专利名称：高压水银灯和灯装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及高压水银灯和灯装置。特别是涉及作为投影仪等的光源而使用的高压水银灯之中，水银封入量比较多的灯。
图1示出在特开平2-148561号公报公开的高压水银灯的构造。图1所示的灯1000由以石英作为主成分的发光管1，和在其两侧延伸的一对侧管部(密封部)2构成。在侧管部2上埋设金属制的电极构造体，应当能够从外部把电力供给发光管内。电极构造体采取顺序电连接钨(W)制电极3，钼(Mo)箔4，外部引线5的构造。在电极3的前端上缠绕线圈12。在发光管1内封入作为发光源的水银(Hg)，氩气(Ar)以及少量卤素气体(未图示)。
简单说明灯1000的工作原理。如果在一对外部引线5的两端施加起动电压，则引起Ar放电，使发光管1内温度上升。通过该温度上升，Hg原子蒸发，作为气体充满发光管1内。该Hg在两电极3之间利用从一方的电极3放出的电子被激发而发光。因此作为发光源的Hg蒸气压越大，越放出高亮度的光。由于Hg蒸气压越大，则两电极间的电位差(电压)越变大，所以在相同额定功率下点灯时，可以减小电流。这认为可以减小对电极3的负担，涉及到灯的长寿命化。因此，越增高Hg蒸气压，越可以制成亮度、寿命特性优良的灯管。
可是，从物理上的耐压强度观点出发，现有的高压水银灯实用上在15～20MPa(150～200大气压)左右的Hg蒸气压下使用。在特开平2-148561号公报上公开了Hg蒸气压200巴～350巴(与约20MPa～约35MPa相当)的超高压水银灯，然而，在考虑可靠性或寿命等现实的使用中，在15～20MPa(150～200大气压)左右的Hg蒸气压下使用。
目前，虽说提高耐压强度的研究、开发，但是现状是还没有实际耐用那样的、Hg蒸气压超过20MPa的高耐压的高压水银灯的报告。其中，本申请发明者成功地完成了约30～40MPa或更高(约300～400大气压或更高)的高耐压的高压水银灯，并在特愿2001-267487号以及特愿2001-371365号上公开。
具有这种极高耐压的高压水银灯由于是在按照现有技术不能达到的水银蒸气压下工作的缘故，所以不能预测其特性以及举动究竟是怎样的。在本申请发明者进行该高压水银灯的点灯试验时，如果工作压力一超过现有的20MPa，尤其是超过大约30MPa，则可以看到灯黑化。
本发明的高压水银灯，具有至少在管内封入有水银的发光管和保持前述发光管的气密性的一对密封部，前述密封部的至少一个具有从前述发光管延伸的第一玻璃部和在前述第一玻璃部内侧的至少一部分上设置的第二玻璃部，而且该一个密封部具有施加有压缩应力的部位，另外，在前述发光管和前述一对密封部之中的至少一部分上设置有电热丝。
以前述发光管的容积为基准，优选前述水银的封入量为230mg/cm3以上。
在某种适宜的实施方式下，以前述发光管的容积为基准，前述水银的封入量为300mg/cm3以上，卤素被封入前述发光管内，前述高压水银灯的管壁负荷为80W/cm2以上，而前述电热丝为加热前述发光管的装置。
前述电热丝缠绕在前述密封部的至少一个即可。
在某种适宜的实施方式下，从前述的一对密封部各自的端部伸出外部引线，前述外部引线的至少一侧与前述电热丝的一端电连接。
在前述电热丝的一部分上设置将与前述外部引线的电连接进行接通断开的开关，前述电热丝在点灯前与前述外部引线电连接，而在点灯后与前述外部引线的电连接被切断，而是电连接到向前述电热丝通电的电源上。
在某种适宜的实施方式下，前述电热丝可以在前述电热丝的一部分上设置切断与前述外部引线的电连接的开关。
在某种适宜的实施方式下，一对电极棒被相互对置地配置在前述发光管内，前述一对电极棒中的至少一个电极棒与金属箔相连接，前述金属箔被设在前述密封部内，而且该金属箔的至少一部分位于前述第二玻璃部内。
在某种适宜的实施方式下，在埋入前述至少一个密封部的部分中，前述电极棒的至少一部分上缠绕有至少在表面上具有从由Pt、Ir、Rh、Ru、Re组成的组中选择的至少一种金属的线圈。
在某种适宜的实施方式下，在前述密封部内，设置与前述第二玻璃部相连接的供电用的金属部，前述压缩应力施加在前述密封部的至少长度方向上，前述第一玻璃部含99重量％以上的SiO2，前述第二玻璃部含15重量％以下的Al2O3和4重量％以下的B中的至少一种，和SiO2。
本发明的其他高压水银灯，具有至少在管内封入有水银、且相对地配置一对电极棒的发光管和从前述发光管延伸的密封部，在埋入至少一个前述密封部的部分中，前述电极棒的至少一部分上缠绕有至少在表面上具有从由Pt、Ir、Rh、Ru、Re组成的组中选择的至少一种金属的线圈，另外，在前述发光管和前述一对密封部之中的至少一部分上设置电热丝。
本发明的另外的高压水银灯具有至少在管内封入有水银的发光管和保持前述发光管的气密性的一对密封部，以前述发光管的容积为基准，前述水银的封入量为230mg/cm3以上，在前述发光管和前述一对密封部之中的至少一部分上设置有给前述发光管加热的加热装置。
在某种适宜的实施方式下，前述加热装置为电热丝，以前述发光管的容积为基准，前述水银的封入量为300mg/cm3以上，卤素被封入前述发光管内，前述高压水银灯的管壁负荷为80W/cm2以上。
也还可以还具备测定前述发光管温度的装置。
在某种适宜的实施方式下，前述测定温度的装置为热电偶。
