JP5370237B2 - マイクロ波放電光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光管に給電することなくマイクロ波を印加することにより放電発光させるマイクロ波放電光源装置に関する。

近年、高圧放電ランプは高効率・高演色という特性からハロゲンランプに代わり、一般照明だけでなく、自動車用の前照灯やプロジェクタ用のバックライトとして、需要が高まっている。
このようなランプの一つとしては、マイクロ波放電ランプが知られており、マイクロ波によって放電発光する発光物質が放電空間に封入された発光管に、電極を介さず電磁エネルギーを作用させることにより、点灯させることができる。

そして、マイクロ放電ランプには、放電空間内に電極を有さない無電極タイプ（特許文献１参照）と、放電空間内にマイクロ波のアンテナとして機能する一対の電極を備えた有電極タイプ（特許文献２参照）が知られている。

無電極タイプは、電極の消耗がないため発光効率の低下が少なく、電極材料と反応するために有電極ランプでは使用することのできない発光物質も使用することができ、長寿命、高効率、高演色の光源として期待されている。
有電極タイプは、電極間のギャップで放電を生じるため、無電極タイプでは実現困難であった点光源化が可能となるというメリットがあり、光学システム上の効率の向上を図ることができる。

しかしながら、いずれのタイプも、マイクロ波の発振のみによって放電を開始させることは困難であり、その確率は低く始動性能は安定しない。
しかも、無電極タイプにおいては、放電を開始させるために外部から電極間にパルス電圧を印加して絶縁破壊を起こすなどの方法がとれない。
このため、ランプの始動は例えば外部に紫外線エンハンサと称する始動補助光源を設け、この始動補助光源から発生する紫外線により、放電開始のための初期電子を発生させることで行なっている（特許文献３参照）が、発明者の実験によればそれでもまだ確実性に欠けるという問題がある。

また、有電極タイプは、導体間に高電圧パルスを印加することにより、確実に放電開始させることができるが、始動時の高電圧パルスは、沿面距離の確保から装置の大型化につながり、また高電圧パルスのノイズによる装置の不具合などが発生するため、始動電圧の低減が求められている。
他にも始動性能の向上という点から、始動電圧の低下のために放射性元素が封入されている放電ランプも存在するが、放射性元素の使用は環境負荷の面から好ましくない。

特開平９−２４５７４６号公報 特開２００８−２８８０２５号公報 特開昭５５−１２２３９８号公報

そこで本発明は、無電極タイプにおいては確実性に欠ける紫外線エンハンサを使用することなく、また、有電極タイプにおいては始動時に高電圧パルスを印加することなく、マイクロ波放電を確実に開始できるようにすることを技術的課題としている。

この課題を解決するために、本発明は、マイクロ波によって放電発光する発光物質を放電空間内に封入した発光管と、当該発光管にマイクロ波を印加するマイクロ波発生装置を備えて成るマイクロ波放電光源装置において、前記発光管が破壊されない程度の衝撃力若しくは振動を当該発光管に対して作用させる外力付与機構と、前記マイクロ波発生装置から発光管に対しマイクロ波を印加しながら前記外力付与機構を一定時間稼動させる制御装置を備えたことを特徴としている。

本発明のマイクロ波放電光源装置によれば、マイクロ波発生装置から出力されるマイクロ波を印加しながら、マイクロ波だけでは放電開始されなかった発光管に対し、外力付与機構によって衝撃や振動を与えることにより、無電極タイプ、有電極タイプを問わず、確実に放電開始させることができた。
その詳細なメカニズムは不明であるが、衝撃又は振動などの機械的な外力が付与されることにより、放電空間内の放電物質が拡散され、マイクロ波によって供給される電子と放電物質との衝突電離が頻繁に起きるようになり、その結果、放電開始に必要なだけの電子が確保されるためと考えられる。

