JP2014186832A - 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】フィラメントは、金属材料により形成された基体１０と、基体１０の上に配置された可視光反射防止膜４０とを有する。可視光反射防止膜４０は、赤外光領域の光に透明で、かつ、金属微粒子および不純物の少なくとも一方を含む誘電体膜であって、基部の径が可視光波長よりも小さい凸部を表面に複数備える。基体１０と可視光反射防止膜４０との間には、赤外光反射膜２０が配置されていてもよい。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３

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され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の態様としては、金属材料により形成された基体と、基体の上に配置された可視光反射防止膜とを有するフィラメントを用いる。可視光反射防止膜は、赤外光領域の光に透明な誘電体膜であって、金属微粒子および不純物の少なくとも一方と、空孔とを含む。

また、本発明の第２の態様では、可視光反射防止膜として、赤外光領域の光に透明で、かつ、金属微粒子および不純物の少なくとも一方を含む誘電体膜であって、基部の径が可視光波長よりも小さい凸部を表面に複数備えるものを用いる。

本発明の第３の態様では、可視光反射防止膜として、基部の径が可視光波長よりも小さい凸部を表面に複数備える金属膜を備えるものを用いる。

本発明の第４の態様では、可視光反射防止膜として、内部に空孔が含有された金属膜を用いる。

本発明によれば、可視光反射防止膜がフィラメント表面の可視光反射率を低下させる。これにより、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、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。 第１の実施形態のフィラメントの断面図。 第１の実施形態のフィラメントの別の例の断面図。 実施形態のフィラメントの赤外光反射膜２０（２層構造）の断面図。 実施形態のフィラメントの赤外光反射膜２０（５２層構造）の断面図。 第２の実施形態のフィラメントの断面図。 第２の実施形態のフィラメントの別の例の断面図。 第３の実施形態のフィラメントの断面図。 具体例１のフィラメントの反射率の波長依存性、放射スペクトルを示すグラフ。 具体例２のフィラメントの反射率の波長依存性、放射スペクトルを示すグラフ。 具体例３のフィラメントの反射率の波長依存性、放射スペクトルを示すグラフ。 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。

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。以下、具体的な実施形態により本発明をさらに説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態のフィラメントは、図３のように、金属材料により形成された基体１０と、基体１０の上に配置された可視光反射防止膜４０とを有する。可視光反射防止膜４０は、赤外光領域の光に透明で、かつ、金属微粒子および不純物の少なくとも一方を含む誘電体膜であって、基部の径が可視光波長よりも小さい凸部４４を表面に複数備える。可視光反射防止膜４０は、可視光反射を防止し、フィラメントの可視光領域の反射率をゼロに近づける。

基体１０と可視光反射防止膜４０との間には、図３のように、赤外光反射膜２０が配置されていることが好ましい。赤外光反射膜２０は、赤外光を反射し、赤外光領域の反射率を１に近づける。

可視光反射防止膜４０の凸部４４は、基部の径が可視光波長よりも小さいため、可視光の散乱を生じさせない。これにより、可視光反射防止膜４０の可視光反射率を低下させる。凸部４４の基部の径は、具体的には、４００ｎｍ以下であることが好ましい。また、凸部４４の径は、誘電率の制御効果を得るために、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。

また、凸部４４は、図３に示したように、先端に近づくにつれ、径が基部よりも小さくなっていることが好ましい。例えば、図３のように凸部４４の形状を円錐形にすることができる。ただし、円錐形に限られるわけではなく、図４のように先端部が細められた柱状の凸部であってもよい。

また、可視光反射防止膜４０は、赤外光領域の光に透明で、かつ、金属微粒子および不純物の少なくとも一方を含むため、可視光吸収作用を有する。これにより、可視光反射防止膜４０は、凸部４４の作用により可視光を反射せず、金属微粒子および／または不純物の作用により可視光を吸収し、フィラメントの可視光波長域の反射率を低下させる。

