JP5975816B2 - 白熱電球、その製造方法、および、フィラメント - Google Patents

Description

本発明は、エネルギー利用効率を改善した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、（ａ）安価である、（ｂ）演色性に優れている、（ｃ）動作電圧を選ばない（交流でも直流でも可）、（ｄ）簡素な灯具で点灯可能である、（ｄ）世界的に普及している、等数々の利点を有する。しかしながら、白熱電球は、電力から可視光への変換効率が１５lm/W程度であり、蛍光灯（変換効率９０lm/W)よりも低いため、環境負荷が大きい。

特許文献１には、タングステンよりも高融点の炭化タンタルをフィラメントに用いることが提案されている。特許文献１には、微粉末のＴａＣと、ＺｒやＨｆ等の炭化物の粉末等を混合した後、成形し、真空中で１６００℃以上に加熱し、炭化タンタル含有複合化合物の焼結体を製造する方法が開示されている。

特許文献２には、コイル形状のタンタル炭化物電極を製造する方法が開示されている。この製造方法では、まずタンタルをコイル形状に加工し、これを熱処理して表面の酸化膜を除去し、炭素源を導入して熱処理を行う。これにより、タンタルの表面から炭素を浸入させて、全体がタンタル炭化物または一部がタンタル炭化物で残部がタンタルのコイル状電極を形成するものである。

特許文献３には、タングステンフィラメントの表面に、イオンプレーティング法によりＴａＣ膜を形成することにより、耐熱性に優れ、安定した放射電流が得られることが開示されている。

特開平６−８７６５６号公報 特開２００５−６８００２号公報 特開平８−６４１１０号公報

特許文献１のように粉体を成形し、焼結する方法は、所望の形状の炭化タンタルを得ることが難しい。特許文献２のように、タンタルコイルの一部または全部を炭化してタンタル炭化物のコイルを得る方法は、タンタル炭化物が脆いために製造されたコイルが折れやすく、断線しやすいという問題がある。また、特許文献３のように、タングステンフィラメントの表面に炭化タンタル膜を成膜する方法は、タングステンと炭化タンタル膜の密着性が低く、炭化タンタル膜が剥がれやすいという問題がある。

本発明の目的は、炭化タンタル等の高融点金属を用いながら、断線しにくく、膜剥がれの生じない放射特性の高いフィラメントを得ることにある。

上記目的を達成するために、本発明により提供される白熱電球は、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、フィラメントに電流を供給するためのリード線とを有し、フィラメントは、タングステン基材と、タングステン基材を被覆するタンタル層と、タンタル層を被覆する炭化タンタル層を備えている。

本発明では、タングステンとタンタルの密着性が高いことを利用し、タングステンの表面にタンタル層を配置し、タンタル層の表面に炭化タンタル層を形成する。これにより、タングステンとタンタル層との界面、および、タンタル層と炭化タンタル層との界面において、高い密着性が得られ、界面で膜剥がれを生じにくい。これにより、入力電力を可視光に変換する効率が高く、断線や膜剥がれの生じにくいフィラメントを得ることができる。

実施形態の白熱電球の切り欠き断面図。 実施形態のフィラメントの軸方向の断面図。 （ａ）〜（ｄ）実施形態のフィラメントの製造工程を示す説明図。 表面が粗い炭化タンタルの温度３０００Ｋでの反射率曲線と放射スペクトルを示すグラフ。 表面が鏡面の炭化タンタルの温度３０００Ｋでの反射率曲線と放射スペクトルを示すグラフ。 実施形態のフィラメント３に撓みが生じた形状を示す説明図。 実施形態のフィラメント３のコイルピッチと、直径を示す説明図。 表面が鏡面の炭化タンタルの温度３５００Ｋでの反射率曲線と放射スペクトルを示すグラフ。

本発明では、白熱電球のフィラメントとして、タングステン基材と、タングステン基材を被覆するタンタル層と、タンタル層を被覆する炭化タンタル層を備えたものを用いる。炭化タンタルは、高融点で放射率に優れているが、固く脆いため、単体でフィラメントを構成すると折れやすく、何らかの基材上に成膜した場合には膜剥がれを生じやすい。本願では、タングステンとタンタルの密着性が高いことを利用し、タングステンの表面にタンタル層を配置し、タンタル層の表面に炭化タンタル層を形成する。これにより、タングステンとタンタル層との界面で高い密着性を得ることができる。タンタル層と炭化タンタル層も、密着性が高いため、界面で膜剥がれを生じにくい。また、タングステンは、加工性がよい材料であるため、炭化処理の前に巻回する等の所望の加工を施すことにより、所望の形状に加工することができる。

