JP5534471B2 - 放電灯及び放電灯装置 - Google Patents

Description

本発明は、放電灯及び放電灯装置に関する。

自動車のヘッドライト、プロジェクタ用の光源として、小型の高輝度放電ランプ（ＨＩＤランプ）が広く利用されている。

特許文献１及び２には、内部に発光物質が封入される封入空間を有する膨出部と、膨出部に対向して連設される一対の細管部を有する透明容器と、細管部それぞれの内部に封入される内部導電体と、細管部の外周部に、概ね内部導電体の長手方向範囲に巻回される外部導電体としてのコイル、とから構成されたマイクロ波無電極ランプが記載されている。このように構成されたマイクロ波無電極ランプは、コイルが受信するマイクロ波により点灯されるが、放射光強度が低く実用性に欠ける。
特開２００８−１４０５７５号公報 特開２００８−１４０５７６号公報

今日、ランプの点光源化が検討されている。しかし、ランプの点光源化を図ろうとすると、ランプ内の放電長が短くなってしまい、ランプ（負荷）インピーダンスが過小となる。このため、このランプを点灯する点灯回路との整合がとりにくくなり、ランプ内部への電力供給の効率が低下してしまう問題がある。

本発明は、このような実情を鑑みて提案されたものであり、電力供給を効率よく行うことができる高効率の点光源型放電灯及び放電装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明である放電灯は、光透過性を有する非導電性部材で形成され、かつ内部に発光物質が封入された放電容器と、一方の端部が前記放電容器の内部に設けられ、他方の端部が前記放電容器の外部に突出した第１のアンテナ部材と、一方の端部が前記放電容器の内部に設けられ、他方の端部が前記放電容器の外部に突出して電磁波導波手段と接続可能な第２のアンテナ部材と、前記第１のアンテナ部材の前記放電容器の外部に突出した部分に設けられた外部インピーダンス部と、を備えている。

請求項２の発明は、請求項１に記載の放電灯であって、前記電磁波導波手段から電磁波を供給することにより、前記第１のアンテナ部材の一方の端部と前記第２のアンテナ部材の一方の端部との間隙で放電が発生するように構成されていると共に、前記間隙と前記外部インピーダンス部とにより前記電磁波の共振回路を構成している。

請求項３の発明は、請求項１または２記載の放電灯であって、前記外部インピーダンス部は、前記第１のアンテナ部材の前記放電容器の外部に突出した部分に巻き付けられた装荷コイルである。

請求項４の発明は、請求項３に記載の放電灯であって、前記コイルの長さは、前記第２のアンテナ部材へ入力される電磁波の１波長相当である。

請求項５の発明は、請求項３又は４に記載の放電灯であって、前記第１のアンテナ部材の前記放電容器の外部に突出された部分は、非導電性部材に覆われ、前記コイルは、前記第１のアンテナ部材の非導電性部材で覆われた部分に巻き付けられている。

請求項６の発明である放電灯装置は、電磁波を発生する電磁波発生手段と、前記電磁波発生手段により発生された電磁波が導かれる、内部導体を有する電磁波導波手段と、前記電磁波導波手段に前記第２のアンテナ部材が接続された請求項１から請求項５のいずれか１項に記載に放電灯と、を備えている。

請求項７の発明は、請求項６に記載の放電灯装置であって、前記電磁波導波手段は、同軸伝送線路である。

本発明によれば、電力供給を効率よく維持して点光源化を図ることができる。

本発明の放電灯装置の実施の形態を示す概略図である。 放電灯及びラーンチャを示す概略図である。 コイル線長−発光効率の測定結果を示す図である。 入射マイクロ波電力−発光効率の測定結果を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。以下では、放電灯として高輝度高圧放電ランプ（ＨＩＤランプ）を用いた放電灯装置の実施の形態を説明する。

［放電灯装置の構成］
図１は、本発明の実施の形態に係る放電灯装置の構成を示す図である。放電灯装置は、高輝度放電ランプであるＨＩＤランプ１０と、ＨＩＤランプ１０を点灯させる放電灯点灯装置１２と、を備えている。

