JP2014063667A - 白熱電球 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で変換効率を向上させたフィラメントを提供する。
【解決手段】透光性気密容器と、透光性気密容器内に配置されたフィラメントと、フィラメントに電流を供給するためのリード線とを有する白熱電球であって、フィラメントは、単結晶である。単結晶のフィラメントは、格子欠陥の濃度と不純物濃度を合算したものが、０．０１％未満である。
【選択図】図１

Description

本発明は、可視光変換効率の大きなフィラメントを用いた白熱電球に関する。

タングステンフィラメント等に電流を流すことにより、フィラメントを加熱し、電球とする白熱電球が広く用いられている。しかしながら、白熱電球は、電力から光への変換効率は高い（８０％以上）が、図６に示すように赤外放射光成分が多くを占める（図６の３０００Ｋの場合９０％以上）ため、電力から可視光への変換効率は低い。具体的には、白熱電球の可視光への変換効率は、凡そ１５ ｌｍ／Ｗと低い値となる（蛍光灯は９０ ｌｍ／Ｗ）。このように、白熱電球は、太陽光に近い演色性の良い放射スペクトルを有する一方で、環境負荷が大きいという問題がある。

また、タングステンをはじめする金属材料は、再結晶により結晶粒が大きくなると、強度および延性が低下することが広く知られている。具体的には、純タングステンの再結晶粒は、等軸結晶組織となり比較的丸く、線軸に垂直な粒界を多くもつ。このため、純タングステン線で作られたフィラメントコイルは、高温で使用すると、フィラメントの半径方向に伸びる結晶粒界において滑りが生じ、自重など、わずかな外力によって容易に変形（クリープ変形）する。これにより、局部的加熱を起こし断線し易くなる。

結晶粒を小さくする（粒界強化）ために、種々の元素や化合物を添加したタングステン（ドープタングステン）が実用化されている。例えば、特許文献１には、トリア（ＴｈＯ_２）を添加したタングステンや、Ｒｅを添加したタングステンを用いたフィラメントが提案されている。この他にも、粒界強化のためにＬａ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２またはＫを添加したタングステンが市販されている。トリアやＫを微量添加したドープタングステンは、フィラメントの半径方向の結晶粒成長が抑制されるため、その再結晶粒は加工方向（フィラメント軸方向）に長く伸びた長大結晶となる。トリアは、タングステン結晶粒界に分散して存在し、粒界の移動を阻止し、粒成長を抑制して再結晶粒を小さくする。Ｋは、フィラメントの半径方向への粒界成長を抑制し、加工方向に伸びた長大再結晶粒を形成する。

一方、特許文献２には、高圧水銀ランプにおいて、電極のタングステンに含まれる不純物が蒸発して、発光管の内壁に付着して黒化するのを防止するため、陽極として純度が４Ｎ（９９．９９％以上）のタングステンを用い、陰極には、Ｋが添加されたタングステンを用いることを提案している。

特開昭６３−１６８９６３号公報 特開２００１−３１９６１７号公報

上述したように、従来のフィラメントに用いられるタングステンは、強度および延性を向上させるために、不純物をドープして結晶粒界を小さくしている。また、特許文献２では、不純物が蒸発して発光管内壁に付着するのを防止するために、不純物を低減することについて提案しているが、フィラメントの結晶粒界並びに結晶性が電力可視光変換効率に及ぼす影響については一切記載がない。

本発明は、電力の可視光変換効率が高く、かつ、高温での強度が大きいフィラメントを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では白熱電球のフィラメントとして、単結晶を用いる。

本発明では、単結晶フィラメントを用いることにより、粒界が全くないか、ほとんどないため、高温になっても変形を生じにくく、強度が大きい、また、粒界のような格子欠陥がないことにより、電子散乱を低減できるため、長波長帯域の反射率を向上（放射率を低減）させることができ、可視光帯域の放射効率を高めることができる。

