JPH02299197A - キセノン―メタルハライド・ランプ用音響共鳴動作方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、キセノン−メタルハライド・ランプを動作さ
せる方法および回路に関する。更に詳しくは、本発明は
特に自動車用ランプ６千適している高圧のキセノンを封
入したキセノン−メタルハライド・ランプを音響的に動
作させる方法および回路に関する。

１９８８年２月１８日出願の米国特許出願第１５７．４
３６号は自動車用に特に適したキセノン−メタルハライ
ド・ランプを開示している。キセノン−メタルハライド
・ランプは白熱電灯と比較して効率が改良され、寿命が
長い。主に高圧のキセノンガスにより即時発光能力が得
られ、このためこのようなランプは特に自動車用に適し
ている。

１９８８年２月２６日出願の米国特許出願第１６１．０
５８号は、上記米国特許出願第１５７゜４３６号に記載
のようなキセノン−メタルハライド・ランプを動作させ
るための安定回路を開示している。この安定回路は約１
ないし１０ｋＨｚ（キロヘルツ）の比較的高い周波数で
メタルハライド・ランプを動作させ、矩形波電流をラン
プに供給している。矩形波型゛流はこの電流と同相の矩
形波電圧を生じさせ、ランプの電力（電流と電圧の積）
は一定となり、有益なランプ動作を可能にしている。こ
のような安定回路の動作は電力が時間的に一定であるの
で音響共鳴効果を避けている。また米国特許第４．１７
０．７４６号は、１立方センチメートル未満の容積を有
する比較的小さな寸法の水銀−メタルハライド・ランプ
を動作させるために上記米国特許出願第１６１．０５８
号のものとは異なる回路を開示している。この安定回路
は、１０−５０　ｋＨｚの範囲の周波数帯域内の比較的
狭い窓において、高圧のキセノンを含まない水銀−メタ
ルハライド・ミニチュアランプの音響動作を採用してい
る。

上記米国特許出願第１６１，０５８号と同様に、米国特
許第３，８９０．５３７号および米国特許第４．０４２
．８５６号はガス放電ランプの動作の際に音響共鳴効果
を避けるガス放電ランプ用回路を開示している。

上述した種々のガス放電ランプおよび安定回路は自動車
用途に関して制約を存している。種々のランプのうち、
自動車用により適しているものは上記米国特許出願第１
５７．４３６号に記載のものであるが、これは即時発光
量について実用的に制限がある。即時発光量は主にラン
プ内に含有されるキセノン・ガスの圧力によって決まる
ものである。自動車用のこのようなランプの所望の高い
即時発光レベルを得るためには、少なくとも４気圧のキ
セノン・ガス圧力が必要である。少なくとも４気圧のキ
セノン・ガス圧力を有し、周知の安定回路で作動される
キセノン−メタルハライド・ランプは、自動車のヘッド
ライト内に水平に配置することによって強い対流作用が
増大するという問題がある。このような好ましくない対
流は、（１）約２一層（ミリメートル）より大きな電極
間間隔を有するようなランプではアークがひどく弓なり
の曲がり、（２）ホットスポットの温度の増大によりラ
ンプの寿命が低減し、（３）コールドスポットの温度に
よりランプ効率、即ち（ルーメン）／（ワット）が低減
する、という少なくとも３つの問題を生じさせる。この
対流作用による問題を生じさせることなく、自動車用に
即時発光を行うように高圧キセノン−メタルハライド−
ランプを使用できるようにする作動回転のような手段を
提供することが要望されている。

即時発光を行うことができる性能に加えて、自動車用の
光源は高ビームおよび低ビームの両照明を行えることが
望ましい。高圧キセノン−メタルハライド・ランプをこ
のような自動車用の高ビームおよび低ビーム照明パター
ン用の光源として動作させることのできる作動回路のよ
うな手段を提供することが望まれている。

従って、本発明の目的は、自動車用に特に適した高レベ
ルの即時発光を行うようにキセノン−メタルハライド・
ランプ内に高圧キセノン・ガスを使用することを可能に
する作動回路を提供することにある。

本発明の他の目的は高圧キセノン−メタルハライド・ラ
ンプを車両の低ビームおよび高ビーム照明パターン用の
光源として動作させることができる作動回路を提供する
ことにある。

本発明の更に他の目的は、車両用に特に適した高圧キセ
ノン−メタルハライド参ランプを動作する方法を提供す
ることにある。

発明の要約 本発明は、自動車用に特に適した高圧キセノン−メタル
ハライド・ランプを作動させる回路および方法を対象と
する。

本発明による高圧キセノン−メタルハライド・ランプを
動作させる作動回路は、交流（ＡＣ）励起源または直流
（ＤＣ）励起源に接続されるようになっている。この作
動回路は、変調されていない信号として作用する、選択
された搬送周波数を有する第１の信号を発生する手段と
、変調信号として作用する、選択可能な変調周波数およ
び選択可能な振幅を有する第２の信号を発生する手段と
を含む。更に、作動回路は、前記第１および第２の信号
を組み合わせて、高圧キセノン−メタルハライド・ラン
プに供給される第３の信号を発生する手段を含み、この
第３の信号は中心周波数、低い方の周波数および高い方
の周波数を有する周波数変調された信号として作用する
。低い方の周波数および高い方の周波数は選択可能な振
幅および・周波数の両方によって決定されるのに対して
、中６周波数は選択可能な搬送周波数に対応する。中心
周波数および低い方の周波数は−ＤＦの値だけ異なり、
中心周波数および高い方の周波数は＋ＤＦの値だけ異な
る。

本発明による作動方法は三角波、鋸歯状波および正弦波
等から選択された波形を有する励起信号Ｖ　（ｔ）を高
圧キセノン−メタルハライド・ランプに供給するステッ
プを有する。この励起信号Ｖ（１）は次に示す式に従っ
て選択されたパラメータを有する。

