CN1950919A - 一种发光灯及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明介绍了一种发光灯(1)，包括放电腔(2)，包含密封部分(4、5)封入放电腔(2)中的气体；一对电极柱(6、7)，各电极柱的一部分从密封部分(4、5)进入放电腔(2)；因此，至少部分位于密封部分(4、5)的缠绕件(8、9)围绕至少一个电极柱(6、7)自由缠绕，并通过设置在电极柱(6、7)纵轴上的多个保持件(P1、P2、P3、P4)限制其移动。

Description

一种发光灯及其制造方法

技术领域

本发明大体上涉及一种发光灯，特别是一种高强度放电金属卤化物灯，及其制造方法。

背景技术

放电灯是一种光源，其中，光是由放电腔中的二根电极之间的光弧产生。放电腔通常被称为“灯”，内含特种气体混合物。在某些应用中，这样的光源可包括附加的外灯泡。例如，在所谓高强度放电(HID)灯一类的金属卤化物灯中，气体混合物通常是诸如氙氩一类的惰性点燃气体与一种或多种金属卤化物的混合物，金属卤化物包括碘化钠、碘化钪或类似碘化物，和可选择的水银。光弧包括金属卤化物和水银，如果使用的话，的辐射。下面，“灯”这个名称用于表示任何种类的“内”灯泡，不管是否使用外灯泡。

制造灯可通过将石英玻璃加热到足够高的温度直到玻璃变得可延展，能够形成气体腔如放电腔。部分制造工艺包括将适当的填充物充入放电腔和通过称为收聚(pinching)的工艺在一个或多个位置封闭灯泡的可延展的玻璃，对放电腔进行密封。在放电腔的一个或几个位置所产生的石英玻璃的狭长和有时为压扁区域通常被称为收缩或密封部分。将电极封入到密封部分，或者将电极压入融化的石英玻璃的同时，电极结合到灯中。各电极的内端进入放电腔而通常封入石英玻璃收缩部分的外端以某种方式连接到外部导体。

为了发光，点燃装置在电极的尖端之间施加非常高的电压，以使电极之间产生电离气体电弧，加热封入的填充物到填充物中非气态组成部分的气化点。在其它成分气化之前，惰性气体在点燃期间产生某些光输出。稳定工作通常在全部气化后非常短的一段时间达到，金属卤化物灯产生全光输出。

在点燃过程最初流过电极的电流是相当大的，使得电极的温度迅速地达到高值。因此，在电极之间将产生电弧。所获得的高温导致灯的各个部分热膨胀。因为石英的热膨胀系数与电极金属的相比非常小，所以，电极的热膨胀使周围的石英玻璃承受应力，最终导致石英玻璃密封部分破裂。

已做出许多努力来解决这个破裂问题。例如，将电极的外端包含在石英玻璃密封部分来代替从石英玻璃收缩部分突出，并且通过钼箔与外部导体相连接。横截面非常薄的钼箔加热时几乎不膨胀，这样，与这种钼箔直接接触的石英玻璃基本上不受所达到高温的影响。在收缩过程中，钼箔将封在石英玻璃中。钼箔的一边连接到外部导体，而钼箔的另一边将连接到收缩部分当中的电极。钼箔的边可通过滚压或腐蚀加工成非常薄，而这些刃边在膨胀时能变形并埋置在石英玻璃内，不会使石英玻璃破裂。这样，至少在收缩部分外端石英玻璃依然是完整的。

但是，电极周围的收缩部分仍能发生破裂，开裂在工作期间向所有方向延伸。至少，开裂和裂缝使得金属盐和水银从放电腔沿着电极扩散。气体填充物的组分从放电腔渗入到接触钼箔，导致钼箔剥落，因此缩短了灯的使用寿命。放电腔中剩余的水银和金属盐的数量下降还导致灯的光通量的很大降低。例如对于恒定亮度和功能可靠最重要的汽车前灯，设有这样的灯将是非常不希望的。在努力减少这个问题的过程中，已做了一些尝试来消除石英玻璃和电极间的直接接触，其通过在电极柱周围至少部分缠绕金属线圈。因此，电极柱就被定义为，电极的基本为圆柱形部分且具有足够长度以容纳线圈，且与圆柱形成方式和电极柱是电极较粗部分还是较细部分无关。例如，欧洲专利EP 1 037 256 A1公开了一种环绕在电极柱周围的金属线圈，而线圈可通过如电阻焊直接固定到电极柱上。线圈位于石英玻璃收缩部分中，作为非常热的电极和较冷的石英玻璃之间的某种热量桥。然而，因为石英玻璃的热扩散系数和电极/缠绕件的热扩散系数有很大差异，这种结构依然能够导致收缩部分的额外应力，导致石英玻璃最终破裂和灯的寿命的降低。

