JP4309474B2 - 一体型のｈｉｄ反射ランプ - Google Patents

Description

発明の背景
本発明は、付勢されて光を放射する光源と、光源により放射された光を指向するための反射表面を有する反射体と、光源に電気的に接続されたランプ接点を有するランプ基部とを具える一体型の反射ランプに関するものである。
このようなランプは産業界で知られており、例えば放物線状のアルミ蒸着された反射（ＰＡＲ）ランプを含む。ＰＡＲランプは、放物線状の反射内表面を有する成形ガラス反射体と、この反射体に密封してシールされた成形ガラスカバーとにより画成された頑丈なランプ容器を有する。歴史的に見ては、光源は白熱フィラメントで構成されてきた。極最近では、光源はハロゲンバーナであり、このハロゲンバーナにより従来の露出した白熱フィラメントによるよりもより著しい効率が得られる。又更に本技術の改良により、赤外線反射コーティングを、バーナカプセル上に設けるか、或いはバーナカプセルの内側又は外側のスリーブ上に設けたハロゲンバーナが使用されてきた。このコーティングにより、赤外線をフィラメントへ反射して戻すので無駄にならない。これにより、フィラメントの温度が上昇し、与えられた電力消費に対して有用な光出力が増加する。
ＰＡＲランプは、多くの異なるサイズで流行し、多くの異なる用途がある。これらは、小売り店のウインドディスプレイ、ホテル、レストラン及び映画館用のアクセント照明と同様な、ビル、彫像、噴水塔及びスポーツグラウンド用の通常のインドア及びアウトドアスポット照明やフラッド照明を含む。
よりエネルギーの効果的な照明に対する世界規模の運動の一部として、米国の最近の政府立法（通常は国家エネルギー政策運動「ＥＰＡＣＴ」と言う）によれば、放物線状のアルミ蒸着された反射（ＰＡＲ）ランプを含む通常使用される多くのタイプのランプのランプ効率値を指定した。これらの最小効率値は１９９５年に施行され、これらの効率値に適合する製品だけが米国での販売を許可された。ＰＡＲ−３８の白熱ランプの効率値は、種々のワット範囲に対して構築されている。例えば、５１−６６Ｗのランプは１ワット当たり１１ルーメン（ＬＰＷ）を達成せねばならず、６７−８５Ｗのランプは１２．５ＬＰＷを達成せねばならず、８６−１１５Ｗのランプは１４ＬＰＷを達成せねばならず、１１６−１５５Ｗのランプは１４．５ＬＰＷを達成せねばならない。
最近、市場では、アルミニウムの反射コーティングと、ＥＰＡＣＴ基準に合格し且つ１０００時間の商業的に受諾できる寿命を有する白熱フィラメントとを有するＰＡＲ３８ランプは殆ど無い。これらのランプは辛うじて最小基準を超えているが、それ以上大幅な改良は実現できそうでない。従って、市場は、ハロゲンバーナか或いはハロゲンＩＲバーナを有するＰＡＲランプに急速に移行しつつある。
しかしながら、市場のハロゲン及びハロゲンＩＲランプの１つの欠点は、効率を許容できるものとすると寿命が比較的短くなることである。例えば、市販されている９０Ｗのランプは、約２５００時間の平均寿命を有するが、６０ＷのハロゲンＩＲランプの寿命は３０００時間で僅かに長い。特に高い位置に装着されているランプを交換するには元のランプのコストを簡単に上回るので、十分により長い寿命を有することが望ましい。もう１つの欠点は、発光効率が約２０ＬＰＷより低く制限されてしまうことである。例えば９０ＷのハロゲンＰＡＲランプは、約１６ＬＰＷの発光効率を有するが、ハロゲンＩＲバーナを有する６０ＷのＰＡＲは、約１９ＬＰＷの発光効率を有する。寿命を短くすることなくこれらのランプの効率を更に改良しても、約５％未満になると予想されている。更に他の欠点は、色温度がタングステンフィラメントランプの場合には、タングステンの融点である最大３６５０Ｋに制限されることである。しかしながら、典型的には、色温度を約２６００乃至３０００Ｋの範囲に規定することにより、商業的に受諾可能なランプの寿命が達成される。異なる色温度を有するランプを提供することが所望であるが、その理由は、この異なる色温度によりランプが特定の用途に適合するからである。例えば、涼しい環境では温かい色温度（例えば３０００Ｋ）が、温かい環境では涼しい色温度（例えば４５００Ｋ）が通常は望まれている。
又、吹き出しガラス容器を含み且つ露出した白熱フィラメントを含む他の反射ランプが知られている。これらは、通常「Ｒ」ランプとして知られており、ＰＡＲランプよりも発光効率が低く、例えば９乃至１１ＬＰＷのオーダであり、色特性について同じ制限を有する。
本発明の概要
従って、本発明の目的は、改良された効率を有する反射ランプを提供することにある。
本発明のもう１つの目的は、改良された寿命を有する反射ランプを提供することにある。
更に本発明のもう１つの目的は、色温度と演色のような発光特性パラメータにより、より大きい融通性を有する反射ランプを提供することにある。
本発明の更なる目的は、白熱ランプハロゲンＰＡＲランプ及び白熱「Ｒ」ランプと同じ機器で使用できるランプを提供することにある。
本発明によれば、上述の目的は、請求項１に規定したような明細書前文に記載のタイプによるランプにより達成される。
上述の実施例により、白熱フィラメントを有し且つ既知の「Ｒ」ランプのようなハロゲン及びハロゲンＩＲを含む既知のランプの十分なエネルギー節約代用品であるランプを提供する。本実施例によるランプは、個々のランプとして同一機器内に適合し、同一のソケットにネジ込むことができ、同一の電源電圧で点灯する。従って後付けは簡単である。更に、相当に改良された発光効率に加えて、種々のハロゲン化金属のような充填材の組成を選択することにより、既知のＰＡＲランプ及びＲランプにより可能であるよりも幅広い範囲に亘って色温度のようなパラメータを有する。従って、ランプの設計者がランプを特別な環境に適合させるより大きな融通性が存在する。商業的に重要な一つの実施例はパブリックスペース内の照明として幅広く使用されているＰＡＲ３８ランプのＡＮＳＩは外形にほぼ納まる外形を有するランプとすることができる。
