JPH05205698A

JPH05205698A - 発光室にレンズを形成した電灯

Info

Publication number: JPH05205698A
Application number: JP4226320A
Authority: JP
Inventors: Paul G Mathews; ポール・ジョージ・マシューズ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1991-08-29
Filing date: 1992-08-26
Publication date: 1993-08-13
Also published as: CA2076090A1; KR930005508A; EP0534606A1

Abstract

(57)【要約】【目的】光透過性発光室内に封入された光源としてア
ークまたはフィラメントを有する電灯で、フィラメント
またはアークに直角な方向に発生する光の量を増大し、
反射器に取り付けられた場合、所望のビームパターン内
に反射される光の量を増大する。【構成】電灯の発光室３４の壁３３を正レンズまたは
収束レンズの形状とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、壁が収束レンズの形状
である発光室を有する電灯に関する。更に詳しくは、本
発明は、壁が正レンズまたは収束レンズの形状である発
光室内に封入されたアークまたはフィラメントを光源と
して有し、アークまたはフィラメントの長手軸に直角な
方向に放射される光の量を増大し、アークまたはフィラ
メントの長手軸の方向に放射される光の量を低減する電
灯に関する。

【０００２】

【従来の技術】内部に電極およびアーク維持充填物を封
入しているガラス質の発光管を有するアーク放電灯は本
技術分野で周知であり、またタングステンフィラメント
がガラス質の発光室内に封入されている白熱電灯も同様
である。このような電灯は種々の形状および大きさのも
のがあり、アーク放電発光室またはフィラメント発光室
は一般に円筒形、球形、または楕円形である。セラミッ
クのアーク発光室を使用しているナトリウムランプを除
いて、放電灯のアーク発光室および高光度白熱電灯のフ
ィラメント発光室はアークによって発生する高温に耐え
得る透明なガラス材で形成されており、融解石英が現在
における最良の材料である。タングステン−ハロゲンラ
ンプは高光度フィラメントランプであり、自動車の照明
を含む種々の照明用の反射器内に取り付けられてよく使
用される。また、小型アーク放電灯も自動車および他の
照明用の反射器内に使用される。電灯が反射器内に取り
付けられる照明用途においては、電灯から発生する光の
全てまたは少なくとも大部分が反射器の反射面に当たっ
て、所望のビームパターンとして反射器の前方に反射さ
れ、ビームパターンの外側に分布する光は最小であるこ
とが望ましい。

【０００３】

【発明の概要】本発明は、発光室内に光源としてアーク
放電またはフィラメントを有する電灯に関し、発光室の
壁は正レンズまたは収束レンズの形状になっている。こ
れはランプの長手軸に直角な方向へのランプから発射さ
れる光の量を増大し、ランプの長手軸の方向に放射され
る光の量を低減する。本発明の電灯が反射器に取り付け
られた場合には、正レンズまたは収束レンズの形状の発
光室の壁は反射面から所望のビームパターンに反射され
る光の量を増大させて、所望のビームパターン外の光の
量を低減するように働く。この結果、ランプから放射さ
れる光は反射面に当り、所望のビームパターン内で反射
器の前方に多く投射される。したがって、本発明の一実
施例は、アーク放電灯または白熱電灯が反射器内に取り
付けられ、アーク放電発光室またはフィラメント発光室
の壁が正レンズの形状を有するようにした反射器と電灯
との組合せに関連している。本発明の電灯をこの組合せ
で使用することにより同じ光放射率を有する従来のアー
ク灯またはフィラメント電灯で可能なものよりもより多
くの反射された光を発生する。ここで、従来の電灯のア
ークまたはフィラメント発光室の壁は比較的均一な厚さ
のものである。

