JP5527289B2

JP5527289B2 - ショートアーク型放電ランプ

Info

Publication number: JP5527289B2
Application number: JP2011175111A
Authority: JP
Inventors: 愛子澤田
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2011-08-10
Filing date: 2011-08-10
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2031-08-10
Also published as: US20130043787A1; US8508130B2; JP2013038006A

Description

本発明はショートアーク型放電ランプに関し、特に、内視鏡などの医療機器の光源として用いられるショートアーク型放電ランプに関する。

ショートアーク型放電ランプは、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明性セラミックスを用いた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やすく、また安全性が高いことから医療用光源として使われている。特開２００８−０１６３８９号公報には、内視鏡用の光源に用いられるショートアーク型放電ランプが記載されている。

このような内視鏡用の光源に用いられるショートアーク型放電ランプは、ランプの点灯中に放射ノイズを発生する。このような放射ノイズが発生されると周辺の電子機器に悪影響を及ぼす。
そこで従来の内視鏡用光源装置には放射ノイズを遮蔽するためのシールド部材が設けられていた。特許第３５２３７４９号公報にはシールド体を備えた内視鏡用光源装置が記載されている。

しかしながら、最近では内視鏡の更なる小型化が要望されており、これらに対し上述した従来の解決手段は好ましくない。そのため、放射ノイズの発生を防止または抑制するための、従来と異なる手段が望まれている。

特開２００８−０１６３８９号公報特許第３５２３７４９号公報

本発明の目的は、上述の問題点に鑑み、ランプから発生する放射ノイズの発生を防止するショートアーク型放電ランプを提供することである。

発明者は鋭意検討し、放射ノイズの発生率が陽極先端の温度に関係していることを発見した。具体的には、陽極先端が比較的低温の場合において放射ノイズの発生が顕著になることを突き止めた。

そこで上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、内部に湾曲した反射面を有する凹部に放電空間が形成された絶縁部材からなる胴体と、該胴体の前面開口を塞ぐ光透過性部材と、該放電空間において該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、を備えるショートアーク型放電ランプにおいて、
前記陰極は、略円錐状の陰極先端部と、該陰極先端部に連なる陰極芯棒部とを備え、前記陽極は、先端に向かうに従って小径となるテーパー部とそれに続く平坦部からなる陽極先端部を備え、該平坦部を成す該テーパー部の先端の外径は該陰極芯棒部の外径よりも小径であり、該テーパー部の後端の外径は該陰極芯棒部の外径よりも大径であることを特徴とするショートアーク型放電ランプとするものである。
請求項２に記載の発明は、前記陽極は前記陽極先端部と、該陽極先端部に連なる陽極胴部と、該陽極胴部に連なるくびれ部と、該くびれ部に連なる根元部とを備え、該陽極胴部の外径は該根元部の外径よりも小径であり、該陽極胴部の外径は該くびれ部の外径よりも大径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型放電ランプとするものである。

請求項１に記載の発明によれば、該陽極先端部前方の平坦部の外径は該陰極芯棒部の外径よりも小径のものとし、該陽極先端部後方の外径は該陰極芯棒部の外径よりも大径のものとすることで、該陽極先端部の前方の熱拡散が抑制され、該平坦部を比較的高温に維持させて放射ノイズの発生を防止できる。また該陽極先端部の後方は生じた熱を速やかに陽極内部へ熱拡散させることができ、陽極先端部の早期の消耗を防止できる。
請求項２に記載の発明によれば、上述の効果に加えて、陽極のくびれ部がヒートダム効果を有し、陽極先端部で生じた熱が陽極根元部へ伝熱することを抑制できる。また、陽極先端部とくびれ部の外径は、根元部の外径より小径にできるため、貫通孔部の孔径を小径に設計できる。

