高壓放電燈、製造高壓放電燈放電管殼與中空管殼的方法

2023-06-11 02:42:01 2

專利名稱：高壓放電燈、製造高壓放電燈放電管殼與中空管殼的方法
技術領域：
本發明涉及作普通照明或投影顯示用的高壓放電燈、製造高壓放電燈用的放電管殼的方法和製造中空管殼的方法。
以往，石英玻璃部件(包含幾乎100％的SiO2)常被用於金屬滷化物放電燈。
然而，石英玻璃材料的缺點是當燈的照明時間增加時，石英玻璃容易與封在燈內的高壓氣體起反應，從而不可避免地降低透光率；石英玻璃的導熱率很低(約0.9W/mK)，這就不能使熱量分布均勻；等等。
此外，還出現這樣一個問題，即由上述非均勻溫度分布造成的內部熱對流引起大曲率放電電弧。
這樣，就得考慮防範措施，即在石英玻璃放電管殼的內壁敷以由單層或多層的氧化鋁塗層、氧化鉭塗層或其他塗層組成的保護層(例如，美國專利NO.5270615說明書)。
然而，在通常的放電管殼中，這種措施有一個缺點，即高溫時實際應用的氧化物塗層的耐蝕性不夠強。
即，當燈點亮時，由於在約1000℃的高溫下能覺察出封在燈內的稀土金屬滷化物與氧化物塗層起反應，因此可以說，上面提到的通常的防範描施對於防止透明消失的作用仍然不夠充分。
還有，由於用氧化物塗層作為保護塗層，其不足之處在於不能對放電管殼的熱均勻起到作用。
另一方面，作為另一種防範措施，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於陶瓷耐蝕性強，因而防止了透明消失；由於陶瓷導熱率高，因而均勻了放電管殼內的溫度分布；以及還改進了熱負荷特性(例如，日本特許公報NO.87938/1993)。
然而，上面提到的陶瓷放電管殼有這樣一些缺點不能忽視陶瓷管殼與端面密封部分的腐蝕；由於陶瓷燒結物等的粒間反射(inter-granular reflection)導致直線透光度下降，使其特性偏離理想點光源的特性，從而使它無法實際應用。
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，它的成本很高並且需要複雜的加工工藝。
為解決上述通常碰到的問題，本發明的一個目的的是得到一種高壓放電燈，在它的放電管殼的內壁採用比通常的氧化物塗層更耐久的氧氮化物塗層，從而使這种放電燈能更有效地防止透明消失並具有以前更長的放電燈使用壽命。
同時，石英玻璃的線膨脹係數特別小(0.54ppm/℃)。即使氧化鋁(7—8ppm/℃)或具有大的線膨脹係數的其他金屬氧化物作為耐蝕性塗層直接在石英玻璃上形成，但在燈工作時為高溫(最高約1000℃)和燈熄滅時為室溫的動態機械應力的反覆作用下，內壁塗層會龜裂和剝落，因而從實際的觀點來看，至少還沒有實現一種真正耐用的結構。
上述NO.5270615美國專利企圖通過採用熱膨脹係數範圍為1至4ppm/℃的氧化物塗層作為下面的塗層來解決上述問題，但這仍然不夠。這樣，本發明的另一個目的是提供一種新的塗層結構，它在實際應用中更加耐用，這要對保護層的每一組成層實際的線膨脹係數加以考慮。
本發明的高壓放電燈包括由一種或數據元素的至少一層氧氮化物構成的塗層，該塗層塗覆在石英玻璃中空管殼的內壁上，在管殼內封入了惰性氣體和一種或數種金屬或者一種或數種金屬滷化物。
一種或數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)、矽(Si)和鑭(La)系稀土元素。
塗層最好至少包括氧氮化鋁層。
氧氮化鋁層最好包含矽、鎂或釔。
當塗層由多層構成時，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，並設置有突向放電管殼內部的電極。
最好中空管殼是放電管殼，在放電燈內部不設置電極，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生激發發光。
中空管殼端部處內壁的石英玻璃最好處於露出狀態。
一種製造本發明的中空管殼的方法包括下述步驟從一預定的中空管殼兩端的開口處插入一對濺射電極，該電極所含的元素與要在中空管殼內壁上形成的塗層所含的元素相同；用這樣的方式來固定濺射電極，使得一對相向放置的濺射電極的頂部之間的距離保持相隔一預定的距離；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並產生輝光放電，在中空管殼的全部或部分內壁上形成塗層。
一種製造本發明的中空管殼的方法包括下述步驟從一預定的中空管殼兩端的開口處插入一對濺射電極，在電極的頂部設置有靶，該靶所含的元素與要在中空管殼內壁上形成的塗層所含的元素相同；用這樣的方式固定濺射電極，使得這對相向放置的濺射電極的頂部之間的距離保持相隔一預定的距離；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並產生輝光放電，在中空管殼的全部或部分內壁上形成塗層。
