JP2005340051A - ショートアークランプ - Google Patents

Abstract

【課題】ランプ本体の光軸Ｘと陽極の中心軸とを一致させ、良好な放電を形成することを可能にしたショートアークランプを提供すること。
【解決手段】アルミナからなり、内部に反射面１２を有する凹所１１が形成されたランプ本体１と、凹所１１において反射面１２の所定位置に所定の間隔を持って対向配置された陰極３及び陽極２と、反射面１２の開口縁の近傍に配置され、陰極３を支持する導電性支持部材８が接続された陰極側給電部材５と、ランプ本体１の基端面１３に配置され、陽極２を支持するブロック状の陽極側給電部材４とを有するショートアークランプにおいて、陽極側給電部材４は、８００℃における熱膨張率が１３．９×１０^−６以下の材料からなり、ランプ本体１の基端面１３にロウ付けにより接合されたことを特徴とするショートアークランプである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アルミナからなるランプ本体に反射面が形成され、放電空間内に発光ガスとしてキセノンガスが封入された反射面一体型のショートアークランプに関する。特に、内視鏡、データプロジェクタのバックライト等に使用されるショートアークランプに関する。

従来、ショートアークランプとして、絶縁材料であるセラミック（例えばアルミナ）からなるランプ本体の内部に凹状反射面を形成し、光取出し方向である反射面の開口部を透光性ガラスで覆った反射面一体型のものが知られている。かかるショートアークランプは、別体の反射鏡と組合せる必要がないので小型化が可能であり、また全体形状が円柱状で構成されるため極めて頑丈で取り扱い易く、さらには、破裂の危険性が殆どないため安全性の極めて高いものである。かかるショートアークランプとしては特開平１１−１６２４１２号公報に開示されたものが知られている。

図３は、従来技術に係るショートアークランプの長手方向の断面を示す図である。
同図に示すように、このショートアークランプ３０は、アルミナからなる円柱状のランプ本体３１を備える。ランプ本体３１の内部に形成された凹所３１１には、陰極３２と陽極３３とが対向配置されており、凹所３１１の表面には反射面３１２が形成されている。ランプ本体３１の基端面３１３には、陽極側給電部材３４が円筒状の第１の固定部材３５によって固定されている。陽極３３は、陽極側給電部材３４の中央に設けられた貫通穴に挿通され、陽極側給電部材３４にロウ付けにより保持され、その先端がランプ本体３１の基端側の中心穴３１４から凹所３１１内に突出している。

一方、ランプ本体３１の開口側の端面３１５には、リング状の陰極側給電部材３６が円筒状の第２の固定部材３７によって固定されている。陰極３２は導電性支持部材３８の一端に溶接され、導電性支持部材３８の他端が陰極側給電部材３６に形成された溝に嵌め込まれて固定されている。また、陰極側給電部材３６に接続されたフランジ３９の中央開口に窓部材４０が嵌め込まれて固定されている。

このように構成することにより、ランプ本体３１の凹所３１１、陽極３３、陽極側給電部材３４、陰極側給電部材３６、フランジ３９、光取出し窓４０によって仕切られた放電空間Ｓが形成される。
上記構成のショートアークランプ３０は、第１の固定部材３５と第２の固定部材３７とに通電することにより陰極３２と陽極３３の間で放電が起し、点灯させることができる。
特開平１１−１６２４１２号公報

しかしながら、上記に示すようなショートアークランプには、以下に示すような問題がある。
（１）第１の固定部材３５は、その中心軸が光軸Ｘに合わさるようにランプ本体３１にロウ付けされる。そして、第１の固定部材３５に対し、第１の固定部材３５の中心軸と陽極３３の中心軸とが合わさるように陽極側給電部材３４を圧入し、接合することにより、ランプ本体３１と陽極側給電部材３４との一体化を行っている。
ここで、ランプ本体３１の外周に配置された第１の固定部材３５は、ランプ本体３１との間に形成された空隙にロウ材を充填することにより、ランプ本体３１にロウ付けされる。ところが、ロウ材は流動性を有し、また、瞬時に固化しないことにより空隙に対してロウ材が均一に充填されないことがあり、その場合には、図４に示すように、ランプ本体３１の光軸Ｘと第１の固定部材３５の中心軸とが一致しないことになる。この状態で、上記のようにして陽極側給電部材３４を圧入すると、ランプ本体３１の光軸Ｘと陽極３３の中心軸とが一致しなくなるため、良好な放電を形成することができない、という問題が発生する。

