JP2002148432A - 光干渉被膜の応力除去機構 - Google Patents
光干渉被膜の応力除去機構Info
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- G—PHYSICS
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 多層光干渉被膜の多層化に伴う応力の除去。
【解決手段】 赤外線を反射し可視光を透過する光干渉
被膜。この被膜は高屈折率材料層と低屈折率材料層とを
交互に積層してなる。層の合計数の増加に伴って、高屈
折率材料対低屈折率材料の比を増加させる。
被膜。この被膜は高屈折率材料層と低屈折率材料層とを
交互に積層してなる。層の合計数の増加に伴って、高屈
折率材料対低屈折率材料の比を増加させる。
Description
【０００１】
【発明の技術的背景】屈折率の異なる２種以上の材料の
層を交互に積層した薄膜光学被膜は、干渉フィルタとも
いい、当業界でよく知られている。このような被膜又は
フィルムは、電磁波スペクトルの種々の部分から、紫外
線、可視光、赤外線などの光線を選択的に反射又は透過
するのに用いられる。また、これらのフィルム又は被膜
は、ランプ工業において反射器やランプエンベロープを
被覆するのに用いられている。薄膜光学被膜が有用な一
つの用途は、フィラメント又はアークが発する電磁スペ
クトルの可視光部分は透過するが、赤外エネルギーは反
射してフィラメント又はアークに戻すことにより、白熱
灯の照明効率を改良することである。これにより、点灯
温度を保つためにフィラメントに供給する電気エネルギ
ーの必要量が少なくなる。
層を交互に積層した薄膜光学被膜は、干渉フィルタとも
いい、当業界でよく知られている。このような被膜又は
フィルムは、電磁波スペクトルの種々の部分から、紫外
線、可視光、赤外線などの光線を選択的に反射又は透過
するのに用いられる。また、これらのフィルム又は被膜
は、ランプ工業において反射器やランプエンベロープを
被覆するのに用いられている。薄膜光学被膜が有用な一
つの用途は、フィラメント又はアークが発する電磁スペ
クトルの可視光部分は透過するが、赤外エネルギーは反
射してフィラメント又はアークに戻すことにより、白熱
灯の照明効率を改良することである。これにより、点灯
温度を保つためにフィラメントに供給する電気エネルギ
ーの必要量が少なくなる。
【０００２】赤外線を透過するのが望ましい他の用途に
おいては、光干渉フィルタは、フィラメントやアークが
発するスペクトルの短波長部分（紫外線や可視光など）
を反射し、主に赤外部分を透過することができ、可視光
をほとんど又は全く伴わない熱輻射を提供する。この後
者のタイプの用途には、ヒーターの発する可視光が望ま
しくない、通常の住宅用や工業用の輻射ヒーターがあ
る。
おいては、光干渉フィルタは、フィラメントやアークが
発するスペクトルの短波長部分（紫外線や可視光など）
を反射し、主に赤外部分を透過することができ、可視光
をほとんど又は全く伴わない熱輻射を提供する。この後
者のタイプの用途には、ヒーターの発する可視光が望ま
しくない、通常の住宅用や工業用の輻射ヒーターがあ
る。
【０００３】フィルタが約５００℃より高温にさらされ
る用途に有効な干渉フィルタは、高屈折率材料であるタ
ンタラ（五酸化タンタルＴａ2Ｏ5）の層と低屈折率材料
であるシリカ（ＳｉＯ2）の層とを交互に積層して形成
されている。この干渉フィルタは、米国特許第４９４９
００５号（その開示内容は援用によって本明細書に取り
込まれる）に記載の通り、適当な基板上にフィルムを生
成する低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）法により得ることが
できる。
る用途に有効な干渉フィルタは、高屈折率材料であるタ
ンタラ（五酸化タンタルＴａ2Ｏ5）の層と低屈折率材料
であるシリカ（ＳｉＯ2）の層とを交互に積層して形成
されている。この干渉フィルタは、米国特許第４９４９
００５号（その開示内容は援用によって本明細書に取り
