JP2013527586A - 高強度放電アーク管および関連のランプ組立体 - Google Patents

Abstract

放電光源は、光源から放出された光への影響を最小限にするメタルハライドドーズプールまたは塩プールのための所定の位置を有する放電チャンバを備えたアーク管を含む。放電チャンバは、長手方向軸に対して垂直な第２の軸を中心に非対称であることが好ましい。一実施形態では、放電チャンバは、長手方向軸に沿って離間された異なる直径の第１の略球状の部分および第２の略球状の部分を含むことが好ましい。アーク管は、さらに別の装置では異なる壁厚を有する。さらなる例示的実施形態では、放電チャンバを形成する壁の一部分が、略凹形状の面を含む。これらの特徴は、個々にまたは組み合わせて用いられてもよい。
【選択図】図１

Description

本願の所有者が所有する同時係属の、２０１０年６月３日に出願された米国特許出願第１２／７９３３９８号、２０１０年６月３日に出願された同第１２／７９３４７０号、２０１０年６月３日に出願された同第１２／７９３４９４号等を参照する。

本開示は、小型高強度放電ランプのためのアーク管に関し、より具体的には、半透明の、透明なもしくは実質的に透明な水晶、硬質ガラス、またはセラミック放電チャンバ材料で作製されている小型メタルハライドランプに関する。具体的には、本開示は、自動車照明の分野で応用されるが、塩プール（ｓａｌｔ ｐｏｏｌ）の配置、およびランプ組立体から発せられる光束を最大にすることに関する同様の問題に直面する関連の放電ランプ環境において、選択された態様が応用されてもよいことを理解されたい。本開示では、「放電チャンバ」は、アーク放電が走っている放電ランプの部分を指し、一方、用語「アーク管」は、放電チャンバ内で電気アーク放電を励起することにより光を生成することが必要な放電ランプの最小構造組立体を表す。また、アーク管は、放電チャンバ内の電極を外部の駆動電気部品に電気的に接続する可能性に加えて、「放電チャンバ」の真空気密性を確実にする、（水晶アーク管の場合は）モリブデンホイルおよびアウターリードまたは（セラミックアーク管の場合は）セラミック突出末端プラグもしくはシールガラス製シール部を備えたセラミック脚部およびアウターリードを備えたピンチシールを含む。

高強度メタルハライド放電ランプは、アーク管の放電チャンバ内に含まれている充填材をイオン化することにより、光を発生する。ここで、充填材は通常、ネオン、アルゴン、クリプトンもしくはキセノンまたはそれらの組合せなどの不活性ガス中の水銀などの、メタルハライドと緩衝化剤との混合物である。アークは、放電チャンバ内において電極の内側終端部間で開始され、これらの電極は、ほとんどの場合両側で放電チャンバ内に延び、充填材に電圧を印可する。現在の小型高強度メタルハライド放電ランプでは、過量の溶融メタルハライドの塩プールは、略楕円形放電チャンバまたは管状放電チャンバの中心底部位置にあることが多く、該放電チャンバは、動作中、水平配向で配設されている。該塩プールは、ランプ動作中、放電チャンバの最も冷たい部分であり、それ故に「冷点」位置と呼ばれることが多い。過量の溶融メタルハライド塩プールは、放電チャンバの内部のこのドーズプール（ｄｏｓｅ ｐｏｏｌ）の上方に発生したその飽和蒸気と熱平衡状態にありかつ冷点にあるが、放電チャンバの内壁面の相当な部分に薄膜層を形成する。この溶融メタルハライド塩プールは、アーク放電からの相当量の放射光を遮断するかまたは除去する。それにより、ドーズプールは、チャンバ内のドーズプールがある方向に光吸収および光散乱を増大させることにより、ランプの空間強度分布を歪める。さらに、ドーズプールは、ドーズプールの薄液膜を通過する光の色調を変える。

これらのタイプのランプに関連する自動車のヘッドランプリフレクタなどの照明器具および光学投射システムの設計者は、ビーム形成光学部品類を設計する場合、これらの問題を考慮しなければならない。例えば、歪んだ光線は、不透明金属もしくはプラスチックシールドにより遮断されるか、または該光線はその用途にとって重要でない方向に分配される可能性があるかのどちらかである。したがって、このドーズ膜（ｄｏｓｅ ｆｉｌｍ）を通過するこれらの歪んだ光線は一般に無視され、このため、歪んだ光線は光学投射システムのメインビームの形成に加わらないので、歪んだ光線は光学系における損失を表す。

