電子線励起型光源装置
【課題】 真空容器における容器本体と光透過窓材とが線熱膨張係数差のある異種材料によって構成される場合であっても、これらの接合時にクラックが発生せず、従って、真空容器の真空密閉性が確保される電子線励起型光源装置の提供。
【解決手段】 電子線励起型光源装置は、開口を有する容器本体およびこの開口を封止部によって気密に接合して塞ぐ光透過窓材よりなる真空容器内に、電子線源および半導体発光素子が備えられ、封止部は、互いに主成分が同一である異種のガラスフリットから形成された、光透過窓材に接触される第１のガラス層と、容器本体に接触される第２のガラス層とが積層されてなり、光透過窓材、容器本体、第１のガラス層、第２のガラス層の線熱膨張係数αをα（Ａ０）、α（Ｂ０）、α（Ａ）、α（Ｂ）としたときに、α（Ａ０）＞α（Ｂ０）、α（Ａ０）＞α（Ａ）、α（Ｂ０）＞α（Ｂ）の関係を満足する。
【解決手段】 電子線励起型光源装置は、開口を有する容器本体およびこの開口を封止部によって気密に接合して塞ぐ光透過窓材よりなる真空容器内に、電子線源および半導体発光素子が備えられ、封止部は、互いに主成分が同一である異種のガラスフリットから形成された、光透過窓材に接触される第１のガラス層と、容器本体に接触される第２のガラス層とが積層されてなり、光透過窓材、容器本体、第１のガラス層、第２のガラス層の線熱膨張係数αをα（Ａ０）、α（Ｂ０）、α（Ａ）、α（Ｂ）としたときに、α（Ａ０）＞α（Ｂ０）、α（Ａ０）＞α（Ａ）、α（Ｂ０）＞α（Ｂ）の関係を満足する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空容器内に、電子線源と、この電子線源から放出された電子線によって励起される半導体発光素子とが配置されてなる電子線励起型光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
真空容器内に、電子線源とこの電子線源から放出された電子線によって励起される半導体発光素子とが配置されてなる電子線励起型光源装置が知られている（特許文献１参照）。
また、短波長の紫外線を透過するために光取り出し窓にサファイアを用いることができるという技術が知られており、例えば特許文献２には、放電ランプにおいて、セラミックからなる放電容器の光取り出し窓にサファイアをフリットガラスで封着することが開示されている。
【０００３】
ところで、最近、電子線によって励起されて短波長の紫外光を放射する半導体発光素子の開発が進んでおり、このような半導体発光素子を用いた電子線励起型光源装置が、小型で高出力の紫外光光源として期待されている。
このような電子線励起型光源装置においては、真空容器として、例えば、光透過窓材の材料として紫外線を透過することからサファイアを用い、容器本体の材料として、導電線として用いるコバールメタルとのシール性が良好であることからコバールガラスを用いる要請がある。
然るに、このように容器本体および光透過窓材の材料に線熱膨張係数の異なる材料を使用した場合、ガラスフリットとしてサファイアとコバールガラスの線熱膨張係数の間の線熱膨張係数を有するものを使用しても、焼成に伴う膨張・収縮時に光透過窓材と容器本体のそれぞれの材料の線熱膨張係数差による歪を緩和できずに、コバールガラス側の接合部を起点にクラックが発生する、という問題があった。特に、容器本体の周壁が矩形筒状のものである場合、応力負荷の大きい四隅においてクラックが発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許３６６７１８８号公報
【特許文献２】特表２０１０−５１９７２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、真空容器における容器本体と光透過窓材とが線熱膨張係数差のある異種材料によって構成される場合であっても、これらの接合時にクラックが発生せず、従って、真空容器の真空密閉性が確保される電子線励起型光源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の電子線励起型光源装置は、開口を有する容器本体および当該容器本体の開口を塞ぐ光透過窓材よりなる真空容器内に、電子線源およびこの電子線源からの電子線によって光を放射する半導体発光素子が備えられてなる電子線励起型光源装置において、
前記光透過窓材と前記容器本体とが、封止部によって気密に接合されており、
前記封止部は、当該光透過窓材に接触される第１のガラス層と、当該容器本体に接触される第２のガラス層とが積層されてなり、
前記第１のガラス層および前記第２のガラス層は、主成分が同一である異種のガラスフリットから形成されたものであり、
光透過窓材の線熱膨張係数をα（Ａ０）、容器本体の線熱膨張係数をα（Ｂ０）、第１のガラス層の線熱膨張係数をα（Ａ）、第２のガラス層の線熱膨張係数をα（Ｂ）としたときに、
α（Ａ０）＞α（Ｂ０）、
α（Ａ０）＞α（Ａ）、および、
α（Ｂ０）＞α（Ｂ）の関係を満足することを特徴とする。
【０００７】
本発明の電子線励起型光源装置においては、前記容器本体の周壁が矩形筒状であって、当該周壁の光透過窓材側の上端部における四隅の内面の各々に充填された状態で補強用ガラス部が形成されていることが好ましい。
【０００８】
また、本発明の電子線励起型光源装置においては、前記補強用ガラス部および前記第２のガラス層は、同一のガラスフリットによって、互いに連続して形成されている構成とすることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の電子線励起型光源装置によれば、光透過窓材または容器本体よりも低い線熱膨張係数を有し、かつ、互いに主成分が同一である異種のガラスフリットから形成された第１のガラス層および第２のガラス層が積層されてなる封止部によって光透過窓材と容器本体とが接合されている。このために、容器本体と光透過窓材とが線熱膨張係数差のある異種材料によって構成される場合であっても、封止部によって当該容器本体および当該光透過窓材の線熱膨張係数差による歪を十分に緩和することができるので、これらの接合時にクラックが発生せず、従って、真空容器の真空密閉性が確保される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の電子線励起型光源装置における一例の構成の概略を示す説明図であり、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は、光透過窓材を取り外した状態を示す平面図である。
【図２】図１に示す電子線励起型光源装置の容器本体および光透過窓材の構成の一例を詳細に示す説明用平面図である。
【図３】図２のＸ−Ｘ線断面に係る真空容器の作製時の模式図である。
【図４】図２のＹ−Ｙ線断面の一部に係る真空容器の作製時の模式図である。
【図５】図１に示す電子線励起型光源装置における半導体発光素子の構成を示す説明用断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明について具体的に説明する。
【００１２】
図１は、本発明の電子線励起型光源装置における一例の構成の概略を示す説明図であり、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は、光透過窓材を取り外した状態を示す平面図、図２は、図１に示す電子線励起型光源装置の容器本体および光透過窓材の構成の一例を詳細に示す説明用平面図、図３は、図２のＸ−Ｘ線断面に係る真空容器の作製時の模式図、図４は、図２のＹ−Ｙ線断面の一部に係る真空容器の作製時の模式図である。
この電子線励起型光源装置は、開口を有する容器本体１１および当該容器本体１１の開口を塞ぐ光透過窓材１５よりなる真空容器１０内に、電子線源３０およびこの電子線源３０からの電子線によって光を放射する半導体発光素子２０が備えられてなるものである。
【００１３】
〔真空容器〕
この電子線励起型光源装置の真空容器１０は、内部が負圧の状態で密閉された外形が直方体状のものであり、矩形板状の底壁１１ｂおよび矩形筒状の周壁１１ａが底壁用封止部１１ｃを介して接合された箱状の容器本体１１と、この容器本体１１の周壁１１ａの上端によって形成される開口を塞ぐ板状の光透過窓材１５とが封止部１２によって気密に接合された構成を有する。
容器本体１１と光透過窓材１５とを気密に接合する封止部１２は、光透過窓材１５に接触される第１のガラス層１２ａと、容器本体１１に接触される第２のガラス層１２ｂとが積層されてなるものである。
【００１４】
そして、本発明においては、容器本体１１、光透過窓材１５、第１のガラス層１２ａおよび第２のガラス層１２ｂが、それぞれ、以下の（１）〜（４）の条件を満たす材料からなるものとされる。
