(57)【要約】【課題】ランプにダメージを与えることなく、定格光出力にいたるまでの時間を短縮できる方法および安定化回路を提供する。【解決手段】メタルハライドランプが定常状態動作へいたるまでの立ち上がり期間のあいだ、ランプ電流Ｉおよび電圧Ｖを測定して電力Ｐを連続的に計算し、立ち上がり期間での定格光出力Ｌｎでランプを動作させるための要求電力Ｐｒｅｑおよび要求電流Ｉｒｅｑを連続的に評価し、Ｉｒｅｑ≧Ｉｌｉｍのときランプを動作させるために電流限界値Ｉｌｉｍを供給し、Ｉｒｅｑ＜Ｉｌｉｍのときランプを動作させるために要求電力Ｐｒｅｑを供給する。【選択図】図３
2009081139.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
定常状態動作における定格光出力Ｌｎと電流限界値Ｉｌｉｍとを有する
メタルハライドランプの立ち上がり期間の制御方法において、
メタルハライドランプが定常状態動作へいたるまでの立ち上がり期間のあいだ、ランプ電流Ｉおよび電圧Ｖを測定して電力Ｐを連続的に計算し、立ち上がり期間での定格光出力Ｌｎでランプを動作させるための要求電力Ｐｒｅｑおよび要求電流Ｉｒｅｑを連続的に評価し、
Ｉｒｅｑ≧Ｉｌｉｍのときランプを動作させるために電流限界値Ｉｌｉｍを供給し、
Ｉｒｅｑ＜Ｉｌｉｍのときランプを動作させるために要求電力Ｐｒｅｑを供給する
ことを特徴とするメタルハライドランプの立ち上がり期間の制御方法。
【請求項２】
要求電力Ｐｒｅｑはランプの光出力Ｌの関数であり、立ち上がり期間において連続的にランプの光出力Ｌを求める、請求項１記載の方法。
【請求項３】
Ｐｒｅｑ＝Ｐ＊Ｌｎ／Ｌ、かつ、
Ｉｒｅｑ＝Ｉ＊Ｐｒｅｑ／Ｐ
が成り立つ、請求項２記載の方法。
【請求項４】
要求電力Ｐｒｅｑは電圧Ｖおよび定常状態動作に対する定格電圧Ｖｎの関数であり、該定格電圧Ｖｎを求める、請求項１記載の方法。
【請求項５】
制御係数Ｃおよび定常状態動作に対する定格電力Ｐｎを求め、ここで
Ｐｒｅｑ＝Ｐｎ＊（１＋Ｃ＊（Ｖｎ−Ｖ）／Ｖｎ）、かつ、
Ｉｒｅｑ＝Ｉ＊Ｐｒｅｑ／Ｐ
が成り立つ、請求項４記載の方法。
【請求項６】
要求電力Ｐｒｅｑはランプが定格光出力に達したときに送出されるウォームアップエネルギＥＷとランプへ送出されるエネルギＥとの関数であり、立ち上がり期間において、該ウォームアップエネルギＥＷおよび該エネルギＥを求める、請求項１記載の方法。
【請求項７】
電力減衰係数τを求め、立ち上がり期間において
Ｅ＜ＥＷのときＩｒｅｑ＝Ｉｌｉｍ
Ｅ≧ＥＷのときＰｒｅｑ＝Ｐｎ＋（Ｐ−Ｐｎ）＊ｅｘｐ（−Δｔ／τ）
ここでΔｔはフィードバックループでの経過時間
Ｉｒｅｑ＝Ｉ＊Ｐｒｅｑ／Ｐ
が成り立つ、請求項６記載の方法。
【請求項８】
要求電力Ｐｒｅｑはランプ効率の関数であり、立ち上がり期間において該ランプ効率を予測する、請求項１記載の方法。
【請求項９】
エネルギＥと正規化効率ηとの関数を求め、立ち上がり期間において、該関数から
Ｐｒｅｑ＝Ｐｎ／η、かつ、
Ｉｒｅｑ＝Ｉ＊Ｐｒｅｑ／Ｐ
によって、エネルギＥを求め、正規化効率ηを予測する、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記関数はランプを駆動する安定化回路のメモリに格納されたテーブルである、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
Ｅ≧Ｅ０のときη＝１−ｅｘｐ［−（Ｅ−Ｅ０）／Ｅ１］
Ｅ＜Ｅ０のときη＝０
であり、Ｅ０，Ｅ１はη（Ｅ）を記述する定数である、請求項９記載の方法。
【請求項１２】
正規化効率ηの値と立ち上がり期間において電圧微分値Ｖ’（Ｅ）がピークに達したときに送出されたエネルギＥの値とを求め、
値Ｅ０を代入し、
値Ｅ１をη＝１−ｅｘｐ［−（Ｅ−Ｅ０）／Ｅ１］から求め、
求められた値Ｅ１からランプ特性を予測する、請求項１記載の方法。
【請求項１３】
定常状態動作における定格光出力Ｌｎと電流限界値Ｉｌｉｍとを有するメタルハライドランプに対して、当該のランプを定常状態動作まで駆動する立ち上がり期間を制御するプログラムを格納している、
