(57)【要約】【課題】電力を可視光に変換する効率が高いフィラメントを備えた白熱電球を提供する。【解決手段】透光性気密容器と、当該透光性気密容器内に配置されたフィラメントと、フィラメントに電流を供給するためのリード線とを有する白熱電球が提供される。フィラメントは、第１の金属材料により構成された基体と、第２の金属材料により構成され、基体の少なくとも一部を被覆する金属膜とを備える。金属膜を構成する第２の金属材料の融点は、基体を構成する第１の金属材料の融点よりも低い。これにより、基体よりも融点が低い金属膜の制動放射により、大きなエネルギー（可視光）の光を放射することができるため、可視光光束効率の高い白熱電球が得られる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性気密容器と、当該透光性気密容器内に配置されたフィラメントと、前記フィラメントに電流を供給するためのリード線とを有する白熱電球であって、
前記フィラメントは、第１の金属材料により構成された基体と、第２の金属材料により構成され、前記基体の少なくとも一部を被覆する金属膜とを備え、
前記金属膜を構成する第２の金属材料の融点は、前記基体を構成する第１の金属材料の融点よりも低いことを特徴とする白熱電球。
【請求項２】
請求項１に記載の白熱電球において、前記金属膜を構成する第２の金属材料の融点は、前記リード線から電流の供給を受けて前記基体が可視光を放射する温度よりも、高いことを特徴とする白熱電球。
【請求項３】
請求項１または２に記載の白熱電球において、前記金属膜を構成する第２の金属材料は、前記リード線から電流の供給を受けて前記基体が光を放射する温度で、軟化することを特徴とする白熱電球。
【請求項４】
請求項２または３に記載の白熱電球において、前記リード線から電流の供給を受けて前記基体が光を放射する温度は、２３００Ｋ以上であることを特徴とする白熱電球。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の白熱電球において、前記金属膜を構成する第２の金属材料の融点は、２５００Ｋ以上であることを特徴とする白熱電球。
【請求項６】
請求項１に記載の白熱電球において、前記金属膜を構成する第２の金属材料は、ＴａＣ，ＺｒＣ，Ｃ，Ｗ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｉｒ，および、Ｒｕのうちのいずれかを含有することを特徴とする白熱電球。
【請求項７】
請求項１に記載の白熱電球において、前記基体を構成する第１の金属材料は、ＨｆＣ，ＴａＣ，ＺｒＣ，Ｃ，Ｗ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｉｒ，および、Ｒｕのうちのいずれかを含有することを特徴とする白熱電球。
【請求項８】
第１の金属材料により構成された基体と、第２の金属材料により構成され、前記基体の少なくとも一部を被覆する金属膜とを備え、
前記金属膜を構成する第２の金属材料の融点は、前記基体を構成する第１の金属材料の融点よりも低い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し、特に、フィラメントを用いた白熱電球ならびに熱電子放出源に関する。
【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、電球とする白熱電球が広く用いられている。白熱電球は、太陽光に近い演色性に優れた放射スペクトルが得られ、白熱電球の電力から光への変換効率は８０％以上になるが、放射光の波長成分は、図１に示すように赤外放射光成分が９０％以上である（図１の３０００Ｋの場合）。このため、白熱電球の電力から可視光への変換効率は、凡そ１５  ｌｍ／Ｗと低い値になる。一方、蛍光灯は、電力から可視光への変換効率が約９０  ｌｍ／Ｗであり、白熱電球よりも大きい。このため、白熱電球は、演色性に優れているが、環境負荷が大きいという問題がある。
【０００３】
白熱電球を高効率化・高輝度化・長寿命化する試みとして，様々な提案がなされている。例えば、特許文献１および２には、電球内部に不活性ガスやハロゲンガスを封入することにより、蒸発したフィラメント材料をハロゲン化してフィラメントに帰還させ（ハロゲンサイクル）、フィラメント温度をより高くする構成が提案されている。一般的にこれらはハロゲンランプと呼ばれている。これにより、可視光への電力変換効率の上昇およびフィラメント寿命の延長の効果が得られる。この構成では、高効率化並びに長寿命化のために、封入ガスの成分並びに圧力の制御が重要となる。
【０００４】
特許文献３−５には、電球ガラスの表面に赤外線反射コートを施し、フィラメントから放射された赤外光を反射して、フィラメントに戻し、吸収させる構成が開示されている。これにより、赤外光をフィラメントの再加熱に利用し、高効率化を図っている。