（１）容器本体１１および光透過窓材１５を構成する材料が、それぞれ、光透過窓材１５を構成する材料の線熱膨張係数をα（Ａ０）、容器本体１１を構成する材料の線熱膨張係数をα（Ｂ０）としたときに、それぞれ、α（Ａ０）＞α（Ｂ０）の関係を満たすものである。
（２）第１のガラス層１２ａを形成するガラスフリット（以下、「ガラスフリットＡ」ともいう。）および第２のガラス層１２ｂを形成するガラスフリット（以下、「ガラスフリットＢ」ともいう。）が、主成分が同一である異種のガラスフリットである。
（３）ガラスフリットＡが、接触する光透過窓材１５に係るα（Ａ０）よりも線熱膨張係数が小さい、すなわちガラスフリットＡの線熱膨張係数をα（Ａ）としたときに、α（Ａ０）＞α（Ａ）の関係を満足するものである。
（４）ガラスフリットＢが、接触する容器本体１１に係るα（Ｂ０）よりも線熱膨張係数が小さい、すなわちガラスフリットＢの線熱膨張係数をα（Ｂ）としたときに、α（Ｂ０）＞α（Ｂ）の関係を満足するものである。
【００１５】
光透過窓材１５を構成する材料としては、半導体発光素子２０からの光を透過し得るものが用いられ、例えばサファイア（線熱膨張係数α（Ａ０）＝７０×１０-7〜７７×１０-7（１／Ｋ））などが用いられる。
【００１６】
また、容器本体１１を構成する材料としては、コバールガラス（線熱膨張係数α（Ｂ０）＝４５×１０-7〜５２×１０-7（１／Ｋ））などの絶縁物を用いることができる。特に、導電線として用いるコバールメタルとのシール性が良好である線熱膨張係数のコバールガラスを用いることが好ましい。
【００１７】
光透過窓材１５を構成する材料と容器本体１１を構成する材料の組み合わせとしては、サファイア／コバールガラス、サファイア／アルミナなどの組み合わせを挙げることができ、特に、サファイア／コバールガラスの組み合わせが好ましい。
【００１８】
本発明において、主成分が同一である異種のガラスフリットとは、ガラスを構成する主成分（ガラス成分）が同組成であり、かつ、フィラーが互いに異なる成分を有するものをいう。
ガラスフリットＡ，Ｂとしては、それぞれ、例えば、ガラス成分がＰｂＯ、Ｂ2 Ｏ3 である低融点ガラスフリットを用いることができる。
ガラスフリットＡおよびガラスフリットＢの主成分が同一であることにより、これらの間に大きな線熱膨張係数差がある場合であっても、第１のガラス層１２ａおよび第２のガラス層１２ｂの間においてガラス成分が拡散し合って融合する領域が生成されるために、クラックが発生することが抑制される。
【００１９】
α（Ａ）およびα（Ｂ）が、それぞれα（Ａ０）およびα（Ｂ０）よりも小さくされていることにより、容器本体１１と光透過窓材１５との接合時の焼成に伴う膨張・収縮による圧縮応力が第１のガラス層１２ａまたは第２のガラス層１２ｂにかかるために、クラックが発生することが抑制される。
【００２０】
α（Ａ０）とα（Ａ）との差は、具体的には、１×１０-7〜１０×１０-7（１／Ｋ）の範囲にあることが好ましく、また、α（Ｂ０）とα（Ｂ）との差は、具体的には、１×１０-7〜１０×１０-7（１／Ｋ）の範囲にあることが好ましい。
【００２１】
また、α（Ａ）およびα（Ｂ）は、α（Ａ）＞α（Ｂ）の関係を満たすことが好ましいが、α（Ａ）＝α（Ｂ）であってもよい。
【００２２】
封止部１２における第１のガラス層１２ａおよび第２のガラス層１２ｂのそれぞれの塗布量は、第１のガラス層１２ａの塗布量が、第２のガラス層１２ｂの塗布量よりも小さくされている。
このように塗布量の比率が制御されることによって、第１のガラス層１２ａに係るα（Ａ）が容器本体１１の周壁１１ａに係るα（Ｂ０）よりも大きい場合であっても、当該第１のガラス層１２ａが周壁１１ａに接触することが防止されるために、クラックの発生が抑制される。
なお、第２のガラス層１２ｂが光透過窓材１５に接触したとしても、光透過窓材１５のクラックの発生への影響は小さいと考えられる。
第１のガラス層１２ａの塗布量および第２のガラス層１２ｂの塗布量の比率は、真空容器１０の作製時に用いるガラスフリットＡおよびガラスフリットＢの質量比によって制御され、具体的には、ディスペンサ圧、塗布スピード、ペースト粘度などによって制御される。
例えば、ガラスフリットＡとガラスフリットＢの質量比は、１：１．５〜１：３に制御されることが好ましい。
【００２３】
容器本体１１の周壁１１ａおよび底壁１１ｂを接合している底壁用封止部１１ｃの材料としては、例えば、容器本体１１に係るα（Ｂ０）よりも小さい線熱膨張係数を有するものであることが好ましく、具体的には、第２のガラス層１２ｂを構成する材料と同じもの、すなわちガラスフリットＢを使用することができる。
【００２４】
この真空容器１０において、矩形筒状の容器本体１１の周壁１１ａの光透過窓材１５側の上端部における四隅の内面の各々に補強用ガラス部１３が充填された状態で形成されている。
この補強用ガラス部１３は、容器本体１１に係るα（Ｂ０）よりも線熱膨張係数の小さい材料、例えば第２のガラス層１２ｂを形成するガラスフリットＢと同じ材料によって形成されることが好ましく、特に、同一のガラスフリットＢによって、当該第２のガラス層１２ｂに連続して形成されていることが好ましい。
このような補強用ガラス部１３が形成されていることにより、四隅には接合時に焼成に伴う膨張・収縮による圧縮応力が集中するが、当該圧縮応力による歪を十分に緩和することができる。また、真空容器１０の作製時にガラスフリットＡを含む塗布液が垂れて容器本体１１の周壁１１ａに接触することが防止される。
【００２５】
真空容器１０の寸法の一例を挙げると、容器本体１１の外形の寸法が縦４０ｍｍ×横４０ｍｍ×高さ２４ｍｍ、容器本体１１の周壁１１ａの肉厚が２．２ｍｍ、底壁１１ｂの肉厚が３．５ｍｍ、容器本体１１の開口が縦３５．６ｍｍ×横３５．６ｍｍ、底壁用封止部１１ｃの幅が２．２ｍｍ、高さが０．８ｍｍ、光透過窓材１５の寸法が縦４０ｍｍ×横４０ｍｍ×厚み２．５ｍｍ、第１のガラス層１２ａの幅が１．５ｍｍ、高さが０．３ｍｍ、第２のガラス層１２ｂの幅が２．２ｍｍ、高さが０．８ｍｍである。
また、真空容器１０の内部の圧力は、例えば１０-4〜１０-6Ｐａとされる。
【００２６】
〔真空容器の作製方法〕
以上のような真空容器１０は、以下のように作製することができる。
すなわち、まず、第１のガラス層１２ａおよび第２のガラス層１２ｂを形成するガラスフリットＡ，Ｂを、それぞれ、ガラスフリット：ビヒクルが質量比で例えば１０：１となるようビヒクルと混合して塗布剤Ａ，Ｂを調製する。
ビヒクルとしては、例えば、ｎ−ブチルカルビトールアセテートおよびエチルセルロース粉末を、質量比でｎ−ブチルカルビトールアセテート：エチルセルロース粉末＝５００：２３の割合で混ぜたものを用いることができる。
【００２７】
次に、底壁１１ｂの周壁１１ａと接合すべき部分に第２のガラス層１２ｂを形成するガラスフリットＢに係る塗布剤Ｂを塗布して仮焼成を行うことにより、底壁１１ｂの表面に枠状のガラスフリット部１１ｃｘが形成された封止剤付き底壁１０１を作製する。
さらに、周壁１１ａの上端面に第２のガラス層１２ｂを形成するガラスフリットＢに係る塗布剤Ｂを塗布すると共に、図４に示されるように、当該周壁１１ａの上端部における四隅の内面に上端面に塗布したものと連続して当該塗布剤Ｂを塗布して仮焼成を行うことにより、周壁１１ａの上端面に枠状のガラスフリット部１２ｂｘが形成されると共に上端部における四隅の内面に補強用ガラス部１３となるガラスフリット部１３ｘが形成された封止剤付き周壁１０２を作製する。
また、光透過窓材１５の容器本体１１と接合すべき部分に第１のガラス層１２ａを形成するガラスフリットＡに係る塗布剤Ａを塗布して仮焼成を行うことにより、裏面１５Ａに枠状のガラスフリット部１２ａｘが形成された封止剤付き光透過窓材１０３を作製する。
これらの封止剤付き光透過窓材１０３のガラスフリット部１２ａｘと、封止剤付き周壁１０２のガラスフリット部１２ｂｘが接触するよう合わせ、同時に、封止剤付き底壁１０１のガラスフリット部１１ｃｘと周壁１１ａの下端面を合わせて本焼成を行うことにより、真空容器１０を作製することができる。
【００２８】
容器本体１１に係る仮焼成の温度は、例えば４３０〜４５０℃、仮焼成の時間は、例えば１５〜３０分間とされる。
また、光透過窓材１５に係る仮焼成の温度は、例えば４３０〜４５０℃、仮焼成の時間は、例えば１５〜３０分間とされる。
さらに、本焼成の温度は、例えば４５０〜５００℃、本焼成の時間は、例えば１５〜３０分間とされる。
【００２９】
本発明の電子線励起型光源装置は、上記のような真空容器１０内に、電子線源３０およびこの電子線源３０からの電子線によって光を放射する半導体発光素子２０が備えられてなる。
