JP2004087434A - 無電極放電ランプ光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で高発光効率の無電極放電ランプ光源装置を提供する。
【解決手段】ロート状の中空部３２ｄを有する接地用導体ケース３２と、中空部３２ｄの広口の開口部３２ｅ全面を覆うように設けられた接地用金属製メッシュ３１と、中空部３２ｄの底面部３２ｃに誘電体基板３６を介して設けられた線路３５と、底面部３２ｃから開口部３２ｅ側の位置に設けられ、且つ中央部に発光管３を固定支持する一対の共振器３３、３４と、線路３５にマイクロ波を供給する電源２３と、を有し、電源２３より供給されるマイクロ波を、線路３５を介して、一対の共振器３３，３４で共振させて、発光管３を発光させるとともに、一対の共振器３３，３４から放射される不要マイクロ波成分を金属製メッシュ３１で除去する。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波により放電発光する無電極放電ランプ光源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
無電極放電ランプ光源装置は、発光部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、発光時のアーク放電により電極が消耗し、電極物質によるランプ内部の黒化現象によりランプの寿命を短縮してしまうという問題がなく、長寿命、高効率であるなどの特徴を有している。
【０００３】
これは、例えば、２ＧＨｚ帯のＩＳＭ（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　ａｎｄ　Ｍｅｄｉｃａｌ）バンド周波数を利用した半導体製造用照射装置に用いられ、大電力マグネトロンにより励起したマイクロ波を導波管によりキャビティに導入して空洞共振させ、発光管内でプラズマ放電を発生させるものであるが、製造コストが高いとか小型化が困難であるなどの問題があった。
【０００４】
この対策として、小型共振器にマイクロ波を結合させ、共振器内部の最も高い電界位置に無電極放電ランプを配置することが考えられた。
図３は、従来例の無電極放電ランプ光源装置を示す断面構成図であり、図３の（ａ）は側面図を、図３の（ｂ）は図３の（ａ）に示すＭ−Ｍ方向から見た正面図である。
同図に示すように、従来の無電極放電ランプ光源装置１は、高周波電源部４と無電極放電ランプ５とから構成されている。
【０００５】
無電極放電ランプ５は、内部が中空で、かつ前面部２ａの中央部に開口部２ｅ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）２と、先端部８ａが前面部２ａの開口部２ｅ側に向かい、固定端部８ｂが接地用導体ケース２の背面部２ｄの中央部に固着接地された電気伝導性及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８と、湾曲面側が共振器８の先端側になるように配置され、かつ共振器８が貫通する開口部９ａを有し、接地用導体ケース２の開口部２ｅに固定されたリフレクタ９と、リフレクタ９の焦点Ｆ１に配置された共振器８の先端部８ａに取り付けられ、希ガス及び発光物質を封入した石英ガラス等からなる発光管３と、接地用導体ケース２の内側底面２ｆに載置された金属製支持台１０と、その表面にアルミナ等の誘電体基板１１を介して共振器８に対向し、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１２と、から構成されている。
【０００６】
高周波電源部４は、高周波電源２３と、方向性結合器２１、インピーダンス整合器１８から構成されている。接地用導体ケース２の背面部２ｄに設けられた孔１７を介してマイクロストリップ線路１２は第１給電線１９によりインピーダンス整合器１８に接続されている。インピーダンス整合器１８は第２給電線２０により方向性結合器２１に接続されている。方向性結合器２１は第３給電線２２により高周波電源２３に接続されている。
【０００７】
図４は、発光管を示す断面図である。
同図に示すように、発光管３は、円柱状凹部を有した石英ガラスからなる発光管半体１３と、凹部を閉じるように発光管半体１３に接合された部材１４と、この部材１４を発光管半体１３に接合することによって形成された中空部１５に封入された放電始動ガスを含む発光物質１６と、から構成される。
【０００８】
ここで、片端接地・片端開放の共振器８において、その長さ（共振長である）は、マイクロストリップ線路１２から放出されるマイクロ波の波長をλｇとした場合、自由空間における共振長はλｇ／４となる。そしてこの共振器におけるマイクロ波電界は開放端にもっとも強くなるように分布する。
次に共振長を具体的に求めてみると、マイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚである場合には、λｇ＝１２２．４ｍｍであるので、共振器８の長さは、略３０．６ｍｍとなる。
