JP6493796B2 - ショートアーク型放電ランプ - Google Patents

Description

この発明は、ショートアーク型放電ランプに関し、特に、内視鏡用光源やプロジェクタ光源に用いられるセラミックキセノンランプなどのショートアーク型放電ランプに係わるものである。

従来、映写機や分光計などのように、強力な点光源から平行光を利用する分野や、内視鏡用光源などの光ファイバーを通して照明する分野においては、放電容器と反射鏡を兼ねた不透光性セラミックスからなる本体内に一対の電極を対向配置し、本体の前方の光取り出し開口に窓部材を設けた構造のショートアーク型放電ランプが用いられている。この種のショートアーク型放電ランプは、極めて頑丈で取り扱いやすく、また安全性が高いので前述した分野で多用されている。

これらショートアーク型放電ランプにおいては、通常、陰極にエミッターとして酸化トリウム（ＴｈＯ_２）が含有されたものが使用されており、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って、放電を容易にしている。
一方で、これらのランプにおいては、高照度化・省電力化の両立のためにパルス点灯が行われているが、このような点灯方式を採用すると、ランプ点灯時のアークのチラツキが生じ、内視鏡等での対象部位の観察に悪影響を及ぼす、という問題が生じる。

このようなアークのチラツキの問題を解消するものとして、特開２０１３−０１６３６１号公報（特許文献１）には、陰極の先端以外の部位に炭化層を形成したショートアーク型放電ランプが開示されている。
図５（Ａ）（Ｂ）にその概略構造が示されていて、また図５の陰極部分の拡大外観図が図６に示されている。図５（Ａ）に示すように、アルミナ製の絶縁部材からなる本体１の内部には、湾曲した反射面１ａが形成されている。この反射面１ａの内側が放電空間Ｓであり、この放電空間Ｓ内において、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。

前記陰極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、図５（Ｂ）に示すように、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。
そして、前記本体１の先端縁には、セラミックリング９の一側面が当接していて、このセラミックリング９の他方の側面にはコバール製の給電リング２が配置されており、これらは第一金属部材６によって固定されている。そして、この第一金属部材６を介して陰極４に電力が供給されている。
前記給電リング２の内面に当接するようにリング状のフランジ１０が嵌め込まれていて、このフランジ１０はその内周面に、サファイアからなる透明な円形の窓部材１１を有している。
また、本体１の後端には金属ブロック７が当接しており、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。

このような構造を有するショートアーク型放電ランプにおいて、前記陰極４には、エミッターとして酸化トリウム（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。なお、エミッターとしては酸化トリウム以外に、セリウム（Ｃｅ）、ランタン（Ｌａ）、バリウム（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。

そして、図６に示すように、この陰極４には、その先端部を除く表層部に炭化層４１が形成されている。
この炭化層４１は、陰極材料（タングステン）と炭素の化合物、タングステンカーバイト（Ｗ_２Ｃ，ＷＣ）の膜によって形成されたものである。この炭化層４１が設けられる領域は、図６（Ａ）に示すような、陰極４の胴部４ａに設けてもいいし、図６（Ｂ）に示すような、先端テーパー部４ｂに設けたものであってもいい。ただし、この場合、陰極４のテーパー部４ｂの先端部４ｃには炭化層４１は形成されない。

当該特許文献１によれば、上述した構造のショートアーク型放電ランプを点灯すると、特に、パルス点灯すると、陰極先端に微小な複数の突起が形成され、この突起によってアークのチラツキが生じるという問題があるが、陰極の規定部位に炭化層を形成することで、該炭化層からの炭素が陰極先端に形成される突起に付着して固溶され、この炭化物となった突起が熱で溶融して陰極先端において球面形状となり、結果としてチラツキを抑制することができるとしている。

