CN1423299A

CN1423299A - 短弧型超高压放电灯

Info

Publication number: CN1423299A
Application number: CN02154378.XA
Authority: CN
Inventors: 小宫正伸; 神崎义隆; 熊田丰彦
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2001-12-04
Filing date: 2002-12-04
Publication date: 2003-06-11
Anticipated expiration: 2022-12-04
Also published as: US6940217B2; US20030102806A1; DE60221221D1; JP3613239B2; EP1324373A3; JP2003173761A; EP1324373B1; DE60221221T2; EP1324373A2; CN100470714C

Abstract

本发明的课题是,提供在极高的水银蒸气压力下点亮的超高压水银灯中具有充分高的耐压力性的结构。这种灯由:在内部相对配置了一对电极(6、7)、且封入了0.15mg/mm³以上的水银的发光部(2)；以及在发光部两侧上延伸、对电极(6、7)的一部分进行密封,同时对电极(6、7)与金属箔(8)进行焊接的侧管部(3)构成,其特征在于,其中,上述电极(6、7)在与上述金属箔(8)焊接的部分上,在该金属箔(8)的垂线方向上发生变形、同时其变形率为10%以内。

Description

短弧型超高压放电灯

技术领域

本发明涉及点亮时的水银蒸气压力为150气压以上的短弧型超高压放电灯，特别涉及作为使用了液晶显示装置或DMD(数字反射镜器件)的DLP(数字光源处理器)等的投影仪装置的光源来使用的短弧型超高压放电灯。

背景技术

要求投射型投影仪装置对于矩形屏幕均匀地且具有充分的彩色显现性地照明图像，因此，作为光源使用了封入了水银及金属卤素化物的金属卤化物灯。此外，这样的金属卤化物灯最近也在开展进一步小型化及点光源化，此外，电极间距离极小的灯已实用化了。

在这样的背景下，最近提出了具有空前高的水银蒸气压力、例如150气压的灯来代替金属卤化物灯。这种灯通过更加提高水银蒸气压力来抑制弧的扩展(挤入)，同时谋求更进一步地提高光输出。

例如，在特开平2-148561号、特开平6-52830号中公开了这样的超高压放电灯。

可是，在这样的超高压放电灯中，由于在点亮时发光管内的压力极高，故在发光部两侧上延伸的侧管部中必须使构成该侧管部的石英玻璃与电极及供电用的金属箔充分且强固地密接。因为当密接性低劣时，封入气体将漏掉或者成为发生裂缝的原因。

因此，在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，通过在此状态下使厚壁的石英玻璃缓慢地收缩或者对石英玻璃进行夹紧密封，来提高侧管部的密接性。

但是，当在这样的高温下对石英玻璃进行烧入时，尽管石英玻璃与电极或金属箔的密接性提高了，但在放电灯完成后仍发生了侧管部损坏这样的问题。

关于这个问题可以认为，在热处理后对侧管部缓慢地进行低温化的阶段中，由于构成电极的材料(钨)与构成侧管部的材料(石英玻璃)的膨胀系数不同故伸缩量相对地不同，以此为原因在这两种材料的接触部分上发生了裂缝。

为了解决该问题，提出了图8所示的结构。该图示出放电灯的概略结构，侧管部3与发光部2连接，电极6(电极棒6a)、7(电极棒7a)在侧管部3中与金属箔8接合。线圈构件10缠绕到埋设在侧管部3中的电极棒6a、7a上。

该结构例如在特开平11-176385号中作了描述，它利用缠绕在电极棒6a、7a上的线圈构件10，使起因于电极棒6a、7a的热膨胆胀朝向石英玻璃的应力缓和。

但是，即使打算利用这样的结构使电极棒6a、7a的热膨胀缓和，但实际上在电极棒6a、7a及线圈构件10的周边上也残留着裂缝。

该裂缝最初是微小的，但在发光部10的水银蒸气压力为150气压左右这样的情况下，有时裂缝也与侧管部3的损坏有关联。此外，近年来，要求200气压、进而300气压这样更高的水银蒸气压力，在这样高的水银蒸气压力下，在灯点亮中促进裂缝的长大，其结果存在着侧管部3的损坏显著发生这样的问题。

