JP2000348889A - 高周波エネルギー供給装置および高周波無電極放電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 側空洞共振器群の導電性突出部の先端部から
のコロナ放電の発生を抑制することが可能な高周波エネ
ルギー供給装置を提供する。 【解決手段】 高周波エネルギー供給装置１０は、複数
の導電性突出部１４を有する側空洞共振器群１２と、複
数の導電性突出部１４の少なくとも１つの先端部２１の
近傍において異常放電が発生することを抑制する抑制手
段とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高周波エネルギー
供給装置およびそれを用いた高周波無電極放電装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】高周波無電極放電ランプは、有電極アー
ク放電ランプに比べて、電磁エネルギーを充填物に結合
しやすく、放電発光のための充填物から水銀を省くこと
が可能であり、かつ電極損失が無いことなどから高発光
効率化が望めるといった優れた利点を持つ。また、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。これらの特徴から、高周波
無電極放電ランプは次世代の高輝度放電ランプとして、
研究が近年盛んに行われている。

【０００３】また、一般的に放電ランプ装置において
は、光源を小さくするほど点光源に近付き、配光設計が
より理想化できるため、光源であるプラズマアークの小
寸法化が強く求められる。例えば、標準的な液晶ビデオ
プロジェクター等への応用を考えると、放射光の利用効
率を高めるための光学設計上の都合から、約３ｍｍ以下
のプラズマアーク寸法が求められている。一方、無電極
放電ランプではプラズマアークの寸法は、バルブの内径
によって決定されているが、従来使用されてきた空洞共
振器を使用する高周波無電極放電ランプ装置は、波長に
よってプラズマ寸法の小型化が制限されるため、高輝度
の点光源が求められる応用分野には適さなかった。そこ
で、空洞共振器よりも小さな空間に高周波共振電磁場を
集中させることが可能な高周波エネルギー供給装置が近
年開発されてきている。

【０００４】以下、特開平１０−１８９２７０号公報に
記載されている従来の高周波エネルギー供給装置１２０
を説明する。

【０００５】高周波エネルギー供給装置１２０は、複数
の側空洞共振器（すなわち、側空洞共振器群）を含む。
側空洞共振器群は、環状の導電性材料からなる電磁誘導
性機能部と、空隙からなる電気容量性機能部とを有す
る。側空洞共振器群は、それの内側において電気容量性
機能部が互いに対向するように円環状に配置されてい
る。側空洞共振器群は、側空洞共振器群の中央部に発生
する共振高周波電磁場を用いて、放電に必要な高周波エ
ネルギーを負荷に供給する。これにより、従来の空洞共
振器よりも小さな空間に高周波共振電磁場を集中させる
ことができる。その結果、従来の空洞共振器よりも小さ
い空間に高周波エネルギーを供給することが可能にな
る。

【０００６】図１２は、従来の高周波エネルギー供給装
置１２０の側空洞共振器群の一例としてベイン型共振器
１２２の構造を示す。ベイン型共振器１２２は、円筒１
２５と、円筒１２５の内周から円筒１２５の中央に向か
って延びる８枚の板状のベイン１２４とを有している。
円筒１２５およびベイン１２４は、導電性材料からな
る。

【０００７】円筒１２５の内周面と互いに隣接する２つ
のベイン１２４が対向する面とこれらの面によって定義
される空間が電磁誘導性機能部として働く。互いに隣接
する２つのベイン１２４とそれらの間の空隙が電気容量
性機能部として働く。

【０００８】高周波発振器（図示せず）から伝播される
高周波エネルギーは、電界結合型高周波結合部１２３と
しての結合アンテナ１３３を介してベイン型共振器１２
２に結合される。結合アンテナ１３３は、８枚のベイン
１２４のうちの１つにカシメまたは溶接により電気的に
接合されている。なお、ベイン型共振器１２２は、結合
される高周波エネルギーの周波数において共振するよう
に予め設計されている。このようにして、ベイン型共振
器１２２の中央部に生じた共振高周波電界Ｅを用いて、
ベイン型共振器１２２の中央部に配置された無電極放電
ランプなどの負荷１２１に必要な高周波エネルギーが供
給される。

【０００９】ここで、ベイン型共振器１２２に含まれる
側空洞共振器の数はＮ個であり、ベイン型共振器１２２
は、互いに隣接する側空洞共振器の位相が２π／Ｎずつ
ずれたモードで駆動されるように設計されていると仮定
する。この場合、あるベイン１２４の電荷とそれに対向
するベイン１２４の電荷とは、反対の極性を持つ。これ
らの電荷により生じる共振高周波電界Ｅは、ベイン型共
振器１２２の中央部の直径方向を指向しており、無電極
放電ランプなどの負荷１２１を横切って行く分布を持
つ。この２π／Ｎモードでベイン型共振器１２２を動作
させる場合に、無電極放電ランプなどの負荷１２１が配
置された中央部において、最も強い電界を得ることがで
きる。

【００１０】図１３は、側空洞共振器群１３２を有する
従来の高周波無電極放電ランプ装置１３０の構造を示
す。側空洞共振器群１３２は、例えば、図１２に示され
るベイン型共振器１２２である。

【００１１】無電極放電ランプ１３１は、高周波によっ
て放電発光する可電離媒体を充填した球形の石英ガラス
からなる。無電極放電ランプ１３１は、石英ガラスから
なる支持棒によって側空洞共振器群１３２の中央部に支
持されている。