実施形態の白熱電球の切り欠き断面図。 （ａ）〜（ｄ）不純物濃度ρ＝０で温度Ｔを変化させた場合の、反射率Ｒの波長依存性を示すグラフ。 （ａ）〜（ｄ）温度Ｔ＝０Ｋで、不純物濃度ρを変化させた場合の、反射率Ｒの波長依存性を示すグラフ。 （ａ）〜（ｄ）温度Ｔ＝３００Ｋまたは３０００Ｋで、不純物濃度ρ＝０または０．０１とした場合の、反射率Ｒの波長依存性を示すグラフ。 （ａ）〜（ｃ）温度Ｔ＝３０００Ｋで、不純物濃度をρ＝１％（０．０１）、０．１％（０．００１）、０．０１％（０．０００１）に変化させた場合の、反射率Ｒの波長依存性を示すグラフ。 従来のタングステンフィラメントの放射エネルギーの波長依存性を示すグラフ。

本発明は、白熱電球のフィラメントとして、単結晶を用いる。単結晶フィラメントは、多結晶フィラメントと比較して、粒界が全くないか、ほとんどないため、多結晶フィラメントのように結晶粒界において滑りを生じない。このため、高温になっても自重などの外力によってクリープ変形が生じず、局部的加熱や断線も起こしにくい。

なお、本願でいう単結晶のフィラメントとは、粒界が全くないものが好ましいが、多結晶と比較した場合に実質的に粒界がほとんどない程度に、粒界が少ないレベルのものも含む。例えば、数個程度の粒界が存在するものも含む。ただし、わずかな粒界が存在する場合でも、これらの粒界で分けられた結晶の軸方位は一致していることが望ましい。これらの判断は、金属の電気比抵抗で評価することができる。例えば、タングステンの場合、多結晶フィラメントでは、３００Ｋの室温でその比抵抗は凡そ６μΩ・ｃｍであるが、単結晶化することによってこの比抵抗を５．５μΩ・ｃｍ以下とすることができ、不純物が極端に制限された最良の結晶では、１μΩ・ｃｍ以下となる。

具体的には、単結晶のフィラメントは、不純物濃度と、粒界や転位等の格子欠陥の濃度とを合算したものが、所定値未満であることが望ましい。例えば、この所定値は、０．０１％未満である。不純物濃度に格子欠陥の濃度を合算する理由は、フィラメント中の不純物だけでなく格子欠陥も電子散乱を引き起こし、電子の線形応答時間の緩和、即ち、電子の応答が鈍化するようになり、可視光領域から赤外光領域の光の反射率を低下（すなわち赤外光の放射率を増大）させるためである。電気比抵抗と反射率の関係は、例えば、反射率の高い銀金属は電気比抵抗が低い点をイメージすると判り易いであろう。したがって、格子欠陥の濃度と不純物濃度との合算を所定値以下にすることにより、長波長（赤外光）の放射率を低下させ、短波長（可視光）の放射率を増大させることができる。

ここで、不純物濃度とは、１ｃｍ^３当たりの不純物原子の数を１ｃｍ^３当たりの母体原子の数で割った値、すなわち原子百分率（atm％）をいう。格子欠陥の濃度とは、ある体積の単結晶を構成する全原子数に占める空孔や転位等の結晶欠陥の数を原子百分率（atm％）で表わしたものである。

具体的な、本発明の一実施の形態について図面を用いて説明する。

図１に、本実施形態のフィラメントを用いた白熱電球の切り欠き断面図を示す。白熱電球１は、透光性気密容器２と、透光性気密容器２の内部に配置されたフィラメント３と、フィラメント３の両端に電気的に接続されると共にフィラメント３を支持する一対のリード線４、５とを備えて構成される。透光性気密容器２は、例えばガラスまたは石英により構成される。

透光性気密容器２の封止部には、口金９が接合されている。口金９は、側面電極６と、中心電極７と、側面電極６と中心電極７とを絶縁する絶縁部８とを備える。リード線４の端部は、側面電極６に電気的に接続され、リード線５の端部は、中心電極７に電気的に接続されている。

フィラメント３は、高抵抗で融点の高い金属の線材であり、単結晶である。具体的には、タングステン、モリブデン、レニウム、オスミウム、ニオブ、イリジウム、ルテチウム、炭素、炭化タンタル、炭化ハフニウム、炭化ジルコニア、炭化タングステン、および、タンタルのいずれかの単結晶である。単結晶フィラメント３は、上述のように、粒界が全くないか、ほとんどない。単結晶フィラメント３は、不純物濃度と、粒界や転位等の格子欠陥の濃度とを合算したものが、所定値未満（例えば、０．０１％未満）である。すなわち、単結晶フィラメントの純度（一般的な不純物だけでなく、格子欠陥も不純物の一種として除いた純度）が、９９．９９％以上である。

