專利名稱：提供旋轉電場的電感無電極燈的制作方法
這里描述的本發明是在能源部獎勵基金的政府支持下完成的。政府具有本發明的某些權利。
相關申請的交叉參考本申請是基于并要求有美國專利申請號60/141,872，申請日為1999年7月2和美國專利申請號09/531,507，申請日為2000年3月21日的優先權。
背景技術：
發明領域本發明屬于放電燈，尤其是屬于電感無電極燈的操作和結構。
相關技術無電極燈無需更換能以10000以上的工作小時產生光亮度水平。無電極燈沒有內部電極，而是依靠外部結構來擊穿并激發某一填充劑以發射可見光。典型的無電極燈可分類為電感耦合(H放電)、電容耦合(E放電)，微波放電和行波放電。無電極燈的某些基本原理，以及每一種無電極燈的類型，都在文獻中討論過，例如Wharmby，D.O.，“用于照明的無電極燈回顧”，IEEE Proceedings-A，Vol.140，No.6，1993年11月，pp.465-473(電子電氣工程師協會學報-A，140卷，pp.465-473，1993年11月6日)。
電感耦合無電極燈可以類比成一個電變壓器。在電感耦合無電極燈中，在放電容器(燈泡)內的填充材料(例如等離子體)用作單匝次級線圈，而初級線圈經適合的阻抗匹配連接至電源。有各種式樣的電感耦合無電極燈初級(激勵器)線圈能在放電容器的外面；在容器的里面；在凹陷的腔體內；或繞在部分環形管狀的燈表面。磁場可以用帶有空氣芯或磁芯的線圈來提供。
在電感耦合無電極燈中，線圈中的交流電產生一變化的磁場，該磁場感應一電場，驅動等離子體中的電流。涉及電感耦合無電極燈的某些電性能和現象，已經例如由Piejak，R.B.等人編成文獻資料，“電感RF放電的簡單分折”，PlasmaSources Sci.Technlol.1(1992)，papes 179-186。
在美國專利申請號09/228,230，申請日為1999年1月11日，標題是“高頻電感燈和功率振蕩器”，以及美國專利5,798,611中提供了用于電感耦合無電極燈的結構和工作技術的實例。這兩個文件在此一起并入作為整體參考。
正交(例如90度異相)驅動技術用作無電極燈中的阻抗匹配，如同美國專利號4,712,046中的示例。已知在使用多元平行導體的電感耦合等離子體發生裝置中，利用正交技術來產生橢圓形或圓形極化的電場。(參閱授予Tobin等人的美國專利5,619,103)。
另外，在無電極燈的燈泡內，已經應用正交技術來提供更均勻的電場，并因此提供更均勻的輻射放電。在這點上，微波無電極燈，授予Simpson的美國專利5,227,698，能將微波耦合到一個無電極燈腔體，在腔體內獲得一個旋轉場。在一個實施例中，Simpson提供了兩個互成90度的場，這兩個場的相位相差90度，具有相等的幅度，在腔體內形成一個具有圓形極化的復合旋轉場。
在無電極燈中，電場旋轉已經用于其他的目的，例如避免“電弧附著”現象，該現象能在燈泡或容器壁上產生熱點。授予Lapatovich等人的美國專利5,498,928建議用以下方法來減少熱點將4個電場的高頻電極按90度位置定位于燈泡容器的一塊激勵板上，并且以90度相位差和等幅度來驅動這些高頻電極，以產生帶有一個電場矢量的旋轉場，該旋轉場在激勵板上旋轉。
只要電弧充分穩定以維持其本身，典型的電感耦合無電極燈并不遭受“電弧附著”現象。然而電容耦合的和微波類型無電極燈利用穿過燈泡的電場，由電感耦合無電極燈的初級(激勵器)線圈產生的磁場在等離子體內感應出電場，該電場基本上發生在燈泡內。
發明概述用單匝感應線圈驅動電感耦合無電極燈，在兩極上通常導致冷區的環形放電。通常，放電體的較熱的區域趨向于發射光子，而放電體的較冷的區域趨向于吸收光子。兩極上的冷區限制了等離子體的溫度，因此限制了已足夠熱到能輻射可見光的放電體。
所需要的，即本發明的目標是一種用于在電感耦合無電極燈中增加冷區溫度的方法和裝置。
根據本發明的第一個方面，電感耦合無電極燈含有一對激勵線圈，該線圈定位在外殼或燈泡的外部。該對激勵線圈按在外殼內產生至少一個移動環形電場的方式定位和驅動。該移動電場在外殼內導致形成相應的等離子體放電。在燈泡容體內的大部分都發生放電，并且冷區的溫度升高了。電場的移動在外殼內導致一個更均勻的熱等離子激勵體，因此有利于光子的發射或再次輻射。
