(57)【要約】【課題】放射スペクトルを十分に狭帯域化し、省電力化に大きく貢献できる赤外線放射素子などの提供。【解決手段】発熱体と、前記発熱体側と反対側の面に周期的な微細構造を有する放射体と、前記放射体側と反対側の面が平坦な平坦化層と、前記平坦化層上に形成されたバンドパスフィルタとをこの順で有し、前記発熱体の発する熱が熱伝導により前記バンドパスフィルタに伝熱する赤外線放射素子である。【選択図】  図３Ａ
2016065786.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体と、
前記発熱体側と反対側の面に周期的な微細構造を有する放射体と、
前記放射体側と反対側の面が平坦な平坦化層と、
前記平坦化層上に形成されたバンドパスフィルタとをこの順で有し、
前記発熱体の発する熱が熱伝導により前記バンドパスフィルタに伝わることを特徴とする赤外線放射素子。
【請求項２】
バンドパスフィルタが、高屈折率層と、低屈折率層との交互積層体である請求項１に記載の赤外線放射素子。
【請求項３】
高屈折率層の材質が、Ｇｅ、ＰｂＴｅ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、Ｔａ２Ｏ５、ＣｅＯ２、及びＳｉのいずれかであり、
低屈折率層の材質が、ＢａＦ２、ＬａＦ２、ＮｄＦ３、ＹＦ３、ＳｉＯ２、ＳｉＯ、及びＹ２Ｏ３のいずれかである、請求項２に記載の赤外線放射素子。
【請求項４】
放射体の材質が、ステンレス鋼である請求項１から３のいずれかに記載の赤外線放射素子。
【請求項５】
発熱体の材質が、タングステン、白金、及びシリサイド合金のいずれかである請求項１から４のいずれかに記載の赤外線放射素子。
【請求項６】
平坦化層の材質が、ＳｉＯ２である請求項１から５のいずれかに記載の赤外線放射素子。
【請求項７】
発熱体と放熱体との間に絶縁層を有する請求項１から６のいずれかに記載の赤外線放射素子。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載の赤外線放射素子の製造方法であって、
一方の面上に発熱体が形成され、他方の面上にマスク層が形成された放射体前駆体における前記他方の面上の前記マスク層に、レーザの照射、及び現像により、前記放射体前駆体に周期的な微細構造を形成するためのパターンを形成するパターン形成工程と、
前記パターンが形成された前記マスク層をマスクとして、前記放射体前駆体のエッチングを行い、前記放射体前駆体の前記他方の面に周期的な微細構造を形成し、放射体を得る放射体作製工程とを含むことを特徴とする赤外線放射素子の製造方法。
【請求項９】
パターンの形成が、三光束干渉露光法により行われる請求項８に記載の赤外線放射素子の製造方法。
【請求項１０】
放射体前駆体の一方の面上に発熱体を形成する発熱体形成工程と、
前記放射体前駆体の他方の面上にマスク層を形成するマスク層形成工程とを含む請求項８から９のいずれかに記載の赤外線放射素子の製造方法。
【請求項１１】
マスク層が除去された放射体の他方の面上に、ゾルゲル法により平坦化層を形成する平坦化層形成工程を含む請求項８から１０のいずれかに記載の赤外線放射素子の製造方法。
【請求項１２】
平坦化層上に、蒸着法によりバンドパスフィルタを形成するバンドパスフィルタ形成工程を含む請求項８から１１のいずれかに記載の赤外線放射素子の製造方法。
【請求項１３】
請求項１から７のいずれかに記載の赤外線放射素子を有することを特徴とするガス分析装置。
【請求項１４】
更に、被測定ガスが導入される測定セルと、赤外線放射素子が放出する赤外線を検出する赤外線検出器とを有し、
前記測定セルの一端に、前記赤外線放射素子が設けられ、
前記測定セルの他端に、前記赤外線検出器が設けられた請求項１３に記載のガス分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線放射素子、及びその製造方法、並びに赤外線放射素子を用いたガス分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
非分散型赤外線吸収法を用いたガスセンサ（以下、「ＮＤＩＲガスセンサ」と称することがある）は、その高精度及び安定性から、空調制御や各種ガスの検知装置として広く用いられている。
【０００３】
従来のＮＤＩＲガスセンサの模式図を図１に示す。
図１に示すＮＤＩＲガスセンサは、測定セル１０１と、測定セル１０１に備えられた赤外線光源１０２と、測定セル１０１に備えられたバンドパスフィルタ１０３と、測定セル１０１に備えられた受光素子１０４とを有する。赤外線光源１０２から出た赤外線１０５は、測定セル１０１内を通過するガス１０６に入射する。ガス１０６に含まれるいろいろなガス成分は、それぞれ固有の赤外線に対する吸収を持ち、赤外線光源１０１からの赤外線１０５は、ガス１０６層を透過する間にその一部が吸収された後、受光素子１０４に入射する。赤外線光源１０２から受光素子１０４への光路上には、検出したいガス成分の赤外吸収帯域のみを透過するようなバンドパスフィルタ１０３が設けられる。そして、受光素子１０４が受ける赤外線１０５の量により、検出するガス成分の濃度を知ることができる。
なお、受光素子１０４は、一般的には、赤外光強度を電気信号に変換する素子（例えば、サーモパイル、ボロメータ）が用いられる。
【０００４】
