JP3400796B2 - 無電極放電ランプ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ波を用い
た無電極放電ランプ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】無電極放電ランプは、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。これによりランプ寿命を大幅に伸ばすこと
が可能となる。こういった特徴から、無電極放電ランプ
は、次世代の高輝度放電ランプとして、近年盛んに研究
が行われている。また、一般的に放電ランプ装置におい
ては、発光部を小さくするほど点光源に近付くため、よ
り理想化した配光設計をすることができる。それゆえ、
発光部であるプラズマの小寸法化が強く求められてい
る。

【０００３】マイクロ波を用いた無電極放電ランプ装置
（マイクロ波励起ランプ装置）の場合、マグネトロンで
マイクロ波を発振させ、導波管を通して、空洞共振器の
中の無電極放電ランプを放電発光させる。このランプ装
置の場合、マイクロ波の周波数によって、空洞共振器の
最小寸法が原理的に決定されてしまい、通常使用される
２．４５ＧＨｚ（波長：１２２ｍｍ）のマイクロ波を用
いる無電極放電ランプ装置においては、安定して放電が
維持できるプラズマアークの寸法は、経験的に約１５ｍ
ｍ以上に限られることがわかっている。このプラズマア
ーク寸法は、光学設計上、点光源とみなして設計可能な
プラズマアーク寸法（例えば、３ｍｍ以下）にはほど遠
いものである。

【０００４】マイクロ波を用いた無電極放電ランプ装置
において、小寸法の発光部を実現できる技術として、特
開平１０−１８９２７０号公報に開示されたものが知ら
れている。以下、図１０を参照しながら、同公報に開示
された無電極放電ランプ装置を説明する。

【０００５】図１０は、同公報に開示された無電極放電
ランプ装置を構成する高周波エネルギー供給手段の構成
を模式的に示している。図１０に示した高周波エネルギ
ー供給手段は、側空洞共振器を複数有し、側空洞共振器
群の円環中央部の共振マイクロ波電場により、放電に必
要なマイクロ波エネルギーを供給する構成を有してい
る。この構成より、空洞共振器よりも小さな空間にマイ
クロ波共振電場を集中して供給することができる。

【０００６】図１０に示した高周波エネルギー供給手段
は、ベイン型共振器であり、このベイン型共振器は、側
空洞共振器群の一例として、導電性材料からなる４枚の
板状のベイン（vane）５２を、同じく導電性材料からな
り円環状に回転対称形状をなす反射鏡兼マイクロ波漏洩
防止シールド５３の内壁面から、中央に向けて突出させ
た構成を有している。ベイン５２の一つは、ハンダ付な
どによって、導波管５４の芯線に接合されており、それ
により、両者は電気的に接続されて、マイクロ波エネル
ギー結合手段（マイクロ波カプラー）５５が形成されて
いる。マイクロ波エネルギー結合手段５５が共振器内の
発振アンテナとして機能することによって、導波管５４
を通じて伝播したマイクロ波エネルギーは、ベイン型共
振器に結合される。なお、ベイン型共振器の寸法は、結
合されるマイクロ波エネルギーの周波数で共振するよう
に予め設計されている。

【０００７】無電極放電ランプ５１は、球形中空の石英
ガラス内部に金属ハロゲン化物など発光材料と希ガスを
封入したランプである。ベイン型共振器の中央部に生じ
たマイクロ波共振電場の中に無電極放電ランプ５１を置
くことにより、無電極放電ランプ５１にマイクロ波エネ
ルギーが供給される。これにより、無電極放電管５１内
のガスが放電を起こし発光する。放電による放射光は、
導体からなる反射鏡５３により反射され、金属網５６を
通じて外部に取り出される。反射鏡５３と金属網５６を
合わせて、マイクロ波漏洩防止手段として機能してい
る。

【０００８】この高周波エネルギー供給手段によれば、
無電極放電ランプにおいて、１０ｍｍ以下の比較的小さ
な寸法のプラズマを放電維持することが可能である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本願発
明者が検討した結果、図１０に示したような側空洞共振
器群を用いた方式には、次のような問題があることが見
出された。まず、曲面で構成される反射鏡の中心軸と垂
直に側空洞共振器群の突出部を設けることが必要となる
ため、比較的小さな寸法のプラズマを放電維持させるこ
とが可能であっても、その構成は複雑になる。この構成
の複雑さは、大量生産化の障害となり、そして、コスト
アップへとつながる。また、この構成では、反射鏡へ向
かう無電極放電ランプ側面方向の放射光が側空洞共振器
群の突出部によって遮られてしまうため、投影光に突出
部の影ができる。その結果、光量が減る、配光にムラが
生じるなどの課題が生じる。

【００１０】本発明はかかる諸点に鑑みてなされたもの
であり、その主な目的は、比較的簡単な構成で、配光性
に優れた無電極放電ランプ装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明による無電極放電
ランプ装置は、ａ）放電管内部に露出した電極を持たな
い無電極放電ランプと、ｂ）マイクロ波共振器と、ｃ）
供給されるマイクロ波エネルギーを、前記マイクロ波共
振器に結合するマイクロ波エネルギー結合手段とを備
え、前記マイクロ波共振器は、開口部を有する、導電性
の反射鏡と、前記反射鏡の前記開口部を覆い、かつ、少
なくとも一部が光を透過させる導電体シールドと、前記
反射鏡の略中心軸に設けられた２つの対向外部電極とか
ら構成されており、前記無電極放電ランプは、前記対向
外部電極の間に配置されており、前記反射鏡の焦点は、
前記対向外部電極の間に位置し、前記マイクロ波エネル
ギー結合手段を介して前記マイクロ波共振器にマイクロ
波エネルギーが供給されると、前記対向外部電極の間に
マイクロ波共振電場が生じ、それにより、前記無電極放
電ランプの放電が起こる。

