JP5627766B2 - ガス放電灯の駆動方法およびガス放電灯装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガス放電灯の駆動方法に関する。ガス放電灯は、放電管と、この放電管の中空室内へ突出した２つの電極と、少なくとも１つの点弧補助素子とを備える。ここで、本発明によれば、２つの電極に、点弧期間中、高周波交流電圧が重畳された直流電圧が印加される。本発明はさらに、少なくとも１つのガス放電灯と、この少なくとも１つのガス放電灯を駆動する制御装置とを含む、ガス放電灯装置に関する。

水銀フリーの放電灯に対しては、点弧のために、通常、点灯回路によって、点弧パラメータｄＵ／ｄｔ＞７０ｋＶ／μｓおよび電圧２０ｋＶ超でのパルス点弧が行われる。容量性点弧補助手段を備えた水銀フリーの放電灯は、点弧電圧約１６ｋＶのパルスパラメータで点弧されるが、この場合、実用上、各放電灯間に強いばらつきがあり、また、１つの放電灯の毎回の点弧のあいだにも強いばらつきが見られる。このように、点弧電圧は点灯回路によって調製される点弧パルスを大きく上回る。これは、放電灯の製造過程中の高い欠陥率と、放電灯および点灯回路から成るシステムの点弧特性の劣化との双方をもたらす。また、点弧パルスの電圧が高いため、技術的なコストが大きくなり、システムの費用も高くなる。

さらに、放電灯を連続的な高周波数によって点弧することも知られている。これにより、点弧電圧を約１０ｋＶまで著しく低減することができる。特に、容量性点弧補助手段を利用する場合、この手段は高周波数のもとで効果的に動作するため、利点が顕著である。この場合、例えば点弧のための共振回路による、必要な点弧電圧を実現する手段には、特に共振回路の高電流に基づいて各素子に高い品質が要求され、スイッチに高い電流耐性が必要となるため、煩雑でコストがかかる。また、連続的な高周波高電圧により、ケーブル、ソケットなど、使用される組み込み部品の絶縁性ないし電圧耐性に高度な要求が課される。さらに、連続的な高周波高電圧はこれらの部品の望ましくないイオン化を引き起こすこともある。

国際公開第０１／７３８１７号には、バーナーを備えたガス放電灯が示されている。バーナーは、ガスおよび他の物質を含む充填物の充填された中空室を有する放電管を備える。中空室には２つの電極が突出しており、ガス放電灯の動作中、電極間に光アークが形成される。放電管の外側の中空室の領域には、それぞれ反対の極性を有する２つの補助電極が対向するように配置されている。補助電極は、導電性材料を含む、放電管の外側のコーティングによって形成されている。ガス放電灯の点弧前および場合により点弧中、補助電極には高周波高電圧が印加され、これにより、ガス放電灯の点弧が容易となる。

国際公開２００４／０９０９３４号には、グロー電球を備えた高圧放電灯が示されている。グロー電球は、一方側から、内部に放電室を有する発光ユニットと、発光ユニットを通過するように取り付けられた１組の封止ユニットと、発光ユニットの放電室内に配置された１組の電極とから成る。ここで、アーク放電管の特定領域の周囲導体の一部は、一方の封止ユニットにほぼ螺旋状に巻き回されており、周囲導体の残部は、アーク放電管のうち、他方の封止ユニットの側で電極に電気的に接続された外側部分を超えて突出している。周波数１ｋＨｚから１ＭＨｚの高周波電圧が放電開始前に当該高圧放電灯へ印加される場合、８ｋＶまでのブレークダウン電圧を制御することができる。

国際公開第２００６／０６４４０８号には、ガス放電灯用の高周波ランプ回路が示されている。当該ランプ回路は、交流電圧を供給するための交流電圧源の直列回路を有しており、この直列回路は、高いランプ動作周波数を有し、点灯回路インダクタ、コンデンサ、ガス放電灯を接続するための端子、および、この端子に接続された、ランプ点弧のための点弧回路を含む。コンデンサはランプ動作周波数の低いインピーダンスを表す値を有する。点弧回路はインピーダンスの直列回路と高い直流電圧を供給するための直流電圧源とを含む。点弧回路の直列インピーダンスは、連続高電圧動作中および持続動作中のランプのインピーダンスに関して高い値を有する。