込まれる）に記載の通り、適当な基板上にフィルムを生
成する低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）法により得ることが
できる。
【０００４】ＬＰＣＶＤ法Ｔａ2Ｏ5：ＳｉＯ2薄膜系の
性能を改良しようとしても、被膜中の過大な引張応力に
起因する機械的破損によって大きく制限されてきた。こ
れまで層数の限界は４６であり、これを超えると被膜は
基板から剥離してしまう。市場での競争から、色品質を
高く保ちながら、消費電力当りの光束（ｌｍ／Ｗ）に関
するハロゲンランプ用ＩＲフィルムの性能を改良するこ
とが求められている。
性能を改良しようとしても、被膜中の過大な引張応力に
起因する機械的破損によって大きく制限されてきた。こ
れまで層数の限界は４６であり、これを超えると被膜は
基板から剥離してしまう。市場での競争から、色品質を
高く保ちながら、消費電力当りの光束（ｌｍ／Ｗ）に関
するハロゲンランプ用ＩＲフィルムの性能を改良するこ
とが求められている。
【０００５】従来の解決方法には、典型的に（１）層の
数を増やす方法、（２）２種の選択材料間の屈折率
（ｎ）差がより大きな材料系に切り換える方法、（３）
一部の層になんらかの形の応力除去をもちこむ方法があ
る。
数を増やす方法、（２）２種の選択材料間の屈折率
（ｎ）差がより大きな材料系に切り換える方法、（３）
一部の層になんらかの形の応力除去をもちこむ方法があ
る。
【０００６】最初の方法の問題点は通常、応力に関する
ものである。所定設計について層数が増加すると、応力
（ＬＰＣＶＤ膜の引張応力）も増加し、最終的に基板の
凝集破壊が起こる。
ものである。所定設計について層数が増加すると、応力
（ＬＰＣＶＤ膜の引張応力）も増加し、最終的に基板の
凝集破壊が起こる。
【０００７】２番目の方法では通常、適合性のある材料
及びプロセスを見つけるのが難しい。使用環境に適し、
実用的な加工技術にも適している、材料系（高屈折率材
料と低屈折率材料との組み合わせ）は比較的少数しかな
い。
及びプロセスを見つけるのが難しい。使用環境に適し、
実用的な加工技術にも適している、材料系（高屈折率材
料と低屈折率材料との組み合わせ）は比較的少数しかな
い。
【０００８】３番目の方法にも問題がある。例えば、米
国特許第５６８０００１号（その開示内容は援用によっ
て本明細書に取り込まれる）には、基板とフィルムとの
間に接着層を形成する方法が記載されている。この接着
層は典型的には、Ｂ2Ｏ3又は五酸化リンをドープしたシ
リカである。これらの層は吸湿性であり、フィルムに悪
影響を及ぼす可能性がある。
国特許第５６８０００１号（その開示内容は援用によっ
て本明細書に取り込まれる）には、基板とフィルムとの
間に接着層を形成する方法が記載されている。この接着
層は典型的には、Ｂ2Ｏ3又は五酸化リンをドープしたシ
リカである。これらの層は吸湿性であり、フィルムに悪
影響を及ぼす可能性がある。
【０００９】米国特許第４９４９００５号に、フィルム
中の応力を緩和する手段として、タンタラ／シリカ構造
をアニールする方法が記載されている。この技術は現在
のところ、ハロゲンフィラメント管に工業的に堆積され
る４６層の設計について実施されている。熱アニールの
利点は本発明にも副次的に役立つ。
中の応力を緩和する手段として、タンタラ／シリカ構造
をアニールする方法が記載されている。この技術は現在
のところ、ハロゲンフィラメント管に工業的に堆積され
る４６層の設計について実施されている。熱アニールの
利点は本発明にも副次的に役立つ。
【００１０】したがって、ＩＲ反射フィルムの性能を改
良する必要がある。タンタラ層とシリカ層とを交互に積
層した厚さは、米国特許第５１３８２１９号（その開示
内容は援用によって本明細書に取り込まれる）に開示さ
れているように、被膜が可視スペクトルを透過しＩＲエ
ネルギーを反射するように設計する。層の数を増加する
だけで性能の向上が期待できる。しかし、設計によって
は層数とともにフィルムの内部応力も増加する。
