JP6253313B2 - フィラメント、および、それを用いた光源 - 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に関し、特に、フィラメントを用いた光源ならびに熱電子放出源に関する。

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、電球とす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９５％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。このため、白熱電球は、演色性に優れているが、環境負荷が大きいという問題がある。

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線反射コートを施し、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。これにより、赤外光をフィラメントの再加熱に利用し、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 etal., 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、赤外放射を赤外線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、赤外線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Ｗ基体表面粒子の再結晶化並びに結晶粒成長がおこり、この再結晶化に伴い微細構造部分が破壊されてしまうと言う問題も存在する。

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提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では金属材料により形成された基体と、基体の可視光反射率を赤外光反射率よりも低くするために、基体を被覆する可視光反射率低下膜とを備えるフィラメントを提供する。可視光反射率低下膜の膜厚は、可視光反射率低下膜表面で反射する可視光と、基体で反射する可視光を干渉させて強度を低下させるように設定されている。可視光反射率低下膜単体での反射率は０．５程度となるように設計する。この反射率を実現する際に可視光反射率低下膜が有する、可視光に対する屈折率および消衰係数の少なくとも一方は、２．５以上である。

本発明によれば、可視光に対する屈折率および消衰係数の少なくとも一方が２．５以上の可視光反射率低下膜により、フィラメントの可視光反射率を赤外光反射率より効果的に低くできるため、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。よって、可視光放射効率の高いフィラメントが得られる。

従来のタングステンフィラメントの各温度における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において、高屈折率の可視光反射率低下膜１１により可視光が干渉により打ち消し合うことを示す説明図。 本発明のフィラメントにおいて、高屈折率の可視光反射率低下膜１１により赤外光が打ち消し合わないことを示す説明図。 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。 ３０００ Ｋの温度領域において５０ ｌｍ／Ｗを超える光束効率を生み出すためにフィラメントに要求される反射率と放射スペクトルの理論曲線を示すグラフ。 比較例のフィラメントにおいて、低屈折率の可視光反射率低下膜１１により可視光が干渉により弱めあうことを示す説明図。 可視光反射率低下膜１１に使用可能な材料の融点、屈折率、消衰係数を表形式で示す説明図。 実施形態１の基体１０（ＨｆＮ／Ｗ）および比較例のＷフィラメントの反射率曲線を示すグラフ。 実施形態１のＯｓ膜の膜厚が０、５、１３、２０、５０、２００ｎｍのフィラメント（Ｏｓ／ＨｆＮ（１０００ｎｍ）／Ｗ）の反射率曲線を示すグラフ。 実施形態１のフィラメント（Ｏｓ（１３ｎｍ）／ＨｆＮ（１０００ｎｍ）／Ｗ）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。 Ｗ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。 実施形態２のフィラメント（Ｒｅ（１０ｎｍ）／ＨｆＮ（１０００ｎｍ）／Ｗ）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。 実施形態３の膜厚４ｎｍのＷＳｉ_２膜で被覆したフィラメント（ＷＳｉ_２（４ｎｍ_）／ＨｆＮ（１０００ｎｍ）／Ｗ）の反射率曲線を示すグラフ。 実施形態３のＷＳｉ_２膜の膜厚が５、６、７、８、９、１０ｎｍで被覆したフィラメント（ＷＳｉ_２／ＨｆＮ（１０００ｎｍ）／Ｗ）の反射率曲線を示すグラフ。 実施形態４のＨｆＯ_２膜の膜厚が５、１０、２０、３０ｎｍのフィラメント（Ｏｓ（３ｎｍ）／ＨｆＯ_２／ＨｆＮ（１０００ｎｍ）／Ｗ）の反射率曲線をそれぞれ示すグラフ。 実施形態４のフィラメント（Ｏｓ（３ｎｍ）／ＨｆＯ_２（３０ｎｍ）／ＨｆＮ（１０００ｎｍ）／Ｗ）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。 実施形態５のフィラメント（ＳｉＣ（２０ｎｍ）／ＨｆＯ_２（２００ｎｍ）／Ｔａ）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。 実施形態６の白熱電球の断面図。