【００１２】参照番号１３９は金属導体からなる高周波
導波管を示し、参照番号１３７は高周波を励振するため
のマグネトロンを示す。高周波導波管１３９の内部に発
振アンテナ１３８が設けられている。この発振アンテナ
１３８から発振される高周波の周波数に、側空洞共振器
群１３２の共振周波数が一致するように側空洞共振器群
１３２の各部寸法は設計されている。

【００１３】高電圧電源よりマグネトロン１３７に高電
圧を加えることで高周波導波管１３９の内部に高周波が
励振され、その伝播した高周波は、結合アンテナ１３３
によって側空洞共振器群１３２に結合される。結合アン
テナ１３３は、誘電体からなる結合アンテナ支持部１３
６によって、適切な位置に固定される。

【００１４】側空洞共振器群１３２の中央部に発生した
共振高周波電磁場により、無電極放電ランプ１３１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１３４により反射され、金属網１３５を通じて
外部に取り出される。反射鏡１３４と金属網１３５と
が、高周波漏洩防止手段として機能している。

【００１５】特開平１０−１８９２７０号公報に記載の
高周波エネルギー供給装置によれば、高周波無電極放電
においても、１０ｍｍ以下の比較的小さな寸法のプラズ
マアークを放電維持することが可能である。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】本願の発明者らは、上
述した従来の高周波エネルギー供給装置１２０によれ
ば、強く集中した共振電界のため、無電極放電ランプな
どの負荷に整合よくエネルギー供給ができなかった場合
に、側空洞共振器群（例えば、ベイン型共振器１２２）
の導体性突出部（例えば、ベイン１２４）の先端部から
側空洞共振器群内の大気に対してコロナ放電によるアー
キングが起こることを発見した。例えば、図１２に示さ
れる参照番号１２６は、ベイン１２４の先端部において
コロナ放電によるアーキングが発生していることを模式
的に示している。

【００１７】このようなコロナ放電がおきると、そこで
多くの高周波エネルギーが損失されるため、十分な高周
波エネルギーを負荷に供給することができないという課
題がある。また、側空洞共振器群内の大気が強いコロナ
放電を長時間起こすと、無電極放電ランプのガラスや、
高周波シールドあるいは側空洞共振器群そのものなどを
溶融破壊してしまうおそれがあるという課題もある。

【００１８】なお、特開平１０−１８９２７０号公報
は、コロナ放電によるアーキングが発生することや、上
述した課題には言及していない。

【００１９】本発明は、側空洞共振器群の導電性突出部
の先端部からのコロナ放電の発生を抑制することが可能
な高周波エネルギー供給装置およびそれを用いた高周波
無電極放電装置を提供することを目的とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明の高周波エネルギ
ー供給装置は、複数の導電性突出部を有する側空洞共振
器群と、前記複数の導電性突出部の少なくとも１つの先
端部の近傍において異常放電が発生することを抑制する
抑制手段とを備えており、これにより、上記目的が達成
される。

【００２１】前記複数の導電性突出部の少なくとも１つ
の先端部に角丸めまたは面取りが施されていてもよい。

【００２２】前記複数の導電性突出部の少なくとも１つ
の先端部の周辺雰囲気の圧力が、大気圧に比べて異常放
電が起こりにくい圧力に設定されていてもよい。

【００２３】前記高周波エネルギー供給装置は、前記複
数の導電性突出部の少なくとも１つの先端部を覆う誘電
体をさらに備え、前記誘電体は、大気の絶縁破壊の強さ
より大きい絶縁破壊の強さを有していてもよい。

【００２４】前記側空洞共振器群は、ベイン型共振器で
あってもよい。

【００２５】本発明の高周波無電極放電装置は、無電極
放電発生部と、前記無電極放電発生部に高周波エネルギ
ーを供給する高周波エネルギー供給装置とを備え、前記
高周波エネルギー供給装置は、複数の導電性突出部を有
する側空洞共振器群と、前記複数の導電性突出部の少な
くとも１つの先端部の近傍において異常放電が発生する
ことを抑制する抑制手段とを含んでおり、これにより、
上記目的が達成される。

【００２６】前記抑制手段は、前記無電極放電発生部に
おいて放電が確実に始動するようにアシストするアシス
ト手段を含んでいてもよい。

【００２７】本発明の他の高周波無電極放電装置は、無
電極放電発生部と、前記無電極放電発生部に高周波エネ
ルギーを供給する高周波エネルギー供給装置と、前記無
電極放電発生部において放電が確実に始動するようにア
シストするアシスト手段とを備えており、これにより、
上記目的が達成される。

【００２８】前記アシスト手段は、前記無電極放電発生
部を支持し、始動補助電極を含む支持部材と、前記始動
補助電極に高電圧パルスを印加する始動回路とを含んで
いてもよい。

【００２９】前記アシスト手段は、前記無電極放電発生
部を支持し、希ガスを封入する支持部材と、前記支持部
材に接続された高電圧印加電極と、前記高電圧印加電極
に高電圧パルスを印加することにより、前記支持部材の
内部に希ガス放電を起こす始動回路とを含んでいてもよ
い。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態を説明する。

【００３１】なお、本明細書内における「高周波」と
は、１ＭＨｚ〜１００ＧＨｚの周波数の電磁波を指す。
特に、周波数範囲が３００ＭＨｚ〜３０ＧＨｚの「マイ
クロ波」周波数において、本発明は好適な効果を得るこ
とが出来る。

