CN1407592A

CN1407592A - 短弧型超高压放电灯

Info

Publication number: CN1407592A
Application number: CN02142977.4A
Authority: CN
Inventors: 神崎义隆; 熊田丰彦; 小宫正伸; 宫宇地浩二
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2001-09-13
Filing date: 2002-09-13
Publication date: 2003-04-02
Also published as: EP1296356A2; EP1296356A3; EP1296356B1; US6713957B2; US20030048076A1

Abstract

本发明涉及一种短弧型超高压放电灯，所述放电灯能提供很高的耐压性，其包括在内部对向地配置一对以钨为主要成分的电极、且封入0.15mg/mm³以上的水银的发光管部以及向其两侧延伸、内部具有金属箔的侧管部，其特征为，在所述电极与所述金属箔之间，具有截面面积比所述电极的截面面积小的其它的金属构件，将所述电极与所述金属箔进行电连接。所述电极配置成在与所述侧管部对向的部分与构成该侧管部的材料形成微小的空间，且由与构成该侧管部的材料对向部分的大直径部及所述金属箔接合部分的小直径部构成。

Description

短弧型超高压放电灯

技术领域

本发明涉及点亮时水银蒸气压达到15MPa以上的短弧型超高压放电灯，特别是涉及作为利用液晶显示装置及DMD(数字镜装置)的DLP(数字光处理器)等的投影仪的背照光所使用的短弧形超高压放电灯。

背景技术

投射式投影仪要求对于矩形屏幕以均匀且足够的显色性对图象照明，因此，作为光源使用封入水银和金属卤化物的金属卤化物灯。

此外，最近以来，这种卤化物灯进一步小型化，点光源化，电极间距离极小的这种灯已进入实用化阶段。

在这种背景下，最近，代替金属卤化物灯，提出了具有在此之前尚不曾有过的高水银蒸气压、例如15MPa的灯的方案。这是为了通过进一步提高水银蒸气压，在抑制电弧变宽(压缩)的同时进一步提高光输出。

这种超高压放电灯，例如，公开在特开平2-148561号(US5,109,181)，特开平6-52830号(US 5,497,049)号公报中。

可是，这种超高压放电灯，由于发光管内的压力在点亮时极高，故在延伸于发光管部的两侧的侧管部，必须使构成该侧管部的石英玻璃及电极和供电用金属箔充分且牢固地贴紧。

特别是，由于电极一般为圆柱形，金属箔为平板状，所以若使两者接合时，与石英玻璃的交界部分必然会产生微小的空隙，发光空间内的高气压经过电极轴杆周围的空隙加到这种微小的空隙内，会从这里产生龟裂，并有可能生长并发展。

因此，如何缩小所述空隙是防止产生龟裂的重要课题，其中，进行了通过减小电极轴的截面面积来减小在其周围生成微小空隙的尝试。

关于这种形成于电极轴周围的空隙，例如，请参照特开平3-201357号公报。并且，如后面所述，可以参照在本发明的实施例的说明中的图4。

另一方面，用于投影仪装置的短弧型超高压放电灯，其发光管内的容积极小，为80mm³左右，但点亮灯时，其内部的气压为15MPa以上，管壁负荷值在0.8W/mm²以上，其热条件极其苛刻，从而在放电灯点亮的过程中，为了防止失透(发光管变得不透明)，必须采取充分的散热措施，以防止放电容器的高温化。

作为散热的措施，可以考虑从放电容器的外部吹冷却风，但除此之外的方法，利用电极(电极轴)的传热作用进行散热也是十分重要的因素。

如果只考虑通过热传导对放电空间的热量进行散热的话，电极轴较粗(即截面面积大)时散热效果好。

综合上面所述的内容，在放电容器内点亮灯时的气体压力非常高(例如，15Mpa以上)、发光管内的容积在80mm³以下、管壁负荷0.8W/mm²以上这种热条件极为苛刻的投影仪用短弧型超高压水银灯中，第一，由于在点亮灯时的封入气压高，在侧管部会发生和发展通常的放电灯(点亮灯时气体压力为几个大气压～几十个大气压左右)中不会产生的龟裂，因此，优选地通过缩小电极轴的直径来缩小成为龟裂的产生原因的微小空隙。

