(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アーク管（１４）内に電極と水銀を含む高輝度放電ランプ（１０）の動作を改善する装置（１００）において、
縦軸方向の光放出アークを有する放電ランプに電力を供給するため入力波形を用いて該放電ランプを給電する電力入力手段と、
前記放電ランプの色特性をコントロールするため、前記電力入力手段と接続され前記入力波形をパルス化するパルス化手段（１０１）と、
前記電力入力手段および前記パルス化手段と接続されたアーク安定化手段（１０２）が設けられており、該アーク安定化手段（１０２）は、少なくとも１つの周期的な波形を用いて前記入力波形を振幅変調し、
前記放電ランプに対し、前記パルス化手段（１０１）と前記アーク安定化手段（１０２）の組み合わせにより制御される信号（１０３）が供給されることを特徴とする、
放電ランプの動作を改善する装置。
【請求項２】
前記アーク安定化手段は、正弦波、のこぎり波、方形波およびそれらの組み合わせから成る周期的な波形のグループのうちから選ばれた少なくとも１つの周期的な波形を供給する、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記アーク安定化手段は掃引周波数の周期的な波形を供給する、請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記アーク安定化手段は、多重周波数掃引による複数の周期的な波形から成るグループを用い、該多重周波数掃引により前記入力波形が変調される、請求項２記載の装置。
【請求項５】
前記アーク安定化手段は、２０ｋＨｚ〜６０ｋＨｚの範囲で周波数の掃引を行う、請求項３記載の装置。
【請求項６】
前記アーク安定化手段は、４０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚの範囲で周波数の掃引を行う、請求項３記載の装置。
【請求項７】
前記入力波形を増幅するため、前記のパルス化手段、アーク安定化手段および電力入力手段と接続された電力増幅器が設けられている、請求項１記載の装置。
【請求項８】
前記放電ランプに対し前記入力波形をインピーダンス整合するため、前記のパルス化手段、アーク安定化手段および電力入力手段と接続されたインピーダンス整合手段が設けられている、請求項１記載の装置。
【請求項９】
アーク管（１４）内に電極と水銀を含む高輝度放電ランプ（１０）をコントロールする方法において、
ａ）縦軸方向の光放出アークを有する放電ランプに電力を供給するため入力波形を用いて該放電ランプを給電し、
ｂ）該放電ランプの色特性をコントロールするため前記入力波形をパルス化し、
ｃ）少なくとも１つの周期的な波形を用いて前記入力波形の振幅変調により放電ランプのアークを安定化し、該アークの安定化と前記パルス化との組み合わせにより制御される信号を前記放電ランプに供給することを特徴とする、
放電ランプのコントロール方法。
【請求項１０】
前記のアーク安定化動作（ｃ）において、少なくとも１つの周期的な波形を用いて前記入力波形を振幅変調する、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記のアーク安定化動作（ｃ）において、掃引周波数の周期的な波形を用いて前記入力波形を振幅変調する、請求項９記載の方法。
【請求項１２】
前記のアーク安定化動作（ｃ）において、多重周波数掃引による複数の周期的な波形から成るグループを用いて前記入力波形を振幅変調する、請求項１０記載の方法。
【請求項１３】
振幅変調されパルス化された前記の入力波形を増幅する、請求項９記載の方法。
【請求項１４】
振幅変調されパルス化された前記の入力波形を放電ランプに対しインピーダンス整合する、請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放電ランプのコントロール方法および放電ランプの動作を改善する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アメリカ合衆国特許第４，９０４，９０３号（（１９９０年２月２７日に Pacholok に対し付与、名称”Ballast for High Intensity Discharge Lamps”）に示されているように、放電ランプはこれまでパルスモードで駆動されてきた。上記の特許によれば、蛍光、水銀蒸気、ナトリウムおよびメタルハライド（ＭＨ）ランプの駆動方法が開示されており、この場合、波形の周期の一部分にわたり入力が電子的、周期的にゲートコントロールされる。パルス駆動は、不所望な電磁的および高周波の干渉放射を抑圧する点で効果的である。
【０００３】
アメリカ合衆国特許第４，１３７，４８４号および４，９６３，７９６号に示されているように、パルス技術による高圧放電ランプ（ＨＩＤ）の色特性コントロールも従来技術において知られている。また、日本国特許第４３２１５３号によれば、放電ランプの色特性をコントロールするのに外部温度制御を用いることが開示されている。その他の色特性コントロール方式は、内部温度制御技術や放電管内の塩を変化させることである。
【０００４】
放電ランプ駆動における主要な問題点の１つは、対流ガス流により放電管内でアークが変形することである。これまでに、そのようなアークを安定化しセンタリングするための技術が開発されてきた。アメリカ合衆国特許第５，１３４，３４５号（１９９２年７月２８日に El-Hamamsy 等に対し付与、名称”Feedback System for Stabilizing the Arc Discharge of a High Intensity Discharge Lamp”）には、現象を不安定にする要因となる音響周波数を回避する方法が示されている。上記特許による方法によれば、アークの不安定状態を検出し、そのような状態を引き起こす駆動周波数を変えることが開示されている。
