JP4068623B2 - 無電極照明機器の導波管システム - Google Patents

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Description

本発明は、無電極照明機器の導波管システムに関し、詳しくは、コンパクトなサイズを有すると共に、マイクロ波エネルギーを共振器の内部に最大限に供給することができる無電極照明機器の導波管システムに関する。
無電極照明機器は、パワーソースであるマグネトロンのアンテナから発生するマイクロ波パワーが導波管を通して共振器に伝達され、その伝達されたマイクロ波パワーが前記共振器の内部に設置された無電極電球に印加されることにより、前記無電極電球が可視光線または紫外線を発光する照明機器であって、一般的に使用される白熱灯や蛍光灯に比べて寿命が長く、照明の効果が優れているという特徴を有する。
このように、前記マグネトロンのアンテナから発生するマイクロ波エネルギーを前記共振器に最大限に供給するためには、前記マグネトロンのアンテナと導波管間、及び前記導波管と共振器間にインピーダンス整合がとれ、これらのマグネトロンのアンテナ、導波管及び共振器からなる共振構造の周波数は、前記マグネトロンの出力周波数に同調され、且つ、前記マグネトロンのインピーダンス変動に適応できるように、適切な帯域幅を有するべきである。
このような点を満足させるための従来技術の一例として、マグネトロンのアンテナからスロットまでの長さが管内波長(λg)の３／８で固定された３−スタブチューナーシステムが知られている。
しかしながら、このような従来の３−スタブチューナーシステムにおいては、導波管の長さが非常に長くなるという欠点を有するので、コンパクトなシステムの実現が難しいだけでなく、共振周波数の同調のための方法の数が非常に多くなるという欠点があった。
また、従来技術の他の例として、マグネトロンのアンテナからスロットまでの長さが管内波長(λg)の１／２より小さい場合に誘導性スタブを適用する技術が下記特許文献１に開示されているが、帯域幅の調整が難しいという問題点があった。
米国特許第５９７７７１２号明細書
本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたもので、２つのスタブを導波管内に設置して、共振周波数の帯域幅を調節することにより、点灯初期と完全点灯後の共振周波数の変化により大きく影響を受けることなく、これにより、共振安全性の確保に適したコンパクトな無電極照明機器の導波管システムを提供することを目的とする。
このような目的を達成するために、本発明による無電極照明機器の導波管システムは、内部にマイクロ波エネルギーが通過する通路が形成され、その内部の一側にマイクロ波発生手段のアンテナが挿入固定され、前記アンテナから出力されるマイクロ波エネルギーが内部に電球が位置する共振器に供給されるようにスロットを備える導波管と、前記アンテナとのインピーダンス整合及び前記アンテナの出力周波数との同調のために、前記スロットの近傍に位置するように、前記導波管内部の一側から突出するように設置される第１のスタブと、前記第１のスタブと共に、前記アンテナのインピーダンス変動によって変化する前記アンテナの出力周波数に同調するように帯域幅を拡張させるために、前記第１のスタブと所定の間隔をおいて、前記導波管内部の他側から突出するように設置される第２のスタブとを含むことを特徴とする。
本発明による無電極照明機器の導波管システムにおいては、導波管の内部に所定の間隔をおいて互いに対向する２つのスタブを設置して、これらのスタブの何れか１つのスタブを利用して、初期の共振が適切な周波数で起こるようにし、他の１つのスタブを利用して、目標値で共振するようにすると共に、Ｑ値の調節を通して、帯域幅を適宜調節することができる。これにより、コンパクトなサイズの導波管の使用が可能になると共に、共振の安全性が向上するという効果がある。
以下、添付の図面を参照して、本発明による無電極照明機器の導波管システムの好ましい実施形態を説明する。
図１は、本発明による導波管システムを有する無電極照明機器の構造を示す斜視図で、図２は、図１の内部を示す縦断面図で、図３は、本発明による導波管を拡大して示す部分断面図で、図４は、本発明によるスタブを示す拡大図である。