メタルハライドランプの安定化回路において、
当該のプログラムにより、
メタルハライドランプを定常状態動作へ駆動する立ち上がり期間のあいだ、ランプ電流Ｉおよび電圧Ｖを測定して電力Ｐを連続的に計算し、立ち上がり期間において定格光出力Ｌｎでランプを動作させるための要求電力Ｐｒｅｑおよび要求電流Ｉｒｅｑを連続的に評価するステップ、
Ｉｒｅｑ≧Ｉｌｉｍのときランプを動作させるために電流限界値Ｉｌｉｍを供給するステップ、および
Ｉｒｅｑ＜Ｉｌｉｍのときランプを動作させるために要求電力Ｐｒｅｑを供給するステップ
を安定化回路に実行させる
ことを特徴とする安定化回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、事務所整理番号２００７Ｐ２００３７ＵＳの出願"FAST RUN-UP OF METAL HALIDE LAMP BY POWER MODULATION AT ACOUSTIC RESONANCE FREQUENCY"に関しており、引用によりその内容を含むものとする。
【０００２】
本発明はメタルハライドランプの点弧から定格光出力（全出力）にいたるまでの時間を低減する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
一般照明のためのメタルハライドランプは効率が良く、高品質の白色光を形成することができる。しかし、当該のメタルハライドランプは、安定化回路（バラスト）の出力が主として定常状態動作に対して用意されているため、定格光出力にいたるまでに数分を要する。定格光出力にいたるまでの時間が短くなればメタルハライドランプの利用可能性は増大するはずである。
【０００４】
定常状態動作までの立ち上がり期間の迅速化は冷えた状態のランプに高電力を供給することによって行われる。一時的に高電力を供給することは必ずしも問題を生じさせるものではないが、冷えた状態のランプはきわめて低い電圧を有する傾向にあり、電力は電圧×電流によって定められることから、必要とされるよりも過度に高い電流が流れるおそれがある。また、過電力または過電流は熱衝撃、電極の損傷、ランプ壁の黒化などを引き起こすので注意が必要であり、ふつう、これらの問題を回避するために、ランプは立ち上がり期間における電流限界値を有している。このため、光出力は所望のように迅速には定格光出力に達しない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の第１の課題は、ランプにダメージを与えることなく、定格光出力にいたるまでの時間を短縮できる方法および安定化回路を提供することである。
【０００６】
本発明の第２の課題は、定常状態動作における定格光出力Ｌｎと電流限界値Ｉｌｉｍとを有するメタルハライドランプの立ち上がり期間の制御方法を提供することである。
【０００７】
本発明の第３の課題は、上述した方法を実行する安定化回路を提供することである。
【０００８】
本発明の第４の課題は、ランプ電流の制御からランプ電力の制御への切り換えの際に電力を調整して定格光出力を維持する方法を提供することである。
【０００９】
本発明の第５の課題は、未知のランプを安定化回路に取り付ける際にランプ特性を識別する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この課題は、メタルハライドランプが定常状態動作へいたるまでの立ち上がり期間のあいだ、ランプ電流Ｉおよび電圧Ｖを測定して電力Ｐを連続的に計算し、立ち上がり期間での定格光出力Ｌｎでランプを動作させるための要求電力Ｐｒｅｑおよび要求電流Ｉｒｅｑを連続的に評価し、Ｉｒｅｑ≧Ｉｌｉｍのときランプを動作させるために電流限界値Ｉｌｉｍを供給し、Ｉｒｅｑ＜Ｉｌｉｍのときランプを動作させるために要求電力Ｐｒｅｑを供給することにより解決される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