【０００４】収束レンズまたは正レンズは光を収束する
レンズを意味している。このようなレンズの例には平凸
レンズ、正メニスカスレンズおよび両凸レンズがある。
本発明によるアーク放電灯では平凸レンズの形状および
正メニスカスレンズの形状の両方を有するようにアーク
発光室の壁が形成されている。本発明の電灯において、
正レンズの形状は、アーク発光室またはフィラメント発
光室の壁の厚さがその端部よりも中央に向かうに従って
大きくなっていることを意味している。本技術分野に専
門知識を有する者に知られているように、場合によって
は、アーク発光室の壁が中央において最も厚くなること
は好ましくなかったり、または実用的でない。このため
本発明のダブルエンド型電灯においては、アークまたは
フィラメントに平行な方向にとったアークまたはフィラ
メント発光室の壁の断面はほぼ平凸、両凸または正メニ
スカスレンズの形状を有している。例えば、米国特許第
４，４０９，５１６号、第４，６２０，１３０号、第
４，７２３，０９２号、第４，８７６，４８３号、およ
び第４，８９４，５９０号に開示されているようなシン
グルエンド型および無電極電灯においては、アークまた
はフィラメント発光室の壁の正レンズ部分の配置に対し
て更に別の可能性があることを本技術分野に専門知識を
有する者は認識するであろう。

【０００５】

【詳しい説明】次に、図面を参照して説明すると、図１
には、一対の電極１６を有すると共に、水銀、少なくと
も１種のハロゲン化金属および不活性起動ガスを含む充
填物（図示せず）を封入しているアーク発光室１４を有
する融解石英エンベロープ１２を備えている典型的な従
来の小型メタルハライドランプ１０が示されている。ア
ーク発光室の壁１３は均一の厚さであり、ほぼ楕円形に
示されているが、本技術分野に専門知識を有する者に周
知であるように、卵型、球形および各種形状の組合せな
ども可能である。電極１６はアーク発光室の各端部のシ
ール部１８によってアーク発光室１４内に密閉されてい
る。シール部１８はモリブデン箔シール２０の周りを挟
みつぶし、または収縮させて形成され、モリブデン箔シ
ール２０の一端は電極に接続され、他端は外部リード線
２２に接続されている。２つの矢印は２つの電極の間の
中央に生ずるアーク（図示せず）の中央から発生する光
の放射を示している。一方の矢印はランプ（およびアー
ク）の長手軸に直角な方向に放射される光を示し、他方
の矢印はランプの長手軸へ向う方向に角度θで発生する
光を示している。

【０００６】図２は本発明の小型ダブルエンド型メタル
ハライドアークランプ３０を示しており、このランプ３
０もまた密閉されたアーク発光室３４を有する融解石英
エンベロープ３２を備えており、アーク発光室３４は収
縮または挟みつぶしシール１８によって内部に密閉され
た電極１６および適当な充填物を取り囲んでいる。エン
ベロープ３２の壁３３は正レンズまたは収束レンズの一
種であるメニスカスレンズの形状を有する。シール１８
はモリブデンのシール箔２０を密閉しており、このシー
ル箔２０の一端は従来のアークランプと同様に電極１６
に接続され、他端は外部リード線２２に接続されてい
る。従来のランプと同様に、一方の矢印はアークおよび
ランプの両方の長手軸に対して直角に、すなわち９０゜
の方向にアークから放射される光を示している。他方の
矢印は図１に示した従来のランプの角度θと同じ角度θ
で放射される光を示しているが、正または収束レンズの
形状のアーク発光室の壁３３により角度θでアークから
放射された光は壁３３を通過する際にアークおよびラン
プの長手軸に対して直角な方向を向くように曲げられ
る。

【０００７】また、本発明のランプによる光の放射の収
束またはコリメーティングが図３乃至５に示されてい
る。図３に示されている電灯４０はアーク発光室４４の
壁４３が平凸レンズの形状である融解石英エンベロープ
４２を有している。図４に示されている電灯５０はアー
ク発光室５４の壁５３が両凸レンズの形状である融解石
英エンベロープ５２を有している。これらの両実施例に
おいては、角度θでアークから放射される光はアーク発
光室の壁の収束レンズの形状によってランプおよびアー
クの長手軸に対して直角な方向に曲げられている。図５
は本発明の電灯の他の実施例を示しており、この実施例
では光源はフィラメント発光室６４内に封入されたタン
グステンフィラメント６５であり、発光室の壁６３は図
２に示したのと同様なメニスカスレンズの形状である。
この後者の実施例においては、（図示のように）より短
いフィラメントが長いフィラメントより好ましい。これ
は、光源がアークであるかフィラメントであるかに拘わ
らず、レンズ効果は長い光源に対するものよりもより短
い光源に対するものが更に有効であるからである。最大
のレンズ効果に対する理想的な光源は点であるが、これ
は実際には存在しない。例えば、フィラメント発光室が
楕円である場合には、フィラメントの長さは楕円の２つ
の焦点の間の距離よりも短いことが好ましい。また、電
灯が従来の白熱電灯であるか、またはタングステン−ハ
ロゲンランプである場合、１つ以上のハロゲン化合物が
本技術分野に専門知識を有する者に周知であるようにフ
ィラメント発光室内に含有される。別の実施例では、フ
ィラメント発光室の外面はタンタラ(tantala) およびシ
リカのような高いおよび低い屈折率材料からなる別の層
で形成された多層光干渉コーティングが塗布される。

