JPH0582100A - 反射器付き光源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】光ファイバ束を有する光分配装置および反射器
と関連して利用されるガス放電光源用の改良された光設
計を提供し、溶融ハロゲン化金属による光出力の妨害が
ほぼ除去されるように光源としてメタルハライドアーク
管を利用し、単一の光源出力が種々の前方照明位置に分
配するためのファイバ光学光ガイド装置に効率的に結合
されている車両の前方照明用の単一の光源として改良型
光源を提供する。 【構成】反射器２０は下向きにした楕円体形反射器であ
り、メタルハライドアーク管２８は反射器内に垂直に設
ける。この光源および反射器装置は、直流動作を必要と
する自動車の照明用途に使用される場合、下側位置に直
径の大きなアノード電極３０を設け、上側位置に細いカ
ソード電極３６を設ける。溶融したハロゲン化金属の存
在しないアーク管の部分のみが反射器の第１の光学上の
焦点に配設されるようにメタルハライドアーク管は反射
器内に固定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、楕円体形反射器を使用
した光源用の改良された設計に関する。更に詳しくは、
本発明は、楕円体形反射器および光源の出力を遠隔位置
に結合する有効な光ファイバと共に、メタルハライドア
ーク管などのガス放電型の光源を利用するような光源装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】メタルハライドアーク管のようなガス放
電光源による高光度、色温度、耐久性および効率特性の
ために、このような光源は車両における照明だけでな
く、劇場の特殊効果、写真撮影、医術、工業および商業
のセッテングを含む多くの分野に広く採用されている。
車両の照明の分野において、例えば４つの前方照明位置
の各々に対して放物状反射器とともにメタルハライドア
ーク管を使用することは上述したガス放電光源の特性に
よって従来利用されていた白熱型の照明装置よりも有益
である。車両の照明の分野に応用する場合に、メタルハ
ライドアーク管は車両の前側端部における部品の大きさ
および数を減らそうとする全体の設計努力の一部であ
る。設計者が車両の前側端部の形状を変更する場合に
は、車両の空気力学上の性能、従って燃料効率を改良す
ることを実行することであることはよく認識され、実証
されていることである。

【０００３】車両の前方照明用のスペースを減らすこと
については、現在の設計では必要な照明の位置の各々に
別々の光源を必要とすることを認識されたい。すなわ
ち、車両は助手席側およびドライバ側の各々に高ビーム
および低ビームの両方の機能を持たなければならないと
ともに、このような照明は標準パターンの道路照明の必
要な広がった部分および集光した部分を達成するために
反射器だけでなく個々の光源を必要とするので、自動車
の前方照明用に現在利用されているスペースはかなりの
ものになっている。この全体のスペース条件を減らすの
に利用される１つの技術は単一光源を導入することであ
り、このような単一光源から発生する光は、必要に応じ
て取り出して分配するために一般に１束の光ファイバケ
ーブルを使用している光ガイド装置によって種々の照明
位置に分配される。この場合には、最大４つの光源位置
に対して個々の光源組立体を持つ必要がないので、適当
な車両の前方照明を達成するのに必要なスペースをかな
り低減することができる。このような単一光源および分
配装置を有する照明設計の一例が米国特許第４，８１
１，１７２号および第４，９５８，６２３号に記載され
ている。

【０００４】上述したように、必要な光分布要件を満足
するためには、一般に束ねられたファイバ光学装置が利
用される。光ファイバは光を１つの場所から他の場所に
伝達する有効な手段を提供することは周知のことであ
る。このようなファイバ光学装置を光源に結合する際の
目標は車両中に分布させる光ファイバ群の入力点と光源
の出力との間の光の損失を最小にする最も有効な装置を
見つけることである。光源をファイバ光学装置に効率的
に結合する周知の方法は、楕円体形反射器を設け、この
楕円体形反射器の一方の焦点に光源を設け、他方の焦点
にファイバ光学装置を設けることである。更に他の方法
は、光源からの光出力が光ファイバケーブルの束の入力
点に更に効率的に集まるように光源からの光出力を集光
するコリメーティングレンズ装置を設けることである。
後者の方法の例は米国特許第４，８８７，１９０号に記
載されている。しかしながら、この方法は劇場の特殊効
果用の光源を提供する分野に関するものであることを注
意されたい。従って、車両照明への適用性に影響を与え
る同様なスペースの制限はなく、コリメート機能を達成
するのに必要な別の部品を使用することは照明機能のた
めに必要なスペースを低減するという意図した目的に正
に反している。