可視光反射防止膜４０の金属微粒子は、局在光吸収の作用により可視光を吸収する。金属微粒子の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。よって、金属微粒子の粒子サイズを制御することにより、所望の波長範囲の可視光を吸収させることができる。具体的には、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。

可視光反射防止膜４０が不純物を含有する場合は、添加された不純物原子（イオン）が作り出すエネルギー準位を反映した可視光吸収が得られる。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等の物理的作用により吸収効果が生じる。添加された元素は誘電体中で、原子的（イオン的）に分散していることが必要である。不純物元素として、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。

可視光反射防止膜４０の成膜方法としては、まず、金属微粒子および／または不純物が添加された誘電体膜を形成する。金属微粒子を添加する場合、赤外光に透明な誘電体を蒸着等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。前者の方法の場合、例えば、金属微粒子材料Ｔａを誘電体材料ＳｉＣ中に０．０００１％以上１０％以下の割合で混合し、その混合材料を蒸着源として、電子ビームで加熱して、基体上に同時に蒸着する。その後、焼成し、透明な誘電体中に金属微粒子の結晶を成長させる。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。

また、誘電体膜に不純物を添加する場合、誘電体を蒸着等により成膜する際に、不純物元素を共蒸着する方法、あるいは、誘電体膜を成膜した後で不純物元素をイオン注入する方法を用いることができる。

誘電体膜を成膜したならば、表面に凸部４４を形成する。例えば、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。なお、イオン注入装置で金属イオンを打ち込むことにより、金属微粒子材料や不純物を添加する場合には、凸部４４を形成した後で、イオン注入を行うことも可能である。

基体１０は、融点２０００Ｋ以上の金属材料で構成されていることが好ましい。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。

基体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１０の表面は、赤外光領域の反射率を高めるために、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。

赤外光反射膜２０を配置する場合、例えば、図５のように、少なくとも一方が内部に空孔４１、４２を含有する第１および第２の誘電体層２１、２２の組を１組以上積層配置した構成とする。

第１の誘電体層２１の空孔４１の体積濃度は、第２の誘電体層２２の空孔４２の体積濃度と異なるようにする。これにより、第１および第２の誘電体層２１，２２は、同じ誘電体材料で構成されていても、第１の誘電体層２１と第２の誘電体層２２の屈折率を異ならせることができる。同じ誘電体材料で第１および第２の誘電体層２２を形成することにより、膜剥がれを生じにくくすることができる。

空孔４１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、誘電率の制御効果を得るために、空孔４１、４２の径は０．３ｎｍ以上であることが好ましい。

空孔４１、４２を含有する誘電体膜の誘電率εは、空孔４１、４２が誘電体膜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（５）から明らかなように、第１および第２の誘電体層２１，２２の誘電率は、膜中の空孔４１，４２の体積濃度によって制御することができる。

また、屈折率は、誘電率から以下の式（６）を用いて求めることができる。
（数６）
ε＝ｎ^２−ｋ^２、ε’＝２ｎｋ ・・・（６）
（ε：複素誘電率の実部、ε’：複素誘電率の虚部、ｎ：屈折率、ｋ：消衰係数）

よって、第１の誘電体層２１の屈折率をｎ_１、厚さをｄ_１、第２の誘電体層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（７）を満たすように、空孔４１，４２の体積濃度を設計することにより、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。
（数７）
ｎ_１・ｄ_１＝ｎ_２・ｄ_２＝λ／４ ・・・（７）

また、広い波長範囲の赤外光を反射するために、図６のように、赤外光反射膜２０は、２種類の誘電体層２１、２２の組を複数組積層した構成としてもよい。それぞれの組の反射の中心波長λを異ならせるように空孔４１，４２の体積濃度を設計することにより、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ができる。よって、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の誘電体層２１と第２の誘電体層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空孔４１，４２の体積濃度を設計する。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。

