DE69825546T2

DE69825546T2 - Hochfrequente Leistungsversorgung für elektrodenlose Hochfrequenzlampe

Info

Publication number: DE69825546T2
Application number: DE69825546T
Authority: DE
Inventors: Akira Nara-shi Hochi; Mamoru Soraku-gun Takeda
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1997-11-28
Filing date: 1998-11-26
Publication date: 2004-12-30
Anticipated expiration: 2018-11-27
Also published as: DE69825546D1; CN1218979A; KR19990045674A; EP0920240A2; EP0920240B1; TW430855B; EP0920240A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochfrequenz-Energieversorgungseinrichtung und eine elektrodenlose Hochfrequenz-Entladungslampe.
Ein Plasmagenerator, der elektromagnetische Hochfrequenzfelder verwendet, um ein Gas in einer Plasmaröhre zu erregen, wird in US-A-4 792 732 beschrieben. Zwei Sätze von gegenseitig senkrechten Elektroden umgeben die Röhre. Beide Sätze sind mit einer Hochfrequenz-Leistungsquelle verbunden, wobei ein Satz über einen 90° Phasenschieber angesteuert wird, um ein zirkular polarisiertes Feld innerhalb der Röhre herzustellen.
Eine elektrodenlose Hochfrequenz-Entladungslampe ist vorteilhafter als Bogenentladungslampen mit Elektroden, weil elektromagnetische Energie einfach in die Füllung zu koppeln ist, Quecksilber zur Entladungsemission aus der Füllung entfernt werden kann und höhere Lichtausbeute erwartet wird, weil es keinen Verlust der Elektroden gibt. Da es keine Elektroden in dem Entladungsraum gibt, tritt keine Schwärzung der Innenwand des Kolbens infolge der Verdampfung von Elektroden aus. Dies verlängert in hohem Maße die Lebensdauer der Lampe. Aufgrund dieser Eigenschaften ist in den letzten Jahren eine elektrodenlose Hochfrequenz-Entladungslampe als eine Hochleistungs-Entladungslampe der nächsten Generation nachhaltig untersucht worden.
EP-A-0 684 629 beschreibt eine elektrodenlose Entladungslampe, die eine Lampenkapsel und vier Applikatoren umfasst, die zur resonanzfreien Kopplung der elektromagnetischen Hochfrequenzenergie in die Lampenkapsel in 90° Intervallen um die Lampenkapsel herum beabstandet sind. Die Applikatoren umfassen elektromagnetische Wendelkoppler, die mit elektromagnetischen Hochfrequenzwellen gespeist werden, die je um 90° phasenverschoben sind. An die Lampenkapsel wird daher ein rotierendes elektrisches Feld angelegt.
US-A-5 227 698 zeigt eine mikrowellenbetriebene Entladungslampe, die in einem Hohlraum angeordnet ist. Mikrowellen von einer einzelnen Mikrowellenquelle werden durch Kopplungsschlitze in den Hohlraum gekoppelt. Da die durch die Kopplungsschlitze gekoppelten Mikrowellen verschieden Phasenwinkel aufweisen, wird ein rotierendes Feld mit konstanter Elliptizität in den Hohlraum eingeführt, um die Gasfüllung der Entladungslampe zu erregen.
Da auch bei gewöhnlichen Entladungslampen eine ideale Konstruktion zur Lichtstärkeverteilung erreicht werden kann, indem die Größe der Lichtquelle verringert wird, um sich einer Punktlichtquelle zu nähern, wird die Größenverminderung des Plasmabogens, der die Licht quelle ist, nachdrücklich verlangt. Wenn eine Anwendung auf normale Flüssigkristall-Videoprojektoren erwogen wird, ist zur Erhöhung des Nutzungsgrades der Lichtemission eine Größe des Plasmabogens von etwa 3 mm oder weniger für die optische Konstruktion erforderlich. Andererseits wird bei einer elektrodenlosen Entladungslampe die Größe des Plasmabogens durch den Innendurchmesser des Kolbens bestimmt. Da jedoch die Größerverringerung von herkömmlichen elektrodenlosen Hochfrequenz-Entladungslampen, die Resonatoren verwenden, abhängig von Wellenlängen begrenzt ist, sind sie in Anwendungsgebieten, die Punktlichtquellen mit hoher Leuchtdichte benötigen, nicht geeignet. In den letzten Jahren ist daher eine Hochfrequenz-Energieversorgungseinrichtung entwickelt worden, die ein elektromagnetisches Hochfrequenz-Resonanzfeld liefern kann, das in einem Raum kleiner als der Raum, an den es der Resonator liefert, konzentriert ist.
Mit Verweis auf 10 wird ein Stand der Technik basierend auf "a high-frequency energy supply means und a high-frequency elektrodeless discharge lamp device", offenbart in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 14-189270, beschrieben.
Eine solche elektrodenlose Hochfrequenz-Entladungslampe und eine Hochfrequenz-Energieversorgung zum Liefern von Energie an die elektrodenlose Entladungslampe werden auch in EP-A-0 840 354 beschrieben. Spezifisch benutzt die Hochfrequenz-Energieversorgung eine kreisrunde Gruppe von Seitenresonatoren, um elektromagnetische Hochfrequenzenergie im Mikrowellenbereich in eine elektrodenlose Entladungslampe zu koppeln, die sich in der Mitte der kreisrunden Gruppe von Seitenresonatoren befindet.
Die in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 10-189270 offenbarte Hochfrequenz-Energieversorgungseinrichtung umfasst eine Vielzahl von Seitenresonatoren, die gleichzeitig einen elektromagnetisch induktiven Funktionsteil, der von einem kreisrunden leitenden Material hervorgebracht wird, und einen elektrisch kapazitiven Funktionsteil haben, der aus Lücken besteht, und hat eine Zusammensetzung, um Hochfrequenzenergie zu liefern, die zum Entladen mit dem elektromagnetischen Hochfrequenz-Resonanzfeld in der Mitte der Gruppe von Seitenresonatoren, die aus einer Vielzahl von kreisrund angeordneten Seitenresonatoren besteht, sodass der elektrisch kapazitive Funktionsteil nach innen gerichtet ist, benötigt wird. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hochfrequenz-Energieversorgungseinrichtung bereitzustellen, die ein elektromagnetisches Hochfrequenz-Resonanzfeld liefern kann, das in einem Raum kleiner als der Raum, an den es der Resonator liefert, konzentriert ist, sowie eine elektrodenlose Hochfrequenz-Entladungslampe, die eine solche Hochfrequenz-Energieversorgungseinrichtung benutzt.
