JP4575012B2 - フラッシュランプ - Google Patents

Description

本発明はフラッシュランプに関する。

従来から、分光分析機器、発光分析機器などの光源として、フラッシュランプが利用されている。フラッシュランプは一般的に、易電子放射物質を含有する陰極および陽極が対向配置され、さらにトリガ電極（トリガプローブ）とがガラスから成る密封容器内に配置されている。そして、陰極と陽極との間に所定の電圧を印加した状態でトリガ電極にトリガ電圧パルスを印加すると、まず、トリガ電極により予備放電が生じ、その後、陰極の易電子放射物質により陽極に向かう電子放出が行われてアークの主放電が生じる。すなわち、トリガ電極にトリガ電圧パルスを印加するたびにアーク発光するパルス点灯となる（例えば、特許文献１参照）。
米国特許第４０２０３７９号明細書（図３）

図８は、従来のフラッシュランプの電極配置を示す側面図である。図８に示すように、フラッシュランプの密封容器内において陰極１０と陽極２０が対向配置される。トリガ電極３０は、陰極先端１２と陽極先端２２を結ぶ中心線ＣＬ上に、トリガ電極先端３２（放電部）が位置するようにして配置される。

図９（ａ）は、陰極の先端部を示す拡大図である。図９（ａ）に示すように陰極１０は、機械加工上の問題から陰極先端１２を完全に尖らせることができず、幾分丸まった形状となる。そのため陰極１０からの電子放出は、陰極先端１２がもっとも集中するが、その周辺部にもばらつく。その結果、陰極１０では、図９（ａ）の斜線部で示すような陰極放電対向面１４の範囲から電子が放出される。一方、陽極も陰極と同様の構造を有し、陽極放電対向面の範囲で電子が吸収される。

図１０は、陰極および陽極の放電対向面を結ぶことで規定される空間を示す図である。前述したように、陰極放電対向面１４から電子が放出され、陽極放電対向面２４で電子が吸収される。そのためアーク放電は、図１０に示すような、陰極放電対向面１４と、陽極放電対向面２４と、陰極放電対向面１４と陽極放電対向面２４の外周線同士を結ぶ直線母線から成る面とで、規定される円筒状の空間５０において生じることになる。そして、アーク放電の制御を行う関係から、図８に示したような従来のフラッシュランプでは、トリガ電極先端３２が円柱状の空間５０の中心部に配置される。

分光分析機器や発光分析機器等で用いられるフラッシュランプでは、測定分析精度の向上のため、ランプの光出力を安定させることが望まれている。しかし、従来のフラッシュランプでは、光出力安定性が低いことが問題となっていた。図６（ｂ）は、従来のフラッシュランプの放電経路を示す説明図である。図６（ｂ）に示すように、陰極１０からの電子放出は陰極先端１２が最も集中するものの、陰極放電対向面１４の範囲にばらつく。そのため、放電経路はフラッシュランプのパルス点灯毎に異なったものとなり、広がった範囲のものとなる。そうすると、フラッシュランプの点灯の光出力もパルス点灯毎にばらつきが生じ、光出力安定性の低下の原因となる。
本発明は、斯かる実情に鑑み、光出力安定性を向上させたフラッシュランプを提供しようとするものである。

本発明は、不活性ガスが封入された密封容器内にアーク放電を行う陰極および陽極が対向配置され、アーク放電に先立って予備放電を行う１本〜複数本の針状のトリガ電極が、陰極および陽極間に配置され、陰極において電子が放出される陰極放電対向面と、陽極において電子が吸収される陽極放電対向面と、陰極放電対向面と陽極放電対向面の外周線同士を結ぶ直線母線から成る面とで規定される空間の外に、前記トリガ電極の先端が位置し、空間からトリガ電極の先端の突出距離は、１〜２００μｍであることを特徴とする。

上記の構成によれば、放電経路が従来のフラッシュランプに比べて限定されたものとなり、パルス点灯毎の光出力のばらつきが少なくなる。その結果、本発明のフラッシュランプは、光出力安定性が向上したものとなる。

この場合、トリガ電極は上記空間を貫通して、トリガ電極の先端が上記空間の外に突出するように配置されていることが好ましい。
上記の構成によれば、トリガ電極の先端が放電により消耗して、トリガ電極の先端位置が変わっても、消耗後の先端位置が比較的に光出力が安定する位置となるため、ランプ寿命の初期から末期まで点灯性・安定性を維持することができる。

