CN100370577C

CN100370577C - 高压放电灯所用的电极和高压放电灯

Info

Publication number: CN100370577C
Application number: CNB2004100474269A
Authority: CN
Inventors: 茑谷恭; 北原良树; 清水敏行
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-04-18
Filing date: 2001-04-18
Publication date: 2008-02-20
Anticipated expiration: 2021-04-18
Also published as: CN1321998A; CN1211826C; EP1148534B1; US6705914B2; CN1547237A; US20010030498A1; EP1148534A1

Abstract

本发明公开了一种寿命可达到至少3000小时且灯的特性参数中的变化受到抑制的高压放电灯及其电极和制造方法。在本发明的高压放电灯中，在电极的制造过程中，一个具有缠绕线圈形状且由耐热金属制成的覆盖部件(123)施加到由耐热金属制成的电极杆(122)的放电侧端，从而覆盖放电侧端附近的电极杆(122)的周围。施加有覆盖部件(123)的放电侧端(124)通过如电弧放电或激光辐射而间隔性地加热熔化而熔合成为一个半球形。

Description

高压放电灯所用的电极和高压放电灯

本申请是中国专利申请号01120767.1的分案申请。

本申请是以日本专利申请No.2000-116699、No.2000-188785和No.2001-94226为基础的，并以前面两个申请提出国内优先权，且其内容在此处作为参考而被结合使用。

技术领域

本发明涉及一种高压放电灯所用的电极和一种高压放电灯及其制造方法。

背景技术

在最近几年中，投影式图像显示装置例如液晶投影仪的发展较为活跃。在这种投影式科图象显示装置中必需具备一个与点光源接近的高强度光源。通常利用一种高压放电灯例如一种高压水银灯或一种短弧式金属卤灯来作为这种光源。

发展短弧式高压放电灯的主要技术任务之一是通过提高灯的寿命特性来延长其使用寿命。即，通常情况下，在短弧式高压放电灯中，形成电极的钨丝进行熔化和发散，由于电极端部的温度过度增高而使电极末端产生变形和损耗，而发散的钨积聚在发光管的内表面上而使发光管变黑。发光管的内表面的变黑引起光通量过早下降。为了解决这个问题，现在已研究了与短弧式高压放电灯所用的电极的设计及其制造方法相关的多种常用技术。

在与上述电极的设计相关的现有技术中已发展了一种具有如图1所示的构造的电极。图1中所示的电极901是通过将一个具有较小轴径的电极杆902与一个圆柱形电极部分903相结合而形成的，所述圆柱形电极部分903的内径大于电极杆902的轴径。电极的运行特点为：(1)圆柱形电极部分903通过将产生的热量迅速传递至电极杆一侧来降低电极末端904的温度，并通过电极金属的熔化和发散来抑制电极末端904的变形和损耗；(2)通过具有较小轴径的电极杆902的工作，电极901的整体是绝热的，这样就可促使密闭在发光管中的发光材料的挥发。

一种如电极901的电极通常是通过对高熔点金属材料如钨的块体进行研磨处理而制造的，并且特别是在短弧式高压放电灯如超高压水银灯和DC(直流)放电式高压氙灯中用作阳极，上述这些灯均经受温度的升高。

同时，与用于通常的长弧式照明的高压放电灯相同构造的电极最初用于金属检卤灯和短弧式高压水银灯，近年来短弧式高压水银灯被用作投影式图像显示装置的光源。如图2所示，电极911是由由通常所用的钨制成的电极杆912和由具有较小轴径的钨丝形成的线圈913形成的。但是，在使用如电极911的电极的短弧式高压放电灯中，不能避免由于钨电极材料的熔化和分散而造成的上述电极末端的变形和损耗，这样就难于延长灯的使用寿命。

因此，作为解决延长这种灯的寿命的问题的一种方法，现在已重新研究了用于通常的短弧式高压放电灯而具有图1中所示的基本结构的电极。但是，因为通过研磨的方式制造电极的成本较高，现在已研究了具有与图1中所示的电极901基本结构相同而可便宜制造的电极。例如，在日本专利No.2820864和待审的日本专利No.H10-92377中批露了与这种电极相关的现有技术。

上述专利中电极的例子如图3A和3B所示。电极921是通过两个工艺过程来制造的，与上述的研磨工艺过程相比，这两个工艺过程较为简单：(a)首先，将钨丝线圈923缠绕到钨电极杆922的放电端上(参见图3A)，(b)电极杆922的放电侧端和线圈923的放电侧端通过所谓的放电法而熔化和熔合在一起，从而形成一个基本为半球形(参见图3B)的电极末端924。

在电极921中，由线圈923和半球形电极末端924形成的部分与图1中所示的圆柱形部分903和电极901的电极末端904具有同样的效果。因此，半球形电极末端924中的热量就被迅速传送至线圈923而降低电极末端924的温度。在这种方式中，即使电极是利用成本较低的放电法制造的，电极材料的熔化和发散及电极末端的变形和损耗也均可被抑制，从而延长了灯的寿命。

