JP4706205B2

JP4706205B2 - ショートアークランプ

Info

Publication number: JP4706205B2
Application number: JP2004232868A
Authority: JP
Inventors: 泰宏澤田
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2004-08-10
Filing date: 2004-08-10
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2024-08-10
Also published as: US7312563B2; JP2006054064A; US20060033416A1

Description

本発明は、放電空間を形成するバルブの胴体がセラミックスにより構成され、内部に反射面が形成されたショートアークランプに関するものである。

従来技術に係るショートアークランプとしては、例えば特許３，１８３，１４５号公報，特開平１１−１６２４１２号公報，米国特許６，１８１，０５３号公報などに記載のものが知られている。このようなショートアークランプは、前記公報に既に開示されるように、例えば、映写機、分光計などの強力な点光源から平行光を利用する分野や強力な点光源の光を微小面積に集光し、光ファイバーなどを使用して加熱や照明を行う分野などにおいて好適に使用されている。

図３は、ショートアークランプの一例を示す説明用図であり、光軸に平行な面で切断した断面図である。
同図において、ランプ本体３１は、絶縁性部材、具体的にはアルミナなどのセラミックスからなり、略円柱状であって、その内部には凹状の反射面３１ａが形成されている。このランプ本体の光出射側すなわち前方には、該ランプ本体３１の縁部近傍に設けられた枠部材３２に嵌合して光取り出し用の窓部材３３が設けられており、ランプ本体３１前方の開口が閉塞されて放電空間Ｓが形成されている。
この放電空間Ｓには、反射面３１ａの光軸に沿って一対の電極３４，３５が対向配置されている。

ランプ本体３１の底部近傍には、金属よりなるベース３６が配置されており、ランプ本体３１及びベース３６の外周に配置されたリング状の固定部材３７によって両部材が密接して固定されている。ランプ本体３１及びベース３６には、反射面３１ａの光軸上に貫通穴３１ｂ，３６ａが形成されており、一方の電極３４がこれらの穴３１ｂ，３６ａを貫通し、その先端部３４ａが放電空間Ｓに臨むよう配設されている。ベース３６の穴３６ａの内部には、一方の電極３４の基端部３４ｂの外周面と穴３６ａの内周面との間にロウ材３８が充填され、該一方の電極３４がベース３６に電気的及び機械的に接続された状態になっている。ランプ本体３１における前方周縁部にはランプ本体３１とフランジ状給電部材３９を固定する環状の固定部材４１が配される。この固定部材４１はフランジ状給電部材３９と同様に外部からの給電の役割をも担う。また、該給電部材３９に導電性を有する支持部材４０が接続され、この支持部材４０に他方の電極３５の基端部が接続され、該電極３５が支持されて放電空間Ｓの内部に配設されている。
このようなショートアークランプは、陽極側の給電端子（図示略）がベース３８に装着され、一方陰極側の給電端子（図示略）が給電部材（３９）に接続され、電力が供給される。

ところで、このようなショートアークランプは、点灯時、陰極より放出された電子は陽極で受け止められるので、係る電子の授受により、陽極は温度が上昇し易い傾向にある。このため、陽極をはじめベース部分も高温状態になり易い。よって、例えば上記特許文献２では、ベースの構成材料よりも良好な熱伝導特性を有する伝熱部材をランプ本体とベースの間に間装させたり、特許文献３では、ベースの周囲に放熱フィンを装着したりして、ランプの過熱状態を回避することが提案されている。
特許第３，１８３，１４５号公報特開平１１−１６２４１２号公報米国特許６，１８１，０５３号公報

近年、このような、反射面と一体型のショートアークランプは、点灯による破裂が極めて少ないうえに、ランプと別体の反射鏡と組合せる必要が無いことから、光源装置を小型化できる利点があり、小型医療機器や小型画像機器などの分野における利用が望まれている。この分野においては、画像を鮮明に投影する等の目的にも光源の光出力の増大化が要請されており、一方で、装置の小型化に対する要請から光源部分の省スペース化が望まれている。このような事情から、光源であるショートアークランプは、光出力の増大を達成するためにランプ入力は増大し、ランプ本体は小型化している傾向にある。

