JP2005526904A - Ｈｉｄランプの石英バーナーの被覆方法 - Google Patents

Abstract

ＨＩＤランプのエネルギー／バランスを良くするため、石英バーナー、好ましくはその内側にＵＶ反射層系を被覆する。そしてこれを、一般的化学量論組成をＴｉＯ_ｙ及びＳｉＯ_ｘとする酸化チタン及び酸化ケイ素から少なくとも成る非晶質の薄層を、高出力密度及び１００〜４００℃の範囲の高い基体温度とし、１ｎｍ／ｓｅｃ〜１００ｎｍ／ｓｅｃの低い成長速度で行うＰＩＣＶＤ法により、交互に付着することにより、厚みが１２００ｎｍより薄く、ＵＶ活性欠陥スポット率を最小にする干渉層系を形成するようにして行う。

Description

本発明は、ＨＩＤランプの石英バーナーをＵＶ反射層系で被覆する方法に関する。

高照度での照明のため、高輝度灯又は高輝度放電灯（ＨＩＤランプ）が用いられるが、これはランプとしてプラズマ石英バーナーを有し、このランプが管状ジャケットの内側に有るものである。

ＵＶ光子はプラズマ内の原子を励起して可視域の光を発生するが、ＨＩＤランプのバーナーにおけるプラズマでの光発生に際して中心的役割を果たす。だが公知のＨＩＤランプでは、大きなＵＶ光子束が未使用のまま石英バーナーから漏出する。そのため、ＨＩＤランプのエネルギー効率が小さくなる。

石英バーナーにＵＶ反射層系を設けられるなら、この未使用のままＵＶフォトン束が漏出するのを有意に減じられるが、このような層系はランプの全有効寿命に亘って持続できるようなものでなければならない。だが、石英バーナー内のプラズマ媒体が攻撃的であることと、バーナーの作動温度が高いことから、これを確実にすることは容易ではない。

種々の基体でのＵＶ反射層系は種々の刊行物で知られている。以下、これ等を個々に説明する。これ等の公知の層系は、ＨＩＤ用の石英バーナーでは所望の結果が得られない。その理由の一つとして、被覆工程自体が困難なことである。もう一つの理由としては、エネルギーバランスが際立って良くなっていないことである。

本発明の目的は、ＨＩＤランプの石英バーナーにＵＶ反射層系を被覆する方法であって、このＵＶ反射層系を石英バーナーに比較的簡単な手段で付着させることができ、またその有効寿命を十分、且つ適合したものとし、そしてエネルギーバランスを際立った良くするようにした方法を創生することである。

この目的は本発明に従って、一般的化学量論組成をＴｉＯ_ｙ及びＳｉＯ_ｘとする酸化チタン及び酸化ケイ素から少なくとも成る非晶質の薄層を、高出力密度及び１００〜４００℃の範囲の高い基体温度とし、１ｎｍ／ｓｅｃ〜１００ｎｍ／ｓｅｃの低成長速度で行うＰＩＣＶＤ法により、交互に付着することにより、厚みが１２００ｎｍより薄く、ＵＶ活性欠陥スポット率を最小にする干渉層系を形成することにより達成される。

本発明に従って、１００〜４００℃の範囲の高基体温度で、低成長速度を用いて、基準素成分である非晶質の酸化チタン層と非晶質酸化ケイ素層から組成される干渉層をＵＶ反射層系に当てることにより、そうしなければ石英バーナーから漏出してしまうＵＶ光子を、石英バーナーのプラズマ内で反射させて、かなりの程度まで確実に再捕捉して可視域の光を更に発生でき、それによりＨＩＤランプのエネルギーバランスを著しく良くすることができる。波長３６０ｎｍで、本発明による干渉被膜はＵＶ反射率７０％を達成することが明らかになった。

ここで用いられるＰＩＣＶＤ法は十分良く知られており、更に詳細な説明を要しないが、その特別のプロセスパラメタのおかげで、石英バーナーの内部及びそれ自体に干渉層を比較的簡単に付着させることができる。