【０００５】光源とファイバ光学装置との間の最も効率
的な結合を達成する目標に加えて、使用される反射器お
よび反射された光が集められるファイバ光学装置の端部
に対する光源の配置方向に特に注意が払われている。メ
タルハライドアーク管が光源として利用される場合、考
慮しなければならない特性がメタルハライドランプに存
在する。対流によりランプの下側部分が冷却される結
果、ハロゲン化金属の液体はアーク管の下側部分に集め
られる傾向がある。従って、メタルハライド放電ランプ
からの光を楕円体形ミラーによって集める場合、アーク
管の壁上の溶融したハロゲン化物によって光の一部分が
遮られる。ランプが水平状態で動作する場合には、水平
方向に配向されている反射器の下側部分にあたるべき光
の一部分がハロゲン化金属によって吸収され、この結果
ハロゲン化物を通過した光は黄色の光となり、また光度
も低下して好ましくない。反射器に水平に設けられたガ
ス放電光源の例が、米国特許第４，８６０，１７２号、
米国特許第４，５９４，５２９号、および上述した米国
特許第４，８８７，１９０号に記載されている。

【０００６】反射器に対して光源を水平に設けることの
代わりの方法として、反射器に対して光源を垂直に配向
することができる。このような装置の例は米国特許第
４，５２３，８０６号の図１０に示されており、ここで
は光源は反射器の光学軸の中心に設けられている。この
ような構成では、ガス放電が発生する領域が溶融ハロゲ
ン化金属の影響を受けないようにアーク管の球根状部分
の底に溶融ハロゲン化金属が存在しないようにすること
ができるが、このような溶融ハロゲン化金属はまだエン
ベロープの底端部に存在し、光源の光伝達特性に悪影響
を与えている。

【０００７】メタルハライドアーク管を楕円体形反射器
に対して垂直に設ける方が水平に設けた場合よりも有利
であることは知られているが、車両の前方照明装置にこ
のような装置を使用するには更に考慮すべき事柄があ
る。例えば、車両照明用の電源は直流バッテリによって
構成されているので、電気泳動作用について考慮しなけ
ればならない。この電気泳動作用は正イオンをカソード
の方に駆動することである。従って、ランプ内に分配さ
れたハロゲン化物を維持する対流を増大することによっ
て光源が電気泳動作用を克服した場合には有益である。
更に、典型的な高光度放電ランプは瞬光を発生する能力
を一般に妨げているウォーミングアップ期間を必要とす
る。車両の前方照明分野においては、高光度光出力は要
求された時にほぼ即時に発生することが重要である。従
って、単一の光源出力とファイバ光学光ガイド装置との
間を効率的に結合する装置は瞬時に近い時間で高光度光
出力を達成する能力を有することが必要である。このた
めに、希ガスの１つを取り入れて起動動作を補助するこ
とが見い出されている。希ガスのグループから起動ガス
を有するメタルハライドアーク管の一例は上述した米国
特許第４，５９４，５２９号に記載されている。

【０００８】

【発明の目的】従って、本発明の目的は、光ファイバ束
を有する光分配装置および反射器と関連して利用される
ガス放電光源用の改良された光設計を提供することにあ
る。本発明の他の目的は、溶融ハロゲン化金属による光
出力の妨害がほぼ除去されるように光源としてメタルハ
ライドアーク管を利用することである。