本発明の実施形態について説明する。本発明のフィラメントは、図２および図３に示すように、金属材料により形成された基体１０と、基体１０の可視光反射率を赤外光反射率よりも低くするために、基体１０を被覆する可視光反射率低下膜１１とを備える。可視光反射率低下膜１１の膜厚は、図２のように可視光反射率低下膜１１表面で反射した可視光１２と、基体１０で反射した可視光１３とを干渉させて強度を低下させるように設定されている。可視光反射率低下膜１１の、可視光に対する屈折率および消衰係数の少なくとも一方は、２．５以上である。

本発明の可視光反射率低下膜１１の膜厚は、可視光を干渉により低減させるように設定されているため、可視光より波長の長い赤外光の位相にはほとんど影響を与えない。よって、図３のように可視光反射率低下膜１１の表面で反射する赤外光１４と、基体１０で反射する赤外光１５は干渉せず、強度がほとんど低下しない。したがって、フィラメントの可視光反射率を赤外光反射率よりも低くすることができる。

また、可視光反射率低下膜１１として、可視光に対する屈折率および消衰係数の少なくとも一方が２．５以上のものを用いることにより、可視光反射率低下膜１１の表面の反射率を５０％前後にすることができる。これにより、可視光反射率低下膜１１表面で反射した可視光１２の強度と、基体１０で反射する可視光１３の強度とがほぼ同等になり、ほぼ打ち消し合わせることができるため、フィラメントの可視光反射率を効果的に低減することができる。

可視光反射率低下膜１１の可視光に対する屈折率および消衰係数の少なくとも一方は、３．０以上である場合、可視光反射率低下膜１１の反射率を５０％に近づけることができるため、より好ましい。

可視光反射率低下膜１１の作用により、フィラメントの可視光領域の少なくとも一部の反射率が４０％以下、赤外光領域の少なくとも一部の反射率が８０％以上であることが好ましい。これにより、フィラメントの可視光放射の効率を従来よりも大幅に高めることができる。

可視光反射率低下膜１１は、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｗ、Ｍｏ、ＳｉＣ、および、ＷＳｉ_２のうちのいずれかで形成された膜を含む構成にすることができる。これらの材料は、可視光に対する屈折率および消衰係数の少なくとも一方を２．５以上を達成することができる。ただし、可視光反射率低下膜１１の材料は、可視光反射率低下膜１１に接する基材１０の材料とは異なる材料を用いる。

基体１０自体の反射率は、可視光領域の少なくとも一部および赤外光領域の少なくとも一部において９０％以上であることが望ましい。フィラメントの赤外光領域の反射率を高め、可視光領域の反射率を低減するためである。特に、波長１０００ｎｍで、８０％以上の反射率であることが望ましい。

高反射率を実現するために、基体１０は、表面が鏡面に加工されていることが望ましい。具体的には、基体の表面粗さは、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、のうちの少なくとも１つを満たすことが望ましい。

また、基体１０は、金属で形成された芯材の表面を、芯材よりも反射率の高い金属の層で被覆した構造にすることも可能である。これにより、基体の反射率を高めることができる。

可視光反射率低下膜１１は、基体１０との間に配置された誘電体層をさらに含む構成であってもよい。この場合、誘電体層の可視光に対する屈折率は、２．５よりも小さくてもよい。可視光反射率低下膜１１と誘電体層の合計膜厚が、可視光反射率低下膜１１表面で反射する可視光と、基体１０で反射する可視光を干渉させて、可視光強度を低下させるように設計されていればよい。

基体（芯材）１０を構成する材料としては、Ｔａ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｒｅ、Ｗ、Ｒｕ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｖ、Ｒｈ、Ｃ、Ｂ_４Ｃ、ＳｉＣ、ＺｒＣ、ＴａＣ、ＨｆＣ、ＡｌＮ、ＢＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＴｉＮ、ＬａＢ_６、ＺｒＢ_２、ＨｆＢ_２、のうちのいずれか、またはこれらの合金を用いることができる。

また、基体（芯材）１０は、予め高温加熱して、基体１０を構成する材料の結晶粒成長を完了させ、その結晶粒成長を完了させた基体１０を鏡面研磨したものを用いることが望ましい。これにより、基体１０が、高温加熱された時に結晶粒が成長し表面が粗面化し、延いては赤外の反射率低下、並びに、可視光反射率防止膜１１等の表面に配置される膜の高温時における破壊の原因となるのを防止することができる。

