專利名稱：超高壓水銀燈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高壓水銀燈。特別涉及的是在放電容器內(nèi)密封了0.15mg/mm3以上的水銀，點燈(起動)時的水銀蒸汽壓達到150個大氣壓以上的短弧型的超高壓水銀燈。
背景技術(shù)：
投射型投影裝置，要求對圖象的照明相對于矩形屏幕是均勻而且充分的現(xiàn)色性，所以，密封了水銀、金屬鹵化物的金屬鹵化物燈作為光源來使用。另外，最近，隨著小型化、點光源化的進一步發(fā)展，使得電極之間距離極小的燈實用化。
在這樣的背景下，最近，提出取代金屬鹵光燈的具有極高的水銀蒸汽氣壓例如200巴(約為197個大氣壓)以上的燈。這樣做的目的在于通過將水銀蒸汽氣壓提高，在抑制弧光擴大的同時還能更加提高光輸出。例如，在特開平2-148561號(美國專利第5,109,181號)、特開平6-52830號(美國專利第5,497,049號)中公開的那樣。
這樣的投影裝置中使用的光源裝置在涉及到投射出鮮明的圖象方面，出現(xiàn)了放電燈有失透現(xiàn)象的大問題。另一方面，最近由于使用了采用DMD(微鏡設(shè)備)的DLP(數(shù)字光處理器)，就變得沒有必要使用液晶面板，這樣一來，更加小型的投影裝置正在受到注目。也就是說，對于投影裝置的放電燈要求其有高的光輸出、照度維持率，另一方面，隨著投影裝置的小型化，要求放電燈也更加小型化，且對其點燈條件也有更嚴格的要求。
這里，雖然作為放電容器的材料，因具有能透過紫外光的特性，一般采用石英玻璃，但在燈的制造階段，石英玻璃有發(fā)生殘留變形的現(xiàn)象。這樣的殘留變形會對放電燈的高光輸出、高照度維持率帶來影響。
所以，在現(xiàn)有的燈制造工序中，為了除去或減低這樣的殘留變形，將放電容器本身進行高溫加熱處理(退火)。
另外，除了將石英玻璃的殘留變形除去，還有控制石英玻璃本身的結(jié)晶構(gòu)造的技術(shù)。它并不是將已發(fā)生的殘留變形除去而是考慮到可以提供原本就沒有發(fā)生變形的石英玻璃。眾所周知，這種控制結(jié)晶構(gòu)造技術(shù)雖然具體而言是控制虛擬溫度，但由于使用這種技術(shù)，可以有效的減低石英玻璃的失透現(xiàn)象。
象這樣的技術(shù)，例如特開平7-215731號中有說明。
可是，將以特開平7-215731號中的說明的技術(shù)為基礎(chǔ)將放電燈作為投影裝置的光源進行點燈實驗，實際上，發(fā)現(xiàn)點燈情況并不能一定就良好。
具體說，隨著放電燈的點燈時間的過去，放電容器出現(xiàn)了失透現(xiàn)象和照度維持率降低等情況，另外，使放電容器出現(xiàn)了裂縫等破損現(xiàn)象，而這種裂縫在一定場合，在實驗的水平下能導(dǎo)致放電容器被破壞這樣的嚴重后果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題是在由石英玻璃形成的放電容器中密封0.15mg/mm3以上的水銀用于投影裝置的超高壓水銀燈，提供解決放電容器的失透現(xiàn)象和放電容器的破損的新穎的構(gòu)造。
為了解決以上問題，本發(fā)明中的超高壓水銀燈的構(gòu)造是將由石英玻璃形成的放電容器的一對電極相對設(shè)置，并在這個放電容器里密封0.15mg/mm3以上的水銀，且其特征是上述石英玻璃的虛擬溫度為1000～1250℃，且堿金屬的總含有量為0.1～3重量(wt.)ppm、鋁的含有量為1～30重量(wt.)ppm。
本發(fā)明者為了解決上述問題，進行了專心的研究，發(fā)現(xiàn)得到的結(jié)果是，對于放電容器里密封了0.15mg/mm3以上的水銀和鹵素氣體的用于投影裝置的超高壓水銀燈，只通過控制石英玻璃的虛擬溫度(結(jié)晶構(gòu)造)，并不能使放電容器的失透現(xiàn)象和破損這兩種問題都得到解決。
