CN100416745C

CN100416745C - 短弧型超高压放电灯

Info

Publication number: CN100416745C
Application number: CNB021230145A
Authority: CN
Inventors: 神崎义隆; 熊田丰彦; 小宫正伸
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2001-06-13
Filing date: 2002-06-13
Publication date: 2008-09-03
Anticipated expiration: 2022-06-13
Also published as: US6762557B2; CN1391254A; EP1271595A1; US20020190654A1; EP1271595B1

Abstract

本发明提供一种在极高水银蒸汽压下点灯的超高压水银灯，具有充分高耐压性的构造。由内部相对向地配置有一对电极且封入了0.15mg/mm³以上的水银的发光部和延伸到其两侧、将电极的一部分密封了的侧管部构成；其特征是：在上述电极中位于上述侧管部中的部分的外表面与构成上述侧管部的石英玻璃之间形成微小空隙，并且在该电极部分上形成有凹凸。

Description

短弧型超高压放电灯

技术背景

本发明涉及一种点灯时的水银蒸汽压在150个大气压以上的短弧型超高压放电灯，特别涉及的是作为液晶显示装置或使用DMD(デジタルミラ-デバイス)的DLP(デジタルライトプロセツサ)等投影装置的背景光源使用的短弧型超高压放电灯。

背景技术

投射型投影装置，对于矩形形状的屏幕，要求能够均匀且具有充分显色性地对图象进行照明，因此，将封入了水银或金属卤化物的卤化金属灯作为光源使用。另外，最近，这样的卤化金属灯进一步向更加小型化、点光源化发展，此外，电极间距离极小的也被实际应用。

在这样的背景下，最近，提出了到目前为止还没有出现过的具有高水银蒸汽压、例如有150个大气压的灯以取代金属卤化灯。目的是通过使水银蒸汽压变得更高，抑制(限定)电弧扩大并使光的输出得到进一步的提高。

这样的超高压放电灯例如在美国专利第5109181(特开平2-148561号)、美国专利第5497049(特开平6-52830号)中已经公开。

而这样的超高压放电灯，因发光管内的压力在点灯时变得极高，所以对于向发光部的两侧延伸的侧管部，要求构成该侧管部的石英玻璃和电极以及供电用的金属箔要充分且坚固地密合。如果密合性不好，封入的气体就会漏出或者成为产生裂缝的原因。

所以，侧管部的密封工序中，例如在2000℃的高温下对石英玻璃进行加热，在这一状态下，厚质的石英逐渐收缩(即收缩密封)，或者通过对石英玻璃进行夹紧密封使侧管部的密封性提高。

但是，如果在过高的高温下对石英玻璃进行烧制，虽然石英玻璃和电极或金属箔的密合性得到提高，但会出现放电灯在完成后侧管部容易破损的问题。

这个问题可认为是在加热处理后，侧管部的温度逐渐下降的阶段中，因为构成电极的材料(钨)与构成侧管部的材料(石英玻璃)的膨胀系数不同，相应的伸缩量也不同，而在二者的接触部分就会出现裂缝。

这个裂缝虽然极小，但随着点灯中所处的超高压状态，将导致这个裂缝逐渐增大，从而导致放电灯破损。

为了解决上述问题，提出了图11所示的构造，这个图是将放电灯的一部分扩大后的图，发光部10处连着侧管部11，电极2在侧管部11中与金属箔3接合。而且，侧管部11中被埋入的电极2上缠绕有线圈构件5。

这种构造是缠绕在电极2上的线圈构件5能够缓和起因于电极2的热膨胀所带来的对石英玻璃的应力，例如，在特开平11-176385号中已有记载。

但是，通过这样的构造，即使使电极2的热膨胀得到缓和，实际中电极2或线圈构件5的周边还残留有裂缝K。

这个裂缝K虽然很微小，在发光部10的水银蒸汽压有150个大气压的程度时，偶尔会有引起侧管部破损的情况。另外，近年来，要求其中的水银蒸汽压要达到200个、甚至300个大气压这样非常高的程度，这样高的水银蒸汽压下，在点灯时会促进裂缝K的增大，结果导致侧管部11的破损非常明显。即虽然最初时裂缝K是微小的，但随着点灯时的高水银蒸汽压将逐渐增大。