Ｖ　（ｔ）　＝Ｖｍ　ｓｉｎ　　［２ｙｒＣＦ　ｔ＋　
（ＤＦ／　ｆ）　ｓｉｎ　　（２ｗ　ｆ　ｔ）　］ここ
において、■、、總励起信号のピーク電圧、ＣＦ−変調
されていない信号の搬送周波数、ＤＦ−搬送周波数から
の最大周波数偏移、およびｆ−変調信号の周波数である
。

値（ｆ）は周波数が最小値（ＣＦ−ＤＦ）から最大値（
ＣＦ＋ＤＦ）まで走査し、それから逆に最小値まで戻る
周波数である。

詳細な説明 自動車用のキセノン−メタルハライド・ランプの特性 自動車又は車両用の光源として作用するキセノン−メタ
ルハライド・ランプから発生する即時発光量に影響を与
える主な制約はランプ内に含有されるキセノン・ガスの
圧力である。自動車の要求を満足するのに充分な即時発
光能力を得るには、キセノン−メタルハライド・ランプ
として作用する典型的な７×９鰭の長球面形状のアーク
管において少なくとも４気圧のキセノン・ガスを含有す
ることが望ましい。「背景」部分で説明したように、こ
のようなキセノン圧力は好ましくないことにはキセノン
−メタルハライド・ランプ内で非常に強い対流を生じさ
せる。更に、自動車用に所望のビームパターンを得るに
は、メタルハライド・ランプを水平に配置することが望
ましいが、そうすると強い対流が生じてアークを弓なり
の曲げるという問題が発生する。また更に、自動車用に
所望のビームパターンを得るために、キセノン−メタル
ハライド・ランプの電極間の間隔を５＋＋ｎ以下の寸法
に選択して、光源の像が比較的小さくなるようにするこ
とが望ましい。このようにアーク・ギャップを短くする
と長いものと比較してアークの弓なりの曲がる現象が低
減する。しかしながら、ギャップが短ぐ−なるとより高
い水銀圧力を必要とし、水銀圧力の増大は対流およびア
ークの弓なりの曲がりを増大する。これらの正味の効果
は、ギャップを短くした方が、水銀圧力を高くしたとし
てもアークの弓なりの曲がりが低減することである。

このようなランプ内に高いキセノン圧力と水銀圧力を組
み合わせた場合には、水平に配置されたランプ内に強い
垂直方向の対流が発生し、この結果ランプの上部のホッ
トスポットの温度が上昇し、ランプの底部の温度が低下
する。ホットスポラトノ温度ノ増大およびコールドスポ
ットの温度の低下により、ランプ内の対流を助長する温
度勾配が生じ、これにより約２關以上離れている電極間
のアークが強く弓なりの曲がることになる。ランプの上
部のホットスポットの温度の増大はこのようなランプの
寿命を短くし、底部のコールドスポットの温度の低下は
ランプ内のハロゲン化物の圧力を低下させ、これにより
ランプの効率（ルーメン／ワット）を低下させる。更に
、高圧キセノン・ガスおよび高圧水銀ガスによって形成
されるアークの弓なりの曲がった状態は自動車用の光ビ
ーム・パターンを悪化させる。高圧キセノン・ガスによ
る問題については第１図を参照して更に説明する。

ランプ内のキセノン封入圧力と自動車用に望ましい即時
発光量との関係が、電極間の離間距離が４龍であり、約
４．５アンペアの電流で駆動される７Ｘ９龍の長球面の
アーク管を有するキセノン−メタルハライド・ランプの
場合に対して第１図に示されている。第１図の横軸はラ
ンプ内のキセノン充填物の圧力を気圧の単位で示し、縦
軸はこのようなランプから発生する即時発光量をルーメ
ンの単位で示している。第１図は複数の点１０Ａ、１０
Ｂ・・・ＩＯＨに対して形成した最もそれらに当てはま
る直線１０を示している。第１図に示すように、自動車
のヘッドライト用に望ましい１５００ルーメンの即時発
光出力を発生するためには、関連するキセノン充填物の
圧力は７気圧の値であることが必要である。

この比較的高い圧力は本発明のキセノン−メタルハライ
ド・ランプ用には更に増大する。典型的には４０ボルト
の値であるランプの電圧降下は、自動車用に使用される
ような電極間の間隔が４龍未満の比較的小さい距離であ
る場合において約１５気圧である水銀の動作圧力によっ
て主に決定される。動作しているときにランプの高い平
均ガス温度は増大し、またはキセノン−メタルハライド
・ランプ内のキセノン圧力に加えられて、約３５気圧の
全動作圧力を発生し、これが水銀動作圧力の１５気圧に
加えられたとき、自動車用に通常使用されている水平配
置のランプにおいては過酷な対流問題が発生する。キセ
ノン・ガス圧力が増大するにつれて、アーク管内のアー
クの弓なりの曲がりに影響している熱いガスの上向きの
対流速度が増大し、アーク上方の管壁の温度が増大する
。

このような増大の効果について第２図を参照して説明す
る。

第２図は横軸にランプ内のキセノン圧力を気圧の単位で
示し、縦軸にキセノン−メタルハライド・ランプのホッ
トスポット温度を示す。更に、第２図は２本の直線１２
および１４を示している。

直線１２は前述した米国特許出願節１６１，０５８号に
記載されているように６０１１ｚで動作する矩形波安定
回路によるキセノン−メタルハライド・ランプの動作を
表し、直線１４は以下に説明するように本発明に関連す
る高周波作動回路によるキセノン−メタルハライド・ラ
ンプの動作を表している。

第２図から、直線１２に示す動作では約２気圧以上のキ
セノン圧力に対してはホットスポットの温度は１０００
℃を超えているのに対して、直線１４に示す高周波によ
るアークをまっすぐにした動作ではホットスポット温度
は所望のキセノン圧力において１０００℃を超えないこ
とがわかる。

