CN103262201A - 场致发射照明系统的电功率控制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及场致发射照明装置，所述场致发射照明装置包括至少部分被荧光粉层覆盖的阳极结构、内置阳极结构的真空外壳和场致发射阴极，其中，所述场致发射照明装置被配置为接收用于激励所述场致发射照明装置的驱动信号，并为了发光按照顺序激发所述荧光粉层中被选择的多个部分。同样的控制机制也可用于包含多个场致发射阴极和单个场致发射阳极的装置。本发明的优势包括延长场致发射照明装置的寿命。

Description

场致发射照明系统的电功率控制

技术领域

本发明涉及场致发射照明装置。更具体地，本发明涉及按照顺序激发荧光粉层的选中部分来发光的场致发射照明装置。此外，本发明还涉及相应的场致发射照明系统。

背景技术

现在，用其它更节能的产品来代替传统灯泡成为趋势。已经出现了多种形式上类似传统灯泡的荧光光源，并且该荧光光源通常指紧凑型荧光灯(CFLs)。众所周知，所有的荧光光源都含有少量的汞，这就造成了问题，因为暴露于汞中对人体是有害的。此外，由于对汞处理的严格监管，所以荧光光源的回收利用是非常复杂和昂贵的。

因此，人们希望能提供荧光光源的替代品。WO2005074006提供了这种替代品的一个实例，它公开了一种不含汞和其它任何有害健康的物质的场致发射光源。这种场致发射光源包含阳极和阴极，阳极由透明的导电层和涂在圆柱形玻璃管内壁上的荧光粉层构成。荧光粉层在被电子激发时发光。电子发射是由阳极和阴极之间的电压引起的。为了得到高的光发射，需要施加4～12kV的范围的电压。

WO2005074006公开的场致发射光源为更加环保且舒适的照明提供了一种非常有前景的方法(例如，如它不使用汞)。但是，还需要改进灯的设计以延长寿命和/或增加灯的发光效率。

发明内容

依据本发明的一个方面，场致发射照明装置至少能部分满足上述需求，该场致发射照明装置包括至少部分被荧光粉层覆盖的阳极，内置有阳极结构的真空外壳和场致发射阴极，其中，场致发射照明装置被配置为接收用于激励场致发射照明装置的驱动信号并按照顺序对荧光粉层中被选择的多个部分进行激发来发光。

现有技术下，场致发射照明装置通常被配置为在工作过程中阴极发射电子，该电子朝场致发射照明装置的整个荧光粉层方向被加速。当发射电子与荧光粉粒子撞击时，荧光粉层可以发光。这个发光过程伴随着会缩短场致发射照明装置寿命的热量的产生。

作为对比并依据本发明，场致发射照明装置被配置为按照顺序对荧光粉层中被选择的多个部分进行激发来发光，而不是朝整个荧光粉层方向加速电子，例如，从而允许阳极层中被选择的多个部分在再次被激发前冷却。本发明的优势是由此可以延长场致发射照明装置的寿命，因此该场致发射照明装置能够以更低的频率进行更换，从而也可能降低用户的照明成本。

荧光粉层中被选择的多个部分包含荧光粉层的大量的部分。因此，场致发射照明装置被配置为同时激发多于一个被选择的部分，并且为了按照顺序激发这些部分，按预定方案对大量的被选择部分中的每个进行激发(例如，利用电源和控制单元)。预定方案当然也可以是随机的，每部分只在荧光粉层被激发的总时间的部分时间中被激发。另外，荧光粉层的这些部分至少部分重叠。

在优选实例中，场致发射照明装置也被设计为以“扫过”的方式激发选中的部分。在这种实例中，场致发光设备可以进一步包含至少一个栅电极。该至少一个栅电极可以被设置为被激发以使得场致发射阴极所发射的电子的方向就取决于施加到该至少一个栅电极上的控制电压(参考施加到场致发射阴极上的电势)。场致发射装置也可以进一步包含其多个栅电极。

按照顺序对荧光粉层的激发优选地按预定频率进行。例如，预定频率基于荧光粉层的发射衰减进行选择。通常情况下，适用于场致发射照明装置的荧光粉层的发射衰减都在微秒范围内发生，这意味着一个“高”预定频率。考虑到热量都是在发光的时候产生，所以最好将预定频率设定在10kHz以上并且优选地在30kHz以上。

