(57)【要約】  赤外線ヒーター１０は、ヒーター本体１１と、ケーシング５０と、を備えている。ヒーター本体１１は、発熱体１３と、発熱体１３から熱エネルギーを入力すると非プランク分布のピーク波長を有する赤外線を放射可能なメタマテリアル構造体３０と、を備える。ケーシング５０は、ヒーター本体１１が配置され減圧可能な内部空間５３を有する。また、ケーシング５０は、メタマテリアル構造体３０からの赤外線をケーシング５０の外部に透過可能な赤外線透過板５４を有する。
2018079386.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体と、前記発熱体から熱エネルギーを入力すると非プランク分布のピーク波長を有する赤外線を放射可能なメタマテリアル構造体と、を備えたヒーター本体と、
前記ヒーター本体が配置され減圧可能な内部空間を有するケーシングであって、該メタマテリアル構造体からの赤外線を該ケーシングの外部に透過可能な赤外線透過部を有するケーシングと、
を備えた赤外線ヒーター。
【請求項２】
請求項１に記載の赤外線ヒーターであって、
前記ヒーター本体とは離れて配置され、前記ヒーター本体側と対象物側との少なくとも一方に赤外線を反射可能な赤外線反射部、
を備えた赤外線ヒーター。
【請求項３】
前記赤外線反射部は、前記ケーシングのうち前記内部空間に露出する内周面に位置している、
請求項２に記載の赤外線ヒーター。
【請求項４】
前記ケーシングは、赤外線を透過可能な赤外線透過部材で構成されており、
前記赤外線反射部は、前記ケーシングの外側に配設されている、
請求項２に記載の赤外線ヒーター。
【請求項５】
前記赤外線反射部は、前記ケーシングの外周面に配設されている、
請求項４に記載の赤外線ヒーター。
【請求項６】
前記ヒーター本体は、前記発熱体から見て前記メタマテリアル構造体とは反対側の表面に配置され該メタマテリアル構造体の平均放射率よりも低い平均放射率を有する低放射層を備える、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の赤外線ヒーター。
【請求項７】
前記メタマテリアル構造体は、前記発熱体側から順に、第１導体層と、該第１導体層に接合された誘電体層と、各々が前記誘電体層に接合され互いに離間して周期的に配置された複数の個別導体層を有する第２導体層と、を備える、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の赤外線ヒーター。
【請求項８】
前記メタマテリアル構造体は、少なくとも表面が導体からなり互いに離間して周期的に配置された複数のマイクロキャビティを備える、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の赤外線ヒーター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線ヒーターに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、赤外線ヒーターとしては、種々の構造が知られている。例えば、特許文献１には、支持板と、支持板に巻き廻されたリボン状の発熱体と、を備えた面状ヒーターが記載されている。また、特許文献２には、発熱体と、少なくとも表面が導電体からなるマイクロキャビティが形成されたマイクロキャビティ形成体と、を備えた赤外線ヒーターが記載されている。特許文献２に記載の赤外線ヒーターは、発熱体からのエネルギーを吸収したマイクロキャビティ形成体が非プランク分布のピーク波長を有する赤外線を放射する。これにより、特定の波長領域の赤外線を対象物に放射することができるとしている。なお、このマイクロキャビティ形成体のように特定の波長領域の赤外線を放射する構造体は、メタマテリアル構造体と呼ばれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２６１０９５号公報
【特許文献２】特開２０１５−１９８０６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献２のようにメタマテリアル構造体を用いた赤外線ヒーターでは、特定の波長領域以外の波長領域における赤外線の放射率が比較的低い。そのため、メタマテリアル構造体を用いた赤外線ヒーターは、例えば特許文献１のようにメタマテリアル構造体を用いない通常の赤外線ヒーターと比較して、同一の電力を投入した場合に赤外線ヒーター自身の温度が上昇しやすい。そして、温度が上昇しやすいことで、赤外線ヒーターと周囲の気体との間で対流熱伝達が生じやすくなり、対流損失が大きくなってエネルギー効率が低下しやすいという問題があった。【０００５】
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、メタマテリアル構造体を用いた赤外線ヒーターのエネルギー効率をより向上させることを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述した主目的を達成するために以下の手段を採った。【０００７】
本発明の赤外線ヒーターは、
発熱体と、前記発熱体から熱エネルギーを入力すると非プランク分布のピーク波長を有する赤外線を放射可能なメタマテリアル構造体と、を備えたヒーター本体と、
前記ヒーター本体が配置され減圧可能な内部空間を有するケーシングであって、該メタマテリアル構造体からの赤外線を該ケーシングの外部に透過可能な赤外線透過部を有するケーシングと、
を備えたものである。【０００８】
この赤外線ヒーターは、発熱体とメタマテリアル構造体と有するヒーター本体が、ケーシング内の減圧可能な内部空間内に配置されている。そのため、内部空間を減圧状態にしてこの赤外線ヒーターを使用することで、例えば内部空間が常圧の場合と比較して、ヒーター本体から内部空間内への対流熱伝達が少なくなり、対流損失を抑制できる。したがって、赤外線ヒーターのエネルギー効率をより向上させることができる。ここで、メタマテリアル構造体は、最大ピークがプランク分布のピークよりも急峻な放射特性を有する構造体としてもよい。なお、「プランク分布のピークよりも急峻」は、「プランク分布のピークよりも半値幅（FWHM：full width at half maximum）が狭い」ことを意味する。【０００９】
