JP5768541B2 - ショートアーク型放電ランプ - Google Patents

Description

本発明はショートアーク型放電ランプに関し、特に、反射鏡内蔵型の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ランプ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。これらショートアーク型放電ランプには、陰極に酸化トリウム（ＴｈＯ_２）が含有されており、これにより陰極先端にトリウム（Ｔｈ）が供給され、陰極先端から飛び出す電子の仕事関数が低くなり、放電が容易となる。

特開２００８−０１６３８９号公報

近年の内視鏡に対する要望として、細径のファイバースコープを用いた診断が挙げられる。しかしながら、細径のファイバーを用いると光導入面であるファイバーの端面が細くなるため、ランプからの照射光の一部しかファイバー内に導入できなくなり、内視鏡の光量は落ち込む。そのため、より大光量の照射光が要望されている。この大光量の照射光を実施するために、パルス点灯が考えられる。

ここでいうパルス点灯とは、一定電流の直流電流成分よりなる基底電流値と、基底電流値に同極性の電流値が重畳されてなる最大電流値が、同じ極性の範囲で一定時間ごとに一定の周期で交互に入力されて行われる点灯をいう。最大電流値におけるランプの光を出力することで、全体の平均電流値を抑えながらランプの光量を上げることが可能になる。例えば図７の実線で示されるように、基底電流値を１８Ａとし、一定の周期で電流値を２０Ａに変化させながらランプに電流を入力することで、平均電流を抑えつつランプの光量を上げることができる。

上述したパルス点灯を行う内視鏡用光源用のショートアーク型放電ランプにおいて、図７の実線に示されるような従来のランプの入力電流に対して、破線で示されるようにランプの入力電流の最大電流値を高く設定することで、より大光量の照射光を得ることができる。しかし、大光量の照射光を得るためにランプの入力電流の最大電流値を高くしたところ、陰極先端に複数の突起が形成される、という現象が発見された。また、この複数の突起によってランプ点灯時のアークのちらつきが生じ、内視鏡での対象部位の観察に悪影響を及ぼす、という問題が発見された。

突起が形成された陰極先端の外観図を図８に示す。基底電流値と最大電流値の差が大きなパルス点灯が行われた場合、アークは陰極先端４の局部に集中しやすくなり、図８（ａ）に示すような微小な突起４５が形成される。さらに、陰極先端のトリウム（Ｔｈ）の供給が不安定となり、アークは陰極先端上で複数の箇所を移動し、陰極先端４には複数の突起４５が形成される。これら突起４５はアークの起点となりやすく、図８（ｂ）に示すように、いったん形成された突起４５が成長してゆく。これら突起４５が一定以上の高さに成長すると、突起間をアークが移動する際の光量が大きく変化し、ちらつきとして認識される。

当該ランプを、直流電流値を２１Ａとして定常点灯した場合の陰極先端のＸ線撮像写真を図９（ａ）に示し、当該ランプを、基底電流値を１８Ａ，最大電流値を２１Ａとしてパルス点灯した場合の陰極先端のＸ線撮像写真を図９（ｂ）に示す。
図９の測定から、上述した複数の突起は、当該ランプをパルス点灯することによって発生し、一定の直流電流値で点灯する場合には発生しないことが確認された。また、基底電流値と最大電流値の差が大きなパルス点灯で発生しやすく、例えば最大電流値が基底電流値より３Ａ以上大きなパルス点灯において発生が確認された。

本発明の目的は、上記の問題点に鑑み、陰極先端に複数の突起が形成されて、点灯時にちらつきが生じることがないショートアーク型放電ランプを提供することである。

上記課題を解決するために、本願発明は、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、先端に向かうに従って小径となるテーパー部を備えた該陰極と、を備えるショートアーク型放電ランプにおいて、
該陰極の先端域を除く表層部には、炭化層が形成され、一定電流の直流電流成分よりなる基底電流値と、該基底電流値に重畳した同極性の電流値との合計である最大電流値とが１０Ｈｚ以上の一定の周期で交互に切り替わって点灯され、該最大電流値は、該基底電流値に同極性の電流値が少なくとも３Ａ重畳されてな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。

