JP6849071B2 - 反射制御層を有する移動体 - Google Patents

Description

本発明は、その表面に反射制御層が形成された移動体に関する。

従来から、鉄道車両内の冷房による消費電力を抑制するため、０．７８μｍ〜２．１μｍの波長域にある光に対する反射率を増加させることにより、色調を変えることなく鉄道車両に近赤外線反射性能を付与する方法が知られている（特許文献１参照）。

特開２００６−２１３０９５号公報

一方、本発明の発明者は、移動体の空気抵抗を低減するために、移動体の近傍の空気の流速が遅くなる領域（境界層）の外側の領域（主流）の空気の温度を上げることが有効であるという知見を得た。

しかし、特許文献１に記載された方法によれば、雲など上空の水蒸気から発せられる車両直上からの赤外放射（中赤外線および遠赤外線などの、２．５μｍ以上の長さの波長域の光）に対する反射率が低い。また、空気中の酸素吸収域である０．７５μｍ〜０．７８μｍの波長域にある光に対する反射率が低い。そのため、これらの赤外放射や酸素吸収域にある光を、移動体の空気抵抗を低減のために使用できないという問題がある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、移動体の周囲の主流の空気の温度を上げて移動体の空気抵抗を低減させることである。

本発明に係る移動体には反射制御層が表面に形成されており、０．７５μｍから１００μｍまでの波長域において、反射制御層の屈折率は、反射制御層の下にある車体側物質の屈折率と空気の屈折率で挟まれる範囲の外の値であり、反射制御層の厚みは、１８７．５ｎｍを反射制御層の屈折率で除した値以上、かつ、２７５０００ｎｍを反射制御層の屈折率で除した値以下である。

本発明によれば、反射制御層の厚みと屈折率を変えることにより、移動体の表面で反射された光によって主流の空気を加熱し、加熱された空気の密度の低下によって移動体に対する空気抵抗を低減することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る自動車の周りに生じる空気の流れの模式図である。 図２は、本発明の第１実施形態に係る自動車の表面近傍の、自動車の進行方向に沿った一部断面図である。 図３は、本発明の第１実施形態に係る自動車の表面の構造を示す拡大断面図である。 図４は、反射光による主流の温度上昇の検証結果を示すグラフ図である。 図５は、異なる屈折率の物質によって挟まれた薄膜における光の屈折の様子を示す図である。 図６は、本発明の第１実施形態に係る自動車の表面に照射される光の入射角を説明する図である。 図７は、光の入射角と反射制御層の厚みの関係を示すグラフ図である。 図８は、本発明の第２実施形態に係る自動車の表面の構造を示す拡大断面図である。

図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付し説明を省略する。以下では、移動体が自動車である場合を挙げて説明する。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る自動車の、走行中に生じる空気の流れの模式図である。また、図２は、本実施形態に係る自動車の表面近傍の、自動車の進行方向に沿った拡大断面図である。図３は、本実施形態に係る自動車の表面の構造を示す拡大断面図である。

図３に示すように、自動車１の表面には車体塗装層２０が形成され、さらに車体塗装層２０の上に反射制御層２１が形成されている。

反射制御層２１は、太陽光の波長域（０．３μｍ〜１００μｍ）にある光を反射する。なお、反射制御層２１の種類や厚みは、自動車の表面の位置に応じて変更されうるものである。

太陽光の波長域は、近紫外線の波長域（０．３μｍ〜０．３８μｍ）、可視光域（０．３８μｍ〜０．７５μｍ）、赤外放射の波長域（０．７５μｍ〜１００μｍ）からなる。また、赤外放射の波長域は、近赤外線の波長域（０．７５μｍ〜３μｍ）及び中赤外線および遠赤外線の波長域（３μｍ〜１００μｍ）からなる。

近赤外線の波長域のうち、０．７５μｍ〜０．７８μｍの波長域は、空気中の酸素分子の熱吸収帯（酸素Ａバンド）である。

＜走行中の自動車の周りの空気の流れ＞
図１に示すように、自動車１の静止系で見たとき、走行中の自動車１の周りには自動車１の表面に沿った空気の流れが発生する。図２に示すように、自動車１の表面近傍では、空気と自動車の表面との間に生じる粘性摩擦によって空気の流れは遅くなっており、境界層４１が形成されている。境界層４１では、自動車１の表面から離れるほど空気の速度は大きくなり、空気の速度は、空気に対する自動車の相対速度に近づいていく。

