(57)【要約】【課題】無電極の放電管内に封入した発光物質を高周波電磁界によって励起して長時間安定に発光させることが可能な無電極放電ランプを提供する。【解決手段】一端を接地し他端を電気的に開放し、かつ前記他端に発光管３を有する棒状の共振器１２と、前記共振器に対向して設けられ、外部から供給されるマイクロ波を前記共振器に放出するマイクロストリップ線路１５と、前記発光管からの放電発光を反射して外部に放射するリフレクタ２とからなり、前記共振器から放出される電界により前記発光管を発光させる無電極放電ランプにおいて、前記共振器は、棒状の支持部材８の表面に良導体９を形成して構成し、かつ前記棒状の支持部材と前記発光管とを一体に構成した。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端を接地し他端を電気的に開放し、かつ前記他端に発光管を有する棒状の共振器と、前記共振器に対向して設けられ、外部から供給されるマイクロ波を前記共振器に放出するマイクロストリップ線路と、前記発光管からの放電発光を反射して外部に放射するリフレクタとからなり、前記共振器から放出される電界により前記発光管を発光させる無電極放電ランプにおいて、
前記共振器は、棒状の支持部材の表面に良導体を形成して構成し、かつ前記棒状の支持部材と前記発光管とを一体に構成したことを特徴とする無電極放電ランプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無電極の放電管内に封入した発光物質を高周波電磁界によって励起して長時間安定に発光させることが可能なマイクロ波無電極放電ランプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
無電極放電ランプを用いた光源装置は、発光部に電極を有していないので、メタルハライド、キセノンランプ等の有電極放電ランプのように、発光時のプラズマによって電極が消耗しランプの寿命を短縮させてしまう問題がなく、長寿命化が図れるという特徴を有している。
そのため、紫外線硬化インクの光源装置用、液晶プロジェクタ等の光源装置用に適用すべく検討がなされている。
【０００３】
そこで、本出願人は光源装置に関し、既に特開２００１−３５１７９１号公報において、小型で廉価な無電極放電ランプの共振装置を提案した。
図４はその無電極放電ランプ共振装置を示した構成図で、図４（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。
図４（ａ）に示した無電極放電ランプ共振装置の一例７０Ａでは、接地用導体ケース７１がアルミニウム（Ａｌ）あるいは銅（Ｃｕ）などの金属を用いて箱状又は円筒状に形成されている。接地用導体ケース７１の前面７１ａ側には、発光管（無電極ランプ）８０からの光を出射させるための開口部７１ａ１が形成されている。
【０００４】
また、接地用導体ケース７１の底面７１ｂ側には、５０Ωの同軸ケーブルあるいは硬質タイプのマイクロ波ケーブルを用いた第１給電線７２が底面７１ｂに穿設した孔７１ｂ１を通って外部から内部に進入している。
この第１給電線７２の一端は接地用導体ケース７１の外部に設けたインピーダンス整合器７３に接続され、更に、インピーダンス整合器７３は第１給電線７２と同種の第２給電線７４によりマイクロ波を発生させるための高周波電源７５に接続されている。また、第１給電線７２の他端は接地用導体ケース７１の内部に設けたマイクロストリップ線路７８の一端に接続されている。
【０００５】
上記した高周波電源７５は、マグネトロンを用いることなく、例えば略８００ＭＨｚのマイクロ波を発生するものであり、高周波用トランジスタを用いた電源を適用している。そして、この高周波電源７５で発生したマイクロ波のインピーダンスと第１給電線７２側のインピーダンスとのマッチングを取るためにインピーダンス整合器７３が設けられている。また、接地用導体ケース７１の内部で底面７１ｂ上には、金属性支持台７６が底面７１ｂに対してこの上面が略平行になるよう取り付けられている。
