説明

内部にバ−ナ及びリフレクタを備えるセラミック製放電ランプ

シーム位置で相互に装着された2つの凹形部品を備えるセラミック製放電チャンバを含むセラミック製放電ランプ及びその製造方法が提供される。セラミック製リフレクタが、放電チャンバの外側表面の前記シーム位置に直付けされ、または、前記2つの凹形部品の一方に装着したセラミック製キャピラリに直付けされる。ランプは、ファイバーオプティック装置内への光入射等の、光収束を要する特定用途を有する。ランプは非常に小型で且つ、放電チャンバが反射性表面から隔絶されることによる、好ましいメタルハライドランプフィルからの塩類でリフレクタの光学的活性部品が覆われることがない利益を有する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、内部にバ−ナ及びリフレクタを備えるセラミック製放電ランプに関する。
【背景技術】
【0002】
小型メタルハライドランプはしばしば市場に出回っており、各ランプは小型で且つリフレクタ内に納める集中化光源を提供するデザイン構成を有する。レンズが、光を投射用に収集及び合焦またはコリメートし、または装飾或いは医療用ファイバーオプティクス内に入射させる。この構成の例は斯界に既知であり、夜間運転用ビームを投射する自動車ヘッドランプ用のシリカガラス高強度放電(HID)ランプや、ファイバー照明用のショートアーク希ガスランプがある。近年、米国特許第7,045,960、WO2004/023517、WO2005/088673、米国特許第2007/0120492により教示される如く、類似目的用の小型セラミックメタルハライドランプを備えるシリカガラスヘッドランプが増大している。これらのランプは水銀を含み得または含み得ない。医療用途、即ち、外科用ファイバーオプティック照明に使用するランプ例には、高圧Xeガスフィルのみを収納するCermax(商標名)ランプがある。
【0003】
Cermax(商標名)ランプの一体型ショートアーク特徴を、手術中は目立たないフィルと組み合わせるこれまでの試みは不十分なものであった。コールドスポット位置で塩類が遊離して濃縮する飽和領域でランプを動作させるのは、塩類が窓を覆い、光、フィルタを遮り、色をランダム且つ無用に変化させることを保証するようなものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】米国特許第7,045,960号明細書
【特許文献2】国際公開第2004/023517号
【特許文献3】国際公開第2005/088673号
【特許文献4】米国特許第2007/0120492号明細書
【特許文献5】米国特許第6,620,272号明細書
【非特許文献】
【0005】
【非特許文献1】C.Hentschel,Fiber Optics Handbood,2nd Edition,Hewlett Packard,Fed.Rep.Germany,1988
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
収束光を生成し得るが、メタルハライドフィルの発光可能性をより有効に利用する、10−50Wレンジの、より有効なショートアークランプを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明によれば、放電チャンバとリフレクタとが1部品として組み立てられ、放電チャンバが壁によりリフレクタのアクティブエリアから分離され、かくして放電フィル材が反射面及びレンズ(有る場合)から隔絶され、光学的アクティブエリアが塩類の薄膜で覆われない新規なセラミック製放電ランプ及び方法が提供される。
本発明によれば、2つの凹形部分を持つセラミック製放電チャンバをシーム位置で相互に装着し、セラミックリフレクタを前記シーム位置で放電チャンバの外側表面に、または前記2つの凹形部品の一方に取り付けたセラミック製キャピラリーに直付けした新規なメタルハライドランプ及びその製造法が提供される。各凹形部品は全体に半球状を有し、均分円位置に相互に装着されることが好ましい。
