(57)【要約】【課題】所定の波長を含んだある範囲の波長領域の赤外線の総量（積算量）がより多い赤外線光源を提供することを目的とする。【解決手段】発熱体１５と、最表面が金属からなる放射体２３と、を備え、所定の波長にピークを有する赤外線を放射する赤外線光源１０１であって、放射体２３の表面には、微細な矩形状の凹断面を有するマイクロキャビティＭＣが一定周期で二次元配列され、当該一定周期をＰ、マイクロキャビティＭＣの幅をＷ、深さをＤとした場合に、０．６＜Ｗ／Ｐ＜０．９、０．４＜Ｄ／Ｗ＜０．８であることを特徴としている。【選択図】図１
2014123476.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体と、最表面が金属からなる放射体と、を備え、
所定の波長にピークを有する赤外線を放射する赤外線光源であって、
前記放射体の表面には、微細な矩形状の凹断面を有するマイクロキャビティが一定周期で二次元配列され、
当該一定周期をＰ、前記マイクロキャビティの幅をＷ、深さをＤとした場合に、
０．６＜Ｗ／Ｐ＜０．９
０．４＜Ｄ／Ｗ＜０．８
であることを特徴とする赤外線光源。
【請求項２】
前記赤外線の前記所定の波長の放射が、前記放射体の前記表面に垂直な方向に対して１°から１０°の範囲の角度方向に放射強度のピークを有することを特徴とする請求項１に記載の赤外線光源。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の赤外線光源と、前記赤外線光源から放射された赤外線を受光する受光素子とを備えたことを特徴とするセンサ。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の赤外線光源と、前記赤外線光源から放射された赤外線を受光する受光素子とを備え、
前記赤外線光源は、測定ガスの吸収波長とした前記特定波長を放射することを特徴とするガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種センサや検出器、特定媒体の加熱等に利用される赤外線光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線光源は、医療分野や自動車分野等で検出器やセンサとして広く用いられており、抵抗体に通電することにより発熱して放射される放射光を赤外線光源として用いることが一般的に知られている。
【０００３】
上述した赤外線光源として、特許文献１に、プラズモン共鳴を利用し表面にマイクロキャビティ９０５を有した波長選択性熱放射材料９００が提案されている。図１３は、特許文献１の従来例における波長選択性熱放射材料９００を説明する図であって、波長選択性熱放射材料９００のコンピュータシミュレーション数値解析法（ＲＣＷＡ法）に用いた解析モデル図である。
【０００４】
従来例の波長選択性熱放射材料９００は、図１３に示すように、シリコン基板９０２の平面上に周期的に繰り返される多数のマイクロキャビティ９０５と、マイクロキャビティ９０５を覆う被覆層９０７を有して構成されている。そして、多数のマイクロキャビティ９０５は、「ふく射性ガス」の光吸収帯波長と実質的に同じ周期か又は１μｍ短い周期で格子状に配列して形成されている。なお、ここで言う「ふく射性ガス」とは、赤外領域（波長１〜１０μｍ）に強い吸収をもつ気体または気液混合体のことを言う。
【０００５】
また、マイクロキャビティ９０５は、図１３に示すような矩形状に開口し、所定の開口比（図１３では、幅Ｗａ／周期Ｐａ）及び所定のアスペクト比（図１３では、深さＤａ／幅Ｗａ）を有している。そして、このマイクロキャビティ９０５の開口比は、０．５〜０．９の範囲であり、このマイクロキャビティ９０５のアスペクト比は、０．８〜３．０の範囲であることを特徴としている。このように構成された従来例の波長選択性熱放射材料９００は、赤外領域（波長１〜１０μｍ）の熱ふく射電磁波の内、所定の波長を選択的に放射し、所定の波長に対して吸収特性を有する「ふく射性ガス」を効率良く加熱することができるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２３８２３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、このような赤外線光源を加熱源やセンサ等に用いる場合、所定の波長を含んだある範囲の波長領域に対する性能が実質的に求められていた。つまり、この波長領域における赤外線の総量が多い方が、加熱されるものやセンシングされるもの等に対して、有利であるとされていた。しかし、この従来例のような波長選択性熱放射材料９００の構成では、設計時に設定した特定の方向（垂直方向）に所定の波長の選択性が最大になるように設計されていた。このため、特定の方向から少しずれると波長の選択性が極端に悪化し、波長選択性熱放射材料９００から発せられる、放射光のうち実際に利用が想定される数度の立体角における光束全体としてみると、所定の波長を含んだある範囲の波長領域の赤外線が、実質的に少ない量であると言う課題があった。
【０００８】
本発明は、上述した課題を解決するもので、所定の波長を含んだある範囲の波長領域の赤外線の総量（積算量）がより多い赤外線光源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】
