JP6389892B2 - 放電結合アクティブアンテナを有する電気ガス放電ランプ - Google Patents

Description

本発明は、外部バルブ内に配置される内部バルブを有する電気ガス放電ランプに関連し、内部バルブは、放電ガスで満たされ、第1電極と第1電極から或る距離を隔てた対向する第2電極とを有し、その距離は、電極間にイグニッション電圧を印加することにより内部バルブ内でガス放電の点火を可能にするものである。

そのような構成は、自動車用途のための高輝度放電(high-intensity discharge：HID)ランプの実現を許容し、その内部バルブは高圧の放電ガスで満たされる。高い圧力は、点火(イグニッション)の後の僅かな短い遅延と共にランプから強い強度の光が放出されることを許容し、これは自動車の分野で必要とされる。内部バルブ内の放電ガスの高い圧力に起因して、自動車HIDランプは、動作の数秒後に既に十分な光束を保証するために、容易なことではない20kVのオーダーの高いイグニッション電圧を必要とする。このことは、特に、自動車HIDランプに当てはまる。しかしながら、高いイグニッション電圧は、複雑で高価なイグニッション回路を必要とする。

HIDランプ及び特に自動車HIDランプのイグニッション電圧を下げるための幾つかの方法が知られており、それらの方法は3つの基本方法を含むように考えることができる。第1の既存の方法は、速やかなイグニッションパルスの間に一時的に形成される誘電体バリア放電(dielectric-barrier discharge：DBD)を外部バルブ充填ガス内で生成し、内部バルブ内でのメイン放電を、より低い電圧で点火することを促すものである。点火の際に、DBDが、ランプのイグニッションの間に内部バルブの両側の電極端部間に形成される。DBDの過渡的なプラズマは、内部バルブ内の電場を増進しかつイグニッションを支援する電場を生成する。DBDを形成するには、外部バルブ内のガス(気体)の圧力の正確な調整を必要とする。

第2の方法は、内部バルブ外側の導電性コーディング又はワイヤのような導電性部材により形成されるパッシブアンテナを利用することである。「パッシブ(passive)」という用語は、アンテナがフローティング電位にあることを意味し、すなわち内部バルブの電極に接触する2つの導電性リードの何れにも接続されてないことを意味する。コーティングは、光学的に透明な材料で形成され、電極に接触する導電性リードに容量的に結合される。速やかなイグニッションパルスの間に、このパッシブアンテナによる支持電場(supporting electrical field)が生成され、パッシブアンテナは、内部バルブの電界強度を増やし、イグニッションを支援する。DBDとの組み合わせでパッシブアンテナを利用することにより双方の手段を組み合わせることも知られている。

WO2008/007284(A2)は、外部バルブの充填ガス内でDBDを生成することにより、HIDランプのイグニッション電圧を下げる方法を開示しており、容量的にだけでなく、内部バルブの電極へ直接的に、2つの導電性リードのうち一方を接触させることが許容される。これは、外部バルブの中で導電性リードのフィードスルーの何れかの中に小さな薄いスルーホール又はチャネルを機械加工することにより達成される。そして、過渡的なDBDは、スルーホールを介して対応するリードにつながることが可能になる。

HIDランプのイグニッション電圧を下げる第3の方法は、アクティブアンテナを利用することである。「アクティブ(active)」という用語は、アンテナが、内部バルブの電極に接触する導電性リードのうちの何れかに直接的に(電気的に(galvanically))接続されることを意味する。そのようなアクティブアンテナを利用することは、上記の第1及び第2の方法以上に効果的である。そのようなアクティブアンテナを実現する可能性の1つは、対向する電極付近まで伸びるリードの一方にワイヤを接続することである。このようにして、大きな電場が対向する電極付近に形成され、イグニッション電圧が下げられる。アクティブアンテナは、外部バルブの外側で導電性リードに接続される。しかしながら、そのような構造は実際に構築することが非常に困難であり、その理由は、外部バルブに関する追加的なフィードスルーを含む多くの追加的な製造工程を必要とするからである。

