JPH0613047A

JPH0613047A - 高輝度放電光源

Info

Publication number: JPH0613047A
Application number: JP5064906A
Authority: JP
Inventors: Paul G Mathews; ポール・ジョージ・マシューズ; Gary R Allen; ギャリー・ロバート・アレン; Timothy P Dever; ティモシー・ピーター・ディーバー; Rocco T Giordano; ロコ・トーマス・ジョーダノ; John M Davenport; ジョン・マーチン・ディブンポート
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1992-03-27
Filing date: 1993-03-24
Publication date: 1994-01-21
Anticipated expiration: 2013-02-25
Also published as: EP0562872A1; DE69313492T2; DE69313492D1; EP0562872B1; JP2719087B2; US5239230A

Abstract

(57)【要約】【目的】実効輝度の高い高輝度放電光源を提供する。【構成】アーク管１２のアーク室２０の中に、放電状
態に励起され得るガス充てん物が封入され、少なくとも
２個の電極１６，１８がアーク室の中に伸びて２ｍｍか
ら３．５ｍｍのアークギャップ２２によって隔てられ
る。ランプの効率を決定する動作電圧、対流の安定性、
および放電ランプの構造の完全性を含む三つの制約条件
の間でバランスが取れるように、アーク室内の水銀量お
よび種々のアーク管寸法が選定される。アークギャッ
プ、アーク室の直径、壁厚、およびランプの水銀密度の
間のバランスを取ることにより、１平方センチメートル
当たり５０，０００ルーメンのオーダの光出力が達成さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高輝度レベルを示す高輝
度放電アーク管光源に関するものである。更に詳しく述
べると、本発明は光源から遠く離れた一つ以上の位置に
光源の光出力を伝送するための光ファイバに使用でき
る、高輝度放電アーク管に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】中央の光源を設け、それから得られた光
出力を種々の遠隔位置へ光ファイバ、ライトガイド等に
より伝えるという概念は、自動車の表示装置の照明およ
び家庭の照明を含む種々の用途に対して提案されてき
た。自動車用の中央照明方式の一例は、１９９０年９月
１８日発行の米国特許第４，９５８，２６３号に見出す
ことができる。この自動車用中央照明方式および他のど
の中央照明方式も、その目標は光送出点で最も効率の良
い光出力を達成すること、および特定の照明設計を考慮
できるようなやり方でこのような光出力を送出すること
である。たとえば、自動車の照明の設計での最近の関心
は、前方照明を行うために必要なスペースを小さくする
ことにより自動車前端の空気力学的特性を改良すること
に向けられている。したがって、設計者が高さ約２イン
チのオーダの設計空間を使用して必要な前方照明を提供
することができれば、都合が好い。このような設計の制
約に従い、しかも必要な照明パターンを提供するために
は、光ファイバの出力端で小さな、幅の狭い光ビームと
なっていなければならないことが知られている。たとえ
ば、高さが２インチの前照灯から良好な照明とビーム制
御を得るためには、横断面寸法が約６ｍｍから８ｍｍの
光ファイバを用いること、およびこのような光ファイバ
からｆ／１光学系に（前照灯１個につき）少なくとも５
００ルーメンを送り込むことが必要とされる。更に、こ
の寸法の小さな光ファイバを使えるようにするために
は、自動車前照灯に通常使用される４ｍｍのアークギャ
ップに比べてかなり小さいアークギャップをそなえた光
源を設けなければならない。この寸法の制限条件は、通
常のだ円形の反射器を使用してアークからの光を光ファ
イバの入射面上に集束すると、反射器はアークギャップ
長を３倍から４倍の間だけ拡大するという事実によるも
のである。このように制御されたビーム出力を供給する
ことの副利益として、設計者は直径が小さい光ファイバ
を使用することによりコスト、寸法、重量、および設計
の柔軟性の利益を得ることができる。

【０００３】集中光源および直径が小さい光伝送媒体を
使用して光出力を遠隔送出する照明システムの設計者に
とって更に重要なのは、光源の輝度が比較的高レベルで
なければならないということである。輝度の測光の定義
は単位立体角当たり単位面積当たりのルーメン数であ
る。放電アークからの光を光ファイバまたはライトガイ
ド内に向けるための通常の装置は、一つの焦点にアーク
があり、第二の焦点に光ファイバの入力面があるだ円形
の反射器である。この構成では、ファイバでの輝度はア
ークのルーメンをギャップの自乗で割ったものに比例す
る。アークのルーメンをギャップの自乗で割ったものを
アークの実効輝度と定義するのは有用である。たとえ
ば、最適化された光コレクタおよびライトガイドを介し
て、長さが２．７ｍｍのアークギャップからの１０００
ルーメンを５５％の効率で各前照灯に結合することによ
り、すぐれた前照灯照明およびビーム制御が得られると
いうことが実験的に確かめられている。したがって、す
ぐれたビーム性能が得られるアークの実効輝度は次式で
表される。

