荧光灯的制作方法

专利名称：荧光灯的制作方法
技术领域：
本发明涉及权利要求1前序部分的一种荧光灯。另外本发明还涉及使用该荧光灯的、按照权利要求17前序部分的照明系统。
这是一种这样的荧光灯，其中一种极性的电极或者是所有的电极、也就是两种极性的电极，都用一种介电层遮蔽阻碍放电(单侧或双侧阻碍放电)。这样的电极以下简称为“介电电极”。
介电层可以由放电容器的器壁构成，即将电极设在放电容器的器壁以外、比如设在其外壁上的方式，通过放电容器器壁的自身构成。采用外部电极的优点是导线不必通过气密密封的引线段就能穿过放电容器的器壁引出。然而介电层的厚度仍然是一个重要的参数。它至少会影响放电的引弧电压和点火电压，这主要是由于对于放电容器的要求，特别是对于其机械强度的要求造成的。因为所需的馈电电压随着介电层的厚度而递减，结果产生下列缺点。首先，要想使扁平辐射器工作，就需要将馈电电压设计成较高的需用电压。这样一般要涉及高成本和较大的外形尺寸。除此以外，为了防止触摸触电，还需要较高的防触电措施。结果是因为产生了不希望产生的高电磁辐射而成为问题。
另外在外形方面，至少要将设在放电容器内的一个电极加以部分包覆或遮蔽方才能够使介电层得以实现。采用这样的办法的优点在于，可以通过介电层的厚度使放电性能能够达到最佳化的程度。当然还要求内部电极气密密封导电。转而需要增加制造加工步骤，这样一般会增加制造成本。
问题还进一步出在荧光灯本身，特别是出在圆管形的、放电容器的两端被封住的、其内壁至少部分涂有荧光材料的荧光灯身上。
这类的灯在办公室自动化(OA=Office Automation)，例如在复印机、扫描机；在信号照明中，例如在汽车的刹车和转弯指示灯；在辅助照明中，例如在汽车的车内照明；以及在广告背景照明中，例如在液晶广告中被称之为“角型背光”中使用。
在此类技术用途中，不但启动相特别短，而且尽可能需要不受温度约限的光通量。所以这类灯不得含有水银。更确切地说这样的灯一般要填充惰性气体，最好是氙气，或者是惰性气体的混合物。
对于以上所列的用途不但要有高的光密度，而且需要在灯的通长方向上有均匀的光密度。要想在OA用途中提高光密度，一般要沿着长轴开一道光孔。为了要进一步提高光密度，仅只在现有的系统中提高耦合功率还不够用，因为要想使灯作长时间的、可靠的工作所需的负载不是可以任意提高的。而且在现有的复印机和扫描机中所用的系统中放电效率随着功率的耦合而递减。现有技术在US 5,117,160中已经发表了一种在QA用途中使用的惰性气体放电灯。在圆管形的放电容器中沿着灯的长轴设置两个带状电极。灯最好是采用频率在20kHz到100kHz的交流电驱动。在工作状态中，激发147nm氙气线谱。其缺点在于，除了需要采取防触摸触电保护措施以外，为不但要遮蔽电极带、而且还要遮蔽其余的灯表面所需的保护涂层不完全透明。如果没有这层保护层，处于交变的高压电势(例如，约1600V)之下的电极就会因暴露使人触电。另外，保护层还有抑制寄生表面沿面放电的功能。由于要驱动外电极工作还需要较高的点火电压，结果又造成另一个缺点。因此又导致产生不希望产生的高电磁辐射。另一方面，为了使灯启动所需的较高的点火电压，必须设计一个前置电子设备，从而提高了一般的制造成本。结果在其工作方式中使可达到的有用辐射效率和产生的光密度都有所减小。
另外，在US-PS 5,604,410中发表，借助于与特定关系(放电距离、电极结构、电极几何形状、充填压力)相适配的脉冲运作(介电阻碍脉冲放电)的介电阻碍放电效果与交流激发的介电阻碍放电(参见US-PS5,117,160)相比，前者有明显的提高。
