(57)【要約】高輝度（HID）ランプを駆動する方法が開示されている。該方法は、前記HIDランプのために非常に周波数の高い駆動信号を生成するステップと、周波数の低い変調信号を生成するステップと、前記駆動信号を前記変調信号で所定の低い初期変調レベルで振幅変調するステップと、前記HIDランプにかかるランプ電圧を測定するステップと、前記ランプ電圧の標準偏差を決定するステップと、前記標準偏差を所定の最小レベルと比較するステップと、前記標準偏差が前記所定の最小レベルより大きいとき、前記変調レベルを徐々に増やし、前記振幅変調ステップ、前記測定ステップ、前記決定ステップ、および前記比較ステップを繰り返すステップと、前記標準偏差が前記所定の最小レベルより小さいとき、前記振幅変調を前記決定されたレベルに維持するステップとを有することを特徴とする。
2006511055.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高輝度（HID）ランプを駆動する方法であって、
前記HIDランプのため非常に周波数の高い駆動信号を生成するステップと、
周波数の低い変調信号を生成するステップと、
前記駆動信号を前記変調信号で10%から30%のレベルで振幅変調するステップと、
前記振幅変調した駆動信号を前記HIDランプに加えるステップと
を有することを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、前記変調信号の周波数は実質的に100Hzであることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、前記駆動信号の周波数は100kHzから500kHzの範囲にあることを特徴とする方法。
【請求項４】
高輝度（HID）ランプを駆動する方法であって、
（ａ）前記HIDランプのため非常に周波数の高い駆動信号を生成するステップと、
（ｂ）周波数の低い変調信号を生成するステップと、
（ｃ）前記駆動信号を前記変調信号で所定の低い初期変調レベルで振幅変調するステップと、
（ｄ）前記HIDランプにかかるランプ電圧を測定するステップと、
（ｅ）前記ランプ電圧の標準偏差を決定するステップと、
（ｆ）前記標準偏差を所定の最小レベルと比較するステップと、
（ｇ）前記標準偏差が前記所定の最小レベルより大きいとき、前記変調レベルを徐々に増やし、ステップ（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）を繰り返すステップと、
（ｆ）前記標準偏差が前記所定の最小レベルより小さいとき、前記振幅変調を前記決定されたレベルに維持するステップと
を有することを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法であって、前記駆動信号の周波数は100kHzから500kHzの範囲にあることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項５に記載の方法であって、前記変調信号の周波数は実質的に100Hzであることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法であって、前記駆動信号は最初に前記周波数範囲の最低周波数に設定されており、
ステップ（ｆ）において、振幅変調のレベルが所定値に達した時に前記標準偏差が前記所定の最小レベルより下に下がっていないとき、前記駆動周波数を徐々に高くして、初期レベルと徐々に高くしたレベルで振幅変調することをステップ（ｂ）で繰り返すことを特徴とする方法。
【請求項８】
高輝度（HID）ランプを駆動する電子安定器であって、
直流電圧源と、
前記直流電圧を直流駆動電圧に変換するコンバータと、
前記HIDランプのため周波数が非常に高い駆動信号を生成する手段と、
周波数が低い変調信号を生成する手段と、
前記駆動信号を前記変調信号で10%から30%のレベルで振幅変調する手段と、
前記振幅変調した駆動信号を前記HIDランプに加える手段と
を有することを特徴とする電子安定器。
【請求項９】
請求項８に記載の電子安定器であって、前記変調信号の周波数は実質的に100Hzであることを特徴とする電子安定器。
【請求項１０】
請求項８に記載の電子安定器であって、前記駆動信号の周波数は100kHzから500kHzの範囲にあることを特徴とする電子安定器。