図に示すように、本発明による無電極照明機器においては、ケース１０１の内部に、マイクロ波エネルギーを発生するマイクロ波発生手段１０２が設置されている。
また、前記マイクロ波発生手段１０２の上端には、前記マイクロ波発生手段１０２から発生するマイクロ波エネルギーをガイドするコンパクトなサイズの導波管システム１０３が設置されており、前記ケース１０１の外側には、前記導波管システム１０３を通してガイドされるマイクロ波エネルギーを共振させる網目状の共振器１０４が結合されている。
また、前記共振器１０４の内部には、共振されるマイクロ波エネルギーにより発光する発光物質が封入されている球状の電球１０５が設置されており、前記電球１０５は、電球軸１０５ａの下端にモータ軸１０６ａを介して連結されたモータ１０６により回転されるように構成される。
また、前記ケース１０１の外側には、前記共振器１０４を取り囲むように反射笠１０７が設置され、前記電球１０５から発光する光は、前記共振器１０４を通過した後に前記反射笠１０７により反射される。
前記導波管システム１０３は、図３に示すように、内部にマイクロ波エネルギーが通過する通路１１０が形成され、その内部の一側にマイクロ波発生手段１０２のアンテナ１０２ａが挿入固定され、前記アンテナ１０２ａから出力されるマイクロ波エネルギーが内部に電球１０５が位置する共振器１０４に供給されるようにスロット１１１ｂを備える導波管１１１と、前記アンテナ１０２ａとのインピーダンス整合及び前記アンテナ１０２ａの出力周波数との同調のために、前記スロット１１１ｂの近傍に位置するように、前記導波管１１１内部の一側から突出するように設置される第１のスタブ１１２と、前記第１のスタブ１１２と共に、前記アンテナ１０２ａのインピーダンス変動によって変化する前記アンテナ１０２ａの出力周波数に同調するように帯域幅を拡張させるために、前記第１のスタブ１１２と所定の間隔をおいて、前記導波管１１１内部の他側から突出するように設置される第２のスタブ１１３とを含む。
前記導波管１１１は、金属材質からなる直六面体のボックス形状を有し、その下部の一側には、前記マイクロ波発生手段１０２のアンテナ１０２ａが挿入されるアンテナ挿入部１１１ａが形成されている。
前記第１のスタブ１１２は、その一端部が前記スロット１１１ｂに近接するように、前記アンテナ１０２ａが挿入固定された前記導波管１１１の内面１１１ｅに設置され、前記第２のスタブ１１３は、前記第１のスタブ１１２が設置された内面１１１ｅと対向する内面１１１ｃに設置され、その一端部が前記第１のスタブ１１２が設置された内面１１１ｅに向かうように設置される。
このとき、前記第１及び第２のスタブ１１２、１１３は、前記アンテナ１０２ａと平行に設置され、それぞれ設置された内面１１１ｅ、１１１ｃと垂直をなすことが好ましい。
ここで、前記第２のスタブ１１３は、前記第１のスタブ１１２より前記アンテナ１０２ａに近接して位置することが、マイクロ波エネルギー伝達の最適化のために好ましい。
このとき、前記第２のスタブ１１３は、前記アンテナ１０２ａとの間でのアーク放電を防止するために、前記アンテナ１０２ａから所定の距離をおいて位置せしめられる。
且つ、前記第１及び第２のスタブ１１２、１１３は、前記アンテナ１０２ａのインピーダンス整合及び共振周波数の同調に柔軟に対応できるように、その高さを調節できるように設置される。
図３及び図４に示すように、前記第１及び第２のスタブ１１２、１１３の他端部に、それぞれ雄ネジ部１１２ａ、１１３ａが形成され、これらの雄ネジ部１１２ａ、１１３ａと結合される前記導波管１１１の内面１１１ｅ、１１１ｃに、それぞれ雌ネジ部１１１ｆ、１１１ｄが形成されることにより、前記第１及び第２のスタブ１１２、１１３の装着が容易であるだけでなく、前記雄ネジ部１１２ａ、１１３ａと雌ネジ部１１１ｆ、１１１ｄとの結合程度によって、前記第１及び第２のスタブ１１２、１１３の高さを調節することができる。
且つ、前記第１及び第２のスタブ１１２、１１３は、円筒状に形成されることが好ましく、インピーダンス整合及び共振周波数同調の条件によって、多角柱状に形成することもできる。
