专利名称：超高压水银灯及超高压水银灯点灯装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及短弧型的超高压水银灯，更详细地说涉及例如适宜作为使用了 DMD (Digital Mirror Device 注册商标)的 DLP (Digital LightProcessing 注册商标) 等投射型投影机装置的背光照明的超高压水银灯和超高压水银灯点灯装置。
背景技术：
在例如使用了DMD (Digital Mirror Device 注册商标)的 DLP (Digital Light Processing 注册商标)等投射型投影机装置中，要求相对于矩形的屏幕，将具有均勻且充 分的演色性的图像进行投影，因此，作为光源，采用点灯时的水银蒸气压为例如150大气压 以上的短弧型的超高压水银灯。此外，在紫外线曝光用、光学仪器的照明用的灯中，采用点灯时的水银蒸气压为例 如100大气压以上的短弧型的超高压水银灯。这种超高压水银灯如下构成在例如由石英玻璃构成的发光管内以例如2mm以下 的间隔分离且彼此相对地配置一对电极，并且在该发光管内封入水银和卤素。此处，在发光 管内封入卤素的主要目的是在发光管内形成卤素循环，并且由此抑制电极物质即钨附着于 发光管的内壁。这种超高压水银灯在例如下述专利文献1至下述专利文献3等中有记载。图7是表示现有的超高压水银灯的一例的要部的构成的说明用剖面图。该超高压 水银灯80是通过施加交流电压而被驱动点灯的交流点灯方式的水银灯，具有在发光部101 的两端上形成有杆状的封固部102的、由石英玻璃构成的发光管100。在该发光管100的发光部101内，分别由钨构成的一对电极90彼此相对地配置。 该电极90分别具有基端部分埋设于发光管100的封固部102中而被保持的棒状的轴部91， 在该轴部91的前端，大致圆锥状的头部92通过大致圆柱状的胴部93而一体地形成，在该 头部92的前端上形成有突起部92A。在电极90的轴部91的基端上，焊接连接有埋设于发 光管100的封固部102中的导电性金属箔(图示省略)，该导电性金属箔连接有从发光管 100的封固部102的外端突出的外部导线棒(图示省略)。此外，在图示的例中，在胴部93的周围，设有在线圈卷绕于该胴部93上的状态下 通过熔融而一体地形成的线圈部94。该线圈部94主要用于在灯启动时的辉光放电期间中 对电极90进行加热而促使该电极90的温度上升，从而易于从辉光放电转移到弧光放电。在这种超高压水银灯80中，存在点灯中由于在电极90的前端产生突起而产生闪 烁的问题。而且，为了解决该问题，周知有将比稳定点灯频率低的频率的交流电流间歇地插 入稳定点灯频率的交流电流中并从供电装置向超高压水银灯供给的单元(参照专利文献4等)。专利文献1 日本特开2005-063817号公报专利文献2 日本特开2006-079986号公报专利文献3 日本特开2000-231903号公报专利文献4 日本特开2006-59790号公报
但是，在上述超高压水银灯80中，存在以下的问题。在向超高压水银灯80供给比稳定点灯频率低的频率的交流电流期间，相比供给 稳定点灯频率的交流电流的期间，作为阳极工作的电极90的前端被加热到较高的温度。而 且，该电极90的前端产生的热传导到该电极90的其他部分而变为过热状态，从而在电极90 中产生变形，因此产生随着点灯时间的经过而照度降低的问题。
发明内容
