JP2009230974A

JP2009230974A - 高周波放電灯システム

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Publication number: JP2009230974A
Application number: JP2008073435A
Authority: JP
Inventors: Takuya Serita; 卓也芹田; Takashi Fukushiro; 毅史福代
Original assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2008-03-21
Filing date: 2008-03-21
Publication date: 2009-10-08
Anticipated expiration: 2028-03-21
Also published as: JP5191765B2

Abstract

【課題】電磁波が反射することなく、電磁波を効率良く放電管内に照射すること。
【解決手段】電源部１２から電磁波伝送部１４を介して伝送する電磁波を導入して照射する電磁波照射部１８と、電磁波照射部１８から照射された電磁波を受けて生成されるプラズマにより放電発光する放電管２２を備え、電磁波照射部１８は、電磁波を導入する内部導体１９と、内部導体１９を覆う外部導体２０を有し、放電管２２は、内部に導体アッシー２６、２７が封入された封止部２４、２５を有し、放電管２２のうち電磁波照射部１８内に保持される保持領域の長さをＬ１とし、電磁波照射部１８より外部へ露出する放電領域の長さをＬ２とし、εを放電管２２の誘電率とし、λを電磁波の波長とした場合、内部導体１９が保持領域を覆う位置まで延びていることを条件に、Ｌ１＞λ／８（ε）^１／２、Ｌ２＜λ／４（ε）^１／２の関係を満たしてなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、放電管内に電磁波を集中するためのアンテナを備えた高周波放電灯システムに関する。

高周波放電灯の一例として、放電空間内に電極を持たない無電極放電灯が知られている。この種の無電極放電灯は、放電空間内にフィラメントや電極がないため、フィラメントや電極の消耗によって寿命が低下することがなく、蛍光灯や白熱電球よりも長寿命化を図ることができる。また、無電極放電灯は、電極がないので、電極として使用可能な物質に制約を受けることがなく、発光性能の良い物質を放電空間に配置することができ、電極を用いた放電灯よりも効率を高めることができる。

従来、高周波放電灯として、例えば、内部導体と外部導体を有する電磁波伝送用同軸型導波管と、導波管先端部に接続された放電管を備え、放電管を、内部が放電空間として形成された楕円球状部と、楕円球状部の両端に封着され、かつ導体アッシーが封着された一対の封着部で構成されたダブルエンド型にし、導体アッシーが導波管の内部導体と近接するように、基端側封着部を導波管の先端開口部に挿入保持し、導体アッシーと外部導体先端部で電磁波照射部で構成し、導波管を伝送した高周波電磁波を電磁波照射部から放電空間内に照射するようにしたものが提案されている（特許文献１参照）。

この高周波放電灯によれば、同軸型導波管を伝送した電磁波は、石英ガラス面を介して照明されることなく、導体アッシーを介して放電空間内に照射されるので、石英ガラスによるジュール損失がなく、その分放電管の発光効率を高めることができる。

特開２００７−２２０５３１号公報（第６頁から第７頁、図１参照）

従来技術では、放電管における封止部の一部が、電磁波照射部内に保持された構成を採用しているが、導体アッシーが埋め込まれた埋込部の長さについて配慮されていないので、埋込部の長さが十分でないときには、電磁波が反射して発光効率が低下する。例えば、電磁波照射部の端面（給電点）を起点に電界が発生するときに、導体アッシーと内部導体とが重複するラップ領域が少なく、ラップ領域の長さがλ（電磁波の波長）／８に満たないと、電磁波が反射し、放電空間内に電界が形成しにくくなる。

本発明は、前記従来技術の課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、電磁波が反射することなく、電磁波を効率良く放電管内に照射することができる高周波放電灯システムを提供することにある。

