JP4112638B2 - 起動アンテナを有する短アーク放電ランプを具えるユニット - Google Patents

Description

本発明は、短アーク放電ランプと起動アンテナとを具えるユニットに関するものであり、前記短アーク放電ランプはイオン化できる充填物を有する半透明の気密ランプ容器を含んでおり、第一及び第二電極がそのランプ容器内に配設され、これらの二つの電極は、それぞれランプ容器の外側へ延在している電流導体へ接続されており、別の電流導体へ接続された起動アンテナがそのランプ容器の近くに配置されている。
短アーク放電ランプと起動アンテナとを具えているそのようなユニットは、米国特許明細書第4,053,809号から既知である。以降ランプと称する短アーク放電ランプは、電極間の距離が、そのランプ容器の最も広い外径の半分より小さい放電ランプを意味するものと理解されたい。短い放電アークにより、ランプから発生される光の正確なバンドリングが可能になる。これにより、ランプは例えば投射ランプ又は車のヘッドランプとして非常に適するものとなる。短アーク放電ランプは、ランプの点灯中に数十バールの程度及びそれ以上の非常に高圧になる充填物を有している。その高圧はスイッチオフの後に徐々に減少するに過ぎないため、ランプをその後まもなく再点弧するのが困難になる。既知のランプについて、ランプ容器は、中央部分とそれの二つの側の両方にある頚状端部とを有している。そのランプ容器のかたはらに、中央部分からある距離にその端部の一方を取り巻いて取り付けられた金属導体が延在している。その金属導体が接続されている別の電流導体が、こんどは電極の一方の電流導体へ接続されている。この金属導体は、ランプを再点弧するのに要する時間（再点弧時間）を短くするのに必要なもので、起動アンテナとして動作する。再点弧時間はより高い再点弧電圧が起動アンテナへ印加されるに従ってより短くなる。しかしながら、電圧が高すぎる場合には、その起動アンテナからランプ容器まで火花が生じるので、その起動アンテナ上の許容できる再点弧電圧は制限される。このような火花は、ランプ容器に損傷を生じランプの寿命を大幅に縮める。
再点弧時間の更なる低減を可能にし、且つ起動アンテナからランプ容器までの火花を回避する手段を提供することが、冒頭文節において定義された種類のユニットにおける本発明の目的である。本発明によると、冒頭文節において定義された種類のユニットにおいて、起動アンテナがイオン化できる充填物を有する気密のアンテナ容器を有し、且つ別の電流導体へ接続された別の電極を含んでいることを特徴としている。この別の電流導体が再点弧電圧を発生する場合、その別の電極がアンテナ容器のイオン化できる充填物にイオン化を起こさせる。アンテナ容器の充填物はその時導電性になるので、これが金属導体と同様に電界をランプ容器内に発生する。しかしながら、驚くべきことに、本発明によるユニットによって、起動アンテナからランプ容器までの火花無しに、大幅に高い再点弧電圧を起動アンテナに発生させうることがわかった。これが再点弧時間の更なる低減を可能にする。
磁気誘導によって、ランプ容器のイオン化できる充填物内の電気放電が点灯中維持される無電極ＨＩＤランプが米国特許明細書第5,248,918号から既知であることは注目される。電極がないために、冷状態でのそのようなランプは、電極を有する通常のランプより点弧するのが一般に困難である。この重要な原因は、その状態における無電極ランプのランプ容器内の自由電子の不足である。この無電極ランプの点弧を改善するために、イオン化できる媒体を含んでいる管がそのランプ容器へ取り付けられる。無電極ランプが点弧される場合、高電圧がその管の自由端で提供される。本発明による手段は、短アーク放電ランプが熱状態で再点弧される場合に特に効果的である。短アーク放電ランプの熱再点弧の際に自由電子の不足はいかなる作用も生じない。