【０００６】
また、金属性支持台７６の上面上には、誘電媒体であるアルミナ基板７７が接着されており、更に、アルミナ基板７７上にマイクロストリップ線路７８が接着されている。そして、第１給電線７２の他端をマイクロストリップ線路７８の一端に半田付けにより接続している。
【０００７】
上記したマイクロストリップ線路７８は、導電性のよい銅箔、金箔などの金属箔を用いており、このマイクロストリップ線路７８の幅と厚さ及びアルミナ基板７７の比誘電率と厚さなどで決まるインピーダンスを略５０Ωに設定している。第１給電線７２を介して伝送された波長λ０のマイクロ波を、アルミナ基板７７、空気などの誘電媒体を介してマイクロストリップ線路７８の表面から波長λ１で空気中に放射している。
【０００８】
接地用導体ケース７１の内部中央部位には、マイクロストリップ線路７８から放射されるマイクロ波の波長λ１に対して略（λ１）／４の共振長のマイクロ波を得るための共振器７９が、マイクロストリップ線路７８に対して略平行に取り付けられている。
この共振器７９は、電気伝導性、熱伝導性の良好なアルミニウム、銅、銅合金などを用いて棒状に形成されており、この共振器７９の共振長と対応した共振部位７９ａの一端７９ａ１は接地用導体ケース７１の背面７１ｃの中央部に固着されて接地されている。
【０００９】
一方、共振器７９の共振部位７９ａの他端７９ａ２側は接地用導体ケース７１の前面７１ａに向かい、この前面７１ａの少し内側まで伸びて開放され、この開放端となる他端７９ａ２に発光管８０が耐熱性、熱膨張を考慮してアルミナ粉末等を主成分としたセラミックス接着剤により固着されている。
マイクロストリップ線路７８から放射される波長λ１のマイクロ波を共振器７９が受信した時に、マイクロ波の電圧波形と電流波形とが９０度位相がずれ、電界強度が最大となるマイクロ波の共振長は略（λ１）／４となる。
又前記共振器７９の共振長は、接地用導体ケース７１の内部が空気で満たされている場合には、空気の比誘電率を略１とすればよく、接地用導体ケース７１内が空気と異なる媒体で満たされている場合はこの媒体の比誘電率を考慮すればよい。
【００１０】
上記した発光管８０は、内部に希ガス、ハロゲン金属などの放電媒体が封入されており、発光管８０のガラス球は可視光に対して透過性があり、耐熱強度のよい石英ガラスが使われる。
この際、発光管８０内の放電媒体とし、希ガス、金属ハロゲン化物等が封入されている。発光管８０内には電極がなく長寿命化が図れるものであり、封入金属の種類によって出射光の発光スペクトルを制御出来る。
【００１１】
更に、接地用導体ケース７１の内部で前面７１ａ側に楕円面状又は放物面状のリフレクタ８１が発光管８０の周囲を覆うように設けられ、このリフレクタ８１は楕円面状又は放物面状のガラスベースの内側に誘電体薄膜をコートしたミラーに形成されている。
【００１２】
次に、上記構成の無電極ランプ共振装置７０Ａの動作について説明する。
まず、高周波電源７５で発生したマイクロ波は、第２給電線７４、インピーダンス整合器７３、第１給電線７２からアルミナ基板７７上のマイクロストリップ線路７８に有線で伝送される。
次に、マイクロストリップ線路７８に有線で伝送された波長λ０のマイクロ波は、アルミナ基板７７、空気などの誘電媒体を介してこのマイクロストリップ線路７８の表面から空気中に波長λ１で放射されて棒状の共振器７９で受信され、このマイクロ波の波長λ１に対して略（λ１）／４の共振長のマイクロ波が棒状の共振器７９で得られる。
【００１３】
共振器７９の共振部位７９ａの一端７９ａ１は接地用導体ケース７１の背面７１ｃに接地されており、かつ、共振部位７９ａの他端７９ａ２は開放されているので、この共振器７９の電界分布が開放端となる他端７９ａ２で最大となる。そして、共振部位７９ａの他端７９ａ２で生じた電界が強い領域に放電媒体を封入した発光管８０を配置することにより、発光管８０内の放電媒体がマイクロ波による強電界により効率よく励起発光する。
