JP3202910B2

JP3202910B2 - マイクロ波放電ランプ

Info

Publication number: JP3202910B2
Application number: JP31521995A
Authority: JP
Inventors: 睦己三▲升▼; 幸一片瀬
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1995-12-04
Filing date: 1995-12-04
Publication date: 2001-08-27
Anticipated expiration: 2015-12-04
Also published as: US5905342A; JPH09161730A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ波電磁界
により放電発光するマイクロ波放電ランプに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、省エネルギーなどの要求に伴い、
蛍光灯などの蛍光体を通して光出力を得る蛍光ランプに
比べて、大きな光出力を容易に得ることができる高輝度
放電ランプ（ＨＩＤランプ）が注目されてきている。こ
の高輝度放電ランプには、メタルハライドランプ、水銀
ランプ等の電極を使用した有電極の放電ランプと、マイ
クロ波放電ランプのように電極を使用しない無電極の放
電ランプとがある。マイクロ波放電ランプは、マグネト
ロンなどにより所定のマイクロ波電磁界を形成し、当該
マイクロ波電磁界により生じるプラズマ放電を光源とし
て利用したものである。このマイクロ波放電ランプは、
電極の消耗により寿命が定まる有電極のものに比べて長
寿命なものであり、電極がないため光出力の発光スペク
トルの経時変化もほとんど生じることがない。また、マ
イクロ波放電ランプは、点灯及び消灯状態におけるイン
ピーダンスの変化が小さいので、点滅動作特性及び始動
・再始動特性もまた、有電極の放電ランプに比べてはる
かに優れている。さらに、マイクロ波放電ランプは、環
境保護の面でも有電極の放電ランプに比べて優れてい
る。というのは、マイクロ波放電ランプは、上記したよ
うに、長寿命なものなので部品の交換サイクルが長く、
また有害な水銀を使用しなくても、有電極のものと同程
度の光出力の輝度及び効率を得ることができるからであ
る。

【０００３】従来のマイクロ波点灯装置は、マイクロ波
を発生するマグネトロン部、そこで発生したマイクロ波
を空洞共振部に伝導する導波管、導波管につながれた空
洞共振器、及び空洞共振器内に配置されたマイクロ放電
ランプとで構成されていた。マイクロ波放電ランプは、
透光性を有する石英ガラスなどにより実質的に球状、あ
るいは細長い円筒状に形成され、ガラス製の支持棒によ
り空洞共振器の内部空間に配置されている。このマイク
ロ波放電ランプの内部には、アルゴンなどの希ガス、少
量の水銀、及び発光物質であるヨウ化タリウムなどの金
属ハロゲン化物が封入されている。尚、消灯状態におけ
るマイクロ波放電ランプの内圧は、始動動作、すなわち
後述の希ガスのプラズマ放電の開始を容易なものとする
ために、約１３ｋＰａ〜２７ｋＰａに調整されている。

