数字投影机用氙气短弧灯的制作方法

专利名称：数字投影机用氙气短弧灯的制作方法
技术领域：
本发明涉及在例如使用了 DMD(数字微镜装置；注册商标)的利用DLP(数字光源 处理器；注册商标)技术的数字投影机中用作光源的数字投影机用氙气短弧灯。
背景技术：
以往，在电影院的放映系统中使用的标准胶片投影机，通过孔照射35毫米的胶片 来投影到屏幕上。图9是说明胶片用的投影机的结构的图。胶片71按一定间隔记录有表 示连续的内容的影像画面(以下仅称作画面)。利用未图示的移动机构搬送该胶片71，从 上向下通过图片门部72。从光源装置73集聚的光通过图片门部72上所形成的孔，照射胶 片71上所记录的画面。胶片71上的一个画面的尺寸是例如大约24X 18mm，对角大约30mm的大小。因此， 光源装置73要高效地照射胶片的区域，就必须要具有直径大约30mm的圆形大小的、能够高 效地聚光来自光源灯的光的结构。从而，光源装置73的结构具有作为光源灯的氙气短弧灯73a(以下也称作氙灯) 和配置在它后部的反射镜73b。然后，反射镜73b的结构具有由旋转椭圆面构成的反射面， 用于将从氙灯73a放射的光聚光成上述的直径大约30mm的圆形大小。从氙灯73a发射的 光，如图中所示的光线路径所示地，被反射镜73b反射，聚光在第二焦点(F2)上，通过胶片 71，被投影透镜74放大，然后投影到屏幕75上。但是，该图中示出的光线路径是理想系统，实际上氙灯73a的电弧不是点光源，而 是具有有限的大小。因此，来自电弧的全部光线不聚光在一点上，而在第二焦点的位置上也 照射在某大小的圆内。此外，还知道若椭圆镜相同，则该第二焦点的位置中的照射面积与电 弧的截面积(从横向看时的电弧的面积)大致成比例地变大。因此，作为胶片投影机用的光源，为了照射直径大约为30mm的圆内而使用了电弧 长度大约为3 7mm的氙灯。再有，“电弧长度”与灯的正常点灯时的电极间距离相等。另外，关于这种胶片投影机用的氙灯的规格举出数值例，例如，额定消耗功率是 0. 9 6. Okff,阴极的前端直径是0. 6 1mm，封入氙压力是0. 6 0. 9MPa,阴极前端的电流 密度是76 110A/mm2，管壁负荷是18 29W/cm2。有关这些数值例，以额定消耗功率是4kW的胶片投影机用氙灯为例列举具体数 值，电弧长度是6mm，阴极的前端直径是0. 9mm,封入氙压力是0. 7MPa,电流密度是108A/ mm2，管壁负荷是25W/cm2。再有，上述中，所述“电流密度”是灯电流除以距阴极前端0. 5mm的位置的截面积 的电流密度，所述“管壁负荷”是灯功率除以发光管部的内表面积的每单位面积的功率。氙灯由于发射高亮度的光而电极前端温度变成极高温。因此，在发射电子的阴极 的前端，损耗很厉害。若电极前端损耗，在阴极的前端面形成凹凸，就发生电弧放电的起点 在凸部与凸部间移动的现象，即所谓的闪烁。一发生该闪烁，灯的亮度分布就变动，在屏幕 上出现闪变。
为了避免这种闪烁的发生，即为了得到长时间稳定的发射光，对氙灯反复进行改
良O例如，阴极使用在电子放射性物质中也添加了熔点高的二氧化钍(ThO2)的鹤，除 前端侧区域以外，以例如8 30 μ m的厚度形成由碳化钨(W2C)构成的碳化层。通过形成 该碳化层，在灯点灯中，被添加到阴极中的电子放射性物质(例如二氧化钍(ThO2))被碳还 原生成钍(Th)，就能够高效地向阴极的前端面供给钍(Th)。关于这种技术，例如在日本特开平10-283921号公报等中已公开。再有，有关上述碳化层不形成在阴极的前端部上的理由(不要形成的理由)是因 为，阴极的前端部区域达到大约2900°C的高温，若存在熔点低的碳化钨(W2C),则其早期熔 融而电极损耗，并且发光管发黑而发射光的强度降低，灯的寿命早期到来。在上述的胶片投影机用的灯中采用这种技术，在最优化的氙灯中，灯的每容积碳 量在0. 5 1. 8 μ mol/cm3的范围。此外，作为发光管通常使用石英玻璃，伴随着灯的点灯，以石英玻璃中所含的OH 基等为基础，向灯内一排出水，就产生起动电压上升和发光管发黑的问题，因此，标准上使 用OH基浓度低的发光管。这种发光管在使发光管膨胀的成形工序中，通过使用干燥的气体 (N2)来将OH基浓度维持在成形前的原材料的水平。这样地再次改良的氙灯是闪烁寿命3500小时的程度，在能够充分实现长的使用 寿命的同时，起动性好，黑化也被改善。专利文献1日本特开平10-283921号公报但是，近年来，在电影院的放映系统中，使用影像品质提高的数字技术的高级CG 化成为可能，它具有不存在胶片的劣化，能够削减伴随胶片制作的成本的优点，因此，数字 影片普及，随之向利用DLP (数字光源处理器；注册商标)技术的数字投影机的更换也迅猛发展。