在某种适宜的实施方式下，前述加热装置具有在点灯的同时或在点灯后加热前述发光管的构造。
在某种实施方式下的高压水银灯，具备在管内对置配置了一对电极的发光管和从前述发光管延伸的、内部具有前述电极一部分的密封部，在位于前述密封部内的部分的前述电极的至少一部分表面上，形成有利用从由Pt、Ir、Rh、Ru、Re组成的组中选择的至少一种金属构成的金属膜。
在某种实施方式下，前述电极通过熔接与被设在前述密封部内的金属箔相连接，前述金属膜不在与前述金属箔的连接部位形成，而在被埋在前述密封部内的前述电极的表面形成。构成前述金属膜的前述金属的一部分也可存在于前述发光管内。前述金属膜优选具有下层由Au层、上层由Pt层组成的多层构造。
在某种实施方式下的高压水银灯，具备在管内对置配置了一对电极的发光管和从前述发光管延伸的、内部具有前述电极一部分的密封部，位于前述密封部内的部分前述电极上，缠绕有在表面上具有从由Pt、Ir、Rh、Ru、Re组成的组中选择的至少一种金属的线圈。
在某种实施方式下，前述金属箔以及前述电极的一部分埋设在在前述密封部内，在被埋入前述密封部内的前述电极上，缠绕有在表面上具有从由Pt、Ir、Rh、Ru、Re组成的组中选择的至少一种金属的线圈。前述线圈优选具有下层由Au层、上层由Pt层组成的多层构造的金属膜。
在某种实施方式下的前述高压水银灯，具有在管内封入有发光物质的发光管和保持前述发光管的气密性的密封部，前述密封部具有从前述发光管延伸的第一玻璃部和在前述第一玻璃部内侧的至少一部分上设置的第二玻璃部，而且前述密封部具有施加有压缩应力的部位，前述施加有压缩应力的部位从由前述第二玻璃部、前述第二玻璃部与前述第一玻璃部的边界部、前述第二玻璃部之中的前述第一玻璃部一侧的部分以及前述第一玻璃部之中的前述第二玻璃部一侧的部分组成的组中选择。在某种实施方式下，在前述第一玻璃部与前述第二玻璃部的边界周围存在由于两者的压缩应力差而产生的变形边界区域。在前述密封部内，作为与前述第二玻璃部相连接的金属部，优选设置供电用的金属部。前述压缩应力施加在前述密封部的至少长度方向上即可。
在某种实施方式下，前述第一玻璃部含99重量％以上的SiO2，前述第二玻璃部含15重量％以下的Al2O3和4重量％以下的B中的至少一种，和SiO2。前述第二玻璃部的软化点比第一玻璃部的软化点温度低。前述第二玻璃部优选是由玻璃管而形成的玻璃部。而，前述第二玻璃部优选不是将玻璃粉末压缩形成并烧结得到的玻璃部。在某种实施方式下，被加在施加前述压缩应力的部位上的压缩应力为约10kgf/cm2以上约50kgf/cm2以下。或者，前述压缩应力的差为约10kgf/cm2以上约50kgf/cm2以下。
在某种实施方式下，一对电极棒被相互对置地配置在前述发光管内，前述一对电极棒中的至少一个电极棒与金属箔相连接，前述金属箔被设在前述密封部内，而且该金属箔的至少一部分位于前述第二玻璃部内，作为前述发光物质至少将水银封入前述发光管内，前述水银的封入量为300mg/cc以上，前述高压水银灯的平均显色评价数Ra超过65。优选前述高压水银灯的色温度为8000K以上。
本发明的灯装置具备高压水银灯和反射从前述高压水银灯发出的光的反射镜，前述高压水银灯，具有至少在管内封入有水银的发光管和保持前述发光管的气密性的一对密封部，前述密封部的至少一个具有从前述发光管延伸的第一玻璃部和在前述第一玻璃部内侧的至少一部分上设置的第二玻璃部，而且该一个密封部具有施加有压缩应力的部位，在前述发光管和前述一对密封部之中的至少一部分上设置电热丝。
本发明的其他灯装置，具备高压水银灯和反射从前述高压水银灯发出的光的反射镜，而前述高压水银灯，具有至少在管内封入有水银的发光管和保持前述发光管的气密性的一对密封部，前述密封部的至少一个具有从前述发光管延伸的第一玻璃部和在前述第一玻璃部内侧的至少一部分上设置的第二玻璃部，而且该一个密封部具有施加有压缩应力的部位，在前述反射镜的至少一部分上设置有电热丝。
以前述发光管的容积为基准，优选前述水银的封入量为230mg/cm3以上。
本发明的另一种灯装置，具备高压水银灯和发射从前述高压水银灯发的光的反射镜，而前述高压水银灯，具有至少在管内封入有水银的发光管和保持前述发光管的气密性的一对密封部，以前述发光管的容积为基准，前述水银的封入量为230mg/cm3以上，在前述发光管和前述一对密封部之中的至少一部分上设置加热前述发光管的加热装置。
在某种适宜的实施方式下，以前述发光管的容积为基准，前述水银的封入量为300mg/cm3以上，卤素被封入在前述发光管内，前述高压水银灯的管壁负荷为80W/cm2以上。
在某种适宜的实施方式下，还具备测定前述发光管温度的装置。
在某种适宜的实施方式下，前述测定温度的装置为热电偶，前述热电偶被设置在从由前述高压水银灯的一部分、前述反射镜的一部分以及组装了前述反射镜的灯系统的一部分组成的组中选择出的至少一个部位处。
在某种适宜的实施方式下，前述加热装置为电热丝，前述电热丝作为引线而起作用。
图2(a)及(b)是表示高压水银灯1100构成的模式图。
图3是表示高压水银灯1200构成的模式图。
图4是表示高压水银灯1300构成的模式图。
图5(a)是表示高压水银灯1400构成的模式图，(b)是表示高压水银灯1500构成的模式图。
图6(a)是表示高压水银灯100构成的模式图，(b)是表示本发明实施方式的高压水银灯200构成的模式图。