【００１２】本発明による他の無電極放電ランプ装置
は、ａ）放電管内部に露出した電極を持たない無電極放
電ランプと、ｂ）マイクロ波共振器と、ｃ）供給される
マイクロ波エネルギーを、前記マイクロ波共振器に結合
するマイクロ波エネルギー結合手段と、ｄ）前記マイク
ロ波共振器の外部に設けられた反射鏡とを備え、前記マ
イクロ波共振器は、開口部を有する導電性筒と、前記導
電性筒の前記開口部を覆い、かつ、少なくとも一部が光
を透過させる導電体シールドと、前記導電性筒の略中心
軸に設けられた２つの対向外部電極とから構成されてお
り、前記無電極放電ランプは、前記対向外部電極の間に
配置されており、前記反射鏡の焦点は、前記対向外部電
極の間に位置し、前記マイクロ波エネルギー結合手段を
介して前記マイクロ波共振器にマイクロ波エネルギーが
供給されると、前記対向外部電極の間にマイクロ波共振
電場が生じ、それにより、前記無電極放電ランプの放電
が起こる。

【００１３】前記無電極放電ランプは、前記反射鏡の略
中心軸上に設けられており、かつ、前記導電性筒の略中
心軸上に設けられていることが好ましい。

【００１４】前記対向外部電極間の距離を、前記マイク
ロ波共振器の外部から調整する、距離調整手段が設けら
れていることが好ましい。

【００１５】前記対向外部電極の片方は、前記マイクロ
波エネルギー結合手段を兼ねていることが好ましい。

【００１６】ある好適な実施形態において、前記対向外
部電極の前記片方は、同軸線路から構成されており、前
記マイクロ波エネルギー結合手段は、前記同軸線路の一
端から突出した同軸芯線部である。

【００１７】前記対向外部電極の片方は、前記無電極放
電ランプの支持手段を兼ねていることが好ましい。

【００１８】ある好適な実施形態において、前記支持手
段の内側に始動プローブが設けられている。

【００１９】ある好適な実施形態において、前記反射鏡
の形状は、回転楕円面である。

【００２０】ある好適な実施形態において、前記反射鏡
の前記開口部前面に、前記無電極放電ランプを中心とす
る球面形状の副反射鏡がさらに設けられており、前記副
反射鏡は、前記反射鏡の前記回転楕円面による集光部お
よびその近傍に開口部を有する。

【００２１】さらに、前記無電極放電ランプを冷却する
ための冷却手段を備えていてもよい。

【００２２】ある好適な実施形態において、前記マイク
ロ波エネルギー結合手段に接続される導波管を備えてお
り、前記導波管は、マイクロ波発振器から発生したマイ
クロ波を伝搬する機能を有している。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら、本発
明による実施の形態を説明する。以下の図面において
は、説明の簡潔化のため、実質的に同一の機能を有する
構成要素を同一の参照符号で示す。なお、本発明は以下
の実施形態に限定されない。 （実施の形態１）図１は、本発明による実施の形態１に
かかるマイクロ波共振器と、それを用いた無電極放電ラ
ンプ装置の断面構成を模式的に示している。

【００２４】本実施形態の無電極放電ランプ装置は、無
電極放電ランプ１と、マイクロ波共振器１０と、マイク
ロ波エネルギー結合手段（マイクロ波結合器、または、
マイクロ波カプラー）２ｂとを備えている。無電極放電
ランプ１は、放電管内部に露出した電極を持たないラン
プであり、例えば、球形中空の石英ガラス内部に金属ハ
ロゲン化物などの発光材料が封入された無電極放電ラン
プである。マイクロ波エネルギー結合手段２ｂは、同軸
線４を通して供給されるマイクロ波エネルギーを、マイ
クロ波共振器１０に結合する機能を備えており、例え
ば、アンテナである。図１に示したマイクロ波共振器１
０に、マイクロ波エネルギー結合手段２ｂを介してマイ
クロ波エネルギーが供給されると、対向外部電極（２
ａ、２ｂ）の間にマイクロ波共振電場が生じ、それによ
り、無電極放電ランプ１の放電が起こることになる。

【００２５】マイクロ波共振器１０は、導電性の反射鏡
（例えば、金属反射鏡）３と、反射鏡３の開口部３ａを
覆い、かつ、少なくとも一部が光を透過させる導電体シ
ールド（例えば、金属メッシュ）６と、２つの対向外部
電極（２ａ、２ｂ）とから構成されている。本実施形態
において、反射鏡３は、例えばアルミから構成されてお
り、反射鏡３の形状は、回転楕円面形状である。対向外
部電極（２ａ、２ｂ）は、例えば銅などの金属から構成
されており、反射鏡３の略中心軸上に設けられている。
本実施形態では、銅からなる対向外部電極（２ａ、２
ｂ）を用いているが、アルミからなる対向外部電極を用
いてもよい。また、本実施形態では、対向外部電極（２
ａ、２ｂ）を、反射鏡３の中心軸上に位置づけたが、幾
何学的な中心軸上だけに限らず、その近傍に位置づけて
もよい。

