CN1747117A - 超高压水银灯 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种可以抑制在发光管上出现黑化、使用寿命长的超高压水银灯。本发明的超高压水银灯，其特征在于，在发光管内相对地配置一对电极，同时作为发光物质封入0.15mg/mm3以上的水银，所述一对电极中的至少一方具有轴部和在该轴部卷绕线圈而形成的粗径部，该粗径部具有：卷绕在所述轴部的前端侧的卷绕部，和连接在该卷绕部的后方，在其整个圆周方向的至少一部分上，在与所述轴部之间形成曲面并与所述轴部一体化的弯曲部。

Description

超高压水银灯
技术领域
本发明涉及一种在使用液晶显示装置及DMD(数字微镜器件)的DLP(数字光处理器)等的投影仪中使用的，在发光管内封入0.15mg/mm3以上的水银而在点灯时的水银蒸气压为150个大气压以上的超高压水银灯。
背景技术
在以使用液晶投影仪及DMD的DLP等为代表的投影型投影仪装置中，由于要求对于矩形状的屏幕，以均匀且充分的显色性来照明图像，所以对于光源，一般使用封入水银及金属卤化物的金属卤化物灯。最近，这样的金属卤化物灯也发展成更加小型化、点光源化，电极间距离非常小的装置已达到实用化。
在这样的背景下，最近，代替金属卤化物灯，提出在点灯时例如具有至今还没有的150个大气压以上的高水银蒸气压的灯。通过这样提高水银蒸气压，在抑制(聚集)弧光的扩散的同时，能够达到更加提高光的输出。这样的超高压水银灯例如已公开于专利文献1和专利文献2中。
根据上述公开的灯，在于中央部具有球状的发光部的发光管内，相对地配置一对电极，在发光管的内部空间，封入0.15mg/mm3以上作为发光物质的水银，同时为了进行卤素循环封入规定量的卤素气体。
在这样的超高压水银灯中，例如如专利文献3所述，为了在点灯启动时容易进行从辉光放电向弧光放电的过渡，在电极前端的附近将线圈暴露于放电空间进行设置的情形较多。
专利文献1：特开平2-148561号
专利文献2：特开平6-52830号
专利文献3：特开2001-319617号
近年，在投影仪装置中使用的超高压水银灯，由于被强烈要求小型化和提高光的输出，所以有管壁负荷高且电极和发光管的内壁的距离变短的倾向。在这样的超高压水银灯中，已经清楚，在通过灯点亮装置在启动初期通以直流电流而点灯时，由于由启动时的线圈的放电，产生在线圈附近的发光管的内壁附着作为电极构成物质的钨而使发光管黑化这样的不适合情形。并且在这时，由于使发光管黑化而光透射率下降，则有使用寿命缩短的问题。
本发明，是基于以上的情况而开发的，其目的在于提供一种可以抑制在发光管出现黑化、使用寿命长的超高压水银灯。
发明内容
为了解决上述课题，本发明的超高压水银灯，其特征在于，在发光管内相对地配置一对电极，同时作为发光物质封入0.15mg/mm3以上的水银，
所述一对电极中的至少一方具有轴部和通过在该轴部卷绕线圈而形成的粗径部，该粗径部具有：卷绕部，卷绕在上述轴部的前端部；弯曲部，连接在该卷绕部的后方，在其整个圆周方向的至少一部分上，在与上述轴部之间形成曲面，并与上述轴部一体化。
进而，其特征在于，上述弯曲部熔融于上述轴部而构成为一体。
进而，其特征在于，上述弯曲部形成于整个圆周方向。
进而，其特征在于，上述弯曲部在包含电极的中心轴的截面上具有曲线部，由相对于该曲线部的切线和轴部的棱线构成的接触角是钝角。
本发明者，对在发光管上出现黑化的原因进行了探讨，主要着眼于，在从灯启动之后的辉光放电过渡到弧光放电时，以线圈后端为起点的放电发生时向线圈后端的电流集中的现象。并且发现其原因是，通过这样的向线圈后端的电流集中，由于在发光管内的化学反应而在线圈后端部蓄积钨，经过数百小时的点灯直至增长到达发光管的内壁。
下面用图5详细进行说明。
