(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源を収納する透光性ランプ容器を具える電気ランプであって、該ランプ容器の少なくとも一部分に干渉膜が設けられ、前記干渉膜が主として酸化珪素からなる第１層と酸化珪素の屈折率に比べて高い屈折率を有する材料からなる第２層を交互に有する多層膜を具える電気ランプにおいて、
前記複数の第２層の少なくとも１つの第２層が、高い屈折率を有する材料の第１サブ層と酸化珪素の第２サブ層を交互に有する奇数のサブ層を具え、前記第２サブ層の光学的厚さｄopが１≦ｄop≦２０ｎｍの範囲内にあることを特徴とする電気ランプ。
【請求項２】
前記第２サブ層の光学的厚さが１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の電気ランプ。
【請求項３】
前記第２サブ層の物理的厚さｄphが２≦ｄph≦１２ｎｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１又は２記載の電気ランプ。
【請求項４】
前記少なくとも１つの第２層が３つのサブ層を具えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の電気ランプ。
【請求項５】
前記第１サブ層の材料が実質的に酸化ニオブ又は酸化チタンを具えることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の電気ランプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、光源を収納する透光性ランプ容器を具える電気ランプであって、該ランプ容器の少なくとも一部分に干渉膜が設けられ、前記干渉膜が主として酸化珪素からなる第１層と酸化珪素の屈折率に比べて高い屈折率を有する材料からなる第２層の交互の多層膜を具える電気ランプに関するものである。
【０００２】
頭書に記載したタイプの電気ランプはＵＳ５１３８２１９から既知である。この既知の放電ランプでは、高い屈折率を有する層は酸化タンタルからなる。前記高屈折率層は酸化ニオブ又は酸化チタンで形成することもできる。前記高屈折率層は２つの層、例えばＴｉＯ２．ＺｒＯ２、ＴｉＯ２．ＨｆＯ２、ＴｉＯ２．Ｎｂ２Ｏ５、ＴｉＯ２．Ｔａ２Ｏ５又はＴａ２Ｏ５．２ＴｉＯ２の複合層で形成することもできる。
【０００３】
ランプ容器上に干渉膜を有するランプの欠点は、前記干渉膜が大きく変化する温度（５００℃以上）にさらされる点にある。その結果として、電気ランプの寿命中に干渉膜の散漫散乱が増大する。散漫散乱は不鮮明な透明ランプをもたらす。散漫散乱は更に干渉膜で反射される光の方向を所望の方向から変化させ、ランプの効率を低減せしめる。
【０００４】
本発明の目的は、干渉膜の散漫散乱が低減された頭書に記載されたタイプの電気ランプを提供することにある。
【０００５】
本発明の第１の特徴によれば、頭書に記載したタイプのランプにおいて、前記第２層の少なくとも１つの層が、高い屈折率を有する材料の第１サブ層と更に高い屈折率を有する他の材料の第２サブ層を交互に有する奇数のサブ層を具えることを特徴とする。
【０００６】
ランプ容器に光干渉膜が設けられている電気ランプでは、その寿命中に、干渉膜の特に第２層の（高屈折率）材料の結晶化が起る。更に、温度変化の結果として、第２層の材料の結晶化状態が変化し得る。
【０００７】
