JP2001523377A - マイクロ波エネルギを無電極ランプへ結合させる装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 マイクロ波エネルギの供給源（１１）が、その一つの壁（１７）に沿ってスロット（１６）を具備する導波路（１４）へ接続している。無電極ランプ（２１）を取囲む公称的に円筒状のキャビティ（１８）が一端が閉じられており且つ第二端がスロット（１６）へ結合されている。公称的に円筒状のキャビティ（１８）は非円筒状表面部分（２６）を具備しており、それはスロット（１６）からの第一の主要な共振モードと直交する第二共振モードに対する結合を増加させ、無電極ランプの領域において高い振幅の定在波を形成する。ランプの点火が発生すると、ランプのインピーダンスが著しく減少し、且つ照明を持続させるためのマイクロ波パワーのほとんどが第一共振モードで無電極ランプへ結合され、マイクロ波供給源（１１）に対して実質的に整合された負荷を発生する。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 マイクロ波エネルギを無電極ランプへ結合させる装置 発明の詳細な説明 本発明は、無電極ランプを信頼性を持って始動させるために高強度の電界成分 を与える装置に関するものである。 特に、ランプを点火させるための高強度の電界を形成するために第一モードで マイクロ波エネルギを送給すると共に、点火されたランプに対してエネルギを送 るための第二のインピーダンスが整合されたモードを与えるマイクロ波回路が提 供される。 最近、無電極光源は半導体装置製造、種々のコーティング及びインクのキュア リング即ち硬化、及び可視光を与えるための光源としての多様な適用例を見出し ている。一般的に、これらの光源はプラズマ形成用媒体を収容する被包体即ちバ ルブを有している。該被包体がマイクロ波エネルギフィールド内に配置されると 、該被包体内のガスがイオン化する。低圧力プラズマ放電が該バルブ内に形成さ れ、該被包体を加熱し、該被包体内の硫黄などの物質を気化させて光を発生する 。 硫黄を基礎とした無電極ランプは、アルゴン又は キセノンとすることの可能な稀ガスと共に、光発生用の充填物として硫黄とセレ ンの任意の組合わせを有することが可能である。硫黄及びセレンは、最初に、被 包体の壁上に凝縮し、且つ該稀ガスを使用して放電を開始させる。マイクロ波供 給源によって供給された電界が該稀ガスをイオン化させ、低圧プラズマを形成す る。該低圧プラズマは被包体を加熱し且つ硫黄及びセレンが気化することを可能 とし、プラズマ圧力を上昇させ且つ極めて効率の高い光源を形成する。 硫黄を基礎とした無電極ランプの光出力は、バルブ内のガスの質量を上昇させ ることによって増加させることが可能である。増加された質量はプラズマの熱伝 導率を減少させ且つバルブの壁を介してのパワーの損失をより低いものとさせる 。バルブ内のガスの質量を上昇させるために、光の色に関する制御に妥協をする ことなしに硫黄又はセレンの量を増加させることは不可能である。従って、より 高い光出力を与えるために調節することの可能な変数は稀ガス質量及び圧力であ る。重たい稀ガスの圧力を上昇させると、該稀ガスのイオン化を開始させるのに 必要な電界も上昇させる。例えば低圧アルゴンガスを始動させるのに充分な電界 を発生させるマイクロ波回路は無電極ランプにおいて使用されるより高い圧 力のキセノンガスを点火することはない。より高い圧力のランプを点火させるた めには、一層高い電界を得ねばならない。一層高い電界を得るためにマイクロ波 パワーを増加させる自明な解決方法はコストを増加させるために不所望なもので ある。より低い圧力のより低い光発生無電極ランプにパワー即ち電力を供給する ために使用されるのと同一の従来のマイクロ波供給源から一層高い電界を与える マイクロ波回路が必要である。 マイクロ波エネルギの供給源と結合されているキャビティ即ち空胴内に位置さ れているランプのイオン化を開始させるために電界強度を上昇させようとする場 合に複雑な問題が発生する。点火が発生する前に、該ランプはマイクロ波供給源 へ結合されている高いリアクティブ／容量性リアクタンスを示す。マイクロ波回 路がランプに対して高い電界始動条件を与えるように同調されている場合には、 ランプが点火すると、より抵抗性でありより低いインピーダンスの負荷がマイク ロ波供給源に対して提供される。