JPH0580799B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の背景］ 本発明はプラズマ放電を励起するための高周波
（RF）コイルに関し、特に無電極の高光度放電
（HID）ランプ内に可視光発生用のプラズマを発
生させ、かつ該ランプからの光に対する妨害を低
減する形状を有する新規なコイルに関する。

従来、RF電流によつて励起した放電プラズマ
から可視光を発生できることが知られている。こ
のRF電流はコイルによつて作られ、コイルは一
般にランプの外部に配置される。コイルは、ラン
プ内の放電プラズマに対する結合が十分でなけれ
ばならず、またRF抵抗損が小さく、かつ放電に
よる光がコイル自体によつて妨害されずにほぼ全
て利用できるように物理的寸法が小さくなければ
ならない。通常用いられる励起コイルは長いソレ
ノイド形のものである。これは、結晶成長や光学
繊維の製造などに利用されるプラズマ・トーチを
発生させるための、通常水冷のために銅製の管で
構成された単一のソレノイド・コイルを参考にし
て開発されたものである。

従来例が、米国特許第3860854号（カツプ状コ
イル）、同第3763392号（短いソレノイド）、同第
3942058号および同第3943404号（同軸ケーブルの
端部の小型の高光度放電ランプ）に記載されてい
るが、これらは全く光学的効率が悪く、コイル損
失を改善できる余地がある。

［発明の要約］ 本発明によれば、無電極放電ランプ内に高光度
放電プラズマを発生させるための励起コイルは、
コイルの中心線のいずれの側においても断面が実
質的に菱形またはＶ字状の仮想の環状対の外面に
沿つて配置された１巻回以上の導体を有する。こ
のコイルは、上記の仮想の環状体の中心を直径方
向に通る平面に対して実質的に対称に形成するこ
とができる。コイルの半径は、ランプがコイルの
内側に配置されて、このためコイルに高周波
（RF）電源を接続したときにコイルがランプの中
で同一平面内に環状またはドーナツ形のアーク放
電プラズマを誘起するように定められる。

好ましい実施態様では、コイルと電源との間に
タツプ付きのリアクタンス素子（コンデンサまた
インダクタ）によるインピーダンス整合が用いら
れる。平衡分割コイルを用いることができる。励
起コイルはその巻回部分を出来るだけ多く、上記
ドーナツ形のプラズマのリングの半径の２倍の所
に配置することが好ましい。

したがつて、本発明の目的は、無電極ランプ中
に高光度アーク放電プラズマを発生させるための
新規な励起コイルを提供することである。

本発明のこの目的およびその他の目的は以下の
説明から明らかとなろう。

［図面を参照した発明の説明］ 先ず第１ａ図は高光度放電ランプ１０を示し、
これは、少なくとも１種のガスを含む容積を密閉
する発光管１１を有する。放光管１１の外面のま
わりに配置された励起コイル１６に高周波（RF）
電流を流すことによりアーク放電プラズマ１４が
発生される。RF電流はRF電源１８からコイル端
１６ａおよび１６ｂ間に電圧V_abを印加すること
によつて生じる。アーク放電プラズマ１４は、典
型的には環状すなわちドーナツ形であつて、リン
グの大きさは半径ｒで表わされ、プラズマの厚さ
は半径r′で表わされる（以下、環状のプラズマ１
４をプラズマ・リング１４とも呼ぶ）。励起コイ
ル１６は１巻回の平面状のリングであり、その平
面は半径ｒのプラズマ・リング１４の平面と平行
である。

