放電燈工作設備的制作方法

專利名稱：放電燈工作設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種放電燈工作設備，它能夠減小放電弧的曲率，這種放電弧的彎曲由于當放電燈，尤其是HID燈(高強度放電燈)水平點亮時由重力引起的對流造成的。
近年來，HID燈因為具有效率高和壽命長的特點，已經廣泛地用于戶外照明等領域中，對這些，金屬鹵化物燈具有良好的顯色性，并且通過最佳地使用其特性，不但在室外的照明領域，也在室內照明領域中廣泛使用，并且作為視頻設備的光源和車輛的前燈的光源亦受到關注。
在傳統的放電燈工作設備中，當用幾KHz或更高的頻率工作時，會發生有害的聲共振現象，并發生放電弧變化、弧焰中斷等等。作為解決這一問題的方法，在1983年照明學會東京分會的論文集第10中描述了一種方法。該方法揭示，放電燈工作設備能夠防止由于HID燈(它是放電燈)特有的，聲共振現象引起的放電弧的變化、弧焰中斷和燈的損壞，并且通過將低頻(幾百Hz)矩形波電流提供給HID燈)使其穩定工作。
但是，當HID燈在這種工作裝置中水平點亮時，可以穩定地工作，但是在放電空間中在由于溫度分布造成的重力引起的對流的影響下，像弓那樣朝上彎曲。這大大增加了放電空間上部的溫度，引起石英玻璃(它是用于限定放電空間的玻璃殼材料)的顯著的退化，即，失去透明性，或變形，因此引起減短燈的壽命的問題，并且燈的效率將因為放電空間下部降低了的最冷點溫度而降低。
尤其近年來，在金屬鹵化物燈(它們作為用于視頻設備的光源和用于車輛的前燈的光源而受關注)，繼續使用更短的弧，因而需要進一步增加壓力，這是當燈工作時，由放電空間中填充物的材料造成的。壓力的增加使重力引起的對流增加，使放電弧的曲率變大，更加損害了燈的壽命和效率。
在日本第7-9835號專利公報中揭示了一種作為解決這個問題的放電燈工作設備。下面將參照

圖10，描述這種放電燈工作設備。
圖10是示出當放電燈在如上所述傳統的放電燈工作設備(第7-9835號日本專利公報)中點亮時，燈電流波形關于工作后經過的時間的變化的圖。這是通過將AC波形52疊加在DC波形51上得到的。AC波形52的工作引起規定方式的聲共振，以減少放電燈中填充材料由重力引起的對流，結果，放電弧變為直線的。
作為此物理背景，人們考慮，由AC波形52決定的一頻率的壓縮波從放電弧產生，以產生駐波，該駐波強制地使要彎曲的放電弧變直。
當使放電弧變直時，有這樣一些優點，即，可以降低在放電空間上部的石英玻璃的溫度(這是減短放電燈壽命的原因)，以延長放電燈的壽命，并通過增加放電空間下部中的最冷點的溫度，而提高了照明效率。
還有，在圖10中，如果在放電燈達到額定條件的工作之前一段時間間隔，預先使DC波形51的值較高，則將可以在工作后馬上得到預定的光輸出。與此同時，將可以把在直到放電燈在額定條件下工作之前的時間間隔中發生在AC波形52中的脈動對DC波形51的值的比值(通過把從AC波形52的最大值中減去最小值得到的值除以DC波形51的值而得到的值)減小。因此，它提出放電弧不變得是不穩定，但是即使放電空間中的氣體溫度變化，它可以從放電燈開始工作就得到穩定的放電弧，并且使放電弧成為直的頻率在放電燈達到在額定條件工作之前的時間間隔中變化。
但是，在上述的傳統的放電燈工作設備中，由于電流沿一個方向流過放電燈，故雖然在放電燈的放電空間中電場強度時間間隔地變化，但是總是出現沿一個方向的電場。因此，產生在放電弧中出現不規則的顏色(由于填充材料朝一側移動造成的電泳現象)的問題。還有，由于電極軸上的溫度是不對稱分布的，其中，陽極一側的溫度高，而在陰極一側的溫度低，即使疊加了激勵直放電弧模式的頻率，放電弧的曲率也只是或多或少地變小，但是不會變直。
