(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネトロンより発生させたマイクロ波の電磁場により、無電極ランプを励起させて発光させる無電極ランプシステムにおいて、前記マグネトロンを駆動させるための電力を徐々に増加させるソフトスタート手段と、光強度検知手段とを備え、
前記ソフトスタート手段は、スタート時から前記マグネトロンが最大出力となるまでの時間を、前記無電極ランプの発光媒体がマイクロ波を吸収して充分に気化する時間よりも長くなるように、前記発光媒体の気化に合わせて前記マグネトロンへの電力を増加するように設定し、
前記ソフトスタート手段の前記スタートから最大出力となるまでの作動途中に、前記無電極ランプからの光の強度を検知する前記光強度検知手段を設け、当該光強度検知手段で検知された光の強度が所定の光強度以下である場合には、前記マグネトロンへの電力の入力増加を停止して待機状態を維持してなるとともに、所定の光強度に達したときに、前記マグネトロンへの電力の入力増加を再開させるように制御されることを特徴とする無電極ランプシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波で励起させて無電極ランプを発光させる無電極ランプシステムに係り、特に、大出力で発光される無電極ランプシステムの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
無電極ランプは、マグネトロンからアンテナを通して照射されるマイクロ波により、ランプ内部に封入された水銀等の発光媒体が励起されて発光し、点灯する。例えば、一般家庭用として用いられる電子レンジは、マグネトロンから照射されるマイクロ波を利用して、冷凍食品等の被加熱体を６００ｗ程度で暖めるようになっていることが知られている。このような電子レンジでは、小出力のため、マグネトロンの自己加熱による破損が発生することがない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、マグネトロンの出力が６ＫＷ（片側３ＫＷ×２）出力以上の大出力になると、ランプの発光開始時、図５に示すように、マグネトロンへの電力を始めから最大出力、すなわち、フルパワーでスタートさせて、ランプを立ち上げた場合、ランプ内部に封入された水銀やハロゲン化鉄等の発光媒体が気化し切れないままマイクロ波がフルパワーで照射されることになる。
【０００４】
図６は、無電極ランプシステムにおいてのインピーダンスの時間的な変化を示す。図６（イ）はスタート時から２秒経過（ｔ＝０〜２）までの動作点Ｐの変化、図６（ロ）は２秒経過後から２秒経過（ｔ＝２〜４）までの動作点Ｐの変化、図６（ハ）は４秒経過後から２秒経過（ｔ＝４〜６）までの動作点Ｐの変化、図６（ニ）は６秒経過後から２秒経過（ｔ＝６〜８）までの動作点Ｐの変化、図６（ホ）は１０秒経過後から２秒経過（ｔ＝１０〜１２）までの動作点Ｐの変化、図６（へ）はスタート時から１２秒経過（ｔ＝０〜１２）までの動作点Ｐの変化をそれぞれ示す。
【０００５】
図６によれば、動作点Ｐが中心から離れるほど、反射波の発生率が高く、また、動作点Ｐが中心に近づくほど、反射波の発生率が低くなり、中心上にあれば、反射波の発生率が０になり、ランプの立ち上がり完了となる。この場合、約５秒でランプが立ち上がっていることが分かる。
【０００６】
そして、このようにランプ内に封入された発光媒体のマイクロ波吸収率が低い状態のままでマイクロ波を照射すると、マイクロ波が吸収されずに反射波としてマグネトロン側に戻ってしまい、この反射波によりマグネトロンが自己加熱して、その内部部品の溶解、あるいは、マグネトロン出力アンテナの周囲を被うセラミック物質の割れ等が生じ、マグネトロンが破損してしまうことがある。
【０００７】
このような問題は、近年、無電極ランプの高出力化、すなわち、マグネトロンへの電力の高入力化に伴い、ランプ発光時の反射マイクロ波のエネルギが大きくなって来たことに起因している。
【０００８】
また、反射波によるマグネトロンの自己加熱を防止する手段としては、反射波を容易に除くことができるアイソレ−タなどを使用することが考えられるが、寸法や価格などの点で装置（灯具）全体が大型化するばかりでなく、高価となるため、実用的ではない。
【０００９】
ところで、従来の無電極ランプによる加熱装置では、例えば、特開平９−８２１１２号公報に開示されているように、点灯時（高圧印加時）にヒータ電圧を標準値より高くしないようにして、予熱時間をなるべく短くし、点灯時の安定動作を図るようにしたものがある。