第二，由于点亮灯时放电管的热条件极为苛刻，从而有必要迅速地将放电空间的高温散热，因此，利用电极轴的传热作用是很重要的，其具体结构，最好是将电极轴加粗。

解决这一课题的方案，例如，在特开平10-289690号中进行过描述。

在该公开的公报中描述了一种结构，所述结构为比起电极轴直径保持放电电弧的部分来说，在电极轴与玻璃熔敷的部分的电极轴的直径小，随着从保持放电电弧的部分向与玻璃熔敷部分的靠近，电极轴的直径分阶段地变细或者连续地变细。

这种结构定性地说应该能够同时解决上述两个课题，但该公开公报所描述的放电灯，以其内部气压在0.1MPa以上非常低的放电灯为对象，对于作为本申请的发明的短弧型放电灯例如这种具有15MPa以上的大到两位数的内部压力的放电灯并不一定能够完全达到预期的目的。

发明内容

本发明所要解决的课题，是提供一种在以极高的水银蒸气压点亮的超高压水银灯中，具有十分高的耐压力的性能的结构。

为解决上述课题，根据本发明的方案1所述的短弧型超高压水银灯，其特征为，它由其内部对向地配置以钨为主要成分的一对电极且封入0.15mg/mm³以上的水银的发光管部以及沿其两侧延伸的、将电极的一部分封接且将电极与金属箔焊接起来的侧管部构成，在前述电极与前述金属箔之间，用截面面积小于前述电极的截面面积的另外的金属构件将两者进行电连接。

此外，根据本发明的方案2所述的短弧型超高压水银灯，其特征为，前述金属构件为φ0.1～0.5mm。

进而，根据本发明的方案3所述的短弧型超高压水银灯，其特征为，前述电极的侧面及端面，在前述侧管部内与作为构成该侧管部的材料的石英玻璃之间形成微小的空间。

此外，根据本发明的方案4所述的短弧型超高压水银灯，在内部对向地配置一对以钨为主要成分的电极、且封入0.15mg/mm³以上的水银的发光管部以及沿其两侧延伸的内部有金属箔的侧管部构成的短弧型超高压放电灯中，其特征为，前述电极在与前述侧管部对向的部分与构成所述侧管部的材料形成微小的空隙，并且，由与所述构成材料对向的部分的大直径部以及与前述金属箔焊接的部分的小直径部构成。

进而，根据本发明的方案5所述的短弧型超高压水银灯，其特征为，电极的大直径部为φ0.6～1.5mm，小直径部为φ0.1～0.5mm。

由于根据本发明的方案1至3所述的短弧型超高压放电灯使用小直径的金属构件构成与金属箔接合的部分，所以可以很好地抑制在该接合部分处龟裂的发生及发展。这是因为在侧管部内与金属箔的焊接中，不像现有技术中将电极轴与金属箔焊接起来那样，而是在两者之间配置作为另外构件的金属构件，通过将该金属构件的外径缩小到φ0.1～0.5mm的水平，可以抑制在该接合部分发生龟裂。

另一方面，本发明的短弧型高压放电灯在点亮时内部气压为15MPa，发光管内容积80mm³左右，管壁负荷在0.8W/mm²以上，热条件极为严格，但通过电极从放电空间一直延伸到大小基本上相同的侧管部构成，充分发挥电极轴的传热作用，可以很好地将放电空间内的高温从侧管部散热。

即，为了散热，电极轴以很粗的直径一直延伸到侧管部，与此同时，为了防止发生空隙，仅在与金属箔的接合处使用另外的金属构件。同时，电极轴将放电空间的高温以热传导的方式散发到侧管部，该侧管部从电极轴外周面通过石英玻璃进行散热。

根据本发明的方案4，5所述的短弧型超高压放电灯，在电极与侧管部对向的部分，作成大直径部延伸。借此，该电极(电极轴)将放电空间的高温以传导热方式散发到侧管部，该侧管部，可以从电极轴外周面通过构成侧管部的材料，例如石英玻璃进行良好的散热。

