專利名稱：放電燈及使用該燈的照明裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種放電燈，如汞燈，金屬檢鹵燈，或高壓鈉燈，放電燈照明裝置及使用這種燈的照明裝置。
尤其是，本發(fā)明涉及這樣一種放電燈，在其中氮化物層形成在放電管組件封管的管壁表面，用以阻止封裝在封管中的放電介質(zhì)及管壁材料之間的反應(yīng)，由此改善了特性。
通常，對(duì)高壓金屬蒸氣放電燈的放電管組件材料的選擇考慮到透明性能，耐熱性能，抗化學(xué)性能及可加工性能等。一種由石英作的放電管組件被用于高壓汞燈或金屬檢鹵燈，而對(duì)于高壓鈉燈使用透明陶瓷材料，例如礬土(Al2O3)陶瓷材料作的放電管組件。
即使上述放電管組件材料用于這類放電燈，在長(zhǎng)期使用后光通量下降的問題依來被解決。
光通量的下降具有各種原因。一種原因是封裝在放電管組件中的放電介質(zhì)與放電管組件材料之間起反應(yīng)。
例如，在一種金屬檢鹵燈中，密封在石英作的放電管組件中的金屬鹵化物或從它中間分解出來的金屬將與石英起反應(yīng)，并引起石英變色。為此原因，光傳播性能變差。由于放電金屬量的下降也引起了光通量的下降。其結(jié)果是，光通量維持率下降。
在高壓鈉燈中，由于封裝在由礬土陶瓷材料作的放電管組件中的鈉或鈉離子與放電管組件之間起反應(yīng)而產(chǎn)生出反應(yīng)產(chǎn)物。其后果是發(fā)生了所謂鈉損失，并使放電電壓增大或使光通量下降。
在中壓汞燈中，封裝在由石英作的放電管組件中的汞被散射到石英中。其結(jié)果是使放電管組件變黑。
為了消除這些缺點(diǎn)，日本專利公告文獻(xiàn)No.57-44208公開了一種在放電管組件的內(nèi)表面上涂氮化硅(Si3N4)膜的技術(shù)。根據(jù)該技術(shù)，當(dāng)在上述局方公報(bào)中所述的氮化硅膜形成在放電管組件的內(nèi)表面上時(shí)，該膜緩和了放電金屬與放電管組件之間的反應(yīng)，并阻止放電介質(zhì)的遷移，由此阻止了光通量的下降及維持了高光通量。
此外，在日本專利申請(qǐng)公開文獻(xiàn)No.62-262358公開的技術(shù)中，在礬土放電管組件內(nèi)表面上形成了一層氮化鋁涂層，用于減少放電管組件中心部分的溫度，由此減少鈉損失。
但是，在上述無論那個(gè)傳統(tǒng)的技術(shù)中，因?yàn)榕c放電管組件封管管壁材料不同的氮化硅或氮化鋁膜形成在封管內(nèi)表面上，放電管組件材料在熱膨脹系數(shù)上與膜材料不同。為此原因，氮化硅或氮化鋁膜可能經(jīng)歷破裂、剝落、遷移等情況。
在后一局方公報(bào)中，為了解決這種問題，氮化鋁膜的厚度需設(shè)置為5μm或更小。但是，甚至該膜厚度設(shè)為5μm或更小時(shí)，也會(huì)發(fā)生破裂或類似情況。這就是說，要形成足夠有效的膜是很困難的。還沒有這樣一種膜付諸實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的目的在于提供一種放電燈，其中在放電管組件的封管內(nèi)表面上形成一種化學(xué)上及物理上穩(wěn)定的氮化物層，以便阻止放電介質(zhì)與放電管組件封管材料之間的反應(yīng)，及阻止放電介質(zhì)的遷移，由此維持高光通量維持率及阻止其破裂、剝落、遷移等情況，并提供使用該放電燈的照明裝置。
為了達(dá)到上述目的，根據(jù)本發(fā)明提供了一種放電燈，它包括具有氧化物材料作的管壁的封管構(gòu)成的放電管組件，及包含氮化物及形成在管壁內(nèi)表面上的一個(gè)氮化物層，及封裝在封管中的放電介質(zhì)；及在放電管組件中用于產(chǎn)生放電的裝置。該氮化物層在管壁的深度方向上呈現(xiàn)氮化物成分的連續(xù)及平滑的下降。
在此情況下，在放電管組件中用于產(chǎn)生放電的裝置包括電極，電磁感應(yīng)線圈，及除封裝在封管中的電極外的封管外表面上的類似布置。
表達(dá)用語在深度方向上氮化物成分的＂連續(xù)及平滑的下降＂具有數(shù)學(xué)含意，其＂平滑＂是指代表在深度方向上氮化物成分下降的特性曲線可以連續(xù)地被微分。這意味著代表在深度方向上氮化物成分下降的特性曲線是連續(xù)及平滑的，氮化物成分的變化率、即該特性曲線的斜率也是連續(xù)變化的。
根據(jù)這樣的特性，將包含氮化物的氮化物層形成在封管的內(nèi)表面上。因此，這種化學(xué)上穩(wěn)定的氮化物阻止了放電介質(zhì)及放電管組件的封管管壁材料之間起反應(yīng)，及阻止放電介質(zhì)的遷移或阻止離子化放電介質(zhì)噴射到管壁內(nèi)表面中。
在該氮化物層中，代表管壁深度方向上氮化物成分下降的特性曲線是連續(xù)及平滑的，其下降率、也即特性曲線的斜率也是連續(xù)變化的。
在這種氮化物層中，因?yàn)槌煞衷谏疃确较蛏线B續(xù)地變化，在深度方向上熱膨脹系數(shù)的變化也是連續(xù)的。這就阻止了氮化物層的破裂或剝落。
