专利名称：提供旋转电场的电感无电极灯的制作方法
这里描述的本发明是在能源部奖励基金的政府支持下完成的。政府具有本发明的某些权利。
相关申请的交叉参考本申请是基于并要求有美国专利申请号60/141,872，申请日为1999年7月2和美国专利申请号09/531,507，申请日为2000年3月21日的优先权。
背景技术：
发明领域本发明属于放电灯，尤其是属于电感无电极灯的操作和结构。
相关技术无电极灯无需更换能以10000以上的工作小时产生光亮度水平。无电极灯没有内部电极，而是依靠外部结构来击穿并激发某一填充剂以发射可见光。典型的无电极灯可分类为电感耦合(H放电)、电容耦合(E放电)，微波放电和行波放电。无电极灯的某些基本原理，以及每一种无电极灯的类型，都在文献中讨论过，例如Wharmby，D.O.，“用于照明的无电极灯回顾”，IEEE Proceedings-A，Vol.140，No.6，1993年11月，pp.465-473(电子电气工程师协会学报-A，140卷，pp.465-473，1993年11月6日)。
电感耦合无电极灯可以类比成一个电变压器。在电感耦合无电极灯中，在放电容器(灯泡)内的填充材料(例如等离子体)用作单匝次级线圈，而初级线圈经适合的阻抗匹配连接至电源。有各种式样的电感耦合无电极灯初级(激励器)线圈能在放电容器的外面；在容器的里面；在凹陷的腔体内；或绕在部分环形管状的灯表面。磁场可以用带有空气芯或磁芯的线圈来提供。
在电感耦合无电极灯中，线圈中的交流电产生一变化的磁场，该磁场感应一电场，驱动等离子体中的电流。涉及电感耦合无电极灯的某些电性能和现象，已经例如由Piejak，R.B.等人编成文献资料，“电感RF放电的简单分折”，PlasmaSources Sci.Technlol.1(1992)，papes 179-186。
在美国专利申请号09/228,230，申请日为1999年1月11日，标题是“高频电感灯和功率振荡器”，以及美国专利5,798,611中提供了用于电感耦合无电极灯的结构和工作技术的实例。这两个文件在此一起并入作为整体参考。
正交(例如90度异相)驱动技术用作无电极灯中的阻抗匹配，如同美国专利号4,712,046中的示例。已知在使用多元平行导体的电感耦合等离子体发生装置中，利用正交技术来产生椭圆形或圆形极化的电场。(参阅授予Tobin等人的美国专利5,619,103)。
另外，在无电极灯的灯泡内，已经应用正交技术来提供更均匀的电场，并因此提供更均匀的辐射放电。在这点上，微波无电极灯，授予Simpson的美国专利5,227,698，能将微波耦合到一个无电极灯腔体，在腔体内获得一个旋转场。在一个实施例中，Simpson提供了两个互成90度的场，这两个场的相位相差90度，具有相等的幅度，在腔体内形成一个具有圆形极化的复合旋转场。
在无电极灯中，电场旋转已经用于其他的目的，例如避免“电弧附着”现象，该现象能在灯泡或容器壁上产生热点。授予Lapatovich等人的美国专利5,498,928建议用以下方法来减少热点将4个电场的高频电极按90度位置定位于灯泡容器的一块激励板上，并且以90度相位差和等幅度来驱动这些高频电极，以产生带有一个电场矢量的旋转场，该旋转场在激励板上旋转。
只要电弧充分稳定以维持其本身，典型的电感耦合无电极灯并不遭受“电弧附着”现象。然而电容耦合的和微波类型无电极灯利用穿过灯泡的电场，由电感耦合无电极灯的初级(激励器)线圈产生的磁场在等离子体内感应出电场，该电场基本上发生在灯泡内。
发明概述用单匝感应线圈驱动电感耦合无电极灯，在两极上通常导致冷区的环形放电。通常，放电体的较热的区域趋向于发射光子，而放电体的较冷的区域趋向于吸收光子。两极上的冷区限制了等离子体的温度，因此限制了已足够热到能辐射可见光的放电体。
所需要的，即本发明的目标是一种用于在电感耦合无电极灯中增加冷区温度的方法和装置。
根据本发明的第一个方面，电感耦合无电极灯含有一对激励线圈，该线圈定位在外壳或灯泡的外部。该对激励线圈按在外壳内产生至少一个移动环形电场的方式定位和驱动。该移动电场在外壳内导致形成相应的等离子体放电。在灯泡容体内的大部分都发生放电，并且冷区的温度升高了。电场的移动在外壳内导致一个更均匀的热等离子激励体，因此有利于光子的发射或再次辐射。
