(57)【要約】【課題】照明分野に属する高輝度放電ランプ（以下ＨＩＤランプ）を構成する管状材料（シリカガラス管材等）を、発光物質である金属ハロゲン化合物や、水銀などのプラズマから保護するの保護薄膜を、レーザアブレーションによって形成する薄膜創生方法を提供する。【解決手段】真空チャンバー３に形成した開口から球面平凸レンズ１を介してレーザビームを真空チャンバー３内に導入し、導入したレーザビームを前記開口と対極して真空チャンバーの壁面に形成した開口を介して管状材料５内に導入し、管状材料内に配置したターゲット７に照射してレーザアブレーションさせることにより、管状材料内面に薄膜を創生するレーザアブレーションによる薄膜創生方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバに形成した開口から球面平凸レンズを介してレーザビームを真空チャンバ内に導入し、導入したレーザビームを前記開口と対極して真空チャンバの壁面に形成した開口を介して管状材料内に導入し、管状材料内に配置したターゲットに照射してレーザアブレーションさせることにより、管状材料内面に薄膜を創生するレーザアブレーションによる薄膜創生方法。
【請求項２】
ガラス管などの管状材料内部を真空にするための真空チャンバと、この真空チャンバによって真空にされる管状材料と、管状材料内に配置されるターゲットと、前記真空チャンバを介してレーザビームを前記管状材料内のターゲットに照射するレーザ光学系と、を備えていることを特徴とするレーザアブレーションによる薄膜創生装置。
【請求項３】
前記レーザ光学系において、レーザビームは球面平凸レンズおよび真空チャンバに形成したビュウイング・ウインドウを介して真空チャンバ内に導入されるようにしたことを特徴とする請求項２に記載のレーザアブレーションによる薄膜創生装置。
【請求項４】
前記球面平凸レンズは長焦点のレンズを用い、その球面平凸レンズはビュウイング・ウィンドウの直前か、あるいは直後に設置することを特徴とする請求項３に記載のレーザアブレーションによる薄膜創生装置。
【請求項５】
前記管状材料は一方側端部が前記真空チャンバにアダプタを介して連通され、他方側端部がフレキシブルホースによって真空チャンバに接続され、管状材料内が真空状態に保持されるべく構成されていることを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれかに記載のレーザアブレーションによる薄膜創生装置。
【請求項６】
前記真空チャンバの一方側面にはレーザビームを導入するためのビュウイング・ウィンドウを取り付け、その対極の面には前記管状材料を接続するアダプタを設け、レーザビームをビュウイング・ウィンドウを通して管状材料内に誘導するべく構成したことを特徴とする請求項２〜請求項５のいずれかに記載のレーザアブレーションによる薄膜創生装置。
【請求項７】
前記ビュウイング・ウィンドウにおいて、そのガラス板は両面に無反射コーティングが施され、且つ、ガラス板が所定角度傾けて配置され、戻り光がレーザ発振器に行くのを防ぐことを特徴とする請求項３〜請求項６に記載のレーザアブレーションによる薄膜創生装置。
【請求項８】
前記アダプタは、交換可能に構成され、サイズを変換することにより、如何なる径の管状材料においても、その内面に薄膜を形成できることを特徴とする請求項５〜請求項７のいずれかに記載のレーザアブレーションによる薄膜創生装置。
【請求項９】
前記管状材料内に挿入するターゲットは、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミなどの共有結合性の高いセラミクスからなることを特徴とする請求項２〜請求項８のいずれかに記載のレーザアブレーションによる薄膜創生装置
【請求項１０】
前記管状材料内に挿入するターゲット先端の形状は、円柱状、あるいは傾斜面として加工しておくことを特徴とする請求項９に記載のレーザアブレーションによる薄膜創生法装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザアブレーションによってガラス管等の管状材料内面に薄膜を形成する薄膜創生方法およびその装置に関するものであり、特に照明分野に属する高輝度放電ランプ（以下ＨＩＤランプ）を構成するシリカガラス管材を、発光物質である金属ハロゲン化合物や、水銀などのプラズマから保護するために好適な保護薄膜を、レーザアブレーションによって形成する薄膜創生方法およびその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、蛍光ランプやＨＩＤランプは、高効率で発光するランプとして広く知られている。蛍光ランプは、水銀及び希ガスが封入され内面に蛍光体が被着された発光管を備えており、発光管内で放電させることによって水銀の励起放射による２５４ｎｍを主体とする紫外線を発生し、その紫外線で蛍光体を励起して可視光を放射することによって発光光束を得る。この蛍光ランプのタイプとしては、従来から直管形や環形が一般的であるが、この他に電球形やコンパクト形等も近年普及してきている。
