(57)【要約】【課題】  放電ランプにおける放電媒体とアーク管との間の化学反応を低減しまたは防止するためのバリアコーティングを提供することにある。【解決手段】  プラズマランプの光放射チェンバの内側壁部に施されるコーティングであって、珪素、硼素、酸素および窒素を備え、層は、前記内側壁部から最も離れた窒化硼素の層と前記内側壁部に隣接した酸窒化珪素の層とを備える。窒化硼素の層と酸窒化珪素の層との間に酸窒化硼素の層を配置することが好ましい。さらに、酸窒化硼素の層と酸窒化珪素の層との間に酸窒化珪素硼素を配置することが好ましい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チェンバの内側壁部へのコーティングを有する光放射チェンバを具備するランプであって、前記コーティングは、チェンバの内部に露出されたある元素の窒化物層と、前記内側壁部に隣接する珪素の酸窒化層と、それらの間に配置された珪素および前記元素の酸窒化層とを備え、前記元素は、アルミニウム、硼素、スカンジウム、イットリウム、およびランタニドからなるグループから選択されることを特徴とするランプ。
【請求項２】
前記元素は、硼素である請求項１に記載のランプ。
【請求項３】
プラズマランプの光放射チェンバの内側壁部に施されるコーティングであって、珪素、硼素、酸素および窒素を備え、層は、前記内側壁部から最も離れた窒化硼素の層と前記内側壁部に隣接した酸窒化珪素の層とを備えることを特徴とするコーティング。
【請求項４】
前記窒化硼素の層と前記酸窒化珪素の層との間に配置される酸窒化硼素の層を備える請求項３に記載のコーティング。
【請求項５】
前記酸窒化硼素の層と前記酸窒化珪素の層との間に配置される酸窒化珪素硼素を備える請求項４に記載のコーティング。
【請求項６】
プラズマランプの光放射チェンバの内側壁部に施されるコーティングであって、前記チェンバの内部に露出されるある元素の窒化物と、前記窒化物と前記内側壁部との間に配置される前記元素の酸窒化物とを有し、前記元素は、アルミニウム、硼素、スカンジウム、イットリウム、およびランタニドからなるグループから選択されることを特徴とするコーティング。
【請求項７】
前記元素は、硼素である請求項６に記載のコーティング。
【請求項８】
前記内側壁部に隣接する珪素の酸窒化物をさらに備える請求項６又は７に記載のコーティング。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００２年１１月８日に出願された米国仮特許出願６０／４２４，７１４号の出願日の利益を請求し、且つこの出願をここにそっくりそのまま組み込んでいる。
本発明は、アーク管内に収容される光放射プラズマを有する放電ランプに関する。より詳細には、本発明は、放電媒体とアーク管壁部材料との間の化学反応またはアーク管壁部を通る充填材料の損失を低減または防止すべくアーク管の内側壁部に施されるコーティングを有するそのような放電ランプに関する。
【背景技術】
【０００２】
水銀ランプ、ハロゲン化金属ランプ、および高圧ナトリウムランプのような放電ランプは、光放射プラズマを収容して光放射チェンバを形成するアーク管を含んでいる。典型的には、アーク管は、石英ガラスおよび硬質ガラスのようなガラス質材料、またはセラミック材料から形成されている。ランプ充填材料は、ランプタイプ間で変動する。例えば、ハロゲン化金属ランプは、不活性ガス、水銀、および１つ以上のハロゲン化金属の充填物を含んでいる。ランプの動作中、充填材料は、アーク管内に収容される光放射プラズマを形成する。
【０００３】
そのようなランプの有効寿命は、放電媒体における元素とアーク管の壁部を形成する材料との間の化学反応、またはアーク管壁部を通る充填材料の損失に起因してしばしば減少する。そのような現象は、電極メルトバック、充填材料の損失、およびアーク管壁部の黒ずみを生じさせ、それらは、結果として、時間経過に伴うルーメン損失、色におけるずれ、または光出力の整備不良を生じさせるかもしれない。
【０００４】
例えば、充填材料にハロゲン化ナトリウムを有するハロゲン化金属ランプにおいて、ランプの有効寿命は、ランプ動作の間におけるハロゲン化金属充填物の金属部分の損失によって制限され得る。金属充填物のこの損失は、ハロゲン化金属の石英ガラス（ＳｉＯ２）アーク管の内側壁部との反応および／またはアーク管の壁部を通るナトリウムイオンの拡散／移動に依存され得る。両メカニズム共、結果としてアーク管における自由ハロゲンの増加を生じる。「自由ハロゲン」なる用語は、一般に、沃素または沃化水銀のようなハロゲンの揮発形態を指している。
【０００５】
