專利名稱：高壓氣體放電燈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高壓氣體放電燈，包括至少一個(gè)介于玻璃態(tài)材料與鉬之間的氣密熔凝沖壓密封，其中熔凝沖壓密封中的鉬至少部分暴露在氧化環(huán)境中，并且至少暴露于氧化環(huán)境中的那部分鉬覆蓋了一層涂層。
由于其光學(xué)性能優(yōu)越，因而優(yōu)選將這類高壓氣體放電燈(HID(高強(qiáng)度放電)燈)用于投影用途，用于高射(over head)投影和用作聚光燈。這種高壓氣體放電燈的例子有所謂的UHP或MSR燈(菲利浦)，但是本發(fā)明也包括其他制造商制造的類似的燈。這種高壓氣體放電燈的燈管優(yōu)選由石英或高溫玻璃組成。燈管通常包括至少兩個(gè)鉬饋通，其確保燈管按照氣密方式封閉，并使得可以為安裝在燈管內(nèi)部的發(fā)光裝置供給電壓。
實(shí)際的能量供給通常通過優(yōu)選由鎢構(gòu)成的內(nèi)部電極來實(shí)現(xiàn)。在向外方向上，電極通常經(jīng)由鉬連接至外部鎮(zhèn)流器。鉬通常采用鉬箔或鉬帶或鉬絲的形式。氣密密封通常由至少一個(gè)介于一般為石英的玻璃態(tài)材料與鉬之間的氣密熔凝沖壓密封構(gòu)成。熔凝沖壓密封可以按照已知方式制成所謂的箍縮密封或者熔凝鉬沖壓密封。因?yàn)槭⒉Ａc鉬的熱膨脹系數(shù)差別很大，因此當(dāng)溫度變化很大時(shí)，例如在熔凝沖壓密封制成后的冷卻過程中，熔凝沖壓密封中的鉬必須能收縮。總的來說，熔凝沖壓密封中的氣密密封由鉬，特別是鉬箔的尺寸以及熔凝沖壓密封的尺寸來保證。然而，延伸離開放電室的那部分鉬，即使位于熔凝沖壓密封內(nèi)，也暴露在氧化環(huán)境中。在暴露于氧化環(huán)境中的熔凝沖壓密封的這個(gè)區(qū)域中，在燈工作時(shí)鉬的溫度必須低于350℃，以防止通常為鉬絲的鉬在氧化過程中出現(xiàn)任何與材料相關(guān)的增益。在特定情況下，鉬的溫度隨著沿縱向離開放電室的距離增加而降低。如果已知特定燈的溫度狀況和氣密熔凝沖壓密封的尺寸，以及特別是鉬在固定接頭中延伸的縱向距離，則可以確定熔凝沖壓密封的最小必要長(zhǎng)度。
例如，在可通過商業(yè)途徑獲得的UHP燈(120W型)中，這個(gè)區(qū)域的縱向長(zhǎng)度約為3cm，設(shè)置有放電室的燈管區(qū)域的縱向長(zhǎng)度約為0.9cm。迄今熔凝沖壓密封的縱向長(zhǎng)度必須符合這樣的尺寸，而這在某些應(yīng)用場(chǎng)合下是不利的。隨著正在進(jìn)行的開發(fā)以及新的應(yīng)用領(lǐng)域的開拓，市場(chǎng)需要尺寸較小但功率相近、或者尺寸相近但功率較大、或者具有更好的耐高溫性能的熔凝沖壓密封的高壓氣體放電燈。
從文獻(xiàn)可知有幾種不同的增加鉬的抗氧化性進(jìn)而增加耐高溫性能的方法。一種解決方法(見其中的DE19603300)涉及在具有石英燈管所用的鉬箔饋通的電燈中，通過摻雜方法來提高鉬的抗氧化性。替代地，文獻(xiàn)還提出可在鉬表面涂覆一層至少能提高鉬的抗氧化性的涂層。但是沒有一種材料可以保證在高壓氣體放電燈需要的在至少450℃以上的溫度下具有可靠的耐高溫性。
從US 5,021,711可知一種石英燈，其位于箍縮密封之外的鉬絲帶有涂層，并且其中位于箍縮密封之中的鉬，特別是呈鉬箔形式，在鉬的表面區(qū)域可富集著抗氧化材料。這種富集通過利用離子注入的成本昂貴的滲入方式來實(shí)現(xiàn)，這意味著，盡管在涂覆情況中不常見，鉬箔層的厚度不會(huì)增加。相關(guān)抗氧化材料可選自鉻、鋁、硅、鈦、鉭、鈀及其混合物。所公開的通過所謂的PCVD(等離子增強(qiáng)的化學(xué)汽相淀積)過程而涂覆于外部鉬絲上的材料為氮化硅和/或碳化硅。
根據(jù)US5,021,711，在技術(shù)層面來說，對(duì)位于氣密箍縮密封內(nèi)的鉬進(jìn)行涂覆并不是非?？尚校?yàn)楸绢I(lǐng)域技術(shù)人員曾經(jīng)對(duì)此做過很多嘗試，但是由于不同的原因，到那時(shí)為止在實(shí)際應(yīng)用時(shí)都不是很成功。其需要分別提高位于燈中的箍縮密封內(nèi)部和外部的那些部分鉬的抗氧化性，而這是一個(gè)復(fù)雜而昂貴的過程。
