JP2014533880A - 放電ランプの向上されたスポットモード動作 - Google Patents

Abstract

照明デバイスと、放電ランプ１０を動作させる方法とが説明される。放電ランプ１０は、密閉放電容器と、アークを生成する２つの電極２２とを含む。ドライバ回路２０が、電極２２に給電する。ランアップ区間５６において、電力は、交流電流ＩＬとして供給される。ランアップ区間５６の間、交流電流ＩＬの波形は、電極２２へのアークの付着モードをスポットモードに変更するために、少なくとも１回、スポット実行波形に変更される。

Description

本発明は、放電ランプを含む照明デバイスと、放電ランプを動作させる方法とに関する。特に、本発明は、ランアップの間の、即ち、ランプが熱的に定常状態の動作モードに到達する前の動作区間における放電ランプの動作を向上させるデバイス及び方法に関する。

様々なタイプのアーク放電ランプが知られており、それぞれ、密閉された放電容器と、放電容器内の密閉放電空間内に突出する少なくとも２つの電極とを含む。アーク放電ランプは、電極間で点火された電気アークから光を発生させる。ランプのタイプに応じて、放電容器内に提供される構成要素は、特に、特定の充填圧の充填ガス、及び、金属ハロゲン化物又は任意選択的に水銀といった他の含有物は様々である。

ドライバ回路によって電力が電極に供給される。電力は、電極間の放電を点火させる高電圧パルスを含む。一般的に、生成される放電は、グロー放電として開始し、素早くアーク放電へと遷移する。

例えば自動車用ＨＩＤランプ、即ち、自動車のヘッドライトに使用することを目的としているランプでは、電力は、交流電流として電極に供給される。ランアップ区間では、電気アークが成功裏に確立された後、例えば３５Ｗの公称電力を有する既知の自動車用ＨＩＤランプは、最初は、電流を最大値に制限することによって動作される。ランアップ区間の後半では、ランプは、電力曲線に従って、所定の時間をかけて、最初の高電力値から公称電力値に下がる電力制御モードで動作される。定常状態動作に遷移すると、交流電流、好適には方形波としてランプに供給される電力は、ランプの公称電力に制御される。

米国特許出願公開第２００９／０２３０８７０号は、高輝度放電ランプの電子安定器について説明する。アークの形成は、点火制御、グロー・アーク遷移（glow-to-arc transition）電流制御及び初期アーク成長電流制御によって制御される。このように形成されたアークは、アーク安定化電流制御において安定化され、この後に、正常動作中のランプ電力制御が続けられる。この区間の間、交流電流は、最初は、初期アーク成長段階の間は、高いスイッチング周波数で、後に、アーク安定化及び正常動作の間は、一定の低周波数で供給される。高周波数から低周波数に切り替わる前に、電圧、ランプ電流及び動作周波数の増加がある。

本発明は、放電ランプの動作を向上させる、照明デバイスと、放電ランプを動作させる方法とを提供することを目的とする。

当該目的は、請求項１に記載の照明デバイスと、請求項１５に記載の方法とによって達成される。従属請求項は、本発明の好適な実施形態を指す。

本発明は、ランプが、好適には、「スポットモード」で動作されるように、即ち、電気アークの電極への付着モードが、電極前部の大きい領域に亘ってアークが電極に付着される拡散モードではなく、小さい場所でしかアークが電極に付着されないスポットモードに対応するように、動作条件を提供するという考えに基づいている。このスポットモードは、電極損失が低く、したがって、電極温度が低いため、所与の総ランプ電力においてより高い光束が生成されるという利点を有する。更なる利点は、電磁妨害（ＥＭＩ）に関して挙動が向上される点であり、この点は、自動車用ＨＩＤランプには特に重要である。好適な実施形態に関連して以下に詳細に説明されるヒステリシス挙動の認識に基づき、本発明は、スポットモードにおける動作及び後続の定常状態の動作を保証するために、ランプを、ランアップフェーズの間、スポットモードのアーク付着に切り替えることを提案する。

本発明によれば、上記は、放電ランプの点火後の特定の時間区間として規定されるランアップ区間内で、電流を、放電ランプに供給される交流電流として、供給することによって達成される。当該ランアップ区間の間に、交流電流の波形は、電極へのアークの付着モードをスポットモードに変更するために、スポット実行波形に、少なくとも１回、変更される。

以下に説明されるように、スポットモードは、一旦到達すると、通常は安定している。スポット実行波形の印加前に、ランプが既にスポットモードで動作している場合には、ランプは、このモードで動作し続ける。しかし、ランプが、アーク付着の拡散モードで動作している場合には、供給される動作電流のスポット実行波形は、成功裏に、ランプを、拡散モードからスポットモードのアーク付着に切り替える可能性が高く、それ以降の動作において、当該モードは安定したままとなる。

したがって、本発明は、後の定常状態動作の間に特別な手段を必要とすることなく、所望のスポットモード動作を達成する非常に単純な方法を提供する。

本発明の好適な実施形態によれば、その間に電力が交流電流として、好適には方形波として供給され、また、スポット実行波形が、少なくとも１回、好適には複数回、印加されるランアップ区間は、ランプの点火後１〜１００秒間の時間として規定される。スポット実行波形を、点火後５秒より早く、成功裏に印加することが可能であるが、一般的に、スポットモードへの切替えが永久的であるように、ランプの動作条件が最終的な定常状態に十分に近く、ランプの構成要素、特に電極が十分に安定した熱的条件に到達するまで待つことが好適である。したがって、スポット実行波形の印加は、点火後１０秒以降から開始することが更に好適で、点火後２０秒以上が更に一層好適である。その一方で、スポット実行波形を、最初に、点火後１００秒より後の時間に印加し、安定したスポットモードを達成することも依然として可能である。しかし、可能な限り早期にスポットモードを確立するためには、スポット実行波形を、例えば点火後６０秒より先に、更に好適には点火後４０秒より先に印加を開始することが好適である。

ランアップ区間の後に続く定常状態動作の間、電力は、スポット実行波形の更なる印加を必要とすることなく、電極に供給されることが好適である。これは、動作及びドライバデザインを容易にする。例えば、点火後２００秒後は、電流は、スポット実行波形が印加されることなく、通常の方形波として供給される。