結晶化は干渉膜で被覆されたランプ容器が設けられたランプの寿命中に起る散漫散乱の原因の１つとみなせる。結晶は高屈折率材料の層の厚さが大きくなるにつれて大きく成長し得ることが確かめられている。散漫散乱への影響は結晶が大きくなるにつれて増大する。本発明の第１の特徴に従って、干渉膜内の高屈折率材料の（比較的厚い）第２層を奇数のサブ層の積層体に構成し、高屈折率を有する材料の２つの第１サブ層間に更に高い屈折率を有する他の材料の第２サブ層を挟むと、第２層内における結晶成長の可能性が有効に５０％だけ低減される。本発明の手段によれば、奇数のサブ層内に発生する結晶は前記サブ層内で成長するのみであるため相対的に小さいままとなるので、このような結晶が散漫散乱に与える影響が小さくなる。高い屈折率を有する材料の２つの（第１）サブ層間に更に高い屈折率を有する他の材料の（第２）サブ層を挟むことにより、高い屈折率を有する材料の比較的厚い層がいわば中間で遮断され、この中断は不所望な散漫分散の低減に好影響をもたらす。
【０００８】
第２サブ層の他の材料は、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム及びこれらの材料の組合せからなる群から選ばれるものとするのが好ましい。特に、高屈折率光学材料の酸化タンタルは高温度で好ましい特性を示す。更に、第２サブ層を形成する他の材料の屈折率は第１サブ層の材料の屈折率に実質的に等しいかそれより高くするのが望ましい。そうすれば、本発明干渉膜のスペクトルは既知の干渉膜のスペクトルから殆ど相違しないものとなる。第２サブ層の材料の適切な選択（例えば２つの高屈折率材料の組合せ）により第１及び第２サブ層の材料の屈折率を適切に適合させることができる。高屈折率材料の好適な組合せはＴｉＯ２．ＺｒＯ２、ＴｉＯ２．ＨｆＯ２及びＴｉＯ２．Ｎｂ２Ｏ５である。高屈折率材料の他の好適な組合せはＴｉＯ２．Ｎｂ２Ｏ５である。本発明の第1の特徴に従う電気ランプの極めて好適な他の実施例では、第２サブ層の他の材料は酸化チタンと酸化タンタルの組合せを含むものとする。このような材料の組合せ(例えばＴｉＯ２．Ｔａ２Ｏ５又はＴａ２Ｏ５．２ＴｉＯ２)は酸化チタンの屈折率が酸化珪素の屈折率に対し比較的高いという好ましい特性を比較的高い温度における酸化タンタルの好ましい特性と組み合わせるものである。
【０００９】
第１及び第２サブ層を交互に有する奇数のサブ層の積層体は３つのサブ層、即ち高屈折率材料の２つの(第１)サブ層と、該両サブ層間に挟まれた更に高い屈折率を有する他の材料の(第２)サブ層とを具えるものとするのが好ましい。
【００１０】
本発明の第２の特徴によれば、頭書に記載したタイプのランプにおいて、前記第２層の少なくとも１つの層が、高い屈折率を有する材料の第１サブ層と酸化珪素の第２サブ層を交互に有する奇数のサブ層を具え、前記第２サブ層の光学的厚さｄｏｐが１≦ｄｏｐ≦２０ｎｍの範囲内にあることを特徴とする。
【００１１】
比較的低い屈折率を有する酸化珪素の第２サブ層を介在させ、その光学的厚さを第２サブ層が干渉膜の光学的効果に殆ど又は全く寄与しないように選択すれば、第２(高屈折率)層内における結晶成長の可能性が有効に５０％だけ減少する。本発明のこの手段によれば、奇数のサブ層内に発生する結晶は前記サブ層内で成長し得るのみであり、その結果として結晶は比較的小さいままとなるため、このような結晶が散漫散乱に与える効果が低減される。酸化珪素の(第２)サブ層を高屈折率を有する材料の２つの(第１)サブ層の間に挟むことにより、高屈折率を有する材料の比較的厚い層がいわば中間で遮断されたことになり、この中断が不所望な散漫散乱の低減に好ましい効果をもたらす。