充填物におけるハロゲン化金属の、石英ガラスアーク管の内側面におけるシリカ（ＳｉＯ２）との化学反応が、珪酸金属結晶および四沃化珪素を生成するかもしれない。四沃化珪素は、タングステン電極チップにおいて急速に分解して、タングステン電極において珪素と結合し、自由ハロゲンを放出する。このことは、結果として色ずれ、壁部黒ずみおよびランプにおけるルーメン損失を生じる。
【０００６】
充填材料のナトリウムイオン（例えば沃化ナトリウム（ＮａＩ））は、非常に移動し易く、シリカアーク管壁部を通して（外部電界の影響のもとで）拡散または移動するかもしれない。ナトリウムイオンは、外側壁面で中和され、それから外側ランプ容器上で凝縮されるかもしれない。充填材料のハロゲン（例えば沃素）成分は、アーク管壁部を通って拡散せず、そしてそれゆえアーク管内において自由ハロゲンとして蓄積する。失われたナトリウムは、したがって放電に利用できず、もはやその特性放出に寄与することはできない。ナトリウムの損失および自由ハロゲンの蓄積の結果として、光出力は、次第に減少し、色は、白色から青色に偏移する。アークは、抑制されることとなり、水平動作ランプにおいて特に、アーク管に向かって屈曲し且つそれを弱めるかもしれない。また、ナトリウムの損失は、ランプの動作電圧をも増大させるようにする。電圧上昇は、アークがもはや維持され得なくなる点まで温度の上昇を引き起こす。
【０００７】
これらの影響を阻止するために、従来の技術は、種々の方法を示唆している（例えば特許文献１〜３参照。）。例えば、フジ（Ｆｕｊｉ）その他に対する米国特許第５，７４２，１２６号は、Ａｌ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｙｂ、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｌｉ、およびＬａの１つ以上の酸窒化珪素で、アーク管の内側層をコーティングすることを提案している。イヌカイ（Ｉｎｕｋａｉ）その他に対する米国特許第５，６６８，４４０号は、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）を形成すべく、石英（ＳｉＯ２）の酸素原子を窒素原子で置き換えることによって、バリア窒化物層を形成することを開示している。ラッセル（Ｒｕｓｓｅｌｌ）その他に対する米国特許第５，３９４，０５７号は、アーク管の内側面に金属珪酸塩のコーティングを施すことを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第５，７４２，１２６号明細書
【特許文献２】米国特許第５，６６８，４４０号明細書
【特許文献３】米国特許第５，３９４，０５７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来方法の多くは、ランプの使用に伴う実質的なルーメン損失を首尾良く防止することに依然として失敗している。したがって、充填材料成分とアーク管壁部の間の有害な化学反応の範囲、または壁部を通しての充填材料の損失を防止しまたはごく少なくとも抑制する化学的に安定なバリア構成の必要性が残っている。
【００１０】
それゆえ、本発明の目的は、先行技術の不具合を除去するアーク管のためのバリアコーティングを提供することにある。
本発明の他の目的は、ランプの動作中に放電媒体にさらされたときに、化学的に安定で且つ実質的に不活性なアーク管のためのバリアコーティングを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、充填成分とアーク管壁部との間の有害な化学反応を抑制するバリアコーティングを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、放電ランプの寿命にわたってアーク管壁部の黒ずみを低減することにある。
また、本発明の他の目的は、ランプの寿命にわたってルーメン損失および色ずれが低減された放電ランプを提供することにある。
本発明はこれらのおよび他の目的を見込んで図解されているけれども、本発明の原理は、それに限定されることなく、ここに述べられる原理の全ての応用を含むであろうことが留意されるであろう。
これらのおよび他の目的が、同様の部分は同様に番号付けされた以下の非網羅的な説明的実施の形態を同時に参照することによって実現され得る。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を解決するため、本発明に係るランプは、チェンバの内側壁部へのコーティングを有する光放射チェンバを具備するランプであって、前記コーティングは、チェンバの内部に露出されたある元素の窒化物層と、前記内側壁部に隣接する珪素の酸窒化層と、それらの間に配置された珪素および前記元素の酸窒化層とを備え、前記元素は、アルミニウム、硼素、スカンジウム、イットリウム、およびランタニドからなるグループから選択される。元素は、硼素であることが好ましい。
