JP5891795B2

JP5891795B2 - 光源装置

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Publication number: JP5891795B2
Application number: JP2012002781A
Authority: JP
Inventors: 山崎　憲五; 憲五山崎
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2012-01-11
Filing date: 2012-01-11
Publication date: 2016-03-23
Anticipated expiration: 2032-01-11
Also published as: JP2013143253A

Description

本発明は、ショートアーク型フラッシュランプと凹面反射鏡とを備えてなる光源装置に関する。

例えば紫外線硬化性樹脂を短時間で硬化処理するために、紫外線を放射するフラッシュランプと、このフラッシュランプからの紫外線を反射する反射鏡を備えた光源装置が用いられている。このような光源装置に用いられるフラッシュランプとしては、発光管と、この発光管内に互いに対向するよう配置された一対の放電電極と、これらの放電電極間に先端が位置するよう配置されたトリガー電極とを備えてなるショートアーク型フラッシュランプが知られている（特許文献１参照。）。

図２は、従来の光源装置に用いられるショートアーク型フラッシュランプの一例における構成を示す説明用断面図である。このショートアーク型フラッシュランプは、略球状の発光部８１の両端に封止部８２，８３が形成されてなる発光管８０を有し、この発光管８０における発光部８１内には、一対の放電電極８５，８６が管軸方向に沿って互いに対向するよう配置されている。一対の放電電極８５，８６の各々は、封止部８２，８３をその管軸方向に気密に貫通して伸びるリード棒８８，８９の先端に保持されている。また、発光管８０には、発光部８１の周面から外方に突出するトリガー電極用封止部８４が形成されており、このトリガー電極用封止部８４を気密に貫通して伸びる棒状のトリガー電極８７が、その先端が一対の放電電極８５，８６の間に位置するよう設けられている。また、発光管８０における発光部８１内には、例えばキセノンガスが封入されている。
そして、上記のショートアーク型フラッシュランプを、例えば回転楕円面状の光反射面を有する凹面反射鏡に、当該ショートアーク型フラッシュランプの輝点が当該凹面反射鏡の第１焦点に位置するよう配置されることによって、光源装置が構成される。

しかしながら、このような光源装置においては、以下のような問題があることが判明した。
上記の光源装置においては、ショートアーク型フラッシュランプから放射された光のうち、例えば波長１９０〜３５０ｎｍの紫外線は、凹面反射鏡によって反射することにより、当該凹面反射鏡の第２焦点に集光するが、例えば波長１９０ｎｍ以下の短波長の紫外線については、凹面反射鏡の第２焦点に十分に集光せず、従って、短波長の紫外線について高い光の利用率を得ることが困難である。
また、凹面反射鏡として、回転放物面状の光反射面を有するものを用いた場合にも、同様の問題が生じる。すなわち、例えば波長１９０〜３５０ｎｍの紫外線についは、凹面反射鏡によって反射することにより、平行光を形成することができるが、例えば波長１９０ｎｍ以下の短波長の紫外線については、平行光を十分に形成することができず、従って、短波長の紫外線について高い光の利用率を得ることが困難である。
このような問題について、本発明者らが鋭意検討したところ、発光管８０の発光部８１を構成する材料は、短波長の紫外線の屈折率が高いものであるため、当該発光部８１の形状との関係で、短波長の紫外線について集光光または平行光を形成することが困難となる、と推測される。

特開２００７−１０９５０７号公報

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って、その目的は、ショートアーク型フラッシュランプから放射される短波長の紫外線について、高い光の利用率が得られる光源装置を提供することにある。

本発明の光源装置は、略球状の発光部の両端に管軸方向に沿って外方に伸びる封止部が形成されてなる発光管と、この発光部内に管軸方向に沿って互いに対向するよう配置された一対の放電電極と、これらの一対の放電電極の間に先端が位置するよう配置されたトリガー電極とを有し、前記発光部内に１×１０⁵ Ｐａ以上の不活性ガスが封入された、波長１９０ｎｍ未満の紫外線を放射するショートアーク型フラッシュランプ、および
前記発光部を取り囲むよう配置された、回転楕円面状若しくは回転放物面状の光反射面を有する凹面反射鏡
を備えてなる光源装置であって、
前記発光部は、波長２００ｎｍの光の屈折率が１．５５以下である材料よりなり、当該発光部における管軸方向の半径をａとし、管軸方向に垂直な方向の半径をｂとしたとき、下記式を満足することを特徴とする。
式：１／３≦ｂ／ａ≦３