この後、発光した光はリフレクタ８１を介して接地用導体ケース７１の前面７１ａ側から出射される。
【００１４】
なお、上記した構成部材のうちで、金属材料を用いて形成した接地用導体ケース７１、金属性支持台７６、金箔以外を用いた場合のマイクロストリップ線路７８、共振器７９は、各金属の表面に金メッキを施すことにより、無電極ランプ８０はより安定で高効率な励起発光が可能となる。
【００１５】
上記のように、無電極ランプ共振装置７０Ａでは、マイクロ波を発生させる高周波電源７５はトランジスタ電源を適用し、また、高周波電源７５からマイクロ波をマイクロストリップ線路７８に伝送する第１給電線７２も同軸ケーブルあるいはマイクロ波ケーブルを適用している。
更に、共振器７９の共振部位７９ａの一端７９ａ１を接地用導体ケース７１に接地し、共振部位７９ａの他端７９ａ２を開放してこの開放端となる他端７９ａ２に発光管８０を配置し、強電界が共振部位７９ａの他端７９ａ２に一極集中するため、無電極ランプ８０を効率よく励起発光させることが出来る。
【００１６】
図５に発光管８０近傍の部分拡大図を示す。
共振器７９と発光管８０の基本的な構成は、良導体である金属で形成された共振器７９の先端部７９ａ２に石英ガラス等で形成された発光管８０をセラミックス接着剤等の無機接着剤８９で接着してある。
この接着には、耐熱温度が高い無機接着材８９が使われている。無機接着剤８９の熱膨張係数は、共振器７９の金属部材と発光管８０のガラス部材とを考慮して、金属とガラスの中間にある物質を使用し、温度変化による剥がれ脱落を極力防止するようにはしてある。
発光管８０の内部にはマイクロ波による強電界により効率良く励起発光する放電媒体８７が封入されている。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、点灯時の発光管（バルブ）表面温度は５００℃以上にも達し、発光管８０のオン、オフの繰り返しにより、金属で形成された共振器７９と石英ガラス等で形成された発光管８０とを接着している無機接着剤８９にひび割れが発生し、最悪の場合は発光管（バルブ）８０の脱落に至ることがある。
【００１８】
また無機接着剤８９のひび割れや、無機接着剤８９内に取り込まれた気泡等による空隙があると共振器７９の先端部７９ａ２に発生する高電界により、気中放電が発生し、発光管８０の破損等が起きることがある。
よって、本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであり、共振器７９と発光管８０とを接着することにより発生する不具合をなくすことが可能な無電極放電ランプを提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、
一端を接地し他端を電気的に開放し、かつ前記他端に発光管３を有する棒状の共振器１２と、前記共振器１２に対向して設けられ、外部から供給されるマイクロ波を前記共振器１２に放出するマイクロストリップ線路１５と、前記発光管３からの放電発光を反射して外部に放射するリフレクタ２とからなり、前記共振器１２から放出される電界により前記発光管を発光させる無電極放電ランプにおいて、
前記共振器１２は、棒状の支持部材８の表面に良導体９を形成して構成し、かつ前記棒状の支持部材８と前記発光管３とを一体に構成したことを特徴とする無電極放電ランプを提供するものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の無電極放電ランプを用いた光源装置の実施の形態につき、好ましい実施例により、以下に図と共に説明する。
図１は本発明の無電極放電ランプ装置の一実施例の断面図であり、図２は本発明の無電極放電ランプの一実施例の断面図であり、図３は本発明の無電極放電ランプの発光管近傍の部分拡大断面図である。
【００２１】