更にその上、ランプ容器がイオン化できる充填物を含んでいるエンベロープ内に設けられている高圧ナトリウムランプが、米国特許明細書第3,828,214号から既知であることは注目される。別の電極がこのエンベロープの内側に配設されている。このランプについては、そのランプの電極間の距離がランプ容器の直径より大幅に大きい。電圧がこのランプへ印加された場合に、そのランプ容器を包み込むエンベロープ内の充填物はイオン化される。その結果、そのランプ容器内の充填物が加熱されるので、高圧ナトリウムランプの起動電圧が低下する。そのエンベロープ内のイオン化されたプラズマが、導電体として働くことがこの特許出願に述べられている。そのランプ容器の付近における導電体、例えば導電性ストリップが、点弧に際して橋絡されるべき距離を縮めるために、高圧ナトリウムランプにおいて用いられる。最初に容量性放電がその導電性ストリップと隣接する電極との間の比較的短い距離にわたって起こる。その後、ランプ容器内の放電がランプ容器内の電極間に拡張される。
本発明によるユニットの試験により、再点弧電圧が起動アンテナへ印加された後に、最初にランプ容器の壁の内側表面に沿った比較的長い経路にわたって初期放電があることを示された。続いて、この初期放電が電極間のアーク放電になる。
短アーク放電ランプにおいては、熱条件におけるイオン化できる充填物の密度が非常に高い。このことにより、放電を実現するように、ランプ容器内に存在する自由電子を充分に加速するのが困難になる。従って、短アーク放電ランプが実際に点弧された場合に、ランプ容器の温度が上昇して起動電圧が増大する。本発明によるユニットの好都合な実施例においては、ランプ容器がこの理由のためにアンテナ容器の外側に配設されている。それにより、アンテナ容器内の放電の結果としてランプ容器が加熱されることが実質的に回避される。
光学的損失を防止するために、アンテナ容器は、透光性材料、例えばサファイヤのような単結晶酸化金属や、例えば透光性気密酸化アルミニウム（ＤＧＡ）、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）若しくは酸化イットリウム（ＹＯＸ）のような多結晶酸化金属や、又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のような多結晶非酸化材料のようなセラミック材料から形成するのが好ましい。ガラス、例えば石英ガラスもまた透光性材料として適しており、起動アンテナの形状に比較的大きい自由度を与えると言う付加的な利点を有している。
本発明によるユニットにおいて、アンテナ容器において発生される放射線の性質と強度とは、より短い再点弧時間を達成するための最も重要な条件というわけではない。しかしながら、ランプが冷条件において点弧される場合に短い点弧時間を達成するためには、周囲光の無い状態で活性化された条件における起動アンテナが、好適には１９０〜２６０ｎｍの波長帯域内の紫外線を発生するのが有利である。例えば、起動アンテナが水銀及びアルゴンの充填物を有している。
アンテナ容器内に別の電極を設けて、ガス気密リードインを介して別の電流導体へ接続してもよい。但し、この別の電極をアンテナ容器の外側表面へ取り付ける例が製造するには容易である。この場合、ガス気密リードインは必要ではない。それに加えて、この場合、アンテナ容器の壁が、別の電極とアンテナ容器の内側の充填物との間のあらゆる化学的相互作用を防止するので、別の電極用の材料及び充填物の組成に関するに選択肢が増える。
起動アンテナ上に発生される再点弧電圧は、例えば、高周波数交流電圧であるが、リカレント脈動電圧であってもよい。
有利な実施例においては、本発明によるユニットは更に、電圧変換手段を有し、電流導体がこの電圧変換手段の入力端へ接続されており、別の電流導体がその電圧変換手段の関連する出力端子へ接続されていることを特徴としている。このユニットが電圧変換手段を含んでいるので、このユニットはランプの点弧に際して及びそのランプの正常点灯中の両方において、比較的低い電圧を供給すればよい電源へ接続することができる。それ故に、比較的安価な構成要素を電源に対して用いることができる。この電圧変換手段は、例えば磁化可能な材料のコアの周りに一次巻線と二次巻線とを有する例えば変圧器として構成される。或いは、電圧変換手段を螺旋線路（スパイラル・ライン）変圧器として構成してもよい。
この電圧変換手段は圧電変圧器により形成するのが好ましい。この種類の変圧器は、その共振周波数に近い周波数に対して、その共振周波数から離れた周波数よりも大幅に高い出力電圧を発生する。この方法においては変圧器の出力端の電圧を、ランプの電極に対する電圧に大きな影響を与えることなく変え得るので、変圧器とランプとが同じ電源へ接続された実施例において特に好都合である。