【０００８】本発明に従ってダブルエンド型電灯が、こ
こに引用により取り入れられている米国特許第４，８１
０，９３２号、米国特許第４，３８９，２０１号、およ
びハンスラー(Hansler) とダベンポート(Davenport) に
よる論文「新しい低ワッテージメタルハライドランプの
処理(A New Low Wattage Metal Halide Lamp Process)
」、Ｊ．ＩＥＳ、ｐ．１０９−１２２（１９８５年
秋）に開示されているギャザリング−モルディング処理
(gathering-molding process) を使用した処理により平
凸レンズ形状および正メニスカスレンズ形状の両方を有
するように形成された。これらの参考文献は高温ガラス
または融解石英または合成石英からランプを作るのに使
用されるギャザリング−モールディング処理を開示して
いる。このギャザリングおよびブローモールディング処
理(gathering and blow molding process)はアークまた
はフィラメント発光室の内側および外側面の形状に対し
て設定された仕様に整合するようにコンピュータ制御の
ガラス旋盤上で行われる。この処理においては、合成石
英または融解石英からなる中空円筒形の管片をガラス旋
盤に装着し、管を回転、加熱および成形している間正の
ガス圧力を管の内部に確実に供給するように管の両端に
シール部を形成する。旋盤のコレットを回転しながら、
アークまたはフィラメント発光室を形成したい管の部分
にガストーチを向ける。ガストーチは管のほんの短い部
分のみを加熱するように設計されており、管の一端をコ
レットに固定されている他端に向かってゆっくりと押し
ながら、ガストーチを管の長さに沿って駆動する。この
結果、炎が当てられている部分の石英の厚さが増大す
る。管の内部の正の圧力と管の内面の低い温度による管
の内面の低い粘性との組合せによって、形成処理の間、
管の内部の崩壊を防止または最小にする。このようにし
て、例えば典型的には内径３ｍｍ×外径５ｍｍ×長さ１
５０ｍｍのような石英管を使用した場合、石英の壁の厚
さを約１ｍｍの厚さから数ｍｍの厚さまで形成すること
ができる。所望のギャザ(gather)が達成されたとき、ト
ーチは消されて、作業領域の外に出される。また、この
処理の間トーチの炎の両側に冷たいガスの流れを設ける
ことが好ましい。これは炎によって加熱されている領域
にギャザリングが生じている間、加熱部分に隣接した発
光室／管の部分を冷えた状態に維持するためである。ギ
ャザリング処理が完了した後、アークまたはフィラメン
ト発光室よりも長く、管よりも広いモールド成形用のト
ーチを使用して、発光室全体を加熱する。適当な温度に
達したとき、モールドが発光室に対して所定の位置に割
り出されて、発光室の周りを取り囲む。それから、頭部
および尾部ストックシール部を介して発光室の内側に正
の圧力が加えられ、加熱された石英はモールドの内側形
状まで膨張する。モールド成形が完了すると、モールド
およびトーチは作業領域から取り除かれ、完全にモール
ド成形された管が仕上がる。