中空管殼內壁部分最好指的是除去接近開口的內壁之外的全部或部分內壁。
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。
一種製造本發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壁形成一預定的塗層)的方法包括下述步驟在中空管殼的內壁上形成一種或數種元素的氮化物層；以及然後對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為氧氮化物層。
一種製造本發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壁形成一預定的塗層)的方法包括下述步驟在中空管殼的內壁形成一種或數種元素的氧化物層；以及然後對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為氧氮化物層。
一種製造本發明的高壓放電燈(其中，要在石英玻璃中空管殼內壁形成預定的塗層)的方法包括下述步驟在中空管殼的內壁上形成一層預定金屬層；以及然後對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為氧氮化物層。
一種本發明的包含一塗層的高壓放電燈，該塗層至少包括一第一透明電介質層，它在石英玻璃中空管殼的內壁上形成，具有範圍為0.8至2ppm/℃的線膨脹係數，在石英玻璃管殼內封有惰性氣體和一種或數種金屬或者一種或數種金屬滷化物；
一第二透明電介質層，它在第一層上形成，具有範圍為2至5ppm/℃的線膨脹係數；以及一第三透明電介質層，它在第二層上形成，具有範圍為5至10ppm/℃的線膨脹係數。
塗層的頂層最好是氧氮化物層。
根據本發明專利申請，由於在高壓放電燈工作環境下，在放電管殼的內表面上獲得一種比以前用的塗層更耐腐蝕的氧氮化物層結構，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，採用根據本發明專利申請的製造方法可以使濺射塗層的均勻性提高和附著力增強，從而與以前相比更不容易發生塗層剝落。


圖1是按照本發明一個實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是按照本發明的一個實施例製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的內壁上形成氮化物層81的步驟；圖4(B)示出對在圖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的表面部分改變為氧氮化物82的步驟；圖5是按照本發明另一實施例的高壓放電燈的剖面圖，該燈是這樣構造的，使得在鎢電極2的根部51處露出石英玻璃；圖6示出按照本發明一個實施例的製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是按照本發明另一實施例的石英玻璃管殼和在其內壁上形成的塗層的剖面圖，用以示出三層塗層的構造，它相應於圖1沿A-B線取的局部放大剖面圖；圖9是按照本發明另一實施例的石英玻璃管殼和在其內壁上形成的塗層的剖面圖，用以示出六層塗層的構造，它相應於圖1沿A-B線取的局部放大剖面圖；以及圖10示出按照本發明另一個實施例的製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明的高壓放電燈；製造高壓放電燈的放電管殼的方法；以及製造中空管殼的方法。
圖1是按照本發明一個實施例的高壓放電燈的剖面圖，而本實施例的組成將結合圖1加以描述。
順便說說，把在中空管殼內壁的表面上形成的多個疊層總稱為塗層(coating)。即，這裡所稱的塗層通常包括許多層。因此，在一些情形中稱多層(multi-layer)塗層而不簡稱塗層。然而，當只形成一層時，上述塗層意思就指該層本身。這樣，與上述多層塗層相對照，可將它稱為單層(mono layer)塗層。
另一力面，例如，對於構成一塗層的每層的編號可以這樣來做，從而把在高壓放電燈的石英玻璃管殼1內壁表面上形成的層設定為第一層，並把在第一層表面上形成的層設定為第二層。即按每一層離開中空管殼內壁遞增的次序來編號。
在圖1中，標號1代表石英玻璃管殼，在其內相向地設置鎢電極2，而在靠近每個鎢電極頂部的地方都有一根盤繞鎢絲5。
