JP2007109507A - フラッシュランプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】短極間のフラッシュランプを高い入力で且つ短い点灯パルスで点灯させ、高ピーク電流の放電を得ることができるようにすること。
【解決手段】透光性材料からなるバルブ１内に放電ガスが封入され、該バルブ１内に、一対の電極２ａ，２ｂと、電極棒３ａ，３ｂが設けられる。バルブ１の外周には、電極２ａ，２ｂ、電極棒３ａ，３ｂに対して、同軸構造をなすように略円筒形状の金属導体からなる導電性部材６が設けられ、該導電性部材６の一方端は、電極棒３ｂに電気的に接続されている。また、導電性部材６の一対の電極２ａ，２ｂ間に対向する部分は網状導体５で構成され、電極２ａ，２ｂ間で生ずるアークによるＵＶ光を透過させる。フラッシュランプ１０とコンデンサＣを接続する給電回路が同軸構造であるので、伝送経路インダクタンスが低減され、短極間ランプにおいても臨界制動に近い点灯が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、フラッシュランプ装置に関し、特に、高強度のＵＶ光を放射する短極間フラッシュランプの電流パルス伝送線路に特徴を持つフラッシュランプ装置に関するものである。

従来から、耐候・退色試験や表面改質等の分野で波長３００ｎｍ程度のエネルギーの高い光（紫外線）が利用されている。
これらの紫外線を放射する光源としては、高圧水銀ランプ、キセノンランプ、水銀−キセノンランプ、フラッシュランプ等が一般的に多く用いられている。特に、フラッシュランプは、連続点灯する他のランプに比べて、高い電流を印加しても電極等に対する負荷が小さく、点灯時のランプ電流密度を非常に高めることができる。このような高いランプ電流密度は、放電時のプラズマ温度を高くするために有用であり、波長３００ｎｍ以下の紫外線の効率的な放射を実現できる。

一方、耐候・退色試験、表面改質等の目的には、例えば楕円体ミラーなどの光学素子により集光あるいは平行光を形成することが望ましく、そのために光源自身の形態は点光源であることが望ましい。ところが、従来から広く利用されているフラッシュランプで、紫外線を効率的に放射するタイプのランプは、極間距離が長い、いわゆるロングアーク型のフラッシュランプであった。
そこで、電極の極間距離を短くして、できるだけ短極間にし、点光源に近づけたフラッシュランプの開発が望まれている。
しかしながら、点光源として扱える短極間のフラッシュランプにおいて、従来のロングアーク型のフラッシュランプで用いていた給電方法をそのまま用いた場合、伝送経路及びランプ内電極棒部に存在する浮遊インダクタンスのために、点灯回路内の回路インダクタンス（Ｌ）を十分に小さくすることができず、臨界制動条件で短パルス・高ピーク電流の放電をさせることが困難であるという問題があった。

短極間のフラッシュランプにおいて、インダクタンスに注目した従来技術としては、例えば、特許文献１に記載のものがある。
該公報には、短極間のフラッシュランプに対して、インダクタンスを直列に、フリーホイールダイオードを並列に、挿入することで、コンデンサ充電エネルギーを効率よくフラッシュランプで消費させる方法が開示されている。
この方法によれば、短極間のフラッシュランプに於いても電流波形が振動波形となることがない。しかしながら、この方法では電流パルス幅が非常に大きくなり、高ピーク電流が得られないという問題があった。
特開平４−２９６８３４

短極間のフラッシュランプにおいては、前記したように、伝送経路及びランプ内電極棒部に存在する浮遊インダクタンスのために、臨界制動条件で短パルス・高ピーク電流の放電をさせることが困難であるという問題があった。
具体的には、以下のような現象が発生している。
フラッシュランプの点灯回路におけるコンデンサ容量をＣ、回路インダクタンスをＬ、コンデンサ充電電圧をＶ、ピーク電流をＪとすると、点灯パルス時間幅（τ）及びダンピングファクター（α）は次式で表される。
τ＝１／√（ＬＣ） ・・・（１）
α＝｛Ｖ／√（Ｊ）｝／√｛Ｖ・√（Ｌ／Ｃ）｝ ・・・（２）

