JP2004507039A - フラッシュ・ランプおよびフラッシュ・ランプの設計 - Google Patents
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Abstract
本発明は、ガラス製のガス充填放電管(10)および各端にガラス・ハンダによりシールされたパワー電極(14、15)を含む、フラッシュ・ランプ(10)に関する。このフラッシュ・ランプは、ガラスを有し、このガラスは、下記のUV透過値Twの一つまたはそれ以上を含む:180nmにおいて、Tw>5%、好ましくは>9%、200nmにおいて、Tw>30%、好ましくは、>45%、254nmにおいて、Tw>60%、好ましくは>80%である。放電管の内径(11)は、プラズマ・チャネルの直径の値よりも1.2倍大きい。始動電極(16)は、反射器(30−33)の一部分であり、またはそれに電気的に接続されている。フラッシュ・コンデンサ(42)は、370ボルト以上、好ましくは400ボルト以上の充電電圧のために調整できる。
Description
【0001】
本発明は、フラッシュ・ランプおよびフラッシュ・ランプの設計に関する。特に、U.V.領域(波長<450nm)内のアプリケーションのためのフラッシュ・ランプに関する。
【0002】
図5Aは、フラッシュ・ランプ50の一般的な設計を示す。フラッシュ・ランプ50は、一定の充填圧力でのキセノンなどのガスを収納する内蔵ガラス・ボディ53を含む。管状ボディ53は、両端に電極51を有する。熱抵抗率の理由により、これらの電極は少なくとも管の内部の領域においては、タングステンで作られている。フラッシュ・コンデンサの直流電圧は、通常約300ないし350ボルトであり電極に与えられる。この電圧だけでは放電を起こすのに充分でなく、始動(スタート)電極52を介して容量的に加えられる他の始動電圧(1000ボルト交流電圧以上)によってのみ放電が起きる。そのとき、この始動電圧が放電の開始をトリガして、始動電極52における始動電圧が再び消滅しても、放電が継続する。電極51は、ガラス・カラー54によりガラス・ボディ53内に封入されている。
【0003】
図5Bは、公知の設計による、反射器55に接続されたフラッシュ・ランプ50の断面を示す。この反射器は、フラッシュ・ランプの周囲に放射される光を実質的に一方向に揃える放物面反射器である。フラッシュ・ランプ50は、反射器55に対して隣接する。反射器は、始動電極として使用される板であって、電気配線に対応して組み込まれ、絶縁されて保持される。
【0004】
U.V.アプリケーションについて特別なこととして、公知のフラッシュ・ランプは、下記のような種々な問題を含む。
【0005】
通常使用されるガラスは、U.V.透過性に劣る。これは、フラッシュ・ランプ50内でU.V.光が完全に生成されても、それはガラスの中で吸収されてしまい、外部へ達することが出来ないことを意味する。通常のフラッシュ・ランプは、強化(tempered)硼珪酸ガラスで特に作られ、これはこのガラスが電極のために特に経済的な密封技法を使用できるからである。しかしながら厚さ0.5mmにおいては、そうした強化ガラスは、320nmおよびそれ以下の波長についてもはや適切に透過しないので、U.V.アプリケーションに適当でない。
【0006】
実際に改良されたU.V.透過性を有するいくつかのガラスがある。石英ガラスは、高い融点を有するので、高価で時間を要する製造工程を必要とし、従って高いフラッシュ・エネルギー(>100Ws)を有するフラッシュ・ランプにおいてのみ実用化される。しかしながら、この工程は経済的でないので、低いフラッシュ・エネルギー(<100Ws)を有するU.V.に使用することが出来ない。
【0007】
公知のフラッシュ・ランプのもう一つの問題は、ガラス壁が黒くなることである。放電中に、閃光放電管の電極は、一定範囲に蒸発する。この金属蒸気は、ガラス管53の内壁上に堆積する。結果として、ガラス・ボディの透過性は、特にU.V.光について、さらに劣化する。図5Bの設計に関する限り、蒸発したタングステン物質の堆積は、反射器55とガラス管53が接触する領域において一定の仕方で増加することが明らかになっている。しかしながらガラス管の内面上での堆積の広範囲の分布も、ここで観察される。
【0008】
最後に図5Bによる公知の反射器設計は、フラッシュ・ランプ50と反射器55の間で多重反射が起きるという欠点を有し、これが繰り返し吸収されるので、一方では光の効率を減少させ、他方では入射光の周辺に沿った不均一な分布により、特に熱負荷も増加する。
【0009】
本発明の目的は、容易に製造できて、特にU.V.アプリケーションに適した、フラッシュ・ランプを提供することである。
【0010】
それ自体として使用できるが、しかし、組み合わせにおいて特に有利な仕方で使用されるいくつかの特徴を本発明が有し、それらは次の通りである。
【0011】
A.主としてU.V.領域内(波長<450nm)で放射パワーを出すフラッシュ・ランプが説明され、そのフラッシュごとのエネルギーは、100Ws以下、好ましくは50Ws以下である。
【0012】
B.フラッシュ・ランプのボディのために良好なU.V.透過性を有する低融点ガラスが使用され、電極のための密封方法に関して使用される。
【0013】
C.ガラス管の内径として、放電中のアーク直径よりも大きい値が選択される。この寸法は、片側だけの直線状トリガ電極について好ましい。
【0014】
D.トリガ電極は反射器の折返しにより形成され、この折返しは、縦長方向の折り返しであって、ガラス管の縦長方向へ延伸して、ガラス管へ当接するように取り付けられる。
【0015】
E.可能な最高のキセノン充填圧力が、使用される。
【0016】
F.比較的に高い充電電圧が使用される。
【0017】
上記の特徴AないしFの一つまたはいくつかの組み合わせを使用することにより、経済的に生産できるフラッシュ・ランプの良好なU.V.イールド(yield)が得られる。結果として、ガラス壁の厚さを選択することにより、特にスペクトルのある特性へ影響を与えるようなU.V.光イールドを達成することができる。吸収を可能な限り最小にするためにガラス壁を出来るだけ薄くする一次的な目的に対して、こうして壁の厚さを厚くしたり、ガラス物質を自由に選んだりして、フラッシュ・ランプのある特性を得ることができる。
