CN1187686A

CN1187686A - 高频放电能量提供装置和高频无电极放电灯装置

Info

Publication number: CN1187686A
Application number: CN97122514A
Authority: CN
Inventors: 保知昌; 竹田守; 崎山一幸
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1996-11-01
Filing date: 1997-11-03
Publication date: 1998-07-15
Anticipated expiration: 2017-11-03
Also published as: CN1104739C; TW359847B; KR19980042015A; EP0840354B1; EP0840354A2; EP0840354A3; DE69719145T2; KR100446154B1; US6049170A; DE69719145D1

Abstract

与使用常规空腔共振器所观察到的情况相比,利用包括多个侧向共振器的侧向共振器组可在更小的空间中发生高频放电,每个侧向共振器包括基本上为环形的导电材料制成的电磁感应功能部件和空隙制成的电容性功能部件,这些空隙形成圆形,从而使所述电容性功能部件与作为高频能量提供装置的中心相对。此外,把所述高频能量提供装置应用于高频无电极灯装置可有效地把高频能量耦合到尺寸相对较小的无电极放电灯。

Description

高频放电能量提供装置和高频无电极放电灯装置

本发明涉及用于提供高频能量的装置以及使用此装置的高频无电极放电灯装置。

考虑到诸如高效率和高现色性等特性，作为可替代卤素灯的高输出点光源，近几年已提出把高亮度放电灯特别是金属卤化物灯应用于液晶电视投影仪或类似装置的光源。此外，考虑到诸如高现色性等特性，也已提出把其应用拓展到相应于高清晰度TV广播的运动照明或诸如博物馆或画廊等的显示照明。

首先，与有电极的电弧放电灯相比，高频无电极放电灯的优点在于电磁能量容易连到填料(filler)，从用于放电光发射的填料可节约水银，并可希望进行高效发光。此外，由于在放电空间内部没有电极，所以灯泡内壁不会因电极的气化而变黑。于是，可在很大的程度上延迟灯的寿命。从这些特点，已对此无电极灯进行了深入的研究和改进，把它作为下一代的高亮度放电灯。

以下，将参考59-86153号日本公开专利中所揭示的“微波无电极灯”来描述常规的高频无电极放电灯。

即，如此构成常规的微波无电极灯，从而无电极灯置于具有一开口的微波空腔共振器中，微波振荡器与此灯相连，此开口附带微波不能穿过的网。这里，此无电极放电灯中放电灯泡的最大尺寸比所使用的微波的波长短。

在此布局中，通过为传输微波而设的上述微波空腔共振器壁上的缝隙把微波振荡器产生的微波能量耦合到放电灯泡，以激发放电灯泡中密封的介质。这样，如此安排微波无电极放电灯所产生的辐射光，从而通过设置在上述微波空腔共振器中的网使之向微波空腔共振器外部发射。

同样，迄今为止，把空腔共振器普遍用作使用高频波尤其是微波的无电极放电灯装置的高频能量提供装置。

顺便提一下，一般在放电灯中，由于尺寸较小的光源可使光强分布的设计更为理想，所以在照明应用领域内，广泛需要减小用作光源的等离子体电弧的尺寸。

另一方面，在无电极放电灯中，由灯泡的内径确定等离子体电弧的尺寸。因此，为了减小等离子体电弧的尺寸，需要使灯泡的内径变小。

然而，利用通过上述常规无电极放电灯的空腔共振器把能量提供给无电极放电灯的灯泡的结构，如果灯泡的尺寸比空腔共振器的尺寸小得多，则削弱了微波能量的耦合率并增加了反射波，从而引起一些不良后果，诸如削弱发光效率，灯发光的启动功能明显下降。结果，不能把灯泡的尺寸减少到空腔共振器的尺寸所确定的极限尺寸以下。

此外，以上常规无电极放电灯的上述布局，一直把空腔共振器用作把能量提供给无电极放电灯的装置。而且，由所加的高频波的波长来确定空腔共振器的尺寸。此外，为了区分用于一般信息通信的频带，要预先确定适用于工业应用的高频波的频带(ISM(工业、科学、医学)频带)。因此，不能把空腔共振器的尺寸减少到有效高频频带波长极限所确定的尺寸以下。

因此，产生的问题是不能把灯泡的尺寸减少到有效高频频带波长极限所确定的尺寸以下。

例如，对于2.45GHz(波长：122mm)的高频波，即通常使用的ISM频带，根据经验把能够保持稳定放电的等离子体电弧的尺寸限制在大约15mm或更大。

另一方面，考虑到应用于液晶电视投影仪，为了便于提高发射利用率的光学设计，确定等离子体电弧的尺寸低于大约3mm。

相应地，在需要高亮度点光源的应用中，使用空腔共振器的高频无电极放电灯装置具有应用不当的问题。于是，强烈需要一种高频能量提供装置，与空腔共振器相比，它可提供集中在更小空间内的高频共振电磁场。

考虑到迄今为止的上述常规问题，本发明的一个目的是提供一种高频能量提供装置以及使用此装置的高频无电极放电灯装置，该高频能量提供装置能集中地把高频共振电磁场提供给比现有空间小得多的空间。