同时，在电极前端与金属箔焊接的部分处，由于电极直径小，可以缩小电极与金属箔焊接时生成的不可避免的空隙，借此可以提高侧管部的耐压性。

此外，如果用数值表示的话，大直径部为φ0.6～1.5mm，小直径部为φ0.1～0.5mm。

电极(电极轴)与侧管部对向的部分，电极表面与构成侧管部的材料之间有微小的空隙。借此，可以防止该侧管部在封接工艺中进行高温加热之后，在其温度缓慢下降的阶段因构成电极的材料与构成侧管部的材料的热膨胀率的不同而引起相对伸缩量的差异，从而可以很好地抑制由此造成的在接触部分产生的龟裂。

附图的简单说明

图1是根据本发明的第一个实施例的短弧型超高压放电灯的总体图。

图2是根据本发明的第一个实施例的短弧型超高压放电灯的局部图。

图3是根据本发明的第一个实施例的短弧型超高压放电灯的局部图。

图4是根据本发明的第一个实施例的短弧型超高压放电灯的局部图。

图5是表示根据本发明的第一个实施例的短弧型超高压放电灯的效果的说明图。

图6是根据本发明的第一个实施例的短弧型超高压放电灯的另外一个实施例。

图7是根据本发明的第二个实施例的短弧型超高压放电灯的总体图。

图8是根据本发明的第二个实施例的短弧型超高压放电灯的阳极的放大图。

图9是根据本发明的第二个实施例的短弧型超高压放电灯的金属箔焊接部分的放大图。

图10是根据本发明的第二个实施例的短弧型超高压放电灯的阴极的放大图。

具体实施形式

图1表示根据本发明的第一个实施例的短弧型超高压放电灯(下面简称为“放电灯”)的总体结构图。

放电灯10具有利用由石英玻璃构成的放电容器11形成的大致为球形的放电空间部12，在该放电空间12内，相互对向地配置阴极13和阳极14。此外，形成从放电空间部12的两端延伸的各个封接部15，在这些封接部15内，例如利用夹紧密封气密地埋设一般用钼构成的导电用金属箔16，在前端分别具有阴极13和阳极14的电极棒17的基端部，配置在该导电用金属箔16的一个端部上的状态下，通过焊接进行电连接的同时，在该金属箔的另一端部上焊接有突出到外部的引线杆18。

此外，将阴极13，阳极14以及电极轴17统称为“电极”，它以钨为主要成分构成。

在各个电极轴17的位于金属箔侧的端部上，设置与电极轴17不同的金属构件20。

该金属构件20如后面将要描述的，由钼或以钼为主要成分的材料构成，金属构件20的截面面积小于电极轴17的截面面积，并且在电极轴17与金属箔16之间，在供电作用的意义上起着桥接的作用，将两者进行电连接。

此外，金属构件20，通过使用导热性比构成电极的材料更好的材料，在封接部制作工艺过程中可提高密封性能。

在放电空间部12内，封入水银，稀有气体以及卤素气体。

为了获得必要的可见光波长，例如，波长为360nm～780nm的发射光，封入0.15mg/mm³以上的水银。该封入量根据温度条件的不同而不同，但在点亮灯时会变成15MPa以上的极高的蒸气压。

此外，通过封入更多的水银(例如，0.20，0.25，0.30mg/mm³)，可以制成点亮时水银蒸气压在20MPa以上，30MPa以上的高水银蒸气压的放电灯，水银蒸气压越高越可以实现适合于投影仪装置使用的光源。

作为稀有气体，例如封入约13KPa的氩气，目的是为了改善点亮灯时的起动功能。

卤素，以溴、氯、碘等与水银及其它金属的化合物的形式封入，卤素的封入量，例如可以从10-6～10-2μmo1/mm²的范围内选择，其作用是防止放电容器的白浊化，延长其使用寿命，但对于像本发明放电灯这种极为小型的具有高的内压的放电灯，封入这种卤素，也会对防止放电容器的破损及防止失透的现象有一定的影响。

此外，放电灯的管壁负荷在0.8W/mm²以上。这是由于在放电容器内封入大量的水银，这些水银在灯点亮时因充分汽化达到热条件造成的。

此外，放电灯的容积较小，在80mm³以下。这是由于对应于液晶投影仪装置的小型化要求放电灯本身尽可能小的缘故。

作为这种放电灯的数值的例子，例如，发光部的最大外径为9.5mm，电极间距离为1.5mm，发光管内容积75mm³，管壁负荷1.5W/mm³，额定电压80V，额定功率150W。

