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ERFINDUNGSGEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Entladungslampen hoher Intensität, somit
HID-Lampen, zur Verwendung bei Kraftfahrzeugen. Vor allem bezieht
sie sich auf elektrodenlose HID-Lampen, die durch hohe Frequenzen
bzw. Radiofrequenzen erregt werden, sowie auf Verfahren zur Verwendung
der inhärenten
akustischen Resonanzfrequenzen der Bogenentladung einer solchen
Lampe, um deren Strahlungsmuster zu ändern gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Kraftfahrzeughersteller
suchen ständig
unempfindliche, langlebige und effiziente Lichtquellen für den Ersatz
der herkömmlichen
Scheinwerferlampen mit Wolframglühfäden. Kraftfahrzeuge
sind für
jede Lichtquelle eine harte Umgebung. Die von der derzeitigen Technologie
verwendeten Scheinwerferlampen müssen
während
der Lebensdauer eines Kraftfahrzeugs gewöhnlich mehrmals ersetzt werden.
Die typischen heutzutage in Verwendung befindlichen Wolframhalogenlampen
erlauben nur etwa 1000 Zündungen
und etwa 2000 Betriebsstunden, bevor sie durchbrennen. Kraftfahrzeughersteller
verspüren
einen Bedarf an einer Lampe, die 5000 Zündungen und 5000 Betriebsstunden
erlaubt, ohne einen signifikanten Teil der anfänglichen Lichtausbeute zu verlieren.
Ein Abfall von 15 % der Lampenintensität während der Lampenlebensdauer
wird allgemein als zufriedenstellend angesehen.
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Kraftfahrzeugscheinwerfer
werden notwendigerweise längs
der Frontfläche
eines Fahrzeugs angeordnet. Diese Flächen sind die ersten Flächen, die
bei Bewegung eines Fahrzeugs Windwiderstand begenen. Demzufolge
sind Lampenstirnflächen
für die
aerodynamische Gestaltung des Fahrzeugs wichtig. Die großen Lampenstirnflächen, die
bis dato verwendet wurden, mußten
derart gestaltet werden, daß sie
in das aerodynamische Gesamtdesign eines Fahrzeugs paßten. Dies
führte
konsequenterweise weg von einer Standardisierung der Scheinwerferlampen.
Eine Begrenzung der Größe der Lampenstirnfläche könnte deshalb
zu einer Standardisierung von Scheinwerferlampen zurückführen und
Lampenkosten verringern.
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Die
Schaffung von kleinen, unempfindlichen, langlebigen und preiswerten
Lampen für
den Dienst in Kraftfahrzeugen ist nicht einfach. Bei der Konstruktion
von diese Kriterien erfüllenden
Kraftfahrzeugscheinwerferlampen wurde für Linsen und Reflektoren Kunststoff
verwendet. Wenn er auch preiswert und leicht formbar ist, so leidet
die Verwendung von Kunststoff jedoch unter der Möglichkeit, daß er bei Überhitzung
schmilzt. Es ist deshalb erforderlich, Lampen mit einem hohen Wirkungsgrad
zu schaffen, die bei einer vorgegebenen Lichtausbeute weniger zu Überhitzung
neigen. Eine typische Kraftfahrzeugscheinwerferlampe erfordert zwischen
50 und 60 Watt Leistung, um eine Lichtausbeute von 1100 bis 1320
Lumen mit einer Effizienz von etwa 22 Lumen pro Watt zu erzeugen.
Es besteht Bedarf, dies viel besser zu machen.
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Für Kraftfahrzeugzwecke
verwendete HID-Lampen waren gewöhnlich
von der elektrodenbesitzenden Art. Diese Lampen werden gewöhnlich durch
Quetschdichtung einer Glashülle
um ein Elektrodenpaar erzeugt. Während
die ungeschmolzenen Teile der Lampenhülle bei der Herstellung genau
gesteuert bzw. kontrolliert werden, können die Wandstärke, die
Wandwinkel und die Quetschdichtung von Lampe zu Lampe variieren. Ein
kleiner, doch noch signifikanter, Teil des Lampenlichts tritt durch
die Quetschdichtung hindurch oder wird von dieser reflektiert, insbesondere
bei kleinen oder kurzen Lampen, bei denen der Dichtungsbereich einen größeren Prozentsatz
der Beleuchtungssphäre
bildet. Diese Variationen können
zu unkontrollierten Ablenkungen des Lichts und zu Blendung führen. Die
Glashülle
könnte
durch exaktere Kontrolle der Herstellungseinzelheiten gesteuert
werden, doch dies würde
zu erhöhten
Kosten führen.
Es besteht deshalb ein Bedarf an einer preiswerten HID-Lampe, deren
Wandstärke
und Wandwinkel akkurat gesteuert bzw. eingehalten werden.
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Eine
solche Lampe wird im US-Patent Nr. 5 13 21 beschrieben, daß auf den
gleichen Inhaber wie das vorliegende europäische Patent übertragen
worden ist, (ausgegeben an Walter P. Lapatovich et al) für eine ELEKTRODENLOSE
HID-LAMPE MIT LAMPENKAPSEL, und zwar am 12. Mai 1992. Darin wird
eine elektrodenlose Lampe beschrieben, die viele der vorgenannten Probleme,
hervorgerufen durch die Siegelung einer Glashülle rund um Elektroden, eliminiert.
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Diese
langgestreckte elektrodenlose HID-Bogenentladungslampe wird gemäß einem
Verfahren betrieben, das die Schritte der Aufbringung eines Hochfrequenzsignals
auf die Lampe, um eine Bogenentladung zu initiieren und zu erhalten,
die in der Lampe an einer vorbestimmten Stelle in ruhendem Zustand
angeordnet ist, umfaßt.
