JP4451781B2 - 高圧ガス放電ランプ - Google Patents

Description

本発明は、ガラス様の材料(glasslike material)とモリブデンとの間に少なくとも１つの気密融着プレスシール(gastight fused press-seal)を持ち、前記融着プレスシール中の前記モリブデンが、少なくとも部分的に酸化環境にさらされ、前記モリブデンの少なくとも前記酸化環境にさらされる部分が、被覆で覆われる高圧ガス放電ランプに関する。

それらの光学特性のため、投影用途に用いられる種類の高圧ガス放電ランプ（HID（高輝度放電）ランプ）を、オーバヘッドプロジェクションのために、また、スポットライトとして用いる選好がある。この種類の高圧ガス放電ランプの例は、所謂UHPランプ又はMSRランプ（フィリップス）であるが、他の製造メーカ製の同等のランプもまた本発明によってカバーされる。この種の高圧ガス放電ランプのランプ容器は、好ましくは、石英又は高温ガラスから成る。ランプ容器は、通常、確実にランプ容器が気密のように閉じられるようにし、ランプ容器の内部に配設される光生成手段に電圧が供給されることを可能にする少なくとも２つのモリブデンのフィードスルーを持つ。

エネルギの実際の印加は、一般的に、好ましくはタングステンから成る内部電極によって行なわれる。電極は、外部方向においては、通常、モリブデンを介して外部安定器に接続される。モリブデンは、通常、モリブデン箔若しくはリボン又はモリブデンワイヤの形をしている。気密封止は、通常、ガラス様の材料、一般的に石英と、モリブデンとの間の少なくとも１つの気密融着プレスシールによってもたらされる。融着プレスシールは、既知のやり方で、所謂ピンチシール(pinch seal)又は融着モリブデンプレスシールのように設計され得る。石英ガラスの熱膨張係数とモリブデンの熱膨張係数とが非常に異なることから、温度の幅広い変動が起こる場合、例えば、融着プレスシールが作成された後の冷却中に、融着プレスシール中のモリブデンが縮み得ることは避けられない。概して、融着プレスシールにおける気密封止は、モリブデン、とりわけモリブデン箔を所定の大きさに作り、融着プレスシールを所定の大きさに作ることによって確実にされる。しかしながら、放電チャンバから離れた方に延在するモリブデンの一部は、融着プレスシール内であっても酸化環境にさらされる。酸化環境にさらされる融着プレスシールのこの領域においては、モリブデンの温度は、モリブデン、即ち、一般的にはモリブデンワイヤの酸化のあらゆる増加される材料に関連する増加を防止するために、ランプが動作している間、350℃未満でなければならない。この特定の場合のモリブデンの温度は、長手方向に放電チャンバから離れる距離を増大させるにつれて低下する。この特定のランプの温度条件(temperature regime)、気密融着プレスシールの寸法、及びとりわけ、モリブデンが固定接合部内に延在する長手方向距離が既知である場合には、融着プレスシールの必要最小限の長さが決定され得る。

例えば、市販のUHPランプ（120Wタイプ）においては、この領域の長手方向の長さは略々3cmであり、ランプ容器の、放電チャンバが配設される領域の長手方向の長さは略々0.9cmである。融着プレスシールの長手方向の長さのために従来必要であったこの種の所定の大きさに作ることは、或る用途においては不利な点である。進行中の開発及び新しい応用分野の開拓と関連して、市場には、寸法はより小さいがパワーは同等の高圧ガス放電ランプ、又は寸法は同等だがパワーはより大きい高圧ガス放電ランプ、又はより優れた耐温度性の融着プレスシールを持つ高圧ガス放電ランプのニーズがある。

モリブデンの耐酸化性を高めるための、従ってモリブデンの耐温度性を高めるための、文献から既知の提案されている様々な解決策がある。解決への１つの取り組み方法（とりわけ独国特許公報第DE 196 03 300号参照）は、石英ランプ容器のためにモリブデン箔のフィードスルーを持つ電気ランプにおいて、ドープすることによってモリブデンの耐酸化性を改善することを狙いとしている。別の方法としては、モリブデンの少なくとも耐酸化性を高める被覆がモリブデンの表面に付着されることが、文献において提案されている。高圧ガス放電ランプにとって望ましい種類の少なくとも450℃より高い耐温度性の信頼できる保証を実際に与える利用可能な材料はない。