本発明の好適な実施形態によれば、スポットモードアーク付着を実行するために様々な波形の駆動電流が使用される。以下に説明されるように、拡散モードではなくて、スポットモードでのアーク付着は、電極全体が、拡散的に付着されたアークを維持するのに十分に加熱されていない場合に生じる。したがって、好適なスポット実行波形は、少なくとも、一方又は両方の電極を冷却するのに有効な電流波形を有する部分、即ち、電極が、減少された電流でアノードとして駆動される部分を含む。以下に説明される詳細な実施形態から明らかとなるように、冷却電流波形部は、比較的長い冷却区間によって提供され、この区間では、動作は、減少された電流値で行われる。或いは、冷却は、複数の連続するより短い冷却区間によっても達成され、これにより低電極温度が確立される。

減少された電流によってスポットモードを達成する確率は、どれだけ低い電流が選択されるか、また、どれだけ長いかに依存する。電流が低いほど、スポットモードを達成する確率は高い。減少された電流の下限は、ランプが消える電流値である。したがって、減少された電流のレベルは、アーク放電を維持するための最小電流値を上回るが、通常のランアップ電流は下回るように選択されるべきである。ランアップ電流は、ランアップ区間の間中ずっと一定ではないので、減少された電流の電流値は、スポット実行波形の開始前に印加されている瞬間ランアップ電流に比べて低くあるべきである。

更に、スポットモードを達成する確率は、減少された電流が印加される時間が長いほど、高い。しかし、減少された電流を、比較的長時間に亘って減少された電流を印加すると、人間の目に見える光束のディップ、即ち、減少につながる。これは、幾つかの用途では許容可能である。特に自動車用のヘッドライトでは、スポット実行波形が、可視のディップを生成しないことが好適である。

特に好適で有効なスポット実行波形は、まず、電極を冷却する冷却区間と、次に、電極をスポットモードに切り替える後続のスポットモード区間を伴う転流とを提供する。これらの区間の間、供給される電流は、少なくとも実質的に一定（即ち、＋／−１０％未満で変化する）であるが、或いは、電流は、例えば電流傾斜として冷却及びスポットモード区間内で変化することも可能である（また、多くの実際の用途において得ることがより簡単である）。

冷却区間の間、実質的に一定に、或いは、第１の電流レベル（又は、変動電流の場合は、第１の平均電流レベル）で、第１の極性を有する可変電流値の電流が電極に供給され、これにより、第１の電極は、アノードとして動作される。電流レベルは、比較的低く選択されることが好適である。これは、アノード電極の冷却につながる。

直後に続くスポットモード区間では、第２の電流レベル（又は第２の平均電流レベル）の電流が、反対の極性で供給される。冷却区間の間に既に冷却された第１の電極は、今度はカソードとして動作される。第１の電流レベルが十分に低く選択され、また、継続時間も十分に長く選択される場合、電極温度は、拡散モードを維持するためには十分ではないため、スポットモードに切り替わる。

スポット実行として有効であることが分かっている幾つかの波形では、転流後に電極に要求される第２の電流レベルの絶対値は、冷却区間の間に供給される第１の電流レベルの絶対値よりも高くなるように選択される。実験によって、第２の電流レベルは、第１の電流レベルよりも少なくとも５０％高いことが有効であることが示されており、第１の電流レベルの少なくとも２倍であることが更に好適である。第１の電流レベルよりも５倍以上高いといったより高い第２の電流レベルで、一層良好な結果が得られている。ここでも、スポットモード区間に供給される電流は、実質的に一定であるか、或いは、当該区間の間に変動する。冷却及び／又はスポットモード区間において変動電流値の場合、第１及び第２の電流レベルは、各区間の継続時間に亘る時間平均値として規定される。

ランプによって生成される光束が実質的に変わらないように、スポット実行波形の印加がほとんど見えないように、また、可視の光のディップが回避されるように、スポット実行波形を選択することが好適である。これを達成するためには、第１及び第２の電流レベルと、その間にそれらが印加される冷却区間及びスポットモード区間の継続時間とは、スポット実行波形の前後で、ランプに印加される電流の＋／−２０％程度内である時間平均電流が得られるように選択されることが好適である。ランアップ区間の間、交流、好適には方形電流として供給される電流は、放電容器が加熱するにつれて徐々に変化する。したがって、印加されるランアップ電流レベルは、完全に一定ではないが、スポット実行波形の短い継続時間の間にほんの少しだけ変化するため、本コンテキストでは、「実質的に一定」と称する。好適には、スポット実行波形の前後に印加されるランアップ電流レベルと、スポット実行波形の間に供給される平均電流とは、可視の光のディップを回避するために、＋／−１０％区間以内、更に好適には＋／−５％区間以内である。

本発明の実施形態によれば、好適なスポット実行波形は、１回、印加される第１のタイプの波形と、直接的な連続で、複数回、印加される第２のタイプの波形とを含む。

１回（即ち、通常のランアップに戻る前に１回）印加されるべきスポット実行波形（実際には、波形は、しばらくしてからは、繰り返し印加されてもよい）は、交互の一定又は可変の電流レベル区間を含む。これらの区間は、第１の電流レベル及び第１の極性の電流が供給される第１の区間と、第２の電流レベル及び反対の極性の電流が供給される後続の第２の区間とを含むことが好適である（これらの区間において、電流は、少なくとも、実質的に一定の電流レベルで供給されるか、或いは、変動電流である）。ここでも、第２の平均電流レベルは、第１の平均電流レベル（絶対値）よりも高くなるように選択される。第１及び第２の区間は、好適には、各々、スポット実行波形の前後に供給される交流電流の周期よりも長い継続時間を有する。ランアップ区間だけでなく、好適には、後の定常状態動作においても、動作電流は、約１５０〜５００Ｈｚ、好適には２００〜４００Ｈｚの比較的低周波数で供給される。上述の電流区間のスポット実行波形は、好適には１０ミリ秒を上回る、更に好適には、少なくとも２０ミリ秒の総継続時間を有する。ランプの光出力において可視となる長時間におよぶ様々な電流レベルを回避するために、２つの区間の継続時間は、合計で、好適には１００ミリ秒を下回り、更に好適には６０ミリ秒を下回る。第１及び第２の区間の継続時間は、好適には、第１の区間の継続時間の第１及び第２の区間の合計に対する商が、０．３乃至０．７、好適には少なくとも約０．５で、したがって、２つの区間はほぼ等しい継続時間を有するように選択される。