本発明によるユニットの魅力的な実施例は、ランプ容器が比較的広幅の中央部分有し且つその両側に頚状端部を有し、電極がランプ容器の中央部分内に配設されており、電流導体が関連する頚状端部を各々通って延在しており、且つ起動アンテナのアンテナ容器が、中央部分の近くの一方の端部を取り巻く管であることを特徴としている。この両側短アーク放電ランプは工業的規模での製造がかなり容易になる。
電極間の短い距離によって、この短アーク放電ランプは反射器を有するユニットに使用するのに、例えば投射目的に著しく適している。
好適には、このユニットは上述の両側短アーク放電ランプを含んでいる。そのようなユニットの実際の小型の実施例は、その反射器が、光軸、光反射窓及びこの窓に対向する別の窓を有する収束反射器であり、その反射器はランプ容器の中央部分を取り巻いており、そのランプ容器の頚状部分が光軸に沿って延在し、且つ起動アンテナにより取り巻かれた頚状端部が別の窓を通って外方へ延びていることを特徴としている。
本発明のこれらの態様が以下に記載される実施例から明らかになり、且つ本発明のその他の態様が以下に記載される実施例を参照して解明されるだろう。
図１は短アーク放電ランプ１と起動アンテナ２とを具えているユニットを示している。この短アーク放電ランプはイオン化できる充填物を有する透光性気密ランプ容器１０を具えている。この例では、その充填物は、１種以上の希ガス、ここでは９．９８ｋＰａ（１００ｍｂａｒ）の充填圧力のアルゴンと、少なくとも０．２ｍｇ／ｍｍ³の水銀と、例えばここでは水銀臭化物の形態の１０^-6〜１０^-4ｍｏｌ／ｍｍ³の１種以上のハロゲンＣｌ，Ｂｒ，Ｉとを含んでいる。図１におけるランプ容器は石英ガラスで作られているが、異なるセラミック材料で作られてもよい。そのランプ容器１０内に、１ｍｍの相互離間距離ｄを有して、第一電極１１ａと第二電極１１ｂとが配置されている。ランプ容器１０は９ｍｍの最大外側直径Ｄを有している。従って、電極間の相互離間距離ｄは、本実施例においては、このランプ容器の最大外側直径Ｄの半分より小さい。２個の電極１１ａ，１１ｂがそれぞれそれ自身の電流導体１２ａ，１２ｂへ接続され、これら電流導体はランプ容器１０の外側へ延びている。ランプ容器１０の付近に、別の電流導体２４へ接続された起動アンテナ２が配設されている。
図１に示された実施例においては、その短アーク放電ランプのランプ容器１０は、比較的広幅の中央部分１０ｃと、その両側にある６．１ｍｍの外側直径を有する頚状端部１０ａ，１０ｂとを有している。電極１１ａ，１１ｂはランプ容器１０の中央部分１１ｃに配置されており、且つ電流導体１２ａ，１２ｂが各々関連する端部１０ａ，１０ｂを通って延びている。
起動アンテナ２が図２Ａ及び２Ｂにもっと詳細に示されている。これらの図では、このランプ容器１０の一部１０ａ，１０ｃも破線で示されている。この起動アンテナ２は、気密なアンテナ容器２０を有しており、このアンテナ容器２０は、ここでは９．９８ｋＰａの充填圧力のアルゴンにより形成されたイオン化できる充填物を含んでいる。もう一つの実施例においては、そのイオン化できる充填物は、例えば０．５ｍｇの水銀も含んでいる。更にこの起動アンテナ２は別の電流導体２４へ接続された別の電極２２を有している。この例では、起動アンテナ２はタングステンピンとして配設された内部電極２２を有している。そのピン２２は、モリブデンでできたストリップ状リードイン素子２３を介して、同様にモリブデンの別の電流導体２４へ接続されている。もう一つの実施例においては、タングステンピンは無く、リードイン素子の自由端が内部電極として働く。この起動アンテナ２のアンテナ容器２０は、ここでは０．４ｍｍの壁厚さを有する石英ガラス管である。その石英ガラス管は、２５ｍｍの長さと１．６ｍｍの内径とを有し、頚状端部１０ａに沿って延びている第一の比較的広い部分２１ａを有している。その石英ガラス管は、頚状端部１０ａを取り巻く第二の比較的狭い部分２１ｂを有して、その部分２１ｂは中央部分１０ｃの近くで０．６ｍｍの内径を有している。この場合には、第二部分２１ｂは端部１０ａの周りで３６０度の湾曲部を作っている。