【０００９】本発明の更に他の目的は、単一の光源出力
が種々の前方照明位置に分配するためのファイバ光学光
ガイド装置に効率的に結合されている車両の前方照明用
の単一の光源として改良型光源を提供することである。

【００１０】

【発明の概要】本発明の原理によれば、光源として直流
電圧によって励起されるメタルハライドアーク管を利用
した改良型光源および結合装置が提供されている。メタ
ルハライドアーク管は楕円体形反射器内に垂直に設けら
れ、アーク管へのアノードの接続は最上部におけるカソ
ード接続とは反対にアーク管の底部に設けられている。
更に、楕円体形反射器は下向きに配向され、アーク管は
反射器の光学上の焦点から片寄って反射器内に配設され
ている。この様にして、垂直に配向されたメタルハライ
ドアーク管内の溶融したハロゲン化物の液体が集まる部
分は楕円体形反射器内の光源の反射特性を妨害しないよ
うになっている。

【００１１】更に、改良型光源および光学結合装置は光
を光ファイバ束内に反射するミラー要素を有している。
また、改良型光源および光学結合装置では光源を駆動す
るのに使用される安定器と光源／結合装置との間に熱的
分離が施される。

【００１２】

【実施例の記載】図１に示すように、本発明により構成
される改良型光源および光学結合装置１０は、照明およ
び光学部品を有する第１の部分１２および照明部品に電
圧を供給する電圧供給回路を有する第２の部分１４を有
している。第１の部分１２の出力は車両（図示せず）に
関連する種々の照明位置まで延出している多数の光ファ
イバ１６に供給される。図１のブロック図で示す安定回
路の説明のために、米国特許第４，９０４，９０７号を
参照し、ここに参考のため取り入れる。第２の部分１４
の電子装置よりなる安定回路は別の容器１８内に設けら
れ、内部に設けられている電子装置を第１の部分１２内
に設けられた部品によって発生する熱から分離してい
る。第２の部分１２の安定回路の出力は反射器２０内に
設けられているランプ装置に接続されている。このラン
プ装置については以下において更に詳しく説明する。

【００１３】第１の部分１２の一部として示されている
反射器２０は、水平方向の適当な照明位置に伝達される
第２の部分１２からの光出力の実際の方向に対して下向
きに配向された楕円体形反射器である。楕円体形反射器
２０の出力は約４５゜に配向されたミラー要素２２の面
に向けられ、下方に向かう光出力を水平面の方向に転換
している。ミラー要素２２はコールドミラーであってよ
い。すなわち、ランプからの光出力の熱を発生する部分
はフィルタ装置によって除去される。このため、ミラー
要素２２は多層の誘電体コーティングを施され、図１の
ブロック図において符号２４で示す光学結合装置に入射
する赤外線および紫外線の量を低減している。反射器要
素２０の内面も同様に同じ目的のためにコーティングさ
れている。勿論、本発明の範囲から逸脱することなくコ
ールドミラーとともにホットミラーを使用することもで
きることを理解されたい。

【００１４】図１に示す光学結合装置２４は光ファイバ
１６の入力端にできるだけ多くの入力光を集める機能を
実行する。本発明の場合、光学的結合は光学結合装置２
４の最も右側に発生する集光スポットに光ファイバの入
力端（図示せず）を位置決めすることによって行うこと
ができる。最も簡単な形の光学的結合は単に光の焦点に
光ファイバの入力端を位置決めするだけであるが、本発
明は例えばここに開示したミラー要素２２の代わりにコ
リメートレンズ装置のような別の結合装置を設けること
を考えている。更に、光ファイバを使用する場合につい
て説明しているが、本発明は他の光伝達手段を利用した
システムにも適用できるものであり、実際「光ファイ
バ」という用語の使用はファイバよりも大きな直径を有
し、および／または中空の構造を有する光ガイドを含む
ものであることを理解されたい。

