JP3862746B2 - エネルギー変換装置および光源 - Google Patents

Description

本発明は、エネルギーを電磁波の放射に変換するエネルギー変換装置、および当該エネルギー変換装置を備えた光源に関している。

人工光源において高い発光効率を達成するための障害となるのは、エネルギーを可視光線に変換する際に、可視光線を犠牲にし、人間の目に感ずることのない波長の長い赤外線を多量に放射させていることである。

照明光源として広く普及している白熱電球は、熱放射体として機能するフィラメントを有している、熱放射体は、熱放射によって電磁波を放出する放射源であり、熱放射は、物体の原子または分子に熱を加えることによって生じる放射（電磁波の輻射）である。熱放射エネルギーは、物体の温度で決まり、連続したスペクトル分布を持つ。以下、簡単のため、熱放射体を「放射体」と呼ぶことにする。

白熱電球は、安定器が不要で小型軽量であり、また演色性が人工光源中で最高であるという特徴を有している。このため、白熱電球は世界で最も多く利用されている照明光源である。

従来、白熱電球の放射効率を高めるために、放射体の動作温度を高め、赤外線領域における放射量の少ない放射体を見つけ出す試みが行なわれてきた。歴史的に見れば、その結果として、放射体は、炭素フィラメント白熱電球から現在のタングステンフィラメントに置き換えられることになった。タングステンからなる放射体を用いることにより、他の材料からなる放射体よりも高温での動作を実現し、それによって赤外線領域における放射量の比率を低減することが可能になった。

しかしながら、このような努力によっても、タングステンフィラメントを利用する現在の白熱電球では可視波長域の放射が全体の１０％程度に過ぎない。それ以外の放射では、主に赤外放射が７０％を占める。また、封入ガスによる熱伝導や対流による熱損失が２０％であり、発光効率は１５ｌｍ／Ｗ程度である。この発光効率は、人工光源のなかで最も低いレベルに属する。白熱電球の上記性能は、１９３０年代に達成されて以来、飛躍的には改善されていない。

一方、放射体からの赤外放射を画期的に抑制し、ランプの発光効率を飛躍的に向上させる技術が特許文献１などに開示されている。この技術によれば、導波管として機能する微細なキャビティ（マイクロキャビティ）のアレイを放射体の表面に形成することにより、所定波長以上の放射（例えば赤外放射）を抑制し、所定波長の電磁線のみを選択的に放射させる。特許文献１によれば、例えば約１５０ｎｍ間隔で幅約３５０ｎｍ、深さ約７μｍ程度のキャビティが形成され、約波長７００ｎｍよりも長い波長の赤外放射を抑制することが可能となると記載されている。また、特許文献１によれば、２０００Ｋから２１００Ｋの動作温度発光効率が従来の６倍にも向上するとされている。
特開平０３−１０２７０１号公報

しかしながら、特許文献１に記載されているマイクロキャビティは、底面の一辺がナノメートルオーダーの穴であり、そのように小さなマイクロキャビティのアレイをフィラメントの表面に形成することは容易ではない。

また、例えばタングステンのような高融点材料から形成されたフィラメントの表面に内直径１μｍ以下の微細なマイクロキャビティのアレイを形成することができたとしても、これらのマイクロキャビティが動作中に崩壊することがわかった。本発明者の実験によると、この崩壊はタングステンの融点（３６５０Ｋ）よりも低い１２００Ｋで数分間のうちに生じる。このような低い温度で生じるマイクロキャビティが崩壊してしまうことは、特許文献１には記載されていないが、マイクロキャビティを有するフィラメントを実用化する上で大きな障害となる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、所定波長以上の波長を有する電磁波の放射を抑制する放射抑制部の寿命が実用上十分なレベルに延ばされたエネルギー変換装置、および当該エネルギー変換装置を備える光源を提供することである。

本発明のエネルギー変換装置は、エネルギーを電磁波に変換して放射する放射体と、前記放射体から放射された電磁波の一部を吸収する放射抑制部とを備え、前記放射抑制部は、長軸方向が揃えられた金属製の細線の束であって、隣接する各細線の側面が互いに接触することで前記長軸方向に延びたキャビティが形成されている。

好ましい実施形態において、前記放射体と前記放射抑制部との間隔は、１μｍ以下である。

好ましい実施形態において、前記放射体と前記放射抑制部とは、接触している。

好ましい実施形態において、前記細線は、融点が２０００Ｋよりも高い高融点材料から形成されている。

好ましい実施形態において、前記高融点材料は、タングステン、モリブデン、レニウム、タンタル、またはそれらの合金から形成されている。

好ましい実施形態において、各細線は多結晶であり、結晶粒が前記長軸方向に配向している。

好ましい実施形態において、前記放射体は、タングテンまたはタングステンの合金から形成されている。

本発明の光源は、上記いずれかのエネルギー変換装置と、前記エネルギー変換装置を大気から遮断する容器であって、少なくとも一部が透光性を有している容器と、前記エネルギー変換装置に含まれる前記放射体に電気エネルギーを供給する端子とを備え、前記放射抑制部は、赤外線の放射を抑制する。