【0018】
特に有利な組み合わせは、上記の特徴B、C、Dのペア(BとC、BとD、CとD)または、3つの特徴全部(BとCとD)であり、適切ならば、その結果のランプを特徴EとFの一つまたは両方と組み合わせることである。この方法により、特徴グループAによるフラッシュ・ランプを特に生産することができる。
【0019】
全く一般的に言えば本発明は、放射パワーの30%以上、好ましくは50%以上、一層好ましくは70%以上を、U.V.領域(波長<450nm)で放射するフラッシュ・ランプであって、フラッシュごとのエネルギーが、100Ws以下、好ましくは50Ws以下、一層好ましくは20Ws以下のフラッシュ・ランプを生成することである。フラッシュごとのエネルギーは、1または2Wsを超えて良い。結果として、家庭での使用たとえば消毒目的に適したフラッシュ・ランプが、生成される。
【0020】
このフラッシュ・ランプは、図1に示すように設計される。図1は、フラッシュ・ランプ10の縦断面図を示す。11は、フラッシュ・ランプのガラス・ボディであり、長方形でも円形でも円筒形でもよい。電極14と15は、詳細に後述する方法で、ガラス・ボディへ融着されていて、フラッシュ・ランプの縦の両端に配置されている。電極14と15は、陽極14aと陰極15aを含む。始動電極16がフラッシュ・ランプの内部空間12の外側に備えられている。それは、通常のデザインまたは後述する本発明によるデザインを有する。始動電極は、好ましくはフラッシュ・ランプの、縦長方向に延伸する。特にそれは、好ましくはフラッシュ・ランプの焦点距離(すなわち電極プレート15aと14aの間)をカバーする。
【0021】
管状ボディ11のガラスは、良好なU.V.透過性を有する。それは、下記のように説明される。
【0022】
それは、多価のイオン、特に鉄の含有量が低いものである。その含有量は、従来のフラッシュ・ランプ(写真用フラッシュ・ランプ)に使用されるガラスの値の30%以下、特に10%以下である。同じことは、アルミニウムの酸化物およびアルカリとアルカリ土金属の全般に関しても当てはまる。
【0023】
U.V.透過に関して、このガラスを下記の通りある定波長におけるその透過値Twに基づいて説明する。180nmにおいて、Twは、5%よりも大きく好ましくは、9%よりも大きい。200nmにおいて、Twは、30%よりも大きく好ましくは、45%よりも大きい。254nm(水銀線)において、Twは、60%よりも大きく、好ましくは80%よりも大きい。上記の透過値を満たすガラスにはSchott社のガラス8337Bがあり、このメーカーの説明によれば、180nmにおいて10%の透過値、200nmにおいて50%の透過値、254nmにおいて90%の透過値を有する。この明細書およびその特許請求の範囲においてTwについてなされる説明は、厚さ0.5mmのガラスについては、その物質について一定であることを意味している。実際に作られたフラッシュ・ランプの透過値は、その壁の厚さにより種々の透過値を有し、特により厚いガラスの場合にはより低い値を有し、より薄いガラスの場合にはより高い値を有する。
【0024】
使用されるガラスは、U.V.透過および/または物質の構成に関して、上述の条件の一つまたはそれ以上を満たしている。一層困難な処理は、電極14と15または電極部材14、14a、14bおよび15、15a、15bをガラス・ボディ11へ、ガラスはんだ13a、13bにより融着させることにより、補償される。電極14と15は、好ましくはタングステンを含み、またはタングステンからなる。ガラス・ボディを貫通する長方形のピン14と15は、ガラス・ボディ11を通る通過領域において、ガラスはんだ13a、13bにより取り巻かれている(図示せず)。ガラスはんだはガラス・ボディ11へ融着されているが、ガラス・ボディ11は上述のように構成され、および/または上述の属性を有する。さらにガラスはんだ13a、13bとガラス・ボディ11の間にシーリング・リング(図示せず)を備えることができ、このリングもまたガラスで作られる。電極14および/または15もまた、図1に示すようにガラス・プレート14a、15bに埋め込まれる。ガラス・プレートは、ガラスはんだ13により、ガラス・ボディ11へ取り付けられる。ガラス・プレート14b、15bは適当な直径を有して、図示のようにガラス管11の円筒型の周辺へ取り付けがなされる。
【0025】
(図示されたものとは異なるが)陽極14aは、タングステン線の単なる延長部であっても良い。陰極15がこのタングステンの上にスリーブを有し、タングステン線は、タングステンおよび/またはニッケルおよび/またはニオブおよび/またはタンタルおよび/またはチタンを含む。
【0026】
硬度に関しては、ガラスはんだ13は、非常に低い温度での温度特性を有する。詳しくは、それは、(特にたとえば軟化点および変態点に関して)ガラス・ボディ11の低温で溶解するガラスよりも、更に数10℃低い。対応するガラスはんだの溶解温度は、ボディ11のガラスよりも少なくとも60℃または80℃低い。また、ガラスはんだの熱膨張係数は、ボディ11のガラスよりもタングステン線の熱膨張係数に近い。同じことが熱膨張係数の温度特性に関しても当てはまり、特に室温、処理温度、および動作温度の間の範囲について当てはまる。
【0027】
ガラスはんだ13の熱膨張係数を金属ピン14、15の熱膨張係数に合わせることにより、金属とガラスとの間の熱転移による、クラックおよび漏洩に対しては比較的鈍感になるが、これらは、ランプの寿命の進行と共に、または最初のその製造過程において、温度変動に基づいて変動する負荷により起こり得る。ガラスはんだ13とガラス・ボディ11の間の結合は、類似の物質であるために特に密接であって、従って満足すべきものでもある。ガラスはんだは低温で作業処理されるため、ボディ11の低融点ガラスも、穏やかな作業サイクルが可能になる。
【0028】
