JPH03208253A - 光干渉膜およびこれを用いた管球 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明は、酸化チタンのアナターゼまたはルチルあるい
はこれら両者の結晶系からなる高屈折率層の光干渉膜お
よびこれを用いた管球に関する。

（従来の技術） 例えばハロゲン電球は、石英ガラスからなるバルブにフ
ィラメントを収容し、このバルブ内にハロゲンガスを封
入して構成されている。

最近、この種ハロゲン電球のランプ効率を向上させるた
め、バルブの内外いづれかの表面に、酸化チタン（　Ｔ
　ｉ　Ｏ　２　）と酸化ケイ素（　Ｓ　ｒ　Ｏ　２　）
の誘電体多層膜からなる光干渉膜を形成したランプが提
案されている。

このような光干渉膜は例えば可視光透過赤外線反射膜と
して作用し、フィラメントから放出される可視光を透過
するが、赤外線はこの光干渉膜、すなわちこの赤外線反
射膜で反射し、この反射された赤外線をフィラメントに
戻し、これによりフィラメントを再加熱してランプ効率
を１５〜３５％も向上させることが可能になる。

上記可視光透過赤外線反射膜として機能する光干渉膜は
、高屈折率の金属酸化物と低屈折率の金属酸化物とを交
互に重層し、例えば合計９〜１２層の多層膜として構成
されているもので、上記高屈折率の金属酸化物として透
過率および屈折率などの光学的特性に優れかつ耐熱性に
も優れた酸化チタン（Ｔ　ｉ　Ｏ２）が用いられ、また
低屈折率の金属酸化物として光学的特性および耐熱性に
優れた酸化ケイ素（５１０２）が使用されている。

一方、上記のような光干渉膜は、高屈折率の金属酸化物
と低屈折率の金属酸化物との組み合わせを選択すること
により、上記赤外線反射機能のほかに、不必要な光を反
射させ、必要な光のみを選択的に透過させる光干渉フィ
ルターとして使用することもできる。

このような赤外線反射膜およびは光選択光干膜において
は、光学的特性の一層の向上が求められている。光学的
特性を向上させるには、高屈折率層と低屈折率層との屈
折率差を大きくすればよいことが知られており、したが
って光学的特性を向上させるため上記高屈折率の光干渉
膜として機能する酸化チタン（　Ｔ　ｉ０　２　）膜の
所望波長の屈折率および透過率を高めることが望まれる
。

従来における酸化チタン（　Ｔ　１　０　２　）からな
る高屈折率層は、主成分が非品質であり、これに酸化チ
タンのアナターゼ結晶が一部混在された結晶系をなして
いた。

しかしながら、このような高屈折率層では、屈折率およ
び透過率の向上を大きく望めない不具合がある。

そこで、本発明者等は種々の検討や実験を繰り返して研
究した結果、高屈折率層を酸化チタン（　Ｔ　ｉ　Ｏ　
２　）のアナターゼまたはルチルあるいはこれら両者の
結晶系を有する薄膜で形成すれば耐熱性が得られ、かつ
多層化しても剥離性を低下させることなく、屈折率およ
び透過率を向上させることができることを見出だした。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、アナターゼまたはルチルあるいはこれら
両者の結晶系の酸化チタンからなる薄膜は、結晶粒構造
をもちやすく、結晶粒相互の集合で被膜を形成すること
になるので、微視的に見れば結晶粒相互間に隙間が生じ
やすく、この隙間により光が拡散されて可視光の透過率
が低くなる場合があり、また結晶粒相互の接触面積が小
さくなって剥れ易くなり、多層化ができなくなる場合も
ある。

本発明においては、屈折率および透過率が高くなるとと
もに、機械的強度（非剥離性）が向上する光干渉膜およ
びこれを用いた管球を提供しようとするものである。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の１番目は、光を透過または反射する基体の表面
に形成され酸化チタンのアナターゼまたはルチルあるい
はこれら両者の結晶系を有する薄膜により形成された光
干渉膜において、上記酸化チタンの結晶粒径を１４００
入以下とし、かつ膜厚方向の気孔率を３０％以下にした
ことを特徴とする。