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Ein
weiteres wünschenswertes
Merkmal bei Lampen, die für
die Vorwärtsbeleuchtung
in Kraftfahrzeugen verwendet werden (Scheinwerferlampen), ist ihre
Fähigkeit,
ihr Strahlmuster zu ändern,
um unter bestimmten Umständen
die Scheinwerferlampen blinken oder blitzen zu lassen. Derartiges
Blinken oder Blitzen kann beispielsweise erwünscht sein, um den Verkehr
zu informieren, sobald ein Fahrzeug in eine Überholspur hinein beschleunigt
und langsameren Verkehr passiert. Ein solches „Blitzen-um-zu-passieren"-Signal geben ist
in bestimmten Ländern
erforderlich. Auch ist zu wünschen,
das Fernlicht-Beleuchtungsmuster
eines Scheinwerfers von Fernlicht auf Abblendlicht zu schalten,
wenn sich entgegenkommender Verkehr nähert, oder auch unter den Bedingungen
nebligen oder regnerischen Wetters.
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Bei
Kraftfahrzeugen sind zahlreiche Verfahren für den Fernlicht-/Abblendlicht-Betrieb
benutzt worden. Um diese Funktionen zu gewährleisten, wurden die traditionellen
Wolframfaden-Scheinwerferlampen oftmals mit einem unabhängigen Glühfadenpaar
versehen, das dafür
ausgelegt war, entweder einzeln oder gemeinsam mit Strom versorgt
zu werden. Einige Kraftfahrzeughersteller benutzten vier individuelle, abgedichtete, Scheinwerferlampeneinheiten
mit einzelnen Glühfäden, zwei
für das
Fernlicht (rechte und linke Seite) und zwei für das Abblendlicht.
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Es
ist bekannt, daß das
Bogenentladungsmuster in entweder elektrodenaufweisenden oder elektrodenlosen
HID-Lampen akustische Resonanz zeigt. An Punkten derartiger akustischer
Resonanz wird die Bogenentladung gestört, beispielsweise aus ihrem
normalen physikalischen Muster herausgezwungen. Akustische Resonanz
kann durch Verwendung eines erregenden Signals, gewöhnlich unterhalb
des Hörbereichs,
im Hörbereich
oder oberhalb des Hörbereichs,
hervorgerufen werden, in Abhängigkeit
von der Größe der Lampe. Es
war die Praxis der Konstrukteure, einen Betrieb von HID-Lampen an
oder nahe an akustischen Resonanzpunkten zu vermeiden.
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In
dem US-Patent Nr. 4 170 746 (ausgegeben an John M. Davenport am
9. Oktober 1979 für
HOCHFREQUENZBETRIEB MINIATURISIERTER DAMPFENTLADUNGSLAMPEN) werden
die Probleme der Vermeidung akustischer Resonanzbänder bei
der Konstruktion von Miniatur-HID-Lampen diskutiert. Es ist wohl bekannt,
daß dann,
wenn elektrodenaufweisende HID-Lampen bei 60 Hz arbeiten, ihre Effizienz
verhältnismäßig niedrig
ist. Dieses Effizienzproblem kann durch die Verwendung höherer Erregungsfrequenzen,
gewöhnlich
20 kHz bis 50 kHz, überwunden
werden. Es ist auch bekannt, daß bestimmte
Resonanzfrequenzen existieren, bei denen das Bogenmuster unberechenbar
wird. Davenport identifiziert drei verschiedene Resonanzbänder. Bei
dem ersten Band findet eine katastrophale Instabilität des Bogens
statt; der Bogen wird gegen die Wand der Lampe gezwungen und wird
die Wand schnell durchschmelzen. Ein zweites Resonanzband existiert dort,
wo die Lichtausbeute fluktuiert und der Bogen wandert. Bei einem
dritten Resonanzband ist die den Bogen umgebende leuchtende Aureole
unstabil. Davenport lehrt die Konstruktion von elektronischen Vorschaltgeräten, die
dafür ausgelegt
sind, diese Resonanzbänder
zu vermeiden.
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Das
US-Patent Nr. 4 983 889 (ausgegeben an Viktor D. Roberts am B. Juli
1991 für
DISCHARGE LAMP USING ACOUSTIC RESONANCE OSZILLATIONS TO ENSURE HIGH
EFFICIENCY) und der
EP
0 399 288 A2 entspricht, lehrt die Verwendung von akustischer
Energie, um die Füllungsbestandteile
in der Hülle
einer HID-Lampe sorgfältig
zu mischen. Roberts diskutiert die Effekte der akustischen Energie
bei sowohl resonanten als auch nichtresonanten Frequenzen auf die
Geometrie des Bogens. Roberts lehrt jedoch nicht die Verwendung
von akustischer Energie, um den Bogen zu bewegen und die vorerwähnten Blink- oder Blitz-Tätigkeiten
zu erzielen.
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Das
US-Patent Nr. 5 306 987 zeigt eine vertikale Lampenröhre in einem
toroidalen Feld. Dies erregt einen Plasmaring in der Röhre, der
inhärent
instabil ist, da die Harmonischen des Rings dazu tendieren, rund um
die Vertikalachse zu rotieren (echo). Es ist wahrscheinlich, daß es immer
kleine Temperaturunterschiede rund um die Wand gibt, das Glas ist
nicht genau symmetrisch, das Feld ist bezüglich der Lampe nicht genau zentriert,
oder die Lampe wird nicht symmetrisch gekühlt. Es gibt somit an den Plasmaring
angrenzend heiße und
kalte Spots. Auf dem Ring findet dann Welligkeit statt, was lokalen
Leistungseingang in den Ring bewirkt. Diese Welligkeit kann rund
um den Ring jagen und dies beibehalten. Das Plasma tendiert sodann
dazu, vor- und zurückzuschwappen,
wie oben erwähnt.
