專利名稱：短電弧型超高壓水銀燈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及短電弧型超高壓水銀燈。特別涉及DLP(數(shù)字光處理器)等投影裝置中使用的光源用放電燈，所述DLP使用在發(fā)光管內(nèi)封入不低于0.15mg/mm3的水銀且在點燈時水銀蒸汽壓處于不低于110個大氣壓的超高壓水銀燈作為光源的液晶顯示器裝置或DMD(數(shù)字鏡式裝置)。
背景技術(shù)：
投射型投影裝置要求在矩形屏幕上均勻且以充分的顯色性照射圖像，因此，使用封入水銀或金屬鹵化物的金屬鹵化物燈作為光源。此外，這樣的金屬鹵化物燈，最近也更加小型化和點光源化，而且其中電極間距極小的也已實用化。
在這樣的背景之下，最近提出了具有至今還沒有的高水銀蒸汽壓例如150個大氣壓的燈，來代替金屬鹵化物燈的方案。這一方案通過提高水銀蒸汽壓，抑制(壓縮)電弧擴散，同時進一步提高光輸出功率。
這樣的超高壓放電燈例如在特開平2-148561號、特開平6-52830號中公開。
上述燈例如使用這樣的超高壓水銀燈，即，將一對電極以不大于2mm的間距對向配置在由石英玻璃構(gòu)成的發(fā)光管內(nèi)，且在該發(fā)光管內(nèi)封入了不低于0.15mg/mm3的水銀和1×10-6～1×10-2μmol/mm3范圍內(nèi)的鹵素。封入鹵素的主要目的是防止發(fā)光管的失透現(xiàn)象，但這樣也會產(chǎn)生所謂的鹵素循環(huán)。
但是，上述超高壓水銀燈(以下簡稱放電燈)隨著點燈時間的經(jīng)過，會有在電極前端產(chǎn)生突起的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象不一定明顯，但可以做如下推測。
即，在點燈時，從燈的電極前端附近的高溫部分蒸發(fā)的鎢與發(fā)光管內(nèi)存在的鹵素和殘留氧氣相結(jié)合，例如將溴(Br)作為鹵素封入時，作為WBr、WBr2、WO、WO2、WO2Br、WO2Br2等鎢化合物存在。這些化合物在電極前端附近的氣相中的高溫部分解，成為鎢原子或陽離子。因此，在溫度擴散(鎢原子從氣相高溫部，即電弧中心，向低溫部，即電極前端附近擴散)、以及電弧中，鎢原子電離成為陽離子，并在陰極動作時通過電解被引向陰極方向(漂移)，從而電極前端附近的氣相中的鎢蒸汽密度增大，析出到電極前端形成突起。
有關(guān)上述突起的內(nèi)容，例如在特開2001-312997號中公開。
圖7所示為將電極前端和突起模式化的形態(tài)。一對電極1分別由球部1a和軸部1b構(gòu)成，在球部1a的前端形成突起2。在開始點燈時不存在突起的情況下，由于其后的點燈，如圖所示產(chǎn)生突起2，因該突起2產(chǎn)生電弧放電A。
但是，在上述突起的產(chǎn)生、增大過程中存在幾個問題。
第一，存在燈電壓的變化。上述突起在燈制造時不存在，而是隨著其后的點燈而產(chǎn)生、增大。突起的形成根據(jù)燈的種類等而不同，但經(jīng)過例如80～100分鐘大體上結(jié)束。即，在該突起形成到大致穩(wěn)定的期間內(nèi)，電極間距隨著點燈時間減小，放電燈的點燈電壓也降低。
第二，光利用效率降低。上述突起不限于在電極軸上產(chǎn)生。例如，若如(a)所示沿電極軸L形成，則沒有問題，但也可如(b)所示在電極軸L外形成。在這種情況下，電弧位置也在電極軸之外，在作為點光源設(shè)計的光學(xué)系統(tǒng)中，產(chǎn)生光利用效率降低的大問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的課題是提供一種超高壓水銀燈，能夠解決電極前端產(chǎn)生的突起所引起的上述問題。
