專利名稱：具有電場對稱輔助裝置的無電極高強(qiáng)度放電燈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無電極高強(qiáng)度放電燈，更具體地說在所涉及的高強(qiáng)度放電燈中通過運(yùn)用相對燈軸基本對稱并與燈軸基本共線的電場激勵燈管，從而減小在運(yùn)行時燈管壁的過熱傾向。
無電極高強(qiáng)度放電燈(HID)已在先有技術(shù)中廣泛地描述。一般說，無電極HID燈包括含有易揮發(fā)充入材料和啟動氣體的無電極燈管。燈管固定在專為將高頻能量耦合到燈管而設(shè)計(jì)的夾緊裝置上。高頻能量在燈管中產(chǎn)生發(fā)光的等離子體放電。已在1991年12月3日發(fā)布授予Lapatovich的U.S.專利No.5070277；1992年5月2日發(fā)布授予Lapatovich等人的U.S.專利No.5130612；1992年9月1日發(fā)布授予Butler等人的U.S.專利No.5144206；和1993年8月31日發(fā)布授予Lapatovich等人的U.S.專利No.5241246中揭示運(yùn)行在幾十瓦范圍內(nèi)將微波功率施加在燈管上的近來的進(jìn)展。因此，緊湊型無電極HID燈及有關(guān)的施加器已成為切實(shí)可行。
上述專利揭示小型圓柱燈管，其中高頻能量以180°相移耦合到燈管的相對的二端。所加上的電場大體上與燈管軸共線，并在燈管內(nèi)產(chǎn)生基本上沿軸的放電。用于將高頻能量耦合到燈管的夾緊裝置典型地包括一平面?zhèn)鬏斁€，例如微帶傳輸線，以及位于燈管相對二端的例如螺旋線，杯或環(huán)的電場施加器。微帶傳輸線將高頻功率以180°相移送至電場施加器。燈管典型地位于微帶傳輸線襯底的凹口中，并位于襯底平面以上幾厘米，因此燈管軸和電場施加器的軸共線。
先有技術(shù)揭示的無電極HID燈提供令人滿意的性能。然而，在一些情況下已觀察到燈管的彎曲和過熱。在極端情況下，燈管內(nèi)放電當(dāng)與燈管壁接觸時會熄滅。在其他情況下，過熱使燈管發(fā)軟和隆起。這樣的運(yùn)行降低燈管的使用壽命，并限制可以加到燈管上的功率大小。
依照本發(fā)明，無電極高強(qiáng)度放電燈包括無電極燈管，燈管包圍的體積內(nèi)含有在高頻功率激發(fā)下可進(jìn)入發(fā)光狀態(tài)的啟動氣體和化學(xué)摻雜材料的混合物；第一電場施加器和第二電場施加器，其位置使得燈管包圍的體積位于第一和第二電場施加器之間；和平面?zhèn)鬏斁€。平面?zhèn)鬏斁€包含襯底，在襯底的第一表面上有布線導(dǎo)體，用于將高頻功率從輸入端耦合至第一和第二電場施加器，在襯底的第二表面上有接地面。襯底和接地面具有凹口，凹口有開口側(cè)，供燈管放在第一和第二電場效施加器之間。無電極高強(qiáng)度放電燈還包括位于凹口的開口側(cè)并與接地面電連接的場對稱導(dǎo)體。場對稱導(dǎo)體的位置使得在燈管中電場基本相對于燈軸對稱，并基本上與軸共線。
場對稱導(dǎo)體最好包括細(xì)導(dǎo)線。導(dǎo)線直徑最好在0.001英寸至0.040英寸范圍內(nèi)。導(dǎo)線最好平行于燈管軸放置，并與凹口相反側(cè)的接地面相連接。總之，選擇導(dǎo)線直徑使其在燈的工作頻率下具有相對低的電感，并且對燈管發(fā)光具有相對小的光阻，這里避免光阻是重要的。
依照本發(fā)明的另一方面，用于將高頻能量施加到無電極燈管的夾緊裝置包括平面?zhèn)鬏斁€和第一與第二電場施加器。平面?zhèn)鬏斁€包含襯底，在襯底的第一表面上有布線導(dǎo)體和在襯底的第二表面上有接地面。襯底和接地面有凹口，凹口的開口側(cè)用于放置燈管。第一和第二電場施加器位于凹口的相反側(cè)，并與布線導(dǎo)體電連接。場對稱導(dǎo)體位于凹口的開口側(cè)并與接地面電連接。場對稱導(dǎo)體的位置使得第一和第二電場施加器之間的電場在第一和第二電場施加器之間區(qū)域中基本對稱。
