JPH02139897A - 無電極高光度放電ランプ用の励起コイル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の背景］ 本発明はプラズマ放電を励起するための高周波（ＲＦ）
コイルに関し、特に無電極の高光度放電（ＨＩ　Ｄ）ラ
ンプ内に可視光発生用のプラズマを発生させ、かつ該ラ
ンプからの光に対する妨害を低減する形状を有する新規
なコイルに関する。

従来、ＲＦ雷電流よって励起した放電プラズマから可視
光を発生できることが知られている。このＲＦ雷電流コ
イルによって作られ、コイルは一般にランプの外部に配
置される。コイルは、ランプ内の放電プラズマに対する
結合が十分でなければならず、またＲＦ抵抗損が小さく
、かつ放電による光かコイル自体によって妨害されずに
ほぼ全て利用できるように物理的寸法が小さくなければ
ならない。通常用いられる励起コイルは長いソレノイド
形のものである。これは、結晶成長や光学繊維の製造な
どに利用されるプラズマ・トーチを発生させるための、
通常水冷のために銅製の管で構成された単一のソレノイ
ド・コイルを参考にして開発されたものである。

従来例が、米国特許箱３，８６０．８５４号（カップ状
コイル）、同第３，７６３，３９２号（短いソレノイド
）、同第３，９４２．０５８号および同第３，９４３，
４０４号（同軸ケーブルの端部の小型の高光度放電ラン
プ）に記載されているが、これらは全く光学的効率が悪
く、コイル損失を改善できる余地がある。

［発明の要約］ 本発明によれば、無電極放電ランプ内に高光度放電プラ
ズマを発生させるための励起コイルは、コイルの中心線
のいずれの側においても断面が実質的に菱形またはＶ字
状の仮想の環状体の外面に沿って配置された１巻回以上
の導体を有する。このコイルは、上記の仮想の環状体の
中心を直径方向に通る平面に対して実質的に対称に形成
することができる。コイルの半径は、ランプがコイルの
内側に配置されて、このためコイルに高周波（ＲＦ）電
源を接続したときにコイルがランプの中で同一平面内に
環状またはドーナツ形のアーク放電プラズマを誘起する
ように定められる。

好ましい実施態様では、コイルと電源との間にタップ付
きのりアクタンス素子（コンデンサまたインダクタ）に
よるインピーダンス整合が用いられる。平衡分割コイル
を用いることができる。励起コイルはその巻回部分を出
来るだけ多く、上記ドーナツ形のプラズマのリングの半
径の２倍の所に配置することが好ましい。

したがって、本発明の目的は、無電極ランプ中に高光度
アーク放電プラズマを発生させるための新規な励起コイ
ルを提供することである。

本発明のこの目的およびその他の目的は以下の説明から
明らかとなろう。

［図面を参照した発明の説明］ 先ず第１ａ図は高光度放電ランプ１０を示し、これは、
少なくとも１種のガスを含む容積を密閉する発光管１１
を有する。放光管１１の外面のまわりに配置された励起
コイル１６に高周波（ＲＦ）電流を流すことによりアー
ク放電プラズマ１４が発生される。ＲＦ雷電流ＲＦ電源
１８からコイル端１６ａおよび１６ｂ間に電圧ｖａｂを
印加することによっく生じる。アーク放電プラズマ１４
は、典型的には環状すなわちドーナツ形であって、リン
グの大きさは半径ｒで表わされ、プラズマの厚さは半径
ｒ′で表わされる（以下、環状のプラズマ１４をプラズ
マ・リング１４とも呼ぶ）。励起コイル１６は１巻回の
平面状のリングであり、その平面は半径「のプラズマ・
リング１４の平面と平行である。

第１ｂ図を参照して説明すると、１晋回のコイル１６の
、小直径のプラズマ・リング１４との結合のための最適
な位置を示し、コイル１６とプラズマ・リング１４は同
じ平面内にある。すなわち、コイル１６はプラズマ・リ
ングの中心を通ってそれを切断する平面１４ｐ内にある
。平均半径ｒのプラズマ・リング１４と平面１４ｐ内に
ある１巻回の励起コイル１６との間の結合係数は、コイ
ル１６の半径がプラズマ・リングの半径の２倍（すなわ
ち２ｒ）に等しいとき０．３６であることがわかった。