图5是放大电极的根部附近的图。图5(a)、(b)表示相同的构造，但图5(a)标记用于说明构成的标号，图5(b)标记用于说明发光管内的反应的标号。图5(c)是进一步放大图5(a)的粗径部22的附近的图。
本发明者，对伴随灯的点灯而距离L缩短的原因进行以下的推测。
在启动初期通以直流电流而使超高压水银灯点灯时，通过示波器和摄像机观察启动初期数秒的放电方式时，可观察到下面的现象。首先，破坏绝缘后，在直流区域从构成阴极的电极表面产生数十伏的水银弧光放电，从而启动，其后，在阴极表面的水银完全蒸发后，在与阳极之间进行数百伏的辉光放电。通过辉光放电，阴极被充分加热后，容易从阴极放出热电子，在与阳极之间过渡到数十伏的热弧光放电。在该辉光放电中，进行覆盖阴极2的整体的方式的放电，但在由线圈构成的粗径部22和轴部21之间的锐利的楔状的间隙K，电流密度变高，过渡到弧光放电。
同时，在该热弧光放电时，在由线圈构成的粗径部22和轴部21之间的锐利的楔状的间隙K集中电流时，被局部加热的钨从表面放射状地飞散地进行蒸发。蒸发的钨由于比水银和稀有气体电离电压低，所以通过弧光e容易被电离，向离粗径部22的后端部最近的发光管1的内表面引导弧光e的路径。其结果，如图所示高温的弧光e接触或碰撞在发光管1的内表面，以此为原因，在发光管1的内表面局部地形成凹部H，同时作为构成发光管1的构成材料的石英玻璃(SiO2)蒸发。蒸发的SiO2通过放电等离子体分离成Si和O，使构成阴极的钨氧化，结果，从阴极2导致作为钨的氧化物的蒸发。在该钨的氧化物被输送到线圈后端部时，通过氧的脱离反应如虚线所示，成为W而堆积，从而缩短距离L。可以认为，每当灯启动时以一定概率产生该现象时，导致进一步的增长，通过这些反应循环的反复重复，一直增长蓄积到接触到发光管1的内表面。
上述现象，是在线圈和发光管内面非常近的放电灯中产生的现象。本发明者当然发现，由线圈后端部产生的放电弧光，在放电开始的同时如果能够抑制电流集中，就不会发展成这样的问题。
根据本发明的超高压水银灯，由于发光管内相对的电极中的至少一方具有在轴部卷绕线圈而形成粗径部，该粗径部具有连接在卷绕部的后方的弯曲部，因而热弧光放电时的放电起点成为存在于各个卷绕部之间的空隙，能够可靠地防止阴极和发光管的内壁的距离最短的地方，也就是粗径部的后端(弯曲部)在热弧光放电时成为放电的起点。因此，即使在为了小型化而使电极和发光管的内壁的距离非常短，并且为了增加光输出在加大管壁负荷的超高压水银灯中，也能够可靠地防止如下的不适合情况：从电极蒸发的钨变成钨氧化物，这样的氧化物蓄积在电极的粗径部后端而使发光管黑化。其结果，能够提供使用寿命长的超高压水银灯。
附图说明
图1是说明本发明的超高压水银灯的图。
图2是表示本发明的阴极的放大图。
图3是说明本发明的阴极的制造方法的图。
图4是说明本发明的阴极的另外的实施例的放大图。
图5表示放大电极的根部附近的图。
具体实施方式
图1是说明本发明的超高压水银灯的剖面图。
超高压水银灯100例如具有由石英玻璃制的发光管1。发光管1具有略球状的发光部11，和连接在发光部11的两端的棒状的密封部12。在发光管1的内部空间S，相对地配置阴极2和阳极3。阴极2具有轴部21和在轴部21上卷绕线圈而形成的粗径部22。阳极3具有轴部31和设置在轴部31的前端的粗径部32。各个密封部12例如埋设由钼构成的通电用的金属箔4而气密地密封。该金属箔4，在其一端焊接轴部21或轴部31的基端部211或基端部311而电连接，在另一端焊接从密封部12向外方突出的通电用的外部导线5而电连接。
在发光管1内，封入水银、卤素气体和稀有气体。
水银是为了得到所需要的可见光波长例如360～780nm的发射光的物质，为了在点灯时使水银蒸气压为150个大气压以上而封入0.15mg/mm3以上。水银量根据温度条件而不同，根据所希望的水银蒸气压能够恰当地改变。
稀有气体，为了改善点灯启动性能，例如封入13KPa的氩气。