このため、陽極３４は温度がますます上昇し、陽極３４とベース３６の間に介在するロウ材３８が、陽極３４からの伝熱により過熱され、蒸発、飛散することがある。その結果、ロウ材３８からの蒸発物によって放電空間Ｓの内部が汚染され、ランプ本体３１の反射面３１ａにおける反射率が低下したり、光取り出し窓３３の光の透過率が低下したりして、早期にランプの照度維持率が低下する、という事態に至る。

先に説明した特許文献２，３に記載の各技術は、ランプ本体の放熱を促進する機能を具備するものであるが、陽極本体を効果的に放熱させるものではない。近時における高いランプ入力の下では、陽極の急激な温度上昇を回避することが困難で、ロウ材が過剰に加熱されて上述の事態に至る。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、ロウ材の蒸発、飛散を防止し、ランプの照度低下を抑制して、ランプの高入力化と小型化を実現できて、使用寿命の長い、ショートアークランプを提供することを目的とする。

そこで、本発明においては、内面に凹状の反射面が形成され、その光軸上に開口が設けられた、ランプ本体と、ランプ本体の、反射面の前方の開口を塞ぐように装着され、前記ランプ本体との間において放電空間を形成する窓部材と、各々先端部が放電空間に臨むように対向配置された一対の陰極および陽極と、ランプ本体の後端部近傍に配置され、前記陽極が挿入される穴が穿設されたブロック状の給電用ベースと、を有し、前記陽極は、基端部が前記ベースの穴に挿入されてランプ本体の開口を貫通して配置されてなり、ベースの内周面と電極の側面との間にロウ材が配設されて、当該陽極がベースに埋設、保持されたショートアークランプにおいて、前記陽極は、前記ベースに埋設されている埋設部の径が、前記放電空間に臨む部分の最大径部の径より大きく、前記陽極が貫通するランプ本体の開口の内径を、該陽極における埋設部の放電空間側の径より小さくすることにより、前記ロウ材が、前記ランプ本体の反射面や前記窓部材と直面しないようにしたことを特徴とする。

本願請求項１記載の発明によれば、ランプ本体における後方に配置された電極は、ベース埋設部において、放電空間に臨む先端部の最大径部の径より大きな径を有しているので、埋設部における電極側面の表面積が拡大し、したがってロウ材と電極との接触面積が拡大し、ロウ材に掛る単位面積あたりの熱流束が減少して、ロウ材への熱的負荷を低減させることができる。
同時に、電極の体積が増大して熱容量を大きくできるので、ランプ点灯中における電極の急激な温度上昇を抑制できて、電極を所定の温度以下に保持することができる。また、ロウ材と電極との接触部が、陽極の軸を中心として半径方向外方にシフトするため、温度勾配によりロウ材の到達温度を低下させることが可能で、これによってもロウ材への熱的負荷が低減され、したがって、ロウ材の温度上昇が抑制されて蒸発、飛散を効果的に防止することができるようになる。
本願請求項２記載の発明によれば、反射面に設けられた開口の内径は、陽極のベースの埋設部における外径よりも小さくなっているので、陽極は埋設部の径が大きくなっていても反射面の面積が減少することがない。また、仮にロウ材の蒸発が発生したとしても、蒸発物が放電空間内に飛散し難いので、放電空間内部領域が汚染されるのを回避することができる。

本発明の一実施形態を図１を参照して説明する。図１は本発明に係るショートアークランプの、光軸に平行な面で切断した断面図である。同図において、ショートアークランプ１０は、反射鏡及び放電空間形成用のランプ本体１１を備えている。係るランプ本体１１は、絶縁性部材、具体的にはアルミナなどのセラミックスからなり、略円柱状であって、その内部に楕円球面または回転放物面などの曲面からなる凹状の反射面１１ａが形成されている。このランプ本体１１の光出射側すなわち前方には、該ランプ本体１１の縁部１１ｂに沿って、アルミナなどからなるリング状の絶縁部材１２が配置されている。この絶縁部材１２上に陰極１３に電気的に接続された金属製の支持部材１４が配置され、この支持部材１４上にリング状の給電部材１５が配置されている。つまり、前述の絶縁部材１２は、陰極１３の支持部材１４と反射面１１ａとの間において絶縁距離を確保するものである。そして、ランプ本体１１の該縁部近傍に周設された管状の第一の固定部材１６により、係る絶縁部材１２、支持部材１４及び給電部材１５が、ランプ本体１１に結合し、一体的に固定されている。

