WO2005098906A1

WO2005098906A1 - エネルギー変換装置および光源

Info

Publication number: WO2005098906A1
Application number: PCT/JP2005/004635
Authority: WO
Inventors: Mika Sakaue; Makoto Horiuchi; Mitsuhiko Kimoto; Kazuaki Ohkubo; Yuriko Kaneko
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2005-03-16
Publication date: 2005-10-20
Also published as: US20060071582A1; JPWO2005098906A1; CN1774789A; US7276846B2; JP3862746B2

Description

明細書

エネルギー変換装置および光源

技術分野

[0001] 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、る。背景技術

[0002] 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〖こ感ずることのない波長の長、赤外線を多量に放射させて、ることである。

[0003] 照明光源として広く普及して、る白熱電球は、熱放射体 (thermal radiator)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 (thermal radiation)は、物体の原子または分子に熱をカ卩えることによつて生じる放射 (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。

[0004] 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。

[0005] 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、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力現在のタンダステンフィラメントに置き換えられることになつた。タングステン力も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、それによつ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。

[0006] し力しながら、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 151mZW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。

[0007] 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ヤビティ (マイクロキヤビティ）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 7 m程度のキヤビティが形成され、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 力も 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。

特許文献 1：特開平 03— 102701号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0008] し力しながら、特許文献 1に記載されて、るマイクロキヤビティは、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ヤビティのアレイをフイラメントの表面に形成することは容易ではない。

[0009] また、例えばタングステンのような高融点材料力形成されたフィラメントの表面に内直径 1 μ m以下の微細なマイクロキヤ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ヤビティが動作中に崩壊することがわ力つた。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ヤ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、な、が、マイクロキヤ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。

[0010] 本発明は、力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。課題を解決するための手段

[0011] 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、前記放射体力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を備え、前記放射抑制部は複数の細線の束を備え、各細線の長軸方向は、放射が抑制される電磁波の伝搬方向に整合している

[0012] 好ま、実施形態にぉ、て、前記放射体と前記放射抑制部との間隔は、 1 μ m以下である。

[0013] 好ま、実施形態にぉ、て、前記エネルギーは熱である。

[0014] 好ましい実施形態において、各細線は隣接する細線に接触し、前記細線の間に形成される隙間がマイクロキヤビティとして機能する。

[0015] 好ま、実施形態にぉ、て、前記放射体は、前記エネルギーとしてジュール熱を受け取る。

[0016] 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。

[0017] 好ま、実施形態にぉ、て、前記高融点材料は、タングステン、モリブデン、レニゥム、タンタル、またはそれらの合金から形成されている。

[0018] 好ましい実施形態において、各細線は多結晶であり、結晶粒が長軸方向に配向している。

[0019] 好ま、実施形態にぉヽて、前記放射体は、タンダテンまたはタングステンの合金から形成されている。

[0020] 本発明の光源は、上記、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力も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工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。

[0021] 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. 5 μ m以下である。

[0022] 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る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を用意する工程と、前記放射体に前記放射抑制部を近接して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、複数の細線を用意する工程と、隣接する細線が相互に接触するように前記複数の細線を束ねる工程とを含む。

[0023] 好ま、実施形態にぉ、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。

発明の効果

[0024] 本発明によれば、放射体力ゝ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、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ヤ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。

図面の簡単な説明

[0025] [図 1] (a)は、マイクロキヤ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、マイクロキヤ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。

[図 2] (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。

[図 3]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。

[図 4]実施形態 1における発光部 10の斜視図である。

[図 5]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。

[図 6] (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。 [図 7]実施形態 1における細線の変形例を示す図である。

[図 8]実施形態 2における発光部 20の模式図である。

[図 9] (a)力も (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。

[図 10] (a)力も (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。

[図 11]実施形態 3における発光部 30の斜視図である。

[図 12]実施形態 4における発光部 40の斜視図である。

[図 13] (a)力も (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。

[図 14]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

[0026] 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

Ll、 L2 白熱電球

110 フィラメント

112 マイクロキヤビティ

120 金属細線の束

123 金属細線

発明を実施するための最良の形態

[0027] 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ダ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ヤ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ヤ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、マイクロキヤ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。

[0028] 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ヤビティ 112のアレイが形成されている。各マイクロキヤビティ 112の内直径は、例えば 75 Onmであり、その深さは例えば 7 mである。このようなマイクロキヤ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、粒界があた力も蝶番のような働きをして結晶粒が流動を起こす。

[0029] 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、る。タングステンフィラメント 110の表面に形成されて、たマイクロキヤビティ 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。

[0030] 特にマイクロキヤビティ 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ィ匕が容易に起こる。これは、寸法が可視波長程度のキヤビティ自身が、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。

[0031] 以上の理由により、タングステンなど力もなる従来のフィラメントの表面に微小なマイクロキヤ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カゝつた。

[0032] 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。

[0033] 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ぉ、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、マイクロキヤ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。

[0034] 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。

[0035] 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。

[0036] 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)

[0037] 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。

[0038] 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 S 11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。

[0039] 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。

[0040] 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、放射体力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 1 2aの間に形成される隙間がマイクロキヤ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（マイクロキヤビティ）のサィズによって規定される。

[0041] リング状のフィラメント 11には、一対のステム S 11を介して電流が供給される。フイラメント 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力も形成されている。

[0042] 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 S 11を通って口金 C1へと流れる。

[0043] 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ヤ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の端部力放射されることになる力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。