另外在US-PS 5,604,410发表一种有带状外电极和棒形内电极的圆形截面圆管形放电灯。棒形内电极借助于两个卡箍状的馈线被偏心固定在放电容器的内壁附近与其长轴平行的位置上。两条导线分别穿过一个熔结圆盘向外引出。外电极被固定在沿直径对面一端的外壁上。其缺点在于制造费用较高，结果使灯的内部的金属电极棒和两个灯口的结构昂贵。另外，金属内电极必须做的很厚，借以保证电极棒有足够的刚性。另外的危险在于，内电极棒会挠曲下垂，结果使放电距离沿着电极的方向不能保持恒定。采用受张的金属丝做内电极不可能解决问题，因为灯丝在灯工作时受热，从而使其真正成为下垂状态。出于这样的原因，需要将以上所述的灯作成大直径的，但是这在对于规定的用途方面，特别是在办公室自动化和汽车的信号照明方面有矛盾。发明描述本发明的任务是为了消除上述缺点，按照权利要求1前序部分提供一种光密度有所改善的荧光灯。
这项任务通过权利要求项1的特征得以解决。本发明的其他优选措施参见其他权利要求。
另外，这项任务通过权利要求4的特征也能得以解决。特别优选措施参见其他从属权利要求项。
本发明的基本思想是以这样的认识为依据，一方面，应该尽可能加大高功率耦合的介电阻碍脉冲放电的放电距离。另一方面，应当将所有的电极设置在放电容器的外壁上，这样就能够避免有关的缺点。另外，要尽可能使介电阻碍脉冲放电的放电距离沿着放电容器的纵向保持恒定不变。因此重要的在于，在灯的工作期间要保证每次放电沿着电极具有同样的点火条件(参见US-PS 5,604,410)。所以，应该保证每次沿着整个电极长度产生有序放电(先决条件是足够的馈电功率)，结果就能满足使灯达到高的、均匀的光密度的基本先决条件。
一种按照本发明解决这个问题的第一条途径建议，在放电容器的内壁上至少设置一个或者所有的电极。以下将这种类型的电极简称为“内壁电极”。通过这样的概念就能够将对面的另一个从属电极的设置位置选定在距离整个直径的最远的位置上，用来作为放电距离之用。这种解决方式的优点首先在于电极通过容器材料向外的热偶合。这样可以保证内壁电极在工作期间不会从内壁上融脱。结果使放电距离保持恒定不变。
内壁电极做成导电的、有时做成类似一条导电通路的“线形的”带状的结构，并且按照平行于圆管形放电容器的长轴方向取向。导电通路可以，例如以流体导电银等类似方式涂布在内壁上。然后通过、例如焙烧，使带状物固化。内壁电极还要另外再做向外引线包括做外部导线的结构。为此，还要在圆管形放电容器的两端各用一个堵头封住。内壁电极通过密封焊料向外引出。封头使用焊料、例如用玻璃焊料密封熔结在容器内壁上。内壁电极穿过焊料密封向外引出，这就是说，内壁电极穿过引线段的焊接区引向容器以外，最后过渡成为外部导线。采用这种结构，内壁电极及其附属引线段以及附属外部导线分别作为三个不同的功能段共同形成一个统一的共用类似导电通路的结构。这种结构是实现内壁电极的关键。这种方案能以用简单的方式并且用较少的另部件实现，从而可以进行良好的自动化。为了将通过不同的热延伸产生的机械应力保持在最小程度，为了使密封性能在工作期间保持不变，玻璃焊料的材料应该与放电容器的彼此适配。除此以外，应该选用这样很薄的导电通路(电极、引线段、导线)，即一方面使热应力保持在很低的限度，另一方面，能够实现工作所需的电流强度。
这样就能使导电通路获得的足够高的载流能力另有一种特殊意义，使此类灯所追求的高的光强度最终只取决于电流强度。由于优选的脉冲放电方式使这个问题更为尖锐，因为功率重复耦合持续的时间越短，在导电通路中流过的电流越高。可能的出路只有一条，也要耦合足够高的平均功率，借以达到按时间平均的所希望的高的光强度。
