專利名稱：高壓放電燈所用的電極和高壓放電燈及其制造方法
本申請是以日本專利申請No.2000-116699、No.2000-188785和No.2001-94226為基礎的，并以前面兩個申請?zhí)岢鰢鴥?nèi)優(yōu)先權(quán)，且其內(nèi)容在此處作為參考而被結(jié)合使用。
本發(fā)明涉及一種高壓放電燈所用的電極和一種高壓放電燈及其制造方法。
在最近幾年中，投影式圖像顯示裝置例如液晶投影儀的發(fā)展較為活躍。在這種投影式科圖象顯示裝置中必需具備一個與點光源接近的高強度光源。通常利用一種高壓放電燈例如一種高壓水銀燈或一種短弧式金屬鹵燈來作為這種光源。
發(fā)展短弧式高壓放電燈的主要技術(shù)任務之一是通過提高燈的壽命特性來延長其使用壽命。即，通常情況下，在短弧式高壓放電燈中，形成電極的鎢絲進行熔化和發(fā)散，由于電極端部的溫度過度增高而使電極末端產(chǎn)生變形和損耗，而發(fā)散的鎢積聚在發(fā)光管的內(nèi)表面上而使發(fā)光管變黑。發(fā)光管的內(nèi)表面的變黑引起光通量過早下降。為了解決這個問題，現(xiàn)在己研究了與短弧式高壓放電燈所用的電極的設計及其制造方法相關(guān)的多種常用技術(shù)。
在與上述電極的設計相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)中已發(fā)展了一種具有如

圖1所示的構(gòu)造的電極。圖1中所示的電極901是通過將一個具有較小軸徑的電極桿902與一個圓柱形電極部分903相結(jié)合而形成的，所述圓柱形電極部分903的內(nèi)徑大于電極桿902的軸徑。電極的運行特點為(1)圓柱形電極部分903通過將產(chǎn)生的熱量迅速傳遞至電極桿一側(cè)來降低電極末端904的溫度，并通過電極金屬的熔化和發(fā)散來抑制電極末端904的變形和損耗；(2)通過具有較小軸徑的電極桿902的工作，電極901的整體是絕熱的，這樣就可促使密閉在發(fā)光管中的發(fā)光材料的揮發(fā)。
一種如電極901的電極通常是通過對高熔點金屬材料如鎢的塊體進行研磨處理而制造的，并且特別是在短弧式高壓放電燈如超高壓水銀燈和DC(直流)放電式高壓氙燈中用作陽極，上述這些燈均經(jīng)受溫度的升高。
同時，與用于通常的長弧式照明的高壓放電燈相同構(gòu)造的電極最初用于金屬檢鹵燈和短弧式高壓水銀燈，近年來短弧式高壓水銀燈被用作投影式圖像顯示裝置的光源。如圖2所示，電極911是由由通常所用的鎢制成的電極桿912和由具有較小軸徑的鎢絲形成的線圈913形成的。但是，在使用如電極911的電極的短弧式高壓放電燈中，不能避免由于鎢電極材料的熔化和分散而造成的上述電極末端的變形和損耗，這樣就難于延長燈的使用壽命。
因此，作為解決延長這種燈的壽命的問題的一種方法，現(xiàn)在已重新研究了用于通常的短弧式高壓放電燈而具有圖1中所示的基本結(jié)構(gòu)的電極。但是，因為通過研磨的方式制造電極的成本較高，現(xiàn)在已研究了具有與圖1中所示的電極901基本結(jié)構(gòu)相同而可便宜制造的電極。例如，在日本專利No.2820864和待審的日本專利No.H10-92377中批露了與這種電極相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)。
上述專利中電極的例子如圖3A和3B所示。電極921是通過兩個工藝過程來制造的，與上述的研磨工藝過程相比，這兩個工藝過程較為簡單(a)首先，將鎢絲線圈923纏繞到鎢電極桿922的放電端上(參見圖3A)，(b)電極桿922的放電側(cè)端和線圈923的放電側(cè)端通過所謂的放電法而熔化和熔合在一起，從而形成一個基本為半球形(參見圖3B)的電極末端924。
在電極921中，由線圈923和半球形電極末端924形成的部分與圖1中所示的圓柱形部分903和電極901的電極末端904具有同樣的效果。因此，半球形電極末端924中的熱量就被迅速傳送至線圈923而降低電極末端924的溫度。在這種方式中，即使電極是利用成本較低的放電法制造的，電極材料的熔化和發(fā)散及電極末端的變形和損耗也均可被抑制，從而延長了燈的壽命。
請注意與提高高壓放電燈的壽命期限相關(guān)的另一篇現(xiàn)有技術(shù)是利用高純度的鎢來作為電極材料的一種方法，在待審的日本專利No.H9-165641中批露了該方法。此處顯示了利用高純度鎢的一個結(jié)果，其中，附屬構(gòu)成成分中元素Al、Ca、Cr、Cu、Fe、Mg、Mn、Ni、Si、Sn、Na、K、Mo、U和Th的總量被控制至基本成分鎢W的10ppm，所述的鎢在高輸出的大放電燈中被用作電極(特別為陽極)材料可有效地提高燈電極的壽命。
根據(jù)上述的相關(guān)技術(shù)，本發(fā)明人研制了一種可在投影式圖像顯示裝置中用作光源的短弧式高壓水銀燈。在研制過程中，發(fā)明人設定了與市場所要求的燈的性能特別相關(guān)的兩個目標。所述目標為(1)在電極之間設置間隔距離，換句話說，布置在發(fā)光管中的相對布置的兩個電極的放電端之間的距離不超過1.5mm，該距離小于通常的間隔，這樣在結(jié)合一個反射鏡時就可提高光的利用率；(2)使燈的壽命期限至少達到3000小時。請注意(2)燈的壽命期限(將在下文中描述)是由燈的老化時間確定的，而老化時間是指在發(fā)光過程中，預測的燈單元的光通量保持率從熒光屏上的9點保持的平均亮度保持率下降至50％所需的時間。
