JP2015099724A - ショートアーク型放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】 点灯初期のランプの照度と、点灯時間が経過した状態のランプの照度との変動が抑制されたショートアーク型放電ランプを提供することにある。
【解決手段】 ショートアーク型放電ランプは、凹状に湾曲した反射面を内部に有する絶縁部材からなる胴体と、当該胴体の反射面に囲まれて形成される放電空間において互いに対向して配置された陰極および陽極と、前記胴体の前方に配置された、前記胴体の前面開口を塞ぐための窓部材とを備えるショートアーク型放電ランプにおいて、前記胴体の反射面は、前記陰極と前記陽極との間の位置に焦点を有する第１の回転二次曲面に沿った形状を有する第１の反射面部と、この第１の反射面部と連続する、第１の反射面部に係る焦点より前方に変位した位置に焦点を有する第２の回転二次曲面に沿った形状を有する第２の反射面部と、を有することを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ミラー内蔵型のショートアーク型放電ランプ（以下、単に「ランプ」ともいう。）に関する。

ショートアーク型放電ランプの一形態として、ランプ本体（胴体）が不透明の絶縁部材によって形成され、その内部に凹状に湾曲した反射面を有し、光取り出し部のみが透光性部材によって形成されたミラー内蔵型のものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

具体的には、図５に示すように、ミラー内蔵型のショートアーク型放電ランプは、凹状に湾曲した反射面３１を内部に有する胴体３０と、胴体３０の前面開口を塞ぐための窓部材４０とを有し、反射面３１に囲まれて形成される放電空間Ｓに、陰極３２および陽極３３が対向配置されて構成されている。
図５において、３４は導電性支持部材、３５は金属ブロック、３６はセラミックスペーサリング、３７は陰極給電用の金属リング、３８は第１の金属筒体、３９は第２の金属筒体、４１は窓支持部材である。

一般的に、このようなショートアーク型放電ランプの胴体の反射面は、例えば断面形状が放物線形等を有するものとされ、その焦点が陰極および陽極の間隙に位置するよう配置されている。

特開２０１３−０１６３６１号公報

しかしながら、このような構成のショートアーク型放電ランプにおいては、点灯初期の照度に比べて点灯時間の経過と共に照度が低下していく、という問題がある。
この問題の原因は、大きくは次の二つの現象によると推測される。
一つは、ランプの放電空間Ｓに陰極３２および陽極３３から不可避的に蒸発して放散されたものが、反射面３１および窓部材４０に点灯時間の経過と共に堆積される現象である。
もう一つは、ランプの点灯初期には、反射面の焦点が陰極および陽極の間隙に位置しているので、輝点からの光を十分に捉えることができる。一方、ランプの経時的な使用に伴って陰極の先端は蒸発して陰極が短くなるので、点灯時間の経過と共に輝点の位置が不可避的に陰極の基端側に変位してしまうために、当該反射面によって輝点からの光を十分に捉えることができなくなる。その結果、上述のような経時使用に伴う照度の変動が生じる現象である。
上記の二つの現象が同時に発生するために、点灯時間の経過と共に照度が低下していく光量減衰がより大きく生じてしまう。

後者の現象による照度の低下は、輝点と反射面とが近接したランプにおいて顕著に生じるものであって、反射面が放電空間の外に備えられた構成のランプや、上記のミラー内蔵型のランプであっても胴体の直径が大きく、輝点と反射面とが遠隔したランプにおいては殆ど生じるものではない。一方、胴体の直径が３０ｍｍ以下のミラー内蔵型のランプにおいては、陰極がわずか０．１ｍｍ短くなっただけでも生じてしまう。

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、点灯初期のランプの照度と、点灯時間が経過した状態のランプの照度との変動が抑制されたショートアーク型放電ランプを提供することにある。

本発明のショートアーク型放電ランプは、凹状に湾曲した反射面を内部に有する絶縁部材からなる胴体と、
当該胴体の反射面に囲まれて形成される放電空間において互いに対向して配置された陰極および陽極と、
前記胴体の前方に配置された、前記胴体の前面開口を塞ぐための窓部材とを備えるショートアーク型放電ランプにおいて、
前記胴体の反射面は、前記陰極と前記陽極との間の位置に焦点を有する第１の回転二次曲面に沿った形状を有する第１の反射面部と、この第１の反射面部と連続する、第１の反射面部に係る焦点より前方に変位した位置に焦点を有する第２の回転二次曲面に沿った形状を有する第２の反射面部と、を有することを特徴とする。