本発明の光源装置によれば、発光管における発光部が、波長２００ｎｍの光の屈折率が１．５５以下である材料よりなり、当該発光部における管軸方向の半径と管軸方向に垂直な方向の半径とが特定の関係にあるため、ショートアーク型フラッシュランプから放射される光のうち短波長の紫外線に対しても確実に集光光または平行光を形成することができ、従って、短波長の紫外線について高い光の利用率が得られる。

本発明の光源装置の一例における構成を示す説明用断面図である。従来の光源装置におけるショートアーク型フラッシュランプの一例における構成を示す説明用断面図である。

以下、本発明の光源装置の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の光源装置の一例における構成を示す説明用断面図である。この光源装置は、略球状の発光部１２を有する発光管１１を備えた、紫外線を放射するショートアーク型フラッシュランプ（以下、単に「フラッシュランプ」ともいう。）１０と、このフラッシュランプ１０からの紫外線を反射する光反射部３１を有し、当該光反射部３１がフラッシュランプ１０の発光管１１における発光部１２を取り囲むよう配置された凹面反射鏡３０とにより構成されている。

フラッシュランプ１０の発光管１１においては、発光部１２の両端に、それぞれ管軸方向に沿って外方に伸びるロッド状の一方の封止部１３および他方の封止部１４が当該発光部１２に一体に形成されていると共に、発光部１２の周面から外方に突出するトリガー電極用封止部１５が当該発光部１２に一体に形成されている。
発光管１１における発光部１２内には、陽極２０および陰極２１よりなる一対の放電電極が、当該発光部１２の管軸方向に沿って互いに離間して対向するよう配置されていると共に、トリガー電極２２が、その先端が陽極２０および陰極２１の間に位置するよう配置されている。
発光管１１における一方の封止部１３には、その管軸方向に気密に貫通して伸びる例えばタングステンよりなるリード棒２５が、当該一方の封止部１３に保持された状態で設けられ、他方の封止部１４には、その管軸方向に気密に貫通して伸びる例えばタングステンよりなるリード棒２６が、当該他方の封止部１４に保持された状態で設けられおり、陽極２０は、一方の封止部１３に設けられたリード棒２５の先端に電気的に接続されて保持され、陰極２１は、他方の封止部１４に設けられたリード棒２６の先端に電気的に接続されて保持されている。
また、トリガー電極用封止部１５内には、例えばモリブデンよりなる金属箔２３が埋設されており、トリガー電極２２の基端部が金属箔２３の内端部に電気的に接続され、当該金属箔２３の外端部は、トリガー電極用封止部１５の外端から外方に突出して伸びるタングステンよりなるリード線２７に電気的に接続されている。
また、発光管１１における発光部１２内には、不活性ガスが封入されている。

発光管１１における発光部１２は、波長２００ｎｍの光の屈折率が１．５５以下、好ましくは１．０〜１．５４の材料により構成されている。発光部１２を構成する材料の屈折率が１．５５を超える場合には、陽極２０および陰極２１の間に形成されたアークから放射された紫外線が、発光部１２の外表面において著しく大きな屈折角で放出されるため、凹面反射鏡３０による反射光が本来の設計から大きくはずれてしまい、所期の位置に光を集光させることが困難となる。
このような発光部１１を構成する材料としては、石英ガラスなどを用いることができる。

また、発光管１１における発光部１２は、当該発光部１２における管軸方向の半径をａとし、管軸方向に垂直な方向の半径をｂとしたとき、下記式を満足するものである。
式：１／３≦ｂ／ａ≦３
ここで、「半径」は、発光部１２の外表面によって描かれる球状体の最大外径の１／２の値である。
発光部１２における管軸方向の半径（ａ）に対する管軸方向に垂直な方向の半径（ｂ）の比（ｂ／ａ）が１／３未満である場合には、発光部１２を通過する出射光の屈折角が大きくなり、凹面反射鏡３０による反射光が最適光学設計から著しくずれてしまい、所期の位置に光を集光させることが困難となる。一方、発光部１２における管軸方向の半径（ａ）に対する管軸方向に垂直な方向の半径（ｂ）の比（ｂ／ａ）が３を超える場合には、発光部１２は、その管軸方向に垂直な方向の径が、管軸方向の径より相当に大きいものとなるため、発光部１２を通過する出射光の屈折角が大きくなり、凹面反射鏡３０による反射光が最適光学設計から著しくずれてしまい、所期の位置に光を集光させることが困難となる。
また、発光管１１における発光部１２の肉厚は、０．３〜１０ｍｍであることが好ましい。

