JP4259274B2 - マイクロ波無電極放電灯装置 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波を用いて放電バルブを発光させるマイクロ波無電極放電灯装置に関する。

従来、放電ガスが封入されたバルブと、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生器とを備え、マイクロ波によって.バルブ内に封入されたガスを電離及び励起させ、この電離及び励起によって生じる光を光源として利用したマイクロ波無電極放電灯装置が知られている。このようなマイクロ波無電極放電灯装置においては、網目状の金属メッシュを籠状にした空洞構成部材によりバルブとマイクロ波発生部とを覆って、空洞構成部材の内部空間に生じた電磁界のエネルギーをバルブに供給すると共にマイクロ波の外部空間への漏洩を抑制し、さらにバルブから発生した可視光を空洞構成部材の網目を介して外部空間に透過させるようにしている。

このようなマイクロ波無電極放電灯装置に用いられる空洞構成部材としては、例えば円筒形のもの（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）や、椀状に形成された反射鏡の開口部を網目状の金属メッシュで覆ったもの（例えば、特許文献３参照。）、あるいは、空洞構成部材の側面が回転楕円体の一部や放物面の一部であるような形状であるもの（例えば、特許文献４参照。）などが知られている。
特開昭５９−８６１５３号公報 特開平７−４５１０４号公報 特開昭５７−６０６９５号公報 特開２００３−０２２７８６号公報

ところで、上述のようなマイクロ波無電極放電灯装置においては、マイクロ波による誘導電流が空洞構成部材を構成する金属メッシュに流れる結果、可視光を透過させるために細い、従って電流容量の小さい金属線で構成されている金属メッシュが劣化するという不都合があった。図１０は、円筒形の空洞構成部材を用いたマイクロ波無電極放電灯装置における空洞構成部材１０１の側面図である。図１０に示す空洞構成部材１０１の内部空間にマイクロ波が供給されると、矢印で示す方向に電界が生じ、空洞構成部材１０１の側面を構成する金属メッシュと電界とが直交する箇所において、金属メッシュに流れる電流が増大し、金属メッシュが劣化する。また、空洞構成部材の側面の金属メッシュが回転楕円体の一部や放物面の一部であるような形状である場合にも、円筒形の空洞構成部材を用いた場合と同様にして、金属メッシュが劣化する。

図１１は、椀状に形成された反射鏡の開口部を網目状の金属メッシュで覆った空洞構成部材を用いたマイクロ波無電極放電灯装置における空洞構成部材１０２の断面図である。図１１に示す空洞構成部材１０２の内部空間にマイクロ波が供給されると、ＴＭ０１１モードの電界によって矢印で示す方向に電界が生じ、反射鏡１０４の開口部を覆っている金属メッシュ１０３と電界とが直交する箇所において、金属メッシュに流れる電流が増大し、金属メッシュが劣化する。

本発明は、このような問題に鑑みて為された発明であり、空洞構成部材の劣化を低減することができるマイクロ波無電極放電灯装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明の第１の手段に係るマイクロ波無電極放電灯装置は、マイクロ波を生成するマイクロ波生成部と、前記マイクロ波生成部により生成されたマイクロ波を導入する導入部を備え該マイクロ波が外部空間に放出されることを抑制する空洞構成部材と、前記空洞構成部材の内部空間に配置され前記マイクロ波生成部により生成されたマイクロ波によって発光する発光部とを備えたマイクロ波無電極放電灯装置において、前記空洞構成部材の形状は、前記発光部の前方及び側方を覆う部分が半球形若しくは半楕円球形又はこれらの一部である曲面形状であって、前記発光部の後方が導体板により形成される平面形である殻状形状であり、前記空洞構成部材の曲面形状部分の少なくとも一部は、前記発光部から発せられた可視光を透過するものであり、前記空洞構成部材は、前記空洞構成部材の内部空間における前記マイクロ波生成部によって生成されたマイクロ波の電磁界モードをＴＥ０１１にするものであることを特徴としている。