【００１２】
また、前記課題を解決するため、本発明に係るコーティングは、プラズマランプの光放射チェンバの内側壁部に施されるコーティングであって、珪素、硼素、酸素および窒素を備え、層は、前記内側壁部から最も離れた窒化硼素の層と前記内側壁部に隣接した酸窒化珪素の層とを備える。
【００１３】
この場合において、窒化硼素の層と酸窒化珪素の層との間に酸窒化硼素の層を配置することができる。また、酸窒化硼素の層と酸窒化珪素の層との間に酸窒化珪素硼素を配置することができる。
【００１４】
また、本発明に係るコーティングは、プラズマランプの光放射チェンバの内側壁部に施されるコーティングであって、前記チェンバの内部に露出されるある元素の窒化物と、前記窒化物と前記内側壁部との間に配置される前記元素の酸窒化物とを有し、前記元素は、アルミニウム、硼素、スカンジウム、イットリウム、およびランタニドからなるグループから選択される。元素は、硼素であることが好ましい。この場合において、内側壁部に隣接する珪素の酸窒化物をさらに備えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】放電ランプのための従来のアーク管の概略的表現である。
【図２】アーク管チェンバの内部面への１つ以上のバリアコーティングを施すための本発明の一つの局面に従った装置の概略的な表現である。
【図３】アーク管の内部チェンバへのバリアコーティングの適用を安定化するための本発明の一つの局面に従った装置の概略的な表現である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、高輝度放電ランプのための従来的な形成による本体のアーク管の概略的な表現である。図１の実施形態において、アーク管１００は、石英ガラスのような光透過材料により形成されている。アーク管１００は、ピンチシールされた両端部１１５、１２０の中間にふくれた光放射チェンバ１１０を規定する。タングステン電極１２５、１３０を備える電極アッセンブリは、チェンバ１１０の内部から各端部１１５、１２０を通ってチェンバの外部への電気的伝導路を提供すべく、各端部１１５、１２０内でシールされている。ハロゲン化金属ランプにおいて、チェンバ１１０は、水銀、１つ以上のハロゲン化金属、および不活性充填ガスを含む充填材料が適用されている。
【００１７】
本発明の一つの局面において、バリアコーティングは、放電媒体とチェンバ壁部材料との間の化学反応を低減または防止すべくチェンバ１１０の内側壁部に設置される。アルミニウム、硼素、スカンジウム、イットリウム、およびランタニド（すなわち、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、およびルテチウム）からなるグループから選択された１つ以上の元素の窒化物層を含むコーティングが、高度に化学的に不活性で且つ熱的に安定なバリアコーティングを形成することがわかっている。
【００１８】
一つの実施の形態においては、バリアコーティングは、アルミニウム、硼素、スカンジウム、イットリウム、およびランタニドからなるグループから選択される元素の単一の窒化物層から形成される。望ましい実施の形態においては、コーティングは、窒化硼素の単一層から形成されても良い。
【００１９】
本発明の他の実施の形態においては、バリアコーティングは、アルミニウム、硼素、スカンジウム、イットリウム、およびランタニドからなるグループから選択された１つ以上の元素から形成される窒化物層を含んでいても良く、該窒化物層は、光放射プラズマにさらされ且つさらされた窒化物層とアーク管の内側壁部との間に１つ以上の他の層が配置される。他の層は、珪素の酸窒化物、珪素および他の元素、またはさらされた窒化物層を形成する元素を含んでいても良い。例えば、バリアコーティングは、窒化硼素のさらされた層、アーク管の内側壁部に隣接する酸窒化珪素の層、およびさらされた層と酸窒化珪素層との間に配置される１つ以上の中間層、を含んでいても良い。一つの実施の形態において、中間層は、酸窒化珪素層に隣接する酸窒化珪素硼素の層、およびさらされた窒化硼素層に隣接する酸窒化硼素層を含んでいても良い。他の実施の形態においては、中間層は、酸化硼素の層を含んでいても良い。
【００２０】
望ましい実施の形態において、アーク管の内側壁部は、次のＳｉＯｘＮｙ、ＳｉＢＯｘＮｙ、ＢＯｘＮｙおよびＢＮの層を備えるバリアコーティングでコーティングされる。さらに他の実施の形態においては、バリアコーティングは、珪素、酸素、窒素、およびアルミニウム、硼素、スカンジウム、イットリウムおよびランタニドからなるグループから選択される元素を備えていても良く、層は、前記元素のいずれかまたは全てが混合された状態である。アーク管の内側壁部へのバリアコーティングの設置の種々の方法が、使用されても良い。設置方法の選定は、形成されるべきバリアコーティングの特定の位置によって決定されても良い。例えば、化学気相蒸着（ＣＶＤ）が使用されても良い。
