金属卤化物灯的制作方法

专利名称：金属卤化物灯的制作方法
技术领域：
本发明涉及适用于液晶投影显示器等的投射装置，和主要是组装在反射镜上而使用的一般的照明装置等的金属卤化物灯。
近年来，为了将文字和图形经过放大投影显示出来，正不断普及液晶投影系统。
在这种装置中，从光源灯发出的光通过反射镜入射到液晶平板上，通过作为投射光学系统的聚光光学系统投射到屏幕上。因此，只能有效地利用从在反射镜的焦点附近有限的区域内发出的光。从而作为光源的灯，应尽可能地将由电弧发出的光集中起来，发光的区域越小，光的利用效率就越高，屏幕的照度就越大。特别是，为了实现装置的小型化，轻量化和低价格化，进行反射镜等的小型化时，这种倾向变得非常明显。
又，为了使在屏幕上放映出的图像有很好的颜色再现性，最好在可见光区域的全部区域中，光源灯都应有很好的发光。即，如果能很好的平衡红，绿和兰的发光，例如，就能够显示出人的皮肤作为健康人的皮肤呈现出来的图像。相反，红的区域的发光相对地变少时，应该映出健康人的活生生的本来的皮肤的图像则呈现出兰黑色，贫困的不健康的样子。
因此，在以前的液晶投影系统等中，考虑到上述的问题，用金属卤化物灯和超高压汞灯等作为光源灯。
上述的金属卤化物灯是在高压汞蒸汽中添加种种金属卤化合物形式的高压放电灯。具体地说，例如，可从在日本照明学会志，第73卷，第9号，平成元年，18-24页“金属卤化物灯的发光原理和点灯动作的理论分析(Charateristics and theoretical analysis of metal halide lamps)”(东忠利(Tadatoshi Higashi)著)记载的内容中了解到。将Sc(钪)和Na(钠)的(各自的)碘化物封入这种灯中，灯的每单位输入功率的光通量大小(以后称“发光效率”)有高达90(1m/W)的效率。我们认为这是由于从Sc和Na生成了蒸汽压比它们各自的单体的蒸汽压高的复合化合物(大概是Na2ScI5)(C.Hirayama et al.“Complex halide vapors in metal halidetype HID lamps”,JOURNAL of the ILLUMINATING ENGINEERINGSOCIETY,July 1977,pp.209-214)。这种灯的光谱分布特性如图7所示。如图7所示的那样，在可见光区域中可看到有多条亮线的光谱，这种灯有比较高的显示颜色的特性。
又，本申请的发明者们，在完成本申请的发明的过程中，试制了结构如图8所示的金属卤化物灯。这种灯的发光管101是由石英制成的透光性的容器，呈大致球的形状，内径为10.8mm，内部容积约为0.7cc。在发光管101的两端分别由封堵部分106,106进行封堵。在发光管101的内部，设置了一对钨制的电极102,102。电极102,102分别通过钼箔103,103连接到外部导线104,104。又，将钨制的线圈105,105通过焊接分别连接到在上述的电极102,102上。将上述的电极102,102的前端间的距离(电极间的距离)设定为2.2mm。作为封入物，将InI(碘化铟)0.6mg,TmI3(碘化铥)1mg，在常温下有0.2大气压的氩和汞49mg封入发光管101的内部。将这种金属卤化物灯保持在水平方向，用定量的功率点灯时的发光效率约为80(1m/W)。又，将这种灯发出的光通过椭圆面反射镜，以7°的入射角投射到40英寸的屏幕上，测量到达屏幕上的光通量的大小时，灯的每单位输入功率的上述的光通量的大小(以后称为“投射效率”)为4(1m/W)。另外，以前的众所周知的金属卤化物灯，设置比上述的电极间距离长的电极间距离(例如，约3mm)，所以，投射效率比上述的投射效率更低。又，关于光谱分布特性，如图9所示，在可见光区域的全部区域中有丰富的发光，特别是，和上述的封入Sc和Na的碘化物的金属卤化物灯比较，红的区域的发光相对地较多，在投射图像等时，能得到较良好的颜色再现性。
另一方面，上述的高压汞灯，例如日本特开平2-148561号公报所公开的那样，主要用汞作为封入物，工作中的汞压力非常高。另外，不包含其它的金属卤化物。这种超高压汞灯，在额定点灯时的效率约为60(1m/W)，投射效率为11(1m/W)。又，这种灯有如

