閃光放電ランプ
【課題】 水銀ランプやカドミニウム希ガス放電ランプに代替する可能性のある強力な紫外線を放射する産業用光源を提供することであり、その代替光源として検討している閃光放電ランプにおいて、高入力・高負荷点灯にも耐える電極構造を備えた閃光放電ランプを提供すること
【解決手段】 透光性セラミックスにより形成された発光管を有し、該発光管内には希ガスが封入され、該発光管の内部で対向配置され該発光管の両端部で気密に封止された一対の電極を備え、該電極は、該発光管内部で放電する部分と、該発光管外部に突出した部分とが一体で形成されてなる閃光放電ランプにおいて、前記電極の少なくとも一方には外方に伸びる管部材が取り付けられ、該管部材は、該電極に形成され放電空間内に開口する給排気孔と連通していることを特徴とする。
【解決手段】 透光性セラミックスにより形成された発光管を有し、該発光管内には希ガスが封入され、該発光管の内部で対向配置され該発光管の両端部で気密に封止された一対の電極を備え、該電極は、該発光管内部で放電する部分と、該発光管外部に突出した部分とが一体で形成されてなる閃光放電ランプにおいて、前記電極の少なくとも一方には外方に伸びる管部材が取り付けられ、該管部材は、該電極に形成され放電空間内に開口する給排気孔と連通していることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は閃光放電ランプに関し、特には、水冷して使用される高出力のセラミック製の閃光放電ランプに関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで紫外線を発生する光源として、超高圧水銀ランプやカドミニウム希ガス放電ランプが産業用途に有効な光源として用いられてきた。しかしながら、水銀やカドミニウムを発光種とするこれらのランプは廃棄処理が面倒で、環境への影響負荷が大きい。それゆえ、超高圧水銀ランプやカドミニウム希ガス放電ランプに変わる新たな産業用光源が求められている。そこで、発明者らは閃光放電ランプの強力な紫外線出力を利用することを検討している。
【０００３】
閃光放電ランプはパルス光を放射させるために、パルス一発当たり大電流を流して使用する。しかし、連続点灯の超高圧水銀ランプに比べると積算照射エネルギーは小さく、同じ照射時間で比較して超高圧水銀ランプと同等の出力を得るためには、数１０〜数１００Hz程度の高繰り返し周波数での点灯が要求され、閃光放電ランプでは発光管や電極の熱負荷が大きくなる。
【０００４】
この発光管や電極への熱負荷を低減するため、通常は発光管の外部を冷却水で冷却する。特許文献１（特開平８−７０１５０号公報）には固体レーザの励起用閃光放電ランプについて、当該閃光放電ランプがランプ用フローチューブ内に配置され、水冷されることが開示されている。
【０００５】
従来の石英ガラスから、より耐熱性の高いセラミックスを用いて、併せて水冷をすることで大出力の閃光放電ランプが期待される。図１は従来のセラミック製閃光放電ランプの一端部の概略断面図である。図１（ａ）は特許文献２（実開昭６３−６０２６５号公報）に記載された、従来の透光性セラミックスである酸化アルミニウム製発光管を備えた直管状の閃光放電ランプ１０の一方の端部を示した図に相当する。ニオブ製の封止部材である金属キャップ４と発光管１の開口端部外面に処理されたメタライズ（金属化）部分Ｎとを銀ロウなどのロウ材５にて固着することで封止されている。
【０００６】
図１（ａ）に示すような特許文献２の構造の酸化アルミニウム製発光管からなる閃光放電ランプには発光ガスが封入されている。しかし、この文献には発光ガスの封入のための機構については何も記載がない。図１（ａ）の構造の閃光放電ランプの場合、通常は給排気管を備えない構造となる。この種の放電ランプの製造においては、タングステンやモリブデンからなる電極２とニオブ製の金属キャップ４をロウ材３で溶着した電極構造体２０を、発光管１と共に、乾燥雰囲気であって所定の封入ガスで所定のガス圧の雰囲気を保ったグローブボックス内に持込み、あらかじめその端部が金属化（メタライズ処理）された発光管１と電極構造体20の金属キャップ４の封着を完了させる必要がある。図１（ｂ）は電極構造体２０を示したものである。
【０００７】
その理由は、セラミックスは吸湿性が強い材料であり、大気中でランプの封止工程まで行うと発光管内壁に大気中の水が吸着しまうからであり、ランプの製造後に発光管内に残留した吸着水分はランプ点灯後短時間で発光管を黒化させる原因になるなど、ランプの寿命に悪影響を与えるからである。
【０００８】
特許文献３（特開平１０−３１２７５１号公報）にグローブボックスでのセラミック放電ランプの製造について記載がある。
図２にグローブボックスの概略構成を示す。６００はグローブボックスであって、外部から作業を行うための作業用グローブ６０１が設けられている。図１の構造のセラミック製放電ランプはこのグローブボックス６００内で取り扱われる。６１０は脱ガス処理室であって、グローブボックス６００に開閉可能に設けられた第１の隔壁６０２を介して連設されており、この脱ガス処理室６１０には、真空ポンプ６１１が接続されている。脱ガス処理室では発光管などに吸着している吸着水などが取り除かれる。６１５は封着処理室であって、グローブボックス６００に開閉可能に設けられた第２の隔壁６０３を介して連設されており、この封着処理室６１５には、封着処理室６１５内の空気を排出する排気手段６１６と、封着処理室６１５内に、発光管１内に封入される希ガスを供給するガス供給手段６１７とが接続されている。封着処理室６１５で発光管１と電極構造体20の金属キャップ４の封着がされる。
【０００９】