在開始進行研制時，本發(fā)明人研究了一種短弧式高壓放電燈，與通用的燈相比，該燈在電極之間具有較短的距離且利用了以上述專利(圖3A和3B)中的方法為基礎的放電法制造的電極。但是，當發(fā)明人檢測利用這種電極而制造的燈的總體特性參數(shù)時，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)在燈的特性參數(shù)如電壓和壽命之間存在較大的變化，這就意味著這種燈缺乏商業(yè)生存性。
其次，在對燈的特性參數(shù)中產(chǎn)生的上述變化進行研究時，發(fā)明人認識到利用傳統(tǒng)的放電法生產(chǎn)的電極端部的熔合的形狀不是均勻的半球形，而是產(chǎn)生了不同的形狀和尺寸，這些不同的形狀和尺寸即為燈的特性參數(shù)變化的原因。例如，當電極末端的形狀不是半球形時，會產(chǎn)生這樣的情況，其中，放電電弧與兩個電極之間的中軸線相偏離。因此，放電電弧的長度就比設計值要長，因此，燈電壓增加而超過額定值范圍。
特別是，當電極之間的距離在發(fā)明人的目標范圍1.5mm之內(nèi)或小于該目標時，可清楚認識到燈電壓根據(jù)放電電弧長度的這種變化而產(chǎn)生的波動會增加。此外，在燈之間的電極末端的熔合的形狀和尺寸產(chǎn)生變化時，在放電過程中電極末端的溫度就產(chǎn)生變化，這樣就會引起燈的壽命的變化。
本發(fā)明的目的是提供一種高壓放電燈、一種高壓放電燈電極及其制造方法而希望使燈的壽命達到至少3000小時，并可抑制利用電極的高壓放電燈的特性參數(shù)的變化，所述電極的放電側(cè)端是被熔合的。
通過利用一種用來生產(chǎn)高壓放電燈的方法就可達到上述目的，該方法包括一個覆蓋部件施加步驟，通過該步驟就將由耐熱金屬制作的覆蓋部件覆蓋到由耐熱金屬制成的電極桿的放電側(cè)端上，從而在放電側(cè)端的附近覆蓋電極桿的周圍，該方法還包括一個熔合步驟，在該熔合步驟中，通過間隔性的加熱熔化施加了覆蓋部件的放電側(cè)端而將放電側(cè)端整合為半球形。
在這種制造方法中，由于電極的放電側(cè)端是被間隔性加熱而熔合的，這樣在電極制造過程中就可容易地控制電極末端的溫度。根據(jù)該方法就可抑制如電極末端的形狀的變化，更具體地說，可將電極末端形成為半球形而不會在其上產(chǎn)生缺陷如內(nèi)孔。這樣可延長燈的壽命且可抑制燈的特性參數(shù)中的變化。
請注意通過間隔性地加熱熔化，在電極末端的結(jié)晶過程中，晶體中的平均粒徑的尺寸就可被增加。這樣，通過一種包括由鎢作為主要構(gòu)成材料制成的電極并將其放置到發(fā)光管中而制成的高壓放電燈，且使電極的半球端相對布置而電極端的鎢晶體的平均粒徑至少為100μm，這樣就可達到上述的目的。由于這種電極中的晶體的平均粒徑較大而增加了電極末端的熱容，從而抑制了電極的變形，這樣就可延長高壓放電燈電極的壽命。
請注意作為上述間隔性熱熔合的一種特定方法，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)如利用放電電弧熔合的方法或利用激光的方法是特別理想的。
通過下面結(jié)合附圖的描述，本發(fā)明的這些目的及其他目的、優(yōu)點和特點將會更加明確，附圖中顯示了本發(fā)明的一個特定實施例。在附圖中圖1顯示了相關(guān)技術(shù)中的高壓放電燈所用的電極的一個例子；圖2顯示了在長弧式高壓放電燈中的常用照明源中所用電極的一個例子；圖3A和圖3B顯示了通過將一個線圈纏繞在電極桿的放電端及將末端熔合而形成具有半球形電極末端的一個通用電極；圖4顯示了本發(fā)明的一個實施例的高壓水銀燈的構(gòu)造；圖5所示為燈單元300的構(gòu)造的局部剖視圖；圖6所示為用來解釋本發(fā)明的電極的制造過程的圖；圖7所示為用來解釋在第一個實施例中的氬等離子體焊接裝置400的使用模型的圖；圖8所示為一個波形圖，圖中顯示了在第一個實施例中的氬等離子體焊接裝置的放電循環(huán)的一個例子；圖9所示為一個波形圖，圖中顯示了在第一個實施例中的氬等離子體焊接裝置的放電循環(huán)的另一個例子；
圖10所示為一個波形圖，圖中顯示了在第一個實施例中的氬等離子體焊接裝置的放電循環(huán)的另一個例子；圖11顯示了第一個實施例的高壓放電燈中光通量保持率相對于老化時間而產(chǎn)生的變化；圖12所示為作為一個比較例，通用的高壓放電燈中光通量保持率相對于老化時間而產(chǎn)生的變化；圖13A和圖13B為部分截面示圖，圖中顯示了在通用的高壓放電燈中的電極末端中的缺陷；圖14顯示了本發(fā)明的高壓放電燈所用的電極的末端124上的鎢晶體的一個例子的剖視圖；圖15顯示了高壓放電燈中光通量保持率相對于老化時間而產(chǎn)生的變化，在電極末端124的鎢晶體中均具有不同的平均粒徑；圖16顯示了高壓放電燈中光通量保持率相對于老化時間而產(chǎn)生的變化，電極材料的每個附加構(gòu)成成分的比例不同且附加構(gòu)成成分中特定的金屬的比例也不同；圖17顯示了在第二個實施例中的電極末端124的熔合過程中所用的Nd-YAG激光熔合裝置500的示意性結(jié)構(gòu)；圖18所示為經(jīng)激光連續(xù)輻射后而熔合的電極末端124的周圍區(qū)域的外觀的一個例子的剖視圖；圖19顯示了本發(fā)明人根據(jù)第二個實施例的電極制造方法的基本生產(chǎn)條件來設定激光輻射循環(huán)的一個典型例子；圖20所示為通過利用圖19中所示的4Hz的重復頻率間隔性地進行5次激光輻射而熔合的電極端部124的周圍區(qū)域的剖視圖。