炭化タンタル層は、２層以上から構成され、外側の最表面がＴａＣ層であり、ＴａＣ層よりもタンタル層に近い側にＴａ_２Ｃ層を有する構成にすることができる。これにより、炭化タンタルの表面に近いほど炭素の割合が多くなるため、タンタル層と炭化タンタル層の界面剥離をさらに効果的に防止できる。

炭化タンタル層は、タンタル層の表面を炭化処理することにより形成することができる。これにより、タンタル層と炭化タンタルとの密着性を向上させることができる。

フィラメントの表面の炭化タンタル層は、表面粗さ（中心線平均粗さＲａ）が１μｍ以下であることが好ましい。これにより、フィラメントの炭化タンタル層の表面の光の反射率を赤外波長域で大きくできるため、赤外波長域以上の放射率を抑制でき、入力エネルギーの多くを可視光成分に変換することができる。

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、本実施形態の白熱電球１の断面図を示す。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、フィラメント３を支持するアンカ６とを備えて構成される。リード線４，５とアンカ６は、透光性気密容器２内に配置された絶縁性のマウント７により支持されている。マウント７の基部は、透光性気密容器２の封止部８によって支持されている。封止部８には、封止金属（金属箔）１４，１５とリード棒１６，１７が配置されている。

リード線４，５の下端は、金属箔の封止金属１４，１５に溶接されている。リード棒１６，１７の上端は、封止金属１４，１５に溶接され、下端は封止部８から外部に引き出されている。封止部８は、封止金属１４，１５とリード線４，５の下端部とリード棒１６，１７の上端部を、ピンチシール溶着（ガラスを溶かして押しつぶして封止）した構造である。これにより、リード棒１６，１７から、フィラメント３へ外部から電流を供給することができる。封止金属１４，１５を封止部に配置してピンチシール封止する理由は，本フィラメントを３０００Ｋ以上の高温で使用した際に、透光性気密容器２が破損（ガラスが割れる）するのを防ぐためである。即ち，透光性気密容器２の材質が低熱膨張率であるのに対し、金属リード線４，５，並びに金属リード棒１６，１７が高熱膨張率であるため，高温動作時には大きな熱膨張の相違が生じる。封止金属１４，１５は、その厚みならびに材質により、熱膨張の相違により生じる応力を緩和する。

＜フィラメント３＞
フィラメント３の構造について図２を用いて説明する。図２はフィラメント３の長軸方向の断面図である。フィラメント３は、ワイヤ状のタングステン基材３０と、タングステン基材３０を被覆するタンタル層３１と、タンタル層３０を被覆する炭化タンタル層３２を備えている。タングステン基材３０とタンタル層３１とは密着性がよいため、界面で膜剥がれが生じにくい。また、タングステンは、加工性がよいため、フィラメント３を所望の形状に加工することができる。本実施形態では、フィラメント３は、らせん状（コイル状）に巻回されている。

炭化タンタル層３２は、固く脆い性質を有するが、タンタル層３１とは密着性がよい。このため、タングステン基材３０との間にタンタル層３１を挟んで炭化タンタル層３２を配置することにより、固く脆い性質の炭化タンタル層３２を密着性よく配置できる。

また、炭化タンタル層３２は、タンタル層３１の表面を炭化処理することにより形成することができる。これにより、炭化タンタル層３２とタンタル層３１との密着性をより向上させることができる。

炭化タンタル層３２は、２層以上から構成することが好ましい。この場合、外側の最表面層をＴａＣ層とし、ＴａＣ層よりもタンタル層に近い側にＴａ_２Ｃ層を有する構造にすることができる。これにより、最表面に、融点が高く、放射率の高いＴａＣ層を配置できるとともに、タンタル層３１との間にＴａＣよりも炭素含有量が少ないＴａ_２Ｃ層を配置することで、タンタル層３１と炭化タンタル層３２との密着性をさらに向上させることができる。

