专利名称：高压汞灯、灯组件和图像显示设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高压汞灯、一种利用这种高压汞灯的灯组件以及一种利用这种灯组件的图像显示设备。
背景技术：
众所周知，有多种图像显示设备(例如液晶投影机和数字光处理(DLP)投影机)用作投影电视或者视频图像的系统或者利用个人计算机供显像之用的系统。这些类型的图像显示设备采用具有短弧结构的高压汞灯作为光源，其几乎等同于一个点光源。
通常，高压汞灯包括透明外壳，在透明外壳中设置一对钨电极，使得一对钨电极彼此基本上面对，并且在透明外壳内密封汞、卤素(例如溴)和惰性气体。密封有卤素的原因在于它使得从加热到高温的电极蒸发的钨(作为电极材料)在发光期间重新淀积到电极上(这种现象称为卤素循环)，由此防止由于钨的附着而引起透明外壳的内壁黑化。
众所周知，当微量氧(O)与卤素原子X一起存在时，会加速卤素循环。原因在于WOnXm比WnXm所代表的化合物有更高的饱和蒸气压力。然而，同样众所周知的是当分子状态的杂质气体(例如氧气(O2))存在于透明外壳中时，灯的启动电压就会变高，这可能导致灯不能启动。
此外，也存在以下问题。当大量的氧和卤素一起存在于透明外壳中时，在发光期间，会氧化钨电极，从而加速钨挥发。这样，会严重腐蚀电极端部和/或使电极端部发生变形。结果，电极之间的距离与初始状况相比有所变化，由此损害灯的性能。更具体地，因为电极之间的距离变长，所以不可能如起初所预想的那样通过采用短弧结构增加照度。
考虑到这点，在包括高压汞灯的高压放电灯中，为了防止杂质气体(例如氧气(O2))存在于透明外壳中，通常会进行用于有效除去杂质气体的处理。具体地，例如将具有不超过5ppmOH族含量的高纯度石英玻璃作为透明外壳的一种材料。此外，将已经成形并处理成透明外壳的石英玻璃在真空下高温加热，以利用在成形和处理石英玻璃时所使用的气体燃烧室除去包含在石英玻璃中的水(H2O)。同样，在将电极密封在透明外壳中之前，对电极进行减氢处理以从除去其中的气体和/或者在真空中高温加热电极。此外，例如在氩气气氛中，进行将电极密封在透明外壳中的处理，以防止在密封处理期间由加热而引起电极氧化。
正如以上所述，常规高压汞灯以这样一种方式制造，即，使存在于透明外壳中的氧最少化。另一方面，为了防止发生透明外壳的内壁黑化，例如，正如JP11(1999)-149899A所公开的，已提出减少包含在灯部件(例如电极)中的钾(K)，钾是抑制卤素循环的一个因素。
顺便提及，常规高压汞灯具有大约2000个小时的额定寿命。然而，近年来，需求具有额定寿命为5000个小时的高压汞灯，比如用作背投电视的光源。
然而，即使是使用具有减少钾含量的高纯度电极之常规高压汞灯也无法实现如此长的寿命，这是因为在发光3000个小时后，发生透明外壳的内壁(特别是在靠近电极的部分)黑化。黑化使透明外壳被异常加热，这可能导致透明外壳破损。
此外，一些图像显示设备(投影机)具有根据下列两种模式的发光控制功能正常模式和节能模式，在正常模式下，高压汞灯在额定功率下工作(例如220W)；在节能模式下，向高压汞灯输入比额定功率低的功率，以使照度低于正常模式下的照度。然而，根据常规高压汞灯，会引起以下问题。即，当使用这种发光控制功能时，例如当高压汞灯在低于额定功率的功率下工作时，与灯在额定功率下工作的情况相比，透明外壳的内壁(特别是在靠近电极部分)黑化相当严重，以致于当在节能模式下(例如较低功率下)工作时会缩短灯的寿命。
发明内容