更にもう１つの実施例によれば、通常のランプの点灯中は、放電デバイスは、交流ランプ電流では、最低ランプ共振周波数より低い音響共振はなく、バラスト回路により放電ランプを付勢すると、基本周波数と、その整数倍の基本高調波とを含む交流ランプ電流が生じる。基本周波数及び最低ランプ共振周波数（電流ベース上での）は約１９ｋＨｚよりも高く、最低共振周波数よりも高い高調波は、音響共振を引き起こすのに十分な大きさを有していない。
ＨＩＤランプをＡＣ動作させる場合には高い周波数が望ましい。その理由は、この動作により、安定回路による損失がより低くなることによって６０Ｈｚに対してシステム効率が幾らか増加することと同様に、バラストの誘導素子の寸法を著しく減少することができるためである。しかしながら、このような動作は、先行技術のシステムにおいてはできなかった。その理由は、バラストの基本周波数での或いはそれに近い音響共振があるからである。音響共振が生じる周波数は、放電管の寸法（即ち長さ、径、端部チャンバ形状、管形状の有無）、ガス充填材の密度、点灯温度及びランプの向きを含む多くの因子に依存する。本明細書で使用する「音響共振」とは、放電アークの、人間の目に見える変動が生ずる共振のレベルを意味する。
文献「An Autotracking System For Stable Hf Operastiion Of HID lamps」，F.Bernitz,Symp.Light Sources,Karlsruhe 1986,から特に知られている先行技術のシステムによれば、放電デバイスは、低い周波数及び中間範囲の周波数（例えば、１００乃至５００Ｈｚ及び５０００乃至７０００Ｈｚ）で音響共振をが生じると共に約１９ｋＨｚよりも高い周波数でも生じる。
石英製の放電管の場合には、上限および下限の周波数で境界された狭い動作周波数窓を有しており、この境界の周波数では厳しい寸法の制御によっては音響共振が生ずるものである。この放電管は、石英ガラス製であって、この厳しい寸法制御は高スピード生産においては難しい。その結果、同じタイプで同じワット数の放電デバイスに関してでさえ、システムの設計者は、異なる製造業者からのランプだけでなく同じ製造業者からのランプでも異なる狭い動作窓の問題に直面していた。先行技術のシステムは、音響共振での動作を回避するするために、典型的には面倒な試行錯誤に依存している。しかしながら、これらのシステムの回路は割高であり、複雑でそれ故に容積が大きく、従って一体型のランプには好適ではない。
しかしながら、上述の実施例によれば、最低音響共振周波数が、約１９ｋＨｚの可聴周波数よりも相当に高い周波数、１つの実施例では約３０ｋＨｚ、（電流ベースで）となるようにアーク放電デバイスを選択でき、これにより約１９ｋＨｚ及び最低共振周波数より高い周波数で動作させても窓の問題は生じないことを本発明者等は確認した。これにより、比較的簡単且つコンパクトで低コストの回路が、複雑なセンシング或いは点灯計画無しで達成される。
音響共振がランプ電力、即ち、ランプ電流及びランプ電圧の積により技術的に誘導されることを注意すべきである。このように、音響共振は、電力周波数に関して規定されるが、この電力周波数はランプ電流周波数の通常は２倍である。しかしながら、与えられたバラスト上で点灯される与えられた放電デバイスに関して音響共振が生じる各ランプ電流周波数は、容易に確認することができる。従って、音響共振周波数をここではランプ電流周波数とランプ電力周波数に関して述べるが、その一方が与えられれば、他方は上述の１：２という関係から容易に決定できる。
本発明は、又、音響共振が基本駆動周波数によってだけではなく、典型的な電子バラストの出力電流（或いは電力）の高調波によっても引き起こされるという認識の下にある。たとえ基本周波数がランプの最低共振周波数よりも十分低い場合でさえ、音響共振は最低ランプ共振周波数より高くかつ十分に振幅の高調波により引き起こされる。その結果、共振のない動作を行なうためには、バラストの駆動信号は、最低ランプ共振周波数よりも高いいかなる高調波の大きさも、音響共振を引き起こさないように十分小さいものである必要がある。
更にもう１つの実施例では、定常状態でのランプの点灯中は、バラストにより基底周波数をほぼ一定に維持する。これにより更に、周波数を変化させたり、掃引したり、一定の電力を維持するために先行技術のシステムに設けられている多くの制御素子を除去することにより、ランプのバラストのコスト及び寸法が減少される。
好適には、放電管にセラミック壁を設ける。「セラミック壁」という言葉は、ここでは、単結晶体の酸化金属（例えばサファイア）、多結晶体の酸化金属（例えば、多結晶体で高密焼結した酸化アルミニウム；イットリウム−アルミニウムガーネット、或いは酸化イットリウム）、及び多結晶体で非酸化材料（例えば、窒化アルミニウム）のような耐火材料の壁を意味すると理解されたい。このような材料は、１４００乃至１６００Ｋまでの高い壁温度を許し、ハロゲン化物、ハロゲン及びナトリウムによる化学的な攻撃に対して十分に耐えられる。これは、より小さい寸法のセラミック材料の放電管を使用できるという利点を有する。セラミック材料を使用すれば、通常の成形した石英ガラス技術を使用するよりも著しく誤差を小さくできる。このより小さい誤差により、ランプ乃至ランプ基部では、色特性および音響共振特性に関して著しく高い均一性が達成される。