【００３２】（実施の形態１）図１は、本発明の実施の
形態１の高周波エネルギー供給装置１０の構成を示す。

【００３３】高周波エネルギー供給装置１０は、側空洞
共振器群としてベイン型共振器１２を含む。

【００３４】ベイン型共振器１２は、円筒１５と、円筒
１５の内周から円筒１５の中心に向かって延びる８枚の
板状のベイン１４とを有している。円筒１５およびベイ
ン１４は、導電性材料からなる。円筒１５の内半径は、
例えば、２０ｍｍである。ベイン１４の板厚は、例え
ば、２．５ｍｍである。ベイン１４は、導電性突出部と
も呼ばれる。

【００３５】隣接する一対のベイン１４と隣接する一対
のベイン１４の間隙とによって１つの側空洞共振器が形
成される。複数の側空洞共振器を実質的に環状に結合す
ることにより、ベイン型共振器１２が形成される。複数
の側空洞共振器は電気的に結合されていれば足り、複数
の側空洞共振器が物理的に一体になっていることは必ず
しも要求されない。図１は、８つの側空洞共振器（側空
洞共振器群）が一体的に形成されているベイン型共振器
１２の例を示している。

【００３６】高周波発振器（図示せず）から伝播される
高周波エネルギーは、結合アンテナ１３を介してベイン
型共振器１２に結合される。結合アンテナ１３は、８枚
のベイン１４のうちの１つにカシメまたは溶接により電
気的に接合されている。なお、ベイン型共振器１２は、
結合される高周波エネルギーの周波数において共振する
ように予め設計されている。このようにして、ベイン型
共振器１２の中央部に生じた共振高周波電界Ｅを用い
て、ベイン型共振器１２の中央部に配置された無電極放
電ランプなどの負荷１１に必要な高周波エネルギーが供
給される。ここで、負荷１１が設けられるべき円柱状空
間の内直径は、例えば、１０ｍｍである。

【００３７】ベイン型共振器１２において、ベイン１４
の端部のうち円筒１５の中心に近い側の端部（以下、ベ
イン１４の先端部２１という）の角が丸められている。
例えば、ベイン１４の先端部２１に角丸め処理を施すこ
とにより、ベイン１４の先端部２１の角を丸めることが
できる。

【００３８】図２は、ベイン１４の先端部２１を拡大し
て示す。このように、ベイン１４の先端部２１の角を丸
めることにより、ベイン１４の先端部２１の一部に強い
電界が集中することを回避することができる。その結
果、ベイン１４の先端部２１の近傍において異常放電
（例えば、コロナ放電）が発生することを抑制し、また
は、防止することが可能になる。

【００３９】ここで、コロナ放電とは、一般的に次のよ
うな現象をいう。平面の対電極であれば、縁の近くを除
いて電極間は平等電界になる。しかし、針と平板の対電
極を考えると、著しい不平等電界を生じる。不平等電界
が著しいと、強い電界のところだけ電離が起こり、他の
電界の弱いところでは電離せず、部分的な放電（局部破
壊）がおこる。この放電をコロナ放電と呼ぶ。

【００４０】ベイン型共振器１２では、最も強い電界が
隣接するベイン１４の間隙に生じる。

【００４１】図３は、図１２を参照して説明した従来の
ベイン型共振器１２２のベイン１２４の先端部の周辺大
気における電界強度分布を有限要素法を用いて解析した
結果を示す。図３において、曲線は、２π／Ｎモードで
の電界強度の等高線を示す。

【００４２】従来のベイン共振器１２２においては、ベ
イン１２４の先端部の角が尖っている。図３に示される
ように、ベイン１２４の先端部の角が尖っている部分に
おいて電界強度の等高線が極めて密になっている。これ
は、ベイン１２４の先端部の角が尖っている部分に電界
が強く集中するからである。

【００４３】図４は、本発明によるベイン型共振器１２
のベイン１４の先端部２１の周辺大気における電界強度
分布を有限要素法を用いて解析した結果を示す。図４に
おいて、曲線は、２π／Ｎモードでの電界強度の等高線
を示す。

【００４４】ベイン型共振器１２においては、ベイン１
４の先端部２１の角が丸められている。図４に示される
ように、図３の場合に比べて、ベイン１４の先端部２１
の近傍の等高線が疎になっている。これは、ベイン１４
の先端部２１の近傍において電界が分散するからであ
る。これにより、ベイン１４の先端部２１の不平等電界
を低減することができる。その結果、コロナ放電が発生
することを抑制し、または、防止することが可能とな
る。

【００４５】なお、ベイン型共振器１２に含まれる複数
のベイン１４のうちすべてのベイン１４の先端部２１の
角を丸める必要はない。ベイン型共振器１２に含まれる
複数のベイン１４のうち少なくとも１つのベイン１４の
先端部２１の角を丸めることは本発明の範囲内である。
例えば、結合アンテナ１３が結合されているベイン１４
の先端部２１のみの角を丸めてもよいし、結合アンテナ
１３が結合されているベイン１４の近くに配置されてい
るいくつかのベイン１４の先端部２１の角を丸めてもよ
い。

【００４６】なお、図１および図２では、図２において
矢印Ｒｈで示されるように、ベイン１４の先端部２１の
角を横方向（水平方向）に丸めた例を示した。しかし、
ベイン１４の角を丸める方向および部位は、これに限定
されない。

