JP5086374B2 - 高圧パルス発生器および、高圧パルス発生器を備えた高圧放電ランプ - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載された高圧パルス発生器に基づく。このような発生器は殊に、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な目的または自動車用の高圧放電ランプの点弧に使用される。本発明はさらに、このような発生器を備えた高圧放電ランプに関する。

従来技術
高圧放電ランプの点弧の問題は今のところ、安定器内に点弧機器が組み込まれることによって解決されている。ここでの欠点は、給電線が耐高圧性に構成されなければならないことである。

これまでは、点弧ユニットをランプ内に組み込むことが繰り返し試みられてきた。ここでは点弧ユニットを口金内に組み込むことが試みられた。特に効果的で、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−Ａ３２８９０１５号参照）。それより以前には、種々の高圧放電ランプ（例えば金属ハロゲン化物ランプまたはナトリウム高圧ランプ）におけるこのような機器が提案されていた（例えばＵＳ−Ａ４３２５００４号、ＵＳ−Ａ４３５３０１２号参照）。しかしこれらは定着することができなかった。なぜなら一方では非常に高価であり、他方では、バルブ内に高圧を導入する問題が残ったままなので、点弧ユニットを口金内に組み入れる利点が充分でないからである。従って、絶縁の問題であれ、口金における破損であれ、ランプが損傷する恐れがますます高くなる。これまで、通常の点弧機器は一般的に１００℃以上に加熱することはできなかった。生じた電圧はランプに供給されなければならず、これは、相応の耐高電圧性（典型的には約５ｋＶ）を備えた線路およびランプ容器を必要とする。

特に高い電圧を生成するために、二重発生器を使用することができる（ＵＳ−Ａ４６０８５２１号参照）。

発明の説明
本発明の課題は、耐高温変圧器として使用可能な渦巻型パルス発生器を提供することである。

上述の課題は、請求項１の特徴部分に記載された構成によって解決される。

別の課題は、点弧特性が従来のランプに比べて格段に改善されており、高圧により損傷が生じる恐れの無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またはセラミックである金属ハロゲン化物ランプに当てはまる。

上述の課題は、請求項１０の特徴部分に記載された構成によって解決される。

特に有利な構成は従属請求項に記載されている。

ＤＥ−Ａｚ１０２００５０６１８３２．４号および１０２００５０６１８３１．６号から、小型の高圧パルス発生器が公知である。これは１５ｋＶを超える高電圧を生成することができる。ここでは渦巻型パルス発生器は一般的に、ほぼ同じ長さの、渦巻きとして巻かれている２つの導体から成る（図１参照）。すなわち、各導体はほぼ同じ数の巻きを有している。このような構造はベクトル反転原理（Vektorinversionsprinzip）を使用するために必要である。

ＤＥ−Ａｚ１０２００６０２６７５０．８号から、相対的透磁率μ_ｒ＝１〜５０００を備えたフェライト材料によって包囲されている渦巻型パルス発生器を使用することが公知である。このような３つの文献は、参考とされている。ここでは常に次のような原理が使用されている。すなわち、短絡によって、第１の巻き線内を流れる電流が、残りの巻き線内で高圧パルスを誘導するという原理が使用されている。

本発明ではここで、全く長さが異なる、巻かれている２つの導体が使用される。ここで第２の導体は、僅かな数しか渦巻きを有していない。また、第１の導体は、例えば２０〜１００の通常の巻き数を有している。この場合には、渦巻型パルス発生器は、耐高温性の変圧器として作用する。この変圧器はオートトランス（Spar-Transformator）と同じように機能する。これは第２の導体がコンデンサとして作用し、これによって、変圧器に対する充電コンデンサとして作用することによって実現される。第２の導体経路を短くすることによって、構造を小さくすることができる、または容積が同じ場合にはより多い巻回を有する変圧器を構成することができる。これによってより高い高圧パルスが得られる。

別個の通常の充電コンデンサを使用する場合には、３つのコンタクトを有する導体巻き線を１つだけ有する発生器を、本当のオートトランスとして構成することができる。

現在使用されている渦巻型パルス発生器は殊に、いわゆるＬＴＣＣ構成素子またはＨＴＣＣ構成素子である。この材料は、６００℃までの温度に耐えるようにすることができる特別なセラミックである。確かにＬＴＣＣは既に、ランプ関連において使用されている（ＵＳ２００３／０００１５１９号およびＵＳ−Ｂ６８５３１５１号参照）が、これは典型的には１００℃以下の温度で、実際にはほとんど温度負荷の無いランプにおいて全く別の目的で使用されている。ＬＴＣＣの高い温度耐性の特別な重要性は、高圧放電ランプの点弧との関連において、殊に、点弧問題を有する金属ハロゲン化物ランプの点弧との関連において認識される。

