(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属からなる基体を含み、
前記基体の少なくとも表面層は、ＣとＮを含有するＺｒからなり、
前記ＣとＮを含有するＺｒは、Ｃ原子とＮ原子の和に対するＮ原子の割合が４０at％以上であることを特徴とする発光体。
【請求項２】
請求項１に記載の発光体であって、前記ＣとＮを含有するＺｒは、Ｃ原子とＮ原子の和に対するＮ原子の割合が６５at％以上であることを特徴とする発光体。
【請求項３】
請求項２に記載の発光体であって、前記ＣとＮを含有するＺｒは、Ｃ原子とＮ原子の和に対するＮ原子の割合が７５at％以上であることを特徴とする発光体。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の発光体であって、前記基体は、全体が前記ＣとＮを含有するＺｒからなることを特徴とする発光体。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の発光体であって、前記基体は、芯材と、前記芯材を被覆する被覆層とを有し、前記被覆層は、前記ＣとＮを含有するＺｒからなることを特徴とする発光体。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の発光体であって、前記基体を構成する材料の融点は、２５００Ｋ以上であることを特徴とする発光体。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の発光体であって、前記基体の表面の少なくとも一部には放射制御膜が配置されていることを特徴とする発光体。
【請求項８】
請求項７に記載の発光体であって、前記放射制御膜は、屈折率の異なる２以上の誘電体を順に積層した多層膜であることを特徴とする発光体。
【請求項９】
金属からなる基体を含み、
前記基体の少なくとも表面層は、ＣとＮを含有するＺｒからなり、
前記ＣとＮを含有するＺｒは、Ｃ原子とＮ原子の和に対するＮ原子の割合が４０％以上であることを特徴とするフィラメント。
【請求項１０】
請求項９に記載のフィラメントと、前記フィラメントに電流を供給するリード線とを備え、熱電子および／または光を放出することを特徴とするフィラメントを用いた装置。
【請求項１１】
光を透過する容器と、前記容器内に配置された発光体と、前記発光体に電流を供給するためのリード線とを有し、前記発光体は、請求項１ないし８のいずれか１項に記載の発光体であることを特徴とする白熱電球。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射制御膜を備えた発光体に関し、特にエネルギー利用効率を改善した耐熱温度の高い発光体に関する。
【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、発光させる光源が広く用いられている。近年、フィラメントを用いた光源の可視光域のエネルギー変換効率を向上させるために、フィラメントの表面を鏡面加工して全体の反射率を高め、かつ、可視光域の反射率を低下させる膜をフィラメント表面に配置することにより、可視光域の放射率を向上させた構成が特許文献１等に開示されている。特許文献１の技術では、フィラメントの基体（芯材）を構成する金属材料や、基体を被覆する金属層の材料として、複数種類の金属およびその合金が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−５００００号公報（段落００２５，００２７等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
フィラメントの基体もしくはそれを被覆する金属層自体の反射率が、所定の赤外光波長域で高ければ、さらに反射率を向上させることができ、その赤外光波長域の放射率を抑制することができる。よって、それ以外の波長域（例えば可視光）の放射率を向上させることができる。
【０００５】
