JP4115170B2 - 直線形ランプにおける光条の電子的除去 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直線形蛍光ランプの視覚特性を向上させることに関し、特に、ガス放電ランプ内で発生することがある可視光条を除去することに関する。一般に、ガス放電ランプは、各々の端部に電極を有する長尺のガス充填管を備える。電極間の電圧は、電子の移動を加速させる。これにより、電子はガス原子と衝突し、陽電荷担体及び陰電荷担体のガスプラズマを形成する陽イオン及び付加電子が発生する。電子はランプの陽極に向かって流れ続け、陽イオンは陰極に向かって流れ続ける。このため管内の放電が維持され、電極が更に加熱される。この放電により、特定の充填ガス及び放電の電気パラメータによって決められた波長を有する放射線が放出される。
【０００２】
【発明の背景】
蛍光ランプは、管の内面が蛍光体で塗布されたガス放電ランプである。蛍光体は放電からの紫外線放射線によって励起された発光し、可視光を提供する。
【０００３】
蛍光ランプなどのガス放電ランプの動作中、光条（striations）として知られる現象が発生することがある。光条は、暗帯として現れる光強度区域である。この現象は、ランプに望ましくないストロボ効果を与える。光条現象の一例は図１に示され、図１はランプの効率を上げるためにバッファガスとして添加されたクリプトンを採用する直線形蛍光ランプ１０を示す。図１において、ランプ１０はランプの長さに沿って移動する暗帯として現れる光条区域１２を有する。低温における適用例や及びクリプトン含有ランプなどの他の状況において、ガス放電ランプ内に光条が発生することは知られている。
【０００４】
光条が発生する原因に関して、様々な理論が提案されてきた。例えば、Sullivanの米国特許第５，００１，３８６号では、ランプ電極間の変動電荷分布の定常波を再度強制的に供給する高周波電流の結果として光条が発生すると考えられる、と記述されている。
【０００５】
Sullivanは、駆動交流電流上に重畳された直流成分を送出することにより、光条問題を解決しようと試みている。この技術の欠点は、現在市販の代表的な高周波安定器を取り外して、直流バイアス成分を送出できる固有の安定器と交換しなくてはならない点である。また、直流バイアスを加えることにより、ランプ内の水銀が一端に移動して不平衡光出力が生じるため、ランプを破損する可能性がある。また、ランプ照明システムの波頂率を高めることで通常の光条を除去する方法も提案されている。しかしながら、波頂率が増加するとランプに対する負荷も増加し、結果としてランプの寿命が短くなる。
【０００６】
従って、現在使用されている代表的な高周波安定器を交換する必要のない既存の装置の改良又はバージョンアップを行うことが有益である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、システム電源によって電力を供給される照明システムを提供する。この照明システムはシステム電源と動作接続される安定器を含み、安定器はランプ入力信号を発生するように設計される。ランプ入力線は、ランプ入力信号を受信するように動作接続される。更にガス放電ランプは、ランプ入力信号を受信するように構成されたランプ入力線に動作接続する。振幅変調回路はランプ入力線に動作接続されるように配置されており、この振幅変調回路は、ガス放電ランプがランプ入力信号を受信するのに先立って、ランプ入力信号の振幅を周期的に変調するように構成される。振幅変調回路が動作することによりランプ入力信号の振幅が周期的に変調され、振幅変調回路がなければランプ内に発生するであろう可視光条が除去される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１に示すように、光条区域１２は一般の使用者にとって望ましくない視覚効果をもたらす。この問題に対して、本発明者等は帰無仮説を適用して光条現象を説明し、図２に示すように、密封オルガンパイプ１６内の定常圧力波１４としてモデル化可能な光条の原因となる物理的現象を提案した。密封パイプの共振周波数は、以下の式により表される。
【０００９】
【数１】

【００１０】
式中、は長さの単位、は高調波、は定量としてのモル量、は定圧でのモル量、は非外乱ガス圧、は圧縮区域以外のガス密度である。
【００１１】
この帰無仮説を用いて、発明者等はランプへの入力電流を周期的に変調する回路を開発した。この周期的な方法で電流の変調を変更することによって、光条を発生させると考えられている反復共振周波数が干渉され、これにより光条の出現が除去される。
【００１２】