本发明基于上述问题而提出，其目的在于，提供一种即使在长时间点灯的情况下 也能够抑制在电极中产生变形且可得到较高的照度维持率的超高压水银灯和超高压水银 灯点灯装置。本发明的超高压水银灯，是交流点灯型的超高压水银灯，在具有发光部和与该发 光部的两端连续设置的封固部的、由石英玻璃构成的发光管内封入水银，并且具有各自基 端部分埋设于所述封固部中而被保持的棒状的轴部的一对电极彼此相对地配置，其特征在 于，所述电极具有头部和筒部，所述头部具有比所述轴部大的直径，所述筒部从该头 部的后端面一体地突出延伸地形成，其内周面与所述轴部分离并包围该轴部地设置，在交流点灯中，一方的电极作为阳极工作的阳极工作期间中，时间最长的阳极工 作期间的频率f (Hz)和从电极的头部的最前端位置到该头部与筒部的边界位置的轴方向 的距离d(mm)满足如下关系式d/(l/f)"2 ≥ 3.8。此外，本发明的超高压水银灯点灯装置，由技术方案1所述的超高压水银灯和向 该超高压水银灯供给交流电流的供电装置构成，其特征在于，所述供电装置供给稳定点灯频率的交流电流，并且将比该稳定点灯频率低的频率 的交流电流间歇地插入到所述稳定点灯频率的交流电流中并进行供给。根据本发明，通过满足上述关系式，能够提供即使在长时间点灯的情况下也能够 抑制在电极中产生变形且可得到较高的照度维持率的超高压水银灯和超高压水银灯点灯直。
图1是表示本发明的超高压水银灯的一例的构成的说明用剖面图。图2是图1所示的超高压水银灯的电极的侧面图。图3是图2所示的电极的侧面剖面图。图4是用线段P-P剖开图2所示的电极而表示的剖面图。图5是表示从供电装置向超高压水银灯供给的交流电流的波形的一例的说明图。图6是表示从供电装置向超高压水银灯供给的交流电流的波形的另一例的说明 图。图7是表示现有的超高压水银灯的一例的要部的构成的说明用剖面图。标号说明1超高压水银灯
10发光管
11发光部
12封固部
13金属箔
14外部导线
20电极
21头部
21A突起部分
21B基台部分
22筒部
23轴部
23A小径部分
23B大径部分
23K基端
80超高压水银灯
90电极
91轴部
92头部
92A突起部
93胴部
94线圈部
100发光管
101发光部
102封固部
S放电空间
具体实施例方式以下详细说明本发明的实施方式。图1是表示本发明的超高压水银灯的一例的构成的说明用剖面图，图2是图1所 示的超高压水银灯的电极的侧面图，图3是图2所示的电极的侧面剖面图，图4是用线段 P-P剖开图2所示的电极而表示的剖面图。该超高压水银灯1的发光管10具有在内部形成放电空间S的外形大致为球状的 发光部11和分别与该发光部11的两端一体地连续设置且沿着管轴向外方延伸的杆状的封 固部12，在该发光管10的发光部11内，一对电极20彼此相对地配置，该一对电极20具有 各自基端部分埋设于封固部12中而被保持的棒状的轴部23，且整体由钨构成。在发光管10的封固部12的各自的内部，由钼构成的金属箔13例如通过收缩密封 而气密地埋设，在金属箔13的各自的一端上，焊接且电连接有一对电极20的轴部23的基 端23K，而在金属箔13的各自的另一端上，焊接且电连接有从封固部12的外端向外方突出 的外部导线14。
本例的超高压水银灯1，为通过在一对电极20之间施加交流电压而被驱动点灯的 交流点灯方式的水银灯，电极20分别为了易于进行稳定点灯时的热设计，而形成彼此相同 的构成。发光管10由石英玻璃构成，在该发光管10的发光部11内，例如封入水银、稀有气 体和卤素气体。封入发光部11内的水银是为了得到需要的可见光波长、例如波长360 780nm的 放射光，为了在点灯时确保例如100大气压以上的较高的水银蒸气压，其封入量为0. 10mg/ mm3以上，相对于可见光区域，更优选封入其封入量为0. 15mg/mm3以上的水银以确保例如 150大气压以上的较高的水银蒸气压。通过增加该水银的封入量，在点灯时能够得到200大 气压以上、或300大气压以上的较高的水银蒸气压，能够实现适于投影机装置的光源。封入发光部11内的稀有气体是为了改善点灯启动性，其封入压在静压下例如为 10 26kPa。此外，作为稀有气体，能够适宜使用氩气。封入发光部11内的卤素用于在发光部11内形成卤素循环，并且由此来抑制电极 物质即钨附着于发光部11的内壁，以与水银以外的金属的化合物的形态被封入。卤素的封 入量例如为1X10_6 lX10_2iimOl/mm3。