自動車１の表面から離れて境界４２よりも外側の外部領域４３では、もはや空気と自動車の表面との間に生じる粘性摩擦の影響はなくなっており、空気の速度は、空気に対する自動車の相対速度にほぼ等しくなっている。外部領域４３における空気の流れを主流２と呼ぶ。

＜空気抵抗低減のメカニズム＞
次に、所定の波長域にある光を反射する反射制御層２１を自動車１が有することによって、自動車１の空気抵抗が低減されるメカニズムを説明する。

一般に、走行中の自動車１が空気から受ける力は、自動車１の前後、左右、上下の各軸方向の力と各軸周りのモーメントで表され、総称して空力六分力と呼ばれる。通常、走行中の自動車１が空気から受ける力は無次元化して表され、特に前後方向の力である空気抵抗Ｆは、次の数式１によって表される空気抵抗係数Ｃ_ｄによって表される。ここで、ρは、外部領域４３の空気の密度、Ａは、自動車１の進行方向に対する前面投影面積、Ｖは、主流に対する自動車１の相対速度である。

空気抵抗係数Ｃ_ｄは、空気の動圧「ρＶ^２／２」と前面投影面積Ａの積によって、空気抵抗Ｆを除した値である。空気抵抗係数Ｃ_ｄは、自動車１の形状に依存して決まる量であり、走行時の燃費、最高速度、加速性能などに影響を及ぼす。自動車１のような物体の空気抵抗Ｆは、自動車１全体でみたときには圧力抵抗が支配的であり、航空機で問題となる摩擦抵抗は自動車１では小さい。そのため、自動車１において空気抵抗Ｆを低減するためには、圧力抵抗を小さくすることに着目するのが効果的である。

上記着目に基づいて数式１を見直すと、通常の自動車の設計において、前面投影面積Ａは、圧力抵抗を小さくするために車両の設計で対応可能なパラメータとしてみなされる。一方、主流の空気密度ρ、および、速度Ｖについては、自動車の走行環境に応じて変動しうるものであるため、車両の設計で対応可能なパラメータとしてみなされない。

しかしながら、上記の既存概念の枠にとらわれることなく、本発明の発明者は、主流の空気密度ρは、圧力抵抗を小さくするために車両の設計で対応可能なパラメータとなりうると考えた。そして、空気抵抗Ｆの大部分を占める圧力抵抗が主流の空気密度ρに比例することに着目し、主流の空気を加熱することで主流の空気密度ρを下げ、その結果、空気抵抗Ｆを低減することが可能であるとの知見を得た。

主流の空気は、自動車１の表面から離れた場所にあるため、直接に加熱することはできない。しかしながら、所定の波長域にある光を反射する反射制御層２１を自動車１の表面に設けることにより、太陽、雲、空気中の水蒸気などから照射される光や、路面から放射される赤外線などの光が、反射制御層２１によって反射され、反射された光によって主流の空気を加熱することができる。

以上の理由により、反射制御層を移動体が有することによって、移動体の空気抵抗が低減される。

＜反射光による主流の温度上昇＞
上述したメカニズムで実際に主流の空気を加熱可能であることを検証するため、発明者は自動車の走行環境を模すため、風洞内に自動車のフェンダーを配置し、空気が流れる状態でフェンダー部分に疑似太陽光を照射した。そして、疑似太陽光が照射された部位を流れる空気が、当該部位を通過する前後でどの程度、温度上昇するかを測定した。ここで、同一形状のフェンダーであって、塗装を変えた３種類のフェンダーを用意し、検証を行った。フェンダー上に形成される塗装層が、本実施形態における反射制御層２１に相当する。

図４は、反射光による主流の温度上昇の検証結果を示すグラフ図である。図４には、検証を行った実験例１〜３に係る評価結果が示されており、符号８１は、「スーパーブラック」と呼ばれる標準的な黒色塗装を施した実験例１、符号８２は、「ホワイトパール」と呼ばれる標準的な白色塗装を施した実験例２、符号８３は、「銀メッキ」による銀色塗装を施した実験例３に対応する。実験例１，２，３の順に、紫外線波長から遠赤外線波長までの波長域における平均反射率が大きくなる。

ここで、「平均反射率」とは、指定された波長域における分光反射率（単色光に対する反射率）の平均値である。すなわち、指定された波長域において、波長の関数である分光反射率を測定し、指定された波長域にわたって測定された分光反射率を平均化して得られる値を「平均反射率」として定義している。