第１の電流レベルは、好適には、スポット実行波形の前後に印加されているランアップ電流レベルよりも小さくなるように選択され、第２の電流レベルは、好適には、ランアップ電流レベルよりも高くなるように選択される。したがって、光束は、平均的にほぼ一定のままとなる。

スポット実行波形の更に好適な実施形態では、電流は、連続した区間において、様々な電流レベルで供給される。このタイプのスポット実行波形は、好適には、直接的な連続で、複数回、繰り返される。

スポット実行波形の一例では、電流は、４つの連続区間において、様々な電流レベルで供給される。第１の区間では、第１の極性の第１の電流が、第２の区間では、第２の極性の第２の電流が、第３及び第４の区間では、第３及び第４の電流レベルで供給される。各区間において、電流レベルは、少なくとも実質的に一定でなければ、時間平均値として規定される。第１及び第２の区間において供給される電流の極性は、同じであり、第３及び第４の区間において供給される電流の極性とは反対である。更に好適な実施形態では、第１の電流レベルの絶対値は、第２の電流レベルの絶対値よりも高く、第３の電流レベルの絶対値は、第４の電流レベルの絶対値よりも高い（本コンテキストでは、電流レベルが比較される場合、それらの絶対値を基準とし、極性は無視される）。

この波形は、特に、４つの区間の連続において、複数回、繰り返される場合、スポット実行波形として有効であることが分かっている。これは、第２の区間において電流が減少されるにつれてアノードとして働く電極が冷却され、転流後、後続の区間において、反対の極性の電流を供給しなければならないからである。好適な実施形態について説明されるように、これは、当該電極について、アーク付着モードをスポットモードに切り替える可能性が高い。

好適には、第１及び第４の区間において、電流レベルは、平均電流の変動を少なくし、したがって、ほぼ一定の光出力を得るために変化させられる。したがって、高い第１の電流レベルは、低い第２の電流レベルを補償し、低い第４の電流レベルは、第３の高い電流レベルを補償する。したがって、この波形は、ランプによって生成される光束における認識可能なディップを回避するのに有効である。

好適には、上述の波形は、ランアップ区間の間に供給されるＡＣ（方形）電流に挿入され、これにより、４つ全ての区間の総継続時間が、合計で、供給されたＡＣ電流の１つの周期に少なくとも実質的に等しくなる。したがって、スポット実行波形は、供給される動作電流の単一の周期内に供給され、この点は、ドライバ回路のデザインを容易にする。

第１のデューティサイクル、即ち、第１の区間の継続時間と第１及び第２の区間の継続時間の合計との商だけでなく、第２のデューティサイクル、即ち、第３の区間の継続時間と第３及び第４の区間の継続時間の合計との商が、例えば２５％乃至７５％となるように選択されることが好適である。高い又は低いデューティサイクルは、不所望に高い電流レベルにつながるか、又は、所望の熱的挙動を達成するためには十分に長くない。更に好適には、４０％乃至６０％、特に好適には実質的に５０％のデューティサイクルであり、したがって、４つ全ての区間は、実質的に同じ継続時間を有する。

第２の電流レベルによって除算される第１の電流レベルの値として規定される第１の電流係数と、第４の電流レベルによって除算される第３の電流レベルとして規定される第２の電流係数とは、例えば１．５乃至１０となるように選択される。１．５を下回る係数は、遷移を達成するには効率的ではない。高過ぎる係数は、ドライバ回路内で実施することが困難であり、転流問題といった追加の問題を引き起こし得る。好適には、第１及び第２の電流係数は、２乃至６となるように選択される。

第１乃至第４の電流レベルの絶対値を、スポット実行波形の前後に印加されているランアップ電流レベルと比較すると、第１及び第３の電流レベルは、好適には、ランアップ電流レベルよりも高くなるように選択され、第２及び第４の電流レベルは、ランアップ電流レベルよりも低くなるように選択される。

更なる好適な実施形態では、スポット実行波形の間の転流周波数は、スポット実行波形の印加前の（好適には印加後も）ランアップフェーズに印加される転流周波数とは異なる。一例では、電流は、スポット実行波形の間に、残りのランアップフェーズの間におけるよりも低い転流周波数で供給される。このことは、電流の絶対値の連続変調が適用される場合には特に有利であることが分かっている。認識できる光出力ディップがない安定したスポットモードを得ることと、ドライバ回路の比較的容易なデザインとの両方に有効であることが分かっている好適な実施形態によれば、スポット実行波形の間の電流は、特定の転流周波数を有する交流電流として供給され、当該電流の絶対値は、連続変調される。好適には、変調は、スポット実行波形の印加前のランアップフェーズの間に印加される時間平均電流値に少なくとも実質的に等しい時間平均電流値の周りで左右対称である。特に好適には、転流周波数よりも高い変調周波数での変調である。意外なことに、実験によって、転流周波数とは異なる変調周波数を有する波形は、ランプをスポットモードに切り替えるのに有効であり、また、既存のプログラマブルドライバ回路を用いて容易に達成できることが示されている。

波形の提案される実施形態は、両方の電極が同等に影響を受け、スポットモードに切り替わるように、左右対称であることが好適である。

ランアップ区間の間に、スポット実行波形を、１回だけ印加することも可能である。スポットモードへの遷移が確実に起きるように、スポット実行波形を、異なる時間に印加することも可能であり、また、好適である。スポット実行波形の印加と印加との間は、電流は、一定周波数の交流電流として供給されることが好適である。例えば、スポット実行波形は、ランアップ区間の間に、少なくとも２回、好適には少なくとも３回、印加される。スポット実行波形は、所定の回数、及び、変更なく所定の時点において印加されてもよい。或いは、印加は、ランプから得られるフィードバック、即ち、スポットモードへの遷移が成功したかどうかを判断する測定結果に依存してもよい。電極が依然として拡散モードで動作していると判断されると、スポット実行波形が再度印加される。

