专利名称：超高压水银灯的制作方法
技术领域：
本发明涉及应用于液晶显示装置、使用DMD(digital mirror device，数字微镜装置)的DLP(digital light processor，数字光路处理器)等投影装置的放电灯。特别涉及在发光管内封装0.15mg/mm3以上的水银，点灯时的水银蒸气压成为150大气压以上的超高压水银灯。
背景技术：
在以液晶投影机、使用DMD的DLP等作为代表的投射型投影装置中，要求相对于矩形屏幕，均匀且具有充足的显色性地对图像进行照明。为此，作为光源使用封装水银、金属卤化物的金属卤化物的金属卤化物灯。最近以来，推进使这种金属卤化物灯进一步变小，点光源化的进度，电极间距离极其小的灯也实现实用化。
根据这样的背景，最近以来，替代金属卤化物灯，提出了在点灯时，例如具有到目前为止未有过的150大气压以上的高水银蒸气压的灯。通过使水银蒸气压如此之高，抑制(限制)电弧的扩散，并且可以实现光输出的进一步提高。例如在专利文献1或专利文献2中公开了这种超高压水银灯。
专利文献1特开平2-148561号专利文献2特开平6-52830号这种超高压水银灯，由于发光管的内壁经常变黑，因而存在降低光透射率的问题。这是由于电极的工作温度高，点灯时构成电极的材料容易飞散而引起的，例如在电极由钨构成的情况下，飞散的钨附着在真空管的内壁而引起。
因此，在上述文献中记载有如下内容在中央部具有球状发光部的发光管内封装规定量的卤素气体，通过进行卤素循环，防止发光管变黑。
另一方面，上述超高压水银灯在起动时构成电极的钨飞散的情况较多。认为其原因如下所述。
通常，超高压水银灯的点灯，在点灯初期产生以阴极为起点的辉光放电，通过辉光放电，电极成为高温状态时，放电起点转移至阴极前端，从而转移至基于热电弧放电的平稳点灯。
但是，在该辉光放电过程中，由于起动电压(起动所需的电压)高，因而相对于电极施加激烈的离子溅射、热冲击，从而钨容易飞散。并且，由于在产生这种钨飞散的情况下，起动时不进行卤素循环，因而直接导致发光管变黑。因此，钨的飞散，相比点灯时，在起动时更成为问题。
发明内容
根据以上问题，本发明的目的在于提供一种长寿命的超高压水银灯，在其起动和点灯时，构成电极的钨不会飞散，可抑制发光管的内壁变黑的情况。
对于防止如上所述的钨的飞散，有效的是，通过使电极含有功函数低于构成电极的钨的容易放射电子的物质，从而降低电极的功函数，由此，从电极容易地释放电子，降低起动电压。这样一来，通过降低产生上述辉光放电所需的起动电压，抑制如上所述的施加在电极上的离子溅射、热冲击，因而可防止起动时的钨飞散。
在此，本发明人等人并未停留在使电极只是含有功函数低于构成电极的钨的容易放射电子的物质的事情上，而是进行反复研究，发现在电极中含有上述容易放射电子的物质的情况下，在发光管内突出的电极中，含有上述容易放射电子的物质的部位的表面积S(mm2)与该部位中的容易放射电子的物质的浓度A(重量％)的关系对钨的飞散产生很大影响。具体而言，当在发光管内突出的电极表面积S小时，为了防止钨的飞散，优选的是，使容易放射电子的物质的浓度变高。另一方面，当在发光管内突出的电极的表面积S大时，为了防止钨的飞散，并且为了防止在发光管内过度地释放容易放射电子的物质，优选的是，使容易放射电子的物质的浓度变小。
即，发现通过最适当地规定发光管内突出的电极中的，含有容易放射电子的物质的部位的表面积S与容易放射电子的物质的浓度A之间的关系，能够可靠地防止发光管的内壁变黑。
