JP3153449B2 - 高圧放電ランプ、及び高圧放電ランプ用の放電管体の製造方法と、中空管体の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、一般照明
用、投射型ディスプレー用などに利用される高圧放電ラ
ンプ、及び高圧放電ランプ用の放電管体の製造方法と、
中空管体の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、金属ハロゲン化物放電ランプの場
合、放電管体として石英ガラス（その組成は、１００％
に近いＳｉＯ₂ である）が用いられる場合が多い。

【０００３】しかし、ランプ点灯の積算時間が増えた場
合、石英ガラスがランプ封入物の高圧蒸気と反応する結
果、光学的透過率が低減する現象が不可避的である点、
および、石英ガラスの熱伝導性が著しく低く（約０．９
Ｗ／ｍＫ）、放電管体の温度分布の均一化の障害になっ
ている点などが、この石英ガラス材料の欠点であった。
更に、上記不均一な温度分布により、内部の熱対流が
促進される結果、放電アークの曲がりが大きくなるとい
った問題も生じていた。

【０００４】そこで、こうした問題点に対して、石英ガ
ラス製の放電管体の内面に酸化アルミ膜や酸化タンタル
膜などの単層または複数層（多層）の保護膜を設ける対
策が提案されている（例えば、米国特許５２７０６１５
号明細書）。

【０００５】又、別の対策方法として、セラミック製の
放電管体（Ａｌ₂Ｏ₃，ＡｌＮ，ＹＡＧ，スピネル等）を
使用して、高い防蝕性による失透防止と、高い熱伝導性
による放電管体の温度分布の均一化、さらに熱負荷特性
の改善といった効果を得る試みがなされている（例え
ば、特公平５−８７９３８号公報）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の様な保護膜を設ける対策が施された放電管体では、
酸化膜の高温での耐食性が実用に供するほど高くはない
といった欠点があった。

【０００７】即ち、ランプ点灯時の１０００℃付近の高
温状態では、ランプ封入物質である希土類ハロゲン化物
と酸化膜との反応が認められることから、上記従来の保
護膜による対策では、失透抑制効果が未だ不十分であっ
た。

【０００８】また、保護膜として酸化膜を利用するた
め、放電管体を均熱化するという効果が得られないとい
う不十分な点もあった。

【０００９】他方、上記従来のセラミクス製の放電管体
では、セラミック管体と端面での封止部での腐食が無視
できないという問題や、セラミック焼結体の粒界反射に
よる直線光透過率の低下で理想的点光源から特性が外れ
てしまうといった課題などがあり、上記セラミクス製の
放電管体の実用化が妨げられていた。

【００１０】また、上記セラミクス製の放電管体は、石
英ガラス製の管体に比較して、コストが高く、しかも複
雑な製造工程を必要とするといった不満もあった。

【００１１】ところで、石英ガラスの線膨張係数は特徴
的に小さく（０．５４ｐｐｍ／℃）、その上に直接、線
膨張係数の大きい酸化アルミ（７〜８ｐｐｍ／℃）など
を耐蝕膜として形成しても、ランプ動作時の高熱（最高
約１０００℃）と消灯時の室温を繰り返す場合の動的な
機械的応力により、内面膜は、ひび割れ、または剥離し
てしまい、実用的に見て、実質的に耐久性のある構造の
実現には至っていないといった課題もあった。上記の米
国特許５２７０６１５号は、下地として、線膨張係数が
１〜４ｐｐｍ／℃の酸化膜を用い上記課題を解決しよう
とするものであるが、これも又、未だ不十分であった。

【００１２】本発明の目的は、上記従来の課題を考慮
し、従来に比べてより一層、失透を抑制することが出
来、より寿命の長い高圧放電ランプ、及び高圧放電ラン
プ用の放電管体の製造方法を提供することである。

【００１３】又、本発明の目的は、例えば高圧放電ラン
プ等に利用可能な中空管体の新たな製造方法を提供する
ことである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】

【００１５】

【００１６】

【００１７】請求項１の本発明は、不活性ガスと、１種
類以上の金属または１種類以上の金属ハロゲン化物とを
封入した石英ガラス製の中空管体の内壁面に、１種類以
上の元素の酸窒化物の層を少なくとも１層以上有する膜
を具備し、前記膜が、少なくとも酸窒化アルミの層を含
み、前記酸窒化アルミの層に、Ｓｉ、ＭｇまたはＹが含
まれている高圧放電ランプである。

【００１８】

【００１９】

【００２０】

【００２１】請求項２の本発明は、不活性ガスと、１種
類以上の金属または１種類以上の金属ハロゲン化物とを
封入した石英ガラス製の中空管体の内壁面に、１種類以
上の元素の酸窒化物の層を少なくとも１層以上有する膜
を具備し、前記中空管体の端部の内壁面では、前記石英
ガラスが露出された状態である高圧放電ランプである。

【００２２】請求項３の本発明は、所定の中空管体の両
端に各々設けられた開口部から、その中空管体の内壁面
に形成されるべき膜の元素と同一元素を含む一対のスパ
ッタ電極を挿入し、互いに対向する前記一対のスパッタ
電極の先端部同士の間隔が、所定距離だけ隔てられる様
に、前記一対のスパッタ電極を固定し、前記固定された
スパッタ電極間に直流電圧または高周波電圧を印加し
て、グロー放電を発生させて、スパッタリング法により
前記中空管体の内壁面の全部又は一部に前記膜を形成す
る中空管体の製造方法である。