したがって、本発明の課題は、従来技術の少なくとも１つの欠点を少なくとも低減し、特に、ガス放電灯の点弧手段を簡単かつ低コストに実現することである。

この課題は、独立請求項に記載された特徴によって解決される。特に、有利な実施形態は、従属請求項から得られる。

上記課題は、ガス放電灯の駆動方法において、ガス放電灯に、放電管と、この放電管の中空室内へ突出した２つの電極と、少なくとも１つの点弧補助素子とを設け、２つの電極に、ガス放電灯の点弧期間中、高周波交流電圧が重畳された直流電圧を印加することにより、解決される。

こうした構成により、点弧パルスを用いることに比べて、必要な点弧電圧をいちじるしく低減することができる。また、直流電圧と、高周波点弧で用いられるよりも小さい振幅の高周波交流電圧との組み合わせが実現され、これにより、点灯回路、特に電子点灯装置ＥＶＧを、簡単かつ低コストに利用できる。さらに、ソケット、線路などの組み込み部品のうち、電圧のかかる部分のイオン化をわずかにできるという利点が得られる。こうして、相応の部品の電圧耐性を、高周波点弧の場合よりも低く選定することができるようになる。必要な点弧電圧の低減に加え、ランプごとないし点弧ごとのばらつきが低減されるという利点も得られる。

容量性点弧補助手段は、放電管内へ突出する少なくとも１つの電極に作用する。

高周波交流電圧に重畳される直流電圧の印加（供給）は電極のみに行われる。

直流電圧の値は勾配を有しており、特に、時間の経過につれて、近似に線形に増大するように構成されている。

これに代えて、直流電圧を例えば所望の電圧レベルで直接に印加することもできる。

直流電圧の勾配は、約１ｓ以内、特には約５００ｍｓ以内で掃引される。

別の実施形態では、直流電圧は、最大８ｋＶ、特には最大７ｋＶの電圧レベルへ調整される。

別の実施形態では、高周波交流電圧は、３ｋＶから６ｋＶまで、特には４ｋＶから５ｋＶまでのピーク振幅を有する。

別の実施形態では、高周波交流電圧は約１００ｋＨｚから約４ＭＨｚまでの周波数、特に約１００ｋＨｚから約４００ｋＨｚまでの周波数もしくは約１５０ｋＨｚから約３００ｋＨｚまでの周波数を有する。これにより、高周波部品の構造が簡単化され、安価な部品を使用できるようになる。これに代えて、高周波交流電圧が例えば約１ＭＨｚの周波数、特に、約１ＭＨｚから約４ＭＨｚの周波数を有するようにしてもよい。このようにすると、エネルギ入力の効率が向上する。

別の実施形態では、放電管は水銀フリーの充填物を有する。つまり、本発明のガス放電灯は水銀フリー放電灯である。

少なくとも１つの容量性点弧補助手段は、例えば、点弧補助層、点弧補助ワイヤ、コーティング封止部、フィードバック線、放電管の周に配置されるリフレクタなどを含む。

少なくとも１つの点弧補助手段は２つのランプコンタクトの一方に結合されるかまたは電流接続なしで（すなわち電位的浮遊状態で）２つのランプコンタクトの一方に取り付けられる。

別の実施形態では、高周波交流電圧の成分は放電灯の定常動作への移行に必要な点弧電圧以上の値である。

さらに、上記課題は、少なくとも１つのガス放電灯と、このガス放電灯を駆動する制御装置とを含むガス放電灯装置において、ガス放電灯は、放電管と、この放電管の中空室内へ突出した２つの電極と、少なくとも１つの点弧補助素子とを備え、２つの電極に、各ガス放電灯の点弧期間中、高周波交流電圧が重畳された直流電圧が印加されることにより、解決される。

以下に、本発明を、図示の実施例に則して詳細に説明する。図中、わかりやすくするため、同じ素子ないし同様の機能を有する素子には同じ参照番号を付してある。

容量性点弧補助手段を備えた放電灯を示す図である。 図１の放電灯に印加される負の電圧［縦軸］と時間［横軸］との関係を示したグラフである。 同等の放電灯群［縦軸］に対して各放電灯の点弧に必要な点弧電圧［ｋＶ，横軸］の頻度分布を示したグラフである。