本発明は、赤外光波長域の放射率が低い発光体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の発光体は、金属からなる基体を含み、基体の少なくとも表面層は、ＣとＮを含有するＺｒからなる。ＣとＮを含有するＺｒは、Ｃ原子とＮ原子の和に対するＮ原子の割合が４０％以上である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の発光体は、赤外光波長域の放射率が低い発光体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態のＣとＮを含有するＺｒを少なくとも表面に備えた基体の製造工程を示すフロー図。
【図２】実施形態の放射制御膜を備えた基体の断面図である。
【図３】実施形態の白熱電球の切欠き断面図である。
【図４】実施例１〜６および比較例１，２の基体の炭化処理条件および窒化処理条件と、Ｎ組成（ｘ）とを示す図である。
【図５】実施例１〜６および比較例１，２のＺｒ，Ｎ，Ｃの組成を示す図である。
【図６】実施例１〜６および比較例１，２のＮ組成（ｘ）と赤外放射率との関係を示すグラフである。
【図７】実施例６の基体に放射制御膜を備えたフィラメントを用いた白熱電球の可視光光束効率を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。
【００１０】
本実施形態の発光体は、金属からなる基体を含み、基体の少なくとも表面層は、ＣとＮを含有するＺｒからなる。ＣとＮを含有するＺｒは、Ｃ原子とＮ原子の和に対するＮ原子の割合が４０％以上である。
【００１１】
ＣとＮを含有するＺｒ（以下、ＺｒＣＮと記す）は、融点が高く、２５００Ｋ以上に加熱することができるため、発光効率を向上させることが可能である。発明者らは、ＺｒＣＮに含有されるＣ原子とＮ原子の和に対するＮ原子の割合が４０％値以上（ＺｒＣ１−ｘＮｘ、ｘ≧０．４）になると、急激に赤外光域（波長０．７μｍ〜１．０μｍ）における反射率が高まり、この波長域の放射率を抑制することができることを見出した。したがって、赤外光波長域の放射率が低い発光体を提供することができる。また、この波長域以外の波長域（例えば、可視光域）の放射率を向上させることができる。
【００１２】
Ｃ原子とＮ原子の和に対するＮ原子の割合が６５％以上である（ＺｒＣ１−ｘＮｘ、ｘ≧０．６５）場合、発光体の赤外光波長域の放射率が大幅に低下するため望ましい。さらに、Ｎ原子の割合が７５％以上である（ＺｒＣ１−ｘＮｘ、ｘ≧０．７５）場合、ＺｒＣＮの赤外光波長域の放射率が最小値に近いほぼ一定値になるため望ましい。
【００１３】
基体は、全体をＣとＮを含有するＺｒ（ＺｒＣＮ）によって構成してもよい。基体が、芯材と、芯材を被覆する被覆層とを有する構成とし、被覆層がＣとＮを含有するＺｒ（ＺｒＣＮ）からなる構成としてもよい。
【００１４】
基体に芯材を用いる場合、芯材は、電流を流すことにより発熱する抵抗体であって、赤外波長の反射率が高く融点が２０００Ｋ以上の高融点材料より形成される。例えばＴａ（融点３２６９Ｋ）、Ｏｓ（融点３３１８Ｋ）、Ｉｒ（融点２７１６Ｋ）、Ｍｏ（融点２８９６Ｋ）、Ｒｅ（融点３４５３Ｋ）、Ｗ（融点３６５３Ｋ）、Ｒｕ（融点２５２３Ｋ）、Ｎｂ（融点２７４０Ｋ）、Ｖ（融点２０００Ｋ）、Ｃｒ（融点２１７６Ｋ）、Ｒｈ（融点２２３９Ｋ）、Ｚｒ（融点２１２８Ｋ）、およびＨｆ（融点２５０３Ｋ）のうちのいずれか、または、これらのいずれかを含有する合金からなる融点が２０００Ｋ以上の金属材料によって形成することができる。
【００１５】
なお、芯材を構成する材料の融点は、２５００Ｋ以上であることが望ましい。これにより、基体を２５００Ｋ以上加熱することができ、発光効率を向上させることができる。
【００１６】
ＺｒＣ１−ｘＮｘは、セラミックス金属であり、所望の形状に巻線等することが難しい。そこで、本実施形態では、予めＺｒを所望の形状に巻線等した後、炭化および窒化することで基体を製造する。製造フローを図１に示す。
【００１７】
図１のように、まずＺｒ線を巻線する等して、所望の形状（例えばコイル状）のＺｒからなる基体を用意する（ステップ１０１）。その後、必要に応じて、Ｚｒ基体（コイル）を加熱して、表面の汚染物を取り除く（ステップ１０２）。つぎに、Ｚｒ基体の表面のみを窒化させる（軟窒化工程）（ステップ１０３）。Ｚｒは融点が２１２８Ｋであるため、Ｚｒのまま、この後の炭化工程（ステップ１０４）で２０００Ｋ以上の高温に加熱すると、変形してしまうが、少なくとも表面を窒化（軟窒化）することにより、炭化工程の際に変形を防止しながら２０００Ｋ以上に加熱できる。