因此，基于上述考虑，本发明的目的之一在于提供一种高压汞灯，其能够阻止透明外壳内壁的黑化在长的发光周期内发生，同时不会使启动性或者灯的特性变差，从而实现长的寿命。此外，本发明的另一目的在于提供一种利用这种高压汞灯的灯组件和一种利用这种灯组件的图像显示设备。
根据本发明的高压汞灯包括由石英玻璃制成的透明外壳，在其中密封汞、卤素和惰性气体；以及设置在透明外壳中的一对电极。在该高压汞灯中，密封在透明外壳中的卤素的量是在从1.0×10-6μmol/mm3到1.0×10-2μmol/mm3范围内，相对于卤素的量的2.5mol％到25mol％的氧存在于透明外壳中。
对于本领域技术人员来说，通过参考附图阅读和理解以下详细描述，本发明这些和其它优点将会变得更加明显。
图1是根据本发明一个实施例的用于投影机的灯组件之部分截面图；图2是在投影机的灯组件中所使用的高压汞灯横截面正视图；图3示出一种发光装置的配置的方框图；图4是图像显示设备的示意图，在该图像显示设备中使用根据本发明一个实施例的用于投影机的灯组件。
具体实施例方式
在根据本发明的高压汞灯中，指定密封在透明外壳中的卤素的量，并且也指定氧原子数量和卤素原子数量的比率。这样，使密封在透明外壳中的卤素数量和氧数量的组合最优化，由此抑制由于存在于透明外壳中的氧而引起灯不能启动和灯性能恶化。另外，使得卤素循环的作用非常正常，以便阻止透明外壳的内壁(特别在靠近电极的部分)黑化在长的发光周期内发生，以使灯具有长的寿命。
作为卤素，可以使用氯、溴以及碘。然而，优选地使用溴，因为它对电极的腐蚀作用特别小。
根据本发明的高压汞灯特别适合作为一种能够执行发光控制操作的高压汞灯，其中高压汞灯以低于额定功率的功率(例如不超过85％额定功率的功率)工作。其理由如下。当高压汞灯在额定功率下工作时，透明外壳的内壁温度相当高，这使得钨和卤素的化合物很容易蒸发。这样，卤素循环可以充分地进行。另一方面，当高压汞灯在较低功率下(特别是在不超过85％额定功率的功率下)工作时，透明外壳的内壁温度会变低。结果，钨和卤素的化合物不容易蒸发，这样保持附着在透明外壳的内壁上。相反地，根据本发明的高压汞灯，可以防止上述问题发生，这是因为允许卤素循环非常顺利地起作用。
此外，高压汞灯的上述构造更适合用作具有200W或者更高额定功率的高压汞灯，其包括大的透明外壳，这样在额定功率下工作和在低于额定功率下工作之间，透明外壳的内壁温度有很大的不同。
而且，高压汞灯的上述构造特别适合于下面一种情况，其中透明外壳基本上是球状的或者基本上是椭球状的，一对电极被设置使得彼此基本上面对，并且满足以下关系式L≤2.0mm，r/L＞5，其中L(mm)代表两电极之间的距离，以及r(mm)代表在电极纵向方向上透明外壳的最大内径。
其理由如下。在特别靠近电极部分，透明外壳的内壁温度的上述差别是相当大的。这是因为，当高压汞灯在其中设置灯使得灯的纵向方向水平延伸的状况下工作时，每个电极的基底部分通常具有最低的温度。这样，在具有上述构造的高压汞灯中，电极基底部分的温度是相当低的，并且在这些部分更容易发生黑化。但是，通过应用本发明，可以有效地抑制黑化。
优选地，为了消除抑制卤素循环的因素，电极中的钾含量不超过10ppm，由此允许卤素循环更好地进行。
此外，根据本发明的灯组件包括一个凹面反射镜；以及具有上述构造任何之一的高压汞灯，高压汞灯固定在凹面反射镜上。固定高压汞灯，使得一对电极之间的中点与凹面反射镜的焦点位置基本上重合。