良する必要がある。タンタラ層とシリカ層とを交互に積
層した厚さは、米国特許第５１３８２１９号（その開示
内容は援用によって本明細書に取り込まれる）に開示さ
れているように、被膜が可視スペクトルを透過しＩＲエ
ネルギーを反射するように設計する。層の数を増加する
だけで性能の向上が期待できる。しかし、設計によって
は層数とともにフィルムの内部応力も増加する。
【００１１】
【発明の概要】高屈折率材料層と低屈折率材料層とを交
互に積層してなり、これらの層の合計数が５１より大き
い、赤外線を反射し可視光を透過する光干渉被膜。
互に積層してなり、これらの層の合計数が５１より大き
い、赤外線を反射し可視光を透過する光干渉被膜。
【００１２】
【好ましい実施の形態】図１は本発明のランプの一実施
形態を示す。ランプの外面は、本発明によるタンタラ−
シリカ干渉フィルタで被覆されている。この干渉フィル
タは赤外線を反射してフィラメントに戻し、そこで赤外
線を可視光に変換する。
形態を示す。ランプの外面は、本発明によるタンタラ−
シリカ干渉フィルタで被覆されている。この干渉フィル
タは赤外線を反射してフィラメントに戻し、そこで赤外
線を可視光に変換する。
【００１３】図１に示すランプは、約８００℃の高温に
耐えうるガラス質の光透過性材料、好ましくは石英から
製造したエンベロープ１０を備える。エンベロープ１０
の両端にはピンチシール部１２があり、ここにインリー
ドコネクタ１３が封止され、インリード１３は溶接など
の適当な手段によって電気的かつ機械的にモリブデン箔
１４に取り付けられ、このモリブデン箔１４もランプの
ピンチシール部１２に気密シールされ埋め込まれてい
る。リード１５はモリブデンやタングステンなどの適当
な高融点金属製で、その一端がモリブデン箔１４の反対
端に取り付けられ、他端がタングステンフィラメント１
７に接続されている。フィラメント１７は複数の適当な
支持部材１８、例えば米国特許第３１６８６７０号（そ
の開示内容は援用によって本明細書に取り込まれる）に
開示された型式の螺旋状タングステンワイヤ支持部材に
よりエンベロープ内にその軸線上に支持されている。ラ
ンプの外面には、薄膜光干渉フィルタ（フィルム又は被
膜）２０が連続被膜として被覆されている。被膜２０は
どんな種類の電灯（ランプ）にも使用でき、白熱灯やア
ークランプに好ましく、蛍光灯には左程ではない。例え
ば、被膜２０は米国特許第５１３８２１９号（その開示
内容は援用によって本明細書に取り込まれる）の図６及
び図７に示されているような白熱ハロゲンランプに用い
ることができる。
耐えうるガラス質の光透過性材料、好ましくは石英から
製造したエンベロープ１０を備える。エンベロープ１０
の両端にはピンチシール部１２があり、ここにインリー
ドコネクタ１３が封止され、インリード１３は溶接など
の適当な手段によって電気的かつ機械的にモリブデン箔
１４に取り付けられ、このモリブデン箔１４もランプの
ピンチシール部１２に気密シールされ埋め込まれてい
る。リード１５はモリブデンやタングステンなどの適当
な高融点金属製で、その一端がモリブデン箔１４の反対
端に取り付けられ、他端がタングステンフィラメント１
７に接続されている。フィラメント１７は複数の適当な
支持部材１８、例えば米国特許第３１６８６７０号（そ
の開示内容は援用によって本明細書に取り込まれる）に
開示された型式の螺旋状タングステンワイヤ支持部材に
よりエンベロープ内にその軸線上に支持されている。ラ
ンプの外面には、薄膜光干渉フィルタ（フィルム又は被
膜）２０が連続被膜として被覆されている。被膜２０は
どんな種類の電灯（ランプ）にも使用でき、白熱灯やア
ークランプに好ましく、蛍光灯には左程ではない。例え
ば、被膜２０は米国特許第５１３８２１９号（その開示
内容は援用によって本明細書に取り込まれる）の図６及
び図７に示されているような白熱ハロゲンランプに用い
ることができる。
【００１４】上述したように、フィルム又は被膜２０
は、ランプが発する放射線の通過帯域及び遮断帯域を調
節するように、タンタラ層とシリカ層とを交互に積層し
