(57)【要約】【課題】所定の波長よりも長い波長の放射を抑制してランプ効率を向上させる窪み構造を有した電球において、窪み構造が崩壊して消失することを抑制する電球を提供すること。【解決手段】本発明は、所定の波長よりも長い波長の放射を抑制してランプ効率を向上させる窪み構造であるマイクロキャビティ１１０を有した電球において、マイクロキャビティ１１０が、所定の波長よりも短い波長を透過する充填物質２０１で充填されているという構成により、マイクロキャビティ１１０が崩壊して消失することを抑制することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラスバルブと、
前記ガラスバルブの内部に封入された不活性ガスと、
前記ガラスバルブの端部の封止部に封着されたステムと、
前記ステムに電気的に接続されたフィラメントとを備えた電球であって、
前記フィラメントが、所定の波長よりも長い波長の放射を抑制する窪み構造を有し、
前記窪み構造の窪みが、前記所定の波長よりも短い波長を透過する充填物質で充填されている、電球。
【請求項２】
前記窪み構造が、マイクロキャビティである、請求項１に記載の電球。
【請求項３】
前記マイクロキャビティが、内径が１μｍ以下、深さが内径よりも大きい凹部から形成されている、請求項２に記載の電球。
【請求項４】
前記充填物質が、タンタル酸化膜とシリコン酸化膜との金属酸化膜からなる多層膜である、請求項１から３までの何れか一つに記載の電球。
【請求項５】
所定の波長よりも長い波長の放射を抑制する窪み構造を有し、
前記窪み構造が、所定の波長よりも短い波長を透過する充填物質で充填されている、
フィラメント。
【請求項６】
前記窪み構造が、マイクロキャビティである、請求項４に記載のフィラメント。
【請求項７】
前記マイクロキャビティが、内径が１μｍ以下、深さが内径よりも大きい凹部から形成されている、請求項６に記載のフィラメント。
【請求項８】
前記充填物質が、タンタル酸化膜とシリコン酸化膜との金属酸化膜からなる多層膜である、請求項４から７までの何れか一つに記載のフィラメント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電球に関し、特に所定の波長よりも長い波長の放射を抑制してランプ効率を向上させる窪み構造を有した電球に関する。
【背景技術】
【０００２】
白熱電球（以降、単に「電球」とも呼ぶ）は、演色性に優れ簡単な使用器具で点灯でき、また歴史的に長く使用されている関係で広く普及している。しかし、フィラメントの発熱による放射を利用する白熱電球は、可視波長域の放射が全体の１０％程度で、それ以外は主に赤外放射が７０％、封入ガスによる熱伝導や対流による熱損失が２０％である。ランプ効率は１５［ｌｍ／Ｗ］程度と低い。
【０００３】
この赤外放射を抑制し、ランプの効率向上を図ることが知られている。（例えば、特許文献１）。これは、タングステンの表面に一辺３５０ｎｍの正方形形状を持つ深さ７０００ｎｍのキャビティ導波管の列を形成することにより、所定の波長（例えば７００ｎｍ以上の波長）よりも長い波長をカットオフし、ランプ効率の向上を図っている。この構成により、２０００Ｋから２１００Ｋの動作温度でランプの効率が従来の６倍に向上することが知られている。
【特許文献１】特開平０３−１０２７０１号公報（第６頁左下欄）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
熱平衡状態における熱放射のスペクトルは、プランクの放射則に従い、温度に依存する。例えば、放射体の温度が１２００Ｋから２０００Ｋに上昇すると、可視域での放射が３桁以上向上するが、赤外域での放射はあまり変化しない。このことから、効率良く可視放射を得るためには、動作温度を２０００Ｋ以上に設定することが一般的に好ましい。特に放射体を照明光源として利用する場合は、動作温度が２０００Ｋより低いと赤みが強くなり、好ましくない。このため、放射体は、２０００Ｋ以上の高温動作に耐えられるタングステンなどの高融点材料から形成されている。
【０００５】