Als ein Beispiel von Gruppen von Seitenresonatoren zeigt 10 einen Resonator 102 des 8-Fahnentyps, der acht plattenartige Fahnen 105 umfasst, die aus einem leitenden Material bestehen und in Richtung der Mitte aus einem Zylinder 104 hervorstehen, der aus dem gleichen leitenden Material besteht. Die Oberfläche der Innenwand von zwei angrenzenden Fahnen 105 und des Zylinders 104 und der von diesen erzeugte Raum wirken als der elektromagnetisch induktive Funktionsteil, und die zwei hervorstehenden Teile von aneinandergrenzenden Fahnen und die Lücke zwischen ihnen wirken als der elektrisch kapazitive Funktionsteil. Eine elektrodenlose Entladungslampe 101 befindet sich auf dem Mittelteil des 8-Fahnen-Resonators 102. Die durch die Hochfrequenz-Oszillatoreinrichtung ausgebreitete Hochfrequenzenergie wird durch eine Hochfrequenz-Kopplungseinrichtung 103 des Elektrofeld-Kopplungstyps, die mit einer der Fahnen 105 dichtend oder schweißend elektrisch verbunden ist, in den Resonator 102 gekoppelt. Der Resonator 102 ist so konstruiert, dass er auf der Frequenz der zu koppelnden Hochfrequenzenergie schwingt. Die zur Hochfrequenzentladung benötigte Energie wird daher durch das im Mittelteil des Resonators 102 erzeugte elektrische Hochfrequenz-Resonanzfeld E an die elektrodenlose Entladungslampe 101 geliefert.
Das heißt, wenn die Zahl der Seitenresonatoren N ist, hat, wenn die Frequenz der Hochfrequenz oder die Form eines Seitenresonators so ausgelegt ist, dass die Gruppe von Seitenresonatoren in dem Modus getrieben wird, wo die Phase eines Seitenresonators um 2π/N von dem angrenzenden Seitenresonator verschoben ist, das elektrische Feld eines hervorstehenden Teils die entgegengesetzte Polarität von der elektrischen Ladung des gegenüberliegenden hervorstehenden Teils. Das durch diese elektrische Ladung erzeugte elektrische Hochfrequenz-Resonanzfeld E ist in der Durchmesserrichtung des Mittelteils der Gruppe von Seitenresonatoren ausgerichtet und verteilt sich über der elektrodenlosen Entladungslampe 101. Wenn der Resonator in dem 2π/N Modus betrieben wird, wird das stärkste elektrische Feld im dem Mittelteil erhalten, wo die elektrodenlose Entladungslampe 101 platziert ist.
Die Hochfrequenz-Kopplungseinrichtung kann auch von einem Magnetfeld-Kopplungstyp sein, wie in 11 gezeigt. In 11 ist der Endabschnitt der Schleifenantenne 113 elektrisch mit dem zylindrischen Teil des 8-Fahnentyp-Resonators 112 verbunden. Ein elektrisches Hochfrequenz-Resonanzfeld E wird in dem Mittelteil des Resonators 112 durch das von der Schleifenantenne 113 in Schwingung versetzte hochfrequente Magnetfeld erzeugt. Durch dieses elektrische Hochfrequenz-Resonanzfeld E wird Hochfrequenz-Entladungsenergie an die elektrodenlose Entladungslampe 111 geliefert.
Durch die in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 8-291420 offenbarte Hochfrequenz-Entladungsenergie-Versorgungseinrichtung kann ein relativ kleiner Plasmabogen bis zu 10 mm oder weniger erzeugt und selbst durch Hochfrequenz von 2.5 GHz aufrechterhalten werden.
Durch die Verwendung der obigen Anordnungen wird jedoch, da die Richtung der elektrischen Felder konstant ist, wenn im 2π/N Modus gearbeitet wird, um das stärkste elektrische Feld zu erhalten, der Modus gestört, wenn das Plasma durch thermische Konvektion verlagert wird, und das Entladungsplasma wird oft unstabil. Da außerdem das elektrische Feld in einer bestimmten Richtung abgelenkt wird, lenkt die thermische Last der elektrodenlosen Entladungslampe an der Wand der Entladungsröhre die Richtung des elektrischen Feldes ab und wird erhöht.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte elektromagnetische Hochfrequenz-Energieversorgung für eine elektrodenlose Entladungslampe bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 erfüllt.
Wertere Ausführungen sind Gegenstand von unabhängigen Ansprüchen.
Infolge der Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden die Ablenkung der elektrischen Felder in eine bestimmte Richtung, was die Erzeugung und Aufrechterhaltung von stabilem Entadungsplasma zur Folge hat, und die gemittelte thermische Last der elektrodenlosen Entladungslampe an der Wand der Entladungsröhre beseitigt.
Der hierin gebrauchte Begriff "Hochfrequenz" meint elektromagnetische Wellen in einem Bereich von 1 MHz bis 100 GHz. Insbesondere wird die vorliegende Erfindung praktiziert, wenn die Frequenz innerhalb des "Mikrowellen"-Bereiches zwischen 300 MHz und 30 GHz liegt.
1 ist eine Zeichnung, die einen 8-Fahnentyp-Resonator mit zwei Elektrofeld-Kopplungstyp-Antennen nach einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine schematische Zeichnung, die eine elektrodenlose Hochfrequenz-Entladungslampe zeigt, die einen 8-Fahnentyp-Resonator mit zwei Elektrofeld-Kopplungstyp-Antennen nach einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet.
