CN1897206A - 高压气体放电灯及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压气体放电灯及其制造方法，此高压气体放电灯内含—密封腔体，该腔体填充有汞元素以及卤素元素，其中汞元素的含量介于近0.15mg/mm³到0.2mg/mm³之间；以及两电极，各有一端部延伸至该腔体中，彼此相对且相距小于近2.0mm以下，其中至少有一伸至该腔体中的端部的前端具有一头部，而该头部具有一电极尖端。通过上述两电极间距调整以及汞元素与卤素元素比例的最优化，便可使高压气体放电灯的工艺更加稳定。

Description

高压气体放电灯及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种灯具的制造方法，特别是涉及一种高压气体放电灯及其制造方法。

背景技术

高压气体放电灯，例如美国专利第5,357,167号中公开的，其包括一耐火弧形管，具有密封的弧形腔体。腔体中包括用以产生光的填充物，以及一阳极与一阴极延伸进密封的弧形腔体中并彼此分开，其重点在于电极构造包括一球状、锥状或半球型结构，以利于散热，此结构外可另包括一层或两层以上的线圈金属。上述的结构产生是由于常见的电极制作方法，电极棒与线圈间仅以机械套入接触法连结，对于电流的传递与热量的传递都无法更有效而稳定的发挥作用，因而在1962年即出现了较冷电极(Cold Electrode)的设计，将电极的头端利用热源烧融成一实心的球状物或锥状或半球型，主要是将电极顶端的热能更迅速的导离开电极顶端，以便使气体放电灯在增加放电发光效率的同时，又达到延长电极使用寿命的目的。

常见的气体放电灯设计，使用了上述的称为电极头端的实心的球状、锥状或半球型，由于散热良好的电极头端的曲率半径增加，使得电极在使用中尖端放电的效果变得较为不明显，容易发生电极头的放电位置在发光时不定时跳动，发生所谓灯光闪烁(flicker)的现象，也因此使得电极头端产生不正常熔蚀现象，因此接连不断的有些专利在针对高压气体放电灯中的电极作改良。

例如美国专利第6,545,430号中公开的一种高压气体放电灯。其中所包括的一对电极除在电极杆放电端形成一实心头端作为散热之用外，还在电极密封之后，另利用方波电流，在头部的中心邻近位置制造出一突出部或称电极尖端来固定放电位置，以解决在现有技术中灯光闪烁(flicker)的问题。

另一个例子是美国专利第6,552,499号中公开的一种高压气体放电灯。它的一对电极中，至少有一极具有加厚的球形部位，此球形部位根据灯和/或电极杆的直径的操作参数来决定尺寸。其电极尖端在操作的一个小时内独立形成于该球形前端部位。

在上述有涉及目前的电极形成的专利中，可发现电极头端无论是锥形、柱型、球型或半球型，其电极尖端皆是通过操作中对点灯电流、频率的控制来形成，也就是说其尖端都单纯是由电子信号的方式来生成。整个生成电极尖端的成长程序都是在自然或是点灯情况下发生，而不是先行制造而成的。而主要影响电极尖端成长与否及其稳定状态的因素是在于圆形柱状物或球形物的形状大小与相对位置，以及高压放电灯内充填的化学物，例如高计量汞、金属卤化物种类、数量与电极的钨合金组成、处理方式以及制造过程中氧气与氢氧基等其它杂质的管控等。例如美国专利第5,109,181号以及第5,497,049号中便建议，汞含量需大于0.20mg/mm³以及卤素元素含量介于10^-6到10^-4umol/mm³之间。因此，因电极尖端的形成方式受许多因素影响，现有技术中电极尖端的制造工艺其实相当复杂且困难。

同时，在对高压气体放电灯的亮度需求越来越高，即对于通过电极能量的需求越来越高的情况下，两电极之间的距离、电极尖端的形状与直径、长度都对气体放电灯的放电性质与寿命稳定性有绝对性的影响。例如点灯时高度能量的通过，在间距较小时，会使得热量过度集中，易造成气体放电灯烧毁等情形；反之，若间距过大，又会有放电效果不佳，造成非点光源的放电状态，影响亮度的情况发生。