もう１つの実施例によれば、放電デバイスは、２つの端壁を有する中央円筒形領域を含む。これらの端壁は軸線上で寸法「Ｌ」だけ離間しており、中央領域は内径「ＩＤ」を有し、比Ｌ：ＩＤは約１：１である。このような中央領域を有するセラミックの放電管を具えるランプは、例えば米国特許明細書第５４２４６０９号（ゲブン等）により知られている。しかしながら、この開示されたランプでは、中央領域は、１：１よりも長くて狭く、４：３に等しいか或いはそれよりも大きな比Ｌ：ＩＤを有する。発明者等は、約１：１の比が最低ランプ共振周波数に関して好適な結果を生むことを確かめた。この比は、（寸法Ｌにより制御された）縦方向の第１の音響共振が、（寸法ＩＤにより制御された）放射状で且つ方位角の方向の第１の音響共振にほぼ一致する。通常は、この比が１：１からずれると、より大きい法の寸法により放射状／方位角方向或いは長手方向のモードに対して生じる音響共振の周波数を低下させ、その結果最低ランプ共振周波数が決まる非常に好適な実施例によれば、このシステムは複数の放電管を含み、この放電管の各々は約１９ｋＨｚより高い（電流ベースでの）最低共振周波数を有し、バラストにより付勢して同時に光を放射する。発明者等は、約１９ｋＨｚより高い電流ベースで最低共振周波数を有する石英ガラスのいかなる実用的な放電デバイスをも知らない。更に、上述した比Ｌ：ＩＤが約１：１のセラミックの放電管を有している場合でも、（電流ベースで）約１９ｋＨｚより高い最低共振周波数を有するこのような放電デバイスの最大公称ワット数は約３５ワットに達するものと期待されている。この実施例は、音響共振無しで約１９ｋＨｚより高い周波数で動作することができ、比較的高い光出力を供給することに関しては十分である。
共通のランプ容器内に多数の放電デバイスを設けるのが好適である。これらの放電デバイスを直列に接続することができる。直列に放電デバイスを接続することにより、確実に各デバイスが同じランプ電流を有するようになる。
更に他の実施例においては、放電ランプは電気的に並列に接続した複数の（一対の）放電管を含む。この配列では、放電デバイスの１つが点弧し、そして点灯するが、もう１つは点弧及び点灯はしない。しかしながら、放電デバイスの１つが寿命を迎えると、もう１つの放電デバイスが点弧し、そして点灯し、存在する放電デバイスの数だけ寿命が効果的に延びる。これは又熱いランプに瞬間的な再打撃を与えるという利点を有するが、その理由は放電デバイスが点灯したときには、点灯していなかったもう１つのより冷たい放電デバイスが点弧されるためである。
好適には放電管に始動装置を設け、一方の端部を放電管の延在して封止するプラグ構造の回りに延在し、もう１方の端部を反対側のリードスルーに接続する。
更に他の実施例においては、光源を高圧ガスの放電デバイスとし、
ランプに更に
（ｉ）気密封止によりシールされ且つ高圧ガス放電デバイスを包囲するように成形され、反射表面を有する反射体を含むガラス製の管球と
（ii）ランプベースを有する第１端部とランプ容器を支える第２端部とを有するシェルと
（iii）光を放射するための放電デバイスを付勢するためのバラストであって、成形されたガラスのランプ容器と第１端部との間のシェル内に配置され、ランプベース上の各接点に各々電気的に接続された一対の入力端子と、放電デバイスに各々電気的に接続された一対の出力端子とを含むバラストとを設け、
このランプ容器がバラストから離間した放電デバイスから生じる光及び熱を反射するように位置決めされた反射表面を有する第２シェル端部で支えられる。
成形されたガラスの反射体が、基部を上方へ近づけた場合でさえも、放電デバイスにより発生した相当の熱をバラストの構成部材から遠去かる方向に指向することが分かった。これは、成形されたガラスの厚さは勿論、反射表面にもよるものである。比較してみると、米国特許明細書第４４９０６４９号により知られているような反射表面を有しない薄壁を有する吹き出しガラスのランプ容器は、ＩＲ反射フィルムを有し且つ好適なバラストの温度を達成するための容器内に位置決めされた内部ガラスバッフルの使用を必要とする。これにより、放電デバイスに接続されたリードワイヤがバッフルを通過しなければならないので、更に複雑な構造となる。
他の実施例によれば、一体型のランプはバラストの回路構成部材を具える第１の側及び第２の側を有する回路板を含み、この回路板は反射体と対向する第１の側とランプ基部と対向する第２の側とを有するシェル内に配置され、反射体と回路板との間のシェル内の第１のコンパートメントと、回路板とランプ基部との間の第２のコンパートメントを画成し、ほぼ無孔であって、シェル内の第１のコンパートメントと第２のコンパートメントとの間の空気の伝達を阻止するようにシェル内に固着される。この構造は、反射体の熱い裏面に当たる空気の循環が、シェル内の対流を介して熱を回路構成部材に移動することを阻止する気流バリアとして、回路板が動作するという利点を有する。この構造は、米国特許明細書第４４９０６４９号に示された構造よりもより簡素である。この既知の構造では、軸線上に配置された回路板と、回路板とランプ容器との間のシェル内の絶縁材料でできた付属体とを使用している。
更に他の実施例においては、バラストが一定の極性を有するランプ電流で、即ち直流で、放電デバイスを動作させる。これは、音響共振を引き起こさないという利点を有し、これにより高周波数の交流動作に必要なアーク管形状等に課される制限を緩和し、その結果これによりコンパクトな回路が得られるコンパクトな一体型反射ランプが得られる。
本発明の上述の及び他の様相、態様及び利点を図面と以下の発明の詳細な説明により明らかにする。
【図面の簡単な説明】
図１は、シールされた反射ユニットとバラストとバラストを包囲し且つランプ反射ユニットを保持するシェルとを含む一元の構造を有する一体型のＨＩＤ反射ランプを示したものであり、
図２は、図１のランプの放電管を詳細に示したものであり、
図３は、図１のランプの点灯に対する高周波数のバラストのブロックダイアグラムであり、
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、石英のアーク管を有するハロゲン化金属ランプとセラミックのアーク管を有するハロゲン化金属ランプの相互に関係する色温度（ＣＣＴ）と演色（ＣＲＩ）の優れた安定性を示したグラフである。
図５は、ＡＮＳＩに記載されたＰＡＲ３８の外形にスーパーインポーズされた本発明によるＰＡＲ３８の一体型ＨＩＤランプの外形を示したものである。