【００２３】請求項４の本発明は、所定の中空管体の内
壁面に形成されるべき膜の元素と同一元素を含むターゲ
ットを先端部に備えた一対のスパッタ電極を、その中空
管体の両端に各々設けられた開口部から挿入し、互いに
対向する前記一対のスパッタ電極の先端部同士の間隔
が、所定距離だけ隔てられる様に、前記一対のスパッタ
電極を固定し、前記固定されたスパッタ電極間に直流電
圧または高周波電圧を印加して、グロー放電を発生させ
て、スパッタリング法により前記中空管体の内壁面の全
部又は一部に前記膜を形成する中空管体の製造方法であ
る。

【００２４】請求項５の本発明は、前記中空管体の内壁
面の一部とは、前記中空管体の内壁面の内、前記開口部
の近傍の内壁面以外の全部または一部である中空管体の
製造方法である。

【００２５】請求項６の本発明は、前記スパッタ電極の
先端部を非平面形状にした中空管体の製造方法である。

【００２６】請求項７の本発明は、前記ターゲットの先
端部を非平面形状にした中空管体の製造方法である。

【００２７】請求項８の本発明は、石英ガラス製の中空
管体の内壁面に所定の膜を形成した高圧放電ランプ用の
放電管体の製造方法であって、前記中空管体の内壁面
に、１種類以上の元素の窒化物の層を形成し、その後、
その形成された窒化物の層に対して酸化処理を施して、
その窒化物の層の全部又は一部を酸窒化物の層に変化さ
せる高圧放電ランプ用の放電管体の製造方法である。

【００２８】請求項９の本発明は、石英ガラス製の中空
管体の内壁面に所定の膜を形成した高圧放電ランプ用の
放電管体の製造方法であって、前記中空管体の内壁面
に、１種類以上の元素の酸化物の層を形成し、その後、
その形成された酸化物の層に対して窒化処理を施して、
その酸化物の層の全部又は一部を酸窒化物の層に変化さ
せる高圧放電ランプ用の放電管体の製造方法である。

【００２９】請求項１０の本発明は、石英ガラス製の中
空管体の内壁面に所定の膜を形成した高圧放電ランプの
製造方法であって、前記中空管体の内壁面に、所定の金
属の層を形成し、その後、その形成された金属の層に対
して酸窒化処理を施して、その金属の層の全部又は一部
を酸窒化物の層に変化させる高圧放電ランプ用の放電管
体の製造方法である。

【００３０】請求項１１の本発明は、不活性ガスと、１
種類以上の金属または１種類以上の金属ハロゲン化物と
を封入した石英ガラス製の中空管体の内壁面に形成され
た線膨張係数が実質的に０．８から２ｐｐｍ／℃の間で
ある透明誘電体膜の第１層と、その第１層の上に形成さ
れた線膨張係数が実質的に２から５ｐｐｍ／℃の間であ
る透明誘電体膜の第２層と、その第２層の上に形成され
た線膨張係数が実質的に５から１０ｐｐｍ／℃の間であ
る透明誘電体膜の第３層とを少なくとも有する膜を具備
する高圧放電ランプである。

【００３１】請求項１２の本発明は、前記膜の最上層が
酸窒化物の層により構成された高圧放電ランプである。
また、請求項１３の本発明は、点光源に近い高圧放電ラ
ンプにおいて、石英ガラス製の中空管体の電極の根元部
近傍を除いた内壁面に保護膜を有し、前記根元部近傍が
露出された状態とすることにより、前記保護膜のある領
域に比べ、前記保護膜のない領域の方が、失透現象が大
きいことを特徴とする高圧放電ランプである。

【００３２】本願発明では、例えば、高圧放電ランプの
動作環境下で、従来に比べて耐食性の高い酸窒化膜を放
電管体内面に備えた構成となるので、従来に比べてより
一層、失透抑制が可能であり、より寿命の長い高圧放電
ランプの提供が可能となる。

【００３３】また、本願発明の製造方法によれば、例え
ば、スパッタリングによる膜の均一化と膜付着力が強化
され、膜の剥離が従来に比べてより生じにくくなる。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の高圧放電ランプ、
及び高圧放電ランプ用の放電管体の製造方法と、中空管
体の製造方法の実施の形態について説明する。

【００３５】図１は本発明にかかる実施の一形態の高圧
放電ランプの断面模式図であり、同図を参照しながら、
実施の本形態の構成を説明する。

【００３６】尚、中空管体の内壁面の表面に積層して形
成された複数の層を、一括して膜と呼ぶ。即ち、ここで
言う膜は、通常の場合、複数の層を有している。従っ
て、単に膜と呼ぶ代わりに、多層膜と呼ぶこともある。
但し、形成された層が一つしかない場合、上記膜は、そ
の一つしかない層そのものを意味する。従って、これを
上記多層膜に対する概念から、単層膜とも呼ぶ。

【００３７】一方、膜を形成する各層の番号付けは、例
えば、高圧放電ランプの石英ガラス管体１の内壁面の表
面に形成された層を第１層とし、その第１層の表面に形
成された層を第２層というようにする。即ち、中空管体
の内壁面から遠ざかるに従って、層の番号が増加するよ
うに、各層の番号付けがなされるものである。

【００３８】図１において、１は石英ガラス管体であ
り、その内部に巻き付けタングステン線５を先端付近に
備えたタングステン電極２が対向して配置されている。

【００３９】３はモリブデン箔、４はモリブデン電極で
ある。６は石英ガラス管体１の上に形成した内壁膜であ
る。この内壁膜６は、次に説明する様に、窒化アルミの
層７と、酸窒化アルミの層８との２つの層により構成さ
れている。

【００４０】即ち、図２は、図１中においてＡ−Ｂ切断
線を施した部分の矢視断面を模式的に示した矢視拡大断
面模式図である。実施の本形態では、石英ガラス管体１
の上に、窒化アルミの層７を６００オングストロームの
厚みになる様に形成し、酸窒化アルミ膜８を１２００オ
ングストロームの厚みに形成した。