【０００４】

【数１】［１０００ルーメン×２前照灯］／［（０．２７ｃｍ）²×０．５５］＝５０，０００Ｌｍ／ｃｍ² 上記の集中自動車照明の特許で開示された光源では、上
記のように定義された実効輝度が１平方センチメートル
当たり３４，０００ルーメンのオーダとなる。この実効
輝度レベルは、１９９０年１１月６日に発行の米国特許
第４，９６８，９１６号に述べられている放電アーク管
光源を使用することにより達成される。この光源は、メ
タルハライド、ガラス球容積の１立方センチメートル当
たり５ｍｇから５０ｍｇの範囲の量の水銀、および圧力
が１０トルから１５，０００トルの範囲にある不活性ガ
スで構成された、加圧されたガス充てん物が封入されて
いる。米国特許第４，９６８，９１６号には、光源を円
筒形、だ円体または管形とし、全体的な寸法は、長さを
５ｍｍから約１００ｍｍの範囲とし、中心部の直径を約
４ｍｍから２５ｍｍ、容積測定に関する容量を約０．１
から３０立方センチメートル、電極間の所定の距離すな
わちエアギャップを１ｍｍと５ｍｍの間とすることがで
きるということが開示されている。

【０００５】実際上、代表的なメタルハライド放電光源
でのアークギャップは、充分に低い密度範囲で有利な高
アーク電圧で動作して対流の不安定が無くなるように４
ｍｍ以上のオーダでなければならないということがわか
る。実際、米国特許第４，９６８，９１６号に開示され
たランプで代表的な４ｍｍの値よりも小さいアークギャ
ップを使用し、しかも許容できる効率値を生じる動作電
圧を維持した場合には、このランプの水銀密度をこの設
計で意図している値より著しく高い値に上げる必要があ
る。放電ランプの場合、水銀密度すなわち体積当たりの
水銀の量はいくつかの理由で重要な設計上の考慮点であ
る。動作電圧と、アークギャップに水銀密度のほぼ平方
根を掛けた積との間の公知の関係（後記の式（１）参
照）により、アークギャップを通常実施される４ｍｍの
値より小さくする場合は、必要な動作電圧を維持するた
め水銀密度を指数的に大きくしなければならないことが
わかる。しかし、水銀密度のこのような増大は、対流の
安定性やアーク管を形成している材料に対する応力のよ
うな他のランプ動作特性に悪影響を与える。もちろん、
対流の安定性はアーク管の寸法および充てん物の密度に
よって左右されること、および制限無しに充てん物の密
度およびアーク管の直径を増大すると対流安定性がそこ
なわれる危険が生じることは知られている。さらに、ラ
ンプの即時発光のためにキセノンが数気圧の低温充てん
圧力で付加されたとき、アークの対流の安定性およびア
ーク管の機械的完全性に対する別の課題が生じる。した
がって、高輝度レベルを達成するアークギャップの短い
放電ランプ、特に輝度レベルが１平方センチメートル当
たり５０，０００ルーメン以上で、アークギャップが約
２．５−３．０ｍｍのオーダの放電ランプを開発できれ
ば有利である。このような短アークギャップの放電ラン
プは高圧で動作しても、アーク管の故障が生じたり、完
全性を損なう危険が無く、また光出力にフリッカを生じ
る対流の不安定性の危険が無い。ランプのアーク負荷に
対して実効輝度をプロットすることができる。この場
合、アーク負荷はアークギャップで割ったランプ電力と
して測定され、メタルハライド放電ランプの場合の値は
通常、１ｃｍ当たり６０ワット乃至１２０ワットの範囲
に入る。この望ましい輝度レベルに対するルーメン数を
達成するために必要とされる電力はランプの効率によっ
て決められる。これは、キセノン放電ランプにおける約
１５ルーメン／ワットから上記の場合の約７０ルーメン
／ワット以上までのオーダとなり得る。７５ルーメン／
ワットでは、２．７ｍｍのアークギャップで４５００ル
ーメンを達成するために、本発明の応用の例として６０
ワットでアーク放電を動作させる必要がある。ここに述
べるメタルハライド形のアーク放電の他に、キセノン放
電ランプも高輝度光出力を供給する。しかし約１５ルー
メン／ワットの純粋なキセノン放電を使用するために
は、ルーメンの必要条件を満足するため著しく高い電力
定格を必要とし、更にキセノン放電の光出力は相関色温
度（ＣＣＴ：ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄｃｏｌｏｒｔｅ
ｍｐｅｒａｔｕｒｅ）指数がケルビン温度約１０，００
０°であり、これは前照灯または一般の照明の目的のた
めの望ましい範囲に比べて著しく高い。

