DE3537922C2

DE3537922C2 -

Info

Publication number: DE3537922C2
Application number: DE3537922A
Authority: DE
Inventors: Akira Yokohama Jp Kawakatsu; Yooji Chigasaki Kanagawa Jp Yuge; Noriyuki Yokohama Jp Hayama; Tokuyoshi Saito; Umio Ichihara Chiba Jp Maeda
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1984-10-24
Filing date: 1985-10-24
Publication date: 1993-02-25
Also published as: JPS61101949A; CA1244075A; KR890004641B1; DE3537922A1; CN85109082A; US4701663A; CN85109082B

Description

Die Erfindung betrifft eine Lampe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche Lampe kann selektiv Licht eines gewünschten Wellenlängenbereichs emittieren.

Bei einer bekannten Halogenlampe ist auf der Oberfläche des röhrenförmigen Kolbens ein Infrarotstrahlung reflektierender Film, der sichtbares Licht durchläßt, vorgesehen. Von dem durch den Glühfaden (im folgenden auch "Faden" genannt) emittierten Licht wird von dem reflektierenden Film Infrarotlicht reflektiert und zum Faden zurückgeschickt. Auf diese Weise erwärmt das zurückgeschickte Infrarotlicht den Faden, wodurch der Emissionsgrad verbessert wird. Gleichzeitig wird die Menge des aus der Lampe heraus emittierten Infrarotlichts verringert.

Ein solcher, Infrarotstrahlung reflektierender Film ist schichtförmig aus einer einen niedrigen Brechungsindex aufweisenden Schicht aus Siliziumdioxid (SiO₂) und dergl. und einer einen hohen Brechungsindex aufweisenden Schicht aus Titanoxid (TiO₂) und dergl. gebildet. Der Film kann aufgrund einer Lichtinterferenz, insbesondere durch Steuern der Dicke jeder Schicht, selektiv Licht einer gewünschten Wellenlänge durchlassen oder reflektieren. Ein derartiger Film wird als Lichtinterferenzfilm bezeichnet.

Bei einer üblichen Lampe dieser Art kann es bei längerdauerndem Betrieb zu einem Reißen oder einer Ablösung des Lichtinterferenzfilms kommen. Diese Erscheinung tritt insbesondere bei Halogenlampen hoher Betriebstemperatur und Glühlampen, die in aufeinanderfolgenden kurzzeitigen Ansteuerintervallen betrieben werden, auf.

Aus der JP-OS 57-1 24 301 ist zur Lösung dieses Problems ein Film bekannt, der durch abwechselndes Aufeinanderschichten einer einen niedrigen Brechungsindex aufweisenden Schicht aus Siliziumdioxid und einer einen hohen Brechungsindex aufweisenden Schicht aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), Zirkoniumoxid (ZrO₂) und/oder Titanoxid gebildet ist. Der einen niedrigen Brechungsindex aufweisenden Siliziumdioxidschicht ist Zinn und/oder Zirkonium einverleibt.

Wird ein derartiger Lichtinterferenzfilm auf eine Halogenlampe mit einem Kolben aus Hartglas, z. B. Quarz- oder Borsilikatglas aufgebracht, ist bei häufigen An- und Abschaltvorgängen oder bei längerdauerndem Betrieb eine Rißbildung im Lichtinterferenzfilm oder eine Ablösung desselben feststellbar. Wird ein Lichtinterferenzfilm dieses Typs bei einer derartigen Lampe benutzt, erreicht man kein akzeptables Leistungsvermögen.

Aus der JP-OS 57-1 61 809 ist ein dreischichtiger TiO₂/SiO₂/TiO₂-Film zur Verwendung in einem Reflektor, einem dekorativen Farbglas, einem Spiegel oder einem Filter bekannt. Ferner ist aus dieser Literaturstelle die Mitverwendung von Phosphorpentoxid in einer Menge von 0,5-3 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des SiO₂, bekannt. Wird jedoch ein derartiger dreischichtiger Film in einer Lampe der beschriebenen Art benutzt, erreicht man keine akzeptable Lichtinterferenzwirkung, d. h. das Reflexionsvermögen für Infrarotlicht ist schwach. Schließlich vermag dieser dreischichtige Film die geschilderten Probleme nicht zu lösen.