ここで、ダンピングファクター（α）は、フラッシュランプに流れる電流の時間波形を表す因子である。
α≒０．７５の場合、電流波形は臨界制動となり、配線経路の僅かな抵抗を無視すると、コンデンサへの充電エネルギーは全てフラッシュランプで消費される。
α＞０．７５の場合、電流波形は過制動となり臨界制動の場合よりピーク電流値が小さくなる。
α＜０．７５の場合、電流波形は過小制動（振動波形）となる。この場合所望のＵＶ光は高電流密度の最初の電流ピークのみで得られるため、コンデンサ充電エネルギーからＵＶ光への変換効率は低下する。
従って、短パルス・高ピーク電流で放電させるためにはα＝０．７５程度で点灯させることが必要である。

ここで、点光源として扱える短極間のフラッシュランプの場合、ランプ・インピーダンスが小さくなる。すなわち、Ｖ／√（Ｊ）の値が小さくなるため、臨界制動に近い条件で点灯するためには、インダクタンスＬを小さくする必要がある。尚、ここにおいて回路内のＬとは、コンデンサ、スイッチ、伝送経路、ランプ内電極棒が持つインダクタンスの総計である。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、本発明が解決しようとする課題は、上記インダクタンスを小さくすることが可能で、短極間のフラッシュランプを高い入力で且つ短い点灯パルスで点灯させ、高ピーク電流の放電を得ることができるフラッシュランプ装置を提供することである。

従来のフラッシュランプへの給電方法では、コンデンサ→スイッチ→陽極側電極棒→（アーク）→陰極側電極棒→コンデンサの経路が単線経路を成し、その浮遊インダクタンスは１〜数μＨのオーダーである。そのため短極間のフラッシュランプでは臨界制動条件で短パルス・高ピーク電流の放電をさせることが困難である。
そこで、本発明では、フラッシュランプの第２の電極棒（陰極側電極棒）とコンデンサとを接続する導電性部材を、第１の電極棒（陽極側電極棒）、該電極棒に連接する一方の電極、他方の電極、及び該他方の電極に連接する第２の電極棒に対し同軸構造をなすように配置した。
通常の伝送経路あるいは電極棒のような単線経路の長さあたりインダクタンスはおよそ１μＨ／ｍのオーダーであるのに対し、同軸伝送路の場合は１００ｎＨ／ｍのオーダーであり、上記構成とすることにより経路インダクタンスを低減することができ、短極間フラッシュランプであっても、臨界制動条件で短パルス・高ピーク電流の放電をさせることが可能となった。

以上に基づき、本発明においては、以下のように前記課題を解決する。
（１）透光性材料からなるバルブ内に放電ガスが封入され、且つ、該バルブ内に、対向配置された一対の電極と、該電極にそれぞれ連接する第１、第２の電極棒を備えたフラッシュランプと、該フラッシュランプへ電荷を伝送する伝送経路と、該伝送経路に接続されたコンデンサと、から成るフラッシュランプ装置において、一方端が上記第２の電極棒に電気的に接続され、他方端が上記コンデンサの一方の端子に接続された導電性部材を、上記バルブの外側に配設する。そして、上記コンデンサの他方の端子に接続された第１の電極棒、該電極棒に連接する一方の電極、他方の電極、及び該他方の電極に連接する第２の電極棒に対し、上記導電性部材の少なくとも一部を同軸構造とする。
（２）上記（１）において、導電性部材の少なくとも一部を筒状の金属導体で構成する。（３）上記（１）（２）において、上記導電性部材の上記電極間外側に対向する部分を、透光性を有するように構成する。
（４）上記（１）（２）（３）において、コンデンサの一方の端子と上記第１の電極棒を接続する導体、および／または上記第１の電極棒に対して、上記コンデンサを同軸状に配置する。

