JP2005174928A - 無電極ランプシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 ランプシステムの全体サイズを小型化して、照明用だけでなく電子機器の低出力光源用としても利用できる無電極ランプシステムを提供する。
【解決手段】 無電極ランプシステムは、マイクロ波を発生し、そのマイクロ波が出力されるアンテナ１０１aを備えたマグネトロン１０１と、マイクロ波が通る経路によって内部直径が部分的に異なり、マイクロ波が共振される共振空間を有する共振器１０２と、共振器１０２の内部に位置され、マイクロ波エネルギにより光を発光する発光物質が封入された電球１０４と、一方側はアンテナ１０１aに連結され他方側は電球１０４に連結されて、マイクロ波を電球１０４にガイドするマイクロ波フィーダ１０３と、から構成され、マイクロ波フィーダ１０３の外径とこれに対応する共振器１０２の内径との比率がマイクロ波の進行方向によって変化する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、無電極ランプシステムに関するもので、詳しくは、全体サイズを小型化して電子機器の光源として利用することができるとともに、インピーダンスマッチング及び共振周波数の調節が可能な無電極ランプシステムに関するものである。

一般に、マイクロ波を利用した無電極ランプシステムは、無電極プラズマ電球にマイクロ波エネルギを加え、これから可視光線または紫外線を発光させるシステムであって、通常の白熱灯や蛍光灯に比べてランプの寿命が長く、照明の効果が優秀であるという特徴を有している。

図９は従来のマイクロ波を利用した無電極ランプシステムを示した縦断面図である。図に示すように、従来のマイクロ波を利用した無電極ランプシステムは、所定の内部空間を形成するケース１と、ケース１の内部に装着されてマイクロ波を生成するマグネトロン２と、マグネトロン２に常用交流電源を高電圧に昇圧して供給する高電圧発生器３と、マグネトロン２の一方側に設置されてマグネトロン２で生成されたマイクロ波を案内する導波管４と、導波管４と連通するように導波管４の出口部４aに設置され、マイクロ波が漏洩することを遮断しながら光は通過させる共振器６と、共振器６の内部に位置され、導波管４を通して伝達されたマイクロ波エネルギにより封入物質が励起されるとともにプラズマを形成しながら光を発生させる電球５と、から構成されている。

このような従来のマイクロ波を利用した無電極ランプシステムには、前記共振器６の周辺領域であるケース１の前方に、電球５から発生した光を前方に集中反射させる反射鏡７がさらに備えられる。

また、導波管４の出口部４aの内部には、導波管４を通して伝達されるマイクロ波は通過し、電球５から放射される光は前方に反射させる誘電体鏡８が設置され、誘電体鏡８の中央部には、電球５の軸部９が貫通されるホール８aが形成される。

一方、ケース１の後方には、マグネトロン２及び高圧発生器３を冷却する冷却ファン組立体１０が備えられる。また、図中、符号１０aはファンハウジング、１０bは送風ファン、M１は電球モータ、M２はファンモータをそれぞれ示したものである。

以下、このように構成された従来のマイクロ波を利用した無電極ランプシステムの動作を説明する。

高電圧発生器３に駆動信号が入力されると、高電圧発生器３は、交流電源を高電圧に昇圧してマグネトロン２に供給し、マグネトロン２は、高電圧により発振されながら非常に高い周波数を有するマイクロ波を生成する。その後、このように生成されたマイクロ波は、導波管４を通して案内されて導波管４の出口部４aを経て共振器６の内部に放射され、共振器６の内部に放射されたマイクロ波エネルギにより、電球５内部の封入物質が励起されるとともにプラズマを形成しながら固有のスペクトラムを有する光を発生し、その光は、反射鏡７及び誘電体鏡８により前方に反射されながら照明空間を照らすようになる。

しかしながら、このような従来のマイクロ波を利用した無電極ランプシステムにおいては、マグネトロンから発生するマイクロ波を共振器の内部に案内するための導波管が高電圧発生器とマグネトロン間に位置されることで、導波管の体積だけシステムの全体サイズが増加し、システムの全体サイズを小型化することが難しいため、その使用が高出力の照明用のみに制限されるという問題点があった。