更に、１つの電極だけをスポットモードに切り替えるのに適しているスポット実行波形の場合、ランアップ区間の間に、第１の電極をスポットモードに切り替える少なくとも第１のスポット実行波形と、第２の電極もスポットモードに切り替える第２の逆のスポット実行波形とを印加することが好適である。

当該デバイス及び当該方法は、スポットモードでの動作が好適である、非常に様々なタイプのアーク放電ランプの動作に使用される。特に、ランプは、ＨＩＤ（高輝度放電）ランプである。本発明は、自動車用ＨＩＤランプ、特に、水銀を含まない充填材を使用するランプに特に適用される。放電空間内のトリウムの存在、特に、トリウム入り電極は、スポットモード動作を促進するため、本発明は、特にトリウムを含まないアーク放電ランプに適用される。

本発明は、特にドライバ回路がランプ基部内に配置されるランプに有利に使用される。一般に、これらのランプは、２０〜３０Ｗ、特に２５Ｗの公称電力で、定常状態で動作するようにデザインされている。

本発明のこれらの及び他の態様は、以下の実施形態を参照することにより明らかとなろう。

図１は、放電ランプ及びドライバ回路を含む照明デバイスの概略図を示す。 図２は、ドライバ回路が放電ランプの基部に組み込まれている当該放電ランプの概略図を示す。 図３は、定常状態動作までの放電ランプの点火後のランプ電流の概略タイミング図を示す。 図４は、様々な実施形態の一つによるスポット実行波形を有するランプ電流の概略タイミング図を示す。 図５は、様々な実施形態の一つによるスポット実行波形を有するランプ電流の概略タイミング図を示す。 図６は、様々な実施形態の一つによるスポット実行波形を有するランプ電流の概略タイミング図を示す。 図７は、様々な実施形態の一つによるスポット実行波形を有するランプ電流の概略タイミング図を示す。 図８は、様々な実施形態の一つによるスポット実行波形を有するランプ電流の概略タイミング図を示す。 図９は、様々な実施形態の一つによるスポット実行波形を有するランプ電流の概略タイミング図を示す。 図１０は、様々な実施形態の一つによるスポット実行波形を有するランプ電流の概略タイミング図を示す。 図１１ａは、様々な実施形態の一つによるスポット実行波形を有するランプ電流の概略タイミング図を示す。 図１１ｂは、様々な実施形態の一つによるスポット実行波形を有するランプ電流の概略タイミング図を示す。 図１２は、複数のスポット実行波形を有するランプ電流を、概略タイミング図として示す。 図１３は、アーク付着モード対塩圧力ｐ及びランプ電流Ｉ_Ｌの記号による図を示す。 図１４は、ランアップ区間内のランプ電流及びランプ電圧のタイミング図の一例を示す。

図１は、本実施例では、自動車のフロントリフレクタ１２内に配置された自動車用ＨＩＤ放電ランプであるアーク放電ランプ１０を概略的に示す。ランプ１０は、概略的に示されるドライバ回路２０への機械的接続部及び電気的接続部を含むソケット１６内に受容される基部１４を含む。

ランプ１０は、互いに対向するように配置された電極２０を有する密閉された内部放電空間１８を画定する放電容器を含む。放電空間内には、希ガス、好適には、キセノンと金属ハロゲン化物とが含まれる。ＨＩＤランプ自体は当業者には知られているため、放電ランプ１０のデザインの更なる詳細は、説明される必要がないであろう。

図示する実施例では、ドライバ回路２０は、入力部２４において、自動車のＤＣオンボード電圧によって供給される。ドライバ回路２０は、ランプ動作電流Ｉ_Ｌを、ソケット１６に提供し、基部１４の電気的接続部が、ランプ動作電流Ｉ_Ｌを、電極２２に印加する働きをする。

図１には、例示的なドライバ回路２０の構造が大まかに示される。制御可能なＤＣ／ＤＣ電源２５が、フルブリッジスイッチングユニット２６にＤＣ電流を供給する。制御ユニット２８が、所望の電流レベルを有するランプ電流Ｉ_Ｌを提供するようにＤＣ／ＤＣ電源２５を制御し、また、所望の周波数及び極性で、即ち、方形波交流電流として、電流Ｉ_Ｌを供給するようにスイッチングユニット２６を駆動する。点火の間、制御ユニット２８は、高電圧パルスを供給するように点火回路２９を駆動する。

図２に示されるランプ１０の好適な代替実施形態では、ドライバ回路２０は、ランプ１０の基部１４内に組み込まれているため、通常のＤＣオンボード電圧が、基部１４としての電気的接点に印加され、このように供給されたドライバ回路２０は、電極２２に供給するためのランプ電流Ｉ_Ｌを生成する。

当業者には知られているように、図１のランプ１０（だけでなく、図２の代替実施形態）の動作は、アーク放電を点火するために電極２２間に高電圧を供給し、その結果として、フル光束での定常状態動作が到達されるまで、ランプ１０に電力を供給することによって達成される。定常状態では、ランプ１０は、例えば３００又は４００Ｈｚの比較的低い周波数の方形波交流電流として供給されるランプ電流Ｉ_Ｌで動作される。

ランプ電流Ｉ_Ｌの各半期の間、電極２２のうちの１つが、アーク放電のアノードとして動作し、もう１つがカソードとして動作する。アーク付着モードとは、電気アーク放電がどのようにカソードに付着されるのかを説明するものである。拡散モードでは、アークのフットプリントは、カソード前面の大きい部分に広がる。スポットモードでは、電気アークは、小さいスポットにおいてのみ、収縮されてカソードに付着される。Ｈ．パーシュ（Pursch）他による「Arc Attachment and Fall Voltage on the Cathode of an AC high-pressure Mercury Discharge」（ジャーナル・オブ・フィジックスＤ：アプライドフィジックス、第３５巻、２００２年、１７５７−１７６０頁）に説明されるように、スポットモードにおけるカソード先端は、拡散モードにおけるよりも高い温度を有するが、スポットモードでは、残りの電極本体は低い温度を有する。