第１および第２の誘電体層２１，２２を構成する誘電体材料は、可視光反射防止膜４０を構成可能な誘電体材料としてすでに列挙した複数の誘電体材料のうちのいずれかを用いるとこができるが、可視光反射防止膜４０を構成する誘電体材料と同じ材料を選択することにより、赤外光反射膜２０と可視光反射防止膜４０との界面の膜剥がれを防止することができる。

第１および第２の誘電体層２１，２２の作製方法としては、例えば、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２１，２２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。誘電体層２１，２２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。成膜後に、誘電体層２１，２２を、ＳｉＯ_２粒子を溶解し、誘電体層２１，２２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、４２が形成された第１および第２の誘電体層２１，２２を形成することができる。なお、第１の誘電体層２１の空孔４１の体積濃度と、第２の誘電体層２２の空孔４２の堆積濃度とを異なるためには、成膜時にＳｉＯ_２粒子の含有量を異ならせる。

上述してきたように、第１の実施形態のフィラメントは、可視光反射率を低下させる作用と可視光吸収作用とを兼ね備える可視光反射防止膜４０を備えることにより、可視光域の反射率を低下させることができる。また、赤外光反射膜２０を備えることにより、赤外光域の反射率を高めることができる。よって、赤外光の放射を抑制し、可視光の放射効率を高めることができる。

また、本実施形態では、同一の誘電体材料で、可視光反射防止膜４０と赤外光反射膜２０とを形成することができるため、膜剥がれが生じにくく、耐久性に優れたフィラメントを提供できる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態のフィラメントは、図７のように、基体１０上に可視光反射防止膜４０を備える。この可視光反射防止膜４０は、赤外光領域の光に透明な誘電体膜であって、金属微粒子および不純物の少なくとも一方と、空孔４３とを含む。

基体１０と可視光反射防止膜４０との間には、第１の実施形態と同様に、赤外光反射膜２０が配置されていることが好ましい。

空孔４３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。

空孔４３が混合された誘電体膜の誘電率εおよび屈折率ｎは、式（５）で説明した通り、空孔４１の体積濃度によって定まる。よって、基体１０の表面（赤外光反射膜２０が配置されている場合には、赤外光反射膜２０）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を配置することにより、可視光反射防止の作用を生じさせることができる。

また、赤外光反射膜２０を配置する場合、可視光反射防止膜４０を構成する誘電体として、赤外光反射膜２０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、可視光反射防止膜４０と赤外光反射膜２０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、膜厚方向に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に含まれる空間の体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、図８のように、可視光反射防止膜４０を多層構造（図８では３層４０ａ，４０ｂ，４０ｃ）とし、最も基体１０側の層４０ａが最も空孔４３の体積濃度が最も少なく、表面に近い層ほど空孔４３の体積濃度が増加し、表面に最も近い層４０ｃは、空孔４３の体積濃度が最も大きくなるように構成する。

この可視光反射防止膜４０には、金属微粒子および／または不純物が添加されているため、反射を防止した可視光を吸収し、より可視光反射率を低下させることができる。金属微粒子および／または不純物の説明は、第１の実施形態の可視光反射防止膜４０と同様であるので説明を省略する。

空孔４３を含む可視光反射防止膜４０の作製方法としては、第１の実施形態の第１および第２の誘電体層２１，２２と作製方法と同様の方法を用いることができる。図８のように、空孔４３の体積濃度が異なる多層構造の誘電体層４０ａ〜４０ｃ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４０ａ〜４０ｃ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。

（第３の実施形態）
第３の実施形態のフィラメントは、図９のように、金属材料により形成された基体１０と、基体の上に配置された可視光反射防止膜４０とを有する。可視光反射防止膜４０は、金属膜であって、基部の径が可視光波長よりも小さい凸部４４を表面に複数備える。

本実施形態では、可視光反射防止膜４０の凸部４４は、基部の径が可視光波長よりも小さいため、可視光の散乱を生じさせず、可視光反射率を低下させる。第３の実施形態では、可視光反射防止膜４０が金属膜であるため、誘電体と比較して高温にも耐えることができる。