參考附圖，下面將對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行描述。第一實施例圖4顯示了本發(fā)明的實施例中的高壓水銀燈的結(jié)構(gòu)。如圖4所示，該實施例的高壓水銀燈具有一個發(fā)光管101，在所述發(fā)光管101中布置有一個放電空間111，而在所述放電空間111中放置有兩個電極102和103，所述兩個電極相對布置且它們之間具有預定的距離(De)，各個電極分別從布置在放電空間111的各端部的密封器104和105處延伸。所述電極102和103均具有與圖3B所示的電極921相同的結(jié)構(gòu)，但是，所述電極是根據(jù)本發(fā)明提供的制造方法來制造的，該內(nèi)容將在下文中進行描述。
發(fā)光管101的包層管是由石英形成的且基本為球狀。相對的鎢電極102和103通過鉬片106和107而分別密封在密封器104和105中。所述鉬片106和107還分別與外部的鉬導線108和109相連。根據(jù)燈的輸出功率，發(fā)光管101具有的長度的為30mm至100mm，其最大外直徑(Do)為5mm至20mm，而發(fā)光管111的最大內(nèi)直徑Di為2mm至14mm。
此處，鎢電極102和103之間的距離(De)通常設定在約1.5mm至2.5mm的范圍內(nèi)。但是，在本發(fā)明的高壓放電燈中，為使燈光的利用率更高且提高熒光屏上的亮度，所述的距離(De)的值應不大于1.5mm，最好控制在0.5mm至1.5mm的范圍內(nèi)。實際上，本發(fā)明的電極的制造方法并不僅限于在高壓放電燈中所用的其間距離為1.5mm或更小的電極，而且本發(fā)明的電極制造方法還適用于通用的高壓放電燈的電極。
一種發(fā)光材料水銀110和用來進行輔助啟動的稀有氣體如氬、氪、氙與鹵素如碘和溴一起被整體性地密封在發(fā)光空間111中。密封的水銀110的量最好控制在發(fā)光管111的容積的至少150mg/cm3的范圍內(nèi)(在燈照明過程中約為150bar或更高水銀蒸汽壓力)。需要設定稀有氣體的密封壓力在冷卻時在0.1bar至10bar的范圍內(nèi)。
請注意例如，在利用溴作為鹵素物質(zhì)時，就需要設定在10-9mol/cm3至10-5mol/cm3的范圍內(nèi)。這樣進行密封就可通過將從電極發(fā)散而沉積在發(fā)光管101的內(nèi)表面上的鎢回復至所述電極上來抑制發(fā)光管的變黑。同時，如圖5所示，所構(gòu)造的一個完整的燈200具有一個安裝在發(fā)光管101的一端的基座120，該完整的燈200還裝配有一個反射鏡210，上述這些元件一起構(gòu)成了燈單元300。
此外，如圖6A和6B所示，電極102(電極103亦然)是通過一種制造工藝過程來制成的，其中，(a)絲徑為0.2mm的雙層鎢絲線圈123纏繞在軸徑為0.4mm的鎢電極桿122周圍(參見圖6A)；(b)將鎢電極桿122和雙層的鎢線圈123的末端熔合而形成為一個半球形如一個電極末端124(參見圖6B)。
首先，下面的內(nèi)容將詳細描述本發(fā)明的第一個實施例的電極制造方法。在該實施例中，一個氬等離子體焊接裝置被用來執(zhí)行鎢電極桿122和雙層鎢線圈123的端部的熔合工藝過程而形成一個具有半球形末端124的電極。
此處將詳細描述由氬等離子體焊接裝置執(zhí)行的熔合工藝過程。此時，如圖7所示，從鎢電極122和雙層線圈123的末端至等離子體焊接裝置400的電極(負極)401的末端的距離Dp被設定并保持為1.0mm，且進行電弧放電。
該熔合工藝過程是通過多個間隔性的電弧放電來執(zhí)行的且在電弧放電之間應提供至少一個冷卻時間。圖8顯示了該熔合過程的一個特定例。在該例子中，熔合過程P1至P4共間隔性地執(zhí)行了4次且在每次熔合之間均具有一個冷卻時間。
第一次熔合P1是通過26A的電弧電流進行50msec的電弧放電來進行的，并且以0.4秒的間隔連續(xù)進行了三次。通過該工藝過程，鎢電極122的末端和雙層鎢線圈123的末端基本熔合在一起，但沒形成良好的球形。
下一步即為約3秒鐘的冷卻時間，鎢電極桿122和雙層線圈123的末端失去由于電弧放電而導致的紅熱狀態(tài)并回復至金屬色澤狀態(tài)。請注意本發(fā)明中的冷卻不僅包括通過某種方式的強制冷卻，而且還包括僅使電極進行自然冷卻。圖8中所示的每次熔合之間的冷卻時間即為自然冷卻。
下面進行第二次的熔合。第二次熔合P2是通過26A的電弧電流進行50msec的電弧放電而進行的，且電弧放電以0.4秒的時間間隔連續(xù)進行兩次。依據(jù)該步驟，鎢電極122和雙層線圈123的末端就回復至紅熱狀態(tài)進行熔合，并接近形成良好的半球形。
然后，在進行3秒鐘的冷卻之后，利用26A的電弧電流進行50msec的電弧放電而進行第三次熔合P3。在進行1.5秒的進一步冷卻之后，利用26A的電弧電流進行50msec的電弧放電而執(zhí)行第四次熔合P4。通過上述的熔合P1至P4，鎢電極桿122和雙層鎢線圈123的末端就形成為一個基本完美的半球形。
在這種方式中，通過在一個和多個電弧放電之間進行熔合同時留出冷卻時間，鎢電極122和雙層鎢線圈123的末端的溫度升高在總體上是平均的，這樣就可較容易地控制熔合溫度?；谶@一點，就可得到一個具有耐久性的半球形理想電極末端124且其上沒有缺陷如孔或未熔合的部分。
請注意在整個熔合過程中需要設定的總冷卻時間比總電弧放電時間長。例如，在圖8所示的例子中，執(zhí)行了7次的50msec電弧放電，則電弧放電的總時間為350msec，而總冷卻時間為7.5秒，因而比電弧放電時間長。
請注意所希望的熔合過程的例子并不僅限于圖8所示的例子?？稍O定一些條件如在每次熔合中的電弧放電的數(shù)量和電弧放電之間的時間間隔、冷卻時間的長度及在范圍內(nèi)變化的電弧電流的量，從而達到本發(fā)明的目的。