図６（ａ）は、２つの放電デバイスを直列にした配置構造を示したものであり、
図６（ｂ）は、２つの放電デバイスを並列にした配置構造を示したものである。
好適な実施例の説明
図１は、バラスト３００を包囲するシェル２５０内に配置された、シールされた反射ユニット２２５を有するＨＩＤ一体型の反射ランプ２００を示したものである。この反射ユニットは、高圧放電管３を包囲するように気密封止されたガラス製のランプ容器２２７を有する。
ランプ容器２２７は、基部２２９と放物線状表面２３０とを有する成形されたガラス製の反射体を含み、この放物線状表面を、反射体のリム２３１まで延在させる。（図１）ガラス製レンズ２３３の形態のカバーを、リム２３１で反射体に気密にシールする。放物線状平面２３０は、焦点２３５を有する光軸２３４を有し、反射表面を形成するアルミニウムのような反射コーティング２３７を放物線状表面に有する。反射コーティング用の他の好適な材料の中には、銀や多層のダイクロイックコーティングがある。反射体の基底部分は、金属製スリーブ２３９を含み、この金属製スリーブを介して導電支持体２４０、２４１が気密封止された反射ユニット中に延在する。導電支持体を放電管３の各フィードスルー４０、５０に接続する。放電管３を光軸２３４に対して横方向に配置する。又導電支持体は、放電管３の回りの透明スリーブ２４３を支持する。ランプ容器２２７は、ガスの充填材を有し、この充填材は適当な大きさのスリーブが無くても、ランプの点灯中には対流を維持する。透明スリーブ２４３によって放電管３の対流冷却を制御することにより温度調節を行う。
シェル２５０を、シールされた反射ユニット及びバラストにより達した動作温度に耐える合成樹脂から成形する。好適な材料の中には、ＰＢＴ、ポリカーボナイト、ポリエーテルミド、ポリスルフィン、及びポリフェニルスルフィンがある。このシェルは、シールされた反射ユニットのリム２３１の外表面を支持するリム部分２５１を有し、シェルがショルダを提供し、このショルダによりランプ２００を標準的なＰＡＲ装着機器内に固着することができる。外周ショルダ２５３によって、反射体の対応するフランジに対する座を構成する。シールされた反射ユニットを、ショルダ２５３に対して軸線方向に適合するスナップを有するリム２５１により固着する。リム部分の反対側では、シェルはねじ込み式基部２７５に入る基部を有する。このねじ込み式基部をバラスト３００からの入力導線と接続させる際にははんだを使用しない。シェルは、バラストの回路基板３２０を支持するショルダ２５５を更に含む。このショルダ２５５は、回路基板内の各孔に亘り延在するタブ（図示せず）を含む。タブは、例えばショルダに対して回路基板を保持するように、プラスチック溶接により、回路基板に対して圧縮された端部を有する。
スリーブ２４３及び／又はレンズ２２５を、放電管３により放射された紫外線をブロックするように構成する。この紫外線ブロック作用は、セリウム及びチタンを添加したガラスのような遮蔽ガラス或いはダイクロイックコーティングのような紫外線フィルタを使用することによって得られる。このような紫外線遮蔽ガラス及びフィルタは、当該技術分野において知られている。このフィルタを又放電デバイス３の壁に被着してもよい。
更に、放電デバイスにより放射された光の色を、セラミック放電管３、スリーブ２４３或いはレンズ２２５に対する色補正材料によって、或いはこれらの構成部材上のダイクロミックフィルタのような色補正フィルタによって変化させることができる。
放電管３を図２により詳細に示す（寸法は正確ではない）。放電管をセラミックで形成する。即ち放電管はセラミックの壁を有する。放電管は、内径「ＩＤ」の円筒形の壁３１から形成した中央領域を有し、この中央領域は放電スペース１１の端面３３ａ、３３ｂを形成する端壁部分３２ａ、３２ｂによって各端部で閉じられている。この端壁部分は各々開口を有し、この開口内においては、セラミック封止プラグ３４、３５を焼結ジョイントＳにより気密封止して端壁部分３２ａ、３２ｂに固着する。このセラミック封止プラグ３４、３５により、放電管の互いに対向する端部領域を画成し、各セラミック封止プラグは長さｌに亘って、チップ４ｂ、５ｂを有する電極４、５のリードスルー４０、４１；５０、５１を僅かな隙間を以って包囲する。リードスルーを、放電スペースとは反対側でセラミックグレイジングジョイント１０で気密封止することにより封止プラグ３４、３５に連結する。
電極チップ４ｂ、５ｂを相互に距離「ＥＡ」だけ離間して配置させる。各リードスルーには、例えばＭｏＡｌ₂Ｏ₃セメントから成る高い耐ハライド特性を有する部分４１及び５１と、セラミックグレイジングジョイント１０で気密封止して形成した封止プラグ３４、３５に固着した部分４０及び５０とを設ける。セラミックグレイジングジョイントはある寸法、例えば４ｍｍに亘り延在する。部分４０及び５０を、封止プラグの膨張係数と非常に良く調和する膨張係数を有する金属で形成する。例えばＮｂは、非常に好適な金属である。上述したリードスルー構造により、所望ないかなる発光位置においてもランプを点灯させることが可能となる。
各電極４、５に、チップ４ｂ、５ｂ付近の巻回体４ｃ、５ｃを有する電極ロッド４ａ、５ａを設ける。電極チップを、端壁部分の端面３３ａ、３３ｂの近傍に位置させる。放電デバイス及びその封止プラグ構造の他の記載は米国特許明細書第５４４２６０９号から入手可能である。
リードスルー４０に接続した一端２６１を有するワイヤからなる始動補助装置２６０を放電デバイス３に固着する。この装置の他端２６２を、反対側の封止プラグ構造の回りに延在させるループとする。ループの領域内の封止プラグ構造は、部分５１とスターティングガス及びバッファガスが存在する封止プラグ３５の内壁との間にギャップを有する。点弧パルスをリードスルー４０、５０の間に印加する際には、スターティングパルスのリーディングエッジにより、ループ２６２の領域内のスターティングガス及びバッファガスがイオン化される。このイオン化により、自由電子と紫外線が発生され、この紫外線はさらに多くの電子を発生させるので始動に必要な電位は低減する。