本発明に係るマイクロ波放電装置の一例を示す断面図。 他の実施形態を示す断面図。

本例では、無電極タイプにおいては確実性に欠ける紫外線エンハンサを使用することなく、また、有電極タイプにおいては始動時に高電圧パルスを印加することなく、マイクロ波放電を確実に開始させるという目的を達成するために、マイクロ波によって放電発光する発光物質を放電空間内に封入した発光管と、当該発光管にマイクロ波を印加するマイクロ波発生装置を備えて成るマイクロ波放電光源装置において、前記発光管が破壊されない程度の衝撃力若しくは振動を当該発光管に対して作用させる外力付与機構と、前記マイクロ波発生装置から発光管に対しマイクロ波を印加しながら前記外力付与機構を一定時間稼動させる制御装置を備えた。

図１に示すマイクロ波放電光源装置１は、マイクロ波を伝える共振器として作用する金属製のチャンバ２内に、マイクロ波によって放電発光する発光物質を放電空間３内に封入した発光管４が反射鏡５に装着された状態で収納されると共に、マイクロ波出力アンテナ６が配されており、当該出力アンテナ６が同軸ケーブル７を介してマイクロ波発生装置８に接続されている。

本例では、チャンバ２は、内径９０ｍｍ、高さ７０ｍｍの円筒形状をしており、反射鏡５の開口側には光取り出しのために金属メッシュ９が取り付けられて、マイクロ波が外部に漏洩しない構造となっている。

発光管４は石英ガラス製で、サポートロッド１０の先端に外径１６ｍｍの球状の放電空間３が形成された無電極タイプのものが用いられ、その内部に水銀、希ガス、発光物質が封入されている。
また、サポートロッド１０は反射鏡５及びチャンバ２に形成された挿通孔５ａ、２ａに挿通固定されている。

また、マイクロ波発生装置８から出力されるマイクロ波は周波数２.４５ＧＨｚであり、同軸ケーブル７を伝播して出力アンテナ６に伝えられる。
出力アンテナ６は直径４ｍｍ、長さ１０ｍｍの金属製の棒であり、同軸ケーブル７が接続される同軸コネクタ１１の中心導体と電気的に接続されており、この出力アンテナ６からマイクロ波がチャンバ２内に照射される。

チャンバ２の外部には、発光管４を破壊しない程度の衝撃力若しくは振動を当該発光管４に対して作用させる外力付与機構となるバイブレータ１２が設置され、このバイブレータ１２が発光管４のサポートロッド１０先端に装着されている。
また、バイブレータ１２及びマイクロ波発生装置８は、これらをオンオフ制御する制御装置１３に接続されている。

制御装置１３には、点灯スイッチ１４が接続され、当該点灯スイッチ１４がオンされたたときに、マイクロ波発生装置８及びバイブレータ１２を同時にオンすると共に、所定時間（例えば０.５秒）経過後にバイブレータ１２が停止される。
これにより、マイクロ波発生装置８から発光管４にマイクロ波を印加しながら、外力付与機構であるバイブレータ１２が一定時間稼動されることとなる。
そして、点灯スイッチ１４がオフされたときにマイクロ波発生装置８からのマイクロ波の出力が停止される。

以上が、本発明の一構成例であって、次にその作用について説明する。
点灯スイッチ１４がオンされると、マイクロ波発生装置８がオンされて、出力アンテナ６からチャンバ２内にマイクロ波が照射され、マイクロ波により放電空間３内に供給された電子と放電物質との衝突電離が起きる。
このとき、バイブレータ１２をオンすると、放電空間３内の放電物質が拡散されて、電子と放電物質との衝突電離が頻繁に起きるようになり、その結果、放電開始に必要なだけの電子が確保されて放電が開始され、安定点灯に移行する。

そして、点灯スイッチ１４がオフされると、マイクロ波発生装置８からのマイクロ波の出力が停止されるため、出力アンテナ６からチャンバ２内へのマイクロ波の照射が停止されて発光管４が消灯する。

なお、上述の説明では、外力付与機構としてバイブレータ１２を用いた場合について説明したが、バイブレータに替えて、所定のトリガー信号の入力時に発光管４を叩くハンマーを駆動させる衝撃付与装置を設けてもよい。
この場合、ハンマーは、発光管４のサポートロッド１０の先端を、その軸方向に叩くものであっても、軸方向に対して直交する方向に叩くものであってもよい。