3 ist ein Diagramm, das die zeitliche Änderung in elektrischen Feldern in einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ist eine Zeichnung, die einen 8-Fahnentyp-Resonator mit zwei Magnetfeld-Kopplungstyp-Antennen nach einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
5 ist eine schematische Zeichnung, die eine elektrodenlose Hochfrequenz-Entladungslampe zeigt, die einen 6-Fahnentyp-Resonator mit drei Elektrofeld-Kopplungstyp-Antennen nach einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet.
6 ist eine Zeichnung, die einen 6-Fahnentyp-Resonator mit drei Elektrofeld-Kopplungstyp-Antennen nach einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
7 ist eine schematische Zeichnung, die eine elektrodenlose Hochfrequenz-Entladungslampe zeigt, die einen 6-Fahnentyp-Resonator mit drei Elektrofeld-Kopplungstyp-Antennen nach einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet.
8 ist eine schematische Zeichnung, die eine elektrodenlose Hochfrequenz-Entladungslampe zeigt, die zwei Hochfrequenz-Stromquellen nach einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet.
9 ist eine Grafik, die einen Ort von zeitlicher Änderung in elektrischen Feldern in einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
10 ist eine Zeichnung, die einen 8-Fahnentyp-Resonator mit einer Elektrofeld-Kopplungstyp-Antenne nach einem Stand der Technik zeigt.
11 ist eine Zeichnung, die einen 8-Fahnentyp-Resonator mit einer Magnetfeld-Kopplungstyp-Antenne nach einem Stand der Technik zeigt.
Ausführung 1
Eine erste Ausführung einer Hochfrequenz-Energieversorgungseinrichtung der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden mit Verweis auf 1 bis 5 beschrieben.
Bei dem in 1 gezeigten 8-Fahnentyp-Resonator 12 sind die Frequenz und die Form der Resonatoren so ausgelegt worden, dass das elektrische Hochfrequenz-Resonanzfeld durch die im mittleren Teil platzierte elektrodenlose Entladungslampe 11 läuft, um ein starkes elektrisches Feld zu erhalten. Das heißt, die Frequenz ist vorher entsprechend der Frequenz der zu koppelnden Hochfrequenzenergie bestimmt worden, sodass die Resonatoren in einem Modus betrieben werden, wo die Phase eines Seitenresonators um π/4(2π/8) von der Phase des angrenzenden Seitenresonators verschoben wird, wenn die Hochfrequenzenergie durch eine einzelne Hochfrequenz-Kopplungseinrichtung in den Resonator 12 gekoppelt wird. Zwei Elektrofeld-Kopplungstyp-Antennen 13, die Hochfrequenz-Kopplungseinrichtungen sind, sind mit dem 8-Fahnentyp-Resonator 12 so verbunden, dass der kleinere Winkel der Winkel gegen den Mittelteil des Resonators 90°C (π/2) beträgt. Durch die durch die erste Elektrofeld-Kopplungstyp-Antenne 13a gekoppelte Hochfrequenzenergie wird ein elektrisches Hochfrequenz-Resonanzfeld E_x im mittleren Teil des 8-Fahnentyp-Resonators 12 in der Horizontalrichtung in 1 erzeugt. Desgleichen wird durch die durch die zweite Elektrofeld-Kopplungstyp-Antenne 13b gekoppelte Hochfrequenzenergie ein elektrisches Hochfrequenz-Resonanzfeld E_y im mittleren Teil des 8-Fahnentyp-Resonators 12 in der Vertikalrichtung in 1 erzrugt.
Als nächstes wird die Zusammensetzung, die eine Hochfrequenz-Oszillatoreinrichtung und eine Hochfrequenz-Teilungs- und Phasenverschiebungseinrichtung umfasst, mit Verweise auf 2 beschrieben. Die von der Hochfrequenz-Leistungsquelle erzeugte Hochfrequenzenergie wird durch eine Hochfrequenz-Verarbeitungseinrichtung, die aus einer Koaxialleitung, einem Wellenleiter und dergleichen besteht, zu einem Teiler oder einem Phasenschieber geführt. Die durch den Teiler, der eine Hochfrequenz-Teilungseinrichtung ist, verbreitete Hochfrequenzenergie wird in zwei Teile geteilt. Außerdem werden die zwei geteilten Teile durch den Phasenschieber, der eine Hochfrequenz-Phasenverschiebungseinrichtung ist, so eingestellt, dass die Phase der Hochfrequenz an der Verbindung 23a der ersten Elektrofeld-Kopplungsantenne 13a, die mit dem 8-Fahnen-Resonator 22 gekoppelt ist, sich von der Phase der Hochfrequenz an der Verbindung 13b der zweiten Elektrofeld-Kopplungsantenne 13b um 90°C (π/2) unterscheidet.
Das elektrische Feld im mittleren Teil des obigen 8-Fahnen-Resonators zu dieser Zeit ist gegeben durch Gleichung 1. Gleichung 1
wo ω die Winkelfrequenz der eingegebenen Hochfrequenz darstellt, t die Zeit darstellt, und E₀ den Maximalwert des durch jede Hochfrequenz-Kopplungseinrichtung gekoppelten elek trischen Resonanzfeldes darstellt. Gleichung 1 zeigt, dass das elektrische Feld im mittleren Teil eines 8-Fahnen-Resonators mit der Winkelfrequenz ω der eingegebenen Hochfrequenz rotiert.
Die zeitliche Änderung in elektrischen Hochfrequenz-Resonanzfeldern im mittleren Teil der 8-Fahnen-Resonatoren 12 und 22, in denen elektrodenlose Entladungslampen bereitgestellt werden, wird in 3 gezeigt.
