KR100417341B1 - 회전전계에의해동작되는무전극형고광도방전램프 - Google Patents

회전전계에의해동작되는무전극형고광도방전램프 Download PDF

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Abstract

본 발명의 무전극형 고광도방전램프는 고주파전자에너지에 의해 여기될 시 발광하는 충전물질이 충전된 램프캡슐과, 상기 램프캡슐에 고주파전자에너지를 무공진결합시키도록 상기 램프캡슐의 주위에 이격배치된 다수의 전계인가기와, 고주파출력을 공급하는 고주파발생원과, 상기 인가기들에의해 상기 램프캡슐에 인가된 전계가 상기 고주파발생원의 주파수에서 회전할 수 있게 상기 고주파발생원으로 부터 상기 인가기들에 고주파출력을 결합시키는 출력분할 및 위상반전기로 구성되는 것을 특징으로 한다. 램프외체상에 열점이 발생하는 경향을 감소시킬 수 있도록 인가된 고주파 에너지는 램프캡슐전체에 분포되게 된다. 바람직하게 4개의 나선형 결합기가 램프주위에 90°의 간격을 두고 이격배치된다. 인접하는 인가기들에 인가되는 고주파출력은 90°의 위상차를 갖는다.

Description

회전전계에 의해 동작되는 무전극형 고광도방전램프
본 발명은 무전극형 고광도방전램프에 관한 것으로, 특히 회전전계에 의해 램프를 동작시킴에 따라 동작중 램프외체상에의 열점발생경향을 감소시킬 수 있게 되어 있는 무전극형 고광도방전램프에 관한 것이다.
무전극형 고광도방전(HID)램프는 여러 가지가 이미 알려져 있다. 일반적으로, 무전극형 HID 램프는 휘발성 충전물질이 충전된 무전극형 램프캡슐을 포함하는데, 이 램프캡슐은 그에 고주파에너지를 결합시킬 수 있게 설계된 고정구에 장착된다. 상기 고주파에너지는 램프캡슐내에서 발광 플라즈마방전을 발생시키게 된다. 수십와트범위에서 동작하는 렘프캡슐에 마이크로웨이브파를 인가하는 기술에 관한 최근의 진전은 Lapatovich 일행에게 1991년 10월 3일자로 허여된 미합중국 특허 제 5,070,277 호와, Lapatovich 일행에게 1992년 7월 4일자로 허여된 미합중국 특허 제 5,130,612 호와, Lapatovich 일행에게 1993년 8월 31일자로 허여된 미합중국 특허 제 5,241,246 호와, Butler 일행에게 1992년 9월 1일자로 허여된 미합중국 특허 제 5,144,206 호에 기재되어 있으며, 따라서, 컴팩트한 무전극형 HID 램프 및 관련 전계인가기들도 실용화되어 있다.
이들 특허에는 180°의 위상반전을 이루는 램프양단에 고주파에너지가 결합되게 구성된 작은 원통형의 램프캡슐에 관해 기재되어 있다. 인가되는 전계는 호형의 튜브축과 동일선상에 존재하며, 램프캡슐내에서 대체로 선형의 방전을 발생시킨다. 이 공지의 램프는 아주 만족스러운 성능을 가지고 있으며, 램프캡슐의 단부들에서 고주파출력 (그리고 전계)이 집중됨에 따라 전계인가기들의 부근에서 열점들이 발생하여 잠재적인 결함의 문제점이 있다.
Anderson에게 1989년 2월 7일자로 허여된 미합중국 특허 제 4,803,404 호와, Witting에게 1990년 11월 20일자로 허여된 미합중국 특허 제 4,972,120 호와, Wood에게 1989년 12월 12일자로 허여된 미합중국 특허 제 4,887,008 호에는 다른 기하학적 형상을 갖는 램프들이 기재되어 있다. 이 특허들은 비교적 큰 칫수를 갖는 비교적 높은 출력장치들에 관해 기재하고 있다. 또한, 이 공지된 램프에는 캐피시터결합에 의해서가 아니라 자기유도에 의해서 전원이 결합되게 되어 있다.
Simpson일행에게 1993년 7월 13일자로 허여된 미합중국 특허 제 5,227,698 호에는 일정한 타원율의 회전전계에 의해 동작되는 마이크로웨이브램프가 기재되어 있는데, 이에 있어서는 무전극형 램프가 고체금속부와 망부를 가지고 있는 공진공동내에 장착되게 된다. 상기 공진공동내에 슬롯을 통해 마이크로웨이브에너지가 결합되어 회전전계를 발생시키게 된다. 마이크로웨이브에너지를 그의 발생원으로부터 공진공동의 슬롯에 결합시키기 위해서는 도파관들이 사용된다. 이 공지된 램프는 비교적 대형이며 가격도 비싸다. 또한 마이크로웨이브에너지를 공진공동에 위치된 램프에 결합시키기 위해서는 램프를 광학적으로 불투명한 금속구조내에 배치시키는 것이 필요하다. 그러나, 이러한 형태의 구조로부터 빛을 결합시키는 것은 비효율적이다.