（２）仮に、第１の固定部材３５とランプ本体３１との間の空隙にロウ材が均一に充填されたとしても、さらに以下のような問題が生じるおそれがある。
上記のようなランプ本体３１にロウ付けされた第１の固定部材３５に対して陽極側給電部材３４を圧入する作業を行った後は、第１の固定部材３５と陽極側給電部材３４との間で溶接を行う。ところがこの溶接は、第１の固定部材３５に対して局所的な加熱を行うものであるため、第１の固定部材３５に歪を生じさせるおそれがあり、これによっても上記と同様に、陽極３３の中心がランプ本体３１の光軸Ｘからずれるおそれがある。

本発明の目的は、上記の問題に鑑み、ランプ本体の光軸Ｘと陽極の中心軸とを一致させ、良好な放電を形成することを可能にしたショートアークランプを提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するために、次のような手段を採用した。
第１の手段は、アルミナからなり、内部に反射面を有する凹所が形成されたランプ本体と、前記凹所において前記反射面の所定位置に所定の間隔を持って対向配置された陰極及び陽極と、前記反射面の開口縁の近傍に配置され、前記陰極を支持する導電性支持部材が接続された陰極側給電部材と、前記ランプ本体の基端面に配置され、陽極を支持するブロック状の陽極側給電部材とを有するショートアークランプにおいて、前記陽極側給電部材は、８００℃における熱膨張率が１３．９×１０^−６以下の材料からなり、前記ランプ本体の基端面にロウ付けにより接合されたことを特徴とするショートアークランプである。

第２の手段は、第１の手段において、前記陽極側給電部材は、コバールからなることを特徴とするショートアークランプである。

第３の手段は、第１の手段または第２の手段において、前記陽極側給電部材は、前記ランプ本体の基端面に接合される側の面に、前記陽極の外周を取り囲む環状の凹部が形成され、さらに該凹部に前記陽極の外周を取り囲む環状の溝が形成されたことを特徴とするショートアークランプである。

請求項１に記載の発明によれば、アルミナからなり、内部に反射面を有する凹所が形成されたランプ本体と、前記凹所において前記反射面の所定位置に所定の間隔を持って対向配置された陰極及び陽極と、前記反射面の開口縁の近傍に配置され、前記陰極を支持する導電性支持部材が接続された陰極側給電部材と、前記ランプ本体の基端面に配置され、陽極を支持するブロック状の陽極側給電部材とを有するショートアークランプにおいて、前記陽極側給電部材は、８００℃における熱膨張率が１３．９×１０^−６以下の材料からなり、前記ランプ本体の基端面にロウ付けにより接合されるようにしたので、ランプ本体の光軸Ｘと陽極の中心軸とを容易に一致させ、陰極と陽極間に良好な放電を形成することができる。

請求項２に記載の発明によれば、前記陽極側給電部材として、コバールを用いたので、切削加工性が良く成形が容易な陽極側給電部材が得られる。

請求項３に記載の発明によれば、前記陽極側給電部材は、前記ランプ本体の基端面に接合される側の面に、前記陽極の外周を取り囲む環状の凹部が形成され、さらに該凹部に前記陽極の外周を取り囲む環状の溝が形成されているので、点灯時に陽極の先端部の近傍が高温状態になった際に、ランプ本体と陽極側給電部材間のロウ材が流れ込むおそれが無いので、陽極付近に流れ込んだロウ材が蒸発して放電空間Ｓを汚染するという不具合を防止することができる。

本発明の一実施形態を図１及び図２を用いて説明する。
図１は、本実施形態の発明に係るショートアークランプの長手方向の断面を示す図である。
同図に示すように、ショートアークランプ１００は、反射鏡としてのランプ本体１を備え、ランプ本体１は、アルミナで製作されたものであり、内部に凹所１１が形成され、外観は円柱状に形成される。ランプ本体１は、外径が２２ｍｍ〜７０ｍｍ、全長が１３ｍｍ〜７５ｍｍである。凹所１１の表面には、例えば、銀やアルミニウム等の金属が蒸着されて反射面１２が形成される。反射面１２の断面形状は楕円形や放物線形等である。
ランプ本体１の凹所１１には、タングステンからなる陽極２と陰極３が０．５〜２ｍｍの間隔をあけて光軸Ｘに重なるように対向配置され、その中心はランプ本体１の焦点に位置している。ランプ本体１は、ランプ本体１と概ね同径のブロック状の陽極側給電部材４にロウ付けにより接合される。