【０００３】
一方、ＨＩＤランプは、１００〜１０００ｋＰａの水銀蒸気中で放電することによって発光する高圧水銀ランプ、放電に伴ってハロゲン化金属が金属原子とハロゲン原子に解離し金属原子で可視光を励起放射することによって発光するメタルハライドランプ、ナトリウム蒸気中で放電することによって発光する高圧ナトリウムランプを総称したものである。
【０００４】
従来の有電極ＨＩＤランプでは、発光物質である水銀が管状材料（シリカガラス管）内に侵入したり、発光時にでる紫外線のためにシリカガラスが劣化することは広く知られている。また、無電極ＨＩＤランプでも、発光物質であるハロゲン化金属プラズマと、シリカガラスが化学反応を起こし、ガラス管材の失透を招き、放電特性が著しく低下することはよく知られている。これを解決するために、無電極ＨＩＤランプでは、主封入物質のほかにＳｎＩ２  をごく微量追加封入するとある程度長寿命特性が得られることが見いだされていた。しかし、これら封入物質の改良では限界があり、さらなる改善が求められていた。そして、現在でもこのような蛍光ランプやＨＩＤランプにおいては、基本的な性能として、消費電力が低く且つ高光束が得られ、寿命も長いことが求められており、そのための開発がなされている（特許文献１）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−８３５６９
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、前述のごとき従来技術の問題点を克服し、管状材料内面に保護膜を形成して、発光物質プラズマと透明材料（シリカガラス）の化学反応を遮断し、かつ紫外線の透過率も減少させて、ＨＩＤランプの長寿命化を実現することができるレーザアブレーションによる薄膜創生方法および装置を提供するものである。また本発明は、レーザビームでターゲットを蒸散する場合において、特徴的な光学系とターゲットの形状を提供することにより、上記問題点を解決することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明が採用した技術解決手段は、
真空チャンバに形成した開口から球面平凸レンズを介してレーザビームを真空チャンバ内に導入し、導入したレーザビームを前記開口と対極して真空チャンバの壁面に形成した開口を介して管状材料内に導入し、管状材料内に配置したターゲットに照射してレーザアブレーションさせることにより、管状材料内面に薄膜を創生するレーザアブレーションによる薄膜創生方法である。
また、ガラス管などの管状材料内部を真空にするための真空チャンバと、この真空チャンバによって真空にされる管状材料と、管状材料内に配置されるターゲットと、前記真空チャンバを介してレーザビームを前記管状材料内のターゲットに照射するレーザ光学系と、を備えていることを特徴とするレーザアブレーションによる薄膜創生装置である。
また、前記レーザ光学系において、レーザビームは球面平凸レンズおよび真空チャンバに形成したビュウイング・ウインドウを介して真空チャンバ内に導入されるようにしたことを特徴とするレーザアブレーションによる薄膜創生装置である。
また、前記球面平凸レンズは長焦点のレンズを用い、その球面平凸レンズはビュウイング・ウィンドウの直前か、あるいは直後に設置することを特徴とするレーザアブレーションによる薄膜創生装置である。
また、前記管状材料は一方側端部が前記真空チャンバにアダプタを介して連通され、他方側端部がフレキシブルホースによって真空チャンバに接続され、管状材料内が真空状態に保持されるべく構成されていることを特徴とするレーザアブレーションによる薄膜創生装置である。
また、前記真空チャンバの一方側面にはレーザビームを導入するためのビュウイング・ウィンドウを取り付け、その対極の面には前記管状材料を接続するアダプタを設け、レーザビームをビュウイング・ウィンドウを通して管状材料内に誘導するべく構成したことを特徴とするレーザアブレーションによる薄膜創生装置である。
また、前記ビュウイング・ウィンドウにおいて、そのガラス板は両面に無反射コーティングが施され、且つ、ガラス板が所定角度傾けて配置され、戻り光がレーザ発振器に行くのを防ぐことを特徴とするレーザアブレーションによる薄膜創生装置である。
また、前記アダプタは、交換可能に構成され、サイズを変換することにより、如何なる径の管状材料においても、その内面に薄膜を形成できることを特徴とするレーザアブレーションによる薄膜創生装置である。
