专利名称：长寿命高压放电灯的制作方法
该申请基于在日本申请的专利申请2000-140903，特此引入该内容作为参考。
本发明涉及高压放电灯；尤其是有关使电极之间间距比已有的短的短弧型高压放电灯中使用的电极的改良。
近年来，人们积极地谋求对液晶投影等的投射型图象显示装置的开发、发展。在相关的投射型图象显示装置中，接近点光源的高亮度光源是必要的，通常，使用短弧型超高压水银灯和金属卤化物灯等的高压放电灯。
过去，在作为投射型图象显示装置用的光源而采用的短弧型超高压水银灯和金属卤化物灯中，使用与长弧型的一般照明用高压放电灯同一构成的钨电极。图1表示涉及已有的电极的一个例子。同图所示的电极901通常由钨组成的电极棒902和线径细的钨丝线圈903构成。
然而，在使用象这样的电极901的短弧型高压放电灯中，难于避免在发光时电极901前端部过分被加热产生的钨的熔融、蒸发和因此产生的发光管内部黑化的发生、电极前端部的变形、消耗等，由于难以使灯的寿命延长，因此为了解决该问题而对电极作出了种种改良方案。
作为为谋求高压放电灯长寿命化的改良技术，所提出的电极方案是将电极前端部熔融加工成半球状的凸曲面形状(以下称象这样前端部具有凸曲面形状的电极为“改良电极”)，例如，特许第2820864号公报和特开平10-92377号公报中公开了有关改良电极的技术。图2是已有的改良电极的说明图。同图所示的电极911制造工艺是如图2A所示，首先在钨电极棒912上安装钨丝线圈913，接着利用放电加工方法熔融加工电极棒912的前端部和线圈913的一部分，如图2B所示，形成作成形状大体为半球状的凸曲面的电极前端部914。
该电极911的特征是，通过熔融加工所述线圈913的一部分而形成电极前端部914，发光时前端部914的热迅速地向所述线圈913传导，使所述电极前端部914的温度降低，借此可抑制钨的熔融、蒸发和由此产生的发光管内部黑化的发生、电极前端部变形、消耗等，可使灯的寿命延长。
在投射型图象显示装置中使用的短弧型高压放电灯的最近开发中，目标有二个，(1)提高屏面亮度；(2)为了应该标准使用的屏面积对应于各种不同的多样的投射型图象显示装置的展开、扩展灯的输入从50瓦到400瓦之间的灯品种。作为达到所述(1)目标的一个途径，特别为了与反射镜组合时的光利用率的提高，使电极间距离De从已有的大于1.5mm至2.5mm以下范围缩短至1.5mm以下，比过去电极间距离短的短弧型高压放电灯的开发有了进展，但在象这样缩短电极间距离的高压放电灯中存在两个大问题。第一个是所述电极前端部的变形、消耗进一步增加，促进了发光管内部的黑化，其结果，灯的寿命缩短，还有，作为另一个固有问题，已经了解到跳弧(ァ-クジャンプ)现象更显著地发生。
这里，说明有关跳弧现象。图3是用于说明有关跳弧现象的图。所谓跳弧现象如同图所示，起初在通常点灯时，在电极前端中心附近形成的电极辉点(在阴极工作时放射电子电流处)由于灯的老化而变得在一个位置上不稳定，称为无序转动现象，一旦发生该跳弧现象，那么放电电弧因脱离与反射镜组合的灯单元的光轴，所以这样灯单元照射的屏面的亮度会有很大变化，这就是诱发的问题所在。
如上说明，在比过去使电极间距离缩短的短弧型高压放电灯的开发中，要求解决(1)3000小时以上的长寿命，(2)抑制因跳弧现象产生的屏面亮度变动的高品质灯特性等二个技术难题。
本发明目的为提供一种高品质短弧型高压放电灯，在使电极间距离(De)为1.5mm以下的、比过去电极间距离更短的短弧型高压放电灯中，实现3000小时以上的长寿命，并且，抑制屏面亮度的变化。
为达到上述目的，提供一种高压放电灯，包括发光管，两端部具有密封部，在内部形成发光空间，和2根电极，从所述密封部分别向所述发光空间内延伸，在所述发光空间内相隔一定电极间距离(De)相对配置，在所述发光空间内装入水银，所述发光空间内的水银蒸气气压在通常点灯状态下为15MPa以上35MPa以下，其特征是，所述电极间距离De为0.5mm以上1.5mm以下，所述电极前端部通过熔融加工电极轴和在该电极轴前端部周围卷绕的线圈而作成凸曲面形状，同时，该凸曲面形状部分的厚度(de)和直径(φe)对应于灯的输入(W)而被分别规定以在一定范围内。