环形电场(和相应的等离子体放电)的移动可以是旋转的，振动的，摇摆的，或开关转换的。移动的特性取决于如线圈的几何结构，方位和线圈的激励(驱动)技术等因素。在某些实施例中，这对激励线圈通过正交技术来驱动(例如或是相位正交，频率正交或幅度正交)根据本发明的一个方面，电感耦合无电极灯包括密封有填充剂的一外壳，该填充剂当被激励时形成等离子体放电；定位在外壳外部的一对激励线圈，按在外壳内部产生一个移动环形电场的方式对这对激励线圈定位和驱动，该移动环形电场在外壳内激励等离子体放电；和将交流电流施加于这对激励线圈的一驱动器，在施加于这对激励线圈的第一个线圈和第二个线圈上的交流电之间存在一相位差。较佳地，该相位差基本上是90度。例如，驱动器可以包括一单个信号源和一相位延迟调整元件，该元件提供施加于这对激励线圈的第一个线圈和第二个线圈上的交流电流之间的相位差。另外，该驱动器包括第一信号源和第二信号源，连接第一信号源以将具有第一相位的信号施加于这对激励线圈的第一个线圈，而连接第二信号源以将具有第二相位的信号施加于这对激励线圈的第二个线圈。通常，定位这对激励线圈，使这对激励线圈各自的中心相一致，并使各自的线圈轴以某一预定角度定向。在大多数例子中，该预定角度为90度。在某些例子中，有利的是，将一个线圈轴相对于另一个线圈轴标倾斜从垂线起在约10°至15°之间。在大多数例子中，这对线圈中的每个线圈有戒指环形。在某些例子中，这对戒指环形激励线圈中每个线圈在线圈互相交叉的区域的宽度变小。
根据本发明的另一个方面，电感耦合无电极灯包括密封有填充剂的一外壳，被激励时该填充剂形成等离子体放电；定位在外壳外部的一对激励线圈，按在外壳内部产生一个移动环形电场的方式定位和驱动，该移动环形电场在外壳内激励出等离子体放电；和一个驱动器，该驱动将交流电施加于这对激励线圈，其中该驱动器在将交流电施加于这对激励线圈的第一个线圈和第二个线圈之间进行开关控制。例如，开关控制将按一预定时间常数进行。更适宜地，该预定时间常数与等离子体的衰变时间有关。例如，该预定时间常数为微秒级，17。该驱动器可以包括一单个信号源和一开关元件。该开关元件在将交流电供给这对激励线圈的第一个线圈和第二个线圈之间提供开关控制。这对激励线圈可以定位成使这对激励线圈各自的中心相一致并且使各线圈轴以某一预定角度(例如90°)定向。另外，这对激励线圈可以互相平行定位且彼此间在空间上间隔开。
较佳地，施加的交流电的驱动频率至少300MHz，而这对激励线圈的每个线圈的有效电长度小于驱动频率的一半波长。更适宜地，驱动频率至少为900MHz，而这对激励线圈的每个线圈的有效电长度要小于驱动频率的四分之一波长。这里描述的驱动技术除光发射孔区域外或许覆盖有反射物的外壳中特别有利。
附图简述本发明的前述的和其他目的，功能和优点将随着下列的最佳实施例的更详细地描述显得更明白。在附图中描述的实施例，其基本特征涉及贯穿各视图的相同部分。附图不需要定比例尺，而重点在于本发明的原理介绍。
图1是一张根据本发明第一实施例的电感耦合无电极灯的立体图。
图2是一张图1灯的线圈和灯泡元件的立体背视图。
图2A是一张在图2中描述的线圈和灯元件的顶视图。
图2B是一张图2中描述的线圈和灯元件的前视图。
图2C是一张图2中描述的线圈和灯元件的右视图。
图3是一张部分截面侧视图，示出图1灯中的电容以及线圈和环元件。
图4A，图4B，图4C和图4D是顶视图，示出用于图1灯中的不同的正交驱动技术或线圈定向。
图5是一张示意图，示出由图1的灯产生的移动环形电场。
图5A是一张示意侧视图，示出被激等离子体填充剂的旋转。
图5B是一张图5A的示意顶视图。
图5C是一张示意侧视图，示出被激等离子体填充剂的摆动。
图6A是一张根据本发明另一个实施例的线圈配置的顶视图。
图6B是一张图6A的线圈配置的立体图。
图7-图9是立体图，示出适用于图1灯的其他线圈配置和定向的例子。
图10是另一个实施例的灯的线圈和灯泡元件的一张立体背视图，其中，线圈有“分裂”的戒指环配置。
图11是一张线圈的截面视图，该视图有一个类似于哑铃的有代表性的形状。
图12A和图12B是灯实施例的等体积部分视图，其中线圈是按平行板放置。
图13是一张示意图，示出由图12A或12B的灯产生的跳动的或转换的环形电场。
图14是按本发明另一个实施例的电感耦合无电极灯的立体图。
图15是一张电路的原理视图，包括图14所示元件的等效电气线路。
图16是一张利用本发明原理的带孔的无电极灯的线圈和灯泡元件的立体后视图。
图17A是一张立体图，示出适用于图1灯的线圈配置和定向的另一个例子。
图17B是一张图17A的线圈配置和定向例子的顶视图。