【０００５】
特許文献６−９には、フィラメント自体に微細構造体を作製し，その微細構造体の物理的効果により，赤外放射を抑制し，可視光放射の割合を高めるという構成が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６０−２５３１４６号公報
【特許文献２】特開昭６２−１０８５４号公報
【特許文献３】特開昭５９−５８７５２号公報
【特許文献４】特表昭６２−５０１１０９号公報
【特許文献５】特開２０００−１２３７９５号公報
【特許文献６】特表２００１−５１９０７９号公報
【特許文献７】特開平６−５２６３号公報
【特許文献８】特開平６−２１６７号公報
【特許文献９】特開２００６−２０５３３２号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】F.  Kusunoki  et  al.,  Jpn.  J.  Appl.  Phys.  43,  8A,  5253(2004).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら，特許文献１，２のようにハロゲンサイクルを利用する技術は、寿命延伸効果を図ることはできるが、変換効率を大きく改善することは困難である。
【０００９】
また，特許文献３−５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。また，赤外線反射コートで反射された赤外光が、フィラメント以外の他の部分，例えばフィラメント保持部分並びに口金等に吸収され，フィラメントの加熱に利用されない。このため，本技術により、変換効率を大きく改善することは困難である。
【００１０】
特許文献６−９のように微細構造により赤外放射光の抑制効果を図る技術は、非特許文献１のように赤外放射スペクトルの極一部分の波長に対して放射増強並びに抑制効果を示す報告は存在するものの、広範囲な赤外光全体に亘って赤外放射光の抑制を図ることは非常に困難である。これは、ある波長が抑制されると，別の波長は増強される性質のためである。このため、本技術を利用して大幅な効率改善を図ることは難しいと考えられている。また，微細構造作製に際して，電子ビームリソグラフィー等の高度な微細加工技術を利用するため，これを使用した光源は非常に高価なものとなる。更に，高温耐熱部材であるＷ基体上に微細構造を作り込んでも１０００℃程度の加熱温度で微細構造部分が溶融並びに破壊してしまうと言う問題も存在する。
【００１１】
本発明の目的は、電力を可視光に変換する効率が高いフィラメントを備えた白熱電球を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明によれば、透光性気密容器と、当該透光性気密容器内に配置されたフィラメントと、フィラメントに電流を供給するためのリード線とを有する白熱電球が提供される。フィラメントは、第１の金属材料により構成された基体と、第２の金属材料により構成され、基体の少なくとも一部を被覆する金属膜とを備える。金属膜を構成する第２の金属材料の融点は、基体を構成する第１の金属材料の融点よりも低い。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、基体よりも融点が低い金属膜の制動放射により、大きなエネルギー（可視光）の光を放射することができるため、可視光光束効率の高い白熱電球が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来のタングステンフィラメントの放射エネルギーの波長依存性を示すグラフ。
【図２】（ａ）および（ｂ）制動放射により放射されるエネルギーを示す説明図。
【図３】本発明のフィラメントの金属膜による制動放射を示す説明図。
【図４】具体的な実施形態のフィラメント（Ｗ基材＋Ｍｏ膜）の入力エネルギーと輝度との関係を示すグラフ。
【図５】実施形態の白熱電球の切り欠き断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の白熱電球は、透光性気密容器と、透光性気密容器内に配置されたフィラメントと、フィラメントに電流を供給するためのリード線とを有する。本発明では、フィラメントは、第１の金属材料により構成された基体と、第２の金属材料により構成され、基体の少なくとも一部を被覆する金属膜とを備える構成とする。金属膜を構成する第２の金属材料は、融点が基体を構成する第１の金属材料の融点よりも低いものを用いる。これにより、後述する制動放射の原理を利用して、フィラメントの可視光放射効率を向上させることができる。
【００１６】