在這種放電燈中，由放電管組件中放電產(chǎn)生的熱被通過封管管壁擴(kuò)散到外部，熱量將以大熱通量在管壁厚度方向上流動(dòng)。當(dāng)?shù)飳泳哂性谄渲械锍煞殖尸F(xiàn)不連續(xù)變化的下降率、即特性曲線斜率呈現(xiàn)不連續(xù)變化的部分時(shí)，將在該部分中產(chǎn)生大的熱應(yīng)力。但是，在這種氮化物層中，因?yàn)榈锍煞值南陆德?、即特性曲線的斜率在深度方向上是連續(xù)的，就不會(huì)由這種熱通量引起氮化物層的破裂或剝落。
上述氮化物層是用氮原子置換構(gòu)成封管管壁的氧化物材料的氧原子來形成的。根據(jù)另一措施，將包含氮化物的膜涂在封管管壁表面上，膜中的氮原子與管壁氧化物材料中的氧原子彼此擴(kuò)散及置換。
在以此方式形成的氮化物層中，氧原子及氮原子在封管管壁的材料中以原子狀態(tài)彼此進(jìn)行置換。因此，這種置換率、即氮化物成分呈現(xiàn)在深度方向上的上述特性。
根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，上述氮化物層是這樣形成的，即其中氮化物成分下降到氮化物層表面氮化物成分50％的部分的深度離其表面為10nm或更大。這樣一種氮化物層呈現(xiàn)小的氮化物成分的下降率，并進(jìn)一步減少了熱應(yīng)力，由此更可靠地阻止了氮化物層的破裂或剝落。通常，氮化物的熱膨脹系數(shù)大于封管管壁中氧化物的熱膨脹系數(shù)。為此原因，如果該氮化物層的厚度設(shè)得相對(duì)大，在封管管壁平面方向上的導(dǎo)熱性將增大。因此，在平面方向上，如管壁中心部分與兩端部分之間的熱非均均性將下降，并產(chǎn)生了熱應(yīng)力的下降。
某些放電燈具有一種放電管組件，在其中在封管中形成一個(gè)透孔，將放電裝置的導(dǎo)體插入該透孔中并用無機(jī)粘劑密封，如由透明陶瓷材料作的放電管組件的情況中的那樣。在該情況中，至少在透孔內(nèi)表面上的氮化物層最好這樣形成，即其中氮化物成分下降到氮化物層表面的氮化物成分的50％的部分的深度距表面為100μm或更小。由于這種結(jié)構(gòu)，在無機(jī)粘劑及透孔內(nèi)表面之間的熱膨脹系數(shù)差下降到能允許可靠的密封。
此外，上述氮化物層可以在電極被密封在放電管組件封管中后，再形成在封管表面上。利用該方法，對(duì)于每個(gè)電極密封部分的氣密狀態(tài)可以被保持住。


圖1A是表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的金屬檢鹵燈的放電管組件的正視圖；圖1B是表示圖1A中封管管壁部分的剖面概圖；圖2是表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的整個(gè)金屬檢鹵燈的正視圖；圖3是表示使用圖2中金屬檢鹵燈的照明裝置與起動(dòng)裝置在一起的概圖；圖4是表示根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的整個(gè)高壓鈉燈的正視圖；圖5是表示圖4中燈的放電管組件的縱向剖視圖；圖6是表示圖5中放電管組件的管壁部分的剖視概圖；圖7是表示根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的用于照射紫外線的高壓汞燈的正視圖；圖8是表示圖7中管壁部分的剖視概圖；圖9是表示根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的磁感應(yīng)型無電極放電燈的縱向剖視圖；圖10是表示代表深度方向上氮化物層的氮化物成分下降的特性的曲線圖；及圖11是用于解釋氮化物層形成方法的剖視圖。
圖1A至3表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的金屬檢鹵燈。圖1A表示金屬檢鹵燈放電管組件的布置。圖2表示金屬檢鹵燈的整體布置。圖3是表示使用金屬檢鹵燈作為光源的一個(gè)照明裝置的截面圖。
參照?qǐng)D2中所示的整體布置，標(biāo)號(hào)10表示由硬玻璃組成的外管，在其中包含氮?dú)鈿夥?。放電管組件1放置在外管10中。
如圖1A中所示，放電管組件1具有在石英玻璃作的封管2兩端部分形成的挾封部分4。一層氮化物層3形成在例如靠近封管2的整個(gè)內(nèi)表面上。在該實(shí)施例中氮化物層3是包含一種氮化物，即氮化硅的表面層，它是當(dāng)一種氧化物、如作為放電管組件1的封管2管壁材料的石英SiO2中的氧原子被氮原子置換形成的。
當(dāng)放置在封管2中的氨(NH3)氣氛被加熱到高溫時(shí)，便發(fā)生如以下化學(xué)式所表示的反應(yīng)。由于這種反應(yīng)，石英SiO2中的氧原子被氮原子置換，形成氮化硅，由此形成在封管2的管壁上的上述氮化物層3。
每個(gè)主電極5a及5b是利用在一個(gè)鎢W作的或含釷Th的鎢材料作的電極桿51上纏繞由鎢作的電極線圈52形成的。由氧化鏑Dy2O3，氧化鈧Sc2O3或類似物作的電子發(fā)射材料(發(fā)射極)(未示出)被涂在電極線圈52上。輔助電極6是由鎢絲作成的。
主電極5a及5b以及輔助電極經(jīng)過封密在挾持部分4中由鉬Mo或類似物作的金屬箔導(dǎo)體7分別地連接到外引線8。
在該封管2中，密封了預(yù)定量的汞Hg，金屬鹵化物，如碘化坑ScI3，碘化鈉NaI及作為一種起動(dòng)稀有氣體的氬。
