專利名稱：高壓放電燈、制造高壓放電燈放電管殼與中空管殼的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及作普通照明或投影顯示用的高壓放電燈、制造高壓放電燈用的放電管殼的方法和制造中空管殼的方法。
以往，石英玻璃部件(包含幾乎100％的SiO2)常被用于金屬鹵化物放電燈。
然而，石英玻璃材料的缺點(diǎn)是當(dāng)燈的照明時(shí)間增加時(shí)，石英玻璃容易與封在燈內(nèi)的高壓氣體起反應(yīng)，從而不可避免地降低透光率；石英玻璃的導(dǎo)熱率很低(約0.9W/mK)，這就不能使熱量分布均勻；等等。
此外，還出現(xiàn)這樣一個(gè)問題，即由上述非均勻溫度分布造成的內(nèi)部熱對(duì)流引起大曲率放電電弧。
這樣，就得考慮防范措施，即在石英玻璃放電管殼的內(nèi)壁敷以由單層或多層的氧化鋁涂層、氧化鉭涂層或其他涂層組成的保護(hù)層(例如，美國專利NO.5270615說明書)。
然而，在通常的放電管殼中，這種措施有一個(gè)缺點(diǎn)，即高溫時(shí)實(shí)際應(yīng)用的氧化物涂層的耐蝕性不夠強(qiáng)。
即，當(dāng)燈點(diǎn)亮?xí)r，由于在約1000℃的高溫下能覺察出封在燈內(nèi)的稀土金屬鹵化物與氧化物涂層起反應(yīng)，因此可以說，上面提到的通常的防范描施對(duì)于防止透明消失的作用仍然不夠充分。
還有，由于用氧化物涂層作為保護(hù)涂層，其不足之處在于不能對(duì)放電管殼的熱均勻起到作用。
另一方面，作為另一種防范措施，曾企圖用陶瓷(Al2O3、AlN、YAG、尖晶石等等)放電管殼以獲得這樣一些效果由于陶瓷耐蝕性強(qiáng)，因而防止了透明消失；由于陶瓷導(dǎo)熱率高，因而均勻了放電管殼內(nèi)的溫度分布；以及還改進(jìn)了熱負(fù)荷特性(例如，日本特許公報(bào)NO.87938/1993)。
然而，上面提到的陶瓷放電管殼有這樣一些缺點(diǎn)不能忽視陶瓷管殼與端面密封部分的腐蝕；由于陶瓷燒結(jié)物等的粒間反射(inter-granular reflection)導(dǎo)致直線透光度下降，使其特性偏離理想點(diǎn)光源的特性，從而使它無法實(shí)際應(yīng)用。
上面提到的陶瓷放電管殼還有這樣的令人不滿意之處，即與石英玻璃管殼相比，它的成本很高并且需要復(fù)雜的加工工藝。
為解決上述通常碰到的問題，本發(fā)明的一個(gè)目的的是得到一種高壓放電燈，在它的放電管殼的內(nèi)壁采用比通常的氧化物涂層更耐久的氧氮化物涂層，從而使這種放電燈能更有效地防止透明消失并具有以前更長的放電燈使用壽命。
同時(shí)，石英玻璃的線膨脹系數(shù)特別小(0.54ppm/℃)。即使氧化鋁(7—8ppm/℃)或具有大的線膨脹系數(shù)的其他金屬氧化物作為耐蝕性涂層直接在石英玻璃上形成，但在燈工作時(shí)為高溫(最高約1000℃)和燈熄滅時(shí)為室溫的動(dòng)態(tài)機(jī)械應(yīng)力的反復(fù)作用下，內(nèi)壁涂層會(huì)龜裂和剝落，因而從實(shí)際的觀點(diǎn)來看，至少還沒有實(shí)現(xiàn)一種真正耐用的結(jié)構(gòu)。
上述NO.5270615美國專利企圖通過采用熱膨脹系數(shù)范圍為1至4ppm/℃的氧化物涂層作為下面的涂層來解決上述問題，但這仍然不夠。這樣，本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種新的涂層結(jié)構(gòu)，它在實(shí)際應(yīng)用中更加耐用，這要對(duì)保護(hù)層的每一組成層實(shí)際的線膨脹系數(shù)加以考慮。
本發(fā)明的高壓放電燈包括由一種或數(shù)據(jù)元素的至少一層氧氮化物構(gòu)成的涂層，該涂層涂覆在石英玻璃中空管殼的內(nèi)壁上，在管殼內(nèi)封入了惰性氣體和一種或數(shù)種金屬或者一種或數(shù)種金屬鹵化物。
一種或數(shù)種元素最好從下述元素中選取鋁(Al)、鉭(Ta)、鈮(Nb)、釩(V)、鉻(Cr)、鈦(Ti)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、釔(Y)、鈧(Sc)、鎂(Mg)、硅(Si)和鑭(La)系稀土元素。
涂層最好至少包括氧氮化鋁層。
氧氮化鋁層最好包含硅、鎂或釔。
當(dāng)涂層由多層構(gòu)成時(shí)，最好這些層中至少包括一層氮化物層和一層氧氮化物層，形成氧氮化物層的元素與形成氮化物層的元素相同。
最好中空管殼是放電管殼，并設(shè)置有突向放電管殼內(nèi)部的電極。
最好中空管殼是放電管殼，在放電燈內(nèi)部不設(shè)置電極，而是在從放電管殼外部提供的微波或高頻電磁波的作用下產(chǎn)生激發(fā)發(fā)光。