具体的には、真空容器１０内に、半導体発光素子２０が、その表面（図１（ａ）において上面）２０ａが光透過窓材１５に離間して対向するよう配置され、この半導体発光素子２０の周辺領域、具体的には、半導体発光素子２０の表面上の領域および裏面上の領域以外の当該半導体発光素子２０に近接した領域には、支持基板３１上に面状の電子線放出部３２が形成されてなる電子線源３０が、当該半導体発光素子２０を取り囲むよう配置されている。具体的には、電子線源３０は円環状の帯状体よりなり、当該電子線放出部３２における電子線が放出される表面が半導体発光素子２０の表面２０ａと同方向を向いた姿勢すなわち真空容器１０の光透過窓材１５側を向いた姿勢で、半導体発光素子２０を取り囲むよう配置され、この状態で、支持部材３７を介して真空容器１０における容器本体１１の底壁１１ｂに固定されている。半導体発光素子２０および電子線源３０は、真空容器１０の内部から外部に引き出された例えばコバールメタルからなる導電線を介して、真空容器１０の外部に設けられた、加速電圧を印加するための電子加速用電源５０に電気的に接続されている。また、半導体発光素子２０は、その裏面２０ｂ側に設けられた高熱伝導部材１６上に固定されている。
【００３０】
真空容器１０内において、半導体発光素子２０に対して電子線源３０より外方の位置には、電子線源３０から放出された電子線の軌道を半導体発光素子２０における光が放射される表面２０ａに向かって指向させる電界制御用電極４０が配置されている。具体的には、電界制御用電極４０は、電子線源３０の外径より大きい内径を有する胴部４１と、この胴部４１に連続して形成された、先端（図１（ａ）において上端）に向かって小径となるテーパ部４２とよりなる円筒体よりなり、電子線源３０の外周を取り囲むよう配置されており、当該電界制御用電極４０の基端が、真空容器１０における容器本体１１の底壁に固定されている。電子線源３０および電界制御用電極４０は、真空容器１０の内部から外部に引き出された例えばＮｉ−Ｆｅ合金からなる導電線を介して、真空容器１０の外部に設けられた電界制御用電源５２に、電子線源３０が正極、電界制御用電極４０が負極となるよう電気的に接続されている。
【００３１】
高熱伝導部材１６を構成する材料としては、銅などの熱伝導性の高い金属やダイヤモンドなどを用いることができる。
【００３２】
半導体発光素子２０は、図５に示すように、例えばサファイアよりなる基板２１と、この基板２１の一面上に形成された例えばＡｌＮよりなるバッファ層２２と、このバッファ層２２の一面上に形成された、単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を有する活性層２５とにより構成されている。
この例における半導体発光素子２０は、活性層２５が真空容器１０における光透過窓材１５に対向した状態で、基板２１が高熱伝導部材１６にロウ付け等で接合されている。
基板２１の厚みは、例えば１０〜１０００μｍであり、バッファ層２２の厚みは、例えば１００〜１０００ｎｍである。
また、半導体発光素子２０における活性層２５と電子線源３０との離間距離は、例えば５〜１５ｍｍである。
また、半導体発光素子２０における光が出射される表面２０ａと光透過窓材１５の内面との距離は、例えば３〜２５ｍｍである。
【００３３】
活性層２５は、それぞれＩｎx Ａｌy Ｇａ1-x-y Ｎ（０≦ｘ＜１，０＜ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）からなる単一量子井戸構造または多重量子井戸構造であり、単一または複数の量子井戸層２６と単一または複数の障壁層２７とが、バッファ層２２上にこの順で交互に積層されて構成されている。
量子井戸層２６の各々の厚みは、例えば０．５〜５０ｎｍである。また、障壁層２７はその禁制帯幅が量子井戸層２６のそれよりも大きくなるように組成を選択され、一例としては、ＡｌＮを用いればよく、各々の厚みは量子井戸層２６の井戸幅より大きく設定され、具体的には、例えば１〜１００ｎｍである。
活性層２５を構成する量子井戸層２６の周期は、量子井戸層２６、障壁層２７および活性層２５全体の厚みや、用いられる電子線の加速電圧などを考慮して適宜設定されるが、通常、１〜１００である。
【００３４】
上記の半導体発光素子２０は、例えばＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）によって形成することができる。具体的には、水素および窒素からなるキャリアガスと、トリメチルアルミニウムおよびアンモニアからなる原料ガスとを用い、サファイアよりなる基板２１の（０００１）面上に気相成長させることにより、所要の厚みを有するＡｌＮからなるバッファ層２２を形成した後、水素ガスおよび窒素ガスからなるキャリアガスと、トリメチルアルミニウム、トリメチルガリウム、トリメチルインジウムおよびアンモニアからなる原料ガスとを用い、バッファ層２２上に気相成長させることにより、所要の厚みを有するＩｎx Ａｌy Ｇａ1-x-y Ｎ（０≦ｘ＜１，０＜ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）からなる単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を有する活性層２５を形成し、以て、半導体発光素子２０を形成することができる。
【００３５】
上記のバッファ層２２、量子井戸層２６および障壁層２７の各形成工程において、処理温度、処理圧力および各層の成長速度などの条件は、形成すべきバッファ層２２、量子井戸層２６および障壁層２７の組成や厚み等に応じて適宜に設定することができる。
また、ＩｎＡｌＧａＮよりなる量子井戸層２６を形成する場合には、原料ガスとして、上記のものに加えてトリメチルインジウムを用い、処理温度をＡｌＧａＮよりなる量子井戸層２６を形成する場合よりも低く設定すればよい。
また、半導体多層膜の形成方法は、ＭＯＣＶＤ法に限定されるものではなく、例えばＭＢＥ法（分子線エピタキシー法）なども用いることができる。
【００３６】
図１に示すように、電子線源３０における電子線放出部３２は、多数のカーボンナノチューブが支持基板３１上に支持されることによって形成されており、電子線源３０における支持基板３１は、板状のベース上に固定されている。また、電子線源３０における電子線放出部３２の上方には、当該電子線放出部３２から電子を放出するための網状の引き出し電極３５が当該電子線放出部３２に離間して対向するよう配置され、この引き出し電極３５はベースに固定されている。支持基板３１および引き出し電極３５は、真空容器１０の内部から外部に引き出された例えばＮｉ−Ｆｅ合金からなる導電線を介して、真空容器１０の外部に設けられた電子線放出用電源５１に電気的に接続されている。
電子線源３０の寸法の一例を挙げると、支持基板３１の外径が２５ｍｍ、内径が１９ｍｍ、厚みが０．１ｍｍ、電子線放出部３２の外径が２４ｍｍ、内径が２０ｍｍ、厚みが０．０２ｍｍ、電子線放出部３２における電子線が放出される面の面積が１３８ｍｍ2 である。
【００３７】
支持基板３１を構成する材料としては、鉄、ニッケル、コバルト、クロムのいずれかを含む金属材料などを用いることができる。
支持基板３１上にカーボンナノチューブよりなる電子線放出部３２を形成する方法としては、特に限定されず公知の方法を用いることができ、例えば表面に金属触媒層が形成された支持基板３１を加熱し、ＣＯやアセチレン等のカーボンソースガスを供給することにより、支持基板３１の表面に形成された金属触媒層上にカーボンを堆積してカーボンナノチューブを形成する熱ＣＶＤ法、アーク放電法等によって形成されたカーボンナノチューブの粉体および有機バインダーが液状媒体中に含有されてなるペーストを調製し、このペーストをスクリーン印刷によって支持基板３１の表面に塗布して乾燥するスクリーン印刷法などを好適に用いることができる。
また、引き出し電極３５を構成する材料としては、鉄、ニッケル、コバルト、クロムのいずれかを含む金属材料などを用いることができる。
【００３８】
電界制御用電極４０を構成する材料としては、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、アルミニウム、銀、銅、チタン、ジルコニウムのいずれかを含む金属材料などを用いることができる。
電界制御用電極４０の寸法の一例を示すと、胴部４１の内径が３４ｍｍ、軸方向の長さが１２ｍｍ、テーパ部４２の先端における内径が２８ｍｍ、軸方向の長さが３ｍｍ、胴部４１に対するテーパ部４２の傾きは例えば４５°、電界制御用電極４０を構成する円筒体の肉厚が０．３ｍｍである。
【００３９】