為了解決上述課題，本發(fā)明第一方案的短電弧型超高壓水銀燈，將一對電極以不大于2mm的間距對向配置在由石英玻璃構(gòu)成的發(fā)光管內(nèi)，并將不低于0.15mg/mm3的水銀、稀有氣體和1×10-6～1×10-2μmol/mm3范圍內(nèi)的鹵素封入該發(fā)光管內(nèi)，其特征在于，所述一對電極當(dāng)中的至少一個電極包括熔融形成在軸部的粗徑部、由軸部前端形成的突起部、以及從粗徑部向突起部熔融形成的縮徑部。
即，本發(fā)明放電燈的特征是，突起不是隨著點燈而產(chǎn)生、增大的，而是預(yù)先在制造階段形成在電極上的。通過這樣的構(gòu)造可以使燈電壓從點燈開始就維持在一定值上，另外，能夠在作為設(shè)計位置的突起間產(chǎn)生電弧放電，因而還可消除電弧光點相對光學(xué)系統(tǒng)偏離的問題。
特別是，因為是在電極的軸部形成突起，因而當(dāng)然可以使制造工藝簡單化，而且可以使以突起為起點的放電電弧位于正確位置上。
本發(fā)明第二方案特征在于，所述縮徑部的最大外徑值D1與從所述突起部前端到該縮徑部最大外徑的軸向距離L1的比率L1/D1為0.5～1.5。
本發(fā)明第三方案的發(fā)明特征在于，所述比率L1/D1為0.8～1.2。
本發(fā)明第四方案的發(fā)明特征在于，離所述突起部前端0.5mm處的所述縮徑部或者所述粗徑部的寬度D2為0.5～1.0mm。
上述規(guī)定都是以數(shù)值來具體規(guī)定電極形狀的。
本發(fā)明第五方案的發(fā)明特征在于，所述縮徑部是利用激光或電子束照射，間斷地加熱熔融形成的。
所述炮彈型電極可通過激光或者電子束的照射良好形成。即，通過照射束徑小的激光，可精度良好地使電極表面熔融成型。
本發(fā)明第六方案的發(fā)明特征在于，在所述縮徑部側(cè)面上形成了波紋。
本發(fā)明第七方案的發(fā)明特征在于，所述粗徑部形成為線圈狀。
本發(fā)明第八方案的發(fā)明特征在于，所述縮徑部和所述粗徑部的連接部分為圓角形。


圖1表示本發(fā)明的超高壓水銀燈。
圖2表示本發(fā)明的超高壓水銀燈的電極結(jié)構(gòu)。
圖3表示本發(fā)明的超高壓水銀燈的電極結(jié)構(gòu)。
圖4表示本發(fā)明的超高壓水銀燈的電極結(jié)構(gòu)。
圖5表示本發(fā)明的超高壓水銀燈的電極結(jié)構(gòu)。
圖6表示使用本發(fā)明的超高壓水銀燈的光源裝置。
圖7表示現(xiàn)有的超高壓水銀燈的電極結(jié)構(gòu)。
具體實施例方式
圖1所示為本發(fā)明短電弧型超高壓水銀燈(以下簡稱為“放電燈”)的整體結(jié)構(gòu)。
放電燈10具有由石英玻璃構(gòu)成的放電容器形成的大致球形的發(fā)光部11，在該發(fā)光部11上互相對向配置有一對電極1。另外，從發(fā)光部11的兩端部延伸形成密封部12，在這些密封部12中，通常例如通過收縮密封氣密性地埋設(shè)有由鉬構(gòu)成的導(dǎo)電金屬箔13。一對電極1的軸部焊接在金屬箔13上，與其電連接，此外，向外部突出的外部引出線14焊接在金屬箔13的另一端。
發(fā)光部2中封有水銀、稀有氣體和鹵素氣體。
水銀用于得到必要的可見光波長例如波長360～780nm的放射光，封入量不低于0.15mg/mm3。該封入量根據(jù)溫度條件有所不同，但點燈時都形成不低于150個大氣壓的極高蒸汽壓。另外，通過封入更多的水銀，可以制造點燈時水銀蒸汽壓不低于200個大氣壓、300個大氣壓的高水銀蒸汽壓的放電燈，水銀蒸汽壓越高，越能可實現(xiàn)適用于投影裝置的光源。
