TW200901830A - High voltage pulse generator and high pressure discharge lamp with such generator - Google Patents

Description

200901830 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 項前言所述的高壓 點燃一般照明-或光 本發明另涉及一種 本發明涉及一種如申請專利範圍第丄 脈波產生器。此種產生器特別是可用來 學目的-或車輛用的高壓放電燈。此外， 設有此種產生器之高壓放電燈。 【先前技術】

问壓放鼠燈之點燃問題目則是以，’一個點燃裝置整合至 電子式安定器中”來解決。此種方式的缺點是：須以固定的 高電壓來設計多條導線。 過去的時間中，通常亦尋求將點燃單元整合在一種燈 中。因此，試圖將該點燃單元整合在基座中。一種允許特 別有效之高壓脈波的點燃可藉由所謂螺旋式脈波產生器來 達成’請參閱US-A 3 289 015。在更久之前，此種裝置已建 議使用在不同的高壓放電燈中，例如，用在金屬鹵化物燈 或鈉高壓燈中，這例如可參閱US-A 4 325 004, US-A 4 353 012。然而’不能用這些燈來實施，此乃因一方面是這些燈 太貴，另一方面是優點（即，這些燈安裝在基座上）仍顯不 足，此乃因高電壓供應至燈泡仍有問題。因此，若基座中 有隔離上的問題或缺口時，燈受損的機率會大大地增加。 目前，一般的點燃裝置被加熱時通常未超過100°c。然後， 所產生的電壓必須傳送至該燈，這需要可耐高壓（典型上是 5 kV)的導線和燈頭。 【發明內容】 200901830 本發明之目的是提供一種緊密式高壓脈波產生器。 上述目的藉由申請專利範圍第1項的特徵來達成。 本發明特別有利的形式描述在申請專利範圍各附屬項 中。 本發明另一目的是提供一種高壓放電燈，其點燃特性相 對於目前的燈而言已大大地改進，且不必擔心由於高電壓 而受損。此種高壓放電燈特別適用於金屬鹵化物燈，其放 電管的材料可以是石英玻璃或陶瓷。該另一目的藉由申請 專利範圍第9項的特徵來達成。 依據本發明，具有至少1. 5仟伏之高壓脈波是藉由一特 殊之耐溫的螺旋式脈波產生器來產生，使燈點燃時需要1.5 仟伏之高壓脈波。該螺旋式脈波產生器整合在外燈泡中一 放電管之直接相鄰處。因此，不只可達成一種冷點燃，而 且亦可達成一種加熱再點燃作用。 目前所使用的螺旋式脈波產生器特別是一種所謂 LTCC(低溫共燒陶瓷）-構件或HTCC(高溫共燒陶瓷）-構件。 此種材料是一種特殊的陶瓷，其可在達到600°C的溫度時 穩定地製成。LTCC甚至已與多種燈一起使用，請參閱US 2003/0001519和US-B 6 853 151。然而，爲了完全不同的目 的，實際上幾乎不使用各種受到溫度負載所影響的燈，其 典型的溫度小於100°C。LTCC之高的溫度穩定性之特殊的 値與有點燃問題的高壓放電燈（主要是金屬鹵化物燈）不能 在先前技術中予以辨認。 螺旋式脈波產生器之基本造型是一種構件，其將電容器 200901830 的特性與一種波導的特性相結合以產生電壓至少是1.5仟 伏的點燃脈波。就製程而言，二個陶瓷”生胚薄片”以金屬 導電糊漿來壓製且然後進行捲繞而轉移成一螺旋線，最後 以均衡的（isosta tic)方式壓製成一成形體。