JPH04248247A - 高光度メタルハライド放電ランプ用の保護被膜 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の分野】本発明は高光度メタルハライド放電ラン
プに関するものである。更に詳しく言えば、本発明は高
光度メタルハライド放電ランプの有効寿命を延ばすため
の保護被膜に関する。

【０００２】

【発明の背景】高光度メタルハライド放電ランプの動作
に際しては、通例は電流を流すことによって比較的高圧
の金属ハロゲン化物封入物が励起される結果、該封入物
の金属成分から可視光が放射される。高光度メタルハラ
イド放電ランプの１例として、金属ハロゲン化物と不活
性緩衝ガスとの混合物から成る高圧のガス状封入物中に
ソレノイド電界を形成することによってアーク放電を発
生させる無電極型のランプがある。詳しく述べれば、封
入物を含んだアーク管を包囲する励起コイル中に高周波
（ＲＦ）電流を流すことによって放電プラズマが励起さ
れる。アーク管と励起コイルとの集合体は、本質的に高
周波エネルギーをプラズマに結合するための変圧器とし
て働く。すなわち、励起コイルは一次コイルとして作用
し、またプラズマは１巻きの二次コイルとして作用する
。励起コイル中の高周波電流は時間と共に変化する磁界
を発生し、そしてこの磁界が完全な閉路を成す電界（す
なわち、ソレノイド電界）をプラズマ中に形成する。か
かる電界が形成される結果として電流が流れ、それによ
ってアーク管内にトーラス状のアーク放電が発生するの
である。

【０００３】上記のごとき無電極型のものを含めた高光
度メタルハライド放電ランプは、汎用照明の原理に準拠
した良好な演色性および高い効率を示すのが通例である
。しかしながら、かかるランプの寿命は、ランプの動作
時における金属ハロゲン化物封入物の金属成分の損失お
よびそれに付随した遊離ハロゲンの蓄積によって制限さ
れることがある。詳しく述べれば、金属原子の損失は可
視光出力を低下させることによってランプの有効寿命を
短縮する。その上、金属原子の損失はアーク管内におけ
る遊離ハロゲンの放出をもたらすが、これは特に無電極
型の高光度メタルハライド放電ランプの場合にアークの
不安定性および（最終的には）アークの消滅を引起こす
ことがある。

【０００４】金属ハロゲン化物封入物の金属成分の損失
は、アーク放電の電界が金属イオンをアーク管の管壁に
移動させることに原因する場合がある。たとえば、ジョ
ン・エフ・ウェイマス（Ｊｏｈｎ　Ｆ．　Ｗａｙｍｏｕ
ｔｈ）著「エレクトリック・ディスチャージ・ランプス
（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　Ｌａｍｐｓ
）」（Ｍ．Ｉ．Ｔ．プレス、１９７１年）の２６６〜２
７７頁に説明されているごとく、ヨウ化ナトリウム封入
物を含む高光度放電ランプにおいては、アーク放電によ
ってヨウ化ナトリウムが正のナトリウムイオンと負のヨ
ウ素イオンとに解離する。この場合、アーク放電の電界
の作用下でナトリウムイオンはアーク管の管壁に向かっ
て移動する。管壁に到達するまでにヨウ素イオンと再結
合しなかったナトリウムイオンは、管壁において化学的
に反応することもあれば、あるいは管壁を通過してから
アーク管の外側で反応することもある。（通例、アーク
管の周囲には光透過性の外管が配置されている。）かか
るナトリウムイオンは、石英製のアーク管または酸素不
純物と反応してケイ酸ナトリウムまたは酸化ナトリウム
を生成することがある。より多くのナトリウム原子が失
われるほど、光出力は低下し、かつまたアーク管の内部
に遊離ヨウ素が蓄積する。この遊離ヨウ素は、アークの
不安定性および（最終的には）アークの消滅をもたらす
ことがある。更にまた、イオン衝撃の結果としてアーク
管の表面が劣化することもある。それ故、金属ハロゲン
化物封入物の金属成分の損失およびそれに付随した遊離
ハロゲンの蓄積を防止し、それによってランプの有効寿
命を延ばすことが望ましいのである。