【０００４】このような従来のマイクロ波点灯装置にお
いて、高圧電源からマグネトロン部に高圧電圧が供給さ
れると、例えば２４５０ＭＨｚのマイクロ波がマグネト
ロン部のアンテナから導波管の内部に放射される。この
マイクロ波は、導波管内を伝導し導波管に設けられた開
口部である給電窓から空洞共振器に放射され、空洞共振
器の内部空間で所定のマイクロ波電磁界を形成する。そ
して、当該マイクロ波電磁界により、まず希ガスが絶縁
破壊を起こしてプラズマ放電を開始する。続いて、この
プラズマ放電により、マイクロ波放電ランプの内壁温度
が上昇し、そのことにより、水銀及び金属ハロゲン化物
が蒸気化してマイクロ波放電ランプの内圧を上昇する。
そして、前記内壁温度の最冷点温度及び内圧がそれぞれ
所定の値（例えば、５００℃〜６００℃及び１０１.３
ｋＰａ〜２０２.６ｋＰａ）で安定する状態、すなわち
定常点灯状態においては、所定の発光スペクトルを有す
る光が、金属蒸気のプラズマ放電によりマイクロ波放電
ランプの内部に生じ、光出力として空洞共振器から金属
製のメッシュ板を経て外部に放射される。尚、上述の定
常点灯状態では、マイクロ波放電ランプの内圧におい
て、金属蒸気の圧力が希ガスの圧力よりも大きい割合を
占めている。また、この定常点灯状態では、導波管と、
空洞共振器とマイクロ波放電ランプとで構成される共振
器との整合条件が満たされている。すなわち、マイクロ
放電ランプ内のプラズマ放電による損失や共振空洞器の
内壁に発生するうず電流による損失などに依存する共振
器の負荷（以下、”共振器の入力インピーダンス”とい
う）が、消灯状態での値から大きくなり、導波管が有す
るインピーダンス（以下、”電源側のインピーダンス”
という）に実質的に等しい値になっている。このため、
定常点灯状態では、マイクロ波は導波管の給電窓でほと
んど反射することなく空洞共振器に向かって放射され、
上述のプラズマ放電がマイクロ波放電ランプ内で効率よ
く行われている。また、従来のマイクロ波放電ランプで
は、点灯動作の開始から定常点灯状態に達するまで数秒
を要するが、例えば特開昭５７ー６３７６８号公報に示
されているように２種以上のハロゲンをマイクロ波放電
ランプ内に封入することにより、点灯の開始から定常点
灯状態に達するまでの時間を１秒程度に短縮しているも
のもある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来のマ
イクロ波放電ランプでは、その周囲温度などの環境条件
の変化により、内部で生じるプラズマ放電が変動しプラ
ズマ放電による損失もまた変化するという問題点があっ
た。この環境条件の変化による影響により、共振器の入
力インピーダンスと電源側のインピーダンスとが等しい
値にならず、共振器と導波管との整合条件が満たされな
いという問題点を生じた。さらに、そのことにより、マ
イクロ波が導波管の給電窓でマグネトロン部側に反射す
ること、及びマイクロ波がメッシュ板から外部に漏洩す
ることなどの問題があった。その結果、所定のマイクロ
波電磁界を空洞共振器の内部空間に形成できず、そのこ
とにより、光出力を効率よく放射することができないと
いう問題点を生じた。すなわち、マイクロ波がマグネト
ロン部側に反射した場合には、アンテナから放射された
マイクロ波に反射したマイクロ波が重畳してマイクロ波
がひずむことにより、空洞共振器の内部空間に所定のマ
イクロ波電磁界を形成できないという問題点を生じた。
さらに、反射したマイクロ波がアンテナに入射すること
により、マグネトロン部に異常を発生し当該マイクロ波
点灯装置の寿命を低減する恐れがあった。また、マイク
ロ波がメッシュ板から外部に漏洩した場合には、空洞共
振器の内部空間に所定のマイクロ波電磁界を形成でき
ず、かつそのマイクロ波が高周波ノイズとなって、マイ
クロ波点灯装置の周囲にある電子機器に悪影響を与える
という問題点があった。

【０００６】特に、従来のマイクロ波放電ランプでは、
光源（発光する部分）の大きさを小さくするために、当
該放電ランプを小型化した場合、上述の共振器と導波管
との整合条件が満たされないという問題点が特に現れる
ものであった。すなわち、マイクロ波放電ランプの小型
化により、プラズマ放電による損失が低減し、共振器の
入力インピーダンスもまた小さくなる。これに対して、
電源側のインピーダンスは、例えば導波管の内部容積を
小さくすることによりその値を小さくすることができる
ものであるが、導波管は高域通過炉波器（ハイパスフィ
ルタ）の特性を有するものであり、その遮断周波数は導
波管の内部の導波路の形状に依存しているため、小さす
ぎる導波路ではマイクロ波は伝搬できないという別の問
題点が生じた。そのため、電源側のインピーダンスを共
振器の入力インピーダンスに合わせて小さくすることは
実質的にできなかった。上述のように、従来のマイクロ
波放電ランプを小型化した場合には、共振器と導波管と
の整合条件が満たされなかった。また、光源を小さくす
るということは、光源からの光出力をレンズや反射鏡な
どで集光して用いる場合、例えばインターナショナル、
シンポジウム、ダイジェスト、技術報告、第２４巻、ｐ
７１６ー７１９、（”Small Long-Lived StableLight S
ource for Projection-Display Applications”）に示
されているマイクロ波放電ランプを投写型表示装置のバ
ックライト光源として用いる場合において、バックライ
ト光源からの光出力を効率よく取り出すために、強く要
望されるものである。しかしながら、従来のマイクロ波
放電ランプでは、上述したように、小型化した場合で
は、共振器と導波管との整合条件が満たされないという
問題点を生じ、従来のマイクロ波放電ランプを投写型表
示装置のバックライト光源などに用いることは困難なも
のであった。

