超高压水银灯及超高压水银灯点灯装置 技术领域 本 发 明 涉 及 短 弧 型 的 超 高 压 水 银 灯， 更详细地说涉及例如适宜作为使用了 DMD(Digital Mirror Device ： 注册商标 ) 的 DLP(Digital LightProcessing ： 注册商标 ) 等投射型投影机装置的背光照明的超高压水银灯和超高压水银灯点灯装置。
背景技术 在例如使用了 DMD(Digital Mirror Device ： 注册商标 ) 的 DLP(Digital Light Processing ： 注册商标 ) 等投射型投影机装置中， 要求相对于矩形的屏幕， 将具有均匀且充 分的演色性的图像进行投影， 因此， 作为光源， 采用点灯时的水银蒸气压为例如 150 大气压 以上的短弧型的超高压水银灯。
此外， 在紫外线曝光用、 光学仪器的照明用的灯中， 采用点灯时的水银蒸气压为例 如 100 大气压以上的短弧型的超高压水银灯。
这种超高压水银灯如下构成 ： 在例如由石英玻璃构成的发光管内以例如 2mm 以下 的间隔分离且彼此相对地配置一对电极， 并且在该发光管内封入水银和卤素。 此处， 在发光 管内封入卤素的主要目的是在发光管内形成卤素循环， 并且由此抑制电极物质即钨附着于 发光管的内壁。这种超高压水银灯在例如下述专利文献 1 至下述专利文献 3 等中有记载。
图 7 是表示现有的超高压水银灯的一例的要部的构成的说明用剖面图。该超高压 水银灯 80 是通过施加交流电压而被驱动点灯的交流点灯方式的水银灯， 具有在发光部 101 的两端上形成有杆状的封固部 102 的、 由石英玻璃构成的发光管 100。
在该发光管 100 的发光部 101 内， 分别由钨构成的一对电极 90 彼此相对地配置。 该电极 90 分别具有基端部分埋设于发光管 100 的封固部 102 中而被保持的棒状的轴部 91， 在该轴部 91 的前端， 大致圆锥状的头部 92 通过大致圆柱状的胴部 93 而一体地形成， 在该 头部 92 的前端上形成有突起部 92A。在电极 90 的轴部 91 的基端上， 焊接连接有埋设于发 光管 100 的封固部 102 中的导电性金属箔 ( 图示省略 )， 该导电性金属箔连接有从发光管 100 的封固部 102 的外端突出的外部导线棒 ( 图示省略 )。
此外， 在图示的例中， 在胴部 93 的周围， 设有在线圈卷绕于该胴部 93 上的状态下 通过熔融而一体地形成的线圈部 94。该线圈部 94 主要用于在灯启动时的辉光放电期间中 对电极 90 进行加热而促使该电极 90 的温度上升， 从而易于从辉光放电转移到弧光放电。
在这种超高压水银灯 80 中， 存在点灯中由于在电极 90 的前端产生突起而产生闪 烁的问题。 而且， 为了解决该问题， 周知有将比稳定点灯频率低的频率的交流电流间歇地插 入稳定点灯频率的交流电流中并从供电装置向超高压水银灯供给的单元 ( 参照专利文献 4 等 )。
专利文献 1 ： 日本特开 2005-063817 号公报
专利文献 2 ： 日本特开 2006-079986 号公报
专利文献 3 ： 日本特开 2000-231903 号公报
专利文献 4 ： 日本特开 2006-59790 号公报
但是， 在上述超高压水银灯 80 中， 存在以下的问题。
在向超高压水银灯 80 供给比稳定点灯频率低的频率的交流电流期间， 相比供给 稳定点灯频率的交流电流的期间， 作为阳极工作的电极 90 的前端被加热到较高的温度。而 且， 该电极 90 的前端产生的热传导到该电极 90 的其他部分而变为过热状态， 从而在电极 90 中产生变形， 因此产生随着点灯时间的经过而照度降低的问题。 发明内容 本发明基于上述问题而提出， 其目的在于， 提供一种即使在长时间点灯的情况下 也能够抑制在电极中产生变形且可得到较高的照度维持率的超高压水银灯和超高压水银 灯点灯装置。