特定波長の赤外線を用いるようなセンサ等の用途では、赤外線光源において抵抗体に通電することにより発熱して放射される幅広い帯域の赤外線のうち、バンドパスフィルタを通過する、その一部の特定の赤外線を用いている。したがって、他の波長の赤外線は利用されないためにエネルギー効率が悪い。そのため、赤外線光源から放射される特定波長の赤外線エネルギーを大きくしたいという要望があった。
【０００５】
赤外線センサにおいて一部の特定の赤外線を用いるのは、赤外線センサにおける検出ガスは、特定の赤外線波長において吸収が大きく、かつ吸収帯域が狭いためである。その一例として、二酸化炭素（ＣＯ２）の吸収スペクトルを図２に示す。
なお、スペクトルの広がりは、Ｑ値で考えることができる。Ｑ値は、強度が極大となる振動数（光速度を波長で割ったもの）をその半値幅で割った値である。Ｑ値が大きいほど、強度が極大となる振動数域におけるスペクトルが狭いことを示す。二酸化炭素（ＣＯ２）の４．３μｍ付近の吸収スペクトルのＱ値は、約２６である。
【０００６】
赤外線光源から放射される特定波長の赤外線エネルギーを大きくしたいという要望に対して、微細構造により、特定波長の赤外線エネルギーを大きくすることが提案されている（例えば、特許文献１〜５参照）。例えば、放射体の表面にマイクロキャビティを形成することで、特定波長の赤外線エネルギーを大きくすることが提案されている。
しかし、微細構造の制御のみでは、Ｑ値を大きくすること、即ち放射スペクトルを狭帯域化することに限界がある。
【０００７】
したがって、放射スペクトルを十分に狭帯域化し、省電力化に大きく貢献できる赤外線放射素子、及びその製造方法、並びに前記赤外線放射素子を用いたガス分析装置の提供が求められているのが現状である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１３−０８３４７８号公報
【特許文献２】特表２００１−５１９０７９号公報
【特許文献３】特開２００５−３３７８１７号公報
【特許文献４】特表２００６−５２００７４号公報
【特許文献５】特開２０１４−０５３０８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、従来における前記諸問題を解決し、以下の目的を達成することを課題とする。即ち、本発明は、放射スペクトルを十分に狭帯域化し、省電力化に大きく貢献できる赤外線放射素子、及びその製造方法、並びに前記赤外線放射素子を用いたガス分析装置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】
【００１０】
前記課題を解決するための手段としては、以下の通りである。即ち、
＜１＞  発熱体と、
前記発熱体側と反対側の面に周期的な微細構造を有する放射体と、
前記放射体側と反対側の面が平坦な平坦化層と、
前記平坦化層上に形成されたバンドパスフィルタとをこの順で有し、
前記発熱体の発する熱が熱伝導により前記バンドパスフィルタに伝わることを特徴とする赤外線放射素子である。
＜２＞  バンドパスフィルタが、高屈折率層と、低屈折率層との交互積層体である前記＜１＞に記載の赤外線放射素子である。
＜３＞  高屈折率層の材質が、Ｇｅ、ＰｂＴｅ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、Ｔａ２Ｏ５、ＣｅＯ２、及びＳｉのいずれかであり、
低屈折率層の材質が、ＢａＦ２、ＬａＦ２、ＮｄＦ３、ＹＦ３、ＳｉＯ２、ＳｉＯ、及びＹ２Ｏ３のいずれかである、前記＜２＞に記載の赤外線放射素子である。
＜４＞  放射体の材質が、ステンレス鋼である前記＜１＞から＜３＞のいずれかに記載の赤外線放射素子である。
＜５＞  発熱体の材質が、タングステン、白金、及びシリサイド合金のいずれかである前記＜１＞から＜４＞のいずれかに記載の赤外線放射素子である。
＜６＞  平坦化層の材質が、ＳｉＯ２である前記＜１＞から＜５＞のいずれかに記載の赤外線放射素子である。
＜７＞  発熱体と放熱体との間に絶縁層を有する前記＜１＞から＜６＞のいずれかに記載の赤外線放射素子である。
＜８＞  前記＜１＞から＜７＞のいずれかに記載の赤外線放射素子の製造方法であって、
一方の面上に発熱体が形成され、他方の面上にマスク層が形成された放射体前駆体における前記他方の面上の前記マスク層に、レーザの照射、及び現像により、前記放射体前駆体に周期的な微細構造を形成するためのパターンを形成するパターン形成工程と、
前記パターンが形成された前記マスク層をマスクとして、前記放射体前駆体のエッチングを行い、前記放射体前駆体の前記他方の面に周期的な微細構造を形成し、放射体を得る放射体作製工程とを含むことを特徴とする赤外線放射素子の製造方法である。
＜９＞  パターンの形成が、三光束干渉露光法により行われる前記＜８＞に記載の赤外線放射素子の製造方法である。
＜１０＞  放射体前駆体の一方の面上に発熱体を形成する発熱体形成工程と、
前記放射体前駆体の他方の面上にマスク層を形成するマスク層形成工程とを含む前記＜８＞から＜９＞のいずれかに記載の赤外線放射素子の製造方法である。
＜１１＞  マスク層が除去された放射体の他方の面上に、ゾルゲル法により平坦化層を形成する平坦化層形成工程を含む前記＜８＞から＜１０＞のいずれかに記載の赤外線放射素子の製造方法である。
＜１２＞  平坦化層上に、蒸着法によりバンドパスフィルタを形成するバンドパスフィルタ形成工程を含む前記＜８＞から＜１１＞のいずれかに記載の赤外線放射素子の製造方法である。
＜１３＞  前記＜１＞から＜７＞のいずれかに記載の赤外線放射素子を有することを特徴とするガス分析装置である。