这样，在前述投影仪装置或架空投影机之类的演示用仪器中装载这种放电灯，可提供显色性良好的放射光。

图2是表示本发明的第一个实施例的在放电灯的电极与金属箔之间设置桥接件的阳极基部部分的放大图，(a)～(f)作为例子，介绍其具体的形式。此外，在(b)图以下省略了石英玻璃。

(a)在电极轴17的端部设置另外的金属构件20a。该金属构件20a由金属丝构成。并且，金属丝的一个端部在电极轴的侧面上卷绕几圈，其另一端部与金属箔焊接在一起。

(b)金属构件20b不是金属丝，而是由中间弯折的棒状构件制成。该金属构件20b的一端点焊在电极轴的侧面上，其另一端同样与金属箔点焊焊接。

(c)金属构件20c由直的棒状构件制成。金属构件20c的一端插入固定在设于电极轴的中心的孔内，金属构件20c的另一端焊接在金属箔16上。

(d)金属构件20d由丝构成，将导电丝20d贯穿设在电极轴17上的贯通孔170，将导电丝20d的两端分别焊接在金属箔16上。这种结构的优点是，可以用上述(a)～(c)中金属构件的一半的截面面积构成金属构件，通过设置两个这种金属构件使总的截面面积相同。

(e)金属构件20e由导电弹簧(线圈)部分20e1和棒状导电构件部分20e2构成，导电弹簧部分20e1由卷绕在电极轴上的部分和卷绕在棒状导电构件20e2上的部分构成。这种结构利用导电弹簧20e借助其弹性力保持在电极轴17上，并借助弹性力保持导电构件20e2。同时，导电构件20e2的另一端焊接在金属箔16上。

(f)金属构件20f是直的棒状构件，金属构件20f的一端与通过切削形成在电极轴上的平面部焊接，其另一端与金属箔16焊接。

(g)金属构件20g是直的棒状构件，该金属构件20g与电极轴17对接焊接。

这里，电极轴17为φ0.6～1.5mm，而金属构件20为φ0.1～0.5mm。

作为具体的数值的例子，阳极14为φ1.8mm，长度3.34mm，阳极14的前端圆锥部分，其前端角为70°，电极轴17为φ1.0mm，长度为3.5mm，金属构件20为φ0.14mm，长度为1.8mm。

此外，为了方便起见，图2所表示的电极轴17比阳极14短，但在实际上电极轴17稍微长些，而且必须在电极轴17的外周上形成由石英玻璃构成的侧管部。这是因为从电极轴的外周面通过石英玻璃散热是非常重要的。

图3是表示本发明的第一个实施例的超高压放电灯的阴极基部的放大图。与图2不同，图3中省略了金属箔。

在阴极13的电极轴17a的端部上接合有其外径小于电极轴外径的金属构件17b，金属构件17b的另一端连接在图中未表示出的金属箔上。金属构件17b，可以采用图2所示的全部结构，但在该实施例中列举了相当于图2(f)的结构。

如果列举数值的例子的话，电极轴17a为φ0.6～1.5mm，金属构件17b为φ0.1～0.5mm。此外，关于阴极，与阳极不同，电极与电极轴没有区别，将两者作为一个整体称之为电极，但也可以区别开称作电极轴，此外，也可以和阳极一样，采用在前端设置大直径的电极头的结构。

此外，卷绕在阴极前端上的线圈是为了改善点灯时的起动性能。

作为阴极结构的具体例子，阴极13，其电极轴17a为φ0.8mm，长8.0mm(从前端起的距离)，金属构件17b为φ0.14mm，长度1.8mm。

图4表示金属构件20与金属箔16的接合部分的放大图，但在这种接合部分上必然会形成空隙D。当放电空气内的高气压加在该空隙D上时，当然会导致龟裂的生成和发展。

同时，本发明人等发现，这种空隙D受到金属构件20的外径的很大的影响。即，空隙D不会大于金属构件的截面面积，因此，缩小金属构件20，当然空隙D也会缩小。

图5是在上述实施例中所示的放电灯中，在仅改变该金属构件20的外径时，所测定的与加在该空隙D上的压力的关系，纵轴表示外加在空隙上的气体压力，横轴表示金属构件的外径。