このように全ての製造工程を乾燥雰囲気のグローブボックス内で行わねばならず、作業者がボックス外部から作業用グローブに手を入れてボックス内部の作業をせねばならず、製造時間も長くなり、また製造コストも高いものとなってしまう。また、グローブボックス内の圧力で発光管内に封入されるガス圧が決まり、封入ガス圧を高めることが難しかった。
【００１０】
そこで、発光管内に水分を残留させたいため、あるいは封入ガス圧を高めるためには、給排気をするために機構を発光管端部に備えたランプ構造とすればよい。例えば図３のような構造が考えられる。この閃光放電ランプ１００は一対のタングステン製の電極１１，１２の一方の電極１１において透光性アルミナ製の発光管１内で該電極１１の根元部分にニッケル製の管部材１３を取り付け該管部材１３は発光管１内に開口部１３ｂを有し、また給電リードの機能も兼ねている。他方の電極１２には給電リード１４が取り付けられている。管部材１３あるいは給電リード１４はコバール製の封止部材１５に銀ロウ等のロウ材１６でロウ付け固定され、そして、図３（ｂ）で発光管端部を拡大して示したが、発光管１の両端外周面はメタライズ処理（メタライズ処理部Ｎ）され、コバール製の封止部材１５が銀ロウ等のロウ材１７でロウ付けされる。この一連の製造工程はグローブボックス外で行われる。ロウ付けは水素雰囲気ガスの炉内（不図示）で行われ、発光管１内の脱ガスは排気装置（不図示）に管部材１３をつないで同じく水素雰囲気ガスの炉内に発光管１部分を配置して行う。すなわち、このランプ構造にすれば、ランプの完成後に、グローブボックス外で給排気が可能となる。なお、排気後、所定のガスを封入し、管部材１３の端部を密封し、密封部１３ａを形成する。
【００１１】
しかし、図３の構造では、ランプ使用時に発光管１外部から水冷したとすると、発光管１の熱は取り除けるが、電極１１，１２の熱を、管部材１３を伝達して充分に取り除くことが出来ない。管部材１３はニッケル製であり、給排気に使用する。端部を密封し、密封部１３ａを形成するために、適度な薄い肉厚と細さが要求される。それゆえ、電極１１，１２の熱を充分に取り除くことが出来ない。発明者らが目的としている、超高圧水銀ランプやカドミニウム希ガス放電ランプに代わる紫外線強度の強い閃光放電ランプとするには電流密度を高める必要があり、例えば電流密度5000A/cm2の高入力の状況下では電極表面温度が上昇することによって蒸発して黒化が生じ、ランプ寿命が短く産業用途としては適さないものとなってしまう。
【００１２】
また、特には、フッ素樹脂の表面改質などに必要な、電流密度 10000A/cm2以上、点灯周期100Hz 以上 といったような高繰り返し負荷で閃光放電ランプを点灯させた場合、金属製の封止部材１５と発光管１の接続部位において、封止部材１５と発光管１の固着部の割れを生じ、ランプが使用不能に到ることがある。
【特許文献１】特開平８−７０１５０号公報
【特許文献２】実開昭６３−６０２６５号公報
【特許文献３】特開平１０−３１２７５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
そこで、本発明の目的は、水銀ランプやカドミニウム希ガス放電ランプに代替する可能性のある強力な紫外線を放射する産業用光源を提供することであり、その代替光源として検討している閃光放電ランプにおいて、高入力・高負荷点灯にも耐える電極構造を備えた閃光放電ランプを提供することにある。また、製造もしやすい閃光放電ランプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、透光性セラミックスにより形成された発光管を有し、該発光管内には希ガスが封入され、該発光管の内部で対向配置され該発光管の両端部で気密に封止された一対の電極を備え、該電極は、該発光管内部で放電する部分と、該発光管外部に突出した部分とが一体で形成されてなる閃光放電ランプにおいて、前記電極の少なくとも一方には外方に伸びる管部材が取り付けられ、該管部材は該電極に形成され放電空間内に開口する給排気孔と連通していることを特徴とする閃光放電ランプとするものである。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、前記発光管の両端は金属製の封止部材で封止されており、該封止部材には、該封止部材と前記電極との固着部と該封止部材と該発光管との固着部との間に、該電極の径方向の膨張に伴う応力を緩衝する段差部および／または薄肉部からなる応力緩衝部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の閃光放電ランプとするものである。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、前記電極は、該発光管内部で放電する部分の径より該発光管外部に突出した部分の径の方が大きいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の閃光放電ランプとするものである。
【発明の効果】
【００１７】
石英ガラスに比べより融点の高いサファイアなどの透光性セラミックスで発光管を作り、電極を放電で使用する放電部と冷却する外部まで一体で構成することで、電極の冷却効率を大幅に高めることができ、紫外線光源として有効なランプとなる。
【００１８】
一対の電極のうち、一方の電極に外方に伸びる管部材が取り付けられ、該管部材は該電極に形成され放電空間内に開口する給排気孔と連通する構成とすることで、電極とは別に給排気孔を設ける必要がなくなり、電極の直径を発光管の内壁に近い大きさにまで大きくすることができ、すなわち電極を発光管内径に近づけ、大型化できるため電極の効率のよい冷却をすることができる。
【００１９】
そして、封止部材には、封止部材と電極との固着部と、封止部材と発光管との固着部との間に、電極の径方向の膨張に伴う応力を緩衝する段差部および／または薄肉部からなる応力緩衝部が形成されているので、電極の熱膨張にともなう発光管径方向の応力を緩和し、封止部材と発光管との固着部の破損が生じない信頼性の高いランプとなる。