Lynch 일행에게 1990년 12월 4일자로 허여된 미합중국 특허 제 4,975,625 호에는 냉각을 용이하게 하기 위해 램프캡슐이 공진공동내의 압축공기류내에서 회전하게 구성되어 있는 무전극형 램프가 기재되어 있다. 그러나, 이러한 구조는 램프캡슐을 회전시키기 위한 모터가 필요하고 강제적인 공기냉각이 요구된다는 점에서 단점을 가지고 있다. 또한, 먼지입자에 의한 램프의 마모를 방지하고 램프의 조기 고장을 방지하기 위해서는 냉각공기의 여과가 필요하다. 이 외에도, Ury 일행에게 1985년 3월 12일자로 허여된 미합중국 특허 제 4,504,768 호와, Lynch 일행에게 1988년 6월 7일자로 허여된 미합중국 특허 제 4,749,915 호와, Lynch 일행에게1990년 9월 4일자로 허여된 미합중국 특허 제 4,954,755 호에도 무전극형 램프들이 기재되어 있다.
본 발명에 따르면, 고주파전자에너지에 의해 여기될 시 발광하는 충전물질이 충전된 램프캡슐과, 상기 램프캡슐에 고주파전자에너지를 무공진 결합시키도록 상기 램프캡슐의 주위에 이격배치된 다수의 전계인가기와, 고주파출력을 공급하는 고주파발생원과, 상기 인가기들에 의해 상기 램프캡슐에 인가된 전계가 상기 고주파발생원의 주파수에서 회전할 수 있게 상기 고주파발생원으로부터 상기 전계인가기들에 고주파출력을 결합시키는 출력분할 및 위상전이기로 구성되는 것을 특징으로 하는 무전극형 고광도방전램프가 제공된다. 램프외체상에 열점이 발생하는 경향을 감소시킬 수 있도록 인가된 고주파에너지는 램프캡슐전체에 분포되게 된다. 모터, 강제 공기냉각 및 공진 공동은 필요하지 않다.
바람직하게, 상기 전계인가기들은 램프캡슐을 통과하는 평면내에 위치되고 상기 램프캡슐주위에 동일한 간격을 두고 이격되어 있다. 본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 상기 다수의 전계인가기들은 상기 램프캡슐의 주위에 90°의 간격을 두고 위치되는 4개의 인가기로 구성되고, 상기 출력분할 및 위상전이기는 상기 인가기들중 상기 램프캡슐의 양측부상에 위치된 인가기에 고주파출력을 180°의 위상차를 두고 인가하고 상기 인가기들중 서로 인접하는 인가기에 고주파출력을 90°의 위상차를 두고 인가하는 수단을 구비한다. 결과적인 전계는 고주파발생원의 주파수에서 상기 인가기들의 평면내에서 회전하게 된다. 각각의 전계인가기는 나선형 결합기, 컵형 인가기, 루프형 인가기 또는 다른 적당한 형태의 인가기를 포함할 수있다.
본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 상기 출력분할 및 위상전이기는 각각 90°의 위상차를 갖고 진폭이 동일한 두 개의 출력을 갖는 제 1, 제 2 및 제 3 신호분할기를 포함하고, 상기 제 1 신호분할기는 상기 고주파 발생원에 접속되는 입력을 가지며, 상기 제 2 신호분할기는 상기 제 1 신호분할기의 일 출력에 접속되는 입력을 가지며, 상기 제 3 신호분할기는 상기 제 1 신호분할기의 타 출력에 접속되는 입력을 가진다. 상기 제 2 및 제 3 신호분할기들을 상기 제 1 신호분할기의 출력에 연결시키는 상기 전송라인들은 서로 다른 길이를 가지는데, 이 길이는 제 2 및 제 3 신호분할기에 대한 입력들이 180°의 위상차를 가질수 있도록 선택된다. 상기 제 2 및 제 3 신호분할기의 출력들은 상기 4개의 전계인가기에 각각 접속된다. 바람직하게, 상기 제 1 내지 제 3 신호분할기들은 각각 미세스트립전송라인으로서 형성되는 분기라인 직각혼성결합기를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 램프캡슐은 대체로 구형으로 되어 있고, 1 내지 12mm의 내경을 갖는다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 램프캡슐은 장구 또는 편원형태의 타원형상을 갖는다. 바람직하게, 상기 램프캡슐은 회전전계의 평면내에서 원형의 단면을 갖는다. 바람직하게, 상기 램프캡슐은 그 램프캡슐 내에서의 응축물분포를 제어하기 위한 내부볼록딤플을 구비하고 있다. 바람직하게, 충전물질은 불활성가스와 수은 또는 금속할로겐화물과 같은 휘발성물질을 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명한다.
제 1 도에는 본 발명에 따른 무전극형 고광도방전램프의 블록도가 도시되어 있는데, 무전극형 램프캡슐(10)은 고주파 전자에너지에 의해 여기될 시 발광하는 휘발성 충전물질을 구비하고 있다. 일례로, 램프캡슐(10)은 구형으로 되어 있고, 불활성 가스, 수은 및 금속할로겐화물이 충전되어 있다. 이 램프캡슐(10)에 대해서는 후술하겠다.
전계인가기(12)(14),(16),(18)들이 램프캡슐(10)의 주위에 서로 이격되어 있고 램프캡슐(10)에 근접한 상태로 배치되어 있는데, 이 전계인가기들은 램프캡슐(10)에 대한 고주파전자에너지의 비공진결합을 위해 사용된다. 바람직하게, 인가기(12),(14),(16),(18)들은 램프캡슐(10)의 중심에서 서로 교차하는 직교축선(17),(19)에 의해 정해지는 평면상에 위치하게 된다. 제 1 도에 도시된 실시예의 경우, 전계인가기(12),(14),(16),(18)들은 램프캡슐(10)의 중심을 중심으로하여 90°의 간격을 두고 이격되어 있다. 그리하여, 인가기(12),(14)는 램프캡슐(10)의 양측에서 축선(19)상에 위치하게 되며, 인가기(16),(18)는 램프캡슐(10)의 양측에서 축선(17)상에 위치하게 된다.