図３は、本発明の概念を含む、例示されたランプ照明システム２０を示す。入力電源２２は、入力フィルタ２４を介して安定器２６に電力を供給する。ランプ入力線３０は、安定器２６からランプ３２に入力電流信号を送る。本発明において、振幅変調回路３６は接合部３４で入力線３０にも接続する。振幅変調回路３６は周期的な振幅変調信号を挿入することにより、入力線３０上の入力電流を周期的間隔で変更する。振幅変調回路３６が動作することにより入力信号の少なくとも一部が変更され、入力電流が変調される。
【００１３】
回路２０により達成された結果を図示するために、アルゴン/クリプトン蛍光ランプのランプ入力電流信号を示す図４及び図５に注目する。図４に示すように、ランプ入力電流信号３８は従来の照明システムにおけるものであり、本発明の振幅変調回路を実現するものではない。
【００１４】
線４０によって図示されるように、入力信号３８のピークは全てほぼ同等である。図５に示すように、振幅変調回路を実現することによってランプ入力電流信号４２は選択的、周期的に変化することができ、このため入力信号の値又は入力信号の一部の値は、制御された方法で変調される。例えば、図５に示すように、ピーク４４及びピーク４６がほぼ同じ値なのに対して、ピーク４８の値はより低い値に変調されている。特に、この実施例では、４４及び４６の値が約２１４mAであるのに対して、変調されたピーク４８の値は約２００mAである。すなわち、約１４mAの差が生じる。この差は、反復共振信号によって引き起こされた可視光条を動作ランプから除去するのに十分である。
【００１５】
また、入力ランプ電流の周波数ではなく、入力ランプ電流の値が変調されることにも注意すべきである。特に、図５に示される時間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３は、図４との間で変化しない。
【００１６】
図６を参照すると、ランプに装着した別個のモジュール、又はランプと一体化しても良い回路として実現可能な本発明における振幅変調回路６０の一実施例が示される。図６の回路６０は、変流器６２及びコンデンサ６４を介してランプ入力線３０と接続することによって、ランプと直列に配置されている。この実施例ではインダクタであるが周知の他の設計によって実現しても良い変流器６２は、ランプ入力線３０上のランプ入力電流の少なくとも一部を得ることにより入力線３０からエネルギーを得るために使用される。図６には示されず、前出の図に開示されるが、入力線３０は安定器２６からランプ入力信号を受信する（図３）。変流器６２によって得られる電流の一部は、ダイオード７０〜７６を含む全ブリッジ整流器６８によって整流される。一実施例において回路６０で使用される電力論理電子回路に十分な約５ボルトの電圧８０（+ＶＤＤ）が、ツェナーダイオード７８によって蓄積できる。回路６０の設計により所望の低電力消費条件が達成され、そのため、変流器６２を介して十分なエネルギーが得られる。
【００１７】
抵抗体８４を含む信号線８２は、電圧に変換されてシュミットトリガ９０の入力時に出現する半波整流信号８８を送る。シュミットトリガ９０は、ほぼデジタルな出力９２を発生し、フリップフロップ９４に供給する。フリップフロップ９４は本質的には１/２分周器であり、これによって出力信号９６は入力ランプ電流信号の周波数の半分になる。また、図６の回路にも示すように、コンデンサ９７は共通である。
【００１８】
出力信号９６は、トランジスタ９８の動作を制御するために使用される。特に、スイッチとして作用するトランジスタ９８及びダイオード１０２〜１０８を含む全ブリッジインバータ１００により、入力線３０におけるコンデンサを選択的にバイパスできる。トランジスタ９８の動作は、電流入力の全周期ごとに、回路のこの部分を短絡するスイッチとして作用する。従って、動作中、コンデンサ６４とトランジスタ９８によって規定されるスイッチとはランプに直列に接続され、全ブリッジ整流器１００はランプに直列に接続されることになる。
【００１９】
コンデンサ６４をバイパスすることでランプへの電流入力が増加するのに対し、スイッチ９８を開くことで電流はコンデンサ６６を介して流れ、その結果、入力電流が減少する。
【００２０】
この実施例の電流レベル変動が非常に少ないことは、理解されるであろう。特に、この場合は、全体の約２１４mA中で約１４mAの減少となる。振幅を変更することにより、本振幅変調回路設計はランプ内で発生する共振に干渉する。
【００２１】
図３及び図６に例示されるこの設計ではランプシステムの波頂率を高くしないため、ランプの負荷が増加しない。このシステムは、ランプ内の水銀を一端に移動させることで知られている所定レベルの直流バイアスをも導入しない。これにより、一端に輝点、他端に無光点を有するランプが実現する。また、図６に示される振幅変調回路を付加することにより、ランプの効果が約１/２％以下だけしか減少しない。