図示の実施例においては、ランプ容器１０は、アンテナ容器２０の外側に配設されている。
図１に示されたユニットはその上反射器３０を有している。その反射器は、光軸３１、光放射窓３２及び、その光放射窓と対向する別の窓３３を有する集光反射器３０である。この例では、その反射器は放物線反射器である。反射器３０がランプ容器１０の中央部分１０ｃを取り囲んでいる。一方の端部１０ａがその反射器３０の別の窓３３を通って外側へ延びている。
そのユニットは更にその上電圧変換手段４０を具えている。電流導体１２ａ，１２ｂが各々、その電圧変換手段４０の関連する入力端４１ａ，４１ｂへ接続され、且つ別の電流導体２４がその電圧変換手段の出力端４２へ接続されている。その電圧変換手段４０はここでは、軟磁性材料のコア４９の周りに一次巻線４７と二次巻線４８とを有する誘導性に動作する変圧器として構成されている（図３参照）。
起動アンテナに加えられる再点弧電圧の関数として、本発明によるユニットの再点弧時間を試験した。この関係はまた、起動アンテナをＦｅ₇₀Ｃｒ₂₅Ａｌ₅（重量％）合金の固体導体として構成した本発明によらないユニットに対しても試験した。
本発明によらないユニットについては、起動電圧が５ｋＶを超えた場合に、起動アンテナからランプ容器への火花があった。このことは、実際上、本発明によらないランプに対して、４５秒よりも短い再点弧時間を実現することを一層困難にした。本発明によるユニットにおいて、起動アンテナ２０に対する再点弧電圧を８ｋＶピークの電圧とし、電極間の起動電圧を８００Ｖピークの電圧とした場合、３０秒の再点弧時間が実現された。起動アンテナ２０からランプ容器１０までの火花は生じなかった。別の電流導体２４から頚状端部１０ａまでの火花は、絶縁目的のために貼付されたセラミック材料を基礎とするキット２６により回避される。
図４Ａ及び４Ｂにおいて、図１，２Ａ及び２Ｂの構成要素と対応する構成要素は１００大きい参照符号を有している。これらの図４Ａ及び４Ｂは、本発明によるユニットの第二実施例における起動アンテナ１０２を示している。そこで破線は短アーク放電ランプ１０１のランプ容器１１０の部分１１０ａ，１１０ｃを示している。この実施例においては、起動アンテナ１０２のアンテナ容器１２０は、０．６ｍｍの内径及び０．４５ｍｍの壁厚を有する石英ガラス管で完全に作られている。電極１２２はここではアンテナ容器の外側表面へ取り付けられている。この例では、電極１２２は、金属管１２２ａとして構成されており、この金属管は、内側へ動く弾性指状体１２２ａ′によりアンテナ容器１２０の直線部分１２１ａの自由端１２１ａ′へ固定されている。バス１２２ａはアンテナ容器１２０内のイオン化できる充填物へ容量的に結合されている。更に良好な容量結合は、その自由端１２１ａ′が金属の、この場合には白金の被膜１２２ｂにより被覆することで得られる。
本発明による短アーク放電ランプと起動アンテナとを具えているユニットの第三実施例が図５に示されている。ここで図１の構成要素に対応する構成要素は、図１のものより２００大きい参照符号を有している。この実施例においては、起動アンテナのアンテナ容器２２０が、セラミック材料、この例では酸化アルミニウムの真直ぐな管として配設されている。アンテナ容器２２０がランプ容器２１０の端部２１０ａに対して横断的に配設されている。電圧変換手段２４０がここでは（図６に図式的に示された）圧電変圧器により形成されている。その圧電変圧器は、例えば、国際公開パンフレットWO98/15985の明細書の図１を参照して前述したように配設されている。この例における図６の素子２４３，２４４，２４５，２４６，２４３′，２４４′，及びＰＥＢは、上述した国際公開パンフレットの参照符号のそれぞれ１，２，３，ＥＬ１，１′，２′及びＰＥＢと対応している。
明らかに、これらの請求項の枠組み内において、多くの変形が可能である。例えば、本発明による短アーク放電ランプと反射器とを具えているユニットの変形例において、起動アンテナは、光放射窓の側に向けてランプ端部の近くに配設される。その変形例においては、別の電流導体が、例えばアンテナ容器から反射器まで放射的に延在し、電圧変換手段又は他の高電圧源まで反射器内の側方開口部を介して導かれる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明による短アーク放電ランプと起動アンテナとを具えているユニットであって、更に反射器と電圧変換手段とを有する当該ユニットの第一実施例を示す縦断面図である。
