专利名称：超高压水银灯的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超高压水银灯，具体地讲，涉及一种用作液晶投影仪等投射型投影装置用光源的超高压水银灯。
但是，在例如直流驱动的超高压水银灯的情况，配置在该灯的灯管部内的阳极和阴极的尺寸相差很大。这是因为，在直流驱动的情况下，各个电极所产生的热量相差很大，考虑到该热量，将阳极设计得比阴极大。此外，由于将该电极配置在放电容器的内部，与上述理想的灯的情况不同，例如特开平11-111226所记载的该灯管部作成近似椭圆状。
图9示出了将该灯管部作成近似椭圆状的现有的超高压水银灯。在放电容器50的内部具有相对配置的阳极53和阴极54，该放电容器的构成为侧管部52与由石英玻璃等透光性材料制成的灯管部51连接。该阳极53、阴极54分别焊接在由Mo等制成的金属箔55上，该金属箔55的另一端与外部导线56焊接在一起。该放电容器50的内部形状也形成上述近似椭圆状，该阳极53和阴极54容纳在该放电容器50的内部。此外，在该放电容器50的内部封入稀有气体和0.15mg/mm3左右的水银。相对配置的阳极53和阴极54之间产生的电弧的中心与该灯管部51的最大直径部的灯管部中心一致，电极间距离为例如1.5mm。
对于该灯市场要求其有更高的亮度，为此，通过缩短该灯的电极间距离，由此可以增大单位电极间距离的输入，实现高亮度化，或者通过进一步增大封入该放电容器内的水银量，使电弧的直径减小，实现高亮度化。
但是，在进一步增大封入该放电容器内的水银量的情况下，例如封入0.17mg/mm3左右的水银，则在该放电空间内的阴极根部附近发生水银未蒸发的现象。通过使电弧中心位置比该灯管部的中心即该灯管部的最大直径部更偏向阴极一侧，可以抑制水银未蒸发的现象。这是因为，通过使作为热源的电弧接近该阴极根部附近，可以加热该未蒸发水银，使其蒸发。
作为市场所要求的放射强度，要求更明亮、显色性更高的等。而且，要求灯本身更加小型化。但是，如果将封入现有的灯内的水银量再增加，达到0.2mg/mm3以上，则即使使该放电容器内的电弧位置偏向阴极一侧，也会发生在其他部分例如阳极根部产生未蒸发水银的问题。当该未蒸发水银凝集，水银颗粒达到一定尺寸以上大约0.2mm左右，则会产生这样的问题，即水银由于重力会向最大内径部移动，然后在蒸发源的阳极根部再次凝集水银，由于发生上述循环，灯内的对流产生变化，其结果是电弧变得不稳定，发生闪烁。此外，如果缩短该电极间距离，得到高放射强度，则存在这样的问题，即流入该电极的热量增大，特别是阳极的损耗加剧，该灯本身的使用寿命变短。另一方面，为了抑制对该阳极的热影响，可以考虑增大该阳极本身的体积，但是存在这样的问题，即如果增大该阳极部的直径，则灯管部的直径也变大，无法满足该灯的小型化要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种小型、光的放射强度高、并且显色性高的超高压水银灯。此外，本发明的目的是提供这样一种高效的超高压水银灯，即使封入其中的水银量高，在灯泡部也不发生水银未蒸发现象，并且即使缩短电极间距离，增大电极负载，该电极的损耗造成的灯管部黑化现象等少。
本发明的超高压水银灯，在放电容器内相对配置阳极和阴极，该放电容器由透光性材料制成的近似椭圆球状的灯管部和与该灯管部连接的侧管部构成，在该放电容器内封入0.2mg/mm3以上的水银，在输入功率400W以下进行直流亮灯，其特征在于，该阳极的前端部的长度D(mm)相对于该灯管部的管轴方向的长度L(mm)满足D≥L/2。