＜１４＞  更に、被測定ガスが導入される測定セルと、赤外線放射素子が放出する赤外線を検出する赤外線検出器とを有し、
前記測定セルの一端に、前記赤外線放射素子が設けられ、
前記測定セルの他端に、前記赤外線検出器が設けられた前記＜１３＞に記載のガス分析装置である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、従来における前記諸問題を解決し、前記目的を達成することができ、放射スペクトルを十分に狭帯域化し、省電力化に大きく貢献できる赤外線放射素子、及びその製造方法、並びに前記赤外線放射素子を用いたガス分析装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、従来のＮＤＩＲガスセンサの概略断面図である。
【図２】図２は、二酸化炭素の吸収スペクトルである。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の赤外線放射素子の一例の概略断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａの赤外線放射素子の放射体の概略図である。
【図４】図４は、本発明の赤外線放射素子の他の一例の概略断面図である。
【図５】図５は、バンドパスフィルタの透過特性の一例を示すグラフである。
【図６】図６は、本発明の赤外線放射素子の放射率の角度依存性の一例のグラフである。
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の赤外線放射素子の製造方法の一例を説明するための概略断面図である（その１）。
【図７Ｂ】図７Ｂは、本発明の赤外線放射素子の製造方法の一例を説明するための概略断面図である（その２）。
【図７Ｃ】図７Ｃは、本発明の赤外線放射素子の製造方法の一例を説明するための概略断面図である（その３）。
【図７Ｄ】図７Ｄは、本発明の赤外線放射素子の製造方法の一例を説明するための概略断面図である（その４）。
【図７Ｅ】図７Ｅは、本発明の赤外線放射素子の製造方法の一例を説明するための概略断面図である（その５）。
【図７Ｆ】図７Ｆは、本発明の赤外線放射素子の製造方法の一例を説明するための概略断面図である（その６）。
【図７Ｇ】図７Ｇは、本発明の赤外線放射素子の製造方法の一例を説明するための概略断面図である（その７）。
【図７Ｈ】図７Ｈは、本発明の赤外線放射素子の製造方法の一例を説明するための概略断面図である（その８）。
【図７Ｉ】図７Ｉは、本発明の赤外線放射素子の製造方法の一例を説明するための概略断面図である（その９）。
【図８】図８は、本発明のガス分析装置の一例の概略断面図である。
【図９】図９は、実施例１における放射体の放射スペクトルである。
【図１０】図１０は、実施例１の赤外線放射素子の放射スペクトルである。
【図１１】図１１は、比較例１の赤外線放射素子の放射スペクトルである。
【図１２】図１２は、実施例３の赤外線放射素子の放射スペクトルである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（赤外線放射素子）
本発明の赤外線放射素子は、発熱体と、放射体と、平坦化層と、バンドパスフィルタとを少なくとも有し、好ましくは絶縁層を有し、更に必要に応じて、その他の部材を有する。
【００１４】
前記赤外線放射素子は、前記発熱体と、前記放射体と、前記平坦化層と、前記バンドパスフィルタとをこの順で有する。
前記赤外線放射素子においては、前記発熱体の発する熱が熱伝導により前記バンドパスフィルタに伝わる。
【００１５】
＜発熱体＞
前記発熱体としては、熱を発し、前記放射体を加熱できる限り、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記発熱体の材質としては、高温に発熱しても劣化が少ない点で、タングステン、タングステン化合物、タンタル、タンタル化合物、白金、シリサイド合金が好ましい。
【００１６】
前記発熱体には、例えば、２つの電極が接続される。前記２つの電極を用いて前記発熱体に通電することにより、前記発熱体は発熱する。
前記発熱体による熱は前記放射体に熱伝導される。その結果、前記放射体は加熱される。加熱された前記放射体は、その温度に応じた赤外線を放出する。
【００１７】
前記発熱体の形状としては、例えば、平板状などが挙げられる。
前記発熱体の大きさ、構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記発熱体の形状、大きさ、構造を適宜調整することにより、前記発熱体の抵抗値が調整される。その結果、前記発熱体の発熱温度を制御できる。例えば、前記発熱体をパターニングすること、前記発熱体の厚みを調整することなどにより、前記発熱体の発熱温度を制御できる。
【００１８】
前記発熱体が平板状の場合、その平均厚みとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、５０μｍ〜１，０００μｍが好ましく、１００μｍ〜５００μｍがより好ましい。
本明細書において、平均厚みとは、測定対象の部材の厚みを１０箇所測定した際の、算術平均値である。
【００１９】
＜放熱体＞
前記放熱体としては、前記発熱体側と反対側の面に周期的な微細構造を有する限り、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記放熱体は、前記周期的な微細構造により、同材質の平板な放熱体に比べ、放射スペクトルを狭帯域化できる。
