JP2004087360A - 無電極放電ランプを用いた光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光効率の良好な無電極放電ランプを用いた光源装置を提供する。
【解決手段】開口部３ｂを有する導体ケース３と、導体ケース３の内部にあって、先端部が開口部３ｂに向かい、他端が導体ケース３の他側面３ｃに固定された共振器６Ａと、共振器６Ａの先端部に設けられた放電ランプ５と、開口部３ｂに設けられ、共振器６Ａの先端部を挿入する開口部４ａを有しており、放電ランプ５からの放電発光光を反射して、開口部３ｂより放射する回転楕円面ミラー４と、導体ケース３の底面に設けられた支持台７と、支持台７の表面に設けられたマイクロストリップ線路９と、マイクロストリップ線路９にマイクロ波を供給する電源１６とからなり、共振器６Ａの先端部に接する無電極放電ランプ５の発光部１９の断面積を、共振器６Ａの先端部の断面積と等しく、もしくは大きく構成した。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波の電界により放電し発光する無電極放電ランプを用いた光源装置に係り、特に、発光効率が良好となる構造を有する無電極放電ランプを用いた光源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
無電極放電ランプを用いた光源装置は、発光部である無電極放電ランプに電極を有していないので、メタルハライド、キセノンランプ等の有電極放電ランプのように、発光時のプラズマによって電極が消耗しランプの寿命を短縮させてしまう問題がなく、長寿命化が図れるという特徴を有している。そのため、紫外線硬化インクの光源装置用、液晶プロジェクタ等の光源装置用に適用すべく検討がなされている。
【０００３】
従来の無電極放電ランプを用いた光源装置について、図５を用いて以下に説明する。
図５は、従来例の無電極放電ランプを用いた光源装置を示す構成図である。
同図に示すように、無電極放電ランプを用いた光源装置１は、高周波電源部２０と無電極放電ランプ部３０とから構成される。
無電極放電ランプ部３０は、内部が中空で、かつ前面部３ａの中央部に開口部３ｂを有し、アルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）などの良導電性の金属を用いて形成された箱状または円筒状の接地用導体ケース（シールドケース）３と、先端が前面部３ａの開口部３ｂ側に向かい、他端が接地用導体ケース３の背面部３ｃの中央部に固着接地された電気伝導性および熱伝導性の良好なアルミニウムや銅または銅合金からなる棒状の共振器６と、湾曲面の底面側が共振器６の先端側になるように配置され、かつ共振器６が貫通する開口部４ａを有し、接地用導体ケース３の開口部３ｂに固定された回転楕円面ミラー４と、開口部３ｂを覆うようにして接地用導体ケース３に取り付けられた金属からなるメッシュ状の平板状シールド板２と、回転楕円面ミラー４の第１の焦点位置Ｆ１に配置された共振器６の先端に取り付けられた希ガス及び発光物質を封入した無電極放電ランプ５と、接地用導体ケース３の内側底面３ｄに載置された金属製支持台７と、金属製支持台７の表面にアルミナ等からなる誘電体基板８を介して共振器６に対向して、略平行となるように設けられた良導電性の銅箔または金箔等の金属箔からなるマイクロストリップ線路９と、を有して構成されている。
【０００４】
なお、上記共振器６の長さは、マイクロストリップ線路９から放出されるマイクロ波の波長をλｇとした場合、略λｇ／４となるように形成される。
また、上記マイクロストリップ線路９は、インピーダンスが略５０Ωとなるように、誘電体基板８の誘電率を考慮して適当な線幅、厚さでもって形成される。例えば、誘電体基板８として誘電率が８〜１０で厚さが２ｍｍのアルミナを用いた場合には、マイクロストリップ線路９は幅が２ｍｍで厚さが０．１７ｍｍとなるように設定される。
【０００５】
一方、高周波電源部２０は、第１給電線１２、インピーダンス整合器１１、第２給電線３、方向性結合器１４、第３給電線１５、高周波電源１６より構成されている。
また、接地用導体ケース３の背面部３ｃには穿設した孔１０が形成されている。この孔１０を通して、マイクロストリップ線路９とインピーダンス整合器１１とが同軸ケーブルまたは硬質のマイクロ波ケーブルを用いた第１給電線１２によって接続されている。
【０００６】
このインピーダンス整合器１１は、さらに第１給電線１２と同種の第２給電線１３によって、共振器６からの反射波を検出して駆動周波数や整合条件を可変させる方向性結合器１４に接続されている。
この方向性結合器１４は、第１及び第２給電線１２、１３と同種の第３給電線１５によって、マイクロ波を発生する高周波電源１６に接続されている。