自動車のヘッドランプ用途では、例えば、これらの散乱した光線および歪んだ光線は、自動車車両の直前で道路を僅かに照明するために使用されるか、または歪んだ光線は、道路の遥か上方の道路標識に向けられる。これらの損失のため、光学系の効率は、通常、約４０％から５０％以下である。

小型放電ランプはワット数がより低くなり、また縮小された幾何学的寸法を採用するにつれて、光学系におけるそのような集光損失を回避するために、光源に関して解決策が必要とされる。これにより、照明システムのより低いエネルギー消費と共に、より高い照明レベルが達成されることになるであろう。

特開第２００９−０３２４４６号公報

したがって、ドーズプールに関連する強い日陰効果と、ランプからの一様でない光強度分布の結果としての、ランプの周辺で設計される光学系の性能および効率への影響とに対処する必要がある。

改良された放電光源が、放電チャンバ内の所望の位置に溶融メタルハライド塩プールを配置する。

放電光源は、長手方向軸を有するアーク管と、中に形成されている放電チャンバとを含む。第１の電極および第２の電極が、長手方向軸に沿って互いに離間されている内側終端部を有し、各電極は、少なくとも部分的に放電チャンバの両端部内に延びる。放電チャンバは、長手方向軸に対して垂直な第２の軸を中心に非対称であることが好ましい。

別の例示的実施形態では、放電チャンバは、長手方向軸に沿って離間されている、異なる直径の第１の球状部および第２の球状部を含むことが好ましい。

アーク管は、さらに別の装置において、異なる壁厚を有する。壁の異なる厚さは、放電チャンバの第１の端部および第２の端部にあってもよい。あるいは、一様でない壁厚と共に、アーク管は、主として、その長さに沿って全面的に同一の外径を有する。

別の実施形態では、チャンバは、長手方向軸を中心に回転対称であることが好ましい。

さらなる例示的実施形態では、放電チャンバを形成する壁の一部分が、凹内面を含む。該凹面は、放電チャンバの第１の端部および放電チャンバの第２の端部に形成されている略球状の部分に配置されていてもよい。同様に、また、本代替的装置では、アーク管の壁部は、放電チャンバの第１の端部および第２の端部に異なる第１の厚さおよび第２の厚さを有していてもよい。

さらに別の実施形態では、光透過性アーク管が、放電チャンバを取り囲んでいてもよい。第１の電極および第２の電極が、両端部で放電チャンバ内に少なくとも部分的に延在しており、アーク間隙により長手方向軸に沿って分離されている。拡張された寸法の第１のチャンバ領域が、放電チャンバの一方の端部に配置されておりかつ第１の電極を部分的に取り巻いており、該第１のチャンバ領域の寸法は、アーク間隙の周囲の第２のチャンバ領域の寸法より大きい。

拡張された寸法の第１のチャンバ領域は、少なくとも部分的に、電極の内部終端部から軸方向外側にすなわちアーク管のシール部分に面して配置されている。

本開示の主な利益は、小型高強度放電チャンバ内でのメタルハライド塩プールの制御された配置である。

別の利益は、ドーズプールが放電チャンバの端部の少なくとも一方の方へずれておりかつ配光にほとんど影響を及ぼさないことであり、それによりランプはより効率的になり、より一様な光強度分布をもたらすことになる。同様に、光学設計者は、より効率的な光学投射システムを開発することができる。

光源内に事前選択された液体ドーズプール位置を設けることのさらに別の利益は、吸収され、散乱されかつ変色した光線の問題に対処する能力である。

本開示のさらに他の特徴および利益が、以下の詳細な記載を読みかつ理解することにより明らかになるであろう。

本開示の各実施形態の長手方向横断面図である。 本開示の各実施形態の長手方向横断面図である。 本開示の各実施形態の長手方向横断面図である。 本開示の各実施形態の長手方向横断面図である。 本開示の各実施形態の長手方向横断面図である。 本開示の各実施形態の長手方向横断面図である。 本開示の各実施形態の長手方向横断面図である。 本開示の各実施形態の長手方向横断面図である。

