JP2977949B2 - マイクロ波電力カプラーを有する無電極型ｈｉｄランプ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電気ランプに関し、詳し
くは強力放電ランプに関する。更に詳しくは本発明は、
無線周波誘導式の強力放電型自動車用ヘッドランプのた
めの電力カプラー及びランプカプセルに関する。

【０００２】

【従来技術】自動車製造業者はタングステンフィラメン
ト型のヘッドランプを堅牢で、長寿命の、そして効率的
な光源に変えようとしている。自動車は光源にとって過
酷な環境である。自動車の寿命は１０年であるのに対
し、現在の光源のそれは実質的にはそれ以下である。理
想的には、ヘッドランプは自動車よりも長持するべきで
ある。仮に自動車が１０年持つとすれば、その自動車の
光源の点灯回数は５０００回であり、作動時間は５００
０時間である。今日使用される代表的なタングステンハ
ロゲンランプに於て可能な点灯回数は１０００回であ
り、そして作動時間は２０００時間である。ヘッドラン
プは突然切れたりせず、時間と共に劣化すべきではな
い。自動車の光源の明るさのレベルはその使用寿命中維
持されるべきである。現在使用されるタングステンハロ
ゲンランプはタングステンフィラメントをゆっくりと蒸
発させる。蒸発したタングステンは次いでリフレクター
及びレンズに付着してそれらを暗くし、トータルでの有
効光量を低下させる。従って、自動車の寿命に匹敵する
使用寿命、例えば点灯回数５０００回、作動時間５００
０時間を有し、その初期出力の損失が、例えばヘッドラ
ンプ全体の光出力の約１５％未満である自動車用ヘッド
ランプに対する需要がある。

【０００３】自動車のヘッドライトは自動車の前面に沿
って位置決めする必要がある。自動車の前面は自動車が
進行するに際して最初に風の抵抗を受ける場所である。
従ってヘッドランプは自動車の空力学的形状にとって重
要なものである。大型のヘッドランプを特定の空力学的
形状に合わせて造形し得るが、それでは標準化したヘッ
ドランプを大量生産する場合のような経済的利益はな
い。それ故、ヘッドランプには風の抵抗を可能な限り小
さくするための、そしてそれに対応する、ヘッドランプ
の標準化を容易とするための寸法上の制限がある。

【０００４】ヘッドランプを出来るだけ小さくし、また
出来るだけ安価にするためにレンズ及びリフレクターに
はプラスチックが使用される。プラスチックは安価であ
り且つ精密成型が可能であることから使用されるもので
ある。プラスチックを使用するコンパクトなヘッドラン
プには過熱の問題が生じ得る。プラスチックは過熱によ
って溶融する恐れがある。従って、エネルギーを可能な
限り有効に使用する、出来るだけワット数の小さいラン
プをアセンブリーに組み込むのが望ましい。従って、少
ないエネルギー量を最大限に有効に使用して適切な光量
を創生するヘッドランプに対する需要がある。運転中の
自動車のほぼ一定の揺れは大抵の光源を破壊する応力を
生じさせる。従って、光源の品質或いは効率は耐久性の
ために犠牲とされる。詳しくは、光源が大きい程、それ
が自動車の走行中に発生する自己モーメントは大きくな
るので、光源及びその全てのコンポーネンツを最小限の
ものとしそれによって耐久性を向上させるのが有益であ
る。ヘッドランプを小型化する１つの方法はアーク放電
ランプを使用することである。アーク放電ランプはガス
が加熱されることにより発光する。小型のランプカプセ
ルに於てはガスを加熱するために必要なエネルギーの大
部分が、比較的高い表面対容積比によって失われてしま
う。従って加熱量の少ない小型の放電ランプを作成する
必要がある。電極付きの強力放電（ＨＩＤ）ランプに於
ては電極はゆっくりと蒸発されそして飛散する。失われ
たタングステンはランプ全体に、しかし主としてランプ
カプセルの壁面に付着し、その結果、ランプは徐々に暗
くなる。次でランプはその初期の光度を維持不能とな
る。自動車のヘッドランプがその初期の光度を落とすこ
とは許されない。暗いヘッドランプが危険なことは明ら
かである。ヘッドランプの光度は法律で規制されること
から、ヘッドランプの経時的な光度の低下は初期光度を
上げることによっては補償され得ない。従って、その使
用寿命を通して一定水準の光度を維持するＨＩＤヘッド
ランプに対する需要がある。電極付きのＨＩＤランプ
は、電極の周囲にガラス包囲体をプレスシールすること
により一般に作成される。ガラス包囲体の未溶融部分は
製造に際し正確に調整されるが、プレスシール部分の壁
肉厚及び壁の角度は可変とされる。ランプの光の僅か
な、しかし尚、有意の部分はプレスシール部分から漏れ
或いは反射する。これは小さい或いは短い、シールエリ
アが発光範囲のより大きい部分を占めるランプに於て特
にそうである。プレスシールの壁が可変であることは、
まぶしさの原因となるコントロールされない光の歪を生
じる原因となる。従って、壁厚及び壁の角度を正確にコ
ントロールしたＨＩＤランプに対する需要がある。

【０００５】光学的通路の設計は、理想的な点光源に対
しては３次元にて理想的に為され得る。同様に、理想的
な直線光源に対してはディスプレーシステムの作成が理
想的に為され得る。残念ながら、理想的な点光源或いは
直線光源は存在しない。結局、妥協策としてリフレクタ
ーを使用する光の通路並びにレンズシステムが設計され
た。この妥協策はより大きく複雑な、そしてずっと高価
な、しかしその寸法及び複雑さは空力学的及び製造コス
トと相反するリフレクター及びレンズを使用して実施さ
れた。従って、リフレクター及びレンズを簡素化し得
る、もっと理想に近い点光源或いは直線光源を創出する
こと或いは光ビームの品質を改良することに対する要望
がある。従来からの、電極付きの大型のアーク放電ラン
プは１ワット当り８０ルーメンスの効率を有し得る。電
極での熱損失量はランプへのエネルギー入力に対しては
僅かである。例えば４００ワットのランプに対しては損
失分は２０ワットである。ランプの寸法を自動車用途に
適した寸法に低減した場合、例えばトータルでの電力入
力が約２０ワットに過ぎないものとした場合には、電極
での損失量はエネルギー節約上、見過ごし得ない問題を
生じる。

【０００６】高いワッテージに対してはＨＩＤランプは
１ワット当り約８０ルーメンスを創出する効率的な光源
である。残念なことに、約１０或いは２０ワットといっ
た低いワッテージの場合は通常の電極付きのＨＩＤラン
プは有効ではない。エネルギーの大半は電極及び包囲体
材料の加熱のために消費されてしまう。高ワッテージ、
例えば３０ワット以上ではＨＩＤランプはずっと効率的
に作動し、自動車のヘッドランプのために所望される以
上の光量を発生する。この光源はまた一般的に大型であ
り、ヘッドランプリフレクター光学系と組合わせるには
不都合である。自動車のヘッドランプの光度は、光束及
び方向の両面に於てコントロールされるべきである。余
分な光は、それを吸収する吸収体の有害な過熱を招く。
余分な光はまた歪められ、対向車にまぶしさを感じさせ
る歪んだ光線を発生させる原因となり或いは特に雨、霧
或いは雪の時に散乱するまぶしさとなって運転者に反射
され得る。従って余分の光は問題があり、現在の電極付
きのＨＩＤランプは自動車用には強力過ぎると考えられ
る。従って、２０乃至３０ワットの範囲に於て約２００
０から３０００ルーメンスの明るさを効率的に創出する
ＨＩＤランプに対する需要がある。