本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたもので、ランプシステムの全体サイズを小型化して、照明用だけでなく電子機器の低出力光源用としても利用できる無電極ランプシステムを提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、最適状態のインピーダンスマッチングを実現するとともに、共振周波数の調節が可能な無電極ランプシステムを提供することにある。

このような目的を達成するため、本発明に係る無電極ランプシステムは、マイクロ波を発生し、そのマイクロ波が出力されるアンテナを備えたマグネトロンと、前記マイクロ波が通る経路によって内部直径が部分的に異なり、前記マイクロ波が共振される共振空間を有する共振器と、前記共振器の内部に位置され、前記マイクロ波エネルギにより光を発光する発光物質が封入された電球と、一方側は前記アンテナに連結され他方側は前記電球に連結されて、マイクロ波を前記電球にガイドするマイクロ波フィーダと、を備え、前記マイクロ波フィーダの外径とこれに対応する前記共振器の内径との比率がマイクロ波の進行方向によって変化することを特徴とする。

本発明に係る無電極ランプシステムにおいては、マグネトロンのアンテナが共振器の内部に形成された第１共振部の共振空間に位置するように結合され、この共振器の第１共振部及び第２共振部の内部に前記アンテナに連結されるマイクロ波フィーダが設置されることで、前記マグネトロンから発生するマイクロ波が前記マイクロ波フィーダを通して電球側に案内されて発光が行われるため、導波管、高電圧発生器及びモータのような別途の付加的な装置を必要とせず、よって、無電極ランプシステムを小型化してプロジェクション・テレビの光源のような小型光源として利用できるという効果がある。

また、その内径が多段階からなる第１共振部の共振空間とその共振空間を通過するマイクロ波ガイド手段としてのアンテナ、マイクロ波フィーダの連結部及び第１フィーダの外径との比率が相互に異なるように無電極ランプシステムを構成することで、最適のインピーダンスマッチング及び共振周波数の調節が可能になり、よって、電球へのマイクロ波エネルギの伝達を最適化できるという効果がある。

また、前記第２共振部の内部に共振周波数調節手段を設置固定するとともに、一つ以上のスタブをさらに設置することで、より効果的なインピーダンスマッチング及び共振周波数の調節が可能になるという効果がある。

以下、本発明に係る無電極ランプシステムを実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明に係る無電極ランプシステムを示した分解斜視図であり、図２は本発明に係る無電極ランプシステムを示した縦断面図である。これらの図に示すように、本発明に係る無電極ランプシステムは、外部電源の入力によりその内部からマイクロ波を発生し、その発生したマイクロ波をその一方側に備えられたアンテナ１０１aを通して放出するマグネトロン１０１と、アンテナ１０１aがその内部に位置するようにマグネトロン１０１が一面に装着され、その内部にマイクロ波が通る経路によって内部直径が部分的に異なる共振空間を有し、その共振空間で発生したマイクロ波が共振する共振器１０２と、共振器１０２の共振空間に位置し、共振されたマイクロ波により、その封入物質が励起されるとともにプラズマが形成されて光を発光する電球１０４と、共振器１０２の共振空間の内部に位置し、一方側はマグネトロン１０１のアンテナ１０１aに連結され他方側は電球１０４に連結されて、マイクロ波をアンテナ１０１aから電球１０４にガイドするマイクロ波フィーダ１０３と、マイクロ波のエネルギにより電球１０４の封入物質が励起されながら発生する光を前方に反射する反射鏡１０５と、反射鏡１０５の前面部に装着されて、電子波の漏洩を遮断させるとともに電球１０４を保護するウィンドウ１０６と、を含んで構成されている。

また、共振器１０２は、導体により形成され、マグネトロン１０１が安着されてアンテナ１０１aがその内部に挿入されるように一面に貫通孔が形成され、その内部に部分的に異なる内径を有する多段階の共振空間が同一軸上に形成された第１共振部１１１と、第１共振部１１１と連通するように第１共振部１１１に対し垂直方向に配置され、所定直径を有する円筒状の共振空間を備え、その共振空間に電球１０４が配置される第２共振部１１２と、から構成される。

且つ、第１共振部１１１から第２共振部１１２に繋がる第１共振部１１１の一端の内周面には、第１共振部１１１の中心軸に向かって所定厚さ及び長さを有して突出された突出部１１７が形成される。