【００１０】
また、特開２０００−２１５５９号公報に開示されているように、高圧電力変換部に流れる電流の設定値である入力電流設定値に対して、これよりも低い初期電流設定値を設定し、加熱動作開始時に高圧変換部の入力電流を初期電流設定値になるように制御し、入力電流のオーバーシュートを抑制して、定格電力を最大限に利用するとともに、加熱時間の短縮化を図るようにしたものがある。
【００１１】
さらに、特開平２−２７６１８９号公報に開示されているように、マグネトロンの陰極の温度が発振するのに充分な電子放出を行う温度になるまでは、高圧回路に発生する電圧値をマグネトロンの正常発振時に印加すべき電圧値程度に制限し、二次側に過大な電圧を生じないようにして、陰極温度が上昇しても、マグネトロンが発振しないようにすることにより、電源投入後、マグネトロンの発振開始までの間に、異常な高電圧が発生しないようにし、高圧部品やスイッチング素子の破壊を防ぐようにしたものがある。
【００１２】
しかしながら、前記した各公開特許公報に開示された発明は、いずれも反射波によるマグネトロンの自己加熱による破損防止という問題点を解決するものではない。
【００１３】
また、前記したように、マグネトロンによるマイクロ波の発生からランプの安定点灯状態までの間、マグネトロンからのマイクロ波出力は、反射波となって再びマイクロトロンに戻って来る。この状態は、マグネトロンにとって大きなストレスとなり、マグネトロンの寿命を縮める大きな原因となっている。
【００１４】
その対策として、低いマイクロ波出力条件でマグネトロンの動作を開始させ、例えば、ランプが完全に立ち上がるまでの約５〜２０秒の間にマイクロ波出力条件の最大マイクロ波出力まで徐々に上昇させること、すなわち、ソフトスタートさせることにより、反射波によるマグネトロンに掛るストレスを小さくし、これにより、マグネトロンの寿命を延ばすことが考えられる。
【００１５】
そこで、本発明は、前記の事情に鑑みてなされたものであり、反射波によるマグネトロンの自己加熱によって破損を防止することができる無電極ランプシステムを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前記した課題を解決するために、本発明に係る請求項１に記載の発明は、マグネトロンより発生させたマイクロ波の電磁場により、無電極ランプを励起させて発光させる無電極ランプシステムにおいて、前記マグネトロンを駆動させるための電力を徐々に増加させるソフトスタート手段と、光強度検知手段とを備え、前記ソフトスタート手段は、スタート時から前記マグネトロンが最大出力となるまでの時間を、前記無電極ランプの発光媒体がマイクロ波を吸収して充分に気化する時間よりも長くなるように、前記発光媒体の気化に合わせて前記マグネトロンへの電力を増加するように設定し、前記ソフトスタート手段の前記スタートから最大出力となるまでの作動途中に、前記無電極ランプからの光の強度を検知する前記光強度検知手段を設け、当該光強度検知手段で検知された光の強度が所定の光強度以下である場合には、前記マグネトロンへの電力の入力増加を停止して待機状態を維持してなるとともに、所定の光強度に達したときに、前記マグネトロンへの電力の入力増加を再開させるように制御される構成とした。
【００１７】
このような構成とすることにより、無電極ランプの発光開始時に、ソフトスタート手段を使用して、マグネトロンを駆動させるための電力を徐々に増加するようにし、ランプ内部に封入した発光媒体の気化に合わせてマグネトロンへ電力を増加しているため、マイクロ波の高出力時の吸収率を高めることができ、反射波の発生を減少させることができる。
【００１９】
また、このような構成とすることにより、マグネトロンが最大出力（フルパワー）となるまでの時間をランプ内部に封入した発光媒体が充分に気化する時間よりも長くなるように設定しているため、フルパワーの入力時には、既に発光媒体が充分に気化している。例えば、マグネトロンがフルパワーとなるまでの時間を５〜２０秒程度に設定することで、適切にランプを完全に立ち上がらせることができる。さらに、マイクロ波の反射波をより確実に減少させることができるため、マグネトロンの破損をより確実に防止することができる。
【００２１】
さらに、このような構成とすることにより、マイクロ波の反射波をより確実に減少させることができるため、マグネトロンの破損をより確実に防止することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明すると、図１から図４は、本発明に係る無電極ランプシステムの一実施形態を示す。図１は、例えば、無電極ランプシステムが適用される灯具の概略的断面図、図２は概略的底面図、図３は無電極ランプの要部拡大断面図、図４はマグネトロンの駆動制御回路を示す説明図である。