【０００７】従来技術例は米国特許第３７６３３９２
号、４８１２７０２号、４００２９４３号、４００２９
４４号、４０４１３５２号、４８８７００８号そして４
８８７１９２号に記載される。米国特許第３７６３３９
２号には、光透過性の球体が示され、この球体を取り巻
くインダクションコイルによって放射が誘発される高圧
ガスがそこに収納されている。米国特許第４８１２７０
２号収納容器内にトロイダル放電を誘発するためのトロ
イダルコイルが記載される。米国特許第４００２９４３
号には調節性のマイクロウエーブキャビティを有する無
電極型のランプが記載される。マイクロウエーブキャビ
ティは２つの壁部分を相互に溝付けすることにより拡開
或いは収縮し得るよう設計されている。米国特許第４０
０２９４４号には、ランプカプセルを格納するための共
振箱を使用する無電極型のランプが記載される。共振箱
を調整するためのチューニング要素が共振箱内部に於て
使用されている。米国特許第４０４１３５２号には、ラ
ンプのスターティングをアシストするためのキャパシタ
ーを含む無電極型のランプが示される。点灯に際しスイ
ッチがキャパシターを断続し、全電力を放電ガスに流動
可能としている。米国特許第４８８７００８号には、光
透過性のメッシュによってシールドされたマイクロ波チ
ャンバー内の無電極型のランプが示される。米国特許第
４８８７１９２号には、良好に形状付けされた金属製の
複合式共振箱を具備する無電極型のランプが示される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】少ないエネルギー量を
最大限に有効に使用して適切な光量を創生するヘッドラ
ンプを提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の１様相に従え
ば、無電極型ランプのためのランプカプセルであって、
放射エネルギー透過性の材料が、内側長さが入力電力
の、圧縮されたガイド波長の約１／４であり、内径が、
作動時の温度及び圧力での半径方向の乱流を抑止するた
めに十分狭幅である内部空間を画定し、この内部空間に
は前記放射エネルギーを創出するための高周波電磁界に
よって励起されるランプ充填物が充填され、前記ランプ
カプセルは微弱な波によって無線周波エネルギーとカッ
プリングされそれにより、ランプ充填物を励起して放射
エネルギーを放出せしめるようになっている前記ランプ
カプセルが提供される。

【００１０】本発明の他の様相に従えば、マイクロ波電
力を筒状のランプカプセルに送達するためのカップリン
グシステムであって、ａ）入力するマイクロ波電力を受
けるための第１の端部とランプカプセルを収納するため
のギャップに対面する第２の端部とを有するらせん状の
第１のカプラーと、ｂ）第１のカプラーと同中心に位置
決めされ、入力するマイクロ波電力を受けるための第１
の端部とランプカプセルを収納するためのギャップに対
面し且つ第１のカプラーの第２の端部と対面する第２の
端部と、を有するらせん状の第２のカプラーとを有し、
第１のカプラーの第２の端部及び第２のカプラーの第２
の端部は、その距離が以下の式によって決定される如き
供給電力の圧縮されたガイド波長λ_g の１／４であるギ
ャップによって離間される前記カップリングシステムが
提供される。 ｂ＞ａの場合に限定される式１ λ_g=λ₀ （p / √2 πa)｛1-（p/ 2πa ）² ｝ ｐ＜ａの場合のための式２ λ_g ≒λ₀ （p/√2 πa ）

【００１１】ここで”ａ”はらせん状のカプラーの半径
であり、ｂは外側接地シールド半径であり且つ”ａ”よ
りも十分に大きい値であり、ｐはらせん状のカプラーの
コイル部分のピッチ或いは内側間隔であり、λ₀ は供給
電力の自由空間波長であり、λ_g は供給電力の圧縮され
たガイド波長である。

【００１２】

【実施例】図１は、無電極型の自動車用ヘッドランプシ
ステム１０の部分破除したブロックダイヤグラムであ
る。無電極型のヘッドランプシステム１０は、無線周波
源１２と、無線周波伝送ライン１４と、サポートカード
１６と、無線周波カプラー１８と、無線周波励起式のラ
ンプ充填物２４をそこに含む閉鎖された内部空間２２を
有する前記ランプカプセル２０とより成り立っている。
サポートカード１６は無線周波カプラー１８をホールド
し、ランプカプセル２０はリフレクターハウジング２６
内に位置決めされ或いはカップリングされるよう設計さ
れる。リフレクターハウジング２６の反射表面２８がラ
ンプカプセル２０を包囲するための光学的キャビティ３
０を画定する。この光学的キャビティ３０はレンズ３２
によってカバーされ得る。別態様のブロックダイヤグラ
ムレイアウトが図２に示され、ここでは単一の無線周波
源１２が無線周波伝送ライン１４に給電を行う。無線周
波伝送ライン１４は電力デバイダー１５に導通され、結
局、マルチ伝送ライン１７を介して幾つかのヘッドラン
プにカップリングされる。マルチ型のヘッドランプシス
テム全体を単一の包囲構造体として形成することが出来
る。絶縁シール３４をこの包囲構造体の周囲部分に配置
し、接地させ得る。

【００１３】無線周波源は、選択された周波数及び電気
出力を提供し得る任意の従来形式の電力源とし得る。好
ましい無線周波源１２は、ランプ充填物２４の破壊を生
じ得る無線周波電力を創生すべきものであり、特に１０
ＭＨｚから３００ＧＨｚの周波数を有する高周波源が好
ましい。法的に許容される無線周波ビームの範囲は物理
的に使用可能な範囲よりも狭く、従って周波数は９０２
ＭＨｚから９２８ＭＨｚの如き標準ＩＳＭ周波数、或い
は２４５０ＭＨｚを中心とするＩＳＭバンドに限定され
てしまう。図１に示される具体例のために使用される好
ましい周波数は９１５ＭＨｚである。この周波数は法的
に問題ない。この具体例での無線周波源１２のインピー
ダンスは約５０オームである。スターティングを確実に
行うために、マイクロ波によってランプカプセル２０内
側に生じる電界破壊（フィールドブレークダウン）は、
ランプ充填物の破壊に必要なそれよりも大きくされるべ
きである。その大きさは、標準的なランプ充填物２４に
対しては１センチ当り約１５０ボルトである。フィール
ドブレークダウンに対するこうした要件は、ペニングガ
ス混合物を使用することによって、或いはランプカプセ
ル２０に明るい紫外線を適用することによって実質的に
低減され得る。もし必要であれば、無線周波源１２をラ
ンプカプセル２０に接近したヒートシンク上に取り付け
得る。

【００１４】無線周波電力は無線周波伝送ライン１４及
び無線周波カプラー１８を通してランプカプセル２０内
に給送される。好ましい具体例に於ては導波管或いは無
線周波伝送ライン１４は、発生された無線周波電力のよ
り多くを可能な限りランプ充填物２４に送達するために
大きいカップリング係数を有している。無線周波伝送ラ
イン１４は従って、発生した無線周波電力の反射を可能
な限り少なくするべく無線周波源１２とマッチングされ
るべきである。導波管を通して無線周波電力を伝送し得
るが、好ましい無線周波伝送ライン１４は、例えば９１
５ＭＨｚ或いは２４５０ＭＨｚである選択された作動周
波数に於て１００ワットまでの電力を搬送可能な同軸ケ
ーブルである。

【００１５】無線周波搬送ライン１４からの電力はラン
プカプセル２０に電力を適用するカップリングシステム
に送達される。この電力送達系は、例えばＧａｒｄｉｏ
ｌ及びＨａｒｄｙによって説明されるストリップライン
或いはマイクロストリップライン技法を使用するプリン
ト基盤材料から作成され得るものである。ストリップラ
イン或いはマイクロストリップライン技法は、軽量、安
価、そして製造が容易であり、９１５ＨＨｚ或いは２．
４５ＧＨｚでの導波管と比較した場合にコンパクトであ
る。好ましいカップリングシステムは薄肉の、へん平な
絶縁性の基材から形成したサポートカード１６である。
サポートカード１６の基材は、ファイバーグラス強化エ
ポキシ或いは高周波での電力損失を低減するためにファ
イバーグラスを充填したポリテトラフルオロエチレン
（ＰＴＦＥ）である。こうした基材は電気回路基盤構造
の代表的なものである。他の好適な材料、例えばセラミ
ックス或いは適宜なプラスチックを使用出来る。サポー
トカード１６は螺旋形状の無線周波カプラー１８、４４
及びランプカプセル２０を支持しつつ給送電力を適切に
送達するのに好都合である。１具体例に於てはサポート
カード１６は概略矩形形状を有し、その一方の長手方向
側部に沿って切込が形成される。この切込は、無線周波
カプラー１８、４４及びランプカプセル２０を軸方向に
整列した状態でそこに配置するに十分に大きくされる。