图10中示出这种数字投影机的结构例。在该数字投影机80中，利用具有椭圆反射 面的反射镜82聚集来自氙灯81的光，通过滤色器83、积分器杆84和聚光透镜85a、85b，照 射被称作DMD (数字微镜装置；注册商标)的图像元件。然后，利用投射透镜87，将由DMD86 反射的光投射到屏幕88上，映出影像。在这种数字投影机80中，必须要高效率地聚光来自氙灯81的光来入射到积分器 杆84的端面。必须要这样地高效率地聚光的理由是因为，通常积分器杆84的端面是与 DMD86同程度的尺寸，对角小到0. 7 1英寸(17. 8 25. 4mm)程度，因此要在屏幕上映出 与以往的胶片用投影机同程度的明亮度的影像，与胶片用投影机的情况相比，就必须要聚 光到面积的35 70%的小范围中。反射镜82的照射面积与电弧的截面积大致成比例，数字投影机用的氙灯81要想 电弧长度短并且电弧细，就必须要使用使封入氙压力更高。其结果，要求氙灯81的电弧长度大约为2 7mm，此外，该氙气的封入压力换算成 常温下要求在IMPa以上，具体是1 2MPa的范围。此外，为了耐受灯点灯时的高工作压力，具有使发光管比以往小型化的必要性，结 果要求数字投影机用的氙灯的管壁负荷提高到30W/cm2以上，具体的需要30 40W/cm2的 范围。这与以往的胶片投影机用的氙灯相比，也格外高。
4
再有，在此，作为用于减小反射镜82的照射面积的方法，也考虑缩短椭圆反射面 的焦点间的距离(Fl F2的距离)。但是，该情况下，相对于光轴89具有大角度的光线的 比例增加，不到达DMD元件的光线增加，光的利用率降低，不能采用该方法。换言之，在照射 面积变小的情况下，仅对光学系统下功夫，难以提高聚光效率。此外，根据数字投影机中的对更明亮的影像的要求，必须要进一步对氙灯81增 加灯的光输出。因此，从减少来自电弧的光线中的被阴极遮挡的部分的观点出发，要求阴 极前端直径比以往要小，数字投影机用的灯中的阴极前端直径也要比以往的小，例如变为 0. 35 0. 7mmο其结果，阴极前端中的电流密度也变得更高，具体地说在119A/mm2以上，在实用范 围内成为119 210A/mm2。有关这种规格，以额定消耗功率为4kW的数字投影机用的氙灯为例举出具体数 值，电弧长度是3. 5mm,阴极的前端直径是0. 6mm，封入氙压力是1. 8MPa,电流密度是119A/ mm2,管壁负荷是37. 5W/cm2。再有，所述“电流密度”是如上所述的灯电流除以距阴极前端0. 5mm的位置的截面 积的电流密度，所述“管壁负荷”是灯功率除以发光管部的内表面积的每单位面积的功率。归纳以上数字投影机用氙气短弧灯的特征可以举出封入氙气的压力高；为了耐 受高工作压力而使发光管小型化的结果，管壁负荷(灯功率除以发光管的膨胀部分的内表 面积的值)高；减小阴极前端直径的结果，电流密度变大。关于这样的事项，使用具体数值 进行叙述，则要求氙气的封入压力在IMPa以上，管壁负荷在30W/cm2以上，阴极前端面的电 流密度在119A/mm2以上的非常严格的规格。此外，假设满足如上所述的规格，氙灯的阴极的前端温度进一步上升，阴极前端部 的消耗和变形发展显著变快，在灯点灯后，短时间内阴极的前端面变大形成凹凸，早期产生 闪烁。此外，以往的公知技术即使例如利用碳化层的形成和阴极前端的形状而实现了氙 灯的闪烁寿命的改善，但是点灯后仅仅在200 350h的极短时间内就结束寿命。

发明内容
本发明用于解决上述的问题，提供一种在灯点灯后长时间防止在阴极的前端面形 成凹凸，长时间抑制闪烁现象的发生的、使用寿命长的数字投影机用氙气短弧灯。(1)为了解决上述问题，本发明涉及的数字投影机用氙气短弧灯，其特征在于，具 有阳极；阴极，具有由具有电子放射性物质的钨构成的阴极主体；以及发光管，用石英玻璃制造，在除了上述阴极前端区域以外的上述发光管的内部的金属部位具有碳的供给源，在灯点灯中，通过气相向上述阴极前端供给碳，该阴极的表层熔融。(2)此外，本发明涉及的数字投影机用氙气短弧灯，其特征在于，具有阳极；阴极，具有由具有电子放射性物质的钨构成的阴极主体；以及