音響共振保護
本発明による一体型のＨＩＤ反射ランプの重要な態様は、約１９ｋＨｚの可聴周波数よりも相当高い周波数で最低可聴音響周波数（ランプ電流ベースで）を有するように放電管を選択することである。これにより、大きな周波数ウインドウが供給され、このウインドウ内では、バラストが、アークの目障りなゆらぎを引き起こす危険、ランプの点灯を消滅させるアークの変位或いは放電デバイス３の故障さえもが無く、可聴範囲より高い周波数で動作することができる。
好適な実施例において、図１によるランプは、例えばショッピングモールの公共の場所のような商業用の建造物を照明するためのハイ・ハットフィックスチャに使用されているＰＡＲ３８ランプの代わりとなるようなレトロフィットランプとして構成した。
見積による放電デバイスの公称電力は２０Ｗである。この放電管は、多結晶体の酸化アルミニウムから成り、３．０ｍｍの内径ＩＤを有し、２．０ｍｍの電極チップ間の距離「ＥＡ」は２．０ｍｍである。封止プラグ３４、３５を、端壁部分により形成された端面３３ａ、３３ｂにほぼ同一面となるように端壁部分３２ａ、３２ｂ内で焼結した。各電極は、チップ４ｂ、５ｂにタングテンの巻回体４ｃ、５ｃを具えるタングステンロッド４ａ、５ａを有する。各電極チップと近隣の端面との間の寸法を約０．５ｍｍとした。好適な実施例においては、前記ＩＤを、端面３３（ａ）、３３（ｂ）間の３．０ｍｍの寸法「Ｌ」に亘り一定とした。
放電管は、２．３ｍｇのＨｇと、モル比が９０：１．４：８．６である３．５ｍｇのＮａＩ、ＤｙＩ₃及びＴｌＩとからなる充填材を有する。放電管はスターティングガス及びバッファガスとしてＡｒも含む。シールされた反射容器２２７の内部は、４００Ｔｏｒｒの圧力下で平衡状態のＮ₂を具える７５％のクリプトンのガス充填材を有する。スリーブ２４３の壁厚は１ｍｍであり、放電デバイス３の壁３１からのクリアランスは２ｍｍである。開示された実施例においては、水銀は、ランプが既知の白熱反射ランプに対してレトロフィットするようなレベルにアーク電圧を適合させるようにバッファとして使用される。他のバッファには亜鉛やキセノンのようなものを使用することもできる。
放電管は、公称的なランプ動作中には（ランプ電流ベースで）３０ｋＨｚより高い最低共振周波数を有することが分かった。音響共振には２つの主なグループがあるが、第１のグループは放電管の長手（軸線）方向内に存在し、第２のグループは方位角方向の／放射状の共振である。各グループに対する最低の共振周波数が大体同じであることが望ましいが、その理由は最低共振周波数によりバラストに対する動作ウインドウの上限が決定されるからである。長手方向の基本周波数はf_l0＝Ｃ／（２＊Ｌ）により与えられ、方位角方向の／放射状の基本周波数はf_ar0＝１．８４＊Ｃ／（π＊ＩＤ）により与えられ、ここで「Ｌ」及び「ＩＤ」は図２に示した放電スペースの長さ及び内径であり、「Ｃ」は音速である。しかしながら音速は、放電スペース内のガスの温度勾配に依存し、長手方向モードと放射状／方位角方向モードとでは異なることが分かった。実験に基づいて、発明者は、音速が上述の充填材を有する放電管では、長手方向共振に対してはほぼ４２０ｍ／ｓであり、方位角／放射状方向の共振に対しては約４００ｍ／ｓであることが分かった。明らかにＬ及びＩＤが共に３ｍｍである上述の放電管に関しては、f_l0≠７０ｋＨｚ及びf_ar0≠８０ｋＨｚ（電力周波数ベースにおいて）である。これらは電流ベースでは各々３５及び４０ｋＨｚに相当し、許容し得る程度に迄に近く、ほぼ同じであるとみなされる。しかしながらそれらを近づけるために、寸法ＩＤは長さＬに対して大きくすればよく、これにより、長手方向の基本共振周波数の値に向かって方位角／放射状の基本周波数が低減する。この結果、本発明のランプに関しては、放電管の寸法Ｌ及びＩＤが好適には関係式Ｌ≦ＩＤ≦１．２Ｌを満たす。
更に、電極の挿入深さが最低音響周波数に殆ど影響を与えず、この挿入深さはただ２乗乃至３乗で影響を及ぼすだけである。
放電管３の最低共振周波数と１９ｋＨｚの可聴周波数との間の相対的に大きな周波数ウインドのため、バラストはランプの動作中には一定の周波数を有しており、そのデザイン及びコストを著しく簡易化することができる。上述の放電デバイスに対して更に以下に示すように、基本的なランプ電流の動作周波数を公称の２４ｋＨｚに選択する。これにより、放電デバイスの３０ｋＨｚの最低共振周波数により、約５ｋＨｚの余裕が得られる。本発明によればさらに基本周波数の高次高調波の振幅を制御することにより、このような高次の高調波による音響的な共振を阻止することができる。この点についてはバラストの以下の記載で更に論議される。
バラスト
図３は、図１のランプを動作するための高周波数ランプのバラストのブロックダイアグラムを示したものである。このバラストは、入力リード３１０、３１１を整流器回路１１０に接続し、この整流器回路によりＤＣ入力をＤＣ−ＡＣインバータ１２０に供給する。共振出力回路１３０を導電支持体２４０、２４１により図１の放電管３に接続し、ＤＣ−ＡＣインバータに結合する。制御回路１４０によりインバータ１２０を制御して、ランプを点弧し、点弧の後にランプを点灯させるが、この際には約１９ｋＨｚより高く、最低ランプ共振周波数よりも低いほぼ一定のランプ電流周波数とで動作させる。バラストは、点弧電圧を徐々に増加させるためのソフトスタートサーキットを含む。インバータが振動する以前の回路の起動時およびインバータの低電圧電源（図示せず）により、制御回路を動作させる。停止回路１５０は放電管３が消え、インバータをオフとなった直後にインバータがオンとなるのを検知して、点弧パルスは、公称５０ｍｓの期間に亘って供給され、そのパルスくり返し周波数は公称４００ｍｓである。