稀有氣體例如氬氣，封入約13kPa，用于改善點燈點燈性能。
鹵素如碘、溴、氯等以與水銀以外其它金屬的化合物的形態(tài)被封入，鹵素的封入量從10-6～10-2μmol/mm3的范圍內(nèi)選擇。雖然利用鹵素循環(huán)可延長壽命，但象本發(fā)明的放電燈這樣的極小型且具有高內(nèi)壓的燈，封入這樣的鹵素的主要目的是防止放電容器的失透現(xiàn)象。
放電燈的數(shù)值示例為，例如，發(fā)光部的最大外徑為9.5mm，電極間距為1.5mm，發(fā)光管內(nèi)容積為75mm3，額定電壓為80V，額定功率為150W，進行交流點燈。
另外，這種放電燈內(nèi)置于小型化的投影裝置中，裝置的整體尺寸都被極為小型化，但因為需要高光量，因此對發(fā)光管部內(nèi)的熱影響極為嚴(yán)重，并且燈的管壁負(fù)荷值為0.8～2.0W/mm2，具體為1.5W/mm2。
在將具有這樣的高水銀蒸汽壓和管壁負(fù)荷值的燈，搭載在投影裝置或高架投影儀等顯示用機器上的情況下，可以提供顯色性良好的放射光。
圖2所示為電極1的放大圖。(a)表示一對電極1，(b)表示一對電極和它們之間形成的電弧A。
電極1由突起部2、縮徑部3、粗徑部4和軸部1b構(gòu)成，圖7中的球部1a相當(dāng)于縮徑部3和粗徑部4。
突起部2由軸部1b的前端形成，與軸部1b的外徑相等，或通過熔融具有稍微大或少微小的值。即，在本發(fā)明中，其特征是突起部2不是由于放電燈的點燈而產(chǎn)生、增大，而是原本就由軸部1b的前端面形成的。
粗徑部4是例如將絲狀鎢卷繞成線圈狀形成的，在點燈開始時，由于表面的凹凸效果，起到啟動源(點燈開始位置)的功能，而且在點燈后，由于表面的凹凸效果和熱容量，具有發(fā)熱功能。另外，線圈為細線，因而容易加熱，并且容易實現(xiàn)從輝光放電(glow discharge)到電弧放電的轉(zhuǎn)換。
縮徑部3位于粗徑部4和前端突起部2之間，如后述將鎢熔融形成。
圖3為用于說明電極1的制造方法的示意圖。
(a)表示制作完電極之前的狀態(tài)，在由鎢等構(gòu)成的軸部1b上卷繞絲狀的線圈4′。線圈4′由例如鎢構(gòu)成，在軸部1b上卷繞例如2層。
舉數(shù)據(jù)例來說明，軸部1b的長度在5.0～10.0mm范圍內(nèi)，例如為7.0mm，軸部1b的外徑在Φ0.2～0.6mm的范圍內(nèi)，例如為0.4mm。另外，線圈4′的位置在離軸部1b前端0.4～0.6mm的范圍內(nèi)，例如從離開0.5mm的位置開始卷繞，在軸向上以1.5～3.0mm的范圍內(nèi)的長度，例如1.75mm的長度卷繞。
另外，線圈4′的線徑在0.1～0.3mm的范圍內(nèi)，例如為0.25mm。通過如上所述地在軸部1b上卷繞2層，如后所述，容易作成錐形。這樣的線圈4′的線徑或?qū)訑?shù)，可根據(jù)放電燈的規(guī)格和后述的激光束直徑適當(dāng)設(shè)定。
(b)表示將激光照射到線圈4′上的狀態(tài)。激光是例如YAG激光等放射光，照射到離軸部1b前端最近的線圈4′上。此后，根據(jù)需要，將照射位置向后端偏移，來照射整體。
通過使束徑小的激光可靠地照射在線圈4′的規(guī)定位置上，可根據(jù)需要使卷繞在軸部1b上的線圈4′熔融，從而可以使電極形狀與設(shè)計一致。
激光既可以垂直照射在線圈4′上，也可以如圖所示進行斜照射，還可以從兩端進行照射。