【０００５】
アメリカ合衆国特許第５，３０６，９８７号（１９９４年４月２６日に Dakin等に対し付与、名称”Acoustic Resonance Arc Stabilization Arrangement in a Discharge Lamp”）には、駆動信号周波数を変調するようにした安定化技術が示されている。放電ランプのアークをコントロールする同様の方法は、アメリカ合衆国特許第５，１９８，７２７号（１９９３年３月３０日に Allen 等に対し付与、名称”Acoustic Resonance Operation of Xenon-Metal Halide Lamps on Unidirectional Current”）にも示されている。この方法によれば、駆動信号の周波数により誘起される”音響的揺動”によってアークがセンタリングされる。このような音響的揺動のために、ガスまたは蒸気の運動パターンは重力により引き起こされる対流に逆らわざるを得ない。
【０００６】
本発明の発明者は、ＨＩＤランプにおけるアークの不安定状態をコントロールする新しい方法を開発してきた。それらの技術は、ランプの色特性を変化させる方法にも付加的に加えることができる。新しい色特性変化技術は、ランプへの電力入力をパルス化するものであって、そのアークは周期的な波形をもつ搬送波を振幅変調することにより安定化される。換言すれば、色特性コントロールパルス処理が、アークの音響的センタリング、緊縮ならびに安定化と組み合わせられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、上述の従来技術の欠点を回避することである。さらに本発明の別の課題は、放電ランプのはたらきを高めることである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によればこの課題は、縦軸方向の光放出アークを有する放電ランプに電力を供給するため入力波形を用いて該放電ランプを給電する電力入力手段と、前記放電ランプの色特性をコントロールするため、前記電力入力手段と接続され前記入力波形をパルス化するパルス化手段と、前記電力入力手段および前記パルス化手段と接続されたアーク安定化手段が設けられており、該アーク安定化手段は、少なくとも１つの周期的な波形を用いて前記入力波形を振幅変調し、前記放電ランプに対し、前記パルス化手段と前記アーク安定化手段の組み合わせにより制御される信号が供給されることにより解決される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
このように本発明の１つの観点によれば、ランプの入力波形を振幅変調しパルス化することで上述の課題が解決される。この技術によって、アークの安定化とランプの色特性の両方がそれぞれコントロールされる。アークを安定化するため、（正弦波、のこぎり波、方形波等やそれらの組み合わせのような）周期的な掃引交流波形により交流入力波形が振幅変調される。掃引波形は一般に約２０ｋＨｚ〜６０ｋＨｚで掃引可能であり、有利な掃引帯域は約４０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚである。掃引サイクル内で段階的な上昇や降下が生じるよう掃引を行えるという具合に、掃引をパターン化することも可能である。掃引には、搬送波を変調するためにいっしょにまとめられた多重周波数掃引を含めることもできる。このような変調は、アークをセンタリングし緊縮し安定化させるために用いられる。そしてこのような安定化に加えて、ランプの色特性をコントロールし調整するためにランプ入力波形がパルス化される。
【００１０】
本発明の手法で利用可能な典型的な放電ランプとして、１００Ｗのメタルハライド（ＭＨ）ランプを挙げることができる。ランプのパルス化動作は、連続的な電力動作とは異なるものである。各パルスの間の抑えられた期間中、ランプは平衡のとれた低電力状態で動作する。電力パルスが急に印加されると、高電力状態のための新たな平衡状態の到達にかかわる時間に依存する各プロセスが、それらの固有の時定数により分離される。この実例は、水銀放射により出力される光の増加を引き起こす急速反応プロセスの優位性である。本発明の１つの観点によれば、パルスの電力が増加される一方、平均電力は一定に保たれる。このことで、色温度と演色評価数（ＣＲＩ）が比較的一定の強さで増加することになる。パルス化技術を用いると、アーク管中のアークは通常、アーク管壁に向かって押しやられる。この場合、先に述べた安定化を行わないと、その結果として管壁を損傷させ、ランプの寿命が短くなり、色特性が全般的に劣化することになる。したがって、これら２つの手法を組み合わせるのが望ましい。そのようにして作動させれば、ランプを垂直方向の動作位置でも水平方向の動作位置でも機能させることができる。
【００１１】
次に、図面を参照しながら本発明について詳細に説明する。
【００１２】
【実施例】
詳細に示された各図面を参照すると、図１には典型的な放電ランプ１０が示されている。この高圧放電ランプ１０はガラス製の外管１２を有している。外管１２内にはアーク管１４が配置されている。アーク管１４は、適切な材料から成る遮壁によって囲むことができる。アーク管は、電気的に励起されたときに高輝度の光の放電を生じさせる（メタルハライドのような）ガスおよび／または物質で満たされる。
【００１３】