【０００６】放電ランプの輝度レベルを考えると、でき
る限り低い電力レベルで所望のルーメン出力を達成する
ことによりエネルギーを節約し、光源が発生する熱、す
なわち光ファイバに悪影響を及ぼす恐れのある熱を減ら
すことが非常に好都合である。６ｍｍのアークギャップ
がその中に設けられた、光ファイバと一緒に使用するた
めの光源と反射器の組み合わせの一例では、達成される
光出力は１平方センチメートル当たり約３３，０００ル
ーメンであり、１５０ワットのランプを使用し達成され
る。１９９１年５月１４日発行の米国特許第５，０１
６，１５２号には、光出力を反射器の焦点に集束するた
めのだ円体の反射器の中に配置されたこのような光源が
開示されている。この特許では光ファイバへの光の転送
効率の望ましい増大については説明されているが、高輝
度レベルで、光ファイバの所要寸法が小さくなるように
アークギャップを短くした光源を提供することについて
は説明されていない。

【０００７】光ファイバと一緒に使用するのに特に適す
るように短アークギャップで高輝度出力の放電光源に対
して都合が好いのは、このような光源が長寿命特性を示
すことである。ここで長寿命というのは通常、２０００
動作時間以上のオーダであると考えられる。長寿命を得
るためには、メタルハライド光源は１平方センチメート
ル当たり２０ワットより小さい管壁負荷値で動作しなけ
ればならないということが知られている。したがって、
光ファイバのような光伝送構成での動作に特に適した高
輝度光源の場合、既存の光源に比べて著しく利点がある
のは、長さが４ｍｍよりかなり短いアークギャップを使
用して比較的高輝度レベルを達成し、高効率が可能な電
圧で動作し、充分にアーク管の機械的性質の制約内にあ
る動作圧力となるような水銀密度であって、好ましいア
ーク管寸法とともに、対流の不安定性の無い光源の動作
を可能とするような水銀密度を必要とし、またランプが
長寿命となる管壁負荷で動作するような放電ランプが提
供されることである。

【０００８】

【発明の概要】本発明は、最小の直径の光ファイバまた
は他の型の光伝送媒体に対して動作できるようにする短
いアークギャップをそなえた高輝度光源を提供する。光
ファイバを使用する集中照明システムの場合、長いアー
クギャップをそなえた他のメタルハライド放電ランプと
差異のない効率および色温度特性を示す短いアークギャ
ップをそなえた高輝度光源を使用して、システム全体の
性能特性を改善することができる。本発明の光源は、こ
のような性質を、低い電力定格および効率の良い動作電
圧で提供し、対流の不安定性の危険無しに、また光源の
動作圧力によるアーク管の損傷の危険無しに提供する。

【０００９】本発明の原理によれば、中にアーク室が形
成されたアーク管を含む高輝度特性を示すアーク放電光
源が提供され、このアーク室の中に入っているガス充て
ん物は放電状態に励起することができ、このようなガス
充てん物には即時に光を出せるように低温充てん圧力が
３−１０気圧のＸｅが含まれている。少なくとも二つの
電極が室の中に伸び、４ミリメートルより小さいアーク
ギャップによって隔てられている。光源が励起されて暖
まると、所定の最小の設計値の動作電圧が電極間に生じ
る。アーク室の中に配置された充てん物には、水銀が含
まれている。アーク室の容積の関数として、水銀の密度
値が決定される。水銀密度はアークギャップの寸法とと
もに、所定の動作電圧を設定する要因である。全充てん
物密度と協力して、所定のしきい値より低い対流安定性
が達成されるように、アーク室の寸法が選定される。ガ
ス充てん物の励起によって設定される圧力での光源の動
作に適したアーク管の引張り強度を達成するには、アー
ク管の厚さ寸法とともに充てん物の密度値も関係する。
動作電圧を充てん物密度の関数として定められる第一の
制約条件とし、対流の安定性値を充てん物密度の関数と
して定められる第二の制約条件とし、アーク管の引張り
強度を充てん物密度の関数として定められる第三の制約
条件として、特定の範囲内の充てん物密度値を使用する
ことにより上記の三つの制約条件のうちの少なくとも二
つが満足されたとき、本発明の光源は前に定義した実効
輝度が５０，０００ルーメン／ｃｍ²を超える。