根据上述结构，由于该阳极尺寸为该灯管部的管轴方向的一半以上，所以该阳极的热容量增大，而且该阳极本身不变形，构成该阳极的电极材料的蒸发量少，从而不会使该超高压水银灯的使用寿命缩短。而且具有这样的优点，即使封入0.2mg/mm3的水银，该阳极本身作为热源，在阳极一侧也不易产生未蒸发水银。
此外，本发明的超高压水银灯，其特征在于，在侧管部和位于该侧管部内侧的阳极之间设置间隙，并且位于该侧管部内侧的该阳极的直径d(mm)的尺寸相对于该侧管部的内径ID(mm)，满足0.5ID≤d≤0.95ID的范围，该阳极的前端部的体积V(mm3)相对于输入功率P(W)满足V/P≥0.12。
根据上述结构，即使提高显色性和放射强度，该阳极前端部的温度也不会极大地上升，所以该阳极前端部不会发生较大变形或者熔解。进而，可以抑制构成该阳极前端部的该阳极材料的蒸发量，从而抑制该灯管的灯管部的黑化，其结果是不会导致使用寿命缩短。此外，如果位于该侧管部内的阳极直径小于侧管部内径的50％，则从阳极前端部流入的热量不能充分地传导，所以不能充分地降低阳极前端部的温度，其结果是无法满足使用寿命特性。并且，如果该阳极直径超过该侧管部内径的95％，当将该阳极配置在灯管部内部时，难以通过该侧管部插入，无法实际应用。
此外，本发明的超高压水银灯，其特征在于，设与管轴方向正交的方向的该灯管部的最大内径为A(mm)，灯管部的管轴方向的长度L(mm)满足L≤2.5×A的范围，在该范围内用π×L×A表达的该灯管部的内表面面积S(mm2)与输入功率P的比所表达的管壁负载P/S(W/mm2)满足P/S≥1.2。
由此，在封入0.2mg/mm3以上水银的超高压水银灯中，在灯管部内不会产生未蒸发的水银，从而得到良好的光学特性。
此外，本发明的超高压水银灯，其特征在于，在配置于上述阳极一侧的上述侧管部的外表面上设置保温装置。
由此，封入该放电容器内的水银即使凝集在温度较低的侧管部上，通过对该侧管部进行保温的保温装置，不会使水银存留。因此，可以在该灯管内保持一定的水银蒸气压，从而保持高放射强度和高显色性。此外，不会产生由于未蒸发水银导致的灯管内压力变化，从而导致放射光闪烁的缺点。
当以0.2mg/mm3以上的高密度封入水银时，可以提供灯管部的形状最优化，并且对侧管部进行保温，不产生未蒸发水银的高亮度光源。此外，在万一由于加工误差或冷却不均匀而产生未蒸发水银的情况下，最好其产生位置为灯管部的最大内径部，如果产生未蒸发水银的位置是该最大内径部，则不会发生较大的压力变化。
作为确认产生未蒸发水银的位置的装置，不使用强制空气冷却装置，而是在水平亮灯的状态下，将输入功率降低至额定功率的70％。通过该装置，可以确认本发明的超高压水银灯的未蒸发水银的产生位置大致是在灯管部的最大内径部。即，在本发明的超高压水银灯中，即使产生未增发水银，也不会发生电弧不稳定现象。
此外，本发明的超高压水银灯，其特征在于，通过侧管部的玻璃内壁和保持部件间接地保持阳极部的一部分。
由此，由于贴靠在侧管部的一部分上，即使在长度方向上较长的阳极，其芯棒部也不会发生折断等现象。此外，即使在运输该灯管时发生振动，也不会由于阳极与该侧管部撞击而造成对玻璃灯管的损伤，所以即使在高亮灯压力的情况下，也不会破坏水银灯。
根据上述的本发明，不会由于阳极部的长度D变长而使阳极部的直径增大至不必要的尺寸，从而可以大幅度地抑制该阳极前端部的损耗。其结果是，确保了初始光束量，并且可以抑制由于损耗而使电极间距离变大，而造成的捕捉立体角内的光束量下降。通过大幅度地减少从阳极前端部飞溅出来的阳极材料例如钨，可以减少附着在灯管部内壁上的钨，从而抑制该灯管部的黑化和失透现象。此外，对于各输入功率，不必将该灯管部做得很大，从而可以得到良好的使用寿命特性。
图2是表示本发明的灯管长度L的说明图。
图3是表示本发明的阳极形状和该阳极的阳极前端部长度D的说明图。
