JP3843089B2 - 円偏波マイクロ波を用いた非回転無電極放電ランプシステム - Google Patents

Description

本発明は、円偏波マイクロ波を用いた非回転無電極放電ランプシステムに関し、さらに詳しくは、電磁場の通る導波管上に、一定の角度で回転させて楕円形の導波管を配列し、この楕円形導波管の短軸及び長軸の勾配を用いて電磁場を放電ランプに円偏波として到達させるシステムに関するものである。

一般的な高出力無電極放電灯は、円筒形導波管に最低基本モードとしてのＴＥ１１モードを励起させるため、マイクロ波の電場が線形偏波になるが、このような線形偏波の電場内に球形ランプを挿入して放電させると、プラズマの形態がＴＥ１１モードに従って卵状に放電し、高出力放電の場合、プラズマがランプ全体を満たしても局部的な加熱が起こってランプの破裂が発生し易いという問題点がある。

かかる問題点を解決するためのものとして、前記ランプをモータに連結して回転させるものがあるが、その結合構造が複雑であって外形が大きくなるという問題点と製造コストが増加するという問題点があり、前記モータの短い寿命によって放電灯の寿命が短縮されるから、これを解決するための方法として、前記ランプを回転させる代わりにマイクロ波の電場を円偏波に円運動させる技術が試みられた（特許文献１参照）。

以上のような先行技術としては２つの方法が公知になっている。その一つは、電磁場の導波管を二股状にするが、両電磁波の位相差が９０°となるように調整して両電磁波が合わせられて円偏波を形成する方法（特許文献２参照）であり、もう一つは、電磁場が形成される超高周波空洞(Microwave Cavity)内に誘電体(Dielectric)を挿入し、これを介して前記電磁場を２つの直角方向成分に分解させて、両成分がそれぞれ異なる位相速度で進行して空洞で合わされ、円偏波電磁場を実現しようとする方法（特許文献３参照）である。

米国特許第５３６７２２６号 米国特許第５２２７６９８号 米国特許第６４７６５５７号

ところが、以上のような技術、すなわち前記電磁波が２つの成分に分けられて人為的に強制案内されるようにするものであって、前記導波管の長さを並列に異ならせて位相差を生じさせるものは、放電ランプの外形が大きくなり、製作が煩わしくて不便になるという問題点があり、前記空洞内に誘電体を挿入して電磁場を２つの方向に分離し、速度を異ならせる位相差を生じさせるものは、誘電体の誘電率に限度があり、この誘電率を所望の水準にするためには機構の厚さが非常に大きくなるなどの問題点があった。

本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたもので、その目的は、電磁場の通る導波管上に、一定の角度で回転させて楕円形の導波管を配列し、この楕円形導波管の短軸又は／及び長軸の勾配のみで電磁場を放電ランプに円偏波として到達させるシステム（円偏波超高周波発生装置）を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、電磁場を導波管を介して放電ランプに円偏波として到達させるシステムにおいて、電磁場の引き込まれる長方形導波管と一直線に入力円筒形導波管、楕円形導波管、及び放電ランプが取り付けられた円筒形導波管が順次連結構成されるが、前記楕円形導波管の長さ及び短・長軸直径の条件に応じて、前記楕円形導波管が短軸成分８０ｍｍおよび長軸成分１０８ｍｍの場合、長方形導波管の長軸に対し楕円形導波管の長軸が４０〜５０°の角度（例えば約４５°程度）回転しており、円偏波に変換されるようにしたものである。

本発明は、電磁場の通る導波管上に一定の角度で回転させて楕円形導波管を配列し、この楕円形導波管の短軸又は／及び長軸の勾配の幾何学的構造のみで放電ランプに円偏波の電磁場が到達されて通過するようにする効果があり、これにより放電ランプの寿命が延長されて経済性がある。

以下、本発明を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係る円偏波マイクロ波を用いた非回転無電極放電ランプシステムを示す図である。図１を参照すると、マイクロ波発振器を用いて線偏波マイクロ波を送り出す長方形導波管１は入力円筒形導波管２と一直線に連結されており、円偏波の均衡を取らせる機能をなすことが可能な終端閉鎖の長方形導波管３は入力円筒形導波管２の一側面と直角に連結されており、前記入力円筒形導波管２は楕円形導波管（１／４波長板）４と一直線に連結されており、前記楕円形導波管４は放電ランプ５が取り付けられた円筒形導波管６と一直線に連結されている。

