(57)【要約】【課題】電力をガラスに吸収されない近赤外光に効率よく変換することのできるフィラメントを備えたヒーターを提供する。【解決手段】気密容器２と、気密容器２内に配置されたフィラメント３とを有する近赤外ヒーターを提供する。気密容器２は、少なくとも波長２μｍ未満の近赤外光および可視光を透過し、波長２μｍ以上の赤外光を吸収する材料によって構成される。フィラメント３は、赤外光の放射を抑制する赤外光抑制構造を備える。【選択図】図３
2015050001.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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を有し、近赤外光を放射する近赤外ヒーターであって、
前記気密容器は、少なくとも波長２μｍ未満の近赤外光および可視光を透過し、波長２μｍ以上の赤外光を吸収する材料によって構成され、
前記フィラメントは、前記気密容器に吸収される前記赤外光の放射を抑制する赤外光抑制構造を備えることを特徴とする近赤外ヒーター。
【請求項２】
請求項１に記載の近赤外ヒーターにおいて、前記気密容器は、石英ガラス、ケイ酸塩ガラス、ホウケイ酸塩ガラス、リン酸塩ガラス、パイレックス（登録商標）ガラス、ＢＫ７ガラスによって構成されていることを特徴とする近赤外ヒーター。
【請求項３】
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を有し、近赤外光を放射する近赤外ヒーターであって、
前記気密容器は、石英ガラス、ケイ酸塩ガラス、ホウケイ酸塩ガラス、リン酸塩ガラス、パイレックス（登録商標）ガラス、ＢＫ７ガラスによって構成され、
前記フィラメントは、前記気密容器に吸収される前記赤外光の放射を抑制し、近赤外光および可視光を放射させる赤外光抑制構造を備えることを特徴とする近赤外ヒーター。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の近赤外ヒーターにおいて、前記フィラメントは、赤外光抑制構造として、鏡面に加工された表面を有することを特徴とする近赤外ヒーター。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の近赤外ヒーターにおいて、前記フィラメントは、前記赤外光抑制構造として、ＴａＣ層またはＨｆＣ層を最表面に備えることを特徴とする近赤外ヒーター。
【請求項６】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の近赤外ヒーターにおいて、前記フィラメントは、金属で形成された基体と、前記赤外光抑制構造として前記基体を被覆し、前記基体の可視光および近赤外光の反射率を低下させる可視光反射率低下膜を備えることを特徴とする近赤外ヒーター。
【請求項７】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の近赤外ヒーターにおいて、前記フィラメントは、金属で形成された基体と、前記赤外光抑制構造として前記基体を被覆する赤外光反射膜を備えることを特徴とする近赤外ヒーター。
【請求項８】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の近赤外ヒーターにおいて、前記フィラメントは、金属で形成された基体と、前記赤外光抑制構造として前記基体を被覆する白色散乱体層を有し、
前記白色散乱体層には、可視光領域および近赤外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近赤外ヒーター。
【請求項９】
請求項４に記載の近赤外ヒーターにおいて、前記表面の粗さは、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近赤外ヒーター。
【請求項１０】
請求項５に記載の近赤外ヒーターにおいて、前記フィラメントは、芯材がＷまたはＴａであることを特徴とする近赤外ヒーター。
【請求項１１】
請求項６に記載の近赤外ヒーターにおいて、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および近赤外光と、前記基体で反射した可視光および近赤外光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ことを特徴とする近赤外ヒーター。
【請求項１２】
請求項７に記載の近赤外ヒーターにおいて、前記赤外光反射膜は、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近赤外ヒーター。
【請求項１３】
請求項８に記載の近赤外ヒーターにおいて、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および金属粒子のいずれかを含むことを特徴とする近赤外ヒーター。
【請求項１４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の近赤外ヒーターにおいて、前記フィラメントは、可視光領域および近赤外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近赤外ヒーター。
【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近赤外ヒーターに関し、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。
【背景技術】
【０００２】
Ｗ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、放射される赤外光を熱として利用するヒーターが広く用いられている。赤外ヒーターのフィラメントによる電力から光への変換効率は、９０％以上と高いが、フィラメントを封止するガラス材料が、図１に示すような透過スペクトルを示すため、２μｍ以上の長波長赤外光成分を吸収する。このため、実際にヒーターとして利用できる赤外光の割合は低くなる。具体的には例えば、図２に示すように、黒体放射エネルギー全体に対して、波長２μｍ以上の赤外放射光成分は、温度１５００Ｋでは７０％以上存在する。波長２μｍ以上の赤外放射光成分の大部分は、ガラスに吸収されてしまうため、ヒーター効率が悪くなると同時に、ガラスが、長波長赤外光を吸収することによって加熱され、温度が１０００Ｋ近くになる場合もあり、安全対策が必要である。