请注意：与提高高压放电灯的寿命期限相关的另一篇现有技术是利用高纯度的钨来作为电极材料的一种方法，在待审的日本专利No.H9-165641中批露了该方法。此处显示了利用高纯度钨的一个结果，其中，附属构成成分中元素Al、Ca、Cr、Cu、Fe、Mg、Mn、Ni、Si、Sn、Na、K、Mo、U和Th的总量被控制至基本成分钨W的10ppm，所述的钨在高输出的大放电灯中被用作电极(特别为阳极)材料可有效地提高灯电极的寿命。

根据上述的相关技术，本发明人研制了一种可在投影式图像显示装置中用作光源的短弧式高压水银灯。在研制过程中，发明人设定了与市场所要求的灯的性能特别相关的两个目标。所述目标为：(1)在电极之间设置间隔距离，换句话说，布置在发光管中的相对布置的两个电极的放电端之间的距离不超过1.5mm，该距离小于通常的间隔，这样在结合一个反射镜时就可提高光的利用率；(2)使灯的寿命期限至少达到3000小时。请注意(2)灯的寿命期限(将在下文中描述)是由灯的老化时间确定的，而老化时间是指在发光过程中，预测的灯单元的光通量保持率从荧光屏上的9点保持的平均亮度保持率下降至50％所需的时间。

在开始进行研制时，本发明人研究了一种短弧式高压放电灯，与通用的灯相比，该灯在电极之间具有较短的距离且利用了以上述专利(图3A和3B)中的方法为基础的放电法制造的电极。但是，当发明人检测利用这种电极而制造的灯的总体特性参数时，发明人发现在灯的特性参数如电压和寿命之间存在较大的变化，这就意味着这种灯缺乏商业生存性。

其次，在对灯的特性参数中产生的上述变化进行研究时，发明人认识到利用传统的放电法生产的电极端部的熔合的形状不是均匀的半球形，而是产生了不同的形状和尺寸，这些不同的形状和尺寸即为灯的特性参数变化的原因。例如，当电极末端的形状不是半球形时，会产生这样的情况，其中，放电电弧与两个电极之间的中轴线相偏离。因此，放电电弧的长度就比设计值要长，因此，灯电压增加而超过额定值范围。

特别是，当电极之间的距离在发明人的目标范围1.5mm之内或小于该目标时，可清楚认识到灯电压根据放电电弧长度的这种变化而产生的波动会增加。此外，在灯之间的电极末端的熔合的形状和尺寸产生变化时，在放电过程中电极末端的温度就产生变化，这样就会引起灯的寿命的变化。

发明内容

本发明的目的是提供一种高压放电灯、一种高压放电灯电极及其制造方法而希望使灯的寿命达到至少3000小时，并可抑制利用电极的高压放电灯的特性参数的变化，所述电极的放电侧端是被熔合的。

通过利用一种用来生产高压放电灯的方法就可达到上述目的，该方法包括一个覆盖部件施加步骤，通过该步骤就将以钨为主要构成成分的材料制作的覆盖部件覆盖到以钨为主要构成成分的材料制成的电极杆的放电侧端上，从而在放电侧端的附近覆盖电极杆的周围，该方法还包括一个熔合步骤，在该熔合步骤中，通过间隔性的加热熔化施加了覆盖部件的放电侧端而将放电侧端整合为半球形。

在这种制造方法中，由于电极的放电侧端是被间隔性加热而熔合的，这样在电极制造过程中就可容易地控制电极末端的温度。根据该方法就可抑制如电极末端的形状的变化，更具体地说，可将电极末端形成为半球形而不会在其上产生缺陷如内孔。这样可延长灯的寿命且可抑制灯的特性参数中的变化。

请注意：通过间隔性地加热熔化，在电极末端的结晶过程中，晶体中的平均粒径的尺寸就可被增加。这样，通过一种包括由钨作为主要构成材料制成的电极并将其放置到发光管中而制成的高压放电灯，且使电极的半球端相对布置而电极端的钨晶体的平均粒径至少为100μm，这样就可达到上述的目的。由于这种电极中的晶体的平均粒径较大而增加了电极末端的热容，从而抑制了电极的变形，这样就可延长高压放电灯电极的寿命。

请注意：作为上述间隔性热熔合的一种特定方法，本发明人发现如利用放电电弧熔合的方法或利用激光的方法是特别理想的。

本发明也提出一种高压放电灯所用的电极，其中，以钨为主要构成成分的材料制成的覆盖部件施加到以钨为主要构成成分的材料制成的电极杆的放电侧端，从而覆盖放电侧端附近的电极杆的周围，施加有覆盖部件的放电侧端通过间隔性的加热熔合而整合为半球形。

本发明还提出一种高压放电灯，包括两个相对的电极，其中，至少相对的电极之一包括一个以钨为主要构成成分的材料制成的覆盖部件，所述覆盖部件施加到以钨为主要构成成分的材料制成的电极杆的放电侧端上，从而覆盖放电侧端附近的电极杆的周围，施加有覆盖部件的放电侧端通过间隔性的加热熔合而整合为一个半球形。

本发明提出一种高压放电灯所用的电极，所述电极是以钨为主要构成成分的材料制成的，通过熔合形成为半球的电极端部的钨晶体中的平均粒径至少为100μm。

本发明也提出一种高压放电灯，该灯包括：以钨为主要构成成分的材料制成的电极，所述电极放置在一个发光管中，从而电极通过熔合形成的半球端相对地布置，所述电极的所述端部的钨晶体的平均粒径至少为100μm。