图7是表示本发明实施方式的高压水银灯200点灯系统构成的模式图。
图8是表示点灯工作压力为20MPa以及40MPa的灯的光谱图。
图9是用于说明点灯时发光管的温度分布的灯的模式图。
图10是表示灯100以及灯200的温度测定结果的图。
图11是表示灯100以及灯200的点灯功率随时间变化的图。
图12是表示灯100以及灯200的点灯电流随时间变化的图。
图13是本发明实施方式的灯200的变形例。
图14是本发明实施方式的灯200的变形例。
图15是表示将灯200组装到镜子上的灯装置构成的模式图。
图16是表示将灯200组装到镜子上的灯装置构成的模式图。
图17是表示灯200的具有温度测定装置的点灯系统构成的模式图。
图18是表示灯200的具有起动辅助功能的点灯系统构成的模式图。
尽管工作压力大于30MPa，可以耐实用的高压水银灯的开发却极为困难，然而例如利用图2所示的构造，成功完成极高耐压的灯。图2(b)是沿图2(a)中b-b线的截面图。
图2所示的高压水银灯1100是在特愿2001-371365号上公开的，包括发光管1；具有保持发光管1气密性的一对密封部2，并且密封部2的至少一个具有从发光管1延伸的第一玻璃部8和设置在第一玻璃部8的内侧的至少一部分的第二玻璃部7，而且，该一个的密封部8具有施加有压缩应力的部位(20)。
密封部2中的第一玻璃部8，含有99重量％以上SiO2，例如由石英玻璃构成。另一方面，第二玻璃部7含有15重量％以下的Al2O3和4重量％以下的B中至少一种，和SiO2，例如，由维克高硼硅酸耐热玻璃构成。如果在SiO2内添加Al2O3或B，则由于玻璃的软化点下降，所以第二玻璃部7的软化点比第一玻璃部8的软化点还低。所谓维克高硼硅酸耐热玻璃(Vycor glass商品名)是在石英玻璃内混入添加物使软化点下降、加工性比石英玻璃高的玻璃，其组成例如为二氧化硅(SiO2)96.5重量％，氧化铝(Al2O3)0.5重量％，硼(B)3重量％。在本实施方式由维克玻璃制的玻璃管形成第二玻璃部7。也能用以SiO262重量％、Al2O313.8重量％、CuO23.7重量％作为成分的玻璃管取代维克制的玻璃管。
在密封部2的一部分上所加的压缩应力实质上超过零(即0kgf/cm2)即可。通过该压缩应力的存在，可以使耐压强度比现有构造更高。该压缩应力优选约10kgf/cm2以上(约9.8×105N/m2以上)，而且优选约50kgf/cm2以下(约4.9×106N/m2以下)。如果不足10kgf/cm2，则压缩变形小，而可能发生不能充分提高灯耐压强度的情况。而优选约50kgf/cm2以下的原因是，为实现超过50kgf/cm2那样的构造，实用的玻璃材料并不存在。但是即使不足10kgf/cm2，如果实质上超过零值，则也可以使耐压比现有的构造高，此外，如果开发可以实现超过50kgf/cm2那样构成的实用材料，则第二玻璃部7也可以有超过50kgf/cm2的压缩应力。
位于放电空间内一端的电极棒3与密封部2内设置的金属箔4通过熔接加以连接，金属箔4的至少一部分位于第二玻璃部7内。在图2所示的构造，作成第二玻璃部7覆盖包括金属棒3和金属箔4的连接部处位置的构造。如果以图2所示的结构中的第二玻璃部7的尺寸为例，则密封部2的纵向的长度为约2～20mm(例如约3mm、5mm、7mm)，在第一玻璃部8和金属箔4之间夹持的第二玻璃部7的厚度约为0.01～2mm(例如为0.1mm)。从第二玻璃部7的发光管1侧的端面到发光管1的放电空间的距离H例如为0mm～约3mm，而且，从金属箔4的发光管1侧的端面到发光管1的放电空间的距离B(换言之，只是不包括与金属箔4的连接部的电极棒3埋入密封部2内的长度)例如为约3mm。
图2所示的灯1100，也可能改变成如图3所示。图3所示的高压水银灯1200具有如下的结构在位于密封部2内的部分的电极3上缠绕有在表面处具有从由Pt、Ir、Rh、Ru、Re形成的组中选择的至少一种金属的线圈40。在这里，线圈40典型地在其表面具有下层由Au层、上层由Pt层形成的多层构造的金属膜。在大量生产的情况下，具有若干制造工艺上的缺点，然而，如图4所示的高压水银灯1300那样，位于密封部2内的部分的电极3的至少一部分表面也可以形成利用从由Pt、Ir、Rh、Ru、Re形成的组中选择的至少一种金属而构成的金属膜30以取代线圈40。如果与图2～图4所示的构造比较，虽说耐压低下，但是如图5(a)及(b)所示那样，具有不用第二玻璃部7而用线圈40或金属膜30的结构的高压水银灯1400、1500，在实用上可使用的水平下，可以实现30MPa以上的工作压力。
本申请发明者在试制图2所示的、点灯中的Hg蒸气压超越30MPa(300大气压)的灯后，进行点灯试验时，可以看到一旦工作压力成为大约30MPa以上，则灯黑化。黑化是在点灯中W电极3的温度上升，从W电极蒸发的W(钨)附着在发光管内壁而产生的现象，如果就这样继续点灯，则会破裂。
在这里，如是在现有的15～20MPa(150～200大气压)左右下的点灯，在发光管内封入卤素气体，则与发光管内壁附着的钨反应成为卤化钨。卤化钨在发光管内悬浮，一旦到达温度高的W电极前端，由于解离为原先的卤素和钨，所以钨返回电极的前端。此称为卤循环，然而，在现有的灯的Hg蒸气压下，由于该卤循环，灯不黑化，可点灯。可是，根据本申请发明者的实验可以看出，如果在30MPa(300大气压)以上，该循环没有发挥良好的功能。即使是在大于30MPa的情况下黑化显著，但为了提高作为实际使用的可靠度，在不限于30MPa以上、超过20MPa的水平(例如23MPa以上的水平或25MPa以上的水平)时、也有必要寻求对黑化问题的对策。
