JP2014143053A - 光源装置、および、フィラメント - Google Patents

Abstract

【課題】電力を可視光に変換する効率が高いフィラメントを備えた白熱電球を提供する。
【解決手段】本発明の白熱電球は、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。フィラメントは、金属材料により形成された基体と、基体を覆う可視光吸収膜とを有する。可視光吸収膜は、赤外光領域では透明である。可視光反射防止膜は、誘電体膜であり、内部に含有された空孔および表面に配置された開口のうち少なくとも一方を備えるように構成する。この構造により、フィラメント表面は、可視光の反射率が低く、赤外光の反射率が高くなるため、赤外光の放射が抑制され、可視光光束効率を高めることができる。
【選択図】図８

Description

本発明は、エネルギー利用効率を改善した光源用フィラメントに関し、特に、フィラメントを用いた白熱電球や熱電子放出源等の光源装置に関する。

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て発光させる白熱電球が広く用いられている。白熱電球は、太陽光に近い演色性に優れた放射スペクトルが得られ、白熱電球の電力から光への変換効率は８０％以上になるが、放射光の波長成分は、図１に示すように赤外放射光成分が９０％以上である（図１の３０００Ｋの場合）。このため、白熱電球の電力から可視光への変換効率は、凡そ１５ ｌｍ／Ｗと低い値になる。一方、蛍光灯は、電力から可視光への変換効率が約９０ ｌｍ／Ｗであり、白熱電球よりも大きい。このように、白熱電球は演色性に優れているが、蛍光灯と比較して環境負荷が大きい。

白熱電球を高効率化・高輝度化・長寿命化する試みとして、様々な提案がなされている。例えば、特許文献１および２には、電球内部に不活性ガスやハロゲンガスを封入することにより、蒸発したフィラメント材料をハロゲン化してフィラメントに帰還させ（ハロゲンサイクル）、フィラメント温度をより高くする構成が提案されている。一般的にこれらはハロゲンランプと呼ばれている。これにより、可視光への電力変換効率の上昇およびフィラメント寿命の延長の効果が得られる。この構成では、高効率化並びに長寿命化のために、封入ガスの成分並びに圧力の制御が重要となる。

特許文献３−５には、電球ガラスの表面に赤外光反射コートを施し、フィラメントから放射された赤外光を反射して、フィラメントに戻し、吸収させる構成が開示されている。フィラメントに再吸収させた赤外光によってフィラメントを再加熱し、高効率化を図っている。

特許文献６−９には、フィラメント自体に微細構造体を作製し、その微細構造体の物理的効果により、赤外放射を抑制し、可視光放射の割合を高めるという構成が提案されている。

特開昭６０−２５３１４６号公報 特開昭６２−１０８５４号公報 特開昭５９−５８７５２号公報 特表昭６２−５０１１０９号公報 特開２０００−１２３７９５号公報 特表２００１−５１９０７９号公報 特開平６−５２６３号公報 特開平６−２１６７号公報 特開２００６−２０５３３２号公報

F. Kusunoki et al., Jpn. J. Appl. Phys. 43, 8A, 5253(2004).

しかしながら、特許文献１、２のようにハロゲンサイクルを利用する技術は、寿命延伸効果を図ることはできるが、変換効率を大きく改善することは困難であり、現状、２０ ｌｍ／Ｗ程度の効率である。

また、特許文献３−５のように、赤外放射を赤外光反射コートで反射して、フィラメントに再吸収させる技術は、フィラメントによる赤外光の反射率が７０％と高いために再吸収が効率良く起こらない。また、赤外光反射コートで反射された赤外光が、フィラメント以外の他の部分、例えばフィラメント保持部分並びに口金等に吸収され、フィラメントの加熱に利用されない。このため、本技術により、変換効率を大きく改善することは困難である。現状、２０ ｌｍ／Ｗ程度の効率となる。

特許文献６−９のように微細構造により赤外放射光の抑制効果を図る技術は、非特許文献１のように赤外放射スペクトルの極一部分の波長に対して放射増強並びに抑制効果を示す報告は存在するものの、広範囲な赤外光全体に亘って赤外放射光の抑制を図ることは非常に困難である。これは、ある波長が抑制されると、別の波長は増強される性質のためである。このため、本技術を利用して大幅な効率改善を図ることは難しいと考えられている。また、微細構造作製に際して、電子ビームリソグラフィー等の高度な微細加工技術を利用するため、これを使用した光源は非常に高価なものとなる。更に、高温耐熱部材であるＷ基体上に微細構造を作り込んでも１０００℃程度の加熱温度で微細構造部分が溶融並びに破壊してしまうという問題も存在する。

本発明の目的は、電力を可視光に変換する効率が高いフィラメントを備えた光源装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様では、フィラメントの構成を、金属材料により形成された基体と、基体を覆う可視光吸収膜と、可視光吸収膜の上に配置された可視光反射防止膜とを備えた構成とする。可視光吸収膜は、可視光領域の光を吸収し、赤外光領域の光に対して透明である。可視光反射防止膜は、誘電体膜であり、内部に含有された空孔および表面に配置された開口のうち少なくとも一方を備えるように構成する。

本発明の第２の態様では、可視光反射防止膜は、表面に複数の凸部を有する誘電体膜であり、凸部の径は、先端の方が基部よりも小さくなるように構成する。

本発明によれば、可視光反射防止膜がフィラメント表面における可視光反射を防ぐため、可視光吸収膜に可視光を効果的に吸収させることができ、フィラメント表面の可視光反射率を低下させることができる。よって、赤外波長領域の反射率が高く、可視光波長領域の反射率が低いフィラメントが得られるため、フィラメントの赤外光放射を抑制し、可視光放射を高めることができる。これにより、可視光光束効率の高い光源装置が得られる。