中空管殼端部處內(nèi)壁的石英玻璃最好處于露出狀態(tài)。
一種制造本發(fā)明的中空管殼的方法包括下述步驟從一預(yù)定的中空管殼兩端的開口處插入一對(duì)濺射電極，該電極所含的元素與要在中空管殼內(nèi)壁上形成的涂層所含的元素相同；用這樣的方式來固定濺射電極，使得一對(duì)相向放置的濺射電極的頂部之間的距離保持相隔一預(yù)定的距離；以及在濺射步驟中，通過在已固定的濺射電極之間施加直流電壓或高頻電壓并產(chǎn)生輝光放電，在中空管殼的全部或部分內(nèi)壁上形成涂層。
一種制造本發(fā)明的中空管殼的方法包括下述步驟從一預(yù)定的中空管殼兩端的開口處插入一對(duì)濺射電極，在電極的頂部設(shè)置有靶，該靶所含的元素與要在中空管殼內(nèi)壁上形成的涂層所含的元素相同；用這樣的方式固定濺射電極，使得這對(duì)相向放置的濺射電極的頂部之間的距離保持相隔一預(yù)定的距離；以及在濺射步驟中，通過在已固定的濺射電極之間施加直流電壓或高頻電壓并產(chǎn)生輝光放電，在中空管殼的全部或部分內(nèi)壁上形成涂層。
中空管殼內(nèi)壁部分最好指的是除去接近開口的內(nèi)壁之外的全部或部分內(nèi)壁。
濺射電極的頂部最好做成非平面形狀。
靶的頂部最好做成非平面形狀。
一種制造本發(fā)明的高壓放電燈的放電管殼(其中，要在石英玻璃中空管殼的內(nèi)壁形成一預(yù)定的涂層)的方法包括下述步驟在中空管殼的內(nèi)壁上形成一種或數(shù)種元素的氮化物層；以及然后對(duì)已形成的氮化物層作氮化處理，由此把全部或部分的氮化物層改變?yōu)檠醯飳印?br> 一種制造本發(fā)明的高壓放電燈的放電管殼(其中，要在石英玻璃中空管殼的內(nèi)壁形成一預(yù)定的涂層)的方法包括下述步驟在中空管殼的內(nèi)壁形成一種或數(shù)種元素的氧化物層；以及然后對(duì)已形成的氧化物層作氮化處理，由此把全部或部分的氧化物層改變?yōu)檠醯飳印?br> 一種制造本發(fā)明的高壓放電燈(其中，要在石英玻璃中空管殼內(nèi)壁形成預(yù)定的涂層)的方法包括下述步驟在中空管殼的內(nèi)壁上形成一層預(yù)定金屬層；以及然后對(duì)已形成的金屬層作氧氮化處理，由此把全部或部分的金屬層改變?yōu)檠醯飳印?br> 一種本發(fā)明的包含一涂層的高壓放電燈，該涂層至少包括一第一透明電介質(zhì)層，它在石英玻璃中空管殼的內(nèi)壁上形成，具有范圍為0.8至2ppm/℃的線膨脹系數(shù)，在石英玻璃管殼內(nèi)封有惰性氣體和一種或數(shù)種金屬或者一種或數(shù)種金屬鹵化物；
一第二透明電介質(zhì)層，它在第一層上形成，具有范圍為2至5ppm/℃的線膨脹系數(shù)；以及一第三透明電介質(zhì)層，它在第二層上形成，具有范圍為5至10ppm/℃的線膨脹系數(shù)。
涂層的頂層最好是氧氮化物層。
根據(jù)本發(fā)明專利申請(qǐng)，由于在高壓放電燈工作環(huán)境下，在放電管殼的內(nèi)表面上獲得一種比以前用的涂層更耐腐蝕的氧氮化物層結(jié)構(gòu)，因而更能防止透明消失，而更有可能使高壓放電燈有更長的使用壽命。
此外，例如，采用根據(jù)本發(fā)明專利申請(qǐng)的制造方法可以使濺射涂層的均勻性提高和附著力增強(qiáng)，從而與以前相比更不容易發(fā)生涂層剝落。


圖1是按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的高壓放電燈的剖面圖；圖2是沿圖1的A-B線取的、朝箭頭所示方向看的局部放大剖面圖；圖3是按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例制造高壓放電燈的放電管殼的方法中用的濺射裝置的圖；圖4(A)示出在一石英玻璃管殼1的內(nèi)壁上形成氮化物層81的步驟；圖4(B)示出對(duì)在圖4(A)所示步驟中形成的氮化物層81作氧化處理的步驟；圖4(C)示出將氮化物層81的表面部分改變?yōu)檠醯?2的步驟；圖5是按照本發(fā)明另一實(shí)施例的高壓放電燈的剖面圖，該燈是這樣構(gòu)造的，使得在鎢電極2的根部51處露出石英玻璃；圖6示出按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的制造高壓放電燈的放電管的方法中用的濺射裝置中的濺射電極10及其頂部的形狀；