【０００３】
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、フィラメント温度をより高くして放射スペクトルを短波長化し、波長２μｍ以上の赤外光の放射を低減しつつ、フィラメント寿命を延ばす試みが開示されている。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。この技術を利用することにより、波長２μｍ以上の赤外光をフィラメントの再加熱に利用することができる。
【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１０％程度の効率改善にとどまる。
【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。
【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。
【００１１】
本発明の目的は、電力をガラスに吸収されない近赤外光に効率よく変換することのできるフィラメントを備えたヒーター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、本発明では、気密容器と、気密容器内に配置されたフィラメントとを有する近赤外ヒーターを提供する。気密容器は、少なくとも波長２μｍ未満の近赤外光および可視光を透過し、波長２μｍ以上の赤外光を吸収する材料によって構成される。フィラメントは、赤外光の放射を抑制する赤外光抑制構造を備える。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、赤外光抑制構造によりフィラメントの赤外光の放射を抑制できるため、電力を近赤外光へ効率よく変換できる。近赤外光は、気密容器に吸収されないため、エネルギー変換効率の高い近赤外ヒーターが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】硬質ガラスおよび石英ガラスの透過スペクトルを示すグラフ。
【図２】黒体放射エネルギー（Ａ）と、そのうち波長２μｍ以上の赤外エネルギー（Ｂ）と、その割合（Ｂ／Ａ）を表形式で示す説明図。
【図３】本発明の近赤外ヒーターの断面図。
【図４】本発明のフィラメントの理想的な反射率と放射率と放射スペクトルと、ガラスの吸収の関係を示すグラフ。
【図５】砂面構造のＷフィラメントの反射率と放射率と放射スペクトルを示すグラフ。
【図６】実施形態１の鏡面研磨後のＷフィラメント３の反射率と放射率と放射スペクトルを示すグラフ。
【図７】実施形態２のＴａＣ層を表面に備えたＷフィラメント３の反射率と放射率と放射スペクトルを示すグラフ。
【図８】（ａ）〜（ｄ）実施形態２のフィラメントの製造工程を示す説明図。
【図９】（ａ）〜（ｃ）実施形態２のフィラメントの別の製造工程を示す説明図。
【図１０】実施形態３の可視光反射率低下膜を備えたＷフィラメント３の反射率と放射率と放射スペクトルを示すグラフ。
【図１１】実施形態３の可視光反射率低下膜を備えたＷフィラメント３の可視光反射率低下膜（ＹＳＨ)の膜厚と、放射効率との関係を示すグラフ。
【図１２】実施形態４の赤外光反射膜の構造を示す断面図。
【図１３】実施形態４の赤外光反射膜を備えたＷフィラメント３の反射率と放射率と放射スペクトルを示すグラフ。
【図１４】実施形態５の白色散乱体の電子顕微鏡写真。
【図１５】実施形態５の白色散乱体（可視光等吸収材なし）を備えたＷフィラメント３の反射率と放射率と放射スペクトルを示すグラフ。
【図１６】Ｗフィラメント３の反射率と放射率と放射スペクトルを示すグラフ。
【図１７】実施形態５の白色散乱体（可視光および近赤外光の吸収材添加）を備えたＷフィラメント３の反射率と放射率と放射スペクトルを示すグラフ。
【図１８】実施形態５の線状構造の近赤外ヒーターの断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施形態について説明する。
【００１６】
本発明の近赤外ヒーターは、図３に示すように、気密容器２と、気密容器２内に配置されたフィラメント３とを有し、近赤外光を放射する。気密容器２は、少なくとも波長２μｍ未満の近赤外光および可視光を透過し、波長２μｍ以上の赤外光を吸収する材料によって構成されている。フィラメント３は、赤外光の放射を抑制する赤外光抑制構造を備えている。赤外光抑制構造によりフィラメント３の赤外光放射が抑制されるため、フィラメント３に供給された電力を効率よく近赤外光に変換することができる。近赤外光は、気密容器２を透過できるため、効率よく外部に放射されるとともに、気密容器２に吸収されないため、気密容器２の温度上昇を防ぐことができる。
【００１７】
気密容器２は、石英ガラス、ケイ酸塩ガラス、ホウケイ酸塩ガラス、リン酸塩ガラス、パイレックス（登録商標）ガラス、ＢＫ７ガラスによって構成されていることが望ましい。これらのガラスは、少なくとも波長２μｍ未満の近赤外光および可視光を透過する。
【００１８】
フィラメント３は、赤外光抑制構造として、鏡面に加工された表面を有する構成にすることができる。表面が鏡面に加工されたフィラメントは、反射率が可視光領域および近赤外光領域で低く、赤外光領域で高くなるため、赤外光の放射が抑制され、可視光および近赤外光の放射効率が高められる。フィラメントの反射率が可視光領域および近赤外光領域で低く、赤外光領域で高くなることにより、赤外光の放射が抑制される原理については後で詳しく説明する。表面の粗さは、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。
【００１９】