通过下面结合附图的描述，本发明的这些目的及其他目的、优点和特点将会更加明确，附图中显示了本发明的一个特定实施例。在附图中：

附图说明

图1显示了相关技术中的高压放电灯所用的电极的一个例子；

图2显示了在长弧式高压放电灯中的常用照明源中所用电极的一个例子；

图3A和图3B显示了通过将一个线圈缠绕在电极杆的放电端及将末端熔合而形成具有半球形电极末端的一个通用电极；

图4显示了本发明的一个实施例的高压水银灯的构造；

图5所示为灯单元300的构造的局部剖视图；

图6所示为用来解释本发明的电极的制造过程的图；

图7所示为用来解释在第一个实施例中的氩等离子体焊接装置400的使用模型的图；

图8所示为一个波形图，图中显示了在第一个实施例中的氩等离子体焊接装置的放电循环的一个例子；

图9所示为一个波形图，图中显示了在第一个实施例中的氩等离子体焊接装置的放电循环的另一个例子；

图10所示为一个波形图，图中显示了在第一个实施例中的氩等离子体焊接装置的放电循环的另一个例子；

图11显示了第一个实施例的高压放电灯中光通量保持率相对于老化时间而产生的变化；

图12所示为作为一个比较例，通用的高压放电灯中光通量保持率相对于老化时间而产生的变化；

图13A和图13B为部分截面示图，图中显示了在通用的高压放电灯中的电极末端中的缺陷；

图14显示了本发明的高压放电灯所用的电极的末端124上的钨晶体的一个例子的剖视图；

图15显示了高压放电灯中光通量保持率相对于老化时间而产生的变化，在电极末端124的钨晶体中均具有不同的平均粒径；

图16显示了高压放电灯中光通量保持率相对于老化时间而产生的变化，电极材料的每个附加构成成分的比例不同且附加构成成分中特定的金属的比例也不同；

图17显示了在第二个实施例中的电极末端124的熔合过程中所用的Nd-YAG(钕-钇铝石榴石)激光熔合装置500的示意性结构；

图18所示为经激光连续辐射后而熔合的电极末端124的周围区域的外观的一个例子的剖视图；

图19显示了本发明人根据第二个实施例的电极制造方法的基本生产条件来设定激光辐射循环的一个典型例子；

图20所示为通过利用图19中所示的4Hz的重复频率间隔性地进行5次激光辐射而熔合的电极端部124的周围区域的剖视图。

具体实施方式

参考附图，下面将对本发明的优选实施例进行描述。

第一实施例

图4显示了本发明的实施例中的高压水银灯的结构。如图4所示，该实施例的高压水银灯具有一个发光管101，在所述发光管101中布置有一个放电空间111，而在所述放电空间111中放置有两个电极102和103，所述两个电极相对布置且它们之间具有预定的距离De，各个电极分别从布置在放电空间111的各端部的密封器104和105处延伸。所述电极102和103均具有与图3B所示的电极921相同的结构，但是，所述电极是根据本发明提供的制造方法来制造的，该内容将在下文中进行描述。

发光管101的包层管是由石英形成的且基本为球状。相对的钨电极102和103通过钼片106和107而分别密封在密封器104和105中。所述钼片106和107还分别与外部的钼导线108和109相连。根据灯的输出功率，发光管101具有的长度的为30mm至100mm，其最大外直径Do为5mm至20mm，而发光管111的最大内直径Di为2mm至14mm。

此处，钨电极102和103之间的距离De通常设定在约1.5mm至2.5mm的范围内。但是，在本发明的高压放电灯中，为使灯光的利用率更高且提高荧光屏上的亮度，所述的距离De的值应不大于1.5mm，最好控制在0.5mm至1.5mm的范围内。实际上，本发明的电极的制造方法并不仅限于在高压放电灯中所用的其间距离为1.5mm或更小的电极，而且本发明的电极制造方法还适用于通用的高压放电灯的电极。

一种发光材料水银110和用来进行辅助启动的稀有气体如氩、氪、氙与卤素如碘和溴一起被整体性地密封在发光空间111中。密封的水银110的量最好控制在发光管111的容积的至少150mg/cm³的范围内(在灯照明过程中约为150bar或更高水银蒸汽压力)。需要设定稀有气体的密封压力在冷却时在0.1bar至10bar的范围内。

请注意：例如，在利用溴作为卤素物质时，就需要设定在10^-9mol/cm³至10^-5mol/cm³的范围内。这样进行密封就可通过将从电极发散而沉积在发光管101的内表面上的钨回复至所述电极上来抑制发光管的变黑。同时，如图5所示，所构造的一个完整的灯200具有一个安装在发光管101的一端的基座120，该完整的灯200还装配有一个反射镜210，上述这些元件一起构成了灯单元300。

此外，如图6A和6B所示，电极102(电极103亦然)是通过一种制造工艺过程来制成的，其中，(a)丝径为0.2mm的双层钨丝线圈123缠绕在轴径为0.4mm的钨电极杆122周围(参见图6A)；(b)将钨电极杆122和双层的钨线圈123的末端熔合而形成为一个半球形如一个电极末端124(参见图6B)。