即ち、多段階の共振空間を有する第１共振部１１１は、アンテナ１０１aが通過する導入部１１４と、導入部１１４から延長形成され、アンテナ１０１aに連結されるマイクロ波フィーダ１０３が通過し、導入部１１４より拡張された共振空間を有する拡張部１１５と、拡張部１１５から延長形成され、マイクロ波フィーダ１０３が第２共振部１１２まで延長されるように通過し、突出部１１７により拡張部１１５より縮小された共振空間を有する縮小部１１６と、から構成される。

また、第１共振部１１１は、導入部１１４、拡張部１１５及び縮小部１１６の内径が相互に異なるように設計することが好ましい。且つ、縮小部１１６の内径は、導入部１１４の内径より大きく設計することが好ましいが、設計変数によって導入部１１４の内径より小さく設計しても良い。

また、第１共振部１１１の導入部１１４の外周縁には所定高さを有して突出されるように安着部１０３aが形成され、安着部１０３a上に、アンテナ１０１aが導入部１１４の内部に挿入されるようにマグネトロン１０１が安着される。

また、通常、導体により形成されるマイクロ波フィーダ１０３は、アンテナ１０１aが挿入されて連結されるようにその内部に挿入溝を有し、アンテナ１０１aの直径より大きい外径を有し、拡張部１１５の共振空間の内部に位置する連結部１２１と、連結部１２１の一方側に一体に形成され、拡張部１１５から縮小部１１６を経て第２共振部１１２まで延長形成された第１フィーダ１２２と、第２共振部１１２の内部で第１フィーダ１２２と垂直になるように一体に連結され、その一端が電球１０４に連結される第２フィーダ１２３と、から構成される。

且つ、第１フィーダ１２２は、マグネトロン１０１から発振されるマイクロ波の円滑な伝達及び最適の周波数マッチングのために、アンテナ１０１a及びマイクロ波フィーダ１０３の連結部１２１と同一軸上に形成され、アンテナ１０１a、マイクロ波フィーダ１０３の連結部１２１及び第１フィーダ１２２は、導入部１１４から縮小部１１６まで段階的に直径が変化する第１共振部１１１に形成された共振空間の中心を横切るように配置されることが好ましい。

ここで、第１フィーダ１２２の直径は、マイクロ波フィーダ１０３の連結部１２１の直径よりは小さく形成することが好ましく、インピーダンスマッチング及び所望の共振周波数の値によって、アンテナ１０１aの直径より小さくまたは大きく形成することができる。

また、アンテナ１０１a及びマイクロ波フィーダ１０３の外径とこれに対応する共振器１０２の内径との比率をマイクロ波の進行方向によって変化させることで、効果的なインピーダンスマッチング及び共振周波数の調節を行うことができる。

即ち、第１共振部１１１内部の多段階で変化する共振空間の内径と、その内径にそれぞれ対応するアンテナ１０１aの外径、並びにマイクロ波フィーダ１０３の連結部１２１の外径及び第１フィーダ１２２の外径間の比率を相互に異なるようにする。

より詳しくは、本発明に係る無電極ランプシステムの第１共振部１１１を拡大して示している図３のように、アンテナ１０１aの外径aとアンテナ１０１aが通過する導入部１１４の内径bとの比と、マイクロ波フィーダ１０３の連結部１２１の外径cと連結部１２１が通過する拡張部１１５の内径dとの比と、第１フィーダ１２２の外径eと第１フィーダ１２２が通過する縮小部１１６の内径fとの比とを相互に異なるように構成する。

且つ、アンテナ１０１aの外径aとアンテナ１０１aが通過する拡張部１１５の内径dとの比と、第１フィーダ１２２の外径eと第１フィーダ１２２が通過する拡張部１１５の内径dとの比も、相互に異なるように構成することが好ましい。

このようにすることにより、本発明に係る無電極ランプシステムのインピーダンスマッチング及び所望の共振周波数の調節を效果的に達成することができる。

より効果的なインピーダンスマッチング及び共振周波数の調節のために、図１〜図２に示すように、第２共振部１１２の内部に、共振周波数調節手段１０７が設置される。

共振周波数調節手段１０７は、電球１０４が設置される反対側、即ち、円筒状の第２共振部１１２の後壁面に設置され、その中心部に第２フィーダ１２３の一端が挿入される貫通孔を有し、第２フィーダ１２３に沿って前後に移動しながら第２共振部１１２の共振空間の体積を変化させる円板体により形成される。

