(57)【要約】【課題】電力を可視光や近赤外光に変換する効率が高いフィラメントの製造方法を提供する。【解決手段】金属製の基材２と、基材２を覆う白色散乱体層１とを有する。白色散乱体層１には、厚さ方向に複数の貫通孔１１が形成されている。貫通孔１１の半径は、可視光域の長波長端以下である。基材２が熱放射する光は、白色散乱体層１により反射されて基材２に戻される。このとき、貫通孔１１の半径以下の波長の光、すなわち可視光を含む一部光を、白色散乱体層１の貫通孔１１を通過させて、外部に取り出すことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製の基材と、前記基材を覆う白色散乱体層とを有し、
前記白色散乱体層には、厚さ方向に複数の貫通孔が形成され、前記貫通孔の半径は、可視光域の長波長端以下であることを特徴とするフィラメント。
【請求項２】
請求項１に記載のフィラメントにおいて、前記貫通孔の半径は、赤外光波長よりも小さいことを特徴とするフィラメント。
【請求項３】
請求項１または２に記載のフィラメントにおいて、前記白色散乱体層と前記基材との間には、少なくとも一部に間隙が設けられていることを特徴とするフィラメント。
【請求項４】
請求項３に記載のフィラメントにおいて、前記白色散乱体層は、少なくとも中央部の径が前記基材の径よりも大きい筒状部材であり、両端が前記基材に接して、前記筒状部材を前記基材に対して支持していることを特徴とするフィラメント。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載のフィラメントにおいて、前記貫通孔の半径は、０．８μｍ以下であることを特徴とするフィラメント。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載のフィラメントにおいて、前記白色散乱体層の厚さは、１０μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とするフィラメント。
【請求項７】
請求項１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、前記白色散乱体層の面積のうち、前記基材と接触している領域の面積は、２０％以下であることを特徴とするフィラメント。
【請求項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、前記白色散乱体層は、白色散乱体粒子によって構成され、前記白色散乱体粒子の径は、前記白色散乱体層の前記基材に近い側ほど大きく、前記白色散乱体粒子の一部が、前記基材に接触することにより、前記白色散乱体層を前記基材の表面に対して支持してい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する。
【背景技術】
【０００２】
タングステン等から成るフィラメントを通電して加熱すると、熱放射が起こる。この熱放射を利用した白熱電球が広く用いられている。しかしながら、熱放射の大部分は赤外域で起こるため、従来のフィラメントは、可視光放射効率が高くない。
【０００３】
特許文献１には、電球ガラスの表面に赤外光反射コートを施し、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再吸収させ、フィラメントを再加熱して高効率化を図ることが提案されている。
【０００４】
また、特許文献２には、可視光吸収材が添加された白色散乱体でフィラメントを被覆することにより、熱放射された光のうち赤外域の光を白色散乱体で反射してフィラメントに戻し、可視光域の光を選択的に外部に放射させる構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５９−５８７５２号公報
【特許文献２】特開２０１３−１３４８７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１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。
【０００７】
一方、特許文献２のように、白色散乱体に可視光吸収材を添加する技術は、白色散乱体の赤外放射を抑制することができるが、可視光吸収材を適切に選択し、添加する必要がある。
【０００８】
