(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高輝度放電（ＨＩＤ）ランプにおいて、シールされた光透過性容器と、該容器内部に封入された始動ガス及び蒸発可能な充填物と、前記容器内部に封入された高輝度放電発生電極と、前記容器との間に所定空間を形成するように配置されたリフレクタとを備え、前記リフレクタは、ランプの動作中に前記電極から放出される電気力線のためのアースである導電性表面を有することを特徴とする、高輝度放電ランプ。
【請求項２】
前記導電性表面が前記容器から放出される光を反射する、請求項１記載のランプ。
【請求項３】
前記電極が、前記容器の外部に延びるリード線に直接接続されている、請求項１記載のランプ。
【請求項４】
前記リード線に接続された高周波電力源を有する、請求項３記載のランプ。
【請求項５】
前記電力源の周波数が２ＭＨｚ〜６ＧＨｚである、請求項４記載のランプ。
【請求項６】
さらに、ランプインピーダンスをランプのウォームアップ中に整合させかつ前記リード線と前記高周波電力源の間に接続された同調素子を有する、請求項４記載のランプ。
【請求項７】
前記導電性表面が、金属、導電性セラミック、セラミックを含浸した金属、金属化セラミック、及び導電性被膜の１つである、請求項１記載のランプ。
【請求項８】
導電性表面が酸化インジウムスズである、請求項１記載のランプ。
【請求項９】
前記容器が実質的に球形である、請求項１記載のランプ。
【請求項１０】
前記容器がガラス質シリカからなりかつフォイルシールでシールされている、請求項１記載のランプ。
【請求項１１】
前記容器がセラミックからなりかつフリットシール及びサーメットアセンブリでシールされている、請求項１記載のランプ。
【請求項１２】
前記容器がセラミックからなりかつフリットシール及び巻かれたロッド状リード線アセンブリでシールされている、請求項１記載のランプ。
【請求項１３】
前記始動ガスが不活性ガスでありかつ前記蒸発可能な充填物が水銀からなる、請求項１記載のランプ。
【請求項１４】
前記始動ガスが不活性ガスでありかつ前記蒸発可能な充填物が硫黄、セレン、テルル及びそれらの混合物からなる群から選択される揮発性充填物からなる、請求項１記載のランプ。
【請求項１５】
前記始動ガスが不活性ガスでありかつ前記蒸発可能な充填物が金属塩からなる、請求項１記載のランプ。
【請求項１６】
前記金属塩がナトリウム金属塩及び亜鉛、カドミウム、タリウム、アルミニウム、ガリウム及びインジウムのヨウ化物からなる群から選択される、請求項１５記載のランプ。
【請求項１７】
前記電極が耐火性金属及びセラミックの１つである、請求項１記載のランプ。
【請求項１８】
高輝度放電（ＨＩＤ）ランプと該ランプに隣接したリフレクタの組合せにおいて、
ランプがアークチューブと、該チューブ内部に封入された始動ガスと、前記チューブ内部に封入された唯一の電極と、前記１つの電極に接続されかつ前記チューブの外側に延びるリード線とからなり、前記１つの電極がランプの動作中に高輝度放電を発生し、かつ
リフレクタが、前記ランプとの間に所定空間を形成するように配置され、前記ランプの動作中に前記１つの電極から放出される電気力線のためのアースである導電性表面を有する
ことを特徴とする、高輝度放電ランプとリフレクタの組合せ。
【請求項１９】
前記導電性表面がリフレクタの外部表面であり、ランプからの光がリフレクタの内部表面から反射される、請求項１８記載の組合せ。
【請求項２０】
さらに、前記リード線に接続され、かつ振幅変調が周波数範囲にわたり掃引される振幅変調された搬送波を提供する電力源を有する、請求項１８記載の組合せ。
【請求項２１】
高輝度放電（ＨＩＤ）ランプを動作させる方法において、容器内にアーク放電を発生させるために光透過性容器内に封入された唯一の電極である電極に接続されたリード線に高周波電力を供給するステップを有し、その際リード線は容器の外部に延びており、始動ガス及び蒸発可能な充填物が容器内部に封入されており、かつ
電極から放出される電気力線を、前記容器との間に所定空間を形成するように配置されたリフレクタの金属表面にアースするステップを有することを特徴とする、高輝度放電ランプを作動させる方法。
【請求項２２】
さらに、ランプウォームアップ中にランプインピーダンスを整合させるステップを有する、請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