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。 本発明のフィラメントの反射率と放射率と放射スペクトルとの関係を示すグラフ。 本実施形態のフィラメントの断面図。 実施形態のＴａ基体の研磨加工前の反射率、放射スペクトル並びに分光光度（放射スペクトル×視感度曲線）の波長依存性を示すグラフ。 実施形態のＴａ基体の研磨加工後の反射率、放射スペクトル並びに分光光度（放射スペクトル×視感度曲線）の波長依存性を示すグラフ。 実施形態のフィラメントの赤外光反射膜２０の断面図。 （ａ）〜（ｄ）実施形態のフィラメントの断面図。 （ａ）および（ｂ）実施形態の可視光反射防止膜４０の断面図。 実施形態のフィラメントの断面図。 具体的な実施形態１〜９のフィラメントの赤外光反射膜２０の層構成と反射特性、およびフィラメントの可視光光束効率を示す説明図。 具体的な実施形態のフィラメントの反射率、放射スペクトル並びに分光光度（放射スペクトル×視感度曲線）の波長依存性を示すグラフ。 実施形態の白熱電球の切り欠き断面図。

本発明の光源用フィラメントの原理について図面を用いて説明する。

本発明のフィラメントは、表面の反射率が、図２に実線で示したように可視光領域で低く、赤外光領域で高くとなるように設計する。このような光反射特性を有するフィラメントは、電流供給等により加熱されることによって高効率に可視光を発する。その原理を、黒体放射におけるキルヒホッフの法則に基づいて、以下説明する。

自然対流熱伝達の無い条件下（例えば真空中）における材料（ここではフィラメント）の入力エネルギーに対するエネルギー損失は平衡状態では以下の式（１）で与えられる。
（数１）
P(total)=P(conduction)+P(radiation) ・・・(1)

ここで、P(total)は、全入力エネルギー、P(conduction)は、フィラメントに電流を供給するリード線を経て損失されるエネルギー、P(radiation)は、フィラメントが、加熱された温度で外部空間に光を放射して損失するエネルギーである。フィラメントは、その温度が２５００Ｋ以上の高温になると、リード線を経て損失されるエネルギーはわずか５％程度になり、残りの９５％以上のエネルギーは、光放射によって外部にエネルギー損失されるため、入力電力の殆ど全てのエネルギーを光に変えることができる。しかしながら、従来の一般的なフィラメントから放射される放射光の内、可視光成分の割合はわずか１０％程度で、大部分が赤外放射光成分であるため、そのままでは効率の良い可視光源とはならない。

上記式（１）におけるP(radiation)の項は一般的に、下記式（２）で記述することができる。
式（２）においては、ε(λ)は、各波長における放射率、αλ^-5/(exp(β/λＴ)−１)の項は、プランクの放射則を示す。α＝３．７４７×１０^８ Ｗμｍ^４／ｍ^２、β＝１．４３８７×１０^４ μｍＫ、である。また、ε(λ)は、キルヒホッフの法則によって反射率Ｒ(λ)と式（３）の関係にある。
（数３）
ε(λ)＝１−Ｒ(λ) ・・・(3)

式（２）と式（３）を関連付けて議論すると、仮に反射率が全ての波長に亘って１である材料は、式（３）よりε(λ)＝０となり、ひいては、式（２）における積分値が０となるため放射による損失が起こらなくなる。この物理的意味は、P(total)=P(conduction)となるため、少量の入力エネルギーでも光放射による損失が無く、フィラメントが非常に高い温度まで達することを意味している。一方、反射率が全ての波長に亘って０である材料は、完全黒体とよばれ、式（３）よりε(λ)＝１となる。この結果、式（２）における積分値は最大となり、ひいては、放射による損失量が最大となる。通常の材料は、放射率ε(λ)が０＜ ε(λ)＜１の間に存在し、かつ、その波長依存性は、劇的に変化することは無い（波長λ、温度Ｔに対する緩慢な依存性は存在する）。そのため、赤外から可視光領域における光放射は、図２の２点鎖線で示すように略可視から赤外領域に亘って均一に起こる。なお、図２の２点鎖線は、議論を簡略化するため全波長領域でε(λ)＝１として黒体放射スペクトルをプロットしている。

一方、図２に一点鎖線で示すように赤外光領域で略０％の放射率を有し、７００ｎｍ以下の可視光領域で、略１００％の放射率を有する材料を、真空中で加熱した熱放射は、以下の式（４）で表現出来る。

式（４）において、θ(λ−λ_０） は、長波長から可視光のある波長λ_０までは放射率が０であり、ある波長λ_０よりも短波長の領域では放射率が１である階段関数的振る舞いを示す関数である。得られる放射スペクトルは階段関数的な放射率と黒体放射スペクトルを畳み込んだ形状となり、計算の結果は、図２の破線で示すスペクトルとなる。即ち、式（４）の物理的意味は、フィラメントへの入力エネルギーの小さい低温領域では輻射損失が抑えられており、式（４）のP(radiation)の項が0となるため、エネルギー損失がP(conduction)のみとなり、非常に効率良くフィラメント温度が上昇する。一方、フィラメント温度が高温になり、黒体放射スペクトルのピーク波長がλ_０より短くなるような温度領域になると、フィラメントに入力したエネルギーを図２の破線で示した放射スペクトルのように可視光放射として損失するようになる。

式（４）におけるθ(λ−λ_０）は、上述のように長波長から可視光のある波長λ_０までは放射率が０であり、ある波長λ_０よりも短波長の領域では放射率が１である材料である。このような材料は、式（３）のキルヒホッフの法則により、図２に実線で示したように、波長λ_０以下で反射率が０で、波長λ_０よりも長波長領域で反射率が１となる。そこで本発明は、表面の反射率が、波長λ_０以下の可視光領域で小さく（０に近く）、波長λ_０よりも長波長領域（赤外光領域）で大きい（１に近い）フィラメントを提供する。