また、基体１０を構成する金属材料と同じ材料により可視光反射防止膜４０を構成することにより、基体１０と可視光反射防止膜４０との界面において、熱膨張係数の差がなく、膜剥がれを防止することができる。基体１０の材質については、第１の実施形態と同様である。

可視光反射防止膜４０の凸部４４は、金属膜の表面をレジストパターンを施してエッチングすることや、機械的研磨により形成することができる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態のフィラメントは、金属材料により形成された基体１０と、基体の上に配置された可視光反射防止膜４０とを有する。可視光反射防止膜４０は、金属膜であって、内部に空孔が含有された金属膜である。可視光反射防止膜４０を金属膜で形成する場合も、第２の実施形態の誘電体膜の可視光反射防止膜４０と同様に、可視光反射防止膜４０が基体１０の表面よりも空気の屈折率に近い屈折率を有することにより、可視光反射防止の作用を生じる。空孔を含む金属膜の可視光反射防止膜４０は、図７と同様に１層であってもよいが、図８のように複数層からなり、空孔の体積濃度が表面に近づくほど大きくなるように構成されていてもよい。

第４の実施形態の可視光反射防止膜４０は、金属膜であるため、誘電体と比較して高温にも耐えることができる。

また、基体１０を構成する金属材料と同じ材料により可視光反射防止膜４０を構成することにより、基体１０と可視光反射防止膜４０との界面において、熱膨張係数の差がなく、膜剥がれを防止することができる。基体１０の材質については、第１の実施形態と同様である。

可視光反射防止膜４０の空孔４３は、第２の実施形態の可視光反射防止膜４０の製造方法と同様に形成できる。例えば、金属膜（例えばタングステン）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際に、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。成膜後に、ＳｉＯ_２粒子を溶解し、金属膜を溶解しない溶液（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４３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。

以下の具体的な実施形態１〜３について説明する。
＜具体例１＞
具体例１として、第１の実施形態の図３の構造のフィラメントを設計し、反射率特性をシミュレーションにより求めた。

フィラメントの基体１０は、Ｔａである。基体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、第２の誘電体層２２をＨｆＯ_２（空孔体積濃度：０vol.％）、第１の誘電体層２１をＨｆＯ_２（空孔体積濃度：５０vol．％）で形成し、第２の誘電体層２２／第１の誘電体層２１の組を２組ずつ、総積層組数１３組（単層で合計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。

可視光反射防止膜４０は、ＨｆＯ_２膜であり、Ｔａの金属微粒子（粒径１０ｎｍ）を１％の濃度で添加したものを用いる。可視光反射防止膜４０の膜厚は、凸部４４を含めておよそ２００ｎｍである。可視光反射防止膜４０には、高さ２００ｎｍ、基部の大きさ２００ｎｍの略円錐形状の凸部４４が、間隔２００ｎｍで形成されている。

このような構造の図３のフィラメントについてシミュレーションにより２５００Ｋにおける反射率および放射スペクトルを求めた。その結果を図１０に示す。このフィラメントの可視光光束効率は、７１．７ ｌｍ／Ｗであった。

＜具体例２＞
具体例２として、第３の実施形態の図９の構造のフィラメントを設計し、反射率特性をシミュレーションにより求めた。

フィラメントの基体１０は、タングステンである。可視光反射防止膜４０は、タングステン膜であり、膜厚は、凸部を含めて９６ｎｍである。可視光反射防止膜４０には、高さ９６ｎｍ、基部の大きさ２００ｎｍの略円錐形状の凸部４４が、間隔２００ｎｍで形成されている。

このような構造の図９のフィラメントについてシミュレーションにより２５００Ｋにおける反射率および放射スペクトルを求めた。その結果を図１１に示す。このフィラメントの可視光光束効率は、１８．８ ｌｍ／Ｗであり、通常のタングステンフィラメントと比較して約２５％の効率が向上していた。