本申请发明者通过控制发光管1的温度，查明可以解决其黑化的问题，达到完成本发明。以下参照附图，对本发明的实施方式加以说明。然而本发明并不限于以下的实施方式。
(实施方式1)以下，参照
本发明的实施方式。图6(a)是表示水银封入量为230mg/cm3以上的高压水银灯100。高压水银灯100典型的是从图2到图5(a)及(b)所示的高压水银灯1100-1500。
与图2等所示的构造相同，在图6(a)中所示的高压水银灯100具有至少在管内封入有水银6的发光管1和保持发光管1的气密性的一对密封部2。以发光管1的容积为基准，水银6的封入量为230mg/cm3以上(例如250mg/cm3以上或300mg/cm3以上。有些情况下是超过350mg/cm3或350-400mg/cm3或此以上)。
一对电极(或电极棒)3被相互对置地配置在发光管1内，电极3通过熔接与金属箔4相连接。典型的金属箔4为钼箔，被设在密封部2内。高压水银灯100在图2所示的高压水银灯1100的情况下，金属箔4的至少一部分位于第二玻璃部7内。
图6(b)表示本实施方式的高压水银灯200的构造。如图6(b)中所示的那样，高压水银灯200在图6(a)中所示的高压水银灯100上，设置有加热发光管1的加热装置10。在此，加热装置10为电热丝，该电热丝被绕在发光管1和一对密封部2之中的至少一部分上。在本实施方式下，电热丝10缠绕在密封部2处。更具体地说，电热丝10从一个密封部2开始绕，然后跨过发光管1，绕在另一个密封部2上。圈数分别为30圈左右。在本实施方式下，使用不容易氧化的坎塔尔电阻丝(kanthal)作为电热丝。
更详细地说明灯100以及灯200的构造。灯100(或灯200)是由以石英为主要成分的发光管1和在其两侧延伸的一对密封部(侧管部)2组成，具备两个密封部2的双头型灯。发光管1呈近似球形，例如外径为5mm-20mm左右，玻璃厚度例如为1mm-5mm左右。另外，发光管1内的放电空间的容积为例如0.01cc-1cc(0.01cm3-1cm3)左右。在本实施方式下，使用外径为10mm左右、玻璃厚度为3mm左右、放电空间的容积为0.06cc左右的发光管1。
在发光管1内，一对电极棒3被相互对向地设置。电极棒3的端部以0.2-5mm左右的间隔(电弧长)设置在发光管内。在本实施方式下，确定电弧长为0.5-1.8mm。另外，本实施方式的灯是交流点灯的。这样，密封部2具有通过收缩的方法制作的收缩构造。另外，在发光管1内，封入300mg/cc以上的作为发光源的水银6。在本实施方式下，封入400mg/cc。还封入5-40kPa的稀有气体(例如Ar)和根据需要封入少量的卤素。在本实施方式下，封入20kPa的Ar，以CH2Br2的形式将卤素封入发光管内。CH2Br2的封入量为0.0017-0.17mg/cc左右，这个换算为灯动作时的卤素原子密度的话，相当于0.01-1μmol/cc左右。而在本实施方式下，约为0.1μmol/cc左右。另外在点灯时的加在发光管内壁上的管壁负荷为例如60W/cm2以上。在本实施方式下，以120W的条件点灯，其管壁负荷为150W/cm2以上。
接下来，对灯200的动作以及抑制黑化的效果继续说明。
首先，如图7所示的那样，在将灯200与点灯电路(镇流器)32进行电气连接的同时，将电热丝10与电源装置22进行电气上的连接。如更详细地叙述的话，就是将电热丝10的两端11与电源装置22连接，然后将外部引线5的两端与点灯电路(镇流器)32相连接。
接下来，打开点灯电路32的开关，点亮灯200。在数秒后，使电源装置22动作，加热灯200。使电源装置22动作的操作与使点灯电路32动作的操作既可同时进行，也可在数分以内进行。另外，为加热电热丝10所需的功率在10-50W左右是适当的。在本实施方式下，供给10W的功率。
将没有电热丝10的灯100和本实施方式的灯200各点10盏几个小时。另外，所有20盏的水银的封入量都为350mg/cc，无电热丝10的灯100是如图2所示的灯1100，灯200是在该灯1100上绕电热丝10而构成的。
在此，灯100仅将点灯电路32接在外部引线5的两端后而点灯。另外，灯200将点灯电路32接在两端，在点灯后通过接在电热丝10的两端11上的电源装置22使电热丝10通电，使发光管1的温度升高。其结果是灯100在点灯数小时后，全部发生了黑化。而灯200却全部没有发生黑化而持续地点灯。这被认为是通过使灯的温度(特别是发光管内的温度)变化，可以使卤素循环很好地发挥作用的结果。有关于此的详细在后面叙述。
另外，本专利发明人用灯100以及灯200的构造的灯，使水银封装量为250、300、350mg/cc而各准备3盏。让这些灯与上述试验相同地点灯数小时。
对于灯100，300mg/cc以上的灯全部发生黑化而破裂。但是水银封装量为250mg/cc的灯没有发现黑化。另外，按灯200构成的灯中，任何灯都可以不发生黑化地点灯。
在30MPa以上的点灯工作压力下灯发生黑化是本专利发明人首次发现的。这是因为从前不存在在实用水平上可以使用的点灯工作压力在30MPa以上的灯。