【００４７】図５は、図２に示されるベイン１４のＡ−
Ａ断面を示す。例えば、ベイン１４の先端部２１の角
は、図５において矢印Ｒｖで示されるように、縦方向
（垂直方向）に丸められ得る。参照番号５１は、縦方向
に角が丸められたベイン１４の部分を示す。また、ベイ
ン１４の先端部２１以外の部分の上側の角および下側の
角も丸めておくことが望ましい。参照番号５２は、上側
の角および下側の角が丸められたベイン１４の部分を示
す。これらの部分の角を丸めることにより、ベイン１４
の尖っている部分に電界が集中することを回避すること
ができる。その結果、コロナ放電の発生を抑制し、また
は、防止することが可能になる。

【００４８】なお、実施の形態１では、ベイン１４の先
端部２１の角丸めの曲率半径がベイン１４の最大板厚の
半分に等しいものを図示したが、無論、角丸めの曲率半
径はこれに限るものではない。ただし、角丸めの曲率半
径は小さくなるほど電界が集中し、コロナ放電が起きや
すくなる。一方、必要な曲率半径は、印加する高周波電
界の強さや、隣接するベイン１４の間隙の距離など様々
な条件により変化する。

【００４９】従って、適用する側空洞共振器群の寸法や
高周波電力などの条件に適合するように、実験結果に基
づいて、角丸めの曲率半径の適切な値を決めることが望
ましい。発明者らは、ベイン１４の板厚が約１ｍｍ、隣
接するベイン１４の間隙が約５ｍｍ、入力電力が約３０
Ｗという条件で実験を行った。この実験においては、角
丸めの曲率半径が約０．２ｍｍ以上の範囲において十分
に有用な結果を得ることができた。

【００５０】さらに、ベイン１４の先端部２１の角を丸
める代わりに、図６に示されるように、ベイン１４の先
端部２１の角を面取りすることによっても同様の効果を
得ることができる。あるいは、ベイン１４の先端部２１
の１つの角を丸めることに加えて、ベイン１４の先端部
２１の他の角を面取りするようにしてもよい。このよう
に、ベイン１４の先端部２１に角丸めまたは面取りを施
すことにより、ベイン１４の尖った部分に電界が集中す
ることを回避することができる。その結果、コロナ放電
の発生を抑制し、または、防止することができる。

【００５１】（実施の形態２）図７は、本発明の実施の
形態２の高周波エネルギー供給装置７０の構成を示す。

【００５２】高周波エネルギー供給装置７０は、側空洞
共振器群７２を含む。側空洞共振器群７２の構造は、例
えば、図１２に示される従来のベイン型共振器１２２の
構造と同一である。

【００５３】無電極放電ランプ７１は、支持棒により側
空洞共振器群７２の中央部に支持されている。マグネト
ロンなどの高周波発振器（図示せず）から伝播した高周
波は、結合アンテナ７７によって側空洞共振器群７２に
結合される。結合アンテナ７７は、誘電体からなる結合
アンテナ支持具７６によって適切な位置に固定される。

【００５４】側空洞共振器群７２の中央部に発生した共
振高周波電磁場により、無電極放電ランプ７１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７４により反射され、金属網７３および透光性材料
からなる気密蓋７５を通じて外部に取り出される。反射
鏡７４と金属網７３とが、高周波漏洩防止手段として機
能している。

【００５５】気密蓋７５は、ホウケイ酸ガラスなどの耐
熱透光性材料からなる。気密蓋７５と反射鏡７４と結合
アンテナ支持具７６とが、気密構造を形成している。こ
の気密構造の内部を真空または加圧にすることにより、
側空洞共振器群７２において最も強い電界が生じる導電
性突出部の先端部もまた真空または加圧となる。これに
より、導電性突出部の先端部の近傍で異常放電（例え
ば、コロナ放電）が発生することを抑制し、または、防
止することができる。

【００５６】以下、図８を参照しながら、側空洞共振器
群７２の導電性突出部の先端部の周辺雰囲気を真空また
は加圧にすることにより異常放電の発生を抑制すること
ができる理由を説明する。

【００５７】図８は、平行平板電極間に直流パルス電圧
を印加した場合において、火花放電が起きる破壊電圧
と、周辺雰囲気の圧力および電極間距離との相関図であ
る。

【００５８】図８において、横軸は、周辺雰囲気の圧力
ｐと電極間距離ｌとの積を示し、縦軸は、火花放電が起
こる破壊電圧Ｖｓを示す。

【００５９】周辺雰囲気の圧力ｐと電極間距離ｌとの積
ｐ・ｌが小さくなるにつれて、破壊電圧Ｖｓは徐々に下
がっていくが、積ｐ・ｌが１よりも小さくなったあたり
で破壊電圧Ｖｓは急激に上がっていく。従って、積ｐ・
ｌが１（ｃｍ・Ｔｏｒｒ）よりも十分に小さくなるよう
に周辺雰囲気を真空にすることにより、コロナ放電は極
めて起こりにくくなることがわかる。また、積ｐ・ｌが
１（ｃｍ・Ｔｏｒｒ）よりも十分に大きい範囲では、積
ｐ・ｌが大きくなるにつれて、破壊電圧Ｖｓは徐々に上
がっていく。従って、積ｐ・ｌが１（ｃｍ・Ｔｏｒｒ）
よりも十分に大きくなるように周辺雰囲気を加圧するこ
とにより、コロナ放電の発生を抑制することができる。

【００６０】ベイン型共振器において最も電界の強いベ
インの先端部の間隙の距離は、一般的に、０．１〜１ｃ
ｍ程度である。従って、周辺雰囲気を真空にする場合に
は、気密構造内部の気圧を１Ｔｏｒｒよりも十分に小さ
い値にしてやれば良いことが分かる。例えば、ローター
リーポンプを用いて排気を行った場合には、気圧は１０
^-2〜１０^-3Ｔｏｒｒ程度になる。これは、放電を抑制す
るには十分な値であるといえる。

