(57)【要約】【課題】誘電体膜を備えたフィラメントであって、フィラメントを加熱しても、安定した放射特性が得ることができるフィラメントの製造方法を提供する。【解決手段】室温における安定な結晶構造が単斜晶系であって温度によって正方晶系に相転移する誘電体材料により、アモルファスな誘電体膜２０を、金属からなる基材１０の表面に形成する（成膜工程）。つぎに、アモルファスな誘電体膜２０を加熱することにより、単斜晶系を経ることなく、正方晶系、または、正方晶系および立法晶系の混合状態に結晶構造を変化させ、これにより室温における結晶構造が正方晶系、または、正方晶系および立法晶系の混合状態の誘電体膜２０を形成する（加熱工程）。単斜晶系から正方晶系への相転移を経ることがないため、体積膨張収縮によるひび割れを生じない。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体材料により、アモルファスな誘電体膜を、金属からなる基材の表面に形成する成膜工程と、
前記アモルファスな誘電体膜を加熱することにより、単斜晶系を経ることなく、正方晶系、または、正方晶系および立法晶系の混合状態に結晶構造を変化させ、室温における結晶構造が正方晶系、または、正方晶系および立法晶系の混合状態の誘電体膜を形成する加熱工程とを含むことを特徴とするフィラメントの製造方法。
【請求項２】
誘電体材料によって、アモルファスな誘電体膜を、金属からなる基材の表面に形成する成膜工程と、
前記アモルファスな誘電体膜のバンドギャップよりも低いエネルギーの波長のレーザーパルス光を、前記アモルファスな誘電体膜に照射することにより、室温における結晶構造が正方晶系、または、正方晶系および立法晶系の混合状態の誘電体膜を形成する加熱工程とを含むことを特徴とするフィラメントの製造方法。
【請求項３】
ＨｆＯ２またはＺｒＯ２を含む誘電体材料によって、アモルファスな誘電体膜を、金属からなる基材の表面に形成する成膜工程と、
前記アモルファスな誘電体膜を加熱することにより、単斜晶系を経ることなく、正方晶系、または、正方晶系および立法晶系の混合状態に結晶構造を変化させ、室温における結晶構造が正方晶系、または、正方晶系および立法晶系の混合状態の誘電体膜を形成する加熱工程とを含むことを特徴とするフィラメントの製造方法。
【請求項４】
請求項１または３に記載のフィラメントの製造方法であって、前記加熱工程は、所定の波長の光を前記アモルファスな誘電体膜に照射する工程、誘導加熱により前記基材を加熱し、前記アモルファスな誘電体膜を間接加熱する工程、および、マイクロ波により前記アモルファスな誘電体膜を直接加熱する工程のうちのいずれかを含むことを特徴とするフィラメントの製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載のフィラメントの製造方法であって、前記所定の波長の光は、前記アモルファスな誘電体膜を透過し、前記基材に吸収される波長であることを特徴とするフィラメントの製造方法。
【請求項６】
請求項１または２に記載のフィラメントの製造方法であって、前記誘電体材料は、ＨｆＯ２またはＺｒＯ２を含む誘電体材料であることを特徴とするフィラメントの製造方法。
【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の製造方法であって、前記加熱工程は、エキシマレーザー光パルスを前記アモルファスな誘電体膜に１回以上照射する工程であることを特徴とするフィラメントの製造方法。
【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の製造方法であって、前記成膜工程は、気相成長法により前記アモルファスな誘電体膜を成膜することを特徴とするフィラメントの製造方法。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載のフィラメントの製造方法であって、前記誘電体材料は、Ｙ２Ｏ３をドープしたＨｆＯ２であることを特徴とするフィラメントの製造方法。
【請求項１０】
金属からなる基材と、前記基材の表面に配置された誘電体膜とを有し、
前記誘電体膜は、ＨｆＯ２またはＺｒＯ２を含み、室温における結晶構造が、正方晶系、または、正方晶系および立法晶系の混合状態であ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フィラメントに関し、特に、可視光や近赤外光の放射効率を高めたフィラメントに関する。