１０００℃以上の状態でキセノン−メタルノーライド・
ランプが動作する場合には、関連するアーク管を通常構
成している石英材料が比較的急速に劣化する。１０００
℃未満の温度でアーク管が動作する場合について更に第
３図を参照して説明する。

第３図は電極間の間隔が３．４鴎であり、キセノンの圧
力が１０．３気圧である６Ｘ８．５龍の長球面のアーク
管に対して、本発明に関連する音響的にアークをまっす
ぐにした動作を例示している。第３図の横軸は管壁負荷
を平方センナメートル（ｃｊ）当りのワット数（Ｗ）で
示し、これはランプのアーク管壁の表面積当りの放電電
力を表しているものである。第３図は第１および第２の
縦軸を有し、第１の縦軸はランプのホットスポット温度
を示し、第２の縦軸はキセノン−メタルハライド・ラン
プに関連する効率（ルーメン／ワット）を示している。

第３図中の第１の曲線１６はアーク管の管壁負荷に対す
る効率を表し、第２の曲線１８はアーク管の管壁負荷に
対するホットスポット温度を表している。

第３図から、ホットスポット温度を約１０００℃未満に
維持しなから管壁負荷を増大するようにアーク管を作動
でき（曲線１８参照）、これによりアーク管の動作効率
を増大できる（曲線１６参照）ことがわかる。例えば、
第３図から１０００℃未満のホットスポット温度にしな
がら７０ルーメン／ワツトの効率を発生するためには１
−り管を２０Ｗ／ｃ−で動作させればよいことがわかる
。

発明の実施 本発明の実施については第２図および第３図、更に第１
図を参照して説明する。第２図から、キセノン−メタル
ハライド・ランプを後述する方法および回路によって曲
線１４で表わされるように高周波で動作させる、キセノ
ン−メタルハライドψランプ内のキセノン・ガス圧力が
１５００ルーメンの即時発光を生じさせるのに必要な圧
力である場合、ホットスポット温度は１０００℃の臨界
値より低くなることがわかる。また第３図から、ホット
スポット温度を１０００℃の臨界値未満に維持しながら
、約７０ルーメン／ワツトの効率を存するキセノン−メ
タルハライド・ランプを表す２０Ｗ／ｃｄの管壁負荷が
得られることがわかる。

更に第１図から、キセノン充填物の圧力が７気圧である
と、自動車用の要求に特に適し満足する値である少なく
とも１５００ルーメンの即時発光出力が得られることが
わかる。

高圧キセノン−メタルハライド・ランプの好適な作動方
法 自動車用の即時発光を行わせるのに充分に高いキセノン
圧力を有する高圧キセノン−メタルハライド・ランプを
動作させる好適な方法は、特定の励起信号を供給し、ま
たこのような信号のパラメータを選択するステップを有
する。ガス放電ランプは約０．０５ないし約１．０ｃｍ
”の体積を有する球状部分を有するエンベロープを含む
。ランプはその球状部分内に約２ないし約１５気圧の範
囲内の冷温圧力を有するキセノンガス、約５ないし約２
０気圧の範囲内の動作圧力を有する水銀、および約１な
いし約５ミリグラムの範囲内の量のハロゲン化合物から
なる充填物が封入される。更に、ランプはエンベロープ
の対向する両端部にそれぞれ固定され、約１．５ないし
約５關の距離だけ相互に離間して設けられている１対の
電極を含む。

本発明に関連する高圧キセノン充填物によってグロー放
電モードの起動が困難であるので、スポット・モード動
作を設定するために充分な電流が電極に供給される。ス
ポット・モード動作のための電流の要求条件はグローモ
ードの起動の一般的説明とともに、米国特許第４，５７
４，２１９号に説明されている。

励起信号は、ランプに対する瞬時電力が２０ｋＨｚない
し８０ｋＨｚの範囲の周波数で時間変化するほぼ正弦波
、三角波、鋸歯状波、指数関数波または任意の複合波か
らなるグループから選択された波形にする。このような
波形の最も簡単なまたは代表的な例は正弦波であり、こ
の場合の励起信号Ｖ　（ｔ）は次式のように表される。

Ｖ　（ｔ）　＝Ｖ、　ｓｉｎ　　［２πＣＦ　ｔ＋（Ｄ
Ｆ／ｆ）　ｓｌｎ　（２πｆ　ｔ）　］ここにおいて、
Ｖヨはピーク電圧であり、ＣＦは搬送周波数であり、 ＤＦは搬送周波数からの最大周波 数偏移であり、 ｆは変調周波数である。

三角波、鋸歯状波、指数関数波または複合波の励起信号
は各変数に対して同じ説明を有するＣＦ。

ＤＦおよびｆの関数として同様に表されるが、瞬時電圧
はそれぞれの状況において直線的に、または段階状に、
または指数関数的に、または複合された態様で変化する
。

高圧キセノン−メタルハライド・ランプは式（１）の励
起信号のパラメータの選択に関連する本発明に従って種
々の方法より作動することができる。式（１）で与えら
れる信号に対しては、ｆの値は約０．０Ｉ×ＣＦないし
約０．０５×ＣＦの範囲内であることが好ましい。同様
に、ＤＦの値は０．０７×ＣＦないし約０．２０×ＣＦ
の範囲内の値にする。更に、ＣＦの値は約２０ｋＨｚな
いし約８０ｋＨｚの範囲内の値にする。希望により、キ
セノン−メタルハライド・ランプはｆおよびＤＦをゼロ
（０）の値に選択し、かつＣＦを約２０ｋＨｚないし約
８０　ｋＨｚの範囲内の値に選択することによって周波
数変調なしで作動してもよい。本発明に関連する種々の
方法については更に第４図を参照して説明する。

