專(zhuān)利名稱(chēng)：具有光學(xué)干涉濾光器的電燈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電燈，該電燈包括以真空氣密方式密封的燈室，設(shè)置于燈室中并延伸過(guò)燈室與電流供給導(dǎo)體連接的電元件(electrical element)，和在燈室上的干涉濾光器，所述干涉濾光器包括交替的第一和第二層。
在用于反射紅外輻射的干涉濾光器中，第一層有較低的折射率，例如二氧化硅，第二層有較高的折射率，例如氧化鉭或氧化鈮。
眾所周知具有不同折射率的兩種或更多種材料交替層的干涉濾光器。這種干涉濾光器用于透射某些輻射波長(zhǎng)和反射其它的波長(zhǎng)。通過(guò)將由電元件透射的紅外輻射向后反射回到電元件同時(shí)透射可見(jiàn)光，這種干涉濾光器可用于提高白熾燈或放電燈的發(fā)光效率或發(fā)光功效，其中該電元件可以是燈絲或氣體放電。這降低了維持燈絲工作溫度所需要的電功率大小。
用難熔金屬氧化物的交替層構(gòu)成其中干涉濾光器將暴露于高溫下的這種(燈)應(yīng)用中的干涉濾光器，所述難熔金屬氧化物例如是二氧化硅(SiO2)和氧化鉭(Ta2O5)與氧化鈮(Nb2O5)中之一。二氧化硅是低折射率材料(n＝1.46)，而氧化鉭(n＝2.13)或氧化鈮(n＝2.35)是高折射率材料。在這種燈的應(yīng)用中，干涉濾光器應(yīng)用于其內(nèi)包含燈絲或電弧的玻璃質(zhì)燈外殼的外表面上并經(jīng)常達(dá)到高達(dá)900℃的工作溫度。這些干涉濾光器通常應(yīng)用化學(xué)汽相淀積(CVD)和低壓化學(xué)汽相淀積(LPCVD)法或反應(yīng)濺射進(jìn)行涂敷。
Martin等人的美國(guó)專(zhuān)利4663557披露了一種適用于高溫氣氛的具有SiO2和Ta2O5的交替層的干涉濾光器?？墒牵琓a2O5面臨的問(wèn)題是在超過(guò)800℃的溫度下會(huì)結(jié)晶成為多晶形式，這引起干涉濾光器散射透射光并反射輻射。
Kuus的美國(guó)專(zhuān)利4734614披露了一種帶有SiO2和Nb2O5的干涉濾光器的鹵素?zé)簦淠康脑谟诳朔蠸iO2/Ta2O5干涉濾光器時(shí)所存在的散射和高溫問(wèn)題。這些干涉濾光器成功地用于60w硬質(zhì)玻璃鹵素?zé)羯?，該鹵素?zé)艄ぷ髟?00℃下并且放置于具有未氣密密封的透鏡的反射器中。可是，100w鹵素?zé)艄ぷ髟诟邷叵虏⒁笫⒉Ａ羰以跉饷苄悦芊獾亩栊詺怏w氣氛中以保護(hù)夾封區(qū)不被氧化。
氧化鈮涂層的缺點(diǎn)是當(dāng)在惰性氣氛中工作時(shí)，例如在用火焰密封法氣密密封反射器的燈中，這種涂層會(huì)變黑。顯然該吸收特性是由于氧化鈮的減少，從而它低于理想配比(substoichiometric)并因此不透明。氧化鉭出現(xiàn)該問(wèn)題的可能性極小，但鉭濺射靶有其價(jià)格為鈮價(jià)格兩倍那樣昂貴的缺點(diǎn)，此外，氧化鈮的折射率高于氧化鉭的折射率(2.23比2.14)，這可導(dǎo)致涂層較薄或較高的效率。
鑒于此，期望有氧化鉭的優(yōu)點(diǎn)，例如在惰性氣氛中有有限地吸收，和有氧化鈮的優(yōu)點(diǎn)，例如沒(méi)有高溫散射、較低成本和高折射率。
本發(fā)明的目的在于提供一種可克服上述缺點(diǎn)的開(kāi)篇中所述的那種類(lèi)型的電燈。