Die Hochfrequenz-Oszillatoreinrichtung schwingt in Sinuswellen von 2.45 GHz, und die zeitliche Änderung in dem durch die erste Elektrofeld-Kopplungsantenne 13a gekoppelten elektrischen Hochfrequenz-Resonanzfeld in der x-Richtung E_x wird im oberen Teil der linken Spalte gezeigt, und die zeitliche Änderung in dem durch die zweite Elektrofeld-Kopplungsantenne 13b gekoppelten elektrischen Hochfrequenz-Resonanzfeld in der y-Richtung E_y wird im unteren Teil der linken Spalte gezeigt. Wenn die Phase des elektrischen Hochfrequenz-Resonanzfeldes in der x-Richtung E_x um 90° von der Phase des elektrischen Hochfrequenz-Resonanzfeldes in der y-Richtung E_y verschoben ist, werden die sich im Mittelteil überschneidenden elektrischen Felder synchron mit Frequenz der Hochfrequenz rotieren, wie in der rechten Spalte gezeigt.
Die Hochfrequenz-Kopplungseinrichtung ist nicht auf die in 1 gezeigte Elektrofeld-Kopplungstyp-Antenne begrenzt, sondern die Magnetfeld-Kopplungstyp-Antenne, wie in 4 gezeigt, kann benutzt werden. In 4 sind die die Endteile von zwei Schleifenantennen 43a und 43b jeweils mit der Innenwand des Zylinders des 8-Fahnentyp-Resonators 42 elektrisch verbunden. Durch zwei für die Schleifenantenne 43 in Schwingung versetzte phasenverschobene Hochfrequenz-Magnetfelder wird ein rotierendes elektrisches Hochfrequenz-Resonanzfeld im Mittelteil des 8-Fahnen-Resonators 42 erzeugt, und Hochfrequenzenergie wird an die elektrodenslose Entladungslampe 41 geliefert.
Die Anordnung, die die obige Wirkung liefert, ist nicht auf den 8-Fahnentyp-Resonator und zwei Hochfrequenz-Kopplungseinrichtungen begrenzt. Zum Beispiel können, wie in 5 gezeigt, ein 6-Fahnentyp-Resonator und drei Hochfrequenz-Kopplungseinrichtungen verwendet werden.
Der in 5 gezeigte 6-Fahnentyp-Resonator 52 ist hier so ausgelegt worden, dass er die Frequenz der zu koppelnden Hochfrequenzenergie trifft, um in dem 2π/3 Modus zu arbeiten, in dem das elektrische Hochfrequenz-Resonanzfeld die auf dem Mittelteil platzierte elektrodenlose Entladungslampe 51 kreuzt, wenn die Hochfrequenzenergie durch eine einzelne Hochfrequenz-Kopplungseinrichtung gekoppelt wird.
Drei Verbindungen einer Hochfrequenz-Kopplungseinrichtung 52 sind mit einem 6-Fahnentyp-Resonator, der aus sechs Fahnen besteht, verbunden, um einen Winkel 60° (π/3) zu dem Mittelteil des 6-Fahnen-Resonators 52 zu bilden. Durch die Hochfrequenz-Leistungsversorgung erzeugte Hochfrequenzenergie wird durch eine Hochfrequenz-Ausbreitungseinrichtung, die Koaxialleitungen oder Wellenleiter umfasst, zu dem Teiler und dem Phasenschieber geleitet. Die durch den obigen Teiler, der eine Hochfrequenz-Teilungseinrichtung ist, geleitete Hochfrequenzenergie wird in drei Teile geteilt. Außerdem werden die drei geteilten Teile durch den Phasenschieber, der eine Hochfrequenz-Phasenverschiebungseinrichtung ist, so eingestellt, dass die sich Phase jeder Hochfrequenz an den drei Verbindungen zu dem 6-Fahnen-Resonator 52 um 60° (π/3) voneinander unterscheiden. Durch eine solche Anordnung kann, wie bei der oben beschriebenen Anordnung, die den obigen 8-Fahnentyp-Resonator und zwei Hochfrequenz-Kopplungseinrichtungen umfasst, dass elekrische Hochfrequenz-Resonanzfeld im Mittelteil des 6-Fahnentyp-Resonators 52 synchron mit der Frequenz der zu koppelnden Hochfrequenz gedreht werden, und die gleiche Wirkung kann erreicht werden.
Bei der oben beschriebenen Anordnung dieser Ausführung ist, wenn die Zahl von Hochfrequenz-Kopplungseinrichtungen M ist, und der Maximalwert des mit jeder Hochfrequenz-Kopplungseinrichtungen zu koppelnden elektrischen Resonanzfeldes E₀ ist, das elektrische Feld im Mittelteil der Gruppen von Seitenresonatoren gegeben durch Gleichung 2. Gleichung 2
wo ω die Winkelfrequenz der eingegebenen Hochfrequenz darstellt, und t Zeit darstellt, wie in Gleichung 1. Wenn jedoch die Zahl von Seitenresonatoren, die die Gruppe von Seitenresonatoren bilden, N ist, ist M eine Ganzzahl von 2 oder mehr und N/2 oder weniger. Glei chung 2 zeigt, dass das elektrische Feld im Mittelteil der Gruppe von Seitenresonatoren mit der Winkelfrequenz ω, die der Frequenz der eingegebenen Hochfrequenz entspricht, rotiert.
Durch die obige Anordnung werden, da die Richtung des elektrischen Feldes gedreht wird, ohne in eine Richtung abgelenkt zu werden, das Entladungsplasma der elektrodenlosen Entladungslampe und die Wärmeverteilung der Wand der Röhre gleichmäßig. Dadurch tritt eine Störung des Plasmamodus infolge thermischer Konvektion schwerlich auf, und der Wärmewiderstand der elektrodenlosen Entladungslampe wird verbessert.
Ausführung 2
Eine zweite Ausführung einer Hochfrequenz-Leistungsversorgungseinrichtung der vorliegenden Erfindung wird unten mit Verweis auf 6 und 7 beschrieben.
Der in 6 gezeigte 6-Fahnentyp-Resonator 62 ist so ausgelegt worden, dass er die Frequenz der zu koppelnden Hochfrequenzenergie erfüllt, um in dem 2π/3 Modus zu arbeiten, in dem das elektrische Hochfrequenz-Resonanzfeld die auf dem Mittelteil platzierte elektrodenlose Entladungslampe 61 kreuzt, wenn die Hochfrequenzenergie durch eine einzelne Hochfrequenz-Kopplungseinrichtung gekoppelt wird. Drei Elektrofeld-Kopplungsantennen 63, die Hochfrequenz-Kopplungseinrichtungen sind, sind mit dem 6-Fahnentyp-Resonator 62 verbunden, um einen Winkel von 120° (2π/3) zu dem Mittelteil des 6-Fahnentyp-Resonators 62 zu bilden.