内部被膜に関しては意外にも、攻撃的プラズマ媒体の存在下でもそれが不活性であることも明らかになっている。

本発明による被膜は意外にも、Ｃ、Ｈ、Ｎ等のドーピング元素を何ら要せず、Ａｌ、Ｎｂ、Ｔａ等の異種元素を要しない標準元素Ｓｉ／Ｔｉで十分である。

ＰＩＣＶＤ法を用いると、マルチステーションシステムでの適用が可能になり、特に石英バーナー被覆の処理能力を高めることができ有利である。

干渉層の厚みは＜１２００ｎｍ、好ましくは＜５００ｎｍである。この種の層は柔軟性が高い。更に、固有応力（層が剥がれる原因となる）も、このように薄層とすることで防止できる。典型的な層構成は、各層の厚みを５〜１００ｎｍとする酸化Ｔｉ層と酸化Ｓｉ層を交互に含む約５０層であって、この場合これ等の厚みが必ずしも厳密に均一に分布する必要はなく、設計によっては、色々な微小厚みの層が色々集まったものでも良い。従って、層パケット（積層）内の層厚みの分布は混合したものであり、極薄層が頻繁に現れる等、５〜１００ｎｍの厚みが混ざって現れて良い分布である。

欠陥スポットの発生率が極めて低いので、干渉被膜のＵＶ吸収を極めて低くすることができる。ここで意味することは構造欠陥スポット、即ち異元素包有が非常に低いことである。本発明のより的確な理解のため、下記に言及する。

ＨＩＤランプの石英バーナーでは、プラズマを、適宜のガラスジャケット（放電容器）、即ちハロゲン化金属と始動ガス、例えばキセノンから成る混合ガス中で、１００〜３００ＨｚのＡＣ／ＤＣで点火する。ＵＶ光子はガスの原子殻内で電子遷移を惹起し、次のように光を発する。
ａ．約４０％が可視光。この収量は高いほど良い。
ｂ．ＵＶ光。この部の光は本発明による被膜により反射し、その結果加わって得られる光子が可視域の光波長の光収量を高める。その結果、電流の節約と共に、同一の光収量が可能となる。
ｃ．赤外光。これも反射可能である。

これ等の効果のため、本発明による反射層パケット（積層）を有するバーナー面は事実上、可視域の光波のみを通し、ＵＶ域又は赤外域の波長をバーナーの内部に反射する帯域フィルタとなる。

ＴｉＯ_２はその吸収特性のため、ＵＶ反射器の用途には普通不向きである。だが、ＳｉＯ_２は反射性のものであり、吸収損失が無い。反射層として利用可能なＳｉＯ_２と組み合わせると、ＴｉＯ_２は予想に反して、λ＝３６０ｎｍにおいて効率７０％で層設計に用いることができる。ここで重要な点は、吸収をできるだけ低くしようとする際の欠陥スポットの非存在率である。層材料は３５０℃で、非晶質の酸化物として付着する。

本発明による対策の結果、ＨＩＤランプの石英バーナー内のプラズマ媒体の存在下に、内部及び／又は外部に、ＵＶ効率が高く（欠陥スポットの無い）、不活性な反射干渉系を、予想に反して得ることができる。そしてそれができるのは、それ自体では公知のＴｉＯ_２／ＳｉＯ_２の交互層を用い、成長速度を低くし、成膜温度を高く、好ましくは一定に保つことによる。その結果、この種のランプはエネルギーバランスが向上する。

ＤＥ１９９６２１４４Ａ１には、フィルタや眼鏡等の透明な基体及び放電灯の管状ジャケットを対象として、酸化チタン・酸化ケイ素の交互層から成り、色に関しては中立のままに放射光を増大すると共にＵＶ保護効果を高めようとするＵＶ反射干渉系が示されている。この文献はまた、化学蒸着、特にプラズマをサポート手段とする化学蒸着を用いた蒸着に言及している。

本発明の場合、被覆されるのはＨＩＤランプの管状ジャケットではなく、ランプ内に有るバーナー自体である。従って、本発明によってバーナーに付着させる（蒸着される）層は予想に反して、攻撃的なプラズマ媒体の存在があっても不活性であり、これがバーナーの内部被覆を可能にしている。この文献はまた、プラズマインパルス化学蒸着法、即ちＰＩＣＶＤを、具体的には本発明に従って用いられるプロセスパラメタを開示していない。

“Surface and Coating Technology 80 (1996) 200−202” にM. Walther,らによって書かれた「プラズマインパルス化学蒸着（ＰＩＣＶＤ）によって生成される多層バリア被膜系」と題する文書及びＤＥ４４３８３５９Ｃ２には、ＴｉＯ_２／ＳｉＯ_２の交互層から成るバリア層をプラスチックに比較的低温で蒸着する方法が記載されている。本発明の場合では、蒸着は高温（例えば３５０℃）であり、且つ低成長速度で行われる。これは、プラズマ媒体存在下でＵＶ合目的の無欠陥スポット及び不活性を創る唯一の方法である。上記出版物から知られる層はこれ等の基準を満たしていない。

