DE69911678T2

DE69911678T2 - Quecksilberhochdrucklampe

Info

Publication number: DE69911678T2
Application number: DE69911678T
Authority: DE
Inventors: Akihiko Himeji-shi Sugitani; Hiroto Himeji-shi Sato; Takashi Tatsuno-shi Ito; Yoshihiro Himeji-shi Horikawa
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 1998-04-08
Filing date: 1999-03-29
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2019-03-30
Also published as: EP0949658A3; JP2948200B1; JPH11297269A; KR100529770B1; US6060830A; TW419703B; EP0949658B1; EP0949658A2; DE69911678D1; KR19990083059A

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Quecksilberhochdrucklampe und insbesondere eine Quecksilberhochdrucklampe mit einer hohen Strahldichte, welche als eine Lichtquelle für die Gegenlichtbeleuchtung eines Flüssigkristall-Projektors und für eine Faser-Beleuchtung verwendet wird.
Beschreibung des Standes der Technik
Bei einer Flüssigkristallanzeigevorrichtung vom Projektionstyp besteht ein Bedarf an einer Beleuchtung von Bildern auf eine rechteckige Bildfläche auf gleichmäßige Weise und mit einer geeigneten Farbwiedergabe. Es wird deshalb als Lichtquelle eine Metallhalogenidlampe verwendet, welche mit Quecksilber und Metallhalogeniden gefüllt ist. Derartige Metallhalogenidlampen werden in letzter Zeit noch mehr verkleinert, so dass sie immer mehr Punktlichtquellen darstellen. In der Praxis werden Metallhalogenidlampen mit einem äußerst kleinen Abstand zwischen den Elektroden eingesetzt.
Ausgehend von diesem Hintergrund werden in letzter Zeit statt Metallhalogenidlampen Lampen mit einem Quecksilberdampfdruck vorgeschlagen, welcher höher ist als je zuvor, beispielsweise größer als oder gleich 200 bar (ca. 197 atm). Hierbei wird durch die Erhöhung des Quecksilberdampfdrucks die Streuung des Lichtbogens unterdrückt (konzentriert) und ferner wird eine Erhöhung der Lichtintensität noch mehr angestrebt. Diese Lampen sind beispielsweise in der Japanischen Offenlegungsschrift HEI 2-148561 und in der Japanischen Offenlegungsschrift HEI 6-52830 offenbart.
In der Japanischen Offenlegungsschrift HEI 2-148561 (US-Patent 5,109,181) ist eine Quecksilberhochdrucklampe offenbart, bei welcher ein mit einem Paar von Wolfram-Elektroden versehenes Entladungsgefäß mit einem Edelgas, größer als oder gleich 0,2 mg/mm³ Quecksilber und einem Halogen im Bereich von 1 × 10⁶ bis 1 × 10^–4 μmol/mm³ gefüllt ist, und welche mit einer Röhrenwandbelastung von zumindest 1 W/mm² betrieben wird. Der Grund für das Hinzufügen einer Quecksilbermenge von zumindest 0,2 mg/mm³ liegt in einer Verbesserung der Färbwiedergabe durch eine Erhöhung des Quecksilberdrucks und durch eine Vermehrung des kontinuierlichen Spektrums im Bereich der sichtbaren Strahlung, insbsondere im roten Bereich. Der Grund für eine Röhrenwandbelastung von zumindest 1 W/mm² liegt in dem Bedarf an einer Temperaturerhöhung in dem kühlsten Bereich, um den Quecksilberdruck zu erhöhen. Der Grund für das Hinzufügen des Halogens liegt in einer Verhinderung der Schwärzung des Kolbens; dies kann der Veröffentlichung entnommen werden. Der Grund für die Festlegung des Haloges im Bereich von 1 × 10^–6 bis 1 × 10^–4 μmol/mm³ ist jedoch nicht beschrieben. Ferner ist auch beschrieben, dass das Halogen nicht in Form einer Metallverbindung hinzugefügt werden kann, weil dies die Elektroden ätzen würde.