また、前記管状材料内に挿入するターゲットは、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミなどの共有結合性の高いセラミクスからなることを特徴とするレーザアブレーションによる薄膜創生装置である。
また、前記管状材料内に挿入するターゲット先端の形状は、円柱状、あるいは傾斜面として加工しておくことを特徴とするレーザアブレーションによる薄膜創生法装置である。
【０００８】
【実施の形態】
以下本発明の実施形態を図面を参照して説明すると、図１は本発明に係るレーザアブレーションによる薄膜創生装置の構成図、図２は要部断面図、図３はターゲットの先端形状図である。
【０００９】
図１、２において、Ｌはレーザビーム、１は球面平凸レンズ、２は真空チャンバに設けるビュウイングポート、３は真空チャンバ、４は真空チャンバに着脱自在に設けられるアダプタ、５はアダプタに取り付ける管状材料（ガラス管）、６は管状材料の他端側を支持するＴ字管、７は管状材料内に配置するターゲット、８は真空チャンバに設けたＸＹステージ、９はＴ字管６と真空チャンバとを接続するフレキシブルホース、１０はＲ／Ｌ導入機、１１はチャンバ内を真空にするための真空ポンプ、１３はレーザビーム光源である。上記部品は図１に示すように組み立てられ、必要に応じてキャスタ１２等により移動できる構成となっている。また、本例ではＲ／Ｌ導入機は２個備えられており、図中、１０Ａで示すＲ／Ｌ導入機は管状材料５内に配置するターゲット７を保持しており、このＲ／Ｌ導入機１０Ａによってターゲット７を回転させたり、直線的に動かすことができるようになっている。また１０Ｂで示すＲ／Ｌ導入機は真空チャンバ内に配置するターゲットを保持しており、ターゲットを回転させたり、直線的に動かすことができるようになっている。
【００１０】
管状材料５は本例ではシリカガラス等から構成されており、このシリカガラス管５内の内面に薄膜創生を行うものである。なお、図１に示す管状材料５は長さ方向の略中央部に球状の突出部５ａを有するＨＩＤランプ用のものであり、この部分を光らせる管状材料であるが、管状材料としては、中央部に球状の突出部を設けず、直管状のものでもよいことは当然である。前記管状材料５内には、たとえば炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミなど共有結合性の高いセラミックスをターゲット７として配置してある。このターゲット７はＲ／Ｌ導入機１０Ａにより管状材料５内で出し入れすることができるとともに回転自在に保持されており、一般に細長い棒状として構成され、その先端は、図３のように先端を４５度にカットしておく。このようなターゲット７形状により、薄膜形成時には透明材料体としてのガラス管５内に挿入し、薄膜形成後は取り除くことが可能となり、さらに管状材料５内面に一様に薄膜を形成させることが可能になる。ターゲット７の形状は円柱状であり、必要に応じて図３以外の先端形状を採用することも可能であり、これによって管状材料５内面に一様に薄膜を形成させることが可能になる。
【００１１】
レーザアブレーションを起こすためのレーザ光学系は、レーザ発振器、レーザビームを集光するための球面平凸レンズ１、レーザビームを真空チャンバ３内に導入するために真空チャンバ３の面に設けたビュウイングポート２、前記ビュウイングポート２に対極する壁面に設けたアダプタ４、アダプタ４に取り付ける管状材料５、管状材料内に配置するターゲット７等から構成され、レーザ発振器から発振されたレーザビームを管状材料内に配置したターゲットに集光できるようになっている。
【００１２】
前記ビュウイングポート２にはビュウイング・ウィンドウが取り付けられ、このウインドウを形成するガラス板２ａは両面に無反射コーティングが施され、且つ、戻り光がレーザ発振器に到達するのを防ぐために、ガラス板２ａが所定角度（例えば約５度程度）傾けてビュウイングポート２内に配置されている。
【００１３】
なお一般にｆ値が１より大きな球面平凸レンズ１を用いて、ガラス管５側面からレーザビームを射すると、レーザビームの通過位置には薄膜が形成されない。これは、一度ガラス管５上に形成された薄膜が、レーザビームが来ることで再アブレーションしてしまうからである。このため、本発明は、焦点距離の長い球面平凸レンズ１枚を用い（ｆ＝７００〜８００ｍｍ）、管状材料５内にビームを誘導し、管５に沿って走らせた後、ターゲット７に焦点を合わせてレーザアブレーションさせることによって、上述の再アブレーション間題を解決している。この時、球面平凸レンズ１を１枚しか用いないのは、集光ビームの導波路上にミラーなどがあると、それらを損傷しかねないからである。
【００１４】
上記装置で管状材料５内面に薄膜創生を行う場合を説明する。