首先，下面的内容将详细描述本发明的第一个实施例的电极制造方法。在该实施例中，一个氩等离子体焊接装置被用来执行钨电极杆122和双层钨线圈123的端部的熔合工艺过程而形成一个具有半球形末端124的电极。

此处将详细描述由氩等离子体焊接装置执行的熔合工艺过程。此时，如图7所示，从钨电极122和双层线圈123的末端至等离子体焊接装置400的电极(负极)401的末端的距离Dp被设定并保持为1.0mm，且进行电弧放电。

该熔合工艺过程是通过多个间隔性的电弧放电来执行的且在电弧放电之间应提供至少一个冷却时间。图8显示了该熔合过程的一个特定例。在该例子中，熔合过程P1至P4共间隔性地执行了4次且在每次熔合之间均具有一个冷却时间。

第一次熔合P1是通过26A的电弧电流进行50msec的电弧放电来进行的，并且以0.4秒的间隔连续进行了三次。通过该工艺过程，钨电极122的末端和双层钨线圈123的末端基本熔合在一起，但没形成良好的球形。

下一步即为约3秒钟的冷却时间，钨电极杆122和双层线圈123的末端失去由于电弧放电而导致的红热状态并回复至金属色泽状态。请注意：本发明中的冷却不仅包括通过某种方式的强制冷却，而且还包括仅使电极进行自然冷却。图8中所示的每次熔合之间的冷却时间即为自然冷却。

下面进行第二次的熔合。第二次熔合P2是通过26A的电弧电流进行50msec的电弧放电而进行的，且电弧放电以0.4秒的时间间隔连续进行两次。依据该步骤，钨电极122和双层线圈123的末端就回复至红热状态进行熔合，并接近形成良好的半球形。

然后，在进行3秒钟的冷却之后，利用26A的电弧电流进行50msec的电弧放电而进行第三次熔合P3。在进行1.5秒的进一步冷却之后，利用26A的电弧电流进行50msec的电弧放电而执行第四次熔合P4。通过上述的熔合P1至P4，钨电极杆122和双层钨线圈123的末端就形成为一个基本完美的半球形。

在这种方式中，通过在一个和多个电弧放电之间进行熔合同时留出冷却时间，钨电极122和双层钨线圈123的末端的温度升高在总体上是平均的，这样就可较容易地控制熔合温度。基于这一点，就可得到一个具有耐久性的半球形理想电极末端124且其上没有缺陷如孔或未熔合的部分。

请注意：在整个熔合过程中需要设定的总冷却时间比总电弧放电时间长。例如，在图8所示的例子中，执行了7次的50msec电弧放电，则电弧放电的总时间为350msec，而总冷却时间为7.5秒，因而比电弧放电时间长。

请注意：所希望的熔合过程的例子并不仅限于图8所示的例子。可设定一些条件如在每次熔合中的电弧放电的数量和电弧放电之间的时间间隔、冷却时间的长度及在范围内变化的电弧电流的量，从而达到本发明的目的。

例如，如图9所示，通过以0.6秒的时间间隔执行4次电弧放电而进行第一次熔合P1，留出2秒的冷却时间，然后以0.4秒的时间间隔执行2次电弧放电而进行第二次熔合P2，留出3秒的冷却时间，然后执行1次电弧放电而进行第三次熔合P3，留出1.5秒的冷却时间，最后执行1次电弧放电而进行第4次熔合P4，通过上述步骤就可形成没有剩余缺陷如孔或未熔合的部分的一个理想半球状。

另一种可替代的方式为，当形成为一个良好半球的可能性稍微下降时，通过图10所示的工艺过程就可得到在允许范围内的电极末端124，在图10中，以0.2秒的时间间隔(电弧电流23A)执行2次电弧放电而进行第一次熔合P1，在进行4秒的冷却之后执行1次电弧放电而进行第2次熔合P2，在进行1.5秒的进一步冷却之后，执行1次电弧放电而进行第3次熔合P3。

请注意：生产中希望利用所谓的无杂质的纯钨，其中的附属构成成分如Al、Ca、Cr、Cu、Fe、Mg、Mn、Ni、Si、Sn、Na、K、Mo、U和Th的总量限制为5ppm或更少来作为钨电极122和双层线圈123的材料。此外，在上述的附属构成成分中，需要将碱性金属Na、K、Fe、Ni、Cr和Al的总量限制在3ppm或更少。

下面的内容将说明为研究灯的寿命特征如灯的工作寿命过程中的光通量保持率而由本发明人对本实施例的高压水银灯进行检测及检测的结果。

首先，进行了第一次检测，发明人研究了该实施例的高压水银灯的寿命特征中的变化。此处，作为本实施例中高压水银灯所用的检测灯是利用电极102(和103)构造的，所述电极102(和103)的末端124是根据图8中的放电循环而形成的。此外，为进行比较的目的，按着同样的方式而准备和检测了通用的高压水银灯。请注意：受检测的通用高压水银灯是用图3B中所示的电极921取代本实施例中的高压水银灯中的电极102(和103)而构造的。