图17C是一张图17A的线圈配置和定向例子的正视图。
图17D是一张图17A的线圈配置和定向例子的右侧视图。
详细描述在下列描述中，目的为了说明而非限制，提供例如特定结构，接口，技术等的具体细节，以便彻底地理解本发明。然而对于技术熟练的人员是很明白的，本发明可以在那些偏离这些详细细节的其他实施例中实行。在其他情况中，省略了众所周知的设备，电路和方法的详细描述，而不会因无必要的详情使本发明的描述模糊不清。
图1描述依照本发明配置和工作的电感耦合无电极灯的第一个实施例。电感耦合无电极灯有一个定形的能透光的外壳或灯泡，在这里称为外壳22，该外壳含有等离子体状的填充剂24。一对单匝激励线圈32、34定位在外壳22的外部。如下文中解释的，将这对激励线圈按产生一移动的环形电场的方式定位和驱动。该电场通过驱动等离子体中的电流，从而激励填充剂22，使等离子体放电，发射可见光。
图1的电感耦合无电极灯20有一个长方形的基座40。在该基座上装有两个可移动的C形模块42，44。每一模块42，44携带有这对激励线圈32、34中的各自的一个线圈，该对线圈含有与各自线圈有关的电容板(如随后所述)。支架46从基座后面起垂直地向上突出，支撑外壳22。特别是，外壳支干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的末端形成的外壳22被定位在这对激励线圈32、34的单匝线圈内。事实上，最好是激励线圈32、34的单匝线圈实质上有与外壳22的中心相一致中心。
在图1和图2、图2A-2D所示的特定实施例中，激励线圈32、34中的每个线圈为一个“戒指环”配置。该配置中线圈32的弯曲或半圆段的半经比线圈34的要稍大些。一个“戒指环”配置在上述参考的美国专利申请号09/228,230，申请日为1999年1月11日，标题是“高频电感灯和功率振荡器”进行描述。这里该专利一起并入作参考。此外，将这对激励线圈定向成，使线圈32的弯曲部分所处的平面与线圈34的弯曲部分所处的平面倾斜成预定的角度(例如90度)。然而，如在下文中所描述的，各种线圈的配置和定向都在本发明的范围之内。
每个线圈32、34除了有弯曲或半圆段之外，还有顶部线性段或引线以及底部线性段或引线。线圈32有顶部段32t和底部段32b；线圈34有顶部段34t和底部段34b。对于每个线圈32、34，顶部段和底部段都是线性的或在线圈弯曲的相对端笔直延伸形成的。对每个线圈，顶部段和底部段是互相平行的，并且平行于基座40的上表面。每个线圈的顶部段和底部段之间存在有一段小的垂直间隙。该间隙大小与线圈弯曲段的圆形的不连续部分相同。
每个线圈32、34的顶部段和底部段适当完整地与模块42，44携带的各自的顶部和地平面的电容极板相连接。线圈32的顶部段32t连接到安装在模块42上的电容板52t上；线圈32的底部段32b连接到安装于模块42上的电容板52b上。相似的，线圈34的顶部段34t连接到安装在模块44上的电容板54t上；线圈34的底部段34b连接到安装于模块44上的电容板54b上。电容板是由绝缘杆定位或支撑的。板52t和52b定位在绝缘杆56t和56b之间，以及板54t和54b定位在绝缘杆58t和58b之间。绝缘杆安大小排列并定位以对各自的平板维持压力，因此将平板定位。绝缘杆的高度取决于如平板间元件的厚度及线圈的所希望位置等这样的因素。
图3更详细地示出用于图1的电感耦合无电极灯的电容结构。为线圈32设置电容52c1和52c2；为线圈34设置电容54c1和54c2。电容器52c1包括电容板52t(该板适合地完整地与线圈32的顶部段32t相连)；馈电板或叶片53；和绝缘体52d1。对于线圈32，电容器52c2包括电容板52b(该板适合地完整地与线圈32的底部段32b相连)；叶片53；和绝缘体52d2。电容器54c1包括电容板54t(该板适合地完整地与线圈34的顶部段34t相连)；馈电板或叶片55；和绝缘体54d1。对于线圈34，电容器54c2包括电容板54b(该板适合地完整地与线圈32的底部段32b相连)；馈电板或叶片55；和绝缘体54d2。这样电容52c1和52c2是互相堆叠形成，而电容54c1和54c2是互相堆叠形成(见图3)。
图4A，图4B和图4C示出用于驱动图1的电感耦合无电极灯20的不同的技术。图4描述相位正交驱动技术；图4B能够描述相位正交驱动技术或描述频率正交驱动技术；图4C描述幅度正交驱动技术。