卤素以碘、溴、氯等与水银等金属的化合物的方式封入，封入量在10-6～10-1μmol/mm3的范围，例如3.0×10-4μmol/mm3。其功能也包括利用卤素循环的长寿命化，但如本发明的放电灯这样，在非常小型且具有高的内压的灯中，其主要目在于防止发光管的失透。
图2表示阴极的放大图。图2(a)表示主视图，图2(b)是在包含阴极2的中心轴的截面上的主要部分放大图。在图2中，与图1相同的标号表示相同部分。
如图2(a)所示，阴极2具有轴部21和在轴部21的前端210侧将线状的钨卷绕成线圈状而形成的粗径部22。更详细地，粗径部22具有：通过将线状的钨卷绕成线圈状而形成的多个卷绕部221，和连接在该卷绕部221的后方(基端部211侧)的具有曲面的弯曲部222。
卷绕部221在点灯启动时，由于表面的凹凸效果，作为启动的种子(启动开始位置)而作用，同时在点灯后由于表面的凹凸效果和热容量增加具有散热的功能。另外，由于卷绕成线圈状的钨是细线而容易加热，所以具有容易进行从上述的辉光放电向热弧光放电过渡的功能。
弯曲部222如后(图3)所述，以使线状的钨对轴部卷绕的状态，对于最后方侧的卷绕部，通过在其整个圆周方向实施热处理而使其熔融，而与轴部一体化。如图2(b)所示，弯曲部222在包含电极的中心轴的截面具有曲线部223。并且，由相对该曲线部223引出的切线X和轴部21的棱线构成的接触角α是钝角(90°)。
以下，使用图3对本发明的阴极2的制造方法进行说明。图3是说明阴极2的制造方法的一例的概略图。
图3(a)是表示制成阴极前的状态的图。相对于由钨构成的轴部21，在轴部21的前端210侧卷绕1层线状的钨而形成多个卷绕部221。位于最后方侧的卷绕部221a在其端部具有被磨床切断而形成的边缘部。以此状态，通过铆接等方法，相对轴部21固定卷绕部221。另外，在轴部21上于周方向形成凸部212，使卷绕部221a邻接凸部212地安装线状的钨。由此，在照射后述的激光时，凸部212容易升温而熔融，与卷绕部221a容易接合。此外，通过使线圈抵接在设置于线圈的后端部附近的轴部的凸部而将其插入，进行制造，可以提高线圈后端部的定位精度，也有缩小激光照射位置的偏差的效果。
图3(b)表示对于位于最后方侧(轴部21的基端部211侧)的卷绕部221a，在其整个圆周方向从中心轴方向照射激光的状态。激光例如是CO2激光及YAG激光等的发射光。具体地，使阴极2径方向旋转的同时，对位于最后方侧的卷绕部221a或凸部212照射激光，通过有选择地局部加热卷绕部221a和凸部212而使其熔融。这样的激光的照射从防止电极氧化的观点出发，在氩气等惰性气体气氛中进行是理想的。另外，激光的照射可以进行连续的照射，也可以进行脉冲地照射，作为这时的脉冲照射是反复重复短时间(毫秒级)的照射和停止的照射，通常比连续地照射更有效果。
图3(c)表示通过上述激光的照射形成弯曲部222的状态。卷绕部221a由于是在整个圆周方向熔融，所以与轴部21之间不会形成锐角的楔状空隙，而与轴部21一体化。由此，形成具有通过熔融形成的曲面的弯曲部222。
另外，弯曲部222不一定限于仅使位于最后方侧的卷绕部熔融来形成，也可以通过从后方侧使多个卷绕部221熔融来形成。即，作为弯曲部222是指在卷绕部221中熔融而与轴部21一体化的部分。
在这里，举出阴极的数值例如下。
轴部21，其直径为0.3mm～3mm的范围，例如是0.8mm，体积是4mm3～40mm3的范围，例如是23mm3，表面积是10mm2～45mm2，例如是20mm2，全长是7mm～20mm，例如是10mm。轴部21相当于全长的一半的长度部分被埋设在密封部12中，剩下的一半露出在内部空间S内。构成卷绕部221的线状的钨的直径是0.2mm～0.6mm，例如是0.25mm，相对于轴部21的卷绕圈数是2～10圈左右，例如是3圈。
另外，构成轴部21和卷绕部221的线状的钨的纯度为99.99％以上是理想的。这是由于在熔融时如果杂质较多则会发泡，而在表面形成容易发生电场集中的突起。