发明内容

所以，本发明的一个目的是提供一种灯，可减少工作时因热膨胀而在收缩部分产生的应力。

为此，本发明提供了一种灯，其包括放电腔，包含密封部分封入放电腔中的气体；和一对电极，各电极的一部分从密封部分进入放电腔；因此，至少部分位于密封部分的缠绕件围绕至少一个电极柱自由缠绕，通过设置在电极柱纵轴上的多个保持件限制其移动。缠绕件最好位于各电极的周围。因此，收缩部分当中的电极结构不仅包括通常的电极柱，还包括某种类型的不固定在电极柱的缠绕件。

因此，在本发明中，灯工作时出现的石英玻璃破裂的问题可通过在制造过程中引入可以围绕电极柱自由移动的缠绕件然后将电极放入灯来解决。即使在收缩处理时，也允许缠绕件在电极柱上沿径向和轴向大体自由移动。达到这一点可通过将电极上的缠绕件限制在附加的定位件内。这样的缠绕件或“卷绕件”最好用金属做成线圈形式，所以以下还称为线圈。尽管这样，但是缠绕件其它实现方式是可能的，例如以箔片形式。

提出了一种制造这种灯的适合方法，灯包括被密封部分封闭的放电腔和一对电极，各电极的一部分从密封部分进入放电腔。灯包括缠绕件，围绕至少一个电极并至少部分位于密封部分中；还涉及沿着电极柱的纵轴设置的许多保持件，以限制缠绕件的移动，但不将缠绕件固定到电极柱。由于纵向和径向方向上可能存在弹性和自由度，与通过焊接而固定到电极柱上的缠绕件相比，通过该缠绕件可使石英玻璃收缩部分的机械应力降低的更大。

由于制造过程中需要高温来软化石英玻璃，电极和缠绕件也被加热，结果发生膨胀。在收缩密封部分后，允许灯进行冷却。由于电极和缠绕件的金属冷却时比石英玻璃收缩得多，金属和石英玻璃之间出现“柔性界面”。在灯后来的工作中涉及电极柱和线圈的加热，缠绕件能使纵向和径向方向上的界面应力最小。缠绕件的横向移动的限度受到设置在电极长度上的某些位置的保持件的限制。在制造中，可以应用已知的高强度放电(HID)气体放电灯的收缩和密封工艺。

这种结构的优点在于，线圈不焊接到电极柱长度上的任何一点，因此，消除了热膨胀造成机械应力而产生的破裂，如可因焊接而导致的热膨胀。这种结构的另一个优点在于，线圈可以自由地沿任何方向膨胀，使得线圈的设计和制造有更大的自由度，例如减小线圈丝的直径，和能够选取更有利的节距和线圈长度。线圈内径与线圈丝直径的尺寸比可以选取的比值要比现有技术所能得到的更大。

附属权利要求和下面的介绍将公开本发明的优选实施例和特征。

通常，金属卤化物灯通过已经介绍的方式用石英玻璃制成。但是，这种灯能用不同的但同样适合的材料，如陶瓷，制成。下面为了简化起见，参考石英玻璃进行介绍，应认为本发明同样可以应用其它合适的材料。

在本发明一优选实施例中，电极可以从位于放电腔相对两侧的一对石英玻璃密封部分进入放电腔，这样两电极将大体上位于同一纵轴上。或者，电极都从一个石英玻璃密封部分进入放电腔。在放电腔里的两个电极的端部间隔开一间隙，而在石英玻璃密封部分的两个电极端部可以直接或间接地连接到外部电源的导体或引入线。

保持件可以在制造灯之前用许多方法加工形成。

保持件可以用电极柱主体加工形成，或在制造过程中在需要的位置插入熔化的石英玻璃。

一种优选技术，将具有特定脉冲波形、能量和时序的激光束照射电极柱，最好大体上以直角照射电极柱，在激光束和电极柱的接触点使电极柱材料软化或熔化。操作中产生的热量所引起的气流将熔化的材料成型成保持件所需形状，产生某种形式的销。这里，“销”系指从电极柱主体突出的任何突出物，例如凸轮。这些销可在电极柱表面的任何需要的位置形成。

