(57)【要約】【課題】  金属メッシュに大電流が流れず長寿命であるとともに、配光性に優れた無電極放電灯点灯装置を提供する。【解決手段】  マイクロ波発振器１と、マイクロ波発振器１からのマイクロ波を導波する導波管２と、導波管２と結合されるとともにマイクロ波は非透過で光は透過する金属メッシュ３ａを少なくとも一部に含むマイクロ波共振器３と、マイクロ波共振器３内に配設されるとともに少なくとも水銀及び希ガスを含む放電ガスが内部に封入されている無電極放電灯４と、を備えた無電極放電灯点灯装置であって、マイクロ波共振器３の形状が楕円曲線の一部を楕円の軸を軸心として回転させた回転楕円体５であるとともに、マイクロ波共振器３内に発生する最大電界の方向は回転軸に対して略垂直方向であり、楕円曲線の焦点と電界の最大位置とを略一致させるとともに、該一致点近傍に無電極放電灯４を配置している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波発振器と、マイクロ波発振器からのマイクロ波を導波する導波管と、導波管と結合されるとともにマイクロ波は非透過で光は透過する金属メッシュを少なくとも一部に含むマイクロ波共振器と、マイクロ波共振器内に配設されるとともに少なくとも水銀及び希ガスを含む放電ガスが内部に封入されている無電極放電灯と、を備えた無電極放電灯点灯装置であって、マイクロ波共振器の形状が楕円曲線の一部を楕円の軸を軸心として回転させた回転楕円体であるとともに、マイクロ波共振器内に発生する最大電界の方向は回転軸に対して略垂直方向であり、楕円曲線の焦点と電界の最大位置とを略一致させるとともに、該一致点近傍に無電極放電灯を配置したことを特徴とする無電極放電灯点灯装置。
【請求項２】
マイクロ波共振器の形状が回転楕円体に代えて、放物線の一部を放物線の軸を軸心として回転させた回転放物線体であるとともに、マイクロ波共振器内に発生する最大電界の方向は回転軸に対して略垂直方向であり、放物線の焦点とマイクロ波共振器内の電界の最大位置とを略一致させるとともに、該一致点近傍に無電極放電灯を配置したことを特徴とする無電極放電灯点灯装置。
【請求項３】
導波管とマイクロ波共振器との結合部分の導波管側に結合窓を備え、結合窓を反射率の大きい誘電体で覆ったことを特徴とする請求項１又は２に記載の無電極放電灯点灯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波を用いた無電極放電灯点灯装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
無電極放電灯は、放電空間内部に電極を持たないため、電極蒸発によるバルブ内壁の黒化が発生しない。これにより、放電灯の寿命を大幅に伸ばすことが可能となる。このような特徴から無電極放電灯は、次世代の高輝度放電灯として、近年盛んに研究が行われている。
【０００３】
無電極放電灯を点灯させるための手段として、マイクロ波を用いたものがある。この種の第１の従来例としては、たとえば、特開昭５９−８６１５３号公報に記載のものが挙げられる。このものは、図７に示すようにマイクロ波を空洞共振器であるチャンバ１Ｊ４を介して高周波電磁界に変換し、この高周波電磁界を無電極放電灯であるランプ１Ｊ２に印加し、ランプ１Ｊ２を点灯させている。
【０００４】
また、第２の従来例として、特開昭５７−６０６９５号公報に記載のものがある。このものは、図９に示すようにマイクロ波共振空胴２Ｊ４の内壁の一部に光を反射する球面部分２Ｊ４１を設けており、この球面部分２Ｊ４１の反射機能によって、マイクロ波共振空胴２Ｊ４に外部に光を効率よく取り出している。
【０００５】
ところで、第１の従来例においては、チャンバ１Ｊ４を適当な開封率を持つ金属網１Ｊ２０で構成しているが、図８に示すようにチャンバ１Ｊ４の共振電磁界モードとしてＴＭ０１１モードを使用しており、金属網１Ｊ２０に大電流が流れる場合がある。したがって、金属網１Ｊ２０が高温となり、無電極放電灯装置の寿命に影響を及ぼす場合がある。
【０００６】
また、第２の従来例においても、マイクロ波共振空胴２Ｊ４の共振電磁界モードとしてＴＭ０１１モードを使用しており、図１０に示すように金属メッシュ板２Ｊ４３の中央付近に高電界が発生し、この金属メッシュ板２Ｊ４３の中央付近に大電流が流れる。したがって、金属メッシュ板２Ｊ４３が高温となり、マイクロ波放電光源装置の寿命に影響を及ぼす場合がある。