基体（芯材）１０に被覆する、芯材よりも反射率の高い金属の層は、２０００Ｋ以上の融点を有する金属膜、金属の炭化物膜、窒化物膜、ホウ化物膜、酸化物膜、のいずれかで形成することも可能である。例えば、Ｔａ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｒｅ、Ｗ、Ｒｕ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｖ、Ｒｈ、Ｃ、Ｂ４Ｃ、ＳｉＣ、ＺｒＣ、ＴａＣ、ＨｆＣ、ＡｌＮ、ＢＮ、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＬａＢ_６、ＺｒＢ２、ＨｆＢ２、ＣａＯ、ＣｅＯ２、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、ＨｆＯ_２、Ｌｕ２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３、ＴｈＯ_２、のいずれかまたはこれらの混合体で形成された膜を含む構成とする。

つぎに、可視光反射率が赤外光反射率よりも低い本発明のフィラメントが、高効率で可視光を放射できる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、理想的には、図４に実線で示したように、波長７００ｎｍ以下の可視光領域で、０％に近い低反射率を有し、赤外光領域で１００％に近い反射率を有するものが望ましいが、現実的に入手可能な材料を用いて実現可能な反射率曲線は、図５に示すように、波長５００ｎｍで反射率が４０％以下の低反射率で、１０００ｎｍ以上の長波長赤外光領域の反射率が８０％以上の高反射率の示すものである。低反射率と高反射率の間の反射率の波長依存性は、図４並びに図５のように、短波長側から長波長側に向かって、反射率が単調に増加していることが望ましい。図５のような反射率特性を有するフィラメントを３０００ Ｋに加熱することで、従来実現されていた３０ ｌｍ／Ｗの光束効率を５０ ｌｍ／Ｗを超える値に増加させることが可能である。

まずは、赤外光領域では高反射率で、可視光領域では低反射率のフィラメントが、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代えることが出来る。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、（３）式よりε(λ)＝１となる。この結果、（２）式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４の２点鎖線で示すように略可視から赤外光領域に亘って均一に起こる。なお、図４では、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４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（４）式で表現出来る。

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４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４の破線で示した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４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、波長λ_０以下で反射率が０に近く、波長λ_０よりも長波長領域で１に近い反射率を有するフィラメントを作製することにより、赤外光の放射を抑制し、可視光を高効率で放射することができる。また、図５に示すように波長λ_Ｓ＝５００ｎｍ以下の反射率が４０％以下の低反射率で、波長５００ｎｍから反射率が単調に増加し、波長λ_Ｌ＝１０００ｎｍよりも長波長の赤外光領域の反射率が８０％以上の高反射率のフィラメントであっても、赤外光の放射を抑制し、可視光を高効率で放射することが可能であり、従来のタングステンフィラメントより効率を４０％以上高めることができる。例えば、３０００Ｋの加熱温度では、従来のタングステンフィラメントは３６．７ ｌｍ／Ｗであるが、図５の反射率特性を有するフィラメントは、５１．５ ｌｍ／Ｗまで光束効率が向上する。これにより、高効率の白熱電球型光源を提供することが可能となる。

また、光源用フィラメントは、２０００Ｋ〜３０００Ｋの高温になるため、本発明においても、２０００Ｋ以上の高温で図５に示すように波長５００ｎｍ以下の反射率が４０％以下の低反射率で、波長１０００ｎｍよりも長波長の赤外光領域の反射率が８０％以上の高反射率を示す光源用フィラメントを提供する。

本発明では、上述したように、基体１０を可視光反射率低下膜１１で被覆することにより、可視光反射率を赤外光反射率よりも低くする。以下、可視光反射率低下膜１１および基体１０の光学特性等についてさらに具体的に説明する。

（１）可視光反射率低下膜１１の屈折率並びに消衰係数
可視光反射率低下膜１１は、図２に示すように基板１０で反射した可視光１３と可視光反射率低下膜１１の表面で反射した可視光１２との干渉を利用して、可視光１２と可視光１３が打ち消し合うようにして、可視光反射率を低下させる。干渉の結果、可視光の反射光を０に近づけるために、可視光反射率低下膜１１表面で反射した可視光１２の電場強度が、基板１０との界面で反射した可視光１２の電場強度と略同程度であることが望ましい。そのため、可視光反射率低下膜１１表面での可視光反射率が、略０．５程度であることが好ましい。これにより、可視光反射率低下膜１１表面で、入射した可視光のうちの半分を反射し、残りの半分の可視光は、可視光反射率低下膜１１内に入射させて基体１０との界面で反射することができる。これにより、可視光反射率低下膜１１の表面で反射した可視光１２と基板１０で反射した可視光１３の電場強度が同等となるので、理論的にはほぼ完全に打ち消し合わせることが可能になる。