検証では、自動車のフェンダーの表面から表面に対して垂直方向に距離ｄだけ離れた位置であって、空気の流れに沿って、疑似太陽光が照射される部位の上流に熱電対３１ａを配置し、疑似太陽光が照射される部位の下流に熱電対３１ｂを配置した。ここで、フェンダーの表面の境界層よりも外側の主流の中に熱電対が配置されるよう、距離ｄは１８ｍｍに設定された。熱電対３１ａと熱電対３１ｂとは、空気の流れに沿って２００ｍｍの間隔を空けて配置されており、熱電対３１ａと熱電対３１ｂで挟まれる区間に対して、疑似太陽光を照射した。また、フェンダーに対する主流の空気の速度は、風速４０ｋｍ／ｈとした。

なお、検証の正確さを期すため、熱電対３１ａと熱電対３１ｂに対して、疑似太陽光が直接照射されることがないよう、注意を払った。熱電対３１ａによって測定される空気の温度は、フェンダーによって反射される疑似太陽光によって暖められる直前の空気の温度であり、熱電対３１ｂによって測定される空気の温度は、フェンダーによって反射される疑似太陽光によって暖められた直後の空気の温度である。

図４に示すように、熱電対３１ａで測定した温度よりも熱電対３１ｂで測定した温度の方が高いことが分かった。さらに、実験例１，２，３の順に、温度上昇ΔＴが大きくなることが分かった。すなわち、自動車の表面の塗装の平均反射率が大きいほど、温度上昇ΔＴが大きくなることが分かった。

実際の自動車の全長が４４００ｍｍであるとした場合、自動車の全長にわたっての温度上昇は、図４に示される温度上昇ΔＴの２２倍となる。そのため、実際の自動車であれば、実験例１，２，３の順に、約２Ｋ、約４Ｋ、約６．６Ｋの温度上昇が生じることになる。

以上のように、自動車の表面に設けた反射制御層によって光を反射することにより、実際に主流の空気を加熱可能であることが分かった。

理想気体の状態方程式に当てはめた場合、６．６Ｋの温度上昇によって３００Ｋの空気が３０６．６Ｋになったと仮定すると、約２％の密度低下をもたらす。これは、約２％の空気抵抗Ｆの低減に相当する。

＜反射制御層の構成＞
本実施形態では、所定の波長域にある光の反射率を向上させるため、自動車１の表面に設ける反射制御層２１の厚みを調整している。その態様について次に説明する。

［薄膜での干渉を伴う反射］
図５は、異なる屈折率の物質によって挟まれた薄膜における光の屈折の様子を示す図である。

図５では、屈折率ｎ_ｍの媒質Ｍ２の上に、厚みｄ、屈折率ｎの薄膜Ｉが形成され、さらに薄膜Ｉの上には屈折率ｎ_０の媒質Ｍ１が存在する状況が示されている。そして、媒質Ｍ１の側から薄膜Ｉに向かって波長λの光が、入射角θで入射しているとする。このような状況を考察することは、自動車１の表面に積層された車体塗装層２０、反射制御層２１、空気の間で生じる光の干渉の様子を検討するよいモデルとなる。

媒質Ｍ１と薄膜Ｉの間の境界で反射した光と、薄膜Ｉと媒質Ｍ２の間の境界で反射した光の間に生じる光路差Ｌ（光学的距離の差）は、次の数式２で表される。

次に、媒質Ｍ１の側から薄膜Ｉに入射した光が、薄膜Ｉで多重反射した後、再び媒質Ｍ１に反射して戻ってくる場合の強度反射率Ｒを計算する。

媒質Ｍ１から薄膜Ｉへと光が進むときの境界での振幅反射率をｒ_１とおき、薄膜Ｉから媒質Ｍ２へと光が進むときの境界での振幅反射率をｒ_２とおく。また、媒質Ｍ１の側から薄膜Ｉに入射した光の振幅をＡ_０，薄膜Ｉから反射して戻ってくる光の振幅をＡ_Ｒとおくと、次の数式３の関係が成り立つことが知られている（ただし、垂直入射の場合（入射角θが０度である場合）を仮定）。