本発明者らが、キャビティのアレイをタングステンの表面に形成し、種々の実験を行ったところ、個々のサイズが１μｍ以下となる微細なキャビティのアレイが形成されたタングステンでは、タングステンの融点が３６５０Ｋにも関わらず、１２００Ｋ程度の温度で短時間にキャビティアレイが破壊するという興味深い現象が観察された。前述のように白熱電球のフィラメントは２０００Ｋ以上の高温で動作する必要があり、また、白熱電球の寿命は長期であることが要求される。赤外域の放射を抑制するために、キャビティアレイの構造をサブミクロンのサイズに微細化した場合に、表面構造が消失するのでは、そのような放射体を白熱電球その他の高温で動作する装置に応用することはできない。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、フィラメントの表面に形成した内径１μｍ以下の窪み構造を有する場合において、高温で安定に動作する電球又はフィラメント放射体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の電球は、ガラスバルブと、前記ガラスバルブの内部に封入された不活性ガスと、前記ガラスバルブの端部の封止部に封着されたステムと、前記ステムに電気的に接続されたフィラメントとを備えた電球であって、前記フィラメントが、所定の波長よりも長い波長の放射を抑制する窪み構造を有し、前記窪み構造の窪みが、前記所定の波長よりも短い波長を透過する充填物質で充填されている。
【０００８】
好適な実施形態において、前記窪み構造は、マイクロキャビティである。
【０００９】
好適な実施形態において、前記マイクロキャビティは、内径が１μｍ以下、深さが内径よりも大きい凹部から形成されている。
【００１０】
好適な実施形態において、前記充填物質は、タンタル酸化膜とシリコン酸化膜との金属酸化膜からなる多層膜である。
【００１１】
本発明のフィラメントは、所定の波長よりも長い波長の放射を抑制する窪み構造を有し、前記窪み構造が、所定の波長よりも短い波長を透過する充填物質で充填されている。
【００１２】
好適な実施形態として、前記フィラメントにおいて、前記窪み構造は、マイクロキャビティである。
【００１３】
好適な実施形態として、前記フィラメントにおいて、前記マイクロキャビティは、内径が１μｍ以下、深さが内径よりも大きい凹部から形成されている。
【００１４】
好適な実施形態として、前記フィラメントにおいて、前記充填物質は、タンタル酸化膜とシリコン酸化膜との金属酸化膜からなる多層膜である。
【発明の効果】
【００１５】
以上のように、本発明は、所定の波長よりも長い波長の放射を抑制してランプ効率を向上させる窪み構造を有した電球において、窪み構造が、所定の波長よりも短い波長を透過する充填物質で充填されている。この構成により、高温においても窪み構造が崩壊して消失することを抑制することができ、熱エネルギーを効率よく可視光に変化して放射する電球が実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。
【００１７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における電球を模式的に示すものである。（以下、本発明品Ａという）。
【００１８】
図１において、石英ガラスからなるガラスバルブ１０１と、ガラスバルブ１０１の端部に設けられた封止部１０３内にはモリブデンからなる金属箔１０４、１０５が封着されている。金属箔１０４、１０５の一端にはタングステンからなるステム１０８、１０９が接続されている。ステム１０８、１０９の一部は封止部１０３に封着されており、封止部１０３の反対側のステム１０８、１０９の部分にはタングステンからなるフィラメント１０２の両端部が接続されている。フィラメント１０２はガラスバルブ１０１内の中心軸上に配設されている。なお、ステム１０８、１０９はモリブデンから形成されても構わない。
【００１９】
金属箔１０４、１０５の他端部にはモリブデンからなる外部リード線１０６、１０７の一端部がそれぞれ接続されており、外部リード線１０６、１０７の他端部はガラスバルブ１０１外部にそれぞれ導出されている。
【００２０】
フィラメント１０２は幅０．５ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍのリボン形状のものをコイル形状にしたものである。コイル寸法は、長さ４．１３ｍｍ、幅１．４４ｍｍのもの使用した。コイル形状にしたフィラメント１０２の外表面は、所定の波長よりも長い波長の放射を抑制する窪み構造として、フェムト秒レーザで加工された直径０．４μｍ、ピッチ（マイクロキャビティの中心軸間の距離）０．８μｍ、深さ５．０μｍの円柱形状のマイクロキャビティ１１０が敷き詰められている。直径を０．４μｍとすることで、直径の約２倍の波長である０．８μｍ以上の波長領域をカットオフできる。
【００２１】
