(57)【要約】  白熱ランプのためのフィラメント（６）のような三次元構造がマイクロメータおよび／またはナノメータの寸法である複数のタングステンマイクロフィラメント（６Ａ）を備え、フォトニック結晶構造を形成する。マイクロフィラメント（６Ａ）は三次元構造（６）内に一連のマイクロ空洞を形成するように配置され、タングステンに対して異なる屈折率を有する手段が前記マイクロ空洞内部に存在する。上記の配置により特定の波長のＩＲ放射の伝搬および自己放出を防ぐことができ、同時に可視放射の伝搬および自己放出が可能となる。
2005514742.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロメータおよび／またはナノメータの寸法であって、好ましくは円形断面または方形断面を有する複数のタングステンマイクロフィラメント（６Ａ）を備え、フォトニック結晶構造を形成するためのスペースに配置されることを特徴とした、特にフィラメントのような白熱ランプのための三次元タングステン構造。
【請求項２】
前記マイクロフィラメント（６Ａ）がその構造内部に一連のマイクロ空洞を形成できるように配置され、タングステンに対して異なる屈折率を有する手段が前記マイクロ空洞内に存在することを特徴とする請求項１記載の構造。
【請求項３】
前記マイクロフィラメント（６Ａ）が、赤外放射の一部放出を収容または制限するために互いに間隔を有することを特徴とする請求項１または２記載の構造。
【請求項４】
２つの隣接するマイクロフィラメント（６Ａ）の間隔が０．２から２．０μｍ程度であることを特徴とする請求項３記載の構造。
【請求項５】
前記マイクロフィラメント（６Ａ）が直径または断面寸法が１．０から１０．０μｍ程度であることを特徴とする請求項１または２記載の構造。
【請求項６】
前記マイクロフィラメント（６Ａ）の総断面積は、白熱ランプのための従来のフィラメントの総断面積と同程度であることを特徴とする請求項１または２記載の構造。
【請求項７】
前記マイクロフィラメント（６Ａ）の数が、ランプの総電力に関連して、数十から数百の間で変動することを特徴とする請求項１または２記載の構造。
【請求項８】
前記マイクロフィラメント（６Ａ）が同じ方向へ実質的に延在することを特徴とする請求項１または２記載の構造。
【請求項９】
前記マイクロフィラメント（６Ａ）が網状またはマトリックス構造で配置され、特に一部が重なっている多数の一連のマイクロフィラメント（６Ａ）を形成し、隣接する一連のマイクロフィラメントと関連して直角に延在することを特徴とする請求項１または２記載の構造。
【請求項１０】
前記マイクロフィラメント（６Ａ）の各端部が各電気接点（４，５）に接続していることを特徴とする上記請求項の１項以上に記載の構造。
【請求項１１】
バルブ（２）を備え、該バルブ内部には上記請求項の１項以上により製造した三次元タングステン構造（６Ａ）を配置した、特に白熱ランプのような光源。
【請求項１２】
バルブ（２）を備え、特にフィラメントのような三次元タングステン構造（６Ａ）を該バルブの内部に配置し、前記構造（６Ａ）がフォトニック結晶であり、一連のマイクロ空洞を規定し、タングステンに対して異なる屈折率を有する手段が該空洞内に存在することを特徴とする光源。
【請求項１３】
上記三次元構造（６）がマイクロメータおよび／またはナノメータの寸法である複数のタングステンマイクロフィラメント（６Ａ）を備えることを特徴とする請求項１２記載の光源。
【請求項１４】
前記マイクロフィラメント（６Ａ）が、直径または断面寸法が１．０から１０．０μｍ程度で、前記マイクロフィラメント（６Ａ）の数が、発光力に関連して、数十から数百の間で変動することを特徴とする請求項１３記載の光源。
【請求項１５】
前記マイクロフィラメント（６Ａ）の各端部が、前記バルブ（２）内部に存在する各電気接点（４，５）に接続していることを特徴とする請求項１３または１４記載の光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、白熱ランプのための、特にフィラメントのような三次元タングステン構造および、特に白熱ランプのような三次元タングステン構造を備える光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の白熱ランプは、フィラメント形状内に三次元タングステン構造を備え、効率の最大値が５から７％にしか達しないにもかかわらず、現在、光源の市場の約４０％を占めている。
【０００３】