第４図の横軸は高圧キセノン−メタルハライド・ランプ
に供給される式（１）の励起信号の搬送周波数（ＣＦ）
を示す。第４図は４（ａ）と４（ｂ）に分割され、第４
（ａ）図のグラフ２０は周波数変調されたすなわち式（
１）のＤＦを前に示した望ましい範囲内の値にした高周
波による動作を示し第４（ｂ）図のグラフ２２は周波数
変調しない場合（ＤＦ−０）の高周波による動作を示し
、両方共に高圧キセノン−メタルハライド・ランプに関
するものである。周波数変調された高周波による動作を
示すグラフ２０中の部分２ＯＡ、２０Ｂおよび２０Ｃは
、キセノン−メタルハライド・ランプのアークが不安定
になる式（１）の励起信号の周波数を表しているもので
ある。部分２０Ａ、２０Ｂおよび２０Ｃは明滅したり、
弓なりの曲がったりする不安定なアーク状態を示してい
る。変調なしの高周波による動作を示すグラフ２２中の
部分２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ，２２Ｄ、２２Ｅ、２２Ｆ
および２２Ｇにはキセノン−メタルハライド・ランプ内
のアークが不安定になる周波数を示している。部分２２
Ａ−２２Ｆはアークが消えたり、明滅したりまたは弓な
りの曲がる不安定な領域を示している。部分２２Ａ−２
２Ｆによって取り囲まれていない残りの周波数部分はア
ークがまっすぐで安定して動作する周波数帯域すなわち
窓を表している。

第４（ａ）図および第４（ｂ）図を比較すると、第４（
ａ）図の変調された高周波による動作の場合は、部分２
０Ａと２０Ｂとの間のスペースによって示されるような
アークが安定に動作する比較的大きな窓が得られるのに
対して、第４（ｂ）図の場合は複数の周波数窓があるが
、どれも第４（ａ）図中の窓のように広い範囲を有する
ものはないことがわかる。

第４（ａ）図において、キセノン−メタルハライド・ラ
ンプの高周波による動作（２ｏ）は、２気圧を超えるキ
セノン充填物圧力を有するキセノン−メタルハライド・
ランプにおいて通常遭遇するような重力に起因する対流
をかなり低減させることがわかった。第４（ａ）図に示
すキセノン−メタルハライド・ランプの動作特性は前述
した米国特許第４，１７０．７４６号の回路によって作
動するメタルハライド・ランプと非常に異なっている。

第４（ａ）図に示される動作の効果は、キセノン−メタ
ルハライド・ランプの上方の壁の温度を約２００℃減ら
すようにキセノン−メタルハライド・ランプを音響的に
動作させることであり、効率が第２図において前述した
６ｏサイクルの動作の場合に対して２倍になり、同時に
重力に起因する対流がアークをまっすぐにする状態の点
までほぼ減らされている。アークをまっすぐにすること
は、電極管のアークを上向きに弓なりの曲げるような垂
直な対流に対してキセノンおよび水銀の音響運動が勝る
ことによって主に達成されるものである。グラフ２０に
おけるアークが安定でまっすぐになる周波数窓は、アー
ク管の壁に非対称に向かうよりもむしろアーク管の中心
へアークを対称に強制するガスの音響摂動の存在に対応
する。

第４（ｂ）図に示す周波数変調なしの場合の動作の最も
広い安定帯域（Ｓ　Ｂ）は約５　ｋＨｚであり、これは
式（１）の搬送周波数（ＣＦ）の約１０％である。第４
（ａ）図の周波数変調を行った場合では、部分２０Ａお
よび２０Ｂの間のスペースで表される動作の安定帯域は
ＣＦに対して３０％ないし５０％の間の値である。周波
数変調された信号で補足され、第４（ａ）図のグラフ２
０によって表されるキセノン−メタルハライド・ランプ
の音響動作については更に第５図を参照して説明する。

第５図は５　（ａ）　、５　（ｂ）および５（Ｃ）に分
けられ、第５（ａ）図は簡単化のため三角波で表わした
正弦波として式（１）中に示される変調されていない搬
送波信号を示し、第５（ｂ）図は式（１）中に示される
周波数ｆの変調信号を示し、第５（Ｃ）図は式（１）に
■（ｔ）で表される周波数変調された信号を示している
。変調されていない搬送波および変調信号の周期はそれ
ぞれ第５（ａ）および５（ｂ）図に１／ＣＦおよび１／
ｆとして示されている。また、第５（ｃ）図は最大周波
数（ＣＦ＋ＤＦ）　、中心周波数（ＣＦ）および最低周
波数（ＣＦ−ＤＦ）を含む波形を示している。

本発明の好適な方法は、キセノン−メタルハライド・ラ
ンプのアークが比較的まっすぐになるように式（１）に
示すような正弦波、三角波、鋸歯状波または複合波を有
する励起信号を選択し、ＤＦおよびｆの値の好ましい範
囲を更に選択することである。ＤＦの値の好ましい範囲
は次の式（２）で与えられ、ｆの値の好ましい範囲は次
の式（３）で与えられる。

０．０７＜ＤＦ／ＣＦ＜０．２０　　　　（２）０．０
１＜ｆ／ＣＦ＜０．０５　　　　　　（３）周波数変調
を用いた動作において、特に０．　７ｋＨｚの周波数ｆ
および４　、　２　ｋｔｌｚのＤＦの値を使用して、内
部が５．８關の短径および１０．Ｏ龍の長径を有する長
球面形状のアーク管を動作させた。動作結果は３２ｋＨ
ｚないし４８ｋＨｚの範囲の搬送周波数ＣＦに対してア
ークがまっすぐで安定であった。

この周波数変調を用いた動作については更に第６図を参
照して説明する。この第６図は高圧キセノン−メタルハ
ライド・ランプに供給される、式（１）で表わされる励
起信号の周波数スペクトルを示している。第６図の横軸
は周波数を示し、縦軸はパワーを対数で示す。第６図は
（ＣＦ−ＤＦ）＜Ｆ＜　（ＣＦ＋ＤＦ）の範囲にわたっ
て分布した個別の周波数Ｆに対する音響パワーを示して
いる。