タングステン、モリブデン、レニウム、オスミウム、ニオブ、イリジウム、ルテチウム、炭素、炭化タンタル、炭化ハフニウム、炭化ジルコニア、炭化タングステン、および、タンタルの線材形状の単結晶は、FZ（Floating Zone：浮遊帯溶融）法や、ＣＺ（Czochralski：チョクラルスキー）法等により製造することができる。また、金属を浸炭処理することによって、単結晶の炭化金属フィラメントを形成することができる。これをフィラメント３として適切な長さに切断することにより製造することができる。また、フィラメントの表面を研磨し、反射率を向上させることも好ましい。

このように、本発明において、単結晶フィラメントを用いることにより、粒界がないもしくは殆どないため、高温に加熱しても大きな強度を得ることができる。さらに、赤外光成分を抑制し、可視光成分を増加させることができる。以下、単結晶フィラメントが、赤外光成分を抑制し、可視光成分を増加させる原理について詳細に説明する。

フィラメント３を構成する金属材料の放射率は、Kirchhoffの法則により、放射率＝１−反射率 で表わされる。反射率Ｒは、金属材料の屈折率ｎならびに消衰係数κを用いて式（１）により表わされる。

式（１）において、ｎ_ａｉｒは大気の屈折率であり、ここでは１とする。式（１）の金属材料の屈折率ｎと消衰係数κは、誘電率εと以下の式（２）、式（３）の関係を有する。

式（２）、（３）において、ε_０は、真空中（大気中）の誘電率であり、ここでは１とする。また、ε_ｒｌ、並びにε_ｉｍは、金属材料の誘電率εの実部と虚部を示す。

誘電率εの実部ε_ｒｌおよび虚部ε_ｉｍの周波数ωへの依存性は、金属のDrudeモデルを利用して、以下の式で記述することができる。

式（４）、（５）において、ω_ｐは、金属材料のプラズマ周波数あり、γは、伝導電子散乱レートである。γは、以下の式（６）で表わすことができる。

式（６）において、τ_ｐｈは、フォノンによる電子散乱緩和時間、τ_ｉｍは、不純物による電子散乱緩和時間を示す。これらの、τ_ｐｈ並びにτ_ｉｍは、Ｂｏｌｔｚｍａｎ−Ｂｌｏｃｈ方程式を用いて定量的に評価することができ、最終的に以下の式（７）、（８）で表わされる。

式（７）、（８）より、フォノンによる電子散乱緩和時間τ_ｐｈの逆数（１／τ_ｐｈ）は温度（ｋＴ）に比例し、不純物による電子散乱緩和時間τ_ｉｍの逆数（１／τ_ｐｈ）は不純物濃度ρに比例することがわかる。この式（７）および（８）が示すフォノンによる電子散乱緩和時間τ_ｐｈの温度依存性、および、不純物による電子散乱緩和時間τ_ｉｍの不純物濃度依存性を通して、最終的に反射率Ｒ、ひいては放射率が変化する様子を求めることができる。

式（７）、（８）を式（６）に代入することにより、γの温度依存性並びに不純物濃度依存性を求めることができ、このγの依存性を式（４）、（５）に代入することによって、誘電率の実部と虚部の温度依存性並びに不純物濃度依存性を求めることができる。本誘電率の実部［式（４）］と虚部［式（５）］の温度依存性並びに不純物濃度依存性を式（２）、（３）に代入することによって、屈折率並びに消衰係数の温度依存性並びに不純物濃度依存性を表現することができる。これら式（２）、（３）の屈折率並びに消衰係数の温度依存性並びに不純物濃度依存性を式（１）に代入することによって、最終的に、金属反射率並びに放射率（＝１−反射率）の温度依存性並びに不純物濃度依存性を与えることができる。ここでは、金属反射率の温度依存性並びに不純物濃度依存性を同等に把握するために、上記で記載された金属パラメーターの値を式（７）、（８）に代入することなしに、室温３００Ｋにおいて１／τ_ｐｈ≒１／τ_ｉｍと簡単化して各温度並びに各不純物濃度における反射率の波長依存性を以下の図２から図４に示した。