高周波電力が振幅変調搬送波でありかつさらに周波数範囲内にわたって振幅変調を掃引するステップを有する、請求項２１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高輝度（ＨＩＤ）放電ランプ、特にリフレクタと組み合わされた短いアーク長さを有する小型ＨＩＤランプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
小型ＨＩＤランプは、ビデオ及びデータの投影及び光学的ライトガイドへの光の導入を含む、種々の目的のために使用される。種々のタイプの小型放電ランプが公知である（例えば特許文献１及び２参照）。これらのランプの全ては、２つの電極を有し、それらの分離距離がランプ内のアークギャップを規定する。小型ＨＩＤランプは、約１ないし数ミリメータののアークギャップを有する。
【０００３】
小型ＨＩＤランプは、問題を有しないことはない。光量は予測されるより少ない。高い輝度領域が存在する電極の直ぐ前にホットスポットが存在するが、多くの光は低い輝度のアークギャップの残りから到来する。アークギャップ長さを短くすると、アークギャップの残りからの光は減少せしめられる。さらに、アークギャップの寸法を縮小すると、熱発生のためにランプ効率が悪くなる。さらに、電極は陰影を生じかつ光結合を妨げる。陰影妨害を減少させる努力において、電極はしばしばテーパ状に形成される。このことは、極めて高い電極チップ温度及び溶融を惹起する恐れがある。
【０００４】
【特許文献１】
米国特許第５,６９１,６０１号明細書
【特許文献２】
米国特許第４,６８６,４１９号明細書
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の第１の課題は、ランプの光透過性容器内に密封された唯一の電極を使用することにより、前記問題点の１つ以上を回避する新規のＨＩＤランプを提供することである。
【０００６】
本発明の第２の課題は、シールされた光透過性容器と、容器内部に密封された、給電される高輝度放電発生電極と、容器の外側のアース電極と有する新規のＨＩＤランプを提供することである。
【０００７】
本発明の第３の課題は、光透過性容器内部に封入された始動ガス、蒸発可能な充填物及び唯一の電極を有し、ランプの動作中に給電される電極から放出される電気力線のためのアースである導電性表面を有するリフレクタと組み合わされた新規のＨＩＤランプを提供することである。
【０００８】
本発明の第４の課題は、容器内にアーク放電を発生させるためにランプの光透過性容器内に封入された唯一の電極である給電される電極に高周波電力を供給し、かつ該電極からの電気力線を、容器に隣接する導電性表面にアースすることにより、ＨＩＤランプを動作させる新規の方法を提供することである。
【００１０】
前記第１及び第２の課題は、本発明により請求項１に基づき、シールされた光透過性容器と、該容器内部に封入された始動ガス及び蒸発可能な充填物と、前記容器内部に封入された高輝度放電発生電極と、前記容器との間に所定空間を形成するように配置されたリフレクタとを備え、前記リフレクタは、ランプの動作中に前記電極から放出される電気力線のためのアースである導電性表面を有する高輝度放電（ＨＩＤ）ランプにより解決される。該発明の有利な実施態様は、請求項２〜１７に記載されている。
【００１１】
前記第３の課題は、本発明により請求項１８に基づき、高輝度放電（ＨＩＤ）ランプと該ランプに隣接したリフレクタの組合せにおいて、ランプがアークチューブと、該チューブ内部に封入された始動ガスと、前記チューブ内部に封入された唯一の電極と、前記１つの電極に接続されかつ前記チューブの外側に延びるリード線とからなり、前記１つの電極がランプの動作中に高輝度の放電を発生し、かつリフレクタが、前記ランプとの間に所定空間を形成するように配置され、前記ランプの動作中に前記１つの電極から放出される電気力線のためのアースである導電性表面を有する前記組合せにより解決される。該発明の有利な実施態様は、請求項１９及び２０に記載されている。
【００１２】
前記第４の課題は、本発明により請求項２１に基づき、容器内にアーク放電を発生させるために光透過性容器内に封入された唯一の電極である電極に接続されたリード線に高周波電力を供給するステップを有し、その際リード線は容器の外部に延びており、始動ガス及び蒸発可能な充填物が容器内部に封入されており、かつ電極から放出される電気力線を、前記容器との間に所定空間を形成するように配置されたリフレクタの金属表面にアースするステップを有する、高輝度放電ランプを作動させる方法により解決される。該発明の有利な実施態様は、請求項２２及び２３に記載されている。