隨後以金屬糊漿 和陶瓷箔來進行的共（co)燒結是在80CTC至1100°C的溫度 範圍內在空氣中進行，特別是在800。(：至900°C的溫度範圍 內進行。此種處理允許該螺旋式脈波產生器之使用範圍可 達700°C之溫度負載範圍。於是，該螺旋式脈波產生器可 安裝在該外燈泡中放電管的直接相鄰處，但亦可安裝在基 座中或安裝在燈的直接相鄰處。 然而，就螺旋式脈波產生器之製造而言，亦可使用具有 金屬導電糊漿的陶瓷”生胚薄片”，其屬於HTCC-材料之燒結 溫度的範圍。這些材料例如可以是Ah〇3，ZrCh等等。這些 材料在1 100°C至1 800。0的高溫範圍中可緊密地被燒結。 此種燒結亦可以在氮（N2)、氬（Ar)或氫（H2)或其混合物中 以不同的氣體成份和混合比例來進行。 就螺旋式脈波產生器之製造而言，亦可使用陶瓷生胚薄 片，其在燒結之後具有一種相對的介電常數e (D.K)，其値 爲5至2000。這樣可使螺旋式電容器具有很高的電容，且 另外可使所產生的高電壓脈波具有較大的寬度和能量。實 際上該介電常數（D.K)的較佳的値ε是在10至100之間。 因此，一種很緊密的構造方式是可能的，這樣可使螺旋 式脈波產生器直接安裝在燈的外燈泡中或基座中。此外， 大的脈波寬度有利於放電管中的貫通（breakdown)現象的達 200901830 成。高的能量可容易地轉移成獨立的放電現象。 糊漿系統可具有至少一種金屬成份且在燒結之後可用來 引導電流，此種糊漿系統都適合用作以箔爲主的金屬層。 可具有銀、金、銅、鉬、鎳、鉑、以及依據成份AgxPd^ 由銀和鈀所構成的混合物，其中X較佳是在0.5至0.99之 範圍中。 金屬層亦可以金屬箔的形式而在陶瓷基板上積層化。箔 的厚度較佳是在1至100微米的範圍中。於是，箔可在成型 f . 用的捲繞過程之前或期間施加而成。 導電性的塗層用的非金屬之氮系統是石墨。 導電性的塗層用的非金屬-無機之氮系統是導電性的陶 ' 瓷或陶瓷金屬。 可由陶瓷材料系統經由一種沈積物來對陶瓷生胚薄片進 行拉伸’此種陶瓷材料系統基本上都適合用來製造螺旋式 脈波產生器。此種陶瓷材料系統（非金屬的無機物）在基本狀 , 態時所具有的相對介電質常數er介於5和20000之間。然 而，其它的材料系統和混合物（其中至少一成份是陶瓷材料 系統）亦都適用。這些材料系統特別是來自表1中的材料。 200901830 表1 材料 相對介電質常數ε ^大約） LTCC-技術之陶瓷基板 3 至 10 000 電容器製造用的一般材料 10 至 20 000 由鋇鈦酸鹽和鋇緦鈦酸鹽之基所 500 至 12000,特別是 3000 至 7000 構成的材料 由鋇-銷酸鹽-鈦酸鹽之基所構成 15000 至 21 000 的材料 由鉛-鍩酸鹽-鈦酸鹽（所謂PZT，特 1500 至 2500 別是硬-和軟PZT)之基所構成的材 料 具有添加物之PZT 8000 至 9500 由鉛-鎂-鈮酸鹽（所謂PMN)之基所 18 000 至 20 000 構成的材料 由鉛-鋅-鈮酸鹽（所謂PZN)之基所 17 000 至 20 500 構成的材料 由鉀-鈉-鈮酸鹽（所謂KNN)之基所 700 至 1200 構成的材料 由以鉍爲主的鈣鈦礦之基所構成 800 至 1150 的材料 由鎢-青銅之基所構成的材料 800 至 1200 選取上述材料時的優點在於： -高的使用溫度，使螺旋式脈波產生器可安裝在燈之直 接相鄰處，燈的基座中或甚至安裝在燈的外燈泡中； 200901830 -小的造型； -不需耐高電壓的導線； -高的能量儲存性以及由此所造成之高的點燃脈波能 量； -高壓放電燈起動用的脈波寬度可隨著相對介電常數而 增大；所造成的典型之脈波寬度是50至200奈秒； -充電電壓可隨著捲繞數而增加5至200倍。 