JP4952100B2 - ショートアークランプ - Google Patents

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、光取り出し部のみ透光性セラミックスを用いているランプが知られている。このランプは、全体外観形状が柱状であって、極めて頑丈で取り扱い易く、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。

このような従来のショートアークランプを図１０を用いて説明する。
図１０（ａ）は、従来のショートアークランプの断面図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示すショートアークランプの給電リングと支持部材と陰極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２０１がアルミナ製の絶縁部材から構成されており、その内部には反射面２０２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２０２の焦点位置に間隙を持って配置された酸化トリウムをドープしたタングステン製の陰極２０４とタングステン製の陽極２０５とが配置されている。反射面２０２の開口に続く胴体２０１の先端縁には、セラミックリング２０３を介して胴体２０１の外径とほぼ等しい外径を有するコバール製の給電リング２０６が配置されている。この給電リング２０６の内面には当接するようにリング状のフランジ２０７が嵌め込まれており、このフランジ２０７の内周面にはサファイアからなる透明な窓部材２０８が接合されている。給電リング２０６とその内周面に当接して配置されたフランジ２０７および窓部材２０８を胴体２０１に固定するために第１金属部材２０９が設けられている。凹部放電空間Ｄの給電リング２０６の半径方向には通電性と耐熱性が考慮されたモリブデン製の支持部材２１０が延在しており、その一端は給電リング２０６に他端は陰極２０４に接続されている。即ち、支持部材２１０は陰極２０４に電流を流すための経路を形成するとともに、陰極２０４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に支持している。

最近では、このようなショートアークランプを内視鏡の光源として利用する場合に、光出力を大きくして、患部をより鮮明に写し出す要求がでてきている。
光出力を大きくする方法として、電極間距離を短くしたり、入力電流を上げてアークの輝度を上げるものである。

このような対策を施したショートアークランプでは、電極の温度が上昇する傾向にあり、特に、陰極の温度上昇に伴い以下の問題が発生することがあった。
図１０（ｂ）に示すように、陰極２０４は、支持部材２１０の端部側においてロウ材を用いてロウ付けによって接合されている。
ロウ材によって、陰極と支持部材を接続する技術は、特開平９−１６１７２７号公報に記載されている。
あるいは、図示しないが、陰極２０４と支持部材２１０を接触した状態にしておき、レーザー等によって、接触部分を加熱して陰極２０４と支持部材２１０を溶接して接合するものである。
溶接によって、陰極と支持部材を接続する技術も、同じく特開平９−１６１７２７号公報に記載されている。
これらの構造では、陰極２０４の熱が支持部材２１０に伝わり、支持部材２１０の熱が給電リング２０６につながり、最終的には、陰極２０４の熱は第１金属部材２０９から放熱される。

しかしながら、陰極２０４の温度が上昇すると、上記の放熱経路では、放熱効果が限界となり、十分に陰極２０４の熱を逃がすことができず、陰極２０４と支持部材２１０の接続部分のロウ材の温度や溶接部分の温度が上昇するものである。
これは陰極２０４自体の温度が上がること、さらには、支持部材２１０に伝わった熱が十分に給電リング２０６に伝わらず、支持部材２１０が熱溜まりとなり支持部材２１０の温度が上がることに起因するものである。

そして、ランプの点灯・消灯に伴いロウ材や溶接部分に繰り返し応力が加わり、ロウ材や溶接部分の温度が過度に上昇すること、ロウ材や溶接部分に早期にクラックが入り、クラックが入った状態で、繰り返し応力がさらに加わることによってクラックが成長し、ロウ材や溶接部分が破壊される問題があった。
そして、破壊状態が進行することにより、陰極２０４が支持部材２１０から脱落する問題があった。
また、ロウ材の温度が１０００℃以上になるとロウ材が溶融してしまい、この現象が起こることによっても、陰極２０４が支持部材２１０から脱落するという問題があった。

一方、陰極と支持部材との接合部の温度上昇を抑制するという目的ではなく、支持部材と給電リングの接続部の温度上昇を抑制するために、支持部材を屈曲させたり湾曲させて、支持部材の表面積を増やし、支持部材から積極的に熱を放出する技術が知られている。
この技術は、特開２００５−７１６８４号公報に記載されている。

しかしながら、支持部材を屈曲させたり湾曲させると、陰極を所定の位置に位置させることが困難となり、また、点灯中、支持部材の温度が上昇すると、支持部材が膨張して、陰極の位置が所定の位置からずれるという問題があった。
特開平９−１６１７２７号公報 特開２００５−７１６８４号公報