可以说这在点灯时的蒸汽压在50～100个大气压的程度或在其之下时绝对不会存在的、新的技术课题。

所以，本申请人先在专利申请2000-168798号中提出了图12所示的构造。

10是发光部，11是侧管部，电极2在侧管部11中与金属箔3接合在一起。电极2通过其侧面2a与端面2b处的微小空隙B与石英玻璃公开配置。

如果能够正确形成这个空隙构造的话，当然可以解决上述裂缝的问题，但已经判明在实际中完全正确地形成该空隙是十分困难的。

具体地讲就是虽然阐述了空隙的形成是通过对电极施加振动而形成的，但实际上仅用振动不能形成充分的空隙。

另外，图12所示的构造又产生了新的问题。

图13表示的是图12中的A部分的放大图。图13(a)表示的是图12的A部分的放大图，(b)表示的是从上方(D侧)看到的(a)的C-C剖面的剖面图，(c)表示的是从左侧(C侧)看到的(a)的D-D’剖面的剖面图。

如图所示，空隙B的存在一直延伸到电极2的侧面2a及端面2b。

可是，在电极的端面2b处却产生了不希望出现的楔形空隙X。

图14表示的是空隙X的放大图。因空隙X通过空隙B与发光部10直接连在一起，发光部10内产生的高气压(150个大气压以上)同样施加到空隙X上。在楔形空隙X中这个高气压沿图中箭头方向P3、P4很强地施加，由于这个原因对石英玻璃与金属箔产生了剥离作用。

由于这种现象，导致了最终石英玻璃与金属箔剥落，结果导致了放电灯的破损。另外，这种现象是在具有发光部和电极端面通过空隙连接的构造并象本发明这样内压在100个大气压以上、更高为150、200甚至300个大气压以上的极高的高压放电灯中产生的特有的技术课题。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而提出的，对于在具有极高水银蒸汽压下点灯的超高原水银灯，提供一种具有充分高耐压性的构造。

为了解决上述问题，本发明的短弧型超高压放电灯由内部相对向地配置有一对电极且封入了0.15mg/mm³以上的水银的发光部和延伸到其两侧、将电极的一部分密封了的侧管部构成，其特征是：上述电极是其侧面和端面配置在上述侧管部内，并与该侧管部构成材料的石英玻璃之间形成微小空隙，该电极部分上形成有凹凸。

而且，上述微小空间是因构成该电极的材料和构成上述侧管部的材料的膨胀系数的差，该电极可沿轴向不受约束地自由伸缩的程度。

而且，上述凹凸的深度为1.0～100μm。

另外，本发明的短弧型超高压放电灯由内部相对向地配置有一对电极且封入了0.15mg/mm³以上的水银的发光部和延伸到其两侧、将电极的一部分密封了的侧管部构成，其特征是：上述电极是其侧面和端面处与该侧管部构成材料的石英玻璃之间形成微小空隙地配置的，由该电极的端面与上述金属箔形成了锐角构造的同时，在这种锐角构造中也配置有石英玻璃。这种锐角构造的角度在70°以下。

通过上述结构，本发明中的短弧型超高压放电灯可以完全或大致完全抑制侧管部发生的微小裂缝。

这是由于因在位于侧管部的电极(电极棒)在其表面(包括端面)处与石英玻璃之间有空隙，所以石英玻璃与电极的交界处没有密合的缘故。

如果具有这样的构造，因电极表面与石英玻璃没有接触，即使电极相对于石英玻璃移动，两者之间当然不会因这种移动而产生裂缝。

而且，本发明为了简单且可靠地形成这种空隙，发明了在电极表面上设置凹凸。

虽然对于形成了凹凸形状就能相关地可靠形成空隙的技术说明并不一定明确，但本申请人经过反复探讨，得到了下述论点。

即，如上述在先申请的说明书中所述，用于形成空隙的制造方法是在密封工序的最终阶段对电极施加冲击。于是推测：这时凹凸形成处、在凹部中存在的处于熔融状态的玻璃石英在受到冲击的同时溅出，正因为这种溅出而可靠地形成了空隙。