圖7是一無電極放電燈的示意方框圖；圖8是按照本發(fā)明另一實(shí)施例的石英玻璃管殼和在其內(nèi)壁上形成的涂層的剖面圖，用以示出三層涂層的構(gòu)造，它相應(yīng)于圖1沿A-B線取的局部放大剖面圖；圖9是按照本發(fā)明另一實(shí)施例的石英玻璃管殼和在其內(nèi)壁上形成的涂層的剖面圖，用以示出六層涂層的構(gòu)造，它相應(yīng)于圖1沿A-B線取的局部放大剖面圖；以及圖10示出按照本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的制造高壓放電燈的放電管殼的方法中用的濺射裝置中的濺射電極101和在其頂部的靶段102的形狀。
下面將描述按照本發(fā)明的高壓放電燈；制造高壓放電燈的放電管殼的方法；以及制造中空管殼的方法。
圖1是按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的高壓放電燈的剖面圖，而本實(shí)施例的組成將結(jié)合圖1加以描述。
順便說說，把在中空管殼內(nèi)壁的表面上形成的多個(gè)疊層總稱為涂層(coating)。即，這里所稱的涂層通常包括許多層。因此，在一些情形中稱多層(multi-layer)涂層而不簡稱涂層。然而，當(dāng)只形成一層時(shí)，上述涂層意思就指該層本身。這樣，與上述多層涂層相對(duì)照，可將它稱為單層(mono layer)涂層。
另一力面，例如，對(duì)于構(gòu)成一涂層的每層的編號(hào)可以這樣來做，從而把在高壓放電燈的石英玻璃管殼1內(nèi)壁表面上形成的層設(shè)定為第一層，并把在第一層表面上形成的層設(shè)定為第二層。即按每一層離開中空管殼內(nèi)壁遞增的次序來編號(hào)。
在圖1中，標(biāo)號(hào)1代表石英玻璃管殼，在其內(nèi)相向地設(shè)置鎢電極2，而在靠近每個(gè)鎢電極頂部的地方都有一根盤繞鎢絲5。
標(biāo)號(hào)3、4和6分別代表鉬片、鉬電極以及在石英玻璃管殼1上形成的內(nèi)壁涂層。下面將述及此內(nèi)壁涂層6包括兩層，一層是氮化鋁層7，另一層是氧氮化鋁層8。
即，圖2是示出沿圖1的A-B線，沿箭頭所示方向的放大剖面圖。在本實(shí)施例中，在石英玻璃管殼1上，形成厚度為600埃(下面記為)的氮化鋁層7，而在該層上又形成厚度為1200的氧氮化鋁層8。
接下來，參看圖3，將圍繞其結(jié)構(gòu)來描述按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例制造高壓放電燈的放電管殼的方法。圖3是按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例制造高壓放電燈的放電管殼的方法中采用的濺射裝置圖。
如圖2所示，在把鎢電極2封入石英玻璃管殼1之前的制造步驟中形成涂層，該涂層包括兩層，一層是氮化鋁層7，一層是氧氮化鋁層8(以后也稱為雙層(bilayer)涂層)。
因此，在形成這一雙層涂層時(shí)，用以封入金屬和金屬鹵化物的側(cè)管16仍然保留著。這是因?yàn)樵诤竺娴闹圃觳襟E中必須用此側(cè)管。
另一方面，本實(shí)施例與通常結(jié)構(gòu)的不同之處在于，構(gòu)成濺射電極10的材料中包含要在石英玻璃管殼1的內(nèi)壁上形成的涂層中所含的元素。即，濺射電極10具有兩種功能，一是作濺射電極，一是作靶電極，這在以前是分開制作的。
在氮化鋁層7和氧氮化鋁層8中，鋁是兩者都有的金屬元素。這樣，在形成氮化鋁層7和形成氧氮化鋁層8時(shí)都采用金屬鋁(純度為99.999％)的濺射電極10。
濺射電極10從石英玻璃管殼1的兩端開口301中插入，并采用O型密封圈17作真空密封。
用這種方法插入，使一個(gè)電極的頂部與另一個(gè)電極的頂部相向的一對(duì)濺射電極10以這樣的方式固定，使濺射電極之間的距離Wsp約為12mm。順便說說，將濺射電極的直徑設(shè)定為4.4mm。
一高頻電源13通過匹配裝置14與這一對(duì)濺射電極10相連。
標(biāo)號(hào)12代表一由鋁板構(gòu)成的散熱板，用以防止濺射時(shí)靶的溫度升高。在本實(shí)施例的情形下，如上所述，由于濺射電極10也用作濺射靶，因此散熱板12能有效防止濺射電極10溫度升高。
一根管子連在進(jìn)氣口15上，從而可供給惰性氣體(氬，Ar)、活性氣體(氧或氮)以及內(nèi)壁等離子體清洗氣體(四氟化碳，CF4)。
配置的磁鐵11產(chǎn)生與電場(chǎng)平行的磁場(chǎng)，可以提高濺射速度，但不總是需要它。
側(cè)管16與帶有一用作主要抽氣泵的渦輪分子泵的抽氣系統(tǒng)相連。具有500KHz頻率與250W最大功率的某些型號(hào)的電源可用作高頻電源13。
當(dāng)詳細(xì)地進(jìn)一步描述具有雙層涂層(一層是氮化鋁層，一層是氧氮化鋁層)的高壓放電燈時(shí)，將更詳細(xì)地描述它的制造方法的一個(gè)實(shí)施例。
如圖3所示，從位于石英玻璃放電管殼的兩端的開口301插入金屬鋁(純度為99.999％)濺射電極10，并抽至5×10-4Pa的高真空。