第１の実施形態が図１に示されており、放電チャンバ１０６の両端部に配設されている第１のシール端部１０２および第２のシール端部１０４を含むアーク管１００を含む。アーク管は、半透明の、透明なもしくは実質的に透明な水晶、硬質ガラス、またはセラミック放電チャンバ材料で作製されていることが好ましい。アウターリード１０８、１１０が、各シール端部から外部に延在している外側終端部を有し、それらの内側端部は、シール端部の内部にあり、そこではアウターリードが、それぞれ水晶ガラスまたは硬質ガラスのアーク管製造技術で、例えばモリブデンホイル１１２、１１４などの導電プレートまたは導電ホイルと、機械的、電気的に相互接続している。第１の電極１２０および第２の電極１２２は、例えば各モリブデンホイル１１２、１１４と、機械的、電気的につながれている外側終端部を有する。電極は、両側で放電チャンバ１０６内に延びる内側終端部１２４、１２６を含み、アーク間隙により長手方向軸１２８に沿って互いに分離されている。当該技術分野において既知であるように、第１のアウターリードおよび第２のアウターリードに印可される電圧に応答して、電極の内側終端部１２４と１２６との間に、アークが開始されるかまたは形成される。充填材料が、放電チャンバ内に封止式に受容されており、アークを生成する励起に応答して放電状態に達する。通常、高強度メタルハライド放電ランプでは、充填材は、例えばメタルハライドを含み、電気放電ランプの充填材から水銀を低減または除去することがますます望まれているので、水銀を含んでいてもいなくてもよい。

背景技術に記載されている通り、注入材料（ｄｏｓｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ）の液相部分が、通常、水平操作型の放電チャンバの底部中心部にある。このドーズプールは、ランプ性能、光の色に悪影響を及ぼし、ランプから発せられる光強度および空間光強度分布に影響を及ぼす強い日陰効果を有する。図１では、放電チャンバは、長手方向軸１２８を中心に回転対称である。しかし、該チャンバは、長手方向軸に対して垂直な軸を中心に非対称である。図１のアーク管の特定の形状は最もよく特性が示されており、第１の略球状の部分１４０および第２の略球状の部分１４２が異なる直径Ｄ１、Ｄ２を有する双対球状部として描写されている。球状部は放電チャンバの内壁面に揃えられており、球状部の中心は長手方向軸上に配置されている。Ｄ２分のＤ１の好適な比が、約１．０＜Ｄ１／Ｄ２＜２．０である。この放電チャンバ構造の結果として、冷点は、ランプが（例えば自動車のヘッドランプに典型的な）水平状態で動作した場合、依然として放電チャンバの下部に沿って配置されているが、冷点は、ここで、一方の端部の方へすなわち大直径球状部１４０または図１に示されている右側端部を有する放電チャンバの端部の方へずれている。本実施形態における放電チャンバの壁厚は、シール端部間の放電領域全体に亘っておおよそ一定である。

図２は、図１と多くの類似点を有する。その結果として、「２００」系の同様の参照番号が同様の構成要素を指し（例えば、アーク管１００は、ここではアーク管２００として確認される）、図１からの記載は、別途具体的な断りがない限り、図２に適用される。図２の装置は、放電チャンバ２０６の一方の端部に単一の球状部２４０のみを含む。球状部の中心が、電極２２０の内側終端部２２４と電極２２２の内側終端部２２６との間のアーク間隙の中間点に対して、（参照番号２４２で示されている通り）ずれているかまたは偏心している。この特定の装置では、球状部の中心は、放電チャンバの、球状部を有する端部に近接して（すなわち電極終端部２２６に近接して）配設されている。反対側または図２に示されている左側端部は、第１の電極の終端部２２４に隣接して終端するおおよそ収束する構造を有する。この場合もやはり、壁厚は、放電チャンバ全体の外周範囲に亘っておおよそ一定である。この構造の結果として、冷点は、図２の放電チャンバの右底部領域へずれている球状部２４０の底部領域に沿って配置されることになる。

