(57)【要約】【課題】電力を可視光に変換する効率が高いフィラメントを備えた光源装置を提供する。【解決手段】透光性気密容器と、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する光源装置が提供される。フィラメントは、金属材料により構成された基体と、基体を被覆する白色散乱体層と、フィラメント表面の赤外光反射を高める赤外光反射補助層とを有する。白色散乱体層には、可視光領域の光を吸収する可視光吸収材が添加されている。これにより、可視光の反射率が低く、赤外光の反射率が高くなるため、赤外光の放射が抑制され、可視光光束効率を高めることができる。【選択図】図７
2014112477.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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光源装置であって、
前記フィラメントは、金属材料により構成された基体と、前記基体を被覆する白色散乱体層と、前記基体と前記白色散乱体層との間に配置され、前記フィラメント表面の赤外光反射率を高める赤外光反射補助層とを有し、
前記白色散乱体層には、可視光領域の光を吸収する可視光吸収材が添加されていることを特徴とする光源装置。
【請求項２】
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光源装置であって、
前記フィラメントは、金属材料により構成された基体と、前記基体を被覆し、前記基体よりも赤外光の反射率が高い光反射層と、前記基体と前記光反射層との間に配置され、前記フィラメント表面の赤外光反射率を高める赤外光反射補助層とを有し、
前記光反射層は、可視光領域の反射率を低下させる反射率低下材を含有することを特徴とする光源装置。
【請求項３】
請求項２に記載の光源装置において、前記光反射層は、前記反射率低下材として可視光領域の光を吸収する可視光吸収材が添加された、白色散乱体により形成されていることを特徴とする光源装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光源装置において、前記赤外光反射補助層は、前記フィラメントの発光時の温度における黒体放射のピーク波長を含む、予め定めた波長範囲の赤外光の反射率が、前記基材よりも高いことを特徴とする光源装置。
【請求項５】
請求項４に記載の光源装置において、前記予め定めた波長範囲は、波長１２００ｎｍを含むことを特徴とする光源装置。
【請求項６】
請求項５に記載の光源装置において、前記予め定めた波長範囲は、波長８００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下の近赤外光領域を含むことを特徴とする光源装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の光源装置において、前記赤外光反射補助層は、２層以上の積層膜であり、光の干渉により前記予め定めた波長範囲の赤外光の反射率を高めることを特徴とする光源装置。
【請求項８】
請求項７に記載の光源装置において、前記赤外光反射補助層は、赤外光を透過する材料でそれぞれ構成され、かつ、積層された、第１および第２の層の組を含み、前記第１の層は、屈折率ｎ１、厚さｄ１、前記第２の層は、屈折率ｎ２、厚さｄ２である場合、赤外光の所定の波長λ１に対して
ｎ１・ｄ１＝ｎ２・ｄ２＝λ１／４
の関係を満たし、前記所定の波長λ１の赤外光を反射することを特徴とする光源装置。
【請求項９】
請求項８に記載の光源装置において、前記赤外光反射補助層は、前記第１および第２の層の組を複数組積層した構造であり、各組は、反射する前記赤外光の所定の波長が異なることを特徴とする光源装置。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の光源装置において、前記赤外光反射補助層の前記第１および第２の層は、それぞれ、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３、６Ｈ−ＳｉＣ（六方晶のＳｉＣ）、ＧａＮ、３Ｃ−ＳｉＣ（立方晶のＳｉＣ）、ＨｆＯ２、Ｌｕ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、グラファイト、ダイヤモンド、ＣｒＺｒＢ２、ＭｏＢ、Ｍｏ２ＢＣ、ＭｏＴｉＢ４、Ｍｏ２ＴｉＢ２、Ｍｏ２ＺｒＢ２、ＭｏＺｒ２Ｂ４、ＮｂＢ、Ｎｂ３Ｂ４、ＮｂＴｉＢ４、ＮｄＢ６、ＳｉＢ３、Ｔａ３Ｂ４、ＴｉＷＢ２、Ｗ２Ｂ、ＷＢ、ＷＢ２、ＹＢ４およびＺｒＢ１２のうちのいずれかを含有する材料により構成されていることを特徴とする光源装置。
【請求項１１】
請求項１または３に記載の光源装置において、前記白色散乱体は、イットリア、ハフニア、ルテチア、トリア、マグネシア、ジルコニア、イッテルビア、ストロンチア、酸化カルシウム、酸化ベリリウム、酸化ホルミウム、窒化ジルコニア、窒化チタン、および、窒化ホウ素、のうちのいずれかを含有することを特徴とする光源装置。
【請求項１２】