好ましい実施形態において、前記細線の横断面における外形は、実質的に円であり、前記円の直径は、４００ｎｍ以上２．５μｍ以下である。

本発明によるエネルギー変換装置の製造方法は、エネルギーを電磁波に変換して放射する放射体を用意する工程と、前記放射体から放射された電磁波の一部を吸収する放射抑制部を用意する工程と、前記放射体から放射された電磁波を受ける位置に前記放射抑制部を配置する工程とを含み、前記放射抑制部を用意する工程は、金属製の複数の細線を用意する工程と、前記複数の細線の長軸方向を揃え、隣接する細線の側面を相互に接触させて各細線の側面で囲まれた前記長軸方向に延びたキャビティが形成されるように前記複数の細線を束ねる工程とを含む。

好ましい実施形態において、前記放射抑制部を用意する工程は、前記束ねられた複数の細線を切断する工程を含む。

本発明によれば、放射体から放射される電磁波のうち所定波長以上の波長を有する電磁波の放射を抑制する放射抑制部が細線の束から形成されている。このような細線の束に形成される個々の隙間は微細であり、各サイズに依存するカットオフ波長を有するマイクロキャビティとして機能する。また、隙間が微細でも、細線は熱的に安定であり、高温下でも長い寿命を示すことができる。このため、本発明のエネルギー変換装置によれば、高温下でも長期間安定に動作し、エネルギーを所定波長域の電磁波の放射に効率良く変換できるため、省エネルギーに寄与し、地球環境保全に大きく貢献することができる。

まず、図１（ａ）から（ｃ）を参照しながら、従来の白熱電球に用いられているタングステンフィラメントの表面に可視光波長程度のサイズを有するキャビティのアレイを形成した場合に、タングステンの融点よりもはるかに低い動作温度でキャビティが崩壊してしまう理由を以下に説明する。図１（ａ）は、マイクロキャビティのアレイが表面に形成された従来のタングステンフィラメントの平面図であり、図１（ｂ）は、その断面図である。

図１（ａ）および（ｂ）に示されるタングステンフィラメント１１０の表面にはマイクロキャビティ１１２のアレイが形成されている。各マイクロキャビティ１１２の内直径は、例えば７５０ｎｍであり、その深さは例えば７μｍである。このようなマイクロキャビティが崩壊する主要なメカニズムは、タングステン原子の移動（migration）に起因するものと考えられる。すなわち、現実のタングステンの格子構造は、原子の配列に多数の乱れ（格子欠陥）を有している。この格子欠陥のおかげで、原子や結晶粒は不連続で不規則な配列を示し、乱雑な結合組織を形成している。このような結合組織の一部は、活発に蒸発して飛散するほどの熱エネルギーが与えられていない場合であっても、安定構造をとるように活発に流動（拡散または移動）する。例えば、粒界があたかも蝶番のような働きをして結晶粒が流動を起こす。

このような現象は、微細な凹凸の存在する金属表面が高温状態になると、あたかも液体表面が平滑化するように自然に原子が流動するため、結果として、表面の微細な凹凸構造が崩壊して平坦化されることになる。図１（ｃ）は、高温で原子の移動が生じたために、タングステンフィラメント１１０の表面に形成されていた凹凸が平坦化した状態を示している。タングステンフィラメント１１０の表面に形成されていたマイクロキャビティ１１２は、発明者らの実験によると、予想外に低い温度（例えば、タングステンが殆んど蒸発しない温度）であっても、容易に崩壊し、表面が平滑化されてしまうことがわかっている。

特にマイクロキャビティ１１２の寸法が可視光波長程度（ナノ［ｎｍ］オーダー）の場合は、タングステン表面の平滑化が容易に起こる。これは、寸法が可視波長程度のキャビティ自身が、格子欠陥と同レベルの小さな凹凸構造として機能することに起因する可能性がある。

以上の理由により、タングステンなどからなる従来のフィラメントの表面に微小なマイクロキャビティを形成しても、通常の動作温度で実用的な寿命を確保できなかった。

次に、図２（ａ）および（ｂ）を参照して、本発明で用いる放射抑制部を説明する。図２（ａ）は、本発明における放射抑制部として機能する細線１２３の束１２０の一例を示す図である。図２（ｂ）は、各細線１２３の内部に存在する金属結晶粒の全体としての配向方向を模式的に示している。

