JP2002504262A - 光干渉フィルタを有するランプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 薄膜干渉フィルタを交互の第１及び第２の層を以て構成し、第１の層はシリカとし、第２の層はタンタラとニオビアとの混合物とする。この干渉フィルタは、混合物中のニオビアを４０重量％よりも少なくした場合に、不活性ガス雰囲気中で高温度ランプ上に用いることができる。その割合が高い場合には、酸素の分圧が層の黒化を防止することを確かめた。

Description

【発明の詳細な説明】 光干渉フィルタを有するランプ 本発明は、真空密に封止したランプ容器と、 このランプ容器を貫通して延在する電流供給導体に連結され且つこのランプ容 器内に配置された電気素子と、 このランプ容器上に配置され、第１の層と第２の層とを交互に有する干渉フィ ルタと を具えるランプに関するものである。 赤外線を反射させるための干渉フィルタの場合、第１の層では、シリカのよう に屈折率が比較的低くなっており、第２の層では、タンタラ（tantala）又はニ オビア（niobia）のように屈折率が比較的高くなっている。 屈折率が互いに異なる２つ以上の材料の交互の層を有する干渉フィルタは周知 である。このような干渉フィルタは、ある波長の放射を透過し、他の波長の放射 を反射するのに用いられる。このような干渉フィルタは、フィラメント又はガス 放電としうる電気素子によって放出される赤外線をこの電気素子に戻るように反 射させるとともに可視光を透過させることにより、白熱ランプ又は放電ランプの 照明効率を改善するのに用いることができる。これにより、フィラメントの動作 温度を保つのに必要とする電気エネルギーの量を低減させる。 干渉フィルタが５００℃を越える高温度に曝される（ランプ）分野に用いられ る当該干渉フィルタは、シリカ（ＳｉＯ₂）のような耐熱金属酸化物と、タンタ ラ（Ｔａ₂Ｏ₅）及びニオビア（Ｎｂ₂Ｏ₅）のうちの一方との交互の層から成って いる。シリカは低屈折率材料（ｎ＝１．４６）で、タンタラ（ｎ＝２．１３）又 はニオビア（ｎ＝２．３５）は高屈折率材料である。このようなランプ分野では 、干渉フィルタは、フィラメント又はアーク放電を内部に有するガラス質のラン プ容器の外側面上に被着され、しばしば９００℃程度に高い点灯温度まで到達す る。これらの干渉フィルタは、一般に、化学蒸着（ＣＶＤ）や、低圧化学蒸着（ ＬＰＣＶＤ）や、反応性スパッタリングを用いて被着される。 米国特許第4,663,557号明細書には、高温度の環境で用いるのに適したＳｉＯ₂ 及びＴａ₂Ｏ₅の交互の層を有する干渉フィルタが開示されている。しかし、Ｔａ₂ Ｏ₅の場合、これが８００℃を越える温度で多結晶形態に結晶化し、これにより 干渉フィルタが透過光及び反射光を散乱するようにしてしまうという問題が生じ る。 米国特許第4,734,614号明細書には、ＳｉＯ₂及びＮｂ₂Ｏ₅の干渉フィルタを有 するハロゲンランプが開示されており、その目的は、ＳｉＯ₂／Ｔａ₂Ｏ₅の干渉 フィルタで見られる散乱及び高温度問題を解決することにある。これらの干渉フ ィルタは、ハーメチック封止されていないレンズを有する反射器内に配置されて いるとともに５００℃よりも低い温度で点灯する６０ワット硬質ガラスハロゲン バーナー上に用いて好ましいものである。しかし、１００ワットバーナーは高温 度で点灯するものであり、つまみ領域を酸素から保護するためにハーメチック封 止された不活性ガス環境内で石英ガラスランプ容器を必要としている。 ニオビア被膜には、反射器が加熱封止処理によりハーメチック封止されたラン プにおけるように、不活性ガス環境中で点灯された場合に、このような被膜が黒 化するという欠点がある。この吸収特性は、ニオビアが還元されて、このニオビ アが準化学量論（substoichiometric）状態、従って不透明状態になることに起 因すること明らかである。タンタラは、この問題を著しく軽減させるも、タンタ ルスパッタリングターゲットには、これらがニオブの２倍高価であるという欠点 がある。更に、ニオビアに対する屈折率はタンタラに対する屈折率よりも大きく （２．３５対２．１４）これにより被膜を薄く或いは効率を高くしうる。 