本発明におけるパルス点灯は、１０Ｈｚ以上の高い周波数で点灯されるものである。１０Ｈｚを下回る点灯周波数では、アークが陰極先端部の局部に集中することがなく、微小な突起は形成されないことが確認されている。
本発明における陰極の先端域とは、陰極断面の電流密度が６５Ａ／ｍｍ^２以上となる領域である。
本発明における陰極の表層部とは、陰極の表面及び表面から内部に至る領域のことである。

本願発明によれば、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、この胴体の前面開口を塞ぐ板状の光透過性部材とからなるショートアーク型放電ランプにおいて、一定電流の直流電流成分よりなる基底電流値と、該基底電流値に重畳した同極性の電流値との合計である最大電流値とが１０Ｈｚ以上の一定の周期で交互に切り替わって点灯され、該最大電流値が、該基底電流値に同極性の電流値が少なくとも３Ａ重畳されるような場合に、陰極の先端域を除く表層部に炭化層を形成することにより、陰極先端に複数の突起が形成されるのを抑制することができる。

（ａ）本発明のショートアーク型放電ランプの断面図を示す。（ｂ）Ｄ−Ｄ断面図を示す。 本発明に係る陰極の外観図を示す。 本発明のランプ封体内部で起こる炭素の反応過程の概念図を示す。 本発明に係る陰極の先端形状の外観図を示す。 Ｘ線撮影による（ａ）ランプ点灯前の陰極形状、（ｂ）実施例１の陰極形状、（ｃ）従来例１の陰極形状、（ｄ）従来例２の陰極形状、の撮像写真をそれぞれ示す。 Ｘ線撮影による（ａ）実施例１の陰極形状、（ｂ）従来例１の陰極形状、の撮像写真をそれぞれ示す。 パルス点灯による電流値の変化を示す。 従来のショートアーク型放電ランプに係る陰極の外観図を示す。 Ｘ線撮影による（ａ）ランプを定常点灯した場合の陰極先端の形状、（ｂ）ランプをパルス点灯した場合の陰極先端の形状を示す。

以下、本発明のショートアーク型放電ランプを説明する。

本発明のショートアーク型放電ランプの断面図を図１（ａ）に示し、またＤ−Ｄ断面図を図１（ｂ）に示す。また図１の陰極部分の拡大外観図を図２に示す。胴部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。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、放物線面、楕円面、非球面にすることができる。このショートアーク型放電ランプの反射面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の電極間距離は例えば０．５〜２ｍｍである。また陰極４は支持部材３に固定されており、陽極５との電極間距離が保たれている。陰極４の先端は例えば約３０°〜約７０°のテーパー角が付けられており、電子放射を良好にするために適宜テーパーの角度が決定される。陰極４には、酸化トリウム（ＴｈＯ_２）を含有したトリエーテッドタングステンが用いられている。その他、昜電子放射性物質としてＣｅ、Ｌａ、Ｂａなどの酸化物を含有したタングステンを用いることも可能である。これにより陰極先端から飛び出す電子の仕事関数を低くし、放電が容易となる。また陰極４の先端部を除く表層部には炭化層４１が形成されている。

陰極に形成される炭化層は、陰極部材と炭素の化合物からなる。例えば、陰極部材がタングステン製である場合、炭化層としてタングステンカーバイド（Ｗ_２Ｃ、ＷＣ）の膜が形成される。

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。また上述した給電リング２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の先端縁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、これらの配置は第一金属部材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が貫通されており、第二金属部材８を介して陽極５に電力が供給されている。

本発明に係る陰極の外観図を図２に示す。図２（ａ）は陰極胴部に炭化層４１を設けたもの、図２（ｂ）は陰極の先端域を除く表層部に炭化層４１を設けたもの、をそれぞれ示している。
図２に示す本発明のショートアーク型放電ランプの陰極４は、先端域４３を除く表層部に炭化層４１が形成されている。ここでいう陰極の先端域とは、陰極断面の電流密度が６５Ａ／ｍｍ^２以上となる領域である。ここで規定した電流密度は、パルス点灯の最大電流値と陰極先端の断面積から算出されたものであり、陰極断面の電流密度が６５Ａ／ｍｍ^２以上となる領域は電熱によって陰極部材が高温となるため、この領域に炭化層を形成すると、熱によって炭化層が溶融したり、炭化層中の炭素が蒸発して発光管が黒化したり、することでランプの光量が著しく悪化する虞がある。そのため陰極に形成される炭化層４１は、陰極断面の電流密度が少なくとも６５Ａ／ｍｍ^２以下となる領域に形成されることが好ましい。
陰極の先端域は陰極断面の電流密度で決まる領域であり、点灯条件や陰極形状によって先端域の領域は変化する。