【請求項１１】
高輝度（HID）ランプを駆動する電子安定器であって、
直流電圧源と、
前記直流電圧を直流駆動電圧に変換するコンバータと、
前記HIDランプのため周波数が非常に高い駆動信号を生成する手段と、
周波数が低い変調信号を生成する手段と、
前記駆動信号を前記変調信号で所定の低い初期変調レベルで振幅変調する手段と、
前記HIDランプにかかるランプ電圧を測定する手段と、
前記ランプ電圧の標準偏差を決定する手段と、
前記標準偏差を所定の最小レベルと比較する手段と
を有し、
前記標準偏差が前記所定の最小レベルより大きいとき、前記振幅変調手段は前記変調レベルを徐々に高くし、前記測定手段、前記決定手段、前記比較手段はそれぞれの機能を繰り返し、
前記標準偏差が前記所定の最小レベルより小さいとき、前記振幅変調手段は前記振幅変調を前記決定されたレベルに維持することを特徴とする電子安定器。
【請求項１２】
請求項１１に記載の電子安定器であって、前記駆動信号の周波数は100kHzから500kHzの範囲にあることを特徴とする電子安定器。
【請求項１３】
請求項１２に記載の電子安定器であって、前記変調信号の周波数は実質的に100Hzであることを特徴とする電子安定器。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は様々なタイプの放電ランプ（gas  discharge  lamp）の動作の制御に関し、特に、放電ランプの高周波数範囲における電子安定器（electronic  ballast）の動作性能の改良に関する。
【０００２】
高輝度（HID）放電ランプは、本技術分野で知られているように、高周波数で動作させると音響共振を起こす。周波数範囲はランプのタイプにより異なるが、数キロヘルツから数百キロヘルツである。しかし、放電ランプが非常に高い周波数で動作しているとき、すなわち音響共振の最高周波数（例えば、400Wのメタルハロゲンランプでは150kHz）よりも高い周波数で動作しているとき、音響共振が放電ランプの性能に負の影響を与えないような放電ランプでは、音響共振はかなり弱くなる。しかし、放電ランプをVHFレンジで動作させると、電磁的干渉が発生する。また、放電ランプをVJFランプ電流で動作させると、電極温度変調（すなわち、アノードとカソードの温度差）は消えてしまう。その結果電極動作条件が異なり、電極上のアークアタッチメントを変化させる。400Wメタルハロゲンランプを高周波数で動作させたとき、500kHzでも、アーク電極アタッチメントに関係するアーク不安定性が見られた。
【０００３】
放電ランプのバックアーキングは、ランプの電極コイルの後ろにアークのアークアタッチメントを取り付ける。これはアーク間の端の熱的バランスに影響し、同様に蒸気圧に影響する。結果として、ランプの色特性が影響を受ける。
【０００４】
HIDランプを高い周波数で安定に動作させる方法は多数知られている。第１の方法は、音響共振の最低周波数より低い電流周波数で動作させることである。この方法はパワーが非常に低いランプに限定される。音響共振周波数はランプエンベロープの内径分の１にスケールするからである。ワット数がもっと高い（より大きい）ランプでは、最低音響共振周波数は40kHzパワー周波数（20kHz電流周波数）より低く、回路が可聴ノイズを発生する。第２の方法は、音響共振周波数の間にある「無共振ウィンドウ」を見つけることである。この方法はランプの大きさに大きく依存する。生産の許容誤差の小さなずれや、ランプの寿命にわたるランプパラメータの変化により、この「ウィンドウ」は消えてしまう。この方法の変形として、弱い共振の範囲を周波数スイープする方法がある。この場合も、周波数レンジはランプの大きさに大きく依存する。HIDランプを安定に動作させる第３の方法は、周波数を十分に高くして、音響共振がダンプさせることである。この場合、非常に弱い共振が起こらないことを保証することは難しい。この弱い共振の周波数はランプごとに変化して、さらに動作点ごとにも変化するので予測がつかない。VHFでの周波数スイープでは上記の不安定性を完全に消し去ることができるかどうかは、まだ証明されていない。
【０００５】