ここで、パラメータδは次の数式４で表される。

したがって、強度反射率Ｒは、次の数式５で表される。

なお、振幅反射率ｒ_１及び振幅反射率ｒ_２は、次の数式６、数式７のように表される。

数式５からｒ_１及びｒ_２を消去するため、数式６及び数式７を数式５に代入して、整頓すると、強度反射率Ｒは、次の数式８で表される。

この強度反射率Ｒは、次の２条件が満たされれば０になる。第一の条件は、振幅条件と呼ばれ、振幅反射率ｒ_１と振幅反射率ｒ_２が等しくなることである。このとき、屈折率ｎは、屈折率ｎ_０と屈折率ｎ_ｍを用いて次の数式９のように表される。

また、第二の条件は、位相条件と呼ばれ、数式１０のように表される。なお、ｍは０以上の整数である。

第一の条件は、媒質Ｍ１と薄膜Ｉの間の境界で反射した光と、薄膜Ｉと媒質Ｍ２の間の境界で反射した光の、振幅が一致する条件である。また、第二の条件は、媒質Ｍ１と薄膜Ｉの間の境界で反射した光と、薄膜Ｉと媒質Ｍ２の間の境界で反射した光の間の位相差が、入射する光の半波長の奇数倍であり、ちょうど波の山と谷で打ち消し合う条件である。

数式４及び数式１０からパラメータδを消去して整頓すると、厚みｄについての、次の数式１１が得られる。

図５に示す状況では、単色光が入射する場合を想定した。しかしながら、実際の反射制御層などの薄膜の設計では、多波長の光が混在した光に対する薄膜の応答を検討する必要がある。上記で導出した強度反射率Ｒは、波長λの光に対する分光反射率とみなせるので、強度反射率Ｒの振る舞いを元に、平均反射率が大きくなる場合と小さくなる場合について検討する。

一般に波長λは、平均反射率を定義する際の所定の波長域にある任意の値を取りうる。そのため、数式８の右辺第２項の分母に登場する「ｃｏｓ（２δ）」の項は−１から１までの値を取りうる。

「ｃｏｓ（２δ）＝１」を仮定すると、強度反射率Ｒは次の数式１２のＲ_１のように表される。

なお、Ｒ_１は、図５において薄膜Ｉが存在せず、媒質Ｍ１と媒質Ｍ２が直接接している場合における媒質Ｍ１と媒質Ｍ２の間の境界での強度反射率に等しい。これは、「ｃｏｓ（２δ）＝１」が、数式４との関係で、薄膜Ｉの厚みｄが０の場合を含んでいることからも理解される。

一方、「ｃｏｓ（２δ）＝−１」を仮定すると、強度反射率Ｒは次の数式１３のＲ_２のように表される。

強度反射率Ｒは、波長λに応じて上述のＲ_１からＲ_２までの間を振動する関数である。

Ｒ_１が屈折率ｎに依存しない定数であることに着目すると、薄膜Ｉを設けない場合と比較して、図５に示す状況における平均反射率を大きくするためには、「Ｒ_１＜Ｒ_２」が満たされるようにすればよい。

また、薄膜Ｉを設けない場合と比較して、図５に示す状況における平均反射率を小さくするためには、「Ｒ_１＞Ｒ_２」が満たされるようにすればよい。

これらの関係から薄膜Ｉの屈折率ｎについての条件が導出される。

平均反射率を大きくするための条件式「Ｒ_１＜Ｒ_２」から、屈折率ｎについての条件を導出すると、「ｎ＞ｎ_０かつｎ＞ｎ_ｍ」又は「ｎ＜ｎ_０かつｎ＜ｎ_ｍ」となる。

平均反射率を小さくするための条件式「Ｒ_１＞Ｒ_２」から、屈折率ｎについての条件を導出すると、「ｎ_０＜ｎ＜ｎ_ｍ」又は「ｎ_ｍ＜ｎ＜ｎ_０」となる。

特に、平均反射率を小さくするための条件の特別な場合として「Ｒ_１＞Ｒ_２＝０」とすると、数式９のように屈折率ｎが屈折率ｎ_０と屈折率ｎ_ｍの相乗平均に等しい場合が導かれる。

さらに、Ｒ_２が平均反射率の値を特徴づけていると言えるため、薄膜Ｉの厚みｄについての条件も導出される。

強度反射率ＲがＲ_２の値を取る場合には、「ｃｏｓ（２δ）＝−１」であるため、数式１１が導かれる。平均反射率を定義する波長域が「λ_ｍｉｎ≦λ≦λ_ｍａｘ」であるとすると、数式１１を用いることにより、厚みｄが次の数式１４で示される範囲となることが示される。