于是，考慮到點燈時燈的內(nèi)部壓力(水銀蒸汽氣壓)極高這一特有的情形發(fā)現(xiàn)，除了規(guī)定石英玻璃的虛擬溫度，再加上對石英玻璃所含有的堿金屬的總含有量和鋁的含有量也進行規(guī)定，從而有效地使問題得以解決。
這里，在規(guī)定了上述虛擬溫度的早先出現(xiàn)的文獻中(特開平7-215731號)雖然提到可采用在高壓水銀燈、激發(fā)物燈等中的記載，但實際的說明是以低壓水銀燈為前提的。
而且，本發(fā)明不是點燈時水銀蒸汽氣壓只有1～10個大氣壓左右的一般水銀燈，而是以密封水銀量為0.15mg/mm3以上、點燈時產(chǎn)生了150個大氣壓以上的極高氣壓的燈為對象的。另外，放電容器的內(nèi)容積(放電空間的內(nèi)容積)，例如為70mm3以下的極小的放電燈，有著一般高壓水銀燈不可比的不同性質(zhì)的點燈狀態(tài)。
也就是說，上述早先出現(xiàn)的文獻中記載的放電燈，雖然提到與虛擬溫度有關(guān)，但是以低壓水銀燈為前提的，假設(shè)，即使大致提到對高壓水銀燈也適用，那也只不過以具有1～10個大氣壓左右的極為一般的高壓水銀燈為對象的，本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)將其中記載的技術(shù)原封不動地應(yīng)用在本發(fā)明的高壓水銀燈中，未必得到相同的效果。
隨著本發(fā)明者的更加仔細的探討的積累，得出了結(jié)果石英玻璃中存在堿金屬(Na，鉀等)元素，混入了為石英玻璃構(gòu)成要素的硅(Si)與氧(O)的化學(xué)結(jié)合中，這些堿金屬受到放電容器中大量存在的水銀和鹵元素的影響，從而導(dǎo)致了放電容器的失透現(xiàn)象和破損。所以，本發(fā)明者發(fā)明了通過在構(gòu)成放電容器的石英玻璃中加入鋁就可以防止由于上述堿金屬而產(chǎn)生的破壞作用。


圖1表示本發(fā)明的超高壓水銀燈的全部結(jié)構(gòu)；圖2表示本發(fā)明的超高壓水銀燈的效果；圖3表示對本發(fā)明的超高壓水銀燈進行的比較說明。
符號說明10.放電燈11.放電容器12.發(fā)光空間部13.陰極14.陽極15.密封部16.金屬箔17.電極棒18.外部導(dǎo)線具體實施方式
圖1表示本發(fā)明的超高壓水銀燈(以下只稱為“放電燈”)的全部結(jié)構(gòu)。
放電燈10具有由用石英玻璃形成的放電容器11形成的大致為球形的放電空間部12，這個放電空間部12內(nèi)，陰極13和陽極14相互是相對設(shè)置的。另外，形成了從放電空間部12兩端分別伸長的密封部15，在這些密封部15內(nèi)，例如周擠壓密封將通常由鉬構(gòu)成的用于導(dǎo)電的金屬箔16氣密地埋設(shè)在其中，端部分別有陰極13及陽極14的電極棒17的底端被設(shè)置到該用于導(dǎo)電的金屬箔16的一端的狀態(tài)，對它焊接使電導(dǎo)通，而金屬箔另一端與向外部伸出的外部導(dǎo)線棒18焊接。
放電空間部12內(nèi)密封了水銀、稀有氣體、鹵素氣體。
為了得到可見光波長，例如為了得到波長為360～780nm的放射光，要密封0.15mg/mm3以上的水銀。這個密封量雖然根據(jù)溫度條件而不同，但點燈時，能產(chǎn)生150個大氣壓以上的極高氣壓。另外可以通過密封更多的水銀制造出使點燈時的水銀蒸汽氣壓達到200個大氣壓以上、300個大氣壓以上的高水銀蒸汽氣壓的放電燈，水銀蒸汽氣壓越高越能得到適于投影裝置的光源。
密封稀有氣體例如密封大約13kPa的氬氣，是為了改善點燈的起動性。
密封鹵素，例如溴、氯、碘時，以其與水銀或其他金屬的化合物的狀態(tài)密封。鹵素的密封量，雖然例如可以在10-6～10-2μmol/mm3，的范圍內(nèi)選擇，它的功能是利用鹵素循環(huán)延長壽命，但對于象本發(fā)明中的極小型的有高內(nèi)壓的放電燈，考慮到密封這樣的鹵素也會帶來后面所說的放電容器的破損和失透現(xiàn)象的影響。