【００１０】以下、付図を参照して詳細に説明する。

【００１１】

【実施例の記載】図１に示すように、本発明の高輝度ア
ーク放電ランプ１０はアーク管１２を使用している。こ
のアーク管１２は溶融石英材料で作ることができる。ア
ーク管１２の長さは寸法記号Ａで表され、４０ｍｍから
１００ｍｍの範囲の値とすることができる。アーク管１
２はダブルエンド型のアーク管であり、このダブルエン
ド型のアーク管はだ円体の中心部１４ならびに電極１６
および１８をそなえている。電極１６および１８は両側
から、だ円体の中心部１４の中に形成されたアーク室２
０の中に伸びる。もちろん本発明の高輝度特性は、シン
グルエンド型のアーク管でも達成することができ、この
ようなシングルエンド型のアーク管も本発明の範囲内に
ある。電力は通常の引出し線２４を介して電極に接続さ
れる。介在するモリブデンのフォイル（箔）部材が、引
出し線２４とそれぞれの電極１６、１８との間に配置さ
れる。

【００１２】電極１６と１８との間の距離、すなわちア
ークギャップ２２の距離は寸法記号Ｂで表され、その長
さは４ｍｍより小さいオーダになる。しかし好ましい実
施例では、この寸法は約２．５−３．０ｍｍに設定され
て、このような短いアークの寸法により、光ファイバ結
合装置（図示しない）の入力端が受ける光出力の画像を
小さい寸法として、これにより光分配のために直径がよ
り小さい光ファイバを使用することができるようにす
る。アーク放電光源の場合、ルーメンをアークギャップ
の自乗で割った値として前に定義された実効輝度のレベ
ルを大きくするためには、アークギャップ２２の長さＢ
を小さくする必要がある。アークギャップ２２の長さＢ
を小さくすることには、アーク放電の動作電圧が長さＢ
にほぼ比例して小さくなるというもう一つの効果もあ
る。このときアーク放電の動作電圧は、アーク室２０の
中に配置されたガス充てん物の水銀密度の平方根に比例
した値だけ小さくなる。これについては後で更に詳細に
説明する。

【００１３】アーク室２０の中に配置されているのは、
水銀と、アルゴン、クリプトンまたはキセノンのような
不活性ガスと、メタルハライド成分との混合物で実質的
に構成されるガス充てん物である。好ましい実施例で
は、キセノンガスが含まれ、室温での充てん圧力が１気
圧と１５気圧との間になっている。これを用いて、光源
１０が励起されるとほぼ即座に、光出力が与えられる。
もちろん、ランプ設計者が即時光の提供をやめて、キセ
ノンの代わりに付加的な量の水銀を含んだガス充てん物
を提供すべき場合には、このような実施例は２．０ｍｍ
より小さいアークギャップを提供することができるが、
以下詳細に説明するような本発明の対流の安定性、物理
的応力、および動作電圧特性を実行することにより、こ
のような代替設計はなお本発明の範囲内にある。主成分
である、アーク室２０内に配置された水銀の量は、ガス
充てん物の水銀密度を達成する原因となる。このような
水銀密度は通常、アーク室２０の容積の１立方センチメ
ートル当たりのミリグラムとして測定される。水銀密度
の選択によって、本発明の高輝度放電ランプ１０の動作
に関係する数個の非常に重要な要因が決まる。たとえ
ば、アークギャップ２２が２．５ｍｍのオーダであるこ
とが好ましい場合には、これにより動作電圧（Ｖｏｐ）
は次の実験式により求められる。

【００１４】

【数２】Ｖｏｐ＝２１＋１．８（水銀密度）^0.56×（ギャップ）（１）動作電圧を決める他に、水銀密度は次式に従ってアーク
管１２の中の水銀圧力も決める。

【００１５】

【数３】Ｐ（Ｈｇ）＝１．０気圧／（ｍｇ／ｃｃ）×（水銀密度）（２）少量の水銀の他に、６気圧（２０°Ｃ）のキセノンの充
てん物がランプ１０に付加される。キセノンの充てんに
より、ガス密度が約３３ｍｇ／ｃｃとなり、動作圧力Ｐ
（Ｘｅ）が４２気圧になる。

【００１６】次に、式（１）に関連して前に述べた動作
電圧Ｖｏｐは放電ランプが動作する効率の値の決定に使
用される。効率はルーメン／ワット（ｌｐｗ）で表さ
れ、次の実験式により決定される。