フィラメント３は、表面が炭化タンタル層３２に覆われていれば高い放射率を得ることができるが、炭化タンタル層３２の膜厚は、１０〜１００μｍであることが好ましい。タンタル層３１の膜厚は、０．１〜１０μｍであることが好ましい。タングステン基材３０の直径は、例えば１０〜１００μｍに設定する。

このように、本実施形態のフィラメント３は、炭化タンタルという高融点金属を用いながら、タングステン基材３０とタンタル層を配置したことにより断線しにくく、かつ、膜剥がれの生じにくいフィラメントが得られる。

次に、フィラメント３の製造方法を図３（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する。まず、図３（ａ）に示すようにワイヤ状のタングステン基材３０を用意して真空槽内に配置し、真空中で１５００〜２０００℃で加熱し，タングステン基材３０表面に付いているＷＯ_２等の酸化膜を除去する。なお、ワイヤ状のタングステン基材３０の長軸に直交する断面の形状は、所望の形状（円形や矩形）のものを用いる。図３（ｃ）では、一例として断面形状が矩形の場合を示している。タングステン基材３０の加熱時には、放射温度計によりタングステン基材３０表面から放射されている熱スペクトルを測定し、タングステン基材３０の表面の温度を評価することにより、ＷＯ_２等の酸化膜が全て除去されたかどうか確認できる。具体的には、タングステン基材３０の実温度に対して、ＷＯ_２等の酸化膜は低い温度を示すが、表面の酸化膜が加熱により全て除去され、タングステン基材３０のＷ金属が露出したならば、タングステン基材３０の表面が高温になる。これを観測することにより、酸化膜がすべて除去できたことを確認できる。

次に，電子ビーム蒸着，スパッター蒸着等の手法を用いて、タングステン基材３０の表面にＴａ金属を厚さ０．１〜１０μｍ堆積し、タンタル層３１を形成する（図３（ｂ））。

次に，図３（ｃ）のように、タンタル層３１が形成されたタングステン基材３０をコイル状に巻き回す。この後の工程で形成する炭化タンタル層３２が固くて脆いため、炭化処理の工程の前にコイル状に加工することにより、炭化タンタル層３２にひび割れや膜剥がれ等が生じるのを防止できる。なお、タンタル層３１を成膜する工程（図３（ｂ））の前にタングステン基材３０をコイル状に巻回し、その後タンタル層３１を形成してもよい。

タンタル層３１の表面のＴａＯ等の酸化膜を除去するため，タンタル層３１を備えたタングステン基材３０を真空槽内に配置し、再び真空中で１５００〜２０００℃で加熱する。これにより、タンタル層３１の表面に付いているＴａＯ等の酸化膜を除去し、タングステンを露出することができる。この加熱の際も、放射温度計によりタンタル層３１の表面温度を測定することにより、酸化膜が全て除去できたかどうかを確認できる。

酸化膜の除去工程に連続して、タンタル層３１の表面を炭化処理することによってＴａＣ層を形成する。炭化処理は，真空槽内にメタンガス，エタンガス等の炭素源を１２００〜２０００℃の温度で導入することによって行う。これにより、タンタル層３１の表面から炭素を浸入させ（浸炭処理）、タンタル層３１の表面層を炭化水素層３２にする。この際，浸炭処理の時間を制御することによって，膜厚方向の炭化の程度を制御することができる。これにより、例えば、最表面がＴａＣであって、膜厚方向に炭化の程度が徐々に低減した炭化タンタル層３２を形成することができる。このように、炭素濃度が膜厚方向に分布した炭化タンタル層３２を形成することにより、熱膨張係数の違いに起因する熱応力により、炭化タンタル層３２とタンタル層３１とが層間剥離を生じる問題を回避することが出来る。

また、フィラメント３の炭化タングステン層３２の表面の凹凸を小さくし、赤外波長域以上の反射率を大きくすることにより、フィラメント３の放射率をさらに向上させることができる。具体的には、表面粗さ（中心線平均粗さ）Ｒａを１μｍ以下とすることが好ましい。