【００２６】対向外部電極（２ａ、２ｂ）の間には、間
隙２ｃがあり、その間隙２ｃに無電極放電ランプ１が配
置されている。また、反射鏡３の回転楕円面の焦点は、
この間隙２ｃの領域に位置している。それゆえ、反射鏡
３の焦点に、無電極放電ランプ１が位置するようにされ
ている。無電極放電ランプ１は、支持手段７によって支
持されている。本実施形態では、片方の外部電極２ａ
が、無電極放電ランプ１の支持手段を兼ねており、図１
に示すように、外部電極２ａの内側に、無電極放電ラン
プ１を支持するための支持棒７が貫通しており、その支
持棒７が無電極放電ランプ１を支持している。そして、
外部電極２ａは、留め具９により保持されている。

【００２７】本実施形態において外部電極２ａは、マイ
クロ波共振器１０の外部から調整可能なように構成され
ている。より詳細に説明すると、外部電極２ａの一部に
は、対向外部電極（２ａ、２ｂ）間の距離を調整する手
段（距離調整器）８が設けられており、この調整手段
（または、間隙調整手段）８は、例えば、ネジや板バネ
などである。この調整手段８により、電気的な接触を維
持しながら軸方向に外部電極２ａの位置を移動させるこ
とができる。したがって、間隙２ｃの距離を自由に変更
することができ、その結果、マイクロ波共振器１０の共
振周波数を調整することができる。また、本実施形態に
おいて外部電極２ｂは、マイクロ波エネルギー結合手段
を兼ねている。より詳細に説明すると、外部電極２ｂ
は、同軸線４の芯線と電気的に接触しており、そして、
外部電極２ｂと、同軸線４の外部導体との両者は、絶縁
体（絶縁体部）５により、絶縁されており、それによっ
て、外部電極２ｂは、マイクロ波エネルギー結合手段
（カプラー）であるアンテナとして機能する。同軸線４
は、マイクロ波を伝搬する導波管であり、マイクロ波を
発生するマイクロ波発振器（例えば、マグネトロン）に
接続されている。

【００２８】次に、本実施形態にかかる無電極放電ラン
プ装置の動作を説明する。マイクロ波発振器（不図示）
から生じたマイクロ波エネルギーは、同軸線４を通じて
伝播し、マイクロ波エネルギー結合手段を兼ねた片方の
外部電極２ｂを通じてマイクロ波共振器１０へと結合さ
れる。このとき、結合されるマイクロ波の周波数と、共
振器１０の周波数が一致するように、適切に金属反射鏡
３や対向外部電極２の寸法を適切に設計する。このよう
に共振器１０を適切に設計した場合、図２に示すよう
に、共振器１０内において共振電磁場が得られる。

【００２９】図２は、共振器１０内に生じる共振電場Ｅ
（図中、実線の矢印）と、共振磁場Ｈ（図中、点線の矢
印）を模式的に示している。共振磁場Ｈは、対向外部電
極２の周辺を回るようにマイクロ共振器１０の全体に広
がっているのに対して、共振電場Ｅは、対向外部電極２
の間隙２ｃに集中しているのがわかる。

【００３０】したがって、この対向外部電極２の間隙２
ｃに無電極放電ランプ１を設けることにより、無電極放
電ランプ１内部の発光材料が励起されて放電発光する。
放電による放射光は、金属反射鏡３により反射され、シ
ールド６を通じて外部に取り出される。つまり、本実施
形態の構成によれば、空洞共振器よりも小さな空間にマ
イクロ波共振電場を集中して供給することができるの
で、図１０に示した構成と同様に１０ｍｍ以下の小寸法
の発光部を実現することができる。そして、そのような
小寸法の発光部を持つ無電極放電ランプを、比較的簡便
な構成にて実現することができる。その結果、大量生産
化が容易で、低コスト化へとつながる構成のマイクロ波
励起型の無電極放電ランプを実現することができる。

【００３１】また、図１０に示した構成の場合と比較し
て、本実施形態の構成の場合には、図１０中のベイン５
２が存在しないので、無電極放電ランプ１の側面方向へ
の放射光が遮られないという利点がある。そのため、側
空洞共振器群を用いる方式（ベイン型共振器）に比べ
て、光量が増えるので光利用率を向上させることがで
き、そして、ムラの少ない配光を得ることができる。さ
らに、図１０に示した構成においては、反射鏡５３の中
心軸と垂直な方向に無電極放電ランプ５１の放電プラズ
マが延在したのに対し、本実施形態の構成では、金属反
射鏡３の中心軸方向に無電極放電ランプ１の放電プラズ
マが延在するので、反射鏡３へ放射される光の量が多く
なり、したがって、金属反射鏡３を通じる光学系での光
利用率をさらに向上させることができる。