本发明的超高压水银灯， 是交流点灯型的超高压水银灯， 在具有发光部和与该发 光部的两端连续设置的封固部的、 由石英玻璃构成的发光管内封入水银， 并且具有各自基 端部分埋设于所述封固部中而被保持的棒状的轴部的一对电极彼此相对地配置， 其特征在 于，
所述电极具有头部和筒部， 所述头部具有比所述轴部大的直径， 所述筒部从该头 部的后端面一体地突出延伸地形成， 其内周面与所述轴部分离并包围该轴部地设置，
在交流点灯中， 一方的电极作为阳极工作的阳极工作期间中， 时间最长的阳极工 作期间的频率 f(Hz) 和从电极的头部的最前端位置到该头部与筒部的边界位置的轴方向 的距离 d(mm) 满足如下关系式 ：
d/(1/f)1/2 ≥ 3.8。
此外， 本发明的超高压水银灯点灯装置， 由技术方案 1 所述的超高压水银灯和向 该超高压水银灯供给交流电流的供电装置构成， 其特征在于，
所述供电装置供给稳定点灯频率的交流电流， 并且将比该稳定点灯频率低的频率 的交流电流间歇地插入到所述稳定点灯频率的交流电流中并进行供给。
根据本发明， 通过满足上述关系式， 能够提供即使在长时间点灯的情况下也能够 抑制在电极中产生变形且可得到较高的照度维持率的超高压水银灯和超高压水银灯点灯 装置。
附图说明
图 1 是表示本发明的超高压水银灯的一例的构成的说明用剖面图。
图 2 是图 1 所示的超高压水银灯的电极的侧面图。
图 3 是图 2 所示的电极的侧面剖面图。
图 4 是用线段 P-P 剖开图 2 所示的电极而表示的剖面图。
图 5 是表示从供电装置向超高压水银灯供给的交流电流的波形的一例的说明图。
图 6 是表示从供电装置向超高压水银灯供给的交流电流的波形的另一例的说明 图。
图 7 是表示现有的超高压水银灯的一例的要部的构成的说明用剖面图。
标号说明
1 超高压水银灯10 发光管 11 发光部 12 封固部 13 金属箔 14 外部导线 20 电极 21 头部 21A 突起部分 21B 基台部分 22 筒部 23 轴部 23A 小径部分 23B 大径部分 23K 基端 80 超高压水银灯 90 电极 91 轴部 92 头部 92A 突起部 93 胴部 94 线圈部 100 发光管 101 发光部 102 封固部 S 放电空间具体实施方式
以下详细说明本发明的实施方式。
图 1 是表示本发明的超高压水银灯的一例的构成的说明用剖面图， 图 2 是图 1 所 示的超高压水银灯的电极的侧面图， 图 3 是图 2 所示的电极的侧面剖面图， 图 4 是用线段 P-P 剖开图 2 所示的电极而表示的剖面图。
该超高压水银灯 1 的发光管 10 具有在内部形成放电空间 S 的外形大致为球状的 发光部 11 和分别与该发光部 11 的两端一体地连续设置且沿着管轴向外方延伸的杆状的封 固部 12， 在该发光管 10 的发光部 11 内， 一对电极 20 彼此相对地配置， 该一对电极 20 具有 各自基端部分埋设于封固部 12 中而被保持的棒状的轴部 23， 且整体由钨构成。
在发光管 10 的封固部 12 的各自的内部， 由钼构成的金属箔 13 例如通过收缩密封 而气密地埋设， 在金属箔 13 的各自的一端上， 焊接且电连接有一对电极 20 的轴部 23 的基 端 23K， 而在金属箔 13 的各自的另一端上， 焊接且电连接有从封固部 12 的外端向外方突出 的外部导线 14。本例的超高压水银灯 1， 为通过在一对电极 20 之间施加交流电压而被驱动点灯的 交流点灯方式的水银灯， 电极 20 分别为了易于进行稳定点灯时的热设计， 而形成彼此相同 的构成。
发光管 10 由石英玻璃构成， 在该发光管 10 的发光部 11 内， 例如封入水银、 稀有气 体和卤素气体。