图4A的驱动器包括一个信号源80A，该信号源将交流电供给这对激励线圈32、34。图4A的驱动器在施加于线圈32和线圈34的交流电流之间引入一个预定的相位差。该相位差由在源80A和线圈32间的相位延迟调整元件82来提供。如同从图3中理解的，交流电经过叶片55施加给线圈34，叶片55位于如在图4A-图4C所示的电容板54t下。相似的，交流电经过叶片53施加给线圈32(在经相位延迟调整元件82延迟后)，叶片53位于如在图4A-图4C所示的电容板52t下。用于信号源80A的一个实例值是915MHz。一个实例的相位延迟调整元件82是一根1/4英寸× 英寸的传输线(不是正好λ/4)。
图4B的驱动器有两个交流电信号源80A和80B’。图4B的驱动器能按两种模式中的任意一种工作。在两种模式中，从信号源80B来的信号施加于线圈34，而从信号源80B’来的信号施加于线圈32。在第一种工作模式，从信号源80B和80B’来的信号具有相同的频率，但带有不同的相位。这样，由图4B表示的第一种模式实质上达到和图4A驱动器的相同结果(不同的相位)。在第二种工作模式，从信号源80B施加于线圈34的信号和从源80B’施加于线圈32的信号具有不相同的频率。换句话说，源80B和80B’工作在彼此不同的频率上。例如，在通常为900MHz工作范围内，在灯稳态工作时，在信号源80B的信号和信号源80B’的信号间频率的非相称(即差别)的程度能在20和40MHz之间(例如约为工作频率范围的2％至4％)。为了在外壳22内提供一个摆动电场，最好有30MHz的非相称度。
图4C的驱动器包括一个信号源80C，该信号源开关地将相同的交流电施加到这对激励线圈32、34。该开关动作由位于源80C和每个线圈32、34间的开关SW来完成。技术熟练的人员能够容易地获得或制作一个合适的开关SW，例如一个包括如运算放大器及类似的元件的开关电路。
这样，图4A，图4B和图4C的激励线圈32、34的定位和驱动器的应用是使用正交原理，在外壳22内建立一个移动的环形电场。此外，如下所述，环形电场至少绕线圈32、34中的一根轴移动(例如转动或自旋，摆动，或振动)。该移动环形电场在外壳22内依次地激励相应的等离子体放电。
从图5中理解移动环形电场R及其导数。图5示出这对激励线圈32、34相对于直角坐标x，y和z轴的旋转。此刻，线圈32被认为是绕y轴的线圈，而线圈34被认为是绕x轴的线圈。线圈32的匝位于x-z平面，并居中于x＝y＝0；线圈34的匝位于y-z平面，并居中于x＝y＝0。所示的轴a-b与z轴一致。线圈32有一电流Ioxcos(ωt)；线圈34有电流Ioysin(ωt)。
如在图5和下面的表达式所述，与每个线圈32、34有关的磁场在线圈32、34内产生各自的电场Ey和Ex。在下列的表达式中，x和y是单位矢量，而Bo＝Bxo＝Byo。B‾=x^Bxocos(ωt)+y^Byosin(ωt)]]>式中Bo＝Bxo＝Byo，而 和 是单位矢量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，图5，图5A和图5B示出移动环形电场R绕a-b轴(也就是箭头S所示的方向)移动(例如转动或自旋，摆动，或振动)的结果。依照所利用的特定驱动技术，电场R的移动可能是绕轴a-b的转动或自旋(如图5A所述)，或是摆动，或是绕轴a-b(如图5C所述)的振动。在图5的几何结构的所有情况中，由于轴a-b和激励线圈中一个的一个匝在一个相同和平面(也就是轴a-b和线圈32的匝位于图5中的x-z平面)，移动环形电场在外壳中绕轴a-b移动。外壳内存在的电场R，产生相应的激励等离子体放电P。该激励等离子体放电P为紧密螺旋管形或环形的，该形状对应于场R。除了对流和类似的效应外，等离子体P本身不按分子的大规模迁移那样移动。然而，当激励等离体P的不同部分时，放电环看来似乎是移动了。由于如不同的线圈几何结构或线圈电流等因素，这样，电场R和激励等离子体放电P似乎是如图5B所示，径向地收缩和膨胀。也还因为等离子体P有与其衰减时间有关的余辉，即使当电场R与那些区域不相一致时，激励放电区可能继续发射可见光。
当电感耦合无电极灯20利用相位正交(如由图4A驱动器或图4B驱动器的第一种模式所述)驱动时，环形电场R(和在外壳22间的电感激励P环)实质上按图5A中的箭头500A所示的方向绕轴a-b以激励频率(ω/2π)旋转360度。在图5所示的时刻，由于图5中绕轴a-b有一角度位置，激励等离子体P环具有从图5B上所见的椭圆形状。