個別の周波数成分はｆに等しい分だけ離間し、ＤＦ／ｆ
が１よりかなり大きい場合には、スペクトルの最大値の
半分（３ｄｂ）の点の幅の半分はだいたいＤＦに等しい
。ランプに供給される電力の多くが第４（ａ）図に示す
ように安定周波数にある場合、アークの不安定性は避け
られる。音響パワーをかなり広げるために、周波数スペ
クトルの幅２ＤＦは不安定な周波数帯域（典型的には数
キロヘルプの値を有する）の幅を超えなければならない
が、まっすぐで安定な動作が存在する領域の幅（典型的
には１Ｏ−２０ｋＨｚの幅）を超えてはならない。更に
、周波数変調信号の周波数ｆがあまりにも大きい場合に
は、周波数成分の数があまりにも少なくなり、大きなパ
ワーが各（不安定にする可能性のある）成分に存在する
ことになる。ｆの値が小さくなればなるほど、音響パワ
ーを発生する周波数成分の数が多くなり、不安定性を招
く可能性が少なくなる。ｆの好ましい値は式（３）によ
って与えられる範囲内にある。ｆの低い方の限界値の選
択については更に第５図を参照して説明する。

第５（ｂ）図および第５（ｃ）図を参照し、式（１）の
励起信号に関連する周波数ｆを想定すると、ランプに供
給される周波数Ｆは１／ｆ（第５（ｂ）図）の半分の期
間の間に周波数（ＣＦ−ＤＦ）から（ＣＦ＋ＤＦ）まで
変化する。供給される周波数Ｆが安定な周波数帯域（第
４（ａ）図の２０Ａと２０Ｂとあ間）から幅ＵＢの不安
定な帯域を通って掃引されるとき、時間Ｔ−ＵＢ／４ｆ
ＤＦのあいだ不安定性が駆動される。「不安定性が駆動
される」とは、アークが弓なりの曲がったりまたは明滅
するような好ましくない動作が生じるか、または「ター
ンオン」されて時間Ｔの間に一層大きく成長し易いこと
を意味する。不安定性がかなりの大きさに成長して、好
ましくない動作状態、例えばアークが弓状に曲がったり
、明滅したり、または消えるような状態を発生するため
には、ランプは積ＦＴが１０よりもずっと大きくなるよ
うに多くの（長さ１／Ｆの）撮動期間にわたって駆動さ
れなければならない。典型的には、ＵＢは約２キロヘル
ツの値であり、ｆは約０．７キロヘルツの値であり、Ｄ
Ｆは約４．２ヘルツの値であり、Ｆは約４０キロヘルツ
の値であり、この場合、積ＦＴの値は約６になる。Ｆが
不安定な帯域を通って走査される速度が比較的速いため
に、不安定性はこの例においては前述したＵＢ％ｆ１Ｄ
ＦおよびＦの値に対して約６回の振動の間のみ成長する
ことが許され、不安定性の大きさはわずかである。発明
者の分析では、掃引速度、すなわち値ｆ−ＤＦがあまり
低いときには、周波数は余分な時間の間不安定な帯域（
第４（ａ）図の２ＯＡ、２０Ｂおよび２０Ｃ参照）に長
く存在することが許されることは明らかである。従って
、ｆに対して約２キロヘルツの下側限界値がある。更に
、実験的観察によると、周波数ｆの変調信号として三角
波または鋸歯状波が正弦波よりも好ましい。これは三角
波および鋸歯状波の方が潜在的に不安定な周波数におい
て成長時間の存在を許すものである第５（Ｃ）図の（Ｃ
Ｆ＋ＤＦ）および（ＣＦ−ＤＦ）に対応する最大および
最小周波数に留まらないからである。

全ての周波数（ＣＦ、ＤＦおよびｆ）は、キセノン−メ
タルハライド・ランプとして作用するアーク管の線形寸
法と反比例して規定されることがわかる。小さいアーク
管に対してはより高い周波数が必要とされ、またその逆
も当てはまる。広い安定帯域（約３０％ないし５０％の
Ｓ　Ｂ／ＣＦ）は０．３立方センチメートルより小さい
容積を有し、球形、長球面形および円筒形を含む全ての
形式の形状を有する小型のキセノン−メタルハライド・
ランプで得られる。

好適な安定器の実施例の説明 本発明の好適実施例は、第７図に主に示されている起動
回路によって起動されるガス放電ランプ６０に対する作
動回路について第７図、第８図、第９図および第１０図
に示されている。第７図、第８図、第９図および第１０
図は表１に示すような典型的な値または形式の種々の回
路部品で構成されている。

表１ 一般に、第７図、第８図、第９図および第１０図に示す
回路は周波数変調された高周波電圧を発生して、これに
より前述したキセノン−メタルハライド・ランプ６０を
駆動する。第７図−第１０図の回路はランプ６０に正弦
波または三角波に類似した腹合波形を供給するものであ
り、はぼ指数関数波形を有するものとして説明できる。

周波数は１０ｋｔｌｚ　−２００ｋＨｚの範囲にある。

周波数変調度（Ｄ　Ｆ／ＣＦ）は約１０％であ°す、変
調率は前述した安定帯域に周波数が留まることができる
ようになっている。更に、波形は連続であることによっ
て安定動作が得られ、ゼロ電力において認められ得るほ
どの時間がなく、波高率（実効値に対するピーク値の比
）が２：１未満であることに特徴付けられている。第７
図、第８図、ｍ９図および第１０図の回路は、熱い場合
においてさえもランプ６０を瞬時に降伏させるのに充分
な電圧および７ｒｓ流を供給して、持続したアーク状態
に移行させる。

一実施例においては、第７図−第１０図の作動回路は典
型的には６０１１ｚの周波数で１２０ボルトの電圧を有
する交流（ＡＣ）電源に接続するのに適している。他の
実施例においては、この作動回路は関連する整流部品の
必要性を除去して直流（ｄ　ｃ）源に直接接続してもよ
い。