另一方面，气体放电灯的高温化学反应与平衡状态的溶解度积(Ksp，solubility product)之间的平衡关系，会影响到灯壳内各种化学物的平衡与高压放电灯中的卤钨循环能否正常运作，尤其是在气体放电灯内部环境的温度梯度变化极大的情况下，各种化学物之间的平衡更容易受到影响。因此在常见的气体放电灯处于高汞量的条件下，相对的卤化物含量必须要减少，否则在气体放电灯的冷点就将会发生与卤化物形成灰黑色化学物沉淀的现象，因此引伸出了几个制造上的困难点：例如第一，高剂量的汞在封合制造时，汞因加热而汽化提高球壳内部压力达到了数十或一百个大气压以上，使得高温石英玻璃在加热收缩(shrink sealing)而达到封合目的的制造过程中，不易控制其品质与进行过程；第二，在高压气体放电灯使用高含量汞时所产生的压力，在超过1000℃的使用温度时，过高的汞蒸气压力易造成石英玻璃膨胀脆裂；第三，超低含量的卤化物，在添加技术上与量测技术上有其困难点，因此易造成添加量的不稳定与外来不纯物的侵入，造成气体放电灯不稳定。

综合上述各点，便可发现电极尖端的形成方式、汞以及卤素元素的含量以及电极之间的间距等因素，对于高压气体放电灯的制造合格率以及其放电发光效能都有很大的影响，且在制造上皆有其困难点，因此仍具有改善的空间。

发明内容

鉴于以上的问题，本发明的主要目的在于提供一种高压气体放电灯及其制造方法，通过调整两电极间距以及汞、卤化物含量的最优化，大体上解决现有技术制造中所存在的问题。

因此，为达上述目的，本发明所公开的一种高压气体放电灯的制造方法，高压气体放电灯具有一灯管，灯管内具有两电极，该方法包括：在至少一个电极的电极棒的端部前端形成一电极头端，其中电极头端的直径大于电极棒的直径；局部加热烧熔电极头端的最前端，从而形成一电极尖端；对该电极尖端进行热处理；灌入汞元素以及卤素元素于灯管并密封该灯管，使该两电极彼此相对且相距小于近2.0mm以下，其中汞元素的含量介于近0.15mg/mm³到0.2mg/mm³之间，并经过点灯烧灯(Burn-In)的过程重塑电极尖端的突出物形状与长度，以达到稳定之可使用状态。

这里特别说明局部加热烧熔电极头端的最前端，从而形成一电极尖端的重要性与差异性。在常见的做法上如果没有制作一个电极尖端，而使用自然发生的尖端成长，不但会导致电极头端的不正常成长，也容易发生不正常的熔蚀。最重要的是电极的尖端放电效应不明显，因此电极之间距离无法放大，而电极尖端因放电所产生的热，仍然在接近球壳中间辐射，造成球壳的上端温度很高，缩短气体放电灯的使用寿命。要解决这一缺点，电极头端必须适度的向两端移出，但是电极头端适度的向两端移出后，如果没有有效的尖端来协助尖端放电，就容易发生电极尖端的不正常成长，也容易发生电极头端的不正常的熔蚀，或甚至电弧中电弧放电不能连续，而致熄灯的问题。

此外另一常见的做法是仅制作一个电极尖端，但并未经过一定点灯烧灯的程序，使电极尖端重塑达到最佳的放电条件。使用过细的电极尖端使电弧光宽度过细，对于放电光强度有绝对负面的影响，因此，凭借灯制作后的点灯/烧灯过程，以重塑电极尖端形状的操作有其必要性。