給電部材１５の内面には凸状の環状溝１５aが形成されており、枠部材１７が係る環状溝１５aに係合して装着されている。枠部材１７には、窓部材１８が嵌合してランプ本体１１に装着され、これによりショートアークランプにおける光取り出し窓Ｗが構成される。窓部材１８は、光透過性を有する例えばサファイアよりなり、必要に応じて減反射や紫外線カットなど適宜の機能が付加される。

ランプ本体１１には、光取り出し窓Ｗとは反対側の底面に、金属よりなるブロック状の、陽極１９への給電用ベース２０が配設されており、該ベース２０及びランプ本体１１の外周１１ｄに周設された管状の第二の固定部材２１により、固定されている。
給電用ベース２０には反射面１１ａの光軸上に陽極１９が貫通可能な穴２０aが穿設されており、該穴２０ａに陽極１９の基端部１９ａが挿入されて、ベース２０と陽極１９の間にロウ材２２が充填されている。このように、陽極１９の基端部１９ａがベース１９に埋設されて両者が電気的に接続され、同時に陽極１９がベース２０によって支持されている。

陽極１９の先端部１９ｂは、ランプ本体１１における反射面１１ａの内部に突出し、放電空間Ｓに臨むよう配置されており、この陽極１９と対向するように陰極１３が、支持部材１４における支持片１４ａによって中空に保持されている。陰極１３と陽極１９の位置は、ランプ本体１１における反射面１１ｂの焦点の位置により決定され、通常、各々軸が反射面１１ｂの光軸と概略一致するように設定される。

なお、ランプ本体１１には、第一及び第二の固定部材１６，２１の周設部に対応する表面１１ｃ，１１ｄがＭｏ−Ｍｎメタライズ処理されており、係る第一及び第二の固定部材１６，２１との間においてロウ付けされることによって気密に固着されている。また、給電部材１５と枠部材１７の間、枠部材１７と窓部材１８の間も、各々が溶接及びロウ付けされることにより気密に接合され、放電空間Ｓが密閉状態とされている。
なおこの放電空間Ｓには、ベース２０に設けられた排気管２３を介して放電ガスとしてのキセノンガスが封入され、充填されている。なお、同図中の排気管２３は封止後の残部を示している。

以上の構成において、本発明では、陽極１９は、ベース２０に埋設された埋設部Ｃにおいて、放電空間Ｓに臨む先端部１９ｂの径よりも、大きい径を有するように構成されている。具体的には、埋設部Ｃの最大径部の直径Ｄ２が、電極先端部１９ｂにおける最大径部の直径Ｄ１よりも大きくなっている。したがって、従来のショートアークランプ、つまり陽極の埋設部Ｃの径が先端部（１９ｂ）の径と同じになるよう構成されたランプに比較し、陽極１９の埋設部Ｃにおいて大きな径を有するよう構成されているので、当該埋設部Ｃにおいて表面積が事実上拡大し、当該電極１９に接触するロウ材２２も面積が増大するので、ロウ材２２に掛る単位面積あたりの熱流束を減少させることができ、熱的負荷を低減させることができる。

また更に、埋設部Ｃのほぼ全領域において、先端部１９ｂの径よりも、大きい径を有するように構成されているため、陽極１９の先端部１９ｂの径を変えることなく体積が増大し、すなわち、熱容量が大きくなって、ランプ点灯中における陽極１９の急激な温度上昇が抑制され、陽極１９を所定の温度以下に保持することができるようになる。また、ロウ材２２が、陽極１９の軸を中心として半径方向外方にシフトするため、温度勾配によりロウ材２２の到達温度を低下させることが可能で、これによってもロウ材２２への熱的負荷が低減されるようになる。その結果、ロウ材２２の温度上昇が抑制されて蒸発を未然に防止することができ、蒸発物が飛散して放電空間Ｄ内部が汚染されるのを効果的に回避できるようになる。