本發明的發明者參考了第8-220938、9-69502和9-225001號日本專利申請或第08/915641號美國專利申請。
內容如下用于使放電燈工作的放電燈(它具有用于限定放電空間的玻璃殼和一對密封在玻璃殼中并且相互面對電極)工作設備包括用于產生波形信號的產生裝置，該信號具有激勵在一對電極之間產生直的放電弧模式的聲共振頻率的頻率成分，并且其波形小的中心線為恒定值；及調制裝置，用于調制波形信號，從而極性以調制頻率交替的變化，波形信號中心線的頻率比聲共振頻率的頻率成分低。
根據在先申請的發明，可以實現足夠直的放電弧。甚至在在先申請的發明中，也考慮到即，在放電燈在足夠長時間的熄滅之后工作的情況下，放電空間具有均勻的溫度分布，其大致上和放電燈周圍的溫度一致，因此，放電不極大地變形，但是，非常容易在一對電極之間發生，即，當開始放電時，在介質擊穿處直的軌跡，而在此后該放電可以演變為放電弧，用于得到穩定的、直的放電弧。
相比之下，在熄滅足夠長之前再次工作的情形下，能夠預料到這樣一個缺點，即出現不能得到穩定的、直的放電弧的情況。
這歸于這樣的事實在放電燈工作時的放電空間中溫度分布(存在放電弧的位置處大約5000K到7000K，對于玻璃殼附近處大約1000K)的影響下，預定的時間間隔，即使光被輸出，有放電弧放電空間中心附近的溫度高于玻璃殼附近的溫度。
當來自放電燈的放電在放電空間中的溫度分布不均勻的狀態下開始時，在放電空間有放電弧的高溫部分具有相當大的粒子動能，它大大彎曲，以避免放電，并且，由于彎曲的放電成為起點，故變形的放電弧形成在電極對之間。
一當放電弧(它是用于產生壓縮波的源)彎曲和產生時，從彎曲狀態產生壓縮波，并且照原樣在彎曲狀態下變為穩定。
本發明已經解決了上述問題，并且其目的是提供一種放電燈工作設備，該設備能夠穩定地產生直的放電弧，而不必顧及放電燈的熄滅等等。
本發明是一種放電燈工作設備，用于使具有確定放電空間的玻璃殼以及一對密封在所述玻璃殼中并相互面對的電極的放電燈工作，該設備包括用于產生波形信號的發生裝置，該波形信號具有激勵所述電極對之間產生直的放電弧模式的聲共振頻率的頻率成分；及調制裝置，用于調制所述波形信號，從而所述波形信號的中心線的極性以頻率低于所述聲共振頻率的頻率成分的調制頻率交替變化，其中，有這樣一個時間間隔，其中，假定所述波形信號的峰-峰值為α，而所述調制信號的有效值為β，在工作開始時的調制深度α/β等于或小于在額定條件工作的調制深度α/β。
圖1是示出使來自根據本發明的一個實施例的放電燈的放電弧變直的波形之一例的圖；圖2(a)到2(c)是示意地示出在熄滅足夠長時間之前，當使放電燈重新以圖1所示的波形點燃時，觀察放電弧成長狀態得到的結果的圖。
圖3(a)是示出當使調制深度較小時，放電弧形狀的圖，而圖3(b)是示出當使調制深度在較小之后，又使之較大時，放電弧的形狀；圖4是結構圖，示出根據本發明的第一實施例的放電燈工作設備；圖5(a)是DC電源13的輸出電流波形圖，而圖5(b)是逆變器電路14的輸出電流波形圖；圖6是示出電容器20的靜電電容和調制深度之間的關系的圖；圖7(a)和7(b)是示出電容器20的靜電電容關于工作后經過時間的變化特性之一例的圖；圖8是示出晶體管17的通斷頻率和調制深度之間的關系的圖；圖9是示出用于使來自根據本發明的一個實施例的放電燈的放電弧變直的波形另一例示圖；及圖10是當放電燈在傳統的放電燈工作設備中點亮時，燈的電流波形圖。