ピンチシールの外側に位置しているモリブデンワイヤは被覆され、具体的にはモリブデン箔の形態であり得るピンチシール内に位置しているモリブデンは該モリブデンの表面領域において酸化抑制材料で強化される石英ランプが、米国特許公報第US 5,021,711号から知られている。この強化は、イオン打ち込みによる高価な混入によって行なわれ、このことは、被覆の場合の常とは異なり、モリブデン箔の層厚の増大がないことを意味する。関係する酸化抑制材料は、クロム、アルミニウム、ケイ素、チタン、タンタル、パラジウム及びそれらの混合物を有するグループから選択される。所謂PCVD（プラズマ化学気層蒸着）プロセスによる被覆によって外部モリブデンワイヤに付着される材料として開示されているのは、窒化ケイ素及び／又は炭化ケイ素である。

米国特許公報第US 5,021,711号によれば、気密ピンチシール内に位置しているモリブデンの被覆は、技術的に見てほとんど実施可能ではなかった。なぜなら、これに対する多くの試みが当業者によってなされたが、様々な理由で、それまで、実際に付着される場合に如何なる成功にも至らなかったからである。それは、モリブデンの、ランプ中のピンチシールの内側に位置している部分の耐酸化性と、ランプ中のピンチシールの外側に位置している部分の耐酸化性とを別々に向上させることを必要とする。これは、複雑且つ高価なプロセスである。

本発明の目的は、冒頭の段落に記載されている種類の高圧ガス放電ランプであって、少なくとも被覆されたモリブデンを含む気密融着プレスシールを持ち、斯くして改善されたランプ特性を与え、実際上、工業生産という状況において製造されることを可能にする高圧ガス放電ランプと、この種の高圧ガス放電ランプを持つ照明装置及び／又は投影装置とを提供することにある。

本発明の目的は、前記被覆が、少なくとも、Fe₂O₃、Ta₂O₅、Nb₂O₅、Al₂O₃、SiO₂、TiO₂、ZrO₂、HfO₂の中からの１つの酸化物、及び／又はTiN、ZrN、HfN、AlN、BNの中からの１つの窒化物、及び／又はTiC、ZrC、HfC、VC、NbC、TaC、B₄Cの中からの１つの炭化物を有することによって達成される。

本発明による、耐温度性の向上に関する要求に合致し、PCVDプロセス又はCVDプロセスなどの通常の工業用の被覆プロセスによって作成され得るモリブデンのための被覆として適した材料の選択によって、本発明による高圧ガス放電ランプ及び前記高圧ガス放電ランプが機能要素を形成する照明装置の改善された特性が得られる。提案されている前記材料から成る被覆は、少なくとも350℃から600℃までの範囲において前記ランプの寿命全体を通して十分な耐温度性があるであろうことを確実にする。選択される前記材料もまた十分な耐温度性のものである必要がある。これの１つの判断基準は前記材料の融点であり、前記材料の融点は、通例、例えば石英などのガラス様の材料の軟化温度より高い。また、前記材料の熱膨張係数は、前記モリブデンと前記被覆との間での熱応力及び歪みの発生を可能な限り最大限低減させるために、可能な限りモリブデンの熱膨張係数(4.8ppm/K)と同じにすべきである。

本発明による向上された耐温度性は、今まで取り付け位置に関する制約があった用途において従来の高圧ガス放電ランプと比べて有利である。例えば、或る投影ランプは、現在のところ水平取り付け位置でしか動作され得ない。垂直位置における取り付けは、ツインキャップ(twin-cap)の高圧ガス放電ランプの上端部に過度に高い温度を生じさせ、この過度に高い温度は、前記高圧ガス放電ランプがひどい損傷を受ける原因となり得る。より高い耐温度性は、これらの制約を克服し、本発明によるランプの使用がなされる場合に照明装置及び／又は投影装置のスタイリング(styling)における新しい自由度も実現可能にする。

他の例においては、本発明は、前記ランプの温度をモニタし、該ランプを冷却するための構成要素が設けられることがこれまで不可欠であった一部の投影装置において、このことが伴うコスト及び複雑化が少なくとも低減されることを可能にする。

概して、耐食保護の理由でこれまで不活性ガスを充填された外側エンベロープ内で動作されなければならなかったランプにおいて、この外側エンベロープを不要にする可能性もあり得る。それ故、本発明は、外側エンベロープを持つ高圧ガス放電ランプにも関する。

本発明のとりわけ有利な実施例は従属項に記載されている。

本発明の一実施例においては、前記被覆が5nmから20μmまでの膜厚を持つことが好ましく、その場合に100nmから20μmまでの膜厚が工業生産という状況においてとりわけ有用だと分かった。基本的には、上記範囲内の薄い膜が好ましいであろうが、他方で、技術的に見て、好ましい前記範囲内で膜厚が厚いほど確保するのが容易であるものである密閉膜(closed film)を得るための試みがなされなければならない。