按照本發(fā)明，用開(kāi)篇中所述的那種類(lèi)型的電燈可實(shí)現(xiàn)該目的，其中該燈包括基本上由SiO2構(gòu)成的所述第一層，和基本上由Nb2O5和Ta2O5的混合物構(gòu)成的第二層，所述混合物含有至少20wt％的Nb2O5。當(dāng)混合物中氧化鈮少于38wt％時(shí)，發(fā)現(xiàn)該層在惰性氣氛中沒(méi)有吸收性。當(dāng)?shù)诙又械难趸壋^(guò)38wt％時(shí)，發(fā)現(xiàn)分氧壓力將防止變黑。對(duì)于3000小時(shí)的燈壽命來(lái)說(shuō)，100w的燈不會(huì)變黑，在38wt％的氧化鈮時(shí)最小氧壓力應(yīng)該為0.10乇，在100wt％的氧化鈮時(shí)該最小值應(yīng)該按直線狀半對(duì)數(shù)線增加到9.8乇。
按照本發(fā)明的混合物可獲得在惰性或基本上為惰性氣氛中100w燈中氧化鈮的優(yōu)點(diǎn)，惰性或基本為惰性氣氛是防止密封中的鉬箔氧化所需要的。如果密封失效，那么燈絲迅速氧化，從而燈失效。


圖1是按照本發(fā)明其中有帶干涉濾光器的燈室的燈殼的剖面圖；圖2是觀察的變黑時(shí)間與混合物中Nb2O5的百分率之間關(guān)系的曲線圖；圖3最小氧壓力與混合物中Nb2O5的百分率之間關(guān)系的半對(duì)數(shù)曲線；圖4是節(jié)省的能量與混合物中Nb2O5的百分率之間關(guān)系的曲線。
圖1表示使用了按照本發(fā)明的干涉濾光器(不能看到)的已知燈。鹵素?zé)?burner)包括燈室10，在該燈室中有在兩端連接于電流供給導(dǎo)體14的鎢燈絲12，各電流供給導(dǎo)體包括與電元件(element)12連接的內(nèi)引線16、在燈室的夾封部分中的鉬箔17，和外引線18。燈室10具有大致橢圓形的中間部分，在該中間部分的外部配備按照本發(fā)明的干涉濾光器，從而向后朝向燈絲12反射紅外輻射，由此改善熱效率和降低白熾輻射所需要的功率。在美國(guó)專(zhuān)利5138219中更詳細(xì)地披露這種類(lèi)型的燈。
圖1中所示的這種燈是有惰性氣體和溴化氫填充物的鹵素白熾燈。這種燈眾所周知，還可以如美國(guó)專(zhuān)利4734614和5138219中所披露的那樣有拉長(zhǎng)的圓柱形燈室。紅外反射的原理也可以用于維持放電氣體以及燈絲的溫度。本文中所采用的術(shù)語(yǔ)“電元件”應(yīng)理解為包括燈中的其它光源，例如在氣體填充物中包含金屬鹵化物的高壓汞放電燈中的電弧。還可以這樣設(shè)定尺寸和設(shè)置干涉濾光器中的層，以使干涉濾光器吸收UV輻射，如美國(guó)專(zhuān)利5552671和5646472中所公開(kāi)的那樣。
外殼20被成形為帶有成一體的基底21的拋物線反射器，該基底21接收穿過(guò)它的導(dǎo)體裝配腳26、28。引線26與螺紋燈頭27連接，而引線28與絕緣的中心觸點(diǎn)29連接。當(dāng)不需要?dú)饷苊芊鈺r(shí)可用粘結(jié)劑固定玻璃或塑料的透鏡或蓋23?？墒?，當(dāng)希望在填充空間24中維持惰性氣體氣氛時(shí)，蓋23一般為用火焰密封于外殼20上的玻璃。
盡管美國(guó)專(zhuān)利5138219披露了大體如圖1中所示的燈組件，但如果不采用惰性氣體環(huán)境，則它僅適用于60w的鎢鹵素?zé)?。?duì)于100w的燈來(lái)說(shuō)，在可超過(guò)800℃的溫度下工作，因而需要提供惰性氣體填充物來(lái)防止導(dǎo)體14的氧化。因氧化鈮不會(huì)減少到低于理想配比的狀態(tài)，即達(dá)到與導(dǎo)致吸收(變黑)的純氧化鈮相同程度的狀態(tài)，因而按照本發(fā)明的干涉濾光器適用于這樣的氣氛。并且，當(dāng)其暴露于高溫下時(shí)，它沒(méi)有與純氧化鉭相同程度的濺射。