而且，根据本发明的图像显示设备包括具有上述构造的灯组件；控制电路，用于使包括在灯组件中的高压汞灯工作；会聚装置，用于会聚从灯组件发出的光；图像形成装置，用于利用由会聚装置会聚的光形成图像；和投影装置，用于将由图像形成装置形成的图像投影在投影部件上。
此后，将参考附图描述本发明一个实施例。
图1显示了用于投影机的灯组件1，灯组件1采用了根据本发明一个实施例的高压汞灯2。灯组件1包括凹面反射镜3和固定在凹面反光镜3上的高压汞灯2。设置高压汞灯2，使得电极7之间的中点与凹面反射镜3的焦点位置基本上重合，以及高压汞灯2在其纵向方向上的中轴X与凹面反射镜3的光轴(图1中它与中轴X相同)基本上平行。高压汞灯2为发光控制功能兼容类型，并且例如通过施加交流电压在220W的额定功率下(当在较低功率下工作时为180W)工作。
如图2所示，高压汞灯2包括由石英玻璃制成的透明外壳6，透明外壳6具有一个发光部分4以及设置在发光部分4两端的密封部分5。在发光部分4中，形成放电空间8以及设置一对电极7使得基本上彼此面对。发光部分4的外部形状基本上为球状或者基本上为椭球状，并且最大外径R为12mm以及在电极7纵向方向上的最大内径r为10.7mm。每个密封部分5是具有直径为6mm的圆柱形状。透明外壳6(发光部分4)的内部容积为例如0.2cc。此外，用于形成透明外壳6所使用的石英玻璃具有不超过5ppm的OH族含量。
发光期间中，透明外壳6(发光部分4)的内壁受到至少为80W/cm2的壁负载，例如140W/cm2。当透明外壳6由石英玻璃制作时，不超过200W/cm2的壁负载更适合实际使用。
在发光部分4内部，密封汞(发光材料)、惰性气体(如氩气或者氙气)和卤素(例如溴)。密封在发光部分4中的汞的量至少为0.15mg/mm3，并且优选地不超过0.35mg/mm3用于实际使用。密封在发光部分4中的惰性气体的量为大约5kPa到40kPa，密封在发光部分4中的卤素的量为1.0×10-6μmol/mm3到1.0×10-2μmol/mm3。
每个电极7具有电极棒9和线圈10，线圈10分两排缠绕在电极棒9的一端上。电极棒9包含作为主要成分的钨，以及作为杂质的钾不超过10ppm，例如5ppm。电极棒9的直径为0.3mm到0.45mm。线圈10由与电极棒9相同的材料制成。在每个电极7的端部，将线圈10的一部分和电极棒9的一部分熔合，由此形成一个基本上为半球状的块(mass)。电极7之间的距离L在0.2mm到5.0mm的范围内，例如为1.5mm。这样，高压汞灯2满足以下所表达的关系L≤2.0mm以及r/1＞5，其中L(mm)代表电极7之间的距离，以及r(mm)代表透明外壳6在电极7纵向方向上的最大内径(见图2)。
电极棒9的另一端通过密封在密封部分5中的钼箔片11分别电连接到钼外部引线12和13。外部引线12和13延伸到透明外壳6的外部。
如图1所示，连接到一个电极棒9的外部引线12电气连接到电源线14，电源线14经由形成在凹面反射镜3中的穿孔21延伸到凹面反射镜3的外部。另一方面，连接到另一个电极棒9的外部导线13(图1中没有示出)电气连接到金属基座15，金属基座15利用粘合剂(没有显示)或类似物固定在高压汞灯2的端部。
凹面反射镜3包括在其前侧上的开口16、在其后侧上的颈部17、以及主体19，主体19具有形成在其内壁上的反射表面18。例如反射表面18是一个旋转抛物面或者一个旋转椭圆面。
固定到高压汞灯2上的基座15附着在颈部17，并且然后利用粘合剂20或类似物固定在其上，这样将高压汞灯2和凹面反射镜3结合在一起。主体19具有一穿孔21，用于允许电源线14延伸到凹面反射镜3的外部。通常，前部玻璃固定在开口16处，虽然在图中没有示出。
