JP2010520594A - 高電圧パルスジェネレータ、ならびに高電圧パルスジェネレータを備えた高圧放電ランプ - Google Patents

Abstract

渦巻型パルス発生器に、両金属導体間の絶縁を改善する手段が設けられている。

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載されている高電圧パルスジェネレータに関する。この種のジェネレータはとりわけ、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用の高圧放電ランプまたは自動車用の高圧放電ランプに使用することができる。本発明はまた、高電圧パルスジェネレータを備えた高圧放電ランプにも関する。

従来技術
高圧放電ランプの点灯の問題は現在のところ、点灯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、給電線を耐高電圧性であるように設計しなければならないことである。

以前は、点灯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、点灯ユニットをソケットに組み込むことが試みられていた。殊に高効率で高いパルスを保証する点灯は、いわゆる渦巻型パルス発生器（spiral pulse generator）によって達成される。ＵＳ‐Ａ ３２８９０１５を参照されたい。それよりも前には、メタルハライドランプ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いてこの種の装置が提案されていた。例えばＵＳ‐Ａ ４３２５００４，ＵＳ−Ａ ４３５３０１２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、これらの装置は非常にコストが掛かるからであり、また、高電圧をバルブ内に供給するという問題が残ったままなので、点灯ユニットをソケットに取り付けられるという利点も十分ではないからである。したがって、絶縁の問題であれソケットの破損であれ、ランプが損傷する確率は格段に高くなる。従来の点灯装置は一般的に、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。

本発明の開示
本発明の課題は、コンパクトな高電圧パルスジェネレータを提供することである。

前記課題は、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。

従属請求項に特に有利な実施形態が示されている。

本発明の課題はさらに、従来のランプに比べて点灯特性が格段に改善されており、高電圧に起因して損傷が発生するおそれのない高圧放電ランプを提供することである。このことは殊に、放電容器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該当する。前記課題は、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。

本発明によれば、ランプの点灯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、外側バルブ内の放電容器の非常に近傍に統合されている、特別な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。低温点灯だけでなく高温再点灯も可能である。

本発明で使用される渦巻型パルス発生器は殊に、いわゆるＬＴＣＣ部品またはＨＴＣＣ部品である。このことは、この部品がＬＴＣＣ（低温同時焼成セラミック）の性質を有するセラミックないしはＨＴＣＣ（低温ではなく高温）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℃までの耐温度性を有するように製造される特別なセラミックを指す。確かにＬＴＣＣは既にランプと関連させて使用されている（ＵＳ２００３／０００１５１９およびＵＳ‐Ｂ６８５３１５１を参照されたい）が、しかしながらそれは、典型的には１００℃を下回る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、殊に点灯に問題があるメタルハライドランプの点灯との関連におけるＬＴＣＣの高い温度耐性の傑出した重要性を従来技術からは認識することができない。

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の電圧を有する点灯パルスを形成する導波体と適合している部品である。製造のために、２つのセラミック「グリーンシート」に金属性の導電ペーストがプリントされ、その後に、渦を形成するようにずらされながら巻回され、最終的に均衡的に１つの成形体を形成するようにプレスされる。その次に、８００〜１１００℃の間の温度領域内で、とりわけ８００〜９００℃の間の温度領域内で、空気で金属ペーストとセラミックシートとが同時焼成される。このような処理により、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側バルブ内の放電容器の直ぐ近くに収容することができるが、ソケット内またはランプの直近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「グリーンシート」も使用することができる。これは例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２などである。この材料クラスは１１００℃〜１８００℃の高温領域において高密度に焼結される。

この焼結を種々のガス組成および混合比を有する窒素（Ｎ_２）、アルゴン（Ａｒ）または水素（Ｈ_２）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なのは、焼結後にε＝５〜２００００の相対誘電定数（Ｄ．Ｋ．）を有するセラミックグリーンシートを使用することである。これにより渦巻型コンデンサの非常に高い容量、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およびエネルギーが実現される。Ｄ．Ｋ．の実用上良好な値はε＝１０〜１００である。

したがって非常に小型の構成が実現され、これにより渦巻型パルス発生器を直接的にランプの外側バルブまたはそのソケット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の絶縁破壊を促進する。このような高エネルギーにより、自発的な放電に移行するのが容易になる。