標號3、4和6分別代表鉬片、鉬電極以及在石英玻璃管殼1上形成的內壁塗層。下面將述及此內壁塗層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，將圍繞其結構來描述按照本發明一個實施例製造高壓放電燈的放電管殼的方法。圖3是按照本發明一個實施例製造高壓放電燈的放電管殼的方法中採用的濺射裝置圖。
如圖2所示，在把鎢電極2封入石英玻璃管殼1之前的製造步驟中形成塗層，該塗層包括兩層，一層是氮化鋁層7，一層是氧氮化鋁層8(以後也稱為雙層(bilayer)塗層)。
因此，在形成這一雙層塗層時，用以封入金屬和金屬滷化物的側管16仍然保留著。這是因為在後面的製造步驟中必須用此側管。
另一方面，本實施例與通常結構的不同之處在於，構成濺射電極10的材料中包含要在石英玻璃管殼1的內壁上形成的塗層中所含的元素。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，這在以前是分開製作的。
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時都採用金屬鋁(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，並採用O型密封圈17作真空密封。
用這種方法插入，使一個電極的頂部與另一個電極的頂部相向的一對濺射電極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定為4.4mm。
一高頻電源13通過匹配裝置14與這一對濺射電極10相連。
標號12代表一由鋁板構成的散熱板，用以防止濺射時靶的溫度升高。在本實施例的情形下，如上所述，由於濺射電極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)以及內壁等離子體清洗氣體(四氟化碳，CF4)。
配置的磁鐵11產生與電場平行的磁場，可以提高濺射速度，但不總是需要它。
側管16與帶有一用作主要抽氣泵的渦輪分子泵的抽氣系統相連。具有500KHz頻率與250W最大功率的某些型號的電源可用作高頻電源13。
當詳細地進一步描述具有雙層塗層(一層是氮化鋁層，一層是氧氮化鋁層)的高壓放電燈時，將更詳細地描述它的製造方法的一個實施例。
如圖3所示，從位於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，並抽至5×10-4Pa的高真空。
然後，通入3.1秒立方釐米(sccm)的氬氣，通入1.4sccm的氮氣，並採用高頻電源13加上20W的高頻電磁波。
然後，通入3.1sccm的氬氣，通入0.9sccm的氮氣，通入0.5sccm的氧氣，並加上20W的高頻電磁波。
濺射放電時間是這樣設定的，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。
然後，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，由此製成高壓放電燈。
這裡，把高壓放電燈的屏幕照度降低到初始值的一半所經歷的時間定義為該高壓放電燈的有效使用壽命。這樣，可以確認，用本方法製成的高壓放電燈與沒有內壁塗層的高壓放電燈相比，有效使用壽命可延長30％以上。
僅由氧化鋁構成的單層內壁塗層與由第一層氮化鋁和第二層氧化鋁構成的雙層(多層)內壁塗層的測試結果如下有這兩種塗層的燈的使用壽命比沒有內壁塗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。這一結果顯示，氧氮化物層對於延長使用壽命起著極為重要的作用。
然後，在高壓放電燈點亮1000小時後，測量管壁的直線透光度。
根據沿管壁圓周方向10個點作測量而得的平均結果，單層氧化物塗層的點線透光率為53％，單層氮化物塗層為49％，而單層氧氮化物塗層為77％。
在此情形下，用氦-氖(He-Ne)雷射器(波長為6328)作測量光源。
這樣，一層氧氮化物層(塗層)肯定比一層氧化物層(塗層)或一層氮化物層(塗層)呈現出長得多的使用壽命。
此外，由於氮化鋁層(塗層)的高導熱率的特性，石英玻璃管殼1的溫度分布變得更加均勻，從而在水平點亮燈時，電弧彎折減少。在本實施例中，在水平點亮燈時，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壁沒有塗層形成，則在頂部中央為818℃，而在底部中央為786℃，呈現出32℃的大溫差。順便說說，燈的輸出都是250W。由此還發現，氧氮化物層在使中空管殼內壁溫度均勻方面發揮了極好的作用。
順便說說，雖然在上述實施例中採用了高純度(純度為99.999％)的金屬鋁作濺射電極10，但是在鋁中加入矽、釔、鎂等構成的鋁合金也可用作濺射電極。