一見すると、ｍは０以上の整数であるため、数式１４は厚みｄについての上限を定めるものではないように見える。しかしながら、ｍの値を必要以上に大きくとった場合、波長域「λ_ｍｉｎ≦λ≦λ_ｍａｘ」の範囲で、強度反射率ＲがＲ_１とＲ_２の間で振動する回数が増大してしまう。そのため、平均反射率をＲ_１に近づけてしまい、薄膜Ｉによる効果を小さくしてしまう。よって、実際の反射制御層などの薄膜の設計では、実用的な屈折率の範囲内で、数式１４によって定められる厚みｄの範囲に実用的な薄膜Ｉの厚みが含まれるよう、ｍの値を選択する。実用的な屈折率の範囲内で許容できるｍの最大値を選択することにより、そのようなｍの下で、数式１４は厚みｄの上限を与えている。

薄膜Ｉの素材として利用可能な物質としては、種々の物質が想定される。小さい屈折率を有する素材としては、銀（５６３ｎｍにおける屈折率が０．１２）が挙げられる。また、大きい屈折率を有する素材としては、ゲルマニウム（５９０ｎｍにおける屈折率が５．７５）が挙げられる。

上述の検討では屈折率は波長に依存しないものとし、さらに、垂直入射の場合を想定した。しかしながら、屈折率が波長に依存する場合や、垂直入射でない場合についても、定性的に上記検討結果を適用することができる。

［反射制御層に求められる条件］
本実施形態では、太陽光の波長域又は赤外放射の波長域にある光を反射する反射制御層２１を自動車１の表面に形成している。特に、走行中の自動車１の周りに存在する主流２の加熱に、自動車１に入射する０．７５μｍ〜１００μｍの波長域にある光を利用するため、当該波長域にある光に対する反射制御層２１の平均反射率が高くなるように形成している。以下では、反射制御層２１が、０．７５μｍ〜１００μｍの波長域にある光を反射するための条件を検討する。

本実施形態では、図５に示す薄膜Ｉ、媒質Ｍ１、媒質Ｍ２に対して、反射制御層２１、空気、反射制御層２１の下にある車体塗装層２０（車体側物質）が、それぞれ対応している。

反射制御層２１を設けない場合と比較して、０．７５μｍ〜１００μｍの波長域における反射制御層２１の平均反射率を大きくするためには、条件式「Ｒ_１＜Ｒ_２」が満たされればよい。そのため、先の検討に基づき、０．７５μｍ〜１００μｍの波長域において、車体塗装層２０の屈折率および空気の屈折率の両方より大きい屈折率を有する素材で反射制御層２１は形成されていればよい。もしくは、０．７５μｍ〜１００μｍの波長域において、車体塗装層２０の屈折率および空気の屈折率の両方より小さい屈折率を有する素材で、反射制御層２１は形成されていればよい。

すなわち、反射制御層２１の屈折率は、０．７５μｍ〜１００μｍの波長域において、車体塗装層２０の屈折率と空気の屈折率で挟まれる範囲の外の値を有している。

なお、反射制御層２１を自動車１の表面に形成する場合には、製造の容易さや品質確保の観点から、反射制御層２１の厚みの範囲は「２０μｍ〜４０μｍ」程度であることが望ましい。

数式１４において「λ_ｍｉｎ＝０．７５μｍ」、「λ_ｍａｘ＝１００μｍ」とし、実用的な屈折率ｎの範囲（０．１２≦ｎ≦５．７５）で、数式１４が厚みの範囲「２０μｍ〜４０μｍ」を含むような最大のｍを求めると、ｍ＝５となる。

よって、反射制御層２１の厚みは、１８７．５ｎｍを反射制御層２１の屈折率ｎで除した値以上であって、２７５０００ｎｍを反射制御層２１の屈折率ｎで除した値以下であることが望ましい。

［反射制御層を設けたことによる効果］
反射制御層２１の屈折率が、車体塗装層２０の屈折率と空気の屈折率で挟まれる範囲の外の値となっているため、反射制御層２１を設けない場合と比較して、反射制御層２１の存在により自動車１の表面の０．７５μｍ〜１００μｍの波長域における平均反射率が大きくなっている。そのため、０．７５μｍから１００μｍまでの波長域の光を効率よく反射することができる。その結果、自動車１の表面で反射された光によって、走行中の自動車１の周りに存在する主流２が加熱される。加熱により主流２の密度が低下するため、自動車１の空気抵抗Ｆを低減することができる。