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、ショートアークランプから放射される光の出力が大きくなっても、陰極と陰極を支持する支持部材との接続部分の温度上昇を抑制することができ、陰極と支持部材との接続部分が破壊されることなく、また、陰極が支持部材から脱落することがなく、確実に陰極を放電空間の所定位置に支持部材によって支持することができるショートアークランプを提供することにある。

また、本発明のショートアークランプは、内部に湾曲した反射面を有する凹部放電空間が形成された絶縁部材からなる胴体と、前記放電空間において、前記反射面の焦点位置に間隙を持って配置された一対の陰極と陽極と、前記陰極に接続された支持部材と、前記反射面の開口縁の近傍に配置され、前記支持部材が接続してなる給電リングとよりなるショートアークランプにおいて、前記陰極の熱容量をＡ、前記支持部材の熱容量をＢとすると、Ｂ／Ａ＞２．８であることを特徴とする。
そして、前記陰極がタングステンであり、前記支持部材がニッケルであることを特徴とする。

本発明のショートアークランプによれば、陰極の熱容量をＡ、支持部材の熱容量をＢとすると、Ｂ／Ａ＞２．８であることにより、陰極の熱を効率よく支持部材に伝え、支持部材から効率よく放電空間に熱を放出することができ、陰極と支持部材との接続部分の温度上昇を抑制することができる。
この結果、ショートアークランプから放射される光の出力が大きくなっても、陰極と支持部材との接続部分の温度上昇を抑制することができ、陰極と支持部材との接続部分が破壊されることなく、また、陰極が支持部材から脱落することがなく、確実に陰極を放電空間の所定位置に支持部材によって支持することができる。

以下、本発明のショートアークランプを説明する。
図１は、本発明に係るショートアークランプの一例における構成を示す説明図である。
胴部１はアルミナ製の絶縁部材からなり、外径が約３０ｍｍである。この胴部１の内部は、湾曲した反射面１ａが形成されている。この反射面１ａは、指向性の高い光出力が得られるように、放物線形、楕円形、非球面形にすることができる。このショートアークランプの反射面１ａは放物面である。そして、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。金属蒸着膜の代わりに誘電体多層膜を設けても良い。反射面１ａの内側が放電空間Ｄであり、反射面１ａの焦点位置に間隙を以て陰極４と陽極５が反射面１ａの軸と一致するように対向配置されている。陰極４と陽極５はタングステン製であり、陰極４と陽極５との間隙は１〜２ｍｍである。陰極４の先端は約３０°〜５０°のテーパ角が付けられており、電子放射を良好にするためにこの角度を決定している。
なお、陰極４は、酸化トリウムをドープしたトリエテッドタングステンである。

反射面１ａの開口に続く胴体１の先端縁には、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の一側面が当接している。そして、反射面１ａの開口縁の近傍であり、具体的には、セラミックリング９の他方の側面に胴体１の外径とほぼ等しい外径を有すコバール製の給電リング２が配置されている。この給電リング２の内面に当接するようにリング状のフランジ１０が嵌め込まれている。フランジ１０はその内周面に透明な円形の窓部材１１を有している。この窓部材１１は、可視光を透過し、給電リング２のコバールと熱膨張率が近いという理由でサファイアよりなる。

第１金属部材６は、コバール製であり、給電リング２とその内周面に当接して配置されたフランジ１０および窓部材１１を胴体１に固定するためのものである。第１金属部材６は、幅が約１０ｍｍであり、厚さが約１ｍｍである。つまり、第１金属部材６と給電リング２とフランジ１０および窓部材１１で内部の放電空間Ｄの密封状態が保たれている。第１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。

支持部材３は通電性と耐熱性を考慮したモリブデン製のものであり、放電空間Ｄ内において、給電リング２の半径方向に直線的に伸びており、その一端部は給電リング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に電流を流すための経路であるとともに、陰極４を放電空間Ｄ内において、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、反射面１ａからの反射光を遮らないように支持部材３の短手方向がランプ軸に平行になるように配置されている。
なお、陰極４と支持部材３は、ロウ材を用いることなく、直接、溶接して接続されていてもよい。