而且，为了解决楔形空间的问题，发明者们专心探讨的结果，是在电极的端面形状上下工夫。

附图说明

图1为短弧型超高压放电灯的整体图。

图2为本发明的短弧型超高压放电灯的部分图。

图3为图2的A-A’剖面图。

图4为表示本发明的电极构造的附图。

图5为短弧型超高压放电灯的制造方法的说明图。

图6为本发明的短弧型超高压放电灯的部分图。

图7为本发明的短弧型超高压放电灯的部分图。

图8为本发明的短弧型超高压放电灯的部分图。

图9表示本发明的短弧型超高压放电灯的其他实施例。

图10表示本发明的实验结果。

图11表示现有的短弧型超高压放电灯的部分图。

图12为说明本发明的短弧型超高压放电灯的部分图。

图13为说明本发明的短弧型超高压放电灯的部分图。

图14为说明本发明的短弧型超高压放电灯的部分图。

具体实施形式

对本发明的短弧型超高压放电灯进行说明，但首先使用图1对放电灯的整体构造进行说明。

放电灯1在大致中央部分具有由石英玻璃构成的发光部10，其两端上具有侧管部11。侧管部11通过石英玻璃被气密地密封。

发光部10内以例如2.5mm以下的空隙设置有一对由钨制成的电极2。电极2的一端焊接了金属箔3、金属箔3和电极2的一部分埋入侧管部11中并被密封。而且，金属箔3的另一端与外部导线4接合。电极2的顶端虽然绕卷有线圈，这是为了改善点灯时的启动性，将钨绕卷4～5圈后安装上。

发光部10中，水银作为发光物质被封入，另外将氩、氙等稀有气体作为点灯启动气体封入。水银的封入量是通过分别计算稳定点灯时的蒸汽压在150个大气压以上、较为理想的是200个大气压以上、更为理想的是300个大气压以上时相应水银量得到的。例如，水银蒸汽压在150个大气压以上时，水银封入量是0.15mg/mm³以上。

其次，对本发明进行具体说明，首先但对技术方案1涉及的发明进行说明。

图2表示的是发光部10和侧管部11相接部分的放大图，图3表示的是图2的A-A’剖面图。另外，图2、图3的空隙B、凹凸20实际上是极小的，为了方便对图的说明，将其进行了夸张表现。

侧管部11内，电极2与金属箔3焊敷在一起，除此之外的区域与构成侧管部11的石英玻璃间具有空隙B。具体地说，就是电极2的侧面2a和密封侧端面2b与侧管部11(石英玻璃)没有接触。

这里，空隙B是根据因构成电极的材料与构成侧管部的材料膨胀系数不同，电极是能够在轴向不受约束地相对自由伸缩的观点而决定的，在电极由钨制成、侧管部由石英玻璃制成的情况下，空隙的宽度B可从6～16μm的范围选择，空隙B在电极的长度方向上可有2～5mm存在。

另外，电极的侧管部的外径例如可为0.3～1.5mmφ。

图4表示的是电极的具体构造。或如(a)所示，以相同的外径一直伸到顶端、或如(b)所示，相对于密封部分、在发光空间露出的部分可加粗形成。另外，还可采用其他形状的电极。而且，电极的发光空间一侧的顶端既可以是图4(a)所示的平面，也可以是图4(b)所示的曲面，或是圆锥状等其他形式也都可以。