本発明においては、以下の効果を得ることができる。
（１）フラッシュランプの第２の電極棒とコンデンサとを接続する導電性部材の少なくとも一部を、第１の電極棒、該電極棒に連接する一方の電極、他方の電極、及び該他方の電極に連接する第２の電極棒に対し同軸構造をなすように配置したので、経路インダクタンスを低減することができ、フラッシュランプを臨界制動条件で短パルス・高ピーク電流の放電をさせることが可能となる。
（２）導電性部材の電極間外側の対向する部分を、平行線状あるいは網目状の導体から構成し、透光性を有するようにすることにより、低インダクタンス化を実現しながら、アークからのＵＶ光を透過させることができる。
（３）上記第１の電極棒を接続する導体、および／または上記第１の電極棒に対して、上記コンデンサを同軸状に配置することで、さらに低インダクタンス化を図ることができる。

以下に本発明の実施例について示す。
図１に本発明の第１の実施例のフラッシュランプ装置の構成を示す。同図（ａ）はフラッシュランプの長手方向の軸を通る平面で切った断面図及び給電回路とトリガ回路の構成を示す図であり、（ｂ）は同図（ａ）におけるＡ−Ａ面断面図である。
図１において、フラッシュランプ１０は透光性材料からなるバルブ１を有し、該バルブ１内に放電ガスが封入され、且つ、該バルブ１内には、対向配置された一対の電極２ａ，２ｂと、該電極２ａ，２ｂにそれぞれ連接する第１、第２の電極棒３ａ，３ｂが設けられ、バルブ１の両端は封止部４で封止されている。
また、バルブ１の外周には、上記一対の電極２ａ，２ｂ、第１、第２の電極棒３ａ，３ｂに対して、同軸構造をなすように略円筒形状の金属導体からなる導電性部材６が設けられ、該導電性部材６の一方端は、上記第２の電極棒３ｂに電気的に接続されている。
上記電極間に対向にする部分のバルブ１の外側には外部トリガ線８が絶縁保持部７により保持されている。該外部トリガ線８はニッケル、タングステンあるいはそれらを含む合金で構成されている。
また、上記導電性部材６の、上記一対の電極２ａ，２ｂ間に対向する部分は網状導体５で構成され、電極２ａ，２ｂ間で生ずるアークによるＵＶ光を透過させる。ここで、網状導体５は、図１（ｂ）に示すように上記外部トリガ線８が設けられた部分を避けて、バルブの外周に断面がＣ字状になるように取り付けられ、アーク９を含む電極２ａ，２ｂと同軸伝送路を成しながら、アークから発生するＵＶ光の大部分を透過させる。

上記第１の電極棒３ａは、スイッチＳＷを介してコンデンサＣの一方の端子（正極側）に接続され、第２の電極棒３ｂは上記導電性部材６を介してコンデンサＣの他方の端子（負極側）に接続されている。
コンデンサＣには充電電源Ｅが接続されており、充電電源ＥからコンデンサＣに充電したのち、スイッチＳＷを閉じることにより、コンデンサＣに充電されたエネルギーが上記スイッチＳＷ、電極棒３ａ、電極（陽極）２ａ、電極（陰極）２ｂ、電極棒３ｂ、導電性部材６を介して放電し、フラッシュランプ１０にパルス電流が流れる。これにより、電極２ａ，２ｂ間にアークが発生し、フラッシュランプ１０は点灯する。
外部トリガ線８とフラッシュランプ駆動回路（図示せず）とはパルストランスＰＴを介して接続されており、パルストランスＰＴを介して外部トリガ線に高電圧パルスを印加することでフラッシュランプの放電を始動することができる。

次に本発明のさらに望ましい実施形態である第２の実施例について説明する。
図２は本発明の第２の実施例を示す図であり、図１と同様、フラッシュランプの長手方向の軸を通る平面で切った断面図を示している。
図２において、図１と同様、バルブ１内に、対向配置された一対の電極２ａ，２ｂと、該電極２ａ，２ｂにそれぞれ連接する第１、第２の電極棒３ａ，３ｂが設けられ、バルブ１の外周には、上記一対の電極２ａ，２ｂ、第１、第２の電極棒３ａ，３ｂに対して、同軸構造をなすように略円筒形状の金属導体からなる導電性部材６が設けられ、該導電性部材６の一方端は、上記第２の電極棒３ｂに電気的に接続されている。
上記電極２ａ，２ｂ間に対向するバルブ１の外側には外部トリガ線８が絶縁保持部７により保持され、導電性部材６の上記一対の電極２ａ，２ｂ間に対向する部分は網状導体５で構成され、電極２ａ，２ｂ間で生ずるアークによるＵＶ光を透過させる。