第７図−節１０図の回路はランプ６０用の安定器を構成
し、これは一実施例においては２段の電力コンバータを
有している。安定回路の入力段はＤＣ−ＤＣブースタ・
コンバータであり、出力段はＤＣ−ＡＣインバータであ
る。入力ブースタ・コンバータは出力インバータが制御
されない量制御される。ランプ電圧および電流は、ラン
プ電力を調整するために入力ブースタ・コンバータにフ
ィードバックされる。出力インバータは周波数変調され
る。ランプ６０に流れる電流は、平均電力を直流リンク
電圧の制御によって調整しながら線形安定インダクタに
よって瞬間的に制限される。

入力ブースタ・コンバータの主な構成部品は表２に示さ
れており、これらは表２中に記した関連する図に示され
ているように相互接続されている。

表２（入力コンバータ） 表２の部品およびその第７図および第８図中の関連する
回路は、タップ付きインダクタを有するｆｆｉ流モード
制御式ＤＣ−ＤＣ昇圧変換器を構成する。この入力コン
バータはガス放電ランプ６θが車両用に適した即時発光
を行うように制御される。

即時発光は入力コンバータによってターンオン時にラン
プ６０に傾斜状に比較的高いワット数（７１を圧×電流
）を供給し、それからランプが温まるに従って電力を傾
斜状に低減していくことにより達成される。比較的低い
インピーダンスを有するランプのターンオンは、ランプ
の起動後に発生するのに対して、ランプのウオームアツ
プされた状態は、比較的高いインピーダンス値を得るよ
うにランプが充分な時間ターンオンされた後に発生する
。

第１０図に示すタイマ回路は傾斜電流を抵抗Ｒ２２およ
びＲ２３を介してＰＷＭエラー増幅器Ｕ１０の加算ノー
ド（ピン２）に供給する。この傾斜電流は、ランプのワ
ット数を調整するフィードバック制御システムの一部で
ある基準信号の成分である。動作においては、ランプの
電流および電圧のスケーリング（ｓｃａｌｉｎｇ　）さ
れたサンプルが乗算されて、上述した加算ノードに供給
される。

負帰還制御システムがスケーリングされたランプのボル
ドーアンペア積を、第１０図の回路から発生される傾斜
基準と平衡させるように作用する。

ランプ６０がウオームアツプ後、ＰＷＭエラー増幅器に
対する基準はランプの動作電力を一定に維持するように
一定に留まる。変圧器Ｔ２の巻線（Ｔ２−Ｄ）はランプ
電圧のサンプルを供給し、変流ＳＴ３はランプ電流のス
ケーリングされた表示を供給する。これらの２つの信号
は第８図に示す回路部品Ｑ６、Ｕ３、Ｕ６−Ａ、Ｕ９お
よびその関連する部品を使用して乗算される。

傾斜状の特徴を有する基準信号を第８図の電力フィード
バック制御ループに供給する第１０図のタイマは次の本
発明に関連する２つの重要な特性を有している。すなわ
ち、 １）出力電流の傾斜は遅延特性を有している。

すなわち、傾斜はタイマ出力が一定レベルにある初期時
間の後に開始する。この遅延特性は、特に第７図−第１
０図の安定回路に接続された交流源が中断した場合に、
ランプ６０の即時発光性能を改良する。

２）遅延時間および傾斜の変化速度を決定するコンデン
サＣ４１およびＣ４６は、全ての電力が回路から取り除
かれた後に比較的ゆっくり放電する。電力が取り除かれ
、それから直ちに再供給された場合、コンデンサの電圧
はほとんど変化しない。この特徴は、そうでない場合に
発生するであろう「光の脈動」を防止する。このタイミ
ング用コンデンサのゆっくりとした放電は主に、好まし
くは入力側に通常の基板ダイオードを有していない絶縁
ゲート型集積回路を使用した本発明の電流装置によって
達成される。

出力コンバータの主な部品は表３に示され、また表３中
に記した関連図に示されているように相互接続される。

出力インバータは第９図のタイマＵ８から発生される例
えば約５５ｋＨｚの搬送周波数に対して本発明の周波数
変調を行っている。タイマＵ８の入力３には例えば約７
００Ｈｚの変調周波数が供給され、これは第９図のタイ
マＵ７から発生される。

更に、タイマＵ８は自動車の前方照明用に特に適した搬
送周波数のステップ状変化を行うように人力ビン７に供
給される抵抗１５０と協働するスイッチＳ１を有してい
る。

本発明は種々の用途に適した集中光源を形成するように
キセノン−メタルハライド・ランプの電極間に種々の形
状または状態のアークを発生することができる。この機
能はスイッチＳ１により行って、第９図の°回路の搬送
周波数を一定量、例えば４５　ｋＨｚから５５　ｋＨｚ
に変化させることによって、ランプ６０のアークの位置
を弓なりの曲がったまたは僅かに弓なりの曲がったアー
クからほぼ完全にまっすぐなアークに切換えることがで
きる。

このアークの切換えを用いて、内部にランプ６０冬配置
したヘッドライトの反射器から放出されるビーム・パタ
ーンを、第１すなわち低ビームから第２すなわち高ビー
ム照明パターンに切り換えることができる。また、ラン
プ６０の前述した寸法および安定な窓によれば他の適切
な周波数シフトを使用することもできる。一実施例にお
いては、周波数シフトによってランプ内のアークをまっ
すぐな状態から湾曲したまたは弓なりの曲がった状態に
変化させ、これによりアークに関連する光の主な集中を
高ビーム照明に関連する焦点に対応する反射器内の第１
の位置から低ビーム照明に関連する焦点に対応する反射
器内の第２の位置へ移動させたり、またはその逆にする
ことができる。