如圖2中所示，具有上述布置的放電管組件1被放置在在外管10中。尤其是，在放電管組件1兩端的挾持部分4分別地經(jīng)由夾持件11a及11b被支架12a及12b支承。一個(gè)支架12a被焊在密封在燈莖13中的一根導(dǎo)線14a上，而另一支架12b與外管10的頂部分相銜接。
該放電管組件1的一個(gè)主電極5a與支架12a形成電連接。放電管組件1的另一主電極5b經(jīng)由導(dǎo)線15連接在密封于燈莖13的另一導(dǎo)線14b上。
放電管組件1的輔助電極6經(jīng)由一起動(dòng)電阻18連接到另一導(dǎo)線14b上。
導(dǎo)線14a被連接到安裝在外管10一端部的燈頭16上。另一導(dǎo)線14b被連接到燈頭16的外端子17上。
以下將詳細(xì)描述形成在放電管組件1的封管2管壁內(nèi)表面上的氮化物層。
如圖10中所示，在氮化物層3中，氮化物成份即氮化硅成分C呈現(xiàn)從封管2內(nèi)表面到封管2管壁的深度d方向上的持續(xù)及平滑變化，因此不形成清晰的邊界。在氮化物層3非常接近表面的位置的一部分中氮化硅分子的成分C約為60％。圖10粗略地表示代表，氮化物成分下降的特性，也即氮化硅成分C相對(duì)封管2的管壁深度下降的特性。
圖10中所示的代表氮化硅成分C下降的特性是基于上述的原子級(jí)特性，即在氨氣中的氮原子被擴(kuò)散到封管2管壁的石英材料中并置換石英中的氧原子。代表氮化物(氮化硅)成分下降的特性曲線呈現(xiàn)出連續(xù)及平滑的下降，如圖10中所示。
應(yīng)指出，＂連續(xù)及平滑＂的表達(dá)具有數(shù)學(xué)的含意，＂平滑＂是指圖10中的特性曲線的函數(shù)或與其近似的曲線函數(shù)可以連續(xù)地被微分。
在該氮化物層3中，一種氮化物如氮化硅以高比率包含在非常接近表面的部分中，也即，與放電介質(zhì)相接觸的區(qū)域中。因此，化學(xué)上穩(wěn)定的氮化物用于阻止放電介質(zhì)及電管組件1的封管2管壁材料之間的反應(yīng)，或阻止放電介質(zhì)排走或阻止使離子化的放電介質(zhì)注入到管壁中。
此外，因?yàn)榈飳?的成分在深度d的方向上連續(xù)地變化，故在深度d的方向上熱膨脹系數(shù)的變化也是連續(xù)的。這就減少了熱應(yīng)力及阻止氮化物層3的破裂或剝落。另外，在放電燈中的由放電管組件1中的放電產(chǎn)生的熱經(jīng)由封管2的管壁被擴(kuò)散到外部，熱將以大熱通量在該管壁的厚度方向上流動(dòng)。在此情況下，如果氮化物層3具有氮化物下降率呈不連續(xù)變化的部分、也即特性曲線斜率不連續(xù)變化的部分時(shí)，將在該部分中產(chǎn)生大熱應(yīng)力。但是，由于氮化物層3在深度方向上呈現(xiàn)氮化物下降率、即特性曲線斜率的連續(xù)變化，甚至在這樣的熱通量下也不會(huì)使氮化物層3破裂或剝落。
在此情況下，氮化物層3的氮化物成分C變成氮化物層表面氮化物成分的50％的這部分深度s(為簡(jiǎn)便起見，以下稱為深度s)最好被調(diào)整到為10nm或更大、例如約80nm。
根據(jù)氮化物層3，氮化物的下降率小時(shí)，熱應(yīng)力進(jìn)一步減小，由此將更可靠地阻止氮化物層的破裂及剝落。此外，通常氮化物的導(dǎo)熱性比氧化物導(dǎo)熱性大。因此，由于上述的厚氮化物層3，封管2的管壁的導(dǎo)熱性在平面方向上將增加。在放電管組件1中，封管2中心部分的溫度將變高，而其兩端部分的深度將變低，以致在封管2管壁的平面方向中出現(xiàn)熱不均勻性。利用上述氮化物層，在管壁、例如封管2中心部分5端部分之間的管壁的平面方向上的導(dǎo)熱性被增大，就使管壁平面方向上的熱非均勻性下降，由此減少了熱應(yīng)力。
具有上述布置的金屬檢鹵燈用作為照明裝置中的光源，如在圖3中所示。參見圖3，標(biāo)號(hào)30表示照明裝置殼體，它具有一個(gè)反射面31。該照明裝置殼體30具有其下表面或一個(gè)側(cè)表面張開的外殼結(jié)構(gòu)。一個(gè)前表面蓋32安裝在照明裝置殼體30的張開部分上。一個(gè)燈座33安裝在照明裝置殼體30的一個(gè)側(cè)壁上。圖2中所示的金屬檢鹵燈的燈頭16可用螺旋與安裝在照明裝置殼體30上的燈座33相連接。
燈座33通過一個(gè)包括穩(wěn)壓器的并裝在照明裝置殼體30上或布置在照明裝置殼體30外部的起動(dòng)電路35連接到一個(gè)商用電源36上。
在具有上述布置的照明裝置中，當(dāng)金屬檢鹵燈與商用電源36相連接時(shí)，包括穩(wěn)壓器的起動(dòng)電路35在輔助電極6及一個(gè)與輔助電極6相鄰近的主電極5a之間提供起動(dòng)脈沖電壓，并在主電極5a及5b之間提供起動(dòng)脈沖電壓。其結(jié)果是，在輔助電極6及一個(gè)與它相鄰近的主電極15a之間起動(dòng)放電，并導(dǎo)致主電極5a及5b之間的主放電。作為其結(jié)果，放電管組件1發(fā)射出光。隨著該放電，密封在放電管組件1中的金屬鹵化物，如碘化鈧ScI3及碘化鈉NaI發(fā)射出光。
由該金屬檢鹵燈發(fā)射出的光被照明裝置殼體30的反射面31反射，并經(jīng)由張開部分的前表面蓋32照射到外部。