WO2008/007283(A2)は、外部バルブの内側の内部バルブの電極への導電性リードのうちの一方に接続されるアクティブアンテナを有するHIDランプを開示する。この目的のため、外部バルブ内の対応する導電性リードに関し、フィードスルー内に、小さなスルーホールが形成される。そして、アクティブアンテナは導電性コーティングにより形成され、導電性コーティングは、スルーホールまで伸び、導電性リードに直接的に(電気的に)接触するためにスルーホールを満たす。しかしながら、この解決手段は、製造プロセスの最中に電気的なコーティングを行うこと等のような追加的な労力を必要とする。

US 2012/0169224(A1)は、第1及び第2端部プラグと外部電気アンテナとを有するセラミック放電管を伴うHIDランプを開示する。端部プラグ開口は、シーリングガラスで密閉される。シーリングガラスは導電性である。外部電気アンテナは、セラミック放電管の外部表面の少なくとも一部分、及び、端部プラグの一方の外部表面の少なくとも一部分を超えて伸びる。端部プラグは、電流リードスルー導体を包囲する。アンテナは、電流リードスルー導体と物理的に接触していないが；導電性シーリングガラスを介した電気的接触が存在する。

本発明の課題は、低減されたイグニッション電圧を有し、簡易な方法で製造されることが可能な上記の種類の電気ガス放電ランプを提供することである。

この課題は、請求項1に関する電気ガス放電ランプにより達成される。ランプの有利な形態は、従属請求項の発明特定事項に関連し、すなわち、本明細書の以降の部分及び好適な形態において説明される。

提案される電気ガス放電ランプ、特に、自動車HIDランプは、内部バルブ及び外部バルブにより形成され、内部バルブは外部バルブの中に配置され、内部バルブは、放電ガスで満たされ、第1電極と第1電極から或る距離を隔てた対向する第2電極とを有し、双方の電極間にイグニッション電圧を印加することにより、内部バルブにおけるガス放電のイグニッションを可能にする。内部及び外部バルブは、放電により放出される所望の放射に対して光学的に透明である適切な材料により形成される。典型的には、内部及び外部バルブは、ガラス材料、特に石英ガラス(quartz glass)により形成される。内部バルブを高い圧力の放電ガスで充填するため、内部バルブは、2つの電極と一緒に、気密性高く適切に密閉される。第1電極は、内部バルブの第1の側で第1電気絶縁フィードスルーの中を伸びて外部バルブを貫通する第1導電性リードにより電気的に接続される。同様に、第2電極は、内部バルブの第2の側で第2電気絶縁フィードスルーの中を伸びて外部バルブを貫通する第2導電性リードにより電気的に接触される。電極に接触させるように導電性リード支えるこれらのフィードスルーも、好ましくは内部バルブのガラス材料から形成され、内部バルブと一緒に1つの単独の製造工程で形成されてもよい。しかしながら、例えばチューブ状(管状)の形状を有するこれらのフィードスルーは、内部バルブとは別の材料で形成されかつ内部バルブに気密性高く接続されてもよい。内部バルブの電極に接する導電性リードは、これらのフィードスルーを介して、外部バルブの外側に案内され、必要なイグニッション電圧及び動作電流を印加するために、ランプに電気的に接触することを可能にする。外部バルブは第2ガスで満たされ、好ましくは大気圧より低い圧力の状態にあり、好ましくは10ないし500hPaの範囲内にある。外部バルブに対して適切な充填ガスは、例えば、キセノン、クリプトン、アルゴン及びネオン等である。外部バルブは、例えば空気のような他のガス又は混合ガスで満たされてもよい。内部バルブの放電ガスは、例えばキセノンガスのような不活性ガス(inert gas)である。内部バルブは、他の不活性ガス、或いは、必要に応じて、不活性ガス、金属ハロゲン、水銀などの混合ガスで満たされてもよい。