金属ブロック７の一部は、胴体１とほぼ同じ外径であり、第２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を貫通して電気的に接続される。つまり、第２金属部材８は、金属ブロック７を経て陽極５に電流を供給するための給電機構も兼ねている。さらには、第２金属部材８は、幅が約８ｍｍであり、厚さが約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。このように金属ブロック７は、導電性に富んでおり、なおかつ、熱吸収作用を奏することが期待されているので例えば鉄製のものである。
そして、陰極４には、放熱部材Ｈが付加さえている。つまり、陰極４には、陰極４とは別部材の放熱部材Ｈが接続されている。放熱部材Ｈに関しては、後段で詳細に説明する。

ショートアークランプは、以上のように構成されている。このショートアークランプは、放電空間Ｄ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２０Ａ，消費電力が２８０Ｗのものである。

図２は、図１に示されたショートアークランプの給電リング２と支持部材３と陰極４と放熱部材Ｈのみを取り出した説明図である。陰極４は、３つの支持部材３で放電空間Ｄの所定の位置に支持されている。この支持部材３は給電リング２と陰極４の双方にロウ材によって接続されている。
図１に戻り説明を続けると、この支持部材３は、モリブデン製のものであり、陰極４と給電リング２を結ぶ最短距離となる最短辺３ａを有する構造である。

次に放熱部材について説明する。
図１、図２に示すように、放熱部材Ｈは、モリブデン製の板状体であって、一端部が陰極４にロウ付けあるいは溶接されて接続されており、他端部が放電空間Ｄ内で自由端となるように、等間隔を空けて、陰極４に３つ取り付けられている。
このような放熱部材Ｈは、反射面１ａからの反射光を遮らないように放熱部材の短手方向がランプ軸に平行になるように配置されている。

放熱部材Ｈは、モリブデン製であるので熱伝導率がよく、陰極４で発生した熱が放熱部材Ｈに効率よく伝わるものである。
そして、放熱部材Ｈは、放電空間Ｄに露出している構造であるので、陰極４の熱を放熱部材Ｈを介して放電空間Ｄに放出される構造になり、陰極４と支持部材３との接続部分のロウ材の温度上昇を抑制することができ、点灯・消灯に伴いロウ材に応力が繰り返し加わってもロウ材にクラックが入らず、ロウ材が破壊されることがなく、陰極４が支持部材３によって確実に支持され、常に、陰極４を放電空間Ｄの所定位置に位置させることができる。
また、陰極４に放熱部材Ｈを複数個取り付けることにより、陰極４の放熱効率を上げことができ、確実に、ロウ材の温度上昇を抑制することができる。

次に、陰極に接続された放熱部材の他の実施例を図３、図４を用いて説明する。放熱部材以外の構造は、図１で示すショートアークランプと同様である。
図３、図４では、給電リング２と支持部材３と陰極４と放熱部材Ｈのみを取り出した説明図である。
図３、図４に示す放熱部材Ｈは、共にモリブデン製の板状体であって、放熱部材Ｈの表面積を増やして、放熱効果を上げる構造のものである。
図３では、放熱部材Ｈが３つからなり、それぞれの放熱部材Ｈは、一端部が陰極４にロウ付け或いは溶接されており、他端部が放電空間内で自由端となるように、等間隔を空けて設けられており、それぞれの放熱部材Ｈは、表面積を大きくするために、複数箇所において屈曲されて、放熱効果を上げる構造となっている。

図４では、放熱部材Ｈは１つであり、放熱部材Ｈは、一端部が陰極４にロウ付け或いは溶接されており、放電空間内で螺旋状に巻回され他端部が自由端となっており、放熱部材Ｈが螺旋状になることにより、表面積を大きくして、放熱効果を上げる構造となっている。

次に、放熱部材が支持部材に接続された実施例を説明する。
図５、図６では、給電リング２と支持部材３と陰極４と放熱部材Ｈのみを取り出した説明図である。
なお、図５、図６に示す支持部材３は、図１と同様に、陰極と給電リングを結ぶ最短距離となる最短辺を有するものである。
図５では、それぞれの支持部材３に複数の放熱部材Ｈが付加されている。つまり、支部部材３には、支持部材３とは別部材の放熱部材Ｈが接続されている。
この放熱部材Ｈはモリブデン製の板状体であって、一端部が支持部材３にロウ付け或いは溶接されており、実質的に支持部材３の表面積を大きくする構造である。
このように、支持部材３に放熱部材Ｈを接続することにより、陰極４から支持部材３に伝わった熱を放熱部材Ｈで効率よく放電空間に放出することができ、陰極４の温度上昇を抑制することができ、同時に、支持部材３の温度上昇を抑制することができ、陰極４と支持部材３との接続部分のロウ材の温度上昇を抑制することができ、点灯・消灯に伴いロウ材に応力が繰り返し加わってもロウ材にクラックが入らず、ロウ材が破壊されることがなく、陰極４が支持部材３によって確実に支持され、常に、陰極４を放電空間の所定位置に位置させることができる。

