JPH07153435A - 電 球 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 バルブの形状に拘らず、被膜の剥離がなく効
率の向上をすることのできる電球を提供することを目的
とする。 【構成】 フィラメント２を封装したガラスバルブ１の
外面に高屈折率を示す第一の金属酸化物膜５Ｈ１〜５Ｈ
１７と低屈折率を示す第二の金属酸化物膜５Ｌ２〜５Ｌ
１８とを交互に積層して多層光干渉膜５を形成した電球
Ｌにおいて、上記第一の金属酸化物膜５Ｈ…の１つは光
学膜厚がλ／２、第二の金属酸化物膜５Ｌ…の光学膜厚
がλ／４である。 【効果】 可視光透過赤外線反射膜を円筒状のバルブは
もとより浸漬方法で影響の生じ易い非円筒状のバルブに
被膜した場合でも、被膜にクラックや剥離の発生がな
く、かつ、発光効率の向上した電球を提供できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はハロゲン電球などのガラ
スバルブの表面に、可視光透過赤外線反射作用を有する
多層光干渉膜を形成した電球に関する。

【０００２】

【従来の技術】省エネルギ化の一環として電球分野にお
いても種々の工夫がなされており、たとえばハロゲン電
球においてはバルブの表面に可視光透過赤外線反射作用
を有する多層光干渉膜を形成することによって、フィラ
メントから放射した可視光はバルブを透過させるととも
に、赤外線はこの光干渉膜で反射してフィラメントに帰
還させ、これによってフィラメントを加熱して発光効率
を高めるようにすることが知られている。

【０００３】このような可視光透過赤外線反射作用を有
する光干渉膜としては、高屈折率を示すたとえば酸化チ
タン（ＴｉＯ₂ ）膜と低屈折率を示すたとえば酸化けい
素（ＳｉＯ₂ ）膜とを交互に積層して多層化し、層数や
層の厚さを適宜選ぶことにより光の干渉を利用して、所
望の波長域の光を選択的に透過および反射させるもので
ある。

【０００４】この電球においては、膜の層数が多いほど
赤外線の反射率を高くすることができ省電力の効果も大
きい。

【０００５】一般的にはこの可視光透過赤外線反射作用
を有する光干渉膜は、いわゆるλ／４の光干渉膜でその
波長λを電球フィラメントの赤外線放射エネルギのピー
ク波長（１μ近傍）に合わせたものであり、同一膜厚の
ものを形成していく場合には成膜作業も容易で多く採用
されている。

【０００６】しかし、昨今のエネルギ事情に鑑み、さら
なる省エネルギ化とともに電球の高効率化が要望され、
光干渉膜の材質、膜層数、各層の膜厚や形成方法を選ぶ
ことによって、さらに高い品質の電球が得られるように
なってきた。また、この光干渉膜の形成方法としては、
コスト事情などから浸漬方式が多く採用されてきてい
る。

【０００７】この浸漬方式では、たとえばテトライソプ
ロピルチタネートなどの有機チタン化合物をアセチルア
セトン、ポリエチレングリコールに反応させエタノール
系の溶剤に溶かしたチタン溶液と、エチルシリケート重
合体などの有機けい素化合物を同様にしてけい素溶液と
したものを使用して多層膜を形成していた。

【０００８】しかし、このような多層膜は層数が増える
と互いの材料の熱膨脹率差による歪みにより被膜にクラ
ックや層間に剥離などを生じ、上記溶液をハロゲン電球
に塗布してたとえば図５に示す多層の被膜を形成する場
合１４層程度が限度であった。