【００１７】

【数４】ＬＰＷ α １−ｅｘｐ［−（Ｖｏｐ−１５）／１３．６］（３）ここで、１５ボルトは電極降下に起因する。電極電力は
光を発生しないので、最大の効率を達成できるように電
極降下は最小にするべきである。本発明の要求を満足す
るには、約２．５ｍｍの好ましいアークギャップ２２の
場合、アーク管１２に約４．０ｍｇの水銀を添加するこ
とにより、動作電圧が４５ボルトより大きく且つ効率が
約７０−７５ルーメン／ワットとなる適正な水銀密度に
することが必要であることがわかった。アークギャップ
２２が約２．５ｍｍで、低温充てんＸｅ圧力が６気圧で
ある高輝度放電ランプ１０に対する動作電圧対全密度の
プロットが、図４および図５の曲線Ｉで示されている。
図４および図５に示されているように、１７ｍｇ／ｃｃ
のＨｇ充てん物密度に対応するアーク室２０の容積の約
５０ｍｇ／ｃｃより大きい全充てん物密度値の場合、４
５ボルトを超えるという動作電圧の条件が満足される。
逆に図３は、全充てん物密度が７０ｍｇ／ｃｃのオーダ
で、Ｈｇ充てん物密度の３７ｍｇ／ｃｃに対応する６気
圧の低温充てん圧力のキセノンが含まれているときに、
４５ボルトの所要動作電圧を達成するだけである約１．
８ｍｍのアークギャップの場合を示す。この動作電圧は
図３の曲線Ｉ’として示されており、後で更に詳しく説
明するように、ランプの動作に有害な他の条件となる。

【００１８】動作電圧を水銀密度の関数として定め、効
率を動作電圧の関数として定めると、所望のルーメン出
力を達成するために必要な動作エネルギーを定める必要
がある。２．５ｍｍのアークギャップで４５００ルーメ
ンの値が所望の光出力であり、かつ効率が約７５ルーメ
ン／ワットのオーダであるので、高輝度放電ランプ１０
の所要電力定格は約６０ワットである。

【００１９】本発明の高輝度光源１０の開発のもう一つ
の考慮点は、ランプ１０が長寿命特性を示し得るという
ことである。ここで、長寿命とは通常、２０００時間よ
り長い動作寿命であると考えられる。アーク管の設計で
は、ランプ電力をアーク管の外表面積で割ることにより
与えられるアーク管１２の管壁負荷は約２０Ｗ／ｃｍ ²
より小さくなければならないということが知られてい
る。したがって、高輝度放電ランプ１０は約６０ワット
で動作するので、少なくとも３．０ｃｍ²の表面積を設
ける必要がある。このような表面積値をそなえたランプ
を生じ得る多数の様々な形状があるが、図１の寸法Ｃで
示すガラス球の外径が約９．１ｍｍで、図１の寸法Ｄで
示すガラス球の長さが１１．０ｍｍであり、しかもアー
ク管１２の形状がだ円体であるアーク管１２を形成す
る。３．０ｃｍ²以上の表面積を達成する図１に示され
ただ円体形状以外の種々のアーク管形状も本発明の範囲
内にあると考えられる。

【００２０】表面積の寸法およびアークギャップ２２の
寸法の他に、図１には、アーク室２０のガラス球の内径
である寸法Ｅ、およびアーク管１２の壁の厚さを表す寸
法ｈも示されている。アーク管１２の壁厚ｈは、アーク
管１２のガラス球の外径Ｃからアーク室２０のガラス球
の内径を減算して、２で割ることにより決定される。こ
れらの寸法は、前に説明した水銀の密度およびキセノン
の密度の値と一緒に、図３乃至５にプロットされた二つ
の付加的な制約条件を決定するためのパラメータを提供
する。図４および図５の曲線Ｉとして前に説明した動作
電圧と一緒に、充てん物の密度値の関数として変化する
第二の制約条件は、アーク放電の対流の安定性の条件を
示す値である。対流の安定性が存在するためには、次式
で与えられるグラショフ（Ｇｒａｓｈｏｆ）数が所定の
臨界値より小さくなければならない。