前記円筒形導波管６の端部に相次いで設置され、前記放電ランプ５を内設する網体７は、光を抽出することが可能な導体、又はマイクロ波を反射し可視光線を通過させる機能の導体からなっており、また前記放電ランプ５が固定されているため、光を抽出するための反射鏡９として石英板８を採用し、この板上に前記放電ランプ５が固定される構造で出来ている。

図２ａ及び図２ｂは非回転マイクロ波無電極放電灯において線偏波マイクロ波を送り出す長方形導波管１とＴＥ１１モードに変換させる入力円筒形導波管２との結合構造を示す図である。図２ａでは長方形導波管１及び終端閉鎖の長方形導波管３の幅と高さを変更して、マグネトロンからのマイクロ波周波数帯域に比べて広い帯域でマッチングを行い、図２ｂでは円偏波が発生するように設計した帯域の成分のみが入力円筒形導波管に通過するように狭い周波数帯域の電磁波のみを通過させるためのモードフィルタ１０を長方形導波管１及び図１の長方形導波管３に挿入してある。

図３ａ及び図３ｂは本発明に適用された円偏波発生装置を示す図であって、図３ａでは前記入力円筒形導波管２と、長方形導波管１の長軸に対し楕円形導波管４の長軸が４０〜５０°の角度をもつように短軸成分８０ｍｍおよび長軸成分１０８ｍｍの場合の楕円形導波管４とが連結されており、図３ｂでは前記入力円筒形導波管２と、適正の厚さの誘電体（例：セラミック板）１１の挿入された導波管１２とが連結された構造で出来ている。

図４は本発明に適用された楕円形導波管４を示す図であって、線偏波がこの楕円形導波管４を通過する際、短軸の直径と長軸の直径との差によりそれぞれの軸方向に進行するマイクロ波の速度差が発生し、これにより２つのウェーブの位相差が９０°の場合、放電ランプ５に到達する電磁波は円偏波に変換されて前記放電ランプ５内で電場自体が回転する。

また、誘電体１１を通過する電磁波は、誘電体面の装着方向に応じて電磁波の螺旋性が時計方向あるいは反時計方向に回転し、放電ランプ５を通過する際に円偏波として到達される。

マグネトロンからマイクロ波を楕円形導波管４に入力する際、一定の角度だけ回転して入射するが、この際、前記楕円形導波管４の長軸成分と短軸成分に分解して９０°の位相差が生じなければ円偏波が発生しないが、円筒形導波管と楕円形導波管との連結なので、楕円形の長軸成分が短軸成分より多い。この均衡を入力円筒形導波管２の側面に対し直角に連結された終端閉鎖の長方形導波管３の長さで調整した。

図５は本発明の他の形態の円偏波マイクロ波を用いた非回転無電極放電ランプシステムを示す図である。図５を参照すると、入力円筒形導波管２と終端閉鎖の長方形導波管３を除去し、線偏波マイクロ波を送り出す長方形導波管１の長軸を短軸成分８０ｍｍおよび長軸成分１０８ｍｍの場合の楕円形導波管４の長軸に対し４０〜５０°の角度で回転させて楕円形導波管と直ちに一直線に連結し、楕円形導波管４に長軸方向と短軸方向に四つのスタブ１３を連結して円偏波の均衡を取った。本発明の他の特徴は、放電ランプ５の起動の際、放電が起こる前には線形偏波になり、放電が起こった後には円偏波として作用することにある。

前記楕円形導波管４は、短軸成分８０ｍｍ及び長軸成分１０８ｍｍの場合、長方形導波管１の長軸に対し４０〜５０°の角度で回転したまま設けられている。

放電ランプ５に放電が起こる前には、マイクロ波は縦端の導体面から反射されて戻り、螺旋性（渦巻き）が逆に変わってランプをさらに通過する。すなわち、ランプの周囲を回転する方向は１次通過時と２次通過時とが同一である。ランプを２次通過するときにも、吸収されない円偏波電磁波は楕円形導波管を２次通過して入力円筒形導波管に進入するが、この際、円偏波はさらに線偏波に変換されてその偏波面が初期入射電磁波の偏波面と垂直を成す。すなわち、電磁波の電場が水平面に置かれる。