请注意：通用检测灯的电极921是通过如图3A所示制造过程来制作的，其中，利用丝径为0.2mm的钨丝形成的双层钨线圈923(8匝)安装在轴径为0.4的钨电极杆922上，然后，钨电极杆922和钨线圈923的末端通过等离子体焊接装置进行熔合，这样电极末端924就形成为如图3B所示的半球形。

请注意：电极末端924的熔合过程是由通用的一次放电电弧式工艺来进行的，其中，设定钨电极杆922和钨线圈923的末端并将所述末端与图7中所示的等离子体焊接装置的电极(正极)401的末端之间的距离保持为1.0mm的距离Dp，利用20A的电弧电流只执行1次电弧放电。

此外，一种所谓的无杂质高纯度钨被用作钨电极杆922和钨线圈923的构成材料，其中，上述的附属构成成分的总量被限制在10ppm。另外，本实施例中的检测灯的电极102和103的材料是一种纯度更高的钨，其中，上述附属构成成分的总量为5ppm，而在这些附属构成成分中所含的碱性金属Na、K、Fe、Ni、Cr和Al的总量为3ppm。

请注意：在检测过程中，所有检测灯的输出功率均设定为150W，发光管的尺寸为：管的中间部分的最大外直径Do(参见图4)为9.4mm，管的最大内直径Di(参见图4)为4.4mm。此外，两个电极末端之间的距离De为1.1mm，管的内部容积为0.06cm³而管的长度Lo(参见图4)为57mm。此外，在管中密封有11.4mg的水银(管的质量容积比为190mg/cm³，等于在照明过程中的水银蒸汽压力190bar)和200mbar的氩。

在检测中准备了几个本实施例的高压水银灯和根据上述标准的通用水银灯，每个灯均被组装而形成图5中所示的灯单元300，按着3.5小时的照明与0.5小时的闭灯时间的比例而进行的老化测试来完成寿命检测。此外，从灯单元300的荧光屏的九点的中心就可得到亮度的平均值，依据这个结果，根据ANSI标准IT7.215-1992就可检测亮度保持率的平均值(平均亮度与3小时老化时间的比值)，并以此作为灯寿命中的光通量保持率。

根据上述条件而对灯的寿命进行检测的结果如图11和12所示。作为本实施例而预备的检测灯(以下称为“本实施例检测灯”)的寿命特征如图11所示，作为通用灯而预备的检测灯(以下称为“通用检测灯”)的寿命特征如图12所示。

从图11中可看到，在500小时的老化时间内，没有一个本实施例检测灯的光通量保持率低于50％。特别是，以g3、g4和g5所表示的灯即使在至少3000小时的老化时间之后仍具有50％或更高的光通量保持率。换句话说，这些灯具有至少3000小时的寿命。

另外，如图12所示，通用检测灯的寿命特征在各个灯之间具有较大的变化。从灯(图12中所示的g11和g12)至灯(图中的g16)，它们的寿命特征均发生变化，其中，灯g11和g12光通量保持率在500小时的老化时间内迅速下降至低于50％的水平，而灯g16在3000小时的老化时间内将光通量保持率保持在高于50％的较高水平上。

在这种情况下，在光通量保持率下降的灯中可观察到发光管的均匀变黑及随着老化时间超过1000小时而产生的发光管的石英的透光度的下降(由于石英的再结晶而引起的变白的现象)。当灯变黑或透光度下降过量时，光通量保持率下降而低于50％的灯就会经受温度的增加及发光管、特别是上部部分的膨胀而损坏。请注意：在图11和图12中的差号(×)即为每个检测灯损坏的点。

此外，当检测灯的电极断开而在寿命检测之后进行研究时，可发现特别是在500小时或更短的老化时间内光通量保持率下降而低于50％的检测灯(通用灯)的电极端部的熔合状态是不均匀的。也就是说，由熔合工艺过程引起缺陷，如图13A中所示的熔合的半球形末端924中的孔及图13B中所示的应为半球924的一部分的钨线圈923的一部分仍未被熔合。

这些缺陷产生的原因如下。即为：很难控制在熔化电极端部时通用的一次放电电弧式熔合中的最优熔化温度。特别是，由于电极端部的温度的局部突然升高及过度升高即会存在孔和未熔合的部分。

相反，本实施例中形成灯的电极末端124的半球的熔合工艺过程不是所述的通用一次电弧放电方法，而是在一个和多个电弧放电之间进行间隔性地熔合，同时在每次熔合之间提供一段冷却时间。因此，电极端部的温度升高总体上是均匀的且容易进行控制。根据该方法，在电极102(和103)的末端124中就不存在所述的缺陷如孔和未熔合部分，该灯显示了较好的寿命特性。

此外，在上述的检测中，在老化时间为1000小时至3000小时的过程中，对于光通量保持率下降而低于50％的检测灯(图12中的g13至g15)来说，电极921的末端924的熔合状态看上去均匀，但是，在仔细研究钨晶体的状态时，可发现钨晶体中的晶粒的尺寸小于在3000小时的老化时间中将光通量保持率保持至少为50％的检测灯的晶粒的尺寸。