为了保证上述的高载流能力，至少要在一个内壁电极上使用较厚的导电通路。当导电通路的厚度小时，在导电通路中潜伏着因其中的局部过热而引起裂纹的危险。导电通路截面面积越小，由于导电通路中的欧姆部分而引起的导电通路的发热越高。然而，导电通路的宽度要受所占面积的约制，特别是当细长灯的直径较小而加剧。但是为了解决因导电通路中的电流密度而引起的发热现象导致形成裂纹的问题，还要致力于再进一步减小导电通路的厚度，所以其宽度会越来越窄。导电带的典型厚度在5μm至50μm左右的范围之间，最好是在5.5μm至30μm左右的范围之间，更好是在6μm至15μm左右的范围之间。
更麻烦的是按照本发明要另外在外壁上或者甚至是在内壁上再设置一个或多个电极。除此以外，还要至少在内壁的一部分涂布一层荧光层。在供OA用途中，还要仅只留出一道长条形的光孔不作涂布。在荧光层下面还要用Al2O3和/或TiO2涂布一层或多层可见光的反射层。采取这样的办法，有时侯能够阻碍来自荧光层发射的一部分光穿过器壁向外发射。更确切地说，通过放射或者通过多次反射的光主要是被折射到光孔上，从而增强了该处的光密度。另一种办法是利用荧光层本身作为反射层使用，在此情况下，要将荧光层涂到足够的厚度。
在第一个实施例中，荧光灯有两个分别设置在外壁和内壁上的电极。如果灯是在双极电压脉冲下工作，还要将内壁电极用一层介电层加以完全遮蔽。如果是采用单极电压脉冲工作，则不一定要采用这样的双面介电阻挡(为此请参阅US-PS 5,604,410)。为了保证触摸安全，在后一种情况下要在内壁电极上施加高压电位。
在另一个方案中，是在放电容器的内壁上设置两个电极，其中在两个电极中至少有一个要用一层介电层遮蔽。如果灯要在双极下工作，则要将两个电极用相应的介电层遮蔽。
由于是有两个电极，两个方案在工作中在放电容器的两个电极之间产生的是一个放电平面。在这个放电平面中，沿着电极由一个接一个地连续发生多次的单一放电，在极端情况下过渡成为类似屏障式的放电形状。为了提高灯的光密度，可以在放电容器内形成另一个放电平面。这样的灯要有三个或四个电极。有三个电极就能产生两个放电平面，其中有一个是共用电极。若为单极电压脉冲，最好是接成一个(临时)阳极，将另外的两个电极接成阴极。如有四个电极，或者是实现两个各自独立的两个放电平面，或者但也可以接成共用一个电极的三个放电平面，其中或者是接成两个阳极和两个阴极，或者接成一个阳极和三个阴极。采用这种办法原则上也可以接成多于三个的放电平面。然而由于要受占用面积的约制，所需电极带的个数还有一个极限。
如果灯是作为OA用途而设，并且备有一个光孔，最有利的电极配置方式最好从剖面上看每个放电平面的垂线都是与荧光层相切。这样可以保证UV-(紫外线)的最大放射量是落在荧光层上。
一种按照本发明解决这个问题的第二条途径建议，在放电容器内的器壁上至少设置一个电极。以下将这种类型的电极简称为“器壁电极”。此时也能够将对面的另一个从属电极位置选定在距离整个直径的最远的位置上，用来作为放电距离之用。采用这种解决方式的优点在于，即便在双极电压脉冲的工作方式下，仍然不需要额外另加介电体。此时可以采用器壁本身的一部分作为对放电起作用的介电层之用，也就是用器壁的一部分沿着朝向放电容器内部的方向将电极遮蔽。起作用的介电层的厚度取决于电极进入器壁的深度。因此，仍然要求电极作成，例如直线的形状，均匀进入器壁很深的内部。还需要注意的是，由容器材料(介电体)沿着管子长度遮蔽电极的厚度要尽可能保持恒定不变。否则就会使起作用的介电体在沿着内壁电极的纵向有不同层厚，结果形成一种不希望产生的不均匀放电结构，生成的有效辐射效率极小。此外，按照第二解决方案的荧光灯的特征原则上与按照第一解决方案的荧光灯的特征相同。特别是在这方面提出的所有的方案都值得考虑，在这些方案中仅只是用器壁电极取代了内壁电极。