【００２０】
また、電極が、発光管内部で放電する部分（放電部と呼称）の径より発光管外部に突出した部分（冷却部と呼称）の径の方が大きいために、直接水冷される電極の表面積が大きく、冷却効果が大きい。
【００２１】
さらに、付加的効果であるが、本発明の構造のランプであれば、グローブボックスを使用することなく、発光管内の給排気を行うことが出来る。発光管内の水分等の吸着物もグローブボックス外の炉を使用しておこなうことができ、製造がしやすいものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図４は本発明の実施の形態を示す。
閃光放電ランプ２００は透光性セラミックスであるサファイアにより形成された発光管１を有し、発光管１内にはキセノン（Ｘｅ）やクリプトン（Ｋｒ）などの希ガスが封入され、発光管１の内部で対向配置され発光管１の両端部で気密に封止された一対のタングステン製の電極２１，２２を備える。そして、電極２１、２２は、発光管１内部で放電部２１Ａと、冷却部２１Ｂが同一の部材、そして放電部２2Ａと、冷却部２2Ｂが同一の部材で一体物として形成されている。同一の部材で一体物として形成されているのでつなぎ目がなく熱伝導性が極めて良好となる。
【００２３】
一方の電極２１の発光管外部の端面には凹所２０１があり、その凹所２０１に外方に伸びるニッケル製の管部材２３を銀ロウなどのロウ材２３ｂでロウ付けされており、該凹所２０１の底部に開口し電極２１の発光管１内に位置する部位まで貫通し、発光管１内に開口する給排気用孔２１Ｃを備える。電極２１は封止部材２５とロウ付けされている。発光管１の両端外周面はメタライズ処理され、電極２１とコバール製の封止部材２５がロウ付けされた電極構造体２１０をメタライズ処理された発光管部分（メタライズ処理部Ｎ）と封止部材２５をロウ付けされている。他方の電極構造体２２０も同様にして発光管１にロウ付けされている。
図４（ｂ）に一方の電極構造体２１０を示す。電極２１と封止部材２５がロウ材２５ａでロウ付けされている。管部材２３はロウ材２３bでロウ付けされている。２３ａは密封部である。
【００２４】
なお、封止部材２５のコバールと管部材２３のニッケルと電極２１のタングステンとは互いに熱膨張係数は異なるが、銀ロウでロウ付けする際に、銀ロウが塑性変形を起こし、各部材の熱膨張の違いに起因して生じる応力を吸収する。
【００２５】
また、発光管内の吸着物は、電極構造体２１０，２２０と発光管１のロウ付け完了後に電気炉（不図示）で加熱しながら排気することで除去されることになる。
【００２６】
図５の実施形態では、サファイア製の発光管１の両端はコバール製の封止部材３５で封止されており、封止部材３５とタングステン製の電極３１との固着部Ｋ１と封止部材３５と発光管との固着部Ｋ２との間に、電極３１、３２の径方向の膨張に伴う応力を緩衝する応力緩衝部３６、３７が形成されている。応力緩衝部３６、３７は段差部３６ｂ、３７ｂからなる。
【００２７】
図６、図７は他の実施形態であり、封止部材３５には応力を緩衝する応力緩衝部３８、３９が固着部Ｋ１固着部Ｋ２との間につくられている。応力緩衝部３８は薄肉部３８ａと段差部３８ｂを有する。応力緩衝部３９には薄肉部３９ａを有する。この応力緩衝部３８、３９があることにより、電極４２、４３の径方向の膨張による応力が、封止部Ｋ２に及ぼすことがなくなる。なお、給排気孔と管部材は省略してある。
【００２８】
具体的な使用形態を図９に示す。透光性の水冷用管６５、例えば石英ガラス製の管の中に本願発明の閃光放電ランプ４００を配置し、純水を水冷用管６５に流しながら発光管１および電極６１，６２を冷却しつつ閃光放電ランプ４００を点灯させる。
【００２９】
図８は電極５１の放電部５１Ａの径より冷却部５１Ｂの径の方が大きい形態である。
この電極構造であると冷却部５１Ｂの表面積が大きくなり、電極５１の冷却効果が大きい。
【実施例】
【００３０】
次に、本発明の閃光放電ランプについて、具体的な寸法を示しながら説明する。
図５の例では、各部材の材料および寸法の一例を示せば、発光管１の透光性セラミックスはサファイアであり外径９ｍｍ、内径６ｍｍ、肉厚は１．５mmである。発光管の全長は７５ｍｍであり、タングステン製の電極３１，３２の径は放電部３１Ａ，３２Ａの直径が５ｍｍであり、冷却部３１Ｂ，３２Ｂの直径も５ｍｍである。発光管１の両端部を封止する封止部材３５はコバールからなり、封止部材３５の段差部３６の段差幅（長手方向）は２ｍｍ、深さすなわち径方向は１ｍｍである。電極間距離は４０ｍｍ、封入される希ガスはキセノン（Ｘｅ）ガスであり、静圧で１５０ｋＰａの圧力で封入されている。なお、通常レーザープリンターのトナー定着用途で使われるようなキセノンフラッシュランプにおいては、ガス圧は６０ｋＰa程度と低いものであり、それは主として加熱用途だからである。
【００３１】
図６および図７において、封止部材３５には応力を緩衝する応力緩衝部３８、３９が固着部Ｋ１と固着部Ｋ２との間につくられている。応力緩衝部３８は薄肉部３８ａと段差部３８ｂを有する。応力緩衝部３９には薄肉部３９ａを有する。
この例においては、封止部材３５の段差部３８ｂの段差幅は径方向で１ｍｍである。また薄肉部３８ａは厚み０．５ｍｍであり、封止部材の他の部分３８ｂ部に比べて７５％程度薄くなっている。
【００３２】
図８で示した電極５１の放電部51Aより電極の冷却部５１Ｂの方が大きい場合としては、発光管１の外径が９ｍｍのときに、電極５１の放電部51Aの直径５ｍｍ、電極５１の冷却部51Ｂの直径９ｍｍを一例としてあげることが出来る。
【００３３】