【００１６】好ましい具体例に於ては、サポートカード
１６の一方の長手方向側部には、無線周波源１２と同一
のインピーダンスを有する５０オームのマイクロストリ
ップ伝送ラインを形成するに適した寸法形状の伝導性ス
トリップ３６が含まれる。無線周波伝送ライン１４から
の電力はこの伝導性ストリップ３６を介し、その半波長
セクションが並列給電する状態にて螺旋形状の無線周波
カプラー１８、４４に送達される。マイクロストリップ
伝送ラインの適宜の寸法形状は基材の誘電率及び肉厚に
従って変動する。関連する設計上のルールは周知であ
り、標準テキストブック、例えば１９７９年にヴァージ
ニア州レストンのＪ．Ｋ．Ｈａｒｄｙ，Ｒｅｓｔｏｎ
Ｄａｔａ出版社から出版された”高周波回路設計”、或
いは１９８５年にインディアナポリス州のインディアナ
のＨｏｗａｒｄ Ｗ．Ｓａｍｓ＆Ｃｏ． Ｉｎｃ．，か
ら発行されたＥ．Ｃ． Ｊｏｒｄａｎ ｅｄの”エンジ
ニアのための参照データ”に於て議論されている。好ま
しい具体例では、同軸のストリップラインランチャーが
入力電力信号を伝導性ストリップ３６にカップリング
し、受けた入力電力を少なくとも最初の無線周波カプラ
ー１８に伝送する。

【００１７】好ましい具体例に於てはマイクロストリッ
プライン延長体３８が、サポートカード１６を廻って次
の無線周波カプラー４４へと伸延する。入力電力は次
で、前記マイクロストリップライン延長体３８の長さを
（使用する導波管において計算された）波長の約半分、
例えば受けた電力の信号周波数の約半分と等しくするこ
とにより交点に於て分断される。伝導性ストリップ３６
及びマイクロストリップライン延長体３８は次で、最初
の無線周波カプラー１８及び次の無線周波カプラー４４
間の位相関係をコントロールする。マイクロストリップ
ライン延長体３８の長さを適切に調整することによっ
て、無線周波カプラー１８におけるランプカプセル２０
への電力送達の位相を、無線周波カプラー４４のそれに
関して１８０°ずらすことが出来る。１具体例に於ては
マイクロストリップライン延長体３８は概略”Ｇ”字形
状とされサポートカード１６の縁部からオフセットされ
る。

【００１８】好ましい具体例に於てはサポートカード１
６はその他方の側部に好ましくは伝導性の、番号４２で
示されるように電気的に接地され得る接地ストリップ或
いは接地面４０（図示せず）を具備する。サポートカー
ド１６は無線周波源１２からの入力を受け、受けた電力
を伝導性ストリップ３６及びマイクロストリップライン
延長体３８に沿って無線周波カプラー１８、４４に伝達
する一方で、ランプカプセル２０を支持するために好都
合である。ランプカプセル２０のための他の支持システ
ム、他の位相差電力送達システムを使用可能である。

【００１９】半波長を使用する伝導性ストリップ３６及
びマイクロストリップライン延長体３８は追加的な機能
を提供する。伝導性ストリップ３６及びマイクロストリ
ップライン延長体３８はＨｏｒｏｗｉｔｚ及びＨｉｌｌ
並びにアマチュアラジオハンドブックに記載される如き
バルンインピーダンストランスフォーマーを構成する。
バルンインピーダンストランスフォーマーデバイスは、
無線周波源１２及び無線周波伝送ライン１４そしてラン
プカプセル２０における適切なインピーダンスマッチン
グを可能とする。ランプ充填物２４のプラズマインピー
ダンスが始動時から安定状態にかけてかなり変動する
間、バルンインピーダンストランスフォーマーは無線周
波源１２へのインピーダンス変動を４対１の比率で低下
させる。従って厳しいミスマッチングは発現しない。

【００２０】螺旋形状の無線周波カプラー１８、４４は
以下の式１及び式２に従いランプカプセル２０に関して
寸法付けされる。好ましい具体例では無線周波カプラー
１８、４４は同一方向に巻き廻される。即ち、何れも右
巻き或いは左巻きのコイルとされる。これらの螺旋形状
の無線周波カプラーは互いの巻き方向を反対とし得る
が、ランプの始動及び作動はこの場合には良好ではない
と考えられる。無線周波カプラー１８、４４の対向端部
は圧縮された作動波長であるλ_g ／４の約１／４の長さ
を有するギャップ４６によって分離される。ランプカプ
セル２０は無線周波カプラー１８、４４間で且つこれら
無線周波カプラー１８、４４と同中心で前記ギャップ４
６に配置される。ランプカプセル２０の内部空間２２の
各端部は隣り合う無線周波カプラー１８、４４の各々の
最後のコイル巻き部分或いはターンと概略整列される。

【００２１】無線周波カプラー１８、４４はランプカプ
セル２０へのエネルギーをカップリングさせるためのも
のであり、ランプカプセル２０と直結させる必要性はな
い。好ましい具体例では無線周波カプラー１８、４４は
ランプカプセル２０とは接触されず、そこから僅かにオ
フセットされる。そうすることでランプカプセル２０内
に充満する塩分の電気泳動及び熱伝達損失の最小限化が
助成される。熱伝達損失が減少されることにより、ラン
プカプセル２０の急速なウオームアップとそれによるラ
ンプ充填物２４の揮発及び明るさが増大される。自動車
用途のためには急速なウオームアップは望ましい特性で
ある。無線周波カプラー１８、４４をランプカプセル２
０に接近させておくと、無線周波カプラー１８、４４周
囲の微弱な波を介してのランプカプセル２０へのエネル
ギーの移送が助成される。

【００２２】無線周波カプラー１８、４４は、好適な肉
厚と酸化及び腐食に対する抵抗性とを有する金属から作
成される。ヘッドランプが不活性雰囲気中でシールされ
る場合は酸化及び腐食抵抗性の要件は緩和され得る。ニ
ッケル、タングステン、モリブデン、アロイ４２そして
タンタラムの如き金属が適当である。銀或いは金めっき
ワイヤー、例えば銀めっきニッケルワイヤーは無線周波
カプラー１８、４４のためには良い選択である。こうし
ためっきはそれらワイヤーの電気的伝導性を高め、ラン
プカプセル２０に対するエネルギー送達を更に効率的な
ものとする。

【００２３】１具体例に於ては、無線周波カプラー１
８、４４は９１５ＭＨｚで作動するべく設計され、ラン
プカプセルは内径２ミリ、外径３ミリのものが使用され
る。無線周波カプラー１８、４４は直径０．５０８ミリ
（０．００２インチ）の金めっきニッケルワイヤーから
作成される。また無線周波カプラー１８、４４は外径５
ミリ、１．２２ミリの巻きピッチ５回巻きのコイルであ
り、全体長さは６．１ミリ（５×１．２２）である。従
ってその内径は５．０ミリから０．５０８ミリの２倍を
引いた値、即ち４．０ミリである。このランプカプセル
は無線周波カプラーの最後のコイル部分にそこに接触す
ることなく、その周囲が無線周波カプラーから約０．５
ミリ離間される状態で嵌合される。無線周波カプラーは
約９ミリの、１／４波長である波長λ_g ／４を発生す
る。無線周波カプラー１８、４４の微弱な波は従って、
実質的に内部空間をカバーする。

【００２４】図３にはランプカプセル２０の好ましい具
体例が示される。ランプカプセル２０は、その内部空間
内への無線周波電力を送通可能とするための無線周波入
力窓を少なくとも１つ具備する状態で形成されるべきで
ある。ランプカプセル２０はまた、発生した光を内部空
間２２から出すための光学的な窓を少なくとも１つ具備
する状態で形成されるべきである。好ましい具体例では
ランプカプセル２０は石英或いは類似の、光透過性を有
するものから成立つ。概略直線構造を為す無線周波源１
２のためには、ランプカプセル２０は好ましくは端部シ
ールした円形チューブであり、好ましくは端部が幾何学
的にレギュラーな、例えばへん平或いは球形である。端
部がへん平か或いは球形である円形のチューブというレ
ギュラーな寸法形状によって発光の形態は良好なものと
なり、余分の光は全く或いは殆ど発生しない。