上述した課題を解決するために、本発明の発明者らは、点弧直後のランプ制御、すなわち、電流限界値のランプ電流でランプ動作が開始されるときの制御に焦点を当てた。エネルギはアークの形成およびアーク管の加熱に用いられるので、電圧・電力・効率が徐々に上昇し、電流限界値の電流が供給されると定格光出力が達成される。この時点でランプには中程度の高さの電力が供給される。なぜならランプは動作温度まで加熱されていないからである。ランプが加熱されるにつれて効率は定常状態のレベルまで増大し、電力は相応に定格光出力をほぼ一定に維持できるレベルまで低減される。その後、電流限界値での動作によりランプが加熱されるにつれて電力は低減され、立ち上がり期間の後半部分ではランプは定格光出力の近傍で動作し、従来のメタルハライドランプよりも早く定格光出力に達して、利用可能性が改善される。
【００１２】
詳しく云えば、定常状態動作における定格光出力Ｌｎと電流限界値Ｉｌｉｍとを有するメタルハライドランプの立ち上がり期間の制御方法では、メタルハライドランプを定常状態動作へ駆動する立ち上がり期間のあいだ、ランプ電流Ｉおよび電圧Ｖが測定されて電力Ｐが連続的に計算され、立ち上がり期間での定格光出力Ｌｎでランプを動作させるための要求電力Ｐｒｅｑおよび要求電流Ｉｒｅｑが連続的に評価され、要求電流Ｉｒｅｑが電流限界値Ｉｌｉｍ以上であるときランプを動作させるために電流限界値Ｉｌｉｍが供給され、要求電流Ｉｒｅｑが電流限界値Ｉｌｉｍより小さいときすなわち立ち上がり期間の後半ではランプを動作させるために要求電力Ｐｒｅｑが供給される。これにより、従来のメタルハライドランプよりも早くランプが定格光出力の近傍で動作するようになる。なお、ここで"連続的に"というのはアナログ信号による測定とディジタルサンプリングでの測定との双方を含む。
【００１３】
本発明の方法は従来の電子安定化回路に格納されるプログラムによって実行される。
【実施例】
【００１４】
以下に、本発明の課題、その解決手段およびその利点を図示の実施例に則して詳細に説明する。
【００１５】
本発明のランプ電流からランプ電力への制御の切り換えの際に電力を調整して定格光出力を維持する方法は４つの手段を含む。
【００１６】
第１の手段では、要求電力Ｐｒｅｑはランプの光出力Ｌの関数であり、立ち上がり期間において連続的に光出力Ｌが求められる。ここで、
Ｐｒｅｑ＝Ｐ＊Ｌｎ／Ｌ、かつ、
Ｉｒｅｑ＝Ｉ＊Ｐｒｅｑ／Ｐ
が成り立つ。
【００１７】
光出力Ｌの測定にはフォトダイオードが用いられ、従来の適切なコンポーネントにより、ランプの光出力（ルーメン出力）に比例する信号レベルが求められる。ここではランプ電力Ｐに定格光出力Ｌｎすなわち定常状態での光出力をその時点の光出力Ｌで除算した値Ｌｎ／Ｌをかけたものに比例して要求電力Ｐｒｅｑが得られ、ランプ電流Ｉに要求電力Ｐｒｅｑをその時点の電力Ｐで除算した値Ｐｒｅｑ／Ｐに比例して要求電流Ｉｒｅｑが得られる。
【００１８】
当該の第１の手段により定格光出力にいたる時間は低減されるが、後述する他の手段に比べ、フォトダイオードなどの付加的なハードウェアにおいてコストの上昇および塵埃による信号信頼性の低下が発生すると幾分不利である。他の手段では、電圧・エネルギ・ランプ効率などの電気的パラメータに基づくフィードバック制御が利用される。
【００１９】
第２の手段では、要求電力Ｐｒｅｑは電圧Ｖおよび定常状態動作に対する定格電圧Ｖｎの関数であり、定格電圧Ｖｎが求められる。より詳細に云えば、制御係数Ｃおよび定常状態動作に対する定格電力Ｐｎが求められ、ここで、
Ｐｒｅｑ＝Ｐｎ＊（１＋Ｃ＊（Ｖｎ−Ｖ）／Ｖｎ）、かつ、
Ｉｒｅｑ＝Ｉ＊Ｐｒｅｑ／Ｐ
が成り立つ。
【００２０】
電圧はランプの状態を表しており、冷えた状態のランプはふつう低電圧を有する。定常状態動作における電圧が既知となれば、立ち上がり期間の電圧を求めることができ、同様のランプでの実験により得られた制御係数Ｃから、電圧に基づく電力制御アルゴリズムの式が得られる。ただし上掲した式は一例に過ぎないことに注意されたい。要求電力は、定格電圧からの電圧の差および制御係数に依存する要素と定格電力との乗算により予測される。