本発明の赤外線ヒーターは、前記ヒーター本体とは離れて配置され、前記ヒーター本体側と対象物側との少なくとも一方に赤外線を反射可能な赤外線反射部、を備えていてもよい。こうすれば、ヒーター本体から放射された赤外線のエネルギーの少なくとも一部を、反射によりヒーター本体と対象物との少なくとも一方に投入することができ、エネルギー効率がより向上する。この場合において、前記赤外線反射部は、前記ケーシングのうち前記内部空間に露出する内周面に位置していてもよい。【００１０】
赤外線反射部を備えた本発明の赤外線ヒーターにおいて、前記ケーシングは、赤外線を透過可能な赤外線透過部材で構成されており、前記赤外線反射部は、前記ケーシングの外側に配設されていてもよい。こうしても、ヒーター本体から放射された赤外線のエネルギーの少なくとも一部を、反射によりヒーター本体と対象物との少なくとも一方に投入することができる。この場合において、前記赤外線反射部は、前記ケーシングの外周面に配設されていてもよい。【００１１】
本発明の赤外線ヒーターにおいて、前記ヒーター本体は、前記発熱体から見て前記メタマテリアル構造体とは反対側の表面に配置され該メタマテリアル構造体の平均放射率よりも低い平均放射率を有する低放射層を備えていてもよい。こうすれば、発熱体から見てメタマテリアル構造体とは反対側に放射されてしまう赤外線のエネルギーを少なくすることができるため、エネルギー効率がより向上する。【００１２】
本発明の赤外線ヒーターにおいて、前記メタマテリアル構造体は、前記発熱体側から順に、第１導体層と、該第１導体層に接合された誘電体層と、各々が前記誘電体層に接合され互いに離間して周期的に配置された複数の個別導体層を有する第２導体層と、を備えていてもよい。【００１３】
本発明の赤外線ヒーターにおいて、前記メタマテリアル構造体は、少なくとも表面が導体からなり互いに離間して周期的に配置された複数のマイクロキャビティを備えていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】赤外線ヒーター１０の概略断面図。
【図２】メタマテリアル構造体３０の部分底面図。
【図３】変形例のヒーター本体１１Ａの部分断面図。
【図４】変形例のメタマテリアル構造体３０Ａの部分底面斜視図。
【図５】変形例の赤外線ヒーター１１０の断面図。
【図６】変形例の赤外線ヒーター１１０の断面図。
【図７】発熱体１３への投入電力とヒーター本体の温度との関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
次に、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態である赤外線ヒーター１０の概略断面図である。図２は、メタマテリアル構造体３０の部分底面図である。なお、本実施形態において、左右方向、前後方向及び上下方向は、図１，２に示した通りとする。赤外線ヒーター１０は、ヒーター本体１１と、ケーシング５０と、固定部７０と、を備えている。ヒーター本体１１及び固定部７０は、ケーシング５０の内部空間５３内に配置されている。この赤外線ヒーター１０は、下方に配置された図示しない対象物に向けて赤外線を放射する。
【００１６】
ヒーター本体１１は、ケーシング５０の内部空間５３内に配置されている。ヒーター本体１１は、図１の拡大図に示すように、発熱部１２と、発熱部１２の下方に配置された支持基板２０と、支持基板２０の下方に配置されたメタマテリアル構造体３０と、発熱部１２の上方に配置された低放射層４０と、を備えている。
【００１７】
発熱部１２は、いわゆる面状ヒーターとして構成されており、線状の部材をジグザグに湾曲させた発熱体１３と、発熱体１３に接触して発熱体１３の周囲を覆う絶縁体である保護部材１４とを備えている。発熱体１３の材質としては、例えばＷ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金及びＮｉ−Ｃｒ合金などが挙げられる。保護部材１４の材質としては、例えばポリイミドなどの絶縁性の樹脂やセラミックス等が挙げられる。発熱体１３の両端には一対の電気配線１５（図１では１本のみ図示）が取り付けられている。電気配線１５は、ケーシング５０の上部に取り付けられたシーリンググランド６７内を貫通して赤外線ヒーター１０の外部に引き出されている。この電気配線１５を介して、発熱体１３に外部から電力を供給可能である。なお、発熱部１２は、絶縁体にリボン状の発熱体を巻き付けた構成の面状ヒーターとしてもよい。なお、発熱部１２は上面視で矩形状としたが、例えば円形であってもよい。
【００１８】
支持基板２０は、発熱部１２の下側に配置された平板状の部材である。支持基板２０は、ケーシング５０の内部に配置された固定部７０により固定されており、発熱部１２及びメタマテリアル構造体３０を支持している。支持基板２０の材質としては、例えばＳｉウェハ、ガラスなどのように、平滑面が維持しやすく、耐熱性が高く、熱反りが低い素材が挙げられる。本実施形態では、支持基板２０はＳｉウェハとした。なお、支持基板２０は、本実施形態のように発熱部１２の下面に接触していてもよいし、接触せず空間を介して発熱部１２と上下に離間して配設されていてもよい。支持基板２０と発熱部１２とが接触している場合には両者は接合されていてもよい。
【００１９】
メタマテリアル構造体３０は、発熱体１３及び支持基板２０の下方に配設された板状の部材である。メタマテリアル構造体３０は、支持基板２０の下面と必要に応じて直接接合されていてもよいし、図示しない接着層を介して接合されていてもよい。メタマテリアル構造体３０は、発熱体１３側から下方に向かって、第１導体層３１と、誘電体層３３と、複数の個別導体層３６を有する第２導体層３５と、をこの順に備えている。なお、メタマテリアル構造体３０が有する各層間は、直接接合されていてもよいし、接着層を介して接合されていてもよい。メタマテリアル構造体３０は、下面がケーシング５０の赤外線透過板５４と対向するように配置されている。なお、個別導体層３６及び誘電体層３３の下面露出部は酸化防止層（図示せず、例えばアルミナで形成される）で被覆されていてもよい。