図１（ａ）は無電極放電ランプの側面図及び無電極放電ランプ駆動回路で、（ｂ）は図１（ａ）の無電極放電ランプをＭＭ方向から見た正面図である。
図１に示される無電極放電ランプ装置はインピーダンス整合器２２、方向性結合器２５、高周波電源２７、及び給電線２３，２４，２６を有している共振装置１０と、その共振装置１０により駆動される無電極放電ランプ２０とより構成されている。
図１に示される本発明の無電極放電ランプ２０は、
一端を接地し他端を電気的に開放し、かつ前記他端に発光管３を有する棒状の共振器（共振電極）１２と、前記共振器１２に対向して設けられ、外部から供給されるマイクロ波を前記共振器１２に放出するマイクロストリップ線路１５と、前記発光管３からの放電発光を反射して外部に放射するリフレクタ２とからなり、前記共振器１２から放出される電界により前記発光管を発光させる無電極放電ランプにおいて、
前記共振器１２は、棒状の支持部材８の表面に良導体９を形成して構成し、かつ前記棒状の支持部材８と前記発光管３とを一体に構成したものである。
【００２２】
ここで、図３に示すように、発光管３と、共振器１２の棒状の支持部材８とは一体に構成されており、発光管３の中空部には放電始動ガスを含む発光物質１９が封入されている。
【００２３】
前記発光管３からの放電発光を反射して外部に放射するリフレクタ２は、楕円面または放物面を利用してその焦点の位置に前記発光管３を配置して前記発光管３からの放電発光をリフレクタ２により反射させて外部に放射する。
【００２４】
なお、上記共振器１２の長さは、マイクロストリップ線路１５から放出されるマイクロ波の波長をλｇとした場合、略（λｇ）／４となるように形成される。また、上記マイクロストリップ線路１５は、インピーダンスが略５０Ωとなるように、誘電体基板１４の誘電率を考慮して適当な線幅、厚さでもって形成される。
【００２５】
例えば、誘電体基板１４として誘電率が８〜１０で、厚さが１．５ｍｍのアルミナを用いた場合には、マイクロストリップ線路１５は幅が２ｍｍで厚さが０．１７ｍｍとなるように設定される。
【００２６】
また、接地用導体ケース１１の背面部１１ｃには穿設した孔２１が形成されている。この孔２１を介して、マイクロストリップ線路１５とインピーダンス整合回路２２とが同軸ケーブルまたは硬質のマイクロ波ケーブルを用いた第１給電線２３によって接続されている。
【００２７】
このインピーダンス整合器２２は、さらに第１給電線２３と同種の第２給電線２４によって、共振器１２からの反射波を検出して駆動周波数や整合条件を可変させる方向性結合器２５に接続されている。
この方向性結合器２５は、第１及び２給電線２３、２４と同種の第３給電線２６によって、マイクロ波を発生する高周波電源２７に接続されている。
【００２８】
上記インピーダンス整合器２２は、高周波電源２７のインピーダンスと、共振器１２側のインピーダンスとのマッチングをとるために設けられるものであり、マッチングをとる必要がない場合には、第１給電線２３の一端を直接高周波電源２７に接続してもよい。
【００２９】
このマイクロ波無電極放電ランプの共振装置１０の動作について、以下に説明する。
高周波電源２７で発生させた６００ＭＨｚ〜２．４５ＧＨｚ程度のマイクロ波を、第３給電線２６、方向性結合器２５、第２給電線２４、インピーダンス整合器２２、及び第１給電線２３を伝送してマイクロストリップ線路１５に供給する。
そして、方向性結合器２５により、共振器１２からの反射波を検出して共振器１２の反射波が小さくなる反射波条件を高周波電源２７に供給する。
【００３０】
この高周波電源２７からは、上記したようにマイクロ波を供給する一方、前記した反射波条件に基づいて共振器１２側のインピーダンスとマッチングする整合定数をインピーダンス整合器２２に出力する。
【００３１】
そして、インピーダンス整合器２２では、上記した整合定数に基づいて共振器１２側と高周波電源２７のインピーダンスがマッチングするように調整する。インピーダンスマッチングをしない場合には、反射波が増加する。