アークの位置を移動させるこの方法は、ａ）磁気偏向が
追加の回路およびハードウェアを必要とし、ｂ）アーク
が僅かに弓なりの曲がった状態においても音響動作が前
述の低減させたホットスポット温度で動作するという少
なくとも２つの理由でアークの磁気偏向に比べて好まし
いものである。

更に、弓なりの曲げることを行うこの方法は、湾曲モー
ド（基本的な音響周波数）と真直化モード（第１の偶数
調波）とを適当に混合するように波形を調節することに
よって達成される。これは広い範囲の種々の用途に適用
できるようにアークを真直化すなわちまっすぐにしたり
、湾曲すなわち弓なりの曲げたり、または両者の間の任
意の状態にすることを可能にするものである。

初期の降伏（ブレークダウン）およびアークの高温再点
弧のために必要な比較的高い電圧は第７図の回路から発
生される。この回路は火花ギャップ素子を利用し、また
昇圧コイルとともに５段のダイオード−コンデンサ電圧
乗算器を有し、昇圧コイルはインバータの開放回路出力
電圧を利用している。ブレークダウン回路の構成部品は
Ｄ１４ないしＤ１８、Ｃ８ないしＣ１２であり、昇圧コ
イルはＬ２である。

第７図−節１０図に示す安定回路は、変調されていない
信号（第５Ａ図参照）として作用し、かつ選択可能な搬
送周波数（ＣＦ）を有する第１の信号を発生する。更に
、この回路は変調信号（第５Ｂ図参照）として作用する
第２の信号を発生する。更に、第７図−第１０図の回路
は、前記第１および第２の信号を組み合わせることによ
って、ガス放電ランプ６０に供給される式（１）の励起
信号を発生する。第７図−節１０図の安定回路は関連す
る回路部品を適当に選択することによって前述したパラ
メータの範囲内の式（１）の励起信号を発生する。

本発明は周波数変調された高周波電圧および電流を発生
して、高圧キセノン−メタルハライド・ランプに対する
励起を行う回路を提供するものであることを理解された
い。この回路は、自動車用に特に適した高レベルの即時
発光を行うようにキセノン−メタルハライド・ランプ内
に高圧のキセノンガスを使用可能にするものである。キ
セノン−メタルハライド・ランプは通常のメタルハライ
ド・ランプよりもかなり高い圧力（キセノンおよび水銀
の両者のために）で動作するとともに、通常使用されて
いるよりもかなり高い管壁負荷で動作する。更に、光学
装置内で用途によっては、電極間の間隔である非常に短
いアークギャップが要望され、これは妥当なランプ電圧
を達成するために通常のアーク長さを有する放電ランプ
よりも更に高い水銀圧力を必要とする。非常に高い圧力
により生じる非常に高い対流力を克服するために周波数
変調された高周波励起が好ましく、この結果はぼ等温の
ランプが得られる。この等温ランプは、米国特許第４．
１７０，７４６号に開示されているようなキセノンを有
していないコンパクトな水銀−メタルハライド放電ラン
プにおいては通常不可能であるような例外的に高い効率
を生じる非常に高い管壁負荷を使用するために望ましい
。本発明を用いないで、キセノンーメタルノ１ライド・
ランプを低周波電力で動作させた場合、アークが壁に向
かって移動して、アーク管が膨らみ、この結果ランプの
損傷を招く。高周波を周波数変調する本発明を用いない
場合には、音響周波数窓が狭くなり、キセノン−メタル
ハライド・ランプの実用的な設計が出来なくなる。本発
明に関連するキセノン圧力は、自動車の前方照明のよう
な用途に対して適切な光を即時に発生するほど充分に高
いものである。発光管の形状および大きさ、ならびに周
波数および周波数変調を組み合わせて選択して、特定゛
の用途に必要なルーメン出力（発光出力）および放電の
大きさを達成し、アークをまっすぐにすることによって
所望の量のハロゲン化物を気化させるように最適な管温
度が得られ、同時に設計寿命を達成するに充分低い値に
最大管温度を維持する。

更に、本発明は高圧キセノン−メタルハライド・ランプ
および安定回路を利用した光学装置を提供しているもの
であることを理解されたい。ここにおいて、まっすぐな
アークおよび対象的な放電は非常に高い圧力に関連する
対流の極端な影響を克服したことから生ずる。この影響
は制御された音響共鳴によって克服され、種々の形式の
投影装置や表示装置に有益な均一な光の場を発生する。

本発明に通常関連している自動車のヘッドライトにおい
ては、周波数変調された高周波安定器で高圧キセノン−
メタルハライド・ランプを動作させることによって光が
発生され、その優れた性能が高圧キセノンの存在によっ
て得られる即時発光から生ずる。ランプの小さい寸法お
よび等温特性により得られるヘッドライトの光学装置内
の光源の小さい寸法および拘束性は、本発明による波形
の制御および高周波の変調によって制御される音響共鳴
による非常に急速な対流の克服から得られる。

また更に、一実施例においては、キセノン−メタルハラ
イド・ランプ用の励起信号の周波数はランプ内のアーク
をまっすぐな状態から曲がった状態に変化させるように
シフトすることができ、これによりアークの光の主な集
中を第１の位置から第２の位置に移すことができる。こ
れらの第１および第２の位置は車両の高ビームおよび低
ビーム照明に関連する点に対応するように選択される。