然后，通入3.1秒立方厘米(sccm)的氬氣，通入1.4sccm的氮?dú)猓⒉捎酶哳l電源13加上20W的高頻電磁波。
然后，通入3.1sccm的氬氣，通入0.9sccm的氮?dú)?，通?.5sccm的氧氣，并加上20W的高頻電磁波。
濺射放電時(shí)間是這樣設(shè)定的，使得形成厚度為600的氮化鋁層7和厚度為1200的氧氮化鋁層8。
然后，把鎢電極2(見圖1)裝到石英玻璃放電管殼1中，使電極間距離為5.5mm，封入汞、碘化鏑、碘化釹、碘化銫和氬氣，由此制成高壓放電燈。
這里，把高壓放電燈的屏幕照度降低到初始值的一半所經(jīng)歷的時(shí)間定義為該高壓放電燈的有效使用壽命。這樣，可以確認(rèn)，用本方法制成的高壓放電燈與沒有內(nèi)壁涂層的高壓放電燈相比，有效使用壽命可延長30％以上。
僅由氧化鋁構(gòu)成的單層內(nèi)壁涂層與由第一層氮化鋁和第二層氧化鋁構(gòu)成的雙層(多層)內(nèi)壁涂層的測(cè)試結(jié)果如下有這兩種涂層的燈的使用壽命比沒有內(nèi)壁涂層的高壓放電燈的使用壽命只延長30％或不到30％，某些情形下還要縮短一些。這一結(jié)果顯示，氧氮化物層對(duì)于延長使用壽命起著極為重要的作用。
然后，在高壓放電燈點(diǎn)亮1000小時(shí)后，測(cè)量管壁的直線透光度。
根據(jù)沿管壁圓周方向10個(gè)點(diǎn)作測(cè)量而得的平均結(jié)果，單層氧化物涂層的點(diǎn)線透光率為53％，單層氮化物涂層為49％，而單層氧氮化物涂層為77％。
在此情形下，用氦-氖(He-Ne)激光器(波長為6328)作測(cè)量光源。
這樣，一層氧氮化物層(涂層)肯定比一層氧化物層(涂層)或一層氮化物層(涂層)呈現(xiàn)出長得多的使用壽命。
此外，由于氮化鋁層(涂層)的高導(dǎo)熱率的特性，石英玻璃管殼1的溫度分布變得更加均勻，從而在水平點(diǎn)亮燈時(shí)，電弧彎折減少。在本實(shí)施例中，在水平點(diǎn)亮燈時(shí)，石英玻璃管殼1的管壁溫度在頂部中央為811℃，而在底部中央為809℃，說明溫差難以觀祭。
另一方面，如果在石英玻璃管殼內(nèi)壁沒有涂層形成，則在頂部中央為818℃，而在底部中央為786℃，呈現(xiàn)出32℃的大溫差。順便說說，燈的輸出都是250W。由此還發(fā)現(xiàn)，氧氮化物層在使中空管殼內(nèi)壁溫度均勻方面發(fā)揮了極好的作用。
順便說說，雖然在上述實(shí)施例中采用了高純度(純度為99.999％)的金屬鋁作濺射電極10，但是在鋁中加入硅、釔、鎂等構(gòu)成的鋁合金也可用作濺射電極。
作為另一個(gè)實(shí)施例，采用包含2wt％(重量百分比)的硅(Si)的鋁合金做成濺射電極，制成了石英玻璃管殼的內(nèi)壁敷以氧氮化物層的高壓放電燈。采用這樣的結(jié)構(gòu)，放電燈的使用壽命要比上述采用高純度鋁金屬濺射電極10的放電燈的使用壽命延長5％。
封入高壓放電燈的物質(zhì)可以包括各種稀土碘化物或其他金屬碘化物。此外，本發(fā)明還可用于高壓鈉放電燈。
與此同時(shí)，關(guān)于本發(fā)明有效的原因可以提到下面這些采用耐蝕性強(qiáng)的氧氮化鋁層作為在管殼內(nèi)壁形成的涂層的頂層；采用氮化鋁作為下面涂層的第一層，用它可以改善氧氮化鋁頂層的涂敷質(zhì)量；等等。
如果涂層按上述方法構(gòu)成，即可獲得極大的好處，即在形成每一層時(shí)不必改變?yōu)R射電極(它也用作濺射靶)，只要切換從進(jìn)氣口15將被引入石英玻璃管殼1內(nèi)的一種氣體的設(shè)置就能制得雙層涂層(見圖3)。
在上述實(shí)施例中，采用氧氮化鋁層作為頂層，實(shí)際上也可考慮除鋁之外的許多其他金屬的氧氮化物。
例如，采用從鉭(Ta)、鈮(Nb)、釩(V)、鉻(Cr)、鈦(Ti)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、釔(Y)、鈧(Sc)、鎂(Mg)、硅(Si)和鑭(La)系稀土元素中選出的一種元素做成的氧氮化物層，可以構(gòu)造出單層或多層涂層，而且不用說，涂層中除了氧氮物層之外還可包括其他層。
就成分而言，涂層可以是單層、雙層、三層和包括四層或更多層的多層涂層，或者可以是一種所謂的成分有梯度的材料涂層(com-positionally gradient material coating)，在這種涂層中，其成分從底層至頂層逐漸改變。
順便說說，不用說，如果是單層涂層，就直接用諸如氧氮化鋁層8等氧氮化物在石英玻璃管殼1的內(nèi)壁上構(gòu)成薄涂層。
此外，每層的厚度不限于上面的實(shí)施例中所示的值，而例如，氧氮化鋁層的厚度可以在200至5000的范圍內(nèi)選擇。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于用氧氮化物層作內(nèi)壁涂層要優(yōu)于氧化物層和氮化物層。