【０００７】
さらに、第１の従来例及び第２の従来例のいずれもが、空洞共振器内における無電極放電灯の配置に関して特に配慮をしておらず、配光性に優れているとはいえなかった。
【特許文献１】特開昭５９−８６１５３号公報
【特許文献２】特開昭５７−６０６９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記問題点に鑑みてなしたものであり、その目的とするところは、金属メッシュに大電流が流れず、長寿命化することができるとともに、配光性に優れた無電極放電灯点灯装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本願発明においては、マイクロ波発振器と、マイクロ波発振器からのマイクロ波を導波する導波管と、導波管と結合されるとともにマイクロ波は非透過で光は透過する金属メッシュを少なくとも一部に含むマイクロ波共振器と、マイクロ波共振器内に配設されるとともに少なくとも水銀及び希ガスを含む放電ガスが内部に封入されている無電極放電灯と、を備えた無電極放電灯点灯装置であって、マイクロ波共振器の形状が楕円曲線の一部を楕円の軸を軸心として回転させた回転楕円体であるとともに、マイクロ波共振器内に発生する最大電界の方向は回転軸に対して略垂直方向であり、楕円曲線の焦点と電界の最大位置とを略一致させるとともに、該一致点近傍に無電極放電灯を配置している。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の無電極放電灯点灯装置においては、マイクロ波共振器の形状が楕円曲線の一部を楕円の軸を軸心として回転させた回転楕円体、又は放物線の一部を回転させた回転放物線体であるとともに、マイクロ波共振器内に発生する最大電界の方向は回転軸に対して略垂直方向であり、楕円曲線の焦点と電界の最大位置とを略一致させるとともに、該一致点近傍に無電極放電灯を配置しているので、電界に対して水平方向に配置されている金属メッシュには電界が集中しなく、したがって、金属メッシュには大電流が流れず、長寿命の無電極放電灯点灯装置を提供することができる。また、楕円曲線の焦点近傍である該一致点に無電極放電灯を配置しているので、マイクロ波共振器内面で反射した光が楕円曲線のもう一方の焦点に集光し、この集光点が擬似光源となり、配光性に優れた無電極放電灯点灯装置を提供することができる。
【００１１】
さらに、導波管とマイクロ波共振器との結合部分の結合窓を反射率の大きい誘電体で覆っているので、無電極放電灯からの光の一部が反射率の大きい誘電体で反射し、誘電体で反射した光がマイクロ波共振器内に戻り、光の損失を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（第１の実施の形態）
以下、本発明の第１の実施の形態を図１から図５までを参照して説明する。図１は本実施の形態の斜視図であり、図２は本実施の形態の断面図である。また、図３は金属メッシュ３ａの平面図であり、図４はマイクロ波共振器３内の電界分布を示す図である。さらに、図５は楕円曲線の焦点と共振中心距離ｈとの関係を示す特性図である。
【００１３】
つぎに、各部の構成を説明する。
【００１４】
マイクロ波発振器１は、導波管２にマイクロ波出力するものであり、たとえば、電源７が接続され、マイクロ波電力７５０Ｗで２．４５ＧＨｚのマイクロ波を生成するマグネトロンによって構成されている。そして、マイクロ波発振器１には導波管２に挿入されたアンテナ１１が接続されている。
【００１５】
導波管２は、マイクロ波発振器１からのマイクロ波をマイクロ波共振器に低損失で導波するものであり、本実施の形態においては、導波管２として導波方向に直交する断面が矩形状である方形導波管を用いている。そして、導波管２の断面の寸法は１０９ｍｍ×５４．５ｍｍに設定されている（この周波数に適合する方形導波管の規格寸法は、形名がＷＲＪ−２であって、内径呼び寸法は１０９．２ｍｍ×５４．６ｍｍである）。
【００１６】