上述した点で、例えば不活性ガス環境中で吸収性となる傾向を制限するという タンタラの利点と、例えば高温度での散乱が無く、低価格であり、屈折率が高い というニオビアの利点とを達成するのが望ましい。 本発明の目的は、上述した欠点を無くした、頭書に記載した種類のランプを提 供せんとするにある。 本発明は、頭書に記載した種類のランプにおいて、前記第１の層が主としてＳ ｉＯ₂より成り、前記第２の層が主としてＮｂ₂Ｏ₅及びＴａ₂Ｏ₅の混合物より成 り、この混合物がＮｂ₂Ｏ₅を少なくとも２０重量％有することを特徴とする。 ニオビアを混合物中で３８重量％よりも少なくすると、これらの層は不活性ガス 雰囲気中で吸収性とならないことを確かめた。ニオビアが第２の層中で３８重量 ％を越えると、酸素分圧が黒化を阻止することを確かめた。１００ワットランプ の寿命を黒化が無い状態で３０００時間とする場合には、最小の酸素分圧は３８ 重量％のニオビアの場合に０．１０トル（約１３．３Ｐａ）とする必要があり、 この最小値は直線の片対数曲線に応じて１００％のニオビアでの９．８トル（約 １．３ｋＰａ）まで増大させる必要がある。 本発明による混合物によれば、封止部中のモリブデン箔の酸化を防止する必要 がある不活性又はほぼ不活性のガス環境中での１００ワットランプにおけるニオ ビアの利点を達成しうる。封止部が壊れた場合、フィラメントは急速に酸化し、 ランプが機能しなくなる。 図１は、本発明による干渉フィルタを有するランプ容器を内部に入れたランプ エンベロープを示す断面図であり、 図２は、黒化するまでの観察時間（time）対混合物中のＮｂ₂Ｏ₅のパーセント を示すグラフ線図であり、 図３は、透明な干渉フィルタに対する、最少酸素圧対混合物中のＮｂ₂Ｏ₅のパ ーセントを示す片対数のグラフ線図であり、 図４は、エネルギー節約量（energy savings）対混合物中のＮｂ₂Ｏ₅のパーセ ントを示すグラフ線図である。 図１は、本発明による干渉フィルタ（図示せず）を用いて有効な既知のランプ を示す。ハロゲンバーナーは、タングステンフィラメント１２を内部に有するラ ンプ容器１０を具え、このタングステンフィラメントの両端は電流供給導体１４ に連結されており、これら電流供給導体の各々は、電気素子１２に連結された内 方リード線１６と、ランプ容器のつまみ封止部内のモリブデン箔１７と、外方リ ード線１８とを有している。ランプ容器１０は楕円形状の中間部分を有し、この 中間部分の外部に本発明による干渉フィルタを設け、これにより赤外線をフィラ メント１２の方向に戻すように反射させ、熱効率を改善するとともに白熱に必要 とする電力を低減させる。この種類のランプは、米国特許第5,138,219号明細書 に詳細に説明されている。 図１に示すランプは、不活性ガスと臭化水素酸塩との充填剤を有するハロゲン 白熱ランプである。このようなランプは周知であり、米国特許第4,734,614号及 び第5,138,219号明細書に開示されているように細長円筒状のランプ容器を有す ることもできる。赤外線反射の原理は、フィラメントと同様に放電ガスの温度を 維持するのにも適用しうる。従って、本明細書で用いる用語「電気素子」とは、 ガス充填剤中に金属ハロゲン化物を含む高圧水銀放電ランプにおけるアークのよ うな、ランプ中の他の光源を含むものとして解釈すべきである。干渉フィルタの 層は、米国特許第5,552,671号及び第5,646,472号明細書に記載されているように 、干渉フィルタがＵＶ放射を吸収するような寸法及び構成配置とすることもでき る。 外側エンベロープ２０は、底部２１が一体となった放物面状の反射器として成 形されており、この底部には導電性の装着脚部リード線２６、２８が貫通するよ うに収容されている。リード線２６はネジ式の口金２７に接続されており、リー ド線２８は絶縁された中央接点２９に接続されている。ハーメチック封止が必要 でない場合には、ガラス又はプラスチックレンズすなわち蓋２３を接着剤により 取付ることができる。しかし、充填空間24中の不活性ガス環境を保つ必要がある 場合には、蓋２３は、代表的に、エンベロープ２０に加熱封止したガラスである 。 