請求項１、３および１１のいずれか１項に記載の光源装置において、前記可視光吸収材は、前記白色散乱体にドープされた不純物元素であることを特徴とする光源装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の光源装置において、前記不純物元素は、Ｃｅ、Ｅｕ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｔｂ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｗ、Ｐｂ、Ａｓ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｄｙ、および、Ｐｒのうちのいずれか一つを含むことを特徴とする光源装置。
【請求項１４】
請求項１、３および１１のいずれか１項に記載の光源装置において、前記可視光吸収材は、金属粒子であることを特徴とする光源装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の光源装置において、前記金属粒子は、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｈｆ、Ｙ、Ｚｒ、Ｒｅ、Ｏｓ、および、Ｉｒのうちのいずれか一つを含む粒子であることを特徴とする光源装置。
【請求項１６】
請求項１４または１５に記載の光源装置において、前記金属粒子の粒径は、２ｎｍ以上５μｍ以下であることを特徴とする光源装置。
【請求項１７】
請求項１、３および１１のいずれか１項に記載の光源装置において、前記白色散乱体層を構成する白色散乱体の粒子径は、５０ｎｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする光源装置。
【請求項１８】
請求項１、３および１１のいずれか１項に記載の光源装置において、前記白色散乱体は、表面吸着分子の除去処理および表面の結晶欠陥回復処理のうちの少なくとも一方が施されていることを特徴とする光源装置。
【請求項１９】
金属材料により構成された基体と、前記基体を被覆する白色散乱体層と、前記基体と前記白色散乱体層との間に配置され、前記フィラメント表面の赤外光反射率を高める赤外光反射補助層とを有し、
前記白色散乱体層には、可視光領域の光を吸収する可視光吸収材が添加されていることを特徴とするフィラメント。
【請求項２０】
金属材料により構成された基体と、前記基体を被覆し、前記基体よりも赤外光の反射率が高い光反射層と、前記基体と前記光反射層との間に配置され、前記フィラメント表面の赤外光反射率を高める赤外光反射補助層とを有し、前記光反射層は、光散乱体の可視光領域の反射率を低下させる反射率低下材を含有することを特徴とするフィラメント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギー利用効率を改善した光源用フィラメントに関し、特に、フィラメントを用いた光源装置ならびに熱電子放出源に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、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８０％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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６０−２５３１４６号公報
【特許文献２】特開昭６２−１０８５４号公報
【特許文献３】特開昭５９−５８７５２号公報
【特許文献４】特表昭６２−５０１１０９号公報
【特許文献５】特開２０００−１２３７９５号公報
【特許文献６】特表２００１−５１９０７９号公報
【特許文献７】特開平６−５２６３号公報
【特許文献８】特開平６−２１６７号公報
【特許文献９】特開２００６−２０５３３２号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】F.  Kusunoki  et  al.,  Jpn.  J.  Appl.  Phys.  43,  8A,  5253(2004).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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℃程度の加熱温度で微細構造部分が溶融並びに破壊してしまうという問題も存在する。
【００１１】
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備えた光源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明により提供される光源装置は、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する。フィラメントは、金属材料により構成された基体と、基体を被覆する白色散乱体層と、基体と白色散乱体層との間に配置された赤外光反射補助層とを有する。白色散乱体層には、可視光領域の光を吸収する可視光吸収材が添加されている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、赤外波長領域の反射率が高く、可視光波長領域の反射率が低いフィラメントにより、赤外光放射を抑制し、可視光放射を高めることができるため、可視光光束効率の高い光源装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来のタングステンフィラメントの放射エネルギーの波長依存性を示すグラフ。