（ａ）本発明の第一の実施形態であるショートアーク型放電ランプの外観の部分断面図、（ｂ）図１（ａ）のＤ−Ｄ断面図を示す。図１に示すショートアーク型放電ランプの電極形状の外観図を示す。図１に示すショートアーク型放電ランプの貫通孔部付近の拡大図を示す。本発明の第二の実施形態であるショートアーク型放電ランプの外観の部分断面図を示す。図４に示すショートアーク型放電ランプの貫通孔部付近の拡大図を示す。（ａ）従来のショートアーク型放電ランプ、（ｂ）本発明のショートアーク型放電ランプ、のそれぞれの陽極先端で起こる熱拡散の概念図を示す。（ａ）従来のショートアーク型放電ランプの外観の部分断面図、（ｂ）図７（ａ）の貫通孔部付近の拡大図を示す。

発明者は鋭意検討し、放射ノイズの発生率が陽極の先端温度と関わることを発見した。具体的には、陽極先端が比較的低温の場合において放射ノイズの発生が顕著になることを見出した。そこで本発明は、ランプ点灯時に陽極先端が比較的高温となるよう陽極形状を工夫することで、所望の点灯電流下において放射ノイズの発生を防止した。

ランプ点灯時、陰極と陽極の間には陰極から陽極に向かってアークが形成され、陽極先端とアークの接触部分（以下、アークスポットと称す）に電流（エネルギー）が集中し、アークスポット内で熱が発生し、陽極内部へ熱が拡散する。
陽極先端の熱拡散についての概念図を図６に示す。図６（ａ）は陽極先端の平坦部９５１の外径が陰極芯棒９４２の外径よりも大径の電極形状のものを示し、図６（ｂ）は陽極先端の平坦部５１の外径が陰極芯棒４２の外径よりも小径の電極形状のものを示す。これらを比較すると、図６（ｂ）は陽極先端の平坦部５１が小径のため、図６（ａ）と比較して、アークスポットＳからの熱拡散が比較的軽減される。これにより、陽極先端の平坦部５１は比較的高温状態を保ち、放射ノイズの発生が抑制される。

陽極先端から発生する放射ノイズの程度は点灯条件によって左右される。具体的には、ランプへ投入する電流を低下すると放射ノイズの発生は顕著に表れ、逆に電流を増加させると放射ノイズの発生は低減され、ある閾値を超えると放射ノイズが消滅する。本発明のランプを採用することで陽極先端が比較的高温を維持でき、従来と比較して放射ノイズの発生を抑制できる。言い換えれば、放射ノイズが消滅する供給電流の閾値（以下、ノイズ消滅値と称す）を大幅に下げることができる。

以下、本発明のショートアーク型放電ランプを説明する。

本発明の第一の実施形態であるショートアーク型放電ランプの外観の部分断面図を図１(a)、図１（ａ）のＤ−Ｄ断面図を図１（ｂ）に示す。また、図１の貫通孔部１２の拡大図を図３に示す。
ランプの封体内部には、陰極４と陽極５が対向配置して設けられている。陰極先端部４１は、先端に向かうに従って小径となるテーパーが設けられ、陰極先端部４１は略円錐状に形成されている。また陽極先端部５２にもテーパーが設けられ、テーパー部の先端側には陽極軸に垂直な平坦部５１が設けられ、陽極先端部５２は略円錐台状に形成されている。

図１に示すショートアーク型放電ランプの電極形状の外観図を図２に示す。陽極先端部５２は略円錐台状であり、陽極先端部５２の前方には平坦部５１が設けられ、平坦部５１の外径Ｄ２は陰極芯棒部４２の外径Ｄ１よりも小径となり、陽極胴部５３の外径Ｄ３は陰極芯棒部４２の外径Ｄ１よりも大径となるよう各電極の先端部が形成されている。つまり両電極の各部位の外径は、相対的な大小関係がＤ２＜Ｄ１＜Ｄ３となるよう設計されている。このような設計により、陽極先端が比較的高温となるため、放射ノイズの発生が防止される。

本発明に係るショートアーク型放電ランプは、内部に湾曲した反射面１ａを備えた凹部状の胴体１と、その前面開口を塞ぐ光透過性部材からランプの放電空間が形成されている。
胴体１はアルミナ製の絶縁部材からなり、例えば外径は約３０ｍｍの大きさである。胴体１に設けられた反射面１ａは、指向性の高い光出力が得られるように、放物線面に形成されている。その他、反射面１ａは楕円面、非球面に形成することもできる。また反射面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。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の光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は主にタングステン製のものが用いられている。