f , 具體的螺旋式脈波產生器例如由ε是65之陶瓷LTCC-材 料所製成。磁帶長度是50公分至110公分。金屬層是一種 由銀所構成的導電糊漿。所製成的螺旋式脈波產生器例如 具有大約1.4公分至2.5公分之外直徑。 上述的螺旋式脈波產生器亦可用在其它應用中，此乃因 其不只具有高溫穩定性而且亦特別緊密。此處，重要的是： 螺旋式脈波產生器以LTCC -構件來構成，其包括陶瓷箔和金 屬導電糊漿。爲了提供足夠的輸出電壓，該螺旋線應包括 I ; 至少5個繞組。 此外，可以該高壓脈波產生器爲主來設定一種點燃單 元，其另外包括至少一充電電阻和一開關。此開關可以是 一種火花間隙或亦可爲以SiC-技術製成的雙向二極體 (Diac)。 在燈的應用情況下，較佳是在外燈泡中進行。於是，不 需一種高壓穩定的電壓導線。 此外’可對螺旋式脈波產生器設定尺寸，使高壓脈波甚 至可使該燈達成一種加熱再點燃的作用。由陶瓷所構成的 -10- 200901830 介電質之特徵是一種特別高的介電質常數ε ^其範圍是ε r >10，此時依據材料和構造形式該ε典型上可以是7〇至 100。這樣可使螺旋式脈波產生器達成很高的電容且可使所 產生的脈波在時間上有較大的寬度和高的能量。因此’該 螺旋式脈波產生器可達成一種很緊密的構造’於是可安裝 在高壓放電燈之商業上慣用的外燈泡中。 又，大的脈波寬度可容易地在放電體積中達成一種貫通 (breakdown)作用。 可使用每一種一般的玻璃以作爲燈的外燈泡之材料’這 些玻璃特別是硬玻璃、Vycor或石英玻璃。塡料的選取亦不 會受到特殊的限制。 目前爲止使用二種導體，其大約具有相同的寬度。爲了 防止各導電線路之間的火花放電現象，則陶瓷螺旋式脈波 產生器之正面須設有一種隔離層，其特別是一種玻璃層或 樹脂層，例如，其可以是所謂過（over)玻璃層或塑料樹脂層。 在一較佳的實施形式中，可容易地防止火花放電且甚至 不需另一隔離層。於是’可使用一個陶瓷泊’其寬度大於 金屬層的寬度。在第一陶瓷箔上塗佈第一金屬層以作爲狹 窄的軌道。在第二陶瓷箔上塗佈狹窄的第二金屬層。在積 層時，突出的各陶瓷層疊合在一起且因此使二個金屬層在 該螺旋式脈波產生器之正側端上達成一種簡單的隔離。 下述的實施形式特別佳’此實施形式中在金屬層側面上 仍保留著一種由陶瓷隔離材料所構成的無導電糊漿的鑲 邊。最佳是該鑲邊以一種隔離材料來塗層而不是以導電糊 -11- 200901830 漿來塗層，此塗層的厚度應與導電糊漿之厚度接近。以此 種方式，則可在該捲繞式系統中防止厚度的不同。於是’ 該隔離層並非”不需要”而是可防止該鑲邊可能發生減弱現 象，此乃因該隔離層可使該鑲邊達成一種高度上的補償。 本發明以下將依據多個實施例來詳述。 【實施方式】 第1圖顯示螺旋式脈波產生器1之構造的俯視圖，其由 一種陶瓷圓柱體2所構成，陶瓷圓柱體2中以螺旋形式捲 繞著二個不同的金屬導體3和4。該圓柱體2的內部中是中 空的且具有一種已設定的內直徑ID。該二個導體3和4之 二個內部接觸區6和7相鄰且經由一火花間隙5而互相連 接。 