より詳細には、ランプ本体１の基端面１３にモリブデンマンガン法によるメタライズ処理を施し、基端面１３と陽極側給電部材４の前方端面４１との間に、例えば銀と銅からなるロウ材を充填することにより接合する。陽極２は、陽極側給電部材４の中心に設けられた貫通穴４２に挿通されてロウ付けにより固定され、ランプ本体１の基端面１３側の中心穴１４から凹所１１内に突出している。

ランプ本体１の基端面１３のアルミナに塗布されているメタライズは、Ｍｏ−ＭｎとＳｉＯ_２から成るものであり、アルミナの表層の凹凸にＳｉＯ_２が浸透しＭｏ−ＭｎがＳｉＯ_２中に拡散している状態である。更にこの表面にはＮｉメッキが施されＭｏ−Ｍｎの酸化を防いでいる。

また、陽極側給電部材４はコバール製であるが、ランプ本体１とのロウ付け時に使用するロウ材のコバール金属内部への侵食とコバールの酸化を防ぐ目的でＮｉメッキが施されている。

ランプ本体１と陽極側給電部材４のロウ付けには銀と銅からなるごく一般的なロウ材を用い、約８００℃の雰囲気下にてロウ付けする。ロウ付け後メタライズのＭｏ−Ｍｎ及びＳｉＯ_２の一部、ロウ材の銀及び銅、各Ｎｉメッキは溶け合いＳｉＯ_２を媒体として拡散した状態となり、ランプ本体１と陽極側給電部材４とが強固に接合される。

また、このとき使用するロウ材及びロウ付けを行うための冶具類に合わせ温度及び溶解時間の調整を行う必要がある。これはロウ材が溶解している時間を最適にすることによりロウ材がメタライズ部分に適度に混合拡散させることができる。温度が低い場合や時間が短い場合は、ロウ材の溶け残りを生じ、密閉容器を形成できなくなる。また温度が高い場合や時間が長すぎる場合は、ロウ材の銅、銀、メタライズのＳｉＯ_２、Ｍｏ、Ｍｎ及びメッキのＮｉが各密度の差により各成分が分離してしまい、十分なロウ付け強度が得られなくなる。

さらに、陽極側給電部材４には、ランプ本体１とロウ付けされる側の前方端面４１に陽極２を取り囲む環状の凹部４３が形成され、凹部４３の中心には陽極２を挿通するための貫通穴４２が形成される。一方、後方端面４４には、凹部４３に繋がる放電ガス封入用の排気管４５が設けられている。さらに、凹部４３には、ランプ本体１と陽極側給電部材４とをロウ付けする際に、陽極２の近傍にロウ材が流れ込むのを防止するため、ロウ材溜りとして作用するように、陽極３の外周を取り囲むように環状の溝４６を形成する。この理由は、点灯時に陽極２の先端部２１の近傍が高温状態になった際に、ランプ本体と陽極側給電部材間のロウ材が流れ込むおそれが無いので、陽極付近に流れ込んだロウ材が蒸発して放電空間Ｓを汚染する、という不具合を防止するためである。

この陽極側給電部材４は、円板状に形成され、その外径は２１ｍｍ〜７０ｍｍ、厚みは５ｍｍ〜２５ｍｍである。陽極側給電部材４は、ランプ点灯時の発熱により、陽極２と陽極側給電部材４間の接合を図るロウ材や、陽極側給電部材４とランプ本体１間のロウ材が溶融することが無いように、十分な熱容量を有することが好ましく、外径がランプ本体１に概ね等しく形成される。

一方、ランプ本体１の開口側の端面１５には、リング状の陰極側給電部材５が円筒状の固定部材９によって固定される。陰極３は導電性支持部材８の一端に溶接され、導電性支持部材８の他端が陰極側給電部材５に形成された溝に嵌め込まれて固定される。また、陰極側給電部材５の内周面にはリング状のコバールからなるフランジ６が嵌め込まれている。フランジ６の内周面には円板状の光取出し窓７が嵌め込まれている。光取出し窓７は、可視光を透過し、放電空間Ｓに高圧ガスを封入するという理由から高い強度が要求され、サファイアで構成される。光取出し窓７の外側の表面７１には、減反射や紫外線カット等の効果のあるコーティングが必要に応じ施されている。

また、陰極３は、その外周を３つの導電性支持部材８で接続されることにより所定の位置に配置されるように固定される。導電性支持部材８は、モリブデン製であり、幅が２ｍｍ〜５ｍｍ、厚みが０．３ｍｍ〜０．８ｍｍである。