ところで、この炭化層４１は、図７（Ａ）に示すように、その浸炭深さＤは、陰極４の軸方向（長さ方向）において一定の深さとされている。
このような炭化層４１を形成すると、陰極に含まれる酸化トリウム（ＴｈＯ_２）と炭化層４１の炭素が反応し、酸化トリウムが還元されてトリウムとなり、炭化層部分から過剰に蒸発してしまい、これが発光管内壁に付着して黒化を招き、光量を低下させてしまうという不具合が生じる。
これは図７（Ｂ）に示すように、炭素が消耗されて炭化層４１ｂの深さが減じていっても、放電空間に曝される表面積は一定であって、一定量の炭素が存在することから酸化トリウムの還元量が一定のまま継続し、還元されて発光管内壁に付着するトリウムの量が過剰となることに起因する。
であるからといって、このトリウムの過剰供給を減らすべく炭化層を小さなもの（小表面積）とすると、特に、点灯初期における炭化層からの炭素の供給が減少してしまい、前述した陰極先端への炭素の供給が減り、チラツキ防止効果が期待できなくなってしまう。
このように、炭化層の形成は、陰極先端への炭素の十分な供給と、酸化トリウムの還元によるトリウムの過剰蒸発という、二律背反的な要素を抱えている。

特開２０１３−０１６３６１号公報

この発明が解決しようとする課題は、反射面と放電空間とが形成された絶縁部材からなる本体と、該本体の前面開口に設けられて、前記放電空間を密閉する透光性の窓部材と、前記放電空間内に対向配置された一対の陰極と陽極とからなり、前記陰極の先端部を除く表層部に炭化層が形成されてなるショートアーク型放電ランプにおいて、陰極先端に突起が形成されることによるアークのチラツキを抑制するとともに、陰極に含有される酸化トリウムが過剰に還元されることがなく、トリウムが過剰に蒸発して発光管の黒化を招くことを防止することができる構造を提供することである。

上記課題を解決するために、この発明に係るショートアーク型放電ランプは、前記炭化層が、前記陰極の軸方向において侵炭深さが異なっていることを特徴とする。
また、前記ショートアーク型放電ランプは、一定電流の直流電流成分よりなる基底電流値と、基底電流値より大きい最大電流値とが一定の周期で交互に切り替わって点灯されることを特徴とする。

この発明のショートアーク型放電ランプによれば、炭化層は、陰極の軸方向において侵炭深さが異なっているために、点灯時間の経過とともに炭化層の放電空間に曝される表面積は減少していく。
このため、ランプ点灯初期においては、炭化層から十分な量の炭素が放電空間を経て陰極先端に供給されて、陰極先端に形成される突起を溶融して球面形状としてアークのチラツキを抑制する。その後点灯時間の経過とともに炭素の供給量が減じていくが、チラツキ抑制効果は変化がない。これは、以下のように考察される。

陰極先端に供給された炭素は、タングステンと反応して炭化タングステンを形成するが、この炭化タングステンが溶融するとき、陰極先端の炭素はすべてが蒸発するわけではなく、固溶状態で残留していて、炭化タングステンの生成に必要な炭素供給量が、初期に比べて少なくて済むことによるものと考えられる。
このように点灯初期に十分な炭素を供給した後は、陰極先端に炭素が残っているため、点灯時間が経過した時点では、少ない炭素供給量でもチラツキを抑制できると考えられるものである。これについては詳細を後述する。
一方、点灯時間経過とともに炭化層の表面積が減少し炭素量が減少することで、陰極材料内の酸化トリウムとの反応が減少し、炭化層からのトリウムの蒸発量が減少していって、発光管の黒化現象が抑制されるものである。

本発明のショートアーク型放電ランプの陰極先端部の側面図。 図１の炭化層の軸方向断面図。 本発明の他の実施例の炭化層の軸方向断面図。 本発明の作用説明図。 従来のショートアーク型放電ランプの断面図（Ａ）、正面図（Ｂ）。 従来例の陰極先端部の側面図。 従来の炭化層の軸方向断面図。