고주파발생원(20)에 의해 고주파출력이 출력분할 및 위상전이기(22)에 공급되는데, 이 출력분할 및 위상전이기(22)는 고주파발생원(20)의 주파수에서 출력을 전계인가기(12),(14),(16),(18)들에 인가한다. 인가기(12),(14),(16),(18)들에 인가되는 신호들의 각 위상 및 진폭은 그 인가기들에 의해 램프캡슐(10)에 인가되는 전계가 고주파전원(20)의 주파수에서 회전할 수 있게 하도록 선택된다. 특히, 출력분할 및 위상전이기(22)의 출력들은 동일한 진폭을 가지고 있으며,인가기(12),(14)에 인가되는 신호들은 180°의 위상차를 가지고 있다. 유사하게, 인가기(16),(18)에 인가되는 신호들도 180°의 위상차를 가지고 있다. 서로 인접하는 인가기들에 인가되는 신호들은 90°의 위상차를 가지고 있다.
고주파발생원(20)은 상당한 출력을 발생시킬 수만 있다면 어느 주파수에서 동작하여도 무방하다. 특히, 그의 동작주파수는 전형적으로 ISM 대역들중 하나에서 선택된다. 특히, 13.56MHz, 40.7MHz, 915MHz, 2450MHz, 5.86GHz, 24.125GHz, 61.25GHz, 122.5GHz, 245GHz주위에 맞춰진 주파수들이 적합하다.
전계인가기(12),(14),(16),(18), 출력분할 및 위상전이기(22) 그리고 고주파발생원(20)들을 포함하는 램프캡슐(10)의 구동시스템은 회전전계를 사용하여 램프캡슐(10)내에서 대체로 회전타원체형상의 방전을 유지시킨다. 상기 회전전계는 출력이 램프캡슐(10)내의 플라즈마에 표면평균적으로 입력될수 있게 해주며 이에 따라 램프외체상에서 발생하는 국부적인 가열효과를 감소시켜 준다. 이에 따라, 램프캡슐의 벽에서 열점을 발생시키게 하는 소위 "아아크부착"현상이 방지되게 된다. 램프캡슐을 변질시키는 반응이 일반적으로 온도에 가장 선형적으로 비례하기 때문에 본 발명은 이러한 반응을 감소시켜 램프캡슐의 수명을 연장시키고 램프를 고출력레벨에서 동작할 수 있게 해준다. 본 발명 램프의 또 다른 이점은 램프캡슐내에서 발생되는 구형플라즈마의 "점형"특성으로서, 이것은 투광분야에서 사용되는 광콜렉터에 결합시 유용한 것이다.
제 1 도의 무전극형 램프용으로 적합한 램프캡슐의 예들이 제 2 도 및 제 3 도에 도시되어 있다. 상술한 바와 같이, 인가기(12),(14),(16),(18)들은 바람직하게 램프캡슐(10)의 중심을 통과하는 여기평면(30)내에 위치하게 되어 있다. 제 2 도 및 제 3 도는 제 1 도에 도시된 인가기들의 평면(30)에 대해 수직으로 취한 단면도이다. 램프캡슐의 외체는 고주파출력을 대체로 감쇄시키지 않은 상태로 통과시키는 광투과물질로 제조된다. 이러한 램프외체물질로는 통상 수정으로 불리우는 유리질 실리카가 특히 바람직하다. 이 유리질실리카로는 여하한 등급의 것, 그러나 물이 배제된 등급의 것이면 어느 것이나 사용될 수 있다. 또한 합성용융실리카도 램프외체를 제조하는데 이용될 수 있다. 낮은 벽온도에서 방전이 이루어질 수 있다면, 램프외체를 알루미노실리케이트 유리 또는 보로실리케이트 유리와 같은 다른 유리물질로 제조하는 것도 가능하다. 일반적으로 램프외체는 구형의 형상을 가질 수 있으며, 또는 여기평면(30)에 대해 직교하는 단면이 장구 또는 편원형태의 타원형상을 가질 수 있다. 바람직하게, 램프외체는 여기평면(30)내에서 대체로 원형의 단면을 가지고 있다. 램프외체는 응축물분포를 제어하는데 조력할 수 있도록 내부용적내에 하나 또는 그 이상의 딤플(dimple)을 가질 수 있다. 응축물분포의 제어는 광출력에 대해 현저한 영향을 미치게 된다. 응축물이 딤플주위에 링의 형태로 형성되게 될 때 우수한 성능이 얻어지게 된다. 본 발명의 램프외체는 전계인가기(12),(14),(16),(18)들 사이에 형성된 여기틈새내에 램프외체를 지지하기 위한 수단을 가지고 있다. 이 지지수단은 램프외체에 부착된 관형 또는 속이 찬 봉의 형태를 가지고 있고, 램프캡슐의 회전대칭축선과 동일선상에 배치된다. 이 지지수단은 서로 동일선상에 배치되고 램프외체의 양측에 부착되는 한쌍의 지지부재로 구성될 수 있다.