【００２３】
図１から図３に示すように、１は灯具筐体、２はマイクロ波の電磁場を発生させるマグネトロン、３は導波管、４はアンテナ、５は無電極ランプ、６はリフレクタ、７はマイクロ波共振器、８はマイクロ波反射メッシュ、９は冷却ファン、１０はランプ冷却ノズル、１１は光強度検知センサである。
【００２４】
すなわち、本発明の無電極ランプシステムは、灯具筐体１内に、発振周波数が２．４５ＧＨｚの２台のマグネトロン２を備え、これら各マグネトロン２から発生されたマイクロ波を導波管３及びアンテナ４を介して無電極ランプ５に照射する。このとき、無電極ランプ５内に封入された水銀等の発光媒体がマイクロ波を吸収し、気化し、励起させて発光させることにより点灯する。そして、無電極ランプ５から発光する光は、リフレクタ６にて外部に焦点ＦＰを結ぶように集光される。
【００２５】
また、冷却ファン９は、マグネトロン２の冷却を行うとともに、その送風は、図３に実線矢印で示すように、導波管３に開口した連通孔３ａ及びランプ冷却ノズル１０を通して、無電極ランプ５を冷却するようになっている。
【００２６】
さらに、光強度検知センサ１１は、無電極ランプ５からの光の強度、すなわち、無電極ランプ５内に封入された発光媒体の気化状態を検知し、後記するマグネトロン２を駆動するマグネトロン駆動回路２０を制御するようになっている（図４参照）。
【００２７】
すなわち、このマグネトロン駆動回路２０は、図４に示すように、電源部２０Ａと灯具２０Ｂとで構成され、電源部２０Ａと灯具２０Ｂとは、互いに高圧出力及び高圧入力で接続されている。また、電源部２０Ａは、ＰＷＭ電圧制御部２１と、昇圧トランス２２と、整流ダイオード２３と、倍電圧用コンデンサ２４とを備える一方、灯具２０Ｂは、マグネトロン２を加熱制御するヒータートランス２５を備えている。
【００２８】
ところで、マグネトロン２のマイクロ波出力は、マグネトロン陽極電圧とマグネトロン陽極電流値の積で決定される。このマグネトロン陽極電圧は、ほぼ一定であるために、マイクロ波出力の大きさは、マグネトロン陽極電流値により決定される。また、マグネトロン電流値は、昇圧トランス２２の一次側の電圧により決定される。そして、この昇圧トランス２２の一次側電圧は、ＰＷＭ電圧制御部２１により決定される。
【００２９】
このように、本発明では、ＰＷＭ電圧制御部２１と昇圧トランス２２とでソフトスタート手段を構成している。そして、このソフトスタート手段は、ＰＷＭ電圧制御部２１により、昇圧トランス２２の一次側の電圧を変動させて、マグネトロン２のマイクロ波出力を変動させることで、マグネトロン２を駆動させるための電力を徐々に増加させている。これにより、無電極ランプ５の内部に封入した発光媒体の気化に合わせてマグネトロン２へ電力を増加するようにしているため、高出力時のマイクロ波の吸収率が高まり、反射波の発生を減少させることが可能になる。
【００３０】
また、本発明に係る無電極ランプシステムでは、マイクロ波発振源として、例えば、発振周波数が２．４５ＧＨｚの２台のマグネトロン２を使用し、マイクロ波の総エネルギが約６ＫＷになるようにしている。さらに、マグネトロン２を駆動制御するマグネトロン駆動回路２０に全波倍電圧回路を用いてなるとともに、昇圧トランス２２の一次側の入力電圧をＰＷＭ電圧制御部２１で制御するソフトスタート手段により、マグネトロン２を駆動させるための電力を可変可能にしている。
【００３１】
そして、マグネトロン２への電力は、図５に示すように、ランプ発光開始より経過時間に比例して、昇圧トランス２２の入力電圧を初期出力０％（０Ｖ）より最大出力（フルパワー）１００％（２００Ｖ）まで徐々に増加するように、ソフトスタート手段により、ソフトスタートさせている。この場合、マグネトロン２にフルパワーを入力するまでのソフトスタートの時間を、ここでは５秒に設定した。
【００３２】
このように、マグネトロン２にフルパワーを入力するまでのソフトスタート手段によるソフトスタートの時間を５秒に設定することにより、マグネトロン２によるマイクロ波の発生から、無電極ランプ５の安定した点灯状態までの間、マグネトロン２からのマイクロ波出力を、低いマイクロ波出力から最大マイクロ波出力まで徐々に上昇させることができる。これにより、反射波によるマグネトロン２に掛るストレスを小さくすることが可能になる。
【００３３】