【００２０】
前記放射体における周期的な微細構造としては、前記放射体の材質における赤外線放射特性を狭帯化できる構造であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、円形の孔が周期的に配置された構造などが挙げられる。
前記円形の孔の大きさ、深さ、隣接する孔間の間隔（ピッチ）としては、目的とする共振波長に応じて、適宜選択することができる。
【００２１】
以下に、ＣＯ２を被測定ガスとする場合の好ましい範囲を記載する。
前記円形の孔の大きさとしては、赤外線放射特性を狭帯化できる点から、１．６μｍ〜２．０μｍが好ましく、１．７μｍ〜１．９μｍがより好ましい。
前記円形の孔の深さとしては、赤外線放射特性を狭帯化できる点から、２．８μｍ〜３．２μｍが好ましく、２．９μｍ〜３．１μｍがより好ましい。
隣接する孔間の間隔（ピッチ）としては、１．８μｍ〜２．２μｍが好ましく、１．９μｍ〜２．１μｍがより好ましい。ここで、前記間隔とは、前記孔の中心間の距離を意味する。
【００２２】
前記放射体の材質としては、放射したい波長に応じて、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、加工が容易で、精密に周期的な微細構造を作製しやすい点で、ステンレス鋼が好ましい。
【００２３】
前記放射体は、平板状である。
前記放射体の平均厚みとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、作製容易性及びコストの点から、５０μｍ〜１，０００μｍが好ましく、１００μｍ〜５００μｍがより好ましい。
【００２４】
＜平坦化層＞
前記平坦化層は、前記放射体側と反対側の面が平坦である。
前記赤外線放射素子の製造においては、通常、前記放射体の上に、前記平坦化層を介して前記バンドパスフィルタが形成される。その際、前記放射体と前記バンドパスフィルタとの間に前記平坦化層が介在することで、前記バンドパスフィルタは、前記放射体の面に形成された前記周期的な微細構造に影響されず、平坦性を有することができる。
【００２５】
前記平坦とは、前記周期的な微細構造が、前記バンドパスフィルタの平坦性に影響を与えない程度の平坦性であればよい。具体的には、前記バンドパスフィルタが設計通りの特性を得ることができる程度の平坦性であればよい。
【００２６】
前記平坦化層の材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、前記放射体側と反対側の面を平坦にする方法としてゾルゲル法を採用する際に、前記ゾルゲル法により前記平坦化層を形成しやすい点で、ＳｉＯ２が好ましい。
【００２７】
前記平坦化層の平均厚みとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、熱伝導性及び平坦化性の点から、３０ｎｍ〜１００ｎｍが好ましい。
【００２８】
＜バンドパスフィルタ＞
前記バンドパスフィルタとしては、前記放射体から放射される放射スペクトルにおいて強度が極大となる波長を選択的に透過する特性を有する限り、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、高屈折率層と、低屈折率層との交互積層体が好ましい。
【００２９】
前記高屈折率層の屈折率は、前記低屈折率層の屈折率よりも高ければよい。言い換えれば、前記低屈折率層の屈折率は、前記高屈折率層の屈折率よりも低ければよい。
前記高屈折率層における高屈折率とは、例えば、屈折率１．５以上である。前記低屈折率層における低屈折率とは、例えば、屈折率１．５未満である。これらは、例えば、可視光域の光に対する屈折率である。
【００３０】
前記高屈折率層の材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、前記放射体からの放射スペクトルに対して吸収がないことが好ましい。そのような材質としては、Ｇｅ、ＰｂＴｅ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、Ｔａ２Ｏ５、ＣｅＯ２、Ｓｉが好ましい。
前記低屈折率層の材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、前記放射体からの放射スペクトルに対して吸収がないことが好ましい。そのような材質としては、ＢａＦ２、ＬａＦ２、ＮｄＦ３、ＹＦ３、ＳｉＯ２、ＳｉＯ、Ｙ２Ｏ３が好ましい。
【００３１】
前記高屈折率層と、前記低屈折率層との前記交互積層体における積層数としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、６層〜１０層が好ましい。
【００３２】
前記バンドパスフィルタの平均厚みとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、１，５００ｎｍ〜３，５００ｎｍが好ましく、２，０００ｎｍ〜３，０００ｎｍがより好ましい。
【００３３】
＜絶縁層＞
前記絶縁層は、前記発熱体と前記放射体との間に配される。
前記絶縁層は、前記発熱体が導通している際に、前記放射体に通電することを防ぐ。
【００３４】
前記絶縁層の材質、形状、大きさ、構造としては、前記発熱体と、前記放射体との絶縁を確保できる限り、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記絶縁層の材質としては、例えば、ＳｉＯ２などが挙げられる。