カソードへのアーク付着モードは、複数のパラメータに依存するが、そのうち、ランプ電流Ｉ_Ｌと塩圧力（salt pressure）ｐとが最も重要である。この２次元パラメータ空間について、図８は、スポットモードの存在領域Ｃと、拡散モードの存在領域Ａと、共存領域Ｂとを概略的に示す。実験によって明らかにされているように、スポットモード領域Ｃ、即ち、図７の点線の左側におけるランプ動作は、常に、スポットモードである。同様に、拡散モード領域Ａにおける動作は、常に、拡散モードで生じる。しかし、共存領域Ｂでは、動作モードは、ヒステリシス挙動を示す。即ち、動作モードは、先の動作モードに依存する。これは、共存領域Ｂ内では、アーク付着モードは、パラメータが変更して動作が反対のモードの領域に移行しない限り、安定したままである。

この知識を、スポットモードでの動作が好適である、特に自動車分野におけるＨＩＤランプに適用して、ランプは、拡散モード領域Ａではなく、スポットモード領域Ｃ又は共存領域Ｂ内でデザインされ及び動作されるべきである。拡散モード領域Ａにある間は、スポットモードでの安定した動作は達成されず、拡散モードで共存領域Ｂにおいて動作するランプは、パラメータが共存領域Ｂに再び変更されて戻されても、当該パラメータをスポットモード領域Ｃに移行するように簡単に変更することによって、スポットモードに安定的に切り替えられる。

したがって、共存領域Ｂにおいて定常状態パラメータを有するランプ、又は、スポットモード領域Ｃ用にデザインされる一連のランプ（このうちの幾つかの個々のランプは、製造公差によって、共存領域Ｂにおいて動作する）が、ランプをスポットモードに一度切り替えることによって、スポットモード以降は安定するスポットモード動作を保証することが可能である。

この切替えをもたらすために、ランプ電流Ｉ_Ｌのスポット実行波形（spot-enforcing waveform）が使用される。スポットモード動作は、比較的低温のカソードが電流を供給しなければならない場合に生じるため、スポット実行波形の基本的な考えは、電極を、冷却させるように動作させることである。冷却は、特に電極を減少された電流におけるアノードとして動作させることによってもたらされる。次に、転流が生じ、電極がカソードとして働くと、アーク付着モードは、スポットモードに切り替わる可能性が高い。

図４及び図５は、ランプ電流Ｉ_Ｌのスポット実行波形３０の概略的な例を示す。これらの波形は、比較的低電流の冷却区間と、ランプが比較的高電流で動作される後続のスポットモード区間とを提供する。図４に示される第１の例について、理想的な波形の一例が実線として示される。スポット実行波形３０の前後では、ランプ電流Ｉ_Ｌは、電流レベルＩ_Ｒと−Ｉ_Ｒとの間を転流される方形波形の交流電流として供給される。スポット実行波形３０の間、ランプ電流Ｉ_Ｌは、第１の冷却区間３２では、減少された電流レベル−Ｉ_１の直流電流として供給され、その絶対値は、Ｉ_Ｒより小さい。次に、電流の転流がもたらされ、第２のスポットモード区間３４では、ランプは、Ｉ_Ｒよりも大きい増加された電流レベルＩ_２において供給されるランプ電流Ｉ_Ｌで動作される。したがって、第１の区間３２においてアノードとして働く電極は、第２の区間３４において、高電流Ｉ_２が印加されると、スポットモードに切り替わる可能性が高い。第２の区間では、電極は、カソードとして動作する。逆の波形がもう１つの電極もスポットモードに切り替える可能性が高い。

先に拡散モードで動作されていたランプをスポットモードに切り替えるのに、波形３０が有効であることを示すために、ＨＩＤランプを用いて実験が行われた。図７の図で説明されるように、当然ながら、実験は、ランプが概して共存領域Ｂにおいて動作されている場合にのみ可能である。回路２０の構成要素に依存して、理想波形（実線）が得られないということもあるが、実際の測定された電流曲線は、どちらかというと、図４に示される破線のように見える。それでも依然として、電極を冷却し、電極をスポットモードに切り替えるという目的は達成される。

交互のＤＣレベルの波形と呼ばれる波形３０では、各ＤＣフェーズ３２、３４は、方形波として通常の供給の間のランプ電流Ｉ_Ｌのフル周期よりも長くあるべきである。Ｉ_１の絶対値は、Ｉ_Ｒの５０と８０％の間であるべきであり、Ｉ_２の絶対値は、Ｉ_Ｒの１２０と１５０％の間であるべきである。図４に示されるように、波形３０は、好適には左右対称であり、即ち、第１及び第２の区間３２、３４の継続時間は、ほぼ等しく、また、Ｉ_２は、Ｉ_１がＩ_Ｒよりも少ない分量と同じ分量でＩ_Ｒよりも大きい。したがって、時間平均では、波形３０の間の電流供給は、Ｉ_Ｒと等しくなる。第１の区間３２の間の減少された光出力と、第２の区間３４の間の増加された光束とは、依然として測定可能であるが、短い継続時間を考慮すると、観察者の気がかりにはならないであろう。

交互のＤＣレベルの上述の波形（図４）に代えて、スポット実行波形の効果は、異なるように成形された電流曲線によっても得られる。図５は、冷却区間３２とスポットモード区間３４とを有する交互のレベルのスポット実行波形の第２の実施形態の対応する例を示す。これらの区間各々の間の電流Ｉ_Ｌは、（一定の又は実質的に一定の）ＤＣ電流ではなく、任意の曲線に沿って変化する。このように経時的に変化する電流の場合、電流値−Ｉ_１及びＩ_２は、平均電流値である。低電流による１つの電極への冷却効果も、可変電流によってももたらされるため、この波形も、成功裏に電極をスポットモードに切り替える。