レーザ発振器から発振されたレーザビームは球面平凸レンズ１、ビュウイングポート２を通って真空チャンバ３ー内に入り、真空チャンバ３ーからビュウイングポート２の対極に設けたアダプタ４を介して管状材料５内に入り、管状材料５内のターゲット７に照射される。また、ターゲット７の先端形状は、透明材料体からなる被薄膜形成面の形状に合わせて、前述のような形状としてあり、このターゲット７を管状材料内で回転させたり、出し入れすることにより、ターゲット７から蒸散した薄膜材料は、均一に被薄膜形成面に付着されることになる。なお、レーザビームの照射時間は約１分〜約２０分が望ましい。レーザビームは球面平凸レンズ（長焦点レンズ）による導入のために、真空系への導入部におけるビーム径が大きく取れ、レンズ取り入れ窓（レンズを兼ねてもよい）の破損が無い。
以上のように本発明は、管状材料５として円筒状のガラス管５を想定し、ガラス越しにではなく、レーザビームをガラスに沿わせる形で導入することによって、再アブレーションの間題を解決している。
【００１５】
以上本発明に係る実施形態について説明したが、管状材料５はガラス管５に限定することなく、他の材料からなる材料管（透明管等を含む）、あるいは球状突起等を備えた管状材料を使用することができる。またターゲット７の形状も当然のことながら薄膜形成面に合わせて加工することが望ましい。さらに、レーザビームを真空チャンバ内に導入する光学系において、球面平凸レンズの支持方法、レーザビームの導入方法（たとえば反射鏡などを介在させる等）は、その都度適宜、最適な方法を選択することができる。
さらに、本発明はその精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいかなる形でも実施できる。そのため、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず限定的に解釈してはならない。
【００１６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、
シリカガラス管等からなる管状材料内に、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミなど共有結合性の高いセラミクスをターゲットとして挿入し、管状材料の外部からレーザビームを照射してターゲットを蒸散させ、透明材料体面にセラミクス薄膜を形成させる。このセラミクス薄膜が保護膜として働き、発光物質プラズマからシリカガラス管等からなる管状材料体を保護することによって、従来より寿命の長いＨＩＤランプを提供することができる。
また、レーザアブレーションによる薄膜形成法は他の方法（プラズマＣＶＤ法、化学反応法、ゾルゲル法等）より簡便で、短時間に薄膜が形成でき、且つ環境に対する負荷がない、等の優れた効果を達成することができる。
また、シリカガラス等越しのレーザアブレーションでは薄膜の再アブレーションによるムラができるが、本発明ではそのようなことはない。
また、長焦点レンズによる導入のために、真空系への導入部におけるビーム径が大きく取れ、レンズ取り入れ窓（レンズを兼ねてもよい）の破損が無い。等の優れた効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るレーザアブレーションの光学系の構成図である。
【図２】図１の要部拡大断面図である。
【図３】ターゲットの先端形状を示す図である。
【符号の説明】
１        球面平凸レンズ１
２        真空チャンバに設けるビュウイングポート
２ａ      ガラス板
３        真空チャンバ
４        真空チャンバに着脱自在に設けるアダプタ
５        アダプタに取り付ける管状材料（ガラス管）
６        管状材料の他端側を支持するＴ字管
７        管状材料内に配置するターゲット
８        ＸＹステージ
９        Ｔ字管に接続されるフレキシブルホース
１０      Ｒ／Ｌ導入機
１１      真空ポンプ
１２      キャスタ
１３      レーザビーム光源
Ｌ        レーザビーム
【図１】
2004269927.tif 000003
【図２】
2004269927.tif 000004
【図３】
2004269927.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成15年3月11日(2003.3.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
2004269927.tif 000007
【図３】
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