即，即使裂缝的存在最初是微小的，在高的水银蒸气压力下的灯的点亮中，裂缝也将逐渐长大。

这可以说是，在具有点亮时蒸气压力充其量为50气压左右的现有水银灯中肯定不存在的新的技术课题。

发明内容

本发明打算解决的课题是，提供在极高的水银蒸气压力下点亮的超高压水银灯中具有充分高的耐压力性的结构。

为了解决上述课题，本发明的短弧型超高压放电灯由：在内部相对配置了一对电极、且封入了0.15mg/mm³以上的水银的发光部；以及在发光部两侧上延伸、对电极的一部分进行密封，同时对电极与金属箔进行焊接的侧管部构成，其特征在于，其中，上述电极在与上述金属箔焊接的部分上，在该金属箔的垂线方向上发生变形、同时其变形率为10％以内。

进而，本发明第2方面的短弧型超高压放电灯由：在内部相对配置了一对电极、且封入了0.15mg/mm³以上的水银的发光部；以及在发光部两侧上延伸、对电极的一部分进行密封，同时对该电极与金属箔进行焊接的侧管部构成，其特征在于，其中，

在上述电极与上述金属箔的焊接部分中，电极的直径为0.2-1.0mm，金属箔的宽度为1.0-2.0mm，焊接面积为0.3mm³以下。

进而，本发明第3方面的短弧型超高压放电灯由：在内部相对配置了一对电极、且封入了0.15mg/mm³以上的水银的发光部；以及在发光部两侧上延伸、对电极的一部分进行密封，同时对电极与金属箔进行焊接的侧管部构成，其特征在于，其中，在上述电极与上述金属箔的焊接部分中，电极的直径为0.2-1.0mm，金属箔的宽度为1.0-2.0mm，焊接位置为距上述金属箔侧端部0.3mm以上。

附图的简单说明

图1示出本发明短弧型超高压放电灯的整体结构。

图2示出电极棒与金属箔的接合部的扩大图。

图3示出本发明第1方面的实验结果。

图4示出电极棒与金属箔的接合部的扩大图。

图5示出电极棒与金属箔的接合部的扩大图。

图6示出电极棒与金属箔的接合部的扩大图。

图7示出本发明第2方面、第3方面的实验结果。

图8示出现有短弧型超高压放电灯的整体结构。

发明的实施形态

图1示出本发明超高压放电灯(以下，也只称为「放电灯」)的整体结构。

放电灯1具有由石英玻璃构成的放电容器来形成的大致橄榄球形的发光部2，在该发光部2内以互相对置的方式配置了阴极6及阳极7。此外，以从发光部2的两端部伸展的方式形成各个侧管部3，例如利用夹紧密封以气密方式把通常由钼构成的导电用金属箔8埋设到这些侧管部3内。在把在前端上具有的电极棒6a、7a的端部配置到金属箔8的一端部上的状态下，对阴极6及阳极7进行焊接，形成电连接。此外，把向外部伸出的外部引线9焊接到金属箔8的另一端上。

再有，阴极6、阳极7有时在前端上有粗径部分、有时没有粗径部分，一直包含到电极棒6a、7a有时都称为「电极」。

把水银、稀有气体、及根据需要把卤素气体封入了发光部2内。

水银用于得到所需要的可见光、例如波长为360-780nm这样的辐射光，其封入量为0.15mg/mm³以上，例如为0.17mg/mm³或者0.20mg/mm³、0.25mg/mm³、0.30mg/mm³。该封入量也随温度条件而不同，但当点亮时呈150气压以上极高的蒸气压力。此外，通过更多地封入水银，能够制作点亮时的水银蒸气压力为200气压以上、300气压以上这样高的水银蒸气压力的放电灯，水银蒸气压力越高就越能够实现适合于投影仪装置的光源。

