JP3438289B2 - 電球および照明装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はハロゲン電球などのガラ
スバルブの表面に、可視光透過赤外線反射作用を有する
多層光干渉膜を形成した電球に関する。

【０００２】

【従来の技術】省エネルギ化の一環として管球分野にお
いても種々の対応がなされており、たとえばハロゲン電
球においてはバルブの表面に可視光透過赤外線反射作用
を有する多層光干渉膜を形成することによって、フィラ
メントから放射した可視光はバルブを透過させるととも
に、赤外線はこの光干渉膜で反射してフィラメントに帰
還させ、これによってフィラメントを加熱して発光効率
を高めるようにすることが知られている。

【０００３】このような可視光透過赤外線反射作用を有
する光干渉膜としては、高屈折率を示すたとえば酸化チ
タン（ＴｉＯ₂ ）膜と低屈折率を示すたとえば酸化けい
素（ＳｉＯ₂ ）膜とを交互に積層して多層化し、層数や
層の厚さを適宜選ぶことにより光の干渉を利用して、所
望の波長域の光を選択的に透過および反射させるもので
ある。

【０００４】この電球においては、膜の層数が多いほど
赤外線の反射率を高くすることができ省電力の効果も大
きい。

【０００５】一般的にはこの可視光透過赤外線反射作用
を有する光干渉膜は、いわゆるλ／４の光干渉膜でその
波長λを電球フィラメントの赤外線放射エネルギのピー
ク波長（１μ近傍）に合わせたものであり、同一膜厚の
ものを形成していく場合には成膜作業も容易で多く採用
されている。

【０００６】しかし、昨今のエネルギ事情に鑑み、さら
なる省エネルギ化とともに電球の高効率化が要望され、
光干渉膜の材質、膜層数、各層の膜厚や形成方法を選ぶ
ことによって、さらに高い品質の電球が得られるように
なってきた。また、この光干渉膜の形成方法としては、
コスト事情などから浸漬方式が多く採用されてきてい
る。

【０００７】この浸漬方式では、たとえばテトライソプ
ロピルチタネートなどの有機チタン化合物をアセチルア
セトン、ポリエチレングリコールに反応させエタノール
系の溶剤に溶かしたチタン溶液と、エチルシリケート重
合体などの有機けい素化合物を同様にしてけい素溶液と
したものを使用して多層膜を形成していた。

【０００８】しかし、このような多層膜は層数が増える
と互いの材料の熱膨脹率差による歪みにより被膜にクラ
ックや層間に剥離などを生じ、上記溶液をハロゲン電球
に塗布して多層の被膜を形成する場合１４層程度が限度
であった。

【０００９】すなわち、図６は従来の可視光透過赤外線
反射膜を模型的に示し、バルブ１（ガラス）の外表面側
から奇数層目には高屈折率を示す第一の金属酸化膜たと
えば酸化チタン（ＴｉＯ₂ ）膜が、偶数層目には低屈折
率を示す第二の金属酸化膜たとえば酸化けい素（ＳｉＯ
₂ ）膜が交互に浸漬方式により重層形成されたものであ
る。これら各膜の光学膜厚は、バルブ１の表面の第１層
目ないし第１３層目の奇数層目の高屈折率層をなす酸化
チタン（ＴｉＯ₂ ）膜５Ｈ１〜５Ｈ１３がλ／４で、ま
た、第２層目および第４層目の低屈折率層をなす酸化け
い素（ＳｉＯ₂）膜５Ｌ２および５Ｌ４がλ／２で、第
６層目ないし第１２層目の偶数層目の低屈折率層をなす
酸化けい素（ＳｉＯ₂ ）膜５Ｌ６〜５Ｌ１２がλ／４、
第１４層目の最外層の低屈折率層をなす酸化けい素（Ｓ
ｉＯ₂ ）膜５Ｌ１４がλ／８で形成してある。

