JP4259276B2 - マイクロ波無電極放電灯装置 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波を用いて放電バルブを発光させるマイクロ波無電極放電灯装置に関する。

従来、放電ガスが封入されたバルブと、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生器とを備え、マイクロ波によってバルブ内に封入されたガスを電離及び励起させ、この電離及び励起によって生じる光を光源として利用したマイクロ波無電極放電灯装置が知られている。このようなマイクロ波無電極放電灯装置においては、網目状の金属メッシュを籠状にした空洞構成部材によりバルブとマイクロ波発生部とを覆って、空洞構成部材の内部空間に生じた電磁界のエネルギーをバルブに供給すると共にマイクロ波の外部空間への漏洩を抑制し、さらにバルブから発生した可視光を空洞構成部材の網目を介して外部空間に透過させるようにしている。また、このようなマイクロ波無電極放電灯装置に用いられる空洞構成部材としては、例えば円筒形のものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開昭５９−８６１５３号公報

ところで、上述のようなマイクロ波無電極放電灯装置においては、マイクロ波によって空洞構成部材の内部に誘起される電界が空洞構成部材を構成する金属メッシュ部分と直交する箇所において、金属メッシュに誘導電流が流れる結果、可視光を透過させるために細い、従って電気抵抗が大きく電流容量の小さい金属線で構成されている金属メッシュが加熱され、酸化したり、断線、容着したりする等して劣化するという不都合があった。図８は、円筒形の空洞構成部材を用いたマイクロ波無電極放電灯装置における空洞構成部材１０１の側面図である。例えば、図８に示す空洞構成部材１０１の内部空間にマイクロ波が供給されると、矢印で示す方向に電界が生じ、空洞構成部材１０１の側面を構成する金属メッシュと電界とが直交する箇所において、金属メッシュに流れる電流が増大し、金属メッシュが劣化する。

本発明は、このような問題に鑑みて為された発明であり、空洞構成部材の劣化を低減することができるマイクロ波無電極放電灯装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明の第１の手段に係るマイクロ波無電極放電灯装置は、マイクロ波を生成するマイクロ波生成部と、前記マイクロ波生成部により生成されたマイクロ波を導入する導入部を備え該マイクロ波が外部空間に放出されることを抑制する空洞構成部材と、前記空洞構成部材の内部空間に配置され前記マイクロ波生成部により生成されたマイクロ波によって発光する発光部とを備えたマイクロ波無電極放電灯装置において、前記空洞構成部材は、中空半球状の外周に導電材料からなるフランジ部を備えた第１及び第２の半球部材における前記フランジ部同士が接合されたものであると共に、前記空洞構成部材の少なくとも一部は前記発光部から発せられた可視光を透過し、前記空洞構成部材の内部空間における前記マイクロ波生成部によって生成されたマイクロ波の電磁界モードを電界が前記フランジ部と直交する方向のＴＭ０１１モードにするものであることを特徴としている。

また、上述のマイクロ波無電極放電灯装置において、前記導入部は、ループアンテナであり、前記ループアンテナは、前記ループアンテナの開口面の軸方向が前記フランジ部の開口面の軸方向と一致する向きで、前記フランジ部に設けられていることを特徴としている。

そして、上述のマイクロ波無電極放電灯装置において、前記空洞構成部材は、前記フランジ部を含む円形の平面内で、少なくとも前記円形の平面における中心からみて前記ループアンテナが設けられている位置を０度とした場合の±９０度の位置に、導体板を備えることを特徴としている。

さらに、上述のマイクロ波無電極放電灯装置において、前記フランジ部には、前記フランジ部同士が接合された状態において、前記空洞構成部材の直径方向に複数の貫通孔が形成されていることを特徴としている。

また、上述のマイクロ波無電極放電灯装置において、前記発光部は、前記空洞構成部材の略中心位置に配置されていることを特徴としている。

そして、上述のマイクロ波無電極放電灯装置において、前記第２の半球部材は、前記発光部から発せられた可視光を反射する反射部材で構成されていることを特徴としている。

このような構成のマイクロ波無電極放電灯装置において、空洞構成部材の内部空間に生じたＴＭ０１１モードの電界は、電界の誘導電流による劣化が少ないフランジ部と直交し、発光部から発せられた可視光を透過する、電界の誘導電流による劣化の影響が大きい部分と直交することが低減されるので、空洞構成部材の劣化を低減することができる。