【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。白熱電球の電力から光への変換効率は８０％以上になるが、赤外光の放射割合が大きいため、電力から可視光への変換効率は、凡そ１５  ｌｍ／Ｗと低い。
【０００３】
そのため、特許文献１では、フィラメント基材の表面に可視光反射率を低下させる膜や放射制御膜として、誘電体膜を設けたフィラメントが提案されている。このフィラメントは、可視光反射率低下膜や放射制御膜の作用により、赤外光放射率を抑制し、可視光放射率を高めることが可能であり、電力から可視光への変換効率を高めることができると開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１３／０８１１２７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の可視光反射率低下膜や放射制御膜として開示されている材料には、ＨｆＯ２またはＺｒＯ２が含まれる。発明者らの実験によると、ＨｆＯ２またはＺｒＯ２膜をフィラメント基材の表面に成膜した後、フィラメントに電力を供給すると、ＨｆＯ２またはＺｒＯ２膜にひびが入り、安定した放射特性を得ることが難しいことがわかった。その理由は、ＨｆＯ２またはＺｒＯ２膜は、電子ビーム蒸着、スパッタ、イオンプレーティング等の気相成長法によりフィラメント基材の表面に成膜された状態では、結晶状態がアモルファスであるが、フィラメントに電力が供給されて基材が加熱されるとＨｆＯ２またはＺｒＯ２膜は１７００Ｋ以上の高温になり相転移する。具体的には、この加熱の過程で、ＨｆＯ２またはＺｒＯ２膜の結晶構造がアモルファスから単斜晶系に変化し、さらに正方晶系、立法晶系と変化する。単斜晶系から正方晶系に晶系が変化する際に、体積収縮が生じ、膜にひび割れが生じる。
【０００６】
本発明は、誘電体膜を備えたフィラメントであって、フィラメントを加熱しても、安定した放射特性が得ることができるフィラメントの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明のフィラメントの製造方法は、誘電体材料により、アモルファスな誘電体膜を、金属からなる基材の表面に形成する成膜工程と、アモルファスな誘電体膜を加熱することにより、単斜晶系を経ることなく、正方晶系、または、正方晶系および立法晶系の混合状態に結晶構造を変化させ、室温における結晶構造が正方晶系、または、正方晶系および立法晶系の混合状態の誘電体膜を形成する加熱工程とを含む。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、誘電体膜を、単斜晶系を経ることなく、アモルファスから正方晶系、または、正方晶系および立法晶系の混合状態に相転移させることにより、室温でも安定した正方晶系、または、正方晶系および立法晶系の混合状態の誘電体膜を備えたフィラメントを製造できる。よって、ひび割れが生じず安定した放射特性のフィラメントを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明のフィラメントの断面図。
【図２】実施例１のフィラメントの製造方法において、ＫｒＦエキシマレーザーの照射前と後の、ＨｆＯ２膜のラマンスペクトルを示すグラフ。
【図３】実施例の白熱電球の切り欠き断面図。
【図４】実施例１のフィラメントを用いた白熱電球の放射率スペクトル。
【図５】実施例２のフィラメントの製造方法において、ＫｒＦエキシマレーザーの照射前と後の、Ｙ２Ｏ３ドープＨｆＯ２膜のラマンスペクトルを示すグラフ。
【図６】比較例のフィラメントを用いた白熱電球の放射率スペクトル。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明では、フィラメントの放射特性を制御するために、図１のようにフィラメント基材１０の表面に誘電体膜２０を備えたフィラメントを製造する。誘電体膜２０は、室温における安定な結晶構造が単斜晶系であって温度によって正方晶系に相転移する誘電体材料で構成されている。
【００１１】