【００３５】
前記絶縁層の平均厚みとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、３０ｎｍ〜３００ｎｍが好ましく、５０ｎｍ〜２００ｎｍがより好ましい。前記平均厚みが、３０ｎｍ未満であると、絶縁破壊を生じることがあり、３００ｎｍを超えると、熱伝導性が低下することがある。
【００３６】
＜その他の部材＞
前記その他の部材としては、例えば、反射層、電極、支持体などが挙げられる。
【００３７】
＜＜反射層＞＞
前記反射層は、前記放射体が前記発熱体側に放出する赤外線を、前記バンドパスフィルタ側に反射する層であれば、その材質、形状、大きさ、構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記反射層は、例えば、前記発熱体と前記放射体との間に配される。
【００３８】
前記反射層の材質としては、前記発熱体が発する熱の前記発熱体への熱伝導を阻害せず、かつ赤外線の反射性に優れる点で、アルミニウムが好ましい。
【００３９】
前記反射層の平均厚みとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、８０ｎｍ〜２５０ｎｍが好ましく、１００ｎｍ〜２２０ｎｍがより好ましい。
【００４０】
＜＜電極＞＞
前記電極としては、前記発熱体に通電するための電極であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
【００４１】
前記電極の材質、形状、大きさ、構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
＜＜支持体＞＞
前記支持体としては、前記発熱体と、前記放射体と、前記平坦化層と、前記バンドパスフィルタとをこの順で有する積層体を支持するものであれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
【００４２】
ここで、図３Ａ及び図３Ｂに本発明の赤外線放射素子の一例の概略断面図を示す。
図３Ａに示す赤外線放射素子は、発熱体４上に、絶縁層３、反射層２、放熱体１、平坦化層５、及びバンドパスフィルタ６をこの順で有している。
放熱体１は、発熱体４側と反対側の面に周期的な微細構造を有している。放射体１の有する周期的な微細構造は、図３Ｂに示すような構造である。
平坦化層５は、放射体１側と反対側の面が平坦である。
前記赤外線放射素子において、発熱体４と、バンドパスフィルタ６とは、絶縁層３、反射層２、放射体１、及び平坦化層５を介して接するため、発熱体４の発する熱が熱伝導によりバンドパスフィルタ６に伝わる。
【００４３】
図４に示す赤外線放射素子は、図３Ａ及び図３Ｂに示す赤外線放射素子が更に電極７、及び支持体８を有する態様である。
図４に示す赤外線放射素子においては、発熱体４の対向する２つの辺の下部に、２つの電極７がそれぞれ接続されている。２つの電極７は、支持体８上に形成されている。支持体８には、凹部が形成されており、発熱体４には接することなく、積層体（発熱体４上に、絶縁層３、反射層２、放熱体１、平坦化層５、及びバンドパスフィルタ６をこの順で有する積層体）を支持している。
【００４４】
本発明の赤外線放射素子は、周期的な微細構造を有する放熱体と、バンドパスフィルタとを備えることにより、放射スペクトルを十分に狭帯域化し、省電力化に大きく貢献できる。即ち、放射スペクトルのＱ値が大きな赤外線放射素子が得られる。
【００４５】
また、通常、バンドパスフィルタは、温度の影響を受けて、特性が変化しやすく、一般的なガス分析装置においては、バンドパスフィルタの特性変化を抑える工夫が必要である。
しかし、本発明の赤外線放射素子では、発熱体の発する熱が熱伝導によりバンドパスフィルタに伝わる。前記赤外線放射素子では、放射特性を一定にするために前記放熱体を一定の温度にする。その際に、前記バンドパスフィルタも一定の温度に保たれる。したがって、特別の工夫を要せずに、前記バンドパスフィルタの特性変化を抑えることができる。
【００４６】
前記バンドパスフィルタとして、表１に示す、高屈折率層と低屈折率層との交互積層体（総厚み４，５６０ｎｍ）を用いた場合について説明する。例えば、前記バンドパスフィルタとして、Ｇｅ（ｎ＝４．０）とＢａＦ２（ｎ＝１．３５）との交互積層体の場合には、図５のような透過特性となる。これを周期的な微細構造を有する放射体の上に、例えば、ゾルゲル法で形成されたＳｉＯ２膜（平坦化層）を介して積層することで、得られる本発明の赤外線放射素子のＱ値は２０以上となり、二酸化炭素の吸収スペクトルのＱ値（約２６）に近づけることが可能となる。
【００４７】
【表１】
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【００４８】
一般的に、バンドパスフィルタは角度依存性を持っているので、放射角制御も行うことが可能となる。放射体における周期的な微細構造のみでは放射角も大きく不要な方向への放射も多くなる。しかし、バンドパスフィルタにより放射角を小さくすることで、更なる不要輻射の低減が可能となる。その結果、本発明の赤外線放射素子は、低消費電力化が可能となる。
ここで、本発明の赤外線放射素子の一例における、二酸化炭素の吸収のピーク波長である４．２６μｍの放射率の角度依存性を図６に示す。赤外線放射素子の表面の法線から斜め方向３０°を超えるあたりから放射が減っており、一般の赤外線放射素子よりも前方だけに放射が集中しているということを表している。