渦巻型パルス発生器は基礎となる構成では、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の特性と適合している構成素子である。製造のために、２つのセラミック性「グリーンフィルム」が金属性の導体ペーストによってプリントされ、次に、シフトされて渦巻き状に巻かれ、最後に、均衡的に１つのモールドにプレスされる。金属ペーストとセラミックフィルムの後続の同時焼成は、８００〜９００℃の間の温度領域内の空気で行われる。このような処理によって、渦巻型パルス発生器を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管内の放電容器のすぐ近くに取り付ける、または口金内またはランプの直ぐ近くに取り付けることができる。

これとは関係無く、この種の渦巻型パルス発生器を別の用途に使用することもできる。なぜなら、これは耐高温性であるというだけでなく、非常に小型だからである。このためには、渦巻型パルス発生器が、セラミックフィルムと金属導体ペーストから成るＬＴＣＣ構成素子として構成されることが重要である。充分な出力電圧を供給するために、渦巻は少なくとも５回は巻かれるべきである。

さらに、このような高圧パルス発生器をベースにして、点弧ユニットが提供される。この点弧ユニットはさらに、少なくとも１つの充電抵抗とスイッチを含んでいる。このスイッチは、火花ギャップまたはＳｉＣ技術におけるダイアックであってよい。

ランプ用途の場合には、外管内への取り付けが有利である。なぜならこれによって、耐高電圧性の電圧供給線が必要なくなるからである。

さらに、渦巻型パルス発生器を次のように設計することができる。すなわち、高圧パルスがランプのホットリスタートを可能にするように設計することができる。セラミックからなる誘電体は、ε＞１０の非常に高い誘電定数εを特徴とする。ここで材料および構造様式によって、典型的に７０のε、ε＝１００までが得られる。これによって、渦巻型パルス発生器の非常に高い容量が実現され、生成されるパルスの比較的大きい時間的な幅が可能になる。これによって、渦巻型パルス発生器の非常にコンパクトな構造様式が可能になり、市販されている、高圧放電ランプの外管内への組み込みが可能である。さらに、生成された高圧パルスは比較的大きなエネルギーを供給する。これによって、絶縁破壊が成功した後に、自立した放電への移行が容易になる。

さらに、大きいパルス幅によって放電体積体内での絶縁破壊が容易になる。

ランプの外管の材料として、あらゆる慣用のガラスが使用可能である。すなわち殊に硬質ガラス、バイコール、または石英ガラスである。充填物の選択も、特には制限されない。

以下で本発明を複数の実施例に基づいてより詳細に説明する。

既知である、渦巻型パルス発生器の原理的な構造 フェライト性のスリーブを伴っている、渦巻型パルス発生器の原理的な構造 短い第２の導体を備えている、渦巻型パルス発生器の原理的な構造 金属導体を１つのみ備えている、渦巻型パルス発生器の原理的な構造 外管内に渦巻型パルス発生器を備えている、金属ハロゲン化物ランプの原理構造 口金内に渦巻型パルス発生器を備えている、金属ハロゲン化物ランプ 口金内に渦巻型パルス発生器を伴った、金属ハロゲン化物ランプ 本発明の有利な実施形態 図１は、渦巻型パルス発生器１の基本的な構造を平面図で示している。渦巻型パルス発生器はセラミック性円筒２から成る。このセラミック性円筒内には、２つの異なった金属導体３および４がフィルムバンドとして、螺旋状に巻かれている。円筒２は内部で中空であり、所定の内経ＩＤを有している。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、できるだけ近くに隣接して位置しており、火花ギャップ５を介して相互に接続されている。

２つの導体のうちの外側の導体のみが、円筒の外側縁部で、別のコンタクト８を有している。別の導体は、開放された状態で終端している。これによって２つの導体は、共同して、導波体を、セラミックである誘導媒体内に構成する。

渦巻型パルス発生器は、金属ペーストが積層された２つのセラミックフィルムが巻かれて形成されるか、または、２つの金属フィルムと２つのセラミックフィルムから構成される。ここで重要な特性量は、巻数ｎである。これは有利には、５〜１００のオーダにあるべきである。このようなコイル装置はその後ラミネート加工され、最後には一体焼成される。これによって、ＬＴＣＣ構成素子が生じる。コンデンサ特性を備えた、このようにして形成された渦巻型パルス発生器は、その後、火花ギャップ並びに充電抵抗と接続される。