稀有气体改善点亮起动性，例如以约13KPa封入氩。

以碘、溴、氯等与水银之外的金属化合物这样的形态封入卤素，卤素的封入量例如可从10^-6-10^-2μmol/mm³的范围内选择，卤素的功能是利用了卤素周期的长寿命化，正如本发明放电灯那样是极小型且具有高内压的装置，通过封入这样的卤素能够防止放电容器变暗、透明消失。

示出这样的放电灯的数值例，例如，发光部的最大外径为9.5mm；电极间距离为1.5mm；发光管内体积为75mm³；额定电压为80V；以及额定功率为150W。

此外，该短弧型超高压放电灯内装于小型化的投影仪装置内，要求整体结构极其小型化、另一方面要求高光量。因而，发光部内的热条件极严，管壁负荷量在0.8-2.0W/mm²范围内、具体地说为1.5W/mm²。

而且，可以把该短弧型超高压放电灯安装在上述投影仪装置或字幕投影仪这样的显示用设备上，来提供彩色显现性良好的辐射光。

图2示出图1的A-A’剖面图，(a)、(b)都示出电极棒与金属箔焊接之后的状态，(a)示出不考虑焊极按压的概念图，(b)示出考虑了焊极按压的概念图。再有，(a)图表示了石英玻璃S，(b)图为了方便起见，省略了石英玻璃S。

利用电阻焊接法进行电极棒7a与金属箔8的接合，但焊接后石英玻璃的密封工序结束时、在电极棒7a、金属箔8、石英玻璃S间不可避免地产生空隙X。

此时，如(b)所示，焊极的按压强时，电极棒7a发生变形，在金属箔8的宽度方向上扩展。伴随着该变形，电极棒7a从高度D(垂线方向上的高度)变形成高度D1，收缩了D2(即D-D1)。此外，上述空隙X的宽度W也从(a)所示的W1，扩大到(b)所示的W2。

本发明第1方面着眼于，因这样的焊极的按压而产生的电极棒变形及该变形所引起空隙X的宽度增加、对点亮时内压为150气压以上这样极同的超高压放电灯裂缝的产生造成了重大影响的情况。

这可以认为，是由于点亮时内压极高、高的压力从发光部经过电极棒周围的微小空间而施加到空隙X上，它助长了裂缝的发生及长大。对此，在现有的放电灯(点亮时，内压充其量为50气压左右)中是肯定不产生的问题，换言之，可以说在现有的放电灯中，考虑到不可避免地产生的空隙X，进行电阻焊接这样的技术想法就不存在了。

而且，本发明第1方面发现了，只要电极棒的变形率在10％以内、较为理想的是在7％以内、更为理想的是在5％以内，就不引起裂缝的发生及长大。在此，所谓「电极棒的变形率」意味着在按压焊极的方向(金属箔的垂线方向)上的变形率(D2/D)。

其次，说明用于证实该数值的实验结果。

实验中，使焊极产生的强度发生变化，来观察变形率及裂缝的发生。

放电灯采用大致相同的形状及尺寸，发光管的内容积约为0.1cc，电极间距离约为1.0mm，额定点亮电流约为3.5A，额定点亮功率约为200W直流点亮，封入了封入水银量约为0.20mg/mm³。

在变形率的测定中，把与金属箔焊接前的电极棒外径值作为原型尺寸来测定，考虑其与焊接后电极棒高度的比率，把「100-(焊接后的尺寸/原型尺寸)×100」作为变形率。举出一例，电极棒的原型尺寸为0.425mm，焊接后的尺寸为0.375mm时的变形率为「100-(0.375/0.425)×100」，约为12。