本発明の目的は、HIDランプを非常に高い周波数で駆動して、一方アーク不安定性を無くすことである。この目的は、本発明による高輝度（HID）ランプを駆動する方法により達成される。この方法は、前記HIDランプのため非常に周波数の高い駆動信号を生成するステップと、周波数の低い変調信号を生成するステップと、前記駆動信号を前記変調信号で10%から30%のレベルで振幅変調するステップと、前記振幅変調した駆動信号を前記HIDランプに加えるステップとを有することを特徴とする。
【０００６】
本願出願人は、変調信号の周波数が実質的に100Hzであり、駆動信号の周波数が100kHzから500kHzの範囲にあるとき、HIDランプのアークが安定することを見いだした。
【０００７】
各ランプの特性が安定性と直接の関係を有しているので、好ましい一実施形態による高輝度（HID）ランプを駆動する方法は、前記HIDランプのため非常に周波数の高い駆動信号を生成するステップと、周波数の低い変調信号を生成するステップと、前記駆動信号を前記変調信号で所定の低い初期変調レベルで振幅変調するステップと、前記HIDランプにかかるランプ電圧を測定するステップと、前記ランプ電圧の標準偏差を決定するステップと、前記標準偏差を所定の最小レベルと比較するステップと、前記標準偏差が前記所定の最小レベルより大きいとき、前記変調レベルを徐々に増やし、前記振幅変調ステップ、前記測定ステップ、前記決定ステップ、および前記比較ステップを繰り返すステップと、前記標準偏差が前記所定の最小レベルより小さいとき、前記振幅変調を前記決定されたレベルに維持するステップとを有することを特徴とする。この方法を修正して、駆動周波数が初期値の時に振幅変調を試みてもよい。そして、振幅変調量が所定量に達しても標準偏差が所定の最小レベルより低くならないとき、駆動周波数を少し大きくし（または小さくし）、駆動周波数と振幅変調量の適当な組み合わせが得られるまで上記のプロセスを繰り返す。
【０００８】
上記その他の目的と有利性を念頭に置いて、添付した図面を参照しながら本発明を説明する。
【０００９】
図１は、従来のランプ３にランプ電流ILを供給するための、本発明を組み込んだ安定器１を示すブロック回路図である。安定器１はライン電圧をフィルターするための電磁干渉フィルター１０を含む。ライン電圧整流器１２は、フィルター１０からのライン電圧を整流し、DC電圧VDをブーストコンバータ１４に供給する。エナジーバッファ１６は、ブーストコンバータ１４からの出力に接続されており、またハーフブリッジ回路１８にも加えられている。ハーフブリッジ回路１８からの出力は安定器１の出力であり、ランプ３に加えられる。
【００１０】
図２はハーフブリッジ回路１８の一実施形態を示す図である。ハーフブリッジ回路１８は、MOSFETとして示した第１のスイッチT1と第２のスイッチT2の直列構成と、電圧VDを受けるハーフブリッジ回路１８の入力端子２０と２２の間に接続されたインピーダンスZとを含む。トランスTFの一次巻き線PW、インダクタL、第１のキャパシタC1、第２のキャパシタC2の直列構成は、第１と第２のスイッチの間の接合部と第２の入力端子２２との間に接続されている。ハーフブリッジ回路１８の出力端子２４、２６は、第２のキャパシタC2の両端に構成されており、ランプ３に接続されている。
【００１１】
マイクロコントローラ２８は第１の入力端子２０から電圧VDを受け、第２のスイッチT2とインピーダンスZの間の接合部から電流IDを受ける。また、トランスTFの二次巻き線SWは、一端がグランドに接続され、マイクロコントローラ２８に電流IFを供給する。電圧VD、電流ID、IFに応じて、マイクロコントローラ２８は、ランプの所望の動作周波数で電圧制御オシレータ３０の振動周波数を制御するための制御電圧VFMを生成する。電圧制御オシレータ３０は、ハーフブリッジ駆動回路３２に動作周波数の制御電圧VCを生成する。制御電圧VCに応じて、ハーフブリッジ駆動回路３２は、第１と第２のスイッチT1、T2のゲートの駆動信号を生成する。ランプへの信号の振幅変調はバス電圧VDを振幅変調することにより達成される。そのために、振幅変調器３４が入力２０と第１のスイッチT1との間に含まれている。振幅変調器３４は、所望の振幅変調量を表す制御信号VAMを受け取るため、マイクロコントローラ２８からの出力に結合した制御入力を有する。当然のことながら、ランプへの信号を振幅変調する構成は他にもあり、上で説明した実施形態をそれで置き換えてもよい。
【００１２】
