JP2005339951A - マイクロ波無電極放電ランプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高出力のマイクロ波の照射を可能とし、高輝度のプラズマ光を得る。
【解決手段】 マイクロ波を放射するマグネトロンを結合した導波管に結合され、一方の側面にプラズマ光を透過させる開口窓を有する金属製板材からなる箱状のアプリケータ４と、このアプリケータ４の内部に開口窓６に対向させて保持固定され、且つプラズマ光を透過させるランプハウス７と、このランプハウス７の内部に収容され、且つプラズマ光を透過させるパイプ７ａと、このパイプ７ａの内部に当該パイプ７ａの外周面との間に隙間を有して同心軸上に支持固定され、且つマイクロ波の照射によりプラズマ光を放出する無電極放電ランプ１１と、パイプ７ａの両端部に結合され、且つ隙間に液状冷却媒体を流通させる一対の管継手１９ａ，１９ｂとを設けることにより、無電極放電ランプ１１を液状冷却媒体により冷却することにより、無電極放電ランプ１１の管壁温度を低下させることができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、無電極放電ランプにマイクロ波を照射することにより短波長ＵＶから可視光までの範囲の光（以下、プラズマ光と称する）を発生させるマイクロ波無電極放電ランプ装置に係り、特に無電極放電ランプを液状冷却媒体により冷却させる液状冷却手段を備えたマイクロ波無電極放電ランプ装置に関するものである。

一般に陰極線管の製造設備及び半導体装置の製造設備には、多数の露光装置が使用されている。これらの露光装置の紫外線（ＵＶ）光源には有電極の水銀ランプが使用されている。一方、最近の化学合成技術の進歩から、ＵＶ光で重合反応などにより、例えば硬化する化学物質も各種作製されていることから、ＵＶランプが注目されている。近年、この用途には、マイクロ波電力を応用した無電極ＵＶランプが注目され、各種の応用研究がなされている。

陰極線管の製造設備には、陰極線管パネルに蛍光体のドットを形成する際に使用する露光装置があるが、この露光装置に用いられている水銀ランプは、その寿命は約５００時間程度と短く、約３週間程度の間隔で新しい水銀ランプと交換することが行われている。なお、この露光装置に使用されている水銀ランプは有電極水銀ランプである。

従来から用いられているマイクロ波無電極放電ランプは、強制空冷方式であるため、ランプの冷却には限度があり、ランプ内のプラズマに吸収させるマイクロ波電力量に限界があった。より高輝度のＵＶ光及び可視光を得るためには、液冷方式にすることが望まれているが、未だ実用化されていない。

無電極ランプは、通常、石英ガラスにより形成された例えば球形状または円筒形状などの容器内に各種の原子または分子を封入し、さらにプラズマを容易に発生させる例えばアルゴンまたはネオンなどの不活性ガス分子を封入する場合もある。例えば、水銀またはクリプトンを封入すると、ＵＶ光が、また、硫黄または臭化インジウムを封入すると、可視光が放出されることが知られている。いずれの場合も、それらの原子または分子がプラズマ状態となったときのプラズマ光を利用する。

この容器を構成する石英ガラスは、融点が高く、短波長ＵＶ光までも透過できることから、広範囲に利用されている。この石英ガラスは、約１０００℃以上となると、白濁することから、長時間にわたって安定した輝度を得るためには冷却を施すことが極めて重要となる。したがって、十分な冷却を施せば、無電極ランプの寿命は半永久的となることが証明されている。

なお、マグネトロンにより発生したマイクロ波を無電極ランプ内に導入し、加熱することで内包ガスを励起し、プラズマを発生させるマイクロウェーブ方式の空冷型無電極ランプ装置が例えば下記「非特許文献１」に開示されている。

商品カタログ「ＭＩＣＲＯＷＡＶＥ ＵＶ ＬＡＭＰ ＳＹＳＴＥＭ」：東京ホトン株式会社

しかしながら、このように構成された無電極ランプは、高輝度を得るために大きなマイクロ波電力を供給し、大型のブロワーで強制空冷した上で、無電極ランプの管壁温度を可能な限り上昇させて使用することから、ＵＶ光の輝度の劣化を速めたり、無電極ランプがマイクロ波放電または局部加熱などにより、クラックを発生させ、短寿命となるという課題があった。

いずれにしても、無電極ランプは、その大きさが比較的小さな無電極ランプ、例えば球形状タイプのものでは、直径が約５ｍｍ〜約４０ｍｍ程度であり、円筒形状タイプのものでは直径が約１０ｍｍ〜約１５ｍｍ程度であり、その長さが約５０ｍｍ〜約３００ｍｍ程度のものが一般的に用いられている。

このような形状の無電極ランプを一様に冷却するためには、風量が大きく、且つ静圧も高い大型のブロワーが要求される。このために耳を聾する騒音を発生させたり、また、塵埃を掻き乱すことから、液冷化方式の無電極放電ランプ装置が強く要望されている。