更にまた、第７図−節１０図の安定回路は特にキセノン
−メタルハライド・ランプ用に適しているものであるが
、所望により本発明の安定回路を使用して、キセノン−
メタルハライド・ランプ以外の他のガス放電ランプを有
利に起動したり、動１作させてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図はキセノン−メタルハライド・ランプに関するキ
セノン圧力と即時発光量との関係を示すグラフである。 第２図はキセノン−メタルハライド・ランプを６０ヘル
ツの矩形波および高周波で動作させた場合のキセノン圧
力とホットスポット温度との関係を示すグラフである。 第３図は本発明に関連して高周波で動作させたキセノン
−メタルハライド・ランプの管壁負荷、ホットスポット
温度および発光効率の相互関係を示すグラフである。 第４図は高圧キセノン−メタルハライド・ランプを、高
周波を変調せずに、および変調して動作させた場合のそ
れぞれ周波数帯域を示す線図である。 第５図は本発明の作動回路に関連する変調されていない
搬送波、変調信号および周波数変調された信号を示す波
形図である。 第６図はキセノン−メタルハライド・ランプに関連する
本発明の信号の周波数スペクトルを示すスペクトル図で
ある。 第７図、第８図、第９図および第１０図は高圧キセノン
−メタルハライド・ランプを起動および動作させる本発
明の回路の好適実施例を示す回路図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、キセノン−メタルハライド・ランプを動作させる方
   法であって、 （ａ）瞬時電力が所定の範囲内の周波数において時間的
   に変化するほぼ正弦波、三角波、のこぎり波、指数関数
   波および複合波からなるグループから選択された波形を
   有する励起信号Ｖ（ｔ）を前記ランプに供給し、前記励
   起信号Ｖ（ｔ）は次に示す式に従ったパラメータを有し
   、 Ｖ（ｔ）＝Ｖ＿ｍｓｉｎ［２πＣＦｔ＋（ＤＦ／ｆ）ｓ
   ｉｎ（２πｆｔ）］ ここで、Ｖ＿ｍ＝励起信号のピーク電圧、ＣＦ＝変調さ
   れていない信号の搬送周波数、ＤＦ＝搬送周波数からの
   最大周波数偏移、ｆ＝変調周波数であり、 （ｂ）次に示すパラメータ、すなわち （ｂ１）約０の値から約（０．０１×ＣＦ）ないし約（
   ０．０５×ＣＦ）の範囲までのｆ、（ｂ２）約０の値か
   ら約（０．０７×ＣＦ）ないし、約（０．２０×ＣＦ）
   の範囲までのＤＦ、および（ｂ３）約２０ｋＨｚないし
   約８０ｋＨｚの値を有するＣＦを持つ前記励起信号を選
   択する各ステップを含むキセノン−メタルハライド・ラ
   ンプを動作させる方法。 ２、前記パラメータが、ｆ＝０、ＤＦ＝０、およびＣＦ
   ＝約２０ｋＨｚないし約８０ｋＨｚの範囲の値であるよ
   うに選択される請求項１記載のキセノン−メタルハライ
   ド・ランプを動作させる方法。 ３、前記パラメータが、ｆを約（０．０１×ＣＦ）から
   約（０．０５×ＣＦ）の範囲にし、ＤＦを約（０．０７
   ×ＣＦ）から約（０．０２×ＣＦ）の範囲にし、ＣＦを
   約２０ないし８０ｋＨｚの範囲にするように選択される
   請求項１記載のキセノン−メタルハライド・ランプを動
   作させる方法。 ４、ガス放電ランプ用の作動回路であって、（ａ）変調
   されていない信号として作用し、かつ選択可能な搬送周
   波数（ＣＦ）を有する第１の信号を発生する手段と、 （ｂ）周波数変調信号として作用し、かつ 選択可能な変調周波数（ｆ）とともに選択可能な範囲を
   有する第２の信号を発生する手段と、（ｃ）前記第１お
   よび第２の信号を組み合せて、前記ガス放電ランプに供
   給される励起信号を発生する手段であって、前記励起信
   号が周波数変調された信号として作用し、かつ中心周波
   数、低い方の周波数および高い方の周波数を有し、前記
   低い方の周波数および高い方の周波数が前記変調周波数
   の逆数１／ｆに等しい速度で両者間を操作され、前記中
   心周波数が前記選択可能な搬送周波数に対応し、前記中
   心周波数から前記低い方の周波数が−ＤＦの値だけ異な
   り、前記中心周波数から前記高い方の周波数が＋ＤＦの
   値だけ異なっている当該励起信号を発生する手段と、 を含んでいる作動回路。 ５、（ａ）前記励起信号発生手段と前記ランプとの間に
   、前記ランプを起動する信号を発生する手段が設けられ
   ている請求項４記載の作動回路。 ６、前記ランプの起動後、最初は傾斜して増大し、次い
   で所定時間後に傾斜して減少する電流を供給する手段を
   含む請求項５記載の作動回路。 ７、前記の電流を供給する手段が、前記傾斜して増大お
   よび減少する電流を発生させるために傾斜した基準を供
   給するタイマ手段を有し、前記タイマ手段は遅延手段と
   、該遅延手段の継続期間および傾斜した電流の変化速度
   を決定する選択可能な値を有する第１および第２のコン
   デンサよりなるエネルギ蓄積手段とを含み、前記選択可
   能な値は当該作動回路に対する電源が瞬間的に中断され
   ても前記ランプへの電流がほぼ変化しないように選択さ
   れている請求項６記載の作動回路。 ８、前記ガス放電ランプが、その中に封入された充填物
   を含み、該充填物が、約２ないし約１５気圧の範囲の冷
   温圧力を有するキセノンガス、約５ないし２０気圧の範
   囲内の動作圧力を有する水銀、および約１ｍｇないし約
   ５ｍｇの範囲内の量のハロゲン化合物を含み、前記ラン
   プが更に、そのエンベロープの対向する両端部それぞれ
   固定されて、互いから約１．５ないし約５．０ｍｍの距
   離隔てて配置された１対の電極を含んでいる請求項４記
   載の作動回路。 ９、第１の照明パターンを発生する集中光源を形成する
   ために前記電極間のアークが弓なりの曲がるように前記
   励起信号Ｖ（ｔ）に対する第１の搬送周波数を選択し、 第２の照明パターンを発生する集中光源を形成するため
   に前記電極間のアークがほぼ直線になるように前記励起
   信号Ｖ（ｔ）に対する第２の搬送周波数を選択する請求
   項１記載の対向する両端部に電極を有するキセノン−メ
   タルハライド・ランプを動作させる方法。