发光管，用石英玻璃制造，上述阴极在前端面中的表层上，在钨(W)的相中具有钨的碳化物的带状相。(3)上述数字投影机用氙气短弧灯的特征在于，封入到上述发光管内部的氙气的封入压力在IMPa以上，管壁负荷在30W/cm2以上，上述阴极前端面的电流密度在119A/mm2以上。(4)上述数字投影机用氙气短弧灯的特征在于，在上述发光管的内部具有换算成碳(C)为发光管内容积的每Icm3在2.4ymol/Cm3 以上的碳和/或碳化物。(5)上述数字投影机用氙气短弧灯的特征在于，上述发光管中的内表面的OH基浓度在lOOwt-ppm以上。(6)上述数字投影机用氙气短弧灯的特征在于，上述发光管中包含的OH基的量是灯的内容积的每Icm3在0. 15 μ mol/cm3以上。(7)上述数字投影机用氙气短弧灯的特征在于，在上述发光管的内部设置有由钽或钽化合物构成的吸气剂，上述吸气剂中包含的钽对于上述碳的摩尔比是11以下。(8)上述数字投影机用氙气短弧灯的特征在于，在上述发光管的内部设置有由钽或钽化合物构成的吸气剂，上述吸气剂被安装在灯点灯时该吸气剂的达到温度成为1400°C以上的部位上。发明效果如下(1)根据本申请的第一发明涉及的数字投影机用氙气短弧灯，通过在灯点灯中通 过气相向阴极前端面供给碳，能够与钨反应而在表面生成钨的碳化物，该钨的碳化物熔融 的结果，不改变阴极前端的形状，仅前端部分熔融，能够利用表面张力重新形成光滑的球 面。其结果，阴极前端上难以形成凹凸，长时间抑制由电弧的闪变所产生的闪烁现象的发 生，能够提供一种使用寿命长的数字投影机用氙气短弧灯。(2)根据本申请的第二发明涉及的数字投影机用氙气短弧灯，在灯点灯时钨的碳 化物熔融的结果，不改变阴极前端的形状，仅前端部分熔融，利用表面张力重新形成光滑的 球面，从而，在灯熄灯后，在阴极前端的表层上，在钨(W)的相中，多个线状的钨的碳化物形 成为带状的相。根据这样的氙气短弧灯，在阴极前端上难以形成凹凸，能够长时间抑制由电 弧的闪变所产生的闪烁现象的发生，能够成为使用寿命长的数字投影机用氙气短弧灯。(3)根据本申请的第三发明，由于封入到上述发光管内部的氙气的封入压力在 IMPa以上，管壁负荷在30W/cm2以上，上述阴极前端面的电流密度在119A/mm2以上，因此， 即使在必须要聚光到对角0. 7 1英寸(17. 8 25. 4mm)的小区域中的情况下，也能够提 高光的利用率，充分高地维持屏幕照度，作为数字投影机用的灯，能够提供一种较合适的氙 气短弧灯。(4)根据本申请的第四发明涉及的数字投影机用氙气短弧灯，由于充分地具有碳 (C)，因此能够可靠地向阴极前端供给碳，因而能够长时间在阴极的前端生成钨的碳化物。 其结果，能够不使阴极前端熔融很大，而仅使前端的表层熔融，由于利用表面张力重新形成 光滑的球面，因此在阴极前端上难以形成凹凸，长时间抑制了闪烁现象的发生，能够成为使
6用寿命长的数字投影机用氙气短弧灯。(5)根据本申请的第五发明，发光管内表面层中包含的OH基在灯点灯中从发光管 内表面作为水(H2O)释放到发光管内，与配置在阴极或阳极上的碳或碳化合物反应，生成一 氧化碳气体(C0)，C0以气相状态在发光管内扩散，因此，能够利用到达了电弧的C0，在阴极 前端生成钨的碳化物。(6)根据本申请的第六发明，由于充分地具有用于生成CO的水(H2O)，因此能够以 气相状态可靠地供给C0，因而能够长时间防止阴极前端面中的凹凸的发生，能够成为长时 间抑制了闪烁现象的发生的使用寿命长的数字投影机用氙气短弧灯。(7)根据本申请的第七发明，在具有钽吸气剂的数字投影机用氙气短弧灯中，通过 按照灯内的碳量限制钽吸气剂的摩尔量，能够利用钽吸气剂去除氢气(H2)等杂质气体，能 够维持起动性良好的效果，并且能够控制由钽吸气剂吸留的CO的量，因此，能够以气相状 态可靠地供给C0，能够长时间防止阴极前端面中的凹凸的发生，能够成为长时间抑制了闪 烁现象的发生的使用寿命长的数字投影机用氙气短弧灯。(8)根据本申请的第八发明，在具有钽吸气剂的数字投影机用氙气短弧灯中，钽吸 气剂被安装在灯点灯中达到温度成为1400°C以上的部位上，因此，能够在灯点灯中释放出 在灯熄灯中吸留的C0，能够以气相状态可靠地向阴极前端供给CO。从而能够长时间防止阴 极前端面中的凹凸的发生，能够成为长时间抑制了闪烁现象的发生的使用寿命长的数字投 影机用氙气短弧灯。


图1是说明用于说明本发明的实施方式的数字投影机用氙气短弧灯的结构的剖 视图。图2是示出本发明的阴极构造的前端部分的一个实施方式的说明图。图3是示出本发明的阴极前端的电子显微镜照片的图。图4是归纳示出本实验例中的实施例、参照例的各灯的规格和各灯的闪烁寿命的表。图5是示出参照例2涉及的灯2的阴极前端形状的变化的样子的图。图6是示出实施例3涉及的灯6的阴极前端形状的变化的样子的图。图7是示出实施例4涉及的灯7的阴极前端形状的变化的样子的图。图8是示出本发明的其他实施方式涉及的吸气剂的另外的配置例的图。图9是说明胶片用投影机的结构的图。图10是说明DLP用投影机的结构的图。附图标记说明10氙气短弧灯11发光管12发光管部13a缩径部13封闭管部13b密封部
7
14 阴极14a阴极主体14b阴极轴部15 阳极15a阳极主体15b阳极轴部16玻璃体17吸气剂L 电极的轴
