JP5873866B2 - マグネトロンを動力源とするランプ - Google Patents

Description

本発明はマグネトロンを動力源とする光源を内蔵するランプに関連する。

我々の名義で特許を受けた、欧州特許番号ＥＰ１３０７８９９号において、エネルギー源に接続されるように設けられる、電磁気エネルギーを受取るための導波器と、前記導波器と連結され、前記導波器から前記電磁気エネルギーを受取るときに光を放つガス充填材を包含する電球と、を備え、
（ａ）前記導波器は基本的に、誘電率が２より大きく、損失正接が０．０１より小さく、直流破壊閾値が、１インチを２．５４ｃｍとして２００キロボルト／インチより大きい誘電材料から成る本体を備え、
（ｂ）前記導波器は、０．５から３０ＧＨｚの範囲内の少なくとも一つの動作周波数において、前記導波器本体内に少なくとも一つの電場の最大限度を支えることができるサイズと形状からなり、
（ｃ）空洞が前記導波器の第一の側を基準とし、
（ｄ）前記電球は、動作中に電場の最大限度が存在する位置で前記空洞内に配置され、前記共振導波器からマイクロ波エネルギーを受取るときに、前記ガス充填材が光放出プラズマを形成し、
（ｅ）前記導波器本体内に位置するマイクロ波供給口は、前記エネルギー源からマイクロ波エネルギーを受取るように構成され、前記導波器本体と密接に接続される、
ことを特徴とする光源を特許請求している。

２０１０年５月６日に申請した、我々の国際出願番号ＰＣＴ／ＧＢ２０１０／０００９１１号（「我々の第１の光源と始動装置の出願」）において、我々は
・閉鎖されたボイド空間を中に有するプラズマのルツボであって、そこから光を放射させるための半透明な材料からなる固体のプラズマのルツボと、
・前記プラズマのルツボを取り囲むファラデー箱であって、前記プラズマのルツボから放射される光を少なくとも部分的に伝達し、その一方でマイクロ波を閉じ込めているファラデー箱と、
・前記閉鎖されたボイド空間内の、その内部で発光プラズマを形成するために、マイクロ波のエネルギーによって励起可能な材料の充填材と、
・前記充填材にプラズマを誘導するマイクロ波エネルギーを伝送するために前記プラズマのルツボの中に設けられたアンテナであって、
前記アンテナが、
・マイクロ波エネルギー源と結合するために前記プラズマのルツボの外側に伸びている接続部を有している、
マイクロ波で駆動される光源であって、
前記光源がさらに、
・前記アンテナ接続部と連結される、制御可能なマイクロ波源と、
・前記閉鎖されたボイド空間の前記充填材において、プラズマを始動させる始動器と、
・前記プラズマの始動を検出する検出器と、
・始動時に前記始動器と連動して前記マイクロ波源を小さな電力で駆動し、前記プラズマの始動を検出した後に、前記始動器をオフ状態にして、前記マイクロ波源の出力を増加させる制御回路と、
を備えたことを特徴とするマイクロ波で駆動される光源を記載し、特許請求している。

我々の第１の光源と始動装置の出願において、そして、本出願において、我々は以下の定義を使用する。
・「マイクロ波」は正確な周波数の範囲に言及することを意図してはいない。我々は「マイクロ波」を３００ＭＨｚ付近から３００ＧＨｚ付近の３桁の範囲を意味するために使用している。
・「半透明」は、材料が透明か或いは半透明であり、半透明と記載されているアイテムが当該材料からなることを意味する。
・「プラズマのルツボ」は閉鎖体であり、プラズマを包み込むものを意味し、前記ボイド空間の充填材が前記アンテナからのマイクロ波によって励起されるときにプラズマは前記ボイド空間内にある。
・「ファラデー箱」は導電性の電磁放射囲いを意味し、当該囲いは少なくとも実質的に、動作周波数、すなわちマイクロ波の周波数の電磁波に対して不浸透性を有する。

欧州特許番号ＥＰ１３０７８９９号と、我々の第１の光源と始動装置の出願とは、
・導波器の範囲を定めるファラデー箱と、
・前記ファラデー箱内で、少なくとも実質的に前記導波器を具体化する固体誘電材料の本体と、
・マイクロ波励起材料を包含する前記導波器内の閉鎖されたボイド空間と、
・プラズマ励起マイクロ波を前記導波器に注入するための設備と、
・決定された周波数のマイクロ波の注入状態で、プラズマが前記ボイド空間内で確立され、光が放出されるような配列と、
を有するマイクロ波プラズマ光源であることについては共通している。そのような光源は、本明細書中では「マイクロ波プラズマ光源」すなわちＭＰＬＳと表記する。