由包括基本上以环形排列的多个侧向共振器的侧向共振器组形成高频能量提供装置，所述侧向共振器包括：电磁感应功能部件，它由导电材料制成，用于产生随磁场变化的感应电流，所述电磁感应功能部件基本上为环形；以及电容功能部件，它具有设在所述感应电流的至少一部分路径中的空隙，其中所述电容功能部件位于被所述侧向共振器包围的所述环形的中心一侧，在从所述侧向共振器组的外部给出能量时，在所述环形中心处产生的高频共振电磁场包围所述环形的中心一侧，把高频能量提供给置于所述环形中心的物体。

由包括导电材料制成的圆柱体和导电材料制成的多个叶片的叶片型侧向共振器形成高频能量提供装置，其中在从所述叶片型侧向共振器的外部给出能量时，在所述叶片型侧向共振器的内部产生高频共振电磁场，把高频能量提供给置于所述内部的物体。

由具有多个孔和槽的导电材料所制成的孔-槽型侧向共振器来形成高频能量提供装置，其中在从所述孔-槽型侧向共振器的外部给出能量时，在所述孔-槽型侧向共振器的内部产生高频共振电磁场，把高频能量提供给置于所述内部的物体。

一种高频无电极放电灯装置包括：在第一到第九发明中任一个发明提出的高频能量提供装置；无电极放电灯置于所述高频能量提供装置的中心；高频波防泄漏装置，密封所述高频能量提供装置，所述高频波防泄漏装置的至少一部分是透光的；高频共振场激发装置，用于在构成所述高频能量提供装置的所述多个侧向共振器中激发高频共振电磁场；高频振荡装置，用于振荡高频波；以及高频传播装置，用于使所述高频振荡装置中振荡的高频波传播到所述高频共振场激发装置；其中利用被所述多个侧向共振器包围的环形中心产生的高频共振电磁场，提供所述无电极放电灯放电所需的高频能量。

一种高频无电极放电灯装置包括：在第一到第九发明中任一个发明提出的高频能量提供装置；无电极放电灯，置于所述高频能量提供装置的中心；光反射装置，用于反射从所述无电极放电灯发出的光；高频波防泄漏装置，密封所述高频能量提供装置，所述高频波防泄漏装置的至少一部分是透光的；高频共振场激发装置，用于在构成所述高频能量提供装置的所述多个侧向共振器中激发高频共振电磁场；高频振荡装置，用于振荡高频波；以及高频传播装置，用于使所述高频振荡装置振荡的高频波传播到所述高频共振场激发装置；其中所述光反射装置包括：(1)第一光反射装置，用于把通过所述高频波防泄漏装置的所述光向外反射，它置于所述高频波防泄漏装置的外部；以及(2)第二光反射装置，它由非导电材料制成并置于所述高频波防泄漏装置的内部，用于把来自所述高频波防泄漏装置内部的所述光向外反射，以及利用被所述多个侧向共振器包围的环形中心产生的高频共振电磁场，提供所述无电极放电灯放电所需的高频能量。

一种高频无电极放电灯装置包括：在第一到第九发明中任一个发明提出的高频能量提供装置；无电极放电灯，置于所述高频能量提供装置的中心；光反射装置，用于反射从所述无电极放电灯发出的光；高频波防泄漏装置，密封所述高频能量提供装置，所述高频波防泄漏装置的至少一部分是透光的；高频共振场激发装置，用于在构成所述高频能量提供装置的所述多个侧向共振器中激发高频共振电磁场；高频振荡装置，用于振荡高频波；以及高频传播装置，用于使在所述高频振荡装置中振荡的高频波传播到所述高频共振场激发装置；其中所述高频波防泄漏装置的一部分内壁表面是光反射表面和光反射装置，用于把来自所述高频波防泄漏装置内部的所述光向外反射，以及利用被所述多个侧向共振器包围的环形中心产生的高频共振电磁场，提供所述无电极放电灯放电所需的高频能量。

一种高频无电极放电灯装置包括：在第一到第九发明中任一个发明提出的高频能量提供装置；无电极放电灯，置于所述高频能量提供装置的中心；光反射装置，用于反射从所述无电极放电灯发出的光；高频波防泄漏装置，密封所述高频能量提供装置，所述高频波防泄漏装置的至少一部分是透光的；高频共振场激发装置，用于在构成所述高频能量提供装置的所述多个侧向共振器中激发高频共振电磁场；高频振荡装置，用于振荡高频波；以及高频传播装置，用于使在所述高频振荡装置中振荡的高频波传播到所述高频共振场激发装置；其中所述光反射装置置于所述高频波防泄漏装置的外部，并用于把通过所述高频波防泄漏装置的所述光向外反射，以及利用被所述多个侧向共振器包围的环形中心产生的高频共振电磁场，提供所述无电极放电灯放电所需的高频能量。

一种高频无电极放电灯装置包括：在第一到第九发明中任一个发明提出的高频能量提供装置；无电极放电灯，置于所述高频能量提供装置的中心；光反射装置，用于反射从所述无电极放电灯发出的光；高频波防泄漏装置，密封所述高频能量提供装置，所述高频波防泄漏装置的至少一部分是透光的；高频共振场激发装置，用于在构成所述高频能量提供装置的所述多个侧向共振器中激发高频共振电磁场；高频振荡装置，用于振荡高频波；以及高频传播装置，用于使在所述高频振荡装置中振荡的高频波传播到所述高频共振场激发装置；其中所述光反射装置置于所述高频波防泄漏装置的内部，用于把通过所述高频波防泄漏装置的所述光向外反射，所述光反射装置用非导电材料制造，以及利用被所述多个侧向共振器包围的环形中心产生的高频共振电磁场，提供所述无电极放电灯放电所需的高频能量。