图4是表示本发明的超高压水银灯的阳极前端部长度D和该超高压水银灯的照度维持率之间关系的图。
图5是表示为了抑制阳极前端部的损耗所必需的阳极部尺寸和输入功率之间关系的图。
图6是表示为了抑制未蒸发水银所必需的灯管部内表面面积和输入功率之间关系的图。
图7是表示设置本发明的保温装置的实施例的剖视图。
图8是表示设置本发明的保持部件的实施例的剖视图。
图9是表示现有的超高压水银灯的剖视图。
该灯管部的灯管最大内径A表示垂直于连接电极间的管轴的方向的该灯管部的最大内径，该灯管最大内径A为4.8mm。此外，近似椭圆球状的该灯管部2的管轴方向的灯管长度L为10.2mm。在该灯管部2的两端具有在该管轴上突出的侧管部7，在该侧管部7的内侧设有与该灯管内部空间8连接的侧管部内部空间9。该侧管部内部空间9的内径即侧管内径ID为2mm，阳极3的前端部即阳极前端部10的长度D为10mm，位于侧管部7内的阳极前端部10的直径d和最大阳极部直径dmax均为1.8mm。此外，在灯管内部空间8和侧管部内部空间9所组成的空间即放电空间部11内，封入133×102Pa起动用的稀有气体Ar。该放电空间部11包含电极部的内部容积为98mm3，封入0.25mg/mm3的水银，2.5×10-4μmol/mm3的卤素溴。
图2示出了灯管部2的管轴方向的长度即灯管长度L。该灯管长度L是上述近似椭圆球状的灯管部和从该灯管部突出的侧管部之间的边界所限定的长度。图2-1示出了该侧管部和该灯管部的边界能清楚地区分的情况。将图中的点a、a′所夹的距离设定为该灯管长度L。但是，有时该灯管部和该侧管部之间的的连接部分不清晰。在这种情况下，如图2-2所示，将点b、b′所夹的距离设定为该灯管长度L，上述点b、b′是连接该侧管部的任意两点的直线和通过该灯管部的灯管最大内径、与该灯管部的曲面近似的圆之间的交点所限定的。
图3示出了对位于阳极3的前端部的阳极前端部的长度D的规定和该阳极形状的变化。阳极前端部的长度D是，从外径比位于上述侧管部内被玻璃覆盖的该阳极3的后端部粗的部分到与该阴极4相对配置的该阳极3的最前端之间的距离。图3的(1)到(4)是关于该阳极形状的变化，图中的箭头表示位于各个阳极前端部D的部分。
根据本发明的超高压水银灯1的第一实施例，阳极前端部的长度D为10mm，灯管长度L为10.2mm，D比L/2长。由此，即使封入放电空间部11的水银量为0.2mg/mm3以上，也不会发生水银未蒸发的现象，并且可以降低构成该阳极的电极材料的蒸发。
图4示出了该阳极前端部的长度D和该超高压水银灯的照度维持率之间的关系。图4的纵轴表示设该超高压水银灯的初始照度为100％时的照度维持率(％)，横轴表示该超高压水银灯的亮灯时间(小时H)。在本发明第一实施例所示的超高压水银灯中，改变阳极前端部D的长度，以200W的输入功率进行亮灯，比较其照度维持率。在该阳极前端部D的长度分别为5mm、8mm、10mm、12mm的情况下进行比较。其结果是，如果该阳极前端部的长度D为10mm以上，则在2500小时亮灯时间内，可以维持初始照度的50％以上的放射照度。
图5示出了根据与上述阳极前端部的长度D(mm)相当的部分的阳极前端部体积V(mm3)和该超高压水银灯1的输入功率之间的关系，抑制该阳极前端部的损耗的条件。一般，阳极前端部的温度越高，阳极前端部的损耗越大，而输入阳极的电流值越大，阳极前端部的温度越高。此外，电极间距离越短，该电流值越大。另一方面，根据本发明的超高压水银灯，当该电极间距离短于0.6mm时，发光部分长度减短引起发光效率的下降，从而无法得到足够的光束量。因此，研究电极间距离在0.6mm的情况下，抑制阳极前端部的损耗的条件。作为试样，制作封入水银量为0.3mg/mm3，阳极前端部体积V变化的水银灯，使输入功率从100W到400W变化，进行使用寿命的试验。