Ferner tendiert der Ring dazu, sich zu verschlingen oder zu verdrehen.
Der Stand der Technik verwendet sodann die Resonanz dazu, einem
instabilen System Stabilität
aufzuzwingen.
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Die
EP-A-0 502 273 offenbart eine mit Elektroden versehene, kolbenförmige Lampe,
bei welcher bei einer Frequenz im Hörbereich dem Erregungsstrom
ein Gleichstrom auferlegt wird. Das Ergebnis ist, daß der Bogen
geradegerichtet wird. Die gewählte
Frequenz induziert eine stehende radiale Resonanz, die von den Elektrodenspitzen
ausgeht. Es ist inhärent
einfach, diese radiale Resonanz zu erregen, da die Elektroden bereits
zentriert sind.
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Der
Kern der EP-A-0 626 799 entspricht allgemein der EP-A-0 502 273,
ist jedoch auf eine horizontalbetriebene Lampe begrenzt und verwendet
einen überlappenden
akustischen Frequenzbereich.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kleine, hocheffiziente,
elektrodenlose HID-Lampe zu schaffen, die zur Verwendung für Kraftfahrzeugscheinwerferzwecke
geeignet ist.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine elektrodenlose HID-Lampe
an oder nahe dem akustischen Resonanzpunkt zu betreiben, den Bogen
der HID-Lampe in gesteuerter Weise abzulenken bzw. zu verlagern,
um einen unterscheidbaren Wechsel in der Sichtbarkeit des Fernlichts
derselben durchzuführen,
wenn sie mit einem optischen System assoziiert ist, dessen Lichtausbeute
nach vorne gerichtet ist.
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Es
ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine akustische Perturbation
vorübergehender
Natur hervorzurufen, um ein Blitzen-um-zu-passieren-Signal geben
zu erzielen, oder eine Perturbation anhaltender Natur, um seitens
einer einzelnen elektrodenlosen HID-Lampe ein Fernlicht-/Abblendlicht-Schalten
zu erreichen.
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Schließlich ist
es eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine elektrodenlose HID-Lampe
zu schaffen, die eine lange Betriebslebensdauer aufweist und geringe
Anfangskosten verursacht.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Verfahren
zum Betreiben einer elektrodenlosen HID-Entladungslampe, welches
die folgenden Schritte umfaßt:
Anlegen eines Hochfrequenzsignals an die Lampe, um eine in einer
vorbestimmten Ruhezustandslage in der Lampe angeordnete Bogenentladung
zu initiieren und zu erhalten, wobei die Lampe zumindest eine akustische
Resonanzfrequenz besitzt, bei welcher die Bogenentladung aus der
genannten Ruhezustandslage verlagert wird, und das Hochfrequenzsignal
moduliert wird, um bei der genannten zumindest einen akustischen
Resonanzfrequenz akustische Resonanz hervorzurufen und um die Bogenentladung
aus der vorbestimmten Ruhezustandslage in eine zweite Lage zu bringen.
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Demgemäß wird die
Lampe von einem Hochfrequenzsignal erregt. Wird das Hochfrequenzsignal
in einer geeigneten Art und Weise moduliert, wird akustische Resonanz
und eine damit verbundene Verlagerung der Bogenentladung erzielt.
Ist die Lampe mit einem optischem System gekoppelt, das nach vorne
wirkt, so erhält
man ein verwendbares Kraftfahrzeug-Scheinwerfersystem.
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Ein
Umschalten von Fernlicht auf Abblendlicht und/oder eine Blitzen-oben-zu-überholen-Signalgebung
werden durch die Steuerung der Amplitude und der Dauer der Modulation
des Hochfrequenzsignals erreicht.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Ein
vollständiges
Verständnis
der vorliegenden Erfindung läßt sich
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen in Verbindung mit der Einzelbeschreibung derselben erreichen.
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Es
zeigt:
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1 ein schematisches Schaubild
einer Prüfanordnung
zur Untersuchung der akustischen Modulationswirkungen auf elektrodenlose
HID-Lampen;
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2 ein Diagramm der Amplitude
und der Phase akustischer Signale, gemessen von der Prüfanordnung
nach 1;
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3 eine graphische Darstellung
der radialen, azimutalen und longitudinalen akustischen Resonanzfrequenzen
für verschiedene
Lampen als eine Funktion der Natriumdosierung;
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4 das Bild eines Bogenentladungsmusters,
in dem Verlagerung während
der ersten longitudinalen Resonanz dargestellt ist, und zwar unter
Verwendung der Prüfanordnung
nach 1;
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5 das Bild eines Bogenentladungsmusters,
in dem Verlagerung während
der ersten azimutalen Resonanz dargestellt ist, unter Verwendung
der Prüfanordnung
nach 1;
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6 das Bild eines Bogenentladungsmusters,
welches Verlagerung während
der ersten radialen Resonanz darstellt unter Verwendung der Prüfanordnung
nach 1;
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7a ein Bild des Strahlungsmusters
einer elektrodenlosen HID-Lampe, die am Punkt einer akustischen
Resonanz betrieben wird;
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7b ein Bild eines Strahlungsmusters
einer elektrodenlosen HID-Lampe, die an einem Punkt betrieben wird,
an dem keine Resonanz herrscht.