一般的な製造工程で製造されたワイヤ状のタングステン（タングステン基材３０）は、表面の粗さが粗く、中心線平均粗さＲａ＞１μｍである。タンタル層３１および炭化タンタル層３２を形成した場合も、タングステン基材３０の表面の凹凸は、炭化タンタル層３２の表面の凹凸に反映される。表面粗さが粗い炭化タンタル層の反射率（γ（λ））を図４に示す（ただし、λは波長である）。放射率ε(λ）は、キルヒホッフの法則により、ε(λ）＝１−γ（λ）で計算することができる。図４には、炭化タンタルの放射スペクトルと、黒体放射スペクトル（３０００Ｋ）と、視感度曲線と、視感度内における炭化タンタルの放射スペクトルも併せて示されている。炭化タンタルの放射スペクトルは、炭化タンタルの放射率ε（λ）と黒体放射スペクトルとを掛けて得たものである。視感度内における炭化タンタルの放射スペクトルは、視感度曲線とタングステンの放射スペクトルとを掛けて得たものである。

この炭化タンタルから外部空間に光の放射により損失するエネルギーP(radiation)は、以下の式（１）により求めることができる。

式(１)において、ε(λ)は、上述のように各波長における放射率、αλ^−５／（ｅｘｐ（β／λＴ）−１）はプランクの放射則であり、α＝３．７４７×１０^８ Ｗμｍ^４／ｍ^２、β＝１．４３８７×１０^４ μｍＫ である。

式（１）から炭化タンタルの全波長の放射エネルギーと、可視光の放射エネルギーを求め、その比を可視光変換効率とすると、粗い表面を有する炭化タンタルの可視光変換効率（放射効率）は、凡そ３０００Ｋの温度で４３ lm/Wとなる。

一方、タングステン基材３０の表面を機械研磨加工等で鏡面にすることにより炭化タンタル層３２の表面の粗さも小さくすることができる。これにより、少なくとも赤外波長域以上の反射率を大きくでき、赤外波長域以上の放射率を抑制できる。これにより、入力エネルギーの多くを可視光成分に変換できる。

例えば、炭化タンタル層３２の波長３μｍ以上の赤外波長域における反射率を０．９以上、波長０．７μｍ以下の可視光波長域における反射率を０．７５以下となるように、タングステン基材３０を研磨することが望ましい。炭化タンタル層３２の中心線平均粗さＲａは１μｍ以下であることが好ましく、特に０．５μｍ以下であることが好ましい。ここでいう中心線平均粗さＲａは、接触式表面粗さ計で測定したものである。

中心線平均粗さＲａと反射率γ（λ）は、５μｍ以下の粗さの領域では定性的に以下の式（２）で記述することができる。

γ(λ)＝１−α(λ)Ｒａ ・・・（２）
ここで、α(λ)は、波長および材質に応じた中心線平均粗さＲａと反射率γ(λ)を結び付ける形状因子で、今回の金属材料では、材料に大きく依存せず、波長３μｍで０．１〜０．２（μｍ^−１）程度の値をとる。

タングステン基材３０を複数種類のダイヤモンド研磨粒により研磨することにより、その上に形成される炭化タンタル層３２の中心線平均粗さＲａを０．２μｍ以下にした場合、反射率を図５のように最大値を０．９８以下まで向上させることができる。これにより、炭化タンタル層３２の表面粗さが粗い場合と比較して、炭化タンタル層３２の波長３μｍ以上の赤外領域の放射率を抑制することができ、放射スペクトルは図５のようになる。表面粗さＲａが０．２μｍ以下の炭化タンタル層３２の放射率を用いてフィラメントの可視光変換効率を求めると、３０００Ｋにおいて７４ lm/Wとなり、同温度における表面粗さの粗い炭化タンタル層３２の可視光変換効率４３ lm/Wの１．７倍にすることができる。

このように、本実施形態では、タングステン基材３２の表面を研磨することにより、その上に形成される炭化タンタル層３２の反射率を高めることができるため、フィラメント３の可視光変換効率をさらに高めることができる。