Andererseits ist in der Japanischen Offenlegungsschrift HEI 6-52830 (US-Patent 5,497,049) beschrieben, dass zusätzlich zu der vorstehend beschriebenen Quecksilbermenge, Werte der Röhrenwandbelastung und der Halogenmenge, die Form des Entladungsgefäßes und der Abstand zwischen den Elektroden festgelegt werden und ferner die Halogenart auf Brom beschränkt wird. Der Grund für das Hinzufügen des Broms liegt in der Verhinderung der Schwärzung des Kolbens. Wenn zumindest 10^–6 μmol/mm³ Brom hinzugefügt ist, wird eine ausreichende Wirkung erhalten. Es wird auch gezeigt, dass die Elektroden geätzt werden, wenn mehr als 10^–4 μmol/mm³ Brom hinzugefügt ist. Ferner ist in dieser Veröffentlichung beschrieben, dass diese Lampe für eine Projektor-Lichtquelle geeignet ist und dass der Aufrechterhaltungsgrad der Beleuchtungsintensität der Bildfläche eines Flüssigkristall-Projektionsfernsehers nach 4000 Stunden besser ist als bei einer herkömmlichen Lampe.
Bei den vorstehend beschriebenen herkömmlichen Lampen wurde jedoch als nachteilig angesehen, dass der Lichtbogen während des Lampenbetriebs schwankt. Der Grund hierfür ist nicht ganz klar, aber es wird folgendes vermutet:
Da die Menge des hinzugefügten Quecksilbers groß ist, ist der Quecksilberdampfdruck extrem hoch. Als Folge davon zieht sich der Lichtbogen zusammen und wird sehr schmal. Da diesem schmalen Lichtbogen eine hohe Leistung zugeführt wird, so dass eine große Röhrenwandbelastung entsteht, wird die Leistungsdichte im Lichtbogen deshalb äußerst hoch, und die Lichtbogentemperatur steigt an. Infolge des äußerst hohen Quecksilberdampfdrucks, der Schmalheit des Lichtbogens und der äußerst hohen Temperatur wird die Geschwindigkeit der Konvektion in der Nähe des Lichtbogens in großem Maße erhöht. Die Temperatur an der Grenze zwischen dem Lichtbogen und dem Randgebiet wird stark verändert, und als Folge davon entstehen vermutlich Schwankungen des Lichtbogens.
In den vorstehend beschriebenen Veröffentlichungen des Standes der Technik ist ferner beschrieben, dass die Emission des Rotanteils vermehrt wird und dass eine Emission mit einer ausreichend guten Farbwiedergabe bewirkt werden kann. Im Falle einer Verwendung als Hintergrundlicht eines Flüssigkristall-Projektors kann man jedoch nicht behaupten, dass der Bedarf an einer hohen Farbwiedergabe in letzter Zeit in ausreichendem Maß gedeckt wird. Das heißt, es besteht ein Bedarf an einer Emission, bei welcher der Rotanteil noch mehr vermehrt wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Quecksilberhochdrucklampe mit einem äußerst hohen Quecksilberdampfdruck und einer äußerst hohen Röhrenwandbelastung anzugeben, bei welcher der Lichtbogen während des Betriebs vorteilhaft stabilisiert wird und eine Emission mit einem vermehrten Rotanteil und einer guten Farbwiedergabe bewirkt werden kann.
Die Aufgabe wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bei einer Quecksilberhochdrucklampe, bei welcher in einem Entladungsgefäß aus Quarzglas ein Paar von Wolfram-Elektroden gegenüberliegend angeordnet ist und zumindest 0,16 mg/mm³ Quecksilber und Edelgas hinzugefügt worden sind, und bei welcher die Röhrenwandbelastung zumindest 0,8 W/mm² beträgt, dadurch gelöst, dass zumindest ein Metallhalogenid mit einem Metall, dessen lonisationspotential höchstens 0,87 mal so hoch wie das lonisationspotential des Quecksilbers ist, in einem Bereich von 2 × 10^–4 bis 7 × 10^–2 μmol/mm³ in das Entladungsgefäß hinzugefügt wird.
Die Aufgabe wird ebenso gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bei eine_r Quecksilberhochdrucklampe, bei welcher in einem Entladungsgefäß aus Quarzglas ein Paar von Wolfram-Elektroden gegenüberliegend angeordnet ist und zumindest 0,16 mg/mm³ Quecksilber und Edelgas hinzugefügt worden sind, und bei welcher die Röhrenwandbelastung zumindest 0,8 W/mm² beträgt, dadurch gelöst, dass zumindest ein Metall mit einem lonisationspotential höchstens 0,55 mal so hoch wie das lonisationspotential des Quecksilbers ist, in einem Bereich von 1 × 10^–5 bis 2 × 10^–2 μmol/mm³ hinzugefügt wird und zumindest ein Halogen in einem Bereich von 2 × 10^–4 bis 7 × 10^–2 μmol/mm³ in das Entladungsgefäfß hinzugefügt wird.
Die Aufgabe wird ferner dadurch gelöst, dass bei der oben beschriebenen Quecksilberhochdrucklampe zumindest ein Metallhalogenid Emissionslinien im Wellenlängenbereich von 580 bis 780 nm aufweist.