また、上述のマイクロ波無電極放電灯装置において、前記発光部と前記導入部との間に、前記発光部から発せられた可視光を反射する誘電体から成る反射板をさらに備えることを特徴としている。

そして、上述のマイクロ波無電極放電灯装置において、前記反射板は、前記導体板より離間して配置されていることを特徴としている。

このような構成のマイクロ波無電極放電灯装置において、空洞構成部材の内部空間に生じたＴＥ０１１モードの電界は、発光部から発せられた可視光を透過する曲面形状部分と直交しないので、空洞構成部材の曲面形状部分を流れる誘導電流が低減され、空洞構成部材の劣化を低減することができる。

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るマイクロ波無電極放電灯装置の構成の一例を示す部分断面図である。図２は、図１に示すマイクロ波無電極放電灯装置１の外観斜視図である。図１に示すマイクロ波無電極放電灯装置１は、例えば金属メッシュ２、導体板３、発光部に相当するバルブ４、支持棒５、導波管６、マイクロ波生成部に相当するマグネトロン７、電源８を備えている。また、金属メッシュ２と導体板３とが組み合わされて空洞構成部材に相当する共振器９を構成している。図１において、金属メッシュ２、導体板３、および導波管６は、断面図で示されている。

マグネトロン７は、電源８から供給された電力エネルギーを、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波に変換し、導波管６を介して共振器９へ供給する。

バルブ４は、例えば石英ガラス等の透明性を有する材料により略球形状にされており、バルブ４の内部には、例えば水銀蒸気等の金属蒸気や例えばＡｒガス等の希ガスを含む放電ガス等が封入されている。また、バルブ４の内壁には、紫外線を可視光に変換する蛍光体等が塗布されている。これにより、バルブ４に電磁界が印加されると、バルブ４に封入された放電ガスが電磁界によって励起されて紫外線を放出し、この紫外線が蛍光体により可視光に変換されてバルブ４が発光する。

金属メッシュ２は、例えば直径１６５ｍｍの半球形にされた網目状の金網で、金属メッシュ２の開口部は、略円盤形状の導体板３によって閉蓋されている。また、金属メッシュ２の網目の寸法は、マグネトロン７から供給されるマイクロ波の波長よりも小さくされており、共振器９の内部空間に供給されたマイクロ波が外部空間へ放出されることを抑制するようにされると共に、できる限り開口率を大きくしてバルブ４から発せられた光を外部に最大限放射し得るようにされている。なお、金属メッシュ２は、金網に限られず、マイクロ波の透過を抑制し、かつ可視光を透過させるスクリーンであればよい。

導体板３は、略円盤形状の例えば金属板であり、金属メッシュ２が取り付けられている側に導波管６が接続されている。また、導体板３の略中央部には、マグネトロン７から導波管６を介して供給されたマイクロ波を共振器９の内部空間へ導入するための導入部に相当する結合窓１０が設けられている。そして、例えば一端部にバルブ４が取り付けられた円柱状の支持棒５の他端部が、導体板３の金属メッシュ２側に固着されて立設され、共振器９の内部空間にバルブ４が配置されている。

共振器９は、その寸法と結合窓１０とが所定の大きさにされており、マグネトロン７から導波管６、結合窓１０を介して内部空間に導入されたマイクロ波を共振させ、マイクロ波のエネルギーを蓄えて、ＴＥ０１１モードの電界を発生させるもので、その電界のエネルギーによってバルブ４を発光させる。具体的には、マイクロ波の波長をλ、共振器９の半径をａとすると、共振器９のような半球型共振器の場合、ＴＥ０１１モードの電界を発生させるための条件は、
λ＝１．３９５×ａ ・・・（１）
となる。