上面提到的元素的氮化物層比起氧化物層來有較高的熔點(diǎn)(例如，氮化鋁的熔點(diǎn)是2800℃，而氧化鋁的熔點(diǎn)是2054℃)，因此從在高溫環(huán)境下應(yīng)用的觀點(diǎn)來看，以采用氮化物層為好。
此外，氮化物層的熱膨脹系數(shù)較低(例如，氮化鋁為4.5ppm/℃，而氧化鋁為7—8ppm/℃)，因此用氮化物層在熱膨脹低(0.54ppm/℃)的石英玻璃管殼上做成涂層要比氧化物層有利。
另一方面，氮化物層的缺點(diǎn)有抗氧化能力不足以及由于升華而造成的高蒸氣壓。通過制作氧氮化物層，就能制得兼有兩種薄層的優(yōu)點(diǎn)的高溫耐蝕性極好的層。
順便說說，在上述實(shí)施例中，涂層是采用金屬濺射電極10以反應(yīng)濺射工藝做出的，但很顯然，在濺射工藝中采用包含氧氮化物、氧化物或氮化物的濺射電極也能獲得類似的好處。
此外，除了上面提到的濺射工藝外，氮氧化物層還可用熱-化學(xué)氣相淀積(thermo－CVD)工藝、等離子體化學(xué)氣相淀積(plasmaCVD)工藝、真空淀積工藝和離子涂敷(ion plating)工藝等工藝制作。
氧氮化物層也能這樣制成，即首先制成氮化物層，然后再對(duì)氮化物層采用諸如熱氧化或等離子體氧化等氧化處理方法，或者，倒過來，首先制成氧化物層，然后再采用諸如熱氮化或等離子體氮化等氮化處理方法。
圖4(A)至4(C)所示的內(nèi)容相應(yīng)于氧氮化物層制作過程的一個(gè)例子，它先做成氮化物層，然后再采用氧化處理方法。即，上述附圖表示出一個(gè)例子，對(duì)首先做出的氮化物81進(jìn)行上述的氧化處理(見圖4(A)和4(B))，再將氮化物層81的表面部分變?yōu)檠醯飳?2(見圖4(C))。順便說說，另一個(gè)把首先做出的整個(gè)氮化物層81改變?yōu)檠醯飳?2的例子當(dāng)然也是允許的。圖4(B)中的標(biāo)號(hào)80代表用于氧化處理的氧離子。
此外，在做出一金屬層之后，允許在熱處理或等離子體處理中獲得一層氧氮化物層。
當(dāng)采用圖3所示的裝置進(jìn)行濺射時(shí)，僅在內(nèi)壁的這樣一個(gè)區(qū)域生成濺射涂層，該區(qū)域面向石英玻璃管殼1內(nèi)壁上一對(duì)濺射電極10之間的空間。并且，從實(shí)驗(yàn)可以確認(rèn)，在相應(yīng)于在后面的工藝中要插入的每根鎢電極2(見圖1)的根部的部分(即接近開口301處的內(nèi)壁)難以生成涂層。
為利用這一現(xiàn)象，通過調(diào)節(jié)濺射電極10頂部之間的距離，可以使石英玻璃的每根鎢電極2的根部51處于暴露狀態(tài)。圖5的結(jié)構(gòu)圖示出在整個(gè)內(nèi)壁表面淀積一保護(hù)涂層的情況，每根鎢電極2的根部51在結(jié)構(gòu)上與圖1的燈不同。
在圖5所示的結(jié)構(gòu)中，透明消失現(xiàn)象(它是由封入石英玻璃管殼1的物質(zhì)與石英玻璃起反應(yīng)而造成的)有選擇地發(fā)生在上述故意做出的沒有保護(hù)涂層的部分，而在有保護(hù)涂層的區(qū)域，透明消失現(xiàn)象減慢。
因?yàn)槊扛u電極2的根部即使透明消失也對(duì)實(shí)際應(yīng)用影響不大，按照本發(fā)明的這種制造方法能有效地防止燈的主要部分發(fā)生透明消失(燈光光束的大部分從燈的主要部分透過)，從而延長了燈的使用壽命。
此外，涂層厚度的均勻性對(duì)于薄的光學(xué)涂層而言很重要。與示于圖3的每根濺射電極10的頂部為平面表面相比，非平面形狀能提高內(nèi)壁涂層厚度的均勻性。圖6示出一種把靶的頂部做成凸形的非平面狀的情形。
還有，通過優(yōu)化濺射條件(諸如一對(duì)濺射電極10的頂部形狀、頂部之間的距離以及氣體流量)，層厚度的均勻度或涂層厚度的分布可保持在±10％之內(nèi)。
順便說說，每根濺射電極的頂部應(yīng)朝著做成球形或橢球形的放電管殼的中心突出，而如果頂部不突出，將導(dǎo)致涂層厚度的分布變壞。
在上述實(shí)施例中，描述了具有鎢電極2的被稱為有電極型HID燈，但本發(fā)明不限于這種類型的燈，例如，它還可用于如圖7所示的無電極型的高壓放電燈，這種燈靠微波或高頻電磁波的外部激勵(lì)而發(fā)光。在這種情形中也能獲得類似的效果。在圖7中，標(biāo)號(hào)32、30和31分別表示外部提供的高頻電源，用以激發(fā)高壓放電燈內(nèi)的光發(fā)射；匹配裝置和一圍繞石英玻璃管殼1的外表面放置的繞制線圈。