反射面１ａの前面開口に続く胴体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る給電リング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、衝撃に強く、可視光領域の透過率が高いという理由でサファイアが用いられる。また上述したフランジ１０には、サファイアと熱膨張率が近いコバール製のものが用いられる。

胴体１の先端部にはセラミックリング９と給電リング２が当接しており、これらは第一金属部材６によって固定されている。ここで第一金属部材６は給電リング２と接続しており、第一金属部材６を介して陰極４に電力が供給されている。また胴体１の後端部には金属ブロック７が当接しており、この配置は第二金属部材８によって固定されている。金属ブロック７の中心には陽極５が挿通されており、金属ブロック７を介して陽極５に電力が供給されている。また金属ブロック７と陽極５はロウ付けされており、これにより金属ブロック７と陽極５が固定されている。

胴体１の中央には反射面１ａの光軸に沿って貫通孔部１２が形成され、この貫通孔部１２に陽極５が挿通され、陽極５は金属ブロック７に固定されている。また陰極４は支持部材３によって固定され、陰極４と陽極５の電極間距離が保たれている。陰極４の先端部は、例えば電子放射を良好にする目的で約３０°〜７０°のテーパー角が設けられており、ランプによって適宜調整される。

図１の陽極５と陰極４の各部位の外径の大小関係は図２に示されている。第一の実施形態に係るショートアーク型放電ランプの陽極５は主に４つの部位からなり、平坦部５１とテーパー部からなる陽極先端部５２と、それに連なる陽極胴部５３と、それに連なるくびれ部５４と、それに連なる根元部５５で構成されている。

陽極先端部５２は円錐台状であり、陽極先端部５２の前方には平坦部５１が設けられ、平坦部５１の外径Ｄ２は陰極芯棒部４２の外径Ｄ１よりも小径となり、陽極胴部５３の外径Ｄ３は陰極芯棒部４２の外径Ｄ１よりも大径となるよう各電極の先端部が形成されている。つまり各電極の各部位の外径は、それぞれの相対的な大小関係がＤ２＜Ｄ１＜Ｄ３となるよう設計されている。このような設計により、放射ノイズの発生を防止できる。

陽極先端部５２の前方の外径Ｄ２が陰極芯棒部４２の外径Ｄ１より小径に形成されているため、陽極先端部５２の前方は熱拡散が抑制され、かつ、平坦部５１の近傍は熱容量が小さくなり、ランプ点灯時に陽極の先端温度は上昇しやすい。これにより図７に示す従来ランプと比べて陽極の平坦部５１は比較的高温となりやすく、陽極先端からの放射ノイズの発生は抑制される。
また、陽極胴部５３の外径Ｄ３は陰極芯棒部４２の外径Ｄ１よりも大径に形成されているため、陽極先端が必要以上に熱されて陽極先端が溶融してしまうことを防止する。
つまり陽極先端部５２の形状を変えることで熱拡散の程度を調整し、放射ノイズの発生源である陽極先端の前方を比較的高温に維持させ、放射ノイズの発生を防止している。

また第一の実施形態に係る陽極５には、陽極胴部５３に連なるくびれ部５４と、くびれ部に連なる根元部５５が設けられている。この陽極根元部５５はランプ封体Ａの金属ブロック７と接合する部位であり、具体的には金属ブロック７と陽極根元部５５がロウ付けされて、陽極５が固定されている。
くびれ部５４の外径Ｄ４は、陽極胴部５３の外径Ｄ３よりも小径となるよう形成され、くびれ部５４に連なる陽極根元部５５の外径Ｄ５は陽極胴部５３の外径Ｄ３よりも大径となるよう形成されている。つまり陽極の各部位の外径の大小関係はＤ４＜Ｄ３＜Ｄ５となるよう設計されている。