ここで、マイクロ波の周波数を２．４５ＧＨｚとすると、λ≒１２２ｍｍ、ａ≒８７ｍｍとなる。ただし、この場合、共振器９内部のバルブ４等の誘電体による波長短縮効果によって、共振器９の半径ａは、概して８７ｍｍよりも小さくなる。なお、共振器９の形状は、ＴＥ０１１モードの電界を発生させる条件を満たしていればよく、半球形に限られず、例えば半球形若しくは半楕円球形又はこれらの一部である曲面形状であってもよい。

次に、このように構成されたマイクロ波無電極放電灯装置１の動作を説明する。まず、電源８からマグネトロン７へ電力が供給されると、マグネトロン７から導波管６、結合窓１０を介して共振器９の内部空間へ、２．４５ＧＨｚのマイクロ波が出力される。そして、共振器９によって、２．４５ＧＨｚのマイクロ波が共振され、ＴＥ０１１モードの電界が発生する。

図３は、共振器９の内部空間に生じたＴＥ０１１モードの電界１１を示す図である。図３において、ＴＥ０１１モードの電界１１は、矢印で示すように、金属メッシュ２と直交しない。これにより、金属メッシュ２に流れる誘導電流が増大することがなく、金属メッシュ２の劣化を低減することができる。また、電界１１は、矢印で示すように、導体板３と直交し、導体板３に流れる誘導電流が増大する。しかし、導体板３は電流容量が大きい金属板で構成されているため、誘導電流により劣化することが低減される。これにより、金属メッシュ２と導体板３とからなる共振器９が、誘導電流により劣化することが低減され、共振器９を長寿命化することができる。

一実験例として、本発明者は、共振器９の半径を約８２．５ｍｍ（直径１６５ｍｍ）、金属メッシュ２を開口率８１％（網目サイズ１．８×１．８ｍｍ、線径φ０．２ｍｍ）の金網とし、また、バルブ４を直径２７ｍｍ（肉厚２ｍｍ）の石英バルブとして希土類金属ハライド５ｍｇ、アルカリ金属ハライド１０ｍｇ、Ｈｇ３０ｍｇ、Ａｒ３０ｔｏｒｒを封入した。そして、バルブ４を、共振器９内の共振により強電界が発生する箇所に配置して点灯実験を行った。この場合において、熱的に安定すると高強度の金属発光が得られることを確認した。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２の実施の形態によるマイクロ波無電極放電灯装置について説明する。図４は、本発明の第２の実施形態によるマイクロ波無電極放電灯装置の構成の一例を示す図である。図４に示すマイクロ波無電極放電灯装置１ａと図１に示すマイクロ波無電極放電灯装置１とでは、下記の点で異なる。すなわち、図４に示すマイクロ波無電極放電灯装置１ａでは、導体板３ａに結合窓１０が設けられておらず、導体板３ａの金属メッシュ２側に導入部に相当するループアンテナ１２が配設されている。そして、ループアンテナ１２と導波管６とが同軸ケーブル１３によって電気的に接続されている。これにより、マグネトロン７によって生成されたマイクロ波が導波管６及び同軸ケーブル１３を介してループアンテナ１２に導かれ、ループアンテナ１２によって共振器９の内部空間へ出力される。

その他の構成は図１に示すマイクロ波無電極放電灯装置１と同様であるのでその説明を省略し、以下、このように構成されたマイクロ波無電極放電灯装置１ａの動作を説明する。まず、電源８からマグネトロン７へ電力が供給されると、マグネトロン７から導波管６、同軸ケーブル１３、及びループアンテナ１２を介して共振器９の内部空間へ、２．４５ＧＨｚのマイクロ波が出力される。そして、共振器９によって、２．４５ＧＨｚのマイクロ波が共振され、図５に示すように、共振器９の内部空間にＴＥ０１１モードの電界１１が発生する。

これにより、図１に示すマイクロ波無電極放電灯装置１と同様に、図５において、ＴＥ０１１モードの電界１１は、矢印で示すように、金属メッシュ２と直交しないので、金属メッシュ２の劣化を低減することができる。また、電界１１は、矢印で示すように、導体板３ａと直交し、導体板３ａに流れる誘導電流が増大するが、導体板３ａは電流容量が大きい金属板で構成されているため、誘導電流により劣化することが低減される。これにより、金属メッシュ２と導体板３ａとからなる共振器９が、誘導電流により劣化することが低減され、共振器９を長寿命化することができる。