图中的符号○表示能抑制阳极前端部损耗，其结果是能满足所要求的使用寿命特性。此外，符号×表示阳极前端部损耗，其结果是不能满足使用寿命特性。阳极前端部损耗可以通过X射线摄影装置等进行形状确认，以及通过亮灯时的电压上升值来确认。其结果是，对于400W以下的输入功率，如果该阳极前端部的体积V和该输入功率W之间的关系V/P大于0.12，则能抑制阳极前端部的损耗。由此，不会因为电极材料蒸发造成水银灯使用寿命变短。此外，还具有这样的优点，即可以使亮灯时的电极损耗造成的电压上升变得很小。
图6是表示在上述图5所示的阳极不损耗的条件中，封入该放电空间部内的水银在亮灯时不发生未蒸发现象的条件。在本发明的超高压水银灯中，为了提高放射光的强度，封入该放电空间部内的水银量为0.2mg/mm3以上。但是，当水银量增大时，会发生封入的水银未蒸发的现象。水银的未蒸发现象依赖于灯管内的表面温度，而灯管内的表面温度依赖于灯管内表面面积。因此，根据π×L×A近似地求出该灯管部的内部表面积S(mm2)，用该内部表面积S来表示灯管内部空间的大小，然后根据该内表面面积S和输入功率之间的关系来求出不发生水银未蒸发现象的条件。由于灯管部为近似椭圆球状，所以其内表面面积S由灯管长度L、最大内径A和圆周率π三者的乘积确定。在图6中，对于水银量为0.3mg/mm3的超高压水银灯，制作在L≤2.5×A的范围内改变内表面面积S的水银灯，记述在输入功率为400W以下是否发生水银未蒸发现象。图中的符号○表示在灯管部内没有未蒸发水银，符号×表示在灯管部内有未蒸发水银。根据该图可以判断，为了不产生未蒸发水银，内表面面积S和输入功率W之间的关系优选P/S≥1.2。此外，还对L＞2.5×A的情况进行了试验，其结果是，即使P/S≥1.2，水银灯中也产生未蒸发水银。其原因可以被认为是当灯管长度L过大时，由于远离作为热源的电弧，在电极根部附近形成低温区，在该低温区内产生未蒸发水银。
图7是表示本发明的超高压水银灯1的第二实施例的剖视图。在该超高压水银灯1的阳极3一侧的侧管部7上缠绕金属丝71，作为保温装置。在这种情况下，金属丝71吸收灯管部2辐射的热量，通过该金属丝71本身的辐射热量，来对侧管部7进行保温。
作为其他的保温装置，可以在缠绕上述金属丝71的部分上形成由氧化铝等无机材料构成的保温膜，或者可以在该侧管部7上形成毛玻璃状部分。如果形成该保温膜，则该保温膜可以漫反射放射出来的光，由此对该侧管部7进行保温。此外，如果将侧管部7作成毛玻璃状，通过该侧管部7的外表面使光漫反射，由此可以对该侧管部7进行保温。
使用上述保温装置，对阳极3一侧的侧管部7进行保温，由此在比灯管部2低温的该侧管部7中不会产生未蒸发水银。此外，万一由于误差而产生未蒸发水银时，产生该未蒸发水银的位置是该灯管部的最大内径部，所以不会发生随着水银的冷凝、蒸发的对流变化所引起的电弧不稳定，从而可以得到稳定的高放射强度。
图8示出了该阳极保持部件。该阳极大多在与密封部一侧的玻璃之间的边界附近折断。这是因为该阳极的前端部重量较大，在该密封部附近运动的扭矩变大的缘故。因此，保持部件设置在折断发生率高的阳极根部附近和成为扭矩发生原因的阳极前端部是有效的。图8是将该阳极保持部件设置在阳极前端部或阳极根部的一个实施例，示出了侧管内部空间9的纵向剖视图和横向剖视图。在图8-1中，在阳极3的阳极前端部，在位于侧管部的部分(A-A′截面)上配置保持部件81。该保持部件81由大小两个环部和连接该环部的线状部构成，该保持部件由例如钨丝制成。在小环的内侧嵌入该阳极3，大环的外侧与侧管部的内侧接触，由此阳极3被固定。在图8-2中，在将保持部件配置在阳极根部附近(B-B′截面)的情况下，将由例如钨丝构成的线圈状部件从阳极的外径向侧管部的内表面配置成盘簧状，由此固定阳极部。该保持部件的安装位置可以设置在阳极的前端部或阳极的密封部一侧的根部附近，或者两处都设置。