上述のように、くびれ部５４の外径Ｄ４は陽極胴部５３の外径Ｄ３より小さく形成されることにより、陽極胴部５３とくびれ部５４の間にヒートダム効果をもたらし、陽極胴部５３からくびれ部５４への熱拡散を塞き止め、陽極根元部５５へ伝熱することを抑制する。また陽極根元部５５の外径Ｄ５は陽極胴部５３の外径Ｄ３より大きく形成されることにより、陽極根元部５５の熱容量が比較的大きくなり、陽極根元部５５は陽極胴部５３からの伝熱の影響を受けにくい。よって、耐熱性が乏しい陽極根元部５５と金属ブロック７のロウ付け箇所に不具合が生じることを防ぐ。具体的には、ロウ材が溶融したり、クラックが発生したりすることを防止できる。

図１の貫通孔部１２の拡大図を図３に示す。陽極胴部５３の外径Ｄ３は陽極根元部の外径Ｄ５より小径に形成されている。さらには、陽極胴部５３の外径Ｄ３を図７（ｂ）に示す従来ランプの陽極芯棒９５３の外径Ｄ９５３よりも小径に形成することも可能である。
これによれば、胴体に設けられた貫通孔部１２の孔径Ｄ１２を従来ランプよりも小さく設計でき、ミラー１ａの反射面積を広げることができ、ランプの放射光をより有効に活用できる。例えば、図７（ｂ）に示す従来ランプより孔径Ｄ１２を約１ｍｍ小さく設計できる。これにより、ランプの利用光量を十数パーセント程度増大させることができる。

本発明に係るショートアーク型放電ランプは、陰極と陽極先端部の外径の大小関係を規定することで放射ノイズの発生を抑制すると共に、陽極先端部で発生する熱の拡散を陽極の各部位の外径を変えることで制御し、内視鏡用の光源に適した構成をとっている。
つまり、本発明は電極の各部位の外径の相対的な大小関係に特徴を有するものである。

本発明の第二の実施形態であるショートアーク型放電ランプの外観の部分断面図を図４に示し。図４の貫通孔部付近の拡大図を図５に示す。こちらは図３に示す第一の実施形態の構成のうち、陽極の電極形状を変更したものである。陰極先端部２４１にはテーパーが設けられ、陰極先端部２４１は略円錐状に形成されている。また陽極先端部２５２にもテーパーが設けられ、陽極先端部２５２は円錐台状に形成されている。陽極先端部２５２の前方には陽極軸に垂直な平坦部２５１が設けられている。

陽極先端部２５２の後方の外径Ｄ２３は、陰極芯棒部２４２の外径Ｄ２１よりも大径となるよう形成される。また陽極先端部２５２の前方の平坦部２５１の外径Ｄ２２は、陰極芯棒部２４２の外径Ｄ２１よりも小径となるよう形成される。つまり、本発明の陽極２５と陰極２４の各部位の外径は、Ｄ２２＜Ｄ２１＜Ｄ２３とした大小関係となるよう設計されている。
これにより、陽極先端の温度を上昇しやすくさせて放射ノイズの発生を抑制する、また、陽極先端で発生した熱が速やかに熱拡散し、陽極先端部の溶融を防止する。

第二の実施形態の陽極２５には第一の実施形態で示される陽極胴部５３がなく、陽極２５は陽極先端部２５２と、それに連なるくびれ部２５４と、それに連なる根元部２５５から構成されている。この陽極根元部２５５はランプ封体Ａの金属ブロック７に嵌合される部位であり、この陽極根元部２５５は金属ブロック７にロウ付けされて、陽極が固定されている。

第二の実施形態の陽極は第一の実施形態で示した陽極胴部５３が設けられていない。そのため、陽極根元部２５５に連なるくびれ部２５４は比較的長尺に形成される。また陽極根元部２５５の外径Ｄ２５は陽極先端部２５２を成す円錐台の底面の外径Ｄ２３より大きくなるよう設計され、陽極２５の各部位の外径は、Ｄ２４＜Ｄ２３＜Ｄ２５の大小関係となるよう設計されている。

以下、本発明の具体的な実施例について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

〈実施例１〉
図１に示す構成に従い、下記の条件により、本発明に係るショートアーク型放電ランプを作製した。
・陰極（４）：タングステン製、直径１．５ｍｍ、全長１５ｍｍ
・陽極（５）：タングステン製、テーパー角９０度、平坦部の外径（Ｄ２）１ｍｍ、陽極胴部の外径（Ｄ３）３．５ｍｍ、くびれ部の外径（Ｄ４）３ｍｍ、根元部の外径（Ｄ５）４ｍｍ、全長２３ｍｍ
・貫通孔部の孔径（Ｄ１２）：Φ４．７ｍｍ
・ランプの使用環境：電流２０Ａ、電圧１４Ｖ