【００１０】なお、バルブ１を形成する石英ガラスと高
屈折率層をなす第１層目の酸化チタン（ＴｉＯ₂ ）膜５
Ｈ１との間には、石英ガラスと酸化チタン（ＴｉＯ₂ ）
膜５Ｈ１との中間の熱膨張率を有する屈折率がバルブ１
のガラスと近似した、光学膜厚がλ／８の酸化けい素
（ＳｉＯ₂ ）膜を形成しておいて、光干渉膜の光学特性
を変化することなく熱膨張率差による歪みを緩和させた
ものもある。

【００１１】上記浸漬による被膜形成で低屈折率層を構
成する酸化けい素（ＳｉＯ₂ ）膜５Ｌ…は、一回の浸漬
によって形成できる膜厚には限界があり、上記第２層目
の被膜５Ｌ２および第４層目の被膜５Ｌ４のλ／２膜を
作るには、λ／４膜を２回重層して形成することを要す
る。

【００１２】しかし、この酸化けい素（ＳｉＯ₂ ）膜は
圧縮性の真性応力（膜の形成方法に依存した膜の微細構
造による応力）が強く（文献によれば４０〜６０メガパ
スカル）、層数が多くになるにつれてその歪みが積み重
ねられ、膜強度（膜内界面）を越えると膜中の欠陥部を
起点にクラックが発生し、さらにクラックが浮き上がる
ようになって剥離が発生する。酸化けい素（ＳｉＯ₂ ）
膜５Ｌ…の真性応力は、浸漬塗布回数に依存するため、
重層する被膜は１４層程度が限界であり、さらに特性を
向上するために層数を増やすということは困難であっ
た。

【００１３】また、硬質ガラスバルブや軟質ガラスバル
ブなどに可視光透過赤外線反射膜を形成する場合、バル
ブの融点が低いため塗布膜の焼成を４００〜６００℃と
低い温度で行わなければならず、酸化チタン（Ｔｉ
Ｏ₂ ）膜５Ｈの屈折率が２，０〜２，１１２（石英ガラ
スの場合は焼成温度が７００〜９００℃で、屈折率が
２，１５〜２，２５となる。）と低くなってしまってい
た。この屈折率の低下は、赤外線域（８００〜１５００
ｎｍ）でのカット率が下がり、透過のピークが高く幅広
くなるため赤外線のカット率が低下する問題があった。

【００１４】特に、回転楕円体状などの複雑曲面形のバ
ルブや、曲率が小さく異方性の大きい非円筒状のバルブ
では、センター中心から多少ずれた部分を中心として被
膜にクラックや剥離が発生し始め、円筒状のバルブより
影響がで易い。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は石英ガラスは
もとより硬質ガラスや軟質ガラスからなるバルブにも、
赤外線域でのカット率の低下および被膜の剥離やクラッ
クの発生のない多層光干渉膜を形成した電球およびこの
電球を装着した照明装置を提供することを目的とする。

【００１６】本発明の請求項１に記載の電球は、内部に
コイル状のフィラメントと不活性ガスを封装したガラス
バルブと、このガラスバルブの表面に高屈折率を示す第
一の金属酸化物膜と低屈折率を示す第二の金属酸化物膜
とを交互に積層して形成した多層光干渉膜とを具備した
電球において、上記フィラメントの赤外線放射エネルギ
のピーク波長をλとしたとき、上記第一の金属酸化物膜
はガラスバルブに最も近い側および光干渉膜の最外側に
近い側の光学膜厚がλ／２、残りの第一の金属酸化物膜
がλ／４で、第二の金属酸化物膜の光学膜厚がλ／４で
あることを特徴としている。