【００１３】
【実施例】
次に、図面を参照して本発明を実施例により詳細に説明する。
図１によれば、本発明の第１実施例は、シールされた光透過性容器１２を有し、該容器内に始動ガス１４及び蒸発可能な充填材１６が封入されたＨＩＤランプ１０である。容器１２内には、唯一の電極１８が封入されている。
【００１４】
図２によれば、ランプ１０の電極１８は、高周波電力源２０に接続されていてもよい。電力源２０によって提供される周波数は、有利には２ＭＨｚ〜６ＭＨｚである。ランプのウォーミングアップ中にグローからアークへの放電転換のようなインピーダンス変化としてランプインピーダンスを整合させるために同調素子２２が設けられていてもよい。
【００１５】
容器１２に隣接してアース２４が設けられていてもよい。アース２４は、容器１２から放出される光を反射する内部反射面２８を有するリフレクタの面２６の部分であってよい。アース２４は、金属、導電性セラミック、セラミックを含浸した金属、金属化セラミック、又は導電性被膜、例えば酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）であってもよい。アース２４は、ランプの動作中に給電される唯一の電極である電極１８から放出される電気力線のための決定的な終端を提供することによりランプの第２の電極として機能する。
【００１６】
ランプ１０の動作中には、容器１２内にアーク放電を発生させるために高周波電力が電極１８に供給され、かつ電極１８から放出される電気力線は、容器１２に隣接したアース２４でアースされる。放電は容量的に容器１２を通して結合される。最初に、残留電子は電極１８のチップで電界によって加速されかつ電極チップの近くでイオン化及び励起を発生させる。最後に、電極１８から熱電子的に放出された電子は、放電を持続させる。容器１２内の作動圧力は、有利には、衝突度数が高く、かつ電子が、チップの近くに位置するガス加熱及び励起を保持する電極１８にチップから遠くへ運動しないように調節されている。このことによって、光は、制限されたアークを達成するために電極１８のチップの近くのプラズマの小さい領域から放出せしめられる。
【００１７】
ナトリウムスカンジウム塩及び水銀及びアルゴン充填物を用いた９１５ＭＨｚ及び５０ワットの実験で、アークは小さい、典型的には電極１８のチップの上０．５ｍｍ以下であり、かつ匹敵するハロゲンランプからの１５〜１８ｃｄ／ｍｍ２より良好である約２２ｃｄ／ｍｍ２の出力を提供することが判明した。例として、第１実施例の単一電極ランプのための９１５ＭＨｚ及び５０ワットでの放射輝度対波長のプロットが、図３に示されている。
【００１８】
別の実施例においては、容器１２は実質的に球形であってよくかつガラス質シリカ（石英）から製造されておりかつフォイルシール３０でシールされていてもよい（図１）。図４に示されているように、容器１２’はセラミックでありかつ電極１８’はフリットシール３２でシールされていてもよい。図５に示されているように、容器１２”は、容器１２”内に電極１８を封入するためのサーメットアセンブリ３４を有するセラミックであってもよい。図６及び７は、作動ランプが製造される２つの特別のガラス質シリカ容器寸法及び形状を示す。
【００１９】
球形以外の容器形状も考えられる。図８は、実質的に円筒状である容器４０を有するランプを示す。容器４０は、成長したシールド末端プラグを有する単結晶サファイヤであってもよい（米国特許第５,６２１,２７５号明細書に記載されているような）。容器４０内の単一電極４２は、給電される電極である（容器の外側のアース電極は図示されていない）。容器４０は多結晶アルミナ（ＰＣＡ）キャップ４４内に保持されていてもよく、かつ電極４２はサーメットアセンブリ４６を通して、フリットシール５０されたリード線４８（例えばニオブ）に接続されていてもよい。図９は、ＰＣＡから製造されていてもよい半球形容器５４を有するランプの断面図を示す。容器５４内の単一電極５６には、電力が供給される（容器の外側のアース電極は図示されていない）。容器５４は、ＰＣＡ底部５５を有していてもよい。電極５６は、コイル（例えばモリブデン）５８内部にあり、かつフリットシール６２されたリード線６０に接続されていてもよい。前記において、ＰＣＡ以外の適当なセラミックを使用することもできる。