図３は本発明のランプ封体内部で起こる炭素の反応工程を概念図として示している。
陰極の表層部に炭化層を形成することで、パルス点灯によって陰極先端に形成した突起４５が成長することを抑制できる。その抑制メカニズムを以下に示す。
イ）陰極先端に突起４５が形成される。
ロ）ランプ点灯時、放電空間内の水（Ｈ_２Ｏ）や酸素（Ｏ_２）が陰極に形成された炭化層中の炭素（Ｃ）と反応し、一酸化炭素（ＣＯ）を生成する。ランプ封体内部はアークの熱によって熱対流が起こり、この熱対流によりＣＯはアークに流れ込む。
ハ）アークに流れたＣＯは熱分解して炭素イオン（Ｃ＋）を生成し、アーク内のＣ＋は陰極先端に引き付けられ、Ｃが陰極先端の突起４５に固溶される。
ニ）ランプ消灯時、陰極温度が低下してＣの固溶限が下がり、Ｃを固溶していた突起はタングステンカーバイド（Ｗ_２Ｃ，ＷＣ）となり、陰極材料であるタングステン（Ｗ）よりも融点が下がる。このように陰極先端の突起が炭化物４５Ｃとなり、陰極先端に低融点の物質が形成される。このときの陰極先端の概略図を図４（ａ）に示す。
ホ）ランプ再点灯時、陰極先端の温度が上昇し、炭化物４５Ｃとなった突起は溶融し、表面張力によって陰極先端は球面上に整形される。この炭化物４５Ｃの生成や突起の溶融は極めて少量であり、溶融によって陰極先端の形状を著しく悪化させることはなく、光量を低下させることはない。突起が溶融後の陰極先端の概略図を図４（ｂ）に示す。

陰極４の炭化層４１は、溶媒に溶かした炭素粉末を陰極４に塗布し、高温処理を行うことで形成される。このとき陰極先端域４３には炭素粉末を塗付せず炭化層４１を形成させない。また高温処理によって、塗布した炭素粉末と陰極部材であるタングステンが反応し、陰極４の表層部にタングステンカーバイドが形成される。ここで、炭素の濃度や炭化層の膜厚は、ランプ封体Ａのサイズや電極間距離によって適宜調整されるものである。

本発明に係るショートアーク型放電ランプは、静圧で放電空間Ｄに数十気圧（数ＭＰａ）の圧力でキセノン等の不活性ガスが充填されており、対向配置された陰極と陽極の電極間距離が０．５〜２ｍｍのランプにおいて、基底電流値が１７〜２１Ａの範囲で、最大電流値が基底電流値より少なくとも３Ａ以上大きなパルス点灯で点灯されるものである。また、基底電流値は製品に応じて適宜設定されるものである。

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。
・ランプ本体（Ａ）：多結晶アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）製，全長２０ｍｍ，直径３２ｍｍ，
・陰極（４）：トリエーテッドタングステン製，胴部直径１．５ｍｍ，全長１５ｍｍ,先端のテーパー角６５°
・陰極と陽極の電極間距離：１．０ｍｍ
・封入ガス：キセノンガス，２．０ＭＰａ（２５℃換算）

以上のショートアーク型放電ランプの陰極には、図２（ａ）の構成に従い、テーパー部直下の陰極胴部の幅２ｍｍの範囲に溶媒に溶かした炭素粉末を塗布し、約２０００度で焼結し、陰極胴部にタングステンカーバイドを形成した。また、このショートアーク型放電ランプは、基底電流値と最大電流値が６０Ｈｚの周波数で交互に切り替わるパルス点灯が行われ、６０分の点灯と１０分の消灯が繰り返し行われた。