点火に続くマイクロ波回路の再同調が可能であ るが、民生適用例に対して明らかな欠点を与える。本発明は無電極ランプが点火 された場合にマイクロ波供給源に対して実質的にインピーダンスが整合された条 件を与えると共に、高圧無電極ランプを点火するため の高い始動電界条件を提供しようとするものである。 発明の要約 本発明によれば、点火に続いて無電極ランプに対してインピーダンス整合を与 えると共に、無電極ランプの点火前及び点火期間中に無電極ランプを高い電界で 励起するマイクロ波回路が提供される。本マイクロ波回路は、マイクロ波供給源 を、無電極ランプを収容する公称的に円筒形状のキャビティ（空胴）へ結合させ る。該公称的に円筒状のキャビティは、マイクロ波エネルギの第一及び第二直交 共振モードをサポートすべく修正されている。第一モードは点火されたランプに 対して持続用のマイクロ波エネルギを供給し、一方第二モードはランプを点火さ せるための静電界を与える。点火されると、無電極ランプはキャビティの表面に 包含される種々の孔を介して光を射出させる。点火前の状態から点火状態へのラ ンプのインピーダンス変化はランプを始動させるために使用された第二モードに おけるよりも第一モードにおいてより多くのパワー即ち電力を送給させる。 第一及び第二モードは、公称的に円筒状のキャビティ内において支持される直 交する横電界ＴＥ₁₁₁共振モードとすることが可能である。公称的に円筒状のキ ャビティはマイクロ波供給源へ接続されている導波路のセクション内に位置され ている直線状のス ロットを介してマイクロ波供給源へ結合される。公称的に円筒状のキャビティの 形状を変化させることによって、円筒状のキャビティによって支持される第一及 び第二直交モードは回転され、僅かに第二モードへの結合を増加させる。点火期 間中に、第二モードは高いリアクタンスを示すランプに対してキャビティ内の高 い定在波の形態で高い振幅の電界を送給する。ランプの点火及びそのインピーダ ンスの低下に続いて、整合されたか又は実質的に整合されたインピーダンスが第 一共振モードを介してマイクロ波供給源へ反射される。 図面の簡単な説明 図１は無電極ランプを照明させるための本発明の一実施例のマイクロ波回路を 介して結合されているマイクロ波供給源を示している。 図２は図１の装置の平面図である。 図３はスロットから円筒状キャビティへの第一及び第二直交モードにおいての マイクロ波エネルギの結合状態を示している。 図４は円筒状キャビティによって長尺状スロットへ反射されるインピーダンス を示している。 図５は長尺状のスロットから修正された円筒状キャビティの直交モードに対す る結合における増加を示している。 図６は直交モードに対する結合エネルギを増加させることから得られるスロッ トにおいて見た場合のインピーダンスを示している。 図７は第二共振モードに対する結合を増加させるための修正した円筒状キャビ ティの別の実施例を示している。 図８は第二共振直交モードに対する結合を増加させるための図７の円筒状キャ ビティの平面図である。 図９は第二直交モードに対する結合を増加させるための円筒状キャビティに対 する別の修正例を示している。 図10は図９の平面図である。 図11は第二直交共振モードを介して無電極ランプに対するマイクロ波エネルギ の結合を増加させるために本発明の別の実施例に従って修正した円筒状キャビテ ィの正面図である。 図12は図11の装置の平面図である。 好適実施例の説明 次に、図１を参照すると、マイクロ波エネルギで無電極ランプ２１を励起させ る装置が示されている。図１の装置は、無電極ランプ２１内の稀ガスをイオン化 させるために円筒状キャビティ１８内に高い電界を確立する。無電極ランプ技術 において公知の如く、イオン化されたガスはランプ内の硫黄を加熱し て可視光を発生する。図１の装置はマイクロ波エネルギの供給源を有しており、 それは２．４ＧＨｚ周波数範囲で動作する従来のマグネトロン１１とすることが 可能である。マグネトロン１１は矩形状の導波路１４へ結合されており、マグネ トロン１１のアンテナ１２によって発生されたエネルギは導波路１４内に進行波 を励起させる。 導波路１４の端部１５は図２において理解されるような長尺状のスロット１６ を有しており、それは矩形状の導波路の幅寸法に沿って延在している。長尺状の スロット１６はマイクロ波エネルギを円筒状キャビティ１８内へ結合させ、キャ ビティ１８はワイヤメッシュ又は光透過性の孔を有するその他の表面から形成さ れている。