如图14所示，在熔化过程中，电极末端中的晶体通常是径向增长的，在晶体结晶过程中，晶粒的尺寸是以熔化工艺的条件为基础的。请注意：钨晶体中的平均晶粒直径是由径向上的最长长度尺寸d1和在d1的中点处而与d1的线相垂直的尺寸d2所确定的。在熔化过程中很难得到每个条件之间的单独的相互关系(如电弧电流的强度、放电时间的长度、在每次熔合中的电弧放电的数目和其间的时间间隔及冷却时间的长度)。但是，发明人发现的基本情况为：在熔合过程中的温度越高，熔合的时间越长而晶体中的粒径就越大。

因此，发明人进行了第二次检测来研究电极末端的钨晶体中的平均粒径尺寸(多个代表性的晶粒的平均值)和寿命特性参数如光通量保持率之间的相互关系。在一定范围内通过改变不同的条件来制造具有不同熔合状态和钨晶体状态(粒径)的电极样品，所述的范围可满足灯的电极端部的熔合过程的两个条件，(i)在一次和多次放电之间间隔性地通过至少一次电弧放电进行多次的熔合，(ii)在熔合之间提供一段冷却时间。在第二次检测中就使用这些电极。

请注意：在第二次检测中，上述附属构成成分的总量为5ppm，而在这些附属构成成分中所含的碱性金属Na、K、Fe、Ni、Cr和Al的总量为3ppm。

第二次检测的结果如图15所示，该结果证明了电极末端的钨晶体的平均粒径da越大，所得到的寿命特性参数越好。特别是，该结果证明了：当检测灯的平均晶粒直径为100μm或更大(图15中所示的g24至g26)时，灯的寿命特性的提高效果急剧增加，且可得到超过3000小时的老化时间时的光通量保持率至少为50％，这是令人感到欣喜的。换句话说，如果平均粒径为100μm或更大，就可得到一种寿命至少为3000小时的高压水银灯。

此外，该结果还证明：当平均粒径为200μm或更大(图15中的g26)时，可得到更高的光通量保持率，在老化时间为6000小时时的光通量保持率至少为50％(换句话说，灯的寿命至少为6000小时)。

例如，虽然未在图15中显示，当依据图8所示的放电循环在熔合的电极末端的钨晶体中的平均粒径da为200μm时，在6000小时的老化时间之后可得到51％的灯光通量保持率。此外，按着同样的方式，当利用图9中所示的放电周期进行熔合时，当电极末端的钨晶体的平均粒径da为200μm时，可得到令人满意的寿命特性参数。

此外，可证明；当钨晶体中的平均粒径较大时可抑制发光管101的变黑。因此，提高光通量保持率的原因即为抑制钨从电极末端中发散而使发光管变黑。此外，提高光通量保持率的另一个原因在于：电极端部的晶粒的直径越大，其热传导性越好，这样就可加速热量向电极后部的传导，从而减少电极端部的热量。

此外，本发明人利用该实施例的高压放电灯进行了第三次检测，为了研究多个钨材料电极和灯光通量保持率之间的关系，第三次检测的电极的熔合是根据图8中所示的放电循环而进行的。检测结果如图16所示。

在图16中，T为每个检测灯的电极材料中的附属构成成分的总量(单位：ppm)。A指示的是附属构成成分中的碱性金属Na、K、Fe、Ni、Cr和Al的总量(单位：ppm)。例如，在寿命特性由g31所示的检测灯中，电极材料的附属构成成分的总量为10ppm，其中碱性金属Na、K、Fe、Ni、Cr和Al的总量为5ppm。

从图16中可看到，当附属构成成分的总量减少至小于10ppm时，灯光通量保持率得到提高，特别是，附属构成成分中的碱性金属Na、K、Fe、Ni、Cr和Al的减少对光通量保持率的提高具有较大的影响。特别是，可证明：为使灯的寿命(灯的老化时间直至光通量保持率下降至低于50％)达3000小时或更多，就需要将附属构成成分中的碱性金属Na、K、Fe、Ni、Cr和Al的量减少至3ppm或更少。

钨电极中的附属构成成分对灯的寿命特性具有两种影响：(i)由于所述的附属构成物质如从钨材料中发散的碱性金属在老化过程中与密闭的卤素进行反应，而使用来抑制发光管变黑而进行的卤素循环所需的卤素的量不足，(ii)蒸汽化的部分附属构成成分与发光管的石英进行反应而形成了进行再结晶的晶核，从而加速了石英的透光度的损失。

如上述第三次检测所证明，在本实施例的高压水银灯中，通过在电极材料中利用高纯度的钨电极，既可抑制由于老化而引起的发光管的变黑，又可抑制发光管石英的透光度的损失，高纯度钨电极中的除了钨之外的附属构成成分的总量减少了，且附属构成成分中的特定金属如碱性金属的总量减小了。

第二实施例

下面将解释本发明的第二实施例。

如第一个实施例中所描述的那样，通过间隔性地加热熔合、甚至通过电弧放电熔合就可抑制电极末端的形状中的变化，但本发明人在进一步分析利用激光制造电极的方法比第一个实施例中的方法具有更高的精确性之后，估计到利用激光加工的方法在原理上更有优势。也就是说，可估计到；因为激光加工方法中所用的激光柱辐射到电极末端124上可更精确地控制辐射的位置和功率，这样就可减少熔合的形状和尺寸中的变化。