我々はまた、以下に、我々の第１の光源と始動装置の出願の前記マイクロ波プラズマ光源を光放出共振回路すなわちＬＥＲとして紹介する。

２０１１年６月１７日付の、我々の国際特許出願ＰＣＴ／ＧＢ２０１１／０００９２０号（「我々のマグネトロン用電力供給装置出願」）において、我々は
・直流電圧源と、
・前記直流電圧源の出力電圧を昇圧するためのコンバータであって、
・容量性−誘導性共振回路と、
・前記共振回路の共振周波数よりも上の可変周波数で駆動するように構成され、前記可変周波数が交流電圧を提供するために入力される制御信号によって制御されるスイッチング回路と、
・交流電圧を昇圧するための、前記共振回路に接続されるトランスと、
・昇圧された前記交流電圧を、前記マグネトロンに利用するための昇圧された直流電圧に整流するための整流器と、
を備えるコンバータと、
・前記直流電圧源から前記コンバータを通って流れる電流を測定する手段と、
・前記マグネトロンの要求出力電力を示す制御信号を作り出すようにプログラムされたマイクロコンピュータと、
・帰還ループ内に配置され、前記電流を測定する手段からの信号の、前記マグネトロンの電力を要求電力に制御するためのマイクロプロセッサからの信号との比較に応じて、前記コンバータスイッチング回路に制御信号を与える集積回路と、
を備えるマグネトロン用電力供給装置を記載し、特許請求している。

この電力供給装置（すなわち、我々のマグネトロン用電力供給装置のうちの一つ）は、異なる配列の演算増幅器と、異なる配列のマイクロプロセッサと、を活用する従来の電力供給装置の改良型である。

さらにこの出願においては、我々はさらに追加の定義を使用する。
「マグネトロン・スイッチングコンバータ電力回路」すなわちＭＳＣＰＣは、電力供給装置の以下の構成を意味する。
・直流電流源によって駆動され、交流電流出力を生み出すように構成されたコンバータであって、
・共振周波数を示すインダクタンスとキャパシタンス（「ＬＣ回路」）を含む共振回路と、
・前記ＬＣ回路の共振周波数よりも高い周波数の、スイッチングによる交流電流を生成するために、前記インダクタンスと前記キャパシタンスをスイッチングするスイッチング回路と、
を備えたコンバータ。
・前記出力交流電流を昇圧するための出力トランス。
・昇圧された電圧を前記マグネトロンへ供給するために、出力変圧器の二次回路に接続される整流器と平滑回路。

欧州特許番号ＥＰ１３０７８９９号 国際出願番号ＰＣＴ／ＧＢ２０１０／０００９１１号 国際特許出願ＰＣＴ／ＧＢ２０１１／０００９２０号

本発明は、ＭＳＣＰＣを活用する改良型のランプと、我々の第１の光源と始動装置の出願に記載されたものから改良された始動装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、
・マイクロ波プラズマ光源と、
・前記マイクロ波プラズマ光源に電力供給するために配置されるマグネトロンと、
・前記マグネトロンに電力供給するために配置されるマグネトロン・スイッチングコンバータ電力回路と、
・前記マグネトロン・スイッチングコンバータ電力回路を制御するために配置されるマイクロプロセッサと、
・前記マイクロ波プラズマ光源の閉鎖されたボイド空間内の充填材中のプラズマを始動するための始動装置と、を備え、
前記始動装置は、
・前記ボイド空間に始動電圧を印加するために配置される始動電極と、
・始動回路と、
・前記プラズマの始動を検知するための検知器と、を備え、
前記始動回路は、
・コンデンサと、
・前記マグネトロン・スイッチングコンバータ電力回路の切り替え点から、前記コンデンサを選択的に充電する手段と、
・前記コンデンサを放電する手段と、
・トランスと、を備え、
前記トランスは、
・前記コンデンサからの放電電流を受取るように配置される一次巻線と、
・前記始動電圧を発生させるように配置される二次巻線であって、前記閉鎖されたボイド空間への始動電圧の供給のために前記始動電極に接続される前記二次巻線と、を有し、
・前記マイクロプロセッサは、前記検知器が、前記プラズマが始動したことを検知するまで、前記プラズマの始動のために前記コンデンサの充電を選択するように配置されることを特徴とするマグネトロンを動力源とするランプが提供される。

前記選択的充電手段は、通常時には前記放電手段を前記電力回路の前記切り替え点から切り離す電子スイッチであってもよい一方で、好適な実施例においては、前記選択的充電手段は、通常時には前記放電手段を接地する電子スイッチである。いずれの場合でも、前記スイッチの状態は始動動作のために切り換えられる。

