JPH09509780A - 無電極ランプ励起用小型マイクロ波供給源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 マイクロ波領域における電磁的エネルギを発生するマグネトロン（１１）がそのアンテナ端子（１２）に対する延長部（１４）を有している。この延長部（１４）はアンテナ（１２）の長さ延在しマグネトロン（１１）上のローディングの位相を制御する。円筒状の接地フランジ（１６）及び多数の孔を設けたスクリーン（１９）が無電極ランプ（１５）を取り囲んでおり、その際にマイクロ波エネルギがランプ（１５）内のガスを励起することを可能とし、一方該エネルギを多数の孔を設けたスクリーン（１９）及び円筒状の接地フランジ（１６）によって取り囲まれる空間内に閉じ込める。アンテナ（１２）用の延長部（１４）は反射係数フェーズをマグネトロン動作周波数に悪影響を与えることのないレベルへ維持する長さを有している。

Description

【発明の詳細な説明】 無電極ランプ励起用小型マイクロ波供給源発明の背景 本発明は、マイクロ波電磁照射で無電極ランプを励起させるシステムに関する ものである。特に、最小の導波路構成体又はカップリング装置で無電極ランプへ 小型のマイクロ波周波数パワー供給源を結合させるものである。 マイクロ波駆動型無電極ランプは、物質を硬化するため及び／又はその他の製 造プロセスにおいて紫外線を発生する種々の産業上のプロセスにおいて使用され ている。無電極ランプは、高強度光出力のみならず、光スペクトルが不変の長い 寿命を有するという所望の特性を有している。これらのランプは、元は電子レン ジに使用することが意図されていたマグネトロンによって発生されるマイクロ波 エネルギによって励起される。従来のマイクロ波発生用マグネトロンは、導波路 構成体を及び、多分、アイソレータを介してマイクロ波導波路構成体の一端を終 端させるこのような電子レンジ又は無電極ランプへ結合させる出力アンテナを有 している。 産業上の処理技術以外の無電極ランプに対する適用例が現在開発中である。高 強度可視光供給源を必要とする１つの適用例はプロジェクションテレビシ ステムがある。このようなシステムにおいては、白色光光源が三原色の赤色、緑 色、青色へフィルタされる。これらの分離された色は、ビデオ画像の赤色、緑色 及び青色の成分を表わすビデオ信号で光バルブパネルによって変調される。変調 された単色画像はダイクロイックミラー構成体内において再度結合されて単一の カラー画像を形成する。その結果得られたカラー画像をプロジェクションレンズ を使用して表示スクリーン上へ投影させる。 これらの無電極ランプに対する商用適用例では光源に関する初期の産業上の適 用例においては見られなかった空間及び重量に関する制限が課されている。従っ て、システムに対して重さ及び寸法条件について負担を与えるマイクロ波導波路 構成体及び／又はアイソレータ等のカップリング装置を最小の量としてマイクロ 波供給源へランプを結合させることが望ましい。 無電極ランプから必要とされる光出力を得るためには、無電極ランプによって 与えられるインピーダンスをマグネトロンパワー供給源の出力に対して実質的に 整合させることが必要である。従来技術の導波路構成体及びカップリング装置に よって課される寸法及び重量を取除くことの必要性は、無電極ランプとマイクロ 波供給源との間のインピーダンス整合 を維持することの必要性が付随している。実質的な不整合が存在すると光エネル ギへ変換される無電極ランプへのパワーが少なくなるばかりか、定常波が発生し 、それは、位相に依存して、マグネトロン供給源の周波数をシフトさせることが あり、それによって無電極ランプと供給源との不整合を更に増加させ、得ること の可能な光出力を減少させることとなる。発明の要約 本発明は、無電極ランプを直接的にマグネトロンマイクロ波供給源へ結合させ ることを目的とする。 本発明の更に特定的な目的は、定常波から発生するマグネトロン供給源の周波 数シフトを最小とするために実質的にインピーダンス整合した状態で無電極ラン プをマグネトロンへ結合させることである。 これら及びその他の目的は本発明によって与えられる。