JP2009521081A - 点弧能力が改善された高圧放電ランプならびに高電圧パルス発生器 - Google Patents

Abstract

高圧放電ランプを点弧するために渦巻型パルス発生器が使用され、この渦巻型パルス発生器はランプの外部バルブ内に直接的に取り付けられている。

Description

技術分野
本発明は、請求項１の上位概念に記載されている高圧放電ランプに関する。この種のランプは一般照明用の高圧放電ランプまたはフォトオプティカルの目的のための高圧放電ランプまたは自動車照明用の高圧放電ランプである。さらに本発明は、殊にランプに使用することができる高電圧パルス発生器に関する。

従来技術
高圧放電ランプの点弧の問題は現在のところ点弧装置がバラストに組み込まれていることによって解決されている。この解決手段の欠点は給電線が高電圧耐性があるように設計されなければならないことである。

以前では点弧ユニットをランプに組み込むことが繰り返し試みられていた。この際、点弧ユニットを台座に組み込むことが試みられていた。殊に効率的で高いパルスを保証する点弧はいわゆる渦巻型パルス発生器（spiral puls generator）によって達成される（US-A 3 289 015を参照されたい）。それよりも前には、金属ハロゲン化物またはナトリウム高圧ランプのような種々の高圧放電ランプにおけるこの種の装置が提案されていた（例えばUS-A 4 325 004, US-A 4 353 012を参照されたい）。しかしながらこの装置は定着することができなかった。何故ならば一方では非常にコストが掛かるからである。他方では、高電圧をバルブに供給するという問題が残ったままなので、点弧ユニットが台座に取り付けられているという利点も十分ではないからである。したがって絶縁の問題であれ、台座における破損であれランプが損傷する確率はますます高くなる。従来の点弧装置は一般的に１００℃以上に加熱することができなかった。生じた電圧はランプに供給しなければならなかった。このことは相応の高電圧耐性、典型的には約５ｋＶの高電圧耐性を有する線路およびランプ容器を要求する。

発明の説明
本発明の課題は、従来のランプに比べて点弧特性が著しく改善されており、高電圧に起因する損傷の虞のない高圧放電ランプを提供することである。これは殊に放電容器の材料が石英ガラスかセラミックである金属ハロゲン化物ランプに該当する。

この課題は、請求項１の特徴部分に記載されている構成によって解決される。

殊に有利な実施形態は従属請求項に記載されている。

さらに本発明の別の課題は、小型の高電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の特徴部分に記載されている構成によって解決される。

ここで本発明によれば、ランプの点弧に必要とされる少なくとも１．５ｋＶを有する高電圧パルスが、外部バルブ内の放電容器の非常に近傍に統合されている、別個の温度耐性のある渦巻型パルス発生器によって形成される。コールドスタートだけでなくホットリスタートも可能である。

ここで使用される渦巻型パルス発生器は殊にいわゆるＬＴＣＣ構成素子である。このことは、この構成素子がＬＴＣＣ（低温同時焼成セラミック）の性質を有するセラミックから製造されていることを意味する。この材料は、６００℃までの温度耐性を有するようにすることができる特別なセラミックを表す。確かにＬＴＣＣは既にランプと関連させて使用されている（ US 2003/0001519およびUS-B 6 853 151を参照されたい）。しかしながらそれは、典型的には１００℃以下の温度で実際には殆ど温度負荷のないランプにおいて全く異なる目的のために使用されている。高圧放電ランプ、殊に点弧に問題がある金属ハロゲン化物ランプの点弧との関連におけるＬＴＣＣの高い温度耐性の傑出した重要性を従来技術から認識することはできない。

渦巻型パルス発生器は、コンデンサの特性が少なくとも１．５ｋＶの電圧を有する点弧パルスを形成する導波体と適合している構成素子である。製造のために、金属性の導電ペーストを有する２つのセラミック性「グリーンフィルム」がプリントされ、続いてずらされて渦状に巻きつけられ、最終的に均衡的に１つのモールドにプレスされる。続く金属ペーストとセラミックフィルムの同時焼成は８００℃〜１，１００℃、殊に８００℃〜９００℃の温度領域の空気中で行われる。この処理により渦巻型パルス発生器を典型的には７００℃までの温度負荷領域において使用することができる。これによって渦巻型パルス発生器を外部バルブ内の放電容器の直ぐ近くに取り付けることができるが、台座内またはランプの近傍にも取り付けることができる。