また、液状冷却媒体として一般に用いられている水は、身近な冷却媒体（冷媒）であるが、マイクロ波の電力吸収が最も大きい部類の物体として広く用いられているためにマイクロ波無電極ランプの冷却媒体に使用するという発想が今までに存在していなかった。

したがって、本発明は前述した従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、高出力のマイクロ波の照射を可能とし、これによって高輝度のプラズマ光が得られるマイクロ波無電極放電ランプ装置を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、高輝度のプラズマ光を長期間にわたって得られ、長寿命化を実現可能とするマイクロ波無電極放電ランプ装置を提供することにある。

このような目的を達成するために本発明によるマイクロ波無電極放電ランプ装置は、マイクロ波を放射するマグネトロンと、このマグネトロンに結合され、且つ当該マグネトロンから放射されたマイクロ波を伝播させる導波管と、この導波管に結合され、且つ少なくとも一方の側面にプラズマ光を透過させる窓を有する金属製板材からなる箱状のアプリケータと、このアプリケータの内部に窓に対向させて保持固定され、且つプラズマ光を透過させるランプハウスと、このランプハウスの内部に収容され、且つプラズマ光を透過させるパイプと、このパイプの内部に当該パイプの外周面との間に隙間を有して同心軸上に支持固定され、且つマイクロ波の照射によりプラズマ光を放出する無電極放電ランプと、パイプの両端部に結合され、且つ隙間に液状冷却媒体を流通させる一対の冷却媒体流入出手段とを設けることにより、無電極放電ランプを液状冷却媒体により冷却することにより、無電極放電ランプの管壁温度を低下させることができるので、背景技術の課題を解決することがきできる。

また、本発明による他のマイクロ波無電極放電ランプ装置は、マイクロ波を放射するマグネトロンと、このマグネトロンに結合され、且つ当該マグネトロンから放射されたマイクロ波を伝播させるとともに少なくとも一方の側面にプラズマ光を透過させる窓を有する導波管と、この導波管の内部に窓に対向させて保持固定され、且つプラズマ光を透過させるランプハウスと、ランプハウスの内部に収容され、且つプラズマ光を透過させるパイプと、このパイプの内部に当該パイプの外周面との間に隙間を有して同心軸上に支持固定され、且つマイクロ波の照射によりプラズマ光を放出する無電極放電ランプと、パイプの両端部に結合され、且つ隙間に液状冷却媒体を流通させる一対の冷却媒体流入出手段とを設け、液状冷却媒体の循環により、無電極放電ランプを冷却することで、無電極放電ランプの管壁温度を低下させることができるので、背景技術の課題を解決することがきできる。

また、本発明によるさらに他のマイクロ波無電極放電ランプ装置は、マイクロ波を放射するマグネトロンと、このマグネトロンに結合され、且つ当該マグネトロンから放射されたマイクロ波を伝播させるとともに少なくとも一方の側面にプラズマ光を透過させる窓を有する導波管と、この導波管の内部に窓に対向させて保持固定され、且つプラズマ光を透過させるランプハウスと、このランプハウスの内部に収容され、且つ導波管の外部に開口端を突出する分岐パイプを一体的に有し、プラズマ光を透過させるＴ字状パイプと、このＴ字状パイプの内部に当該Ｔ字状パイプの外周面との間に隙間を有して同心軸上に支持固定され、且つマイクロ波の照射によりプラズマ光を放出する無電極放電ランプと、分岐パイプの開口端に結合され、かつ隙間に液状冷却媒体を流入させる冷却媒体流入手段と、Ｔ字状パイプの両端部に結合され、且つ隙間に流通する液状冷却媒体を流出させる冷却媒体流出手段とを設け、液状冷却媒体の循環により、無電極放電ランプを冷却することで、無電極放電ランプの管壁温度を低下させることができるので、背景技術の課題を解決することができる。

また、好ましくは、本発明は、上記構成において、マグネトロンは
液状冷却媒体により冷却される冷却構造を有することにより、マグネトロン内を循環した液状冷却媒体の少なくとも一部を無電極放電ランプの冷却に利用することにより、この無電極放電ランプの管壁温度を低下させることができるので、背景技術の課題を解決することができる。

また、本発明は、上記構成において、導波管の窓と対向する内面に分岐パイプを包囲するリッジを設けることにより、無電極放電ランプの中央部におけるマイクロ波の電界強度が高められ、背景技術の課題を解決することがきできる。

また、本発明は、液状冷却媒体として、好ましくは、水またはシリコーン油を用いることによってある温度範囲で高い流動性が得られ、高い冷却能力が得られるので、背景技術の課題を解決することができる。

