具有電場對稱輔助裝置的無電極高強度放電燈的制作方法

專利名稱：具有電場對稱輔助裝置的無電極高強度放電燈的制作方法
技術領域：
本發明涉及無電極高強度放電燈，更具體地說在所涉及的高強度放電燈中通過運用相對燈軸基本對稱并與燈軸基本共線的電場激勵燈管，從而減小在運行時燈管壁的過熱傾向。
無電極高強度放電燈(HID)已在先有技術中廣泛地描述。一般說，無電極HID燈包括含有易揮發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計的夾緊裝置上。高頻能量在燈管中產生發光的等離子體放電。已在1991年12月3日發布授予Lapatovich的U.S.專利No.5070277；1992年5月2日發布授予Lapatovich等人的U.S.專利No.5130612；1992年9月1日發布授予Butler等人的U.S.專利No.5144206；和1993年8月31日發布授予Lapatovich等人的U.S.專利No.5241246中揭示運行在幾十瓦范圍內將微波功率施加在燈管上的近來的進展。因此，緊湊型無電極HID燈及有關的施加器已成為切實可行。
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，并在燈管內產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傳輸線，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，燈管內放電當與燈管壁接觸時會熄滅。在其他情況下，過熱使燈管發軟和隆起。這樣的運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。
依照本發明，無電極高強度放電燈包括無電極燈管，燈管包圍的體積內含有在高頻功率激發下可進入發光狀態的啟動氣體和化學摻雜材料的混合物；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；和平面傳輸線。平面傳輸線包含襯底，在襯底的第一表面上有布線導體，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，供燈管放在第一和第二電場效施加器之間。無電極高強度放電燈還包括位于凹口的開口側并與接地面電連接的場對稱導體。場對稱導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。
場對稱導體最好包括細導線。導線直徑最好在0.001英寸至0.040英寸范圍內。導線最好平行于燈管軸放置，并與凹口相反側的接地面相連接。總之，選擇導線直徑使其在燈的工作頻率下具有相對低的電感，并且對燈管發光具有相對小的光阻，這里避免光阻是重要的。
依照本發明的另一方面，用于將高頻能量施加到無電極燈管的夾緊裝置包括平面傳輸線和第一與第二電場施加器。平面傳輸線包含襯底，在襯底的第一表面上有布線導體和在襯底的第二表面上有接地面。襯底和接地面有凹口，凹口的開口側用于放置燈管。第一和第二電場施加器位于凹口的相反側，并與布線導體電連接。場對稱導體位于凹口的開口側并與接地面電連接。場對稱導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域中基本對稱。
為更好地理解本發明，要參閱僅為參考而引入的附圖，附圖如下


圖1是先有技術無電極HID燈的截面圖；圖2畫出先有技術無電極HID燈中電場分布；圖3表示仿照本發明的無電極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。
先有技術汽車前燈系統10如圖1所示。無電極前燈系統10包括高頻源12，傳輸線14，平面傳輸線16，電場耦合器或施加器18和19，具有內含燈充入材料24的包圍體積22的燈管20。夾持耦合器18和19和燈管20的平面傳輸線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。
平面傳輸線16包括其一個面上有布線導體38的襯底34。導體38使傳輸線14和電場耦合器18和19互連。導體38設計為在高頻源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。凹口40可以是矩形，具有開口側42。
燈管20所位于的凹口40表示接地面的不連續性。這不連續性引起在燈管附近的電場分布的不對稱性，因為電力線傾向于終止在接地面上。在燈管的一側上接地面是連續的，而相對側是開口的，沒有接地面。
圖2表示平面傳輸線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規定燈管的標稱安裝位置。在軸52和凹口40的邊緣54之間的區域中，電力線50移向邊緣54和有關的接地面。在軸52和開口側42之間的區域中，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。
依照本發明的無電極高強度放電燈如圖3所示。在凹口40區域中平面傳輸線16的截面圖如圖4所示。在圖1，3和4中相同部件標以相同標號。平面傳輸線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摻雜材料的混合物，該混合物受高頻功率激發至發光狀態，因而發出可見光。
為了使燈管20區域中電場分布對稱，場對稱電導體70位于凹口40的開口側。導體70的連接在圖4中更詳細地畫出。平面傳輸線16包括襯底34，在襯底34正面上形成布線導體38，導體38與電場施加器60和62電連接。導電地平面72復蓋在襯底34的背面上。例如，接地面72可以是粘到襯底34的銅層。導體70電連接，最好焊接到位于凹口40的對側上的接地面72。例如，導體70可以是直徑范圍約為0.001英寸至0.040英寸的導線。導線可以是銅或其他導電材料。最佳直徑約為0.025英寸。導線可以如圖3所示彎曲成L形狀，以方便導線在地平面72上定位和焊接。在最佳實施例中，L形導線的長腿70a約為25厘米長，短腿70b約為4厘米長。該長度可以根據凹口40的尺寸而改變。
導線70的目的是使燈管20區域，尤其是包圍體積22中電場分布對稱。導體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。假如光阻與導體70的方向無關，那么，導體70最好有較大的截面積，以減小電感。導體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。已經發現細的導線滿足這些要求。然而，其他導體形狀和結構也包括在本發明的范圍內。
包括平面傳輸線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區域中電場近似結構由電場透鏡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對應的區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內電弧放電傾向于與軸64共線，與先有技術的無電極燈結構相比，減小了燈管壁的過熱。
現在結合圖6討論與本發明的無電極高強度放電燈的運行有關的虛擬地。通過考慮在燈管附近的電場和電位分布的準靜態近似，可以理解導體70的功能。在施加器60和62之間等距的軸64上點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)。因為在施加器60和62上電位相位偏差180°，點x實際上為虛擬地。在沒有導體70時，平均電位為零的點，即虛擬地可能偏移到燈管外面，引起上述討論的問題。當虛擬地位于燈軸64上與施加器60和62之間等距的點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都重復，使電子在燈管內振蕩。