本發(fā)明的目的之一是提供一種起始段落中所述類型的高壓氣體放電燈，以及一種具有這種高壓氣體放電燈的照明裝置和/或投影裝置，其具有包含有至少經(jīng)過涂覆的鉬的氣密熔凝沖壓密封，以提高燈的性能并允許其在工業(yè)生產(chǎn)的范圍內(nèi)高效制造。
涂層包括至少一種選自Fe2O3，Ta2O5，Nb2O5，Al2O3，SiO2，TiO2，ZrO2，HfO2的氧化物，和/或一種選自TiN，ZrN，HfN，AlN，BN的氮化物，和/或一種選自TiC，ZrC，HfC，VC，NbC，TaC，B4C的碳化物，由此使本發(fā)明的目的得以實(shí)現(xiàn)。
通過根據(jù)本發(fā)明選擇適用作鉬的涂層的材料，以便滿足提高耐高溫性能方面的要求并且能通過常用工業(yè)涂覆過程如PCVD或者CVD過程來制造，根據(jù)本發(fā)明的高壓氣體放電燈以及由后者形成功能元件的照明裝置就能改進(jìn)性能。由所建議的材料構(gòu)成的涂層保證了在燈的整個(gè)使用壽命過程中都具有合適的耐高溫性能，至少在350℃到600℃的溫度范圍內(nèi)能保證。所選擇的材料同樣也需要具有合適的耐高溫性能。一種度量方法是材料的熔點(diǎn)，舉例來說，其通常應(yīng)該高于玻璃態(tài)物質(zhì)，如石英的軟化溫度。另外，它們的熱膨脹系數(shù)應(yīng)該盡可能地與鉬相同(4.8ppm/K)，以便最大可能地減少在鉬和涂層之間產(chǎn)生熱應(yīng)力和熱應(yīng)變。
與傳統(tǒng)的高壓氣體放電燈相比，根據(jù)本發(fā)明得以提高的耐高溫性能在對(duì)安裝位置有限制的應(yīng)用情況中非常有利。例如，目前某些投影燈只能在水平安裝位置工作。安裝于垂直位置將導(dǎo)致雙冠(twin-cap)高壓氣體放電燈的上端產(chǎn)生過高的高溫，進(jìn)而導(dǎo)致其嚴(yán)重?fù)p壞。更高的耐高溫性能克服了這些限制，并且使在利用根據(jù)本發(fā)明的燈來設(shè)計(jì)照明和/或投影裝置的樣式時(shí)可能有更多的自由度。
另外，對(duì)于迄今為止必需提供用于監(jiān)控?zé)舻臏囟炔⒗鋮s燈的部件的大量投影裝置來說，本發(fā)明至少能降低其中包含的成本和復(fù)雜程度。
一般來說，出于防腐蝕保護(hù)原因而必須在填充有惰性氣體的外部封套中工作的燈中，現(xiàn)在還存在省卻這些外部封套的可能性，因此本發(fā)明還涉及具有外部封套的高壓氣體放電燈。
從屬權(quán)利要求中描述了本發(fā)明特別優(yōu)選的實(shí)施方案。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，涂層優(yōu)選地具有5nm至20μm的膜厚度，其中100nm至20μm的膜厚度被證明在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境下尤其有用。基本上，優(yōu)選使用上述范圍內(nèi)的薄膜，盡管另一方面必須努力獲得致密的膜，其在技術(shù)層面上來說更易于保證優(yōu)選范圍內(nèi)的較大膜厚度。
涂層自身也優(yōu)選地由多個(gè)層組成。在此情況下，這些層自身應(yīng)該盡可能地性質(zhì)均一并且氣密性良好，它們可以具有不同功能、不同膜厚度和/或不同化學(xué)組成。例如，直接應(yīng)用于鉬上的層可以起到保護(hù)層的作用。特別是，其可以確保例如CVD涂覆過程中產(chǎn)生的化學(xué)腐蝕性處理氣體不能直接與鉬發(fā)生反應(yīng)。當(dāng)有多個(gè)層時(shí)，中間的層可以有助于減少在溫度變化時(shí)由于鉬和涂層材料的熱膨脹性能不同而經(jīng)常產(chǎn)生的熱應(yīng)力和應(yīng)變。這可以由以下方法實(shí)現(xiàn)，例如，當(dāng)有兩層時(shí)，外層由Al2O3組成，中間層由鈦(Ti)的氮化物(N)和碳化物(C)的混合物組成，選擇合適的N和C的質(zhì)量比以使得中間層的熱膨脹系數(shù)的值介于鉬(4.8ppm/K)的和Al2O3(8ppm/K)之間。
作為替代方案，直接應(yīng)用于鉬上的層優(yōu)選由AlN(4-5ppm/K)或Ta2O5(2.8ppm/K)組成。