放電灯点灯装置１２には、高周波（ＲＦ）またはマイクロ波等の電磁波を導波するラーンチャ１４が設けられている。ラーンチャ１４の一端は、ＨＩＤランプ１０の発光部が焦点位置に位置するように集光用反射鏡１６に固定されている。

ラーンチャ１４の他端は、電磁波を導波する同軸伝送線路１８を介して小型の固体発振器２０に接続されている。固体発振器２０としては、例えば、発振器２０Ａ、アンプ２０Ｂ、及びアイソレータ２０Ｃを備えたソリッドステート発振器が用いられる。固体発振器２０には、例えば、２８Ｖの電圧を出力する直流電源２２が接続されている。なお、直流電源２２の電圧は変更可能である。

図２は、ＨＩＤランプ１０の構成を示す図である。ＨＩＤランプ１０は、内部に放電空間１０Ａが形成された楕円体状の放電容器１０Ｂと、一対の棒状部材１０Ｃと、を備えている。放電容器１０Ｂ内には、例えば、キセノンガスと少量の添加物とからなる発光物質が封入されている。一対の棒状部材１０Ｃは、放電容器１０Ｂの長軸方向の延長線上に所定間隔隔てて設けられている。

一対の棒状部材１０Ｃの各々の一端は放電空間１０Ａ内に挿入されており、他端は放電容器１０Ｂの外側に露出している。各棒状部材１０Ｃの中心軸には、先端が先鋭に形成された金属製の棒状のアンテナ部材１０Ｄがそれぞれ埋設されている。各アンテナ部材１０Ｄは、放電容器１０Ｂの内部では、各棒状部材１０Ｃに埋設されてなく、露出されている。アンテナ部材１０Ｄは、例えばタングステンまたはモリブデンで構成されている。また、アンテナ部材１０Ｄの金属材料と絶縁体の熱膨張係数の相違に起因する破壊を避けるために、モリブデンの箔の両端の各々に、棒状のタングステンが接続されてもよい。本実施の形態では、高周波電力が、発光のための放電部において高効率で消費され、放電容器１０Ｂとアンテナ部材１０Ｄとの接合部での発熱は殆ど生じない。したがってこれを用いない構成がコスト低減のためにも推奨できる。

放電容器１０Ｂ及び一対の棒状部材１０Ｃは、透光性を有する非導電性部材である石英またはアルミナ等の高誘電率絶縁体で形成されている。一対のアンテナ部材１０Ｄの先端部は、ギャップＧの間隔だけ隔てて放電容器１０Ｂ内に挿入されている。また、アンテナ部材１０Ｄの各々の他端部は、各棒状部材１０Ｃに覆われた状態で、放電容器１０Ｂから外部へ突出している。このように、一対のアンテナ部材１０Ｄは、互いにギャップＧの間隔だけ隔てて配置されている。

また、一対の棒状部分１０Ｃのうち、ラーンチャ１４に接続されていない側の棒状部分１０Ｃであって放電容器１０Ｂの外部に露出している部分には、ヘリカルコイル（装荷コイル）１０Ｅが巻き付けられている。装荷コイル１０Ｅは、非導電性部材の棒状部分１０Ｃに巻き付けられているので、当該棒状部分１０Ｃの中心軸に埋設されているアンテナ部材１０Ｄとは導通されていない。装荷コイル１０Ｅは、ラーンチャ１４から導波されたマイクロ波が棒状部分１０Ｃから漏洩するのを防止する。なお、装荷コイル１０Ｅについては後述する。

ラーンチャ１４は、内部円筒部材１４Ａと、内部円筒部材１４Ａを囲むように、内側面が内部円筒部材１４Ａの外側面と所定距離隔てて同軸に設けられた外部円筒部材１４Ｂと、を備えている。内部円筒部材１４Ａ及び外部円筒部材１４Ｂは、金属等の導体で構成されている。内部円筒部材１４Ａの先端部には、ＨＩＤランプ１０のアンテナ部材１０Ｄが埋設された棒状部分１０Ｃが挿入され、かつ、ＨＩＤランプ１０が取り付けられる取り付け部１４Ｃが形成されている。そして、アンテナ部材１０Ｄを内部円筒部材１４Ａに電気的に接続すると、マイクロ波伝送効率が改善され、発光効率が向上する。なお、内部円筒部材１４Ａに代えて、先端部に取り付け部１４Ｃが穿設された円柱状部材を用いても良い。ソリッドステートマイクロ波発振器の出力端に用いるメスのＮ型コネクタを、ラーンチャ１４として用いることができる。

