电能的生产和购买成本在世界范围内已上升到空前高度。特 别是对于电能供应有限的欠发达国家和电能需求量非常大的人口 众多的国家来说更是如此。受到这种需求的驱使，人们越来越希 望生产出能量效率高并能使电的使用成本最小化的光源。
在过去的两个世纪里，科学家和发明家已在努力地开发低成 本、实用并且长寿命的白炽灯泡。开发长寿命、高温灯丝是设计 实用的白炽灯泡的关键要素。
人们已经发现钨丝可以提供许多优良的发光用途特性，例如 高熔点(3410℃/6170°F)、高温下的低蒸发率(在2757℃/4995°F 时为10-4托)以及比钢大的抗拉强度。这些特性使得灯丝能被 加热到较高的温度，以提供更亮的具有良好寿命的灯，从而使得 钨成为在市场上可获得的白炽灯泡中的灯丝的优选材料。
当白炽灯丝通过足够大的电流时，其就会发出可见和不可见 射线。然而，灯丝以可见光的形式发射的能量只占相对较小的部 分，通常为6-10％。发射的能量的其余绝大部分处于光谱的红外 线范围内，并以热量的形式散失。因此，用可见波长的发射功率 与所有波长上的总辐射功率的比值测量的普通钨丝的辐射效率相 对较低，在6％左右或以下。
用于增加白炽灯丝发射的可见光量的传统技术依赖于通过增 大所施加的电流来增大可从灯丝获得的总能量。然而，增大电流 会浪费更多的能量。所需要的是在不增加能量消耗的情况下可使 发出的可见光增加的钨丝。
另一个需要考虑的是灯丝的使用寿命。钨丝非常耐用，但是 在长时间使用之后，当电子在灯丝内轰击和移动原子时，大电流 就会导致出现过大的电子风。再经过一段时间之后，这种作用就 会使灯丝损耗得非常薄并会最终断开。
已经发现，灯丝材料例如钨的辐射效率可通过在灯丝表面上 加工出亚微米尺寸的结构而得到提高。一种利用非选择性反应离 子蚀刻技术在钨试样的表面上形成亚微米结构的方法被H.G. Craighead、R.E.Howard和D.M.Tennant描述于“Selectively Emissive Refractory Metal Surfaces”，38 Applied Physics Letters 74 (1981)中。Craighead等人揭示了提高的辐射效率是由于增大钨 的可见光的发射率引起的。发射率是从一种物质(例如钨)表面 发射的给定波长上的辐射通量与在相同条件下由黑体发射的辐射 通量的比值。黑体假定能够吸收入射到其上的射线。
Craighead等人揭示了经过加工而具有亚微米结构的钨表面的 可见光的发射率是未被加工表面的两倍，他们认为这种发射率的 增大是从具有亚微米结构的钨表面进入自由空间的电磁射线更有 效耦合的结果。Craighead等人揭示的钨试样的加工表面具有位于 表面中的凹坑，这些凹坑被从灯丝表面上凸起大约0.3微米的柱形 结构分隔。
另一种用于通过改变钨灯丝的表面提高白炽灯效率的方法见 于John F.Waymouth的论文“Where Will the Next Generation of Lamps Come From？”中，这篇论文见于the Fifth International Symposium on the Science and Technology of all Light Sources， York，England，Sep.10-14，1989，第22-25页和图20中。Waymouth 提出：灯丝表面上的0.35微米宽、7微米深并被0.15微米厚的壁 隔开的孔眼可以起着波导体的作用，以耦合位于钨丝和自由空间 之间的可见波长内的射线，但可以阻止不可见波长内的射线的发 射。Waymouth提出灯丝上的孔眼可通过半导体平版印刷技术成 型，但是这种孔眼的尺寸超出了现有技术的加工能力。