本発明では、まず、誘電体材料により、アモルファスな誘電体膜２０を、金属からなる基材１０の表面に形成する（成膜工程）。この誘電体材料は、室温における安定な結晶構造が単斜晶系であって温度によって正方晶系に相転移する性質を有する材料である。つぎに、アモルファスな誘電体膜２０を加熱することにより、単斜晶系を経ることなく、正方晶系、または、正方晶系および立法晶系の混合状態に結晶構造を変化させ、これにより室温における結晶構造が正方晶系、または、正方晶系および立法晶系の混合状態の誘電体膜２０を形成する（加熱工程）。
【００１２】
この製造方法で製造されたフィラメントの誘電体膜２０は、加熱工程終了後に室温まで温度が低下しても、正方晶系、または、正方晶系および立法晶系の混合状態のままになり、単斜晶系にはならない。そのため、フィラメントに電力が供給され加熱された場合でも、結晶構造は、正方晶系、または、正方晶系および立法晶系の混合状態のままであり、単斜晶系から正方晶系への相転移を経ることがないため、体積収縮によるひび割れを生じない。よって、誘電体膜は、高温になっても安定した放射特性の制御作用を発揮することができる。
【００１３】
加熱工程は、所定の波長の光をアモルファスな誘電体膜２０に照射する工程、誘導加熱によりアモルファスな誘電体膜２０を加熱する工程、および、マイクロ波によりアモルファスな誘電体膜２０を加熱する工程のうちのいずれかを用いることができる。これらの加熱方法は、誘電体膜２０を急激に加熱することができるため、アモルファスな誘電体膜を単斜晶系を経ることなく、正方晶系、または、正方晶系および立法晶系の混合状態に相転移させることができる。マイクロ波加熱方法においては、誘電体膜２０を直接加熱することも可能であるし、誘導加熱により基材１０を加熱し、基材１０の熱で誘電体膜２０を間接加熱することも可能である。また、所定の波長の光を照射する加熱方法は、誘電体膜２０を直接加熱することも可能であるし、所定の波長の光により基材１０を加熱し、基材１０の熱で誘電体膜２０を間接加熱することも可能である。
【００１４】
例えば、アモルファスな誘電体膜のバンドギャップよりも低いエネルギーの波長のレーザーパルス光を、アモルファスな誘電体膜２０に照射する加熱方法を用いることができる。レーザーパルス光は、エネルギーが誘電体膜２０のバンドギャップよりもエネルギーが低いため、誘電体膜２０を透過し、金属の基材１０で吸収される。これにより、金属の基材１０の温度はパルス状に急激に上昇し、急激に低下する。この基材の熱により誘電体膜を、パルス状に加熱することができる。このようなパルス状の温度上昇および低下させることにより、アモルファスな誘電体膜を単斜晶系を経ることなく、正方晶系、または、正方晶系および立法晶系の混合状態に相転移させることができる。
【００１５】
具体的には、例えば、エキシマレーザー光パルスをアモルファスな誘電体膜２０に１回以上照射する加熱方法を用いることができる。
【００１６】
また、成膜工程では、気相成長法によりアモルファスな誘電体膜２０を成膜することができる。例えば、電子ビーム蒸着、スパッタ、イオンプレーティング法等を用いることができる。
【００１７】
本発明の製造方法は、誘電体膜が、ＨｆＯ２またはＺｒＯ２を含む誘電体材料で構成されている場合に好適である。一例としては、誘電体材料は、Ｙ２Ｏ３をドープしたＨｆＯ２を用いることができる。
【００１８】
上述の本発明の製造方法によれば、金属からなる基材１０と、基材１０の表面に配置された誘電体膜２０とを有するフィラメントが製造できる。誘電体膜２０は、例えば、ＨｆＯ２またはＺｒＯ２を含み、室温における結晶構造が、正方晶系、または、正方晶系および立法晶系の混合状態である。よって、フィラメントに電力を供給して、加熱しても誘電体膜２０は、その結晶構造が単斜晶系から正方晶系に変化することがなく、体積変化によるひび割れを生じない。これにより、誘電体膜２０は、その膜厚や屈折率等で所定の光学特性を安定して発揮することができる。よって、フィラメントの表面の可視光反射率の低下作用や放射制御作用を生じ、フィラメントの所定の波長の放射を強める等の放射特性を生じさせることができる。具体的には、本実施形態に係るフィラメントは、少なくとも所定の波長以下の光の放射率を、誘電体膜２０を備えない基材単体のフィラメントよりも高くすることができる。
【００１９】
基材１０としては、所望の波長の光を放射するために必要な温度以上の融点をもつ高融点金属により形成する。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を用いることができる。
【００２０】