在测定了变形率之后，经过把外部引线焊接到金属箔上、与玻璃的密封工序；气体的封入、排气工序等，来完成放电灯。

有关裂缝的发生，以目视观察了在点亮该放电灯462小时(在点亮2小时45分钟后熄灭15分钟，对此重复500小时)后的侧管部。

把具有同一变形率的放电灯分别点亮100个，在500小时后确认裂缝的发生状况。

图3示出实验结果，可以确认，只要变形率在10％以内，裂缝的发生概率极小。此外，只要在7％以内裂缝的发生概率更低，进而确认了只要在5％以内完全抑制了裂缝的发生。

再有，判断为裂缝发生了并不是以保持在该实验中点亮462小时发生了的裂缝水平就到达灯损坏，而是提出了在其后由于继续点亮有到达损坏的可能性。

再有，以前本申请人在特愿平2000-168798号中提出了，为了防止存在于电极棒周围的石英发生裂缝故意在两者间设定微小空间的放电灯及制造方法。

由于在这种结构的放电灯中，发光部的高内压直接对于在金属箔与电极棒之间不可避免地发生的空隙施加，故应用本发明的结构是极为有效的。

其次，说明本发明第2方面。

图4与图2相同，表示电极棒7a与金属箔8的接合部分，(a)示出电极棒7a与金属箔8的焊接状态，(b)为焊接后的扩大图、是从电极棒7a的存在侧观察的图(从(a)中的下方焊极32观察的图)，(c)为同一焊接后的扩大图、是从不存在电极棒7a的面观察的图(从(a)中的上方焊极31观察的图)。

关于(a)，把电极棒7a及金属箔8设置在形成了规定型式的规内，通过以上方焊极31及下方焊极32按压电极棒7a及金属箔8来进行电阻焊接。再有，下方焊极32之所以较粗是为了使电极棒7a不产生局部变形。

关于(b)，示出下方焊极32与焊接在金属箔8上的电极棒7a接触的区域W’，此外，关于(c)示出通过上方焊极31与焊接在金属箔8上的电极棒7a接触、把电极棒7a与金属箔8焊接起来的区域W。

在作为投影仪装置的光源来使用的本发明短弧型超高压放电灯中，金属箔及电极棒的尺寸限定于某一范围内，一般来说，金属箔8的宽度D3从1.0-2.0mm的范围内选择，电极棒7a的外径D4从0.2-1.0mm的范围内选择。

在这样的金属箔及电极棒的尺寸下，本发明的特征在于该二者的焊接面积W的大小为0.3mm²以下。

规定焊接区域的面积之理由是，在焊接面积W大的情况下，在该焊接部分附近金属箔部分地离开了石英玻璃，在二者之间形成了微小空间。这就是所谓的「箔浮动现象」。

发光部内的高压力导入由该箔浮动现象产生的微小空间内，可以认为这引起裂缝的发生或发光管的损坏。

在此，尽管对于焊接区域的大小使箔浮动产生的原因不一定很清楚，但可以按下述来考虑。即，可以推测为，在电极棒与金属箔焊接起来的部分中形成了作为电极棒构成材料的钨与作为金属箔构成材料的钼所产生的合金状态，由于该合金状态与纯钼部分的热膨胀率不同故在宽度大的金属箔中使合金部分与钼部分产生了不同的收缩率，从而引起了箔浮动。

进而，有时尘埃等杂质还附着到焊极的焊接面上，这种杂质在密封工序中使杂质气体产生、或者造成密封不良这样的坏影响。即，所谓焊接面积大意味着，这样的杂质气体的产生或密封不良发生得更为显著。

在现有的放电灯中，只考虑电连接这样的观点把电极棒与金属箔电连接起来了，但在本发明中在点亮时内压150气压以上这样极高压的放电灯中，理解为焊接面积作为裂缝的产生或灯损坏的起因，这一点就是为了解决这样的全新的技术课题而规定了焊接面积。

其次，说明本发明第3方面。

图5与图4相同，概略地表示电极棒7a与金属箔8的接合部分，(a)、(b)为电极棒与金属箔焊接后的扩大图、示出从不存在电极棒7a的面观察的状态(与图4(c)对应)，(c)、(d)为分别示出还包含石英玻璃的、(a)、(b)的A-A’剖面图。

(b)中，在焊接区域W中进行电极棒7a与金属箔8的焊接，焊接区域W在从金属箔8的电极侧端部起、离开了距离D5的位置上形成，(a)中，焊接区域W1在金属箔8的端部或在其附近形成。该焊接由上述图4(a)中示出了结构的电阻焊接法进行。

