JP2009521080A - 改善された点弧能力を有する高圧放電灯 - Google Patents

Abstract

本発明は、高圧パルスを形成する点弧回路が放電灯内に組み込まれており、高圧放電灯に関する。本発明によれば、当該の点弧回路は少なくともスパイラルパルス発生器と充電抵抗とから成り、当該の充電抵抗はＬＴＣＣ材料から成形されている。

Description

本発明は請求項１の上位概念に記載の高圧放電灯に関する。こうした高圧放電灯は特に一般照明分野またはフォトオプティクス分野において用いられる。

従来の技術
高圧放電灯の点弧の際の問題点は点弧回路を点灯装置内に組み込むことにより解決される。ここで欠点となるのは、リードが高電圧耐性を有するように構成しなければならないことである。

これまでにも点弧ユニットを放電灯内に組み込もうとする試みは繰り返し行われてきた。例えば点弧ユニットをソケットないしベース内に組み込むことが考えられる。特に効率的な高いパルスを用いる点弧はいわゆるスパイラルパルス発生器によって達成される。これについては米国出願第３２８９０１５号明細書を参照されたい。以前からこうした点弧装置はメタルハライドランプまたはナトリウム高圧放電灯などの種々の高圧放電灯において知られており、これについては米国出願第４３２５００４号明細書、米国出願第４３５３０１２号明細書などを参照されたい。ただし、一方でこうした点弧装置が高価であること、また他方で点弧装置をソケット内に組み込むのみでは不充分であり、高電圧を管内に供給しなければならないという問題が残ることから、この手段は実用的ではない。したがって、絶縁がうまくいかなかったりソケット内でブレークダウンが生じたりすると、高圧放電灯の障害のおそれが強く増大する。従来の他の点弧装置では、１００℃を超えることはないものの、一般に加熱が生じる。この場合、形成される電圧を高圧放電灯に供給しなければならないので、高圧放電灯の給電線およびランプソケットには相応の高電圧耐性、典型的には約５ｋＶが要求される。

発明の開示
本発明の課題は、従来の高圧放電灯に比べて点弧特性が改善され、高電圧による障害を受けるおそれのない高圧放電灯を提供することである。これは特に放電管の材料が石英ガラスまたはセラミックであるメタルハライドランプに当てはまる。

この課題は請求項１の特徴部分に記載の構成により解決される。

有利な実施形態は従属請求項に示されている。

また、本発明の課題は、コンパクトな高圧パルス発生器を提供することである。この課題は請求項１４の特徴部分に記載の構成により解決される。

本発明によれば、放電灯の点弧に必要な少なくとも１．５ｋＶの高圧パルスが温度耐性を有する専用のスパイラルパルス発生器によって形成される。このスパイラルパルス発生器は外管内の放電管の直接近傍に組み込まれる。当該のスパイラルパルス発生器により、冷間点弧のみならず、熱間再点弧も可能である。

ここで使用されるスパイラルパルス発生器は特にいわゆるＬＴＣＣ素子である。当該の材料は６００℃までの温度耐性を有する特別のセラミックである。ＬＴＣＣ材料を高圧放電灯に用いることは米国出願第２００３／０００１５１９号明細書および米国特許第６８５３１５１号明細書に記載されている。ただし全く異なる目的に対しては、殆ど温度耐性を有さない放電灯、典型的には１００℃以下の温度耐性の放電灯が使用されてきた。高圧放電灯、特に点弧の問題を有するメタルハライドランプに関連して、ＬＴＣＣ材料の高い温度安定性の値が認められるべきである。

本発明のスパイラルパルス発生器では、コンデンサの特性が少なくとも１．５ｋＶの電圧の点弧パルスを形成する導波体の特性に一致する。製造の際には２つのセラミックの"グリーンシート"が金属の導体ペーストとともにプリントされ、続いて螺旋をなすように巻き回され、最終的に均衡した成形体となるようにプレスされる。金属ペーストとセラミックシートとの共焼結は温度範囲８００℃〜９００℃の空気中で行われる。当該の処理により７００℃までの温度耐性を有するスパイラルパルス発生器の使用領域が得られる。これによりスパイラルパルス発生器は外管内の放電管の直接近傍に収容される。ただしこれをソケット内または放電灯の直接近傍に収容することもできる。