本発明のフラッシュランプによれば、パルス発光毎の放電経路のばらつきを少なくし、光出力安定性を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係るフラッシュランプを示す平面図である。フラッシュランプ１は、白色光をパルス発光するランプであり、円筒形のガラス製密封容器８０内に、互いに対向配置された陰極１０と陽極２０と、陰極１０と陽極２０の間の空間からその先端が突出するように配置された１本のトリガ電極（トリガプローブ）３０と、フラッシュランプ１の放電を毎回安定して生じさせるためのスパーカ電極６０と、を内蔵している。密封容器８０内には、キセノンガスが封入されている。また、陰極１０及び陽極２０は、円柱の一端面に円錐を組み合わせた砲弾状の形状をしている。

フラッシュランプ１の使用に際しては、図示は省略するが、陰極１０および陽極２０は主電源部に接続され、電圧を印加される。また、トリガ電極３０は、トリガ電源部に接続されてトリガ電圧を印加され、発光タイミングを制御する。

図２は、第１実施形態に係るフラッシュランプの電極配置を示す側面図である。陰極１０および陽極２０は、陰極先端１２、陽極先端２２がそれぞれ対向して、中心線ＣＬが一致するように配置される。本実施形態では、陰極１０と陽極２０の間隔は１．５±０．２ｍｍとされる。陰極１０はその先端部に陰極放電対向面１４を有し、陽極は陽極放電対向面２４を有する。本実施形態では、陰極放電対向面１４および陽極放電対向面２４の直径は２００μｍである。陰極放電対向面１４と、陽極放電対向面２４と、陰極放電対向面１４と陽極放電対向面２４の外周線同士を結ぶ直線母線から成る面とで、円筒状の空間５０が規定される。

なお、本発明における「放電対向面」とは、前述したように、陰極および陽極の先端部において、電子の放出および吸収が行われる面である。図９（ｂ）（ｃ）は、放電対向面を示す拡大図である。図９（ｂ）に示すように、本発明における「放電対向面」とは、先端が尖った陰極１０においては、陰極先端部形状に沿った接線Ｌ、Ｌ’の陰極先端部との接点ａ、ａ’を結んで形成される部分（図９（ｂ）中の斜線部）が、陰極放電対向面１４に該当する。
ただし、放電の電流密度の関係上、この「放電対向面」は、電極中心（陰極先端１２）から１５０μｍを超えない範囲となる。したがって、図９（ｃ）に示すように、接点ａ、ａ’が陰極先端１２から１５０μｍより離れている場合は、接点ａ、ａ’を結んだ部分より内側の陰極先端１２から１５０μｍ以内の部分が陰極放電対向面１４となる。

本実施形態においては、トリガ電極３０は、空間５０を貫通して、トリガ電極先端３２が空間５０の外に突出するように配置されている。なお、本発明において、「空間の外に」とは、上記、陰極放電対向面と陽極放電対向面とで規定される空間の外であって、陰極と陽極の中心線から、陰極・陽極間の距離（Ｇａｐ）の１／４を越えない範囲をいう。
本実施形態において、この空間５０からトリガ電極先端３２の突出距離は、１〜２００μｍとされ、より好ましくは５０〜１５０μｍであり、さらに好ましくは８０〜１２０μｍである。本実施形態では陰極放電対向面１４、陽極放電対向面２４の半径が１００μｍであるため、中心線ＣＬから突出距離に換算すると、中心線ＣＬからの突出距離は１０１〜３００μｍとされ、より好ましくは１５０〜２５０μｍであり、さらに好ましくは１８０〜２２０μｍとされる。また、トリガ電極３０は陰極１０から０．４±０．１ｍｍの距離に配置される。

次に、図１および図６を参照して、本実施形態のフラッシュランプ１の動作を説明する。陰極１０および陽極２０によりアーク放電を生じさせるには、まず、上述の主電源部（図示省略）によって陰極１０および陽極２０の間に所定の電圧を印加する。そして、トリガ電源部によってスパーカ電極６０、トリガ電極３０、および陽極２０にパルス電圧が印加される。

続いて、このように各電極へ電圧を印加した場合の放電現象を説明する。まず、スパーカ電極６０で予備放電が行われて紫外線が放射される。そして、この紫外線により陰極１０、陽極２０、およびトリガ電極３０から光電子が放出されて、密封容器８０内のキセノンガスが電離される。スパーカ電極６０による放電終了後、陰極１０とトリガ電極３０との予備放電が生じ、これらの予備放電によって陰極１０と陽極２０との間に予備放電路が形成される。そして予備放電路が形成された後に、陰極１０により陽極２０に向けて電子が放出されて、陰極１０と陽極２０の間でアーク放電が生じる。