火花ギャップは内部端子にあっても、外側端子にあっても、または発生器の巻き線内にあってもよい。パルスを誘導する高電圧スイッチとして、有利には、温度耐性である火花ギャップが使用される。有利にはＳｉＣ技術における半導体スイッチング部材も使用される。これは、３５０℃を越える温度に適している。

具体的な実施例では、ε＝６０〜７０を有するセラミック材料が使用される。ここでは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 ７０７または有利にはＣＴ ７６５または、それぞれこれら２つを組み合わせたセラミックテープが使用される。グリーンフィルムの厚さは典型的には５０〜１５０μｍである。導体としては殊に、例えば同じように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ＴＣ７３０３である。ＤｕＰｏｎｔ社の金属ペースト６１４５によっても良好な結果が得られる。これらの部分は良好にラミネート加工され、その後加熱され（バインダーバーンアウト：binder burnout）、一緒に焼結（一体化焼結）される。

１つの実施例では、渦巻型パルス発生器の内径ＩＤは１０ｍｍである。個々のストライプの幅は同じように１０ｍｍである。フィルムの厚さは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。このような前提条件で、渦巻型パルス発生器は、自身の特性の最高に、巻数ｎ＝２０〜７０において達する。

発生器は、透磁率μ＝５０〜５０００のフェライトＥ−Ｉコアによって包囲される。これは図示されている。これによって発生器は変圧器として作動され、ベクトル反転原則に従って作動されるのではない。

発生器１は有利には、全部または部分的に、μ＝５０〜５０００の透磁率を有するフェライト材料５０によって取り囲まれている。図２には、Ｅ−コア設計でのフェライト５０が示されている。その金属バー５１は、発生器１の内部中空空間を貫通している。

図３には、本発明の渦巻型パルス発生器１０が示されている。ここでは第２の金属導体１４は、第１の導体３よりも格段に短い。第２の導体１４は殊に、少なくとも５巻き、または巻数の少なくとも１０％は、第１の導体３よりも短い。第１の導体３の巻数は有利には、ｎ＝２０〜１００のオーダにある。火花ギャップ５のコンタクトはここで、相互に対向しているかまたは相互にできるだけ近くに位置する。

図４は、金属導体３を１つしか有していない渦巻型パルス発生器２０を示している。これはここで別個の市販されている充電コンデンサ１０を有している。これは火花ギャップ５と直列接続されている。この回路はオートトランスとして作用する。これは、金属導体の中央タップ４０が、充電コンデンサ１０および火花ギャップ５を介して、金属導体の内側終端部４１と接続されることによって実現される。

図５は、渦巻型パルス発生器２１が組み込まれた金属ハロゲン化物ランプ２５の基本構造を示している。ここでは点弧電極は、石英ガラスまたはセラミックから製造される放電容器２２の外側には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、外管３６内に収容されている。

図６は、２つの給電線２６、２７によって外管内に保持されている放電容器２２を備えた金属ハロゲン化物ランプ２５を示している。第１の給電線２６は、短く巻かれたワイヤである。第２のリード線２７は、実質的には、口金のない貫通部２８へと続いている棒である。口金３０からのリード線２９と、棒２７との間には、点弧ユニット３１が配置されている。ここでこの点弧ユニットは、図５に示されているように、渦巻型パルス発生器、火花ギャップおよび充電抵抗を含んでいる。

図７は、図５と類似した金属ハロゲン化物ランプ２５を示している。これは、２つのリード線２６、２７によって外管３６内に保持されている放電容器２２を有している。第１のリード線２６は、短く巻かれたワイヤである。第２のリード線２７は、実質的には、口金のない貫通部２８へと続いている棒である。ここでは点弧ユニットは口金３０内に配置されており、詳細には、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も口金内に配置されている。

この技術は、無電極ランプにも使用可能である。ここでは渦巻型パルス発生器は点呼補助として使用される。

この小型の高圧パルス発生器をさらには、別の機器の点弧に使用することができる。殊に、レントゲンパルスの発生および電子ビームパルスの発生の際の、いわゆるマジックスフィア（magischen Kugel）での使用が有利である。通常の点弧コイルに代わる、自動車内での使用も可能である。

ここでは、５００までの巻数ｎが使用される。従って、１００ｋＶまでのオーダの出力電圧が達成される。この場合には出力電圧Ｕ_Ａは、充電電圧Ｕ_Ｌの関数として、Ｕ_Ａ＝２×ｎ×Ｕ_Ｌ×ηによって表される。ここで効率ηは、η＝（ＡＤ−ＩＤ）／ＡＤによって表される。