【０００９】図６及び７を参照すると、従来の電灯１０
および本発明の電灯３０が示されており、これらの電灯
は細長いステム部１９を有する。この細長いステム部１
９は、内部に光反射面７２を有する反射器７０の基部７
４に（図示しない手段によって）取り付けられたガラス
のエンベロープの一端を形成している。導体７１がラン
プの外部リード線２２に電気的に接続され、反射器７０
の穴７３を通って延出し、アース（図示せず）に接続さ
れている。同様に、高電圧絶縁導体７５が図示しない手
段によって電灯１０および電灯３０の他の外側リード線
に接続され、基部７４から出ている。導体７５は基部７
４から図示しない高電圧電流源に接続されている。動作
においては、電灯の長手軸に直角な方向にアーク管から
発生する可視光放射線ａは反射器の反射面に当たって反
射され、所望のビームパターンとして前方に投射され
る。従来の電灯１０の場合には、角度γ₁およびγ₂で
電灯の長手軸に直角な方向から外れて、アーク発光室の
中心から放射されるｂおよびｃとして示されている可視
光放射線はそれぞれγ₁およびγ₂の方向に進んで、反
射面７２から外れて前方に反射されない。このように、
可視光放射線ｂおよびｃは反射面７２に当たらず、放射
線ａのように所望のビームパターンで反射器の前方に投
射される代わりに反射器の側部の方向に投射される。対
照的に、本発明の電灯を使用した場合には、アーク発光
室の壁は正レンズの形状であるので、角度γ₁およびγ
₂でアークの中心から放射された光はアーク発光室の壁
の正レンズの形状によって収束するように屈折され、γ
₁およびγ₂よりも小さな角度γ ₃およびγ₄でアーク
発光室から放出される。この結果、角度γ₃およびγ₄
でそれぞれ発生した本実施例の放射光ｂおよびｃは所望
のビームパターンの一部として反射器の反射面７２に当
たる。そして、収束レンズまたは正レンズの形状の発光
室の壁を有するランプを使用することによって、ランプ
から発生するより多くの光が反射面で反射され、所望の
ビームパターンとして反射器の前方に投射され、所望の
ビームパターンの外側に発生する放射光として失われな
い。

【００１０】図８には本発明の他の実施例が示されてお
り、この実施例では電灯３０（図２）が自動車のヘッド
ライト組立体８０内に水平に取り付けられている。この
自動車のヘッドライト組立体３０は二重切頭放物状反射
部材８２を有し、この反射部材の前部分にはレンズ８４
が取り付けられ、反射部材の後部には電源をアーク電灯
３０に接続するための接続手段８６が取り付けられてい
る。電灯３０は導電性金属支持リード線９６および９７
によって反射器８２内に取り付けられている。リード線
９６および９７は一端が電灯のリード線２２に溶接さ
れ、他端が電源に接続するためにピン９８に接続されて
いる。電灯３０は反射器８２内に垂直に取り付けられ、
その長手軸は反射器の長手軸８８および上下の平らな切
頭部分９０および９２に直角であり、放物状反射部９４
にほぼ平行である。アーク発光室の壁の正レンズ部分は
放物状反射面に向けられる光の量を増大する。放物状反
射部９４の内面（図示せず）は電灯３０から発生する光
を所定のビームパターンで反射器の前方に反射する光反
射面である。上述したように反射器８２内に取り付けら
れる本発明の電灯３０は反射器の前方に反射される光出
力を増大するが、同時に反射器の切頭部９０および９２
に当たる方向にランプから発生する光の量を低減する。
この切頭部に当たる方向の光は所望のビームパターンと
して前方に投射されず、無断になるものである。

【００１１】上述した各実施例は例示であって、本発明
の実施を制限するものではない。本発明の実施に有効な
アーク灯はハロゲン化金属を含むものに限定されず、水
銀、キセノンなどのアーク灯を含むものである。更に、
本発明はシングルエンド型アークおよびフィラメント電
灯および本発明の概要の項の所で述べたように無電極電
灯にも実施することができる。上部、側部および底部を
有するアークまたはフィラメント発光室を備えているシ
ングルエンド型電灯の場合には、フィラメントまたは電
極に接続されるリード線は底部の密閉部を通って延在
し、発光室の上部および／または側壁部の全てまたは一
部が正レンズの形状であり、無電極電灯のアーク発光室
の壁部の全てまたは一部も同様である。更に、上述した
ダブルエンド型の例の場合でも、アーク発光室の壁の全
てが収束レンズの形状である必要はない。