本発明の２番目は、光を透過または反射する基体の表面
に高屈折率の金属酸化物と低屈折率の金属酸化物とを交
互に重層して形成され、上記高屈折率の金属酸化物層は
酸化チタンのアナターゼまたはルチルあるいはこれら両
者の結晶系を有する薄膜により形成された光干渉膜にお
いて、上記酸化チタンからなる高屈折率層は、結晶粒径
を１４００λ以下とし、かつ膜厚方向の気孔率を３０％
以下にしたことを特徴とする。

本発明の３番目は、透光性バルブの表面に酸化チタンの
アナターゼまたはルチルあるいはこれら両者の結晶系を
有する薄膜により形成された光干渉膜を備えた管球にお
いて、上記酸化チタンの結晶粒径を１４００λ以下とし
、かつ膜厚方向の気孔率を３０％以下にしたことを特徴
とする。

さらに本発明の４番目は、透光性バルブの表面に高屈折
率の金属酸化物と低屈折率の金属酸化物とを交互に重層
して光干渉膜を形成し、上記高屈折率の金属酸化物層は
酸化チタンのアナターゼまたはルチルあるいはこれら両
者の結晶系を有する薄膜により形成した管球において、
上記酸化チタンからなる高屈折率層は、結晶粒径を１４
００λ以下とし、かつ膜厚方向の気孔率を３０％以下に
したことを特徴とする。

（作用） 上記のいづれの発明も、酸化チタンの薄膜をルチルまた
はアナターゼあるいはこれら両者の結晶系としたから屈
折率および透過率を向上させることができ、特に酸化チ
タンの結晶粒径を１４００Ｊ以下にするとともに、膜厚
方向の気孔率を３０％以下にしたから透過率が向上し、
かつ膜の結着力が大きくなり剥離が防止される。

（実施例） 以下本発明について、第１図ないし第４図に示す一実施
例にもとづき説明する。

図はスタジオ用ハロゲン電球を示し、１は透明な石英ガ
ラスからなるバルブであり、直管形をなしている。

バルブ１の両端部には圧潰封止部２、２が形成され、こ
れら封止部２、２にはモリブデンなどからなる金属箔導
体３、３が封着されている。これら金属箔導体３、３に
は、内部導入線４、４が接続されており、これら内部導
入線４、４間にはタングステンなどからなるフィラメン
ト５が架設されている。フィラメント５は、複数のアン
カー６．，．によりバルブ１の軸線上に位置されるよう
に保持されている。

上記金属箔導体３、３には外部導入線７、７が接続され
ており、これら外部導入線７、７は電源に接続されるよ
うになっている。

そして、バルブ１内には所定圧の例えばクリブトンガス
と、ハロゲンが封入されている。

このようなバルブ１の外面には光干渉膜が形成されてい
る。本実施例の光干渉膜は可視光透過赤外線反射膜８で
あり、この可視光透過赤外線反射膜８は、第２図に示す
ように、高屈折率層８１と低屈折率層８２を交互に重層
し、例えば合計９〜１２層の誘電体多層膜として構成さ
れている。

高屈折率層８１は酸化チタン（Ｔ　ｆ　０２　）により
形戊されているとともに、低屈折率層８２は酸化ケイ素
（Ｓｉ０２）により形成されている。

上記高屈折率層８１の酸化チタンは、アナターゼまたは
ルチルあるいはこれら両者が混在した結晶形態をなして
おり、かつこの酸化チタンの結Ａ粒径は１００〜１４０
０λとされており、平均粒径は５００〜１０００λとな
っている。

そして、上記酸化チタンの高屈折率層８１は結晶粒の集
合体によって形成されているため、各結晶粒間に隙間が
発生し、この隙間が大きくなると光が拡散して透過率が
低下し、しかも結晶粒間の接触面積が小さくなるので剥
離を生じ易くなる心配がある。これを防止するため、膜
厚方向の断面で見た場合の酸化チタン層の気孔率ρが３
０％以下となるように規制してある。

ここで気孔率ρを定義すれば、気孔率ρとは酸化チタン
層を任意の部分で膜厚方向に切断した断面における酸化
チタン層が占める断面積Ｂと、酸化チタン層中で発生し
た空隙部分（基体と酸化チタン層との間の空隙も含む）
の断面積Ａとの比（Ａ／　（Ａ＋Ｂ））をいう。