Als Nächstes wird die Anordnung, die eine Hochfrequenz-Oszillatoreinrichtung und eine Hochfrequenz-Teilungs und -Phasenverschiebungseinrichtung umfasst, mit Verweis auf 7 beschrieben. Die von der Hochfrequenz-Leistungsquelle zum Schwingen gebrachte Hochfrequenzenergie wird durch eine Hochfrequenz-Ausbreitungseinrichtung, die aus einer Koaxialleitung, einem Wellenleiter und dergleichen besteht, zu einem Teiler oder einem Phasenschieber geleitet. Die durch den Teiler, der eine Hochfrequenz-Teilungseinrichtung ist, geleitete Hochfrequenzenergie wird in drei Teile geteilt. Außerdem werden die drei geteilten Teile durch den Phasenschieber, der eine Hochfrequenz-Phasenverschiebungseinrichtung ist, so eingestellt, dass sich die Phase der Hochfrequenz an der Verbindung 73a der mit dem 6-Fahnentyp-Resonator 72 gekoppelten ersten Elektrofeld-Kopplungstyp-Antenne 63a von der Phase der Hochfrequenz an der Verbindung 73b der zweiten Elektrofeld-Kopplungstyp-Antenne 63b und der Phase der Hochfrequenz an der Verbindung 73c der dritten Elektrofeld-Kopplungstyp-Antenne 63c um 360° (2π/3) unterscheidet.
Das elektrische Feld im Mittelteil des obigen 6-Fahnentyp-Resonators zu dieser Zeit ist gegeben durch Gleichung 3. Gleichung 3
wo ω die Winkelfrequenz der eingegebenen Hochfrequenz darstellt, t Zeit darstellt, und E₀ den Maximalwert des durch jede Hochfrequenz-Kopplungseinrichtung gekoppelten elektrischen Resonanzfeldes darstellt. Gleichung 3 zeigt, dass das elektrische Feld im Mittelteil des 6-Fahnentyp-Resonators 72 mit der Winkelfrequenz ω wie die Frequenz der eingegebenen Hochfrequenz rotiert.
Die Anordnung, die die obiege Wirkung liefert, ist nicht auf den 6-Fahnentyp-Resonators und drei Hochfrequenz-Kopplungseinrichtungen begrenzt.
Wenn bei der oben beschriebenen Anordnung dieser Ausführung die Anzahl von Hochfrequenz-Kopplungseinrichtungen M ist, und der Maximalwert des mit jeder Hochfrequenz-Kopplungseinrichtung zu koppelnden elektrischen Resonanzfeldes E₀ ist, ist das elektrische Feld im Mittelteil der Gruppe von Seitenresonatoren gegeben durch Gleichung 4. Gleichung 4
wo ω die Winkelfrequenz der eingegebenen Hochfrequenz darstellt und t Zeit darstellt, wie in Gleichung 3. Wenn jedoch die Zahl von Seitenresonatoren, die die Gruppe von Seitenresonatoren bilden, N ist, ist M eine Ganzzahl von 3 oder mehr oder N oder weniger. Gleichung 4 zeigt, dass das elektrische Feld im Mittelteil der Gruppe von Seitenresonatoren mit der Winkelfrequenz ω wie die Frequenz der eingegebenen Hochfrequenz rotiert.
Durch die obige Anordnung werden, da wie in der ersten Ausführung die Richtung des elektrischen Feldes gedreht wird, ohne in eine Richtung abgelenkt zu werden, das Entladungsplasma der elektrodenlosen Entladungslampe und die Wärmeverteilung der Wand der Röhre gleichmäßig. Dadurch tritt eine Störung des Plasmamodus infolge thermischer Konvektion schwerlich auf, und der Wärmewiderstand der elektrodenlosen Entladungslampe wird verbessert. Außerdem kann, da das elektrische Feld auch von der der Gruppe von Seitenresonatoren gegenüberliegenden Seite überlappt wird, verglichen mit der ersten Ausführung die Gruppe von Seitenelektroden leichter dazu gebracht werden, im 2π/N Modus zu arbeiten.
Ausführung 3
Eine dritte Ausführung einer Hochfrequenz-Leistungsversorgungseinrichtung der vorliegenden Erfindung wird unten mit Verweis auf 8 und 9 beschrieben.
Eine elektrodenlose Hochfrequenz-Entladungslampe, die einen 8-Fahnentyp-Resonator mit je zwei Hochfrequenz-Oszillatoreinrichtungen, zwei Hochfrequenz-Ausbreitungseinrichtungen und zwei Hochfrequenz-Kopplungseinrichtungen verwendet, wird mit Verweis auf 8 beschrieben. Der 8-Fahnentyp-Resonator 82 und die zwei Antennen 83a und 83b, die Hochfrequenz-Kopplungseinrichtungen sind, sind die gleichen wie die in 1 oder 4 entsprechend der ersten Ausführung gezeigten.
Die von der Hochfrequenz-Leistungsquelle 1 in Schwingung versetzte Hochfrequenzenergie wird durch die erste Hochfrequenz-Ausbreitungseinrichtung, die aus Koaxialleitungen, Wellenleitern und dergleichen besteht, ausgebreitet und durch die erste Hochfrequenz-Kopplungseinrichtung in den Teil 83a des 8-Fahnentyp-Resonators 82 gekoppelt. Die von der Hochfrequenz-Leistungsquelle 2 in Schwingung versetzte Hochfrequenzenergie wird durch die zweite Hochfrequenz-Ausbreitungseinrichtung, die aus Koaxialleitungen, Wellenleitern und dergleichen besteht, ausgebreitet und durch die zweite Hochfrequenz-Kopplungseinrichtung in den Teil 83b des 8-Fahnentyp-Resonators 82 gekoppelt. Durch die durch die erste Hochfrequenz-Kopplungseinrichtung 83a gekoppelte Hochfrequenzenergie wird ein elektrisches Hochfrequenz-Resonanzfeld E_x seitlich in 8 im Mittelteil des 8-Fahnentyp-Resonators 82 erzeugt. Desgleichen wird durch die durch die zweite Hochfrequenz-Kopplungseinrichtung 83b gekoppelte Hochfrequenzenergie ein elektrisches Hochfrequenz-Resonanzfeld E_y vertikal in 8 erzeugt.