下面，將參照附圖描述根據本發明的較佳實施例。
在描述根據本發明的較佳實施例之前，將先總結和描述上述發明的在先申請。
圖1示出使來自從放電燈的放電弧變直的波形之一例。這一波形針對用于激勵使放電弧變直的模式的聲共振頻率的頻率成分f2，它由放電燈在放電空間媒質中的聲速和與放電弧相交的放電空間的長度確定。當放電燈熄滅之后重新點燃足夠長的時間時，可以得到頻率成分f2。作為波形(其瞬時值以頻率成分f2時間間隔地波動)，使用通過調制聲共振頻率的頻率成分f2的波形，從而使極性以調制頻率f1(該調制頻率低于聲共振頻率的頻率成分f2)改變而得到的波形。
首先，當圖1所示的電流波形提供給放電燈，并且將調制深度(通過將圖1的波形(調制信號波形)的α除以有效值β得到的值)設置為預定值，如果放電燈的熄滅時間足夠長，則在額定狀態下工作時，可以得到穩定的、直的放電弧。
但是，圖2(a)到2(c)示意地示出當放電燈在熄滅足夠長時間之前，以圖1所示的波形重新點燃時，觀察放電弧的成長狀態得到的結果的圖。圖2(a)中，標號1表示一對密封在玻璃殼中，并且相互面對的電極，而標號2表示在電極對1之間產生的放電弧。圖2(a)是示出當放電燈開始放電時，介質擊穿的狀態之一例。雖然在電極1之間發生放電，圖2(a)示出一例，其中放電具有S形結構，但其它放電沿玻璃殼方向是大大彎曲的，并且只有極少數情況是放電直接發生在電極1之間最短距離上，即，放電是直的。這可以歸于在如上所述地發光后放電空間中不均勻的溫度分布。
圖2(b)示出放電開始后，至達到在額定條件下工作前的放電弧的狀態，放電弧在保持圖2(a)中所示的放電弧的彎曲狀態時成長。還有，圖2(c)示出當達到額定條件下工作時放電弧的狀態，并且可以看到不能得到任何穩定的、直的放電弧。
本發明的發明者發現，防止放電弧變形和調制深度緊密相關。圖3(a)示出當通過將圖1中的α變得比圖2(b)或圖2(c)中所述的狀態中的α小來使調制深度較小時，放電弧的形狀。在圖3(a)中，標號1表示一對相互面對的電極，而標號2表示如在圖2(a)的情況下那樣在一對電極1之間產生的放電弧。如果使調制深度變小，則由放電弧發出的壓縮波的強度變小，因而聲共振的強度也降低。
因此，放電弧的變形主要是在工作期間由在放電空間中的溫度分布(放電弧的中心大約5,000K到7,000K靠近玻璃殼大約1,000K)使因重力引起的對流造成浮力的影響引起的，并且放電弧稍微向上彎曲。
在這方面，調制深度最好設置為0.3或者更小，以充分減小聲共振的影響。
圖3(b)示出當調制深度一度變得更小，然后再變得較大時，放電弧的形狀。可形成穩定的、直的放電弧。
由于在短時間熄滅的情況下有較寬的溫度分布，故發生的放電弧大大地彎曲。但是，如果預先使調制深度較小，則只會有由重力引起的對流造成的浮力的影響。因此，放電弧只在由重力引起的對流造成的浮力的影響下彎曲。當調制深度增大時，在該狀態下壓縮波從該狀態下放電弧產生，因此，產生穩定的、直的放電弧。在這方面，如在先申請的發明中所述，在短時間熄滅后重新點燃之時，有較寬的溫度分布，而且，當在開始時使調制深度就較大，而產生的放電弧大大地彎曲時，從彎曲的放電弧產生壓縮波因此放電弧不會變直。
在這方面，這樣的技術分析的確是嚴格一種假推定，因而且可以認為，根據另一條物理定律，可以得到穩定的、直的放電弧。