另外，上述激光的照射最好如圖(d)所示，從4個方向上逐個方向進行照射。雖然從4個方向同時加熱時，熱量到達前端后可能不會使突起部分熔融，但如果不存在這樣的問題，則同時加熱也無妨。因為通過這樣從4個方向照射，可以軸對稱地形成平衡性好的形狀。但是，為了形成平衡性好的形狀，有時需要將4個方向的軸長度方向上的照射位置在各方向上進行微調(diào)節(jié)。另外，(d)表示從(b)前端觀察的圖。
為了不使電極氧化，這樣的激光照射最好在氬氣體等氣體介質(zhì)中進行。
另外，激光的照射并不限于從4個方向進行照射，當(dāng)然僅從1個方向也可以，從2個方向、3個方向、5個方向和其它多個方向照射也可以。
激光的束徑最好與電極軸的直徑大致一致，舉數(shù)值例來說，在Φ0.2～0.7mm的范圍內(nèi)，例如為Φ0.6mm，此外，照射時間為0.2～1.0秒，例如為0.35秒。另外，激光照射可以是連續(xù)照射，也可以是斷續(xù)照射。這種情況下的脈沖照射是短時間(m秒級)的照射和停止重復(fù)進行的照射，通常比連續(xù)照射效果更好。
(c)示出通過上述激光的照射形成縮徑部3的狀態(tài)?？s徑部3和粗徑部4的表面熔融后變平滑。但縮徑部3和粗徑部4沒必要熔融到內(nèi)部，通過至少使其表面熔融，就可做成所需的形狀。
舉數(shù)值例來說，突起部的外徑在Φ0.15～0.6mm的范圍內(nèi)，例如取Φ0.3mm，軸向長度在0.1～0.4mm的范圍內(nèi)，例如為0.25mm。縮徑部的前端直徑在Φ0.15～0.6mm的范圍內(nèi)，例如為0.3mm，后端直徑在Φ1.0～2.0mm的范圍內(nèi)，例如為1.4mm，軸向長度在0.7～1.5mm的范圍內(nèi)，例如取1.0mm。粗徑部的外徑與縮徑部的最大外徑大致相等，軸向長度在0.7～2.0mm的范圍內(nèi)，例如為1.0mm。
本發(fā)明放電燈的電極結(jié)構(gòu)的特征在于，用激光照射卷繞在軸部上的線圈，使線圈熔融成形在設(shè)于突起部上的電極上。因此，通過照射激光，可以留下尺寸小的突起部，并且可以將電極形狀制造成與設(shè)計一致。
而且，通過激光照射使鎢熔融，在縮徑部表面上形成波紋31。它是用激光從3～4個方向上逐個方向間斷地加熱成型的情況下生成的，并且由于通過短時間加熱成型，因而熱影響被限制在微小區(qū)域內(nèi)。
另外，還可將激光照射改換成電子束照射。電子束與激光一樣可以減小束徑，因此適于熔融本發(fā)明的微細鎢絲。
有關(guān)電子束，在小型化這一點上，最好采用例如特開2001-59900號、特開2001-174596號中公開的電子束裝置。
不使用激光或電子束，而是利用現(xiàn)有的TIG焊接進行電極制造，則在電極直徑為例如不大于Φ1mm這樣小的情況下，其制造很困難。這是因為TIG焊接是在焊接時使線圈4′整體作為電極(陽極)放電，因此無法對突起部和所需電極形狀的形成進行細微焊接控制。而在電極尺寸大等情況下，只要能夠制造出所需的突起部和電極形狀，則不限于激光或電子束照射，現(xiàn)有的TIG焊接也可以。
這樣，本發(fā)明放電燈的電極結(jié)構(gòu)的特征在于，利用軸部形成突起。
特別是，該突起的特征是，它不是象現(xiàn)有的例子那樣隨著放電燈的點燈自然產(chǎn)生，而是在制造階段預(yù)先形成，這樣，從點燈開始初期就可在突起部上可靠地生成電弧放電，并且可以使燈電壓基本維持在一定值上。即，可以解決如現(xiàn)有技術(shù)那樣在生成突起之前燈電壓大幅降低，而且電弧也不在所需位置產(chǎn)生，從而光的利用效率降低的問題。