このような円板体からなる共振周波数調節手段１０７は、最適のインピーダンス及び共振周波数のマッチング位置で固定され、このような共振周波数調節手段１０７の位置は、共振器１０２がパッキングされる前に手動または外部の装置により決定されるため、共振周波数調節手段１０７の位置を調節する他の付加的な装置を本発明に係る無電極ランプシステムの内部に設置する必要はない。

前述したように、共振周波数調節手段１０７は、効果的なインピーダンスマッチング及び共振周波数の調節のために多様な形態に形成することができる。

図４及び図５は、共振周波数調節手段１０７の第１及び第２実施形態を示した縦断面図である。

図４に示すように、上記円板体は、導体により形成し、外径が相互に異なるように多段に形成することが好ましい。且つ、最も大きい円板の直径は、第２共振部１１２の内径とマッチングされるようにして、共振周波数調節手段１０７が前後に動くとき、第２共振部１１２の共振空間の体積が調節されるように形成することが好ましい。

設計によって、図５に示すように、上記円板体の多段の外周面が所定角度傾斜するように形成することもできる。

前述したように、本発明に係る無電極ランプシステムは、より効果的なインピーダンスマッチング及び共振周波数の調節、並びに上記電球へのマイクロ波伝達の最適化のために、第２共振部１１２の内部に一つ以上のスタブ１２５をさらに設置することが好ましい。

図６、図７及び図８は、本発明に係るスタブ設置状態の第１、第２及び第３実施形態を示した縦断面図である。

図６に示すように、第２共振部１１２の内周壁面に一つ以上のスタブ１２５が設置され、スタブ１２５は、第２共振部１１２の中心を横切るように位置した第２フィーダ１２３に向かって設置される。

且つ、複数のスタブ１２５中の何れか一つは、図６に示すように、第１フィーダ１２２と同一軸上に形成される。

また、スタブ１２５は、図７に示すように、第２フィーダ１２３の一方側に所定高さを有して突出され、第１フィーダ１２２と同一軸上に位置するように形成することもできる。

また、スタブ１２５は、図８に示すように、第２フィーダ１２３と第２共振部１１２の内壁面とを連結するように形成することもできる。このとき、スタブ１２５は、同じように第１フィーダ１２２と同一軸上に位置される。

前述したように、第２共振部１１２の内部に多様に設置されるスタブ１２５は、多角柱または円筒状に形成される。

且つ、スタブ１２５を第２共振部１１２の内部に設置する方法は、前述したような複数の変更例を複合的に適用することもできる。

前述したように、第２共振部１１２の内部に位置するスタブ１２５の設置位置、形状及びサイズを調節することで、電球１０４側へのマイクロ波の伝達をより最適化することができる。

また、図２に示すように、電球１０４は、発光物質が封入され、所定の内部体積を有する球形状の発光部１３１と、発光部１３１に一体に延長形成されて第２フィーダ１２３の一端に連結される支持部１３２と、発光部１３１の内部に互いに対向するように配置される一対の電極１３３と、から構成される。

且つ、発光部１３１は、主に石英のように光透過率が高くて誘電損失が極めて少ない材質で製作することが好ましく、発光部１３１の内部に封入される発光物質は、プラズマを形成して発光を誘導する金属、ハロゲン族化合物、硫黄またはセレンのような発光物質と、発光初期に発光部１３１の内部にプラズマを形成させるためのアルゴンガス、クリプトンガスなどの不活性ガス及び水銀のように初期放電を助けて点灯を容易にするか、または発生する光のスペクトラムなどを調節するための放電触媒物質と、から構成される。

且つ、支持部１３２は、発光部１３１と同一材質により延長形成されてマイクロ波フィーダ１０３の第２フィーダ１２３と同一軸線上に位置するように設置され、支持部１３２の内側には電極１３３中の何れか一つの電極１３３が外側に所定部分突出するように設置され、その突出された電極１３３の端部が第２フィーダ１２３の端部に挿入されることで結合される。