二個導體中只有外部的導體在該圓柱體的外部邊緣具有 另一接觸區8。另一導體在終端敞開著。此二個導體因此一 起形成一端敞開的波導，此波導以一種介電質手段（陶瓷） 來構成。 該螺旋式脈波產生器由二個以金屬糊漿來塗佈的陶瓷箔 捲繞而成或由二個金屬箔和二個陶瓷生胚薄片來構成。因 此，主要的特徵値是繞組的數目η，η較佳是應該在5至100 之範圍中。然後，此種捲繞式配置被薄片化以及隨後進行 共燒，這樣就可形成一種陶瓷構件，特別是LTCC-構件或 HTCC-構件。以此種方式所形成的螺旋式脈波產生器具有電 容器特性且隨後與火花間隙和充電電阻相連接。 該火花間隙可位於內部終端或外部終端或亦可位於該產 200901830 生器的繞組內部。較佳是使用一種火花間隙以作爲起動脈 波用的高壓開關。此外，亦可使用耐高溫的半導體開關％ 件，其較佳是以SiC-技術來製成。這在溫度直至350。(：時 是適當的。 在一具體的實施例中，使用一種ε = 60至70之陶瓷材料。 因此，較佳是使用一種陶瓷箔作爲介電質，特別是使用一 種陶瓷帶，例如，可使用Heraupe CT 700或CT 707或較佳 是CT 765，其分別來自Heraeus，或亦可使用至少此二者的 混合物。生胚薄片之厚度典型上是50至150微米。特別是 可使用銀-導電糊漿（例如，可共燒的銀，同樣來自Heraeus) 作爲導體。一種具體的例子是來自Heraeus之TC 7303。來 自DuPont之金屬糊漿6142亦可提供好的結果。這些部份可 良好地被薄片化且隨後予以加熱（binder burnout)以及一起 燒結（co-firing)。 該具體的螺旋式脈波產生器之內直徑ID是10至14毫 米。個別的陶瓷-條片之寬度大約是6至9毫米。導體的寬 度較陶瓷箔之寬度小1至4毫米。箔厚度是50至80微米且 該二個導體之厚度分別是7至12微米。在充電電壓是3 00 伏（V)時，該產生器產生2500伏的電壓。在此種先決條件 下，該螺旋式脈波產生器可在繞組數n= 1 9時具有最佳的特 性。 第2圖顯示該高壓脈波之以微秒來表示之相關的半値寬 度（曲線a)，該構件之以微法拉來表示的總電容（曲線b) ’所 造成的以毫米來表示的外直徑（曲線c)，以及效率（曲線d)’ 200901830 以仟伏來表示的最大脈波寬度（曲線e)以及以Ω來表示的 體電阻（曲線f)。 第3圖顯示一高壓放電燈，特別是鈉高壓燈1 0，之原 上的構造，其具有陶瓷放電管1 1和外燈泡1 2，外燈泡 中具有已整合的螺旋式脈波產生器13, 一點燃電極14施 在該陶瓷放電管11的外部。該螺旋式脈波產生器13是與 花間隙1 5和充電電阻1 6 —起安裝在外燈泡中。 第4圖顯示一高壓放電燈，特別是金屬鹵化物燈20， 原理上的構造，其具有已整合的螺旋式脈波產生器21， 中該由石英玻璃或陶瓷所構成的放電管22的外部未施加 點燃電極。該螺旋式脈波產生器21是與火花間隙23和充 電阻24 —起安裝在外燈泡25中。高壓脈波疊加至該燈的 作電壓且經由主電極而傳送。 第5圖顯示一種具有放電管22之金屬鹵化物燈20,其 二條導線26、27而固定在一外燈泡中。第一條導線26是 種捲繞成較短的導線。第二條導線27基本上是一種桿， 延伸至基座遠端的引線28。在由基座30而來的導線29 桿27之間配置一點燃單元3 1，其包含該螺旋式脈波產 器、該火花間隙和該充電電阻，如第4圖所示。 