また、フィラメント３は、赤外光抑制構造として、ＴａＣ層またはＨｆＣ層を最表面に備える構成にすることができる。ＴａＣやＨｆＣは高い融点を有し、高温まで加熱できるとともに、赤外波長域の放射が抑えられ、可視光領域および近赤外光領域での放射が大きいという放射特性を有する。よって、ＴａＣ層またはＨｆＣ層を表面に備えた本実施形態のフィラメント３は、近赤外光の放射効率を高め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、近赤外光変換効率を高めることができる。なお、フィラメント３の芯材として、ＷまたはＴａを用いることにより、加工の難しいＴａＣを表面に備えたフィラメントを比較的に容易に製造することが可能になる。
【００２０】
また、フィラメント３は、金属で形成された基体と、赤外光抑制構造として基体を被覆し、基体の可視光領域および近赤外光領域の反射率を低下させる可視光反射率低下膜を備える構成にすることが可能である。これにより、フィラメント３の反射率を可視光で低く、赤外光で高くすることができるため、赤外光の放射が抑制され、近赤外光の放射効率を高めることができる。この場合、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した可視光および近赤外光と、基体で反射した可視光および近赤外光とを干渉させて強度を低下させるように設定することにより、干渉を利用して可視光および近赤外光の反射率を低下させることができる。
【００２１】
また、フィラメント３は、金属で形成された基体と、赤外光抑制構造として基体を被覆する赤外光反射膜を備える構成にすることが可能である。これにより、フィラメントの反射率を赤外光領域で高めることができるため、赤外光の放射が抑制され、近赤外光の放射効率を高めることができる。赤外光反射膜は、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の層の組を含む構成にすることができる。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する。これにより、所定の波長λ１の赤外光を反射することができる。
【００２２】
また、フィラメント３は、金属で形成された基体と、赤外光抑制構造として基体を被覆する白色散乱体層を有する構成にすることができる。白色散乱体層には、近赤外光および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、フィラメント３の反射率を、白色散乱体の特性により赤外光領域および可視光領域の広い波長範囲で高め、かつ、可視光吸収材の特性により可視光領域および近赤外光領域で低下させることができる。よって、赤外光の放射を抑制し、近赤外光の放射を高めることができる。可視光吸収材は、白色散乱体にドープされた不純物元素および金属粒子のいずれかを用いることができる。
【００２３】
上記赤外光抑制構造により、フィラメント３は、可視光領域および近赤外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％以上であることが望ましい。
【００２４】
つぎに、反射率が、赤外光領域で高く、可視光領域および近赤外光領域で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。
【００２５】
本発明のフィラメント３は、理想的には、図４に実線で示したように、波長２μｍ以上の赤外光領域でほぼ１００％に近い反射率を有し、波長２μｍ未満の近赤外から可視光領域で、反射率が低下し、０％に近い反射率を有する材料で構成されていることが望ましい。このフィラメント３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および近赤外光を発する原理を、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。
【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。
（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。
【００２７】
ここで重要な点は、基材温度が２５００Ｋ以上の高温になると、フィラメント３から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は光に代わることが出来る点である。しかしながら、加熱されたフィラメント３が示す放射のうち、気密容器２の吸収が顕著となる２μｍ以上長波長赤外光領域は、フィラメント加熱温度に依存するが、図２に示したようにかなりの割合を占めるため、そのままでは効率の良い赤外光源とはならない。
【００２８】
ところで、（１）式における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】
2015050001.tif 000003
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。
（数３）
ε(λ)＝１−Ｒ(λ)        ・・・(3)
【００２９】
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。
【００３０】
一方、図４に一点鎖線で示すように、例えば２μｍ以上の長波長赤外光領域で略０％の放射率を有し、これより短波長領域で、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。
【数４】
2015050001.tif 000004
【００３１】
式（４）において、θ(λ−λ０） は、長波長から赤外光のある波長λ０までは放射率が０であり、ある波長λ０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λ０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および近赤外光の放射として損失するようになる。
【００３２】