また、内部円筒部材１４Ａの外側面と外部円筒部材１４Ｂの内側面との間には、固体発振器２０で発振され、かつ、同軸伝送線路を導波した電磁波を、取り付け部１４Ｃに取り付けられたＨＩＤランプ１０に供給されるように導く導波路が形成されている。

本実施の形態によれば、固体発振器２０で発振された電磁波は、同軸伝送線路を介してラーンチャ１４の端部に導波され、ラーンチャ１４の同軸導波路で導波されて、取り付け部１４Ｃに取り付けられたＨＩＤランプ１０に供給される。アンテナ部材１０Ｄが放電容器１０Ｂから露出し、アンテナ部材１０Ｄが内部円筒部材１４Ａ内に挿入されて、ラーンチャ１４の同軸導波路に電気的に接続されているため、供給された電磁波はアンテナ部材１０Ｄを介して放電容器１０Ｂ内に直接導波され、ランプ点灯前のアンテナの高インピーダンス部での電磁波伝播が妨げられて、電磁波が高インピーダンス部局所から放射される。放射された電磁波は放電容器１０Ｂの内部に存在しているので、放射部位近傍の発光物質を選択的に励起し、これにより、容器内部の高圧ガス等の発光物質が効率よく放電する。

ＨＩＤランプ１０をラーンチャ１４に取り付けた状態で、外部円筒部材１４Ｂの端部と内部円筒部材に挿入されていないアンテナの端部との間の距離Ｌ、すなわちアンテナの外部円筒部材から突出している部分の長さが、電磁波の波長λの１／４の長さになった場合、電磁波は周囲の空間に効率よく放射される。このとき、距離Ｌの途中に設けられたギャップＧには強い電磁波電界が発生する。この電磁波電界は、充分に強く、高気圧中でも容易に放電を形成することができる。

本実施の形態においては、ギャップＧの長さが短くなれば、発光部の長さが縮小し、点光源が構成される。一方、ギャップＧの長さを長くすれば、放電領域が広がり、中、大型の高圧ＨＩＤランプ１０の点灯が可能となる。

本実施の形態のように、アンテナ部材１０Ｄを誘電体損失が少なく誘電率の高い耐熱性のある誘電体で被覆しても、放電の開始と維持には影響しない。このことから、本実施の形態のアンテナを備えたランプは実質的な無電極放電ランプとして取り扱うことができる。

以上説明したように、本実施の形態の放電灯装置は、電磁波がアンテナを介して放電容器１０Ｂ内部に直接供給され、アンテナ先端部付近に電磁波電界が局所的に集中するため、放電容器１０Ｂに封入された高圧ガスを効率よく放電させることができる。封入ガスが高圧であるので、高温高密度のプラズマが発生し、ランプ内のガス圧が高いために高温高密度プラズマの拡散速度が遅いので、アンテナ付近に電磁波電界分布に近い放電形状でプラズマが局在して、高輝度の発光を行う。

母ガスとして、高圧のアルゴンやキセノンが封入され、添加物として、ＮａＩ、ＳｃＩが封入される。このため、容易に電離し発光するので、演色性が高く発光効率が高い発光が得られる。母ガスと添加物は、放電灯、メタルハライドランプ、ＨＩＤランプ１０で用いることのできる表１に示す全ての気体を用いることができる。さらに、近年用いられるＳ_２などの分子ガスも用いることができる。

［点光源化ためのギャップＧの狭小化と発光効率の問題］
点光源化のために、プラズマを維持する空間である、電極あるいはアンテナの間隔Ｇを狭くすると、発光効率を高くして点灯することが困難となる。この点について、詳細に説明する。

ランプへの入射電力Ｔは放電の発生と維持のために消費される電力Ａのほか、空間に放射される電力Ｂ、ランプで反射されて電源側に戻る電力Ｃに分かれる。Ａ／Ｔが大きくできる点灯方式のランプは発光効率が高くなる。このため、ＢとＣをできる限り小さくするような放電方式が必要となる。