このように気孔率ρを低くするためには、酸化チタンの
結晶粒の大きさと結晶粒の形状が関与し、結晶の粒径を
１００〜１４００λとし、かつ結晶粒の形状は丸みを帯
びた球または球に近い多角形であることが好ましい。こ
のようにすると、空間が埋まるので、光透過率が向上し
、しかも結晶粒間の接触面積が大きくなるので剥離し難
くなる。

このような可視光透過赤外線反射膜８は以下の方法によ
り作ることができる。

すなわち、通常、赤外線反射膜８のコーティング方法と
しては、真空蒸着注、ＣＶＤ法、スパッタリング法、有
機金属浸漬焼成法などがある。これらのうち有機金属浸
漬焼成広はバルブを有機金属化合物溶液に浸漬し、一定
速度で引上げ、これを乾燥、焼成するれば形成されるの
で工程が少なく、容易に形成することができる。

この有機金属浸漬焼成法を用いた具体例を以下に説明す
る。

有機金属溶渣として、例えばチタンアルコキシドとグリ
コールとの反応生成物を含有する有機溶剤溶液からなる
酸化チタン薄膜形或用組成物を用いる。さらに詳述する
と、上記チタンアルコ午シドは、例えばテトラメトキシ
チタン、テトラエトキシチタン、テトライソプロボキシ
チタン等のモノマー　またはこれらのモノマーを部分加
水分解縮重合して得られるポリマー　もしくはこれらモ
ノマーとポリマーの混合物が使用され、またグリコール
としては例えばジエチレングリコール等のアルキレング
リコールが用いられる。

そして、チタン含有量を２〜３％としたテトライソブロ
ピルチタネートを主成分とするチタン化合物を酢酸エス
テルに混合した溶戒を粘度が約１．Ｏｃｐｓに調整して
所定の恒温、恒湿の雰囲気に置く。

この溶液に、予めエチルアルコールで洗浄したバルブ１
を浸漬し、これを例えば３０ｃ■／ｓｉｎの速度で溶戒
から引上げてバルブ１の外面にチタン化合物溶戒を付着
させ、これを乾燥させる。

次ぎに、このバルブ１を９００℃で約１０分間焼成する
ことにより、上記バルブ１の外面に塗布されたチタン化
合物を酸化チタンに転化させる。

これにより酸化チタン（　Ｔ　１　０　２）からなる高
屈折率層８１が形成される。

次キに、アルコキシシランなどの有機ケイ素化合物に水
を反応させてアルコキシシラン縮合体溶液を作り、これ
に添加剤を加え、所定の濃度と粘度を有するシリコン液
を作る。

上記高屈折率層８１を形成したバルブ１を上記シリコン
液に浸漬し、これを所定の速度で引上げてバルブ１の外
面にシリコン液を付着させる。このバルブ１を乾燥後、
所定の温度で焼成することにより、酸化ケイ素（Ｓ　ｆ
　Ｏ，　）からなる低屈折率層８２が形成される。

このような工程を交互に複数回繰り返すことにより、高
屈折率層８１と低屈折率層８２が交互に重層された多層
構造の可視光透過赤外線反射膜８が形成される。

しかして、高屈折率層８１は、上記チタン化合物を塗布
して９００℃で約１０分間焼成した場合に、酸化チタン
がルチルまたはアナターゼの結晶形態となり、しかも酸
化チタンの結晶粒径は最大１４００λにとどまり、平均
粒径が５００〜１０００入となる。

この結晶構造を第３図および第４図に示す。

このようなハロゲン電球の作用を説明する。

このランプを点灯すると、フィラメント６が発光し、こ
の光はバルブ１壁を透過し、可視光透過赤外線反射膜８
に入る。この人射光のうち、赤外線は可視光透過赤外線
反射膜８で反射されフィラメント６に戻される。このた
めフィラメント６は上記反射された赤外線で再び加熱さ
れることになるので、消費電力は少なくてすみ、発光効
率が向上する。

また、可視光はこの可視光透過赤外線反射膜８を透過し
て外部に放出される。

この場合、本発明に係わる酸化チタン （　Ｔ　ｉＯ　２　）からなる高屈折率層８１は、アナ
タゼまたはルチルあるいはこれらが混合した結晶形態と
なっており、しかも酸化チタンの結晶粒径は最大１４０
０入であり、平均粒径５００〜１０００λとなっている
。そして、第４図に示す膜厚方向の断面写真からも判る
ように、酸化チタン層の気孔率ρは約１０％と低くなっ
ており、空間が埋まって結晶粒の充填割合が高くなって
おり、このため光透過率および屈折率が向上し、しかも
結晶粒間の接触面積が大きくなるので機械的強度（非剥
離性）が向上する。