同様に、平面１４ｐ内にあって半径が３ｒの１巻回のコ
イル１６′については結合係数は０．１７３であり、平
面１４ｐと平行でそれから距＃１ｒだけ上方の平面内に
ある半径ｒの１巻回のコイル１６１の場合には結合係数
は０．２６４であり、平面１４ｐと平行でそれから距離
２ｒだけ上方の平面内にある半径「の１巻回のコイル１
６″の場合には結合係数は０．０５６であることがわか
った。したがって、励起コイルの全ての部分を結合係数
の最も高い位置に置くこと、すなわちプラズマ・リング
と同一の平面内に平均半径が２ｒになるように配置する
ことか非常に有利である。通常、励起コイルの巻回ｖＩ
Ｎは１よりも大きく、そのためこの多巻回数のコイルは
最適な平面を中心として配置し、コイルの最小直径は発
光管１１の外壁の寸法（直径）Ｅより大きくしなければ
ならない。また、発光管１１からの光に対する妨害を最
小にするため、多巻回数のコイルはプラズマ・リングの
平面１４ｐに対して直角な方向におけるその範囲（寸法
）を出来る限り小さくしなければならない。同時に、損
失を最小にするため励起コイルの抵抗特性を最小にする
と共に、励起コイルとその電源１８との間の適正な同調
およびインピーダンス整合がＲＦ周波数、例えば標準Ｉ
Ｓ　Ｍ周波数の１つ（例えば１３．　５８ＭＨｚ　）で
得られるように励起コイルのインダクタンス特性を最適
化しなければならない。

これらの要件を満足する１つの構成例が第１Ｃ図に示す
コイル２０の構成である。コイル２０は仮想の環状体の
外面に沿って配置された多巻回数の導電性ストリップま
たはリボンよりなる。仮想の環状体はその半径ｒ１が約
２「に等しく、その断面の半径ｒ２が半径ｒ１から発光
管の半径（Ｄとリボンの厚さｔとの和を差し引いた寸法
よりも小さい。この多巻回数Ｎ（この例ではＮ−８）の
コイル２０は、図から明らかなように製作するのが難し
く、また、コイル端２０ａおよび２０ｂ間に印加される
電圧Ｖａｂがかなり高い（典型的には１０００ボルト程
度）のでコイルの隣り合う巻回部分２０−１乃至２０−
８間を十分に分離することが必要である。この分離は容
易に達成できない。

特に、リボンの厚さｔを十分大きくして、各巻回部分（
丸いワイヤと見なされる）がＲＦ表皮効果による損失を
低減するほどの大きさになるようにすると共に、プラズ
マから光に対するコイルの妨害が最小になるようにプラ
ズマに対してコイルの占める角度を小さくした場合、十
分な分離は得られない。また、約５０００’にのアーク
・プラズマから室温（約３００°Ｋ）のコイル付近まで
適当の温度勾配を維持し、かつ発光管１１を適度な維持
するために、プラズマ・リング１４とコイル２０との間
に十分な間隔を設けなければならない。

厚さｔが約０．０２ｍｍのリボンでコイル２０を形成し
ても、このようなコイルは製造コストを低くするには実
用的でない。

そこで第２図には、より好ましいランプ１０’が示され
ている。ランプ１０′は発光管１１の外而１１ａに取付
けられた内面２２ｂを持つ円管形の外管２２を有し、光
を発生する放電プラズマ１４は発光管の内面１１ｂに隣
接して発生される。

本発明の好ましい実施例によれば、励起コイル２４は外
管２２の周りに配置され、その巻回数Ｎ（第２図ではＮ
−８）の導体は、プラズマ・リング１４と同じ平面２４
′　ｐ内において円形であって、かつこの中心の平面２
４′　ｐに対してそれぞれ角度θ（１０°〜８０’）を
なす傾斜した辺２４’　　ａおよび２４′　ｂを持つ菱
形またはＶ字状の断面を有する「仮想Ｊの環状体２４′
の外面（傾斜した面２４′　ａおよび２４’ｂ）に沿っ
て配列されている。コイルの巻回導体部分２４−１乃至
２４−８および２４−１．’乃至２４−７’はＶ字状の
断面を有する仮想の環状体の外面上にあり、角度θの頂
点（Ｖ字の頂点）は発光管の中心１１Ｃにあるのが有利
である。仮想の環状体の内周縁２４′　ｃは最も内側の
巻回部分（２４−４，２４−５）とその中点位置の部分
２４−４’　との間の距離Ｃより僅かに大きい距離隔た
っている。この距離Ｃは発光管の内面１１ｂの寸法より
も大きく、また外管２２の外面２２ａの寸法Ｂよりも大
きい。