Aus der DE-OS 32 27 096 ist eine Lampe der eingangs genannten Art mit einem Glaskolben und einem darin eingesiegelten Faden bekannt, bei der auf der Außenfläche des Kolbens ein aus zahlreichen Schichten bestehender Lichtinterferenzfilm vorgesehen ist, der durch abwechselndes Aufeinanderschichten von Siliziumdioxidschichten und Tantalpentoxidschichten erhalten ist. Damit soll eine Lampe geschaffen werden, die insbesondere an Hochtemperaturbedingungen angepaßt ist.

Aus der AT-PS 1 69 192 ist ein Verfahren zur Erzeugung einer Überzugsschicht aus feinkörnigen Pulverstoffen auf den Glasgefäßen elektrischer Lampen und dergleichen bekannt, wobei die Glaswandung mit einer die feinkörnigen Pulverstoffe enthaltenden Suspension beschlämmt und nach dem Ablaufen der überschüssigen Suspension die zurückbleibende Überzugsschicht getrocknet wird. Die Suspension besteht aus einer kolloidalen Lösung, der noch zusätzliche Stoffe, wie beispielsweise Spiritus, Borsäure, Phosphorsäure oder Alkalisalze zugemischt sind, die die erforderliche Viskosität der Suspension länger aufrechterhalten bzw. die Ausbildung eines dünnen und gleichmäßig gut haftenden Überzuges begünstigen.

Weiterhin ist aus der DE-AS 23 63 812 ein thermisch hochbelastbarer Lampenkolben bekannt, der einen lichtundurchlässigen Überzug aufweist, welcher aus einer Suspension hergestellt ist, die eine spezielle Zusammensetzung mit Borsilikatglas als ein Bestandteil hat.

Aus der AT-PS 1 93 016 ist eine elektrische Glühlampe bekannt, bei der lichtstreuendes Material aus in Wasser unlöslichem Erdalkaliphosphat besteht.

Schließlich ist in der US-PS 41 79 181 ein infrarotlicht-reflektierender Gegenstand beschrieben, bei dem jeweils Silberschichten zwischen dielektrischen Schichten gelagert sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lampe mit Lichtinterferenzfilm hohen Lichtinterferenzgrades und Infrarotlichtreflexionsvermögens, der auch bei häufigen An- und Abschaltvorgängen oder bei längerer Betriebsdauer weder reißt noch sich ablöst, bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird bei einer Lampe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil enthaltenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 4.

Bei einem Versuch, die oben geschilderten Schwierigkeiten zu lösen, wurden umfangreiche Untersuchungen darüber angestellt, welche Zusätze man Siliziumdioxid einverleiben kann, um den Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen üblichen Schichten mit niedrigem und hohem Brechungsindex zu vermindern. Dies geschah insbesondere auch im Hinblick darauf, daß die Volumenschrumpfung bei thermischer Zersetzung einer organischen Siliziumverbindung beträchtlich ist und daß die üblichen Schichten mit niedrigem oder hohem Brechungsindex deutlich unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Es hat sich nun überraschenderweise gezeigt, daß man die gewünschte Wirkung mit Phosphorpentoxid und/oder Bortrioxidzusätzen zu Siliziumdioxid erreicht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Lampe gemäß der Erfindung und

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen bei der erfindungsgemäßen Lampe vorgesehenen Lichtinterferenzfilm.