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8 ein schematisches Schaubild
einer elektrodenlosen HID-Lampe und der erforderlichen Erregungsschaltung
für die
Anwendung als Kraftfahrzeugscheinwerfer;
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9 eine Draufsicht auf eine
typische elektrodenlose HID-Lampe mit typischen Applikatoren für die Ankopplung
eines Hochfrequenzsignals an die Lampe; und
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10 ein schematisches Schaubild
einer elektrodenlosen HID-Lampe mit höherer Nennleistung, als sie
für den
Dienst als Kraftfahrzeugscheinwerfer erforderlich ist, mit der erforderlichen
Schaltung zur Erregung der Lampe.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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In 1 ist ein schematisches
Schaubild eines Testaufbaus für
die Auswertung der Wirkungen von akustischen Störungen der Bogenentladungen
einer elektrodenlosen HID-Lampe gezeigt. Ein digitaler Hochfrequenzsignalgenerator
(wie ein Hewlett Packard Modell 8057A 100) kann zur Erzeugung eines
Hochfrequenzsignals (RF) verwendet werden. Der Signalgenerator 100 ist
zur Amplitudenmodulation eines Hochfrequenzträgers fähig, entweder kontinuierlich
oder in Stößen. Die
Trägerfrequenz
und die Modulationscharakteristiken des erzeugten Hochfrequenzsignals
können
durch ein äußeres Steuersignal
kontrolliert werden, das weiter unten im einzelnen diskutiert wird.
Das erzeugte modulierte Hochfrequenzsignal kann durch einen linearen
Hochfrequenz-Leistungsverstärker 102 von
der Klasse AB verstärkt
werden. Ein geeigneter Verstärker wird
von der Microwave Power Equipment, Inc., als Modell Nr. PAS-47-0-500/1000 hergestellt.
Das verstärkte Hochfrequenzsignal
vom Verstärker 102 wird
einem Zirkulator bzw. einer Richtungsgabel 104 zugeführt. Ein typischer
Zirkulator wird von Western Microwave als Modell Nr. 3JA-Qu-075-915
hergestellt. Der Hochfrequenzausgang vom Zirkulator 104 wird
als Eingang einem bi-direktionalen Koppler 110 zugeführt. Jedwede
an diesem Punkt in dem System reflektierte Energie fließt zurück durch
den Zirkulator und durch einen direktionalen Koppler 106 an
eine geeignete Last 108. Direktionale und bi-direktionale
Koppler sind in der Technik bestens bekannt; es läßt sich
jedwede für
den ausgewählten
Frequenzbereich geeignete Einrichtung benutzen. Ein Paar Kristalldetektoren 112, 113 ist
als Ausgang des bi-direktionalen Kopplers 110 vorgesehen.
Es werden Kristalldetektoren des Modells 423B von Hewlett
Packard verendet. Einer der Kristalldetektoren 112 kann
zur Messung der Vorwärtsleistung
dem bi-direktionalen Koppler 110 zugeordnet sein. Der andere
Kristalldetektor 113 kann zur Messung der reflektierten
Leistung mit dem bi-direktionalen Koppler 110 verbunden
sein. Die tatsächlich
der Lampe 116 zugeführte
Leistung kann berechnet werden durch Subtraktion der reflektierten
Leistung von der Vorwärtsleistung,
wie von den Kristalldetektoren 112, 113 festgestellt.
Festgestellte Signale von den Kristalldetektoren 112, 113,
welche die Modulationsinformation wiederherstellen, werden als Eingang
einem Netzwerkanalysator 114 zugeführt. Ein Netzwerkanalysator
des Modells 4195A von Hewlett Packard hat sich als geeignet erwiesen.
Der Netzwerkanalysator 114 stellt auch ein Kippsteuersignal
zur Verfügung,
das an den Signalgenerator 100 angelegt wird. Dieses Kippsteuersignal
erlaubt ein Überstreichen
eines vorbestimmten akustischen Frequenzbereichs und ein Auftragen
von Amplitude und/oder Phase gegenüber Frequenzdarstellungen einer
HID-Lampe unter Test. Der größere Teil
des Hochfrequenzsignals vom bi-direktionalen Koppler 110 wird
einer elektrodenlose HID-Lampe 116 unter Test zugeführt, und
zwar unter Verwendung einer geeigneten Kopplungseinrichtung, wie
bekannt. Ein allgemein mit dem Bezugszeichen 118 versehenes visuelles Überwachungssystem
ist vorgesehen, um den Pegel der Lichtausgabe, die Bogenform und
die Strahlrichtungscharakteristiken der unter Test befindlichen
Lampe 116 zu überwachen.
Das Überwachungssystem 118 kann
aus einer CCD-Kamera mit geeigneter Leistungsversorgung, einem digitalen
Videosystem (DVS), einem herkömmlichen
VCR und einem Videomonitor bestehen. Für diese Anwendung hat sich
eine Hamamatsu-Kamera, Modell Nr. C3077, als zufriedenstellend erwiesen,
wie auch das Hamamatsu-DVS-Modell DVS-3000.
Endlich überwacht
ein Spektrumanalysator 120 einen Teil des verstärkten Hochfrequenzsignalausgangs
vom direktionalen Koppler 106. Für die Überwachung dieses Referenzsignals
wurde ein Spektrumanalysator des Modells 70004A-70908A von Hewlett
Packard verwendet.