本発明の目的は、可視光吸収材の添加されていない白色散乱体を用いて、電力を可視光や近赤外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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明のフィラメントは、金属製の基材と、基材を覆う白色散乱体層とを有する。白色散乱体層には、厚さ方向に複数の貫通孔が形成されている。貫通孔の半径は、可視光域の長波長端以下である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、可視光吸収材の添加されていない白色散乱体を用いて、電力を可視光や近赤外光に変換する効率が高いフィラメントを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態のフィラメントの構造を示す斜視図。
【図２】実施形態の白色散乱体層１と基材２との間に間隙３を設けたフィラメントの断面図。
【図３】実施形態のフィラメントの断面図。
【図４】実施形態のフィラメントの断面図。
【図５】実施例のフィラメントの投入電力と温度との関係を示すグラフ。
【図６】実施例のフィラメントの反射スペクトルと放射スペクトルを示すグラフ。
【図７】比較例のフィラメント（タングステン基材）の反射スペクトルと放射スペクトルを示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の一実施形態のフィラメントについて説明する。
【００１３】
本発明のフィラメントは、図１のように、金属製の基材２と、基材２を覆う白色散乱体層１とを有する。白色散乱体層１には、厚さ方向に複数の貫通孔１１が形成されている。貫通孔１１の半径は、可視光域の長波長端以下である。
【００１４】
白色散乱体層１は、光を散乱する白色散乱体粒子によって構成されている。白色散乱体層１によって基材２を覆うことにより、基材２が熱放射する光は、白色散乱体層１により反射されて基材２に戻される。このとき、白色散乱体層１に、可視光域の長波長端以下（例えば、約０．８μｍ以下）の半径の貫通孔１１を設けたことにより、貫通孔１１の半径以下の波長の光、すなわち可視光を含む一部光を、白色散乱体層１の貫通孔１１を通過させて、外部に取り出すことができる。
【００１５】
光が波長程度のサイズ（径）の貫通孔１１を透過する際、その透過率は、以下の式（１）により表される。
【数１】
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ここで、Ｔは透過率、ｒは貫通孔の半径、λは透過する光の波長である。
【００１６】
式（１）により、光の波長が、貫通孔１１の半径より大きいか小さいかによって、透過率は劇的に変化することがわかる。すなわち、半径より長い波長の光は、貫通孔１１をわずかしか透過できないが、半径より短い波長の光は、大きな透過率で貫通孔を透過することができる。よって、貫通孔１１の半径を、可視光域の長波長端以下（例えば、約０．８μｍ以下）に設定することにより、波長が貫通孔１１の半径以下の光のみを、白色散乱体層１を透過させて外部に放射させることができる。
【００１７】
したがって、貫通孔１１の半径は、白色散乱体層１から出射させたい光の波長に応じて設定する。例えば、フィラメントを可視光光源として用い、可視光波長のみを白色散乱体層１から出射させたい場合には、貫通孔１１の半径は、可視光域の長波長端以下（例えば、約０．８μｍ以下）であって、赤外波長以下であることが望ましい。具体的には、貫通孔１１の半径は、１．０μｍ以下であることが望ましく、特に０．８μｍ以下であることが望ましい。また、フィラメントを近赤外ヒーター等の光源として用い、可視光波長のみながらず近赤外光波長も白色散乱体層１から出射させたい場合には、貫通孔１１の半径は、５．０μｍ以下であることが望ましく、特に４．０μｍ以下であることが望ましい。
【００１８】
基材２から放射されて貫通孔１１の進入した光は、貫通孔１１の内壁で拡散反射されながら、貫通孔１１の両端の開口のいずれかから出射される。このとき、白色散乱体層１の外周面側の、貫通孔１１の開口から出射された光は、外部に向かって放射される。一方、白色散乱体層１の内周面側（基材２側）の、貫通孔１１の開口から出射された光は、基材２に再入射し、基材２によって再吸収される。このため、貫通孔１１の内壁で散乱された光の一部が、基材２側に放射されても、実質的なエネルギー損失は無い。よって、貫通孔１１の透過率の観点からは、貫通孔１１の長さ、すなわち白色散乱体層１の厚さはどのような厚さでもよい。
【００１９】
一方、白色散乱体層１の貫通孔１１以外の領域を、基材２の放射光が通過しないようにするという観点からは、白色散乱体層１の厚さは、１０μｍ以上に設定することが望ましい。膜厚１０μｍ未満の場合、白色散乱体層１内における散乱光の平均自由行程により、一部の光が、白色散乱体層１を透過する恐れがあるためである。
【００２０】