本願発明者の検討によると、高融点金属の細線１２３の束１２０では、仮に個々の細線１２３の内部に格子欠陥が存在していても、２０００Ｋを超える高温状態で細線１２３の束１２０の形態が殆んど崩れないことが判明した。これは、細線１２３を構成する原子や結晶粒が高温状態において大きな熱エネルギーを得て流動（migrate）したとしても、流動の全体的な方向が、細線１２３の軸方向（線の長さ方向）に沿うためであると考えられる。その結果、マイクロキャビティとして機能する多数の空隙を形成するように複数の細線１２３を束ねた構造は、極めて熱的に安定である。これに対して、金属表面に形成した微細な凹凸や、金属箔に形成した微細な孔は、それらのサイズが小さくなるほど、著しく熱に弱くなる。

本発明で用いる細線１２３の束１２０のように熱的な安定性は、細線１２３の結晶構造によって更に高められると考えられる。すなわち、細線１２３は、通常、金属材料の延性を利用して１軸方向に延伸するようにして作製される。このような金属の延伸が生じると、結晶粒が図２（ｂ）の矢印方向に沿って配向成長するため、細線１２３の熱的安定性が更に高められると考えられる。

本発明は、図２（ａ）に示すような細線１２３の束１２０を利用して、電磁放射線を放射する放射体の特定波長範囲内における放射効率を向上させるため、高温でも実用的に充分な長さの寿命を有する高効率のエネルギー変換装置を得ることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されない。
（実施形態１）

まず、図３を参照しつつ、本発明によるエネルギー変換装置として機能する発光部１０を備える光源の実施形態を説明する。本実施形態における光源は、白熱電球である。

図示される白熱電球Ｌ１は、通電によって発熱するフィラメント１１を備えた発光部１０と、発光部１０を収納する略球状の透光性バルブＢ１と、フィラメント１１を支持する一対のステムＳ１１と、一対のステムＳ１１を介してフィラメント１１に電力を供給するための口金Ｃ１とを備えている。バルブＢ１の内部には、希ガス及び窒素ガス（不図示）が封入されている。

発光部１０は、図４に詳しく示されるように、複数の細線１２ａの束（以下、「束１２」と称する。）と、束１２の側面と接触し、束１２を支持するリング状または円筒状のフィラメント１１とを備えている。

フィラメント１１は、熱エネルギーを電磁波に変換して放射する放射体として機能し、束１２は、放射体から放射された電磁波のうち所定の波長よりも長い波長の電磁波の一部の放射を抑制する放射抑制部として機能する。各細線１２ａの長軸方向は、放射が抑制される電磁波の伝搬方向に整合している。このような放射の抑制は、各細線１２ａの間に形成される隙間がマイクロキャビティとして機能することによって実現する。どのような波長域の電磁波を抑制するかは、束１２内の隙間（マイクロキャビティ）のサイズによって規定される。

リング状のフィラメント１１には、一対のステムＳ１１を介して電流が供給される。フィラメント１１内を電流が流れることにより、ジュール熱が発生し、フィラメントの温度は例えば２０００Ｋ程度に上昇し、電磁波を放射する。本実施形態のフィラメント１１は、高融点金属の１つであるタングステンから形成されている。

電流は、口金Ｃ１から一方のステムＳ１１を通ってフィラメント１１に沿って他方のステムＳ１１へと流れ、他方のステムＳ１１を通って口金Ｃ１へと流れる。

リング状のフィラメント１１の内側には、複数の細線１２ａ，１２ａ，…が充填されているため、フィラメント１１から放射された電磁波の一部は、細線１２ａが吸収する。このとき、細線１２ａの温度も上昇するため、細線１２ａの束１２自体も放射体のように電磁波を放射することになる。しかし、束１２は、フィラメント１１とは異なり、細線１２ａの長軸方向に延びたマイクロキャビティのアレイを有しているため、その方向における所定波長よりも波長の長い放射を抑制する機能を発揮する。上記の長軸方向へ束１２から放射される電磁波は、具体的には、各細線１２ａの端部から放射されることになるが、赤外線の放射量は低減され、可視光線へのエネルギー変換効率が上昇する。

束１２は、複数の細線１２ａ，１２ａ，…からなるため、その電気抵抗はフィラメント１１の電気抵抗よりも大きい。そのため、ステムＳ１１からフィラメント１１に供給された電流が各細線１２ａ間を通って流れることは無視できる。

細線１２ａは、融点が２０００Ｋよりも高い高融点材料から形成される。本実施形態における各細線１２ａの横断面の外形は、直径が３８０ｎｍ以上２．５μｍ以下の円である。

図５は、束１２のうち、代表的な４つの細線１２ａの断面を示す図である。図５に示すように、束１２の横断面において、隣接する細線１２ａ，１２ａ，…同士が互いに接しており、隣り合う細線１２ａ，１２ａ，…同士の間に個々の隙間１３が形成されている。各隙間１３は、細線１２ａによって周囲を囲まれており、他の隙間１３から電磁気的に分離されるため、各々の隙間１３がマイクロキャビティとして機能する。個々の隙間１３は、束１２の長軸方向（長手方向）に延び、多数の隙間１３がマイクロキャビティアレイを形成している。