図３では、「３００」系の同様の参照番号が、同様の構成要素を表すのに使用され、一方、（図３の実施形態と類似点を有する）図４の実施形態では、「４００」系の参照番号が、同様の構成要素を表すのに使用される。これらの実施形態の各々は、異なる直径の、第１の球状部３４０および第２の球状部３４２ならびに第１の球状部４４０および第２の球状部４４２を含む。図３では、第１の球状部３４０はより大きな直径を有し、より小さい直径の球状部３４２は、放電チャンバ３０６の左側端部に配置されている。また、当然のことながら、壁厚は、放電チャンバに沿った異なる位置で異なる。図３では、（球状部３４０のより大きな直径Ｄ１の周囲に配置されている）壁部３５０が、（球状部３４２のより小さい直径Ｄ２の周囲に配置されている）壁部３５２より大きな厚さを有する。本実施形態では、第２の球状部に隣接する第２の壁部またはより薄い壁部３５２への第１の球状部移行部に隣接する第１の壁部またはより厚い壁部３５０は、放電チャンバの長手方向軸範囲を越える。この構成の異なる壁厚３５０、３５２は、２つの球状部の異なる直径に加えて、冷点の配置にも関与し、その結果としてアーク管内でのドーズプールの配置に関与する。自動車の放電ヘッドランプ組立体の場合などの、ランプが水平配向で操作される図３では特に、冷点は、第１の壁部またはより厚い壁部３５０に沿って、第１の球状部３４０の底部に配置されている。

対照的に、図４はまた、図１および図３のものと同様に配向されている、異なる直径Ｄ１、Ｄ２の第１および第２の球状部４４０、４４２を含む。しかし、ここで、異なる壁厚の配置は、図３に関して示され記載されている装置に対して逆になっている。すなわち、より大きな直径の球状部４４０に隣接する壁部４５０の厚さは、より小さい直径の球状部４４２に隣接して配設されている壁部４５２の壁厚より小さい。この場合もやはり、結果として、アーク管の放電チャンバの内部のドーズプールの制御された位置を予め定めるかまたは予め選択することができる。

図５および図６の実施形態は、ドーズプールの位置を制御する別の方法を示す。この場合もやはり、同様の構成要素が、「５００」系および「６００」系それぞれの同様の参照数字により確認される。図５では、球状部５４０が、放電チャンバ５０６内に画定されている。この例では、単一の球状部のみが設けられており、球状部は、図５の偏心寸法５４２および図６の偏心寸法６４２で示されている通りずれている。放電チャンバを取り囲んでいるアーク管全体に亘る壁厚は、図５および図６では実質的に一定であることが好ましい。これらの実施形態間の主な差異は、偏心の程度、すなわちより大きな直径の球状部６４０とより小さい偏心度６４２とを有する図６の実施形態と比較した場合の、図５のより小さい直径の球状部５４０とより大きな偏心度５４２と、である。

図５および図６の実施形態の各々では、放電チャンバ５０６、６０６を取り囲んでいるアーク管壁の底部領域５６０、６６０それぞれが、内側に押され、押圧されまたは延在している。本方法では、放電チャンバの壁の内面部分５６２、６６２が略凹形状の面を有する。結果として、冷点は、非押圧領域の底部の領域にすなわち球状部の下方右側部分の下に配置され、図５および図６では、そこには、アーク放電からの距離が増加した結果として、ランプ動作中にドーズプールが存在する。この場合もやはり、このことにより、光学設計者がドーズプールの配置に適切に対処または対応することができかつ放電チャンバからの光出力をより効率的に使用することができるように、ドーズプールのための所定の位置または精密な位置がもたらされる。また、図５および図６に示されている実施形態の場合には、前に示されている実施形態と比較して、アーク管がもはやその長手方向軸の周囲で回転対称ではないことに注意することが重要である。