た構成である。
は、ランプが発する放射線の通過帯域及び遮断帯域を調
節するように、タンタラ層とシリカ層とを交互に積層し
た構成である。
【００１５】所定の設計にふさわしい高屈折率材料と低
屈折率材料との比を計算することができる。タンタラ層
とシリカ層とを交互に積層してなるＩＲ反射薄膜設計の
場合、Ｔａ2Ｏ5：ＳｉＯ2の比は次式で定義できる。
屈折率材料との比を計算することができる。タンタラ層
とシリカ層とを交互に積層してなるＩＲ反射薄膜設計の
場合、Ｔａ2Ｏ5：ＳｉＯ2の比は次式で定義できる。
【００１６】ｒ＝Ｔ／Ｓ 上式中、ＴはＴａ2Ｏ5層すべての合計厚さを、ＳはＳｉ
Ｏ2層すべての合計厚さを表わす。
Ｏ2層すべての合計厚さを表わす。
【００１７】タンタラ−シリカ被膜の全体的な引張応力
は、（１）合計厚さ及び（２）ｒ値により決定される。
被膜の光学性能がｒ値に依存する以上に、被膜の機械的
応力はｒ値に依存する。このようなわけで、機械的破損
の発生を伴わずにより多数の層を堆積するのに十分な値
にフィルムのｒ値を調節することができる。
は、（１）合計厚さ及び（２）ｒ値により決定される。
被膜の光学性能がｒ値に依存する以上に、被膜の機械的
応力はｒ値に依存する。このようなわけで、機械的破損
の発生を伴わずにより多数の層を堆積するのに十分な値
にフィルムのｒ値を調節することができる。
【００１８】驚くべきことには、所定の層数に対してｒ
値を増すと、機械的応力が減少することを見出した。こ
の結果、引張応力による機械的破損を受けずに、５１層
よりも多くの層を干渉被膜に用いることが初めて可能に
なる。合計層数が５１、５５、６０、６５、７０、７
５、７８、８０、８５又は９０を超える被膜を製造する
ことができる。必須ではないが、層の合計数は１００、
１１０、１２０、１３０、１５０又は２００未満であ
る。５１層より多層にするためには、干渉被膜中の層の
数（すなわち、合計厚さ）を増やすにしたがって、機械
的一体性を保持するためにＴａ2Ｏ5：ＳｉＯ2比を増加
しなければならない。この比は、０．９、０．９５、
１．０、１．１、１．２、１．３、１．５、２．０、
３．０又は４．０以上とすることができる。
値を増すと、機械的応力が減少することを見出した。こ
の結果、引張応力による機械的破損を受けずに、５１層
よりも多くの層を干渉被膜に用いることが初めて可能に
なる。合計層数が５１、５５、６０、６５、７０、７
５、７８、８０、８５又は９０を超える被膜を製造する
ことができる。必須ではないが、層の合計数は１００、
１１０、１２０、１３０、１５０又は２００未満であ
る。５１層より多層にするためには、干渉被膜中の層の
数（すなわち、合計厚さ）を増やすにしたがって、機械
的一体性を保持するためにＴａ2Ｏ5：ＳｉＯ2比を増加
しなければならない。この比は、０．９、０．９５、
１．０、１．１、１．２、１．３、１．５、２．０、
３．０又は４．０以上とすることができる。
【００１９】以下の実施例で本発明の種々の形態を具体
的に説明する。
的に説明する。
【００２０】
【実施例】種々の干渉被膜を製造した。 被膜はすべて
７８層の設計である。Ｔａ2Ｏ5：ＳｉＯ2の比（ｒ）を
変えて機械的安定性を調べ、「合格」（機械的に安定）
又は「不合格」（機械的破損）と評価した。その結果は
以下の通りである。
７８層の設計である。Ｔａ2Ｏ5：ＳｉＯ2の比（ｒ）を
変えて機械的安定性を調べ、「合格」（機械的に安定）
又は「不合格」（機械的破損）と評価した。その結果は
以下の通りである。
【００２１】ｒ 合格／不合格 ０．６３ 不合格 ０．６６ 不合格 ０．６９ 不合格 ０．７６ 不合格 ０．９１ 合格 １．０９ 合格 １．３ 合格 ほかにも７８層の設計被膜をｒ値０．９１〜１．３の範
囲で製造した。これらの被膜はすべて機械的安定性を示
した。
囲で製造した。これらの被膜はすべて機械的安定性を示
した。
【００２２】本発明の好ましい実施形態を図示し説明し
たが、本明細書で開示し請求した本発明の要旨から逸脱
することなく、種々の変更が可能である。
たが、本明細書で開示し請求した本発明の要旨から逸脱