コイルはその一端２４ａが上側の傾斜した而２４′　ａ
の半径方向に最も遠い位置で開始し、半巻回で直径上の
反対側の位置に達し、位置２４−２で完全な一巻回を完
成する。このようにして１゜５巻回部分２４−２’　、
２巻回部分２４−３．２゜５巻回部分２４−３’および
３巻回部分２４−４に続く。コイルの中点は内周縁２４
′　Ｃに沿った位置２４−４’で生じる。次いて、５巻
回部分が位置２４−５で生じ、同様にして５．　５．　
６．　６゜５７．７．５および８巻回部分がそれぞれの
位置２４−５’　、２４−６．２４−６’　、２４−７
゜２４−７’および２４−８で生じる。

次に第２ａ図を参照すると、コイル２４のインダクタン
スＬと、直列の容量２６および２８よりなる合成容量Ｇ
とは共振するように同調させることができる。容量２６
と２８の比は、端子１０′ａと１０’ｂとの間の回路の
インピーダンスが電源の出力インピーダンスと整合し、
かつ共振が生じるように調節される。

次に第３図および第３ａ図には、別の好ましい実施例の
ランプ１０Ｊが示されており、その多巻回数のＶ字状断
面のコイル３０の両端３０ａおよび３０ｂ間には容量Ｇ
のコンデンサ３２が接続され、また電源とのインピーダ
ンス整合のためコイルには点３０ｃでタップが設けられ
ている。上記実施例のコイル２４および３０では、コイ
ルをかなり大きな直径の中空の管、例えば８分の１イン
チ（３，２ｍｍ）の銅の管（その内部の直径は冷却用流
体を通すために大きくしである）で作製した場合でも、
コイルの各巻回部分間にかなりの間隔がある。コイルの
両端２４ａおよび２４ｂ１または３０ａおよび３０ｂは
数百ボルトのＲＦ雷電圧耐えるように適切に隔たってい
る。丸い（断面が円形）のワイヤまたは管の表面が、コ
イルの外側にのみ存在する磁束に対して提供され、ワイ
ヤまたは管の寸法はこの面積を変更するように変えるこ
とができる。さらに、コイルはその配列形状がプラズマ
・リングから離れる向きに折り曲げられているが、ＲＦ
とプラズマとの結合を最大にするために出来る限り多数
の巻回部分がプラズマ・リングの平面の近くに配置され
ている。同時に、コイルに沿った最大の電圧がプラズマ
から最も遠く離れた点間に加えられるので、Ｅモードの
放電が最小になり、Ｈモードの励起が大きくなる。また
、隣り合う巻回部分間の間隔がコイル全体にわたって全
て等しくなるようにコイルを作るために巻枠を用いるこ
とができ、このような巻枠は容易に作ることができる。

上述の３．２ｍｍの銅の管で作って巻回数Ｎ−８のコイ
ルは、直径が０．　８インチ（２０，３ｍｍ）程度の発
光管を有するランプに対して０．２程度の結合係数にで
きることがイ〕かった。

次に、第４図、第４ａ図および第４ｂ図を参照すると、
本発明の別の好ましい実施例のランプ１０′が示されて
おり、その励起コイル３４はそのコイル端３４ａおよび
３４ｂの間に中心タップ３４ｃを有し、中心の巻回部は
切断されて、２つの別個のリード部分３４ｃｍ１および
３４ｃｍ２によりアース面３３に接続されている。これ
により２つの別々の熱伝導路がアース面の放熱体に対し
て作られて、コイルから熱を除去し、特別な人工的な冷
却を行う必要性が無くなるか又は軽減される。多巻回数
のＶ字状断面のコイル３４は単一のコンデンサ３６によ
って同調し、電源が同軸ケーブル３８を介してタップ３
４ｄに接続されている。第４ｂ図に示すように、３巻回
数のコイルが１．５巻回数の一対のコイルに分割され、
上半分のコイル部分はコイル端３４ａから第１のアース
・リード３４ｃｍ１まで伸び、下半分のコイル部分は第
２のアース・リード３４　ｃ−２の上端からタップを通
ってコイル端３４ｂまで伸びる。

