JPH09259820A - 高圧放電灯 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、放電灯の動作時に受ける温度より
も低い温度で膜形成がなされたにもかかわらず、膜形成
直後の分光透過率特性が動作時の熱によって変動を起こ
さない光干渉膜を備えた高圧放電灯を提供することを目
的とする。 【解決手段】 発光管表面に酸化タンタルの薄膜と二酸
化硅素の薄膜とから成る光干渉膜を備えたものであっ
て、その酸化タンタル薄膜は、全体が実質的に非晶質で
あって、その内部に存在する粒状構造は粒径が１０ｎｍ
以下であって孤立して点在し、膜厚方向の断面積全体の
５０％以下を占有し、残りの部分は実質的に空隙がなく
緻密な構造となっていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】発光管表面に所定の機能を有
する光干渉膜を備えた高圧放電灯の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】酸化タンタル（Ｔａ₂ Ｏ₅ ）と二酸化硅
素（ＳｉＯ₂ ）は共に耐熱性に優れているので、例えば
高圧放電灯の発光管表面のように動作時に７００℃ない
しそれ以上の高温となる部分に適用する膜の構成物質と
して適している。ところで、酸化タンタルは可視域で屈
折率２．１〜２．２程度の高屈折率を有し、二酸化硅素
は可視域で１．４６前後の低屈折率を有するので、これ
ら両物質の薄膜を交互に積層すると、例えば可視光選択
透過膜などの所定の機能を有する光干渉膜を構成するこ
とができる。

【０００３】可視光選択透過膜の一例を示すと、特開平
７−３０７１４２号及び特開平７−３２０６８８号公報
記載のように、酸化タンタル薄膜と二酸化硅素薄膜とを
５〜７層交互積層してなり、波長４００〜６００ｎｍの
領域に所定条件を満たす分光透過率曲線の窪みを持つと
いう特性を有する可視光選択透過膜は、波長４００〜６
００ｎｍの光を選択的にカットするので、ディスプロシ
ウム（Ｄｙ）及びタリウム（Ｔｌ）、又はディスプロシ
ウム及びネオジウム（Ｎｄ）の沃化物などが封入され
た、メタルハライドランプの発光管表面に適用し、発光
管内部の元の色温度を１５００〜４０００Ｋ低下させて
所望の色温度のメタルハライドランプを得るというよう
に、メタルハライドランプの色温度の制御に用いること
ができる。

【０００４】上記のような光干渉膜を高圧放電灯の発光
管表面に形成する方法としては、真空蒸着法、スパッタ
リング法、ＣＶＤ法など多くのものが既に知られてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
光干渉膜では、この膜を表面温度が７００℃ないしそれ
以上の高温となる部位に適用した場合、膜の分光透過率
曲線のピークが元の曲線に対して短波長シフトを起こし
たりピークの透過率が増加したりする（透過率が増加す
るとき、分光透過率曲線を示す図において、透過率の窪
み（谷）が浮き上がるように移動するので、透過率の増
加を以降、「浮き」と呼ぶことにする）という変動を起
こす為、膜の分光透過率特性が膜形成直後の状態からず
れてしまい、従って、膜が所期の機能を果たせなくなる
という問題があった。膜の分光透過率曲線のピークの短
波長シフトは主に光干渉膜を構成する各層の膜厚の縮小
によってもたらされ、又、ピークの浮きは主に各層の構
造の物理的な変化によってもたらされたものである。

【０００６】そこで、動作時に高温となる高圧放電灯の
発光管表面に光干渉膜を設ける場合、上記の問題を解決
するために従来は、短波長シフトの対策として、各層
の膜厚をシフト分に対応する厚さだけ厚く形成し、浮
きの対策として、一般に層数を増やすとピークの透過率
が減少する（谷の深さが深くなる）ので、浮きの分を補
うだけ層数を増やす、という手段が取られてきた。しか
し、このような手段は、膜厚の増加や層数の増加に対応
する分だけ膜全体の形成に係る時間を増加させるという
欠点を伴なっていた。

【０００７】一方、別の解決策として、膜形成作業の終
了後に、膜が形成された発光管に対して、動作時に受け
る温度よりも高い温度を加えるという熱処理を施す手段
も講じられることがある。この手段では、加えられた高
熱によって光干渉膜を構成する各層の膜物質の結晶化が
促進され、各層がより強固で緻密な構造に変化する為、
動作時の高熱によって膜の分光透過率特性が変動する恐
れはなくなる。しかし、一般に、熱処理によって薄膜の
層全体を均一に結晶化させることは難しく、熱処理後の
薄膜には結晶化の過程で成長した結晶粒が数多く含まれ
ている。そして、この結晶粒が薄膜に入射した光を散乱
させる為、熱処理を施さないものに比べ、膜の光透過率
が減少するという大きな欠点がある。又、熱処理という
作業が加わる為、膜形成作業全体に係る時間が大幅に増
加するという問題も生じる。

