JP2570373B2 - マイクロ波放電光源装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は，マイクロ波放電を利用した光源装置に関
するものである。

〔従来の技術〕

第12図は例えば実開昭61−161949号公報に示された従
来のマイクロ波放電光源装置を示す断面図であり，
（１）はマイクロ波を伝送する導波管，（２）はマイク
ロ波を発生するマグネトロン，（３）はマグネトロン
（２）で発生されたマイクロ波を導波管（１）に結合さ
せるアンテナ，（４）はマグネトロン（２）の電源，
（55）は導波管（１）に挿通支持された中空の導体より
なるアンテナ，（56）はアンテナ（55）の他端部，（9
0）はアンテナの他端部（56）を被うように配置された
無電極放電管，（101）は無電極放電管（90）を囲むよ
うに設けられた金属性のマイクロ波空胴壁，（102）は
マイクロ波空胴壁の開口をふさぐ金属メツシユである。

次にこの装置の動作について説明する。導波管（１）
内のマイクロ波はアンテナ（55）により他端部（56）へ
と結合され，空胴壁（101）と金属メツシユ（102）とで
構成されるマイクロ波空胴内にマイクロ波電磁界を形成
する。このマイクロ波電磁界により無電極放電管（90）
内に封入された封入物質が放電励起され発光する。この
光は金属メツシユ（102）からマイクロ波空胴外に放射
される。一方，中空のアンテナ（55）の内部を通じて無
電極放電部（90）の内側に矢印で示すように冷却風が送
られ，無電極放電管（90）を冷却する。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来のマイクロ波放電光源装置は以上のように構成さ
れているので、冷却風による冷却しか行なえず，冷却能
力は限られたものであつた。冷却能力により放電管に投
入できる電力が決まるため，あまり大きな電力を投入す
ることができず，強力な光を得ることは難しかつた。特
に，水銀の254nm線や,185nm線の効率は放電管の最冷点
温度により決まる最適値がある。効率を良くするために
は，放電管の温度コントロールが重要であるが従来のマ
イクロ波放電光源装置のように空冷では最適な温度コン
トロールは不可能に近かつた。

この発明は上記のような問題点を解消するためになさ
れたもので，大きな電力が投入できるとともに，発光効
率も良くできるマイクロ波放電光源装置を得ることを目
的とする。

〔課題を解決するための手段〕

第１の発明に係るマイクロ波放電光源装置は，放電管
の管壁の一部を金属で構成し，この金属の内面に冷却液
を流すようにした。

また第２の発明に係るマイクロ波放電光源装置は、放
電管を誘電体の内管と誘電体の外管とで形成し，内管の
表面に金属コーテイング層を設けて内管の内泡に冷却液
を流すようにした。

さらに第３の発明に係るマイクロ波放電光源装置は，
放電管を誘電体の内管と誘電体の外管とで形成し，内管
の内側に低誘電損失の冷却液を流すようにした。

第１の発明においては，放電管々壁の一部を構成する
金属はマイクロ波を遮断し，金属内部にマイクロ波電磁
界を形成しないようにするとともに熱伝導良く，放電管
内部の熱を良好に取る。また金属部分が放電管の最冷点
となり，ランプ内部の蒸気圧をコントロールする。

第２の発明においては，金属コーテイング層がマイク
ロ波を遮幣し，内管の内側の冷却液として水の使用を可
能とし，内管から放電管内部の熱を取り，また内管部に
最冷点を形成する。

第３の発明においては，低誘電損失の液体はマイクロ
波をほとんど吸収せず，放電管部分の電界を低下させる
ことなく安定な放電を維持しつつ，ランプ内部の熱を良
好に取り，内管部に最冷点を形成する。