进而，举出制造阴极的数值例如下。
激光光束直径是0.04mm～0.7mm，例如是0.3mm，照射时间是0.2秒～1.0秒，例如是0.35秒。
根据以上本发明的超高压水银灯，阴极2的粗径部22通过在线圈状的卷绕部221的后方，在与轴部21之间形成曲面，设置与轴部21一体化的弯曲部222，由于在粗径部22的后端和轴部21之间没有楔状的间隙，所以在上述的热弧光放电时在粗径部22的后端不会集中电流。其结果，被局部加热的钨不会从表面放射状地飞散而蒸发，由于不会将弧光的路径引导至发光管的内表面，在发光管的内表面不会接触和碰撞高温的弧光。从而，不会发生如下的一系列现象：作为发光管的构成材料的石英玻璃(SiO2)蒸发，在气相中氧过剩，作为电极构成物质的钨氧化蒸发而生成的钨氧化物蓄积在粗径部的后端。所以能够很好地防止发光管的黑化。
即，通过采用本发明的构造，热弧光放电时的放电起点为存在于各个卷绕部221之间的间隙，由于能够可靠地防止作为阴极2和发光管1的内壁的距离最短的位置的粗径部22的后端(弯曲部222)在热弧光放电时成为放电的起点，所以在为了小型化使电极和发光管的内壁的距离非常短，并且为了增加光输出而加大管壁负荷的超高压水银灯中，也能够可靠地防止发光管黑化的不适合情况。
另外，在本发明的超高压水银灯中，如上所述，热弧光放电时的电起点是存在于各个卷绕部221之间的间隙或粗径部22的前端部，但由于从这个位置到发光管的内壁的距离与从粗径部22的后端开始相比要长，所以没有弧光接触或碰撞发光管的内表面的担心。
进而，根据本发明的超高压水银灯，如上所述，由于不生成钨氧化物，可以在点灯时间经过的同时，可靠地抑制例如在阴极形成突起部等而阴极形状变化。由此，能够可靠地抑制如下的不适合情况：由于在阴极前端形成突起部而缩短发光长度，从而光束降低，或者通过在阴极形成多个突起部并使弧光辉点在各个突起部之间移动，从而产生光的闪烁。
本发明，不限定于上述的实施例，而能够施加种种的变更。
例如，阴极的粗径部的弯曲部不一定限于使设置在轴部的线圈状的卷绕部熔融而形成，也能够如下那样来形成。
即，在位于最后方侧的卷绕部和轴部的间隙，以卷绕比构成卷绕部的线状的钨更细、具体说是直径0.1mm的另外的线状的钨的状态，通过对该另外的线状的钨照射激光而使其熔融也可以形成弯曲部。此外，通过使充填在位于最后方侧的卷绕部和轴部的间隙的例如由钨构成的作为粘合剂的粉末熔融也可以形成弯曲部。进而，对于应成为位于线状的钨的最后方侧的卷绕部的部分，通过预先实施压接、切削加工，使位于最后方侧的卷绕部和轴部之间不产生间隙，并且使上述接触角为钝角也可以。
主要由于预测到在位于最后方侧的卷绕部和轴部之间存在楔状的锐利的间隙时，在热弧光放电时会产生电流集中，所以只要能够堵塞不产生这样的间隙就可以。
进而，也可以使阴极中的粗径部为以下的图4所示的方式。图4是表示阴极的另外的实施方式的放大图。图4(a)表示主视图，图4(b)是包含阴极2的中心轴的截面上的主要部分放大图。
如图4所示，对于位于最后方侧的卷绕部221a，也可以不在其整个圆周而仅在一部分形成弯曲部222。这时，在对于图3(b)、(c)所示的卷绕部照射激光的阶段，只要适当调整激光的照射就可以。
根据图4所示的阴极的实施例，与没有以往的弯曲部的构造比较，能够抑制在发光管出现黑化，同时由于激光的照射时间减少能够缩短制造所需要的时间，所以具有提高生产效率的效果。
作为使线圈状的卷绕部熔融的方法，不限于使用激光，也可以是施以对电子束等进行聚光得到的高能的方法。有关电子束，例如在特开2001-59900号、特开2001-174596号公开的电子束装置，因其小型而是理想的。
上述的实施例，是直流点灯方式的超高压水银灯的阴极的实施方式，但本发明不限于此。即，对于交流点灯方式的超高压水银灯，由于单侧的电极交互地作为进行辉光放电的阴极而作用，所以也能够适用。