また、反射制御層２１によって反射される光には、赤外放射や酸素吸収域にある光が含まれるため、反射光によって自動車１の空気抵抗Ｆを低減することができる。

また、０．７５μｍ〜１００μｍの波長域に基づいて、数式１４によって定まる厚みの範囲に収まるように反射制御層２１の厚みを調整し、反射制御層２１の厚みを、１８７．５ｎｍを反射制御層２１の屈折率ｎで除した値以上であって、２７５０００ｎｍを反射制御層２１の屈折率ｎで除した値以下としている。そのため、０．７５μｍ〜１００μｍの波長域における平均反射率が最大化される。その結果、反射光によって自動車１の空気抵抗Ｆを低減することができる。

また、より確実に平均反射率を大きくして、反射光による加熱で自動車１の空気抵抗Ｆを低減する効果を得るため、反射制御層の屈折率は、車体塗装層２０の屈折率の１．０１倍以上、かつ、空気の屈折率の１．０１倍以上であるようにしてもよい。同様に、反射制御層の屈折率は、車体塗装層２０の屈折率の０．９９倍以下、かつ、空気の屈折率の０．９９倍以下であるようにしてもよい。

なお、反射制御層２１の屈折率と車体塗装層２０の屈折率の差、および、反射制御層の屈折率と空気の屈折率の差が、大きくなればなるほど、平均反射率はより大きくなる。そのため、上記条件を満たしつつ、実用的な屈折率の範囲で、車体塗装層２０の屈折率および空気の屈折率の両方よりも反射制御層２１の屈折率をできる限り大きくするか、あるいは、車体塗装層２０の屈折率および空気の屈折率の両方よりもできる限り小さくすることが望ましい。

［反射制御層の水平からの角度との関係］
上記の説明では、反射制御層２１に対して光が垂直に入射する場合を想定していた。反射制御層２１に対して光が垂直に入射するとは限らない。しかしながら、反射制御層２１に対して光が垂直に入射しない場合であっても、同じ作用効果を得ることができる。

同じ作用効果を得ることができることを、図６及び図７を用いて説明する。図６は、本実施形態に係る自動車の表面に照射される光の入射角を説明する図である。また、図７は、光の入射角と反射制御層の厚みの関係を示すグラフ図である。

図６に示すように、自動車１の直上から太陽光などの光が入射している状況を考える。この場合、自動車１の天板など、自動車１の進行方向に対して水平になる部分（以下、水平箇所）の反射制御層２１に対しては、光は垂直に入射する。しかし、自動車１のフロント部分や、フェンダー、その他、水平箇所以外の部分（以下、傾斜箇所）において、反射制御層２１に対して光は垂直に入射しない。そのため、傾斜箇所の水平からの傾き角度をθとすると、直上から入射する光の入射角はθとなる。

入射角θが０度から大きくなって９０度に近づくにつれ、数式２の平方根の部分の大きさが小さくなる。光路差Ｌが、水平箇所の反射制御層２１と傾斜箇所の反射制御層２１において同じであれば、水平箇所と傾斜箇所とで同じ平均反射率が実現されることに着目すると、図７に示すように、入射角θが０度から大きくなって９０度に近づくにつれ、傾斜箇所の反射制御層２１の厚みｄを大きくする必要がある。

よって、水平箇所と同様に傾斜箇所での平均反射率を大きくするためには、水平箇所の反射制御層２１の厚みに比べて、傾斜箇所の反射制御層２１の厚みを大きくしてやればよい。また、傾き角度θが大きくなればなるほど、傾斜箇所の反射制御層２１の厚みを大きくしてやればよい。

このように、傾斜箇所の反射制御層２１の厚みを、傾き角度に応じて調整することにより、傾斜箇所の反射制御層２１も、０．７５μｍから１００μｍまでの波長域の光を効率よく反射することができる。その結果、反射光によって自動車１の空気抵抗Ｆを低減することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係る自動車は、反射防止層２２を備える点で第１実施形態と異なる。第２実施形態において説明しない他の構成、作用及び効果は、第１実施形態と実質的に同様であるので重複する説明を省略する。