また、反射鏡１０５は、所定曲率を有する楕円またはこれと類似した形状に形成され、電球１０４の一方側を包むように第２フィーダ１２３と電球１０４間に設置され、電球１０４から発生する光を前方に反射させる。

また、ウィンドウ１０６は、反射鏡１０５の開口部に設置され、電球１０４から発生する光は通過させマイクロ波は遮断して漏洩を防止するように格子状の管体からなっている。

一方、ウィンドウ１０６を透明な板体により製作することもできるが、このように透明な板体により製作する場合は、光は通過され電球１０４の破損時に電球１０４の内部に封入された有害物質が外部に漏出されることを遮断できるという点において非常に有利で、その他に、ウィンドウ１０６の形態としては、メッシュ状のように、光は通過されマイクロ波は遮断できる構造であれば如何なる構造や材質でも適用することができる。

以下、このように構成された本発明に係る無電極ランプシステムの動作を説明する。

マグネトロン１０１からマイクロ波が発生してアンテナ１０１aを通して出力され、そのマイクロ波は、多段型の共振空間の各内径と、その内部のマイクロ波ガイド手段としてのアンテナ１０１a、マイクロ波フィーダ１０３の連結部１２１及び第１フィーダ１２２との直径の比が異なるように構成された共振器１０２の第１共振部１１１を通過する。その後、第１共振部１１１を通過したマイクロ波は、第１フィーダ１２２及びこれに連結された第２共振部１１２内部の第２フィーダ１２３を通して電球１０４にガイドされる。このとき、マイクロ波が所定の位置に固定された共振周波数調節手段１０７及び一つ以上のスタブ１２５が内部に形成された第２共振部１１２の内部で共振しながら、最適のインピーダンス及び共振周波数のマッチングが行われる。

その後、電球１０４に伝達されたマイクロ波は、電球１０４の発光部１３１に設置された電極１３３間に強い電気場を形成させ、その形成された電気場により発光部１３１の内側に封入された不活性ガスが励起され、このとき発生する熱が発光物質を気化してプラズマを形成させ、そのプラズマがマイクロ波により持続的に放電を維持することで、高い光度の光を放出するようになる。そして、この光は、反射鏡１０５により前方側に反射されて必要な光源として利用される。

本発明に係る無電極ランプシステムを示した分解斜視図である。 本発明に係る無電極ランプシステムを示した縦断面図である。 本発明に係る第１共振部を示した拡大図である。 本発明に係る共振周波数調節手段の第１実施形態を示した縦断面図である。 本発明に係る共振周波数調節手段の第２実施形態を示した縦断面図である。 本発明に係るスタブ設置状態の第１実施形態を示した縦断面図である。 本発明に係るスタブ設置状態の第２実施形態を示した縦断面図である。 本発明に係るスタブ設置状態の第３実施形態を示した縦断面図である。 従来のマイクロ波を利用した無電極ランプシステムを示した縦断面図である。

符号の説明

１０１ マグネトロン
１０１ａ アンテナ
１０２ 共振器
１０３ マイクロ波フィーダ
１０４ 電球
１０５ 反射鏡
１０６ ウィンドウ
１０７ 共振周波数調節手段
１１１ 第１共振部
１１２ 第２共振部
１１４ 導入部
１１５ 拡張部
１１６ 縮小部
１２１ 連結部
１２２ 第１フィーダ
１２３ 第２フィーダ
１２５ スタブ

Claims (20)