作為另一個實施例，採用包含2wt％(重量百分比)的矽(Si)的鋁合金做成濺射電極，製成了石英玻璃管殼的內壁敷以氧氮化物層的高壓放電燈。採用這樣的結構，放電燈的使用壽命要比上述採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可以包括各種稀土碘化物或其他金屬碘化物。此外，本發明還可用於高壓鈉放電燈。
與此同時，關於本發明有效的原因可以提到下面這些採用耐蝕性強的氧氮化鋁層作為在管殼內壁形成的塗層的頂層；採用氮化鋁作為下面塗層的第一層，用它可以改善氧氮化鋁頂層的塗敷質量；等等。
如果塗層按上述方法構成，即可獲得極大的好處，即在形成每一層時不必改變濺射電極(它也用作濺射靶)，只要切換從進氣口15將被引入石英玻璃管殼1內的一種氣體的設置就能製得雙層塗層(見圖3)。
在上述實施例中，採用氧氮化鋁層作為頂層，實際上也可考慮除鋁之外的許多其他金屬的氧氮化物。
例如，採用從鉭(Ta)、鈮(Nb)、釩(V)、鉻(Cr)、鈦(Ti)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、釔(Y)、鈧(Sc)、鎂(Mg)、矽(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，可以構造出單層或多層塗層，而且不用說，塗層中除了氧氮物層之外還可包括其他層。
就成分而言，塗層可以是單層、雙層、三層和包括四層或更多層的多層塗層，或者可以是一種所謂的成分有梯度的材料塗層(com-positionally gradient material coating)，在這種塗層中，其成分從底層至頂層逐漸改變。
順便說說，不用說，如果是單層塗層，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的內壁上構成薄塗層。
此外，每層的厚度不限於上面的實施例中所示的值，而例如，氧氮化鋁層的厚度可以在200至5000的範圍內選擇。
本發明的優點在於用氧氮化物層作內壁塗層要優於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(例如，氮化鋁的熔點是2800℃，而氧化鋁的熔點是2054℃)，因此從在高溫環境下應用的觀點來看，以採用氮化物層為好。
此外，氮化物層的熱膨脹係數較低(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塗層要比氧化物層有利。
另一方面，氮化物層的缺點有抗氧化能力不足以及由於升華而造成的高蒸氣壓。通過製作氧氮化物層，就能製得兼有兩種薄層的優點的高溫耐蝕性極好的層。
順便說說，在上述實施例中，塗層是採用金屬濺射電極10以反應濺射工藝做出的，但很顯然，在濺射工藝中採用包含氧氮化物、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-化學氣相澱積(thermo－CVD)工藝、等離子體化學氣相澱積(plasmaCVD)工藝、真空澱積工藝和離子塗敷(ion plating)工藝等工藝製作。
氧氮化物層也能這樣製成，即首先製成氮化物層，然後再對氮化物層採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，首先製成氧化物層，然後再採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)所示的內容相應於氧氮化物層製作過程的一個例子，它先做成氮化物層，然後再採用氧化處理方法。即，上述附圖表示出一個例子，對首先做出的氮化物81進行上述的氧化處理(見圖4(A)和4(B))，再將氮化物層81的表面部分變為氧氮化物層82(見圖4(C))。順便說說，另一個把首先做出的整個氮化物層81改變為氧氮化物層82的例子當然也是允許的。圖4(B)中的標號80代表用於氧化處理的氧離子。
此外，在做出一金屬層之後，允許在熱處理或等離子體處理中獲得一層氧氮化物層。
當採用圖3所示的裝置進行濺射時，僅在內壁的這樣一個區域生成濺射塗層，該區域面向石英玻璃管殼1內壁上一對濺射電極10之間的空間。並且，從實驗可以確認，在相應於在後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處的內壁)難以生成塗層。
為利用這一現象，通過調節濺射電極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處於暴露狀態。圖5的結構圖示出在整個內壁表面澱積一保護塗層的情況，每根鎢電極2的根部51在結構上與圖1的燈不同。