次に、束１２の隙間１３によって放射が抑制される電磁波の波長の大きさを見積もる。

隙間１３を伝搬して細線１２ａの長軸方向に放射される電磁波の最大波長（「カットオフ波長」）は、隙間１３の横断面の大きさによって規定される。この最大波長は、小さく見積もっても、束１２の横断面において隙間１３に内接する内接円１７の直径の２倍の値と同程度である。逆に、最大波長を大きく見積もると、束１２の横断面における隙間１３に外接する外接円１８の直径の２倍の値と同程度である。

内接円１７の直径及び外接円１８の直径は、各細線１２ａの横断面における直径（以下、単に「細線１２ａの直径」と称する。）Ｄに依存する。すなわち、幾何学的な計算から、内接円１７の直径は０．１５５Ｄ、外接円１８の直径は０．５８Ｄである。従って、束１２の隙間１３によって放射が抑制される電磁波の大きさは０．３１Ｄ以上１．１６Ｄ以下の範囲内にあると考えられる。

ここで、フィラメント１１からの電磁波の全てが束１２の一端に入射し、隙間１３による放射が抑制される電磁波の大きさが８００ｎｍ以上であると仮定する。この場合の発光効率［ｌｍ／Ｗ］を計算し、束１２を設けない場合の発光効率に対する効率アップ率を求めた。フィラメント１１の動作温度は、実用的な範囲である１６００Ｋから２４００Ｋに設定し、束１２の横断面における隙間１３の占める面積（開口率）は、幾何学的な計算から９％とした。計算結果を表１に示す。

例１は、各細線１２ａの直径Ｄを２μｍとした場合の計算結果である。例２は、各細線１２ａの直径Ｄを２μｍとし、かつ、各細線１２ａの直径Ｄよりも長い波長が各細線１２ａから放射されないと仮定して計算した結果である。すなわち、例２は、例１において各細線１２ａから２μｍ以上の波長の電磁波の放射が無いとした場合の計算結果である。例３は、各細線１２ａの直径Ｄを１μｍとし、かつ、各細線１２ａの直径Ｄよりも長い波長が各細線１２ａから放射されないと仮定して計算した結果である。すなわち、例３は、例２において線形を１μｍとした場合の計算結果である。

例１の結果から、開口率が９％にも関わらず、動作温度１６００Ｋ以上２４００Ｋ以下において１３％〜１５％の効率向上の効果を得ることが期待できる。さらに例２の結果から、各細線１２ａ自身が線直径Ｄによるカットオフを持つと仮定すると、動作温度１６００Ｋ以上２４００Ｋ以下において４８％〜１４９％の効率向上の効果を得ることが期待できる。さらに例３のように、各細線１２ａを１μｍとすると、動作温度１６００Ｋ以上２４００Ｋ以下において３６６％〜２５８７％の効率向上という効果を得ることが期待できる。

以上のように、細線１２ａの束１２を用いることによって、その開口率が９％と小さいにも関わらず、従来よりも効率の高い白熱電球を実現できる。

本発明のエネルギー変換装置を光源として使用する場合、放射体の好ましい動作温度は２０００Ｋ以上である。熱平衡状態における熱放射のスペクトルは、プランクの放射則に従い、温度に依存する。例えば、放射体の温度が１２００Ｋから２０００Ｋに上昇すると、可視域での放射が３桁以上向上するが、赤外域での放射はあまり変化しない。このことから、効率良く可視放射を得るためには、動作温度を２０００Ｋ以上に設定することが好ましい。本実施形態におけるフィラメント１１は、照明光源の放射体として利用されるため、動作温度が２０００Ｋより低いと赤みが強くなり、好ましくない。

エネルギー変換装置を照明光源に用いる場合は、細線の束によるカットオフ波長は、可視光の最短波長である３８０ｎｍ以上に設定することが好ましく、人間の比視感度が最大である５５０ｎｍ以上に設定することがより好ましい。照明光源としての変換効率の観点からは、カットオフ波長を可視光の最長波長である７８０ｎｍに設定することが更に好ましい。

束１２を構成する細線１２ａ，１２ａ…のうち、隣り合う細線１２ａは相互に接触していることが好ましいが、各細線１２ａが隣の細線１２ａと長軸方向に沿って完全に接触している必要はない。製造上の理由から、隣り合う細線１２ａが接触せず、その結果、隣接する隙間１３が部分的に連通することも許容される。なお、隣り合う細線１２ａ，１２ａは、白熱電球Ｌ１の動作前には接触していなくとも、動作時に接していればよい。