図2は、それ自体として、または上記の諸特徴と組み合わせて特に良好なフラッシュ・ランプを得るための好ましい寸法の諸特徴を示す。図2Aは、フラッシュ・ランプ11の横断面図である。12は、このフラッシュ・ランプの内部空間である。13aはガラスはんだを示し、14aは電極の正面である。Diは、円筒形のガラス管の内径である。Dlbは、電極14と15の間にアークが作られたときのアークの直径を示す。このアークは、空間に関して必ずしも厳密に定義されないが、放射強度が最大値の半分へ落ちた半径は、アークの直径の基準として使用される。これは図2Bに概略を示す。数字Iは、半径rに対する放射強度を表す。この例において、半径r=φ(すなわち管の中心)において最大強度Imaxを有することを仮定している。アーク半径(アーク直径の半分、Dlb/2)が設定され、その場合、最大値の半分Imax/2に落ちている。
【0029】
内径Diおよびアーク直径Dlbの寸法として、DiがDlbよりも大きいほうが有利であり、特にDi>1.2Dlbまたは好ましくはDi>1.4Dlbの時に有利であることが証明された。そうした寸法により、高温のプラズマが、ガラスの内壁に衝突するのを防止し、それによりボディ11のガラスの熱負荷を減少させる。これは、ガラスが上述のように低融点ガラスである場合に特に有利である。
【0030】
ガラスの内壁上に厳密に定義された線に沿って、(電極16によりトリガされる)点火が行なわれると、もう一つの長所が続いて起こる。これは、電極がガラス内壁に当接していなければならないことを意味しない。注意すべきは、むしろトリガ電極16による電界が(図2Aの断面図おいて)出来るだけポイントサイズの導体に起因しており、それによりトリガ電極の近辺においてトリガ電界が半径方向、少なくとも若干の範囲まで広がることである。これは、図5Bによる構成によっては達成できない。概略を図2Aに示す様にボディ11の外部にある直線状のトリガ電極の構成が有利である。もう一つの実施例が、図3Aと図3Bを参照して以下に説明される。
【0031】
トリガ電極を直線状に展開すると、アークのときに蒸着される電極物質が、トリガ電極の近辺に空間的に限定された仕方で堆積するという長所がある(フラッシュ・ランプの寿命が進むにつれてガラスの内壁が直線状に黒くなること)。上記の直径寸法と組み合わされて、一度堆積した物質がアークにより除去されて内部空間にもう一度分配される可能性が少ない、という長所がある。
【0032】
こうしてトリガ電極は、断面図において好ましくは、円周方向に目立った広がりがないように、すなわちフラッシュ管から間隔をあけない限りでは、フラッシュ・ランプの接線方向に目立った広がりがないように設計される。これは、従来の配線により、または下記のように実行できる。
【0033】
図3Aと図3Bは、トリガ電極または始動電極が反射器シートの一部分により形成されたフラッシュ・ランプを示す。図3Aは、反射器30上に装着されたリッジ(ridge)31によりトリガ電極が形成される実施例を示す。少なくともリッジ31は、金属物質または金属化された物質で作られている。反射器30自体は、金属でも非金属でも良い。この場合リッジ31は、始動電極16のようにフラッシュ・ランプの配線の中に含まれ、それに対応して配線される。
【0034】
さらなる実施例を図3Bに示す。ここでは、反射器32が折返しシートとして形成される。反射器シート32内の折返し33は、長方形で好ましくはフラッシュ・ランプ10の縦方向に沿って広がり、好ましくは(設置された状態において)フラッシュ・ランプ10のボディ11に当接する。この場合これに対して反射器32が、フラッシュ・ランプの配線内に組み込まれて、適当に配線される。必要ならば、それは絶縁状態に保持される。
【0035】
反射器32の形状は、図3Bの断面から見た場合に線対称であり得る。反射器は、好ましくは折返し33に沿って互いに他と隣接する対照的な凹型の二つのハーフを有する。その横断面形状は、「W」の形であり、折返し33以外の形状は中心において適当に丸くなっている。折返し33における内角αは、120°またはそれ以下、好ましくは90°またはそれ以下、一層好ましくは60°またはそれ以下である。これら反射器のハーフは、全体的に望ましい散乱および焦点特性を有するよう形成される。
【0036】
図3Bに関して説明する反射器の設計は、多重反射防止に役立つが、それは後ろ側(図3の下)へ放射された光がフラッシュ・ランプ10のガラス・ボディ11へ反射されず、横方向へ離れてから正面へ反射されるからであり、この正面への反射は、図3Bにいくつかの光路34a、34b、34cにより概略を示されている。結果として、管11の後壁に特別な熱負荷が発生することはほとんど回避される。これにより、選択された始動電極の設計により、内側に蒸着物質が堆積された領域において、特に非対称的な熱膨張が減少され、フラッシュ管の加熱が減少される。この様な温度低下により、一度堆積された物質が再び蒸発して他の場所へ堆積する傾向がより少なくなる。
【0037】
さらに管11のガラスそのものにおいて、U.V.放射が特定の強度で吸収されるので、多重反射が防止されて光効率を向上することができる。只一つのバック反射(最初外へ出てそれから再びバックし最後に再び外へ出る)だけがあるときは、ガラスの吸収係数は有効値の3倍もあるので、一方において対応する光のイールド(効力)が失われ、他方においてガラスの望ましくない加熱をもたらす。
【0038】
図3Aと図3Bに関して説明したような反射器は、それぞれ独立のものと考えられ、適当な場合は本発明の一部分として別々に用いられる。
【0039】
図4は、フラッシュ・ランプの設計を示す。そこには、上述の諸特徴を含むフラッシュ・ランプ10が示されている。コンデンサ42は、主としてフラッシュ処理を行う電気エネルギーを受け取る役割をする。このエネルギーは、オプションとして、変換され整流された交流電圧から与えられて、それから接続部41を通してコンデンサ42を充電する。このエネルギーはまた、電池によっても供給される。この場合、コンデンサを充電するのに適当なより高い直流電圧がチョッパおよびコイル/トランス・フォーマーを介して生成されて、端子41へ加えられる。コンデンサ42は、好ましくは電解コンデンサである。
【0040】
その端子は、フラッシュ・ランプ10の端子14と端子15へ接続され、これによりそれらの端子でコンデンサ電圧を得ることができる。
【0041】