また、白色散乱体層１の膜厚が厚すぎると、白色散乱体層１の容積が大きくなって、白色散乱体層１における熱損失が大きくなるため、白色散乱体層１の膜厚は、２００μｍ以下であることが望ましい。
【００２１】
以上のことから、白色散乱体層１の膜厚は、１０〜２００μｍの範囲内であることが好ましい。この範囲内においては熱損失を最小限に抑えつつ、高反射率を維持することができる。
【００２２】
貫通孔１１は、白色散乱体層１に無数に設けられていることが望ましい。その配置は、ランダムであっても、図１のように配列されていても構わない。
【００２３】
また、白色散乱体層１と基材２との間には、図２のように少なくとも一部に間隙が設けられていることが望ましい。その理由は、フィラメントは、２０００℃を超えるような高温に加熱された場合、白色散乱体層１と基材２との間で原子が相互に拡散することがあるためである。白色散乱体層１に基材２の原子が拡散すると、可視〜赤外領域において吸収の中心と成り得るため、白色散乱体層１の赤外光反射機能を低下させてしまう恐れがある。そのため、白色散乱体層１と基材２との間に間隙３を設け、密着しないように構成することが望ましい。
【００２４】
具体的には、例えば、図３のように、白色散乱体層１を、中空の筒状部材とし、基材２を囲むように配置した構成とすることができる。筒状部材の白色散乱体層１の内径は、基材２、または、巻回された基材２の外径よりも大きく、白色散乱体層１は少なくとも中央部が、基材２に密着していない。図３の場合、基材２に対して、筒状部材の白色散乱体層１の両端が接し、筒状部材を基材２に対して支持している。これにより、白色散乱体層１の両端部以外を基材１に対して間隙３を挟んで配置することができる。また、図３のように、筒状部材の白色散乱体層１の両端を閉じることにより、基材２から放射された光が、筒状部材の白色散乱体層１の端部において、間隙３から外部に漏れ出ることもない。よって、基材に投入されたエネルギーが、貫通孔１１から放射される以外の放射で奪われることがなく、少ない投入エネルギーで基材２を高温に加熱することができる。
【００２５】
なお、白色散乱体層１の面積のうち、基材２と接触している領域の面積は、２０％以下であることが望ましい。
【００２６】
また、図４のように、白色散乱体層１は、白色散乱体粒子の径が、基材２に近い側ほど大きくなるように構成することも可能である。この場合、径の大きな白色散乱体粒子１ａの一部が、基材２に接触することにより、白色散乱体層１を基材２の表面に対して支持する。よって、接触面積を、白色散乱体層１の全体の面積の２０％以下にすることができる。
【００２７】
図１、図３のような筒状の白色散乱体層１は、白色散乱体を溶剤に分散させたスラリーを押出成形等により成形後、乾燥させることにより製造することができる。成形した筒状の白色散乱体層１に基材２を挿入し、両端に、白色散乱体粒子を塗布して焼結することにより、基材２に白色散乱体層１を固定できる。同時に、チューブ両端の間隙を塞ぐことができる。これにより、図３の構造のフィラメントを製造できる。
【００２８】
また、図４のように、サイズの異なる白色散乱体粒子を堆積させた白色散乱体層１は、溶媒に分散させた白色散乱体粒子を電気泳動法により、基材２の周囲に堆積させることにより製造することができる。
【００２９】
白色散乱体層１に微細な貫通孔１１を設ける方法としては、レーザーによる加工方法を用いることができる。例えば、筒状の白色散乱体層１を、押出成形法等により作製した後、レーザーを用いて微細な貫通孔１１を無数に、かつ、ランダムに開けることができる。貫通孔１１の数は、多ければ多いほど好ましい。レーザー光としては、その波長が、設ける貫通孔１１の直径よりも小さいものが好ましい。例えば、エキシマレーザを用いることができる。また、反応性イオンエッチングやプラズマエッチングなどの手法により、貫通孔１１を設けることも可能である。
【００３０】
白色散乱体層１は、白色散乱体粒子の平均粒径が１μｍ以上５０μｍ以下であることが望ましい。また、白色散乱体層１は、大小異なる粒子径を持つ白色散乱体粒子から作製することも可能である。粒子径が大きいほど光の散乱断面積は大きいため、一例としては、基材２に近い内壁に粒子径数ミクロンの大きい粒子が配置されるようにし、外壁に粒子径数百ナノメートルの小さい粒子が配置されるよう、粒子径の勾配をつける。
【００３１】
なお、基材２の形状は、任意でよく、直線状であってもよいし、図３のように中央部が周期的に屈曲していてもよいし、巻回されていてもよい。
【００３２】
基材２を構成する金属材料は、融点２０００Ｋ以上の金属材料、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）、のいずれか、または、これらのうちのいずれかを含有する合金を用いることができる。