(c)示出焊接区域为W1时的A-A’剖面图，(d)示出焊接区域为W时的A-A’剖面图。斜线部分33示出周围的石英玻璃，由电极棒7a、金属箔8、石英玻璃33形成空隙X。

把(c)与(d)相比较时，空隙X的大小极端不同，示出了通过使焊接区域离开金属箔的端部能够减小空隙X的大小(开口剖面积)的情况。

正如上述了的那些，由于发光部内的超高压力通过如上所述在电极棒7a周围形成的微小空隙施加到空隙X上，故减小该空隙X的大小这一点意味着：能够良好地防止在侧管部上裂缝的发生及放电灯的损坏。

而且如上所述，在作为投影仪装置的光源来使用的短弧型超高压放电灯中，金属箔及电极棒的尺寸限定于某一范围内，一般来说，金属箔8的宽度D3为1.0-2.0mm，电极棒7a的外径D4为0.2-1.0mm，在这样的形状及大小下、当把焊接区域设置在距从金属箔端部(发光部侧的端部)0.3mm以上的位置(图5中的距离D5)上时发现了，不造成在空隙X上发生裂缝等坏影响。

进而发现了，当离开0.4mm以上时、可发挥更大的效果，更为理想的是，通过离开0.5mm以上、可产生显著的效果。但当离开过远时在电连接之点上导致障碍，必须是充其量为1.0mm以内。

这样，焊接区域W的位置与空隙X有关联的理由虽然不一定很清楚，但可按下述来考虑。

图6为用于说明焊接区域W与空隙X的关联性的图，(a)为观察不存在焊极侧的焊接区域的图(与图5(a)对应)，(b)示出(a)的B-B’横剖面图。

即，如图(b)所示，当焊接区域W(焊接位置)离开金属箔8的端部时(图中，离开了距离D5)，金属箔8的端部81成为自由端。因此，在把电极棒与金属箔接合地来之后与石英玻璃进行密封的工序中，允许石英玻璃33进入电极棒与金属箔之间。

这样的石英玻璃33的存在良好地防止了空隙X的产生。此外，在焊接区域W附近可能产生空隙X，但因在发光部的端部上不形成空隙或形成得小、故不与发光部连通，其结果，在焊接区域W中产生的空隙对裂缝或损坏不造成影响。

其次，说明示出本发明第2方面即焊接面积之规定及本发明第3方面即焊接位置之规定、与裂缝的发生及灯的损坏有关联的实验结果。

制作接近30个大致同一形状、同一尺寸的放电灯并进行了实验，但对各灯在其制作阶段中在把电极棒与金属箔焊接起来的阶段中，测定了焊接面积及从金属箔端部到焊接位置的距离。在这些放电灯中，例如发光管的内容积约为0.1cc，电极间距离约为1.0mm，封入了封入水银量约为0.2mg/mm³，以额定点亮电流约为3.5A，额定点亮功率200W使它们点亮。

测定中，使用与现实的投影仪装置相同冷却条件的模拟实验器，对各放电灯持续进行在点亮2小时45分钟后熄灭15分钟这样的周期500小时，在经过500小时后用目视观察了侧管部的状态。

评价基准分成这样的5个阶段来进行：侧管部状态极其良好的灯(□)、大致良好灯(○)、可以说良好的灯(△)、虽然可以继续使用但不能说状态良好的灯(▲)、继续使用是困难的灯(×)。再有，把前3种状态定为合格，后2种状态定为不合格。