なお、本発明は、前記各構成及び後述する実施の形態に記載される構成に限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱することなく、種々の変更が可能であることは言うまでもない。

本発明によれば、液状冷却媒体の循環により、無電極放電ランプを冷却することで、無電極放電ランプの管壁温度を低下させることができるので、高出力のマイクロ波を照射することが可能となり、より高輝度のプラズマ光が容易に得られるとともに、無電極放電ランプのクラックの発生なども皆無となるので、長寿命化が実現可能となるという極めて優れた効果を有する。

また、本発明によれば、無電極放電ランプに液状冷却媒体を循環させて冷却させることにより、無電極放電ランプの管壁温度を容易に低下させることができるので、耳を聾する騒音の発生及び塵埃を掻き乱すことも皆無となり、従来より強く要望されている液冷化方式の無電極放電ランプ装置を提供できるなどの極めて優れた効果が得られる。

また、本発明によれば、マグネトロンも液冷方式のマグネトロンが使用可能となるので、マグネトロンを冷却した液冷媒体の一部または全部を無電極ランプの冷却に利用できるので、効率の良い冷却配管が実現可能となる。この結果、マグネトロンも液冷媒体方式が使用できるので、さらに高いマイクロ波電力を供給することができ、これによってより高輝度のプラズマ光が容易に得られるなどの極めて優れた効果を有する。

以下、本発明の具体的な実施の形態について、実施例の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明によるマイクロ波無電極放電ランプ装置の実施例１による全体構成を説明する要部斜視図である。図１において、１は例えば波長２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生するマグネトロン、１ａ，１ｂはマグネトロン１に駆動電力を供給する導入線、２はマグネトロン１の内部に形成されている陽極部を冷却する液状冷却媒体を循環させるパイプであり、２ａはその流入用パイプ、２ｂはその流出用パイプである。なお、これらのパイプ２ａ，２ｂは互いにその逆の機能を持たせても良い。

また、３はマグネトロン１の図示しないアンテナから放射されたマイクロ波をアプリケータ４内に伝播させる導波管、５は導波管３とアプリケータ４とを電気的に結合させて固定する固定部材である。アプリケータ４は、金属製板材などの電気良導体で形成された箱状からなっており、その箱体の一面，その面に一部または複数の面として例えば底面には、電気良導体により形成されたメッシュ，パンチングメタルまたは例えば表面に電気良導体を蒸着させた石英ガラス板からなり、マイクロ波を透過させないが、短波長ＵＶ光から可視光の範囲までプラズマ光を透過させる窓６が設けられている。

また、７は後述するマイクロ波の照射により管自体が発光する図示しない無電極放電ランプを内蔵するランプハウス、７ａは内蔵された無電極ランプを冷却する例えば水などの液状冷却媒体を流通させるパイプであり、このパイプ７ａは短波長ＵＶから可視光までの範囲のプラズマ光のうち、所望の光を透過させる材料からなる例えば石英ガラスにより形成されている。７ｂはランプハウス７の端部であり、この端部７ｂはランプハウス７の端部で内蔵される無電極放電ランプを支持固定させるとともに、液状冷却媒体を流通させるパイプ７ａと無電極放電ランプとを同心状に配置させて保持する機能を有している。なお、このパイプ７ａの他端部も図示されないが、上記同様の機能を有している。

また、８ａはランプハウス７に内蔵された無電極放電ランプを冷却する液状冷却媒体を流入させるパイプ、８ｂはそれを流出させるパイプであり、この場合も、これらのパイプ８ａ，８ｂは互いにその逆の機能を持たせても良い。９はランプ保持部材７ｂに液状冷却媒体を流通させるパイプ８ｂを結合させる連結部材、１０ａ，１０ｂ（図示されず）はアプリケータ４にランプハウス７を保持固定させる固定部材である。

図２は、図１で説明したマイクロ波を照射すると、発光する無電極放電ランプを内蔵するランプハウス７の構成を説明する長さ方向の要部断面図であり、前述した図１と同一機能部分に同一符号を付し、その説明は省略する。図２において、短波長ＵＶから可視光までの範囲のプラズマ光のうちの所望の光を透過させる材料からなる例えば石英ガラスからなるパイプ７ａの内部には、無電極放電ランプ１１がその両端部で一対のスペーサ１２ａ，１２ｂより挟持されてこのパイプ７ａとの間に隙間を持たせて配置されている。さらに、一対のスペーサ１２ａ，１２ｂにより挟持された無電極放電ランプ１１は、例えば石英ガラス材などからなる一対の支持棒１３ａ，１３ｂにより所定の位置に固定配置されている。なお、この無電極放電ランプ１１はその内部にＨｇとＡｒガスまたはＮｅガスとが封入されている。