【００４１】次に、本発明の実施の一形態の高圧放電ラ
ンプ用の放電管体の製造方法について、図３を参照しな
がらその構成を中心に説明する。図３は本発明の実施例
の高圧放電ランプ用の放電管体の製造方法に用いたスパ
ッタリング装置の模式図である。

【００４２】図２に示す様に、窒化アルミの層７と、酸
窒化アルミの層８との２つの層により構成される膜（以
下、２層膜とも言う）の形成は、タングステン電極２を
石英ガラス管体１に封じ込む前の製造段階で実施される
ものである。

【００４３】従って、この２層膜の成膜時には、金属と
金属ハロゲン化物の封入に利用する側管１６が、まだ存
在している。側管１６は、後段の製造工程で必要だから
である。

【００４４】一方、実施の本形態の場合、スパッタ電極
１０は、石英ガラス管体１の内壁面に形成されるべき膜
の元素と同一元素を含む材料を用いて構成されている点
が従来の構成と大きく異なる点である。即ち、スパッタ
電極１０は、従来は別個のものとして設けられていたス
パッタ用の電極の機能とターゲットの機能との両方を兼
ね備えているものである。

【００４５】窒化アルミの層７と、酸窒化アルミの層８
の元素は、共にアルミである。従って、スパッタ電極１
０は、窒化アルミの層７を形成する場合も、酸窒化アル
ミの層８を形成する場合も、共に、それら各層の元素と
同一の元素である金属アルミ（純度９９．９９９％）を
使用した。

【００４６】スパッタ電極１０を、石英ガラス管体の両
端の開口部３０１から挿入し、真空シールを、Ｏリング
シール１７により実現した。

【００４７】この様にして、その先端部が互いに対向す
る様に挿入された一対のスパッタ電極１０は、そのスパ
ッタ電極間距離Ｗspが、約１２ｍｍになるように固定さ
れた。尚、そのスパッタ電極の直径ｔ0 は４．４ｍｍと
した。

【００４８】これら一対のスパッタ電極１０には、整合
器１４を介して高周波電源１３を接続した。

【００４９】１２はアルミ製ブロックからなる放熱板で
あり、スパッタ中のターゲット温度の上昇を抑制する効
果がある。実施の本形態の場合、上述したようにスパッ
タ電極１０が、スパッタ用ターゲットをも兼ねているの
で、スパッタ電極１０の温度の上昇を抑制する効果があ
る。

【００５０】ガス導入部１５には、不活性ガスのＡｒ、
反応性ガスのＯ₂ ，Ｎ₂ および内壁プラズマクリーニン
グ用ガスのＣＦ₄ が、供給可能な様に配管接続されてい
る。

【００５１】磁石１１は、電界と磁界が平行になるよう
に配置されており、スパッタリング速度の高速化に寄与
しているが、必ずしも必要ではない。

【００５２】側管１６は、ターボ分子ポンプを主排気ポ
ンプとする排気系に接続されている。高周波電源１３と
しては、周波数５００ｋＨｚ、最大電力２５０Ｗの機種
を用いた。

【００５３】上述した、窒化アルミの層と、酸窒化アル
ミの層との２層により構成された膜を有する高圧放電ラ
ンプについて、更に詳細に説明しながら、その製造方法
の実施の一形態について、更に詳細に述べる。

【００５４】図３に示すごとく、石英ガラス製の放電管
体の両端の開口部３０１から、アルミ金属（純度９９．
９９９％）製のスパッタ電極１０を挿入し、５×１０^-4
Ｐａまで高真空に排気する。

【００５５】次に、Ａｒガスを３．１ｓｃｃｍ、窒素ガ
スを１．４ｓｃｃｍ流し、高周波電源１３により高周波
を２０Ｗ印加した。

【００５６】次にＡｒガスを３．１ｓｃｃｍ、窒素ガス
を０．９ｓｃｃｍ、酸素ガスを０．５ｓｃｃｍ流し、高
周波を２０Ｗ印加した。

【００５７】各層の厚みは、窒化アルミの層７が６００
オングストローム、酸窒化アルミの層８が１２００オン
グストロームとなるように、スパッタ放電時間を設定し
た。

【００５８】次に、タングステン電極２（図１参照）を
電極間距離が５．５ｍｍになるよう石英ガラスの放電管
体１に取付け、水銀、よう化ディスプロシウム、よう化
ネオジミウム、よう化セシウムおよびＡｒガスを封入
し、高圧放電ランプを完成させた。

【００５９】ここで、高圧放電ランプのスクリーン照度
が、初期値の１／２になるまでの時間を、その高圧放電
ランプの寿命と定義する。その場合、以上のようにして
構成された高圧放電ランプの寿命は、内壁膜のない高圧
放電ランプの寿命に比較して、３０％以上延びることが
確認出来た。

【００６０】また、内壁膜が酸化アルミの層のみ（単層
膜）による構成の場合と、窒化アルミの層を第１層と
し、酸化アルミの層を第２層とする２層膜（多層膜）の
構成の場合とを検証した結果は次のとうりである。即
ち、これら両者の場合、内壁膜が形成されていない放電
ランプに比較して、３０％以下しか寿命は延びず、中に
は逆に、寿命が短くなる場合もあった。このような結果
から、酸窒化物の層が、寿命の延長に極めて有効に作用
していることがわかる。

【００６１】次に、高圧放電ランプを１０００時間点灯
して、その後に高圧放電ランプの管壁の直線透過率を測
定した。

【００６２】その結果、管壁の円周方向に１０点測定し
た直線透過率の平均値として、酸化物の単層膜の場合に
は５３％、窒化物の単層膜の場合には４９％、酸窒化物
の単層膜の場合には７７％であった。