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るマイクロ波無電極放電灯装置の構成の一例を示す外観斜視図である。図１に示すマイクロ波無電極放電灯装置１は、例えばマイクロ波を生成するマイクロ波生成部２と、マイクロ波を共振させるための略球状の空洞構成部材に相当する空洞共振器３と、マイクロ波生成部２により生成されたマイクロ波を空洞共振器３へ供給する同軸ケーブル４と、空洞共振器３の略中央に配置された発光部に相当するバルブ５とを備えている。

マイクロ波生成部２は、例えば図略のマグネトロンとマグネトロンを駆動するための高電圧を供給する図略の高電圧電源装置とを備え、高電圧電源装置から供給された電力エネルギーを、マグネトロンにより例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波に変換し、低損失の同軸ケーブル４を介して空洞共振器３へ供給する。

バルブ５は、例えば直径２７ｍｍ（肉厚２ｍｍ）の球状の石英バルブである。そして、バルブ５には、例えば希土類ハライド５ｍｇ、アルカリ金属ハライド１０ｍｇ、Ｈｇ３０ｍｇ、Ａｒ３０ｔｏｒｒ等の放電ガスが封入されている。また、バルブ５の内壁には、紫外線を可視光に変換する蛍光体等が塗布されている。これにより、バルブ５に電磁界が印加されると、バルブ５に封入された放電ガスが電磁界によって電離、励起されて紫外線を放出し、この紫外線が蛍光体により可視光に変換されてバルブ５が発光する。

空洞共振器３は、金属メッシュ３１及びフランジ３２を備える第１の半球部材に相当する半球部材３３と、金属メッシュ３４及びフランジ３５を備える第２の半球部材に相当する半球部材３６とを備える。金属メッシュ３１，３４は、例えば半径５０ｍｍの半球形にされた網目状の金網で、金属メッシュ３１，３４の外周に、それぞれ例えばステンレス等の導電材料からなるフランジ３２，３５が設けられている。金属メッシュ３１，３４は、例えば線径０．２ｍｍ、網目ピッチ２ｍｍ〜５ｍｍのステンレスの金網であり、金網の二線が直交する交点で当該二線が導通している。また、金属メッシュ３１，３４の網目の寸法は、マイクロ波生成部２から供給されるマイクロ波の波長よりも小さくされており、空洞共振器３の内部空間に供給されたマイクロ波が外部空間へ放出されることを抑制するようにされると共に、できる限り開口率を大きくしてバルブ５から発せられた光を外部に最大限放射し得るようにされている。なお、金属メッシュ３１，３４は、金網に限られず、マイクロ波の透過を抑制し、かつ可視光を透過させるスクリーンであればよい。

また、フランジ３２とフランジ３５とは、ボルト３７及び図略のナットによって締結され、半球部材３３と半球部材３６とが電気的に導通するようにされると共に、半球部材３３と半球部材３６とによって、空洞共振器３が半径５０ｍｍの略球状に構成されている。

図２は、空洞共振器３において、半球部材３３を透視して半球部材３６をみた状態の平面図である。図２において、例えば一端部にバルブ５が取り付けられた柱状の支持棒３８の他端部がフランジ３５に固着され、空洞共振器３内部の略中央にバルブ５が配置されている。また、支持棒３８のフランジ３５への取り付け位置を一端とする直径方向の他端側位置で、フランジ３５を直径方向に貫通して同軸ケーブル４が取り付けられている。また、同軸ケーブル４の先端部に、同軸ケーブル４の中心導体と同軸導体とを接続してループアンテナ６が取り付けられており、ループアンテナ６の開口面における法線方向がフランジ３５の開口面における法線方向と一致する向きにされている。

また、空洞共振器３は、マイクロ波生成部２から同軸ケーブル４、ループアンテナ６を介して内部空間に導入されたマイクロ波を共振させ、マイクロ波のエネルギーを蓄えて、ＴＭ０１１モードの電界を発生させ、その電界のエネルギーによってバルブ５を発光させる。具体的には、マイクロ波の波長をλ、空洞共振器３の半径をａとすると、空洞共振器３のような球状の共振器の場合、ＴＭ０１１モードの電界を発生させるための条件は、
λ＝２．２９×ａ ・・・（１）
となる。

ここで、マイクロ波の周波数を２．４５ＧＨｚとすると、λ≒１２２ｍｍ、ａ≒５３．３ｍｍとなる。さらに、バルブ５内に放電プラズマが形成された場合には、空洞共振器３の共振周波数は変化するので、マイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚである場合のＴＭ０１１モードの電界を発生させるための共振条件を満足する空洞共振器３の半径は、約５０ｍｍとなる。なお、空洞共振器３の形状は、ＴＭ０１１モードの電界を発生させる条件を満たしていればよく、例えば楕円球形状であってもよい。