【００３２】本実施形態の無電極放電ランプにおけるマ
イクロ波共振器１０の共振周波数を所望の周波数に合わ
せるために、種々の形状のマイクロ波共振器１０を、例
えば金型の段階から一つずつ作製して、それを実験的に
検討することは、極めて困難であり、現実的ではない。
このような多くのパラメータを持つ複雑な形状の共振器
を設計するには、計算機による有限要素法解析が有用で
ある。そこで、本願発明者は、有限要素法を用いた解析
を行った。その解析結果を以下説明する。

【００３３】図３は、解析に用いた有限要素法モデルの
寸法パラメータを示している。金属反射鏡３の設計に必
要なパラメータを挙げると、焦点までの距離ｆ、高さ
ｄ、開口部半径ｒである。そして、対向外部電極２のパ
ラメータは、半径Ｒ、間隙距離Ｄである。以上のパラメ
ータをいくつか振ったモデルに対して、解析を行った結
果を下記の表１に示す。

【００３４】

【表１】

【００３５】表１中のＣＡＳＥ Ｎｏ．１、２、３で
は、金属反射鏡３の高さｄと焦点までの距離ｆをパラメ
ータとして振っている。ＣＡＳＥ Ｎｏ．１、２、３か
ら、高さｄを大きくするほど共振周波数が低くなること
が分かる。また、Ｎｏ．２、４、５からは、対向外部電
極２の間隙距離Ｄを大きくするほど、共振周波数が高く
なることが分かる。したがって、図１の間隙調整手段８
を利用することにより、共振周波数を調整することが可
能であることも分かる。

【００３６】また、Ｎｏ．２、６、７を比較すると対向
外部電極２の太さＲを変化させた場合の傾向が見られる
はずであるが、一定の変化傾向は見られず、共振周波数
の差も上記２つの傾向に比べて小さい。したがって、対
向外部電極２の大きさの変化は、共振周波数にあまり影
響を与えないことが分かる。

【００３７】一般的に、マイクロ波無電極放電ランプで
使用される周波数は、ＩＳＭ帯の２．４５ＧＨｚであ
る。したがって、表１中の例ではＮｏ．２の寸法を基準
として実際のマイクロ波共振器を試作し、実験を元に最
適な寸法を決定すればよい。

【００３８】次に、図４から図６を参照しながら、表１
中に示した解析データの詳細をさらに説明する。

【００３９】図４（ａ）および（ｂ）は、金属反射鏡３
の高さｄをパラメータとして変更したシミュレーション
結果を示している。図４（ａ）は、各高さｄについて、
共振周波数ｆ（ＧＨｚ）と、共振電場Ｅ（任意単位）と
の関係を示している。そして、図４（ｂ）は、高さｄ
と、共振周波数ｆ_res（ＧＨｚ）との関係を示してい
る。図４（ａ）中のＣＡＳＥ１、２、３は、表１中のＣ
ＡＳＥ Ｎｏ．１、２、３の寸法のもののシミュレーシ
ョン結果を表している。なお、図４（ａ）の縦軸は、対
数目盛りで表記している。

【００４０】上記表１についての説明でも述べたとお
り、高さｄを大きくするほど共振周波数が低くなること
が図４（ｂ）から理解できる。また、この高さｄの大き
さが、他のパラメータに比べて共鳴周波数の変化に最も
寄与することがわかった。これは、高さｄを変更する
と、金属反射鏡３の断面積が変化するので、それゆえに
影響力が大きいものと思われる。したがって、高さｄの
パラメータの設定には十分に検討を行うことが望まし
い。ＣＡＳＥ１、２、３の中では、共振周波数が２．４
５ＧＨｚに最も近いＣＡＳＥ２のランプを基本にして設
計を進めるのが便利である。

【００４１】図５（ａ）および（ｂ）は、間隙距離Ｄを
パラメータとして変更したシミュレーション結果を示し
ている。図５（ａ）は、各間隙距離Ｄについて、共振周
波数ｆ（ＧＨｚ）と、共振電場Ｅ（任意単位）との関係
を示している。そして、図５（ｂ）は、間隙距離Ｄと、
共振周波数ｆ_res（ＧＨｚ）との関係を示している。図
５（ａ）中のＤ＝６ｍｍ、８ｍｍ、１０ｍｍは、それぞ
れ、表１中のＣＡＳＥＮｏ．４、２、５の寸法のものの
シミュレーション結果を表している。なお、図５（ａ）
の縦軸は、対数目盛りで表記している。

【００４２】図５（ｂ）から理解できるように、間隙距
離Ｄを大きくするほど、共振周波数が高くなることがわ
かる。そして、共振周波数を２．４５ＧＨｚの近傍にす
るには、間隙距離Ｄを６〜８ｍｍの範囲に設定すること
が好ましいことがわかる。

【００４３】図６（ａ）および（ｂ）は、対向外部電極
２の太さＲをパラメータとして変更したシミュレーショ
ン結果を示している。図６（ａ）は、各太さＲ（半径）
について、共振周波数ｆ（ＧＨｚ）と、共振電場Ｅ（任
意単位）との関係を示している。そして、図６（ｂ）
は、各太さ２Ｒ（直径）と、共振周波数ｆ_res（ＧＨ
ｚ）との関係を示している。図６（ａ）中のＲ＝０．５
ｍｍ、１．５ｍｍ、２．５ｍｍは、それぞれ、表１中の
ＣＡＳＥ Ｎｏ．６、２、７の寸法のもののシミュレー
ション結果を表している。なお、図６（ａ）の縦軸は、
対数目盛りで表記している。