【００６３】この場合、測定光源はＨｅ−Ｎｅレーザー
（波長６３２８オングストローム）である。

【００６４】以上のように、酸窒化物の層（膜）は、酸
化物の層（膜）や、窒化物の層（膜）に比較して格段に
優れた長寿命効果を安定して示した。

【００６５】また、窒化アルミの層（膜）の特長である
高熱伝導率により、石英ガラス管体１の温度分布がより
一層均一化し、ランプ水平点灯時のアークの曲がりが、
減少した。 水平点灯時における、石英ガラス管体１の
管壁の温度は、実施の本形態の場合、上部中央で８１１
℃、下部中央で８０９℃で殆ど温度差はない。

【００６６】一方、石英ガラス管体の内壁面に膜が形成
されていない場合は、上部中央で８１８℃、下部中央で
７８６℃となり、両者の温度差は３２℃という大きな値
であった。なお、ランプ電力はいずれも２５０Ｗであ
る。このことから、窒化物の層は、中空管体の管壁温度
の均一化を実現するために有効である。酸窒化物も窒化
物に近い、高い熱伝導率を有していることから、酸窒化
物の層（膜）は、中空管体の管壁温度の均一化を実現す
るためにも、優れた効果を発揮するということがわか
る。

【００６７】尚、上記実施例では、スパッタ電極１０と
して、高純度（９９．９９９％）の金属アルミを用いた
が、このアルミニュウム中にＳｉ，Ｙ，またはＭｇなど
を添加したアルムニュウム合金をスパッタ電極として用
いても良い。

【００６８】実施の他の形態として、Ｓｉを２ｗｔ％含
有するアルミニュウム合金により形成されたスパッタ電
極により、酸窒化物の層を、石英ガラス管体の内壁面に
コーティングした高圧放電ランプを作成した。この構成
では、上記の高純度アルミニュウム合金のスパッタ電極
１０の場合に比べて、５％寿命が延びた。

【００６９】又、高圧放電ランプに封入する物質は上記
以外に、各種希土類よう化物や金属よう化物であっても
よい。また、高圧ナトリウム放電灯の場合にも本発明は
適応可能であることがわかる。

【００７０】さて、本発明が有効となり得た原因は、中
空管体の内壁面に形成された膜の最上層として、高耐食
性の酸窒化アルミの層を採用したこと、及び第１層の下
地膜に窒化アルミの層を採用し、最上層の酸窒化アルミ
の層の膜質向上に寄与させたことなどが挙げられる。

【００７１】上記のようにして膜を構成すれば、各種の
層を形成する際に、その都度、スパッタターゲットをも
兼ね備えるスパッタ電極を取り替える必要が無く、ガス
導入部１５（図３参照）により、石英ガラス管体１内に
導入されるべきガスの設定切換えを行なうだけで、上記
のような２層膜が得られるという、極めて大きな利点が
ある。

【００７２】上記実施例ではアルミの酸窒化物の層を最
上層としたが、実際には、アルミ以外にも種々考えられ
る。

【００７３】例えば、タンタル、ニオブ、バナジウム、
クロム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、イットリ
ウム、スカンジウム、マグネシウム、シリコン、そして
ランタン系希土類元素の中から選んだ元素の酸窒化物の
層を、一つまたは複数層形成して、膜を構成してもよ
い。又、この膜が、酸窒化部の層以外の層を含んでいて
もよいということは、言うまでもない。

【００７４】膜の構成は、単層膜、２層膜、３層膜およ
び４層以上の多層膜でもよいし、下地から、上層部に向
かって組成を連続的に変調した、いわゆる傾斜機能膜で
もよい。

【００７５】尚、単層膜の場合は、石英ガラス管体１の
内壁面に直接に酸窒化アルミの層８等の酸窒化物を用い
て形成した薄膜を形成すればよいことは言うまでもな
い。

【００７６】さらに、上記実施例に示したその厚みは、
これに限定されるものではなく、例えば酸窒化アルミの
層の厚みは、２００〜５０００オングストロームの間か
ら選んでよい。

【００７７】本発明は、酸化部の層や窒化物の層に比較
して、酸窒化物の層が内壁膜として優れていることを利
用している。

【００７８】上記元素の窒化物の層は、酸化物の層に比
べ高融点であり（例えば、窒化アルミの融点は２８００
℃であるのに対して酸化アルミでは２０５４℃）、高温
環境での使用を考えると好ましい。

【００７９】さらに、熱膨張係数も窒化物の層のほうが
低く（例えば、窒化アルミでは４．５ｐｐｍ／℃である
のに対して酸化アルミでは７〜８ｐｐｍ／℃）、低熱膨
張の石英ガラス（０．５４ｐｐｍ／℃）管体上に製膜す
る上で酸化物の層より有利である。

【００８０】一方、窒化物の層の欠点として、対酸化性
の無さと、昇華性による蒸気圧の高さがある。酸窒化物
の層とすることにより、両者の利点を兼ね備えた、優れ
た高温耐食材料の膜が実現できるものである。

【００８１】なお、上記実施例では金属スパッタ電極１
０を用いて、反応性スパッタにより成膜したが、酸窒化
物、酸化物または窒化物を含むスパッタ電極を用いたス
パッタでも同様の効果が得られることは明かである。

【００８２】さらに、酸窒化物の層は、上記したスパッ
タリング法以外に、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、真
空蒸着法、イオンプレーティング法などによって作成し
てもよい。

【００８３】又、最初に窒化物の層を作成し、その後、
熱酸化やプラズマ酸化などの酸化処理を施して、酸窒化
物の層を形成してもよいし、これとは逆に、まず酸化物
の層を作成し、その後、熱窒化やプラズマ窒化などの窒
化処理を施し、酸窒化物の層を得てもよい。