為更好地理解本發(fā)明，要參閱僅為參考而引入的附圖，附圖如下


圖1是先有技術(shù)無電極HID燈的截面圖；圖2畫出先有技術(shù)無電極HID燈中電場分布；圖3表示仿照本發(fā)明的無電極HID燈；圖4是圖3的高頻夾緊裝置的局部截面圖；圖5表示圖3的無電極HID燈中電場分布；圖6是高頻夾緊裝置的局部示意圖，說明圖3的無電極HID燈中虛擬地的位置。
先有技術(shù)汽車前燈系統(tǒng)10如圖1所示。無電極前燈系統(tǒng)10包括高頻源12，傳輸線14，平面?zhèn)鬏斁€16，電場耦合器或施加器18和19，具有內(nèi)含燈充入材料24的包圍體積22的燈管20。夾持耦合器18和19和燈管20的平面?zhèn)鬏斁€16可以位于具有反射面28確定光腔30的反射罩26中。光腔可以蓋以透鏡32。
平面?zhèn)鬏斁€16包括其一個面上有布線導(dǎo)體38的襯底34。導(dǎo)體38使傳輸線14和電場耦合器18和19互連。導(dǎo)體38設(shè)計(jì)為在高頻源12下在耦合器18和19之間提供180°相移。襯底34的相反表面上蓋有導(dǎo)電接地平面(圖1中未示)。襯底34具有凹口40，燈管20固定在凹口40中。典型地，燈管20位于襯底的平面之上，與電場施加器18和19對準(zhǔn)。凹口40可以是矩形，具有開口側(cè)42。
燈管20所位于的凹口40表示接地面的不連續(xù)性。這不連續(xù)性引起在燈管附近的電場分布的不對稱性，因?yàn)殡娏€傾向于終止在接地面上。在燈管的一側(cè)上接地面是連續(xù)的，而相對側(cè)是開口的，沒有接地面。
圖2表示平面?zhèn)鬏斁€16以及電場耦合器18和19。為圖示清楚起見省去燈管。電場由電力線50表示。軸52規(guī)定燈管的標(biāo)稱安裝位置。在軸52和凹口40的邊緣54之間的區(qū)域中，電力線50移向邊緣54和有關(guān)的接地面。在軸52和開口側(cè)42之間的區(qū)域中，電力線在耦合器18和19之間伸展。在圖1和2所示的平衡一不平衡變換器型施加器的情況下，電場的不對稱性可能擾動標(biāo)稱上位于燈玻殼中央的虛擬地，將它偏移到燈管外。通過將等離子體內(nèi)電流通道逼向或逼近燈管壁，引起電弧彎曲，燈壁過熱和在極端的情況下放電熄滅，這對燈性能產(chǎn)生有害影響。而且，由于沒有良好建立的虛擬地，放電傾向于輻射不希望有的電磁干擾。
依照本發(fā)明的無電極高強(qiáng)度放電燈如圖3所示。在凹口40區(qū)域中平面?zhèn)鬏斁€16的截面圖如圖4所示。在圖1，3和4中相同部件標(biāo)以相同標(biāo)號。平面?zhèn)鬏斁€16將高頻功率從高頻源(在圖3中未示)耦合到電場施加器60和62，并且施加器60和62之間相移為180°。燈管20位于施加器60和62之間凹口40中燈軸64上。燈管20在包圍的體積22中含有啟動氣體和化學(xué)摻雜材料的混合物，該混合物受高頻功率激發(fā)至發(fā)光狀態(tài)，因而發(fā)出可見光。
為了使燈管20區(qū)域中電場分布對稱，場對稱電導(dǎo)體70位于凹口40的開口側(cè)。導(dǎo)體70的連接在圖4中更詳細(xì)地畫出。平面?zhèn)鬏斁€16包括襯底34，在襯底34正面上形成布線導(dǎo)體38，導(dǎo)體38與電場施加器60和62電連接。導(dǎo)電地平面72復(fù)蓋在襯底34的背面上。例如，接地面72可以是粘到襯底34的銅層。導(dǎo)體70電連接，最好焊接到位于凹口40的對側(cè)上的接地面72。例如，導(dǎo)體70可以是直徑范圍約為0.001英寸至0.040英寸的導(dǎo)線。導(dǎo)線可以是銅或其他導(dǎo)電材料。最佳直徑約為0.025英寸。導(dǎo)線可以如圖3所示彎曲成L形狀，以方便導(dǎo)線在地平面72上定位和焊接。在最佳實(shí)施例中，L形導(dǎo)線的長腿70a約為25厘米長，短腿70b約為4厘米長。該長度可以根據(jù)凹口40的尺寸而改變。