技术方案1的发明是根据上述发现作出的，即，一种超高压水银灯，在发光管内突出而相对地配置有一对电极，并且作为发光物质封装0.15mg/mm3以上的水银，其特征在于，上述一对电极中的至少一方电极包括由钨构成的轴部和起动辅助部，上述轴部和/或上述起动辅助部含有功函数低于钨的容易放射电子的物质，在上述发光管内突出的电极中，设含有容易放射电子的物质的部位的表面积为S(mm2)、设该部位中的容易放射电子的物质的浓度(重量％)为A时，满足1≤S/A(mm2/重量％)≤1×104的关系。
并且，技术方案2的发明，其特征在于，由轴部和起动辅助部构成的电极中，只有起动辅助部含有容易放射电子的物质，在起动辅助部中，设含有容易放射电子的物质的部位的表面积为S(mm2)、设该部位中的容易放射电子的物质的浓度(重量％)为A时，满足1≤S/A(mm2/重量％)≤1×104的关系。由此得到的技术意义如下所述。
对于起因于钨从电极飞散的情况的问题，通过使用上述容易放射电子的物质，以及通过最适当地规定在发光管内突出的电极中的，含有容易放射电子的物质的部分的表面积与该部分中的容易放射电子的物质的浓度之间的关系，能够应付。技术方案2的发明，其目的在于，除此之外，着眼于成为钨飞散的主要原因的辉光放电，根据缩短产生辉光放电的时间的情况，以及在远离发光管内壁的部位上产生辉光放电的观点，防止钨的飞散。
并且，技术方案3的发明，其特征在于，上述一对电极中的至少一方电极包括由钨构成的粗径部和起动辅助部，上述粗径部和/或起动辅助部含有功函数低于钨的容易放射电子的物质，在上述发光管内突出的电极中，设含有容易放射电子的物质的部位的表面积为S(mm2)、设该部位中的容易放射电子的物质的浓度为A(重量％)时，满足1≤S/A(mm2/重量％)≤1×104的关系。
并且，技术方案4的发明，其特征在于，上述一对电极中的至少一方电极包括由钨构成的粗径部和起动辅助部，只有上述起动辅助部含有容易放射电子的物质，在上述起动辅助部中，设含有容易放射电子的物质的部位的表面积为S(mm2)、设该部位中的容易放射电子的物质的浓度为A(重量％)时，满足1≤S/A(mm2/重量％)≤1×104的关系。
并且，本发明人等人进行反复研究后，发现上述容易放射电子的物质为钇、镧、铈、钡、锶、铪、锆中的至少一种以上元素时，这些元素与卤素难以结合。
即，技术方案5的发明是根据上述发现作出的，其特征在于，上述容易放射电子的物质包含钇、镧、铈、钡、锶、铪、锆中的至少一种以上元素。
并且，技术方案6的发明，其特征在于，为了进一步缩短辉光放电的产生时间，上述起动辅助部具有线圈形状。
发明效果根据技术方案1的发明的超高压水银灯，通过最适当地规定在发光管内突出的电极中的，含有容易放射电子的物质的部位的表面积S与该部位中的容易放射电子的物质的浓度A之间的关系，可防止钨的飞散，并且能够抑制容易放射电子的物质释放在发光管内而对卤素循环的引起的不良影响。
根据技术方案2的发明的超高压水银灯，通过在由轴部和起动辅助部构成的电极中，只有起动辅助部含有容易放射电子的物质，由于起动辅助部的功函数低于其他部位的功函数，因而使辉光放电集中在起动辅助部，从而能够使起动辅助部的温度迅速上升，能够缩短辉光放电的产生时间，能够迅速地转移至热电弧放电。
并且，即使在万一情况下钨飞散，也通过辉光放电的起点为起动辅助部，由于从发光管内壁的分离距离变大，从而能够抑制钨附着在发光管的内壁上的情况。
根据技术方案3和技术方案4的发明的超高压水银灯，交流点灯方式的灯也能够得到与技术方案1和技术方案2相同的效果。
根据技术方案4的发明的超高压水银灯，通过在上述发光管内突出的电极含有由钇、镧、铈、钡、锶、铪、锆中的至少一种以上元素构成的容易放射电子的物质，对卤素循环产生的影响小。
根据技术方案5的发明的超高压水银灯，通过上述起动辅助部具有线圈形状，能够使起动辅助部的热容量变小，因而可使起动辅助部在非常短的时间内达到高温状态。并且，通过形成线圈形状，能够轻易安装在轴部上。