Ｃを小さくするには２つの条件（共振条件及び整合条件）を満たす必要がある。

共振条件：ランプを（１）放電部および（２）アンテナ（電極）とで構成される負荷インピーダンスＺ_Ｌと見なすと、Ｚ_ＬのリアクタンスＸがゼロとなるときに、共振条件が満たされて無効電力を無くすことができる。

整合条件：Ｚ_Ｌの抵抗分Ｒが電源と負荷を結ぶ伝送線路の特性インピーダンスＺ_０に等しいときに、電源から負荷に供給される電力が最大となる。

上記の共振条件及び整合条件は、以下の（１）式、（２）式を満たすときに満足される。

・・・（１）


・・・（２）

ただし、ν_ｅは、電子と他の粒子との衝突周波数であり、Ｃ_Ｐは、後述するキャパシタンスである。また、ωは、マイクロ波角周波数であり、ω_Ｐは、電子プラズマ角周波数である。

Ｒは、Ｇ、封入ガス圧Ｐ、およびプラズマ密度Ｎに対して、Ｒ∝ＰＧ／Ｎの関係がある。Ｇ＜２ｍｍ以下になると、Ｒ＜Ｚ_０となって整合条件を満たせなくなり、放電効率が低下する。

放射光量Ｆは放電長の表面積ＳとＮに、またＳはＧに比例する。Ｇを１／ｎに短縮すると、Ｆを等しく維持するには、同じ入射電力Ｔの下で、プラズマ密度Ｎをｎ倍に引き上げる必要がある。

以上より、Ｒ＝一定の下では、Ｐは１／Ｇ^２に比例することがわかる。すなわち、Ｇを１／ｎにするとＰをｎ^２倍にする必要がある。

したがって、点光源化のためにＧを小さくすると、Ｐを高めない限り、整合条件と共振条件を満たして高効率点灯をすることができない。現在の技術ではランプ封入ガス圧は点灯時で５０気圧以上２００気圧以下である。また、高圧化による黒化が、ランプ壁の失透を招く恐れが高い。

［ギャップＧのキャパシタンスの補償］
本実施形態のＨＩＤランプは、電極をモノポールアンテナと見なして、マイクロ波電力をランプ中心部にあるアンテナギャップＧに給電する。放電が安定に点灯して高密度プラズマが形成されると、ギャップはプラズマにより短絡され、モノポールアンテナが完成する。しかし、Ｇを短くすると、実質的にモノポールアンテナに大きなキャパシタンスＣ_Ｐが直列に挿入されたことになり、モノポールアンテナの共振条件が崩れ、無効電力が増大する。

このため、ランプ先端部にインダクタンスＬ_Ｈのコイルを装荷して共振条件を回復する必要が生じる。

装荷コイル１０Ｅは、石英を誘電体として当該装荷コイル１０Ｅとの間で形成されるキャパシタＣ_Ｈと装荷コイル１０ＥのインダクタンスＬ_Ｈの直列回路となる。装荷コイル１０Ｅは、ランプ点灯時に以下の効果を発揮する。

第１に、ランプ点灯時には高密度プラズマが生成されて、放電部のインピーダンスＺ_Ｐ＝０となるので、モノポールアンテナからマイクロ波が外部に放射される。装荷コイル１０Ｅは自身のインダクタンスＬ_ＨとキャパシタンスＣ_Ｈにより共振回路を形成し、漏洩しようとするマイクロ波を補足する。

第２に、補足されたマイクロ波は 共振回路の間を往復する間に上部アンテナ先端部でプラズマ生成を助ける。

第３に、この結果、発光効率が改善される。とりわけ、アンテナギャップを短くする点光源型ＡＥＭＤランプではＣ_Ｐが大きくなるので、ランプは短絡状態に近くなり、発光効率が低くなるが、装荷コイル１０Ｅはこのような場合に効果を発揮する。

ここで、装荷コイル１０Ｅとしてヘリカルコイルを装荷することにより、発光効率を改善する原理について説明する。

まず、ランプを点光源型にするには、Ｇを小さくすることが必要である。整合条件と共振条件とが成り立つ場合、Ｇを小さくすることは、（１）式と（２）式から分かるように、プラズマ密度を下げることに対応するので、放射光強度が低下する。従って、この場合には、後述するように、上側のアンテナ部材１０Ｄへのヘリカルコイルの装荷が、小さなＧの放射光強度の増大に効果を発揮する。