以下、図６を参照しながら、束１２の製造方法の一例を説明する。

まず、図６（ａ）に示すように、複数本のタングステン製の中実の細線１２ａ，１２ａ，…を用意し、隣り合う細線１２ａ，１２ａが互いに接するように束ねて、束１２を形成する。細線１２ａは、直径が例えば３８０ｎｍ以上２．５μｍ以下であり、タングステンなどの高融点金属材料を一軸方向に延伸することによって作製されたものであることが好ましい。

次に、図６（ｂ）に示すように、筒状のタングステン製のフィラメント１１を用意し、筒状フィラメント１１の中心軸と各細線１２ａ，１２ａ，…の長手方向とを一致させて、筒状フィラメント１１の内部に複数本の細線１２ａ，１２ａ，…を充填する。これにより、図６（ｃ）に示すように、複数の細線１２ａ，１２ａ，…が筒状フィラメント１１の内部に充填され、複数の隙間１３，１３，…を備えた発光部１０を製造することができる。図６（ｃ）では、６本の細線１２ａが示されているが、細線１２ａの現実の本数は６本に限定されない。前もって筒状のフィラメント１１を用意する代わりに、薄板またはリボン状のフィラメント１１で束１２の側面を取り巻くことによって筒状に加工しても良い。

なお、本実施形態では、細線１２ａとして中実の細線を用いているが、図７に示すように、貫通孔１６が設けられている細線１２ａ'を用いてもよい。貫通孔１６の横断面における直径が可視光線の最長波長である７８０ｎｍの半分すなわち４００ｎｍ程度であれば、貫通孔１６が隙間１３と同様の機能を果たす。その結果、中実の細線１２ａを用いた場合に比べて、発光部１０の外部への赤外線の放射は更に抑制されることと考えられる。

本実施形態において、各細線１２ａの直径Ｄを変えることにより束１２の横断面における隙間１３の大きさが変化する。このため、細線１２ａの直径Ｄを調節することにより、束１２によるカットオフ波長を制御することができる。各細線１２ａの直径Ｄを変えることにより、本実施形態における発光部１０を白熱電球以外の用途、たとえば、赤外線ヒータ、各種光源、エネルギー変換装置に適用することができる。

フィラメント１１や各細線１２ａは、タングステンやタングステン合金以外の材料、例えば、モリブデン、レニウム、タンタル、またはそれらの合金から形成されていてもよい。
（実施形態２）

次に、図８から図１０を参照しつつ、本発明の第２の実施形態を説明する。

本実施形態の白熱電球の構成要素は、発光部を除いて、第１の実施形態における白熱電球の構成要素と同一である。このため、以下においては、発光部２０の構造及び製造方法を説明する。

発光部２０は、図８に示すように、タングステンから形成された板状のフィラメント２１と、タングステンから形成された複数の細線１２ａ，１２ａ，…の束１２とを備えており、束１２の一方の端面は、フィラメント２１の放射面２１ａに融着されている。

板状のフィラメント２１の両端部は、ステムＳ１１，Ｓ１１の各一端部に接続されており、ステムＳ１１，Ｓ１１の各他端部は、口金に接続されている。発光部２０は、不図示のバルブ空間内で一対のステムＳ１１によって支持されている。

電流は、一方のステムＳ１１から板状のフィラメント２１の放射面２１ａに平行にフィラメント２１中を他方のステムＳ１１へと流れる。それにより、フィラメント２１に電気エネルギーが供給され、フィラメント２１は発熱する。こうして、フィラメント２１の放射面２１ａからは可視光線を含む電磁波が放射される。

束１２は、束１２を構成する細線１２ａの長軸が放射面２１ａに対して実質的に垂直となるように配置されている。

次に、図９を参照しつつ、発光部２０の製造方法を説明する。

まず、図９（ａ）に示すように、複数本の細線１２ａ，１２ａ，…を用意して、隣り合う細線１２ａ，１２ａが互いに接するように束ね、束１２を形成する。これにより、図９（ｅ）に示すように、束１２の横断面には、複数の隙間１３，１３，…が形成される。

次に、図９（ｂ）に示すように、タングステンなどの金属を溶融することができる加熱源２７を用いて、束１２の一方の端部を加熱する。すると、束１２の一方の端部には、図９（ｃ）に示す融着部１２ｃが形成され、融着部１２ｃが形成されることにより各細線１２ａは互いに固着される。

その後、図９（ｄ）に示すように、融着部１２ｃとフィラメント２１の放射面２１ａとを突き合わせて融着接続させる。これにより、発光部２０を製造することができる。

束１２の一方の端面を加熱することによって形成した融着部１２ｃをフィラメントとして機能させることも可能である。その場合、新たにフィラメント２１を設ける必要が無くなる。