图1为本发明第一实施方式的超高压水银灯的正面剖视图。
图2为本发明第三实施方式的超高压水银灯的正面剖视图。
图3为图1的重要部分放大图。
图4为图2的重要部分放大图。
具体实施例方式
图1以正面剖视图表示本发明的超高压水银灯。
超高压水银灯包括发光管1、相对的阳极2及阴极3、金属箔4、外部导线5而构成，是直流点灯方式。
发光管1例如由石英玻璃构成，其包括位于中央的椭圆球状的发光部11和连接在发光部11两端上的密封部12(12a、12b)。在发光管1内封装有作为发光物质的水银、作为缓冲气体的惰性气体和用于进行卤素循环的卤素气体。
水银的封装量为0.15mg/mm3以上，例如为0.2mg/mm3。由此，点灯时的水银蒸气压达到150大气压以上。惰性气体例如可以为氩气，其封装量例如为13kPa。卤素气体例如为溴，其封装量在2.0×10-4μmol/mm3～7.0×10-3μmol/mm3范围内，例如为3.0×10-4μmol/mm3。
在发光管1中，发光部11的最大外径为12mm、发光部11的全长为10.8mm、密封部12的最大外径为7.6mm、密封部12的全长为30mm(12b)与22mm(12a)、全长为62mm、内容积为154mm3。
在发光管1内，在同轴上相对地配置有阳极2和阴极3。阳极2的一部分埋设在密封部12a中，其基端部与金属箔4a相连。阴极3包括轴部31和连接在轴部31的前端附近的起动辅助部32。轴部31的一部分埋设在密封部12b中，其基端部与金属箔4b相连。另外，考虑到构成轴部31的钨与构成密封部12b的石英玻璃的热膨胀系数的差较大，轴部31与密封部12b之间形成300μm以下的空隙。整个起动辅助部32露出在发光管1内的空间S里。金属箔4a及4b例如由钼构成，其分别埋设在密封部12a及密封部12b中。外部导线5a及5b例如由钼构成，其各自的前端部连接在金属箔4a或4b上，各自的基端部从密封部12a或密封部12b向外突出。
阳极2由钨构成。阳极2的全长为13.5mm、最大外径为3.0mm、表面积为62mm2。
阴极3由钨构成，并且其含有由钇、镧、铈、钡、锶、铪、锆中的至少一种以上元素构成的容易放射电子的物质。
阳极2的体积之所以比阴极3大，是因为本发明的超高压水银灯的发光管1内的热状态极其严格，并且，还因为阳极2是接受来自阴极3的电子碰撞的部位。
轴部31的全长为11mm、最大外径为1.3mm。起动辅助部32，将由线径为0.1mm～1.0mm的钨构成的线材作成外径为0.4mm～5.0mm、全长为0.2mm～5.0mm的线圈形状而形成，其沿着轴部31的长度方向安装在轴部31的前端部附近。
通过将起动辅助部32形成线圈形状，能够容易地安装在轴部31上。并且，通过线圈的节距彼此的间隙容易成为放电起点，以及通过形成线圈形状而容易进行加热，能够迅速从辉光放电转移至电弧放电。在平稳点灯时，通过起动辅助部32具有线圈形状，具有基于表面的凹凸效果和热容量的放热功能。
第一实施方式在组合轴部31中的在发光部11内突出的部分33(也称为突出轴部33)与起动辅助部32的部位(也称为突出部34)中含有由钇或镧构成的容易放射电子的物质。由此，突出部34中的功函数成为2.0eV～3.3eV，与电极3由钨单体构成时的功函数(4.5eV)相比，更小。
另外，并不限定于突出部34的整体含有容易放射电子的物质，可以在突出部34的一部分含有容易放射电子的物质。即，含有容易放射电子的物质的部位可以是突出轴部33的整体或仅一部分、突出轴部33的一部分与起动辅助部32的整体、突出轴部33的整体与起动辅助部32的一部分、突出轴部33的一部分与起动辅助部32的一部分、后述的起动辅助部32的整体或仅一部分。在这种情况下，含有容易放射电子的物质的部位的表面积为S，该部位中的容易放射电子的物质的浓度为A。