円筒状キャビティ１８は誘電体ミラー１９を支持しており、それは本 装置からの全光出力を向上させる。 無電極ランプ２１は回転シャフト２２上に支持されており、該シャフトは誘電 体ミラー１９における開口を介して延在している。羽根２４によって冷却される モータ２３が無電極ランプ２１を約３，０００ｒｐｍで回転させる。該ランプの 回転はランプ被包体温度を低下させてランプの寿命を促進させる。図１及び２は 公称的に円筒状のキャビティ１８が導波路１４の壁上のフランジ１３へ接続して おり、且つ スロット１６へ結合されており、且つ他方の端部においてはワイヤメッシュ表面 で閉じられていることを示している。物体２６が円筒状壁１７と接触している。 該円筒状のキャビティは、以下の説明から明らかなように、公称的に円筒状の形 状を維持するものであるが、物体２６のために、円筒状キャビティのマイクロ波 共振特性は物体２６によって起こされる対称性における変化によって修正される 。 円筒状キャビティ１８のこの修正の効果は、長尺状のスロットへ結合されてい る円筒状キャビティ内に存在する二つの常駐のモードＴＥ₁₁₁及びＴＥ₁₁₁（直交 ）の各々を観察することによって説明することが可能である。図３の実質的に円 筒状のキャビティ２８は導波路１４の壁に対して垂直な長手軸を有しており且つ 図３に示した二つの共振モードＴＥ₁₁₁及びＴＥ₁₁₁（直交）をサポートする。長 尺状のスロット１６はスロット１６に対して垂直なＥ電界成分Ｅ１及びより小さ な平行成分Ｅ２をキャビティ２８のそれぞれの直交するモードへ結合させる。 導波路１４から結合される電界成分Ｅ１及びＥ２の配向の結果として、キャビ ティ２８内において励起される主要なモードは図３においてＴＥ₁₁₁として示し たものである。第二モードＴＥ₁₁₁（直交）は非常に僅かな範囲へ励起される。 図４はランプの点火 前のキャビティ２８によって提起されるインピーダンスを極座標を基礎にして周 波数の関数として示してある。非常に低い周波数及び非常に高い周波数がスロッ ト１６に対する短絡回路として表われる。周波数が増加すると軌跡が時計方向に 移動し、チャート直径内において円をトレースし、キャビティ２８に対しても過 結合共振を示す。真の円筒表面からの該キャビティの対称性における何らかの歪 みは３１として示した小さなループを付加し、与えられた周波数において直交モ ードＴＥ₁₁₁（直交）モードへより多くのエネルギが結合されていることを表わ す。 歪み３１は、非常に狭い帯域幅の場合には、該スロットに対する反射係数及び インピーダンス整合において改良が存在していることを示しており、円筒状キャ ビティ２８の表面を真の円筒表面から変形させることはＴＥ₁₁₁（直交）モード に対してより多くのエネルギを結合させることが可能であり、従って無電極ラン プ２１を収容している負荷が掛けられたキャビティ２８とスロット１６との間に おいての整合を改善することを示している。 図５は円筒状キャビティ２８の表面と接触して物体２６を与えることによって 、物体２６の近傍においてその表面内に歪みを有する公称的にのみ円筒状である に過ぎないキャビティが得られることを示し ている。図５に示したように、その効果は、第一及び第二直交共振モードＴＥ_{11 1} 及びＴＥ₁₁₁（直交）の軸をスロット１６に関して回転させることである。 スロット１６からの静電界成分Ｅ１は図３に示したものと比較してＴＥ₁₁₁（直 交モード）に対する結合を増加させる。従って、円筒状キャビティ２８の表面に 対する歪みを表わす円３１は図６のインピーダンスプロットにおいて示した３２ のものと類似している。インピーダンスプロット３２内におけるより小さな直径 の円は、共振キャビティ構成体２８と長尺状のスロット１６によって与えられる マイクロ波照射供給源との間の非常に狭い周波数範囲に対して整合が存在してい ることを示している。インピーダンス整合の周波数は、共振キャビティ２８内に おいて高い定在波比を発生し、それは共振キャビティ２８と導波路１４内におけ るスロット１６との間に大きなリアクタンスを発生させる。共振直交モードＴＥ₁₁₁ （直交）は主要なモードＴＥ₁₁₁のパワーの一部のみで駆動されるものである が、無電極ランプ２１の近傍において非常に高い振幅の定在波を与える。