本発明のショートアーク型放電ランプにおいては、前記第２の反射面部に係る焦点が、前記陰極の消耗後の先端部に応じた位置にあることが好ましい。

本発明のショートアーク型放電ランプにおいては、前記第２の反射面部が、前記第１の反射面部より前方に配置されていることが好ましい。

本発明のショートアーク型放電ランプは、胴体の反射面が、陰極と陽極との間の位置に焦点を有する第１の回転二次曲面に沿った形状の第１の反射面部、および、この第１の反射面部に係る焦点より前方に変位した位置に焦点を有する第２の回転二次曲面に沿った形状の第２の反射面部を有する構成とされている。すなわち、第１の反射面部に係る焦点がランプの点灯初期の輝点に位置し、第２の反射面部に係る焦点が、点灯時間が経過した状態のランプの輝点に位置する。従って、ランプの点灯時間の経過と共に輝点が第１の反射面部に係る焦点からずれるが、ずれた輝点が第２の反射面部に係る焦点に一致するようになる。その結果、ランプの点灯初期においては輝点からの光が主に第１の反射面部によって捉えられ、点灯時間が経過した状態のランプにおいては輝点からの光が主に第２の反射面部によって捉えられることになり、結局、点灯初期のランプの照度と点灯時間が経過した状態のランプの照度との変動を抑制することができる。

また、第２の反射面部が第１の反射面部より前方に配置されているショートアーク型放電ランプによれば、第１の反射面部が大きな光量が照射される陰極に近い位置に配置されているので、ランプの点灯初期の照度を十分に確保することができる。

本発明のショートアーク型放電ランプの構成の一例を示す断面図である。 図１のショートアーク型放電ランプの第１の反射面部および第２の反射面部を説明するための模式図である。 ショートアーク型放電ランプの点灯初期および点灯時間が経過した状態における光の反射を説明するための模式図である。 ショートアーク型放電ランプの点灯時間に対する光量維持率を示すグラフである。 従来のショートアーク型放電ランプの構成の一例を示す断面図である。

以下、本発明のショートアーク型放電ランプの実施の形態について説明する。
図１は、本発明のショートアーク型放電ランプの構成の一例を示す断面図、図２は、図１のショートアーク型放電ランプの第１の反射面部および第２の反射面部を説明するための模式図である。
このショートアーク型放電ランプは、凹状に湾曲した反射面１１を内部に有する外形が円柱状の胴体１０と、当該胴体１０の前面開口１０ａを塞ぐための窓部材２０とを有している。また、胴体１０の反射面１１に囲まれて形成される放電空間Ｓには、間隙をもって陰極１２および陽極１３が互いに対向し、当該陰極１２および陽極１３が反射面１１の光軸に沿って伸びるように配置されている。また、胴体１０は金属ブロック１５に支持されている。

胴体１０は、多結晶アルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）等のセラミック絶縁部材からなるものである。

胴体１０の反射面１１は、陰極１２と陽極１３との間の位置に焦点を有する第１の回転二次曲面に沿った形状の第１の反射面部１１ａと、この第１の反射面部１１ａと連続する、当該第１の反射面部１１ａに係る焦点より前方に変位した位置に焦点を有する第２の回転二次曲面に沿った形状の第２の反射面部１１ｂとを有する。
具体的には、第１の反射面部１１ａが、第１の回転二次曲面の焦点Ｐがランプの製造時の輝点すなわちランプの点灯初期の輝点にほぼ一致するよう形成されている。一方、第２の反射面部１１ｂが、第２の回転二次曲面の焦点Ｑが陰極１２の消耗後の先端部に応じた位置に位置するよう形成されている。
第１の回転二次曲面および第２の回転二次曲面は、それぞれ断面が例えばｚ＝０．０７０ｘ₁ ² で表される放物線、および、ｚ＝０．０６９ｘ₂ ² で表される放物線で表されるものとすることができる。このとき、第１の回転二次曲面と第２の回転二次曲面とは、ｚ軸が共通であって、当該ｚ軸がランプの光軸に一致している。ｘ₁ 軸およびｘ₂ 軸は、それぞれランプの光軸に垂直な一方向であり、第１の回転二次曲面と第２の回転二次曲面とは、原点位置が光軸上において互いに異なる。