在用作上述光源的金屬檢鹵燈中，在放電管組件1的封管2內(nèi)表面上的上述氮化物層3的形成阻止了石英與放電金屬、如封裝在放電管組件1中的金屬鹵化物及從金屬鹵化物中分解出的鈧Sc及鈉Na之間相接觸，并且也阻止放電金屬如金屬鹵化物或鈧Sc及鈉與石英起反應(yīng)。因此，改善了石英的抗腐蝕性，并防止了它的變色。此外，因?yàn)樽柚沽朔烹姽芙M件1中放電金屬的減少，因此減少了光通量的下降，并能使光通量的維持率增大。
假設(shè)在具有在放電管組件內(nèi)徑為1.05mm，電極間距離為18mm及額定輸出為100W的金屬檢鹵燈中封裝了總量為10mg、其重量比為1∶5的碘化鈧ScI3及碘化鈉NaI。在此情況下，在其中氮化物層3不是形成在放電管組件1內(nèi)表面上傳統(tǒng)燈中，在該燈點(diǎn)燃6,000小時(shí)后，其光通量維持率變?yōu)?0％。與此相反，在本發(fā)明的燈中，其中在放電管組件1的內(nèi)表面上形成的氮化物層3的深度為80nm，在該燈點(diǎn)燃6,000小時(shí)后，其光通量維持率變?yōu)?0％。也就是，證實(shí)了氮化物層3的形成效果。
如上所述，由于上述氮化物層3是具有由氮N2置換構(gòu)成放電管組件1的氧化硅SiO2中的氧O2形成的反應(yīng)結(jié)構(gòu)的層，因此不會(huì)出現(xiàn)氮化物層3的破裂、剝落或遷移。
如果氮化物層3的深度S為10nm或更大，該層能有效地用于改善石英的抗腐蝕性。如果深度約為80nm，該層呈現(xiàn)出足夠的效果。
使用這種金屬檢鹵物燈作光源的發(fā)光裝置及照明裝置具有高的光通量維持率。
在根據(jù)第一實(shí)施例的金屬檢鹵燈中，使用碘化鈧ScI3及碘化鈉NaI作為金屬鹵化物。但是，金屬鹵化物并不局限于此。例如，稀有金屬的鹵化物，堿金屬的鹵化物，或銦或鉈的鹵化物也能被使用。
以下將描述本發(fā)明的第二實(shí)施例。該實(shí)施例作為一個(gè)通用照明汞燈的例子。該通用照明汞燈實(shí)質(zhì)上具有與圖1A至3中所示的燈相同的布置。圖1A至3中所示的結(jié)構(gòu)可用于說明該汞燈，并省略了對(duì)它的描述。
該汞燈與金屬檢鹵燈的區(qū)別在于在放電管組件1中封裝了起動(dòng)稀有氣體，如汞Hg及氬Ar。在該汞燈中，汞離子H+g注入到石英中時(shí)，放電管組件將變黑。尤其是，在石英表面形成小孔，汞離子H+g被玻璃中的OH-及玻璃表面的負(fù)電荷吸引并進(jìn)入到這些小孔中。其結(jié)果是促進(jìn)了石英變黑。
與此相反地，在該實(shí)施例中，因?yàn)榈飳?與圖1A及1B中所示的第一實(shí)施例中的一個(gè)相似地形成，便阻止了密封在放電管組件1中的汞與石英之間相接觸。這也阻止了汞離子H+g被吸引到石英表面的小孔中。因此阻止了石英的變黑。
以下將參照?qǐng)D4及圖6來描述本發(fā)明的第三實(shí)施例。在該實(shí)施例中，本發(fā)明用于一種高壓鈉燈。
圖4表示一個(gè)整體的高壓鈉燈。標(biāo)號(hào)110表示外管。外管110由硬玻璃組成并在其中心部分具有鼓出部分。在圖4中外管110在其上部分具有一個(gè)小直徑頂部分111，并在圖4中在其下部分具有小直徑頸部分112，因此構(gòu)成所謂的BT形式。燈頭113安裝在頸部分112的端部上。應(yīng)指出，在外管110中保持真空。
一個(gè)放電管組件101被放置在外管110中。以下將描述該放電管組件101的結(jié)構(gòu)。在外管110中，放電管組件101被支承絲114支撐。該支承絲114是導(dǎo)電絲，如矩形框架形式的不銹鋼絲。支承絲114的上部分經(jīng)由彈性體115被鎖止在外管110的頂部分111上，而支承絲114的下部分被焊在密封于燈莖116中的一個(gè)密封絲117a上。
從放電管組件101上端伸出的一根導(dǎo)體105經(jīng)由也作導(dǎo)線用的導(dǎo)電保持架118與支承絲114形成電連接及機(jī)械連接。從放電管組件101下端伸出的另一導(dǎo)體105經(jīng)由一個(gè)絕緣子119a被另一保持架119機(jī)械地支承。保持架119機(jī)械地安裝在支承絲114上。這就是，放電管組件101在其上端及下端部分被保持架118及119支承，并經(jīng)由保持架118及119被支承絲114支承。
從放電管組件101下端部分伸出的導(dǎo)體105經(jīng)由導(dǎo)線125與密封在燈莖116中的另一密封絲117b形成電連接。密封絲117a及117b被連接到燈頭113的殼113a及外端子113b上。
用于輔助起動(dòng)操作的一個(gè)鄰近導(dǎo)體(起動(dòng)器)120布置在放電管組件101外表面的附近。該鄰近導(dǎo)體120是由鉬、鎢、鉭、鈮、鐵、鎳及類似金屬中的至少一種組成的耐高溫金屬制成的。鄰近導(dǎo)體120的一端被一個(gè)雙金屬片121支承，而鄰近導(dǎo)體120的另一端被一個(gè)構(gòu)成在導(dǎo)電保持架118上的鎖止部件122可轉(zhuǎn)動(dòng)地支承。雙金屬片121的相鄰端被固定在支承絲114上。