束１２の長手方向の複数箇所においてワイヤーカッターなどの切断機を用いて切断した後、加熱源２７を用いて切断面を加熱し、それによって各細線１２ａを相互に固着させてもよい。一方、加熱により各細線１２ａを相互に固着させてから、切断機を用いて固着部分を切断してもよい。このように、切断工程を加えることにより、束１２の長手方向における長さを自在に変更することができる。

レーザ光を用いて複数の細線からなる束１２を固着、切断すれば、固着工程と切断工程とを同時に行うことができるため、加熱により各細線１２ａを固着させる場合に比べて、短時間で発光部２０を製造することができる。

以下に、図１０を参照しながら、レーザ光を用いて発光部２０を製造する方法を説明する。

まず、図１０（ａ）に示すように、複数本の細線１２ａ，１２ａ，…を用意して、隣り合う細線１２ａ，１２ａが互いに接するように束ねて、束１２を形成する。次に、図１０（ｂ）に示すように、束１２の長手方向において、レーザ光２８を照射する。これにより、図１０（ｃ）に示すように、束１２が切断されるとともに、切断された束１２の端面には融着部１２ｃが形成され、これにより各細線１２ａがそれぞれ互いに固着される。そして、図１０（ｄ）に示すように、フィラメント２１の放射面２１ａと束１２の融着部１２ｃとを突き合わせて融着接続させる。これにより発光部２０を製造することもできる。

発光部２０では、フィラメント２１と束１２とが接触しているため、フィラメント２１に微細なマイクロキャビティのアレイを形成した場合と同様に、可視光線の放射効率を増加させことができる。束１２の機能は、赤外線を吸収し、可視光線を通過させる薄膜などが有するフィルタリング機能とは本質的に異なる。
（実施形態３）

以下、図１１を参照しながら本発明の第３の実施形態を説明する。

本実施形態の白熱電球は、図１１に示す発光部３０を備えている。発光部３０は、２つの束１２，１２がフィラメント２１の２つの放射面２１ａ，２１ａにそれぞれ設けられた構成を有している点で、実施形態２における発光部２０と異なっている。各束１２の一方の端面は、フィラメント２１の各放射面２１ａにそれぞれ融着して設けられている。発光部３０は、実施形態２における発光部２０の製造方法と略同一の方法で製造することができる。

発光部３０では、フィラメント２１の２つの放射面２１ａ，２１ａに対してそれぞれ束１２，１２が融着されているため、図１１の上方向のみならず下方向に対しても赤外線の放射を抑制することができる。
（実施形態４）

以下、図１２、１１を参照しながら本発明の第４の実施形態を説明する。

本実施形態の白熱電球の構成要素は、発光部を除いて、第１の実施形態における白熱電球の構成要素と同一である。このため、以下においては、発光部４０の構造及び製造方法を説明する。

発光部４０は、図１２に示すように、タングステンから形成された板状のフィラメント４１と、細線の束１２とを備えている。

板状のフィラメント４１の両端部は、それぞれ、ステムＳ１１，Ｓ１１の一端部に接続されている。ステムＳ１１，Ｓ１１の他端部は、不図示の口金に接続されている。

束１２の表面には、筒状の保持部４５が設けられており、複数の細線１２ａ，１２ａ，…は保持部４５の内部に充填されている。保持部４５は、ステムＳ１２，Ｓ１２の一端部に接続され、ステムＳ１２，Ｓ１２の他端部は口金に接続されている。

電流は、一方のステムＳ１１から板状のフィラメント４１の放射面４１ａに平行にフィラメント４１中を他方のステムＳ１１へと流れる。それにより、フィラメント４１に電気エネルギーが供給され、フィラメント４１は発熱する。こうして、フィラメント４１の放射面４１ａからは可視光線を含む電磁波を放射する。

束１２は、束１２を構成する細線１２ａの長軸が放射面４１ａに対して実質的に垂直となるように配置されている。束１２を支えるステムＳ１２，Ｓ１２には電流を流す必要が無い。ただし、保持部４５を高融点金属材料から形成し、通電することにより、保持部４５をフィラメントとして機能させてもよい。

本実施形態では、束１２がフィラメント４１から離れた位置に配置されている。フィラメント４１から放射される電磁波の放射強度が大きく低下しないように放射面４１ａと束１２との間隔を設定することが好ましい。フィラメント４１の放射面４１ａと、放射面４１ａに対向している束１２の端面との間隔が１μｍ以下であればよい。

束１２がフィラメント４１と接触しておらず離れていると、束１２がフィラメントに接して設けられている場合に比べて、フィラメント４１をより高い温度で動作させることが可能である。フィラメント４１の動作温度が高くなると、ウィーンの変位則が示すように、フィラメント４１から放射される赤外線の放射量は減少する。すなわち、発光部４０のランプ効率は、上記実施形態１から３における発光部１０，２０，３０のランプ効率に比べて良くなることが期待される。