【００２１】
本発明の一つの局面によれば、コーティングは、チェンバ内に先駆物質を導入し且つ該先駆物質を材料の層を形成すべく熱分解的に反応させることによって形成されても良い。窒化硼素の層を形成するための望ましい実施の形態においては、ハロゲン化硼素、ボラン、ボラジン、およびボラジンのポリマーのような硼素先駆物質が、アンモニア、ヒドラジン、およびアジ化水素酸のような窒素先駆物質と同時的にアーク管チェンバ内に導入され、そしてチェンバ内に窒化硼素層を形成すべく熱分解的に反応させられる。
【００２２】
図２は、本発明の一つの局面に従ってバリアコーティングを形成するために使用され得る装置の概略的な表現である。図２を参照すると、アーク管２００は、第１の端部２０４と第２の端部２０６との中間にふくれたチェンバ２０２を含んでいる。第１の管状シールド２２０は、第１の端部２０４内に配置され、それによってチェンバ２０２の内部とガス状の第１の反応物の第１の発生源２１０の間に流体連通を提供する。ガス状の第２の反応物の第２の発生源２１２は、第１の端部２０４でしかし第１の管状シールド２２０の外部を通してチェンバ２０２の内部と連通している。第１の管状シールド２２０は、そのようにして第１の端部２０４における先駆物質の混合を防止すべく作用し、それによってそれの内側壁部にコーティング層が形成されるのを防止する。第２の管状シールド２６０は、第２の端部２０６に配置され且つ、チェンバ２０２の内部が排気され得るように、真空源２７０に結合される。エレメント２５０は、第２の端部２０６を通してチェンバ２０２の内部と外部との間での流体連通を選択的に防止すべく適合されている。
【００２３】
図２に図解された装置は、２つ以上の先駆物質の熱分解的反応によってアーク管の内側壁部へのバリアコーティングを形成する方法に特に適している。図２に図解された装置は、チェンバへの反応物の連続的な流れ（コンティニュアスフロー）またはチェンバへの反応物のひとまとまりの流れ（バッチフロー）の両方に適している。
【００２４】
同一の原理がバッチ反応を通して蒸着を導くためにほとんど変更することなく使用され得る。この実施の形態において、反応物は、脈動シーケンスにて供給される。すなわち、最初に、反応物は、瞬時的に供給され且つ反応が許容される。数秒（例えば、０．５から２秒）の期間が、反応が起こるために割り当てられ、且つチェンバの内側壁部に沈積を形成する。一旦反応が完了すると、チェンバは、それから真空または排気弁を作動させることによって空にされる。これらの処理ステップは、１層よりも多くのコーティングを設置すべく繰り返され得る。加えて、反応物の成分（または先駆物質）は、異なる組成を持つ層（またはサブ層）を設置させるべく変更され得る。より重要なことだが、反応物ガスの量を制御することによって、コーティング層の厚みは、制御され得る。このプロセスは、各層が異なる厚みと構成を有する、多重層のコーティングを設置するのに特に適している。
【００２５】
図２に示された実施の形態を再度参照すると、窒化硼素層を形成するためのプロセスにおいて、アルゴンのような不活性ガスと共に三塩化硼素（ＢＣｌ３）が、第１の管状シールド２２０を通してチェンバ２０２内に導入される。アンモニア（ＮＨ３）およびアルゴンのような不活性ガスが、第１の端部２０４であるが、しかし管状シールド２２０の外部、を通してチェンバ２０２内に導入される。チェンバ２０２内に収容される反応物は、それから次の反応によって窒化硼素層を形成すべく熱分解的に反応され得る：
ＮＨ３＋ＢＣｌ３→ＢＮ＋３ＨＣｌ  
ガス状の塩化水素酸およびアルゴンは、それから第２の管状シールド２０６を通してチェンバ２０２から排気され得る。
【００２６】
図２の実施の形態は、窒化硼素のバリア層を形成すべく図解されているけれども、当業者にとっては、ここに開示された原理は、異なる組成の層を形成するための他の反応物に提供され得ることは直ちに明白であろう。例えば、第１および第２の反応物が、アルミニウム、硼素、スカンジウム、イットリウム、またはいずれか１つのランタニド（例えば、揮発性金属アルキルまたはアセチルアセトネート）の化合物であっても良い。さらに、アンモニア、ヒドラジン、またはアジ化水素酸が、窒素化合物の形成における窒素先駆物質として使用されても良い。
【００２７】