第6圖顯示一種類似於第5圖之金屬鹵化物燈20，具 一放電管22，其由二條導線26、27而固定在一外燈泡 中。第一條導線26是一捲繞成較短的導線。第二條導線 基本上是一種桿，其延伸至基座遠端的引線28。此處， 點燃單元配置在基座30中，且該螺旋式脈波產生器21、 導 理 12 加 火 之 其 電 操 由 其 和 生 有 25 27 該 該 -14- 200901830 火花間隙23和該充電電阻24亦配置在基座30中。 第7圖顯示一種實體形式的螺旋式脈波產生器50’其具 有安裝在內部的火花間隙5 3。此螺旋式脈波產生器5 0的內 部在火花間隙5 3上具有二個電性終端且在外部周圍具有一 個終端。 第8圖顯示一種陶瓷螺旋式脈波產生器39的橫切面’其 正面具有隔離區。圖中顯示出數個繞組的層，二個不同的 金屬導體40和41交互地捲繞著。在具有寬度B之陶瓷帶 的邊緣上，即，在形成圓環的正側42上，金屬導體40和 4 1直接到達邊緣。一種隔離層43就像圓頂一樣（在橫切面 中觀看時）施加在金屬導體40和41上且將此二個金屬導體 互相隔離，且防止一種經由陶瓷層的表面放電現象。 另一實施例顯示在第9圖中。此處，該螺旋式脈波產生 器45具有二個金屬導體40、41，其層未使用該陶瓷帶之整 個寬度B而是明顯地終止於該陶瓷帶的內部中（右半部）。所 減少的寬度RB有利地處於RB = B-X中，其中X=1至4毫米。 這樣可以最簡單的方式使隔離作用獲得改良而不需一種隔 離層，但這樣會在較小的RB時造成邊緣區域中的中空區 44，邊緣區域邊可以下陷。在左側上顯示已下陷的邊緣區 域45。此種過程會使螺旋式脈波產生器之壽命和穩定性受 到限制。此種構造因此只可用在很薄的隔離層中。 第10圖顯示一種已改良的螺旋式脈波產生器，其中二個 金屬導體40和41就像第9圖一樣未使用該陶瓷帶之整個寬 度B。然而，具有寬度x = B-RB之邊緣側的中空區完全地或 200901830 一部份（較佳是至少80%)以一種隔離材料46(用來取代金屬 導體）來塡入，此隔離材料46的厚度大約與金屬導體40， 41的厚度相同’陶瓷帶之材料或等値的材料適合作爲此隔 離材料。以此種方式’則實際上不會有中空區且因此該邊 緣區域亦不會下陷。 隔離用之不同的介質亦可互相組合，使例如一種正側的 隔離面可與金屬層之已下降的寬度共同作用。亦可只使二

個金屬層之一具有已下降的寬度RB(在與陶瓷箔之寬度B f' " 相比較下），情況需要時亦可將金屬層與一正側的隔離面予 以組合。此外，亦可使用二個寬度不同的陶瓷箔。 本發明在與車輛頭燈用的高壓放電燈共同作用時顯示了 _ 特殊的優點，高壓放電燈中在較佳是至少3巴的高壓下以 氙和金屬鹵化物來作爲塡料。此種塡料特別不易點燃，此 乃因高的氙壓力而使點燃電壓大於10仟伏。目前正在尋求 將該點燃單元之組件安裝在基座中。一種具有已整合的充 ^ 電電阻之螺旋式脈波產生器可安裝在車輛-燈之基座中或安 裝在燈之外燈泡中。 本發明在與高壓放電燈共同作用時發揮了特殊的優點， 該高壓放電燈未含有水銀。此種燈由於環境保護原因而特 別値得追求，其含有一種適當的金屬鹵化物-塡料且特別是 含有一種高壓的稀有氣體（例如，氙）。由於未具備水銀，該 點燃電壓特別高，其典型上至少是5仟伏，但亦可超過20 仟伏。目前正在尋求將該點燃單元的組件安裝在基座中。 具有已整合的充電電阻之螺旋式脈波產生器可安裝在無水 -16- 200901830 銀的燈之基座中或安裝在燈之外燈泡中。 【圖式簡單說明】 第1圖 螺旋式脈波產生器之原理上的構造。 第2圖一種LTCC-螺旋式脈波產生器之特徵値。 第3圖 具有第三點燃電極之高壓放電燈之原理上的 構造，其在外燈泡中具有一種螺旋式脈波產生器。 第4圖 具有疊加式點燃作用的高壓放電燈之原理上 的構造，其在外燈泡中具有一種螺旋式脈波產生器。