提案される電気ガス放電ランプにおいては、少なくとも1つのスルーホール又はチャネルが、第1フィードスルーの中で第1導電性リードまで形成される。導電性部材が、スルーホールに近い場所から、第2電極から或る距離までの、内部バルブと外部バルブとの間に形成される空間内に伸び、或る距離は2つの電極間の距離より短い。スルーホールに近い導電性部材の場所は、電極間にイグニッション電圧を印加する場合に、第2ガスのイオン化により、導電性部材と第1導電性リードとの間で、スルーホールを介して導電性経路が一時的に形成されるようになっている。スルーホール及び従って一時的な導電性経路が、高電圧が印加されるリード、又は、イグニッションパルスの最中に接地電位近辺にあるリードに形成されるか否かは、重要でない。

電気ガス放電ランプのこの構成により、導電性部材は、第2ガスのイオン化により形成される導電性経路により、導電性リードに電気的に接触することで、ランプのイグニッションの間でのみアクティブアンテナを形成する。この文脈において、導電性部材の場所がスルーホールに「近い」という特徴は、導電性部材が、イオン化された第2ガスにより所望の接触を達成できる程度に十分にスルーホールの近くに配置されなければならないことを意味する。従って、その位置は、ガスの種類及び外部バルブ内の第2ガスのガス圧力に依存し、様々な圧力及びガスに応じて異なってよい。

導電性部材は、ワイヤのような自律的な要素、或いは、内部バルブの外部表面に塗布される要素(例えば、電気的に導電性のあるコーティング又は部分的なコーディング)であってもよい。この導電性部材は、第2電極に対して或る距離を有するように内部バルブの第2の側の方に向かって伸び、或る距離は、内部バルブの中の2つの電極間の距離より短い。この小さな距離に起因して、イグニッションの最中に第2電極付近で大きな電場が達成され、そのような導電性部材を有しない構造と比較して、低減されたイグニッション電圧をもたらす。イグニッション電圧の低減は、導電性部材と第2電極との間の距離に応じてスケーリングされ、すなわち、より小さな距離は、イグニッション電圧をよりいっそう大きく削減する結果となる。従って、導電性部材は、第2フィードスルーの方に向かって内部バルブ全体を超えて伸びることが好ましい。

提案される電気ガス放電ランプは、自動車HIDランプ及び他のタイプのランプのイグニッション電圧の低減を可能にし、及び、簡易な方法で製造されてもよく、その理由は、アンテナを形成する導電性部材と、製造工程中に構築されなければならない導電性リードとの間に直接的な電気接触を要しないからである。その製造は、内部バルブと外部バルブとの間の隙間に導電性部材を形成することしか必要とせず、例えば、内部バルブの外側に導電性コーティング又は部分的なコーティングを単に塗布し、対応するフィードスルーにおいて小さなスルーホールの機械加工をすることによりなされてもよい。従来技術の既知の手段とは異なり、スルーホールの効果は、外部バルブ充填におけるDBDを強化せず、導電性部材により形成される本来的にパッシブなアンテナの、対応するリードへの一時的な導電性接続を許容し、アンテナを一時的にアクティブにする。驚くべきことに、これは、真のアクティブアンテナをリードに直接的に接続したのと同程度に強く、イグニッション電圧を低減することが発見された。外部バルブの充填ガス(すなわち、第2ガス)は、好ましくは、大気圧よりかなり低い圧力、通常のDBDに関するように、すなわち10-500hPaを有するべきである。しかしながら、スルーホール放電のパフォーマンスは、従来方法の体積DBDのように圧力に顕著には依存しない。言い換えれば、ほぼ任意の充填ガスが任意の低い圧力で使用可能になる。

提案される電気放電ガスランプの導電性リードは、好ましくは、金属ホイル(特に、当該技術分野で知られているようなモリブデン箔)により形成される少なくとも1つのセクションを有する。スルーホールは、好ましくは、そのホイルの小さな部分を露出させるように金属ホイルの方に向かって形成され、その理由は、電極に又はリードの他の部分にホールを機械加工するような場合に、金属ホイルに至るホール(穴又は孔)は、内部バルブ又は外部バルブの気密性に影響しないからである。