封入发光部 11 内的水银是为了得到需要的可见光波长、 例如波长 360 ～ 780nm 的 放射光， 为了在点灯时确保例如 100 大气压以上的较高的水银蒸气压， 其封入量为 0.10mg/ 3 3 mm 以上， 相对于可见光区域， 更优选封入其封入量为 0.15mg/mm 以上的水银以确保例如 150 大气压以上的较高的水银蒸气压。 通过增加该水银的封入量， 在点灯时能够得到 200 大 气压以上、 或 300 大气压以上的较高的水银蒸气压， 能够实现适于投影机装置的光源。
封入发光部 11 内的稀有气体是为了改善点灯启动性， 其封入压在静压下例如为 10 ～ 26kPa。此外， 作为稀有气体， 能够适宜使用氩气。
封入发光部 11 内的卤素用于在发光部 11 内形成卤素循环， 并且由此来抑制电极 物质即钨附着于发光部 11 的内壁， 以与水银以外的金属的化合物的形态被封入。卤素的封 -6 -2 入量例如为 1×10 ～ 1×10 μmol/mm3。此外， 作为卤素， 能够使用碘、 溴、 氯等。 此外， 在发光部 11 内， 还能够进一步封入卤化金属作为其他的放电介质。
在电极 20 中， 轴部 23 在小径部分 23A 的前端上一体地形成有大径部分 23B， 在该 轴部 23 的大径部分 23B 的前端上一体地形成有头部 21。该头部 21 由朝向前端变为小径的 大致圆台状的基台部分 21B、 和与该基台部分 21B 的前端一体地形成且朝向前端变为小径 的大致圆台状的突起部分 21A 构成。头部 21 的基台部分 21B 的后端具有比轴部 23 的大径 部分 23B 的前端直径大的直径， 头部 21 的突起部分 21A 的后端具有比基台部分 21B 的前端 直径小的直径。
在头部 21 的基台部分 21B 的后端， 圆筒状的筒部 22 在与轴部 23 分离的状态下形 成为从基台部分 21B 的后端连续且一体地包围轴部 23， 所述筒部 22 具有与该基台部分 21B 的基端直径实质上相同的外径。
作为形成电极 20 的钨， 优选使用其纯度为 4N 以上的钨。通过使用纯度为 4N 以上 的钨作为电极物质， 能够减少从电极 20 的头部 21 或轴部 23 向放电空间 S 内放出的杂质的 量。
此外， 电极 20 能够通过利用激光加工、 放电加工等将例如一根由钨构成的棒料进 行切削的方法、 单独形成电极的各部后将它们进行焊接的方法而形成。
头部 21 的体积优选为 2.5 ～ 6mm3。在头部 21 的体积过小的情况下， 由于热容量 小， 因弧光产生的热负荷容易产生电极物质的熔融或蒸发。另一方面， 在头部 21 的体积过 大的情况下， 由头部 21 遮挡的光的量较大， 因此有时难以高效地使光向外部放射。
此外， 头部 21 的后端的直径 ( 在图示的例中为基台部分 21B 的后端的直径 ) 例如 为 1.4 ～ 1.8mm。
筒部 22 的全长优选为 0.3 ～ 5mm。在筒部 22 的全长过小的情况下， 由于放电到达 轴部 23， 有时该轴部 23 被加热到较高温度， 此外， 筒部 22 中产生的热易于经由头部 21 传导 到轴部 23。 另一方面， 在筒部 22 的全长过大的情况下， 其与发光管 10 的内壁之间的距离较 短， 因此在筒部 22 的后端部分上产生放电时， 有时在发光管 10 中产生变黑等现象。
轴部 23 的直径， 考虑到灯的额定消耗功率、 形成电极 20 的电极物质和形成封固部 12 的石英玻璃之间的热膨胀差等而进行设定， 但优选轴部 23 的前端的直径 ( 在图示例中为 大径部分 23B 的前端的直径 ) 为头部 21 的后端的直径的 20 ～ 70％。如果轴部 23 的前端 的直径在该范围内， 则从头部 21 向轴部 23 的热传导较小， 能够抑制轴部 23 的温度上升。