【００２２】
別の実施例では、振幅変調回路は安定器と一体化しても良い。この設計では、図６のダイオードブリッジ６８及びツェナーダイオード７８に規定された振幅変調電源を備える必要はない。特に、安定器回路自体からの電力は、図６の電子回路９０、９４に電力供給するために使用される。従って、図６の回路６０などの回路が安定器と一体化している場合、変流器６２及び信号線８２はシュミットトリガ９０へ入力し続けても良い。この電力供給手順を用いることによって効率的な回路が実現し、それによって照明システム全体の効率の減少が約１/２％未満になる。
【００２３】
更に、本実施例では分圧器９４に沿ってシュミットトリガ９０を使用するスイッチング技術が実現されることが示されるが、他の設計も実現可能である。例えば、スイッチ９８の動作を制御するためにデジタルタイマを使用しても良い。更に、全ブリッジ整流器１００に沿ってスイッチ９８を含むスイッチングネットワークも、入力電流の振幅変調を得るために様々な設計で実現されても良い。例えば他の実施例において、システム内に信号を送って入力線電流を増加させることは、入力線電流を減少させるコンデンサ６６を使用することよりも適切である。また、発明者等がこれらの設計も本発明の範囲内であると考えていることは理解されるべきである。更に本発明の全実施例は、入力ランプ電流の振幅を調整できる他の周知の電子制御装置を使用して実現しても良い。
【００２４】
これに関して、図７に示す更に他の実施例に注目すると、振幅変調回路１１０は安定器と一体化して使用されても良い。特に、図７に示すように、この回路が安定器の内部にあるため、電子回路用の別の電力を発生させる必要はない。逆に、電力１１２は安定器から直接供給される。この実施例では、全ブリッジ整流器１００と共にスイッチ９８を使用する代わりに、MOSFETや他の適切なトランジスタなどの一対のスイッチングトランジスタ１１４、１１６を使用する。
【００２５】
この設計において、入力線３０を介してコンデンサ１１８と並列に配置されるドレインによって、信号は接続されたゲート及び電源の間で周期的に送られる。両トランジスタ１１４、１１６が「オン」状態の場合、これらはRDS値によって決まる非常に低い抵抗を有する抵抗器として作用する。この状態で、入力ランプ電流はコンデンサ１１８を短絡する。トランジスタが「オフ」の場合、これらはランプ入力電流をコンデンサ１１８を介して強制的に流すブロック機構として作用する。トランジスタ１１４、１１６が接続し、これらがｎチャンネルの装置であり、ゲートを介して送られる電圧がゼロである場合、内部のダイオードは全ての電流を遮断するように作用し、その結果、開スイッチと同様の配置となる。
【００２６】
ゲートは、例えば、ゲートと電源との間に５ボルトを印加することによって「オン」にされても良い。この時点で再び、トランジスタは小さい値の抵抗器として作用し、それによってコンデンサ１１８を短絡する。ｎチャンネル装置の抵抗を十分に低くすることによって、トランジスタ１１４、１１６のチャンネルを介する電圧降下は、内部のダイオードがオンになる程には十分に高くならず、その結果、トランジスタ１１４、１１６は単に抵抗要素として作用する。従って、例えば２００mAの電流が回路内を流れ、２オームのトランジスタが使用される場合、各々のトランジスタでは０．４ボルトの電圧降下しか発生しないであろう。このため、非常に低電圧なシステムとなる。内部のダイオードがオンになる程にトランジスタの電流や抵抗が高い場合、システムの電圧は、ダイオードの電圧降下に加えてトランジスタ１１４、１１６のRDS値を含むであろう。
【００２７】
本発明の一面は、回路の効率に不要な影響を及ぼすことなく光条問題を解決することにある。前述の回路はこの目的を達成する。
【００２８】
図８を参照すると、信号接続点１３３を介してランプ１３０の一部として一体化した、前述の実施例の設計を取り入れた振幅変調回路モジュール１３２を有するランプ１３０が図示されている。この設計において、最終使用者は安定器の改良を必要とすることなくランプを購入する。図９は、接続プロング１３６で振幅変調回路モジュール１３４がランプ１３０に差し込まれているランプ１３０を図示する。図１０は、振幅変調回路１３８が安定器１４０と一体化する設計を示す。この設計によって、前述の通り、振幅変調回路１３８内の電源の必要条件が満足される。
【００２９】
図１１は、複数のランプ１４４、１４６、１４８に電力を供給するために使用する共用のインバータ又は安定器１４２と一体化した振幅変調回路１４０を有するシステムを図示する。この設計によって、単一の振幅変調回路１４０は、複数のランプから可視光条を除去するために使用できる。