当电感耦合无电极灯20利用频率正交(如由图4B的驱动器所描述)驱动，环形电场R也按图5A所示的方式，但以不同的频率绕轴a-b旋转，也就是，该频率等于驱动两个线圈的各自频率间频率差。无论是使用相位正交或频率正交，这样，在外壳22内的环形电场R和等离子体放电环，通常以至少30MHz频率旋转。如下文中所述，幅度调制开关最好是比相位调制或频率(例如微秒级或纳秒级)调制更低的时间帧(例如微秒级)内。时间帧最好选择在开关时，还能保持放电和发射可见光。通常根据特殊等离子体的特性，开关太慢，将使放电停止，而开关太快不能预先控制等离子体的移动。
在图4C的幅度正交驱动器中，信号按预定的时间常数在线圈32、34之间进行开关切换。即图4C的驱动器将电流交替施加到这对激励线圈32、34，也就是，用预定的时间常数将这对激励线圈32、34开启和关掉。利用图4C的驱动器，这种按交替(开关)方式使用电流，使激励等离子体在图5C中所示的位置P和P’之间摆动或转换。位置P和P’相隔角度500C。用于启动和关掉激励线圈32、34的预定时间常数的选择与已测得的等离子体衰变时间有关，并且最好是比等离子体的衰变时间稍微快点(例如在所述的实施例中的10-3秒级)。衰变时间是指等离子体在没有给它施加能量时，等离子体还能继续点亮(也就是没有熄灭)的时间周期。这种驱动迫使在电感耦合无电极灯的外壳22内的电感激励环的极性振动，迫使电感激励环移动到垂直的极性并在经历衰变前又返回。
因为两个线圈32、34不可能有相同的直径(例如为了避免几何结构的冲突)，在使用幅度正交驱动的其他实施例中，可以选择稍微不同的驱动这对激励线圈32、34的各自激励时间。即，可以选择每个线圈的激励时间，以在线圈和等离子体间调整不同的耦合常数。
图4C的幅度调制驱动器是适用于在主动线圈和被动线圈间发生信号串扰的情况的一个例子。当线圈32、34在几何结构上正好彼此垂直时，它们的互感变得非常小。但是线圈32、34间的电容耦合(在线圈的重叠部分)几乎与地短路。这种电容耦合导致有效功率不是耦合到驱动线圈，而是耦合到被动线圈，损失功率和严格定义的激励板。例如通过按图4D所示的方式互相标明线圈32、34，所引起的互感能用于将线圈32、34之间的信号串扰减到最少。这样为避免信号串扰，将这对激励线圈32、34定形到外壳的外部，所以，这对激励线圈中第一个的匝的平面与这对激励线圈中第二个的匝的平面以稍微非正交角度倾斜。该稍微非正交角度最好是在10度和15度的范围内，并能用网络分折仪以冷的或热的测试方式进行选择。除了幅度正交外，该标明的配置对正交驱动技术是有利的，例如频率正交，并且可以允许工作在更高功率电平上。
对于上述的所有情况，由于移动环形电场R耦合至轴a-b两极的功率比耦合至轴a-b中点的功率更多，该等离子放电体比传统的单个线圈的电感灯中的放电体更热(也就是有一个比较高的最小温度)，而且更均匀。该移动环形电场R不会切割灯泡或外壳22的表面，并且使灯泡中的功率分布比其他耦合方式更均匀。对于上述所有的情况，当该激励等离子放电体P绕轴a-b移动时，似乎具有紧密的螺旋管或环形室的形状。
如上所指出，线圈32、34能够采用其他许多种配置和定向。例如，如图6A和图6B所示，线圈326和346在它们的重叠部分的宽度较小。线圈326和346的线圈宽度的减小，倾向于减小326和346间的电容耦合。
如图7所示的另一个例子，这对激励线圈不需要是严格地圆的线圈，而替代为如线圈327所示的基本上是椭圆的线圈。然而，图1的实施例的线圈32的单匝的半径比图8中的线圈34的准中心的单匝的半径更大。而图9中的实施例易于使线圈对单匝线圈的半径基本上相等。在图8中，由于每个线圈的位置，线圈328和348的单匝的半径实质上是相同的，所以它单匝延伸通过其他单匝的一个圆形的不连续体(在顶部或底部线圈段)。在图8的实施例中，线圈32各自的顶部和底部段32t8和34b8在外壳22周围，不是垂直地定向于线圈34的顶部和底部段34t8和34b8，而是在外壳周围定向于180度。在图9的实施例中，通过将单匝线圈的中心互相稍微偏离，使线圈32和34的半径相等，因而每个单匝线圈是部分地在另一个单匝线圈所处的假想球状面外面，部分地在该球状面的里面。