【００２１】

【数５】Ｇｒ＝Ｃ×π²×Ｒ³×（水銀密度＋キセノン密度）² （４）但し、Ｒは内腔の直径（図１の寸法Ｅ）の１／２であ
り、ｃは比例定数である。実験により、ランプ１０が対
流的に安定的に動作するように、Ｇｒ／ｃの値が１４０
０ｍｇ²／ｃｃより小さくなければならないことが見出
された。アーク室２０の直径および充てん物の密度の関
数としてグラショフ数を厳密に解けば、式（４）に対す
る解のグラフ的な表現を得ることができる。グラショフ
数に対する図３および図４のグラフを参照すると、アー
ク室の直径が７ｍｍのとき、全充てん物密度が約５７ｍ
ｇ／ｃｃより小さければ、このようなグラショフ数はし
きい値の臨界値より小さくなる。式（４）の簡略化され
た形に対する解は、図３および図４に示す曲線ＩＩ’を
生じる。曲線ＩＩ’を図３および図４の曲線Ｉまたは
Ｉ’と比較すると、これは動作電圧の制約条件および対
流安定性の制約条件を同時に満足する全充てん物密度に
ついての単一の解が無いということを示す。しかし図５
からわかるように、アーク室２０の直径が６．０ｍｍの
場合、グラショフ数に対する式（４）に対する解が曲線
ＩＩを生じる。曲線ＩＩでは、全充てん物密度値が約７
２ｍｇ／ｃｃより小さい場合、対流の安定性を維持する
ことができる。更に図５からわかるように、全充てん物
密度値が約５２ｍｇ／ｃｃから７２ｍｇ／ｃｃ迄の範囲
にあれば、動作電圧と対流の安定性が同時に満足され
る。

【００２２】第三の制約条件は、全充てん物密度値、ア
ーク管内径、およびアーク管１２の寸法”ｈ”によって
決められる。このような制約条件は構造完全性の制約条
件として表される。アーク管１２の構造の完全性を維持
するため、すなわち、非受動的な故障の危険無しに動作
するために、アーク管１２の赤道でのアーク管１２の材
料の引張り応力がこのような材料の能力を超えないこと
が必要である。このような材料は、今の場合、石英であ
る。アーク管１２の引張り応力は次式で与えられる。

【００２３】

【数６】 σ＝（Ｐ（Ｈｇ）＋Ｐ（Ｘｅ））×Ｒ／ｈ（５）ここで、ｈは前に述べたアーク管の壁厚値であり、Ｒは
アーク管の内径である。この式に対する解は、約７００
０ｐｓｉのオーダである石英の引張り強度より小さくな
ければならない。そして、Ｐ（Ｈｇ）＋Ｐ（Ｘｅ）はラ
ンプの動作圧力を表す。ランプ１０の安全係数が２と３
との間にあるべきものとすれば、式（５）に対する解と
して３０００ｐｓｉより小さい値が適当であると判定さ
れた。しかし、この安全係数はやや任意であること、ラ
ンプ設計者がこの標準値を２より小さい値に緩和するこ
とを選択すれば図５に示すように三つの制約条件をすべ
て満足する充てん物密度の範囲は上側範囲限界が拡大さ
れること、およびこのような（理論的には曲線ＩＩの限
界−７５ｍｇ／ｃｃまで）拡大された範囲が本発明の範
囲内にあることがわかる。また、アーク管１２に石英以
外の材料を使用した場合には、引張り強度および安全係
数の考慮をそれに応じて調整することができ、なお本発
明を実行することができる。充てん物密度に関して式
（５）を解くことにより、図３乃至図５に示された式が
得られ、それから図３および図４の曲線ＩＩＩ’が得ら
れ、図５の曲線ＩＩＩが得られる。図３および図４から
明らかなように、１．０ｍｍの壁厚値の場合、第三の制
約条件を満足する充てん物密度に対する値は５０ｍｇ／
ｃｃより小さい値で生じる。これは、動作電圧および対
流の安定性と比べると、三つの制約条件のすべてを同時
に満足できる充てん物密度の解が無いことを示す。

【００２４】アーク管１２の壁厚として１．５ｍｍの値
が選択された図５では、三つの制約条件のすべてを同時
に満足することができる充てん物密度に対する値の範囲
があることがわかる。このような範囲は充てん物密度の
約５５ｍｇ／ｃｃと５８ｍｇ／ｃｃとの間となる。この
グラフ表現により、この範囲内に入る充てん物密度値に
対して、アークギャップが２．５ｍｍ、アーク室２０の
半径が３．０ｍｍ、そして壁厚が１．５ｍｍで、これに
よりランプ１０が、許容可能な効率定格となる動作電圧
で、対流の不安定性の無い条件の下で、かつ適当な安全
係数をそなえた圧力で動作することができるので、アー
ク管１２の構造の完全性が保証されるような高輝度放電
ランプ１０を提供することができる。