在圖5所示的結構中，透明消失現象(它是由封入石英玻璃管殼1的物質與石英玻璃起反應而造成的)有選擇地發生在上述故意做出的沒有保護塗層的部分，而在有保護塗層的區域，透明消失現象減慢。
因為每根鎢電極2的根部即使透明消失也對實際應用影響不大，按照本發明的這種製造方法能有效地防止燈的主要部分發生透明消失(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，塗層厚度的均勻性對於薄的光學塗層而言很重要。與示於圖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壁塗層厚度的均勻性。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，通過優化濺射條件(諸如一對濺射電極10的頂部形狀、頂部之間的距離以及氣體流量)，層厚度的均勻度或塗層厚度的分布可保持在±10％之內。
順便說說，每根濺射電極的頂部應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，將導致塗層厚度的分布變壞。
在上述實施例中，描述了具有鎢電極2的被稱為有電極型HID燈，但本發明不限於這種類型的燈，例如，它還可用於如圖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而發光。在這種情形中也能獲得類似的效果。在圖7中，標號32、30和31分別表示外部提供的高頻電源，用以激發高壓放電燈內的光發射；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壁表面上有三層(tri-layer)塗層的又一個實施例，第一層是線膨脹係數範圍在0.8至2ppm/℃的透明電介質層；第二層是線膨脹係數範圍在2至5ppm/℃的透明電介質質層；而第三層是線膨脹係數範圍在5至10ppm/℃的透明電介質層(見圖8)。
如圖3所示，把一對鉭(Ta)金屬(純度為99.999％)濺射電極10插入石英玻璃放電管殼，並抽至5×10-4Pa的高真空。
然後，通入2.4sccm的氬氣和1sccm的氧氣，並施加15W高頻電磁波。
然後，用鋁(純度為99.999％)濺射電極替換鉭金屬濺射電極，並抽至5×10-4pa的高真空。
然後，通入2.4sccm的氬氣和1sccm的氧氣，並施加15W高頻電磁波。
然後，保持濺射電極不動，通入2.4sccm的氬氣、0.3sccm的氧氣和0.7sccm的氮氣，並施加15W高頻電磁波。
這樣來設置濺射放電時間，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)。
然後，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，由此製成高壓放電燈。
可以確認，與通常沒有內壁塗層的放電燈相比，按照本實施例的高壓放電燈的使用壽命延長了30—100％。
此外，由於氮化鋁塗層具有高導熱率特性，使石英玻璃管殼的溫度分布變得均勻，因而燈在水平點亮時電弧彎折減少。
封入高壓放電燈內的物質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。
本發明還發現可用於高壓鈉放電燈。
與此同時，關於本發明有效的原因有下面這些由於這樣來選擇和堆疊多種材料，使得各組成層的熱膨脹係數按從低層向高層的次序遞增，因而在一很寬的溫度範圍內可以獲得穩定的結構；採用耐腐蝕能力強的氧氮化鋁層作為頂層；以及由於採用具有高導熱率(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，除了上述實施例中的三層塗層外，還可想像出三層塗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塗層來達到，它的第一層是直接在石英玻璃管殼內壁表面上形成的透明電介質層，線膨脹係數範圍為0.8至2ppm/℃；第二層是在第一層上形成的透明電介質層，線膨脹係數範圍為2至5ppm/℃；以及第三層是在第二層上形成的透明電介質層，線膨脹係數為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係數的允許範圍，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)的複合氧化物，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。
在顯示不對稱晶體結構的單晶中，線膨脹係數隨晶軸的方向而不同，但在這裡，在實際應用中考慮線膨脹係數的平均值。