图10所示的光谱分布特性。即，由于实施高压工作(汞蒸汽在高压状态下进行发光)，与在较低压力下工作的(其它的)汞灯比较，这种灯易发生不足的，波长在600到650nm附近的红区域的发光量多少地增强了。可是，和上述的金属卤化物灯比较时，在600到650nm附近的红区域的发光是相当少的。
然而，上述的以前的金属卤化物如上所述地，有发光效率比较高但难以得到高的投射效率的问题。这个原因是由于难以使发光区域变小引起的。即，在测定作为表示发光区域大小的指标的电弧的粗细时，相对于在上述的超高压汞灯中电弧粗细为0.7mm，确认在上述的包含In的试制的金属卤化物灯中电弧粗细为1.1mm。又，上述的包含Na的金属卤化物灯也同样有比超高压汞灯的电弧粗的问题。因此，特别是在反射镜小的情形中以及在投射光学系统中的投射透镜的入射光的入射角小的情形中，得到十分明亮的屏幕是困难的。上述那样地电弧变粗的情形，如在“ELECTRIC DISCHARGE LAMPS”(John F.Waymouth,TheM.I.T.Press)220页上记载的那样，是由于Na等碱金属，因为它们单体的电离能为5.14eV相当低，所以即便在电弧周围部分的温度低的(在灯内部的)区域中也容易电离化，供给(生成)自由电子，从而使电流的通路，即电弧的宽度变宽造成的。
另一方面，超高压汞灯如上所述其投射效率为11(1m/W)，有上述的金属卤化物灯的约3倍的高效率，而且如上所述，红区域的发光量比以前的汞灯改善了，但因为发光种类仅为汞，所以如金属卤化物灯那样地，在可见光区域的全部区域中得到良好的发光平衡是困难的。
本发明的目的是鉴于上述的问题，提供使电弧变细，从而提高了投射效率，并且在光谱分布特性中有良好的发光平衡的金属卤化物灯。
为了解决上述的课题，本发明是在设置一对电极的发光管内，封入包含稀有气体和包括汞在内的金属元素的封入物的金属卤化物灯，并且其特征是上述的金属元素是单体的电离势能在6eV以上的金属元素，同时上述的一对电极的前端间的距离设定在能进行稳定放电的距离上，上述的一对电极的各前端和上述的发光管的内壁之间的距离设定在上述的一对电极的前端间的距离的1.5倍以上。
如上所述，只包含单体的电离势能在6eV以上的金属元素作为所要的金属元素，形成细的电弧，从而能够得到高的亮度和投射效率，能够使屏幕的照度增大。又，因为不象汞灯那样发光种类只是汞，所以能够在整个可见光区域中得到良好的光谱分布特性和高的显示颜色的特性。
这里，在以前的金属卤化物灯中，为了使电弧稳定化，添加Na等，可是，我们认为这只在电极间距离长到10mm左右的情形才是必要的。即，本申请的发明者们根据种种试验结果发现，由于将电极间距离设定在，例如，2.5mm以下，最好在约2mm以下，即便不添加Na等，也能形成稳定的电弧，又，因为不添加Na等，尽管蒸汽压很低，也能够得到高的亮度，从而完成了本申请的发明。另外，在特公昭63-62066号公报中，公布了不含碱金属，将电极前端间的距离设定得和从电极前端到管壁的距离相等的灯。但是，这因为是企图通过管壁的影响实现电弧的稳定化，对于用，例如约50到70W的比较小的输入功率进行发光的情形是有效的技术，可是在比这大的输入功率，而且电极间的距离比较短的情形，因为发生了管壁的损伤等，就不适用了。与此相反，本发明通过使管壁远离电极，从而能够使输入功率增大，同时将电极间的距离设定得很短(即通过使输入功率增大和电极间的距离变短两者)，能够达到电弧稳定化和发光量增大的目的。又，一般地，以前为了达到增大亮度等，希望将电极间的距离缩短，以便达到短电弧化，可是因为大幅度地缩短电极间的距离导致灯的寿命降低，所以大幅度地缩短电极间的距离是困难的。与此相反，本发明的金属卤化物灯，和以前的金属卤化物灯比较，在用同样的功率点灯时的电流变小。具体地说，例如，和在电极间的距离为2mm和封入物为ScI3和NaI的情形，因为电极间的电压约为40V，输入功率为200W，必须流过5A的电流相比较，在不含NaI的情形中，因为电极间的电压约为60V，输入功率同样为200W，可以流过3.3A电流。因此，不会导致灯寿命的降低，能够很容易地设定能形成稳定电弧的短的电极间距离。
作为上述的单体的电离势能在6eV以上的金属元素，最好有下列的特性。