前記目的を達成するために、請求項１に係る高周波放電灯システムにおいては、電磁波を発生する電源部と、前記電源部から発生した電磁波を伝送する電磁波伝送部と、前記電磁波伝送部より伝送する電磁波を導入して照射する電磁波照射部と、前記電磁波照射部により導入された電磁波を受けて生成されるプラズマにより放電発光する放電管とを備え、前記電磁波照射部は、前記電磁波を導入する内部導体と、前記内部導体を覆う筒状の外部導体を有し、前記放電管は、内部に導体アッシーが封入された封止部を少なくとも一つ有する高周波放電灯システムにおいて、前記放電管の封止部が前記電磁波照射部内に保持される保持領域の長さをＬ１とし、前記放電管が前記電磁波照射部より外部へ露出する放電領域の長さをＬ２とし、εを前記放電管の誘電率とし、λを前記電磁波の波長とした場合、前記内部導体が、前記保持領域に存在する封止部のほぼ全長を覆う位置まで延びていることを条件に、Ｌ１＞λ／８（ε）^１／２、Ｌ２＜λ／４（ε）^１／２の関係を満たしてなる構成とした。

（作用）電源部で発生した電磁波が電磁波伝送部を介して電磁波照射部に伝送し、電磁波照射部から放電管に照射されると、照射された電磁波により、放電管の放電空間内で高密度プラズマが発生して、放電空間内の発光物質が蒸発されるとともに励起されて発光する。この際、放電管の封止部が電磁波照射部内に保持される保持領域の長さをＬ１とし、放電管が電磁波照射部より外部へ露出する放電領域の長さをＬ２とし、εを放電管の誘電率とし、λを電磁波の波長とした場合、内部導体が、保持領域に存在する封止部のほぼ全長を覆う位置まで延びていることを条件に、Ｌ１＞λ／８（ε）^１／２、Ｌ２＜λ／４（ε）^１／２の関係を満たしているので、電源部で発生した電磁波（マイクロ波）が電磁波伝送部を伝送した後、電磁波照射部を伝送するときに、電磁波照射部で反射することなく、電磁波照射部から放電管内に集中して照射される。このため、放電管の発光効率の向上を図ることができる。

請求項２に係る高周波放電灯システムにおいては、請求項１に記載の高周波放電灯システムにおいて、前記封止部は、前記導体アッシーを外部に露出することなく、前記導体アッシー全体を内部に封止した封止構造とした。

（作用）封止部を、導体アッシーを外部に露出することなく、導体アッシー全体を内部に封止した封止構造にすることで、封止部に箔シール構造を採用する必要がなくなり、導体アッシーをガラスで封着することができるとともに、封止部外部へのリークを防止でき、耐久性の向上を図ることができる。また、導体アッシーから電磁波照射部の内部導体への熱流出がなくなり、熱ロスの低減に伴って、放電管の発光効率の向上を図ることができる。

請求項３に係る高周波放電灯システムにおいては、請求項１または２に記載の高周波放電灯システムにおいて、前記放電管の封止部は、ダブルエンド型またはシングルエンド型で構成した。

（作用）ダブルエンド型の放電管を用いた場合、封止部のうち電磁波照射部の外部に突出されている封止部内の導体アッシーがアンテナとして機能するので、シングルエンド型の放電管を用いるときよりも、放電管内にアークを安定した状態で形成することができる。一方、シングルエンド型の放電管を用いた場合、ダブルエンド型のような、アンテナとして機能する導体アッシーが存在しないので、ダブルエンド型の放電管を用いるときよりも、アンテナでの熱ロスがなく、その分放電管の発光効率を高めることができる。

以上の説明から明らかなように、請求項１によれば、放電管の発光効率の向上を図ることができる。

請求項２によれば、封止部外部へのリークを防止でき、耐久性の向上を図ることができるとともに、熱ロスの低減に伴って、放電管の発光効率の向上を図ることができる。

請求項３によれば、ダブルエンド型の放電管とすることで、放電管内にアークを安定した状態で形成することができ、一方、シングルエンド型の放電管とすることで、アンテナでの熱ロスがなく、その分放電管の発光効率を高めることができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施例を示す高周波放電灯システムの断面図、図２は、実験１における高周波放電灯システムの要部断面図、図３は、実験１の実験結果を示す特性図、図４は、実験２における高周波放電灯システムの要部断面図、図５は、実験２の実験結果を示す特性図、図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、実験３における高周波放電灯システムの要部断面図、図７は、実験３の実験結果を示す特性図、図８は、検証実験における高周波放電灯システムの要部断面図、図９は、検証実験の実験結果を示す特性図、図１０は、放電管と電磁波照射部のサイズを最適としたときの両者の関係を説明するための要部断面図、図１１（ａ）は、ダブルエンド型の封止部を備えた放電管の断面図、図１１（ｂ）は、シングルエンド型の封止部を備えた放電管の断面図である。