したがって、上記原理を利用し、赤外光抑制構造をフィラメントに備えることによって、波長２μｍ以上の長波長赤外光を抑制し、これよりも短い近赤外光および可視光を効率よく放射させることができる。
【００３３】
（実施形態１）鏡面加工
実施形態１では、赤外光抑制構造として、鏡面に加工された表面を有するフィラメント３について説明する。
【００３４】
一般的な製造方法で製造されたタングステンフィラメントは、表面が砂面構造になる。表面が砂面のタングステンフィラメントの反射率は図５に示す通りである。これに対し、タングステンフィラメントの表面を複数種類のダイヤモンド研磨粒により鏡面研磨すると、図６に示すように、図５の砂面構造のフィラメントよりも波長２μｍ以上の赤外光領域において、反射率が大きくなる。
【００３５】
これにより、鏡面研磨したタングステンフィラメント３は、図６に示すように２μｍ以上の長波長赤外領域において、図５に示す砂面構造のフィラメントの放射率よりも、低い放射率（放射率＝１−反射率）を得ることが可能となる。
【００３６】
鏡面研磨したタングステンフィラメント３の放射率を式（２）に代入して、２μｍ未満の可視光および近赤外光の放射効率を求めると、砂面構造のフィラメントの１．２倍の効率を得ることが出来る。この理由は、フィラメントを鏡面にすることによって反射率が大きくなり（放射率は小さくなり）、フィラメントの加熱よる長波長赤外放射を反射率の増大の割合に応じて抑制することが可能となるためである。これにより、フィラメント３に入力したエネルギーの多くを、図６に示すように波長２μｍ未満の近赤外光および可視光成分に変換することが可能となるからである。
【００３７】
鏡面研磨は、表面の粗さが、中心線平均粗さＲａ１μｍ以下、最大高さＲｍａｘ１０μｍ以下、および、十点平均粗さＲｚ１０μｍ以下、のうちの少なくとも１つを満たすように行うことが望ましい。これにより、波長が２μｍにおける反射率が、０．９を超える値となり得る。研磨後の粗さをλ／４（波長λ＝６３２．８ｎｍ）以下にすることにより、反射率の最大値を０．９８程度とすることが可能となり、２μｍ未満の近赤外光および可視光の放射効率を１．２倍以上に高めることが可能となる。鏡面研磨により長波長赤外光の反射率が、近赤外光の反射率よりも向上する割合が高いので、高い放射制御性（長波長赤外光の抑制）が得られる。
【００３８】
なお、図５、図６はフィラメント温度３０００  Ｋにおいて、放射効率を求めているが、フィラメント温度が３０００  Ｋより低温では、鏡面研磨の効果はより顕著に表れる。
【００３９】
また、上記説明では、フィラメント３が、タングステン線である場合を例にとって説明を行ったが、これに拘らず、様々な金属フィラメントに本実施形態の技術を適用可能である。例えば、モリブデン線、コンスタンタン線、タンタル線、レニウム線、ニオブ線、イリジウム線、オスミウム線、クロム線、ジルコニウム線、白金線、バナジウム線、ルテニウム線、ロジウム線、鉄線、ステンレス線、並びにこれらの合金等に適用可能である。
【００４０】
また、本実施形態では、機械研磨加工によりフィラメント表面の反射率を向上させたが、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。
【００４１】
（実施形態２）ＴａＣ層またはＨｆＣ層
実施形態２では、赤外光抑制構造として、ＴａＣ層またはＨｆＣ層を最表面に備えるフィラメント３について説明する。ＴａＣ並びにＨｆＣは、４０００Ｋを超える融点温度を有し、高温まで加熱できるとともに、図７にＴａＣの放射スペクトルを例示するように、赤外波長域の放射が抑えられ、可視光領域および近赤外光領域での放射が大きいという放射特性を有する。よって、ＴａＣ層またはＨｆＣ層を表面に備えた本実施形態のフィラメント３は、近赤外光の放射を高めることが可能となる。即ち、フィラメント３の超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並びにＨｆＣ自体が有する放射制御性（長波長赤外放射を抑えた熱放射が可能となること）によって、非常に効率の高い赤外光源を作製することが可能となる。具体的には、ＴａＣ単体のフィラメントコイルを４０００Ｋに加熱すると、図７に示すように、波長２μｍ以上に吸収特性を有する気密容器２（ガラス材料）の吸収を受けない放射スペクトルを得ることが可能となる。これにより、現状のハロゲンヒーターの２倍の効率を得ることができる。
【００４２】
次に、表面にＴａＣ層を備えたフィラメント３の製造方法を図８（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する。ＴａＣは固くて脆い性質を有するため、ＴａＣを巻き回してフィラメント形状にすることは難しいため、以下のような工程で、Ｗを芯材として表面にＴａＣ層を備えたフィラメント３を製造する。まず、図８（ａ）に示すようにワイヤ状のＷ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、Ｗ基材３０表面に付いているＷＯ２等の酸化膜を除去する。Ｗ基材３０の加熱時には、放射温度計によりＷ基材３０表面から放射されている熱スペクトルを測定し、Ｗ基材３０の表面の温度を評価することにより、ＷＯ２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、Ｗ基材３０の実温度に対して、ＷＯ２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、Ｗ基材３０のＷ金属が露出したならば、Ｗ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。
【００４３】
次に、電子ビーム蒸着、スパッター蒸着等の手法を用いて、Ｗ基材３０の表面にＴａ金属を厚さ０．１〜１０μｍ堆積し、Ｔａ層３１を形成する（図８（ｂ））。
【００４４】
次に、図８（ｃ）のように、Ｔａ層３１が形成されたＷ基材３０をコイル状に巻き回す。この後の工程で形成するＴａＣ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、ＴａＣ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、Ｔａ層３１を成膜する工程（図８（ｂ））の前にＷ基材３０をコイル状に巻回し、その後Ｔａ層３１を形成してもよい。