在此，本發(fā)明的放電燈是以電極間距不大于2mm，發(fā)光部中封入不低于0.15mg/mm3的水銀、稀有氣體和1×10-6～1×10-2μmol/mm3范圍內(nèi)的鹵素的超高壓水銀燈為前提。因為只有具有上述結(jié)構(gòu)的放電燈中，才會隨著點燈在電極前端形成突起。
因此，在不具有上述結(jié)構(gòu)、使用用途等完全不同的放電燈中，或許存在預(yù)先形成像突起的部分的放電燈。但是，這樣的放電燈原本就不存在突起產(chǎn)生、增大的技術(shù)課題，因此，這樣的現(xiàn)有技術(shù)與本發(fā)明是完全不同角度的技術(shù)。
重復(fù)說明上述問題，本發(fā)明在具備隨著點燈產(chǎn)生并增大突起的條件的放電燈中，實現(xiàn)最大限度地減小突起產(chǎn)生、增大的結(jié)構(gòu)，并解決由于突起的存在而產(chǎn)生的各種問題。
在此，現(xiàn)有技術(shù)中介紹的特開2001-312997號等所公開的突起增大的特征是，根據(jù)各個放電燈的特性和點燈條件等各燈的既定條件，從突起為零的狀態(tài)自然發(fā)生，而本發(fā)明的放電燈可根據(jù)預(yù)先知道的點燈規(guī)格條件或放電燈的特性(電極間距或封入氣體量等)，估計突起的大小，并利用軸部的前端進行人工制造，在這一點上兩者的技術(shù)內(nèi)容差別很大。
以下通過圖4說明電極的整體大致形狀。
(a)表示縮徑部向前端的突起部呈半圓球形狀的情況，(b)表示縮徑部向前端的突起部呈線性縮徑的錐形狀，(c)表示縮徑部向前端的突起部成與錐形相比向內(nèi)側(cè)凹進的曲線形狀，(d)表示縮徑部向前端的突起部炮彈狀地縮徑的情況。
另外，只要縮徑部是通過熔融從粗徑部向突起部縮徑的，就不限于上述結(jié)構(gòu)，也可采用其他形態(tài)。此外，在任何一種形態(tài)中，突起部都由電極軸部的前端部分形成。
這樣的形狀可以通過上述激光照射高精度地制作。
圖5為有關(guān)圖4(d)中所示的炮彈狀電極的說明圖。
(a)、(b)規(guī)定了縮徑部的最大外徑值D1和從突起部前端離開的距離L1。
在(a)中，其特征在于，縮徑部的最大外徑值D1與從突起部前端到縮徑部最大外徑的軸向距離L1的比率L1/D1為0.5～1.5。更好為0.8～1.2。
在(b)中，在軸向上離突起部前端距離0.5mm處的縮徑部或者粗徑部的外徑值D2為0.5～1.0mm。
在(c)中，在突起部和縮徑部的邊界上形成R部分，形成為圓角形。這是突起部以軸部為基準(zhǔn)形成的，可以說是縮徑部通過熔融線圈4′而形成的制造工藝所產(chǎn)生的構(gòu)造特征。而所謂突起部和縮徑部的邊界是指兩者的連接部分，是將粗徑部熔融后與軸部形成一體時所形成的部分。
通過這樣的數(shù)值規(guī)定，縮徑部表面就形成不易受到電弧輻射熱的形狀。具體地說，電極前端面因為受到強烈的電弧輻射熱，因而在電極前端面產(chǎn)生熔融蒸發(fā)。這樣的電極構(gòu)成材料的這種熔融蒸發(fā)，不但使電極形狀不穩(wěn)定，而且會引起蒸發(fā)物污染發(fā)光管內(nèi)表面等的問題。另外，由于作為電極構(gòu)成材料的鎢的蒸發(fā)，在發(fā)光部內(nèi)部浮游的鎢量增加，這樣就可能助長突起部的增大。本發(fā)明對上述數(shù)值的規(guī)定，特別是L1/D1為0.8～1.2，可使整體形狀成為炮彈形，從而使接受電弧輻射熱的量減少，可以防止電極表面的熔融蒸發(fā)。
如上所述，可精細形成這樣的電極形狀的理由是通過激光照射熔融形成。
對放電燈舉出數(shù)值例如下。
發(fā)光部的外徑在Φ8～Φ12mm的范圍內(nèi)，例如取10.0mm，發(fā)光部內(nèi)容積在50～120mm3的范圍內(nèi)，例如取65mm3，電極間距在0.7～2mm的范圍內(nèi)，例如取1.0mm。