【０００９】
この課題を解決するために、本発明の請求項１による赤外線光源は、発熱体と、最表面が金属からなる放射体と、を備え、所定の波長にピークを有する赤外線を放射する赤外線光源であって、前記放射体の表面には、微細な矩形状の凹断面を有するマイクロキャビティが一定周期で二次元配列され、当該一定周期をＰ、前記マイクロキャビティの幅をＷ、深さをＤとした場合に、０．６＜Ｗ／Ｐ＜０．９、０．４＜Ｄ／Ｗ＜０．８であることを特徴としている。
【００１０】
また、本発明の請求項２による赤外線光源は、前記赤外線の前記所定の波長の放射が、前記放射体の前記表面に垂直な方向に対して１°から１０°の範囲の角度方向に放射強度のピークを有することを特徴としている。
【００１１】
また、本発明の請求項３による赤外線光源は、請求項１または請求項２に記載の赤外線光源と、前記赤外線光源から放射された赤外線を受光する受光素子とを備えたことを特徴としている。
【００１２】
また、本発明の請求項４による赤外線光源は、請求項１または請求項２に記載の赤外線光源と、前記赤外線光源から放射された赤外線を受光する受光素子とを備え、前記赤外線光源は、測定ガスの吸収波長とした前記特定波長を放射することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１の発明によれば、本発明の赤外線光源は、マイクロキャビティの幅をＷ、深さをＤとし、マイクロキャビティが二次元配列された一定周期をＰとした場合に、Ｄ／Ｗが０．４から０．８であるとともに、Ｗ／Ｐが０．６から０．９である。このような寸法の関係とすることにより、従来例の波長選択性熱放射材料と比較して、垂直方向以外でも所定の波長を含んだある範囲の波長領域の赤外線が多く放射されるため、所定の波長を含んだある範囲の波長領域の赤外線の総量（積算量）を実質的により多くすることができる。
【００１４】
請求項２の発明によれば、本発明の赤外線光源は、放射体の表面に垂直な方向に対して、１°から１０°の範囲の角度方向のいずれかに放射強度のピークを有するので、０°（垂直方向）に所定の波長のピーク値が放射される場合と比較して、所定の波長を含んだある範囲の波長領域の赤外線の総量（積算量）をより一層多くすることができる。
【００１５】
請求項３の発明によれば、本発明のセンサは、赤外線光源と、赤外線光源から放射された赤外線を受光する受光素子と、を備えているので、赤外線光源と受光素子との間に被測定物を配置するだけで、受光素子が受光する赤外線の強度が被測定物により変化する。このことにより、容易にセンサとして用いることができる。さらに、所定の波長を含んだある範囲の波長領域の赤外線の総量（積算量）がより多い赤外線光源を用いているので、赤外線光源と受光素子との位置関係が多少ずれたとしても、被測定物を確実にセンシングすることができる。このことにより、厳しい組立精度が求められなく、より容易にセンサを組み立てることができる。
【００１６】
請求項４の発明によれば、本発明のガスセンサは、測定ガスの吸収波長とした特定波長を放射する赤外線光源と赤外線光源から放射された赤外線を受光する受光素子とを備えているので、赤外線光源と受光素子との間に測定ガスを配置するだけで、受光素子が受光する赤外線の強度が測定ガスの濃度によって変化する。このため、容易にガスセンサとして用いることができる。さらに、所定の波長を含んだある範囲の波長領域の赤外線の総量（積算量）がより多い赤外線光源を用いているので、赤外線光源と受光素子との位置関係が多少ずれたとしても、測定ガスを確実にセンシングすることができる。このことにより、厳しい組立精度が求められなく、より容易にガスセンサを組み立てることができる。
【００１７】
したがって、本発明の赤外線光源は、所定の波長を含んだある範囲の波長領域の赤外線の総量（積算量）がより多い赤外線光源を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態の赤外線光源を説明する斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態の赤外線光源を説明する図であって、図１に示すＺ１側から見た平面図である。
【図３】本発明の第１実施形態の赤外線光源を説明する図であって、図２に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態の赤外線光源についてのシミュレーションに用いたモデル図である。
【図５】本発明の第１実施形態の赤外線光源のシミュレーション結果を示したグラフである。
【図６】本発明の第１実施形態の赤外線光源のシミュレーション結果を示したグラフである。
【図７】本発明の第１実施形態の赤外線光源のシミュレーション結果と比較例のシミュレーション結果を比較したグラフである。
【図８】本発明の第１実施形態の赤外線光源の作製方法を説明する工程図であって、図８（ａ）は、第２金属層が形成された状態を示し、図８（ｂ）は、図８（ａ）の上層に第１金属層が形成された状態を示し、図８（ｃ）は、レジスト膜がパターニングされた状態を示し、図８（ｄ）は、第１金属層がエッチングされた状態を示し、図８（ｅ）は、レジスト膜が剥離された状態を示している。
【図９】本発明の第１実施形態の実施例であって、作製された赤外線光源の表面を拡大して示す走査型電子顕微鏡写真である。