第5圖一種在外燈泡中具有螺旋式脈波產生器之金 屬鹵化物燈。 第6圖一種在基座中具有螺旋式脈波產生器之金屬 鹵化物燈。 第7圖一種具有已安裝的火花間隙之螺旋式脈波產 生器。 第8圖一種在正側具有隔離層的螺旋式脈波產生器 第9圖一種具有”下陷”的簡單鑲邊之螺旋式脈波產 生器。 第10圖一種使鑲邊的高度可受到補償之螺旋式脈波 產生器。 【主要元件符號說明】 1、13、21、39、45、50 螺旋式脈波產生器 2 陶瓷圓柱體 3、4、40、41 金屬導體 -17- 200901830 5、 15 、 23 、 53 火 花 間隙 6、 7 內 部 接觸 區 8 接 觸 1E 10 鈉 局 壓燈 11 '22 放 電 管 12 '25 外 燈 泡 14 點 燃 電極 16 '24 充 電 電阻 20 金 屬 鹵化 物燈 26 ' 27 、 29 導 線 28 引 線 30 基 座 3 1 點 燃 單元 42 正 側 43 隔 離 層 44 中 空 區 45 邊 緣 區域 46 隔 離 材料 -18-

Claims (1)

1. 200901830 十、申請專利範圍： 1. 一種以螺旋式脈波產生器爲主的緊密式高壓 ，其特徵爲··此螺旋式脈波產生器由LTCC-構 構件所構成，各構件分別包括二個寬度B之陶 施加在各陶瓷箔上的金屬導體，各金屬導體共 旋形，使各箔的邊緣一起形成圓環形的正面， 金屬導體藉由至少一隔離用的手段而在電性上 2. 如申請專利範圍第1項之高壓脈波產生器，其 (' ' 的手段是一種在該正面上的隔離層。 3. 如申請專利範圍第1項之高壓脈波產生器，其 」 的手段是至少一金屬導體之與陶瓷箔的整個S ’ 較下已下降的寬度RB。 4 ·如申請專利範圍第3項之高壓脈波產生器，其 降的寬度所形成的中空區的至少一部份是以 的塗層來塡入。 5 ·如申請專利範圍第1項之高壓脈波產生器，其 C 之繞組的數目η至少是η = 5且較佳是最多包含 組。 6.如申請專利範圍第1項之高壓脈波產生器，其 使用由鈦酸鹽或鈮酸鹽之基所構成的材料、以 鈦礦或鎢-青銅中的至少一種材料。 7_如申請專利範圍第6項之高壓脈波產生器，其 介電質常數選擇成介於3和21 000之間，較 和2000之間。 脈波產生器 件或HTCC- 瓷箔和一個 同捲繞成螺 其中該二個 .互相隔離。 中該隔離用 中該隔離用 〔度Β相比 中由該已下 一種隔離用 中各陶瓷箔 η = 500個繞 中各陶瓷箔 鉍爲主的鈣 中該材料之 佳是介於5 -19- 200901830 8·—種以申請專利範圍第1項之高壓脈波產生器爲主之點燃 裝置，其特徵爲：此點燃裝置另外具有至少一充電電阻和 一開關。 9. 一種具有放電管的高壓放電燈，其安裝在一外燈泡中且在 該處藉由一基座而固定著，此高壓放電燈之特徵爲：一種 如申請專利範圍第8項所述之點燃裝置整合在該燈中。 1 〇.如申請專利範圍第9項之高壓放電燈，其中螺旋式脈波產 生器具有一種大約是中空圓柱形的形式，其內直徑至少是 10毫米。 -20 -