【図２】（ａ）実施形態のフィラメントの軸方向に沿った断面図、（ｂ）本実施形態のフィラメントの赤外光反射補助層の断面図。
【図３】実施形態の鏡面研磨した基体１０（タングステン）の反射率の波長依存特性を示すグラフ。
【図４】実施形態のＷ基体１０を赤外光反射補助層２０で被覆したフィラメントの反射率と放射率の波長依存性を示すグラフ。
【図５】実施形態のＷ基体１０を、粒径（直径）５μｍの白色散乱体層３０（厚さ５０μｍ、可視光吸収材の添加なし）で被覆したフィラメントの反射率と放射率の波長依存性を示すグラフ。
【図６】実施形態のＷ基体１０を、赤外光反射補助層２０と、粒径（直径）５μｍの白色散乱体層３０（厚さ５０μｍ、可視光吸収材の添加なし）とで被覆したフィラメントの反射率と放射率の波長依存性を示すグラフ。
【図７】実施形態のＷ基体１０を、赤外光反射補助層２０と、粒径（直径）５μｍの白色散乱体層（厚さ５０μｍ、Ｃｅ１％ドープ）３０とで被覆したフィラメントの反射率と放射率の波長依存性を示すグラフ。
【図８】白色散乱体に、ダングリングボンドならびに表面結晶欠陥回復処理を施す前後の赤外反射スペクトルを示すグラフ。
【図９】本実施形態の白熱電球の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の光源装置は、透光性気密容器と、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する。本発明では、フィラメント表面の反射率を制御することにより、フィラメントの赤外光放射を抑制し、可視光放射の割合を高める。そのため、本発明の第１の態様として、フィラメントは、金属材料により構成された基体と、基体を被覆する白色散乱体層と、基体と白色散乱体層との間に配置され、フィラメント表面の赤外光反射率を高める赤外光反射補助層とを有する構造とした。白色散乱体層には、可視光領域の光を吸収する可視光吸収材が添加されている。
【００１６】
白色散乱体層の白色散乱体は、フィラメントの反射率を可視光領域から赤外光領域まで広い波長範囲で高める作用をもつが、本発明では、これに可視光吸収材を添加し、可視光領域の反射率を低下させる。これにより、赤外光領域の反射率が高く、かつ、可視光領域の反射率の低いフィラメントを提供する。さらに、白色散乱体層と基体との間に赤外光反射補助層を配置したことにより、薄い白色散乱体層を用いた場合であっても、フィラメント全体の赤外光反射率を十分に高くできる。薄い白色散乱体層を用いることにより、フィラメント全体の径を低減でき、放射面積が小さくなるため、赤外光領域の放射率と表面積との積で決まる損失エネルギーを低減することができる。
【００１７】
本発明の第２の態様としては、フィラメントは、金属材料により構成された基体と、基体を被覆し、基体よりも赤外光の反射率が高い光反射層と、基体と光反射層との間に配置され、フィラメント表面の赤外光反射率を高める赤外光反射補助層とを有する。光反射層は、可視光領域の反射率を低下させる反射率低下材を含有する。光反射層は、反射率低下材として可視光領域の光を吸収する可視光吸収材が添加された白色散乱体で形成することができる。
【００１８】
上述の第１および第２の態様の赤外光反射補助層は、フィラメントの発光時の温度における黒体放射のピーク波長を含む、予め定めた波長範囲の赤外光の反射率が、基材よりも高いことが好ましい。例えば、予め定めた波長範囲は、波長１２００ｎｍを含むことが好ましい。具体的には、予め定めた波長範囲は、波長８００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下の近赤外光領域を含むことが望ましい。
【００１９】
赤外光反射補助層の構造としては、例えば２層以上の積層膜とし、２層以上の積層膜の光の干渉により赤外光の反射率を高めるように構成することができる。
【００２０】
具体的には、赤外光を透過する材料でそれぞれ構成され、かつ、積層された、第１および第２の層の組を含むように赤外光反射補助層を構成することができる。第１の層は、屈折率ｎ１、厚さｄ１、第２の層は、屈折率ｎ２、厚さｄ２である場合、赤外光の所定の波長λ１に対して
ｎ１・ｄ１＝ｎ２・ｄ２＝λ１／４
の関係を満たすように設計することにより、所定の波長λ１の赤外光を反射することができる。さらに、第１および第２の層の組を複数組積層した構造とし、各組は、反射する赤外光の所定の波長が異なるように赤外光反射補助層を設計することにより、所定の波長範囲の赤外光を反射することができる。
【００２１】