もう一つの小さなコンデンサ43が始動電圧を供給する役割をする。これもまた充電される。スイッチ45を動作させることにより、該コンデンサは短絡される。これから生ずる変圧器44の一次コイル42a内の電流および/または電圧の変化は、適当な寸法の変圧器44により昇圧される交流電流部分を有する。その二次コイル44bは、フラッシュ・ランプの始動電極16(たとえば図3)へ接続される。
【0042】
こうして、スイッチ45は、フラッシュを点火する役割をする。それは電気的、電子的、または手動で動作させるスイッチである。始動電圧は、フラッシュを点火させるためにのみ必要である。したがって、コンデンサ43は比較的小さな寸法を有する。一旦(始動電極16へ始動電圧を供給することにより)、フラッシュ・ランプ10が点火されると、その結果生ずるプラズマにより、フラッシュ・ランプ10のオーム抵抗が大きく下落して、フラッシュ・コンデンサ42の電圧がそれ自体で放電を進行させ続けるのに充分になる。この放電は、消失する(コンデンサ42の電荷が部分的に空になる)か、または適当な配線構造(図示なし)により積極的に停止される。
【0043】
フラッシュ・コンデンサは、370ボルト以上、好ましくは400ボルト以上、また450ボルト以下、好ましくは430以下の、充電電圧/動作電圧用として設計される。比較的高い動作電圧は比較的高い放電電流を生じるが、それはまたプラズマの非線形性のために超比例的に高い値となる。それにより、U.V.領域内で特に大量のエネルギーを出す比較的高温のプラズマが生ずる。公式E=0.5CU2(E=コンデンサ内のエネルギー、C=キャパシタンス、U=電圧)に対応して、等しいフラッシュ・エネルギーを有するより小さいフラッシュ・コンデンサを選択することもできる。さらに、比較的に「小さい」フラッシュ・キャパシタンス42は有利である。その理由は、この場合放電の時定数t(t=R*C42)が非常に小さくなるので、放電の持続時間が短く、温度が上昇され、こうしてU.V.部分がより高温になるからである。フラッシュ・コンデンサ42を経済的効率に関して考察すると、選択可能な電圧の上限が設定される(こうして、適当な場合には選択可能なキャパシタンスの下限が間接的に設定される)。非常に高いコンデンサ電圧は、高価なコンデンサを必要とするので、充電電圧の上限は450ボルトまたは430ボルトが有用と思われる。フラッシュ・コンデンサのキャパシタンスは、好ましくは、500μF以下であり、一層好ましくは300μF以下である。
【0044】
U.V.収率を増加させるもう一つの可能性は、フラッシュ・ランプ10における充填圧力、特にキセノン充填圧力を増加させることである。充填圧力を上げることにより、フラッシュ中のプラズマ・チャネルがピーク電流なしに狭くなり、こうしてフラッシュ・パワーとフラッシュ・エネルギーが目覚しく減少する。プラズマ・チャネルを狭くすることにより、プラズマが一層高温になるので、紫外領域内に一層多くのエネルギーが放出される。しかしながら、キセノン充填圧力の増加は、また始動電極16における必要な始動電圧を高くする。フラッシュオーバーを回避するためには、この電圧を所望値まで上げることができないので、この始動条件として、またキセノン充填圧力の限界を設定する。キセノン充填圧力は、0.5バール以上、好ましくは、1.5バール以上、一層好ましくは2バール以上である。
【0045】
上記の諸特徴のいくつかを組み合わせれば、比較的に高いU.V.イールドを得られる。それらは、非常に高いので、フラッシュ・ランプのボディ11のガラスについての吸収パラメータを、フラッシュ・ランプのある諸特性の調整に使用できる。たとえばガラス壁の厚さは、機械的安定性を満たす値よりも厚くなるように、また熱電圧負荷については、あるスペクトルおよび/または分布を得るための値より大きくなるように選択される。
【0046】
フラッシュ・ランプの典型的な寸法とデータは、下記の通りである:
・ 内径DIは、3mmと6.5mmの間であり、典型的に4.5mmと5.5mmの間である。
・ 焦点距離(電極14aと電極15aの間の距離)は、15mmと25mmの間であり、典型的に18mmと22mmの間である。
・ ガラス壁厚は、0.2mmから0.8mmであり、典型的に0.4mmから0.6mmである。
・ キセノン充填圧力は、0.5バールから5.5バールであり、典型的に1.5バールから4.5バールである。
・ フラッシュ・コンデンサのキャパシタンスは、100μFから300μFであり、150μFから250μFである。
・ フラッシュごとのエネルギーは、5Wsと17Wsの間であり、好ましくは、10Wsと15Wsの間である。
【図面の簡単な説明】
本発明の個別の実施例を添付図面に関して、上記に説明してきた。
【図1】本発明によるフラッシュ・ランプを示す。
【図2】フラッシュ・ランプの寸法と定義を示す。
【図3】本発明による全般的な設計を示す。
【図4】フラッシュ・ランプの回路を示す。
【図5】公知の実施例を示す。
本発明は、フラッシュ・ランプおよびフラッシュ・ランプの設計に関する。特に、U.V.領域(波長<450nm)内のアプリケーションのためのフラッシュ・ランプに関する。
【0002】
図5Aは、フラッシュ・ランプ50の一般的な設計を示す。フラッシュ・ランプ50は、一定の充填圧力でのキセノンなどのガスを収納する内蔵ガラス・ボディ53を含む。管状ボディ53は、両端に電極51を有する。熱抵抗率の理由により、これらの電極は少なくとも管の内部の領域においては、タングステンで作られている。フラッシュ・コンデンサの直流電圧は、通常約300ないし350ボルトであり電極に与えられる。この電圧だけでは放電を起こすのに充分でなく、始動(スタート)電極52を介して容量的に加えられる他の始動電圧(1000ボルト交流電圧以上)によってのみ放電が起きる。そのとき、この始動電圧が放電の開始をトリガして、始動電極52における始動電圧が再び消滅しても、放電が継続する。電極51は、ガラス・カラー54によりガラス・ボディ53内に封入されている。
【0003】
図5Bは、公知の設計による、反射器55に接続されたフラッシュ・ランプ50の断面を示す。この反射器は、フラッシュ・ランプの周囲に放射される光を実質的に一方向に揃える放物面反射器である。フラッシュ・ランプ50は、反射器55に対して隣接する。反射器は、始動電極として使用される板であって、電気配線に対応して組み込まれ、絶縁されて保持される。
【0004】