好適な実施例においてもまた、前記コンデンサを放電する前記手段はガス放電ユニットである。或いは、トリガーダイオードを用いてもよい。

さらに、好適な実施例においては、前記マイクロプロセッサは集積回路を介して、前記ＭＳＣＰＣを制御し、当該集積回路は帰還ループに配置され、前記ＭＳＣＰＣを測定する手段からの信号の、前記マグネトロンの電力を前記要求電力に制御するための前記マイクロプロセッサからの信号との比較にしたがって、制御信号をコンバータスイッチング回路に供給するように構成されている。

本発明の理解を手助けするために、ここで一例として、そして、図面に準拠して特定の実施例を記述する。

本発明のマグネトロンを動力源とするランプのブロック図を示す。 我々のマグネトロン用電力供給装置出願に記載されたものに類似し、本発明の始動装置を組み込んだマグネトロン・スイッチングコンバータ電力回路のより詳細な回路図を示す。 図１の変形例の部分図を示す。

図１を参照すると、マイクロ波によってプラズマに励起可能な材料３を包含する中央の閉鎖されたボイド空間２を有する、水晶ルツボ１を有して、前記ＬＥＲランプが図示されている。前記ルツボは導波路を規定するファラデー箱４内に包み込まれ、当該導波路内でマイクロ波が共振する。整合回路導波路７から伸びる同軸接続部６を有するアンテナ５は、前記充填材に隣接する前記ルツボに到達する。前記ルツボから離れているマグネトロン８は、前記ルツボに向かっての伝送のための前記導波路内にマイクロ波を伝送するように配置される。

前記ボイド空間の端部の近くに伸びているのが始動電極１１であり、それに隣接して組み込まれているのが、前記プラズマが光り終えたのかどうか、及び、光を放っているところなのかどうかを検知するためのフォトダイオード１２である。

前記マグネトロン８用の電力供給装置２１は、電圧源２２とマイクロプロセッサ２３に接続される。図２に示されているように、前記電力供給装置はＭＯＳＦＥＴ電界効果スイッチングトランジスタＴ１，Ｔ２を有する擬似共振コンバータ１０１を備える。これらは集積回路ＩＣ１によってスイッチングされる。インダクタンスＬ１とトランスＴＲ１の一次コイルは、各前記トランジスタの接続点Ｃと、前記一次コイルの向かい側で各前記トランジスタの前記リモート接点に戻って接続されるコンデンサＣ３，Ｃ４と、に直列に接続される。これらの各インダクタンスと各コンデンサは共振周波数を有し、当該共振周波数よりも上の周波数で前記コンバータは運用され、それによって、下流のマグネトロン回路に関しては、主に誘導性回路であるように見える。前記マグネトロン回路はハーフブリッジを構成する４つのダイオードＤ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６と、平滑コンデンサＣ５，Ｃ６と、を備え、前記トランスの二次巻線に接続して、前記マグネトロン８に直流電流を与える。前記トランスの巻線比は１０：１であり、それによって４０００Ｖ程度の電圧が前記マグネトロンに印加され、配線１０５における前記補強した電源直流電圧は（少なくともヨーロッパでは）４００Ｖである。

各前記トランジスタの接続点Ｃに対し、始動回路２４への入力を供給する結合コンデンサＣ１１が接続される。トランジスタスイッチ２５は、前記コンデンサＣ１１とダイオードＤ１に直列である。前記スイッチがオフのとき、電流はＤ１１には流れない。前記スイッチが切り換えられたとき、Ｄ１１はＣに存在する周期の一つおきの半波の間導通する。第二のダイオードＤ１２もまた導通し、放電コンデンサＣ１２に電流を流させる。前記放電コンデンサの両端の電圧がガス放電管ＧＴＤの絶縁破壊電圧に達するまで、前記電流は漸進的に充電する。そして、前記コンデンサはトランスＴＲ２の一次巻線を通じて放電する。二次巻線はより回数が多く巻かれている、そして、始動電圧が始動電極１１に誘起される。これは前記ファラデー箱４から切り離され、前記ルツボに隣接し、前記ボイド空間２に近づいて終了する。

前記放電コンデンサが放電するたびに、前記ボイド空間はパルスを発する。前記マグネトロンは駆動され続け、前記始動装置は前記コンバータの動作の結果としてのみ動作できる。ひとたび前記ボイド空間内のプラズマが定着すると、前記始動電極１１に隣接するフォトダイオード１２によって、そのことは検知される。プラズマの存在は前記マイクロプロセッサに信号で伝えられ、前記マイクロプロセッサは前記トランジスタスイッチ２５を開放する。

完全を期すために、我々のマグネトロン用電力供給装置出願に基いた前記コンバータの動作のために、電流測定抵抗Ｒ１と、演算増幅器ＥＡ１と、関連する部品と、が示されている。さらにトランジスタスイッチ２６もまた示されている。そのことを利用して、手動制御の下で、或いは、自動的のどちらかで、例えば、その磁石が低下したとき等の、限界を超えた前記マグネトロンの電流の場合に、前記マイクロプロセッサで前記電力供給装置を即座に終了することができる。