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Die
Mikrowellenerregung elektrodenloser HID-Lampen ist Stand der Technik.
Während
auch viele Frequenzen für
die Lampenerregung verwendet wurden, sind doch die oft verwendeten
allgemeinen Frequenzbänder
die bei 13,5 mHz, 40 mHz, 915 mHz oder 2450 mHz zentrierten ISM-Bänder. Es
wurde festgestellt, daß das
Verfahren nach der vorliegenden Erfindung in dem Band von 902 mHz
bis 928 mHz effektiv arbeitet. Für Zwecke
der Offenbarung wurde eine Frequenz von näherungsweise 915 mHz gewählt. Auf
die 915 mHz-Trägerfrequenz
wurden Modulationsfrequenzen im Bereich von 10 kHz bis 600 kHz aufgebracht.
Es wurde festgestellt, daß das
Verfahren nach der vorliegenden Erfindung von der verwendeten Trägerfrequenz
im wesentlichen unabhängig
ist und deshalb bei Frequenzen in irgend einem der oben bezeichneten
vier ISM-Bänder verwendet
werden kann.
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In 2 ist für eine typische elektrodenlose
HID-Lampe das Amplituden- und Phasenverhalten gegenüber der
Modulationsfrequenz aufgetragen. Die Amplitude 122 und
die Phase 124 des returnierten Signals, gemessen vom Kristalldetektor 113,
ist relativ zur Amplitude und zur Phase des vom Kristalldetektors 112 gemessenen
Eingangssignals aufgetragen. Die vertikale Skala für die Amplitude
mißt in
dB und die Phase ist in Grad dargestellt. Die Signifikanz des Diagramms
zeigt sich durch das simultane Auftreten von Störungen bzw. Perturbationen
in sowohl Amplitude als auch Phase, welche auftreten, wenn die Modulationsfrequenz
durch eine Resonanz abgelenkt wird. Eine simultane Perturbation
bei einer Resonanz ist mit den kreisförmigen Markern bei etwa 37.450
kHz angezeigt. Durch ein Sweeping, Wobbeln oder Abtasten der Modulationsfrequenz wird
eine Resonanzkarte konstruiert, die Perturbationen zeigt, die bei
den Resonanzfrequenzen für
das Eingangssignal auftreten. Sowohl in der Amplitudenkurve als
auch der Phasenkurve lassen sich auf einfache Weise verschiedene
Resonanzspitzen identifizieren. An diesen Diskontinuitäten tritt
akustische Perturbation des Bogens auf. Diese Resonanzspitzen korrelieren
mit visuellen Beobachtungen und fotographischen Aufnahmen von Ablenkungen
des Bogens.
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Die
Resonanzcharakteristiken einer bestimmten HID-Lampe hängen sowohl
von der Geometrie der Lampe und der Chemie der Füllung als auch von der speziellen
Mischung aus Metallen und Gasen, die in der Lampenhülle vorhanden
ist. Eine typische elektrodenlose HID-Lampe besitzt nominelle Abmessungen
von 2 mm Innendurchmesser, 3 mm Außendurchmesser und etwa 1 mm
Länge und
kann mit einer typischen Metallhalogen-Bogenentladüngschemie gefüllt sein,
welche Natrium-Skandium-Jodid
(als verdampfbares Salz), Quecksilber und Argon umfaßt. Die
molaren Konzentrationen von Natrium zu Skandium befinden sich allgemein
im Bereich von 20:1 bis 0,5:1. Resonanzfrequenzen treten für Modi in
drei Dimensionen auf. Diese Modi werden für zylindrische Lampen gewöhnlich als
radial, azimutal und longitudinal bezeichnet.
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Die
verwendbare Chemie in der Lampe ist nicht auf Quecksilber, Argon
und Natrium-Skandium-Jodid, wie angegeben, beschränkt. Es
können
andere Edelgase und andere verdampfbare Dotierstoffe verwendet werden.
Eine Änderung
der Chemie besitzt subtile Wirkungen auf die Resonanzfrequenz. Erstens ändert sich die Temperaturverteilung
in der Bogenentladung und zweitens ändert sich der Durchschnitt
der molekularen Dampfmasse. Dieselben beeinflussen die Schallgeschwindigkeit
durch die Kapsel und führen
bei den gleichen Lampenabmessungen zu differierenden harmonischen
Resonanzen. Es sollte verstanden werden, daß die erste oder fundamentale
longitudinale Harmonische gewöhnlich
dominant ist. Die nachfolgenden longitudinalen, radialen und asimutalen
Harmonischen besitzen geringere Wirkungen. Die fundamentalen Frequenzen, longitudinal,
radial und azimutal, sind jeweils durch die folgenden Formeln gegeben: f1 = (c/2L) k fr = (1, 84c/2Πr) n fa = (3,83c/2Πr)m,wobei:
c
= Schallgeschwindigkeit in dem eingeschlossenen Medium bei Betriebstemperatur
und Betriebsdruck
l = die innere Längenabmessung der Röhre
r
= Innenradius der Röhre
k,
n, m = ganze Zahlen gleich oder größer als 1.
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Diese
Formeln sind für
zylindrische Bogenröhren
Stand der Technik und beschrieben von H.L. Witting, J. of Applied
Physics 49(5) May 1978, pp 2680 – 2683. Entsprechende Formeln
existieren für
kugelförmige
und andere gut definierte Kavitäten.