また、上述の実施形態では、タングステン基材３２の機械研磨加工により炭化タンタル層３２の表面の反射率を向上させたが、この方法に限らず、タンタル層３１の成膜時の成膜方法や成膜条件を調整することにより、表面の滑らかなタンタル層３１を形成し、その表面層を炭化処理して、表面粗さＲａが１μｍ以下の炭化タンタル層３２を形成することも可能である。また、この方法と、タングステン基材３２の研磨加工とを組み合わせてもよい。また、タングステン基材３０の線引き時や鍛造時の条件を調整する方法や、圧延時に滑らかな型に接触させる方法によりタングステン基材３０の表面の粗さを低減する方法や、タングステン基材３０、タンタル層３１および炭化タンタル層３２の少なくとも一つの表面に湿式や乾式のエッチングを施して、表面を鏡面にする方法も採用できる。

コイル状のフィラメント３は、高温で加熱時に変形しても隣り合うコイル同士が接触しないようにその形状を定めることが好ましい。以下、図６および図７を用いて、これについて説明する。

炭化タンタル層３２は、融点が４２５０Ｋと高いため、タングステン基材の融点（３７００Ｋ）近くまでフィラメント３を加熱することができる。このような高温では、フィラメント３の熱膨張係数並びに弾性定数に変化が生じ，リード線４，５やアンカ６で支持されていない部分が重力方向に垂れさがるように撓む現象が生じる。このため、撓みの内周側に位置するコイル（ひと巻のフィラメント）同士が撓み量に応じて接近し、接触する可能性があるため、撓みが生じても隣り合うコイル同士が接触しないように、コイルピッチを設計する必要がある。

図６のように撓んだフィラメント３の各軸方向における運動方程式は，式（３）で表される。

Ｍ∂^２Ｘi／∂ｔ^２ ＝γi−Σκij（ρ・Δθ) j ・・・（３）
ここで、Ｘi＝（ｘ，ｙ，ｚ），γi＝（０，０，Ｍｇ）である。κijは、フィラメント３の弾性定数を示すテンソルであり，成分方向jについて和を取る。また，ρは，フィラメント３の撓みの曲率半径、Δθは、撓みの曲率中心からみた各コイルの開き角である。Ｍは、フィラメント３の単位体積当たりの密度である。右辺の（ρ・Δθ) jのｊは、ｘ，ｙ，ｚの座標を示し，（ρ・Δθ) jは、ｊ方向の撓み量を示す。

ここで，静的な場合は，式（３）を容易に解くことができ，最終的にコイルの撓みの内周側（ピッチが狭くなる側）のコイルピッチＰ_ｉ(Ｔ)、並びに外周側（ピッチが広くなる側）のコイルピッチＰ_Ｏ(Ｔ)は，以下式（４）および（５）のように表される。

Ｐ_ｉ(Ｔ)＝Ｐ（１−Δ） ・・・（４）
Ｐ_Ｏ(Ｔ)＝Ｐ（１＋Δ） ・・・（５）
ここで，Δ＝α／κij(Ｔ) ・・・（６）
である。Ｐは、撓んでいない状態のコイルピッチであり、αは、フィラメント３の重量，フィラメント３の長さ、および、低温時のコイルピッチ等をパラメーターとする定数である。Ｔは、フィラメント３のコイル温度を示す。

高温加熱時に、フィラメント３の隣り合うコイル同士が接触しない条件は，図７に示すようにフィラメント３の直径（線の直径）をＤとすると，式（７）で表される。

Ｐ_ｉ(Ｔ)＝Ｐ（１−Δ） ＞Ｄ ・・・（７）
よって、式（７）を満たすように、フィラメント３の弾性係数κij等を考慮して、コイルピッチＰを選択する。例えば，弾性定数がよく知られたタングステンのフィラメントの場合，室温でのヤング率は４１０ＧＰａであるが、３０００Ｋではヤング率が２００ＧＰａとなり、ヤング率が５０％程度低下する。高温で撓んでもコイル同士がコンタクトしない条件は，Ｐ＞２Ｄである。即ち，アンカ６でコイルを保持しない場合，最低でもコイルピッチＰは、フィラメントの線の直径Ｄの２倍を必要とする。炭化タンタル（ＴａＣ）で形成されたフィラメントの場合，室温でのヤング率は５６０ＧＰａであるが、４０００Ｋではヤング率が３０％程度低下するので，高温でも撓んでコイル同士がコンタクトしない条件は，Ｐ＞１．５Ｄとなる。即ち，アンカ６でフィラメントを保持しない場合，コイルピッチＰは、最低でもフィラメントの線の直径Ｄの１．５倍を必要とする。