可視光反射率低下膜１１の表面の反射率Ｒは、式（５）で表される。
（数５）
Ｒ＝［（ｎ_０−ｎ(λ))^２＋ｋ(λ)^２］／［（ｎ_０＋ｎ(λ))^２＋ｋ(λ)^２］
・・・（5）
式（５）において、ｎ_０は、真空の屈折率で１、ｎは、可視光反射率低下膜１１の屈折率、ｋは可視光反射率低下膜１１の消衰係数、λは、入射する可視光の波長である。

上記式（５）を用いて、可視光について反射率Ｒ＝０．５となる屈折率ｎを求めると、消衰係数ｋが０である場合には、略ｎ＝６となるが、自然界にはこのように高い屈折率を有し、かつ、消衰係数ｋが０である材料は存在しないので、実際には、消衰係数ｋの効果を考量して反射率の設計をおこなう。消衰係数を考量すると、可視光反射率低下膜１１は、可視光に対する屈折率および消衰係数の少なくとも一方が、２．５以上であることが好ましく、３．０以上であることがより好ましい。

比較例として、可視光反射率低下膜１１の屈折率が２．５よりも低屈折率である場合の電場強度を図６に示す。屈折率が２．５よりも小さい場合、可視光反射率低下膜１１の表面の反射率が低くなるため、可視光反射率低下膜１１の表面で反射した可視光１２の電場強度が、基板１０で反射した可視光１３の電場強度よりも小さくなる。よって、可視光強度を低減することはできるが、打ち消すことはできないため、可視光反射率を低減する効果が低下する。

（２）可視光反射率低下膜１１の膜厚
可視光反射率低下膜１１の膜厚Ｄは、基板１０で反射した可視光１３の位相が、可視光反射率低下膜１１の表面で反射した可視光１２に対してπラジアンずれる（すなわち反転する）ように設定する。
(数６）
Ｄ＝（１／４）（λ／ｎ^２） ・・・(6)
ただし、λは、真空中での可視光１３の波長である。

これにより、可視光反射率低下膜１１の表面で反射した可視光１２と、基板１０で反射した可視光１３とを干渉により打ち消し合わせることができる。よって、可視光反射率低下膜１１の屈折率および、低下させたい可視光波長領域を考慮して、最適な膜厚Ｄを求める。一例として、視感度の一番高い５５５ｎｍを選択して、可視光反射率低下膜厚みＤを求めると、屈折率ｎ＝３とした場合、膜厚Ｄ＝１５．４ ｎｍとなる。可視光反射率低下膜１１として好適な上述の材料の屈折率は、図７に示すような屈折率および消衰係数を有するため、ＷＳｉ_２（屈折率２０以上）を除き、可視光反射率低下膜１１の好適な膜厚は、凡そ５〜３０ｎｍの範囲に存在する。

一方、可視光反射率低下膜１１の屈折率は、可視光領域と比較して赤外光領域の方が低いので、可視光反射率低下膜１１の赤外光反射率は、可視光ほど高くない。よって、可視光反射率低下膜１１の表面で反射した赤外光１４と基体１０で反射した赤外光１５の電場強度も同等にはならない。また、上記膜厚Ｄは、可視光を干渉によりうち消し合わせるのに好適な膜厚であるため、可視光よりも波長が長い赤外光に対しては、膜厚が薄すぎ、吸収並びに位相をずらす作用をほとんど生じない。よって、図３に示すように、可視光反射率低下膜１１の表面で反射した赤外光１４と、基体１０で反射した赤外光１５は打ち消しあわず、強め合う。これにより、赤外光の反射率は、可視光反射率低下膜１１が配置されていても低下しない。

