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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft eine Entladungslampe vom Kurzbogentyp, die für eine Lichtquelle
in Anwendungen wie Projektoren, Belichtung oder Halbleiter, Ultravioletthärtung usw.
verwendet wird.
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Beschreibung des Stands der Technik
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Kurzbogen-Entladungslampen
wurden zum Beispiel als Lichtquellen in Lichtquellenvorrichtungen wie
z. B. Projektoren oder anderen Lichtprojektionsvorrichtungen verwendet.
In solchen Kurzbogen-Entladungslampen waren eine Kathode und eine
Anode einander gegenüberliegend
in einem Kolben aus Quarzglas angeordnet, in dem zum Beispiel Xenongas
eingeschlossen war.
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5 ist
eine erklärende
Querschnittszeichnung, die ein Beispiel einer herkömmlichen
Kurzbogen-Entladungslampe zeigt. Der Kolben 30 dieser Kurzbogen-Entladungslampe
umfasst ein lichtemittierendes Rohr 31, an dem an jeder
Seite ein sich nach außen
erstreckendes Versiegelungsrohr 32 angebracht ist. Ein
verengter Abschnitt 32a, der ein Teil des Versiegelungsrohrs 32 ist,
ist dort gebildet, wo das Versiegelungsrohr 32 an das lichtemittierende Rohr 31 anschließt.
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In
dem lichtemittierenden Rohr 31 sind eine Kathode 33 und
eine Anode 34 einander gegenüberliegend angeordnet. Die
Kathode 33 und die Anode 34 sind jeweils am Ende
eines Elektrodenstabs montiert, der durch ein Manschettenmaterial 35 aus
zum Beispiel Quarzglas verläuft
und durch das Versiegelungsrohr 32 nach außen vorspringt.
Es wird ein Luftabschluss 37 gebildet, indem das Ende des
Versiegelungsrohrs 32 mit dem Elektrodenstab 35 verschmolzen
wird. Das Manschettenmaterial 36 wird an seinem Platz befestigt,
indem es mit dem verengten Abschnitt 32a zu einem einzigen
Teil verschmolzen wird. Auf diese Weise wird der Elektrodenstab 35 durch
das Manschettenmaterial 36 und das Ende des Versiegelungsrohrs 32 an
seinem Platz gehalten.
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6 ist
eine erklärende
Querschnittszeichnung eines Schlüsselteils
der in 5 dargestellten Kurzbogen-Entladungslampe. Eine
herabhängende Rippe 38,
die gebildet wird, wenn der verengte Abschnitt 32a des
Versiegelungsrohrs 32 gebildet wird, erstreckt sich um
den gesamten inneren Umfang des Versiegelungsrohrs 32 in
der Nähe
des Endes des Manschettenmaterials 36, das sich in nächster Nähe des lichtemittierenden
Rohrs 31 befindet. Auf diese Weise wird zwischen der herabhängenden
Rippe 38 und dem Ende des Manschettenmaterials 36,
das sich in nächster
Nähe des
lichtemittierenden Rohrs 31 befindet, ein keilförmiger Raum 39 gebildet.
Der verengte Abschnitt 32a des Versiegelungsrohrs 32 wird
gebildet, indem der Durchmesser des Versiegelungsrohrs 32 reduziert
wird, indem ein Teil des äußeren Umfangs
des Versiegelungsrohrs 32 erhitzt wird, während der
Druck innerhalb des Kolbens zum Beispiel auf einen Wert zwischen
0,1 und 0,01 Pa (1 × 10–3 und
1 × 10–4 Torr)
gesenkt wird.
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Das
Dokument
US 4,038,578 ,
das als Stand der Technik betrachtet wird, der der Erfindung am nächsten ist,
offenbart ein anderes Beispiel einer Kurzbogen-Entladungslampe,
wobei die Elektrodenstäbe
durch ein keramisches Manschettenmaterial getragen werden, das durch
einen keilförmigen Raum
an seinem Platz gehalten wird, der in dem Versiegelungsrohr an dem
Ende des Manschettenmaterials gebildet ist, das vom lichtemittierenden
Rohr beabstandet ist.