本発明は特別な利点を、自動車ヘッドランプ用の高圧放電ランプにおいて有している。これは有利には少なくとも３ｂａｒの高圧下のキセノンおよび金属ハロゲン化物によって充填されている。これらは特に、点弧し難い。なぜなら、高いキセノン圧力に起因して、点弧電圧が１０ｋＶを越えてしまうからである。近年では、点弧ユニットのコンポーネントを、口金内に収容することが試みられている。充電抵抗が組み込まれた渦巻型パルス発生器を、自動車用ランプの口金内に収容可能である。

本発明は、非常に特別な利点を、水銀を含まない高圧放電ランプにおいて有している。このようなランプは環境保護の理由から、特に注視されている。このランプは適切な金属ハロゲン化物充填物および殊に、キセノンのような希ガスを高圧で含んでいる。水銀を有していないので、点弧電圧は特に高い。これは２０ｋＶを越える。近年では、点弧ユニットのコンポーネントを、口金内に収容することが試みられている。充電抵抗が組み込まれた渦巻型パルス発生器は、無水銀ランプの口金内またはランプの外管内に収容可能である。

Claims (15)

1. 渦巻型パルス発生器に基づく、高圧パルス発生器であって、
   前記渦巻型パルス発生器はＬＴＣＣ構成素子またはＨＴＣＣ構成素子として、渦巻き状に巻かれたセラミックフィルムと、当該セラミックフィルム上にストリップ状に被着された金属導体ペーストから構成されている形式のものにおいて、
   前記渦巻型パルス発生器が唯一の金属導体（３）のみを有し、当該金属導体がｎ回の巻数で巻かれた渦巻きとして巻かれ、ここでｎは少なくとも５であり、さらにスイッチ（５）と充電コンデンサ（１０）が前記金属導体の最初の部分と接続されていることによって、前記渦巻型パルス発生器は変圧器として作用する、
   ことを特徴とする高圧パルス発生器。
2. 前記金属導体の中央タップ（４０）が、前記スイッチ（５）および当該スイッチ（５）に直列に接続されている充電コンデンサ（１０）を介して前記金属導体の内側終端部（４１）と接続されており、前記渦巻型パルス発生器はオートトランスである、請求項１記載の高圧パルス発生器。
3. 前記渦巻きは最大でｎ＝５００の巻数を有している、請求項１記載の高圧パルス発生器。
4. 前記渦巻型パルス発生器は完全にまたは部分的に、透磁率μ＝５０〜５０００を有するフェライト材料によって包囲されている、請求項１記載の高圧パルス発生器。
5. 前記スイッチは火花ギャップである、請求項１記載の高圧パルス発生器。
6. 前記充電コンデンサは市販のコンデンサである、請求項１記載の高圧パルス発生器。
7. 前記渦巻型パルス発生器は、少なくとも１０ｍｍの内径を有する、中空円筒の形状を有している、請求項１記載の高圧パルス発生器。
8. 請求項１から７までのいずれか１項記載の高圧パルス発生器に基づく点弧装置であって、
   前記点弧装置はさらに少なくとも１つの充電抵抗を含んでいる、
   ことを特徴とする点弧装置。
9. 放電容器と口金を有する高圧放電ランプであって、
   点弧装置がランプ内に組み込まれており、当該点弧装置はランプ内に少なくとも１５ｋＶの高圧パルスを生成する形式のものにおいて、
   前記点弧装置は、ランプの口金内に収容されており、請求項１から７までのいずれか１項に記載された高圧パルス発生器を含んでいる、
   ことを特徴とする、放電容器と口金を有する高圧放電ランプ。
10. 放電容器を有する高圧放電ランプであって、
    当該放電容器は、外管内に収容されており、
    ランプ内に点弧装置が組み込まれており、当該点弧装置はランプ内に少なくとも１５ｋＶの高圧パルスを生成する形式のものにおいて、
    前記点弧装置は、外管内に収容されており、請求項１から７までのいずれか１項に記載された高圧パルス発生器を含んでいる、
    ことを特徴とする、放電容器を有する高圧放電ランプ。
11. 前記点弧装置は外管内にフレームによって保持されている、請求項１０記載の高圧放電ランプ。
12. 前記高圧パルス発生器によって媒介された電圧は直接的に、放電容器内の２つの電極に作用する、請求項１０記載の高圧放電ランプ。
13. 前記高圧パルス発生器によって媒介された電圧は、放電容器の外側に取り付けられた点弧補助電極に作用する、請求項１０記載の高圧放電ランプ。
14. 前記セラミックフィルムの誘電定数εは少なくともε＝１０である、請求項１０記載の高圧放電ランプ。
15. 外管内に、さらに、渦巻型パルス発生器の充電電流を制限する抵抗が収容されている、請求項１０記載の高圧放電ランプ。

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