另外，放電燈在額定功率200W、矩形波150Hz下點燈。
圖6示出將放電燈10和包圍該放電燈10的凹面反射鏡20及其組合(以下，將放電燈10和凹面反射鏡20的組合稱為光源裝置)組裝在投影裝置30中的狀態(tài)。投影裝置30實際上是復(fù)雜的光學(xué)部件和電氣部件密集的產(chǎn)品，但在圖中為了方便說明將其簡化顯示。
放電燈10通過凹面反射鏡20的頂部開口被支承。在放電燈10的一個端子T1和另一個端子T2上，連接未圖示的饋電裝置。凹面反射鏡20可采用橢圓反射鏡或拋物面鏡，并在反射面上涂敷用于反射規(guī)定波長的光的蒸鍍膜。
凹面反射鏡20的焦點位置被設(shè)計在放電燈10的電弧位置上，可以由反射鏡將電弧起點的光高效提取。
另外，凹面反射鏡20上還可以安裝堵住前面開口的透光性玻璃。
以上說明的電極構(gòu)造最好采用放電燈的兩個電極，但也可以僅采用其中的一個電極。
另外，上述說明的是交流點燈型超高壓水銀燈，但也可適用于直流點燈型超高壓水銀燈。
如上說明，本發(fā)明放電燈的電極構(gòu)造的特征在于，由軸部前端形成突起。
通過該構(gòu)造，可在開始點燈的初期就在突起部上可靠產(chǎn)生電弧放電，可使燈電壓大致維持在一定值上。另外，電弧也可以在規(guī)定位置上形成，可以利用與光學(xué)系統(tǒng)的關(guān)系提高光的利用效率。
權(quán)利要求
1.一種短電弧型超高壓水銀燈，將一對電極以不大于2mm的間距對向配置在由石英玻璃構(gòu)成的發(fā)光管內(nèi)，并將不低于0.15mg/mm3的水銀、稀有氣體和1×10-6～1×10-2μmol/mm3范圍內(nèi)的鹵素封入該發(fā)光管內(nèi)，其特征在于，所述一對電極當(dāng)中的至少一個電極包括熔融形成在軸部的粗徑部、由軸部前端形成的突起部、以及從粗徑部向突起部熔融形成的縮徑部。
2.如權(quán)利要求1所述的短電弧型超高壓水銀燈，其特征在于，所述縮徑部的最大外徑值D1與從所述突起部前端到該縮徑部最大外徑的軸向距離L1的比率L1/D1為0.5～1.5。
3.如權(quán)利要求2所述的短電弧型超高壓水銀燈，其特征在于，所述比率L1/D1為0.8～1.2。
4.如權(quán)利要求1所述的短電弧型超高壓水銀燈，其特征在于，離所述突起部前端0.5mm處的所述縮徑部或所述粗徑部的寬度D2為0.5～1.0mm。
5.如權(quán)利要求1所述的短電弧型超高壓水銀燈，其特征在于，所述縮徑部是利用激光或電子束照射，間斷地加熱熔融形成的。
6.如權(quán)利要求1所述的短電弧型超高壓水銀燈，其特征在于，在所述縮徑部側(cè)面上形成了波紋。
7.如權(quán)利要求1所述的短電弧型超高壓水銀燈，其特征在于，所述粗徑部形成為線圈狀。
8.如權(quán)利要求1所述的短電弧型超高壓水銀燈，其特征在于，所述縮徑部和所述粗徑部的連接部分為圓角形。
全文摘要
提供一種可以解決在電極前端產(chǎn)生的突起所引起的問題的超高壓水銀燈。該超高壓水銀燈，將一對電極以2mm以下的間距對向配置在由石英玻璃構(gòu)成的發(fā)光管內(nèi)，并將不低于0.15mg/mm
文檔編號H01J9/02GK1521799SQ20041000500
公開日2004年8月18日 申請日期2004年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月12日
發(fā)明者塚本卓也, 本卓也, 堀川好廣, 廣 申請人:優(yōu)志旺電機株式會社