【００１２】図９は、アーク発光室の壁が図１に示す比
較的均一な断面を有している従来の電灯と比較して、図
２に示されているような正メニスカスレンズの形状の壁
を有する本発明のアーク灯によるレンズ作用または光コ
リメーション作用の度合を測定するのに使用した実験装
置を示している。測定対象の各アーク管またはランプを
回転テーブル（図示せず）上に配置し、アーク発光室の
中央部を電圧計１０２に電気的に接続されている光検出
ホトダイオード１００から５０センチの所に位置ぎめし
た。各アーク管はその長手軸を水平にして回転テーブル
（図示せず）に取り付けた。テーブルの回転軸はアーク
管のアーク発光室の中央部と一致させた。人間の目の感
度に補正された光検出ホトダイオードまたはホトセルと
してユナイテッドデテクタテクノロジ(United Detector
Technology)社製のＰＩＮ１０ＡＰを用いた。ホトセル
の能動領域は電灯のアーク発光室の中央に向けられた。
ホトダイオードの両端で測定された電圧はホトダイオー
ドにあたる光の量に比例する。この構成は、ホトダイオ
ード検出器によるアーク管の観察角度を変えるととも
に、アーク発光室の中心から検出器までの距離を一定に
維持するように、アーク管に電圧を供給しながらアーク
管を回転可能としたものである。こうして、電灯から検
出器に向かう光の量を種々の観察角度の関数として測定
した。測定した従来のメタルハライドランプのアーク管
は９×７ｍｍの楕円形のアーク発光室内にハロゲン化金
属および水銀および不活性起動ガスとともに密閉された
５ｍｍの長さの電極ギャップを有していた。アーク発光
室の壁は均一な厚さであり、０．６ｍｍの厚さであっ
た。従来のランプは２．４×４ｍｍの融解シリカまたは
石英のストックから形成したものである。測定した本発
明による電灯は同様な充填物を有し、内径が２．７ｍｍ
で寸法が９×６．７ｍｍである楕円形のアーク発光室内
に４．２ｍｍの電極ギャップを有し、アーク発光室の壁
断面はメニスカスレンズの形状であった。本発明のラン
プは１．８×３．２ｍｍの寸法を有する管材料から形成
したものである。これらの両電灯のアーク発光室の最大
の外径は７ｍｍまたは６．７ｍｍの寸法である。電灯に
形成した管材料の所与の寸法は管の内径および外径であ
る。本発明の電灯のアーク発光室の壁の厚さはアーク発
光室の中央における最も厚い点において２．０ｍｍであ
り、アーク発光室の各端部においては、徐々に低減し
て、約１．３ｍｍであった。

【００１３】図１０は、図９に示した装置を使用して測
定した本発明の電灯および従来の電灯の光出力の強度を
放射角の関数として示すグラフである。図１０に示す結
果は、壁が正レンズまたは収束レンズの形状であるアー
ク発光室を有する本発明の電灯がアーク発光室から放出
される光を充分にコリメートし、光の多くがアークの長
手軸に直角な方向に放出されることを示している。図１
０の曲線の全ては各電灯のピーク光度に対して正規化さ
れている。これは異なる設計のものは異なるルーメンを
発生するからである。各観察角度に現れる光強度を観察
される最大強度で割ることによって相対的に光強度が測
定され、これが観察角度の関数として図１０に示されて
いる。従来の電灯によって示される比較的平らな光度部
分はレンズ作用が欠けていることを示している。９０゜
の観察角度における光度の急激な低下はホトダイオード
検出器から見たときの電灯端部のシール部によって遮ら
れた光によるものである。本発明の電灯の曲線は、従来
のレンズ作用のない電灯と比較して大きな角度でランプ
から放射される光の量が大幅に低減されていることを示
している。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の小型アーク灯の正面図である。