図６では、それぞれの支持部材３間に張り渡されるように円弧状の放熱部材Ｈが複数個接続されている。この放熱部材Ｈはモリブデン製の板状体であって、両端が支持部材にロウ付け或いは溶接されており、実質的に支持部材３の表面積を大きくする構造である。
このように、支持部材３に放熱部材Ｈを接続することにより、陰極４から支持部材３に伝わった熱を放熱部材Ｈで効率よく放電空間に放出することができ、陰極４の温度上昇を抑制することができ、同時に、支持部材３の温度上昇を抑制することができ、陰極４と支持部材３との接続部分のロウ材の温度上昇を抑制することができ、点灯・消灯に伴いロウ材に応力が繰り返し加わってもロウ材にクラックが入らず、ロウ材が破壊されることがなく、陰極４が支持部材３によって確実に支持され、常に、陰極４を放電空間の所定位置に位置させることができる。

次に、陰極の熱容量と支持部材の熱容量を規定した本願発明のショートアークランプを説明する。
図７は、本願発明のショートアークランプの説明図であって、図１に示す本願発明のショートアークランプから放熱部材を取り除いた構造であって、支持部材の大きさが大きくなったランプであり、図１と同一符号は同一部分を示すものであり、特徴的な構造のみ説明をする。
なお、図７に示すショートアークランプは、図１に示すショートアークランプと同様に、放電空間Ｄ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２０Ａ，消費電力が２８０Ｗのものである。
また、図８は、図７に示すショートアークランプの給電リング２と支持部材３と陰極４のみを取り出した説明図である。
なお、図８から理解できるように、陰極４は３つの支持部材３によって支持されている。

図７、図８に示すショートアークランプは、陰極４と支持部材３はロウ材によって接続されている。
そして、支持部材３は、陰極４と給電リング２を結ぶ最短距離となる最短辺３ａを有するものである。
なお、陰極４と支持部材３は、ロウ材を用いることなく、直接、溶接して接続されていてもよい。

陰極４はタングステン製であって、直径１．５mm、長さ１５ｍｍ、先端から１ｍｍまでが切削されたテーパー状になっており、陰極全体の熱容量は１５．０３×１０^−３ｃａｌ／Ｋである。

図９は、支持部材３の説明図であり、支持部材３はモリブデン製であり、最短辺３ａの長さが１３ｍｍ、給電リングと接続される接続辺３ｂの長さが２ｍｍ、陰極と接続される接続辺３ｃの長さが５ｍｍ、厚み１ｍｍであり、１つの支持部材３の熱容量は１６．６ｃａｌ／Ｋである。
そして、支持部材３は全体で３個あり、全て同一形状であり、支持部材３の合計の熱容量は約５０ｃａｌ／Ｋである。

次に、図７と同様の構造のショートアークランプであって、支持部材の形状を変ることによって支持部材の熱容量を変えた場合において、５００時間点灯後の陰極と支持部材との接続状態を調べる実験を行った。
点灯状態は、５００時間連続点灯するものではなく、１０分点灯、５分消灯を１サイクルとして、このサイクルを５００時間連続して繰り返したものである。
なお、この実験では、支持部材の最短辺３ａの長さを１３ｍｍ、給電リングと接続される接続辺３ｂの長さが２ｍｍ、厚み１ｍｍを固定し、陰極と接続される接続辺３ｃの長さを変えて支持部材の熱容量を変えたものである。
なお、支持部材の熱容量は、陰極４に接続された３個すべての支持部材３の熱容量の合計値である。
また、陰極４の熱容量は１５．０３×１０^−３ｃａｌ／Ｋである。
実験結果を表１に示す。

表１からわかるように、陰極の熱容量をＡ、支持部材の熱容量をＢとすると、Ｂ／Ａ＞２．８となるランプ３、ランプ４、ランプ５、ランプ６では、点灯後、５００時間経過しても、陰極と支持部材との接続部分のロウ材には変化がなく、陰極が支持部材によって確実に支持されているものである。

