(57)【要約】    【課題】  製造が比較的容易で、多様なカットオフ波長を有するマイクロキャビティに対応できる白熱電球およびその製造方法を提供する。    【解決手段】  白熱電球は、透光性気密容器１と、いずれも高融点材料からなるフィラメント基材Ａおよび被着材Ｂを有していて、表面には複数のマイクロキャビティＭＣが形成されており、マイクロキャビティＭＣは、フィラメント基材Ａに形成され、かつ内径が開口部径より大きくて深い微小孔Ｃと、この微小孔Ｃの開口端側において微小孔Ｃに連続して被着材Ｂによって構成され、かつ開口部径が微小孔Ｃの内径より小さい開口部Ｄとを備えているとともに、透光性気密容器１内に封装されたフィラメント２とを具備している。【選択図】    図３
2007234362.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性気密容器と；
いずれも高融点材料からなるフィラメント基材およびこの基材の表面側に形成された被着材を有していて、表面には複数のマイクロキャビティが形成されており、マイクロキャビティは、被着材に形成された開口部と、この開口部に連続するようにフィラメント基材に形成され、かつ内径が開口部径より大きくて深い微小孔によって構成されているとともに、透光性気密容器内に封装されたフィラメントと；
フィラメントを所定温度に加熱する加熱手段と；
透光性気密容器内に封入された不活性ガスと；
を具備していることを特徴とする白熱電球。
【請求項２】
加熱手段は、フィラメントに添設された傍熱式ヒータであることを特徴とする請求項１記載の白熱電球。
【請求項３】
フィラメントは、片面にマイクロキャビティが形成されてなる短冊状をなした複数のフィラメント要素からなり、かつ複数のフィラメント要素がそれぞれ外側に向いたマイクロキャビティを有しているとともに管軸の周りに等配されていることを特徴とする請求項１または２記載の白熱電球。
【請求項４】
高融点材料からなるフィラメント基材の表面に所定ピッチで複数の微小孔をリソグラフィによって形成する第１の工程と；
フィラメント基材の複数の微小孔を形成した表面側の少なくとも一部に高融点材料をコーティングすることにより、微小孔に連続し、かつ開口部径が微小孔の内径より小さい開口部を有するマイクロキャビティを備えたフィラメントを形成する第２の工程と；
フィラメント、このフィラメントの加熱手段および不活性ガスを透光性気密容器の内部に配置する第３の工程と；
を具備していることを特徴とする白熱電球の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロキャビティを備えた白熱電球およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロキャビティは、John
F.Waymouthが１９８９年の「第５回光源国際シンポジウム」において、空洞量子電磁気学の理論を応用して提唱した構造で、ある放射体からの放射波長（輻射）域を制限できるような選択波長放射体のことである。
【０００３】
上記の理論を実際に応用した白熱電球は既知である（例えば、特許文献１および２などを参照。）。この白熱電球においては、タングステンなどの高融点材料に正方形や円形の開口を有するマイクロキャビティを規則的に形成することが必要となる。
【０００４】
上記選択波長放射体においては、マイクロキャビティからはカットオフ波長以上のフォトンが放出されることがなく、その放射束は黒体レベル（タングステンの１／１０）に近づくために、発光効率が高くなるとされている。その動作原理は、空洞量子電磁気学に基づいており、マイクロキャビティの開口径の２倍より大きい波長は、マイクロキャビティの内部で抑制され、それ以外の波長は放射される。したがって、マイクロキャビティのカットオフ波長を赤外域に設定して、マイクロキャビティを加熱すれば、プランクの放射則から可視光の放射が増え、発光効率が高くなるということである。
【０００５】
一例をもって具体的に説明すれば、０．３５μｍの開口径を有するマイクロキャビティであれば、波長０．７μｍ以上の赤外域は放射されず、可視光のみが放射されることになる。そこで、このマイクロキャビティを白熱電球のフィラメントとして応用した場合には、フィラメント温度が２０００〜２１００Ｋ、寿命１００００時間、発光効率６０〜８０ｌｍ／Ｗとされており、８０Ｗ一般照明用電球の白熱電球と比較すると、発光効率が４倍以上、寿命が５倍以上となる。
【０００６】