〔発明の実施例〕

第１図はこの発明の一実施例を示す断面側面図であ
り，（１）〜（４）は従来装置と全く同一のものであ
る。（５）は導波管（１）内に設けられ，導波管（１）
内のマイクロ波モードを同軸モードに変換する。円錐形
の同軸−導波管変換器，（６）は同軸−導波管変換器
（５）に接合された金属の継手（例えば商品名swagelo
k）（７）は継手ナツト，（８）はこの継手ナツト
（７）で電気的および隙間なく金属の継手ナツト（６）
に接合されたコバール等からなる金属管，（９）は金属
管（８）とこれに接合された石英ガラス管等の外管（9
3）とでできた放電管，（10）は金属メツシユ筒，（1
1）はこの金属メツシユ筒を導波管（１）に電気的に接
合するフランジ，（12）は金属管（８）内に挿入され冷
却液を送り込む冷却液送出管，（13）はこの冷却液送出
管に接合されたふたである。（14）はこのふた（13）の
一部に設けられ，冷却液を排出するための冷却液排出口
である。

第２図は放電管の拡大断面図，第３図は第２図III−I
II線の断面図で，（81）は金属管（６）の表面にコーテ
イングしたコバールガラス層，（91）は段つき部，（9
2）はプラズマ媒体が封入されている放電空間，（12）
は冷却液送出管，（15）は冷却液である。

次に動作について説明する。導波管（１）内のマイク
ロ波は同軸−導波管変換器（５）により同軸モードに変
換され，放電管（９）に結合される。このマイクロ波に
より放電管（９）内部のプラズマ媒体が放電，励起され
発光する。

この光は金属メツシユ筒（10）より外部に放射され
る。

マイクロ波モードは，放電管（９）内の放電が始まる
前は金属管（８）が内導体，金属メツシユ筒（10）が外
導体の同軸モードになる。放電が始まつた後は，放電管
（９）の部分では放電によるプラズマが，放電管（９）
より導波管側では金属管（８）が内導体で，金属メツシ
ユ筒（10）が外導体の同軸モードになる。このような同
軸モードへは導波管（１）内にある円錐形の同軸−導波
管変換器（５）によれば，導波管モードから非常に効率
良く変換される。この同軸−導波管変換器（５）および
金属管（８）の内側はマイクロ波が存在しないため，水
のようにマイクロ波を吸収する物質を入れても，放電管
（９）部分のマイクロ波電磁界には何ら影響を与えな
い。ここでは第1,2図の矢印で示すように水を流してい
る。水を冷却媒体として金属管（８）を冷却し，薄いガ
ラスコーテイング層（81）だけを介して直接放電管
（９）内部を冷却するため，冷却能力は従来の空冷より
もはるかに大きい。したがつて，放電管（９）より取れ
る熱量は大きいものとなる。

又，放電管（９）内に水銀を封入し，水銀の254nmや1
85nm線を放射する。いわゆる低圧水銀ランプの場合，水
銀の蒸気圧により発光効率が大きく変化する。水銀の蒸
気圧は放電管内の最冷点温度により決まる。254nm線は4
0℃程度の蒸気圧で,185nm線は60℃程度の蒸気圧で効率
が最大となることが知られている。放電管内の最冷点を
これらの温度にすれば効率が最大となる。

本発明の放電管（９）では金属管（８）が内側より水
冷されているため，金属管表面部分が最冷点となり最冷
点温度を内側を流れる水の温度，流量により制御でき
る。

マイクロ波の電力を増加すると冷却が不十分となり温
度制御が困難となるが，本発明の場合，従来の空冷のも
のと比べればはるかに大きいマイクロ波電力を投入して
も温度制御ができる。大きい電力を投入しても254nm線
や185nm線の発光効率が低下しないため，より強度の高
い254nm線や185nm線の発光が得られる。

なお，上記実施例では放電管（９）の内部に金属管
（８）が挿入されたものを示したが，第４図に示すよう
に，金属管（８）は放電管（９）内部に挿入されず，放
電管（９）内面に一部が露程するだけでもよい。この場
合も，金属管（８）の内面を水冷しているため，冷却が
良好で，最冷点の制御も容易にでき第１図のものと同様
の効果を奏する。