また、導波管２のマイクロ波共振器３とが接続される部分の導波管２側には結合窓８を設けている。この結合窓８は、導波管２を通して供給されるマイクロ波エネルギーを、マイクロ波発振器１に結合するものであり、結合窓８は矩形状であって、たとえば、４８ｍｍ×１２ｍｍに設定されている。
【００１７】
マイクロ波共振器３は、内部に発生する共振マイクロ波電場によって、無電極放電灯４の放電に必要なマイクロ波エネルギーを供給ものである。そして、マイクロ波共振器３の内面は導電材料であるアルミニウムにより形成されており、鏡面仕上げになっている。
【００１８】
このマイクロ波共振器３の形状は、他方の軸によって分離される楕円曲線の一部を一方の軸を回転軸として回転させた回転楕円体５で他方の軸方向が開口している。そして開口部には、金属メッシュ３ａが配設されている。また、マイクロ波共振器３の楕円曲線の焦点近傍に発生させる電界は、図４に示すように回転軸である一方の軸に対して略垂直方向としている。すなわち、この焦点近傍の電界は、マイクロ波共振器３に発生する電界の最大位置となる。
【００１９】
金属メッシュ３ａは、マイクロ波を閉じ込めるためのものであり、マイクロ波は非透過であるが、光は透過するものである。そして、この金属メッシュ３ａはマイクロ波共振器３の開口部に開口部を覆うように配設されている。本実施の形態において、この金属メッシュ３ａは図３に示すように平面視にて直径略１４３ｍｍの円状であって、幅０．２ｍｍの金属帯が１．８ｍｍの間隔で格子状に配置されているものを用いている。そして、この金属メッシュ３ａの材料として、マイクロ波は非透過である銀メッキをしたステンレス製のものを用いている。ここで、金属メッシュ３ａの材料はアルミ又は銅でもよく、また、ＩＴＯなどの導電性薄膜を形成した導電体シールドであってもよい。
【００２０】
無電極放電灯４は、内部の電子がマイクロ波共振器３からの高周波電磁界によってエネルギーを受け取り、放電ガス原子に衝突することによって発光するものである。そして、この無電極放電灯４はマイクロ波共振器３内に、マイクロ波共振器３の内壁に固定された石英ガラス製の支持棒１０を介して固定されている。
【００２１】
この無電極放電灯４をさらに詳しく説明すると、形状は略球形状であって材料は石英ガラス等の透光性材料であり、その内部に含む放電ガスを封入されている。放電ガスの種類としては、水銀、希ガス及び金属ハロゲン化物である。また、無電極放電灯４の内壁は蛍光体及び保護膜が塗布されている。蛍光体は水銀からの放射された紫外線を可視光に変換するものであり、蛍光体の材料としてはハロ燐酸カルシウム、赤色蛍光体である（Ｙ、Ｇｄ）ＢＯ３：Ｅｕ、緑色蛍光体であるＣａＰＯ４、青色蛍光体であるＢａＭｇＡｌｌ４Ｏ２３：Ｅｕが用いられる。また、保護膜は水銀と無電極放電灯４を形成する石英ガラスとの反応を抑えることによって、無電極放電灯４の光束維持率を向上させるものである。保護膜の材料としては、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、シリカ（ＳｉＯ２）、チタニア（ＴｉＯ２）、セリア（ＣｅＯ２）、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、マグネシア（ＭｇＯ）等の微粒子が用いられる。通常の無電極放電灯４では、透過率が高い方が望ましいため、保護膜は蛍光体に比べ薄く無電極放電灯４の内壁に形成される。
【００２２】
この無電極放電灯４は、楕円曲線の焦点と電界の最大位置とが一致する両者の一致点近傍に配置されている。このように無電極放電灯４を両者の一致点近傍に配置すると、電界によるエネルギーが効率よく無電極放電灯４に伝達され、無電極放電灯点灯装置全体の効率を上げることができるとともに、楕円曲線の焦点近傍に無電極放電灯４を配置しているので、マイクロ波共振器３内面で反射した光が楕円曲線のもう一方の焦点に集光し、この集光点が擬似光源となり、優れた配光性を提供することができる。
【００２３】
つぎに、マイクロ波共振器３の寸法を決定するための方法について述べる。
【００２４】
上述したように、マイクロ波共振器３の形状は、他方の軸によって分離される楕円曲線の一部を一方の軸を軸心として回転させた回転楕円体５であって、一方の軸方向に開口している。
【００２５】
