JP2010097699A - ショートアークランプ - Google Patents

Abstract

【課題】窓部材から反射される戻り光による陰極加熱を防止し、高輝度で長寿命のショートアークキセノンランプを提供すること。
【解決手段】絶縁部材からなり、内部に窪みが形成されて一端が開口し、反射面１ａと放電空間Ｄとを有する胴体１と、該放電空間内に配置された一対の陰極４と陽極５と、該陰極を支持するとともに給電する支持部材３と、該支持部材が接続された、該胴体の開口縁１ｂに配置される給電リング２と、該放電空間を密閉する、透光性を有する窓部材１１とこれを保持する金属製のフランジ１０を備えるショートアークランプにおいて、前記窓部材１１は、反射面１ａの光軸Ｘに垂直な面Ｙに対し、一定の傾斜角を有して傾斜し、前記窓部材内面１１ａと前記フランジの内周面１０ａとのなす角Ｃが、光軸を軸とした回転方向の全周にわたって９０度以上であること。
【選択図】図１

Description

本発明は、ショートアークランプに係わり、特に内視鏡の光源のように強力な点光源の光を微小面積に集光し光ファイバーを通して照明する分野に用いられるショートアークランプに関する。

ショートアークランプは、一般的には透明セラミックスや石英ガラス、その他のガラス材を発光管に使用しているが、特殊な用途にはランプ本体を不透明セラミックスで作り、光取り出し部のみに透光性材料を用いているランプが知られている。このようなショートアークランプはきわめて頑丈で取り扱いやすく、また安全性が高いので医療用ランプとして使われている。

図７（ａ）は従来のショートアークランプの断面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）に示すショートアークランプの給電リング２２と支持部材２３と陰極２４のみを取り出した説明図である。
このショートアークランプ２００は、胴体２１が円柱状の絶縁部材から構成されており、その内部には反射面２１ａを有する凹部放電空間Ｄが形成されている。この凹部放電空間Ｄには、反射面２１ａの開口に続く胴体２１の先端縁には、セラミックリング２９を介して胴体２１の外径とほぼ等しい外径を有する金属製の給電リング２２が配置されている。この給電リング２２に重ねてフランジ保持リング３４とフランジ３０が配置され、フランジ３０の内周面には透明な窓部材３１が接合されている。この窓部材３１は断面円形の平板状であり、平行光を出射するためにその厚みは一定である。給電リング２２とフランジ保持リング３４、フランジ３０および窓部材３１を胴体２１に固定するために、前方金属部材２６が設けられている。
凹部放電空間Ｄの給電リング２２の半径方向には支持部材２３が延在しており、その一端は給電リング２２に、他端は陰極２４に接続されている。すなわち、支持部材２３は陰極２４に電流を流すための経路を形成するとともに、陰極２４を凹部放電空間Ｄ内において所定の位置に配置するよう支持している。

上記のような構成により、ランプから発せられる光は、反射面により光軸に対して平行光として直線的に放射される。そのため、光源が平行光であることが要求される内視鏡用のランプなどに用いられる。このようなショートアークランプは、例えば特開２００８−１６３８９号に記載されている。
特開２００８−１６３８９号

ところで、このようなショートアークランプの光源にはさらなる輝度の向上と長寿命化が要求されている。
このショートアークランプにおいては、光が反射面の光軸に対して平行に出射される。光がランプの内部から外部へ出射される際に通過する窓部材は、透光性を有するものではあるが、平行光の一部は窓部材に入射する際にその表面で反射する。反射した光は真逆に戻る光となり、焦点位置にそのまま回帰する。
したがって、焦点位置近傍に配置される陰極先端が戻り光によって熱せられて陰極温度が上昇し、電極の蒸発による損耗が促進される。すなわち、この戻り光による加熱のために陰極の損耗はより著しくなり、ランプの寿命が低下することとなった。
以上により本発明は、窓部材から反射される戻り光による陰極加熱を防止し、高輝度で長寿命のショートアークキセノンランプを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、絶縁部材からなり、内部に窪みが形成されて一端が開口し、反射面と放電空間とを有する胴体と、該放電空間内に配置された一対の陰極と陽極と、該陰極を支持するとともに給電する支持部材と、該支持部材が接続された、該胴体の開口縁に配置される給電リングと、
該放電空間を密閉する、透光性を有する窓部材とこれを保持する金属製のフランジを備えるショートアークランプにおいて、前記窓部材は、反射面の光軸に垂直な面に対し、一定の傾斜角を有して傾斜し、前記窓部材内面と前記フランジの内周面とのなす角が９０度以上であることを特徴とする。