此外，作为卤素，能够使用碘、溴、氯等。此外，在发光部11内，还能够进一步封入卤化金属作为其他的放电介质。在电极20中，轴部23在小径部分23A的前端上一体地形成有大径部分23B，在该 轴部23的大径部分23B的前端上一体地形成有头部21。该头部21由朝向前端变为小径的 大致圆台状的基台部分21B、和与该基台部分21B的前端一体地形成且朝向前端变为小径 的大致圆台状的突起部分21A构成。头部21的基台部分21B的后端具有比轴部23的大径 部分23B的前端直径大的直径，头部21的突起部分21A的后端具有比基台部分21B的前端 直径小的直径。在头部21的基台部分21B的后端，圆筒状的筒部22在与轴部23分离的状态下形 成为从基台部分21B的后端连续且一体地包围轴部23，所述筒部22具有与该基台部分21B 的基端直径实质上相同的外径。作为形成电极20的钨，优选使用其纯度为4N以上的钨。通过使用纯度为4N以上 的钨作为电极物质，能够减少从电极20的头部21或轴部23向放电空间S内放出的杂质的量。此外，电极20能够通过利用激光加工、放电加工等将例如一根由钨构成的棒料进 行切削的方法、单独形成电极的各部后将它们进行焊接的方法而形成。头部21的体积优选为2. 5 6mm3。在头部21的体积过小的情况下，由于热容量 小，因弧光产生的热负荷容易产生电极物质的熔融或蒸发。另一方面，在头部21的体积过 大的情况下，由头部21遮挡的光的量较大，因此有时难以高效地使光向外部放射。此外，头部21的后端的直径(在图示的例中为基台部分21B的后端的直径)例如 为 1. 4 1. 8mm。筒部22的全长优选为0. 3 5mm。在筒部22的全长过小的情况下，由于放电到达 轴部23，有时该轴部23被加热到较高温度，此外，筒部22中产生的热易于经由头部21传导 到轴部23。另一方面，在筒部22的全长过大的情况下，其与发光管10的内壁之间的距离较 短，因此在筒部22的后端部分上产生放电时，有时在发光管10中产生变黑等现象。
轴部23的直径，考虑到灯的额定消耗功率、形成电极20的电极物质和形成封固部 12的石英玻璃之间的热膨胀差等而进行设定，但优选轴部23的前端的直径(在图示例中为 大径部分23B的前端的直径)为头部21的后端的直径的20 70%。如果轴部23的前端 的直径在该范围内，则从头部21向轴部23的热传导较小，能够抑制轴部23的温度上升。此外，在图示例中，轴部23的前端侧形成为大径部分23B，根据这种构成，在通过 利用激光加工、放电加工等将一根棒料进行切削的方法来制造电极20的情况下，从该棒料 切出而除去的部分较少，因此具有易于制造电极20的优点。电极21的筒部22和轴部23之间的分离距离k优选为10 y m 1mm。如果该分离 距离k为10 y m以上，则即使在超高压水银灯1的启动时筒部22被加热而变为高温状态的 情况下，该热量也难以直接传导至轴部23，因此能够抑制轴部23的温度上升。对于本发明的超高压水银灯1，在交流点灯中，设在一对电极20中的一方作为阳 极而工作的阳极工作期间中时间最长的阳极工作期间的频率为f (Hz)，并设从电极20的头 部21的最前端位置到其与筒部22的边界位置为止的轴方向的距离(以下也称为“头部的 全长”)为d(mm)时，满足下述关系式d/(l/f)"2 彡 3.8。在交流点灯中的超高压水银灯1中，电极20在作为阳极工作的阳极工作期间温度 上升。即，该阳极工作期间中的最长的期间是对作为阳极工作的电极20施加较高的热负载 的期间，通过其频率的倒数来确定。周知的是，一般地，在交流地被施加的热在物质中扩散的情况下，热以何种程度残 留受物质的热扩散率和交流半波时间的平方根的影响。上述关系式是根据这种观点而实验地推导的，通过上述d/(l/f)1/2的值为3.8以 上，抑制在电极20的头部21的前端产生的热传导至该头部21的后端位置，因此能够防止 电极20的早期变形。