JP2011108472A - 光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロ波を用いた光源装置は発光部に効率的な発光を得ることができない課題があった。
【解決手段】光源装置は、発光管４を収納し、一対の導体３の軸を中心軸５として、中心軸５の一方側に開口部６を有するリフレクター７と、マイクロ波電源５０と前記発光管４とを接続する伝送線路８と、を備え、リフレクター７は金属により形成し、リフレクター７の内壁９から、発光管４の前記中心軸５方向に向かい配置した導電性バー１０を配置した。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波励起ランプを利用した光源装置に関し、特に、マイクロ波励起ランプのエネルギー効率を高めることができる光源装置に関する。

従来、プロジェクターに使用される光源装置として、マイクロ波放電方式を用いた無電極光源が知られている。このような無電極光源は、発光管内に封入された発光物質がマイクロ波によって励起されてプラズマ発光する構成となっている。従来の白熱灯や高圧水銀ランプに代表される電極放電式ランプとは異なり、発光管内部に放電用の電極を有しないので、電極の消耗やそれに伴う発光管の白濁や黒化等に起因する発光管の劣化が抑制される。また、発光管内に封入される発光物質の選択肢が広がり、必ずしも水銀を使用する必要がないので不必要な紫外線を放出せずに済み、プロジェクター向けの長寿命光源として期待されている。

このような無電極光源では、マイクロ波電源からランプまでを同軸ケーブルまたは同軸管などの伝送線路を用いて接続することが知られている（例えば、特許文献１参照）。マイクロ波電源からランプの間に双方の特性インピーダンスの整合を行うマッチング回路を設け、マイクロ波電力の出力を調整することにより、ランプを効率よく発光させることができる。
また、マイクロ波エネルギーを効率的にプラズマへ供給するためには、アンテナ型や、ＴＥもしくはＴＭモードを用いた円筒型キャビティー構造が提案されている。

特開２００６−１４７４５４号公報 特開２００７−１１５５４７号公報 特開２００１−１０２００５号公報

前述のアンテナ型の場合には、マイクロ波の漏れが懸念される。また、円筒型の場合には、アルミナ等の誘電体が用いられているために、発光部に効率的な発光を得ることができない課題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、リフレクターに金属を用いて、さらにリフレクターの内壁に導電性バーを配置することで、リフレクター内部に高周波電力が入りやすく、かつ発光部に高周波電界が集まりやすい構造を、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例の光源装置は、マイクロ波を出力するマイクロ波電源と、発光部と、一対の導体とを有する発光管と、前記発光管を収納し、前記一対の導体の軸を中心軸として、前記中心軸の一方側に開口部を有するリフレクターと、前記マイクロ波電源と前記発光管とを接続する伝送線路と、を備え、前記リフレクターは金属により形成し、前記リフレクターの内壁から、前記発光管の前記中心軸方向に向かい配置した導電性バーを有することを特徴とする。

この構成によれば、金属からなるリフレクター内部に導電性バーを配置することで、マイクロ波の漏れを抑制し、さらにリフレクター内にマイクロ波電力が入りやすくかつマイクロ波が集中することから、発光部に電界を集中し効率的に発光を得ることができ、印加する電力量を抑制することができる。

［適用例２］本適用例の光源装置は、前記リフレクターの前記開口部の直径は、マイクロ波の１／２波長よりも小さく、前記リフレクターの全長である前記開口部と直角方向の長さ寸法は、前記マイクロ波の４／５波長であり、前記リフレクターの、前記全長のうち開口部側から前記マイクロ波の１／２波長部分の内壁は円筒形状をなし、前記円筒形状の、前記開口部側と反対側は、断面が曲線又は放物線形状で導体保持部である縮径範囲部と連続的に繋がり、前記縮径範囲長さはマイクロ波の１／５波長の寸法で形成し、前記リフレクターの前記開口部と逆側の面である導入ポートから前記マイクロ波の１／５波長の位置に発光管の発光中心を配置し、さらに、導電性バーを配置したことを特徴とする。

この構成によれば、それぞれの部位の寸法をマイクロ波波長に基づいた寸法としてさらに、リフレクター内部に導電性バーを配置することで、リフレクター内にマイクロ波電力が入りやすくかつ発光部にマイクロ波が集中することから、発光体部分に電界を集中させ、効率的な発光を得ることができる。

［適用例３］本適用例の光源装置は、前記導電性バーを、前記リフレクターの内壁に複数配置することを特徴とする。
この構成によれば、リフレクターの内壁に複数配置することで、リフレクター内にマイクロ波電力が入りやすくさらに発光部にマイクロ波が集中することから、発光体部分に電界を集中させ、効率的な発光を得ることができる。

［適用例４］本適用例の光源装置は、前記発光管の全長は、マイクロ波波長の１／２の大きさであることを特徴とする。
この構成によれば、リフレクター内で、発光体部分に電界を集中させ、効率的な発光を得ることができる。