【０００７】この発明は上述の課題を解決するためにな
されたものであり、マイクロ波放電ランプの環境条件の
変化による影響を低減し、光出力を効率よく放射するこ
とができるマイクロ波放電ランプを提供することを目的
とする。また、この発明は、マイクロ波放電ランプを小
型化した場合でも、共振器と導波管との整合条件を容易
に満たすことができるマイクロ波放電ランプを提供する
ことを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、第１の発明のマイクロ波放電ランプは、プラズマ放
電を発光に利用した無電極の放電ランプであって、共振
器内に形成されるマイクロ波電磁界の中に配置され、希
ガスと実質的に可視光放射をしないプラズマ放電発光物
質を封入した外管と、前記外管の内部に配置され、前記
外管の封入物質とは異なるプラズマ放電発光物質を封入
した内管とを具備し、前記外管での発光に寄与しないプ
ラズマ放電による損失を他の損失に付加することにより
導波管のインピーダンスと共振器との入力インピーダン
スとの整合条件を満足させることを特徴とする。このよ
うに構成することにより、マイクロ波放電ランプの環境
条件の変化による影響を低減する。

【０００９】さらに第２の発明のマイクロ波放電ランプ
では、第１の発明の特徴に加えて、前記プラズマ放電が
生じた場合に、可視領域の光を発光する物質を少なくと
も前記内管に封入したことを特徴とする。このように構
成したことにより、マイクロ波放電ランプを小型化した
場合でも、共振器と導波管との整合条件を容易に満たす
ことができる。

【００１０】

【００１１】

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明によるマイクロ波放
電ランプの好ましい実施の一形態について説明する。図
１は、本発明の実施例１であるマイクロ波放電ランプを
備えたマイクロ波点灯装置の基本構成を示す構成図であ
る。図１において、マイクロ波点灯装置１は、マイクロ
波を発生するマグネトロン部１０、当該マイクロ波を空
洞共振部１３に伝導する導波管１２、及び空洞共振部１
３内に配置されるマイクロ放電ランプ２とで構成されて
いる。マグネトロン部１０は、例えば２４５０ＭＨｚの
マイクロ波を例えば２５０〜４００ｗの出力で発生する
マグネトロン本体１０ａ、発生したマイクロ波を放射す
るアンテナ１０ｂ、及びマグネトロン本体１０ａを冷却
するファン１０ｃを具備している。マグネトロン本体１
０ａには、駆動用の高圧電源１１が接続されている。導
波管１２は、例えば矩形状の断面を有する金属製の箱体
であり、その一端部側にはアンテナ１０ｂを収納し、他
端部側には給電窓１２ａが設けられている。この導波管
１２は、例えばＥＩＡ（Electronic Industries Associ
ation）規格に基づいて、２１７０ＭＨｚから３３００
ＭＨｚのマイクロ波を効率よく伝導するように、長さ及
び矩形状の断面の寸法が、１００ｃｍ及び８６.３６ｍ
ｍ×４３.１８ｍｍに形成されている。空洞共振部１３
は、金属製の略円筒体で構成され、一方の開口端部が導
波管１２の給電窓１２ａを取り囲むように導波管１２の
表面上に取り付けられている。また、他方の開口端部は
光出力の取り出し口であり、金属製のメッシュ板１３ａ
が設けられている。この空洞共振部１３の内部空間は、
マイクロ波のエネルギーを蓄積する空洞共振器を形成
し、給電窓１２ａからマイクロ波が放射された場合に、
その内部空間に所定のマイクロ波電磁界を形成する。ま
た、空洞共振部１３は、後述の整合条件が満たされてい
る場合では、マイクロ波をメッシュ板１３ａから外部に
漏洩することなく、マイクロ波放電ランプ２内でプラズ
マ放電を効率よく生じることができ、光出力をメッシュ
板１３ａから外部にむだなく放射することができる。さ
らに、空洞共振部１３の内壁には、光出力を効率よく取
り出すために、可視光に対する反射鏡（図示せず）が設
けられている。