マグネ トロンが図６の円で示した共振周波数で動作している場合には、非常に強い電界 が無電極ランプ２１の近傍内に存在する。 ランプ２１が点火すると、ランプのインピーダン スが高い容量性リアクタンスから４，０００乃至５，０００Ωのより低い実質的 に抵抗性の負荷へ劇的に降下する。点火されたランプ２１によるキャビティ２８ の負荷は、ランプ２１の照明を持続させるための主要なモードＴＥ₁₁₁を介して のインピーダンス整合を与える。そのより低いインピーダンスは、負荷されてい るキャビティ２８へ送給されるエネルギの量を直交モードＴＥ₁₁₁（直交）から 主要なモードＴＥ₁₁₁へシフトさせる。 従って、無電極ランプ２１の点火を始動させるためには、キャビティ２８内に 高い電界を発生させるために二次的な直交モードＴＥ₁₁₁（直交）を使用するこ とが可能であることを理解することが可能である。点火が発生すると、マイクロ 波スロット１６へ反射されるインピーダンスが直交モードにおける実効的なマイ クロ波パワーの送給を減少させ、且つランプ２１へのパワーの送給は主要なＴＥ₁₁₁ モードによって維持される。 直交モードＴＥ₁₁₁（直交）モードへのエネルギを結合させる能力は公称的に 円筒状のキャビティを発生させるために円筒状キャビティ１８の円筒表面を変形 させることから発生し、該キャビティはその表面に沿って歪みを有しており、そ れは第一及び第二共振モードの第一及び第二の直交軸の軸をシフトさ せる。 図７，８，９，１０，１１，１２は公称的に円筒状のキャビティを与えるその 他の形態を示している。図７及び８は直径方向に対向したテーパ状の隆起部３４ 及び３６を有する円筒状キャビティ１８を示している。テーパ状の隆起部３４， ３６は円形状のスクリーン表面に襞を形成することによって構成されている。テ ーパ状の隆起部３４，３６は円筒状キャビティ１８の第二の閉じた端部において 開始し且つ反対側の端部に向かって延在しており、円筒状キャビティ１８の全体 的な直径を減少させている。その結果、円筒状のキャビティ１０を、直交共振モ ードＴＥ₁₁₁（直交）に対する結合を増加させる表面隆起部３４及び３６を具備 する公称的に円筒状のキャビティへ変化させる。図７及び８に示した実施例は、 無電極ランプ２１の点火に続いて、第二直交モードＴＥ₁₁₁（直交）におけるパ ワーの送給においてさらなる減少を与える。無電極ランプ21の定常状態動作期間 中に、第一の主要なＴＥ₁₁₁モードで結合されたエネルギは、それが無電極ラン プ２１を通過して伝搬する際に吸収される。円筒状キャビティ表面１８における 歪みの効果は定常状態インピーダンスに対してはほとんど影響を有するものでは ない。なぜならば、該歪みはランプ２１を超えた位置にあるから である。テーパ状の隆起部３４及び３６に到達するパワーは完全にイオン化され た無電極ランプ２１によって減少され、テーパ状の隆起部３４及び３６からの反 射の大きさを減少させる。 図９及び１０は直交モードに対する結合を増加させるために円筒状キャビティ 表面に設けられた別の歪みを表わしている。キャビティ１８の３８及び３９にお ける表面は実質的に平坦状であり、キャビティ１８に沿ってゼロの曲率を発生し 、円筒状キャビティ１８の半径方向に対応した部分に沿っての全長の平坦部分３ ８及び３９を発生している。 図１１及び１２は、円筒状キャビティ１８の円筒対称性が変更された場合の別 の実施例を表わしている。キャビティ１８の内側にそれと接触して二つの垂直な 隆起部４１，４２が配置されている。この変更された対称性は、直交モードに対 する結合における増加を発生させる。 円形状のキャビティ１８に対する前述した変形例は、円筒状キャビティを構成 する円形状のスクリーンに対して力を付与することによって実現させることが可 能である。スクリーン表面は適宜の形状で永久的に変形され、基本的に円形状の キャビティであったものをスロット１６からのマイクロ波エネルギのランププラ ズマを点火させるための第二直交モー ドへの結合を向上させる表面部分を包含する公称的に円形状のキャビティへ変化 させる。