インバータ１２０を、トーテムポール様式で接続したＭＯＳＦＥＴスイッチを有するハーフブリッジインバータとするのが好適である。ハーフブリッジインバータの中間点を跨いで現れるハーフブリッジインバータの出力は、高周波数で通常は矩形波信号である。
この共振出力回路１３０をＬＣネットワークタイプとし、そのインダクタの１次巻線は中間点の間で、スターティングコンデンサと直列に接続されている。この共振回路は、動作周波数の第３高に同調されている。放電管３を、スターティングコンデンサと平行に電気的に接続する。ＬＣネットワークは波形整形機能と電流制限機能とを有し、ハーフブリッジインバータの中間点を跨いで存在する高周波数の矩形波出力から放電管３へのランプ電流を供給する。
制御回路１４０は、ランプを点弧した後に、ほぼ一定の周波数で放電管３にランプ電流を供給するＭＯＳＦＥＴスイッチのスイッチング周波数とパルス幅とを制御する。
バラストがターンオンする期間の初期の周波数は約２８ｋＨｚである。これは、約２４ｋＨｚの公称動作周波数の第３高調波（約７２ｋＨｚ）に同調された共振出力回路１３０のＬＣネットワークを効果的に離調する。従ってＭＯＳＦＥＴスイッチは、非共振状態でターンオンさせ、これらスイッチを通過する電流を共振時よりもかなり小さくなる。約１０ｍｓ後に、インバータ周波数は、放電管３を点弧させる２４ｋＨｚの設計範囲にシフトする。
停止回路１５０により、５０ｍｓ間パルス点弧電圧を供給する。停止回路はスイッチＱ１を含む。スイッチＱ１が導通状態である場合には、低電圧電論が、制御回路から切離される。最後にスイッチＱ１をインダクタの２次巻線上の通大電圧の存在によって制御する。これは、点弧パルスが発生しているにも拘らず、放電デバイスが点弧しない場合或いは放電管がインバータの振動中に消える場合に生じる。２次巻線間に現れる過大電圧により、スイッチＱ１は通状態となる。
ランプの効率；発光特性
上述のＰＡＲ３８の実施例は、２２Ｗのシステムのワット数を有すると共に、ランプは約２０Ｗを消費し、バラストには約２Ｗの損失がある。表１は、本発明のランプ（ＩＮＶ）の発光特性及び色特性のパラメータと、市販されている９０ＷハロゲンＰＡＲ３８とハロゲンＩＲバーナを有する６０ＷＰＡＲ３８との前記パラメータとを比較したものである。又、２つの既知の吹き出しガラス反射体の発光特性パラメータ、即ち「Ｒ」ランプ、８５ＷのＶＲ４０及び１２０ＷのＶＲ４０も示してある。本発明による上述のランプのデータは、２０個のサンプルのグループを基礎とした。これらのサンプルランプによって放射された光は、３０００Ｋの相対色温度（ＣＣＴ）と８５より大きな演色評価数とを有した。ランプの発光効率は６０ＬＰＷであった。発光効率は、ハロゲンＩＲバーナを有する既知の６０ＷＰＡＲ３８ランプと比較すると２３３％向上し、９０ＷのハロゲンＰＡＲ３８に対しては３１４％向上した。更に、放電デバイスは約１００００時間の寿命を有するように期待されており、この寿命は既知の６０ＷのハロゲンＩＲ及び９０ＷのハロゲンＰＡＲ３８ランプの３乃至４倍である。

従って、明らかに本発明の一体型のランプは、入手可能なハロゲン及びハロゲンＩＲＰＡＲランプ及び白熱吹き出しガラス反射体ランプに比して、寿命及び発光効率に関しては、勝っている。更に、既知のハロゲン化金属を有する放電デバイスの充填材を変化させることにより、ランプの設計者は、白熱フィラメントにより光を生じるランプと比較して、特に相対色温度に関しては、発光特性パラメータに亘ってより広範囲の制御をすることができる。
セラミック壁を有するハロゲン化金属放電デバイスを低ワット数で使用する際の重要な利点は、発光位置に対して色特性の顕著な均一性（ａ）及び各ランプ毎の色特性の均一性（ｂ）である。この均一性は、動作中のランプの充填材のより均一な温度特性を導く物質的な寸法が小さいこと、セラミック材料の高度の寸法制御が高スピード製造中に保持できることによるものであると考えられ、これによりランプ間の均一性が達成される。セラミック放電管の寸法の変動は１％（６Σ）よりも小さくすることができるが、従来の石英アーク管技術に関しては、その寸法変動は約１０％に保持することができただけであることが分かった。
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、典型的な低ワット数のセラミックハロゲン化金属（ＣＤＭ）ランプと典型的な石英ハロゲン化金属ランプとに関して、垂直方向のベイスアップ（ＶＢＵ）点灯位置からの程度を点灯位置の関数として、ＣＣＴ及びＣＲＩを各々示したものである。ＣＣＴに関しては、ＣＤＭランプは、石英ランプの約６００Ｋの変動に対して、ＶＢＵからの程度が０乃至９０の範囲に亘ってただ７５Ｋの変動を有するだけであった。同様にＣＲＩに関しては、石英ハロゲン化金属ランプのＣＲＩが約１０であるのに対して約２．５の変動を有するだけであった。
更に、ランプ間の色の安定性に関しては、セラミックの放電管を有する低ワット数のハロゲン化金属は、色温度においては３０Ｋの標準的な変動を典型的には示す。石英アーク管を有する低ワット数のハロゲン化金属ランプに関しては、標準的な変動が一層著しくなり、１５０乃至３００Ｋとなる。色温度におけるこの著しく狭い変動は重要であるが、その理由はこの変動によりセラミックハロゲン化金属放電ランプを有する一体型のランプをインドア照明及び小売り照明用のハロゲンＰＡＲランプと交換可能となるからである。要するに、セラミック放電デバイスを有する多くの反射ランプを使用すると、例えば天井照明に関しては、これらのランプは、観測者が明らかにランプ間で不均一であることに気づく石英ハロゲン化金属ランプとは違ったほぼ均一であることが分かる。