図１において、高周波放電灯システム１０は、電磁波を発生する電源部１２と、電源部１２から発生した電磁波を伝送する電磁波伝送部１４と、電磁波伝送部１４より伝送する電磁波を導入して照射する電磁波照射部１８と、電磁波照射部１８により導入された電磁波を受けて生成されるプラズマにより放電発光する放電管２２を備えている。

電源部１２は、車載バッテリから供給される電力によってマイクロ波帯（３００ＭＨｚ〜１００ＧＨｚ）の電磁波を発生する発振部１３を備え、発振部１３は、例えば、マグネトロンや、半導体スイッチング素子（ＦＥＴやバイポーラトランジスタ等）を用いた高周波アンプで構成されている。この際、発振部１３は、電磁波の波長λが、真空中で５０〜３５０ｍｍとなる周波数、例えば、２．４５ＧＨｚで発振するようになっている。

電磁波伝送部１４は、金属製の円パイプ状内部導体１５と、この内部導体１５を取り囲む金属製の円パイプ状外部導体１６と、円パイプ状に形成されて、内部導体１５と外部導体１６との間に介装された、絶縁部材である石英ガラス製の誘電体１７が同軸状に一体化された構造で、例えば、同軸管や同軸ケーブルとして構成され、内部導体１５とこれを取り囲む外部導体１６間において電磁波が伝送される。

電磁波照射部１８は、金属製の円パイプ状内部導体１９と、略中空円筒状に形成されて、内部導体１９を取り囲む金属製外部導体２０と、円パイプ状に形成されて、内部導体１９と外部導体２０との間に介装された断熱部材、例えば、石英ガラス製のスペーサ２１が同軸状に一体化された構造で、放電管２２に電磁波を導入するためのランチャーとして、内部導体１９の長手方向端部が放電管２２の長手方向端部に接続されている。

内部導体１９の長手方向一端側には円環状のフランジ１９ａが形成されており、このフランジ１９ａは、電磁波伝送部１４の内部導体１５の内周側に圧入されている。すなわち、内部導体１５と内部導体１９はフランジ１９ａを介して電気的に接続されている。また、外部導体２０の長手方向一端側には円環状の段部２０ａが形成され、長手方向他端側には円環状のフランジ２０ｂが形成されており、段部２０ａに、電磁波伝送部１４の外部導体１６の長手方向一端側が圧入されている。すなわち、外部導体１６と外部導体２０は段部２０ａを介して電気的に接続されている。さらに、スペーサ２１の長手方向一端側は電磁波伝送部１４の誘電体１７の長手方向一端側に結合されており、スペーサ２１の長手方向他端側は外部導体２０のフランジ２０ｂで支持されている。

放電管２２は、長手方向の途中に楕円球状膨出部２３が形成されたガラス（無水石英ガラス）管の両端部を封着（ピンチシール）することで、封着部（ピンチシール部）２４、２５に導体アッシー２６、２７が封着され、かつ楕円球状膨出部２３内が放電空間２８とされたダブルエンド型に構成されている。そして、放電管２２の放電空間２８内には、始動用希ガス（常温下１〜２０気圧）が発光物質（ＮａＩ、ＳｃＩ_３等）とともに封入されている。

封着部２４、２５のうち基端側封着部２４に封着（固定）された導体アッシー２６は、タングステン製導体棒２６ａ、モリブデン箔２６ｂ、モリブデン製導体棒２６ｃが直線状に接続されて一体化されている。モリブデン製導体棒２６ｃは、その先端部が内部導体１９の内側に、基端側封着部２４の先端部を間にして圧入され、内部導体１９とは電気的に接続されない状態にある。タングステン製導体棒２６ａは、その一部が放電空間２８内に所定の長さだけ突出している。

一方、先端側封着部２５に封着（固定）された導体アッシー２７は、タングステン製導体棒２７ａ、モリブデン箔２７ｂ、モリブデン製導体棒２７ｃが直線状に接続されて一体化されている。タングステン製導体棒２７ａは、その一部が放電空間２８内に所定の長さだけ突出され、モリブデン箔２７ｂ、モリブデン製導体棒２７ｃは、先端側封着部２５内に封着されている。