第１ｂ図を参照して説明すると、１巻回のコイ
ル１６の、小直径のフラズマ・リング１４との結
合のための最適な位置を示し、コイル１６とプラ
ズマ・リング１４は同じ平面内にある。すなわ
ち、コイル１６はプラズマ・リングの中心を通つ
てそれを切断する平面１４ｐ内にある。平均半径
ｒのプラズマ・リング１４と平面１４ｐ内にある
１巻回の励起コイル１６との間の結合係数は、コ
イル１６の半径がプラズマ・リングの半径の２倍
（すなわち2r）に等しいとき0.36であることがわ
かつた。同様に、平面１４ｐ内にあつて半径が3r
の１巻回のコイル１６′については結合係数は
0.173であり、平面１４ｐと平行でそれから距離
ｒだけ上方の平面内にある半径ｒの１巻回のコイ
ル１６″の場合には結合係数は0.264であり、平面
１４ｐと平行でそれから距離2rだけ上方の平面内
にある半径ｒの１巻回のコイル１６の場合には
結合係数は0.056であることがわかつた。したが
つて、励起コイルの全ての部分を結合係数の最も
高い位置に置くこと、すなわちプラズマ・リング
と同一の平面内に平均半径が2rになるように配置
することが非常に有利である。通常、励起コイル
の巻回数Ｎは１よりも大きく、そのためこの多巻
回数のコイルは最適な平面を中心として配置し、
コイルの最小直径は発光管１１の外壁の寸法（直
径）Ｅより大きくしなければならない。また、発
光管１１からの光に対する妨害を最小にするた
め、多巻回数のコイルはプラズマ・リングの平面
１４ｐに対して直角な方向におけるその範囲（寸
法）を出来る限り小さくしなければならない。同
時に、損失を最小にするため励起コイルの抵抗特
性を最小にすると共に、励起コイルとその電源１
８との間の適正な同調およびインピーダンス整合
がRF周波数、例えば標準ISM周波数の１つ（例
えば13.56MHz）で得られるように励起コイルの
インダクダンス特性を最適化しなければならな
い。

これらの要件を満足する１つの構成例が第１ｃ
図に示すコイル２０の構成である。コイル２０は
仮想の環状体の外面に沿つて配置された多巻回数
の導電性ストリツプまたはリボンよりなる。仮想
の環状体はその半径r₁が約2rに等しく、その断面
の半径r₂が半径r₁から発光巻の半径（E/2）とリ
ボンの厚さｔとの和を差し引いた寸法よりも小さ
い。この多巻回数Ｎ（この例ではＮ＝８）のコイ
ル２０は、図から明らかなように製作するのが難
しく、また、コイル端２０ａおよび２０ｂ間に印
加される電圧V_abがかなり高い（典型的には1000
ボルト程度）のでコイルの隣り合う巻回部分２０
−１乃至２０−８間を十分に分離することが必要
である。この分離は容易に達成できない。特に、
リボンの厚さｔを十分大きくして、各巻回部分
（丸いワイヤと見なされる）がRF表皮効果による
損失を低減するぼどの大きさになるようにすると
共に、プラズマから光に対するコイルの妨害が最
小になるようにプラズマに対してコイルの占める
角度を小さくした場合、十分な分離は得られな
い。また、約5000〓のアーク・プラズマから室温
（約300〓）のコイル付近まで適当の温度勾配を維
持し、かつ発光管１１を適度な維持するために、
プラズマ・リング１４とコイル２０との間に十分
な間隔を設けなければならない。厚さｔが約0.02
mmのリボンでコイル２０を形成しても、このよう
なコイル製造コストを低くするには実用的でな
い。

そこで第２図には、より好ましいランプ１０′
が示されている。ランプ１０′は発光管１１の外
面１１ａに取付けられた内面２２ｂを持つ円管形
の外管２２を有し、光を発生する放電プラズマ１
４は発光管の内面１１ｂに隣接して発生される。
本発明の好ましい実施例によれば、励起コイル２
４は外管２２の周りに配置され、さな巻回数Ｎ
（第２図ではＮ＝８）の導体は、プラズマ・リン
グ１４と同じ平面２４′ｐ内において円形であつ
て、かつこの中心の平面２４′ｐに対してそれぞ
れ角度θ（10゜〜80゜）をなす傾斜した辺２４′ａお
よび２４′ｂを持つ菱形またはＶ字状の断面を有
する「仮想」の環状体２４′の外面（傾斜した面
２４′ａおよび２４′ｂ）に沿つて配列されてい
る。コイルの巻回導体部分２４−１乃至２４−８
および２４−１′乃至２４−７′はＶ字状の断面を
有する仮想の環状体の外面上にあり、角度θの頂
点（Ｖ字の頂点）は発光管の中心１１ｃにあるの
が有利である。仮想の環状体の内周縁２４′ｃは
最も内側の巻回部分２４−４，２４−５とその中
点位置の部分２４−４′との間の距離Ｃより僅か
に大きい距離隔たつている。この距離Ｃは発光管
の内面１１ｂの寸法よりも大きく、また外管２２
の外面２２ａの寸法Ｂよりも大きい。コイルはそ
の一端２４ａが上側の傾斜した面２４′ａの半径
方向に最も遠い位置で開始し、半巻回で直径上の
反対側の位置に達し、位置２４−２で完全な一巻
回を完全する。このようにして1.5巻回部分２４
−２′、２巻回部分２４−３、2.5巻回部分２４−
３′および３巻回部分２４−４に続く。コイルの
中点は内周縁２４′ｃに沿つた位置２４−４′で生
じる。次いで、５巻回部分が位置２４−５で生
じ、同様にして5.5、６、6.5、７、7.5および８巻
回部分がそれぞれの位置２４−５′，２４−６，
２４−６′，２４−７，２４−７′および２４−８
で生じる。