点灯工作压力为30MPa以上的灯发生黑化的明确理由在现阶段还没有明确。由于不知道其明确的理由，实际上，本专利发明人为了防止黑化尝试了各种各样的措施和方法。例如点灯工作压力在30MPa以上的灯与15-20MPa的灯相比较的话，灯(特别是发光管)的温度更高这点可以得到确认，所以考虑这个发光管的温度升高是否为黑化的原因，而在点灯时使发光管冷却降低发光管的温度，但是没能因此防止黑化的问题。还进行了其他种种的尝试，还是没能有效地防止黑化的问题。在实验中，从反过来看加热发光管会如何的想法出发，试着将发光管的温度升高，竟成功地防止了黑化。从这个成功的例子推论，考虑黑化是否由于以下的理由而被防止。
点灯工作压力为30MPa以上的灯，通常更多地封进作为发光源的Hg。所以，从电极放出的电子与Hg原子的碰撞次数比点灯工作压力为20MPa的灯要多，Hg的激发频度也多。另外，由于电子移动度减小，与20MPa的灯相比，电弧更细。其结果是，电弧的单位体积的能量变大，可以形成更高亮度的高温电弧。因此，电弧端部7的温度变高，与20MPa的灯相比，钨的蒸发量更多。另外，因为还存在许多被拉向阴极而喷溅电极的Hg离子，由于这个结果也使钨的蒸发量变多。即，与20MPa的灯相比，由于电弧温度高，游离的Hg和钨增多，所以在发光管内引起的对流也比20MPa的灯大，使更多的钨被运送到发光管的内壁上。
另外，点灯工作压力为30MPa以上的灯与点灯工作压力为20MP的灯相比，从电弧放出的放射热能更大，在20MPa的灯上保持的发光管的热平衡被破坏。以下，参照图8以及图9对这个热平衡的破坏进行说明。
图8是表示点灯工作压力为20MPa以及40MPa的灯的光谱的图。如图8所示的那样，如加大点灯工作压力，则红外部分的发光增加。因此，来自电弧的放射热能，在点灯工作压力大的情况下变大。这在容易受来自电弧的放射热能影响的区域(图9(a))和不容易受来自电弧的放射热能影响的区域(图9(b))之间，因更大放射热能而产生的温度差扩大。其结果是在20MPa的灯上保持的发光管的热平衡在30MPa的灯上被破坏。另外，由于发光管内的对流变大，热量被从发光管的下部向上部运送，所以在上部和下部热平衡都被破坏。
可以推论由于以上的状态在30MPa的灯上发生，其热平衡被破坏，所以在30MPa的灯上附着在发光管内壁上的钨不能通过卤素循环回到电极，因而发生了黑化。
本专利发明人发现通过积极地控制发光管1的温度，可以抑制黑化，而在灯上设了加热装置(10)。通过依靠加热装置(10)积极地控制发光管1的温度，可以通过温度上升促进发光管内壁上的反应，其结果是可以认为附着在发光管内壁上的钨W能回到电极上。
另外，本实验确认了在30MPa以上的灯上发生了黑化，但是即使是在30MPa以下的灯，而对于超过20MPa的灯(即，具有超过现有15-20MPa的灯的点灯工作压力的灯。例如，23MPa以上或25MPa以上的灯)，为了保证在更长时间内不发生黑化，现实中希望设置加热装置(电热丝)10，来积极地控制发光管1的温度从而抑制黑化。即，由于在大量地生产灯时，灯的特性总会出现偏差，即使是点灯工作压力为23MPa左右的灯，也可能有1盏或几盏灯发生黑化，所以为了确实保证防止黑化，对于现有超过15-20MPa的灯，优选设置加热装置(电热丝)10。当然，由于随着点灯工作压力变得更高，换句话说，与30MPa相比40MPa的灯的黑化的影响变大，所以不用说也知道通过加热装置(电热丝)10抑制黑化的技术意义变大。
接下来，叙述使用辐射温度计，测定灯100以及灯200温度的结果。测定了灯100的温度后，将电热丝10绕在那个灯100的密封部2上，制作灯200如图7所示将灯200点灯。即，灯200与灯100仅仅是在有无电热丝10上不同的同样的灯。
灯100以及灯200的温度测定，在点灯开始后的30分钟以后进行，对于两种灯分别测定了发光管部外表面的上部(图7中的(A))、下部(图7中的(B))、以及侧部(图7中的(C))的3点。
其结果表示在图10中。灯100的情况是上部A为920℃、下部B为780℃、侧部C为700℃，而灯200的情况是上部A为930℃、下部B为820℃、侧部C为840℃。通过用电热丝10加热灯，发光管上部、下部和侧部的温度上升分别为10℃、40℃和140℃。这样用具有加热灯的装置的构造，使发光管的温度分布变化，可以按照意图作出不发生黑化的温度条件。
另外测定了上述灯点灯后的功率以及电流。将其功率以及电流的随时间的变化在图11以及图12中表示。
图11的竖轴表示功率，一格表示100W。横轴表示时间，一格表示20秒。从图11可知的那样从点灯一开始之后功率渐渐地变大，在某个时间内功率达到达到点灯功率120W。这个时间对灯100为115秒，对灯200为83秒。即，通过加热发光管达到点灯功率的时间快了约30秒以上。功率的大小也被反应在光束上，光束发出的时间同样地快了约30秒，灯200的构造对于加快发出光束也有效果。
另外，图12的竖轴表示电流，一格表示1A。横轴表示时间，一格表示20秒。在点灯刚开始后，由于Hg的蒸发少，所以如图12所示的那样，电压非常小。所以流过大电流，但是为了减轻对电极的负担用点灯电路限制这个在初期流的电流。这叫限制电流。