接下來，將描述在石英玻璃中空管殼的內(nèi)壁表面上有三層(tri-layer)涂層的又一個(gè)實(shí)施例，第一層是線膨脹系數(shù)范圍在0.8至2ppm/℃的透明電介質(zhì)層；第二層是線膨脹系數(shù)范圍在2至5ppm/℃的透明電介質(zhì)質(zhì)層；而第三層是線膨脹系數(shù)范圍在5至10ppm/℃的透明電介質(zhì)層(見圖8)。
如圖3所示，把一對(duì)鉭(Ta)金屬(純度為99.999％)濺射電極10插入石英玻璃放電管殼，并抽至5×10-4Pa的高真空。
然后，通入2.4sccm的氬氣和1sccm的氧氣，并施加15W高頻電磁波。
然后，用鋁(純度為99.999％)濺射電極替換鉭金屬濺射電極，并抽至5×10-4pa的高真空。
然后，通入2.4sccm的氬氣和1sccm的氧氣，并施加15W高頻電磁波。
然后，保持濺射電極不動(dòng)，通入2.4sccm的氬氣、0.3sccm的氧氣和0.7sccm的氮?dú)?，并施?5W高頻電磁波。
這樣來設(shè)置濺射放電時(shí)間，使得形成500厚的氧化鉭層101、500厚的氮化鋁層102和1000厚的氧氮化鋁層103(見圖8)。
然后，向放電管殼1插入鎢電極2，使電極間距離為5.5毫米，封入汞、碘化鏑、碘化釹、碘化銫和氬氣，由此制成高壓放電燈。
可以確認(rèn)，與通常沒有內(nèi)壁涂層的放電燈相比，按照本實(shí)施例的高壓放電燈的使用壽命延長了30—100％。
此外，由于氮化鋁涂層具有高導(dǎo)熱率特性，使石英玻璃管殼的溫度分布變得均勻，因而燈在水平點(diǎn)亮?xí)r電弧彎折減少。
封入高壓放電燈內(nèi)的物質(zhì)除了上面提到的以外，還可以包括多種稀土碘化物或其他的金屬碘化物。
本發(fā)明還發(fā)現(xiàn)可用于高壓鈉放電燈。
與此同時(shí)，關(guān)于本發(fā)明有效的原因有下面這些由于這樣來選擇和堆疊多種材料，使得各組成層的熱膨脹系數(shù)按從低層向高層的次序遞增，因而在一很寬的溫度范圍內(nèi)可以獲得穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)；采用耐腐蝕能力強(qiáng)的氧氮化鋁層作為頂層；以及由于采用具有高導(dǎo)熱率(150W/mK)的氮化鋁層作為中間層，而使放電管殼溫度分布更加均勻。
這樣，除了上述實(shí)施例中的三層涂層外，還可想象出三層涂層中的其他多種組分。
即，高壓放電燈的較長使用壽命也可用這樣的三層涂層來達(dá)到，它的第一層是直接在石英玻璃管殼內(nèi)壁表面上形成的透明電介質(zhì)層，線膨脹系數(shù)范圍為0.8至2ppm/℃；第二層是在第一層上形成的透明電介質(zhì)層，線膨脹系數(shù)范圍為2至5ppm/℃；以及第三層是在第二層上形成的透明電介質(zhì)層，線膨脹系數(shù)為5至10ppm/℃，如表1所示。順便說說，表1的左邊一列表示在上述實(shí)施例中所描述的每層的材料，中間一列表示在每層材料中觀察到的線膨脹系數(shù)的允許范圍，而右邊一列表示可用來替代左邊一列中提到的材料。
表1
順便說說，在表1中，例如，HfO2＋TiO2是指鉿(Hf)和鈦(Ti)的復(fù)合氧化物，而堇青石(Cordierite)代表2MgO＋2Al2O3＋SiO2，β-鋰輝石(β-Spodumene)代表Li2O＋Al2O3＋4SiO2，SiAlON代表Si—Al—O—N，而富鋁紅柱石(Mullite)代表3Al2O2＋2SiO2。
在顯示不對(duì)稱晶體結(jié)構(gòu)的單晶中，線膨脹系數(shù)隨晶軸的方向而不同，但在這里，在實(shí)際應(yīng)用中考慮線膨脹系數(shù)的平均值。
例如，在氮化鋁(AlN)中，沿a軸方向的線膨脹系數(shù)是4.15ppm/℃，而沿c軸方向的線膨脹系數(shù)是5.27ppm/℃，但對(duì)于多晶，平均值可以認(rèn)為在4.5至4.8ppm/℃的范圍內(nèi)。因此，在表1中，把AlN劃入線膨脹系數(shù)范圍在2至5的材料之中。
用諸如鋁(Al)、鉭(Ta)、鈮(Nb)、釩(V)、鉻(Cr)、鈦(Ti)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、釔(Y)、鈧(Sc)、鎂(Mg)、硅(Si)和鑭(La)系稀土元素等元素形成的各種氧氮化物呈現(xiàn)出不同的線膨脹系數(shù)值，它取決于材料的種類以及氧和氮的組成比，因而可根據(jù)它們各自的值而用在不同的層中。
例如，在SiON的情形下，如果成分接近SiO2，則呈現(xiàn)0.8—2ppm/℃的相應(yīng)于第一層的線膨脹系數(shù)，而如果成分接近Si3N4，則呈現(xiàn)2—5ppm/℃的相應(yīng)于第二層的線膨脹系數(shù)。這樣，劃分為可用于表1第二層材料的SiON具有接近于Si3N4的成分。