しかしながら渦巻型パルス発生器を製造するために、ＨＴＣＣ（高温同時焼成セラミック）の焼結温度領域に属する金属性の導電ペーストを有するセラミック性「グリーンフィルム」も使用することができる。これは例えばＡｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂などである。この材料クラスは１，１００℃〜１，８００℃の高温領域において密に焼結される。

この焼結を種々のガス組成および混合比を有する窒素（Ｎ₂）、アルゴン（Ａｒ）または水素（Ｈ₂）またはそれらの混合物中で行うことができる。

渦巻型パルス発生器を製造するために有利には、焼結後にイプシロン（ε）５〜２０，０００の相対誘電定数（Ｄ．Ｋ．）を有するセラミック性グリーンフィルムが使用される。これにより渦巻型コンデンサの非常に高いキャパシタンス、さらには形成される高電圧パルスの比較的大きいパルス幅が実現される。Ｄ．Ｋ．に関する実質的に良好な値はε＝１０〜１００である。

したがって非常に小型の設計が実現され、これにより渦巻型パルス発生器を直接的にランプの外部バルブまたはその台座に取り付けることができる。さらには、大きいパルス幅は放電容器のプラズマにおける絶縁破壊を促進する。

有利には、少なくとも１つの金属性の成分を有し、且つ焼結プロセス後に導電性を有する全てのペースト系がフィルムの金属コーティングに適している。これらは有利にはＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｐｔ、組成Ａｇ_xＰｄ_1-xによるＡｇとＰｄの混合物である。ここでｘは有利には０．５〜０．９９の範囲にある。

金属コーティングを金属フィルムの形でセラミック基板に積層化することもできる。フィルムの厚さは有利には１〜１００μｍである。フィルムを巻線成形プロセスの前、またはその間に被着させることができる。

導電性コーティングに適した非金属性材料系はグラファイトである。

導電性コーティングのための非金属無機材料系は導電性セラミックまたはサーメットである。

基本的に、渦巻型パルス発生器を製造するために有利には全てのセラミック材料系が適しており、これらからスリップによりセラミック性グリーンフィルムを得ることができる。（非金属無機の）セラミック材料系は基本状態においてε_r＝５〜ε_r＝２０，０００のＤ．Ｋ．を有する。しかしながら少なくとも１つの要素がセラミック性の材料系である材料系および混合物も適している。これは殊に表１に記載されている材料である。

この種の材料を選択する利点は以下の通りである：
−高い使用温度。これにより渦巻型パルス発生器をランプ、その台座またはそれどころかその外部バルブの非常に近くに取り付けることができる；
−小型の構造；
−高電圧耐性を有する給電線の省略；
−高いエネルギ蓄積能力、またそれにより得られる高い点弧パルスエネルギ；
−高電圧放電ランプを始動させるためのパルス幅をＤ．Ｋ．に依存して大きくすることができる。結果として得られる典型的なパルス幅は５０〜２００ｎｓである；
−充電電圧を巻数に依存して係数５〜２００高めることができる。

具体的な渦巻型パルス発生器を例えばε＝６５を有するセラミックＬＴＣＣ材料から製造することができる。テープ長は５０ｃｍ〜１１０ｃｍである。金属コーティングはＡｇからなる導電ペーストである。結果として得られる渦巻型パルス発生器は例えば約１．４ｃｍ〜２．５ｃｍの外径を有する。

これに依存せずにこの種の渦巻型パルス発生器を他の用途にも使用することができる。何故ならば、この種の渦巻型パルス発生器は高温耐性があるだけでなく、非常に小型だからである。これに関しては、渦巻型パルス発生器がセラミックフィルムおよび金属性の導電ペーストからなるＬＴＣＣ構成素子として実施されていることが重要である。十分な出力電圧を供給するために、少なくとも巻数５の渦巻が望ましい。

さらにはこの高圧放電ランプを基礎として、さらに少なくとも１つの充電抵抗およびスイッチを包含する点弧ユニットを提供することができる。スイッチは火花ギャップまたはＳｉＣ技術を用いたダイアックでよい。

ランプに適用する場合に外部バルブ内への取り付けは有利である。何故ならばこれによって高電圧耐性のある給電線を省略することができるからである。

さらに、高電圧パルスがランプのホットリスタートも実現するように渦巻型パルス発生器を設計することができる。セラミックからなる誘電体はε_r＞１０の範囲の非常に高い誘電定数を特徴とし、材料および設計に応じて典型的にはε＝７０〜１００のεを達成することができる。これにより渦巻型パルス発生器の非常に高いキャパシタンスが達成され、また形成されるパルスの比較的大きい時間的な幅が実現される。これによって渦巻型パルス発生器の非常に小型の設計が実現されるので、渦巻型パルス発生器を商用の高圧放電ランプの外部バルブに取り付けることができる。