なお、酸化チタン層における空隙は、存在しない方が望
ましいが、本発明者等の実験によれば、気孔率ρは数箇
所で測定した値の平均が３０％以下であれば光透過率お
よび屈折率が向上し、基体に対する付着強度の点でも問
題がなかった。

上記酸化チタン（Ｔｉｅ２）からなる高屈折率層８］の
構造について、本発明者らが実験した結果について説明
する。

前述したように、酸化チタン（　Ｔ　ｉ　０　２　）か
らなる高屈折率層８１は、上記チタン化合物を酢酸エス
テルを主成分とする有機溶媒に混合した溶液を用いて９
００℃で約１０分間焼成したものであるが、この焼成温
度を種々変えてみると、結晶形態が異なり、かつ結晶粒
径も異なり、その結果透過率および屈折率が変化するこ
とが判った。

その実験データを下記第１表に示す。

第　　１　　表 上記第１表から理解できるように、焼成温度を約５５０
℃以上としたものは、屈折率が２．１以上となり、透過
率は９０％以上となって良好な光学特性が得られている
。

焼成温度の上昇と共に屈折率は漸増するが、５５０℃を
越えると結晶形態がアモルファスからアナターゼに変化
し、約９００℃を越えるとルチルの結晶粒が多くみられ
るようになる。

約５５０℃以下では酸化チタン（　Ｔ　ｉ　Ｏ　２　）
の結晶粒は電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観測されないが、焼
成温度が上昇するにしたがって結晶粒は大きくなり、こ
れに伴い屈折率は増加する。９ｏ○℃で酸化チタンの結
晶はアナターゼおよびルチル形態になり、第３図および
第４図で示す電子顕微鏡写真のように、結晶粒の平均径
は５００〜１０００人で、しかも粒が揃い、角が取れた
比較的球形に近い形状となっている。

９００℃を越えると、酸化チタンの結晶粒径が１４００
λを越えるようになり、結晶粒の急激な成長が生じて白
濁化がみられ、したがって透過率が極端に低下する。

このようなことから、高屈折率および高透過率を得るに
は、酸化チタンの結晶は、結晶粒径が１４００λ以下で
あることが要求され、さらに好ましくは５００〜１００
０入にすると良い。

そして、結晶粒径を１４００入以下にすれば、結晶粒の
大きさが比較的小さいので結晶粒間の接触面積が大きく
なり、高屈折率層８１の結着力および接触力が高くなり
、剥離が少なくなる利点もある。

なお、原材料の組成などにより結晶粒径が１４００λを
超えるものが希に発生するが、特性に影響のない微小数
の場合は問題がない。

また、焼成温度を９００℃以下に止めると、上記結晶径
を１４００Ａ以下にすることができると同時に、膜厚方
向の気孔率ρを３０％以下とすることができ、膜層内の
空間が埋まる。つまり、気孔率ρが低くなるので、光透
過性が良くなるとともに膜厚方向に必ず結晶粒が存在す
るから結晶粒の剥れも少なくなる。

なお、上記の可視光透過赤外線反射膜８は、その高屈折
率層８１が９００℃を越えると酸化チタンの結晶粒が成
長して結晶粒が１４００λを越えるから、点灯中におい
てもバルブ１の壁温度を９００℃以下に抑制しないと、
結晶粒が成長する恐れがある。

点灯中のバルブ壁温度を９００℃以下にすることについ
て実験した結果を下記第２表に示す。

この実験は、バルブ１を加熱する前と、加熱した後とで
透過率がどのように変化するかを調べたものである。

第２表 上記第２表の結果から、上記実施例のハロゲン電球はバ
ルブ１の壁温度を９００℃以下の条件で使用することが
必要となる。

なお、本発明は、上記実施例に示されたハロゲン電球に
制約されるものではない。

すなわち、上記実施例のハロゲン電球は、バルブ１の外
面に酸化チタンよりなる高屈折率層８１と酸化ケイ素よ
りなる低屈折率層８２を交互に重層して可視光透過赤外
線反射膜８を形成した場合を説明した。これは本発明の
４番目に相当するものであるか、本発明はこれに限らず
、１番目ないし３番目の発明の場急にも適用可能である
。