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Es
wurde eine Anzahl Lampen von nahezu identischer Geometrie getestet,
deren jede näherungsweise
die gleiche Menge an Quecksilber enthielt. Die Natriumkonzentration
variierte von Lampe zu Lampe. In 3 ist
ein Diagramm der Resonanzfrequenzen bei radialen, azimutalen und
longitudinalen Modi gezeigt. Generell war die Resonanzfrequenz für jeden
Modus durch die Lampenabmessung fixiert. Es kann festgestellt werden,
daß es
einige Verschiebung von Resonanzspitzen mit der Änderung der Natriumdosierung
(ausgedrückt
in Mikromol) gibt.
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Es
wird nunmehr auf die 4, 5 und 6 Bezug genommen. Es sind von Fotografien
entnommene Bilder dreier Bogenentladungen elektrodenloser HID-Lampen
gezeigt, die durch akustische Perturbation bzw. Störung aus
der Brennerachse verlagert worden sind. Die Lampenröhre ist
nur teilweise gezeigt. Eine ungestörte Bogenentladung liegt normalerweise
angenähert
längs der
Röhrenachse
als eine nahezu gradlinige oder leicht nach oben gebogene Bogenentladung
mit einer maximalen Verlagerung von der Röhrenachse, die etwa dem inneren
Radius gleich ist oder etwa die Hälfte desselben beträgt. 4 ist ein Bild eines Bogenentladungsmusters,
welches eine Verlagerung bei der zweiten longitudinalen Resonanz
zeigt, unter Verwendung der Prüfanordnung
nach 1. Der Bogen zeigt
ein „S" oder eine Treppenstufenkonfiguration,
die von der Achse klar abgelenkt ist. 5 ist
ein Bild eines Bogenentladungsmusters, das eine Verlagerung bei
der ersten azimutalen Resonanz zeigt, ebenfalls unter Verwendung
der Prüfanordnung
nach 1. Der Bogen wird
gegen eine Seite der Entladungsröhre
bzw. des Brenners gepreßt,
wobei die Enden und die Mitte nach oben gebogen sind, um so etwas
wie einen „W"-förmigen Bogen
zu bilden. 6 zeigt das
Bild eines Bogenmusters entsprechend der Verlagerung bei einer ersten
Radialresonanz, ebenfalls unter Verwendung der Prüfanordnung
nach 1. Der Bogen ist
gegen eine Seite der Röhre
gedrückt
und besitzt eine einzelne zentrale Ausbauchung oder einen Buckel.
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Bei
der vorgeschlagenen Kfz-Lampenröhre
beträgt
die maximale Verlagerung von der Röhrenachse etwa einen Röhreninnenradius
oder, im Falle einer elektrodenlosen Lampe, die für den Dienst
als Kfz-Scheinwerfer geeignet ist, beträgt diese Verlagerung näherungsweise
1 mm. Ist der Bogen an dem oder nahe dem Brennpunkt eines optischen
Elements plaziert, wie eines Reflektors des Fahrzeugs, ist eine
Verlagerung der Bogenentladung um 1 mm ausreichend, um eine substantielle
Verschiebung des projizierten Bilds zu verursachen. Mit geeigneten
optischen Elementen ist eine Verschiebung des Bogens von 1 mm in
der Lage, eine große
Verschiebung des Fernlicht-Beleuchtungsmusters auf einer ebenen
Oberfläche
zu bewirken, wie auf einer Straße.
Somit läßt sich
die akustisch abgelenkte Bogenentladung in einem Fahrzeugscheinwerfer
zur Bildung von Fernlicht und Abblendlicht verwenden.
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Mittels
Durchführung
einer einfachen Berechnung unter Verwendung der bekannten Dünnlinsengleichung
für eine
Bogenentladung am Brennpunkt einer Brechungslinsenanordnung 1äßt sich
die Verschiebung des Bildabstandes, δd
i,
berechnen als:
wobei
d
0 die Änderung
in der Objektentfernung, oder, im vorliegenden Fall, die Verlagerung
der Bogenentladung durch akustische Perturbation, und f die Fokallänge der
Brechungslinse ist. Es ist zu bemerken daß, obwohl für die Zwecke der Offenbarung
ein einfaches refraktives optisches System verwendet worden ist,
das eine Abgabe nach vorne oder eine Kollimation ergibt, der Fachmann
das erfindungsgemäße Verfahren
auf ein reflektierend abbildendes oder nichtabbildendes optisches
System anwenden kann, wie es in dem US-Patent Nr. 4 956 759 (ausgegeben
an Jill F. Goldenberg et al am 11. September 1990) für ILLUMINATION
SYSTEM FOR NONIMAGINGING REFLECTIVE COLLECTOR ausgegeben wurde.
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Für ein optisches
System muß,
um das Licht von einer HID-Lampe ordentlich zu kollimieren, die
Objektentfernung nahe der Fokallänge
sein. Ist dies so, dann wird ein Strahl im wesentlichen auf unbegrenzte Entfernung
geworfen. Unendlichkeit wird für
einen Kraftfahrzeugscheinwerfer bei etwa 30 Metern angenähert. Durch
Anwendung der Gleichung 1 mit einer angenommenen Fokallänge von
f = 4,0 cm, einer Objektentfernung von 40,053 mm und einer angenommenen
Bogenentladungsablenkung von 0,5 mm (δd0 =
0,5 mm) läßt sich
die Größe der Änderung
des Bildabstands als etwa di = 285 Meter
zeigen. Dies ist eine substantielle Verschiebung und beinhaltet,
daß ein
Blitz, der durch eine vorübergehende
akustische Perturbation induziert wird, bemerkbar ist. Es sollte
auch klar sein, daß für beibehaltenen
Fernlicht-/Abblendlicht-Betrieb
sehr kleine Bogenablenkungen erforderlich sind. Dies beinhaltet,
daß die
für diesen
Betrieb im Dauerzustand erforderliche akustische Störung im
wesentlichen unbegrenzt aufrecht erhalten werden kann.