【０００５】

【発明の目的】本発明の目的の１つは、高光度メタルハ
ライド放電ランプの金属ハロゲン化物封入物の金属成分
の実質的な損失およびそれに付随した遊離ハロゲンの実
質的な蓄積を防止し、それによってランプの有効寿命を
延ばすための手段を提供することにある。

【０００６】本発明のもう１つの目的は、高光度メタル
ハライド放電ランプの金属ハロゲン化物封入物の金属成
分の実質的な損失およびそれに付随した遊離ハロゲンの
実質的な蓄積を防止するために役立つ、高光度メタルハ
ライド放電ランプのアーク管用の保護被膜を提供するこ
とにある。

【０００７】本発明の更にもう１つの目的は、高光度メ
タルハライド放電ランプの金属ハロゲン化物封入物の金
属成分の実質的な損失およびそれに付随した遊離ハロゲ
ンの実質的な蓄積を防止するため、高光度メタルハライ
ド放電ランプのアーク管を保護被膜で被覆するための方
法を提供することにある。

【０００８】

【発明の概要】本発明の上記およびその他の目的は、高
光度メタルハライド放電ランプのアーク管用の新規で改
良された保護被膜によって達成される。本発明の保護被
膜は、金属ハロゲン化物封入物の金属成分の実質的な損
失およびそれに付随した遊離ハロゲンの実質的な蓄積を
防止し、それによってランプの有効寿命を延ばすために
適した組成および厚さを有するものである。好適な実施
の態様に従えば、かかる保護被膜はアーク管の内面上に
配置されたケイ素層から成っている。かかるケイ素保護
被膜は金属ハロゲン化物封入物の金属成分の実質的な損
失を防止するのに十分な厚さを有するとは言え、アーク
管からの可視光出力の遮断を最少限に抑える程度に薄い
ものである。

【０００９】かかる保護被膜でアーク管を被覆するため
の好適な方法は、化学蒸着法に基づくものである。すな
わち、先ず最初に、化学蒸着法によってアーク管の内面
および外面上に保護被膜が設置される。次いで、アーク
管を適当なエッチング剤中に浸漬することによって外側
の保護被膜が除去される。

【００１０】本発明の特徴および利点は、添付の図面を
参照しながら以下の詳細な説明を読むことによって自ら
明らかとなろう。

【００１１】

【発明の詳しい説明】図１には、本発明に基づく保護被
膜１２を使用した高光度メタルハライド放電ランプ１０
が示されている。図示の都合上、ランプ１０は無電極型
の高光度メタルハライド放電ランプとして示されている
。とは言え、本発明の原理は電極を有する高光度メタル
ハライド放電ランプにも等しく適用し得ることを理解す
べきである。図示のごとく、無電極型の高光度メタルハ
ライド放電ランプ１０は、融解石英のごとき耐熱ガラス
または多結晶質アルミナのごとき光学的に透明なセラミ
ックから成るアーク管１４を含んでいる。一例として、
アーク管１４は実質的に楕円体の形状を有するものとし
て示されている。とは言え、用途によってはその他の形
状のアーク管が望ましい場合もある。たとえば、所望に
応じ、アーク管１４は球形のものであってもよいし、あ
るいは縁端部が丸くなった短い円筒形（すなわち、「丸
薬容器」状）のものであってもよい。