因此，根据本发明的超高压水银灯1，即使在长时间点灯的情况下，也能够抑制在 电极20中产生变形，得到较高的照度维持率。在本发明的超高压水银灯1中，根据以下的理由，优选上述d/(l/f)V2的值在316 以下(d/(l/f)"2 ( 316)。在超高压水银灯1中，在供给的交流电流的频率超过1000Hz的情况下，在电极20 的前端难以形成稳定形状的突起，容易发生闪烁。此外，超高压水银灯1被用作例如投影机装置的光源，需要较高的亮度，因此要求 管壁负荷极高的小型的水银灯，发光管10的发光部11的最大直径在实用上为20mm以下， 作为在这种发光管10内配置的电极20，头部21的全长为发光管10的发光部11的最大直 径的1/2、即10mm以下。因此，设供给的交流电流的频率的上限为1000Hz、头部21的全长的上限为10mm 时，d/(l/f)"2的值为316以下。表示上述超高压水银灯1的电极20的具体尺寸时，轴部23的小径部分的直径al 为0.4mm，大径部分的直径a2为0. 77mm，轴部23的全长b为6. 8mm，头部21的后端(在图 示例中为基台部分21B的后端)的直径c为1. 6mm，头部21的全长d为1. 2mm，筒部22的 外径el为1. 6mm，筒22的内径e2为1. 15mm,筒部22的全长g为1. 2mm,筒部22和轴部23的间隔距离k为0. 19mm。本发明的超高压水银灯中，在例如通过从供电装置供给稳定点灯频率的交流电流 并且将比该稳定点灯频率低的频率的交流电流间歇地插入到所述稳定点灯频率的交流电 流中而进行供给的点灯装置而点灯的情况下，能够有效地发挥其效果。图5是表示从供电装置向超高压水银灯供给的交流电流的波形的一例的说明图。 该图中，纵轴表示灯电流，横轴表示时间，在灯电流位于基础线上方时，是一方的电极作为 阳极工作的阳极工作期间(另一方的电极作为阴极工作的期间)，在灯电流值位于基础线 下方时，是一方的电极作为阴极工作的阴极工作期间(另一方的电极作为阳极工作的期 间)。该交流电流由稳定点灯频率的交流电流A1和在该稳定点灯频率的交流电流A1中 间歇地插入的频率比该交流电流A1低的交流电流A2构成。作为稳定点灯频率的交流电流A1的频率，例如从90 450Hz的范围选择。交流电流A2的频率为比交流电流A1低的频率，例如从10 150Hz的范围选择。此外，一次交流电流A1的供给时间、即交流电流A2插入的时间间隔例如为0. 1秒
左右o此外，一次交流电流A2的供给时间例如为0. 006 0. 1秒。在这种交流电流中，交流电流A2引起的一方的电极的阳极工作期间T为该一方电 极的阳极工作期间中最长的时间，因此该阳极工作期间T的频率为上述关系式的频率f。此外，根据具有供给交流电流的供电装置的超高压水银灯点灯装置，能够抑制闪 烁的发生。本发明通过适用于在发光管内封入了 0. 10mg/mm3以上的水银的短弧型的超高压 水银灯，除了投射型投影机装置的光源之外，作为紫外线曝光用、光学仪器的照明用的灯是 极其有用的。本发明中，不限于上述实施方式，能够加入各种变更。(1)在电极20的轴部23上形成大径部分23B不是必须的，轴部23也可以为直径 相同的棒状。(2)从供电装置向超高压水银灯1供给的交流电流不限于具有图5所示的波形，例 如也可以如图6所示，为在稳定点灯频率的交流电流A1中间歇地插入交流电流A2和交流 电流A3的交流电流。图6中，纵轴表示灯电流值，横轴表示时间，在灯电流值位于基础线上 方时，是一方的电极作为阳极工作的期间(另一方的电极作为阴极工作的期间)，在灯电流 值位于基础线下方时，是一方的电极作为阴极工作的阴极工作期间(另一方的电极作为阳 极工作的期间)。本发明中，如图6所示的交流电流那样，对于一方的电极，在稳定点灯频率的交流 电流A1中插入的交流电流A3引起的阴极工作期间比稳定点灯频率的交流电流A1弓丨起的 阴极工作期间短的情况下，即交流电流A3引起的阴极工作期间的频率比交流电流A1引起 的阴极工作期间的频率高的情况下，忽略交流电流A3引起的阴极工作期间，交流电流A3引 起的实际的阳极工作期间t的合计可视为该交流电流A3引起的一个阳极工作期间T。实施例〈实验例〉