また、本発明は、絶縁部材からなり、内部に窪みが形成されて一端が開口し、反射面と放電空間とを有する胴体と、該放電空間内に配置された一対の陰極と陽極と、該陰極を支持するとともに給電する支持部材と、該支持部材が接続された、該胴体の開口縁に配置される給電リングと、該放電空間を密閉する、透光性を有する窓部材とこれを保持する金属製のフランジを備えるショートアークランプにおいて、
前記窓部材は、一定の厚みを有し、窓部材内面と窓部材外面とが同じ中心を共有し、光出射方向に突出する半球面形状であることを特徴とする。

本発明によれば、窓部材は、反射面の光軸に垂直な面に対し、一定の傾斜角を有して傾斜し、窓部材内面とフランジの内周面とのなす角が、光軸を軸とした回転方向の全周にわたって９０度以上であることにより、陰極損耗量を低減し、ランプ寿命の低下を防ぐことが出来る。そして、窓部材内面とフランジの内周面とのなす角が９０度以上であるので、内部のガス圧力によりランプが破損するおそれもない。

また、本発明によれば、窓部材は、一定の厚みを有し、窓部材内面と窓部材外面とが同じ中心を共有し、光出射方向に突出する半球面形状であるにより、陰極損耗量を低減し、ランプ寿命の低下を防ぐことができる。

図１は、本発明の第一の実施形態にかかるショートアークランプの概略を示す断面図であり、図２（ａ）は、ショートアークランプの陰極の給電にかかわる部材の配置について示す図である。
図１において、ショートアークランプ１００の胴部１はアルミナ製の絶縁部材からなり、外径が約３０ｍｍの略円柱状体である。この胴部１の内部には凹状の窪みが形成され、湾曲した反射面１ａが形成されている。この反射面１ａは、反射光が光軸に対して平行な光となるように設計され、例えば、回転した放物線によって形成される放物面状であることが好ましい。反射面１ａには反射効率を高めるために銀やアルミニウムなどの金属が蒸着されている。あるいは、金属蒸着膜の代わりに誘電体多層膜を設けてもよい。

反射面１ａに囲繞される胴体１の内側は放電空間Ｄであり、放電ガスとして例えばキセノンが２０〜４０ＫＰａ封入される。放電空間Ｄ内には、反射面１ａの焦点を通る光軸Ｘ上に陰極４と陽極５が間隙をもって対向配置されている。陰極４の先端は、反射面１ａの焦点近傍に配置される。陰極４と陽極５は例えばタングステン製であり、陰極４と陽極５との間隙は例えば１．０ｍｍである。陰極４の先端は電子放射を良好にするために約３０°〜５０°のテーパ角が付けられている。

反射面１ａの開口に続く胴体１の開口縁１ｂには、胴体１の外径とほぼ等しい外径を有するセラミックリング９が重ねられて配置されている。そして、このセラミックリング９には、胴体１と等しい外径を有するコバール製の給電リング２が重ねられて配置されている。さらに給電リング２には、胴体１とほぼ同じ外径を有するフランジ保持リング１４が当接して配置されている。

このフランジ保持リング１４にリング状のフランジ１０が溶接されて固定されている。フランジ１０の内周面には、透明な円板状の窓部材１１が嵌めこまれ、ロウ付けにより固定されている。この窓部材１１は、可視光を透過し、強度が高く割れにくいという理由でサファイアより構成される。このフランジ１０にはサファイアと熱膨張率が近い金属であるコバールが用いられる。窓部材１１とフランジ１４については後に詳述する。