例えば、波長λ_０以下の可視光域の反射率が２０％以下の低反射率であり、波長λ_０よりも長波長の所定の赤外光領域の反射率が９０％以上の高反射率のフィラメントであることが好ましい。波長λ_０以下の可視光域とは、波長７５０ｎｍ以下で３８０ｎｍ以上であることが好ましく、波長７００ｎｍ以下で３８０ｎｍ以上であることがより好ましい。反射率が９０％以上の所定の赤外光領域とは、波長４０００ｎｍ以上の赤外光領域であることが好ましく、波長１０００ｎｍ以上の赤外光領域で反射率が９０％以上である場合には更なる光束効率の向上を期待することが出来るため、より好ましい。なお、可視光域の反射率が２０％以下であれば、可視光域よりも短い波長領域での反射率が２０％を超えていても構わない。また、反射率が２０％以下の可視光域と反射率が９０％以上になる赤外光領域との間には、反射率が２０％以下から９０％以上まで変化する領域が存在するため、この領域の反射率が９０％未満であっても構わない。そのため、波長７５０ｎｍ以上波長４０００ｎｍ以下の波長領域は、反射率が２０％より大きく９０％未満であっても構わない。

白熱電球等の光源用フィラメントは、２０００Ｋ〜３０００Ｋの高温になることが知られている。よって、本発明では、２０００Ｋ以上の高温で、フィラメントの表面が、上述の反射率の波長依存性を示す構造を提供する。具体的には、金属材料により形成された基体を可視光吸収膜で覆い、可視光吸収膜の上に可視光反射防止膜が配置された構造とする。可視光吸収膜は、可視光領域の光を吸収し、赤外光領域の光に対して透明であるものを用いる。これにより、フィラメント表面の可視光領域の反射率を赤外光領域に対して低下させることができる。

可視光反射防止膜は、誘電体膜であり、内部に含有された空孔および表面に配置された開口のうち少なくとも一方を備える膜を用いる。可視光反射防止膜が、フィラメント表面における可視光の反射を防止するため、可視光を可視光吸収膜に効率よく吸収させることができ、フィラメント表面の可視光反射率をより効果的に低下させることができる。また、空孔や開口を備えることで、可視光反射防止膜の屈折率を制御することができる。これにより、可視光反射防止膜を構成する誘電体として、可視光吸収膜を構成する誘電体と同じ材料を用いることが可能になるため、可視光吸収膜と可視光反射防止膜の熱膨張係数を一致させることができ、可視光吸収膜と可視光反射防止膜との界面の膜剥がれを防止することができる。

また、空孔や開口が占める容積を膜厚方向について制御することにより、可視光反射防止膜の屈折率を膜厚方向に制御できる。よって、可視光吸収膜側から膜厚方向に可視光反射防止膜の表面に近づくにつれて、屈折率が、段階的または連続的に低減した可視光反射防止膜を形成することができる。

また、可視光反射防止膜としては、表面に複数の凸部を有する誘電体膜を用いることも可能である。凸部の径は、先端の方が基部よりも小さくなるように形成する。これにより、可視光反射防止膜の屈折率を膜厚方向に制御することができる。

また、可視光吸収膜と基体との間には、赤外光反射膜を配置することも可能である。これにより、フィラメント表面における赤外光の反射率をさらに高めることが可能になる。

以下、一実施形態として、図３に示すように、基材１０を、赤外光反射膜２０、可視光吸収膜３０、可視光反射防止膜４０により順に被覆した構造のフィラメントについて説明する。

（基体１０の設計）
基体を構成する高融点材料としては、融点２０００Ｋ以上の金属材料であることが好ましい。例えば、ＨｆＣ（融点４１６０Ｋ）、ＴａＣ（融点４１５０Ｋ）、ＺｒＣ（融点３８１０Ｋ）、Ｃ（融点３８００Ｋ）、Ｗ（融点３６８０Ｋ）、Ｒｅ（融点３４５３Ｋ）、Ｏｓ（融点３３２７Ｋ）、Ｔａ（融点３２６９Ｋ）、Ｍｏ（融点２８９０Ｋ）、Ｎｂ（融点２７４１Ｋ）、Ｉｒ（融点２６８３Ｋ）、Ｒｕ（融点２５８３Ｋ）、Ｒｈ（融点２２３９Ｋ）、Ｖ（融点２１６０Ｋ）、Ｃｒ（融点２１３０Ｋ）、およびＺｒ（融点２１２５Ｋ）、のいずれか、または、これらのうちのいずれかを含有する合金を用いることができる。

基材１０の形状は、高温に加熱できる形状であればどのような形状でもよく、例えばリード線から電流の供給を受けて発熱することができる線状、棒状、薄板状にすることができる。また、電流供給以外の方法により直接加熱される構造であってもよい。

基体の表面は、鏡面研磨されていることが望ましい。具体的には、例えば、基体の表面は、表面粗さ（中心線平均粗さＲａ）が１μｍ以下、最大高さ（Ｒｍａｘ）が１０μｍ以下、および、十点平均粗さ（Ｒｚ）が１０μｍ以下、のうちの少なくも１つを満たすことが好ましい。その理由は、一般的に、金属材料の放射率は表面粗度と関連し、表面粗さが大きくなると鏡面状態の表面と比較して反射率が低下するためである。

図４に、Ｔａ基材１０を鏡面加工する前（砂面）の反射率の波長依存性のグラフを、図５に上述の表面粗さ条件を満たす鏡面研磨加工後の反射率の波長依存性のグラフをそれぞれ示す。図５に示すように、鏡面研磨加工後のＴａ基材の赤外光領域における反射率は、図４の鏡面研磨前の反射率と比較して、１０％以上向上している。反射率が高いほど、長波長赤外光の放出は低減するため、基材１０に鏡面研磨を施すことにより、光束効率を高めることができる。さらに具体的には、図４、図５に示すようにＴａ基材においては、１−１０ μｍの赤外波長領域で、砂面の反射率（８８％）と比較して鏡面の反射率（９８％）は、１０％程度向上している。また、被覆しないＴａ基材１０の放射率の波長依存性を求めると図４、図５に示すように、鏡面研磨したＴａ基材１０の放射率が、赤外波長領域において低減する。よって、可視光光束効率を２５００Ｋの温度領域において求めると、砂面のＴａ基材１０の可視光光束効率２８．２ ｌｍ／Ｗと比較し、鏡面研磨したＴａ基材１０の可視光光束効率は５２．２ ｌｍ／Ｗであり、４６％も向上する。