無電極ランプが終端部 の無電極ランプとマイクロ波供給源との間において定常波が最小の条件で実質的 にインピーダンス整合した条件で無電極ランプがマイクロ波パワー供給源へ結合 される。マグネトロン出力アンテナ端子は、無電極ランプに対して最大の電気的 Ｅフィールドを与えるような長さへ延長させることが可能である。無電極ランプ の周りに金属製スクリーンを使用し且つマグネトロン共通端 子へ電気的に接続させてマイクロ波照射を閉じ込め、一方高強度の光を放射させ ることを可能としている。 本発明の好適実施例においては、無電極ランプはマグネトロンアンテナの軸に 対して垂直な回転軸周りに回転される。このような回転はランプの冷却を与える と共に無電極ランプ内に収容されているガス分子におけるマイクロ波エネルギの 良好な分布を与える。 本発明の種々の実施例においては、無電極ランプのインピーダンスをマグネト ロン出力インピーダンスと整合させ且つ好適な位相関係を与えるために延長され ている。 本発明の好適実施例においては、本装置が同軸伝送線延長部を有しており、そ れはマグネトロンアンテナの周辺部を包囲する外側導体と、アンテナへ接続され ている内側導体とを有している。この同軸伝送線延長部は、無電極ランプとマグ ネトロンとの間にインピーダンス整合を与え、且つ無電極ランプに対し最大のＥ フィールド励起を与える。図面の簡単な説明 図１Ａはマグネトロンが大型寸法の無電極ランプを直接的に励起する本発明の 第一実施例を示している。 図１Ｂはマグネトロンの動作周波数に関する出力 インピーダンスの影響を示したリーケ線図である。 図１Ｃはマグネトロンアンテナ上に重畳させた２つの可能な出力インピーダン スを有するリーケ線図である。 図２はマグネトロンアンテナに対し同軸伝送線延長部を使用した図１の実施例 の変形例である。 図３はマグネトロンによって励起される無電極ランプの空気冷却を与え且つバ ルブヘ印加される電圧を増大させるための同軸レゾネータを与える小型バルブに 適した本発明の更に別の実施例を示している。 図４は同軸レゾネータによって無電極ランプを励磁させるためのマグネトロン アンテナへ結合させた同軸伝送線を使用する本発明の別の実施例を示している。 図５は無電極ランプを励起させるために短絡させた４分の１波長レゾネータに 対してエネルギを容量的に結合させた本発明の更に別の実施例を示している。 図６は無電極ランプを励起させる共振伝送線のセクションへマイクロ波エネル ギを供給する導通構成体を示した本発明の更に別の実施例である。 図７はマグネトロンから無電極ランプへエネルギを結合させるためのカップリ ングループを示した本発明の別の実施例である。好適実施例の説明 図１Ａを参照すると、大型のバルブに適した本発明の第一実施例が示されてい る。マグネトロン１１はＩＳＭバンドにおけるマイクロ波照射を発生する。この マイクロ波エネルギは金属アンテナ１２を介して取り出される。 マグネトロン１１はアンテナ１２を取り囲んでいる円筒状のフランジ１６に取 付けられている。多数の孔を有するスクリーン１９は円筒状のフランジ１６へ電 気的に接続されており、無電極ランプ１５及び永久的に取付けられた金属キャッ プ１４を有するアンテナ１２を包囲した状態で示されている。 無電極ランプ１５は、例えばアルゴン等の充填ガスを有しており且つ例えば硫 黄等の揮発性充填物質を収容している。アルゴンはアンテナ１２から供給される マイクロ波照射によってイオン化される。 多数の孔を有するスクリーン１９は、無電極ランプ１５から発生された光を放 射させることを可能とし、一方マイクロ波照射はスクリーン１９及びフランジ１ ６によって画定する体積内に閉込められる。モータ１８が無電極ランプ１５をそ のシャフト１７上に支持している。マグネトロンアンテナの軸に対して垂直な軸 の周りに無電極ランプ１５を回転させることによって、ランプ１５のガス充填物 の実質的 に均等な光出力が得られ、それと共に冷却効果も得られる。動作について説明す ると、ランプ１５はマグネトロンアンテナ１２からの高周波数電界によって直接 的に励起される。無電極ランプ１５を介してのアンテナ１２からの電界経路は、 円筒状のフランジ１６を介してマグネトロンアノードへ電気的に接続している多 数の孔を設けた金属スクリーン上で終端している。 