環形電場(和相應的等離子體放電)的移動可以是旋轉的，振動的，搖擺的，或開關轉換的。移動的特性取決于如線圈的幾何結構，方位和線圈的激勵(驅動)技術等因素。在某些實施例中，這對激勵線圈通過正交技術來驅動(例如或是相位正交，頻率正交或幅度正交)根據本發明的一個方面，電感耦合無電極燈包括密封有填充劑的一外殼，該填充劑當被激勵時形成等離子體放電；定位在外殼外部的一對激勵線圈，按在外殼內部產生一個移動環形電場的方式對這對激勵線圈定位和驅動，該移動環形電場在外殼內激勵等離子體放電；和將交流電流施加于這對激勵線圈的一驅動器，在施加于這對激勵線圈的第一個線圈和第二個線圈上的交流電之間存在一相位差。較佳地，該相位差基本上是90度。例如，驅動器可以包括一單個信號源和一相位延遲調整元件，該元件提供施加于這對激勵線圈的第一個線圈和第二個線圈上的交流電流之間的相位差。另外，該驅動器包括第一信號源和第二信號源，連接第一信號源以將具有第一相位的信號施加于這對激勵線圈的第一個線圈，而連接第二信號源以將具有第二相位的信號施加于這對激勵線圈的第二個線圈。通常，定位這對激勵線圈，使這對激勵線圈各自的中心相一致，并使各自的線圈軸以某一預定角度定向。在大多數例子中，該預定角度為90度。在某些例子中，有利的是，將一個線圈軸相對于另一個線圈軸標傾斜從垂線起在約10°至15°之間。在大多數例子中，這對線圈中的每個線圈有戒指環形。在某些例子中，這對戒指環形激勵線圈中每個線圈在線圈互相交叉的區域的寬度變小。
根據本發明的另一個方面，電感耦合無電極燈包括密封有填充劑的一外殼，被激勵時該填充劑形成等離子體放電；定位在外殼外部的一對激勵線圈，按在外殼內部產生一個移動環形電場的方式定位和驅動，該移動環形電場在外殼內激勵出等離子體放電；和一個驅動器，該驅動將交流電施加于這對激勵線圈，其中該驅動器在將交流電施加于這對激勵線圈的第一個線圈和第二個線圈之間進行開關控制。例如，開關控制將按一預定時間常數進行。更適宜地，該預定時間常數與等離子體的衰變時間有關。例如，該預定時間常數為微秒級，17。該驅動器可以包括一單個信號源和一開關元件。該開關元件在將交流電供給這對激勵線圈的第一個線圈和第二個線圈之間提供開關控制。這對激勵線圈可以定位成使這對激勵線圈各自的中心相一致并且使各線圈軸以某一預定角度(例如90°)定向。另外，這對激勵線圈可以互相平行定位且彼此間在空間上間隔開。
較佳地，施加的交流電的驅動頻率至少300MHz，而這對激勵線圈的每個線圈的有效電長度小于驅動頻率的一半波長。更適宜地，驅動頻率至少為900MHz，而這對激勵線圈的每個線圈的有效電長度要小于驅動頻率的四分之一波長。這里描述的驅動技術除光發射孔區域外或許覆蓋有反射物的外殼中特別有利。
附圖簡述本發明的前述的和其他目的，功能和優點將隨著下列的最佳實施例的更詳細地描述顯得更明白。在附圖中描述的實施例，其基本特征涉及貫穿各視圖的相同部分。附圖不需要定比例尺，而重點在于本發明的原理介紹。


圖1是一張根據本發明第一實施例的電感耦合無電極燈的立體圖。
圖2是一張圖1燈的線圈和燈泡元件的立體背視圖。
圖2A是一張在圖2中描述的線圈和燈元件的頂視圖。
圖2B是一張圖2中描述的線圈和燈元件的前視圖。
圖2C是一張圖2中描述的線圈和燈元件的右視圖。
圖3是一張部分截面側視圖，示出圖1燈中的電容以及線圈和環元件。
圖4A，圖4B，圖4C和圖4D是頂視圖，示出用于圖1燈中的不同的正交驅動技術或線圈定向。
圖5是一張示意圖，示出由圖1的燈產生的移動環形電場。
圖5A是一張示意側視圖，示出被激等離子體填充劑的旋轉。
圖5B是一張圖5A的示意頂視圖。
圖5C是一張示意側視圖，示出被激等離子體填充劑的擺動。
圖6A是一張根據本發明另一個實施例的線圈配置的頂視圖。
圖6B是一張圖6A的線圈配置的立體圖。
圖7-圖9是立體圖，示出適用于圖1燈的其他線圈配置和定向的例子。
圖10是另一個實施例的燈的線圈和燈泡元件的一張立體背視圖，其中，線圈有“分裂”的戒指環配置。
圖11是一張線圈的截面視圖，該視圖有一個類似于啞鈴的有代表性的形狀。
圖12A和圖12B是燈實施例的等體積部分視圖，其中線圈是按平行板放置。
圖13是一張示意圖，示出由圖12A或12B的燈產生的跳動的或轉換的環形電場。
圖14是按本發明另一個實施例的電感耦合無電極燈的立體圖。
圖15是一張電路的原理視圖，包括圖14所示元件的等效電氣線路。
圖16是一張利用本發明原理的帶孔的無電極燈的線圈和燈泡元件的立體后視圖。
圖17A是一張立體圖，示出適用于圖1燈的線圈配置和定向的另一個例子。
圖17B是一張圖17A的線圈配置和定向例子的頂視圖。