本実施形態のフィラメント３は、タングステン基材３０の上にタンタル層３１および炭化タンタル層３２を備えた多層構造であるので、このような多層構造の全体の弾性係数等を考慮して、コイルピッチＰを設計する。

＜リード線＞
本実施形態の白熱電球のフィラメント３は、炭化タンタル層３２の融点が融点４２５０Ｋ（ＴａＣの場合）であるので、フィラメント３をタングステン基材３０の融点３７００Ｋ近傍まで加熱することができる。そのため，この超高温フィラメント３に電流を導入するリード線４，５の材質としては高融点金属を用いる必要がある。例えばＭｏ線をリード線４，５として用いることができる。

＜アンカ６＞
フィラメント３を支持するアンカ６は、高温のフィラメント３に接触するため、通常の耐熱金属（Ｗ，Ｔａ等）を利用した場合、フィラメント３の表面のＴａＣ層３２中の炭素が、アンカ６を構成する金属に移行してしまい，フィラメント３に部分的な炭素抜けを生じさせ、溶解破断の原因となる可能性がある。そのため、フィラメント３と接触するアンカ６の先端部分は，炭化しておくことが望ましい。具体的には、ＴａやＨｆ等の金属ワイヤをアンカ６として用い、フィラメント３と接触する部分を予め炭化しておくことが好ましい。

＜封入ガス＞
フィラメント３をタングステンの融点近くまで加熱して昇華しないようにするために，透光性気密容器２の内部空間１２にガスを１Ｐａ以上の出来るだけ高い圧力で封入することが望ましい。封入ガス種としては，窒素，不活性ガス種（アルゴン，クリプトン，キセノン）が好ましい。

また、フィラメント３を高温で加熱した場合に、表面の炭化タンタル層３２に炭素抜けが生じないようにするために，透光性気密容器２の内部空間１２に封入するガスに炭素を添加し、炭素サイクルを利用することが有効である。具体的には、封入ガスとして、不活性ガスに，以下の添加物を以下の割合で添加する。
添加物：炭化水素（ＣＨ_４，Ｃ_２Ｈ_６，Ｃ_２Ｈ_４，Ｃ_２Ｈ_２等）０．１〜５ｍｏｌ％，水素０．２〜２０ｍｏｌ％，および、臭素（臭素化合物）（ＨＢｒ，Ｂｒ_２，ＣＨ_３Ｂｒ，Ｃ_２Ｈ_５Ｂｒ，等）又はヨウ素（ヨウ素化合物）（ＨＩ，Ｉ_２，ＣＨ_３Ｉ，Ｃ_２Ｈ_５Ｉ，等）０．０５〜０．５ｍｏｌ％。ただし、添加物の割合（ｍｏｌ％）は、充填圧力が１０^５〜１０^６Ｐａの場合の割合で示している。

このように封入ガスを入れることによって，高温での脱炭並びに昇華による透光性気密容器の内面の黒化を回避することが出来る。

＜透光性気密容器２＞
本実施形態の白熱電球の透光性気密容器２は、封入ガス圧が高く、内壁温度も通常のタングステンフィラメントを用いるものよりも、２００℃〜６００℃程度と高くなる。このため、透光性気密容器２の材質は，硬質ガラス，アルミノシリケートガラス，または石英硝子を使用することが好ましい。

それに伴い、透光性気密容器２がリード線４，５を封止する封止部８には、リード線４，５の下端部に封止金属１４，１５を接続することが好ましい。封止金属１４，１５は、金属箔であり、リード線４，５の上端部の材質（例えばＭｏ，高熱膨張率）と，透光性気密容器２の材質（石英ガラス，低熱膨張率）との熱膨張係数の差異により生じる応力を緩和するために配置されている。これにより、封止部８において、高温時に透光性気密容器２の材質と封止金属１４，１５とが密着した状態を安定に維持し、透光性気密容器２の破損を防止し、長時間に亘って気密を維持することができる。例えば、封止金属１４，１５としては、Ｍｏ箔または白金クラッドＭｏ箔を用いることができる。