（３）基体１０の反射率
基体１０は、可視光反射率低下膜１１を透過してきた光を出来るだけ低減することなく反射することが望ましい。よって、上述したように、基体１０の反射率は、可視光領域の少なくとも一部および赤外光領域の少なくとも一部において９０％以上であることが望ましい。特に、波長１０００ ｎｍで８０％以上の反射率であることが望ましい。

以下、本発明の実施形態を具体的に説明する。

（実施形態１）
実施形態１では、基体１０は、芯材をＷで構成し、芯材をＷよりも反射率の高い金属（ＨｆＮまたはＺｒＮ）の層で被覆した構造とする。可視光反射率低下膜１１としては、Ｏｓ膜を用いる。

基体１０の芯材（Ｗ）は、材料金属の焼結や線引き等の公知の工程により作製される。基体の形状は、線材、棒材、薄板等所望の形状に形成する。

焼結や線引き等の工程により製造された基体は、表面が粗面であるため、反射率が低い。よって、基体１０の芯材の表面を研磨加工し、反射率を高める。具体的には、基体１０の芯材（Ｗ）を予め高温加熱して結晶粒成長を完了させ、その結晶粒成長を完了させた芯材を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、および、十点平均粗さ（Ｒｚ）が１０μｍ以下の少なくとも一つを満たす鏡面に加工する。なお、機械研磨加工に限らず、フィラメント表面の反射率を向上させることができれば他の方法を用いることももちろん可能である。例えば、湿式や乾式のエッチングや、線引き時や鍛造や圧延時に滑らかな型に接触させる方法等を採用できる。

鏡面研磨されたＷ芯材は、図８に示すように、波長２０００ｎｍより長い赤外光の反射率は、９０％以上であるが、波長２０００ｎｍ以下の反射率が低下する。そこで、本実施形態１では、高温耐熱性を有し、可視光領域まで反射率の高い金属膜（ＨｆＮまたはＺｒＮ等）を１００ ｎｍ以上（図８では１０００ ｎｍ）Ｗ芯材の表面に成膜して被覆する。これにより、図８に示すように、波長１０００ｎｍ以上の赤外光の反射率が、８０％以上の基体１０を得ることができる。

なお、反射率の高い金属膜（ＨｆＮまたはＺｒＮ等）の厚みは、１００ ｎｍより薄いと、下地のＷまで光が透過してしまい、赤外光領域の反射率増大が図れないため、１００ｎｍ以上であることが好ましい。

ＨｆＮまたはＺｒＮの成膜方法としては、電子ビーム蒸着法、スパッター法、ＣＶＤ法、等種々の方法を用いることが可能である。また、成膜後、基体への密着性を高めるとともに、膜質（光学的特性等）を高めるために１５００℃〜２５００℃の温度範囲でアニーリング処理を行うことも可能である。

次に、基体１０（ＨｆＮまたはＺｒＮ）の上に、可視光反射率低下膜１１としてＯｓ膜を５〜２０ ｎｍ成膜する。図７に示すように、Ｏｓ膜は、融点が３３０６Ｋと高く、かつ視感度の高い５５５ｎｍの波長における屈折率が４．６７と高い。Ｏｓ膜の成膜方法としては、電子ビーム蒸着法、スパッター法、ＣＶＤ法、等種々の方法を用いることが可能である。また、成膜後、基体１０への密着性を高めるとともに、膜質（結晶性、光学的特性等）を高めるために１５００℃〜２５００℃の温度範囲でアニーリング処理を行うことも可能である。

また、フィラメントの可視光反射率を最小にする可視光反射率低下膜（Ｏｓ膜）１１の膜厚を見つけるため、膜厚を５、１３、２０、５０、２００ｎｍに変化させて複数のフィラメント試料を作製した。作成したフィラメント試料について、反射率をシミュレーションや実測で求めたところ、図９に示すように、Ｏｓ膜の膜厚１３ｎｍが可視光反射率を最小にすることが求められた。よって、本実施形態では、可視光反射率低下膜（Ｏｓ膜）１１の膜厚を１３ｎｍに設定する。