因此，为达上述目的，本发明所公开的高压气体放电灯，包括：一灯管，内含一密封腔体，该腔体填充有汞元素以及卤素元素，其中汞元素的含量介于近0.15mg/mm³到0.2mg/mm³之间；两电极，各有一端部延伸至该腔体中，彼此相对且相距小于近2.0mm以下，其中至少一个伸至该腔体中的电极端部前端具有一电极头端，而电极头端前具有一电极尖端。

上述局部加热烧熔的步骤利用了雷射。

上述形成电极头端的步骤可包括下列步骤：用一线圈覆盖端部；熔融端部与一部份该线圈以形成电极头端。

上述卤素元素的含量介于近10^-6umol/mm³到10^-3umol/mm³之间，最佳条件在10^-5umol/mm³到2×10^-4umol/mm³之间。

以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域普通技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所公开的内容、权利要求及附图表，任何本领域普通技术人员可轻易地理解本发明的相关目的及优点。

附图说明

图1显示本发明高压气体放电灯使用电极的一个较佳实施范例的放大图；

图2显示本发明高压气体放电灯及其使用电极的制造流程图；

图3显示利用图1所示的电极组装而成的高压气体放电灯管的一个较佳实施例；

图4显示利用图3所示的高压气体放电灯管组装而成的灯泡单元的一个较佳实施范例。

其中，附图标记说明

1-电极        1a-第一电极        1b-第二电极

2-电极棒      3-缠绕线圈         5-电极头端

7-电极尖端    9-高压气体放电灯   11-灯管

13a-第一末端  13b-第一末端       15a-第二末端

15b-第二末端  17-大体上为管状的部位

19a-导电箔    19b-导电箔

21a-连接部        21b-连接部        23-灯泡单元

24-基座           26-反射镜         27-接线

具体实施方式

为了增进对本发明的目的、构造、特征及其功能的了解，配合实施范例详细说明如下。以上关于本发明内容的说明及以下对实施方式的说明是用于示范与解释本发明的原理，并且提供了对本发明的专利要求更进一步的解释。

图1显示了本发明高压气体放电灯使用电极的一个较佳实施范例的放大图。以下将以该图所示的电极1作为范例，配合图2显示的制造流程图，来说明本发明高压气体放电灯使用电极的一个较佳实施例的制造流程。

此制造流程从一钨或钨合金制成的电极棒2开始，在这一最简单的例子中，一层或多层由钨或钨合金制成的缠绕线圈3套入电极棒2的一端，接着熔融电极棒2与缠绕线圈3的前端一部分以形成大体上为半球体、锥体或球体的电极头端5(步骤201)。此缠绕线圈3与电极头端5是用于让电极1使用中所产生的热量迅速传递出去，达到冷却的效果，如此才能延长电极1的寿命与稳定性，但传达到电极头端5的热由表面散发出去时，易造成高压气体放电灯灯管上顶部的表面温度升高，因此容易缩短以石英玻璃作为材料的灯管的寿命，鉴于此，便会有以下的步骤：在电极头端5的前端再形成一电极尖端7，为使气体放电灯在使用时的电极间距仍然维持一定，但主要散热的半球体或锥体称为电极头端，可以向两端移出，以避免散热时石英球壳被过度加热而减短寿命。

同时，在对高压气体放电灯的亮度需求越来越高，也就是对通过电极能量的需求越来越高的情况下，此电极间距的大小对气体放电灯的性质有绝对性的影响，例如间距太小时，太高的能量通过会使得热量过度集中，容易造成气体放电灯烧毁等情形；反之，若间距太大，则会有放电效果不佳，影响亮度的情况产生。

因此，本发明特别针对两电极的间距作了一番妥善的研究，制定出一个最适合的范围，能对于气体放电灯的放电效果有最佳的改善。此最适范围例如是两电极尖端间距可小于近1.5mm，而电极头端间距在近1.3-2.0mm之间。