例如，如圖9所示，通過以0.6秒的時間間隔執(zhí)行4次電弧放電而進行第一次熔合P1，留出2秒的冷卻時間，然后以0.4秒的時間間隔執(zhí)行2次電弧放電而進行第二次熔合P2，留出3秒的冷卻時間，然后執(zhí)行1次電弧放電而進行第三次熔合P3，留出1.5秒的冷卻時間，最后執(zhí)行1次電弧放電而進行第4次熔合P4，通過上述步驟就可形成沒有剩余缺陷如孔或未熔合的部分的一個理想半球狀。
另一種可替代的方式為，當形成為一個良好半球的可能性稍微下降時，通過圖10所示的工藝過程就可得到在允許范圍內(nèi)的電極末端124，在圖10中，以0.2秒的時間間隔(電弧電流23A)執(zhí)行2次電弧放電而進行第一次熔合P1，在進行4秒的冷卻之后執(zhí)行1次電弧放電而進行第2次熔合P2，在進行1.5秒的進一步冷卻之后，執(zhí)行1次電弧放電而進行第3次熔合P3。
請注意生產(chǎn)中希望利用所謂的無雜質(zhì)的純鎢，其中的附屬構(gòu)成成分如Al、Ca、Cr、Cu、Fe、Mg、Mn、Ni、Si、Sn、Na、K、Mo、U和Th的總量限制為5ppm或更少來作為鎢電極122和雙層線圈123的材料。此外，在上述的附屬構(gòu)成成分中，需要將堿性金屬Na、K、Fe、Ni、Cr和Al的總量限制在3ppm或更少。
下面的內(nèi)容將說明為研究燈的壽命特征如燈的工作壽命過程中的光通量保持率而由本發(fā)明人對本實施例的高壓水銀燈進行檢測及檢測的結(jié)果。
首先，進行了第一次檢測，發(fā)明人研究了該實施例的高壓水銀燈的壽命特征中的變化。此處，作為本實施例中高壓水銀燈所用的檢測燈是利用電極102(和103)構(gòu)造的，所述電極102(和103)的末端124是根據(jù)圖8中的放電循環(huán)而形成的。此外，為進行比較的目的，按著同樣的方式而準備和檢測了通用的高壓水銀燈。請注意受檢測的通用高壓水銀燈是用圖3B中所示的電極921取代本實施例中的高壓水銀燈中的電極102(和103)而構(gòu)造的。
請注意通用檢測燈的電極921是通過如圖3A所示制造過程來制作的，其中，利用絲徑為0.2mm的鎢絲形成的雙層鎢線圈923(8匝)安裝在軸徑為0.4的鎢電極桿922上，然后，鎢電極桿922和鎢線圈923的末端通過等離子體焊接裝置進行熔合，這樣電極末端924就形成為如圖3B所示的半球形。
請注意電極末端924的熔合過程是由通用的一次放電電弧式工藝來進行的，其中，設定鎢電極桿922和鎢線圈923的末端并將所述末端與圖7中所示的等離子體焊接裝置的電極(正極)401的末端之間的距離保持為1.0mm的距離Dp，利用20A的電弧電流只執(zhí)行1次電弧放電。
此外，一種所謂的無雜質(zhì)高純度鎢被用作鎢電極桿922和鎢線圈923的構(gòu)成材料，其中，上述的附屬構(gòu)成成分的總量被限制在10ppm。另外，本實施例中的檢測燈的電極102和103的材料是一種純度更高的鎢，其中，上述附屬構(gòu)成成分的總量為5ppm，而在這些附屬構(gòu)成成分中所含的堿性金屬Na、K、Fe、Ni、Cr和Al的總量為3ppm。
請注意在檢測過程中，所有檢測燈的輸出功率均設定為150W，發(fā)光管的尺寸為管的中間部分的最大外直徑Do(參見圖4)為9.4mm，管的最大內(nèi)直徑Di(參見圖4)為4.4mm。此外，兩個電極末端之間的距離De為1.1mm，管的內(nèi)部容積為0.06cm3而管的長度Lo(參見圖4)為57mm。此外，在管中密封有11.4mg的水銀(管的質(zhì)量容積比為190mg/cm3，等于在照明過程中的水銀蒸汽壓力190bar)和200mbar的氬。
在檢測中準備了幾個本實施例的高壓水銀燈和根據(jù)上述標準的通用水銀燈，每個燈均被組裝而形成圖5中所示的燈單元300，按著3.5小時的照明與0.5小時的閉燈時間的比例而進行的老化測試來完成壽命檢測。此外，從燈單元300的熒光屏的九點的中心就可得到亮度的平均值，依據(jù)這個結(jié)果，根據(jù)ANSI標準IT7.215-1992就可檢測亮度保持率的平均值(平均亮度與3小時老化時間的比值)，并以此作為燈壽命中的光通量保持率。
根據(jù)上述條件而對燈的壽命進行檢測的結(jié)果如圖11和12所示。作為本實施例而預備的檢測燈(以下稱為“本實施例檢測燈”)的壽命特征如圖11所示，作為通用燈而預備的檢測燈(以下稱為“通用檢測燈”)的壽命特征如圖12所示。
從圖11中可看到，在500小時的老化時間內(nèi)，沒有一個本實施例檢測燈的光通量保持率低于50％。特別是，以g3、g4和g5所表示的燈即使在至少3000小時的老化時間之后仍具有50％或更高的光通量保持率。換句話說，這些燈具有至少3000小時的壽命。
另外，如圖12所示，通用檢測燈的壽命特征在各個燈之間具有較大的變化。從燈(圖12中所示的g11和g12)至燈(圖中的g16)，它們的壽命特征均發(fā)生變化，其中，燈g11和g12光通量保持率在500小時的老化時間內(nèi)迅速下降至低于50％的水平，而燈g16在3000小時的老化時間內(nèi)將光通量保持率保持在高于50％的較高水平上。
在這種情況下，在光通量保持率下降的燈中可觀察到發(fā)光管的均勻變黑及隨著老化時間超過1000小時而產(chǎn)生的發(fā)光管的石英的透光度的下降(由于石英的再結(jié)晶而引起的變白的現(xiàn)象)。當燈變黑或透光度下降過量時，光通量保持率下降而低于50％的燈就會經(jīng)受溫度的增加及發(fā)光管、特別是上部部分的膨脹而損壞。請注意在圖11和圖12中的差號(×)即為每個檢測燈損壞的點。
此外，當檢測燈的電極斷開而在壽命檢測之后進行研究時，可發(fā)現(xiàn)特別是在500小時或更短的老化時間內(nèi)光通量保持率下降而低于50％的檢測燈(通用燈)的電極端部的熔合狀態(tài)是不均勻的。也就是說，由熔合工藝過程引起缺陷，如圖13A中所示的熔合的半球形末端924中的孔及圖13B中所示的應為半球924的一部分的鎢線圈923的一部分仍未被熔合。