前記被覆自体が複数の層で構築されることも好ましい。この場合には、前記層自体は可能な限り均質且つ気密でなければならない層に、様々な機能、層厚及び／又は化学組成が付与されることが可能である。前記モリブデンに直接的に付着される層は例えば保護層として働き得る。この保護層は、とりわけ、例えばCVD被覆の場合に発生する化学腐食プロセスのガスが前記モリブデンと直接的に反応することが出来ないことを確実にする。複数の層が存在する場合に、１つ又は複数の中間層は、温度の変動がある場合に通例モリブデンと前記被覆中の前記材料との異なる熱膨張特性に起因する種類の熱応力及び歪みを低減するのに役立つ。これは、例えば、Al₂O₃から形成される外側の層と、窒化物(N)と炭化物(C)との量的比率を、前記中間層の熱膨張係数がモリブデンの熱膨張係数(4.8ppm/K)とAl₂O₃の熱膨張係数 (8ppm/K)との間にある値を取るように選択するチタン(Ti)の窒化物(N)及び炭化物(C)の混合物から成る中間層とを備える２つの層がある場合に果たされ得る。

別の方法としては、好ましくは前記モリブデンに直接的に付着される層がAlN (4乃至5ppm/K)又はTa₂O₅ (2.8ppm/K)から成るのが好ましい。

驚くべきことに、Al₂O₃の熱膨張係数(8ppm/K)はモリブデンの熱膨張係数(4.8ppm/K)とかなり大きく異なるにもかかわらず、Al₂O₃の使用は、本発明の目的にとりわけ適する被覆をもたらす。

本発明の特定の実施例は、耐温度性の目的のために必要である量にまで前記融着プレスシールが縮小されることを可能にする。なぜなら、前記被覆を構成する前記材料に応じて、前記融着プレスシールの可能な限り小さな寸法(sizing)、とりわけ、モリブデンの酸化環境にさらされない部分の長手方向の長さの可能な限り短い寸法が得られ得るからである。

本発明に基づくモリブデンの被覆のために、前記融着プレスシールの長さはかなり短くされ得る。なぜなら、前記ランプが動作している場合に、前記ランプの酸化環境にさらされる端部の温度が350℃乃至600℃まで上げられ得るからである。本発明が可能にする前記融着プレスシールの長さの短縮に伴って、前記高圧ガス放電ランプのバーナの大きさの通例の縮小(regular reduction)もある。これは、例えば、寸法はより小さいが同じパワーのランプ、又は寸法は同じであるがより高いパワーのランプなどの複数の新しいランプ設計が利用可能にされることを可能にする。少なくとも１つの本発明による融着プレスシールを持つバーナ及び例えば反射器などの他の構成要素の材料及び製造のコストは著しく削減され得る。より小さな大きさの融着プレスシールはまた、前記ランプが動作している間、より少ない光しか吸収せず、より少ない光しか散乱させず、斯くして、前記ランプ又は前記反射器からの光の質を改善する。

効率も高められるのは、正確には比較的低いパワーのランプの場合にである。なぜなら、前記ランプを必要な動作温度まで高めるのにより少ない材料しか加熱される必要がないからである。同時に、熱伝導又は熱放射のための熱損失は、前記ランプの表面積のあり得る縮小のために削減される。

本発明の他の特徴は、投影用途のための、請求項１乃至７の少なくとも一項において請求されているような本発明による高圧ガス放電ランプの使用に関する。

本発明による高圧ガス放電ランプで達成され得る改善は、前記ランプが上記の使用を運命づけられるようにする。耐温度性の向上によって既知の用途又は新しい用途のための特定の利点がもたらされる。例えば現在のところ水平取り付け位置でしか動作され得ない高圧ガス放電タイプの或る投影ランプは、もはやこの取り付けに関する制約を受けない。現在、投影用途の高圧ガス放電ランプに関して行なわれている世界中の開発研究の焦点となっていることである該ランプの大きさの縮小は、高圧ガス放電ランプの使用がなされる他の分野と比較して投影用途において不均衡に著しい効果を持つ。

本発明の目的はまた、少なくとも１つの、請求項１乃至７の少なくとも一項において請求されているような高圧ガス放電ランプを有する照明装置及び／又は投影装置によって達成される。

前記ランプの大きさの縮小又は該ランプの効率の向上は、本発明による高圧ガス放電ランプが用いられ得る他の装置と比較して不均衡に著しい効果をもたらす。本発明は、既存の用途及び新しい用途のための照明装置及び／又は投影装置のスタイリング及び設計における全く新しい自由度を実現可能にし、同時に、市場からの切なる要求を満たす。