このように、本発明のフィラメントは、１−１０ μｍの赤外波長領域で反射率を極力高めた高温耐熱材料が望まれるため、基材１０の表面を鏡面加工することが望ましい。なお、砂面によって生じる反射率低下の原因は、砂面構造によって生じる光の多重散乱ならびに吸収である。

（赤外光反射膜２０の設計）
赤外光反射膜２０は、赤外光を反射することにより、フィラメントの赤外光波長域の反射率を高めるために配置されている。図６のように、赤外光反射膜２０は、いずれも赤外光を透過する材料、例えば高耐熱性誘電体層でそれぞれ構成された第１の層２１および第２の層２２の組を少なくともひと組含む。第１の層２１の屈折率をｎ_１、厚さをｄ_１、第２の層２２の屈折率をｎ_２、厚さをｄ_２とすると、赤外光の所定の波長λに対して、式（５）を満たす。
（数５）
ｎ_１・ｄ_１＝ｎ_２・ｄ_２＝λ／４ ・・・（５）
このように屈折率の異なる２種類の層２１、２２を積層することにより、光の干渉を利用して、所定の波長λ_１を中心波長とする所定の波長範囲の赤外光の反射率を高めることができる。

また、本実施形態では、広い波長範囲の赤外光を反射するため、図６のように、赤外光反射膜２０は、２種類の層２１、２２の組を複数組積層した構成としている。それぞれの組の反射の中心波長λを異ならせ、積層された各組でそれぞれ少しずつ異なる波長の赤外光を反射させることにより、赤外光反射膜２０全体として広い波長範囲の赤外光を反射することができる。第１の層２１と第２の層２２の屈折率差が大きいほど、反射できる波長幅が大きくなるため、反射したい波長幅に応じて第１の層２１と第２の層２２の材料を選択する。なお、層２１、２２の組を複数組積層した場合、すべての組の中心波長を必ずしも異ならせる必要はなく、複数の組全体で所望の波長帯域の赤外光を反射できればよい。よって、複数の組のうちのいくつかの組の中心波長が同一であってもよく、例えば、２組づつ同一の中心波長を反射するように構成してもよい。

例えば、第１の層２１をＭｇＯ層とし、第２の層２２をＳｉＣ層とする。２５００ Ｋの温度における黒体からの放射は、１２００ｎｍ程度の赤外波長においてピークを有するので、このピーク周辺の波長を選択し、この波長帯における反射を高めることにより、光束効率を向上することができる。第１の層２１および第２の層２２の組の数を２６組（組２０−１〜組２０−２６）、合計５２層積層し、例えば、ＭｇＯ層２１の膜厚を１５６ｎｍから９４ｎｍまで、ＳｉＣ層２２の膜厚を１１６ｎｍから７０ｎｍまで組ごとに徐々に異なる値に設計することにより、中心波長λ_１〜λ_２６＝７００ｎｍ〜１０μｍの範囲で良好な赤外光反射特性を得ることができる。

上記第１の層２１および第２の層２２は、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、６Ｈ−ＳｉＣ（六方晶のＳｉＣ）、ＧａＮ、３Ｃ−ＳｉＣ（立方晶のＳｉＣ）、ＨｆＯ_２、Ｌｕ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３、グラファイト、ダイヤモンド、ＣｒＺｒＢ_２、ＭｏＢ、Ｍｏ_２ＢＣ、ＭｏＴｉＢ_４、Ｍｏ_２ＴｉＢ_２、Ｍｏ_２ＺｒＢ_２、ＭｏＺｒ_２Ｂ_４、ＮｂＢ、Ｎｂ_３Ｂ_４、ＮｂＴｉＢ_４、ＮｄＢ_６、ＳｉＢ_３、Ｔａ_３Ｂ_４、ＴｉＷＢ_２、Ｗ_２Ｂ、ＷＢ、ＷＢ_２、ＹＢ_４およびＺｒＢ_１２、のうちのいずれかの材料、もしくは、これらの材料を含有する混晶材料で構成することができる。

なお、ここでは、第１の層２１と第２の層２２を構成する材料の組み合わせが、各組２０−１〜２０−２６において同じである場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、組ごとに、第１の層２１と第２の層２２の材料の組み合わせを異ならせることももちろん可能である。

第１の層２１と第２の層２２の屈折率差は、０．１以上の場合、良好な反射率特性を得ることができるため好ましい。屈折率差が大きいほど、１組の第１の層２１と第２の層２２で反射できる波長範囲が広くなり、薄膜積層の総数を少なくできるため、特に屈折率差が０．３以上であることが望ましい。

第１の層２１と第２の層２２の組の積層は、積層の総数が３層から２００層において良好な反射率特性を得ることができる。２００層以上になると、応力などによりクラック、はがれを生じ、良好な反射率特性を維持することが難しくなるため、これらを防止する成膜手法を採用することが望ましい。

（可視光吸収膜３０の設計）
上記赤外光反射膜２０の上には、可視光吸収膜３０が配置されている。可視光吸収膜３０は、赤外光に対しては透明であって、可視光の吸収率が高い膜であり、可視光を吸収することで、フィラメントの可視光波長域の反射率を低下させる作用をする。

可視光吸収膜３０は、赤外光領域に透明な材料、例えば高耐熱性誘電体に金属微粒子を添加した材料もしくは、赤外光領域に透明な材料に不純物を添加した材料によって構成されている。