图10所示的一个例子，其中线圈3210和线圈3410形成如“分裂”的戒指环，这两个戒指环互相垂直。因为在某些情况下，去掉线圈的中间段不会过多地影响其性能，所以在图10线圈3210和3410“分裂”的戒指环中，已经移去每个线圈的中间段。这样，由于线圈3210和线圈3410有已移去的中间部分或缺口，在结构学术语中，线圈3210和3410的每个线圈是以微少空隙隔开的两个线圈元件。有利地，因为线圈3210和3410的表面积的减少，其内部线圈电容也比图2的相应线圈的要小。然而就其功能，每个线圈的两个线圈元件基本达到如图2相应线圈的性能。
图17A-图17B示出一个例子，其中线圈3217形成如“分裂”的戒指环，有元件32A17和32B17，这两个元件间的分隔间隙比图10所示的线圈的更大。另一方面，线圈3417不是分裂的，但是垂直于线圈元件32A17和32B17。通常对于戒指环形的线圈，线圈的宽度最好是在从稍比灯泡的内径小到约为灯泡内径一半的范围内。例如在灯泡内径是6mm的，线圈的内径为9mm的情况下，线圈的宽度最好在约2.5mm到5.5mm的范围内，其厚度约为1/6mm到2/3mm。对于图17A-图17B所示的特殊配置，线圈元件32A17和32B17的每个的宽度应在该范围的下限(例如2.5mm，如图17B中由32W17所指出)，而线圈3417宽度为34W17，应在该范围的上限(例如5.5mm)。
图11示出线圈3211，其横截面类似于哑铃。换句话说，图11的线圈3211的环形边缘相对于线圈细的中间部分或中间段有些象球根状的。在前述的实施例的适当线圈中，两个线圈23(应是32)和34可能有图11描述的哑铃状的线圈横截面。
图12A和图12B描述的实施例，线圈按是平行板排列(而不是按前述实施例中的方式，互相垂直的)。在图12A，线圈3212A和线圈3412A按平行板排列，例如，平行板均和轴1200A垂直，线圈3212A和3412A的扁平的或线性部分与轴1200A方向相同。在图12B中，线圈3212B和线圈3412B也按平行板排列，但是线圈3212A和线圈3412A绕轴1200B以一非零角度取向(例如，绕轴1200B以180度角度取向)。图12A实施例和图12B实施例两者最好均用正交技术驱动。例如能够利用图4的幅度正交驱动技术，使用经开关SW在线圈32、34之间进行开关切换交流电(由源80供给)。
本发明的实施例，如图12A和图12B所示的，其中线圈是按平行板排列，产生一个移动环形电场R，该电场按从图13理解的方式在线圈平板间进行开关切换。图13(从侧面)示出在位置P13T和P13B间开关切换的紧密螺旋管形或环形的激励等离子体放电。根据等离子体的驰豫时间，激励等离子体放电似乎在位置P13T和P13B间，连续地来回的跳动或移动。这样的跳动特征在线圈之间进行开关切换时，是由加热线圈间的区域产生的。
图14示出电感耦合无电极灯的另一个实施例，尤其是灯120。如在图1实施例的情况中，电感耦合无电极灯120含有外壳122和一对单匝激励线圈132和134。如在图1实施例中，电感耦合无电极灯120的单匝线圈132、134有一个与外壳122中心相一致的曲率中心。线圈132和134定向成使它们的轴相隔90度。外壳122平稳地支撑在支柱146上。该支柱146固定在底座140上。
对于电感耦合无电极灯120，电容器152和154分别与其各自线圈132、134连联系。电容器152和154是由中间隔开的导电的同心圆柱体152c，154c，和160实现的。圆柱体152c接至线圈132的一端；圆柱体154c接至线圈134的一端。线圈132和134的，剩余端经过导电棒164接地。这样，由圆柱体152c和圆柱体1601形成电容器152，两个圆柱体间有空气绝缘层；由圆柱体154c和圆柱体160形成电容器154，两个圆柱体间也有空气绝缘层。
所示的电感器164，作为串联输入电感。该电感器也可以是一张叶片，该叶片连接在RF输入端的中心端和圆柱体160的中间。圆柱体160形成电容器152和154的一个公共板极。电容器166接在圆柱体160和地之间。电容器166可以是分立的大容量电容器，并提供与包括线圈132和134的谐振电路相匹配的阻抗。在这点上，电容器152、154与线圈132、134形成并联的谐振电路(忽略电容器166的较大电容值)。
图15示出用于图14的电感耦合无电极灯120的一个等效的耦合电路170。图15特别地示出分别串接在电容器152和154上的单匝线圈132和134。由电感164和电容器166提供连接器165的50欧输入阻抗匹配。如前所述，电容器16的电容比电容器152或154的大得多。电容器152和154的电容基本相等，但不完全相等。