前方金属部材６は、例えばコバール製の筒状体であり、給電リング２と、フランジ保持リング１４とを覆い、内周面に当接させて胴体１に固定するためのものである。この前方金属部材６によって覆われた胴体１の外周には、モリブデンマンガン法によるメタライズ処理が施されており、この部分にロウ付けされて固定されている。前方金属部材６の寸法は、例えば幅が約１０ｍｍであり、厚さが約１ｍｍである。つまり、前方金属部材６と、給電リング２と、フランジ保持リング１４と、フランジ１０および窓部材１１によって、内部の放電空間Ｄの密封状態が保たれている。また、前方金属部材６は、給電リング２と導電性の支持部材３を経て陰極４に電流を供給するための給電機構も兼ねている。

金属ブロック７の一部は、胴体１とほぼ同じ外径であり、後方金属部材８によって、胴体１に当接して固定されている。金属ブロック７は、その中心に陽極５が貫通してロウ付けにより固定されており、陽極５と電気的に接続される。つまり、後方金属部材８は、金属ブロック７を経て陽極５に電気を供給するための給電機構も兼ねている。この後方金属部材８の寸法は、例えば幅が約８ｍｍであり、厚さが１ｍｍである。
金属ブロック７は胴体１の熱吸収体としても働き、放電空間Ｄ内が過剰に昇温することを防止している。したがって、金属ブロック７には、導電性に優れ、なおかつ熱伝導率が高くて熱吸収作用を奏することが好ましく、例えば鉄が用いられる。

支持部材３は矩形の板状材であり、例えば通電性と耐熱性に優れたモリブデンが用いられ、図２（ａ）に示すように、放電空間Ｄ内において長手方向が給電リング２の半径方向に延在している。この支持部材３の一端は給電リング２に、他端は陰極４にロウ付けによって接続されている。すなわち、支持部材３は陰極４に電流を供給するための経路であるとともに、陰極４を放電空間Ｄにおいて、所定の位置に配置するように支持している。この支持部材３は板状材であるので、幅を有する短手方向が光軸Ｘに平行になるように配置することで、反射面１ａからの反射光を遮らないようにしている。

ここで、窓部材１１とフランジ１０について詳述する。
図２（ｂ）は、フランジを光軸に沿って切断した断面図であり、図２（ｃ）はフランジを光軸方向からみた正面図である。図２（ｂ）に示すように、フランジ１０はコバールによって構成される略円筒状の部材であり、前方縁部１０ｃと後方縁部１０ｂを有し、この両縁部間の距離は周方向で異なるように構成されている。例えば、最短部１０ｄの両縁部間の距離Ｌｍが最小であり、ここから周方向に向かって両縁部間の距離を増長していき、最短部１０ｄから１８０度回転して対向する最長部１０ｅにおける両縁部間の距離ＬＭが最大となるように構成する。このフランジによれば、平板状の窓部材を傾斜して配置することができる。

図３はこの窓部材１１の役割について説明するために図１から種々の部材を取り除いた模式図である。
窓部材１１は反射面１ａの光軸Ｘに対する垂直面Ｙから傾斜角Ｂ度傾斜して配置される。このように窓部材１１が垂直面Ｙより傾斜している場合においても、窓部材１１は一定の厚みを有する平板状であるので、光軸Ｘに対して平行な光が窓部材内面１１ａに入射する際に屈折し、窓部材１１の内部を進行して、窓部材外面１１ｂから外方に出射する際に再び屈折することで、再びもとの光に対して平行となる。すなわち、平行光は窓部材１１への入射前と変わらない角度で平行のまま出射させることができる。
そして、窓部材内面１１ａで反射された光はそのまま陰極先端近傍へは回帰せず、もとの入射光の光路に対して一定の傾斜角を有して反射される。したがって、陰極先端に反射光がそのまま回帰することがない。これにより陰極先端への戻り光は低減され、陰極の温度上昇を抑制することができる。
なお、放電空間Ｄ内に配置された部材の中で、陰極先端が最も温度上昇に弱くランプ寿命に影響のある部分であるので、光が反射して他の部材に照射される分にはランプの寿命低下という点で問題がない。

窓部材１１の傾斜角Ｂが光軸Ｘの垂直面Ｙに対して大きすぎると、屈折による光の損失が大きくなってしまう。よって、傾斜角Ｂは２度〜２０度であることが好ましく、例えば５度である。