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。
【００２１】
また、基材１０は、表面が鏡面に研磨加工されていることが放射率を制御するために好ましい。
【００２２】
本発明のフィラメントを用いることにより、従来のフィラメントと比較して，高効率，低価格，長寿命な光源、特に、可視光を効率よく発する光源を提供することが出来る。この光源装置は、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，各種光源として好適である。また、本発明のフィラメントは、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、誘電体膜２０の放射制御作用により赤外光放射の抑制作用を得られるように設計できるため、少量の入力電力で、効率よく高温に加熱可能なエネルギー効率の高いヒーター等を提供できる。
【実施例】
【００２３】
＜実施例１＞
実施例１のフィラメントの製造方法を説明する。まず、Ｗからなる基材１０の表面に、電子ビーム蒸着により膜厚１２０ｎｍのＨｆＯ２膜（誘電体膜２０）を成膜し、図１の構造をフィラメントを得た。膜厚１２０ｎｍのＨｆＯ２膜は、Ｗ基材１０の０．８〜１．６μｍの近赤外波長領域の放射を高めるように、膜厚が設計されている。
【００２４】
つぎに、基材１０上のＨｆＯ２膜に、ＫｒＦエキシマレーザー光を照射することにより、ＨｆＯ２の結晶構造を立方晶と正方晶の混合状態にする。ＫｒＦエキシマレーザー光の波長は２４８ｎｍである。実施例１では、１ショット（１パルス）あたり８００ｍＪ／ｃｍ２のエネルギーのＫｒＦエキシマレーザー光を、１０ショット照射した。
【００２５】
ＫｒＦエキシマレーザー光の照射前、１ショット照射後、１０ショット照射後のそれぞれのＨｆＯ２膜について、ラマンスペクトルを測定した。その結果を図２に示す。図２から明らかなように、ＫｒＦエキシマレーザー光を照射していないＨｆＯ２膜は、ブロードなスペクトルを示し、アモルファス状態であることが確認できる。一方、ＫｒＦエキシマレーザー光を１ショット照射した場合は、５００ｃｍ−１，６６０ｃｍ−１近辺に小さなピークが現れており、ＨｆＯ２膜の結晶化が進んでいることがわかる。ＫｒＦエキシマレーザーを１０ショット照射したＨｆＯ２膜は、５００ｃｍ−１，６６０ｃｍ−１のピークはさらに大きくなっており、ＨｆＯ２膜の結晶構造は、立方晶と正方晶の混合状態となっていることがわかる。
【００２６】
このように、アモルファス状態のＨｆＯ２膜をＫｒＦエキシマレーザーにより、立方晶と正方晶の混合状態にできたのは次のような理由による。ＫｒＦエキシマレーザー光は、波長２４８ｎｍであるため、バンド幅６ｅＶ（吸収波長２００ｎｍ以下）のＨｆＯ２膜には、ほとんど吸収されない。よって、ＫｒＦエキシマレーザー光は、ＨｆＯ２膜を透過してＷ基材１０まで到達し、このＷ基材１０の表面近傍で吸収される。これによりＷ基材１０の表面が、パルス状に急速に加熱され、その上に配置されたＨｆＯ２膜に熱が伝わり、ＨｆＯ２膜がパルス状に急速に加熱された後、急速に冷却される。これによりＨｆＯ２膜の結晶構造が立方晶と正方晶との混合状態で安定化される。Ｗの波長２４８ｎｍにおける屈折率ｎは３．３９、消衰係数ｋは２．７８である。
【００２７】
金属への光の侵入長ｘｄは、
ｘｄ＝λ／（２πｋ）
で与えられるので、ＫｒＦエキシマレーザー光のＷへの侵入長は１４ｎｍである。
【００２８】
Ｗの吸収率Ａは、
Ａ＝１−（（ｎ−１）２＋ｋ２）／（（ｎ＋１）２＋ｋ２）
で与えられるため、ＫｒＦレーザー光のＷへの吸収は０．５となり、およそ半分のエネルギーがＷにより吸奴されることがわかる。
【００２９】
このようにＨｆＯ２膜に照射されたＫｒＦエキシマレーザー光はＨｆＯ２膜を透過して、Ｗ基材の表面近傍でおよそ半分のエネルギーが吸収され熱となる。この熱により、ＨｆＯ２膜を急速に加熱し、急速に冷却することができる。
【００３０】
なお、エキシマレーザーは、ＫｒＦ（２４８ｎｍ）に限らず、ＸｅＣ１（３０８ｎｍ）、ＸｅＦ（３５１ｎｍ）を用いることができる。
【００３１】