此后，将描述用于使高压汞灯2工作的发光装置。如图3所示，发光装置包括直流电源(DC电源)22和镇流器23，其中直流电源22连接到交流电源(AC100V)(未示出)，镇流器23连接到该直流电源22和高压汞灯2上。
镇流器23包括DC/DC变换器24，用于供应使高压汞灯2工作所必需的电源；DC/AC转换器25，用于将来自DC/DC变换器24的输出变换为具有预定频率的交变电流；高压产生器26，用于当启动灯时将一高压脉冲加到高压汞灯2上；电流检测器27，用于检测高压汞灯2的灯电流；电压检测器28，用于检测高压汞灯2的灯电压；以及控制单元29，用于根据来自电流检测器27和电压检测器28的检测信号控制DC/DC变换器24和DC/AC转换器25。
当在高压汞灯2的电极7之间发生介质击穿以允许一个电弧放电电流在电极7之间流过时，电流检测器27将检测信号传送给控制单元29。当接收到检测信号时，设置在控制单元29中的发光判定电路判定“高压汞灯2被接通”。在高压汞灯2被接通之后，控制单元29根据来自电流检测器27和电压检测器28的检测信号发出一信号给DC/DC变换器24，以控制高压汞灯2工作的功率。该控制是恒定功率控制，并且将由电流检测器27检测的电流值和由电压检测器28检测的电压值的乘积与存储在控制单元29的内部存储器中的关于功率的参考值进行比较，以控制来自DC/DC变换器24的电流输出，以便保持恒定。用于指定发光控制操作的开关(未示出)连接到控制单元29，其中该开关设置镇流器的外部。当指定发光控制操作时，切换功率参考值以执行发光控制操作。
作为使用上述灯组件1的图像显示设备的一个例子，参考图4，将描述一个三板式液晶投影机。该图像显示设备包括作为光源的灯组件1；反射镜30；分色镜31和32，用于将从灯组件1发出的白光分成蓝、绿和红三原色光束；反射镜33、34和35，用于分别反射如此获得的光束；液晶光阀36、37和38，用于形成三原色的各个光束的单色光图像；场镜39、40和41；中继透镜42和43；分色棱镜44，用于叠加分别穿过液晶光阀36、37、38的光束；以及投影透镜45。将图像显示设备的图像输出投影到屏幕46上。在该图像显示设备中，除了灯组件1之外的部件都是公知的构造。因此，图4省略了若干光学元件(例如紫外线过滤器)的图示。
以下将描述之所以将密封在透明外壳中的氧(O)的量被指定在相对于密封在透明外壳中的溴的量(Br)(1.0×10-6μmol/mm3到1.0×10-2μmol/mm3)的从2.5mol％到25mol％范围内的原因。
以密封在透明外壳中的溴和氧的各种不同的量生产具有上述构造的高压汞灯2。更具体地，密封在透明外壳中的溴的量被设定为1.0×10-8μmol/mm3、1.0×10-6μmol/mm3、1.0×10-4μmol/mm3、1.0×10-2μmol/mm3、1.0×10-1μmol/mm3。相对于每个溴的量，氧的量在2.0mol％到30mol％范围内变化，对于溴的量和氧量的每个组合，生产5种高压汞灯。
通过施加具有半宽度为100nesc和峰值为10kV的启动脉冲电压，启动如此生产的高压汞灯，并且通过施加频率为200Hz的矩形波电压来使如此生产的高压汞灯工作，以评估灯的性能。更具体地，对于在额定功率(220W)下的工作和在较低功率(180W)下的工作，通过设定发光5小时后的照度作为100％而确定发光3000小时和5000小时后每个灯的照度维持系数(％)。结果显示在下列表1中。