次に、図１に示す箱状のアプリケータ４の一部を構成する側面と、この側面に向かい合う対向側面とにランプハウス７を取り付ける構造の詳細について説明する。電気良導体からなる一対のフランジ付き円筒状部材１４ａ及び円筒状部材１４ｂは、ナット状の固定部材１０ａ，１０ｂによりアプリケータ４の向かい合う側面にそれぞれねじ込みにより固定される。勿論、ナット状の固定部材をしなくても、例えば、フランジ付き円筒状部材１４ａ及び円筒状部材１４ｂのフランジ部と固定部材１０ａ，固定部材１０ｂとでアプリケータ４の向かい合うそれぞれの側面を挟持させ、例えばリベットを貫通させて固定させても良い。

フランジ付き円筒状部材１４ａ及び円筒状部材１４ｂには、パイプ７ａを保持し、且つ漏水を防止する一対のオーリング１５ａ，１５ｂを挿入し、円筒状部材１６ａ，１６ｂがねじ込みにより保持固定されている。そして、無電極放電ランプ１１を所定の位置に固定する支持棒１３ａ，１３ｂは、円筒状部材１６ａ，１６ｂの他方から挿入されたオーリング１６ａ，１６ｂを、取り付け部材１８ａ，１８ｂでねじ込み、締め付けることにより、固定される。

一方、円筒状部材１６ａ，１６ｂには、それぞれ所定位置に開口が穿設され、この開口には液状冷却媒体を流通させる管継手１９ａ，１９ｂがねじ込みにより固定配置されている。例えば、矢印Ｉで示す方向から管継手１９ａに流入された液状冷却媒体は、パイプ７ａと無電極放電ランプ１１との間に形成された隙間（スペーサ１２ａ，１２ｂにより形成された隙間）を流通し、管継手１９ｂから矢印Ｏで示す方向に流出される。

なお、フランジ付き円筒状部材１４ａ及び円筒状部材１４ｂを電気良伝導体として説明したが、アプリケータ４の側面に開口したランプハウス７の貫通穴の開口径が小さい場合は、絶縁物であっても良い。その目安は、貫通穴の周長に貫通する材料の比誘電率に平方根を乗じた値が１波長に近づいた場合または超えた場合は電気良導電体を用いることである。また、円筒状部材１４ａ，１４ｂ，１６ａ，１６ｂ及び取り付け部材１８ａ，１８ｂを電気良導電体とすれば、マイクロ波の漏洩は全く生じない。

図３は、前述したスペーサ１２ａ，１２ｂの構成を詳細に説明する図であり、図３（ａ）は要部側面図を、図３（ｂ）は図３（ａ）の矢印Ｂ方向から見た要部平面図を、図３（ｃ）は図３（ａ）の矢印Ｃ方向から見た要部平面図をそれぞれ示している。図３において、このスペーサ１２ａは、図２に示す支持棒１３ａを挿入する挿入部１２ａ１と、無電極放電ランプ１１の端部を挿入させて保持する４個の保持片を有する保持部１２ａ２とを一体化させて構成され、パイプ７ａと無電極放電ランプ１１との間を適当な均等間隔に保持させるとともに、各支持部１２ａ２の隙間１２ｃを通して液状冷却媒体が流通される。

図４は、上述したスペーサ１２ａのさらに詳細な構成を説明する図であり、図４（ａ）は図２に相当する要部断面図を、図４（ｂ）は図４（ａ）のスペーサ１２ａを中心軸に直角なＡ−Ａ´線で切断して無電極放電ランプ１１側を見た要部断面図をそれぞれ示し、上述した図２及び図３と同一機能部分には同一符号を付し、その説明は省略する。図４において、パイプ７ａと無電極放電ランプ１１との間に液状冷却媒体を通過させる隙間１２ｃは、その層厚を制御すると、液状冷却媒体として、例えば、水のようにマイクロ波を吸収する材料でも、約２ｍｍ程度の層厚であれば、無電極放電ランプ１１を十分に点灯することが可能であり、必要十分な輝度を得ることができる。因みに波長が約２．４５ＧＨｚのマイクロ波に対する水の電力半減深度は約１０ｍｍである。

なお、このスペーサ１２ａと対向配置されて無電極放電ランプ１１の他端側を挟持するスペーサ１２ｂについても全く同一構造で同一部材により形成されている。また、このスペーサ１２ａは、金属部材または絶縁部材の成形体で形成しても良く、その材質は特に限定されない。

このように構成されてマイクロ波無電極放電ランプ装置において、パイプ７ａと無電極放電ランプ１１との間の隙間１２ｃに液状冷却媒体を循環させることによって無電極放電ランプ１１の管壁温度が下げられるので、より高出力のマイクロ波を照射することが可能となり、限界輝度を上昇させることができる。また、マグネトロン１も冷却方式を使用することによってマグネトロン１を冷却した液状冷却媒体の一部または全部を無電極放電ランプ１１の冷却に利用できるので、配管効率も良好となる。この結果、マグネトロン１も液冷タイプを使用することにより、無電極放電ランプ１１に供給されるマイクロ波電力は、さらに高いものが使用可能となる。