図１は、本発明の断面図であり、図２は、その浸炭部の軸方向断面図である。
図において、ショートアーク型放電ランプにおける陰極４には炭化層４１が形成されている。この炭化層４１は、陰極４の先端領域に設けられていて、図６に示す従来例と同様に、その最先端部を除く表層部に形成されている。
そして、図２に示すように、この炭化層４１は、陰極４の軸方向（長さ方向）において、その浸炭の深さＤが異なっている。図１にはこれを模式的に色づけ度合が異なるように示している。
この例では、図２に示すように、炭化層４１の軸方向の中央部４１１が浸炭の深さＤ１が最も深く、次いでその両側部４１２の深さＤ２がそれよりも浅く、更に最側端部４１３の深さＤ３が最も浅くなった例である。

また、浸炭の厚さＤを軸方向で異ならせる具体例としては、図３に示すように、軸方向で段階的に減少させていくものであってもよい。図３（Ａ）は陰極先端側で浸炭深さＤが大きく、後方に行くほど小さくなる例であり、図３（Ｂ）はそれとは逆に、先端側ほど深さＤが小さく、後方側ほど大きくなった例である。
なお、これらにおいては、理解を得やすくするために、炭化層の軸方向の幅および浸炭深さは陰極寸法形状に対して誇張して記載されている。

このように浸炭深さＤを異ならせた本発明の作用を図２（Ａ）（Ｂ）および図４を用いて説明する。
点灯の初期においては、図２（Ａ）および図４（Ａ）に示すように、炭化層４１が放電空間に曝される表面積は大きい。
図４に示すように、ランプ点灯により、炭化層４１中の炭素（Ｃ）が放電空間内の水（Ｈ_２Ｏ）や酸素（Ｏ_２）と反応して一酸化炭素（ＣＯ）が生成され、これがアーク内に流れ込む。このＣＯはアーク内で熱分解して炭素イオン（Ｃ＋）が生成され、これが陰極４の先端に引き付けられて炭素（Ｃ）が陰極先端の突起に固溶されるものである。

ところで、陰極４内に含有される酸化トリウム（ＴｈＯ_２）は、点灯時に陰極内部を拡散して陰極先端に移動してエミッター機能を奏するものであるが、炭化層４１が存在する領域では、この炭化層４1の炭素（Ｃ）との還元反応が促進されて、トリウム（Ｔｈ）となり炭化層４１から放電空間に放出される。このトリウムは一部が陰極４の表面を伝わって先端に拡散されるが、多くはそのまま放電空間内に放出され、これが発光管の内壁に付着する。この付着したトリウムが過剰に蓄積されると発光管の黒化現象が起きる。

しかして、本発明では、点灯時間の経過とともに、図２（Ｂ）や図４（Ｂ）に示すように、炭化層４１が放電空間に曝される表面積が減ってくるので、炭素と酸化トリウムとの還元反応が減り、放電空間に放出されるトリウムの量が減ってきて、トリウムの過剰蒸発が原因となる発光管の黒化が抑制される。
また同様に、放電空間に放出される炭素量も減ってくるが、前述したように、ランプ点灯初期においては、炭化層から十分な量の炭素が放電空間を経て陰極先端に供給されており、この炭素とタングステンとの化合物である炭化タングステンが溶融するとき、陰極先端の炭素はすべてが蒸発するわけではなく、固溶状態で残留していて、炭化タングステンの生成に必要な炭素供給量が、初期に比べて少なくて済むことから、チラツキ抑制効果には影響がない。

前記した炭化層の浸炭深さを変化させる手段について説明する。
陰極表面への炭化層の形成は、炭素粉末を溶媒に懸濁させたスラリーを塗布し、これを所定の温度で焼結することによって行うことが一般的である。
このとき、炭化層の浸炭深さは、スラリー中の炭素粉末の濃度、焼結温度、焼結時間に依存するので、浸炭深さを変化させるには、これらの要素を変更することで達成することができる。一般的には炭素粉末の濃度を変更することによって達成することが普通である。