【図１０】本発明の第１実施形態の実施例であって、作製された赤外線光源から放射された赤外線を測定した結果である。
【図１１】本発明の第２実施形態のガスセンサを説明する構成図である。
【図１２】本発明の第３実施形態のセンサを説明する構成図である。
【図１３】従来例における波長選択性熱放射材料を説明する図であって、波長選択性熱放射材料のコンピュータシミュレーション数値解析法（ＲＣＷＡ法）に用いた解析モデル図である。
【図１４】本発明の第１実施形態の赤外線光源のシミュレーション結果と比較したグラフであり、図１４（ａ）は、従来例の波長選択性熱放射材料のシミュレーション結果であり、図１４（ｂ）は、比較例のシミュレーション結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１を説明する斜視図である。図２は、本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１を説明する図であって、図１に示すＺ１側から見た平面図である。図３は、本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１を説明する図であって、図２に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。なお、図１ないし図３は、模式的に構成を示すもので、実際のサイズを正確に示していない。
【００２１】
本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１は、図１ないし図３に示すように、発熱体１５と、最表面が金属からなる放射体２３とを備えて構成されている。また、放射体２３の表面には、微細な矩形状の凹断面を有するマイクロキャビティＭＣが一定周期Ｐで二次元配列されている。
【００２２】
発熱体１５は、板状の形状をしており、アルミナ等のセラミックヒータを用いている。発熱体１５は、放射体２３の裏面側に密着させて配置し、放射体２３を加熱するためのヒータである。なお、本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１の発熱体１５に、セラミックヒータを用いたが、放射体２３を加熱できれば良く、電熱線ヒータやハロゲンヒータ等でも良く、また形状も板状に限らない。
【００２３】
放射体２３は、図１及び図３に示すように、最表面を形成している第１金属層Ｌ２１と、第１金属層Ｌ２１の下層に形成され発熱体１５に密着させた第２金属層Ｌ２２と、から構成されている。
【００２４】
放射体２３の第１金属層Ｌ２１は、金または金を主たる成分とする合金で作製されている。また、第１金属層Ｌ２１の表面には、図１ないし図３に示すように、波長のオーダーである寸法で微細な加工が施されており、前述したマイクロキャビティＭＣが形成された微細構造を有している。このため、発熱体１５による放射体２３の加熱により、マイクロキャビティＭＣの内部で表面プラズモン共鳴が発現し、特定の波長の赤外線だけが放射するようになる。この放射される赤外線の強度のピーク波長は、マイクロキャビティＭＣの一定周期Ｐ、マイクロキャビティＭＣの幅Ｗ及びマイクロキャビティＭＣの深さＤを適切に選ぶことで任意に設定できる。これにより、所定の波長にピークを有する赤外線を放射する赤外線光源１０１を得ることができる。その際には、本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１は、Ｗ／Ｐが０．６から０．９であるとともに、Ｄ／Ｗが０．４から０．８である条件を満たしている。また、加工しやすさを考慮すると、Ｗ／Ｐが０．６から０．８であるとともに、Ｄ／Ｗが０．４から０．７５である条件を満たしているとより好ましい。
【００２５】
放射体２３の第２金属層Ｌ２２は、図１及び図３に示すように、第１金属層Ｌ２１とは異なる材質で、チタンまたはチタンを含有する合金で作製されており、マイクロキャビティＭＣの底面２４ｐを形成している。第２金属層Ｌ２２は、チタンまたはチタンを含有する合金からなる金属なので、表面に露出している底面２４ｐの部分が不動態膜を形成している。
【００２６】
以上のような放射体２３にマイクロキャビティＭＣを形成する場合、一般的なフォトリソグラフィー法とエッチング法を用いる。その際には、第１金属層Ｌ２１のエッチングのストッパーとして、第２金属層Ｌ２２が利用できる。つまり、第１金属層Ｌ２１の加工レートと第２金属層Ｌ２２の加工レートの違いが大きい加工方法を選択し、第１金属層Ｌ２１の幅方向の更なる加工が進む前、及び第２金属層Ｌ２２の深さ方向の加工が進む前に、エッチング加工を終了させることにより達成できる。特に、本発明の第１実施形態では、第２金属層Ｌ２２が不動態膜を形成するチタンまたはチタンを含有する合金からなるので、この第２金属層Ｌ２２の表面に形成された不動態膜により、第１金属層Ｌ２１の深さ方向の加工が確実に止まるようになる。このようにして、第１金属層Ｌ２１の微細構造の加工を行う際に、第２金属層Ｌ２２を第１金属層Ｌ２１の深さ方向の加工用ストッパーとしてより良く利用することができる。このことにより、マイクロキャビティＭＣの深さを精度良く加工することができ、最表面の微細構造を設計寸法通りに精度良く作製することができる。なお、本発明の第１実施形態では、放射体２３を第１金属層Ｌ２１と第２金属層Ｌ２２とから構成するようにしたが、最表面が金属からなる放射体２３であれば良く、例えば、第１金属層Ｌ２１のみで放射体２３を構成しても良い。