本発明のランプは、封入ガス圧が１２０〜１０００kPaであり、電流密度10000A/cm2〜15000A/cm2で点灯される閃光放電ランプに適用される。それはより紫外線を高効率に生成させるためである。５２は管部材、５３はロウ材である。
【００３４】
図９で示した水冷用管６５内に流す冷却水量は例えば１０リットル/minである。
【００３５】
次に本発明の閃光放電ランプと超高圧水銀ランプとカドミウム希ガス放電ランプとの紫外線放射効率について比較する。
５００Ｗの入力で比較すると、波長２００〜３００ｎｍの紫外線放射効率は超高圧水銀ランプで５．７％、カドミウム希ガス放電ランプで５．０％であるのに対し、キセノンをサファイア製発光管内に150kＰａ封入し、電流密度12000A/cm2で点灯した本願発明の閃光放電ランプは８．０％であった。このように、従来からの超高圧水銀ランプやカドミウム希ガス放電ランプと比べ、紫外線の放射効率は高く、良好な性能の紫外線ランプとなる。
【００３６】
なお、波長２００〜３００ｎｍの紫外線で比較したのは表面改質、光洗浄等で利用される波長域のためであり、紫外線放射効率はランプへの電気入力に対する、ランプの該波長域での総放射出力で計算される効率である。
【００３７】
なお、図１０は本発明の他の実施例であり、閃光放電ランプ５００の電極７１の給排気用孔７１ｃが管軸方向の放電空間Ｈ内の内端部７１ｔに開口している。
給排気用孔が電極の管軸方向の放電空間内の内端部に開口した構造にしておき、電極７１と電極７２の間に500Vの直流の電圧を印加し、給排気用孔７１ｃの開いた方の電極を陰極とする。さらに20kVの高電圧をランプ外部より印加すると電極の給排気用孔７１ｃから発光管中心部を通る細い糸状の放電が生じる。フラッシュ発光の主放電が休止している間にも、この放電は継続する。閃光放電ランプではシマ−放電と呼ばれる、いわゆる主放電のための予備的な放電であって、主放電はこのシマ-放電に沿って放電する。シマ−放電は主放電に対して非常な小さな電流で行うため、電極先端で安定しにくいが、本構成によれば、給排気用孔７１ｃの放電空間内端部７１ｔでは電界が集中するためシマ−放電の起点となり、シマ−放電が安定することになる。
【００３８】
更に加えて、一方の管部材がゲッター室８５を構成している。このゲッター室内にはバリウムやジルコニウム−アルミニウム合金等がゲッター材９０として置かれ、たとえばステンレスの粉末をプレスして焼結したポーラスなフィルタ９５を介してゲッター室８５と放電空間Ｈは連通している。このゲッター材９０を設けることによって、不純ガスによるアークの揺らぎを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】従来のセラミック製閃光放電ランプの一端部の概略断面図である。
【図２】グローブボックスの概略構成図である。
【図３】給排気機構を備えた閃光放電ランプの一例を示す。
【図４】本発明の実施の形態を示す。
【図５】本発明の他の実施の形態を示す。
【図６】本発明の他の実施の形態を示す。
【図７】本発明の他の実施の形態を示す。
【図８】本発明の他の実施の形態を示す。
【図９】本発明の閃光放電ランプを冷却する使用形態を示す。
【図１０】本発明の他の実施の形態を示す。
【符号の説明】
【００４０】
１ 発光管
２ 電極
３ ロウ材
４ 金属キャップ
５ ロウ材
１０ 閃光放電ランプ
２０ 電極構造体
Ｎ メタライズ処理部
１１ 電極
１２ 電極
１３ 管部材
１３ａ 密封部
１３ｂ 開口部
１４ 給電リード
１５ 封止部材
１６ ロウ材
１７ ロウ材
２１ 電極
２１Ａ 放電部
２１Ｂ 冷却部
２１Ｃ 給排気用孔
２２ 電極
２３ 管部材
２３ａ 密封部
２３ｂ ロウ材
２５ 封止部材
３１ 電極
３１Ａ 放電部
３１Ｂ 冷却部
３２ 電極
３２Ａ 放電部
３２Ｂ 冷却部
３３ 管部材
３５ 封止部材
Ｋ１ 固着部
Ｋ２ 固着部
３６ 応力緩衝部
３６ａ 薄肉部
３６ｂ 段差部
３７ 応力緩衝部
３７ａ 薄肉部
３７ｂ 段差部
３８ 応力緩衝部
３８ａ 薄肉部
３８ｂ 段差部
３９ 応力緩衝部
３９ａ 薄肉部
４２ 電極
４３ 電極
５１ 電極
５１Ａ 放電部
５１Ｂ 冷却部
５２ 管部材
５３ ロウ材
６１ 電極
６２ 電極
６５ 水冷用管
７１ 電極
７１ｃ 給排気用孔
７１ｔ 内端部
８５ ゲッター室
９０ ゲッター材
９５ フィルタ
Ｈ 放電空間
１００ 閃光放電ランプ
２００ 閃光放電ランプ
２１０ 電極構造体
２２０ 電極構造体
３００ 閃光放電ランプ
４００ 閃光放電ランプ
５００ 閃光放電ランプ
６００ グローブボックス
６０１ 作業用グローブ
６０２ 第１の隔壁
６０３ 第２の隔壁
６１０ 脱ガス処理室
６１１ 真空ポンプ
６１５ 封着処理室
６１６ 排気手段
６１７ ガス供給手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は閃光放電ランプに関し、特には、水冷して使用される高出力のセラミック製の閃光放電ランプに関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで紫外線を発生する光源として、超高圧水銀ランプやカドミニウム希ガス放電ランプが産業用途に有効な光源として用いられてきた。しかしながら、水銀やカドミニウムを発光種とするこれらのランプは廃棄処理が面倒で、環境への影響負荷が大きい。それゆえ、超高圧水銀ランプやカドミニウム希ガス放電ランプに変わる新たな産業用光源が求められている。そこで、発明者らは閃光放電ランプの強力な紫外線出力を利用することを検討している。
【０００３】
閃光放電ランプはパルス光を放射させるために、パルス一発当たり大電流を流して使用する。しかし、連続点灯の超高圧水銀ランプに比べると積算照射エネルギーは小さく、同じ照射時間で比較して超高圧水銀ランプと同等の出力を得るためには、数１０〜数１００Hz程度の高繰り返し周波数での点灯が要求され、閃光放電ランプでは発光管や電極の熱負荷が大きくなる。