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In
den 7a und 7b sind Bilder der nach vorne
gerichteten Strahlmuster gezeigt, die von einer elektrodenlosen
Lampe geworfen werden, die in eine für den Einbau in ein Kraftfahrzeug
geeignete Baugruppe aus Reflektor und Linse für ein Fahrzeug montiert ist.
Die elektrodenlose Lampenkapsel wurde im Reflektor derart positioniert,
daß die
Bogenentladung an oder nahe dem Fokus des Reflektors im unmodulierten
Zustand sein und bei Modulation aus dem Brennpunkt verlagert würde.
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7a zeigt das Vorwärtsstrahlmuster,
wenn die Lampe bei einer Modulationstiefe von 35 % und einer Modulationsfrequenz
von 36 kHz betrieben wird. Für
die Lampe bedeutet dies die zweite Harmonische der Longitudinalresonanz.
Die Bogenentladung wird sodann aus der nahezu geradlinigen Axialposition
abgelenkt. Die Linie 126 verfolgt einen Isoilluminationspegel.
Das zentrale Strahlmuster ist dann auf eine Weise, die für einen
Abblendlichtscheinwerfer nützlich
sein würde, über ein
breiteres Gebiet verteilt.
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7b zeigt ein von der gleichen
Lampe unter den gleichen Bedingungen wie in 7a geworfenes Strahlungsmuster, abgesehen
davon, daß die
Lampe bei einer nichtresonanten Frequenz betrieben wird, d.h. gerade
mal mit der reinen Trägerwelle
und keiner Modulation. Die Bogenentladung wird somit nicht verlagert. Die
Linie 128 verfolgt den gleichen Isoilluminationspegel wie
in 7a. 7b zeigt einen konzentrierteren Hot-Spot,
der für
Fernlichtanwendungen geeignet ist. Es wurde gezeigt, daß eine Abnahme
von 15 bis 27 % an Beleuchtung am Hot-Spotzentrum erreicht werden
kann, indem der Modulationsprozentsatz des Hochfrequenzträgers im
Bereich von 20 % bis 50 % variiert wird.
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Während für die Zwecke
der Offenbarung eine Longitudinalresonanz gewählt wurde, wird es für Fachleute offensichtlich
sein, daß die
azimutalen oder radialen Resonanzmodi (wie in 3 gezeigt) sich nicht außerhalb
des Bereichs der vorliegenden Erfindung befinden. Die Charakteristiken
der alternativen Resonanzmodi können
unter Verwendung der Vorrichtung nach 1 gemessen
werden, und zwar mit Resultaten, die den in 3 erhaltenen entsprechen. Es ist auch
theoretisch möglich,
diese Modi für
unterschiedliche Lampengeometrien zu berechnen, wie es von Harold
L. Whiting in „Acoustic
Resonances in Cylindrical High-Pressure
Arc Discharges",
Journal of Applied Physics 49 (5), May 1978, pp. 2680–2683, gelehrt
wird. Die Berechnung von Resonanzfrequenzen ist ebenso für nichtzylindrische
Lampen möglich.
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In 8 ist ein schematisches
Diagramm dargestellt, das ein typisches automobiles Scheinwerfersystem
zeigt, mit Elementen für
die Bogenentladungsverlagerung durch akustische Störung. Ein
Hochfrequenzoszillator 200 erzeugt ein Hochfrequenzsignal
bei einer Frequenz von 915 mHz. Ein Modulationsoszillator 202 erzeugt
ein Modulationssignal bei einer Frequenz, die derart gewählt wird,
daß sie
mit einem Resonanzmodus bei einer elektrodenlosen HID-Lampe 204 kompatibel
ist. Ein Ausgangssignal vom Modulationsoszillator 202 wird über einen
Schalter 206 an einen Eingang eines Modulators/Mischers
208 angeschlossen. Der Ausgang des Hochfrequenzoszillators 200 wird
einem anderen Eingang des Modulators/Mischers 208 zugeführt. Ein Schließen des
Schalters 206 legt ein Modulationssignal an den Modulator/Mischer 208 an.
Ein resultierendes moduliertes Signal wird dem Eingang des Leistungsverstärkers 210 zugeführt. Ist
der Schalter 206 offen, wird dem Modulator/Mischer 208 kein
Modulationssignal zugeführt;
das an den Eingang des Leistungsverstärkers 210 angelegte
Signal ist ein unmoduliertes Hochfrequenzsignal. Vom Leistungsverstärker 210 wird
ein verstärktes
Ausgangssignal zur Verfügung
gestellt und dem Netzwerk 212 zugeführt. Das Netzwerk 212 erfüllt eine
Mehrzahl von Funktionen, einschließlich der Impedanzanpassung
und Kopplung. Es wird bei diesem Schema angenommen, daß die Elemente
für die
Aufbringung des elektromagnetischen Feldes auf die elektrodenlose
HID-Lampe 204 im Netzwerk 212 enthalten sind.
