JP2015015188A - プラズマ発光装置とそれに用いる電磁波発生器 - Google Patents

Abstract

【課題】５００Ｗを超える入力電力に対する発光効率を向上させたプラズマ発光装置を提供する。
【解決手段】実施形態のプラズマ発光装置１は、電磁波発生器２と、電磁波発生器２から放射される電磁波を伝送する導波管４と、電磁波が照射される電磁波集束器６と、電磁波集束器６内に配置された無電極バルブ７とを具備する。無電極バルブ７内に充填された発光物質を電磁波で励起してプラズマ発光させる。電磁波発生器２は、５００Ｗを超えて１５００Ｗ以下の範囲の入力電力領域の全域で電磁波を発生させ、かつ入力電力領域における電磁波の最大出力効率が７２％以上である。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、プラズマ発光装置とそれに用いる電磁波発生器に関する。

従来、店舗や倉庫等の天井に設置される照明器具や道路照明等の高出力が求められる照明装置には、主として高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、高圧ナトリウムランプ等の高輝度放電ランプ（Ｈｉｇｈ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｌａｍｐ：ＨＩＤ）が用いられてきた。近年、省エネルギーへの要求がより一層強まるにつれて、照明装置に対しても省エネルギー化が強く求められている。ＨＩＤにおいても、透光性セラミックスからなる発光管を備えたメタルハライドランプ（セラミックメタルハライドランプ）等で省エネルギー化が進められているものの、十分とは言えない。また、セラミックメタルハライドランプは他のＨＩＤと同様に輝度が経時的に劣化しやすいため、十分な寿命を有しているとは言えず、設置コストやメンテナンスコストが高くなる。

長寿命で省エネルギーな照明装置としては、ＬＥＤ照明が注目されている。ＬＥＤ照明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）を発光源や蛍光体の励起源として用いている。このため、ＬＥＤ照明は消費電力が少なく、また寿命も数万時間から１０万時間程度と長いという特徴を有している。しかしながら、ＬＥＤ照明は一般的に低出力の照明装置に広く適用されているものの、高出力が求められる照明装置には不向きとされている。すなわち、ＬＥＤ照明を高出力化するとエネルギー変換効率が悪くなり、発熱量が増大するために寿命が著しく短くなる。また、高天井用の照明装置として用いた場合、ＬＥＤ照明では配光照度が不足する。照度不足を解消するためには、ＬＥＤ照明の設置数を増やす必要があるが、これは照明装置の設置コストを上昇させる要因となる。

ＨＩＤやＬＥＤ等を用いた照明装置とは別に、無電極バルブ内に充填された発光物質をマイクロ波で励起してプラズマ発光させるプラズマ照明装置が知られている。プラズマ照明装置は、例えばマイクロ波発生器と、マイクロ波発生器で発生させたマイクロ波が導かれるマイクロ波集束器と、マイクロ波集束器内に設置された無電極バルブとを有している。無電極バルブ内に充填された発光物質は、マイクロ波集束器で無電極バルブに集束させたマイクロ波で励起されることによりプラズマ発光する。プラズマ照明装置は、バルブ内の発光物質を物理的な接触なしに活性化させるために長寿命であり、さらに点光源であるがゆえに配光設計に好適な照明装置である。

ところで、高天井（例えば１０ｍ以上）に設置される屋内照明のような大光量が必要とされる照明装置には、入力電力が７００Ｗ〜１ｋＷのメタルハライドランプ（全光束が５万〜８万ルーメン）が用いられている。また、大光量が必要とされる屋外の広域施設照明用の照明装置としては、入力電力が７００Ｗ〜１ｋＷ、または１ｋＷ以上の投光型のメタルハライドランプ（全光束が５万〜１０万ルーメン、または１０万ルーメン以上）が主流である。しかしながら、メタルハライドランプは輝度の経時劣化が大きく、寿命特性に劣ることから、メンテナンスコストの増加等が避けられない。一方、従来のプラズマ照明装置は寿命特性に優れる反面、５００Ｗを超える入力電力を適用した際の発光効率が必ずしも十分ではないことから、入力電力を増大させた場合の発光効率の改善が望まれている。