【００６１】また、大気圧は約７６０Ｔｏｒｒであるた
め、周辺雰囲気の圧力ｐが大気圧に等しい場合には、積
ｐ・ｌは明らかに１より大きくなる。従って、周辺雰囲
気の圧力ｐが大気圧より大きくなるように周辺雰囲気を
加圧することにより、破壊電圧Ｖｓは上がる。これによ
り、コロナ放電の発生を抑制することができる。

【００６２】このように、側空洞共振器群７２の複数の
導電性突出部のうち少なくとも１つの先端部の周辺雰囲
気の圧力を大気圧に比べて異常放電が起こりにくい圧力
に設定することにより、異常放電の発生を抑制し、また
は、防止することが可能になる。

【００６３】なお、以上の説明では、側空洞共振器群の
一種であるベイン型共振器の内部全体を真空または加圧
する構成を説明したが、側空洞共振器群において最も電
界の強くなる部分（典型的には、導電性突出部の先端部
の間隙周辺）だけを真空または加圧する構成でも同様の
効果を得ることができる。

【００６４】（実施の形態３）図９Ａは、本発明の第３
の実施の形態の高周波エネルギー供給装置９０の構成を
示す。

【００６５】高周波エネルギー供給装置９０は、側空洞
共振器群としてベイン型共振器９２を含む。

【００６６】ベイン型共振器９２の中心部に無電極放電
ランプ９１が設置されている。高周波発振器（図示せ
ず）から伝播される高周波エネルギーは、結合アンテナ
（図示せず）を介してベイン型共振器９２に結合され
る。ベイン型共振器９２は、結合される高周波エネルギ
ーの周波数において共振するように予め設計されてい
る。その結果、ベイン型共振器９２の中央部に共振高周
波電界が発生する。ベイン型共振器９２の中央部に発生
する共振高周波電界を用いて、無電極放電ランプ９１に
高周波放電に必要なエネルギーが供給される。

【００６７】さらに、図９Ａに示されるように、ベイン
型共振器９２において最も高い電界が生じるベインの先
端部が誘電体９３で覆われている。これにより、ベイン
の先端部の間隙の破壊電圧が上昇し、不要なコロナ放電
が抑制される。

【００６８】図９Ｂは、図９Ａに示されるＢ−Ｂ断面を
示す。図９Ｂに示されるように、誘電体９３は、隣接す
るベインの間隙だけでなくベインの上下側も覆っている
ことが望ましい。これは、ベインの上側の角または下側
の角のいずれかからコロナ放電が生じるのを防ぐために
有用である。

【００６９】（表１）は、大気の絶縁破壊の強さと、絶
縁性に優れた代表的な誘電体材料の絶縁破壊の強さとを
示す。

【００７０】

【表１】

【００７１】（表１）から明らかなように、大気の絶縁
破壊の強さより大きい絶縁破壊の強さを有する材料から
なる誘電体９３でベインの先端部を覆うことにより、絶
縁破壊の起きる電圧を大気に比べて３〜２４倍にも上げ
ることができる。これにより、側空洞共振器群において
不要なコロナ放電が発生することを抑制することができ
る。

【００７２】なお、誘電体９３は固体に限られない。大
気の絶縁破壊の強さより大きい絶縁破壊の強さを有する
という条件を満たす限り、誘電体９３は液体であっても
よいし、気体であってもよい。

【００７３】高周波無電極放電ランプ装置への応用を考
えた場合、誘電体９３の材料として正透過率の高い材料
を選択することが好ましい。そのような材料選択によ
り、光の損失を少なくし、光利用効率を高くすることが
できるからである。従って、誘電体９３の材料として、
石英ガラスやホウケイ酸ガラスなどの材料を選択するこ
とが望ましい。また、誘電体９３の材料として誘電損失
の小さな材料を選択すべきであることは言うまでもな
い。

【００７４】なお、実施の形態３では、誘電体９３がベ
インの先端部を覆い、かつ、ベインの先端部の間隙を満
たす例を示したが、誘電体９３の配置はこれに限るもの
ではない。例えば、誘電体９３がベイン共振器９２の導
電性突出部全体を覆うように誘電体９３が配置されても
よい。

【００７５】あるいは、ベインの先端部の表面のみを誘
電体９３で覆うようにしてもよい。この場合、ベインの
先端部の表面から電子が放出されることが抑制される。
その結果、コロナ放電の発生が抑制される。

【００７６】なお、上述した実施の形態１から実施の形
態３において、側空洞共振器群としてベイン型共振器を
用いる例を示したが、本発明はこれに限定されない。側
空洞共振器群としてホール・スロット型共振器など他の
タイプの側空洞共振器群を用いることも可能である。

【００７７】さらに、上述した実施の形態１から実施の
形態３において、高周波エネルギーが供給される負荷
は、放電ランプに限定されない。例えば、負荷は、無電
極放電発生部である。あるいは、負荷は、放電ガスでも
よい。本発明の高周波エネルギー供給装置の応用分野は
放電ランプ（特に、高周波無電極放電ランプ）に限定さ
れない。例えば、プラズマＣＶＤやプラズマトーチ、あ
るいはガス放電レーザーなどの高周波放電を利用する装
置において、比較的小径の安定した放電プラズマを形成
するために、集中しかつ偏向していない共振高周波電界
によるエネルギーの供給が必要な場合に、本発明の高周
波エネルギー供給装置は有用である。