導(dǎo)線70的目的是使燈管20區(qū)域，尤其是包圍體積22中電場分布對稱。導(dǎo)體70選擇為在燈工作頻率下具有較低的電感，并且使光阻最小。假如光阻與導(dǎo)體70的方向無關(guān)，那么，導(dǎo)體70最好有較大的截面積，以減小電感。導(dǎo)體70的腿70a最好是直的，位置大體上平行于燈管20的軸64。而且，軸64和導(dǎo)體70之間距離d1最好近似等于軸64和凹口40的邊緣54之間的距離d2。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)細(xì)的導(dǎo)線滿足這些要求。然而，其他導(dǎo)體形狀和結(jié)構(gòu)也包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
包括平面?zhèn)鬏斁€16和電場施加器60和62的高頻施加器如圖5所示，圖中省略了燈管。在燈軸64區(qū)域中電場近似結(jié)構(gòu)由電場透鏡76表示。電場透鏡在電場施加器60和62之間燈管20(圖3)的包圍體積22對應(yīng)的區(qū)域中基本上相對于軸64對稱和基本與軸64共線。因此，燈管20內(nèi)電弧放電傾向于與軸64共線，與先有技術(shù)的無電極燈結(jié)構(gòu)相比，減小了燈管壁的過熱。
現(xiàn)在結(jié)合圖6討論與本發(fā)明的無電極高強(qiáng)度放電燈的運(yùn)行有關(guān)的虛擬地。通過考慮在燈管附近的電場和電位分布的準(zhǔn)靜態(tài)近似，可以理解導(dǎo)體70的功能。在施加器60和62之間等距的軸64上點(diǎn)x的電位Φx＝1/4(Φ1+Φ2+Φ3+Φ4)；Φ1＝-Φ2Φx＝1/4(Φ1-Φ2+0+0)＝0式中Φ1是施加器60的電位，Φ2是施加器62的電位，Φ3是導(dǎo)體70電位(地電位)和Φ4是沿邊緣54的接地面72的電位(地電位)。因?yàn)樵谑┘悠?0和62上電位相位偏差180°，點(diǎn)x實(shí)際上為虛擬地。在沒有導(dǎo)體70時，平均電位為零的點(diǎn)，即虛擬地可能偏移到燈管外面，引起上述討論的問題。當(dāng)虛擬地位于燈軸64上與施加器60和62之間等距的點(diǎn)x時，等離子體中電子受高頻場作用朝向虛擬地加速。此后電場反轉(zhuǎn)方向，使電子受到從虛擬地朝向另一施加器的加速。這一過程在射頻電場的每一循環(huán)都重復(fù)，使電子在燈管內(nèi)振蕩。
燈管中等離子體可以看作為位于凹口40中并且取向與燈軸64共軸的有損耗的介質(zhì)。因此，電場強(qiáng)度和電位值被介質(zhì)修改，但對于導(dǎo)體70存在的情況虛擬地的位置仍留在燈管的中央。當(dāng)導(dǎo)體70不存在時，虛擬地從管軸64偏離。
燈管20最好大體上為圓柱形、兩端為半球形。燈管的尺寸典型地以(內(nèi)徑×外徑×弧長)方式給出，單位均為厘米。典型的燈管范圍從1×3×6厘米至5×7×17厘米。對于運(yùn)行在中心約為915MHz和2.45GHz的最佳ISM(工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)學(xué))頻帶，燈管一般分別為2×4×10厘米和2×3×6厘米，以獲得最好性能。燈管玻殼是由透光材料制造的，高頻功率透過透光材料基本上不衰減。燈管玻殼材料可以是任何等級的玻璃狀二氧化硅，通常稱為石英，但是無水等級尤其令人滿意。也可以使用合成石英玻璃制造燈管玻殼。當(dāng)放電可以運(yùn)行在低管壁溫度時，燈管玻殼可以由例如鋁硅酸鹽玻璃或硼硅酸鹽玻璃的其他玻璃材料制造。
燈管充有可蒸發(fā)充入材料和用于啟動的低壓惰性氣體，例如氬、氪、氖或氮?dú)?，其壓力范圍?至100乇?？烧舭l(fā)材料在蒸發(fā)后部分受電離，部分受激發(fā)至幅射狀態(tài)，因此通過放電發(fā)出有用光。充入材料可以是汞和NaSc鹵素鹽或其他金屬鹽。也可以使用不含汞的其他充入材料。當(dāng)燈管運(yùn)行時并且是熱的時，內(nèi)部壓力在1和50大氣壓之間，本領(lǐng)域中技術(shù)人員所知的其他充入材料可以利用于產(chǎn)生可見，紫外或紅外輻射。