図２（ａ）〜（ｄ）に式（７）、（８）の結果より導かれる反射率Ｒの波長依存性を、不純物濃度が０の場合に種々の温度でどのように変化するかを示す。ここでは、金属材料のプラズマ周波数ω_ｐは、０．８ｅＶと仮定した。図２（ａ）のように、金属材料の温度が０Ｋの場合は、プラズマ周波数ω_ｐ以下のエネルギー（長波長側）では、反射率が１となるが、図２（ｂ）〜（ｄ）に示すように金属材料の温度が高くなるに従って、長波長側の反射率が低下する。放射率は、放射率＝１−反射率で示されるので、金属材料を高温に加熱することにより、長波長域（赤外波長）の放射率が高くなり（すなわち放射制御性が損なわれ）、フィラメントを加熱した際の可視光変換効率が低下することがわかる。

次に、図３（ａ）〜（ｄ）に、金属材料の温度を０Ｋに保持して、不純物濃度を変化させた場合の、反射率（Ｒ）の波長依存性について示す。図２（ａ）〜（ｄ）の温度を上昇させた場合と同様に、不純物濃度が高くなるにつれて長波長側の反射率が低下する。即ち、式（７）、（８）で示されているように、温度と不純物が反射率に対して同様な依存性を有することを示している。

次に、図４（ａ）〜（ｄ）に、有限温度で不純物が存在する場合の反射率Ｒの波長依存性について示す。図４（ａ）、（ｂ）は、温度Ｔ＝３００Ｋ、図４（ｃ）、（ｄ）は、温度Ｔ＝３０００Ｋの場合であり、図４（ａ）、（ｃ）は、不純物濃度ρ＝０、図４（ｂ）、（ｄ）は、不純物濃度ρ＝０．０１の場合である。

図４（ａ）と図４（ｂ）を比較することによって、低温（３００Ｋ）では不純物の存在する図４（ｂ）の方が、反射率Ｒが顕著に低減していることがわかる。不純物濃度は、温度が変化しても一定であるので、高温になるに従って、格子散乱の効果（温度）が顕著になり不純物濃度効果の割合は低減する。例えば、図４（ｃ）と図４（ｄ）を比較すると、高温（３０００Ｋ）では、図４（ｃ）のように不純物濃度ρ＝０の場合、長波長（波長４０００ｎｍ）の反射率Ｒは、Ｒ＝０．５２であるのに対し、図４（ｄ）のように不純物濃度ρ＝０．０１の場合、長波長（波長４０００ｎｍ）の反射率Ｒは、Ｒ＝０．４２であり、反射率の差は、１０％程度である。この反射率の差異を可視光変換効率に換算すると３０％の大きな差異になる。

ところで、多結晶で純度を上げたフィラメント材料でも、不純物濃度の低減を図ることができそうであるが、上述のように、多結晶はその結晶粒界や転位等の格子欠陥で電子散乱が生じ、これが不純物と同様の働きを行うため、単結晶化により粒界や転位等の格子欠陥の低減が必要となる。

ここで、金属種ごとに実際の単結晶材料で効果が得られる不純物濃度の最大値を、式（７）、（８）を利用して評価してみる。フィラメントとして最も利用されているタングステンを例にとって計算を行う。タングステンのプラズマ周波数ω_ｐは、実際の反射率の波長依存性を良く表現するために０．８ｅＶと仮定した。フォノンによる散乱レートの温度依存性は１／τ_ｐｈ＝２×１０^１０ （Ｈｚ）・（Ｋ）と表現でき、また、不純物による散乱レートは、１／τ_ｉｍ＝２×１０^１６ （Ｈｚ）・（ａｔｍ％）と表現できるので、３０００Ｋの温度で純度が９９％の不純物が多い通常のフィラメント材料の場合は、フォノンによる散乱レートは１／τ_ｐｈ＝６×１０^１３ （Ｈｚ）、また、不純物による散乱レートは１／τ_ｉｍ＝２×１０^１４ （Ｈｚ）となり、不純物による散乱が支配的となる。この結果、図５（ａ）に示すように赤外波長での反射率が低くなり（具体的には、４０００ｎｍで反射率０．５）、光束効率の悪いフィラメントとなる。次に、３０００ Ｋの温度で純度が９９．９％の不純物が多い通常のフィラメント材料の場合は、フォノンによる散乱レートは同様に１／τ_ｐｈ＝６×１０^１３ （Ｈｚ）、また不純物による散乱レートは１／τ_ｉｍ＝２×１０^１３ （Ｈｚ）となり、略同程度の散乱寄与を示す。図５（ｂ）に示すように赤外波長での反射率が高くなり（具体的には、４０００ ｎｍで反射率０．８）、光束効率のより改善されたフィラメントとなる。しかしながら、赤外波長での反射率が０．９以上とならないとフィラメント加熱時の赤外放射成分が多くなり、光束効率の顕著な改善（光束効率１０％以上向上）には至らない。