【００１２】
光学的厚さに関連する当業者に既知の表現は、層の光学的厚さが干渉膜の積層体の設計波長の１/４（０．２５）に等しくなる波長として定義されるＱＷＯＴ("Quarter Wave Optical Thickness")、即ち
ＱＷＯＴ＝４ｎｄｐｈｃｏｓα
であり、ここにｎ×ｄｐｈは(複素)屈折率ｎと物理的厚さｄｐｈの積であり、αは光が干渉膜に入射する角度である(光が積層体に垂直に入射する場合、α=０である)。このようないわゆる「四分の一波長」光学的厚さの積層体の相対的単純さの結果として、干渉膜の設計は多くの場合基準波長における「四分の一波長」の分数値に基づくものとなる。
【００１３】
第２サブ層の光学的厚さは１０ｎｍ以下（ｄｏｐ≦１０ｎｍ）にするのが好ましい。このような小さい光学的厚さを有するこのような比較的薄いサブ層は実際上干渉膜のスペクトル特性に何の影響も与えない。第２サブ層の光学的厚さを５ｎｍ以下（ｄｏｐ≦５ｎｍ）にする場合には、干渉膜の既存の設計を適応させる必要はない。
【００１４】
第１及び第２サブ層を交互に有する奇数のサブ層の積層体は３つのサブ層、即ち高屈折率材料の２つの（第１）サブ層と、この２つのサブ層に挟まれた比較的低い屈折率を有する酸化珪素の比較的薄い（第２）サブ層とを具えるものとするのが好ましい。
【００１５】
本発明ランプの干渉膜はランプの寿命中その初期特性を十分に維持することが確かめられた。
【００１６】
本発明電気ランプの好適実施例では、第２サブ層の物理的厚さｄｐｈは１≦ｄｐｈ≦２５ｎｍの範囲内にする。第２サブ層の厚さが２５ｎｍを越えると、干渉膜の光学特性への影響が大きくなるため、干渉膜の透過特性又は反射特性への不所望な副作用が発生する。１ｎｍの下限値は、第２サブ層の少なくとも１つ又は数個の単分子層を第１サブ層間に位置させることができるようにするために必要とされる。
【００１７】
第２サブ層の物理的厚さｄｐｈは２≦ｄｐｈ≦１２ｎｍの範囲内にするのが好ましい。このような厚さの層が干渉膜のスペクトル特性に与える影響は小さい。５ｎｍ以下の第２サブ層の物理的厚さ（ｄｐｈ≦５ｎｍ）が特に好ましい。
【００１８】
第１サブ層の材料は主として酸化ニオブ又は酸化タンタルを含むものとするのが好ましい。高屈折率酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）の種々の結晶形が既知であり、スパッタリングプロセス中にアモルファス材料が堆積されるが、この材料は約３００℃でほぼ六角形陽イオン格子を有する所謂Ｔ構造への遷移を示す。約５００℃で、所謂ＴＴ構造への遷移が生ずる。約７００℃で、散漫散乱を引き起こす所謂Ｈ構造へのゆっくりとした遷移が生ずる。高屈折率酸化チタン（ＴｉＯ２）の２つの結晶形が既知であり（アナターゼ及びルチル）、約６００℃で互いに混在する。特に高温度ルチル形が散漫散乱を生ずる。前記高屈折率材料（Ｎｂ２Ｏ５及びＴｉＯ２）が、ランプの寿命中に室温と５００℃以上の温度（９００℃の高さの温度も例外でない）との間の（頻繁な）温度変化を受ける電気ランプのランプ容器上の干渉膜に組み込まれている場合には、これらの材料は干渉膜の散漫散乱を生じ、干渉膜の作用に悪影響を与える。特に酸化ニオブ又は酸化チタンのような第２層の材料に対し本発明の手段を有利に使用することができる。
【００１９】
ランプの光源は白熱体、例えばハロゲン含有ガス内の白熱体にすることができるが、イオン化ガス、例えばハロゲン金属を含むとともに必要に応じ干渉ガスとして例えば水銀を含む不活性ガス内の電極対とすることもできる。光源は最内側の気密容器で包囲することができる。最外側の容器でランプ容器を包囲することもできる。