제 2 도에는 일반적으로 구형의 램프외체(42)를 갖는 램프캡슐(10)이 도시되어 있다. 램프외체(42)내로는 딤플(44)이 연장되어, 램프외체의 내부용적내에서 볼록형태를 형성하고 있다. 딤플(44)의 주위에는 응축물(48)이 링의 형태로 형성되어 있다. 램프외체(42)는 회전대칭축선(46)상에서 관형지지부재(50)에 의해 지지되어 있다.
제 3 도에 도시된 램프캡슐(54)은 평면(30)에 대해 수직인 평면에서 타원형을 이루는 단면을 갖는 램프외체(56)을 포함한다. 이 램프외체(56)는 평면(30)상에서 볼 때 원형의 단면을 가지고 있다. 램프외체(56)는 딤플(58)을 가지고 있으며, 속이 찬 봉(60)에 의해 지지되어 있다.
제 1 도의 무전극형 램프용의 램프캡슐(10)에는 아르곤과 같은 이온화가능한 시동가스가 1 내지 760torr의 압력으로 충전되어 있다. 네온, 크립톤, 크세논, 질소 및 이들의 혼합물들과 같은 다른 불활성가스가 사용될 수도 있다. 시동가스의 바람직한 압력범위는 5 내지 100torr이다. 또한, 램프외체에는 휘발될 시 부분적으로 이온화되고 부분적으로 방사상태로 여기되어 방전에 의해 유용한 광을 발광시킬 수 있는 휘발성충전물질이 충전되게 된다. 이 충전물질로는 금속염을 함유하는 수은을 들 수 있다. 이에 있어, 금속염으로는 소듐 스칸디윰 아이오다이드 또는 할로겐화 주석과 같이 보다 쉽게 휘발될 수 있는 물질을 사용할 수 있을 것이다. 또한, 수은을 함유하지 않는 다른 충전 물질을 사용할 수도 있다. 이러한 충전물질로는 황을 들수 있다. 바람직하게, 충전물질들은 램프외체의 내부용적에 대해 일정 비율을 갖는다. 일례로, 약 33 mg/㎤의 수은과 3 mg/㎤의 금속염을 충전했을 때 만족스러운 결과가 얻어졌다. 당해기술분야에서 숙련된 사람들에게 공지된 다른 충전물질들도 가시광선, 자외선 또는 적외선의 방사를 발생시키는데 이용될 수 있을 것이다.
바람직하게, 구형 램프캡슐은 1 내지 12mm의 내경을 가지고 있으며, 보다 바람직하게는 2 내지 8mm의 내경을 가지고 있다. 타원형 램프들의 칫수도 유사하게 되어 있다. 벽두께는 바람직하게 0.25 내지 2.0mm로 되어 있다.
본 발명의 양호한 실시예에 있어서, 제 1 도의 전계인가기(12),(14),(16) 및 (18)들은 나선형 결합기 또는 나선형 코일로 구성된다. 제 4도에 도시된 바와 같이, 나선형 결합기(80),(82),(84),(86)들은 램프랩슐(88)을 통과하는 평면상에 위치되며, 램프캡슐(88)의 주위에 90°의 간격을 두고 동일하게 이격되어 있다. 나선형 결합기들의 코일들은 동일한 나사성, 즉 모두 우측 나선 또는 모두 좌측나선을 가지고 있으며, 서로 대향하는 각 쌍이 램프캡슐(88)이 위치하는 코일들 사이의 틈새내에서 최대의 전계를 발생시킬 수 있게 벡터적 추가되는 축방향 전계를 발생시킬 수 있도록 배향이 이루어져 있다. 그리하여, 제 4도에 도시된 바와같이 나선형 결합기(80),(82)들의 길이방향축선(90)은 램프캡슐(88)의 중심을 통과하게 되며, 나선형 결합기(84),(86)들의 길이방향축선(92)는 램프캡슐(88)의 중심을 통과하게 된다. 축선(90),(92)들은 서로 90°의 각도로 교차하며 회전전계의 평면을 한정한다. 나선형 결합기들은 인접하는 나선형결합기 사이에서 90°의 위상차를 갖는 동일한 진폭의 신호들을 발생시키는 출력분할 및 위상전이기(22)에 의해 구동된다. 그리하여, 나선형결합기(80),(82)들은 180°의 위상차를 갖는 신호들을 수신하며,나선형결합기(84),(86)들은 180°의 위상차를 갖는 신호들을 수신한다. 무전극형 고광도 방전램프용의 나선형결합기에 관한 추가적인 상세구성은 본 명세서에 참고되는 상술한 특허 제 5,070,277호에 기재되어 있다.
전계인가기(12),(14),(16),(18)들은 또한 단부컵(end cup)형 또는 루프형 인가기로 구성될 수 있다. 제 11도에는 단부컵형 인가기(90)이 도시되어 있다. 단부컵형 인가기(90)는 금속 또는 금속화된 세라믹으로 제조되며, 램프캡슐에 근접하게 위치되는 오목부(91)를 가지고 있다. 무전극형 램프용의 단부컵형 인가기에 관한 상세구성은 본 명세서에 참고되는 상술한 특허 제 5,241,246호에 기재되어 있다. 제 12도에는 루프형 인가기(92)가 도시되어 있다. 이 루프형 인가기(92)는 램프캡슐에 근접하게 위치되는 3개의 부분와이어 권선들로 형성된다. 무전극형 램프용의 루프형 인가기에 관한 상세구성은 본 명세서에 참고되는 상술한 특허 제 5,130,612호에 기재되어 있다.