本発明による一体型のランプの重要な特徴は、これらの改良が、対応するランプの外形に実質的に適合する外形内に納まって達成されることである。図示の例では、ＰＡＲ３８ランプのＡＮＳＩ仕様に納まっている。これにより、一体型のＰＡＲ３８のＨＩＤランプを、通常のＰＡＲ３８ランプを、物理学的に受け入れるように設計された機器に後から適合することができる。図５は、ＰＡＲ３８ランプのＡＮＳＩ仕様の外形に重ねられて図１のランプの外形を示したものである。寸法（ｍｍ）は、Ｐ１＝１３５、Ｐ２＝１３５、Ｐ３＝２８．２、Ｐ４＝４０．４、Ｐ５＝２６．８、Ｐ６＝４８．８、Ｐ７＝５４０である。
幾つかの態様は、このパッケージングを簡易化する。先ず、全長の短い小さくコンパクトなＨＩＤ光源を使用する。２０Ｗのアーク管の全長を２２ｍｍとした。この短い全長により、アーク管を反射体内の光軸に関して横方向に配置させることができ、この反射体をＡＮＳＩ仕様の反射体内の最大リム直径を有する外方シェル内に収める。このＰＡＲ３８の実施例において、シールされた反射管２２７をＰＡＲ３６管として、この管の、リム２３１の位置で測定した内径は９６ｍｍである。外径は約１１０ｍｍとする。この横方向の配置により、軸線方向上に浅い反射体の使用が可能となり、バラストから十分離間したものとなる。
反射コーティングを設けた比較的厚い壁を有する成形されたガラス反射体を後方の壁として使用することにより、放電デバイスからの放射エネルギーによるバラストの過熱を防止する満足のいく温度絶縁を提供することができる。この場合には、基底部分での反射体の最小厚さは、３ｍｍであった。更なる温度保護は、ショルダ２５５に対して緊密に着座された回路基板の外表面により達成される。すなわち、反射体の近くのより温かい第１コンパートメント「Ａ」から回路基板と基底との間の第２コンパートメント「Ｂ」への空気の循環が効果的に抑止される。ベースアップ動作中にはシェルの内部で測定された温度が十分に低いので、その結果回路の寿命は放電管３の寿命にほぼ等しくなる。通常は回路の最高温度を１００℃とすべきである。上述のランプにおいては、回路基板３２０の反射体側で測定された温度は、８３℃であったが、バラスト側で測定した温度は７５℃であった。回路基板とバラスト側でのシェルとの間のコンパートメントＢ内の空気温度は７４℃であった。回路部品の最高温度は８１℃であった。
ガスが充填され、厚い壁を有する成形されたガラス管内にあってスリーブに包囲された放電管内の温度を調節をすることにより、発光特性を制御することができ、これにより、ランプを発光特性の顕著なシフトなしで動作させることができる周囲条件をより広範囲とすることができる。
Ｌ：ＩＤが１：１である放電管の物理的な寸法が小さいということは、バラストの寸法を減少させるのにも重要であった。放電管が電流ベースにおいて約３０ｋＨｚで最低音響共振周波数を有するので、十分なウインドウが存在し、このウインドウ中ではバラストがランプの点灯中には１９ｋＨｚより高い一定の周波数で動作できる。高周波数での動作が重要であるが、その理由はこの高周波数での動作によりバラストの誘電素子の物理的な寸法を減少させることができるからである。一定の周波数での動作により、バラストのインバータの制御が簡単となり、従って寸法（及びコスト）が減少する。
図１において、放電管３は、カバー２３３にシールされたガスが充填された管２２７内において、リード２４０、２４１に接続されたストラップにより支持された石英ガラススリーブ２４３により包囲されている。
管２２７をシールする第１の理由は、リード４０、５０、及び２４０、２４１を酸化から保護するためである。リードが非酸化コーティングで保護されている場合には、リム２３１でのガラスの接着シールの代わりに、エポキシシールのようなより密封性の低いシールを使用することができる。
更に、適切な温度制御を行なうことにより、対応するランプの外形に適合するＨＩＤ反射ランプを、例えば高温プラスティックのようなガラス以外の反射体によっても反射体上に堆積され或いは被着されたアルミニウム或いは銀のような反射コーティングを、例えばマイラーシートで置き換えることができる。この反射体／反射表面によりシェルの一体部分を形成することができる。
図６（Ａ）は、図１に示したように反射体内で電気的に直列である複数（この場合は２個）の放電管３（ａ）、３（ｂ）の配置構造を示したものである。図１に示したコンポーネントに対応するコンポーネントには同じ参照符号を付した。放電管３（ａ）はリード２４０に固着された１つのリード４０（ａ）を有し、放電管３（ｂ）はもう１つのリード２４１に接続された１つのリード５０（ｂ）を有する。この直列接続は、放電管３（ａ）；３（ｂ）のリード５０（ａ）及び４０（ｂ）を橋渡しする導電素子４０３により完成される。素子４０１及び４０２を絶縁体とし、これらの素子により更に機械的に支持する。点弧補助装置２６０は、図面を明解にするために示していない。共に動作する２個の放電管によって、ランプはほぼ２倍の光出力を提供する。各放電管は３０ｋＨｚより高い最低共振周波数を有すると共に公称２４ｋＨｚでランプ電流を供給するバラストを有するので、もはや音響共振を誘発する恐れは無い。２個の２０Ｗ放電管と同様な公称４０Ｗのワット数を有する単一の放電管が、２個の２０Ｗの各放電管よりも十分に低いランプの最低共振周波数、即ち１９ｋＨｚに非常に近いか或いは１９ｋＨｚよりも低いランプの最低共振周波数を有することに注意されたい。従って、２個の放電管を使用することにより、約１９ｋＨｚよりも高く、共振のない大きな動作ウインドウが得られ、ワット数がより大きなランプの出力よりも一層大きな出力が得られる。２個の放電管を図示したが、回路がランプの適正な点弧電圧及び点灯電圧を与えることができるように変換されていれば３個以上の放電管を動作させることができる。或いは又既知のＵＶエンハンサのような他の点弧補助装置を、点弧特性を改良するためにランプ中に組み込むこともできる。