【００１５】第２の部分１４の安定回路の電子装置用の
エンクロージャ１８と同様に、第１の部分１２は照明お
よび光学部品が第２の部分１４の安定回路の電子装置か
ら熱的に分離されて配設されているハウジング２６を有
している。また、スペースを保持するように第１および
第２の部分１２および１４の両方を共通のハウジング内
に設けることもできる。この方法においては、２つの部
分の間の熱的分離は照明装置によって発生する熱が第２
の部分１４の電子装置に悪影響を与えることを防止する
金属の仕切り、すなわち熱的仕切りを両部分の間に設け
ることによって達成される。

【００１６】第１の部分１２に対する光出力の最適化は
図２に示すように反射器２０内にランプ２８を設けるこ
とによって達成される。ランプ２８は下方を向いている
反射器２０内に垂直に設けられたメタルハライドアーク
管である。更に、図２に示すように、本発明は主に自動
車の照明用途に向けられている。このような用途では直
流エネルギ源に依存しているため、ランプ２８としてラ
ンプエンベロープ３８の底端部に設けられたアノード電
極３０およびランプエンベロープ３４の上端部に設けら
れたカソード電極３２を有するメタルハライドランプが
用いられる。しかしながら、自動車のバッテリの直流出
力を変調して、交流源によって動作するランプを利用す
ることもできることを理解されたい。アノード電極３０
はランプ内の自然対流によって生ずる非対称加熱を平衡
させるように下側の位置に設けられている。アノード電
極３０を下側の位置に設けた直流源で動作するランプに
おいては、より高い温度で動作するアノード電極３０が
より多くの熱を消散しなければならないので、アノード
電極を下側にしていない場合よりもより対称で平衡した
対流加熱を達成することができる。低いワット数のメタ
ルハライドアーク管を動作させるとき（低いワット数と
は３５ワット台のものである）、電気泳動の影響を考慮
する必要がある。電気泳動の影響の下では、ハロゲン化
金属のイオンは直流電力源または低い周波数の交流源に
よって生ずる電界によって影響され、イオンはランプの
エンベロープの端部の一方または両方に向かって駆動さ
れる。このような影響の下では、これらの駆動されたハ
ロゲン化物によって電極間のハロゲン化物の量が少なく
なり、所望の照明が得られない。

【００１７】特に、直流動作においては、電気泳動作用
はハロゲン化物のイオンをカソード電極３２に向かって
駆動するものである。垂直に設けられたメタルハライド
ランプ２８の底端部にアノード電極３０を設けることに
よってランプエンベロープ３４内にもっと効率的で全体
的な対流が発生し、ハロゲン化金属の分布を更に均一化
し、ランプ効率を増大する。

【００１８】更に図２に示すように、メタルハライドラ
ンプ２８はカソード電極３２よりも実質的に太いアノー
ド電極３０を有している。実際、最適な対流の対称性を
達成する１つの方法は約９ミルのタングステンの棒から
構成されるカソード電極３２を設け、アノード電極３０
を約４０ミルの弾丸形状のタングステンの棒で構成する
ことである。ランプエンベロープ３４のカソード端部に
は別のモリブデンの外側リード線３６が設けられてい
る。更に、カソード電極３２が設けられているランプエ
ンベロープ３４の端部はアノード電極３０用の端部より
も長くなっている。ランプエンベロープ３４の細長い部
分は以下に説明するように反射器２０内の最適位置にメ
タルハライドランプ２８を固定する手段を提供してい
る。電気コネクタ３８および４０は従来のようにメタル
ハライド２８にエネルギを供給する。

【００１９】他の周知の構成に加えて、メタルハライド
ランプ２８の構造について説明すると、ランプ２８は
１．４ｍｇの水銀および６気圧のキセノンと共に１９：
１モル比のヨウ化ナトリウムスカンジウムを１．９ｍｇ
有している。更に、メタルハライドランプ２８は２．４
ｍｍのアークギャップをもって構成される。高気圧キセ
ノンを追加することによって、大電流が起動中に放電を
通して流れると、本質的に瞬時に光が発生する。