発光管１１における一方の封止部１３および他方の封止部１４の各々は、段継ガラスによって形成されている。具体的に説明すると、一方の封止部１３および他方の封止部１４の各々における発光部１２に接続される部分（以下、「内端部分」という。）は、当該発光部１２と同質の材料例えば石英ガラスによって形成され、一方の封止部１３および他方の封止部１４の各々におけるリード棒２５，２６が貫通する部分（以下、「外端部分」という。）は、石英ガラスの線熱膨張係数とリード棒２５，２６を構成するタングステンの線熱膨張係数との略中間の線熱膨張係数を有する材料例えばホウケイ酸ガラス（ＧＥ社製のＮｏ．１ガラスなど）によって形成されている。

陽極２０は、例えばタングステンなどの高融点金属によって構成され、陰極２１は、各種酸化物ドープタングステン、エミッター含浸タングステンなどの高融点金属によって構成されている。また、トリガー電極２２は、例えばタングステンなどの高融点金属によって構成されている。
陽極２０と陰極２１との間の電極間距離は、例えば１〜１０ｍｍである。
また、トリガー電極２２は、その先端が陽極２０と陰極２１との中間点位置より陰極２１側に位置するよう配置されていることが好ましい。陰極２１の先端とトリガー電極２２の先端との離間距離は、例えば０．５〜１ｍｍである。

発光管１１における発光部１２内には、不活性ガスが封入されている。不活性ガスとしては、キセノンガス、クリプトンガス、アルゴンガス、またはこれらの混合ガスなどを用いることができる。
不活性ガスの封入圧は、１×１０⁵Ｐａ以上とされ、好ましくは３×１０⁵〜８×１０⁵Ｐａとされる。不活性ガスの封入圧が過小である場合には、高出力の光を出射することが困難となる。一方、不活性ガスの封入圧が過大である場合には、フラッシュランプが点灯しにくくなるため好ましくない。

この例の凹面反射鏡３０において、光反射部３１は回転楕円面状の光反射面３２を有し、光反射部３１の中央底部には、当該光反射部３１の背面から当該凹面反射鏡３０の軸方向に沿って突出して伸びる、発光管１１における他方の封止部１４の外径より大きい内径を有する円筒状の頸部３３が一体的に設けられている。この凹面反射鏡３０は、基体がガラスにより構成され、光反射部３１における光反射面３２が、アルミニウム金属膜によって形成されている。
そして、フラッシュランプ１０は、凹面反射鏡３０における光反射部３１側から頸部３３の筒孔内に発光管１１における他方の封止部１４が挿入されて、当該フラッシュランプ１０の輝点が当該凹面反射鏡３０の第１焦点に位置するよう配置され、この状態で、発光管１１における他方の封止部１４の外面と凹面反射鏡３０における頸部３３の内面とが接着材３５によって固定されている。

上記の光源装置によれば、フラッシュランプ１０の発光管１１における発光部１２が、波長２００ｎｍの光の屈折率が１．５５以下である材料よりなり、当該発光部１２における管軸方向の半径と管軸方向に垂直な方向の半径とが特定の関係にあるため、フラッシュランプ１０から放射される光のうち短波長の紫外線に対しても確実に集光光を形成することができ、従って、短波長の紫外線について高い光の利用率が得られる。

以上、本発明の光源装置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できる。
例えば上記の実施の形態において、凹面反射鏡３０における光反射部３１は、回転楕円面状の光反射面３２を有するものであるが、回転放物面状の光反射面３２を有するものであってもよい。
このような光源装置によれば、フラッシュランプ１０から放射される光のうち短波長の紫外線に対しても確実に平行光を形成することができ、従って、短波長の紫外線について高い光の利用率が得られる。