図１０に、ＨｆＮ／Ｗ基体１０を膜厚１３ｎｍのＯｓ膜で被覆したフィラメント（Ｏｓ／ＨｆＮ／Ｗ）について、波動光学計算により求めた反射率、放射スペクトル、並びに視感度内における基体の放射スペクトルを示す。比較例として、Ｏｓ／ＨｆＮ膜を備えていない、Ｗのみのフィラメントの反射率、放射スペクトル、並びに視感度内における基体の放射スペクトルを図１１に示す。実施形態１の図１０の反射率を、比較例の図１１のＷフィラメントの反射率と比較すると、可視光領域で反射率が大きく低下し、かつ赤外光領域で反射率が大きく増大していることがわかる。例えば、５００ ｎｍの波長では、Ｗフィラメントの状態では５０％前後であった反射率が、Ｏｓ／ＨｆＮ膜で被覆することにより１０％程度まで低下していることが分かる。また、１０００ ｎｍの波長では、Ｗ基体の状態では６０％程度であった反射率が、Ｏｓ／ＨｆＮ膜で被覆することにより９０％近くまで向上していることが分かる。その結果、従来のＷフィラメントで実現可能な３６．７ ｌｍ／Ｗ（加熱温度３０００Ｋ）の可視光光束効率を、８９．４ ｌｍ／Ｗまで、２．４倍以上向上させることができる。

なお、基体１０の芯材を被覆するＨｆＮ膜は、高温加熱時に酸化されやすいという性質を有するが、可視光反射率低下膜１１は、ＨｆＮを被覆し、酸素に接触するのを防ぐため、ＨｆＮ膜を保護する役割も果たしている。

実施形態１では、可視光反射率低下膜１１としてＯｓ膜を用いる例について説明を行ったが、この他にも、図７に示すような金属膜、炭化物膜、ホウ化物膜、または酸化物膜、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、またはこれらの複合材料で形成された単層膜並びに多層膜で可視光反射率低下膜１１を構成することもできる。

（実施形態２）
実施形態２としては、可視光反射率低下膜１１として金属Ｒｅ膜を用いる場合について説明する。

基体１０の構成は、実施形態１と同じくＨｆＮ／Ｗである。金属Ｒｅ膜の成膜方法および最適な膜厚を求める方法は、実施形態１のＯｓ膜と同様に行った。これにより、Ｒｅ膜の膜厚は、１０ｎｍに設定した。

図１２に、ＨｆＮ／Ｗ基体１０を膜厚１０ｎｍのＲｅ膜で被覆したフィラメント（Ｒｅ／ＨｆＮ／Ｗ）について、波動光学計算により求めた反射率、放射スペクトル、並びに視感度内における基体の放射スペクトルを示す。図１２のように、Ｒｅ／ＨｆＮ／Ｗフィラメントは、図１１のＷフィラメントと比較して、可視光領域で反射率が大きく低下し、かつ赤外光領域で反射率が大きく増大している。例えば、５００ ｎｍの波長では、Ｗフィラメントは５０％前後であった反射率が、Ｒｅ／ＨｆＮ膜で被覆することにより２５％程度まで低下していることがわかる。また、１０００ ｎｍの波長では、Ｗ基体の状態では６０％程度であった反射率が、Ｒｅ／ＨｆＮ膜で被覆することにより８０％近くまで向上していることが分かる。その結果、従来のＷフィラメントで実現可能な３６．７ ｌｍ／Ｗ（加熱温度３０００Ｋ）の可視光光束効率を、６４．８ ｌｍ／Ｗまで、８０％以上向上させることができる。

（実施形態３）
実施形態３として、図７に示したタングステンシリサイド（ＷＳｉ_２）を可視光反射率低下膜１１として用いる場合について説明する。この材料（ＷＳｉ_２）は、可視光に対する屈折率が、２２．４と非常に大きいため、膜厚を１〜１０ｎｍに設定する。このため、膜厚を精密に制御可能な成膜方法（例えば、ＭＢＥ（分子線蒸着）等）により成膜する。

図１３に、ＨｆＮ／Ｗ基体１０を膜厚４ｎｍのＷＳｉ_２膜で被覆したフィラメント（ＷＳｉ_２／ＨｆＮ／Ｗ）について、波動光学計算により求めた反射率を示す。図１３から明らかなように、可視光領域の反射率が、波長 ５００ ｎｍ以下で低下している。

この他に、図１４に示すように、ＷＳｉ_２／ＨｆＮ／Ｗフィラメントは、膜厚５〜１０ｎｍ（図１４では、膜厚５、６、７、８、９、１０ｎｍを例示）のＷＳｉ_２膜で被覆したフィラメントを構成することによって、赤外光領域で狭帯域で反射率が低下する領域が、膜厚に依存して生じることがわかる。よって、この赤外光領域で、放射スペクトルが得られる。