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In
den letzen Jahren entstand jedoch der Bedarf nach stärkerer Emissionskraft
bei diesen Kurzbogen-Entladungslampen. Um diesen Bedarf zu decken,
wurde es notwendig, die in dem lichtemittierenden Rohr 31 eingeschlossene
Gasmenge zu erhöhen,
was zu folgendem Problem führte:
Wenn die Gasmenge erhöht
wird, die in dem lichtemittierenden Rohr 31 dieses Typs
von Kurzbogen-Entladungslampe eingeschlossen ist, steigt der Druck
des in dem lichtemittierenden Rohr 31 eingeschlossenen
Gases auf etwa 1 MPa (7.500 Torr) oder mehr, wenn die Lampe eingeschaltet
wird. Das Manschettenmaterial 36 und der verengte Abschnitt 32a sind
zu einem einzigen Teil verschmolzen, so dass sich die Belastung auf
den keilförmigen
Raum 39 konzentriert und Risse in dem verengten Abschnitt 32a entstehen.
Wenn die Lampe wiederholt ein- und ausgeschaltet wird, schreitet
die Rissbildung fort, bis das Versiegelungsrohr 32 schließlich bricht.
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Um
die auf diese Weise entstehende Rissbildung in dem Versiegelungsrohr 32 zu
verhindern, wurde vorgeschlagen, das Manschettenmaterial 36 an
seinem Platz zu fixieren, während
der verengte Abschnitt 32a des Versiegelungsrohrs 32 und
das Manschettenmaterial 36 daran gehindert werden, zu einem
einzigen Teil zu verschmelzen, indem eine Molybdänfolie zwischen dem Manschettenmaterial 36 und
dem verengten Abschnitt 32a angeordnet wird. Es hat sich
jedoch herausgestellt, dass es auch mit einer solchen Konstruktion
nicht möglich
ist, das oben beschriebene Problem vollständig zu beseitigen, und dass
dennoch manchmal Risse in dem verengten Abschnitt entstehen, wenn
die Lampe wiederholt ein- und ausgeschaltet wird.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Diese
Erfindung wurde als Ergebnis langfristiger Forschungsarbeiten entwickelt,
deren Ziel es war, die Ursachen des oben beschriebenen Problems
zu verstehen. Ihr Zweck ist es, das Entstehen von Rissen im Versiegelungsrohr
zuverlässig
zu verhindern und auf diese Weise eine Kurzbogen-Entladungslampe
mit einer langen Lebensdauer zu schaffen.
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Die
Kurzbogen-Entladungslampe gemäß dieser
Erfindung weist einen Kolben auf, der ein lichtemittierendes Rohr
und Versiegelungsrohre umfasst, die mit beiden Seiten des lichtemittierenden Rohrs
verbunden sind, wobei eine Anode und eine Kathode einander gegenüberliegend
im lichtemittierenden Rohr angeordnet sind, wobei die Anode und die
Kathode an den Enden von Elektrodenstäben angeordnet sind, die das
Manschettenmaterial durchdringen, das von den Versiegelungsrohren
gehalten wird, wobei in dieser Kurzbogen-Entladungslampe eine Molybdänfolie zwischen
dem Manschettenmaterial und dem Versiegelungsrohr angeordnet ist,
wobei die äußere Oberfläche der
Molybdänfolie,
die dem Versiegelungsrohr gegenüberliegt,
einer Oberflächenbehandlung
mit einem Metall mit hohem Schmelzpunkt unterzogen wurde, das oxidationsbeständig ist.
Das Metall mit hohem Schmelzpunkt wird vorzugsweise aus Wolfram,
Rhenium, Tantal, Rhodium und Platin gewählt.
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Bei
der oben beschriebenen Anordnung ist die Molybdänfolie zwischen dem Manschettenmaterial
und dem Versiegelungsrohr angeordnet, und die äußere Oberfläche der Molybdänfolie,
die dem Versiegelungsrohr gegenüberliegt,
wurde einer Oberflächenbehandlung
mit einem Metall mit hohem Schmelzpunkt und Oxidationsbeständigkeit
unterzogen. Dadurch verschmilzt die Molybdänfolie nicht mit dem Versiegelungsrohr,
und es ist möglich,
das Entstehen von Rissen in dem Versiegelungsrohr zu verhindern,
wodurch es möglich
ist, eine Kurzbogen-Entladungslampe
mit langer Lebensdauer zu erzielen.