【００２５】小型のランプカプセル２０は特に有益な特
徴を有することが見出された。小型のランプカプセル２
０は石英の如き放射エネルギー透過性の材料から作成し
得、２０ミリ未満、好ましくは９ミリの内側長さ部分４
８を有する内部空間２２を有するものとし得る。このラ
ンプカプセル２０の長さを例えば１５ミリに延長する
と、ランプカプセル２０の長さに沿った明るさを維持す
ることは難しくなる。２つの無線周波カプラー１８、４
４を使用し、これらをランプカプセル２０の長手方向に
沿って離間配置することにより、ランプ充填物２４の平
衡励起状態の維持が助成される。

【００２６】内部空間２２の内径５０は約５ミリ未満、
好ましくは約１ミリ或いは２ミリである。ランプカプセ
ル２０が狭幅である場合、ランプ充填物２４の励起部分
は内部空間２２全体に充満し、それによってランプカプ
セル２０の軸方向を横断しての均一な明るさを生じる。
内部空間２２が狭幅であることが、作動時の温度及び圧
力におけるランプ充填物２４の半径方向乱流を抑止する
と考えられる。仮にランプカプセル２０の内径５０を拡
張すれば、形成されるアークラインは恐らくはもっと狭
幅の光源となり、均一に励起されたランプ充填物２４に
よるそれよりも位置的に不安定なものとなる。そしてラ
ンプ全体の光学的な信頼性は、ランプカプセル２０の内
径５０が大きいことで低下する。ランプカプセル２０の
色分離及び局部的加熱もまた生じ得る。

【００２７】ランプカプセル２０は、肉厚を約０．５か
ら１．５ミリとし得、これに応じて外径を約２ミリから
８ミリとし得る。好ましいランプカプセル２０では内側
長さ部分４８の長さは約９ミリであり、内径５０は２ミ
リそして外径５２は３ミリである。この好ましいランプ
カプセル２０は色及び明るさに関し極めて均一の光源を
提供することが見出された。ランプカプセル２０の寸法
上の下限は実際的製造に係わる事項である。ランプカプ
セル２０はランプ充填物２４を圧縮状態に維持し、ラン
プカプセル２０及びランプ充填物２４を加熱するために
十分肉厚とすべきである。ランプカプセル２０の内側長
さ部分４８及び内径５０は、励起し得るランプ充填物２
４を問題なく内蔵し得るよう十分に大きくすべきであ
る。その肉厚は、エネルギー入力、ランプカプセル材
料、ランプ充填物２４、外部における対流そしてランプ
カプセルの寸法形状を含む多くの変数による熱的フラッ
クスを維持するために十分厚くすべきである。

【００２８】ランプカプセル２０はランプ充填物２４を
内蔵する。このランプ充填物２４は斯界に既知の種々の
追加的な添加物を含み得るものである。ランプ充填物２
４の配合物には、無線周波電力によって蒸発し且つ励起
して光を放射する材料の少なくとも１つを含むものが選
択される。本発明に於て有益なランプ充填物２４の配合
物は、その大半を本発明に於て適用し得ると考えられ
る、一般にアーク放電チューブにおいて良く知られたも
のである。好ましいガスはその殆どがネオンであり、残
余の小部分として、１％未満がアルゴンから成るペニン
グ混合物であるが、キセノン、クリプトン、アルゴン或
いは純ネオンを使用可能である。ランプ充填物は好まし
くは金属塩の如き金属複合物を含んでいる。１つのラン
プ充填物配合物は０．３ミリグラムの金属水銀と、０．
１ミリグラムのヨウ化スカンジウムナトリウムである。
ネオン中に０．００４８％のアルゴンを含む２０トール
のペニングガス混合物が約０．０３ｃｍ³ の内部空間に
使用された。

【００２９】好ましいランプカプセル２０はまた、１つ
以上のカップリング用突出部を含む。これらカップリン
グ用突出部は軸方向の各端部位置で軸方向に延長され、
ランプカプセル２０の支持を助成するものである。ラン
プカプセル２０の胴体部はチューブ状であることから、
このチューブを引伸すのが最も容易なる方法であり、こ
れにより内部空間２２に必要なシールも提供される。１
具体例に於てはランプカプセル２０にはチューブの中間
セクションにプレスシール５４が形成される。シールさ
れないチューブ状の延長部５６は内部空間２２から軸方
向に離間する方向に伸延される。ランプカプセル２０を
サポートカード１６に機械的に連結するためにロッド６
０が使用される。ランプカプセルの外側の長さは内部空
間の長さにランプカプセルの肉厚を加えたものに対して
参照されるものであり、任意の好都合な長さとし得る外
部の支持用突起の長さは含まれない。

【００３０】ランプカプセル２０を機械的に支持するた
めの方法は、サポートカード１６を室温硬化セメントの
如きエラストマー系接着材６２を使用してランプカプセ
ル２０に定着させることである。同様に、誘電性の”
Ｖ”ブロックを、ランプカプセルを無線周波カプラー１
８、４４内部に正確に位置決めするために使用可能であ
る。既知の形状のスライド、クリップその他類似の機械
的カプラーを適用し得る。好ましくはサポートカード１
６及びランプカプセル２０間には幾分かの可撓性を持た
せ或いはランプカプセル２０の熱膨張を支持するその他
手段を設けるべきである。ランプカプセル２０は作動中
に加熱され熱膨張するが、この熱膨張は固定式の支持体
に剛着されることによる不適切な応力を受けるべきでは
ない。そうした熱膨張によって引き起こされる応力は早
期のランプ破損或いは光学的要素に関する光源の変形を
生じ、結果的にビームパターンを不安定なものとする。

【００３１】最終的に位置決めされた状態に於ては、内
部空間２２の各端部は好ましくは対向され、螺旋状の無
線周波カプラー１８、４４の各自由端の半径方向内側に
位置付けられる。好ましい具体例に於ては、各無線周波
カプラー１８、４４の端部の約１ターンのコイル部分が
内部空間２２の軸方向の各々の端部とオーバーラップす
る。内部空間２２の残余の部分は各無線周波カプラー１
８、４４間のギャップ４６部分を軸方向に同中心に伸延
する。内部空間２２の、無線周波カプラー１８、４４に
よって半径方向に遮蔽される部分は殆ど或いは全くな
い。

【００３２】無線周波カプラー１８、４４が同中心に整
列されることにより、これら無線周波カプラー１８、４
４と実質的に同中心の電界コンポーネンツを具備する圧
縮電磁波が提供される。同様に、電界コンポーネンツは
ランプカプセルと整列され得る。無線周波電力がランプ
カプセル２０に入り、ランプ充填物２４と相互作用する
ことによってランプ充填物２４は励起され、プラズマ状
態となる。励起されたランプ充填物２４は次いで可視光
線を放射する。該可視光線は光学的な窓を通して外に出
る。放電プラズマは６０００°Ｋもの温度を有し、従っ
てランプカプセル２０から適切に分離されるべきであ
る。

【００３３】アーク放電体即ちランプカプセルは、壁或
いはその他物理的な境界は付設されないが、一般にイン
ダクションフィールドの方向と直交する円形断面を有し
ている。ランプカプセルはインダクションフィールドの
最も大きい場所付近で放電容器内に吊下される。ランプ
カプセルの全体形状は重力、拡散、放射搬送、電気力学
的及び熱力学的力に基いて決定される。小型のランプカ
プセルに於ては、ランプカプセルの内径が狭いことによ
って対流が抑止されると考えられる。その結果、内部空
間２２全体及びランプ充填物２４を横断しての均一な加
熱が生じそれにより、ランプカプセル２０の壁は等温状
況に維持される。測定された温度勾配は上部から下部に
かけて、縦横何れの位置に於ても約５０度Ｃ未満であっ
た。

【００３４】結局、内部空間２２及びランプ充填物２４
全体を横断しての均一な光が発生した。同様に、化学的
充填物及びガス成分が内部空間に均等に分与されそれが
壁の負荷を均等なものとし、もしあれば色の分離を少な
くしたと考えられる。