上記の電子線励起型光源装置においては、電子線源３０と引き出し電極３５との間に電圧が印加されると、当該電子線源３０における電子線放出部３２から引き出し電極３５に向かって電子が放出され、この電子は、半導体発光素子２０と電子線源３０との間に印加された加速電圧によって、半導体発光素子２０に向かって加速されて電子線が形成されると共に、加速電圧および電界制御用電源５２によって電子線源３０と電界制御用電極４０との間に印加される電圧により、電子線源３０からの電子線は、半導体発光素子２０における光が放射される表面２０ａに向かって指向されてその軌道が放物線状となり、その結果、当該電子線は、半導体発光素子２０の表面２０ａすなわち活性層２５の表面に入射される。
そして、半導体発光素子２０においては、電子線が入射されることによって活性層２５の電子が励起され、これにより、当該半導体発光素子２０における電子線が入射された表面２０ａから紫外線などの光が放射され、真空容器１０における光透過窓材１５を介して当該真空容器１０の外部に出射される。
以上において、電子線放出用電源５１によって電子線源３０と引き出し電極３５との間に印加される電圧は、例えば１〜５ｋＶである。
また、電子加速用電源５０によって印加される電子線の加速電圧は、６〜１２ｋＶであることが好ましい。加速電圧が過小である場合には、高い光の出力を得ることが困難となる。一方、加速電圧が過大である場合には、半導体発光素子２０からＸ線が発生しやすくなり、また、電子線のエネルギーにより、半導体発光素子２０がダメージを受けやすくなるため、好ましくない。
また、電界制御用電源５２によって電子線源３０と電界制御用電極４０との間に印加される電圧は、例えば−２〜２ｋＶである。
【００４０】
以上のような電子線励起型光源装置によれば、光透過窓材１５または容器本体１１よりも低い線熱膨張係数を有し、かつ、互いに主成分が同一であり異種のガラスフリットＡ，Ｂから形成された第１のガラス層１２ａおよび第２のガラス層１２ｂが積層されてなる封止部１２によって光透過窓材１５と容器本体１１とが接合されている。このために、容器本体１１と光透過窓材１５とが線熱膨張係数差のある異種材料によって構成される場合であっても、封止部１２によって当該容器本体１１および当該光透過窓材１５の線熱膨張係数差による歪を十分に緩和することができるので、これらの接合時にクラックが発生せず、従って、真空容器１０の真空密閉性が確保される。
【００４１】
以下、本発明の効果を確認するために行った実験例について説明する。
【００４２】
〔実験例１〕
下記の仕様の真空容器〔１〕を１０個作製した。
具体的には、まず、ｎ−ブチルカルビトールアセテートおよびエチルセルロース粉末を、質量比でｎ−ブチルカルビトールアセテート：エチルセルロース粉末＝５００：２３の割合で混ぜることによりビヒクルを調製し、このビヒクルに、低融点ガラスフリットＡまたは低融点ガラスフリットＢを、低融点ガラスフリットＡまたは低融点ガラスフリットＢ：ビヒクルが質量比で１０：１となるよう混合して塗布剤〔Ａ〕、〔Ｂ〕を調製した。
次に、周壁（１１ａ）の上端面に塗布剤〔Ｂ〕を塗布すると共に、当該周壁（１１ａ）の上端部における四隅の内面に上端面に塗布したものと連続して当該塗布剤〔Ｂ〕を塗布し、４５０℃で１５分間仮焼成を行うことにより、周壁（１１ａ）の上端面に枠状のガラスフリット部（１２ｂｘ）が形成されると共に上端部における四隅の内面に補強用ガラス部（１３）となるガラスフリット部（１３ｘ）が形成された封止剤付き周壁（１０２）を作製した。
また、底壁１１ｂの周壁１１ａと接合すべき部分に塗布剤〔Ｂ〕を塗布し、４５０℃で１５分間仮焼成を行うことにより、底壁１１ｂの表面に枠状のガラスフリット部（１１ｃｘ）が形成された封止剤付き底壁（１０１）を作製した。
また、光透過窓材（１５）の容器本体（１１）と接合すべき部分に塗布剤〔Ａ〕を塗布し、４５０℃で１５分間仮焼成を行うことにより、裏面（１５Ａ）に枠状のガラスフリット部（１２ａｘ）が形成された封止剤付き光透過窓材（１０３）を作製した。
これらの封止剤付き光透過窓材（１０３）のガラスフリット部（１２ａｘ）と、封止剤付き周壁（１０２）のガラスフリット部（１２ｂｘ）が接触するよう合わせ、同時に、封止剤付き底壁（１０１）のガラスフリット部（１１ｃｘ）と周壁（１１ａ）の下端面を合わせて４５０℃で１５分間本焼成を行うことにより、本発明に係る真空容器〔１〕を作製した。
【００４３】
○真空容器（１０）：
・外形：縦４０ｍｍ×横４０ｍｍ×高さ３０ｍｍ
○容器本体（１１）：
・材質：コバールガラス（線熱膨張係数α＝５１．５（１／Ｋ））
・外形：縦４０ｍｍ×横４０ｍｍ×高さ２４ｍｍ
・周壁（１１ａ）の肉厚：２．２ｍｍ
・底壁（１１ｂ）の肉厚：３．５ｍｍ
○底壁用封止部（１１ｃ）：
・材質：低融点ガラスフリットＢ「ＬＳ−１３０１」（日本電気硝子製、主成分＝ＰｂＯ、Ｂ2 Ｏ3 、線熱膨張係数α＝４１（１／Ｋ））
・幅：２．２ｍｍ
・高さ：１．０ｍｍ
○光透過窓材（１５）：
・材質：サファイア（線熱膨張係数α＝７０（１／Ｋ））
・外形：縦４０ｍｍ×横４０ｍｍ×厚み２．５ｍｍ
○第１のガラス層（１２ａ）：
・材質：低融点ガラスフリットＡ「ＬＳ−０１５１」（日本電気硝子製、主成分＝ＰｂＯ、Ｂ2 Ｏ3 、線熱膨張係数α＝６７（１／Ｋ））
・幅：１．５ｍｍ
・高さ：０．３ｍｍ
○第２のガラス層（１２ｂ）：
・材質：低融点ガラスフリットＢ「ＬＳ−１３０１」（日本電気硝子製、主成分＝ＰｂＯ、Ｂ2 Ｏ3 、線熱膨張係数α＝４１（１／Ｋ））
・幅：２．２ｍｍ
・高さ：１．０ｍｍ
○補強用ガラス部（１３）：
・材質：低融点ガラスフリットＢ「ＬＳ−１３０１」（日本電気硝子製、主成分＝ＰｂＯ、Ｂ2 Ｏ3 、線熱膨張係数α＝４１（１／Ｋ））
○低融点ガラスフリットＡと低融点ガラスフリットＢの質量比：
・質量比＝０．８：２
【００４４】
〔実験例２〕
実験例１において、第１のガラス層（１２ａ）および補強用ガラス部（１３）を設けなかったことの他は同様にして比較用の真空容器〔２〕を１０個作製した。
【００４５】
本発明に係る１０個の真空容器〔１〕においては、すべてにクラックの発生が見られなかった。一方、比較用の１０個の真空容器〔２〕においては、１０個中１０個の容器本体にクラックが生じていることが確認された。
【００４６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
【００４７】
また、例えば、電子線励起型半導体光源装置は、電子線源とこの電子線源からの電子線によって光を放射する半導体発光素子が真空容器内に備えられていれば、その形状や配置などは限定されない。
具体的には、例えば電子線源の具体的な形状は、円環状に限定されず、または部分円環状、矩形の板状、その他の形状であってもよい。
また例えば、電子線源３０における電子線放出部３２は、カーボンナノチューブよりなるものに限定されず、種々の構成のものを用いることができる。
また例えば、電界制御用電極４０においては、テーパ部４２を形成することは必須のことではなく、例えば軸方向において外径および内径の各々が一様な円筒状のものであってもよい。
【符号の説明】
【００４８】
１０ 真空容器
１０１ 封止剤付き底壁
１０２ 封止剤付き周壁
１０３ 封止剤付き光透過窓材
１１ 容器本体
１１ａ 周壁
１１ｂ 底壁
１１ｃ 底壁用封止部
１１ｃｘ ガラスフリット部
１２ 封止部
１２ａ 第１のガラス層
１２ｂ 第２のガラス層
１２ｂｘ，１２ａｘ ガラスフリット部
１３ 補強用ガラス部
１３ｘ ガラスフリット部
１５ 光透過窓材
１５Ａ 裏面
１６ 高熱伝導部材
２０ 半導体発光素子
２０ａ 表面
２０ｂ 裏面
２１ 基板
２２ バッファ層
２５ 活性層
２６ 量子井戸層
２７ 障壁層
３０ 電子線源
３１ 支持基板
３２ 電子線放出部
３５ 引き出し電極
３７ 支持部材
４０ 電界制御用電極
４１ 胴部
４２ テーパ部
５０ 電子加速用電源
５１ 電子線放出用電源
５２ 電界制御用電源
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空容器内に、電子線源と、この電子線源から放出された電子線によって励起される半導体発光素子とが配置されてなる電子線励起型光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
真空容器内に、電子線源とこの電子線源から放出された電子線によって励起される半導体発光素子とが配置されてなる電子線励起型光源装置が知られている（特許文献１参照）。
また、短波長の紫外線を透過するために光取り出し窓にサファイアを用いることができるという技術が知られており、例えば特許文献２には、放電ランプにおいて、セラミックからなる放電容器の光取り出し窓にサファイアをフリットガラスで封着することが開示されている。
【０００３】
ところで、最近、電子線によって励起されて短波長の紫外光を放射する半導体発光素子の開発が進んでおり、このような半導体発光素子を用いた電子線励起型光源装置が、小型で高出力の紫外光光源として期待されている。