また、図４に示すマイクロ波無電極放電灯装置１ａにおいては、柔軟に屈曲可能な同軸ケーブル１３によって、導波管６と共振器９が接続されているので、発光する部分である共振器９の、導波管６に対する配置の自由度を高めることができる。なお、ループアンテナ１２としては、ループ形状のアンテナに限らず他のアンテナであってもよい。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３の実施の形態によるマイクロ波無電極放電灯装置について説明する。図６は、本発明の第３の実施形態によるマイクロ波無電極放電灯装置の構成の一例を示す図である。図６に示すマイクロ波無電極放電灯装置１ｂと図１に示すマイクロ波無電極放電灯装置１とでは、下記の点で異なる。すなわち、図６に示すマイクロ波無電極放電灯装置１ｂでは、導体板３の金属メッシュ２側に、例えば厚さ３ｍｍの略円盤状の反射板１４が固着されている。反射板１４は、アルミナ等の誘電体材料によって構成されており、バルブ４から発せられた可視光を反射する。また、共振器９は、例えば直径１５５ｍｍにされている。

その他の構成は図１に示すマイクロ波無電極放電灯装置１と同様であるのでその説明を省略し、以下、このように構成された図６に示すマイクロ波無電極放電灯装置１ｂの動作を説明する。まず、電源８からマグネトロン７へ電力が供給されると、マグネトロン７から導波管６、結合窓１０、及び反射板１４を介して共振器９の内部空間へ、２．４５ＧＨｚのマイクロ波が出力される。そして、共振器９によって、２．４５ＧＨｚのマイクロ波が共振され、図１に示すマイクロ波無電極放電灯装置１の場合と同様にして、共振器９の内部空間にＴＥ０１１モードの電界１１が発生する。

この場合、マグネトロン７から出力されたマイクロ波が、誘電体により構成されている反射板１４を通り抜ける際に、誘電体による波長短縮効果によって、マイクロ波からみた反射板１４の厚みが大きくなる結果、マイクロ波からみた共振器９の直径もまた大きくなる。従って、ＴＥ０１１モードの電界を発生させるための条件となる共振器９の実際の直径は、式（１）によって得られる直径よりもさらに小さくすることができ、共振器９を小型化することができる。

また、結合窓１０は、反射板１４によって遮蔽され、バルブ４から発せられた可視光が結合窓１０から共振器９の外部に漏れ出ることが防止されるので、共振器９の発光効率を向上させることができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４の実施の形態によるマイクロ波無電極放電灯装置について説明する。図７は、本発明の第４の実施形態によるマイクロ波無電極放電灯装置の構成の一例を示す図である。図７に示すマイクロ波無電極放電灯装置１ｃと図６に示すマイクロ波無電極放電灯装置１ｂとでは、下記の点で異なる。すなわち、図７に示すマイクロ波無電極放電灯装置１ｃでは、反射板１４が、例えば導体板３上に立設された柱状の支柱１５によって、導体板３の表面から例えば５ｍｍ離間した位置に支持されている。

その他の構成は図６に示すマイクロ波無電極放電灯装置１ｂと同様であるのでその説明を省略し、以下、このように構成された図７に示すマイクロ波無電極放電灯装置１ｃの動作を説明する。まず、電源８からマグネトロン７へ電力が供給されると、マグネトロン７から導波管６、結合窓１０、及び反射板１４を介して共振器９の内部空間へ、２．４５ＧＨｚのマイクロ波が出力される。そして、共振器９によって、２．４５ＧＨｚのマイクロ波が共振され、図６に示すマイクロ波無電極放電灯装置１ｂの場合と同様にして、共振器９の内部空間にＴＥ０１１モードの電界１１が発生する。