電場施加器60和62可以包括上述專利No.5070277中揭示的螺旋耦合器；上述專利No.5241246中揭示的端杯耦合器；上述專利No.5130612揭示的環(huán)型耦合器，或任何其他適當(dāng)?shù)碾妶鍪┘悠?。一般說，電場施加器在燈管包圍的體積內(nèi)產(chǎn)生高強(qiáng)度電場，使得所加的高頻功率為等離子體放電所吸收。
本發(fā)明的無電極HID燈可以運(yùn)行在13MHz至20GHz范圍中任何頻率，在這范圍內(nèi)可以產(chǎn)生相當(dāng)大的功率。運(yùn)行頻率一般選擇在ISM頻率帶中一個頻帶內(nèi)。中心約為915MHz和2.45GHz的頻率特別合適。
平面?zhèn)鬏斁€16設(shè)計(jì)為將工作頻率下高頻功率以180°相移耦合到電場施加器60和62上。用于傳輸高頻功率的平面?zhèn)鬏斁€的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)為本領(lǐng)域中技術(shù)人員所熟知。平面?zhèn)鬏斁€的襯底34是介質(zhì)材料，例如為玻璃微纖維增強(qiáng)的聚四氟乙烯(PTFE)復(fù)合層壓板，層壓板具有近似相對介質(zhì)常數(shù)2.55和厚度0.062英寸。導(dǎo)體38是在襯底的一個表面上制作的布線圖案，在襯底的相反表面上形成接地面導(dǎo)體。合適的平面?zhèn)鬏斁€的例子包括微波帶狀線和微帶傳輸線。
雖然已經(jīng)表示和說明本發(fā)明的最佳實(shí)施例的考慮的內(nèi)容，但本領(lǐng)域中技術(shù)人員應(yīng)明白可以對此作出各種變化和修改，而不偏離由所附權(quán)利要求書所規(guī)定的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種無電極高強(qiáng)度放電燈，其特征在于包括無電極燈管，燈管包圍的體積內(nèi)含有在高頻功率激發(fā)下可進(jìn)入發(fā)光狀態(tài)的啟動氣體和化學(xué)摻雜材料的混合物，所述燈管具有縱軸，第一電場施加器和第二電場施加器，其位置使得燈管包圍的體積位于第一和第二電場施加器之間，平面?zhèn)鬏斁€，它包含襯底，在襯底的第一表面上有布線導(dǎo)體，用于將高頻功率從輸入端耦合至第一和第二電場施加器，在襯底的第二表面上有接地面，所述襯底和接地面有凹口，凹口有開口側(cè)，供所述燈管放在第一和第二電場施加器之間，和場對稱導(dǎo)體，它位于所述凹口的開口側(cè)并與接地面電連接，所述場對稱導(dǎo)體的位置使得在所述燈管中電場基本上相對于所述軸是對稱的，并且基本上與所述軸共線。
2.依照權(quán)利要求1規(guī)定的無電極高強(qiáng)度放電燈，其特征在于所述場對稱導(dǎo)體由導(dǎo)線構(gòu)成。
3.依照權(quán)利要求2規(guī)定的無電極高強(qiáng)度放電燈，其特征在于所述導(dǎo)線的直徑在0.001英寸至0.040英寸范圍內(nèi)。
4.依照權(quán)利要求2規(guī)定的無電極高強(qiáng)度放電燈，其特征在于所述導(dǎo)線以平行于所述燈管的軸的方式設(shè)置。
5.依照權(quán)利要求2規(guī)定的無電極高強(qiáng)度放電燈，其特征在于所述導(dǎo)線具有經(jīng)選擇的直徑，以在所述高頻功率的頻率下提供相對低的電感和提供對所述燈管發(fā)光相對小的光阻。
6.依照權(quán)利要求2規(guī)定的無電極高強(qiáng)度放電燈，其特征在于所述燈管大體上為圓柱形，并且所述導(dǎo)線以平行于所述燈管的縱軸的方式設(shè)置。
7.依照權(quán)利要求2規(guī)定的無電極高強(qiáng)度放電燈，其特征在于所述凹口具有與所述開口側(cè)相對的邊緣，并且所述邊緣和所述場對稱導(dǎo)體離所述燈管縱軸幾乎等距。