另一种用于降低白炽光源的红外发射的方法描述于授予Jaffe 等人的美国专利No.5955839中。如其所述，灯丝中微腔的存在可 提供更好的发射方向性的控制，并且可以增大给定带宽内的发射 效率。例如，这种光源可具有直径在1-10微米之间的微腔。虽 然具有这些尺寸的结构可以通过使用微电子加工技术形成在某些 材料中，但很难将它们形成在金属例如通常用作白炽灯丝的钨中。
又一种用于降低白炽光源的红外发射的方法公开于授予Liu 等人的发明名称为“Method and Apparatus Using Laser Pulses to Make an Array of Microcavity Holes”的美国专利No.6433303中。 公开的这种方法使用激光束在金属膜中形成彼此分离的微腔。光 学屏蔽装置将激光束分成多束，然后透镜系统将多束激光聚焦在 金属膜上并形成微腔。
还一种方法公开于授予Bigio等人的美国专利No.5389853 中，其中描述了具有改进的可见光发射的灯丝。钨丝的发射率通 过在其表面上沉积一层亚微米至微米尺寸的晶粒而得到了提高。 晶粒由钨或钍含量最高达1％且含铼、钽和铌中的至少一种的含量 最高达10％的钨合金形成。
尽管这些传统方法能够形成微腔和提高光的发射率，但它们 非常复杂和昂贵。这些方法中没有一种方法适用于成本和效率作 为重要因素的批量制造场合中。因此，仍旧非常需要适用于批量 制造场合的加工灯丝表面使其具有亚微米结构的方法。

本发明提供了一种微沟槽形成装置，其用于在灯丝中形成微 沟槽。该微沟槽形成装置包含多个用于接收加热了的灯丝的模具， 它们沿着一个纵向轴线间隔布置。每个模具具有构成一个开口的 圆周面，并且齿沿法向从所述圆周面上凸出并终止于所述开口中。 当所述加热了的灯丝被牵引穿过每个模具的所述开口时，齿咬入 所述加热了的灯丝，以在其中形成纵向微沟槽。
附图说明
下面，参照附图阅读所作的详细描述，可使本发明被最好地 理解。应当强调，根据常识，附图的各种结构并不成比例。相反， 为了清楚起见，各种结构的尺寸被任意地放大或缩小。附图包括：
图1是根据本发明的用于在钨丝中形成微沟槽的系统的工艺 流程图；
图2是构成图1中的系统的一部分的微沟槽形成装置的局部 透视图，所述微沟槽形成装置包括根据本发明一个实施例的模具；
图2A是根据本发明一个实施例并图2所示的一个模具的详细 俯视图；
图3是微沟槽形成装置的一种表示，所述表示进一步示出了 根据本发明的模具之间的关系；
图4是一个微沟槽形成装置的局部透视图，所述微沟槽形成 装置包括根据本发明另一个实施例的一个模具和一个牺牲材料 源；以及
图4A是根据本发明一个实施例并如图4所示的一个模具的详 细视图。

现参看附图描述本发明的实施例的示例结构。应当指出，本 发明不局限于被选定用作说明的实施例。而且，可以理解，附图 并不局限于任何特定的尺寸或比例。可以设想，在本发明的范围 内可以对以下描述的结构和材料进行修改。
参看图1，钨丝制造系统10包含：加热器14、拉延装置18、 微沟槽形成装置22、牵引装置26以及扭转装置32。在操作中， 钨材料12用加热器14加热，以形成加热了的钨材料16。钨材料 被加热器14加热到可锻温度(1200℃-1500℃)。加热了的钨材 料16利用拉延装置18进行拉延，以减小钨材料的直径。加热和 拉延步骤重复进行，直到形成具有所需直径的加热了的钨丝20， 该所需直径通常为2.7mm左右。如下所述，微沟槽形成装置22 用于在加热了的钨丝20的外表面上形成微沟槽。带有微沟槽的钨 丝30由扭转装置32扭转成带有微沟槽的扭转钨丝34。本发明包 含微沟槽形成装置22的几个实施例，下面将详细地描述。