【００８４】図４（ａ）〜図４（ｃ）に示す内容は、窒
化物の層を作成し、その後、酸化処理を施して、酸窒化
物の層を形成する製造工程の一例である。即ち、同図で
は、上記酸化処理は、最初に作成された窒化物の層８１
に対して施され（図４（ａ）、図４（ｂ）参照）、その
窒化物の層８１の一部としての表面部を酸窒化物の層８
２に変化させる（図４（ｃ）参照）場合の例を示してい
る。尚、その他の例として、最初に作成された窒化物の
層８１の全部が、酸窒化物の層８２に変化するようにし
てももちろんよい。図４（ｂ）の８０は、酸化処理に利
用される酸素イオンを模式的に表したものである。

【００８５】さらに、金属の層を形成後、熱処理やプラ
ズマ処理により酸窒化物の層を得てもよい。

【００８６】図３に示す装置でスパッタを行なった場
合、石英ガラス管体１の内壁面の内、一対のスパッタ電
極１０の間にある空間に面した内壁面の領域部のみにス
パッタ膜が成長する。そして、後の工程で挿入される予
定のタングステン電極２（図１参照）のそれぞれの根元
部に相当する部分、つまり開口部３０１の近傍の内壁面
には、ほとんど膜が成長していないということが、実験
により確認出来た。

【００８７】このような現象を積極的に利用して、スパ
ッタ電極１０の先端部同士の距離を調整することによ
り、図５に示すように、タングステン電極２の根元部５
１において、石英ガラスが、むき出しの状態、即ち露出
した状態にすることが可能である。図５に表した構成
は、内壁面の全面に保護膜を付けた様子を示す、図１の
ランプ模式図の場合と比較して、タングステン電極２の
根元部５１の構成が異なるものである。

【００８８】図５に示した構成の場合、石英ガラス管体
１内の封入物と、石英ガラスとの反応による失透現象
が、上述のように、意図的に作成した保護膜のない部分
において選択的に進行し、保護膜領域では失透現象が遅
くなる。

【００８９】タングステン電極２の根元部は失透して
も、実用上の影響が少ない部分であるから、本発明のこ
のよな製造方法は、ランプ光束の大部分が通過する主領
域の失透を抑制する効果があり、結果的にランプの長寿
命化を図ることができる。

【００９０】さらに、光学薄膜にとって膜厚の均一性は
重要であるが、図３に示す様に、スパッタ電極１０の先
端部の表面が平面である場合に比較し、非平面形状にす
ると、内壁膜の膜厚の均一性を向上できる。図６は、タ
ーゲットの先端の形状を、非平面形状の一例としての凸
面形状にした場合を示すものである。

【００９１】また、放電管体の形状に応じて、一対のス
パッタ電極１０の先端形状とその先端同士の距離、およ
びガス流量などのスパッタ条件を最適化することによ
り、層の厚み、あるいは膜厚の分布の均一性を±１０％
以内にできる。

【００９２】なお、スパッタ電極の先端は、球状または
回転楕円体状に形成した放電管体の中央部に突出させる
べきであり、突出長がないと、膜厚分布は悪化する。

【００９３】上記実施例では、タングステン電極２を有
する、いわゆる有電極タイプのＨＩＤランプについて説
明したが、これに限らず例えば、図７に示す様に、放電
管体の内部に突出させた電極を備えず、外部からのマイ
クロ波または高周波で励起発光させるようにした高圧放
電ランプに対しても、本願発明は利用可能である。その
場合でも、上記と同様の効果が得られる。図７におい
て、３２は、高圧放電ランプを励起発光させるために、
外部に設けられた高周波電源であり、３１は整合器であ
り、３０は、石英ガラス管体１の外周を取り巻くように
配設されたターンコイルである。

【００９４】次に、石英ガラス製の中空体の管壁内面
に、第１層として線膨張係数が０．８から２ｐｐｍ／℃
の間である透明誘電体の層と、第２層として線膨張係数
が２から５ｐｐｍ／℃の間である透明誘電体の層、第３
層として線膨張係数が５から１０ｐｐｍ／℃の間である
透明誘電体の層から構成される３層膜を具備する構成の
例について説明する（図８参照）。図８は、本発明の実
施の他の形態における３層膜の構成を示すための、石英
ガラス管体とその内壁面に形成された膜の断面模式図で
ある。尚、図８は、図１のＡ−Ｂ切断線で示された部分
の略示断面模式図である。

【００９５】図３に示すごとく、石英ガラス製の放電管
体に、タンタル金属（純度９９．９９％）のスパッタ電
極１０を挿入し、５×１０^-4Ｐａまで高真空に排気す
る。

【００９６】次に、Ａｒガスを２．４ｓｃｃｍ、酸素ガ
スを１ｓｃｃｍ流し、高周波を１５Ｗ印加した。

【００９７】次に、タンタル金属のスパッタ電極をアル
ミ製（純度９９．９９９％）のスパッタ電極に取り替
え、５×１０^-4Ｐａまで高真空に排気する。

【００９８】次に、Ａｒガスを２．４ｓｃｃｍ、窒素ガ
スを１ｓｃｃｍ流し、高周波を１５Ｗ印加した。

【００９９】次にスパッタ電極はそのままで、Ａｒガス
を２．４ｓｃｃｍ、酸素ガスを０．３ｓｃｃｍ、窒素ガ
スを０．７ｓｃｃｍ流し、高周波を１５Ｗ印加した。

【０１００】層の厚みは、酸化タンタルの層１０１が５
００オングストローム、窒化アルミの層１０２が５００
オングストローム、酸窒化アルミの層１０３が１０００
オングストロームとなるように、スパッタ放電時間を設
定した（図８参照）。