前者の金属微粒子を添加した材料の場合、金属微粒子による局在光吸収の作用により、可視光を吸収することができる。金属微粒子による局在光吸収効果を利用した代表的な例としては教会のステンドグラスが挙げられる。ガラス中に分散させる金属の種類並びに粒径に応じて、可視光領域の吸収波長並びに吸収量を制御出来るため、ステンドグラスのように種々の吸収帯を形成することが可能となる。例えば、Ａｕの微粒子の粒径を２ｎｍから５ｎｍに変化させることによって、ステンドグラスの色をピンクから深緑に変化させることが可能となるが、これは、物理的には、金属微粒子表面で起こる光の局在共鳴吸収効果による透過光変化（補色）に起因する。即ち、粒子サイズが小さい場合は短波長の光を吸収し、粒子サイズが大きくなるにつれて長波長の光を吸収する。赤外光領域に透明な材料に金属微粒子添加した吸収も本原理に基づく。

金属微粒子の粒径は、２ｎｍ以上５μｍ以下であることが望ましい。金属微粒子の添加量としては、０．０００１％以上１０％以下が好ましい。金属微粒子は、フィラメントを発光させる際の温度である２０００Ｋ以上の融点を有することが望ましく、一例としては、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｈｆ、Ｙ、Ｚｒ、Ｒｅ、Ｏｓ、および、Ｉｒ、のいずれかの微粒子、もしくは、これらの金属を含有する合金金属の微粒子であることが望ましい。

後者の赤外光領域に透明な材料に不純物を添加した材料の場合、蛍光体材料と同様な物理的効果で可視光を吸収することができる。これは、即ち、赤外光領域に透明な材料に添加された原子（イオン）が作り出すエネルギー準位を反映した吸収となる。代表的な作用として、遷移金属を利用した光吸収、並びに希土類金属を利用した光吸収、の物理的過程がある。この作用により可視光を吸収させるための条件としては、赤外光領域に透明な材料に添加された元素が、上記の金属微粒子の例とは対照的に原子的（イオン的）に分散していることが必要である。具体的には、不純物は、Ｃｅ、Ｅｕ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｔｂ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｗ、Ｐｂ、Ａｓ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｄｙ、Ｐｒ等を用いることができる。不純物の添加濃度としては、０．０００１％以上１０％以下が好ましい。

可視光吸収膜３０を構成する赤外光領域に透明な材料としては、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、６Ｈ−ＳｉＣ（六方晶のＳｉＣ）、ＧａＮ、３Ｃ−ＳｉＣ（立方晶のＳｉＣ）、ＨｆＯ_２、Ｌｕ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３、グラファイト、ダイヤモンド、ＣｒＺｒＢ_２、ＭｏＢ、Ｍｏ_２ＢＣ、ＭｏＴｉＢ_４、Ｍｏ_２ＴｉＢ_２、Ｍｏ_２ＺｒＢ_２、ＭｏＺｒ_２Ｂ_４、ＮｂＢ、Ｎｂ_３Ｂ_４、ＮｂＴｉＢ_４、ＮｄＢ_６、ＳｉＢ_３、Ｔａ_３Ｂ_４、ＴｉＷＢ_２、Ｗ_２Ｂ、ＷＢ、ＷＢ_２、ＹＢ_４およびＺｒＢ_１２、のうちのいずれかの材料、もしくは、これらの材料を含有する材料を用いることができる。

例えば、可視光吸収膜３０としては、金属微粒子もしくは不純物を添加したＳｉＣ膜を使用することができる。この可視光吸収膜３０の厚さは、可視光の反射が０．０５以下となるように設計することが望ましい。可視光吸収膜３０をコーティングしていないＴａ基材１０の５５０ｎｍの波長における反射率は０．４程度なので、可視光吸収膜３０の透過率を０．３５以下とすれば、可視光が可視光吸収膜を往復する間に吸収されることにより、基材１０の反射率を、０．４×０．３５×０．３５＝０．０４９まで低下させることができ、可視光吸収膜３０でコーティグしたＴａ基材１０の反射率を０．０５以下にすることができるからである。

なお、可視光吸収膜３０の消衰係数をｋとすると、可視光吸収膜３０の透過率を０．３５にするために必要な可視光吸収膜３０の厚さｄは、以下の式（６）で表される。
よって、必要な透過率が得られるように、可視光吸収膜３０の膜厚を設計する。例えば、可視光吸収膜３０の５５０ｎｍの波長における消衰係数ｋが０．１である場合、透過率を０．３５にするために必要な厚さｄは、２００ｎｍとなる。

金属微粒子を添加した可視光吸収膜３０の形成方法としては、膜３０を構成する赤外光に透明な誘電体（ＳｉＣ）を蒸着により成膜する際に、金属微粒子材料を共蒸着する方法、あるいは、赤外光に透明な誘電体の膜をコーティングした後に金属微粒子材料をイオン注入する方法を用いることができる。具体的には、前者の方法の場合、例えば、蒸着源として、ＳｉＣと、金属微粒子材料Ｔａをそれぞれ用意し、金属微粒子材料をＳｉＣ中に０．０００１％以上１０％以下の割合で混合し、その混合材料を電子ビームで加熱して、基材上に同時に蒸着する。その後、焼成して透明な誘電体中に金属微粒子の結晶を成長させる方法を用いる。後者の方法の場合、蒸着源として、ＳｉＣを用意し、ＳｉＣ膜を形成した後、金属微粒子材料であるＴａ金属イオンを、イオン注入装置を利用して打ち込み、その後、焼成して透明な誘電体中に金属微粒子の結晶を成長させる方法を用いる。

（可視光反射防止膜４０の設計）
可視光吸収膜３０の上には、可視光反射防止膜４０が配置されている。可視光反射防止膜４０は、フィラメント表面の可視光の反射率を低下させて、可視光を可視光吸収膜３０に効果的に吸収させる作用をする。これにより、フィラメント表面の可視光反射率をより低下させる。