【０００４】
この発光管や電極への熱負荷を低減するため、通常は発光管の外部を冷却水で冷却する。特許文献１（特開平８−７０１５０号公報）には固体レーザの励起用閃光放電ランプについて、当該閃光放電ランプがランプ用フローチューブ内に配置され、水冷されることが開示されている。
【０００５】
従来の石英ガラスから、より耐熱性の高いセラミックスを用いて、併せて水冷をすることで大出力の閃光放電ランプが期待される。図１は従来のセラミック製閃光放電ランプの一端部の概略断面図である。図１（ａ）は特許文献２（実開昭６３−６０２６５号公報）に記載された、従来の透光性セラミックスである酸化アルミニウム製発光管を備えた直管状の閃光放電ランプ１０の一方の端部を示した図に相当する。ニオブ製の封止部材である金属キャップ４と発光管１の開口端部外面に処理されたメタライズ（金属化）部分Ｎとを銀ロウなどのロウ材５にて固着することで封止されている。
【０００６】
図１（ａ）に示すような特許文献２の構造の酸化アルミニウム製発光管からなる閃光放電ランプには発光ガスが封入されている。しかし、この文献には発光ガスの封入のための機構については何も記載がない。図１（ａ）の構造の閃光放電ランプの場合、通常は給排気管を備えない構造となる。この種の放電ランプの製造においては、タングステンやモリブデンからなる電極２とニオブ製の金属キャップ４をロウ材３で溶着した電極構造体２０を、発光管１と共に、乾燥雰囲気であって所定の封入ガスで所定のガス圧の雰囲気を保ったグローブボックス内に持込み、あらかじめその端部が金属化（メタライズ処理）された発光管１と電極構造体20の金属キャップ４の封着を完了させる必要がある。図１（ｂ）は電極構造体２０を示したものである。
【０００７】
その理由は、セラミックスは吸湿性が強い材料であり、大気中でランプの封止工程まで行うと発光管内壁に大気中の水が吸着しまうからであり、ランプの製造後に発光管内に残留した吸着水分はランプ点灯後短時間で発光管を黒化させる原因になるなど、ランプの寿命に悪影響を与えるからである。
【０００８】
特許文献３（特開平１０−３１２７５１号公報）にグローブボックスでのセラミック放電ランプの製造について記載がある。
図２にグローブボックスの概略構成を示す。６００はグローブボックスであって、外部から作業を行うための作業用グローブ６０１が設けられている。図１の構造のセラミック製放電ランプはこのグローブボックス６００内で取り扱われる。６１０は脱ガス処理室であって、グローブボックス６００に開閉可能に設けられた第１の隔壁６０２を介して連設されており、この脱ガス処理室６１０には、真空ポンプ６１１が接続されている。脱ガス処理室では発光管などに吸着している吸着水などが取り除かれる。６１５は封着処理室であって、グローブボックス６００に開閉可能に設けられた第２の隔壁６０３を介して連設されており、この封着処理室６１５には、封着処理室６１５内の空気を排出する排気手段６１６と、封着処理室６１５内に、発光管１内に封入される希ガスを供給するガス供給手段６１７とが接続されている。封着処理室６１５で発光管１と電極構造体20の金属キャップ４の封着がされる。
【０００９】
このように全ての製造工程を乾燥雰囲気のグローブボックス内で行わねばならず、作業者がボックス外部から作業用グローブに手を入れてボックス内部の作業をせねばならず、製造時間も長くなり、また製造コストも高いものとなってしまう。また、グローブボックス内の圧力で発光管内に封入されるガス圧が決まり、封入ガス圧を高めることが難しかった。
【００１０】
そこで、発光管内に水分を残留させたいため、あるいは封入ガス圧を高めるためには、給排気をするために機構を発光管端部に備えたランプ構造とすればよい。例えば図３のような構造が考えられる。この閃光放電ランプ１００は一対のタングステン製の電極１１，１２の一方の電極１１において透光性アルミナ製の発光管１内で該電極１１の根元部分にニッケル製の管部材１３を取り付け該管部材１３は発光管１内に開口部１３ｂを有し、また給電リードの機能も兼ねている。他方の電極１２には給電リード１４が取り付けられている。管部材１３あるいは給電リード１４はコバール製の封止部材１５に銀ロウ等のロウ材１６でロウ付け固定され、そして、図３（ｂ）で発光管端部を拡大して示したが、発光管１の両端外周面はメタライズ処理（メタライズ処理部Ｎ）され、コバール製の封止部材１５が銀ロウ等のロウ材１７でロウ付けされる。この一連の製造工程はグローブボックス外で行われる。ロウ付けは水素雰囲気ガスの炉内（不図示）で行われ、発光管１内の脱ガスは排気装置（不図示）に管部材１３をつないで同じく水素雰囲気ガスの炉内に発光管１部分を配置して行う。すなわち、このランプ構造にすれば、ランプの完成後に、グローブボックス外で給排気が可能となる。なお、排気後、所定のガスを封入し、管部材１３の端部を密封し、密封部１３ａを形成する。
【００１１】
しかし、図３の構造では、ランプ使用時に発光管１外部から水冷したとすると、発光管１の熱は取り除けるが、電極１１，１２の熱を、管部材１３を伝達して充分に取り除くことが出来ない。管部材１３はニッケル製であり、給排気に使用する。端部を密封し、密封部１３ａを形成するために、適度な薄い肉厚と細さが要求される。それゆえ、電極１１，１２の熱を充分に取り除くことが出来ない。発明者らが目的としている、超高圧水銀ランプやカドミニウム希ガス放電ランプに代わる紫外線強度の強い閃光放電ランプとするには電流密度を高める必要があり、例えば電流密度5000A/cm2の高入力の状況下では電極表面温度が上昇することによって蒸発して黒化が生じ、ランプ寿命が短く産業用途としては適さないものとなってしまう。
【００１２】