U.V.アプリケーションについて特別なこととして、公知のフラッシュ・ランプは、下記のような種々な問題を含む。
【0005】
通常使用されるガラスは、U.V.透過性に劣る。これは、フラッシュ・ランプ50内でU.V.光が完全に生成されても、それはガラスの中で吸収されてしまい、外部へ達することが出来ないことを意味する。通常のフラッシュ・ランプは、強化(tempered)硼珪酸ガラスで特に作られ、これはこのガラスが電極のために特に経済的な密封技法を使用できるからである。しかしながら厚さ0.5mmにおいては、そうした強化ガラスは、320nmおよびそれ以下の波長についてもはや適切に透過しないので、U.V.アプリケーションに適当でない。
【0006】
実際に改良されたU.V.透過性を有するいくつかのガラスがある。石英ガラスは、高い融点を有するので、高価で時間を要する製造工程を必要とし、従って高いフラッシュ・エネルギー(>100Ws)を有するフラッシュ・ランプにおいてのみ実用化される。しかしながら、この工程は経済的でないので、低いフラッシュ・エネルギー(<100Ws)を有するU.V.に使用することが出来ない。
【0007】
公知のフラッシュ・ランプのもう一つの問題は、ガラス壁が黒くなることである。放電中に、閃光放電管の電極は、一定範囲に蒸発する。この金属蒸気は、ガラス管53の内壁上に堆積する。結果として、ガラス・ボディの透過性は、特にU.V.光について、さらに劣化する。図5Bの設計に関する限り、蒸発したタングステン物質の堆積は、反射器55とガラス管53が接触する領域において一定の仕方で増加することが明らかになっている。しかしながらガラス管の内面上での堆積の広範囲の分布も、ここで観察される。
【0008】
最後に図5Bによる公知の反射器設計は、フラッシュ・ランプ50と反射器55の間で多重反射が起きるという欠点を有し、これが繰り返し吸収されるので、一方では光の効率を減少させ、他方では入射光の周辺に沿った不均一な分布により、特に熱負荷も増加する。
【0009】
本発明の目的は、容易に製造できて、特にU.V.アプリケーションに適した、フラッシュ・ランプを提供することである。
【0010】
それ自体として使用できるが、しかし、組み合わせにおいて特に有利な仕方で使用されるいくつかの特徴を本発明が有し、それらは次の通りである。
【0011】
A.主としてU.V.領域内(波長<450nm)で放射パワーを出すフラッシュ・ランプが説明され、そのフラッシュごとのエネルギーは、100Ws以下、好ましくは50Ws以下である。
【0012】
B.フラッシュ・ランプのボディのために良好なU.V.透過性を有する低融点ガラスが使用され、電極のための密封方法に関して使用される。
【0013】
C.ガラス管の内径として、放電中のアーク直径よりも大きい値が選択される。この寸法は、片側だけの直線状トリガ電極について好ましい。
【0014】
D.トリガ電極は反射器の折返しにより形成され、この折返しは、縦長方向の折り返しであって、ガラス管の縦長方向へ延伸して、ガラス管へ当接するように取り付けられる。
【0015】
E.可能な最高のキセノン充填圧力が、使用される。
【0016】
F.比較的に高い充電電圧が使用される。
【0017】
上記の特徴AないしFの一つまたはいくつかの組み合わせを使用することにより、経済的に生産できるフラッシュ・ランプの良好なU.V.イールド(yield)が得られる。結果として、ガラス壁の厚さを選択することにより、特にスペクトルのある特性へ影響を与えるようなU.V.光イールドを達成することができる。吸収を可能な限り最小にするためにガラス壁を出来るだけ薄くする一次的な目的に対して、こうして壁の厚さを厚くしたり、ガラス物質を自由に選んだりして、フラッシュ・ランプのある特性を得ることができる。
【0018】
特に有利な組み合わせは、上記の特徴B、C、Dのペア(BとC、BとD、CとD)または、3つの特徴全部(BとCとD)であり、適切ならば、その結果のランプを特徴EとFの一つまたは両方と組み合わせることである。この方法により、特徴グループAによるフラッシュ・ランプを特に生産することができる。
【0019】
全く一般的に言えば本発明は、放射パワーの30%以上、好ましくは50%以上、一層好ましくは70%以上を、U.V.領域(波長<450nm)で放射するフラッシュ・ランプであって、フラッシュごとのエネルギーが、100Ws以下、好ましくは50Ws以下、一層好ましくは20Ws以下のフラッシュ・ランプを生成することである。フラッシュごとのエネルギーは、1または2Wsを超えて良い。結果として、家庭での使用たとえば消毒目的に適したフラッシュ・ランプが、生成される。
【0020】
このフラッシュ・ランプは、図1に示すように設計される。図1は、フラッシュ・ランプ10の縦断面図を示す。11は、フラッシュ・ランプのガラス・ボディであり、長方形でも円形でも円筒形でもよい。電極14と15は、詳細に後述する方法で、ガラス・ボディへ融着されていて、フラッシュ・ランプの縦の両端に配置されている。電極14と15は、陽極14aと陰極15aを含む。始動電極16がフラッシュ・ランプの内部空間12の外側に備えられている。それは、通常のデザインまたは後述する本発明によるデザインを有する。始動電極は、好ましくはフラッシュ・ランプの、縦長方向に延伸する。特にそれは、好ましくはフラッシュ・ランプの焦点距離(すなわち電極プレート15aと14aの間)をカバーする。
【0021】
管状ボディ11のガラスは、良好なU.V.透過性を有する。それは、下記のように説明される。
【0022】
それは、多価のイオン、特に鉄の含有量が低いものである。その含有量は、従来のフラッシュ・ランプ(写真用フラッシュ・ランプ)に使用されるガラスの値の30%以下、特に10%以下である。同じことは、アルミニウムの酸化物およびアルカリとアルカリ土金属の全般に関しても当てはまる。
【0023】