[0044] 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 S 11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。 [0045] 細線 12aは、融点が 2000Kよりも高い高融点材料力も形成される。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. 以下の円である

[0046] 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がマイクロキヤ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がマイクロキヤビティアレイを形成している。

[0047] 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

[0048] 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（「カットォフ波長」）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。

[0049] 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。

[0050] 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 [lmZW]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。 [0051] [表 1]

[0052] 例 1は、各細線 12aの直径 Dを 2 μ mとした場合の計算結果である。例 2は、各細線

12&の直径0を2 111とし、かつ、各細線 12aの直径 Dよりも長い波長が各細線 12a 力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 2 μ m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 1 μ m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 1 μ mとした場合の計算結果である。

[0053] 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 1600 K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 1 /z m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。

[0054] 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。

[0055] 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。

[0056] 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ぐ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。

[0057] 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 L 1の動作前には接触して!/、なくとも、動作時に接して、ればよ!/、。

[0058] 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。

[0059] 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. 5 /z m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

[0060] 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が示されている力細線 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 1 2の側面を取り巻くことによって筒状に加工しても良い。

[0061] 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力図 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。

[0062] 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。

[0063] 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力形成されていてもよい。 (実施形態 2)

[0064] 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。

[0065] 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。

[0066] 発光部 20は、図 8に示すように、タングステン力も形成された板状のフィラメント 21と

、タングステン力も形成された複数の細線 12a, 12a,…の束 12とを備えており、束 1

2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、る。

[0067] 板状のフィラメント 21の両端部は、ステム Sl l, S11の各一端部に接続されており、ステム Sl l, 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 SI 1によって支持されて!、る。

[0068] 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に電気工ネルギ一が供給され、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。

[0069] 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。 [0070] 次に、図 9を参照しつつ、発光部 20の製造方法を説明する。

[0071] 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。

[0072] 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。

[0073] 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。

[0074] 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

[0075] 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、それによつて各細線 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、切断工程をカ卩えることにより、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。

[0076] レーザ光を用いて複数の細線力もなる束 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ベて、短時間で発光部 20を製造することができる。

[0077] 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。

[0078] 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。

[0079] 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ヤ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)

[0080] 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。

[0081] 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。

[0082] 発光部 30では、フィラメント 21の 2つの放射面 21a, 2 laに対してそれぞれ束 12, 1 2が融着されて、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)

[0083] 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。

[0084] 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。

[0085] 発光部 40は、図 12に示すように、タングステン力も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。

[0086] 板状のフィラメント 41の両端部は、それぞれ、ステム Sl l, S 11の一端部に接続されて、る。ステム S 11 , S 11の他端部は、不図示の口金に接続されて!、る。

[0087] 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 S 12, S 12の一端部に接続され、ステム SI 2, SI 2の他端部は口金に接続されている。

[0088] 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に電気工ネルギ一が供給され、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。

[0089] 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ょ、。

[0090] 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、ように放射面 41aと束 1 2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 1 μ m以下であればよい。

[0091] 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。

[0092] 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。

[0093] 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, 1 3,…が形成される。

[0094] 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 1 m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 1 2に示す発光部 40を製造することができる。

[0095] 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。

[0096] 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。

[0097] 本実施形態では、筒状の保持部 45で束 12を固定している力束 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に巻かれたワイヤゃリボンなどであってもよ!/、し、リング形状を有する部材であってもよ、。

[0098] 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,…を固定している力筒 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, 1 2を対称に配置しても良い。

(実施形態 5)

[0099] 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。

[0100] 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。

[0101] 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、る。

[0102] 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 力も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。 [0103] 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。

[0104] 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、。

[0105] 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。

[0106] 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、てもよ、し、 1つの発光部が複数のフイ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、ても良、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!/ヽても良い。

[0107] 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。

[0108] 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、本発明のェ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。

[0109] また、本発明のエネルギー変換装置は、太陽熱などの熱源カゝら得られるエネルギ一を効率よぐ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一に再変換するシステムに適用することも可能である。

産業上の利用可能性

[0110] 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。

Claims

請求の範囲

[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、

を備え、

前記放射抑制部は複数の細線の束を備え、各細線の長軸方向は、放射が抑制される電磁波の伝搬方向に整合してヽる、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、 1 μ m以下である請求項 1に記載のェネルギー変換装置。

[3] 前記エネルギーは、熱である請求項 1に記載のエネルギー変換装置。

[4] 各細線は隣接する細線に接触し、前記細線の間に形成される隙間がマイクロキヤビティとして機能する、請求項 1に記載のエネルギー変換装置。

[5] 前記放射体は、前記エネルギーとしてジュール熱を受け取る、請求項 1に記載のェネルギー変換装置。

[6] 前記細線は、融点が 2000Kよりも高ヽ高融点材料から形成されて！ヽる、請求項 1 に記載のエネルギー変換装置。

[7] 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ヽる、請求項 5に記載のエネルギー変換装置。

[8] 各細線は多結晶であり、結晶粒が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。

[9] 前記放射体は、タンダテンまたはタングステンの合金力形成されて、る、請求項 1 に記載のエネルギー変換装置。

[10] 請求項 1から 9の、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力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工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。

[11] 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. 5 m以下である、請求項 8に記載の光源。

[12] 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る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を用意する工程と、

前記放射体に前記放射抑制部を近接して配置する工程と、

を含み、

前記放射抑制部を用意する工程は、

複数の細線を用意する工程と、

隣接する細線が相互に接触す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。

[13] 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 12に記載の製造方法。