また、本実施例のように、反射面１１ａに設けられた、陽極１９を挿入する開口の内径Ｄ３を、基端部１９ａ（埋設部Ｃ）の径Ｄ２よりも小さくすれば、反射面１１ａを従来ショートアークランプと比較して減少させることなく同様に形成できて、反射面の減少に伴う光損失が生じることなく、放射光を有効に利用することができる。また、同図のような構造によれば、仮にロウ材２２の蒸発が発生したとしても、ロウ材２２が反射面１１ａや窓部材１８に直面しておらず、ロウ材からの蒸発物がランプ本体１１と給電部材２０の間の隙間に停留して放電空間内に飛散し難くて、放電空間内部が汚染されるのを回避することが可能になる。

以上のように、本発明のショートアークランプによれば、埋設部における陽極の表面積が拡大するため、ロウ材においても陽極との接触面積が拡大し、ロウ材に掛る単位面積あたりの熱流束が減少して、ロウ材への熱的負荷を低減させることができる。
その結果、ロウ材の温度上昇が抑制されて蒸発、飛散を効果的に防止することができ、ショートアークランプの照度維持率を高く維持することが可能になる。この効果は、埋設部の少なくとも一部が先端部の最大径部の径より大きな径を有していれば達成される。

更に、埋設部のほぼ全部の領域において先端部の最大径部の径より大きな径を有して構成されることにより、電極の体積が増大して熱容量を大きくでき、ランプ点灯中における電極の急激な温度上昇を抑制できて、電極を所定の温度以下に保持することができ、ロウ材と電極との接触部が、陽極の軸を中心として半径方向外方にシフトするため、温度勾配によりロウ材の到達温度を低下させることが可能で、温度上昇が抑制されて、ロウ材の蒸発及び蒸発物の飛散を効果的に防止することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記の態様に限定されるものではなく、各部の具体的な構成について、種々の変形を加えることができる。

図２は、本発明の他の実施形態を説明する図であり、要部のみを拡大して示す断面図である。なお、図１で説明した構成と同じ構成については同じ符号を付して説明を省略する。
図２（ａ）で示したショートアークランプは、陽極先端部と埋設部の間に、埋設部と同径の部分を有し、体積が更に大きくなるよう構成された例である。この場合、ランプ本体には、同図のように陽極の同径部分を収容するように、後端面の内方に凸状の段部が形成される。また、図２（ｂ）は前記した、陽極の埋設部と先端部の間の埋設部と同径となる部分が、先端部に向かって徐々に径が小さくなるように、テーパ状に形成されたものである。

以上のような実施例によると、体積が増大するので熱容量が更に大きくなり、陽極の急激な温度上昇を防止でき、ロウ材の蒸発を回避することができるようになる。
ことはいうまでもない。

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ランプを合計で１０本作製した。
・ランプ本体（１１）：多結晶アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）製，全長２０ｍｍ，直径３２ｍｍ，反射面（１１ａ）銀製の反射膜，開口の内径；前方２５ｍｍ，後方（最小内径部）５ｍｍ
・絶縁部材（１２）：多結晶アルミナ製，外径３１．５ｍｍ，高さ１ｍｍ，幅２．５ｍｍ
・支持部材（１４）：支持片の肉厚０．４ｍｍ，幅３ｍｍ
・給電部材（１５）：外径３２ｍｍ，高さ５ｍｍ，幅２．５ｍｍ
・第一の固定部材（１６）：外径３３ｍｍ，肉厚０．５ｍｍ，高さ９ｍｍ
・枠部材（１７）：外径２６ｍｍ，肉厚０．５ｍｍ，高さ６ｍｍ
・窓部材（１８）：サファイア（単結晶アルミナ，Ａｌ_２Ｏ_３）製，外径２５ｍｍ，厚さ３ｍｍ
・ベース（２０）：外径３２ｍｍ，高さ１３ｍｍ，穴（２０ａ）の内径６ｍｍ
・第二の固定部材（２１）：外径３３ｍｍ，肉厚０．５ｍｍ，高さ８ｍｍ
・ロウ材（２２）：Ａｇ−Ｃｕ共晶ロウ、融点約８００℃
・陰極（１３）：タングステン製，直径１．５ｍｍ，全長１５ｍｍ
・陽極（１９）：タングステン製，先端部（１９ｂ）最大径部の直径（Ｄ１）３ｍｍ，埋設部（Ｃ）の最大径部の直径（Ｄ２）６ｍｍ，埋設部長さ１２ｍｍ
・封入ガス：キセノンガス，１８ｋＰａ（２５℃換算）
・ランプ入力：３００Ｗ