【００２０】
第１導体層３１は、支持基板２０から見て発熱体１３とは反対側（下側）で接合された平板状の部材である。第１導体層３１の材質は例えば金属などの導体（電気伝導体）である。金属の具体例としては、金，アルミニウム（Ａｌ），又はモリブデン（Ｍｏ）などが挙げられる。本実施形態では、第１導体層３１の材質は金とした。第１導体層３１は、図示しない接着層を介して支持基板２０に接合されている。接着層の材質としては、例えばクロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）などが挙げられる。なお、第１導体層３１と支持基板２０とが直接接合されていてもよい。
【００２１】
誘電体層３３は、第１導体層３１から見て発熱体１３とは反対側（下側）で接合された平板状の部材である。誘電体層３３は、第１導体層３１と第２導体層３５との間に挟まれている。誘電体層３３の材質としては、例えば、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3），シリカ（ＳｉＯ2）などが挙げられる。本実施形態では、誘電体層３３の材質はアルミナとした。
【００２２】
第２導体層３５は、導体からなる層であり、誘電体層３３の下面に沿った方向（前後左右方向）に周期構造を有する。具体的には、第２導体層３５は複数の個別導体層３６を備えており、この個別導体層３６が誘電体層３３の下面に沿った方向（前後左右方向）に互いに離間して配置されることで、周期構造を構成している（図２参照）。複数の個別導体層３６は、左右方向（第１方向）に間隔Ｄ１ずつ離れて互いに等間隔に配設されている。また、複数の個別導体層３６は、左右方向に直交する前後方向（第２方向）に間隔Ｄ２ずつ離れて互いに等間隔に配設されている。個別導体層３６は、このように格子状に配列されている。なお、本実施形態では図２に示すように四方格子状に個別導体層３６を配列したが、例えば個別導体層３６の各々が正三角形の頂点に位置するように六方格子状に個別導体層３６を配列してもよい。複数の個別導体層３６の各々は、下面視で円形をしており、厚さｈ（上下高さ）が径Ｗよりも小さい円柱形状をしている。第２導体層３５の周期構造の周期は、横方向の周期Λ１＝Ｄ１＋Ｗ、縦方向の周期Λ２＝Ｄ２＋Ｗである。本実施形態では、Ｄ１＝Ｄ２とし、したがってΛ１＝Λ２とした。第２導体層３５（個別導体層３６）の材質は、例えば金属などの導体であり、上述した第１導体層３１と同様の材質を用いることができる。第１導体層３１及び第２導体層３５の少なくとも一方が金属であってもよい。本実施形態では、第２導体層３５の材質は第１導体層３１と同じ金とした。
【００２３】
このように、メタマテリアル構造体３０は、第１導体層３１と、周期構造を有する第２導体層３５（個別導体層３６）と、第１導体層３１及び第２導体層３５に挟まれた誘電体層３３とを有している。これにより、メタマテリアル構造体３０は、発熱体１３から熱エネルギーを入力すると非プランク分布のピーク波長を有する赤外線を放射可能になっている。なお、プランク分布とは、横軸を右にいくほど長くなる波長とし、縦軸を輻射強度としたグラフ上において、特定のピークを有した山型の分布であり、ピークよりも左側の傾斜が急で、ピークよりも右側の傾斜がなだらかな形状を有する曲線である。通常の材料はこの曲線（プランク放射曲線）に従って放射をする。非プランク放射（非プランク分布のピーク波長を有する赤外線の放射）とは、その放射の最大ピークを中心とした山型の傾斜が、前記のプランク放射に比べて急峻であるような放射である。すなわち、メタマテリアル構造体３０は、最大ピークがプランク分布のピークよりも急峻な放射特性を有する。なお、「プランク分布のピークよりも急峻」は、「プランク分布のピークよりも半値幅（FWHM：full width at half maximum）が狭い」ことを意味する。これにより、メタマテリアル構造体３０は、赤外線の全波長領域（０．７μｍ〜１０００μｍ）のうち、特定の波長の赤外線を選択的に放射する特性を有するメタマテリアルエミッターとして機能する。この特性は、マグネティックポラリトン（Magnetic polariton）で説明される共鳴現象によるものと考えられている。なお、マグネティックポラリトンとは、上下２枚の導体（第１導体層３１及び第２導体層３５）に反平行電流が励起され，その間の誘電体（誘電体層３３）内において強い磁場の閉じ込め効果が得られる共鳴現象のことである。これにより、メタマテリアル構造体３０では、第１導体層３１および個別導体層３６で局所的に強い電場の振動が励起されることからこれが赤外線の放射源となり、赤外線が周囲環境（ここでは特に下方）に放射される。また、このメタマテリアル構造体３０では、第１導体層３１，誘電体層３３及び第２導体層３５の材質や、個別導体層３６の形状及び周期構造を調整することで、共鳴波長を調整することができる。これにより、メタマテリアル構造体３０の第１導体層３１および個別導体層３６から放射される赤外線は、特定の波長の赤外線の放射率が高くなる特性を示す。すなわち、メタマテリアル構造体３０は、半値幅が比較的小さく放射率が比較的高い急峻な最大ピークを有する赤外線を放射する特性を有する。なお、本実施形態では、Ｄ１＝Ｄ２としたが、間隔Ｄ１と間隔Ｄ２とが異なっていてもよい。周期Λ１及び周期Λ２についても同様である。なお半値幅は周期Λ１及び周期Λ２を変更することで制御できる。メタマテリアル構造体３０は、所定の放射特性における上述した最大ピークが波長６μｍ以上７μｍ以下の範囲内にあってもよいし、２．５μｍ以上３．５μｍ以下の範囲内にあってもよい。また、メタマテリアル構造体３０は、最大ピークの立ち上がりから立ち下がりまでの波長領域以外の波長領域における赤外線の放射率が値０．２以下であることが好ましい。メタマテリアル構造体３０は、最大ピークの半値幅が１．０μｍ以下であることが好ましい��メタマテリアル構造体３０の放射特性は、最大ピークを中心にして略左右対称形状を有していてもよい。また、メタマテリアル構造体３０の最大ピークの高さ（最大輻射強度）は、上述したプランク放射の曲線を上回ることはない。