また、例えば、マグネトロン２入力がフルパワー入力の６０％の時点で、装置内に設置した光強度検知センサ１１により無電極ランプ５からの光の強度、すなわち、無電極ランプ５に封入された発光媒体の気化の状態を検知し、その光の強度が所定の光強度以上であるか否かを判断する。
【００３４】
さらに、ソフトスタートの作動途中で、無電極ランプ５からの光の強度が所定の光強度以下であるときには、昇圧トランス２２への電力増加を停止して待機し、無電極ランプ５の立ち上がりを待つ。そして、所定の光強度以上になったときには、昇圧トランス２２の入力を増加（上昇）させ、マグネトロン２の電力を徐々に増加するように制御している。
【００３５】
これに対して、従来通りのランプ点灯と同時にフルパワーを入力した場合に、１〜数十回でマグネトロンが破損してしまった。本発明では、ソフトスタートにより、マイクロ波の反射波による自己加熱が回避され、ランプスタート時のマグネトロン２の破損は発生しない。
【００３６】
なお、前記した実施形態において、マイクロ波発振源として、例えば、発振周波数が２．４５ＧＨｚの２台のマグネトロン２を使用し、マイクロ波の総エネルギが約６ＫＷになるようにしているが、１台もしくは３台以上のマグネトロン２を使用することも可能である。また、マグネトロン２を駆動制御するマグネトロン駆動回路２０に全波倍電圧回路を用いたが、本発明は、これに限定されるものではない。その他、本発明は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更実施可能なことは云うまでもない。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る無電極ランプシステムでは、以下に示すような優れた効果を奏する。
【００３８】
本発明は、マグネトロンを駆動させるための電力を徐々に増加させるソフトスタートを、無電極ランプの発光開始時に、ランプ内部に封入した発光媒体の気化に合わせて使用していることから、マイクロ波の吸収率を高めることができる。これにより、マイクロ波の反射波を減少させることができるため、従前のようなマグネトロンの自己加熱による破損を防止することができる。
【００３９】
また、本発明は、マグネトロンが最大出力となるまでのソフトスタート時間を、無電極ランプの発光媒体がマイクロ波を吸収、気化する時間よりも長くなるように設定していることから、フルパワーの入力時には、ランプ内部に封入した発光媒体が充分に気化しているため、マイクロ波の吸収率を高めることができ、マイクロ波の反射波を確実に減少させることができる。
【００４０】
さらに、本発明は、ソフトスタート手段の作動途中に、無電極ランプよりの光の強度を検知する光強度検知手段を設けて、光強度が所定の光強度以下である場合には、マグネトロンへの電力の入力増加を停止して待機状態を維持し、所定の光強度に達したときに、マグネトロンを駆動させるための電力増加を再開させるように制御されることから、マイクロ波の反射波をより確実に減少させることができるため、マグネトロンの破損をより確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る無電極ランプシステムが適用される灯具の概略的断面図である。
【図２】  図１のＩ−Ｉ線矢視方向から見た概略的断面図である。
【図３】  図１のＩＩ−ＩＩ線矢視方向から見た無電極ランプ部位の要部拡大断面図である。
【図４】  マグネトロンの駆動制御回路を示す説明図である。
【図５】  時間に対するマグネトロンへの電力入力状態を示す説明図である。
【図６】  無電極ランプのインピーダンスの時間的変化を示す説明図である。
【符号の説明】
１……灯具筐体
２……マグネトロン
３……導波管
３ａ……連通孔
４……アンテナ
５……無電極ランプ
６……リフレクタ
７……マイクロ波共振器
８……マイクロ波反射メッシュ
９……冷却ファン
１０……ランプ冷却ノズル
１１……光強度検知センサ
２０……マグネトロン駆動回路（全波倍電圧回路）
２０Ａ……電源部
２０Ｂ……灯具部
２１……ＰＷＭ電圧制御部
２２……昇圧トランス
２３……整流ダイオード
２４……倍電圧用コンデンサ
２５……ヒータートランス
Ｐ……動作点
【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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【図６】
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