令人驚奇的是，使用Al2O3可以制得一種特別適用于本發(fā)明的涂層，雖然Al2O3的熱膨脹系數(shù)(8ppm/K)與鉬(4.8ppm/K)相差甚遠(yuǎn)。
本發(fā)明的一個(gè)特別實(shí)施方案使得熔凝沖壓密封可以減少至達(dá)到耐高溫用途所需的量，因?yàn)槿勰龥_壓密封的最小可能尺寸，特別是暴露于氧化環(huán)境中的那部分鉬的縱向長(zhǎng)度，能作為組成涂層的特定材料的函數(shù)而得到。
由于根據(jù)本發(fā)明得到的鉬的涂層，熔凝沖壓密封的長(zhǎng)度能大大縮短，因?yàn)樵跓舻墓ぷ鬟^程中，暴露于氧化環(huán)境中的燈的端部的溫度能升高至350℃到600℃。由于本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了熔凝沖壓密封的長(zhǎng)度縮短，高壓氣體放電燈的燃燒器的尺寸常常也得以減小。這使得可以實(shí)現(xiàn)一些新式燈設(shè)計(jì)，例如尺寸較小但功率相同，或者尺寸相同但功率較大的燈。具有至少一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的熔凝沖壓密封的燃燒器的材料和生產(chǎn)成本，以及其他元件，如反射鏡的成本能夠得到顯著降低。在燈的工作過程中，較小尺寸的熔凝沖壓密封還能夠吸收和散射更少的光，因此提高了燈或者反射鏡發(fā)出的光的質(zhì)量。
在功率較低的燈中，效率也得以提高，因?yàn)橹恍枰訜彷^少的材料使燈達(dá)到必要工作溫度。同時(shí)，由于熱傳導(dǎo)和輻射所造成的熱損失可以降低，因?yàn)闊舯砻鎱^(qū)域的熱傳導(dǎo)和輻射可以降低。
本發(fā)明的另一個(gè)方面涉及將權(quán)利要求1-7中至少一項(xiàng)的根據(jù)本發(fā)明的高壓氣體放電燈用作投影用途。
根據(jù)本發(fā)明的高壓氣體放電燈所能實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)使所述燈非常適合以上用途。耐高溫性能提高為已知的和新的應(yīng)用提供了特別的優(yōu)點(diǎn)。例如目前只能在水平安裝位置上工作的某些高壓氣體放電型的投影燈現(xiàn)在就不再受這些安裝方面的限制。燈尺寸的減小是目前世界范圍內(nèi)對(duì)作為投影用途的高壓氣體放電燈的研制工作的焦點(diǎn)，與利用高壓氣體放電燈的其他領(lǐng)域相比，其對(duì)投影應(yīng)用具有更巨大的影響。
本發(fā)明的目的還可通過包含權(quán)利要求1-7中至少一項(xiàng)的高壓氣體放電燈的照明裝置和/或投影裝置而實(shí)現(xiàn)。
與其它能夠使用根據(jù)本發(fā)明的高壓氣體放電燈的裝置相比，燈尺寸的減小或者其效率的增加具有非常巨大的影響。本發(fā)明使得在用于現(xiàn)有的和新的應(yīng)用的照明裝置和/或投影裝置的樣式和設(shè)計(jì)可以有全新的自由度，同時(shí)還可滿足市場(chǎng)的迫切需求。
本發(fā)明的這些以及其他方面通過參照下文所述的實(shí)施方案可得到清楚地闡明。
附圖中

圖1是燈封套的示意圖，其具有一個(gè)放電室，并屬于高壓氣體放電燈(UHP燈)。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的高壓氣體放電燈(UHP燈)的燈封套1的部分的示意圖，其具有一個(gè)放電室2。燈封套1整個(gè)為一體式，將充滿了通常用于此用途的氣體的放電室2密封在其中，并且其材料通常是石英玻璃，并且其包含兩個(gè)被熔凝沖壓密封61，62占據(jù)的彼此相對(duì)的圓柱形區(qū)域，這兩個(gè)熔凝沖壓密封61、62各自沿縱向延伸了大約30mm，一個(gè)球形區(qū)域4位于這兩個(gè)圓柱形區(qū)域之間，其直徑大約為9mm。鉬5的一部分，也就是延伸離開放電室2的至少部分鉬帶81，82，以及至少部分鉬絲91，92，仍然暴露在氧化環(huán)境中，即使它們位于熔凝沖壓密封61，62中。電極裝置基本上包括一個(gè)第一電極31和一個(gè)第二電極32，在其相對(duì)的尖端之間，在放電室2內(nèi)激發(fā)了放電電弧，這個(gè)電弧起高壓氣體放電燈的光源的作用。電極31，32的端部通過鉬帶81，82與鉬絲91，92相連接。鉬絲91，92還與燈的電接頭(圖1中未示出)連接，由此電燈工作所需的電源電壓被從電源送入，電源通常還配有一個(gè)為通用線電源電壓設(shè)計(jì)的鎮(zhèn)流器。