動作期間中に、ランプは充填ガスをイオン化することによって開始し、該充填 ガスは、好適実施例においては、アルゴンとすることが可能であり、それは例え ば硫黄等の充填ガスと結合された揮発性の充填物質が完全に蒸発されるまで加熱 する。この始動プロセス期間中に、変化するインピーダンスが無電極ランプ１５ からマグネトロンへ反射される。インピーダンス、従って反射係数におけるシフ トは、図１Ｂにしたがってマグネトロンの動作周波数をシフトさせる傾向となり 、且つマグネトロン１１のパワー出力を減少させる。 従来マグネトロン１１の動作周波数に関する反射係数の影響を取除くためにア イソレータを使用すること、及び反射係数が動作周波数に著しく影響を与えるこ とがないように反射係数の位相をシフトさせるために種々のインピーダンス整合 装置を使用する こと等の種々の技術が従来使用されている。 これらの導波路整合セクション及びアイソレータ等の付加的なマイクロ波構成 は、無電極ランプパッケージ全体に対し著しい重量及び寸法を付加させることと なる。従って、より小型でより軽量の構成とさせるためにこれらの付加的なマイ クロ波構成を除去することが望ましい。 そうする場合に、マグネトロンの動作周波数に与える反射係数の影響が無電極 ランプへ供給されるパワーを減少させるものであってはならない。 アンテナを矩形状の導波路内に挿入した場合に発生するような電圧と類似した 高いＲＦ電圧がアンテナ１２の頂部においてマグネトロンによって発生される。 この電圧は変位電流を介して無電極ランプバルブ１５と結合する。ランプ１５内 のプラズマを形成するガスはこの電流によって抵抗加熱される。周囲の設置され た金属スクリーン１９及びシリンダ１６に対して変位電流によって回路が完成さ れる。 アンテナ１２に対して提供されるインピーダンスは、コンデンサと直列な抵抗 のものである。最適な同調のためにはインダクタンスが必要であり、それはシリ ンダ１６を大きな直径に維持することによって形成することが可能である。ラン プバルブ１５を同調するための全ての回路は性質上共振的である。 固定したプラズマ条件の場合には、ランプバルブ１５のインピーダンスは周波数 の関数としてプロットした場合に円形状の経路に従う。 図１Ｂは負荷インピーダンスがマグネトロン１１のパワー及び周波数に影響を 示したリーケ線図である。マグネトロンのアンテナ上の種々の負荷条件によって 発生される種々の反射係数に対して＋１０ＭＨｚ，＋５ＭＨｚ，−５ＭＨｚ，− １０ＭＨｚの周波数シフトが示されている。 図１Ｃにおいてマグネトロンに対する２つの可能なインピーダンス特性が例示 されている。経路Ｉは右側が低い周波数であり且つ左側に向かって周波数が増加 している。インピーダンス経路IIは反対の配向状態を有している。 負荷特性Ｉがリーケ線図において与えられた基準面におけるマグネトロンの負 荷であるとする。この曲線上の低周波数点Ａについて検討する。マグネトロンが より低い周波数へ引かれるリーケ線図の領域内にインピーダンスが存在している 。動作点は、この牽引効果のために中心から更に移動される。この累積的な周波 数変化は非常に低いＱ共振を除いて、インピーダンス線図の効率的な中心部分に おける安定なマグネトロン動作を排除している。 一方、インピーダンスIIは負のフィードバックに よって安定な動作を与えている。中心からの周波数における増加はＢに対するイ ンピーダンスをオフセットし、従って牽引効果は動作をより低い周波数へ且つ中 心へ向かって動作を復帰させる。 マグネトロンアンテナに対して４分の１波長伝送線を付加した場合には、マグ ネトロンインピーダンス特性Ｉはインピーダンス特性IIと類似している。一般的 に、不安定な負荷特性は、適宜の長さの伝送線を付加することによって安定化さ せることが可能である。図２は好適な負荷インピーダンス特性を得るためにこの ような長さの伝送線を付加した本発明の実施例を示している。図２の実施例にお いては、アンテナ１２へ延長部１４を付加し、且つ円筒状のフランジ１６を長く することによって同軸伝送線を形成することにより、インピーダンス面がシフト されている。 図３は、直径の小さな高パワー密度無電極ガス放電ランプ１５をマグネトロン １１によって励起することの可能な本発明の実施例を示している。直径の小さな ランプ１５はマグネトロンアンテナ１２の端部において得られるものよりもより 高い電界強度を必要とする。