图15还示出功率电路的例子，该功率电路能用于电感耦合无电极灯的功率估计，以及作测试和分析。端子165经定向耦合器180和182，还经过线性RF放大器184连接至RF振荡器185。定向耦合器182与网络分折仪186相接；定向耦合器将RF信号施加到正向功率计187和反向功率计188。技术熟练的人员将理解到，功率源可以采用与图15所示的不同的电路形式。
在工作时，电感耦合无电极灯可见到两个平行的谐振电路。第一个谐振电路是由线圈132和电容器152串联后再与电容器162并联形成的。第二个谐振电路是由线圈134和电容器154串联后再与电容器162并联形成的。调整这两个谐振电路使它们的谐振频率稍微不同，这样，当施加的功率(在至电感164的端子)为两个谐振频率的一半时，在线圈132的电流和线圈134的电流间就有90度的相位差。
按前述的方式给出电感耦合无电极灯120的线圈132和134的正交工作后，在灯120外壳122内部也产生一个旋转的环形电场R。这样，图5中对移动环形电场R的叙述和结合其讨论的原理适用于图14的实施例，也适用于例如图1实施例的其他实施例中。
这里描述的灯和本发明范围内的灯能够工作在低、中和高功率的范围。施加到这里描述的灯的信号最好是在200MHz至2000MHz的频段内。300MHz至900MHz频段是最佳的频率频段。
本发明是与填充剂无关。在这点上，各种类型的填充剂能够应用于这里描述的灯。例如，图1的电感耦合无电极灯20的外壳22能是内径6mm×外径7mm的灯泡，以500托氙，含有0.05mg硒和不足0.01mg溴化铯(CsBr)。其他的填充材料和填充材料的化合物是可以的，包括高阻抗的带负电的填充剂，例如硫磺、硒、和铟，溴化物，及其化合物(例如)。也可以使用汞基的和其他金属卤化物填充剂。
应当懂得，上述的电容结构的材料对本发明不是关键的，并且技术熟练人员能够选择适当的材料。例如，能够利用聚酰亚胺或KaptonTM等作为绝缘层材料。
外壳22可以由任何合适的材料形成，例如石英(例如)。而在所述实施例中，外壳22为球状形，外壳22也可能为其他形状，例如圆柱形的和药丸形的灯泡。
在所述的实施例中，将线圈(例如32、34，和132、134)描述为单匝线圈。然而应当懂得，这里描述的现象和本发明的原理同样适用于多匝线圈。而且，几何结构不同类型的线圈可以应用于有利的地方(例如用于减少弧形放电，为正交驱动优化大小尺寸等)。为了避免对所希望的场/等离子体移动的不利的影响，每个激励线圈的适合的有效电长度应小于所施加的激励频率的波长的一半，最适宜的应小于激励频率波长的四分之一。
有利的是，本发明的实施例与传统的信号线圈电感灯在外壳或灯泡内，甚至在例如图5中的轴a-b的两极，提供更均匀的和更热的激励等离子放电体。应当认为，等离子放电体越均匀越热，该放电体越能均匀地发射光子并提供更多的可见光。而且，等离子放电体越热，该放电体的冷区吸收光子的机会越少，越利于光子的再次辐射。换句话说，一个温度更均匀更高的等离子体如同由等离子体的温度控制一样，能够提高使被吸收的光子不丢失其热量，并可以再次辐射的可能性。
增强再次辐射能力对本发明中的实施例尤为重要，在本发明的实施例中，光是通过一个孔发射的。在一个带孔的灯配置中，一个发射的光子要穿过灯泡体中的大部分空间，因为在光子穿过该小孔前，该光子必需多次穿越等离子体。图16示出本发明的一个带孔的示范性灯的实施例。除了外壳22(在图16中是不可见的)被反射罩1600封住外，图16的灯和图1的灯相类似。反射罩1600有一透光孔1602，允许发射的光穿过该小孔。例如在授予Maclennan等人的美国专利5,903,091中提供带孔无电极灯的其他例子。这里，将引作参考。
在本发明实施中，移动环形电场和激励等离子体似乎是收缩和膨胀的(在光线的圆环感中)。这样的收缩和膨胀(即激励等离子体的波动半径)的发生有各种原因，如线圈不对称和/或流过线圈的电流不同。
虽然结合目前认为最实用和最佳的实施例对本发明已作描述，应当懂得，本发明不应限制在所公开的实施例范围内，而是正好相反，应趋向于覆盖包括在所附的权利要求书的精神和范围内的各种修改和配置。
权利要求
1，一种电感耦合无电极灯，其特征在于，该灯包括密封有填充剂的一外壳，当被激励时所述填充剂形成等离子体放电；定位到所述外壳外部的一对激励线圈，该对激励线圈按在所述外壳内部产生移动环形电场的方式被定位和驱动，该移动环形电场在所述外壳内激励等离子体放电；以及将交流电流施加到该对激励线圈的一驱动器，在施加于该对激励线圈中的第一个线圈与第二个线圈的交流电之间存在一相位差。