在該燈起動(dòng)前，因?yàn)榉烹姽懿考?01的溫度及環(huán)境溫度均低，由于雙金屬片121的變形使鄰近導(dǎo)體120與放電管組件101的外表面相接觸。當(dāng)燈與電源相連接時(shí)，在鄰近導(dǎo)體120與一個(gè)電極106之間形成電位差，便引起鄰近導(dǎo)體120及放電管組件101中的一個(gè)電極106之間的起動(dòng)放電。該起動(dòng)放電導(dǎo)致兩電極106之間的主放電。由于這種操作，使起動(dòng)操作易于進(jìn)行。當(dāng)燈被導(dǎo)通時(shí)，雙金屬片121由于接收到來自放電管組件101的熱而經(jīng)受熱變形。其結(jié)果是，鄰近導(dǎo)體120從放電管組件101的外表面移開，由此阻止了鄰近導(dǎo)體120擋著從放電管組件101發(fā)射出來的光。標(biāo)號(hào)126表示吸氣劑。
對(duì)該放電管組件101的布置將參照?qǐng)D5及圖6進(jìn)行描述。該放電管組件101是由同一種透明陶瓷材料作的管102構(gòu)成的，該透明陶瓷材料如為單晶的或多晶的礬土或藍(lán)寶石(在此實(shí)施例中為透明礬土(Al2O3))。在該透明陶瓷管102的兩端部分形成透孔129。由鈮Nb或鈮Nb與鋯Zn的合金構(gòu)成的每個(gè)導(dǎo)體105分別穿過透孔129。利用玻璃密封劑109使導(dǎo)體105與管102的兩端部分形成密封連接。
將各電極108分別地焊在各導(dǎo)體105上。每個(gè)電極108是在由鎢作的電極桿108a的末端部分上纏繞多次由鎢作的電極線圈108b構(gòu)成的。在電極線圈108b上涂上電子發(fā)射材料(發(fā)射極)，如BaO-CaO-WO3。
將預(yù)定量的汞Hg，鈉Na，及氙Xe氣作為起動(dòng)稀有氣體密封在放電管組件101中。
在該實(shí)施例中，如在圖6中所示的那些氮化物層103及104被分別地形成在放電管組件101的封管，如透明礬土(Al2O3)，的內(nèi)表面及外表面上。這些氮化物層103及104中的每個(gè)是具有用氮原子置換構(gòu)成放電管組件1的礬土Al2O3中的氧原子形成的反應(yīng)結(jié)構(gòu)。
在該實(shí)施例中的氮化物層103及104是以與第一實(shí)施例中相同的方式形成的，除去使用了氮化鋁代替氮化硅外，它們基本上具有與第一實(shí)施例中氮化物層相同的布置。此外，代表在厚度/深度方向上氮化鋁(氮化物)成分下降的特性基本上與上述第一實(shí)施例中的那些特性相同。這就是說，在該實(shí)施例中的下降特性也在深度方向上呈現(xiàn)連續(xù)及平滑的下降。
另外，在該實(shí)施例中，利用一種無機(jī)粘劑如玻璃密封劑109將導(dǎo)體105密封在透明陶瓷管101的透孔129中。因此，如果在導(dǎo)體105密封前在該透明陶瓷管101的整個(gè)表面上形成一個(gè)氮化物層時(shí)，則由于在透孔129內(nèi)表面上的氮化物層故相對(duì)于玻璃粘劑的密封性能變差。在這種情況下，上述氮化物層的深度最好被調(diào)整到100μm或更小。
在具有這種布置的高壓鈉燈中，氮化物層103形成在放電管組件101的內(nèi)表面上，用以阻止鈉Na及釩土Al2O3之間的反應(yīng)，并由此阻止了晶體、如針狀晶體的增長(zhǎng)及鈉的損失。因而，抑制了光通量的下降，及能達(dá)到光通量維持率的增加。
因?yàn)樯鲜龅飳?03是這樣形成的，即，使得在深度方向上氮化物成份連續(xù)地下降，熱膨脹系數(shù)也由表面向內(nèi)連續(xù)地變化，便阻止了破裂，剝落，遷移及類似現(xiàn)象。此外，導(dǎo)熱性增大，使抗熱沖擊性增大。
因此，放電管組件101中心及端部分之間的溫度差下降，使耐久性改善。為此原因，構(gòu)成放電管組件101的礬土管102的厚度可以減小，以便增大透光度。
具有上述布置的高壓鈉燈使用鄰近導(dǎo)體120用來輔助起動(dòng)操作，使之易于起動(dòng)操作。當(dāng)燈被起動(dòng)時(shí)，鄰近導(dǎo)體120與放電管組件101的外表面相接觸。該鄰近導(dǎo)體120一直保持與放電管組件101的外表面相接觸，直到放電管組件101的溫度達(dá)到一個(gè)預(yù)定溫度時(shí)為止。在此狀態(tài)下，放電管組件101的管壁溫度在與鄰近導(dǎo)體120相接觸的部分上局部地變高。為此原因，會(huì)發(fā)生升華或熔化，或使燈被關(guān)斷。此外，在與鄰近導(dǎo)體120相接觸的部分及其余部分之間可能引起溫度差，由此引起放電管組件101的透明礬土管120的熱變形。這可能成為管102破裂的原因。
與此相反，在本實(shí)施例中，氮化物層104形成在放電管組件101的透明礬土管102的外表面上。因?yàn)樵摰飳?04用于改善上述的導(dǎo)熱性，具有高溫的部分的熱能有效地?cái)U(kuò)散到具有低溫的其余部分。因此，不會(huì)局部地產(chǎn)生升華或熔化，也便不會(huì)引起熱變形。這就阻止了管的損壞。為此原因，改善了放電管組件101的耐久性。
在以上的實(shí)施例中，氮化物層103及104分別地形成在放電管組件101的透明礬土管102的內(nèi)表面及外表面上。這些氮化物層103及104具有不同的功能。因此，甚至當(dāng)?shù)飳?03或104僅形成在這些表面的一個(gè)上時(shí)，本發(fā)明也能被實(shí)施。其中氮化物層103形成在放電管組件101的內(nèi)表面上的情況相當(dāng)于本發(fā)明的權(quán)利要求4。而其中氮化物層104形成在放電管組件101的外表面上的情況相當(dāng)于本發(fā)明的權(quán)利要求6。