次に、このように構成されたマイクロ波無電極放電灯装置１の動作を説明する。まず、マイクロ波生成部２から同軸ケーブル４、ループアンテナ６を介して空洞共振器３の内部空間へ、２．４５ＧＨｚのマイクロ波が出力される。そして、空洞共振器３によって、２．４５ＧＨｚのマイクロ波が共振され、ＴＭ０１１モードの電界が発生する。

図２において、空洞共振器３の内部空間に生じたＴＭ０１１モードの電界７を、矢印で示している。図２において、まず、マイクロ波生成部２から同軸ケーブル４を介してループアンテナ６へ、２．４５ＧＨｚのマイクロ波が供給されると、ループアンテナ６では、アンテナ開口部と鎖交する交番磁界が発生する。そして、その交番磁界に鎖交して交番電界が発生し、この交番磁界と交番電界の発生を繰り返すことにより、ループアンテナ６からマイクロ波のエネルギーが空洞共振器３内部に放射され、このマイクロ波のエネルギーが空洞共振器３によって共振され、空洞共振器３の内部空間にＴＭ０１１モードの電界７が生じ、この電界７によってバルブ５が発光する。そして、バルブ５から発せられた可視光が、金属メッシュ３１，３４を透過して空洞共振器３の外部に放射される。

ＴＭ０１１モードの電界７は、矢印で示すように、おおよそフランジ３２，３５を含む平面内において、フランジ３２，３５の内周と直交するように発生し、金属メッシュ３１，３４の内周と直交することが抑制される。これにより、金属メッシュ３１，３４に流れる誘導電流が増大することがなく、金属メッシュ３１，３４の劣化を低減することができる。また、電界７は、矢印で示すように、フランジ３２，３５の内周と直交し、フランジ３２，３５に流れる誘導電流が増大する。しかし、フランジ３２，３５は、金属メッシュ３１，３４よりも電流が流れる導体断面積密度が高く、金属メッシュ３１，３４よりも電気抵抗が低いため、誘導電流が流れた場合の発熱が低減され、誘導電流により劣化することが低減される。これにより、金属メッシュ３１，３４及びフランジ３２，３５からなる半球部材３３，３６が、誘導電流により劣化することが低減され、空洞共振器３を長寿命化することができる。

また、空洞共振器３のような球形の空洞共振器は、その形状が球形であるためその表面積に対する体積の比率が最も大きくなることから、方形空洞共振器や円筒空洞共振器と比較して、約２０〜３０％ほどＱ値が高くなることが知られている。従って、空洞共振器３を球形にすることにより、共振器のＱ値が上昇し、ランプの始動性やランプ効率を向上させることができると考えられる。また、中空半球状の半球部材３３，３６を、フランジ３２，３５によって接合することにより、空洞共振器３を球形としているので、空洞共振器３を球形に加工することが容易である。また、半球部材３３と半球部材３６とを、フランジ３２，３５によって接合するので、半球部材３３と半球部材３６の接合が容易である。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２の実施の形態によるマイクロ波無電極放電灯装置について説明する。図３は、本発明の第２の実施形態によるマイクロ波無電極放電灯装置の構成の一例を示す図である。また、図４は、図３に示す空洞共振器３において、半球部材３３を透視して半球部材３６をみた状態の平面図である。図３に示すマイクロ波無電極放電灯装置１ａと図１に示すマイクロ波無電極放電灯装置１とでは、下記の点で異なる。すなわち、図３に示すマイクロ波無電極放電灯装置１ａにおいて、空洞共振器３には、フランジ３２，３５を含む円形の平面内で、当該円形の平面における中心からみてループアンテナ６が設けられている位置を０度とした場合の約±９０度の位置に、導体板８が固着されている。

導体板８は、例えば直径２０ｍｍ程度のステンレス等の導電材料からなる円板状部材で、金属メッシュ３１，３４よりも電流が流れる導体断面積密度が高く、金属メッシュ３１，３４よりも電気抵抗が低くされている。また、導体板８は、例えば、半球部材３３側に固着された半円形状の導体板８１と、半球部材３６側に固着された半円形状の導体板８２とが、半球部材３３及び半球部材３６がフランジ３２，３５によって接合されることにより、組み合わされて導体板８を構成するものであってもよい。なお、導体板８は、金属メッシュ３１，３４よりも電気抵抗が低ければよく、金属メッシュ３１，３４と同じ導電材料（ステンレス）に厚みを持たせたものの他、他の導電材料を用いてもよい。