下面参看图2，图中示出了微沟槽形成装置22的一个实施例， 该微沟槽形成装置22总体上以附图标记22A表示。微沟槽形成装 置22A包含模具36A-36D，用于在加热了的钨丝20中形成微沟 槽44。每个模具36包含构成开口40的圆周面38以及沿法向从圆 周面38上凸出的齿42(下面参看图2A进行描述)。第一模具36A 定位在与拉延装置18(未示出)相隔一定距离的位置上，并用于 接收加热了的钨丝20。模具36A-36D沿着微沟槽形成装置22A 的纵向轴线L对正，以使第一模具36A在第二模具36B之前接收 加热了的钨丝20，第二模具36B在第三模具36C之前接收加热了 的钨丝20，第三模具36C在第四模具36D之前接收加热了的钨丝 20。如图所示，第一模具36A成比例地大于第二模具36B，第二 模具36B成比例地大于第三模具36C，第三模具36C成比例地大 于第四模具36D。齿42咬入加热了的钨丝20中，以在其中形成 纵向微沟槽44，从而形成了带有微沟槽的钨丝30。第四模具36D 包含一个传统的固定装置(未示出)，例如夹具，以与扭转装置32 协同操作。扭转装置32可用于将带有微沟槽的钨丝30扭转成带 有微沟槽的扭转钨丝34，并且切割装置46可用于将这种扭转钨丝 34切割成指定长度。图2示出了四个纵向布置的模具36A-36D。 然而，本发明通常包含30个沿纵向轴线间隔不同距离布置的模具。
图2A是图2中的第一模具36A的详细视图。如图所示，第 一模具36A包含具有开口40的圆周面38以及沿法向从圆周面38 上凸出的齿42。每个齿42具有介于5-100微米之间的横向宽度， 通常为20微米。每个齿42的法向高度大于其宽度，通常是宽度 的三倍。为了清楚起见，图2A仅示出了八个从圆周面38径向布 置的齿。然而，本发明通常具有100-200个从圆周面38径向布 置的齿。模具36B-36D与模具36A的结构相似，只是每个模具 均成比例地大于沿着纵向轴线安置的下一个模具。如前面参看图2 所述，第一模具36A成比例地大于第二模具36B，第二模具36B 成比例地大于第三模具36C，第三模具36C成比例地大于第四模 具36D。因此，第一模具的齿成比例地大于第二模具的齿，第二 模具的齿成比例地大于第三模具的齿，依次类推。而且，第一模 具的开口成比例地大于第二模具的开口，第二模具的开口成比例 地大于第三模具的齿，依此类推。在一种典型结构中，有30个模 具沿着纵向轴线间隔布置，每个模具逐次小于其前一个模具。一 般而言，沿着纵向轴线布置的最后一个模具比第一模具成比例地 小50倍。
图3提供了微沟槽形成装置22的一种表示，用于进一步地描 述每个模具36之间的关系。如上所述，微沟槽形成装置22通常 包含30个圆周逐渐减小并且彼此间隔相等距离布置的模具(在图 3中示出了6个)。可以理解，对于微沟槽形成装置22的模具来说， 尽管齿42的相对尺寸在每个模具36的圆周沿着方向A所指的纵 向轴线减小时也会减小，但从每个模具的圆周面(图2A中所示) 径向布置的齿42的数目保持不变。例如，第一模具36A可具有 2700微米的开口直径，以形成直径为2700微米的钨丝。作为一个 实例，模具36A中的每个齿可均为50微米宽。因此，如果假设齿 之间的间距同样为50微米，则在开口圆周的四周上可形成85个 齿(齿数＝πd/(2×齿宽)，其中d为开口的直径)。如果假设最 后一个模具36D具有直径为50微米的开口以形成最终尺寸为50 微米的钨丝，并且假设其齿数与模具36A同样为85，则模具36D 中的每个齿的相对宽度为1微米。相似地，中间模具例如36C可 具有直径为100微米的开口。如果假设齿数与模具36A和36D同 样为85，则对于模具36C来说，这种结构的几何形状就会产生大 约20微米的相对齿宽。这些值仅用作示例说明。如上所述，本发 明可具有任何数目的模具，并且模具可具有任何齿数。模具36沿 着方向A所指的纵向轴线L成比例地变小。