図８は、本実施形態に係る自動車の表面の構造を示す拡大断面図である。図８に示すように、自動車１の表面には車体塗装層２０が形成され、さらに車体塗装層２０の上に反射制御層２１が形成されている。そして、反射制御層２１の上に、０．３８μｍ〜０．７５μｍの可視光域での光の反射を防止するための反射防止層２２が形成されている。

反射防止層２２を形成することにより、反射制御層２１による可視光域の光の反射が防止され、可視光域の光が車体塗装層２０に到達する割合が増加する。その結果、車体塗装層２０に基づく発色が向上する。

［反射防止層に求められる条件］
以下では、反射防止層２２が、可視光域での光の反射を防止するための条件を検討する。

本実施形態では、図５に示す薄膜Ｉ、媒質Ｍ１、媒質Ｍ２に対して、反射防止層２２、空気、反射制御層２１が、それぞれ対応している。

反射防止層２２を設けない場合と比較して、０．３８μｍ〜０．７５μｍの波長域における反射防止層２２の平均反射率を小さくするためには、条件式「Ｒ_１＞Ｒ_２」が満たされればよい。そのため、先の検討に基づき、０．３８μｍ〜０．７５μｍの波長域において、反射制御層２１の屈折率と空気の屈折率で挟まれる範囲の屈折率を有する素材で、反射防止層２２が形成されていればよい。

より反射防止層２２の平均反射率を小さくするためには、条件式「Ｒ_１＞Ｒ_２＝０」が満たされればよく、反射防止層２２の屈折率が、反射制御層２１の屈折率と空気の屈折率の相乗平均に等しくなっていればよい。

なお、反射防止層２２を自動車１の表面に形成する場合には、製造の容易さや品質確保の観点から、反射防止層２２の厚みの範囲は「２０μｍ〜４０μｍ」程度であることが望ましい。

数式１４において「λ_ｍｉｎ＝０．３８μｍ」、「λ_ｍａｘ＝０．７５μｍ」とし、実用的な屈折率ｎの範囲（０．１２≦ｎ≦５．７５）で、数式１４が厚みの範囲「２０μｍ〜４０μｍ」を含むような最大のｍを求めると、ｍ＝６１３となる。

よって、反射防止層２２の厚みは、９５ｎｍを反射防止層２２の屈折率ｎで除した値以上であって、２３０１００ｎｍを反射防止層２２の屈折率ｎで除した値以下であることが望ましい。

なお、「２３０１００ｎｍ」という数値は、本来であれば「７５０ｎｍ×（６１３×２＋１）／４＝２３００６２．５ｎｍ」であるべきだが、屈折率のデータの有効数字が４桁であることから、十の位で切り上げを行っている。

なお、反射制御層２１が実用的な屈折率ｎの範囲（０．１２≦ｎ≦５．７５）にあること、及び空気の屈折率が１程度であることを考慮すると、反射防止層２２の屈折率は、０．３８μｍから０．７５μｍまでの可視光域において、０．３４以上、かつ、２．４０以下であることが望ましい。

また、反射防止層２２が反射制御層２１の働きを阻害することを防ぐため、反射防止層２２が０．７５μｍ〜１００μｍの波長域の光の反射を防止する効果は小さい方がよい。そのためには、０．７５μｍ〜１００μｍの波長域において、反射制御層２１の屈折率および空気の屈折率の両方と等しいか、あるいは、両方より大きい屈折率を有する素材で反射防止層２２は形成されていればよい。もしくは、０．７５μｍ〜１００μｍの波長域において、反射制御層２１の屈折率および空気の屈折率の両方と等しいか、あるいは、両方より小さい屈折率を有する素材で、反射防止層２２は形成されていればよい。

［反射防止層を設けたことによる効果］
反射防止層２２の屈折率が、反射制御層２１の屈折率と空気の屈折率で挟まれる範囲の値となっているため、反射防止層２２を設けない場合と比較して、反射防止層２２の存在により自動車１の表面の０．３８μｍ〜０．７５μｍの波長域における平均反射率が小さくなっている。そのため、反射制御層２１による可視光域の光の反射が防止され、可視光域の光が車体塗装層２０に到達する割合が増加し、その結果、車体塗装層２０に基づく発色が向上する。

また、０．３８μｍ〜０．７５μｍの波長域に基づいて、数式１４によって定まる厚みの範囲に収まるように反射防止層２２の厚みを調整し、反射防止層２２の厚みを、９５ｎｍを反射防止層２２の屈折率ｎで除した値以上であって、２３０１００ｎｍを反射防止層２２の屈折率ｎで除した値以下としている。そのため、０．３８μｍ〜０．７５μｍの波長域における平均反射率が最小化される。そのため、反射制御層２１による可視光域の光の反射が防止され、可視光域の光が車体塗装層２０に到達する割合が増加し、その結果、車体塗装層２０に基づく発色が向上する。