図６（ａ）は本発明に係るフラッシュランプの放電経路を示す説明図であり、図６（ｂ）は従来のフラッシュランプの放電経路を示す説明図である。前述したように、陰極１０からの電子放出は、陰極先端１２だけではなく、陰極放電対向面１４の範囲にばらついて生じる。そのため、放電経路もパルス点灯毎にばらつき、光出力安定性の劣化をもたらす（図６（ｂ））。
そこで本実施形態では、トリガ電極先端３２を、陰極放電対向面１４と陽極放電対向面２４とを結んで規定される空間５０の外に配置する。このようにすると、図６（ａ）に示すように、パルス点灯毎の放電経路が片側に寄せられ限定されるため、放電経路のばらつきが少なくなる。その結果、光出力安定性を向上させることができる（図６（ａ））。

図５（ａ）〜（ｅ）は空間に対するトリガ電極の配置を示す説明図である。図の上段はトリガ電極の先端付近を平面視した様子を示し、図の下段は側面視した様子を示す。図５（ａ）は、従来のランプのトリガ電極配置を示す。この配置では、上記空間５０内にトリガ電極先端３２が入るようにトリガ電極３０が配置されている。この配置では放電経路がばらつき、光出力安定性が低下する。そこで本実施形態では、図５（ｃ）に示すように、トリガ電極３０は空間５０を貫通して、トリガ電極先端３２が空間５０の外に出るようにする。これにより、放電経路のばらつきを抑え、光出力安定性を向上させることができる。

光出力安定性を向上させる効果は、トリガ電極先端３２が空間５０の外にでるように配置することにより発揮される。そこで、上記図５（ｃ）に示す配置だけではなく、図５（ｂ）に示すように、トリガ電極先端３２を空間５０に入る手前に配置することもできる。また、図５（ｄ）に示すように、トリガ電極先端３２が空間５０に入らないように、空間５０の上方に配置することもでき、あるいは図５（ｅ）に示すように、空間５０の下方に配置することもできる。

フラッシュランプのトリガ電極は、ランプの放電により経時的に消耗するため、ランプ寿命末期にはトリガ電極の先端が最適位置からずれてしまい、点灯性・安定性が劣化してくる。しかし、図２および図５（ｃ）に示すように、トリガ電極が上記空間を貫通して、トリガ電極の先端が空間の外にでるようにトリガ電極を配置すると、トリガ電極の先端が消耗しても、消耗後のトリガ電極の先端は、比較的に光出力が安定する位置となる。その結果、ランプ寿命初期から寿命末期まで高安定なフラッシュランプとすることができる。

図３は、第２実施形態に係るフラッシュランプの電極配置を示す側面図である。この第２実施形態のフラッシュランプが、第１実施形態と異なる点は、陰極１０と陽極２０の間隔が、３．０±０．３ｍｍと広くされ、それに伴い２本のトリガ電極３０、４０が設けられていることである。これらのトリガ電極３０、４０は、同方向から空間５０を貫通し、そのトリガ電極先端３２、４２は空間５０の外に出るように配置されている。陰極１０側のトリガ電極３０は、陰極１０から０．４±０．１ｍｍの距離に配置される。また、陽極２０側のトリガ電極４０は、陽極２０から１．０±０．２ｍｍの距離に配置される。

この第２実施形態においても、両トリガ電極３０、４０が空間５０を貫通して、そのトリガ電極先端３２、４２が空間５０の外に配置されているため、光出力安定性が高く、加えてランプ寿命初期から末期まで高安定なフラッシュランプとすることができる。
なお、この第２実施形態や後述の第３実施形態のように、複数のトリガ電極が配置されている場合には、少なくとも１本のトリガ電極の先端が上記空間の外に出るように配置されていれば、本発明の効果を奏するものとなる。

図４は、第３実施形態に係るフラッシュランプの電極配置を示す側面図である。この第３実施形態のフラッシュランプが、第２実施形態と異なる点は、陰極１０側のトリガ電極３０と、陽極２０側のトリガ電極４０が反対方向側から空間５０を貫通し、そのトリガ電極先端３２、４２が空間５０の反対方向側に突出していることである。この第３実施形態のように、トリガ電極が異なる方向から空間を貫通して突出していても、光出力安定性が高く、ランプ寿命初期から末期まで安定性を維持することができるフラッシュランプとすることができる。

次に、本発明者が実際のフラッシュランプにおいて、トリガ電極の先端の突出距離を変化させて、その光出力安定性を測定した実験結果を示す。
実験例
図２に示したような１本のトリガ電極を備えたフラッシュランプと、図３に示したような２本のトリガ電極を備えたフラッシュランプについて、そのトリガ電極の突出距離を、＋０．４ｍｍ、＋０．３ｍｍ、＋０．２ｍｍ、＋０．１ｍｍ、±０ｍｍ、−０．１ｍｍ、−０．２ｍｍ、−０．３ｍｍ、−０．４ｍｍと変化させて、その光出力安定性を測定した。なお、本実験例におけるトリガ電極の突出距離とは、陰極と陽極の中心線からトリガ電極先端までの距離を意味する。