【０００８】本発明は上記に鑑みてなされたもので、動
作時に受ける温度よりも低い温度で膜形成がなされたに
もかかわらず、膜形成直後の分光透過率特性が動作時の
熱によって変動を起こさない光干渉膜を備えた高圧放電
灯を提供することを目的とする。

【０００９】本発明者は、酸化タンタル薄膜と二酸化硅
素薄膜とから成る光干渉膜においては二酸化硅素薄膜よ
りも酸化タンタル薄膜の方が熱による影響を受け易く、
この光干渉膜の分光透過率特性は、酸化タンタル薄膜の
内部構造が所定の要件を満たす場合、７００℃以上の高
温を受けても変動を起こし難いことに着目して、本発明
を完成させた。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の高圧放電灯は、
発光管表面に酸化タンタルの薄膜と二酸化硅素の薄膜と
から成る光干渉膜を備えたものであって、その酸化タン
タル薄膜は、全体が実質的に非晶質であって、その内部
に存在する粒状構造は粒径が１０ｎｍ以下であって孤立
して点在し、膜厚方向の断面積全体の５０％以下を占有
し、残りの部分は実質的に空隙がなく緻密な構造となっ
ていることを特徴とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】実施例に基づき本発明を更に詳し
く説明する。図１は、高圧放電灯の一種であるメタルハ
ライドランプの一部切欠概略図である。１は石英ガラス
からなる発光管で、その両端に電極２及び３を封着し、
内部に例えばディスプロシウム（Ｄｙ）、タリウム（Ｔ
ｌ）及びセシウム（Ｃｓ）の各沃化物と水銀とアルゴン
ガスとをそれぞれ所定量封入している。又、発光管１の
端部の外表面には、例えば酸化ジルコニウム（Ｚｒ
Ｏ₂ ）等の白色微粒子からなる保温膜４及び５が形成さ
れている。そして、保温膜４及び５によってはさまれた
発光管１の外表面には可視光選択透過膜６が設けられて
いる。７は発光管の破損時の破片飛散防止の為に発光管
を囲繞して設けられた石英ガラス製スリーブである。８
及び９はリード線を兼ねた発光管支柱であり、外管１２
内に発光管１を支持している。１０及び１１は固定金具
である。このランプの他の構成要件の説明は省略する。
こうして、例えばアーク長２０ｍｍ、壁面負荷１７Ｗ／
ｃｍ²、定格電力１５０Ｗのメタルハライドランプ１３
が構成されている。

【００１２】可視光選択透過膜６は、基体側から層番号
を数えると、第１層が酸化タンタル（Ｔａ₂ Ｏ₅ ）薄
膜、第２層が二酸化硅素（ＳｉＯ₂ ）薄膜によって構成
され、以降これら両薄膜が所定の膜厚で交互に積層され
て成る７層膜である。可視光選択透過膜６の形成方法と
して既に知られているもののうち、ＣＶＤ法は、成膜過
程で基体に飛来する膜物質の回り込み性が良い為、基体
表面に凹凸があってもその表面に一様な膜厚で膜が形成
されるので、発光管などのように複雑な形状を有する基
体の表面に膜を形成するのに適している。

【００１３】ＣＶＤ法にはいくつかの種類があるが、そ
のうち、減圧下で行なう熱ＣＶＤ法を用いた実施例につ
いて説明する。成膜作業は、成膜室の周囲にヒーターを
配置し、内部を真空にすることができる減圧ＣＶＤ装置
を用い、予めそのヒーターによって成膜室内部を６００
℃程度に加熱しておき、成膜室内部の所定位置に膜形成
すべき発光管１を配置し、内部を０．１Ｐａ程度の圧力
まで真空引きする。次いで、酸化タンタル薄膜の成膜の
場合には、内部を１３０〜２００Ｐａ程度の圧力に保ち
ながら、例えばアルゴンガスと共に数１００ｍｌ／ｍｉ
ｎの流量で搬送するタンタルアルコキシドなどの原料物
質のガスと、１ｌ／ｍｉｎの流量で搬送する酸素ガスと
を成膜室に数分間導入して膜形成を行なう。二酸化硅素
薄膜の成膜の場合には、内部の圧力を１０〜１００Ｐａ
程度に保ちながら、例えばアルゴンガスと共に数１０ｍ
ｌ／ｍｉｎの流量で搬送する有機硅素化合物などの原料
物質のガスと、数１０ｍｌ／ｍｉｎの流量で搬送する酸
素ガスとを成膜室に数分間導入して膜形成を行なう。こ
れらの操作を交互に行なえば、酸化タンタル薄膜と二酸
化硅素薄膜とを交互積層してなる多層の光干渉膜を形成
することができる。