特表２００４−５０５４２９号公報 特開２００５−０８５７４９号公報 特表２０１０−５２７１２９号公報

本発明が解決しようとする課題は、５００Ｗを超える入力電力に対する発光効率を向上させたプラズマ発光装置とそれに用いる電磁波発生器を提供することにある。

実施形態のプラズマ発光装置は、電磁波発生器と、電磁波発生器に電力を供給する電源部と、電磁波発生器から放射される電磁波を伝送する導波管と、導波管内を伝送される電磁波を受信するアンテナと、アンテナから電磁波が照射される電磁波集束器と、電磁波集束器内に配置され、かつ発光物質が充填された無電極バルブを有し、電磁波集束器で電磁波を無電極バルブに集束させることにより発光物質を励起してプラズマ発光させる発光部とを具備する。電磁波発生器は、カソード部と、カソード部を取り囲むアノード部とを備え、５００Ｗを超えて１５００Ｗ以下の範囲の入力電力領域の全域で電磁波を発生させ、かつ上記した入力電力領域における電磁波の最大出力効率が７２％以上である。

実施形態のプラズマ発光装置の概略構成を示す図である。 図１に示すプラズマ発光装置における電磁波発生器および電源部の構成を示す図である。 実施形態のプラズマ発光装置における電磁波発生器の入力電力と出力効率との関係を示す図である。 実施形態のプラズマ発光装置における電磁波発生器のアノード電流と出力効率との関係を示す図である。 実施形態のプラズマ発光装置における電磁波発生器のアノード電流と動作電圧との関係を示す図である。 実施形態のプラズマ発光装置における電磁波発生器の入力電力と出力電力との関係を示す図である。 実施形態のプラズマ発光装置における電磁波発生器のアノード電流と発振周波数との関係を示す図である。 実施形態のプラズマ発光装置の入力電力と全光束との関係を示す図である。 実施形態のプラズマ発光装置の入力電力と発光効率（ランプ効率）との関係を示す図である。 実施形態における電磁波発生器の構成例を示す断面図である。 図１０に示す電磁波発生器のアノード部およびカソード部を拡大して示す上面図である。 図１１に示す電磁波発生器のアノード部の概念図である。

以下、実施形態のプラズマ発光装置について、図面を参照して説明する。図１はプラズマ発光装置の概略構成を示す図である。図１に示すプラズマ発光装置１は、電磁波発生器２と、電磁波発生器２に電力を供給する電源部３と、電磁波発生器２から放射される電磁波を伝送する導波管４と、導波管４内を伝送される電磁波を受信するアンテナ５と、アンテナ５から電磁波が照射される電磁波集束器６と、電磁波集束器６内に設置された無電極バルブ７を有する発光部とを具備する。無電極バルブ７には、発光物質が充填されている。電磁波は、電磁波集束器６で無電極バルブ７に集束され、これにより無電極バルブ７内に充填された発光物質が励起されてプラズマ発光する。

実施形態のプラズマ発光装置１の構成について述べる。電磁波発生器２は図２に示すように、カソード部（陰極）１１とアノード部（陽極）１２とを備えている。カソード部１１およびアノード部１２は、高周波の電磁波（以下、マイクロ波と記す）を発生させる発振部として機能する。発生させるマイクロ波の周波数は、国際電気通信連合（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｕｎｉｏｎ：ＩＴＵ）により、電波法による放射許容値の規制を受けない工業・科学・医療用帯域であるＩＳＭ（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ， Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ａｎｄ Ｍｅｄｉｃａｌ）バンドに割り当てられている、２４５０±５０ＭＨｚが好ましい。

例えば、その近傍のＩＳＭバンドとしての９１５±１５ＭＨｚバンドでは、共振波長が長くなる（２．４５ＧＨｚの共振波長が１２ｃｍであるのに対して、９１５ＭＨｚの共振波長は３３ｃｍ）ので、電磁波集束器や無電極バルブが大型化する。また、この帯域の使用認可は、南北アメリカ地域のみに限られている。さらに、５８００±７５ＭＨｚバンドは、共振波長が短くなる（５．８ＧＨｚの共振波長は５ｃｍ）ので、電磁波集束器や無電極バルブを小型化できる反面、無電極バルブの発光量が少なくなる等の難点がある。２４５０±５０ＭＨｚバンドによれば、電磁波集束器６や無電極バルブ７の小型化と無電極バルブ７の発光量とを両立させることができる。

アノード部１２は、カソード部１１を取り囲むように配置されている。電源部３は、主電源１３、電源供給・制御回路１４、カソード電源１５、アノード電源１６等を備えている。このような電源部３からカソード部１１およびアノード部１２に電力が供給される。アノード部１２の管軸方向には、励磁回路１７から磁場が印加されている。電磁波発生器２の具体的な構成については、後に詳述する。

カソード部１１をヒータで加熱しつつ、アノード部１２に正の電圧を印加すると、カソード部１１からアノード部１２に向けて電子が放出される。カソード部１１から放出された電子は、カソード部１１とアノード部１２との間の電界、およびアノード部１２の管軸方向に印加された磁場によって、カソード部１１とアノード部１２との間の空間で軌道が曲げられて周回運動する。周回電子は熱電子流となって、共振器の高周波電界により集群してスポーク状の電子極を形成して同期回転する。これによって、マイクロ波が発生する。発生したマイクロ波は、電磁波発生器２の出力部１８から放射される。