上記インピーダンス整合器１１は、高周波電源１６のインピーダンスと、共振器６側のインピーダンスとのマッチングをとるために設けられるものであり、マッチングをとる必要がない場合には第１給電線１２の一端を直接高周波電源１６に接続してもよい。
【０００７】
この無電極放電ランプを用いた光源装置１は、以下のように動作する。
高周波電源１６で発生した６００ＭＨｚ〜１ＧＨｚ程度のマイクロ波を、第３給電線１５、方向性結合器１４、第２給電線１３、インピーダンス整合器１１、第１給電線１２を伝送してマイクロストリップ線路９に供給する。そして、方向性結合器１４により、共振器６からの反射波を検出して共振器６の反射波が小さくなる反射波条件を高周波電源１６に供給する。
【０００８】
この高周波電源１６からは、上記したようにマイクロ波を供給する一方、前記した反射波条件に基づいて共振器６側のインピーダンスとマッチングする整合定数をインピーダンス整合器１１に出力する。そして、インピーダンス整合器１１では、上記した整合定数に基づいて共振器６側と高周波電源１６のインピーダンスがマッチングするように調整する。インピーダンスマッチングしない場合には、反射波が増加する。
ここで、伝送された波長λｖ（自由空間における波長）のマイクロ波を誘電体基板８、空気などの誘電媒体を介してマイクロストリップ線路９の表面より波長λｇで空気中に放出する。
【０００９】
この場合、誘電体および空気の比誘電率を考慮した実効比誘電率をε１とすれば、自由空間におけるマイクロ波の波長λｖと、マイクロストリップ線路９から放出されるマイクロ波の波長λｇとは、次式で表される関係になる。即ち、
λｇ＝λｖ／（ε１）^１／２
となる。
【００１０】
更に、マイクロストリップ線路９から放出された波長λｇのマイクロ波に対して、共振により略λｇ／４の波長のマイクロ波を共振器６で得る。共振器６の長さ（共振長である）は、略λｇ／４である。このマイクロ波の強い電界が無電極放電ランプ（発光管である）５に供給される。無電極放電ランプ５の内部には希ガスと発光物質が封入されている。マイクロ波の電界により、無電極放電ランプ５内に封入されている希ガスが放電し、この放電により発光物質が気化されて、発光物質特有の発光スペクトルの光が発光される。
無電極放電ランプ５で発光した光を、回転楕円面ミラー４で反射させ、接地用導体ケース３の外部に向けて放射する。メッシュ状の導体部２ａからなるシールド板２は、この際に発生する電磁波の漏洩を防ぐ役目を果たしている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、棒状の共振器６から放出されたマイクロ波の電界は、発光物質である希ガスを封止した無電極放電ランプ５の内部で強電界になることが必要である。無電極放電ランプ５の内部で強電界にならない場合には、放出されたマイクロ波のエネルギーの大半は、希ガスの発光に寄与せずに、不要な電磁波として放出、または、近傍物質の加熱に消費されてしまい、発光効率の良好な無電極放電ランプを用いた光源装置を得られないという問題がある。
【００１２】
そこで本発明は、上記問題を解決し、発光効率の良好な無電極放電ランプを用いた光源装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための手段として、本発明は、内部が中空で、かつ一側面（前面部３ａ）に第１開口部（開口部３ｂ）を有する接地用導体ケース３と、前記接地用導体ケース３の内部にあって、先端部が前記第１開口部（開口部３ｂ）に向かい、他端が前記一側面（前面部３ａ）に対向する他側面（背面部３ｃ）に固定された棒状の共振器６Ａと、前記共振器６Ａの前記先端部に設けられた発光部１９を有する無電極放電ランプ５と、前記第１開口部（開口部３ｂ）の縁部に設けられ、前記共振器６Ａの前記先端部を挿入する第２開口部（開口部４ａ）を有しており、前記無電極放電ランプ５の前記発光部１９からの放電発光光を反射して、前記第１開口部（開口部３ｂ）より放射する回転楕円面ミラー４と、前記接地用導体ケース３の内側底面（内側底面部３ｄ）に設けられた金属製支持台７と、前記金属製支持台７の表面に誘電体基板８を介して前記共振器６Ａに対向して、平行となるように設けられたマイクロストリップ線路９と、前記マイクロストリップ線路９にマイクロ波を供給する高周波電源１６と、からなる無電極放電ランプを用いた光源装置であって、
前記共振器６Ａの前記先端部に接する前記無電極放電ランプ５の前記発光部１９の断面積を、前記共振器６Ａの前記先端部の断面積と等しく、もしくは大きく構成したことを特徴とする無電極放電ランプを用いた光源装置である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき、好ましい実施例により、図面を参照して説明する。なお、説明の簡略のため、参照符号については、従来例と同一の構成については同一の参照符号を付し、その説明を省略してある。