【００４４】図６（ａ）および（ｂ）から理解できるよ
うに、共振周波数は、それほど太さＲに依存しておら
ず、太さＲの自由度は比較的大きいことがわかる。

【００４５】次に、本願発明者が試作した無電極放電ラ
ンプ装置の構成を図７に示す。図７に示した構成の無電
極放電ランプ装置は、表１のＣＡＳＥ Ｎｏ．２の寸法
に相当するものである。すなわち、図３に示したパラメ
ータにおいて、ｄ＝４０、ｒ＝３０、ｆ＝１０、Ｄ＝
８、Ｒ＝１．５の場合の無電極放電ランプである。

【００４６】図７に示した構成の無電極放電ランプ１
は、球形中空の石英ガラスから構成されており、球の外
径および内径は、それぞれ、６ｍｍおよび４ｍｍであ
る。無電極放電ランプ１の封入物は、ＩｎＢｒ（０．４
ｍｇ／０．０３３ｃｃ）と、Ａｒガス（５０Ｔｏｒｒ；
約６６７０Ｐａ）であり、水銀（Ｈｇ）は含まれていな
い。すなわち、無電極放電ランプ１は、無水銀のランプ
である。ＩｎＢｒを封入した理由を述べると、ＩｎＢｒ
は、可視域全般にわたって発光スペクトルを有してお
り、太陽光に近いスペクトルを示す良好な発光物質だか
らである。なお、勿論、発光物質として水銀を封入して
もよい。また、ＩｎＢｒに代えて、またはＩｎＢｒとと
もに、他の封入物を封入してもよい。

【００４７】図７に示した構成は、図１に示した構成と
比べて次の改変を行っている。すなわち、図７に示した
構成においては、マイクロ波エネルギー結合手段を兼ね
る外部電極２ｂを上側に設け、外部電極２ｂとして同軸
線（外径；約４ｍｍ）を用い、そして、同軸線の芯線４
ａ（外径；約１ｍｍ）を外部電極２ｂの端面から突出さ
せている。この突出部がアンテナとして機能する。な
お、この突出長さをアンテナ突出長（Ｌ）と呼ぶことと
する。下側には、無電極放電ランプ１を支持する支持手
段７を兼ねる外部電極２ａが設けられている。外部電極
２ａは、中空の銅管（外径；約４ｍｍ）であり、銅管の
内側に、無電極放電ランプ１を支持する支持棒７が挿入
されている。この支持棒７は、石英ガラスから構成され
ているが、同様に耐熱性に優れたセラミック等から構成
してもよい。金属反射鏡３は、アルミ反射鏡であり、そ
の外側には、支持具１３が設けられている。なお、図１
の構成と同様に、反射鏡３の開口部３ａには、金属メッ
シュ６が設けられている。

【００４８】図８は、図７に示した無電極放電ランプ装
置におけるアンテナ突出長Ｌ（ｍｍ）、電極間距離（間
隙距離）Ｄを変更させた場合の共振周波数ｆ（ＧＨｚ）
およびＱ値の実測値を示している。図８（ａ）は、アン
テナ突出長Ｌ（ｍｍ）と共振周波数ｆ（ＧＨｚ）との関
係を示し、図８（ｂ）は、電極間距離Ｄ（ｍｍ）と共振
周波数ｆ（ＧＨｚ）との関係を示し、そして、図８
（ｃ）は、アンテナ突出長Ｌ（ｍｍ）とＱ値との関係を
示している。

【００４９】図８（ａ）に示すように、アンテナ突出長
Ｌ（ｍｍ）を大きくするほど、共振周波数ｆ（ＧＨｚ）
が低下することがわかった。すなわち、アンテナ突出長
Ｌによって、共振周波数ｆを調整できることがわかっ
た。図８（ｂ）に示すように、電極間距離Ｄを小さくす
るほど、共振周波数ｆ（ＧＨｚ）は低下しているので、
図８（ｂ）の結果を考慮すると、アンテナ突出長Ｌ（ｍ
ｍ）を大きくすることは、電極間距離Ｄを小さくするこ
とに対応することになるかもしれない。

【００５０】図８（ｃ）に示すように、アンテナ突出長
Ｌ（ｍｍ）により、Ｑ値が変更することもわかった。Ｑ
値が低いとランプの点灯が良好でなくなることがあるの
で、Ｑ値の値が比較的高い範囲となる２．０ｍｍ以上
３．０ｍｍ以下のアンテナ突出長Ｌにすることが好まし
い。

【００５１】なお、本実施形態明では、反射鏡３とし
て、回転楕円面の金属反射鏡を１つ用いた構成について
説明したが、楕円面反射鏡の前面に無電極放電ランプ１
を中心とする球面形状の副反射鏡を設けることも可能で
ある。当該副反射鏡の構成が、反射鏡３の回伝楕円面に
よる集光部およびその近傍に開口部を有するものである
場合、金属反射鏡３からの所望のビーム光以外の不用な
光を金属反射鏡３に戻した上で、当該副反射鏡の開口部
から出射させることができるため、有効光束を上げるこ
とができる。つまり、金属反射鏡３で反射せずに、無電
極放電ランプ１から直接、金属反射鏡３の開口部３ｂか
ら出射する光は、光学系にとって不要の光となるとこ
ろ、副反射鏡を設ければ、有効光束を向上させることが
できる。