図１は、本発明の実施形態にかかる光源装置の概略図であり、構造を示す斜視図である。 図２は、本発明の実施形態にかかる光源装置を示す断面図。 図３は、本発明の実施形態にかかる発光管を示す断面図。 図４は、本発明の実施形態にかかる投入電力の割合を示すグラフである。

本発明にかかる圧電デバイスの実施形態を、図面を用いて説明する。
以下図面を参照しながら説明する。

（実施形態）
図１は、本発明の実施形態にかかる光源装置の概略図であり、構造を示す断面斜視図であり、図２は、本発明の実施形態にかかる光源装置を示す断面図である。また、図３は、本発明の実施形態にかかる発光管を示す断面図である。

本実施の形態にかかる光源装置１１は、図１および図２に示すように、マイクロ波を出力するマイクロ波電源５０と、発光部２と、一対の導体３とを有する発光管４と、発光管４を収納し、一対の導体３の軸を中心軸５として、中心軸５の一方側に開口部６を有するリフレクター７と、マイクロ波電源５０と発光管４とを接続する伝送線路８とを備え、前記リフレクター７は金属により形成し、前記リフレクター７の内壁９から、前記発光管４の前記中心軸５方向に向かい配置した導電性バー１０を有している。

発光管４は図３に示すように、中央部に封体部１２を有する石英ガラスからなり、封体部１２には水銀やナトリウム等のハロゲン化金属が封入され、さらに、離間した発光電極部１３を有する一対の導体３が配置されている。
導体３は、タングステンや、モリブデン等の高融点材料で形成され、封体部１２内の導体３の先端である先端電極１４の形状は適宜変更可能であり、さらに、導体３の、先端電極１４を除く範囲の一部は、箔形状であってもよい。

一方側の導体３ａの、導入電極部１５は、図示しないコネクターにより、図２に示すような同軸ケーブル５１からなる伝送線路８の内部導体５２により、マイクロ波電源５０に接続し、２４．５ＧＨｚのマイクロ波を伝達される。なお、同軸ケーブル５１の中間部は図示しない。

伝送線路８を構成する同軸ケーブル５１は、内部導体５２と、これを覆う外部導体５３と、さらに、内部導体５２と外部導体５３との間に介在する誘電体（絶縁体）から構成されている。例えば、内部導体５２および、外部導体５３には銅が用いられ、誘電体には、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などが用いられる。ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を用いることにより、誘電体損失を低く抑えることができる。なお、内部導体５２を構成する銅線の表面には、銀メッキ処理が施されることが好ましく、これにより少ない損失でマイクロ波を伝送することができる。

同軸ケーブル５１の外部導体５３は図示しないコネクターにより金属性のリフレクター７と接続されている。
リフレクター７は、図１および図２に示すように、発光管挿入部１７を縮径部として、この発光管挿入部１７から拡がる断面が放物線形状の放物面を有する縮径範囲部１８と、縮径範囲部１８の放物面に繋がる円筒部１９から構成され、リフレクター７の発光管挿入部の反対側であり、円筒部の先端には、開口部６が形成されている。

本実施例では光源装置に供給するマイクロ波は２．４５ＧＨｚを用いた。このときのマイクロ波の波長は、１２．２Ｃｍであり、それぞれの部位の寸法はマイクロ波波長に基づいて決定することで、マイクロ波エネルギーを発光部２に効率よく供給することができる。

光源装置１１は、図２に示すように、リフレクター７の開口部６の直径Ｄは、マイクロ波の１／２波長よりも小さく、設定されて本実施例では６０ｍｍとした。
また、リフレクター７の全長Ｌである開口部から導入ポート２０までの長さは、マイクロ波の４／５波長であり、９７．６ｍｍとした。

リフレクター７の、全長Ｌのうち開口部側から前記マイクロ波の１／２波長部分の内壁は円筒形状をなし、円筒部長さＬ１は６１ｍｍとした。
前記円筒形状の、前記開口部側と反対側部分は、断面が曲線又は放物線形状で導体保持部である縮径範囲部と連続的に繋がり、前記縮径範囲長さはマイクロ波の１／５波長の寸法で形成し、縮径部分寸法Ｌ２は２４．４ｍｍとした。

前記リフレクターの前記開口部と逆側の面である導入ポートから前記マイクロ波の１／５波長の位置に発光管の発光中心１６を配置し、さらに、リフレクター７の内壁９から、発光管４の前記中心軸５方向に向かい配置した導電性バー１０を配置した。
このときの導入ポート２０から発光中心までの寸法である発光位置寸法Ｌ３は２４．４ｍｍとした。