このような電子線励起型光源装置においては、真空容器として、例えば、光透過窓材の材料として紫外線を透過することからサファイアを用い、容器本体の材料として、導電線として用いるコバールメタルとのシール性が良好であることからコバールガラスを用いる要請がある。
然るに、このように容器本体および光透過窓材の材料に線熱膨張係数の異なる材料を使用した場合、ガラスフリットとしてサファイアとコバールガラスの線熱膨張係数の間の線熱膨張係数を有するものを使用しても、焼成に伴う膨張・収縮時に光透過窓材と容器本体のそれぞれの材料の線熱膨張係数差による歪を緩和できずに、コバールガラス側の接合部を起点にクラックが発生する、という問題があった。特に、容器本体の周壁が矩形筒状のものである場合、応力負荷の大きい四隅においてクラックが発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許３６６７１８８号公報
【特許文献２】特表２０１０−５１９７２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、真空容器における容器本体と光透過窓材とが線熱膨張係数差のある異種材料によって構成される場合であっても、これらの接合時にクラックが発生せず、従って、真空容器の真空密閉性が確保される電子線励起型光源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の電子線励起型光源装置は、開口を有する容器本体および当該容器本体の開口を塞ぐ光透過窓材よりなる真空容器内に、電子線源およびこの電子線源からの電子線によって光を放射する半導体発光素子が備えられてなる電子線励起型光源装置において、
前記光透過窓材と前記容器本体とが、封止部によって気密に接合されており、
前記封止部は、当該光透過窓材に接触される第１のガラス層と、当該容器本体に接触される第２のガラス層とが積層されてなり、
前記第１のガラス層および前記第２のガラス層は、主成分が同一である異種のガラスフリットから形成されたものであり、
光透過窓材の線熱膨張係数をα（Ａ０）、容器本体の線熱膨張係数をα（Ｂ０）、第１のガラス層の線熱膨張係数をα（Ａ）、第２のガラス層の線熱膨張係数をα（Ｂ）としたときに、
α（Ａ０）＞α（Ｂ０）、
α（Ａ０）＞α（Ａ）、および、
α（Ｂ０）＞α（Ｂ）の関係を満足することを特徴とする。
【０００７】
本発明の電子線励起型光源装置においては、前記容器本体の周壁が矩形筒状であって、当該周壁の光透過窓材側の上端部における四隅の内面の各々に充填された状態で補強用ガラス部が形成されていることが好ましい。
【０００８】
また、本発明の電子線励起型光源装置においては、前記補強用ガラス部および前記第２のガラス層は、同一のガラスフリットによって、互いに連続して形成されている構成とすることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の電子線励起型光源装置によれば、光透過窓材または容器本体よりも低い線熱膨張係数を有し、かつ、互いに主成分が同一である異種のガラスフリットから形成された第１のガラス層および第２のガラス層が積層されてなる封止部によって光透過窓材と容器本体とが接合されている。このために、容器本体と光透過窓材とが線熱膨張係数差のある異種材料によって構成される場合であっても、封止部によって当該容器本体および当該光透過窓材の線熱膨張係数差による歪を十分に緩和することができるので、これらの接合時にクラックが発生せず、従って、真空容器の真空密閉性が確保される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の電子線励起型光源装置における一例の構成の概略を示す説明図であり、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は、光透過窓材を取り外した状態を示す平面図である。
【図２】図１に示す電子線励起型光源装置の容器本体および光透過窓材の構成の一例を詳細に示す説明用平面図である。
【図３】図２のＸ−Ｘ線断面に係る真空容器の作製時の模式図である。
【図４】図２のＹ−Ｙ線断面の一部に係る真空容器の作製時の模式図である。
【図５】図１に示す電子線励起型光源装置における半導体発光素子の構成を示す説明用断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明について具体的に説明する。
【００１２】
図１は、本発明の電子線励起型光源装置における一例の構成の概略を示す説明図であり、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は、光透過窓材を取り外した状態を示す平面図、図２は、図１に示す電子線励起型光源装置の容器本体および光透過窓材の構成の一例を詳細に示す説明用平面図、図３は、図２のＸ−Ｘ線断面に係る真空容器の作製時の模式図、図４は、図２のＹ−Ｙ線断面の一部に係る真空容器の作製時の模式図である。
この電子線励起型光源装置は、開口を有する容器本体１１および当該容器本体１１の開口を塞ぐ光透過窓材１５よりなる真空容器１０内に、電子線源３０およびこの電子線源３０からの電子線によって光を放射する半導体発光素子２０が備えられてなるものである。
【００１３】
〔真空容器〕
この電子線励起型光源装置の真空容器１０は、内部が負圧の状態で密閉された外形が直方体状のものであり、矩形板状の底壁１１ｂおよび矩形筒状の周壁１１ａが底壁用封止部１１ｃを介して接合された箱状の容器本体１１と、この容器本体１１の周壁１１ａの上端によって形成される開口を塞ぐ板状の光透過窓材１５とが封止部１２によって気密に接合された構成を有する。
容器本体１１と光透過窓材１５とを気密に接合する封止部１２は、光透過窓材１５に接触される第１のガラス層１２ａと、容器本体１１に接触される第２のガラス層１２ｂとが積層されてなるものである。
【００１４】
そして、本発明においては、容器本体１１、光透過窓材１５、第１のガラス層１２ａおよび第２のガラス層１２ｂが、それぞれ、以下の（１）〜（４）の条件を満たす材料からなるものとされる。
（１）容器本体１１および光透過窓材１５を構成する材料が、それぞれ、光透過窓材１５を構成する材料の線熱膨張係数をα（Ａ０）、容器本体１１を構成する材料の線熱膨張係数をα（Ｂ０）としたときに、それぞれ、α（Ａ０）＞α（Ｂ０）の関係を満たすものである。
（２）第１のガラス層１２ａを形成するガラスフリット（以下、「ガラスフリットＡ」ともいう。）および第２のガラス層１２ｂを形成するガラスフリット（以下、「ガラスフリットＢ」ともいう。）が、主成分が同一である異種のガラスフリットである。
（３）ガラスフリットＡが、接触する光透過窓材１５に係るα（Ａ０）よりも線熱膨張係数が小さい、すなわちガラスフリットＡの線熱膨張係数をα（Ａ）としたときに、α（Ａ０）＞α（Ａ）の関係を満足するものである。
（４）ガラスフリットＢが、接触する容器本体１１に係るα（Ｂ０）よりも線熱膨張係数が小さい、すなわちガラスフリットＢの線熱膨張係数をα（Ｂ）としたときに、α（Ｂ０）＞α（Ｂ）の関係を満足するものである。
【００１５】
光透過窓材１５を構成する材料としては、半導体発光素子２０からの光を透過し得るものが用いられ、例えばサファイア（線熱膨張係数α（Ａ０）＝７０×１０-7〜７７×１０-7（１／Ｋ））などが用いられる。
【００１６】
また、容器本体１１を構成する材料としては、コバールガラス（線熱膨張係数α（Ｂ０）＝４５×１０-7〜５２×１０-7（１／Ｋ））などの絶縁物を用いることができる。特に、導電線として用いるコバールメタルとのシール性が良好である線熱膨張係数のコバールガラスを用いることが好ましい。
【００１７】
光透過窓材１５を構成する材料と容器本体１１を構成する材料の組み合わせとしては、サファイア／コバールガラス、サファイア／アルミナなどの組み合わせを挙げることができ、特に、サファイア／コバールガラスの組み合わせが好ましい。
【００１８】
本発明において、主成分が同一である異種のガラスフリットとは、ガラスを構成する主成分（ガラス成分）が同組成であり、かつ、フィラーが互いに異なる成分を有するものをいう。
ガラスフリットＡ，Ｂとしては、それぞれ、例えば、ガラス成分がＰｂＯ、Ｂ2 Ｏ3 である低融点ガラスフリットを用いることができる。
ガラスフリットＡおよびガラスフリットＢの主成分が同一であることにより、これらの間に大きな線熱膨張係数差がある場合であっても、第１のガラス層１２ａおよび第２のガラス層１２ｂの間においてガラス成分が拡散し合って融合する領域が生成されるために、クラックが発生することが抑制される。
【００１９】
α（Ａ）およびα（Ｂ）が、それぞれα（Ａ０）およびα（Ｂ０）よりも小さくされていることにより、容器本体１１と光透過窓材１５との接合時の焼成に伴う膨張・収縮による圧縮応力が第１のガラス層１２ａまたは第２のガラス層１２ｂにかかるために、クラックが発生することが抑制される。