赤外光反射補助層の第１および第２の層は、それぞれ、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３、６Ｈ−ＳｉＣ（六方晶のＳｉＣ）、ＧａＮ、３Ｃ−ＳｉＣ（立方晶のＳｉＣ）、ＨｆＯ２、Ｌｕ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、グラファイト、ダイヤモンド、ＣｒＺｒＢ２、ＭｏＢ、Ｍｏ２ＢＣ、ＭｏＴｉＢ４、Ｍｏ２ＴｉＢ２、Ｍｏ２ＺｒＢ２、ＭｏＺｒ２Ｂ４、ＮｂＢ、Ｎｂ３Ｂ４、ＮｂＴｉＢ４、ＮｄＢ６、ＳｉＢ３、Ｔａ３Ｂ４、ＴｉＷＢ２、Ｗ２Ｂ、ＷＢ、ＷＢ２、ＹＢ４およびＺｒＢ１２のうちのいずれかを含有する材料により構成することが可能である。
【００２２】
一方、白色散乱体は、イットリア、ハフニア、ルテチア、トリア、マグネシア、ジルコニア、イッテルビア、ストロンチア、酸化カルシウム、酸化ベリリウム、酸化ホルミウム、窒化ジルコニア、窒化チタン、および、窒化ホウ素、のうちのいずれかを含有する材料により構成することができる。白色散乱体層を構成する白色散乱体の粒子径は、５０ｎｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。また、白色散乱体は、表面吸着分子の除去処理および表面の結晶欠陥回復処理のうちの少なくとも一方が施されていることが好ましい。
【００２３】
白色散乱体に添加する可視光吸収材としては、不純物元素を用いることができる。不純物元素は、白色散乱体にドープする。例えば、不純物元素は、Ｃｅ、Ｅｕ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｔｂ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｗ、Ｐｂ、Ａｓ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｄｙ、および、Ｐｒのうちのいずれか一つを含むものを用いることができる。
【００２４】
また、可視光吸収材として金属粒子を用いることもできる。例えば、金属粒子は、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｈｆ、Ｙ、Ｚｒ、Ｒｅ、Ｏｓ、および、Ｉｒのうちのいずれか一つを含む粒子を用いることができる。金属粒子の粒径は、２ｎｍ以上５μｍ以下であることが好ましい。
【００２５】
（本発明の原理）
本発明は、フィラメントが電流供給等により加熱された際の赤外光放射を抑制することによって、可視光の放射効率を高めるものである。その原理を、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。
【００２６】
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。
【００２７】
（数１）
P(total)=P(conduction)+P(radiation)            ・・・(1)
【００２８】
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２３００Ｋ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が損失されるため、入力電力の殆ど全てのエネルギーを光に変えることができる。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、図１に示したようにわずか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。
【００２９】
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。
【数２】
2014112477.tif 000003
と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＝３．７４７×１０８  Ｗμｍ４／ｍ２、β＝１．４３８７×１０４  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。
【００３０】
（数３）
ε(λ)＝１−Ｒ(λ)            ・・・(3)
【００３１】
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。すなわち、本加熱物体を外から見たら、放射がないため、高温か低温か全くわからず、触ってみてはじめてわかる状態である。
【００３２】