【００１５】
＜実施例＞
図１は、本発明の無電極放電ランプを用いた光源装置の実施例を示す構成図である。
同図に示すように、本実施例の無電極放電ランプを用いた光源装置１Ａは、上述した従来の無電極放電ランプを用いた光源装置１において、無電極放電ランプ部３０に代えて無電極放電ランプ部３０Ａとした以外は、無電極放電ランプを用いた光源装置１と同様に構成したものである。さらに、本実施例における無電極放電ランプ部３０Ａは、従来の無電極放電ランプ部３０において、共振器６に代えて、共振器６Ａ（又は共振器６Ｂ）とした以外は、無電極放電ランプ部３０と同様に構成してある。
【００１６】
共振器６Ａ，６Ｂについては後述するが、まず、無電極放電ランプについて図２により説明する。
図２は、無電極放電ランプの断面図である。
同図に示すように、無電極放電ランプ５は、透明な例えば石英からなる円筒状の容器１７の内部の中空部（発光部１９になる）に発光物質１８を封入したものから構成されている。容器１７において、外形の円筒部の長さＬ１は例えば６ｍｍであり、発光部１９の円筒部の長さＬ２は例えば２．５ｍｍである。容器１７において、円筒部の外径Ｄは例えば５ｍｍであり、円筒部の内径φ２は例えば３．５ｍｍである。ここで、容器１７の大きさは、回転楕円面ミラー４の形状に対応する、発光部１９の大きさを基本に決定している。
【００１７】
容器１７の発光部１９となる中空部には、発光物質１８として所定量の水銀（Ｈｇ）及び発光光の分光特性を調整するための物質である例えば臭化インジウム（ＩｎＢｒ_２）が真空封入されている。
無電極放電ランプ５にマイクロ波の電界が印加されると、発光物質１８はプラズマ化し、高圧力の希ガスとなって、発光する。
【００１８】
図１に示すように、無電極放電ランプ５は、一端を接地用導体ケース３の背面部３ｃに例えば嵌合により固着された共振器６Ａ，６Ｂの他端に嵌合すると共に接着剤により固着されている。接着剤としては、無電極放電ランプ５の容器１７を構成する材料（例えば石英）と、共振器６Ａ，６Ｂを構成する材料（例えば銅）との熱膨張係数の近いものが用いられる。
【００１９】
次に、共振器６Ａ，６Ｂについて説明する。
無電極放電ランプ５の構造が一定であるという条件で、８００ＭＨｚのマイクロ波をマイクロストリップ線路９に印加し、共振器６Ａ，６Ｂをこのとき共振する長さを有するものとし、マクスウェル方程式を解くことによって、電界強度をシミュレーションした。座標軸としては、接地用導体ケース３の背面部３ｃの平面にｘｙ軸をとり、矢印２５（図１）の方向をｚ軸として、ｚ軸上の電界強度を求めた。原点は共振器６Ａ，６Ｂと背面部３ｃとの接合点にとってある。
【００２０】
ここで、共振器については３つのケースを設定した。
図３は、電界強度のシュミレーションに用いた共振器と無電極放電ランプとの関係を示す図である。図３の（ａ）には、共振器６Ａを用いたケース１が、図３の（ｂ）には、共振器６Ｂを用いたケース２が、図３の（ｃ）には、共振器６Ｃを用いたケース３が、それぞれ示されている。
ここで、共振器６Ａ，６Ｂは、本実施例として、共振器６Ｃは比較例として示してある。
【００２１】
同図に示すように、ケース１乃至３において、無電極放電ランプ５は同一のものが使われており、その形状寸法は上述したとおり、Ｌ１＝６ｍｍ、Ｌ２＝２．５ｍｍ、Ｄ＝５．０ｍｍ、φ２＝３．５ｍｍである。
図３の（ａ）に示すケース１においては、共振器６Ａの端面部６Ａｂに無電極放電ランプ５の端面部５ａが接合されており、共振器６Ａの直径φ１Ａは２ｍｍである。共振器６Ａの長さは、共振長となる約８０ｍｍである。共振器６Ａの端面部６Ａａは背面部３ｃに嵌合されている。
【００２２】
図３の（ｂ）に示すケース２においては、共振器６Ｂの端面部６Ｂｂに無電極放電ランプ５の端面部５ａが接合されており、共振器６Ｂの直径φ１Ｂは３．５ｍｍである。共振器６Ｂの長さは、共振長となる約８０ｍｍである。共振器６Ｂの端面部６Ｂａは背面部３ｃに嵌合されている。
図３の（ｃ）に示すケース３においては、共振器６Ｃの端面部６Ｃｂに無電極放電ランプ５の端面部５ａが接合されており、共振器６Ｃの直径φ１Ｃは６．０ｍｍである。共振器６Ｃの長さは、共振長となる約８０ｍｍである。共振器６Ｃの端面部６Ｃａは背面部３ｃに嵌合されている。
【００２３】
以上の３つのケースについてのシミュレーション結果を図４に示す。
図４は、無電極放電ランプにおける電界強度のシュミレーション結果を示すグラフ図である。