【０００９】すなわち、図６は従来の可視光透過赤外線
反射膜を模型的に示し、バルブ１（ガラス）の表面側か
ら高屈折率を示す酸化チタン（ＴｉＯ₂ ）膜と低屈折率
を示す酸化けい素（ＳｉＯ₂ ）膜とを交互に浸漬方式に
より重層したものである。これら各膜は、バルブ１の表
面に形成した後述する緩衝膜６の上の第１層目ないし第
１３層目には高屈折率層をなす酸化チタン（ＴｉＯ₂ ）
膜５Ｈ１〜５Ｈ１３が光学膜厚λ／４で、また、第２層
目および第４層目には低屈折率層をなす酸化けい素（Ｓ
ｉＯ₂ ）膜５Ｌ２および５Ｌ４が光学膜厚λ／２、第６
層目ないし第１２層目には低屈折率層をなす酸化けい素
（ＳｉＯ₂ ）膜５Ｌ６〜５Ｌ１２が光学膜厚λ／４、第
１４層目の最外層には低屈折率層をなす酸化けい素（Ｓ
ｉＯ₂ ）膜５Ｌ１４が光学膜厚λ／８で形成してある。

【００１０】なお、上記の緩衝膜６はバルブ１を形成す
る石英ガラスと高屈折率層をなす酸化チタン（Ｔｉ
Ｏ₂ ）との中間の熱膨張率を有する光学膜厚がλ／８の
酸化けい素（ＳｉＯ₂ ）膜で、屈折率がバルブ１のガラ
スと近似し、光学膜厚が対象光の波長の１／４より小さ
くて、光干渉膜の光学特性を変化することなく熱膨張率
差による歪みを緩和させるものである。

【００１１】上記浸漬による被膜形成で低屈折率層を構
成する酸化けい素（ＳｉＯ₂ ）膜５Ｌ…は、一回の浸漬
によって形成できる膜厚には限界があり、上記第２層目
の被膜５Ｌ２および第４層目の被膜５Ｌ４のλ／２膜を
作るには、λ／４膜を２回重層して形成することを要す
る。

【００１２】しかし、この酸化けい素（ＳｉＯ₂ ）膜は
圧縮性の真性応力（膜の形成方法に依存した膜の微細構
造による応力）が強く（文献によれば４０〜６０メガパ
スカル）、層数が多くになるにつれてその歪みが積み重
ねられ、膜強度（膜内界面）を越えると膜中の欠陥部を
起点にクラックが発生し、さらにクラックが浮き上がる
ようになって剥離が発生する。酸化けい素（ＳｉＯ₂ ）
膜５Ｌ…の真性応力は、浸漬塗布回数に依存するため、
重層する被膜は１４層程度が限界である。

【００１３】特に、回転楕円体状などの複雑曲面形のバ
ルブや、曲率が小さく異方性の大きい非円筒状のバルブ
では、センター中心から多少ずれた部分を中心として被
膜にクラックや剥離が発生し始め、円筒状のバルブより
影響がで易い。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は浸漬方式の膜
厚限界などを考慮し、円筒状のバルブはもとより浸漬方
法で影響ので易い非円筒状のバルブに被膜した場合で
も、被膜の剥離がなく効率の向上をすることのできるハ
ロゲン電球を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に記載
の電球は、フィラメントを封装したガラスバルブの外面
に高屈折率を示す第一の金属酸化物膜と低屈折率を示す
第二の金属酸化物膜とを交互に積層して多層光干渉膜を
形成した電球において、上記第一の金属酸化物膜の１つ
は光学膜厚がλ／２、第二の金属酸化物膜の光学膜厚が
λ／４てあることを特徴としている。

【００１６】本発明の請求項２に記載の電球は、多層光
干渉膜の最外層の光学膜厚がλ／８であることを特徴と
している。

【００１７】本発明の請求項３に記載の電球は、バルブ
が円筒状であることを特徴としている。

【００１８】本発明の請求項４に記載の電球は、バルブ
が非円筒状であることを特徴としている。

【００１９】本発明の請求項５に記載の電球は、ハロゲ
ンが封入されていることを特徴としている。

【００２０】

【作用】可視光透過赤外線反射膜を形成する酸化けい素
（ＳｉＯ₂ ）膜は圧縮応力が強いことから各層の膜厚を
同じにし、引張応力の強い酸化チタン（ＴｉＯ₂ ）膜側
の膜厚を厚膜とすることによって両膜の応力を緩和し、
引張応力が低減されて被膜層数を増加しても被膜にクラ
ックが入りにくくクラックや剥離の発生がなく、かつ、
可視光の透過率が高いとともに赤外線の反射率も高く発
光効率が向上できる。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図１はハロゲン電球Ｌを示し図中１は石英ガラス
からなる円筒状をしたバルブで、このバルブ１の内部に
はフィラメント２とハロゲン化合物およびアルゴンなど
の不活性ガスが封入してある。このフィラメント２は内
部導線３ａ，３ｂおよびアンカ４に支持され、バルブ１
の中心軸に沿って配設されている。なお、７はバルブ１
の端部に接合された口金である。