此外， 在图示例中， 轴部 23 的前端侧形成为大径部分 23B， 根据这种构成， 在通过 利用激光加工、 放电加工等将一根棒料进行切削的方法来制造电极 20 的情况下， 从该棒料 切出而除去的部分较少， 因此具有易于制造电极 20 的优点。
电极 21 的筒部 22 和轴部 23 之间的分离距离 k 优选为 10μm ～ 1mm。如果该分离 距离 k 为 10μm 以上， 则即使在超高压水银灯 1 的启动时筒部 22 被加热而变为高温状态的 情况下， 该热量也难以直接传导至轴部 23， 因此能够抑制轴部 23 的温度上升。
对于本发明的超高压水银灯 1， 在交流点灯中， 设在一对电极 20 中的一方作为阳 极而工作的阳极工作期间中时间最长的阳极工作期间的频率为 f(Hz)， 并设从电极 20 的头 部 21 的最前端位置到其与筒部 22 的边界位置为止的轴方向的距离 ( 以下也称为 “头部的 全长” ) 为 d(mm) 时， 满足下述关系式 ： 1/2
d/(1/f) ≥ 3.8。 在交流点灯中的超高压水银灯 1 中， 电极 20 在作为阳极工作的阳极工作期间温度 上升。即， 该阳极工作期间中的最长的期间是对作为阳极工作的电极 20 施加较高的热负载 的期间， 通过其频率的倒数来确定。
周知的是， 一般地， 在交流地被施加的热在物质中扩散的情况下， 热以何种程度残 留受物质的热扩散率和交流半波时间的平方根的影响。
上述关系式是根据这种观点而实验地推导的， 通过上述 d/(1/f)1/2 的值为 3.8 以 上， 抑制在电极 20 的头部 21 的前端产生的热传导至该头部 21 的后端位置， 因此能够防止 电极 20 的早期变形。
因此， 根据本发明的超高压水银灯 1， 即使在长时间点灯的情况下， 也能够抑制在 电极 20 中产生变形， 得到较高的照度维持率。
在本发明的超高压水银灯 1 中， 根据以下的理由， 优选上述 d/(1/f)1/2 的值在 316 以下 (d/(1/f)1/2 ≤ 316)。
在超高压水银灯 1 中， 在供给的交流电流的频率超过 1000Hz 的情况下， 在电极 20 的前端难以形成稳定形状的突起， 容易发生闪烁。
此外， 超高压水银灯 1 被用作例如投影机装置的光源， 需要较高的亮度， 因此要求 管壁负荷极高的小型的水银灯， 发光管 10 的发光部 11 的最大直径在实用上为 20mm 以下， 作为在这种发光管 10 内配置的电极 20， 头部 21 的全长为发光管 10 的发光部 11 的最大直 径的 1/2、 即 10mm 以下。
因此， 设供给的交流电流的频率的上限为 1000Hz、 头部 21 的全长的上限为 10mm 1/2 时， d/(1/f) 的值为 316 以下。
表示上述超高压水银灯 1 的电极 20 的具体尺寸时， 轴部 23 的小径部分的直径 a1 为 0.4mm， 大径部分的直径 a2 为 0.77mm， 轴部 23 的全长 b 为 6.8mm， 头部 21 的后端 ( 在图 示例中为基台部分 21B 的后端 ) 的直径 c 为 1.6mm， 头部 21 的全长 d 为 1.2mm， 筒部 22 的 外径 e1 为 1.6mm， 筒 22 的内径 e2 为 1.15mm， 筒部 22 的全长 g 为 1.2mm， 筒部 22 和轴部 23
的间隔距离 k 为 0.19mm。
本发明的超高压水银灯中， 在例如通过从供电装置供给稳定点灯频率的交流电流 并且将比该稳定点灯频率低的频率的交流电流间歇地插入到所述稳定点灯频率的交流电 流中而进行供给的点灯装置而点灯的情况下， 能够有效地发挥其效果。
图 5 是表示从供电装置向超高压水银灯供给的交流电流的波形的一例的说明图。 该图中， 纵轴表示灯电流， 横轴表示时间， 在灯电流位于基础线上方时， 是一方的电极作为 阳极工作的阳极工作期间 ( 另一方的电极作为阴极工作的期间 )， 在灯电流值位于基础线 下方时， 是一方的电极作为阴极工作的阴极工作期间 ( 另一方的电极作为阳极工作的期 间 )。