第二实施方式本发明第二实施方式的超高压水银灯，其特征在于，通过仅在阴极3中的起动辅助部32含有由钇或镧构成的容易放射电子的物质，起动辅助部32中的功函数小于轴部31。其他构成与第一实施方式的超高压水银灯相同。
第三实施方式另外，在上述实施方式中，对直流点灯方式的超高压水银灯进行了说明，本发明也可以适用于交流点灯方式的超高压水银灯。图2表示本发明第三实施方式的交流点灯方式的超高压水银灯的正面剖视图。在图2中，与图1相同的部分或对应的部分使用与图1相同的标号。
如图2所示，电极6由突起部61、粗径部62、起动辅助部63以及轴部64构成。在发光部11内，在同一轴上相对地配置有具有大致相同形状的电极6。在发光部11内突出有电极6中的突起部61、粗径部62、起动辅助部63。
突起部61由轴部64的前端形成，与轴部64的外径相等，或者通过熔融稍微大或小地形成。即，突起部61不是由于灯的点灯而产生并成长的，而是由轴部64的前端面原来就形成的。
粗径部62例如将线状钨从卷成线圈形状的状态熔融而形成。通过形成块状，能够增加热容量。特别是在本发明的超高压水银灯中，由于发光部11内的热状态非常严格，因而必须要有粗径部62。
相同线状的钨从卷成线圈形状的状态熔融前方部分而形成粗径部62，并通过剩下的线圈部分形成起动辅助部63。当起动时，通过起动辅助部63具有线圈形状，通过线圈的节距彼此的间隙容易成为放电起点，以及通过形成线圈形状而容易进行加热，能够迅速从辉光放电转移至电弧放电。在平稳点灯时，通过起动辅助部62具有线圈形状结构，具有基于表面的凹凸效果与热容量的放热功能。
突起部61、粗径部62、起动辅助部63以及轴部64由钨构成，在突出在发光部11内的、由突起部61、粗径部62以及起动辅助部63构成的部分(以下也称为突出部65)中含有由钇、镧、铈、钡、锶、铪、锆中的至少一种以上元素构成的容易放射电子的物质。
在本发明第三实施方式的超高压水银灯中，与上述第一及第二实施方式的超高压水银灯相同地，只要上述关系式S/A的数值在1～104(mm2/重量％)范围内时，就能够延长灯寿命。
另外，如第一实施方式，含有容易放射电子的物质的部位，并不限定于突出部65的整体，其可以在突出部65的一部分含有容易放射电子的物质。在这种情况下，在突出部65中，只要作为含有容易放射电子的物质的部位的表面积S与该部位中的容易放射电子的物质的浓度A之间的比的S/A在上述数值范围内时，就能够延长灯寿命。
实验例下面，关于本发明的第一至第三实施方式的超高压水银灯，对为了确认发明效果而进行的实验进行说明。
根据图1表示的构成和以下规格，制造了48个实施例的超高压水银灯。其中，在一方的电极含有钇的超高压水银灯为24个，在一方的电极含有镧的超高压水银灯为24个。
发光管1由石英玻璃构成，其最大外径为12mm、全长为62mm、发光部11的内容积为154mm3、水银的封装量为0.2mg/mm3、氩的封装量为13kPa、溴的封装量为3.0×10-4μmol/mm3。轴部31及起动辅助部32，在钨中作为容易放射电子的物质含有钇或镧，其规格及S/A值如后述的表1所示。
对该48个超高压水银灯的每个灯，通过反复进行1000次的点灯20分钟后熄灯20分钟的作业(试行1)的情况和进行1000小时连续点灯的情况(试行2)，调查了相对于灯寿命产生的影响。在试行1及试行2中，相对于灯的输入功率都为300W。其结果如表1所示。
表1
在表1中，“◎”、“○”、“△”、“×”为以不含有上述容易放射电子的物质、而由钨单体构成的电极作为基准时的评价，相比该电极，寿命显著延长的用“◎”表示，寿命延长的用“○”表示，寿命同等的用“△”表示，寿命变短的用“×”表示。