具体实施例方式图1是示出说明本发明的实施方式的数字投影机用氙气短弧灯(以下也称作“氙 灯”或仅称作“灯”)的结构的说明用剖视图。氙灯10由石英玻璃制的发光管11以及阴极14和阳极15构成，发光管11具有设 置在中央附近的由膨胀形状的玻璃管构成的发光管部12以及与其两端相连设置的封闭管 部13，阴极14和阳极15设置在发光管12的内部，各自的前端相互对置。阴极14的主体部分14a由具有电子放射性物质的钨构成，阳极15的主体部分15a 由钨构成。从而，作为构成电极的主体部分14a、15a的材质，主要采用钨的理由在于高熔 点、蒸气压力低、热传导率高，在本发明中是有优势的物质。当然，关于在此所说的电极阴极 主体14a、15a的材质，不限定于100%具有各材质成分，也可以包括含有不可避免地混入的 杂质的情况，也包括在阴极主体14a和/或阳极主体15a中附加设置其他物质的情况。这样的阴极主体14a和阳极主体15a分别以位于发光管部12的中央的方式安装 保持在电极棒14b、15b上。电极棒14b、15b分别插通厚壁圆筒状的石英玻璃体16的孔中，并且气密地密封保 持在段接玻璃部13b中，所述石英玻璃体16固定于发光管部12与封闭管部13之间的缩径 部13a内，所述段接玻璃部13b形成在封闭管部13的两端。该电极棒14b、15b从发光管11 的外端部向外突出延伸，兼用作向该氙灯10供电的供电用导线部分。此外，在发光管11的 内部封入作为发光物质的氙。这种本发明涉及的数字投影机用氙气短弧灯在标准上满足下述规格。氙的封入压力在IMPa以上，管壁负荷是30W/cm2以上，阴极前端面的电流密度是 119A/mm2以上。这样的规格上的要求是为了满足以下两个要求所需的最低限度作为在全 部DLP用的数字投影机中所使用的光源，向与DMD元件同程度的照射范围、具体的是对角小 到0. 7 1英寸(17. 8 25. 4mm)程度的区域高效率地聚光；以及更明亮地照射屏幕。此外，为了实现上述的大电流密度，也期望使用二氧化钍(ThO2)作为阴极14中所 包含的电子放射性物质，期望由敷钍钨构成阴极主体部分14a。此外，在阳极15中，阳极主体15a接受电弧，并且接收电子而变成高温，因此，作为 阳极主体15a的材质，也期望由高熔点的钨构成。此外，以改善灯的起动性为目的，期望这种氙气短弧灯10在发光管11的内部配置 吸气剂17。
图2示出本发明涉及的阴极构造的前端部分的1个实施方式。假想在阴极主体 14a的前端部分中，连结表面的锥形面(棱线)的前端的圆锥角度是60°，前端的直径是 0. 35 1. Omm的范围，粗径部分的直径是4 12mm。通过这样地很小地形成阴极前端的直 径，能够减少来自电弧的光线中的被阴极自身遮挡的部分，增大来自灯的光输出。在阴极的前端，为了向被取入到电弧内部中的部分供给碳(C)，在该氙灯10中，在 发光管11内部具备有碳。作为其一个方式，例如，如图2所示，通过在阴极14a的前端附近 设置碳化钨(W2C)层141，就能够配置碳。形成碳化钨层141的部分是例如从阴极14a的前端面沿着电极的轴L至少退后 2mm的位置，作为层的厚度是30 100 μ m。这样地不在阴极前端形成碳化钨层141 (不能 形成)的理由是因为，在以大约30μπι以上的厚度范围内形成熔点低的碳化钨(W2C)的情况 下，引起阴极前端部的熔融量变得过大，阴极前端直径在短时间内变大而亮度降低的问题， 以及因碳化钨(W2C)的蒸发而发光管内表面发黑，发射光的强度降低，从而灯早早就结束寿 命的问题。作为在发光管11的内部配置作为碳供给源的碳或包含碳的化合物的手段，不限 定于上述方式，只要是安装在发光管内部的金属部分上的方法都可以，例如可以是在阳极 主体15a上设置碳化钨(W2C)层，通过在电极14、15中的轴部14b、15b配置碳化物也能够实 现。再有，在阳极主体15a上设置碳化层的情况下，与设置在阴极主体14a上的情况同样， 期望除其前端部区域以外进行配置。仅在发光管11的内部配置固体状态的碳或包含碳的化合物，难以实现使碳在气 相状态下稳定地供给到阴极14a的前端的工作。作为使碳成为例如碳酸气体这样的气相状态的手段，能够研究出各种各样的方 法，作为其一例，通过使发光管11内具备氧(0)就能够生成C0，能够将碳可靠地供给到阴极 前端面。作为其一个方式，在构成发光管11的石英玻璃中含有大量的OH基。作为其最佳 方式，在发光管11的内表面形成OH基浓度在lOOwt-ppm以上的层。所述该内表面层中的 OH基浓度，是在从内表面到150 μ m的厚度范围中根据平均浓度加以定义的。此外，作为更好的方式，使发光管11中包含的OH基的量在灯的内容积的每Icm3为 0. 