【００２０】
α（Ａ０）とα（Ａ）との差は、具体的には、１×１０-7〜１０×１０-7（１／Ｋ）の範囲にあることが好ましく、また、α（Ｂ０）とα（Ｂ）との差は、具体的には、１×１０-7〜１０×１０-7（１／Ｋ）の範囲にあることが好ましい。
【００２１】
また、α（Ａ）およびα（Ｂ）は、α（Ａ）＞α（Ｂ）の関係を満たすことが好ましいが、α（Ａ）＝α（Ｂ）であってもよい。
【００２２】
封止部１２における第１のガラス層１２ａおよび第２のガラス層１２ｂのそれぞれの塗布量は、第１のガラス層１２ａの塗布量が、第２のガラス層１２ｂの塗布量よりも小さくされている。
このように塗布量の比率が制御されることによって、第１のガラス層１２ａに係るα（Ａ）が容器本体１１の周壁１１ａに係るα（Ｂ０）よりも大きい場合であっても、当該第１のガラス層１２ａが周壁１１ａに接触することが防止されるために、クラックの発生が抑制される。
なお、第２のガラス層１２ｂが光透過窓材１５に接触したとしても、光透過窓材１５のクラックの発生への影響は小さいと考えられる。
第１のガラス層１２ａの塗布量および第２のガラス層１２ｂの塗布量の比率は、真空容器１０の作製時に用いるガラスフリットＡおよびガラスフリットＢの質量比によって制御され、具体的には、ディスペンサ圧、塗布スピード、ペースト粘度などによって制御される。
例えば、ガラスフリットＡとガラスフリットＢの質量比は、１：１．５〜１：３に制御されることが好ましい。
【００２３】
容器本体１１の周壁１１ａおよび底壁１１ｂを接合している底壁用封止部１１ｃの材料としては、例えば、容器本体１１に係るα（Ｂ０）よりも小さい線熱膨張係数を有するものであることが好ましく、具体的には、第２のガラス層１２ｂを構成する材料と同じもの、すなわちガラスフリットＢを使用することができる。
【００２４】
この真空容器１０において、矩形筒状の容器本体１１の周壁１１ａの光透過窓材１５側の上端部における四隅の内面の各々に補強用ガラス部１３が充填された状態で形成されている。
この補強用ガラス部１３は、容器本体１１に係るα（Ｂ０）よりも線熱膨張係数の小さい材料、例えば第２のガラス層１２ｂを形成するガラスフリットＢと同じ材料によって形成されることが好ましく、特に、同一のガラスフリットＢによって、当該第２のガラス層１２ｂに連続して形成されていることが好ましい。
このような補強用ガラス部１３が形成されていることにより、四隅には接合時に焼成に伴う膨張・収縮による圧縮応力が集中するが、当該圧縮応力による歪を十分に緩和することができる。また、真空容器１０の作製時にガラスフリットＡを含む塗布液が垂れて容器本体１１の周壁１１ａに接触することが防止される。
【００２５】
真空容器１０の寸法の一例を挙げると、容器本体１１の外形の寸法が縦４０ｍｍ×横４０ｍｍ×高さ２４ｍｍ、容器本体１１の周壁１１ａの肉厚が２．２ｍｍ、底壁１１ｂの肉厚が３．５ｍｍ、容器本体１１の開口が縦３５．６ｍｍ×横３５．６ｍｍ、底壁用封止部１１ｃの幅が２．２ｍｍ、高さが０．８ｍｍ、光透過窓材１５の寸法が縦４０ｍｍ×横４０ｍｍ×厚み２．５ｍｍ、第１のガラス層１２ａの幅が１．５ｍｍ、高さが０．３ｍｍ、第２のガラス層１２ｂの幅が２．２ｍｍ、高さが０．８ｍｍである。
また、真空容器１０の内部の圧力は、例えば１０-4〜１０-6Ｐａとされる。
【００２６】
〔真空容器の作製方法〕
以上のような真空容器１０は、以下のように作製することができる。
すなわち、まず、第１のガラス層１２ａおよび第２のガラス層１２ｂを形成するガラスフリットＡ，Ｂを、それぞれ、ガラスフリット：ビヒクルが質量比で例えば１０：１となるようビヒクルと混合して塗布剤Ａ，Ｂを調製する。
ビヒクルとしては、例えば、ｎ−ブチルカルビトールアセテートおよびエチルセルロース粉末を、質量比でｎ−ブチルカルビトールアセテート：エチルセルロース粉末＝５００：２３の割合で混ぜたものを用いることができる。
【００２７】
次に、底壁１１ｂの周壁１１ａと接合すべき部分に第２のガラス層１２ｂを形成するガラスフリットＢに係る塗布剤Ｂを塗布して仮焼成を行うことにより、底壁１１ｂの表面に枠状のガラスフリット部１１ｃｘが形成された封止剤付き底壁１０１を作製する。
さらに、周壁１１ａの上端面に第２のガラス層１２ｂを形成するガラスフリットＢに係る塗布剤Ｂを塗布すると共に、図４に示されるように、当該周壁１１ａの上端部における四隅の内面に上端面に塗布したものと連続して当該塗布剤Ｂを塗布して仮焼成を行うことにより、周壁１１ａの上端面に枠状のガラスフリット部１２ｂｘが形成されると共に上端部における四隅の内面に補強用ガラス部１３となるガラスフリット部１３ｘが形成された封止剤付き周壁１０２を作製する。
また、光透過窓材１５の容器本体１１と接合すべき部分に第１のガラス層１２ａを形成するガラスフリットＡに係る塗布剤Ａを塗布して仮焼成を行うことにより、裏面１５Ａに枠状のガラスフリット部１２ａｘが形成された封止剤付き光透過窓材１０３を作製する。
これらの封止剤付き光透過窓材１０３のガラスフリット部１２ａｘと、封止剤付き周壁１０２のガラスフリット部１２ｂｘが接触するよう合わせ、同時に、封止剤付き底壁１０１のガラスフリット部１１ｃｘと周壁１１ａの下端面を合わせて本焼成を行うことにより、真空容器１０を作製することができる。
【００２８】
容器本体１１に係る仮焼成の温度は、例えば４３０〜４５０℃、仮焼成の時間は、例えば１５〜３０分間とされる。
また、光透過窓材１５に係る仮焼成の温度は、例えば４３０〜４５０℃、仮焼成の時間は、例えば１５〜３０分間とされる。
さらに、本焼成の温度は、例えば４５０〜５００℃、本焼成の時間は、例えば１５〜３０分間とされる。
【００２９】
本発明の電子線励起型光源装置は、上記のような真空容器１０内に、電子線源３０およびこの電子線源３０からの電子線によって光を放射する半導体発光素子２０が備えられてなる。
具体的には、真空容器１０内に、半導体発光素子２０が、その表面（図１（ａ）において上面）２０ａが光透過窓材１５に離間して対向するよう配置され、この半導体発光素子２０の周辺領域、具体的には、半導体発光素子２０の表面上の領域および裏面上の領域以外の当該半導体発光素子２０に近接した領域には、支持基板３１上に面状の電子線放出部３２が形成されてなる電子線源３０が、当該半導体発光素子２０を取り囲むよう配置されている。具体的には、電子線源３０は円環状の帯状体よりなり、当該電子線放出部３２における電子線が放出される表面が半導体発光素子２０の表面２０ａと同方向を向いた姿勢すなわち真空容器１０の光透過窓材１５側を向いた姿勢で、半導体発光素子２０を取り囲むよう配置され、この状態で、支持部材３７を介して真空容器１０における容器本体１１の底壁１１ｂに固定されている。半導体発光素子２０および電子線源３０は、真空容器１０の内部から外部に引き出された例えばコバールメタルからなる導電線を介して、真空容器１０の外部に設けられた、加速電圧を印加するための電子加速用電源５０に電気的に接続されている。また、半導体発光素子２０は、その裏面２０ｂ側に設けられた高熱伝導部材１６上に固定されている。
【００３０】
真空容器１０内において、半導体発光素子２０に対して電子線源３０より外方の位置には、電子線源３０から放出された電子線の軌道を半導体発光素子２０における光が放射される表面２０ａに向かって指向させる電界制御用電極４０が配置されている。具体的には、電界制御用電極４０は、電子線源３０の外径より大きい内径を有する胴部４１と、この胴部４１に連続して形成された、先端（図１（ａ）において上端）に向かって小径となるテーパ部４２とよりなる円筒体よりなり、電子線源３０の外周を取り囲むよう配置されており、当該電界制御用電極４０の基端が、真空容器１０における容器本体１１の底壁に固定されている。電子線源３０および電界制御用電極４０は、真空容器１０の内部から外部に引き出された例えばＮｉ−Ｆｅ合金からなる導電線を介して、真空容器１０の外部に設けられた電界制御用電源５２に、電子線源３０が正極、電界制御用電極４０が負極となるよう電気的に接続されている。
【００３１】
高熱伝導部材１６を構成する材料としては、銅などの熱伝導性の高い金属やダイヤモンドなどを用いることができる。
【００３２】
半導体発光素子２０は、図５に示すように、例えばサファイアよりなる基板２１と、この基板２１の一面上に形成された例えばＡｌＮよりなるバッファ層２２と、このバッファ層２２の一面上に形成された、単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を有する活性層２５とにより構成されている。
この例における半導体発光素子２０は、活性層２５が真空容器１０における光透過窓材１５に対向した状態で、基板２１が高熱伝導部材１６にロウ付け等で接合されている。