【００５２】さらに、本実施形態においては、反射鏡３
を構成した例で示したが、これに限定されず、誘電体か
らなる反射鏡の内面を導電性メッシュなどで覆った構成
の反射鏡を用いてもよい。例えば、ガラスからなる反射
鏡の内面にアルミメッシュパターンを形成した反射鏡を
用いてもよい。また、本実施形態では、マイクロ波を閉
じ込めるための導電体シールド６として、金属メッシュ
を用いたが、これに限定されず、透光性の誘電体基板
（ガラス板やセラミック板）の内面（反射鏡３側の面）
を導電性メッシュで覆った導電体シールドでもよく、ま
たは、透光性の誘電体基板の内面上に、アルミまたは銅
のメッシュパターンや、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。

【００５３】本実施形態の無電極放電ランプ装置によれ
ば、無電極放電ランプ１と、マイクロ波共振器１０と、
マイクロ波エネルギー結合手段（２ｂまたは４ａ）とを
備え、マイクロ波共振器１０が、反射鏡３の略中心軸に
設けられた２つの対向外部電極２（２ａ、２ｂ）とを含
んでいるので、図１０に示した構成と比べて、比較的簡
単な構成で、優れた配光性を示すことができる。また、
光量を増やして、光の利用効率も向上させることもでき
る。つまり、小寸法発光が可能な無電極放電ランプ装置
でありながら、より簡単な構成で、より大きな光出力と
よりムラの少ない配光を得ることができる。本実施形態
の無電極放電ランプ装置は、比較的小さい発光部を実現
できるので、実質的に点光源として利用可能な用途に好
適に適用することができる。例えば、画像投写装置用の
光源や、競技場・広場照明、スポットライト、道路標識
を照らす投光器用の光源、および一般照明用として広く
使用することができる。また、無電極放電ランプ１は、
バルブ内に露出した電極を持っていないので、有電極放
電ランプと比較して、ランプ寿命を大幅に伸ばすことが
できるという利点も備えている。 （実施の形態２）次に、図９を参照しながら、本発明に
よる実施の形態２にかかる無電極放電ランプ装置を説明
する。本実施形態にかかる無電極放電ランプ装置は、導
電性筒２０を備えている点において、上記実施形態１の
無電極放電ランプと異なる。本実施形態の説明の簡潔化
を図るため、以下では、実施形態１と異なる点を主に説
明し、実施形態１と同様の点の説明は省略または簡略化
する。

【００５４】図９は、本実施形態にかかるマイクロ波共
振器と、それを用いた無電極放電ランプ装置の断面構成
を模式的に示している。

【００５５】図９に示したマイクロ波共振器１０は、円
筒形状の金属メッシュからなる導電性筒２０を備えてお
り、導電性筒２０の両端は、金属のシールド６により閉
じられている。導電性筒２０の一部は、回転楕円面形状
の反射鏡３の略中心軸上に開けられた穴の中に配置され
ている。導電性筒２０の略中心軸上には、アルミなどの
金属からなる対向外部電極（２ａ、２ｂ）が設けられて
おり、対向外部電極２ａと２ｂの間には間隙２ｃがあ
る。間隙２ｃは、反射鏡３の回転楕円面の焦点を含んで
おり、無電極放電ランプ１は、反射鏡３の焦点、すなわ
ち間隙２ｃに設けられている。また、無電極放電ランプ
１は、導電性筒２０の略中心軸上に設けられている。

【００５６】上記実施形態１と同様に、片方の外部電極
２ａの内側には、無電極放電ランプ１を支持するための
支持棒７が貫通しており、留め具９により保持されてい
る。そして、マイクロ波共振器の外部から片方の外部電
極２ａの位置を調整するための位置調整器８も設けられ
ている。この位置調整器（間隙調整手段）８は、例え
ば、ネジや板バネなどであり、これにより、電気的な接
触を保ちつつ軸方向に外部電極２ａを移動することがで
きる。したがって、位置調整器（間隙調整手段）８によ
り間隙２ｃの距離を変更でき、マイクロ波共振器１０の
共振周波数を調整することができる。

【００５７】同軸線４の芯線は、片方の外部電極２ｂと
電気的に接触している。同軸線４は、絶縁体５を介して
外部電極２ｂに連結されているため、同軸線４の外部導
体と、片方の外部電極２ｂとは互いに絶縁され、外部電
極２ｂは、マイクロ波エネルギー結合手段であるアンテ
ナとして機能する。

【００５８】以上のように構成された無電極放電ランプ
装置について、以下、その動作を述べる。マイクロ波発
振器から生じたマイクロ波エネルギーは同軸線４を通じ
て伝播し、マイクロ波エネルギー結合手段を兼ねた片方
の外部電極２ｂを通じてマイクロ波共振器へと結合され
る。このとき、結合されるマイクロ波の周波数と、共振
器の周波数が一致するように、導電性筒２０や対向外部
電極２の寸法を適切に設計することにより、上記実施形
態１と同様に対向外部電極２の間隙２ｃに共振電場が得
られる。したがって、この対向外部電極２の間隙２ｃに
無電極放電ランプ１を設けることにより、無電極放電ラ
ンプ１内部の発光材料が励起され放電発光する。放電に
よる放射光は、シールド６を通じて外部に取り出され、
反射鏡３により反射される。