この場合、スパイラルパルス発生器は外管に収容するほうが有利である。なぜなら、このようにすれば、高電圧耐性を有する電圧リードを用意しなくて済むからである。

さらにスパイラルパルス発生器は高電圧パルスが放電灯の熱間再点弧を可能とするように設計される。セラミックから成る誘電体はきわめて高い誘電定数εを特徴としている。セラミック誘電体の誘電定数はふつうε＞１０であり、材料および構造に応じて典型的にはε＝７０からε＝１００にまで達する。これによりスパイラルパルス発生器のきわめて高い容量が生じ、形成されるインパルスの大きな時間幅が得られる。こうして、コンパクトな構造のスパイラルパルス発生器が実現され、これを市販されている高圧放電灯の外管に収容することができる。

また、高圧パルス発生器をベースとして、少なくとも１つの充電抵抗とスイッチとを含む点弧ユニットを実現することができる。スイッチは火花区間またはＳｉＣ技術におけるダイアック（Ｄｉａｃ）であってもよい。この場合、充電抵抗を高圧パルス発生器内へ集積することができるので、点弧ユニットは極限までコンパクト化される。

こうして、コンパクトな構造のスパイラルパルス発生器が実現され、これを市販されている高圧放電灯の外管に収容することができる。充電抵抗がスパイラルパルス発生器に接続すべき個別の素子とならないので、特にコンパクトな構造が達成される。充電抵抗は温度耐性に関してスパイラルパルス発生器と同じ条件を満足しなければならず、そのため充電抵抗をＬＴＣＣ材料から成るスパイラルパルス発生器と同様に製造することが推奨される。

有利には、充電抵抗はスパイラルパルス発生器の内縁に組み込まれ、これら２つの素子はともにＬＴＣＣセラミック素子として構成される。当該の素子は約６００℃までの温度耐性を有する。これによりコンタクト位置に温度耐性を設ける必要はなくなる。したがって、火花区間またはダイアックなどの高電圧スイッチ以外の素子は必要とされない。

外管の材料としてあらゆるガラスを用いることができるが、特に有利なのは硬質ガラス、バイコール（商標）または石英ガラスなどである。充填物の選択についても特に制限はない。

図面の簡単な説明
以下に複数の実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。図１にはスパイラルパルス発生器の基本的構造が示されている。図２にはＬＴＣＣから成るスパイラルパルス発生器の特性量が示されている。図３には外管内に配置されたスパイラルパルス発生器を備えたナトリウム高圧放電灯の基本構造が示されている。図４には外管内に配置されたスパイラルパルス発生器を備えたメタルハライドランプの基本構造が示されている。図５には外管内に配置されたスパイラルパルス発生器を備えたメタルハライドランプが示されている。図６にはソケット内に配置されたスパイラルパルス発生器を備えたメタルハライドランプが示されている。

実施例の説明
図１にはスパイラルパルス発生器１の構造の平面図が示されている。このスパイラルパルス発生器はセラミックシリンダ２から成り、このセラミックシリンダ内に２つの異なる金属導体３，４が帯シートとして螺旋状に巻き込まれている。セラミックシリンダ２は中空であり、所定の内径ＩＤを有する。２つの金属導体３，４の内部コンタクト６，７の双方が火花区間５を介して相互に接続されている。

２つの導体の外側のもののみがセラミックシリンダの外縁に第２のコンタクト８を有する。他方の導体は開放された状態で終端している。これにより２つの導体は誘電性のセラミック媒体内の１つの導波体を形成している。一方の導体の内部コンタクト７には充電抵抗１８として作用する他の材料から成る接続区間が接続されている。

スパイラルパルス発生器は金属ペーストによってコーティングされた２つのセラミックシートが巻き付けられて構成されるか、または、２つの金属シートおよび２つのセラミックシートから構成される。重要な特性量はここでは巻数ｎであり、有利にはこの巻数は５〜１００のオーダーにある。当該の巻線装置は積層され、続いて焼結され、これによりＬＴＣＣ素子が形成される。このようにして製造され、所定のコンデンサ特性を有するスパイラルパルス発生器は火花区間に接続されている。

火花区間は内部端子または外部端子に存在してもよいし、スパイラルパルス発生器の巻線内に存在してもよい。パルスを開始する高電圧スイッチとして有利には火花区間を使用することができる。この火花区間はＳｉＣをベースとしており、温度に対してきわめて安定である。例えばCree社のスイッチング素子ＭＥＳＦＥＴが使用される。このスイッチング素子は３５０℃以上の温度に適する。