この限界値はプランクの放射則によって定められ、これにより平衡温度Ｔにおいてランプのタングステンフィラメントが発する放射のスペクトル強度Ｉ(λ)が規定される。電磁スペクトラムの可視区間でタングステンフィラメントが放射するエネルギーは、λ１＝３８０nmとλ２＝７８０nmの間で曲線積分Ｉ(λ)に比例し、総エネルギーの最大５から７％に達する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように、本発明の目的は、特にフィラメント形状のような、白熱ランプのための三次元タングステン構造を製造することであり、効率を高めることにより、省エネルギーが可能になる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、特にフィラメントのような白熱ランプのための三次元タングステン構造によってこの目的は達成される。該構造は、マイクロメータおよび／またはナノメータの寸法であって、好ましくは円形断面(section)または方形断面を有する複数のタングステンマイクロフィラメントを備え、フォトニック結晶構造を形成するためのスペースに配置される。
【０００６】
本発明によれば、特に白熱ランプのような光源によって上記の目的は達成される。該光源はバルブを備え、バルブ内部には特にフィラメントのような三次元タングステン構造を配置し、該構造はフォトニック結晶であり、一連のマイクロ空洞を規定し、タングステンに対して異なる屈折率を有する手段が該空洞内に存在する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明のさらなる目的、特性および利点は下記の説明および、非限定的な説明例として載せた図によって明白になるであろう。
【０００８】
本発明の中では、符号１は白熱ランプ全体を示す。
【０００９】
従来の技術においては、ランプ１は、内部で真空をつくる符号２で示すガラスバルブおよび符号３で示すスクリュー・ベースを備える。
【００１０】
バルブ２の内部には概略的に符号４と５で示した２つの電気接点を配置し、その間には本発明によって製造し、全体を６で示した三次元タングステン構造またはフィラメントが延在する。接点４および５は各ターミナルに電気的に接続しており、該ターミナルは既知の方法でスクリュー・ベース３内に形成する。図２で概略化するように、各ランプホルダ内のスクリューベース３の接続によってランプ１は電源回路に接続可能となる。
【００１１】
本発明によれば、フィラメント６をマイクロメータまたはナノメータの寸法で構成し、一種のフォトニック結晶を形成する。
【００１２】
フォトニック結晶の基礎理論はYablonovitchの研究に端を発し、半導体結晶が電子の特性に影響を及ぼすのと同様に、光子（photon）の特質に影響を及ぼす特性を有する材料を生産する可能性の研究へと変わっていった。
【００１３】
１９８７年にYablonovitchは、屈折率の周期的な変動を有する構造をもつ材料が内部にあるフォトニックモードの性質を大幅に変化させることがあることを証明した。この発見は物質から出る光の伝達および発光の特質の制御と操作の分野における新しい展望を提示した。
【００１４】
さらなる詳細を述べると、半導体結晶中で移動する電子は周期的な電位の影響を感知し、該電位は結晶を構成する原子の核との相互作用によって作り出されたものである。この相互作用により一連の許容エネルギーバンドが形成され、禁制エネルギーバンド（バンドギャップ）と分離される。
【００１５】
同様の現象がフォトニック結晶中の光子に発生する。フォトニック結晶は一般に透明な誘電材料のブロックで構成され、該材料は規則的な一連のマイクロ空洞を含む。該空洞内部には空気または、ゲストマトリックスに対して大きく異なる屈折率を有する他の手段が閉じ込められる(trap)。屈折率間の差によりフォトニック結晶の空洞内部で特定の波長を有する光子の閉じ込めが起こる。
【００１６】
ポーラス(porous)マトリックスと空洞の屈折率の差によって、光子（または電磁波）が閉じ込めの影響を感知し、これにより許容エネルギー領域が形成され、禁制エネルギー領域から分離される。後者はフォトニックバンドギャップ（P.B.G)とよばれる。
【００１７】
これによりフォトニック結晶の２つの基本的な特性が生み出される。
i) 寸法、空洞間の間隔および屈折率の差異を制御することで、特定の波長の光子の伝搬および自己放出を防ぐことができる。
ii)半導体の場合のように、フォトニックバンドギャップ（P.B.G)内部にドーパント不純物があり、許容エネルギーレベルを作り出すことができる。
【００１８】
フォトニック結晶の特性を規定するパラメータ値を適切に選択することによって、特定の波長のＩＲ放射の伝搬および自己放出を防ぐことができ、同時に可視放射の伝搬および自己放出が可能になる。
【００１９】
図２はフィラメント６の実現可能な実施形態を概略的に示す。
【００２０】