【００１７】本発明の請求項２に記載の電球は、多層光
干渉膜の最外層の光学膜厚がλ／８であることを特徴と
している。

【００１８】本発明の請求項３に記載の電球は、バルブ
の材質が硬質ガラス、軟質ガラスまたは石英ガラスであ
ることを特徴としている。

【００１９】本発明の請求項４に記載の電球は、バルブ
が非円筒状であることを特徴としている。

【００２０】本発明の請求項５に記載の電球は、バルブ
が円筒状であることを特徴としている。

【００２１】本発明の請求項６に記載の電球は、上記バ
ルブ内には不活性ガスおよびハロゲンが封入されている
ことを特徴としている。

【００２２】

【００２３】本発明の請求項７に記載の照明装置は、上
記請求項１ないし請求項６のいずれか一に記載の電球が
器具または灯体に装着されていることを特徴としてい
る。

【００２４】

【作用】金属酸化物膜形成時の焼成温度が低くて屈折率
が低下するが、剥離やクラックを生じさせることなく成
膜層数を増すことがで、この層数の増加によって可視光
の透過率および赤外線の反射率を高くして発光効率の向
上ができる。

【００２５】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図１は管球たとえば自動車の前照灯に使用される
定格が１２Ｖ５５Ｗのハロゲン電球Ｌを示す。図中１は
アルミノシリケートガラスからなる外径が約１６ｍｍの
球形状をなすバルブで、このバルブ１の内部には発光源
をなすコイル状のフィラメント２と臭素（Ｂｒ）、塩素
（Ｃｌ）よう素（Ｉ）やふっ素（Ｆ）などの少なくとも
一種のハロゲンおよびアルゴン（Ａｒ）などの不活性ガ
スが封入してある。このコイル状のフィラメント２は内
部導線３ａ，３ｂに支持され、バルブ１の中心軸に沿っ
て配設されている。なお、４は圧潰封止部、６は封止部
４に接合された取付位置調整フランジ６ａ付の口金であ
る。

【００２６】また、５はバルブ１の外表面上に形成され
た多層光干渉膜からなる可視光透過赤外線反射膜であ
る。

【００２７】この可視光透過赤外線反射膜５（以下、赤
反膜と称する。）は図２に模型的に示すように、バルブ
１（ガラス）の外表面側から奇数層目には高屈折率を示
すたとえば酸化チタン（ＴｉＯ₂ ）からなる第一の金属
酸化膜５Ｈ…が、偶数層目には低屈折率を示すたとえば
酸化けい素（ＳｉＯ₂ ）からなる第二の金属酸化膜５Ｌ
…が交互に浸漬方式により重層して全部でたとえば１８
層形成してある。

【００２８】これら各膜の光学膜厚は、上記奇数層目の
高屈折率層をなす酸化チタン（ＴｉＯ₂ ）膜５Ｈ１〜５
Ｈ１７が、バルブ１の外表面の第１層目５Ｈ１ないし第
５層目５Ｈ５、第１５層目５Ｈ１５および第１７層目５
Ｈ１７がλ／２、第７層目５Ｈ７ないし第１３層目５Ｈ
１３がλ／４で、偶数層目の低屈折率層をなす酸化けい
素（ＳｉＯ₂ ）膜５Ｌ２〜５Ｌ１６がλ／４、最外層の
第１８層目５Ｌ１８がλ／８で形成してある。なお、波
長λは１μ近傍であって、赤外線放射エネルギのピーク
波長にしてある。

【００２９】そして、上記のような赤反膜５を形成する
には、まず、バルブ１内にフィラメント２を封装して排
気し、ハロゲンおよび不活性ガスなどを封入した電球を
用意する。また別途に、第一の金属酸化膜５Ｈ…を形成
させるたとえばテトライソプロピルチタネートなどの有
機チタン化合物をアセチルアセトン、ポリエチレングリ
コールに反応させエタノール系の溶剤に溶かしたチタン
含有量が２〜１０重量％、粘度約２．０ｃｐｓに調整し
たチタン溶液と、第二の金属酸化膜５Ｌ…を形成させる
たとえばエチルシリケート重合体などの有機けい素化合
物を有機溶剤に溶かし、けい素含有量が２〜１０重量
％、粘度約１．０ｃｐｓに調整したけい素溶液とを用意
する。