8.依照權(quán)利要求2規(guī)定的無電極高強(qiáng)度放電燈，其特征在于所述導(dǎo)線是L形，以方便固定在所述接地面上。
9.依照權(quán)利要求1規(guī)定的無電極高強(qiáng)度放電燈，其特征在于所述場對稱導(dǎo)體這樣放置，使得在所述燈管包圍的體積內(nèi)在所述第一和第二電場施加器之間等距處產(chǎn)生虛擬地。
10.一種無電極高強(qiáng)度放電燈，其特征在于包括無電極燈管，燈管包圍的體積內(nèi)含有在高頻功率激發(fā)下可發(fā)射可見光的啟動氣體和充入材料，所述燈管具有縱軸，第一電場施加器和第二電場施加器，其位置使得燈管包圍的體積位于第一和第二電場施加器之間，平面?zhèn)鬏斁€，用于將高頻功率從輸入端耦合至第一和第二電場施加器，所述平面?zhèn)鬏斁€有凹口，凹口有開口側(cè)，供所述燈管放在第一和第二電場施加器之間，和與所述平面?zhèn)鬏斁€連接的裝置，用于使所述燈管的包圍體積內(nèi)電場相對于所述縱軸對稱。
11.依照權(quán)利要求10規(guī)定的無電極高強(qiáng)度放電燈，其特征在于所述平面?zhèn)鬏斁€包含襯底，在襯底的第一表面上有布線導(dǎo)體，在襯底的第二表面上有接地面，并且用于使所述電場對稱的裝置包括與在所述凹口的相對側(cè)上的接地面電接連的細(xì)導(dǎo)線。
12.依照權(quán)利要求11規(guī)定的無電極高強(qiáng)度放電燈，其特征在于所述導(dǎo)線的直徑在0.001英寸至0.040英寸范圍內(nèi)。
13.依照權(quán)利要求11規(guī)定的無電極高強(qiáng)度放電燈，其特征在于所述導(dǎo)線以平行于所述燈管的軸的方式設(shè)置。
14.依照權(quán)利要求11規(guī)定的無電極高強(qiáng)度放電燈，其特征在于所述導(dǎo)線具有經(jīng)選擇的直徑，以在所述高頻功率的頻率下提供相對低的電感和提供對所述燈管發(fā)光相對小的光阻。
15.依照權(quán)利要求11規(guī)定的無電極高強(qiáng)度放電燈，其特征在于所述燈管大體上為圓柱形，并且所述導(dǎo)線以平行于所述燈管的縱軸的方式設(shè)置。
16.一種用于將高頻功率耦合到無電極燈管上的夾緊裝置，其特征在于，包括平面?zhèn)鬏斁€，它包含襯底，在襯底的第一表面上有布線導(dǎo)體，在襯底的第二表面上有接地面，所述襯底和接地面有凹口，該凹口有用于安裝所述燈管的開口側(cè)，第一電場施加器和第二電場施加器，它們放置在所述凹口的相對側(cè)，并與所述布線導(dǎo)體電耦合，以及場對稱導(dǎo)體，它位于所述凹口的開口側(cè)并與所述接地面電連接，所述場對稱導(dǎo)體這樣放置，使得在所述第一和第二電場施加器之間的電場在所述第一和第二電場施加器之間區(qū)域中基本上對稱。
17.依照權(quán)利要求16規(guī)定的夾緊裝置，其特征在于所述導(dǎo)體由導(dǎo)線構(gòu)成。
18.依照權(quán)利要求17規(guī)定的夾緊裝置，其特征在于所述導(dǎo)線直徑約在0.001英寸至0.040英寸的范圍內(nèi)。
全文摘要
無電極高強(qiáng)度放電燈包括無電極燈管，第一和第二電場施加器和平面?zhèn)鬏斁€，第一和第二電場施加器的位置使得燈管位于兩個電場施加器之間。平面?zhèn)鬏斁€將高頻功率從輸入端耦合至第一和第二電場施加器，平面?zhèn)鬏斁€具有凹口，燈管就放在凹口中。場對稱導(dǎo)體最好為細(xì)導(dǎo)線，位于凹口的開口側(cè)，并與平面?zhèn)鬏斁€的接地面電連接。場對稱導(dǎo)體這樣地放置，使得燈管中電場相對于燈軸基本上對稱，并基本上與燈軸共線。
文檔編號H05B41/24GK1141499SQ9610618
公開日1997年1月29日 申請日期1996年6月14日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月16日
發(fā)明者W·P·拉帕托維希, S·J·巴特勒 申請人:奧斯蘭姆施爾凡尼亞公司