【0008】
本発明によれば、放電チャンバ及びリフレクタが、ファイバーオプティクス束の照明用及びその内部への入射用に、アークからの光を楕円の第2焦点位置に収束させる構成を有する一体型メタルハライドランプが提供される。
本発明によれば、リフレクタが放電チャンバ用ヒートシンクとして作用することから、高電力負荷において前記各構成が実現される。
【発明の効果】
【0009】
収束光を生成し得るがメタルハライドフィルの発光可能性をより有効に利用する、10−50Wレンジの、より有効なショートアークランプが提供される。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】図1は、本発明のランプの第1実施例の概略図である。
【図2】図2は、第1ランプ組み立て方法の実施例図である。
【図3】図3は、第1ランプ組み立て方法の他の実施例図である。
【図4】図4は、本発明の第2実施例のランプの概略図である。
【図5a】図5aは、第2ランプ組み立て方法実施例図である。
【図5b】図5bは、第2ランプ組み立て方法実施例図である。
【図6】図6は、本発明のランプの実施例における楕円状リフレクタの焦点及びディメンションを表す概略図である。
【図7】図7は、レンズ無しで示す保護カバーを備える本発明のランプの概略図である。
【図8】図8は、レンズ付きで示す保護カバーを備える本発明のランプの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
本発明は、これに限定しないが、収束光を要する用途に対して意図されたセラミック製放電容器、詳しくはセラミック製メタルハライドランプを備えるランプに関する。それら用途には、装飾用照明、アクセント用照明、医療用内視鏡の各用途用のファイバーオプティック装置内への光入射用途、フィルムゲート、LCD及びDLP(商標名)(Digital Light Projection装置/テキサスインストルメンツ社商標)、顕微鏡、の内部への光入射及びその他技術用途が含まれる。
【0012】
1実施例において、本発明は、有効光を生成する放電フィル材、好ましくはメタルハライドフィルケミストリーを封入したセラミック製放電ランプが提供される。それら好ましいメタルハライドケミストリーは、これに限定しないが、Dy、Tm、Ho、のハライド等のレアアース塩類と、Na等のアルカリやCa等のアルカリン土類のハライドとの混合物であり得る。ヨウ化物は好ましいハライドである。その他ケミストリーは、CeまたはPrハライドであり得る。ランプは金属Hgをも含み得る。ランプはランプ始動を許容する不活性バッファガスをも好ましく含む。ガスは、Ar、Kr、Ne、またはXeまたはそれらの混合物であり得、また、ランプが遅いウォームアップまたは、代表的には略10バールのXe(コールドフィル)を収納する自動車用Dランプの如きより急速なウォームアップ用として意図されるか否かに依存して、そのコールドフィルの圧力範囲は0.004〜15バールであり得る。代表的なフィルは0.13バールのArを含む。メタルハライドケミストリーが好ましいが、その他タイプのフィルも本発明のセラミック製放電ランプに有益に使用し得る。
【0013】
バ−ナ及びリフレクタの放電チャンバを、放電ランプを壁によりリフレクタのアクティブエリアから隔絶する状態下に1つの一体部品に組み立てる。かくして、放電ランプはリフレクタそれ自体よりもずっと少ない容積を包囲し且つ含む。これにより反射面及びレンズ(使用する場合)から放電フィル材が隔絶されるので、光学的アクティブエリアが塩類薄膜で覆われることが無くなる。ランプは、光源がリフレクタの焦点位置に維持される点において、光学的には非一体化ランプとして動作する。この点は熱及び構造的に新規である。本発明により、反応性と、塩類による閉塞問題とが切り離される。比較的大型のリフレクタが熱ラジエターとして作用し得且つ放電チャンバを通常達成されるそれよりも低温状態に維持する。これにより、高い管壁負荷及び高いフィル添加剤蒸気圧下での動作に基づく一層多くの且つ良好なカラー光生成が可能となり得る。高い管壁負荷(>32W/cm2)はある種のレアアースベースケミストリーのために好ましい。