図１には、放電管２を備えたガス放電灯１が示されており、この放電管２では、中空室３内に２つの電極４ａ，４ｂが突出しており、かつ、中空室３内に水銀フリーの蒸気ガスが充填されている。放電管２の外面には容量性点弧補助素子（容量性点弧補助手段）５が設けられている。容量性点弧補助素子５は、ここでは、電極４ａ，４ｂのそれぞれに対して、高周波交流電圧の半波ごとに充放電されるコンデンサを形成する。これにより、中空室３に交流電場が形成され、中空室３内に存在するガス原子もしくはガス分子によって誘電妨害形放電が誘起される。この誘電妨害形放電は、ガス放電灯１の電極４ａ，４ｂによる完全な点弧のための電荷担体を形成する。

点弧補助素子５は、少なくとも１つの点弧補助層、点弧補助ワイヤ、コーティング封止部、フィードバック線などを含む。点弧補助素子５は基本的には２つの電極４ａ，４ｂとともにまたは一方のみの電極とともにコンデンサを形成する。なお、２つの点弧補助素子５が各電極４ａ，４ｂとともにコンデンサを形成してもよい。

点弧は電子点灯回路６によって制御される。電子点灯回路６は、ガス放電灯１を点呼するために、２つの電極４ａ，４ｂに、直流電圧と高周波交流電圧（ＨＦ電圧）とが組み合わさった電圧を印加する。このことを図２に即して詳細に説明する。

図２には、電子点灯回路６によって放電灯１の電極４ａ，４ｂに直流電圧と高周波交流電圧とが組み合わさった形態の電圧Ｕが印加される様子が示されている。ここで、縦軸ないしＹ軸には直流電圧が負の値［ｋＶ］で、高周波交流電圧が正の値［ｋＶ］で示されており、横軸ないしＸ軸には時間［ｔ］が示されている。

おおよそｔ＝１００ｍｓの時点で、電子点灯回路６は純粋な高周波交流電圧を形成する。これは、ピーク振幅ないしピーク電圧（ピーク‐ツー‐ピーク電圧）Ｕ_Ｓであって、約４．５ｋＶ、周波数約１８０ｋＨｚを有する。ｔ＝１００ｍｓの時点から、高周波交流電圧には直流電圧が重畳される（もしくは直流電圧に高周波交流電圧が重畳される）。ここで、直流電圧は、約ｔ＝５００ｍｓまでに、約−６．５ｋＶへ高められる。このことは、約１６Ｖ／ｍｓの勾配を有するほぼ線形の傾きに対応する。

驚くべきことに、直流電圧に高周波交流電圧が重畳されることによって、点弧電圧Ｕ_Ｚがいちじるしく低減されることが判明した。なぜなら、容量性点弧補助素子５を介して大きなエネルギが放電管２のガス中に導入されるものの、直流電圧によって、純粋な高周波交流電圧による点弧の場合よりも高周波交流電圧の低い振幅が必要とされるからである。

図３には、Ｎ個の同じ放電灯について、それぞれの放電灯の点弧に必要な電圧Ｕ_Ｚ、特に、点弧パルスＰによる点弧に必要な電圧、および、直流電圧と高周波交流電圧との組み合わさった電圧Ｋによる点弧に必要な電圧の頻度分布のグラフが示されている。ここでは、放電灯の個数が縦軸に、電圧［ｋＶ］が横軸に示されている。パルス点弧の場合、放電灯のブレークダウン電圧もしくは点弧電圧は、点弧パルスＰの第１の立ち上がりエッジでの点弧の際に生じている。点弧パルスＰの第１の立ち上がりエッジ以外の点弧（例えば立ち下がりエッジでの点弧もしくは次の半波中の点弧）は、約１８．５ｋＶでの分布途絶として点線で示されている。