【００２４】
なお、このようなメタマテリアル構造体３０は、例えば以下のように形成することができる。まず、支持基板２０の表面（図１では下面）にスパッタリングにより接着層及び第１導体層３１をこの順に形成する。次に、第１導体層３１の表面（図１では下面）にＡＬＤ法（atomic layer deposition：原子層堆積法）により誘電体層３３を形成する。続いて、誘電体層３３の表面（図１では下面）に所定のレジストパターンを形成してからヘリコンスパッタリング法により第２導体層３５の材質からなる層を形成する。そして、レジストパターンを除去することにより、第２導体層３５（複数の個別導体層３６）を形成する。
【００２５】
低放射層４０は、ヒーター本体１１の表面うち、発熱体１３から見てメタマテリアル構造体３０とは反対側の表面（図１では上面）に配置されている。この低放射層４０は、メタマテリアル構造体３０の平均放射率よりも低い平均放射率を有する。ここで、「平均放射率」とは、赤外線の全波長域（０．７μｍ〜１０００μｍ）における平均の放射率を意味する。したがって、低放射層４０の方がメタマテリアル構造体３０よりも放射率が高い波長領域が存在していたとしても、全体として低放射層４０の方が放射率が低ければよい。また、メタマテリアル構造体３０と低放射層４０との各々の平均放射率は、各々を同じ温度にしたときの放射率に基づいて導出した値とする。低放射層４０は、放射率の低い材質を用いることが好ましい。低放射層４０の材質としては、例えば、金又はアルミニウム（Ａｌ）などが挙げられる。本実施形態では、低放射層４０は金とした。なお、低放射層４０は、例えば保護部材１４の表面（ここでは上面）全体にスパッタリング等を用いて形成することができる。
【００２６】
ケーシング５０は、円筒部５２と、赤外線透過板５４（赤外線透過部の一例）と、挟持部材５５，５６と、板状部材５７，５８と、を備えている。円筒部５２は、軸方向が上下方向に沿った部材であり上端及び下端が開口している。赤外線透過板５４は、円筒部５２の下端の開口を塞ぐように配置されている。赤外線透過板５４は、メタマテリアル構造体３０からの赤外線をケーシング５０の外部に透過する窓の役割を果たす。赤外線透過板５４は、メタマテリアル構造体３０から放射される赤外線のうち最大ピークの立ち上がりから立ち下がりまでの波長領域の少なくとも一部の波長領域の赤外線を透過可能である。赤外線透過板５４は、メタマテリアル構造体３０から放射される赤外線のうち最大ピークを含む波長領域を少なくとも透過可能であることが好ましく、最大ピークの半値幅領域を含む波長領域を少なくとも透過可能であることがより好ましい。赤外線透過板５４の材質としては、例えば石英（波長３．５μｍ以下の赤外線を透過）、透明アルミナ（波長５．５μｍ以下の赤外線を透過）、蛍石（フッ化カルシウム，ＣａＦ2，波長８μｍ以下の赤外線を透過）などが挙げられる。赤外線透過板５４の材質は、例えばメタマテリアル構造体３０からの赤外線の最大ピークに応じて適宜選択してもよい。ケーシング５０は、円筒部５２，板状部材５７及び赤外線透過板５４で囲まれる内部空間５３を有している。挟持部材５５，５６は、上面視で円形の開口を有する板状部材であり、赤外線透過板５４を円筒部５２よりも外側で上下から挟持して赤外線透過板５４を固定している。赤外線透過板５４と挟持部材５５，５６との間にはそれぞれ例えばＯリングなどの封止部材６３，６４が配設されて、内部空間５３内とケーシング５０の外部との間を封止している。挟持部材５５，５６は、ボルトなどの複数の固定金具６１（図１では２個のみ図示）によって上下方向に互いに接近するように押圧されて固定されている。板状部材５７，５８は上面視で円形の板状部材である。板状部材５７は、円筒部５２の上端の開口を塞ぐように配置されており、板状部材５７の下面５７ａが内部空間５３に露出している。板状部材５８は上面視で円形の開口を有し、この開口に円筒部５２の上端が挿入されている。板状部材５７，５８の間には例えばＯリングなどの封止部材６５が配設されている。板状部材５７，５８は、複数の固定金具６２（図１では２個のみ図示）によって互いに上下方向に互いに接近するように押圧されて固定されている。固定金具６２は、例えばボルト及びナットなどからなる。
【００２７】
円筒部５２、挟持部材５５，５６、及び板状部材５７，５８の材質としては、例えばステンレス鋼又はアルミニウムなどが挙げられる。また、ケーシング５０のうち内部空間５３を形成し且つ赤外線透過板５４以外の部材（ここでは円筒部５２及び板状部材５７）は、赤外線を反射可能な材質であることが好ましい。さらに、ケーシング５０のうち内部空間５３に露出し且つ赤外線透過板５４以外の部材の面（赤外線反射部の一例であり、ここでは円筒内面５２ａ及び下面５７ａ）は、特に赤外線の反射率が高いことが好ましい。例えば、円筒内面５２ａ及び下面５７ａの赤外線の反射率は、５０％以上としてもよいし、８０％以上、９０％以上としてもよい。本実施形態では、円筒部５２及び板状部材５７はステンレス鋼であり、円筒内面５２ａ及び下面５７ａはバフ研磨などの研磨により反射率が高められている。なお、円筒内面５２ａは、ケーシング５０のうち内部空間５３に露出する側面（ヒーター本体１１の前後左右に位置する面）である。また、下面５７ａは、ケーシング５０のうち内部空間５３に露出する天井面であり、発熱体１３から見てメタマテリアル構造体３０とは反対側（ここでは上方）に位置する面である。
【００２８】
このケーシング５０は、上方に配管６６及びシーリンググランド６７が取り付けられている。配管６６の内部は、円筒部５２及び板状部材５７に形成された貫通孔を介して内部空間５３と連通している。配管６６には真空計８１及び図示しない真空ポンプが接続されており、真空ポンプの動作によって内部空間５３を減圧可能になっている。シーリンググランド６７の内部を電気配線１５が挿通されていることで、内部空間５３内と外部空間との間を封止しつつ発熱体１３の電気配線１５が外部に引き出されている。