15 μ mo 1 以上。根据这样的氙气短弧灯，将发光管11内表面层的石英玻璃中所含的OH基，在灯点 灯中作为例如水(H2O)和氧(O2)排出到放电空间中，与发光管11的内部所具备的碳的供给 源(即，碳或碳化合物)反应，生成一氧化碳气体(CO)。通过该CO以气相状态扩散在发光 管11内，其一部分进入到电弧中。CO在电弧之中因高温而分解，生成C+离子。该C+离子 由电弧中的电场送到阴极前端面，在此与阴极14a的钨反应，生成W2C和WC等钨的碳化物。 该钨的碳化物暴露在阴极14a的高温中而熔融，但其熔融量是C以气相带来的，因而极少。 因此，不产生阴极14a的前端短时间内变大而亮度降低的问题和因为钨的碳化物的蒸发而 发光管内表面发黑的问题。然后，若存在这样的少量的碳，则在灯熄灯时，在钨的阴极前端面上，多个线状的 钨的碳化物形成带状模样。以残留在阴极前端面的微小范围内的程度所生成的钨的碳化 物，通过在灯点灯中熔融，即使在阴极的前端形成了凹凸，阴极的前端也会因为表面张力而
9形成光滑的球面，重新形成光滑的面。图3中示出放大阴极前端的表层部所示出的电子显微镜照片。在此，该图(a)是 放大了前端部的照片，(b)是示出了该图中用圆圈P包围的部分的放大照片。具体地说，如 图3所示，钨的碳化物通过在主体部分的主成分钨(W)相的上面以多条线状地并列生成而 形成了带状的相。该带状的钨的碳化物的相宽度大约是0. 1 0. 5 μ m，以大约0. 5 3 μ m 的间隔形成了许多相。在阴极前端中碳所占比例大约是1衬％的程度，作为碳的比例，阴极 前端的表层最大，越从前端往后退越小。这即证实了碳利用气相而被送到阴极的前端。为了可靠地实现这种气相中的C供给，最好发光管内部所具有的碳(C)的量相对 于发光管的内容积在2.4ymol/Cm3以上。通过在灯的内容积的每Icm3具备2. 4 μ mol以上 的碳，就能够一直供给到达阴极前端的气相状态的碳，能够延长闪烁寿命。再有，在此所说的“碳量”，是在包括发光管部和封闭管部的发光管的内部，根据附 着在由金属构成的部件上的全部碳和碳化合物，求出作为碳(C)的总量并换算成摩尔量， 用发光管的内容积相除后的数值。可是，如上所述，为了实现由气相向阴极前端供给碳，使构成发光管的石英玻璃中 含有多量的OH基的情况下，在反应过程中，由OH基生成H2，在灯点灯中放电不产生问题，但 若在起动时就存在，则使灯的起动性变差，因此就有问题。从而，为了良好地维持起动性，期 望在发光管的内部设置用于吸留H2的吸气剂。考虑对于H2的稳定性和发光管内部的稳定 性等，吸气剂最好使用钽。再有，钽一般由单体的金属构成，有时在表面产生氧化等反应。即 使是由这样的能形成微少量的氧化物的钽的化合物构成，作为钽，也能够得到同样的功能。该钽吸气剂能够改善起动性，可是另一方面也具有对在气相化碳的过程中所生成 的碳酸气(主要是CO气体)进行吸留的特性。因此，具有阻碍了向阴极前端供给气相状态 的碳的本发明的机构的可能性。从而，为了防止这种事态于未然，最好规定吸气剂中包含的 钽的量相对于碳的摩尔比在11以下。当然，为了使钽吸气剂吸留H2而得到起动稳定性，前 提是在发光管内配置必要量，有关在此所说的上述摩尔比的规定不包括0(零)。作为最优 的钽的物质量，基于发光管内部的碳量和OH基量，考虑起动性和闪烁寿命适当地进行设定 就可以。如本实施方式那样，通过限制配置在发光管11内部的钽的量，能够在灯点灯中不 枯竭地将CO送到阴极前端，长时间抑制了闪烁现象的发生，成为使用寿命长的灯，并且，由 于在灯熄灯中利用钽吸气剂去除氢气(H2)等的杂质气体，因此能够成为起动性良好的灯。在此，为了去除吐等的杂质气体，也可以取代钽，使用由锆(Zr)等其他物质构成 的吸气剂。该情况下，只要根据CO的吸留量和排出温度来调节碳量与吸气剂量的比率和配 置吸气剂的位置就可以。此外，在具有钽吸气剂的灯中，通过将钽配置在灯点灯中变为1400°C以上的位置 上，也能够得到与限制钽对于碳的摩尔比时同样的效果，即能够将CO送到阴极前端，并且 能够得到能改善起动性的效果。在该实施方式中，期望将钽配置在其整体的达到温度为 1400°C以上的位置上。在此，在吸气剂的位置跨越1400°C以上和不足1400°C的边界附近配 置的情况下，得到CO吸留量和排出量的平衡，期望减小配置在不足1400°C的位置上的吸气 剂的量。再有，有关吸气剂的达到温度，吸气剂内部的温度可以看作与表面温度同等，最好 使用放射温度计进行测量。