【００２０】
始動ガス１４は、不活性ガス、有利にはネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン又はこれらの混合物であってよく、かつ揮発性充填物１６は水銀、又はランプが水銀不含であるべき場合には、適当な代用物であってよい。例えば、蒸発可能な充填物１６は、揮発可能な充填物、例えば硫黄、セレン、テルル又はこれらの混合物、又は高蒸気圧塩、例えばナトリウム金属塩及び亜鉛、カドミウム、タリウム、アルミニウム、ガリウム又はインジウムのヨウ化物であってよい。当該技術において慣用であるような、他の金属塩を使用することもできる。例えば、このような塩組成は、ＮａＩ・ＳｃＩ３又はＤｙＩ３・ＴｍＩ３・ＣａＩ２・ＮａＩ・ＴｌＩ及びその他の組合せであってよい。例えば、１つの試験実施例においては、充填物はＨｇ、Ａｒ、及び少量のＢｒのみを含有した。ビデオ投影のために適当な充填物は、米国特許第５,８８９,３６８号明細書に示唆されているようにＡｌ、Ｉｎ及びＴｈをベースとするものであってもよい。
【００２１】
電極１８は、レニウム、イリジウム、オスミウム、又はトリウム酸化物の添加物を含むことができるタングステンのような耐火性金属であってよい。選択的に、電極１８は窒化チタンのようなセラミックであってもよい。電極１８のチップは、ほぼ容器１２の中心部にある。
【００２２】
給電される電極１８，１８’，１８”，４２，５６のチップは、局部的に電界強度を強化するような形状に形成されていてもよい。例えば、平坦なチップ（図１０ａ）の代わりに、チップは丸み付けられている（図１０ａ）か又はテーパ状（図１０ｂ）に形成されていてもよい。体積の関数としてのチップにおける電力分配（power disposition）は、ｄＰ／ｄＶ＝σＥ２であり、ここでＥは電界大きさでありかつσは導電率である。給電される電極の熱電子チップの近くで、σ及びＥは両者とも、チップでの電界の集中のために極めて高い。鋭利なチップは、該集中を増大させる。
【００２３】
充填ガス冷間圧力は、１トル〜１０気圧の範囲内にあってよく、その際高い圧力はアークを電極チップの接近して保持させる。
【００２４】
アース２４は、例として図２に示されているようなリフレクタの表面２６又は図４に示されているようなランプのためのシールド３６のような適当な導電性表面であってよい。
【００２５】
電力源２０によって提供される高周波励起は、正弦波、パルス化波、方形波、又はそれらの組合せであってよい。周波数は、有利には、照明使用のために割り当てられる帯域の１つ、例えば２．６５ＭＨｚの近くの帯域又はＩＳＭ帯域の１つ、例えば２．４５ＧＨｚを中心とした帯域の内部にある。電力は、定常状態が達成されるまで、ランプが暖まりかつ充填物が蒸発するように調節することができる。電圧は、適当なトランスを使用することにより増大させることができる。３０ＭＨｚトロイドトランス及び１８０ＭＨｚエアトランスを試験実施例で使用した。
【００２６】
別の実施例では、高周波数は振幅変調されていてもよい。例えば、該ランプは、数ないし数百キロヘルツの周波数で振幅変調された２．４５ＧＨｚ搬送波で動作させることができる。選択された周波数での動作は、放電に対する安定化効果を有すると見なされるランプ内の音響モード（acoustic mode）を励起する。
【００２７】
振幅変調は、オルセン（Olsen）及びモスコビッツ（Moskowitz）により米国特許第６,１０４,１４５号明細書に示唆されているように、掃引することができる。変調を掃引する（例えば１０〜５０ｍｓ毎に１９〜３９ｋＨｚからの２０％の変調）と、樹木形状のアークはまっすぐになりかつ輝度を増大する電極の直ぐ上のプラズマのカラム内に制限される。水銀／アルゴンランプのために測定されたスポット輝度は、このような音響モードを使用すれば、５０ワット及び２．４５ＧＨｚで２００ｃｄ／ｍｍ２を越える。さらに、音響モードはアークを安定化しかつ揺動を防止し、これらの両者は小型ＨＩＤランプにおいて望ましいことである。
【００２８】
同調素子２２は、能動素子又は受動素子であってよい。受動素子は、電力源２０をランプと接続する同軸線に沿った同調スタブ又はバイメタル同調素子であってよい。能動素子は、ランプウォーミングアップ時にインピーダンスを変化させる能動的にバイアスされるＰＩＮダイオードであってよい。バイアスは、ランプ出力をモニターするか又は単にランプの既知のウォーミングアップ特性を基礎とした時間と共に変化するようにセットされたホトダイオードからの能動的フィードバックの影響を受けて変化してもよい。