この原理によれば、赤外光領域から可視光領域にわたって広範囲の波長で吸収がなく、反射率が非常に高い特性（すなわち、赤外光領域から可視光領域にわたって放射率が非常に低い特性）を示す光反射層でフィラメント基体を被覆することにより、フィラメントを加熱しても、赤外光領域から可視光領域での放射を抑制できる。例えば、光反射層としては、白色散乱体層を用いることができる。しかしながら、赤外光領域から可視光領域にわたって反射率が非常に高い層で基体を被覆しただけでは、可視光領域での放射も抑制されるため、可視光光束効率の良いフィラメントとはならない。そこで、本発明では、赤外光領域の放射を抑制したまま可視光領域の放射効率を向上させ、可視光光束効率の良いフィラメントとするために、赤外光領域の反射率を高く保ちながら、可視光領域の反射率を低減（放射率を増大）させる工夫を凝らす。例えば、白色散乱体に、蛍光体技術等で利用されている不純物を添加する、または金属微粒子を添加する等により、可視光領域の反射率を低減させる。さらに、基体と白色散乱体層との間に、赤外光反射補助層を配置し、基体の赤外光反射率を高める。これにより、白色散乱体層の反射特性の可視光領域に、吸収帯域を生じさせ、可視光領域の反射率を低下させることができる。一方、赤外光領域の反射率は高く維持できるため、フィラメントの赤外光放射を抑制し、可視光光束効率の高いフィラメントを実現できる。さらに、赤外光反射補助層を配置することにより、白色散乱体層の厚さを薄くしても、赤外光領域の反射率を高く維持することができ、フィラメントの表面積を低減し、赤外光領域の放射率と表面積の積で決まるエネルギー損失を低減できる。
【００３３】
以下、一実施形態のフィラメントとして、図２（ａ）に示すように、基材１０を、赤外光反射補助層２０、白色散乱体層３０により順に被覆した構造のフィラメントについて説明する。
【００３４】
（基体１０の設計）
基体１０は、高い融点を有する金属、例えば、ＨｆＣ（融点４１６０Ｋ）、ＴａＣ（融点４１５０Ｋ）、ＺｒＣ（融点３８１０Ｋ）、Ｃ（融点３８００Ｋ）、Ｗ（融点３６８０Ｋ）、Ｒｅ（融点３４５３Ｋ）、Ｏｓ（融点３３２７Ｋ）、Ｔａ（融点３２６９Ｋ）、Ｍｏ（融点２８９０Ｋ）、Ｎｂ（融点２７４１Ｋ）、Ｉｒ（融点２６８３Ｋ）、Ｒｕ（融点２５８３Ｋ）、Ｒｈ（融点２２３９Ｋ）、Ｖ（融点２１６０Ｋ）、Ｃｒ（融点２１３０Ｋ）、およびＺｒ（融点２１２５Ｋ）、のうちのいずれかを含有する材料によって形成する。
【００３５】
基材１０の形状は、高温に加熱できる形状であればどのような形状でもよく、例えばリード線から電流の供給を受けて発熱することができる線状、棒状、薄板状にすることができる。また、電流供給以外の方法により直接加熱される構造であってもよい。
【００３６】
また、基体１０は、表面が鏡面に研磨加工されていることが好ましい。研磨加工後の基体の反射率が、例えば、波長４０００ｎｍ以上の赤外光領域で９０％以上であることが好ましい。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つを満たすことが好ましい。
【００３７】
図３に、鏡面研磨されたＷ基体１０（φ２ｍｍの線材）の反射率、並びに、この基体１０が２５００Ｋに加熱された際に示す放射効率の波長依存特性をシミュレーションおよび実験により求めた結果を示す。このＷフィラメントは、機械的研磨により表面粗さが、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つを満たすように鏡面研磨されている。図３から明らかなように、波長約２０００ｎｍ以上の波長領域で反射率が９０％以上と高い反射率を示している。このＷフィラメントの可視光光束効率は、１６．９  ｌｍ／Ｗである。
【００３８】
（赤外光反射補助層２０の設計）
赤外光反射補助層２０は、近赤外光領域の反射率を向上させるために配置されている。赤外光反射補助層２０を配置することにより、フィラメントの近赤外光の反射率を高く保ちながら、白色散乱体層３０の膜厚を薄くすることが可能になる。これにより、赤外光反射補助層２０を配置しない場合の白色散乱体層３０の厚さよりも、赤外光反射補助層２０を配置した場合の赤外光反射補助層２０と白色散乱体層３０の合成膜厚を小さくできるため、フィラメントの直径を小さくすることができる。
【００３９】
図２（ｂ）のように、赤外光反射補助層２０は、いずれも赤外光を透過する材料、例えば高耐熱性誘電体層でそれぞれ構成された第１の層２１および第２の層２２の組を少なくともひと組含む。第１の層２１の屈折率をｎ１、厚さをｄ１、第２の層２２の屈折率をｎ２、厚さをｄ２とする、赤外光の所定の波長λに対して、式（４）を満たす。
（数４）
ｎ１・ｄ１＝ｎ２・ｄ２＝λ／４            ・・・（４）
【００４０】
このように屈折率の異なる２種類の層２１、２２を積層することにより、光の干渉を利用して、所定の波長λ１を中心波長とする所定の波長範囲の赤外光の反射率を高めることができる。
【００４１】
本実施形態では、広い波長範囲の赤外光を反射するため、図２（ｂ）のように、赤外光反射膜２０は、２種類の層２１、２２の組を複数組積層した構成としている。それぞれの組の反射の中心波長を異ならせ、積層された各組でそれぞれ少しずつ異なる波長の赤外光を反射させることにより、赤外光反射膜２０全体として広い波長範囲の赤外光を反射することができる。第１の層２１と第２の層２２の屈折率差が大きいほど、反射できる波長幅が大きくなるため、反射したい波長幅に応じて第１の層２１と第２の層２２の材料を選択する。なお、層２１、２２の組を複数組積層した場合、すべての組の中心波長を必ずしも異ならせる必要はなく、複数の組全体で所望の波長帯域の赤外光を反射できればよい。よって、複数の組のうちのいくつかの組の中心波長が同一であってもよく、例えば、２組づつ同一の中心波長を反射するように構成してもよい。
【００４２】