【００４５】
Ｔａ層３１の表面のＴａＯ等の酸化膜を除去するため、Ｔａ層３１を備えたＷ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、Ｔａ層３１の表面に付いているＴａＯ等の酸化膜を除去し、Ｔａ層３１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Ｔａ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。
【００４６】
酸化膜の除去工程に連続して、図８（ｄ）のように、Ｔａ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、Ｔａ層３１の表面から炭素を浸入させ（浸炭処理）、Ｔａ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ＴａＣ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ＴａＣ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、ＴａＣ層３２とＴａ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。
【００４７】
また図８（ｂ）の工程において、Ｔａ及びＨｆ金属を共蒸着することによって、上記プロセスは、Ｔａ（ｘ）Ｈｆ（ｙ）Ｃフィラメントを形成することも可能である。Ｔａ（ｘ）Ｈｆ（ｙ）Ｃは、自然界で最も高い融点（４５００  Ｋ程度）を持つことが知られており、高温加熱可能なフィラメントを形成することが出来る。
【００４８】
また、図９（ａ）〜（ｃ）のように、Ｗ（融点３６６０  Ｋ）と同程度の融点を有するＴａ（融点３３００  Ｋ）のワイヤ状基材１３０を図９（ａ）のように準備し、上述と同様のプロセスで酸化膜除去した後、図９（ｂ）のようにコイル形状に巻き回した後、図９（ｃ）のように、図８（ｄ）の工程を行ってＴａＣ層３２を形成する。この際、ＴａＣ層３２とＴａ基材１３０との間に、Ｔａ２Ｃ層１３１が形成される。また、浸炭処理の時間を十分に長く取ることによって（例えば、２０００℃では、ＴａＣの形成は２０μｍ／ｈ）、Ｔａ基材１３０全体をＴａＣコイル化することも出来る。
【００４９】
なお、図８および図９の製造工程において、Ｔａに代えてＨｆを用いることにより、ＨｆＣ層を表面に備えたフィラメントも同様に製造することが出来る。
【００５０】
また、上記実施例はＴａＣおよびＨｆＣを例にとって説明を行ったが、これに拘らず、様々な金属化合物をフィラメントの表面層に配置することが可能である。例えば、Ｂ４Ｃ、ＳｉＣ、ＺｒＣ、ＡｌＮ、ＢＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＴｉＮ、ＬａＢ６、ＺｒＢ２、ＨｆＢ２、等の高温耐熱性合金を用いることが可能である。
【００５１】
（実施形態３）可視光反射率低下膜
実施形態３では、赤外光抑制構造として基体を被覆し、基体の可視光領域および近赤外光領域の反射率を低下させる可視光反射率低下膜を備えるフィラメント３について図１０、図１１を説明する。
【００５２】
フィラメント３は、Ｗ基板またはＷワイヤを基体とし、その上に低屈折率材料を可視光反射率低下膜として備える。低屈折率材料としては、例えば、ＨｆＯ２にＹ２Ｏ３を数ｍｏｌ％から数十ｍｏｌ％の割合で混ぜたＹＳＨ（Yttria  Stabilized  Hafnia）薄膜を用いる。これにより、可視光反射率低下膜表面からの可視光および近赤外光の反射光と、Ｗ基体からの可視光および近赤外光の反射光を干渉させて打ち消し合わせ、可視光領域および近赤外光領域の反射率を低下させる。これにより、図１０に示すような反射率特性を２５００  Ｋの温度で有するフィラメント３を得ることができる。
【００５３】
フィラメント３の製造方法について説明する。まず初めに、Ｗ基体を鏡面研磨する。鏡面研磨の程度は、中心線平均粗さ（Ｒａ）１μｍ以下、最大高さ（Ｒｍａｘ）１０μｍ以下、および、十点平均粗さ（Ｒｚ）１０μｍ以下、の少なくとも一つを満たす鏡面である。その理由は、実施形態１で述べた通りである。
【００５４】
次に、鏡面研磨されたＷ基体上にＹＳＨ膜を５０  ｎｍ程度コーティングする。本膜のコーティング厚さには、許容範囲が存在し、図１１に示すように０ｎｍ以上８０ｎｍ以下と設定する。この範囲に設定することにより、基体自体の有する放射効率以上に放射効率を高めることができる。成膜手法は、電子ビーム蒸着法、スパッター法、ＣＶＤ法、等種々の手法を用いることができる。成膜後、Ｗ基材界面との密着性並びに膜質（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。
【００５５】
製造されたフィラメント３を加熱することにより、図１０に示すような反射率特性（２５００Ｋ）を示し、２μｍ以上の長波長赤外放射を抑制し、２μｍ未満の近赤外光および可視光を高効率で放射することができる。
【００５６】
可視光反射率低下膜として、本実施形態３ではＹＳＨ膜を選択したが、この理由は、高温加熱による誘電体薄膜層の結晶相、延いては結晶相変化に伴う光学定数（屈折率および消衰係数）の急激な変化を抑制できることにある。例えば、ＨｆＯ２単体では、１６００℃の温度で単斜晶から正方晶、２１００℃の温度で正方晶から立方晶と相変化するが、Ｙ２Ｏ３等の安定化剤を２〜３０ｍｏｌ％添加して安定化することによって、室温から２８００℃の温度領域まで相変化しない（立方晶）誘電体薄膜層を得ることができる。
【００５７】