電磁波発生器２の出力部１８は、導波管４の内部に配置されている。マイクロ波は電磁波発生器２の出力部１８から導波管４内に放射される。出力部１８から放射されたマイクロ波は、導波管４内を伝送される。導波管４内には、伝送されたマイクロ波を受信するアンテナ５の入力端５ａが配置されている。アンテナ５は、入力端５ａが導波管４の内部に配置され、かつ出力端５ｂが電磁波集束器６と接続するように設置されている。アンテナ５の入力端５ａで受信したマイクロ波は、出力端５ｂから電磁波集束器６に照射される。電磁波集束器６内には、発光物質が充填された無電極バルブ７が設置されている。

無電極バルブ７は、例えば中空構造の石英ガラス管や透光性セラミックス管等で構成されている。無電極バルブ７にセラミックス管を適用する場合、その構成材料としてはアルミナ、窒化アルミニウム、イットリウム・アルミニウム複合酸化物（ＹＡＧ）、マグネシウム・アルミニウム複合酸化物（スピネル）、イットリア等の焼結体や単結晶体が例示される。無電極バルブ７内に充填される発光物質としては、臭化インジウム（ＩｎＢｒ₃等）、ヨウ化ガリウム（ＧａＩ₃等）、ヨウ化ストロンチウム（ＳｒＩ₂等）等の金属ハロゲン化物、あるいは硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、これらを含む化合物等が挙げられる。発光物質は、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）等から選ばれる少なくとも１種の希ガスと共に、無電極バルブ７内に封入される。

電磁波集束器６としては、空洞共振器型や誘電体共振器型等が知られている。これらのうち、誘電体共振器型の電磁波集束器６を使用することが好ましい。誘電体共振器型の電磁波集束器６を使用することによって、電磁波集束器６に照射されたマイクロ波のエネルギー密度が向上するため、無電極バルブ７を有する発光部でのプラズマ発光の安定性が向上し、さらに発光出力や発光効率等を高めることができる。さらに、無電極バルブ７の発光時に発生する熱の放散性を高めることができる。

誘電体共振器型の電磁波集束器６は、高誘電物質からなる集束器本体６１を備えている。誘電体共振器型電磁波集束器６の集束器本体６１は、誘電率が２以上の固体もしくは液体の高誘電物質で構成することが好ましい。固体状の高誘電物質としては、アルミナ、ジルコニア、窒化アルミニウム、チタン酸バリウムやチタン酸ストロンチウム等のチタン酸塩、ジルコン酸ストロンチウム等のジルコン酸塩、およびそれらの複合化合物を主成分とするセラミックス材料（焼結体や単結晶体）が例示される。

誘電体共振器型電磁波集束器６を使用する場合、発光物質や希ガス等が封入された無電極バルブ７は、高誘電物質からなる集束器本体６１内に設置される。例えば、固体状の高誘電物質で所定のサイズを有する直方体状の集束器本体６１を形成する。集束器本体６１の１つの面に空洞部６２を設け、この空洞部６２内に無電極バルブ７を設置する。アンテナ５の出力端５ｂは、集束器本体６１の他の面、例えば空洞部６２を設けた面と対向する面に設置される。無電極バルブ７およびアンテナ５の出力端５ｂの設置位置は、マイクロ波の共振周波数等に応じて設定される。集束器本体６１の無電極バルブ７および空洞部６２の設置部を除く外面は、マイクロ波を反射する金属被膜等で覆ってもよい。これによって、マイクロ波のエネルギー密度が向上する。

アンテナ５の出力端５ｂから電磁波集束器６に照射されたマイクロ波は、例えば高誘電物質からなる集束器本体６１内で共振し、マイクロ波の共振周波数等に基づいて設置された無電極バルブ７に集束される。無電極バルブ７に集束したマイクロ波のエネルギーによって、無電極バルブ７内に充填された希ガスが電離してプラズマが発生する。金属ハロゲン化物等の発光物質は、発生したプラズマにより励起され、これにより発光（プラズマ発光）する。プラズマ発光は、電極を有しないバルブ（無電極バルブ７）内で発生する現象であるため、物理的な接触劣化がなく、長寿命の発光装置を提供することができる。