マイクロキャビティの形成は、特許文献１においては、半導体リソグラフィー技術によりのが好ましいと記載されている。また、特許文献２においては、フェムト秒レーザでマイクロキャビティを加工する旨記載されている。
【０００７】
【特許文献１】特開平０３−１０２７０１号公報
【特許文献２】特開２００４−２５９６５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、上記従来技術におけるマイクロキャビティ加工法では、実用的でないという問題がある。すなわち、特許文献１におけるように半導体リソグラフィー技術でマイクロキャビティを形成しようとすると、マイクロキャビティの開口径ごとにフォトマスクを作成する必要があり、カットオフ波長を変更しようとすると高コストになるとともに甚だ手間がかかる。また、特許文献２における場合には、フェムト秒レーザおよび高精度の移動ステージが必要になり、やはり高コストになってしまう。
【０００９】
本発明は、製造が比較的容易で、多様なカットオフ波長を有するマイクロキャビティに対応できる白熱電球およびその製造方法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】
【００１０】
本発明の白熱電球は、透光性気密容器と；いずれも高融点材料からなるフィラメント基材およびこの基材の表面側に形成された被着材を有していて、表面には複数のマイクロキャビティが形成されており、マイクロキャビティは、被着材に形成された開口部と、この開口部に連続するようにフィラメント基材に形成され、かつ内径が開口部径より大きくて深い微小孔によって構成されているとともに、透光性気密容器内に封装されたフィラメントと；を具備していることを特徴としている。
【００１１】
開口部と微小孔の内面との間は、連続的に径が変化するのが一般的であるが、所望により段階的に変化していてもよい。開口部径は、カットオフ波長を決定する上で重要であるが、微小孔の内面の径はカットオフ波長の１／２より大きくてもカットオフ波長に影響しない。また、微小孔の内面の径は、開口部径近傍を除いてマイクロキャビティの底部まで一定の径でもよいし、変化していてもよい。さらに、被着材は、マイクロキャビティの開口部だけでなく、フィラメント基材のマイクロキャビティが形成されていない部分の表面および／または微小孔の内壁面および底面に形成されていてもよい。
【００１２】
本発明において、微小孔は、後述するようにリソグラフィにより形成するのが好ましいが、レーザ加工により形成することもできる。微小孔の開口部径は、マイクロキャビティのそれより径大であるので、形成しやすい。
【００１３】
微小孔の内径より小さい開口部径を有する開口部を被着材により形成する手段は特段限定されないが、フィラメント基材の表面に高融点材料を真空蒸着やＰＶＤ（物理的気相成長法）などのコーティング法によれば、微小孔の開口端にもコーティングによって被着材が付着して開口部径を狭くするので、所望のカットオフ波長の１／２の開口部径を高精度、かつ所望に制御できるので好適である。
【００１４】
フィラメントの構成材としての高融点材料には、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、ニッケル（Ｎｉ）およびカーボン（Ｃ）などを用いることができる。なお、フィラメント基材と被着材とは同質の高融点材料を用いるのが好ましいが、所望により異なる材質の高融点材料を用いることもできる。
【００１５】
フィラメントから放射を生起させるために、フィラメントを所望温度に加熱する加熱手段が透光性気密容器の内部に配設される。なお、加熱手段は、放射が生起するようにフィラメントを加熱すればよいので、その具体的な手段は、本発明において特段限定されない。加熱手段の一例としては、フィラメント自体に通電して自己発熱するように構成してもよいし、フィラメントに添設する傍熱式ヒータであってもよい。後者の場合、フィラメントの抵抗値の如何にかかわらずフィラメントを所望温度に加熱することができる。したがって、フィラメントの抵抗値を考慮しないでもよくなるので、フィラメントの最適設計が容易になる。また、フィラメントのマイクロキャビティを形成していない背面に加熱手段を真空蒸着、スパッタリングなどのコーティング手段を用いて形成することもできる。この場合、絶縁被膜をフィラメントと加熱手段の間に介在させるのが好ましい。
【００１６】
複数のフィラメント要素を用いてフィラメントを構成することができる。この場合、フィラメントを、片面にマイクロキャビティが形成されてなる短冊状をなした複数のフィラメント要素からなり、かつ複数のフィラメント要素がそれぞれ外側に向いたマイクロキャビティを有しているとともに管軸の周りに等配されているように構成を採用することができる。この形態によれば、対称的な配光特性を得ることができる。