图8是说明上述的本发明的其他实施方式的图，是将钽吸气剂配置在阴极主体 14a和阳极主体15a上的例子。通过在灯点灯中温度上升到1400°C以上来排出在灯熄灯中钽吸气剂17所吸留的 C0，因此不用担心CO不足，成为长时间抑制了闪烁现象的发生的使用寿命长的灯，并且，由 于在灯熄灯中利用钽吸气剂去除氢气(H2)等的杂质气体，因此成为起动性良好的灯。以下，关于本发明，基于实验例进行说明。根据图1中示出的基本结构，分别制作了规格不同的氙气短弧灯1 9。关于灯 1 9的规格，归纳在图4示出的表1中示出。灯1是本发明的参照例涉及的灯，是现有的胶片用投影机用的氙灯。额定消耗功 率是3500W，阴极前端直径是0. 9mm,电流密度是104A/cm2，管壁负荷是20. 6A/cm2,阴极前端 的圆锥角度是40°。该发光管的内表面积是170cm3，内容积是217cm3，氙气的封入压力换 算成常温(25 °C )是0. 6MPa。灯2 9全部是DLP用数字投影机用的氙灯，基本规格全部相同。S卩，额定消耗功 率是4000W，阴极前端直径是0. 6mm,电流密度是119A/cm2，管壁负荷是37. 5A/cm2,阴极前端 的圆锥角度是60°。该发光管的内表面积是107cm3，内容积是135cm3，氙气的封入压力换 算成常温(25°C )是1. 6MPa。这样的规格能将光高效地聚光在对角0. 7 1英寸(17. 8 25. 4mm)的小区域中，作为数字投影机用的光源，是用于得到最优氙气短弧灯所必要的条 件。此外，关于图4的表中的各项目如下定义。所述“电流密度”是灯电流除以距阴极前端0. 5mm位置上的截面积的电流密度，单 位是A/mm2。所说“管壁负荷”是灯功率除以发光管的膨胀部分(发光管部)的内表面积的值， 单位是W/cm2。所述“发光管内面OH浓度，，是距发光管内表面150 μ m的厚度范围中的平均的OH
基浓度。此外，“发光管内部的OH浓度”是发光管的内外表面的中央(厚度的大约1/2部 分)的OH基浓度。这种发光管的石英玻璃中的OH基浓度，可以用氢氟酸刻蚀发光管的内侧，根据刻 蚀深度与红外线的吸光度的关系进行计算。所述“0H基量/内容积”是发光管部(发光管中仅膨胀部分)的内面(150μπι) 中所存在的OH基量除以包括发光管部和封闭管部的灯的全部内容积的每单位体积的摩尔数。所述“碳量/内容积”是包括电极的主体部分和轴部在内所附着的碳和包括碳化 合物的碳的摩尔量除以发光管(发光管部和封闭管部)的内容积的每单位体积的摩尔量。所述“钽量/碳量摩尔比”是发光管(发光管部和封闭管部)的内部所存在的钽 相对于碳1摩尔的摩尔数。“钽吸气剂的温度”是使用放射温度计测量的。再有，在本实验例中，作为吸气剂， 使用了直径0. 5mm的钽线，可以看作吸气剂的表面温度和内部温度相同。此外，“闪烁寿命”是根据闪烁的发生所产生的灯的亮度分布的变动与灯电压的变
11动相关，若灯电压的变动幅度超过IV，就看作屏幕上的闪烁，一律测量了灯电压的变动幅度 达到IV的点灯时间。[参照例1]灯1 (参照例1)是在胶片用投影机的光源中所使用的氙气短弧灯。发光管是在成形工序中使发光管膨胀时使用干燥的气体(N2)制成的。根据发光 管内部的OH浓度和发光管内面的OH浓度都等于5wt-ppm的情况可知，发光管内表面的OH 基的浓度维持在成形前的原材料的水平。此外，在灯1的阴极上，利用现有已知的方法，在主体部分中的除前端以外的锥形 部分的表面上形成碳化层，以吸留H2改善灯的起动性为目的，将钽吸气剂安装在阴极轴部 14b和阳极轴部15b的比阴极主体14a和阳极主体14a紧后面的位置上。点灯该灯1，闪烁寿命是3500h，能够得到长的使用寿命。另外，分析灯1可知，在发光管的内部包含阴极前端的碳化层，发光管(包括发光 管部和封闭管部两者)的每单位内容积存在1. 8 μ mol/cm3的碳。[参照例2]灯2 (参照例2)是DLP用的数字投影机用氙气短弧灯，为了成为高亮度灯而较高 地设定封入压力、阴极前端的电流密度、管壁负荷。关于具体规格如上所述。在发光管的成形工序中，在使发光管膨胀时，使用与上述灯1同样的干燥气体 (N2)，发光管内面中的OH基的浓度维持成形前的原材料的水平，低到5wt-ppm。此外，与灯 1同样地，在阴极主体的锥形部分的表面上，利用现有已知的方法形成碳化层，并在发光管 内部配置了钽吸气剂。点灯这样的灯2，闪烁寿命成为260小时，与灯1相比，是极短的寿命。另外，分析灯2，发光管内部的总碳量为发光管内容积的每Icm3是2. 1 μ mol，再 有，构成吸气剂的钽相对于碳的摩尔比是31。图5中示意地示出观察灯2的闪烁现象时的阴极前端的变形的样子。在点灯后 200h中维持着光滑状态，但不久阴极前端一变形形成凹凸，放电起点就在凸部与凸部之间 移动(电弧跳跃)，确认为开始发生闪烁。S卩，即使阴极前端消耗而前端面变大，放电也稳定，但若进一步变形，前端面出现 凹凸，则放电起点就在凸部与凸部之间移动而发生闪烁。