根据象这样的规定，可知在比过去电极间距离还短的短弧型高压放电灯中，每个灯的输入(W)在分别实现长寿命的同时，还抑制了跳弧现象。
通过结合说明本发明实施例的附图的如下叙述，本发明诸目的、优点和特征会更加清楚。
图1是表示与已有的长弧型一般照明用高压放电灯相同构成的钨电极的一个例子的图；图2是用于说明有关已有改进电极的图；图3是用于说明有关跳弧现象的图；图4是表示本发明实施例的超高压水银灯结构的图；图5是表示灯单元300的结构图；图6是用于说明在本实施例中使用的电极102和103的基本结构的图；图7是模式地表示在本发明实施例中电极前端部的放电加工中使用的氩等离子体熔接装置的基本构成示意图；图8是表示在灯的输入为150W的情况下，使de和φe值变化，检查寿命的结果的图；图9是以图表表示有关各种输入(W)的灯，规定最佳de和φe值范围的结果的图。
下面，说明本发明者们达到本发明的原委。首先，本发明者们为了扩展作为将电极间距离(De)缩短成比过去还短的1.5mm以下的短弧型高压放电灯、灯输入从50W到400W范围内的高压放电灯品种，对解决上述二个技术课题的方式做了种种研究。最初，使用如图1所示的已有的电极，作改变电极设计和密封物质的组成等做了各种研究，但随着发光时间的加长，电极前端部的变形、消耗猛增，同时解决灯的长寿命和抑制跳弧现象等二个技术课题的有效措施也未出现。
其次，使用图2B所示的改良电极，改善灯的寿命，同时探索抑制跳弧现象发生的有效措施。但是，在灯的品种中规定共同适用于上述二个技术课题的灯的寿命改善和抑制跳弧现象的所述改良电极的最佳构成是极为困难的。已经证明，适应所述二个课题中的任一个的电极的结构未必适应另一个课题。
然而，本申请发明者们再使用所述改良电极来探索解决上述二个课题的方案，其结果是实现了本发明，规定了改善了灯的寿命，同时可抑制跳弧现象发生的电极最佳构成。
即，本发明的高压放电灯，在两端部具有密封部的发光管发光空间内，在从所述密封部分别伸出使二根电极相隔一定的电极间距离(De)而相向配置的高压放电灯中，所述电极间距离(De)在5mm以上1.5mm以下，所述发光空间内的水银蒸汽气压以规定装入的水银量而在通常点灯状态下为15MPa以上35MPa以下，所述电极前端部通过熔融加工电极轴和在该电极轴前端部周围卷绕的线圈作成凸曲面形状，同时对应于灯输入(W)将该凸曲面形状部分的厚度(de)和直径(φe)分别规定在一定的范围内。
所述一定范围随灯的输入(W)而异，但电极前端部凸曲面形状部分的厚度(de)和直径(φe)要在本申请发明者们规定的范围内，对应于各种灯输入来实现灯的寿命的改善，同时抑制跳弧现象发生，还可抑制屏上的亮度变动。
实施例下面参照
本发明高压放电灯的实施例。图4是表示本发明实施例的超高压水银灯的结构图。如同图所示，本实施例的超高压水银灯在发光管101内的放电空间111中，2根电极102、103的结构是分别从放电空间111的两端密封部104和105向放电空间111内延伸，以保持一定的电极间距离(De)相向配置。电极102和103任一个都有与所述的改良电极同样的基本结构，灯的寿命长和应抑制跳弧现象发生，对应灯输入(W)使用规定的最佳结构。以后详细说明有关该最佳结构的规定的细节。
发光管101壳体用石英构成，大体具有旋转椭圆形状。一对钨电极102和103在发光管101密封部104和105的每个中，通过钼箔106、107被密封好，钼箔106、107再与各外部钼丝108、109连接着。在本实施例中，发光管101的全长(Lo)为30～100mm，最大外径(Do)为5～20mm，发光空间111的最大内径Di为2～14mm。