アーク管１４は取付支持部材１６により外管１２内の適所に保持されており、この取付支持部材１６は遮壁２０も囲んでいる。入力電力は、口金２２、ステム２４、導線２６および２８をそれぞれ介してアーク管１４へ供給される。取付支持部材１６は、ストラップ３１を介してステム２４に取り付けられた金属製支柱３０を有している。支柱３０は突起部３２とも係合しており、これは外管１２の頭部から内側へ向かって突き出ている。支柱３０の中央部は、アーク管１４および遮壁２０を通って延在する垂直軸と実質的に平行である。個々のクリップ４０，４２は、アーク管１４および遮壁２０に対し支柱３０を支持する役割を果たしている。クリップ４０，４２はそれぞれ支柱に３０に溶接されている。放電ランプ１０の材料や構成に関する詳細な説明はアメリカ合衆国特許第５，２７０，６０８号に示されており、そこにおける関連の開示を参考文献とする。
【００１４】
図２を参照すると装置１００が示されており、これは図１のランプ１０をパルス励起するためのものであり、音響的なアークの安定状態を生じさせる入力電力の振幅変調と組み合わせて色特性をコントロールする。ランプ１０の色特性コントロールを行うパルスは、パルス発生器１０１により供給される。採用することのできる典型的なパルス発生器１０１は、Ｂ＆Ｋ製のモデルＮｏ．３３００である。このパルスは、信号１０３を得るため掃引周波数発振器１０２の発生する掃引された周期的な波形と組み合わせられる。典型的な掃引周波数発振器１０２は、Interestate Electronics Corporation 製のモデルＮＯ．Ｆ３４とすることができる。
【００１５】
組み合わせられた信号１０３によって、２５０ｋＨｚ発振器１０４の供給する入力電力波形の振幅が変調される。典型的な発振器１０４は、Hewlett Packard 製のモデルＮｏ．３３２５Ａとすることができる。次に、変調された入力は電力増幅器１０５により増幅される。典型的な電力増幅器は、Electronic Navigation Instruments 製のモデルＮｏ．１１４０ＬＡとすることができる。増幅された入力信号は次に、インピーダンス整合回路１０６によりランプ１０に対しインピーダンス整合される。そして、インピーダンス整合された信号は図示のとおりランプ１０へ供給される。
【００１６】
図３を参照すると、図２で示した装置による典型的な掃引周波数で振幅変調された２５０ｋＨｚの搬送波が示されている。一般的な掃引は約２０ｋＨｚ〜６０ｋＨｚとすることができ、図１で示したランプについては有利な掃引帯域はほぼ４０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚの間である。他のランプでは異なる励起が必要とされるかもしれないが、これについては当業者にとっては自明である。
【００１７】
図４には、ランプ１０へ供給される掃引周波数による音響的安定化を行う典型的な電力パルスが示されている。ランプの色温度と演色評価数（ＣＲＩ）を変化させるために、電力のパルス処理を変えることができる。実例として図４に示されている入力を用いると、１００Ｗの MetalarcTM ランプに対し色温度は４００度高まり、ＣＲＩは４ポイント増加した。その際、平均電力は１００Ｗに保持された。
【００１８】
先に述べたとおり、（各掃引サイクル内で掃引を高めたり低くしたりできるように）掃引もパターン化できる。掃引において、搬送波を変調するためにいっしょにまとめられる多重周波数掃引を行うこともできる。これらの変調波形は、アークをセンタリングし緊縮し安定化させるために用いられる。所定の特性をもつ電力スペクトルが得られるよう、ＡＣ入力波形を振幅変調することができる。具体的にいうと、アークをまっすぐにし緊縮させるのに十分な振幅が周波数帯域内に含まれていなければならないが、他方では帯域内にアークを不安定にしかねない不要な振幅が含まれている。たとえば、４０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚの周波数で掃引された正弦波の振幅変調により、１００Ｗの MetalarcTM ランプの放電を安定化するのに適した電力スペクトルが得られる。しかしながら同様の結果は、帯域制限されたノイズを用いることでも得られたし、あるいはノイズによって周波数変調された正弦波変調によっても得られた。首尾よく行われたすべての手法によって、４０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚの帯域の同じ周波数範囲を有する電力スペクトルが得られた。
【００１９】
当業者にとって、個々の動作条件や環境に合うよう変化させるその他の変形および修正は明らかであるので、本発明は開示の目的で採用したこの実例に制限されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しないあらゆる変形や修正に及ぶものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の手法により利点の得られる典型的な高圧放電ランプ（ＨＩＤ）の斜視図である。
【図２】図１に示されているランプのために、パルス化励起と音響的アーク安定化と組み合わせた本発明の１つの実施形態を実行するための装置を示すブロック図である。
【図３】本発明の１つの実施形態によるランプ波形の典型例を示すグラフであり、掃引周波数で振幅変調される２５０ｋＨｚの搬送波が２０ｋＨｚ〜６０ｋＨｚの掃引で変調される様子を示す。
【図４】サンプルのランプ波形を示すグラフであり、掃引周波数による音響的安定化を伴う１５ｍｓの電力パルスを示す。
【符号の説明】
１０  高圧放電ランプ
１０１  パルス発生器
１０２  掃引周波数発振器
１０４  ２５０ｋＨｚ発振器
１０５  電力増幅器
１０６  インピーダンス整合装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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