その他の構成は図１に示すマイクロ波無電極放電灯装置１と同様であるのでその説明を省略し、以下、このように構成されたマイクロ波無電極放電灯装置１ａの動作を説明する。まず、図１に示すマイクロ波無電極放電灯装置１の場合と同様に、マイクロ波生成部２から同軸ケーブル４、ループアンテナ６を介して空洞共振器３の内部空間へ、２．４５ＧＨｚのマイクロ波が出力される。そして、空洞共振器３によって、２．４５ＧＨｚのマイクロ波が共振され、ＴＭ０１１モードの電界が発生する。

図４において、空洞共振器３の内部空間に生じたＴＭ０１１モードの電界７を、矢印で示している。図４において、ＴＭ０１１モードの電界７は、矢印で示すように、おおよそフランジ３２，３５を含む平面内において、フランジ３２，３５の内周と直交するように発生し、特に、空洞共振器３のフランジ３２，３５を含む円形の平面内で、当該円形の平面における中心からみてループアンテナ６が設けられている位置を０度とした場合の±９０度の位置、すなわち導体板８が固着されている位置で、電界の強度が強くなる。

しかし、図３に示すマイクロ波無電極放電灯装置１ａにおいては、空洞共振器３内に生じたＴＭ０１１モードの電界７が空洞共振器３の内周と直交する位置において、その電界強度が強くなる位置に導体板８が固着されているので、電界強度レベルが高い電界７が金属メッシュ３１，３４の内周と直交することが抑制される結果、電界強度レベルが高い電界７による誘導電流が金属メッシュ３１，３４に流れることが抑制され、金属メッシュ３１，３４の劣化を低減することができる。

なお、導体板８の大きさ及び厚さは、例えば空洞共振器３の大きさや、電界７の電界強度レベル、あるいはバルブ５から発せられた光を外部に効率よく放射するための開口率等に応じて、適宜決定され、直径２０ｍｍに限らない。また、導体板８の形状は、円板形状に限らない。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３の実施の形態によるマイクロ波無電極放電灯装置について説明する。図５は、本発明の第３の実施形態によるマイクロ波無電極放電灯装置の構成の一例を示す図である。図５に示すマイクロ波無電極放電灯装置１ｂと図３に示すマイクロ波無電極放電灯装置１ａとでは、下記の点で異なる。すなわち、図５に示すマイクロ波無電極放電灯装置１ｂでは、図３に示すマイクロ波無電極放電灯装置１ａにおける半球部材３６の金属メッシュ３４及び導体板８２の代わりに、第２の半球部材に相当する半球部材３６ａにおいて、中空半球状の反射部材３９が用いられる。反射部材３９は、例えばステンレス等の導電材料から構成され、その内面は、バルブ５から発せられた光を反射する。その他の構成は図３に示すマイクロ波無電極放電灯装置１ａと同様であるのでその説明を省略する。

このように構成されたマイクロ波無電極放電灯装置１ｂは、図３に示すマイクロ波無電極放電灯装置１ａ場合と同様に、空洞共振器３の内部空間にＴＭ０１１モードの電界７が生じると、半球部材３３においてその電界強度が強くなる位置に導体板８１が固着されているので、電界強度レベルが高い電界７が金属メッシュ３１の内周と直交することが抑制される結果、電界強度レベルが高い電界７による誘導電流が金属メッシュ３１に流れることが抑制され、金属メッシュ３１の劣化を低減することができる。さらに、半球部材３６ａにおいては、可視光を透過させるために細い、従って電気抵抗が大きく電流容量の小さい金属線で構成されている金属メッシュが用いられておらず、誘導電流による劣化が少ない反射部材３９が用いられているので、半球部材３３，３６ａが、誘導電流により劣化することが低減され、空洞共振器３を長寿命化することができる。

また、半球部材３６ａは、光学的な反射板としても機能するので、マイクロ波無電極放電灯装置１ｂを用いて照明器具を構成した場合に、別途、光学的な反射板を備える必要がなく、マイクロ波無電極放電灯装置１ｂを用いた照明器具の部品点数を低減することができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４の実施の形態によるマイクロ波無電極放電灯装置について説明する。図６は、本発明の第４の実施形態によるマイクロ波無電極放電灯装置の構成の一例を示す図である。また、図７は、図６に示す空洞共振器３において、半球部材３３を透視して半球部材３６をみた状態の平面図である。図６に示すマイクロ波無電極放電灯装置１ｃと図１に示すマイクロ波無電極放電灯装置１とでは、下記の点で異なる。