導体アッシー２６、２７を構成するタングステン製導体棒２６ａ、２７ａ、モリブデン製導体棒２６ｃ、２７ｃは、例えば、外径０．２５ｍｍのカリウムドープタングステン線またはトリアドープタングステン線で構成され、２６ｂ、２７ｂは、モリブデン箔で構成され、モリブデン製導体棒２６ｃ、２７ｃは、タングステン製導体棒２６ａ、２７ａよりも外径が大きいモリブデン線で構成されている。

この際、導体アッシー２６、２７は、内部導体１９に電気的に接続されていないので、封着部２４、２５に箔シール構造を採用する必要はなく、封着部２４、２５をガラスで封着することもでき、導体アッシー２６から内部導体１９への熱流出及び導体アッシー２７から外部への熱流出をなくし、放電管２２の発光効率を高めることができるようになっている。

そして、放電管２２の基端側封着部２４のモリブデン製導体棒２６ｃが電磁波照射部１８の内部導体１９の内側に圧入されると、封着部２４が内部導体１９に把持（挟持）されて軸方向および周方向に位置決め固定されるとともに、モリブデン製導体棒２６ｃの先端部と内部導体１９の長手方向端部が近接して配置される。

この状態で、電源部１２から電磁波が発生すると、電源部１２から電磁波伝送部１４を伝送した電磁波は、基端側封着部２４に封着されている導体アッシー２６と、この導体アッシー２６を取り囲む外部導体２０によって放電空間２８内に照射される。このとき、照射された電磁波（電磁波照射部１８で発生した高周波電界）により、放電空間２８内で高密度プラズマが発生して、放電空間２８内の発光物質が蒸発されるとともに励起されて発光する。

この場合、電磁波照射部１８を構成する導体アッシー２６のタングステン製導体棒２６ａが放電空間２８内に突出していることから、電磁波伝送部１４によって伝送された電磁波はタングステン製導体棒２６ａを介して確実に放電空間２８内に導入される。

また、放電管２２の先端側封着部２５に封着されている導体アッシー２７も導体アッシー２６と同様にアンテナとして作用し、導体アッシー２７周辺にも高い電界が集中するため、アークが導体アッシー２７に向かって収束し、アーク（形状）が安定する。特に、ヘッドランプ等の自動車用灯具の光源として用いる場合は、放電管２２を水平点灯する形態で用いるが、アーク（形状）が安定するため、アークが管壁と接触しない最適形状となるように放電管２２（管壁）の形状設計が可能となって、発光効率の向上につながる。

ここで、電源部１２から発生する電磁波（マイクロ波）が電磁波伝送部１４を伝送した後、電磁波照射部１８で反射することなく、放電空間２８内に集中して照射されることを検証するために、放電管２２点灯時における発光効率を求める実験として、実験１〜実験４を行った。

各実験では、放電管２２のモデルとして、水銀入りの発光管を用いた。

まず、実験１では、図２に示すように、発光管（放電管２２）の長手方向両端の長さに対応した部位が受信アンテナとして機能すると仮定するとともに、発光管（放電管２２）の長手方向両端の長さをアンテナ両端長さ＝Ｌとし、このアンテナ両端長さＬを数十ｍｍの範囲（２５ｍｍ〜３２ｍｍ）で変化させて、発光管点灯時の発光効率を求めた。実験１の実験結果を図３に示す。

図３において、縦軸は、発光効率〔ｌｍ／Ｗ〕を示し、横軸は、アンテナ両端長さＬを示す。また、グラフｇ６１は、発光管への入力電力を６０Ｗにしたときの特性を、グラフｇ５１は、発光管への入力電力を５０Ｗにしたときの特性を、グラフｇ４１は、発光管への入力電力を４０Ｗにしたときの特性を示す。