保持件的高度最好选择使其能有效地防止灯工作时或制造过程中缠绕件在电极柱上移动越过保持件。还可以用另外可选择的方法，例如采用合适的机械方法，对保持件的形状进行加工。

保持件在电极柱上的位置应使缠绕件在电极柱的移动只限于横向于电极长度方向。设置在电极长度方向某些点的并且偏离缠绕件外侧的单个保持销应足以将线圈固定在电极的这个位置，同时使线圈沿着电极的这个位置自由横向朝外膨胀。

在本发明的优选实施例中，二个销设置在电极柱上，缠绕件设置在二者之间。这些销最好定位成可使得各销和缠绕件之间存在间隙。因此，在灯工作时缠绕件能在二个保持件之间距离所限定的长度范围内自由地膨胀。因为缠绕件的膨胀量是其实际尺寸和材料性质以及工作时的温度的函数，所选取的销之间的间距最好与这些因素容许的膨胀相适应。这种结构的一个优点是其简单。在第一个销形成后，缠绕件能在电极柱上滑动，在保持压在第一个销的同时第二个销形成。一旦第二个销形成完毕，松开沿纵轴有一定弹性的缠绕件，例如节距比金属丝直径大的线圈。

另一个可采用结构是在缠绕件的端头使用不止一个销来限制其移动。例如，二个或二个以上的销可以设置在缠绕件端头附近，以确保不会偏移太多，即使工作时缠绕件可能围绕电极旋转。销可以在不同位置单独形成，或者可以相互合并。可以形成一系列的销以限定电极的范围，销还可以连起来形成某种凸缘。

缠绕件最好用熔点高的金属制成，最好采用钨、钼或合金。

首先将线圈按所需尺寸加工形成，然后使线圈在电极柱上滑动。使用已知的技术，例如，“滑块式飞轮pot-flyer”、“断裂头break head”等，将金属钨线圈在钼载体上加工形成。线圈绕制后，通过热处理来释放线圈金属丝的应力，用金属丝锯将线圈金属丝切割成最终长度。这种金属丝切割技术可实现很高的切割质量，以确保线圈端部的线圈内径得到保持。在切割金属丝之后，使用已知的标准方法，将内金属钼载体腐蚀掉。

同样，线圈可通过直接围绕电极柱缠绕金属丝来形成，例如使用“绕针状物缠绕线圈coiling-on-needle″或“绕杆缠绕线圈coiling-on-rod″技术。

线圈和适当的保持件可放置在沿电极的任何位置，例如，缠绕件可以和电极一起进入放电腔的一定范围，或者石英玻璃收缩部分内的缠绕件端部可以在钼箔上延伸，而另一个端部可以沿着电极自由横向移动。但是，在一个特别有利的配置中，线圈可设置成完全包含在石英玻璃密封部分内，而不固定在钼箔，并在收缩部分的区域里可以沿着电极横向自由地移动。这种结构的一个重要优点在于，可防止收缩部分内的间隙出现在接近放电腔的区域，因此，阻止了金属卤化物或水银沿着电极迁移。这种结构的另一个优点在于，因为线圈可自由横向移动，线圈没有任何张力，否则将导致收缩部分的玻璃出现应力诱发裂纹。

缠绕件的优选物理尺寸，诸如金属丝的厚度或直径、线圈的圈数、节距、内和外缠绕直径等，在很大程度上由所用材料的材料性质和热膨胀系数所确定。建议选择节距和金属丝直径使金属丝能在径向上自由膨胀。线圈节距定义为线圈相邻线匝的中心之间的间距除以金属丝的直径再乘以100。节距为100的线圈是指线圈缠绕成相邻二线匝互相接触。如果一个线圈其相邻线匝的间距是金属丝直径的5倍，算出的节距为500。确定缠绕件尺寸的其它因素可以由玻璃的材料性质(如粘度)所决定。例如，缠绕件节距最好选择成，在收缩石英玻璃密封部分时，熔化的粘稠石英玻璃不会进入缠绕件内径与电极柱之间的空隙。缠绕件节距最好容许石英玻璃在线圈各线匝之间有最佳充填程度。