제 5도에는 램프캡슐(88)내에서 회전전계를 발생시키기 위한 나선형 결합기(80),(82),(84),(86)들의 동작이 예시되어 있다. 즉, 인가된 고주파 출력의 완전한 일 사이클에 대한 신호위상들 및 결과적인 전계들이 도시되어 있다. 파형(100),(102),(104),(106)들의 각각은 고주파출력의 1/4 사이클 간격의 주기로 나선형결합기(80),(82),(84),(86)(각각 코일(a),(b),(c),(d))에 인가되는 전압을 나타낸다. 일례로, 파형(100)은 시간 t=0에서 나선형결합기(80),(82),(84),(86)에 인가되는 전압을 나타낸다. 시간 t=0에서 결합기(84),(86)에 인가되는 전압들은 0이며, Y축(축(92))을 따라 전계가 존재하지 않는다. 시간 t=0에서 결합기(80),(82)에 인가되는 전압들은 최대로 된다. 상기 전압들은 180°의 위상차를 가지고 인가되기 때문에 결과전계(Ea),(Eb)들은 동일한 방향성을 가지며, 양의 X방향(축선(90)을 따라)에서 순전계+Enet를 발생시키도록 서로 더해지게 된다. 유사한 분석에 의하면, 순전계는 1/4사이클 후 양의 Y방향으로 회전하며, 1/2사이클 후에는 부의 X방향으로 회전하며, 3/4사이클 후에는 부의 Y방향으로 회전하는 것을 알수 있다. 이와같이 하여, 순전계는 인가된 고주파출력의 주파수에서 회전하게 된다. 순전계의 세기는 동일한 진폭의 전압이 나선형 결합기(80),(82),(84),(86)에 인가되기 때문에 일정하게 된다. 제 5도에 도시된 전계벡터 Enet는 나선형결합기(80),(82),(84),(86)의 평면내에서 회전한다.
본 발명에 따른 무전극형 고광도 방전램프의 일례가 제 6도에 도시되어 있다. 제 4도 및 5도에 관련하여 설명한 바와 같이 나선형결합기(132),(134),(136),(138)에 의해 램프캡슐(130)이 동작되게 된다. 램프캡슐(130)은 5mm은 내경을 갖는 구형의 형상을 가지고 있으며 0.26mg의 Na-Sc-아이오다이드와 2.6mg의 수은을 포함하는 충전물질 및 5torr의 아르곤가스가 충전되어 있다. 나선형결합기(132),(134),(136),(138)들은 0.025인치의 직경을 갖는 니켈와이어로 제조된다. 코일내경은 5mm이며, 피치는 1.46mm이며, 코일권선수는 5.2개 이다. 고주파 발생원(140)은 915MHz의 주파수에서 출력을 공급한다.
미세스트립전송라인상에 출력분할 및 위상전이기(142)가 설치되는데, 이 출력분할 및 위상전이기(142)는 제 1 분기라인 직각혼성결합기(144), 제 2 분기라인 직각혼성결합기(146) 및 제 3 분기라인 직각혼성결합기(148)을 구비하고 있다. 각각의 혼성결합기는 고주파발생원(140)의 중심주파수에서 도파파장의 약 1/4에 해당하는 길이로 된 측부들을 갖는 도전체의 정사각패턴을 갖는다. 일반적으로, 미세스트립 직각혼성결합기들의 구조는 당해기술분야에서 공지되어 있다. 각각의 직각혼성결합기는 동일한 진폭과 90°의 위상차를 갖는 두 개의 출력을 발생한다. 라인(150),(152)상에서의 결합기(144)의 출력들은 각각 결합기(146),(148)의 입력에 공급되게 된다. 라인(150)은 결합기(146),(148)에 입력되는 입력들간의 위상차가 180°로 되는 것을 보장할 수 있도록 고주파발생원(140)의 중심주파수에서 라인(152)보다 긴 도파파장의 약 1/4에 해당하는 길이를 갖는다. 직각혼성결합기(146)의 출력들은 나선형결합기(132),(136)에 연결되어 있으며, 직각혼성결합기(148)의 출력들은 나선형결합기(134),(138)에 접속되어 있다. 각 직각혼성결합기의 격리단은 50오음저항(156)에 단말되어 있다. 당해기술분야에서 공지되어 있는 바와 같이, 제 6도에 도시된 미세스트립 전송라인패턴은 6의 근사 상대유전상수 및 0.050인치의 두께를 갖는, 아이소클래드(Isoclad)* GR6 세라믹이 충전된 무형 미세유리섬유로 보강된 PTFE 복합박판 또는 BeO와 같은 유전체로 형성된다. 상기 유전체의 반대측에는 접지면 도전체가 형성되어 있다.
상기와 같은 구성의 램프는 구형의 플라즈마를 발생시켰으며, 60 내지 100와트에서 안정되게 동작하였다. 발생원의 측광조도는 47 candela/㎟로 측정되었다. 관찰된 스펙트럼은 예상한 바와 같은 모든 금속첨가제의 성분, 원칙적으로 나트륨과 스캔듐을 보여 주었다. 색도좌표는 전형적으로 X = 0.3908 및 Y = 0.3354 였다.