本実施例においては、複数のコンデンサＣが対向する平板導体（正極側導体）１２ａ、平板導体（負極側導体）１２ｂに固定設置されており、複数のコンデンサＣは円柱状の導体棒１１に対して、同軸状に配置されている。上記平板導体１２ａ，１２ｂは充電電源Ｅに接続されており、複数のコンデンサＣは充電電源Ｅにより充電される。また、平板導体１２ａと上記円柱状の導電棒１１の間は絶縁体１３で絶縁され、平板導体１２ａと導電棒１１はスイッチＳＷを介して接続されている。
コンデンサＣの一方の端子（正極側）に接続された平板導体１２ａは、放電を制御するスイッチＳＷおよび円柱状の導体棒１１を介してフラッシュランプの電極棒３ａ、電極（陽極）２ａと連結されている。また、上記コンデンサＣの他方の端子（負極側）に接続された平板導体１２ｂは、円筒状導体である導電性部材６と連結されている。
すなわち、複数のコンデンサＣは、円柱状の導体棒１１に対して同軸構造をなしており、コンデンサＣを含めてコンデンサＣ間のほぼ全ての伝送経路が同軸伝送路となっている。このため、前記第１の実施例と比べ、伝送経路インダクタンスを一層低減することができる。

図１および図２で示される第１の実施例及び第２の実施例と、従来例（単線伝送路で配線した場合）について、伝送経路インダクタンスおよび、極間長５ｍｍ・１０ｍｍ・１５ｍｍの場合のダンピングファクターの測定値を比較したものを表１に示す。
ここでフラッシュランプとしては、３ａｔｍのキセノン（Ｘｅ）を封入したものを用い、電極及び電極棒の長さは両極とも５０ｍｍであり、コンデンサ充電電圧は３００Ｖ、コンデンサ容量は１００μＦのものを使用した。
第１の実施例におけるコンデンサとフラッシュランプ間の伝送路長は２００ｍｍであり、φ２．５ｍｍ導線を使用した。
また、第２の実施例におけるコンデンサＣの正極側の平板導体１２ａからフラッシュランプに至る導体棒１１は長さ２００ｍｍ、φ１２ｍｍのものを使用した。さらに、従来例におけるコンデンサＣとフラッシュランプ間の伝送路長は２００ｍｍであり、φ２．５ｍｍ導線を使用した。

表１より、本発明により伝送経路インダクタンスが低減されることにより、ダンピングファクターが大きくなることがわかる。極間長１５ｍｍでは従来の配線方法（伝送経路インダクタンス＝２．０μＨ）でも臨界制動に近い値（０．６４）が得られるが、極間長１０ｍｍでは、本発明の実施例によってのみ臨界制動に近い波形（０．６８，０．７９）が得られる。さらに極間長５ｍｍでは第２の実施例によってのみ臨界制動に近い波形（０．６０）が得られる。つまり、短極間ランプにおいても臨界制動に近い点灯が可能であることがわかる。

次に図２に示した第２の実施例のフラッシュランプを、ＵＶ放射を集光するための楕円体ミラーと組合わせたときの配置例について説明する。
図３は、フラッシュランプ１０からのＵＶ放射を楕円体ミラー２０により集光する配置例である。楕円体ミラー２０の中央には開口２０ａが設けられ、開口２０ａからフラッシュランプ１０及び導電性部材６が楕円体ミラーの長軸に平行に挿入設置されている。
フラッシュランプ１０の一方端側には、前記したように同軸状に配置された複数のコンデンサＣが平板導体１２ａ，１２ｂにより取り付けられ、導電性部材６に連接した平板導体１２ｂが、絶縁体２２を介してランプ支持部２３に支持されている。
また、楕円体ミラー２０はミラー支持部２１に支持されている。
フラッシュランプ１０のアーク位置は楕円体ミラー２０の１つの焦点と一致するように設置されており、アークからのＵＶ放射は楕円体ミラー２０によりもう一方の焦点に集光される。
点光源として扱える短極間のフラッシュランプを用い、図３に示す構成とすることにより、フラッシュランプ１０から放射されるＵＶ光を効果的に集光し、被照射体に照射することができる。