金属构件20与金属箔的接合结构为图2(f)所示的结构，放电灯的尺寸为文中所示，封入水银量为0.15mg/mm³。

由图中可以看出，当金属构件的外径为φ1.0mm时，外加压力约为80MPa，φ0.7mm时外加压力约为48MPa，φ0.5mm时外加压力约为42MPa，φ0.3mm时外加压力约为36MPa。由于电极轴为φ1.0mm，故金属构件的外径φ1.0mm意味着与其具有相同的外径，也就意味着没有利用根据本发明的另外的金属构件进行接合的结构。

同时，如可以从图5所示的结果看出的，通过设置直径比电极轴小的金属构件，可以大大地减小外加在该空隙上的压力，特别是已证明，当金属构件在φ0.5mm以下时，该压力变得非常小。

此外，由于金属构件20通常为圆形截面，所以，在上述实验中以金属构件的外径值作为主要因素进行了测定，不言而喻，从本质上讲，金属构件20的截面面积对于接合时所产生的空隙的大小有很大的影响。

图6是表示根据本发明的第一个实施例的短弧型高压放电灯的另外的实施例，是表示阳极基部的放大图。

这种结构的特征为，在电极轴17的外表面上具有空隙B。设置这种空隙的原因是，在内部封入0.15mg/mm³这种极高水银蒸气压的放电灯中，可以很好地防止电极轴与石英之间产生龟裂。

另外，由于空隙的大小例如在3～10μm左右，所以具有足够的从电极轴表面散热的效果。

同时，除具有空隙B之外，与上述实施例一样，金属构件20在电极轴17与金属箔16之间起着桥接的作用。

此外，关于这种空隙结构，请参阅本申请人以前提出的申请，特愿2000-168798号。

下面介绍根据本发明的短弧型放电灯的数值例。

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：0.08立方厘米

电极间距离：2.0mm

额定照明电压：200W

额定照明电流：2.5A

封入水银量：0.15mg/mm³

稀有气体：氩气13KPa

如上面所说明的，根据本发明的方案1至3所述的短弧型超高压水银灯，在点亮时内部气压为超过15MPa的超高压，其热条件极其苛刻，但由于在电极轴与金属箔接合时，将金属构件跨接在两者之间，所以，第一，在点亮时，即使放电容器内的气压极高也可以很好地防止在该封接部处发生龟裂。第二，在点亮时的热条件极为严苛，但在放电空间内产生的高温可以经过电极轴的传热很好地散热。

下面对根据本发明的第二个实施例的短弧型超高压放电灯进行说明。

图7是表示根据本发明的第二个实施例的短弧型超高压放电灯的总体结构图。

在该图中，与图1所示的相同的部件赋予相同的标号。如后面将要描述的，阴极13，阳极14与侧管部15之间形成微小的间隙，在图7中，由于所表示的是灯的总体结构，省略了所述间隙。

此外，图8(a)(b)是表示根据本发明的第二个实施例的放电灯的阳极的放大图。

电极14由放电空间的大直径部14a与金属箔侧的小直径部14b构成。它们是利用一个整体材料加工形成的。

其中，在小直径部14b处与金属箔16接合。此外，大直径部14a的表面与由石英玻璃构成的侧管部15的内表面形成微小的空隙A。

图8(a)所示为电极14以阶梯状形成大直径部14a和小直径部14b，(b)所示为与大直径部14a连续的小直径部14b逐渐缩径形成锥形。

作为数值的例子，大直径部14a为φ0.6～1.5mm，小直径部14b为φ0.1～0.5mm。

如上所述，由于电极轴的大直径部与侧管部的内表面对向地延伸，所以，该电极轴将放电空间的高温以传导热方式传到侧管部，可以从电极轴外周面通过构成侧管部的材料例如石英来很好地散热。