【００４９】
（赤外線放射素子の製造方法）
本発明の赤外線放射素子の製造方法は、パターン形成工程と、放射体作製工程とを少なくとも含み、好ましくは発熱体形成工程、マスク層形成工程、平坦化層形成工程、及びバンドパスフィルタ形成工程の少なくともいずれかを含み、更に必要に応じて、その他の工程を含む。
前記赤外線放射素子の製造方法は、本発明の前記赤外線放射素子を製造する方法である。
【００５０】
＜パターン形成工程＞
前記パターン形成工程としては、一方の面上に発熱体が形成され、他方の面上にマスク層が形成された放射体前駆体における前記他方の面上の前記マスク層に、レーザの照射、及び現像により、前記放射体前駆体に周期的な微細構造を形成するためのパターンを形成する工程であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
【００５１】
前記放射体前駆体とは、表面に周期的な微細構造を有する放射体を作製するための前駆体であって、例えば、前記放射体と同材質の平板などが挙げられる。前記平板は、表面が平滑である。
【００５２】
前記マスク層としては、後述の前記放射体前駆体のエッチングに対して耐性を有する層であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
【００５３】
前記パターンの形成は、三光束干渉露光法により行われることが、コストの点で好ましい。
ここで、干渉露光法とは、可干渉性を有する光束を照射し露光対象物上に干渉パターンを形成して、この干渉パターンで前記露光対象物を露光する露光方法である。三光束干渉露光法とは、三光束により干渉パターンを形成する干渉露光法である。
【００５４】
前記現像の方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
【００５５】
＜放射体作製工程＞
前記放射体作製工程としては、前記パターンが形成された前記マスク層をマスクとして、前記放射体前駆体のエッチングを行い、前記放射体前駆体の前記他方の面に周期的な微細構造を形成し、放射体を得る工程であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記エッチングとしては、電解エッチングが、コストの点で好ましい。
【００５６】
＜発熱体形成工程＞
前記発熱体形成工程としては、前記放射体前駆体の一方の面上に前記発熱体を形成する工程であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、蒸着法により行うことができる。
【００５７】
＜マスク層形成工程＞
前記マスク層形成工程としては、前記放射体前駆体の他方の面上に前記マスク層を形成する工程であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、塗布法により行うことができる。
【００５８】
＜平坦化層形成工程＞
前記平坦化層形成工程としては、前記マスク層が除去された前記放射体の他方の面上に、ゾルゲル法により平坦化層を形成する工程であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
【００５９】
前記マスク層の除去方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
【００６０】
前記ゾルゲル法とは、金属アルコキシドの液を出発液とし、この液を加水分解及び縮重合反応によりコロイド溶液（Ｓｏｌ）とし、更に反応を促進させることにより流動性を失った固体（Ｇｅｌ）を形成させる方法である。
前記金属アルコキシドとしては、例えば、アルコキシシラン、アルコキシチタン、ジルコニウムアルコキシドなどが挙げられる。
【００６１】
前記ゾルゲル法においては、金属アルコキシドとしてアルコキシシランを用い、ＳｉＯ２を形成することが好ましい。前記アルコキシシランとしては、例えば、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシランなどが挙げられる。
【００６２】
＜バンドパスフィルタ形成工程＞
前記バンドパスフィルタ形成工程としては、前記平坦化層上に、蒸着法によりバンドパスフィルタを形成する工程であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
【００６３】
＜その他の工程＞
前記その他の工程としては、例えば、反射層形成工程、絶縁層形成工程などが挙げられる。
【００６４】
＜＜反射層形成工程＞＞
前記反射層形成工程としては、前記放射体前駆体の一方の面上に反射層を形成する工程であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、蒸着法により行うことができる。
【００６５】
前記反射層形成工程は、前記発熱体形成工程の前に行うことが好ましい。その場合、前記発熱体は、前記反射層を介して、前記放射体前駆体上に形成される。
【００６６】
＜＜絶縁層形成工程＞＞
前記絶縁層形成工程としては、前記放射体前駆体の一方の面上に絶縁層を形成する工程であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、蒸着法により行うことができる。
【００６７】
前記絶縁層形成工程は、前記発熱体形成工程の前に行うことが好ましい。その場合、前記発熱体は、前記絶縁層を介して、前記放射体前駆体上に形成される。
【００６８】