このようなシートの表面に設けられるメタライジングとして適しているのは、有利には、少なくとも１つの金属成分を有し焼結工程後に導電性となるすべてのペースト系である。このようなペースト系は有利には、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。ここでは、ｘは有利には０．５〜０．９９の領域内である。

このメタライジングを金属膜の形で、セラミック基板にラミネートすることもできる。シートの厚さは有利には１〜１００μｍである。その際には、シートを成形巻回プロセスの前、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のに適しているのは、有利には次のようなすべてのセラミック材料系である。すなわち、該セラミック材料系からスリップを介してセラミックグリーンシートを生成できるすべてのセラミック材料系である。（非金属無機の）セラミック材料系は、基本状態ではε_r＝５〜２００００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材料系である材料系および混合物も適している。これはとりわけ、表１に記載されている材料である。

この種の材料を選定する利点は以下の通りである：
・使用温度が高く、渦巻型パルス発生器をランプ、ランプのソケットまたはそれどころかその外側バルブの非常に近くに取り付けることができること。
・構造が小型になること。
・高電圧耐性の給電線を省略できること。
・エネルギー蓄積容量が高く、それによって高い点灯パルスエネルギーが得られること。
・高圧放電ランプを始動するためのパルス幅をＤ．Ｋ．に依存して高くできること。実現さ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５〜２００倍高くできること。

具体的には、渦巻型パルス発生器は例えばε＝６５を有するセラミックＬＴＣＣ材料から製造される。テープ長は５０ｃｍ〜１１０ｃｍである。メタライジングはＡｇからなる導電ペーストである。結果として実現さ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。

このことに拘わらず、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耐高温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シートおよび金属性の導電ペーストからなるＬＴＣＣ部品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は、渦巻の巻数は少なくとも５であるべきである。

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灯ユニットを提供することができる。このスイッチを火花ギャップとするか、または、ＳｉＣ技術を用いたダイアックとすることができる。

ランプに使用する場合に有利なのは、外側バルブに収容することである。というのもこのことによって、高電圧耐性の電圧供給線路は必要でなくなるからである。

さらに、高電圧パルスがランプの高温再点灯も実現できるように渦巻型パルス発生器を構成することができる。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、材料および構成に応じて典型的にはε＝７０〜１００のεを実現することができる。このような誘電定数によって、渦巻型パルス発生器の容量を非常に高くすることができ、生成されるパルスの時間幅を比較的大きくして該パルスの比較的高いエネルギーを実現することができる。このことによって、渦巻型パルス発生器の非常に小型の構成を実現でき、渦巻型パルス発生器を市販の高圧放電ランプの外側バルブに取り付けることができるようになる。

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。

外側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。

従来は、たとえば等しい幅を有する２つの導体が使用されていた。それゆえ、これらの導体路間のフラッシュオーバを阻止するために、セラミック渦巻型ジェネレータの端面に絶縁層が設けられていた。これはとりわけガラス層または樹脂層であり、たとえば、いわゆるオーバーガラス層または合成樹脂層である。

有利な実施形態では、フラッシュオーバがより精巧に回避され、しかも、このような付加的な絶縁層は省略される。こうするためには、金属層の幅より大きい幅を有する２つのセラミックシートを使用する。第１のセラミックシートの表面上に第１の金属層を狭幅のレールとして設ける。第２のセラミックシートの表面上に第２の狭幅の金属層を設ける。ラミネーション時に、突出するセラミック層が合わさり、渦巻型パルス発生器の端面側の端部で両金属層が簡単に絶縁される。

特に有利なのは、金属層の側方に、セラミック絶縁材料から成り導電ペーストを含まない縁辺部が残される実施形態である。この縁辺部には、導電ペーストコーティングの代わりに絶縁材料がコーティングされるのが最良である。この層の厚さは、導電ペーストの厚さに近い大きさでなければならない。このようにして、巻回システムの厚さ差が阻止される。それゆえ、絶縁層が「陥没」して縁辺部が脆弱になることがなくなる。というのも、絶縁層が縁辺部の高さを補償するからである。