赤外光反射補助層２０の第１および第２の層は、それぞれ、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３、６Ｈ−ＳｉＣ（六方晶のＳｉＣ）、ＧａＮ、３Ｃ−ＳｉＣ（立方晶のＳｉＣ）、ＨｆＯ２、Ｌｕ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、グラファイト、ダイヤモンド、ＣｒＺｒＢ２、ＭｏＢ、Ｍｏ２ＢＣ、ＭｏＴｉＢ４、Ｍｏ２ＴｉＢ２、Ｍｏ２ＺｒＢ２、ＭｏＺｒ２Ｂ４、ＮｂＢ、Ｎｂ３Ｂ４、ＮｂＴｉＢ４、ＮｄＢ６、ＳｉＢ３、Ｔａ３Ｂ４、ＴｉＷＢ２、Ｗ２Ｂ、ＷＢ、ＷＢ２、ＹＢ４およびＺｒＢ１２のうちのいずれかを含有する材料により構成することが可能である。
【００４３】
例えば、第１の層２１をＳｉＯ２層とし、第２の層２２をＨｆＯ２層とすることができる。２５００  Ｋの温度における黒体からの放射は、１２００ｎｍ程度の赤外波長においてピークを有するので、このピーク波長周辺の波長を選択して波長範囲を設定し、この波長範囲における反射を高めることにより、光束効率を向上することができる。第１の層２１および第２の層２２の組の数を２６組（組２０−１〜組２０−２６）、合計５２層積層し、例えば、ＳｉＯ２層２１の膜厚を２０７ｎｍから１２４ｎｍまで、ＨｆＯ２層２２の膜厚を１５３ｎｍから９２ｎｍまで組ごとに徐々に異なる値に設計することにより、中心波長λ１〜λ２６＝７００ｎｍ〜１２００ｎｍの波長領域で良好な赤外線反射特性を得ることができる。
【００４４】
図４に、図３の鏡面研磨Ｗ基体１０を、上記構成の赤外光反射補助層２０をコーティングしたフィラメントの反射率および放射率（２５００Ｋ）の波長依存性を示す。図４のように、赤外光反射補助層２０の反射作用により７００ｎｍ〜１２００ｎｍの範囲で高い反射特性を示し、特に８００ｎｍ〜１２００ｎｍの範囲では、０．９５以上の高い反射特性を示す。しかし、１２００ｎｍから７０００ｎｍの範囲では、赤外光反射補助層２０の作用が生じないため、０．６から０．９５の反射率となる。そのため、可視光の光束効率は、５１．７  ｌｍ／Ｗと、基体１０のみの場合よりも大幅に増加しているが、十分ではない。
【００４５】
（白色散乱体層３０の設計）
白色散乱体層３０は、可視光領域から赤外光領域まで広い波長範囲で反射率の高い白色散乱体に、可視光領域の光を吸収する可視光吸収材を添加した材料によって構成されている。
【００４６】
白色散乱体としては、例えば、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、ハフニア（ＨｆＯ２）、ルテチア（Ｌｕ２Ｏ３）、トリア（ＴｈＯ２）、マグネシア（ＭｇＯ）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、イッテルビア（Ｙｂ２Ｏ３）、ストロンチア（ＳｒＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、酸化ホルミウム（Ｈｏ２Ｏ３）、窒化ジルコニア（ＺｒＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、および、窒化ホウ素（ＢＮ）、のうちのいずれかを含有するものを用いる。これらの白色散乱体は、赤外から可視領域にわたって吸収がほとんどなく非常に高い反射特性を示す。また、数多くある白色散乱体の中で上記白色散乱体は、フィラメントが効率よく発光する２３００Ｋ以上の温度領域であっても、真空中下において耐熱性を有し、かつ高い反射特性を維持する。白色散乱体の粒子は、粒径が５０ｎｍ以上５０μｍ以下であることが望ましい。粒子の形状は、光散乱効率の点から充填率が大きく取れる形状が望ましい。基体への被覆手法を考慮すると、対称性の良い球形粒子であることが望ましい。白色散乱体は、表面のダングリングボンドの除去処理および表面の結晶欠陥回復処理のうちの少なくとも一方が施されているとさらに好ましい。
【００４７】
例えば、白色散乱体としてＬｕ２Ｏ３を用いることができる。黒体からの放射は、２５００Ｋの温度において１２００ｎｍ程度の赤外波長においてピークを有し、１００００ｎｍ程度まで幅広い範囲にわたるので、この波長範囲における反射を白色散乱体層３０によって高めることにより、フィラメントの可視光光束効率を向上することができる。特に、長波長における反射率を高めることにより、光束効率を向上することができる。図３の鏡面研磨Ｗ基体１０を、粒径（直径）５μｍの白色散乱体（Ｌｕ２Ｏ３）で構成された厚さ５０μｍの白色散乱層３０で被覆したフィラメント（赤外光反射補助層２０は備えていない）の反射率特性の波長依存性を図５に示す。図５の反射率特性は、ミー散乱理論に基づき、散乱の断面積σsと非等方性係数＜cosθ＞と散乱確率N と散乱体厚さLとから以下の式（５）により求めたものである。
散乱自由行程  l=１／(Nσs)
輸送自由行程  l*=l／(１−＜cosθ＞)
透過率        T=l*／L
反射率        R=１−T            ・・・（５）
【００４８】