また、上記マイクロストリップ線路１２は、インピーダンスが略５０Ωとなるように、誘電体基板１１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１１として誘電率が８〜１０で厚さが１．５ｍｍのアルミナを用いた場合には、マイクロストリップ線路１２は、幅が２ｍｍで厚さが０．１７ｍｍとなるように設定される。
【０００９】
また、接地用導体ケース２の背面部２ｄには穿設した孔１７が形成されている。この孔１７を介して、マイクロストリップ線路１２とインピーダンス整合回路１８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１９によって接続されている。
このインピーダンス整合器１８は、さらに第１給電線１９と同種の第２給電線２０によって、共振器８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２１に接続されている。
【００１０】
この方向性結合器２１は、第１及び２給電線１９、２０と同種の第３給電線２２によって、マイクロ波を発生する高周波電源２３に接続されている。
上記インピーダンス整合器１８は、高周波電源２３のインピーダンスと、共振器８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１９の一端を直接高周波電源２３に接続してもよい。
【００１１】
この無電極放電ランプ光源装置１は、以下のように動作する。
高周波電源２３で発生したＩＳＭバンド周波数帯のマイクロ波を、第３給電線２２、方向性結合器２１、第２給電線２０、インピーダンス整合器１８、第１給電線１９を伝送してマイクロストリップ線路１２に供給する。そして、方向性結合器２１により、共振器８からの反射波を検出して共振器８の反射波が小さくなる反射波条件を高周波電源２３に供給する。
【００１２】
この高周波電源２３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８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１８に出力する。そして、インピーダンス整合器１８では、上記した整合定数に基づいて共振器８側と高周波電源２３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。
【００１３】
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１１、空気などの誘電媒体を介してマイクロストリップ線路１２の表面より波長λｇで空気中に放出する。
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１２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。
【００１４】
更に、マイクロストリップ線路１２から放出された波長λｇのマイクロ波に対して、略λｇ／４の波長のマイクロ波を共振により共振器８で得る。このマイクロ波の強い電界が発光管３に供給され、希ガスの放電によって発光管３の管壁が熱せられ、発光物質１６が気化して、発光物質１６特有の発光スペクトルの光が発光する。
発光管３で発光した光を、リフレクタ９で反射させ、接地用導体ケース２の外部に向けて放射する。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、共振器８の先端部８ａ（発光管３が設けられてはいるが）は開放された構成になっていて、かつ発光管５からの発光光を有効に集光するためのリフレクタ９が共振器８の先端部８ａから接地用導体ケース２の前面部２ａに亘って配置されている。
【００１６】
図３に示す無電極放電ランプ光源装置１において、リフレクタ９の構成材料として導体を使用すると、リフレクタ９は共振器８に接しているために、共振特性と電界分布特性に大きく影響を与えてしまい、発光管３に十分なマイクロ波電界を与えることが困難になる。
このため、リフレクタ９は誘電率の低い結晶化ガラスなどで構成されるが、そのような低誘電率の材料でもマイクロ波領域では無視できない電力の損失を伴い、発光効率が低下する、再点灯性が悪化する、リフレクタ９が発熱するという問題を抱えていた。
【００１７】
そこで本発明は、上記問題を解決し、小型で高発光効率の無電極放電ランプ光源装置を提供することを目的とする。
【００１８】
【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、ロート状の中空部３２ｄを有する接地用導体ケース３２と、前記中空部３２ｄの広口の開口（開口部３２ｅ）全面を覆うように設けられた接地用金属製メッシュ３１と、前記中空部３２ｄの底面（底面部３２ｃ）に絶縁基板（誘電体基板３６）を介して設けられたマイクロストリップ線路３５と、前記底面（底面部３２ｃ）から前記開口（開口部３２ｅ）側の位置に設けられ、且つ中央部に発光部（発光管３）を固定支持する一対の共振器３３、３４と、前記マイクロストリップ線路３５にマイクロ波を供給する高周波電源２３と、を有し、前記高周波電源２３より供給されるマイクロ波を、前記マイクロストリップ線路３５を介して、前記一対の共振器３３，３４で共振させて、前記発光部（発光管３）を発光させるとともに、前記一対の共振器３３，３４から放射される不要マイクロ波成分を前記金属製メッシュ３１で除去することを特徴とする無電極放電ランプ光源装置である。