Die in Fig. 1 dargestellte kleine Halogenlampe besitzt einen röhrenförmigen Kolben 1 aus hitzebeständigem, durchsichtigem Glas, z. B. durchsichtigem Quarzglas. Ein Ende 3 des Kolbens 1 ist versiegelt. In das versiegelte Ende 3 sind Molybdänleiterfolien 4a und 4b eingelassen und mit Innenleitungen 5a und 5b verbunden. Zwischen den Innenleitungen 5a und 5b ist im Zentrum des Kolbens 1 eine Wolframwendel 6 vorgesehen. Am versiegelten Ende 3 ist schließlich eine Fassung 7 befestigt. Der Kolben 1 ist mit einem Inertgas, z. B. gasförmigem Argon, oder einem gasförmigen Halogen gefüllt.

Auf der Außenseite des Kolbens 1 ist als Lichtinterferenzfilm ein sichtbares Licht durchlassender und Infrarotstrahlung reflektierender Film vorgesehen. Der Film 2 besteht aus mindestens fünf Schichten, beispielsweise neun bis dreizehn Schichten, wobei abwechselnd eine einen hohen Brechungsindex aufweisende Schicht 21 und eine einen niedrigen Brechungsindex aufweisende Schicht 22 aufeinandergeschichtet sind. Die unterste Schicht des Films 2 besteht ebenso wie dessen oberste Schicht aus einer einen hohen Brechungsindex aufweisenden Schicht 21. Die Schicht 21 enthält mindestens ein Metalloxid mit hohem Brechungsindex, z. B. Titanoxid, Tantaloxid oder Zirkonoxid. Die Schicht 22 besteht aus Siliziumdioxid und enthält eine gegebene Menge Phosphor und/oder Bor. Der Film 2 läßt sichtbares Licht durch und reflektiert durch Lichtinterferenz Infrarotlicht. Beträgt die Anzahl der Schichten im Film 2 weniger als 5, erreicht man keine akzeptable Lichtinterferenz, d. h. die Reflexion von Infrarotlicht ist schlecht, so daß man keine qualitativ hochwertige Lampe erhält.

Die Schichten 21 und 22 besitzen normalerweise eine optische Dicke von 0,2-0,4 µm.

Die Zusatzmenge an Phosphor und/oder Bor in der Schicht 22 beträgt etwa 3-20 Gew.-%, ausgedrückt als Phosphorpentoxid (P₂O₅) und/oder Bortrioxid (B₂O₃), d. h. die Menge an Phosphor ist auf P₂O₅, die Menge an Bor auf B₂O₃ berechnet. Wenn die Zusatzmenge unterhalb von 3 Gew.-% liegt und der Film 2 mehr als fünf Schichten umfaßt, kommt es bei wiederholten An- und Abschaltzyklen oder bei langdauerndem Betrieb zu einem Reißen oder Ablösen des Films 2. Bei einer Erhöhung der Zusatzmenge steigt auch der Brechungsindex der einen niedrigen Brechungsindex aufweisenden Schichten 22, wobei man die Anzahl der Schichten des Films 2 erhöhen muß, um die gewünschte Wirkung zu erreichen. Wird die Zusatzmenge über 20 Gew.-% erhöht, erhöht sich auch der Brechungsindex von Siliziumdioxid in unangemessener Weise (über 1,500). Hierbei erhält man dann keine Lichtinterferenzwirkung mehr. Zusätzlich ist der gebildete Film ungleichmäßig. Die bevorzugte Zusatzmenge beträgt 5-10 Gew.-%.