基板２１の厚みは、例えば１０〜１０００μｍであり、バッファ層２２の厚みは、例えば１００〜１０００ｎｍである。
また、半導体発光素子２０における活性層２５と電子線源３０との離間距離は、例えば５〜１５ｍｍである。
また、半導体発光素子２０における光が出射される表面２０ａと光透過窓材１５の内面との距離は、例えば３〜２５ｍｍである。
【００３３】
活性層２５は、それぞれＩｎx Ａｌy Ｇａ1-x-y Ｎ（０≦ｘ＜１，０＜ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）からなる単一量子井戸構造または多重量子井戸構造であり、単一または複数の量子井戸層２６と単一または複数の障壁層２７とが、バッファ層２２上にこの順で交互に積層されて構成されている。
量子井戸層２６の各々の厚みは、例えば０．５〜５０ｎｍである。また、障壁層２７はその禁制帯幅が量子井戸層２６のそれよりも大きくなるように組成を選択され、一例としては、ＡｌＮを用いればよく、各々の厚みは量子井戸層２６の井戸幅より大きく設定され、具体的には、例えば１〜１００ｎｍである。
活性層２５を構成する量子井戸層２６の周期は、量子井戸層２６、障壁層２７および活性層２５全体の厚みや、用いられる電子線の加速電圧などを考慮して適宜設定されるが、通常、１〜１００である。
【００３４】
上記の半導体発光素子２０は、例えばＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）によって形成することができる。具体的には、水素および窒素からなるキャリアガスと、トリメチルアルミニウムおよびアンモニアからなる原料ガスとを用い、サファイアよりなる基板２１の（０００１）面上に気相成長させることにより、所要の厚みを有するＡｌＮからなるバッファ層２２を形成した後、水素ガスおよび窒素ガスからなるキャリアガスと、トリメチルアルミニウム、トリメチルガリウム、トリメチルインジウムおよびアンモニアからなる原料ガスとを用い、バッファ層２２上に気相成長させることにより、所要の厚みを有するＩｎx Ａｌy Ｇａ1-x-y Ｎ（０≦ｘ＜１，０＜ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）からなる単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を有する活性層２５を形成し、以て、半導体発光素子２０を形成することができる。
【００３５】
上記のバッファ層２２、量子井戸層２６および障壁層２７の各形成工程において、処理温度、処理圧力および各層の成長速度などの条件は、形成すべきバッファ層２２、量子井戸層２６および障壁層２７の組成や厚み等に応じて適宜に設定することができる。
また、ＩｎＡｌＧａＮよりなる量子井戸層２６を形成する場合には、原料ガスとして、上記のものに加えてトリメチルインジウムを用い、処理温度をＡｌＧａＮよりなる量子井戸層２６を形成する場合よりも低く設定すればよい。
また、半導体多層膜の形成方法は、ＭＯＣＶＤ法に限定されるものではなく、例えばＭＢＥ法（分子線エピタキシー法）なども用いることができる。
【００３６】
図１に示すように、電子線源３０における電子線放出部３２は、多数のカーボンナノチューブが支持基板３１上に支持されることによって形成されており、電子線源３０における支持基板３１は、板状のベース上に固定されている。また、電子線源３０における電子線放出部３２の上方には、当該電子線放出部３２から電子を放出するための網状の引き出し電極３５が当該電子線放出部３２に離間して対向するよう配置され、この引き出し電極３５はベースに固定されている。支持基板３１および引き出し電極３５は、真空容器１０の内部から外部に引き出された例えばＮｉ−Ｆｅ合金からなる導電線を介して、真空容器１０の外部に設けられた電子線放出用電源５１に電気的に接続されている。
電子線源３０の寸法の一例を挙げると、支持基板３１の外径が２５ｍｍ、内径が１９ｍｍ、厚みが０．１ｍｍ、電子線放出部３２の外径が２４ｍｍ、内径が２０ｍｍ、厚みが０．０２ｍｍ、電子線放出部３２における電子線が放出される面の面積が１３８ｍｍ2 である。
【００３７】
支持基板３１を構成する材料としては、鉄、ニッケル、コバルト、クロムのいずれかを含む金属材料などを用いることができる。
支持基板３１上にカーボンナノチューブよりなる電子線放出部３２を形成する方法としては、特に限定されず公知の方法を用いることができ、例えば表面に金属触媒層が形成された支持基板３１を加熱し、ＣＯやアセチレン等のカーボンソースガスを供給することにより、支持基板３１の表面に形成された金属触媒層上にカーボンを堆積してカーボンナノチューブを形成する熱ＣＶＤ法、アーク放電法等によって形成されたカーボンナノチューブの粉体および有機バインダーが液状媒体中に含有されてなるペーストを調製し、このペーストをスクリーン印刷によって支持基板３１の表面に塗布して乾燥するスクリーン印刷法などを好適に用いることができる。
また、引き出し電極３５を構成する材料としては、鉄、ニッケル、コバルト、クロムのいずれかを含む金属材料などを用いることができる。
【００３８】
電界制御用電極４０を構成する材料としては、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、アルミニウム、銀、銅、チタン、ジルコニウムのいずれかを含む金属材料などを用いることができる。
電界制御用電極４０の寸法の一例を示すと、胴部４１の内径が３４ｍｍ、軸方向の長さが１２ｍｍ、テーパ部４２の先端における内径が２８ｍｍ、軸方向の長さが３ｍｍ、胴部４１に対するテーパ部４２の傾きは例えば４５°、電界制御用電極４０を構成する円筒体の肉厚が０．３ｍｍである。
【００３９】
上記の電子線励起型光源装置においては、電子線源３０と引き出し電極３５との間に電圧が印加されると、当該電子線源３０における電子線放出部３２から引き出し電極３５に向かって電子が放出され、この電子は、半導体発光素子２０と電子線源３０との間に印加された加速電圧によって、半導体発光素子２０に向かって加速されて電子線が形成されると共に、加速電圧および電界制御用電源５２によって電子線源３０と電界制御用電極４０との間に印加される電圧により、電子線源３０からの電子線は、半導体発光素子２０における光が放射される表面２０ａに向かって指向されてその軌道が放物線状となり、その結果、当該電子線は、半導体発光素子２０の表面２０ａすなわち活性層２５の表面に入射される。
そして、半導体発光素子２０においては、電子線が入射されることによって活性層２５の電子が励起され、これにより、当該半導体発光素子２０における電子線が入射された表面２０ａから紫外線などの光が放射され、真空容器１０における光透過窓材１５を介して当該真空容器１０の外部に出射される。
以上において、電子線放出用電源５１によって電子線源３０と引き出し電極３５との間に印加される電圧は、例えば１〜５ｋＶである。
また、電子加速用電源５０によって印加される電子線の加速電圧は、６〜１２ｋＶであることが好ましい。加速電圧が過小である場合には、高い光の出力を得ることが困難となる。一方、加速電圧が過大である場合には、半導体発光素子２０からＸ線が発生しやすくなり、また、電子線のエネルギーにより、半導体発光素子２０がダメージを受けやすくなるため、好ましくない。
また、電界制御用電源５２によって電子線源３０と電界制御用電極４０との間に印加される電圧は、例えば−２〜２ｋＶである。
【００４０】
以上のような電子線励起型光源装置によれば、光透過窓材１５または容器本体１１よりも低い線熱膨張係数を有し、かつ、互いに主成分が同一であり異種のガラスフリットＡ，Ｂから形成された第１のガラス層１２ａおよび第２のガラス層１２ｂが積層されてなる封止部１２によって光透過窓材１５と容器本体１１とが接合されている。このために、容器本体１１と光透過窓材１５とが線熱膨張係数差のある異種材料によって構成される場合であっても、封止部１２によって当該容器本体１１および当該光透過窓材１５の線熱膨張係数差による歪を十分に緩和することができるので、これらの接合時にクラックが発生せず、従って、真空容器１０の真空密閉性が確保される。
【００４１】
以下、本発明の効果を確認するために行った実験例について説明する。
【００４２】
〔実験例１〕
下記の仕様の真空容器〔１〕を１０個作製した。
具体的には、まず、ｎ−ブチルカルビトールアセテートおよびエチルセルロース粉末を、質量比でｎ−ブチルカルビトールアセテート：エチルセルロース粉末＝５００：２３の割合で混ぜることによりビヒクルを調製し、このビヒクルに、低融点ガラスフリットＡまたは低融点ガラスフリットＢを、低融点ガラスフリットＡまたは低融点ガラスフリットＢ：ビヒクルが質量比で１０：１となるよう混合して塗布剤〔Ａ〕、〔Ｂ〕を調製した。