また、次の実施形態４で述べるように、可視光反射率低下膜（ＷＳｉ_２）１１と基体１０との間に、誘電体層を配置する構成にすることも可能である。

（実施形態４）
実施形態４として、可視光反射率低下膜１１と基体１０との間に、誘電体層を配置したフィラメントについて説明する。誘電体層の可視光に対する屈折率は、２．５よりも小さくてもよい。誘電体層を配置することにより、可視光反射率低下膜１１を透過した光が基板１０に到達する光路長を調節することができるため、可視光反射率低下膜１１の膜厚制御が容易になる。この場合、可視光反射率低下膜１１と誘電体層の合計膜厚の光路長で、可視光反射率低下膜１１表面で反射する可視光と、基体１０で反射する可視光を干渉させて可視光強度を低下させるように設計する。誘電体層は、可視光および赤外光を吸収率が低い材料で構成することが望ましい。

ここでは、可視光反射率低下膜１１として、膜厚３ｎｍのＯｓ膜を用い、可視光反射率低下膜１１と基体１０との間に配置する誘電体層としてＨｆＯ_２膜を用いる。基体１０は、実施形態１と同様にＨｆＮ／Ｗを用いる。

誘電体膜であるＨｆＯ_２膜の膜厚をそれぞれ５、１０、２０、３０ｎｍに変化させた４種類のフィラメント試料について、反射率をシミュレーションにより求めた。その結果を図１５のグラフに示す。図１５のように、いずれも可視光領域の反射率が４０％以下まで大幅に低下し、赤外光領域では、８０％以上の高い反射率膜厚依存性が見られる。特に、ＨｆＯ_２膜の膜厚が３０ｎｍのフィラメントが、可視光反射率が最も低い。

このＨｆＯ_２膜の膜厚が３０ｎｍのフィラメント（Ｏｓ(３ｎｍ)／ＨｆＯ_２(３０ｎｍ)／ＨｆＮ(１０００ｎｍ)／Ｗ）について、波動光学計算により、反射率、放射スペクトル、並びに、視感度内における放射スペクトルを求めた。その結果を図１６に示す。図１６の反射率を、図１１のＷフィラメントの反射率と比較すると、可視光領域で反射率が大きく低下し、かつ、近赤外光領域（８００〜１１００ｎｍ）で反射率が大きく増大していることがわかる。例えば、５００ ｎｍの可視光波長では、Ｗフィラメントの反射率は、図１１のように５０％前後であるが、図１６のＯｓ／ＨｆＯ_２／ＨｆＮ／Ｗフィラメントは、反射率が０％付近まで低下していることがわかる。また、１０００ ｎｍの波長では、図１１のＷフィラメントは、６０％程度の反射率であるが、図１６のＯｓ／ＨｆＯ_２／ＨｆＮ／Ｗフィラメントは、８０％まで反射率が向上している。その結果、従来のＷフィラメントでは、３６．７ ｌｍ／Ｗ（加熱温度３０００Ｋ）の可視光光束効率を、Ｏｓ／ＨｆＯ_２／ＨｆＮ／Ｗフィラメントでは、８２．８ ｌｍ／Ｗまで２．３倍以上向上させることができる。

（実施形態５）
実施形態５として、可視光反射率低下膜１１と基体１０との間に、誘電体層を配置したフィラメントの別の例について説明する。実施形態５のフィラメントは、可視光反射率低下膜１１として膜厚２０ｎｍのＳｉＣ膜を用い、誘電体層として膜厚２００ｎｍのＨｆＯ_２膜を用いる。基体１０はＴａで構成されている。

実施形態５のフィラメントについて、波動光学計算により、反射率、放射スペクトル、並びに、視感度内における放射スペクトルを求めた。その結果を図１７に示す。図１７の反射率は、波長４００〜７００ｎｍの可視光領域において、反射率が大きく低下し、波長１０００ｎｍ以上の近赤外および赤外光領域で反射率が高い。例えば、５５０ ｎｍの可視光波長では、図１７のフィラメントは、反射率が０％付近まで低下している。また、１０００ ｎｍの波長では、図１７のフィラメントは、９０％に近い反射率を有している。その結果、従来のＷフィラメントでは、３６．７ ｌｍ／Ｗ（加熱温度３０００Ｋ）の可視光光束効率を、実施形態５のフィラメントでは、１２４．７ ｌｍ／Ｗまで約３．４倍に向上させることができる。