【００３０】
前述のように、更に本発明は様々な形態によって実現されても良い。前述の実施例において、部品名及び/又は図６及び図７の回路に対する値は、以下を含む。
【００３１】
変流器インダクタ６２（２つの結合した１．０インダクタ）..１００uH；１mH
コンデンサ６６...........................................２２uF
各々のダイオード７２〜７６..........................Ｄ１Ｎ４１４８
ツェナーダイオード７８.....................５ボルト、Ｄ１Ｎ４７４０
抵抗器８４.............................................１００Ｋ
シュミットトリガ９０..................National Semi ＣＤ４０１０６
コンデンサ９１.........................................１００mF
フリップフロップ９４...................National Semi ＣＤ４０１３
トランジスタ９８.....................................ＩＲＦ５１０
ダイオードブリッジ１０２〜１０８各................Ｄ１Ｎ４１４８
コンデンサ１１８.........................................２２mF
トランジスタ１１４、１１６....................Fairchild ６３０３Ｎ
【００３２】
また、付加的な平衡部品を図６及び図７の回路に加えても良いことは理解されるであろう。更に、提示された値に対して様々なランプが使用されても良いが、本発明のランプは、６０ヘルツ周期の線１２０/２７７Vacの電力供給において動作する。この場合、本ランプは希ガス充填型Ｔ８直線形蛍光ランプなどのガス放電ランプであっても良い。
【００３３】
本発明では主に蛍光ランプに関して述べられているが、ここで説明された回路はどの種類のガス放電ランプを制御するために使用されても良い。ここに含まれる本発明の範囲から逸脱することなく前述の回路で所定の変更を行っても良く、そのため、上記説明に含まれる全ての事項又は添付の図面に示される全ての事項は例示であり限定的なものではないと解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 一般の使用者に対してストロボ効果を生じる光条区域を有する代表的な蛍光ランプを示す図。
【図２】 密封オルガンパイプ内の定常圧力波を示す図。
【図３】 本発明の概念を実現するシステムを示す高次図。
【図４】 標準のアーク電流駆動関数又はランプ入力電流を示す図。
【図５】 本発明の概念を用いることによって得られるランプ入力電流を示す図。
【図６】 本発明の振幅変調回路を、より詳細に示す図。
【図７】 振幅変調回路の更なる実施例を示す図。
【図８】 ランプと一体化した振幅変調回路を示す図。
【図９】 ランプに接続するモジュールとしての振幅変調回路を示す図。
【図１０】 安定器内に挿入された振幅変調回路を示す図。
【図１１】 単一の振幅変調回路と共に複数のランプが動作するシステムを示す図。
【符号の説明】
２０…照明システム、２２…システム電源、２６…安定器、３０…ランプ入力線、３２…ガス放電ランプ、３６…振幅変調回路、６０…振幅変調電子回路、８０…振幅変調電源、９８…スイッチ機構、１４４…ガス放電ランプ、１４６…第２ガス放電ランプ

Claims (10)

1. システム電源（２２）によって電力を供給される照明システム（２０）において、
   前記システム電源（２２）と動作接続し、ランプ入力信号を発生するように設計された安定器（２６）と、
   前記ランプ入力信号を受信するように動作接続されたランプ入力線（３０）と、
   前記ランプ入力信号を受信するように前記ランプ入力線と動作接続されたガス放電ランプ（３２）と、
   前記ランプ入力線（３０）と動作接続され、前記ガス放電ランプに受信される前記ランプ入力信号に先立って前記ランプ入力信号の振幅値を周期的に変調し、前記ランプ入力信号の全周期ごとに振幅変調信号を送出することによって前記ランプ入力信号のある波形のピーク入力電流の振幅値を隣接する波形のピーク入力電流の振幅値よりも低下させるように構成される振幅変調回路（３６）とを具備し、
   前記振幅変調回路（３６）は前記ランプ入力信号の一定の周波数を維持し、