【００２１】
当該の第２の手段によっても定格光出力にいたる時間は低減されるが、ランプに経年劣化があるため、また、同タイプであっても個々のランプごとに定格電圧が異なるため、制御パラメータであるＶｎ，Ｃの調整が必要となる点が他の手段に比べて幾分煩雑である。ランプごとの電圧のばらつきおよび耐用期間にわたる電圧ドリフトは化学的充填物の変化を原因とし、この化学的充填物の変化は不均一なドープ、不純物ないし経年反応によって生じる。
【００２２】
一定の特性を得やすいランプの温度特性に基づくエネルギおよび電力の制御は、電圧の制御に比べるとローバストである。
【００２３】
第３の手段はランプへ送出されるエネルギの制御に基づいている。つまり、要求電力Ｐｒｅｑはランプへ送出されるエネルギＥおよび定格光出力に達したときに送出されるエネルギであるウォームアップエネルギＥＷの関数であり、立ち上がり期間において、当該のエネルギＥＷおよび当該のエネルギＥが求められる。ここで、電力減衰係数τが求められ、立ち上がり期間において
Ｅ＜ＥＷのときＩｒｅｑ＝Ｉｌｉｍ
Ｅ≧ＥＷのときＰｒｅｑ＝Ｐｎ＋（Ｐ−Ｐｎ）＊ｅｘｐ（−Δｔ／τ）
ここでΔｔはフィードバックループでの経過時間
Ｉｒｅｑ＝Ｉ＊Ｐｒｅｑ／Ｐ
が成り立つ。
【００２４】
当該の第３の手段では、安定化回路から所定の量のエネルギが送出され、ランプが充分に加熱されて定格光出力に達するまで、ランプは電流限界値で駆動される。ランプがさらに加熱されると効率は増大し、電力は定常動作レベルへ低減される。時間が経過するにつれて電力を指数的に低減すると、そのあいだ定格光出力が良好に形成されることが見出された。したがって、ここでの制御パラメータはウォームアップエネルギおよび電力減衰係数である。
【００２５】
当該の第３の手段では、ウォームアップエネルギＥＷは許容立ち上がり電流すなわち電流限界値Ｉｌｉｍとともに低下する。なぜなら立ち上がり電流が高くなるということは立ち上がり期間において高い電力が消費されることを意味し、効率が低下して定格光出力にいたるのに必要な充分な加熱が得られなくなるからである。立ち上がり電流および相応の電力の入力が増大する場合、所望の光出力を形成するには電力減衰係数を迅速に作用させる必要がある。このように、第３の手段は電圧の変化に対してはかなり安定であるが、制御パラメータを種々の立ち上がり電流に対して調整しなければならない。しかし、所定の電流限界値を有する所定のランプでは、立ち上がり期間において一定の光出力を形成するための適切な係数を求めることができる。
【００２６】
第４の手段では、ランプの正規化効率が安定化回路へ送出されるエネルギの関数として予測される。正規化効率は定常状態動作ではほぼ０〜１の範囲に仮定される。複数のランプについて、瞬時電力を無視したとき、正規化効率ηが安定化回路のエネルギに対して係数Ｅ１およびオフセット量Ｅ０によって特徴づけられる指数となることが観察された。このことは図１に示されている。
【００２７】
すなわち、当該の第４の手段では、要求電力Ｐｒｅｑは正規化効率ηとエネルギＥとの関数であり、当該の関数を用いて正規化効率ηが求められる。ここで、立ち上がり期間において
Ｐｒｅｑ＝Ｐｎ／η、かつ、
Ｉｒｅｑ＝Ｉ＊Ｐｒｅｑ／Ｐ
が成り立つ。正規化効率ηを予測するための関数は、
Ｅ≧Ｅ０のときη＝１−ｅｘｐ［−（Ｅ−Ｅ０）／Ｅ１］
Ｅ＜Ｅ０のときη＝０
Ｅ０，Ｅ１はη（Ｅ）を記述する定数
となる。当該の関数は安定化回路のメモリ内にテーブルとして格納される。
【００２８】
Ｅ０，Ｅ１が定められると、正規化効率は立ち上がり期間内の所定の時点において予測され、要求電力Ｐｒｅｑが定格電力Ｐｎを正規化効率ηで除算した値として得られる。
【００２９】
例えば、立ち上がり期間内の幾つかの時点において正規化効率が０．５である場合、ランプ電力は定格電力の２倍となっている。もちろん、立ち上がり期間の開始時には電流限界値での制御が行われるので、当該のランプ電力は得られない。
【００３０】