具体的な実施例では、誘電定数ε＝６０〜７０のセラミック材料が使用される。この場合、有利には、誘電体としてセラミックシート、特にHeraeus社のHeratapeCT707またはCT765またはこれらの混合物などの帯状セラミックが使用される。当該の帯状セラミックのグリーンシートの厚さは典型的には５０μｍ〜１５０μｍである。導体として、特にHeraeus社の"Cofirable Silver"などのＡｇ導体ペーストが使用される。具体的にはHeraeus社のCT700が挙げられる。DuPont社の6142によっても良好な結果が得られる。当該の材料は良好に積層され、その後加熱（バーンアウト）され、共焼結（"コーファイアリング"）される。

スパイラルパルス発生器の内径ＩＤは１０ｍｍである。個々の条片の幅も同様に１０ｍｍである。シートの厚さは５０μｍであり、２つの導体の厚さもそれぞれ５０μｍである。充電電圧は３００Ｖである。この条件のもとで、スパイラルパルス発生器は巻数がｎ＝２０〜７０であるときに最適な特性が達成される。

図２には、高電圧パルスの半値幅［μｓ］が曲線ａで、モジュールの全容量［μＦ］が曲線ｂで、得られた外径［ｍｍ］が曲線ｃで、効率が曲線ｄで、最大パルス電圧［ｋＶ］が曲線ｅで、導体抵抗［Ｑ］が曲線ｆで示されている。

図３にはナトリウム高圧放電灯１０の基本構造が示されている。当該のナトリウム高圧放電灯はセラミック放電管１１と内部にスパイラルパルス発生器１３を組み込んだ外管１２とを有している。ここで点弧電極１４はセラミック放電管１１の外側に取り付けられている。スパイラルパルス発生器１３およびそこに集積されている充電抵抗１６は火花区間１５とともに外管１２内に収容されている。

図４にはメタルハライドランプ２０の基本構造が示されている。当該のメタルハライドランプにはスパイラルパルス発生器２１が組み込まれており、ここでは石英ガラスまたはセラミックから成形される放電管２２の外部に点弧電極は取り付けられていない。スパイラルパルス発生器２１およびそこに集積されている充電抵抗２４は火花区間２３とともに外管２５内に収容されている。

図５にはメタルハライドランプ２０が示されている。ここでは、放電管２２が２つのリード２６，２７によって外管内に支承されている。第１のリード２６は短く切られたワイヤである。第２のリードの主要部はソケットとは反対側の導出線２８に通じるロッド２７である。ソケット３０から出た第２のリードのワイヤ２９とロッド２７とのあいだに点弧ユニット３１が配置されており、当該の点弧ユニットは図４に示されているようなスパイラルパルス発生器、火花区間および充電抵抗を含む。

図６には図５のものと同様のメタルハライドランプ２０が示されている。ここでは、放電管２２が２つのリード２６，２７によって外管内に支承されている。第１のリード２６は短く切られたワイヤである。第２のリードの主要部は主としてソケットとは反対側の導出線に通じるロッド２７である。この場合、点弧ユニットはソケット３０内に配置されており、すなわち充電抵抗を含むスパイラルパルス発生器２１および火花区間２３の双方がソケット内に存在する。

これらの技術は無電極の放電灯に対しても適用可能であり、その場合にはスパイラルパルス発生器は点弧補助手段として用いられる。

こうしたコンパクトな高電圧パルス発生器の適用分野は他の装置の点弧である。特にＸ線パルスや電子線パルスを形成する際に用いられるいわゆるマジックボール（magischen Kugeln）の分野において、本発明の高電圧パルス発生器は有利である。また、自動車において通常の点火パルスを発生させるために用いることもできる。

ここでは５００までの巻数ｎが使用され、出力電圧は１００ｋＶのオーダーにまで達する。なぜなら、出力電圧Ｕ_Ａは充電電圧Ｕ_Ｌの関数であり、効率ηをη＝（ＡＤ−ＩＤ）／ＡＤとしたとき、Ｕ_Ａ＝２×ｎ×Ｕ_Ｌ×ηとなるからである。

本発明は、少なくとも３ｂａｒの高圧でキセノンと金属ハロゲン化物とが充填された自動車のヘッドランプのための高圧放電灯として用いるのに特に有利である。こうした高圧放電灯はキセノンの高圧のために点弧電圧が１０ｋＶを超えるので、点弧が困難である。この分野では、現在、点弧ユニットの部品をソケット内に収容することが目標とされている。本発明によれば、充電抵抗を備えたスパイラルパルス発生器を自動車のヘッドランプのベース内または外管内に収容することができる。