In diesem Fall sind, wenn die Winkelfrequenz der von der Hochfrequenz-Leistungsquelle 1 erzeugten Hochfrequenz durch ω₁ bezeichnet wird, und die Winkelfrequenz der von der Hochfrequenz-Leistungsquelle 2 erzeugten Hochfrequenz mit ω₂ bezeichnet wird, die x-Komponente und die y-Komponente des im Mittelteil des 8-Fahnentyp-Resonators 82 erzeugten elektrischen Felds gegeben durch Gleichung 5. Gleichung 5
wo t verstrichene Zeit darstellt, und E₀ den Maximalwert des von jeder Hochfrequenz-Kopplungseinrichtung gekoppelten elektrischen Resonanzfeldes darstellt. Wenn z. B. die Winkelfrequenz der von der Hochfrequenz-Leistungsquelle 2 erzeugten Hochfrequenz ω₂ 10% größer ist als die Winkelfrequenz der von der Hochfrequenz-Leistungsquelle 1 erzeugten Hochfrequenz ω₁, wird Gleichung 5 durch Gleichung 6 dargestellt.
Gleichung 6
Das Ergebnis der Aufzeichnung des Ortes von x- und y-Komponenten des im Mittelteil des 8-Fahnentyp-Resonators 82 erzeugten elektrischen Feldes, wenn die Zeit t verändert wird, bis die von der Hochfrequenz-Leistungsquelle 1 erzeugte Hochfrequenz 5 Zyklen (0 <= ω₂t <= 10π) gelaufen ist, wird in 9 gezeigt.
Wenn t 0 ist, wird die synthetische Komponente von E_x und E_y, die in der schräg rechts Richtung zu der schräg unten links Richtung lag, die Verschiebung von Frequenzen begleitend allmählich verschoben und schließlich von der schräg unten rechts Richtung zu der schräg oben links Richtung verändert.
Wie oben beschrieben wiederholt durch Unterscheiden der Frequenz der von der Hochfrequenz-Leistungsquelle 1 erzeugten Hochfrequenz von der Frequenz der von der Hochfrequenz-Leistungsquelle 2 erzeugten Hochfrequenz jede der synthetischen Komponenten des durch die 8-Fahnentyp-Resonatoren 82 zu koppelnden elektrischen Hochfrequenzfeldes die Rotation infolge des Unterschiedes der Frequenzen.
Durch die obige Anordnung werden wie in der ersten und zweiten Ausführung, da die Rich tung des elektrischen Feldes varriert, ohne in eine Richtung abgelenkt zu werden, das Entladungsplasma der elektrodenlosen Entladungslampe 81 und die Wärmeverteilung der Wand der Entladungsröhre gleichmäßig. Dadurch tritt die Störung des Plasmamodus infolge thermischer Konvektion kaum auf, und der Wärmewiderstand der elektrodenlosen Entladungslampe 81 wird verbessert. Außerdem ist die recht heikle Operation des Abgleichens von Phasenunterschieden verglichen mit der ersten und zweiten Ausführung nicht erforderlich.
Obwohl hier ein Beispiel gezeigt, das einen 10% Frequenzunterschied benutzt, ist der Frequenzunterschied natürlich nicht auf 10% begrenzt. Da jedes der ISM-(industriell, wissenschaftlich und medizinisch)Frequenzbänder von Hochfrequenz, deren Gebrauch industriell erlaubt ist, eine spezifische Bandbreite hat, fällt die Frequenzdifferenz besser in eine solche Bandbreite. Zum Beispiel beträgt eine zulässige Bandbreite in dem ISM-Frequenzband mit der Mittenfrequenz von 2.45 GHz +/– 0.05 GHz. Daher kann in diesem Fall die Frequenzdifferenz im Bereich von 0.1 GHz verändert werden. Da ein Hochfrequenzoszillator, z. B. ein Magnetron, immer einen Fehler in der erzeugten Frequenz innerhalb der obigen zulässigen Bandbreite hat, wird in Wirklichkeit die Frequenzdifferenz natürlich erhalten, wenn eine Vielzahl von Hochfrequenzoszillatoren ohne Anstrengungen, Frequenzen zu ändern, bereitgestellt wird.
Eine übermäßig große Frequenzdifferenz ist jedoch nicht vorzuziehen, weil sie jenseits der Resonanzfrequenz der Gruppe von Seitenresonatoren liegen wird, oder das Auftreten von anderen Resonanzmodi erwogen wird. Daher wird bevorzugt, dass die Frequenzdifferenz innerhalb des Bereiches von Frequenzen liegt, in dem der gleiche Resonanzmodus auftreten kann.
Die Anordnung, die die obige Wirkung Liefert, ist nicht auf den 8-Fahnentyp-Resonator mit je zwei Hochfrequenz-Oszillatoreinrichtungen, zwei Hochfrequenz-Ausbreitungseinrichtungen und zwei Hochfrequenz-Kopplungseinrichtungen begrenzt.
Zum Beispiel kann die Anordnung, die drei Hochfrequenz-Oszillatoreinrichtungen, drei Hochfrequenz-Ausbreitungseinrichtungen und drei Hochfrequenz-Kopplungseinrichtungen umfasst, unter Verwendung eines 6-Fahnentyp-Resonators und drei Hochfrequenz-Kopplungseinrichtungen, wie in 5 gezeigt, gebildet werden.
Obwohl Beispiele, die Fahnentyp-Resonatoren als die Gruppe von Seitenresonatoren verwenden, in der obigen ersten bis dritten Ausführung gezeigt werden, können andere Gruppen von Seitenresonatoren, z. B. Lochschlitztyp-Resonatoren, ebenfalls verwendet werden.