根据图1 图4所示的构成，制作具有下述规格的交流点灯型的灯(A) 灯(F)。 此外，在以下的规格中，发光管、电极间距离、封入物和电极的材质对所有的灯都是共通的 规格。发光管由石英玻璃制成，发光部的内容积为0. 0825cm3。电极间距离为1. 1mm。在发光管内，封入水银、稀有气体及作为卤素的溴，水银封入量为0. 29mg/mm3,卤 素封入量为3 X 1(T3 u mol/mm3。电极由纯度为5N的钨制成，其他规格如下表1所示。输入功率为275W。表1
轴部头部筒部低频交 流电流 (Hz)d/(l/f)1/2小径部 分的直 径(mm)大径部 分的直 径(mm)后端的 直径 (mm)全长 (mm)外径 (mm)内径 (mm)全长 (mm)灯(A)0.40.771.60.31.61.151.2452.0灯(B)0.40.771.60.31.61.151.2602.3灯(C)0.40.771.60.41.61.151.2903.8灯(D)0.40.771.61.21.61.151.2458.0灯(E)0.40.771.60.81.61.151.21208.8灯(F)0.40.771.61.21.61.151.236022.8对于灯㈧ 灯(F)，从供电装置供给370Hz的稳定点灯频率的交流电流，并且在 每当该稳定点灯频率的交流电流的供给时间为0. 1秒时，将上述表1所示的低频的交流电 流以对应于各自的频率的时间插入而供给，由此使各灯最长连续点灯3000小时，测定其照 度维持率。结果如下表2所示。此处，对于超高压水银灯，在实用上，若照度维持率在50%以上即可使用，此外，若 超高压水银灯的使用寿命在1500小时以上，则在实用上良好。表权利要求
一种超高压水银灯，是交流点灯型的超高压水银灯，在具有发光部和与该发光部的两端连续设置的封固部的、由石英玻璃构成的发光管内封入水银，并且具有各自基端部分埋设于所述封固部中而被保持的棒状的轴部的一对电极彼此相对地配置，其特征在于，所述电极具有头部和筒部，所述头部具有比所述轴部大的直径，所述筒部从该头部的后端面一体地突出延伸地形成，其内周面与所述轴部分离并包围该轴部地设置，在交流点灯中，一方的电极作为阳极工作的阳极工作期间中，时间最长的阳极工作期间的频率f(Hz)和从电极的头部的最前端位置到该头部与筒部的边界位置为止的轴方向的距离d(mm)满足如下关系式d/(1/f)1/2≥3.8。
2.一种超高压水银灯点灯装置，由权利要求1所述的超高压水银灯和向该超高压水银 灯供给交流电流的供电装置构成，其特征在于，所述供电装置供给稳定点灯频率的交流电流，并且将比该稳定点灯频率低的频率的交 流电流间歇地插入到所述稳定点灯频率的交流电流中并进行供给。
全文摘要
本发明提供即使长时间点灯也能够抑制在电极中产生变形且可得到较高的照度维持率的超高压水银灯及超高压水银灯点灯装置。该超高压水银灯是交流点灯型的超高压水银灯，在具有发光部和与该发光部的两端连续设置的封固部的、由石英玻璃构成的发光管内封入水银，并具有基端部分埋设于封固部中而被保持的棒状的轴部的一对电极彼此相对地配置，电极具有头部和筒部，头部具有比轴部大的直径，筒部从头部的后端面一体地突出延伸地形成，内周面与轴部分离并包围该轴部地设置，在交流点灯中一方的电极作为阳极工作的阳极工作期间中时间最长的阳极工作期间的频率f(Hz)和从电极的头部的最前端位置到与筒部的边界位置的轴方向的距离d(mm)满足d/(1/f)1/2≥3.8。
文档编号H01J61/073GK101989530SQ20101019489
公开日2011年3月23日 申请日期2010年6月1日 优先权日2009年7月31日
发明者后藤一浩, 山下高史 申请人:优志旺电机株式会社