U.V.透過に関して、このガラスを下記の通りある定波長におけるその透過値Twに基づいて説明する。180nmにおいて、Twは、5%よりも大きく好ましくは、9%よりも大きい。200nmにおいて、Twは、30%よりも大きく好ましくは、45%よりも大きい。254nm(水銀線)において、Twは、60%よりも大きく、好ましくは80%よりも大きい。上記の透過値を満たすガラスにはSchott社のガラス8337Bがあり、このメーカーの説明によれば、180nmにおいて10%の透過値、200nmにおいて50%の透過値、254nmにおいて90%の透過値を有する。この明細書およびその特許請求の範囲においてTwについてなされる説明は、厚さ0.5mmのガラスについては、その物質について一定であることを意味している。実際に作られたフラッシュ・ランプの透過値は、その壁の厚さにより種々の透過値を有し、特により厚いガラスの場合にはより低い値を有し、より薄いガラスの場合にはより高い値を有する。
【0024】
使用されるガラスは、U.V.透過および/または物質の構成に関して、上述の条件の一つまたはそれ以上を満たしている。一層困難な処理は、電極14と15または電極部材14、14a、14bおよび15、15a、15bをガラス・ボディ11へ、ガラスはんだ13a、13bにより融着させることにより、補償される。電極14と15は、好ましくはタングステンを含み、またはタングステンからなる。ガラス・ボディを貫通する長方形のピン14と15は、ガラス・ボディ11を通る通過領域において、ガラスはんだ13a、13bにより取り巻かれている(図示せず)。ガラスはんだはガラス・ボディ11へ融着されているが、ガラス・ボディ11は上述のように構成され、および/または上述の属性を有する。さらにガラスはんだ13a、13bとガラス・ボディ11の間にシーリング・リング(図示せず)を備えることができ、このリングもまたガラスで作られる。電極14および/または15もまた、図1に示すようにガラス・プレート14a、15bに埋め込まれる。ガラス・プレートは、ガラスはんだ13により、ガラス・ボディ11へ取り付けられる。ガラス・プレート14b、15bは適当な直径を有して、図示のようにガラス管11の円筒型の周辺へ取り付けがなされる。
【0025】
(図示されたものとは異なるが)陽極14aは、タングステン線の単なる延長部であっても良い。陰極15がこのタングステンの上にスリーブを有し、タングステン線は、タングステンおよび/またはニッケルおよび/またはニオブおよび/またはタンタルおよび/またはチタンを含む。
【0026】
硬度に関しては、ガラスはんだ13は、非常に低い温度での温度特性を有する。詳しくは、それは、(特にたとえば軟化点および変態点に関して)ガラス・ボディ11の低温で溶解するガラスよりも、更に数10℃低い。対応するガラスはんだの溶解温度は、ボディ11のガラスよりも少なくとも60℃または80℃低い。また、ガラスはんだの熱膨張係数は、ボディ11のガラスよりもタングステン線の熱膨張係数に近い。同じことが熱膨張係数の温度特性に関しても当てはまり、特に室温、処理温度、および動作温度の間の範囲について当てはまる。
【0027】
ガラスはんだ13の熱膨張係数を金属ピン14、15の熱膨張係数に合わせることにより、金属とガラスとの間の熱転移による、クラックおよび漏洩に対しては比較的鈍感になるが、これらは、ランプの寿命の進行と共に、または最初のその製造過程において、温度変動に基づいて変動する負荷により起こり得る。ガラスはんだ13とガラス・ボディ11の間の結合は、類似の物質であるために特に密接であって、従って満足すべきものでもある。ガラスはんだは低温で作業処理されるため、ボディ11の低融点ガラスも、穏やかな作業サイクルが可能になる。
【0028】
図2は、それ自体として、または上記の諸特徴と組み合わせて特に良好なフラッシュ・ランプを得るための好ましい寸法の諸特徴を示す。図2Aは、フラッシュ・ランプ11の横断面図である。12は、このフラッシュ・ランプの内部空間である。13aはガラスはんだを示し、14aは電極の正面である。Diは、円筒形のガラス管の内径である。Dlbは、電極14と15の間にアークが作られたときのアークの直径を示す。このアークは、空間に関して必ずしも厳密に定義されないが、放射強度が最大値の半分へ落ちた半径は、アークの直径の基準として使用される。これは図2Bに概略を示す。数字Iは、半径rに対する放射強度を表す。この例において、半径r=φ(すなわち管の中心)において最大強度Imaxを有することを仮定している。アーク半径(アーク直径の半分、Dlb/2)が設定され、その場合、最大値の半分Imax/2に落ちている。
【0029】
内径Diおよびアーク直径Dlbの寸法として、DiがDlbよりも大きいほうが有利であり、特にDi>1.2Dlbまたは好ましくはDi>1.4Dlbの時に有利であることが証明された。そうした寸法により、高温のプラズマが、ガラスの内壁に衝突するのを防止し、それによりボディ11のガラスの熱負荷を減少させる。これは、ガラスが上述のように低融点ガラスである場合に特に有利である。
【0030】
ガラスの内壁上に厳密に定義された線に沿って、(電極16によりトリガされる)点火が行なわれると、もう一つの長所が続いて起こる。これは、電極がガラス内壁に当接していなければならないことを意味しない。注意すべきは、むしろトリガ電極16による電界が(図2Aの断面図おいて)出来るだけポイントサイズの導体に起因しており、それによりトリガ電極の近辺においてトリガ電界が半径方向、少なくとも若干の範囲まで広がることである。これは、図5Bによる構成によっては達成できない。概略を図2Aに示す様にボディ11の外部にある直線状のトリガ電極の構成が有利である。もう一つの実施例が、図3Aと図3Bを参照して以下に説明される。
【0031】
トリガ電極を直線状に展開すると、アークのときに蒸着される電極物質が、トリガ電極の近辺に空間的に限定された仕方で堆積するという長所がある(フラッシュ・ランプの寿命が進むにつれてガラスの内壁が直線状に黒くなること)。上記の直径寸法と組み合わされて、一度堆積した物質がアークにより除去されて内部空間にもう一度分配される可能性が少ない、という長所がある。
【0032】
こうしてトリガ電極は、断面図において好ましくは、円周方向に目立った広がりがないように、すなわちフラッシュ管から間隔をあけない限りでは、フラッシュ・ランプの接線方向に目立った広がりがないように設計される。これは、従来の配線により、または下記のように実行できる。
【0033】