また，透光性気密容器２の形状は、内壁とフィラメント３の発熱部の距離が２０ｍｍ以下であることが好ましい。この理由は，透光性気密容器２の内部で生じるガスの対流による熱伝導損失の防止，並びに上述した炭素サイクル・ハロゲンサイクルの効率が、上記距離２０ｍｍ以下で良好であることに依る。

なお，炭化タンタル層３２は、水分が存在することにより、脱炭現象が生じやすく、透光性気密容器２の内壁の黒化が顕著に起こるので，ガス封入の前に透光性気密容器２を加熱（３００〜６００℃）して真空排気することにより、透光性気密容器２の内壁に存在（吸着）している水を除去することが望ましい。

＜フィラメント３の放射特性＞
炭化タンタル（ＴａＣ）の３０００Ｋならびに３５００Ｋにおける放射特性は、図５および図８に示した通りである。図５のように、ＴａＣは、高温まで加熱できるだけでなく、赤外波長域の放射率が抑えられ、可視光領域での放射率が大きい。よって、炭化タンタル層３２を表面に備えた本実施形態のフィラメント３は、可視光放射率の高い電球を作製することが可能となる。即ち，フィラメント３の高温加熱による放射自体の短波長化による高効率化，並びにＴａＣ自体が有する赤外放射を抑えた熱放射が可能となることによって，可視光変換効率を高めることができる。以下に一例を示すと，炭化タンタル層３２（ＴａＣ）を表面に備えたフィラメント３を３０００Ｋに加熱した場合、凡そ７４ ｌｍ／Ｗの可視光変換効率を得ることができ、３５００Ｋに加熱した場合，図８に示すように凡そ１０６ ｌｍ／Ｗの可視光変換効率を得ることができる。これらの数値は、現状のハロゲン電球（凡そ２０ ｌｍ／Ｗ）の３倍から５倍の効率となる。

なお、上述の実施形態では、炭化タンタル層３２を備えたフィラメント３について説明したが、タンタルをハフニウム（Ｈｆ）に置き換えることにより、タンタル層３１に代えてハフニウム層を、炭化タンタル層３２に代えて炭化ハフニウム（ＨｆＣ）を備えたフィラメントを製造することができる。すなわち、タングステン基材３０の表面にハフニウム層と炭化ハフニウム層を順に備えたフィラメントを製造できる。このようなフィラメントは、上述したフィラメント３の製造方法において、タンタル層３１の成膜工程で、タンタルに代えて成膜源としてハフニウムを用いてハフニウム層を成膜することで製造することができる。炭化処理の工程は、上述のフィラメント３の製造方法と同様に行う。

また，ＨｆＣで構成したフィラメントの場合、撓みによりコイル同士が接触しないコイルピッチＰの条件を計算すると、ＨｆＣのヤング率は室温で６００ＧＰａであるが、４０００Ｋでは３０％程度低下するので，コイルピッチＰ＞１．５Ｄに設定することが好ましい。即ち，アンカ６等でフィラメントを保持しない場合，コイルピッチＰは、フィラメントの線の直径Ｄの１．５倍以上に設定することが好ましい。なお、本実施形態のフィラメントは、ＨｆＣの単体ではなく、タングステン基材３０の表面にハフニウム層と炭化ハフニウム層を順に備えた多層構造のフィラメントであるので、多層構造全体のヤング率を考慮してコイルピッチを設定する。

また、上述の実施形態のフィラメント３タンタルの一部をハフニウム（Ｈｆ）に置き換えてもよい。具体的には、タンタル層３１に代えてタンタルハフニウム（Ｔａ_ｘＨｆ_ｙ）層を、炭化タンタル層３２に代えて炭化タンタルハフニウム（Ｔａ_ｘＨｆ_ｙＣ）層を備えたフィラメントの構造にすることができる。このようなフィラメントは、上述したフィラメント３の製造方法において、タンタル層３１の成膜工程で、成膜源としてタンタルとハフニウムを用い、タンタルとハフニウムを同時に蒸着することによりタンタルハフニウム層を成膜することで製造することができる。炭化処理の工程は、上述のフィラメント３の製造方法と同様に行う。

本発明のフィラメントを用いた白熱電球は、タングステンの融点に近い高温まで加熱することができ、従来の白熱電球並びにハロゲン電球と比較して，可視光変換効率を高めた，安価な省エネ型照明用電球を提供することが出来る。