圖17C是一張圖17A的線圈配置和定向例子的正視圖。
圖17D是一張圖17A的線圈配置和定向例子的右側視圖。
詳細描述在下列描述中，目的為了說明而非限制，提供例如特定結構，接口，技術等的具體細節，以便徹底地理解本發明。然而對于技術熟練的人員是很明白的，本發明可以在那些偏離這些詳細細節的其他實施例中實行。在其他情況中，省略了眾所周知的設備，電路和方法的詳細描述，而不會因無必要的詳情使本發明的描述模糊不清。
圖1描述依照本發明配置和工作的電感耦合無電極燈的第一個實施例。電感耦合無電極燈有一個定形的能透光的外殼或燈泡，在這里稱為外殼22，該外殼含有等離子體狀的填充劑24。一對單匝激勵線圈32、34定位在外殼22的外部。如下文中解釋的，將這對激勵線圈按產生一移動的環形電場的方式定位和驅動。該電場通過驅動等離子體中的電流，從而激勵填充劑22，使等離子體放電，發射可見光。
圖1的電感耦合無電極燈20有一個長方形的基座40。在該基座上裝有兩個可移動的C形模塊42，44。每一模塊42，44攜帶有這對激勵線圈32、34中的各自的一個線圈，該對線圈含有與各自線圈有關的電容板(如隨后所述)。支架46從基座后面起垂直地向上突出，支撐外殼22。特別是，外殼支干48由支架46固定在上面，并且平行于基座的上表面。在支干48的末端形成的外殼22被定位在這對激勵線圈32、34的單匝線圈內。事實上，最好是激勵線圈32、34的單匝線圈實質上有與外殼22的中心相一致中心。
在圖1和圖2、圖2A-2D所示的特定實施例中，激勵線圈32、34中的每個線圈為一個“戒指環”配置。該配置中線圈32的彎曲或半圓段的半經比線圈34的要稍大些。一個“戒指環”配置在上述參考的美國專利申請號09/228,230，申請日為1999年1月11日，標題是“高頻電感燈和功率振蕩器”進行描述。這里該專利一起并入作參考。此外，將這對激勵線圈定向成，使線圈32的彎曲部分所處的平面與線圈34的彎曲部分所處的平面傾斜成預定的角度(例如90度)。然而，如在下文中所描述的，各種線圈的配置和定向都在本發明的范圍之內。
每個線圈32、34除了有彎曲或半圓段之外，還有頂部線性段或引線以及底部線性段或引線。線圈32有頂部段32t和底部段32b；線圈34有頂部段34t和底部段34b。對于每個線圈32、34，頂部段和底部段都是線性的或在線圈彎曲的相對端筆直延伸形成的。對每個線圈，頂部段和底部段是互相平行的，并且平行于基座40的上表面。每個線圈的頂部段和底部段之間存在有一段小的垂直間隙。該間隙大小與線圈彎曲段的圓形的不連續部分相同。
每個線圈32、34的頂部段和底部段適當完整地與模塊42，44攜帶的各自的頂部和地平面的電容極板相連接。線圈32的頂部段32t連接到安裝在模塊42上的電容板52t上；線圈32的底部段32b連接到安裝于模塊42上的電容板52b上。相似的，線圈34的頂部段34t連接到安裝在模塊44上的電容板54t上；線圈34的底部段34b連接到安裝于模塊44上的電容板54b上。電容板是由絕緣桿定位或支撐的。板52t和52b定位在絕緣桿56t和56b之間，以及板54t和54b定位在絕緣桿58t和58b之間。絕緣桿安大小排列并定位以對各自的平板維持壓力，因此將平板定位。絕緣桿的高度取決于如平板間元件的厚度及線圈的所希望位置等這樣的因素。
圖3更詳細地示出用于圖1的電感耦合無電極燈的電容結構。為線圈32設置電容52c1和52c2；為線圈34設置電容54c1和54c2。電容器52c1包括電容板52t(該板適合地完整地與線圈32的頂部段32t相連)；饋電板或葉片53；和絕緣體52d1。對于線圈32，電容器52c2包括電容板52b(該板適合地完整地與線圈32的底部段32b相連)；葉片53；和絕緣體52d2。電容器54c1包括電容板54t(該板適合地完整地與線圈34的頂部段34t相連)；饋電板或葉片55；和絕緣體54d1。對于線圈34，電容器54c2包括電容板54b(該板適合地完整地與線圈32的底部段32b相連)；饋電板或葉片55；和絕緣體54d2。這樣電容52c1和52c2是互相堆疊形成，而電容54c1和54c2是互相堆疊形成(見圖3)。
圖4A，圖4B和圖4C示出用于驅動圖1的電感耦合無電極燈20的不同的技術。圖4描述相位正交驅動技術；圖4B能夠描述相位正交驅動技術或描述頻率正交驅動技術；圖4C描述幅度正交驅動技術。