この実施形態では、フィラメント６は、６Ａで示す複数のタングステンマイクロフィラメントにより形成され、直径が１．０から１０．０μｍの範囲である円形断面を有する。マイクロフィラメント６Ａは互いに０．２から２．０μｍ程度の間隔をあけて配置され、平行に延在し、バンドを形成する。マイクロフィラメント６Ａの数については、総断面積は、白熱ランプのための従来のフィラメントの総断面積と同程度である。マイクロフィラメント６Ａの数は、光源の総電力に関連して、数十から数百の間で変動することに言及しておかねばならない。
【００２１】
図３に示したケースでは、前図と同じ参照番号を用い、マイクロフィラメント６Ａが方形断面を有し、網状またはマトリックス構造で配置されるか、または互いの上で直角に延在する複数の一連のマイクロフィラメント６Ａで形成されている。
【００２２】
フィラメント６の構造のために選択した実施形態に関係なく、配置したマイクロフィラメント６Ａは一連のマイクロ空洞を形成できるように配置され、タングステンに対して大きく異なる屈折率を有する手段が空洞内部に存在する。前述のように、寸法、前記マイクロ空洞間の間隔および屈折率の差異を制御することで、特定の波長の光子の伝搬および自己放出を防ぐことができる。
【００２３】
パラメータ値を適切に選択することによって、特定の波長の赤外放射の伝搬および自己放出を防ぐことができ、同時に可視放射の伝搬および自己放出が可能になる。これにより本発明のタングステンフィラメント６は、効率が２０〜３０％に到達可能となり、これは従来の白熱ランプよりも明らかに高い効率である。本発明により実現した効率の向上によりかなりの省エネルギーになる。
【００２４】
本発明のタングステンフィラメント構造を備える白熱ランプの効率の値は以下のように求められる。
【００２５】
黒体から出された放射スペクトラムはプランクの放射則によって定められ、周波数の関数としての放射エネルギー密度を表す。
【００２６】
【数１】
2005514742.tif 000003
【００２７】
νは周波数、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度、f(ν)は下記ボース・アインシュタイン方程式である。
【００２８】
【数２】
2005514742.tif 000004
【００２９】
関数ｇ(ν)は自由空間におけるフォトニック状態密度を表し、下記に示す。
【００３０】
【数３】
2005514742.tif 000005
【００３１】
ｃは光の速度である。
【００３２】
図４は３,０００Ｋ、６,０００Ｋおよび１２,０００Ｋの光源での黒体放射の典型的なスペクトラムを示し、暗い部分は可視領域を表している。（曲線は縦軸スケールと合わないことに注意）
【００３３】
可視光源間で、タングステンフィラメントを有する白熱ランプはフィラメントの温度に制限され、その温度は３，０００Ｋにしか達しないことがある。図４から、３，０００Ｋの光源に関する曲線の範囲を定める領域のうちのかなり微小な部分（約５％）が、スペクトラムの可視区間内部でどのようにして減少するかが明らかとなる。つまり、３，０００Ｋの光源から放出されたエネルギーの５％のみが可視光線の形状で放出されるのである。
【００３４】
光源の効率は以下の式によって決定する。
【００３５】
【数４】
2005514742.tif 000006
【００３６】
ν１＝ｃ／λ１およびν２＝ｃ／λ２であり、λ１＝７００ｎｍおよびλ２＝４００ｎｍは電磁波スペクトラムの可視区間の両端値(ends)である。
【００３７】
フォトニックバンドギャップ（フォトニック結晶）を有する材料は、従来の材料の黒体放射線と関連する、変化した黒体放射線を有するが、これはバンドギャップを有する材料中のフォトニック状態密度ｇＢＧ（ν）が従来の材料ｇ（ν）とは異なるという事実を要因としている。これを意図するために、図５は従来の材料およびバンドギャップを有する材料の中でのフォトニック状態密度を概略的に示している。フォトニック結晶中では、バンドギャップの位置は網目(reticulate)定数ａと連関している。このパラメータを使うことにより、必要に応じて、最適なスペクトラムの領域中にバンドギャップを配置することができる。
【００３８】
バンドギャップがスペクトラムの可視区間の近傍にあると仮定すると、この場合ν０＝ｃ／λ０およびν１＝ｃ／λ１の間であり、一方スペクトラムの可視区間がν１＝ｃ／λ１およびν２＝ｃ／λ２の間であり、λ１＝７００ｎｍおよびλ２＝４００ｎｍである。
【００３９】
バンドギャップがνＢＧの幅で、パラメータεを定めると仮定すると下記のようになる。
【００４０】
【数５】
2005514742.tif 000007
【００４１】