円筒状のフランジ１６はキャップ２０を有しており 、それは開口２２を具備する包囲体を形成している。開口２２は同軸伝送線の中 央導体２３ を受納している。同軸伝送線の外側導体２６はカバー２０へ接続しており、従っ てマグネトロンアノードへ電気的に接続している。中央導体２３は、アンテナ１ ２から離隔された一端を有している。中央導体２３の第二端は無電極ランプ１５ の曲率中心と同一の曲率中心を有する湾曲を有している。 誘電体の空気シール２４が示されており、それは中央導体２３を支持している 。中央導体２３は２分１波長よりも幾分短く、それは無電極ランプ１５と対面し た端部において高電圧を発生し且つアンテナ１２近くで高電圧を発生する。中央 導体の中間部近くの誘電体支持体２４は電圧が最小である点にあり、顕著な誘電 体加熱が発生することを回避している。 図３の実施例も、直径の小さな無電極ランプ１５の空気冷却を可能とする。圧 縮空気が無電極ランプ１５を更に冷却する。インレット２５からの圧縮空気の流 れが中央導体２３内の通路を介して無電極ランプ１５の表面へ指向される。強制 空気冷却は直径の小さな無電極ランプの被包体温度を安全な動作温度に維持する 。 中央導体２３は２分の１波長よりも幾分短い。無電極ランプ１５及びアンテナ １２に対する容量と関連して、このことは半波長共振器を形成し、且つマグネト ロンアンテナ１２において得られるよりも無 電極ランプ１５を励起するためのより高い電圧を提供する。 図４において、図３の実施例に対し同軸延長部を付加して伝送線を更に長いも のとさせて図２と同様な好適なインピーダンスフェーズを得ている。 前述した実施例はマグネトロン供給源１１からのマイクロ波エネルギの直径の 大きな及び直径の小さな形態の無電極ランプ１５に対するカップリングを与えて いる。アンテナ１２と無電極ランプ１５とを結合する伝送線を長くすることによ って図２及び４における共振回路のローディングのフェーズ（位相）をシフトさ せる試みは、ある適用例においては、装置の全体的な長さを増加させるので欠点 となる場合がある。図５，６，７は前述した実施例の同軸伝送線延長部を必要と するか又は必要とすることのない無電極ランプ１５を励起する別の態様に関する ものである。 図５を参照すると、アンテナ１２に対して弱く結合されている４分１波長共振 回路が示されている。この４分１波長共振回路は、円筒状のハウジング１６の一 部として形成されている中央導体２３を有している。この中央導体２３はアンテ ナ１２によって射出されるマイクロ波エネルギから励起される。 弱いカップリングを有する４分の１波長共振回路 は無電極ランプ１５の近傍において大きな電界を提供する。多数の孔を設けたス クリーン１９が電磁放射を閉じ込め、一方無電極ランプ１５からの光を射出する ことを可能としている。前述した実施例における如く、無電極ランプ１５はモー タ１８によって駆動されるシャフト１７上に支持されている。 図６はワイヤフィード３０によってアンテナ１２へ結合されている４分の１波 長共振回路を具備する実施例を示している。ワイヤフィード３０は整合させた導 波路内のマグネトロンアンテナ１２のインピーダンスと等価なインピーダンスを 提供する位置において導体２３によって形成されている共振器内へ接続している 。導体３０はハウジング２０の上部における開口を介して延在している。 図７はマイクロ波供給源及びフィード回路網の全体的な長さを最小に維持すべ く構成された更に別の実施例を示している。４分の１波長共振回路は、中央導体 ２３及びスクリーン１９から形成した同軸導体によって形成されている。誘導性 ループがマグネトロン１１ハウジングへ一端部が接続されているフィード導体３ ０から形成されており、該フィード導体３０はハウジングにおける孔を介して外 側へ延在しており且つアンテナ１２に対してインピーダンス整合を与える点にお いて中央導体２３へ接続してい る。この誘導性ループからのパワーは、円筒状のフランジ１６及びキャップ２０ から形成したハウジング内に形成される電磁的エネルギからレゾネータ即ち共振 器へ結合される。 前述した実施例の場合におけるように、無電極ランプ１５はモータ１８によっ て駆動されるシャフト１７上に回転自在に支持されている。