ＤＥ１９５３０７９７Ａ１には、温室装置における対放射線保護用の複合材であって、透明な担体とそれに蒸着された干渉層系を含んで成り、この層系が就中ＳｉＯ_２／ＴｉＯ_２の交互層から成る複合材が記載されている。この文献に記載の蒸着層は柱状に成長するものであるから、ランプバーナー、特にその内側に利用するには全く適さない。

ＤＥ４４３２３１５Ａ１には、石英ガラス製放電容器の外側に、ＴｉＯ_２／ＳｉＯ_２から成る多層干渉反射フィルタを設け、望ましくない３６５ｎｍ下の短波ＵＶ放射を抑制し、その容器内側に、吸収性酸化チタン層を設けたショートアークランプ部を有する水銀灯が記載されている。それに対して本発明の場合には、内部層もまた反射するようになっている。その上、本発明によるプロセスパラメタで行うＰＩＣＶＤ法を用いる層蒸着は、上記文献には記載されていない。即ち、これ等公知の層はＨＩＤランプのバーナー被覆には適さない。

ＤＥ４１１５４３７Ａ１には、放射光線を増大するため光学的多層干渉フィルタを備える投写受像管が示されている。この公知の層系もまた、本発明による手段を用いて蒸着されるものでないから、ＨＩＤのバーナー被覆には全く適さない。

最後に、ＤＥ−ＰＳ３４３０７２７には、密封ガラス球の内面及び／又は外面に光学的干渉膜が設けられた白熱ランプが示されている。だが。この層系はＩＲを反射するに過ぎず、ＵＶに適しているとの言及は全く無い。更に、この公知の層系も本発明による手段を用いて基体に蒸着されるものではなく、ＨＩＤランプの被覆には適さない。

好ましくは、ＰＩＣＶＤ法の蒸着パラメタを制御することにより、化学量論組成をＴｉＯ_２及びＳｉＯ_２とする酸化チタン層と酸化ケイ素層を蒸着させる。上記の「理想的化学量論組成」に従う交互層を用いることにより、最良の反射結果が得られることが分かっている。

固有応力としての応力が特に低い被膜が得るには、厚みが５００ｎｍを超えない層系を蒸着させる方法を用いれば良い。

ＰＩＣＶＤ法において、基本周波数２．４５ＧＨｚのパルスマイクロ波を用い、石英バーナーが形成する基体を一定蒸着温度に維持するようにすると、特に良好な蒸着結果が得られる。

基体加熱のためにＯ_２プラズマを走らせ、また基体面測定により温度を光学的に監視するようにすれば、基体温度を容易に一定に保つことができる。

層系の反射特質はＰＩＣＶＤ法により確定的に決まるので、本発明の更なる発展に従って、Ｏ_２プラズマで基体を加熱しその温度を一定に保ち、ＴｉＯ_２層とＳｉＯ_２層を交互に蒸着させるＰＩＣＶＤ法のプロセスパラメタを次表のように選んで成る方法が提供される：

本発明による層系は石英バーナー内に有ってプラズマが存在しても意外にも不活性であり、そのため石英バーナーをジャケットの内側において被覆でき、ＵＶ光子を高捕捉率で捕捉でき有利である。

だが、この内部被膜の代わりに、或いはそれに加えて、石英バーナーをジャケットの外側に被覆することもできる。

本方法は丈夫で且つ安定であるので、層成長のオンライン制御は行われない。蒸着が一定速度であるので、層厚みの測定はマイクロ波パルスの計数処理に単純化される。

以下、図面に示す例示的実施例に関して本発明を詳細に説明する。

図１に示すＨＩＤランプ１は管状ジャケット２と、電極４を有する石英バーナー３で構成される。「ＨＩＤ」は、Ｈｉｇｈ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ」を表す技術用語である。この種のＨＩＤランプ１の構造や作用は公知であるので、その詳細は説明しない。付随する一部断面拡大図で示すように、ＵＶ反射積層５は多数、例えば５０層の、個別Ｔｉ酸化物層と個別Ｓｉ酸化物層が交互する積層であって、バーナー壁３ａの内面に蒸着されている。陰影を付けられていない層５ａはＴｉ酸化物層を表し、陰影を付けられている層５ｂはＳｉ酸化物層を表す。個々の層の厚みは一般に５ｎｍ〜１００ｎｍの範囲にあり、これ等の厚みは必ずしも厳密に等しくする必要はなく、積層は色々な微小厚みの層を積層したものでも良い。このことは設計次第である。だが、可撓性を高く留め、且つ固有応力を防止するため、積層の厚みは好ましくは＜１２００ｎｍである。従って、個々の層の数を多くしたら、層厚みはそれに応じて薄くなるようにする。