【００１４】こうして形成した可視光選択透過膜６につ
いて、例えば電子顕微鏡などを用いて数１０万倍程度の
高倍率で膜厚方向の膜断面の観察を行なったところ、膜
内部に次のような構造が認められた。図２は、膜断面の
一部の模式的拡大図である。図中、Ｈは酸化タンタル薄
膜の層を、Ｌは二酸化硅素薄膜の層を表わす。図２から
わかるように、膜６は酸化タンタル薄膜と二酸化硅素薄
膜とが互いに隣接して並んでいる。このうち、酸化タン
タル薄膜の層には、粒径３〜８ｎｍ程度の粒状構造が互
いに離れて点在し、その粒状構造部分が酸化タンタル薄
膜の層の膜厚方向の断面積全体の約４０％を占めてい
て、残りの部分はほとんど空隙のない緻密な構造となっ
ていた。このような所見は、４つある酸化タンタル薄膜
の層のどれにも共通していた。一方、３つある二酸化硅
素薄膜の層の構造はいずれも、粒径が２〜７ｎｍ程度で
酸化タンタル薄膜よりも幾分小さく、大きさが揃ってい
て形状が球状に近い粒状構造が層内に一様に分布してい
た。又、発光管１の膜６が形成されている部分から細片
を切り出し、Ｘ線回折及び電子線回折の測定を行なった
が、回折ピークは全く出現せず、膜６を構成する各層は
すべて非晶質であることが判明した。

【００１５】次に、ランプ動作時の熱による膜特性への
影響を調べる為、同一膜構成の膜が形成された発光管を
用いて同一仕様のメタルハライドランプを数本作成し、
それらのランプを定格入力で点灯試験を行なった。尚、
１本のランプは未点灯のまま残しておいた。その結果、
まず、未点灯のランプの発光管の膜形成部分を適当に切
断して得た細片の分光透過率を測定したところ、図４に
おいて実線で示す曲線を与えた。一方、１０００時間点
灯させたランプの発光管から取り出した細片は図４の破
線で示す分光透過率を与え、未点灯品に比べあまり変動
していなかった。この結果は、さらに１０００時間程度
点灯試験を継続しても変わらなかった。ちなみに、発光
管表面温度は動作時に８００〜９５０℃であった。又、
色温度、色度座標などのランプ特性についても、連続点
灯に伴なう変動の大きさは、膜６がない場合に通常起こ
り得る範囲内にとどまっていた。

【００１６】更に、膜構造の違いが膜特性に及ぼす影響
を知る為に、膜形成方法として例えばスパッタリング法
を用いて、前記可視光選択透過膜６と同一構成の膜６′
を形成し、上記と同様の調査を行なった。まず、高倍率
での膜厚方向の膜断面の観察結果は、図３に示す膜断面
の一部の模式的拡大図の通りであって、この膜６′の酸
化タンタル薄膜の層（Ｈ）では、粒径８〜１５ｎｍ程度
で大きさが不揃いの粒状構造が互いに接近してほぼ層全
体を占めるように分布していた。これら粒状構造どうし
の間は空隙になっていた。二酸化硅素薄膜の層（Ｌ）に
ついては、前述のＣＶＤ法により形成したものとほぼ類
似の構造になっていた。尚、膜６′の各層の結晶性は、
Ｘ線回折及び電子線回折の測定結果からすべて非晶質で
あった。

【００１７】一方、定格入力でのランプ点灯試験を行な
うと、図５に示すように、約５００時間後には膜６′の
分光透過率特性が実線から破線へと変化し、短波長シフ
トと浮きの両方の挙動が見られた。この傾向は点灯時間
の増加と共に拡大した。又、ランプ特性の面でも、約５
００時間の点灯によって例えば、色温度が点灯試験前の
値に比べ約６００Ｋ上昇し、色度座標（ｘ，ｙ）につい
ても、ｙ値の変化はわずかであったが、ｘ値が約０．０
３小さくなり、当初の黒体軌跡上の位置からずれて光色
に着色を生じるというように、連続点灯に伴なう変動幅
を超える変化をもたらし、所望の光源色が得られないと
いう結果になった。更に、既存の膜形成方法を用いて、
前記可視光選択透過膜６と同一膜構成を有する７層膜
を、成膜条件を少しずつ変えて何種類が作成したとこ
ろ、二酸化硅素薄膜の層には構造上の大きな変化は生じ
なかったが、酸化タンタル薄膜の層は構造がわずかずつ
異なるものを作成することができ、酸化タンタル薄膜の
層の構造上の違いが、高熱による膜の分光透過率特性の
シフト量に大きく影響を与えることが明らかになった。