·蒸汽压高·在可见光区域的发光强，而且发光的平衡良好·单体的电离势能高具体地，例如能够用钪。因此，由于钪，受到波长在630nm附近的发光的影响，能够容易地得到波长在600到650nm之间的红区域的发光很丰富的光谱分布特性。钪，例如如果是碘化钪(ScI3)和溴化钪(ScBr3)等的卤化物，则能够容易地将它封入发光管内。
又，进一步，将碘化铥(TmI3)等的希土类的卤化物等封入发光管内，可以相当大地提高光谱分布特性。
又，如果用透光性的石英管作为发光管，则这种发光管，例如和陶瓷管等比较，因为它的透明度高和散射性低，能够相当有效地发挥出如上所述的由于电弧细而形成点光源的效果。
图1是表示实施例1的金属卤化物灯的结构的剖面图。
图2是表示电弧粗细定义的说明图。
图3是表示实施例1的金属卤化物灯的光谱分布特性的图。
图4是表示实施例2的金属卤化物灯的光谱分布特性的图。
图5是表示实施例3的金属卤化物灯的光谱分布特性的图。
图6是表示实施例4的金属卤化物灯的光谱分布特性的图。
图7是表示以前的金属卤化物灯的光谱分布特性的图。
图8是表示在直到完成本申请的发明的过程中，试制的金属卤化物灯的结构的剖面图。
图9是表示图8的金属卤化物灯的光谱分布特性的图。
图10是表示以前的超高压汞灯的光谱分布特性的图。
实施例1实施例1的金属卤化物灯，如图1所示，由在大致为球状的发光管201中封入封入物207构成。上述的发光管201是由用石英制成的透光性容器形成的。这个发光管201的两端分别用封堵部分206,206加以封堵。在发光管201的内部，设置一对钨制的电极202,202。这些电极202,202分别通过使封堵部分206,206内气体密封的钼箔203,203，连接到外部的导线204,204。又，将钨制的线圈205,205通过焊接分别连接到上述的电极202,202上。这个金属卤化物灯的主要尺寸设定如下。
发光管的内径 10.8mm发光管的内部容积 0.7cc电极间的距离 2.5mm发光管的内壁和电极间的距离 约5.4mm
又，封人物207的成分如下所示。
ScI3(碘化钪)1mg氩气0.2大气压(常温)汞 35mg将如上所述构成的金属卤化物灯保持在水平的方向，加上270Hz的矩形波电压，控制电流和电压，使灯的功率在200W保持恒定，测量电弧的粗细。这里，如图2(a)所示对电弧的粗细进行定义。即，将一对电极202,202的前端连线作为X轴(电极轴)，将通过电极202,202间的中心，和X轴垂直的线段作为Y轴，测量Y轴方向的亮度分布，将亮度为Y轴上的最大亮度50％的位置间的距离定义为电弧的粗细。这样求得的电弧粗细为0.7mm，和上述试制的金属卤化物灯的1.1mm比较是相当细了，并和上述的超高压汞灯的等同。
又，发光效率(灯的每单位输入功率的光通量的大小)为93(1m/W)，比上述试制的金属卤化物灯的80(1m/W)多少增加一些，但最大的亮度约为试制的金属卤化物灯的3倍。进一步，投射效率，即是，当由灯发出的光通过椭圆面反射镜，以7°的入射角投射到40英寸的屏幕上时到达屏幕的光通量，灯的每单位输入功率的大小约为试制的金属卤化物灯的3倍。即，如果输入功率相同，则能得到约3倍的屏幕照度。它和上述的超高压汞灯有大致同等的投射效率。
如上所述地亮度和投射效率提高的原因可用下面的理由来说明。即，我们是这样考虑的由于作为金属元素，不包含单体的电离势能(和6eV比较)低的Na(电离势能为5.14eV)和In(5.79eV)等，只包含6eV以上的Sc(6.7ev)和汞(10.44eV)，同时电极间的距离为2.5mm设定得比较短，从而能形成又细又稳定的电弧。于是，因为电弧的能量密度提高，电弧的温度提高，所以如在生成复合碘化物的情形那样，即使蒸汽压没有大幅度上升，每单位Sc原子的光发射量也增加了。因此，每单位区域的发光量增多，从而能得到上述的高亮度和高投射效率。
又，由于将发光管201的内壁和电极202,202之间的距离设定在约为电极202,202之间距离的2倍，所以能够在不损伤发光管201的情况下进行发光。又，由于电弧变细，电流通道变窄，所以能提高电极间的电压。于是，为了输入和以前的金属卤化物灯相同的功率，所需的电流减少了。因此，即使如上所述地将电极间的距离设定得很短，也不会降低灯的寿命。
另一方面，光谱分布特性如图3所示。即，在整个可见光区域内发光，特别是，和上述的超高压汞灯(图10)比较，由于Sc对在波长630nm附近的发光的影响，在600到650nm波长的范围内的红光区域的发光十分丰富。这种由Sc引起的对发光的影响，和添加Na的情形比较，相对地增大。所以，能够得到甚至比上述的超高压汞灯和添加Na的金属卤化物灯更良好的显示颜色的性能。