図６及び図７は、スポット実行波形の第３及び第４の実施形態を示す。当該波形の第１及び第２の実施形態は、冷却区間と、その後に続く、転流後の比較的高い電流とに依存したが、図６及び図７に示される第３及び第４の実施形態は、第１及び第２の波形に対して変更されている、冷却区間３２と、その後に続く第２の区間３４’とを提供する。第２の区間３４’では、転流後の電流も減少されたレベルにあり、絶対値Ｉ_２は、ランアップ電流Ｉ_Ｒよりも低い。同様に、第４の実施形態（図７）における第２の区間３４’の間の変動電流も、低い平均値Ｉ_２を有する。転流後の電流レベルＩ_２の絶対値が、転流前の減少された電流値Ｉ_１と同じであるこれらの波形も、ランプをスポットモードに切り替えるのに有効であることが分かっている。しかし、これらの波形は、時間平均光束が、通常のランアップの間よりも少ないという不利点がある。

図８は、スポット実行波形の第５の実施形態を示す。第５のスポット実行波形４０の区間は、波形４０の前後の電流レベルＩ_Ｒにおいて供給される交流電流の区間（図８の左側に示される）に等しい総継続時間を有する。４つの連続する区間４２、４４、４６、４８において、ランプ電流Ｉ_Ｌは、可変の電流レベルＩ_１、Ｉ_２、−Ｉ_１、−Ｉ_２で供給される。第１の区間４２では、電流は、電流レベルＩ_Ｒよりも高い電流レベルＩ_１で供給される。後続の冷却区間４４では、電流は、電流値Ｉ_１がＩ_Ｒよりも高い分量と同じ分量で、Ｉ_Ｒよりも少ない低い電流レベルＩ_２で供給される。更に、第１及び第２の区間４２、４４は、同じ継続時間を有するため、波形４０の前半における平均電流は、Ｉ_Ｒと等しい。

第３及び第４の区間４６、４８は、区間４２、４４と同じであるが、逆の極性を有する。まず、電流は、高い絶対値−Ｉ_１で供給され、後続の第４の区間４８では、電流レベル−Ｉ_２は、再び、比較的低い絶対値を有する。波形の前半のように、第３及び第４の区間４６、４８も同じ継続時間を有し、電流レベルは、Ｉ_Ｒの周りで左右対称であるため、時間平均電流は、Ｉ_Ｒのままである。

図８では、理想的な波形は、実線として示されるのに対し、測定された例は、どちらかというと、図示される点線のように見える。それでも依然として、両方の波形は、第２の区間４４において第１の電極をアノードとして冷却し、後続の区間４６において逆極性の高電流を印加することによって、当該第１の電極をスポットモードに切り替えるのに有効である。波形４０は、左右対称で、直接的な連続で、複数回、連続的に印加されるので、第４の区間４８から次の第１の区間４２に遷移すると、第２の電極をスポットモードに切り替えるのにも有効である。

図９は、スポット実行波形の第６の実施形態を示す。この波形では、波形４０’の印加の前後に電流レベルＩ_Ｒで供給される電流は、可変電流レベルＩ_２、Ｉ_１、−Ｉ_１、−Ｉ_２で、４つの連続区間４２’、４４’、４６’、４８’において供給される。区間４２’〜４８’における電流レベルは、第５の実施形態（図８）の電流レベルに対応するが、逆の時系列にある。高電流値Ｉ_１、−Ｉ_１が、転流前に印加され、より低い電流値Ｉ_２、−Ｉ_２が、転流後に印加される。それでも依然として、この波形は、区間４４’、４８’における減少された電流によって、ランプがスポットモードに切り替えられるように、この変更された波形を、数回、印加した後でも十分にアノードを冷却するのに有効である。

図１０に示されるスポット実行波形の第７の実施形態は、第６の実施形態（図９）に対応するが、階段状の一定電流レベルではなく、電流傾斜を有する。反復波形４０’’は、電流が、ランアップ電流値Ｉ_Ｒを下回る低い値Ｉ_２から、ランアップ電流値Ｉ_Ｒを上回る電流値Ｉ_１に線形に増加する第１の区間４２’’を含む。後続の区間４４’’では、電流波形は同じままであるが、逆の極性を有する。この波形も、ランプをスポットモードに切り替えるのに有効であることが分かっている。

更に、図８〜図１０のすべての実施形態において、電流レベルＩ_１、Ｉ_２は、ランアップ電流Ｉ_Ｒの周りに左右対称に選択されるため、平均電流レベルは、反復波形４０、４０’、４０’’の印加の間、Ｉ_Ｒにおいて一定のままであり、したがって、光出力も一定のままである。

図９、図１０の実施形態は、ランプをスポットモードに切り替えるのに有効であるという事実によって実証されたように、絶対電流の十分な変化は、絶対電流における当該変化が転流と同時でなくとも、スポットモード実行波形として有効である。

図１１ａ、図１１ｂに、転流とは独立した絶対電流レベルの変化に依存するスポット実行波形の第８の実施形態が示される。図１１ａは、ランプに供給されるランプ電流Ｉ_Ｌを示す。図１１ａの左側には、通常のランアップ電流（方形波）に対応する部分５０が示され、その後に、スポット実行波形５２が続く。波形５２は、供給電流の絶対値の連続変調を有する。この変化は、通常のランアップフェーズ５０の間に印加される電流Ｉ_Ｒの周りで左右対称であり、また、より低い値Ｉ_２とより高い値Ｉ_１との間で変化する。図１１ｂにおいて、絶対電流の変化がよりよく分かる。図１１ｂでは、ランプ電流Ｉ_Ｌ以外に、逆ランプ電流−Ｉ_Ｌ（点線）も示される。

この好適な実施形態では、Ｉ_１とＩ_２との間の変調は、２５０Ｈｚの変調周波数でもたらされる一方で、波形５２の間の転流周波数は、２００Ｈｚである。通常のランアップフェーズ５０の間、転流周波数は、４００Ｈｚである。スポット実行波形５２のために、転流周波数は、２００Ｈｚに下げられ、これにより、２５０Ｈｚの変調周波数は、転流周波数よりも高くなる。