（実施形態６）
実施形態６として、本発明のフィラメントを用いた光源について説明する。

図１８に、本実施形態の光源として、白熱電球の断面図を示す。白熱電球は、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）１１４、１１５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１１４、１１５に溶接されている。リード棒１６、１７の上端は、封止金属１１４、１１５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１１４、１１５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１１４、１１５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が一般的に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が、封止金属１１４、１１５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として、本発明のフィラメントを用いる。図１８では一例として、線材形状のフィラメントを螺旋状に巻き回しているが、フィラメント形状はこの形状に限らず、棒状や板状等の所望の形状にすることができる。また、透光性気密容器２の内部は、１０^−３〜１０^＋７Ｐａの圧力状態となっている。

本発明のフィラメント３は、実施形態１〜４で述べたように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、赤外光の放射を抑制することができる。よって、可視光の発光効率の高い光源、すなわち、可視光へのエネルギー変換効率の高い光源を得ることができる。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。

なお、本発明のフィラメント３は、気密容器２が１０^−３Ｐａ等の高真空状態では、可視光反射率低下膜１１等の昇華が生じる場合もあるが、その場合には、気密容器２にＡｒ等の不活性ガスを１０^５〜１０^７Ｐａ程度の高圧力で封入して膜の昇華を抑えるようにすればよい。また、Ａｒ等の不活性ガスに替えて、適宜、不活性ガスに数％程度の酸素ガス、窒素ガス、ハロゲンガス、炭素系ガス、またはこれらの混合ガスを利用することによっても膜の昇華を抑え、長寿命を図ることが可能となる。

上述の実施形態６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、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…アンカ、８…封止部、９…口金

Claims (9)

1. 金属材料により形成された基体と、
   前記基体の可視光反射率を赤外光反射率よりも低くするために、前記基体を被覆する可視光反射率低下膜とを備え、
   前記可視光反射率低下膜の膜厚は、前記可視光反射率低下膜表面で反射した可視光と、前記基体で反射した可視光とを干渉させて強度を低下させるように設定され、
   前記可視光反射率低下膜の可視光に対する屈折率および消衰係数の少なくとも一方は、３．０以上であることを特徴とするフィラメント。
2. 請求項１に記載のフィラメントにおいて、可視光領域の少なくとも一部の反射率が４０％以下、赤外光領域の少なくとも一部の反射率が８０％以上であることを特徴とするフィラメント。
3. 請求項１または２のいずれか１項に記載のフィラメントにおいて、前記可視光反射率低下膜は、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｗ、Ｍｏ、ＳｉＣ、および、ＷＳｉ_２のうちのいずれかで形成された膜を含むことを特徴とするフィラメント。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載のフィラメントにおいて、前記基体自体の反射率は、前記可視光領域の少なくとも一部および赤外光領域の少なくとも一部において９０％以上であることを特徴とするフィラメント。
5. 請求項４に記載のフィラメントにおいて、前記基体は、表面が鏡面に加工されていることを特徴とするフィラメント。
6. 請求項４または５に記載のフィラメントにおいて、前記基体は、金属で形成された芯材の表面を、前記芯材よりも反射率の高い金属の層で被覆した構造であることを特徴とするフィラメント。
7. 請求項４ないし６のいずれか１項に記載のフィラメントにおいて、前記基体の表面粗さは、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、のうちの少なくとも１つを満たすことを特徴とするフィラメント。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載のフィラメントにおいて、前記可視光反射率低下膜は、前記基体との間に配置された誘電体層をさらに含み、前記誘電体層の可視光に対する屈折率は、２．５よりも小さく、
   前記可視光反射率低下膜と前記誘電体層の合計膜厚は、前記可視光反射率低下膜表面で反射する可視光と、前記基体で反射する可視光を干渉させて、可視光強度を低下させるように設定されていることを特徴とするフィラメント。
9. 気密容器と、前記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であって、
   前記フィラメントは、請求項１ないし８のいずれか１項に記載のものであることを特徴とする光源。

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