図3Aと図3Bは、トリガ電極または始動電極が反射器シートの一部分により形成されたフラッシュ・ランプを示す。図3Aは、反射器30上に装着されたリッジ(ridge)31によりトリガ電極が形成される実施例を示す。少なくともリッジ31は、金属物質または金属化された物質で作られている。反射器30自体は、金属でも非金属でも良い。この場合リッジ31は、始動電極16のようにフラッシュ・ランプの配線の中に含まれ、それに対応して配線される。
【0034】
さらなる実施例を図3Bに示す。ここでは、反射器32が折返しシートとして形成される。反射器シート32内の折返し33は、長方形で好ましくはフラッシュ・ランプ10の縦方向に沿って広がり、好ましくは(設置された状態において)フラッシュ・ランプ10のボディ11に当接する。この場合これに対して反射器32が、フラッシュ・ランプの配線内に組み込まれて、適当に配線される。必要ならば、それは絶縁状態に保持される。
【0035】
反射器32の形状は、図3Bの断面から見た場合に線対称であり得る。反射器は、好ましくは折返し33に沿って互いに他と隣接する対照的な凹型の二つのハーフを有する。その横断面形状は、「W」の形であり、折返し33以外の形状は中心において適当に丸くなっている。折返し33における内角αは、120°またはそれ以下、好ましくは90°またはそれ以下、一層好ましくは60°またはそれ以下である。これら反射器のハーフは、全体的に望ましい散乱および焦点特性を有するよう形成される。
【0036】
図3Bに関して説明する反射器の設計は、多重反射防止に役立つが、それは後ろ側(図3の下)へ放射された光がフラッシュ・ランプ10のガラス・ボディ11へ反射されず、横方向へ離れてから正面へ反射されるからであり、この正面への反射は、図3Bにいくつかの光路34a、34b、34cにより概略を示されている。結果として、管11の後壁に特別な熱負荷が発生することはほとんど回避される。これにより、選択された始動電極の設計により、内側に蒸着物質が堆積された領域において、特に非対称的な熱膨張が減少され、フラッシュ管の加熱が減少される。この様な温度低下により、一度堆積された物質が再び蒸発して他の場所へ堆積する傾向がより少なくなる。
【0037】
さらに管11のガラスそのものにおいて、U.V.放射が特定の強度で吸収されるので、多重反射が防止されて光効率を向上することができる。只一つのバック反射(最初外へ出てそれから再びバックし最後に再び外へ出る)だけがあるときは、ガラスの吸収係数は有効値の3倍もあるので、一方において対応する光のイールド(効力)が失われ、他方においてガラスの望ましくない加熱をもたらす。
【0038】
図3Aと図3Bに関して説明したような反射器は、それぞれ独立のものと考えられ、適当な場合は本発明の一部分として別々に用いられる。
【0039】
図4は、フラッシュ・ランプの設計を示す。そこには、上述の諸特徴を含むフラッシュ・ランプ10が示されている。コンデンサ42は、主としてフラッシュ処理を行う電気エネルギーを受け取る役割をする。このエネルギーは、オプションとして、変換され整流された交流電圧から与えられて、それから接続部41を通してコンデンサ42を充電する。このエネルギーはまた、電池によっても供給される。この場合、コンデンサを充電するのに適当なより高い直流電圧がチョッパおよびコイル/トランス・フォーマーを介して生成されて、端子41へ加えられる。コンデンサ42は、好ましくは電解コンデンサである。
【0040】
その端子は、フラッシュ・ランプ10の端子14と端子15へ接続され、これによりそれらの端子でコンデンサ電圧を得ることができる。
【0041】
もう一つの小さなコンデンサ43が始動電圧を供給する役割をする。これもまた充電される。スイッチ45を動作させることにより、該コンデンサは短絡される。これから生ずる変圧器44の一次コイル42a内の電流および/または電圧の変化は、適当な寸法の変圧器44により昇圧される交流電流部分を有する。その二次コイル44bは、フラッシュ・ランプの始動電極16(たとえば図3)へ接続される。
【0042】
こうして、スイッチ45は、フラッシュを点火する役割をする。それは電気的、電子的、または手動で動作させるスイッチである。始動電圧は、フラッシュを点火させるためにのみ必要である。したがって、コンデンサ43は比較的小さな寸法を有する。一旦(始動電極16へ始動電圧を供給することにより)、フラッシュ・ランプ10が点火されると、その結果生ずるプラズマにより、フラッシュ・ランプ10のオーム抵抗が大きく下落して、フラッシュ・コンデンサ42の電圧がそれ自体で放電を進行させ続けるのに充分になる。この放電は、消失する(コンデンサ42の電荷が部分的に空になる)か、または適当な配線構造(図示なし)により積極的に停止される。
【0043】
フラッシュ・コンデンサは、370ボルト以上、好ましくは400ボルト以上、また450ボルト以下、好ましくは430以下の、充電電圧/動作電圧用として設計される。比較的高い動作電圧は比較的高い放電電流を生じるが、それはまたプラズマの非線形性のために超比例的に高い値となる。それにより、U.V.領域内で特に大量のエネルギーを出す比較的高温のプラズマが生ずる。公式E=0.5CU2(E=コンデンサ内のエネルギー、C=キャパシタンス、U=電圧)に対応して、等しいフラッシュ・エネルギーを有するより小さいフラッシュ・コンデンサを選択することもできる。さらに、比較的に「小さい」フラッシュ・キャパシタンス42は有利である。その理由は、この場合放電の時定数t(t=R*C42)が非常に小さくなるので、放電の持続時間が短く、温度が上昇され、こうしてU.V.部分がより高温になるからである。フラッシュ・コンデンサ42を経済的効率に関して考察すると、選択可能な電圧の上限が設定される(こうして、適当な場合には選択可能なキャパシタンスの下限が間接的に設定される)。非常に高いコンデンサ電圧は、高価なコンデンサを必要とするので、充電電圧の上限は450ボルトまたは430ボルトが有用と思われる。フラッシュ・コンデンサのキャパシタンスは、好ましくは、500μF以下であり、一層好ましくは300μF以下である。
【0044】