次に、周壁（１１ａ）の上端面に塗布剤〔Ｂ〕を塗布すると共に、当該周壁（１１ａ）の上端部における四隅の内面に上端面に塗布したものと連続して当該塗布剤〔Ｂ〕を塗布し、４５０℃で１５分間仮焼成を行うことにより、周壁（１１ａ）の上端面に枠状のガラスフリット部（１２ｂｘ）が形成されると共に上端部における四隅の内面に補強用ガラス部（１３）となるガラスフリット部（１３ｘ）が形成された封止剤付き周壁（１０２）を作製した。
また、底壁１１ｂの周壁１１ａと接合すべき部分に塗布剤〔Ｂ〕を塗布し、４５０℃で１５分間仮焼成を行うことにより、底壁１１ｂの表面に枠状のガラスフリット部（１１ｃｘ）が形成された封止剤付き底壁（１０１）を作製した。
また、光透過窓材（１５）の容器本体（１１）と接合すべき部分に塗布剤〔Ａ〕を塗布し、４５０℃で１５分間仮焼成を行うことにより、裏面（１５Ａ）に枠状のガラスフリット部（１２ａｘ）が形成された封止剤付き光透過窓材（１０３）を作製した。
これらの封止剤付き光透過窓材（１０３）のガラスフリット部（１２ａｘ）と、封止剤付き周壁（１０２）のガラスフリット部（１２ｂｘ）が接触するよう合わせ、同時に、封止剤付き底壁（１０１）のガラスフリット部（１１ｃｘ）と周壁（１１ａ）の下端面を合わせて４５０℃で１５分間本焼成を行うことにより、本発明に係る真空容器〔１〕を作製した。
【００４３】
○真空容器（１０）：
・外形：縦４０ｍｍ×横４０ｍｍ×高さ３０ｍｍ
○容器本体（１１）：
・材質：コバールガラス（線熱膨張係数α＝５１．５（１／Ｋ））
・外形：縦４０ｍｍ×横４０ｍｍ×高さ２４ｍｍ
・周壁（１１ａ）の肉厚：２．２ｍｍ
・底壁（１１ｂ）の肉厚：３．５ｍｍ
○底壁用封止部（１１ｃ）：
・材質：低融点ガラスフリットＢ「ＬＳ−１３０１」（日本電気硝子製、主成分＝ＰｂＯ、Ｂ2 Ｏ3 、線熱膨張係数α＝４１（１／Ｋ））
・幅：２．２ｍｍ
・高さ：１．０ｍｍ
○光透過窓材（１５）：
・材質：サファイア（線熱膨張係数α＝７０（１／Ｋ））
・外形：縦４０ｍｍ×横４０ｍｍ×厚み２．５ｍｍ
○第１のガラス層（１２ａ）：
・材質：低融点ガラスフリットＡ「ＬＳ−０１５１」（日本電気硝子製、主成分＝ＰｂＯ、Ｂ2 Ｏ3 、線熱膨張係数α＝６７（１／Ｋ））
・幅：１．５ｍｍ
・高さ：０．３ｍｍ
○第２のガラス層（１２ｂ）：
・材質：低融点ガラスフリットＢ「ＬＳ−１３０１」（日本電気硝子製、主成分＝ＰｂＯ、Ｂ2 Ｏ3 、線熱膨張係数α＝４１（１／Ｋ））
・幅：２．２ｍｍ
・高さ：１．０ｍｍ
○補強用ガラス部（１３）：
・材質：低融点ガラスフリットＢ「ＬＳ−１３０１」（日本電気硝子製、主成分＝ＰｂＯ、Ｂ2 Ｏ3 、線熱膨張係数α＝４１（１／Ｋ））
○低融点ガラスフリットＡと低融点ガラスフリットＢの質量比：
・質量比＝０．８：２
【００４４】
〔実験例２〕
実験例１において、第１のガラス層（１２ａ）および補強用ガラス部（１３）を設けなかったことの他は同様にして比較用の真空容器〔２〕を１０個作製した。
【００４５】
本発明に係る１０個の真空容器〔１〕においては、すべてにクラックの発生が見られなかった。一方、比較用の１０個の真空容器〔２〕においては、１０個中１０個の容器本体にクラックが生じていることが確認された。
【００４６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
【００４７】
また、例えば、電子線励起型半導体光源装置は、電子線源とこの電子線源からの電子線によって光を放射する半導体発光素子が真空容器内に備えられていれば、その形状や配置などは限定されない。
具体的には、例えば電子線源の具体的な形状は、円環状に限定されず、または部分円環状、矩形の板状、その他の形状であってもよい。
また例えば、電子線源３０における電子線放出部３２は、カーボンナノチューブよりなるものに限定されず、種々の構成のものを用いることができる。
また例えば、電界制御用電極４０においては、テーパ部４２を形成することは必須のことではなく、例えば軸方向において外径および内径の各々が一様な円筒状のものであってもよい。
【符号の説明】
【００４８】
１０ 真空容器
１０１ 封止剤付き底壁
１０２ 封止剤付き周壁
１０３ 封止剤付き光透過窓材
１１ 容器本体
１１ａ 周壁
１１ｂ 底壁
１１ｃ 底壁用封止部
１１ｃｘ ガラスフリット部
１２ 封止部
１２ａ 第１のガラス層
１２ｂ 第２のガラス層
１２ｂｘ，１２ａｘ ガラスフリット部
１３ 補強用ガラス部
１３ｘ ガラスフリット部
１５ 光透過窓材
１５Ａ 裏面
１６ 高熱伝導部材
２０ 半導体発光素子
２０ａ 表面
２０ｂ 裏面
２１ 基板
２２ バッファ層
２５ 活性層
２６ 量子井戸層
２７ 障壁層
３０ 電子線源
３１ 支持基板
３２ 電子線放出部
３５ 引き出し電極
３７ 支持部材
４０ 電界制御用電極
４１ 胴部
４２ テーパ部
５０ 電子加速用電源
５１ 電子線放出用電源
５２ 電界制御用電源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口を有する容器本体および当該容器本体の開口を塞ぐ光透過窓材よりなる真空容器内に、電子線源およびこの電子線源からの電子線によって光を放射する半導体発光素子が備えられてなる電子線励起型光源装置において、
前記光透過窓材と前記容器本体とが、封止部によって気密に接合されており、
前記封止部は、当該光透過窓材に接触される第１のガラス層と、当該容器本体に接触される第２のガラス層とが積層されてなり、
前記第１のガラス層および前記第２のガラス層は、主成分が同一である異種のガラスフリットから形成されたものであり、
光透過窓材の線熱膨張係数をα（Ａ０）、容器本体の線熱膨張係数をα（Ｂ０）、第１のガラス層の線熱膨張係数をα（Ａ）、第２のガラス層の線熱膨張係数をα（Ｂ）としたときに、
α（Ａ０）＞α（Ｂ０）、
α（Ａ０）＞α（Ａ）、および、
α（Ｂ０）＞α（Ｂ）の関係を満足することを特徴とする電子線励起型光源装置。
【請求項２】
前記容器本体の周壁が矩形筒状であって、当該周壁の光透過窓材側の上端部における四隅の内面の各々に充填された状態で補強用ガラス部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電子線励起型光源装置。
【請求項３】
前記補強用ガラス部および前記第２のガラス層は、同一のガラスフリットによって、互いに連続して形成されていることを特徴とする請求項２に記載の電子線励起型光源装置。
【請求項１】
開口を有する容器本体および当該容器本体の開口を塞ぐ光透過窓材よりなる真空容器内に、電子線源およびこの電子線源からの電子線によって光を放射する半導体発光素子が備えられてなる電子線励起型光源装置において、
前記光透過窓材と前記容器本体とが、封止部によって気密に接合されており、
前記封止部は、当該光透過窓材に接触される第１のガラス層と、当該容器本体に接触される第２のガラス層とが積層されてなり、
前記第１のガラス層および前記第２のガラス層は、主成分が同一である異種のガラスフリットから形成されたものであり、
光透過窓材の線熱膨張係数をα（Ａ０）、容器本体の線熱膨張係数をα（Ｂ０）、第１のガラス層の線熱膨張係数をα（Ａ）、第２のガラス層の線熱膨張係数をα（Ｂ）としたときに、
α（Ａ０）＞α（Ｂ０）、
α（Ａ０）＞α（Ａ）、および、
α（Ｂ０）＞α（Ｂ）の関係を満足することを特徴とする電子線励起型光源装置。
【請求項２】
前記容器本体の周壁が矩形筒状であって、当該周壁の光透過窓材側の上端部における四隅の内面の各々に充填された状態で補強用ガラス部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電子線励起型光源装置。
【請求項３】
前記補強用ガラス部および前記第２のガラス層は、同一のガラスフリットによって、互いに連続して形成されていることを特徴とする請求項２に記載の電子線励起型光源装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−２６０５５（Ｐ２０１３−２６０５５Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６０５２３（Ｐ２０１１−１６０５２３）
【出願日】平成２３年７月２２日（２０１１．７．２２）
【出願人】（０００１０２２１２）ウシオ電機株式会社 (1,414)
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２２日（２０１１．７．２２）
【出願人】（０００１０２２１２）ウシオ電機株式会社 (1,414)
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