図５は、本発明によるマイクロ波無電極放電ランプ装置の実施例２による構成を説明する図であり、図５（ａ）は要部斜視図を、図５（ｂ）は図５（ａ）の導波管３の管軸方向での要部断面図を、図５（ｃ）は図５（ａ）のランプハウス７の長さ方向での要部断面図をそれぞれ示し、上述した各図と同一機能部分には同一符号を付し、その説明は省略する。図５において、図１と異なる点は、図１に示す導波管３に図２に示すランプハウス７を直結させて構成され、この導波管３のランプハウス７と対向する上面の一部にはプラズマ光を透過させる窓３ａが設けられている。

この窓３ａは、電気良導体により形成されたメッシュ，パンチングメタルまたは例えば表面に電気良導体を蒸着させた石英ガラス板からなりマイクロ波を透過させないが、短波長ＵＶ光から可視光までのプラズマ光を透過させる機能を有している。

このような構成において、導波管３の負荷側短絡面Ｘからランプハウス７の中心軸Ｙまでの距離Ｌを適宜調節することによってランプハウス７内の同軸上に設置されている無電極放電ランプ１１にマイクロ波電界を集中させることができる。

このような構成によれば、無電極放電ランプ１１はマイクロ波の照射により励起電離され、プラズマ放電が発生し、無電極放電ランプ１１内に封入されている原子または分子特有なスペクトルの短ＵＶ光から可視光までの電磁波が発生し、窓３ａから取り出すことができる。

ここで、無電極放電ランプ１１の長さが比較的短い場合，マイクロ波電界分布が比較的一様な個所に無電極放電ランプ１１が設置された場合またはマイクロ波電界により発生する定在波の節と腹とが複数個にわたるほど長い無電極放電ランプ１１の場合は、上述した構成により安定した状態で無電極放電ランプ１１は点灯を繰り返すことになる。

図６は、本発明によるマイクロ波無電極放電ランプ装置の実施例３による構成を説明する図であり、図６（ａ）は導波管３の管軸方向での要部断面図を、図６（ｂ）はランプハウス７の中心軸方向での要部断面図をそれぞれ示し、上述した各図と同一機能部分には同一符号を付し、その説明は省略する。図６において、図５と異なる点は、ランプハウス７内において、無電極放電ランプ１１を内包する直線状のパイプ７ａがこれに代えて全体形状がＴ字状に形成されたＴ字状パイプ２０で構成され、このＴ字状パイプ２０の内部の直線部分には無電極放電パイプ１１がその両端部で一対のスペーサ１２ａ，１２ｂより挟持されてこのＴ字状パイプ２０と無電極放電ランプ１１との間に隙間を持たせて保持固定されている。

なお、このＴ字状パイプ２０は、短波長ＵＶ光から可視光までの範囲のうちの所望の光を透過させる材料からなる例えば石英ガラスから形成されている。また、このＴ字状パイプ２０には、無電極放電パイプ１１の略中央部で分岐する分岐パイプ２０ａが一体的に形成されており、この分岐パイプ２０ａの開口端には液状冷却媒体を注入する流入口２１が連結されて導波管３の底部に形成した開口部に支持固定され、この流入口２１には管継手１９ｃがねじ込みにより結合されて固定配置されている。

このような構成において、矢印Ｉで示す方向から管継手１９ｃに流入された液状冷却媒体は、無電極放電ランプ１１の中央部分から両端方向に向かってＴ字状パイプ２０と無電極放電ランプ１１との間に形成された隙間（スペーサ１２ａ，１２ｂにより形成された隙間）を流通し、両端側の各管継手１９ａ，１９ｂから矢印Ｏ１，Ｏ２で示す方向に流出される。

無電極放電ランプ１１の発光効率及び輝度を向上させるためには、マイクロ波の電界集中を無電極ランプ１１の特定な個所、例えば中央部分に発生させる場合、無電極放電ランプ１１の点滅を繰り返すと、点灯時に気化した封入物（水銀）が、非点灯時には無電極放電ランプ１１の温度の低い個所、即ち、液状冷却媒体の流入側に蒸着され易くなる。このために次の点灯を安定して行わせるためには、蒸着された部分を比較的強いマイクロ波電界の部分に移動させる必要がある。

したがって、上記構成によると、無電極放電ランプ１１が非点灯時には、無電極放電ランプ１１の中央部分が両端部よりも温度が低くなるので、封入物がこの部分に蒸着し易くなる。そして、次の点灯時に封入物が滞留した電界強度が大きい中央部分で点灯させることにより、瞬時に点灯させることができる。したがって、無電極放電ランプ１１が点滅を繰り返しても安定した点灯状態が得られ、高輝度を保持させることができる。