図２は、本発明の他の実施形態を示し、本例では、発光管として有電極タイプのものを用いている。
なお、図１と重複する部分は同一符号を付して、その詳細説明を省略する。
本例のマイクロ波放電光源装置２１は、マイクロ波を伝える共振器として作用する金属製のチャンバ２２内に、マイクロ波によって放電発光する発光物質を放電空間２３内に封入した発光管２４が反射鏡２５に装着された状態で収納されると共に、マイクロ波出力アンテナ６が配されており、当該出力アンテナ６が同軸ケーブル７を介してマイクロ波発生装置８に接続されている。

チャンバ２２は、内径９０ｍｍ、高さ７０ｍｍの円筒形状をしており、反射鏡２５の開口側には二次焦点近傍に開口径約１０ｍｍ程度の小径孔２６が形成されており、反射鏡２５で集光された光を外部に導出できるようになっている。

発光管２４は石英ガラス製で、放電空間２３内に対応する一対の電極２７ａ、２７ｂを封止するシール部２８ａ、２８ｂが形成され、放電空間２３内には水銀、希ガス、発光物質が封入されており、一方のシール部２８ａはチャンバ２２及び反射鏡２５に形成された挿通孔２２ａ及び２５ａに挿通されて固定されている。

なお、チャンバ２２の外部には、発光管２４を破壊しない程度の衝撃力若しくは振動を当該発光管２４に対して作用させる外力付与機構となるバイブレータ１２が設置され、このバイブレータ１２が発光管２４の一方のシール部２８ａに装着されている。
また、バイブレータ１２及びマイクロ波発生装置８は、これらをオンオフ制御する制御装置１３に接続されている点は、これらの作用効果は実施例１と同様である。

これによれば、点灯スイッチ１４がオンされると、マイクロ波発生装置８によりマイクロ波が発光管２４に印加された状態でバイブレータ１２がオンされ、発光管２４に振動が与えられ、高電圧パルスを印加することなく放電開始することができる。
さらに、確実を期すため、高電圧パルスを併用する場合でも、従来の半分程度の電圧の高電圧パルスを印加すれば十分である。
なお、外力付与機構としてバイブレータ１２に替えて、ハンマーを駆動させる衝撃付与装置を設けてもよいことは、実施例１と同様である。
この場合、ハンマーは、発光管２４のシール部２８ａの先端を、その軸方向に叩くものであっても、軸方向に対して直交する方向に叩くものであってもよい。

本発明は、発光管に給電することなくマイクロ波を印加することにより放電発光させるマイクロ波放電光源装置の始動性を向上させる用途に適用できる。

１、２１ マイクロ波放電光源装置
２、２２ チャンバ
３、２３ 放電空間
４、２４ 発光管
５、２５ 反射鏡
６ 出力アンテナ
８ マイクロ波発生装置
１２ バイブレータ
１３ 制御装置

Claims (5)

1. マイクロ波によって放電発光する発光物質を放電空間内に封入した発光管と、当該発光管にマイクロ波を印加するマイクロ波発生装置を備えて成るマイクロ波放電光源装置において、前記発光管が破壊されない程度の衝撃力若しくは振動を当該発光管に対して作用させる外力付与機構と、前記マイクロ波発生装置から発光管に対しマイクロ波を印加しながら前記外力付与機構を一定時間稼動させる制御装置を備えたことを特徴とするマイクロ波放電光源装置。
2. 前記発光管が放電空間内に電極が配されていない無電極タイプである請求項１記載のマイクロ放電光源装置。
3. 前記発光管の放電空間内に、対向する一対の電極が配された請求項１記載のマイクロ波放電光源装置。
4. 前記外力付与機構が、所定のトリガー信号の入力時に発光管を叩くハンマーを駆動させる衝撃付与装置である請求項１乃至３いずれか一項記載のマイクロ波放電光源装置。
5. 前記外力付加機構が、発光管に一体に設けられたバイブレータである請求項１乃至３いずれか一項記載のマイクロ波放電光源装置。
   

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