【００２７】
このように構成された本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１について、モデルを作成して、赤外線光源１０１から放射される赤外線のシミュレーションを行った。このシミュレーションは、解析手法にＲＣＷＡ法（Rigorous Coupled Wave Analysis）を用い、解析計算モデルとして、放射体２３の外部から、ある波長の光を放射体２３に入射した際の放射体２３の吸収効率を求め、その結果（吸収効率）が放射効率と等価であるとし、放射体２３から放射される、ある波長に対する強度とした。また、図４は、本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１についてのシミュレーションに用いたモデル図である。このモデルに用いた赤外線光源１０１は、最表面の金属が金として第１金属層Ｌ２１のみで放射体２３を構成している。なお、図４は、模式的に構成を示すもので、実際のサイズを正確に示していない。
【００２８】
先ず、本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１から放射される赤外線の放射について、シミュレーションを行った。図５は、本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１のシミュレーション結果を示したグラフである。図５のシミュレーション結果は、マイクロキャビティＭＣの形状を、一定周期Ｐ＝３．５５μｍ、幅Ｗ＝２．５μｍ、深さＤを１.８μｍとして行った。つまり、マイクロキャビティＭＣのＷ／Ｐが０．７０、Ｄ／Ｗが０．７２である。また、図５のグラフは、横軸が波長、縦軸が赤外線の放射強度を示している。また、図中のＡ１〜Ａ４は、放射体２３の表面に垂直な方向に対して、ある角度方向の範囲に放射された赤外線のトータルの放射強度を示しており、Ａ１は１．５°の角度方向の範囲のデータであり、Ａ２は３°の角度方向の範囲のデータであり、Ａ３は６°の角度方向の範囲のデータであり、Ａ４は９°の角度方向の範囲のデータである。なお、このシミュレーションに用いたモデルは、放射体２３の表面に垂直な方向に対して、６°の角度方向に放射強度のピークを有するように設定されている。
【００２９】
その結果、放射体２３の表面に形成された微細な矩形状の凹断面を有するマイクロキャビティＭＣにより、表面プラズモン共鳴が発現し、図５に示すように、波長が４．２６μｍ付近にピーク強度を有する赤外線が得られた。また、放射された角度方向の範囲が広くなればなるほど、４．２６μｍ付近のピーク強度の形状を崩さずに、４．２６μｍ付近にピーク強度を有する赤外線のトータルの放射強度が強くなっている。これにより、所定の波長（図５では、４．２６μｍ）を含んだある範囲の波長領域の赤外線の総量（積算量）をより多くすることができるといえる。なお、図５に示すシミュレーション結果は、マイクロキャビティＭＣのＷ／Ｐが０．７０、Ｄ／Ｗが０．７２である場合の結果を示しており、Ｗ／Ｐを０．６から０．９，Ｄ／Ｗを０．４から０．７の範囲で任意に選択することにより、所望の波長のピーク値及び所望の波長形状を得ることができる。
【００３０】
また、放射体２３の表面に垂直な方向に対して、６°の角度方向に放射強度のピークを有するように設定されているが、以上のように、本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１が所定の波長を含んだある範囲の波長領域の赤外線の総量（積算量）をより多くすることができるのは、垂直から多少ずれた方向でも放射強度が得られるためであると考えられる。なお、放射体２３の表面に垂直な方向に対して、６°の角度方向に放射強度のピーク有するように設定されているが、１°から１０°の範囲の角度方向のいずれかに放射強度のピークを有するように設定しても良い。
【００３１】
次に、マイクロキャビティＭＣのサイズのパラメータ（一定周期をＰ、幅をＷ、深さをＤ）についてシミュレーションを行った。図６は、本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１のシミュレーション結果を示したグラフであり、図６（ａ）は、Ｗ／Ｐ＝０．７に固定した場合に、Ｄ／Ｗの値による性能指数の変化を示したグラフであり、図６（ｂ）は、Ｄ／Ｗを０．７に固定した場合に、Ｗ／Ｐの値による性能指数の変化を示したグラフである。ここでいう性能指数とは、放射強度のピーク値とＱ値とを掛け合わせたものを示し、性能の良否の比較として定義付けた。
【００３２】
その結果、図６（ａ）に示すように、Ｄ／Ｗが０．８を超えると、性能指数の低下が見られる。一方、Ｄ／Ｗが０．４では、性能指数の極端な低下は見られないが、Ｄ／Ｗが０．４以下になると、深さの寸法や形状等の制御が加工上難しくなる。これらのことにより、０．４＜Ｄ／Ｗ＜０．８の範囲であることが望ましく、より好ましくは、０．６≦Ｄ／Ｗ≦０．７５にするのが良い。
【００３３】
また、図６（ｂ）に示すように、Ｗ／Ｐが０．６を下回ると、性能指数が低下する傾向が見られている。一方、Ｗ／Ｐが０．６から０．８になるにつれて、性能指数が向上する傾向が見られるが、Ｗ／Ｐが０．９を超えると、製造が困難となる。これらのことにより、０．６＜Ｗ／Ｐ＜０．９の範囲であることが望ましい。