下面，參照附圖，描述根據本發明的第一實施例。圖4是示出第一實施例的結構圖，其中，標號11表示放電燈，其中在用于確定放電空間的玻璃殼中密封了水汞和金屬鹵化物作為填充物。標號12表示操作裝置。用于為進行操作將圖1的波形提供給放電燈11。工作裝置12包括在足夠長時間熄滅后，重新點燃的情況下，DC電源13，它是用于產生波形信號的發生裝置該波形信號具有用于激勵放電弧是直的，其中心線保持在恒定高度這樣一種模式的聲共振頻率的頻率成分)的發生裝置；逆變器電路14，它是用于調制波形信號的調制裝置，從而極性以調制頻率交替地變化波形信號中心線的頻率低于聲共振頻率；及啟動裝置15，用于向放電燈11施加一足以啟動它的放電的高壓。在這方面，DC電源13產生的波形的中心線可以不總是恒定值。
下面將參照圖5描述如上所述構成的第一實施例的工作。
在DC電源13中，降壓斬波電路構成如下DC電源16；該電路晶體管17；二極管18；斬波線圈19；及能夠改變其靜電電容的電容器20，以這樣的方式構成，即燈的功率由控制電路24根據由電阻21和22測出的相應于燈電壓的檢測信號以及由電阻23測出的相應于燈電流的檢測信號計算，還有，晶體管17的通斷比是可變的，從而燈的功率成為額定值。
如果把晶體管17的通斷頻率設置為用于激勵直的放電弧模式的聲共振頻率，而且使由扼流圈19和電容器20構成的濾波電路具有特殊性質，(在其中不截止聲共振頻率的頻率成分，DC電源13的輸出電流波形將成為將預定的DC偏置疊加在瞬時值以聲共振頻率時間間隔地波動的中心線的波形上，用于激勵如圖5(a)所示的直的放電弧為模式。
逆變器電路14如此由晶體管25、26、27和28，以及一個驅動電路29構成，即，通過來自驅動電路29的輸出信號使晶體管25和28導通的時間間隔和晶體管26和27導通的時間間隔交替地發生，由此來自DC電源13的輸出波形轉換為如圖5(b)所示的波形，其極性以低于聲共振頻率的調制頻率交替地變化，以將其提供給放電燈11。已在啟動裝置15的高壓下啟動放電的放電燈11以圖5(b)所示的波形點亮。還有，圖6示出了電容器20的靜電電容和調制深度之間的關系，調制深度在電容器20的靜電電容增加時變小，而調制深度在靜電電容減小時變大。
在如上所述構成的第一實施例中，圖7(a)和7(b)示出電容器20的靜電電容關于操作后經過的時間的特性變化之例。如果使在工作后反饋電容器20預定的靜電電容較大，并如圖7(a)所示逐步地減小，則在工作開始時可以逐步增加放電燈11的調制深度。這時，放電弧稍微向上地彎曲，同時調制深度較小，然后，切換到直的放電弧。由此，預知由放電弧形狀的變化導致看得見的閃爍，但可以通過設置10ms或更小的時間間隔(其中，電容器20的靜電電容較大)防止閃爍。
還有，圖7(b)示出，在工作后預定的時間間隔期間使電容器20的靜電電容制得較大，然后逐漸減小，因而在工作開始時放電燈11的調制深度可以逐漸增加。
這時，放電弧的形狀從彎曲的放電弧逐漸變為直的放電弧，并且不會瞬時地變化。因此，提供了一種顯著的效果，即，可以防止看提出的閃爍，并且可以防止放電弧不穩定的工作，這在從彎曲的放電弧切換為直放電弧的瞬變時刻可能發生。
下面，將描述第二實施例。圖8示出當第一實施例中的電容器20的靜電電容為恒定時晶體管17的通斷頻率和調制深度之間的關系。當使晶體管17的通斷頻率較高時，調制深度變小，而當使通斷頻率較低時，調制深度變大。這歸于這樣的特殊性質，即根據由濾波電路中的扼流圈19的電感和電容器20的靜電電容確定的頻率特性使較高的頻率成分截止。