以下、本発明の効果を実証するために、炭化層の深さを変えた本発明ランプと、均一な深さの従来例と、比較例として、均一深さで幅を小さくした例１および炭化層を形成しない例２のランプを作成して、５００時間経過時点でのチラツキ発生率と光量維持率を確認する実験を行った。
また、実験に用いたショートアーク型放電ランプの仕様は以下の通り。
＜ランプ仕様＞
ランプ本体：多結晶アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）製，全長２０ｍｍ，直径３２ｍｍ
陰極：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）
＜点灯条件＞
基底電流値（１８Ａ）と最大電流値（２３Ａ）が６０Ｈｚの周波数で交互に切り替わる方式で点灯し、６０間分の点灯と１０分間の消灯が繰り返し行われた。

＜炭化層＞
陰極先端から３．７５ｍｍから幅２ｍｍの範囲の陰極胴部に、炭素粉末スラリーを塗布した。塗布後の陰極を約２０００度で焼結し、陰極胴部にタングステンカーバイドからなる炭化層を形成した。
本発明 ：図１、図２に示すように、幅方向の中央部において浸炭深さ３０μｍ，その両端側で徐々に深さが小さい。
従来例 ：浸炭深さが３０μｍで一定。
比較例１：浸炭深さが３０μｍで一定で、幅が１ｍｍ。
比較例２：炭化層なし。

その実験結果が表１に示されていて、本発明と従来例ともに、５００時間経過時点でのチラツキ発生率はいずれも０％であるが、光量維持率においては本発明が従来例よりも優れていることが分かる。これは、前述したように、時間経過とともに炭化層の表面積が減り、炭素量が減少していくので、酸化トリウムの還元反応が抑えられて、炭化層からのトリウムの過剰蒸発が抑制されて発光管の黒化が防止されたためと考察される。
一方、比較例１，２はいずれもチラツキが発生していて、問題解決にはならない。
＜表１＞

なお、炭化層の深さ（浸炭深さ）の測定は以下の方法により行うことができる。
陰極を研磨して断面を露出させ、この断面をフェリシアン化カリウム（Ｋ_３Ｆｅ（ＣＮ）_６）と水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）と純水の混合溶液でエッチングを行う。エッチング後のタングステン部分と炭化層形成部分（タングステンカーバイド部分）は表面状態が異なり区別できる。これは、タングステン部分の方が、エッチングが早く進行することに起因する。タングステンはエッチングが早く研磨面が荒い状態になるのに対して、タングステンカーバイドはエッチングが遅く滑らかな研磨面が残る。この状態をＳＥＭ観察することで浸炭深さを確認することができる。

以上説明したように、本発明に係るショートアーク型放電ランプは、陰極の先端域を除く表層部に形成された炭化層が、前記陰極の軸方向において侵炭深さが異なっていることにより、陰極先端への適正な炭素供給によってランプのチラツキの発生を抑制するとともに、トリウムの過剰蒸発を抑制して発光管の黒化を防止することができるという効果を奏するものである。

１ 本体
１ａ 反射面
２ 給電リング
３ 支持部材
４ 陰極
４ａ 胴部
４ｂ テーパー部
４ｃ 先端部
４１ 炭化層
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
Ｓ 放電空間

Claims (2)

1. 内部に窪みが形成されて前面が開口し、反射面と放電空間とが形成された絶縁部材からなる本体と、
   前記本体の前面開口に設けられて、前記放電空間を密閉する透光性の窓部材と、
   前記放電空間内に対向配置された一対の陰極と陽極とからなり、
   前記陰極の先端部を除く表層部に炭化層が形成されてなるショートアーク型放電ランプにおいて、
   前記炭化層は、前記陰極の軸方向において侵炭深さが異なっていることを特徴とするショートアーク型放電ランプ。
2. 前記ショートアーク型放電ランプは、一定電流の直流電流成分よりなる基底電流値と、基底電流値より大きい最大電流値とが一定の周期で交互に切り替わって点灯され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。
   
   
   

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