表示這樣的放電燈的數(shù)據(jù)值，例如，發(fā)光部的最大外部直徑為9.5mm、電極間距離為1.5mm、發(fā)光管的內(nèi)容積為75mm3、管壁負荷為1.5W/mm3、額定電壓為80V、額定功率為150W。
然后，將這個放電燈連接在如上述投影機、高架投影機這樣的用于顯示的機器上，就能提供顯色性良好的放射光。
本發(fā)明的超高壓水銀燈的第一個特征是，將構(gòu)成放電容器11的石英玻璃的虛擬溫度規(guī)定為1000～1250℃范圍內(nèi)。
這里，所謂的“虛擬溫度”是表示石英玻璃構(gòu)造的尺度，也可稱作構(gòu)造的決定溫度。即玻璃根據(jù)其熱處理條件其構(gòu)造可完全不同。例如，在某個高溫T下，將處于熱平衡狀態(tài)的玻璃急速冷卻到室溫，這時，玻璃的構(gòu)造保持在溫度T的狀態(tài)被凍結(jié)，這種情況下的高溫T稱為這個玻璃的虛擬溫度。另外將處于同樣的高溫T的熱平衡狀態(tài)的玻璃不是急速而是慢慢冷卻到低溫，這種情況下，虛擬溫度就變?yōu)榻咏覝氐臏囟取?br> 因為通過這種石英玻璃的虛擬溫度控制其結(jié)晶構(gòu)造，是通過熱平衡狀態(tài)和從熱平衡狀態(tài)進行冷卻的冷卻方法獲得的，如上所述，通過將高溫加熱得到的熱平衡狀態(tài)進行急速冷卻就能得到接近熱平衡狀態(tài)時的虛擬溫度。
以下是為了形成某虛擬溫度的石英玻璃的所需條件的一個例子。
①將石英玻璃在1150℃加熱20分鐘后，以0.1℃/分的速度急速冷卻到900℃，就得到了虛擬溫度為“1080℃”的石英玻璃。
②將石英玻璃在1200℃加熱5分鐘后，以15.0℃/分的速度急速冷卻到800℃，就得到了虛擬溫度為“1237℃”的石英玻璃。
③將石英玻璃在1050℃加熱120分鐘后，以0.5℃/分的速度急速冷卻到850℃，就得到了虛擬溫度為“1192℃”的石英玻璃。
④將石英玻璃在1100℃加熱60分鐘后，以1.5℃/分的速度急速冷卻到800℃，就得到了虛擬溫度為“1180℃”的石英玻璃。
這些只是一例，根據(jù)其他各種條件可以形成虛擬溫度不同的石英玻璃。
而且，象在這種虛擬溫度下，一般在將電極封入發(fā)光管完成放電燈的形狀后進行形成規(guī)定的石英玻璃結(jié)晶構(gòu)造的工序。
但是，如上述所述現(xiàn)有的高壓水銀燈中，是在把電極安裝在成為放電容器的石英玻璃管上并密封后進行作為除變形處理的高溫加熱處理(退火)的。
這個處理是將石英玻璃中存在的變形去掉的處理，如本發(fā)明所述并不是控制石英玻璃本身結(jié)晶結(jié)構(gòu)的處理。
另外作為除變形處理的高溫加熱處理必須要保持長時間高溫，舉一個例子，在1000℃下必須連續(xù)進行10個小時以上的加熱處理。
即，通過虛擬溫度控制結(jié)晶構(gòu)造，不僅與現(xiàn)有的去變形處理的處理目的完全不同，且意味著對處理時間的簡化和時間縮短也很有利。
這里，作為某石英玻璃虛擬溫度的測定方法，有紅外吸收光譜法(FT-IR)、喇曼分光法。紅外吸收光譜法是通過表示了石英玻璃的Si-O結(jié)合的伸縮模式的峰值移位量、而喇曼分光法是通過與各環(huán)對應(yīng)的峰值強度比估算出玻璃的虛擬溫度。
為了對紅外分光法具體簡單地說明，A.Agarwal推導(dǎo)出了下面計算虛擬溫度的公式。
虛擬溫度(K)＝43809.21/(峰值波數(shù)-2228.64).......(式1)于是，將測定對象的石英玻璃在2260cm-1附近，以透射率最低的波數(shù)作為峰值波數(shù)，放入式1中就可以求得虛擬溫度。
本發(fā)明的高壓水銀燈的第二個特征是，構(gòu)成放電容器11的石英玻璃的堿金屬的總含有量在0.1～3.0重量ppm，鋁含有量在1.0～30重量ppm范圍內(nèi)。
這里，“堿金屬”指的是鋰(Li)，鈉(Na)，鉀(K)，這些元素的總含有量必須在上述范圍內(nèi)。