最后，还可以将两种解决方案相结合，即在内壁上和外壁上至少各设一个电极。另外，在这种情况下还可以在放电容器的外壁上设置一个或多个电极。
圆管形放电容器可以是直的，也可以是弯的。由于放电方向是垂直于灯的长轴，所以几乎采用任何形状都能实现。特别是还能采用圆圈形的，也不会对放电有任何影响。
在放电容器内部含有一种惰性气体，特别是氙气，或者混合气体的填充气体。


以下借助实施例对本发明作详细说明。附图所示如下图1a按照本发明的一个具有光孔、外壁电极和内壁电极的荧光灯的纵向剖面图，图1b图1a中荧光灯的横向剖面图，图2具备两个内壁电极的荧光灯的横剖面图，图3具备一个内壁电极和两个外壁电极的荧光灯的横向剖面图，图4具备四个内壁电极的荧光灯的横向剖面图，图5具备一个器壁电极和两个外壁电极的荧光灯的横向剖面图，图6具有一个光孔荧光灯和脉冲电源的照明系统，图7图1和图3中的灯的测量曲线。
图1a和1b所示是供OA-用途使用的一个光孔荧光灯1的纵向和横向剖面示意图。荧光灯1主要是由一个圆管形、圆形横剖面的放电容器2和一个第一和一个第二长条形电极3、4构成的。放电容器2的内壁上有一个在荧光层6上开出的矩形光孔5的缺口。放电容器2在一端通过在容器上形成的连接端7和在另一端用一个堵头气密密封。堵头8用玻璃焊料9与容器内壁作气密连接。在放电容器2的内部充有充气压力为160乇的氙气。
设在放电容器2的外壁上、与管子的纵轴平行、作为阳极设置的电极3是由金属膜构成的。作为阴极设置的另一个电极是用导电银带制成的，是用液态银借助一个细管涂布在放电容器2的内壁上，然后经过烧结的(内壁电极)。层厚为10μm左右。阳极4在堵头8和放电容器2的第二端的内壁之间以气密方式穿过引线段10引向器外，并在该处过渡成为导线11。通过这样的方式，阳极4与其附属的引线段10以及附属的外部导线11分别作为三个不同的功能段共同形成一个统一共用的类似导电回路的结构。玻璃焊料9在引线段10使阳极4能够进行气密引线。
阳极带和阴极带的宽度分别为0.9mm和0.8mm。玻璃制的圆管形放电容器2的外径为9mm，壁厚为0.5mm。光孔5的宽度和长度分别为6.5mm和255mm。荧光层6是一种三色谱荧光材料。是由蓝组分BaMgAl10O17∶Eu；绿色组分LaPO4CeTb和红色组分(Y,Gd)BO3∶Eu的混合物制成的。结果形成的色坐标是x=0.395,y=0.383，这就是说，产生白色光。
图2至图5是本发明的一种与图1a所示类似的、有光孔或无光孔的荧光灯的其他实施例的横剖面示意图。其不同之处主要在于电极的结构。其中同样的特征都标以同样的标号。
图2示出一个第一内壁电极和一个第二内壁电极12,4。两个电极都是设在放电容器2的内部，第一电极12是用一种介电层13遮蔽(单侧介电阻碍放电)。这是按照US-PS5,604,410的规定，按照单极脉冲工作的方式作为阳极设置的。
图3中的灯备有两个外壁电极3a,3b和一个内壁电极4。外壁电极3a,3b是作为阳极、内壁电极4是作为阴极设置的。结果构成由两个平面按照US-PS 5,604,410的规定，按照单侧介电阻碍单一放电的结构(图中未绘出)。第一个放电平面在阴极4和阳极3a之间伸展。另一个放电平面在阴极4和阳极3b之间伸展。从剖面上观察，电极3a,3b,4是一个想象的等腰三角形的顶点。