例如，在氮化鋁(AlN)中，沿a軸方向的線膨脹係數是4.15ppm/℃，而沿c軸方向的線膨脹係數是5.27ppm/℃，但對於多晶，平均值可以認為在4.5至4.8ppm/℃的範圍內。因此，在表1中，把AlN劃入線膨脹係數範圍在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)、矽(Si)和鑭(La)系稀土元素等元素形成的各種氧氮化物呈現出不同的線膨脹係數值，它取決於材料的種類以及氧和氮的組成比，因而可根據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0.8—2ppm/℃的相應於第一層的線膨脹係數，而如果成分接近Si3N4，則呈現2—5ppm/℃的相應於第二層的線膨脹係數。這樣，劃分為可用於表1第二層材料的SiON具有接近於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)等鹼金屬作為被封入物質的情形下，可以獲得更高的耐蝕性。
雖然在上述實施例中考慮了一個三層結構，實際上，層數更多的多層結構也是可用的。圖9示出一個包含六層的塗層的例子。
如圖9所示，六層(hexalayer)塗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係數，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係數，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，使燈更加耐用。
然而，在上述結構中，製造步驟數的增加使製造成本較高，因而根據所要的性能水平來確定層數是較好的做法。
順便說說，在上述實施例中是通過採用金屬濺射電極，以反應濺射工藝做出塗層中的，但是很顯然，採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，雖然濺射工藝是製作塗層的較佳方法，但是從製作塗層的其他工藝(諸如熱-化學氣相澱積工藝、等離子體化學氣相澱積工藝、真空澱積工藝以及離子鍍覆工藝)中也能預期有類似的好處。
在上述實施例中，以製造高壓放電燈和用於高壓放電燈的放電管殼為例描述了一種按照本發明製造中空管殼的方法，然而，並不限於這些，例如，這種方法也適用於製造螢光燈的中空管殼。總之，只要用濺射工藝能在中空管殼的內壁全部或部分地做出塗層，而中空管殼的外形、尺寸、類型、用途等並不重要。
作為按照本發明形成包括氮化物層和氧氮化物層的多層塗層的一個例子，已在上面的實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))，但多層塗層並不限於這種，而以氮化物層作為頂層的相反的結構也是可以的。在此情形中，包含有在石英玻璃中空管殼內壁形成的塗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壁上形成一種或多種元素的氧化物層，然後對形成的氧化物層施以氮化處理，以把有關氧化物層的全部或部分改變為氧氮化物層。作為又一個例子，例如，還可具體考慮下述步驟在所述中空管殼的內壁上形成一層預定金屬層，然後對形成的金屬層進行氧氮化處理以把全部或部分有關金屬層改變為氧氮化物層。
在上述實施例中，描述了這樣一對濺射電極10的情形，即製造電極所用的材料中包含了與在石英玻璃管殼1的內壁上要形成的塗層中所含的相同元素，但濺射電極的成分並不限於這樣，它還可以用圖10所示的結構，即在一對濺射電極101的頂部設置了靶102，而在靶中包含了與在中空管殼內壁上形成的塗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，由於在燈點亮時防止了石英玻璃管殼的透明消失，因此本發明能給出一種使用壽命長的高壓放電燈。
又由於不使用陶瓷放電管殼，因此本發明具有許多好處直線透光度高，可以獲得近似於點光源特性的良好光學特性，管殼的三維模製成型很容易，因而可節省成本。
由於利用了氮化鋁塗層導熱率高的優點，本發明還具有使放電管殼溫度分布均勻而減少熱對流這樣一個好處，由此減少了電弧彎折。
權利要求
1.一種高壓放電燈，其特徵在於包括包含一種或數種元素的至少一層氧氮化物構成的塗層，該塗層位於石英玻璃中空管殼的內壁上，在管殼內封入了惰性氣體和一種或數種金屬或者一種或數種金屬滷化物。
2.如權利要求1所述的高壓放電燈，其特徵在於，所述一種或數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)、矽(Si)和鑭(La)系稀土元素。
3.如權利要求1所述的高壓放電燈，其特徵在於，所述塗層至少包括氧氮化鋁層。