【００１２】アーク管１４は、ランプの動作に際してソ
レノイドアーク放電を励起するための金属ハロゲン化物
封入物を含んでいる。米国特許第４８１０９３８号明細
書中に記載されている適当な封入物は、白色の色温度に
おいて高い効率および良好な演色性を示す可視光を発生
するような重量比率で混合されたナトリウムハロゲン化
物、セリウムハロゲン化物およびキセノンから成るもの
である。たとえば、上記特許に基づく封入物は、等しい
重量比率で使用されるヨウ化ナトリウムおよび塩化セリ
ウムと、約５００Ｔｏｒｒの分圧を有するキセノンとを
混合したものから成り得る。また、１９８９年５月８日
に提出された米国特許出願第３４８４３３号明細書中に
は別の適当な封入物が記載されている。上記特許出願に
基づく封入物は、ランタンハロゲン化物、ナトリウムハ
ロゲン化物、セリウムハロゲン化物、および緩衝ガスと
してのキセノンまたはクリプトンの混合物から成るもの
である。たとえば、上記特許出願に基づく封入物は、ヨ
ウ化ランタン、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化セリウム、お
よび２５０Ｔｏｒｒの分圧のキセノンを混合したものか
ら成り得る。

【００１３】かかる高光度メタルハライド放電ランプに
対しては、アーク管１４の周囲に配置されかつ安定器１
８を介して高周波信号により駆動される励起コイル１６
によって電力が印加される。励起コイル１６としては、
たとえば、１９９０年３月１４日に提出された米国特許
出願第４９３２６６号明細書中に記載されているような
形状を有する２巻きのコイルが挙げられる。かかるコイ
ル形状は、非常に高い効率をもたらすと共に、ランプか
らの光の遮断を最少限に抑えるものである。上記特許出
願に基づく励起コイルの全体的な形状は、左右対称の台
形を、該台形と同じ平面内に位置しかつ該台形と交わら
ないコイルの中心線の回りに回転させることによって形
成された立体の形状にほぼ等しい。とは言え、米国特許
第４８１２７０２号明細書中に記載されているものをは
じめとするその他適宜のコイル形状を使用することもで
きる。詳しく述べれば、上記特許に基づく励起コイルは
、コイル中心線の両側において実質的にＶ字形の横断面
を有するように構成された６巻きのコイルである。更に
別の適当な励起コイルとしては、たとえばソレノイド形
のものが挙げられる。

【００１４】動作について説明すれば、励起コイル１６
中を流れる高周波電流が時間と共に変化する磁界を発生
し、そしてこの磁界が完全な閉路を成す電界をアーク管
１４内に形成する。かかるソレノイド電界が形成される
結果として、アーク管１４内の封入物を通って電流が流
れ、それによってアーク管１４内にトーラス状のアーク
放電２０が発生する。なお、無電極型の高光度メタルハ
ライド放電ランプの動作は、前記の米国特許第４８１０
９３８号明細書中に記載されている。

【００１５】本発明に従えば、金属ハロゲン化物封入物
の金属成分の実質的な損失およびそれに付随した遊離ハ
ロゲンの実質的な蓄積を防止するのに十分な厚さを有す
る保護被膜１２がアーク管１４の内面上に配置されてい
る。それに加えて、かかる保護被膜１２はアーク管１４
からの可視光出力の遮断を最少限に抑えるのに十分な程
度に薄いものでなければならない。封入物の金属成分は
ランプの動作に際して可視光を発生するから、それの実
質的な損失を防止することはランプの有効寿命を延ばす
ために役立つ。更にまた、遊離ハロゲンの蓄積はアーク
の不安定性および（最終的には）アークの消滅を引起こ
すのが通例であるから、それの蓄積を防止することもラ
ンプの有効寿命を延ばすために役立つことになる。