图4中的灯备有四个内壁电极14a-14d。每个内壁电极14a-14d都用一层介电层14a-14d遮蔽，四个电极14a-14d中的第一个14a是为馈电电压的第一极设置的，其他三个电极14b-14d是作为第二极设置的。从而在脉冲运作方式中，形成三个放电平面，也就是分别由第一电极14a和其他三个电极14b-14d中的一个电极形成三个放电平面。由于这是一种双侧介电阻碍放电，所以不仅能够按照单极电压脉冲运作，而且还能够按照双极电压脉冲运作。在放电容器2的内壁的缺口上有一个涂有Al2O3或TiO2反光层16的光孔5。在反光层16上还涂有一层荧光层6。反光层16将荧光层产生的光反射回去。通过这样的方式使光孔5的光密度增强。
图5中的灯备有两个外壁电极3a,3b和一个器壁电极4。器壁电极4是用熔融在玻璃中的、直径约为100μm的Vacovit(Vakuumschmelze GmbH产品)金属丝制成的。由于此处的所有电极全部都是介电阻碍式的，除了能够按照单极脉冲运作以外还能够按照双极脉冲运作。放电容器2的内壁在整个范围内都涂有一种荧光层17，这就是说，这种灯与以上的灯的不同之处在于没有光孔。图5的灯供汽车照明使用，根据荧光材料的不同，作为，例如，刹车灯或作为闪烁灯使用。
图6所示是OA系统中的一套照明系统。图1中的光孔荧光灯1在它的第二端上另外备有一个插座18。插座18主要是由插头19和两个插脚20a,20b构成的。插头19主要是用来装灯1用的。除此以外，在插头19内部与外壁电极3和内壁电极4以及外部导线段11(与图1对比)和两个连接插脚20a,20b连接(未绘出)。连接插脚20a,20b再通过电气导线21a,21b和一个脉冲电压源23的两个电极22a,22b相连接。
脉冲电压源23连续发送单极电压脉冲，频率为66kHz。脉冲宽度为1.1μs。
图7是通过光孔检测到的、单位为cd/m2的光密度作为按时间测量的电功率P的W的函数图。曲线24是由图6所示的照明系统与当时的工作参数获得的。由图可见，当功率不足20W时，达到40,000cd/m2。按照US-PS5,117,160理论，与惯用的可比灯相比较，在同样的功率条件下仅产生20,000cd/m2。结果是本发明的灯在同样的电功率条件下产生双倍的光密度；相当于较比现有技术水平提高100％。
曲线25是通过用图3所示的灯取代图1所示的灯取得的，也就是说，用两个阴极带取代只有一个阴极带的灯。在工作期间，产生两个放电平面(参阅图3的说明)。由图可见，从一个电功率大约为10W产生的光密度尚且高于测量曲线24所能达到的。当功率为20W时，几乎可达50,000cd/m2。这相当于现有技术水平的2.5倍，或者是提高150％。
这个结果是本发明的有利效果的记录。
本发明并不限于所列举的实施例。特别是不同实施例的特征都应包括在内。
权利要求
1．荧光灯(1)，备有至少是部分透明的、其中装有填充气体、封闭的、用不导电材料做成的圆管形放电容器(2)，在放电容器(2)的内壁上至少有部分的荧光或荧光混合物的涂层(6)，在沿着平行于圆管形放电容器管(2)纵轴的方向设有电极(3；4；12；14a-14d)，其中，在放电容器的内部至少通过一种介电质(2；13；15a-15d)将一种极性的电极隔开；其特征在于●至少有一个电极(4；12；14a-14d)是装在放电容器(2)的内壁上，●至少有一个内壁电极(4；12；14a-14d)还另外作为引线段(10)、并且作为外部导线(11)构成，即每个内壁电极(4)、它的附属引线段(10)和附属的外部导线(11)都分别作为三个不同的功能段，共同形成一个统一共用的类似导电通路的结构(4,10,11)。
2．如权利要求1的荧光灯，其特征在于，圆管形放电容器(2)的一端或两端通过封头(8)并且借助于焊料(9)封住，其中至少有一个内壁电极用焊料(9)气密向外引出，即内壁电极(4)在焊料段(9)中过渡成为一个引线段(10)，并且在容器(2)外然后过渡成为一条外部导线(11)。