次に第２ａ図を参照すると、コイル２４のイン
ダクタンスＬと、直列の容量２６および２８より
なる合成容量Ｇとは共振するように同調させるこ
とができる。容量２６と２８の比は、端子１０′
ａと１０′ｂとの間の回路のインピーダンスが電
源の出力インピーダンスと整合し、かつ共振が生
じるように調節される。

次に第３図および第３ａ図には、別の好ましい
実施例のランプ１０″が示されており、その多巻
回数のＶ字状断面のコイル３０の両端３０ａおよ
び３０ｂ間には容量Ｇのコンデンサ３２が接続さ
れ、また電源とのインピーダンス整合のためコイ
ルには点３０ｃでタツプが設けられている。上記
実施例のコイル２４および３０では、コイルをか
なり大きな直径の中空の管、例えば８分の１イン
チ（3.2mm）の銅の管（その内部の直径は冷却用
流体を通すために大きくしてある）で作製した場
合でも、コイルの各巻回部分間にかなりの間隔が
ある。コイルの両端２４ａおよび２４ｂ、または
30aおよび３０ｂは数百ボルトのRF電圧に耐える
ように適切に隔たつている。丸い（断面が円形）
のワイヤまたは管の表面が、コイルの外側にのみ
存在する磁束に対して提供され、ワイヤまたは管
の寸法はこの面積を変更するように変えることが
できる。さらに、コイルはその配列形状がプラズ
マ・リングから離れる向きに折り曲げられている
が、RFとプラズマとの結合を最大にするために
出来る限り多数の巻回部分がプラズマ・リングの
平面の近くに配置されている。同時に、コイルに
沿つて最大の電圧がプラズマから最も遠く離れた
点間に加えられるので、Ｅモードの放電が最小に
なり、Ｈモードの励起が大きくなる。また、隣り
合う巻回部分間の間隔がコイル全体にわたつて全
て等しくなるようにコイルを作るために巻枠を用
いることができ、このような巻枠は容易に作るこ
とができる。上述の3.2mmの銅の管で作つて巻回
数Ｎ＝８のコイルは、直径が0.8インチ（20.3mm）
程度の発光管を有するランプに対して0.2程度の
結合係数にできることがわかつた。

次に、第４図、第４ａ図および第４ｂ図を参照
すると、本発明の別の好ましい実施例のランプ１
０が示されており、その励起コイル３４はその
コイル端３４ａおよび３４ｂの間に中心タツプ３
４ｃを有し、中心の巻回部は切断されて、２つの
別個のリード部分３４ｃ−１および３４ｃ−２に
よりアース面３３に接続されている。これにより
２つの別々の熱伝導路がアース面の放熱体に対し
て作られて、コイルから熱を除去し、特別な人工
的な冷却を行う必要性が無くなるか又は軽減され
る。多巻回数のＶ字状断面のコイル３４は単一の
コンデンサ３６によつて同調し、電源が同軸ケー
ブル３８を介してタツプ３４ｄに接続されてい
る。第４ｂ図に示すように、３巻回数のコイルが
1.5巻回数の一対のコイルに分割され、上半分の
コイル部分はコイル端３４ａから第１のアース・
リード３４ｃ−１まで伸び、下半分のコイル部分
は第２のアース・リード３４ｃ−２の上端からタ
ツプを通つてコイル端３４ｂまで伸びる。