図１１ａに示される結果として得られる波長５２は複雑に見えるが、この波形５２は、利用可能なドライバ回路において生成するのが比較的簡単であることが分かっている。絶対電流値は人間の目には認識不可能である２５０Ｈｚの周波数で変化するため、スポット実行波形５２の間の見掛け上の光出力は、一定である。更に、スポット実行波形５２の印加中の光束は、スポット実行波形５２の前後に印加される通常のランアップ電流４０の間と同じである。これは、変調がＩ_Ｒの周りで左右対称であるため、同じ時間平均光束を提供するからである。

一般的に、スポット実行波形５２の間のより低い転流周波数は、スポット実行効果を達成するために、必ずしも必要ではない。しかし、変調周波数は、光束が人間の目によって一定に知覚されるように十分に高いことが好適であり、したがって、１００Ｈｚ、好適には２００Ｈｚを上回る変調周波数が望ましい。しかし、利用可能なドライバ回路では、達成可能な変調周波数は、例えば２５０Ｈｚに限定される。変調周波数は、転流周波数よりも高くあるべきであるので、スポット実行波形５２の間のみ、残りのランアップ波４０の間よりも低い転流周波数を印加することが好適である。

スポット実行波形は、ランプのランアップの間に印加される。本コンテキストでは、この用語は、ランプ１０の点火後で、ランプが完全に安定した定常状態動作に到達する前の時間区間を指す。図３は、点火（ピーク５０）後の放電ランプの動作の様々なフェーズを概略的に示す。なお、当然ながら、図３は、特に、時間軸において、縮尺通りではない。第１の点火フェーズ５２は、約１００ナノ秒の継続時間を有し、後続のテイクオーバ区間５４は、グロー・アーク遷移とも呼ばれるが、約１００マイクロ秒の継続時間を有する。

本発明は、グロー・アーク遷移５４が完了し、安定したアークが存在する状況のアーク付着モードを扱う。これは、ランアップ区間５６の始まりにおける状況であり、ランアップ区間の間、放電空間の壁が加熱し、放電空間１８内の条件が変化するに連れて、ドライバ回路２０は、ランプ電流Ｉ_Ｌを、後の定常状態動作５８におけるのと同じ低周波数であるが、定常状態領域５８において熱的に安定した条件及びフル光束が到達されるまで経時的に変化するように制御される電力及び又は電流レベルの方形波交流電流として印加する。定常状態領域５８では、ドライバ回路２０は、例えば２５Ｗであるランプ１０の公称電力値への電力の制御に従って、ランプ電流Ｉ_Ｌを供給する。

ランアップ区間５６の継続時間は、異なるタイプのランプ１０によって、また、同じランプであっても異なる初期温度によって、即ち、「冷たい」ランアップと「熱い」ランアップとによって異なるが、一般的には、冷たいランアップでは、約１００秒の継続時間を有する。

ランアップフェーズ５６の間、図３に概略的に示されるスポット実行波形３０、４０は、その時間まで、スポットモードに自然に到達していない場合に、ランプの１つの電極又は両電極をスポットモードに切り替えるように、少なくとも１回、印加される。

スポットモード実行波形３０に関連して上述されたように、スポットモード実行波形は、１つの電極をスポットモードに切り替えるようにデザインされている。当然ながら、もう一方の電極もスポットモードに切り替えるために、逆波形を提供することも好適である。更に、放電空間１８内のアークの動作パラメータは、ランアップ区間５６中に、放電容器が加熱する間に、変化するので、ランプ１０が確実に、可能な限り早期に、両電極２２においてスポットモードに切り替わるように、スポット実行波形を、ランアップ区間５６の間に、複数回、提供することが好適である。

図１２は、ランプが、一般に電流レベルＩ_Ｒにおける方形波交流電流で駆動される区間の間に、好適なスポット実行波形４０がどのように、複数回、印加されるのかを説明する例を示す。なお、当然ながら、この好適な波形４０について、ドライバ回路は、同じレベルにおける電流と周波数とを供給し続け、波形４０は、波形４０の第１から第４の区間における電流レベルを変更するようにパルスを重ねることによって達成されてもよい。

図１４は、スポット実行波形がランプのランアップ区間の間に印加される、印加の実際例のタイミング図を示す。２５Ｗの定格電力及びトリウムを含まない電極を有する、Ｈｇのない自動車用ＨＩＤランプのランアップ区間の最初の４０秒におけるランプ電流及びランプ電圧が示される。

電流は、実線で示される。０秒（即ち、ランプの点火）と約１０秒との間では、ドライバは、電流を、２．３Ａと２．０Ａの２つの固定レベルに維持する。１０秒以降では、電流は、（１０秒における）２Ａから４０秒における約０．７Ａへの電流減少を与えることによって、プログラムされた電力曲線に従う。同時に、ランプ電圧（破線）は、２４Ｖ（冷たいランプ）から４０秒において４０Ｖ付近にまで上昇する。４０秒における瞬間ランプ電力は、２８Ｗ、即ち、２５Ｗの最終出力はまだ到達していないが、本実施例では、１２０秒の前に到達する。

両電極へのアーク付着が、カメラを用いて常時モニタリングされた。両電極は、開始から１８秒までは拡散モードで動作することが観察された。図６に示されるタイプのスポット実行波形が、以下のパラメータ、即ち、スポット実行の前の平均電流Ｉ０＝０．８１Ａ、レベルＩ１＝１．１０Ａ、レベルＩ２＝０．５３Ａ、Ｉ３＝−Ｉ１、Ｉ４＝−Ｉ２を用いて、開始後１８秒と１９秒との間に印加された。１９秒以降、印加区間の終わりまで、両電極は、スポットモードで動作することが観察された。１８秒と１９秒との間の拡散・スポット遷移は、約１．５Ｖ分のランプ電圧における急激な減少によって、また、（ドライバの電力制御によって与えられる）ランプ電流の結果としてもたらされる増加によって、図１４においても明らかである。