【００１９】
【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、説明の簡便のため、参照符号については、従来例の構成と同一の構成については、同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
【００２０】
＜第１実施例＞
図１は、本発明の無電極放電ランプ光源装置の第１実施例を示す断面構成図であり、図１の（ａ）は側面図を、図１の（ｂ）は図１の（ａ）に示すＮ−Ｎ断面図をそれぞれ示す。
同図に示すように、本第１実施例の無電極放電ランプ光源装置４０は、無電極放電ランプ３０と高周波電源部４より構成される。すなわち、本実施例の無電極放電ランプ光源装置４０は、従来の無電極放電ランプ光源装置１において、無電極放電ランプ５に代えて、無電極放電ランプ３０とした以外は、無電極放電ランプ光源装置１と同様に構成されている。
【００２１】
無電極放電ランプ３０は、接地用導体ケース３２と、共振器３３と、共振器３４と、発光管３と、誘電体基板３６と、マイクロストリップ線路３５と、入力コネクタ３７より構成される。
接地用導体ケース３２は、アルミニウムや銅等の良伝導性の金属より形成されており、外形は矩形状又は円筒状で、その上面部３２ａから下面部３２ｂに向って、上面部３２ａ側に開口部３２ｅを有する中空部３２ｄが形成されている。中空部３２ｄの形状はロート状で、例えば回転楕円体であり、接地用導体ケース３２の中空部３２ｄと接する内面部３２ｎの形状は回転楕円面である。内面部３２ｎは発光管３からの発光光を反射収束して外部に放射するリフレクタを兼ねているので、その表面は反射率が高くなるように処理されている。
【００２２】
内面部３２ｎの底面部３２ｃの中央には、所定形状の誘電体基板３６を介して接地用導体ケース３２とは電気的に絶縁した、短冊状のマイクロストリップ線路３５が設けられている。マイクロストリップ線路３５は良導電性の銅箔または金箔などの金属箔より構成される。また、マイクロストリップ線路３５は、インピーダンスが略５０Ωとなるように、誘電体基板３６の誘電率を考慮して適当な線幅、厚さに形成される。例えば、誘電体基板３６として、誘電率が８乃至１０で、厚さが１．５ｍｍのアルミナを用いた場合には、マイクロストリップ線路３５は、線幅が２ｍｍで厚さが０．１７ｍｍとなるように設定される。
【００２３】
底面部３２ｃに配置されたマイクロストリップ線路３５の長手方向に平行に、所定距離離れて対向させて、棒状の一対の共振器３３と共振器３４を直列に配置する。共振器３３及び共振器３４の間隙部には、すなわち共振器３３の端面部３３ａと共振器３４の端面部３４ａとの間には、発光管３が固定配置されている。発光管３は、表面部３２ｎが形成する回転楕円面の焦点位置に配置される。
【００２４】
棒状の共振器３３，３４は形状・材質共に同一であり、電気伝導性及び熱伝導性の良好な金属、例えばアルミニウム、銅又は銅合金より構成されている。共振器３３，３４の長さは、マイクロストリップ線路３５から放出されるマイクロ波の波長をλｇとすると、λｇ／４となるように設定される。棒状の共振器３３，３４の棒の直径は６ｍｍである。
【００２５】
発光管３は直径６ｍｍで高さが３ｍｍの円筒状をしており、その両端面が端面部３３ａ，端面部３４ａに接して固定されている。発光部１５は直径略４．５ｍｍで高さが略１．５ｍｍである。
共振器３３の端面部３３ｂ及び共振器３４の端面部３４ｂはそれぞれ接地用導体ケース３２の表面部３２ｎの所定位置に電気的導通をとって、嵌合のうえ接着固定されている。
【００２６】
接合配置されて一体化した共振器３３、発光管３及び共振器３４の長手方向は、接地用導体ケース３２の上面部３２ａに平行となっている。
上面部３２ａの開口部３２ｅには、マイクロストリップ線路３５から放射されるマイクロ波が接地用導体ケース３２の外部に漏洩するのを防止するための金属製メッシュ３１が設けられている。
【００２７】
接地されている接地用導体ケース３２の下面部３２ｂには、入力コネクタ３７が設けられている。入力コネクタ３７は、接地用導体ケース３２との絶縁を保ってマイクロストリップ線路３５を第１給電線１９に接続する。
高周波電源部４については、上述したのでその説明を省略する。
【００２８】
本第１実施例の無電極放電ランプ４０においては、高周波電源部４より第１給電線１９及び入力コネクタ３７を介してマイクロストリップ線路３５に供給され、中空部３２ｄに伝播されたマイクロ波高周波電力は、一対の共振器３３及び３４によって共振されて、他に漏れることなく、この一対の共振器３３，３４間に集中するので、一対の共振器３３，３４間に配置された発光管３から高効率な発光光を得ることができる。
【００２９】
しかも、中空部３２ｄを形成する接地用導体ケース３２の回転楕円面をなす内面部３２ｄはリフレクタを構成しており、このリフレクタの集光の焦点に発光管３を配置してあるので、従来のように別にリフレクタを設ける必要が無い。本第１実施例に示すように、共振器とリフレクタの機能が一体化された構造を有するので、マイクロ波高周波電力の損失が少なくなり、高効率な放電発光が可能で高い集光性能を有する無電極放電ランプ光源装置を得ることができる。