＜具体例３＞
具体例３として、第４の実施形態の空孔を備えた金属膜を可視光反射防止膜４０としたフィラメントを設計し、反射率特性をシミュレーションにより求めた。可視光反射防止膜４０の層構成は、図８に示した３層構造と同じである。

フィラメントの基体１０は、タングステンである。可視光反射防止膜４０は、３層構造のタングステン膜であり、各層４０ａ，４０ｂ、４０ｃの膜厚は、それぞれ４０ｎｍ、４０ｎｍ、４０ｎｍである。空孔４３の体積濃度は、基体１０側から順に５０vol.％、７０vol.％、９０vol.％である。

このような構造の第４の実施形態のフィラメントについてシミュレーションにより２５００Ｋにおける反射率および放射スペクトルを求めた。その結果を図１２に示す。このフィラメントの可視光光束効率は、１８．５ ｌｍ／Ｗであり、通常のタングステンフィラメントと比較して約２３％の効率が向上していた。

＜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１３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、寿命の延伸効果が得られる。

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、第１〜第４の実施形態のフィラメントのうちいずれかである。なお、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形状のものを用いている。フィラメント３は、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ため、高い可視光光束効率（光束効率）を実現でき、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 (15)

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、
   前記可視光反射防止膜は、赤外光領域の光に透明で、かつ、金属微粒子および不純物の少なくとも一方を含む誘電体膜であって、基部の径が可視光波長よりも小さい凸部を表面に複数備えることを特徴とする光源装置。
2. 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、
   前記可視光反射防止膜は、赤外光領域の光に透明な誘電体膜であって、金属微粒子および不純物の少なくとも一方と、空孔とを含むことを特徴とする光源装置。
3. 請求項１または２に記載の光源装置において、前記基体と前記可視光反射防止膜との間には、赤外光反射膜が配置され、
   前記赤外光反射膜は、少なくとも一方が内部に空孔を含有する第１および第２の誘電体層の組を１組以上積層配置した構成であることを特徴とする光源装置。
4. 請求項３に記載の光源装置において、前記第１および第２の誘電体層は、同じ誘電体材料で構成され、空孔の体積濃度が異なることを特徴とする光源装置。
5. 請求項４に記載の光源装置において、前記赤外光反射膜の前記第１および第２の誘電体層を構成する誘電体材料は、前記可視光反射防止膜を構成する誘電体材料と同じであることを特徴とする光源装置。
6. 請求項２に記載の光源装置であって、前記可視光反射防止膜は、膜厚方向に表面に近づくにつれて、前記空孔の体積濃度が段階的または連続的に増加している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、
   前記可視光反射防止膜は、基部の径が可視光波長よりも小さい凸部を表面に複数備える金属膜である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、前記可視光反射防止膜は、前記基体を構成する金属材料と同じ材料により構成されていることを特徴とする光源装置。
9. 請求項１、７および８のいずれか１項に記載の光源装置であって、前記凸部の径は、先端の方が前記基部よりも小さいことを特徴とする光源装置。
10. 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、
    前記可視光反射防止膜は、内部に空孔が含有された金属膜であることを特徴とする光源装置。
11. 請求項１０に記載の光源装置であって、前記可視光反射防止膜は、膜厚方向に表面に近づくにつれて、前記空孔の体積濃度が段階的または連続的に増加していることを特徴とする光源装置。
12. 請求項３ないし５のいずれか１項に記載の光源装置であって、前記第１の誘電体層は、屈折率ｎ_１、厚さｄ_１、前記第２の誘電体層は、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の誘電体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、
    前記可視光反射防止膜は、赤外光領域の光に透明な誘電体膜であって、金属微粒子および不純物の少なくとも一方と、空孔とを含むことを特徴とするフィラメント。
15. 金属材料により形成された基体と、前記基体の上に配置された可視光反射防止膜とを有し、
    前記可視光反射防止膜は、赤外光領域の光に透明で、かつ、金属微粒子および不純物の少なくとも一方を含む誘電体膜であって、基部の径が可視光波長よりも小さい凸部を表面に複数備えることを特徴とするフィラメント。