圖4A的驅動器包括一個信號源80A，該信號源將交流電供給這對激勵線圈32、34。圖4A的驅動器在施加于線圈32和線圈34的交流電流之間引入一個預定的相位差。該相位差由在源80A和線圈32間的相位延遲調整元件82來提供。如同從圖3中理解的，交流電經過葉片55施加給線圈34，葉片55位于如在圖4A-圖4C所示的電容板54t下。相似的，交流電經過葉片53施加給線圈32(在經相位延遲調整元件82延遲后)，葉片53位于如在圖4A-圖4C所示的電容板52t下。用于信號源80A的一個實例值是915MHz。一個實例的相位延遲調整元件82是一根1/4英寸× 英寸的傳輸線(不是正好λ/4)。
圖4B的驅動器有兩個交流電信號源80A和80B’。圖4B的驅動器能按兩種模式中的任意一種工作。在兩種模式中，從信號源80B來的信號施加于線圈34，而從信號源80B’來的信號施加于線圈32。在第一種工作模式，從信號源80B和80B’來的信號具有相同的頻率，但帶有不同的相位。這樣，由圖4B表示的第一種模式實質上達到和圖4A驅動器的相同結果(不同的相位)。在第二種工作模式，從信號源80B施加于線圈34的信號和從源80B’施加于線圈32的信號具有不相同的頻率。換句話說，源80B和80B’工作在彼此不同的頻率上。例如，在通常為900MHz工作范圍內，在燈穩態工作時，在信號源80B的信號和信號源80B’的信號間頻率的非相稱(即差別)的程度能在20和40MHz之間(例如約為工作頻率范圍的2％至4％)。為了在外殼22內提供一個擺動電場，最好有30MHz的非相稱度。
圖4C的驅動器包括一個信號源80C，該信號源開關地將相同的交流電施加到這對激勵線圈32、34。該開關動作由位于源80C和每個線圈32、34間的開關SW來完成。技術熟練的人員能夠容易地獲得或制作一個合適的開關SW，例如一個包括如運算放大器及類似的元件的開關電路。
這樣，圖4A，圖4B和圖4C的激勵線圈32、34的定位和驅動器的應用是使用正交原理，在外殼22內建立一個移動的環形電場。此外，如下所述，環形電場至少繞線圈32、34中的一根軸移動(例如轉動或自旋，擺動，或振動)。該移動環形電場在外殼22內依次地激勵相應的等離子體放電。
從圖5中理解移動環形電場R及其導數。圖5示出這對激勵線圈32、34相對于直角坐標x，y和z軸的旋轉。此刻，線圈32被認為是繞y軸的線圈，而線圈34被認為是繞x軸的線圈。線圈32的匝位于x-z平面，并居中于x＝y＝0；線圈34的匝位于y-z平面，并居中于x＝y＝0。所示的軸a-b與z軸一致。線圈32有一電流Ioxcos(ωt)；線圈34有電流Ioysin(ωt)。
如在圖5和下面的表達式所述，與每個線圈32、34有關的磁場在線圈32、34內產生各自的電場Ey和Ex。在下列的表達式中，x和y是單位矢量，而Bo＝Bxo＝Byo。B‾=x^Bxocos(ωt)+y^Byosin(ωt)]]>式中Bo＝Bxo＝Byo，而 和 是單位矢量B‾=Bo(x^cos(ωt)÷y^sin(ωt))]]> 然后，忽略普通的常量，B‾=BoB‾y(-x^cos(ωt)+y^sin(ωt))]]>因而，圖5，圖5A和圖5B示出移動環形電場R繞a-b軸(也就是箭頭S所示的方向)移動(例如轉動或自旋，擺動，或振動)的結果。依照所利用的特定驅動技術，電場R的移動可能是繞軸a-b的轉動或自旋(如圖5A所述)，或是擺動，或是繞軸a-b(如圖5C所述)的振動。在圖5的幾何結構的所有情況中，由于軸a-b和激勵線圈中一個的一個匝在一個相同和平面(也就是軸a-b和線圈32的匝位于圖5中的x-z平面)，移動環形電場在外殼中繞軸a-b移動。外殼內存在的電場R，產生相應的激勵等離子體放電P。該激勵等離子體放電P為緊密螺旋管形或環形的，該形狀對應于場R。除了對流和類似的效應外，等離子體P本身不按分子的大規模遷移那樣移動。然而，當激勵等離體P的不同部分時，放電環看來似乎是移動了。由于如不同的線圈幾何結構或線圈電流等因素，這樣，電場R和激勵等離子體放電P似乎是如圖5B所示，徑向地收縮和膨脹。也還因為等離子體P有與其衰減時間有關的余輝，即使當電場R與那些區域不相一致時，激勵放電區可能繼續發射可見光。
當電感耦合無電極燈20利用相位正交(如由圖4A驅動器或圖4B驅動器的第一種模式所述)驅動時，環形電場R(和在外殼22間的電感激勵P環)實質上按圖5A中的箭頭500A所示的方向繞軸a-b以激勵頻率(ω/2π)旋轉360度。在圖5所示的時刻，由于圖5中繞軸a-b有一角度位置，激勵等離子體P環具有從圖5B上所見的橢圓形狀。
