波数においてＨＩＤランプにおける励起の程度及び電力の量を制御する。
【００１３】
上記の点から見て、上記の変調関数は、ＨＩＤランプ１５０の励起の程度又は電力の量を制御するためにデューティサイクルを変調するのに用いられ得る１つの適当な関数でしかない。
【００１４】
デューティサイクル変調は、ＨＩＤランプ１５０の駆動周波数、又は即ちハーフブリッジ回路のスイッチング周波数に依存しないＨＩＤランプ１５０における固定電力周波数成分（２４ｋＨｚ）を作成する。それ故、ハーフブリッジ回路（トランジスタＳ１１及びＳ１２又はスイッチＳ１１及びＳ１２）の実際のスイッチング周波数は、第２長手方向音響モードを励起するためにデューティサイクル変調によって作成される固定電力周波数成分を妨げずに、高周波領域、例えば１００ＫＨｚにわたって変動され得る。このようにして、ＨＩＤランプ１５０が、アークの安定性及びアークの直線性を実現するために４５ＫＨｚから５５ＫＨｚまで又は他の高周波領域でスィープされる周波数において駆動され得る一方、デューティサイクルは、色混合を実現するために２４ｋＨｚの固定周波数においてＨＩＤランプ１５０の第２長手方向音響モードを励起するために１２ＫＨｚにおいて変調される。
【００１５】
要約すると、ハーフブリッジ型共振インバータの実施は非常に効率的であり、単純であり、高価ではない。適切に設計され、動作されるインバータ１２０、トランジスタＳ１１及びＳ１２又はスイッチＳ１１及びＳ１２は、好ましくは、非常に低いスイッチング損失をもたらす零電圧においてスイッチングされ得る。更に、トランジスタＳ１１及びＳ１２又はスイッチＳ１１及びＳ１２は、ＨＩＤランプ１５０の基本周波数において動作される。ランプが５０ｋＨｚにおいて駆動される場合には、スイッチは５０ｋＨｚにおいて動作され、ハーフブリッジ回路のトランジスタＳ１１及びＳ１２又はスイッチＳ１１及びＳ１２は公称５０ｋＨｚにおいて動作される。このようにして、スイッチング周波数はよりずっと低く、このことは、パルス幅変調（ＰＷＭ）を介して５０ｋＨｚの波形を合成するために２５０ｋＨｚを必要とする従来の実施例よりスイッチング損失を更に低減させるであろう。更に、電磁干渉（ＥＭＩ）もまた低減されるであろう。
【００１６】
例示的な例において、ＨＩＤランプは略々５０ｋＨｚの公称高周波において動作され、ここで、駆動周波数は４５ｋＨｚ乃至５５ｋＨｚの高周波領域にわたってスイープされる。図３は、５０ｋＨｚの公称高周波の場合の例示的なスイープされるランプ電圧波形を図示している。このランプ電圧波形は、秒単位の時間（０．００５２ｓ乃至０．００５８ｓ）に対してボルト単位（−６００Ｖ乃至＋６００Ｖ）で表わされている。変調周波数ｆｍは、０．２の深さ（ｄｅｐｔｈ）において略々１２ｋＨｚである。即ち、デューティサイクルは、図２において最もよく見られるように０．３（３０％）又は０．７（７０％）から０．５（５０％）の公称デューティサイクルＤＣｎのあたりを変動する。図２は、略々１２ｋＨｚの変調周波数ｆｍで正弦波的に変調されるデューティサイクル（ＤＣｍ）の例示的な波形を図示している。この波形は、秒単位の時間に対するボルト （０．０Ｖ乃至１．０Ｖ）として表わされている。動作において、図２の１２ｋＨｚデューティサイクル変調は、図４において最もよく見られるように負荷電力スペクトルにおける実質的に２４ｋＨｚの周波数成分を作成する。図４は、この例示的な例の電力スペクトルを図示している。電力スペクトルの波形は、ヘルツ単位の周波数（０．０乃至１２０ｋ）に対するｄＢ（−ｊＨｚ）（−１００乃至１００）として表わされている。
【００１７】
上記の点から見て、略々２４ｋＨｚにおける第２長手方向音響モードを備える例示的なＨＩＤランプ１５０の場合は、２４ｋＨｚにおいて固定及び制御される周波数の励起が、色混合をもたらすために、即ち、垂直分離を除去しないとしても最小化するために音響共鳴を励起するために用いられ得る。同時に、高周波領域、例えば４５ｋＨｚ乃至５５ｋＨｚにわたってのＨＩＤランプ１５０の駆動周波数のスイーピングがアークの安定性及びアークの直線性を実現する。
【００１８】
上記の記載を見ることで、当業者にとっては、本発明の多数の修正例及び別の実施例が明らかとなるでろう。従って、この記載は、本発明の最良の実施様態を当業者に教えるためのものであり、例示でしかないと解釈されるべきである。構成の詳細は、実質的に本発明の精神から外れることなしに変更され得る。添付されている特許請求の範囲内にある全ての修正例の排他的使用が確保される。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の共振インバータの概略図を図示する。
【図２】本発明のデューティサイクル変調波形を図示する。
【図３】本発明の時間に対するＨＩＤランプの電圧波形を図示する。
【図４】本発明の周波数スペクトルに対する電力スペクトル波形を図示する。
【図２】
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【図４】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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