ところで、従来のプラズマ発光装置は、前述したように入力電力が５００Ｗを超える（全光束が５万ルーメン以上）照明用途等において、必ずしも十分な発光効率（ランプ効率［単位：ルーメン／Ｗ］）が得られないという難点を有している。本発明者はその原因について鋭意研究を行った結果、従来のプラズマ発光装置はマイクロ波の供給源であるマイクロ波発生器が５００Ｗを超える入力電力では発振が不安定になったり、また出力を大きくするために動作電圧を上げると出力効率が低下するため、５００Ｗを超える入力電力では発光効率（ランプ効率）が低下することを見出した。

このような点に対して、実施形態のプラズマ発光装置１は５００Ｗを超えて１５００Ｗ以下の範囲の入力電力領域の全域でマイクロ波を発振し、かつ上記した入力電力領域内における電磁波の最大出力効率が７２％以上である電磁波発生器２を備えている。このような電磁波発生器２によれば、５００Ｗを超える入力電力で無電極バルブ７を有する発光部を効率よく発光させることができる。言い換えると、プラズマ発光装置１に対する入力電力が５００Ｗを超えて１５００Ｗ以下の範囲の場合に、プラズマ発光装置１の発光効率や全光束を高めることができる。従って、５００Ｗを超えて１５００Ｗ以下の入力電力領域で明るさや省エネルギー性に優れるプラズマ発光装置１を提供することが可能になる。

高入力電力領域（５００Ｗを超えて１５００Ｗ以下）における電磁波発生器２の出力効率を向上させるためには、動作電圧（アノード電圧）を上げると共に、高電流領域でマイクロ波を発生させることが有効である。具体的には、５００Ｗを超えて１５００Ｗ以下の入力電力領域に対して、電磁波発生器２の動作電圧を４〜５ｋＶ程度の範囲にすると共に、１００〜３５０ｍＡのアノード電流領域でマイクロ波を発生させることが好ましい。また、１００〜３５０ｍＡのアノード電流領域におけるマイクロ波の最大出力効率は７２％以上であることが好ましい。これらによって、５００Ｗを超えて１５００Ｗ以下の入力電力領域で発生させるマイクロ波の出力効率を高めることが可能になる。

上述したように、実施形態の電磁波発生器２は、５００Ｗを超えて１５００Ｗ以下の入力電力領域で発生させるマイクロ波の最大出力効率が７２％以上であり、さらに５００Ｗを超えて１５００Ｗ以下の入力電力領域の全域で発生させるマイクロ波の出力効率が７２％以上であることが好ましい。５００Ｗを超えて１５００Ｗ以下の入力電力領域で発生させるマイクロ波の最大出力効率は７４％以上であることが好ましく、さらに７６％以上であることがより好ましい。また、５００Ｗを超えて１５００Ｗ以下の入力電力領域の全域で発生させるマイクロ波の出力効率は７３％以上であることがより好ましく、さらに７４％以上であることがより一層好ましい。このような電磁波発生器２を使用することによって、省エネルギー性等に優れるプラズマ発光装置１の５００Ｗを超えて１５００Ｗ以下の入力電力領域における発光効率や全光束を高めることが可能になる。

電磁波発生器２におけるマイクロ波（電磁波）の出力効率［単位：％］は、動作電圧（アノード電圧）ｅb［単位：ｋＶ］とアノード電流Ｉb［単位：ｍＡ］と出力電力Ｐo［単位：Ｗ］とから、下記の式（１）に基づいて求められる値である。
出力効率［％］＝出力／（動作電圧×アノード電流）×１００…（１）
電磁波発生器２に対する入力電力は、下記の式（２）に基づいて求められる値である。
入力［Ｗ］＝動作電圧［ｋＶ］×アノード電流［ｍＡ］ …（２）

表１〜４および図３〜７に、実施例による電磁波発生器２の入力電力、アノード電流、動作電圧（アノード電圧）、出力電力、マイクロ波の出力効率、および発振周波数の一例を示す。なお、表５〜８および図３〜７に、比較例１〜４による電磁波発生器の特性を示す。実施例１〜４の電磁波発生器２は、５００Ｗを超えて１５００Ｗ以下の入力電力領域で発生させるマイクロ波の最大出力効率が７２％以上であるだけでなく、上記した入力電力領域の全域で発生させるマイクロ波の出力効率が７２％以上であることが分かる。また、実施例の電磁波発生器２は、５００Ｗを超えて１５００Ｗ以下の入力電力に対して４〜４．８ｋＶ程度の動作電圧が保たれていることが分かる。