可視光反射率低下膜は、ＹＳＨ薄膜の他に、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、のうちのいずれかを用い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、ＬａＢ６、ＺｒＢ２、ＨｆＢ２、ＣａＯ、ＣｅＯ２、ＭｇＯ、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＨｆＯ２、Ｌｕ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、ＴｈＯ２、ＧａＮのいずれかまたはこれらの混合体で形成された膜を用いることができる。
【００５８】
可視光反射率低下膜の成膜方法としては、上述の気相成長法以外にも、様々な手法を用いることが出来る。例えば、ＧａＮ、ＳｉＣ等については、既に、高品質の基材が存在するので、所望の厚さに成長させたサファイア基板上のＧａＮ又はＳｉ基板上のＳｉＣを、Ｗ基体にメタルボンディングして、エッチングまたはイオン注入でこれらの基板をリフトオフするスマートカット的手法も採用することが可能である。
【００５９】
（実施形態４）赤外光反射膜
実施形態４として、金属で形成された基体と、赤外光抑制構造として基体を被覆する赤外光反射膜を備えるフィラメント３について説明する。
赤外光反射膜は、２μｍ以上の長波長赤外光を反射するために配置されている。赤外光反射膜２０は、赤外光を反射するために配置されている。図１２のように、赤外光反射膜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（２μｍ以上）に対して、式（５）を満たす。
（数５）
ｎ１・ｄ１＝ｎ２・ｄ２＝λ／４        ・・・（５）
【００６０】
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。
【００６１】
また、実施形態４では、広い波長範囲の赤外光を反射するため、図１２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λ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。
【００６２】
例えば、第１の層２１をＭｇＯ層とし、第２の層２２をＳｉＣ層とする。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、ＭｇＯ層２１の膜厚を１５６  ｎｍから９４  ｎｍまで、ＳｉＣ層２２の膜厚を１１６  ｎｍから７０  ｎｍまで組ごとに徐々に異なる値に設計することにより、図１３に示すように、中心波長λ１〜λ２６＝１０００ｎｍ〜１０μｍの範囲で良好な赤外線反射特性を得ることができる。
【００６３】
上記第１の層２１および第２の層２２の材料として、高温耐熱性酸化物、例えばＣａＯ、ＣｅＯ２、Ｃｒ２Ｏ３、ＣｏＯ、Ｄｙ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、ＨｆＯ２、ＨｏＯ３、ＳｎＯ２、Ｆｅ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＭｇＯ、Ｎｄ２Ｏ３、ＮｂＯ、Ｎｂ２Ｏ３、Ｏｓ２Ｏ３、ＲｅＯ３、Ｓｍ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、ＳｉＯ、ＳｉＯ２、ＳｒＯ、Ｔａ２Ｏ５、Ｔｂ２Ｏ３、ＴｈＯ２、ＴｉＯ、Ｔｉ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＵＯ２、ＶＯ２、Ｙｂ２Ｏ３、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２、Ｙ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＺｒＯ２、ＺｒＳｉＯ４、等、また、高温耐熱性窒化物、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＢＮ、ＨｆＮ、ＮｂＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ＴａＮ、ＴｉＮ、ＶＮ、ＺｒＮ、等、高温耐熱性炭化物、例えば、Ｂｅ２Ｃ、Ｂ４Ｃ、グラフェン、ＣＮＴ、ダイヤモンドライクカーボン、Ｃｒ３Ｃ２、Ｍｏ２Ｃ、ＮｂＣ、４Ｈ−ＳｉＣ、６Ｈ−ＳｉＣ、ＴｈＣ２、ＴｉＣ、Ｗ２Ｃ、ＵＣ２、ＶＣ、ＺｒＣ、等、高温耐熱性硫化物、例えば、ＣｄＳ、ＴｈＳ２、ＵＳ、ＺｎＳ、等、高温耐熱性ホウ化物、例えば、ＣｒＺｒＢ２、ＭｏＢ、Ｍｏ２ＢＣ、ＭｏＴｉＢ４、Ｍｏ２ＴｉＢ２、Ｍｏ２ＺｒＢ２、ＭｏＺｒ２Ｂ４、ＮｂＢ、Ｎｂ３Ｂ４、ＮｂＴｉＢ４、ＮｄＢ６、ＳｉＢ３、Ｔａ３Ｂ４、ＴｉＷＢ２、Ｗ２Ｂ、ＷＢ、ＷＢ２、ＹＢ４およびＺｒＢ１２、ＣｒＢ、ＭｏＢ２、ＨｆＢ２、ＮｂＢ２、ＴａＢ２、ＴｉＢ２、ＷＢ２、ＶＢ２、ＺｒＢ２、等、高温耐熱性ケイ素化物並びにリン化物、例えば、ＧａＰ、ＶＳｉ２、ＺｒＳｉ２、等のうちのいずれかの材料、もしくは、これらの材料を含有する混合材料で構成することができる。
【００６４】
なお、ここでは、第１の層２１と第２の層２２を構成する材料の組み合わせが、各組２０−１〜２０−２６において同じである場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、組ごとに、第１の層２１と第２の層２２の材料の組み合わせを異ならせることももちろん可能である。
【００６５】
第１の層２１と第２の層２２の屈折率差は、０．１以上の場合、良好な反射率特性を得ることができるため好ましい。屈折率差が大きいほど、１組の第１の層２１と第２の層２２で反射できる波長範囲が広くなり、薄膜積層の総数を少なくできるため、特に屈折率差が０．３以上であることが望ましい。
【００６６】
第１の層２１と第２の層２２の組の積層は、積層の総数が３層から２００層において良好な反射率特性を得ることができる。２００層以上になると、応力などによりクラック、はがれを生じ、良好な反射率特性を維持することが難しくなるため、これらを防止する成膜手法を採用することが望ましい。
【００６７】
（実施形態５）白色散乱体