また，ＴａＣ並びにＨｆＣの仕事関数φはいずれも、３．４ｅＶであり、タングステンの仕事関数φ＝４．５４ｅＶと比較して低いので，低仕事関数並びに高温加熱の２つの効果を利用して高輝度な熱電子放出電子源（Ｘ線管，電子顕微鏡等に利用されている）等を構成することが出来る。

すなわち、本発明のフィラメントは、ハロゲン電球，白熱電球，ヒーター用電線，Ｘ線管の電子放出源，電子顕微の電子銃等に用いることができる。

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…アンカ、１１…中心電極、８…封止部、９…口金

Claims (16)

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、タングステン基材と、前記タングステン基材を被覆するタンタル層と、前記タンタル層を被覆する炭化タンタル層とを備えていることを特徴とする白熱電球。
2. 請求項１に記載の白熱電球において、前記炭化タンタル層は、２層以上から構成され、外側の最表面がＴａＣ層であり、前記ＴａＣ層よりも前記タンタル層に近い側にＴａ_２Ｃ層を有することを特徴とする白熱電球。
3. 請求項１または２に記載の白熱電球において、前記炭化タンタル層は、前記タンタル層の表面を炭化処理することにより形成されたものであ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において、前記フィラメントの表面の炭化タンタル層は、表面粗さ（中心線平均粗さＲａ）が１μｍ以下であることを特徴とする白熱電球。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の白熱電球において、前記フィラメントは、らせん状に巻回された構造であり、前記巻回のピッチは、前記フィラメントの直径の１．５倍以上であることを特徴とする白熱電球。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の白熱電球において、前記フィラメントを支持するアンカ部材をさらに有し、
   前記アンカ部材は、前記フィラメントに接触する部分が、炭化されていることを特徴とする白熱電球。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の白熱電球において、前記透光性気密容器内の空間は、ガスが封入され、ガス圧は１Ｐａ以上であることを特徴とする白熱電球。
8. 請求項７に記載の白熱電球において、前記ガスは、炭化水素ガスを含むことを特徴とする白熱電球。
9. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の白熱電球において、前記フィラメントに電流を供給するリード線をさらに有し、
   前記リード線は、前記透光性気密容器の封止部で、金属箔に接続され、前記金属箔が前記透光性気密容器を構成する透明部材によって封止されていることを特徴とする白熱電球。
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白熱電球であって、
    前記フィラメントは、タングステン基材と、前記タングステン基材を被覆するハフニウム層と、前記ハフニウム層を被覆する炭化ハフニウム層を備えていることを特徴とする白熱電球。
11. 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、タングステン基材と、前記タングステン基材を被覆するタンタルハフニウム（Ｔａ_ｘＨｆ_ｙ）層と、前記タンタルハフニウム層を被覆する炭化タンタルハフニウム層（Ｔａ_ｘＨｆ_ｙＣ）を備えていることを特徴とする白熱電球。
12. タングステン基材と、前記タングステン基材を被覆するタンタル層と、前記タンタル層を被覆する炭化タンタル層とを備えていることを特徴とするフィラメント。
13. タングステン基材と、前記タングステン基材を被覆するハフニウム層と、前記ハフニウム層を被覆する炭化ハフニウム層とを備えていることを特徴とするフィラメント。
14. タングステン基材と、前記タングステン基材を被覆するタンタルハフニウム（Ｔａ_ｘＨｆ_ｙ）層と、前記タンタルハフニウム層を被覆する炭化タンタルハフニウム（Ｔａ_ｘＨｆ_ｙＣ）層を備えていることを特徴とするフィラメント。
15. 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の製造方法であって、
    前記フィラメントの製造工程は、
    タングステン基材の表面にタンタル層を形成する工程と、
    前記タンタル層の表面を炭化処理することにより、前記タンタル層の最表面に炭化タンタル層を形成する工程とを有することを特徴とする白熱電球の製造方法。
16. 請求項１５に記載の白熱電球の製造方法であって、前記フィラメントの製造工程は、前記タンタル層を形成する工程の前に、前記タングステン基材の表面を中心線平均粗さＲａ１μｍ以下に研磨加工する工程をさらに有することを特徴とする白熱電球の製造方法。

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