U.V.収率を増加させるもう一つの可能性は、フラッシュ・ランプ10における充填圧力、特にキセノン充填圧力を増加させることである。充填圧力を上げることにより、フラッシュ中のプラズマ・チャネルがピーク電流なしに狭くなり、こうしてフラッシュ・パワーとフラッシュ・エネルギーが目覚しく減少する。プラズマ・チャネルを狭くすることにより、プラズマが一層高温になるので、紫外領域内に一層多くのエネルギーが放出される。しかしながら、キセノン充填圧力の増加は、また始動電極16における必要な始動電圧を高くする。フラッシュオーバーを回避するためには、この電圧を所望値まで上げることができないので、この始動条件として、またキセノン充填圧力の限界を設定する。キセノン充填圧力は、0.5バール以上、好ましくは、1.5バール以上、一層好ましくは2バール以上である。
【0045】
上記の諸特徴のいくつかを組み合わせれば、比較的に高いU.V.イールドを得られる。それらは、非常に高いので、フラッシュ・ランプのボディ11のガラスについての吸収パラメータを、フラッシュ・ランプのある諸特性の調整に使用できる。たとえばガラス壁の厚さは、機械的安定性を満たす値よりも厚くなるように、また熱電圧負荷については、あるスペクトルおよび/または分布を得るための値より大きくなるように選択される。
【0046】
フラッシュ・ランプの典型的な寸法とデータは、下記の通りである:
・ 内径DIは、3mmと6.5mmの間であり、典型的に4.5mmと5.5mmの間である。
・ 焦点距離(電極14aと電極15aの間の距離)は、15mmと25mmの間であり、典型的に18mmと22mmの間である。
・ ガラス壁厚は、0.2mmから0.8mmであり、典型的に0.4mmから0.6mmである。
・ キセノン充填圧力は、0.5バールから5.5バールであり、典型的に1.5バールから4.5バールである。
・ フラッシュ・コンデンサのキャパシタンスは、100μFから300μFであり、150μFから250μFである。
・ フラッシュごとのエネルギーは、5Wsと17Wsの間であり、好ましくは、10Wsと15Wsの間である。
【図面の簡単な説明】
本発明の個別の実施例を添付図面に関して、上記に説明してきた。
【図1】本発明によるフラッシュ・ランプを示す。
【図2】フラッシュ・ランプの寸法と定義を示す。
【図3】本発明による全般的な設計を示す。
【図4】フラッシュ・ランプの回路を示す。
【図5】公知の実施例を示す。
Claims (18)
- ガラス製のガス入り放電管(11)および各端部にパワー電極(14、15)を含むフラッシュ・ランプ(10)であって、
0.5mmの厚さで下記の透過パラメータTwの1つまたはそれ以上を有するガラスが使用されることを特徴とする前記フラッシュ・ランプ(10):
180nmにおいて:Tw>5%、好ましくは>9%、
200nmにおいて:Tw>30%、好ましくは>45%、
254nmにおいて:Tw>60%、好ましくは>80%。 - 少なくとも1つのパワー電極(14、15)がガラスはんだ(13a、13b)により前記放電管に更に接続され、前記放電管(11)のガラスの前記それぞれ1つよりも少なくとも60℃低い軟化点および/または変態点を前記ガラスはんだが有することを特徴とする請求項1記載のフラッシュ・ランプ。
- 放電管(11)、パワー電極(14、15)、始動電極(16)、反射器(30−33)を含み、始動電極(16)が反射器(30−33)の一部分であるか、またはそこへ電気的に接続されていることを特徴とする好ましくは前項までのいずれかの請求項によるフラッシュ・ランプ(10)。
- 前記始動電極(16)が前記反射シート(32)内の折返し(33)内に形成されることを特徴とする請求項3記載のフラッシュ・ランプ(10)。
- 前記折返し(33)で互いに隣接する2つの半分を有する前記反射器を特徴とする請求項3または請求項4記載の前記フラッシュ・ランプ。
- フラッシュ・ランプ(10)の縦方向に前記折返し(33)が延伸することを特徴とする請求項3ないし請求項5のうちの1つまたはそれ以上によるフラッシュ・ランプ(10)。
- 放電管(10)、管(10)の両端のパワー電極(14、15)、始動電極(16)を含み、放電管の内径(11)がプラズマ・チャネルの直径よりも1.2倍大きいことを特徴とする、好ましくは前項までの1つまたはそれ以上の請求項によるフラッシュ・ランプ(10)。
- 前記放電管の内径(11)が前記プラズマ・チャネルの直径の1.4よりも大きいことを特徴とする請求項7記載のフラッシュ・ランプ(10)。
- 前記放電管(11)の周辺または接線方向に、前記始動電極(16)が目立った延伸をしていないことを特徴とする請求項7または請求項8記載のフラッシュ・ランプ(10)。
- 放電管(11)と、キセノンを含むガス充填とを含み、前記キセノン充填圧力が0.5バールよりも大きく、好ましくは1.5バールよりも大きいことを特徴とする、好ましくは前項までのいずれかの請求項記載のフラッシュ・ランプ(10)。
- 前記充填圧力が4.5バール以下であることを特徴とする請求項10記載のフラッシュ・ランプ(10)。
- 好ましくは前項までのいずれかの請求項によるフラッシュ・ランプ(10)と、それに結合されたフラッシュ・コンデンサ(42)とを含み、フラッシュ・コンデンサ(42)が370ボルト以上、好ましくは400ボルト以上の充電電圧のために設計されることを特徴とするフラッシュ・ランプ設計。
- フラッシュ・コンデンサ(42)が、450ボルト以下、好ましくは430ボルト以下の充電電圧のために設計されることを特徴とする請求項12記載のフラッシュ・ランプ。
- 前記フラッシュ・コンデンサ(42)の容量が、300μFである請求項12または請求項13記載のフラッシュ・ランプ設計。
- ガラス製の放電管(11)を有して、前記壁厚が、機械的および熱的安定性に関して、選択された値よりも厚いことを特徴とするフラッシュ・ランプ(10)。
- 前記壁厚が、一定波長または一定波長領域内において、一定の吸収行動を結果するように選択されることを特徴とする請求項15記載のフラッシュ・ランプ(10)。
- 主にU.V .領域(波長<450nm、好ましくは<350nm)内で、放射パワーを出す、好ましくは前項までの請求項のいずれかに記載のフラッシュ・ランプ。
- フラッシュごとのエネルギーが100Ws以下、好ましくは50Ws以下、一層好ましくは20Wsである好ましくは前項までのいずれかの請求項によるフラッシュ・ランプ。
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