【００２９】
固定部７０は、ヒーター本体１１を内部空間５３内で支持する部材である。固定部７０は、一対のナット７１，７２と、スペーサ７１ａ，７２ａと、ガイド軸７３と、支持板７５と、固定金具７６と、を備えている。ナット７１，７２は、ヒーター本体１１の支持基板２０を上下から挟持する一対の部材であり、固定部７０は複数対（例えば４対であり、図１では２対のみ図示）のナット７１，７２を備えている。スペーサ７１ａはナット７１と支持基板２０との間に配設され、スペーサ７２ａはナット７２と支持基板２０との間に配設されている。支持基板２０は、スペーサ７１ａ，７２ａを介してナット７１，７２及びガイド軸７３と接している。支持基板２０からナット７１，７２及びガイド軸７３への熱伝導を低減できるため、スペーサ７１ａ，７２ａは熱伝導率の低い材質（例えば、セラミックス、ガラス、樹脂等）を用いることが好ましい。ガイド軸７３は、ナット７１，７２、スペーサ７１ａ，７２ａ、及び支持基板２０を貫通してこれらを支持する棒状の部材である。ガイド軸７３は、ナット７１，７２と同じ数（本実施形態では４本であり、図１では２本のみ図示）だけ設けられている。複数のガイド軸７３は、支持板７５及び支持板７５を貫通する固定金具７６を介して板状部材５７に取り付けられて固定されている。これにより、固定部７０は、ヒーター本体１１をケーシング５０から離間させた状態で支持している。なお、ヒーター本体１１の支持基板２０は、上面視で発熱部１２及びメタマテリアル構造体３０よりも大きい部材であり、これらよりも水平方向にはみ出している。そのため、ガイド軸７３はヒーター本体１１のうち支持基板２０のみを貫通している。また、ガイド軸７３は雄ネジが形成されており、ナット７１，７２はガイド軸７３に沿って上下位置を変更可能になっている。これにより、ヒーター本体１１の上下方向の位置（例えば赤外線透過板５４との距離）を変更可能になっている。
【００３０】
こうした赤外線ヒーター１０の使用例を以下に説明する。まず、図示しない真空ポンプを用いて、内部空間５３を所定の減圧雰囲気にする。特に限定するものではないが、内部空間５３は空気雰囲気又は不活性ガス雰囲気（例えば窒素雰囲気）としてもよい。内部空間５３の減圧後の圧力は、１００Ｐａ以下とする。なお、内部空間５３の減圧後の圧力は、０．０１Ｐａ以上としてもよい。また、図示しない電源から電気配線１５を介して発熱体１３の両端に電力を供給する。電力の供給は、例えば発熱体１３の温度が予め設定された温度（特に限定するものではないが、ここでは３２０℃とする）になるように行う。所定の温度に達した発熱体１３からは、伝導・対流・放射の伝熱３形態のうち主に伝導により周囲にエネルギーが伝達され、メタマテリアル構造体３０が加熱される。その結果、メタマテリアル構造体３０は所定温度（ここでは例えば３００℃とする）に上昇し、放射体となって、赤外線を放射するようになる。このとき、メタマテリアル構造体３０が上述したように第１導体層３１，誘電体層３３，及び第２導体層３５を有することで、ヒーター本体１１は、非プランク分布のピーク波長を有する赤外線を放射する。より具体的には、ヒーター本体１１は、メタマテリアル構造体３０の第１導体層３１および個別導体層３６から、特定の波長領域の赤外線を選択的に放射する。そして、第１導体層３１および個別導体層３６から放射された特定の波長領域の赤外線は、赤外線透過板５４を透過して赤外線ヒーター１０の下方に放射される。これにより、赤外線ヒーター１０は、赤外線透過板５４の下方に配置された対象物に対して、特定の波長領域の赤外線を選択的に放射することができる。そのため、例えばこの特定の波長領域の赤外線の吸収率が比較的高い対象物に対して、効率よく赤外線を放射して加熱などを行うことができる。
【００３１】
以上詳述した本実施形態の赤外線ヒーター１０では、ヒーター本体１１はメタマテリアル構造体３０を有しているため、特定の波長領域以外の波長領域における赤外線の放射率が比較的低い。そのため、赤外線ヒーター１０は、例えばメタマテリアル構造体３０を有さず発熱体１３からの赤外線を直接放射するような通常の赤外線ヒーターと比較して、同一の電力を投入した場合にヒーター本体１１の温度が上昇しやすい。一般に、ヒーター本体１１の温度が高いほどヒーター本体１１と内部空間５３内の気体との間で対流熱伝達が生じやすくなり、ヒーター本体１１からケーシング５０への対流熱伝達が増加する。そのため、メタマテリアル構造体３０を備えた赤外線ヒーター１０では、一般に対流損失によるエネルギー効率が低下しやすい。しかし、本実施形態の赤外線ヒーター１０は、内部空間５３を減圧状態にして使用することで、内部空間５３が常圧の場合と比較してヒーター本体１１から内部空間５３内への対流熱伝達が少なくなり、対流損失を抑制できる。したがって、メタマテリアル構造体３０を有する赤外線ヒーター１０のエネルギー効率をより向上させることができる。
【００３２】
また、赤外線ヒーター１０は、ヒーター本体１１とは離れて配置され、ヒーター本体１１側と対象物側との少なくとも一方に赤外線を反射可能な円筒内面５２ａ及び下面５７ａを備えている。この円筒内面５２ａ及び下面５７ａが赤外線を反射可能であることで、ヒーター本体１１から放射された赤外線のエネルギーの少なくとも一部を、反射によりヒーター本体１１と対象物との少なくとも一方に投入することができ、エネルギー効率がより向上する。
【００３３】
さらに、赤外線ヒーター１０において、ヒーター本体１１は、発熱体１３から見てメタマテリアル構造体３０とは反対側の表面（図１の上面）に配置されメタマテリアル構造体３０の平均放射率よりも低い平均放射率を有する低放射層４０を備えている。そのため、発熱体１３からメタマテリアル構造体３０とは反対側に放射されてしまう赤外線のエネルギーを少なくすることができ、エネルギー効率がより向上する。
【００３４】
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