涂層71，72位于鉬帶81，82和鉬絲91，92的外表面上。涂層71，72各自都由兩個(gè)層組成。
8μm厚的外層由Al2O3形成，4μm厚的中間層由鈦(Ti)的氮化物(N)和碳化物(C)的混合物形成。選擇合適的N和C的質(zhì)量比以使中間層的熱膨脹系數(shù)的值介于鉬(4.8ppm/K)和Al2O3(8ppm/K)之間。兩個(gè)層的涂覆通過本身已知的CVD過程來進(jìn)行，在涂覆過程之前已將鉬帶81，82分別連接于鉬絲91，92上。
對(duì)具有不帶涂層的鉬帶以及按照本發(fā)明的帶有涂層的鉬帶的上述類型UHP燈的抗氧化性能進(jìn)行研究，作為改進(jìn)使用壽命試驗(yàn)的一部分。在600℃下回火6小時(shí)后，不帶涂層的鉬帶顯示了明顯的氧化特征，而按照本發(fā)明的帶有涂層的鉬帶卻未顯示出任何氧化特征。
權(quán)利要求
1.一種高壓氣體放電燈，包括至少一個(gè)介于玻璃態(tài)材料與鉬之間的氣密熔凝沖壓密封，其中熔凝沖壓密封中的鉬至少部分暴露在氧化環(huán)境中，并且至少暴露于氧化環(huán)境中的那部分鉬覆蓋了一層涂層，其特征在于涂層包括至少一種選自Fe2O3，Ta2O5，Nb2O5，Al2O3，SiO2，TiO2，ZrO2，HfO2的氧化物，和/或一種選自TiN，ZrN，HfN，AlN，BN的氮化物，和/或一種選自TiC，ZrC，HfC，VC，NbC，TaC，B4C的碳化物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓氣體放電燈，其特征在于涂層的膜厚度為5nm至20μm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓氣體放電燈，其特征在于涂層由至少兩層組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高壓氣體放電燈，其特征在于直接應(yīng)用于鉬上的涂層由氮化物和/或碳化物構(gòu)成，而下一層由一種和/或多種氧化物組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高壓氣體放電燈，其特征在于下一層優(yōu)選地由Al2O3構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高壓氣體放電燈，其特征在于直接作用于鉬上的層優(yōu)選地由AlN或Ta2O5構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓氣體放電燈，其特征在于熔凝沖壓密封尺寸的減小，特別是暴露于氧化環(huán)境中的那部分鉬的縱向長(zhǎng)度的減小，能夠作為構(gòu)成涂層的特定材料的函數(shù)得到。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中至少一項(xiàng)所述的高壓氣體放電燈，用于投影用途。
9.包含根據(jù)權(quán)利要求1-7中至少一項(xiàng)所述的高壓氣體放電燈的照明裝置和/或投影裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高壓氣體放電燈，包括至少一個(gè)介于玻璃態(tài)材料與鉬之間的氣密熔凝沖壓密封，其中熔凝沖壓密封中的鉬至少部分暴露在氧化環(huán)境中，并且至少暴露于氧化環(huán)境中的那部分鉬覆蓋了一層涂層，所述涂層包括至少一種選自Fe
文檔編號(hào)H01J9/32GK1717773SQ03823452
公開日2006年1月4日 申請(qǐng)日期2003年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月2日
發(fā)明者R·P·肖爾, R·希比格, A·G·科伯, J·拜爾, K·加龍, D·里爾斯 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司