以下，对为了确认本发明的作用效果而进行的实验例进行说明。
实施例
按照图1和图2、或图3和图4所示的构成，制作6根本发明的超高压水银灯。该超高压水银灯的构成如下所示。
发光管1由全长74mm的石英玻璃构成的密封体构成，发光部11的最大外径为10mm，发光部11的内容积为66cm3，密封部12的外径为6.5mm。
构成阴极2的轴部21由钨构成，其外径为0.8mm，全长为11mm，前端为圆锥状。粗径部22通过使直径0.25mm的线状的钨卷绕成线圈状而构成。线状的卷绕部221形成为3圈，间距为0.3mm。弯曲部222是以图3所示的方法形成的图2所示的构造的部分。
构成阴极3的轴部31由钨构成，其外径为0.8mm，全长为13mm。粗径部32其最大外径为1.8mm，全长为3mm。
阴极2和阳极3之间的电极距离为1.1mm。
在发光管1内，封入18mg的水银、13KPa的氩气、3.0×10-4μmol/mm3的溴气。
比较例
制作了3个比较例的超高压水银灯，除了在阴极的粗径部没有弯曲部之外，具有与实施例的超高压水银灯相同的构成。
对实施例和比较例的超高压水银灯分别以额定电压70V、额定功率200W的点灯条件点灯，在以规定次数反复重复5分钟点灯后5分钟灭灯的亮灭后，用显微镜确认有无在发光管出现黑化。其结果表示在表1中。
表1
          亮灭次数
  100   300   500
  实施例1   ◎   ◎
  实施例2   ◎   ◎
  实施例3   ◎   ◎
  实施例4   △
  实施例5   △
  实施例6   △
  比较例1   △   ×   ×
  比较例2   △   ×   ×
  比较例3   △   ×   ×
在表1中，“实施例1”至“实施例3”如图2所示，使位于最后方侧的卷绕部在整个圆周上熔融，并且，使接触角α为钝角而形成弯曲部。“实施例4”至“实施例6”如图4所示，仅使位于最后方侧的卷绕部的一部分熔融，并且使接触角α为钝角而形成弯曲部。
另外，在表1中，所谓“100次”，是表示对上述亮灭动作反复重复100次。所谓“300次”，是表示对上述亮灭动作反复重复300次，所谓“500次”，是表示对上述亮灭动作反复重复500次。
进而，在表1中，记号表示有无在发光管出现黑化。具体地是说，“◎”表示即使用显微镜看也完全不会确认有黑化，“”表示用显微镜看可确认稍有黑化，“△”表示为用显微镜能够容易发现程度地确认有黑化，“×”表示为用肉眼能够发现程度地确认有黑化。
根据表1所示的结果，如实施例1的超高压水银灯，可确认使接触角α为钝角地使位于阴极的粗径部的最后方侧的卷绕部的整个圆周熔融而形成弯曲部，对防止发光管的黑化是最有效的。另外，即使在仅熔融位于最后方侧的卷绕部中的一部分的情况下，如果接触角α为钝角，与比较例的超高压水银灯比较，也可以确认具有抑制在发光管出现黑化的效果。

Claims (4)

1.一种超高压水银灯，在发光管内相对地配置一对电极，同时作为发光物质封入0.15mg/mm3以上的水银，其特征在于，
所述一对电极中的至少一方电极具有轴部和在该轴部上卷绕线圈而形成的粗径部，
该粗径部具有：卷绕在所述轴部的前端侧而形成的卷绕部，和连接在该卷绕部的后方，在其整个圆周方向的至少一部分上，在与所述轴部之间形成曲面，并与所述轴部一体化的弯曲部。
2.如权利要求1所述的超高压水银灯，其特征在于，所述弯曲部熔融于所述轴部而一体化。
3.如权利要求1所述的超高压水银灯，其特征在于，所述弯曲部形成于整个圆周方向。
4.如权利要求1所述的超高压水银灯，其特征在于，所述弯曲部在包含电极的中心轴的截面上具有曲线部，由相对于该曲线部的切线和轴部的棱线构成的接触角是钝角。
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