例如，假如用尖晶石(spinel)MgAl2O4來替代表1中的氮化鋁，在用諸如鈉(Na)和鋰(Li)等堿金屬作為被封入物質(zhì)的情形下，可以獲得更高的耐蝕性。
雖然在上述實(shí)施例中考慮了一個(gè)三層結(jié)構(gòu)，實(shí)際上，層數(shù)更多的多層結(jié)構(gòu)也是可用的。圖9示出一個(gè)包含六層的涂層的例子。
如圖9所示，六層(hexalayer)涂層是這樣形成的第一層91是HfO2＋TiO2層，與氧化鉭相比，它具有較小的線膨脹系數(shù)，第二層92是氧化鉭層，第三層93是Al2O3＋Nb2O5層，與氮化鋁相比，它具有較小的線膨脹系數(shù)，第四層94是氮化鋁層，第五層95是氧化鋁層，而第六層(頂層)96是MgAl2O4層。用這樣的方式增加層數(shù)，使燈更加耐用。
然而，在上述結(jié)構(gòu)中，制造步驟數(shù)的增加使制造成本較高，因而根據(jù)所要的性能水平來確定層數(shù)是較好的做法。
順便說說，在上述實(shí)施例中是通過采用金屬濺射電極，以反應(yīng)濺射工藝做出涂層中的，但是很顯然，采用包含氧化物或氮化物的濺射電極的濺射工藝也能獲得類似的好處。
此外，雖然濺射工藝是制作涂層的較佳方法，但是從制作涂層的其他工藝(諸如熱-化學(xué)氣相淀積工藝、等離子體化學(xué)氣相淀積工藝、真空淀積工藝以及離子鍍覆工藝)中也能預(yù)期有類似的好處。
在上述實(shí)施例中，以制造高壓放電燈和用于高壓放電燈的放電管殼為例描述了一種按照本發(fā)明制造中空管殼的方法，然而，并不限于這些，例如，這種方法也適用于制造熒光燈的中空管殼?？傊?，只要用濺射工藝能在中空管殼的內(nèi)壁全部或部分地做出涂層，而中空管殼的外形、尺寸、類型、用途等并不重要。
作為按照本發(fā)明形成包括氮化物層和氧氮化物層的多層涂層的一個(gè)例子，已在上面的實(shí)施例中描述了以氧氮化物層作頂層的情形(見圖2和圖4(C))，但多層涂層并不限于這種，而以氮化物層作為頂層的相反的結(jié)構(gòu)也是可以的。在此情形中，包含有在石英玻璃中空管殼內(nèi)壁形成的涂層的高壓放電燈的放電管殼也可按照下述步驟來做在中空管殼的內(nèi)壁上形成一種或多種元素的氧化物層，然后對(duì)形成的氧化物層施以氮化處理，以把有關(guān)氧化物層的全部或部分改變?yōu)檠醯飳?。作為又一個(gè)例子，例如，還可具體考慮下述步驟在所述中空管殼的內(nèi)壁上形成一層預(yù)定金屬層，然后對(duì)形成的金屬層進(jìn)行氧氮化處理以把全部或部分有關(guān)金屬層改變?yōu)檠醯飳印?br> 在上述實(shí)施例中，描述了這樣一對(duì)濺射電極10的情形，即制造電極所用的材料中包含了與在石英玻璃管殼1的內(nèi)壁上要形成的涂層中所含的相同元素，但濺射電極的成分并不限于這樣，它還可以用圖10所示的結(jié)構(gòu)，即在一對(duì)濺射電極101的頂部設(shè)置了靶102，而在靶中包含了與在中空管殼內(nèi)壁上形成的涂層中所含的相同元素。在此情此下，濺射電極101的材料就不需包含上述的相同元素。
這樣，由于在燈點(diǎn)亮?xí)r防止了石英玻璃管殼的透明消失，因此本發(fā)明能給出一種使用壽命長的高壓放電燈。
又由于不使用陶瓷放電管殼，因此本發(fā)明具有許多好處直線透光度高，可以獲得近似于點(diǎn)光源特性的良好光學(xué)特性，管殼的三維模制成型很容易，因而可節(jié)省成本。
由于利用了氮化鋁涂層導(dǎo)熱率高的優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明還具有使放電管殼溫度分布均勻而減少熱對(duì)流這樣一個(gè)好處，由此減少了電弧彎折。
權(quán)利要求
1.一種高壓放電燈，其特征在于包括包含一種或數(shù)種元素的至少一層氧氮化物構(gòu)成的涂層，該涂層位于石英玻璃中空管殼的內(nèi)壁上，在管殼內(nèi)封入了惰性氣體和一種或數(shù)種金屬或者一種或數(shù)種金屬鹵化物。
2.如權(quán)利要求1所述的高壓放電燈，其特征在于，所述一種或數(shù)種元素從下述元素中選取鋁(Al)、鉭(Ta)、鈮(Nb)、釩(V)、鉻(Cr)、鈦(Ti)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、釔(Y)、鈧(Sc)、鎂(Mg)、硅(Si)和鑭(La)系稀土元素。
3.如權(quán)利要求1所述的高壓放電燈，其特征在于，所述涂層至少包括氧氮化鋁層。
4.如權(quán)利要求3所述的高壓放電燈，其特征在于，所述氧氮化鋁層包含硅(Si)、鎂(Mg)和釔(Y)。
5.如權(quán)利要求1所述的高壓放電燈，其特征在于，當(dāng)所述涂層由多層構(gòu)成時(shí)，這些層至少包括一層氮化物層和一層氧氮化物層，形成氧氮化物層的元素與形成氮化物層的元素相同。