【００３５】図４にはサポートカード１６、２つの無線
周波カプラー１８、４４そして、反射性表面２８を具備
するリフレクター２６に取り付けたランプカプセル２０
の前方からの斜視図が示される。リフレクター２６はそ
の光学軸と平行な平面によって切頭された法物形状を有
し得る。リフレクター２６はその軸線を通る縦方向の断
面に於て示されている。このリフレクター２６は、その
少なくとも１部分が反射性表面から成る光学的キャビテ
ィ３０を画定する内側表面を含み、一般に斯界に既知の
ガラス、セラミックス、プラスチック或いは金属から作
成し得、また無線周波エネルギーを収納するための伝導
性の或いは吸収性の層を具備し得る。反射性表面２８は
磨き金属、二色コーティング、付着金属コーティングそ
の他斯界に既知の如き反射性表面構造とし得る。リフレ
クターは好ましくは、ランプカプセル２０内で発生した
可視光線を予備決定された投射領域或いは投射パターン
に向けて投射するための、湾曲面或いは多面形状を含み
得る。ヘッドランプは通常、規制されたパターンに従う
光線を投射するよう要求され、リフレクター２６の設計
形状は、所望の配向パターンを達成するために内部空間
に於て発生した配向パターンと部分的に協動するよう選
択される。

【００３６】光学的キャビティ３０はそこに差し渡され
るレンズ３２によって閉鎖される。別様にはレンズ３２
はリフレクター２６の前面に位置決めされ、他の支持手
段によって支持される。レンズ３２は発生した光線を所
望の位置に差し向けるのを、或いはビームパターンを助
成するための多面を構成する面、微小凸レンズ或いは類
似のプリズム要素を具備し得る。好ましいレンズ３２は
可視光線に対し高度に透過性を有する材料、例えばガラ
ス或いはプラスチックから構成される。同様に、好まし
いレンズは、先に説明したビームパターンを創出するた
めにリフレクター及びランプカプセルと協動するよう設
計される。

【００３７】好ましい具体例に於てはランプカプセル２
０はリフレクター２６及びレンズ３２内の最適な光学的
位置、例えば法物形状のリフレクター２６の焦点位置に
於て適宜の手段によって取り付けられる。サポートカー
ド１６はリフレクター２６の軸と同一平面となるよう位
置決めし、サポートカード１６の縁部に沿ってリフレク
ター２６が衝接或いは連結されるように為し得る。サポ
ートカード１６をリフレクターの軸と同一平面的に位置
決めすることにより、有効光の損失は殆ど或いは全くな
くなる。ランプカプセル２０は、光の発生が実質的にラ
ンプカプセル２０の配向に係わらず実質的に同じである
ことから、水平方向でも縦方向でも配向可能である。ヘ
ッドランプの設計者は、その全体の設計形状を光源の物
理形状を収受するために妥協する必要がない。ランプカ
プセル２０の特定の配向は従って、リフレクター２６、
レンズ３２或いは明るさの分野での特性上の利益を考慮
して選択され得る。

【００３８】無線周波源１２、無線周波伝送ライン１
４、そしてランプカプセル２０を包囲するリフレクター
を、全体的に或いは部分的に無線周波リフレクター或い
は絶縁性シール３４が取り巻く。絶縁性シール３４は必
ずしも必要ではないと考えられる。それは、無線周波源
１２のためのシールド用ハウジング、無線周波伝送ライ
ン１４そしてランプカプセル２０から成るシステム１０
はそこから外に漏れる無線周波信号が殆ど内或いは全く
ないように設計され得るからである。絶縁性シール３４
は、水、汚れ、熱その他環境的影響を受けないようにす
るためにより重要である。本件出願人は、本システム１
０をそのような液漏れのない構造に於て作成するための
困難さ及び費用を認識するものであり、従って無線周波
源１２、無線周波伝送ライン１４そしてリフレクター２
６の後方部分を包囲するシールされた金属包囲体の使用
を提言するのである。リフレクター２６の前面側は発生
された可視光線が照射されるよう開放される必要があ
る。

【００３９】無線周波伝送ラインからの無線信号をラン
プカプセルにカップリングするための多くの手段が知ら
れている。シングルエンドカプラーを使用可能である。
好ましいカップリングシステムは、ギャップ４６によっ
て分離され且つ電力を相互に向けて差し向けるために同
中心に位置決めされた２つの無線周波カプラー１８、４
４を有する。無線周波カプラー１８、４４はサポートカ
ード１６から吊下され得或いはリフレクター２６によっ
て支持され得る。好ましい無線周波カプラー１８、４４
はらせん状のスローウエーブ形式のものであり、ギャッ
プ４６に於て必要とされる電磁界を維持するための同中
心にて位置決めされる。対向状態に位置付けた無線周波
カプラー１８、４４を使用することにより、電力の位相
が１８０度ずれる。これはランプカプセル２０内に均一
な放電を励起するために特に有効である。無線周波カプ
ラーの形状は選択されたランプカプセル２０の構造と関
連付けされる。もしランプカプセル２０が約９ミリ未満
の長さを有する場合は、選択される作動周波数は９１５
ＭＨｚであり、従って、無線周波カプラー１８、４４に
おけるピッチは各々のカプラーのコイル巻き部分のエア
ギャップ間隔は適切な絶縁体としては小さ過ぎるものと
なる。その場合はエアギャップはランプカプセル内のア
ーク放電を維持するために必要な電力水準では破壊して
しまう。

【００４０】ランプカプセル２０はマイクロ波電力、好
ましくはスローウエーブ式の無線周波カプラー２８、４
４によってランプカプセルの各端部にシンメトリカリー
に適用されるマイクロ波電力を使用して賦活される。そ
うしたマイクロ波の適用の好ましい方法は、米国特許第
４１７８５３４号によって教示されるそれと類似のもの
である。２つの端部での励起が、米国特許第４２６６１
６２号によって示されるようにアークを安定化させる。
本発明の新規な特徴は非常に短いアークチューブを２つ
の端部で励起することにある。非常に短いアークチュー
ブの２端での励起は、白熱フィラメントと比較して極め
て真直な、狭幅なアーク放電を創生することが見出され
た。加えるに、創生されるアーク放電は全方向バーナー
であり、これはランプカプセル２０が配向上の制限がな
いことを意味し、従って縦横の何れでも、またその間の
位置に於ても作動可能である。好ましい配向は縦方向で
ある。

【００４１】アーク放電が直線的な性質を有すること
は、２つの無線周波カプラー１８、４４上を合成電磁界
的な波が伝播することによるものであると考えられる。
合成電磁界的な波は、一般的な横断方向の電磁波とは対
照的に、エネルギー流れの方向に於て電界及び磁界を共
に有している。その結果、一般に無線周波カプラー１
８、４４と同中心の電界に沿って電子が加速される。同
中心的な電子の加速は電極でのアークにおける電子の加
速と類似している。電極でのアークとは対照的に、同中
心的な電子の加速は磁界の軸方向成分によってランプカ
プセルの軸方向に制限される。その結果、電子の加速は
電極付きのアーク放電ランプカプセルの電極間に形成さ
れるアーク放電よりも軸方向に於てより強力である。電
界及び磁界の方向はランプの方向と共に移動し、重力の
影響に打ち勝つ傾向を有する。強力な軸方向のアーク放
電はまた、アークの明るさの均一性を助長する。内部空
間の直径を狭くすることによって半径方向の対流が抑止
され従って、アークの明るさの均一性は一層助長され
る。

【００４２】スローウエーブ形式の螺旋形状の無線周波
カプラーは伝播する波の波長を圧縮する作用を為す。圧
縮された波長を使用する場合、共振箱は自由空間での波
長に関して非常に小型に作成可能である。小型の共振箱
は本発明における有益な特徴であり、これが殆どフィラ
メントサイズの放電を可能とするのである。例えば、９
１５ＭＨｚの自由空間波長λ₀ は約３２０ミリである一
方、圧縮されたガイド波長λ_g は約４０ミリである。従
って、共振箱（ランプカプセルの内側区間）構造を、無
線周波カプラー１８、４４間のギャップ４６が約１０ミ
リである１／４のものとすることができる。小型の共振
箱寸法形状はランプカプセルと概略同一であり、従って
ランプカプセルを２つの無線周波カプラー１８、４４の
間のギャップ４６に位置決め可能である。ランプカプセ
ル２０の小型化は、９１５ＭＨｚ及び２４５０ＭＨｚを
中心とする許容ＩＳＭバンドでの好ましい作動周波数で
は、従来通りの矩形あるいは筒状キャビティの如き共振
箱構造をしては達成し得ないものである。