必須加入堿金屬的理由是確保石英玻璃的粘性，在高溫狀態(tài)下進行的燈形狀加工、電極部的密封工序要求石英玻璃必須具有某種程度的玻璃粘性。
如果使堿金屬的含有量減少到比0.1重量ppm還少時，必須要進行極為特殊的純化處理，需要相當高的制造費用，另外，堿金屬的含有量超過了3.0重量ppm時，在石英玻璃中反而過多存在堿金屬，成為放電容器的失透、破損的原因。所以堿金屬的總含量在0.1～3.0重量ppm的范圍內(nèi)最為合適。
下面，闡述含有鋁的理由。
雖然堿金屬如上所述對石英玻璃的粘性有必要的作用，但其在燈處于點燈狀態(tài)時在玻璃中移動，會將玻璃的Si-O構(gòu)造切斷或形成不純物部位，結(jié)果招致放電燈的破損、放電容器的失透。
而鋁在玻璃中存在時，鋁將Si原子置換形成負離子領(lǐng)域，可將玻璃中的堿離子(正離子)約束在這個負離子領(lǐng)域里。
即，適度添加鋁，能減低堿離子的移動。
這樣，鋁的添加，具有捕捉玻璃中的堿離子移動的功能，從充分實現(xiàn)這個功能的最適合范圍的觀點上來說，將其含有量規(guī)定為1.0～30重量ppm。
鋁的含有量在1.0重量ppm以下時，能夠充分實現(xiàn)捕捉堿金屬功能的量太少，而30重量ppm以上時，雖有捕捉堿金屬的功能，但也有成為不純物的的功能，和堿金屬的情況一樣，導(dǎo)致放電燈的破損、放電容器的失透。
其次，對涉及本發(fā)明的超高壓水銀燈的作用效果的實驗進行說明。
使用的高壓水銀燈，發(fā)光部的外側(cè)最大直徑為9.4mm，電極間距離為1.3mm，發(fā)光管內(nèi)容積為75mm3，密封的水銀量為0.25mg/mm3，密封的鹵素量為10-4μmol/mm3，管壁負荷為1.5W/mm3，額定電壓為80V，額定功率為150W。
實驗中，通過改變了虛擬溫度、堿金屬濃度、鋁濃度的50個放電燈(其中本發(fā)明的實施例26個，本發(fā)明沒包括的比較例24個)分別觀察其放電容器的破損狀態(tài)和形成的白濁。
對于放電容器的破損狀態(tài)，是將放電容器點燈2分鐘后關(guān)燈40秒這樣的動作重復(fù)進行10次后，觀察放電容器破損狀態(tài)，記錄被視為破損的比例。然后，對各個放電燈每個都進行這樣點燈實驗數(shù)十次，從中得出破損的發(fā)生率。這里所指的破損是放電燈產(chǎn)生了裂縫、或放電燈毀壞的情況。
另外，對于白濁形成也是用同樣方法，對各個放電燈分別進行50個小時的點燈后，在對放電容器的白濁面積觀察的同時，對各燈進行數(shù)十次點燈的平均值進行記錄。
圖2表示的是用上述規(guī)格的超高壓水銀燈中，實施例1～26的實驗結(jié)果。
堿金屬的濃度表示鋰、鈉、鉀的總含有量。另外，放電容器的破損狀態(tài)用數(shù)十次的點燈實驗的比率表示，破損率未滿1％的用“○”，1～5％的用“△”，5％以上的用“×”來記錄。
另外，對于放電容器的失透現(xiàn)象，同樣用數(shù)十次的點燈試驗的平均值表示，在發(fā)光管部位，0.5cm2以上的發(fā)生失透的用“×”，0.1～0.5cm2的用“△”，0.1cm2以下的用“ ○”來記錄。
從圖2的結(jié)果表示出，虛擬溫度在1050～1250℃、堿金屬濃度為0.11～2.94重量.ppm，鋁的濃度為2.3～29.8重量ppm范圍內(nèi)，放電燈的放電容器既沒有破損也沒有失透現(xiàn)象。
但是，考慮到各種測定誤差，根據(jù)這個實驗，將虛擬溫度在1000～1250℃、堿金屬濃度為0.1～3.0重量ppm，鋁的濃度為1.0～30重量ppm范圍內(nèi)，規(guī)定為本發(fā)明的范圍。
其次，圖3為表示放電燈(比較例1～24)的實驗結(jié)果。
比較例1～8，是堿金屬和鋁的濃度在上述范圍內(nèi)，而虛擬溫度在上述范圍以外的對放電燈進行實驗的結(jié)果。
根據(jù)實驗，與1250℃的虛擬溫度最為接近的1263℃的比較例4中，導(dǎo)致了其放電容器的破損狀態(tài)、放電容器的失透狀態(tài)哪個都不理想的結(jié)果。