【００３５】
例えば、上述した実施形態では、メタマテリアル構造体３０は第１導体層３１と誘電体層３３と第２導体層３５とを有していたが、これに限られない。メタマテリアル構造体３０は、発熱体１３から熱エネルギーを入力すると非プランク分布のピーク波長を有する赤外線を放射可能な構造体であればよい。例えば、メタマテリアル構造体は、複数のマイクロキャビティを有するマイクロキャビティ形成体として構成されていてもよい。図３は、変形例のヒーター本体１１Ａの部分断面図である。図４は、変形例のメタマテリアル構造体３０Ａの部分底面斜視図である。ヒーター本体１１Ａは、メタマテリアル構造体３０を備えない代わりに、メタマテリアル構造体３０Ａを備えている。メタマテリアル構造体３０Ａは、少なくとも表面（ここでは側面４２Ａ及び底面４４Ａ）が導体層３５Ａからなり前後左右方向の周期構造を構成する複数のマイクロキャビティ４１Ａを有している。メタマテリアル構造体３０Ａは、ヒーター本体１１Ａの発熱体１３側から下方に向かって、本体層３１Ａと、凹部形成層３３Ａと、導体層３５Ａと、をこの順に備えている。本体層３１Ａは、例えばガラス基板などからなる。凹部形成層３３Ａは、例えば樹脂や、セラミックス及びガラスなどの無機材料などからなり、本体層３１Ａの下面に形成されて円柱状の凹部を形成している。凹部形成層３３Ａは、第２導体層３５と同じ材料であってもよい。導体層３５Ａは、メタマテリアル構造体３０Ａの表面（下面）に配設されており、凹部形成層３３Ａの表面（下面及び側面）と、本体層３１Ａの下面（凹部形成層３３Ａが配設されていない部分）とを覆っている。導体層３５Ａは導体からなり、材質としては、例えば金，ニッケルなどの金属や導電性樹脂などが挙げられる。マイクロキャビティ４１Ａは、この導体層３５Ａの側面４２Ａ（凹部形成層３３Ａの側面を覆う部分）と、底面４４Ａ（本体層３１Ａの下面を覆う部分）とで囲まれ、下方に開口した略円柱形状の空間である。マイクロキャビティ４１Ａは、図４に示すように、前後左右に並べて複数配設されている。なお、メタマテリアル構造体３０Ａの下面が対象物に赤外線を放射する放射面３８Ａとなっている。具体的には、メタマテリアル構造体３０Ａが発熱体１３からのエネルギーを吸収すると、底面４４Ａと側面４２Ａとで形成される空間内での入射波と反射波との共振作用により、放射面３８Ａから下方の対象物に向けて特定の波長の赤外線が強く放射される。これにより、メタマテリアル構造体３０Ａは、メタマテリアル構造体３０と同様に、非プランク分布のピーク波長を有する赤外線を放射可能になっている。なお、複数のマイクロキャビティ４１Ａの各々の円柱の直径及び深さを調整することで、メタマテリアル構造体３０Ａの放射特性を調整することができる。なお、マイクロキャビティ４１Ａは円柱に限らず多角柱形状でもよい。マイクロキャビティ４１Ａの深さは、例えば１．５μｍ以上１０μｍ以下としてもよい。このようなヒーター本体１１Ａを有する赤外線ヒーター１０においても、上述した実施形態と同様に、使用時の内部空間５３が減圧雰囲気であることで、使用時のヒーター本体１１Ａの対流損失が抑制されて、エネルギー効率をより向上させることが��きる。なお、このようなメタマテリアル構造体３０Ａは、例えば以下のように形成することができる。まず、本体層３１Ａの下面となる部分に周知のナノインプリントにより凹部形成層３３Ａを形成する。そして、凹部形成層３３Ａの表面及び本体層３１Ａの表面を覆うように、例えばスパッタリングにより導体層３５Ａを形成する。
【００３６】
上述した実施形態では、ヒーター本体１１は低放射層４０を有していたが、これを省略してもよい。
【００３７】
上述した実施形態では、ケーシング５０のうちヒーター本体１１からの赤外線を透過するのは赤外線透過板５４だけであったが、これに限らず例えばケーシング５０全体が赤外線透過部であってもよい。例えば、ケーシング５０を円筒形とし、ケーシング５０全体を赤外線透過板５４と同じ赤外線透過材料（例えば石英ガラス）で形成してもよい。この場合、ヒーター本体１１は円柱形としてもよい。より具体的には、ヒーター本体１１が、円柱形の発熱部１２と、その発熱部１２の表面に配置されたメタマテリアル構造体３０とを有していてもよい。また、このようにケーシング５０全体が赤外線透過材料である場合、ケーシング５０の外側の上面または上側の内周面に赤外線反射部として反射層を形成してもよい。このような反射層の材質としては、例えば金やアルミニウムなどが挙げられる。また、ケーシング５０は同心円状に配置された２重の円筒形の管であってもよい。この場合、内側の円筒形の管の内側にヒーター本体１１を配置すればよい。また、内側の円筒形の管と外側の円筒形の管との間の空間に冷媒（例えば空気）を流通させてケーシング５０を冷却可能に構成してもよい。
【００３８】
ケーシング５０が赤外線透過板５４と同じ赤外線透過材料で形成されている場合の例を、図５，６を用いて説明する。図５，６は、変形例の赤外線ヒーター１１０の断面図である。図５はケーシング１５０の軸方向に沿った断面図であり、図６はケーシング１５０の軸方向に垂直な断面図である。赤外線ヒーター１１０の構成要素のうち赤外線ヒーター１０と同じ構成要素については同じ符号を付して、詳細な説明を省略する。赤外線ヒーター１１０は、ヒーター本体１１１と、ケーシング１５０と、反射層１５９と、熱電対１８５と、を備えている。ヒーター本体１１１は、ケーシング１５０の内部空間１５３内に配置されており、平板状に形成されている。ヒーター本体１１１の発熱部１２の材質は、ここではカンタル（登録商標：鉄，クロム，及びアルミニウムを含む合金）とした。ヒーター本体１１１は、支持基板２０として、発熱部１２の上面及び下面にそれぞれ配設された支持基板２０ａ，２０ｂを備えている。支持基板２０ａ，２０ｂは、ここでは石英ガラスとした。ヒーター本体１１１は、メタマテリアル構造体３０として、支持基板２０ａの上面及び支持基板２０ｂの下面にそれぞれ配設されたメタマテリアル構造体３０ａ，３０ｂを備えている。メタマテリアル構造体３０ａ，３０ｂの各々の構造は図１に示したメタマテリアル構造体３０と同様である。