〈従来例１〉
陰極に炭化層が形成されていないショートアーク型放電ランプであること以外は、実施例１と同様の条件で点灯が行われた。

〈評価１〉
従来例１において、基底電流値を１８Ａとし、最大電流値を２０Ａ、２１Ａ、２３Ａとしてそれぞれパルス点灯し、点灯総時間が１００時間経過後の陰極先端の形状を、X線撮影を用いて観察した。
ランプ点灯前の陰極形状を図５（ａ）に示し、最大電流値を２０Ａ、２１Ａ、２３Ａとしてパルス点灯した場合の陰極先端の形状をそれぞれ図５（ｂ）、図５（ｃ）、図５（ｄ）に示す。
ランプ点灯前の陰極形状と比較して、最大電流値を２０Ａとしたパルス点灯では、陰極先端の形状はほとんど変化せず、ランプ点灯中にちらつきの発生は確認されなかった。
しかし、最大電流値が２１Ａ，２３Ａと比較的高い値のパルス点灯では、陰極先端に複数の突起が形成され、ランプ点灯中にちらつきの発生が確認された。
これらの観察結果から、従来ランプの点灯時に、基底電流値と最大電流値の電流値の差が３Ａ以上となると、陰極先端に突起が形成されはじめランプ点灯中にちらつきが発生することが分かった。
また、陰極先端に形成される突起やランプのちらつきは、基底電流値と最大電流値の電流値の差が大きいほど顕著に表れ、電流値の差が最も大きな図５（ｄ）のランプが、突起の形成が顕著で、ちらつきの発生が頻繁であった。

〈評価２〉
実施例１と従来例１において、基底電流値を１８Ａ，最大電流値を２３Ａとしたパルス点灯を行い、点灯総時間が１００時間経過後の陰極先端の形状を、X線撮影を用いて観察した。
従来例１の陰極先端の形状を図５（ｄ）に、実施例１の陰極先端の形状を図５（ｅ）にそれぞれ示す。従来例１は、陰極先端に複数の突起が形成されちらつきが発生したが、陰極に炭化層を設けた実施例１は、突起は形成されずちらつきも発生しなかった。これらの観察結果から、陰極に炭化層を設けることでパルス点灯時に発生する突起の形成を抑制できることを確認できた。

〈評価３〉
実施例１と従来例１のショートアーク型放電ランプを用いて、基底電流値を１８Ａ、最大電流値を２３Ａとしてパルス点灯を行い、点灯総時間が３００時間経過後に、Ｘ線撮影によってランプ点灯後の陰極先端の形状を観察した。陰極先端の観察は、陰極軸を中心とした水平方向と垂直方向の二方向から行い、陰極先端の形状を詳細に調べた。実施例１の陰極先端の形状変化を図６（ａ）に、従来例１の陰極先端の形状変化を図６（ｂ）に示す。また、それぞれ陰極軸を中心として垂直方向と水平方向から陰極先端を観察している。
従来例１の陰極先端は長時間の点灯によって突起が形成又は成長し、高さが０．１〜０．２ｍｍ程度の突起が観察され、ランプ点灯時にはちらつきの発生が確認された。それに対して、実施例１の陰極先端には突起は形成されず、ランプ点灯時にちらつきの発生は確認されなかった。

上述した評価１と評価２の結果から、実施例１の構成により本発明の課題である突起形成を抑制できることを実証できた。また、実施例１の陰極を図２（ｂ）の構成とした場合においても、陰極先端に設けた炭化層が突起形成を抑制するため、実施例１と同等の効果が得られる。

１ ショートアーク型放電ランプ
１ 胴部
１ａ 反射面
２ 給電リング
３ 支持部材
４ 陰極
４１ 炭化層
４２ 陰極胴部
４３ 先端部
４４ テーパー部
４５ 突起
４５Ｃ 炭化物
５ 陽極
６ 第一金属部材
７ 陽極保持部
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
Ａ ランプ封体
Ｄ 放電空間

Claims (1)

1. 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、先端に向かうに従って小径となるテーパー部を備えた該陰極と、を備えるショートアーク型放電ランプにおいて、
   該陰極の先端域を除く表層部には、炭化層が形成されてなり、一定電流の直流電流成分よりなる基底電流値と、該基底電流値に重畳した同極性の電流値との合計である最大電流値とが１０Ｈｚ以上の一定の周期で交互に切り替わり、該最大電流値は該基底電流値に同極性の電流値が少なくとも３Ａ重畳されて、点灯されることを特徴とするショートアーク型放電ランプ

Images