さらには、大きいパルス幅によって放電体積体内の絶縁破壊が容易になる。

外部バルブの材料としてあらゆる慣用のガラス、すなわち殊に硬質ガラス、バイコールまたは石英ガラスを使用することができる。充填物の選択も特段の制限を受けない。

図面の簡単な説明
以下では本発明を複数の実施例に基づき詳細に説明する。ここで、
図１は、渦巻型パルス発生器の原理的な構造を示す。
図２は、ＬＴＣＣ渦巻型パルス発生器の特性量を示す。
図３は、外部バルブ内に渦巻型パルス発生器を備えた第３の点弧電極を有する高圧放電ランプの原理図を示す。
図４は、外部バルブ内に渦巻型パルス発生器を備えた重畳点弧部を有する高圧放電ランプの原理図を示す。
図５は、外部バルブ内に渦巻型パルス発生器を備えた金属ハロゲン化物ランプを示す。
図６は、台座内に渦巻型パルス発生器を備えた金属ハロゲン化物ランプを示す。
図７は、火花ギャップが取り付けられた渦巻型パルス発生器を示す。
図８は、典型的な渦巻型パルス発生器に関して時間の関数として得られる出力電圧の測定結果を示す。

発明の有利な実施形態
図１は、渦巻型パルス発生器１の構造の俯瞰図を示す。この渦巻型パルス発生器１はセラミック性の円筒２から構成されており、このセラミック性の円筒２においては２つの異なる金属導体３および４が渦巻状に巻かれている。円筒２は中空であり、また所定の内径ＩＤを有する。２つの導体３および４の２つの内部コンタクト６および７は隣接しており、火花ギャップ５を介して相互に接続されている。

２つの導体の内の外側の導体のみが円筒の外縁において別のコンタクト８を有する。他方の導体は開かれた状態で終端している。２つの導体は一緒に開かれた端部を有する１つの導波体を形成する。導波体は誘電性材料、セラミックにより実現されている。

渦巻型パルス発生器は金属ペーストによりコーティングされた２つのセラミックフィルムが巻かれて形成されているか、２つの金属フィルムと２つのセラミックグリーンフィルムから構成されている。重量な特性量は巻数ｎであり、この巻数は有利には５〜１００のオーダにあるべきである。このコイル装置は積層化され、続いて一体化焼成され、これによりセラミック構成素子、殊にＬＴＣＣ構成素子が生じる。そのようにして形成されたコンデンサ特性を有する渦巻型パルス発生器は火花ギャップならびに充電抵抗と接続される。

火花ギャップを内部端子または外部端子に設けることができるか、発生器の巻線内に設けることもできる。パルスを誘導する高電圧スイッチとして有利には火花ギャップを使用することができる。さらには、有利にはＳｉＣ技術を用いた高温耐性のある半導体スイッチを使用することができる。例えば、Cree社のスイッチング素子ＭＥＳＦＥＴを使用することができる。このスイッチング素子は３５０℃までの温度に適している。

具体的な実施例においては、ε＝６０〜７０を有するセラミック材料が使用される。有利には誘電体としてセラミックフィルム、殊にHeraeus社のＨｅｒａｔａｐｅ ＣＴ ７００またはＣＴ ７０７または有利にはＣＴ ７６５のようなセラミックテープまたはそれらの内の少なくとも２つを組み合わせたものが使用される。グリーンフィルムの厚さは典型的には５０μｍ〜１５０μｍである。導体として殊に、同様にHeraeus社の「Cofirable Silver」のようなＡｇ導電ペーストが使用される。具体的な例はHeraeus社のＴＣ ７３０３である。DuPont社のＭｅｔａｌｌｐａｓｔｅ ６１４２によっても良好な成果が得られる。この部分を良好にラミネート化し、続いて加熱し（バインダーバーンアウト）、一緒に焼結する（一体化焼結）ことができる。

具体的な渦巻型パルス発生器の内径ＩＤは１０〜１４ｍｍである。個々のストライプの幅は約６〜９ｍｍである。フィルムの厚さは５０〜８０μｍであり、２つの導体の厚さはそれぞれ７〜１２μｍである。３００Ｖの充電電圧ではこの発生器は２，５００Ｖを生成する。この条件下で渦巻型パルス発生器は約ｎ＝１９の巻数において特性が最大限に発揮される。