一方、比較例１の電磁波発生器は、マイクロ波が最大出力効率を示す入力電力が４００Ｗ前後であり、５００Ｗを超える入力電力に対してマイクロ波の出力効率が７２％を超えているものの、入力電力が７００Ｗを超える（アノード電流が２００ｍＡを超える）と発振が不安定になり、５００Ｗを超えて１５００Ｗ以下の範囲の全域でマイクロ波を安定して発振することができない。比較例２の電磁波発生器は、マイクロ波の出力効率が全体的に低いことに加えて、アノード電流が２００ｍＡを超えると発振が不安定になり、５００Ｗを超えて１５００Ｗ以下の範囲の全域でマイクロ波を安定して発振することができない。比較例３および比較例４の電磁波発生器は、５００Ｗを超えて１５００Ｗ以下の入力電力領域の全域で出力効率が低く、具体的には７２％未満であることが分かる。これら入力電力に対するマイクロ波の出力効率の違いに基づいて、実施例１〜４による電磁波発生器２は比較例１〜４の電磁波発生器に比べて出力に優れている。なお、実施例１〜４による電磁波発生器２と比較例１〜４による電磁波発生器との具体的な構成上の違いは、表９に示す通りである。これら構成上の違いについては後に詳述する。

表１０〜１３および図８に実施例１〜４の電磁波発生器２を用いたプラズマ発光装置１の入力電力と全光束［単位：ルーメン（ｌｍ）］との関係を示す。また、表１０〜１３および図９に実施例１〜４の電磁波発生器２を用いたプラズマ発光装置１の入力電力と発光効率（ランプ効率［単位：ｌｍ／Ｗ］）との関係を示す。表１４〜１７および図８〜９に比較例１〜４の電磁波発生器を用いたプラズマ発光装置の入力電力と全光束および発光効率（ランプ効率）との関係を示す。なお、表１０〜１９におけるデバイス出力効率は、電磁波発生器２におけるマイクロ波の出力効率である。実施例１〜４のプラズマ発光装置１は、比較例１〜４のプラズマ発光装置に比べて、５００Ｗを超えて１５００Ｗ以下の入力電力領域の全域で発光効率および全光束に優れていることが分かる。

表１０〜１３、図８および図９はプラズマ発光装置１への入力電力を変化させて調光した場合の全光束および発光効率に相当する。表１０〜１３、図８および図９に示すように、５００Ｗを超えて１５００Ｗ以下の入力電力領域の全域で発生させるマイクロ波の出力効率が７２％以上である電磁波発生器２によれば、プラズマ発光装置１の明るさを調整（調光）するために入力電力を５００Ｗを超えて１５００Ｗ以下の範囲で変化させた場合においても、発光部の発光効率が維持される。すなわち、実施例１〜４の電磁波発生器２を用いたプラズマ発光装置１は、調光時における発光効率および全光束に優れるものである。従って、調光時の発光効率の低下に伴う消費電力の増大等を抑制することができる。

上述したように、５００Ｗを超えて１５００Ｗ以下の入力電力領域で発生させるマイクロ波の最大出力効率が７２％以上、さらには５００Ｗを超えて１５００Ｗ以下の入力電力領域の全域で発生させるマイクロ波の出力効率が７２％以上である電磁波発生器２を適用することによって、入力電力が７００Ｗクラスのプラズマ発光装置１、入力電力が１ｋＷクラスのプラズマ発光装置１、さらには入力電力が１ｋＷを超えるプラズマ発光装置１の発光効率および全光束を向上させることができる。実施形態のプラズマ発光装置１によれば、店舗や倉庫等の高天井（例えば１０ｍ以上）に設置される屋内照明や屋外の広域施設照明等に好適な大光量の照明装置を提供することができる。ただし、実施形態のプラズマ発光装置１は照明装置に限らず、プロジェクタの光源等に適用してもよい。

実施形態のプラズマ発光装置１は、高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、高圧ナトリウムランプ等のＨＩＤや投光型のＨＩＤと同様に、高天井用照明や広域施設照明等の照明装置に好適である。さらに、５００Ｗを超えて１５００Ｗ以下の範囲の入力電力領域の全域で発光効率優れるため、ＨＩＤに比べて省エネルギー性が高く、また無電極バルブ７を有する発光部を使用しているため、寿命特性にも優れるものである。従って、実施形態のプラズマ発光装置１は、エネルギー効率の向上による消費電力の低減と、長寿命化による装置コストやメンテナンスコストの低減とを具現化した、省エネルギーな大光量の照明装置として有効に利用可能なものである。

次に、実施形態のプラズマ発光装置１に用いる電磁波発生器２の具体的な構成について、図１０〜１２を参照して説明する。電磁波発生器２は、発振部本体としてカソード部（陰極部）１１とアノード部（陽極部）１２とを備えている。アノード部１２は、アノード円筒２１と、アノード円筒２１の内壁から管軸に向かって放射状に等間隔に配置された複数枚のアノード共振板２２とを有している。アノード共振板２２の外側端部は、アノード円筒２１の内壁に固定されており、内側端部は遊端になっている。カソード部１１は、アノード円筒２１の内側に管軸に沿って配置された、例えば螺旋状のフィラメント２３を有している。フィラメント２３は、アノード共振板２２の遊端と間隔をあけて、空洞共振器を形成する電子作用空間内に配置されている。