【００１３】本発明のマイクロ波放電ランプ２を図２を
参照して説明する。図２は、本発明の実施例１であるマ
イクロ波放電ランプの拡大斜視図である。図２に示すよ
うに、マイクロ波放電ランプ２は、上記所定のマイクロ
波電磁界内に配置される球形の気密の外管３と外管３の
内部に同心的に配置される球形の気密の内管４とで構成
され、この両者は石英ガラスなどで形成された支持棒５
により空洞共振部１３の内部空間に配置保持されてい
る。尚、支持棒５は、外管３の気密性を損なうことな
く、外管３及び内管４を支持している。外管３及び内管
４は、透光性を有する石英ガラス、あるいはアルミナな
どで形成されている。また、外管３の直径は、例えば３
０ｍｍ（従来の類似規格の１重管の外形と略同等）であ
り、内管４の直径は、従来の１重管の約１／３０から１
／３である１ｍｍから１０ｍｍである。外管３の内部に
は、アルゴンなどの希ガスと、水銀などの発光に寄与せ
ず、プラズマ放電をした場合に不可視領域の発光スペク
トルを有する光を発光する物質とが封入されている。ま
た、内管４の内部には、アルゴンなどの希ガスと、金属
ハロゲン化物などの発光に寄与し、プラズマ放電をした
場合に可視領域の発光スペクトルを有する光を発光する
物質が封入されている。この発光に寄与する物質の具体
例としては、ヨウ化ナトリウムなどの単独で可視領域全
体の発光スペクトルを有する光を発光するもの、あるい
はヨウ化ガドリニウム、ヨウ化ルテチウム及びヨウ化タ
リウムなどの複数の金属ハロゲン化物を組み合わせたも
のがある。また、発光に寄与する物質として、上述の金
属ハロゲン化物の代わりに、太陽光線に近い発光スペク
トルを有する光を発光するイオウを用いてもよい。尚、
消灯状態における外管３及び内管４の内圧は、始動動
作、すなわち後述の希ガスのプラズマ放電の開始を容易
なものとするために、数ｋＰａ〜数十ｋＰａに調整され
ている。外管３及び内管４の形状は、球形に限定される
ものではなく、また内管４が外管３の内部に適当な間隔
をもって配置されているのであれば、互いに相似形に構
成する必要もない。このように、マイクロ波放電ランプ
２を外管３と内管４との２重構造とすることにより、マ
イクロ波電磁界による後述のプラズマ放電において、内
管４の内部でマイクロ波放電ランプ２の周囲温度などの
環境条件による影響を受けることなく所定のプラズマ放
電を行うことができ、マイクロ波放電ランプ２の環境条
件による影響を低減することができる。また、外管３の
内部に上述の発光に寄与する物質を封入しても動作及び
寿命にとってなんら問題はなく、本発明のマイクロ波放
電ランプ２では、光源として要求される性能を満たすた
めに、外管３と内管４の各封入物質に最適なものを選択
することができる。