需要注意的是在此所使用的“照度维持系数”是指通过使用图像显示设备将光投影在40英寸屏幕上所确定的平均照度维持系数(％)。根据以下标准评估照度维持系数。即，根据实用的观点，将发光5000个小时之后50％或者更高的照度维持系数评估为在额定功率或者较低功率下工作中的“好”。另外，通过检查高压汞灯是否通过施加上述启动电压而被启动来确认高压汞灯的启动性。其结果也如表1所示。
在表1中，照度维持系数A1和B1表示发光3000个小时后的值，以及，照度维持系数A2和B2表示发光5000个小时后的值。
从表1可以看出，当密封在透明外壳中的溴量在1.0×10-6μmol/mm3到1.0×10-2μmol/mm3范围内，以及密封在透明外壳中的氧量相对于溴量在2.5mol％到25mol％范围内时，高压汞灯可以实现满足上述评估标准的照度维持系数，并且同时展示出良好的启动性。
其原因如下。在上述高压汞灯中，使密封在透明外壳中溴量和氧量的组合最优化，由此允许卤素循环非常顺利地发挥作用，同时使氧量最小化。结果，获得良好的启动性，并且同时抑制透明外壳的内壁黑化，以改善灯的照度维持系数。
相反，即使密封在透明外壳中的溴量在1.0×10-6μmol/mm3到1.0×10-2μmol/mm3的范围内，当密封在透明外壳中的氧量相对于溴量低于2.5mol％(例如2.0mol％)时，高压汞灯在以较低功率工作时不能达到满足上述评估标准的照度维持系数，虽然在以额定功率工作时，它们表现出良好的启动性，并且达到满足上述评估标准的照度维持系数。
其原因如下，在较低功率下工作时透明外壳6的内壁温度低于额定功率下工作时透明外壳6的内壁温度。这样，当高压汞灯在较低功率下工作时，已从电极7上蒸发的钨附着到透明外壳6的内壁上，尤其是靠近电极7的部分，由此导致黑化。
此外，即使密封在透明外壳中的溴量介于1.0×10-6μmol/mm3到1.0×10-2μmol/mm3范围内，当密封在透明外壳中的氧量相对于溴量高于25mol％(例如30mol％)时，在以额定功率或是以较低功率的工作中，高压汞灯均不能达到满足上述评估标准的照度维持系数，虽然启动性是良好的。
原因如下。尽管几乎不能通过视觉观察确认发生黑化，但电极7由于氧化被腐蚀和/或发生变形，以至于电极7之间的距离或类似参数与最初情况相比有所变化，由此降低照度。
另一方面，当密封在透明外壳中的溴量低于1.0×10-6μmol/mm3时，即使密封在透明外壳中的氧量相对于溴量介于2.5mol％到25mol％范围之内，高压汞灯在以额定功率和低功率工作中均无法达到满足上述评估标准的照度维持系数，虽然启动性是良好的。
原因在于卤素循环没有充分地发挥作用。
此外，当密封在透明外壳中的溴量高于1.0×10-6μmol/mm3时，即使密封在透明外壳中的氧量相对于溴量介于2.5mol％到25mol％范围之内，高压汞灯在以额定功率和低功率工作中均无法达到满足上述评估标准的照度维持系数，虽然启动性是良好的。
其原因如下。因为密封在透明外壳中的溴量过多，所以电极7被溴腐蚀，使得电极7之间的距离与最初相比有所变化，由此降低照度。
基于上述原因，将密封在透明外壳中的溴量指定在1.0×10-6μmol/mm3到1.0×10-2μmol/mm3范围内，以及将密封在透明外壳中的氧量相对溴量指定在2.5mol％到25mol％范围内。
正如上面具体描述的，利用根据本发明一个实施例的高压汞灯2的构造，使密封在透明外壳中的溴量和氧量的组合最优化，由此抑制由于在透明外壳6中存在氧而导致启动高压汞灯中的故障，以及灯性能(照度)的恶化。另外，允许卤素循环非常顺利地发挥作用，以便阻止在长的发光周期内发生透明外壳的内壁(尤其在靠近电极部分)黑化，导致灯的长寿命。