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。因此，電場強度和電位值被介質修改，但對于導體70存在的情況虛擬地的位置仍留在燈管的中央。當導體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。對于運行在中心約為915MHz和2.45GHz的最佳ISM(工業，科學和醫學)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。當放電可以運行在低管壁溫度時，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。
燈管充有可蒸發充入材料和用于啟動的低壓惰性氣體，例如氬、氪、氖或氮氣，其壓力范圍為1至100乇。可蒸發材料在蒸發后部分受電離，部分受激發至幅射狀態，因此通過放電發出有用光。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。當燈管運行時并且是熱的時，內部壓力在1和50大氣壓之間，本領域中技術人員所知的其他充入材料可以利用于產生可見，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揭示的環型耦合器，或任何其他適當的電場施加器。一般說，電場施加器在燈管包圍的體積內產生高強度電場，使得所加的高頻功率為等離子體放電所吸收。
本發明的無電極HID燈可以運行在13MHz至20GHz范圍中任何頻率，在這范圍內可以產生相當大的功率。運行頻率一般選擇在ISM頻率帶中一個頻帶內。中心約為915MHz和2.45GHz的頻率特別合適。
平面傳輸線16設計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傳輸線的設計和結構為本領域中技術人員所熟知。平面傳輸線的襯底34是介質材料，例如為玻璃微纖維增強的聚四氟乙烯(PTFE)復合層壓板，層壓板具有近似相對介質常數2.55和厚度0.062英寸。導體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體。合適的平面傳輸線的例子包括微波帶狀線和微帶傳輸線。
雖然已經表示和說明本發明的最佳實施例的考慮的內容，但本領域中技術人員應明白可以對此作出各種變化和修改，而不偏離由所附權利要求書所規定的本發明的范圍。
權利要求
1.一種無電極高強度放電燈，其特征在于包括無電極燈管，燈管包圍的體積內含有在高頻功率激發下可進入發光狀態的啟動氣體和化學摻雜材料的混合物，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，平面傳輸線，它包含襯底，在襯底的第一表面上有布線導體，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，供所述燈管放在第一和第二電場施加器之間，和場對稱導體，它位于所述凹口的開口側并與接地面電連接，所述場對稱導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.依照權利要求1規定的無電極高強度放電燈，其特征在于所述場對稱導體由導線構成。
3.依照權利要求2規定的無電極高強度放電燈，其特征在于所述導線的直徑在0.001英寸至0.040英寸范圍內。
4.依照權利要求2規定的無電極高強度放電燈，其特征在于所述導線以平行于所述燈管的軸的方式設置。
5.依照權利要求2規定的無電極高強度放電燈，其特征在于所述導線具有經選擇的直徑，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光相對小的光阻。
6.依照權利要求2規定的無電極高強度放電燈，其特征在于所述燈管大體上為圓柱形，并且所述導線以平行于所述燈管的縱軸的方式設置。
7.依照權利要求2規定的無電極高強度放電燈，其特征在于所述凹口具有與所述開口側相對的邊緣，并且所述邊緣和所述場對稱導體離所述燈管縱軸幾乎等距。
8.依照權利要求2規定的無電極高強度放電燈，其特征在于所述導線是L形，以方便固定在所述接地面上。
9.依照權利要求1規定的無電極高強度放電燈，其特征在于所述場對稱導體這樣放置，使得在所述燈管包圍的體積內在所述第一和第二電場施加器之間等距處產生虛擬地。
10.一種無電極高強度放電燈，其特征在于包括無電極燈管，燈管包圍的體積內含有在高頻功率激發下可發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，平面傳輸線，用于將高頻功率從輸入端耦合至第一和第二電場施加器，所述平面傳輸線有凹口，凹口有開口側，供所述燈管放在第一和第二電場施加器之間，和與所述平面傳輸線連接的裝置，用于使所述燈管的包圍體積內電場相對于所述縱軸對稱。
11.依照權利要求10規定的無電極高強度放電燈，其特征在于所述平面傳輸線包含襯底，在襯底的第一表面上有布線導體，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上的接地面電接連的細導線。
12.依照權利要求11規定的無電極高強度放電燈，其特征在于所述導線的直徑在0.001英寸至0.040英寸范圍內。
13.依照權利要求11規定的無電極高強度放電燈，其特征在于所述導線以平行于所述燈管的軸的方式設置。
14.依照權利要求11規定的無電極高強度放電燈，其特征在于所述導線具有經選擇的直徑，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光相對小的光阻。
15.依照權利要求11規定的無電極高強度放電燈，其特征在于所述燈管大體上為圓柱形，并且所述導線以平行于所述燈管的縱軸的方式設置。
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，包括平面傳輸線，它包含襯底，在襯底的第一表面上有布線導體，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，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，并與所述布線導體電耦合，以及場對稱導體，它位于所述凹口的開口側并與所述接地面電連接，所述場對稱導體這樣放置，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域中基本上對稱。
17.依照權利要求16規定的夾緊裝置，其特征在于所述導體由導線構成。
18.依照權利要求17規定的夾緊裝置，其特征在于所述導線直徑約在0.001英寸至0.040英寸的范圍內。
全文摘要
無電極高強度放電燈包括無電極燈管，第一和第二電場施加器和平面傳輸線，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。平面傳輸線將高頻功率從輸入端耦合至第一和第二電場施加器，平面傳輸線具有凹口，燈管就放在凹口中。場對稱導體最好為細導線，位于凹口的開口側，并與平面傳輸線的接地面電連接。場對稱導體這樣地放置，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 優先權日1995年6月16日
發明者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