図７は、本発明によるマイクロ波無電極放電ランプ装置の実施例４による構成を説明する図であり、図７（ａ）は導波管３の管軸方向での要部断面図を、図７（ｂ）はランプハウス７の中心軸方向での断面図をそれぞれ示し、上述した各図と同一機能部分には同一符号を付し、その説明は省略する。図７において、図６と異なる点は、導波管３の窓３ａが形成されている上面に対して対向する底面にはＴ字状パイプ２０の分岐パイプ２０ａの外周面を包囲するようにＦｅまたはＡｌなどの金属製部材からなるリッジ２２が設置されている。このリッジ２２は、分岐パイプ２０ａを挿通させる部位に貫通穴２２ａが設けられてこの貫通穴２２ａ内に分岐パイプ２０ａが挿通される構造となっている。

なお、リッジ２２に形成される分岐パイプ２０ａの貫通穴２２ａは、貫通穴構造でなくても良く、例えばリッジ２２を内側に半円曲面を形成した２分割構造とし、分岐パイプ２０ａの外周面をその両側から挟み込む構造で形成しても良い。この場合、２分割されたリッジを分岐パイプ２０ａに挟み込んだ状態ではその相互間にスリットが形成されるが、このスリットが形成されることによって無電極放電ランプ１１の近傍におけるマイクロ波の電界強度がさらに増大することが発明者等の実験により確認された。

このような構成によれば、導波管３内におけるマイクロ波の電界強度は、導波管３の断面の長辺の中央部分を最大とし、その端部を０（零）とするサインカーブとなるが、導波管３の底面にリッジ２２を溶接などにより設置することによってその中央部分のマイクロ波電界強度をさらに高めることができる。

図８は、図７で説明したリッジ２２の他の実施例による構成を説明する図であり、図８（ａ）は導波管３の内部の上方から見た要部平面図を、図８（ｂ）はその中央部から切断した要部縦断面図をそれぞれ示している。図８において、導波管３の底面に設置されるリッジ２２は、リッジ本体２２１とこのリッジ本体２２１の長さ方向に沿って同一線上に同一部材からなるリッジ素片２２２とが２分割して形成されて配列されており、リッジ素片２２２の中央部には無電極放電ランプ１１を内蔵したＴ字状パイプ２０の分岐パイプ２０ａを挿通する貫通穴２２ａが設けられている。したがって、導波管３の終端面３ａとリッジ素片２２２と終端面３ｂとの間はギャップ２２ｂが、リッジ本体２２１とリッジ素片２２２との間はギャップ２２ｃがそれぞれ形成され、リッジ素片２２２の上方には無電極放電ランプ１１の中心部分が配設される構造となっている。ここで、リッジ素片２２２に長さをＬ、高さをＨ、ギャップ２２ｂの間隔をＧ１、ギャップ２２ｃの間隔をＧ２とする。

図９は、図７で説明したリッジ２２のさらに他の実施例による構成を説明する図であり、図９（ａ）は導波管３の内部の上方から見た要部平面図を、図９（ｂ）はその中央部から切断した要部縦断面図をそれぞれ示している。図９において、図８と異なる点は、リッジ本体２２１のリッジ素片２２２に向かい合う端面から約５ｍｍ〜約４分の１波長だけマグネトロン１側に戻ったところにＴ字状パイプ２０の分岐パイプ２０ａを挿入する貫通穴２２ａが設けられている。したがって、リッジ本体２２１の上方に無電極放電ランプ１１の中心部分が配設される構造となっている。なお、リッジ２２の幅をＷとする。

図１０は、図７で説明したリッジ２２のさらに他の実施例による構成を説明する図であり、図１０（ａ）は導波管３の内部の上方から見た要部平面図を、図１０（ｂ）はその中央部から切断した要部縦断面図をそれぞれ示している。図１０において、図８と異なる点は、リッジ素片２２２の導波管３の終端面３ｂに対向する面との間のギャップ２２ｂにＴ字状パイプ２０の分岐パイプ２０ａを挿入する貫通穴３ｃが設けられている。したがって、無電極放電ランプ１１の中心部分がリッジ素片２２２と導波管終端面３ｂとの間に配設される構造となっている。

このように導波管３の底面に取り付ける各リッジ２２を、リッジ本体２２１とリッジ素片２２２とに分割して構成させると、マグネトロン１から伝搬されたマイクロ波は、導波管３の終端面３ｂを基準面として反射されるのではなく、ギャップ２２ｂを構成する導波管３の底面３ｃを基準面として反射されることがコンピュータによる電磁波解析の結果判明した。同様にしてギャップ２２ｃにおいても、ギャップ２２ｃを構成する導波管３に底面３ｄまでマイクロ波が進入することが判明した。この結果、リッジ素片２２２の寸法を変えることにより、例えば長さＬ寸法を約１５ｍｍから約２５ｍｍまで、高さＨ寸法を約１５ｍｍから約２５ｍｍまで、間隔Ｇ１を約１０ｍｍから約２０ｍｍまで、間隔Ｇ２を約１０ｍｍとしたところ、マイクロ波電界が集中する場所が図９で示すランプ位置から図１０に示すランプ位置まで変化することが判明した。