【００４３】無線周波カプラーにおいて設計上使用され
るスローウエーブ構造は距離の長い接地平面を有してい
る。従って、無線周波カプラー１８、４４に於て発生さ
れた軸方向の場での波長のための等式の範囲は、その大
きな接地シールド半径ｂに近似される。詳しくは、接地
シールド半径ｂは螺旋半径ａの１０乃至１００倍の間で
変動し、その比率ｂ／ａのｌｏｇは１及び２の間であ
る。小さいｌｏｇ変数タームは残余のターム及び大きな
ｂの値に対するａ／ｂの比率との比較上実質的に無視さ
れる。

【００４４】結局、螺旋形状の無線周波カプラーに沿っ
た波長λ_g は以下のように書き直され得る。 b>aの場合に限定される式１ λ_g=λ₀(p/√2 πa){1-(p/2 πa)²} ｐ＜ａの場合の式２ λ_g=λ₀(p/√2 πa ) 限界に於ては外側の接地シールド半径がらせん状の無線
周波カプラーの半径よりも大きい、即ちｂ＞ａ（ａは無
線周波カプラーの半径、ｂは通常の同中心の外側接地シ
ールドの半径）である。無線周波カプラーのピッチ或い
はコイル巻き部分の間隔はｐであり、自由空間波長はλ
₀ である。限界に於ては外側接地シールドは無線周波カ
プラーのそれよりもずっと大きい。即ちｂ＞＞ａであ
る。この場合、接地シールドは筒状或いは螺旋状の無線
周波カプラーと同中心でなくとも良い。実際上、アルミ
化された或いは実質的に金属或いは導電性のリフレクタ
ー、例えば、ランプカプセル２０を取り付けた、典型的
なリフレクターランプである法物形状のリフレクターを
接地平面として使用可能である。

【００４５】マイクロ波は、無線周波カプラーの端部の
スローウエーブ型の軸方向の場によってランプカプセル
２０内に連結される。ランプカプセル２０の効率的な作
動のために、ランプカプセル２０は無線周波カプラー１
８、４４によって画定される内部空間内に正確に位置決
めする必要はない。図５にはランプカプセルを２つの無
線周波カプラー間に、それらから発生される対応する軸
方向の電界のチャートと整列状態で位置決めした状態が
示される。ランプカプセル２０の無線周波カプラー１
８、４４間での位置決めに際しては、一方の無線周波カ
プラー１８によって創出される第１の電界６４は内部空
間２２の一方の或いは第１の端部付近の、ランプカプセ
ルの一方の或いは第２のシール５８に概略隣り合う位置
に於て最大の場６６を有し、一方、反対側の、内部空間
の他方の或いは第１のシール５４の近辺の他方の或いは
第２の端部には最小の場６８が生じる。好ましい具体例
に於ては、一方の無線周波カプラー１８によって発生さ
れた微弱な場は、内部空間２２を丁度カバーするに十分
であり且つランプ充填物を破壊せしめるに丁度十分なも
のである。好ましい具体例に於ては同様の、同時的な、
第２の電界７０が他方のらせん状の無線周波カプラー４
４によって創出される。この第２の電界７０は内部空間
２２の第１のシール５４に接近した端部に於て最大の場
７２を有し、一方、第２のシール５８付近の暗部に於て
最小の場７４を生じる。第１の電界６４及び第２の電界
７０を重ね合わせることにより、図５に示されるような
正味の場の分布７６が創出され得る。”ｚ”は無線周波
カプラーによって画定される軸と一致する。生じた電界
における極大及び極小値は実験的に観察された。

【００４６】好ましい具体例では無線周波カプラー１
８、４４の各々の電磁的励起の位相は互いに１８０度ず
れている。無線周波カプラー１８、４４の各々での瞬間
的なマイクロ波電圧は、マイクロストリップ伝送ライン
延長部３８によって形成される１／２波長ディレーライ
ンにより１８０度位相がずれる。結局、ランプカプセル
２０を横断する電圧の大きさは倍になる。ランプカプセ
ル２０を横断しての電圧が倍になることにより、ランプ
カプセル２０の寒冷時のスターティングが助成される。

【００４７】無線周波伝送ライン１４からの電力は無線
周波カプラー１８、４４の各々の端部からの微弱波を介
してランプカプセル２０内にカップリングされる。螺旋
形状のスローウエーブ型アンテナは１９６５年のＷａｌ
ｔｅｒの”Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ Ｗａｖｅ Ａｎｔｅｎ
ｎａｓ”に於て既知である。無線周波カプラー１８、４
４の寸法形状は、放射電力を実質的に低減しそれによ
り、ＡＮＳＩ（Ｃ９５．１−１９８２）の如き健康及び
安全上の明細に適合する螺旋形状の無線周波カプラー非
放射デバイスを作成する目的上選択される。無線周波カ
プラーの寸法形状は従って、各々の無線周波カプラーが
無害な放射体であるよう選択される。結局、負荷がそれ
らの無線周波カプラー１８、４４に対しその各々を取り
巻く微弱波の範囲に十分接近している場合は、無線周波
カプラー１８、４４からの電力はランプカプセル２０及
びランプ充填物２４の如き負荷に対して最も多く送達さ
れ得る。例えば、各々のランプカプセルの端部を無線周
波カプラー１８、４４と同中心に位置決めし、ランプカ
プセルの内部空間の軸方向端部を、らせん状の無線周波
カプラーによって画定される凸状の内部の軸方向限界に
接近させ得る。

【００４８】図６にはやや大きめの、しかし尚、代表的
な無電極型のランプの寸法形状を有する無電極型のラン
プからの光度のチャートである。この無電極型のランプ
は水平方向にて点灯試験された。チャートにはランプ壁
からランプ軸に向けて光度が滑らかに上昇する様子が示
される。軸方向端部付近に幾分かの上昇が示されるにも
かかわらず上昇は一様である。チャートにはランプカプ
セルの各々の端部付近における、ランプ軸と平行な滑ら
かな光度の上昇もまた示される。各々の半径方向に対し
てはランプカプセルの長手方向に於てその光度は概略一
定である。ランプカプセルの壁に隣り合う部分での光度
は小さく、一方中央付近での光度は大きい。チャートは
全体的に、滑らかな光度面が無電極型のランプカプセル
の端部から端部に、そして側部から側部にかけて伸延す
ることを示している。光度面は、励起されたランプ充填
物がランプカプセルの壁に向けて伸延するが、しかしこ
のランプカプセルの壁によって束縛されていることか
ら、長時間に渡り極めて安定している。ランプカプセル
からのこうしたスムーズで安定した光線は、リフレクタ
ー及びレンズ設計上容易に受け入れられ得るものであ
る。光源が安定していることから、光学的な設計に際し
ては、アークのふらつきに於て生じ得るような光学的に
理想とされる位置からの変動は考慮しなくて良くなる。
類似の結果は好ましい具体例に於て見出し得るものであ
る。

【００４９】これとは対照的に、図７に示される類似の
チャートには類似寸法の電極付きのＨＩＤランプを水平
方向で点灯した際の光度が示される。図６に示されるデ
ータが無電極型の例よりも大型の電極付きのＨＩＤラン
プのものであるが、このデータは電極付きの放電ランプ
の代表的なものである。この電極付きのＨＩＤランプの
チャートにはぎざぎざの光度面が示され、粗い端部領域
が電極チップに相当し、高くなった、しかし狭幅の軸方
向のピークがアークラインに相当している。電極付きＨ
ＩＤランプのアークは揺動し、従ってチャートには特定
の瞬間のみが表わされる。

【００５０】図８には、本発明の無電極型のランプと比
較し得る寸法の電極付きのアーク放電ランプの光源分布
が示される。ここでは光源の、理想点或いは光学的設計
のために最も望ましい光軸からの光の逸脱状況が示され
る。軸状部は光源の幅及び長さを表わし、パターンの暗
部は特定帯域内での光源の強さを表わしている。電極付
きのアーク放電ランプのパターンは概略菱形であり、一
方の長さは幅方向の長さの約２倍である。コーナー部分
からはテール状部分が不規則に伸延している。