當利用圖8的特殊性質時，通過這樣一種簡單的結構，(即，晶體管17的通斷頻率只在放電燈11的工作的開始時較高)，就可在工作的開始時具有比在額定條件下工作期間低的調制深度，因而工作裝置12的結構非常簡單。還有，可以通過以模擬形式逐步或者逐步地改變晶體管17的通斷頻率而逐步地或逐漸地改變調制深度。另外，在從開始工作到放電燈11達到在額定條件下工作的時間間隔內，用于激勵放電弧模式的聲共振頻率是放電空間中氣體的溫度函數，并且具有特殊性質，即，在氣體溫度達到在額定條件下工作之前該聲共振頻率一直減小。因此，使得放電弧為直線的聲共振頻率具有特殊的性質，即，在到達到在額定條件下工作之前它一直減小。
當結構如此地安排，從而提供頻率改變裝置(它改變晶體管17的通斷頻率，從而和聲共振頻率中的變化同步)時，改善了在工作開始時的放電弧的穩定性，并且可以從工作開始至在額定條件下工作時，得到穩定的、直的放電弧，而與放電燈的熄滅無關。
在這方面，在上述實施例中，對于放電燈11可以使用諸如高壓汞燈、金屬鹵化物燈和高壓鈉燈之類的HID燈，及諸如熒光燈之類的低壓放電燈，并且只要是放電燈，則任何燈都可以使用。
在第一實施例中，如此安排結構，從而使電容器20的靜電電容隨放電燈11工作后的經過時間改變，以使調制深度可變，但是可以如此構造，從而提供用于檢測燈的特性的檢測裝置，以檢測其是否處于工作開始時刻，并且使電容器20的靜電電容制得可響應于檢測裝置的輸出而變化。通過這種結構，并于檢測燈的特性，可根據放電燈的熄滅等由燈的特性檢測燈在工作開始時的不同狀態，因此，可以控制調制深度的改變到一個最佳值。還有，作為燈的特性，容易檢測放電燈的靜電特性，諸如燈電壓和燈阻抗，或光輸出，或燈泡溫度之類的特性，并且結構也是簡單的。
還有，在這個實施例中，當調制深度逐步增加時，已經描述了一個例子，其中，以一個階段增加調制深度，但是可以使用以兩個或更多個階段增加的結構。如果調制深度以多個階段增加，則結構可以如此安排，從而，放電弧的形狀逐漸從彎曲的放電弧改變到直的放電弧，因此，對防止看得出的閃爍是有效的。
還有，雖然逆變器電路14調制得如矩形波，但它以如此構成，從而將其調制為接近于具有波形的傾斜的上升和下降邊緣的梯形波。還有，可以使用任何能產生調制信號的結構，當調制信號的極性以比用于激勵直放電弧的模式的聲共振頻率更低的調制頻率變化時，能夠產生除接近矩形波之外的，諸如正弦波、三角波、階梯波和鋸齒波(見圖9)調制信號。另外，即使調制信號或多或少包含DC成分，只需改變極性并且可以使用任何正負不對稱的波形。
還有，在第一實施例中，已經描述了電容器20的靜電電容變化，以使調制深度可變的結構，但是如果結構如此安排，從而構成濾波電路的扼流圈19的電感可以變化，則當電感變大時調制深度變小，而電感變小時調制深度變大，因而可使調制深度可變。因此，可以得到類似的效果，并且當扼流圈19和電容器20都能變化時，可以使調制深度的變化寬度更大。
還有，雖然DC電源13由降壓斬波電路構成，其它電路系統(諸如升壓斬波電路和逆斬波電路)，也可以使用，并且其它結構也可以使用，只要可以輸出這樣的波形，其中，把預定的DC偏置疊加到中心線上，該中心線的瞬時值以用于激勵直的放電弧模式的聲共振頻率時間間隔地波動。
還有，雖然已經構造了控制電路24，用于控制晶體管17的通斷比，從而燈的功率變為額定值，但結構可以如此安排，從而提供有效值變化裝置，用于變化調制信號的有效值，以改變燈功率。特別地，它對在工作開始時提供超過額定值的功率，以在工作開始補充光輸出，以及控制調制光是有效的。
如上所述，本發明能夠實現極好的放電燈操作裝置，該操作裝置能夠防止諸如放電弧的變形等不穩定現象，并且與放電燈熄滅無關地形成穩定的、直的放電弧。
權利要求