【００２０】
干渉膜は可視光を透過し，ＩＲ（赤外）光を反射するものとし得る。この場合には、干渉膜の種々の層は比較的厚くなり、光学的厚さはスペクトルのＩＲ域内の波長の１/４である。干渉膜はＵＶ（紫外）光を反射し、可視光を透過するものとすることもでき、またその逆にすることもできる。干渉膜は、可視光の一部分を透過しスペクトルの他の部分を反射する所謂「帯域通過」フィルタにすることもできる。比較的厚い層を有するＩＲ反射フィルタの場合、且つ又比較的多数の層が積層され且つ干渉膜が例えば３．５−４μｍの比較的大きな厚さを有する場合には、本発明の手段に従う干渉膜はその好ましい特性を保持することが確かめられた。
【００２１】
干渉膜は慣例の方法、例えば気相成長（ＰＶＤ：物理的気相成長）又は（ＤＣ）（反応）スパッタリング又は侵漬被覆プロセス又はＬＰ−ＣＶＤ（低圧化学気相成長）又はＰＥ−ＣＶＤ（プラズマエンハンストＣＶＤ）により設けることができる。
【００２２】
本発明のこれらの特徴及び他の特徴は以下に記載する実施例を参照すると明かになる。図面において、図１は白熱ランプの側面図であり、図２Ａは既知の具体例の干渉膜の詳細を示し、図２Ｂは本発明の干渉膜の詳細を示し、図３は赤外反射干渉膜の既知の透過スペクトルを示し、図４は本発明の第１の特徴に従う赤外反射干渉膜の透過スペクトルを示し、図５は本発明の第２の特徴に従う赤外反射干渉膜の透過スペクトルを示す。
【００２３】
これらの図は純粋に略図であり、一定の寸法比で描かれてない。特に明瞭のために、いくつかの寸法を強く拡大してある。これらの図において、同一の符号は同一の部分を示す。
【００２４】
図１において、この電気ランプは石英ガラス容器１を具え、該容器内には白熱体が光源２として配置されている。電流導体３が白熱体に接続され、ランプ容器１から外部に引き出される。ランプ容器１はハロゲン、例えば沃化ハロゲンを含む気体で満たされる。ランプ容器１の少なくとも一部分を干渉膜５で被覆する。この干渉膜は、主として酸化珪素(約１．４５の平均屈折率を有する)からなる第１層５１と、比較的高い屈折率を有する材料、本例では酸化ニオブ(約２．３５の平均屈折率を有する)、からなる第２層を交互に有する多層膜を具える（図２Ａ参照）。本例では、干渉膜５は更に酸化珪素含有接着層５３を具え、この層により基板(=ランプ容器１の上述の部分)への干渉膜５の接着を強める。干渉膜５は可視放射を透過し、赤外放射を反射する。
【００２５】
ランプ容器１は口金６を支持する外部容器４内に取り付けられ、口金に電流導体３が電気的に接続される。図示のランプは６０Ｗ幹線電圧ランプであり、少なくともほぼ２０００時間の定格寿命を有する。
【００２６】
図２Ａは図１に示す既知の具体例に基づく干渉膜５の構造の詳細を概略的に示す(層の厚さについては表Ｉの欄２及び３を参照されたい)。
【００２７】
図２Ｂは、本発明の第１の特徴に従う干渉膜５'の構造の詳細を概略的に示し、本例では比較的厚い酸化ニオブ層を酸化ニオブの第１サブ層５２ａ、酸化タンタルの第２サブ層５２ｂ(約２．１５の平均屈折率を有する)及び酸化ニオブの第３サブ層５２ｃを交互に有する３つのサブ層に分割する（それぞれのサブ層の厚さについては表Ｉの欄４、５及び６を参照されたい）。本例では、第１及び第３サブ層５２ａ，５２ｃの（物理的）厚さを互いに等しく選択するとともに、各々もとの厚さの５０％より小さく選択する。第２サブ層５２ｂの物理的厚さはｄｐｈで示し、５ｎｍ以下にするのが好ましい（ｄｏｐ＝ｎ×ｄｐｈ）。