因此，本发明人对依据激光加工方法的电极制造方法进行了研究。激光发射器如CO₂激光发射器和激光二极管(LD，半导体激光发射器)发射器在金属加工中是比较适用的，但是本发明人选用了一种Nd-YAG脉冲激光发射器，该发射器发出的波长为1064nm的激光。特别是，在熔化和处理电极末端124时，对上述可进一步提高精确性的激光熔化方法的生产条件进行了研究。下一步，发明人准备了利用在这种生产条件下依据激光处理方法而制作的电极的检测灯，并检测了灯的特性参数如灯的电压和光通量保持率。此外，发明人同时观察了熔合电极末端124的熔合形状和尺寸，并研究了检测的灯的特性参数之间的相互关系。

图17显示了本实施例中用于熔合电极未端124的Nd-YAG激光熔化装置500的一种示意性构造。请注意：图17中的501是一个腔体，在其中设置了一个电极，部件502是波长为1064nm的Nd-YAG脉冲激光器的一个振动器，而部件503是一根光纤，部件504是一个光学系统。

此处，电极末端124的熔合是由两个生产过程来执行的：(1)将缠绕有双层钨线圈123的钨电极杆122设置在所述腔体501中，所述腔体501中充有氩气，(2)将激光辐射到钨电极杆122和双层钨线圈122的末端上而进行熔合处理。

请注意：除了电极的熔合方法之外，该项研究中所用的检测灯的设计与第一个实施例中是相同的。即，灯的输入功率设定为150W，发光管的尺寸为：管的中间部分的最大外直径Do(参见图4)为9.4mm而管的最大内直径Di(参见图4)为4.4mm。此外，两个电极末端之间的距离De为1.1mm，管的内部容积为0.06cm³而管的长度Lo(参见图4)为57mm。此外，在管中密封有11.4mg的水银(管的质量容积比为190mg/cm³，等于在照明过程中190bar的水银蒸汽压力)和200mbar的氩。请注意：在本实施例中钨电极杆122和钨线圈123所用的材料为所谓的无杂质的高纯度钨，其中，钨中的上述附属构成成分的总量的最大值限制为10ppm。但是，自然希望应用更纯的钨，其中附属构成成分的总量为5ppm而其中的碱性金属Na、K、Fe、Ni、Cr和Al的总量为3ppm，这与第一实施例中是相同的。

此外，对特性参数的检测如寿命检测及检测灯的光通量保持率的检测与第一个实施例中的方式是相同的。也就是说，检测灯的寿命检测是通过组装成图5中所示的灯单元300并经过照明3.5小时和断开0.5小时的周期而进行的。此外，从灯单元300的荧光屏的九点的中心就可得到亮度的平均值，依据这个结果，根据ANSI标准IT7.215-1992就可检测平均亮度保持率(平均亮度与3小时老化时间的比值)，并以此作为灯寿命中的光通量保持率。

首先，图18显示了依据激光处理方法的生产条件而连续进行激光辐射时的结果。如图18所示，电极末端124的熔合形状与半球相比更象一个球体，因此，该处理过程作为电极末端124的熔合方法是不合适的。这是因为在连续进行激光辐射时，电极端部的处理温度急剧而过度的升高而使电极末端124熔化的太多。

基于以上的发现，发明人发现以预定的时间间隔且以预定的次数重复进行激光辐射来作为生产条件更为合适。在本实施例的激光熔合方法中这是基本的制造工艺过程。根据该工艺过程，在对电极末端124进行熔合时，可将处理温度控制在一个适当的范围之内，这样就可对电极末端124进行调整而使其形状更接近半球形。

请注意；在这种情况下，已发现1Hz至20Hz的频率范围适于重复操纵激光辐射的时间间隔。在激光振动器502中利用公知的方法就可控制该重复频率。图19显示了本发明人根据该实施例的电极制造方法的基本生产条件而设定的激光辐射周期的一个典型例子。图19中显示的例子为利用4Hz的重复频率间隔性地共进行5次辐射而进行熔合的一个例子。请注意：在第一个实施例中的熔合温度是由电弧放电的次数来控制的，但是在该实施例中通过调节激光的输出也可达到同样的效果。换句话说，在图19所示的例子中，在最后一次(第5次)激光辐射中的激光输出稍微小于前面的激光输出，但是，这是因为随着退火的进行而发生了再结晶，这与通过电弧放电的数目进行控制达到的效果是相同的。实际上，可按着与第一个实施例相同的方式而在间隔性的激光辐射之间设置进行控制的时间间隔。

此外，利用退火进行再结晶的方法除了降低与其他辐射相比较的最后一次辐射中的激光输出之外，还可逐次降低多个最后激光辐射的激光输出。

图20显示了在这种情况下的电极末端124的熔合形状的一个例子。如图20中所示，作为间隔性地进行激光辐射的激光处理的结果，可证明电极末端124的处理后的形状基本为半球形，而熔合的尺寸中的变化受到抑制且得到改进。请注意：该结果还证明实现了再结晶中的平均粒径至少为200μm。