【００１７】ここで、分光透過率特性のシフト量Ｓを定
義する。シフト量Ｓは、分光透過率曲線の波長４８０ｎ
ｍ付近のピークの短波長シフトの大きさと、このピーク
の透過率の浮きの大きさとの和で表わし、単位をｎｍで
共通化する為、便宜上、１０％の透過率の浮きを５０ｎ
ｍの波長シフト量に換算することにする。まず、酸化タ
ンタル薄膜中における粒状構造の膜断面での占有率と前
記同様の点灯試験時のシフト量Ｓとの関係を調べると、
例えば図６に示したようなおおまかな相関性があって、
粒状構造の占有率が５０％を超えると急にシフト量Ｓが
大きくなり、高熱による影響を受け易くなった。逆に、
占有率が５０％以下のときは、シフト量Ｓは実用上支障
のない大きさにとどまっていた。又、粒状構造の占有率
の増加と共に、粒状構造どうしの間が空隙に置き換わっ
ていく傾向が見られた。膜中に空隙が存在すると高熱を
受けた時に膜の体積収縮、すなわち膜厚の縮小が生じる
ので、膜特性の短波長シフトは膜中の空隙の存在が原因
と考えられる。以上のことから、粒状構造の占有率は５
０％以下が好ましい。

【００１８】次に、粒状構造の平均粒径とシフト量Ｓと
の関係は、図６のような明瞭な相関性はなかったが、平
均粒径が１０ｎｍを超えている場合はいずれも、シフト
量Ｓは実用上支障が生ずる５０ｎｍ以上の大きさとなっ
た。従って、粒状構造の粒径の大きさは、平均値で１０
ｎｍ以下が好ましく、最大値で１０ｎｍ以下であれば更
に好ましい。

【００１９】本発明では、膜形成方法は前記説明のＣＶ
Ｄ法に限定されることはなく、酸化タンタル薄膜が前記
の構造上の特徴を有するように形成できるならば、他の
どのような方法を用いてもよいが、既存の方法の中で
は、減圧下で行なう熱ＣＶＤ法が最も好ましい効果をも
たらす。

【００２０】上記説明では、発光管表面に可視光選択透
過膜を備えたメタルハライドランプについて述べたが、
本発明はこれに限定されることはなく、発光管表面に酸
化タンタル薄膜と二酸化硅素薄膜とからなる光干渉膜を
備えた高圧放電灯であればよく、多くの変形が可能であ
る。但し、本発明は発光管表面温度が動作時に７００℃
以上となる場合に優れた効果を発揮する。

【００２１】

【発明の効果】本発明の高圧放電灯は、発光管表面に備
えられた光干渉膜を構成する酸化タンタル薄膜は前記説
明の構造上の特徴を有するので、動作時に発光管表面で
生ずる高い温度でも膜特性はほとんど変動せず、初特性
を維持し、従って、長時間点灯させても高圧放電灯の特
性に悪影響を及ぼさない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の高圧放電灯の一部切欠概略
図。

【図２】本発明の実施例の高圧放電灯の発光管表面に備
えられている光干渉膜の、膜厚方向の膜断面の一部の模
式的拡大図。

【図３】比較例の高圧放電灯の発光管表面に備えられて
いる光干渉膜の、膜厚方向の膜断面の一部の模式的拡大
図。

【図４】本発明の実施例の高圧放電灯の点灯試験前後に
おける、発光管表面の光干渉膜の分光透過率曲線の変化
の一例を示す特性図。

【図５】比較例の高圧放電灯の点灯試験前後における、
発光管表面の光干渉膜の分光透過率曲線の変化の一例を
示す特性図。

【図６】酸化タンタル薄膜中における粒状構造の膜断面
での占有率と、放電灯点灯試験時の膜の分光透過率特性
のシフト量との関係の一例を示す特性図。

【符号の説明】

１ 発光管 ２，３ 電極 ４，５ 保温膜 ６ 可視光選択透過膜 ７ スリーブ １２ 外管 １３ メタルハライドランプ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発光管表面に酸化タンタルの薄膜と二酸
   化硅素の薄膜とから成る光干渉膜を備えた高圧放電灯に
   おいて、 上記酸化タンタルの薄膜は、全体が実質的に非晶質であ
   って、その内部に存在する粒状構造は粒径が１０ｎｍ以
   下であって孤立して点在し、膜厚方向の断面積全体の５
   ０％以下を占有し、残りの部分は実質的に空隙がなく緻
   密な構造となっていることを特徴とする高圧放電灯。