そのマイクロ波電界が集中する位置にランプを配置してコンピュータ解析した結果、無電極ランプが強く点灯することが分かった。また、実際に試作し、その点灯を確認した。これはリッジ素片２２２とギャップ２２ｂ及びギャップ２２ｃとでマイクロ波の周波数が共振し、大きなマイクロ波電界が発生した結果と推定する。なお、図９において、リッジ２２の幅Ｗをランプの長さに近づけて約５０ｍｍから約６０ｍｍとしたところ、リッジ２２上のマイクロ波電界の集中パターンが楕円形状となり、その長軸方向がランプの長さ方向に一致することから、リッジの幅Ｗを大きくとることにより、無電極放電ランプ１１が一様に点灯することが期待される。

なお、図１１は、リッジ２２の構成を、図１０においてリッジ素片２２２を導波管終端面３ｂ側の導波管の底面側から切り欠いてＬ字状の断面にしたものである。このように構成させると、切り欠き部２２２ａの影響により、マイクロ波の反射の基準面がずれて無電極放電ランプ１１の位置のマイクロ波電界強度が増加する傾向が見られた。

また、リッジ２２を構成するリッジ本体２２１及びリッジ素片２２２の材料を同一とし、その幅Ｗも同じとしたが、リッジ２２の材料は導電性の高い材料であれば、同じ材料に固執する必要はない。例えば、無電極放電ランプ１１に対向する部分は、プラズマ光を強く反射するように表面処理すれば輝度を増すこともできる。さらにリッジ２２の幅は必ずしも同じである必要はなく、例えば、ランプに対向するリッジの幅を部分的に大きくして無電極放電ランプ１１の点灯ムラを改善させることもできる。

なお、前述した各実施例においては、支持棒１３ａ，１３ｂと無電極放電ランプ１１とがスペーサ１２ａ，１２ｂを介在させて分離された構造の場合について説明したが、支持棒１３ａ，１３ｂと無電極放電ランプ１１とを直接接触させる構造または支持棒１３ａ，１３ｂと無電極放電ランプ１１とを固着して一体化させた構造で構成しても良い。この場合、スペーサ１２ａ，１２ｂの形状が変更されるか、または省略することも可能となる。

また、前述した各実施例においては、液状冷却媒体として、例えば、水を用いた場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、シリコーン油などに代表されるある温度範囲で流動性の高い液体であれば使用可能であり、特に限定されるものではない。

なお、前述した各実施例においては、陰極線管の製造設備や半導体の製造設備などに用いられる露光装置の光源に適用するマイクロ波無電極放電ランプ装置について説明したが、ＵＶ光を利用する各種装置，ＵＶ光を使用する露光装置，ＵＶ光を使用して化学反応を促進させる各種化学合成装置，ＵＶ光を使用して化学物質を硬化させる各種塗装装置，ＵＶ光を使用する各種殺菌装置，液冷無電極ＵＶランプの冷却媒体として殺菌したい液体を使用する殺菌装置または小型高輝度可視光ランプを利用する各種照明装置などにも適用できることは言うまでもない。

本発明によるマイクロ波無電極放電ランプ装置の実施例１による構成を示す要部斜視図である。 図１に示すランプハウスの構成を示す要部断面図である。 図１に示すスペーサの構成を示す平面図である。 図２に示すスペーサの構成を説明するマイクロ波無電極放電ランプ装置の要部断面図である。 本発明によるマイクロ波無電極放電ランプ装置の実施例２による構成を示す図である。 本発明によるマイクロ波無電極放電ランプ装置の実施例３による構成を示す要部断面図である。 本発明によるマイクロ波無電極放電ランプ装置の実施例４による構成を示す要部断面図である。 本発明に係るリッジの他の実施例を示す図である。 本発明に係るリッジのさらに他の実施例を示す図である。 本発明に係るリッジの他の実施例を示す図である。 本発明に係るリッジの他の実施例を示す図である。