発光部４０を製造するためには、まず、図１３（ａ）に示すように、複数本の中実の細線１２ａ，１２ａ，…を用意して、隣り合う細線１２ａ，１２ａが互いに接するように束ねて、束１２を形成する。

次に、図１３（ｂ）に示すように、筒４５を用意し、筒４５の中心軸と各細線１２ａの長手方向とを一致させて筒４５の中へ束１２を入れて、束１２を固定する。これにより、図１３（ｄ）に示すように、複数の細線１２ａ，１２ａ，…は筒２５に充填され、複数の隙間１３，１３，…が形成される。

図１３（ｃ）に示すように、フィラメント４１を用意し、フィラメント４１の放射面４１ａと束１２の一方の端面とを１μｍ以下の間隔を置いてフィラメント４１を設ける。これにより、図１２に示す発光部４０を製造することができる。

本実施形態によれば、束１２がフィラメント４１と離れているため、フィラメント４１をより高い温度で動作させることが可能である。その結果、上述のように、フィラメント４１が放射する赤外線の放射量を減少させることができる。また、各細線１２ａの温度上昇が抑制される結果、細線１２ａが溶融してしまう可能性が低下する。

従って、本実施形態における発光部４０では、他の実施形態にくらべ、より融点が低い材料を用いても、隙間１３がなくなってしまう可能性が低下する。

本実施形態では、筒状の保持部４５で束１２を固定しているが、束１２を固定する保持部４５の形状は、これに限定されない。保持部４５は、束１２に巻かれたワイヤやリボンなどであってもよいし、リング形状を有する部材であってもよい。

本実施形態では、発光部４０を製造する際、束１２を筒４５の内部へ挿入させることにより複数の細線１２ａ，１２ａ，…を固定しているが、筒４５の中心軸方向と各細線１２ａの長手方向とを一致させて、筒４５の内部に細線１２ａを一本ずつ充填させることにより複数の細線１２ａ，１２ａ，…を固定してもよい。フィラメント４１の上下に２つの束１２，１２を対称に配置しても良い。
（実施形態５）

以下、図１４を参照しながら、本発明の第５の実施形態を説明する。

本実施形態における白熱電球Ｌ２は、図１４に示すように、発光部１０と、発光部１０を収納するバルブＢ２と、バルブＢ２の開口部を封じるように設けられている端部Ｐ２，Ｐ２と、各端部Ｐ２に設けられ、一端が発光部１０のフィラメント１１と接続しているモリブデン箔Ｍ２と、各モリブデン箔Ｍ２の他端と接続しているステムＳ２１、Ｓ２１とを備えている。

バルブＢ２は、略円筒形であり、円筒の中心軸に対して、発光部１０における各細線１２ａの長手方向が直交するように発光部１０が配置されている。

図３に示す白熱電球Ｌ１と同様、フィラメント１１に電流が流れることにより、白熱電球Ｌ２は可視光線を含む電磁波を放射する。具体的には、電流は、一方のステムＳ２１から一方のモリブデン箔Ｍ２を流れて、筒状フィラメント１１の側面に沿って流れ、その後、他方のモリブデン箔Ｍ２を流れて他方のステムＳ２１へと到着する。

なお、図１４に示す白熱電球Ｌ２の発光部は、前述の実施形態１における発光部１０と同一構造を示しているが、発光部の形状はこれに限定されず、他の実施形態における発光部２０，３０，４０を用いてもよい。

上記の各実施形態において、細線１２ａの横断面形状は、円に限定されず、楕円や多角形であってもよい。ただし、複数の細線１２ａを束ねることにより隙間１３が形成される必要はある。また、各細線１２ａの断面サイズは相互に等しい必要はない。異なる直径を有する２種類の細線を束ねても良い。

実施形態１における貫通孔１６の横断面形状も円に限定されず、楕円形や多角形であってもよい。

発光部の形状は、前述の実施形態における発光部の形状に限定されない。フィラメントの放射面全体を覆うように束が設けられていてもよいし、１つの発光部が複数のフィラメントを備えていても良い。複数のフィラメントの各々に対して個別に細線の束が割り当てられていても良いし、複数のフィラメントに対して１つの束が割り当てられていても良い。

また、白熱電球のバルブの形状は、図３に示すバルブＢ１及び図１４に示すバルブＢ２が有している形状に限定されない。バルブの内面に白色シリカ粉末が薄く塗布されていてもよい。

以上、本発明のエネルギー変換装置の実施形態として白熱電球の発光部を説明してきたが、本発明のエネルギー変換装置は、照明用光源以外の光源に用いても良い。本発明では、細線の直径を変えることにより、束の隙間を任意のサイズに調節できるため、カットオフ波長を所望のレベルに設定できる。したがって、本発明のエネルギー変換装置は、放射を抑制する電磁波の波長も任意であり、赤外線ヒータや、各種センサーや測定装置用の光源にも適用できる。