本発明の一つの局面においては、アーク管の内側壁部を保護薄膜でコーティングするための方法は、ふくれたチェンバおよび中間の管状の両端部を有するアーク管を提供するステップと；各管状シールドの一端が部分的に前記チェンバ内に延び且つその他端が管状の両端部の外側端を越えて延びるように、アーク管の管状の両端部の各々に管状シールドを配置するステップとを含み得る。それからチェンバの内部が、第１の端部およびそこに配置された管状シールドを通して排気され得る。その後、真空源は止められ、且つ先駆物質を含むガス状の第１の反応物が、アーク管の第２の端部に配置された管状シールドを通してチェンバの内部に搬送され得る。さらに、予め定義された量の第２の反応物含有先駆物質が、アーク管の第２の端部の内側壁部とその中に配置された管状シールドとの間の空間を通して、第２の端部がシールされると同時に、チェンバの内部に連通され得る。随意選択的に、熱またはエネルギが、反応のための触媒として作用させるべく供給され得る。チェンバの内側壁部における保護薄膜を形成すべく先駆物質間の熱分解的反応が生じる。最後に、チェンバは、いかなる反応を起こしていない生成物、副生成物、または残留不活性ガスをも除去すべく再度排気され得る。
【００２８】
図３は、アーク管の内部チェンバへのバリアコーティングの適用を安定化するための装置の概略的表現である。図３の装置は、アーク管に入る反応物の量を安定化すべく適合されている。コントローラ３００は、プログラム可能装置または電磁弁３１０、３２０、３３０、３４０の各々の開放および閉成を制御するための電子的モジュールとされ得る。電磁弁３１０は、第１の反応物含有先駆物質を供給するために必要とされる時間の期間についてコントローラ３００によって開けられるべく制御される。電磁弁の開放および閉成シーケンスは、精密な量の第１の反応物をチェンバに提供するためにコントローラ３００によって制御される。したがって、コントローラ３００は、その開放および閉成シーケンスがオーバラップまたは弁３１０の開閉と同期し得るように、電磁弁３２０を制御する。それまでは、アーク管の端部の内側面におけるバリア層の形成を防止するために、弁３３０が、不活性ガスが入ることを許可すべく開かれ得る。一旦、所望量の反応物が、チェンバ２０２に導入されると、コントローラ３００は、チェンバをハーメチックに外部からシールするために弁３１０、３２０、３４０（および随意選択的に３３０）の閉成をもたらす。コントローラは、生起し得る充分な反応を可能とすべく所望の長さの時間の間弁が閉じられたままとなるようにプログラムされ得る。この期間は、反応時間と称される。一旦、反応が完了されると、コントローラ３００は、不活性ガス、反応されなかった先駆物質、およびいかなるガス状副生成物もチェンバ２０２から排出され得るように、排気弁３４０の開放をもたらす。
【００２９】
本発明のさらにその他の実施の形態において、先駆物質の熱分解的反応が、チェンバ２０２に収容される反応物に対してエネルギを供給することによって促進されることが見出されている。反応物に適用されるエネルギは、マイクロ波、熱または高周波エネルギを含み得る。
【００３０】
さらに他の実施の形態において、本発明は、アーク管チェンバの内側壁部にエーテルまたはエーテルまたはテトラヒドロフランのような溶媒にポリボラジレンの溶液を加えることによってバリア層を形成し、そしてそれから窒化硼素コーティングの形成を作用させるべく溶液を熱分解的に反応させることに向けられている。この実施の形態によれば、第１の反応物は、ガス状の形態である必要はなく、液体としても供給され得る。
【００３１】
（実施例）
ソレノイド制御されるバッチ反応気相蒸着のためのタイミングシーケンスを最適化すべく一連の実験が行われた。これらの実験において、タイミングシーケンスは、次のように要約され得る：
Ｔ１：吸い込み閉、排気開（アーク管を排気する）
Ｔ２：吸い込み開、排気閉（反応物および不活性ガスをアーク管にロード）
Ｔ３：吸い込み閉、排気閉（反応時間）
排気弁を閉じるのを許可すべくステップＴ１とＴ２との間には、０．１秒の遅延がある。表１は、実験の結果を要約している。
【００３２】
【表１】
2010262935.tif 000003
【００３３】
本発明の望ましい実施の形態が説明されてきたが、説明された実施の形態は、例証のみであり、そして本発明の範囲は、これの熟読から当業者において当然に生じる全範囲の均等物、多数の変形および修正が与えられるときに、添付された特許請求の範囲によってのみ定義されるべきであることは、理解されるべきである。
【符号の説明】
【００３４】
２００  アーク管
２０２  チェンバ
２０４  第１の端部
２０６  第２の端部
２１０  第１の発生源
２１２  第２の発生源
２２０  第１の管状シールド
２６０  第２の管状シールド
【図１】
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【図２】
2010262935.tif 000005
【図３】
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