Obwohl in den obigen Ausführungen eins bis drei die Hochfrequenz-Energieversorgungseinrichtung der vorliegenden Erfindung, die die Gruppe von Seitenresonatoren verwendet, nur unter dem Aspekt der Anwendung auf eine elektrodenlose Hochfrequenz-Entladungslampe gezeigt wird, sind die Anwendungsgebiete der Hochfrequenz-Energieversorgungseinrichtung der vorliegenden Erfindung nicht darauf begrenzt. Zum Beispiel ist die Hochfrequenz-Energieversorgungseinrichtung der vorliegenden Erfindung auch nützlich, wenn die Zufuhr von Energie durch elektrische Hochfrequenz-Resonanzfelder konzentriert und nicht abgelenkt zum Bilden eines stabilen Entladungsplasmas eines relativ kleinen Durchmessers in Einrichtungen benötigt wird, die Hochfrequenzentladung benutzen, z. B. Plasma-CVDs, Plasma-Taschenlampen und Gasentladungslaser.
Die Hochfrequenz-Energieversorgungseinrichtung der vorliegenden Erfindung ist auch nützlich, wenn die Zufuhr von Entladungsenergie durch gleichmäßige elektrische Hochfrequenz-Resonanzfelder konzentriert und nicht abgelenkt zum Heizen, Lichtemittieren, Schmelzen oder Verdampfen eines Werkstückes mit einem relativ kleinen Durchmesser, das auf dem Mittelteil der obigen Hochfrequenz-Energieversorgungseinrichtung platziert wird, mittels Hochfrequenzenergie erforderlich ist.
Zusätzlich zu dem Obigen kann bei der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von Hochfrequenzen durch die Hochfrequenz-Kopplungseinrichtung gekoppelt werden, und Phasendifferenzen können voneinander verschieden sein.
Wie oben beschrieben kann erfindungsgemäß gleichförmige Hochfrequenzenergie zugeführt werden, weil, verglichen mit einer herkömmlichen Mikrowellen-Energieversorgungseinrichtung, die eine Gruppe von Seitenelektroden verwendet, die Ablenkung von elektrischen Feldern in einer Richtung beseitigt und die Richtung der elektrischen Felder gedreht oder periodisch verändert wird.
Indessen ermöglicht es geringe Störung des Plasmamodus infolge thermischer Konvektion, stabiles Entladungsplasma zu illuminieren und aufrechtzuerhalten. Außerdem wird die Wärmebelastung der Wand der Entladungsröhre einer elektrodenlosen Entladungslampe gemittelt, und der Wärmewiderstand der elektrodenlosen Entladungslampe wird verbessert.
Des Weiteren kann die Zufuhr von Energie zum Heizen, Emittieren von Licht, Schmelzen oder Verdampfen gleichmäßig gemacht werden.

Claims

Elektromagnetische Hochfrequenz-Energieversorgungseinrichtung im Mikrowellenbereich zum Koppeln der Energie in eine elektrodenlose Entladungslampe (11, 21, 41, 51, 61, 71, 81), die umfasst: eine Gruppe von Seitenresonatoren (12, 22, 42, 52, 62, 72, 82), die in einer praktisch ringförmigen Form elektrisch verbunden sind, und wenigstens eine elektromagnetische Hochfrequenz-Leistungsquelle, die auf den Mittenteil der Seitenresonatoren (12, 22, 42, 52, 62, 72, 82) konzentrierte elektromagnetische Hochfrequenz-Resonanzfelder bereitstellt, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Hochfrequenz-Kopplungseinrichtungen (13a, 13b, 23a, 23b, 43a, 43b, 63a, 63b, 63c, 73a, 73b, 73c, 83a, 83b) zum Koppeln einer Vielzahl von elektromagnetischen Hochfrequenzwellen von der Hochfrequenz-Leistungsquelle und ausgebreitet durch eine Vielzahl von Hochfrequenz-Ausbreitungspfaden in die Gruppe von Seitenresonatoren (12, 22, 42, 52, 62, 72, 82), wobei die von der Vielzahl von Hochfrequenz-Kopplungseinrichtungen (13a, 13b, 23a, 23b, 43a, 43b, 63a, 63b, 63c, 73a, 73b, 73c, 83a, 83b) in die Gruppe von Seitenresonatoren (12, 22, 42, 52, 62, 72, 82) gekoppelte Vielzahl von elektromagnetischen Hochfrequenzwellen voneinander abweichende Phasen und/oder Frequenzen aufweisen.
Hochfrequenz-Energieversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei der Hochfrequenz-Kopplungseinrichtungen (13a, 13b, 23a, 23b, 43a, 43b, 83a, 83b) besitzt, wobei die Hochfrequenz-Kopplungseinrichtungen (13a, 13b, 23a, 23b, 43a, 43b, 83a, 83b) niemals einen Raumwinkel von 180 Grad hervorbringen.
Hochfrequenz-Energieversorgungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Hochfrequenz-Leistungsquelle eine Hochfrequenz-Oszillatoreinrichtung umfasst, die umfasst: eine Hochfrequenz-Ausbreitungseinrichtung zum Ausbreiten der elektromagnetischen Hochfrequenzwellen, eine Hochfrequenz-Teilungseinrichtung zum Teilen der durch die Hochfrequenz-Oszillatoreinrichtung erzeugten und durch die Hochfrequenz-Ausbreitungseinrichtung ausgebreiteten elektromagnetischen Hochfrequenzwellen in die Vielzahl von Ausbreitungspfaden, und eine Hochfrequenz-Phasenverschiebungseinrichtung zum Verschieben der Phasen der elektromagnetischen Hochfrequenzwellen auf der Vielzahl von Ausbreitungspfaden in verschiedene Phasen, wobei, wenn die Zahl der Hochfrequenz-Kopplungseinrichtungen (13a, 13b, 23a, 23b, 43a, 43b) M ist, der kleinere der Winkel, die durch die aneinander angrenzenden Hochfrequenz-Kopplungseinrichtungen (13a, 13b, 23a, 23b, 43a, 43b) gegen die Mitte des durch die Gruppe von Seitenresonatoren (12, 22, 42, 52) gebildeten Rings erzeugt werden, π/M ist, und wobei die Phasen der durch die aneinander angrenzenden Hochfrequenz-Kopplungseinrichtungen (13a, 13b, 23a, 23b, 43a, 43b) gekoppelten elektromagnetischen Hochfrequenzwellen durch die Hochfrequenz-Phasenverschiebungseinrichtung um π/M voneinander verschoben werden.