本発明における３番目は、酸化チタンによって形成され
たただ１層の光干渉膜であってもよく、この場合も酸化
チタンの薄膜は、ルチルまたはアナターゼの結晶形態を
なし、かつ酸化チタンの結晶粒径は１４００λ以下であ
ることが必要であり、酸化チタンの薄膜の気孔率ρは３
０％以下を必要とする。

また、本発明の３番目および４番目は、ハロゲン電球に
制限されるものではなく、通常の白熱電球であってもよ
く、かつバルブの形態も片側封止タイプであってもよい
。　そして、光干渉膜は可視光透過赤外線反射膜に制限
されるものではなく、選択透過膜であってもよい。

さらに、本発明における１番目および２番目は、管球の
バルブに制約されるものではなく、第５図および第６図
に示すように、例えば板ガラス３０からなる基体に酸化
チタンからなる先干渉膜３〕を形或したものであっても
よく、このような場合には光干渉膜を保護膜や紫外線吸
収膜などに適用することもできる。

その他図示しないが、反射面を備えた金属よりなる基体
に上記と同様の酸化チタンからなる光干渉膜を形成した
ものなどでも実施可能である。

［発明の効果コ 以上説明したように本発明によれば、いづれの発明も、
酸化チタン（ＴｉＯ２）からなる光干渉層は、ルチルま
たはアナターゼあるいはこれらの結晶形態となっており
、しかも酸化チタンの結晶粒径は最大］．　４　０　０
λであり、膜厚方向の気孔率ρを３０％以下としたので
、光透過率および屈折率が向上し、しかも結晶粒間の接
触面積が大きくなるので機械的強度（非剥離性）が向上
する。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図は本発明の一実施例を示し、第１図
はハロゲン電球の断面図、第２図はバルブ壁部の可視光
透過赤外線反射膜を示す断面図、第３図はその高屈折率
層を形成する酸化チタン層の表面の結晶構造を示す電子
顕微鏡写真、第４図は上記高屈折率層を形成する酸化チ
タン層の断面の結晶構造を示す電チ顕微鏡写真、第５図
は本発明の他の実施例を示す板ガラスの正面図、第６図
はその光干渉膜を示す断面図である。 １・・・バルブ、５・・・フィラメント、８・・・可視
光透過赤外線反射膜、８１・・・高屈折率層、８２・・
・低屈折率層、 ３０・・・板ガラス、３１・・・光干渉膜。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）光を透過または反射する基体の表面に形成され酸
   化チタンのアナターゼまたはルチルあるいはこれら両者
   の結晶系を有する薄膜により形成された光干渉膜におい
   て、 上記酸化チタンの結晶粒径を１４００Å以下とし、かつ
   膜厚方向の気孔率を３０％以下にしたことを特徴とする
   光干渉膜。
2. （２）光を透過または反射する基体の表面に高屈折率の
   金属酸化物と低屈折率の金属酸化物とを交互に重層して
   形成され、上記高屈折率の金属酸化物層は酸化チタンの
   アナターゼまたはルチルあるいはこれら両者の結晶系を
   有する薄膜により形成された光干渉膜において、 上記酸化チタンからなる高屈折率層は、結晶粒径を１４
   ００Å以下とし、かつ膜厚方向の気孔率を３０％以下に
   したことを特徴とする光干渉膜。
3. （３）透光性バルブの表面に酸化チタンのアナターゼま
   たはルチルあるいはこれら両者の結晶系を有する薄膜に
   より形成された光干渉膜を備えた管球において、 上記酸化チタンの結晶粒径を１４００Å以下とし、かつ
   膜厚方向の気孔率を３０％以下にしたことを特徴とする
   管球。
4. （４）透光性バルブの表面に高屈折率の金属酸化物と低
   屈折率の金属酸化物とを交互に重層して光干渉膜を形成
   し、上記高屈折率の金属酸化物層は酸化チタンのアナタ
   ーゼまたはルチルあるいはこれら両者の結晶系を有する
   薄膜により形成した管球において、 上記酸化チタンからなる高屈折率層は、結晶粒径を１４
   ００Å以下とし、かつ膜厚方向の気孔率を３０％以下に
   したことを特徴とする管球。