當電感耦合無電極燈20利用頻率正交(如由圖4B的驅動器所描述)驅動，環形電場R也按圖5A所示的方式，但以不同的頻率繞軸a-b旋轉，也就是，該頻率等于驅動兩個線圈的各自頻率間頻率差。無論是使用相位正交或頻率正交，這樣，在外殼22內的環形電場R和等離子體放電環，通常以至少30MHz頻率旋轉。如下文中所述，幅度調制開關最好是比相位調制或頻率(例如微秒級或納秒級)調制更低的時間幀(例如微秒級)內。時間幀最好選擇在開關時，還能保持放電和發射可見光。通常根據特殊等離子體的特性，開關太慢，將使放電停止，而開關太快不能預先控制等離子體的移動。
在圖4C的幅度正交驅動器中，信號按預定的時間常數在線圈32、34之間進行開關切換。即圖4C的驅動器將電流交替施加到這對激勵線圈32、34，也就是，用預定的時間常數將這對激勵線圈32、34開啟和關掉。利用圖4C的驅動器，這種按交替(開關)方式使用電流，使激勵等離子體在圖5C中所示的位置P和P’之間擺動或轉換。位置P和P’相隔角度500C。用于啟動和關掉激勵線圈32、34的預定時間常數的選擇與已測得的等離子體衰變時間有關，并且最好是比等離子體的衰變時間稍微快點(例如在所述的實施例中的10-3秒級)。衰變時間是指等離子體在沒有給它施加能量時，等離子體還能繼續點亮(也就是沒有熄滅)的時間周期。這種驅動迫使在電感耦合無電極燈的外殼22內的電感激勵環的極性振動，迫使電感激勵環移動到垂直的極性并在經歷衰變前又返回。
因為兩個線圈32、34不可能有相同的直徑(例如為了避免幾何結構的沖突)，在使用幅度正交驅動的其他實施例中，可以選擇稍微不同的驅動這對激勵線圈32、34的各自激勵時間。即，可以選擇每個線圈的激勵時間，以在線圈和等離子體間調整不同的耦合常數。
圖4C的幅度調制驅動器是適用于在主動線圈和被動線圈間發生信號串擾的情況的一個例子。當線圈32、34在幾何結構上正好彼此垂直時，它們的互感變得非常小。但是線圈32、34間的電容耦合(在線圈的重疊部分)幾乎與地短路。這種電容耦合導致有效功率不是耦合到驅動線圈，而是耦合到被動線圈，損失功率和嚴格定義的激勵板。例如通過按圖4D所示的方式互相標明線圈32、34，所引起的互感能用于將線圈32、34之間的信號串擾減到最少。這樣為避免信號串擾，將這對激勵線圈32、34定形到外殼的外部，所以，這對激勵線圈中第一個的匝的平面與這對激勵線圈中第二個的匝的平面以稍微非正交角度傾斜。該稍微非正交角度最好是在10度和15度的范圍內，并能用網絡分折儀以冷的或熱的測試方式進行選擇。除了幅度正交外，該標明的配置對正交驅動技術是有利的，例如頻率正交，并且可以允許工作在更高功率電平上。
對于上述的所有情況，由于移動環形電場R耦合至軸a-b兩極的功率比耦合至軸a-b中點的功率更多，該等離子放電體比傳統的單個線圈的電感燈中的放電體更熱(也就是有一個比較高的最小溫度)，而且更均勻。該移動環形電場R不會切割燈泡或外殼22的表面，并且使燈泡中的功率分布比其他耦合方式更均勻。對于上述所有的情況，當該激勵等離子放電體P繞軸a-b移動時，似乎具有緊密的螺旋管或環形室的形狀。
如上所指出，線圈32、34能夠采用其他許多種配置和定向。例如，如圖6A和圖6B所示，線圈326和346在它們的重疊部分的寬度較小。線圈326和346的線圈寬度的減小，傾向于減小326和346間的電容耦合。
如圖7所示的另一個例子，這對激勵線圈不需要是嚴格地圓的線圈，而替代為如線圈327所示的基本上是橢圓的線圈。然而，圖1的實施例的線圈32的單匝的半徑比圖8中的線圈34的準中心的單匝的半徑更大。而圖9中的實施例易于使線圈對單匝線圈的半徑基本上相等。在圖8中，由于每個線圈的位置，線圈328和348的單匝的半徑實質上是相同的，所以它單匝延伸通過其他單匝的一個圓形的不連續體(在頂部或底部線圈段)。在圖8的實施例中，線圈32各自的頂部和底部段32t8和34b8在外殼22周圍，不是垂直地定向于線圈34的頂部和底部段34t8和34b8，而是在外殼周圍定向于180度。在圖9的實施例中，通過將單匝線圈的中心互相稍微偏離，使線圈32和34的半徑相等，因而每個單匝線圈是部分地在另一個單匝線圈所處的假想球狀面外面，部分地在該球狀面的里面。