Hochfrequenz-Energieversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Hochfrequenz-Leistungsquelle eine Hochfrequenz-Oszillatoreinrichtung umfasst, die umfasst: eine Hochfrequenz-Ausbreitungseinrichtung zum Ausbreiten der elektromagnetischen Hochfrequenzwellen, eine Hochfrequenz-Teilungseinrichtung zum Teilen der durch die Hochfrequenz-Oszillatoreinrichtung erzeugten und durch die Hochfrequenz-Ausbreitungseinrichtung ausgebreiteten elektromagnetischen Hochfrequenzwellen in die Vielzahl von Ausbreitungspfaden, und eine Hochfrequenz-Phasenverschiebungseinrichtung zum Verschieben der Phasen der elektromagnetischen Hochfrequenzwellen auf der Vielzahl von Ausbreitungspfaden in verschiedene Phasen, wobei, wenn die Zahl der Hochfrequenz-Kopplungseinrichtungen (63a, 63b, 63c, 73a, 73b, 73c) M ist, M ist wenigstens 3, der kleinere der Winkel, die durch die aneinander angrenzenden Hochfrequenz-Kopplungseinrichtungen (63a, 63b, 63c, 73a, 73b, 73c) gegen die Mitte des durch die Gruppe von Seitenresonatoren (62, 72) gebildeten Rings erzeugt werden, 2π/M ist, und die Phasen der durch die aneinander angrenzenden Hochfrequenz-Kopplungseinrichtungen (63a, 63b, 63c, 73a, 73b, 73c) gekoppelten elektromagnetischen Hochfrequenzwellen durch die Hochfrequenz-Phasenverschiebungseinrichtung um 2π/M voneinander verschoben werden.
Hochfrequenz-Energieversorgungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, die umfasst: eine Vielzahl von Hochfrequenz-Oszillatoreinrichtungen, eine Vielzahl von Hochfrequenz-Ausbreitungseinrichtungen, wobei die Vielzahl von Hochfrequenz-Kopplungseinrichtungen (83a, 83b) die Vielzahl von durch die Vielzahl von Hochfrequenz-Oszillatoreinrichtungen erzeugten und durch die Vielzahl von Hochfrequenz-Ausbreitungseinrichtungen ausgebreiteten elektromagnetischen Hochfrequenzwellen in die Gruppe von Seitenresonatoren (82) koppelt, die Zahl der Vielzahl von Hochfrequenz-Oszillatoreinrichtungen die gleiche ist wie Zahl der Vielzahl von Hochfrequenz-Ausbreitungseinrichtungen und die Zahl der Vielzahl von Hochfrequenz-Kopplungseinrichtungen (83a, 83b), die Vielzahl von Hochfrequenz-Kopplungseinrichtungen (83a, 83b) mit verschiedenen Seitenresonatoren, die die Gruppe von Seitenresonatoren (82) bilden, verbunden ist, und die Frequenzen der durch die Vielzahl von Hochfrequenz-Oszillatoreinrichtungen erzeugten elektromagnetischen Hochfrequenzwellen verschieden voneinander sind.
Hochfrequenz-Energieversorgungseinrichtung nach Anspruch 5, wobei, wenn die Zahl der Hochfrequenz-Kopplungseinrichtungen (83a, 83b) M ist, der kleinere der Winkel, die durch die aneinander angrenzenden Hochfrequenz-Kopplungseinrichtungen (83a, 83b) gegen die Mitte des durch die Gruppe von Seitenresonatoren (82) gebildeten Rings erzeugt werden, 2π/M ist.
Hochfrequenz-Energieversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei, wenn die Zahl von Seitenresonatoren, die die Gruppe von Seitenresonatoren (12, 22, 42, 52, 62, 72, 82) bildet, N ist, der durch jeden der Seitenresonatoren gegen die Mitte des durch die Gruppe von Seitenresonatoren (12, 22, 42, 52, 62, 72, 82) gebildeten Rings erzeugte Winkel 2π/N ist.
Hochfrequenz-Energieversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei, wenn die Zahl von Seitenresonatoren, die die Gruppe von Seitenresonatoren (12, 22, 42, 52, 62, 72, 82) bildet, N ist, die Phasendifferenz zwischen den aneinander angrenzenden Seitenresonatoren 2π/N ist.
Hochfrequenz-Energieversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Gruppe von Seitenresonatoren (12, 22, 42, 52, 62, 72, 82) Fahnentyp-Resonatoren umfasst.
Hochfrequenz-Energieversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Hochfrequenz-Kopplungseinrichtungen (13a, 13b, 23a, 23b, 43a, 43b, 63a, 63b, 63c, 73a, 73b, 73c, 83a, 83b) von einem Elektrofeld-Kopplungstyp oder einem Magnetfeld-Kopplungstyp sind.
Elektrodenlose Hochfrequenz-Entladungslampenvorrichtung, die eine Hochfrequenz-Energieversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und eine elektrodenlose Entladungslampe (11, 21, 41, 51, 61, 71, 81) umfasst, wobei die elektrodenlose Entladungslampe (11, 21, 41, 51, 61, 71, 81) auf der Mitte des Rings der Hochfrequenz-Energieversorgungseinrichtung platziert ist, und Entladungsplasma innerhalb der Entladungsröhre der elektrodenlosen Entladungslampe (11, 21, 41, 51, 61, 71, 81) durch von der Hochfrequenz-Energieversorgungseinrichtung gelieferte elektromagnetische Hochfrequenzfelder gebildet wird.