【０１０１】次に、タングステン電極２を電極間距離が
５．５ｍｍになるよう放電管体１に取付け、水銀、よう
化ディスプロシウム、よう化ネオジミウム、よう化セシ
ウムおよびＡｒガスを封入し、放電ランプを完成させ
た。

【０１０２】実施の本形態の高圧放電ランプの寿命は、
内壁膜のない従来の放電ランプの寿命に比較して、３０
〜１００％の長寿命化が確認できた。

【０１０３】また、窒化アルミ膜の高熱伝導率により、
石英ガラス管体の温度分布が均一化し、ランプ水平点灯
時のアークの曲がりが、減少した。

【０１０４】封入物質は上記以外にも、各種希土類よう
化物や金属よう化物が可能である。

【０１０５】また、高圧ナトリウム放電灯の場合にも本
発明は適応可能であることがわかる。

【０１０６】さて、本発明が有効となり得た原因として
は、次のことが考えられる。

【０１０７】即ち、膜を構成する各層の熱膨張係数が、
下層から上層に向かうに従って、より大きな値となる様
に、各層の材料を選択して積層したことにより、大きな
温度範囲で安定な構成となっていること、最上層に高耐
食性の酸窒化アルミの層を採用したこと、そして、中間
層に熱伝導率の高い窒化アルミの層（１５０Ｗ／ｍＫ）
を採用することにより、放電管体を均熱化したことなど
である。

【０１０８】従って、３層膜の構成としては、上記実施
例以外に種々考えられる。

【０１０９】即ち、（表１）に示すごとく、石英ガラス
管体の内壁面のすぐ上に線膨張率が０．８から２ｐｐｍ
／℃の間である透明誘電体を第１層として形成し、その
第１の上に線膨張係数が２から５ｐｐｍ／℃の間である
透明誘電体を第２層として形成し、その第２層の上に線
膨張係数が５から１０ｐｐｍ／℃の間である透明誘電体
を第３層として形成して構成される３層膜を具備するこ
とによっても、上記と同様に高圧放電ランプの長寿命化
が可能となる。尚、（表１）の左の欄は、上記実施の本
形態で説明した各層の材料を示しており、中央の欄は、
各層の材料の線膨張係数のとり得る許容範囲を示してお
り、右の欄は、左の欄に挙げた材料に代えて、使用可能
な材料を示したものである。

【０１１０】

【表１】

【０１１１】なお、（表１）中で、例えばＨｆＯ₂＋Ｔ
ｉＯ₂はＨｆとＴｉの複合酸化物を意味しており、コー
ディエライトは ２ＭｇＯ＋２Ａｌ₂Ｏ₃＋ＳｉＯ₂、β−
スポデューメンはＬｉ₂Ｏ＋Ａｌ₂Ｏ₃＋４ＳｉＯ₂、サイ
アロンはＳｉ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ、ムライトは３Ａｌ₂Ｏ₃＋
２ＳｉＯ₂のことである。

【０１１２】線膨張係数の値は、非対称な結晶構造を示
す単結晶では、結晶軸の方向により異なった値を持つ
が、ここでは、実用上平均的な線膨張係数の値を考慮し
ている。

【０１１３】例えば、窒化アルミ（ＡｌＮ）では、ａ軸
方向で４．１５ｐｐｍ／℃、ｃ軸方向で５．２７ｐｐｍ
／℃であるが、多結晶体では、平均値として、４．５〜
４．８ｐｐｍ／℃の範囲の値を示すとみなしてよい。そ
のため、窒化アルミ（ＡｌＮ）を、（表１）中で線膨張
係数が２〜５の範囲の材料に相当するものとして分類し
ている。

【０１１４】また、アルミ、タンタル、ニオブ、バナジ
ウム、クロム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、イ
ットリウム、スカンジウム、マグネシウム、シリコン、
または、ランタン系希土類元素等の元素を用いて形成さ
れる各種酸窒化物の線膨張係数の値は、材料の種類・酸
素および窒素の組成比によって異なる値を取るので、そ
の値に対応した層に使用できる。

【０１１５】例えば、酸窒化珪素（ＳｉＯＮ）の場合は
ＳｉＯ₂に近い組成の場合は第１層に相当する線膨張係
数（０．８〜２ｐｐｍ／℃）を示し、Ｓｉ₃Ｎ₄に近い組
成の場合は第２層に相当する線膨張係数（２〜５ｐｐｍ
／℃）を示す。従って、（表１）において、第２層に使
用可能な材料として分類されているＳｉＯＮは、Ｓｉ ₃
Ｎ₄に近い組成を有するものである。

【０１１６】例えば、（表１）中で酸窒化アルミの代わ
りに、スピネルＭｇＡｌ₂Ｏ₄を採用すれば、アルカリ金
属（Ｎａ，Ｌｉなど）を封入物質とした場合に、より高
い耐食性が得られる。

【０１１７】上記実施例では３層膜構成としたが、実際
には、さらに多層化することも可能である。図９に、６
層により構成された膜の例を示す。同図は、図１のＡ−
Ｂ切断線で示された部分の略示断面模式図である。

【０１１８】図９に示すように、第１層９１として、酸
化タンタルよりさらに線膨張係数の小さいＨｆＯ₂＋Ｔ
ｉＯ₂の層、第２層９２として酸化タンタルの層、第３
層９３として、窒化アルミよりさらに線膨張係数の小さ
いＡｌ₂Ｏ₃＋Ｎｂ₂Ｏ₅の層、第４層９４として窒化アル
ミの層、第５層９５として酸化アルミの層、最上層の第
６層９６としてＭｇＡｌ₂Ｏ₄の層を積層して膜を形成し
た。この様に層数を増やしてやると、より高い耐久性の
ランプが得られた。