例如，依据本发明，甚至使用2.45GHz的高频波可保持稳定地发出不大于10mm的相对小的等离子体弧光。

顺便提一下，此说明书中的“高频波”意味着频率在1MHz和100GHz之间的电磁波。尤其是在频率范围在300MHz到30GHz的微波频率下，本发明可获得较佳的效果。

图1A-1C示出在依据本发明实施例1的4-叶片型侧向共振器组中的高频共振电磁场；

图2示出在依据本发明实施例1的8-叶片型侧向共振器组中的高频共振电磁场；

图3示出在依据本发明实施例1的8-孔-槽型侧向共振器组中的高频共振电磁场；

图4示出在依据本发明实施例1的π-模式操作的8-孔-槽型侧向共振器组中的高频共振电磁场；

图5示出在依据本发明实施例1的π/4-模式操作的8-孔-槽型侧向共振器组中的高频共振电磁场；

图6是依据本发明实施例1的侧向共振器的等效电路；

图7是依据本发明实施例1的侧向共振器组的等效电路；

图8是在依据本发明实施例1的8-叶片型侧向共振器组中共振频率的计算分析图；

图9是利用依据本发明实施例1的8-叶片型侧向共振器组的无电极灯的辐射光谱图；

图10是依据本发明实施例2的高频无电极放电灯装置的示意剖面图；

图11是依据本发明实施例2的电场耦合型侧向共振器组的高频共振场激发装置的示意图；

图12是依据本发明实施例2的磁场耦合型侧向共振器组的高频共振场激发装置的示意图；

图13是依据本发明实施例3的高频无电极放电灯装置的示意剖面图；

图14是依据本发明实施例4的高频无电极放电灯装置的示意剖面图；

图15是依据本发明实施例5的高频无电极放电灯装置的示意剖面图；

图16是依据本发明实施例6的高频无电极放电灯装置的示意剖面图；

图17是依据本发明实施例7的使用介电喷嘴的灯泡冷却装置的示意图；以及

图18是使用在依据本发明实施例7的穿过侧向共振器组内部凸起部分的喷嘴的灯泡冷却装置的示意图。

标号的描述

10：叶片型侧向共振器组

12a-12d：叶片

32：孔-槽型侧向共振器组

11、21、31、41、51、101、101、121、131、141、151、161、171、181：无电极放电灯

12、22、32、42、52、102、112、122、132、142、152、162、172、182：侧向共振器组

173、183：灯泡冷却装置喷嘴

以下，将参考附图描述本发明的实施例。

(实施例1)

这里，将描述依据本发明的高频能量提供装置的实施例1。

首先，参考图1A和1C，描述本实施例的布局，同时将定性地描述侧向共振器组形成共振电磁场的形状。

如图1A所示，由低导电率的导电材料诸如铜制成的叶片型侧向共振器组10形成一种结构，其中4个叶片12a-12d从圆柱体向中心凸出。此外，在其中心设置了无电极放电灯11。

图1A和1C中所示的箭头是在高频共振电场E中的电力线，这里“+”和“-”分别代表叶片凸起部分产生的电荷Q的正负极性。在上述高频共振电场E的作用下，无电极放电灯11中的离子化介质引起放电并发光。此外，图1B中所示的圆圈代表穿过包括叶片和圆柱体的近似环形导体部分的高频共振磁场的方向。以○中的●所示的符号代表沿纸近侧面方向所产生的高频共振磁场，而以○中×所示的符号代表沿纸远侧面方向所产生的高频共振磁场。磁场符号周围的箭头代表在包括叶片和圆柱体的近似环形的电磁感应功能部件表面上电动的涡流I的方向。

如果如此设计各个相邻的叶片型侧向共振器，使它们以相位相互偏移π的π模式进行操作，则相邻凸起部分交替地以图1A所示正负极性的电荷Q带电。此时，各个叶片凸起部分之间的空隙用作类似于电容器的电容性功能部件，以产生电场E。接着，如图1B所示，产生的表面电流I用以抵销带电电荷，随之而来将产生高频共振磁场H。此时，包括叶片和圆柱体的近似环形的电磁感应功能部件用作类似于电感器的电感性功能部件。由此表面电流I，产生图1C所示极性与图1A极性相反的电荷Q的分布以及具有相反相位(相反方向)的高频共振电场E。当重复此过程而交替产生电场和磁场时，叶片型侧向共振器10连续共振。

用于获得此高频共振电磁场的侧向共振器组不限于图1A所示的4-叶片型侧向共振器组10的形状。例如，即使叶片的数目增加到图2所示的8-叶片型侧向共振器组22，也可同样获得高频共振电磁场。

此外，也可使用图3所示的孔-槽型侧向共振器组32，它具有置于一导体中的多个圆柱形孔和置于一部分孔中形成的空隙的槽。与以上的示例4-叶片型侧向共振器组相同，使用侧向共振器组22和32中的任一种都可把高频能量提供给无电极放电灯21或31。