【００３４】
次に、比較のため、図１３に示す従来例やその他の比較例についても、同様な解析手法でシミュレーションを行った。図１４は、本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１のシミュレーション結果（図５）と比較したグラフであり、図１４（ａ）は、従来例の波長選択性熱放射材料９００のシミュレーション結果であり、図１４（ｂ）は、比較例のシミュレーション結果である。
【００３５】
図１４（ａ）に用いた従来例の波長選択性熱放射材料９００は、被覆層９０７を金として、マイクロキャビティ９０５の形状が、周期Ｐａ＝３．５５μｍ、幅Ｗａ＝２．５μｍで第１実施形態の赤外線光源１０１と同じにし、深さＤａを３μｍとしてシミュレーションを行った。このマイクロキャビティ９０５のＷ／Ｐは０．７０で、Ｄ／Ｗは１．２である。また、図１４（ａ）に用いた比較例も同様に、マイクロキャビティの形状が、一定周期Ｐ＝３．５５μｍ、幅Ｗ＝２．５μｍで第１実施形態の赤外線光源１０１と同じにし、深さＤを１μｍとしてシミュレーションを行った。このマイクロキャビティのＷ／Ｐは０．７０で、Ｄ／Ｗは０．４である。また、図１４のグラフも図５と同様に、横軸が波長、縦軸が赤外線の放射強度を示している。なお、図中のＢ１〜Ｂ４、及びＣ１〜Ｃ４は、波長選択性熱放射材料９００或いは比較例の赤外線光源の表面に垂直な方向に対して、ある角度方向の範囲に放射された赤外線のトータルの放射強度を示しており、Ｂ１及びＣ１は１．５°の角度方向の範囲のデータであり、Ｂ２及びＣ２は３°の角度方向の範囲のデータであり、Ｂ３及びＣ３は６°の角度方向の範囲のデータであり、Ｂ４及びＣ４は９°の角度方向の範囲のデータである。
【００３６】
最後に、本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１のシミュレーション結果（図５）と比較例のシミュレーション結果（図１４（ｂ））との比較を分かり易くするために、角度方向の違いによる性能の比較を、図７にまとめた。図７は、本発明の第１実施形態の赤外線光源のシミュレーション結果（図中のＡ１〜Ａ５）と比較例のシミュレーション結果（Ｃ１〜Ｃ５）を比較したグラフである。図７は、横軸が角度、縦軸が性能指数を示している。なお、図５及び図１４（ｂ）では示していないが、赤外線光源の表面に垂直な方向に対して、１２°の角度方向の範囲のデータ、Ａ５及びＣ５も付け加えている。
【００３７】
その結果、図５に示す赤外線光源１０１のシミュレーション結果と比較すると、図１４（ａ）に示す従来例、図１４（ｂ）に示す比較例ともに、放射された角度方向の範囲が広くなればなるほど、赤外線のトータルの放射強度は強くなっているが、ピーク波長がずれるとともに全体としてブロードな波形となってしまい、赤外線光源１０１のような所定の波長にピークを有する赤外線が得られなくなる。その結果、赤外線光源１０１のように所定の波長にピーク強度を有する赤外線のトータルの放射強度が強くなっていない。
【００３８】
また、図７に示すように、比較例は、放射された角度方向の範囲が狭い場合（具体的には３°以下）は、赤外線光源１０１より性能が若干良くなっているが、放射された角度方向の範囲が広くなればなるほど、性能が大きく低下している。一方、赤外線光源１０１は、放射された角度方向の範囲が広くなればなるほど性能が飛躍的に向上している。
【００３９】
図５、図７及び図１４を用いて説明してきたように、本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１は、従来例の波長選択性熱放射材料９００及び比較例と比較して、垂直方向以外でも所定の波長を含んだある範囲の波長領域の赤外線が多く放射されるため、所定の波長を含んだある範囲の波長領域の赤外線の総量（積算量）を実質的により多くすることができる。
【００４０】
以上により、本発明の赤外線光源１０１は、マイクロキャビティＭＣの幅をＷ、深さをＤとし、マイクロキャビティＭＣが二次元配列された一定周期をＰとした場合に、Ｄ／Ｗが０．４から０．８であるとともに、Ｗ／Ｐが０．６から０．９である。このような寸法の関係とすることにより、従来例の波長選択性熱放射材料と比較して、垂直方向以外でも所定の波長を含んだある範囲の波長領域の赤外線が多く放射されるため、所定の波長を含んだある範囲の波長領域の赤外線の総量（積算量）を実質的により多くすることができる。
【００４１】
また、放射体２３の表面に垂直な方向に対して、１°から１０°の範囲の角度方向のいずれかに放射強度のピークを有するので、０°（垂直方向）に所定の波長のピーク値が放射される場合と比較して、所定の波長を含んだある範囲の波長領域の赤外線の総量（積算量）をより一層多くすることができる。
【実施例】
【００４２】
次に、以上のように構成された赤外線光源１０１について、シミュレーション結果による効果の確認を行うため、実際に赤外線光源１０１を作製し、その特性測定を行った。図８は、本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１の作製方法を説明する工程図であって、図８（ａ）は、第２金属層Ｌ２２が形成された状態を示し、図８（ｂ）は、図８（ａ）の上層に第１金属層Ｌ２１が形成された状態を示し、図８（ｃ）は、レジスト膜Ｒ１がパターニングされた状態を示し、図８（ｄ）は、第１金属層Ｌ２１がエッチングされた状態を示し、図８（ｅ）は、レジスト膜Ｒ１が剥離された状態を示している。図９は、本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１の表面を拡大して示す走査型電子顕微鏡写真である。
