专利名称：放电灯的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高压水银灯，特别是涉及一种短弧型超高压水银灯，在放电容器内封入0.15mg/mm3以上的水银，亮灯时的水银蒸汽压达到150大气压以上。
在这样的背景下，最近提出了一种具有极高的水银蒸汽压，例如200巴(bar)(约197大气压)以上的水银灯，来代替金属卤化物灯。该灯通过提高水银蒸汽压，能抑制电弧的扩散，并进一步提高光输出，这种灯在例如特开平2-148561号(美国专利第5,109,181号)、特开平6-52830号(美国专利第5,497,049号)中被公开。
用于投影装置中的上述光源装置在投射鲜明的图像时，存在放电灯的失透现象的问题。另一方面，最近通过采用使用了DMDTM(TaxasInstrument公司；数字微反射镜器件)的DLPTM(同一公司；数字光处理器)方式，就不必使用液晶板，由此，更小型的投影装置就引人注目。即，投影装置用的放电灯在要求高的光输出和照度维持率的同时，随着投影装置的小型化，要求放电灯更小型化，所以要求其亮灯条件更加苛刻。
其中，根据紫外光的透过特性，一般采用石英玻璃作为放电容器的材料。石英玻璃中的碱金属成分对灯的放电寿命有不良影响。对其机理进行了如下研究，但其详细内容尚不清楚。通常在亮灯(工作)时，灯光产生的辐射热和电极间产生的焦耳热使灯主体变为高温。在该高温下，玻璃中的碱金属离子(阳离子)的迁移率变大，由于在灯电极间产生的电场的作用，向电极部(阴极一侧)移动。此时，碱金属离子使玻璃和电极部之间的接合恶化，降低了玻璃/电极界面的接合强度。其结果是，灯的使用寿命变短。此外，玻璃内表面的碱金属成分促使亮灯时的玻璃表面失透，而成为照度下降的一个原因。
灯在制造后出厂之前，为了排除劣质品，要进行被称为老化试验的亮灯试验。该老化试验的条件是，(例如)反复进行7次2分钟亮灯、1分钟灭灯，然后进行45分钟连续亮灯，对于现有的超高压水银灯，在该老化试验期间，由于在密封部的金属箔上的剥离而引起破损缺陷。
关于石英玻璃中的碱金属成分含量，在特开2001-229876号公报中已经被公开。在该公报中将作为放电容器材料的石英玻璃中的碱金属成分的总量限定在0.6ppm以下。该含量是石英玻璃整体所含的碱金属总量。但是，本发明者通过研究发现，对于石英玻璃管中的碱金属浓度，从玻璃表面到玻璃内部，在玻璃管的厚度方向上存在浓度梯度(浓度分布)，即使玻璃整体的碱金属总量在0.6ppm以下，在靠近表面的层中，碱金属含量是远大于0.6ppm的高浓度。
本发明者对于同一种玻璃管，制造了对内表面进行化学腐蚀的灯和不进行化学腐蚀的灯，对内表面进行腐蚀的灯与未进行腐蚀的灯相比较，可以发现金属箔剥离的发生率和灯破损率均优。因此，着眼于发光管内表面的碱金属浓度，通过限定该浓度，完成了本发明。
为了解决上述问题，技术方案1的发明提供一种超高压水银灯，在由熔融石英玻璃制成的放电容器中，相对配置一对电极，在该放电容器中封入0.15mg/mm3以上的水银，其特征在于，从该放电容器内表面开始的深度4μm的区域的碱金属浓度为10wt.ppm以下。
其中，“碱金属”指锂(Li)、钠(Na)、钾(K)。
之所以限定从放电容器内表面到深度4μm的区域内的碱金属浓度，是因为根据石英玻璃中的碱金属浓度的扩散系数和亮灯之后的离子电流的评价，从石英玻璃内表面到深度4μm的区域内的碱金属浓度对水银灯使用寿命特性(破损率和照度维持率)有特别大的影响。
图2是表示本发明的超高压水银灯的效果的表。
在放电空间部12内封入水银、稀有气体和卤素气体。水银用以得到必要的可视光波长，例如波长360～780nm的放射光，封入量为0.15mg/mm3以上。该封入量随温度条件而不同，但都是亮灯时达到150大气压以上的极高蒸汽压。此外，通过封入更多的水银，可以制造亮灯时水银蒸汽压达到200大气压以上、300大气压以上的高水银蒸汽压的放电灯，从而可以实现水银蒸汽压高、适用于投影装置的光源。
稀有气体例如氩气封入约13kPa，用以改善亮灯初始性能。
卤素的溴、氯、氟等以与不同于水银的其他金属的化合物形态而被封入，卤素的封入量可以从例如10-6～10-2μmol/mm3的范围选择，其功能是利用卤素循环来提高使用寿命，但是象本发明的放电灯那样极小型且具有高内压的灯封入上述卤素，被认为会对后述的放电容器破损、失透等现象产生影响。
以下举例说明上述放电灯的数值，例如发光部的最大外径为9.5mm，电极间距离为1.5mm，发光管内容积为75mm3，管壁负载为1.5W/mm3，额定电压为80V，额定功率为150W。将该放电灯安装在上述投影装置或悬挂投影仪等演示用机器中，可以提供显色性良好的放射光。