可視光反射防止膜４０は、誘電体膜であり、内部に含有された空孔および表面に配置された開口のうち少なくとも一方を備える。すなわち、図７（ａ）〜（ｄ）に示したように、可視光反射防止膜４０の構造は、誘電体膜４３中に空孔４１や開口４２による空間が混合された層である。図７（ａ）の可視光反射防止膜４０は、誘電体膜４３中に空孔４１を含有した構造である。図７（ｂ）、（ｃ）の可視光反射防止膜４０は、誘電体膜４３中に開口４２を備えた構造である。図７（ｂ）の開口４２の径は、膜厚方向について一定である。図７（ｃ）の開口４２の径は、表面で最も大きく、可視光吸収膜３０に近づくにつれて連続的に小さくなっている。図７（ｄ）の可視光反射防止膜４０は、誘電体膜４３が２層構造であり、可視光吸収膜３０に近い層が空孔４１を含有し、表面側の層が開口４２を備えている。

空孔４１および開口４２の径は、可視光の散乱を生じさせないために、可視光波長よりも小さいことが好ましい。具体的には、４００ｎｍ以下であることが好ましい。また、以下に述べる誘電率の制御効果を得るために、空孔４１および開口４２の径は、０．３ｎｍ以上であることが好ましい。また、開口４２の深さは、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。

空孔４１空間が混合された誘電体膜の誘電率εは、空孔４１が誘電体膜４３と等しい外部電場中に存在すると仮定すると、以下の式で表される。
（ε₁：誘電体の誘電率、ε₂：空間内の雰囲気（ガスまたは真空）の誘電率、c：空孔や開口による空間の体積濃度）

式（７）から明らかなように、可視光反射防止膜４０の誘電率（屈折率）は、膜中の空孔や開口による空間の体積濃度によって制御することができる。よって、可視光吸収膜３０よりも空気の屈折率に近い屈折率を有する可視光反射防止膜４０を、空孔や開口の形成する空間の堆積濃度を調整することによって形成できるため、可視光反射防止の作用を生じさせることができる。

また、空孔や開口の体積濃度で屈折率を制御できるため、可視光反射防止膜４０を構成する誘電体として、可視光吸収膜３０を構成する誘電体と同じ材料を用いることができる。これにより、可視光吸収膜３０と熱膨張係数を一致させ、可視光反射防止膜４０と可視光吸収膜３０との界面で膜剥がれが生じるのを防止することができる。

可視光反射防止膜４０は、可視光吸収膜３０側から膜厚方向に可視光反射防止膜４０の表面に近づくにつれて、屈折率が、段階的または連続的に低減していることが望ましい。これにより、可視光反射防止の作用をより効果的に生じさせることができる。可視光反射防止膜４０の屈折率の段階的または連続的な低減は、可視光反射防止膜４０に含まれる空間の堆積濃度を段階的または連続的に増加させることで実現することができる。例えば、可視光反射防止膜４０が空孔４１を含有する場合には、図８（ａ）のように、誘電体膜４３を多層構造（図８（ａ）では３層４３ａ，４３ｂ，４３ｃ）とし、可視光吸収膜３０に最も近い層４３ａが最も空孔４１の体積濃度が最も少なく、表面に近い層ほど空孔４１の体積濃度が増加し、表面に最も近い層４３ｃは、空孔４１の体積濃度が最も大きくなるように構成する。また、開口４２の場合には、図８（ｂ）のように、誘電体膜４３に含まれる開口４１内の空間の体積濃度を表面に近い層ほど増加させるように、開口４１の数または開口４１の大きさを変化させる。図７（ｃ）のように、開口４２の径が、表面で最も大きく、膜厚方向に可視光吸収膜３０に近づくにつれて連続的に低減した形状である場合には、可視光反射防止膜４０の屈折率を表面が最も小さくなるように膜厚方向に連続的に変化させることができる。

また、可視光反射防止膜４０は、図９に示すように、表面に複数の凸部４４を有する誘電体膜であってもよい。この場合、凸部４４の径を、先端側の方が基部よりも小さくなるように形成することにより、可視光反射防止膜４０の屈折率を表面が最も小さくなるように膜厚方向に連続的に変化させることができる。なお、凸部４４の基部は、図９のように可視光吸収膜３０に接していてもよいし、可視光反射防止膜４０の表面部分にのみ凸部４４を設けた構造とすることも可能である。

凸部４４の径は、可視光の散乱を生じさせないために、可視光波長よりも小さいことが好ましい。具体的には、４００ｎｍ以下であることが好ましい。また、誘電率の制御効果得るために、凸部４４の径は、０．３ｎｍ以上であることが好ましい。また、凸部４４の高さは、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。

可視光反射防止膜４０を構成する誘電体は、２０００Ｋ以上の融点を有する金属の酸化物膜、窒化物膜、炭化物膜、および、ホウ化物膜のいずれかを用いる。具体的にはＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、６Ｈ−ＳｉＣ（六方晶のＳｉＣ）、ＧａＮ、３Ｃ−ＳｉＣ（立方晶のＳｉＣ）、ＨｆＯ_２、Ｌｕ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３、グラファイト、ダイヤモンド、ＣｒＺｒＢ_２、ＭｏＢ、Ｍｏ_２ＢＣ、ＭｏＴｉＢ_４、Ｍｏ_２ＴｉＢ_２、Ｍｏ_２ＺｒＢ_２、ＭｏＺｒ_２Ｂ_４、ＮｂＢ、Ｎｂ_３Ｂ_４、ＮｂＴｉＢ_４、ＮｄＢ_６、ＳｉＢ_３、Ｔａ_３Ｂ_４、ＴｉＷＢ_２、Ｗ_２Ｂ、ＷＢ、ＷＢ_２、ＹＢ_４およびＺｒＢ_１２、のうちのいずれかの材料、もしくは、これらの材料を含有する材料を用いることができる。これらのうちのいずれかの単層膜、もしくは、これらの材料の単層膜を複数種類積層した多層膜とすることもできる。