下面将描述为检测多个灯之间的灯的特性参数中的变化的主要目的而进行的检测的结果，用于制作检测灯的电极的电极末端124是利用上述激光处理方法熔合和处理的。

在本次研究中，在1小时的老化时间之后首先测量了灯的电压V1a。发现的结果为多个灯之间的电压的变化减小至V1a＝61+5V。对这种变化进行的抑制被认为是电极124的熔合的精度提高的结果，这样使电极的形状和尺寸变得更为均匀。如果应用了这种电极，就可基本减小电极之间的距离De中的变化。也就是说，当电极末端124的形状产生变化时，照明过程中放电电弧就从两个电极之间的中轴线处移开，也就意味着电极之间的距离De比设计的值要长，灯的电压可能增加而超过初始的额定值的范围。但是，已显示出通过利用本实施例的方法就可减小这种变化。

同时，在3000小时的灯老化时间之后测量光通量保持率φ1a时，测量的结果为φ1a＝78+8％，该结果显示出灯之间的变化减小了。因此，这就证明本发明人更确定地实现了灯的寿命达到3000小时或更多目标。

请注意：光通量保持率中的变化的改进也考虑是由于电极末端124的熔合形状和尺寸变得更加均匀、照明过程中多个灯之间的温度变化和灯之间比较少波动的钨的气化状态。

如上所述，通过利用生产条件的激光熔合方法生产电极，其中，电极末端124的熔合是通过间隔性地进行预定数目的激光辐射而进行的，电极末端更确定性地熔合成一个半球，灯之间的形状和尺寸的变化受到抑制。因此，已证明：即使高压放电灯具有的弧长短于通用灯，也可确定性地提高高压放电灯的寿命。

变化

根据不同的实施例而对本发明进行了解释，但本发明的内容并不仅限于上述实施例中的特定例子；例如，可进行下述的改变。

(1)即为：在上述的两个实施例中的灯的输出功率均设为150W，但也可将本发明的制造方法使用到其他的灯输入产品中。可能存在这样的情况，即必须改变一些特性参数如电极杆122的轴径或线圈123的丝径，在这些情况下如电弧放电之间的间隔的数量、冷却时间的长度、电弧电流的强度(在电弧放电处理的情况下)及其如激光辐射的输出功率和重复频率(在激光辐射的情况下)应作相应的改变。基于间隔性的放电电弧和激光熔合的原理，根据上述的方法就可抑制熔合的形状和尺寸中的变化，可说明由发明人发现的处理条件即在本发明范围内对每个条件进行的优化可通常被较容易的执行，在本发明中进行了间隔性的加热熔合。

(2)此外，在上述的第二个实施例中显示了以4Hz的电流重复进行的一个例子，也就是说，该例子中的激光辐射之间的时间间隔是一个设定的长度(参见图19)。这是本发明所希望的，因为这样可较容易地构造激光振动器502中的控制线路，但激光辐射之间的时间间隔不必为一个设定的长度，它可以是变化的，如上面所述的那样，对于激光辐射开始的几次和随后几次的时间间隔可以是不同的。

(3)此外，在在上面所述的实施例中，双层线圈123是缠绕在电极杆122上的，但是在放电端处覆盖电极杆122的部件并不仅限于线圈，例如，可利用如一个管形的部件。此外，线圈也不必为双层的，也不必具有8匝。

(4)此外，在上述实施例中利用钨作为电极杆122和线圈123的材料的主要构成成分，但是电极也可利用其他耐热金属作为主要构成成分。

虽然结合附图并通过例子而对本发明进行了全面的描述，但应注意到对本发明的不同改变和变更对本领域的技术人员来说应是明确的。因此，在所做的改变和变更不脱离本发明的范围的情况下，它们均包含在本发明的范围之内。

Claims

1.一种高压放电灯，该灯包括：

以钨为主要构成成分的材料制成的电极，所述电极放置在一个发光管中，从而电极通过熔合形成的半球形的端部相对地布置，所述电极的所述端部的钨晶体的平均粒径至少为100μm。

2.根据权利要求1所述的高压放电灯，其中，所述电极端部的钨晶体的平均粒径至少为200μm。

3.根据权利要求1所述的高压放电灯，其中，发光管是由包括石英的材料制成的，在发光管中密封有卤族元素，在所述电极材料中除了所用的钨之外，附属构成成分的总量不超过5ppm，在所述附属构成成分中Na、K、Fe、Ni、Cr和Al的总量不超过3ppm。

4.根据权利要求1所述的高压放电灯，其中，在相对的电极之间的距离不超过1.5mm。

5.根据权利要求1所述的高压放电灯，其中，在发光管中密封至少150mg/cm³的水银及10^-9mol/cm³至10^-5mol/cm³的溴。

6.一种高压放电灯所用的电极，所述电极是以钨为主要构成成分的材料制成的，通过熔合形成为半球形的电极端部的钨晶体中的平均粒径至少为100μm。

7.根据权利要求6所述的电极，其中，在电极材料中除了所用的钨之外，附属构成成分的总量不超过5ppm，在所述附属构成成分中的Na、K、Fe、Ni、Cr和Al的总量不超过3ppm。