アノード共振板２２の上辺（出力部側）および下辺（入力部側）には、一対の第１のストラップリング２４ａ、２４ｂと、第１のストラップリング２４ａ、２４ｂの外側に位置し、第１のストラップリングより径が大きい一対の第２のストラップリング２５ａ、２５ｂとが交互に接続されている。例えば、アノード共振板２２の上辺は、１つ目のアノード共振板２２から数えて奇数番目のアノード共振板２２同士が第１のストラップリング２４ａで接続されており、偶数番目のアノード共振板２２同士が第２のストラップリング２５ａで接続されている。アノード共振板２２の下辺は、逆に奇数番目のアノード共振板２２同士が第２のストラップリング２５ｂで接続されており、偶数番目のアノード共振板２２同士が第１のストラップリング２４ｂで接続されている。

アノード円筒２１の管軸方向の両端部には、一対の集磁板２６ａ、２６ｂが対向して設けられている。集磁板２６ａ、２６ｂは、それぞれ漏斗状の形状を有し、中央に貫通孔が設けられている。集磁板２６ａ、２６ｂの貫通孔の中心は、アノード円筒２１の管軸上に位置している。集磁板２６ａの上方および集磁板２６ｂの下方には、それぞれ環状の永久磁石２７ａ、２７ｂが配置されている。永久磁石２７ａ、２７ｂは、ヨーク２８で囲われている。集磁板２６ａ、２６ｂと永久磁石２７ａ、２７ｂとヨーク２８は、アノード円筒２１の管軸方向に磁場を発生させる励磁回路１７を構成している。

集磁板２６ｂの管軸方向の下方には、フィラメント印加電力および動作電圧を供給する入力部２９が設けられている。集磁板２６ａの管軸方向の上方には、マイクロ波をアンテナリード３０から放射する出力部１８が設けられている。アンテナリード３０は、１つのアノード共振板２２から導出されている。アノード共振板２２により形成される空洞共振器の作用空間内に生じる電界と、励磁回路１７により管軸方向に発生させた磁界と、入力部２９から供給されるフィラメント印加電力および動作電圧によって、フィラメント２３から放出された熱電子は作用空間で周回運動を行うことによって、マイクロ波を発振させる。マイクロ波はアンテナリード３０を介して出力部１８から放射される。

ここで、発振部本体としてカソード部１１とアノード部１２とを備える電磁波発生器２は、同軸円筒電極間の電流を管軸方向に付与される磁界で制御して発振させる、一種の二極管である。同軸円筒の二極管にアノード電圧を印加すると、カソードから放出された電子は真っ直ぐにアノードに達する。アノード・カソード軸に平行に磁界を加えると、電子は運動方向と磁界方向に直角な力を受けて曲がった軌跡を描く。磁界がさらに強くなると、アノード面をかすめて再びアノードに向かう。このときの磁界の磁束密度を臨界磁束密度と呼ぶ。この現象は磁界を一定にしてアノード電圧を減少させた場合も同様であり、アノード電圧が低くなると電子がアノードに到達しなくなる。この限界電圧をカットオフ電圧と呼ぶ。アノード電圧がカットオフ電圧を超えると電流が急激に流れるため、電磁波発生器２は高いカットオフ電圧を持った一種のダイオードと言える。

電磁波発生器２のアノード部１２は複数に分割されているため、図１２に示すようにＣ、Ｌの等価回路で表現される共振器を構成している。分割されたアノード共振板２２間には、発振しない状態でも微弱なマイクロ波が振動しており、正常な状態では高周波電界は隣り合うアノード共振板２２間で反対の向きになっている。隣り合うアノード共振板２２間の位相差は１８０度（πラジアン）であり、この状態をπモードと呼ぶ。高周波電界は、共振周波数の周期で変化している。カソード部１１を加熱し、アノード部１２に電圧を印加すると、電子はアノード部１２の周りを周回する。アノード電圧と磁束密度との比を変えると電子の周回速度が変化するため、これを調整することで周回角速度を共振器における高周波電界の変化速度（電界の角速度）と等しくすることができる。