メタマテリアル構造体３０ａとメタマテリアル構造体３０ｂとは上下対称に構成されており、メタマテリアル構造体３０ａは主に上方に赤外線を放射し、メタマテリアル構造体３０ｂは主に下方に赤外線を放射する。ヒーター本体１１１の長手方向（図５の左右方向）の両端の各々には、発熱部１２と導通する棒状導体１１５が取り付けられている。棒状導体１１５は、ケーシング１５０の軸方向の両端から外部に引き出されており、この棒状導体１１５を介して発熱体１３に外部から電力を供給可能である。棒状導体１１５は、ケーシング１５０内でヒーター本体１１１を支持する役割も果たす。棒状導体１１５の材質は、ここではＭｏとした。熱電対１８５は、ヒーター本体１１１の表面の温度を測定する温度センサの一例であり、ヒーター本体１１１の表面からケーシング１５０を貫通して外部に引き出されている。ケーシング１５０は、上述した赤外線透過板５４と同様に赤外線透過材料で形成されている。ここではケーシング１５０は石英ガラス（波長３．５μｍ以下の赤外線を透過）とした。ケーシング１５０は、略円筒状の形状をしている。ケーシング１５０の内側の内部空間１５３内に、ヒーター本体１１１が配置されている。ケーシング１５０の軸方向の両端は湾曲した先細りの形状をしており、この両端から棒状導体１１５が外部に引き出されている。内部空間１５３は、赤外線ヒーター１１０の製造時に予め減圧雰囲気に調整されている。ケーシング１５０のうち内部空間１５３から外部に棒状導体１１５及び熱電対１８５が引き出される部分は、ケーシング１５０を溶融させた溶融部を設けることで封止されている。ただし、この部分をケーシング１５０とは別の封止材を用いて封止してもよい。反射層１５９は、赤外線反射部の一例であり、ケーシング１５０の外周面の一部を覆うように配設されている。このため、反射層１５９���、ヒーター本体１１１の周囲の一部のみを覆うように設けられている。反射層１５９は、ヒーター本体１１１からみてケーシング１５０の長手方向に垂直な方向（ここでは図５，６の上方向）に配置されている。反射層１５９は、ケーシング１５０の外側の上面に配設されている。ここでは、反射層１５９は、ケーシング１５０の外周面の上側半分を全て覆っているものとした（図６参照）。反射層１５９は、メタマテリアル構造体３０ａと対向するように配設されており、メタマテリアル構造体３０ａの赤外線の主な放射方向（ここでは上方向）に位置している。反射層１５９の材質としては、例えば金，白金，アルミニウムなどが挙げられる。ここでは反射層１５９は金とした。反射層１５９は、ケーシング１５０の表面に塗布乾燥、スパッタリングやＣＶＤ、溶射といった成膜方法を用いて形成してもよい。こうして構成された赤外線ヒーター１１０では、メタマテリアル構造体３０ｂからは主に下方に赤外線が放射され、放射された赤外線はケーシング１５０を透過して赤外線ヒーター１１０の下方に配置された対象物に到達する。赤外線ヒーター１１０では、内部空間１５３が減圧されているため、上述した実施形態と同様にエネルギー効率がより向上する。また、メタマテリアル構造体３０ａからは主に上方に赤外線が放射され、放射された赤外線は反射層１５９で反射されてヒーター本体１１１と対象物との少なくとも一方（ここでは主にヒーター本体１１１とする）に投入される。そのため、赤外線ヒーター１１０のエネルギー効率がより向上する。ここで、ケーシング１５０は全体が赤外線透過部として機能するが、特に反射層１５９が配設されていない部分（ここではケーシング１５０の下半分）が赤外線透過部として機能し、この部分から対象物に赤外線を放射できる。
【００３９】
上述した変形例の赤外線ヒーター１１０では、反射層１５９はケーシング１５０の外周面に配設されていたが、外周面に限らずケーシング１５０の外側に配設されていればよい。例えば、反射層１５９の代わりに独立した部材としての反射部をケーシング１５０の外側に配置してもよい。
【００４０】
上述した実施形態では、ケーシング５０のうち内部空間５３に露出し且つ赤外線透過板５４以外の部材の面（ここでは円筒内面５２ａ及び下面５７ａ）をいずれも赤外線反射部としたが、これに限らずケーシング５０のうち内部空間５３に露出する面の少なくとも一部が赤外線反射部であってもよい。また、赤外線反射部をケーシング５０とは別の部材としてもよい。例えば、円筒内面５２ａ及び下面５７ａの少なくとも一方に赤外線反射部として反射層を形成してもよい。あるいは、ケーシング５０とは独立した部材として、円筒内面５２ａとヒーター本体１１との間に赤外線反射部を配置したり、下面５７ａとヒーター本体１１との間に赤外線反射部を配置したりしてもよい。また、赤外線ヒーター１０は赤外線反射部を有さなくてもよい。
【００４１】
上述した実施形態では、ケーシング５０に取り付けられた配管６６を用いて、赤外線ヒーター１０の使用時に真空ポンプにより内部空間５３を減圧雰囲気にしたが、これに限られない。例えば、赤外線ヒーター１０の製造時に、内部空間５３を減圧雰囲気とした状態で内部空間５３と外部空間との間を封止しておいてもよい。この場合、ケーシング５０には配管６６が取り付けられていなくてもよい。
【００４２】
上述した実施形態では、固定部７０がヒーター本体１１をケーシング５０から離間させた状態で支持していたが、これに限られない。例えば、ヒーター本体１１の上面（例えば発熱部１２のうちメタマテリアル構造体３０とは反対側の面）がケーシング５０に接触していてもよい。この場合、ヒーター本体１１は低放射層４０を有さなくてもよい。ただし、ヒーター本体１１とケーシング５０とが離間している方が、両者の間の熱伝導を抑制できエネルギー効率がより向上するため、好ましい。
【実施例】
【００４３】
以下には、赤外線ヒーターを具体的に作製した例を実施例として説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。【００４４】
［実施例１］