【００３０】まず、上記電球のバルブ１を、恒温恒湿の
雰囲気中で上記のチタン溶液中に浸漬して所定速度で引
き上げ、乾燥後空気中約５５０℃（４００〜６００℃）
で約１０分間焼成して第１層目の酸化チタン（Ｔｉ
Ｏ₂ ）膜５Ｈ１からなる高屈折率層を形成する。（石英
ガラスであれば７００〜９００℃で焼成する。）つぎ
に、この第１層目の酸化チタン（ＴｉＯ₂ ）膜５Ｈ１を
形成したバルブ１を恒温恒湿の雰囲気中で上記のけい素
溶液中に浸漬して所定速度で引き上げ、乾燥後空気中約
５５０℃（４００〜６００℃）で約１０分間焼成して第
２層目の酸化けい素（ＳｉＯ₂ ）膜からなる低屈折率層
５Ｌ２を形成する。

【００３１】このようにして、酸化チタン（ＴｉＯ₂ ）
膜５Ｈ…からなる高屈折率層と酸化けい素（ＳｉＯ₂ ）
膜５Ｌ…からなる低屈折率層とを交互に形成して１８層
（５Ｈ１，５Ｌ２，〜５Ｈ１７，５Ｌ１８）を積層す
る。

【００３２】上記浸漬による被膜形成では一回の浸漬に
よって形成できる膜厚には限界があり、λ／２膜を作る
上記高屈折率層を構成する酸化チタン（ＴｉＯ₂ ）膜の
第１、３、５、１５、１７層目５Ｈ１、５Ｈ３、５Ｈ
５、５Ｈ１５、５Ｈ１７はλ／４膜を２回重層形成する
ことによって成される。

【００３３】前述したように低屈折率層を構成する酸化
けい素（ＳｉＯ₂ ）膜５Ｌ…は、強い圧縮性の真性応力
を有し、λ／２膜を作るに際しλ／４膜を２回重層形成
すると被膜にクラックや剥離が発生し易かった。

【００３４】これに対し本発明では、酸化けい素（Ｓｉ
Ｏ₂ ）膜５Ｌ…の塗布回数を少なくして、かつ、浸漬方
式による酸化チタン（ＴｉＯ₂ ）膜５Ｈ…の被膜形成は
弱いながら（酸化けい素（ＳｉＯ₂ ）膜の１／１０以
下）酸化けい素（ＳｉＯ₂ ）膜５Ｌ…の逆の引張応力を
有しているため、酸化チタン（ＴｉＯ₂ ）の塗布回数が
多いほど膜全体の応力が緩和され均衡してクラックや剥
離の発生がなく、層数を増加することができる。上記と
同じ溶液を使用して酸化チタン（ＴｉＯ₂ ）膜のλ／２
を５回以上形成して１８層の塗布も可能であった。

【００３５】このような構成の電球Ｌを点灯すると、バ
ルブ１の中心軸上に配設したフィラメント２は発熱して
可視光とともに大量の赤外線を放射し、フィラメント２
から放射した光のうち可視光はバルブ１および赤反膜５
を透過してバルブ１外方へと放射される。また、フィラ
メント２から放射した赤外線は赤反膜５で反射されてフ
ィラメント２に戻り、フィラメント２を加熱して発光を
より高くし、この結果フィラメント２からの可視光放射
が増して、発光効率が向上できた。

【００３６】なお、上述したように可視光透過赤外線反
射膜５を形成する場合にバルブ１を加熱して焼成する
が、硬質ガラスバルブや軟質ガラスバルブなどはバルブ
１の融点が低いため塗布膜の焼成を４００〜６００℃と
低い温度で行わなければならず、酸化チタン（Ｔｉ
Ｏ₂ ）膜５Ｈの屈折率が２，０〜２，１１２（石英ガラ
スの場合は焼成温度が７００〜９００℃で、屈折率が
２，１５〜２，２５となる。）と低くなってしまってい
た。このため、赤外線域（８００〜１５００ｎｍ）での
カット率が下がり、透過のピークが高く幅広くなるため
赤外線のカット率が低下する。

【００３７】したがって、バルブ１に重層する被膜の層
数を上述の従来と同じ１４層とした場合は、従来品の電
球より約１０％ほど発光効率は低下したが、被膜層数を
１８層とすることによって剥離することなく強固な被膜
で、かつ、発光効率を赤反膜５を形成しない電球に比べ
従来被膜品が約２５％の向上に対し、本発明被膜品は従
来被膜品を上回る約３４％の向上をみることができた。