【0014】
リフレクタは光学軸の周囲において回転対称性を持つ光学部品であり得る。リフレクタは、非画像光学要素原理並びに熱力学法則に見合う最大エネルギー搬送が要求される如き非対称形状においても成型され得る。実用目的上は回転楕円が好ましいモードと考えられる。
ランプは、放電チャンバとリフレクタとが、楕円の第2焦点位置のアークからの光を収束させてファイバーオプティクス束の照明及び当該束に入射させる構成を有する一体型セラミック製放電ランプを提供する。ランプはリフレクタの光学的アクティブ要素から離れた位置で放電チャンバ内にフィルを格納する。更には、ランプは、リフレクタが放電容積に対するヒートシンクとして作用することから、より高い出力負荷状態下にこれら目的を達成する。本発明によれば、放電チャンバまたはバ−ナが小型化されると共に、リフレクタ表面から離間して格納され、しかも尚、リフレクタそれ自体とは熱的に密着し、かくしてリフレクタがヒートシンクを提供する。
【0015】
以下、図面を参照して詳しく説明する。図1には本発明のランプの第1実施例が示される。図6には本発明に関して好適な楕円形リフレクタのジオメトリが示される。ランプ10は、アークがセラミック製リフレクタ14の焦点F’位置に位置決めされるセラミック製放電チャンバ12を含む。リフレクタ14は放電チャンバ12からの光を収集して焦点Fに収束させる。2つの電極18を含むセラミック製キャピラリ16が設けられ、前記電極は、各電極の先端6同士間の仮想線が焦点F’に交差する状態下に放電チャンバ内に伸延する。放電チャンバ12は、セラミック製リフレクタ14が、図1に示す如く放電チャンバ12の外側表面に直付けされるところのシーム12c位置において相互取り付けした2つの凹形部品12a及び12b(図1の放電チャンバ12の左右の各部品)を含む。各凹形部品は全体に半球状を有することが好ましい。全体に半球状とは、各部品が全体にドーム形を有すること、または、連結した場合に必ずしも円形を有さず且つアーク動作用の好適な内側空間を提供するパーツを意味するものとする。セラミック製放電チャンバ及びリフレクタ用に好適なセラミックはポリクリスタリンアルミナである。
【0016】
電極18はキャピラリ16を介して放電チャンバ内に封入され、リフレクタの光学軸からオフセットされた状態下に当該光学軸と実質的に整列する。各電極アセンブリは、一般にタングステンチップ6から構成され、これら各チップに溶接したモリブデン及びニオビウム製入力電線を含むその他の耐熱金属部品を含み得る。各電極はバ−ナ胴部の容積内に電気を導入する。ランプを通過する電流と各電極を横断して生じる電圧とが、バ−ナ加熱用ガスに電力を伝達してケミカルフィルを蒸発させ、蒸気を賦活してプラズマ状態化させ、かくして有益な放射、好ましくは可視光を生成させる。電極構造は斯界に周知のガラス・クリスタリンフリットを用いてシールする。随意的なレンズ7をリフレクタの開放端部に装着し得る。
以下に説明する如く、放電チャンバ及びリフレクタはグリーン状態下に相互に連結(例えば米国特許第6,620,272号等の斯界に既知の2ピースバルジの如く)した2つの部品として作製され、全密度に焼結される。
【0017】
図2に示す、第1組み立て方法において、第1セラミック部品(部品1)が、リフレクタ14と、一方の凹形部品12b(図2のリフレクタ形状の内側左端)及びキャピラリ16と、を含み、第2セラミック部品(部品2)が他方の凹形部品12aを含む。各部品は、溶剤を用いて各部品の結合相を部分溶解させる化学的連結法により、または加熱ガスジェットを使用して2つの被連結面を組み立て直前に軟化させる熱的連結法により組み立て得る。