4.如權利要求3所述的高壓放電燈，其特徵在於，所述氧氮化鋁層包含矽(Si)、鎂(Mg)和釔(Y)。
5.如權利要求1所述的高壓放電燈，其特徵在於，當所述塗層由多層構成時，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.如權利要求1所述的高壓放電燈，其特徵在於，所述中空管殼是一放電管殼，並設置有突向放電管殼內部的電極。
7.如權利要求1所述的高壓放電燈，其特徵在於，所述中空管殼是放電管殼，在放電燈內部不設置電極，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生激發發光。
8.如權利要求1所述的高壓放電燈，其特徵在於，所述中空管殼端部內壁的石英玻璃處於露出狀態。
9.一種製造中空管殼的方法，其特徵在於包括下述步驟從一預定的中空管殼兩端的開口處插入一對濺射電極，該電極所含的元素與要在中空管殼內壁上形成的塗層所含的元素相同；用這樣的方式來固定所述的一對濺射電極，使得這對相向放置的所述電極的頂部之間的距離保持相隔一預定的距離；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並產生輝光放電，在所述中空管殼的全部或部分內壁上形成所述塗層。
10.一種製造中空管殼的方法，其特徵在於包括下述步驟從一預定的中空管殼兩端的開口處插入一對濺射電極，在電極的頂部設置有靶，該靶所含的元素與要在中空管殼內壁上形成的塗層所含的元素相同；用這樣的方式來固定所述的一對濺射電極，使得這對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並產生輝光放電，在所述中空管殼的全部或部分內壁上形成所述塗層。
11.如權利要求9或10所述的一種製造中空管殼的方法，其特徵在於，所述中空管殼的所述內壁部分是指除去接近所述開口的內壁部分之外的全部或部分的內壁部分。
12.如權利要求9所述的一種製造中空管殼的方法，其特徵在於，把所述濺射電極的頂部做成非平面形狀。
13.如權利要求10所述的一種製造中空管殼的方法，其特徵在於，把所述靶的頂部做成非平面形狀。
14.一種製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壁形成一預定的塗層，其特徵在於，包括下述步驟在中空管殼的內壁上形成一種或數種元素的氮化物層；以及然後對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為氧氮化物層。
15.一種製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壁形成一預定的塗層，其特徵在於，包括下述步驟在中空管殼的內壁上形成一種或數種元素的氧化物層；以及然後對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為氧氮化物層。
16.一種製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壁形成一預定的塗層，其特徵在於，包括下述步驟在中空管殼的內壁上形成一預定的金屬層；以及然後對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為氧氮化物層。
17.一種包含一塗層的高壓放電燈，其特徵在於，該塗層至少包括一第一透明電介質層，它在石英玻璃中空管殼的內壁上形成，具有範圍為0.8至2ppm/℃的線膨脹係數，在石英玻璃管殼內封有惰性氣體和一種或數種金屬或者一種或數種金屬滷化物；一第二透明電介質層，它在第一層上形成，具有範圍2至5ppm/℃的線膨脹係數；以及一第三透明電介質層，它在第二層上形成，具有範圍5至10ppm/℃的線膨脹係數。
18.如權利要求17所述的一種高壓放電燈，其特徵在於，所述塗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的物質與石英玻璃管殼起了反應。本發明的目的是通過防止這一現象使高壓放電燈有更長的使用壽命。通過形成一層或數層氧氮化物層來製造一塗層，元素從鋁、鉭、鈮、釩、鉻、鈦、鋯、鉿、釔、鈧、鎂、矽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並產生輝光放電，在所述中空管殼內壁形成由氧氮化鋁層和氮化鋁層構成的耐用塗層，由此延長高壓放電燈的使用壽命。
文檔編號C23C14/34GK1119786SQ95109568
公開日1996年4月3日 申請日期1995年9月28日 優先權日1994年9月28日
發明者藤井謙一, 竹田守 申請人:松下電器產業株式會社