1．一種用于使具有用于限定放電空間的玻璃殼，以及一對密封在所述玻璃殼中并相互面對的電極的放電燈工作的放電燈工作裝置，其特征在于包括用于產生波形信號的發產生裝置，所述波形信號具有用于熄滅在所述電極對之間產生直的放電弧模式的聲共振頻率的頻率成分；及調制裝置用于調制所述波形信號，從而所述波形信號的中心線的極性交替地以比所述聲共振頻率的頻率成分存在低的調制頻率變化，其中，有一時間間隔，其中，假設所述波形信號峰-峰值為α，而所述調制信號的有效值為β，在工作開始時調制深度α/β等于或小于在額定條件下工作的調制深度α/β。
2．如權利要求1所述的放電燈工作裝置，其特征在于所述波形的中心線保持在恒定值。
3．如權利要求1或2所述的放電燈工作裝置，其特征在于所述聲共振頻率由放電燈的放電空間媒質中的聲速，及放電空間的長度決定，所述長度和所述放電弧相交。
4．如權利要求1或2所述的放電燈工作裝置，其特征在于所述放電燈在所述玻璃殼中至少密封地填充了金屬鹵化物或汞作為填充物。
5．如權利要求1或2所述的放電燈工作裝置，其特征在于所述放電燈在工作開始時的所述調制深度α/β等于或小于在在額定條件下工作的調制深度α/β的時間間隔實際上是達到在額定狀態下工作之前的整個時間間隔。
6．如權利要求1或2所述的放電燈工作裝置，其特征在于在工作開始時所述放電燈的調制深度α/β等于或小于在額定條件工作的調制深度α/β的時間間隔為10ms或更小。
7．如權利要求1或2所述的放電燈工作裝置，其特征在于在工作開始時有這樣一個時間間隔，其中所述調制深度α/β具有0.3或更小的值。
8．如權利要求1或2所述的放電燈工作裝置，其特征在于所述放電燈工作裝置具有檢測裝置，用于檢測所述放電燈的燈特性，并響應于所述燈特性的改變來改變所述調制深度α/β。
9．如權利要求7所述的放電燈的工作裝置，其特征在于作為燈特性所述檢測裝置檢測燈泡溫度、燈電壓、燈阻抗、或光輸出。
10．如權利要求1或2所述的放電燈工作裝置，其特征在于在工作開始時所述放電燈的所述調制深度α/β具有一段調制深度α/β逐漸增加的時間間隔。
11．如權利要求1或2所述的放電燈的工作裝置，其特征在于所述放電燈在工作開始的所述調制深度α/β具有一段調制深度α/β逐步增加的時間間隔。
12．如權利要求1或2所述的放電燈的工作裝置，其特征在于所述產生裝置具有頻率改變裝置，用于響應于激勵直的放電弧模式的所述聲共振頻率的頻率成分的變化，產生具有頻率成分的波形。
13．如權利要求1、2或11所述的放電燈的工作裝置，其特征在于所述調制裝置具有有效值變化裝置，用于改變所述調制信號的有效值。
14．如權利要求1到13任何一條所述的放電燈工作裝置，其特征在于用于熄滅在所述電極對之間產生有的放電弧模式的所述聲共振頻率的頻率成分是所述放電燈在熄滅后重新點燃的時間間隔足夠長情況下得到的頻率。
全文摘要
一種用于使具有限定放電空間的玻璃殼和一對密封在所述玻璃殼內并相互面對的電極的放電燈工作的放電燈工作裝置,具有:產生電路,用于產生具有熄滅在所述電極對之間有的放電弧模式的聲共振頻率的頻率成分的波形信號;及調制電路,用于調制所述波形信號,從而所述波形信號中心線的極性以具有低于所述聲共振頻率的頻率成分的頻率的調制頻率交替變化,其中存在有一時間間隔,其中,假定所述波形信號的峰—峰值為α,而所述調制信號的有效值為β,則在工作開始時調制深度α/β等于或小于在額定條件工作的調制深度α/β。
文檔編號H05B41/292GK1213264SQ9811944
公開日1999年4月7日 申請日期1998年9月28日 優先權日1997年9月26日
發明者宮崎光治, 小南智, 堀井滋 申請人:松下電器產業株式會社