圖10所示的一個例子，其中線圈3210和線圈3410形成如“分裂”的戒指環，這兩個戒指環互相垂直。因為在某些情況下，去掉線圈的中間段不會過多地影響其性能，所以在圖10線圈3210和3410“分裂”的戒指環中，已經移去每個線圈的中間段。這樣，由于線圈3210和線圈3410有已移去的中間部分或缺口，在結構學術語中，線圈3210和3410的每個線圈是以微少空隙隔開的兩個線圈元件。有利地，因為線圈3210和3410的表面積的減少，其內部線圈電容也比圖2的相應線圈的要小。然而就其功能，每個線圈的兩個線圈元件基本達到如圖2相應線圈的性能。
圖17A-圖17B示出一個例子，其中線圈3217形成如“分裂”的戒指環，有元件32A17和32B17，這兩個元件間的分隔間隙比圖10所示的線圈的更大。另一方面，線圈3417不是分裂的，但是垂直于線圈元件32A17和32B17。通常對于戒指環形的線圈，線圈的寬度最好是在從稍比燈泡的內徑小到約為燈泡內徑一半的范圍內。例如在燈泡內徑是6mm的，線圈的內徑為9mm的情況下，線圈的寬度最好在約2.5mm到5.5mm的范圍內，其厚度約為1/6mm到2/3mm。對于圖17A-圖17B所示的特殊配置，線圈元件32A17和32B17的每個的寬度應在該范圍的下限(例如2.5mm，如圖17B中由32W17所指出)，而線圈3417寬度為34W17，應在該范圍的上限(例如5.5mm)。
圖11示出線圈3211，其橫截面類似于啞鈴。換句話說，圖11的線圈3211的環形邊緣相對于線圈細的中間部分或中間段有些象球根狀的。在前述的實施例的適當線圈中，兩個線圈23(應是32)和34可能有圖11描述的啞鈴狀的線圈橫截面。
圖12A和圖12B描述的實施例，線圈按是平行板排列(而不是按前述實施例中的方式，互相垂直的)。在圖12A，線圈3212A和線圈3412A按平行板排列，例如，平行板均和軸1200A垂直，線圈3212A和3412A的扁平的或線性部分與軸1200A方向相同。在圖12B中，線圈3212B和線圈3412B也按平行板排列，但是線圈3212A和線圈3412A繞軸1200B以一非零角度取向(例如，繞軸1200B以180度角度取向)。圖12A實施例和圖12B實施例兩者最好均用正交技術驅動。例如能夠利用圖4的幅度正交驅動技術，使用經開關SW在線圈32、34之間進行開關切換交流電(由源80供給)。
本發明的實施例，如圖12A和圖12B所示的，其中線圈是按平行板排列，產生一個移動環形電場R，該電場按從圖13理解的方式在線圈平板間進行開關切換。圖13(從側面)示出在位置P13T和P13B間開關切換的緊密螺旋管形或環形的激勵等離子體放電。根據等離子體的馳豫時間，激勵等離子體放電似乎在位置P13T和P13B間，連續地來回的跳動或移動。這樣的跳動特征在線圈之間進行開關切換時，是由加熱線圈間的區域產生的。
圖14示出電感耦合無電極燈的另一個實施例，尤其是燈120。如在圖1實施例的情況中，電感耦合無電極燈120含有外殼122和一對單匝激勵線圈132和134。如在圖1實施例中，電感耦合無電極燈120的單匝線圈132、134有一個與外殼122中心相一致的曲率中心。線圈132和134定向成使它們的軸相隔90度。外殼122平穩地支撐在支柱146上。該支柱146固定在底座140上。
對于電感耦合無電極燈120，電容器152和154分別與其各自線圈132、134連聯系。電容器152和154是由中間隔開的導電的同心圓柱體152c，154c，和160實現的。圓柱體152c接至線圈132的一端；圓柱體154c接至線圈134的一端。線圈132和134的，剩余端經過導電棒164接地。這樣，由圓柱體152c和圓柱體1601形成電容器152，兩個圓柱體間有空氣絕緣層；由圓柱體154c和圓柱體160形成電容器154，兩個圓柱體間也有空氣絕緣層。
所示的電感器164，作為串聯輸入電感。該電感器也可以是一張葉片，該葉片連接在RF輸入端的中心端和圓柱體160的中間。圓柱體160形成電容器152和154的一個公共板極。電容器166接在圓柱體160和地之間。電容器166可以是分立的大容量電容器，并提供與包括線圈132和134的諧振電路相匹配的阻抗。在這點上，電容器152、154與線圈132、134形成并聯的諧振電路(忽略電容器166的較大電容值)。
圖15示出用于圖14的電感耦合無電極燈120的一個等效的耦合電路170。圖15特別地示出分別串接在電容器152和154上的單匝線圈132和134。由電感164和電容器166提供連接器165的50歐輸入阻抗匹配。如前所述，電容器16的電容比電容器152或154的大得多。電容器152和154的電容基本相等，但不完全相等。