【００１６】本発明の好適な実施の態様に従えば、アー
ク管１４は融解石英から成り、また保護被膜１２はケイ
素層から成る。ケイ素保護被膜１２の厚さは３〜４０ナ
ノメートルの範囲内にあることが好ましく、また１０〜
２０ナノメートルの範囲内にあれば一層好ましい。保護
被膜１２の材料としてケイ素が好適である理由は、それ
が比較的小さい熱膨張率および高い融点を有することで
ある。その上、ケイ素はシリカに対して化学的適合性を
有しかつ酸素不純物と反応してシリカを生成するから、
融解石英製のアーク管に対する被膜としてケイ素を有利
に使用することができる。更にまた、封入物の一成分と
してナトリウムを含有する高光度メタルハライド放電ラ
ンプに関しては、ケイ素がナトリウムに対する不良溶媒
でありかつそれとの間で化合物を生成しないという点か
ら見てケイ素は好適な被膜材料である。

【００１７】本発明のもう１つの側面に従えば、アーク
管１４を保護被膜１２で被覆するための方法が提供され
る。一般的に述べれば、好適な方法は化学蒸着法に基づ
くものである。すなわち、先ず最初に、化学蒸着法によ
ってアーク管の内面および外面上に保護被膜が設置され
る。次いで、アーク管を適当なエッチング剤中に浸漬す
ることによって外側の保護被膜が除去されるか、あるい
は密封したアーク管を空気中において加熱することによ
って外側の保護被膜が透明な酸化物に転化される。下記
の実施例は、２個の無電極型高光度メタルハライド放電
ランプに対して本発明の方法を適用した場合を示してい
る。

【００１８】

【実施例】融解石英製のアーク管（外径２０ｍｍかつ高
さ１３ｍｍ）および付属の排気管をそれぞれに有する２
個の無電極型高光度メタルハライド放電ランプ（以後は
ランプＡおよびＢと呼ぶ）を用意した。それらのアーク
管に対し、希薄ＨＦ溶液中においてエッチングを施した
。脱イオン水中において洗浄した後、それらのアーク管
を大気圧の乾燥した酸素／塩素雰囲気中において１１０
０℃に加熱した。冷却後、アーク管を化学蒸着容器内に
配置し、真空条件下で６２５℃に加熱し、次いで１．５
分間にわたり３００ｍＴｏｒｒ　の水素化ケイ素（Ｓｉ
Ｈ４　）ガスに暴露した。その結果、アーク管の内面お
よび外面上に厚さ約１５ｎｍのケイ素層が形成された。 次いで、５部のＨＮＯ３　、５部の酢酸、２部のＨＦお
よび５部の水から成るエッチング溶液中にアーク管を３
０秒間にわたり浸漬することによって外側のケイ素層を
除去した。洗浄および乾燥の後、３００ｍＴｏｒｒ　の
亜酸化窒素雰囲気中においてアーク管を３０分間にわた
り９１５℃に加熱した。 次いで、アーク管内にヨウ化ナトリウム（４．７５ｍｇ
）およびヨウ化セリウム（２．２５ｍｇ）を充填した。 その後、排気装置上にアーク管を取付け、排気し、ガス
抜きし、次いで２５０Ｔｏｒｒのクリプトンを充填して
から密封した。

【００１９】アーク管を包囲する２巻きの励起コイルに
対し、１３．５６ＭＨｚ　で動作する２５０ワットの高
周波電源から電流を供給することにより、ランプＡおよ
びＢの寿命試験を行った。かかる寿命試験から定期的に
ランプを取出し、そして光出力および遊離ヨウ素レベル
を測定した。遊離ヨウ素レベルは、５２０ｎｍの波長に
おける光の吸収を測定することによって監視した。ラン
プＡおよびＢにおいて測定された遊離ヨウ素レベルは、
それぞれ１６００および２６００時間の寿命試験期間を
通じて０．０５ｍｇを越えなかった。それに対し、従来
の方法によって製造されたランプを同様にして動作させ
たところ、遊離ヨウ素レベルは１６００時間後において
０．１７ｍｇ以上であり、また２６００時間後において
０．２０ｍｇ以上であった。その上、ケイ素で被覆され
ていないアーク管は遊離ヨウ素レベルの上昇の結果とし
てアークの不安定性および（最終的には）アークの消滅
を示したのに対し、ケイ素で被覆されたアーク管は寿命
試験期間を通じてほぼ一定の遊離ヨウ素レベルを示した
のである。