筒状の固定部材９は、コバール製であり、陰極側給電部材５とその内周面に固定されたフランジ６及び光取出し窓７をランプ本体１に一体に固定するためのものであり、ランプ本体１の開口部側の外周と陰極側給電部材５の外周を覆うように配置される。

このように構成することにより、ショートアークランプ１００の内部には、ランプ本体１の凹所１１、陽極２、陽極側給電部材４、陰極側給電部材５、フランジ６、光取出し窓７により概ね密閉された放電空間Ｓが形成される。また、固定部材９は、陰極側給電部材５及び導電性支持部材８を経て陰極３に給電するための給電機構も兼ねている。

放電空間Ｓは、陽極側給電部材４の後方端面４４に設けられた排気管４５によって排気された後、ランプ本体１の基端面１３と凹部４３との間の放電空間Ｓに繋がる空隙を通じて、例えば、キセノンガスが封入される。キセノンガスは、封入時における圧力が１５ｋＰａ〜３０ｋＰａとなるように封入される。そして、陽極側給電部材４及び固定部材９に通電することにより、陽極２及び陰極３に給電され、陽極２と陰極３との間で絶縁破壊して放電が生じ、可視域にて約４５０ｎｍにピーク波長を有する光を放射する。点灯条件を挙げると、例えば、定格電流が１４Ａ、消費電力が１７５Ｗである。

このように、本発明のショートアークランプ１００によれば、従来のショートアークランプのように固定部材を使用することなく、ランプ本体１と陽極側給電部材４とを一体化することができ、先に指摘した従来のショートアークランプの（１）、（２）に記載する、固定部材に起因する問題を回避することができる。

さらに本発明者は、ランプ本体１の材質と陽極側給電部材４の材質との熱膨張率に着目した。具体的には、ランプ本体１を構成する材料はアルミナを用いることが一般的であることから陽極側給電部材４に用いる材料に熱膨張率がアルミナに近いものを使用することが望ましいことを見出し、陽極側給電部材４に用いる材料の熱膨張率を実験により適正な範囲に規定した。

熱膨張率を規定する理由は、本発明のショートアークランプにおいては、高圧ガスを封入しており、そのため、常にランプ本体１と陽極側給電部材４のロウ付け部に引き離す方向に引っ張り応力が作用し、また製作時に７００〜９００℃の温度で行うロウ付けにより発生する応力が常に接合部に加わるためである。さらに点灯、消灯を繰り返す毎に温度の上昇、下降を繰り返し熱的な膨張収縮を繰り返すため、一体化しているランプ本体１と陽極側給電部材４との熱膨張率に隔たりがあると、ランプ本体１が破損するおそれがある。なお、本発明では陽極側給電部材４を構成する材料の熱膨張率を８００℃に規定しているが、これはセラミックスと金属との接合に一般的に使用する銀と銅からなるロウ材の融点が概ね８００℃前後であることによる。

以下に、陽極側給電部材４の熱膨張率を適正な範囲に規定するために行った実験について説明する。
実験に使用したショートアークランプは、図１の構成に従い、陽極側給電部材４として、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、４２Ｎｉ−６Ｃｒ−Ｆｅ、５０Ｎｉ−Ｆｅ、４２Ｎｉ−Ｆｅ、コバール（Ｎｉ２９−Ｃｏ１７−Ｆｅ）、アルミナ（Aｌ_２Ｏ_３）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（W）の９種類の材料のいずれかを用いた。
ここで、ランプ本体１は、外径が２６ｍｍ、全長が２０ｍｍであり、アルミナ製である。陽極２は、最大外径が３ｍｍ、全長が１５ｍｍであり、タングステン製である。陰極３は、先端に５０°のテーパー角が付けられ、最大外径が１．５ｍｍ、全長が１５ｍｍであり、トリエーテッドタングステン製である。陽極側給電部材４は、外径が２５ｍｍ、厚みが７ｍｍであり、材料は上記９種類の何れかを用いた。陰極側給電部材５は、外径が２６ｍｍ、内径が２１ｍｍ、厚みが４ｍｍであり、コバール製である。フランジ６は、外径が２１．５ｍｍ、内径が２０ｍｍ、全長が７ｍｍであり、コバール製である。光取出し窓７は、外径が２０ｍｍ、厚みが３ｍｍであり、サファイア製である。導電性支持部材８は、幅が３ｍｍ、厚みが０．４ｍｍであり、モリブデン製である。固定部材９は、外径が２７．５ｍｍ、内径が２６ｍｍ、全長が９ｍｍであり、コバール製である。