図１，２に示した赤外線ヒーター１０を作製した。ただし、ヒーター本体１１は低放射層４０を備えないものとした。なお、メタマテリアル構造体３０の材質は、第１導体層３１及び第２導体層３５を金とし、誘電体層３３をアルミナとした。第１導体層３１の厚さｆを１００ｎｍ、誘電体層３３の厚さｄを１７６．３ｎｍ、第２導体層３５（個別導体層３６）の厚さｈを５５ｎｍとした。また、個別導体層３６の径Ｗは２．１６μｍとし、周期Λ１，Λ２はいずれも４．００μｍとした。作製されたメタマテリアル構造体３０を備えるヒーター本体１１の放射特性は、最大ピークのピーク波長が６．７μｍであった。ケーシング５０は、内部空間５３の内径（すなわち円筒部５２の内径）を１０８ｍｍ、内部空間５３の上下方向の高さを８５ｍｍとした。赤外線透過板５４は厚さ７ｍｍの石英ガラスとした。赤外線透過板５４のうち赤外線を透過可能な部分（挟持部材５５，５６に挟持されていない部分の面積）は、上面視で径１０８ｍｍの円形とした。円筒内面５２ａ及び下面５７ａは＃４００にてバフ研磨した。この赤外線ヒーター１０を用いて、内部空間５３を真空（９．１Ｐａ）の状態とした。次に、ヒーター本体１１が３００℃になるまで発熱体１３に電力を投入し、３００℃になったときの投入電力を測定したところ、１８．３Ｗであった。同様に、投入電力を変えてヒーター本体１１の温度との関係を測定したところ、２５９℃で１３．５Ｗ、２０７℃で９．１Ｗであった。なお、ヒーター本体１１の温度は、メタマテリアル構造体３０の表面に熱電対を接触させて測定した。【００４５】
［比較例１］
実施例１と同じ赤外線ヒーター１０を用いて、内部空間５３を大気雰囲気とした状態で、実施例１と同様の試験を行い、比較例１とした。比較例１では、ヒーター本体１１（メタマテリアル構造体３０）が３００℃のときの発熱体１３への投入電力は３６．１Ｗであった。同様に、投入電力を変えてヒーター本体１１の温度との関係を測定したところ、２５５℃で２６．７Ｗ、２０８℃で１８．７Ｗ、１４０℃で９．９Ｗであった。【００４６】
［実施例２］
ヒーター本体１１が低放射層４０を備える点以外は実施例１と同じ赤外線ヒーター１０を用いて、内部空間５３を真空（９．１Ｐａ）の状態として、実施例１と同様の試験を行い、実施例２とした。なお、低放射層４０は、厚さ１１μｍのアルミニウムとした。実施例２では、ヒーター本体１１（メタマテリアル構造体３０）が３００℃のときの発熱体１３への投入電力は１３．４Ｗであった。【００４７】
図７は、実施例１，２及び比較例１についての、発熱体１３への投入電力とヒーター本体の温度との関係を示すグラフである。図７からわかるように、投入電力が同程度の場合で比較すると、実施例１，２はいずれも比較例１と比べてヒーター本体の温度が高くなっていた。また、ヒーター本体１１を同じ３００℃まで上昇させるのに必要な投入電力を比較すると、実施例１は比較例１と比べて投入電力が約半分になっており、さらに実施例２は実施例１と比べて投入電力が約３／４（比較例１と比べると約１／３）になっていた。この実施例１，２と比較例１との比較から、同じメタマテリアル構造体３０を有する赤外線ヒーター１０において、内部空間が常圧の比較例１と比べて、内部空間を減圧した実施例１，２の方がエネルギー効率が向上することが確認できた。また、実施例１と実施例２との比較から、ヒーター本体１１が低放射層４０を備える実施例２の方がエネルギー効率がより向上することが確認できた。【００４８】
なお、実施例１，２及び比較例１では、試験の都合上、ヒーター本体１１の最大ピークのピーク波長が６．７μｍであるのに対し、赤外線透過板５４は石英ガラス（波長３．５μｍ以下の赤外線を透過）を用いている。対象物に効率よく赤外線を放射するためには、ヒーター本体１１の最大ピークのピーク波長を含む波長領域の赤外線を透過できるよう、例えば赤外線透過板５４は蛍石（波長８μｍ以下の赤外線を透過）などを用いることが好ましい。なお、上述した実施例１，２及び比較例１の赤外線ヒーターにおいて赤外線透過板５４に蛍石を用いた場合、例えばヒーター本体の温度が全体的に低くなる可能性はあるが、実施例１，２及び比較例１間の関係は、上記の図７に示した結果と同様になると考えられる。【００４９】
本出願は、２０１６年１０月２４日に出願された日本国特許出願第２０１６−２０７５７１号を優先権主張の基礎としており、引用によりその内容の全てが本明細書に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、対象物の加熱処理，乾燥処理又は対象物を化学反応させる処理などの赤外線処理を行う必要のある産業に利用可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１０  赤外線ヒーター、１１  ヒーター本体、１２  発熱部、１３  発熱体、１４  保護部材、１５  電気配線、２０，２０ａ，２０ｂ  支持基板、３０，３０ａ，３０ｂ  メタマテリアル構造体、３１  第１導体層、３３  誘電体層、３５  第２導体層、３６  個別導体層、４０  低放射層、５０  ケーシング、５２  円筒部、５２ａ  円筒内面、５３  内部空間、５４  赤外線透過板、５５，５６  挟持部材、５７，５８  板状部材、５７ａ  下面、６１，６２  固定金具、６３〜６５  封止部材、６６  配管、６７  シーリンググランド、７０  固定部、７１，７２  ナット、７１ａ，７２ａ  スペーサ、７３  ガイド軸、７５  支持板、７６  固定金具、８１  真空計、１１Ａ  ヒーター本体、３０Ａ  メタマテリアル構造体、３１Ａ  本体層、３３Ａ  凹部形成層、３５Ａ  導体層、３８Ａ  放射面、４１Ａ  マイクロキャビティ、４２Ａ  側面、４４Ａ  底面、１１０  赤外線ヒーター、１１１  ヒーター本体、１１５  棒状導体、１５０  ケーシング、１５３  内部空間、１５９  反射層、１８５  熱電対。
【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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【国際調査報告】
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