6.如權(quán)利要求1所述的高壓放電燈，其特征在于，所述中空管殼是一放電管殼，并設(shè)置有突向放電管殼內(nèi)部的電極。
7.如權(quán)利要求1所述的高壓放電燈，其特征在于，所述中空管殼是放電管殼，在放電燈內(nèi)部不設(shè)置電極，而是在從放電管外部提供的微波或高頻電磁波的作用下產(chǎn)生激發(fā)發(fā)光。
8.如權(quán)利要求1所述的高壓放電燈，其特征在于，所述中空管殼端部內(nèi)壁的石英玻璃處于露出狀態(tài)。
9.一種制造中空管殼的方法，其特征在于包括下述步驟從一預(yù)定的中空管殼兩端的開口處插入一對(duì)濺射電極，該電極所含的元素與要在中空管殼內(nèi)壁上形成的涂層所含的元素相同；用這樣的方式來固定所述的一對(duì)濺射電極，使得這對(duì)相向放置的所述電極的頂部之間的距離保持相隔一預(yù)定的距離；以及在濺射工藝中，通過在已固定的所述濺射電極之間施加直流電壓或高頻電壓并產(chǎn)生輝光放電，在所述中空管殼的全部或部分內(nèi)壁上形成所述涂層。
10.一種制造中空管殼的方法，其特征在于包括下述步驟從一預(yù)定的中空管殼兩端的開口處插入一對(duì)濺射電極，在電極的頂部設(shè)置有靶，該靶所含的元素與要在中空管殼內(nèi)壁上形成的涂層所含的元素相同；用這樣的方式來固定所述的一對(duì)濺射電極，使得這對(duì)相向放置的所述濺射電極的頂部之間的距離保持相隔一預(yù)定的距離；以及在濺射工藝中，通過在已固定的所述濺射電極之間施加直流電壓或高頻電壓并產(chǎn)生輝光放電，在所述中空管殼的全部或部分內(nèi)壁上形成所述涂層。
11.如權(quán)利要求9或10所述的一種制造中空管殼的方法，其特征在于，所述中空管殼的所述內(nèi)壁部分是指除去接近所述開口的內(nèi)壁部分之外的全部或部分的內(nèi)壁部分。
12.如權(quán)利要求9所述的一種制造中空管殼的方法，其特征在于，把所述濺射電極的頂部做成非平面形狀。
13.如權(quán)利要求10所述的一種制造中空管殼的方法，其特征在于，把所述靶的頂部做成非平面形狀。
14.一種制造高壓放電燈的放電管殼的方法，其中，要在石英玻璃中空管殼的內(nèi)壁形成一預(yù)定的涂層，其特征在于，包括下述步驟在中空管殼的內(nèi)壁上形成一種或數(shù)種元素的氮化物層；以及然后對(duì)已形成的氮化物層作氧化處理，由此把全部或部分的氮化物層改變?yōu)檠醯飳印?br> 15.一種制造高壓放電燈的放電管殼的方法，其中，要在石英玻璃中空管殼的內(nèi)壁形成一預(yù)定的涂層，其特征在于，包括下述步驟在中空管殼的內(nèi)壁上形成一種或數(shù)種元素的氧化物層；以及然后對(duì)已形成的氧化物層作氮化處理，由此把全部或部分的氧化物層改變?yōu)檠醯飳印?br> 16.一種制造高壓放電燈的放電管殼的方法，其中，要在石英玻璃中空管殼的內(nèi)壁形成一預(yù)定的涂層，其特征在于，包括下述步驟在中空管殼的內(nèi)壁上形成一預(yù)定的金屬層；以及然后對(duì)已形成的金屬層作氧氮化處理，由此把全部或部分的金屬層改變?yōu)檠醯飳印?br> 17.一種包含一涂層的高壓放電燈，其特征在于，該涂層至少包括一第一透明電介質(zhì)層，它在石英玻璃中空管殼的內(nèi)壁上形成，具有范圍為0.8至2ppm/℃的線膨脹系數(shù)，在石英玻璃管殼內(nèi)封有惰性氣體和一種或數(shù)種金屬或者一種或數(shù)種金屬鹵化物；一第二透明電介質(zhì)層，它在第一層上形成，具有范圍2至5ppm/℃的線膨脹系數(shù)；以及一第三透明電介質(zhì)層，它在第二層上形成，具有范圍5至10ppm/℃的線膨脹系數(shù)。
18.如權(quán)利要求17所述的一種高壓放電燈，其特征在于，所述涂層的頂層是氧氮化物層。
全文摘要
高壓放電燈透明消失的主要原因是被封入管殼內(nèi)的物質(zhì)與石英玻璃管殼起了反應(yīng)。本發(fā)明的目的是通過防止這一現(xiàn)象使高壓放電燈有更長的使用壽命。通過形成一層或數(shù)層氧氮化物層來制造一涂層，元素從鋁、鉭、鈮、釩、鉻、鈦、鋯、鉿、釔、鈧、鎂、硅和鑭系稀土元素中選取。例如，通過在濺射電極間施加高頻電磁波并產(chǎn)生輝光放電，在所述中空管殼內(nèi)壁形成由氧氮化鋁層和氮化鋁層構(gòu)成的耐用涂層，由此延長高壓放電燈的使用壽命。
文檔編號(hào)C23C14/34GK1119786SQ95109568
公開日1996年4月3日 申請(qǐng)日期1995年9月28日 優(yōu)先權(quán)日1994年9月28日
發(fā)明者藤井謙一, 竹田守 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社