図２は、上記９種類のショートアークランプを、それぞれ定格電流が１４Ａ、定格電力が１７５Ｗで、１００時間点灯させた後、ランプ本体１が破損するか否かを目視にて確認した結果を示す表である。
同表において、「８００℃における熱膨張率」とは陽極側給電部材４を構成する材料毎の熱膨張率を示し、「ランプ本体１の破損の発生有無」の欄の「〇」は破損しなかったことを示し、「×」は破損したことを示す。なお、ランプ本体１を構成するアルミナの８００℃における熱膨張率は７．９×１０^−６である。

同表に示すように、陽極側給電部材４の熱膨張率が本発明で規定した範囲内である場合は、ランプ本体１に破損が生じることはない。これに対し、銅（Ｃｕ）や鉄（Ｆｅ）のように熱膨張率が本発明の規定した範囲を上回る場合はランプ本体１に破損が生じることが分かる。

その理由は、銅（Ｃｕ）では熱膨張率がアルミナより相当大きいため、ロウ付けによる両者の接合時にその膨張率の差によりアルミナに発生する引っ張り応力により破損してしてしまうためである。また鉄（Ｆｅ）も製作時には破損を起こさないものの、熱膨張率が大きいため、常に接合部分のアルミナに相当に大きな引っ張り応力が加わる。これに加えて、点灯、消灯時に繰返し応力がかかることにより破損する。これは点灯時に発生する熱により、内部ガス圧が上昇しアルミナと陽極側給電部材間にかかる圧力に起因する応力が増すことと、各部材の膨張収縮による応力により発生する歪によるものである。これら一連の破損の原因は、ランプ本体１を構成するアルミナが引っ張り応力に対し脆弱であることによるものと考えられる。
なお、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）は、ランプ本体１の破損は認められないものの、加工し難く、高価である。それに対して、コバール（Ｎｉ２９−Ｃｏ１７−Ｆｅ）は切削加工性に優れ、成形が容易である。

なお、陽極側給電部材４を構成する材料の８００℃における熱膨張率が４．４×１０^−６を下回るデータについては、ランプ本体１が破損することはないと考えられるので省略した。その理由は、ランプ本体１を構成するアルミナに比して熱膨張率が著しく小さくなった場合、ランプ本体１には圧縮の力がかかることになるが、アルミナはこのような圧縮の力に対して強靭だからである。

本発明に係るショートアークランプの長手方向の断面を示す図である。 ９種類のショートアークランプを、それぞれ定格電流が１４Ａ、定格電力が１７５Ｗで、１００時間点灯させた後、ランプ本体１が破損するか否かを目視にて確認した結果を示す表である。 従来技術に係るショートアークランプの長手方向の断面を示す図である。 第１の固定部材３５とランプ本体３１間の空隙にロウ材を充填した際に、ランプ本体３１の光軸Ｘと第１の固定部材３５の中心軸とが一致していない状態を示す図である。

符号の説明

１ ランプ本体
１１ 凹所
１２ 反射面
１３ 基端面
１４ 中心穴
１５ 端面
２ 陽極
２１ 先端部
３ 陰極
４ 陽極側給電部材
４１ 前方端面
４２ 貫通穴
４３ 凹部
４４ 後方端面
４５ 排気管
４６ 溝
５ 陰極側給電部材
６ フランジ
７ 光取出し窓
７１ 表面
８ 導電性支持部材
９ 固定部材
１００ ショートアークランプ

Claims (3)

1. アルミナからなり、内部に反射面を有する凹所が形成されたランプ本体と、前記凹所において前記反射面の所定位置に所定の間隔を持って対向配置された陰極及び陽極と、前記反射面の開口縁の近傍に配置され、前記陰極を支持する導電性支持部材が接続された陰極側給電部材と、前記ランプ本体の基端面に配置され、陽極を支持するブロック状の陽極側給電部材とを有するショートアークランプにおいて、
   前記陽極側給電部材は、８００℃における熱膨張率が１３．９×１０^−６以下の材料からなり、前記ランプ本体の基端面にロウ付けにより接合されたことを特徴とするショートアークランプ。
2. 前記陽極側給電部材は、コバールからなることを特徴とする請求項１に記載のショートアークランプ。
3. 前記陽極側給電部材は、前記ランプ本体の基端面に接合される側の面に、前記陽極の外周を取り囲む環状の凹部が形成され、さらに該凹部に前記陽極の外周を取り囲む環状の溝が形成されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のショートアークランプ。

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