〈従来例１〉
図７（ａ）と（ｂ）に示す構成に従い、下記の条件により、従来のショートアーク型放電ランプを作製した。
・陰極（９４）：タングステン製，直径１．５ｍｍ，全長１５ｍｍ
・陽極（９５）：タングステン製，平坦部の外径（Ｄ９５１）３．５ｍｍ、陽極芯棒部の外径（Ｄ９５３）４ｍｍ、全長２３ｍｍ
・貫通孔部の孔径（Ｄ９１２）：Φ５．６ｍｍ
・ランプの使用環境：電流２０Ａ、電圧１４Ｖ

〈評価１〉
放射ノイズが発生するとランプ電圧が乱れる。そのため、ランプ点灯時にランプ電圧をモニタリングすることで、放射ノイズの発生の有無を検知できる。実施例１および従来例１に係るショートアーク型放電ランプを、所望の点灯条件（電流２０Ａ、電圧１４Ｖ）で点灯したところ、従来例１からは放射ノイズが発生したが実施例１からは放射ノイズは発生しなかった。
また、実施例１と従来例１のそれぞれの放射ノイズのノイズ消滅値を調べた。実施例１と従来例１のランプを点灯する際に、ランプの供給電流を１６Ａから２４Ａへ徐々に増やして点灯させてゆき、各供給電流値における放射ノイズの有無を調べ、各ランプの放射ノイズのノイズ消滅値を調べた。以下に結果を示す。

上述の結果から、実施例１は従来例１と比べてノイズ消滅値を低くでき、本発明のショートアーク型放電ランプは放射ノイズの発生を抑制できることが明らかとなった。

〈評価２〉
従来例１を基準として実施例１の光量増加率を求めた。実施例１の貫通孔部は従来例１の貫通孔部より孔径が約１ｍｍ小さく設計されており、ランプ封体内部の反射面１ａを広く設けることができ、従来例より光量を増加させることができた。光量増加率は、ランプの光を導光するファイバーの径によっても違いが生じ、より細径のファイバーにおいて良好な光量が得られた。具体的には、従来例１と比較して約２０％の光量増加を達成できた。

本発明に係るショートアーク型ランプは電極構造に特徴を持ち、陽極先端から発生する放射ノイズの発生を抑制できた。また、この電極構造によって胴体の貫通孔部の孔径を小さく設計でき、従来のランプよりも放射光量を増大させることができた。

１胴体
１ａ反射面
２給電リング
３支持部材
４陰極
５陽極
６第一金属部材
７金属ブロック
８第二金属部材
９セラミックリング
１０フランジ
１１窓部材
１２貫通孔部
Ｄ１陽極芯棒部の外径
Ｄ２平坦部の外径
Ｄ３陽極胴部の外径
Ｄ４くびれ部の外径
Ｄ５根元部の外径
Ｄ１２孔径

Claims

内部に湾曲した反射面を有する凹部に放電空間が形成された絶縁部材からなる胴体と、該胴体の前面開口を塞ぐ光透過性部材と、該放電空間において該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、を備えるショートアーク型放電ランプにおいて、
前記陰極は、略円錐状の陰極先端部と、該陰極先端部に連なる陰極芯棒部とを備え、
前記陽極は、先端に向かうに従って小径となるテーパー部とそれに続く平坦部からなる陽極先端部を備え、
該平坦部を成す該テーパー部の先端の外径は該陰極芯棒部の外径よりも小径であり、該テーパー部の後端の外径は該陰極芯棒部の外径よりも大径であることを特徴とするショートアーク型放電ランプ。
前記陽極は前記陽極先端部と、該陽極先端部に連なる陽極胴部と、該陽極胴部に連なるくびれ部と、該くびれ部に連なる根元部とを備え、
該陽極胴部の外径は該根元部の外径よりも小径であり、
該陽極胴部の外径は該くびれ部の外径よりも大径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型放電ランプ。