在表1中，实施例1、2、3、4、5、6、8、11、13、14、16、19、20、22、23、24为图1所示的直流点灯方式的灯，实施例7、9、10、12、15、17、18、21为图2所示的交流点灯方式的灯。
对于直流点灯方式的灯的情况，表1中的“S”为图3所示的突出轴部33(S1)与起动辅助部32(S2)之和(参照图3a)，或起动辅助部32单体(S2)(参照图3b)的表面积。对于交流点灯方式的灯的情况，表1中的“S”为，图4所示的粗径部62(包含突起部61)(S1)与起动辅助部63(S2)之和(参照图4a)，或起动辅助部63单体(S2)(参照图4b)的表面积。
另外，在图3(a)与图4(a)中，轴部31或64中，虽然被密封部12b覆盖的部位35或66如上所述地与构成密封部12b的石英玻璃之间形成有300μm以下的空隙，但是该空隙不包含在表面积S内。
表1中的“A”表示图3和图4所示部位中的容易放射电子的物质的浓度。
根据表1所示的实验结果，在作为容易放射电子的物质使用钇和镧的情况下，S/A的数值在1～1×104范围内时的情况下，确认了灯寿命延长的情况。另一方面，S/A的数值在上述范围以外时，确认了灯寿命未延长或变短的情况。认为其原因如下所述。
即，认为与阴极由钨单体构成的情况相比，通过含有由钇或镧构成的容易放射电子的物质，降低阴极3的功函数，由此降低用于产生辉光放电所需的起动电压，并且通过最适当地规定含有容易放射电子的物质的部位的表面积S与该部位中的容易放射电子的物质的浓度A之间的关系，抑制来自阴极3的钨的飞散。
另一方面，认为S/A的数值在上述范围以外时，由于不能抑制来自阴极3的钨的飞散，从而灯的寿命不延长或变短。具体而言，认为S/A的数值大于上述范围时，由于相对于阴极3的容易放射电子的物质的含量过少，因而降低产生辉光放电所需的起动电压的效果不充分。认为S/A的数值小于上述范围时，由于相对于阴极3的容易放射电子的物质的含量过多，因而过度存在的容易放射电子的物质在发光管1内飞散，从而阻碍卤素循环。
并且，根据表1，确认了仅在起动辅助部32含有容易放射电子的物质的情况(实施例3、5、6、7、10、13、14、15、18、20)的与在轴部31和起动辅助部32双方含有容易放射电子的物质的情况(实施例4、8、9、11、12、16、17、19、21、22)相比进一步延长了灯寿命。认为其理由如下所述。
即，由于起动辅助部32的功函数小于轴部31的功函数，因而能够较低地抑制产生辉光放电所需的起动电压。并且，通过将起动辅助部32形成线圈形状，能够使起动辅助部32的热容量变小，并且由于能够容易使放电集中在线圈的节距彼此的间隙，因而可迅速提高起动辅助部32的温度。由此，能够大幅度地缩短辉光放电的产生时间，将放电起点迅速地转移至阴极3的前端而能够转移至热电弧放电，因而能够很好地解决主要在辉光放电时产生的、由于施加在阴极上的离子溅射、热冲击而构成阴极的钨飞散的问题。
并且，由于辉光放电的起点在设置于轴部31的前端附近的起动辅助部32，因而与放电起点在靠近轴部31的基端部侧的位置的情况相比，不会产生由于放电烧到发光管1内壁而使发光管1内壁变黑的情况。
另外，在表1中，示出作为容易放射电子的物质使用钇、镧时的实验结果，除此之外，例如在使用铈、钡、锶、铪、锆等功函数比钨低的容易放射电子的物质的情况，也能够得到相同的结果。
表面积及浓度的测定方法下面说明本发明中规定的突出部(34、65)的表面积S(mm2)的测定方法、突出部(34、65)中的容易放射电子的物质的浓度A(重量％)的测定方法。
表面积(1)通过目测电极，将未附着石英玻璃的部分作为突出部。对目测困难的情况，使用投影机、光学显微镜、SEM等，确定突出部和埋设在密封部内的部分的边界。