また、本発明は水銀を含まない高圧放電灯としても効果を発揮する。この種の高圧放電灯は環境保護の観点から特に重要度が増している。当該の高圧放電灯は適切な金属ハロゲン化物の充填物および特にキセノンなどの希ガスを高圧で含んでいる。水銀を含まないので、点弧電圧は特に高くなる。ここでの点弧電圧は２０ｋＶより大きくなる。この分野においても、現在、点弧ユニットの部品をソケット内に収容することが目標とされている。本発明によれば、充電抵抗を集積したスパイラルパルス発生器を水銀フリーの放電灯のソケット内または外管内に収容される。

スパイラルパルス発生器の基本的構造を示す図である。 ＬＴＣＣから成るスパイラルパルス発生器の特性量を示す図である。 外管内に配置されたスパイラルパルス発生器を備えたナトリウム高圧放電灯の基本構造を示す図である。 外管内に配置されたスパイラルパルス発生器を備えたメタルハライドランプの基本構造を示す図である。 外管内に配置されたスパイラルパルス発生器を備えたメタルハライドランプを示す図である。 ソケット内に配置されたスパイラルパルス発生器を備えたメタルハライドランプを示す図である。

Claims (16)

1. 放電管が例えば外管内に収容されかつフレームによって支承されており、高圧パルスを形成する点弧回路が放電灯内に組み込まれている、
   高圧放電灯において、
   点弧回路は少なくともスパイラルパルス発生器および充電抵抗から成り、該充電抵抗はＬＴＣＣ材料から成形されている
   ことを特徴とする高圧放電灯。
2. 前記充電抵抗は前記外管内に収容されている、請求項１記載の高圧放電灯。
3. 前記点弧回路は前記フレームの一部である、請求項１記載の高圧放電灯。
4. 前記スパイラルパルス発生器は例えばＬＴＣＣなどの温度耐性を有する材料から製造されている、請求項１記載の高圧放電灯。
5. 前記スパイラルパルス発生器および前記充電抵抗はともに集積ＬＴＣＣ素子として構成されている、請求項４記載の高圧放電灯。
6. 前記ＬＴＣＣ素子としての前記充電抵抗は最も内側のセラミック絶縁層に集積されている、請求項６記載の高圧放電灯。
7. 前記充電抵抗は前記スパイラルパルス発生器の端部で開放されている導体に電気的に接続されている、請求項７記載の高圧放電灯。
8. 前記スパイラルパルス発生器は複数の層から構成されており、層の数ｎは少なくともｎ＝５である、請求項１記載の高圧放電灯。
9. 前記層の数ｎは多くともｎ＝５００である、請求項７記載の高圧放電灯。
10. 前記スパイラルパルス発生器は円筒形状を有しており、該円筒形状の内径ＩＤは少なくとも１０ｍｍである、請求項１記載の高圧放電灯。
11. 前記スパイラルパルス発生器の誘電定数εは少なくともε＝１０である、請求項１記載の高圧放電灯。
12. 放電管と、高圧パルスを形成する点弧回路と、スパイラルパルス発生器とが設けられている、
    高圧放電灯において、
    前記スパイラルパルス発生器はＬＴＣＣ材料から成形されており、前記充電抵抗は前記スパイラルパルス発生器内に集積されている
    ことを特徴とする高圧放電灯。
13. 前記スパイラルパルス発生器は当該の高圧放電灯、有利には当該の高圧放電灯のソケットまたは外管内に収容されている、請求項１２記載の高圧放電灯。
14. スパイラルパルス発生器をベースとしたコンパクトな高圧パルス発生器において、
    スパイラルパルス発生器はＬＴＣＣ素子としてセラミックシートおよび金属導体ペーストから構成されており、該スパイラルパルス発生器内に充電抵抗が集積されており、該充電抵抗内では抵抗機能を有するペーストが用いられている
    ことを特徴とする高圧パルス発生器。
15. 前記スパイラルパルス発生器は少なくとも５回巻き回されている、請求項１４記載の高圧パルス発生器。
16. 請求項１４記載の高圧パルス発生器をベースとした点弧ユニットにおいて、
    点弧ユニットが少なくとも１つのスイッチを含む
    ことを特徴とする点弧ユニット。

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