図６（ｂ）は、電気的に並列に接続された一対の放電管３（ａ）、３（ｂ）の配置構造を示したものである。この場合には、リード２４０、２４１は、リード４０（ａ）、４０（ｂ）；５０（ａ）、５０（ｂ）の各々に電気的に接続されて放電管３（ａ）、３（ｂ）を機械的に支持する導電性のクロスバー２４０（ａ）、２４１（ａ）を有する。このような並列配列は、放電管間のインピーダンスに僅かに差が有ることにより、ただ１つの放電管が点弧して光を生じるので、ランプの寿命を効果的に２倍にする。１つの放電管が寿命を迎えると、もう１つの放電管がこれを引き継ぐ。又これにより瞬間的な再点弧特性が提供される。点灯中の放電管が電力の瞹断により消灯した場合には、温度上昇により、そのインピーダンスが十分に高くなるので点弧しない。しかしながら、以前に点灯していなかった他の放電管は十分に低い温度を有し、容易に点弧する。
ＤＣ動作の利点は、音響共振の完全な回避とその容易性にある。しかしながら、その欠点は、ＤＣで動作する放電デバイスがより動作位置での変化に伴なう色変化し易いということと、塩基が移動し易いということである。
図１に関して説明したセラミック放電デバイスを有するＨＩＤランプは、５０００時間の点灯に亘り所望な色特性及び発光特性を示した。

Claims (12)

1. 規定の外形と全ルーメンと発光効率を有し、反射体とネジ込み基部とを備え、対応する白熱反射ランプに代わって後付けされる一体型ＨＩＤ反射ランプであって、
   一の内部空間を包囲する壁を有するシェルを備え、前記壁が前記シェルの光放出開口を規定する外周リム部分と反対側の基部を有し、前記シェルは前記リム部分から前記基部へ直径が徐々に小さくなるように全体としてテーパが付けられ、
   前記ネジ込み式基部が前記基部に固着され、さらに、
   前記シェルに対して配置された高圧アーク放電管と、
   前記シェル内に配置され、前記放電管により放射される光を前記光放射開口を経て外部へ反射する反射表面と、
   前記シェル内に配置され、前記放電管を付勢して光を放射させるバラストであって、前記ネジ込み基部に接続された入力端子と前記放電管に接続された出力端子とを含むバラストとを備え、
   前記一体型ＨＩＤランプが、対応する反射ランプの外形内にほぼ完全に納まる外形を有し、対応する反射ランプと少なくとも等しいルーメンと、これよりも相当に大きな発光効率を有し、
   前記バラストが回路基板を備え、該回路基板は、実質的に無孔であり前記シェル内の前記一の内部空間を第１および第２のコンパートメントに分割し前記第１コンパートメントと第２のコンパートメントの間の空気の流通を略完全に阻止するように前記シェルの全周に固定されている、
   ことを特徴とする一体型ＨＩＤ反射ランプ。
2. 前記放電管を気密封止して包囲し、前記反射表面を備える成形ガラスのシールされた管球をさらに有し、
   前記反射表面が光軸を規定し、前記放電管が前記光軸に対して横方向に配置された、
   請求項１に記載の一体型ＨＩＤ反射ランプ。
3. 前記シェルが合成樹脂材料を含む、
   請求項１または２に記載の一体型ＨＩＤ反射ランプ。
4. 前記放電管が水銀、ハロゲン化金属及び希ガスの充填材を有する、
   請求項１、２または３に記載の一体型ＨＩＤ反射ランプ。
5. 前記放電管が約３８ｋＨｚよりも高いランプの最低共振電力周波数を有し、前記バラストが基本電力周波数で且つ約３８ｋＨｚよりも高くランプの最低共振電力周波数よりも低い前記基本電力周波数の高調波により前記放電管を動作し、前記ランプの最低共振周波数より高い前記高調波の大きさが音響的な共振を誘起するのには不十分である、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載の一体型ＨＩＤ反射ランプ。
6. 前記放電管がセラミック壁を備えている、
   請求項１乃至５のいずれか１項に記載の一体型ＨＩＤ反射ランプ。
7. 放電スペースが長手方向の最低音響共振周波数と、方位角／放射状方向の最低音響共振周波数とを有し、前記長手方向の最低音響共振周波数と前記方位角／放射状方向の最低周波数がほぼ同じであるように前記放電スペースが広がりを有する、
   請求項１乃至６のいずれか１項に記載の一体型ＨＩＤランプ。
8. 前記バラストに、一定の極性を有する電流を放電管を通して供給するスイッチング手段を有する、
   請求項１乃至７のいずれか１項に記載の一体型ＨＩＤランプ。
9. 前記放電管がほぼ平坦な端壁部分を有する中央円形−円筒形ゾーンを含み、前記端壁部分が軸線方向上距離Ｌだけ離間され、前記中央ゾーンが前記距離Ｌに亘りほぼ一定の内径ＩＤを有し、非Ｌ：ＩＤが約１：１である、
   請求項１乃至８のいずれか１項に記載の一体型ＨＩＤランプ。
10. 放電管を包囲し且つ反射表面を有する成形されたガラスのシールされた容器が、前記放電管により生ずる光及び熱をバラストから遠去かる方向に反射するように配置されている、
    請求項１乃至９のいずれか１項に記載の一体型ＨＩＤランプ。
11. 前記回路基板が、第１側面と、前記バラストの回路構成部材を支持する第２の側面とを有する回路板を含み、
    前記回路板は、前記第１の側面が前記反射体と対向し、前記第２の側面が前記ランプ基板と対向するように前記シェル内に取付けられ、
    前記回路板が、前記シェル内の前記反射体と前記回路基板との間の第１のコンパートメントと、前記回路基板と前記ランプ基部間の第２のコンパートメントとを規定する、
    請求項１ないし１０の何れか１項に記載の一体型ＨＩＤランプ。
12. 前記一体型ランプが前記放電デバイス用の始動装置を更に備え、
    前記始動装置は、一方の電流導電体から他方の電流導電体の領域へと延在し且つ前記他方の電流導電体の放電管の壁の近傍で終端する１本の導電材料を備え、
    前記他の電流導電体と、それを包囲する前記放電管の壁との間に狭いギャップを形成し、このギャップ内に前記放電維持充填材が存在する、
    請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の一体型ＨＩＤランプ。

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