這些缺陷產(chǎn)生的原因如下。即為很難控制在熔化電極端部時通用的一次放電電弧式熔合中的最優(yōu)熔化溫度。特別是，由于電極端部的溫度的局部突然升高及過度升高即會存在孔和未熔合的部分。
相反，本實施例中形成燈的電極末端124的半球的熔合工藝過程不是所述的通用一次電弧放電方法，而是在一個和多個電弧放電之間進行間隔性地熔合，同時在每次熔合之間提供一段冷卻時間。因此，電極端部的溫度升高總體上是均勻的且容易進行控制。根據(jù)該方法，在電極102(和103)的末端124中就不存在所述的缺陷如孔和未熔合部分，該燈顯示了較好的壽命特性。
此外，在上述的檢測中，在老化時間為1000小時至3000小時的過程中，對于光通量保持率下降而低于50％的檢測燈(圖12中的g13至g15)來說，電極921的末端924的熔合狀態(tài)看上去均勻，但是，在仔細研究鎢晶體的狀態(tài)時，可發(fā)現(xiàn)鎢晶體中的晶粒的尺寸小于在3000小時的老化時間中將光通量保持率保持至少為50％的檢測燈的晶粒的尺寸。
如圖14所示，在熔化過程中，電極末端中的晶體通常是徑向增長的，在晶體結(jié)晶過程中，晶粒的尺寸是以熔化工藝的條件為基礎的。請注意鎢晶體中的平均晶粒直徑是由徑向上的最長長度尺寸d1和在d1的中點處而與d1的線相垂直的尺寸d2所確定的。在熔化過程中很難得到每個條件之間的單獨的相互關(guān)系(如電弧電流的強度、放電時間的長度、在每次熔合中的電弧放電的數(shù)目和其間的時間間隔及冷卻時間的長度)。但是，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)的基本情況為在熔合過程中的溫度越高，熔合的時間越長而晶體中的粒徑就越大。
因此，發(fā)明人進行了第二次檢測來研究電極末端的鎢晶體中的平均粒徑尺寸(多個代表性的晶粒的平均值)和壽命特性參數(shù)如光通量保持率之間的相互關(guān)系。在一定范圍內(nèi)通過改變不同的條件來制造具有不同熔合狀態(tài)和鎢晶體狀態(tài)(粒徑)的電極樣品，所述的范圍可滿足燈的電極端部的熔合過程的兩個條件，(ⅰ)在一次和多次放電之間間隔性地通過至少一次電弧放電進行多次的熔合，(ⅱ)在熔合之間提供一段冷卻時間。在第二次檢測中就使用這些電極。
請注意在第二次檢測中，上述附屬構(gòu)成成分的總量為5ppm，而在這些附屬構(gòu)成成分中所含的堿性金屬Na、K、Fe、Ni、Cr和Al的總量為3ppm。
第二次檢測的結(jié)果如圖15所示，該結(jié)果證明了電極末端的鎢晶體的平均粒徑da越大，所得到的壽命特性參數(shù)越好。特別是，該結(jié)果證明了當檢測燈的平均晶粒直徑為100μm或更大(圖15中所示的g24至g26)時，燈的壽命特性的提高效果急劇增加，且可得到超過3000小時的老化時間時的光通量保持率至少為50％，這是令人感到欣喜的。換句話說，如果平均粒徑為100μm或更大，就可得到一種壽命至少為3000小時的高壓水銀燈。
此外，該結(jié)果還證明當平均粒徑為200μm或更大(圖15中的g26)時，可得到更高的光通量保持率，在老化時間為6000小時時的光通量保持率至少為50％(換句話說，燈的壽命至少為6000小時)。
例如，雖然未在圖15中顯示，當依據(jù)圖8所示的放電循環(huán)在熔合的電極末端的鎢晶體中的平均粒徑da為200μm時，在6000小時的老化時間之后可得到51％的燈光通量保持率。此外，按著同樣的方式，當利用圖9中所示的放電周期進行熔合時，當電極末端的鎢晶體的平均粒徑da為200μm時，可得到令人滿意的壽命特性參數(shù)。
此外，可證明；當鎢晶體中的平均粒徑較大時可抑制發(fā)光管101的變黑。因此，提高光通量保持率的原因即為抑制鎢從電極末端中發(fā)散而使發(fā)光管變黑。此外，提高光通量保持率的另一個原因在于電極端部的晶粒的直徑越大，其熱傳導性越好，這樣就可加速熱量向電極后部的傳導，從而減少電極端部的熱量。
此外，本發(fā)明人利用該實施例的高壓放電燈進行了第三次檢測，為了研究多個鎢材料電極和燈光通量保持率之間的關(guān)系，第三次檢測的電極的熔合是根據(jù)圖8中所示的放電循環(huán)而進行的。檢測結(jié)果如圖16所示。
在圖16中，T為每個檢測燈的電極材料中的附屬構(gòu)成成分的總量(單位ppm)。A指示的是附屬構(gòu)成成分中的堿性金屬Na、K、Fe、Ni、Cr和Al的總量(單位ppm)。例如，在壽命特性由g31所示的檢測燈中，電極材料的附屬構(gòu)成成分的總量為10ppm，其中堿性金屬Na、K、Fe、Ni、Cr和Al的總量為5ppm。
從圖16中可看到，當附屬構(gòu)成成分的總量減少至小于10ppm時，燈光通量保持率得到提高，特別是，附屬構(gòu)成成分中的堿性金屬Na、K、Fe、Ni、Cr和Al的減少對光通量保持率的提高具有較大的影響。特別是，可證明為使燈的壽命(燈的老化時間直至光通量保持率下降至低于50％)達3000小時或更多，就需要將附屬構(gòu)成成分中的堿性金屬Na、K、Fe、Ni、Cr和Al的量減少至3ppm或更少。
鎢電極中的附屬構(gòu)成成分對燈的壽命特性具有兩種影響(ⅰ)由于所述的附屬構(gòu)成物質(zhì)如從鎢材料中發(fā)散的堿性金屬在老化過程中與密閉的鹵素進行反應，而使用來抑制發(fā)光管變黑而進行的鹵素循環(huán)所需的鹵素的量不足，(ⅱ)蒸汽化的部分附屬構(gòu)成成分與發(fā)光管的石英進行反應而形成了進行再結(jié)晶的晶核，從而加速了石英的透光度的損失。