図７および図８では、同様の参照番号が、「７００」系および「８００」系それぞれの同様の構成要素を指す。図３および図４の実施形態と同様に、主な差異が、冷点位置上の球状部の効果に加えて、放電チャンバ内での冷点の位置を制御するための、放電チャンバ７０６、８０６それぞれの異なる位置における異なる壁厚７５０、７５２および８５０、８５２である。図７では、右側縁部に沿った第１の壁部７５０は、放電チャンバの左側部分上の第２の壁部７５２に対して減少した厚さを有する。さらに、放電チャンバの壁の内面部分７６２が放電チャンバの一方の端部にかつ非押圧領域すなわち球状部７４０の下方右側部分の下に凹面を有するように、放電チャンバ７０６を取り囲んでいるアーク管壁の底部領域７６０が、内側に押され、押圧されまたは延在している。他方、図８では、壁厚が逆になっている。すなわち、第１の壁部８５０が、図８の左側部分上の第２の壁部８５２の厚さより大きな厚さを有する。本実施形態は、同様に、放電チャンバの一方の端部にかつ非押圧領域すなわち球状部８４０に隣接する他方の端部の下に放電チャンバの内壁面部分８６２に沿って凹面を形成している、放電チャンバ８０６を取り囲んでいるアーク管壁の底部領域８６０を含む。前と同様に、放電チャンバの底部にある押圧された放電チャンバ壁の結果として、その長手方向軸に沿ったアーク管の回転対称が、図７および図８に示されている実施形態の場合もまた失われている。

記載されている実施形態によるアーク管を備えたランプの放出された空間光強度分布はより回転対称になり、放出される光の全てを光学系により使用して、例えば自動車用途の場合に道路をより良く照明することにおいて、より強力なメインビームを形成することができる。このように、依然として高い照明レベルを提供しながら、ランプの電力消費を低減することができる。例として、道路照明を依然としてハロゲン白熱レベルより上に維持しながら、より低いエネルギー消費（例えば、２５Ｗ）の高強度放電ランプを使用するより効率的なヘッドランプを設計することができる。２０００ルーメンのランプ光束より下の既存の規則および基準により洗浄設備および水平化機器が必要とされないので、全体的なシステムコストを約３５〜４０％削減することができると考えられる。

さらに、液体ドーズプールが、ランプの配向に関わりなく、常に放電チャンバの端部の少なくとも一方の近傍に存在するので、普遍的な明るい全般照明用途の場合に、より一様なランプ性能を達成することができる。この方法では、記載されている実施形態の１つによるアーク管を備えた高強度放電ランプは、室内用途においてより広く市場に浸透する可能性があり、室内照明は、より高い質および効率性のものであり得る。

好適な実施形態を参照して本開示を記載してきた。先行する詳細な説明を読み理解すると、他の人が修正および変更を思い付くであろうことは明らかである。例えば、当然のことながら、いくつかの例では、前述の異なる特徴の１つまたは複数が、個々にまたは組み合わせて使用されてもよい。本開示はそのような修正および変更の全てを含むと解釈されることが意図されている。

１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００ アーク管
１０２ 第１のシール端部
１０４ 第２のシール端部
１０６、２０６、３０６、５０６、６０６、７０６、８０６ 放電チャンバ
１０８、１１０ アウターリード
１１２、１１４ モリブデンホイル
１２０ 第１の電極
１２２ 第２の電極
１２４、１２６、２２４、２２６ （電極の）内側終端部
１２８ 長手方向軸
１４０ 第１の略球状の部分
１４２ 第２の略球状の部分
２２０、２２２ 電極
２４０、５４０、６４０、７４０、８４０ 球状部
２４２、５４２、６４２ 偏心度／偏心寸法
３４０、４４０ 第１の球状部
３４２、４４２ 第２の球状部
３５０、３５２、４５０、４５２ 壁部
５６０、６６０、７６０、８６０ （アーク管壁の）底部領域
５６２、６６２、７６２、８６２ （放電チャンバの壁の）内面部分
７５０、８５０ 壁厚／第１の壁部
７５２、８５２ 壁厚／第２の壁部
Ｄ１、Ｄ２ 直径

Claims (23)