ランプの輝点は、経時的な使用に伴って反射面１１の光軸に沿って陰極１２の基端側（図１において右方）に移動する。例えば胴体１０の外径が３０ｍｍ以下であるランプにおいては、ランプの輝点は点灯初期から点灯時間が５００時間経過した状態では０．２〜０．３ｍｍ程度変位する。従って、第２の反射面部１１ｂに係る焦点Ｑは、第１の反射面部１１ａに係る焦点Ｐから、反射面１１の光軸に沿って陰極１２の基端側に例えば０．１〜０．８ｍｍ、好ましくは０．２〜０．５ｍｍ移動した位置までの間に位置されることが好ましい。

反射面１１においては、第２の反射面部１１ｂが、第１の反射面部１１ａより前方（図１において右方）に配置されていることが好ましい。

各反射面部１１ａ，１１ｂは、各々、断面形状が放物線形または楕円形を有するものとすることができる。
各反射面部１１ａ，１１ｂは、銀やアルミニウムなどによる金属蒸着膜や、誘電体多層膜によって形成されている。

このランプの点灯初期においては、図３（ａ）に示されるように、第１の反射面部１１ａが主として輝点からの光を捉えて平行光として反射し、第２の反射面部１１ｂがそれを補足するよう当該第１の反射面部１１ａに照射されなかった光を捉えて反射する。一方、点灯時間が経過した状態のランプにおいては、図３（ｂ）に示されるように、第２の反射面部１１ｂが主として輝点からの光を捉えて平行光として反射し、第１の反射面部１１ａがそれを補足するよう当該第２の反射面部１１ｂに照射されなかった光を捉えて反射する。
なお、図３においてＰ’およびＱ’は、それぞれ点灯初期および点灯時間が経過した状態のランプの輝点の位置を示す。

金属ブロック１５は、熱膨張係数の小さく、電気伝導性および熱伝導性の高い鉄を主とした合金等からなり、胴体１０と同等の外径を有する。
そして、胴体１０は、金属ブロック１５と共に当該胴体１０の外径に適合する内径を有する円筒状の第２の金属筒体１９と接合されることによって、当該金属ブロック１５に固定されている。

窓部材２０は、例えば円盤状を有し、サファイア等の光透過性材料であって膨張係数が小さいものからなる。
窓部材２０は、窓部材２０の外径に適合した内径を有するリング状の窓支持部材２１の内周面に当該窓部材２０の周側面に接着層により接着され、当該窓支持部材２１によって支持されている。窓支持部材２１は、その外周面が、当該窓支持部材２１の外径に適合する内径を有する円筒状の例えばコバール製の金属リング１７の内周面に当接するよう嵌め込まれ、端部が溶接されて固定されている。
金属リング１７の外径は胴体１０の外径と同等とされており、胴体１０と共に当該胴体１０の外径に適合する内径を有する円筒状の例えばコバール製の第１の金属筒体１８と接合されている。
これにより、窓部材２０、窓支持部材２１、金属リング１７によって放電空間Ｓの気密状態が保たれている。
放電空間Ｓ内には、例えばキセノンガス等の不活性ガスが封入されている。
図１において、１６はセラミックスペーサリングである。

陰極１２は、先端に向かって小径となるテーパー状の先端部を有する棒状の易電子放出物質を含むタングステン等の高融点金属よりなるものである。
陰極１２は、その先端部が放電空間Ｓ内において陽極１３の先端と対向する状態に配置されると共に、その基端部が例えば金属リング１７の円周上にほぼ等間隔になるように設けた３本の導電性支持部材（図示せず）によって支持されている。
導電性支持部材は、例えば耐熱性と溶接性を考慮したモリブデン等からなり、放電空間Ｓ内において、金属リング１７の半径方向内方に伸びるよう配置されている。導電性支持部材の先端部は陰極１２の基端部にロウ付け等によって溶接されており、基端部はロウ付け等によって金属リング１７に固定されている。