顺便提一下，依据本实施例的叶片型侧向共振器组10和22(比较图1A和2)的形状都类似于常规磁控管所使用的叶片型侧向共振器的形状。此外，依据本实施例的孔-槽型侧向共振器组32(比较图3)的形状也类似于常规磁控管所使用的孔-槽型侧向共振器的形状。这里，将描述这些常规共振器与本发明的高频能量提供装置之间的主要差别。

即，上述常规共振器用作磁控管的阳极，而磁控管的阴极位于常规共振器的中心。

从此常规结构可明显看出，本申请的高频能量提供装置是为了把高频能量提供给中心处的灯泡，而以上用于常规磁控管的共振器是为了确定从中心电极输出到外部的微波能量的振荡频率，两者的作用/操作完全不相同。

换句话说，本发明的发明者所发明的高频能量提供装置用于通过使用来自外部的高频波输入而把能量提供给置于中心的物体，常规磁控管中所使用的共振器的功能没有任何这种企图。

同时，作为上述的侧向共振器组中产生高频电磁场的一种模式，依据相邻的侧向共振器的相位相互偏移π的π模式来描述图1，但侧向共振器组的模式不限于此。

例如，当如图4所示以π模式驱动8-孔-槽型侧向共振器组42时，每隔一个电荷Q的极性相反。在此电荷Q产生的高频共振电场E的作用下，在无电极放电灯41内部产生的等离子体中的电子结束交叉吸引。由于在π周期中在此模式下产生的等离子体的交叉分布偏移45°，所以无电极放电灯41可在灯泡表面获得相对均匀的温度分布。

如果想要以上述π模式积极地操作侧向共振器组，则更理想的方法是利用包括导体的耦合环使每隔一个叶片(或凸起部分)如此电气耦合，从而每隔一个叶片(或凸起部分)，电荷Q的极性相同。

另一方面，当以图5所示相邻侧向共振器的相位相互偏移π/4的π/4模式驱动8-孔-槽型侧向共振器52时，在相对的凸起部分处，电荷Q的极性相反。

由此电荷Q产生的高频共振电场E沿侧向共振器组52中心的径向定向，并具有穿过无电极放电灯51的分布。

不必说，从中可获得使高频共振电场产生图5所示穿过无电极放电灯51的分布的模式的侧向共振器数目不限于8。令侧向共振器的数目等于N，当相邻侧向共振器之间的相位差为2π/N时、可获得类似于图5所示电场的高频共振电场。

顺便提一下，与图4的布局相比，在图5所示的情况下，可实现在中心处获得更强电场的模式。

如果按照等效电路来表示侧向共振器中取出的一个侧向共振器，则它可用图6所示并联的电感L和电容C_r构成的LC共振器来代表。此时，如果认为导体的电阻与L和C_r相比足够小，则可忽略此电阻。如上所述，包括叶片和圆柱体的近似环形电磁感应功能部件产生来源于磁场H和表面电流I的电感L，包括各个凸起部分之间空隙的电容功能部件用作电容C_r。此等效电路的导纳Y_r如公式1所示。

[公式1]

Y_{r} = j (ω C_{r} - \frac{1}{ωL})

接着，图7示出把一个侧向共振器与其余(n-1)个侧向共振器和等离子体相耦合的等效电路。各个侧向共振器连到由电压V_q或电流I_q所表示的各个自由端。然而，为了简化，也忽略等离子体的电阻。令C₁为各个交互空间的耦合电容，从一个侧向共振器看到的交互空间的导纳变为公式2所示。

[公式2]

Y_{n} = \frac{jω C_{i}}{2 (1 - \cos \frac{2 πn}{N})}

公式3示出在一个侧向共振器的导纳等于从一个侧向共振器看到的交互空间的导纳时一个侧向共振器的共振。

[公式3]

Y_n＝-Y_r

接着，根据公式1所示的导纳，一个侧向共振器的共振角频率ω₀如以下公式4所示。

[公式4]

ω_{0} = \frac{1}{\sqrt{L C_{r}}}

此时，公式3所表示的侧向共振器组的共振角频率ω如下：

[公式5]

ω = ω_{0} \sqrt{\frac{1}{1 + \frac{C_{i} / C_{r}}{2 (1 - \cos \frac{2 πn}{N})}}}

然而，如上所述，N是侧向共振器的数目，n是模数，假设共振模式中1到N/2的值形成基础。例如，图4和5所示的8-孔-槽型侧向共振器组在n＝1时工作于π/4模式，在n＝N/2＝4时工作于π模式。通过依据满足边界条件(即，形成侧向共振组的导电材料部件表面上电场的正切分量为0)和初始条件(即每个侧向共振器空隙中的电场E是均匀的)的Maxwell公式得出的微分方程的解的分析技术，可估计侧向共振器和交互空间实际形状的导纳(和共振频率)。

对于依据本实施例获得所需共振频率的设计方法，说明磁控管的书本或类似材料是有用的。

于是，相对于用更详细的分析技术来设计侧向共振器组的方法，建议查阅G.B.Collins的“微波磁控管；McGRAW-HILL(1948)”或类似的文章。

此外，为了获得所需的共振频率，不仅可通过分析从Maxwell公式得出的微分方程的分析技术来估计等效电路的导纳，而且近来以使用计算机的有限元法为基础的明显改进的设计也是有效的。