以上、プラズマ・リングを通る水平な平面内またはその
近くに出来るだけ多くの巻回部分を配置するか、或いは
プラズマ・リングと同心でその周りの仮想の７字状の環
状体の外面に沿って巻回部分を配置して構成した本発明
による新規な励起コイルの幾つかの好ましい実施例につ
いて図示し説明したが、当業者には種々の変形および変
更をなし得ることが理解されよう。したがって、本発明
は特許請求の範囲の記載によって限定されるものである
。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図は本発明の原理を理解するのに役立つ、１巻回
の励起コイルを有するＨＩＤランプの平面図である。 第１ｂ図は第１ａ図のランプの断面図であって、付加的
なコイル位置をも示す断面図である。 第１ｃ図は多巻回数の励起コイルの一構成例を示すＨＩ
Ｄランプの一部の側断面図である。 第２図は本発明による励起コイルの好ましい実施例を示
すＨＩＤランプの一部の側断面図である。 第２ａ図は第２図の励起コイルおよび補助素子によって
形成される回路の回路図である。 第３図は本発明の励起コイルの別の好ましい実施例を示
すＨＩＤランプの一部の側断面図である。 第３ａ図は第３図の励起コイルと補助素子との回路図で
ある。 第４図は本発明による別の好ましい多巻回数の励起コイ
ルの回路図である。 第４ａ図は第４図のコイルの構成を示す簡略側断面図で
ある。 第４ｂ図は第４ａ図のコイルの斜視図である。 ［主な符号の説明］ １に発光管 １４：プラズマ・リング １６．２０，２４，３０，３４：励起コイル２４′　：
断面が７字状の仮想の環状体２４’　　ａ、２４’　　
ｂ：傾斜した面。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、無電極放電ランプ内に高光度放電プラズマを発生さ
   せるための励起コイルであって、 全体としてＶ字状の断面を持つ仮想の環状体の外面に沿
   って配置された１巻回以上の導体と、上記導体のインダ
   クタンスを所望の共振周波数に同調させる同調手段と、
   を有することを特徴とする励起コイル。 ２、上記導体のインピーダンスを所望のインピーダンス
   に整合させるインピーダンス整合手段が設けられている
   、請求項１記載の励起コイル。 ３、上記同調手段が上記インピーダンス整合手段に含ま
   れている、請求項２記載の励起コイル。 ４、上記環状体の断面はその中心を直径方向に通る平面
   に対して実質的に対称である、請求項１記載の励起コイ
   ル。 ５、上記導体の巻回数が複数Ｎである、請求項４記載の
   励起コイル。 ６、Ｎ＝８である、請求項５記載の励起コイル。 ７、上記環状体の断面の傾斜した辺が、実質的に当該コ
   イルの幾何中心に向うように傾斜している、請求項５記
   載の励起コイル。 ８、上記巻回数Ｎが実質的に整数である、請求項５記載
   の励起コイル。 ９、上記環状体の断面が傾斜した辺が、実質的に当該コ
   イルの幾何中心に向うように傾斜している、請求項８記
   載の励起コイル。 １０、上記導体の中点が、上記環状体の断面の上記傾斜
   した辺によって形成された角度の範囲内に位置している
   、請求項９記載の励起コイル。 １１、上記環状体の断面の上記傾斜した辺の各々が上記
   平面に対して１０°〜８０°の角度をなしている、請求
   項１０記載の励起コイル。 １２、上記導体の巻回数が複数である、請求項１記載の
   励起コイル。 １３、上記導体の各巻回部分とその隣りの巻回部分との
   間の空間が実質的に全て等しい、請求項１２記載の励起
   コイル。 １４、上記導体の長さに沿った少なくとも１点がアース
   面に電気的に接続されている、請求項１２記載の励起コ
   イル。 １５、上記導体の実質的に中点が上記アース面に接続さ
   れている、請求項１４記載の励起コイル。 １６、上記導体の断面が円形である、請求項１記載の励
   起コイル。 １７、上記導体が中空である、請求項１６記載の励起コ
   イル。 １８、高光度発光管と、 上記発光管の外面に隣接して配置され、上記発光管内に
   放電アーク・プラズマを発生させる励起コイルとを含み
   、 上記コイルが全体として、Ｖ字状の断面を持つ仮想の環
   状体の外面に沿って配置された１巻回以上の導体を有す
   ることを特徴とするランプ。 １９、上記環状体の断面の傾斜した辺が、上記発光管の
   内部の１点に向うように傾斜している、請求項１８記載
   のランプ。 ２０、上記の１点が実質的に上記放電アーク・プラズマ
   の中心の点である、請求項１９記載のランプ。