下記の実施例を参照して本発明のこれら及び他の特徴を説明し、明らかにする。

図１は、本発明による高圧ガス放電ランプ（UHPランプ）の、放電チャンバ２を持つランプエンベロープ１の概略的な断面図である。ランプエンベロープ１は、すべてが１つになっており、この目的のために通常用いられるガスを充填される放電チャンバ２を密閉封止し、前記ランプエンベロープ１の材料は、通常、石英ガラスであり、前記ランプエンベロープ１は、各々長手方向において略々30mmの長さのものである融着プレスシール６１、６２によって占められる互いに向かい合わせに位置している２つの円筒形領域を有し、前記円筒形領域の間には略々9mmの直径を持つ実質的に球状の領域４が位置している。しかしながら、モリブデン５の一部、換言すると、放電チャンバ２から離れた方に延在するモリブデンリボン８１、８２の少なくとも一部、及びモリブデンワイヤ９１、９２の少なくとも一部は、融着プレスシール６１、６２内であっても酸化環境にさらされる。電極構成は、基本的に第１電極３１及び第２電極３２を有し、放電チャンバ２においては第１電極３１及び第２電極３２の対向する先端部の間でアーク放電が励起され、このアークが高圧ガス放電ランプの光源としての役割を果たす。電極３１、３２の端部は、モリブデンリボン８１、８２を介してモリブデンワイヤ９１、９２に接続される。モリブデンワイヤ９１、９２はまたランプの（図１には図示されていない）電気接続部に接続され、ランプを動作させるのに必要とされる供給電圧は、一般的なライン供給電圧(line-supply voltage)用に設計されている安定器を通常持つ電源から前記電気接続部を介して供給される。

モリブデンリボン８１、８２及びモリブデンワイヤ９１、９２の外表面上には被覆７１、７２が配置される。被覆７１、７２は、各々、２つの層から成る。

厚さ8μmである外側の層はAl₂O₃で形成され、厚さ4μmである中間層はチタン(Ti)の窒化物(N)と炭化物(C)との混合物で形成される。NとCとの量的比率は、中間層の熱膨張係数が、モリブデンの熱膨張係数(4.8ppm/K)と、Al₂O₃の熱膨張係数(8ppm/K)との間にある値を取るように選択される。２つの層での被覆は、それ自体は既知であるCVDプロセスによって行なわれ、モリブデンリボン８１及び８２はこの被覆プロセスの前に各々モリブデンワイヤ９１及び９２に接続されている。

被覆されていないモリブデンリボンを持つ上記のタイプのUHPランプ、及び本発明に基づいて被覆されたモリブデンリボンを持つ上記のタイプのUHPランプの耐酸化性の調査が加速寿命試験の一部として行なわれた。600℃における６時間のテンパリング処理(tempering)の後、被覆されていないモリブデンリボンは酸化に起因する著しい特徴を示したが、他方で本発明に基づいて被覆されたモリブデンリボンは何も示さなかった。

高圧ガス放電ランプ（UHPランプ）に属し、放電チャンバを持つランプエンベロープの概略図である。

Claims (7)

1. ガラス様の材料とモリブデンとの間に少なくとも１つの気密融着プレスシールを持ち、前記融着プレスシール中の前記モリブデンが、少なくとも部分的に酸化環境にさらされ、前記モリブデンの少なくとも前記酸化環境にさらされる部分が、被覆で覆われる高圧ガス放電ランプであって、前記被覆が、少なくとも、Fe₂O₃、Ta₂O₅、Nb₂O₅、Al₂O₃、SiO₂、TiO₂、ZrO₂、HfO₂の中からの１つの酸化物、及び／又はTiN、ZrN、HfN、AlN、BNの中からの１つの窒化物、及び／又はTiC、ZrC、HfC、VC、NbC、TaC、B₄Cの中からの１つの炭化物を有し、前記被覆が、少なくとも２つの層でできており、前記被覆の、前記モリブデンに直接的に付着される第1層が、窒化物及び／又は炭化物から成り、前記被覆の、外側の第２層が、１つの酸化物又は複数の酸化物から成ることを特徴とする高圧ガス放電ランプ。
2. 前記被覆が5nmから20μmまでの膜厚を持つことを特徴とする請求項１に記載の高圧ガス放電ランプ。
3. 前記第２層が、Al₂O₃から成ることを特徴とする請求項１に記載の高圧ガス放電ランプ。
4. 前記第1層が、AlNから成ることを特徴とする請求項１に記載の高圧ガス放電ランプ。
5. 前記被覆が構成される材料に応じて、前記融着プレスシールの大きさの縮小が得られることを特徴とする請求項１に記載の高圧ガス放電ランプ。
6. 投影用途の使用のための請求項１乃至５のいずれか一項に記載の高圧ガス放電ランプ。
7. 少なくとも１つの、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の高圧ガス放電ランプを有する照明装置及び／又は投影装置。

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