这里，图8示出通过使用有限元法来估计叶片型侧向共振器组的共振频率的一个分析例子。在此情况下，在叶片数目为8、叶片板的厚度为2.5mm、叶片凸起部分形成的圆柱形空间的内部半径(在图2中，相应于符号A部分的尺寸)固定为5mm以及圆柱体部分的内部半径(在图2中，相应于符号B部分的尺寸)在20mm到22.5mm范围内变化的条件下，通过2维的特征值分析来估计共振频率。

在同一圆柱体半径下，随着频率的增加，发现从π/4(最小数目(n＝1)的模式)到π模式(最大数目(n＝4)的模式)产生共振。此外，圆柱体部分的半径越大，则同一模式下共振频率变得越低。例如，在2.45GHz、ISM频段处，发现对于大约20mm和大约22mm的圆柱体部分的半径，分别发生π/4模式和π模式的共振。

此时，由其中设有无电极放电灯的叶片凸起部分形成的圆柱体空间的内部直径为10mm。如果用进行一般高频无电极放电的空腔共振器，则允许在最小的直径下形成高频共振电磁场的圆柱形TE_11n模式下，为获得2.45GHz的高频共振电磁场，需要使直径远远超出大约76mm。与之相比，在此叶片型侧向共振器组22的中心产生的高频共振电场可集中子非常小的空间内。

图9示出当使用铜来制备圆柱体部分的内部半径为20mm的π/4模式的侧向共振器组(属于图8所示的条件之一)并使无电极放电灯发光时观察到的光谱分布。当无电极放电灯以150W的微波输入被点亮时观察到此光谱分布，此无电极放电灯具有密封在内部直径为大约3mm的球形石英玻璃制成的无电极放电管中的0.4mg的INnBr和1.33kPa的Ar气。由对侧向共振器组每次微波输入的总光通量所代表的灯效率是大约501m/W。顺便提一下，此光谱分布的总现色性指数和色温分别为96和5800K。

如上所述，与一般所使用的空腔共振器相比，依据本发明的能量提供装置可把高频共振电场集中于较小的空间。于是，与已有技术相比，可有效地把高频能量与较小尺寸的无电极放电灯相耦合

实施例2

以下，将参考图10描述使用实施例1中所述高频能量提供装置的高频无电极放电灯装置的实施例。

在图10中，标号101代表石英玻璃球制成的无电极放电灯，在玻璃球中密封了高频波放电-发光用的离子化介质。由石英玻璃制成的同样位于实施例1所述侧向共振器组102中心的支撑棍来支承无电极放电灯101。标号1010代表金属导体制成的高频波导。标号107代表用于驱动高频波的磁控管，在高频波导1010内部设有振荡天线108。如此设计侧向共振器组102各部分的尺寸，从而使侧向共振器组102的共振频率与振荡天线108所发射的高频波的频率相一致。通过从高压电源把高压加到磁控管107，使高频波在高频波导1010内部振荡，通过耦合天线103使所传播的高频能量与侧向共振器组102相耦合。在侧向共振器组102外部设有高频防泄漏装置106，它是由金属材料诸如镀银的镍制成的网来形成的。从而，它基本上防止从侧向共振器组102开口端辐射的高频波向外部泄漏。

利用侧向共振器组102的中心处产生的高频共振电磁场，使无电极放电灯101内部的离子化介质发生放电并发光。由置于高频防泄漏装置106外部的第一反射镜和置于高频防泄漏装置106内部的第二反射镜104(由非导电材料制成)反射因放电而发出的光，可沿所需方向获得经反射的光线。依据所使用的光学系统可使用抛物面或椭圆面的反射镜。

如此确定高频波导1010的长度，尤其是从振荡天线108到耦合天线103的距离，从而使VSWR在无电极放电灯101稳定发光的时间内足够小。此外，为了改善阻抗匹配，必要时可在高频波导1010内部设置金属导体制成的匹配装置诸如短线或凸起。此外，标号109代表把耦合天线103固定在适当位置的介质。

接着，将参考图11和12描述通过把高频能量与侧向共振器组相耦合来激发侧向共振器组的高频共振场激发装置。如图10所示，通过耦合天线把高频振荡装置诸如磁控管产生的高频能量与侧向共振器组相耦合。此耦合方法包括图11所示电场耦合型方法和图12所示的磁场耦合型方法。

为了激发图11的侧向共振器112并产生共振，通过焊接或类似方法把同轴管的外围导体部分114连接到侧向共振器圆柱体的外部，并通过焊接或铆接把同轴管的中心导体部分113连接到一个叶片凸起部分。利用通过同轴管传播的高频能量，在连到中心圆柱形导体113的叶片上产生电荷。获得的高频电场传播到各个侧向共振器，在侧向共振器组中产生高频共振电磁场。由侧向共振器组112的中心处产生的高频共振电场激发无电极放电灯111，并产生放电发光。

同样，在图12中、为了激发侧向共振器122并产生共振，通过焊接把同轴管的外围导体部分124连接到侧向共振器圆柱体的外部，同轴管的中心导体部分123在叶片间的一个空间内形成回路天线，并通过焊接或类似方法连接到圆柱体的内部。利用通过同轴管传播的高频能量，在回路天线内部由流过中心圆柱形导体123的电流产生高频磁场。获得的高频磁场传播到各个侧向共振器，在侧向共振器组内部产生高频共振电磁场。由在侧向共振器组122的中心处产生的高频共振电场激发无电极放电灯121，并产生放电发光。