1. マイクロ波を発生し、そのマイクロ波が出力されるアンテナを備えたマグネトロンと、
   前記マイクロ波が通る経路によって内部直径が部分的に異なり、前記マイクロ波が共振される共振空間を有する共振器と、
   前記共振器の内部に位置され、前記マイクロ波のエネルギにより光を発光する発光物質が封入された電球と、
   一方側は前記アンテナに連結され他方側は前記電球に連結されて、マイクロ波を前記電球にガイドするマイクロ波フィーダと、を備え、
   前記マイクロ波フィーダの外径とこれに対応する前記共振器の内径との比率がマイクロ波の進行方向によって変化することを特徴とする無電極ランプシステム。
2. 前記共振器は、
   前記アンテナが挿入され、その内部に部分的に異なる内径を有する多段階の共振空間が同一軸上に形成された第１共振部と、
   前記第１共振部と連通するように前記第１共振部に対し垂直方向に配置される円筒状の共振空間を有し、その内部に前記電球が位置する第２共振部と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の無電極ランプシステム。
3. 前記第１共振部は、
   前記アンテナが通過する導入部と、
   前記導入部から延長形成され、前記アンテナと前記マイクロ波フィーダとが連結され、前記マイクロ波フィーダが通過する共振空間を有する拡張部と、
   前記拡張部から延長形成され、前記第１共振部から前記第２共振部に繋がる前記第１共振部の一端の内周面に前記第１共振部の中心軸に向かって所定厚さ及び長さを有するように突出形成される突出部により、前記拡張部より縮小された共振空間を有し、前記マイクロ波フィーダが前記第２共振部まで延長されるように通過する縮小部と、
   を備えることを特徴とする請求項２に記載の無電極ランプシステム。
4. 前記導入部、拡張部及び縮小部の内径は、相互に異なることを特徴とする請求項３に記載の無電極ランプシステム。
5. 前記マイクロ波フィーダは、
   前記マグネトロンのアンテナが挿入連結されるようにその内部に挿入溝を有し、前記拡張部の共振空間の内部に位置する連結部と、
   前記連結部の一方側に一体に形成され、前記拡張部から前記縮小部を経て前記第２共振部まで延長形成された第１フィーダと、
   前記第２共振部の内部で前記第１フィーダと垂直になるように連結され、その一端が前記電球に連結される第２フィーダと、
   を備えることを特徴とする請求項１または３に記載の無電極ランプシステム。
6. 前記連結部及び第１フィーダは、前記第１共振部の中心を横切るように配置されることを特徴とする請求項５に記載の無電極ランプシステム。
7. 前記アンテナの外径と前記アンテナが通過する前記導入部の内径との比、前記連結部の外径と前記連結部が通過する前記拡張部の内径との比、及び前記第１フィーダの外径と前記第１フィーダが通過する前記縮小部の内径との比がそれぞれ相互に異なることを特徴とする請求項５に記載の無電極ランプシステム。
8. 前記第２共振部の内部に流入するマイクロ波の共振周波数を調節するために、前記第２共振部の内部に共振周波数調節手段が設置されることを特徴とする請求項５に記載の無電極ランプシステム。
9. 前記共振周波数調節手段は、その中心に前記第２フィーダの一端が挿入される貫通孔を有し、前記第２フィーダに沿って前後に移動しながら、前記第２共振部の共振空間の体積を変化させる円板体により形成されることを特徴とする請求項８に記載の無電極ランプシステム。
10. 前記円板体は、外径が相互に異なるように多段に形成されることを特徴とする請求項９に記載の無電極ランプシステム。
11. 前記各円板体の多段の外周面は、所定角度傾斜するように形成されることを特徴とする請求項１０に記載の無電極ランプシステム。
12. 前記円板体は、導体であることを特徴とする請求項９に記載の無電極ランプシステム。
13. 前記第２共振部の共振空間の内周面に、共振周波数の調節及びインピーダンスマッチングのために所定高さを有して突出された一つ以上のスタブが形成されることを特徴とする請求項２に記載の無電極ランプシステム。
14. 前記スタブは、円筒状に形成されることを特徴とする請求項１３に記載の無電極ランプシステム。
15. 前記スタブは、多角柱状に形成されることを特徴とする請求項１３に記載の無電極ランプシステム。
16. 前記第２フィーダの一方側に、共振周波数の調節及びインピーダンスマッチングのために所定高さを有して突出されたスタブが形成されることを特徴とする請求項７に記載の無電極ランプシステム。
17. 前記スタブは、前記第１フィーダと同一軸上に形成されることを特徴とする請求項１６に記載の無電極ランプシステム。
18. 前記スタブは、突出された一端が前記第２共振部の共振空間の内周面に連結されることを特徴とする請求項１６に記載の無電極ランプシステム。
19. 前記スタブは、円筒状に形成されることを特徴とする請求項１６に記載の無電極ランプシステム。
20. 前記スタブは、多角柱状に形成されることを特徴とする請求項１６に記載の無電極ランプシステム。

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