按照本發(fā)明的干涉濾光器最好為本文引用參考的美國(guó)專(zhuān)利5138219中所述的那種47層涂層。其主要差別在于，按照本發(fā)明的干涉濾光器利用了Ta2O5和Nb2O5的混合物作為高折射率材料。此外，正如所述，通過(guò)直流磁電管濺射而不是LPCVD來(lái)形成本發(fā)明的干涉濾光器。與LPCVD相比，濺射涂層通常引起較小的應(yīng)力水平。
圖2是觀察惰性氣氛中干涉濾光器變黑的時(shí)間與形成第二或高折射率層的混合物中氧化鈮的百分率之間近似直線的關(guān)系曲線。所有的點(diǎn)是三或四個(gè)燈的均值。該線表示斜率為一17.167的三個(gè)點(diǎn)的線性衰減。對(duì)于有43％的氧化鈮的混合物來(lái)說(shuō)，100w燈在按600乇填充壓力的大致純氮的氣氛中工作2943小時(shí)，未觀察到變黑。此時(shí)，被測(cè)試燈中的線圈失效而干涉濾光器仍然是清潔的。在25％的氧化鈮下，未觀察或預(yù)料到變黑。另一方面，在55％的氧化鈮下，在248小時(shí)觀察到變黑。在75％和100％的氧化鈮下，分別在2.25小時(shí)和0.1小時(shí)觀察到變黑。對(duì)于在鹵素?zé)羯匣旌?7層的干涉濾光器來(lái)說(shuō)按小時(shí)的變黑時(shí)間可大致用方程式t＝2×10+6e17.2f表示，其中f是混合物中Nb2O5的比例。
盡管預(yù)期在約3000小時(shí)時(shí)混合物中有43％氧化鈮的100w燈變黑，但發(fā)現(xiàn)當(dāng)惰性氣體中存在一些氧時(shí)可采用較高的百分率。該分氧壓力明顯可防止Nb2O5減少到低于理想配比的狀態(tài)。
圖3是氧壓力與混合物中Nb2O5的百分率之間關(guān)系的近似直線的半對(duì)數(shù)曲線，該百分率可防止變黑直到100w燈工作到至少3000小時(shí)。在38％下0.1乇和100％下10乇這樣的兩個(gè)端點(diǎn)之間畫(huà)出該線。該線的方程式為P02＝6×10-3e7.4f。
圖4是節(jié)省的能量與100w石英玻璃燈上混合物中氧化鈮的百分率之間的關(guān)系曲線。其中術(shù)語(yǔ)“節(jié)省的能量”指在相同燈絲溫度下涂敷與未涂敷的燈相比功率的降低；可用電阻測(cè)量溫度。例如，如果在未涂敷的燈中需要125w來(lái)實(shí)現(xiàn)144歐姆，那么節(jié)省的能量為20％。這可用簡(jiǎn)單的方程式表示，即節(jié)省的能量＝1-(涂敷的燈的功率)/(未涂敷的燈的功率)。
用披露于EP 0516436中的微波增強(qiáng)直流磁電管濺射法形成干涉濾光器的各層。由沉積科學(xué)(Deposition Sciences)，Inc.of Santa Rosa，California的MicroDyn濺射系統(tǒng)也可知這種技術(shù)。該歐洲公開(kāi)文件公開(kāi)了使用例如硅和鈮兩個(gè)靶在包含作為反應(yīng)氣體的氧的氣氛中交替激勵(lì)靶淀積SiO2和Nb2O5；工作氣體一般為氬。通過(guò)操縱四個(gè)獨(dú)立控制的靶，該系統(tǒng)適于生產(chǎn)按照本發(fā)明的干涉濾光器。通過(guò)操縱兩個(gè)硅靶形成第一層，通過(guò)操縱鉭靶和鈮靶形成第二層?？烧{(diào)整靶的相對(duì)功率來(lái)實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)氧化物之間的任何比例以及類(lèi)似地實(shí)現(xiàn)在2.14與2.35之間的任何折射率。用總功率(各靶的功率之和)控制混合材料的總厚度。