また、特には、フッ素樹脂の表面改質などに必要な、電流密度 10000A/cm2以上、点灯周期100Hz 以上 といったような高繰り返し負荷で閃光放電ランプを点灯させた場合、金属製の封止部材１５と発光管１の接続部位において、封止部材１５と発光管１の固着部の割れを生じ、ランプが使用不能に到ることがある。
【特許文献１】特開平８−７０１５０号公報
【特許文献２】実開昭６３−６０２６５号公報
【特許文献３】特開平１０−３１２７５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
そこで、本発明の目的は、水銀ランプやカドミニウム希ガス放電ランプに代替する可能性のある強力な紫外線を放射する産業用光源を提供することであり、その代替光源として検討している閃光放電ランプにおいて、高入力・高負荷点灯にも耐える電極構造を備えた閃光放電ランプを提供することにある。また、製造もしやすい閃光放電ランプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、透光性セラミックスにより形成された発光管を有し、該発光管内には希ガスが封入され、該発光管の内部で対向配置され該発光管の両端部で気密に封止された一対の電極を備え、該電極は、該発光管内部で放電する部分と、該発光管外部に突出した部分とが一体で形成されてなる閃光放電ランプにおいて、前記電極の少なくとも一方には外方に伸びる管部材が取り付けられ、該管部材は該電極に形成され放電空間内に開口する給排気孔と連通していることを特徴とする閃光放電ランプとするものである。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、前記発光管の両端は金属製の封止部材で封止されており、該封止部材には、該封止部材と前記電極との固着部と該封止部材と該発光管との固着部との間に、該電極の径方向の膨張に伴う応力を緩衝する段差部および／または薄肉部からなる応力緩衝部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の閃光放電ランプとするものである。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、前記電極は、該発光管内部で放電する部分の径より該発光管外部に突出した部分の径の方が大きいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の閃光放電ランプとするものである。
【発明の効果】
【００１７】
石英ガラスに比べより融点の高いサファイアなどの透光性セラミックスで発光管を作り、電極を放電で使用する放電部と冷却する外部まで一体で構成することで、電極の冷却効率を大幅に高めることができ、紫外線光源として有効なランプとなる。
【００１８】
一対の電極のうち、一方の電極に外方に伸びる管部材が取り付けられ、該管部材は該電極に形成され放電空間内に開口する給排気孔と連通する構成とすることで、電極とは別に給排気孔を設ける必要がなくなり、電極の直径を発光管の内壁に近い大きさにまで大きくすることができ、すなわち電極を発光管内径に近づけ、大型化できるため電極の効率のよい冷却をすることができる。
【００１９】
そして、封止部材には、封止部材と電極との固着部と、封止部材と発光管との固着部との間に、電極の径方向の膨張に伴う応力を緩衝する段差部および／または薄肉部からなる応力緩衝部が形成されているので、電極の熱膨張にともなう発光管径方向の応力を緩和し、封止部材と発光管との固着部の破損が生じない信頼性の高いランプとなる。
【００２０】
また、電極が、発光管内部で放電する部分（放電部と呼称）の径より発光管外部に突出した部分（冷却部と呼称）の径の方が大きいために、直接水冷される電極の表面積が大きく、冷却効果が大きい。
【００２１】
さらに、付加的効果であるが、本発明の構造のランプであれば、グローブボックスを使用することなく、発光管内の給排気を行うことが出来る。発光管内の水分等の吸着物もグローブボックス外の炉を使用しておこなうことができ、製造がしやすいものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図４は本発明の実施の形態を示す。
閃光放電ランプ２００は透光性セラミックスであるサファイアにより形成された発光管１を有し、発光管１内にはキセノン（Ｘｅ）やクリプトン（Ｋｒ）などの希ガスが封入され、発光管１の内部で対向配置され発光管１の両端部で気密に封止された一対のタングステン製の電極２１，２２を備える。そして、電極２１、２２は、発光管１内部で放電部２１Ａと、冷却部２１Ｂが同一の部材、そして放電部２2Ａと、冷却部２2Ｂが同一の部材で一体物として形成されている。同一の部材で一体物として形成されているのでつなぎ目がなく熱伝導性が極めて良好となる。
【００２３】
一方の電極２１の発光管外部の端面には凹所２０１があり、その凹所２０１に外方に伸びるニッケル製の管部材２３を銀ロウなどのロウ材２３ｂでロウ付けされており、該凹所２０１の底部に開口し電極２１の発光管１内に位置する部位まで貫通し、発光管１内に開口する給排気用孔２１Ｃを備える。電極２１は封止部材２５とロウ付けされている。発光管１の両端外周面はメタライズ処理され、電極２１とコバール製の封止部材２５がロウ付けされた電極構造体２１０をメタライズ処理された発光管部分（メタライズ処理部Ｎ）と封止部材２５をロウ付けされている。他方の電極構造体２２０も同様にして発光管１にロウ付けされている。
図４（ｂ）に一方の電極構造体２１０を示す。電極２１と封止部材２５がロウ材２５ａでロウ付けされている。管部材２３はロウ材２３bでロウ付けされている。２３ａは密封部である。
【００２４】
なお、封止部材２５のコバールと管部材２３のニッケルと電極２１のタングステンとは互いに熱膨張係数は異なるが、銀ロウでロウ付けする際に、銀ロウが塑性変形を起こし、各部材の熱膨張の違いに起因して生じる応力を吸収する。