【００２９】
図１１は、同調及び急速ウォームアップのための能動的フィードバックを行う掃引変調ランプの装置を示す線図である。この装置は、投影器で使用するために特に好適である。掃引変調源６６は中間周波を提供しかつ搬送波源６８は無線周波を提供する。中間周波はミキサ７０に供給されかつ無線周波はミキサ７０にかつ電力増幅器７２に供給される。電力増幅器７２の出力は、光透過性容器８０内の唯一の給電される電極７８を有するランプ７６のリード線に供給される。リフレクタ８２は、内部に誘電体被膜、及び外部に、容器８０の外部のアース電極として機能する導電性被膜（例えば金属化された）を有するガラスであってよい。ランプ放電からの光は、情報ゲート８６、例えば液晶、デジタルマイクロミラーデバイス等に向けて反射される（８４）。能動的フィードバックは、情報ゲート８６からの散乱光９０を受け入れかつ信号を電力増幅器９２を介して、電圧制御されるリアクタンス９６及びインダクタ９８を有するインピーダンス整合ネットワーク９４に送るホトダイオード８８により行われる。
【００３０】
別の説明として、本発明は、シールされた光透過性容器と、容器内に封入された高輝度放電発生電極と、容器の外部の周囲環境内に設けられた、ランプの動作中に電極から放出される電気力線のためのアースとを有するランプとして定義することもできる。即ち、電気力線がシールされた容器の内部にある他方の電極に向かって延びる通常の二重電極ＨＩＤランプとは異なり、電気力線はシールされた容器の外側でアースされる。周囲環境は、正常な動作中にランプの外側を包囲する環境であり、かつ典型的には空気である。
【００３１】
該ランプは、特にＰＣＡ露出ニオブリード線の場合には、酸化反応性部分を保護するための外部ジャケットの内部に取り付けられていてもよい。この場合には、外部ジャケットは、窒素充填ガス又は真空を保持していてもよい。アース電極（例えばリフレクタ）は、外部ジャケットの外部にあってもよい。
【００３２】
前記明細書及び図面に本発明の実施例を記載して来たが、本発明は明細書及び図面に照らして読む場合特許請求の範囲によって規定されると理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるＨＩＤランプの第１実施例の略示図である。
【図２】本発明によるＨＩＤランプとリフレクタの組合せの実施例の略示図である。
【図３】本発明によるＨＩＤランプの５０Ｗ、９１５ＭＨｚ実施例のための放射輝度対波長の関係を示すグラフである。
【図４】本発明によるＨＩＤランプの第２実施例の略示図である。
【図５】本発明によるＨＩＤランプの第３実施例の略示図である。
【図６】例示的寸法を示す、本発明によるランプのための球形ガラス質シリカ容器の断面図である。
【図７】例示的寸法を示す、本発明によるランプのための球形ガラス質シリカ容器の断面図である。
【図８】本発明によるＨＩＤランプの第４（円筒形）実施例の略示図である。
【図９】本発明によるＨＩＤランプの第５（半球形）実施例の断面図である。
【図１０】ａ〜ｃは、本発明によるランプ内の給電される電極のチップの選択的実施例を示す略示図である。
【図１１】投影器で使用するために適当である、掃引変調、活性フィードバック回路及び本発明によるランプの配置を示す線図である。
【符号の説明】
１０，７６  ＨＩＤランプ、  １２，１２’，１２”，４０，８０  光透過性容器、  １４  始動ガス、  １６  蒸発可能な充填物、  １８，１８’，１８”，４２，５６，７８  電極、  ２０  高周波電力源、  ２２  同調素子、  ２４アース、  ２６  リフレクタの表面、  ２８  内部反射面、  フォイルシール、  ３２  フリットシール、  ３４，４６  サーメットアセンブリ、  ４４  ＰＣＡキャップ、  ４８，６０，７４  リード線、  ５０，６２  フリットシール、  ５４  半球形容器、  ５５  ＰＣＡ底、  ５８  コイル、  ６６  掃引変調源、  ６８  搬送波源、  ７０  ミキサ、  ７２，９２  電力増幅器、  ８２  リフレクタ、  ８６  情報ゲート、  ９６  リアクタンス、  ９８  インダクタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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