好ましい形態において、アンテナを形成する導電性部材は、内部バルブの外部側面の光学的に透明なコーティング又は部分的なコーティングである。そのような導電性の光学的に透明なコーティングのための例示的な材料は、ドープされた酸化スズ(doped tin oxide)(例えば、ホウ素及び/又はリチウムがドープされた酸化スズ)である。そのような光学的に透明なコーティングを利用することは、製造工程中に、内部バルブ全体が関連するコーティング溶液の中に沈められ、コーティング材料で完全に被覆される、という利点を有する。これは、導電壊死部材を非常に簡易に作成することを許容する。

別の形態において、導電性部材は、不透明な導電性材料の部分的なコーティングにより形成されてもよい。この場合、外部バルブの外側表面は、光放出についての大きな影を回避するために、その材料で部分的にしかコーティングされない。この場合のアンテナは、例えば、ストライプ形状の金属コーティングにより形成されてよい。しかしながら、他の導電性材料を使用することも可能である。コーティングは、既存のコーティングプロセスにより適用されることが可能であり、例えば、(ペンキで)塗ること、スパッタリング、或いは、化学蒸着体積などが使用されてもよい。セラミックバルブの場合、アンテナを形成する導電性材料は、バルブの非焼結材料(unsintered material)及びバルブと共に焼結されたものに適用されてもよい。何れにせよ、アンテナは可能な限り僅かな光を吸収し、ランプの動作中に内部バルブの高温に耐えるように形成されなければならない。

提案される放電ランプの導電性部材を形成するコーティングの厚みは、好ましくは、50ないし200nmの範囲内にある。適用される材料の導電性に依存して、他の厚みも可能である。適用される導電性部材の電気抵抗値は、好ましくは、100kΩより低い。この抵抗値は、適用される材料とコーティングの厚みとの組み合わせによって達成されることが可能である。しかしながら、本発明はそのような抵抗値に限定されない。

提案されるガス放電ランプはHIDランプに使用されることが好ましく、その理由は、イグニッション電圧を低減する効果がそのタイプのランプにおいて非常に望ましいからである。提案されるランプは、例えば、自動車HIDランプ、特に所謂D5ランプに使用されてよいが、例えば投影システム用のランプのような他のタイプのガス放電ランプに使用されてもよい。

以下、提案される電気ガス放電ランプが、添付図面に関連する具体例により説明される。
図1は、従来技術によるHIDランプの概略断面図である。 図2は、提案されるガス放電ランプの例示的な形態についての概略断面図である。 図3は、図2の眺めに対して垂直な図2のガス放電ランプについての概略図である。 図4は、提案されるガス放電ランプの別の形態についての概略断面図である。 図5は、提案されるガス放電ランプの別の形態についての概略断面図である。 図6は、提案されるガス放電ランプとともに達成されるイグニッション電圧の低減を示す測定値の図である。

図1は、例えばWO2008/007283(A2)のような従来のHIDランプの例示的な形態の概略的な側断面図を示す。放電ランプは、外部バルブ(bulb)2の中に配置される内部バルブ1により形成される。双方ともバルブは、可視光波長領域で光学的に透明な石英ガラスにより形成される。内部バルブ1は互いに対して或る距離に配置される2つの電極3，4を有し、電極3，4の間にイグニッション電圧を印加することによりガス放電の点火を可能にする。電極3，4を伴う内部バルブ1と外部バルブ2とは、気密性高く密閉されている(gas-tightly sealed)。電極3，4は対応する導電性リード5，6により電気的に接触可能であり、導電性リード5，6は、適切なフィードスルー(feedthrough)7，8を介して、外部バルブ2の外側まで伸びる。導電性リード5，6は、当該技術分野で知られるようなモリブデン箔9により形成されるセクションを有する。内部バルブ1は高圧の不活性放電ガス及び金属ハロゲンで満たされ、外部バルブ2は第2ガスで満たされる。イグニッション電圧を低減させるため、アクティブアンテナが、内部バルブ1と外部バルブ2との間の空間に配置される。アンテナは、内部バルブ1の外部表面上で、導電性の光学的に透明なコーティング10で形成され、図示されているように、第1フィードスルー7から第2フィードスルー8へ伸びる。第1フィードスルー7の中に、導電性リード5のモリブデン箔9に至るスルーホール11が形成される。このスルーホール11は、コーティング10の導電性材料で満たされ、コーティング10とリード5との間の直接的な電気接続を達成し、ランプのイグニッション電圧を低減させるアクティブアンテナを形成する。