第４の手段の利点として、所定のランプ設計において、１組のパラメータＥ０，Ｅ１のみによって電流限界値に関係なく合理的な立ち上がり期間の値が得られることが挙げられる。正規化効率の予測が正確になるにつれて、"理想的な"光出力時間特性、つまり定格光出力Ｌｎからの偏差のいっそう少ない光出力時間特性が得られる。立ち上がり期間の開始時の予測誤差は、要求電力が電流限界値によって制限されるため、さほど重大な影響を及ぼさない。第４の手段の概略は図３のフローチャートに示されている。
【００３１】
本発明の副次的利点は、いわゆるスマート安定化回路として、当該の安定化回路の取り付けられた未知のランプの特性を求めることができるということである。すなわち、本発明の方法は種々のランプに利用可能な標準安定化回路において用いられ、定格光出力に達するまでの時間を低減するためにどのように電流および電力を調整すべきかを安定化回路自身が識別できるのである。
【００３２】
エネルギに対する電圧の微分値ないし導関数Ｖ’（Ｅ）が立ち上がり期間内にピークに達すると、正規化効率が約０．３〜約０．５となることが観察された。図２にはＶ，Ｖ’（Ｅ），ηのグラフが示されており、η＝０．４の近傍で微分値Ｖ’（Ｅ）がピークとなることが示されている。
【００３３】
微分値Ｖ’（Ｅ）のピークは水銀の気化プロセスに関連しているが、前述した結果を得るのに正確なプロセスが既知となっている必要はない。微分値Ｖ’（Ｅ）がピークに達したとき、正規化効率ηが０．４であるとするのみで充分である。微分値Ｖ’（Ｅ）がピークに達したときのエネルギは実験により求められ、
η＝１−ｅｘｐ［−（Ｅ−Ｅ０）／Ｅ１］
の式において用いられる。
【００３４】
ここから、Ｅ０の値が仮定されれば、Ｅ１の値を予測できる。Ｅ１の値はランプの温度特性を表しており、ふつう高ワット数のランプほど高いので、Ｅ１の値の予測からランプのワット数が予測される。換言すれば、本発明の安定化回路はＥ１の値からランプを識別するようにプログラミングされている。いったんランプが既知となれば、定常状態の正確な定格電力が既知となり、立ち上がり期間の光出力の時間特性を前述したように制御することができる。
【００３５】
未知のランプが本発明の安定化回路に取り付けられる場合、前述したように、過電流を回避するための措置を講じなければならない。始動電流を低くすることはできるが、この手段は定格光出力に達するまでの時間を増大してしまう。電流があまり低くなると電極でのスパッタリングによりランプ壁で過剰な黒化が発生する。この問題は、２０Ｗランプの電極がダメージを受けないよう、始動電流を当該の範囲のランプに対して充分に低い約０．５Ａで制御することで解決される。その後、所定量のエネルギが送出された後にも微分値Ｖ’（Ｅ）の最大値が検出されず、Ｅ１の値が２０Ｗランプに対する値よりも大きくなる場合には、電流限界値が次の大きさの３５Ｗランプに対する値である約１．０Ａまで増大される。閾値Ｅ１が通過されると、立ち上がり電流はランプ電力が識別されるまで段階的に増大される。また、こうしたインクリメントによる増大ステップに代えて、制御された線形の増大ステップを利用してもよい。当該の実施例は図４のフローチャートに示されている。
【００３６】
本発明を図示の実施例に則して説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。本発明は特許請求の範囲、発明の詳細な説明および図の全てに規定された特徴を対象とするものである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】正規化効率ηとランプへ送出されるエネルギＥとの関数のグラフである。
【図２】正規化効率η，エネルギＥ，電圧Ｖ，電圧微分値Ｖ’（Ｅ）の関数のグラフである。
【図３】ランプの立ち上がり期間を制御する方法のフローチャートである。
【図４】未知のランプ特性を求める方法のフローチャートである。
【図１】
2009081139.tif 000003
【図２】
2009081139.tif 000004
【図３】
2009081139.tif 000005
【図４】
2009081139.tif 000006