【００７８】また、高周波エネルギーにより、高周波エ
ネルギー供給装置の中央部に配置された比較的小径の対
象物（負荷）を加熱、発光、溶融、または蒸発させるた
めに、集中しかつ偏向していない均一な共振高周波電界
による放電エネルギーの供給が必要な場合にも本発明の
高周波エネルギー供給装置は有用である。

【００７９】（実施の形態４）無電極放電発生部（例え
ば、無電極放電ランプ）に高周波エネルギーを供給する
高周波エネルギー供給装置として側空洞共振器群を使用
する場合には、無電極放電発生部において放電が起きる
前には、高周波エネルギーの行き場がない。このこと
が、異常放電を引き起こす一因となる。

【００８０】一方、無電極放電ランプは、放電始動前に
は導電性を示さないが、放電始動後には、無電極放電ラ
ンプの内部のプラズマにより導電性を示す。従って、無
電極放電ランプの放電始動前と放電始動後とでは、高周
波エネルギー供給装置である共振器の外から見たインピ
ーダンスが大きく変化する。従って、放電維持時のイン
ピーダンスに整合するように共振器や装置の寸法を設計
すると、その寸法が放電始動前のインピーダンスに整合
しないために共振器の中央部の共振電界が弱く、無電極
放電ランプの始動が不確実であるという課題がある。

【００８１】無電極放電発生部において放電が確実に始
動するようにアシストするアシスト手段を設けることに
より、高周波エネルギーが異常放電を引き起こす原因と
なる確率を低減することができる。その結果、異常放電
の発生を抑制することが可能になる。

【００８２】以下、実施の形態４および実施の形態５で
は、上述したアシスト手段の具体例を説明する。

【００８３】図１０は、本発明の実施の形態４の高周波
無電極放電ランプ装置１００の側断面を示す。高周波無
電極放電ランプ装置１００は、無電極放電ランプ１０１
に高周波エネルギーを供給する高周波エネルギー供給装
置として側空洞共振器群１０２を含む。

【００８４】側空洞共振器群１０２の構造は、例えば、
図１２に示される従来のベイン型共振器１２２の構造と
同一である。あるいは、側空洞共振器群１０２の構造
は、実施の形態１〜実施の形態３で説明した側空洞共振
器群（またはベイン型共振器）の構造と同一であっても
よい。

【００８５】無電極放電ランプ１０１は、石英ガラスな
どの透光性耐熱材料からなる。無電極放電ランプ１０１
の内部には、希ガスと、メタルハライドなどの発光材料
とが封入されている。無電極放電ランプ１０１は、支持
棒１０６によって側空洞共振器群１０２の中央部に支持
されている。支持棒１０６もまた石英ガラスなどからな
る。

【００８６】側空洞共振器群１０２の環状部１０３の内
側には光反射面が形成されており、環状部１０３は反射
鏡を兼ねている。さらに、環状部１０３と金属網１０４
とが高周波の漏洩を防止する高周波漏洩防止手段として
機能している。環状部１０３は導電性材料からなってお
り、金属網１０４は光透過性の導電性材料からなってい
る。無電極放電ランプ１０１の内部に封入された発光材
料が放電することにより生じた放射光は、反射鏡１０３
によって反射され、金属網１０４を通して外部に取り出
される。

【００８７】このように、無電極放電ランプ１０１は、
無電極放電発生部として機能する。

【００８８】支持棒１０６は中空である。支持棒１０６
の内部には棒状の金属導体からなる始動補助電極１０８
が設置されている。始動補助電極１０８には、始動回路
１０９からの導線が電気的に接続されている。始動回路
１０８によって生成された高電圧パルスは、導線を介し
て始動補助電極１０８に印加される。

【００８９】また、始動補助電極１０８と反射鏡１０３
との間には、誘電性の支持棒１０６が挿入されている。
これにより、始動補助電極１０８と反射鏡１０３とは電
気的に絶縁されている。

【００９０】高周波発振器としての高周波電源１０７か
ら発生した高周波エネルギーは、同軸線などの高周波伝
播部１０５を通して伝播し、側空洞共振器群１０２に結
合される。その結果、無電極放電ランプ１０１が設置さ
れた側空洞共振器群１０２の中央部に共振高周波電界が
発生する。

【００９１】しかしながら、特に無電極放電ランプ１０
１が十分に冷えているような状況では、無電極放電ラン
プ１０１の内部の電子密度が低いため、共振高周波電界
だけでは絶縁破壊による始動放電を起こすに至らない場
合が有る。

【００９２】そこで、始動補助電極１０８に始動回路１
０９から高電圧パルスを印加することにより、無電極放
電ランプの内部に微少放電を起こす。これにより、高周
波による無電極放電が確実に開始される。一般の高輝度
放電ランプの始動用に用いている高電圧パルストランス
を流用して行った実験では、２０ｋＶ程度の高電圧を始
動補助電極１０８に印加することにより、高周波による
無電極放電が確実に開始されることを確認することがで
きた。

【００９３】なお、高周波による無電極放電が始動した
後は、始動補助電極１０８に高電圧パルスを印加するこ
とは不要である。従って、高周波による無電極放電が始
動した後は、直ちに高電圧パルスの印加を止めることが
望ましい。

【００９４】なお、始動補助電極１０８は、無電極放電
ランプ１０１にあまり近接しすぎると、側空洞共振器群
１０２の中央部の共振電界により加熱され、高周波エネ
ルギーを損失させるばかりでなく、高周波エネルギーの
電力が大きい場合には、始動補助電極１０８そのものを
溶融破損させる可能性もある。