如上述第三次檢測所證明，在本實施例的高壓水銀燈中，通過在電極材料中利用高純度的鎢電極，既可抑制由于老化而引起的發(fā)光管的變黑，又可抑制發(fā)光管石英的透光度的損失，高純度鎢電極中的除了鎢之外的附屬構(gòu)成成分的總量減少了，且附屬構(gòu)成成分中的特定金屬如堿性金屬的總量減小了。第二實施例下面將解釋本發(fā)明的第二實施例。
如第一個實施例中所描述的那樣，通過間隔性地加熱熔合、甚至通過電弧放電熔合就可抑制電極末端的形狀中的變化，但本發(fā)明人在進一步分析利用激光制造電極的方法比第一個實施例中的方法具有更高的精確性之后，估計到利用激光加工的方法在原理上更有優(yōu)勢。也就是說，可估計到；因為激光加工方法中所用的激光柱輻射到電極末端124上可更精確地控制輻射的位置和功率，這樣就可減少熔合的形狀和尺寸中的變化。
因此，本發(fā)明人對依據(jù)激光加工方法的電極制造方法進行了研究。激光發(fā)射器如CO2激光發(fā)射器和激光二極管(LD，半導體激光發(fā)射器)發(fā)射器在金屬加工中是比較適用的，但是本發(fā)明人選用了一種Nd-YAG脈沖激光發(fā)射器，該發(fā)射器發(fā)出的波長為1064nm的激光。特別是，在熔化和處理電極末端124時，對上述可進一步提高精確性的激光熔化方法的生產(chǎn)條件進行了研究。下一步，發(fā)明人準備了利用在這種生產(chǎn)條件下依據(jù)激光處理方法而制作的電極的檢測燈，并檢測了燈的特性參數(shù)如燈的電壓和光通量保持率。此外，發(fā)明人同時觀察了熔合電極末端124的熔合形狀和尺寸，并研究了檢測的燈的特性參數(shù)之間的相互關(guān)系。
圖17顯示了本實施例中用于熔合電極未端124的Nd-YAG激光熔化裝置500的一種示意性構(gòu)造。請注意圖17中的501是一個腔體，在其中設置了一個電極，部件502是波長為1064nm的Nd-YAG脈沖激光器的一個振動器，而部件503是一根光纖，部件504是一個光學系統(tǒng)。
此處，電極末端124的熔合是由兩個生產(chǎn)過程來執(zhí)行的(1)將纏繞有雙層鎢線圈123的鎢電極桿122設置在所述腔體501中，所述腔體501中充有氬氣，(2)將激光輻射到鎢電極桿122和雙層鎢線圈122的末端上而進行熔合處理。
請注意除了電極的熔合方法之外，該項研究中所用的檢測燈的設計與第一個實施例中是相同的。即，燈的輸入功率設定為150W，發(fā)光管的尺寸為管的中間部分的最大外直徑Do(參見圖4)為9.4mm而管的最大內(nèi)直徑Di(參見圖4)為4.4mm。此外，兩個電極末端之間的距離De為1.1mm，管的內(nèi)部容積為0.06cm3而管的長度Lo(參見圖4)為57mm。此外，在管中密封有11.4mg的水銀(管的質(zhì)量容積比為190mg/cm3，等于在照明過程中190bar的水銀蒸汽壓力)和200mbar的氬。請注意在本實施例中鎢電極桿122和鎢線圈123所用的材料為所謂的無雜質(zhì)的高純度鎢，其中，鎢中的上述附屬構(gòu)成成分的總量的最大值限制為10ppm。但是，自然希望應用更純的鎢，其中附屬構(gòu)成成分的總量為5ppm而其中的堿性金屬Na、K、Fe、Ni、Cr和Al的總量為3ppm，這與第一實施例中是相同的。
此外，對特性參數(shù)的檢測如壽命檢測及檢測燈的光通量保持率的檢測與第一個實施例中的方式是相同的。也就是說，檢測燈的壽命檢測是通過組裝成圖5中所示的燈單元300并經(jīng)過照明3.5小時和斷開0.5小時的周期而進行的。此外，從燈單元300的熒光屏的九點的中心就可得到亮度的平均值，依據(jù)這個結(jié)果，根據(jù)ANSI標準IT7.215-1992就可檢測平均亮度保持率(平均亮度與3小時老化時間的比值)，并以此作為燈壽命中的光通量保持率。
首先，圖18顯示了依據(jù)激光處理方法的生產(chǎn)條件而連續(xù)進行激光輻射時的結(jié)果。如圖18所示，電極末端124的熔合形狀與半球相比更象一個球體，因此，該處理過程作為電極末端124的熔合方法是不合適的。這是因為在連續(xù)進行激光輻射時，電極端部的處理溫度急劇而過度的升高而使電極末端124熔化的太多。
基于以上的發(fā)現(xiàn)，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)以預定的時間間隔且以預定的次數(shù)重復進行激光輻射來作為生產(chǎn)條件更為合適。在本實施例的激光熔合方法中這是基本的制造工藝過程。根據(jù)該工藝過程，在對電極末端124進行熔合時，可將處理溫度控制在一個適當?shù)姆秶畠?nèi)，這樣就可對電極末端124進行調(diào)整而使其形狀更接近半球形。
請注意；在這種情況下，已發(fā)現(xiàn)1Hz至20Hz的頻率范圍適于重復操縱激光輻射的時間間隔。在激光振動器502中利用公知的方法就可控制該重復頻率。圖19顯示了本發(fā)明人根據(jù)該實施例的電極制造方法的基本生產(chǎn)條件而設定的激光輻射周期的一個典型例子。圖19中顯示的例子為利用4Hz的重復頻率間隔性地共進行5次輻射而進行熔合的一個例子。請注意在第一個實施例中的熔合溫度是由電弧放電的次數(shù)來控制的，但是在該實施例中通過調(diào)節(jié)激光的輸出也可達到同樣的效果。換句話說，在圖19所示的例子中，在最后一次(第5次)激光輻射中的激光輸出稍微小于前面的激光輸出，但是，這是因為隨著退火的進行而發(fā)生了再結(jié)晶，這與通過電弧放電的數(shù)目進行控制達到的效果是相同的。實際上，可按著與第一個實施例相同的方式而在間隔性的激光輻射之間設置進行控制的時間間隔。
此外，利用退火進行再結(jié)晶的方法除了降低與其他輻射相比較的最后一次輻射中的激光輸出之外，還可逐次降低多個最后激光輻射的激光輸出。