模具36可由钨或其他任何能够承受加热了的钨丝20的温度 的硬质材料制成。齿42由WC-Co、金刚石、SiC或其他任何能够 在加热了的钨丝20中形成微沟槽44的超硬合金。
参看图1-2A，在操作中，加热了的钨丝20从拉延装置18 中排出，然后被牵引装置26牵引穿过微沟槽形成装置22A的第一 模具36A。当加热了的钨丝20沿着方向A移动穿过第一模具36A 时，齿42就会咬入该钨丝中。由于加热了的钨丝20经过加热处 理而提高了韧性，因此当齿42接触加热了的钨丝20的表面时， 它们就可在其中形成微沟槽44。每个微沟槽44具有介于0.1-1.9 微米之间的宽度，通常该宽度为0.4微米。每个微沟槽44的深度 比宽度大，通常是宽度的3倍。牵引装置26的连续移动会拉伸带 有微沟槽的钨丝30，从而每个微沟槽44的宽度(通常为0.4微米) 相对于每个模具齿42的宽度(通常为20微米)将会减小。微沟 槽44可为正方形状或V形状。被齿42去除以形成微沟槽44的多 余材料可再次形成为加热了的钨丝20。牵引装置26的连续移动将 带有微沟槽的钨丝30牵引穿过第二模具36B，以进一步降低带有 微沟槽的钨丝30的直径。然后，带有微沟槽的钨丝30被牵引穿 过第三模具36C并随后穿过第四模具36D，以更进一步地降低带 有微沟槽的钨丝30的直径。模具36B-36D的作用和操作实际上 与第一模具36A的相同，用于使带有微沟槽的钨丝30的直径逐次 变小。第四模具36D的传统固定装置(未示出)将带有微沟槽的 钨丝30的移动固定，这样扭转装置32就可用于扭转带有微沟槽 的钨丝30，以形成带有微沟槽的扭转钨丝34。切割装置46可用 于将这种扭转钨丝34切割成预期的指定长度。
下面参看图4，图中示出了微沟槽形成装置22的另一个实施 例，其总体上以附图标记22B表示。微沟槽形成装置22B的结构 和操作基本上与前面参看图1-2A所描述的微沟槽形成装置22A 的相同，但有一点显著不同：添加了牺牲材料(sacrificial material) 48。与微沟槽形成装置22A相似，微沟槽形成装置22B包含沿着 其纵向轴线L对正的模具36A-36D，并且每个模具在加热了的钨 丝20的拉延方向A上成比例地减小。模具36A-36D包含齿42， 并且第四模具36D包含一个以与扭转装置32协同操作的传统固定 装置(未示出)。微沟槽形成装置22B还可包含切割装置46。
牺牲材料48可由钼、钽、铼、铪、钼箔(molybdan)、它们 之间的任何组合物或其他任何能够承受高温并具有比加热了的钨 丝20低的熔点的材料制成。
图4A是图4中的第一模具36A的详细视图。与前面参看图 2A描述的微沟槽形成装置22A的模具36A相似，图4A示出了构 成开口40的圆周面38以及沿法向从圆周面38上凸出的齿42。牺 牲材料48涂覆在齿42的表面上。
参看图1、4和4A，在操作中，当加热了的钨丝20从拉延装 置18中排出并被牵引装置26牵引穿过微沟槽形成装置22B的第 一模具36A时，牺牲材料48会被供给通过第一模具36A。当加热 了的钨丝20沿着方向A移动穿过第一模具36A时，齿42就会咬 入该钨丝中。在从第一模具36A至第四模具36D的过程中，牺牲 材料48可保持对带有微沟槽的钨丝30进行所期望的尺寸成形。 在带有微沟槽的钨丝30扭转之后，施加热量以熔化牺牲材料48， 从而可将该材料从带有微沟槽的钨丝30上去除。相似地，当加工 完成时，可用化学蚀刻去除牺牲材料48。
由于本发明适合于成本和效率作为重要因素的批量制造场 合，从而本发明对在钨丝表面上加工出微沟槽的传统方法作出了 改进。本发明不需要复杂而且昂贵的装置，而只需要使用简单的 机械结构形成微沟槽。本发明还可以通过对传统的钨丝生产线作 最少的改动来实施。
可以理解，在不脱离权利要求书中所定义的本发明的范围的 情况下，可以对所述的实施例进行其他修改。