ここで、伝送された波長λｖ（自由空間における波長）のマイクロ波を誘電体基板１４、空気などの誘電媒体を介してマイクロストリップ線路１５の表面より波長λｇで空気中に放出する。
【００３２】
この場合、誘電体基板１４の比誘電体及び空気の比誘電率を考慮した実効比誘電率をε１とすれば、自由空間におけるマイクロ波の波長λｖと、マイクロストリップ線路１５から放出されるマイクロ波の波長λｇとは、次式で表される関係になる。
即ち、
波長（λｇ）＝（λｖ）／（ε１）１／２
となる。
【００３３】
マイクロストリップ線路１５から放出されるマイクロ波の波長λｇに対して略（λｇ）／４の共振長のマイクロ波を得るための共振器１２が、マイクロストリップ線路１５に対して略平行に取り付けられている。
このマイクロ波の強い電界が発光管３に供給され、希ガスの放電によって発光管３の管壁が熱せられ、発光物質１９を気化させて、発光物質特有の発光スペクトルの光を発光させる。
【００３４】
発光物質１９としては、アルゴン、ネオン、キセノン、クリプトン等の希ガス及びガリウム・インジウム・タリウム等の金属のハロゲン化物、水銀、亜鉛、硫黄、セレン、テルル等が封入されている。
勿論、無電極ランプ２０内には電極がないために長寿命化が図れるものであり、封入する金属の種類によって出射される光の発光スペクトルを制御することが出来る。
【００３５】
図２に示した如く、本発明に係る実施例のマイクロ波無電極ランプは、接地用導体ケース（シールドケース）１１がアルミニウムあるいは銅・鉄などの良導電性金属を用いて箱状あるいは円筒状に形成されている。
接地用導体ケース１１の底面には、一般的なインピーダンス５０Ωの同軸ケーブルあるいは硬質タイプのマイクロ波ケーブルを用いた給電線２３が進入している。
【００３６】
この給電線２３の一端は接地用導体ケース１１の外部に設けたインピーダンス整合器２２に接続され、さらにマイクロ波を発生させる高周波電源２７に接続されている。
また、給電線２３の他端にはマイクロストリップ線路１５が半田付け、あるいは溶接等により接続され、さらにアルミナ等の誘電体１４を介して接地用導体ケース１１の底面に接着固定されている。
【００３７】
上記マイクロストリップ線路１５は、導電性のよい銅箔、金箔などの金属箔を用いており、このマイクロストリップ線路１５の幅と厚さ及びアルミナ基板１４の比誘電率と厚さなどで決定されるインピーダンスを略５０Ωに設定している。具体的には、マイクロストリップ線路１５は幅が２ｍｍで厚さは０．１７ｍｍであり、一方、アルミナ基板１４は比誘電率が８〜１０で厚さは１．５ｍｍである。
【００３８】
そして、給電線２３を介して伝送された波長λ０のマイクロ波を、アルミナ基板１４、空気などの誘電媒体を介してマイクロストリップ線路１５の表面から波長λ１で空気中に放射している。
この際、マイクロストリップ線路１５から放射されるマイクロ波の波長λ１は、以下の式で示されるものである。
【００３９】
即ち、自由空間におけるマイクロ波の波長をλ０とし、かつ、アルミナ基板３の比誘電率及び空気の比誘電率などを考慮した実効比誘電率ε１とすればマイクロストリップライン１５から放射されるマイクロ波の波長λ１は、
波長λ１＝（λ０）／（ε１）１／２
となる。
【００４０】
また、接地用導体ケース１１の内部中央部位には、マイクロストリップ線路１５から放射されるマイクロ波の波長λ１に対して略（λ１）／４の共振長のマイクロ波を得るため共振器１２がマイクロストリップ線路１５に対して略平行に取り付けられている。
【００４１】
本実施例の共振器１２は、図３の発光管近傍の部分拡大図に示されるように、発光管３を構成する石英ガラスと同じ材質で共振器１２の支持部材（心材）８を形成してある。その支持部材８の表面に電気伝導性、熱伝導性の良好な銅、銅合金、金など鍍金、蒸着等の手段により良導体９が形成されており、かつ、この共振器１２の一端は接地用導体ケース１１に対して接地された状態で取り付けてある。
【００４２】