実施形態５として、金属で形成された基体と、赤外光抑制構造として基体を被覆する白色散乱体層を有するフィラメント３について説明する。白色散乱体層には、可視光領域および近赤外光領域の光を吸収する可視光吸収材が添加されている。
【００６８】
フィラメント３の基体は、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。
【００６９】
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）、酸化テルビウム（Ｔｂ２Ｏ３）、酸化ジスプロシウム（Ｄｙ２Ｏ３）、酸化ホルミウム（Ｈｏ２Ｏ３）、酸化エルビウム（Ｅｒ２Ｏ３）、酸化ツリウム（Ｔｍ２Ｏ３）、酸化プロメチウム（Ｐｍ２Ｏ３）、酸化サマリウム（Ｓｍ２Ｏ３）、酸化ユーロピウム（Ｅｕ２Ｏ３）、酸化ガドリウム（Ｇｄ２Ｏ３）、酸化セリウム（Ｃｅ２Ｏ３）、酸化プラセオジウム（Ｐｒ２Ｏ３）、酸化ネオジウム（Ｎｄ２Ｏ３）、窒化ジルコニア（ＺｒＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）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からである。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からである。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。
【００７０】
可視光吸収材としては、例えば、白色散乱体にドープされた不純物元素を用いることができる。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、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｙｂ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％〜５０％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、を取ることが出来る。
【００７１】
可視光吸収材としては、金属粒子を用い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％〜５０％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、を用いる。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応じて可視光領域の吸収波長並びに吸収量を制御出来るため、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。
【００７２】
また、フィラメントの基体は、表面が鏡面に研磨加工されていることが好ましい。その条件は実施形態１で説明した通りである。
【００７３】
フィラメント３の製造方法について説明する。Ｗフィラメント等の高温耐熱性線材又は基板を基体とし、その上に、図１４に示すような形状のイットリア（Ｙ２Ｏ３）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、ハフニア（ＨｆＯ２）、ルテチア（Ｌｕ２Ｏ３）、トリア（ＴｈＯ２）、または、これらを混合し高温での相変化が起こらないように安定化した高温耐熱性白色散乱体、を塗布する。白色散乱体を塗布する理由は、図１５に示すように、白色散乱体が、赤外から可視領域に亘って吸収が無く非常に高い反射率特性を示すからである。また、数多ある白色散乱体の中で上記白色散乱体を選定した理由は、２５００Ｋ以上の温度領域で耐熱性を有する材料であるからである。
【００７４】
この白色散乱体を塗布されたフィラメントは、電流供給等により加熱されることによって高効率に近赤外光を発する。この物理的過程は２段階に分かれる。第１段階は、白色散乱体により、一旦全ての放射を抑制する状況を作り出す。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。（本加熱物体を外から見たら、放射が無い為、高温か低温か、触ってみるまで全く温度が判らない状況。）赤外から可視領域に亘った広範囲の波長で吸収が無く非常に高い反射率特性（非常に低い放射率特性）を示すのが本白色散乱体の特長である。この白色散乱体をフィラメントに緊密に塗布または成膜することによって、金属フィラメントの欠点である長波長赤外領域での反射率低下を抑制することが出来る。
【００７５】
図１６に、鏡面研磨されたＷ基体が示す反射率並びに２５００Ｋに加熱された際に示す放射スペクトルを示す。また、図１５には、鏡面研磨されたＷ基体上にＬｕ２Ｏ３白色散乱体を塗布した際に示す反射率並びに２５００Ｋに加熱された際に示す放射スペクトルを示す。図１５において、紫外部並びに７μｍ以上の波長における赤外部の低反射率部分は、各々、Ｌｕ２Ｏ３の伝導帯エネルギー吸収（紫外部）、並びにＬｕ２Ｏ３の光学フォノン吸収（赤外部：１ＴＯフォノン、１ＬＯフォノン、２ＴＯフォノン、２ＬＯフォノン、等）によるものである。
【００７６】
しかし、図１５から明らかなように、白色散乱体のみで被覆した場合には、可視光および近赤外光領域の反射率も高いため、効率良く可視光および近赤外光が放射されない。そこで、近赤外領域の反射率を低減（放射率を増大）させるために、不純物添加、金属微粒子添加、等の技術を利用し、可視光並びに近赤外光領域に吸収を作り出す。一例として、Ｌｕ２Ｏ３白色散乱体にＴａ微粒子を２％程度ドープすることによって、図１７に示すように、可視光および近赤外光領域の反射率を低下させることができるため、近赤外光および可視光の放射率を高めることができる。
【００７７】
なお、ここで、粒子径並びに白色散乱体厚みを、光散乱理論：光拡散方程式を用い最適化する。
【数６】
2015050001.tif 000005
上式(６−１)、（６−２)においてn(r、t)は散乱体内での任意の時間における光強度、Dは拡散係数、taは試料内の吸収による減衰時間、l*は平均自由行程、cは光速度、である。上式(６−１)、（６−２)を解くことによって吸収が無い場合の光透過率T(L)は式（７）のように簡単に記述できる。