図５より明らかなように、上記白色散乱体の層は、４０００ｎｍから１００００ｎｍ程度までの範囲で良好な反射特性を得ることができる。逆に、短波長側では非等方性係数が１．０に近くなることにより反射率が低下することがわかる。
【００４９】
白色散乱体層３０は、可視光領域の反射率を低下させるために、可視光吸収材が添加されている。例えば、白色散乱体には、可視光吸収材として不純物元素をドープすることが可能である。不純物元素の一例としては、Ｃｅ、Ｅｕ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｔｂ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｗ、Ｐｂ、Ａｓ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｄｙ、Ｐｒ等を用いることができる。白色散乱体への不純物元素のドープ濃度は、例えば、０．０００１％〜１０％に設定する。ドープ方法としては、白色散乱体とこれらの不純物元素を混合して固相反応（焼成）を用いてドープする手法、または、白色散乱体酸化物並びに不純物を共に濃硝酸に溶解させてから、しゅう酸塩で共沈させ、これを焼成させる手法、を用いることができる。
【００５０】
また、白色散乱体層３０は、可視光吸収材として金属粒子を添加することも可能である。金属粒子は、一例としては、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｈｆ、Ｙ、Ｚｒ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ等の粒子を用いることができる。この場合、金属粒子の粒径は、２ｎｍ以上５μｍ以下であることが好ましい。白色散乱体への金属粒子の添加濃度は、例えば、０．０００１％〜１０％に設定する。添加方法としては、白色散乱体とこれらの不純物元素を混合して共蒸着し、その後、焼成して白色散乱体中に金属微粒子の結晶を成長させる方法、または、白色散乱体に上記金属イオンを、イオン注入装置を利用して打ち込み、その後、焼成して白色散乱体中に金属微粒子の結晶を成長させる方法、等を用いる。
【００５１】
白色散乱体中に添加された金属粒子は、教会のステンドグラスのように、金属の種類並びに粒径によって可視光領域の吸収波長並びに吸収量を制御できるため、種々の吸収帯を形成することが可能となる。例えば、Ａｕの微粒子の粒径を２ｎｍから５ｎｍに変化させることによって、ステンドグラスの色をピンクから深緑に変化させることが可能となるが、これは、物理的には、金属微粒子表面で起こる光の局在共鳴吸収効果による透過光変化（補色）に起因する。即ち、粒子サイズが小さい場合は短波長の光を吸収し、粒子サイズが大きくなるにつれて長波長の光を吸収する。白色散乱体に金属微粒子添加した吸収も本原理に基づく。
【００５２】
図６に、図３の鏡面研磨Ｗ基体１０を、上述の構成の赤外光反射補助層２０でコーティングし、さらに、不純物ドープや金属粒子添加をしていない白色散乱体（Ｌｕ２Ｏ３）層３０（厚さ５０μｍ）で被覆したフィラメントの反射率および放射率（２５００Ｋ）の波長依存性を示す。図６のように、赤外光反射補助層２０と白色散乱体層３０の反射特性により７００ｎｍから１００００ｎｍまで０．９５以上のほぼ１に近い高い反射特性を示し、赤外光領域の放射率を０．１以下に抑制できている。これにより、可視光光束効率は、８０．６  ｌｍ／Ｗまで向上する。しかしながら、可視光吸収材を白色散乱体層３０に添加していないため、可視光領域の反射率も高く、可視光の放射が抑制されている。
【００５３】
図７に、図３の鏡面研磨Ｗ基体１０を、上述の構成の赤外光反射補助層２０でコーティングし、さらに、不純物としてＣｅを１％程度ドープした白色散乱体（Ｌｕ２Ｏ３）層３０（厚さ５０μｍ）で被覆したフィラメントの反射率および放射率（２５００Ｋ）の波長依存性を示す。図７に示すように、不純物としてＣｅをドープしたことにより、視感度曲線のピーク５５０ｎｍ付近を中心とする可視光領域で反射率がゼロに近くなる波長範囲が生じている。これにより、可視光領域で放射効率を高めることができる。また、可視光領域以外の赤外光領域では、赤外光反射補助層２０と白色散乱体層３０の作用により、反射率がほぼ１に近い高い値を示している。これにより、赤外光領域の放射率を０．１以下に抑制できている。このように、基体１０を、赤外光反射補助層２０と可視光領域の反射率を低減した白色散乱体層３０で被覆したことにより、図７のフィラメントは、１８８．３  ｌｍ／Ｗという非常に高い可視光光束効率が得られる。この可視光光束効率は、従来の白熱電球の略１０倍の効率である。
【００５４】
（製造方法）
フィラメントの基体を、赤外光反射補助層２０と、不純物を添加した白色散乱体層３０とで被覆する方法を説明する。
【００５５】
まず、所望の形状（例えば線材）の基体（例えばＷ（タングステン））１０を用意し、鏡面研磨を必要に応じて行った後、蒸着やスパッタ等の気相成長法により赤外光反射補助層２０の各層を形成する。
【００５６】