前記赤外線放射素子の製造方法が、前記発熱体形成工程、前記反射層形成工程、及び前記絶縁層形成工程を含む場合、その順序としては、前記反射層形成工程、前記絶縁層形成工程、及び前記発熱体形成工程の順が好ましい。その場合、前記放射体前駆体上には、前記反射層、前記絶縁層、及び前記発熱体がこの順で形成される。
【００６９】
ここで、本発明の赤外線放射素子の製造方法の一例を図７Ａ〜図７Ｉを用いて説明する。
まず、放射体前駆体１Ａとしてのステンレス平板を準備する（図７Ａ）。ステンレス平板は、必要に応じて、研磨される。
次に、放射体前駆体１Ａ上に、蒸着法により反射層２を形成する（反射層形成工程、図７Ｂ）。
次に、反射層２上に、絶縁層３を形成する（絶縁層形成工程、図７Ｃ）。
次に、絶縁層３上に、発熱体４を形成する（発熱体形成工程、図７Ｄ）。
次に、放射体前駆体１Ａの発熱体４側と反対側に、マスク層１１を形成する（マスク層形成工程、図７Ｅ）。
次に、マスク層１１に、レーザの照射、及び現像により、放射体前駆体１Ａに周期的な微細構造を形成するためのパターンを形成する（パターン形成工程、図７Ｆ）。
次に、パターンが形成されたマスク層１１をマスクとして、放射体前駆体１Ａのエッチングを行い、放射体前駆体１Ａの表面に周期的な微細構造を形成し、放射体１を得る（放射体作製工程、図７Ｇ）。
次に、マスク層１１が除去された放射体１の上に、ゾルゲル法により平坦化層５を形成する（平坦化層形成工程、図７Ｈ）。
次に、平坦化層５上に、蒸着法によりバンドパスフィルタ６を形成する（バンドパスフィルタ形成工程、図７Ｉ）。
以上により、赤外線放射素子が得られる。
【００７０】
（ガス分析装置）
本発明のガス分析装置は、本発明の前記赤外線放射素子を少なくとも有し、好ましくは測定セルと、赤外線検出器とを有し、更に必要に応じて、その他の部材を有する。
【００７１】
＜測定セル＞
前記測定セルとしては、被測定ガスが導入されるセルであれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、その材質、形状、大きさ、構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記被測定ガスとしては、例えば、ＣＯ２、ＣＯ、ＮＯ、ＳＯ２などが挙げられる。
【００７２】
＜赤外線検出器＞
前記赤外線検出器としては、前記赤外線放射素子が放出する赤外線を検出可能な装置であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、サーモパイル、ボロメータ、焦電素子、量子素子などが挙げられる。
【００７３】
ここで、本発明の前記ガス分析装置の一例を図を用いて説明する。
図８は、本発明の前記ガス分析装置の一例の概略断面図である。
図８のガス分析装置は、赤外線放射素子５１と、赤外線検出器５２と、測定セル５３とを有している。赤外線放射素子５１は、測定セル５３の一端に設けられている。赤外線検出器５２は、測定セル５３の他端に設けられている。測定セル５３には、試料ガスの入口５３ａと出口５３ｂとが設けられている。
測定セル５３の入口５３ａには、試料ガスとして、例えば、被測定ガスであるＣＯ２を含む大気ガスが導入され、出口５３ｂから連続的に排気される。なお、塵埃をフィルタで除去したりパーマピュアドライヤで赤外線を吸収する水分を除去するサンプリング装置などを通した試料ガスを導入してもよい。
赤外線放射素子５１から放出された赤外線は、測定セル５３を通過する際に、被測定ガスにより吸収される。そのため、赤外線検出器５２により検出される赤外線の量は、試料ガスにおける被測定ガスの濃度に応じて変化する。この変化により、試料ガスにおける被測定ガスの濃度を検出することができる。
【００７４】
一般的なガス分析装置においては、図１に示すように、測定セル１０１にバンドパスフィルタ１０３が備えられている。ガス分析装置においては、バンドパスフィルタの光透過特性を一定に保つために、バンドパスフィルタの温度を一定にする必要がある。そのため、一般的なガス分析装置においては、バンドパスフィルタの温度を一定に保つための部材を要する。
本発明の前記ガス分析装置においては、本発明の前記赤外線放射素子にバンドパスフィルタが備えられており、前記バンドパスフィルタは、前記赤外線放射素子の発熱体の熱により一定の温度に加熱される。そのため、本発明の前記ガス分析装置は、バンドパスフィルタの温度を一定に保つための部材が必要なく、部品点数を少なくできる。そのため、省電力化が可能であり、エネルギー効率のよいガス分析装置を実現できる。
【実施例】
【００７５】
以下、本発明の実施例を説明するが、本発明は、これらの実施例に何ら限定されるものではない。
【００７６】
（実施例１）
＜反射層、絶縁層、及び発熱体の形成＞
鏡面研磨された平均厚み５０μｍのステンレス（ＳＵＳ３０４、直径２インチ）基板（放射体前駆体）の裏面に、反射層としてのタングステン膜（平均厚み２００ｎｍ）、絶縁層としての酸化シリコン膜（平均厚み２００ｎｍ）、及び発熱体としてのタングステン膜（平均厚み３００ｎｍ）を、この順で、蒸着法によって形成した。
【００７７】
＜放熱体の作製＞
次に、前記ステンレス基板の表面に、反射防止膜（ＢＡＲＣ、平均厚み３０ｎｍ）とｉ線用フォトレジスト膜（マスク層、平均厚み３００ｎｍ）とを順次スピンコート法により形成した。波長３５５ｎｍの縦シングルモードレーザを用いた三光束干渉露光法によって、前記マスク層に、孔径１．３μｍ、厚み２５０ｎｍの孔（ホール）が、最隣接孔間ピッチ２．０μｍを保って六方最密で周期的に配置されたレジストパターンを形成した。