【００１８】
つぎに、軟窒化工程後の表面のみがＺｒＮの基体（Ｚｒ）を炭化し、ＺｒＣＮにする（炭化工程）（ステップ１０４）。つぎに、炭化工程後の基体（ＺｒＣＮ）を、さらに窒化し、窒化の度合を高める（窒化工程）（ステップ１０５）。これにより、所望の形状のＺｒＣ１−ｘＮｘの基体を含む発光体を製造できる。ステップ１０４の炭化工程およびステップ１０５の窒化工程において、加熱温度と加熱時間を調節することにより、ＺｒＣＮに含有されるＣ原子とＮ原子の和に対するＮ原子の割合（すなわち、ＺｒＣ１−ｘＮｘのｘの値）を所望の値にすることができる。なお、本実施形態では、ＺｒＣＮに不可避的にＯ等の他の元素が含まれることがあっても構わない。
【００１９】
なお、軟窒化工程は、ＺｒをＮ２ガス中で通電加熱することにより行うことができる。炭化処理は、軟窒化されたＺｒを、メタン（ＣＨ４）やエタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）などの炭化水素系ガス中で通電加熱することにより行うことができる。窒化処理は、軟窒化および炭化されたＺｒコイルを、Ｎ２またはＮＨ３ガス中で通電加熱することにより行うことができる。なお、加熱方法は、通電加熱に限らず、外部の熱源によって加熱する方法を用いることも可能である。また、炭化処理は、加熱した炭素（カーボン）中にＺｒを挿入することによって行うことも可能である。
【００２０】
なお、基体の形状は、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、線状のフィラメント（巻き線構造も含む）、棒状、薄板状等所望の形状に形成することができる。
【００２１】
なお、基体は、電流供給により発熱するものに限られるものではなく、マイクロ波照射等の別の方法により直接加熱される構造であってもよい。
【００２２】
図２のように、基体３１の表面の少なくとも一部には、放射制御膜３２を配置することも可能である。放射制御膜３２は、単層であってもよいし、誘電体を積層した構造であってもよい。放射効率を高めたい波長域や用途に応じて、放射制御膜３２の積層構造や膜厚を設計することにより、発光体３の表面の放射率を制御して、特定波長の光を放出することができる。
【００２３】
本実施形態では、基体３１の少なくとも表面がＺｒＣ１−ｘＮｘ（ｘ≧０．４）が形成されているため、赤外光域の反射率が高いため、この赤外光域とは異なる波長域（可視光域や遠赤外光域）の反射率を放射制御膜によって低下させて、その波長域の放射効率を高くすることができる。また、ＺｒＣ１−ｘＮｘ（ｘ≧０．４）の反射率が高い、赤外光域の反射率を放射制御膜によってさらに高めることも可能である。
【００２４】
例えば、放射制御膜３２により発光体の放射率を制御するために、発光体の反射率を制御することができる。キルヒホッフの法則より放射率とε(λ)と反射率Ｒ(λ)との間には、式（１）の関係がある。
（数１）
ε(λ)＝１−Ｒ(λ)              ・・・(１)
【００２５】
したがって、発光体３の所定の波長λ０以上の光の反射率が、波長λ０よりも短波長の光の反射率よりも高くなるように放射制御膜３２を設計することにより、放射制御膜３２を備えない基体３１と比較して、所定の波長λ０よりも短波長の光が多く放射される発光体が得られる。例えば、可視光から近赤外光を高効率で放射する発光体３を提供する場合には、上記所定の波長λ０は、１μｍ以上５μｍ以下であることが好ましく、特に、３μｍ以上４μｍ以下であることが好ましい。
【００２６】