加速電界のある空間では電子はカソード部１１側に収縮し、減速電界のある空間ではアノード部１２側に広がるため、電子はスポーク状の電子群を構成する。この電子群は、共振回路の高周波電界の回転周期と同期して回転する間に、減速電界中の電子が位置エネルギーを失ってアノード部１２に収束するため、共振器にエネルギーを与えて発振することになる。このとき、スポーク状の電子群の形状はアノード共振板２２の枚数により変化し、アノード共振板２２の枚数が少ないほどスポーク形状が鈍くなる。スポーク形状が鈍くなるほど、流れる誘導電流が大きくなるため、出力効率の最大点が高電流領域側に移行する。このため、電磁波発生器２は１０枚のアノード共振板２２を有している。

図１０は１０枚のアノード共振板２２を有する電磁波発生器２を示している。アノード共振板２２の分割数を１２枚より少ない１０枚とすると、流れる誘導電流の許容値が大きくなる。従って、１０枚のアノード共振板２２を有するアノード部１２によれば、高電力領域および高電流領域での出力効率を高めることができる。このような点から、入力電力が５００Ｗを超えるプラズマ発光装置１においては、１０枚以下のアノード共振板２２を有するアノード部１２を備える電磁波発生器２が有効となる。

さらに、５００Ｗを超える入力電力でマイクロ波を発振させるためには、動作電圧を高くする必要がある。ただし、動作電圧を単に高くしただけでは、マイクロ波の発振効率を改善することができない。そこで、アノード円筒２１の管軸方向に印加する磁力を大きくすると共に、１００〜３５０ｍＡのアノード電流領域において４〜４．８ｋＶの動作電圧で発振するように、アノード内径（２ｒa）とカソード外径（２ｒc）を調整し、アノード内径の半径（ｒa）とカソード外径の半径（ｒc）との比（ｒc／ｒa）を０．４３〜０．５の範囲に設定することが好ましい。これによって、アノード電圧を高くした場合のマイクロ波の発振効率を向上させることができる。具体的には、励磁回路１７は磁束密度が２３０ｍＴ以上の磁束密度を有する永久磁石２７ａ、２７ｂを備えることが好ましい。ｒc／ｒa比は０．４５以上であることがより好ましい。ここで、アノード内径（２ｒa）は複数枚のアノード共振板２２の内側端部（遊端）の内径を意味する。

このような点から、５００Ｗを超える高電力領域および１００ｍＡ以上の高電流領域における電磁波発生器２の出力効率を高めるためには、１０枚以下のアノード共振板２２を有するアノード部１２を適用し、かつｒc／ｒa比を０．４５以上とすることが好ましい。前述した実施例１〜４の電磁波発生器２は、表９に示したように、１０枚のアノード共振板２２を有し、かつｒc／ｒa比が０．４５７である。一方、比較例１の電磁波発生器は、アノード共振板の枚数が１２枚である。比較例２〜４の電磁波発生器はアノード共振板の枚数が１０枚であるものの、比較例２は動作電圧が３．６〜３．９Ｖと低く、また比較例３〜４はｒc／ｒa比が実施例に比べて小さい。

上述したような電磁波発生器の具体的な構成の違いに基づいて、実施例１〜４の電磁波発生器２は５００Ｗを超えて１５００Ｗ以下の範囲の入力電力領域の全域でマイクロ波を安定に発振し、かつ上記入力電力領域内におけるマイクロ波の最大出力効率が７２％以上であるという構成、さらに上記入力電力領域の全域で発生させるマイクロ波の出力効率７２％以上であるという構成を実現したものである。これに対し、比較例１の電磁波発生器はアノード共振板の枚数が１２枚であり、また比較例２の電磁波発生器は動作電圧が３．６〜３．９Ｖと低いため、２００ｍＡを超えるようなアノード電流では安定に発振させることができないことが分かる。比較例３〜４の電磁波発生器は、アノード共振板の枚数が１０枚であるものの、ｒc／ｒa比が実施例に比べて小さいため、５００Ｗを超える入力電力領域におけるマイクロ波の出力効率が全般的に低いことが分かる。

上述したように、１０枚以下のアノード共振板２２を有するアノード部１２と磁束密度が２３０ｍＴ以上の永久磁石２７ａ、２７ｂとを適用することによって、表１〜４および図３〜７に示したように、５００Ｗを超えて１５００Ｗ以下の範囲の入力電力領域における最大出力効率が７２％以上、さらには上記入力電力領域の全域で出力効率が７２％以上の電磁波発生器２を実現することができる。そして、このような電磁波発生器２を適用し、５００Ｗを超える入力電力に対する発光効率を高めることによって、入力電力を５００Ｗを超えて１５００Ｗ以下の範囲とした際の全灯時および調光時の発光効率および全光束を向上させたプラズマ発光装置１を提供することが可能となる。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…プラズマ発光装置、２…電磁波発生器、３…電源部、４…導波管、５…アンテナ、５ａ…入力端、５ｂ…出力端、６…電磁波集束器、６１…集束器本体、６２…空洞部、７…無電極バルブ、１１…カソード部、１２…アノード部、１３…主電源、１４…電源供給・制御回路、１５…カソード電源、１６…アノード電源、１７…励磁回路、１８…出力部、２１…アノード円筒、２２…アノード共振板、２３…フィラメント、２６ａ，２６ｂ…集磁板、２７ａ，２７ｂ…永久磁石、２８…ヨーク、３０…アンテナリード。