3．如权利要求1的荧光灯，其特征在于，内壁电极(n)(12；14a-14d)另外分别通过一层介电层(13；15a-15d)遮蔽。
4．荧光灯(1)，备有至少是部分透明的、其中装有填充气体、封闭的、用不导电材料做成的管状放电容器(2)，在放电容器(2)的内壁上至少有部分的荧光或荧光混合物的涂层(17)，在沿着平行于圆管形放电容器(2)纵轴的方向设有长的电极(3a；3b；16)，其中，在放电容器内部至少通过一种介电质(2)将一种极性的电极隔开；其特征在于至少有一个电极(16)是装在放电容器(2)的器壁上。
5．具有权利要求1及4的特征的荧光灯。
6．如上述一项或多项权利要求的荧光灯，其特征在于一种极性的电极(4；14a；16)的个数与另一种极性的电极(3a；3b；14b-14d)的个数不相等。
7．如上述一项或多项权利要求的荧光灯，其特征在于其中的填充气体是由一种惰性气体或由多种惰性气体组成的。
8．如权利要求7记载的荧光灯，其特征在于充气压力为大于100乇。
9．如权利要求7或8记载的荧光灯，其特征在于填充气体含有氙气。
10．如上述一项或多项权利要求的荧光灯，其特征在于在放电容器(2)的内壁上有一个从荧光层(6)上、有时还从反射层(16)上开出缺口的光孔(5)。
11．如权利要求10的荧光灯，其特征在于在光孔(5)两侧不对称设置电极。
12．如权利要求11的荧光灯，其特征在于不同极性的电极对(3,5；4,12；3a,4；14a,14d)是按照这样的方式配置的，即沿横剖面观察，电极对(3,5；4,12；3a,4；14a,14d)的连接线上的中央垂线与荧光层(6)相切，也就是与光孔(5)以外的内壁相交。
13．如权利要求10的荧光灯，其特征在于在内壁和荧光层(6)之间至少有一层可见光的反光层(16)。
14．如权利要求13的荧光灯，其特征在于至少含有一层用Al2O3和/或TiO2制成的反光层(16)。
15．如上述一项或多项权利要求的荧光灯，其特征在于圆管形放电容器(2)的内径小于20mm，最好是小于15mm。
16．如上述一项或多项权利要求的荧光灯，其特征在于电极的宽度小于2mm，最好是小于1mm。
17．具有荧光灯(1)和电脉冲电压源(23)的照明系统，该脉冲电压源(23)适合于在工作的期间通过歇期时间彼此发送独立电压脉冲，其特征在于，荧光灯(1)具备权利要求1至16的一种或多种特征，其脉冲电压源(23)与荧光灯(1)的两条外部导线作导电连接。
18．如权利要求17的荧光灯，其特征在于，具有以下工作参数●电压脉冲的频率大于60kHz●电压脉冲的持续时间小于2μs。
全文摘要
本发明涉及一种荧光灯,其中备有装有惰性气体、并有荧光材料涂层(6)的一个圆柱形放电容器(2),其中包含设在与放电容器(2)纵轴平行的电极(3;4;12;14a－14d)。至少有一个电极(3;4;12;14a－14d)是位于放电容器(2)的内壁上。该放电容器(2)的两端的堵头(8)用焊料(9)封住,所以是气密密封的。至少是一个的内壁电极(4)是采用保持气密密封的方式通过焊料(9)引向壁外。另外的一个或者另加的一个电极(16)处于放电容器(2)的器壁以内。根据相应电极对的设置位置的不同,整个内径段的绝大部分都可作为放电距离之用。由于沿着整段放电管整段的既长又稳定的放电长度获得高光密度的效果。此灯适合于介电阻碍脉冲放电使用。
文档编号H01J61/067GK1225748SQ98800563
公开日1999年8月11日 申请日期1998年4月16日 优先权日1997年4月30日
发明者F·沃尔克默, L·希茨施克, S·耶雷比斯 申请人:电灯专利信托有限公司