【００５１】図９には、本発明に従うマイクロ波放電デ
バイスの対応する光の分布パターンが示される。マイク
ロ波放電デバイスの前記分布パターンは概略直線であ
り、一端が円形形状を為している。無電極型のランプに
おける光の分布パターンの長さはアーク放電ランプのパ
ターンの長さと大体同じであるが、その幅は、前記円形
形状の部分で比較した場合後者のそれの約２／３であ
り、或いは直線部分での後者のそれの約１／６から１／
４である。何れの場合でも、無電極型のランプにおける
光のパターンは実質的により収束的である。無電極型の
ランプは理想点或いは直線光源により近似したものであ
り、従ってよりよい配向パターンを生じ得るものであ
る。

【００５２】実用例における寸法の幾つかはおよそ以下
の如くである。無線周波源は１５ボルトの直流電源によ
って駆動され、９１５ＭＨｚで２５ワットの電力を創出
するために要した電力は１００ワットであった。無線周
波源は９１５ＭＨｚで作動するソリッドステートマイク
ロ波源を有する。電源は、市販入手し得るコンポーネン
ツから組み立てたソリッドステート型の３ステージオシ
レーター増幅器形状を有し、無線周波伝送ラインは標準
型のＲＧ１４２ダブルシールド式同軸ケーブルであっ
た。カプラーは、２つの同中心の螺旋コイルと半波長位
相ラインとを含み、これらの螺旋形状のカプラーは直径
０．５０８ミリ（０．０２０インチ）の金メッキニッケ
ルワイヤーから作成された。カプラーは外径５ミリ、ピ
ッチｐが１．２２ミリ、そして巻数が５であり、全体の
長さが６．１ミリ（５×１．２２）であった。カプラー
の内径は従って、５ミリから０．５０８ミリ（０．０２
０インチ）の２倍を差し引いたもの、即ち約０．４ミリ
であった。この螺旋形状のカプラーは約９ミリである１
／４波長、即ちλ_g ／４を発生した。ランプカプセルは
小型のシリカ（石英）アークチューブであり、内径２ミ
リ、内側長さ９ミリそして外径３ミリ、端部支持体を除
く外側長さ１１ミリであった。次いでランプカプセルは
螺旋形状のカプラーの最終コイル巻き部分にそこに接触
することなく貫入され、その周囲から約０．５ミリ離間
された。

【００５３】ランプカプセルはマイクロストリップ伝送
ラインを具備する回路基盤に取付けられた。同調回路、
そして螺旋形状のカプラーが無線周波信号を内部空間の
ガスに伝導するために使用された。リフレクターはプラ
スチック製であり、付着アルミニュームによって形成さ
れた内側反射表面を有していた。リフレクター表面は互
いに平行な且つ回転軸に対して平行な２つの平面によっ
て切頭された放物回転形状であった。２つの平面は互い
に約５０ミリ離間し、またリフレクターの回転軸から等
距離とされた。無電極型のヘッドランプシステムは、許
容され得るパターンに於て約２６００ルーメンスのビー
ムを創出した。記載された形式のランプカプセルは入力
電力約２０ワットに於て作動され、数百回点灯され、そ
して１１００時間点灯された。これらのランプカプセル
は８５％以上が維持された。発生したアークの光学的イ
メージは軸方向の強度分布において極めて均一であるこ
とが示された。そうした光学的イメージは電極付のＨＩ
Ｄヘッドランプよりもまぶしさの少い、優れた前方ビー
ムパターンを提供すると考えられる。

【００５４】低い電力で作動されるマイクロ波ランプカ
プセルの写真によれば、極小の場はイオン化を維持する
ために必要な正味の場以下に低下することが示される。
その結果、極小の場には暗い領域が出現し、場の大きさ
が放電を維持するに十分な場所では明るい領域（ｐｒａ
ｓｍｏｉｄｓ）が出現する。電力が増大するに従い、結
合された場は、どの場所に於てもイオン化の維持及びプ
ラズマの均一化のために十分なものとなる。

【００５５】この小さいアーク源は１ワット当り１００
ルーメンスを越える高率で光を発生した。これは、大抵
の金属ハロゲンランプが容積及び電力消費量の増大と共
に高率的になることからすれば思いがけない結果であ
る。小型の無電極型のアーク放電ランプは、約１０ワッ
トの電力を使用して１ワット当り約２０ルーメンスの高
率に維持可能である。これは、Ｗａｙｍｏｕｔｈ及びＥ
ｌｅｎｂａｓｓが、熱損失だけでも金属アーク放電ラン
プのアーク長さの１センチメートル値約１０ワットであ
ることを示したことからして驚くべき結果である。小型
のマイクロ波アークのフィラメント状のコアは１５ミリ
のアーク長さにわたってさえも殆ど湾曲されない。湾曲
されない点は、アーク長さが４ミリの、小型の電極付き
の金属アークランプに於てさえも実質的な湾曲が示さ
れ、ワッテージの大きな金属アークランプではアークが
重力によって変形されること無しに水平方向に於ては使
用し得ないことから、新規な結果である。前記結果を変
化させることなくどの方向にも位置決めし得るランプと
して、小型のマイクロ波ランプカプセルは特に自動車の
ヘッドランプの如き、発生した光を特定の照明領域に正
確に差し向ける必要がある光学的システムに於て特に有
益である。

【００５６】アークチューブ内の温度勾配もまた驚くほ
ど低いことが見出された。水平方向に整列させた場合、
ランプカプセルの上部は底部よりも約５０℃高温であ
る。更には、壁面温度はアークチューブ表面全体で驚く
ほど均一である。壁面温度が一定であることは、限定的
な湾曲及び高高率の一つの説明となる。小型の、狭幅な
アークチューブにおける７５０℃乃至８８０℃という壁
面温度もまた、１平方センチ当り約３６ワットの大きな
壁負荷に対して予測された温度である約１０００℃より
も低い。壁の温度が予測されたよりも低いことは新規で
ありまたそれによって、石英が大きな負荷を受ける壁の
ために使用可能とされることは興味深い。通常１平方セ
ンチあたり２６から３０ワットである壁負荷は石英のた
めには過剰であると考えられる。記載された寸法、形状
そして具体例は例示されただけのものであり、他の好適
な形状及び関係事項を本発明の構成上使用出来る。以上
本発明を具体例を参照して説明したが、本発明の内で多
くの変更を成し得ることを理解されたい。

【図面の簡単な説明】

【図１】無電極型のＨＩＤヘッドランプシステムの部分
破除した断面図である。

【図２】その幾つかのヘッドランプが電力デバイダーを
使用する単一電源によって給電される、無電極型のヘッ
ドランプシステムの別態様のブロックダイヤグラムであ
る。

【図３】無電極型のＨＩＤカプセルの好ましい具体例
の、軸方向における断面図である。

【図４】無電極型のＨＩＤヘッドランプシステムの横断
方向で切断した状態における斜視図である。

【図５】２つのらせん状カプラー間に位置決めされたラ
ンプカプセルを示す平面図であり、ここでは前記２つの
らせん状のカプラーによって発生された対応する軸方向
の電界のチャートとの整合状態が示される。

【図６】代表的な無電極アーク放電ランプの明るさの輪
郭の特徴を表す図である。

【図７】代表的な電極付きアーク放電ランプの明るさの
輪郭の特徴を表す図である。

【図８】代表的な電極付きアーク放電ランプの光分布チ
ャート特性を示す図である。

【図９】代表的な無電極アーク放電ランプの光分布チャ
ート特性を示す図である。

【符号の説明】

１６：サポートカード １８：無線周波カプラー ２０：ランプカプセル ２６：リフレクター ２８：反射性表面 ３０：光学的キャビティ ３２：レンズ ３４：絶縁性シール ３６：伝導性ストリップ ３８：マイクロストリップライン延長体 ４４：無線周波カプラー ４６：ギャップ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョゼフ・エム・プラウド 米国マサチューセッツ州ウェルズリーヒ ルズ、リンデン・ストリート347 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01J 65/04