依据的场致发射照明装置的结构，并且一旦选定了阴极和阳极的材质，场致发射照明装置的配置和物理尺寸也就确定了；也可以确定场致发射照明装置的物理性质。从电路的角度来看，有些性质可被看作电子元件的性质(预定电阻的二极管、预定电容的电容器以及预定电感的感应器)。作为一个整体的场致发射照明装置因而以不同的方式表现得类似于这些元件，最重要的是不同驱动条件(例如，直流驱动、低频驱动和谐振频率驱动)下的谐振电路。任何低于谐振频率的频率被定义为低频，通过调节灯外和/或灯内的电容和/或电感，就可以在输入电压和电流之间选择最想要的谐振频率以及电流和电压的相位关系。本发明人的在EP09180155中对此进行了进一步的公开，该文档以全文参考的形式并入本申请。因此，可以优选地参考它来选择预定频率，以使得预定频率在与所述场致发射照明装置谐振处的半功率宽度相对应的范围内。

优选地，场致发射的阴极和阳极结构都设置在真空外壳内。此外，阳极结构优选地配置为当在阳极和阴极之间施加电压时接收场致发射阴极所发射的电子来产生光。阳极结构可以是透明的并且由此光可以穿过阳极并且到达外壳以外，也可以是反光的并且因此将产生的光反射到外壳外。此外，外壳最好是玻璃材质的并且驱动电压最好在2～12kV的范围内。而且，电源最好电连或者物理连接到场致发射设备上，例如，在场致发射装置是场致发射光源的情况下放在同一个插座、底座或者同一侧面，或者放在场致发射装置周围。

根据本发明的另一方面，提供了一种场致发射照明系统，该场致发射照明系统包括第一和第二场致发射光源以及连接到第一和第二场致发射光源上的电源和控制单元，并被配置为向所述第一场致发射光源和所述第二场致发射光源提供激励的驱动信号，其中，电源与控制单元进一步被配置为提供用于按照顺序向第一和第二场致发射光源提供激励的驱动信号。

如上所述，场致发射照明系统包含第一光源和第二光源并被配置为为了发光第一和第二光源中的每一个都按照顺序被激发。像上面讨论和指出的那样，通过在总时间的仅部分时间内只激发一个光源可以增加场致发射照明系统的寿命，并且考虑到每一个场致发射光源的荧光粉层的发射衰减的积极作用则场致发射照明系统能够以更低的频率进行更换，从而也降低了照明成本。场致发射照明系统可以包括多于两个场致发射光源，可以按照顺序同时激发一个光源或多个光源。

此外，本发明概念也可以通过使用提供与如上所述相似的优势的多个独立可控的场致发射阴极来实施。

并且，照明系统可以被紧密集成为独立部件(例如，照明灯具，或者展品的背光灯)。此外，根据本发明的场致发射照明装置或系统最好形成任何有照明需求的应用的一部分，包括例如场致发射显示器、X射线源。

需要进一步指出的是，本发明的主要控制概念也可能适用于基于荧光粉的其它瞬时启动光源。

借助阅读附加权利要求和下文的描述，本发明的进一步的特征和用途将会变的明显。本领域的技术人员应当意识到在不脱离本发明的技术范畴的条件下除了下文给出的实施例外还可以组合本发明的一些技术特征得到其它实施例。

附图说明

借助于下文的详细描述和附图，本发明的各个方面(包括本发明的特有特征和优势)将会变得易于理解，在附图中：

图1示出了根据本发明当前优选实施例的场致发射照明装置的侧视图；

图2示出了图1所示的场致发射照明装置的截面的透视图；

图3示出了根据本发明的一种可选择的场致发射照明装置；以及

图4提供了根据本发明的一个典型的实施例的一种概念上的场致发射照明装置。

具体实施方式

下文中参照附图详细描述本发明，附图中示出了本发明的当前优选实施例。本发明能够以不同的型式被实施，但并不应被理解为仅限于本发明所述的实施例。给出这些实施例意在完整全面地说明本发明，并将本发明的技术范畴准确传达给本领域的技术人员。相似的附图标记自始至终代表相似的组件。