【００４３】
先ず、スパッタリング法により、図８（ａ）に示すように、発熱体１５である熱酸化膜付きシリコン基板上にチタンを主成分とするチタン合金を成膜して第２金属層Ｌ２２を形成する。更に、真空蒸着法で、図８（ｂ）に示すように、第２金属層Ｌ２２上に金を主たる成分とする金合金を成膜して第１金属層Ｌ２１を形成する。
【００４４】
次に、フォトリソグラフィー法によって、図８（ｃ）に示すように、第１金属層Ｌ２１上にレジスト膜Ｒ１をパターニングする。そして、金とチタンとで十分に選択比がとれる、ヨウ素が含まれたエッチング液を用いて、第１金属層Ｌ２１にエッチング加工を行う。エッチング加工は、図８（ｄ）に示すように、第１金属層Ｌ２１のエッチングが第２金属層Ｌ２２に達するまで行われ、エッチングは、第２金属層Ｌ２２によって、深さ方向にはそれ以上ほとんど進行しないようになる。つまり、ウェット加工による加工レートが、第１金属層Ｌ２１が大きく第２金属層Ｌ２２が小さくなっているので、第１金属層Ｌ２１の穴の径方向の更なる加工が進む前、及び第２金属層Ｌ２２の穴の深さ方向の加工が進む前に、エッチング加工を終了することができる。
【００４５】
特に、本発明の第１実施形態では、第２金属層Ｌ２２が不動態膜を形成するチタンを主成分とするチタン合金からなるので、この第２金属層Ｌ２２の表面に形成された不動態膜により、第１金属層Ｌ２１の深さ方向の穴加工が確実に止まるようになる。このようにして、第１金属層Ｌ２１の微細構造の穴加工を行う際に、第２金属層Ｌ２２を第１金属層Ｌ２１の深さ方向の穴加工用ストッパーとしてより良く利用することができる。このことにより、穴の深さを精度良く加工することができ、最表面の微細構造を設計寸法通りに精度良く作製することができる。
【００４６】
また、マイクロキャビティＭＣの幅をＷ、深さをＤとした場合に、Ｄ／Ｗが、０．４から０．８の範囲で設定することができるので、従来例の波長選択性熱放射材料９００と比較して（Ｄａ／Ｗａが０．８から３）、マイクロキャビティＭＣを加工する際のアスペクト比が小さいので、最表面が金属からなる放射体２３の表面に形成するマイクロキャビティＭＣを容易に且つ精度良く作製することができる。
【００４７】
最後に、図８（ｅ）に示すように、レジスト膜Ｒ１を剥離すると、マイクロキャビティＭＣが形成された放射体２３を有した赤外線光源１０１が作製される。図９は、本発明の第１実施形態の実施例であって、作製された赤外線光源１０１の放射体２３の表面を拡大して示す走査型電子顕微鏡写真である。図９に示すように、放射体２３の表面には、微細な矩形状の凹断面を有するマイクロキャビティＭＣが一定周期で二次元配列されて形成されている。この際のマイクロキャビティＭＣの幅Ｗは３．１μｍ、深さＨが１．８μｍで、マイクロキャビティＭＣの一定周期Ｐが３．９５μｍであって、Ｗ／Ｐは、０．７８、Ｄ／Ｗが０．５８であった。
【００４８】
この作製された赤外線光源１０１を用いて、赤外線光源１０１から放射される赤外線の測定を行った。この測定は、加熱ステージに載置されて加熱された赤外線光源１０１から放射される赤外線を、分光器で測定することによって行われる。その際に、赤外線光源１０１と分光器との間にピンホールが空いた遮蔽板を設けて、このピンホールを通過した赤外線を測定するようにしている。そして、このピンホールの径を調節することにより、赤外線光源１０１の表面に垂直な方向に対して、ある角度方向の範囲のみの赤外線の通過を規定している。
【００４９】
図１０は、本発明の第１実施形態の実施例であって、作製された赤外線光源１０１から放射された赤外線を測定した結果である。図１０のグラフは、横軸が波長、縦軸が赤外線の強度を規格化した値を示している。また、図中の４．２６μｍ付近のデータが欠損しているのは、大気中で測定を行っているため、大気中のＣＯ２ガスにより４．２６μｍ付近の波長の赤外線が吸収された結果である。なお、図中のＡ１１〜Ａ１４は、放射体２３の表面に垂直な方向に対して、ある角度方向の範囲に放射された赤外線のトータルの放射強度を示しており、Ａ１１は１．５°の角度方向の範囲のデータであり、Ａ１２は３°の角度方向の範囲のデータであり、Ａ１３は６°の角度方向の範囲のデータであり、Ａ１４は９°の角度方向の範囲のデータである。
【００５０】
その結果、図１０に示すように、放射体２３の表面に形成された微細な矩形状の凹断面を有するマイクロキャビティＭＣにより、表面プラズモン共鳴が発現し、波長が４．６５μｍ付近にピーク強度を有する赤外線が得られた。また、放射された角度方向の範囲が広くなればなるほど、４．６５μｍ付近のピーク強度の形状を崩さずに、４．６５μｍ付近にピーク強度を有する赤外線のトータルの放射強度が強くなっている。これにより、所定の波長（図１０では、４．６５μｍ）を含んだある範囲の波長領域の赤外線の総量（積算量）をより多くすることができるといえる。
【００５１】
［第２実施形態］