以下，对与本发明的作用效果相关的试验进行说明。所使用的超高压水银灯的发光部最大外径为9.4mm，电极间距离为1.3mm，发光管内容积为75mm3，封入水银量为0.25mg/mm3，封入卤素的封入量10-4μmol/mm3，管壁负载为1.5W/mm3，额定电压为80V，额定功率为150W。试验使用图2的表所示的18种灯试样各10～数10个，上述灯试样从发光管内表面开始的深度4μm的平均碱金属浓度不同。观察从发光管内表面开始的深度4μm的平均碱金属浓度，腐蚀时的放电容器的破损状态，和由于形成乳化而导致的照度维持率下降。
对于放电容器的破损状态，使放电灯被腐蚀并同样地亮灯约1小时，然后观察放电容器的破损状态，记录被确认为破损的比例。对于各个放电灯，所谓的“破损”是指放电灯上产生裂纹或放电灯破坏的情况。
从发光管内表面开始的深度4μm的平均碱金属浓度不同的上述18种试样，是调整了发光管成形后的熔融石英玻璃原管内表面的碱金属浓度的试样，并且对该内表面进行化学腐蚀，调整到各种浓度而得到的。
从图2可知，从发光管内表面开始的深度4μm的平均碱金属浓度在10wt.ppm以下，可以将腐蚀后的破损率控制在30％以下。并且可以确保300小时后的平均照度维持率在50％以上。
从上述排除劣质品的目的出发，“腐蚀后的破损率在30％以下”，该破损率是足够的。通过水银灯功率来判断照度维持率优劣的基准是各式各样的，但用现有方法制造的水银灯的平均照度维持率小于50％，“300小时后的平均照度维持率在50％以上”就是基于上述的邻界值。
以下，对从发光管内表面开始的深度4μm的平均碱金属浓度的分析法进行简要说明。该分析法为无框架(frameless)原子吸光法(FL-ASS)，分析仪器使用市售品(HITACH制造)。测定原理是公知的，利用各元素吸收固有波长的光，即光的吸光度(光的衰减量)。具体地讲，使特定的光穿过被检测体，测定此时的吸光度，根据吸光度的大小，来评价被检测体中所含的各元素的含量。
作为本发明的分析方法，首先作成检测线。准备若干种目标元素的已知浓度的溶剂，作成浓度对吸光度的检测线。然后，向溶解了高纯度玻璃(合成石英玻璃)的氟酸(HF)溶液中加入纯水，将HF浓度稀释到5％。然后加入任意浓度的碱金属，测定该溶液的吸光度。然后，绘制对于所添加的碱金属量的吸光度变化图表，作成检测线。根据该检测线，确定试样中的碱金属含量。
以下是玻璃表层中的碱金属浓度的评价方法，其步骤如下。
i)在玻璃管内注满腐蚀液，对管内表面均匀地进行腐蚀。在此过程中不要使管的外侧被腐蚀。腐蚀溶液使用47％HF(28±1℃)。
ii)测量腐蚀前后的玻璃管的重量差，求出腐蚀重量。玻璃管的重量使用微量天平(microbalance)和电子天平进行称量。
iii)另一方面，在腐蚀前后用显微测长器测量玻璃管的内径，求出壁厚方向的变化量。此时，将玻璃管放入折射率调整液中，来补偿在玻璃管表面(曲面)上的折射率的影响。
iv)根据上述ii)和iii)，推导出腐蚀重量和壁厚变化量之间的关系。
v)对金属管内表面进行任意时间的腐蚀，然后评价该腐蚀液中所含的碱金属浓度。
vi)反复进行腐蚀操作，根据腐蚀重量求出壁厚的减少量(从最表面开始的深度)，求出内径方向上的碱金属浓度。
将碱金属浓度的单位从ng/μm换算为wt.ppm的方法如下。在本实施例中，厚度1μm的玻璃重量约为4mg。因此上述值除以4mg就可以从ng/μm换算为wt.ppm。
此外，本发明的超高压水银灯不限于直流亮灯，也适用于交流亮灯。这是因为，发光管内表面层上的碱金属引起的失透(照度维持率下降)现象的抑制效果与直流亮灯时的相同。
此外，本发明的超高压水银灯，可以适用于将灯的长度方向轴垂直配置、水平配置、倾斜配置等各种亮灯姿势。
此外，当将本发明的超高压水银灯内置在凹面反射镜中时，可以采用这样的结构，即在凹面反射镜上设置前面玻璃等，使其处于密封或者大致密封状态，或者不设置前面玻璃而使其处于开放状态。
权利要求
1.一种超高压水银灯，在由熔融石英玻璃制成的放电容器中，相对配置一对电极，在该放电容器中封入0.15mg/mm3以上的水银，其特征在于，从该放电容器内表面开始的深度4μm的区域的碱金属浓度为10wt.ppm以下。
全文摘要
本发明提供一种能同时解决放电容器的失透现象和放电容器的破损的超高压水银灯。该超高压水银灯，在由熔融石英玻璃制成的放电容器中，相对配置一对电极，在该放电容器中封入0.15mg/mm
文档编号H01J17/02GK1459820SQ0311019
公开日2003年12月3日 申请日期2003年4月16日 优先权日2002年5月20日
发明者福岛谦辅 申请人:优志旺电机株式会社