以上、プラズマ・リングを通る水平な平面内ま
たはその近くに出来るだけ多くの巻回部分を配置
するか、或いはプラズマ・リングと同心でその周
りの仮想のＶ字状の環状体の外面に沿つて巻回部
分を配置して構成した本発明による新規な励起コ
イルの幾つかの好ましい実施例について図示し説
明したが、当業者には種々の変形および変更をな
し得ることが理解されよう。したがつて、本発明
は特許請求の範囲の記載によつて限定されるもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図は本発明の原理を理解するのに役立
つ、１巻回の励起コイルを有するHIDランプの
平面図である。第１ｂ図は第１ａ図のランプの断
面図であつて、付加的なコイル位置をも示す断面
図である。第１ｃ図は多巻回数の励起コイルの一
構成例を示すHIDランプの一部の側断面図であ
る。第２図は本発明による励起コイルの好ましい
実施例を示すHIDランプの一部の側断面図であ
る。第２ａ図は第２図の励起コイルおよび補助素
子によつて形成される回路の回路図である。第３
図は本発明の励起コイルの別の好ましい実施例を
示すHIDランプの一部の側断面図である。第３
ａ図は第３図の励起コイルと補助素子との回路図
である。第４図は本発明による別の好ましい多巻
回数の励起コイルの回路図である。第４ａ図は第
４図のコイルの構成を示す簡略側断面図である。
第４ｂ図は第４ａ図のコイルの斜視図である。 ［主な符号の説明］、１１：発光管、１４：プ
ラズマ・リング、１６，２０，２４，３０，３
４：励起コイル、２４′：断面がＶ字状の仮想の
環状体、２４′ａ，２４′ｂ：傾斜した面。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 無電極放電ランプ内に高光度放電プラズマを
   発生させるための励起コイルであつて、 全体としてＶ字状の断面を持つ仮想の環状体の
   外面に沿つて配置された１巻回以上の導体と、 上記導体のインダクタンスの所望の共振周波数
   に同調させる同調手段と、を有することを特徴と
   する励起コイル。 ２ 上記導体のインピーダンスを所望のインピー
   ダンスに整合させるインピーダンス整合手段が設
   けられている、請求項１記載の励起コイル。 ３ 上記同調手段が上記インピーダンス整合手段
   に含まれている、請求項２記載の励起コイル。 ４ 上記環状体の断面はその中心を直径方向に通
   る平面に対して実質的に対称である、請求項１記
   載の励起コイル。 ５ 上記導体の巻回数が複数Ｎである、請求項４
   記載の励起コイル。 ６ Ｎ＝８である、請求項５記載の励起コイル。 ７ 上記環状体の断面の傾斜した辺が、実質的に
   当該コイルの幾何中心に向うように傾斜してい
   る、請求項５記載の励起コイル。 ８ 上記巻回数Ｎが実質的に整数である、請求項
   ５記載の励起コイル。 ９ 上記環状体の断面が傾斜した辺が、実質的に
   当該コイルの幾何中心に向うように傾斜してい
   る、請求項８記載の励起コイル。 １０ 上記導体の中点が、上記環状体の断面の上
   記傾斜した辺によつて形成された角度の範囲内に
   位置している、請求項９記載の励起コイル。 １１ 上記環状体の断面の上記傾斜した辺の各々
   が上記平面に対して10゜〜80゜の角度をなしてい
   る、請求項１０記載の励起コイル。 １２ 上記導体の巻回数が複数である、請求項１
   記載の励起コイル。 １３ 上記導体の各巻回部分とその隣りの巻回部
   分との間の空間が実質的に全て等しい、請求項１
   ２記載の励起コイル。 １４ 上記導体の長さに沿つた少なくとも１点が
   アース面に電気的に接続されている、請求項１２
   記載の励起コイル。 １５ 上記導体の実質的に中点が上記アース面に
   接続されている、請求項１４記載の励起コイル。 １６ 上記導体の断面が円形である、請求項１記
   載の励起コイル。 １７ 上記導体が中空である、請求項１６記載の
   励起コイル。 １８ 高光度発光管と、 上記発光管の外面に隣接して配置され、上記発
   光管内に放電アーク・プラズマを発生させる励起
   コイルとを含み、 上記コイルが全体として、Ｖ字状の断面を持つ
   仮想の環状体の外面に沿つて配置された１巻回以
   上の導体を有することを特徴とするランプ。 １９ 上記環状体の断面の傾斜した辺が、上記発
   光管の内部の１点に向うように傾斜している、請
   求項１８記載のランプ。 ２０ 上記の１点が実質的に上記放電アーク・プ
   ラズマの中心の点である、請求項１９記載のラン
   プ。