【００２２】また、５はフィラメント２が配設されてい
る部分と対応するバルブ１外表面の緩衝膜６上に形成さ
れた多層光干渉膜からなる可視光透過赤外線反射膜であ
る。この可視光透過赤外線反射膜５（以下、赤反膜と称
する。）は図２に模型的に示すように、バルブ１（ガラ
ス）の外表面の緩衝膜６上から高屈折率を示すたとえば
酸化チタン（ＴｉＯ₂ ）からなる第一の金属酸化物膜５
Ｈ…と低屈折率を示すたとえば酸化けい素（ＳｉＯ₂ ）
からなる第二の金属酸化物膜５Ｌ…とが交互に重層して
全部でたとえば１８層形成したものである。

【００２３】これら各層の光学膜厚は緩衝膜６の表面に
形成した高屈折率層をなす酸化チタン（ＴｉＯ₂ ）膜
（５Ｈ１〜５Ｈ１７の奇数番）を第１層目５Ｈ１として
たとえば第９層目５Ｈ９までをλ／２、第１１層目５Ｈ
１１から第１７層目５Ｈ１７までをλ／４で、また、低
屈折率層をなす酸化けい素（ＳｉＯ₂ ）膜（５Ｌ２〜５
Ｌ１８偶数番）を第２層目５Ｌ２から第１６層目までを
λ／４、最外層の第１８層目をλ／８としてある。

【００２４】そして、上記のような赤反膜５および緩衝
膜６を形成するには、まず、バルブ１内にフィラメント
２を封装して排気し、ハロゲンおよび不活性ガスなどを
封入した電球を用意する。また別途に、たとえばテトラ
イソプロピルチタネートなどの有機チタン化合物をアセ
チルアセトン、ポリエチレングリコールに反応させエタ
ノール系の溶剤に溶かしたチタン含有量が２〜１０重量
％、粘度約２．０ｃｐｓに調整したチタン溶液と、エチ
ルシリケート重合体などの有機けい素化合物を有機溶剤
に溶かし、けい素含有量が２〜１０重量％、粘度約１．
０ｃｐｓに調整したけい素溶液とを用意する。

【００２５】まず、上記電球のバルブ１を、恒温恒湿の
雰囲気中で上記のけい素溶液中に浸漬して所定速度で引
き上げ、乾燥後空気中約７００℃で１０分間焼成して酸
化けい素（ＳｉＯ₂ ）膜からなる光学膜厚がλ／８の緩
衝膜６を形成する。

【００２６】つぎに、この緩衝膜６を形成したバルブ１
を恒温恒湿の雰囲気中で上記のチタン溶液中に浸漬して
所定速度で引き上げ、乾燥後空気中約７００℃で１０分
間焼成して第１層目の酸化チタン（ＴｉＯ₂ ）膜５Ｈ１
からなる高屈折率層を形成する。

【００２７】つぎに、この第１層目の酸化チタン（Ｔｉ
Ｏ₂ ）膜５Ｈ１を形成したバルブ１を恒温恒湿の雰囲気
中で上記のけい素溶液中に浸漬して所定速度で引き上
げ、乾燥後空気中約７００℃で１０分間焼成して第２層
目の酸化けい素（ＳｉＯ₂ ）膜からなる低屈折率層５Ｌ
２を形成する。

【００２８】このようにして、酸化チタン（ＴｉＯ₂ ）
膜５Ｈ…からなる高屈折率層と酸化けい素（ＳｉＯ₂ ）
膜５Ｌ…からなる低屈折率層とを交互に形成して１８層
（５Ｈ１，５Ｌ２，〜５Ｈ１７，５Ｌ１８）を積層す
る。