这里，所述钨电极102和103之间的电极间距离(De)虽然在过去设定为超过1.5mm，至2.5mm范围，但在本申请的高压放电灯中，为了谋求使灯的光利用率更高，提高屏面上的亮度，所以使电极间距(De)的值在1.5mm以下，最好在0.5～1.5mm范围内。
在发光空间111内部装入作为发光物质的水银110和作为启动辅助用的氩、氪、氙、等稀薄气体及碘、溴等的卤素。在本实施例中，水银110的装入量规定在发光空间111内的单位容积在150～350mg/cm3(作为灯通常点灯时的水银装入压力相当于15～35MPa)范围内，稀薄气体的灯的冷却时装入压力设定在10-1000Kpa的范围内。
此外，作为所述卤素通常使用10-9～10-5mol/cm3的范围的溴素，这被装入的原因是通过所谓卤素循环作用，从电极蒸发扩散到发光管101里面附近的钨回到原来的电极上，产生抑制发光管黑化的功能。还有，所述发光管101的管壁负荷We(用所述发光管101的壳体整个内表面积除灯输入的值)为了实现接近用石英发光管得到的最高的灯效率，而被设定成0.8W/mm2以上的比较高范围。即是说，高压放电灯的灯效率由于基本上与管壁负荷We同时增加，所以为了提高灯效率，We值提高到相当于在通常的点灯中石英发光管中所允许的极限温度(约1350K)的范围。
另一方面，如图5所示构成的灯单元300的结构是，成形的灯200的结构是在所述发光管101的一个管端部上安装灯头120，还有，在该成形灯200上安装反射镜210。
如前所述，本申请发明者们使用具有图4所示的基本结构的发光管101，在灯输入50W～400W的范围内，为了比过去缩短电极间距离(De)的高压放电灯的品种的扩充而开发组装的灯，通过开发，为了发现同时解决实现灯的寿命延长和抑制跳弧现象的二个技术课题的方案，首先，讨论所述二个问题的发生状态和所述电极102和103的构成的相关关系。
首先，说明在本讨论中使用的电极102和103的基本构成和制造方法。电极102和103具有与图2B所示的改良电极相同的基本结构，其制作工艺是，如图6所示，(1)在由钨组成的电极轴122上安装钨丝的2层线圈123，并固定(参照图6A)；(2)接着，通过利用氩等离子体熔接装置的放电加工方法，将所述电极轴122和所述钨2层线圈123的前端部熔融加工为作成半球状凸曲面形状的电极前端部124(参照图6B)。
图7是模式表示在本实施例中所述放电加工方法所用的氩等离子体熔接装置的基本结构示意图。如该图所示，在氩等离子体熔接装置400上设置阴极401，在实施电极102和103的熔融加工时，安装线径为0.2mm的钨2层线圈(线圈圈数8匝)123的线径为0.4mm的钨电极轴122被保持一定的距离，设置成与所述阴极401相对。下面更详细地说明电极制造过程。
在本实施例的电极制造过程中，从电极轴122和123的前端到氩等离子体熔接装置400的阴极401的前端的距离设定成1.0mm并保持，通过电弧放电进行熔融、加工。该熔融加工处理根据断续多次的电弧放电进行，在电弧放电间隙中至少设计一次冷却期间。例如在各熔融加工处理期间中设计冷却期间，同时间歇地进行多次电弧放电产生的熔融加工处理。
在本实施例中所用的间歇熔融加工处理的详细内容举例如下。即，第1次熔融加工处理在一定的时间间隔(例如0.4秒)中，以一定次数(例如3次)连续地进行根据一定的电弧电流(例如26A)产生的一定时间(例如50m秒)的电弧放电。通过这3次电弧放电使电极轴122和线圈123前端部形成大致半球状，但不是完全的半球状。
其后，约冷却3秒，电极轴122和线圈123的前端从通过电弧放电的红热状态返回到呈金属色的状态。此外，所谓该冷却，也可以用任何一种方式的强制冷却，也可以自然冷却，在本实施例中作自然冷却。
其后，作第2次熔融加工。对于这第二次熔融加工的电弧电流、电弧放电时间、时间间隔和放电次数也可与第1次的相同，只要变更次数就行。在本实施例中，放电次数变更为2次。由此，电极轴122和线圈123的前端再次红热熔融，更接近完全的半球状。