また、反射防止層２２は、０．３８μｍ〜０．７５μｍの波長域における平均反射率を小さくするものであるため、０．７５μｍ〜１００μｍの波長域の光を反射する反射制御層２１の働きを阻害しない。そのため、反射防止層２２は、反射制御層２１による空気抵抗低減の働き反射性能を維持しつつ、車体塗装層２０の発色を向上させることができる。

さらに、反射防止層２２の屈折率は、０．３８μｍから０．７５μｍまでの可視光域において、０．３４以上、かつ、２．４０以下であるため、反射制御層２１が実用的な屈折率を有している場合に対応して、確実に反射制御層２１による空気抵抗低減の働きを維持しつつ、車体塗装層２０の発色を向上させることができる。

上述の各実施形態では、移動体が自動車である場合を挙げて説明したが、自動車の他にも、空気中を運動する移動体に対して本発明は適用可能である。移動体の例としては、自動車の他に、二輪車、鉄道、航空機、ロケットなどが挙げられる。

以上、実施形態に沿って本発明の内容を説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変形及び改良が可能であることは、当業者には自明である。この開示の一部をなす論述および図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。

本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１ 自動車（移動体）
２ 主流
２０ 車体塗装層
２１ 反射制御層
２２ 反射防止層
４１ 境界層
４２ 境界
４３ 外部領域

Claims (9)

1. 太陽光の波長域又は赤外放射の波長域にある光を反射する反射制御層が表面に形成された移動体であって、
   ０．７５μｍから１００μｍまでの波長域において、
   前記反射制御層の屈折率は、前記反射制御層の下にある車体側物質の屈折率と空気の屈折率で挟まれる範囲の外の値であり、
   前記反射制御層の厚みは、１８７．５ｎｍを前記反射制御層の屈折率で除した値以上、かつ、２７５０００ｎｍを前記反射制御層の屈折率で除した値以下であること
   を特徴とする移動体。
2. 請求項１に記載された移動体であって、
   ０．７５μｍから１００μｍまでの波長域において、
   前記反射制御層の屈折率は、前記車体側物質の屈折率および空気の屈折率の両方よりも大きいこと
   を特徴とする移動体。
3. 請求項２に記載された移動体であって、
   ０．７５μｍから１００μｍまでの波長域において、
   前記反射制御層の屈折率は、前記車体側物質の屈折率の１．０１倍以上、かつ、前記空気の屈折率の１．０１倍以上であること
   を特徴とする移動体。
4. 請求項２又は３に記載された移動体であって、
   前記表面の水平からの傾き角度が大きくなるほど、前記反射制御層の厚みを大きくすること
   を特徴とする移動体。
5. 請求項２乃至４のいずれか一項に記載された移動体であって、
   前記反射制御層の表面に反射防止層を積層し、
   ０．３８μｍから０．７５μｍまでの可視光域において、
   前記反射防止層の屈折率は、前記反射制御層の屈折率と前記空気の屈折率の相乗平均に等しく、
   前記反射防止層の厚みは、９５ｎｍを前記反射防止層の屈折率で除した値以上、かつ、２３０１００ｎｍを前記反射防止層の屈折率で除した値以下であること
   を特徴とする移動体。
6. 請求項５に記載された移動体であって、
   ０．３８μｍから０．７５μｍまでの可視光域において、
   前記反射防止層の屈折率は、０．３４以上、かつ、２．４０以下であること
   を特徴とする移動体。
7. 請求項１に記載された移動体であって、
   ０．７５μｍから１００μｍまでの波長域において、
   前記反射制御層の屈折率は、前記車体側物質の屈折率および空気の屈折率の両方よりも小さいこと
   を特徴とする移動体。
8. 請求項７に記載された移動体であって、
   ０．７５μｍから１００μｍまでの波長域において、
   前記反射制御層の屈折率は、前記車体側物質の屈折率の０．９９倍以下、かつ、前記空気の屈折率の０．９９倍以下であること
   を特徴とする移動体。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載された移動体であって、
   前記反射制御層は、前記移動体の表面の塗装層の上に形成されていること
   を特徴とする移動体。

Images