Im folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung des Lichtinterferenzfilms 2 anhand eines Films, bei dem die einen hohen Brechungsindex aufweisenden Schichten aus Titanoxid bestehen, näher erläutert. Zunächst wird ein Titanalkoxid, beispielsweise Tetraisopropoxytitan oder Tetramethoxytitan, in einem alkoholischen Lösungsmittel, z. B. Ethanol, gelöst, worauf ein Kolben 1 in die erhaltene Lösung eingetaucht wird. Nach dem Herausziehen des Kolbens 1 mit konstanter Geschwindigkeit, beispielsweise 20-30 cm/min, wird er getrocknet und etwa 10 min lang an Luft bei einer Temperatur von etwa 500°C bis 600°C gebrannt. Beim Brennen zersetzt sich das Titanalkoxid zu Titanoxid unter Bildung einer einen hohen Brechungsindex aufweisenden Schicht 21. Danach wird ein Tetraalkoxysilan, z. B. Tetraethoxysilan oder Tetramethoxysilan, in einem alkoholischen Lösungsmittel, z. B. Ethanol, gelöst und zur Bildung einer Tetraalkoxysilankondensatlösung einer Siliziumkonzentration (ausgedrückt aus SiO₂-Konzentration) von beispielsweise 5,0 Gew.-% reagieren gelassen. Schließlich wird der Lösung eine Phosphor- und/oder Borverbindung in einer Menge entsprechend dem angegebenen Mengenbereich einverleibt. Als Phosphorverbindung wird Phosphorpentoxid und als Borverbindung wird Bortrioxid verwendet. In die erhaltene Lösung wird danach der bereits eine einen hohen Brechungsindex aufweisende Schicht 21 enthaltende Kolben 1 eingetaucht. Nach dem Herausziehen des Kolbens 1 mit konstanter Geschwindigkeit, z. B. 30-40 cm/min, wird er getrocknet und etwa 10 min lang an Luft bei einer Temperatur von etwa 500°C bis 600°C gebrannt. Hierbei bildet sich auf der Schicht 21 eine Phosphor und/oder Bor enthaltende und aus Siliziumdioxid bestehende, einen niedrigen Brechungsindex aufweisende Schicht 22. Zur Herstellung des Films 2 werden die geschilderten Maßnahmen mehrmals wiederholt.

Das folgende Beispiel soll die Erfindung näher veranschaulichen.

Beispiel

Zunächst werden mehrere in Fig. 1 dargestellte Halogenlampen hergestellt. Danach werden in der im folgenden geschilderten Weise auf die Lampen Filme mit hohem Brechungsindex aufgebracht. Zu diesem Zweck wird zunächst als Titanverbindung Tetraisopropoxytitan in Ethanol in einer Konzentration von 3% gelöst, worauf in die erhaltene Lösung der Kolben 1 (der Halogenlampen) eingetaucht wird. Nach dem Herausziehen des Kolbens 1 mit konstanter Geschwindigkeit von 25 cm/min wird er getrocknet und dann etwa 10 min lang bei einer Temperatur von etwa 500-600°C gebrannt. Die verschiedenen, einen niedrigen Brechungsindex aufweisenden Schichten werden in der folgenden beschriebenen Weise gebildet. Zunächst wird in Ethanol ein Tetraethoxysilan gelöst und zur Herstellung einer Lösung von kondensiertem Tetraethoxysilan mit 5% Silizium (ausgedrückt als SiO₂) reagieren gelassen. In der erhaltenen Lösung werden in unterschiedlichen Konzentrationen die in der folgenden Tabelle angegebenen Zusätze gelöst. Nach dem Eintauchen der Kolben 1 in die Lösung werden die Kolben 1 mit konstanter Geschwindigkeit von 35 cm/min aus der jeweiligen Lösung herausgezogen, getrocknet und dann etwa 10 min lang an Luft bei einer Temperatur von etwa 500-600°C gebrannt. Die verschiedenen Verfahrensmaßnahmen werden zur Herstellung des jeweiligen Films 2 abwechselnd wiederholt. Zur Bewertung wird die Gesamtzahl an einen hohen bzw. einen niedrigen Brechungsindex aufweisenden Schichten des Films, bei denen während des Betriebs der Lampe eine Rißbildung oder ein Ablösen erfolgt, ermittelt. Die Ergebnisse finden sich in der folgenden Tabelle.

Tabelle

Die Zusatzmengen errechnen sich nach folgender Gleichung aus den Mengen P₂O₅, B₂O₃ und SiO₂:

Zusatzmenge (in Gew.-%)=(P₂O₅+B₂O₃) : (SiO₂+P₂O₅+B₂O₃)

Die Anzahl an Schichten bedeutet die Gesamtzahl an Schichten 21 und 22.