陰極１２は、導電性支持部材、金属リング１７および第１の金属筒体１８を介して外部に電気的に接続されている。

陽極１３は、略柱状、もしくは大径部と小径部とを有する形状の、タングステン等の高融点金属よりなるものである。
陽極１３は、その基端部が、胴体１０の光軸に沿って当該胴体１０および金属ブロック１５に形成された電極棒孔１５Ｈに挿通されると共にその先端部が放電空間Ｓ内において陰極１２に対向して配置されている。
陽極１３は、金属ブロック１５によって外部に電気的に接続されている。

このショートアーク型放電ランプは、放電空間Ｓに数十気圧の圧力でキセノン等の不活性ガスが充填されており、定格電流１８Ａ、消費電力が２５０〜３５０Ｗのものである。

上記のショートアーク型放電ランプの寸法の一例を挙げると、胴体１０の全長が２０ｍｍ、外径が３２ｍｍ、陰極１２の全長が１５ｍｍ、ロッド径が１．５ｍｍ、先端のテーパー部の長さ１.６ｍｍ、先端のテーパー角が５０°、陽極１３の全長が２４ｍｍ、直径が４ｍｍ、陽極１３と陰極１２との電極間距離が１．４ｍｍ、第１の反射面部１１ａは、焦点Ｐがランプ製造時の輝点に一致する、断面がｚ＝０．０７０ｘ₁ ² で表される放物線である第１の回転二次曲面におけるｘ₁ ＝４〜８ｍｍの部分に沿った形状、第２の反射面部１１ｂは、焦点Ｑがランプ製造時の輝点から光軸に沿って陰極１２の基端側に０．２ｍｍ移動した位置に一致する、断面がｚ＝０．０６９ｘ₂ ² で表される放物線である第２の回転二次曲面におけるｘ₂ ＝８〜１０ｍｍの部分に沿った形状、窓部材２０の外径が２４．８９ｍｍ、厚みが３ｍｍである。

本発明のショートアーク型放電ランプは、胴体１０の反射面１１が、陰極１２と陽極１３との間の位置に焦点Ｐを有する第１の反射面部１１ａ、および、この第１の反射面部１１ａに係る焦点Ｐより前方に変位した位置に焦点Ｑを有する第２の反射面部１１ｂを有する構成とされている。従って、ランプの点灯時間の経過と共に輝点が第１の反射面部１１ａに係る焦点Ｐからずれるが、変位した輝点が第２の反射面部１１ｂに係る焦点Ｑに一致するようになる。その結果、ランプの点灯初期においては輝点からの光が主に第１の反射面部１１ａによって捉えられ、ランプの点灯時間の経過と共に輝点からの光が主に第２の反射面部１１ｂによって捉えられることになり、結局、ランプの点灯時間の経過と共に低下する照度の変動を抑制することができる。

また、第２の反射面部１１ｂが第１の反射面部１１ａより前方に配置されているランプによれば、第１の反射面部１１ａが大きな光量が照射される陰極先端に近い位置に配置されているので、ランプの点灯初期の照度を十分に確保することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されず、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、反射面は、光軸上にそれぞれ異なる焦点を有する回転二次曲面に沿った形状の２つの反射面部を有するものであることに限定されず、光軸上にそれぞれ異なる焦点を有する回転二次曲面に沿った形状の３つ以上の反射面部を有するものであってもよい。

以下、本発明のショートアーク型放電ランプの具体的な実施例について説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。