【００２０】上述したように、垂直方向の最も低い位置
に高温で動作するアノード電極３０を設けた結果、最適
な対流の対称性がメタルハライドランプ２８内に得られ
る。しかしながら、溶融したハロゲン化金属がまだラン
プエンベロープ３４の底部に集まることが認められる。
典型的なメタルハライドアーク管においては、対流によ
って生ずる下側部分の冷却の結果、ハロゲン化金属の液
体がアーク管の下側部分に集まる傾向がある。このアー
ク管が水平状態で動作する場合には、水平方向を向いて
いる反射器の下側部分に当たるべき光の一部分が液体の
ハロゲン化金属によって吸収される。光がこのような溶
融したハロゲン化物を通過して、この反射器によって反
射される場合には、好ましくない黄色部分を有する光出
力だけでなく、光度において好ましくない損失が発生す
る。

【００２１】これらの好ましくない特性を回避するため
に、楕円体形反射器２０内におけるメタルハライドラン
プ２８の最適な位置決めが提案されている。楕円体形反
射器２０により集められる光が溶融したハロゲン化金属
から離れているメタルハライドランプ２８の上側部分の
みを通って来るように垂直配向のメタルハライドランプ
２８は下向きの楕円体形反射器２０内に配設される。メ
タルハライドランプ２８が垂直に動作する場合には、溶
融したハロゲン化金属はランプエンベロープ３４の下側
の１／３以下に制限される傾向がある。楕円形反射器２
０を下方を向け、下側位置にアノード電極３０を配置す
るようにメタルハライドランプ２８を垂直に配設した場
合には、反射器２０の第１の光学上の焦点から片寄るよ
うにメタルハライドランプ２８を楕円体形反射器２０内
に位置決めすることによって溶融ハロゲン化金属を通過
する光を回避する所望の効果が達成され得る。溶融ハロ
ゲン化金属はメタルハライドランプ２８の下側約１／３
に存在するので、メタルハライドランプ２８の上側２／
３のみが楕円体形反射器２０の第１の光学上の焦点に位
置するようにランプ２８の位置決めを行うべきである。
すなわち、アークは第１の焦点の中心にあり、ランプの
上側２／３を通過する光のみが楕円体形反射器によって
遮られるまで下方に移動される。

【００２２】実際、メタルハライドランプ２８が上述し
たように位置決めされると、メタルハライドランプ２８
はこのような位置からずれないように楕円体形反射器２
０内に固定される。メタルハライドランプ２８を反射器
２０内に固定する１つの方法はセメント（図示せず）を
使用することである。セメントは楕円体形反射器２０の
首部分に設けられ、最初短期間空気乾燥される。この空
気乾燥処理に続いて、セメントは更に短期間加熱され
る。この初期加熱は単にメタルハライドランプ２８を動
作させることによって行うことができる。最後に、セメ
ントは短期間の高温加熱（約４００度Ｃ）によって更に
硬化される。

【００２３】上述した実施例は本発明の好適実施例を構
成しているが、特許請求の範囲に記載されている本発明
の範囲から逸脱することなく変更し得ることを理解され
たい。例えば、本発明は直流電力源について説明した
が、本発明の原理は低周波（６０Ｈｚ）の交流源を使用
したメタルハライドランプの動作に対しても同様に適用
されるものであることを理解されたい。更に、光源は自
動車のバッテリシステムによる動作のためだけの直流型
である必要はない。交流光源を動作するように直流源の
出力を変調することができ、これも本発明の範囲内のも
のである。更に、下方に向いた楕円体形反射器の光学上
の焦点に対して片寄らせて反射器内に垂直に設けられる
メタルハライドランプを固定するために別の手段を用い
てもよいことは当然である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によって構成された改良型光源および光
学結合装置のブロック図である。