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Diese
und weitere Zwecke, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden aus der folgenden Beschreibung ersichtlich, wenn diese in Verbindung
mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird, die nur zu Illustrationszwecken
eine einzige Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Kurzbogen-Entladungslampe gemäß dieser
Erfindung;
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2 ist
eine Querschnittsansicht eines Schlüsselteils der in 1 dargestellten
Kurzbogen-Entladungslampe;
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3 ist
eine vergrößerte Zeichnung
des Bereiches, der in 2 mit einer gestrichelten Linie umschlossen
ist; und
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4 ist
ein Querschnitt entlang der Linie A-A in 2.
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Genaue Beschreibung der Ausführungsformen
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Der
Kolben 10 der Kurzbogen-Entladungslampe dieser Ausführungsform
ist aus Quarzglas gebildet und umfasst ein ellipsoidisches lichtemittierendes
Rohr 11 und zylindrische Versiegelungsrohre 11, die
mit entgegengesetzten Enden des lichtemittierenden Rohrs 11 verbunden
sind und sich von diesen nach außen erstrecken. Ein verengter
Abschnitt 12a ist an jedem Versiegelungsrohr 12 in
der Nähe
jenes Bereichs vorgesehen, wo das Versiegelungsrohr 12 an
das lichtemittierende Rohr 11 anschließt.
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Eine
Kathode 13 und eine Anode 14 sind einander gegenüberliegend
in dem lichtemittierenden Rohr 11 des Kolbens 10 angeordnet.
Die Kathode 13 und die Anode 14 sind jeweils am
Ende eines Elektrodenstabs 15 befestigt und werden von
diesem an ihrem Platz gehalten, wobei der Stab zum Beispiel aus
einem Wolframstab gebildet ist.
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Der
Elektrodenstab 15 erstreckt sich entlang der Mittelachse
des Versiegelungsrohrs 12, wobei sich sein hinteres Ende
aus dem Versiegelungsrohr 12 heraus erstreckt. Am äußeren Ende
des Versiegelungsrohrs 12 wird ein Luftabschluss 17 gebildet,
indem das Versiegelungsrohr 12 mit dem Elektrodenstab 15 verschmolzen
wird.
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Ein
Inertgas wie z. B. Xenon, Argon oder Krypton ist in dem lichtemittierenden
Rohr 11 des Kolbens 10 allein oder in Kombination
eingeschlossen, und wenn notwendig ist auch eine lichtemittierende
Substanz wie z. B. Quecksilber eingeschlossen. Der Druck des eingeschlossenen
Gases beträgt mindestens
0,2 MPa (1.500 Torr), wenn die Lampe eingeschaltet wird, und vorzugsweise
2 MPa (15.000 Torr) oder mehr.
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Ein
Manschettenmaterial 16 aus Quarzglas ist in dem Versiegelungsrohr 12 angeordnet.
Es ist mit einer Durchgangsbohrung 19 versehen, die dem äußeren Durchmesser
des Elektrodenstabs 15 entspricht, wobei der Elektrodenstab 15 durch
sie hindurchgeht. Dieses Manschettenmaterial 16 wird durch
eine herabhängende
Rippe 21 (3), die einen keilförmigen Raum 22 bildet,
an seinem Platz in dem verengten Abschnitt 12a des Versiegelungsrohrs 12 gehalten.
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Eine
Molybdänfolie 18 ist
zwischen dem äußeren Umfang
des Manschettenmaterials 16 und dem verengten Abschnitt 12a des
Versiegelungsrohrs 12 angeordnet, wobei sie an dem äußeren Umfang
des Manschettenmaterials 16 befestigt sein kann. Die Außenfläche dieser
Molybdänfolie 18,
die in Kontakt mit der Innenfläche
des verengten Abschnitts 12a des Versiegelungsrohrs 12 ist,
weist einen dünnen
Film 20 auf, der durch Oberflächenbehandlung mit einem oxidationsbeständigen Metall
mit hohem Schmelzpunkt gebildet wurde. Die Dicke des dünnen Films 20,
der an der Oberfläche
der Molybdänfolie 18 gebildet
ist, beträgt
vorzugsweise zwischen 0,1 und 4 μm,
und die Dicke der Folie selbst beträgt vorzugsweise 20 μm oder weniger.