另外，有别于传统技术，在本发明中采用局部加热烧熔的方式在电极1的电极头端5最前端，邻近中央处形成一个长度0.1-0.3mm的电极尖端7，(步骤202)而不是直接使用电流或频率的控制来制成电极尖端7，如此便可避免传统技术中，需精密微调电子信号才得以确保形成电极尖端7必要尺寸、形状的困扰。上述局部加热烧熔的方法，例如是用雷射局部加热方法，而电极尖端7的直径为电极头端体积的函数，基本上都是小于电极棒2的直径。另外，在电极尖端7成形以后，需经过2000℃以上高温的纯化及热处理过程，以具有最佳的稳定性以及成长条件，否则单纯以雷射制作成的电极尖端仍是铸造结构，其纯度与金属显微结构都会因无法适应气体放电灯的电极放电时产生高热熔蚀作用而烧毁。由于电极尖端7的使用，使电极头端5便可适度的向两端移动，在使用时，灯管上顶部所受的幅射热便可降低，由电极头端的球形、锥体或半球体所形成的散热体的热就会幅射到灯管的半腰处而不是灯管的顶部，此举不但可以让灯管顶部的温度降低，也可以让灯管顶部、半腰及封合处的温度差异减少，因此便可以延长灯管的使用寿命。比较常见的做法，以及在美国专利第6,552,499号所使用的电极方法，在电极尖端7未形成前，如果贸然将圆状或锥形的电极头端5向两端移出，造成电极间距离变大，又因只有电极头端5的曲率半径，无法产生具体的尖端放电效果，使得这种气体放电灯在制作中，使用电子信号来生成小头的制程电弧将会发生一定的困难。

另一方面，在本发明中之所以电极头端5向两端移出，是因为原设计的电极尖端7，但点灯点在两支电极间的相对距离不会改变，且具备电极尖端7具放电效果，因此不会有点灯不亮的困扰，同时由于尖端放电的放电点固定与集中，故灯亮时不会有闪烁的困扰。

再者，在本发明中，电极尖端7形成后，必然包括一个点灯烧灯(burn-in)的步骤以重塑电极尖端的突出物形状与长度，从而达到稳定的可使用状态，甚而达到其最佳的放电条件，如此便可解决常见技术中过细的放电尖端使电弧光宽度过细对于放电光强度有负面影响的问题。

请参阅图3，其显示利用图1所示的电极1组装而成的高压气体放电灯管的一个较佳实施范例。

在图3中，此高压气体放电灯9包括可由石英玻璃组成的椭圆型灯管11，或包括由一陶瓷材料组成，具有一个光线发射窗的灯管。在灯管11中，第一电极1a与第二电极1b在其中延伸，第一电极1a与第二电极1b包括第一末端13a、13b与第二末端15a、15b。至少一个电极的第一末端包括了大体上为管状的部位17，而第一电极1a与第二电极1b的第二末端15a、15b分别电性连接于导电箔19a、19b。灯管11是圆柱形部份在形式上的纵向延伸，并以紧密密封的方式来包覆导电箔19a、19b。电流是自外部传过连接部21a、21b、导电箔19a、19b供应至第一电极1a、第二电极1b从而产生光。

其中第一电极1a与第二电极1b的电极头端之间的距离小于2.0mm以下。

在该灯管11内的汞含量大约为0.1mg/mm³到0.2mg/mm³之间，较佳的含量为约0.15mg/mm³到0.2mg/mm³之间，其中加入含量介于约10^-6umol/mm³到10^-3umol/mm³之间的卤素元素，较佳的有效的卤素元素含量为约10^-5umol/mm³到2×10^-4umol/mm³之间，使其可产生一再生的卤钨循环。该卤素元素以溴或氯化合物或溴/碘混合化合物为佳。