【００２５】図５は本発明の高輝度放電ランプ１０が最
も効率の良い動作を行う設計パラメータを示す。図５に
示す範囲内に入らない短いアークギャップの高輝度放電
ランプを生じるが、それでも光ファイバ光伝送システム
に対して使用される既存の光源と比べて著しく改良され
た輝度特性を示すランプを生じるようなランプ構成に可
能なかね合いがあることがわかる。たとえば、図４に記
載された値に従って光源を構成することが可能である。
この場合、動作電圧の制約条件と同時に、対流の安定性
の制約条件および引張り強度の制約条件を満足するよう
に、充てん物密度値が選定され、これは好ましい範囲の
外側にある。このようにして、結果として得られる放電
ランプはなお短アークギャップに比べて高輝度を示す
が、図５に示すものに比べて効率定格は低くなるので、
より高い電力定格、したがって長寿命特性を得るための
管壁負荷再計算が必要となる。更に、安全係数の上記緩
和により、好ましい範囲の外側の充てん物値の範囲で高
輝度ランプが得られるが、それでも本発明の他の利益が
達成される。

【００２６】次の表１および表２は種々の型の放電光源
の特性の比較を示す。ＬＥは本発明の高輝度放電ランプ
１０を表わす。

【００２７】

【表１】表１ランプＶｏｐギャップＧｒ／ｃ σ ＭＸＲ３２９０V ５．０mm ５００mg²/cc ２８００psi ＤＦＬ４５２．２３３０１７００Ｄ１９０４．０１４０１１００ＬＥ６０２．７７８０１９００

【００２８】

【表２】表２ランプＲｈＶｏｌ ρ_xe ρ_hg ＭＸＲ３２３．９mm ０．６mm ０．１７５０mg/cc ２９mg/cc ＤＦＬ２．２１．３０．０８３３２３Ｄ１１．５１．５０．０３５３３３１ＬＥ３．０１．５０．１９３３２１前に述べたように、光ファイバまたは類似の光伝送媒体
に使用するための充分な光出力を供給するには、放電ラ
ンプ１０が達成し得る輝度レベルは高くなければならな
い。図２に示すように、前の表１に記述された種々の光
源の出力レベルと比較して、放電ランプ１０のルーメン
／平方センチメートルで測定された実効輝度特性は約５
８，０００ルーメン／平方センチメートルである。図２
に示すように、標準のメタルハライドランプは５０，０
００ルーメン／平方センチメートルの目標に比べて１０
分の１より低く、Ｄ１と表された前照灯放電アーク管で
も３．４分の１にしか過ぎない。図２にＤＦＬと表さ
れ、上記米国特許第４，８６８，４５８号に述べられて
いる光源でも、本発明の実効輝度は達成されない。本発
明の、以上に開示された実施例は好ましい実施例を構成
するが、特許請求の範囲に記載されたような発明の範囲
を逸脱することなく変形を加え得ることが理解される筈
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従って構成された高輝度特性のアーク
放電光源の断面図である。

【図２】種々の公知の光源の実効輝度対アーク負荷特性
を本発明のアーク放電光源と対比して示すグラフであ
る。

【図３】本発明の一実施例を満足するアーク管寸法の場
合の三つの制約条件と６気圧低温充てん物Ｘｅ（３３ｍ
ｇ／ｃｃ）を含む全密度との間の解を示すグラフであ
る。

【図４】本発明の必要条件を満足しないアーク管寸法を
使用した三つの制約条件と全密度との間の代替解を示す
グラフである。

【図５】本発明の実施例を満足するアーク管寸法を使用
した三つの制約条件と全密度との間の好ましい解を示す
グラフである。

【符号の説明】

１０高輝度アーク放電ランプ１２アーク管１６，１８電極２０アーク室２２アークギャップＢアークギャップの長さＥアーク室の直径

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ティモシー・ピーター・ディーバーアメリカ合衆国、オハイオ州、フェアビュー・パーク、エレン・ドライブ、21221番 (72)発明者ロコ・トーマス・ジョーダノアメリカ合衆国、オハイオ州、ガーフィールド・ハイツ、ウィラード・アベニュー、 13004番 (72)発明者ジョン・マーチン・ディブンポートアメリカ合衆国、オハイオ州、リンドハースト、グラハム・ドライブ、5138番