点光源として光学系と組合わせて使用される電極安定型のランプでは、アークの空間的な安定性が要求される。本発明のさらに好ましい第３の実施例を図４に示す。
同図（ａ）はフラッシュランプの長手方向の軸を通る平面で切った断面図を示し、（ｂ）は同図（ａ）におけるＡ−Ａ面断面図である。
本実施例においては、前記導電性部材６の一対の電極２ａ，２ｂに対向する部分を線状の導電部材５１で構成し、各線状の導電部材５１は、ランプ中心軸に対して軸対称に配置している。なお、その他の構成は前記図１、図２に示したものと同様であるが、本実施例では、外部トリガ電極８１がバルブ１内に挿入されている。
電極２ａ，２ｂに生ずるアークは上記導電部材５１を流れる電流から反発力を受けるが、本実施例では線状の導電部材５１が軸対称に配置されているため、結果的にアークはランプ中心軸に戻されるように力が働き、アークが安定化する。

なお、バルブ形状が円筒形ではない場合も、導電性部材６をバルブに隣接するように配置し、電極棒、電極、及びアークと導電性部材６が略同軸伝送路を成すようにすれば、低インダクタンス化を実現することができる。

本発明の第１の実施例のフラッシュランプ装置の構成を示す図である。 本発明の第２の実施例のフラッシュランプ装置の構成を示す図である。 図２に示したフラッシュランプを、ＵＶ放射を集光するための楕円体ミラーと組合わせたときの配置例を示す図である。 本発明の第３の実施例のフラッシュランプ装置の構成を示す図である。

符号の説明

１ バルブ
２ａ，２ｂ 電極
３ａ，３ｂ 電極棒
４ 封止部
５ 網状導体
６ 導電性部材
７ 絶縁保持部
８ 外部トリガ線
９ アーク
１０ フラッシュランプ
１１ 導体棒
１２ａ，１２ｂ 平板導体
１３ 絶縁体
２０ 楕円体ミラー
Ｃ コンデンサ
ＳＷ スイッチ
ＰＴ パルストランス
Ｅ 充電電源

Claims (4)

1. 透光性材料からなるバルブ内に放電ガスが封入され、且つ、該バルブ内に、対向配置された一対の電極と、該電極にそれぞれ連接する第１、第２の電極棒を備えたフラッシュランプと、該フラッシュランプへ電荷を伝送する伝送経路と、該伝送経路に接続されたコンデンサと、から成るフラッシュランプ装置において、
   一方端が上記第２の電極棒に電気的に接続され、他方端が上記コンデンサの一方の端子に接続された導電性部材を、上記バルブの外側に配設し、
   上記コンデンサの他方の端子に接続された第１の電極棒、該電極棒に連接する一方の電極、他方の電極、及び該他方の電極に連接する第２の電極棒に対し、上記導電性部材の少なくとも一部を同軸構造とした
   ことを特徴とするフラッシュランプ装置。
2. 上記導電性部材の少なくとも一部は、筒状の金属導体で構成される
   ことを特徴とする請求項１に記載のフラッシュランプ装置。
3. 上記導電性部材の上記電極間外側に対向する部分は、透光性を有するように構成される
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のフラッシュランプ装置。
4. 上記コンデンサの一方の端子と上記第１の電極棒を接続する導体、および／または上記第１の電極棒に対して、上記コンデンサが同軸状に配置されている
   ことを特徴とする請求項１，２または請求項３に記載のフラッシュランプ装置。
   
   
   
   
   

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