在制造过程中，加热石英玻璃还引起间接加热电极和缠绕件和相关热膨胀。在对放电腔进行密封及收缩电极和缠绕件于密封部分后，石英玻璃再次冷却。然而，电极和缠绕件的金属也受冷收缩，这样在收缩部分石英玻璃和缠绕件之间出现柔性界面，出现非常小的间隙。在灯工作时，柔性界面允许缠绕件径向朝外膨胀。

缠绕件内径和电极柱之间的间隙最好选择成，可使缠绕件沿着电极柱的移动不受抑制。在本发明一个优选实施例中，缠绕件内径D_inner选取的比电极柱直径D_e稍大些，这样电极柱和缠绕件之间有很小的间隙。间隙大小的下限由缠绕件安装在电极时产生的摩擦力来确定，摩擦力太大将造成缠绕件损坏。间隙大小的上限由保持销的高度确定，保持销的高度又取决于电极柱高度。缠绕件的二个端部可向内少许弯曲，以确保缠绕件不偏离电极柱以及电极柱周围维持小间隙，这样，缠绕件的材料能径向向内膨胀，而不会过度地压在电极柱的表面。

最佳的尺寸数值范围列出如下：

电极柱的直径D_e在100μm到1180μm之间较好，最好在250μm到500μm之间。

线圈金属丝直径D_w在15μm到500μm之间较好，最好在25μm到120μm之间。

线圈内径D_inner在112μm到1250μm之间较好，最好在268μm到378μm之间。

线圈节距在100到500之间较好，最好在110到175之间。

电极柱和缠绕件之间的间隙在5μm到200μm之间较好，最好在15μm到50μm之间。

保持销的高度大于电极柱直径与缠绕件内径之差并小于缠绕件厚度加上电极柱直径与缠绕件内径之差所得之和的1.5倍较好，最好是等于缠绕件厚度加上电极柱直径和缠绕件内径之差所得之和。

从下面参考附图进行的详细介绍，可清楚了解本发明的其目的和特征。但是，应该认识到，附图只是用于说明的目的，不能用于确定本发明范围。

附图说明

附图中，相同的标记表示相同的部件。

图1显示了根据本发明一个实施例的灯；

图2显示了根据本发明的实施例的电极柱、缠绕件和保持件的示例；

图3显示了根据本发明的实施例的电极柱、缠绕件和保持件；

图4显示了根据本发明的实施例的灯的石英玻璃收缩部分部分区域的纵向截面图。

为了清楚起见，附图中的部件尺寸不一定反映实际相关尺寸。

具体实施方式

图1显示了一种高强度金属卤化物放电灯，其类型可用于汽车前灯。灯1由石英玻璃制成，如上所述，将玻璃加热到熔融阶段，然后将熔融的玻璃模制成需要的形状。放电腔2模制成，然后充入某种气体混合物。在本实例中，填充物包括水银、压力点燃气体如氙或氩，和金属卤化物或盐，如碘化钠、碘化钪等，水银在加热到一定温度时，将发出强烈的白光辐射。金属卤化物的选择可影响到光的颜色，惰性气体在点燃期间电极柱6和7两端的电压差作用下电离，使得电极柱6和7之间产生光弧light arc，并将金属卤化物加热到气化点。

电极柱6和7设置在同一纵轴上，内端在放电腔内相互面对，而两个外端则封装在石英玻璃收缩部分4和5内。这样的电极柱6和7的直径范围最好在250μm到500μm。电极柱6和7的外端与钼箔片10和11相连接，钼箔片10和11又与导体12和13相连接。装有点燃装置的整流器(附图没有显示)通过导体12和13将电压加到电极柱6和7。

缠绕件8和9，是金属丝线圈，围绕电极柱6和7设置。线圈的厚度的数值最好是25μm到120μm，而线圈的内径最好在268μm到378μm之间。缠绕件8和9的横向移动将受到放置在电极柱6和7的设计位置的保持销P₁，P₂，P₃，P₄的限制。两个保持销P₁，P₂和两个保持销P₃，P₄分别在电极柱6和7的主体形成，这样，这些保持销设置在线圈8和9的两端之外，以抑制缠绕件8和9的横向移动。