リフレクター７の内壁９から、発光管４の前記中心軸５方向に向かい配置した導電性バー１０の配置位置も、発光位置寸法Ｌ３は２４．４ｍｍとして、リフレクターの内壁９から最短距離で発光管に近接させることとした。
さらに、リフレクター７の材質は、電気抵抗が小さくさらに熱伝導率が高いことから放熱効率を向上することが可能となるアルミニウム又は、アルミニウム合金を用いた。

リフレクターの内壁９に配置した導電性バー１０は、発光管４の中心軸５方向に向かい配置され、導電性バー１０は、発光管４との間に０．５ｍｍの隙間Ｇを有するように配置した。
リフレクターの内壁９に配置した導電性バー１０を配置することで、発光管４と、導電性バー１０との距離を近接させることで、発光部分に効率的に電界を集中することが可能となる。

導電性バーの本数は、１本でもよいが、安定して発光部２に電界を集中させるためには、リフレクターの内壁に複数配置することが望ましい。
リフレクターの内壁９に配置した導電性バー１０は、発光管４の中心軸５方向に向かい配置され、さらに中心軸５と直交する面を４分割するように４本の導電性バーを配置した。
このときの隣り合う導電性バー同士の分割角度は９０度とした。

このような構成とすることで、リフレクター内にマイクロ波電力が入りやすくさらに発光部にマイクロ波が集中することから、発光体部分に電界を集中させ、効率的な発光を得ることができる。
また、発光管の全長Ｌａは、マイクロ波波長の１／２の寸法である６１ｍｍであって、封体部１２の中央が、導電性バーの配置位置に配置される寸法とした。

この構成によれば、リフレクター内で、発光体部分の中央に電界を集中させ、効率的な発光を得ることができる。

上記の構成の発光装置について、ランプ点灯をおこなったところ、マイクロ波が外部に漏れずにマイクロ波エネルギーを効率よくリフレクター内に供給でき、発光管内の発光部に電界を集中させて発光させることが可能となった。
また、ランプ点灯時において、ランプの発光効率を計測した結果９０ルーメン／ｗの発光効率を得ることができた。

また、上記構成の発光装置について、電磁界シミュレーションをおこなったところ、図４に示すようにマイクロ波の反射率は、マイクロ波電源より供給した電力を１００％とした時に、リフレクター内には共振周波数Ｐ１に９９％の電力を供給できることが可能であった。

以上、本願発明の実施の形態について説明したが、本発明の光源装置は、発光体部分に電界を集中させ、効率的な発光を得ることができるため、プロジェクター用ランプ光源、や、広告用大型プロジェクターのランプ光源さらには、露光用紫外線ランプや洗浄用紫外線ランプ等として好適に使用できる。

２…発光部、３…導体、３ａ…一方側の導体、４…発光管、５…中心軸、６…開口部、７…リフレクター、８…伝送線路、９…内壁、１０…導電性バー、１１…光源装置、１２…封体部、１３…発光電極、１４…先端電極、１５…導入電極部、１６…発光中心、１７…発光管挿入部、１８…縮径範囲部、１９…円筒部、２０…導入ポート、５０…マイクロ波電源、５１…同軸ケーブル、５２…内部導体、５３…外部導体、Ｄ…開口部の直径、Ｌ…全長、Ｌ１…円筒部長さ、Ｌ２…縮径部分寸法、Ｌ３…発光位置寸法、Ｌａ…発光管の全長、Ｇ…隙間。

Claims (4)

1. マイクロ波を出力するマイクロ波電源と、
   発光部と、一対の導体とを有する発光管と、
   前記発光管を収納し、前記一対の導体の軸を中心軸として、前記中心軸の一方側に開口部を有するリフレクターと、
   前記マイクロ波電源と前記発光管とを接続する伝送線路と、
   を備え、
   前記リフレクターは金属により形成し、
   前記リフレクターの内壁から、前記発光管の前記中心軸方向に向かい配置した導電性バーを有することを特徴とする光源装置。
2. 前記リフレクターの前記開口部の直径は、マイクロ波の１／２波長よりも小さく、
   前記リフレクターの全長である前記開口部と直角方向の長さ寸法は、前記マイクロ波の４／５波長であり、
   前記リフレクターの、前記全長のうち開口部側から前記マイクロ波の１／２波長部分の内壁は円筒形状をなし、
   前記円筒形状の、前記開口部側と反対側は、断面が曲線又は放物線形状で導体保持部である縮径範囲部と連続的に繋がり、
   前記縮径範囲長さはマイクロ波の１／５波長の寸法で形成し、
   前記リフレクターの前記開口部と逆側の面である導入ポートから前記マイクロ波の１／５波長の位置に発光管の発光中心を配置し、さらに、導電性バーを配置したことを特徴とする請求項１記載の光源装置。
3. 前記導電性バーを、前記リフレクターの内壁に複数配置することを特徴とする請求項１又は２記載の光源装置。
4. 前記発光管の全長は、マイクロ波波長の１／２の大きさであることを特徴とする請求項１乃至３記載の光源装置。

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