在用于有关本参照例的灯的高负 荷规格的灯中，阴极前端部的温度高，很快就进行这种变形，因此认为闪烁寿命短。另外，点灯多个与灯2同样规格的灯，利用X射线光电子分光装置(XPS)，对闪烁 发生之前的灯的阴极和闪烁发生后的灯的阴极进行分析。其结果，在前者的闪烁发生之前 的灯的阴极前端部存在钨的碳化物，但在后者的闪烁发生后的灯的阴极前端部不存在。据 此，发明者们推测，若向阴极前端部输送碳而生成钨的碳化物，就不会在阴极前端面上出现 凹凸，但若不生成钨的碳化物，阴极前端面上就能够出现凹凸，直至发生闪烁。即，关于这种现象总结如下。发光管内的水分与发光管内的碳反应而生成C0，在放 电空间内的气相中扩散后向阴极前端部输送。更详细地说，CO在气中扩散后一进入到电弧 内，就因高温而引起分解和电离，利用电弧中的电场，C+离子被输送向阴极前端面。从而，为 了改善闪烁寿命，必须要长时间维持CO的生成。[参照例3]
12
灯3 (参照例3)是作为长时间的水供给源而使用已提高了内表面层的OH基浓度 的发光管的灯。灯3除了与该OH基的浓度有关的结构以外，其他结构与灯2同样地制作。在此，例如可以如下地形成发光管玻璃内表面中OH基浓度高的层。S卩，在使发光 管膨胀的发光管成形工序中，通过向已加热到作业温度以上的石英玻璃管内吹入包含水蒸 气的加压气体，能够在发光管玻璃内表面形成OH基浓度高的层。使加压气体通过水中而能 够使其含有水蒸气，并且通过调节其水温而能够控制加压气体所含的水分量和发光管内表 面层的OH基浓度。例如，若使用通过了 25°C的水中的加压气体(氮)，使已加热到2500°C 的石英玻璃管膨胀，就能够在大约2分钟内形成使大约150 μ m厚度的平均OH基浓度提高 到大约lOOwt-ppm的发光管内表面层。此外，若假设水温为80°C，则在与其他加工条件相同 的情况下，大约150 μ m厚度的平均OH基浓度就成为大约350wt-ppm。利用这样的手段制作了使大约150 μ m厚度的发光管内表面层的平均OH基浓度提 高到了 lOOwt-ppm的灯。关于规格，图4的表中详细示出。但是，在该灯3中，也仅仅限于闪烁寿命的改善效果。其理由认为是虽然增加了用 于生成CO的水的供给，但是碳量不充分。[实施例1]于是，制作了增加了发光管内的碳的量的灯4(实施例1)。再有，在灯4 (实施例1)中，作为长时间的水供给源而使用了已提高内表面层的OH 基浓度的发光管，这一点与灯3 (参照例3)相同。在此，作为用于增加碳的量的方法，进行各种各样研究，但在本实施例中，通过增 加进行碳化的阴极表面的面积来增加了碳的量。例如，通过在碳化层形成工序中，根据包含 碳的涂覆剂的量、形成碳化层的区域的面积以及高温渗碳处理的温度等，能够调节发光管 内部存在的碳的量、即阴极前端的碳化层阴极或阳极上所配置的碳的量。若实施该灯4的点灯试验，闪烁寿命延长到470h，认为到这种程度没有改善。考虑 这是因为，利用充分的碳量和从发光管内表面排出的水分，长时间维持了 CO的生成和对阴 极前端的碳的供给。另外，分析灯4的结果，发光管内部存在的碳的量相对于发光管的内容积Icm3是 2. 4 μ mol。[实施例2]制作了除进一步增加了对阴极的渗碳量以外其他结构与上述灯4(实施例1)的灯 相同的灯5 (实施例2)。点灯该灯5，闪烁寿命是540h，能够进一步延长使用寿命。分析该 灯5中的碳的量，相对于发光管的内容积的Icm3是3.0μπιΟ1。[实施例3]接着，制作了除进一步增加了发光管内表面层的OH基浓度以外其他结构与上述 灯5(实施例2)的灯相同的灯6(实施例3)。灯6的发光管内面的OH基浓度是350wt-ppm。 该图6中示出灯6 (实施例3)的阴极前端形状的变化的样子。该灯6的闪烁寿命是650h，能够进一步延长使用寿命。分析该灯6中的碳的量，相对于发光管的内容积是0. 54μ mol/cm3。[实施例4]制作了除进一步增加了对阴极的渗碳量以外其他结构与上述灯6(实施例3)的灯相同的灯7(实施例4(6))。图7中示出灯7(实施例4)中的阴极前端形状的变化的样子。该灯7的闪烁寿命是910h，能够进一步延长使用寿命。分析该灯6中的碳的量，相对于发光管的内容积是5. 2 μ mol/cm3。关于以上的灯4 7(实施例1、2、3、4)进行研究可知，碳的量越多，并且OH基浓 度越高，闪烁寿命越长。此外，参照图6、7的比较可知，碳量多的灯7(实施例4)在阴极前 端晚发生凹凸。可是，在上述灯1 灯7中，是标准上具有由钽构成的吸气剂的灯。该钽吸气剂是 为了防止灯中存在水分时生成H2而灯的起动性变差的情形而设置的，但是认为，由于除此 以外还吸留C0，因此妨碍了对阴极前端的碳的供给。