Die elektrodenlose HID-Lampe 204 kann in der aus Reflektor
und Linse bestehenden Baugruppe 213 des Fahrzeugscheinwerfers
positioniert sein, derart, daß die unmodulierte
Bogenentladung nahe dem oder bei dem Brennpunkt des Reflektors angeordnet
ist und, sobald moduliert wird, die Bogenentladung näher an den
Brennpunkt oder weiter weg von ihm bewegt wird. Ist das der Lampe 204 zugeführte Signal
unmoduliert (d.h., der Schalter 206 ist offen), dann findet
der normale ungestörte
Betrieb der Lampe 204 statt, was zum Fernlichtbetrieb führt. Die
Aufbringung eines modulierten Signals auf die Lampe 204 resultiert
in Perturbation der Bogenentladung, woraus der Betrieb mit Abblendlicht
resultiert. Das kurzzeitige Schließen des Schalters 206 führt zu einem
Blitz, grade so wie bei einem herkömmlichen Wolfram-Halogen-Scheinwerfersystem.
Für die
Zwecke der vorliegenden Offenbarung wird der Schalter 206 von einem
manuellen Schalter repräsentiert.
Es wird Fachleuten jedoch offensichtlich sein, daß viele
Schalterformen substituiert werden können, einschließlich elektronischer
Schalter, die von äußeren Signalen
gesteuert werden. Eine typische Anwendung würde die Verwendung eines elektronischen
Schalters sein, der mit einem lichtempfindlichen Wandler verbunden
ist, um bei der Feststellung entgegenkommenden Verkehrs ein automatisches
Abblenden der Scheinwerfer herbeizuführen.
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Für die Zwecke
der Erläuterung
wurde eine Amplitudenmodulation des Hochfrequenzträgersignals
angenommen. Fachleuten wird klar sein, daß Frequenzmodulation (fm) oder
Pulsbreitenmodulation (pwn) ebenso verwendet werden können, um
eine akustische Verlagerung der Bogenentladung einer elektrodenlosen HID-Lampe
herbeizuführen.
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Eine
typische Applikatoranordnung kann
9 entnommen
werden. Es ist eine elektrodenlose HID-Lampe
204 gezeigt,
mit einem Paar Applikatoren
214 und
216, die die
Hülle der
Lampe
204 nahe ihren distalen Enden umgeben. Wie zu sehen
ist, ist der Applikator
214 in seiner physikalischen Lage
relativ zum Applikator
216 diesem gegenüberliegend angeordnet. Diese
Anordnung erlaubt die Aufbringung eins hochfrequenten Erregungssignals
auf die Lampe
204 auf eine antiphasische Weise. Zur Verbindung
der Applikatoren
214 und
216 mit einer Quelle
hochfrequenter Energie von einer nichtgezeigten Impedanzanpassungseinrichtung
sind Zuleitungsenden
218 vorgesehen. Ein Schleifenapplikator,
wie er in der
US 5 130 612 offenbart
ist, ausgegeben am 14. Juli 1992, kann für das Einsetzen und Entfernen
der Lampenkapsel effizienter und bequemer sein. Auch ein dünner Applikator
vom Schalentyp, wie er in der Anmeldung USSN 08/099, 754, eingereicht am
30. Juli 1993, gezeigt ist, kann ebenfalls effizienter sein.
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Während die
in 9 gezeigte Anordnung
für Niederleistungsanwendungen
(typischerweise weniger als 30 Watt) zufriedenstellend ist, muß für die Ausführung des
Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung mit HID-Lampen höherer Leistung
eine anspruchsvollere Anordnung verwendet werden.
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In 10 ist ein Schema eines
Systems für
die Anwendung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung auf
eine elektrodenlose HID-Lampe höherer
Leistung gezeigt. Ein Hochfrequenzoszillator 200, ein Modulationsoszillator 202,
ein Schalter 206 und ein Modulator/Mischer 208 arbeiten
identisch zu dem oben beschriebenen Niederleistungssystem. Der Ausgang
des Modulators/Mischers 208 ist an einen 180 Grad-Hybrid-Leistungsteiler angeschlossen.
Der Leistungsteiler 220 spaltet das Eingangssignal in zwei
außer
Phase befindliche Komponenten, ein In-Phase-Signal 222 und
ein Außer-Phase-Signal 224.
Die Signale 222 und 224 werden als Eingänge den
linearen Leistungsverstärkern 228, 230 jeweils über Mikro-Streifen-Übertragungsleitungen 226 und 227 zugeführt. Mikrostreifenleitungen
sind Stand der Technik und jedwede kommerziell verfügbaren Übertragungsmedien,
wie planare, koaxiale, Doppelleitungs-Wellenleiter und ähnliche
Elemente können
verwendet werden. Der Verstärker 228 verstärkt die
In-Phase-Komponente
des Signals, während
der Verstärker 230 die
Außer-Phase-Komponente
des Signals verstärkt.
Die Ausgänge
der Verstärker 228 und 230 sind
mit den Impedanzanpassungsnetzwerken 232, 234 und
dann mit den Kopplern 236, 238 verbunden, um ein
elektromagnetisches Feld für
die Erregung der elektrodenlosen HID-Lampe 204 zur Verfügung zu
stellen.
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Für die Zwecke
der vorliegenden Offenbarung wurde die Anwendung auf Kraftfahrzeugscheinwerfer gewählt. Es
ist offensichtlich, daß die
Verwendung akustischer Perturbation zur Verlagerung der Bogenentladung
einer elektrodenlosen HID-Lampe (in Zusammenarbeit mit einem geeigneten
optischem System) für
jedwede Anwendung benutzt werden kann, bei der ein Wechsel der Intensität der kollimierten
bzw. geradegerichteten Lichtausgabe erforderlich ist. Anderweitige
Anwendungen können
Suchscheinwerfer oder ein Signalgeben von Schiff zu Schiff sein.