在电极2上在相当于侧管部的位置形成了凹凸20，凹凸20可以采用宽度为w、深度为d如图所示的锯齿状、或如图2所示的方形状，还可以采用其他形状，例如曲面状、波状等。

凹凸20的深度(d)例如可以为1～100μm，这种凹凸20可通过车床加工、圆筒研磨等形成。

下面，对本发明的短弧型超高压放电灯的制造方法进行说明。

图5中(甲)～(丁)表示一系列的制造工序，(甲)是密封工序、(乙)是冷却工序、(丙)是加热工序、(丁)是振动工序。

虽然电极2上如前所述地形成了凹凸，为了方便使用附图对制造工序进行说明，将凹凸省略了。

首先对图5中(甲)的密封工序进行说明。

在形成有发光部10和侧管部11的玻璃真空管的一方的侧管部11a中，插入由电极2、金属箔3、外部导棒4形成一体的电极组合体，这时，电极2的顶端在发光部10露出并且电极2的根部和金属箔3设置在侧管部11处。

如图中C所示，对将电极2和金属箔3包围的侧管部11a以该侧管部11a的软化点以上的温度进行加热。具体就是，在侧管部是石英玻璃的场合，软化点温度是1680℃，通过煤气喷灯在2000℃左右进行加热。

这个密封工序中，因侧管部11a的端部已被封上，所以可以借助另一方的侧管部11b的开口部对玻璃真空管内进行减压，例如可减到100托。因此，如果对侧管部11a进行加热，这部分的直径会缩小，由此，电极2和金属箔3就被密封。

除了使玻璃真空管变为负压的方法(收缩密封)以外，还可以在对侧管部11加热后，使用夹锭钳进行密封。

其次，对图5中(乙)的冷却工序进行说明。

上述密封工序后接着对侧管部11a进行冷却。这个冷却是通过强制冷却和自然冷却进行，例如可冷却至1200℃。

通过该冷却工序，电极2和侧管部11a虽然一部分呈熔敷状态，但电极2的整个表面并没有全部熔着。这是因为构成电极的材料例如钨，和构成侧管部的材料例如石英，它们的膨胀系数不同，所以电极2和侧管部11的熔敷部分(在密封中熔敷的部分)的一部分剥离下来造成的。在这样的剥离发生时，将产生上述极小的裂缝K。

下面，对图5中(丙)的加热工序进行说明。

上述冷却工序后接着对图中D所示的部分再度进行加热。例如可通过煤气喷灯，对构成侧管部11的构成材料，例如石英玻璃与呈粘性流动状态的电极2进行加热直到再接在一起，构成电极2和侧管部11的材料可以相对移动。

这种加热工序中，由于只是对侧管部11a中图中D所示区域进行再加热，而不是对金属箔3全体进行加热，所以对金属箔3和侧管部11的气密密封没有任何影响。

通过这种再加热，就能够将电极2周围存在的极微小的裂缝消除。

下面，对图5中(丁)的振动工序进行说明。

上述加热工序完成后，当侧管部11a的区域D的温度在侧管部的构成材料的软化点温度以下、退火点以上的温度状态下时对该侧管部11a施加振动。振动方向如图中的箭头所示。

这是因为侧管部11的区域D呈粘性流动状态，电极2与石英玻璃11相对移动的缘故。

例如，如果振动1～10回，会产生0.1～1.0mm的移动。

在最后的振动中，电极间的距离必须正确，可以另外利用手动和图象处理装置以±0.05mm的精度进行。

这种振动通过将夹住侧管部11的保持构件13连接在马达等振动装置上进行。随着马达的驱动，产生了沿箭头方向的振动。因为这种振动，电极2与侧管部11被强制且相对地错开，在两者间良好地产生空隙。该空隙的形成，受到存在于省略图示的凹凸20的凹部中的熔融的石英玻璃振动的影响、良好地溅出也起了作用。

另外，对于侧管部11b的电极的制造，在上述工序完成后，将必要的水银和稀有气体封入发光部10后，同样进行密封、冷却、加热、振动工序。

这里，振动的次数对于电极上形成的凹凸深度有影响。本发明者们通过多次实验得到的结果，在凹凸的深度为35～100μm时，所需振动为1～2回(一回指的是侧管部如图5中(丁)所示沿箭头方向来回移动一次)、在凹凸的深度为12～25μm时，所需振动为3～4回、在凹凸的深度为1.0～6.5μm时，所需振动为5～10回。这个结果意味着凹凸的深度越大所需振动次数越少，从而成为印证由于凹凸对空隙形成产生影响的理由。