図３から、発光管への入力電力＝４０Ｗ〜６０Ｗにおいて、アンテナ両端長さＬを、Ｌ＝３１ｍｍに設定することで、発光効率を最も高くできることが分かる。これは、発光管内にかかる電界は、アンテナ両端長さＬを、Ｌ＝３１ｍｍにしたときに、最も強くなり、アンテナ両端長さＬが、Ｌ＝３１ｍｍよりも短くなるほど弱くなることが考えられる。

実験２では、図４に示すように、アンテナ両端長さＬを、Ｌ＝３１ｍｍに固定し、差込量Ｌ１（発光管（放電管２２）の封止部２４のうち電磁波照射部１８内に挿入されて、電磁波照射部１８に保持された保持領域の長手方向の長さ）を数ｍｍから数十ｍｍの範囲（４ｍｍ〜１２ｍｍ）で変化させて、発光管点灯時の発光効率を求めた。実験２の実験結果を図５に示す。

図５において、縦軸は、発光効率〔ｌｍ／Ｗ〕を示し、横軸は、発光管差込量Ｌ１を示す。また、グラフｇ６２は、発光管への入力電力を６０Ｗにしたときの特性を、グラフｇ５２は、発光管への入力電力を５０Ｗにしたときの特性を、グラフｇ４２は、発光管への入力電力を出力４０Ｗにしたときの特性を示す。

図５から、発光管への入力電力が５０Ｗと６０Ｗでは、差込量Ｌ１が長い程発光効率が高いが、発光管への入力電力が４０Ｗでは、差込量Ｌ１が長くなると、発光効率が若干低下することが分かる。発光管への入力電力が５０Ｗと６０Ｗの場合、差込量Ｌ１が長い程、発光管内にかかる電界が強いことが考えられる。

実験３では、アンテナ両端長さＬを一定にして、発光管（放電管２２）の放電空間２８の位置を変化させたときに、発光効率が変化するか否かを調査するために、３通りについて、発光管点灯時の発光効率を求めた。実験３の実験結果を図７に示す。

まず、最初の実験では、図６（ａ）に示すように、発光管（放電管２２）のアンテナ両端長さＬの中心が、放電空間２８の中心となるように、発光管（放電管２２）を差込量Ｌ１＝４．０ｍｍで電磁波照射部１８に固定し、発光管への入力電力を４０Ｗ、５０Ｗ、６０Ｗとした。このときの発光効率の特性を図７のグラフａ１で示す。

２番目の実験では、図６（ｂ）に示すように、発光管（放電管２２）のアンテナ両端長さＬの中心から、５．４ｍｍ先端寄りが、放電空間２８の中心となるように、発光管を差込量Ｌ１＝４．０ｍｍで電磁波照射部１８に固定し、発光管への入力電力を４０Ｗ、５０Ｗ、６０Ｗとした。このときの発光効率の特性を図７のグラフｂ１で示す。

３番目の実験では、図６（ｃ）に示すように、発光管（放電管２２）のアンテナ両端長さＬの中心から、５．４ｍｍ電磁波照射部１８寄りが、放電空間２８の中心となるように、発光管を差込量Ｌ１＝４．０ｍｍで電磁波照射部１８に固定し、発光管への入力電力を４０Ｗ、５０Ｗ、６０Ｗとした。このときの発光効率の特性を図７のグラフｃ１で示す。

実験３の実験結果から、発光管（放電管２２）の発光効率は、放電空間２８の中心を、発光管（放電管２２）のアンテナ両端長さＬの中心より、５．４ｍｍ電磁波照射部１８寄りにしたときが、最も高くなるが、いずれの場合も大きな差はないことが分かる。これは、発光管（放電管２２）の放電空間２８の位置を変えても、発光管内にかかる電界の強さに大きな差はないと考えられる。

実験１から実験３の各実験結果から、発光管（放電管２２）を電磁波照射部（ランチャー）１８に近づけ、且つ発光管（放電管２２）の内部導体１９への差込量Ｌ１が長い程、発光管（放電管２２）の発光効率が向上すると推定し、以下のような検証実験（追加実験）を行った。

検証実験（実験４）では、図８に示すように、発光管（放電管２２）の電磁波照射部（ランチャー）１８からの突き出し量（＝電磁波照射部１８の長手方向端面から放電管２２先端側までの距離であって、外部に露出して放電に寄与する放電領域の長手方向の長さ）Ｌ２を１６ｍｍで固定し、アンテナ両端長さＬとともに、差込量（アンテナ差込長さ）Ｌ１を数ｍｍの範囲で変化させて、発光効率を求めた。この検証実験の結果を図９に示す。