【００２９】上記浸漬による被膜形成では一回の浸漬に
よって形成できる膜厚には限界があり、λ／２膜を作る
にはλ／４膜を２回重層形成することを要する。

【００３０】前述したように低屈折率層を構成する酸化
けい素（ＳｉＯ₂ ）膜５Ｌ…は、強い圧縮性の真性応力
を有し、λ／２膜を作るに際しλ／４膜を２回重層形成
すると被膜にクラックや剥離が発生し易かった。

【００３１】これに対し本発明では、酸化けい素（Ｓｉ
Ｏ₂ ）膜５Ｌ…の塗布回数を少なくして、かつ、浸漬方
式による酸化チタン（ＴｉＯ₂ ）膜５Ｈ…の被膜形成は
弱いながら（酸化けい素（ＳｉＯ₂ ）膜の１／１０以
下）酸化けい素（ＳｉＯ₂ ）膜５Ｌ…の逆の引張応力を
有しているため、酸化チタン（ＴｉＯ₂ ）の塗布回数が
多いほど膜全体の応力が緩和され均衡してクラックや剥
離の発生がなく、層数を増加することができる。上記と
同じ溶液を使用して酸化チタン（ＴｉＯ₂ ）膜のλ／２
を５回以上形成して１８層の塗布も可能であった。

【００３２】このような構成の電球Ｌを点灯すると、バ
ルブ１の中心軸上に配設したフィラメント２は発熱して
可視光とともに大量の赤外線を放射し、フィラメント２
から放射した光のうち可視光はバルブ１および赤反膜５
を透過してバルブ１外方へと放射される。また、フィラ
メント２から放射した赤外線は赤反膜５で反射されてフ
ィラメント２に戻り、フィラメント２を加熱して発光を
より高くし、この結果フィラメント２からの可視光放射
が増して、発光効率が向上できた。

【００３３】なお、上記本発明品で重層する被膜の層数
を上述の従来と同じ１４層とした場合は、従来品の電球
より約１０％ほど発光効率は低下したが、被膜層数を１
８層としても剥離することなく強固な被膜で、かつ、発
光効率を赤反膜５を形成しない電球に比べ従来被膜品が
約２５％の向上に対し、本発明被膜品は従来被膜品を上
回る約３４％の向上をみることができた。

【００３４】つぎに、本発明品と従来品との光学特性を
図３のグラフに示す。図３において横軸は波長（ｎ
ｍ）、縦軸は光透過率（％）で、曲線Ａは本発明品、曲
線Ｂは従来品の光透過率・スペクトル特性をそれぞれ示
す。

【００３５】この図３から明らかなように、本発明の電
球に適用した赤反膜は可視光域では従来品とほぼ同じで
あるが、赤外線域（１０００ｎｍ以上）では透過率が低
下し赤外線反射率が高くなって、フィラメントが加熱さ
れるので発光効率が向上できたものである。

【００３６】また、赤反膜５を上記全１８層で構成する
場合、上記高屈折率を示す酸化チタン（ＴｉＯ₂ ）５Ｈ
…膜のうち光学膜厚をλ／２とする層数を種々変えて効
率の変化を調べたところ図４に示すような結果を得た。
図４において横軸はλ／２の層数を、縦軸は発光効率
（Ｌｍ／Ｗ）の向上率（赤反膜を形成しない電球の効率
を０％として）をとった。図から明らかなようにλ／２
層を形成することによって発光効率（Ｌｍ／Ｗ）は向上
し、全１８層では５層の場合が最もよかったが、発明者
の実験では全体の層数を増やしていくにしたがい、λ／
２の層数を増加する必要があり、増加した方が効率の向
上ができることを確認した。また、このλ／２層を最外
層側に形成するとそれまでの応力が蓄積され、膜の乱れ
が多くなっていてその上に厚目の被膜を形成すると剥離
が発生するので、λ／２層はバルブに近い側にすなわち
第１層側に形成した方がよい。