在其中放電管組件101是由礬土管102構(gòu)成的陶瓷放電管中，甚至將金屬鹵化物作為放電金屬取代鈉封裝時(shí)，可獲得與上述相同之效果。
根據(jù)例如在日本專利申請(qǐng)公開文獻(xiàn)No.5-205701中所公開的這樣一種燈，為了形成放電管組件，將排氣管及用作導(dǎo)電體的鉬Mo或鎢W與礬土管整體煅燒，即經(jīng)受所謂無縫式密封，以便在未排氣放電管組件的內(nèi)表面上形成氮化物層。用此工藝，可同時(shí)防止被密封的氮化物及玻璃密封劑109之間的反應(yīng)。
以下參照?qǐng)D7及8來描述本發(fā)明的第四實(shí)施例。在該實(shí)施例中，本發(fā)明應(yīng)用于一種紫外線汞燈。
參照?qǐng)D7及8，標(biāo)號(hào)200表示該紫外線汞燈的放電管組件200。放電管組件200由石英玻璃作成。在放電管組件200的兩端部分上形成密封部分201。各電極202被分別地密封在各密封部分201中。每個(gè)電極202是用在鎢W制電極桿203上纏繞鎢W制電極線圈204形成的。
各電極202的電極桿203分別經(jīng)過由鉬Mo作的并密封在密封部分201中的金屬箔導(dǎo)體205與各分引線206相連接。
在該放電管組件200中，被封裝了預(yù)定量的汞Hg及氬Ar，作為起動(dòng)稀有氣體。
如圖8中所示，在放電管組件200的整個(gè)內(nèi)表面及外表面上分別地形成氮化物層210及220。每個(gè)氮化物層210及220是利用氮原子置換構(gòu)成作為放電管組件材料的石英的硅石SiO2中的氧原子形成的表面層。
如圖8中所示，在這些氮化物層210及220的每個(gè)中，氮化物成分也是從放電管組件200的表面在管壁的深度方向上連續(xù)下降的，其深度s被調(diào)整到10nm或更大、例如約為80nm，盡管沒有明顯的界線。
例如，這樣一種紫外線汞燈是用于在水處理中消滅篩狀桿菌用的燈。在具有放電管組件內(nèi)徑為20mm，有效發(fā)射長(zhǎng)度為350mm，及額定輸入為1600W的燈中，燈的電壓被設(shè)為410V；燈電流為4.4A；在燈導(dǎo)通工作時(shí)的估算汞蒸氣壓力為66.6KPa。
當(dāng)這種紫外線汞燈被導(dǎo)通時(shí)，汞離子H+g將噴射到石英中使放電管組件變黑，正如在第二實(shí)施例中所述的通用照明汞燈的情況那樣。這就是在石英表面形成了小孔，并且上述汞離子H+g被玻璃中的OH-及玻璃表面的負(fù)電荷吸引并進(jìn)入到石英表面的小孔中。其結(jié)果是促使石英變黑。
與此相反地，在該實(shí)施例中，如圖8中所示，因?yàn)榈飳?10形成在石英內(nèi)表面上，就避免了石英與封裝在具有氮化物層210的放電管組件200中的汞之間的接觸，并阻止了汞離子H+g被吸入到石英表面的小孔中。這便防止石英變黑及增加了光通量維持率。
已經(jīng)證實(shí)，在該實(shí)施例中的具有氮化物層210的紫外線汞燈在254nm紫外線輻射輸出方面比沒有氮化物層210的傳統(tǒng)紫外線汞燈高1.2倍。也已經(jīng)證實(shí)，在燈點(diǎn)燃10,000小時(shí)后的光通量維持率為75％或更高，這比傳統(tǒng)的紫外線汞燈高出5％或更大。
上述紫外線汞燈可用作干燥一種紫外線處理油墨的光源。尤其是，在使用一種紫外線處理油墨的印刷裝置中，它能在印刷操作后利用紫外線汞燈照射紫外線立即地使該油墨干燥。與自然干燥類型的印刷機(jī)相比較，這種印刷裝置能節(jié)省用于干燥期間輔助操作的空間，并有高的干燥速度。但是在現(xiàn)有的油墨中，某些彩色油墨不能僅被汞燈發(fā)出的紫外線足夠地干燥。因此，如果印頁在紫外線照射后立即彼此疊放時(shí)，與還未干燥的油墨部分對(duì)應(yīng)的印頁將會(huì)弄污。為了解決這個(gè)問題，在印好的表面涂上一層淀粉(碳水化合物)的薄膜，以阻止印品弄污。
這種碳水化合物的粉末將飄揚(yáng)在被紫外線汞燈照射的氣氛中，因而將會(huì)粘在紫外線汞燈的表面上。紫外線汞燈的放電管組件是由石英構(gòu)成的，在燈導(dǎo)通工作期間放電管組件的溫度達(dá)到700至800℃。為此原因，粘在石英表面的碳水化合物的粉末(淀粉末)削弱了石英的透明度并使石英模糊。
在該實(shí)施例中，如圖8中所示，在石英作的放電管組件200上形成氮化物層220。該氮化物層220可阻止碳水化合物粉末(淀粉末)與作為放電管組件材料的石英進(jìn)行接觸。這就阻止了石英的透明度被削弱，并增加了光通量維持率。
在具有管外徑為27mm，有效發(fā)射長(zhǎng)度為1000mm，及額定輸出為8000W的紫外線汞燈中，在放電管組件200的外表面上形成的氮化物層220在燈點(diǎn)燃1,000小時(shí)后防止了石英變模糊。與此相反地，在其中放電管組件200的外表面上沒有形成氮化物層200的某些傳統(tǒng)紫外線汞燈中，甚至在燈點(diǎn)燃500小時(shí)后石英就變模糊了。