金属膜を構成する第２の金属材料の融点は、リード線から電流の供給を受けて基体が可視光を放射する温度よりも、高いことが望ましい。
【００１７】
すなわち、金属膜を構成する第２の金属材料の融点は、第１の金属材料であるリード線を通電加熱して定常状態として使用するリード線温度（例えば２３００Ｋ）よりも、高いことが望ましい。
【００１８】
金属膜を構成する第２の金属材料は、リード線から電流の供給を受けて基体が光を放射する温度で、軟化することが好ましい。
【００１９】
すなわち、金属膜を構成する第２の金属材料の融点は、第１の金属材料であるリード線を通電加熱して定常状態として使用するリード線温度（例えば２３００Ｋ）で、軟化することが望ましい。
【００２０】
より具体的には，基体の構成する第１の金属材料は、例えば、リード線から電流の供給を受けて通電加熱された基体が到達する温度が２３００Ｋ以上のものを用いることができる。金属膜を構成する第２の金属材料として、例えば融点が、２５００Ｋ以上であるものを用いることができる。
【００２１】
本発明の原理を図２および図３を用いて説明する。本発明は、制動放射（電子のコンプトン散乱）の原理を利用して、可視光放射効率を向上させる。図２（ａ）に示すように、制動放射においては、電子が、熱による原子の格子振動で散乱される際に生じる運動量変化が光として放射される。原子の格子振動で散乱される前の電子の運動量をＰ、散乱後の電子の運動量をＰ’とした場合、（Ｐ’−Ｐ）のエネルギーが光放射エネルギーとなる。よって、散乱後の電子の運動量が大きいほど、光放射エネルギーも大きくなる。同じ金属材料である場合、図２（ｂ）に示すように高温時の方が、格子振動が大きくなるため、散乱後の電子の運動量Ｐ’も大きくなり、光放射エネルギーも大きくなる。すなわち、フィラメントの温度が高いほど、大きな格子振動が生じるため、高いエネルギー、すなわち波長の短い可視光波長域の光が放射される。
【００２２】
本発明では、基体よりも低融点の金属材料で構成した金属膜で基体を被覆することにより、基体と同じ温度でありながら、低融点の金属膜を軟化状態（溶融状態または液体状態）に近い状態にする。この状態では金属膜の原子は、図３のように結晶格子の位置からずれて大きく動くことができるようになる。格子から抜け出した原子の速度は、電子の速度と比較すると非常に遅いが、質量が電子の１００００倍以上あるため、電子に与える運動量変化は非常に大きくなる。よって、固体状態のフィラメントから発せられる放射よりも、基体よりも融点に近い温度の金属膜から高いエネルギーの光を放出することができるようになる。これにより、高エネルギー（可視光成分）の光を高効率で放射することができる。
【００２３】
また，基体よりも融点に近い金属膜の原子は，固体の結晶位置に存在する原子よりも，乱雑な動きをおこなうため，電子の散乱回数が多くなる。これにより、放射される光量が多くなる。
【００２４】
このように、基体よりも低融点の金属膜で基体を被覆することにより、基体のみの場合と比較して、高エネルギー（可視光成分）の光を多く発するフィラメントを提供できる。
【００２５】
フィラメントの基体そのものを低融点の金属材料で構成せず、基体上に基体よりも低融点の金属膜を配置する構成としているのは、フィラメントの基体そのものを低融点の金属材料で構成してしまうと、融点より２００−３００Ｋ低い温度で基体を構成する金属材料の軟化が始まり、十分な光量の放射を得ることができる温度（例えば２３００Ｋ）に達する前にフィラメント自体の自立が困難となり破断等が始まるからである。本発明では、基体をそれよりも低融点の金属膜で被覆することにより、十分な光量を得ることができる温度まで加熱することができ、かつ、表面の金属膜の格子振動を大きくし、可視光放射効率を向上させることができる構成を実現する。
【００２６】
基材としては、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、もしくは、これらのうちのいずれか少なくとも１つを含有する合金で、融点が２５００Ｋ以上の金属材料を用いることができる。
【００２７】
金属膜を構成する材料としては、上記基材を構成する材料として列記した金属のうちのいずれか、もしくは、これらのうちのいずれかを少なくとも１つを含有する合金であって、基材よりも融点が低いものを用いることができる。
【００２８】
例えば、一般的にフィラメント材料として用いられているＷを基材とした場合、金属膜をＲｅ，Ｏｓ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｉｒ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｖ，Ｃｒ，およびＺｒのうちのいずれかで構成することができる。また、例えば、基材をＲｅで構成した場合、金属膜をＯｓ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｉｒ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｖ，Ｃｒ，およびＺｒのうちのいずれかで構成することができる。