図９おいて、縦軸は、発光効率〔ｌｍ／Ｗ〕を示し、横軸は、発光管（放電管２２）の差込量（アンテナ差込長さ）Ｌ１を示す。また、グラフｇ６３は、発光管への入力電力を６０Ｗにしたときの特性を、グラフｇ５３は、発光管への入力電力を５０Ｗにしたときの特性を、グラフｇ４３は、発光管への入力電力を出力４０Ｗにしたときの特性を示す。

図９から、入力電力４０Ｗ〜６０Ｗにおいて、発光管（放電管２２）の差込量（アンテナ差込長さ）Ｌ１が長くなる程、発光管（放電管２２）の発光効率が高くなることが分かる。これは、発光管（放電管２２）の差込量（アンテナ差込長さ）Ｌ１が長くなる程、発光管（放電管２２）内に強い電界がかかるためであると考えられる。

以上の各実験結果を考察すると、以下のようになる。

（１）アンテナ両端長さＬに対する放射抵抗の影響を調査したところ、アンテナ両端長さＬ＝３１ｍｍ付近で、発光管（放電管２２）の発光効率が高くなったが、その影響は大きくないことが分かった。

（２）アンテナ両端長さＬ全体がアンテナになるという推定の基に実験２、実験３を行ったが、実験２、実験３では、発光管（放電管２２）の発光効率が変化したことから、アンテナ両端長さＬ全体がアンテナになる、という推定は正確ではなかったと考えられる。

（３）実験２、実験３では、発光管（放電管２２）が電磁波照射部（ランチャー）１８に近いほど、発光管（放電管２２）の発光効率が高かったのは、アンテナである電磁波照射部１８に供給された電磁波（マイクロ波）が、発光管（放電管２２）に到達するまでのエネルギー損失（アンテナを覆うガラス等によるエネルギー損失）が少ないことが原因と考えられる。

（４）検証実験（実験４）では、発光管（放電管２２）の差込量（アンテナ差込長さ）Ｌ１が長い程、発光管（放電管２２）の発光効率が高かったのは、電力供給側である、電磁波照射部１８の差込部の長さが短いと、この電磁波照射部１８の差込部端部で反射した電磁波（マイクロ波）が入射波と干渉することが原因と考えられる。

次に、上記（４）を検証するために、発光管（放電管２２）の差込量（アンテナ差込長さ）Ｌ１を１５ｍｍより更に長くしたときに、発光管（放電管２２）内にかかる電界の強度がどのように変化するかを調査するためのシミュレーションとして、電磁界シミュレータを用いて、電界強度分布解析を行った。
このシミュレーションでは、高密度プラズマは、ほぼ全ての原子が電離した状態で、非常に電流が流れやすい金属に似た電気特性を示し、また、プラズマ中ではエネルギーが光に変換されて消費されるため、エネルギーロスが発生することを考慮し、発光管（放電管２２）のうち放電空間２８内の放電部を、導電率が高く、内部抵抗を持つ物質とし、それ以外のものは、完全導電体とした。

また、このシミュレーションでは、発光管（放電管２２）の差込量（アンテナ差込長さ）Ｌ１を一定とし、電磁波照射部（ランチャー）１８端面から先端までの長さを変化させて、発光管（放電管２２）内にかかる電界の強度がどのように変化するかを調査した。

電磁界シミュレータを用いて、電界強度分布解析を行ったところ、発光管（放電管２２）の差込量（アンテナ差込長さ）Ｌ１を一定とし、電磁波照射部（ランチャー）１８端面から先端までの長さを１５ｍｍ前後にすると、発光管（放電管２２）に最も強く電界がかかることが分かった。

これも、発光管（放電管２２）の差込量（アンテナ差込長さ）Ｌ１と同様に、電磁波照射部（ランチャー）１８端面から先端までの長さが１５ｍｍよりも短いと、電磁波照射部１８の先端で反射した電磁波（マイクロ波）が入射波と干渉してしまうことが原因と考えられる。