在圖7及8中所示的紫外線燈并不局限在汞燈上。例如，具有封裝在放電管組件中的汞及金屬鹵化物的金屬鹵化物燈可用作紫外線光源。
在上述實(shí)施例中，氮化物層210及220地分別地形成在放電管組件200的外表面及內(nèi)表面上。這些氮化物層210及220具有不同的功能。因此，甚至氮化物層210或220僅形成在這些表面的一個(gè)上時(shí)，本發(fā)明也能被實(shí)施。其中氮化物層210形成在放電管組件220內(nèi)表面上的情況相當(dāng)于本發(fā)明的權(quán)利要求3。而其中氮化物層220形成在放電管組件200外表面的情況相當(dāng)于本發(fā)明的權(quán)利要求5。
以下將借助于圖9對(duì)本發(fā)明的第五實(shí)施例進(jìn)行描述。在該實(shí)施例中，本發(fā)明應(yīng)用于一種稱為無電極放電燈的燈中。
參見圖9，標(biāo)號(hào)300表示一個(gè)磁感應(yīng)耦合式無電極放電燈的放電管組件。該放電管組件300是由單晶或多晶透明陶瓷材料、如透明礬土，藍(lán)寶石，或柘榴石，或石英作成的，它具有近于扁球形的外形。在放電管組件300中形成的放電空間311中，封裝了發(fā)射材料、如金屬鹵化物，例如碘化鈧ScI3及碘化鈉NaI，它們?cè)谝原h(huán)形發(fā)生的等離子放電312時(shí)發(fā)射光，并封裝了由氬、氙、氪及氖中至少一種構(gòu)成的起動(dòng)稀有氣體。
一個(gè)圓柱形的伸出部分314與放電管組件300的一端形成整體。圓柱形伸出部分314的一端與放電空間311連通，該部分314的另一端被一個(gè)起動(dòng)感應(yīng)頭315(待以下描述)密封住。
在放電管組件300的內(nèi)表面上形成一層氮化物層313。該氮化物層313是由以氮原子置換作為放電管組件材料的透明陶瓷材料、如礬土Al2O3中的氧原子形成的一個(gè)表面層。在該氮化物層313中，氮化物成份也在管壁深度方向上連續(xù)地下降。氮化物層313的深度s調(diào)整為10nm中更大，例如約80nm。
起動(dòng)感應(yīng)頭315插在圓柱形伸出部分314中。該起動(dòng)感應(yīng)頭315是由小直徑陶瓷管作成的。被插在圓柱形伸出部分314中的感應(yīng)頭315的內(nèi)端部分被密封壁316密封住，并且該密封壁316面朝著放電空間311。
起動(dòng)感應(yīng)頭315的另一端被一個(gè)起動(dòng)電極317氣密地密封。起動(dòng)電極317由導(dǎo)體金屬如鈮，不銹鋼，或銅Cu作成。起動(dòng)電極317經(jīng)由玻璃粘劑與起動(dòng)感應(yīng)頭315的另一端形成氣密連接。
起動(dòng)電極317經(jīng)由一起動(dòng)電路326與一個(gè)射頻(RF)振蕩電路325相連接。
起動(dòng)放電空間319被形成在起動(dòng)感應(yīng)頭315中。至少一種稀有氣體如氬、氙、氪、氖等被封裝在起動(dòng)放電空間319中，該氣體在電場(chǎng)耦合時(shí)產(chǎn)生放電。
具有上述布置的起動(dòng)感應(yīng)頭315被插入在由放電管組件300伸出的圓柱形伸出部分314內(nèi)。圓柱形伸出部分314的外端部分與起動(dòng)感應(yīng)頭315的外端部分315用另一玻璃粘劑320形成氣密連接。
在放電管組件300四周繞有一個(gè)高頻激磁線圈330。高頻激磁線圈330具有相應(yīng)于線圈繞線的導(dǎo)體。該導(dǎo)體由一對(duì)環(huán)形金屬盤331組成，每個(gè)盤是由具有高導(dǎo)電率的金屬，如高純度鋁，銅，或銀作成的。該環(huán)形金屬盤對(duì)331沿線圈軸彼此對(duì)立。環(huán)形金屬盤313的內(nèi)圓周部分彼此相焊并連接基本形成一個(gè)螺旋形的激磁通路。這就是說，每個(gè)環(huán)形金屬盤331在圓周方向上不連續(xù)，并且在圓周方向的一部分上是分開的。一個(gè)環(huán)形金屬盤331的內(nèi)圓周部分部分地與另一環(huán)形金屬盤331的內(nèi)圓周部分相連接，形成了一個(gè)基本的螺旋形激磁通路。
由這個(gè)環(huán)形金屬盤對(duì)331組成的高頻激磁線圈330與射頻振蕩電路325相連接，具有頻率例如約為13.56MHz的高頻電流從射頻電路325流到高頻激磁線圈330。由于該高頻電流，在高頻激磁線圈330中沿線圈軸產(chǎn)生出一個(gè)磁場(chǎng)，并由該磁場(chǎng)，在放置高頻激磁線圈330中心空間中的放電管組件300內(nèi)、圍繞線圈軸產(chǎn)生出一個(gè)環(huán)狀等離子體。其結(jié)果是由磁場(chǎng)耦合產(chǎn)生出等離子體放電312。放電介質(zhì)被等離子體放電312離子化并激勵(lì)達(dá)到發(fā)射光。光通過放電管組件300的管壁傳播，并照射到外部。