然后在再次3秒的冷却期间后，作第3次放电加工。在本实施例中，第3次放电加工中规定放电次数为1次。再作1.5秒的冷却之后，与前面一样，通过作一次26A的电弧电流产生50m秒电弧放电，进行第4次熔融加工。以上通过4次熔融加工，电极轴122和线圈123的前端部大体形成完全的半球状。
象这样，一边留出冷却加工时间一边间歇地作1次到多次电弧放电形成的熔融加工，电极轴122和线圈123的前端部的温度上升与全都一样，使加工温度的控制容易，这样可稳定地形成无空洞和未熔融部分等缺陷的理想半球状电极前端部124。
此外，作为电极轴122和线圈123的材料可使用使其付成分组成Al、Ca、Cr、Cu、Fe、Mg、Mn、Ni、Si、Sn、Na、K、Mo、U和Th的各元素总含量控制在10ppm以下的所谓无掺杂高纯度钨。已经知道采用象这样高纯度钨材料，可抑制灯的发光管的黑化，改善光束维持率等的寿命特性。
使用以上的电极102和103，本申请发明者们首先对灯的输入为150W的高压放电灯，就有关所述的二个课题，即，灯的高寿命和抑制跳弧现象进行研究。这里，对本实施例高压放电灯的具体设计作更详细说明。在灯输入为150(W)的灯中，设定电极间距离(De)为1.1mm。并且，分别将发光管101内的通常点灯状态的水银蒸气气压设定为23MPa，灯冷却时的氩压力设定为20KPa，溴装入量设定为3×10-7mol/cm3。此外，在本实施例中将溴的CH2Br2组成中的溴分子(Br2)装入量调整装入成为上述的量。
接着，说明有关灯寿命和跳弧现象发生的实验方法。在本实施例的研讨中，作由发光管101组成的完成灯200的老化点灯，测定随着经过老化时间的灯的光束维持率(对老化时间1小时的光束值的比率)，研究灯的寿命，并观测跳弧现象的发生状态。所述完成灯200的老化点灯在组装成图5所示的灯单元300的状态下，用频率150Hz矩形波点灯的全桥方式电子稳定器，发光管101保持大致成水平的设置位置，以3.5小时点灯/0.5小时灭灯的周期进行。
另外，所述完成灯200的光束维持率用灯单元300照射的屏面上9点的平均照度来估计，规定灯的光束维持率降低到50％以下的老化时间为灯的寿命。而且，跳弧现象的观测的进行是对经过特定的老化时间(100小时)之后的前述完成灯200作2小时点灯，用目视其间有无发生跳弧现象。
而且，本申请发明者们对于灯输入150(W)的所述完成灯200，详细地研究电极102和103的结构和灯寿命和跳弧现象发生状态之间的相互关系。在该研究中，作为所述电极102和103，如图6B所示，对(1)电极轴122的线径φr、(2)用于线圈123的钨导线束的线径φc、(3)线圈123的匝数tc、(4)熔融、加工成形的所述电极前端部124的尺寸(厚度(de)和直径(φe))的4种构成参数作各种变更制作，准备用这些的试验灯。
此外，电极前端部124的厚度(de)在上述熔融加工处理中，可根据控制电弧放电的放电时间和电弧电流作变更，具体来说，通过延长放电时间，加大电弧电流可加大上述厚度(de)的值。而且，电极前端部124的直径(φe)可根据选择在电极轴122的线径φr和线圈123中使用的钨导线束的线径φc进行变更。
在本实施例中，首先对所述构成参数分别在φr0.36mm～0.44mm、φc0.18mm～0.22mm、tc6～10匝、φe0.8mm～1.6mm×de0.3mm～1.2mm范围内作各种变化进行研究，可获得如下知识。
(1)已经知道，灯的光束维持率即寿命和跳弧现象的发生状态取决于在所述4种构成参数内，主要是电极前端部124的尺寸(de×φe)。即，可以说，作为所述电极102和103的电极功能基本上是电极前端部124起作用。