参考附图，特别是图1，该图描绘了根据本发明当前优选实施例的场致发射照明装置100的侧视图。场致发射照明装置100包括基底102，基底102上设置有多个尖利的发射器，这些发射器构成了场致阴极104。例如，这些尖利的发射器可包括氧化锌纳米结构，包括例如纳米墙、纳米管等。这些尖利的发射器也可能包含基于碳的纳米结构。紧挨着场致发射阴极104设置第一栅电极106和第二栅电极108。

场致发射照明装置100进一步包括外部连接基底(例如，以玻璃外壳110的形式)，基底上设置有透明的场发射阳极(例如，氧化铟锡层112)。为了发射光，在氧化铟锡层112正对着场致阴极104的内侧设置荧光粉层114。为了允许通过控制单元和电源在场致发射阴极104和场致发射阳极(氧化铟锡层112)之间施加电场，基底102可以是或者可以包含一些部件(例如，具有导电性)。场致发射照明装置100更进一步被配置为允许栅电极106、108与控制单元和电源116之间的连接。

通过在场致发射照明装置100工作时施加对应于2～15kV的电压范围的电场，阴极104发射电子，这些电子朝荧光粉层114加速。当发射的电子与荧光粉层114的荧光粒子碰撞时，荧光粉层可以发光。荧光粉层114处产生的光将穿过透明的氧化铟锡(或者说阳极)层112和玻璃外壳110。这种光优选是白色的，但当然也可以是彩色的。这种光也可以是紫外光。

此外，通过对控制单元和电源116加以控制使得(相对于阳极112和阴极104之间的2～15kV的电压来说)栅电极106、108和发射场阴极104之间产生很小的电势差(在几百伏的范围内)，可以以此来对发射电子和荧光粉层114中产生光的部分进行调节，从而实现同一时间只有荧光粉层114中被选中的部分按照顺序被激发。

通过进一步允许用控制模块和电源116对栅电极106、108进行单独控制，还可能“拖拽”朝着阳极112的电子束以使得，例如，可以沿118或者120的方向发光。

下面介绍图2，图2示出了图1所示场致发射照明装置的截面的透视图。为了对图1所公开的信息进行进一步的说明，该透视图解表明，场致发射照明装置100能够以平面形式给出。场致发射照明装置100还可包含大量的栅电极106、108、202、204和206，这些栅电极可以被独立寻址和单独控制，以及/或者按列寻址和控制从而增加荧光粉层114的分块和按照顺序激发的可能性并且因此是荧光粉层114中产生光的部分。

图3示出了根据本发明的可选择的场致发射照明装置300，该装置300包括设置有场致发射阴极306(如放置在中间)的圆柱形玻璃外壳310。场致发射阴极306可包含安放了多个尖利的发射器的导电基底，例如，这些发射器由氧化锌纳米结构组成，例如包括纳米墙、纳米管等。尖利的发射器也可以由基于碳的纳米结构组成(如碳纳米管(CNT)等)。为了按照顺序激发荧光粉层314中被选中的部分，场致发射阳极(图1中所示氧化铟锡层112)被分别作为两个单独的场致发射阳极312、322提供，每个场致发射阳极可被单独控制。例如，如图3所表明的，两个单独的场致发射阳极312、322可以设置在曲状结构当中。

因此，在场致发射照明装置300工作时，用于产生光的电场的施加以预定的方案实施，预定方案包括以第一种方式在场致发射阴极306与场致发射阳极312之间施加电场，以第二种方式在场致发射阴极306与场致发射阳极322之间施加电场，以更进一步的方式在场致发射阴极306与场致发射阳极312和322之间产生电场，从而允许按照顺序激发荧光粉层的选中部分来发光。当然也可以给场致发射照明装置300提供多于两个的场致发射阳极，例如包括三个或四个场致发射阳极。

最后，介绍图4，该图提供了根据本发明的一个替代性实施例的场致发射照明系统400。场致发射照明系统400包含安放在灯具/反光器414里的多个场致发射光源402、404、406、408、410和412。场致发射光源402、404、406、408、410和412中的每一个优选包含被安放在同一个真空外壳内的场致发射阳极和场致发射阴极，其中场致发射阳极包含一荧光粉层。场致发射照明系统400还包含例如安放在灯具/反光器414的底部并且通过连接到电力网上的电连接器418来提供电能的控制元件与电源416。