各个放电灯的焊接面积分散在0.1-1.0mm²的范围内，焊接距离同样分散在0-0.7mm的范围内。

图7以纵轴为焊接面积、横轴为焊接距离对各个放电灯进行了定位。

根据图7所示的结果表明，就焊接面积而言，比0.3mm²小时达到合格的水平，同时，比0.2mm²小时成为较为理想的状态，比0.1mm²小时形成了极为理想的状态。

此外，表明，就焊接距离而言，距离比0.3mm大时达到合格的水平，同时，距离在0.4mm以上时成为较理想的状态，距离在0.5mm以上时形成了极为理想的状态。

再有，如上所述，在本申请人以前的特愿平2000-168798号中所示的结构中应用本发明第2方面及第3方面，都是极为有用的。

再有，在上述实施例中，说明了直流点亮型放电灯，但本发明的结构也能应用于交流点亮型放电灯中。

进而，通过把本发明第1方面、本发明第2方面、本发明第3方面互相组合起来，能够更有效地解决裂缝的发生及灯的损坏这样的问题。

具体地说，在由：在内部相对配置了一对电极、且封入了0.15mg/mm³以上的水银的发光部；以及在发光部两侧上延伸、对电极的一部分进行密封，同时对该电极与金属箔进行焊接的侧管部构成的短弧型超高压放电灯中，上述电极在与上述金属箔焊接的部分上，在该金属箔的垂线方向上发生变形、同时其变形率为10％以内，而且，电极的直径为0.2-1.0mm，金属箔的宽度为1.0-2.0mm，焊接面积在0.3mm2以下。

此外，在由：在内部相对配置了一对电极、且封入了0.15mg/mm³以上的水银的发光部；以及在发光部两侧上延伸、对电极的一部分进行密封，同时对该电极与金属箔进行焊接的侧管部构成的短弧型超高压放电灯中，上述电极在与上述金属箔的焊接部分上，在该金属箔的垂线方向上发生变形、同时其变形率为10％以内，而且，电极的直径为0.2-1.0mm，金属箔的宽度为1.0-2.0mm，焊接位置为距上述金属箔端部0.3mm以上。

此外，在由：在内部相对配置了一对电极、且封入了0.15mg/mm³以上的水银的发光部；以及在发光部两侧上延伸、对电极的一部分进行密封，同时对该电极与金属箔进行焊接的侧管部构成的短弧型超高压放电灯中，在上述电极与上述金属箔的焊接部分中，电极的直径为0.2-1.0mm，金属箔的宽度为1.0-2.0mm，焊接面积为0.3mm²以下，而且焊接位置为距上述金属箔端部0.3mm以上。

进而，在由：在内部相对配置了一对电极、且封入了0.15mg/mm³以上的水银的发光部；以及在发光部两侧上延伸、对电极的一部分进行密封，同时对该电极与金属箔进行焊接的侧管部构成的短弧型超高压放电灯中，上述电极在与上述金属箔焊接的部分上，在该金属箔的垂线方向上发生变形、同时其变形率为10％以内，而且，电极的直径为0.2-1.0mm，金属箔的宽度为1.0-2.0mm，焊接面积在0.3mm²以下，进而，焊接位置为距上述金属箔端部0.3mm以上。

正如以上说明了的那样，在本发明短弧型超高压水银灯中，点亮时内气压为超过150气压的超高压，其热的条件也极为严格，但能良好地解决在电极棒与金属箔的接合部上的裂缝的发生及灯的损坏。

Claims

1.一种短弧型超高压放电灯，由在内部相对配置了一对电极、且封入了0.15mg/mm³以上的水银的发光部；以及在发光部两侧上延伸、对电极的一部分进行密封，同时对该电极与金属箔进行焊接的侧管部构成，其特征在于，

上述电极在与上述金属箔焊接的部分上，在该金属箔的垂线方向上发生变形、同时其变形率为10％以内。

2.一种短弧型超高压放电灯，由在内部相对配置了一对电极、且封入了0.15mg/mm³以上的水银的发光部；以及在发光部两侧上延伸、对电极的一部分进行密封，同时对该电极与金属箔进行焊接的侧管部构成，其特征在于，

在上述电极与上述金属箔的焊接部分中，电极的直径为0.2-1.0mm，金属箔的宽度为1.0-2.0mm，焊接面积为0.3mm²以下。

3.一种短弧型超高压放电灯，由

在内部相对配置了一对电极、且封入了0.15mg/mm³以上的水银的发光部；以及在发光部两侧上延伸、对电极的一部分进行密封，同时对该电极与金属箔进行焊接的侧管部构成，其特征在于，

在上述电极与上述金属箔的焊接部分中，电极的直径为0.2-1.0mm，金属箔的宽度为1.0-2.0mm，焊接位置为距上述金属箔侧端部0.3mm以上。