そのため、発光管（放電管２２）の熱容量を考慮すると、発光管（放電管２２）の差込量（アンテナ差込長さ）Ｌ１はなるべく短い方が良く、電磁波照射部（ランチャー）１８端面から先端までの長さ（距離）は、λ／４（ε）^１／２＝１５．５ｍｍ程度が最適と考えられる。

シミュレーション結果から、図１０に示すように、発光管（放電管２２）は、以下のサイズが最適となる。

アンテナ両端長さＬ＝３１ｍｍ＝λ／２（ε）^１／２、
封着部２４のうち電磁波照射部１８内に挿入された保持領域の長さ＝発光管（放電管２２）の差込量（アンテナ差込長さ）Ｌ１＝１５．５ｍｍ＝λ／４（ε）^１／２、
電磁波照射部１８の長手方向端面から放電管２２先端までの距離を示す、放電領域の長さＬ２＝１５．５ｍｍ＝１／４λ（ε）^１／２。

ここで、λは、電磁波（マイクロ波）の波長を示し、εは、発光管（放電管２２）を構成する石英ガラスまたはセラミックの誘電率を示す。

一方、発光管（放電管２２）には、導体アッシー２６、２７による熱ロスがあることを考慮すると、発光管（放電管２２）は、封止部２４が電磁波照射部１８内に保持される保持領域をＬ１とし、発光管（放電管２２）が電磁波照射部１８より外部へ露出する放電領域をＬ２とし、εを発光管（放電管２２）の誘電率とし、λを電磁波の波長とした場合、内部導体１９が、保持領域に存在する封止部２４のほぼ全長を覆う位置まで延びていることを条件に、
Ｌ１＞λ／８（ε）^１／２、Ｌ２＜λ／４（ε）^１／２の関係を満たすことが必要とされる。

この際、導体アッシー２６、２７による熱ロスを少なくすることを考慮すると、発光管（放電管２２）は、Ｌ１≧（Ｌ２）／２の関係を満たすことが必要である。

また、放電管２２としては、図１１（ａ）に示すように、導体アッシー２６、２７を単一のタングステン製導体棒２６ａ、２７ａで構成したダブルエンド型の放電管２２ａを用いることができる。

さらに、放電管２２としては、図１１（ｂ）に示すように、石英ガラスまたはセラミックを用いて形成された膨出部２９の内部に放電空間３０が形成され、膨出部２９の長手方向端部に、放電空間３０に隣接して封着部（ピンチシール部）３１が形成され、封着部３１内に導体アッシー３２が封着された、シングルエンド型の放電管２２ｂを用いることもできる。

なお、導体アッシー３２は、単一のタングステン製導体棒３２ａで構成されている。この導体アッシー３２の長手方向一端側は放電空間３０内に突出され、長手方向他端側は、外部に露出されることなく、封着部３１内に収納されている。

放電管２２ａ、２２ｂは、封着部２４、３１がそれぞれ電磁波照射部１８の内部導体１９内に挿入されている。そして、封着部２４、３１のうち導体アッシー２６、３２が内部導体１９とその長手方向において重複する保持領域の長さを、放電管２２ａの差込量（アンテナ差込長さ）として、Ｌ１に設定し、電磁波照射部１８の長手方向端面から導体アッシー２７の先端または放電空間３０の先端までの長さを、放電領域に対応した長さとして、Ｌ２に設定し、εを放電管２２ａ、２２ｂの誘電率とし、λを電磁波の波長とした場合、内部導体１９が封止部２４、３１のほぼ全長を覆う位置まで延びていることを条件に、
Ｌ１＞λ／８（ε）^１／２、Ｌ２＜λ／４（ε）^１／２の関係を満たすようになっている。

ダブルエンド型の放電管２２ａを用いた場合、導体アッシー２７も導体アッシー２６と同様にアンテナとして機能するので、シングルエンド型の放電管２２ｂを用いるときよりも、放電管２２内にアークを安定した状態で形成することができる。

一方、シングルエンド型の放電管２２ｂを用いた場合、導体アッシー２７が存在しないので、ダブルエンド型の放電管２２ａを用いるときよりも、アンテナへの熱ロスが少なく、その分放電管２２ｂの発光効率を高めることができる。