さらに，第５図に示すように金属管（８）を放電管
（９）をつらぬくように設け，金属管（８）の中に冷却
水を流すようにしても良い。この場合は金属管（８）中
を一方向に冷却水が流れるため，冷却水の流速を速める
ことが容易で，より冷却能力が高まる。

又，放電管の外部（93）が石英ガラス管で形成された
ものを示したが，サフアイアや透光性アルミナのような
透光性の誘電体で形成してもよいのは言うまでもない。

次に，第２の発明の一実施例を図について説明する。

第６図において，（93），（94）は石英ガラス等の誘
電体で形成された外管及び内管，（941）はこの内管（9
4）の内側に金属コーテイング層（941）（151）は内管
（94）が挿入される同軸−導波管変換器（５）に設けら
れた冷却液ダメである。

第６図のＡ部拡大図を第７図に示す。（51）は端部で
内管（94）の外側まで伸びた金属コーテイング層（94
1）と，同軸−導波管変換器（５）と電気的に接触させ
た冷却液を封止しているＯリングである。

以上のように構成されたものにあつては，導波管
（１）中のマイクロ波は同軸−導波管変換器（５）によ
り，金属コーテイング層（941）が内導体金属メツシユ
筒（10）が外導体の同軸モードに変換され，放電管
（９）の放電空間（92）にマイクロ波電磁界を形成し，
プラズマ媒体を放電・発光させる。金属コーテイング層
（941）の内側には冷却液（15）として水を流してい
る。水はマイクロ波を吸収する性質があるが，マイクロ
波は金属コーテイング層（941）により遮幣され，同軸
導波管変換器（５）と金属コーテイング層（941）は接
触子（51）により電気的にシヨート状態になつているた
め，水がマイクロ波にさらされることはない。したがつ
て，マイクロ波電磁界が水の影響を受けて弱められるこ
とがなく放電の安定維持にも影響しない。

又，第８図に示すように，内面を金属コーテイングし
た内管（94）が貫通した放電感（９）でもよい。他端を
終端部（122）に挿入し,Oリング（52）で水を封止，接
触子（図示しない）で終端部（122）に電気的に接触し
ている。金属メツシユ筒（10）はフランジ（111）によ
り終端部（122）に接合されている。この構成のものに
あつても，冷却液（15）としての水を冷却液送入口（12
1）より冷却液排出口（123）に流すことにより第６図の
ものと同様の効果が得られる。

さらに，第９図に示すように内管（94）の外面に金属
コーテイング層を設けてもよい。この場合も内管（94）
の内側に冷却液（15）として水を流すことができ第６図
のものと同様の効果が得られる。

次に，第３の発明の一実施例を図について説明する。

第10図が放電管の拡大断面図で，内管（94）と外管
（93）とは誘電体，例えば石英ガラスで形成されてい
る。冷却液送出管（12）は金属管で形成されている。冷
却液送出管から冷却液としてフツ素系不活性液体（例え
ば3M社製商品名フロリナート）のような低誘電損失の液
体（15）を流す。

この実施例においても，同軸−導波管変換器（５）に
よりマイクロ波は導波管モードから同軸モードに変換さ
れ，冷却液送出管（12）が内導体，金属メツシユ筒（1
0）が外導体の同軸モードになる。冷却液はマイクロ波
にさらされているが，低誘電損失であるから，マイクロ
波をほとんど吸収せず，放電管（９）内の電界を弱める
こともない。このため，冷却液がない時と比較しても放
電の安定維持は同様に行なわれる。一方，冷却液により
内管（94）の内側を直接冷却するため，冷却能力は従来
の空冷のものよりはるかに大きい。したがつて，放電管
（９）より取れる熱量は大きいものとなる。

又，内管（94）部分が放電管内の最冷点となり，最冷
点温度を，内側を流れる冷却液の温度，流量により制御
できる。さらに，このような構成のものにあつては，内
管（94）と外管（93）を石英ガラスで形成しているた
め，接合も容易で，接合部の温度が上昇しても熱膨張系
数が同じであるから破損する恐れもない。