この場合、結合窓１０付近では電界強度レベルが非常に高いため、図６に示すマイクロ波無電極放電灯装置１ｂのように、結合窓１０と密着する位置に反射板１４が配設されていると、電界強度レベルが非常に高い位置に誘電体が置かれることになる結果、反射板１４による誘電損失が大きくなり、マイクロ波エネルギーの損失が大きくなる。一方、図７に示すマイクロ波無電極放電灯装置１ｃにおいては、反射板１４が導体板３の表面から５ｍｍ離間した位置に配設されているので、反射板１４は、結合窓１０付近の電界強度レベルが非常に高い位置を避けて配置されることとなる結果、反射板１４による誘電損失が小さくなり、マイクロ波エネルギーの損失を低減することができる。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５の実施の形態によるマイクロ波無電極放電灯装置について説明する。図８は、本発明の第５の実施形態によるマイクロ波無電極放電灯装置の構成の一例を示す図である。図８に示すマイクロ波無電極放電灯装置１ｄと図７に示すマイクロ波無電極放電灯装置１ｃとでは、下記の点で異なる。すなわち、図８に示すマイクロ波無電極放電灯装置１ｄでは、導体板３ａに結合窓１０が設けられておらず、導体板３ａと反射板１４の間の空間に、ループアンテナ１２が配設されている。そして、ループアンテナ１２と導波管６とが同軸ケーブル１３によって電気的に接続されている。これにより、マグネトロン７によって生成されたマイクロ波が導波管６及び同軸ケーブル１３を介してループアンテナ１２に導かれる。そして、ループアンテナ１２によって出力されたマイクロ波が、反射板１４を通り抜けて共振器９の内部空間へ出力される。

その他の構成は図７に示すマイクロ波無電極放電灯装置１ｃと同様であるのでその説明を省略し、以下、このように構成されたマイクロ波無電極放電灯装置１ｄの動作を説明する。まず、電源８からマグネトロン７へ電力が供給されると、マグネトロン７から導波管６、同軸ケーブル１３、ループアンテナ１２、及び反射板１４を介して共振器９の内部空間へ、２．４５ＧＨｚのマイクロ波が出力される。そして、共振器９によって、２．４５ＧＨｚのマイクロ波が共振され、図７に示すマイクロ波無電極放電灯装置１ｃの場合と同様に、共振器９の内部空間にＴＥ０１１モードの電界１１が発生する。

この場合、バルブ４とループアンテナ１２との間に反射板１４が導体板３から離間して配置されているので、バルブ４から発せられた可視光は、ループアンテナ１２に到達することなく反射され、ループアンテナ１２によって散乱されることがなく、従って、バルブ４から発せられた可視光の散乱による損失を低減し、マイクロ波無電極放電灯装置１ｄの発光効率を向上させることができる。

また、図８に示すマイクロ波無電極放電灯装置１ｄにおいては、柔軟に屈曲可能な同軸ケーブル１３によって、導波管６と共振器９が接続されているので、発光する部分である共振器９の、導波管６に対する配置の自由度を高めることができる。

（第６実施形態）
次に、本発明の第６の実施の形態によるマイクロ波無電極放電灯装置について説明する。図９は、本発明の第６の実施形態によるマイクロ波無電極放電灯装置の構成の一例を示す図である。図９に示すマイクロ波無電極放電灯装置１ｅと図６に示すマイクロ波無電極放電灯装置１ｂとでは、下記の点で異なる。すなわち、図９に示すマイクロ波無電極放電灯装置１ｅでは、導体板３ｂの略中央部に凹部３ｃが設けられている。そして、結合窓１０は、凹部３ｃの底面部に設けられている。

その他の構成は図６に示すマイクロ波無電極放電灯装置１ｂと同様であるのでその説明を省略し、以下、このように構成された図９に示すマイクロ波無電極放電灯装置１ｅの動作を説明する。まず、電源８からマグネトロン７へ電力が供給されると、マグネトロン７から導波管６、結合窓１０、及び反射板１４を介して共振器９の内部空間へ、２．４５ＧＨｚのマイクロ波が出力される。そして、共振器９によって、２．４５ＧＨｚのマイクロ波が共振され、図６に示すマイクロ波無電極放電灯装置１ｂの場合と同様にして、共振器９の内部空間にＴＥ０１１モードの電界１１が発生する。