Claims (16)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 無電極型のＨＩＤランプであって、 ａ）ランプ充填物空間を包囲する内側表面を含み、内側
   長さが該無電極型のＨＩＤランプへの入力電力の圧縮さ
   れたガイド波長の約１／４である無線周波透過性の且つ
   光学透過性の包囲体と、 ｂ）ランプ充填物空間内に収納されたランプ充填物にし
   て、無線周波エネルギーによって励起されることにより
   可視光線を放射するランプ充填物と、 ｃ）リフレクターキャビティを画定する反射性のハウジ
   ング内側表面を具備し、前記包囲体が前記リフレクター
   キャビティ内部に位置決めされてなるリフレクターハウ
   ジングと、 ｄ）微弱な波によって無線周波エネルギーをランプ充填
   物にカップリングし、ランプ充填物を励起し可視光線を
   放出せしめるためのカップリング手段と、 によって成り立つ無電極型のＨＩＤランプ。
2. 【請求項２】 無電極型のランプであって、 ａ）無線周波透過性及び光学透過性の包囲体にして、ラ
   ンプ充填物空間を包囲する内側表面を有し、第１のカッ
   プリング端及び第２のカップリング端を具備する包囲体
   と、 ｂ）ランプ充填物空間内に収納されたランプ充填物にし
   て、無線周波エネルギーによって励起され可視光線を放
   射するランプ充填物と、 ｃ）前記包囲体の第１のカップリング端に位置決めされ
   た第１のカップリング手段と、 ｄ）前記包囲体の第２のカップリング端に位置決めされ
   た第２のカップリング手段とを含み、 前記第１及び第２の各カップリング手段が無線周波エネ
   ルギーを微弱な波によってランプ充填物にカップリング
   し、ランプ充填物を励起して可視光を放射せしめ、 前記ランプ充填物空間は入力電力の圧縮ガイド波長の１
   ／４と概略等しい内側長さを有している無電極型のラン
   プ。
3. 【請求項３】 マイクロ波電力を筒状のランプカプセル
   に送達するため のカップリングシステムであって、 ａ）らせん状の第１のカプラーにして、入力するマイク
   ロ波電力を受けるための第１の端部とランプカプセルを
   収納するためのギャップに対面する第２の端部とを有す
   る第１のカプラーと、 ｂ）第１のカプラーと同中心に位置決めされたらせん状
   の第２のカプラーにして、入力するマイクロ波電力を受
   けるための第１の端部とランプカプセルを収納するため
   のギャップに対面し、且つ第１のカプラーの第２の端部
   と対面する第２の端部とを有する第２のカプラーとを有
   し、第１のカプラーの第２の端部と第２のカプラーの第
   ２の端部とは、これら端部間が、式： ｂ＞ａの場合に限定される式１、 λ _g =λ ₀ ( p /√2 πa)｛1-（p/ 2πa ） ² ｝ そして、ｐ＜ａに対するものとしての式２、 λ _g ＝λ ₀ ( p/ √2 πa ） ここでａはらせん状のカプラーの半径、ｂは外側接地シ
   ールド半径且つａよりも十分に大きい値、ｐはらせん状
   のカプラーのコイル部分のピッチ或いは内側間隔、λ ₀
   は供給電力の自由空間波長、λ _g は供給電力の圧縮され
   たガイド波長、 により決定される如きギャップにして、
   供給電力の、圧縮されたガイド波長λ _g の１／４である
   ギャップによって離間されるカップリングシステム。
4. 【請求項４】 第１のカプラー及び第２のカプラーにお
   けるランプカプセルへの電力の送達の位相は電気的に１
   ８０度ずれている請求項３のカップリングシステム。
5. 【請求項５】 第１のカプラーは、第１のカプラーと同
   中心の電界成分を有する圧縮された電磁波を提供する請
   求項３のカップリングシステム。
6. 【請求項６】 第１のカプラーはランプカプセルと同中
   心の電界成分を有する圧縮された電磁波を提供する請求
   項３のカップリングシステム。
7. 【請求項７】 第１のカプラー及び第２のカプラーは単
   一のマイクロ波電源によって給電され、第１のカプラー
   への入力は、第２のカプラーへの電力を第１のカプラー
   での電圧及び第２のカプラーでの電圧の位相を概略１８
   ０度ずらすに十分遅延させる電気的接続によって、第２
   のカプラーへの入力からは分離さ れる請求項３のカップ
   リングシステム。
8. 【請求項８】 第１のカプラー及び第２のカプラーはマ
   イクロ波伝送ラインを介して単一のマイクロ波電源によ
   って給電され、第１のカプラーへの入力は、ランプカプ
   セル及びマイクロ波電源間のバルンインピーダンス変換
   器を含む電気的接続によって分離され、マイクロ波伝送
   ラインはカップリングシステムに電力を送達する請求項
   ３のカップリングシステム。
9. 【請求項９】 マイクロ波によって作動されるランプで
   あって、 ａ）入力するマイクロ波電力を受ける第１の端部とラン
   プカプセルを収納するためのギャップと対面する第２の
   端部とを有する螺旋形状の第１のカプラーと、 ｂ）第１のカプラーと同中心に位置決めされた螺旋形状
   の第２のカプラーにして、入力するマイクロ波電力を受
   ける第１の端部とランプカプセルを収納するためのギャ
   ップと対面する第２の端部とを有し、第１のカプラーと
   対面する螺旋形状の第２のカプラーと、 ｃ）一方の側に、入力するマイクロ波電力を受けるため
   のマイクロストリップラインが形成され、他方の側に接
   地面が形成された絶縁性のカードにして、前記一方の側
   が、入力したマイクロ波電力を第１のカプラーの第１の
   端部及び第２のカプラーの第１の端部に送達する絶縁性
   のカードと、 ｄ）内部空間を有するランプカプセルにして、前記内部
   空間が、入力する電力の、圧縮された波長の１／４に概
   略等しい内側長さを有し、マイクロ波の適用に際し励起
   して光線を放射するランプ充填物を含み、第１のカプラ
   ー及び第２のカプラー間に位置決めされているランプカ
   プセルと、 によって構成されるマイクロ波によって作動されるラン
   プ。
10. 【請求項１０】 第１のカプラーの第２の端部と第２の
    カプラーの第２の端部とは、これら端部間が式： ｂ＞ａの場合に限定される式１ λ _g =λ ₀ ( p /√2 πa)｛1-（p/ 2πa ） ² ｝ そして、ｐ＜ａに対するものとしての式２、 λ _g ＝λ ₀ ( p/ √2 πa ） ここでａはらせん状のカプラーの半径、ｂは外側接地シ
    ールド半径且つａより も十分に大きい値、ｐはらせん状
    のカプラーのコイル部分のピッチ或いは内側間隔、λ ₀
    は供給電力の自由空間波長、λ _g は供給電力の圧縮され
    たガイド波長、 により決定される如きギャップにして、
    供給電力の、圧縮されたガイド波長λ _g の１／４である
    ギャップによって離間される請求項９のマイクロ波によ
    って作動されるランプ。
11. 【請求項１１】 第１のカプラー及び第２のカプラーは
    ランプカプセルへの電力送達の位相が１８０度ずれるよ
    う、電気的にカップリングされる請求項９のマイクロ波
    によって作動されるランプ。
12. 【請求項１２】 第１のカプラーは、該第１のカプラー
    と実質的に同中心の電界成分を有する圧縮された電磁界
    波を提供する請求項９のマイクロ波によって作動される
    ランプ。
13. 【請求項１３】 第１のカプラーは該第１のカプラーと
    実質的に同中心の磁界成分を有する圧縮された電磁界波
    を提供する請求項９のマイクロ波によって作動されるラ
    ンプ。
14. 【請求項１４】 第１のカプラー及び第２のカプラーは
    単一のマイクロ波電源によって給電され、第１のカプラ
    ーへの入力は、第２のカプラーへの電力を第１のカプラ
    ーでの電圧及び第２のカプラーでの電圧の位相を概略１
    ８０度ずらすに十分遅延させる電気的接続によって、第
    ２のカプラーへの入力からは分離される請求項９のマイ
    クロ波によって作動されるランプ。
15. 【請求項１５】 第１のカプラー及び第２のカプラーは
    絶縁性のカードによって支持され、該絶縁性のカードの
    一方側にはマイクロストリップラインが形成され、他方
    の側には接地面が形成される請求項９のマイクロ波によ
    って作動されるランプ。
16. 【請求項１６】 ランプは、包囲体によって発生された
    光線を受け、それを自動車の照明のためのビームパター
    ンに投射するべく光学的に設計されたヘリフレクター及
    びレンズを具備するヘッドランプである請求項９のマイ
    クロ波によって作動されるランプ。