(2)从电极切下突出部。
(3)相对于切下的突出部，根据尺寸算出表面积(mm2)。
浓度A(1)与求出表面积的情况相同地，切下突出部。
(2)为了除去杂质，用HCl溶液清洗电极表面。
(3)用秤、电子天平测定蚀刻后的突出部的重量。
(4)使蚀刻后的突出部溶解到HNO3+H2O2溶液中。通过感应结合高频等离子体发光分光分析(ICP发光分光分析)测定该溶液中含有的容易放射电子的物质的浓度，并根据该值换算成重量。
(5)通过将(4)中得到的重量值除以(3)中得到的重量值，算出突出部上的容易放射电子的物质的浓度(重量％)。
权利要求
1.一种超高压水银灯，在发光管内突出而相对地配置有一对电极，并且作为发光物质封装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包括由钨构成的轴部和起动辅助部；所述轴部和/或所述起动辅助部含有功函数低于钨的容易放射电子的物质；在发光管内突出的所述电极中，设含有容易放射电子的物质的部位的表面积为S(mm2)、设该部位中的容易放射电子的物质的浓度为A(重量％)时，满足1≤S/A(mm2/重量％)≤1×104的关系。
2.一种超高压水银灯，在发光管内突出而相对地配置有一对电极，并且作为发光物质封装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包括由钨构成的轴部和起动辅助部；只有所述起动辅助部含有容易放射电子的物质；在所述起动辅助部中，设含有容易放射电子的物质的部位的表面积为S(mm2)、设该部位中的容易放射电子的物质的浓度为A(重量％)时，满足1≤S/A(mm2/重量％)≤1×104的关系。
3.一种超高压水银灯，在发光管内突出而相对地配置有一对电极，并且作为发光物质封装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包括由钨构成的粗径部和起动辅助部；所述粗径部和/或起动辅助部含有功函数低于钨的容易放射电子的物质；在发光管内突出的所述电极中，设含有容易放射电子的物质的部位的表面积为S(mm2)、设该部位中的容易放射电子的物质的浓度为A(重量％)时，满足1≤S/A(mm2/重量％)≤1×104的关系。
4.一种超高压水银灯，在发光管内突出而相对地配置有一对电极，并且作为发光物质封装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包括由钨构成的粗径部和起动辅助部；只有所述起动辅助部含有容易放射电子的物质；在所述起动辅助部中，设含有容易放射电子的物质的部位的表面积为S(mm2)、设该部位中的容易放射电子的物质的浓度为A(重量％)时，满足1≤S/A(mm2/重量％)≤1×104的关系。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的超高压水银灯，其特征在于，所述容易放射电子的物质包含钇、镧、铈、钡、锶、铪、锆中的至少一种以上元素。
6.一种权利要求1至5中任一项所述的超高压水银灯，其特征在于，所述起动辅助部具有线圈形状。
全文摘要
本发明的目的在于提供一种超高压水银灯，在其起动时和点灯时，构成电极的钨不会飞散，发光管的内部不会变黑。本发明的超高压水银灯，在发光管内突出而相对地配置有一对电极，并且作为发光物质封装0.15mg/mm
文档编号H01J61/20GK1873899SQ200610073518
公开日2006年12月6日 申请日期2006年4月12日 优先权日2005年6月3日
发明者松本圭市, 寺田庄一, 冈本哲 申请人:优志旺电机株式会社