〔実施例１〕
図１および図２に示す構成に従って、下記の仕様のショートアーク型放電ランプを製造した。
・胴体（１０）：多結晶アルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）製、全長２０ｍｍ、外径３２ｍｍ
・第１の反射面部（１１ａ）：断面がｚ＝０．０７０ｘ₁ ² で表される放物線である第１の回転二次曲面におけるｘ₁ ＝４〜８ｍｍの部分に沿った形状
・第２の反射面部（１１ｂ）：断面がｚ＝０．０６９ｘ₂ ² で表される放物線である第２の回転二次曲面におけるｘ₂ ＝８〜１０ｍｍの部分に沿った形状、ｚ＝０．０６９ｘ₂ ² の焦点（Ｑ）から第１の反射面部（１１ａ）の焦点（Ｐ）までの距離０．２ｍｍ
・陰極（１２）：トリエーテッドタングステン製、ロッド径１．５ｍｍ、全長１４．８ｍｍ、先端のテーパー部の長さ１.６ｍｍ、先端のテーパー角５０°
・陽極（１３）：タングステン製、直径４ｍｍ、全長２３．４ｍｍ
・陽極（１３）と陰極（１２）との電極間距離：１．４ｍｍ
・封入ガス：キセノンガス、１．９３ＭＰａ（２５℃換算）
・窓部材（２０）：サファイア製、外径２４．８９ｍｍ、厚み３ｍｍ
・窓支持部材（２１）：コバール（登録商標）製

〔比較例１〕
図２に示す、第１の反射面部および第２の反射面部を有する反射面の代わりに、全体が放物線形を有し、その焦点が点灯初期の輝点にある反射面を有する胴体を用いたこと以外は実施例１と同様の構成および仕様のショートアーク型放電ランプを製造した。

上記の実施例１および比較例１に係るショートアーク型放電ランプを、それぞれ、ランプの点灯初期の電力が２５２Ｗ、ランプの点灯初期の電圧が１４Ｖの条件で、評価面における光量を測定しながら、５００時間点灯させる点灯テストを行った。結果を表１および図４に示す。
なお、表１および図４において、比較例１のランプの点灯初期の光量を１００（ａ．ｕ．）とした。また、図４のグラフにおいては、それぞれのランプの点灯初期の光量を１００％とした。また、図４のグラフにおいては、実施例１のランプの光量維持率を実線で示し、比較例１のランプの光量維持率を破線で示した。
評価面は、窓部材（２０）の表面から集光レンズを介して１０５ｍｍ離間した、反射面（１１）の光軸と同軸状に存在する直径０．８ｍｍの円形の面である。

表１および図４の結果から明らかなように、実施例１に係る本発明のランプによれば、比較例１のランプに比べて、点灯５００時間後の光量維持率が高い、すなわち、点灯初期の照度と点灯時間が経過した状態の照度との変動が抑制されることが確認された。

１０ 胴体
１０ａ 前面開口
１１ 反射面
１１ａ 第１の反射面部
１１ｂ 第２の反射面部
１２ 陰極
１３ 陽極
１５ 金属ブロック
１５Ｈ 電極棒孔
１６ セラミックスペーサリング
１７ 金属リング
１８ 第１の金属筒体
１９ 第２の金属筒体
２０ 窓部材
２１ 窓支持部材
３０ 胴体
３１ 反射面
３２ 陰極
３３ 陽極
３４ 導電性支持部材
３５ 金属ブロック
３６ セラミックスペーサリング
３７ 金属リング
３８ 第１の金属筒体
３９ 第２の金属筒体
４０ 窓部材
４１ 窓支持部材
Ｓ 放電空間

Claims (3)

1. 凹状に湾曲した反射面を内部に有する絶縁部材からなる胴体と、
   当該胴体の反射面に囲まれて形成される放電空間において互いに対向して配置された陰極および陽極と、
   前記胴体の前方に配置された、前記胴体の前面開口を塞ぐための窓部材とを備えるショートアーク型放電ランプにおいて、
   前記胴体の反射面は、前記陰極と前記陽極との間の位置に焦点を有する第１の回転二次曲面に沿った形状を有する第１の反射面部と、この第１の反射面部と連続する、第１の反射面部に係る焦点より前方に変位した位置に焦点を有する第２の回転二次曲面に沿った形状を有する第２の反射面部と、を有することを特徴とするショートアーク型放電ランプ。
2. 前記第２の反射面部に係る焦点が、前記陰極の消耗後の先端部に応じた位置にあることを特徴とする請求項１に記載のショートアーク型放電ランプ。
3. 前記第２の反射面部が、前記第１の反射面部より前方に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のショートアーク型放電ランプ。
   
   
   

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