【0018】
図3に示す第2組み立て方法において、第1セラミック部品(図品1)が一方の凹形部品12b及びキャピラリ16を含み、第2セラミック部品(部品2)がリフレクタ14及び他方の凹形部品12aを含む。第1組み立て方法における如く、各部品は溶剤を用いて各部品の結合相を部分溶解させる化学的連結法により、または加熱ガスジェットを使用して2つの被連結面を組み立て直前に軟化させる熱的連結法により組み立て得る。当該第2組み立て方法では、熱源により連結する各表面へのアクセスが容易化されることから熱的連結法が好ましい。
【0019】
所望される放電チャンバ容積及びリフレクタの焦点位置配置が図1に示す形状と互換性がない(例えば、低ワット動作時の要求放電容積がずっと小さい)場合、放電チャンバ12を、図4の第2実施例に示す如く、リフレクタ14のもっと内側に位置決めした小容積の分離チャンバとして構成し得る。これにより、放電チャンバ容積及び焦点位置の制御上の融通性が最大化され得る。前記構成は、図5a及び図5bに示す如き3つのセラミック構造を用い、それらを連結して最終部品を形成することで構成し得る。図5aに示す如く、先ずキャピラリ部品を熱的連結法または化学的連結法を使用して放電チャンバの一部に連結し、当該放電チャンバを完成させる。次いで、図5bに示す如く、リフレクタをキャピラリ部品に滑入させる。リフレクタは、グリーン状態下においては熱的連結法または化学的連結法により、焼結前状態では締まり嵌め法を使用して、または最終焼結後はアークチューブ充填及び電極シール以前に高温フリットを用いて、夫々キャピラリ部品に接合させ得る。図4には円筒状のキャピラリが示されるが、本発明は当該ジオメトリに限定されるものではない。例えば、キャピラリ部分を平坦化し得、または、断面をより矩形化させ得る。
【0020】
本発明の他の有益な特徴は、放電チャンバ容積部分に共連結して一体化したリフレクタが熱消散構造として機能し、かくして電極のシール部分をより低温下に動作させることである。この場合、当該構造を、以下に議論するアウタージャケットエンクロージャを要すること無く、長時間に渡る屋外動作が可能となり得る。
多くのファイバーオプティクス束またはシングルモードファイバーの開口数は0.64のオーダーの開口数を有するが、これは、光学軸に関する許容入射半角(特定ファイバーと、コア及びクラッディング間の相対屈折率に依存する)が約40°であることを意味する。例えば、C.Hentschel,Fiber Optics Handbood,2nd Edition,Hewlett Packard,Fed.Rep.Germany,1988参照)。全角は約80°であり、この集光角度よりも外側の光は、ファイバー内を伝搬されずにファイバー内に残り、ファイバー入口ポート位置で熱として消散することから有害であり得る。ファイバーが高分子製であるとファイバーはこの熱で溶融する。グラスファイバー及びその束は、マッチングを良好に達成し得ない場合に使用するのがベストである。
【0021】
図6には焦点位置と、リフレクタの物理的ディメンションとの相関関係が示される。リフレクタ胴部の形状は、光学軸を通過する断面及び焦点が以下の式で説明され得る公称回転楕円である。
2/a2+y2/b2=1 (1)
偏心率をeとすると、
e=√(a2−b2)/a (2)
通径L’R’がライン長さ(図6参照)であることは周知である。
L’R’=2(b2/a) (3)
また、中心Oから焦点F’までの距離は、
OF’=√(a2−b2) (4)
【0022】
次いで、焦点角度γと、楕円のディメンションとの間の関係を構築し得る。これは、相補的な焦点F及び焦点角度を上述した如くファイバーオプティック束の取り込み角に合致させる上で必要である。三角法を用いると、
tanα=(F’L’)/(a−x)=通径/2/(a−x)=(b2/a)/OF’=(b2/a)/√(a2−b2) (5)
また、
tanγ=b/√(a2−b2) (6)
【0023】