また、前記第１及び第２のスタブ１１２、１１３の幅は、インピーダンス整合及び共振周波数同調の条件によって、約１〜１０ｍｍに形成されることが好ましい。
以下、このように構成される本発明による導波管システムが備えられた無電極照明機器の動作を説明する。
まず、高電圧がマイクロ波発生手段１０２に供給されると、マイクロ波エネルギーが発生し、その発生したマイクロ波エネルギーは、導波管１１１を通してガイドされ、前記導波管１１１のスロット１１１ｂを通して共振器１０４の内部に放射される。その放射されたマイクロ波エネルギーにより、電球１０５に封入された発光物質が放電されて、プラズマによる光が発生し、その発生した光は、反射笠１０７により反射されながら前方を照らすようになる。
このとき、前述したように、前記導波管１１１の内部に設置された第１及び第２のスタブ１１２、１１３により、前記マイクロ波発生手段１０２のアンテナ１０２ａのインピーダンス整合及び出力周波数の同調が容易になると共に、共振周波数の帯域幅が拡張する。
ここで、前記第１のスタブ１１２及び第２のスタブ１１３は、直列ＬＣ(Inductance & Capacitance)の等価回路として見なすことができる。
図５(Ａ)〜図５(Ｃ)は、Ｓ１１の周波数通過特性を示すグラフで、Ｓ１１は反射係数で、ｆは可変周波数で、ｆ０は共振周波数であり、f／ｆ０＝１のときに共振周波数に正確に共振せしめられる。
即ち、前記第１のスタブ１１２は、前記導波管１１１の内面、即ち、前記アンテナ１０２ａが挿入固定された内面１１１ｅに設置されて、前記アンテナ１０２ａのインピーダンスが前記導波管１１１と共振器１０４間で整合されるようにする。即ち、前記第１のスタブ１１２の高さを変化させると、Ｌ値及びＣ値が変化し、前記スロット１１１ｂのインピーダンスが変化して、図５(Ａ)に示すように、共振周波数が変化することによってインピーダンスの整合がとれる。
しかしながら、マグネトロンのアンテナ１０２ａのインピーダンス変動により、図５(Ｂ)に示すように、同調範囲の限界を有し得るので、前記アンテナ１０２ａとのアーク放電を避け、インピーダンス整合を安定的に実現するために、前記第１のスタブ１１２に対向する位置に、第２のスタブ１１３が設置される。
従って、図５(Ｃ)に示すように、前記第１のスタブ１１２と第２のスタブ１１３との長さの組合せにより、前記アンテナ１０２ａの任意のインピーダンスに対し、常に周波数整合がとれるようになる。
また、前記第１のスタブ１１２と第２のスタブ１１３とが互いに対向するように設置され、前記第１のスタブ１１２の一端部が前記スロット１１１ｂの近傍に位置することによって、前記導波管１１１のコンパクト化を図ることができ、前記第１のスタブ１１２が前記導波管１１１の側面１１１ｇの近傍に位置するので、前記側面１１１ｇが移動されるという効果がある。これにより、前記側面１１１ｇでの反射波の影響も共に考慮して、固有周波数を同調させることができる。
また、前記第１及び第２のスタブ１１２、１１３の長さ、並びに前記第１のスタブ１１２と第２のスタブ１１３間の間隔を適宜調節すると、正確な共振周波数の同調と共に、Ｑ(Quality Factor)値も変化して、帯域幅を調節することができる(Ｑ値は、帯域幅に反比例する)。
敷衍して説明すると、本発明による無電極照明機器は、前記導波管１１１及び共振器１０４が結合されているので、前記マイクロ波発生手段１０２のアンテナ１０２ａのインピーダンス変動が発生して、共振周波数が目標値に符合しなくても、必ず任意の周波数で共振が起こる。従って、前述したように構成される互いに対向する２つのスタブ１１２、１１３を前記導波管１１１に適用してコンパクト化された無電極照明機器において、初期共振周波数のシフトを実現することができる。従って、２つのスタブ１１２、１１３の何れか１つ、即ち、第１のスタブ１１２により、初期共振が適切な周波数で起こるようになり、他の１つのスタブ、即ち、第２のスタブ１１３により、前記アンテナ１０２から印加される周波数に正確に共振されるようになる。これにより、Ｑ値の低下が発生し、帯域幅が適切に拡張されるので、共振の安全性が向上する。
図６(Ａ)及び図６(Ｂ)は、本発明において、スタブの長さ調整による帯域幅の拡張状態を示すＳ１１の周波数通過特性グラフで、図５と同じように、Ｓ１１は反射係数で、ｆは可変周波数で、ｆ０は共振周波数であり、f／ｆ０＝１のときに共振周波数に正確に共振せしめられる。