なお、本実施形態では、窪み構造として、上記寸法のマイクロキャビティを用いたが、マイクロキャビティは内径が１μｍ以下、深さが内径よりも大きい凹部から形成されているものであれば、高温度によるマイクロキャビティの崩壊が顕著であり、本発明による効果を顕著に得ることができる。また、窪み構造は、円柱形状のマイクロキャビティに限定されず、放射を抑制したい波長の半分の長さを一辺に持つ四角柱形状であってもよく、さらに放射を抑制したい波長の半分の長さの幅を持つ溝をつけてもよい。すなわち、所定の波長以上の放射を抑制することができる窪み構造を持つものであればよい。所定の波長は可視光の発光効率を最大に考えるならば７８０ｎｍであるが、長波長側の可視光をカットオフして電球の色味を青っぽくしても構わない。
【００２２】
ガラスバルブ１０１内は、不活性ガスである希ガスや窒素が封入される。本実施形態では、アルゴンに２０％の窒素を加えたガスを常温時で封入ガス圧０．１ＭＰａで封入されている。ここで、「常温時」とは電球が放置された環境の室温のことである。すなわち、点灯されてフィラメント１０２からの熱源の影響を受けて温度が上がっていない時の温度のことである。
【００２３】
図２は、図１のＡ−Ａ線におけるフィラメント１０２の外表面付近における断面図を示す。
【００２４】
図２において、マイクロキャビティ１１０は、０．８μｍより小さい波長を透過する充填物質２０１として、タンタル酸化膜とシリコン酸化膜の金属酸化膜からなる多層膜で充填されている。この多層膜は、赤外線を電球のフィラメントに戻す赤外線反射膜として電球の省電力化のためにガラスバルブ表面に設けられているのが一般的である。本実施形態では、０．８μｍより小さい波長を透過し、かつ以下に示す方法で容易に形成できるという理由から、これら金属酸化膜の多層膜をフィラメント１０２の表面に形成した。各金属酸化膜の形成は、以下の通りである。
【００２５】
図３は、各金属酸化膜の形成に使用した減圧ＣＶＤ装置を示す。表面にマイクロキャビティ１１０を有するフィラメント１０２を反応管３０１内に設置した後、反応管３０１内を、温度５００℃、真空度１×１０−４Ｔｏｒｒ（１．３３×１０−２Ｐａ）とした。次にタンタル有機化合物であるペンタエトキシタンタレート［Ｔａ（ＯＣ２Ｈ５）５］（以下、「ＰＥＴ」とする。）を使用し、これを第１の気化器３０２内で１５０℃に加熱して、タンタル酸化膜の原料気体を発生させた。また、シリコン有機化合物であるジアセトキシジブトキシシラン［Ｓｉ（ＯＣ４Ｈ９）２（ＣＨ３ＣＯＯ）２］（以下、「ＤＡＤＢＳ」とする。）を使用し、これを第２の気化器３０３内で１２０℃に加熱して、シリコン酸化膜の原料気体を発生させた。次にアルゴンを１００ｃｃ／分の流速で第１の気化器に供給しながら、ＰＥＴを反応管３０１内に供給し、これを管軸方向に流通させて、タンタル酸化膜をフィラメント１０２表面に析出させた。このとき、反応管３０１内の真空度は、０．５Ｔｏｒｒ（６６．７Ｐａ）に維持した。所定時間が経過した後、反応管３０１内へのＰＥＴの供給を停止した。かかる後、アルゴンを１００ｃｃ／分の流速で第２の気化器に供給しながら、ＤＡＤＢＳを反応管３０１内に供給し、これを管軸方向に流通させて、シリコン酸化膜を析出させた。前工程と同様に、反応管３０１内の真空度は、０．５Ｔｏｒｒ（６６．７Ｐａ）に維持した。所定時間が経過した後、反応管３０１内へのＤＡＤＢＳの供給を停止した。
【００２６】
上記工程を繰り返し、タンタル酸化膜およびシリコン酸化膜を交互に析出させ、フィラメント１０２表面に合計１８層の多層膜を形成した。各工程における、原料気体の供給時間は表１に示す通りである。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
以上のように構成された電球について、マイクロキャビティ１１０の崩壊の様子を調べた結果を以下に説明する。
【００２９】
この本発明品Ａにおいて、１５００Ｋから２２００Ｋまで１００Ｋ毎のフィラメント温度で点灯し、マイクロキャビティ１１０の崩壊の有無を調査した。各フィラメント温度の点灯時間は５分間である。マイクロキャビティの崩壊の有無はＳＥＭで観察し、マイクロキャビティ１１０の孔形状が維持されている場合を「○」、マイクロキャビティ１１０の孔形状が崩壊している場合を「×」とした。その結果を表２に示す。
【００３０】
【表２】
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【００３１】
表２では、比較のために同じフィラメント温度における従来品Ｂの調査結果を合わせて示す。なお、従来品Ｂは、マイクロキャビティ１１０が充填物質２０１で充填されていない以外は、本発明品Ａと同等である。
【００３２】
表２から明らかなように、マイクロキャビティ１１０が充填物質２０１で充填されていない従来品Ｂでは、フィラメント温度１６００Ｋで５分間点灯した後にマイクロキャビティ１１０が崩壊したが、本発明品Ａでは、２２００Ｋ５分間点灯した後においてもマイクロキャビティ１１０の崩壊が抑制された。
【００３３】