本実施例１のフィラメントを用いて図３の白熱電球を製造し、点灯時の放射率を測定した。図３の白熱電球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実施例１のフィラメント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。フィラメント３は、一例として線材形状のフィラメントをらせん状に巻き回した構造のものを用いる。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。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してもよい。
【００３２】
白熱電球を点灯して実施例１のフィラメント３の表面温度が１７００Ｋ、１８００Ｋ、１９００Ｋ、２０００Ｋ、２１００Ｋとなったときに、ＦＴ−ＩＲ（Ｐｅｒｋｉｎ  Ｅｌｍｅｒ社  Ｆｒｏｎｔｉｅｒ  ＮＩＲ）により放射率を測定した。フィラメントの実温度は、タングステンの抵抗−温度特性をもとに、フィラメントの抵抗値より得た。測定した放射率（放射率スペクトル）を、図４に温度ごとに示す。
【００３３】
図４から明らかなように、温度１７００〜２１００Ｋにおいて、放射率は多少変化するものの、放射率スペクトルの形状は変化していなかった。特に、いずれの表面温度においても、放射率スペクトルのピーク波長は、約１．１μｍであり、温度によって変化していない。つまり、ＨｆＯ２膜（誘電体膜２０）は、放射制御膜として作用し、特定の波長の放射を強めるという放射制御機能を少なくとも２１００Ｋまで維持できることが確認できた。
【００３４】
＜実施例２＞
実施例２のフィラメントの製造方法を説明する。まず、Ｗからなる基材１０の表面に電子ビーム蒸着（ＥＢ）法により、Ｙ２Ｏ３を１６ｗｔ％ドープしたＨｆＯ２膜２０を成膜して、図１の構造のフィラメントを得た。
【００３５】
つぎに、基材１０上のＹ２Ｏ３をドープしたＨｆＯ２膜２０に、ＫｒＦエキシマレーザー光を照射することによりＨｆＯ２膜２０の結晶構造を立方晶に変化させた。具体的には、１ショット（１パルス）あたり８００ｍＪ／ｃｍ２のエネルギーのＫｒＦエキシマレーザー光を、１０ショット照射した。
【００３６】
ＫｒＦエキシマレーザー光の照射前、１ショット照射後、１０ショット照射後のＹ２Ｏ３ドープＨｆＯ２膜について、ラマンスペクトルを測定した。その結果を図５に示す。図５から明らかなように、ＫｒＦエキシマレーザー光を照射していないＹ２Ｏ３ドープＨｆＯ２膜は、ブロードなスペクトルを示し、アモルファス状態であることが確認できる。一方、ＫｒＦエキシマレーザー光を１ショット照射した場合は、６６０ｃｍ−１近辺に小さなピークが現れており、Ｙ２Ｏ３ドープＨｆＯ２膜の結晶化が進んでいることがわかる。ＫｒＦエキシマレーザーを１０ショット照射したＹ２Ｏ３ドープＨｆＯ２膜は、６６０ｃｍ−１のピークがさらに大きくなっており、Ｙ２Ｏ３ドープＨｆＯ２膜の結晶構造が、立方晶となっていることがわかる。
【００３７】
実施例１と同様に、実施例２のフィラメントを用いて白色電球を製造し、その放射率を測定したところ、実施例１と同様の放射率スペクトルが得られた。これにより、Ｙ２Ｏ３ドープＨｆＯ２膜（誘電体膜２０）は、放射制御膜として作用し、特定の波長の放射を強めるという放射制御機能を少なくとも２１００Ｋまで維持できることが確認できた。
【００３８】
＜比較例＞
比較例のフィラメントおよび白熱電球について説明する。比較例のフィラメントは、実施例１と同様に、Ｗからなる基材１０の表面に、電子ビーム蒸着により膜厚１２０ｎｍのＨｆＯ２膜（誘電体膜２０）を成膜して製造したが、ＫｒＦエキシマレーザー光は照射しなかった。
【００３９】
比較例のフィラメントを用いて、実施例１と同様に白熱電球を製造し、点灯時の放射率を１７００Ｋ、１８００Ｋ、１９００Ｋ、２０００Ｋ、２１００Ｋにおいて測定した。各放射率スペクトルを図６に示す。表面温度における分光放射スペクトルを示す。図６から明らかなように、放射スペクトルの形状は、温度によって大きく変化している。特に、放射スペクトルのピーク波長が、実施例１では変化しなかったのに対し、比較例では変化しており、放射スペクトル形状が大きく変化していることがわかる。つまり、比較例のフィラメントのＨｆＯ２膜（誘電体膜２０）は、特定の波長の放射を強めるという放射制御機能を高温では維持できていないことが確認できた。
【符号の説明】
【００４０】
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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