【００２９】
金属膜の材料は、融点が低いほど、低い温度領域においても可視光輝度並びに効率が増大する傾向を示すため望ましいが、基材を白熱電球として十分な光量を得るために必要な温度まで加熱した場合であっても、金属膜材料が白熱電球内の雰囲気において蒸発や昇華を生じないものであることが望ましい。
【００３０】
白熱電球として、実用化できる照明光束（光量）を得ようとする場合には，基材を２３００Ｋ以上の高温に加熱することが望ましいため、融点よりも２００−３００Ｋ低い温度で始まる軟化や白熱電球内の雰囲気における蒸発や昇華を考慮すると、基体および金属膜のいずれも、２５００Ｋ以上の融点を有することが好ましい。
【００３１】
金属膜の厚さは、金属膜と基材がいずれも金属で熱伝導性がほぼ変わらないことを考慮し、フィラメントとして必要な寿命が得られるように設計する。例えば，白熱電球内の真空度や封入ガス種等の反応性を考慮して金属膜の厚みを決定する。
【００３２】
金属膜の形成方法としては、基材の少なくとも一部を被覆する金属膜が形成できればどのような方法でもよく、気相成長法（蒸着やスパッタ法）、めっき（電解析出法を含む）、金属粒子をバインダーに分散させたペーストを塗布して加熱する方法等を用いることができる。
【００３３】
また、フィラメントの形状については、電流の供給を受けて必要な温度まで上昇する形状であればよい。例えば、線材、線材を巻き回した形状、ならびに、板状等の形状にすることができる。
【００３４】
＜具体的な実施形態＞
Ｗ基材をＭｏの金属膜で被覆したフィラメントの実施形態について説明する。
【００３５】
太さ２００μｍの線材形状のＷ製の基材を用意し、表面に金属膜としてＭｏ膜を厚さ１−１０μｍ，蒸着法により形成し、フィラメントを製造した。このフィラメントに電力を供給し加熱した場合の放射輝度を実験的に求めたところ、図４に示すような結果が得られた。比較例として、太さ２００μｍのＷのフィラメントについても、同様に電力を供給し加熱した場合の放射輝度を図４に示す。
【００３６】
図４のように、本実施形態のＭｏ膜で被覆したＷ基体のフィラメントは、Ｗ単体のフィラメントから生じる熱放射の略２倍の可視光輝度が得られることが分かる。より詳しくは、５００Ｗ入力時においては，本実施形態および比較のフィラメントは共に、２３００Ｋとなり、この温度での比較例のＷフィラメントの可視光光束効率は１０  ｌｍ／Ｗであるのに対して，本実施形態のＭｏ膜で被覆したＷ基体のフィラメントの可視光光束効率は、２０  ｌｍ／Ｗであった。
【００３７】
このことから、本実施形態の低融点金属膜で基体を被覆したフィラメントにより、高輝度・高効率が得られることがわかった。
【００３８】
＜白熱電球の実施形態＞
上記実施形態のフィラメントを用いた白熱電球について説明する。
【００３９】
図５に、本実施形態のフィラメントを用いた白熱電球の切り欠き断面図を示す。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。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、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金属膜の昇華並びに劣化を抑制し，寿命の延伸効果を期待することが可能となる。
【００４０】
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。
【００４１】
フィラメント３は、本発明のフィラメントであり、ここでは、線材形状のフィラメントをらせん状に巻き回した構造である。
【００４２】
フィラメント３は、上記実施形態で述べたように、基体の表面の少なくとも一部を基体よりも融点の低い金属膜で被覆している簡単な構成でありながら、可視光放射効率が高い。よって、本発明では、安価で効率のよい省エネ型照明用電球を提供することができる。
【００４３】
本実施形態では、本発明のフィラメントを白熱電球のフィラメントとして用いることを説明したが、白熱電球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。
【符号の説明】
【００４４】
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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