본 발명의 중요한 특징은 출력분할 및 위상전이기(22)(제 1 도)가램프캡슐(10)과 고주파발생원(20)간에 고도의 격리를 제공한다는 것이다. 무전극형 램프들의 시동되고 예열되는 중에 램프캡슐내의 플라즈마는 램프에 고주파출력을 인가하는 회로와 조화되지 않는다. 그 결과, 램프캡슐에 의해 상당한 양의 고주파출력이 반사되게 되어 고주파발생원을 잠재적으로 손상시킬 수 있게 된다. 본 발명의 구조에 따르면, 램프캡슐과 고주파발생원이 서로 격리되게 되어 있고 이에 따라 시동 및 예열중에 고주파발생원이 잠재적인 손상을 입게되는 것을 방지할 수 있다. 제 6 도를 참조하면 반사되는 모든 출력은 저항(156)에서 소산되게 되어 고주파발생원(140)에 도달하지 않게 된다. 이와 같이 하여, 고주파발생원은 일정한 부하임피던스를 효과적으로 나타내게 된다.
출력분할 및 위상전이기(22)의 제 1 실시예에 대한 블록도가 제 7 도에 도시되어 있다. 고주파발생원(20)의 출력은 직각혼성결합기(200)에 인가된다. 상술한 바와 같이, 직각혼성결합기는 90°의 위상차를 갖고 진폭이 동할한 두 개의 출력을 발생시킨다. 결합기(200)의 제 1 출력은 반파벌룬(202)에 입력되고, 결합기(200)의 제 2 출력은 반파벌룬(204)에 입력된다. 각각의 반파벌룬은 180°의 위상차를 갖고 진폭이 동할한 두 개의 출력을 발생시킨다. 각 반파벌룬(202),(204)의 출력들은 상술한 바와 같이 회전전계를 발생시킬 수 있도록 램프캡슐의 양측부에 위치된 전계인가기들에 인가되게 된다. 상기한 반파벌룬은 상술한 특허 제 5,070,277 호에 상세하게 기재되어 있다.
제 8 도에는 출력분할 및 위상전이기(22)의 제 2 실시예가 도시되어 있다. 고주파발생원(20)의 출력은 180°혼성결합기(220)에 인가된다. 180°혼성결합기는180°의 위상차를 갖고 진폭이 동할한 두 개의 출력을 발생시킨다. 결합기(220)의 제 1 출력은 직각혼성결합기(222)에 입력된다. 한편, 결합기(220)의 제 2 출력은 직각혼성결합기(224)에 입력된다. 직각혼성결합기(222),(224)들의 출력들은 상술한 바와 같이 회전전계를 발생시킬 수 있도록 전계인가기(12),(14),(16),(18)에 인가된다.
제 9 도에는 출력분할 및 위상전이기(22)의 제 3 실시예가 도시되어 있다. 고주파발생원(20)의 출력은 직각혼성결합기(240)에 인가된다. 결합기(240)의 제 1 출력은 180°혼성결합기(242)에 입력되고, 제 2 출력은 180°혼성결합기(244)에 입력된다. 각각의 180°혼성결합기(242),(244)들의 출력들은 상술한 바와 같이 회전전계를 발생시킬 수 있도록 램프캡슐의 양측부상에 위치된 전계인가기들에 인가된다.
제 10 도에는 출력분할 및 위상전이기(22)의 제 4 실시예가 도시되어 있다. 제 6 도에는 도시된 무전극형 고광도방전램프는 제 10 도에 도시된 구조를 이용한다. 고주파발생원(20)의 출력은 직각혼성결합기(260)에 인가된다. 결합기(260)의 제 1 출력은 그 결합기(260)의 제 2 출력을 직각혼성결합기(264)에 접속시키는 전송라인(263)보다 긴 도파파장의 약 1/4에 해당하는 길이를 갖는 전송라인(261)을 통해 직각혼성결합기(262)에 입력된다. 직각혼성결합기(262),(264)의 출력들은 상술한 바와 같이 회전전계를 발생시킬 수 있도록 전계인가기(12),(14),(16),(18)에 결합된다.
제 7 도 내지 제 10 도에 도시되고 상술된 출력분할 및 위상전이기 구조들은바람직하게 간단하면서도 소형의 크기를 갖고 저렴한 가격으로 제조될 수 있도록 미세전송라인으로서 제조되게 된다. 보다 컴팩트한 기하학적형상을 제공할 수 있도록 다층의 미세전송라인들이 적합한 곳에서 이용될 수도 있다. 각 구조에 있어, 결합기들의 사용되지 않는 입력들은 상술한 바와 같이 램프캡슐과 고주파발생원간의 격리를 보장할 수 있도록 저항들에 단말되어 있다.
출력분할 및 위상전이기들에 대한 여러 실시예들이 제 7 도 내지 제 10 도에 도시되고 설명되었지만, 램프캡슐내에서 회전전계를 발생시킬 수 있도록 요구되는 진폭 및 위상을 전계인가기의 각각에 인가하는 다른 구조들이 또한 이용될 수 있다. 게다가, 램프캡슐내에서 요구되는 전계들을 발생시킬 수 있는 여하한 전계인가기도 또한 이용될 수 있다. 일반적으로, 출력분할 및 위상전이기 및 전계인가기들의 조합들은 램프캡슐내에서 회전전계를 발생시킬 수 있어야만 한다. 비록 본 발명의 무전극형 HID 램프가 4개의 인가기들을 갖는 것으로서 설명되어 있으나, 다른 개수의 인가기들도 이용될 수 있다. 이 경우에는 인가기들의 위치 및 인가기들에 인가되는 전압의 위상이 적절히 변화되게 될 것이다. 일례로, 3개의 인가기를 램프캡슐주위에 120°의 간격을 두고 이격배치시킬 수 있다. 이 경우에는, 세 인가기에 인가되는 전압들은 서로 120°의 위상차를 가지게 된다.