かくして、実際はリフレクタの外径が選択される。既知の開口数を持つファイバーオプティック束に合致させる場合は、ファイバーオプティクの入口を相補的な焦点F位置に配置した状態で、前記式6によりディメンションaを決定する。NA=sinγ〜0.64、即ち、γ=39.8°である。従って、この値を式6に用いると、0.83=b/√(a2−b2)となる。この場合、直径2b=50.8mm(約2インチ)のリフレクタでは深さa=39.77mmとなり、アークは、xを楕円の後方から測定してF’位置に位置決めされる。
x=a−√(a2−b2)=9.17mm (7)
【0024】
これらのディメンションは楕円の反射性部品に対して参照される。実際の物体の外径はセラミックの壁厚の2倍になり得る。この壁厚は、好ましい平均値を0.9mmとした場合に0.4〜1.5mmの間の範囲であり得る。
図7を参照するに、リフレクタ14は、分光反射率を増長させるために光学的にアクティブの各表面に塗布したコーティングを含み得る。それらコーティングは銀、酸化アルミニューム被覆銀、あるいはその他高反射性金属、例えば、クロムをも使用可能である。可視光(380〜780nm)及び、IRまたはUVにおける透過光において高反射性を有する干渉コーティングをも使用できる。干渉コーティングは、ファイバー入口ポート位置での有害波長の光学的負荷を減少させることから、ファイバーオプティック用途には有益である。収束化ビーム内のUVがあまりに多いとポリマー束が劣化され得る。本発明の有益な特徴は、コーティング領域への放電チャンバ及び反応性塩類の接触が物理的に防止されることである。
【0025】
図7及び図8を参照するに、本発明には、電極構造のシール部分を対酸化保護する手段が含まれ得る。そのための第1方法では、電極構造のニオビウムワイヤに対酸化金属を溶接し、その上に斯界に既知の低溶融温度フリットまたはセラミックセメント(図示せず)をコーティングする。図7に示す第2方法では、水晶または硬質ガラス製の外側ジャケットにおいて一般的に行われる如く、水晶管20の一部をフリット42でリフレクタ14の外側の非反射性表面にシールし、次いで、Moホイルシール25を押し付けて閉鎖する。図8に示す更に他の方策では、光出力制御をアシストするレンズ状要素24をそのドーム端部に含むプレスシール用のアウタージャケット(OJ)22内にアセンブリ全体が包入される。アウタージャケットには、Na損失制限用の、またはランプ温度調整用の不活性ガスを含み得る。アウタージャケット22内でのランプ10の位置は、アウタージャケット内径をリフレクタ14の最外径と略等しく(僅かに大きい程度で)設定することで確立され得る。フレームシール51を利用してアウタージャケットの各主要セクションを連結し得る。何れの場合でもキャピラリのベース部から排気用の好適な管40を設け得る。
【0026】
当該ランプ用の励起モードは、簡単な誘導性安定器を備える40〜100HzAC、スイッチング型DC、及び斯界に周知の任意の多数の方法であり得る。カラー安定性または光束増強化のために任意タイプの音響変調を波形に重ね得る(図1のEGC参照)。平行状態の電極フィードスルーにより、電極構造を、各電極を介して高周波電力をランプに移行させるための2本の平衡ライン型の移行ラインとしても利用可能である。その場合、励振器がMHz〜GHzレンジの小型高周波源となる。前記の如く構成され且つ動作するランプの寿命は、セラミックランプテクノロジーの良好な設計プラクティスに見合う数千時間になると考えられる。
以上、本発明を実施例を参照して説明したが、本発明の内で種々の変更をなし得ることを理解されたい。
【符号の説明】
【0027】
1、2 部品
6 タングステンチップ
7 レンズ
10 ランプ
12 セラミック製放電チャンバ
12a、12b 凹形部品
14 セラミック製リフレクタ
16 セラミック製キャピラリ
18 電極
20 水晶管
24 レンズ状要素
25 Moホイルシール
40 管
42 フリット
51 フレームシール