（数７）
T(L)=(l*/L)        ・・・（７）
ここで、Lは白色散乱体の厚さとなる。
【００７８】
吸収が存在しない場合、T(L)+R(L)=1となるので、反射率Rを99.9％程度にしたい場合には、透過率Tを0.1％程度にする必要がある。ここで、フィラメントに溜め込まれている熱エネルギーを損なわない程度の体積並びに厚さに白色散乱体を塗布しなければならないとすると、フィラメント半径を1mmとしておよそこの1/10の0.1mmを白色散乱体の厚さとする必要がある。ところで散乱断面積の計算より、l*の平均自由行程と白色散乱体の粒子半径とは略同程度と見積もられるので、結局、厚さL=100 mm、白色散乱体の半径R=100 nmと求めることが出来る。これ以下のサイズの粒子径を選定することによって、エネルギー損失無く放射制御をおこなうことが可能となる。
【００７９】
（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近赤外ヒーターについて説明する。
【００８０】
図３は、本実施形態の近赤外ヒーターの断面図である。近赤外ヒーターは、気密容器２と、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、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、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。
【００８１】
気密容器２は、上述したように、少なくとも波長２μｍ未満の近赤外光および可視光を透過し、波長２μｍ以上の赤外光を吸収する材料によって構成されている。
【００８２】
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、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、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。
【００８３】
フィラメント３として、実施形態１〜５のフィラメント３を用いる。図３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、気密容器２の内部は、１０−３〜１０＋７Ｐａの圧力状態となっている。
【００８４】
近赤外ヒーターの形状は、管球構造に限定されるものではなく、加熱すべき対象の形状に対応させて所望の形状にすることができる。例えば、図１８は、フィラメント３を用いた線状構造の近赤外ヒーターの断面図である。図１８において、図３の近赤外ヒーターと同じ構成には、同じ符号を付している。図１８の近赤外ヒーターは、気密容器２が、直線状の管であり、フィラメント３は、管状の気密容器２の軸に沿って配置されている。環状の気密容器２の両端に、封止部８、９がそれぞれ配置されている。気密容器２は、少なくとも波長２μｍ未満の近赤外光および可視光を透過し、波長２μｍ以上の赤外光を吸収する材料によって構成されている。
【００８５】
フィラメント３の両端には、一対のリード線４、５の一端が接続されている。リード線４、５の他端は、封止部８、９内に配置された封止金属（金属箔）１４、１５に接続されている。封止金属１４、１５には、リード棒１６、１７の一端が接続され、リード棒１６、１７の他端は、封止部８、９から外部に引き出されている。封止部８、９は、図３の管球構造と同様に、封止金属１４、１５とリード線４、５の端部とリード棒１６、１７の端部をピンチシール溶着した構造である。
【００８６】
図１８の線状構造の近赤外ヒーターにおいて、フィラメント３は、線材形状のフィラメントを螺旋状に巻き回していたものを用いてもよいし、棒状や板状等の所望の形状のものを用いることができる。気密容器２の内部の圧力は、図３の管球構造と同様に設定する。
【００８７】
本発明のフィラメント３は、実施形態１〜５で述べたように２μｍ以上の赤外波長領域の反射率が高く、近赤外光領域および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、近赤外光の発光効率が高く、エネルギー変換効率の高い近赤外ヒーターを得ることができる。
【００８８】
なお、上述してきた各実施形態のフィラメント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１０５〜１０７Ｐａ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。
【００８９】
本実施形態では、本発明の近赤外ヒーターは、暖房用ヒーター、自動車暖房用ヒーター、融雪用加熱源、コピー機内のトナー定着用ヒーター等として好適である。
【符号の説明】
【００９０】
２…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
【図１】
2015050001.tif 000006
【図２】
2015050001.tif 000007
【図３】
2015050001.tif 000008
【図４】
2015050001.tif 000009
【図５】
2015050001.tif 000010
【図６】
2015050001.tif 000011
【図７】
2015050001.tif 000012
【図８】
2015050001.tif 000013
【図９】
2015050001.tif 000014
【図１０】
2015050001.tif 000015
【図１１】
2015050001.tif 000016
【図１２】
2015050001.tif 000017
【図１３】
2015050001.tif 000018
【図１５】
2015050001.tif 000019
【図１６】
2015050001.tif 000020
【図１７】
2015050001.tif 000021
【図１８】
2015050001.tif 000022
【図１４】
2015050001.tif 000023