【００３８】つぎに、本発明品と従来品との光学特性を
図３のグラフに示す。図３において横軸は波長（ｎ
ｍ）、縦軸は光透過率（％）で、曲線Ａは本発明品、曲
線Ｂは従来品の光透過率・スペクトル特性をそれぞれ示
す。

【００３９】この図３から明らかなように、本発明の電
球に適用した赤反膜は可視光域では従来品とほぼ同じで
あるが、赤外線域において透過ピークの高くなるところ
があり、分光分布ピーク約１０００ｎｍ付近の透過率低
下域が幅広く、かつ、大きいため、すなわち赤外域での
反射率が高くなるので発光効率が向上できる。

【００４０】また、赤反膜５を上記全１８層で構成する
場合、上記高屈折率を示す酸化チタン（ＴｉＯ₂ ）５Ｈ
…膜のうち光学膜厚をλ／２とする層は、上記実施例の
場合バルブ１に近い側に３層、最外層側に近い側に２層
の合計５層（３層と２層）を形成したが、本発明はこの
層分布数に限らず、３層と１層、２層と２層、１層と１
層など最低２層あればよい。なお、層数が多くなるとそ
れまでの応力が蓄積され膜の乱れが多くなっていて、最
外層側にλ／２層上に厚目の被膜を形成すると剥離が発
生することがあるので、最外層側に形成するλ／２層の
数は少ない方がよい。

【００４１】そして、上記ハロゲン電球Ｌは図４に示す
照明装置すなわち前照灯の灯具を構成する、内面にアル
ミニウムなどの反射面７ａを形成した反射鏡７に装着し
て使用される。なお、８は前面レンズである。

【００４２】なお，本発明は上記実施例に限定されな
い。たとえば、上記の可視光透過赤外線反射膜を構成す
る高屈折率層と低屈折率層およびλ／２層の層数は上記
実施例の全層数が１８層およびλ／２層が上述したよう
に５層に限定されるものではない。また、バルブ表面へ
の可視光透過赤外線反射膜の形成は外表面側に限らず、
内表面側でもあるいは内外の両表面であってもよい。

【００４３】また、高屈折率を示す第一の金属酸化物膜
の材料としては酸化チタン（ＴｉＯ₂ ）に限らず、酸化
タンタル（Ｔａ₂ Ｏ₅ ）、酸化ジルコニウム（Ｚｒ
Ｏ₂ ）、酸化亜鉛（ＺｎＳ）、酸化セリウム（Ｃｅ
Ｏ₂ ）などでも、また、低屈折率を示す第二金属酸化物
膜の材料としては酸化けい素（ＳｉＯ₂ ）に限らず、ふ
っ化マグネシウム（ＭｇＦ₂ ）、ふっ化セリウム（Ｃｅ
Ｆ₄ ）、氷晶石（Ｎａ₂ ＡｌＦ₆ ）などでもよい。

【００４４】また、上記実施例ではバルブの外表面に直
接に高屈折率を示す第一の金属酸化物膜（酸化チタン
（ＴｉＯ₂ ））を形成したものについて説明したが、予
めバルブの外表面にバルブを形成するガラスと酸化チタ
ン（ＴｉＯ₂ ）との中間の熱膨脹率を有する酸化けい素
（ＳｉＯ₂ ）などからなる緩衝膜を形成しておき、この
緩衝膜の表面上に光干渉膜を形成するようにしてもよ
く、この緩衝膜によって光干渉膜の剥離が防止される。

【００４５】また、被膜の形成は浸漬方法に限らず、真
空蒸着、ＰＶＤ、ＣＶＤ、イオンプレーティングなどの
方法によるものであってもよい。

【００４６】さらに、バルブのガラス材質は硬質ガラス
に限らず、所要の透光性と光屈折率と耐熱性を併有する
ものであれば他の硬質や石英ガラスあるいはソーダライ
ムガラスなどの軟質のガラス材質であってもよい。