この場合、凹部３ｃの底面部に設けられた結合窓１０と反射板１４とが離間されて配置されているので、図７に示すマイクロ波無電極放電灯装置１ｃの場合と同様に、反射板１４は、結合窓１０付近の電界強度レベルが非常に高い位置を避けて配置されることとなる結果、反射板１４による誘電損失が小さくなり、マイクロ波エネルギーの損失を低減することができる。

本発明の第１の実施形態に係るマイクロ波無電極放電灯装置の構成の一例を示す部分断面図である。 図１に示すマイクロ波無電極放電灯装置の外観斜視図である。 図１に示す共振器の内部空間に生じたＴＥ０１１モードの電界を示す部分断面図である。 本発明の第２の実施形態によるマイクロ波無電極放電灯装置の構成の一例を示す部分断面図である。 図４に示す共振器の内部空間に生じたＴＥ０１１モードの電界を示す部分断面図である。 本発明の第３の実施形態によるマイクロ波無電極放電灯装置の構成の一例を示す部分断面図である。 本発明の第４の実施形態によるマイクロ波無電極放電灯装置の構成の一例を示す部分断面図である。 本発明の第５の実施形態によるマイクロ波無電極放電灯装置の構成の一例を示す部分断面図である。 本発明の第６の実施形態によるマイクロ波無電極放電灯装置の構成の一例を示す部分断面図である。 従来例による円筒形の空洞構成部材を用いたマイクロ波無電極放電灯装置における空洞構成部材の側面図である。 従来例による椀状に形成された反射鏡の開口部を網目状の金属メッシュで覆った空洞構成部材を用いたマイクロ波無電極放電灯装置における空洞構成部材の断面図である。

符号の説明

１,１ａ,１ｂ,１ｃ,１ｄ,１ｅ マイクロ波無電極放電灯装置
２ 金属メッシュ
３，３ａ，３ｂ 導体板
３ｃ 凹部
４ バルブ（発光部）
５ 支持棒
６ 導波管
７ マグネトロン（マイクロ波生成部）
８ 電源
９ 共振器（空洞構成部材）
１０ 結合窓（導入部）
１１ 電界
１２ ループアンテナ（導入部）
１３ 同軸ケーブル
１４ 反射板
１５ 支柱

Claims (3)

1. マイクロ波を生成するマイクロ波生成部と、前記マイクロ波生成部により生成されたマイクロ波を導入する導入部を備え該マイクロ波が外部空間に放出されることを抑制する空洞構成部材と、前記空洞構成部材の内部空間に配置され前記マイクロ波生成部により生成されたマイクロ波によって発光する発光部とを備えたマイクロ波無電極放電灯装置において、
   前記空洞構成部材の形状は、前記発光部の前方及び側方を覆う部分が半球形若しくは半楕円球形又はこれらの一部である曲面形状であって、前記発光部の後方が導体板により形成される平面形である殻状形状であり、
   前記空洞構成部材の曲面形状部分の少なくとも一部は、前記発光部から発せられた可視光を透過するものであり、
   前記空洞構成部材は、前記空洞構成部材の内部空間における前記マイクロ波生成部によって生成されたマイクロ波の電磁界モードをＴＥ０１１にするものであること
   を特徴とするマイクロ波無電極放電灯装置。
2. 前記発光部と前記導入部との間に、前記発光部から発せられた可視光を反射する誘電体から成る反射板をさらに備えること
   を特徴とする請求項１に記載のマイクロ波無電極放電灯装置。
3. 前記反射板は、前記導体板より離間して配置されていること
   を特徴とする請求項２に記載のマイクロ波無電極放電灯装置。

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