入力円筒形導波管の結合面から反射される電磁波は、円偏波装置によって初期生成された円偏波電磁波とは正反対の螺旋性を有する円偏波に変換されて２つの円偏波マイクロ波が互いに干渉して線形偏波が生成される。

これは放電ランプの位置でランプを励起させるに充分な電界強度を作る定在板を形成させ、放電ランプを励起させる。この定在波は円偏波電場より一層強い線形の電場を作って放電ランプの初期放電に役に立ち、ランプの放電が完全に行われることによりマイクロ波が全て吸収され、線形偏波はさらに円偏波に変わる。

本発明のシステムを順次示す斜視図である。 ａは本発明に適用された長方形導波管と入力円筒形導波管との結合状態を示す斜視図であり、ｂは図２ａの結合部面にモードフィルタが形成された状態を示す平面図である。 ａは本発明に適用された楕円形の断面積を有する導波管が連結された円偏波装置を示す斜視図であり、ｂは本発明に適用された導波管に誘電体を挿入した状態の構造を示す斜視図である。 本発明の楕円形の円偏波装置において線形偏波が円偏波に変わる過程を示す斜視図である。 本発明の他の形態の円偏波マイクロ波を用いた非回転無電極放電ランプシステムを示す斜視図である。

符号の説明

１ 長方形導波管
２ 入力円筒形導波管
３ 終端閉鎖の長方形導波管
４ 楕円形導波管
５ 放電ランプ
６ 円筒形導波管
７ 網体
８ 石英板
９ 反射鏡
１０ モードフィルタ
１１ 誘電体
１２ 誘電体の挿入された導波管
１３ スタブ

Claims (5)

1. 無電極放電ランプ用円偏波変換装置において、マイクロ波発振器を用いて線偏波マイクロ波を送り出す長方形導波管（１）が入力円筒形導波管（２）と一直線に連結されており、前記入力円筒形導波管（２）の外周面に終端閉鎖の長方形導波管（３）が直角に連結されており、楕円形導波管（４）が短軸成分８０ｍｍおよび長軸成分１０８ｍｍの場合、該楕円形導波管（４）の長軸が前記長方形導波管（１）の長軸に対し４０〜５０°の角度で回転しているように、前記入力円筒形導波管（２）と一直線に連結されているとともに、網体（７）で覆われた放電ランプ（５）が反射鏡（９）の板上に固定される円筒形導波管（６）と一直線に連結されていることを特徴とする円偏波マイクロ波を用いた非回転無電極放電ランプシステム。
2. 前記長方形導波管（１）と終端閉鎖の長方形導波管（３）とが入力円筒形導波管（２）に連結される際、連結部面にモードフィルタ（１０）が配設されていることを特徴とする請求項１記載の円偏波マイクロ波を用いた非回転無電極放電ランプシステム。
3. 前記楕円形導波管（４）は、短軸成分８０ｍｍ及び長軸成分１０８ｍｍの場合、その長軸が長方形導波管（１）の長軸に対し４０〜５０°の角度で回転したまま設けられていることを特徴とする請求項１記載の円偏波マイクロ波を用いた非回転無電極放電ランプシステム。
4. 無電極放電ランプ用円偏波変換装置において、マイクロ波発振器を用いて線偏波マイクロ波を送り出す長方形導波管（１）が、該長方形導波管（１）の長軸がスタブ（１３）の挿入された楕円形導波管（４）の長軸に対し４０〜５０°の角度で回転しているように、短軸成分８０ｍｍおよび長軸成分１０８ｍｍの場合の楕円形導波管（４）と一直線に連結されており、前記楕円形導波管（４）が、網体（７）で覆われた放電ランプ（５）が反射鏡（９）の板上に固定される円筒形導波管（６）と一直線に連結されていることを特徴とする円偏波マイクロ波を用いた非回転無電極放電ランプシステム。
5. 前記楕円形導波管に四つのスタブを挿入したことを特徴とする請求項４記載の円偏波マイクロ波を用いた非回転無電極放電ランプシステム。

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