Wenn die Dicke der Folie mehr als 20 μm beträgt, wird die Molybdänfolie 18 übermäßig steif,
und es kommt zu einem Zurückfedern,
wenn die Folie um den äußeren Umfang
des Manschettenmaterials 16 gewickelt wird, was die Anwendung
der Folie schwierig macht.
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Metalle
wie Wolfram, Rhenium, Tantal, Rhodium oder Platin sind spezifische
Beispiele für
oxidationsbeständige
Metalle mit hohem Schmelzpunkt, die für die Oberflächenbehandlung
der Molybdänfolie 18 verwendet
werden können.
Das Verfahren zur Oberflächenbehandlung
der Molybdänfolie 18 kann zum
Beispiel Galvanisierung, Bedampfung oder Flammspritzen sein.
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Bei
einer wie oben beschrieben aufgebauten Kurzbogen-Entladungslampe
ist die Molybdänfolie 18 zwischen
dem Manschettenmaterial 16 und dem verengten Abschnitt 12a des
Versiegelungsrohrs 12 angeordnet, und die Außenfläche der
Molybdänfolie 18,
die in Kontakt mit der Innenfläche
des verengten Abschnitts 12a des Versiegelungsrohrs 12 ist,
wurde mit einem oxidationsbeständigen
Metall mit hohem Schmelzpunkt oberflächenbehandelt. Dadurch entstehen
keine Risse in dem verengten Abschnitt 12a, selbst wenn
der Druck des in dem lichtemittierenden Rohr 11 eingeschlossenen
Gases hoch ist.
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Der
Grund dafür
liegt vermutlich darin, dass aufgrund der Tatsache, dass die Molybdänfolie 18 mit einem
oxidationsbeständigen
Metall mit hohem Schmelzpunkt oberflächenbehandelt wurde, keine Oxidationsprodukte
von Molybdän
gebildet werden, und wenn der verengte Abschnitt 12a des
Versiegelungsrohrs 12 gebildet wird, wird die Molybdänfolie 18 daran
gehindert, mit dem Versiegelungsrohr 12 zu verschmelzen.
Daher entsteht nicht die große
Beanspruchung, die von der Verschmelzung der Molybdänfolie 18 und
dem Versiegelungsrohr 12 herrührt, wodurch die Entstehung
von Rissen in dem verengten Abschnitt 12a zuverlässig verhindert
werden kann.
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In
anderen Worten wird bezüglich
der Entladungslampen, bei denen eine Molybdänfolie, die keiner Oberflächenbehandlung
unterzogen wurde, zwischen dem Manschettenmaterial 16 und
dem Versiegelungsrohr 12 angeordnet ist, Folgendes vermutet: Wenn
das Versiegelungsrohr 12 erhitzt wird, um den verengten
Abschnitt 12a zu bilden, verschmilzt das Quarzglas des
Versiegelungsrohrs 12 mit der Außenfläche der Molybdänfolie 18,
da sich Oxide auf der Außenfläche der
Molybdänfolie 18 bilden,
was dazu führt,
dass eine erhebliche Restspannung entsteht, wenn der verengte Abschnitt 12a abkühlt, so
dass sich Risse in dem verengten Abschnitt 12a bilden.
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Da
die Molybdänfolie 18 mit
einem oxidationsbeständigen
Metall mit hohem Schmelzpunkt oberflächenbehandelt wurde, bilden
sich darüber
hinaus keine Oxidationsprodukte von Molybdän an der Oberfläche der
Molybdänfolie 18,
und selbst wenn sich Oxidationsprodukte des Metalls mit hohem Schmelzpunkt
bilden, so haben diese Oxidationsprodukte eine geringe Affinität gegenüber dem
Quarzglas des verengten Abschnitts 12a. Daher verschmilzt
die Molybdänfolie 18 nicht
mit dem verengten Abschnitt 12a.
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Wie
dies oben erklärt
wurde, wird bei der Kurzbogen-Entladungslampe gemäß dieser
Erfindung die Dichtungsstruktur nicht beschädigt, selbst wenn der Druck
des eingeschlossenen Gases beim Einschalteten der Lampe hoch ist,
wodurch die Lampe eine lange Lebensdauer aufweist. Dieser Effekt
ist besonders bedeutend in Entladungslampen, bei denen der Druck
des eingeschlossenen Gases 2 MPa (15.000 Torr) oder mehr beträgt, wenn
die Lampe eingeschaltet wird.