することなく、種々の変更が可能である。
【図１】本発明によるタンタラ−シリカ干渉フィルムを
外面に被覆した、細長いタングステンハロゲンランプの
側面図である。
外面に被覆した、細長いタングステンハロゲンランプの
側面図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ラジャシング・スチュワルツ・イスラエル アメリカ合衆国、オハイオ州、ウエストレ イク、カリロン・ドライブ、2990番 (72)発明者 カール・バーノン・ガンター アメリカ合衆国、オハイオ州、ツインズバ ーグ、シャロンブルック・ドライブ、1288 番 Ｆターム(参考） 2H048 FA15 FA16 FA24 GA04 GA12 GA18 GA33 GA36 GA57
Claims (16)
- 【請求項１】 高屈折率材料層と低屈折率材料層とを交
互に積層してなり、これらの層の合計数が５１を超え
る、赤外線を反射し可視光を透過する光干渉被膜。 - 【請求項２】 高屈折率材料が五酸化タンタルで、低屈
折率材料がシリカである、請求項１記載の光干渉被膜。 - 【請求項３】 高屈折率材料層すべての合計厚さ対低屈
折率材料層すべての合計厚さの比ｒが０．９以上であ
る、請求項１記載の光干渉被膜。 - 【請求項４】 高屈折率材料層すべての合計厚さ対低屈
折率材料層すべての合計厚さの比ｒが０．９５以上であ
る、請求項１記載の光干渉被膜。 - 【請求項５】 高屈折率材料層すべての合計厚さ対低屈
折率材料層すべての合計厚さの比ｒが１．０以上であ
る、請求項１記載の光干渉被膜。 - 【請求項６】 高屈折率材料層すべての合計厚さ対低屈
折率材料層すべての合計厚さの比ｒが１．２以上であ
る、請求項１記載の光干渉被膜。 - 【請求項７】 層の合計数が５５を超える、請求項１記
載の光干渉被膜。 - 【請求項８】 層の合計数が６０を超える、請求項１記
載の光干渉被膜。 - 【請求項９】 層の合計数が７０を超える、請求項１記
載の光干渉被膜。 - 【請求項１０】 層の合計数が７８である、請求項１記
載の光干渉被膜。 - 【請求項１１】 層の合計数が２００未満である、請求
項１記載の光干渉被膜。 - 【請求項１２】 内部に電気光源を有する光透過性のエ
ンベロープを備える電灯において、前記エンベロープの
少なくとも一部が赤外線を反射し可視光を透過する光干
渉被膜で被覆され、この被膜は高屈折率材料層と低屈折
率材料層とを交互に積層してなり、これらの層の合計数
が５１より大きい、電灯。 - 【請求項１３】 高屈折率材料が五酸化タンタルで、低
屈折率材料がシリカである、請求項１２記載の電灯。 - 【請求項１４】 高屈折率材料層すべての合計厚さ対低
屈折率材料層すべての合計厚さの比ｒが０．９以上であ
る、請求項１２記載の電灯。 - 【請求項１５】 層の合計数が７８である、請求項１２
記載の電灯。 - 【請求項１６】 層の合計数が２００未満である、請求
項１２記載の電灯。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/645,225 US6710520B1 (en) | 2000-08-24 | 2000-08-24 | Stress relief mechanism for optical interference coatings |
| US09/645225 | 2000-08-24 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002148432A true JP2002148432A (ja) | 2002-05-22 |
Family
ID=24588147
Family Applications (1)
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| Date | Code | Title | Description |
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