一方、陰極の熱容量をＡ、支持部材の熱容量をＢとすると、Ｂ／Ａ≦２．８であると、点灯後、５００時間満たない間に、陰極と支持部材との接続部分のロウ材が破壊して陰極の位置がずれたランプ１や、ロウ材にクラックが発生しているランプ２があった。

つまり、陰極の熱容量に対して支持部材の熱容量が２．８を超える値であると、陰極の熱容量と支持部材の熱容量の値の差が大きく、陰極で発生した熱が支持部材に伝わる割合が大きく、陰極の熱を効果的に支持部材に伝えることができ、さらに、支持部材に伝わった熱が放電空間に放出されるので、陰極と支持部材との間に存在するロウ材の温度上昇を抑制することができる。

この結果、ロウ材が溶融することがなく、また、ロウ材にクラックが発生することがなく、ロウ材が破壊されることがなく、常に、陰極を放電空間の所定位置に位置させることができる。

また、表１中ランプ６に示すように、支持部材としてモリブデンからニッケルに変えることにより、同じ形状の支持部材であっても熱容量を大きくすることができる。
表１では、ランプ１とランプ６とでは、支持部材の形状が同じであるが、ニッケル製の支持部材を用いたランプの方が、支持部材の熱容量を大きくすることができ、更に一層、ロウ材の温度上昇を抑制する効果が大きくなる。
なお、この実験では、陰極と支持部材の接続はロウ材を用いたが、ロウ材を用いることなく、直接、陰極と支持部材を溶接して接続した場合も、表１の実験結果と差異はほとんどなく、陰極の熱容量をＡ、支持部材の熱容量をＢとすると、Ｂ／Ａ＞２．８となる条件では、点灯後、５００時間経過しても、陰極と支持部材との溶接部分にはクラックが入らず、陰極が支持部材によって確実に支持されている。

図５、図６に示す支持部材３に放熱部材Ｈが接続された構造のショートアークランプでは、支持部材の熱容量とは支持部材３単体の熱容量と放熱部材Ｈの熱容量との合計値のことであり、支持部材３に放熱部材Ｈが接続された構造であっても、陰極４の熱容量に対して支持部材３と放熱部材Ｈの熱容量の合計値が２．８を超える場合は、陰極で発生した熱が支持部材に伝わる割合が大きく、しかも、支持部材には放熱部材Ｈが接続されているので、陰極と支持部材との間の接続部分の温度上昇を確実に抑制することができる。

本発明のショートアークランプの説明図である。 図１におけるショートアークランプの給電リングと支持部材と陰極と放熱部材のみを取り出した説明図である。 本発明のショートアークランプであって、陰極に接続さえた放熱部材の他の実施例を示す給電リングと支持部材と陰極と放熱部材のみを取り出した説明図である。 本発明のショートアークランプであって、陰極に接続さえた放熱部材の他の実施例を示す給電リングと支持部材と陰極と放熱部材のみを取り出した説明図である。 本発明のショートアークランプであって、支持部材に接続さえた放熱部材の実施例を示す給電リングと支持部材と陰極と放熱部材のみを取り出した説明図である。 本発明のショートアークランプであって、支持部材に接続さえた放熱部材の実施例を示す給電リングと支持部材と陰極と放熱部材のみを取り出した説明図である。 本発明のショートアークランプの説明図である。 図８におけるショートアークランプの給電リングと支持部材と陰極のみを取り出した説明図である。 支持部材の形状を示す説明図である。 従来のショートアークランプの説明図である。

符号の説明

１ 胴体
１ａ 反射面
２ 給電リング
３ 支持部材
３ａ 支持部材の最短辺
４ 陰極
５ 陽極
６ 第１金属部材
７ 金属ブロック
８ 第２金属部材
９ セラミックリング
Ｈ 放熱部材

Claims (2)

1. 内部に湾曲した反射面を有する凹部放電空間が形成された絶縁部材からなる胴体と、前記放電空間において、前記反射面の焦点位置に間隙を持って配置された一対の陰極と陽極と、前記陰極に接続された支持部材と、前記反射面の開口縁の近傍に配置され、前記支持部材が接続してなる給電リングとよりなるショートアークランプにおいて、
   前記陰極の熱容量をＡ、前記支持部材の熱容量をＢとすると、
   Ｂ／Ａ＞２．８
   であることを特徴とするショートアークランプ。
2. 前記陰極がタングステンであり、前記支持部材がニッケルで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ランプ。

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