该交流电流由稳定点灯频率的交流电流 A1 和在该稳定点灯频率的交流电流 A1 中 间歇地插入的频率比该交流电流 A1 低的交流电流 A2 构成。
作为稳定点灯频率的交流电流 A1 的频率， 例如从 90 ～ 450Hz 的范围选择。
交流电流 A2 的频率为比交流电流 A1 低的频率， 例如从 10 ～ 150Hz 的范围选择。
此外， 一次交流电流 A1 的供给时间、 即交流电流 A2 插入的时间间隔例如为 0.1 秒 左右。 此外， 一次交流电流 A2 的供给时间例如为 0.006 ～ 0.1 秒。
在这种交流电流中， 交流电流 A2 引起的一方的电极的阳极工作期间 T 为该一方电 极的阳极工作期间中最长的时间， 因此该阳极工作期间 T 的频率为上述关系式的频率 f。
此外， 根据具有供给交流电流的供电装置的超高压水银灯点灯装置， 能够抑制闪 烁的发生。
本发明通过适用于在发光管内封入了 0.10mg/mm3 以上的水银的短弧型的超高压 水银灯， 除了投射型投影机装置的光源之外， 作为紫外线曝光用、 光学仪器的照明用的灯是 极其有用的。
本发明中， 不限于上述实施方式， 能够加入各种变更。
(1) 在电极 20 的轴部 23 上形成大径部分 23B 不是必须的， 轴部 23 也可以为直径 相同的棒状。
(2) 从供电装置向超高压水银灯 1 供给的交流电流不限于具有图 5 所示的波形， 例 如也可以如图 6 所示， 为在稳定点灯频率的交流电流 A1 中间歇地插入交流电流 A2 和交流 电流 A3 的交流电流。图 6 中， 纵轴表示灯电流值， 横轴表示时间， 在灯电流值位于基础线上 方时， 是一方的电极作为阳极工作的期间 ( 另一方的电极作为阴极工作的期间 )， 在灯电流 值位于基础线下方时， 是一方的电极作为阴极工作的阴极工作期间 ( 另一方的电极作为阳 极工作的期间 )。
本发明中， 如图 6 所示的交流电流那样， 对于一方的电极， 在稳定点灯频率的交流 电流 A1 中插入的交流电流 A3 引起的阴极工作期间比稳定点灯频率的交流电流 A1 引起的 阴极工作期间短的情况下， 即交流电流 A3 引起的阴极工作期间的频率比交流电流 A1 引起 的阴极工作期间的频率高的情况下， 忽略交流电流 A3 引起的阴极工作期间， 交流电流 A3 引 起的实际的阳极工作期间 t 的合计可视为该交流电流 A3 引起的一个阳极工作期间 T。
实施例
< 实验例 >
根据图 1 ～图 4 所示的构成， 制作具有下述规格的交流点灯型的灯 (A) ～灯 (F)。 此外， 在以下的规格中， 发光管、 电极间距离、 封入物和电极的材质对所有的灯都是共通的 规格。
发光管由石英玻璃制成， 发光部的内容积为 0.0825cm3。
电极间距离为 1.1mm。
在发光管内， 封入水银、 稀有气体及作为卤素的溴， 水银封入量为 0.29mg/mm3， 卤 -3 3 素封入量为 3×10 μmol/mm 。
电极由纯度为 5N 的钨制成， 其他规格如下表 1 所示。
输入功率为 275W。
表1
对于灯 (A) ～灯 (F)， 从供电装置供给 370Hz 的稳定点灯频率的交流电流， 并且在 每当该稳定点灯频率的交流电流的供给时间为 0.1 秒时， 将上述表 1 所示的低频的交流电 流以对应于各自的频率的时间插入而供给， 由此使各灯最长连续点灯 3000 小时， 测定其照 度维持率。结果如下表 2 所示。
此处， 对于超高压水银灯， 在实用上， 若照度维持率在 50％以上即可使用， 此外， 若 超高压水银灯的使用寿命在 1500 小时以上， 则在实用上良好。
表2
从表 2 所示的结果可以确认， 在 d/(1/f)1/2 的值为 3.8 以上的灯中， 即使在长时间 连续点灯的情况下， 也能够得到较高的照度维持率。