Claims (13)

1. 電磁波発生器と、
   前記電磁波発生器に電力を供給する電源部と、
   前記電磁波発生器から放射される電磁波を伝送する導波管と、
   前記導波管内を伝送される前記電磁波を受信するアンテナと、
   前記アンテナから前記電磁波が照射される電磁波集束器と、
   前記電磁波集束器内に配置され、かつ発光物質が充填された無電極バルブを有し、前記電磁波集束器で前記電磁波を前記無電極バルブに集束させることにより前記発光物質を励起してプラズマ発光させる発光部とを具備し、
   前記電磁波発生器は、カソード部と、前記カソード部を取り囲むアノード部とを備え、５００Ｗを超えて１５００Ｗ以下の範囲の入力電力領域の全域で前記電磁波を発生させ、かつ前記入力電力領域における前記電磁波の最大出力効率が７２％以上であることを特徴とするプラズマ発光装置。
2. 前記電磁波発生器は、前記入力電力に対して１００ｍＡ以上３５０ｍＡ以下の範囲のアノード電流領域で前記電磁波を発生させる、請求項１に記載のプラズマ発光装置。
3. 前記電磁波発生器は、前記入力電力領域の全域で発生させる前記電磁波の出力効率が７２％以上である、請求項１または請求項２に記載のプラズマ発光装置。
4. 前記電磁波発生器は、前記入力電力領域における前記電磁波の最大出力効率が７４％以上である、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のプラズマ発光装置。
5. 前記電磁波集束器は高誘電物質からなる集束器本体を備え、前記無電極バルブは前記集束器本体内に設置されている、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のプラズマ発光装置。
6. 前記電磁波発生器は、
   アノード円筒と、前記アノード円筒の内壁から管軸に向かって放射状に配置された複数枚のアノード共振板とを有し、前記アノード共振板の枚数が１０枚以下である前記アノード部と、
   前記アノード円筒の管軸に沿って配置されたフィラメントを有する前記カソード部と、
   前記アノード円筒の管軸方向に磁場を発生させる励磁回路と
   を具備する、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のプラズマ発光装置。
7. 前記励磁回路は２３０ｍＴ以上の磁束密度を有する永久磁石を備える、請求項６に記載のプラズマ発光装置。
8. アノード円筒と、前記アノード円筒の内壁から管軸に向かって放射状に配置された複数枚のアノード共振板とを有し、前記アノード共振板の枚数が１０枚以下であるアノード部と、
   前記アノード円筒の管軸に沿って配置されたフィラメントを有するカソード部と、
   前記アノード円筒の管軸方向に磁場を発生させる励磁回路とを具備し、無電極バルブを備えるプラズマ発光装置に電磁波を供給する電磁波発生器であって、
   ５００Ｗを超えて１５００Ｗ以下の範囲の入力電力領域の全域で前記電磁波を発生させ、かつ前記入力電力領域における前記電磁波の最大出力効率が７２％以上であることを特徴とするプラズマ発光装置用電磁波発生器。
9. 前記入力電力に対して１００ｍＡ以上３５０ｍＡ以下の範囲のアノード電流領域で前記電磁波を発生させる、請求項８に記載のプラズマ発光装置用電磁波発生器。
10. 前記入力電力領域の全域で発生させる前記電磁波の出力効率が７２％以上である、請求項８または請求項９に記載のプラズマ発光装置用電磁波発生器。
11. 前記入力電力領域における前記電磁波の最大出力効率が７４％以上である、請求項８ないし請求項１０のいずれか１項に記載のプラズマ発光装置用電磁波発生器。
12. 前記励磁回路は２３０ｍＴ以上の磁束密度を有する永久磁石を備える、請求項８ないし請求項１１のいずれか１項に記載のプラズマ発光装置用電磁波発生器。
13. 前記カソード部の外径の半径（ｒc）と前記アノード共振板の内側端部の内径で表される前記アノード部の内径の半径（ｒa）との比（ｒc／ｒa）が０．４５以上である、請求項８ないし請求項１２のいずれか１項に記載のプラズマ発光装置用電磁波発生器。

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