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Somit
ist es möglich,
Kurzbogen-Entladungslampen mit hoher Emissionskraft zu schaffen. Im
Folgenden wird ein Versuchsbeispiel dieser Erfindung beschrieben.
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Versuchsbeispiel 1
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Es
wurde eine Xenon-Kurzbogen-Entladungslampe mit einer Nennleistung
von 2 kW gemäß dem Aufbau
von 1 hergestellt. Der Kolben 10 dieser Entladungslampe
wies einen maximalen Außendurchmesser
von 42 mm und ein Innenvolumen von 53 cm3 auf;
das Versiegelungsrohr 12 wies einen Außendurchmesser von 22,5 mm,
einen Innendurchmesser von 17,5 mm und eine Länge von 40 mm auf; der verengte
Abschnitt 12a wies einen Außendurchmesser von 20 mm, einen
Innendurchmesser von 12 mm und eine Länge von 30 mm auf.
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Der
Elektrodenstab 15 war ein Wolframstab mit einem Durchmesser
von 4 mm. Die Kathode 13 wies einen maximalen Außendurchmesser
von 8,0 mm und eine Länge
von 9,0 mm auf. Die Anode 14 wies einen maximalen Außendurchmesser
von 10,3 mm und eine Länge
von 12 mm auf. Der Zwischenraum zwischen der Katode 13 und
der Anode 14 betrug 3,5 mm. Xenongas mit 2 MPa (15.000
Torr) wurde in dem Kolben 10 eingeschlossen. Das Manschettenmaterial 16 war
Quarzglas mit einem Außendurchmesser
von 12 mm, einem Innendurchmesser von 6 mm und einer Länge von
30 mm. Die Molybdänfolie 18 war
15 μm dick,
und eine Oberfläche
wurde mit Rhodium galvanisiert, um einen dünnen Film mit einer Dicke von
0,5 μm zu
bilden; sie wurde im Ausmaß von
1,5 Windungen um den äußeren Umfang
des Manschettenmaterials 16 gewickelt.
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Es
wurden zehn Entladungslampen auf diese Weise hergestellt und getestet,
indem sie ein- und ausgeschaltet
wurden. Auch nach einer Betriebszeit von zusammengerechnet 3.000
Stunden entstanden keine Risse in dem verengten Abschnitt 12a.
Es wurde bestätigt,
dass die Lampe eine lange Lebensdauer aufweist und eine stabile
Emission gewährleistet.
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Vergleichsbeispiel 1
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Es
wurden Xenon-Kurzbogen-Entladungslampen auf die gleiche Weise wie
im Versuchsbeispiel 1 hergestellt, mit Ausnahme der Tatsache, dass die
Molybdänfolie
keiner Oberflächenbehandlung
mit Rhodium unterzogen wurde. Die zehn auf diese Weise hergestellten
Entladungslampen wurden auf die gleiche Weise wie im Versuchsbeispiel
1 getestet. Nach einer Betriebsdauer von zusammengerechnet etwa
2.000 Stunden wurde bestätigt,
dass in sieben der Entladungslampen Risse in den verengten Abschnitten
entstanden waren.
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Bei
dem obigen Versuchsbeispiel wurde der verengte Abschnitt gebildet,
indem der Durchmesser eines Teils des Versiegelungsrohrs reduziert
wurde; manchmal ist es jedoch nicht notwendig, den Durchmesser des
Versiegelungsrohrs zu reduzieren, um das Manschettenmaterial an
seinem Platz zu halten; die Wirksamkeit dieser Erfindung ist in
solchen Fällen nicht
beeinträchtigt.
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Bei
der Kurzbogen-Entladungslampe gemäß dieser Erfindung ist eine
Molybdänfolie
zwischen dem Manschettenmaterial und dem Versiegelungsrohr angeordnet,
und die an das Versiegelungsrohr angrenzende Oberfläche der
Molybdänfolie
wurde einer Oberflächenbehandlung
mit einem oxidationsbeständigen
Metall mit hohem Schmelzpunkt unterzogen. Dadurch ist es möglich, die
Entstehung von Rissen in dem Versiegelungsrohr zu verhindern, und folglich
ist es möglich,
Kurzbogen-Entladungslampen mit langer Lebensdauer zu erzielen.