図2は、提案されるガス放電ランプの例示的な第1形態についての断面図を示す。提案されるガス放電ランプは、図1に示すものと同様な構成を有する。従って、対応する同じ要素(すなわち、バルブ、電極、リード及びフィードスルー)については、改めては説明しない。図1のランプとは異なり、提案されるランプのスルーホール11は、コーティングによっては満たされておらず、外部バルブの第2ガスによって満たされている。この形態では、アンテナは部分的な導電性コーティング10のみによって形成され、その導電性コーティングは、内部バルブの外部表面上の縞を形成し、かつ、スルーホール11からランプの第2フィードスルー8まで伸びる。従って、ランプの点灯前では、導電性コーティング10は、ランプの導電性リード5に電気的には接続されず、パッシブアンテナを形成するのみである。イグニッションパルスをランプに印加すると、コーティング10と第1の導電性リード5のモリブデン箔9との間の電気接続が、第2ガスのイオン化により、すなわち、スルーホール11における小さな放電12の生成により一時的に生成される。この放電12は図2で概略的にしか示されていない。この過渡的な(一時的な)電気接続により、本来的にはパッシブなアンテナがアクティブアンテナのように振る舞い、ランプのイグニッション電圧を効果的に下げる。

スルーホール11は、そのようなランプの技術分野で既に知られているようなレーザー機械加工により形成されてもよく、例えば僅か100μmのような小さな直径を有してもよい。図2から分かるように、アンテナを形成する導電性コーティング10と第2電極4との間の距離は、2つの電極3，4間の距離より短い。

図3は図2の側面視に対して垂直な視線から図2のランプを眺めた図を示す。この図では、アンテナコーティング10の例示的な幾何学的形状(すなわち、ストライプ形状)が、認められる。この図は、他の視線方向からのモリブデン箔9も示す。

アンテナを形成するコーティング10は、何れにせよ、第2電極4又は第2フィードスルー8まで伸びる必要はない。そのような形態は、図4の断面図に概略的に示される。この形態のアンテナは第2電極4に至るまでに、より長い距離を有するので、イグニッション電圧は、図2及び図3の例よりも小さな程度でしか低減されない。それでも、イグニッション電圧は、そのようなアンテナが無い構成と比較すれば依然として低くされる。

図5は、提案される放電ランプの一形態を示し、内部バルブ1は、放電ランプのアンテナを形成する光学的に透明な導電性コーティング10で完全に被覆(コーティング)されている。そのような完全なコーティング10は、製造工程の最中に、内部バルブ1を、関連するコーティング溶液の中に沈めることのみにより、非常に簡易な方法で塗布されることが可能である。

約1mmの線幅で非常に耐熱性の高い導電性塗料を用いて、アンテナのストライプを、内部バルブ1の外部表面上に印刷することにより、図2及び3に示されるランプが作成される。イグニッション電圧の低下が、そのようなランプに関して測定された。イグニッション電圧の低下は、図6の確率プロットにより、基準ランプとの比較において示されている。DBD及び小さなパッシブアンテナを有するD5製品による25Wランプの基準ランプの場合、イグニッション電圧は15ないし17.5kVの間で変動している。DBDを改善するためにスルーホールが追加されると、その変動は12kVないし16.5kVの間に収まる。平均値の明白な低減が存在しているが、不都合なことに、この測定値によれば、最大イグニッション電圧はさほど下がっていない。図2及び3によるHIDランプを利用する場合、イグニッション電圧は11kVないし13kVの間にしか無く、基準ランプと比較して劇的な改善である。