【００２８】
図２Ｂは本発明の第２の特徴に従う干渉膜５'の構造の詳細も概略的に示し、本例では比較的厚い酸化ニオブ層を酸化ニオブの第１サブ層５２ａ、酸化珪素の第２サブ層５２ｂ(約１．４５の平均屈折率を有する)及び酸化ニオブの第３サブ層５２ｃを交互に有する３つのサブ層に分割する（それぞれのサブ層の厚さについては表Ｉの欄７及び８を参照されたい）。本例では、第１及び第３サブ層５２ａ，５２ｃの（物理的）厚さを互いに等しく選択するとともに、各々もとの厚さの５０％より小さく選択する。第２サブ層５２ｂの物理的厚さはｄｐｈで示し、５ｎｍ以下にするのが好ましい（ｄｏｐ＝ｎ×ｄｐｈ）。
【００２９】
容器１の該当部分を反応スパッタリングにより本発明による干渉膜５'で被覆する。反応スパッタリングの場合には、Ａｒ及びＯ２の雰囲気内でＳｉをスパッタリングすることによりＳｉＯ２の層を得る。代表的な条件は：４００−１４００Ｐａ（３−１０ミリトル）のＡｒ圧力及び２５−５０Ｐａ（０．２−０．４ミリトル）のＯ２圧力である。Ａｒ/Ｏ２混合気体内で金属材料をスパッタリングすることにより高い屈折率を有する材料も得られる。代表的な条件は：４００−１４００Ｐａ（３−１０ミリトル）のＡｒ圧力及び４０−１４０Ｐａ（０．３−１．０ミリトル）のＯ２圧力である。一般に、両材料に対し、Ａｒ圧力を定流量により制御するとともに、酸素を固有の酸素センサにより制御する。スパッタリングプロセスは２０−１００℃の温度範囲内で行う。
【００３０】
本発明による干渉膜５'はランプの定格寿命に亘って無傷のままとなり、その初期特性を保持する。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
図３は、ガラス基板上に４７のＳｉＯ２層とＮｂ２Ｏ５層を交互に積層してなる既知の赤外反射干渉膜５(表Ｉの欄２及び３参照)の透過スペクトルを波長λ(ｎｍ単位)の関数として示す。一般に、既知の干渉膜の透過率は４００ｎｍから７７０ｎｍの可視波域において少なくとも９０％より高く、この干渉膜は８００から１９００ｎｍの波長域において少なくとも７０％より高い平均反射率を有する広い反射帯域を示す。本例では、この既知の干渉膜はスペクトル的に互いに隣接するそれ自体既知の３つの所謂多周期積層体からなる。一般に、この干渉膜は赤外反射光学干渉膜に対する設計の既知のコンピュータ最適化の結果である。
【００３３】
図３に示す干渉膜５は高屈折率層と低屈折率層(それぞれＨ及びＬと記す)を交互に有する３つの連続する積層体を含む赤外反射干渉膜に対する設計のコンピュータ最適化からなる。第１積層体は１７００ｎｍの設計波長（設計波長は反射帯域の中心に対応する波長）を有するため、高屈折率を有する材料及び低屈折率を有する材料に対する光学的層厚は４２５ｎｍに等しい。第２積層体は１３００ｎｍの設計波長を有し、高屈折率を有する材料及び低屈折率を有する材料に対する光学的層厚は３３３ｎｍに相当する。第１及び第２積層体の各々は、それ自体既知の
（a1×Ｌ b1×Ｈ a2×Ｌ b2×Ｈ a2×Ｌ b1×Ｈ a1×Ｌ）
型の高屈折率材料及び低屈折率材料の交互の７層を具え、ここで係数a1,  a2,  b1,  b2はコンピュータ最適化の結果である。第３積層体は９３０ｎｍの設計波長を有し、高屈折率材料及び低屈折率材料の光学的層厚は２３３ｎｍに相当する。第３積層体は、それ自体既知の
（Ｌ/２ Ｈ Ｌ/２）