1. 長手方向軸および中に形成されている放電チャンバを有するアーク管と、
   前記長手方向軸に沿って互いに離間されている内側終端部を有し、各電極が少なくとも部分的に前記放電チャンバ内に延びる第１の電極および第２の電極と
   を備え、
   前記放電チャンバが前記長手方向軸に対して垂直な第２の軸を中心に非対称である、
   放電光源。
2. 前記チャンバが、前記長手方向軸に沿って離間されている、異なる直径の第１の略球状の部分および第２の略球状の部分を含む、請求項１記載の放電光源。
3. 前記アーク管の壁部が、前記放電チャンバの第１の端部および第２の端部に異なる第１の厚さおよび第２の厚さを有する、請求項２記載の放電光源。
4. 前記放電チャンバが、前記長手方向軸を中心に回転対称である、請求項２記載の放電光源。
5. 前記アーク管の壁部が、前記放電チャンバの第１の端部および第２の端部に異なる第１の厚さおよび第２の厚さを有する、請求項１記載の放電光源。
6. 前記放電チャンバを形成する壁の一部分が略凹形状の面を含む、請求項５記載の放電光源。
7. 前記放電チャンバを形成する壁の一部分が略凹形状の面を含む、請求項１記載の放電光源。
8. 前記凹面が、前記放電チャンバの第１の端部に配置されており、略球状の部分が、前記放電チャンバの第２の端部に形成されている、請求項７記載の放電光源。
9. 前記アーク管の壁部が、前記チャンバの第１の端部および第２の端部に異なる第１の厚さおよび第２の厚さを有し、前記より厚い壁部は、前記凹面部分を含む前記壁の前記第１の端部に配置されている、請求項７記載の放電光源。
10. 前記アーク管の壁部が、前記放電チャンバの前記第１の端部および第２の端部に異なる第１の厚さおよび第２の厚さを有し、前記より厚い壁部は前記第２の端部に配置されており、前記凹面を含む前記壁部は前記第１の端部に配置されている、請求項７記載の放電光源。
11. 前記放電チャンバが、前記長手方向軸を中心に回転対称である、請求項１記載の放電光源。
12. 長手方向軸および中に形成されている放電チャンバを有するアーク管と、
    前記長手方向軸に沿って互いに離間されている内側終端部を有し、各電極が少なくとも部分的に前記放電チャンバ内に延びる第１の電極および第２の電極と
    前記放電チャンバの少なくとも一方の端部に隣接して配置されておりかつ前記電極の前記内側終端部の少なくとも部分的に軸方向外側に延在しているドーズプール領域と
    を含む、放電光源。
13. 前記放電チャンバの中心部分の壁面が、前記ドーズプール領域の壁面より前記長手方向軸に近接している、請求項１２記載の放電光源。
14. 前記ドーズプール領域が、前記放電チャンバの各端部に隣接する第１の部分および第２の部分を含む、請求項１２記載の放電光源。
15. 前記放電チャンバ内の前記ドーズプール領域の軸方向外側に配設されている少なくとも先細部分をさらに含む、請求項１２記載の放電光源。
16. 放電光源内の冷点の位置を制御する方法であって、
    長手方向軸および中に形成されている放電チャンバを有するアーク管を設けるステップと、
    前記長手方向軸に沿って互いに離間されている内側終端部を有し、各電極が少なくとも部分的に前記放電チャンバ内に延びる第１の電極および第２の電極を配向するステップと、
    前記放電チャンバを、前記長手方向軸に対して垂直な第２の軸を中心に非対称であるように形成するステップと
    を含む、方法。
17. 前記放電チャンバの第１の端部および第２の端部に異なる第１の厚さおよび第２の厚さの前記アーク管の壁部を形成するステップをさらに含む、請求項１６記載の方法。
18. 前記放電チャンバを形成する壁の一部分に沿って略凹形状の面を形成するステップをさらに含む、請求項１７記載の方法。
19. 前記凹面が、前記放電チャンバの前記より厚い壁端部に配置されている、請求項１８記載の方法。
20. 前記凹面が、前記放電チャンバの前記より薄い壁端部に配置されている、請求項１８記載の方法。
21. 前記凹面の反対側の、前記放電チャンバの前記端部に略球状の部分をさらに含む、請求項１８記載の方法。
22. 前記放電チャンバを形成する壁の一部分に沿って略凹形状の面を形成するステップをさらに含む、請求項１６記載の方法。
23. 前記放電チャンバの両側に、異なる直径の第１の略球状の部分および第２の略球状の部分を形成するステップをさらに含む、請求項１６記載の方法。