米国特許第5,138,219号明細書には、ほぼ図１に示すようなランプアセンブリ が開示されているが、不活性ガス環境を用いなければ、このランプは６０ワット のタングステンハロゲンランプに適しているにすぎない。８００℃を越える可能 性のある温度で点灯する１００ワットランプの場合、不活性ガス充填剤を入れて 導体14の酸化を防止する必要がある。本発明による干渉フィルタはこのような環 境に適している。その理由は、干渉フィルタは、吸収（黒化）生じる純粋なニオ ビアと同程度まで準化学量論状態への還元を受けない為である。更に、干渉フィ ルタは、高温度に曝した場合純粋なタンタラと同程度まで散乱を呈さない。 本発明による干渉フィルタは、参考のために導入した米国特許第5,138,219号 明細書に記載されている種類の４７層被膜とするのが好ましい。本発明とこの米 国特許との主な相違は、本発明による干渉フィルタはＴａ₂Ｏ₅とＮｂ₂Ｏ₅と の混合物を高屈折率材料として用いているということである。更に、本発明によ る干渉フィルタは、後述するように、ＬＰＣＶＤではなく直流マグネトロンスパ ッタリングにより形成する。 図２は、黒化までの、不活性ガス雰囲気中の干渉フィルタに対する観察時間対 第２層すなわち高屈折率層を形成する混合物中のニオビアのパーセントの関係を ほぼ直線で表したグラフ線図である。あらゆる点は３つ又は４つのランプの平均 値である。直線は、-17.167の傾斜を有する３点の線形回帰を表す。４３％のニ オビアを有する混合物の場合には、６００トル（約８０ｋＰａ）の充填ガス圧力 でのほぼ純粋な窒素の環境中で１００ワットランプを２９４３時間点灯させた場 合に黒化が観察されなかった。この時までに、検査ランプ中のコイルは機能しな くなったが、干渉フィルタは透明なままであった。２５％のニオビアでは、黒化 は観察されなかった、或いは、予想さえされなかった。一方、５５％のニオビア では、２４８時間で黒化が観察された。７５％のニオビア及び１００％のニオビ アではそれぞれ、２．２５時間及び０．１時間で黒化が観察された。ハロゲンバ ーナー上の混合４７層干渉フィルタが黒化するまでの時間（単位：時間）は式 t=2・10⁺⁶e4^-17.2f で近似させることができる。ここで、ｆは混合物中のＮｂ₂Ｏ₅の割合である。 混合物中に４３％のニオビアを有する１００ワットランプの黒化は約３０００ 時間で予期されるが、不活性ガス中にある程度の酸素が存在する場合には、高割 合のニオビアを用いることができることを確かめた。この酸素分圧が準化学量論 状態へのＮｂ₂Ｏ₅の還元を阻止すること明らかである。 図３は、１００ワットランプを少なくとも３０００時間点灯するまで黒化が生 じないようにするための、酸素圧（Ｐｏ₂）対混合物中のＮｂ₂Ｏ₅のパーセント を直線で近似して示す片対数のグラフ線図である。この直線は、圧力を０．１ト ル（約１３．３Ｐａ）とし、パーセントを３８％とした場合と、圧力を１０トル （約１．３ｋＰａ）とし、パーセントを１００％とした場合との２つの端点間に 描いた。この直線に対する式は、 Ｐｏ₂=6・10^-3e^7.4f である。 図４は、エネルギー節約量対１００ワット石英ガラスバーナー上の混合物中の ニオビアのパーセントの関係を示すグラフ線図である。ここで、用語「エネルギ ー節約量」とは、フィラメント温度を同じにした場合の、フィルタ被覆バーナー 対フィルタ未被覆バーナーのワットの減少量を意味するものである。温度は抵抗 値により測定することができる。例えば、フィルタ未被覆バーナーで１４４オー ムを達成するのに１２５ワットを必要とし、フィルタ被覆バーナーで１４４オー ムを達成するのに１００ワットを必要とする場合には、エネルギー節約量は２０ ％である。これは、 エネルギー節約量＝１−（フィルタ被覆の電力）／（フィルタ未被覆の電力） とした簡単な式で表すことができる。 干渉フィルタの層は、欧州特許出願公開第ＥＰ0 516 436号明細書に開示され ているようなマイクロ波強化直流マグネトロンスパッタリング処理によって形成 する。これは、カリフォルニア州サンタローザのDeposition Sciences社のマイ クロダイン（MicroDyn）スパッタリングシステムとしても知られている。