つぎに、白色散乱体層３０を形成するために、白色散乱体粒子（例えば、ルテチア（Ｌｕ２Ｏ３））を用意する。例えば、粒径５０ｎｍ〜５０μｍの球状のルテチア（Ｌｕ２Ｏ３）粒子を用意する。この白色散乱体に、固相反応方法により濃度１％でＣｅをドープする。さらに、白色散乱体に、バインダーとしてニトロセルロースを混合し、水とポリビニールアルコールの混合溶液に分散してスラリー状にする。
【００５７】
赤外光反射補助層２０で覆われた基体１０の周囲に、上記スラリー状の白色散乱体を塗布した後、所定の温度、例えば、４００℃以上で、酸化雰囲気中で焼成する。これにより、バインダーが焼失し、不純物がドープされた白色散乱体層によりフィラメントを被覆することができる。この他に、白色散乱体粒子を加速衝突させ、その衝撃により瞬時に焼結被覆を行うことが可能な衝撃焼結被覆法によっても、不純物がドープされた白色散乱体層によりフィラメントを被覆することができる。
【００５８】
なお、白色散乱体は、表面に吸着しているＯＨ基（水）、並びに表面の結晶欠陥（ダングリングボンド）が、図８に示すように赤外領域に大きな吸収を作り出し、反射率の低下、引いては可視光光束効率の低下を引き起こす。そのため、白色散乱体の表面から、ＯＨ基および結晶欠陥を除去する処理を施すことが望ましい。ＯＨ基および結晶欠陥を除去する処理方法としては、広く知られた公知の方法を用いることができる（参考文献として:  M.  Hudicky  et  al.,  Chemistry  of  Organic  Fluorine  Compounds,  2nd  ed.  Ellis  Horwood  Ltd.  1976）。具体的には、例えば、白色散乱体粒子を、ＮＨ４Ｆ（バッファード弗酸）等により洗浄し、ＯＨ基のＨをＦに置換する方法を用いることができる。その後、真空または酸化雰囲気中で１０００℃以上の高温で焼成すると、ＯＦ基が除去されるとともに、結晶欠陥が回復する。これら一連の作業をおこなうことによって図８に示すように、徐々に反射率の向上を図ることが可能となる。なお、図８中の一点鎖線は、上記の作業を繰り返し行うことにより得られる白色散乱体粒子の赤外反射スペクトルを示すものである。
【００５９】
（白熱電球の実施形態）
上記フィラメントを用いた光源装置の一例として、白熱電球について説明する。
【００６０】
図９に、上記実施形態のフィラメントを用いた白熱電球の切り欠き断面図を示す。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とを備えて構成される。透光性気密容器２は、例えばガラスバルブにより構成される。透光性気密容器２の内部は、１０−１〜１０−６Ｐａの高真空状態となっている。なお、透光性気密容器２の内部に１０５〜１０−１ＰａのＯ２、Ｈ２、ハロゲンガス、不活性ガス、並びにこれらの混合ガスを導入することによって、従来のハロゲンランプと同様に、フィラメント上に成膜された可視光反射率低下膜の昇華並びに劣化を抑制し、寿命の延伸効果を期待することが可能となる。
【００６１】
透光性気密容器２の封止部には、口金９が接合されている。口金９は、側面電極６と、中心電極７と、側面電極６と中心電極７とを絶縁する絶縁部８とを備える。リード線４の端部は、側面電極６に電気的に接続され、リード線５の端部は、中心電極７に電気的に接続されている。
【００６２】
フィラメント３は、実施形態１〜７のいずれかのフィラメントであり、ここでは、線材形状の基材をらせん状に巻き回し、不純物ドープまたは金属粒子が添加された白色散乱体層で被覆した構造である。
【００６３】
フィラメント３は、実施形態で述べたように、紫外光領域から赤外波長領域の反射率が非常に高く、可視光領域の反射率が低い。この構成により、高い可視光光束効率（光束効率）を実現できる。よって、本発明では、赤外域の放射を抑制することができ、結果的に入力電力に対する可視光の可視光変換効率を高めることができる。これにより、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。
【００６４】
なお、上述の実施形態では、フィラメントの基体の表面を機械研磨加工により鏡面加工したものを用いる例について説明したが、鏡面研磨されていない基体を用いることも可能である。また、機械研磨加工に限らず、他の方法を用いて鏡面研磨することも可能である。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。
【００６５】
上述の実施形態では、本発明のフィラメントを白熱電球等の光源装置のフィラメントとして用いることを説明したが、光源装置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。
【符号の説明】
【００６６】
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…側面電極、７…中心電極、８…絶縁部、９…口金
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図９】
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【図８】
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