這個結(jié)果顯示出，對于放電燈而言，即使堿金屬和鋁的濃度在良好的范圍內(nèi)，而虛擬溫度超過了1260℃(同樣考慮了種種測定誤差)，也得不到理想的結(jié)果。
另外，比較例9～16為表示虛擬溫度和鋁濃度在發(fā)明范圍內(nèi)，而堿金屬的濃度在發(fā)明范圍外的對放電燈進行實驗的結(jié)果。具體就是，在堿金屬的含有量超過3.0重量ppm情況下進行的試驗。
根據(jù)實驗，與堿金屬含有量3.0重量ppm最為接近的3.6重量ppm的比較例9，導(dǎo)致了其放電容器的破損狀態(tài)、放電容器的失透狀態(tài)哪個都不理想的結(jié)果。
這個結(jié)果顯示，對于放電燈而言，即使虛擬溫度和鋁的濃度在良好的范圍內(nèi)，而堿金屬的含有量超過了3.0重量ppm(同樣考慮了種種測定誤差)，也得不到理想的結(jié)果。
另外，比較例17～24為表示虛擬溫度和堿金屬濃度在發(fā)明范圍內(nèi)，而鋁的含有量超過30重量ppm下進行的試驗。
根據(jù)實驗，與鋁含有量30.0重量ppm最為接近的32.8重量ppm的比較例19，導(dǎo)致了其放電容器的破損狀態(tài)、放電容器的失透狀態(tài)哪個都不理想的結(jié)果。
這個結(jié)果顯示，對于放電燈而言，即使虛擬溫度和堿金屬的濃度在良好的范圍內(nèi)，而鋁的含有量超過了30.0重量ppm(同樣考慮了種種測定誤差)也得不到理想的結(jié)果。
如以上說明，本發(fā)明的高壓水銀燈是放電容器里密封了0.15mg/mm3以上的水銀的被作為投影機裝置的光源使用的小型燈，通過將構(gòu)成放電容器的石英玻璃的虛擬溫度、堿金屬含有量、鋁含有量控制在所指定范圍內(nèi)，較好的解決了放電容器的破損及白濁的問題。
但是，上述對石英玻璃的虛擬溫度、堿金屬含有量、鋁含有量的的規(guī)定，雖然本質(zhì)上意味著對放電燈的發(fā)光管部的規(guī)定，對于發(fā)光空間內(nèi)容積在70mm3以下的小型放電燈，可以將密封部包括在內(nèi)對放電容器全體進行考慮。
另外，雖然本發(fā)明對構(gòu)成放電容器的石英玻璃的虛擬溫度進行了規(guī)定，還可以改變放電容器的發(fā)光部和密封部的虛擬溫度。
這是因為，燈在點燈中，與密封部的溫度相比發(fā)光部的溫度變?yōu)楦邷?，對于發(fā)光部，將其虛擬溫度設(shè)在1050～1250℃，甚至1200～1250℃的范圍內(nèi)做出來的是較為理想的。
另外，本發(fā)明的超高壓水銀燈不封入鹵素氣體的情況也有，另外將除水銀以外的金屬、稀土金屬封入的情況也有。
另外，本發(fā)明的超高壓水銀燈不限于使用直流電點燈，也也使用于交流電點燈。
另外，可以將本發(fā)明的超高壓水銀燈的燈的縱長方向軸垂直設(shè)置、水平設(shè)置、斜向設(shè)置，能適用于各種點燈的姿勢。
另外，本發(fā)明的超高壓水銀燈，可以內(nèi)藏在凹面反射鏡里，可采用在凹反射鏡前設(shè)置玻璃使其呈密閉，或大致密閉的狀態(tài)；或者在反射鏡前不設(shè)置玻璃使其呈開放狀態(tài)這樣的構(gòu)造。
權(quán)利要求
1.一種超高壓水銀燈，由石英玻璃形成的放電容器上，相對放置一對電極，將0.15mg/mm3以上的水銀密封在這個放電容器里，其特征是上述石英玻璃的虛擬溫度為1000～1250℃，且堿金屬的總含量為0.1～3重量ppm，鋁含有量為1～30重量ppm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超高壓水銀燈,將0.15mg/mm
文檔編號H01J61/20GK1387230SQ0212062
公開日2002年12月25日 申請日期2002年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月23日
發(fā)明者福島謙輔, 岡本哲 申請人:優(yōu)志旺電機株式會社