圖20顯示了在這種情況下的電極末端124的熔合形狀的一個例子。如圖20中所示，作為間隔性地進行激光輻射的激光處理的結(jié)果，可證明電極末端124的處理后的形狀基本為半球形，而熔合的尺寸中的變化受到抑制且得到改進。請注意該結(jié)果還證明實現(xiàn)了再結(jié)晶中的平均粒徑至少為200μm。
下面將描述為檢測多個燈之間的燈的特性參數(shù)中的變化的主要目的而進行的檢測的結(jié)果，用于制作檢測燈的電極的電極末端124是利用上述激光處理方法熔合和處理的。
在本次研究中，在1小時的老化時間之后首先測量了燈的電壓V1a。發(fā)現(xiàn)的結(jié)果為多個燈之間的電壓的變化減小至V1a=61+5V。對這種變化進行的抑制被認為是電極124的熔合的精度提高的結(jié)果，這樣使電極的形狀和尺寸變得更為均勻。如果應用了這種電極，就可基本減小電極之間的距離De中的變化。也就是說，當電極末端124的形狀產(chǎn)生變化時，照明過程中放電電弧就從兩個電極之間的中軸線處移開，也就意味著電極之間的距離De比設計的值要長，燈的電壓可能增加而超過初始的額定值的范圍。但是，已顯示出通過利用本實施例的方法就可減小這種變化。
同時，在3000小時的燈老化時間之后測量光通量保持率φ1a時，測量的結(jié)果為φ1a=78+8％，該結(jié)果顯示出燈之間的變化減小了。因此，這就證明本發(fā)明人更確定地實現(xiàn)了燈的壽命達到3000小時或更多目標。
請注意光通量保持率中的變化的改進也考慮是由于電極末端124的熔合形狀和尺寸變得更加均勻、照明過程中多個燈之間的溫度變化和燈之間比較少波動的鎢的氣化狀態(tài)。
如上所述，通過利用生產(chǎn)條件的激光熔合方法生產(chǎn)電極，其中，電極末端1 24的熔合是通過間隔性地進行預定數(shù)目的激光輻射而進行的，電極末端更確定性地熔合成一個半球，燈之間的形狀和尺寸的變化受到抑制。因此，已證明即使高壓放電燈具有的弧長短于通用燈，也可確定性地提高高壓放電燈的壽命。變化根據(jù)不同的實施例而對本發(fā)明進行了解釋，但本發(fā)明的內(nèi)容并不僅限于上述實施例中的特定例子；例如，可進行下述的改變。
(1)即為在上述的兩個實施例中的燈的輸出功率均設為150W，但也可將本發(fā)明的制造方法使用到其他的燈輸入產(chǎn)品中?？赡艽嬖谶@樣的情況，即必須改變一些特性參數(shù)如電極桿122的軸徑或線圈123的絲徑，在這些情況下如電弧放電之間的間隔的數(shù)量、冷卻時間的長度、電弧電流的強度(在電弧放電處理的情況下)及其如激光輻射的輸出功率和重復頻率(在激光輻射的情況下)應作相應的改變?；陂g隔性的放電電弧和激光熔合的原理，根據(jù)上述的方法就可抑制熔合的形狀和尺寸中的變化，可說明由發(fā)明人發(fā)現(xiàn)的處理條件即在本發(fā)明范圍內(nèi)對每個條件進行的優(yōu)化可通常被較容易的執(zhí)行，在本發(fā)明中進行了間隔性的加熱熔合。
(2)此外，在上述的第二個實施例中顯示了以4Hz的電流重復進行的一個例子，也就是說，該例子中的激光輻射之間的時間間隔是一個設定的長度(參見圖19)。這是本發(fā)明所希望的，因為這樣可較容易地構(gòu)造激光振動器502中的控制線路，但激光輻射之間的時間間隔不必為一個設定的長度，它可以是變化的，如上面所述的那樣，對于激光輻射開始的幾次和隨后幾次的時間間隔可以是不同的。
(3)此外，在在上面所述的實施例中，雙層線圈123是纏繞在電極桿122上的，但是在放電端處覆蓋電極桿122的部件并不僅限于線圈，例如，可利用如一個管形的部件。此外，線圈也不必為雙層的，也不必具有8匝。
(4)此外，在上述實施例中利用鎢作為電極桿122和線圈123的材料的主要構(gòu)成成分，但是電極也可利用其他耐熱金屬作為主要構(gòu)成成分。
雖然結(jié)合附圖并通過例子而對本發(fā)明進行了全面的描述，但應注意到對本發(fā)明的不同改變和變更對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說應是明確的。因此，在所做的改變和變更不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，它們均包含在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1．一種用來制造高壓放電燈的方法，該方法包括一個覆蓋部件的施加步驟，將一個由耐熱金屬制成的覆蓋部件施加到由耐熱金屬制成的電極桿的放電側(cè)端，這樣可覆蓋所述放電側(cè)端附近的電極桿的周圍；一個熔合步驟，通過間隔性地加熱熔合施加了覆蓋部件的放電側(cè)端而將所述放電側(cè)端整合成為一個半球。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在熔合步驟中，通過至少一次電弧放電進行的電極放電側(cè)端的熔合間隔性地執(zhí)行多次。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，在熔合步驟中，在多次熔合的每次熔合之間提供有一個冷卻時間。
4．根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述冷卻時段的的總時間比至少一次電弧放電的總時間長。
5．根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，該方法要利用多次的熔合，在第一次熔合中進行的電弧放電的數(shù)目是最大的，在后面進行的每次的熔合中的電弧放電的數(shù)目不超過在其前面最近一次熔合中的電弧放電的數(shù)目。