【００１７】
本発明の白熱電球の製造方法は、高融点材料からなるフィラメント基材の表面に所定ピッチで複数の微小孔をリソグラフィによって形成する第１の工程と；フィラメント基材の複数の微小孔を形成した表面側の少なくとも一部に高融点材料をコーティングすることにより、微小孔に連続し、かつ開口部径が微小孔の内径より小さい開口部を有するマイクロキャビティを形成したフィラメントを得る第２の工程と；フィラメント、このフィラメントの加熱手段および不活性ガスを透光性気密容器の内部に配置する第３の工程と；を具備していることを特徴としている。
【００１８】
本発明は、第１の工程においてリソグラフィによりフィラメント基材にマイクロキャビティの開口径より径大の微小孔を形成し、次に第２の工程においてフィラメント基材に被着材をコーティングして微小孔に所定の開口部径をもった開口部を形成する２段階でマイクロキャビティを形成するものである。
【００１９】
したがって、コーティング手段、例えば真空蒸着やＰＶＤ（物理的気相成長法）などのコーティング条件により所定の開口部径を設定できるので、多様な開口部径を高精度、かつ所望に設定することができる。
【発明の効果】
【００２０】
マイクロキャビティのカットオフ波長は、開口部の開口径により決定されるので、本発明においては、被着材の形成時に開口部径を所定のサイズに形成するだけで、所望のカットオフ波長を設定することができる。
【００２１】
また、本発明によれば、微小孔を形成したフィラメント基材を共通要素にして、異なるカットオフ波長のマイクロキャビティを備えたフィラメントを形成することができるので、多様な分光分布を有する白熱電球の製造が容易になる。
【００２２】
さらに、本発明によれば、製造が比較的容易で、製造設備においても比較的安価にできる白熱電球およびその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明を実施するための形態を説明する。
【００２４】
図１ないし図３は、本発明の白熱電球およびその製造方法を実施するための一形態を示し、図１は白熱電球の正面図、図２はフィラメントの模式的斜視図、図３は模式的拡大断面図および製造工程説明図である。
【００２５】
白熱電球は、透光性気密容器１、フィラメント２、加熱手段３、サポート線４ａ、４ｂおよび口金５を具備している。
【００２６】
透光性気密容器１は、所望の形状および大きさを有し、内部にアルゴンガスや窒素ガスなどの不活性ガスが封入されている。また、透光性気密容器１は、ガラス、セラミックスまたは合成樹脂などの透光性物質を成形して形成されている。なお、透光性気密容器１をガラスで形成する場合、一般照明用白熱電球におけるように既知のガラスステムを備えた構造を採用することができる。さらに、透光性気密容器１は、透明でもよいし、内面にシリカ膜を形成するなど既知の手段を用いて光拡散性にしてもよい。
【００２７】
フィラメント２は、高融点材料、例えばタングステンにより形成され、表面に複数のマイクロキャビティＭＣを備えており、図２および図３に示すような構造である。すなわち、マイクロキャビティＭＣは、フィラメント２の表面に位置する開口端２ａおよび内奥部２ｂを有する空洞部であり、開口端２ａに形成された開口部径が内奥部２ｂの径より小さくなっていて、開口部径がカットオフ波長の１／２、内奥部２ｂの径が開口部径より大きくて、深さも開口部径に比べてかなり大きい。また、隣接するマイクロキャビティＭＣとの間のピッチ間隔は開口部径に比較して十分に大きく形成されている。さらに、マイクロキャビティＭＣの開口端２ａにおける開口部の形状は、四角形や円形にすることができる。
【００２８】
また、フィラメント２は、薄板状をなしていて、図３（ｃ）のマイクロキャビティＭＣの断面図に示すように、フィラメント基材Ａおよび被着材Ｂの積層構造を備えている。フィラメント基材Ａは、予め薄い板状に成形され、さらにその一方の表面には、図３（ｂ）の微小孔Ｃの断面図に示すように、例えばリソグラフィ法によって井戸状をなす深い微小孔Ｃが形成されている。被着材Ｂは、フィラメント基材Ａの一方の表面側に真空蒸着などのコーティング手段によって薄膜状に被着される。そして、微小孔Ｃの上部に開口部径が微小孔Ｃの径より小さい開口端２ａが被着材Ｂにより形成されている。
【００２９】