在点灯开始后，长时间流过限制电流，而当Hg充分蒸发后电压变大，经过某个时间后电流也开始变小。限制电流流动的时间愈小，对电极的负担就愈小，而可以提供长寿命的灯。进行了电流值的测定的结果是，灯100和灯200上限制电流流过的时间分别为115秒和83秒。灯200可以以缩短约30秒。这意味着本实施方式的灯200是既对电极的负担小，也可以有效地提高灯寿命的构造。
由于根据本实施方式的高压水银灯，设置了加热发光管1的加热装置(电热丝)10，所以即使封装的水银量在230mg/cm3以上(例如，300mg/cm3以上)，也可以抑制黑化。
另外，在本实施方式的构造中，是跨过发光管1将电热丝10绕在两侧的密封部2上的，也可以如图13所示的那样，在一对密封部2上分别绕电热丝10。或者，也可以仅在其中任一个密封部2上绕。在其中任一个密封部2上绕电热丝10的情况下，也可以在另一个密封部2上设置保温膜以进行温度的调整。另外，也可在发光管1的一部分上绕电热丝1。
另外，本实施方式的灯将难以氧化的坎塔尔电阻丝用作电热丝，但是也可用镍铬合金丝等其他的电热丝。另外，作为加热装置，也是全部用电热丝进行说明的，但是不限于此，也可以使用卤素加热器或者高频感应加热装置等其他的加热装置。另外，虽然典型的加热部位是如图6(b)所示的那样，是包含密封部2中埋入电极3的那部分的外周的位置(密封部2的发光管1一侧的位置)，但是只要是可以控制发光管1的温度而能抑制黑化的位置，其位置不必被限定。例如，如图14所示的那样，也可以选择包含密封部2中埋入外部引线5的那部分的外周的位置(密封部2的外部引线5一侧的位置)。或者在高压水银灯200与镜子(反射镜)500相组合而作为灯装置(或者带镜子的灯)构成的情况下，也可以如图15所示的那样，在镜子上绕电热丝(加热装置)10。另外，也可以将加热装置10配置在装了灯或灯装置的灯系统的一部分处。即，只要可以使发光管1的温度按照意图变化而达到防止黑化的目的，本领域人员可以适当地设定其加热装置或加热部位。为了防止万一高压水银灯200发生破裂如图15及16所示的那样，灯装置的镜子500在其前面的开口部分上设置前面玻璃510，优选作成密封型，但是如果采取了安全措施，也可以是非密封型的镜子。为了达到装置的小型化，也可以将电源装置22和点灯电路32作成一体型的。
(实施方式2)接下来，说明本发明的实施方式2。本实施方式的构造是在上述实施方式1上，追加温度管理功能。
例如，如图17所示的那样，若在灯200的“a”的部位上装热电偶40，可以追加控制温度的功能。这样地设置温度测定装置(40)，可以更正确地控制温度。
在本实施方式的构造中，是将测定温度的测定系统装在电源装置22内，当测定的温度比规定温度低时，接通开关50向电热丝10通电，而当测定的温度比规定温度高时，断开开关50那样进行控制。当开关断开时，电热丝10作为放射丝发挥作用，而有降低温度的效果。因此可以平滑地进行温度调整。
另外，温度测定不限于热电偶，也可以测定红外放射。作为测定部位，不限于图17中的“a”的部位，既可以是灯的密封部(例如图17的“b”)、或镜子的一部分(例如图16的“c”)，也可以配置在装了灯或灯装置的灯系统的一部分上。即，只要是可以测定温度，控制发光管的温度保持恒定，适宜地决定其温度测定装置以及测定部位即可。
(实施方式3)接下来，说明本发明的实施方式3。本实施方式的构造是在上述实施方式1上，进一步追加了起动辅助功能。
例如，如图18所示的那样，通过可以使从灯200的电热丝10延伸的端部11，经开关50，连接到从被电连接于点灯电路32上的导线61分支的导线60上，可以降低灯200的起动电压。
接下来，对这个灯200的动作原理进行说明。首先，在灯200的点灯之前，将开关50接到端子51一侧上。在灯200的点灯开始之后将开关50的连接切换到端子52一侧上，开始进行灯200的加热。按这个顺序将灯200点灯的话，现有灯上的5-10kV的起动电压在本实施方式的灯200上，变成约为1kV以下。
能降低起动电压的理由，则如以下说明。在使灯200点灯开始时，被加上来自点灯电路32的高压脉冲。这个高压脉冲通过导线61也加在电热丝10上。即，电热丝10起到起动辅助线(触发线)的作用，而可以降低灯200的起动电压。
另外，上述的实施方式1-3，可以互相适用。换句话说，既可以将上述实施方式2的构造和实施方式3的构造组合，也可以将上述实施方式1的变形例和实施方式2以及/或者3的构造组合。另外，如果是具有点灯工作压力超过现有灯的15MPa-20MPa的点灯工作压力的灯，高压水银灯的黑化则是必须回避的问题，所以灯200不限于图2-图5所示的灯1100-1500，而只要是其他的具有优良的高耐压特性超过20MPa的灯(例如23MPa以上，特别是30MPa以上的灯)即可。
另外，对于从上述实施方式1到3的黑化，卤素密度与发光管温度的关系也有影响，所以在例如选择CH2Br2作为封装卤素的情况下，优选单位发光管内的容积封入0.0017-0.17mg/cc。换算成卤素原子密度表示，则优选在0.01-1μmol/cc左右。这是因为不到0.01μmol/cc的话，大部分的卤素与灯中的不纯物质反应，结果使卤素循环不起实质的作用。另外，如果超过1μmol/cc，则在起动时需要的电压变高，变得不能实用。但是，在使用可以加高压的点灯电路的情况下，不适用这个限制。如为0.1-0.2μmol/cc，即使在多少有一些由于制造时的各种因素而引起封入量出现偏差的情况下，仍在卤素循环很好发挥作用的范围内，是更优选的。