当業者は、以下の請求の範囲によって定義される更にその他の実施例を 認識する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ， ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，Ｆ Ｉ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ， ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，Ｍ Ｘ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ， ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．点火された場合の第一値から点火後の第二定常状態値へ変化するインピ ーダンスを持った無電極ランプを励起する装置において、 マイクロ波エネルギ供給源、 前記マイクロ波エネルギ供給源へ結合されており、その一つの壁に沿って実質 的に矩形状のスロットを具備する矩形状の導波路、 無電極ランプを包囲しており、前記スロットへ結合している一端を具備してお り前記壁に対して垂直な軸を持っており、且つ第二の閉じた端を具備しているキ ャビティであって、複数個の光射出用孔を有しており、前記スロットからの電磁 放射の第一モードをサポートする公称的に円筒状の表面であって、前記スロット からの電磁放射の第二モードにおいてエネルギの結合を増加させる円筒状ではな い部分を包含する公称的に円筒状の表面を有するキャビティ、を有しており、前 記第二モードの電磁放射が前記ランプを点火させるために前記無電極ランプに対 して大きな電界成分を与え、且つ前記第一モードが点火に続く前記ランプの照明 を維持するために前記ランプに対しての大部分の電磁放射を与える、装置。 ２．請求項１において、前記第一及び第二モードが互いに直交する電界を有 している装置。 ３．請求項１において、前記非円筒状の部分が前記キャビティの前記表面の 一部の曲率を減少させることによって与えられている装置。 ４．請求項１において、前記非円筒状部分が円筒状キャビティの端部におけ る隆起部によって与えられている装置。 ５．請求項１において、前記非円筒状部分が前記公称的に円筒状の表面の表 面と接触している導電性物体を与えることによって形成されている装置。 ６．請求項３において、前記曲率が円筒状キャビティの表面上に実質的に平 坦な部分を与えるために減少されている装置。 ７．請求項１において、前記非円筒状部分が前記公称的に円筒状の部分の表 面における一対のテーパ状の隆起部を有している装置。 ８．請求項１において、更に、前記無電極ランプの有用な光出力を増加させ るために前記キャビティ内に位置されているミラーを有している装置。 ９．請求項１において、前記非円筒状部分が前記無電極ランプと前記第二端 との間に位置されており、前記ランプの点火に続いて、前記非円筒状部分に到達 するマイクロ波エネルギが減少されて前記非円筒状部分から反射されるエネルギ を減少させる装置。 １０．点火前の第一値から点火後の第二値へ変化するインピーダンスを有す る無電極ランプを励起する装置において、 マイクロ波エネルギの供給源、 前記マイクロ波エネルギの供給源へ接続されておりその壁に沿ってスロットを 有している導波路、 第一及び第二の直交モードでマイクロ波エネルギをサポートする前記スロット へ一端が結合されている公称的に円筒状のキャビティであって、その第二端が閉 じられており且つ無電極ランプを包囲する孔が設けられた表面を有しており、前 記第二モードにおいて前記スロットからの結合を増加させるために円筒状ではな い表面部分を有しており、前記ランプを点火させるために前記キャビティ内に高 い定在波比を発生させる公称的に円筒状のキャビティ、 を有しており、前記公称的に円筒状のキャビティは後に前記点火されたランプに よって負荷が掛けられ且つ前記第二モードにおいて前記ランプへ結合されるエネ ルギが減少されて前記第一モードによってマイクロ波エネルギが供給される装置 。 １１．請求項１０において、前記非円筒状部分が前記第二端と前記無電極ラ ンプとの間に位置されており、点火の後に、前記ランプは前記キャビティ内にお いて前記マイクロ波エネルギのほとんどを散 逸させ、点火の後に前記非円筒状表面部分へ入射するマイクロ波エネルギを減少 させる装置。 １２．請求項１１において、前記キャビティの前記非円筒状部分が減少され た曲率を持った円筒状表面の一部から形成されている装置。 １３．請求項１０において、前記非円筒状部分が円筒状表面に形成した隆起 部である装置。 １４．請求項１０において、前記非円筒状部分が円筒状キャビティの変形し たセクションを有している装置。