【００２５】
また、発光管内の吸着物は、電極構造体２１０，２２０と発光管１のロウ付け完了後に電気炉（不図示）で加熱しながら排気することで除去されることになる。
【００２６】
図５の実施形態では、サファイア製の発光管１の両端はコバール製の封止部材３５で封止されており、封止部材３５とタングステン製の電極３１との固着部Ｋ１と封止部材３５と発光管との固着部Ｋ２との間に、電極３１、３２の径方向の膨張に伴う応力を緩衝する応力緩衝部３６、３７が形成されている。応力緩衝部３６、３７は段差部３６ｂ、３７ｂからなる。
【００２７】
図６、図７は他の実施形態であり、封止部材３５には応力を緩衝する応力緩衝部３８、３９が固着部Ｋ１固着部Ｋ２との間につくられている。応力緩衝部３８は薄肉部３８ａと段差部３８ｂを有する。応力緩衝部３９には薄肉部３９ａを有する。この応力緩衝部３８、３９があることにより、電極４２、４３の径方向の膨張による応力が、封止部Ｋ２に及ぼすことがなくなる。なお、給排気孔と管部材は省略してある。
【００２８】
具体的な使用形態を図９に示す。透光性の水冷用管６５、例えば石英ガラス製の管の中に本願発明の閃光放電ランプ４００を配置し、純水を水冷用管６５に流しながら発光管１および電極６１，６２を冷却しつつ閃光放電ランプ４００を点灯させる。
【００２９】
図８は電極５１の放電部５１Ａの径より冷却部５１Ｂの径の方が大きい形態である。
この電極構造であると冷却部５１Ｂの表面積が大きくなり、電極５１の冷却効果が大きい。
【実施例】
【００３０】
次に、本発明の閃光放電ランプについて、具体的な寸法を示しながら説明する。
図５の例では、各部材の材料および寸法の一例を示せば、発光管１の透光性セラミックスはサファイアであり外径９ｍｍ、内径６ｍｍ、肉厚は１．５mmである。発光管の全長は７５ｍｍであり、タングステン製の電極３１，３２の径は放電部３１Ａ，３２Ａの直径が５ｍｍであり、冷却部３１Ｂ，３２Ｂの直径も５ｍｍである。発光管１の両端部を封止する封止部材３５はコバールからなり、封止部材３５の段差部３６の段差幅（長手方向）は２ｍｍ、深さすなわち径方向は１ｍｍである。電極間距離は４０ｍｍ、封入される希ガスはキセノン（Ｘｅ）ガスであり、静圧で１５０ｋＰａの圧力で封入されている。なお、通常レーザープリンターのトナー定着用途で使われるようなキセノンフラッシュランプにおいては、ガス圧は６０ｋＰa程度と低いものであり、それは主として加熱用途だからである。
【００３１】
図６および図７において、封止部材３５には応力を緩衝する応力緩衝部３８、３９が固着部Ｋ１と固着部Ｋ２との間につくられている。応力緩衝部３８は薄肉部３８ａと段差部３８ｂを有する。応力緩衝部３９には薄肉部３９ａを有する。
この例においては、封止部材３５の段差部３８ｂの段差幅は径方向で１ｍｍである。また薄肉部３８ａは厚み０．５ｍｍであり、封止部材の他の部分３８ｂ部に比べて７５％程度薄くなっている。
【００３２】
図８で示した電極５１の放電部51Aより電極の冷却部５１Ｂの方が大きい場合としては、発光管１の外径が９ｍｍのときに、電極５１の放電部51Aの直径５ｍｍ、電極５１の冷却部51Ｂの直径９ｍｍを一例としてあげることが出来る。
【００３３】
本発明のランプは、封入ガス圧が１２０〜１０００kPaであり、電流密度10000A/cm2〜15000A/cm2で点灯される閃光放電ランプに適用される。それはより紫外線を高効率に生成させるためである。５２は管部材、５３はロウ材である。
【００３４】
図９で示した水冷用管６５内に流す冷却水量は例えば１０リットル/minである。
【００３５】
次に本発明の閃光放電ランプと超高圧水銀ランプとカドミウム希ガス放電ランプとの紫外線放射効率について比較する。
５００Ｗの入力で比較すると、波長２００〜３００ｎｍの紫外線放射効率は超高圧水銀ランプで５．７％、カドミウム希ガス放電ランプで５．０％であるのに対し、キセノンをサファイア製発光管内に150kＰａ封入し、電流密度12000A/cm2で点灯した本願発明の閃光放電ランプは８．０％であった。このように、従来からの超高圧水銀ランプやカドミウム希ガス放電ランプと比べ、紫外線の放射効率は高く、良好な性能の紫外線ランプとなる。
【００３６】
なお、波長２００〜３００ｎｍの紫外線で比較したのは表面改質、光洗浄等で利用される波長域のためであり、紫外線放射効率はランプへの電気入力に対する、ランプの該波長域での総放射出力で計算される効率である。
【００３７】
なお、図１０は本発明の他の実施例であり、閃光放電ランプ５００の電極７１の給排気用孔７１ｃが管軸方向の放電空間Ｈ内の内端部７１ｔに開口している。
給排気用孔が電極の管軸方向の放電空間内の内端部に開口した構造にしておき、電極７１と電極７２の間に500Vの直流の電圧を印加し、給排気用孔７１ｃの開いた方の電極を陰極とする。さらに20kVの高電圧をランプ外部より印加すると電極の給排気用孔７１ｃから発光管中心部を通る細い糸状の放電が生じる。フラッシュ発光の主放電が休止している間にも、この放電は継続する。閃光放電ランプではシマ−放電と呼ばれる、いわゆる主放電のための予備的な放電であって、主放電はこのシマ-放電に沿って放電する。シマ−放電は主放電に対して非常な小さな電流で行うため、電極先端で安定しにくいが、本構成によれば、給排気用孔７１ｃの放電空間内端部７１ｔでは電界が集中するためシマ−放電の起点となり、シマ−放電が安定することになる。
【００３８】
更に加えて、一方の管部材がゲッター室８５を構成している。このゲッター室内にはバリウムやジルコニウム−アルミニウム合金等がゲッター材９０として置かれ、たとえばステンレスの粉末をプレスして焼結したポーラスなフィルタ９５を介してゲッター室８５と放電空間Ｈは連通している。このゲッター材９０を設けることによって、不純ガスによるアークの揺らぎを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】従来のセラミック製閃光放電ランプの一端部の概略断面図である。