【特許請求の範囲】
【請求項1】
セラミック製放電ランプであって、
セラミック製放電チャンバにして、該放電チャンバのシーム位置で相互に装着した2つの凹形部材を備え、放電フィル材料を包囲するセラミック製放電チャンバと、
前記シーム位置で前記放電チャンバの外側表面に直付けしたセラミック製リフレクタと、
を含む放電ランプ。
【請求項2】
前記2つの凹形部品の一方に直付けしたセラミック製キャピラリと、該キャピラリを貫いて伸延して前記放電チャンバに入る2つの電極と、を更に含み、該電極の各端部間の仮想線が前記リフレクタの焦点に交差する請求項1の放電ランプ。
【請求項3】
前記リフレクタに装着したレンズを更に含む請求項1の放電ランプ。
【請求項4】
前記凹形部品が全体に半球状を有する請求項1の放電ランプ。
【請求項5】
前記凹形部品の一方を含む第1セラミック部品と、前記セラミック製リフレクタと前記2つの凹形部品の他方とを含む第2セラミック部品と、を更に含み、外第1及び第2の各部品が前記シーム位置で相互に直付けされる請求項1の放電ランプ。
【請求項6】
前記2つの凹形部品の一方に直付けしたセラミック製キャピラリと、該キャピラリを貫いて伸延して前記放電チャンバに入る2つの電極とを更に含み、該電極の各端部間の仮想線が前記リフレクタの焦点に交差する請求項5の放電ランプ。
【請求項7】
前記2つの凹形部品の他方に直付けしたセラミック製キャピラリと、該キャピラリを貫いて伸延して前記放電チャンバに入る2つの電極とを更に含み、該電極の各端部間の仮想線が前記リフレクタの焦点に交差する請求項5の放電ランプ。
【請求項8】
前記セラミック製キャピラリの周囲のアウタージャケットを更に含み、該アウタージャケットが、フリットシールにより前記リフレクタの非反射性部分に直付けされ、前記2つの電極が前記アウタージャケットを貫いて伸延する請求項2の放電ランプ。
【請求項9】
前記キャピラリ、リフレクタ、放電チャンバ、を完全に包囲するアウタージャケットを更に含み、該アウタージャケットが、前記リフレクタの開口位置にレンズ要素を有し、前記2つの電極が前記アウタージャケットを貫いて伸延し、該アウタージャケットの内径が前記リフレクタの最外径未満である請求項2の放電ランプ。
【請求項10】
セラミック製放電ランプの製造方法であって、
2つの凹形部品をシーム位置で相互に装着することによりセラミック製放電チャンバを作製すること、
該放電チャンバの外側表面のシーム位置にセラミック製リフレクタを直付けすること、
を含む方法。
【請求項11】
前記2つの凹形部品の一方にセラミック製キャピラリを直に装着し、該キャピラリを貫いて2つの電極を伸延させて前記放電チャンバに導入することを更に含み、前記電極の各端部間の仮想線が前記リフレクタの焦点に交差する請求項10の方法。
【請求項12】
メタルハライドランプであって、
シーム位置で連結した2つの凹形部品を備えるセラミック製放電チャンバにして、メタルハライドフィルケミストリー及びバッファガスを包入する放電チャンバと、
前記2つの凹形部品の一方に直付けしたセラミック製キャピラリ及び、該キャピラリを貫いて伸延して前記放電チャンバに入る2つの電極と、
前記キャピラリの外側表面に直付けしたセラミック製リフレクタと、
を含むメタルハライドランプ。
【請求項13】
前記放電チャンバ内の電極の各端子間の仮想線が前記リフレクタの焦点に交差する請求項12のメタルハライドランプ。
【請求項14】
前記2つの凹形部品の一方を含む第1セラミック部品と、前記2つの凹形部品の他方を含む第2セラミック部品と、前記リフレクタを含む第3セラミック部品にして、そのベース部に孔を有する第3セラミック部品と、を含み、前記第1及び第2の各セラミック部品が前記シーム位置で相互に直付けされ、前記第3セラミック部品の孔が前記キャピラリの外側表面に直付けされる請求項12のメタルハライドランプ。
【請求項15】
前記リフレクタに装着したレンズを更に含む請求項12のメタルハライドランプ。
【請求項16】
各凹形部品が全体に半球状を有する請求項12のメタルハライドランプ。
【請求項17】
前記キャピラリの周囲のアウタージャケットを更に含み、該アウタージャケットが、フリットシールにより前記リフレクタの非反射性部分に直付けされ、前記2つの電極が該アウタージャケットを貫いて伸延する請求項12のメタルハライドランプ。
【請求項18】
前記キャピラリ、リフレクタ、放電チャンバ、を完全に包囲するアウタージャケットを更に含み、該アウタージャケットが、前記リフレクタの開口位置にレンズ要素を有し、前記2つの電極が前記アウタージャケットを貫いて伸延し、該アウタージャケットの内径が前記リフレクタの最外径未満である請求項12のメタルハライドランプ。

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate

【図4】
image rotate

【図5A】
image rotate

【図5B】
image rotate

【図6】
image rotate

【図7】
image rotate

【図8】
image rotate


【公表番号】特表2011−521415(P2011−521415A)
【公表日】平成23年7月21日(2011.7.21)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−509513(P2011−509513)
【出願日】平成21年4月2日(2009.4.2)
【国際出願番号】PCT/US2009/039342
【国際公開番号】WO2009/139978
【国際公開日】平成21年11月19日(2009.11.19)
【出願人】(394001685)オスラム・シルバニア・インコーポレイテッド (68)
【Fターム(参考)】