(2)随着所述电极前端部124尺寸(de×φe)的增加，在所述的电极前端部124尺寸范围内，原则上改善灯的光束维持率，了解到相反另一个跳弧现象容易发生。随着电极前端部124尺寸的增加，由于基本上所述电极前端部124的温度(Te)降低，所以从改善光束维持率的方面，所述温度(Te)抑制在某特定值(Te·max)以下，可以说，从另一个跳弧现象抑制方面，所述温度(Te)必须保持在某特定值(Te·min)以上。
电极前端部124的温度如高于所述Te·max值，由于从电极前端部124的钨物质蒸发变多，发光管的黑化增大，所以光束维持率降低。另一方面，电极前端部124的温度如果低于所述Te·min值，那么，由于放电电弧不能在所述电极前端部124的中心附近稳定聚焦，所以考虑到跳弧现象发生。
通过以上研讨，作为本发明的目的，为了实现比过去弧长短的短弧型高压放电灯的灯寿命的改善，并且抑制跳弧现象，可以说基本上必须使所述电极前端部124的温度Te保持在Te·min～Te·max的范围内。
(3)本发明规定目的的灯寿命在3000小时以上，并且，为了实现实际上大体可靠地抑制跳弧现象发生的灯，具体来说，只要将使所述电极前端部124尺寸规定在(φe1.0mm～1.3mm×de0.5mm～1.0mm)的范围内，通过发明者们的研讨变得更加清楚。有关该寿命的研讨的结果展示在图8中。如同图所示，在φe为0.9mm，de为0.4mm的情况下，累计点灯时间为2000小时内的光束维持率为50％，不能实现本发明目的的3000小时的寿命。另一方面，如果φe超过1.3mm，并且de超过1.0mm，那么判定跳弧现象发生。如上所述，φe1.0mm～1.3mm×de0.5mm～1.0mm范围认为相当于所述电极前端部124的温度范围Te·min～Te·max。
如上述详细说明，通过发明者们的研讨，对解决了有关本发明作为目的的短弧型灯的二个技术课题的、灯寿命改善和抑制跳弧现象问题的具体的电极前端部124构成参数范围做了规定。
此外，本申请发明者们就有关灯输入150W以外的各种情况，为了规定电极前端部124的最佳构成，研究各种灯输入(W)的高压放电灯品种的扩展，上述灯输入与150W灯情况一样制作150W以外的各灯输入的试验灯，关于所述电极102和103，规定灯寿命时间为3000小时内、实际上大体可靠地抑制跳弧现象的所述电极前端部124尺寸(φe×de)范围进行研究。研究的结果示于表1中。
电极间距离(De)设定成从最低灯输入50W的情况的0.5mm到最高灯输入400W的情况的1.5mm的范围内。与灯输入150W情况一样，de和φe的最小值从可达到灯寿命3000小时的范围求出，最大值从跳弧现象不发生范围求出。以上研究的结果，可规定灯输入(W)中电极前端部124的最佳尺寸。图9是表1结果的图表。如同图所示，de的最大值(从点a到点f)和最小值(从点g到点1)、φe的最大值(从点A到点F)和最小值(从点G到点L)表示任一灯的输入(W)越大则越是单调增加趋势，de和φe值在图9中绘制曲线的各点围住的范围，即，如果在图9中斜线表示的范围内，即使对于这次研究的灯输入(W)以外的灯，可以认为能解决上述二个技术课题。
此外，在上述(表1)中显示这样的情况，在灯输入50W情况下设定电极间距离(De)为0.5mm，根据灯输入变大，电极间距离(De)也大，在灯输入为300W以上时设定电极间距离(De)为1.5mm。这样规定电极间距离(De)的原因是，当灯输入(W)变小时一般灯形状也小，这时在与反射镜组合使用时通常灯越小该反射镜也越小，所以为了适当符合焦点位置，最好是灯输入(W)越小电极间距离(De)越短。
然而，对于上述(表1)所示的φe(mm)和de(mm)值的范围，不仅规定表1所示的电极间距离(De)的情况，而且在任一灯输入(W)的情况下，电极间距离(De)从0.5mm到1.5mm的范围中也适当。即，例如在灯输入50W的情况下，如即使在规定电极间距离(De)为1.5mm的情况下，通过将电极前端部形状规定在上述(表1)所示的φe(mm)和de(mm)的范围中，也能实现作为本发明效果的灯寿命的延长和跳弧现象的抑制。