于是，本发明者们制作了相对于碳的钽量(摩尔数)在11以下的灯。[实施例5]灯8(实施例5)是以上述考察为基础，与上述灯6 (实施例3)相比减少了一半的 钽吸气剂的量而制成的氙气短弧灯。再有，钽吸气剂以外的基本规格与上述灯6相同。评价灯8(实施例5)，比灯6改善了闪烁寿命。认为这是因为，通过被钽吸气剂吸 留的CO减少，进一步长时间维持了对阴极前端的碳的供给。可是，在上述灯2 灯8中，将钽吸气剂如图1所示都配置在了电极的轴部。根据 利用放射温度计的测量可知，灯点灯中的吸气剂的到达温度是1300°C左右。钽在灯熄灯中 吸留⑶，但通过上升到温度1400°C以上来释放出CO。从而，本发明者们与上述灯6 (实施例3)比较，仅变更钽吸气剂的配置位置，制作 了其他相同规格的灯9 (实施例6)。在该灯9中，将钽吸气剂如图8所示地配置在阴极主体和阳极主体上，结果能够使 吸气剂的到达温度成为1400°C以上。在灯熄灯中被钽吸留的⑶，在灯点灯中通过被加热到1400°C以上而释放，在灯点 灯中，CO就能不枯竭地被供给到阴极前端。并且，由于在灯熄灯中，氢气(H2)等杂质气体被钽吸气剂吸留而从放电空间去除， 因此成为起动性良好的灯。该灯9的闪烁寿命是780h，与钽吸气剂的到达温度1300°C程度 的灯6相比，确认改善了寿命。再有，分析该灯9中的碳的量，相对于发光管的内容积是3.0 μ mol/cm3。在以上的实施例涉及的灯4 灯9中，为了去除H2等杂质气体而使用了钽吸气齐IJ， 但也可以使用锆(Zr)等其他吸气剂。该情况下，最好根据CO的吸留量和排出温度，适当地 调节碳量与吸气剂量的比率和设置吸气剂的位置。在以上的参照例和实施例所涉及的灯1 灯9中，作为碳(C)的供给源，主要通过 在阴极的表面层上形成碳化层来设置。本发明者们还进一步在阳极主体、阴极轴部、阳极轴 部等电极部等的灯内部的金属部分配置碳的供给源，验证是否延长了闪烁寿命，结果，确认 了任一方式都能得到与在阴极上设置碳化层的情况同样的效果。
1权利要求
一种数字投影机用氙气短弧灯，其特征在于，具有阳极；阴极，具有由具有电子放射性物质的钨构成的阴极主体；以及发光管，用石英玻璃制造，在除了上述阴极前端区域以外的上述发光管的内部的金属部位具有碳的供给源，在灯点灯中，通过气相向上述阴极前端供给碳，该阴极的表层熔融。
2.一种数字投影机用氙气短弧灯，其特征在于，具有 阳极；阴极，具有由具有电子放射性物质的钨构成的阴极主体；以及 发光管，用石英玻璃制造，上述阴极在前端面中的表层上，在钨(W)的相中具有钨的碳化物的带状相。
3.根据权利要求1或2所述的数字投影机用氙气短弧灯，其特征在于， 封入到上述发光管内部的氙气的封入压力在IMPa以上，管壁负荷在30W/cm2以上， 上述阴极前端面的电流密度在119A/mm2以上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的数字投影机用氙气短弧灯，其特征在于， 在上述发光管的内部具有换算成碳(C)为发光管内容积的每Icm3在2. 4 μ HioVcm3W上的碳和/或碳化物。
5.根据权利要求4所述的数字投影机用氙气短弧灯，其特征在于， 上述发光管中的内表面的OH基浓度在lOOwt-ppm以上。
6.根据权利要求4所述的数字投影机用氙气短弧灯，其特征在于，上述发光管中包含的OH基的量是灯的内容积的每Icm3在0. 15ymol/cm3以上。
7.根据权利要求4所述的数字投影机用氙气短弧灯，其特征在于， 在上述发光管的内部设置有由钽或钽化合物构成的吸气剂， 上述吸气剂中包含的钽对于上述碳的摩尔比是11以下。
8.根据权利要求4所述的数字投影机用氙气短弧灯，其特征在于， 在上述发光管的内部设置有由钽或钽化合物构成的吸气剂，上述吸气剂被安装在灯点灯时该吸气剂的达到温度成为1400°C以上的部位上。
全文摘要
本发明提供一种防止在灯点灯后长时间在阴极的前端面出现凹凸，长时间抑制了闪烁现象的发生的、使用寿命长的数字投影机用氙气短弧灯。在数字投影机用氙气短弧灯中，具有阳极；阴极，具有由具有电子放射性物质的钨构成的阴极主体；以及用石英玻璃制造的发光管，其特征在于，在除了上述阴极前端区域以外的上述发光管的内容的金属部位具备碳的供给源，在灯点灯中，通过气相向上述阴极前端供给碳，该阴极的表层熔融，或者，上述阴极在前端面的表层上，在钨(W)的相中具有钨的碳化物的带状相。
文档编号H01J61/073GK101944472SQ20101022506
公开日2011年1月12日 申请日期2010年7月6日 优先权日2009年7月7日
发明者内野亚纪子, 北川铁也, 有本智良, 森本俊一 申请人:优志旺电机株式会社