图2显示了线圈8如何放置在电极柱6的保持销P₁，P₂之间。保持销P₁，P₂在电极柱6的主体上形成，其间距能使线圈8舒服地放置其中，线圈端部的间隙允许灯1工作时加热产生横向膨胀。保持销P₁，P₂的形成可通过具有专用脉冲波形和能量的激光束以直角照射电极柱6的主体，使得电极柱的材料软化，然后模制成需要的形状。

图3所示的是一种可供选择的结构，只有一个在电极柱6主体形成的保持销P₃。通过线圈8在电极柱的位置设置成其中心大体上位于保持销P₃，可自由地向保持销左边和右边横向膨胀。然而，保持销P₃抑制了缠绕件8有害的横向移动，使得线圈8不能沿着电极柱6的长度方向移动。

图4显示了冷却后收缩部分4的部分区域的纵向截面图。线圈8的金属收缩后离开线圈8各圈与收缩部分4石英玻璃之间的柔性界面。线圈8内径D_inner应比电极柱直径D_e稍微大些，这样线圈8和电极柱6之间留下空隙14。空隙的大小最好在15μm到50μm之间。在这个例子中，节距足够小以防止熔化的石英玻璃进入线圈8和电极柱6之间的空隙14，同时应大到足以使线圈8的各圈在灯工作时径向膨胀。最佳线圈节距值在100到175之间。

灯1工作时，如果电极柱6变热，热量部分传送到线圈8，线圈8可在横向和径向上自由膨胀。电极柱6在线圈8的区域也能径向膨胀，不会压住收缩部分4的石英玻璃。缠绕件8的各圈能朝着间隙14内电极柱6径向向内膨胀，同时间隙3内的缠绕件8的各圈朝着在收缩部分4的石英玻璃径向向外膨胀。

虽然通过优选实施例及其各种变形公开了本发明，但是，应认识到，可以对本发明进行许多另外的改进和改变而不会脱离本发明的范围。本发明的应力减小技术能应用到各种形式的发光灯。此外，任何种类的缠绕件，如线圈或金属箔，可设置在电极柱上保持销之间。

为了清楚起见，还应认识到，在整个专利申请文件中″a″or″an″(即一个)不排除多个，而comprising(即包括)不排除其它步骤或部件。

Claims (10)

1.一种发光灯(1)，包括：

放电腔(2)，包含密封部分(4、5)封入所述放电腔(2)中的气体；

一对电极柱(6、7)，其从所述密封部分(4、5)部分进入放电腔(2)；因此，至少部分位于所述密封部分(4、5)中的缠绕件(8、9)绕至少其中一个所述电极柱(6、7)自由缠绕，并通过沿所述电极柱(6、7)纵轴线设置的多个保持件(P1、P2、P3、P4)限制其移动。

2.根据权利要求1所述的发光灯，其特征在于，所述保持件包括多个保持销(P₁、P₂、P₃、P₄)，固定在沿所述电极柱(6、7)长度的某些位置。

3.根据权利要求1或2所述发光灯，其特征在于，所述保持销(P₁、P₂、P₃、P₄)模制在所述电极柱(6、7)的主体。

4.根据上述权利要求中任一项所述的发光灯，其特征在于，所述缠绕件(8、9)整个容纳于石英玻璃密封部分(4、5)。

5.根据上述权利要求中任一项所述的发光灯，其特征在于，所述缠绕件(8、9)和所述电极柱(6、7)之间存在小间隙。

6.一种制造灯的方法，所述灯包括密封部分(4、5)封闭的放电腔(2)和一对电极柱(6、7)，各电极柱从所述密封部分(4、5)部分进入所述放电腔(2)，其中，至少部分位于所述密封部分(4、5)中的缠绕件(8，9)可绕至少其中一个电极柱(6、7)缠绕，多个保持件(P₁、P₂、P₃、P₄)沿着所述电极柱(6、7)的纵轴线设置，以限制缠绕件(8，9)的移动。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述缠绕件(8，9)直接围绕电极柱(6、7)缠绕。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述缠绕件(8，9)先进行缠绕，然后设置在所述电极柱(6、7)上。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其中，所述保持件(P₁、P₂、P₃、P₄)在所述电极柱(6、7)的主体形成。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，使激光束射向所述电极柱(6、7)，使得所述电极柱(6、7)的材料在激光束与电极柱(6、7)的接触点软化或熔化，形成保持件(P₁、P₂、P₃、P₄)。

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