図２においては、高電圧パルスの所属の半値幅が単位μｓでプロットされており（曲線ａ）、構成素子の総キャパシタンスが単位μＦでプロットされており（曲線ｂ）、得られる外径が単位ｍｍでプロットされており（曲線ｃ）、効率がプロットされており（曲線ｄ）、最大パルス電圧が単位ｋＶでプロットされており（曲線ｅ）また導体抵抗が単位Ωでプロットされている（曲線ｆ）。

図３は高圧放電ランプ、殊にセラミック放電容器１１と、渦巻型パルス発生器１３が組み込まれている外部バルブ１２とを備えたナトリウム高圧ランプ１０の原理的な構造を示し、このランプにおいては点弧電極が外側でセラミック放電容器１１に取り付けられている。渦巻型パルス発生器１３には外部バルブ内において火花ギャップ１５および充電抵抗１６が接続されている。

図４は高圧放電ランプ、殊に渦巻型パルス発生器２１が組み込まれている金属ハロゲン化物ランプ２０の原理的な構造を示し、このランプにおいては点弧電極が外側で、石英ガラスまたはセラミックから製造することができる放電容器２２に取り付けられていない。渦巻型パルス発生器２１には外部バルブ２５内において火花ギャップ２３および充電抵抗２４が接続されている。高電圧パルスはランプの動作電圧に重畳され、主電極を介して供給される。

図５は、２つの給電線２６，２７によって外部バルブ内に保持される放電容器２２を備えた金属ハロゲン化物ランプ２０を示す。第１の給電線２６は折り曲げられた短い区間を有するワイヤである。第２の給電線２７は実質的に、台座から離れたブッシング２８に案内される棒である。台座３０から出発する給電線２９と棒２７との間には点弧ユニット３１が配置されており、この点弧ユニット３１は図４に示されているような渦巻型パルス発生器、火花ギャップおよび充電抵抗を有する。

図６は、２つの給電線２６，２７によって外部バルブ２５内に保持される放電容器２２を備えた図５に類似する金属ハロゲン化物ランプ２０を示す。第１の給電線２６は折り曲げられた短い区間を有するワイヤである。第２の給電線２７は実質的に、台座から離れたブッシング２８に案内される棒である。ここでは点弧ユニットが台座３０内に配置されており、しかも渦巻型パルス発生器２１も火花ギャップ２３および充電抵抗２４もこの台座３０内に配置されている。

図７は、火花ギャップ５３が組み込まれている渦巻型パルス発生器５０本体の実現形態を示す。この渦巻型パルス発生器５０は内部において火花ギャップ５３に２つの電気的な端子を有し、また外側に１つの端子を有する。

図８は、短絡した２３０Ｖの入力電圧を用いたセラミック渦巻型パルス発生器における出力電圧Ｕ_outの測定結果を示す。出力電圧Ｕ_outが時間の関数としてプロットされている（単位ｎｓ）。ここで最大出力電圧は−１，８５０Ｖである。

この技術を電極の無いランプにも適用することができ、この場合には渦巻型パルス発生器を点弧補助部として使用することができる。

さらには、この小型の高電圧パルス発生器を別の装置の点弧に適用することができる。殊に、レントゲンパルスを形成する際、また電子線パルスを形成する際のいわゆるマジックスフィア（magische Kugel）への適用が有利である。慣例の点弧パルスの代わりに自動車に使用することもできる。

５００までの巻数ｎが使用されるので、１００ｋＶのオーダまでの出力電圧が達成される。出力電圧Ｕ_Aは充電電圧Ｕ_Lの関数としてＵ_A＝２ｘηｘＵ_Lｘηによって表される。効率ηは（ＡＤ−ＩＤ）／ＡＤによって表されている。

本発明は、有利には少なくとも３ｂａｒの高圧下でのキセノンおよび金属ハロゲン化物で充填されている自動車ヘッドライト用高圧放電ランプとの関係において格別な利点を提供する。この自動車ヘッドライト用高圧放電ランプでは、高いキセノンの圧力に起因して点弧電圧は１０ｋＶを上回っているので点弧が困難である。現在では、点弧ユニットの構成要素を台座内に取り付けることが試みられている。充電抵抗が組み込まれている渦巻型パルス発生器を自動車ランプの台座内またはランプの外部バルブ内に取り付けることができる。