【００２０】以上、本発明の好適な実施の態様を記載し
たが、かかる実施の態様が例示を目的としたものに過ぎ
ないことは言うまでもない。本発明の範囲から逸脱する
ことなしに数多くの変更態様が可能であることは当業者
にとって自明であろう。それ故、本発明の範囲は前記特
許請求の範囲によって規定されるものと解すべきである
。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づく保護被膜を使用した無電極型の
高光度メタルハライド放電ランプの略図である。

【符号の説明】

１０　　無電極型の高光度メタルハライド放電ランプ１
２　　保護被膜 １４　　アーク管 １６　　励起コイル １８　　安定器 ２０　　アーク放電

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　（ａ）　プラズマアーク放電を閉込め
   るための光透過性アーク管、（ｂ）　前記アーク管内に
   配置されかつ少なくとも１種の金属ハロゲン化物を含有
   する封入物、（ｃ）　前記封入物に電力を結合して前記
   封入物中に前記アーク放電を励起するための励起手段、
   並びに（ｄ）　前記アーク管の内面上に配置され、かつ
   前記封入物の金属成分の実質的な損失およびそれに付随
   した前記アーク管内における遊離ハロゲンの実質的な蓄
   積を防止するのに十分な厚さを有する保護被膜の諸要素
   から成ることを特徴とする高光度放電ランプ。
2. 【請求項２】　　前記保護被膜がケイ素から成る請求項
   １記載のランプ。
3. 【請求項３】　　前記アーク管が融解石英から成る請求
   項１記載のランプ。
4. 【請求項４】　　前記保護被膜の厚さが約３〜４０ナノ
   メートルの範囲内にある請求項１記載のランプ。
5. 【請求項５】　　前記保護被膜の厚さが約１０〜２０ナ
   ノメートルの範囲内にある請求項４記載のランプ。
6. 【請求項６】　　前記ランプが無電極型のものである場
   合において、前記励起手段が前記アーク管の周囲に配置
   されかつ高周波電源に接続されて前記封入物中に前記ア
   ーク放電を励起するために役立つ励起コイルである請求
   項１〜４のいずれか１項に記載のランプ。
7. 【請求項７】　　プラズマアーク放電を閉込めるための
   アーク管を有する無電極型高光度メタルハライド放電ラ
   ンプの製造方法において、（ａ）　前記アーク管の内面
   上にケイ素保護被膜を設置し、（ｂ）　少なくとも１種
   の金属ハロゲン化物を含有する封入物を前記アーク管内
   に充填し、（ｃ）　前記封入物に緩衝ガスを添加し、次
   いで（ｄ）　前記アーク管を密封する諸工程を含むこと
   を特徴とする方法。
8. 【請求項８】　　前記アーク管の内面上にケイ素保護被
   膜を設置する前記工程が、前記アーク管を化学蒸着容器
   内に封入し、前記容器内において十分に高い温度下で水
   素化ケイ素を分解して前記アーク管の内面および外面上
   にケイ素層を形成し、次いで前記アーク管の外面から前
   記ケイ素層を除去することから成る請求項７記載の方法
   。
9. 【請求項９】　　前記アーク管をエッチング剤中に浸漬
   することによって前記アーク管の外面から前記ケイ素層
   が除去される請求項８記載の方法。
10. 【請求項１０】　　前記アーク管の内面上にケイ素保護
    被膜を設置する前記工程が、前記アーク管を化学蒸着容
    器内に封入し、前記容器内において十分に高い温度下で
    水素化ケイ素を分解して前記アーク管の内面および外面
    上にケイ素層を形成し、次いで空気の存在下で前記アー
    ク管を加熱することによってそれの外面上に存在するケ
    イ素層を実質的に透明なシリカ層に転化させることから
    成る請求項７記載の方法。