6．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在熔合步驟中，電極的放電側(cè)端是通過以預定次數(shù)的間隔性激光輻射而熔合的。
7．根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，在每次執(zhí)行的預定數(shù)目的激光輻射之間均具有一致的時間間隔。
8．根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，用來控制時間間隔的重復頻率在1Hz至20Hz的范圍內(nèi)。
9．根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，最后一次預定數(shù)目的激光輻射的輸出功率比前面進行的激光輻射的輸出功率低。
10．根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，在最后進行的多次確定數(shù)目的激光輻射中，激光的輸出功率逐漸降低。
11．根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，激光輻射中應用的是一種Nd-YAG激光。
12．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述的覆蓋部件具有一個線圈構(gòu)成形式。
13．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，電極桿和覆蓋部件利用鎢作為主要構(gòu)成成分。
14．一種高壓放電燈，該燈包括利用以鎢為主要構(gòu)成成分的材料制成的電極，所述電極放置在一個發(fā)光管中，這樣，電極的半球端相對布置，電極端部的鎢晶體的平均粒徑至少為100μm。
15．根據(jù)權(quán)利要求14所述的高壓放電燈，其中，電極端部的鎢晶體的平均粒徑至少為200μm。
16．根據(jù)權(quán)利要求14所述的高壓放電燈，其中，發(fā)光管是由包括石英的材料制成的，在發(fā)光管中密封有鹵族元素，在電極材料中除了所用的鎢之外，附屬構(gòu)成成分的總量不超過5ppm，在所述附屬構(gòu)成成分中Na、K、Fe、Ni、Cr和Al的總量不超過3ppm。
17．根據(jù)權(quán)利要求14所述的高壓放電燈，其中，在相對的電極之間的距離不超過1.5mm。
18．根據(jù)權(quán)利要求14所述的高壓放電燈，其中，在發(fā)光管中密封至少150mg/cm3的水銀及10-9mol/cm3至10-5mol/cm3的溴。
19．一種用來制造高壓放電燈所用電極的方法，該方法包括一個覆蓋部件的施加步驟，將一個由耐熱金屬制成的覆蓋部件施加到由耐熱金屬制成的電極桿的放電側(cè)端，這樣可覆蓋所述放電側(cè)端附近的電極桿的周圍；一個熔合步驟，通過間隔性地加熱熔合施加了覆蓋部件的放電側(cè)端而將所述放電側(cè)端整合成為一個半球。
20．根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，在熔合步驟中，通過至少一次電弧放電進行的電極放電側(cè)端的熔合間隔性地執(zhí)行多次。
21．根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，在熔合步驟中，電極的放電側(cè)端是通過以預定次數(shù)的間隔性激光輻射而熔合的。
22．一種高壓放電燈所用的電極，電極是利用以鎢為主要構(gòu)成成分的材料制成的，形成為半球的電極端部的鎢晶體中的平均粒徑至少為100□m。
23．根據(jù)權(quán)利要求22所述的電極，其中，在電極材料中除了所用的鎢之外，附屬構(gòu)成成分的總量不超過5ppm，在所述附屬構(gòu)成元素中的Na、K、Fe、Ni、Cr和Al的總量不超過3ppm。
24．一種高壓放電燈所用的電極，其中，由耐熱金屬制成的覆蓋部件施加到由耐熱金屬制成的電極桿的放電側(cè)端，從而覆蓋放電側(cè)端附近的電極桿的周圍，施加有覆蓋部件的放電側(cè)端通過間隔性的加熱熔合而整合為半球形。
25．一種高壓放電燈，包括兩個相對的電極，其中，至少相對的電極之一包括一個由耐熱金屬制成的覆蓋部件，所述覆蓋部件施加到由耐熱金屬制成的電極桿的放電側(cè)端上，從而覆蓋放電側(cè)端附近的電極桿的周圍，施加有覆蓋部件的放電側(cè)端通過間隔性的加熱熔合而整合為一個半球形。
26．根據(jù)權(quán)利要求25所述的高壓放電燈，其中，相對的電極之間的距離不超過1.5mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種壽命可達到至少3000小時且燈的特性參數(shù)中的變化受到抑制的高壓放電燈。在本發(fā)明的高壓放電燈中,在電極的制造過程中,一個具有線圈形狀且由耐熱金屬制成的覆蓋部件123施加到由耐熱金屬制成的電極桿122的放電側(cè)端,從而覆蓋放電側(cè)端附近的電極桿122的周圍。施加有覆蓋部件123的放電側(cè)端124通過如電弧放電或激光輻射而間隔性地加熱熔化而熔合成為一個半球。
文檔編號H01J61/073GK1321998SQ0112076
公開日2001年11月14日 申請日期2001年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月18日
發(fā)明者蔦谷恭, 北原良樹, 清水敏行 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社