第11図は，第３発明の他の実施例を示す側面断面図で
ある。導波管（１）の先端をＥコーナ（21）にし，給電
板（23）にあけられた給電口（22）を通して金属メツシ
ユ筒（101）でできた円筒空胴（102）にマイクロ波を給
電する。金属メツシユ筒（101）はマイクロ波に対し円
筒モードを形成する寸法に形成している。放電管（９）
は外管（93）および内管（94）で形成され，放電空間
（92）にプラズマ媒体を封入する。外管（93）および内
管（94）は石英ガラスで形成し，内管（94）の内側に
は，低誘電損失の冷却液を流す。冷却液はマイクロ波系
の外部より流入させ，外部へ流出させる冷却液（15），
内管（94）は誘電体であるから，マイクロ波系の外部に
伸びていても，金属のようにマイクロ波を導波すること
なく，外部へマイクロ波を漏洩させない。

以上のように構成されたものにあつても，給電口（2
2）から給電されたマイクロ波により，放電空間中のプ
ラズマ媒体が放電・発光し金属メツシユ筒（101）より
外部に光を放射する。又，内管（94）中の冷却液（15）
により冷却され，第10図のものと同様の効果を奏する。

〔発明の効果〕

マイクロ波により放電・発光する放電管を備えたもの
において，放電管々壁の一部を金属で形成し，この金属
の内面を液体で冷却する。あるいは放電管を誘電体の内
管と，誘電体の外管とで形成し，内管の表面に金属コー
テイング層を設け内管の内側を流体で冷却する，さらに
あるいは，放電管を誘電体の内管と，誘電体の外管とで
形成し，内管の内側を低誘電損失の液体で冷却するよう
にしたため，マイクロ波電力を大きくしても発光効率が
低下せず，光強度の大きいマイクロ波放電光源装置が得
られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は，第１の発明の一実施例によるマイクロ波放電
光源装置を示す断面側面図，第２図は第１図の放電管部
の拡大断面図，第３図は第２図III−III線の断面図，第
４図は第１の発明の他の実施例を示す放電管の断面図，
第５図は第１の発明のさらに他の実施例によるマイクロ
波放電光源装置を示す断面側面図，第６図は第２の発明
の一実施例によるマイクロ波放電光源装置を示す要部断
面側面図、第７図は第６図Ａ部の拡大図，第８図は第２
の発明の他の実施例によるマイクロ波放電光源装置を示
す要部断面側面図，第９図は第２の発明のさらに他の実
施例によるマイクロ波放電光源装置を示す要部断面図，
第10図は第３の発明の一実施例による放電管の断面側面
図，第11図は第３の発明の他の実施例によるマイクロ波
放電光源装置を示す断面側面図，第12図は従来のマイク
ロ波放電光源装置を示す断面側面図である。 図において，（８）は金属管，（９）は放電管，（15）
は冷却液，（93）は外管，（94）は内管，（941）は金
属コーテイング層である。 なお，図中，同一符号は同一，又は相当部分を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西前 順一 兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電機株式会社応用機器研究所内 (72)発明者 植田 至宏 兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電機株式会社応用機器研究所内 (72)発明者 吉川 健二 兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電機株式会社生産技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭62−2446（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マイクロ波により放電，発光する放電管を
   備えたものにおいて、上記放電管々壁の一部が金属によ
   り形成され、この金属の内面を冷却液で冷却するように
   したことを特徴とするマイクロ波放電光源装置。
2. 【請求項２】マイクロ波により放電，発光する放電管を
   備えたものにおいて，上記放電管を誘電体の内管と誘電
   体の外管とで形成し，上記内管の表面に金属コーテイン
   グ層を設け，上記内管の内側を冷却液で冷却するように
   したことを特徴とするマイクロ波放電光源装置。
3. 【請求項３】マイクロ波により放電，発光する放電管を
   備えたものにおいて，上記放電管を誘電体の内管と，誘
   電体の外管とで形成し，上記内管の内側を低誘電損失の
   冷却液で冷却するようにしたことを特徴とするマイクロ
   波放電光源装置。