本発明は、水銀を含有していない高圧放電ランプとの関係において殊に格別な利点を提供する。この種のランプは環境保護の観点から殊に開発に値する。このランプは適切な金属ハロゲン化物充填物、また殊に高圧下でのキセノンのような希ガスを有する。水銀を有していないので点弧電圧は殊に高い。この点弧電圧は典型的には少なくとも５ｋＶであるが、２０ｋＶ以上になることも考えられる。現在では、点弧ユニットの構成要素を台座内に取り付けることが試みられている。充電抵抗が統合されている渦巻型パルス発生器を、水銀を有していないランプの台座内またはランプの外部バルブ内に取り付けることができる。

渦巻型パルス発生器の原理的な構造を示す。 ＬＴＣＣ渦巻型パルス発生器の特性量を示す。 外部バルブ内に渦巻型パルス発生器を備えた第３の点弧電極を有する高圧放電ランプの原理図を示す。 外部バルブ内に渦巻型パルス発生器を備えた重畳点弧部を有する高圧放電ランプの原理図を示す。 外部バルブ内に渦巻型パルス発生器を備えた金属ハロゲン化物ランプを示す。 台座内に渦巻型パルス発生器を備えた金属ハロゲン化物ランプを示す。 火花ギャップが取り付けられた渦巻型パルス発生器を示す。 典型的な渦巻型パルス発生器に関して時間の関数として得られる出力電圧の測定結果を示す。

Claims (18)

1. 外部バルブ内に取り付けられており、且つ外部バルブにおいてフレームによって保持されている放電容器を備えており、ランプにおいて高電圧パルスを形成する点弧装置がランプ内に統合されている高圧放電ランプにおいて、
   前記点弧装置が前記外部バルブ内に取り付けられていることを特徴とする、高圧放電ランプ。
2. 前記点弧装置は前記フレームの一部である、請求項１記載の高圧放電ランプ。
3. 前記点弧装置は渦巻型パルス発生器である、請求項１記載の高圧放電ランプ。
4. 前記渦巻型パルス発生器は温度耐性のある材料、例えばＬＴＣＣ材料から製造されている、請求項３記載の高圧放電ランプ。
5. 前記渦巻型パルス発生器から供給される高電圧が前記放電容器内の２つの電極に直接的に作用する、請求項１記載の高圧放電ランプ。
6. 前記渦巻型パルス発生器から供給される電圧が前記放電容器の外部に取り付けられている点弧補助電極に作用する、請求項１記載の高圧放電ランプ。
7. 前記渦巻型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記載の高圧放電ランプ。
8. 前記層の数ｎは最大でｎ＝５００であり、有利には最大でｎ＝１００である、請求項７記載の高圧放電ランプ。
9. 前記渦巻型パルス発生器はほぼ円筒の形状を有し、少なくとも１０ｍｍの内径を有する、請求項１記載の高圧放電ランプ。
10. 前記渦巻型パルス発生器の誘電定数ε_rは少なくともε_r＝１０である、請求項１記載の高圧放電ランプ。
11. 前記外部バルブ内に、前記渦巻型パルス発生器の充電電流を制限する抵抗がさらに取り付けられている、請求項１記載の高圧放電ランプ。
12. 放電容器と所属の点弧装置を有する高圧放電ランプであって、
    前記点弧装置は高電圧パルスを形成し、また渦巻型パルス発生器を包含する、高圧放電ランプにおいて、
    前記渦巻型パルス発生器はＬＴＣＣ材料から製造されていることを特徴とする、高圧放電ランプ。
13. 前記渦巻型パルス発生器はランプの外部バルブ内に取り付けられている、請求項１２記載の高圧放電ランプ。
14. 渦巻型パルス発生器を基礎とする小型の高電圧パルス発生器において、
    前記渦巻き型パルス発生器は、セラミックフィルムおよび金属性の導電ペーストからなるＬＴＣＣ構成素子またはＨＴＣＣ構成素子として実施されていることを特徴とする、高電圧パルス発生器。
15. 渦は少なくともｎ＝５の巻数また有利には最大でｎ＝５００の巻数を有する、請求項１４記載の高電圧パルス発生器。
16. 前記セラミックフィルムは、チタン酸塩またはニオブ酸塩のグループ、ビスマスを基礎とするペロフスカイトのグループ、またはタングステンブロンズのグループからなる少なくとも１つの材料を使用する、請求項１４記載の高電圧パルス発生器。
17. 前記材料の誘電定数は３〜２１，０００、有利には５〜２０，０００に選定されている、請求項１６記載の高電圧パルス発生器。
18. 請求項１４記載の高電圧パルス発生器を基礎とする点弧ユニットにおいて、
    少なくとも１つの充電抵抗およびスイッチを有する、点弧ユニット。

Images