지금까지 본 발명의 바람직한 실시예에 관해 기술 및 설명하였으나, 당업자들은 첨부된 특허청구의 범위내에 정의된 바의 본 발명의 범위에서 벗어남이 없이 다양한 변화 및 변경이 가능함을 명확히 알 것이다.
제 1 도는 본 발명에 따른 무전극형 고광도방전램프의 블록도,
제 2 도는 본 발명의 램프에 사용하기에 적합한 구형램프캡슐의 단면도,
제 3 도는 본 발명의 램프에 사용하기에 적합한 타원형 램프캡슐의 단면도,
제 4 도는 램프캡슐과 4개의 나선형결합기들의 개략평면도,
제 5 도는 시간의 함수로서 램프캡슐내의 전계를 도시하는 개략선도,
제 6 도는 본 발명의 양호한 실시예를 도시하는 도면,
제 7 도는 제 1 도에 도시된 출력분할 및 위상전이기의 제 1 실시예를 도시하는 블록도,
제 8 도는 제 1 도에 도시된 출력분할 및 위상전이기의 제 2 실시예를 도시하는 블록도,
제 9 도는 제 1 도에 도시된 출력분할 및 위상전이기의 제 3 실시예를 도시하는 블록도,
제 10 도는 제 1 도에 도시된 출력분할 및 위상전이기의 제 4 실시예를 도시하는 블록도,
제 11 도는 본 발명의 램프에 사용하기에 적합한 단부컵형 인가기의 단면도,
제 12 도는 본 발명의 램프에 사용하기에 적합한 루프형 인가기의 투시도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10,54,88,130: 램프캡슐
12,14,16,18: 전계인가기
20: 고주파발생원
22: 출력분할 및 위상전이기
44,58: 딤플
42: 램프외체
80,82,84,86,132,134,136,138: 나선형 결합기
90: 단부컵형 인가기
92: 루프형 인가기
144,146,148: 분기라인 직각혼성결합기
200: 직각혼성결합기
202,204: 반파벌룬

Claims (22)

  1. 무전극형 고광도방전램프에 있어서,
    고주파전자에너지에 의해 여기될 시 발광하는 충전물질이 충전된 램프캡슐(10, 40, 54, 88, 130)과,
    상기 램프캡슐에 고주파전자에너지를 무공진결합시키도록 상기 램프캡슐(10, 40, 54, 88, 130)의 주위에 이격배치된 다수의 전계인가기(12, 14, 16, 18, 80, 82, 84, 86, 132, 134, 136, 138)와,
    고주파출력을 공급하는 고주파발생원(20, 140)과,
    상기 인가기들에의해 상기 램프캡슐에 인가된 전계가 상기 고주파발생원(20, 140)의 주파수에서 회전할 수 있게 상기 고주파발생원으로부터 상기 인가기들에 고주파출력을 결합시키는 출력분할 및 위상전이기(22, 142)를 포함하는 것을 특징으로 하는 무전극형 고광도방전램프.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전계인가기들은 상기 램프캡슐을 통과하는 평면(30)내에 위치되고 상기 램프캡슐주위에 동일한 간격을 두고 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 무전극형 고광도방전램프.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 다수의 전계인가기들은 상기 램프캡슐의 주위에 90°의 간격을 두고 위치되는 4개의 인가기를 포함하고, 상기 출력분할 및 위상전이기(22, 142)는 상기 인가기들중 상기 램프캡슐의 양측부상에 위치된 인가기에 고주파출력을 180°의 위상차를 두고 인가하고 상기 인가기들중 서로 인접하는 인가기에 고주파출력을 90°의 위상차를 두고 인가하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 무전극형 고광도방전램프.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전계인가기의 각각은 나선형결합기(80, 82, 84, 86, 132, 134, 136, 138)를 포함하는 것을 특징으로 하는 무전극형 고광도방전램프.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 전계인가기의 각각은 오목면을 갖는 컵형 인가기(90)를 포함하는 것을 특징으로 하는 무전극형 고광도방전램프.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 전계인가기의 각각은 세 개의 부분권선으로 형성된 루프형인가기(92)를 포함하는 것을 특징으로 하는 무전극형 고광도방전램프.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 출력분할 및 위상전이기(22, 142)는 각각 90°의 위상차를 갖고 진폭이 동일한 두 개의 출력을 갖는 제 1, 제 2 및 제 3 신호분할기들(144, 146, 148)을 포함하고, 상기 제 1 신호분할기(144)는 상기 고주파발생원(140)에 접속되는 입력을 가지며, 상기 제 2 신호분할기(146)는 전송라인(150)에 의해 상기 제 1 신호분할기(144)의 일 출력에 접속되는 입력을 가지며, 상기 제 3 신호분할기(148)는 전송라인(152)에 의해 상기 제 1 신호분할기(144)의 타 출력에 접속되는 입력을 가지며, 상기 제 2 및 제 3 신호분할기들(146, 148)의 입력들과 상기 제 1 신호분할기(144)의 대응출력들사이에 접속된 상기 전송라인들(150, 152)은 180°의 위상차를 갖고 진폭이 동일한 제 2 및 제 3 신호분할기에 입력신호들을 제공할 수 있게 구성되어 있고, 상기 제 2 및 제 3 신호분할기(146, 148)의 출력들은 상기 4개의 전계인가기(132, 134, 136, 138)에 각각 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 무전극형 고광도방전램프.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 3 신호분할기들(144, 146, 148)은 각각 분기라인 직각혼성결합기를 포함하는 것을 특징으로 하는 무전극형 고광도방전램프.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 분기라인 직각혼성결합기들은 각각 미세스트립전송라인으로서 형성되는 것을 특징으로 하는 무전극형 고광도방전램프.