振动次数增多对于金属箔会带来恶劣影响。本发明者们确定在振动次数10回以下，比较理想的是5回以下意味着对金属箔的影响是有效的。

但是，电极上形成的凹凸并不限定如上述实施例中的在电极的延伸方向上凹部和凸部连续排列的构造。

即采用在电极的圆周方向上凹部和凸部连续排列的构造也是可行的。这时施加振动的方向，不是象上述制造工序所说明的那样从侧管部的端部施加，而是从侧管部的侧面施加。所以，电极的圆周方向上形成的凹凸并不是在全部圆周方向上形成，而是根据与受到施加振动的方向上的关系在一部分上形成。

其次对于另一个发明进行说明。

图6表示的是发光部10与侧管部11的相接部分的放大图、与图11和图12相对应。

侧管部11中，电极2熔敷在与金属箔3的焊接部分，它以外的区域在与构成侧管部11的石英玻璃之间有空隙B。具体就是电极2的侧面2a和密封侧端面2b与侧管部11的材料石英玻璃没有接触。

另外，金属箔3及空隙B等在实际中是极小的或是极薄的，所以为了对图中所示的发明进行说明，在表现上有一些夸张。

另外，图7同样表示的是该电极的端部2b，与图13是相对应的。(a)是电极端部的放大图、(b)表示的是从上方(D侧)看到的(a)的C-C’剖面的剖面图、(c)表示的是从左侧(C侧)看到的(a)的D-D’剖面的剖面图。

这里，空隙B是根据因构成电极和构成侧管部的材料的膨胀系数不同而电极在轴向上不受约束缚地自由伸缩的观点而决定的，在电极由钨、侧管部由石英玻璃制成的情况下，空隙的宽度B从6～16μm的范围选择，空隙B沿电极方向的长度可以是3～5μm。而电极的外径例如可在0.4～1.3mmφ之间。

通过形成这种空隙B，即使电极与石英玻璃相对移动也能够良好地防止裂缝的产生。

另外，本发明中，电极2的端面形状不是如图12所示的平端面而是由电极的端面和金属箔形成了锐角构造。由于这样的构造，能够良好地防止由于设置了空隙B而产生的上述技术问题，即良好地防止不希望产生的楔形空间X的产生和增大。

图8表示的是电极端部的放大构造。如图所示，电极并不是平端面(沿电极垂直方向的平面)，而形成为球面状、或曲面状，因此，电极周围形成的空隙B也形成了大致相同的形状。

然后，在电极端部与金属箔3形成了锐角构造的同时，该锐角构造中，如图11a所示加入石英玻璃。这里的“锐角构造”意思指的是空隙B的电极端面和金属箔3所形成的图示θ。

于是，从空隙B发出的高压力P如图箭头方向对石英玻璃11a施加，该压力P通过角度θ分为分力P1和分力P2，分力P2作用使石英玻璃11a和金属箔3密合。由于这个力的作用使从该部分发生的剥离问题得到良好的解决。

即本发明由于在电极2的端面构造上下了工夫，不会产生上述不希望产生的楔形空隙，所以，由于楔形空间的产生所引起的金属箔的剥离问题可得到良好地解决。另外，假使楔形空间X在制造阶段产生，因为与使石英玻璃和金属箔的剥离的力P3相比，使两者密合的力P2的作用更大，所以能够抑制问题的发生。

另外，对于电极端部的构造和它与金属箔之间形成的锐角构造并不限定于图8所示。

图9表示的是其它的锐角构造。

(a)、(b)将电极的端部做成圆锥形状，它与金属箔的接点处的锐角是，在(a)中点51处形成的锐角θ为45°、(b)中点52处形成的锐角θ为30°。另外，如(c)中所示，将圆柱形电极斜着切断而形成的形状也可，点53处形成的锐角θ为45°。