以上の説明から理解できるように、最初にフィラメント基材Ａが用意され、次にフィラメント基材Ａの一方の表面に複数の微小孔Ｃが形成される。次に、微小孔Ｃが形成されたフィラメント基材Ａの上記表面に被着材Ｂが被着され、このとき微小孔Ｃの上部に所定開口部径を有する開口端２ａが形成される。そして、開口端２ａに形成される開口部径は、微小孔Ｃの径より小さくなっている。
【００３０】
加熱手段３は、フィラメント２を加熱するもので、本形態においてはフィラメント２を傍熱方式で加熱する。すなわち、図２（ａ）の正面斜視図および図２（ｂ）の背面斜視図に示すように、加熱手段３は、ヒータ３ａおよび絶縁被膜３ｂからなり、フィラメント２の背面に絶縁被膜３ｂが形成され、絶縁被膜３ｂを回転してヒータ３ａがフィラメント２の背面側に配設される。したがって、加熱手段３は、フィラメント２と一体化されている。
【００３１】
サポート線４ａ、４ｂは、一体化されたフィラメント２および加熱手段３を透光性気密容器１内の所定の位置に支持するとともに、加熱手段３に対する給電路を形成している。すなわち、サポート線４ａ、４ｂは、その一端が後述する口金５に接続し、かつ透光性気密容器１を気密に貫通する導入線（図示しない。）に接続しており、他端が加熱手段３のヒータ３ａに接続している。これによりフィラメント２および加熱手段３は支持されている。
【００３２】
口金５は、透光性気密容器１のネック部に装着され、図示しないランプソケットに取り付けられることで白熱電球を機械的に支持すると同時に電気的に電源に接続する。既知の各種形式の口金構造を適宜採用することができる。
【実施例】
【００３３】
フィラメント２：フィラメント基材がタングステン板で、長さ１０ｍｍ、幅３ｍｍ、
厚さ１ｍｍ、被着材がタングステン蒸着膜、マイクロキャビティの仕様                は以下のとおり。
【００３４】
孔径（μｍ）    ピッチ間隔（μｍ）    深さ（μｍ）
微小孔        ０．６            ０．５              １．０
開口部        ０．４            ０．７              ０．９
加熱手段３  ：ヒータ３ａがカーボン被膜、絶縁被膜３ｂがボロンナイトライド被膜
透光性気密容器、封入ガス、サポート線および口金は、一般照明用白熱電球の仕様
［比較例］
フィラメントがマイクロキャビティを備えていない以外は実施例と同じ。
実施例と比較例の発光効率は次のとおり。
【００３５】
実施例：４０ｌｍ／Ｗ
比較例：１０ｌｍ／Ｗ
図４は、本発明の白熱電球を実施するための第２の形態におけるフィラメントを示す斜視図である。なお、図１および図２と同一部分については同一符号を付して説明を省略する。
【００３６】
本形態において、フィラメント２は、複数のフィラメント要素２Ｅにより構成されている。フィラメント要素２Ｅは、図２と同様な構造を備えている。すなわち、フィラメント要素２Ｅは、片面にマイクロキャビティＭＣが形成されてなる短冊状をなしている。そして、複数、例えば４個のフィラメント要素２Ｅが、そのマイクロキャビティＭＣをそれぞれ外側に向けているとともに、管軸の周りに等配されている。なお、フィラメント要素２Ｅが２個の場合には、管軸を挟んで背中合わせに配置される。
【００３７】
また、複数のフィラメント要素２Ｅは、適当な接続態様によりサポート線４ａ、４ｂに接続されている。例えば、図２において、複数のフィラメント要素２Ｅは、互いに並列接続されている。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の白熱電球を実施するための一形態を示す正面図
【図２】同じくフィラメントの模式的斜視図
【図３】同じく模式的拡大断面図および本発明の白熱電球の製造方法における工程説明図
【図４】本発明の白熱電球を実施するための第２の形態におけるフィラメントを示す斜視図
【符号の説明】
【００３９】
１…透光性気密容器、２…フィラメント、２ａ…開口端、２ｂ…内奥部、３…加熱手段、３ａ…ヒータ、３ｂ…絶縁被膜、４ａ、４ｂ…サポート線、５…口金、Ａ…フィラメント基材、Ｂ…被着材、Ｃ…微小孔、ＭＣ…マイクロキャビティ
【図１】
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【図２】
2007234362.tif 000004
【図３】
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【図４】
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