【００３７】なお，本発明は上記実施例に限定されな
い。たとえば、上記の可視光透過赤外線反射膜を構成す
る高屈折率層と低屈折率層およびλ／２層の層数は上記
実施例の全層数が１８層およびλ／２層が５層に限定さ
れるものではない。

【００３８】また、高屈折率を示す第一金属酸化物膜の
材料としては酸化チタン（ＴｉＯ₂）に限らず、酸化タ
ンタル（Ｔａ₂ Ｏ₅ ）、酸化ジルコニエム（Ｚｒ
Ｏ₂ ）、酸化亜鉛（ＺｎＳ）などでも、また、低屈折率
を示す第二金属酸化物膜の材料としては酸化けい素（Ｓ
ｉＯ₂ ）に限らず、ふっ化マグネシウム（ＭｇＦ）など
でもよい。

【００３９】また、上記実施例では予めバルブの外表面
に緩衝膜を形成したものについて説明したが、緩衝膜は
必須のものではなく、互いの材質に熱膨張率差が小さい
ものでは必要ない。

【００４０】また、電球はバルブの一端に封止部を形成
した投光用ハロゲン電球に限らず、他の用途やハロゲン
を封入していない種類の電球でもよく、このような電球
は光・熱反射膜やダイクロイック膜などの可視光反射赤
外線透過膜が形成された反射鏡内や各種の照明器具内に
装着され使用される。また、封止部がバルブの両端部に
設けてある両口金形の電球であってもよい。

【００４１】さらに、バルブのガラス材質は石英ガラス
に限らず、所要の透光性と光屈折率と耐熱性を併有する
ものであれば他の硬質や軟質のガラス材質であってもよ
い。さらにまた、本発明は上記円筒形状のバルブ１を用
いた電球Ｌに限らず、図５に示すような回転楕円形状や
球形状などをなす非円筒形状のバルブ１を用いた電球で
あってもよく、このような曲面を有するバルブ１への被
膜の形成は溶液に浸漬したバルブ１の引上げ速度を曲面
の状態に応じて変化させ膜厚を調整するようにしても差
支えない。

【００４２】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、多
重光干渉膜（可視光透過赤外線反射膜）を円筒状のバル
ブはもとより浸漬方法で影響の生じ易い非円筒状のバル
ブに被膜した場合でも応力が緩和され、被膜にクラック
や剥離の発生がなく、かつ、発光効率の向上した電球を
提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す投光用ハロゲン電球の正
面図である。

【図２】図１の可視光透過赤外線反射膜部分を示す拡大
断面図である。

【図３】波長と光透過率との関係を示すグラフである。

【図４】高屈折率層をなす光学膜厚がλ／２層の層数と
効率との関係を対比して示すグラフである。

【図５】本発明の他の実施例を示すハロゲン電球の正面
図である。

【図６】従来品の可視光透過赤外線反射膜部分を示す拡
大断面図である。

【符号の説明】 Ｌ：電球 １：ガラスバルブ ２：フィラメント ５：多層光干渉膜（可視光透過赤外線反射膜） ５Ｈ１〜５Ｈ１７：第一の金属酸化物膜（高屈折率層） ５Ｌ２〜５Ｌ１８：第二の金属酸化物膜（低屈折率層） ６：緩衝膜

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 フィラメントを封装したガラスバルブの
   外面に高屈折率を示す第一の金属酸化物膜と低屈折率を
   示す第二の金属酸化物膜とを交互に積層して多層光干渉
   膜を形成した電球において、上記第一の金属酸化物膜の
   １つは光学膜厚がλ／２、第二の金属酸化物膜の光学膜
   厚がλ／４てあることを特徴とする電球。
2. 【請求項２】 上記多層光干渉膜の最外層の光学膜厚が
   λ／８であることを特徴とする請求項１に記載の電球。
3. 【請求項３】 上記バルブが円筒状であることを特徴と
   する請求項１に記載の電球。
4. 【請求項４】 上記バルブが非円筒状であることを特徴
   とする請求項１に記載の電球。
5. 【請求項５】 上記電球はハロゲンが封入されているこ
   とを特徴とする請求項１ないし請求項４に記載の電球。