以下、本発明の光源装置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に示す構成に従い、下記の仕様の光源装置を作製した。
［１］フラッシュランプ（１０）
〈発光管（１１）〉
発光部（１２）の材質：波長２００ｎｍの光の屈折率が１．５４の石英ガラス，発光部（１２）における管軸方向の半径（ａ）：２４ｍｍ，発光部（１２）における管軸方向に垂直な方向の半径（ｂ）：８ｍｍ（ｂ／ａ＝１／３）
一方の封止部（１３）および他方の封止部（１４）の外端部分の材質：ホウケイ酸ガラス（ＧＥ社製のＮｏ．１ガラス），一方の封止部（１３）寸法：長さ＝３０ｍｍ，外径＝８ｍｍ，他方の封止部（１４）寸法：長さ＝３０ｍｍ，外径＝８ｍｍ
〈電極〉
陽極（２０）の材質：タングステン，陽極（２０）の寸法：外径＝４ｍｍ、長さ＝５ｍｍ
陰極（２１）の材質：ＢａＯ系酸化物含浸タングステン，陰極（２１）の寸法：外径＝４ｍｍ、長さ＝５ｍｍ
トリガー電極（２２）の材質：タングステン，トリガー電極（２２）の径：０．８ｍｍ陽極（２０）および陰極（２１）の電極間距離＝３ｍｍ
陰極（２１）およびトリガー電極（２２）の離間距離＝０．８ｍｍ
［金属箔（２３）］
材質：モリブデン
［リード棒（２５，２６）］
材質：タングステン，外径＝１．０ｍｍ
［リード線（２７）］
材質：タングステン，外径＝２．０ｍｍ
［不活性ガス］
ガス種：キセノンガス，封入圧＝３×１０⁵Ｐａ

［２］凹面反射鏡（３０）
基体の材質：ガラス，
〈光反射部（３１）〉
光反射面（３２）の材質：アルミニウム金属膜，光反射面（３２）の形状：回転楕円面，光反射部（３１）の寸法：開口の径＝７４．４ｍｍ，底部から開口までの長さ＝５６．５ｍｍ，第１焦点と第２焦点との距離＝１０２．８ｍｍ
〈頸部（３３）〉
寸法：長さ＝１５ｍｍ，外径＝３２ｍｍ，内径＝２６ｍｍ

〈実施例２〉
フラッシュランプ（１０）として、発光管（１１）の発光部（１２）における管軸方向の半径（ａ）を１３ｍｍ，発光部（１２）における管軸方向に垂直な方向の半径（ｂ）を１３ｍｍ（ｂ／ａ＝１）に変更したものを用いたこと以外は、実施例１と同様の構成のフラッシュランプを作製した。

〈実施例３〉
フラッシュランプ（１０）として、発光管（１１）の発光部（１２）における管軸方向の半径（ａ）を８ｍｍ，発光部（１２）における管軸方向に垂直な方向の半径（ｂ）を２４ｍｍ（ｂ／ａ＝３）に変更したものを用いたこと以外は、実施例１と同様の構成のフラッシュランプを作製した。

〈比較例１〉
フラッシュランプ（１０）として、発光管（１１）の発光部（１２）の材質を、波長２００ｎｍの光の屈折率が１．５６の硬質ガラス−１に変更したものを用いたこと以外は、実施例１と同様の構成のフラッシュランプを作製した。

〈比較例２〉
フラッシュランプ（１０）として、発光管（１１）の発光部（１２）の材質を、波長２００ｎｍの光の屈折率が１．６０の硬質ガラス−２に変更したものを用いたこと以外は、実施例１と同様の構成のフラッシュランプを作製した。

〈比較例３〉
フラッシュランプ（１０）として、発光管（１１）の発光部（１２）における管軸方向の半径（ａ）を２４ｍｍ，発光部（１２）における管軸方向に垂直な方向の半径（ｂ）を６ｍｍ（ｂ／ａ＝１／４）に変更したものを用いたこと以外は、実施例１と同様の構成のフラッシュランプを作製した。

〈比較例４〉
フラッシュランプ（１０）として、発光管（１１）の発光部（１２）の材質を、波長２００ｎｍの光の屈折率が１．５６の硬質ガラス−１に変更すると共に、発光部（１２）における管軸方向の半径（ａ）を２４ｍｍ，発光部（１２）における管軸方向に垂直な方向の半径（ｂ）を６ｍｍ（ｂ／ａ＝１／４）に変更したものを用いたこと以外は、実施例１と同様の構成のフラッシュランプを作製した。

〈比較例５〉
フラッシュランプ（１０）として、発光管（１１）の発光部（１２）の材質を、波長２００ｎｍの光の屈折率が１．６０の硬質ガラス−２に変更すると共に、発光部（１２）における管軸方向の半径（ａ）を２４ｍｍ，発光部（１２）における管軸方向に垂直な方向の半径（ｂ）を６ｍｍ（ｂ／ａ＝１／４）に変更したものを用いたこと以外は、実施例１と同様の構成のフラッシュランプを作製した。