   前記全周期に渡り、隣接する波形同士のピーク入力電流の変化は１４ｍＡ以下であり、前記ランプ入力信号の波形が実質的に同じとなり、
   前記ランプ入力信号のピーク入力電流の値を周期的に変調することで前記ランプ（３２）内の可視光条を除去する照明システム。
2. 前記ガス放電ランプ（３２）は直線形蛍光ランプであり、前記振幅変調回路は、振幅変調電源（８０）によって電力を供給される振幅変調電子回路（６０）と、前記振幅変調電子回路によって動作制御されるスイッチング機構（９８）とを有する請求項１記載のシステム。
3. 前記安定器（２６）によって電力を供給される少なくとも第２のガス放電ランプ（１４６）を更に具備し、前記安定器（２６）と一体化した前記振幅変調回路（３６）は、前記ガス放電ランプ（１４４）及び前記少なくとも第２のガス放電ランプ（１４６）の前記入力ランプ信号を周期的に変調する請求項１記載のシステム。
4. 前記振幅変調回路は、前記ランプ入力線（３０）の電流から電圧を発生する振幅変調電源（８０）と、前記振幅変調電源によって電力を供給される振幅変調電子回路（６０）と、前記振幅変調電子回路（６０）によって動作制御されるスイッチング機構（９８）とを有する請求項１記載のシステム。
5. 前記振幅変調回路（３６）は前記安定器内で一体的に構成される請求項１記載のシステム。
6. 前記振幅変調回路（３６）は、ガス放電ランプに接続されたモジュール、又はガス放電ランプと一体化したモジュールとして使用するために構成される請求項１記載のシステム。
7. 前記振幅変調回路（３６）は、変流器（６２）及びコンデンサ（６４）を介して前記ランプ入力線（３０）と接続することによって、前記ガス放電ランプ（３２）と直列に配置され、
   前記振幅変調回路（３６）は、前記変流器（６２）が得た前記ランプ入力電流の少なくとも一部を整流する複数のダイオード（７０〜７６）を含む全ブリッジ整流器（６８）と
   シュミットトリガ（９０）に電圧に変換された半波整流信号（８８）を送る、抵抗体（８４）を含む信号線（８２）と、
   前記シュミットトリガ（９０）から、デジタル出力（９２）を受け、前記入力ランプ電流信号の周波数の半分の周波数を有する出力信号（９６）を出力するフリップフロップ（９４）と、
   前記フリップフロップ（９４）からの出力信号（９６）に応答して前記コンデンサ（６４）を選択的にバイパスする全ブリッジインバータ（１００）とを備える請求項１記載のシステム。
8. 前記振幅変調信号を送出することにより、ランプ入力信号の電流値が変調されるが、周波数は変化しない請求項１記載のシステム。
9. ランプ中に発生する可視光条を除去するランプ照明システム（２０）のガス放電ランプ（３２）に信号を送る方法であって、
   安定器（２６）によってランプ入力信号を発生する段階と、
   ランプ入力線（３０）を介して前記ガス放電ランプ（３２）に前記ランプ入力信号を送る段階と、
   振幅変調回路（３６）から前記ランプ入力信号へ周期的振幅変調信号を挿入し、前記ランプ入力信号のピーク値は前記可視光条を除去するために制限する段階とを含み、
   前記振幅変調回路（３６）は前記ランプ入力信号の振幅値を周期的に変調し、前記ランプ入力信号のある波形のピーク入力電流の振幅値を隣接する波形のピーク入力電流の振幅値よりも低下させるように構成され、
   周期的な振幅変調信号の送出は前記ランプ入力信号の一定の周波数を維持し、
   前記全周期に渡り、隣接する波形同士のピーク入力電流の変化は１４ｍＡ以下であり、前記ランプ入力信号の波形が実質的に同じとなり、
   前記ランプ入力信号のピーク入力電流の値を周期的に変調することで前記ランプ（３２）内の可視光条を除去する、方法。
10. 前記振幅変調回路（３６）は、変流器（６２）及びコンデンサ（６４）を介して前記ランプ入力線（３０）と接続することによって、前記ガス放電ランプ（３２）と直列に配置され、
    前記振幅変調回路（３６）は、前記変流器（６２）が得た前記ランプ入力電流の少なくとも一部を整流する複数のダイオード（７０〜７６）を含む全ブリッジ整流器（６８）と
    シュミットトリガ（９０）に電圧に変換された半波整流信号（８８）を送る、抵抗体（８４）を含む信号線（８２）と、
    前記シュミットトリガ（９０）から、デジタル出力（９２）を受け、前記入力ランプ電流信号の周波数の半分の周波数を有する出力信号（９６）を出力するフリップフロップ（９４）と、
    前記フリップフロップ（９４）からの出力信号（９６）に応答して前記コンデンサ（６４）を選択的にバイパスする全ブリッジインバータ（１００）とを備える請求項９記載の方法。

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