この式はその位置で規格化したバンドギャップの値を表す。（バンドギャップの中心である周波数νｍでνＢＧを規格化するとより的確であろう。しかし実用性の理由から、バンドギャップの上端である周波数ν１でνＢＧを規格化することとした）
【００４２】
従来の材料のケースと同様、バンドギャップを有する材料でできた光源の効率（下記）を評価することが可能である。
【００４３】
【数６】
2005514742.tif 000008
【００４４】
ｇＢＧ(ν）はバンドギャップを有する材料のフォトニック状態密度であり、ｆ(ν）は前述のボース・アインシュタイン方程式である。
【００４５】
【数７】
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【００４６】
バンドギャップを有する材料でできた光源の効率の式では、分母の関数の積分を、ｇＢＧ(ν）が０ではない区間に制限する必要がある。したがって、分子および分母として現れる定数を単純化することとなる。
【００４７】
【数８】
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【００４８】
フォトニック結晶（またはバンドギャップを有する材料）の利得係数を下記のように定義する。
【００４９】
【数９】
2005514742.tif 000011
【００５０】
実際には、フォトニック結晶の利得係数はχで定めたものよりもむしろ大きくなるであろう。実は、フォトニック結晶中でみられる可視区間でのフォトニック状態密度ｇＢＧ（ν）と従来の材料のフォトニック状態密度ｇ（ν）とを比較した上での増加はここでは確認していない。この増加はある禁制フォトニック状態がより高い周波数へと移動し、やがて電磁波スペクトラムの可視区間の中に存在することになるという事実に起因する。
【００５１】
図６はおよび図７はいくつかのパラメータにおける利得係数χの相関関係を示す。
【００５２】
特に図６は、特定の温度（Ｔ＝３，０００Ｋ）において、バンドギャップνＢＧの幅の利得係数χの相関関係を示す。横軸は関連するバンドギャップε＝νＢＧ／ν１の値を示し、縦軸は利得係数χを示す。図６が明らかに示すように、白熱ランプのフィラメントの代表値３，０００Ｋの温度では、利得係数χは指数的に増加し、相対バンドギャップ値がε＞０．５の場合、２を超える値（効率の２倍）に達する。
これは、白熱源が赤外線付近にバンドギャップを有する本発明のタングステンフィラメント構造を備え、その効率ηＢＧが従来のフィラメントを有する白熱ランプの効率η０の少なくとも２倍（以上）になるということを意味する。
【００５３】
図７は、特定のバンドギャップ値（ε＝νＢＧ／ν１＝０．５０）での温度における利得係数χの相関関係を示す。横軸は２，５００Ｋでの規格化された温度の値（ｔ＝Ｔ／２，５００Ｋ）を示し、縦軸は利得係数χを示す。
【００５４】
本発明の特性および利点が以上の説明により明らかになった。
【００５５】
例として説明したタングステン構造およびフィラメントを用いた光源については、本発明の本質的な新規性を逸脱することなく、多くの変形が可能であることは、当業者には明白であろう。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】図１は本発明のタングステンフィラメントを備える白熱ランプの概略的正面図である。
【図２】図２は図１に示したランプのタングステンフィラメントの実現可能な第１実施形態の概略的斜視図である。
【図３】図３は図１に示したランプのタングステンフィラメントの実現可能な第２実施形態の概略的斜視図である。
【図４】３,０００、６，０００および１２，０００Ｋの温度における、光源のための黒体放射スペクトラムを周波数の関数として示すグラフである。
【図５】従来の材料およびバンドギャップを有する材料におけるフォトニック状態密度を示す概略的グラフである。
【図６】３，０００Ｋの温度におけるバンドギャップの幅νＢＧでの利得係数χの相関関係を示す概略的グラフである。
【図７】バンドギャップの固定値（ε＝νＢＧ／ν１＝０．５０）での温度における利得係数χの相関関係を示す概略的グラフである。
【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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【国際調査報告】
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2005514742.tif 000020
2005514742.tif 000021
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