2，权利要求1的装置，其特征在于，该相位差基本上为90度。
3，权利要求1的装置，其特征在于，所述驱动器包含一单个信号源和一相位延迟调整元件，该元件提供施加于该对激励线圈中第一个线圈和第二个线圈的交流电之间的相位差。
4，权利要求1的装置，其特征在于，所述驱动器包含第一个信号源和第二个信号源，连接第一个信号源将具有第一相位的信号施加到该对激励线圈的第一个线圈，而连接第二个信号源将具有第二相位的信号施加到该对激励线圈的第二个线圈。
5，权利要求1的装置，其特征在于，将该对激励线圈定位成使该对激励线圈中各自的中心相一致，并且使各自线圈轴以某一预定角度定向。
6，权利要求5的装置，其特征在于，所述预定的角度为90°。
7，权利要求5的装置，其特征在于，将一个线圈轴相对于另一个线圈轴倾斜从垂线起在约10°至15°之间。
8，权利要求1的装置，其特征在于，这对激励线圈中的每个线圈具有戒指环状。
9，权利要求8的装置，其特征在于，这对戒指环状激励线圈的每个线圈在线圈彼此互相交叉的区域中其宽度减小。
10，权利要求1的装置，其特征在于，所施加的交流电其驱动频率至少300MHz，并且这对激励线圈的每个线圈的有效电长度小于该驱动频率的一半波长。
11，权利要求10的装置，其特征在于，所述驱动频率至少是900MHz，并且该对激励线圈的每个线圈的有效电长度小于该驱动频率的四分之一波长。
12，权利要求1的装置，其特征在于，除光发射孔区域外所述外壳用反光材料覆盖。
13，一种电感耦合无电极灯，其特征在于，该灯包括密封有填充剂的一外壳，当被激励时该填充剂形成等离子体放电；定位到所述外壳外部的一对激励线圈，该对激励线圈按在所述外壳内部产生移动环形电场的方式被定位和驱动，该移动环形电场在所述外壳内激励等离子体放电；以及将交流电施加到该对激励线圈的一驱动器，其中该驱动器在将交流电施加于该对激励线圈中的第一个线圈和第二线圈之间进行开关切换。
14，权利要求13的装置，其特征在于，按某一预定的时间常数进行所述开关切换。
15，权利要求14的装置，其特征在于，所述预定的时间常数与等离子体的衰变时间有关。
16，权利要求15的装置，其特征在于，所述预定的时间常数为微秒级。
17，权利要求13的装置，其特征在于，所述的驱动器包括一单个信号源和一开关元件，该元件在将交流电施加到该对激励线圈中的第一个线圈和第二个线圈之间提供开关切换。
18，权利要求13的装置，其特征在于，将该对激励线圈定位成使该对激励线圈各自的中心相一致，并且使各自的线圈轴以某一预定角度定向。
19，权利要求18的装置，其特征在于，所述预定的角度为90°。
20，权利要求13的装置，其特征在于，将该对激励线圈定位成使它们互相平行且彼此间在空间上间隔开。
21，权利要求13的装置，其特征在于，该对激励线圈中的每个线圈具有戒指环状。
22，权利要求13的装置，其特征在于，施加的交流电的驱动频率至少300MHz，并且该对激励线圈的每个线圈的有效电长度小于该驱动频率的一半波长。
23，权利要求13的装置，其特征在于，所述驱动频率至少为900MHz，且该对激励线圈中的每个线圈的有效电长度小于该驱动频率的四分之一波长。
24，权利要求13的装置，其特征在于，除了光发射孔区域外所述外壳用反光材料覆盖。
全文摘要
一种电感耦合无电极灯,该灯含有一对定位于外壳或灯泡外部的激励线圈。该对激励线圈按某一方式定位和驱动以在该外壳内至少产生一个移动的环形电场。该移动环形电场在外壳内导致一个相应的等离子体放电的移动环。该电场的移动在外壳内形成一个更均匀的热等离子放电体,因此能有效地发射或再次辐射光子。环形电场的移动(和相应的等离子体放电)可以是旋转的,振动的,摆动的或开关转换的。移动的特征取决于诸如线圈的几何结构和方向以及线圈的激励(驱动)技术等因素。在某些实施例中,该对激励线圈由正交技术(例如相位正交、频率正交或幅度正交)驱动。讲到了不同的线圈的几何结构和定向。
文档编号H05B41/24GK1360813SQ00809987
公开日2002年7月24日 申请日期2000年6月30日 优先权日1999年7月2日
发明者D·A·马克列恩南, B·P·特纳, G·K·巴斯, D·A·柯可帕屈克, J·E·辛普森, W·C·特林布尔, M·G·于里 申请人:熔化照明股份有限公司