另外，在上述实施方式1到3的灯上，管壁负荷若为80W/cm2以上，由于发光管的管壁温度充分上升，封入的水银都蒸发了，所以发光管内单位容积的水银量400mg/cc＝点灯时的工作压力40MPa的近似式子成立。在此，水银封入量若为300mg/cc，则点灯时工作压力变为30MPa。相反地，如果管壁负荷不到80W/cm2，则会发生发光管的温度不能上升到使水银蒸发的温度的情况，近似式子不成立。在不到80W/cm2的情况下，不能得到所希望的工作压力的情况多，另外特别是红光区域的的发光变少不适于作为投影仪光源的情况多。
将上述实施方式的高压水银灯或灯装置(带反射镜的灯)与包含了图像元件(DMD(数字微镜器件Digital Micromirror Device)板或液晶板等)的光学系统组合，可以构成图像投影装置。例如，可以提供使用DMD的投影仪(数字光处理(DLP)投影仪)或液晶投影仪(也包括采用LCOS(Liquid Crystal on Silicon)构造的反射型投影仪)。另外，本发明的灯不仅可以很好地被用作图像投影装置的光源，也可以用于其他的用途。例如，可以用作紫外线分档器的光源、还有竞技运动场用的光源、汽车头灯用光源和照射道路标识的投光器等。
另外，在上述实施方式中，将使用水银作为发光物质的水银灯作为高压放电灯的一个例子进行了说明，但是本发明也可以用于具有依靠密封部保持发光管气密性的构造的金属卤化灯。金属卤化灯是封装了金属卤化物的高压水银灯。即使在卤化灯上，在可靠性方面优选作成提高耐压的构造，以及利用加热装置(10)来控制发光管(1)的温度，由此改变金属卤化物的蒸发量而可以控制发光效率和发光光谱。近年不封入水银的无水银金属卤化灯的开发也在取得进展，对于那样的无水银金属卤化灯这点上也是同样的。
作为无水银金属卤化灯，可以举出如下的灯在如图6(b)等所示的构造中，在发光管1内实质上没有封入水银，而至少封入第一卤化物、第二卤化物和稀有气体。这时第一卤化物的金属是发光物质，第二卤化物与第一卤化物相比，蒸气压大，而且是与前述第一卤化物的金属相比在可视范围内难于发光的一种金属或多种金属的卤化物。例如，第一卤化物是从由钠、钪以及稀土类金属组成的组中选择的一种或多种的卤化物。而第二卤化物则是相对蒸气压大、而且是与前述第一卤化物的金属相比在可视范围内难于发光的一种金属或多种金属的卤化物。作为具体的第二卤化物，是从由Mg、Fe、Co、Cr、Zn、Ni、Mn、Al、Sb、Be、Re、Ga、Ti、Zr以及Hf组成的组中选择的至少一种金属的卤化物。而像至少包含锌的卤化物那样的第二卤化物是更适当的。
另外，如果举出其他组合的例子的话，在具备透光性的发光管(气密容器)1、被设在发光管1内的一对电极3和与发光管1相连接的一对密封部2的无水银金属卤化灯的发光管1内，封装进作为发光物质的ScI3(碘化钪)以及NaI(碘化钠)、作为代替水银的物质的InI3(碘化铟)以及TlI(碘化铊)、和作为起动辅助气体的稀有气体(例如1.4MPa的Xe气体)。在这种情况下，第一卤化物为ScI3(碘化钪)以及NaI(碘化钠)，第二卤化物则为InI3(碘化铟)以及TlI(碘化铊)。另外，第二卤化物只要是蒸气压比较高，而具有代替水银的作用就可以，所以替代InI3(碘化铟)等也可以使用Zn的碘化物。
以上根据适宜的实施方式说明了本发明，这样的记述不是限定事项，不用说，可以进行种种的改变。
另外，虽与本发明的实施方式的灯的构造不同，但是作为利用加热发光管装置的现有技术，也可以举出在特开2001-266797号公报中公开的灯。
在该公报中公开的灯是为了防止在起动时发生的辉光放电，而采取在点灯前加热灯的方法的直流点灯式的灯。在该灯中，以在点灯前加热灯为目的，明确地记载着在点灯后停止加热。另外，这个灯在点灯时是不控制发光管的温度的。实际上，在点灯后如果电热丝完全不通电的话，30MPa以上的点灯工作压力的灯是侧管部会从绕有电热丝的部分折断。这被认为是因为电热丝总是作为放热丝而起作用，那部分的压力平衡被破坏从而发生龟裂。即在点灯中玻璃伴随着温度升高而要膨胀，如果从外部强制地冷却的话，与膨胀相反的力从外表面作用。由此推论引起了玻璃的破裂。特别是在30MPa以上的点灯工作压力下，加在发光管上的压力大，这个效果就明显地显现出来。
另外，在特开平2-148561号中公开的灯(参照图1)，在该公报中表示其Hg蒸气压为200巴到350巴(相当于约20MPa-35MPa)，但是通过本专利发明人的研究发现如将这个灯以30MPa以上的工作压力点灯，在开始的6个小时的点灯中会以数成以上的概率发生了破损。可以预想到在实用水平所要求的2000小时的点灯中更多的灯会发生破损，在如图1所示构成的灯中，在实用水平下达到30MPa以上的工作压力在现实中是困难的。
根据本发明，即使是在点灯工作压力超过20MPa的高压水银灯(例如23MPa以上，特别是25MPa或30MPa以上)，也可以抑制黑化的发生而点灯。
权利要求
1.一种高压水银灯，具有至少在管内封入有水银的发光管和保持所述发光管的气密性的一对密封部，其特征在于所述密封部的至少一个具有从所述发光管延伸的第一玻璃部和在所述第一玻璃部内侧的至少一部分上设置的第二玻璃部，而且该一个密封部具有施加有压缩应力的部位；而且，在所述发光管和所述一对密封部之中的至少一部分上设置电热丝。
2.根据权利要求1的高压水银灯，其特征在于以所述发光管的容积为基准，所述水银的封入量为230mg/cm3以上。