【００５９】本実施形態の構成の場合、上記実施形態１
の構成と比較して、反射鏡３がマイクロ波共振器（導電
性筒２０）の外部に設けられているため、反射鏡３は導
電性でなくてもよい。それゆえ、金属でも誘電体でも所
望の材料を用いて、反射鏡３を構成することができる。
また、反射鏡３の形状がマイクロ波共振器の共振周波数
に影響を与えないため、ひとつのマイクロ波共振器の設
計で多くの反射鏡形状に対応することができ、光学設計
の自由度が高くなる。

【００６０】なお、本実施形態においては、導電性筒２
０を円筒形状で構成した例を示したが、四角などのその
他の形状にしても同様に実施可能である。また、対向外
部電極（２ａ、２ｂ）は、図７に示した構成のようにし
てもよい。

【００６１】上述した実施形態１および２では、反射鏡
３を回転楕円面で構成した例で説明したが、その他の回
転放物面や球面あるいは角形楕円面などの様々な形状の
反射鏡についても同様に実施可能である。また、実施形
態１および２では、片方の外部電極２ａを無電極放電ラ
ンプ１の支持手段とするため、無電極放電ランプ１から
延在した支持棒７を含む形態で示したが、反対に支持棒
の内側に外部電極２ａが含まれる形態にしてもよい。

【００６２】さらに、実施形態１および２では、片方の
外部電極２ａを無電極放電ランプの支持手段、もう一方
の外部電極２ｂをマイクロ波エネルギー結合手段とした
構成を示した。しかし、この構成に限定されず、対向外
部電極２とは全く別にマイクロ波エネルギー結合手段と
無電極放電ランプ支持手段とを設けてもよい。例えば、
支持手段を側方に設けてもよい。そして、マイクロ波エ
ネルギー結合手段をループアンテナで行っても同様に実
施可能である。また、マイクロ波エネルギー結合手段
は、マイクロ波をマイクロ波共振器にカップリングでき
ればよいので、例えば、マイクロ波共振器に開口部が形
成されてなる給電口であってもよい。

【００６３】また、実施形態１および２において、無電
極放電ランプ１を球形の石英ガラスで構成した例で示し
たが、円筒形や楕円形の形状であっても、また透光性セ
ラミックなどの材料であっても同様に実施可能である。

【００６４】そして、片方の外部電極２ａの内部に無電
極放電ランプの支持棒７を設けた例で説明したが、支持
棒７を中空とし、その中に導電性の始動プローブを設け
た構成に改変してもよい。このような構成の場合、始動
時に高圧パルスを、当該始動プローブに印加することに
よって、無電極放電ランプ１の始動を確実にすることが
できる。

【００６５】さらに、実施形態１および２の無電極放電
ランプ装置に、無電極放電ランプ１を冷却する冷却手段
を設けるようにしてもよい。例えば、無電極放電ランプ
１に冷却ガスを吹き付けるなどの冷却器または冷風器を
設けたり、空冷の冷却部材を無電極放電ランプ１に接触
させるようにしてもよい。また、無電極放電ランプ１の
熱を外部まで伝播させて冷却させる器具を取り付けても
よい。さらに、冷却手段として、例えば反射鏡３の一部
に開口部を設け、それにより、反射鏡３内部の温度上昇
を抑制して、動作中の無電極放電ランプ１を冷却するよ
うにしてもよい。無電極放電ランプの冷却手段を設ける
ことにより、無電極放電ランプ１への入力電力限界を上
げることができる。

【００６６】

【発明の効果】本発明の無電極放電ランプ装置によれ
ば、無電極放電ランプと、マイクロ波共振器と、マイク
ロ波エネルギー結合手段とを備え、マイクロ波共振器
が、反射鏡の略中心軸に設けられた２つの対向外部電極
を含んでいるので、比較的簡単な構成で、優れた配光性
を示すことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による実施形態１にかかる無電極放電ラ
ンプ装置の構成を模式的に示す断面図である。

【図２】マイクロ波共振器内部の電磁場を示す斜視図で
ある。

【図３】マイクロ波共振器の解析パラメータを説明する
ための断面図である。

【図４】（ａ）および（ｂ）は、金属反射鏡の高さｄを
パラメータとして変更したシミュレーション結果を示す
グラフである。

【図５】（ａ）および（ｂ）は、間隙距離Ｄをパラメー
タとして変更したシミュレーション結果を示すグラフで
ある。

【図６】（ａ）および（ｂ）は、対向外部電極の太さＲ
をパラメータとして変更したシミュレーション結果を示
すグラフである。

【図７】本発明による実施形態１にかかる無電極放電ラ
ンプ装置の他の構成を模式的に示す断面図である。

【図８】（ａ）は、アンテナ突出長Ｌと共振周波数ｆと
の関係を示すグラフであり、（ｂ）は、電極間距離Ｄと
共振周波数ｆとの関係を示すグラフであり、そして、
（ｃ）は、アンテナ突出長ＬとＱ値との関係を示すグラ
フである。