例えば、放射制御膜３２は、発光体３表面の所望の波長域の光の反射率を低下させる膜（特定波長域反射率低下膜と呼称する）となるように設計することができる。具体的には、放射制御膜３２は、所望の波長域の光に対して透明で、放射制御膜３２の表面で反射された所定の波長域の光と、放射制御膜３２を透過して基体３１表面で反射された所定の波長域の光とを打ち消し合わせるように、屈折率や膜厚を設計する。これにより、発光体の所定の波長域の反射率を低下させることができ、その波長域の放射率を高めることができる。例えば、放射制御膜３２の膜厚、すなわち所定の波長域の光に対する光学的光路長（λ／ｎ０、ただし、ｎ０は放射制御膜３２の屈折率）が１／４波長程度になるように膜厚を設計することにより、特定波長域反射率低下膜を実現できる。
【００２７】
具体的には、例えば白熱電球に好適な可視光域の放射率が高い発光体３を得る場合には、波長４０００ｎｍ以上の赤外光領域で略０％の放射率を有し，７００ｎｍ以下の可視光領域で略１００％の放射率を有する（波長７００ｎｍ以下の可視光領域で０％に近い低反射率を有し、波長４０００ｎｍ以上の赤外光領域で１００％に近い反射率を有する）ように放射制御膜３２を構成することが好ましい。
【００２８】
また、放射制御膜３２は、発光体３表面の所定の波長域の反射率を高める膜（特定波長域反射膜と呼称する）となるように設計することもできる。具体的には、異なる誘電体からなる第１層と第２層とを繰り返し複数組積層した干渉膜の構造にする。第１層および第２層は、所定の波長域の光を透過するように波長または材料を選択する。第１層が、屈折率ｎ１、厚さｄ１であり、第２の層が、屈折率ｎ２、厚さｄ２である場合、所定の波長域の各波長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。これにより、放射制御膜３２は、所定の波長域の各波長λ１の光を反射することができ、この波長域の反射率を高めて放射率を抑制し、この波長域以外の波長域の放射率を高めることができる。例えば、放射制御膜３２が赤外域の反射率を高める赤外光反射膜である場合、可視光放射率を高めることができる。なお、第１および第２の層の各組は、反射する赤外光の所定の波長が、少しずつ異なるように設計することもできる。
【００２９】
具体的には、放射制御膜３２を赤外光反射膜の構成として、例えば熱放出装置に好適な発光体３を構成することができる。その場合、放射制御膜３２が波長１〜３μｍの赤外光を反射する赤外光反射膜となるように設計し、基体３１に赤外光を再吸収させ、波長３〜２５μｍの遠赤外光を高い放射率で放出する発光体３を形成することができる。このような熱放出装置は、融雪装置や赤外ヒーター光源に好適である。
【００３０】
また、放射制御膜３２を赤外光反射膜の構成とする別の具体例としては、例えば、熱電子放出装置の熱陰極に好適な発光体３を構成することができる。その場合、放射制御膜３２が２μｍ以上の赤外光を反射する赤外光反射膜となるように設計する。これにより、放射制御膜３２が赤外放射を抑制し、赤外光のエネルギーを発光体の再加熱に利用できるため、熱電子の放出効率を高めることができる。
【００３１】
上述してきたように、本実施形態によれば赤外光の放射率を抑制し、エネルギー変換効率の高い発光体を提供することができる。この発光体は、フィラメントとして用いるのに好適である。
【００３２】
つぎに、本実施形態の発光体を用いた白熱電球について図３を用いて説明する。図３に示すように、本実施形態に係る白熱電球１は、透光性気密容器２と、発光体３と、発光体に電流を供給するためのリード線４，５とを有する。ここでは発光体３はフィラメント形状であり、透光性気密容器２の内部に配置され、リード線４，５によって支持され、リード線４，５と電気的に接続されている。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、中心電極７、および、側面電極６と中心電極７とを絶縁する絶縁部８を備える。なお、発光体３のリード線４，５との接続部には、放射制御膜３２は形成されていない。
【００３３】
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、例えば、１０−１〜１０−６Ｐａの高真空状態にしてもよい。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できる。
【実施例】
【００３４】
本発明の実施例について説明する。
【００３５】
＜実施例１〜６および比較例１，２の発光体の製造＞