以上のショートアークランプの各々に、ベース（２０）に設けた穴（２０ａ）に熱伝対（温度センサ）を配設し、ランプ点灯中におけるロウ材（２２）の温度を測定した。温度測定箇所は、ベース（２０）放電空間（Ｓ）側の一端から約８ｍｍ後方の位置であり、ショートアークランプの点灯を開始してから１時間後、測定した。
その結果、いずれのランプも３５０℃未満であり、陽極部の埋設部の温度をロウ材の融点未満の温度に維持できることが確認された。

〈比較例１〉
図３の構成に従い、陽極の基端部の径を先端部の径と同じ（直径３ｍｍ）にして形成したこと以外は、実施例１と同様の条件によりショートアークランプを合計で１０本作製した。これらのランプの各々を点灯させて、点灯を開始してから１時間後、上記実施例のランプと同じ条件でロウ材の温度を測定したところ、いずれも４７０℃以上であった。

以上のように、本発明に係るショートアークランプによれば、陽極の基端部の外径を先端部の外径よりも大きく構成することで、陽極の埋設部における温度上昇を抑制し、高いランプ入力でも、ロウ材の過熱、蒸発を回避することができる。そしてその結果、放電空間内部がロウ材の蒸発物で汚染されるのを防止でき、照度維持率の低下の少ない、長寿命のショートアークランプを提供することができる。

本発明に係るショートアークランプの、光軸に平行な面で切断した断面図である。（ａ），（ｂ）本発明の他の実施形態を説明する図であり、要部のみを拡大して示す断面図である。従来技術に係るショートアークランプの一例を示す説明用図であり、光軸に平行な面で切断した断面図である。

符号の説明

１０ショートアークランプ
１１ランプ本体
１１ａ反射面
１１ｂ縁部
１２絶縁部材
１３陰極
１４支持部材
１４ａ支持片
１５給電部材
１５ａ環状溝
１６第一の固定部材
１７枠部材
１８窓部材
１９陽極
１９ａ基端部
１９ｂ先端部
２０ベース
２０ａ穴
２１第二の固定部材
２２ロウ材
２３排気管
Ｓ放電空間
Ｃ埋設部
Ｗ光取り出し窓

Claims

内面に凹状の反射面が形成され、その光軸上に開口が設けられた、ランプ本体と、
ランプ本体の、反射面の前方の開口を塞ぐように装着され、前記ランプ本体との間において放電空間を形成する窓部材と、
各々先端部が放電空間に臨むように対向配置された一対の陰極および陽極と、
ランプ本体の後端部近傍に配置され、前記陽極が挿入される穴が穿設されたブロック状の給電用ベースと、を有し、
前記陽極は、基端部が前記ベースの穴に挿入されてランプ本体の開口を貫通して配置されてなり、ベースの内周面と電極の側面との間にロウ材が配設されて、当該陽極がベースに埋設、保持されたショートアークランプにおいて、
前記陽極は、前記ベースに埋設されている埋設部の径が、前記放電空間に臨む部分の最大径部の径より大きく、
前記陽極が貫通するランプ本体の開口の内径を、該陽極における埋設部の放電空間側の径より小さくすることにより、前記ロウ材が、前記ランプ本体の反射面や前記窓部材と直面しないようにしたことを特徴とするショートアークランプ。