符号の説明

１・・・マグネトロン、１ａ・・・導入線、１ｂ・・・導入線、２ａ・・・パイプ、２ｂ・・・パイプ、３・・・導波管、４・・・アプリケータ、５・・・固定部材、６・・・窓、７・・・ランプハウス、７ａ・・・パイプ、７ｂ・・・ランプハウス端部、８ａ・・・パイプ、８ｂ・・・パイプ、９・・・連結部材、１０ａ・・・固定部材、１０ｂ・・・固定部材、１１・・・無電極放電ランプ、１２ａ・・・スペーサ、１２ａ１・・・挿入部、１２ａ２・・・保持部、１２ｂ・・・スペーサ、１２ｃ・・・隙間、１３ａ・・・支持棒、１３ｂ・・・支持棒、１４ａ・・・円筒部材、１４ｂ・・・円筒部材、１５ａ・・・オーリング、１５ｂ・・・オーリング、１６ａ・・・円筒状部材、１６ｂ・・・円筒状部材、１７ａ・・・オーリング、１７ｂ・・・オーリング、１８ａ・・・取り付け部材、１８ｂ・・・取り付け部材、１９ａ・・・管継手、１９ｂ・・・管継手、１９ｃ・・・管継手、２０・・・Ｔ字状パイプ、２０ａ・・・分岐パイプ、２１・・・流入口、２２・・・リッジ、２２１・・・リッジ本体、２２２・・・リッジ素片、２２３・・・リッジ素片、２２４・・・リッジ素片、２２５・・・リッジ素片、２２６・・・リッジ素片。

Claims (8)

1. マイクロ波を放射するマグネトロンと、
   前記マグネトロンに結合され、且つ当該マグネトロンから放射されたマイクロ波を伝播させる導波管と、
   前記導波管に結合され、且つ少なくとも一方の側面にプラズマ光を透過させる窓を有する金属製板材からなる箱状のアプリケータと、
   前記アプリケータの内部に前記窓に対向させて保持固定され、且つ前記プラズマ光を透過させるランプハウスと、
   前記ランプハウスの内部に収容され、且つ前記プラズマ光を透過させるパイプと、
   前記パイプの内部に当該パイプの外周面との間に隙間を有して同心軸上に支持固定され、且つ前記マイクロ波の照射によりプラズマ光を放出する無電極放電ランプと、
   前記パイプの両端部に結合され、且つ前記隙間に液状冷却媒体を流通させる一対の冷却媒体流入出手段と、
   を備えたことを特徴とするマイクロ波無電極放電ランプ装置。
2. マイクロ波を放射するマグネトロンと、
   前記マグネトロンに結合され、且つ当該マグネトロンから放射されたマイクロ波を伝播させるとともに少なくとも一方の側面にプラズマ光を透過させる窓を有する導波管と、
   前記導波管の内部に前記窓に対向させて保持固定され、且つ前記プラズマ光を透過させるランプハウスと、
   前記ランプハウスの内部に収容され、且つ前記プラズマ光を透過させるパイプと、
   前記パイプの内部に当該パイプの外周面との間に隙間を有して同心軸上に支持固定され、且つ前記マイクロ波の照射によりプラズマ光を放出する無電極放電ランプと、
   前記パイプの両端部に結合され、且つ前記隙間に液状冷却媒体を流通させる一対の冷却媒体流入出手段と、
   を備えたことを特徴とするマイクロ波無電極放電ランプ装置。
3. マイクロ波を放射するマグネトロンと、
   前記マグネトロンに結合され、且つ当該マグネトロンから放射されたマイクロ波を伝播させるとともに少なくとも一方の側面にプラズマ光を透過させる窓を有する導波管と、
   前記導波管の内部に前記窓に対向させて保持固定され、且つ前記プラズマ光を透過させるランプハウスと、
   前記ランプハウスの内部に収容され、且つ前記導波管の外部に開口端を突出する分岐パイプを一体的に有し、前記プラズマ光を透過させるＴ字状パイプと、
   前記Ｔ字状パイプの内部に当該Ｔ字状パイプの外周面との間に隙間を有して同心軸上に支持固定され、且つ前記マイクロ波の照射によりプラズマ光を放出する無電極放電ランプと、
   前記分岐パイプの開口端に結合され、かつ前記隙間に液状冷却媒体を流入させる冷却媒体流入手段と、
   前記Ｔ字状パイプの両端部に結合され、且つ前記隙間に流通させる前記液状冷却媒体を流出させる冷却媒体流出手段と、
   を備えたことを特徴とするマイクロ波無電極放電ランプ装置。
4. 前記マグネトロンは液状冷却媒体により冷却される冷却構造を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載のマイクロ波無電極放電ランプ装置。
5. 前記導波管の前記窓と対向する内面に前記分岐パイプを包囲するリッジを設けたことを特徴とする請求項３に記載のマイクロ波無電極放電ランプ装置。
6. 前記リッジはリッジ本体と少なくとも単数のリッジ素片とから構成することを特徴とする請求項５に記載のマイクロ波無電極放電ランプ装置。
7. 前記液状冷却媒体は、水とすることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れかに記載のマイクロ波無電極放電ランプ装置。
8. 前記液状冷却媒体は、シリコーン油とすることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れかに記載のマイクロ波無電極放電ランプ装置。
   

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