以下で、複数の実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。

渦巻型パルス発生器の基本的構成を示す。 ＬＴＣＣ渦巻型パルス発生器の特性量を示す。 外側バルブ内に渦巻型パルス発生器を備えた第３の点灯電極を有する高圧放電ランプの基本的構成を示す。 外側バルブ内に渦巻型パルス発生器を備えた重畳点灯部を有する高圧放電ランプの基本的構成を示す。 外側バルブ内に渦巻型パルス発生器を備えたメタルハライドランプを示す。 ソケット内に渦巻型パルス発生器を備えたメタルハライドランプを示す。 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。 端面に絶縁層を有する渦巻型パルス発生器を示す。 一重の縁辺部が「陥没」した渦巻型パルス発生器を示す。 縁辺部の高さが補償された渦巻型パルス発生器を示す。

本発明の有利な実施形態
図１は、渦巻型パルス発生器１の構成を平面図で示す。この渦巻型パルス発生器１はセラミックの円筒２から構成されており、このセラミックの円筒２内に２つの異なる金属導体３および４が渦巻状に巻き込まれている。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つの導体のうち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。他方の導体はオープンエンドになっている。これら２つの導体が、オープンエンドを有する１つの導波体を形成する。この導波体は誘電体媒質であるセラミックで実現されている。

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つのセラミックシートが巻かれて形成されているか、２つの金属シートと２つのセラミックグリーンシートとから構成されている。重要な特性量は巻数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。このコイル装置はラミネーションされた後に同時焼結され、これによりセラミック部品、殊にＬＴＣＣ部品またはＨＴＣＣ部品が得られる。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。このようなスイッチは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シートが使用され、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。グリーンシート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。これらの部分を良好にラミネーションし、続いて加熱し（"binder burnout"）、同時焼結する（"co-firing"）ことができる。

この具体的な渦巻型パルス発生器の内径ＩＤは１０〜１４ｍｍである。個々のセラミックストリップの幅は約６〜９ｍｍである。導体の幅は、セラミックシートの幅より１〜４ｍｍ小さい。シートの厚さは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２５００Ｖを生成する。この条件下で渦巻型パルス発生器は約ｎ＝１９の巻数において最適な特性を実現する。

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）、部品全体の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側バルブ１２とを備えたナトリウム高圧ランプ１０の基本的構成を示し、このランプにおいては点灯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には外側バルブ内に、火花ギャップ１５および充電抵抗１６とともに収容されている。

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メタルハライドランプ２０の基本的構成を示す。このランプでは点灯電極が外側で、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は、火花ギャップ２３および充電抵抗２４とともに外側バルブ２５内に収容されている。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によって外側バルブ内に保持される放電容器２２を備えたメタルハライドランプ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、ソケットから離れたブッシング２８まで繋がる棒である。ソケット３０から出発する給電線２９と棒２７との間には点灯ユニット３１が配置されており、この点灯ユニット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によって外側バルブ２５内に保持される放電容器２２を備えたメタルハライドランプ２０を、図５と同様に示す。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、ソケットから離れたブッシング２８まで繋がる棒である。ここでは点灯ユニットがソケット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もこのソケット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の実現形態を示す立体図である。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、また外周縁に１つの端子を有する。

図８は、端面が絶縁されたセラミック渦巻型パルス発生器３９の断面を示す。ここでは巻線の幾つかの層が概略的に示されており、２つの異なる金属導体４０および４１が相互に巻き込まれている。ここでは、幅Ｂを有するセラミックテープの縁部において、すなわち円環形に形成された端面４２において、金属導体４０および４１が縁部まで直接達している。絶縁層４３が（断面で見ると）円頂のようにその上に設けられており、これら２つの金属導体を相互に絶縁し、セラミック層に沿面放電が発生するのを阻止する。