よって、共振器１２の開放端には発光管３が共振器１２の支持部材８と一体になって設置されている。
この一体構造は、発光管３と共振器１２の支持部材８を一体構造で製作されたものである。
また、支持部材８は発光管３に使われる石英ガラス以外のガラス（硬質ガラス等）でも問題ない。
【００４３】
ここで、マイクロストリップ線路１５から放射される波長λ１のマイクロ波を共振器１２が受信した時に、このマイクロ波の電圧波形と電流波形とが９０度位相がずれているため、共振器１２の開放端の電界強度が最大になるマイクロ波の共振長は略（λ１）／４となる。
【００４４】
また、上記した共振器１２の共振長は、接地用導体ケース１１の内部が空気で満たされている場合には、空気の比誘電率を略１とすればよく、接地用導体ケース１１内が空気と異なる媒体で満たされている場合にはこの媒体の比誘電率を考慮すればよい。
【００４５】
上記した発光管３は、従来と同様に、内部に希ガス、及びハロゲン金属などの放電媒体が封入されており、発光管３のガラス球は可視光に対して透過性があり、耐熱強度のよい石英ガラスなどが使われている。
【００４６】
この際、発光管３内の放電媒体（発光物質）１９として、アルゴン、ネオン、キセノン、クリプトン等の希ガス、及びガリウム・インジウム・タリウム等の金属ハロゲン化物、水銀、亜鉛セレン、テルル等が封入されている。
勿論、発光管３内には電極がないために長寿命化が図れるものであり、封入する金属の種類によって出射される光の発光スペクトルを制御することが出来る。
【００４７】
更に、接地用導体ケース１１の発光管３側に楕円状または放物状のリフレクタ２が発光管３の周囲を覆うように設けられており、このリフレクタ２は楕円状又は放物状のガラスベースの内側に誘電体薄膜をコートしたミラーに形成されている。
【００４８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、発光管（バルブ）を形成する部材と同じ部材で支持部材（心材）を形成し、支持部材の表面に良導体（導電性金属膜）を形成して共振器とすることにより、共振器と発光管が一体構造となっているため、繰り返し点灯による温度変化に起因する、共振器と発光管の剥がれ脱落等が発生しない、長時間安定に発光させることが可能な無電極放電ランプを提供することが出来る。
【００４９】
また、本発明によれば、発光管（バルブ）を形成する部材と同じ部材で支持部材（心材）を形成し、支持部材の表面に良導体（導電性金属膜）を形成して、共振器とすることにより、共振器と発光管が一体構造となっているため、極めてシンプルな構成の、長時間安定に発光させることが可能な無電極放電ランプを提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の無電極放電ランプ装置の一実施例の断面図である。
【図２】本発明の無電極放電ランプの一実施例の断面図である。
【図３】本発明の無電極放電ランプの発光管近傍の部分拡大断面図である。
【図４】従来の無電極放電ランプ装置の一例の断面図である。
【図５】従来の無電極放電ランプの発光管近傍の部分拡大断面図である。
【符号の説明】
２　リフレクタ
３　発光管
８　支持部材（心材）
９　良導体（良導体薄膜）
１０　共振装置
１１　接地用導体ケース（シールドケース）
１２　共振器（共振電極）
１３　金属製支持台
１４　誘電体基板（アルミナ基板）
１５　マイクロストリップライン（マイクロストリップ線路）
１９　発光物質
２０　無電極放電ランプ
２２　インピーダンス整合器
２３　第１給電線（マイクロ波ケーブル）
２４　第２給電線（マイクロ波ケーブル）
２５　方向性結合器
２６　第３給電線（マイクロ波ケーブル）
２７　高周波電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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