すなわち、図６に示すマイクロ波無電極放電灯装置１ｃにおいては、フランジ３２ａとフランジ３５ａとが接合された状態の空洞共振器３において、フランジ３２ａ，３５ａの直径方向に例えば１２個の貫通孔９が形成されている。具体的には、フランジ３２ａ，３５ａの接合面には、それぞれ半円筒状の溝９１，９２が、フランジ３２ａ，３５ａの直径方向に形成されており、フランジ３２ａとフランジ３５ａとが接合されることにより、フランジ３２ａ側の溝９１とフランジ３５ａ側の溝９２が組み合わされて貫通孔９が構成されている。その他の構成は図１に示すマイクロ波無電極放電灯装置１と同様であるのでその説明を省略する。

このように構成されたマイクロ波無電極放電灯装置１ｃは、図１に示すマイクロ波無電極放電灯装置１の場合と同様に、空洞共振器３の内部空間にＴＭ０１１モードの電界７が生じると、この電界７によってバルブ５が発光する。そして、バルブ５から発せられた可視光が、金属メッシュ３１，３４を透過して空洞共振器３の外部に放射されるのに加えて、図７に破線矢印で示す可視光のように、貫通孔９を透過して空洞共振器３の外部に放射される。

これにより、バルブ５から発せられた可視光が、金属メッシュ３１，３４だけでなく、貫通孔９を通って空洞共振器３の外部に放射されるので、マイクロ波無電極放電灯装置１ｃの発光効率を向上させることができる。

本発明の第１の実施形態に係るマイクロ波無電極放電灯装置の構成の一例を示す外観斜視図である。 図１に示す空洞共振器において、上部半球部材を透視して下部半球部材をみた状態の平面図である。 本発明の第２の実施形態によるマイクロ波無電極放電灯装置の構成の一例を示す正面図である。 図３に示す空洞共振器において、上部半球部材を透視して下部半球部材をみた状態の平面図である。 本発明の第３の実施形態によるマイクロ波無電極放電灯装置の構成の一例を示す正面図である。 本発明の第４の実施形態によるマイクロ波無電極放電灯装置の構成の一例を示す正面図である。 図６に示す空洞共振器において、上部半球部材を透視して下部半球部材をみた状態の平面図である。 従来例による円筒形の空洞構成部材を用いたマイクロ波無電極放電灯装置における空洞構成部材の側面図である。

符号の説明

１,１ａ,１ｂ,１ｃ マイクロ波無電極放電灯装置
２ マイクロ波生成部
３ 空洞共振器（空洞構成部材）
４ 同軸ケーブル
５ バルブ（発光部）
６ ループアンテナ
７ 電界
８，８１，８２ 導体板
９ 貫通孔
３１，３４ 金属メッシュ
３２，３２ａ，３５，３５ａ フランジ
３３ 半球部材（第１の半球部材）
３６，３６ａ 半球部材（第２の半球部材）
３７ ボルト
３８ 支持棒
３９ 反射部材
９１，９２ 溝

Claims (6)

1. マイクロ波を生成するマイクロ波生成部と、前記マイクロ波生成部により生成されたマイクロ波を導入する導入部を備え該マイクロ波が外部空間に放出されることを抑制する空洞構成部材と、前記空洞構成部材の内部空間に配置され前記マイクロ波生成部により生成されたマイクロ波によって発光する発光部とを備えたマイクロ波無電極放電灯装置において、
   前記空洞構成部材は、中空半球状の外周に導電材料からなるフランジ部を備えた第１及び第２の半球部材における前記フランジ部同士が接合されたものであると共に、前記空洞構成部材の少なくとも一部は前記発光部から発せられた可視光を透過し、前記空洞構成部材の内部空間における前記マイクロ波生成部によって生成されたマイクロ波の電磁界モードを電界が前記フランジ部と直交する方向のＴＭ０１１モードにするものであることを特徴とするマイクロ波無電極放電灯装置。
2. 前記導入部は、ループアンテナであり、
   前記ループアンテナは、前記ループアンテナの開口面の軸方向が前記フランジ部の開口面の軸方向と一致する向きで、前記フランジ部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波無電極放電灯装置。
3. 前記空洞構成部材は、前記フランジ部を含む円形の平面内で、少なくとも前記円形の平面における中心からみて前記ループアンテナが設けられている位置を０度とした場合の±９０度の位置に、導体板を備えることを特徴とする請求項２記載のマイクロ波無電極放電灯装置。
4. 前記フランジ部には、前記フランジ部同士が接合された状態において、前記空洞構成部材の直径方向に複数の貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のマイクロ波無電極放電灯装置。
5. 前記発光部は、前記空洞構成部材の略中心位置に配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のマイクロ波無電極放電灯装置。
6. 前記第２の半球部材は、前記発光部から発せられた可視光を反射する反射部材で構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のマイクロ波無電極放電灯装置。

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