図９に別の実施例が示されている。この実施例では、渦巻型パルス発生器４５は２つの金属導体４０，４１を有し、該金属導体４０，４１の層はセラミックテープの幅Ｂ全体を使用することなく、該セラミックテープの格段に内側で終了する（右半分）。このようなより小さい幅ＲＢは有利には、ＲＢ＝Ｂ−Ｘである。ただし、Ｘ＝１〜４ｍｍである。このようにして、絶縁層を必要とすることなく絶縁が簡単に改善されるが、ＲＢが比較的小さいと縁部エリアに空洞４４が形成され、陥没するおそれがある。左側に、このように陥没した縁部エリア４５が示されている。このような過程により、渦巻型パルス発生器の寿命および安定性は制限されてしまい、絶縁層が非常に薄い場合でしかこのような構成を使用することができない。 図１０に、渦巻型パルス発生器４５の改善された態様が示されている。この態様でも図９と同様に、２つの金属導体４０，４１はセラミックテープの幅Ｂ全体を使用しない。しかしこの態様では、幅Ｘ＝Ｂ−ＲＢを有する縁部側の空洞は完全または部分的に、金属導体ではなく、該金属導体４０，４１とほぼ等しい厚さの絶縁材料４６によって充填されている。この空洞は、有利には少なくとも８０％充填されている。材料としては、セラミックテープの材料または等価の材料が考えられる。このようにして、実際には空洞は存在せず、縁部エリアが陥没することもない。

この絶縁を行うための上記の種々の手段を組み合わせて、たとえば端面側の絶縁面が金属層のより小さい幅と相互作用するようにすることもできる。また、両金属層のうち１つだけが、セラミックシートの幅Ｂと比較して小さい幅ＲＢを有することもでき、場合によっては端面側の絶縁面と組み合わせることもできる。

さらに、異なる幅の２つのセラミックシートを使用することもできる。

本発明は、有利には少なくとも３バールの高圧下でのキセノンおよび金属ハロゲン化物が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使用されることで、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灯電圧は１０ｋＶを上回っているので点灯が困難である。現在では、点灯ユニットの構成要素をソケット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ソケット内またはランプの外側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使用されることで、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灯電圧は殊に高い。この点灯電圧は典型的には少なくとも５ｋＶであるが、２０ｋＶ以上になることもある。現在では、点灯ユニットの構成要素をソケット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ソケット内またはランプの外側バルブ内に取り付けることができる。

Claims (10)

1. 渦巻型パルス発生器をベースとするコンパクトな高電圧パルスジェネレータにおいて、
   前記渦巻型パルス発生器は、一緒に渦巻状に巻かれた所定の幅Ｂの２つのセラミックシートと各セラミックシートの表面に設けられた金属導体とから成るＬＴＣＣ部品またはＨＴＣＣ部品として構成されており、
   前記シートの縁部は円環状の端面を形成し、
   前記金属導体は、少なくとも１つの絶縁手段によって相互に電気的に絶縁されていることを特徴とする、高電圧パルスジェネレータ。
2. 前記絶縁手段は、前記端面に設けられた絶縁コーティングである、請求項１記載の高電圧パルスジェネレータ。
3. 前記絶縁手段は、前記セラミックシートの幅Ｂ全体と比較して短い、少なくとも１つの金属導体の幅ＲＢである、請求項１記載の高電圧パルスジェネレータ。
4. 前記少なくとも１つの金属導体の短い幅によって形成された空洞に、絶縁コーティングが少なくとも部分的に充填されている、請求項３記載の高電圧パルスジェネレータ。
5. 前記セラミックシートの巻数は少なくとも５であり、有利には最大ｎ＝５００である、請求項１記載の高電圧パルス発生器。
6. 前記セラミックシートは、チタン酸塩またはニオブ酸塩、ビスマスベースのペロブスカイトまたはタングステン‐青銅の群のうち少なくとも１つの材料を使用する、請求項１記載の高電圧パルスジェネレータ。
7. 前記材料の誘電定数は３〜２１，０００に選択され、有利には５〜２０００に選択されている、請求項６記載の高電圧パルス発生器。
8. 請求項１記載の高電圧パルスジェネレータをベースとする点灯装置において、
   少なくとも１つの充電抵抗およびスイッチを有する、点灯装置。
9. 外側バルブに収容された放電容器を有する高圧放電ランプにおいて、
   前記放電容器は前記外側バルブ内でフレームによって保持されており、
   請求項８記載の点灯装置が当該高圧放電ランプ内に組み込まれていることを特徴とする、高圧放電ランプ。
10. 前記渦巻型パルス発生器はほぼ中空円筒の形状を有し、少なくとも１０ｍｍの内径を有する、請求項９記載の高圧放電ランプ。

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