Die erste Ausführungsform der Erfindung hat ein aus Quarzglas bestehendes Entladungsgefäß, welches mit zumindest einem Metall gefüllt ist, dessen lonisationspotential höchstens 0,87 mal so hoch wie das lonisationspotential des Quecksilbers ist, das heißt, zumindest ein Metall, welches leichter ionisiert wird als Quecksilber, in Form eines Halogenides im Mengenbereich von 2 × 10^–4 bis 7 × 10 ^–2 μmol/mm³. Wenn dieses Metall hinzugefügt wird, findet in einem Bereich mit einer relativ niedrigen Temperatur in der Nähe des Randbereiches zwischen dem Lichtbogen und dem außerhalb des Lichtbogens liegenden Bereich in dem Lichtbogen-Randbereich im Vergleich zur ausschließlichen Verwendung von Quecksilber auch eine Ionisation dieses Metalls statt.
Das heißt, dass auch in diesem Bereich Leistung zugefurt wird Die Temperatur im Bereich in der Nähe des Randbereiches zwischen dem Lichtbogen und dem außerhalb des Lichtbogens liegenden Bereich verändert sich deshalb in dem Lichtbogen-Randbereich sanfter. Der wirkliche Lichtbogendurchmesser wird größer. Bei einem Lichtbogen mit einem großen Durchmesser, bei welchem die Temperaturveränderung im Grenzbereich zwischen dem Lichtbogen und dem außerhalb des Lichtbogens liegenden Bereich noch relativ stark ist, aber sanfter erfolgt als bei einem Lichtbogen mit einem kleinen Durchmesser, entstehen Schwankungen des Lichtbogens selbstverständlich nicht häufig. Das während des Betriebs der Lampe von dem Metallhalogenid freigegebene Halogen verhindert ferner die Schwärzung der Inrnenwand des Entladungsgefäßes.
Wenn hierbei die hinzugefügte Menge des Metallhalogenides nicht mehr als 2 × 10^–4 μmol/mm³ beträgt, wird der Effekt der Unterdrückung der Lichtbogenschwankungen verringert. Der Grund hierfür liegt darin, dass die Menge des hinzugefügten Metalls, welches im Bereich mit einer relativ niedrigen Temperatur im Lichtbogen-Randbereich leicht ionisiert wird, gering ist und dass als Folge davon die Lichtbogenschwankungen häufig entstehen. Wenn die Menge des hinzugefügten Metallhalogenides größer als 7 × 10^–2 μmol/mm³ ist, ergibt sich der Nachteil, dass eine Korrosion der Elektroden auftritt. [0016] Hierbei soll man bei der Erfindung unter dem Begriff "Metall" nicht ein streng definiertes Metall, sondern alle Elemente mit Ausnahme von Edelgas, Halogen, Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff verstehen, wie sie herkömmlicherweise bei einer Metallhalogenidlampe vorhanden sind.
Bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung erfolgt eine Beschränkung auf ein Metall mit einem niedrigeren lonisationspotential als das Metall der ersten Ausführungsform. Die Erfindung ist in diesem Fall konkret dadurch gekennzeichnet, dass ein Metall verwendet wird, dessen lonisationspotential höchstens 0,55 mal so hoch wie das lonisationspotential des Quecksilbers ist. Wenn dieses Metall in einer Menge von größer als oder gleich 1 × 10^–5 μmol/mm³ hinzugefügt wird, kann eine ausreichende Stabilisierung des Lichtbogens stattfinden. Ferner können ebenfalls Lichtbogenschwankungen und die Entglasung des Gefäßes dadurch verhindert werden, dass die Menge des hinzugefügten Halogens größer als oder gleich 7 × 10⁴ μmol/mm³ ist.
Wenn die Menge des hinzugefügten Metalls und die Menge des hinzugefügten Halogens jeweils größer als 7 × 10^–2 μmol/mm³ sind, tritt Elektrodenkorrosion auf.
Beispielsweise können als das Metall, dessen lonisationspotential höchstens 0,55 mal so hoch wie das lonisationspotential des Quecksilbers ist, Lithium, Natrium, Cäsium, Barium und dergleichen verwendet werden.
Bei jeder der erwähnten Ausführungsformen der Erfindung ermöglicht die Auswahl mindestens eines Metallhalogenides, welches Emissionslinien im Wellenlängenbereich von 580 bis 680 nm aufweist, eine gute Ergänzung der Emission in der Nähe des roten Bereiches. Deshalb kann die Farbwiedergabe in großem Maße verbessert werden. Als ein Metallhalogenid dieses Typs kann beispielsweise ein Halogenid von Cäsium, Natrium, Calcium und Lanthan verwendet werden.
Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen, welche lediglich zum Zwecke der Darstellung mehrere erfindungsgemäße Ausführungsformen zeigen, deutlich werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Quecksilberhochdrucklampe;
2 zeigt ein Diagramm des Spektrums einer erfindungsgemäßen Quecksilberhochdrucklampe; und
3 zeigt ein Diagramm des Spektrums einer herkömmlichen Quecksilberhochdrucklampe.
Detaillierte Beschreibung der bevorzygten Ausführungsformen
1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Quecksilberhochdrucklampe. In der Zeichnung ist eine Entladungslampe 1 aus Quarzglas gezeigt, welche aus einem Entladungsgefäß 2 in der Mitte und schmalen, hermetisch abgedichteten Bereichen 3 besteht, welche sich an die zwei Enden des Entladungsgefäßes 2 anschließen. In dem Entladungsgefäß 2 (nachfolgend der "Emissionsraum" genannt) ist ein Paar von Wolfrarn-Elektroden 4 mit einem gegenseitigen Abstand von ca. 1,2 mm angeordnet. Die rückwärtigen (äußeren) Enden der Elektroden 4 sind in die hermetisch abgedichteten Bereiche 3 eingebracht und jeweils arg das innere Ende einer jeweiligen Metallfolie 5 geschweißt. Die Außenanschlüsse 6 sind mit den äußeren Enden der Metallfolien 5 verbunden.
Der Emissionsraum enthält als Hauptemissionsstoff Quecksilber und als Betriebs-Startgas ein Edelgas, wie Argon, Xenon und dergleichen. Dieses Edelgas wird beispielsweise in einer Menge entsprechend 10 kPa hinzugefügt. Die Menge des hinzugefügten Quecksilbers beträgt zumindest 0,22 mg/mm³, wodurch der Dampfdruck bei einem stabilen Betrieb größer als oder gleich einhundert und einigen Dutzend atm ist. Das Innenvolumen des Entladungsgefäßes beträgt beispielsweise 75 mm³ und die Röhrenwandbelastung; beträgt 1,5 W/mm².
Das Entladungsgefäß ist mit Calciumbromid (CaBr₂) als Emissionsstoff in einer Menge von beispielsweise 3 × 10^–4 μmol/mm³ gefüllt. Das lonisationspotential des Calciums beträgt 6,1 V, welches 0,58 mal so hoch wie das lonisationspotential des Quecksilbers ist. Beim Hinzufügen dieses Calciumbromides wurden die Lichtbagenschwankungen auf 1/10 der Lichtbogenschwankungen in dem Fall, in welchem das Calciumbramid nicht hinzugefügt wurde, verbessert.
Als weitere Ausführungsform wurde dasselbe Entladungsgefaß 2 wie vorstehend beschrieben mit 0,19 mg/mm³ Quecksilber, 7 × 10^–3 μmol/mm³ Natrium (Na), 3 × 10^–5 μmol/mm³ Lithium (Li), 5 × 10^–4 μmol/mm³ Brom (Br₂) und 10 kPa Argon (Ar) gefüllt. Der Betrieb wurde mit einer Röhrenwandbelastung von 1,2 W/mm² durchgeführt. Ferner wurde eine Quecksilberhochdrucklampe für Vergleichszwecke betrieben, welche weder Natrium (Na) noch Lithium (Li) enthielt, und nur mit Quecksilber als Emissionsstoff versehen war.
Als Folge davon entstanden bei der Lampe ohne Hinzufügung von Natrium (Na) und Lithium (Li) innerhalb von 10 Minuten nach dem Starten des Lampenbetriebs instabile Lichtbogenschwankungen (relative Schwankungen von 5 bis 20%), während bei einer Lampe mit Hinzufügung von Natrium (Na) und Lithium (Li) der Lichtbogen stabilisiert worden ist und bei einer ununterbrochenen Beobachtung über mehrere Stunden die vorstehend beschriebenen Lichtbogenschwankungen nicht mehr festgestellt wurden.
2 zeigt schematisch das Spektrum einer Lampe, welche mit Natrium (Na) und dergleichen gefüllt ist. 3 zeigt schematisch das Spektrum einer Lampe, welche nicht mit Natrium (Na) und dergleichen gefüllt ist. Der Vergleich der beiden Figuren zeigt, dass bei der mit Natrium (Na) und Lithium (Li) gefüllten Lampe, die Natrium-Resonanzlinie bei 589 nm und die Lithium-Resonanzlinie (Li) bei 671 nm äußerst gut emittiert werden. In Farbkoordinaten dieser Lampe sind folglich x = 0,295 und y = 0,314. In Farbkoordinaten der Lampe, welche nicht mit Natrium (Na) und Lithium (Li) gefüllt ist, sind x = 0,286 und y = 0,311. Dies zeigt, dass der Rotanteil vermehrt worden ist.