ここで、この楕円曲線の一方の軸をａ、他方の軸をｂ（ａ又はｂのどちらかが長軸に相当し、どちらかが短軸に相当する。）とすると、マイクロ波共振器３の楕円曲線と一方の軸ａ、他方の軸ｂとの関係は図４に示すようになる。また、開口面から共振マイクロ波電場の電界が最大となる位置までの距離を共振中心距離ｈとする。さらに、楕円曲線は、
Ｘ＾２／ａ＾２＋Ｙ＾２／ｂ＾２＝１・・・（１）
で表される。
【００２６】
つぎに、一方の軸ａを固定し他方の軸ｂを変化させていったときの共振マイクロ波電場の共振周波数を有限要素法によって計算し、有限要素法によって得られたマイクロ波電場の電界分布図によって、共振中心距離ｈを決定する。また、楕円曲線の焦点は（１）式より
√（ｂ＾２−ａ＾２）・・・（２）
で表され、（２）式によって、楕円曲線の焦点の計算を行う。ここで、（２）式で計算される長さは、金属メッシュ３ａが覆設されている開口面から焦点までの距離である。
【００２７】
つぎに、共振中心距離ｈと楕円曲線の焦点とが略一致するときの他方の軸ｂを決定し、この決定された一方の軸ａ、他方の軸ｂによって共振周波数を有限要素法によって計算する。
【００２８】
そして最後に、決定された共振周波数によって、２．４５ＧＨｚで共振するように一方の軸ａ、他方の軸ｂを再計算する。
【００２９】
ここで、無電極放電灯４のバルブの材質は石英ガラス等の誘電体であるから、波長短縮効果によって共振周波数が低くなる場合がある。この波長短縮効果とは、真空中での波長がλ０の電磁波が比誘電率εの誘電体内を伝搬する場合、誘電体内での波長λはλ＝λ０／√εとなる効果をいう。たとえば、周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波では、真空中の波長λ０が約１２２ｍｍであるのに対し、誘電体内を伝搬する際の波長λは、たとえば、誘電体として多結晶アルミナを考えると、多結晶アルミナの比誘電率が約８．５であるから、約４２ｍｍと計算される。すなわち、単純に考えると電磁波の伝搬経路を真空から誘電体に置き換えることでその距離を約３分の１に縮めることができるのである。
【００３０】
そして、この波長短縮効果によって、たとえば、φ３０ｍｍの無電極放電灯４のバルブでは、共振周波数が略５０ＭＨｚ低周波側にシフトする場合がある。このように誘電体の材料によって、共振周波数はシフトするため、上述した計算によって得られた一方の軸ａ、他方の軸ｂなどの値は、±１０％程度の誤差を考慮する必要がある。
【００３１】
また、マイクロ波共振器３の形状と共振周波数とは反比例の関係にあり、２．４５ＧＨｚで共振するように一方の軸ａ、他方の軸ｂを再計算する場合、比例計算によって再計算をすることができる。
【００３２】
具体的な値に関しては、以下のように一方の軸ａ、他方の軸ｂなどを決定していった。
【００３３】
マイクロ波共振器３の開口部の半径である一方の軸ａ（ｍｍ）を、たとえば、７５ｍｍと固定し、他方の軸ｂを８０ｍｍから１１０ｍｍまで、８０、８５、９０、１００、１１０と変化させていった。また、（２）式によって楕円曲線の焦点を計算していき、同時に有限要素法によって共振中心距離ｈを決定していった。このときの楕円曲線の焦点と共振中心距離ｈとの関係を図５に示す。図５より、他方の軸ｂの変化に対して、楕円曲線の焦点の変化は大きく、共振中心距離ｈの変化は小さい。また、ｂ＝８５ｍｍで楕円曲線の焦点と共振中心距離ｈとが略４０ｍｍで一致することがわかる。そして、この略４０ｍｍにおいて、共振周波数は、２．３８３ＧＨｚであった。ここで、計算上は共振周波数を２．５ＧＨｚとするために、２．５／２．３８３＝１．０４９＝ｃとして、一方の軸ａ、他方の軸ｂ、及び共振中心距離ｈをそれぞれ、ａ’＝ａ／ｃ＝７５／１．０４９＝７１．５ｍｍ、ｂ’＝ｂ／ｃ＝８５／１．０４９＝８１．０ｍｍであり、及びｈ’＝ｈ／ｃ＝４０／１．０４９＝略３８ｍｍと変換した。
【００３４】
実際に作製したものは、図２に示すようにマイクロ波共振器３の開口内径が一方の軸ａ’の略２倍であるφ１４３ｍｍとし、マイクロ波共振器３の高さは、他方の軸ｂ’ よりも少し短い略７５ｍｍとし、さらに共振中心距離ｈである金属メッシュ３ａから無電極放電灯４の配置位置までの距離を略４０ｍｍとし、無電極放電灯４の点灯確認を行った。
【００３５】