同时，由于电极轴的小直径部与金属箔焊接接合，所以可以缩小电极与金属箔焊接时不可避免地产生的空隙，从而可以提高侧管部的耐压性。

图9表示金属箔16与电极轴14b接合时不可避免地产生的空隙C。从图中可以看出，电极轴的外径越小空隙C越小。

图10是表示本发明的超高压放电灯的阴极的放大图。与图8不同，在图10中省略了金属箔和石英玻璃。

阴极13也由大直径部13a和小直径部13b构成，大直径部13a从发光空间部延伸到侧管部。因此，将发光管部的高温以传导热的方式加以引导，可从侧管部散热。

此外，在小直径部13b处与金属箔接合，与阳极一样，可以缩小接合所产生的不可避免的空隙。

此外，关于阴极，与阳极不同，未区分电极与电极轴，把两者成一整体地统称为电极，但也可以将电极轴区别开来称呼，此外，和阳极一样，也可以在前端设置大直径电极头。

此外，卷绕在阴极前端的线圈13c是为了改善点亮灯时的起动特性。

此外，再回到图8，根据本发明的第二个实施例的超高压水银灯，在电极轴与侧管部内表面之间有微小的空隙A。该空隙A是根据不会因构成电极的材料与构成侧管部的材料的膨胀系数不同对电极加以限制而使之能够沿轴向方向自由伸缩决定的，在电极由钨制成，侧管部由石英玻璃制成的情况下，空隙A的宽度在6～16μm的范围内选择，空隙A在电极长度方向存在3～5mm。

通过形成这种空隙A，可以很好地防止因电极与石英玻璃的相对移动引起的龟裂。此外，在图中，以夸大的方式表示出空隙A。

此外，从发挥发明的作用和效果的观点出发，优选地在阴极和阳极两个电极处均设置空隙A，但也不排除只在其中的一个电极上设置空隙的实施形式。

最后，介绍根据本发明的短弧型放电灯的数值。

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：0.08立方厘米

电极间距离：2.0mm

额定照明电压：200W

额定照明电流：2.5A

封入水银量：0.15mg/mm³

稀有气体：氩气13KPa

如上面所说明的，根据本发明的方案4，5所述的短弧型超高压水银灯，电极具有大直径部和小直径部，由于大直径部在与侧管部对向的部分延伸，所以放电空间的高温以传导热的方式散发到侧管部，在侧管部可以从电极轴外周面通过构成侧管部的材料例如石英玻璃很好地散热。

此外，在电极前端与金属箔的焊接部分，由于电极是小直径的，可以缩小电极与金属箔焊接时所产生的不可避免的空隙，从而可以提高侧管部的耐压性。

电极(电极轴)与侧管部的对向部分，在电极表面与构成侧管部的材料之间具有微小的间隙，借此，该侧管部在封接工序中高温加热后，在其温度逐渐下降的阶段，可以防止因构成电极的材料与构成侧管部的材料的热膨胀率的差异造成相对伸缩量不同，从而可以很好地抑制由此造成的在接触部分产生龟裂。

符号说明

10 放电灯

11 发光管部

12 发光空间

13 阴极

14 阳极

15 侧管部

16 金属箔

17 电极轴

18 外部引线

20 金属构件

Claims

1.一种短弧型超高压放电灯，在其内部对向地配置一对以钨为主要成分的电极、且封入0.15mg/mm³以上的水银的发光管部以及向其两侧延伸、内部具有金属箔的侧管部构成的短弧型超高压放电灯中，其特征为，

在所述电极与所述金属箔之间，具有截面面积比所述电极的截面面积小的其它的金属构件，将所述电极与所述金属箔进行电连接。

2.如权利要求1所述的短弧型超高压放电灯，其特征为，所述金属构件为φ0.1～0.5mm。

3.如权利要求1所述的短弧型超高压放电灯，其特征为，所述电极的侧面及端面在所述侧管部与作为构成该侧管部的材料的石英玻璃之间形成微小的间隙。

4.一种短弧型超高压放电灯，在其内部对向地配置一对以钨为主要成分的电极、且封入0.15mg/mm³以上的水银的发光管部以及向其两侧延伸、内部具有金属箔的侧管部构成的短弧型超高压放电灯中，其特征为，

所述电极配置成在与所述侧管部对向的部分与构成该侧管部的材料形成微小的空间，且由与构成该侧管部的材料对向部分的大直径部及与所述金属箔接合部分的小直径部构成。

5.如权利要求1所述的短弧型超高压放电灯，其特征为，所述电极的大直径部为φ0.6～1.5mm，小直径部为φ0.1～0.5mm。