図１１は、本発明の第２実施形態のガスセンサ２０１を説明する構成図である。なお、第１実施形態と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５２】
本発明の第２実施形態のガスセンサ２０１は、図１１に示すように、赤外線光源１０１と、赤外線光源１０１から放射された赤外線ＩＲを受光し電気信号を発生する受光素子２６とを備えて構成され、他に、被測定ガスが流入及び排出できるように設けられた筐体１１と、赤外線光源１０１が収容されたケースＫ１と、受光素子２６が収容されたケースＫ２と、受光素子２６からの電気信号を処理する制御部（図示していない）と、が備えられている。なお、図中の赤外線ＩＲは、光路の一部の軌跡を示したもので、赤外線ＩＲを全て表したものではない。
【００５３】
ガスセンサ２０１は、光源として、本発明の第１実施形態と同じ構成の赤外線光源１０１を用いており、赤外線光源１０１は、測定ガス（被測定ガス中のガス種を言う）の吸収波長とした特定波長を放射するようになっている。例えば、ガスセンサ２０１が測定ガスとして一酸化炭素ガス（ＣＯガス）を測定するセンサの場合、赤外線光源１０１から放射される赤外線ＩＲの強度のピーク波長が、ＣＯガスが吸収する波長λＣＯ＝４．６５μｍに一致するように、マイクロキャビティＭＣの幅Ｗ、深さＤ、一定周期Ｐを適切に選定している。
【００５４】
また、ガスセンサ２０１は、受光素子２６として、一般に広く利用されている赤外線受光素子を用いており、図１１に示すように、赤外線光源１０１から放射された赤外線ＩＲを受光する位置に配設されている。そして、赤外線ＩＲを受光した受光素子２６は、ＩＣ(Integrated Circuit)等を有した制御部に電気信号を送信する。
【００５５】
筐体１１は、金属製の筒形状を有しており、図１１に示すように、筐体１１には、一定量に調整された被測定ガスを導入させる導入部１１ａと排出させる排出部１１ｂとが取り付けられており、所定の流量で被測定ガスが筐体１１の内部に送り込まれるとともに、排出されるようになっている。これにより、被測定ガスが順次置換されることになり、被測定ガス中の測定対象であるガス種（測定ガス）の濃度の経時な変化を連続的に分析することが可能となる。
【００５６】
また、図１１に示すように、筐体１１とケースＫ１と、及び筐体１１とケースＫ２との仕切り部分には、カバー５１ａとカバー５１ｂとが設けられており、赤外線光源１０１より放射された赤外線ＩＲがカバー５１ａを通して筐体１１内に入射し、被測定ガス中を透過した後、カバー５１ｂを透過して出射し、受光素子２６で受光されるようになっている。なお、カバー５１ａとカバー５１ｂは、波長が２〜１５μｍ帯の赤外線ＩＲに対して透過性を有していれば良く、硫化物を主体としたガラス等を用いている。
【００５７】
このように構成されたガスセンサ２０１は、赤外線光源１０１から放射された赤外線ＩＲが被測定ガス中のガス種（測定ガス）により吸収されて、受光素子２６により受光される赤外線ＩＲの強度が変化することを利用している。つまり、受光素子２６により受光される赤外線ＩＲの強度が測定ガスの濃度によって変化するので、被測定ガス中のガス種（測定ガス）の濃度を測定することができる。これにより、赤外線光源１０１と受光素子２６との間に測定ガスを配置するだけで、容易にガスセンサ２０１として用いることができる。
【００５８】
さらに、本発明の第２実施形態では、第１実施形態の赤外線光源１０１を用いているので、所定の波長を含んだある範囲の波長領域の赤外線ＩＲの総量（積算量）がより多い光源となっている。このため、赤外線光源１０１と受光素子２６との位置関係が多少ずれたとしても、測定ガスを確実にセンシングすることができる。このことにより、厳しい組立精度が求められなく、より容易にガスセンサ２０１を組み立てることができる。
【００５９】
また、ガスセンサ２０１は、赤外線ＩＲの強度のピーク波長が所望の特定波長と一致する赤外線光源１０１を用いているので、従来の赤外線光源では必ず必要なバンドパスフィルタや光学フィルタ等のフィルタを必要としない。このことにより、ガスセンサ２０１を安く作製することができる。さらに、フィルタを通すことで実際に有用な特定波長の赤外線の一部が吸収されてしまう問題や、従来の赤外線光源では不要な他の波長を利用していないと言う問題を解決することができる。
【００６０】
以上により、本発明の赤外線光源１０１を用いたガスセンサ２０１は、測定ガスの吸収波長とした特定波長を放射する赤外線光源１０１と赤外線光源１０１から放射された赤外線ＩＲを受光する受光素子２６とを備えているので、赤外線光源１０１と受光素子２６との間に測定ガスを配置するだけで、受光素子２６が受光する赤外線ＩＲの強度が測定ガスの濃度によって変化する。このため、容易にガスセンサ２０１として用いることができる。さらに、所定の波長を含んだある範囲の波長領域の赤外線ＩＲの総量（積算量）がより多い赤外線光源１０１を用いているので、赤外線光源１０１と受光素子２６との位置関係が多少ずれたとしても、測定ガスを確実にセンシングすることができる。このことにより、厳しい組立精度が求められなく、より容易にガスセンサ２０１を組み立てることができる。
【００６１】
［第３実施形態］
図１２は、本発明の第３実施形態のセンサ３０１を説明する構成図である。なお、第１実施形態及び第２実施形態と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６２】