當(dāng)具有上述布置的感應(yīng)耦合型無電極放電管將要起動(dòng)時(shí)，來自射頻振蕩電路325的起動(dòng)電壓經(jīng)由起動(dòng)電路326供給起動(dòng)電極317，并在同時(shí)，將高頻電流提供給到高頻激磁線圈330，由此在放電管組件300的放電空間311中基于高頻磁場(chǎng)產(chǎn)生出電場(chǎng)。在起動(dòng)電極317及放電管組件300中的電場(chǎng)之間便產(chǎn)生出電位差。其結(jié)果是，在起動(dòng)放電空間319中密封的稀有氣體產(chǎn)生發(fā)光的放電。
因?yàn)樵摪l(fā)光放電產(chǎn)生出相對(duì)放電管組件300中的電場(chǎng)一個(gè)電場(chǎng)梯度，在放電空間311中由該起動(dòng)放電感應(yīng)出等離子體放電。其結(jié)果是，產(chǎn)生出環(huán)狀等離子體放電312。
當(dāng)環(huán)狀等離子體放電312以此方式產(chǎn)生在放電空間311中時(shí)，在放電空間311中心放電材料被離子化并被激勵(lì)。產(chǎn)生出的光透過放電管組件300的管壁照射到外面。
在以上述方式工作的感應(yīng)耦合型無電極放電燈中，因?yàn)榈飳?13形成在放電管組件300的內(nèi)表面上，便阻止了放電材料與透明陶瓷材料之間的反應(yīng)，也阻止了放電金屬離子射入到透明陶瓷材料中。這就阻止了放電管組件300的透明度的削弱并防止其變黑。其結(jié)果是使光通量維持率增加。
本發(fā)明中封管表面氮化物層的形成方法不限于如在上述情況下在氨氣氣氛中加熱封管的方法上。例如，也可使用向封管管壁表面噴射氮離子的方法。
如圖11所示，在放電介質(zhì)、如放電金屬及起動(dòng)氣體封裝在放電管組件200中以前，在一個(gè)作好的放電管組件200中通過排氣管210封裝入氨氣及其它氣體，利用加熱放電管組件200或在其中產(chǎn)生放電使氮化物層形成在放電管組件200的封管內(nèi)表面上。該方法可阻止在密封部分201中每個(gè)金屬箔205接合能力由該氮化物層而變差。
此外，也可首先在封管管壁表面上形成一個(gè)薄的氮化物膜，該氮化物膜中的氮原子及封管管壁氧化物材料中的氧原子會(huì)彼此擴(kuò)散，并在后來借助于如使封管加熱一預(yù)定時(shí)間使它們彼此置換，由此形成一個(gè)氮化物層。在該方法中，因?yàn)檫@些氮原子及氧原子是以原子級(jí)狀態(tài)擴(kuò)散在材料中的，這個(gè)氮化物層在深度方向上也呈氮化物成分連續(xù)及平滑的下降。
本發(fā)明并不限制在上述各實(shí)施例的布置上。在所附權(quán)利要求書規(guī)定的精神及范圍內(nèi)還可作出各種變化及改型。
權(quán)利要求
1.一種放電燈，包括具有主要由氧化物材料作的管壁的封管構(gòu)成的放電管組件，封裝在所述封管中的放電介質(zhì)，及在所述放電管組件中產(chǎn)生放電的裝置，該放電燈還包括包含氮化物及部分地形成在至少所述封管內(nèi)表面附近的一個(gè)氮化物層，其中所述氮化物層在管壁深度方向上呈現(xiàn)氮化物成分的連續(xù)及平滑下降。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的燈，其中所述氮化物層是用氮原子置換構(gòu)成所述封管管壁的氧化物材料中的氧原子形成的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的燈，其中所述氮化物層是用在所述封管管壁的表面上涂上一層包含氮化物的膜，并使膜中的氮原子及管壁氧化物材料中的氧原子擴(kuò)散及置換形成的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)的燈，其中所述氮化物層是這樣形成的，即在氮化物成分減少到所述氮化物層表面的氮化物成分的50％的部分的深度離其表面不小于10μm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的燈，其中，在所述管中形成透孔并將所述放電裝置的導(dǎo)體插入及用無機(jī)粘劑密封在該透孔中形成的放電管組件中，至少在透孔的內(nèi)表面上這樣形成所述氮化物層，即其中氮化物成分下降到所述氮化物層表面的氮化物成分50％的部分的深度離其表面不大于100μm。
全文摘要
在具有密封在包括產(chǎn)生放電的電極的放電管組件內(nèi)的放電介質(zhì)的放電燈中，在放電管組件的封管表面形成一個(gè)氮化物層。該氮化物層是用氮置換構(gòu)成封管管壁的氧化物的氧元素而形成的，并在深度方向上呈現(xiàn)氮化物成分的連續(xù)及平滑的下降。該化學(xué)上穩(wěn)定的氮化物層阻止了放電介質(zhì)及管壁材料之間的反應(yīng)，及阻止了放電介質(zhì)的遷移或散射。此外，由于該氮化物層在深度方向上的熱膨脹系數(shù)也呈連續(xù)變化，使熱應(yīng)力下降，并不會(huì)發(fā)生破裂、剝落、遷移及類似現(xiàn)象。
文檔編號(hào)H01J61/35GK1121640SQ95107108
公開日1996年5月1日 申請(qǐng)日期1995年5月17日 優(yōu)先權(quán)日1994年5月17日
發(fā)明者犬飼伸治, 龍?zhí)锖托? 西沢誠(chéng), 伊藤彰, 岡村和好, 內(nèi)田一生, 青木貴之, 吉川和彥, 米沢昭弘, 佐佐木博基 申請(qǐng)人:東芝照明技術(shù)株式會(huì)社