【００３０】
＜第２実施例＞
図２は、本発明の無電極放電ランプ光源装置の第２実施例を示す断面構成図であり、図２の（ａ）は側面図を、図２の（ｂ）は図２の（ａ）に示すＮ−Ｎ断面図をそれぞれ示す。
第２実施例の無電極放電ランプ光源装置４０Ａは、第１実施例の無電極放電ランプ４０において、高周波電源部４のインピダンスインピーダンス整合器１８に代えて入力コネクタ３７に接続する第１給電線に加えて、入力コネクタ３７’に接続する第４給電線と接続する第１インピダンス整合器１８Ａとし、接地用導体ケース３２に代えて、下面部３ｂに入力コネクタ３７及び３７’を有する接地用導体ケース３２Ａとし、マイクロストリップ線路３５の一端３５ａに高周波電力を供給するのに代えて、マイクロストリップ線路３５の両端３５ａ，３５ｂに位相反転した高周波電力を供給することとした以外は、第１実施例の無電極放電ランプ４０と同様に構成してある。
【００３１】
本第２実施例の無電極放電ランプ光源装置４０Ａにおいては、高周波電源２３より供給される高周波電力はインピーダンス整合器１８Ａより第１給電線１９及び入力コネクタ３７を通してマイクロストリップ線路３５の一端３５ａに供給され、他の一端３５ｂには、第４級電線１９’及び入力コネクタ３７’を通して、一端３５ａとは位相反転して供給されている。
従って、プッシュプル動作により、共振器３３の端面部３３ａと共振器３４の端面部３４ａには互いに逆相の強力な電界が発生し、発光管３からは極めて効率の良い発光を得ることができる。
【００３２】
【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光源装置は、ロート状の中空部を有する接地用導体ケースと、前記中空部の広口の開口全面を覆うように設けられた接地用金属製メッシュと、前記中空部の底面に絶縁基板を介して設けられたマイクロストリップ線路と、前記底面から前記開口側の位置に設けられ、且つ中央部に発光部を固定支持する一対の共振器と、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、を有し、前記高周波電源より供給されるマイクロ波を、前記マイクロストリップ線路を介して、前記一対の共振器で共振させて、前記発光部を発光させるとともに、前記一対の共振器から放射される不要マイクロ波成分を前記金属製メッシュで除去することにより、小型で高発光効率の無電極放電ランプ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光源装置の第１実施例を示す断面構成図であり、図１の（ａ）は側面図を、図１の（ｂ）は図１の（ａ）に示すＮ−Ｎ断面図をそれぞれ示す。
【図２】本発明の無電極放電ランプ光源装置の第２実施例を示す断面構成図であり、図２の（ａ）は側面図を、図２の（ｂ）は図２の（ａ）に示すＮ−Ｎ断面図をそれぞれ示す。
【図３】従来例の無電極放電ランプ光源装置を示す断面構成図であり、図３の（ａ）は側面図を、図３の（ｂ）は図３の（ａ）に示すＭ−Ｍ方向から見た正面図である。
【図４】発光管を示す断面図である。
【符号の説明】
１…無電極放電ランプ光源装置、２…接地用導体ケース、２ａ…前面部、２ｄ…背面部、２ｅ…開口部、２ｆ…内側底面部、３…発光管、４，４Ａ…高周波電源部、５…無電極放電ランプ、８…共振器、９…リフレクタ、９ａ…開口部、１０…金属性支持台、１１…誘電性基板、１２…マイクロストリップ線路、１３…発光管半体、１４…部材、１５…中空部、１６…発光物質、１７…孔、１８…インピーダンス整合回路、１９…第１給電線、１９’　…第４給電線、２０…第２給電線、２１…方向性結合器、２２…第３給電線、２３…高周波電源、３０…無電極放電ランプ、３１…メッシュ、３２，３２Ａ…接地用導体ケース、３２ａ…上面部、３２ｂ…下面部、３２ｃ…底面部、３２ｄ…中空部、３２ｅ…開口部、３２ｎ…内面部、３３…共振器、３３ａ，３３ｂ…端面部、３４…共振器、３４ａ，３４ｂ…端面部、３５…マイクロストリップ線路、３６…誘電体基板、３７，３７’…入力コネクタ、４０，４０Ａ…無電極放電ランプ光源装置。

Claims (1)

1. ロート状の中空部を有する接地用導体ケースと、
   前記中空部の広口の開口全面を覆うように設けられた接地用金属製メッシュと、
   前記中空部の底面に絶縁基板を介して設けられたマイクロストリップ線路と、前記底面から前記開口側の位置に設けられ、且つ中央部に発光部を固定支持する一対の共振器と、
   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、
   を有し、前記高周波電源より供給されるマイクロ波を、前記マイクロストリップ線路を介して、前記一対の共振器で共振させて、前記発光部を発光させるとともに、前記一対の共振器から放射される不要マイクロ波成分を前記金属製メッシュで除去することを特徴とする無電極放電ランプ光源装置。

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