〈比較例６〉
フラッシュランプ（１０）として、発光管（１１）の発光部（１２）の材質を、波長２００ｎｍの光の屈折率が１．６０の硬質ガラス−２に変更すると共に、発光部（１２）における管軸方向の半径（ａ）を１３ｍｍ，発光部（１２）における管軸方向に垂直な方向の半径（ｂ）を１３ｍｍ（ｂ／ａ＝１）に変更したものを用いたこと以外は、実施例１と同様の構成のフラッシュランプを作製した。

〈比較例７〉
フラッシュランプ（１０）として、発光管（１１）の発光部（１２）の材質を、波長２００ｎｍの光の屈折率が１．５６の硬質ガラス−１に変更すると共に、発光部（１２）における管軸方向の半径（ａ）を８ｍｍ，発光部（１２）における管軸方向に垂直な方向の半径（ｂ）を２４ｍｍ（ｂ／ａ＝３）に変更したものを用いたこと以外は、実施例１と同様の構成のフラッシュランプを作製した。

〈比較例８〉
フラッシュランプ（１０）として、発光管（１１）の発光部（１２）の材質を、波長２００ｎｍの光の屈折率が１．６０の硬質ガラス−２に変更すると共に、発光部（１２）における管軸方向の半径（ａ）を８ｍｍ，発光部（１２）における管軸方向に垂直な方向の半径（ｂ）を２４ｍｍ（ｂ／ａ＝３）に変更したものを用いたこと以外は、実施例１と同様の構成のフラッシュランプを作製した。

〈光の集光性試験〉
実施例１〜３および比較例１〜８に係る光源装置の各々について、凹面反射鏡（３０）の第２焦点の位置において光入射窓にスリットを取り付けた積分球を配置し、この状態で、フラッシュランプ（１０）を１０μＦ、１５００Ｖの条件で点灯させ、波長３５０ｎｍを超える光（以下、「Ｖ光」という。）、波長１９０〜３５０ｎｍの光（以下、「ＵＶ光」という。）、および波長１９０ｎｍ未満の光（以下、「ＶＵＶ光」という。）について、スリットを通過した後の広がり方を調べ、凹面反射鏡（３０）の第２焦点における光の集光性を評価した。具体的には、スリットを通過して積分球に入射した光量を測定し、凹面反射鏡を付けていないフラッシュランプの全方位の放射エネルギー値［Ｅ₀］に対する、積分球に入射した光量から算出される凹面反射鏡を取り付けた反射鏡で反射された光のエネルギー値［Ｅ₁］の比率［（Ｅ₁／Ｅ₀）×１００（％）］を求め、この比率が８０〜１００％の場合を○、６０〜７９％の場合を△、０〜５９％の場合を×として、凹面反射鏡（３０）の第２焦点における光の集光性を評価した。
以上、結果を下記表１に示す。

表１の結果から明らかなように、実施例１〜３に係るフラッシュランプによれば、Ｖ光、ＵＶ光およびＶＵＶ光のいずれについても良好な集光性が得られ、従って、短波長の紫外線について高い光の利用率が得られることが確認された。

１０ショートアーク型フラッシュランプ
１１発光管
１２発光部
１３一方の封止部
１４他方の封止部
１５トリガー電極用封止部
２０陽極
２１陰極
２２トリガー電極
２３金属箔
２５，２６リード棒
２７リード線
３０凹面反射鏡
３１光反射部
３２光反射面
３３頸部
３５接着材
８０発光管
８１発光部
８２，８３封止部
８４トリガー電極用封止部
８５，８６放電電極
８７トリガー電極
８８，８９リード棒

Claims

略球状の発光部の両端に管軸方向に沿って外方に伸びる封止部が形成されてなる発光管と、この発光部内に管軸方向に沿って互いに対向するよう配置された一対の放電電極と、これらの一対の放電電極の間に先端が位置するよう配置されたトリガー電極とを有し、前記発光部内に１×１０⁵ Ｐａ以上の不活性ガスが封入された、波長１９０ｎｍ未満の紫外線を放射するショートアーク型フラッシュランプ、および
前記発光部を取り囲むよう配置された、回転楕円面状若しくは回転放物面状の光反射面を有する凹面反射鏡
を備えてなる光源装置であって、
前記発光部は、波長２００ｎｍの光の屈折率が１．５５以下である材料よりなり、当該発光部における管軸方向の半径をａとし、管軸方向に垂直な方向の半径をｂとしたとき、下記式を満足することを特徴とする光源装置。
式：１／３≦ｂ／ａ≦３