次に、３０００ Ｋの温度で純度が９９．９９％の純度を上げた本実施形態のフィラメント材料の場合は、フォノンによる散乱レートは同様に１／τ_ｐｈ＝６×１０^１３ （Ｈｚ）、また不純物による散乱レートは１／τ_ｉｍ＝２×１０^１２ （Ｈｚ）となり、フォノンによる散乱が支配的となる。図５（ｃ）に示すように赤外波長での反射率を、９９．９％の純度のものと比較して１０％以上向上させることが可能となり（具体的には、４０００ ｎｍで反射率０．９）、光束効率が３０％以上改善されたフィラメントを形成することができることがわかる。

なお、上記不純物濃度は種々の高温耐熱金属材料に対して、略同様の傾向を示し、不純物濃度と格子欠陥の濃度とを合算したものを除いた純度が９９．９９％以上を有する単結晶フィラメントを利用することによって、従来の多結晶フィラメントに対して、高温加熱時に長波長側で略１０％の反射率の増大、延いては可視光変換効率の向上を示すことができる。例えば、
（ａ） Ｗ （２５００Ｋ）： １４ ｌｍ／Ｗが１８ ｌｍ／Ｗに向上、
（ｂ） Ｔａ （２５００Ｋ）： ３４ ｌｍ／Ｗが５８ ｌｍ／Ｗに向上、
（ｃ） Ｍｏ （２５００Ｋ）： １６ ｌｍ／Ｗが２２ ｌｍ／Ｗに向上
するという可視光変換効率の向上を期待することができる。

このように、本実施形態の単結晶フィラメントを用いることにより、電力を効率よく可視光に変換できるため、高効率で高輝度の可視光源（白熱電球）を提供できる。

また、単結晶化することによって、従来の多結晶フィラメントで生じていた高温での結晶粒界での滑り並びに変形の問題を解決できるため、強度の大きな長寿命のフィラメントを提供することも同時に可能となる。

上述の実施形態では、本発明の白熱電球は、照明用光源、自動車用電球、プロジェクター用光源、液晶バックライト光源等の各種光源として用いることができる。

また、フィラメントは、本実施形態の白熱電球だけでなく、例えば、ヒーター用電線、溶接加工用電線、熱電子放出電子源（Ｘ線管や電子顕微鏡等）等として採用することができる。この場合も、赤外光放射の抑制作用により、少量の入力電力で、効率よく高温にフィラメントを加熱することができるため、エネルギー効率を向上させることができる。

１…白熱電球、２…透光性気密容器、３…フィラメント、４…リード線、５…リード線、６…側面電極、７…中心電極、８…絶縁部、９…口金

Claims (5)

1. 透光性気密容器と、当該透光性気密容器内に配置されたフィラメントと、前記フィラメントに電流を供給するためのリード線とを有する白熱電球であって、
   前記フィラメントは、単結晶であることを特徴とする白熱電球。
2. 請求項１に記載の白熱電球であって、前記単結晶のフィラメントは、格子欠陥の濃度と不純物濃度を合算したものが、０．０１％未満であることを特徴とする白熱電球。
3. 請求項１または２に記載の白熱電球であって、前記単結晶のフィラメントは、タングステンから成ることを特徴とする白熱電球。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の白熱電球であって、前記単結晶のフィラメントは、電気比抵抗が５．５μΩ・ｃｍ以下であることを特徴とする白熱電球。
5. 請求項４に記載の白熱電球であって、前記単結晶のフィラメント電気比抵抗は、１μΩ・ｃｍ以下であることを特徴とする白熱電球。

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