図２Ａは、第一実施例の起動アンテナをより詳細に示す縦断面図である。
図２Ｂは、図２Ａ中のII〜II線に沿った断面で起動アンテナを示す線図である。
図３は、図１に示されたユニットの電圧変換手段をより詳細に示す線図である。
図４Ａは、本発明によるユニットの第二実施例の点弧アンテナをより詳細に示す線図である。
図４Ｂは、図４ＡのIII〜III線に沿った断面で点弧アンテナを示す線図である。
図５は、本発明による短アーク放電ランプと起動アンテナとを具えているユニットであって、更に反射器と電圧変換手段とを有する当該ユニットの第三実施例を示す縦断面図である。
図６は、図５に示されたユニットの電圧変換手段をより詳細に示す線図である。

Claims (10)

1. 短アーク放電ランプと起動アンテナとを具えているユニットであって、
   前記短アーク放電ランプはイオン化できる充填物を有する透光性の気密ランプ容器を含んでおり、第一及び第二電極が前記ランプ容器内に配設されており、これら２つの電極は、それぞれランプ容器の外側へ延在している関連する電流導体へ接続されており、起動アンテナは前記ランプ容器の付近でその外部に配置され別の電流導体へ接続されているユニットにおいて、
   前記起動アンテナが、イオン化できる充填物を含んでいる気密のアンテナ容器を具え、且つ前記別の電流導体へ電気的に接続されると共に前記アンテナ容器内に配置された内部電極を有することを特徴とする短アーク放電ランプと起動アンテナとを具えるユニット。
2. 請求項１記載のユニットにおいて、
   前記ランプ容器が前記アンテナ容器の外側に配置されていることを特徴とする短アーク放電ランプと起動アンテナとを具えるユニット。
3. 請求項１又は２記載のユニットにおいて、
   前記アンテナ容器が透光性材料で作られていることを特徴とする短アーク放電ランプと起動アンテナとを具えるユニット。
4. 請求項１又は２記載のユニットにおいて、
   活性化された状態における前記起動アンテナが紫外線を発生することを特徴とする短アーク放電ランプと起動アンテナとを具えるユニット。
5. 請求項１又は２記載のユニットにおいて、
   前記別の電極が前記アンテナ容器の外側表面へ取り付けられていることを特徴とする短アーク放電ランプと起動アンテナとを具えるユニット。
6. 請求項１又は２記載のユニットにおいて、
   更に電圧変換手段を有し、前記電流導体は各々前記電圧変換手段の関連する入力端へ接続されており、且つ前記別の電流導体は前記電圧変換手段の出力端子へ接続されていることを特徴とする短アーク放電ランプと起動アンテナとを具えるユニット。
7. 請求項６記載のユニットにおいて、
   前記電圧変換手段が圧電変圧器により形成されていることを特徴とする短アーク放電ランプと起動アンテナとを具えるユニット。
8. 請求項１又は２記載のユニットにおいて、
   前記ランプ容器が比較的広幅の中央部分を有し、この中央部分の両側には、当該中央部分の内側に設けられた前記電極を有する頚状端部が配設されており、これら電流導体は関連する前記頚状端部を各々通って延在し、且つ前記起動アンテナのアンテナ容器は、前記中央部分の近くの前記頚状端部の一方を取り巻く管であることを特徴とする短アーク放電ランプと起動アンテナとを具えるユニット。
9. 請求項１又は２記載のユニットにおいて、
   更に反射器を有することを特徴とする短アーク放電ランプと起動アンテナとを具えるユニット。
10. 請求項８及び９記載のユニットにおいて、
    前記反射器が、光軸、光放射窓及びこの窓と対向する別の窓を有する収束反射器であり、前記反射器が前記ランプ容器の中央部分を取り巻いており、前記ランプ容器の頚状部分が前記光軸に沿って延在しており、且つ前記起動アンテナのアンテナ容器により取り巻かれた前記端部が、前記別の窓を通って外方に延びていることを特徴とする短アーク放電ランプと起動アンテナとを具えるユニット。

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