図４に、本発明品Ａと従来品Ｂにおけるフィラメント温度２２００Ｋで５分間点灯した後のマイクロキャビティ１１０のＳＥＭ写真を示す。図４からわかるように、従来品Ｂではマイクロキャビティ１１０が崩壊して無くなり、表面が凸凹になっていることがわかる。一方、本発明品Ａではマイクロキャビティ１１０が崩壊せずに残っていることがわかる。なお、本発明品Ａにおいて充填物質２０１は、点灯によるフィラメント温度上昇により、マイクロキャビティ１１０が形成されたフィラメントの表面をすべて覆わなくなっている。しかし、点灯によるフィラメント温度上昇によっても、マイクロキャビティ１１０の窪みの中には、充填物質２０１が充填された状態で残っていることを確認している。
【００３４】
ここで発明者は、マイクロキャビティの崩壊抑制のメカニズムを次のように考えた。
【００３５】
マイクロキャビティ崩壊の主要因は、タングステン原子の移動に起因すると推測する。実際のタングステン結晶内では、結晶格子の規則性が多少とも破れて配列の乱れが存在する。例えば、結晶の格子点にあるべき原子が欠けて空位となっている原子空孔もその一種である。この場合原子空孔は、隣接する原子の１つと位置を交換することによって移動することができる。言いかえると原子が空孔の位置へ移動すると自分の居た位置は空孔になる。次に、新たにできた空孔に隣の原子が移動する。この移動を繰り返すことにより、結晶の大きな流動となる。この原子の移動を支配する因子は２つある。その第１は原子の隣の位置に空孔が存在するかどうかということであり、第２は空孔のところへ原子が移動するエネルギー（活性化エネルギー）をもつかどうかである。これら２つの過程はともに熱エネルギーの助けによって起こる。つまり、空孔が存在し、その隣のタングステン原子が、温度上昇によって移動に必要な活性化エネルギーより大きなエネルギーをもつとその原子は移動できるようになる。特に寸法が可視波長レベル（ナノオーダー）のマイクロキャビティ自身、もしかすると、大きな原子空孔に属すると言えるかもしれない。
【００３６】
しかし、例え原子空孔が存在し、高温状態において、原子の移動による結晶の流動が起きる時でも、キャビティ（窪み構造）内の充填物資の存在により、その流動が抑制され、結果としてマイクロキャビティの崩壊を抑制できることがわかった。特に、本実施形態で用いた、Ｔａ２Ｏ５とＳｉＯ２の融点は、各々２１４３Ｋ、２００３Ｋであり、融点以下の温度では固体として、また融点以上の温度では液体として、タングステンの原子や結晶の流動を抑制するのではないかと推測する。
【００３７】
なお、本実施形態では、所定の波長よりも短い波長を透過する充填物質２０１として、タンタル酸化膜とシリコン酸化膜の金属酸化膜からなる多層膜を用いたが、これに限定されること無く、タンタル酸化膜あるいはシリコン酸化膜のいづれか１つのみでも同様な効果が期待できる。
【００３８】
また、充填物質２０１の充填量は、充填物質２０１が固体の時に、隙間や空洞が無く窪み構造を埋め尽くしている程度が好ましい。ただし、充填物質２０１が融点を超えて液体になったときに窪み構造を埋め尽くすだけの充填量があれば、充填物質２０１が固体の時に隙間や空洞が存在しても、同様な効果が期待できる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、高温においても崩壊しないマイクロキャビティを有するフィラメントを備えた高効率な電球を提供できるので、一般照明として有用である。また、高効率の電球等が要求される店舗用等の用途にも応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】発明の実施の形態１である電球の正面図
【図２】所定の波長よりも短い波長を透過する充填物質２０１が充填されたマイクロキャビティ１１０における断面図
【図３】本発明の実施の形態１において使用される減圧ＣＶＤ装置の模式図
【図４】フィラメント温度２２００Ｋでの点灯後におけるマイクロキャビティ１１０のＳＥＭ写真
【符号の説明】
【００４１】
１０１    ガラスバルブ
１０２    フィラメント
１０３    封着部
１０４，１０５    金属箔
１０６，１０７    外部リード線
１０８，１０９    ステム
１１０    マイクロキャビティ
２０１    所定の波長よりも短い波長を透過する充填物質
３０１    減圧ＣＶＤ装置の反応管
３０２    減圧ＣＶＤ装置の第１の気化器
３０３    減圧ＣＶＤ装置の第２の気化器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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