【図２】グローブボックスの概略構成図である。
【図３】給排気機構を備えた閃光放電ランプの一例を示す。
【図４】本発明の実施の形態を示す。
【図５】本発明の他の実施の形態を示す。
【図６】本発明の他の実施の形態を示す。
【図７】本発明の他の実施の形態を示す。
【図８】本発明の他の実施の形態を示す。
【図９】本発明の閃光放電ランプを冷却する使用形態を示す。
【図１０】本発明の他の実施の形態を示す。
【符号の説明】
【００４０】
１ 発光管
２ 電極
３ ロウ材
４ 金属キャップ
５ ロウ材
１０ 閃光放電ランプ
２０ 電極構造体
Ｎ メタライズ処理部
１１ 電極
１２ 電極
１３ 管部材
１３ａ 密封部
１３ｂ 開口部
１４ 給電リード
１５ 封止部材
１６ ロウ材
１７ ロウ材
２１ 電極
２１Ａ 放電部
２１Ｂ 冷却部
２１Ｃ 給排気用孔
２２ 電極
２３ 管部材
２３ａ 密封部
２３ｂ ロウ材
２５ 封止部材
３１ 電極
３１Ａ 放電部
３１Ｂ 冷却部
３２ 電極
３２Ａ 放電部
３２Ｂ 冷却部
３３ 管部材
３５ 封止部材
Ｋ１ 固着部
Ｋ２ 固着部
３６ 応力緩衝部
３６ａ 薄肉部
３６ｂ 段差部
３７ 応力緩衝部
３７ａ 薄肉部
３７ｂ 段差部
３８ 応力緩衝部
３８ａ 薄肉部
３８ｂ 段差部
３９ 応力緩衝部
３９ａ 薄肉部
４２ 電極
４３ 電極
５１ 電極
５１Ａ 放電部
５１Ｂ 冷却部
５２ 管部材
５３ ロウ材
６１ 電極
６２ 電極
６５ 水冷用管
７１ 電極
７１ｃ 給排気用孔
７１ｔ 内端部
８５ ゲッター室
９０ ゲッター材
９５ フィルタ
Ｈ 放電空間
１００ 閃光放電ランプ
２００ 閃光放電ランプ
２１０ 電極構造体
２２０ 電極構造体
３００ 閃光放電ランプ
４００ 閃光放電ランプ
５００ 閃光放電ランプ
６００ グローブボックス
６０１ 作業用グローブ
６０２ 第１の隔壁
６０３ 第２の隔壁
６１０ 脱ガス処理室
６１１ 真空ポンプ
６１５ 封着処理室
６１６ 排気手段
６１７ ガス供給手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性セラミックスにより形成された発光管を有し、該発光管内には希ガスが封入され、該発光管の内部で対向配置され該発光管の両端部で気密に封止された一対の電極を備え、
該電極が、該発光管内部で放電する部分と、該発光管外部に突出した部分とが一体で形成されてなる閃光放電ランプにおいて、
前記電極の少なくとも一方には外方に伸びる管部材が取り付けられ、該管部材は、該電極に形成され放電空間内に開口する給排気孔と、連通していることを特徴とする閃光放電ランプ。
【請求項２】
前記発光管の両端は金属製の封止部材で封止されており、該封止部材には、該封止部材と前記電極との固着部と該封止部材と該発光管との固着部との間に、該電極の径方向の膨張に伴う応力を緩衝する段差部および／または薄肉部からなる応力緩衝部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の閃光放電ランプ。
【請求項３】
前記電極は、該発光管内部で放電する部分の径より該発光管外部に突出した部分の径の方が大きいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の閃光放電ランプ。
【請求項１】
透光性セラミックスにより形成された発光管を有し、該発光管内には希ガスが封入され、該発光管の内部で対向配置され該発光管の両端部で気密に封止された一対の電極を備え、
該電極が、該発光管内部で放電する部分と、該発光管外部に突出した部分とが一体で形成されてなる閃光放電ランプにおいて、
前記電極の少なくとも一方には外方に伸びる管部材が取り付けられ、該管部材は、該電極に形成され放電空間内に開口する給排気孔と、連通していることを特徴とする閃光放電ランプ。
【請求項２】
前記発光管の両端は金属製の封止部材で封止されており、該封止部材には、該封止部材と前記電極との固着部と該封止部材と該発光管との固着部との間に、該電極の径方向の膨張に伴う応力を緩衝する段差部および／または薄肉部からなる応力緩衝部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の閃光放電ランプ。
【請求項３】
前記電極は、該発光管内部で放電する部分の径より該発光管外部に突出した部分の径の方が大きいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の閃光放電ランプ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−３２４０１２（Ｐ２００６−３２４０１２Ａ）
【公開日】平成１８年１１月３０日（２００６．１１．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１４３４３２（Ｐ２００５−１４３４３２）
【出願日】平成１７年５月１７日（２００５．５．１７）
【出願人】（０００１０２２１２）ウシオ電機株式会社 (1,414)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１１月３０日（２００６．１１．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年５月１７日（２００５．５．１７）
【出願人】（０００１０２２１２）ウシオ電機株式会社 (1,414)
【Ｆターム（参考）】
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