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高輝度特性を示すアーク放電光源に於い
て、中にアーク室が形成されたアーク管、上記アーク室の中に配置され、放電状態に励起され得る
充てん物、および上記アーク室の中に伸びて、４ｍｍよ
り短いアークギャップによって隔てられた少なくとも２
個の電極であって、励起されたときに当該電極間に所定
の最小値を持つ動作電圧が形成される少なくとも２個の
電極を含み、上記充てん物は水銀を含み、水銀は上記アーク室の容積
の関数として充てん物密度値を決定し、上記動作電圧の
上記所定の最小値が上記充てん物の密度および上記アー
クギャップの関数として決定され、上記アーク室は、上記充てん物密度に関連して、所定の
しきい値より低い安定性値が達成されるように選定され
た寸法を有し、更に、上記アーク管はその壁厚値および
上記充てん物密度の関数として定められた強度値を有
し、上記動作電圧が上記充てん物密度の関数として定められ
た第一の制約条件であり、上記安定性値が上記充てん物
密度の関数として定められた第二の制約条件であり、上
記アーク管の強度値が上記充てん物密度の関数として定
められた第三の制約条件であり、所定の範囲の水銀密度
値から選んだ充てん物密度値により上記の第一、第二お
よび第三の制約条件のうちの少なくとも二つが同時に満
足されたときにアークギャップ面積の１平方センチメー
トル当たり５００００ルーメンを超える輝度レベルが達
成されることを特徴とする高輝度特性を示すアーク放電
光源。
【請求項２】上記充てん物が不活性ガスを含み、上記
不活性ガスおよび上記水銀は上記充てん物全体の密度に
対するそれぞれの密度に寄与する請求項１記載のアーク
放電光源。
【請求項３】同時に満足される上記の少なくとも二つ
の制約条件が対流の安定性の制約条件および上記の強度
値の制約条件である請求項１記載のアーク放電光源。
【請求項４】５０ｍｇ／ｃｃと６０ｍｇ／ｃｃとの間
の値の範囲から選定された充てん物密度値の使用によ
り、上記の三つの制約条件のすべてが同時に満足される
請求項１記載のアーク放電光源。
【請求項５】上記の充てん物密度およびアーク室の直
径寸法の関数として定められた所定のしきい値より小さ
くなるように、上記の対流安定性の制約条件が計算され
る請求項１記載のアーク放電光源。
【請求項６】長さが２ｍｍと３．５ｍｍとの間の値と
なるように上記アークギャップが選定される請求項１記
載のアーク放電光源。
【請求項７】上記アーク管が石英で作られ、上記アー
ク管の引張り強度が上記アーク管の壁厚の関数として定
められ、上記アーク放電光源の動作圧力と上記アーク管
の最大引張り強度能力との間に少なくとも２倍の安全係
数が得られるように上記強度値の制約条件が定められる
請求項１記載のアーク放電光源。
【請求項８】上記壁厚、上記アーク室の直径寸法、お
よび上記アーク管の中に配置された上記電極相互の間に
形成される上記アークギャップを含むアーク管寸法値を
バランス良く調整することにより上記制約条件が同時に
満足され、最小のアークギャップ、最大の壁厚、および
最小のアーク室の直径寸法が得られるように上記アーク
管寸法値がバランス良く調整される請求項８記載のアー
ク放電光源。
【請求項９】最大のアーク管表面積を達成しつつ、ア
ーク管表面積の１平方センチメートル当たりの壁負荷係
数が２０ワット以下となるように上記アーク管寸法値が
バランス良く調整される請求項８記載のアーク放電光
源。
【請求項１０】上記動作電圧の制約条件が４５ボルト
以上であり、その結果、上記アーク放電光源の有効度定
格として約７５ルーメン／ワットが達成される請求項１
記載のアーク放電光源。
【請求項１１】上記の対流安定性の制約条件の値が１
立方センチメートル当たり１４００平方ミリグラムより
小さい請求項１記載のアーク放電光源。
【請求項１２】上記アーク管の表面積が約３．０平方
センチメートルであり、上記アーク放電光源が約６０ワ
ットの電力で動作する請求項９記載のアーク放電光源。
【請求項１３】上記光源の輝度レベルとして、１平方
センチメートル当たり５０，０００ルーメンを超える値
が達成される請求項１記載のアーク放電光源。
【請求項１４】上記アークギャップが２．０ｍｍと
３．５ｍｍとの間であり、上記壁厚が１．３ｍｍと１．
７ｍｍとの間であり、上記動作電圧が５５ボルトと６５
ボルトとの間であり、上記充てん物が室温で４気圧と８
気圧との間の圧力のキセノンを含んでいる請求項９記載
のアーク放電光源。
【請求項１５】上記アーク放電光源の動作圧力と上記
アーク管の最大引張り強度能力との間で１．５倍から２
倍の安全係数が得られるように上記強度値の制約条件が
定められる請求項９記載のアーク放電光源。
【請求項１６】５０ｍｇ／ｃｃと７０ｍｇ／ｃｃとの
間の値の範囲から選定された充てん物密度値の使用によ
り、上記の三つの制約条件のすべてが同時に満足される
請求項１５記載のアーク放電光源。