実際の動作では、ランプがつかない状態で、電圧源（上に示さず）と前記マイクロプロセッサはオンに切り換えられる。前記マイクロプロセッサは、一つ以上の手順に従って前記ランプの電源を入れるように指示される。前記マイクロプロセッサは、前記マグネトロンに低電力を供給する前記電力供給装置と、決定された継続時間の始動パルス流を前記始動装置に供給する前記始動装置と、を制御する。前記プラズマが始動しない場合は、前記パルス流が遅延時間後に繰り返される。前記のプロセスはプラズマが発光するまで繰り返される。それが失敗するならば、オペレータは警告されるだろう。ひとたび前記プラズマが発光すると、前記マグネトロンへの電力は要求されるレベルに増大し、当該要求されるレベルは前記プラズマのルツボからの要求される光出力に相応する。

次に図３の変形例に向けると、前記放電コンデンサＣ１１と前記ガス放電管ＧＴＤの配置が置き換えられている。それらは、図２で動作するやり方に類似したやり方で動作する。前記変形例は、ダイオードＤ１４，Ｄ１５とコンデンサＣ１４，Ｃ１５を備える倍電圧ステージも包含する。適切な値のＧＤＴを包含するこの配列で倍電圧にされた一次電圧が、前記トランスＴＲ２に印加される。

２：ボイド空間
８：マグネトロン
１１：始動電極
１２：フォトダイオード（検知器）
２３：マイクロプロセッサ
２４：始動回路
２５：トランジスタスイッチ（電子スイッチ）
Ｃ１２：コンデンサ
ＴＲ２：トランス

Claims (6)

1. ・マイクロ波プラズマ光源と、
   ・前記マイクロ波プラズマ光源に電力供給するために配置されるマグネトロンと、
   ・前記マグネトロンに電力供給するために配置されるマグネトロン・スイッチングコンバータ電力回路と、
   ・前記マグネトロン・スイッチングコンバータ電力回路を制御するために配置されるマイクロプロセッサと、
   ・前記マイクロ波プラズマ光源の閉鎖されたボイド空間内の充填材中のプラズマを始動するための始動装置と、を備え、
   前記始動装置は、
   ・前記ボイド空間に始動電圧を印加するために配置される始動電極と、
   ・始動回路と、
   ・前記プラズマの始動を検知するための検知器と、を備え、
   前記始動回路は、
   ・コンデンサと、
   ・前記マグネトロン・スイッチングコンバータ電力回路の切り替え点から、前記コンデンサを選択的に充電する手段と、
   ・前記コンデンサを放電する手段と、
   ・トランスと、を備え、
   前記トランスは、
   ・前記コンデンサからの放電電流を受取るように配置される一次巻線と、
   ・前記始動電圧を発生させるように配置される二次巻線であって、前記閉鎖されたボイド空間への始動電圧の供給のために前記始動電極に接続される前記二次巻線と、を有し、
   ・前記マイクロプロセッサは、前記検知器が、前記プラズマが始動したことを検知するまで、前記プラズマの始動のために前記コンデンサの充電を選択するように配置されることを特徴とするマグネトロンを動力源とするランプ。
2. 前記選択的に充電する手段が、通常時には前記放電手段を前記マグネトロン・スイッチングコンバータ電力回路の前記切り替え点から切り離す電子スイッチであることを特徴とする、請求項１に記載のマグネトロンを動力源とするランプ。
3. 前記選択的に充電する手段が、通常時には前記放電手段を接地する電子スイッチであることを特徴とする、請求項１に記載のマグネトロンを動力源とするランプ。
4. 前記電子スイッチがトランジスタであり、前記コンデンサを放電する手段がガス放電ユニットであることを特徴とする、請求項２、或いは請求項３に記載のマグネトロンを動力源とするランプ。
5. 前記電子スイッチがトランジスタであり、前記コンデンサを放電する手段がトリガーダイオードであることを特徴とする、請求項２、或いは請求項３に記載のマグネトロンを動力源とするランプ。
6. 前記マイクロプロセッサが集積回路を介して、前記マグネトロン・スイッチングコンバータ電力回路を制御し、当該集積回路は帰還ループに配置され、前記マグネトロン・スイッチングコンバータ電力回路を測定する手段からの信号の、前記マグネトロンの電力を要求電力に制御するための前記マイクロプロセッサからの信号との比較にしたがって、制御信号を前記マグネトロン・スイッチングコンバータ電力回路内のコンバータスイッチング回路に供給するように構成されていることを特徴とする、請求項１〜請求項５のいずれかに記載のマグネトロンを動力源とするランプ。
   

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