电极端部形成的锐角构造并不限定这样的实施例。也可以采用其他的构造。另外，对于形成锐角构造的角度也可采用种种角度。

其次，对于图8所示的构造，即电极端面与金属箔形成的锐角构造的锐角θ与分力的关系进行探讨。这种构造表示具有上述记载的构造的放电灯中的关系。

图10中横轴表示角度θ，在20°～90°的范围中取得数据，纵轴是楔形空间中产生的不希望产生的分力，即表示图8、图14中的P3。角度θ为90°表示的意思是图13所表示的现有的电极端面的构造。

从图10所示的关系中可知，当角度θ低于70°时，楔形空间中产生的不希望产生的分力为负值。这说明用角度θ定义的锐角构造中，当角度θ低于70°时，意味着使两者密合的应力P2超过了剥离石英玻璃和金属箔的应力P3。而且还明确表明角度θ越小应力P3也越小。

即当角度θ低于70°时，本发明产生明显效果，并且随着逐渐减小到55°、40°、20°，效果变得更大。另外，即使当角度θ大于70°时，虽然不能使应力P3比P2小，但能够使它们的差比在角度θ为90°时要小。

如果严密地说，上述关系根据空隙B的大小、电极端面的面积、放电空间的内压等条件的不同，对于上述角度θ为70°这一数值有必要将这些条件考虑进去，但本发明者们通过反复实验确认只要水银蒸汽压在150个大气压以上、空隙B在6～16μm之间，并且角度θ为70°，则具有大致相同的效果。

本发明的电极和金属箔的锐角构造无论在放电灯的阴极、阳极哪个上面都可以采用，理想的是两个都采用。

其次对本发明的短弧型超高压放电灯的数值例进行说明。

阴极外径：0.8mm

阳极外径：1.8mm

侧管部外径：6.0mm

灯全长：65.0mm

侧管长度：25.0mm

发光管的内容积：0.08cc

电极间距离：2.0mm

额定点灯电压：200w

额定点灯电流：2.5A

封入水银量：0.15mg/mm³

稀有气体：氩为100托

如以上说明，本发明的短弧型超高压放电灯由于在电极的侧面和端面有微小空间，所以对于该部分产生的微小裂缝能够完全或大致完全地抑制，另外，通过在电极上设置凹凸使在放电灯的制造工序中能够可靠、正确地形成微小空间。另外因为在电极端面和金属箔之间形成了锐角构造，能够良好的抑制在该部分的楔形空隙的产生和增大。

Claims

1. 一种短弧型超高压放电灯，由内部相对向地配置有一对电极且封入了0.15mg/mm³以上的水银的发光部和延伸到其两侧、将电极的一部分密封的侧管部构成，其特征是：

上述电极是其侧面和端面配置在上述侧管部内，并与该侧管部构成材料的石英玻璃之间形成微小空隙，该电极部分上形成有凹凸，

上述微小空隙是因构成上述电极的材料和构成上述侧管部的材料的膨胀系数的差，该电极可沿轴向不受约束地自由伸缩的程度。

2. 权利要求1所记载的短弧型超高压放电灯，其特征是：

上述凹凸的深度为1.0～100μm。

3. 一种短弧型超高压放电灯，由内部相对向地配置有一对电极且封入了0.15mg/mm³以上的水银的发光部和延伸到其两侧、将电极的一部分密封的侧管部构成，其特征是：

上述电极是其侧面和端面处与上述侧管部的构成材料的石英玻璃之间形成微小空隙地配置的，由该电极的端面和上述金属箔形成了锐角构造，并且在这种锐角构造中也设置有石英玻璃，上述微小空隙是因构成上述电极的材料和构成上述侧管部的材料的膨胀系数的差，该电极可沿轴向不受约束地自由伸缩的程度。

4. 权利要求1所记载的短弧型超高压放电灯，其特征是：

上述锐角构造的角度在70°以下。