可視光反射防止膜４０の作製方法としては、例えば、図７（ａ）のように空孔４１を含む誘電体層４３の場合には、ＳｉＯ_２等のように後で溶液に溶解することが可能な粒子を、誘電体層４３を成膜する際に誘電体に混合して形成する。例えば、誘電体層４３を蒸着法やスパッタ法やＣＶＤ法等の気相成長法により成膜する場合には、ＳｉＯ_２を同時に蒸発または飛散させて誘電体と同時堆積させる方法を用いることができる。誘電体層４３を塗布により形成する場合には、塗布溶液にＳｉＯ_２粒子を予め混合しておき、混合溶液を塗布する方法を用いることができる。成膜後に、誘電体膜４３中のＳｉＯ_２粒子を溶解し、誘電体膜４３を溶解しない溶液（例えば、フッ化水素酸）に浸漬し、ＳｉＯ_２を溶解して除去する。これにより、ＳｉＯ_２が含まれていた位置に空孔４１が形成された可視光反射防止膜４０を形成することができる。図８（ａ）のように、空孔４１の体積濃度が異なる多層構造の誘電体層４３ａ〜４３ｃを形成する場合には、ＳｉＯ_２粒子の含有量の異なる誘電体層４３ａ〜４３ｃを積層し、その後、ＳｉＯ_２を溶解することにより形成することができる。

図７（ｂ）および（ｃ）のように開口４２を備えた誘電体膜４３を形成する場合には、誘電体膜４３を成膜した後に、表面にマスクとなるレジストパターン等を配置し、誘電体膜４３を化学的または物理的にエッチングする方法等を用いることができる。また、図７（ｂ）のように、膜厚方向に開口径が変化していない開口４２を形成する場合には、蒸着法等の気相成長法で誘電体膜４３を成膜する際に、真空度を調整することにより、膜中に「す」が含まれるようにする方法を用いることができる。この場合、成膜中に真空度を変化させて「す」の体積を増加させることにより、図８（ｂ）のように表面に近づくほど開口４２内の空間の体積を増加させた可視光反射防止膜４０を形成することができる。

また、図９のように、表面に凸部４４を形成する場合には、誘電体膜を成膜後、表面にマスクとなるレジストパターン等を配置し、誘電体膜を化学的または物理的にエッチングする方法や、サンドブラスト等により機械的に表面を粗面にする方法等を用いることができる。

＜具体的な実施形態１〜７＞
以下の具体的な実施形態１〜７について説明する。実施形態１〜７のフィラメントは、いずれも可視光反射防止膜４０として、図９のように表面に凸部４４を備えた誘電体膜を備えている。

フィラメントの基体１０は、実施形態１〜７のいずれもＴａである。基材１０は、焼結や線引き等の公知の工程により、線材、棒材、薄板等の所望の形状に作製された後、複数種類のダイヤモンド研磨粒により研磨し、中心線平均粗さＲａを１μｍ以下、最大高さ（Ｒｍａｘ）が１０μｍ以下、十点平均粗さ（Ｒｚ）が１０μｍ以下の鏡面に加工されている。

赤外光反射膜２０は、実施形態１では、第２の層２２をＳｉＣで、第１の層２１をＭｇＯで形成し、第２の層２２／第１の層２１（すなわちＳｉＣ／ＭｇＯ）の組を２６組（合計５２層）積層した構造とする。合計５２層で波長７００ｎｍ〜１０μｍの赤外光を反射するように各組の中心波長λを設計する。

第２の層２２／第１の層２１を、実施形態２ではＳｉＣ／ＺｒＯ_２で、実施形態３ではＳｉＣ／Ｙ_２Ｏ_３で、実施形態４ではＳｉＣ／ＨｆＯ_２で、実施形態５ではＳｉＣ／Ｌｕ_２Ｏ_３で、実施形態６ではＳｉＣ／Ｙｂ_２Ｏ_３で、実施形態７ではＳｉＣ／ＳｉＯ_２でそれぞれ形成する。積層数は、実施形態１と同じである。

図１０に各実施形態１〜７の赤外光反射膜２０の反射特性（５５０ｎｍにおける反射率、１μｍにおける反射率）、ならびに、反射率が５０％となる波長（Ｃｕｔｏｆｆ波長）を示す。

可視光吸収膜３０は、いずれの実施形態１〜７のフィラメントにおいてもＳｉＣにＴａの金属微粒子（粒径３ｎｍ）を０．１％の濃度で添加したものを用いる。可視光吸収膜３０の膜厚は、およそ２００ｎｍである。

可視光反射防止膜４０としては、誘電体膜としてＨｆＯ_２を用い、その表面には高さ１１０ｎｍ、基部の大きさ２００ｎｍの略円錐形状の凸部４４が、間隔２００ｎｍで形成されたものを用いた。膜厚は、１１０ｎｍとした。この膜厚は、種々膜厚を変化させて反射率を測定したところ、最も可視光の反射率が低下した膜厚である。

このような構造の実施形態１〜７のフィラメントについてシミュレーションにより求めた可視光光束効率（２５００Ｋ）を図１０に示す。図１０のように、各実施形態１〜７のフィラメントの可視光光束効率は、７４．３〜９３．４ｌｍ／Ｗと高い値を示し、鏡面研磨Ｔａ１０基体の可視光光束効率５２．２ｌｍ／Ｗよりも増大している。

このように、本実施形態１〜７のフィラメントは、可視光光束効率を向上させることができる。

また、図１１には、実施形態４のフィラメントの反射率と放射率を示す。図１１から明らかなように、本実施形態４のフィラメントは、可視光波長４００〜７００ｎｍで反射率が０．１以下であり、波長７００ｎｍにおいて反射率が０．１からほぼ１まで急峻に変化し、７００ｎｍ〜１ミクロンの赤外光領域で反射率が１に近いことが確認できる。