【００３３】
白色散乱体層１の材料としては、例えばＨｆＣ、ＴａＣ、ＺｒＣ、Ｃ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３、６Ｈ−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、のうちのいずれかの材料、もしくは、これらの材料を含有する材料で構成することができる。
【００３４】
本発明は、貫通孔の径を調節することにより、可視光および近赤外光の放射効率の高いフィラメントを提供できる。可視領域の放射効率の高いフィラメントは、高効率な照明用光源として用いることができる。近赤外領域の放射効率の高いフィラメントは、ヒーター用光源等の熱源として用いることができる。よって、本発明のフィラメントは、例えば、一般照明用光源，自動車用電球，プロジェクター用光源，液晶バックライト光源，近赤外ヒーターとして用いることが可能である。
【実施例】
【００３５】
以下、本発明の一実施例について説明する。
【００３６】
白色散乱体として、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）を用いて、無数の貫通孔１１を有するチューブ状の白色散乱体層１を作製した。
【００３７】
まず、粒径１．０μｍの白色散乱体粒子を用いて、押出成形法により厚さ約５０μｍの白色散乱体層１の中空状チューブを作製した。白色散乱体チューブの内径（中空の径）は、５００μｍとした。
【００３８】
次に、レーザー加工により、半径約０．８μｍ程度以下の貫通孔１１を無数に、かつ、ランダムに設けた。
【００３９】
この白色散乱体層１の中空部分に、タングステン基材２（φ＝１００μｍ）を通した。チューブ状の白色散乱体層１の両端を、タングステン基材２に固定するため、酸化ハフニウムの粉末をエタノールに高濃度に分散させスラリー状を、チューブの両端に塗布した。その後１５００℃で焼成し、チューブの両端とタングステン基材２を接合した。
【００４０】
これにより、図３のように、チューブ状の白色散乱体層１の中央部では、基材２と白色散乱体層１との間に間隙があり、両端部が基材２に接合されたフィラメントを製造した。
【００４１】
フィラメントに通電加熱する際、タングステン基材２で高温になる部分は中央付近であり、基材２両端は、中央部よりも温度が低い。このため、両端が基材２に接触しているチューブ状の白色散乱体層１は、劣化させることなくタングステン基材２上に保持される。
【００４２】
最終的に、タングステン基材２の両端をリード線につないで、白熱電球フィラメントを作製した。
【００４３】
図５に、実施例のフィラメントに電力を供給した場合の、温度と投入電力との関係を示す。比較例として、白色散乱体層１を設けていないタングステン基材２についても温度と投入電力との関係を示す。
【００４４】
図５から、実施例のフィラメントは、白色散乱体層１があることで、少ない投入電力でフィラメントが高温に達しているのがわかる。すなわち、実施例のフィラメントは、投入したエネルギーが比較例よりも損失しておらず、フィラメントとしての効率が高いことがわかる。
【００４５】
図６および図７に、本実施例のフィラメントと、白色散乱体層１を設けていない比較例のタングステン基材２の反射スペクトルおよび放射スペクトルをシミュレーションにより求めた結果をそれぞれ示す。実施例のフィラメント、比較例と比べ、可視光領域の反射率が低く、赤外光領域の反射率が高い。また、赤外光放射が抑制され、可視光放射が高くなっていることがわかる。可視光放射効率は、比較例が２５００Ｋで１２．４  ｌｍ／Ｗであるのに対し、本実施例のフィラメントは、２２．５  ｌｍ／Ｗとなり、８１％の効率改善効果が得られていることがわかった。
【００４６】
このように、フィラメント基材２を、貫通孔１１を有する白色散乱体層１で覆うことにより、赤外領域での放射が小さく、可視領域での放射が大きい、効率の良い白熱電球フィラメントが得られる。
【符号の説明】
【００４７】
１…白色散乱体層、２…基材、３…間隙、１１…貫通孔
【図１】
2015159012.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
2015159012.tif 000007
【図５】
2015159012.tif 000008
【図６】
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【図７】
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