また、本発明のエネルギー変換装置は、太陽熱などの熱源から得られるエネルギーを効率よく、所定範囲に波長を有する電磁波に変換し、その電磁波を他のエネルギーに再変換するシステムに適用することも可能である。

本発明にかかるエネルギー変換装置は、現在広く普及している白色光源を代替する光源として好適に利用され得る。

（ａ）は、マイクロキャビティのアレイが形成された従来のタングステンフィラメントの上面図であり、（ｂ）は、その断面図であり、（ｃ）は、マイクロキャビティが崩壊した後のタングステンフィラメントを示す断面図である。 （ａ）は、本発明のエネルギー変換装置が備える放射抑制手段の一例を示す部分拡大斜視図であり、（ｂ）は、金属の細線１２３における結晶粒の向きを示す模式図である。 本発明の実施形態１における白熱電球Ｌ１の概略図である。 実施形態１における発光部１０の斜視図である。 実施形態１における隙間１３を模式的に示す断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、実施形態１における発光部１０の製造方法を示す工程図であり、（ｃ）は、細線の束の横断面図である。 実施形態１における細線の変形例を示す図である。 実施形態２における発光部２０の模式図である。 （ａ）から（ｄ）は、実施形態２における発光部２０の他の製造方法を示す工程図であり、（ｅ）は、細線の束の横断面図である。 （ａ）から（ｃ）は、実施形態２における発光部２０の製造方法を示す工程図であり、（ｄ）は、細線の束の横断面図である。 実施形態３における発光部３０の斜視図である。 実施形態４における発光部４０の斜視図である。 （ａ）から（ｃ）は、実施形態４における発光部４０の製造方法を示す工程図であり、（ｄ）は、細線の束の横断面図である。 実施形態５における白熱電球Ｌ２の斜視図である。

符号の説明

１０、２０、３０、４０ 発光部（エネルギー変換装置）
１１、２１、４１ フィラメント（電磁波放射部）
１２、２２、３２、４２ 細線の束（放射抑制部）
１２ａ、１２ａ' 細線
１３ 隣接する細線の隙間
１６ 細線に設けられた貫通孔
Ｌ１、Ｌ２ 白熱電球
１１０ フィラメント
１１２ マイクロキャビティ
１２０ 金属細線の束
１２３ 金属細線

Claims (11)

1. エネルギーを電磁波に変換して放射する放射体と、
   前記放射体から放射された電磁波の一部を吸収する放射抑制部と、
   を備え、
   前記放射抑制部は、長軸方向が揃えられた金属製の細線の束であって、隣接する各細線の側面が互いに接触することで前記長軸方向に延びたキャビティが形成されている、エネルギー変換装置。
2. 前記放射体と前記放射抑制部との間隔は、１μｍ以下である請求項１に記載のエネルギー変換装置。
3. 前記放射体と前記放射抑制部とは、接触している請求項１に記載のエネルギー変換装置。
4. 前記細線は、融点が２０００Ｋよりも高い高融点材料から形成されている、請求項１に記載のエネルギー変換装置。
5. 前記高融点材料は、タングステン、モリブデン、レニウム、タンタル、またはそれらの合金から形成されている、請求項４に記載のエネルギー変換装置。
6. 各細線は多結晶であり、結晶粒が前記長軸方向に配向している請求項１に記載のエネルギー変換装置。
7. 前記放射体は、タングテンまたはタングステンの合金から形成されている、請求項１に記載のエネルギー変換装置。
8. 請求項１から７のいずれかに記載のエネルギー変換装置と、
   前記エネルギー変換装置を大気から遮断する容器であって、少なくとも一部が透光性を有している容器と、
   前記エネルギー変換装置に含まれる前記放射体に電気エネルギーを供給する端子と、
   を備え、
   前記放射抑制部は、赤外線の放射を抑制する、光源。
9. 前記細線の横断面における外形は、実質的に円であり、
   前記円の直径は、４００ｎｍ以上２．５μｍ以下である、請求項１に記載の光源。
10. エネルギーを電磁波に変換して放射する放射体を用意する工程と、
    前記放射体から放射された電磁波の一部を吸収する放射抑制部を用意する工程と、
    前記放射体から放射された電磁波を受ける位置に前記放射抑制部を配置する工程と、
    を含み、
    前記放射抑制部を用意する工程は、
    金属製の複数の細線を用意する工程と、
    前記複数の細線の長軸方向を揃え、隣接する細線の側面を相互に接触させて各細線の側面で囲まれた前記長軸方向に延びたキャビティが形成されるように前記複数の細線を束ねる工程と、
    を含む、エネルギー変換装置の製造方法。
11. 前記放射抑制部を用意する工程は、前記束ねられた複数の細線を切断する工程を含む、請求項１０に記載の製造方法。

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