この欧 州特許出願公開明細書には、２つのターゲット、例えばＳｉ及びＮｂを用い、反 応ガスとして酸素を含む雰囲気中でこれらのターゲットを交互に附勢することに よりＳｉＯ₂及びＮｂ₂Ｏ₅を堆積し、作業ガスを代表的にアルゴンとすることが 開示されている。４つのターゲットをそれぞれ独立に制御してランニングするこ とにより、本発明による干渉フィルタを形成するように上記のシステムを適合さ せる。第１の層は２つのシリコンターゲットをランニングすることにより形成し 、第２の層はタンタルターゲット及びニオブをランニングすることにより形成す る。ターゲットの相対電力は、２つの酸化物の比をいかなる値にもしうるように 、又、同様に屈折率を２．１４及び２．３５間のいかなる値にもしうるように調 整しうる。混合材料の全体の厚さは、全電力（それぞれのターゲットに対する電 力の合計）により制御する。 混合材料はそれぞれの酸化物の個別の分子を以て構成できず、Ｔａ／Ｎｂ母材 の酸化物としうることに注意すべきである。何れにしても、材料は、あたかもそ れが簡単な混合物であるかのように作用させる。例えば、透過率曲線（透過率対 波長）は、それぞれの酸化物の層を有する干渉フィルタに対し周知であり、混合 酸化物に対する曲線は、個々の曲線を重ね合わせたものとして表される。４００ 〜８００ｎｍの可視光波長の透過率は４７層干渉フィルタに対しほぼ１００％で あり、それよりも長い赤外線波長の約８０％が反射される。特に、米国特許第5, 138,219号明細書に開示されたＳｉＯ₂／Ｔａ₂Ｏ₅干渉フィルタに対する透過率曲 線を参照されたい。これは本発明に最も近似したものである。 上述した実施例は例示的なものであり、本発明の請求の範囲はこれに限定され るものではない。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．真空密に封止したランプ容器と、 このランプ容器を貫通して延在する電流供給導体に連結され且つこのランプ 容器内に配置された電気素子と、 このランプ容器上に配置され、第１の層と第２の層とを交互に有する干渉フ ィルタと を具えるランプにおいて、 前記第１の層が主としてＳｉＯ₂より成り、前記第２の層が主としてＮｂ₂Ｏ ₅及びＴａ₂Ｏ₅の混合物より成り、この混合物がＮｂ₂Ｏ₅を少なくとも２０重 量％有することを特徴とするランプ。 ２．請求の範囲１に記載のランプにおいて、このランプが更に、ハーメチック封 止された外側エンベロープを有し、このエンベロープ内に前記ランプ容器が配 置され、この外側エンベロープは、前記ランプ容器を囲んでいる不活性ガスよ り主として成る充填剤を有し、前記混合物は多くとも４０重量％のＮｂ₂Ｏ₅を 有していることを特徴とするランプ。 ３．請求の範囲１に記載のランプにおいて、このランプが更に、ハーメチック封 止された外側エンベロープを有し、このエンベロープ内に前記ランプ容器が配 置され、この外側エンベロープには、前記混合物が、少なくとも３８重量％の Ｎｂ₂Ｏ₅を有する場合に酸素分圧を呈する充填剤が入れられていることを特徴 とするランプ。 ４．請求の範囲３に記載のランプにおいて、前記酸素分圧の最小値が、前記混合 物中のＮｂ₂Ｏ₅のパーセントに応じて増大し、この最小値は、酸素圧対混合物 中のＮｂ₂Ｏ₅のパーセントである直線の片対数プロットで表されるようになっ ていることを特徴とするランプ。 ５．請求の範囲４に記載のランプにおいて、前記直線が Ｐｏ₂=6・10^-3e^7.4f で表されており、ここでＰｏ₂をトル（１トル≒１３３Ｐａ）で表した酸素圧 とし、ｆを混合物中のＮｂ₂Ｏ₃の割合としたことを特徴とするランプ。 ６．請求の範囲１に記載のランプにおいて、前記干渉フィルタが前記第１の層及 び前記第２の層を以て構成されていることを特徴とするランプ。 ７．請求の範囲１に記載のランプにおいて、前記ランプ容器が石英ガラスより成 っていることを特徴とするランプ。 ８．請求の範囲１に記載のランプにおいて、前記ランプ容器が硬質ガラスより成 っていることを特徴とするランプ。 ９．請求の範囲１に記載のランプにおいて、前記第１及び第２の層がスパッタリ ング処理により形成されていることを特徴とするランプ。 １０．請求の範囲１に記載のランプにおいて、前記干渉フィルタが赤外線を反射 し、可視光を透過するようになっていることを特徴とするランプ。