このショートアークランプ１００には、点灯時において２０〜４０ＫＰａとなるよう放電ガスが封入されるものである。
図５に窓部材１１のみを傾斜させて配置したショートアークランプの模式図を示す。
窓部材１１は前述したように密封である放電空間Ｄを形成するために必要な蓋部材でもある。したがって、従来はこの窓部材１１とフランジ１４とがなす整合角Ｃを９０度として、点灯時にもランプの密封を保持できる充分な強度を備えていた。
しかし、単に窓部材１１のみ傾斜させて配置すると、放電空間Ｄ内の一部においてはこの窓部材１１とフランジとのなす整合角Cが鋭角になる。図５には、整合角Cが鋭角になった場合と鈍角になった場合について、フランジ１０と窓部材１１とがロウ付けにより接合される接合部１９の近傍にかかる内部のガス圧力による圧力を矢印により図示した。

ランプ内部のガスによる圧力はフランジ１０と窓部材１１に対する負担となり、窓部材１１を傾斜させた場合には、窓部材１１に対して光軸と垂直な方向に別の圧力が発生する。これにより、接合部１９にも応力による負担がかかる。フランジ１０はフランジ保持リング１４によって保持されるが、窓部材１１は、フランジ１０に形成された窓部材保持部１０ｆによって保持できない方向に力がかかるときには接合部１９によって保持しなければならない。
整合角Cが９０度よりも鈍角になった場合には、窓部材１１を傾斜したことによって発生する光軸に対して垂直方向の圧力が窓部材１１にかかるが、フランジ１０によって保持される。また、光軸方向の圧力は従来よりも減少する。したがって、ランプの密封を保持する強度が従来よりも高くなる。
しかし、整合角Cが９０度よりもが鋭角になった場合には、窓部材１１を傾斜したことによって発生する光軸に対して垂直な別の圧力は、フランジ１０と窓部材１１とが脱離する方向に働くこととなる。これにより、接合部１９の接着が外れやすくなり、従来よりもランプの強度が低下する。
したがって、内部ガス圧力に対抗するためのランプの強度を保持して、ランプが破損したりしないようにするためには、放電空間Ｄ内において、光軸Ｘを軸とした回転方向の全周にわたってフランジの内周面１０ａと窓部材内面１１ａとがなす整合角Ｃが９０度以上であることが好ましい。

以上により、本発明にかかるショートアークランプによれば、平行光が窓部材によって反射する際に、一定の反射角を有して反射されるので、光が反射して輝点である陰極近傍にそのまま回帰することがなく、戻り光による陰極先端近傍の温度上昇を防ぐことができる。これにより、陰極の損耗量を低減でき、ショートアークランプの寿命低下を防ぐことができる。
そして、窓部材内面とフランジの内周面とのなす角が９０度以上であるので、内部のガス圧力によってランプが破損することがない。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図４（ａ）は、本発明の第２の実施形態にかかるショートアークランプを、光軸に沿って切断した概略断面図であり、図４（ｂ）は、窓部材の役割について説明するための模式図である。
この第２の実施形態においては、窓部材１１とフランジ１０以外の構成については第１の実施形態と同様であるから説明を省略する。

窓部材１１は、一定の厚みを有する透光性部材であり、例えばサファイアより構成される。この窓部材１１は中央が光出射方向に突出した凸状の半球面形であり、中心から半径方向の端部にかけて窓部材内面１１ａと窓部材外面１１ｂとが同じ中心を共有する半球面状に胴体１方向に湾曲している。
図４（ｂ）に示すとおり、この窓部材１１によれば、窓は一定の厚みを有しているので、光軸Ｘに対して平行な光が窓部材内面１１ａに入射する際に屈折し、窓部材１１の内部を進行して、窓部材外面１１ｂから外方に出射する際に再び屈折することで、再びもとの光に対して平行となる。すなわち、平行光は窓部材１１への入射前と変わらない角度で平行のまま出射させることができる。
このような構成によれば、１１ａでの反射光がもとの入射光より一定の傾斜角を有して反射されるので、そのまま戻り光となって陰極先端に回帰することがない。これにより、第１の実施形態と同様に陰極先端の温度上昇を抑制して陰極損耗量を低減し、ランプの寿命低下を防ぐことができる。
また、窓部材１１は光出射方向へ突出するよう湾曲しているので、窓部材内面１１ａとフランジ内周面１０ａとがなす整合角Ｃが９０度以上となり、前述したように内部ガス圧力による破損のおそれも無い。