而该高压气体放电灯9的制造流程请配合参阅图2并说明如下。

将导电箔19a、19b以及连接部21a、21b连接于电极1a、1b的另一端，接续，有灯管11将其两端密封，使两电极1a、1b之间以小于近2.0mm以下的固定间距隔开，同时，将灯管11中的空气抽空，并填充汞元素与卤素元素材料于其中(步骤203)。填充的汞量密度大约为0.1mg/mm3到0.2mg/mm3之间，要达到高效能放电的较佳浓度为约0.15mg/mm³到0.2mg/mm³之间，而加入的卤素元素浓度大约为10^-6umol/mm³到10^-3umol/mm³之间，较佳浓度则为约10^-5umol/mm³到2×10^-4umol/mm³之间，使其可产生一再生的卤钨循环。该卤素元素以溴或氯的化合物或溴/碘的混合化合物为佳。

通过将两电极头端的间距调整小于约2.0mm以下，汞浓度的计量调整在0.15mg/mm³到0.2mg/mm³之间，以及加上适当的制程杂质控制技术，例如氧气、氢氧基等的控制，仍然可以达到良好的卤钨循环与稳定的电极尖端形状控制，尤其是本案提出的间距调整及汞含量的范围可以使其放电效果更佳，同时能促进卤钨循环的效率，使电极尖端成长到稳定的时间更为缩短。对于气体放电灯的石英灯壳内璧的清洁能力特别是高瓦特数的灯种，产生较多热量与灰黑化困扰也都能更加有效的给予解决。

另一方面，如图4所示，图3所示的高压气体放电灯9可组装为一灯泡单元23。其中高压气体放电灯9连接于一基座24之上，基座24可供调整，使高压气体放电灯9位于反射镜26的光轴上。电流通过接线27以及端子21b传到该高压气体放电灯9的电极1a、1b。

虽然本发明以上述的实施例进行了公开，但其并非用以限定本发明。在不脱离本发明的精神和范围之内，所做出的变动与修改，均属本发明的专利保护范围。关于本发明所界定的保护范围请参考所附的权利要求。

Claims (10)

1.一种高压气体放电灯的制造方法，该高压气体放电灯具有一灯管，该灯管内具有两电极，其特征在于，该方法包括：

在至少一个电极的电极棒的端部前端形成一电极头端，其中该头部的直径大于该电极棒的直径；

局部加热烧熔该头端的最前端，从而形成一电极尖端；

对该电极尖端进行热处理；

灌入汞元素以及卤素元素于该灯管并密封该灯管，使该两电极头端彼此相对且相距小于近2.0mm以下，其中该汞元素的含量介于约0.15mg/mm³到0.2mg/mm³之间；及

进行点灯与烧灯(burn-in)程序，以重塑该电极尖端。

2.如权利要求1所述的高压气体放电灯的制造方法，其特征在于，形成该头部的步骤包括：

以一线圈覆盖该端部；

熔融该端部与一部份该线圈以形成该电极头端。

3.如权利要求1所述的高压气体放电灯的制造方法，其特征在于，对该电极尖端进行热处理的温度在约2000℃以上。

4.如权利要求1所述的高压气体放电灯的制造方法，其特征在于，局部加热烧熔的步骤是利用雷射。

5.如权利要求1所述的高压气体放电灯的制造方法，其特征在于，有效卤素元素的含量是介于近10^-5umol/mm³到2×10^-4umol/mm³之间。

6.一种高压气体放电灯，其特征在于，包括：

一灯管，内含一密封腔体，该腔体内填充汞元素以及卤素元素，其中该汞元素的含量介于近0.15mg/mm³到0.2mg/mm³之间；

两电极，各有一端部延伸至该腔体中，彼此相对且相距小于近2.0mm以下，其中至少一极伸至该腔体中的端部前端具有一电极头端，而该电极头端具有一电极尖端。

7.如权利要求6所述的高压气体放电灯，其特征在于，该电极头端为一半球体状。

8.如权利要求6所述的高压气体放电灯，其特征在于，该电极头端为一球体状。

9.如权利要求6所述的高压气体放电灯，其特征在于，该电极头端为一锥状。

10.如权利要求6所述的高压气体放电灯，其特征在于，有效卤素元素的含量介于近10^-5umol/mm³到2×10⁴umol/mm³之间。

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