【００９５】発明者らが行った実験では、始動補助電極
１０８の先端と無電極放電ランプ１０１の管壁との距離
を１０ｍｍ以上放した場合においても、高周波による無
電極放電を十分に始動することができた。この距離は、
供給される高周波エネルギーの電力や、印加される始動
用高電圧パルスの電圧などにより、適切な値が大きく変
化するため、一意的には定まらない。しかしながら、導
体である始動補助電極１０８の先端が、側空洞共振器群
１０２の中央部に近づきすぎると、共振電界による電流
が始動補助電極１０８に流れることにより、電力損失が
生じることとなる。その観点からは、始動補助電極１０
８の先端は、可能な限り側空洞共振器群１０２の中央部
から離して設置することが望ましい。従って、適用され
る装置の仕様に適合するように、実験結果に基づいて、
始動補助電極１０８の先端と無電極放電ランプ１０１の
管壁との距離を適切に決定することが望ましい。

【００９６】以上の構成により、無電極放電ランプ１０
１は高周波放電を確実に始動し、以後は側空洞共振器群
１０２より高周波エネルギーの供給を受けて放電を維持
することができる。以上のように構成された高周波無電
極放電ランプ装置１００によれば、無電極放電ランプ内
の高周波放電を確実に始動させることが可能となる。

【００９７】（実施の形態５）図１１は、本発明の実施
の形態５の高周波無電極放電ランプ装置１１０の側断面
を示す。高周波無電極放電ランプ装置１１０は、無電極
放電ランプ１１１に高周波エネルギーを供給する高周波
エネルギー供給装置として側空洞共振器群１１２を含
む。

【００９８】側空洞共振器群１１２の構造は、例えば、
図１２に示される従来のベイン型共振器１２２の構造と
同一である。あるいは、側空洞共振器群１１２の構造
は、実施の形態１〜実施の形態３で説明した側空洞共振
器群（またはベイン型共振器）の構造と同一であっても
よい。

【００９９】無電極放電ランプ１１１は、実施の形態４
と同様に、石英ガラスなどの透光性耐熱材料からなる。
無電極放電ランプ１１１の内部には、希ガスと、メタル
ハライドなどの発光材料とが封入されている。無電極放
電ランプ１１１は、支持棒１１６によって側空洞共振器
群１１２の中央部に支持されている。支持棒１１６もま
た石英ガラスなどからなる。

【０１００】実施の形態４と同様に、側空洞共振器群１
１２の環状部１１３の内側には光反射面が形成されてお
り、環状部１１３は反射鏡を兼ねている。さらに、環状
部１１３と金属網１１４とが高周波の漏洩を防止する高
周波漏洩防止手段として機能している。環状部１１３は
導電性材料からなっており、金属網１１４は光透過性の
導電性材料からなっている。無電極放電ランプ１１１の
内部に封入された発光材料が放電することにより生じた
放射光は、反射鏡１１３によって反射され、金属網１１
４を通して外部に取り出される。

【０１０１】このように、無電極放電ランプ１１１は、
無電極放電発生部として機能する。

【０１０２】支持棒１１６は中空である。支持棒１１６
の内部にはアルゴンなどの希ガスが封入されている。支
持棒１１６は、環状部１１３の外部に出ている部分を有
している。この部分に高電圧印加電極１１８が設けられ
ている。高電圧印加電極１１８には、始動回路１１９か
らの導線が電気的に接続されている。始動回路１１９に
よって生成された高電圧パルスは、導線を介して高電圧
印加電極１１８に印加される。

【０１０３】また、高電圧印加電極１１８と反射鏡１１
３とは、周辺の大気が絶縁破壊を起こさないように十分
な距離だけ離れて配置されている。これにより、高電圧
印加電極１１８と反射鏡１１３とは電気的に絶縁されて
いる。

【０１０４】高周波発振器としての高周波電源１１７か
ら発生した高周波エネルギーは、同軸線などの高周波伝
播部１１５を通して伝播し、側空洞共振器群１１２に結
合される。その結果、無電極放電ランプ１１１が設置さ
れた側空洞共振器群１１２の中央部に共振高周波電界が
発生する。

【０１０５】そこで、始動回路１１９から高電圧印加電
極１１８に高電圧パルスを印加することにより、まず支
持棒１１６の内部に希ガス放電を起こす。これにより、
この希ガス放電のプラズマが導体として機能する。次
に、希ガス放電のプラズマを通じて高電圧パルスが伝播
し、無電極放電ランプ１１１内部に始動放電が起こる。
このようにして、高周波による無電極放電が確実に開始
される。

【０１０６】なお、高周波による無電極放電が始動した
後は、高電圧印加電極１１８に高電圧パルスを印加する
ことは不要である。従って、高周波による無電極放電が
始動した後は、直ちに高電圧パルスの印加を止めること
が望ましい。

【０１０７】なお、高電圧パルスの印加を止めた後は、
支持棒１１６の内部の希ガス放電は消える。このため、
無電極放電ランプ１１１に供給されるべき高周波エネル
ギーが、支持棒１１６の内部の希ガス放電で消費される
ことはない。

【０１０８】以上の構成により、無電極放電ランプ１１
１は高周波放電を確実に始動し、以後は側空洞共振器群
１１２より高周波エネルギーの供給を受けて放電を維持
することができる。以上のように構成された高周波無電
極放電ランプ装置１１０によれば、無電極放電ランプ１
１１内の高周波放電を確実に始動させることが可能とな
る。