たいていの放電灯１について、パルス状の点弧パルスＰでは、定常動作へ移行するまでの点弧電圧が約１５ｋＶの箇所に分布最大値を示すのに対して、直流電圧と高周波交流電圧とが組み合わさった電圧Ｋでは、約９ｋＶから約１０ｋＶのあいだの分布最大値を示す。また、分布のばらつきないし標準偏差は電圧Ｋによる点弧のほうがパルスＰによる点弧よりも狭い。これにより、点灯回路の構造が簡単化され、コストを低く抑えることができる。

なお、本発明は図示の実施例に限定されるものではない。

１ ガス放電灯、 ２ 放電管、 ３ 中空室、 ４ａ，４ｂ 電極、 ５ 点弧補助素子、 ６ 点灯回路、 Ｋ 直流電圧と高周波交流電圧とを組み合わせた電圧、 Ｐ 点弧パルス、 Ｎ 放電灯の数、 ｔ 時間、 Ｕ 電圧、 Ｕ_Ｓ ピーク電圧、 Ｕ_Ｚ 点弧電圧

Claims (8)

1. ガス放電灯（１）の駆動方法であって、
   前記ガス放電灯（１）は、放電管（２）と、該放電管の中空室（３）内へ突出した２つの電極（４ａ，４ｂ）と、少なくとも１つの容量性点弧補助素子（５）とを備え、
   前記２つの電極（４ａ，４ｂ）に、前記ガス放電灯（１）の点弧期間中、高周波交流電圧が重畳された直流電圧を印加するものであり、
   前記直流電圧の値は時間の経過につれて傾斜的に増大し、
   前記傾斜的に増大する直流電圧は、最大で１ｓ内で掃引され、
   前記直流電圧は、最大８ｋＶの値の電圧レベルまで調整され、
   前記高周波交流電圧は、１５０ｋＨｚから４ＭＨｚまでの周波数を有し、かつ、３ｋＶから６ｋＶまでのピーク振幅を有する、
   ことを特徴とするガス放電灯の駆動方法。
2. 前記高周波交流電圧が重畳された直流電圧は前記少なくとも１つの容量性点弧補助素子（５）に印加され、前記高周波交流電圧の基準点は前記２つの電極（４ａ，４ｂ）のうち一方に接続される、請求項１記載のガス放電灯の駆動方法。
3. 前記放電管（２）は水銀フリーの充填物を有する、請求項１または２記載のガス放電灯の駆動方法。
4. 前記高周波交流電圧の成分は前記ガス放電灯（１）の定常動作への移行に必要な点弧電圧以上の値である、請求項１から３までのいずれか１項記載のガス放電灯の駆動方法。
5. 少なくとも１つのガス放電灯（１）と、該少なくとも１つのガス放電灯（１）を駆動する制御装置（６）とを含む、
   ガス放電灯装置であって、
   前記少なくとも１つのガス放電灯（１）は、放電管（２）と、該放電管の中空室（３）内へ突出した２つの電極（４ａ，４ｂ）と、少なくとも１つの容量性点弧補助素子（５）とを備え、
   前記制御装置（６）は、前記２つの電極（４ａ，４ｂ）に、各ガス放電灯（１）の点弧期間中、高周波交流電圧が重畳された直流電圧が印加されるように構成されており、
   前記直流電圧の値は時間の経過につれて傾斜的に増大し、
   前記傾斜的に増大する直流電圧は、最大で１ｓ内で掃引され、
   前記直流電圧は、最大８ｋＶの値の電圧レベルまで調整され、
   前記高周波交流電圧は、１５０ｋＨｚから４ＭＨｚまでの周波数を有し、かつ、３ｋＶから６ｋＶまでのピーク振幅を有する、
   ことを特徴とするガス放電灯装置。
6. 前記少なくとも１つの容量性点弧補助素子（５）は前記放電管（２）の外面に設置され、前記容量性点弧補助素子（５）と前記２つの電極との間にコンデンサを形成する、請求項５記載のガス放電灯装置。
7. 前記高周波交流電圧は、前記コンデンサを介して充放電される、請求項６記載のガス放電灯装置。
8. 前記高周波交流電圧の成分は前記ガス放電灯装置（１）の定常動作への移行に必要な点弧電圧以上の値である、請求項５から７までのいずれか１項記載のガス放電灯装置。

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