應(yīng)注意，混合材料不是由各氧化物的離散分子構(gòu)成的，而是鉭/鈮基質(zhì)的氧化物。無(wú)論如何，材料表現(xiàn)為好似簡(jiǎn)單基質(zhì)。例如，具有各氧化物層的干涉濾光器的透射曲線(透射率與波長(zhǎng)的關(guān)系)是公知的，混合氧化物的曲線表現(xiàn)為各曲線的疊加。47層干涉濾光器對(duì)400和800nm之間的可見(jiàn)波長(zhǎng)的透射率接近100％，同時(shí)反射80％的較長(zhǎng)的紅外波長(zhǎng)。特別參見(jiàn)披露于美國(guó)專(zhuān)利5138219中的SiO2/Ta2O5干涉濾光器的透射曲線；它與本發(fā)明的情況很接近。
上述是示例性的，并不限制所附權(quán)利要求的范圍。
權(quán)利要求
1.一種電燈，包括以真空氣密方式密封的燈室(10)；設(shè)置于燈室中并延伸過(guò)燈室與電流供給導(dǎo)體(14)連接的電元件(12)，和在燈室(10)上的干涉濾光器，所述干涉濾光器包括交替的第一和第二層，其特征在于，所述第一層基本上由SiO2構(gòu)成，所述第二層基本上由Nb2O5和Ta2O5的混合物構(gòu)成，所述混合物含有至少20wt％的Nb2O5。
2.如權(quán)利要求1所述的電燈，還包括其中設(shè)置有所述燈室(10)的氣密密封的外殼(20)，所述外殼(20)有包圍所述燈室且基本上由惰性氣體構(gòu)成的填充物，所述混合物含有至多40wt％的Nb2O5。
3.如權(quán)利要求1所述的電燈，還包括其中設(shè)置有所述燈室(10)的氣密密封的外殼(20)，當(dāng)所述混合物含有至少38wt％的Nb2O5時(shí)，所述外殼內(nèi)有具有分氧壓力的填充物。
4.如權(quán)利要求3所述的電燈，其中所述分氧壓力有所述混合物中Nb2O5的百分率增加的最小值，用氧壓力與混合物中Nb2O5的百分率的直線狀半對(duì)數(shù)曲線表示所述最小值。
5.如權(quán)利要求4所述的電燈，其中所述直線用P02＝6×10-3e7.4f表示，其中P02是按乇的氧壓力，f是混合物中Nb2O5的比例。
6.如權(quán)利要求1所述的電燈，其中所述干涉濾光器由所述第一和第二層構(gòu)成。
7.如權(quán)利要求1所述的電燈，其中所述燈室(10)包括石英玻璃。
8.如權(quán)利要求1所述的電燈，其中所述燈室(10)包括硬質(zhì)玻璃。
9.如權(quán)利要求1所述的電燈，其中利用濺射法生產(chǎn)所述第一和第二層。
10.如權(quán)利要求1所述的電燈，其中所述干涉濾光器反射紅外輻射并透射可見(jiàn)輻射。
全文摘要
由交替的第一和第二層構(gòu)成薄膜干涉濾光器,第一層為二氧化硅,第二層為鉭氧化物和鈮氧化物的混合物。如果混合物中的氧化鈮少于40wt%,那么該濾光器可用在惰性氣氛中的高溫?zé)羯稀Ｒ寻l(fā)現(xiàn)較高百分率的分氧壓力可防止該層變黑。
文檔編號(hào)H01J61/38GK1272954SQ99800905
公開(kāi)日2000年11月8日 申請(qǐng)日期1999年3月16日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月8日
發(fā)明者R·G·吉布森, E·J·科塔爾, W·德特爾 申請(qǐng)人:皇家菲利浦電子有限公司