本発明は図面及び上記の記述により詳細に説明及び記述されてきたが、そのような説明及び記述は、例示的ないし具体例であり、限定ではないように考えられるべきである。本発明は開示される形態には限定されない。図面、明細書及び添付の特許請求の範囲を学ぶことにより、請求項に係る発明を実施する当業者にとって、開示された形態に対する他の変形も理解及び達成されることが可能である。特許請求の範囲において、「有する」という言葉は他の要素やステップを排除しておらず、「或る」又は「ある」のような不定冠詞的な語は、複数個存在することを排除していない。特許請求の範囲及び明細書における「第1」及び「第2」等の用語は、対応する要素を型に区別するだけのために使用されており、置換されることも可能である。所定の複数の事項が相互に異なる従属請求項で引用されているという事実それ自体は、それらの事項の組み合わせが有利に使用できないことを意味してはいない。少なくとも請求項1ないし8を含む各請求項の特徴は、互いに自由に組み合わせられることが可能である。請求項において何らかの参照記号が存在する場合、それらは本発明の範囲を限定するように解釈されるべきでない。

1 内部バルブ
2 外部バルブ
3 第1電極
4 第2電極
5 第1導電性リード
6 第2導電性リード
7 第1フィードスルー
8 第2フィードスルー
9 モリブデン箔
10 導電性コーティング
11 スルーホール
12 放電

Claims (11)

1. 内部バルブ及び外部バルブを有する電気ガス放電ランプであって：
   前記内部バルブは前記外部バルブの中に配置され、
   前記内部バルブは、放電ガスで満たされ、第１電極と前記第１電極から或る距離を隔てた対向する第２電極とを有し、電極間にイグニッション電圧を印加することにより、前記内部バルブにおけるガス放電のイグニッションを可能にし、
   前記第１電極は、前記内部バルブの第１の側で第１電気絶縁フィードスルーの中を伸びて前記外部バルブを通る第１導電性リードにより電気的に接触され、
   前記第２電極は、前記内部バルブの第２の側で第２電気絶縁フィードスルーの中を伸びて前記外部バルブを通る第２導電性リードにより電気的に接触され、
   前記外部バルブは第２ガスで満たされ、
   少なくとも１つのスルーホールが、前記の第１フィードスルーの中で前記第１導電性リードまで形成され、導電性部材が、少なくとも前記スルーホールに近い場所から、前記第２電極から或る距離までの、前記内部バルブと前記外部バルブとの間に形成される空間内に伸び、前記或る距離は前記の２つの電極間の距離より短く、
   前記スルーホールに近い前記導電性部材の前記場所は、前記のランプの点火の前に、前記導電性部材が前記第１導電性リードに電気的に接続されないように、及び、前記の電極間に前記イグニッション電圧を印加する場合に、前記第２ガスのイオン化により、前記導電性部材と前記第１導電性リードとの間に前記スルーホールを介して導電性経路が形成されるようになっている、電気ガス放電ランプ。
2. 前記第１導電性リードは、金属ホイルにより形成される部分を有し、前記スルーホールは前記金属ホイルまで伸びる、請求項１に記載の電気ガス放電ランプ。
3. 前記導電性部材は、前記スルーホールに近い場所から前記の第２フィードスルーまで伸びる、請求項１に記載の電気ガス放電ランプ。
4. 前記導電性部材は、前記内部バルブ上のコーティング又は部分的なコーティングにより形成される、請求項１に記載の電気ガス放電ランプ。
5. 前記導電性部材は、前記内部バルブ上のストライプ形状のコーティングにより形成される、請求項１に記載の電気ガス放電ランプ。
6. 前記導電性部材は、可視光波長範囲で光学的に透明な材料により形成される、請求項１に記載の電気ガス放電ランプ。
7. 前記内部バルブは、前記放電ガスに加えて金属ハロゲンを含む、請求項１に記載の電気ガス放電ランプ。
8. 前記外部バルブの前記第２ガスの圧力は、大気圧より低い、請求項１に記載の電気ガス放電ランプ。
9. 前記内部バルブは、石英ガラスにより形成される、請求項１に記載の電気ガス放電ランプ。
10. 前記内部バルブの前記放電ガスの圧力は、高圧放電ランプを形成するように選択される、請求項１に記載の電気ガス放電ランプ。
11. 自動車ＨＩＤランプとして使用されるように設計される請求項１に記載の電気ガス放電ランプ。

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