【０１１９】しかし、上記構成では、製造工程が増え、
コスト増となる場合もあるので、得たい性能水準から層
数を決めるのが合理的である。

【０１２０】尚、上記実施例では金属製のスパッタ電極
を用いて、反応性スパッタにより成膜したが、酸化物ま
たは窒化物をスパッタ電極としたスパッタを用いても同
様の効果が得られることは明かである。

【０１２１】また、成膜法はスパッタ法が好ましいが、
他の熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、真空蒸着法、イオ
ンプレーティング法などによって作成しても効果は期待
できる。

【０１２２】又、本発明の中空管体の製造方法は、上記
実施例では、高圧放電ランプ及び高圧放電ランプ用の放
電管体の製造方法を例に挙げて説明したが、これに限ら
ず例えば、蛍光灯用の中空管体等の製造方法にも適用可
能であり、要するに、スパッタリング法により中空管体
の内壁面の全部又は一部に膜を形成することが出来さえ
すれば、中空管体の形状や大きさ、種類や用途等は問わ
ない。

【０１２３】又、本発明の膜が、複数層の場合で、それ
ら複数層を構成する窒化物の層と、酸窒化物の層が形成
された例として、上記実施例では、酸窒化物の層が最上
層となる場合について説明したが（図２、図４（ｃ）参
照）、これに限らず例えば、その逆で、窒化物の層が最
上層となる構成でもよい。この場合、石英ガラス製の中
空管体の内壁面に膜を形成する高圧放電ランプ用の放電
管体の製造方法として、次のような工程により製造すれ
ばよい。即ち、前記中空管体の内壁面に、１種以上の元
素の酸化物の層を形成し、その後、その形成された酸化
物の層に対して窒化処理を施して、その酸化物の層の全
部又は一部を酸窒化物の層に変化させるものである。更
に又、別の例として、例えば、石英ガラス製の中空管体
の内壁面に膜を形成する高圧放電ランプ用の放電管体の
製造方法として、次のような工程により製造するように
してもよい。

【０１２４】即ち、具体的には、前記中空管体の内壁面
に、所定の金属の層を形成し、その後、その形成された
金属の層に対して酸窒化処理を施して、その金属の層の
全部又は一部を酸窒化物の層に変化させるという製造方
法である。

【０１２５】又、上記実施例では、一対のスパッタ電極
１０が、石英ガラス管体１の内壁面に形成されるべき膜
の元素と同一元素を含む材料を用いて構成されている場
合について、説明したが、これに限らず例えば、図１０
に示すように、中空管体の内壁面に形成されるべき膜の
元素と同一元素を含むターゲット１０２を先端部に備え
た一対のスパッタ電極１０１を用いる構成であってもよ
い。この場合、スパッタ電極１０１の材料は、上記同一
元素を含む必要はない。以上のように本発明は、石英ガ
ラス管体のランプ点灯中の失透現象を抑制できるため、
長寿命の高圧放電灯を実現できる。

【０１２６】また、本発明は、セラミクス放電管体を使
用しないため、光の直線透過率が高く、点光源に近い良
好な光学特性が得られ、しかも管体の３次元的成型も容
易であり、コストも低くできるなど、多くの利点を有し
ている。

【０１２７】また、本発明は、熱伝導率の高い窒化アル
ミ膜を利用して、放電管体の温度分布の均一化を図り、
熱対流を低減して、アークの曲がりを少なくする効果も
有している。

【０１２８】

【発明の効果】以上述べたところから明らかなように本
発明は、従来に比べてより一層、失透を抑制することが
出来、しかもより一層寿命を長く出来るという長所があ
る。

【０１２９】又、本発明は、例えば高圧放電ランプ等に
利用出来得る中空管体の新たな製造方法を提供すること
が出来るという長所を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる実施の一形態の高圧放電ランプ
の断面模式図である。

【図２】図１中においてＡ−Ｂ切断線が施された部分の
矢視拡大断面模式図である。

【図３】本発明の実施の一形態の高圧放電ランプ用の放
電管体の製造方法に用いたスパッタリング装置の模式図
である。

【図４】（ａ）：石英ガラス管体の内壁面の上に窒化物
の層を形成する工程を示す模式図である。 （ｂ）：図４（ａ）で示した工程で形成された窒化物の
層に対して、酸化処理を施す工程を示す模式図である。 （ｃ）：酸化処理により、窒化物の層の表面部を酸窒化
物の層に変化させる工程を示す模式図である。

【図５】本発明の実施の他の形態としての、タングステ
ン電極の根元部において石英ガラスが露出するように構
成された、高圧放電ランプの断面模式図である。

【図６】本発明の実施の一形態の高圧放電ランプ用の放
電管体の製造方法に用いたスパッタリング装置のスパッ
タ電極及びその先端部の形状を示す模式図である。

【図７】無電極放電ランプの略示構成図である。

【図８】本発明の実施の他の形態における３層膜の構成
を示すための、石英ガラス管体とその内壁面に形成され
た膜の断面模式図である。

【図９】本発明の実施の他の形態における６層膜の構成
を示すための、石英ガラス管体とその内壁面に形成され
た膜の断面模式図である。

【図１０】本発明の実施の他の形態の高圧放電ランプ用
の放電管体の製造方法に用いたスパッタリング装置のス
パッタ電極と、その先端部に設けられたターゲット部の
形状を示す模式図である。