如上所述，通过使加工成本发明的半球形凸曲面形状的电极前端部124的尺寸(φe×de)对每个灯输入(W)规定在一定范围内，改善了灯的寿命，并且，随着老化的跳弧现象的发生实际也上大体被可靠地抑制，如目的所规定，已经清楚，作成比过去弧长短的短弧型，同时寿命时间在3000小时以上，屏面上无亮度变化的高品质高压放电灯的品种得到扩展。此外，在本实施例中，尽管在电极前端部124的熔融加工中使用了氩等离子体放电装置，但也可用其他方法，例如用激光进行熔融加工。
虽然参照附图通过实施例对本发明做了充分的描述，应注意的是，各种变化和修正对于本领域内普通技术人员来说是显而易见的。
因此，除非这样的变化和修正脱离本发明范围，否则它们应被解释为包括在其中。
权利要求
1.一种高压放电灯，包括发光管，两端具有密封部，在内部形成发光空间；2根电极，从所述密封部分别向所述发光空间内延伸，在所述发光空间内相隔一定电极间距离De相对配置；水银，装入在所述发光空间内，使所述发光空间内的水银蒸气气压在通常点灯状态下为15MPa以上35MPa以下；其特征是，所述电极间距离(De)为0.5mm以上1.5mm以下，所述电极前端部通过熔融加工电极轴和在该电极轴前端部周围卷绕的线圈而作成凸曲面形状，同时，该凸曲面形状部分的厚度(de)和直径(φe)对应于灯的输入(W)被分别规定以在一定范围内。
2.根据权利要求1所述的高压放电灯，其特征是，灯输入大致为150W，电极的所述厚度(de)为0.5mm以上1.0mm以下，所述直径(φe)为1.0mm以上1.3mm以下。
3.根据权利要求1所述的高压放电灯，其特征是，灯输入大致为50W，电极的所述厚度(de)为0.2mm以上0.6mm以下，所述直径(φe)为0.5mm以上0.8mm以下。
4.根据权利要求1所述的高压放电灯，其特征是，灯输入大致为100W，电极的所述厚度(de)为0.3mm以上0.8mm以下，所述直径(φe)为0.75mm以上1.1mm以下。
5.根据权利要求1所述的高压放电灯，其特征是，灯输入大致为220W，电极的所述厚度(de)为0.75mm以上1.3mm以下，所述直径(φe)为1.3mm以上1.6mm以下。
6.根据权利要求1所述的高压放电灯，其特征是，灯输入大致为300W，电极的所述厚度(de)为0.9mm以上1.5mm以下，所述直径(φe)为1.45mm以上1.8mm以下。
7.根据权利要求1所述的高压放电灯，其特征是，灯输入大致为400W，电极的所述厚度(de)为1.1mm以上1.75mm以下，所述直径(φe)为1.7mm以上2.0mm以下。
8.一种高压放电灯，包括发光管，两端具有密封部，在内部形成发光空间；2根电极，从所述密封部分别向所述发光空间内延伸，在所述发光空间内相隔一定电极间距离De相对配置；水银，装入在所述发光空间内，使所述发光空间内的水银蒸气气压在通常点灯状态下为15MPa以上35MPa以下；其特征是，所述电极间距离(De)为0.5mm以上1.5mm以下，所述电极前端部通过熔融加工电极轴和在该电极轴前端部周围卷绕的线圈而作成凸曲面形状，同时，该凸曲面形状部分的厚度(de)和直径(φe)对应于灯的输入(W)被分别规定为图9斜线部所示的范围内的值。
全文摘要
本发明展示了一种设定电极间距离(De)为1.5mm以下,比过去弧长短的短弧型高压放电灯,可实现3000小时以上的长寿命,并且,可抑制跳弧现象。在本发明的高压放电灯中,通过熔融、加工电极轴122和在该电极轴122的前端部周围卷绕的线圈123,将电极前端部124形成为凸曲面形状,同时对应于灯输入(W),将该凸曲面形状部分的厚度(de)和直径(φe)分别规定在一定的范围内。
文档编号H01J61/86GK1342993SQ0112217
公开日2002年4月3日 申请日期2001年5月12日 优先权日2000年5月12日
发明者北原良树, 茑谷恭, 清水敏行 申请人:松下电器产业株式会社