如上所述，与使用一般空腔共振器的高频无电极放电灯装置相比，使用依据实施例2的能量提供装置的高频无电极放电灯装置可有效地把高频能量共振场与较小尺寸的无电极放电灯相耦合，也使灯泡温度变得均匀。

实施例3

在实施例2中，示出用波导作为主要高频传播装置的例子。

将在图13的帮助下说明通过使用同轴管直接从高频振荡装置中传播高频能量的实施例3。

在图13中，无电极放电灯131支撑在侧向共振器组132的中心，此侧向共振器组132位于金属网制成的高频防泄漏装置136的内部。标号137代表用于驱动高频波的磁控管，在同轴管外围导体部分139的内部设有磁控管137的振荡天线138。振荡天线138与同轴管外围导体部分139电气隔离并连到同轴管中心导体部分133。通过高压电源由磁控管137振荡高频能量，通过同轴管传播发射的高频能量并使之与侧向共振器组132相耦合。

作为高频共振激发装置，可利用图11和12所示的电场耦合型和磁场耦合型中的任一个。如图10所示的实施例从设在高频防泄漏装置136外部的第一反射镜135和设在高频防泄漏装置136内部的第二反射镜134(由非导电材料制成)反射无电极放电灯131发出的光，可沿所需方向获得经反射的光。

如此确定同轴管的长度，尤其是从振荡天线138到侧向共振器组132的距离，从而使VSWR在无电极放电灯131稳定发光的时间内足够小。此外，为了改善阻抗匹配，必要时最好把包括金属导体制成的螺钉的匹配装置1310置于同轴管外围导体部分139的中间。通过调节匹配装置1310的螺钉插入同轴管外围导体部分139的深度，可获得更理想的阻抗匹配，从而进一步提高无电极放电灯131发光的发光效率。

如本实施例所示，与插入高频波导的布局相比，通过使高频传播装置只包括同轴管，可减小整个无电极放电灯装置的尺寸。

实施例4

在实施例2和3中，示出把分别置于高频防泄漏装置内部和外部的一个反射镜用作光反射装置的布局，但用于光反射装置的布局不限于此。

接着，将参考图14描述用高频防泄漏装置的局部内壁表面作为光反射表面的一个实施例。

在图14中，由位于侧向共振器组142中心的支撑棍来支撑无电极放电灯141。标号147代表金属导体制成的高频波导。通过耦合天线143把从高频振荡装置诸如磁控管传播的高频能量与侧向共振器组142相耦合。标号146代表介质制成的耦合天线支撑部件，用于把耦合天线143固定在适当位置。利用在侧向共振器组142的中心处产生的高频共振电磁场，使无电极放电灯141发生放电并发光。导体制成的反射镜144反射放电发出的光，并通过金属网145使之向外反射。反射镜144与金属网145连接起来，从而起到高频防泄漏装置的作用。

依据实施例4所示的结构，可把高频防泄漏装置的一部分用作光反射装置，可以更加简化无电极放电灯装置的结构。

实施例5

接着，将参考图15描述只在高频防泄漏装置外部设置光反射装置的实施例。

在图15中，无电极放电灯151支撑在侧向共振器组152的中心。利用耦合天线153把来自高频振荡装置诸如磁控管并通过高频波导157传播的高频波与侧向共振器组152相耦合。标号156代表介质制成的耦合天线支撑部件，由于把耦合天线153固定在适当位置。由设在主要包括金属网的高频防泄漏装置155外部的反射镜154反射无电极放电灯151放电而发出的光，并沿所需的方向反射所述光。

当光反射装置置于高频防泄漏装置内部时，必须选择非导体并具有极少介质损耗的材料。然而，通过如实施例5所示只在高频防泄漏装置外部设置光反射装置，则可自由选择组成光反射装置的材料。

实施例6

接着，将参考图16描述只在高频防泄漏装置内部设置光反射装置的实施例。

在图16中，无电极放电灯161支撑在侧向共振器组162的中心。利用耦合天线163把来自高频振荡装置诸如磁控管并通过高频波导167传播的高频能量与侧向共振器组162相耦合。标号166代表介质制成的耦合天线支撑部件，用于把耦合天线163固定在适当位置。

由置于主要包括金属网的高频防泄漏装置165内部的反射镜164来反射因无电极放电灯161放电而发出的光，并沿所需的方向反射所述光。

通过实施例6所示只在高频防泄漏装置内部设置光反射装置，可减小构成高频防泄漏装置和光反射装置部分的尺寸。

在实施例4到6中，使用高频波导作为高频传播装置的例子如实施例2所示的一样，不必说，也可使用实施例3所示只通过同轴管传播高频波的结构。

在迄今为止所述的实施例2到6中，描述了用构成真空管振荡器的磁控管作为高频振荡装置的一个例子，但也可使用近来有明显改进的使用半导体放大器诸如GaAs FET的固态振荡元件。

此外，在迄今为止所述的实施例2到6中，示出用高频波导和同轴线路作为高频传播装置的例子，但传播装置不限于这些例子。例如，也可使用带状线路，诸如微型带状线路或平衡带状线路或其它频率传播装置。