本実験例においては、いずれのフラッシュランプとも、その陰極および陽極の放電対向面は直径２００μｍである。
１本のトリガ電極を備えたフラッシュランプの陰極と陽極間の距離は１．５ｍｍである（表１および図７に１．５ｍｍＧａｐと表示）。トリガ電極は陰極から０．４ｍｍの距離に配置されている。
２本のトリガ電極を備えたフラッシュランプの陰極と陽極間の距離は３．０ｍｍである（表１および図７に３．０ｍｍＧａｐと表示）。１本のトリガ電極は陰極から０．４ｍｍの距離に配置され、もう１本のトリガ電極は陽極から１．０ｍｍの距離に配置されている。両トリガ電極の突出距離は同じ値とした。

フラッシュランプの動作条件は、供給電圧１０００Ｖ、主放電コンデンサ容量０．１μＦ、繰り返し周波数１００Ｈｚとして測定した。測定回数は各突出距離につき３００フラッシュとし、測定はシリコンＰＤ（Photo Diode）にておこなった。測定データはシリコンＰＤからの電流値を電圧変換して評価した。そして、光出力安定性は、｛（最大値−最小値）／平均値｝×１００（％）で評価した。測定結果を表１に示す。また、測定結果を図７にプロットした。

図７は、トリガ電極突出長に対する光出力安定性の関係を示すグラフ図である。図７より、１．５ｍｍＧａｐと３．０ｍｍＧａｐのいずれのランプも、トリガ電極突出長が０．０ｍｍの場合、すなわちトリガ電極の先端が、陰極と陽極の中心線上にある場合は、光出力安定性は比較的悪いことが判る。しかし、トリガ電極突出長が±０．１ｍｍを超えた場合、すなわちトリガ電極の先端が、陰極放電対向面と陽極放電対向面とから規定される空間の外に位置するようになると高出力安定性は向上する。そして、いずれのランプも、トリガ電極突出長が±０．２ｍｍになると、光出力安定性が最も良くなることが判る。したがって、トリガ電極の先端を、陰極および陽極の放電対向面により規定される空間の外に位置させることにより、フラッシュランプの光出力安定性を向上させることができる。

尚、本発明の金属材の接合方法は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

第１実施形態に係るフラッシュランプを示す平面図である。 第１実施形態に係るフラッシュランプの電極配置を示す側面図である。 第２実施形態に係るフラッシュランプの電極配置を示す側面図である。 第３実施形態に係るフラッシュランプの電極配置を示す側面図である。 （ａ）〜（ｅ）は空間に対するトリガ電極の配置を示す説明図である。 （ａ）は本発明に係るフラッシュランプの放電経路を示す説明図であり、（ｂ）は従来のフラッシュランプの放電経路を示す説明図である。 トリガ電極突出長に対する光出力安定性の関係を示すグラフ図である。 従来のフラッシュランプの電極配置を示す側面図である。 （ａ）は陰極の先端部を示す拡大図であり、（ｂ）（ｃ）は放電対向面を示す拡大図である。 陰極および陽極の放電対向面を結ぶことで規定される空間を示す図である。

符号の説明

１…フラッシュランプ、

１０…陰極、１２…陰極先端、１４…陰極放電対向面、
２０…陽極、２２…陽極先端、２４…陽極放電対向面、
３０，４０…トリガ電極、３２，４２…トリガ電極先端

５０…空間、６０…スパーカ電極、８０…密封容器

ＣＬ…中心線、Ｌ，Ｌ’…接線、ａ，ａ’…接点

Claims (2)

1. 不活性ガスが封入された密封容器内にアーク放電を行う陰極および陽極が対向配置され、前記アーク放電に先立って予備放電を行う１本〜複数本の針状のトリガ電極が、前記陰極および前記陽極間に配置され、
   前記陰極において電子が放出される陰極放電対向面と、前記陽極において電子が吸収される陽極放電対向面と、前記陰極放電対向面と前記陽極放電対向面の外周線同士を結ぶ直線母線から成る面とで規定される空間の外に、前記トリガ電極の先端が位置し、
   前記空間から前記トリガ電極の先端の突出距離は、１〜２００μｍであることを特徴とするフラッシュランプ。
2. 前記トリガ電極は、前記空間を貫通して、トリガ電極の先端が前記空間の外に突出するように配置されてい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。

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