本発明の第３実施形態のセンサ３０１は、図１２に示すように、赤外線光源１０１と、赤外線光源１０１から放射された赤外線ＩＲを受光し電気信号を発生する受光素子２６とを備えて構成され、他に、赤外線光源１０１及び受光素子２６を収容し、被測定物Ｍを載置できる載置部３１ａを有した筐体３１とが備えられている。なお、図中の赤外線ＩＲは、光路の一部の軌跡を示したもので、赤外線ＩＲを全て表したものではない。
【００６３】
センサ３０１は、光源として、本発明の第１実施形態と同じ構成の赤外線光源１０１を用いており、赤外線光源１０１は、被測定物Ｍにより吸収される帯域の波長を有している。例えば、図１２に示すように、センサ３０１が被測定物Ｍとして果物等の糖度を測定するセンサの場合、赤外線光源１０１から放射される赤外線ＩＲの強度のピーク波長が、０.８〜２.５μｍの間になるように、マイクロキャビティＭＣの幅Ｗ、深さＤ、一定周期Ｐを適切に選定している。
【００６４】
筐体３１は、合成樹脂製の箱形状を有しており、図１２に示すように、筐体３１には、被測定物Ｍを配置する載置部３１ａが設けられており、赤外線光源１０１より放射された赤外線ＩＲは、カバー７１ａを通して被測定物Ｍに入射し、被測定物Ｍ中を透過した後、カバー７１ｂを透過して出射し、受光素子２６で受光される。なお、カバー７１ａとカバー７１ｂは、波長が０.８〜２.５μｍ帯の赤外線ＩＲに対して透過性を有していれば良く、或いは、カバー７１ａとカバー７１ｂを設けなく、赤外線ＩＲが透過できるように、筐体３１に穴がおいていても良い。
【００６５】
このように構成されたセンサ３０１は、赤外線光源１０１から放射された赤外線ＩＲが被測定物Ｍを透過し、赤外線ＩＲの一部が被測定物Ｍにより吸収され、この透過した赤外線ＩＲを受光素子２６で受光し、赤外線ＩＲの透過量若しくは吸収量から、例えば被測定物Ｍ中の糖度を測定することができる。これにより、赤外線光源１０１と受光素子２６との間に被測定物Ｍを配置するだけで、受光素子２６が受光する赤外線ＩＲの強度が被測定物Ｍによって変化し、容易にセンサ３０１として用いることができる。
【００６６】
さらに、本発明の第３実施形態では、第１実施形態の赤外線光源１０１を用いているので、所定の波長を含んだある範囲の波長領域の赤外線ＩＲの総量（積算量）がより多い光源となっている。このため、赤外線光源１０１と受光素子２６との位置関係が多少ずれたとしても、被測定物Ｍを確実にセンシングすることができる。このことにより、厳しい組立精度が求められなく、より容易にセンサ３０１を組み立てることができる。
【００６７】
また、センサ３０１は、赤外線ＩＲの強度のピーク波長が所望の特定波長と一致する赤外線光源１０１を用いているので、通常用いられているハロゲンランプと比較して、小型で低消費電力のセンサ３０１を作製することができ、熱による被測定物Ｍに与える影響も低減することができる。
【００６８】
以上により、本発明の赤外線光源１０１を用いたセンサ３０１は、赤外線光源１０１と、赤外線光源１０１から放射された赤外線ＩＲを受光する受光素子２６と、を備えているので、赤外線光源１０１と受光素子２６との間に被測定物Ｍを配置するだけで、受光素子２６が受光する赤外線ＩＲの強度が被測定物Ｍにより変化する。このことにより、容易にセンサ３０１として用いることができる。さらに、所定の波長を含んだある範囲の波長領域の赤外線ＩＲの総量（積算量）がより多い赤外線光源１０１を用いているので、赤外線光源１０１と受光素子２６との位置関係が多少ずれたとしても、被測定物Ｍを確実にセンシングすることができる。このことにより、厳しい組立精度が求められなく、より容易にセンサ３０１を組み立てることができる。
【００６９】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば次のように変形して実施することができ、これらの実施形態も本発明の技術的範囲に属する。
【００７０】
＜変形例１＞
上記第１実施形態では、第１金属層Ｌ２１の下に第２金属層Ｌ２２を設けて放射体２３と構成したが、第２金属層Ｌ２２がなく、第１金属層Ｌ２１のみで放射体を構成しても良い。
＜変形例２＞
上記第１実施形態では、放射体２３の裏面側に密着させて配置した発熱体１５を用いた構成であったが、発熱体１５を用いなく、放射体２３に直接通電することにより放射体２３を加熱し、放射体２３を発熱体と兼用する構成であっても良い。
【００７１】
＜変形例３＞
上記第２実施形態に、受光素子２６の近傍に温度センサを配置し、温度による影響をフィードバックできるようにするとより良い。また、より精度の高い測定を行うため、ノイズ除去フィルタをカバー５１ｂと受光素子２６との間に配置する構成であっても良い。
【００７２】
本発明は上記実施の形態に限定されず、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００７３】
Ｌ２１  第１金属層
Ｌ２２  第２金属層
２３  放射体
１５  発熱体
２６  受光素子
ＭＣ  マイクロキャビティ
１０１  赤外線光源
２０１  ガスセンサ
３０１  センサ
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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