圖15還示出功率電路的例子，該功率電路能用于電感耦合無電極燈的功率估計，以及作測試和分析。端子165經定向耦合器180和182，還經過線性RF放大器184連接至RF振蕩器185。定向耦合器182與網絡分折儀186相接；定向耦合器將RF信號施加到正向功率計187和反向功率計188。技術熟練的人員將理解到，功率源可以采用與圖15所示的不同的電路形式。
在工作時，電感耦合無電極燈可見到兩個平行的諧振電路。第一個諧振電路是由線圈132和電容器152串聯后再與電容器162并聯形成的。第二個諧振電路是由線圈134和電容器154串聯后再與電容器162并聯形成的。調整這兩個諧振電路使它們的諧振頻率稍微不同，這樣，當施加的功率(在至電感164的端子)為兩個諧振頻率的一半時，在線圈132的電流和線圈134的電流間就有90度的相位差。
按前述的方式給出電感耦合無電極燈120的線圈132和134的正交工作后，在燈120外殼122內部也產生一個旋轉的環形電場R。這樣，圖5中對移動環形電場R的敘述和結合其討論的原理適用于圖14的實施例，也適用于例如圖1實施例的其他實施例中。
這里描述的燈和本發明范圍內的燈能夠工作在低、中和高功率的范圍。施加到這里描述的燈的信號最好是在200MHz至2000MHz的頻段內。300MHz至900MHz頻段是最佳的頻率頻段。
本發明是與填充劑無關。在這點上，各種類型的填充劑能夠應用于這里描述的燈。例如，圖1的電感耦合無電極燈20的外殼22能是內徑6mm×外徑7mm的燈泡，以500托氙，含有0.05mg硒和不足0.01mg溴化銫(CsBr)。其他的填充材料和填充材料的化合物是可以的，包括高阻抗的帶負電的填充劑，例如硫磺、硒、和銦，溴化物，及其化合物(例如)。也可以使用汞基的和其他金屬鹵化物填充劑。
應當懂得，上述的電容結構的材料對本發明不是關鍵的，并且技術熟練人員能夠選擇適當的材料。例如，能夠利用聚酰亞胺或KaptonTM等作為絕緣層材料。
外殼22可以由任何合適的材料形成，例如石英(例如)。而在所述實施例中，外殼22為球狀形，外殼22也可能為其他形狀，例如圓柱形的和藥丸形的燈泡。
在所述的實施例中，將線圈(例如32、34，和132、134)描述為單匝線圈。然而應當懂得，這里描述的現象和本發明的原理同樣適用于多匝線圈。而且，幾何結構不同類型的線圈可以應用于有利的地方(例如用于減少弧形放電，為正交驅動優化大小尺寸等)。為了避免對所希望的場/等離子體移動的不利的影響，每個激勵線圈的適合的有效電長度應小于所施加的激勵頻率的波長的一半，最適宜的應小于激勵頻率波長的四分之一。
有利的是，本發明的實施例與傳統的信號線圈電感燈在外殼或燈泡內，甚至在例如圖5中的軸a-b的兩極，提供更均勻的和更熱的激勵等離子放電體。應當認為，等離子放電體越均勻越熱，該放電體越能均勻地發射光子并提供更多的可見光。而且，等離子放電體越熱，該放電體的冷區吸收光子的機會越少，越利于光子的再次輻射。換句話說，一個溫度更均勻更高的等離子體如同由等離子體的溫度控制一樣，能夠提高使被吸收的光子不丟失其熱量，并可以再次輻射的可能性。
增強再次輻射能力對本發明中的實施例尤為重要，在本發明的實施例中，光是通過一個孔發射的。在一個帶孔的燈配置中，一個發射的光子要穿過燈泡體中的大部分空間，因為在光子穿過該小孔前，該光子必需多次穿越等離子體。圖16示出本發明的一個帶孔的示范性燈的實施例。除了外殼22(在圖16中是不可見的)被反射罩1600封住外，圖16的燈和圖1的燈相類似。反射罩1600有一透光孔1602，允許發射的光穿過該小孔。例如在授予Maclennan等人的美國專利5,903,091中提供帶孔無電極燈的其他例子。這里，將引作參考。
在本發明實施中，移動環形電場和激勵等離子體似乎是收縮和膨脹的(在光線的圓環感中)。這樣的收縮和膨脹(即激勵等離子體的波動半徑)的發生有各種原因，如線圈不對稱和/或流過線圈的電流不同。
雖然結合目前認為最實用和最佳的實施例對本發明已作描述，應當懂得，本發明不應限制在所公開的實施例范圍內，而是正好相反，應趨向于覆蓋包括在所附的權利要求書的精神和范圍內的各種修改和配置。
權利要求
1，一種電感耦合無電極燈，其特征在于，該燈包括密封有填充劑的一外殼，當被激勵時所述填充劑形成等離子體放電；定位到所述外殼外部的一對激勵線圈，該對激勵線圈按在所述外殼內部產生移動環形電場的方式被定位和驅動，該移動環形電場在所述外殼內激勵等離子體放電；以及將交流電流施加到該對激勵線圈的一驅動器，在施加于該對激勵線圈中的第一個線圈與第二個線圈的交流電之間存在一相位差。