実施例および比較例の、少なくとも表面層がＺｒＣ１−ｘＮｘからなる基体（発光体）を製造した。
【００３６】
まず、φ０．１２５ｍｍのＺｒ線を用意し、これをφ０．５４ｍｍのＭｏ芯線に巻きつけることによりコイル状のＺｒ線（Ｚｒコイル）を作成した（図１のステップ１０１）。コイルは、ピッチ２００％、ターン数２７の条件で作製した。
【００３７】
つぎに、Ｚｒコイルを真空中（１．０×１０−４Ｐａ以下）で通電加熱し、表面の汚染物を取り除いた（ステップ１０２）。この時の加熱温度は、８００Ｋ程度であり、加熱時間は５ｍｉｎとした。
【００３８】
次に、Ｚｒコイルの表面のみを窒化する軟窒化処理を行った（ステップ１０３）。軟窒化処理は、８０ｋＰａのＮ２ガス雰囲気中で、Ｚｒコイルに９Ｖの電圧を３分間印加することによりＺｒコイルを通電加熱して行った。この時、Ｚｒコイルはおおよそ１８００Ｋ程度に加熱されていた。
【００３９】
軟窒化後、Ｚｒコイルの炭化処理を行った（ステップ１０４）。炭化処理は、ＺｒコイルをＡｒとＣＨ４の混合ガス中で、所定の電圧を所定時間だけ印加して通電加熱することにより行った。本実施例では、ＣＨ４の混合比が３．９％のＡｒ−ＣＨ４混合ガスを使用した。
【００４０】
軟窒化および炭化処理されたＺｒコイルの窒化処理を行った（ステップ１０５）。本実施例では、窒化処理は、ＺｒコイルをＮ２ガス中で、所定電圧を所定時間だけ印加して通電加熱することにより行った。
【００４１】
これにより、少なくとも表面層がＺｒＣ１−ｘＮｘからなる基体（発光体）を製造した。
【００４２】
このとき、炭化処理（ステップ１０４）および窒化処理（ステップ１０５）の通電加熱条件（電圧、時間）を図４のように設定することにより、実施例１〜６および比較例１，２の基体を得た。
【００４３】
得られた実施例１〜６および比較例１，２の基体の最表面層を除去した後、ＺｒＣ１−ｘＮｘのＺｒ，Ｎ，Ｃ組成（ａｔ％）をＸＰＳにより測定した。その結果を図５に示す。図５の各実施例および比較例のＮ組成とＣ組成の和に対するＮ組成（ａｔ％）を算出し、これをｘとした。求めたｘの値を図４にそれぞれ示す。
【００４４】
次に、実施例１〜６および比較例１，２のＺｒＣ１−ｘＮｘ基体に通電し、２５００Ｋにおける赤外放射率（波長０．７〜１．０μｍ）を測定した。測定した赤外放射率とＮ組成ｘとの関係をグラフにして図６に示す。図６からわかるように、Ｎ組成ｘが、４０％値以上（ＺｒＣ１−ｘＮｘ、ｘ≧０．４）になると、急激に赤外放射率が低下している。また、Ｎ組成ｘが６５％以上（ＺｒＣ１−ｘＮｘ、ｘ≧０．６５）になると、赤外放射率が大幅に低下し、さらに、７５％以上（ＺｒＣ１−ｘＮｘ、ｘ≧０．７５）になると、赤外放射率が最小値に近いほぼ一定値になっていることがわかる。このように、実施例１〜６の基体（発光体）は、赤外光波長域の放射率が抑制されていた。
【００４５】
次に、実施例６の基体３１に、可視光反射率を低下させる放射制御膜３２としてＣｅＯ２を１１５ｎｍ製膜し、発光体（フィラメント）を得た。これを図３の白熱電球のフィラメント３として用い、電力を投入して、可視光の光束効率を測定した。投入電力に対する光束効率の変化を図７に示す。比較例として、Ｗフィラメントを用いた図３の白熱電球の光束効率を併せて示す。図７より実施例６の基体３１をフィラメント３として用いた白熱電球は、Ｗフィラメントよりも各投入電力において可視光の光束効率が高いことが確認された。これは、本実施例６の基体３１は、赤外放射が抑制され、赤外波長域以外の可視光域の放射率が向上したためである。
【００４６】
上述してきたように、実施例１〜６の基体（発光体）を用いることにより、赤外光の放射を抑制することができる。また、赤外光以外の波長域の放射効率を高めることができる。
【符号の説明】
【００４７】
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
３１：基体
３２：放射制御膜
【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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