此外，在迄今为止所述的实施例2到6中，示出由光反射装置有效地使发出的光沿所需方向定向的结构，不必说，为了某些使用目的，可利用不设光反射装置的结构。

实施例7

如这些实施例所述，用侧向共振器组来使高频波与小尺寸的无电极放电灯有效地耦合，但热负载随着灯泡尺寸的减小而大大增加。用石英玻璃制成灯泡，最好把灯泡的表面温度保持为低于1000℃，但随着输入高频能量的增加，难于保持该温度。结果，当选中石英玻璃或类似材料作为无电极放电灯的灯泡材料时，需要把灯泡表面温度保持在低于1000℃的某种灯泡冷却装置。

于是，将参考图17和18描述灯泡冷却装置的一个实施例。

在图17中，由侧向共振器组172提供的高频能量使无电极放电灯171放电而发光。由介质材料诸如石英玻璃制成的喷嘴173向无电极放电灯171吹出足够数量的空气，使灯泡的表面温度保持低于1000℃。

如图18所示，在本发明实施例的另一个方面中，也可在侧向共振器组182的每个凸起部分处设置喷嘴183，喷嘴183可如此排列，从而它们向无电极放电灯181吹出足够数量的空气，使灯泡的表面温度保持低于1000℃。

如上所述，与一般高频无电极放电中所使用的空腔共振器相比，使用依据本发明本实施例的能量提供装置和冷却装置的高频无电极放电灯装置可有效地把高频能量耦合到尺寸更小的无电极放电灯，而且与实施例1到6的放电灯相比，可以更大的高频能量密度进行驱动。

顺便提一下，在这些实施例中，为了描述起见，利用以石英玻璃制成无电极放电灯的例子，但使用其它透光陶瓷诸如矾土也将实现更高的高频能量输入。

此外，在实施例2到7中，只示出把使用依据本发明的侧向共振器组的高频能量提供装置应用于高频无电极放电灯的一个方面，但依据本发明的高频放电提供装置的应用不限于此。例如，在使用高频放电的装置诸如等离子体CVD、等离子体火炬或气体激光器中，在为了形成较小尺寸的等离子体而必须利用集中的高频共振电磁场来提供放电能量的情况下，依据本发明的高频放电能量提供装置也是有用的。此外，利用上述高频能量，也可对置于高频能量提供装置中心的物体进行加热，使之发光、熔化或气化。

如上所述，本发明可实现如此优良的高频能量提供装置，从而与空腔共振器相比，使高频放电集中在更小的空间。此外，使用高频能量提供装置，可有效地把高频能量与小尺寸的无电极放电灯相耦合，使光源成为点状，可实现具有更理想光学设计的优良高频无电极放电灯装置。

Claims

1.高频能量提供装置，由包括基本上以环形排列的多个侧向共振器的侧向共振器组形成，所述侧向共振器包括：(1)电磁感应功能部件，它由导电材料制成，用于产生随磁场变化的感应电流，所述电磁感应功能部件基本上为环形；以及(2)电容功能部件，它具有设在所述感应电流的至少一部分路径中的空隙，

所述电容功能部件位于被所述侧向共振器包围的所述环形的中心一侧，在从所述侧向共振器组的外部给出能量时被所述环形中心处产生的高频共振电磁场包围，把高频能量提供给置于所述环形中心的物体。

2.高频能量提供装置，由包括导电材料制成的圆柱体和导电材料制成的多个叶片的叶片型侧向共振器形成，其特征在于在从所述叶片型侧向共振器的外部给出能量时，利用在所述叶片型侧向共振器的内部产生的高频共振电磁场，把高频能量提供给置于所述内部的物体。

3.如权利要求2所述的高频能量提供装置，其特征在于叶片的数目是偶数。

4.如权利要求3所述的高频能量提供装置，其特征在于所述叶片型侧向共振器具有多个侧向共振器，所述侧向共振器相应于所述叶片，所述侧向共振器中相邻共振器之间的相位差为π。

5.如权利要求2或3所述的高频能量提供装置，其特征在于令N为2或更大数目的整数，所述叶片型侧向共振器具有N个侧向共振器，所述侧向共振器相应于所述叶片，所述侧向共振器中相邻共振器之间的相位差为2π/N。

6.高频能量提供装置，由具有多个孔和槽的导电材料所制成的孔-槽型侧向共振器形成，其特征在于在从所述孔-槽型侧向共振器的外部给出能量时，利用在所述孔-槽型侧向共振器的内部产生的高频共振电磁场，把高频能量提供给置于所述内部的物体。

7.如权利要求6所述的高频能量提供装置，其特征在于所述孔-槽型侧向共振器具有多个侧向共振器，所述侧向共振器相应于所述孔和槽，其数目为偶数。

8.如权利要求7所述的高频能量提供装置，其特征在于所述侧向共振器中相邻共振器之间的相位差为π。

9.如权利要求6或7所述的高频能量提供装置，其特征在于令N为2或更大数目的整数，所述孔-槽型侧向共振器具有N个侧向共振器，所述侧向共振器相应于所述孔和槽，所述侧向共振器中相邻共振器之间的相位差为2π/N。

10.如权利要求1到9中任一项所述的高频能量提供装置，其特征在于所述高频能量使所述物体受到放电、加热、光发射、熔化或气化。

11.高频无电极放电灯装置，其特征在于包括：如权利要求1到9中任一项所述的高频能量提供装置；无电极放电灯，置于所述高频能量提供装置的中心；高频波防泄漏装置，密封所述高频能量提供装置，所述高频波防泄漏装置的至少一部分是透光的；高频共振场激发装置，用于在构成所述高频能量提供装置的所述多个侧向共振器中激发高频共振电磁场；高频振荡装置，用于振荡高频波；以及高频传播装置，用于使在所述高频振荡装置中振荡的高频波传播到所述高频共振场激发装置；其中利用在被所述多个侧向共振器包围的环形中心产生的高频共振电磁场，提供所述无电极放电灯放电所需的高频能量。