HIDランプを安定の動作させるためには、ランプへのVHF駆動電圧を振幅変調するだけでは十分でないことを、出願人は見いだした。振幅変調はサイン波、方形波、または三角波であってもよいが、振幅変調はかなり大きい必要がある。一実施例において、セラミックエンベロープを有する150WのHIDランプを500kHz電流周波数で動作させた。ランプへの電圧波形は、100Hzの100mV方形波信号で変調した。これは10％変調に相当する。図３に示したように、波形Aは、振幅変調の無い約20秒の時間間隔にわたるランプ電圧VLを表す。一方、波形Bは、同じ時間にわたる振幅変調をしたランプ電圧VLを表す。図から明らかなように、波形Aに示されたように、ランプ電圧の大きな変位はアークの不安定性を表す。適当な量の振幅変調をかけると、波形Bに示されたように、ランプ電圧の大きな変位は消え、ランプの動作が安定する。第２の実施例において、図４に示したように、ランプは400kHzの電流周波数で動作させた。図４において、波形Cは、振幅変調無しに約20秒の時間にわたるランプ電圧VLを示す。波形Dは、振幅変調をかけた同じ時間にわたるランプ電圧VLを表す。
【００１３】
各ランプの動作条件は異なり、１つのランプでも時間によって動作パラメータが変化するので、振幅変調の量を変化させる必要がある。図５は、振幅変調を徐々に大きくした時に効果を示す図である。具体的に、セラミックエンベロープを有する150WのHIDランプを500kHz電流周波数で動作させた。ランプ電圧VLは時間とともに周期的に変化し、4秒の間隔で示されている。VHF信号の振幅変調を、250mV（約25％変調）でランプが安定化するまで、徐々に大きくした。具体的に、波形Eは、振幅変調無しのランプ電圧VLを示す。波形Fは、変調レベルが100mVの場合のランプ電圧VLを示す。波形Gは、変調レベルが150mVの場合のランプ電圧VLを示す。波形Hは、変調レベルが200mVの場合のランプ電圧VLを示す。波形Iは、変調レベルが250mVの場合のランプ電圧VLを示す。当然のことながら、ランプ電圧VLは、波形E-Hと反対に波形Iで変化がかなり小さくなり、安定した動作をしている。振幅変調を無くすとランプは不安定な動作状態（波形J）になる。
【００１４】
上記を考慮して、必要な振幅変調の量はランプ電圧VLの標準偏差を調べることにより決定できると判断した。ランプのアークが不安定になると、通常の長さからずれ、このずれにより電圧の分布が生じる。実施例の研究において、ランプ電圧波形を10ms（振幅変調信号の１期間に相当する）にわたって数値化し、二乗平均平方根を計算した。この測定を500回繰り返し、各測定について標準偏差を計算した。各標準偏差測定のトータル時間は約10秒である。70Wのシリンダー形状の放電ランプを振幅変調せずに250から300kHzの整数であるVHF電流周波数で動作させた。５１通りの離散的周波数において、３つの周波数だけが安定であった（400kHzより上では不安定）。100Hz方形波に30%の振幅変調を加えると、３４通りの周波数で安定となった。この様子を図６に示した。図６には、振幅変調無し（丸印５０）の場合と、250から300kHzの電流周波数の振幅変調（三角印５２）の場合について、５００通りの電圧測定の標準偏差がプロットされている。標準偏差0.1のところにある水平線は、アーク安定性（<0.1）とアーク不安定（>0.1）を分ける分割線である。100Hz  の方形波および100Hzのサイン波について、この70Wランプを安定させるのに必要な振幅変調のパーセンテージの効果を調べた。VHF周波数は285kHzであり、振幅変調をしなければ不安定である。方形波による変調の場合、アークは20％から30％の変調で安定であった。サイン波による変調の場合、アークは15％から30％の変調で安定であった。
【００１５】
変調周波数を、方形波およびサイン波の場合について30％の振幅変調で調べた。方形波変調の場合、ランプは100Hzと400Hzで安定であったが、200Hz  では放電が周期的に動いた。500Hz  までボトム電極に速いフリッカーがあり、ランプは100Hzで不安定であった。サイン波による変調では、アークは100Hzと200Hzで安定であったが、400Hz  では間欠的な不安定性があった。500Hzまでランプは不安定であった。変調周波数の下限はランプパワーと光出力の強い変調により発生したフリッカーの知覚により決定した。