本実施例によれば、封止部２４が電磁波照射部１８内に保持される保持領域の長さをＬ１とし、発光管（放電管２２）が電磁波照射部１８より外部へ露出する放電領域の長さＬ２とし、εを発光管（放電管２２）の誘電率とし、λを電磁波の波長とした場合、内部導体１９が、保持領域に存在する封止部２４のほぼ全長を覆う位置まで延びていることを条件に、Ｌ１＞λ／８（ε）^１／２、Ｌ２＜λ／４（ε）^１／２の関係を満たすようにしたため、電磁波が反射することなく、電磁波を効率良く放電管２２内に照射することができる。

また、本実施例によれば、放電管２２の導体アッシー２６と電磁波照射部１８の内部導体１９とを接続しないようにしたため、放電管２２に箔シール構造を採用する必要がなくなり、導体アッシー２６、２７をガラスで封着することができるとともに、封止部２４、２５での外部へのガスリークを防止でき、耐久性の向上を図ることができる。この場合、導体アッシー２６から電磁波照射部１８の内部導体１９への熱流出および導体アッシー２７から外部への熱流出がなくなるので、熱ロスの低減に伴って、放電管２２の発光効率をより高めることができる。

さらに、本実施例によれば、導体アッシー２６を封着した封着部２４のうち電磁波照射部１８内に挿入された保持領域の長さ＝放電管２２の差込量（アンテナ差込長さ）Ｌ１を１／８λ（ε）^１／２よりも長くし、電磁波照射部１８の長手方向端面から放電管２２先端までの距離を示す、放電領域の長さＬ２を１／４λ（ε）^１／２にしたため、放電管２２に高周波電界が集中し、放電管２２の発光効率の向上を図ることができる。

本発明の一実施例を示す高周波放電灯システムの断面図である。実験１における高周波放電灯システムの要部断面図である。実験１の実験結果を示す特性図である。実験２における高周波放電灯システムの要部断面図である。実験２の実験結果を示す特性図である。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、実験３における高周波放電灯システムの要部断面図である。実験３の実験結果を示す特性図である。検証実験における高周波放電灯システムの要部断面図である。検証実験の実験結果を示す特性図である。放電管と電磁波照射部のサイズを最適としたときの両者の関係を説明するための要部断面図である。（ａ）は、ダブルエンド型の封止部を備えた放電管の断面図、（ｂ）は、シングルエンド型の封止部を備えた放電管の断面図である。

符号の説明

１０高周波放電灯システム
１２電源部
１４電磁波伝送部
１５内部導体
１６外部導体
１８電磁波照射部
１９内部導体
２０外部導体
２２、２２ａ、２２ｂ放電管
２４、２５、３１封止部
２６、２７、３２導体アッシー
２８、３０放電空間

Claims

電磁波を発生する電源部と、前記電源部から発生した電磁波を伝送する電磁波伝送部と、前記電磁波伝送部より伝送する電磁波を導入して照射する電磁波照射部と、前記電磁波照射部により導入された電磁波を受けて生成されるプラズマにより放電発光する放電管とを備え、前記電磁波照射部は、前記電磁波を導入する内部導体と、前記内部導体を覆う筒状の外部導体を有し、前記放電管は、内部に導体アッシーが封入された封止部を少なくとも一つ有する高周波放電灯システムにおいて、
前記放電管の封止部が前記電磁波照射部内に保持される保持領域の長さをＬ１とし、前記放電管が前記電磁波照射部より外部へ露出する放電領域の長さをＬ２とし、εを前記放電管の誘電率とし、λを前記電磁波の波長とした場合、前記内部導体が、前記保持領域に存在する封止部のほぼ全長を覆う位置まで延びていることを条件に、
Ｌ１＞λ／８（ε）^１／２、Ｌ２＜λ／４（ε）^１／２の関係を満たしてなることを特徴とする高周波放電灯システム。
前記封止部は、前記導体アッシーを外部に露出することなく、前記導体アッシー全体を内部に封止した封止構造である請求項１に記載の高周波放電灯システム。
前記放電管の封止部は、ダブルエンド型またはシングルエンド型で構成されてなることを特徴とする請求項１または２に記載の高周波放電灯システム。