12.一种高频无电极放电灯装置，其特征在于包括：如权利要求1到9中任一项所述的高频能量提供装置；

无电极放电灯，置于所述高频能量提供装置的中心；

光反射装置，用于反射从所述无电极放电灯发出的光；高频波防泄漏装置密封所述高频能量提供装置，所述高频波防泄漏装置的至少一部分是透光的；

高频共振场激发装置，用于在构成所述高频能量提供装置的所述多个侧向共振器中激发高频共振电磁场；高频振荡装置，用于振荡高频波；以及高频传播装置，用于使在所述高频振荡装置中振荡的高频波传播到所述高频共振场激发装置；其中所述光反射装置包括(1)第一光反射装置，用于把通过所述高频波防泄漏装置的所述光向外反射，它置于所述高频波防泄漏装置的外部；以及(2)第二光反射装置，它由非导电材料制成并置于所述高频波防泄漏装置的内部，用于把来自所述高频波防泄漏装置内部的所述光向外反射，以及利用在被所述多个侧向共振器包围的环形中心产生的高频共振电磁场，提供所述无电极放电灯放电所需的高频能量。

13.一种高频无电极放电灯装置，其特征在于包括：如权利要求1到9中任一项所述的高频能量提供装置；无电极放电灯，置于所述高频能量提供装置的中心；光反射装置，用于反射从所述无电极放电灯发出的光；高频波防泄漏装置，密封所述高频能量提供装置，所述高频波防泄漏装置的至少一部分是透光的；高频共振场激发装置，用于激发在构成所述高频能量提供装置的所述多个侧向共振器中产生的高频共振电磁场；高频振荡装置，用于振荡高频波；以及高频传播装置，用于使在所述高频振荡装置中振荡的高频波传播到所述高频共振场激发装置；其中所述高频波防泄漏装置的一部分内壁表面是光反射装置，用于把来自所述高频波防泄漏装置内部的所述光向外反射，以及利用在被所述多个侧向共振器包围的环形中心产生的高频共振电磁场，提供所述无电极放电灯放电所需的高频能量。

14.一种高频无电极放电灯装置，其特征在于包括：如权利要求1到9中任一项所述的高频能量提供装置；无电极放电灯，置于所述高频能量提供装置的中心；光反射装置，用于反射从所述无电极放电灯发出的光；高频波防泄漏装置，密封所述高频能量提供装置，所述高频波防泄漏装置的至少一部分是透光的；高频共振场激发装置，用于激发在构成所述高频能量提供装置的所述多个侧向共振器中产生的高频共振电磁场；高频振荡装置，用于振荡高频波；以及高频传播装置，用于使在所述高频振荡装置中振荡的高频波传播到所述高频共振场激发装置；其中所述光反射装置置于所述高频波防泄漏装置的外部，并用于把通过所述高频波防泄漏装置的所述光向外反射，以及利用在被所述多个侧向共振器包围的环形中心产生的高频共振电磁场，提供所述无电极放电灯放电所需的高频能量。

15.一种高频无电极放电灯装置，其特征在于包括：如权利要求1到9中任一项所述的高频能量提供装置；无电极放电灯，置于所述高频能量提供装置的中心；光反射装置，用于反射从所述无电极放电灯发出的光；高频波防泄漏装置，密封所述高频能量提供装置，所述高频波防泄漏装置的至少一部分是透光的；高频共振场激发装置，用于激发在构成所述高频能量提供装置的所述多个侧向共振器中产生的高频共振电磁场；高频振荡装置，用于振荡高频波；以及高频传播装置，用于使在所述高频振荡装置中振荡的高频波传播到所述高频共振场激发装置；其中所述光反射装置置于所述高频波防泄漏装置的内部，用于把通过所述高频波防泄漏装置的所述光向外反射，它由非导电材料制造，以及利用在被所述多个侧向共振器包围的环形中心产生的高频共振电磁场，提供所述无电极放电灯放电所需的高频能量。

16.如权利要求11到15中任一项所述的高频无电极放电灯装置，其特征在于还包括：灯泡冷却装置，用于冷却所述无电极放电灯的灯泡。

17.如权利要求16所述的高频无电极放电灯装置，其特征在于所述灯泡冷却装置对所述无电极放电灯的灯泡定向地提供冷却空气或气体。

18.如权利要求17所述的高频无电极放电灯装置，其特征在于在非导电材料制成并置于所述灯泡附近的喷嘴的帮助下，所述灯泡冷却装置提供冷却用空气或气体。

19.如权利要求17所述的高频无电极放电灯装置，其特征在于在所述侧向共振器凸起部分中凸出的喷嘴的帮助下，所述灯泡冷却装置提供冷却用空气或气体。

20.如权利要求11到19中任一项所述的高频无电极放电灯装置，其特征在于所述高频共振场激发装置是电场耦合型或磁场耦合型中的任一种。

21.如权利要求11到19中任一项所述的高频无电极放电灯装置，其特征在于所述灯泡的形状基本上为球形。