図６(Ａ)に示すように、第２のスタブの長さを減少させることによって、正確な共振と共に帯域幅が拡張することが分かる。しかしながら、帯域幅が拡張し過ぎると、反射係数Ｓ１１が高くなってパワーを最大限に供給することが難しくなる。
これに対し、図６(Ｂ)に示すように、前記第１のスタブ１１２の長さを少し長くして、初期共振周波数を右側に少しシフトさせた状態で、第２のスタブ１１３の長さを減少させると、正確な共振と共に、図６(Ａ)の場合より帯域幅が減少して、反射係数Ｓ１１が低くなり、これにより、マイクロ波エネルギーの伝送パワーを増加させることができる。
即ち、２つのスタブ１１２、１１３を用いることにより、正確な共振を達成できるだけでなく、帯域幅及び反射特性を調節することにより、周波数の安全性及び供給パワーの効率を増加させることができる。
本発明による導波管システムを有する無電極照明機器の構造を示す斜視図である。 図１の内部を示す縦断面図である。 本発明による導波管を拡大して示す部分断面図である。 本発明によるスタブを示す拡大図である。 (Ａ)〜(Ｃ)は、Ｓ１１の周波数通過特性を示すグラフである。 (Ａ)及び(Ｂ)は、本発明において、スタブの長さ調整による帯域幅の拡張状態を示すＳ１１の周波数通過特性グラフである。
符号の説明
１０２ マイクロ波発生器
１０２ａ アンテナ
１０４ 共振器
１１１ 導波管
１１１ａ アンテナ挿入部
１１１ｂ スロット
１１１ｄ、１１１ｆ 雌ネジ部
１１２ 第１のスタブ
１１３ 第２のスタブ
１１２ａ、１１３ａ 雄ネジ部

Claims (10)

  1. 内部にマイクロ波エネルギーが通過する通路が形成され、その内部の一側にマイクロ波発生手段のアンテナが挿入固定され、前記アンテナから出力されるマイクロ波エネルギーが内部に電球が位置する共振器に供給されるようにスロットを備える導波管と、
    前記アンテナとのインピーダンス整合及び前記アンテナの出力周波数との同調のために、前記スロットの近傍に位置するように、前記導波管内部の一側から高さ調節可能に突出するように設置される第１のスタブと、
    前記第１のスタブと共に帯域幅を拡張させ、前記アンテナのインピーダンス変動によって変化する前記アンテナの出力周波数に同調するように、前記第１のスタブから所定の間隔だけ離隔して、前記導波管内部の他側から高さ調節可能に突出するように設置される第２のスタブと、
    を含むことを特徴とする無電極照明機器の導波管システム。
  2. 前記第２のスタブの一端部が前記第１のスタブが設置された内面に向かうように設置されることを特徴とする、請求項１に記載の無電極照明機器の導波管システム。
  3. 前記第１及び第２のスタブは、前記アンテナと平行に設置されることを特徴とする、請求項２に記載の無電極照明機器の導波管システム。
  4. 前記第２のスタブは、前記第１のスタブより前記アンテナに近接して位置することを特徴とする、請求項３に記載の無電極照明機器の導波管システム。
  5. 前記第２のスタブは、前記アンテナとの間でのアーク放電が防止されるように、前記アンテナから所定の距離をおいて位置することを特徴とする、請求項４に記載の無電極照明機器の導波管システム。
  6. 前記第１及び第２のスタブの他端部に、雄ネジ部がそれぞれ形成され、これらの雄ネジ部と結合される前記導波管の内面に、雌ネジ部がそれぞれ形成されて、突出高さが調節されることを特徴とする、請求項１に記載の無電極照明機器の導波管システム。
  7. 前記第１及び第２のスタブは、円筒状を有することを特徴とする、請求項１に記載の無電極照明機器の導波管システム。
  8. 前記第１及び第２のスタブは、多角柱状を有することを特徴とする、請求項１に記載の無電極照明機器の導波管システム。
  9. 前記第１及び第２のスタブの幅は、１〜１０ｍｍであることを特徴とする、請求項１に記載の無電極照明機器の導波管システム。
  10. 前記第１及び第２のスタブは、金属材質からなることを特徴とする、請求項１に記載の無電極照明機器の導波管システム。
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