【図２】本発明の実施例の小型アーク灯の正面図であ
る。

【図３】本発明の別の実施例の小型アーク灯の正面図で
ある。

【図４】本発明の別の実施例の小型アーク灯の正面図で
ある。

【図５】本発明の別の実施例のフィラメント電灯の正面
図である。

【図６】従来のアーク灯を取り付けた反射器の断面図で
ある。

【図７】本発明のアーク灯を取り付けた反射器の断面図
である。

【図８】本発明の小型アーク灯を使用した自動車のヘッ
ドライトの斜視図である。

【図９】図１０のデータを得るために使用された実験装
置を示す概略平面図である。

【図１０】電灯の放射角の関数として電灯の光出力の強
度を示すグラフである。

【符号の説明】

１６電極１８シール部２２外側リード線３０メタルハライドアーク灯３２エンベロープ３３壁３４アーク発光室

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部に光源としてアークまたはフィラメ
ントを封入した光透過性発光室を有する電灯において、
前記発光室の少なくとも１つの壁の少なくとも一部が正
レンズまたは収束レンズの形状であることを特徴とする
電灯。
【請求項２】発生された光の少なくとも一部が前記壁
のレンズによって屈折される請求項１記載の電灯。
【請求項３】前記正レンズの形状はメニスカスレン
ズ、平凸レンズまたは両凸レンズのいずれかである請求
項２記載の電灯。
【請求項４】前記レンズの形状の発光室壁の最大の厚
さが発光室の中央に向かうに従って端部よりも大きくな
っている請求項３記載の電灯。
【請求項５】前記電灯が無電極アーク灯である請求項
３記載の電灯。
【請求項６】前記電灯が前記発光室の内部に一対の電
極を封入したアーク放電灯である請求項３記載の電灯。
【請求項７】前記電灯が前記発光室の内部にフィラメ
ントを封入した白熱電灯である請求項３記載の電灯。
【請求項８】光透過性発光室内に密閉された一対の電
極および適当な充填物を有するアーク灯において、前記
発光室の壁の少なくとも一部が収束レンズの形状であ
り、アークによって発生された光の少なくとも一部が前
記レンズの形状の発光室の壁によって屈折されることを
特徴とするアーク灯。
【請求項９】前記アーク灯が前記電極の各々を前記発
光室の各端部に配置したダブルエンド型である請求項８
記載のアーク灯。
【請求項１０】前記レンズの形状の発光室の壁の最大
の厚さが発光室の端部よりも発光室の中央に向かうに従
って最も大きくなっている請求項９記載のアーク灯。
【請求項１１】前記屈折された光の少なくとも一部は
アークの軸に直角な方向により多く放出される請求項１
０記載のアーク灯。
【請求項１２】内部にフィラメントを密閉した光透過
性発光室を有する白熱電灯において、前記発光室の壁の
少なくとも一部が収束レンズの形状であり、前記フィラ
メントから発生する光の少なくとも一部が前記壁の前記
レンズを形成している部分によって屈折されることを特
徴とする白熱電灯。
【請求項１３】前記白熱電灯は前記発光室およびフィ
ラメントの各々が互いに平行な長手軸を有するダブルエ
ンド型である請求項１２記載の電灯。
【請求項１４】前記レンズの形状の発光室の壁の最大
の厚さが発光室の端部よりも発光室の中央に向かうに従
って最大になっている請求項１３記載の電灯。
【請求項１５】前記屈折された光の少なくとも一部は
アークの軸に直角な方向により多く放出される請求項１
４記載の電灯。
【請求項１６】反射器と該反射器内に取り付けられた
電灯との組合せであって、前記電灯は内部に光源として
アークまたはフィラメントを封入している発光室を有
し、前記発光室の少なくとも１つの壁の少なくとも一部
が正レンズまたは収束レンズの形状であり、前記光源か
ら発生する光の少なくとも一部が前記壁の前記レンズを
形成した部分によって屈折されることを特徴とする反射
器と電灯との組合せ。
【請求項１７】反射器と該反射器内に取り付けられた
ダブルエンド型電灯との組合せであって、前記電灯は内
部に光源としてアークまたはフィラメントを封入してい
る発光室を有し、前記発光室の壁は正レンズまたは収束
レンズの形状であり、前記光源から発生する光の少なく
とも一部が前記レンズの形状の壁によって屈折されるこ
とを特徴とする反射器とダブルエンド型電灯との組合
せ。