このように、ＡＥＭＤランプでは点灯時に問題があることが判る。この問題は、ランプ上部にヘリカルコイルを装荷することにより解決することができる。ヘリカルコイルのインダクタンスをＬ_Ｈ、上側のアンテナ部材１０Ｄとの間のキャパシタンスをＣ_Ｈとすると、ランプインピーダンスのリアクタンスは、以下の（３）式で表される。

Ｘ_ＨとΨは、以下の（４）式、（５）式で表される。ここで、モノポールアンテナの共振条件ωＬ＝１／ωＣを適用している。

Ψは、マイクロ波入射電力とともにω_Ｐ ^２が増加するにつれて、マイナス→０→プラス→０のように変化する。従って、予めＸ_Ｈ＜０としておけば、共振条件Ｘ＝０を満たすときのω_Ｐ ^２は、Ｘ_Ｈ＝０の時に比べて増大するので、小さなＧの点光源ランプでも光量を増大することができる。これは、ω_Ｐ ^２が以下の（６）式で表される条件を満たす時、モノポールアンテナからランプ外部に漏洩するマイクロ波電力を、ヘリカルコイルの作るＬ_ＨとＣ_Ｈの共振回路に蓄えて、放電の点灯に有効利用している、と解釈することができる。

ところで、点光源にするためにアンテナギャップを更に縮小して、例えば１ｍｍ以下にすると、１／ωＣ_ＰがＲ_ＰおよびωＬ_Ｐよりも小さくなって、マイクロ波はプラズマを生成することなく、Ｃ_Ｐをバイパスとしてランプから外部に漏洩してしまうことになる。このような場合、ヘリカルコイルは漏洩しようとするマイクロ波電力を蓄積して漏洩を抑制するので、ランプの発光効率を改善することができる。

［放射抵抗の低減］
アンテナギャップに高密度プラズマが生成されて、ギャップが実質的に短絡されると、ランプはモノポールアンテナと等価となり、放射抵抗が増大する。すなわち、ランプに入射する電磁波（マイクロ波）は効率よく空間に放射されて損失となる。これは等価回路的には放射抵抗として扱われ、無駄となる。装荷コイルは電磁波（マイクロ波）電力の電磁電力の蓄積素子として機能し、放射抵抗の軽減を図ることができる。

装荷コイルの線の長さＬは、電磁波（マイクロ波）の一波長が最適である。この時、装荷コイルには定在波が励起される。定在波は両端で最大（定在波の腹）となり、中間部で最小（定在波の節）となる。従って、装荷コイルの片方の先端を放電部（１０Ｂ）付近に設置すると、ここに励起されるマイクロ波電界（定在波の腹）が放電の発生と維持に貢献するので、放射抵抗が軽減し、発光効率が大幅に向上する。

図３は、コイル線長−発光効率の測定結果を示す図である。なお、巻き数は最適化してはいない。Ｌ＝マイクロ波の一波長の付近で、発光効率が最大となることが分かる。

［装荷コイルの材質］
装荷コイルには数１０Ｗ程度のマイクロ波電力が蓄積されていると考えられ、高温に加熱される。従って、装荷コイルの材料は、高温に耐えられる材料であって、かつヘリカルコイルに加工しやすい可撓性を要する。耐熱性と可撓性の観点から、装荷コイルの材料として、モリブデン、タンタル、レニウムが適当と考えられる。また、装荷コイルの材料として、タングステンを採用してもよい。

［装荷コイルの形状と取り付け位置］
装荷コイル先端部に生じる強いマイクロ波電界を放電の維持に使うことにより、発光効率を改善する。コイルの形状と取り付け位置を最適化することにより発光効率を高めることができる。また、装荷コイルをガラスでモールドしてもよい。

次に、装荷コイルを装荷した場合の実験結果について説明する。アンテナ線径を０．３５ｍｍとし、アンテナギャップを１．５ｍｍとし、１０気圧のキセノンガスを封入し、０．５ｍｇのＮａｌ＋ＳｃＩ_３と０．５ｍｇのＨｇを添加したＤ２型メタルハライドランプを用いて、ヘリカルコイルを装荷した場合と装荷しなかった場合とにおける発光効率を測定した。