场致发射照明系统400工作期间，例如场发射光源402、404、406、408、410和412中在同一时间可能只有一个被控制单元与电源416的驱动信号激发，控制单元与电源416的驱动信号用于按照顺序对例如场致发射光源402、404、406、408、410和412中的每一个进行激励。场致发射光源402、404、406、408、410和412也可以按预定方案被激发，在该方案中同样对场致发射光源402、404、406、408、410和412中被选择的多个在单一时间进行激发。如上所述，来自控制单元与电源416的驱动信号包含依据荧光粉层的发射衰减选择的频率分量。

尽管参考具体的典型实例对本发明进行了描述，但是对本领域的技术人员来说其它的修改、改进和类似的实例都是很明显的。在实现本发明时，通过对附图、本公开和附加权利要求的学习，通过对所提出的发明进行实践，本领域的技术人员会很容易理解并实现公开的实施例的各种变型。

例如，驱动信号可以采用任何适合的形式，包括直流、交流、直流脉冲或有受控占空比的交直流。当利用多个场致发射光源和/或多个阳极产生光时，可以使用相移驱动信号，这样不同阳极/光源之间的发射可能会稍有重叠。当然也可以采用其他的驱动信号，这仍在本发明的范围内。

此外，在权利要求中，“包括”并不排除其他的组件和步骤。不定冠词“一个”不排除多个。

Claims (15)

1.一种场致发射照明装置，包括：

阳极结构，至少部分被荧光粉层覆盖；

真空外壳，内置有阳极结构；以及

场致发射阴极，

其中所述场致发射照明装置被配置为接收用于激励所述场致发射照明装置的驱动信号，并按照顺序激发所述荧光粉层中被选中的多个部分来发光。

2.根据权利要求1所述的场致发射照明装置，其中所述荧光粉层的所述多个部分至少部分重叠。

3.根据权利要求1或2所述的场致发射照明装置，其中所述荧光粉层的多个部分中的每个都以预定频率按照顺序被激发。

4.根据权利要求3所述的场致发射照明装置，其中，所述预定频率基于所述荧光粉层的发射衰减进行选择。

5.根据以上任一项权利要求所述的场致发射照明装置，进一步包括至少一个栅电极。

6.根据权利要求5所述的场致发射照明装置，其中所述阳极结构优选地配置为接收所述场致发射阴极所发射的电子，并且至少一个所述栅电极被用来控制所述场致发射阴极所发射的电极的方向。

7.根据权利要求3所述的场致发射照明装置，其中，所述预定频率在10kHz以上，优选在30kHz以上。

8.根据以上任一项权利要求所述的场致发射照明装置，其中，所述预定频率被选择为在与所述场致发射照明装置谐振处的半功率宽度相对应的范围内。

9.根据以上任一项权利要求所述的场致发射照明装置，进一步包括用于按照顺序激发所述荧光粉层的多个部分的至少一个栅电极。

10.根据权利要求1所述的场致发射照明装置，进一步包括多个能单独受控的场致发射阴极。

11.根据以上任一项权利要求所述的场致发射照明装置，其中，所述场致发射照明装置包含场致发射光源、场致发射显示器和X射线光源中的至少一种。

12.一种场致发射照明系统，包括第一场致发射光源和第二场致发射光源以及连接到所述第一场致发射光源上和所述第二场致发射光源上的控制单元与电源，所述控制单元与电源被配置为提供向所述第一场致发射光源和所述第二场致发射光源提供激励的驱动信号，其中，所述电源与控制单元进一步被配置为提供用于按照顺序向所述第一场致发射光源和所述第二场致发射光源提供激励的所述驱动信号。

13.根据权利要求12所述的场致发射照明系统，其中用于按照顺序对所述向第一场致发射光源和所述第二场致发射光源中的每一个提供激励的所述驱动信号具有预定频率，所述预定频率基于所述荧光粉层的发射衰减进行选择。

14.根据权利要求13所述的场致发射照明系统，其中所述预定频率在10kHz之上，优选在30kHz之上。

15.根据权利要求13或14所述的场致发射照明系统，其中所述预定频率被选择为在与每一个所述场致发射光源的谐振处的半功率宽度相对应的范围内。

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