多数の孔を設けたス クリーン１９はマイクロ波エネルギが外部へ照射されることを遮蔽し、一方無電 極ランプ１５から発生される光が外部へ出ることを許容している。 従って、マグネトロンであるマイクロ波供給源からのマイクロ波電磁エネルギ を無電極ランプへ結合させるための結合構成体を幾つかの実施例に関して説明し た。これらの構成体の各々はこれらの光発生システムの全体的な空間条件及び重 量を減少させている。当業者は、以下の請求の範囲において更に特定的に記載す る更にその他の実施例を理解することが可能である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．無電極ランプを励起する装置において、 マイクロ波エネルギを発生するマグネトロンが設けられており、前記マグネト ロンは周辺の包囲体に関して同軸的に位置されており且つ永久的に取りつけられ た金属キャップで終端するアンテナを具備しており、 前記マグネトロンアンテナの軸に沿って無電極ランプを回転可能に支持するモ ータシャフトが設けられており、 マイクロ波照射を閉じ込め且つ前記無電極ランプによって発生された光を透過 させる多数の孔を有するスクリーンが前記無電極ランプを取り囲んでおり且つ前 記周辺部の包囲体へ接続されている、 装置。 ２．請求項１において、更に、前記アンテナと前記無電極ランプとの間に介 装して同軸伝送線が設けられており、前記同軸伝送線は前記アンテナ及び前記無 電極ランプから夫々離隔されている第一端部と第二端部とを具備する中央導体を 有すると共に、前記周辺部の包囲体及び前記多数の孔を有するスクリーンと接触 している外側導体を有している装置。 ３．請求項１において、更に、前記無電極ランプに対して冷却空気を強制さ せる手段を有する装置。 ４．請求項２において、更に、前記無電極ランプヘ冷却用空気を供給するた めの冷却用空気供給源へ接続されており前記周辺部の包囲体を介して延在してい る空気インレットを有する装置。 ５．請求項４において、前記中央導体が前記冷却用空気を前記無電極ランプ の表面へ供給するための空気通路を有している装置。 ６．無電極ランプを励起させる装置において、 マイクロ波エネルギを供給するための同軸アンテナを具備するマグネトロン、 マイクロ波エネルギを外部と結合させるための開口を具備しており前記同軸ア ンテナを取り囲んでいる金属製ハウジング、 前記ハウジングへ接続されており前記ハウジング内部からのマイクロ波エネル ギを前記開口を介して無電極ランプの表面に対して結合させる導体、 前記無電極ランプと導体とを取り囲んでおり前記導体と共に同軸伝送線を形成 している多数の孔を有するスクリーン、 を有しており、マイクロ波エネルギが前記同軸アンテナから前記ハウジング及び 同軸伝送線を介して伝搬し前記無電極ランプへ供給される装置。 ７．請求項６において、前記導体が第二導体を具備する前記ハウジングの内 部へ接続しており、前 記第二導体は前記無電極ランプにおいて最大の電界を与える前記第一導体端部の 間の点において前記第一導体へ接続している装置。 ８．請求項７において、前記第二導体が前記ハウジングヘ接続している装置 。 ９．請求項７において、前記第二導体が前記アンテナへ接続している装置。 １０．請求項６において、前記無電極ランプが回転自在に支持されている装 置。 １１．請求項２において、前記同軸伝送線が前記無電極ランプへ入射する電 界の大きさを増加させる長さを有している装置。 １２．無電極ランプを励起する装置において、 円筒状の包囲体に関して同軸的に位置されたアンテナを具備しておりマイクロ 波エネルギを発生するマグネトロン、 前記アンテナの軸に沿って位置されている無電極ランプを回転自在に支持する モータシャフト、 前記無電極ランプを取り囲んでおり且つ前記円筒状の包囲体へ電気的に接続さ れている多数の孔を設けたスクリーン、 前記アンテナヘ接続した第一端部と前記無電極ランプへ隣接した第二端部とを 具備しており前記円筒状の包囲体と共に前記無電極ランプへマイクロ波エ ネルギを転送するための伝送線を形成しているアンテナ延長部、 を有する装置。 １３．請求項１２において、前記延長部が強制空気を受取り且つ前記強制空 気を前記無電極ランプへ供給するインレットへ接続されている空気通路を有する 装置。