  10. 제 3 항에 있어서,
    상기 출력분할 및 위상전이기는 상기 고주파발생원(20)에 접속되는 입력과 90°의 위상차를 갖고 진폭이 동일한 2개의 출력을 갖는 직각혼성결합기(240)와, 상기 직각혼성결합기(240)의 출력에 연결된 제 1 및 제 2 180°혼성결합기(242, 244)를 포함하고, 180°혼성결합기의 출력이 상기 4개의 전계인가기에 각각 접속되는 것을 특징으로 하는 무전극형 고광도방전램프.
  11. 제 3 항에 있어서,
    상기 출력분할 및 위상전이기는 상기 고주파발생원(20)에 접속되는 입력과 90°의 위상차를 갖고 진폭이 동일한 2개의 출력을 갖는 직각혼성결합기(200)와, 상기 직각혼성결합기(200)의 상기 출력들에 각각 접속되는 두 개의 반파벌룬들(202, 204)을 포함하고, 반파벌룬들의 출력이 각각 상기 4개의 전계인가기에 각각 접속되는 것을 특징으로 하는 무전극형 고광도방전램프.
  12. 제 3 항에 있어서,
    상기 출력분할 및 위상전이기는 상기 고주파발생원(20)에 접속되는 입력과 180°의 위상차를 갖고 진폭이 동일한 2개의 출력을 갖는 180°혼성결합기(220)와, 상기 180°혼성결합기(220)의 출력들에 각각 접속되는 제 1 및 제 2 직각혼성결합기들(222, 224)을 포함하고, 상기 직각혼성결합기가 상기 4개의 전계인가기에 각각접속되는 것을 특징으로 하는 무전극형 고광도방전램프.
  13. 제 3 항에 있어서,
    상기 램프캡슐(10, 88)은 대체로 구형으로 되어 있고, 1 내지 12mm의 내경을 갖는 것을 특징으로 하는 무전극형 고광도방전램프.
  14. 제 3 항에 있어서,
    상기 램프캡슐(10, 40, 54, 88)은 회전전계의 평면(30)내에서 원형의 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 무전극형 고광도방전램프.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 램프캡슐(40, 54)은 상기 램프캡슐내에서의 응축물분포를 제어하기 위한 내부볼록딤플(44, 58)을 구비하는 것을 특징으로 하는 무전극형 고광도방전램프.
  16. 제 3 항에 있어서, 상기 램프캡슐(54)은 회전타원체를 포함하는 것을 특징으로 하는 무전극형 고광도방전램프.
  17. 제 3 항에 있어서, 상기 램프캡슐(10, 40, 54, 88, 130)은 유리질실리카, 합성실리카, 알루미노실리케이트 유리 및 보로실리케이트 유리로 구성되는 그룹에서 선택된 물질로 제작되는 것을 특징으로 하는 무전극형 고광도방전램프.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 램프캡슐은 상기 충전물질이 충전된 램프외체(42, 56)와, 상기 인가기들사이에 상기 램프외체를 지지시키기 위한 지지부재(50, 60)를 포함하는 것을 특징으로 하는 무전극형 고광도방전램프.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전물질은 불활성가스와 휘발성물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 무전극형 고광도방전램프.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 불활성가스는 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논, 질소 및 그의 혼합물들로 구성되는 그룹에서 선택되고 1 내지 760torr의 압력으로 유지되는 것을 특징으로 하는 무전극형 고광도방전램프.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 휘발성물질은 수은과 금속할로겐화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 무전극형 고광도방전램프.
  22. 무전극형 고광도방전램프에 있어서,
    고주파전자에너지에 의해 여기될 시 발광하는 충전물질이 충전된 램프캡슐(10, 40, 54, 88, 130)과,
    상기 램프캡슐에 고주파전자에너지를 무공진결합시키도록 상기 램프캡슐을 통과하는 평면(30)내에 위치되고 상기 램프캡슐(10, 40, 54, 88, 130)의 주위에 90°의 간격을 두고 이격배치된 4개의 전계인가기(12, 14, 16, 18, 80, 82, 84, 86, 132, 134, 136, 138)와,
    고주파출력을 공급하는 고주파발생원(20, 140)과,
    상기 인가기들에의해 상기 램프캡슐에 인가된 전계가 상기 고주파발생원(20, 140)의 주파수로 상기 평면내에서 회전할 수 있게 상기 고주파발생원으로부터 상기 인가기들에 고주파출력을 결합시키는 출력분할 및 위상전이기(22, 142)를 포함하는 것을 특징으로 하는 무전극형 고광도방전램프.
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