【００１４】次に、マイクロ波点灯装置１の動作につい
て説明する。高圧電源１１からマグネトロン本体１０ａ
に高圧電圧が供給されると、マグネトロン部１０が動作
して、２４５０ＭＨｚのマイクロ波がアンテナ１０ｂか
ら導波管１２の内部に放射される。このマイクロ波は、
導波管１２内を伝導して給電窓１２ａから空洞共振部１
３に放射され、空洞共振部１３の内部空間で所定のマイ
クロ波電磁界を形成する。そして、当該マイクロ波電磁
界により、まず内管４の内部で、希ガスが絶縁破壊を起
こしてプラズマ放電を開始し、続いて外管３の内部で、
希ガスが絶縁破壊を起こしてプラズマ放電を開始する。
そして、これらのプラズマ放電により、外管３及び内管
４の各内壁温度が上昇し、そのことにより、水銀及び金
属ハロゲン化物が蒸気化して外管３及び内管４の各内圧
を上昇する。そして、内管４の内壁温度の最冷点温度及
び内圧がそれぞれ所定の値（例えば、５００℃〜６００
℃及び１０１.３ｋＰａ〜２０２.６ｋＰａ）で安定する
状態、すなわち定常点灯状態においては、封入された金
属ハロゲン化物により定まる発光スペクトルを有する光
が、金属蒸気のプラズマ放電により内管４の内部に生
じ、光出力として空洞共振部１３のメッシュ板１３ａか
ら外部に放射される。尚、上述の定常点灯状態では、外
管３及び内管４の各内圧の分圧では金属蒸気の圧力が希
ガスの圧力よりも大きい割合を占めている。また、この
定常点灯状態では、導波管１２と、空洞共振部１３とマ
イクロ波放電ランプ２とで構成される共振器との整合条
件が満たされている。すなわち、２重構造を用いたこと
により、外管３及び内管４内のプラズマ放電による損失
や共振空洞部１３の内壁に発生するうず電流による適度
な損失などに依存する共振器の負荷が、消灯状態での値
より大きくなり、導波管１２が有するインピーダンスに
実質的に等しい値になっている。このため、定常点灯状
態では、マイクロ波は導波管１２の給電窓１２ａでほと
んど反射することなく空洞共振部１３に向かって放射さ
れ、プラズマ放電がマイクロ波放電ランプ２内で効率よ
く行われている。その結果、本発明のマイクロ波放電ラ
ンプ２では、光出力をメッシュ板１３ａから外部に高効
率で放射することができる。尚、上述のマグネトロン部
１０の代わりに、コイルに高周波電流を流すことにより
マイクロ波電磁界を形成し、本発明のマイクロ波放電ラ
ンプ２を放電発光してもよい。また、上述したように、
外管３に発光に寄与しない物質を封入し、内管４に発光
に寄与する物質を封入することにより、光源を小さくす
ることができ、マイクロ波放電ランプ２を小型化した場
合でも、導波管１２と共振器との整合条件を容易に満た
すことができる。すなわち、内管４内のプラズマ放電に
よる損失や共振空洞部１３の内壁に発生するうず電流に
よる損失などに、外管３での発光に寄与しないプラズマ
放電による損失を付加することにより、上述の共振器の
負荷を導波管１２が有するインピーダンスに対して実質
的に等しいものにすることができ、導波管１２と共振器
との整合条件を容易に満たすことができる。

【００１５】以上のように、本発明のマイクロ波放電ラ
ンプ２は、外管３と内管４との２重構造とすることによ
り、マイクロ波放電ランプ２の周囲温度などの環境条件
による影響を受けることなく、内管４内でのマイクロ波
電磁界による所定のプラズマ放電を行い、マイクロ波放
電ランプ２に対する環境条件による影響を低減してい
る。また、外管３の内部に発光に寄与しない物質を封入
することにより、導波管１２と共振器との整合条件を満
たして、光源を小さくしている。

【００１６】

【発明の効果】本発明によれば、マイクロ波電磁界の中
に配置される外管と外管の内部に配置される内管との２
重構造とすることにより、マイクロ波放電ランプの環境
条件による温度、風、湿度等の影響を受けることなく内
管内で設計通りの所定のプラズマ放電を行うことがで
き、マイクロ波放電ランプに対する環境条件による影響
を低減できる。また、外管に発光に寄与しない物質を封
入し、内管に発光に寄与する物質を封入することによ
り、光源の寸法を内管のそれに限定して従来のものより
小さくすることができる。また、内管内のプラズマ放電
による損失や共振空洞部の内壁に発生するうず電流によ
る損失などに、外管での発光に寄与しないプラズマ放電
による損失が付加されるので、導波管と共振器との整合
条件を容易に満たすことができる。その結果、マイクロ
波放電ランプを小型化した場合でも、光出力を高効率で
放射することができて、マイクロ波放電ランプを投写型
表示装置のバックライト光源などに容易に用いることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１であるマイクロ波放電ランプ
を備えたマイクロ波点灯装置の基本構成を示す構成図。

【図２】本発明の実施例１であるマイクロ波放電ランプ
の拡大斜視図。

【符号の説明】

２マイクロ波放電ランプ３外管４内管１３空洞共振部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 65/04

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマ放電を発光に利用した無電極の
放電ランプであって、共振器内に形成されるマイクロ波
電磁界の中に配置され、希ガスと実質的に可視光放射を
しないプラズマ放電発光物質を封入した外管と、前記外
管の内部に配置され、前記外管の封入物質とは異なるプ
ラズマ放電発光物質を封入した内管と、を具備し、前記
外管での発光に寄与しないプラズマ放電による損失を他
の損失に付加することにより導波管のインピーダンスと
共振器との入力インピーダンスとの整合条件を満足させ
ることを特徴とするマイクロ波放電ランプ。
【請求項２】プラズマ放電が生じた場合に、可視領域
の光を発光する物質を少なくとも前記内管に封入したこ
とを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波放電ラン
プ。