図４に示すように、ヘリカルコイルを装荷することにより、発光効率が改善されることが分かった。

次に、ＡＥＭＤランプとＡＣ／ＤＣ放電ランプとの特性を比較した結果について説明する。

可視光光源用メタルハライドランプに、ＡＥＭＤランプとＡＣ／ＤＣ放電ランプとをそれぞれ応用した場合の特性を、以下の表２に示す。

表２に示すように、ＡＥＭＤランプの方が、発光効率がよく、ランプ寿命が長く、より点光源化を図ることができることがわかった。

ＵＶ光源用水銀ランプに、ＡＥＭＤランプとＡＣ／ＤＣ放電ランプとをそれぞれ応用した場合の特性を、以下の表３に示す。

表３に示すように、ＡＥＭＤランプの方が、ランプ寿命が長く、より点光源化を図ることができ、低電力化を図ることができることがわかった。

ＶＵＶ光源用のエキシマランプに、ＡＥＭＤランプとＡＣ／ＤＣ放電ランプとをそれぞれ応用した場合の特性を、以下の表４に示す。

表４に示すように、ＡＥＭＤランプの方が、発光強度が大きく、ランプ寿命が長く、より点光源化を図ることができ、低電力化を図ることができることがわかった。

以上のように装荷コイルの機能を利用すると、Ｇ＜２ｍｍとしても、封入ガス圧Ｐをランプ製造が可能なレベルのＰにおいてもランプの高効率点灯が可能となる。また、Ｇ＜１ｍｍであっても高効率点灯が可能である。すなわち、装荷コイルの利用により高効率の点光源状ランプを実現することができる。

１０ ＨＩＤランプ
１０Ａ 放電空間
１０Ｂ 放電容器
１０Ｃ 棒状部材
１０Ｄ アンテナ部材
１０Ｅ 装荷コイル
１２ 放電灯点灯装置
１４ ラーンチャ
１４Ａ 内部円筒部材
１４Ｂ 外部円筒部材
２０ 固体マイクロ波発振器
２２ 直流電源

Claims (6)

1. 光透過性を有する非導電性部材で形成され、かつ内部に発光物質が封入された放電容器と、
   一方の端部が前記放電容器の内部に設けられ、他方の端部が前記放電容器の外部に突出した第１のアンテナ部材と、
   一方の端部が前記放電容器の内部に設けられ、他方の端部が前記放電容器の外部に突出して電磁波導波手段と接続可能な第２のアンテナ部材と、
   前記第１のアンテナ部材の前記放電容器の外部に突出した部分に設けられた外部インピーダンス部と、
   を備え、
   前記外部インピーダンス部は、前記第１のアンテナ部材の前記放電容器の外部に突出した部分に巻き付けられ、前記第１のアンテナ部材からのマイクロ波の漏洩を防止する装荷コイルである、
   放電灯。
2. 前記電磁波導波手段から電磁波を供給することにより、前記第１のアンテナ部材の一方の端部と前記第２のアンテナ部材の一方の端部との間隙で放電が発生するように構成されていると共に、前記間隙と前記外部インピーダンス部とにより前記電磁波の共振回路を構成している、
   請求項１記載の放電灯。
3. 前記装荷コイルの線の長さは、前記第２のアンテナ部材へ入力される電磁波の一波長である請求項１又は２に記載の放電灯。
4. 前記第１のアンテナ部材の前記放電容器の外部に突出された部分は、非導電性部材に覆われ、
   前記装荷コイルは、前記第１のアンテナ部材の非導電性部材で覆われた部分に巻き付けられている
   請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の放電灯。
5. 電磁波を発生する電磁波発生手段と、
   前記電磁波発生手段により発生された電磁波が導かれる、内部導体を有する電磁波導手段と、
   前記電磁波導波手段に前記第２のアンテナ部材が接続された請求項１から請求項５のいずれか１項に記載に放電灯と、
   を備えた放電灯装置。
6. 前記電磁波導波手段は、同軸伝送線路である、
   請求項６記載の放電灯装置