型の高屈折率材料と低屈折率材料の交互の３層を具える。表Ｉの欄２及び３に示す物理的厚さを有する赤外反射干渉膜は連続的に３つの第１積層体（層１-７、層７-１３、層１３-１９）、続いて３つの第２積層体（層１９-２５、層２５-３１、層３１-３７）、続いて５つの第３積層体（層３７-３９、層39-４１、層４１−４３,層43-45、層４５−４７）を具える。
【００３４】
図４は図３に示す干渉膜５と同一の原理に従って作成した本発明の第１の特徴に従う赤外反射干渉膜５'の透過スペクトルを波長λの関数として示す。しかし、本発明の手段に従って、（１１個の）比較的厚いＮｂ２Ｏ５層５２（５０ｎｍを越える厚さを有する）の各層がＮｂ２Ｏ５の第１サブ層５２ａ及び第３サブ層５２ｃと該両層間に挟まれたＴａ２Ｏ５の比較的薄い第２サブ層５２ｂの３つのサブ層５２ａ，５２ｂ，５２ｃに分割されている（図２Ｂ参照）。既知の４７層赤外反射干渉膜５の代わりに、６９層を含む干渉膜５'（表Ｉの欄４、５及び６参照）が得られる。第１及び第３サブ層５２ａ，５２ｃの厚さは（もとの）層５２の厚さの半分より小さい（表Ｉの欄３及び５参照）。第２サブ層５２ｂの物理的厚さｄｐhは１０ｎｍである（表Ｉの欄６参照）。明瞭のために、表Ｉの例では、他の層の厚さは同一に維持されている。その結果として、図４に示すように、透過スペクトルは可視域内の約４９０ｎｍ近くで小さな落ち込みを示す。この干渉膜の更なるコンピュータ最適化によりこの落ち込みの影響を減少させることができる。
【００３５】
図５は図３に示す干渉膜５と同一の原理に従って作成した本発明の第２の特徴に従う赤外反射干渉膜５'の透過スペクトルを波長λの関数として示す。しかし、本発明の手段に従って、（１１個の）比較的厚いＮｂ２Ｏ５層５２（５０ｎｍを越える厚さを有する）の各層がＮｂ２Ｏ５の第１サブ層５２ａ及び第３サブ層５２ｃと該両層間に挟まれたＳｉＯ２の比較的薄い第２サブ層５２ｂの３つのサブ層５２ａ，５２ｂ，５２ｃに分割されている（図２Ｂ参照）。既知の４７層赤外反射干渉膜５の代わりに、６９層を含む干渉膜５'（表Ｉの欄７及び８参照）が得られる。第１及び第３サブ層５２ａ，５２ｃの厚さは（元の）層５２の厚さの半分より小さい（表Ｉの欄３及び８参照）。本例では、第２サブ層５２ｂの物理的厚さｄｐhは５ｎｍである（表Ｉの欄７参照）。表Ｉの例では、明瞭のために、他の層の厚さは同一に維持されている。その結果として、図５に示すように、透過スペクトルは可視域内の約４９０ｎｍにおいて小さな落ち込みを示す。この干渉膜の更なるコンピュータ最適化によりこの落ち込みの影響を減少させることができる。２ｎｍの第２サブ層５２ｂの物理的厚さｄｐhでは、介在される第２サブ層の光学的影響は干渉膜のスペクトル特性に現われなくなる。
【００３６】
本発明の範囲内において、多くの変更が当業者に可能である。
本発明は新規な特徴の各々に従って及び新規な特徴の組合せの各々に従って具体化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  白熱ランプの側面図である。
【図２】  Ａは既知の具体例の干渉膜の詳細を示し、Ｂは本発明の干渉膜の詳細を示す。
【図３】  赤外反射干渉膜の既知の透過スペクトルを示す。
【図４】  本発明の第１の特徴に従う赤外反射干渉膜の透過スペクトルを示す。
【図５】  本発明の第２の特徴に従う赤外反射干渉膜の透過スペクトルを示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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