【図２】本発明の光源および反射部分の詳細を示す部分
断面正面図である。

【符号の説明】

１６ 光ファイバ ２０ 反射装置 ２２ ミラー要素 ２４ 光学結合装置 ２８ メタルハライドランプ ３０ アノード電極 ３２ カソード電極 ３４ ランプエンベロープ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ２１Ｖ 19/00 Ｍ 2113−3Ｋ (72)発明者 ウイリアム・ウオルター・フインチ アメリカ合衆国、ミシガン州、アン・アー バー、アスター・アパートメント、ビー 115、1203番 (72)発明者 リチヤード・ローウエル・ハンスラー アメリカ合衆国、オハイオ州、ペツパー・ パイク、ベルコート・ロード、28120番

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ランプエンベロープの両端に設けられた
   アノードおよびカソード電極を有するガス放電ランプ
   と、 関連する光学上の焦点を有する湾曲した反射器とを有
   し、 前記ガス放電ランプは前記湾曲した反射器内に垂直に配
   設され、 前記ガス放電ランプは、更に前記ランプエンベロープの
   前記端部の一方が前記光学上の焦点の外側になるように
   前記光学上の焦点から片寄って前記湾曲した反射器内に
   配設されている光源装置。
2. 【請求項２】 前記湾曲した反射器は楕円体形反射器で
   ある請求項１記載の光源装置。
3. 【請求項３】 前記楕円体形反射器は下方を向いて配設
   されている請求項２記載の光源装置。
4. 【請求項４】 前記ガス放電ランプはメタルハライドア
   ーク管である請求項１記載の光源装置。
5. 【請求項５】 前記アノード電極が前記カソード電極に
   対して最も下側の位置に設けられるように前記メタルハ
   ライドアーク管は前記湾曲した反射器内に配設されてい
   る請求項４記載の光源装置。
6. 【請求項６】 前記アノード電極は前記カソード電極よ
   りも寸法が実質的に大きくなっている請求項１記載の光
   源装置。
7. 【請求項７】 直流電圧が前記ガス放電ランプに電源手
   段から供給される請求項１記載の光源装置。
8. 【請求項８】 前記電源手段は前記光源に対して熱的に
   分離されて配設されている請求項７記載の光源装置。
9. 【請求項９】 前記ガス放電ランプはその半分以上が前
   記湾曲した反射器の光学上の焦点に配置されるように前
   記湾曲した反射器内に配設されている請求項１記載の光
   源装置。
10. 【請求項１０】 前記ガス放電ランプはアノード電極を
    有するメタルハライドアーク管であり、該アノード電極
    は前記メタルハライドアーク管のカソード電極よりも寸
    法が実質的に大きくなっており、前記アノード電極は前
    記カソード電極に対して垂直方向で下側の位置に配設さ
    れている請求項３記載の光源装置。
11. 【請求項１１】 前記メタルハライドアーク管は高圧の
    キセノン充填物を含有している請求項４記載の光源装
    置。
12. 【請求項１２】 前記カソード電極が位置している前記
    メタルハライドアーク管の上端部は、前記反射器の光学
    上の焦点に対する前記メタルハライドアーク管の片寄っ
    た配設状態が変化しないように前記湾曲した反射器内に
    固定されている請求項５記載の光源装置。
13. 【請求項１３】 ランプエンベロープの両端に配設され
    た第１および第２の電極を有するガス放電ランプと、 関連する光学上の焦点を有し、下向きに配向されている
    楕円体形反射器とを有し、 前記ガス放電ランプは前記楕円体形反射器内に垂直に配
    設されており、 前記ガス放電ランプは、更に前記ランプエンベロープの
    前記端部の一方が前記焦点より外側に位置するように前
    記焦点から片寄って前記楕円体形反射器内に配設され、 前記第２の電極は前記焦点より外側に位置する前記端部
    中に配設され、前記第２の電極は前記第１の電極よりも
    直径が実質的に大きくなっている光源装置。