層５ａ、５ｂは、一般的化学量論組成ＴｉＯ_２及びＳｉＯ_２の非晶質Ｔｉ酸化物層及びＳｉ酸化物層である。これにより、最良の反射結果が得られる。

図２に、本発明の層系をバーナー壁３ａの内側に蒸着するための装置を示す。この装置は、石英バーナー３を真空室６に収容させ、真空装置７を用いて真空室６内の真空を保ち、真空室６に８ａで連結するマイクロ波発生器８を用いて真空室６内に基本周波数２．４５ＧＨｚのパルスプラズマを発生させるようにしたＰＩＣＶＤ装置である。

ステージ９から真空室６に必要なガス、即ちプラズマを点火させるガス（この場合、酸素）と、それと代替的に、特定の先駆物質が供給され、酸素プラズマとの組み合わせで酸化Ｔｉ層と酸化Ｓｉ層が交互に蒸着されるようにする。これ等の層の蒸着のために利用可能な先駆物質ガスは十分に良く知られている。この処理の全工程、特に層成長速度と層厚みをプロセス制御器１０が制御する。本方法は丈夫で安定であるから、層成長のオンライン制御は必要でない。一定の蒸着速度が達成可能であるから、層厚みの測定はマイクロ波パルスの計数工程に単純化される。この層設計のもう一つの重要な特徴は、蒸着が高い基体温度で行われると云うことである。この場合、例えばＤＥ４００８４００Ｃ１（８欄）に記載されているように酸素プラズマを用いると、石英バーナーは例えば約３５０℃まで容易に加熱される。そうすると、先駆物質の層材料が３５０℃で酸化物として非晶質に蒸着する。基体温度は一般に１００〜４００℃で良い。

典型的なプロセスパラメタは次表の通りである。

本発明による被膜が備わるＨＩＤランプの、一部断面を拡大して示す概略図である。 本発明による層蒸着用として修正されたＰＩＣＶＤ装置のブロック図である。

Claims (12)

1. ＵＶ反射層系でＨＩＤランプの石英バーナーを被覆する方法であって、一般的化学量論組成を少なくともＴｉＯ_ｙ及びＳｉＯ_ｘとする酸化チタン及び酸化ケイ素から成る非晶質の薄層を、高出力密度及び１００〜４００℃の範囲の高い基体温度とし、１ｎｍ／ｓｅｃ〜１００ｎｍ／ｓｅｃの低成長速度で行うＰＩＣＶＤ法により、交互に付着させることにより、厚みが１２００ｎｍより薄く、ＵＶ活性欠陥スポット率を最小にする干渉層系を形成して成る方法。
2. 化学量論組成をＴｉＯ_２及びＳｉＯ_２とする酸化チタン層及び酸化ケイ素層を０．１％〜１％の欠陥スポット率で付着させて成る請求項１に記載の方法。
3. 厚みが＜１２００ｎｍ、好ましくは＜５００ｎｍの層系を付着させて成る請求項１又は２に記載の方法。
4. 付着させる層系が好ましくは、層厚み５ｎｍ〜１００ｎｍであるＴｉＯ_２層とＳｉＯ_２層が交互する５０個別層から成る請求項２又は３に記載の方法。
5. 層系内の個々の層の厚みが同じでなく、様々に分布するようにして成る請求項４に記載の方法。
6. プラズマ発生のために、基本周波数を２．４５ＧＨｚとするパルスマイクロ波法を用いる請求項１〜５の何れか一つに記載のＰＩＣＶＤ法による方法。
7. 石英バーナーの形成する基体を一定の付着温度に維持して成る請求項６に記載の方法。
8. 一定の温度を維持する基体加熱のためにＯ_２プラズマを走らせ、基体面を測定して温度を光学的に監視して成る請求項７に記載の方法。
9. Ｏ_２プラズマ基体加熱により一定の基体温度で交互するＴｉＯ_２／ＳｉＯ_２層を付着させるＰＩＣＶＤ法のプロセスパラメタを次のように選んで成る請求項２〜８の何れか一つに記載の方法：
   

   
10. バーナーをそのジャケットの内側において被覆して成る請求項１〜９の何れか一つに記載の方法。
11. バーナーをそのジャケットの外側において被覆して成る請求項１〜９の何れか一つに記載の方法。
12. 付着速度を一定に稼動し、且つ層厚みの測定を、マイクロ波パルスを計数して行う請求項５〜１１の何れか一つに記載の方法。
    
    

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