很少发生这种黑化的高压汞灯可以改善照度维持系数。因此，通过采用这样的高压汞灯，可以获得长寿命的灯组件1以及长寿命的图像显示设备。
虽然上述实施例针对具有220W额定功率(当在低于额定功率的功率下工作时为180W)的高压汞灯2，但是本发明同样适用于例如200W、150W、120W或类似的额定功率。
同样，虽然上述实施例针对一个例子，其中通过施加具有100nesc之半宽度和10kV之峰值的启动脉冲电压启动高压汞灯，并且通过施加200Hz频率的矩形波电压来使高压汞灯工作，但是，即使通过施加具有1nesc到100nesc之半宽度和2kV到10kV之峰值的启动脉冲电压启动高压汞灯，并且通过施加50Hz到10kHz频率的矩形波电压来使高压汞灯工作，也可以获得与上述同样的效果。电压波形不局限于矩形波，可以是例如正弦波、三角波或者其它变形形式，而且不管什么波形都可以获得上述本发明的效果。
本发明也可以以其它形式实施，而不背离其精神或者主要特征。从所有方面来讲，本申请中所公开的实施例应该被视为示例性而非限定性的。本发明的范围由所附权利要求而不是前述说明来指定，并且所有在权利要求等效意义和范围内的改变都应被包含在其中。
权利要求
1.一种高压汞灯，包括由石英玻璃制成的透明外壳，其中密封汞、卤素和惰性气体；以及一对电极，设置在所述透明外壳中，其中，密封在所述透明外壳中的卤素的量在从1.0×10-6μmol/mm3到1.0×10-2μmol/mm3范围之内，以及相对于卤素的量的2.5mol％到25mol％的氧存在于所述透明外壳中。
2.根据权利要求1所述的高压汞灯，其中该卤素为溴。
3.根据权利要求1或者2所述的高压汞灯，能执行一个发光控制操作，其中所述高压汞灯在低于额定功率的功率下工作。
4.根据权利要求3所述的高压汞灯，其中低于额定功率的功率是不超过额定功率的85％的功率。
5.根据权利要求3或者4所述的高压汞灯，其中该额定功率为200W或者更高。
6.根据权利要求5所述的高压汞灯，其中所述透明外壳基本上是球状或者基本上是椭球状，所述一对电极被设置使得基本上彼此面对，以及满足以下关系式L≤2.0mm，r/L＞5其中L(mm)代表所述电极之间的距离，r(mm)代表所述透明外壳在所述电极的纵向方向上的最大内径。
7.根据权利要求1到6中任何一个所述的高压汞灯，其中电极中钾的含量不超过10ppm。
8.一种灯组件，包括凹面反射镜，根据权利要求1到权利要求7中任一项的高压汞灯，所述高压汞灯安装在该凹面反射镜上。其中安装所述高压汞灯，使得一对电极之间的中点和所述凹面反射镜的焦点位置基本上重合。
9.一种图像显示设备，包括根据权利要求8的灯组件；控制电路，用于使包括在所述灯组件中的高压汞灯工作；会聚装置，用于会聚从所述灯组件发出的光；图像形成装置，用于利用由所述会聚装置会聚的光形成图像，以及投影装置，用于将由所述图像形成装置形成的图像投影到投影部件上。
全文摘要
一种高压汞灯，包括由石英玻璃制成的透明外壳，其中密封有汞、卤素和惰性气体；以及设置在透明外壳中的一对电极。密封在透明外壳中的卤素的量在从1.0×10
文档编号G03B21/00GK1534718SQ20041003181
公开日2004年10月6日 申请日期2004年3月30日 优先权日2003年3月31日
发明者栗本嘉隆, 北原良树, 树 申请人:松下电器产业株式会社