【図９】本発明による実施形態２にかかる無電極放電ラ
ンプ装置の構成を模式的に示す断面図である。

【図１０】従来の無電極放電ランプ装置を模式的に示す
斜視図である。

【符号の説明】

１ 無電極放電ランプ ２ 対向外部電極 ３ 反射鏡 ４ 同軸線（導波管） ６ シールド ７ 支持棒（支持手段） ８ 距離調整部材（間隙調整手段） ９ 留め具 １０ マイクロ波共振器 １３ 支持具 ２０ 導電性筒 ５１ 無電極放電ランプ ５２ ベイン ５３ 反射鏡 ５４ 同軸線路 ５５ マイクロ波エネルギー結合手段 ５６ 金属網

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平９−17216（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−124050（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−107877（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−159056（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−100353（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 65/04

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ａ）放電管内部に露出した電極を持たな
   い無電極放電ランプと、 ｂ）マイクロ波共振器と、 ｃ）供給されるマイクロ波エネルギーを、前記マイクロ
   波共振器に結合するマイクロ波エネルギー結合手段とを
   備え、 前記マイクロ波共振器は、 開口部を有する、導電性の反射鏡と、 前記反射鏡の前記開口部を覆い、かつ、少なくとも一部
   が光を透過させる導電体シールドと、 前記反射鏡の略中心軸に設けられた２つの対向外部電極
   とから構成されており、 前記無電極放電ランプは、前記対向外部電極の間に配置
   されており、 前記反射鏡の焦点は、前記対向外部電極の間に位置し、 前記マイクロ波エネルギー結合手段を介して前記マイク
   ロ波共振器にマイクロ波エネルギーが供給されると、前
   記対向外部電極の間にマイクロ波共振電場が生じ、それ
   により、前記無電極放電ランプの放電が起こる、無電極
   放電ランプ装置。
2. 【請求項２】 ａ）放電管内部に露出した電極を持たな
   い無電極放電ランプと、 ｂ）マイクロ波共振器と、 ｃ）供給されるマイクロ波エネルギーを、前記マイクロ
   波共振器に結合するマイクロ波エネルギー結合手段と、 ｄ）前記マイクロ波共振器の外部に設けられた反射鏡と
   を備え、 前記マイクロ波共振器は、 開口部を有する導電性筒と、 前記導電性筒の前記開口部を覆い、かつ、少なくとも一
   部が光を透過させる導電体シールドと、 前記導電性筒の略中心軸に設けられた２つの対向外部電
   極とから構成されており、 前記無電極放電ランプは、前記対向外部電極の間に配置
   されており、 前記反射鏡の焦点は、前記対向外部電極の間に位置し、 前記マイクロ波エネルギー結合手段を介して前記マイク
   ロ波共振器にマイクロ波エネルギーが供給されると、前
   記対向外部電極の間にマイクロ波共振電場が生じ、それ
   により、前記無電極放電ランプの放電が起こる、無電極
   放電ランプ装置。
3. 【請求項３】 前記無電極放電ランプは、前記反射鏡の
   略中心軸上に設けられており、かつ、前記導電性筒の略
   中心軸上に設けられている、請求項２に記載の無電極放
   電ランプ装置。
4. 【請求項４】 前記対向外部電極間の距離を、前記マイ
   クロ波共振器の外部から調整する手段をさらに備えてい
   る、請求項１から３の何れか一つに記載の無電極放電ラ
   ンプ装置。
5. 【請求項５】 前記対向外部電極の片方は、前記マイク
   ロ波エネルギー結合手段を兼ねている、請求項１から４
   の何れか一つに記載の無電極放電ランプ装置。
6. 【請求項６】 前記対向外部電極の前記片方は、同軸線
   路から構成されており、前記マイクロ波エネルギー結合
   手段は、前記同軸線路の一端から突出した同軸芯線部で
   ある、請求項５に記載の無電極放電ランプ装置。
7. 【請求項７】 前記対向外部電極の片方は、前記無電極
   放電ランプの支持手段を兼ねている、請求項１から４の
   何れか一つに記載の無電極放電ランプ装置。
8. 【請求項８】 前記支持手段の内側に始動プローブが設
   けられている、請求項７に記載の無電極放電ランプ装
   置。
9. 【請求項９】 前記反射鏡の形状は、回転楕円面であ
   る、請求項１または２に記載の無電極放電ランプ装置。
10. 【請求項１０】 前記反射鏡の前記開口部前面に、前記
    無電極放電ランプを中心とする球面形状の副反射鏡がさ
    らに設けられており、 前記副反射鏡は、前記反射鏡の前記回転楕円面による集
    光部およびその近傍に開口部を有する、請求項９に記載
    の無電極放電ランプ装置。
11. 【請求項１１】 さらに、前記無電極放電ランプを冷却
    するための冷却手段を備えている、請求項１から１０の
    何れか一つに記載の無電極放電ランプ装置。
12. 【請求項１２】 前記マイクロ波エネルギー結合手段に
    接続される導波管を備えており、 前記導波管は、マイクロ波発振器から発生したマイクロ
    波を伝搬する機能を有している、請求項１から１１の何
    れか一つに記載の無電極放電ランプ装置。