本発明の多数の修正形態及び変形形態が、上述の教示内容に鑑みて可能である。したがって、本発明は、添付の請求項の範囲において、本明細書において具体的に説明したものとは異なる方法で実施されてもよいことは理解されるべきである。特に、本発明は、異なるタイプの放電ランプを用いて実施されてもよく、また、異なるスポット実行波形を使用してもよい。

請求項において、「含む」との用語は、他の要素又はステップを排除するものではなく、また、「ａ」又は「ａｎ」との不定冠詞も、複数形を排除するものではない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されるからと言って、これらの手段の組み合わせを有利に使用することができないことを示すものではない。請求項における任意の参照符号は、範囲を限定しているものと解釈されるべきではない。

Claims (15)

1. 密閉放電空間と、電気アークを生成するように前記密閉放電空間内に配置された少なくとも２つの電極とを含む放電ランプと、
   前記少なくとも２つの電極に給電するドライバ回路と、
   を含み、
   前記ドライバ回路は、前記放電ランプに交流電流を供給することによって、前記電気アークの点火後のランアップ区間内に給電し、
   前記ランアップ区間の間、前記少なくとも２つの電極のうちの少なくとも１つへの前記電気アークの付着モードをスポットモードに変更するために、前記交流電流の波形は、スポット実行波形に、少なくとも１回、変更される、照明デバイス。
2. 前記スポット実行波形は、最初に、前記放電ランプの点火後、１〜１００秒で印加される、請求項１に記載の照明デバイス。
3. 前記スポット実行波形を印加する前に、前記交流電流は、ランアップ電流レベルで印加され、
   前記スポット実行波形は、少なくとも、前記ランアップ電流レベルを下回る減少された電流レベルの電流が前記少なくとも２つの電極に供給される冷却区間を含む、請求項１又は２に記載の照明デバイス。
4. 前記スポット実行波形は、第１の電極がアノードとして動作されるように、第１の電流レベルで、第１の極性を有する電流が前記少なくとも２つの電極に供給される冷却区間と、前記第１の電極がカソードとして動作されるように、第２の電流レベルで、反対の極性を有する電流が前記少なくとも２つの電極に供給される、前記冷却区間の直後のスポットモード区間とを含む、請求項１乃至３の何れか一項に記載の照明デバイス。
5. 前記第２の電流レベルの絶対値は、前記第１の電流レベルの絶対値よりも高い、請求項４に記載の照明デバイス。
6. 前記スポット実行波形を印加する前後、前記交流電流は、実質的に一定のランアップ電流レベルを有する交流電流として供給され、
   前記スポット実行波形の間の時間平均電流レベルは、前記ランアップ電流レベルの＋／−２０％以内である、請求項１乃至５の何れか一項に記載の照明デバイス。
7. 前記スポット実行波形は、少なくとも、第１の平均電流レベル及び第１の極性で電流が供給される第１の区間と、第２の平均電流レベル及び前記第１の極性とは反対の第２の極性で電流が供給される、前記第１の区間の直後の第２の区間とを含み、
   前記区間各々は、前記スポット実行波形の前後に供給される前記交流電流の区間よりも長い継続時間を有する、請求項１乃至６の何れか一項に記載の照明デバイス。
8. 前記スポット実行波形を印加する前に、前記交流電流は、ランアップ電流レベルで印加され、
   前記スポット実行波形は、第１の極性で電流が供給される少なくとも１つの区間と、反対の極性で電流が供給される後続の区間とを含み、
   前記区間のうちの少なくとも１つの区間の間は、平均電流レベルは、前記ランアップ電流レベルよりも低く、
   前記区間は、複数回、繰り返される、請求項１乃至７の何れか一項に記載の照明デバイス。
9. 前記スポット実行波形は、少なくとも、
   第１の平均電流レベル及び第１の極性で電流が供給される第１の区間と、
   前記第１の平均電流レベルとは異なる第２の平均電流レベル及び同じ極性で電流が供給される、前記第１の区間の直後の第２の区間と、
   第３の平均電流レベル及び前記第１の極性とは反対の極性で電流が供給される、前記第２の区間の直後の第３の区間と、
   前記第３の平均電流レベルとは異なる第４の平均電流レベル及び同じ極性で電流が供給される、前記第３の区間の直後の第４の区間と、
   を含む、請求項１乃至８の何れか一項に記載の照明デバイス。
10. 前記第１の平均電流レベルは、前記第２の平均電流レベルの絶対値よりも高い絶対値を有し、
    前記第３の平均電流レベルの絶対値は、前記第４の平均電流レベルの絶対値よりも高い、請求項９に記載の照明デバイス。
11. 前記スポット実行波形の前後に、前記交流電流は、実質的に一定のランアップ電流レベルを有する交流電流として供給され、前記第１の平均電流レベルの絶対値は、前記ランアップ電流レベルの絶対値よりも高く、前記第２の平均電流レベルの絶対値は、前記ランアップ電流レベルの絶対値よりも小さく、
    前記第３の平均電流レベルの絶対値は、前記ランアップ電流レベルの絶対値よりも高く、前記第４の平均電流レベルの絶対値は、前記ランアップ電流レベルの絶対値よりも小さい、請求項９又は１０に記載の照明デバイス。
12. 前記スポット実行波形の間、前記交流電流は、残りのランアップフェーズの間におけるよりも低い転流周波数を有する交流電流として供給される、請求項１乃至１１の何れか一項に記載の照明デバイス。
13. 前記スポット実行波形の間、前記交流電流は、転流周波数を有する交流電流として供給され、
    前記交流電流の絶対値は、連続変調される、請求項１乃至１２の何れか一項に記載の照明デバイス。
14. 前記交流電流は、前記転流周波数よりも高い変調周波数で連続変調される、請求項１３に記載の照明デバイス。
15. 密閉放電容器と少なくとも２つの電極とを含む放電ランプを動作させる方法であって、
    前記放電ランプに交流電流を印加することによって、前記放電ランプの点火後のランアップ区間の間に、前記放電ランプに給電するステップを含み、
    前記ランアップ区間の間、前記少なくとも２つの電極への電気アークの付着モードをスポットモードに変更するために、前記交流電流の波形は、スポット実行波形に、少なくとも１回、変更される、方法。
    

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