Aus der Tabelle geht hervor, daß der Lichtinterferenzfilm 2 kaum reißt bzw. sich kaum ablöst. Insbesondere dann, wenn die Menge an zugesetztem Phosphor und/oder Bor 3,0 Gew.-% übersteigt, läßt sich die Anzahl der Schichten ohne Rißbildung oder Ablösung beträchtlich steigern, so daß man die gewünschte optische Wirkung bei ausreichender Anzahl an Schichten erreicht. Wenn jedoch die Menge an Phosphor oder Bor steigt, erhöht sich auch der Brechungsindex, so daß man die Anzahl an Schichten erhöhen muß. Wenn die Zusatzmenge 20,0 Gew.-% übersteigt, übersteigt der Brechungsindex 1,500. Derartige Filme sind aus optischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten unerwünscht. Darüber hinaus wird der Film hierbei ungleichmäßig.

Bei einem Versuch wird ein Gemisch aus Phosphor und Bor verwendet. In diesem Falle muß auch die Gesamtmenge an Phosphor und Bor im Bereich von 3-20 Gew.-% liegen. Es wurde experimentell bestätigt, daß die einen hohen Brechungsindex aufweisende Schicht 21 aus Tantaloxid oder Zirkonoxid oder einem Gemisch aus mehr als zwei der Verbindungen Titanoxid, Tantaloxid und Zirkonoxid bestehen kann. Auch in diesem Fall muß die Gesamtmenge an zugesetztem Phosphor und/oder Bor im Bereich von 3-20 Gew.-% liegen. Den Lichtinterferenzfilm kann man, außer in der geschilderten Weise, auch beispielsweise durch Vakuumbedampfen herstellen. Darüber hinaus können als Ausgangsmaterialien auch noch andere als die genannten Phosphor- oder Borverbindungen verwendet werden.

Bei einer erfindungsgemäßen Lampe ist auf der Innen- oder Außenseite des Lampenkolbens ein abwechselnd aus Schichten hohen und niedrigen Brechungsindex gebildeter Lichtinterferenzfilm vorgesehen. Jede einen niedrigen Brechungsindex aufweisende Schicht besteht aus Siliziumdioxid und enthält als Zusatz Phosphor und/oder Bor. Selbst dann, wenn der Lichtinterferenzfilm aus einer größeren Anzahl von Schichten besteht, kommt es weder zu einem Reißen noch zu einer Ablösung des Films.

Claims

1. Lampe mit einem Glaskolben (1), in den ein Glühfaden (6) eingesiegelt ist, und mit einem auf der Oberfläche des Glaskolbens (1) ausgebildeten Lichtinterferenzfilm (2) aus mindestens fünf Schichten, wobei der Lichtinterferenzfilm (2) durch abwechselndes Aufeinanderschichten einer einen Zusatz aufweisenden und aus Siliziumdioxid bestehenden Schicht (22) eines niedrigen Brechungsindex und einer Schicht (21) eines hohen Brechungsindex, der höher ist als der Brechungsindex der einen niedrigen Brechungsindex aufweisenden Schicht (22), gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Schicht (22) des niedrigen Brechungsindex enthaltene Zusatz aus Phosphorpentoxid und/oder Bortrioxid besteht und die Gesamtmenge an Phosphorpentoxid und/oder Bortrioxid etwa 3-20 Gew.-% beträgt.

2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der einen niedrigen Brechungsindex aufweisenden Schichten (22) 5-10 Gew.-% an Zusatz enthält.

3. Lampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der einen hohen Brechungsindex aufweisenden Schichten (21) Titanoxid, Tantaloxid und/oder Zirkonoxid enthält.

4. Lampe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtinterferenzfilm (2) auf der Außenseite des Kolbens (1) vorgesehen ist.