【００４７】また、本発明は上記球形状のバルブ１を用
いた電球Ｌに限らず、図５（ａ）に示すような円筒形状
や（ｂ）に示すようなレモン形状などの非円筒形状のバ
ルブ１を用いた電球であってもよく、このような曲面を
有するバルブ１への被膜の形成は溶液に浸漬したバルブ
１の引上げ速度を曲面の状態に応じて変化させ膜厚を調
整するようにしても差支えない。

【００４８】さらにまた、本発明の管球はバルブの一端
に封止部を形成した自動車用の前照灯に限らず、他の用
途の投光用などのハロゲン電球やハロゲンを封入しない
種類の電球であってもよく、また、封止部がバルブの両
端部に設けてある両口金形の電球であってもよい。

【００４９】そして、この管球が装着して使用される照
明装置は、実施例の自動車用の前照灯に限らず、光・熱
反射膜やダイクロイック膜などの可視光反射赤外線透過
膜が形成された反射鏡内や各種の照明器具であっても差
支えない。

【００５０】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、多
層化しても光干渉膜（可視光透過赤外線反射膜）にクラ
ックや剥離の発生がなく、石英ガラスはもちろん比較的
融点の低い硬質や軟質のガラスバルブにも成膜でき、発
光効率の向上がはかれた電球およびこの電球を装着した
照明装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す自動車前照灯用ハロゲン
電球の正面図である。

【図２】図１の電球の可視光透過赤外線反射膜部分を示
す拡大断面図である。

【図３】波長と光透過率との関係を示すグラフである。

【図４】本発明の実施例を示す前照灯用灯具の断面図で
ある

【図５】（ａ）、（ｂ）は本発明の他の実施例を示すハ
ロゲン電球の正面図である。

【図６】従来品の可視光透過赤外線反射膜部分を示す拡
大断面図である。

【符号の説明】

Ｌ：電球 １：ガラスバルブ ２：コイル状のフィラメント（発光源） ５：多層光干渉膜（可視光透過赤外線反射膜） ５Ｈ１〜５Ｈ１７：第一の金属酸化物膜（高屈折率層） ５Ｌ２〜５Ｌ１８：第二の金属酸化物膜（低屈折率層）

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｊ 61/40 Ｈ０１Ｊ 61/40 Ｈ０１Ｋ 1/28 Ｈ０１Ｋ 1/28

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部にコイル状のフィラメントと不活性
   ガスを封装したガラスバルブと； このガラスバルブの表面に高屈折率を示す第一の金属酸
   化物膜と低屈折率を示す第二の金属酸化物膜とを交互に
   積層して形成した多層光干渉膜と；を具備した電球にお
   いて、上記フィラメントの赤外線放射エネルギのピーク波長を
   λとしたとき、 上記第一の金属酸化物膜はガラスバルブ
   に最も近い側および光干渉膜の最外側に近い側の光学膜
   厚がλ／２、残りの第一の金属酸化物膜がλ／４で、第
   二の金属酸化物膜の光学膜厚がλ／４であることを特徴
   とする電球。
2. 【請求項２】 上記多層光干渉膜の最外層の光学膜厚が
   λ／８であることを特徴とする請求項１に記載の電球。
3. 【請求項３】 上記バルブの材質が硬質ガラス、軟質ガ
   ラスまたは石英ガラスであることを特徴とする請求項１
   または２に記載の電球。
4. 【請求項４】 上記バルブが非円筒状であることを特徴
   とする請求項１ないし３のいずれか一に記載の電球。
5. 【請求項５】 上記バルブが円筒状であることを特徴と
   する請求項１ないし３のいずれか一に記載の電球。
6. 【請求項６】 上記バルブ内には不活性ガスおよびハロ
   ゲンが封入されていることを特徴とする請求項１ないし
   ５のいずれか一に記載の電球。
7. 【請求項７】 上記請求項１ないし請求項６のいずれか
   一に記載の電球が器具または灯体に装着されていること
   を特徴とする照明装置。