＜白熱電球の具体的な実施形態＞
上記実施形態フィラメントを用いた白熱電球について説明する。
図１２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、例えばガラスバルブにより構成される。透光性気密容器２の内部は、１０^−１〜１０^−６Ｐａの高真空状態となっている。なお、透光性気密容器２の内部に１０^６〜１０^−１ＰａのＯ_２、Ｈ_２、ハロゲンガス、不活性ガス、並びにこれらの混合ガスを導入することによって、従来のハロゲンランプと同様に、フィラメント上に成膜された可視光反射防止膜の昇華並びに劣化を抑制し、寿命の延伸効果を期待することが可能となる。

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、ここでは、線材形状のフィラメントをらせん状に巻き回した構造である。

フィラメント３は、基体上に、赤外反射膜２０、可視光吸収膜３０、可視光反射防止膜４０を備えているため、赤外波長領域の反射率が高く、可視光領域の反射率が低い。この構成により、高い可視光光束効率（光束効率）を実現できる。よって、本発明では、フィラメントの表面に可視光反射防止膜を備えるという簡単な構成で、赤外域の放射を抑制することができ、結果的に入力電力に対する可視光の可視光変換効率を高めることができる。これにより、安価で効率のよい省エネ型照明用電球を提供することができる。

上述の実施形態では、本発明のフィラメントを白熱電球のフィラメントとして用いることを説明したが、白熱電球以外に用いることも可能である。例えば、可視光吸収膜３０、可視光反射防止膜４０の構成を、その膜厚、材料、不純物添加濃度を再設計して可視域から近赤外領域にシフトさせるようにすることによって、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（特に長波長赤外放射の抑制）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 (14)

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光源装置であって、
   前記フィラメントは、金属材料により形成された基体と、前記基体を覆う可視光吸収膜と、前記可視光吸収膜の上に配置された可視光反射防止膜とを有し、
   前記可視光吸収膜は、可視光領域の光を吸収し、赤外光領域の光に対して透明であり、
   前記可視光反射防止膜は、誘電体膜であり、内部に含有された空孔および表面に配置された開口のうち少なくとも一方を備えることを特徴とする光源装置。
2. 請求項１に記載の光源装置であって、前記可視光反射防止膜は、前記可視光吸収膜側から膜厚方向に前記可視光反射防止膜の表面に近づくにつれて、屈折率が、段階的または連続的に低減していることを特徴とする光源装置。
3. 請求項１または２に記載の光源装置であって、前記可視光反射防止膜の前記誘電体における前記空孔の体積濃度は、膜厚方向について前記可視光反射防止膜の表面に近い領域の方が、前記可視光吸収膜に近い領域よりも大きいことを特徴とする光源装置。
4. 請求項１または２に記載の光源装置であって、前記開口の径は、前記可視光反射防止膜の表面に近い位置の方が、前記可視光吸収膜に近い位置よりも大きいことを特徴とする光源装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光源装置であって、前記可視光反射防止膜は、複数の層から構成されていることを特徴とする光源装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光源装置であって、前記空孔および前記開口の径は、可視光波長よりも小さいことを特徴とする光源装置。
7. 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光源装置であって、
   前記フィラメントは、金属材料により形成された基体と、前記基体を覆う可視光吸収膜と、前記可視光吸収膜の上に配置された可視光反射防止膜とを有し、
   前記可視光吸収膜は、可視光領域の光を吸収し、赤外光領域の光に対して透明であり、
   前記可視光反射防止膜は、表面に複数の凸部を有する誘電体膜であり、前記凸部の径は、先端の方が基部よりも小さいことを特徴とする光源装置。
8. 請求項７に記載の光源装置であって、前記凸部の径は、可視光波長よりも小さいことを特徴とする光源装置。
9. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の光源装置であって、前記可視光吸収膜は、赤外光領域の光に透明な誘電体に金属微粒子を添加した材料によって構成され、
   前記可視光吸収膜を構成する前記誘電体は、前記可視光反射防止膜を構成する前記誘電体と同じ材料であることを特徴とする光源装置。
10. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の光源装置であって、前記可視光吸収膜は、赤外光領域の光に透明な誘電体に不純物を添加した材料によって構成され、
    前記可視光吸収膜を構成する前記誘電体は、前記可視光反射防止膜を構成する前記誘電体と同じ材料であることを特徴とする光源装置。
11. 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の光源装置であって、前記可視光吸収と前記基体との間には、赤外光反射膜が配置されていることを特徴とする光源装置。
12. 請求項１１に記載の光源装置であって、前記赤外光反射膜は、赤外光を透過する材料でそれぞれ構成され、かつ、積層された第１および第２の層の組を含み、前記第１の層は、屈折率ｎ_１、厚さｄ_１、前記第２の層は、屈折率ｎ_２、厚さｄ_２である場合、赤外光の所定の波長λ_１に対して
    ｎ_１・ｄ_１＝ｎ_２・ｄ_２＝λ_１／４
    の関係を満たし、前記所定の波長λ_１の赤外光を反射することを特徴とする光源装置。
13. 請求項１２に記載の光源装置において、前記赤外光反射膜は、前記第１および第２の層の組を複数組積層した構造であり、各組は、反射する前記赤外光の所定の波長が異なることを特徴とする光源装置。
14. 金属材料により形成された基体と、前記基体を覆う可視光吸収膜と、前記可視光吸収膜の上に配置された可視光反射防止膜とを有し、
    前記可視光吸収膜は、可視光領域の光を吸収し、赤外光領域の光に対して透明であり、
    前記可視光反射防止膜は、誘電体膜であり、内部に含有された空孔および表面に配置された開口のうち少なくとも一方を備えることを特徴とするフィラメント。