【００１６】
第二の実施例において、水晶エンベロープを有する100W非シリンダー型HIDランプは振幅変調を用いて安定化された。ランプは150kHzから200kHzの５１通りのVHF周波数で垂直方向に不安定であった。30%の方形波振幅変調を加えることにより、多くの周波数においてランプの安定性は劇的に高くなった。この様子を図７に示した。図７には、振幅変調無し（丸印５４）の場合と、振幅変調あり（三角印５６）の場合について、５００通りの電圧測定の標準偏差がプロットされている。
【００１７】
上記を考慮して、図２の回路の修正を工夫した。図８に示したように、ランプ電圧VLはアナログ・ツー・デジタル（A/D）コンバータ４０に加えられる。数値化されたランプ電圧は標準偏差回路４２に加えられ、その標準偏差回路４２所定の期間にわたってランプ電圧の標準偏差を計算する。この標準偏差は閾値検出器４４に加えられ、その閾値検出器４４はランプの安定した動作を表す所定のレベルよりも標準偏差が低いかどうかを決定する。閾値検出器４４の出力はマイクロコントローラ２８に加えられる。
【００１８】
動作中、マイクロコントローラ２８は、最初、振幅変調器３４のための出力変調信号を生成しない。閾値検出器４４の出力に基づき、マイクロコントローラ２８は所定の最小量で出力変調信号を生成することを開始する。そして振幅変調量を徐々に大きくする。その間、A/Dコンバータ４０、標準偏差回路４２、閾値検出器４４が変調の結果をモニターする。ランプ電圧の標準偏差が閾値検出器４４の所定の閾値を一旦下回ると、マイクロコントローラ２８は振幅変調量の増大をやめる。振幅変調量は最良レベルに維持される。
【００１９】
上記のプロセス後、ランプ電圧の標準偏差は所定の閾値より上にあるかも知れない。そうであれば、マイクロコントローラ２８はランプの動作周波数を変更し、振幅変調量を徐々に大きくするステップを繰り返す必要があるであろう。そのために、上記の動作を修正して、マイクロコントローラ２８が最初に制御信号をVCO３０に供給し、VCO３０に所定の初期周波数で動作するようにする。マイクロコントローラ２８は、閾値検出器４４の出力に基づき所定の最小量で出力変調信号の生成を開始して、振幅変調量を徐々に上げる。その間、A/Dコンバータ４０、標準偏差回路４２、閾値検出器４４が結果をモニターする。ランプ電圧の標準偏差が閾値検出器４４の所定の閾値を一旦下回ると、マイクロコントローラ２８は振幅変調量の増大をやめる。振幅変調量は最良レベルに維持される。振幅変調量が例えば30%になってもランプ電圧の標準偏差が所定の閾値を下回らなかったら、マイクロコントローラ２８はVCO３０の周波数を少し上げて、振幅変調量を徐々に上げるステップを繰り返す。このプロセスを周波数と振幅変調量の適当な組み合わせが得られるまで続ける。
【００２０】
ここに開示した構成をいろいろ変更修正できることは当業者には明らかであろう。しかし、当然のことながら、上記の実施形態は実施例であり、本発明を限定するものと解釈してはならない。本発明の精神を逸脱しないような修正はすべて添付した請求項の範囲内に含まれるはずである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明による、ランプを駆動する安定器を示すブロック回路図である。
【図２】図１の安定器に使用するハーフブリッジ回路を示すブロック回路図である。
【図３】本発明の一実施形態におけるランプ電圧を示すグラフである。
【図４】本発明の他の実施形態におけるランプ電圧を示すグラフである。
【図５】振幅変調を徐々に大きくした時のランプ電圧を示すグラフである。
【図６】異なる駆動周波数におけるランプ電圧に対するランプの一実施形態の標準偏差を示すグラフである。
【図７】異なる駆動周波数におけるランプ電圧に対するランプの他の実施形態の標準偏差を示すグラフである。
【図８】ランプ電圧の標準偏差をモニターした図２の実施形態の修正を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図８】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
2006511055.tif 000011
2006511055.tif 000012
2006511055.tif 000013