Wirkung der Erfindung
Wie vorstehend beschrieben wurde, treten bei der erfindungsgemäßen Quecksilberhochdrucklampe, bei welcher in einem Entladungsgefäß aus Quarzglas ein Paar von Wolfram-Elektroden gegenüberliegend angeordnet ist und der Behälter mit zumindest 0,16 mg/mm³ Quecksilber und einem Edelgas gefüllt ist, und bei welcher die Röhrenwandbelastung größer als oder gleich 0,8 W/mm² ist, folgende Wirkungen auf:

1. In das Entladungsgefäß wird zumindest ein Metallhalogenid mit einem Metall, dessen lonisationspotential höchstens 0,87 mal so hoch wie das lonisationspotential des Quecksilbers ist, im Bereich von 2 × 10^–4 bis 7 × 10^–2 μmol/mm³ hinzugefügt. Durch dieses Merkmal wird dieses Metall in einem Bereich mit einer relativ niedrigen Temperatur in der Nähe des Randbereiches zwischen dem Lichtbogen und dem außerhalb des Lichtbogens liegenden Bereich in dem Lichtbogen-Randbereich leicht ionisiert. Als Folge davon kann der Lichtbogen stabilisiert werden.
2. In das Entladungsgefäß werden zumindest ein Metall, dessen lonisationspotential höchstens 0,55 mal so hoch wie das lonisationspotential des Quecksilbers ist, im Bereich von 1 × 10^–5 bis 2 × 10^–2 μmol/mm³ und zumindest ein Halogen im Bereich von 2 × 10^–4 bis 7 × 10^–2 μmol/mm³ hinzugefügt. Durch dieses Merkmal kann die Ionisation dieses Metalls noch leichter erfolgen und der Lichtbogen kann stabilisiert werden.

Ferner kann durch die Verwendung der Metalle, wie Natrium, Lithium und dergleichen, deren lonisationspotentiale geringer als das lonisationspotential des Quecksilbers im Wellenlängenbereich von 580 bis 780 nm sind, eine starke Lichtemission mit vermehrtem Rotanteil erzeugt werden. Als Folge davon kann eine Emission mit einer hervorragenden Farbwiedergabe erreicht werden.

Claims

Eine Quecksilberhochdrucklampe, umfassend ein Entladungsgefäß aus Quarzglas, welches ein Paar von gegenüberliegenden Wolfram-Elektroden enthält, eine Menge an Quecksilber von zumindest 0,16 mg/mm³ und ein Edelgas, wobei das Entladungsgefäß eine Wandbelastung von zumindest 0,8 W/mm² aufweist; in welcher zumindest ein Metallhalogenid mit einem Metall, dessen lonisationspotenzial höchstens 0,87 mal so hoch ist wie das lonisationspotenzial des Quecksilbers, in einem Bereich von 2 × 10^–4 bis 7 × 10^–2 μmol/mm³ in dem Entladungsgefäß enthalten ist.
Quecksilberhochdrucklampe gemäß Anspruch 1, in welcher das zumindest eine Metallhalogenid Emissionslinien im Wellenlängenbereich von 580 bis 780 nm aufweist.
Quecksilberhochclrucklampe, umfassend ein Entladungsgefäß aus Quarzglas, welches ein Paar ^von gegenüberliegenden Wolfram-Elektroden enthält, Quecksilber in einer Menge von zumindest 0,16 mg/mm³ und ein Edelgas, wobei das Entladungsgefäß eine Wandbelastung von zumindest 0,8 W/mm²aufweist; in welcher zumindest ein Metall mit einem lonisationspotenzial, das höchstens 0,55 mal so hoch ist wie das lonisationspotenzial des Quecksilbers, in einem Bereich von 1 × 1^–5 bis 2 × 10^–2 μmol/mm³ und zumindest ein Halogen in einem Bereich von 2 × 10^–4 bis 7 × 10^–2 μmol/mm³ in dem Entladungsgefäß enthalten sind.
Quecksilberhochdrucklampe gemäß Anspruch 3, in welcher zumindest ein Metallhalogenid Emissionslinien im Wellenlängenbereich von 580 bis 780 nm aufweist.