本発明にかかるショートアークランプについて、点灯試験によりその効果を検証した。
図１に示した構成に基づいて、本願発明にかかる実施例としてショートアークランプを作製した。寸法はランプ外径３３ｍｍ、陰極外径１．５ｍｍ、陽極外径４．０ｍｍであり、電極間距離は１．０ｍｍとした。窓部材の傾斜角は光軸に垂直な面に対して５度とした。また、従来例として図７に示した構成に基づいて、窓部材を傾斜させないショートアークランプを作製した。
本発明の実施例と従来例のショートアークランプについて、各々連続で５００時間点灯させ、点灯後の陰極損耗量について測定した。陰極損耗量は点灯試験開始前の陰極の長さから、点灯５００時間経過後の陰極の長さを引いた長さ（ｍｍ）を陰極損耗量とした。
図６は、本発明と従来例の陰極損耗量についての測定結果である。従来例は陰極損耗量が０．３２ｍｍであるのに対し、本発明では０．２１ｍｍであった。以上より、窓部材を傾斜させて配置することで陰極先端近傍への戻り光を低減し、陰極損耗量を減らすことができた。

本発明の第１の実施形態にかかるショートアークランプの概略を示す断面図である。 （ａ）は本発明のショートアークランプにかかる陰極支持部材の配置を示す図であり、（ｂ）はフランジの態様を示す図である。 本発明のショートアークランプの作用効果を示す模式図である。 （ａ）は本発明の第２の実施形態にかかるショートアークランプの概略を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）のショートアークランプの作用効果を示す模式図である。 本発明のショートアークランプの実験結果を示す図である。 ショートアークランプの集光についての図である 従来のショートアークランプの概略を示す断面図である。

符号の説明

１ 胴部
１ａ 反射面
１ｂ 開口縁
２ 給電リング
３ 支持部材
４ 陰極
５ 陽極
６ 第一の金属部材
７ 金属ブロック
８ 第二の金属部材
９ セラミックリング
１０ フランジ
１０ａ フランジ内周面
１０ｂ 後方縁部
１０ｃ 前方縁部
１０ｄ 最短部
１０ｅ 最長部
１０ｆ 窓部材保持部
１１ 窓部材
１１ａ 窓部材内面
１１ｂ 窓部材外面
１４ フランジ保持リング
１９ 接合部
１００ ショートアークランプ
２１ 胴部
２１ａ 反射面
２２ 給電リング
２３ 支持部材
２４ 陰極
２５ 陽極
２６ 前方金属部材
２７ 金属ブロック
２８ 後方金属部材
２９ セラミックリング
３０ フランジ
３１ 窓部材
３４ フランジ保持リング
２００ ショートアークランプ
Ｂ 傾斜角
Ｃ 整合角
Ｄ 放電空間
Ｆ 焦点
Ｘ 光軸
Ｙ 垂直面

Claims (2)

1. 絶縁部材からなり、内部に窪みが形成されて一端が開口し、反射面と放電空間とを有する胴体と、
   該放電空間内に配置された一対の陰極と陽極と、
   該陰極を支持するとともに給電する支持部材と、
   該支持部材が接続された、該胴体の開口縁に配置される給電リングと、
   該放電空間を密閉する、透光性を有する窓部材とこれを保持する金属製のフランジを備えるショートアークランプにおいて、
   前記窓部材は、反射面の光軸に垂直な面に対し、一定の傾斜角を有して傾斜し、
   前記窓部材内面と前記フランジの内周面とのなす角が、光軸を軸とした回転方向の全周にわたって９０度以上であることを特徴とするショートアークランプ。
2. 絶縁部材からなり、内部に窪みが形成されて一端が開口し、反射面と放電空間とを有する胴体と、
   該放電空間内に配置された一対の陰極と陽極と、
   該陰極を支持するとともに給電する支持部材と、
   該支持部材が接続された、該胴体の開口縁に配置される給電リングと、
   該放電空間を密閉する、透光性を有する窓部材とこれを保持する金属製のフランジを備えるショートアークランプにおいて、
   前記窓部材は、一定の厚みを有し、窓部材内面と窓部材外面とが同じ中心を共有し、光出射方向に突出する半球面形状であることを特徴とするショートアークランプ。

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