2，權利要求1的裝置，其特征在于，該相位差基本上為90度。
3，權利要求1的裝置，其特征在于，所述驅動器包含一單個信號源和一相位延遲調整元件，該元件提供施加于該對激勵線圈中第一個線圈和第二個線圈的交流電之間的相位差。
4，權利要求1的裝置，其特征在于，所述驅動器包含第一個信號源和第二個信號源，連接第一個信號源將具有第一相位的信號施加到該對激勵線圈的第一個線圈，而連接第二個信號源將具有第二相位的信號施加到該對激勵線圈的第二個線圈。
5，權利要求1的裝置，其特征在于，將該對激勵線圈定位成使該對激勵線圈中各自的中心相一致，并且使各自線圈軸以某一預定角度定向。
6，權利要求5的裝置，其特征在于，所述預定的角度為90°。
7，權利要求5的裝置，其特征在于，將一個線圈軸相對于另一個線圈軸傾斜從垂線起在約10°至15°之間。
8，權利要求1的裝置，其特征在于，這對激勵線圈中的每個線圈具有戒指環狀。
9，權利要求8的裝置，其特征在于，這對戒指環狀激勵線圈的每個線圈在線圈彼此互相交叉的區域中其寬度減小。
10，權利要求1的裝置，其特征在于，所施加的交流電其驅動頻率至少300MHz，并且這對激勵線圈的每個線圈的有效電長度小于該驅動頻率的一半波長。
11，權利要求10的裝置，其特征在于，所述驅動頻率至少是900MHz，并且該對激勵線圈的每個線圈的有效電長度小于該驅動頻率的四分之一波長。
12，權利要求1的裝置，其特征在于，除光發射孔區域外所述外殼用反光材料覆蓋。
13，一種電感耦合無電極燈，其特征在于，該燈包括密封有填充劑的一外殼，當被激勵時該填充劑形成等離子體放電；定位到所述外殼外部的一對激勵線圈，該對激勵線圈按在所述外殼內部產生移動環形電場的方式被定位和驅動，該移動環形電場在所述外殼內激勵等離子體放電；以及將交流電施加到該對激勵線圈的一驅動器，其中該驅動器在將交流電施加于該對激勵線圈中的第一個線圈和第二線圈之間進行開關切換。
14，權利要求13的裝置，其特征在于，按某一預定的時間常數進行所述開關切換。
15，權利要求14的裝置，其特征在于，所述預定的時間常數與等離子體的衰變時間有關。
16，權利要求15的裝置，其特征在于，所述預定的時間常數為微秒級。
17，權利要求13的裝置，其特征在于，所述的驅動器包括一單個信號源和一開關元件，該元件在將交流電施加到該對激勵線圈中的第一個線圈和第二個線圈之間提供開關切換。
18，權利要求13的裝置，其特征在于，將該對激勵線圈定位成使該對激勵線圈各自的中心相一致，并且使各自的線圈軸以某一預定角度定向。
19，權利要求18的裝置，其特征在于，所述預定的角度為90°。
20，權利要求13的裝置，其特征在于，將該對激勵線圈定位成使它們互相平行且彼此間在空間上間隔開。
21，權利要求13的裝置，其特征在于，該對激勵線圈中的每個線圈具有戒指環狀。
22，權利要求13的裝置，其特征在于，施加的交流電的驅動頻率至少300MHz，并且該對激勵線圈的每個線圈的有效電長度小于該驅動頻率的一半波長。
23，權利要求13的裝置，其特征在于，所述驅動頻率至少為900MHz，且該對激勵線圈中的每個線圈的有效電長度小于該驅動頻率的四分之一波長。
24，權利要求13的裝置，其特征在于，除了光發射孔區域外所述外殼用反光材料覆蓋。
全文摘要
一種電感耦合無電極燈,該燈含有一對定位于外殼或燈泡外部的激勵線圈。該對激勵線圈按某一方式定位和驅動以在該外殼內至少產生一個移動的環形電場。該移動環形電場在外殼內導致一個相應的等離子體放電的移動環。該電場的移動在外殼內形成一個更均勻的熱等離子放電體,因此能有效地發射或再次輻射光子。環形電場的移動(和相應的等離子體放電)可以是旋轉的,振動的,擺動的或開關轉換的。移動的特征取決于諸如線圈的幾何結構和方向以及線圈的激勵(驅動)技術等因素。在某些實施例中,該對激勵線圈由正交技術(例如相位正交、頻率正交或幅度正交)驅動。講到了不同的線圈的幾何結構和定向。
文檔編號H05B41/24GK1360813SQ00809987
公開日2002年7月24日 申請日期2000年6月30日 優先權日1999年7月2日
發明者D·A·馬克列恩南, B·P·特納, G·K·巴斯, D·A·柯可帕屈克, J·E·辛普森, W·C·特林布爾, M·G·于里 申請人:熔化照明股份有限公司