同図において、横軸はｚ軸方向位置を表し、縦軸は電界強度を表す。ケース１を２点鎖線で、ケース２を細実線で、ケース３を太実線で示してある。
【００２４】
これによれば、比較例であるケース３におけるように、共振器６Ｃの直径（先端部の直径）φ１Ｃが発光部１９の径φ２よりも大となるの場合には、棒状の共振器６Ｃから放射されるマイクロ波は、無電極放電ランプ５の外部にも拡散し、発光部１９の領域に集中はしていないことがわかる。
これに対して、実施例であるケース１においては、共振器６Ａの直径φ１Ａが発光部１９の直径φ２より小さく、及びケース２においては、共振器６Ｂの直径φ１Ｂが発光部１９の直径φ２と同じであり、これらの場合には、棒状の共振器６Ａ，６Ｂから放射されるマイクロ波の無電極放電ランプ５外部への漏れが少なく、発光部１９にマイクロ波を集中することが出来る。
【００２５】
円筒棒状の共振器の直径（すなわち断面積）をＡとし、共振器に接続する無電極放電ランプの発光部の直径（すなわち共振器への発光部の投影断面積）をＢとすると、Ａ＝Ｂ、又はＡ＜Ｂと構成することにより、発光部の領域を強電界に出来、発光効率の良い光を発光部より取り出せる。共振器から放出された高周波エネルギーは、発光物質が封止されている発光エリア（発光部）に対して最大となり、高効率な光が得られる。
【００２６】
ケース１とケース３については、上記の結果に基き、それぞれ無電極光源ランプを用いた光源を製作し、６０Ｗを投入したところ、ケース１はケース３の１５４％の光量を得ている。
以上、共振器の直径が全体に亘って均一な円柱の場合について説明したが、無電極放電ランプに接する片側のみにテーパーをつけて、無電極放電ランプと接する共振器の端部の直径を規定の値とすることによっても効率の良い光を得ることがわかっている。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の無電極放電ランプを用いた光源装置は、共振器の先端部に接する無電極放電ランプの発光部の断面積を、前記共振器の前記先端部の断面積と等しく、もしくは大きく構成したことにより、発光効率の良好な無電極放電ランプを用いた光源装置を提供できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の無電極放電ランプを用いた光源装置の実施例を示す構成図である。
【図２】無電極放電ランプの断面図である。
【図３】電界強度のシュミレーションに用いた共振器と無電極放電ランプとの関係を示す図である。
【図４】無電極放電ランプにおける電界強度のシュミレーション結果を示すグラフ図である。
【図５】従来例の無電極放電ランプを用いた光源装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１，１Ａ…無電極放電ランプ光源装置、２…シールド板、２ａ…導体部、３…接地用導体ケース、３ａ…前面部、３ｂ…開口部、３ｃ…背面部、３ｄ…内側底面部、４…回転楕円面ミラー、４ａ…開口部、５…無電極放電ランプ、５ａ，５ｂ…端面部、６，６Ａ，６Ｂ，６Ｃ…共振器、６Ａａ，６Ａｂ，６Ｂａ，６Ｂｂ，６Ｃａ，６Ｃｂ…端面部、７…金属製支持台、８…誘電体基板、９…マイクロストリップ線路、１０…孔、１１…インピーダンス整合器、１２…第１給電線、１３…第２給電線、１４…方向性結合器、１５…第３給電線、１６…高周波電源、１７…容器、１８…発光物質、１９…発光部、２０…高周波電源部、３０，３０Ａ…無電極放電ランプ部。

Claims (1)

1. 内部が中空で、かつ一側面に第１開口部を有する接地用導体ケースと、
   前記接地用導体ケースの内部にあって、先端部が前記第１開口部に向かい、他端が前記一側面に対向する他側面に固定された棒状の共振器と、
   前記共振器の前記先端部に設けられた発光部を有する無電極放電ランプと、
   前記第１開口部の縁部に設けられ、前記共振器の前記先端部を挿入する第２開口部を有しており、前記無電極放電ランプの前記発光部からの放電発光光を反射して、前記第１開口部より放射する回転楕円面ミラーと、
   前記接地用導体ケースの内側底面に設けられた金属製支持台と、
   前記金属製支持台の表面に誘電体基板を介して前記共振器に対向して、平行となるように設けられたマイクロストリップ線路と、
   前記マイクロストリップ線路にマイクロ波を供給する高周波電源と、
   からなる無電極放電ランプを用いた光源装置であって、
   前記共振器の前記先端部に接する前記無電極放電ランプの前記発光部の断面積を、前記共振器の前記先端部の断面積と等しく、もしくは大きく構成したことを特徴とする無電極放電ランプを用いた光源装置。

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