【０１０９】以上説明したように、実施の形態４および
実施の形態５では、無電極放電ランプ内の高周波放電を
確実に始動させることが可能となり、異常放電の発生を
抑制することが可能となる。

【０１１０】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の高周波エネ
ルギー供給装置によれば、複数の導電性突出部の少なく
とも１つの先端部の近傍において異常放電（例えば、コ
ロナ放電）が発生することが抑制される。これにより、
大気のコロナ放電によるエネルギー損失を低減すること
ができる。また、放電、加熱、発光、溶融または蒸発の
ためのエネルギー供給を効率よく行うことが可能な高周
波エネルギー供給装置を得ることができる。さらに、無
電極放電ランプのガラスや、高周波シールドあるいは共
振器そのものなどを溶融破壊してしまうことを防止する
ことができる。

【０１１１】また、本発明の高周波無電極放電装置によ
れば、無電極放電発生部が確実に始動するという顕著な
効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１の高周波エネルギー供給
装置１０の構成を示す図である。

【図２】ベイン１４の先端部２１を拡大して示す図であ
る。

【図３】従来のベイン型共振器１２２のベイン１２４の
先端部の周辺大気における電界強度分布を有限要素法を
用いて解析した結果を示す図である。

【図４】ベイン型共振器１２のベイン１４の先端部２１
の周辺大気における電界強度分布を有限要素法を用いて
解析した結果を示す図である。

【図５】図２に示されるベイン１４のＡ−Ａ断面を示す
図である。

【図６】ベイン１４の先端部２１を拡大して示す図であ
る。

【図７】本発明の実施の形態２の高周波エネルギー供給
装置７０の構成を示す図である。

【図８】大気の圧力と電極間距離との積に対する破壊電
圧の相関図である。

【図９Ａ】本発明の第３の実施の形態の高周波エネルギ
ー供給装置９０の構成を示す図である。

【図９Ｂ】図９Ａに示されるＢ−Ｂ断面を示す図であ
る。

【図１０】本発明の実施の形態４の高周波無電極放電ラ
ンプ装置１００の側断面を示す図である。

【図１１】本発明の実施の形態５の高周波無電極放電ラ
ンプ装置１１０の側断面を示す図である。

【図１２】従来の高周波エネルギー供給装置１２０の側
空洞共振器群の一例としてベイン型共振器１２２の構造
を示す図である。

【図１３】従来の高周波無電極放電ランプ装置１３０の
構造を示す図である。

【符号の説明】

１０、７０、９０ 高周波エネルギー供給装置 １２ ベイン共振器 １３ 結合アンテナ １４ ベイン １５ 円筒 ２１ 先端部 １００、１１０ 高周波無電極放電装置 １０８ 始動補助電極 １１８ 高電圧印加電極 １０９、１１９ 始動回路

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の導電性突出部を有する側空洞共振
   器群と、 前記複数の導電性突出部の少なくとも１つの先端部の近
   傍において異常放電が発生することを抑制する抑制手段
   とを備えた高周波エネルギー供給装置。
2. 【請求項２】 前記複数の導電性突出部の少なくとも１
   つの先端部に角丸めまたは面取りが施されている、請求
   項１に記載の高周波エネルギー供給装置。
3. 【請求項３】 前記複数の導電性突出部の少なくとも１
   つの先端部の周辺雰囲気の圧力が、大気圧に比べて異常
   放電が起こりにくい圧力に設定されている、請求項１に
   記載の高周波エネルギー供給装置。
4. 【請求項４】 前記高周波エネルギー供給装置は、 前記複数の導電性突出部の少なくとも１つの先端部を覆
   う誘電体をさらに備え、 前記誘電体は、大気の絶縁破壊の強さより大きい絶縁破
   壊の強さを有している、請求項１に記載の高周波エネル
   ギー供給装置。
5. 【請求項５】 前記側空洞共振器群は、ベイン型共振器
   である、請求項１に記載の高周波エネルギー供給装置。
6. 【請求項６】 無電極放電発生部と、 前記無電極放電発生部に高周波エネルギーを供給する高
   周波エネルギー供給装置とを備え、 前記高周波エネルギー供給装置は、 複数の導電性突出部を有する側空洞共振器群と、 前記複数の導電性突出部の少なくとも１つの先端部の近
   傍において異常放電が発生することを抑制する抑制手段
   とを含む、高周波無電極放電装置。
7. 【請求項７】 前記抑制手段は、 前記無電極放電発生部において放電が確実に始動するよ
   うにアシストするアシスト手段を含む、請求項６に記載
   の高周波無電極放電装置。
8. 【請求項８】 無電極放電発生部と、 前記無電極放電発生部に高周波エネルギーを供給する高
   周波エネルギー供給装置と、 前記無電極放電発生部において放電が確実に始動するよ
   うにアシストするアシスト手段とを備えた高周波無電極
   放電装置。
9. 【請求項９】 前記アシスト手段は、 前記無電極放電発生部を支持し、始動補助電極を含む支
   持部材と、 前記始動補助電極に高電圧パルスを印加する始動回路と
   を含む、請求項８に記載の高周波無電極放電装置。
10. 【請求項１０】 前記アシスト手段は、 前記無電極放電発生部を支持し、希ガスを封入する支持
    部材と、 前記支持部材に接続された高電圧印加電極と、 前記高電圧印加電極に高電圧パルスを印加することによ
    り、前記支持部材の内部に希ガス放電を起こす始動回路
    とを含む、請求項８に記載の高周波無電極放電装置。