另外，电极202,202之间的距离并不如上所述地限于2.5mm。例如，在2mm以下，越短，越能得到更高的亮度。
又，如果将发光管201的内壁和电极202,202之间的距离设定在约为电极202,202之间距离的1.5倍以上，则能够在不损伤发光管201的情况下，增大输入的功率，通过稳定的电弧进行发光。
实施例2实施例2的金属卤化物灯，和上述的实施例1的金属卤化物灯比较，不同点在于进一步添加了1mg的TmI3(碘化铥)，并且将电极间的距离设定为2.2mm。
将这个金属卤化物灯和上述的实施例1的金属卤化物灯同样地点燃时，电弧的粗细为0.7mm，发光效率为93(1m/W)，和实施例1相同，最大亮度为上述试制的金属卤化物灯的约2.7倍。即，即使添加了TmI3，电弧也不会变粗，所以，能够得到高的亮度和高的投射效率。
另一方面，光谱分布特性，如图4所示，和实施例1比较，在整个可见光区域的发光更多了，特别是，在600到650nm的波长范围内的红光区域的发光十分丰富。这是因为Tm(铥)能在在整个可见光区域内发光。所以，能得到比实施例1的金属卤化物灯更良好的显示颜色的特性。
另外，我们认为Tm以外的希土类和Tm同样对电弧的粗细施加影响。因此，添加和Tm一样能在整个可见光区域发光的Ho(钬)和Er(铒)的卤化物(HoI3和ErI3等)，由于有相当高的亮度，也能得到有良好的显示颜色的特性的金属卤化物灯。
实施例3实施例3的金属卤化物灯有和上述的实施例1的金属卤化物灯相同的形状。但是，它的主要尺寸设定如下。
发光管的内径 12.0mm发光管的内部容积 1.0cc电极间的距离 1.3mm发光管的内壁和电极间的距离约6.0mm又，封入物和实施例1的相同。
和实施例1相同用200W的输入功率点燃这种金属卤化物灯时，也能得到高的亮度和投射效率。又，光谱分布特性如图5所示，也能得到良好的显示颜色的特性。
实施例4实施例4的金属卤化物灯和上述的实施例3的金属卤化物灯比较，不同之处仅在于用ScBr3(溴化钪)代替ScI3(碘化钪)，以及将电极间的距离设定为1.9mm。
除了输入功率为250W这一点外，同样地点燃这种金属卤化物灯时，也能得到高的亮度和高的投射效率。又，光谱分布特性如图6所示，和实施例3的金属卤化物灯比较，在整个可见光区域能得到更好的发光平衡和更良好的发光。
又，不仅在加上矩形波的交流电压的情形，即使加上有直流成分的电压，也能得到同样的亮度和光谱分布特性。
权利要求
1．一种金属卤化物灯，在设置有一对电极的发光管内，封入有包括稀有气体和含有汞的金属元素的封入物，其特征为上述的金属元素是单体的电离势能为6eV以上的金属元素，同时上述的一对电极的前端间的距离设定在能实施稳定放电的距离上，上述的一对电极的各前端和上述的发光管内壁的距离设定在上述的一对电极的前端间的距离的1.5倍以上。
2．权利要求1所述的金属卤化物灯，其特征为上述的封入物包含钪和卤素。
3．权利要求2所述的金属卤化物灯，其特征为上述的封入物包含钪的卤素化合物。
4．权利要求3所述的金属卤化物灯，其特征为上述的钪的卤素化合物是碘化钪(ScI3)。
5．权利要求3所述的金属卤化物灯，其特征为上述的钪的卤素化合物是溴化钪(ScBr3)。
6．权利要求1所述的金属卤化物灯，其特征为上述的一对电极的前端间的距离为2.5mm以下。
7．权利要求6所述的金属卤化物灯，其特征为上述的一对电极的前端间的距离为2mm以下。
8．权利要求1所述的金属卤化物灯，其特征为上述的封入物进一步包含希土类卤化物。
9．权利要求8所述的金属卤化物灯，其特征为上述的希土类卤化物是铥的卤化物。
10．权利要求9所述的金属卤化物灯，其特征为上述的铥的卤化物是碘化铥(TmI3)。
11．权利要求1所述的金属卤化物灯，其特征为上述的发光管是透光性的石英管。
全文摘要
封入内径为10.8mm的发光管201中的封入物207的成分为ScI
文档编号H01J61/84GK1214529SQ98120930
公开日1999年4月21日 申请日期1998年10月13日 优先权日1997年10月13日
发明者高桥清, 堀内诚, 竹田守 申请人:松下电器产业株式会社