以上、本実施の形態によれば、マイクロ波共振器３内に発生する最大電界の方向は回転軸に対して略垂直方向であるので、マイクロ波共振器３の内面に電界が集中することとなり、電界に対して水平方向に配置されている金属メッシュ３ａには電界が集中しない。したがって、金属メッシュ３ａには大電流が流れず、金属メッシュ３ａが高温となることがなく、金属メッシュ３ａが劣化しにくいので、無電極放電灯点灯装置の寿命を長くすることができる。
【００３６】
また、電界の最大位置の近傍に無電極放電灯４を配置しているので、電界によるエネルギーが効率よく無電極放電灯４に伝達され、無電極放電灯点灯装置全体の効率を上げることができる。
【００３７】
さらに、楕円曲線の焦点近傍である該一致点に無電極放電灯４を配置しているので、光が楕円曲線のもう一方の焦点に集光し、この集光点が擬似光源となり、配光性に優れた無電極放電灯点灯装置を提供することができる。
【００３８】
なお、無電極放電灯４からの光の一部が結合窓８を通過してしまい、光の一部が損失してしまう場合がある。このような場合を防ぐために、白色アルミナなどの比較的光の反射率が高い誘電体を用いて結合窓８を覆ってしまってもよい。このように光の反射率が高い誘電体で結合窓８を塞ぐと、誘電体で反射した光がマイクロ波共振器３内に戻るので、光の損失を防ぐことができる。
【００３９】
また、本実施の形態においては、マイクロ波発振器１の出力を２．４５ＧＨｚとしたが、出力が４．９ＧＨｚの場合はマイクロ波共振器３の大きさは略半分となる。
【００４０】
（第２の実施の形態）
以下、本発明の第２の実施の形態を図６を参照して説明する。図６は本実施の形態の断面図である。ここで、第１の実施の形態と同一構成には同一符号を付すことにより説明を省略する。
【００４１】
本実施の形態では、図６に示すようにマイクロ波共振器３の形状と回転楕円体５に代えて、放物線の一部を放物線の軸を軸心として回転させた回転放物線体６としている。そして、第１の実施の形態と同様の計算方法により計算し、無電極放電灯点灯装置を作成した。実際の寸法は、マイクロ波共振器３の開口内径をφ１４３ｍｍとし、マイクロ波共振器３の高さを略７５ｍｍとし、さらに共振中心距離ｈである金属メッシュ３ａから無電極放電灯４の配置位置までの距離を略４１ｍｍとした。そして、無電極放電灯４の点灯確認を行った。
【００４２】
ここで、本実施の形態においては、第１の実施の形態が奏する効果に加え、放物線の焦点に無電極放電灯４を配置しているので、マイクロ波共振器３内面で反射した光は、高さ方向と略平行な光となり、配光性に優れた無電極放電灯点灯装置を提供することができる。
【００４３】
なお、本実施の形態で特に言及していない作用・効果等は第１の実施の形態と同様である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】第１の実施の形態を示す斜視図である。
【図２】第１の実施の形態を示す断面図である。
【図３】金属メッシュ３ａの平面図である。
【図４】マイクロ波共振器３内の電界分布を示す図である。
【図５】楕円曲線の焦点と共振中心距離ｈとの関係を示す特性図である。
【図６】第２の実施の形態を示す断面図である。
【図７】第１の従来例を示す断面図である。
【図８】第１の従来例において、チャンバ１Ｊ４内の電界分布を示す図である。
【図９】第２の従来例を示す断面図である。
【図１０】第２の従来例において、マイクロ波共振空胴２Ｊ４内の電界分布を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１        マイクロ波発振器
２        導波管
３        マイクロ波共振器
３ａ      金属メッシュ
４        無電極放電灯
５        回転楕円体
６        回転放物線体
８        結合窓
９        誘電体
【図１】
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【図２】
2005038751.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005038751.tif 000009
【図８】
2005038751.tif 000010
【図９】
2005038751.tif 000011
【図１０】
2005038751.tif 000012