【符号の説明】

１ 石英ガラス管体 ２ タングステン電極 ３ モリブデン箔 ４ モリブデン電極 ５ 巻き付けタングステン線 ６ 内壁膜 ７ 窒化アルミの層 ８ 酸窒化アルミの層 １０ スパッタ電極 １１ 磁石 １２ 放熱板 １３ 高周波電源 １４ 整合器 １５ ガス導入部 １６ 側管 １７ Ｏリングシール １０２ ターゲット ３０１ 開口部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−238748（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−58680（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−254887（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−248247（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−21041（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 61/35 H01J 9/20 H01J 61/073

Claims (13)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 不活性ガスと、１種類以上の金属または
   １種類以上の金属ハロゲン化物とを封入した石英ガラス
   製の中空管体の内壁面に、１種類以上の元素の酸窒化物
   の層を少なくとも１層以上有する膜を具備し、前記膜
   は、少なくとも酸窒化アルミの層を含み、前記酸窒化ア
   ルミの層に、Ｓｉ、ＭｇまたはＹが含まれていることを
   特徴とする高圧放電ランプ。
2. 【請求項２】 不活性ガスと、１種類以上の金属または
   １種類以上の金属ハロゲン化物とを封入した石英ガラス
   製の中空管体の内壁面に、１種類以上の元素の酸窒化物
   の層を少なくとも１層以上有する膜を具備し、前記中空
   管体の電極の根元部近傍の内壁面では、前記石英ガラス
   が露出された状態であることを特徴とする高圧放電ラン
   プ。
3. 【請求項３】 所定の中空管体の両端に各々設けられた
   開口部から、その中空管体の内壁面に形成されるべき膜
   の元素と同一元素を含む一対のスパッタ電極を挿入し、
   互いに対向する前記一対のスパッタ電極の先端部同士の
   間隔が、所定距離だけ隔てられる様に、前記一対のスパ
   ッタ電極を固定し、 前記固定されたスパッタ電極間に直流電圧または高周波
   電圧を印加して、グロー放電を発生させて、スパッタリ
   ング法により前記中空管体の内壁面の全部又は一部に前
   記膜を形成することを特徴とする中空管体の製造方法。
4. 【請求項４】 所定の中空管体の内壁面に形成されるべ
   き膜の元素と同一元素を含むターゲットを先端部に備え
   た一対のスパッタ電極を、その中空管体の両端に各々設
   けられた開口部から挿入し、 互いに対向する前記一対のスパッタ電極の先端部同士の
   間隔が、所定距離だけ隔てられる様に、前記一対のスパ
   ッタ電極を固定し、 前記固定されたスパッタ電極間に直流電圧または高周波
   電圧を印加して、グロー放電を発生させて、スパッタリ
   ング法により前記中空管体の内壁面の全部又は一部に前
   記膜を形成することを特徴とする中空管体の製造方法。
5. 【請求項５】 前記中空管体の内壁面の一部とは、前記
   中空管体の内壁面の内、前記開口部の近傍の内壁面以外
   の全部または一部であることを特徴とする請求項３又は
   ４記載の中空管体の製造方法。
6. 【請求項６】 前記スパッタ電極の先端部を非平面形状
   にしたことを特徴とする請求項３記載の中空管体の製造
   方法。
7. 【請求項７】 前記ターゲットの先端部を非平面形状に
   したことを特徴とする請求項４記載の中空管体の製造方
   法。
8. 【請求項８】 石英ガラス製の中空管体の内壁面に所定
   の膜を形成した高圧放電ランプ用の放電管体の製造方法
   であって、前記中空管体の内壁面に、１種類以上の元素
   の窒化物の層を形成し、その後、その形成された窒化物
   の層に対して酸化処理を施して、その窒化物の層の全部
   又は一部を酸窒化物の層に変化させることを特徴とする
   高圧放電ランプ用の放電管体の製造方法。
9. 【請求項９】 石英ガラス製の中空管体の内壁面に所定
   の膜を形成した高圧放電ランプ用の放電管体の製造方法
   であって、前記中空管体の内壁面に、１種類以上の元素
   の酸化物の層を形成し、その後、その形成された酸化物
   の層に対して窒化処理を施して、その酸化物の層の全部
   又は一部を酸窒化物の層に変化させることを特徴とする
   高圧放電ランプ用の放電管体の製造方法。
10. 【請求項１０】 石英ガラス製の中空管体の内壁面に所
    定の膜を形成した高圧放電ランプの製造方法であって、
    前記中空管体の内壁面に、所定の金属の層を形成し、そ
    の後、その形成された金属の層に対して酸窒化処理を施
    して、その金属の層の全部又は一部を酸窒化物の層に変
    化させることを特徴とする高圧放電ランプ用の放電管体
    の製造方法。
11. 【請求項１１】 不活性ガスと、１種類以上の金属また
    は１種類以上の金属ハロゲン化物とを封入した石英ガラ
    ス製の中空管体の内壁面に形成された線膨張係数が実質
    的に０．８から２ｐｐｍ／℃の間である透明誘電体の第
    １層と、その第１層の上に形成された線膨張係数が実質
    的に２から５ｐｐｍ／℃の間である透明誘電体の第２層
    と、その第２層の上に形成された線膨張係数が実質的に
    ５から１０ｐｐｍ／℃の間である透明誘電体の第３層と
    を少なくとも有する膜を具備することを特徴とする高圧
    放電ランプ。
12. 【請求項１２】 前記膜の最上層が酸窒化物の層である
    ことを特徴とする請求項１１記載の高圧放電ランプ。
13. 【請求項１３】 点光源に近い高圧放電ランプにおい
    て、石英ガラス製の中空管体の電極の根元部近傍を除い
    た内壁面に保護膜を有し、前記根元部近傍が露出された
    状態とすることにより、前記保護膜のある領域に比べ、
    前記保護膜のない領域の方が、失透現象が大きいことを
    特徴とする高圧放電ランプ。