通过设置图8所示的保持部件，即使配置在超高压水银灯内部的阳极较大，也不会发生由于振动等外力使该阳极折断等现象。
本发明的超高压水银灯的阳极尺寸超过灯管部管轴方向的一半，所以能增大该阳极的热容量，而且该阳极本身不变形、构成该阳极的电极材料不蒸发，从而不会使该超高压水银灯的使用寿命缩短。而且还具有这样的优点，即即使封入0.2mg/mm3以上的水银，该阳极本身作为热源，也不易产生未蒸发水银。此外，根据本发明的结构，封入的水银量即使高达0.2mg/mm2以上，在灯管部内也不会产生未蒸发水银，从而可以得到良好的光学特性。此外，即使缩短电极间距离，增大电极负载，该电极损耗造成的灯管部黑化现象等也很少，并且具有使灯管部小型化的效果。并且，还具有这样的优点，通过在侧管部上形成保温膜，即使在侧管部上凝集水银，也不会成为未蒸发水银，从而使亮灯时的压力保持在一定范围内，放射光不会闪烁。此外，通过设置保持阳极的保持部件，在这样的结构中，不会由于振动等使阳极折断。此外，该保持部件利用侧管部的内表面固定，该阳极本身不于该阳极内表面接触，从而不会由于内表面的伤痕等造成破裂。
权利要求
1.一种超高压水银灯，在放电容器内相对配置阳极和阴极，该放电容器由透光性材料制成的近似椭圆球状的灯管部和与该灯管部连接的侧管部构成，在该放电容器内封入0.2mg/mm3以上的水银，在输入功率400W以下进行直流亮灯，其特征在于，该阳极的前端部的长度D(mm)相对于该灯管部的管轴方向的长度L(mm)满足D≥L/2。
2.根据权利要求1所述的超高压水银灯，其特征在于，在侧管部和位于该侧管部内侧的阳极之间设置间隙，并且位于该侧管部内侧的该阳极的直径d(mm)的尺寸相对于该侧管部的内径ID(mm)，满足0.5ID≤d≤0.95ID的范围，该阳极的前端部的体积V(mm3)相对于输入功率P(W)满足V/P≥0.12。
3.根据权利要求2所述的超高压水银灯，其特征在于，设与管轴方向正交的方向的该灯管部的最大内径为A(mm)，灯管部的管轴方向的长度L(mm)满足L≤2.5×A的范围，在此范围内用π×L×A表达的该灯管部的内表面面积S(mm2)与输入功率P的比所表达的管壁负载P/S(W/mm2)满足P/S≥1.2。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的超高压水银灯，其特征在于，在配置于上述阳极一侧的上述侧管部的外表面上设置保温装置。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的超高压水银灯，其特征在于，通过侧管部的玻璃内壁和保持部件间接地保持阳极部的一部分。
全文摘要
本发明的目的是提供一种小型的、光的放射强度高且显色性高的超高压水银灯。此外，本发明的目的是提供一种高效的超高压水银灯，即使封入的水银量大，在灯管部内也不会产生未蒸发水银，并且即使缩短电极间距离，增大电极负载，该电极的损耗造成的灯管部的黑化现象也小。本发明的超高压水银灯，在放电容器内相对配置阳极和阴极，该放电容器由透光性材料制成的近似椭圆球状的灯管部和与该灯管部连接的侧管部构成，在该放电容器内封入0.2mg/mm
文档编号H01J61/88GK1450586SQ0310920
公开日2003年10月22日 申请日期2003年4月3日 优先权日2002年4月5日
发明者平尾哲治 申请人:优志旺电机株式会社