3.根据权利要求1的高压水银灯，其特征在于以所述发光管的容积为基准，所述水银的封入量为300mg/cm3以上；卤素被封入所述发光管内；所述高压水银灯的管壁负荷为80W/cm2以上；所述电热丝为加热所述发光管的装置。
4.根据权利要求1记载的高压水银灯，其特征在于所述电热丝缠绕在所述密封部的至少一个。
5.根据权利要求1记载的高压水银灯，其特征在于外部引线从所述一对密封部各自的端部伸出，所述电热丝的一端电连接于所述外部引线的至少一方。
6.根据权利要求5记载的高压水银灯，其特征在于在所述电热丝的一部分上设置有将与所述外部引线的电连接进行接通断开的开关；所述电热丝在点灯前与所述外部引线电连接，而在点灯后与所述外部引线的电连接被切断，被电连接到向所述电热丝通电的电源上。
7.根据权利要求1记载的高压水银灯，其特征在于在所述发光管内相互对置地配置有一对电极棒；所述一对电极棒中的至少一个电极棒与金属箔相连接；所述金属箔被设在所述密封部内，而且该金属箔的至少一部分位于所述第二玻璃部内。
8.根据权利要求7记载的高压水银灯，其特征在于在埋入在所述至少一个密封部的部分中，所述电极棒的至少一部分上缠绕有至少在表面上具有从由Pt、Ir、Rh、Ru、Re组成的组中选择的至少一种金属的线圈。
9.根据权利要求1记载的高压水银灯，其特征在于在所述密封部内，作为所述第二玻璃部相连接的金属部，设置有供电用的金属部；在所述密封部的至少长度方向上施加所述压缩应力；所述第一玻璃部含99重量％以上的SiO2；所述第二玻璃部含15重量％以下的Al2O3和4重量％以下的B中的至少一种，和SiO2。
10.一种高压水银灯，具有至少在管内封入有水银、并对置配置一对电极棒的发光管和从所述发光管延伸的一对密封部，其特征在于在埋入至少一个所述密封部的部分中，所述电极棒的至少一部分上缠绕有至少在表面上具有从由Pt、Ir、Rh、Ru、Re组成的组中选择的至少一种金属的线圈；另外，所述发光管和所述一对密封部之中的至少一部分上设置电热丝。
11.一种高压水银灯，具有至少在管内封入有水银的发光管和保持所述发光管的气密性的一对密封部，其特征在于以所述发光管的容积为基准，所述水银的封入量为230mg/cm3以上；在所述发光管和所述一对密封部中的至少一部分上设置给所述发光管加热的加热装置。
12.根据权利要求11记载的高压水银灯，其特征在于所述加热装置为电热丝；以所述发光管的容积为基准，所述水银的封入量为300mg/cm3以上；卤素被封入所述发光管内；所述高压水银灯的管壁负荷为80W/cm2以上。
13.根据权利要求1、10及11中的任一项记载的高压水银灯，其特征在于还具备测定所述发光管温度的装置。
14.根据权利要求13记载的高压水银灯，其特征在于所述测定温度的装置为热电偶。
15.根据权利要求11记载的高压水银灯，其特征在于所述加热装置具有在点灯的同时或在点灯后加热所述发光管的构造。
16.一种灯装置，具备高压水银灯和反射从所述高压水银灯发出的光的反射镜，其特征在于所述高压水银灯，具有至少在管内封入有水银的发光管和保持所述发光管的气密性的一对密封部；所述密封部的至少一个具有从所述发光管延伸的第一玻璃部和在所述第一玻璃部内侧的至少一部分上设置的第二玻璃部，而且该一个密封部具有施加有压缩应力的部位；在所述发光管和所述一对密封部之中的至少一部分上设置有电热丝。
17.一种灯装置，具备高压水银灯和反射从所述高压水银灯发出的光的反射镜，其特征在于所述高压水银灯，具有至少在管内封入有水银的发光管和保持所述发光管的气密性的一对密封部；所述密封部的至少一个具有从所述发光管延伸的第一玻璃部和在所述第一玻璃部内侧的至少一部分上设置的第二玻璃部，而且该一个密封部具有施加有压缩应力的部位；在所述反射镜的至少一部分上设置有电热丝。
18.根据权利要求16或17记载的灯装置，其特征在于以所述发光管的容积为基准，所述水银的封入量为230mg/cm3以上。
19.一种灯装置，具备高压水银灯和反射从所述高压水银灯发出的光的反射镜，其特征在于所述高压水银灯，具有至少在管内封入有水银的发光管和保持所述发光管的气密性的一对密封部，以所述发光管的容积为基准，所述水银的封入量为230mg/cm3以上，在所述发光管和所述一对密封部之中的至少一部分上设置有加热所述发光管的加热装置。
20.根据权利要求16或17记载的灯装置，其特征在于以所述发光管的容积为基准，所述水银的封入量为300mg/cm3以上，卤素被封入所述发光管内，所述高压水银灯的管壁负荷为80W/cm2以上。
21.根据权利要求16、17及19中的任一项记载的灯装置，其特征在于还具备测定所述发光管温度的装置。
22.根据权利要求19记载的灯装置，其特征在于所述加热装置为电热丝，所述电热丝作为引线而起作用。
全文摘要
本发明提供一种高压水银灯，具有至少在管内封入有水银(6)的发光管(1)和保持发光管(1)的气密性的一对密封部(2)，以发光管(1)的容积为基准，水银(6)的封入量为230mg/cm
文档编号H01J61/24GK1469422SQ0314794
公开日2004年1月21日 申请日期2003年6月26日 优先权日2002年6月26日
发明者畑冈真一郎, 高桥清, 堀内诚, 甲斐诚, 一番濑刚, 关智行, 金子由利子, 冈真一郎, 刚, 利子 申请人:松下电器产业株式会社