次に、前記レジストパターンが形成された前記マスク層をマスクとして、前記ステンレス基板の電界エッチングを行い、前記ステンレス基板の表面に、深さ３．０μｍ、孔径１．８μｍの孔が、最隣接孔間隔２．０μｍを保って六方最密で周期的に配置された微細周期構造を形成し、放熱体を得た。
この放射体の放射特性を図９に示した。この放射特性は、反射率から求めた。
【００７８】
＜平坦化層の形成＞
前記放熱体上の前記マスク層を除去した。前記放熱体の表面（微細周期構造が形成された側の表面）に、金属アルコキシドとしてのＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）を用いたゾルゲル法で平坦化層としてのシリカ膜（平均厚み７０ｎｍ）を形成した。前記平坦化層の表面（前記放熱体側と反対側の表面）は、前記放熱体の周期的な微細構造に影響されず、平坦であった。
【００７９】
＜バンドパスフィルタの形成＞
最後に、蒸着によって、前記平坦化層上に、表２に示すＧｅ／ＢａＦ２の多層膜構造のバンドパスフィルタ（総厚み２，５４５ｎｍ）を形成した。なお、前記平坦化層には、Ｇｅ層（２６７ｎｍ）が接している。
【００８０】
【表２】
2016065786.tif 000004
【００８１】
以上により、赤外線放射素子を得た。
【００８２】
得られた赤外線放射素子を、３ｍｍ×５ｍｍの長方形状に切断した。図４に示すように、それを、２つの電極７を備えた支持体８上に置いた。その際、前記赤外線放射素子における前記放射体が、前記支持体に接触しないようにして、前記赤外線放射素子の対向する短辺に、前記２つの電極７を接続した。
前記赤外線放射素子の電極間間隔は３ｍｍであり、前記発熱体（タングステン膜）の抵抗は２１０Ωである。この赤外線放射素子に５Ｖ印加したところ、電流値は２４ｍＡであり、放射スペクトルを測定したところ、図１０のように狭帯域となっていることを確認した。Ｑ値として２８が得られた。
【００８３】
（実施例２）
本発明による赤外線放射素子の消費電力の効率改善の見込み試算を表３に示す。
試算では、以下の条件（１）〜（３）にした。
条件（１）投入電力の１００％が光に変換される
条件（２）放射スペクトルのうち二酸化炭素吸収と一致する部分のみが受光器に入射する。
条件（３）放射面の法線から１０°の範囲のみが受光器に入射する。
本発明の赤外線放射素子では、従来の黒体放射型のエミッタに較べて、スペクトル成分改善により、利用効率が４％から８４％に向上し、また、放射角成分の利用効率が２．５％から７．９％に向上し、よって、トータルの利用効率は０．１％から６．６％に６０倍程度改善している。また、表３に示すように光源を赤外ＬＥＤにした場合と比べても、スペクトルの利用効率、放射角成分の利用効率、及びトータルの利用効率の全てが改善されている。
従って、本発明の赤外線放射素子では、放射スペクトルの狭帯域化と放射角度分布の狭小化とによって赤外線方式ガスセンサの低消費電力化を図ることができる。
【００８４】
【表３】
2016065786.tif 000005
【００８５】
（比較例１）
実施例１において、バンドパスフィルタを形成しない以外は、実施例１と同様にして、赤外線放射素子を作製し、その放射特性を測定した。結果を、図１１に示した。
【００８６】
（実施例３）
実施例１において、バンドパスフィルタの構造を、表４の構造（総厚み２，２０１ｎｍ）に変更した以外は、実施例１と同様にして、赤外線放射素子を作製し、その放射特性を測定した。結果を図１２に示した。この赤外線放射素子のＱ値は、１３であった。
【００８７】
【表４】
2016065786.tif 000006
【００８８】
実施例１、及び３を比較すると、バンドパスフィルタの透過特性に依存して、実施例１の赤外線放射素子の放射特性のＱ値が、実施例３の赤外線放射素子の放射特性のＱ値よりも大きかった。
【符号の説明】
【００８９】
１      放熱体
１Ａ    放射体前駆体
２      反射層
３      絶縁層
４      発熱体
５      平坦化層
６      バンドパスフィルタ
７      電極
８      支持体
１１    マスク層
５１    赤外線放射素子
５２    赤外線検出器
５３    測定セル
５３ａ  入口
５３ｂ  出口
１０１  測定セル
１０２  赤外線光源
１０３  バンドパスフィルタ
１０４  受光素子
１０５  赤外線
１０６  ガス
【図１】
2016065786.tif 000007
【図２】
2016065786.tif 000008
【図３Ａ】
2016065786.tif 000009
【図３Ｂ】
2016065786.tif 000010
【図４】
2016065786.tif 000011
【図５】
2016065786.tif 000012
【図６】
2016065786.tif 000013
【図７Ａ】
2016065786.tif 000014
【図７Ｂ】
2016065786.tif 000015
【図７Ｃ】
2016065786.tif 000016
【図７Ｄ】
2016065786.tif 000017
【図７Ｅ】
2016065786.tif 000018
【図７Ｆ】
2016065786.tif 000019
【図７Ｇ】
2016065786.tif 000020
【図７Ｈ】
2016065786.tif 000021
【図７Ｉ】
2016065786.tif 000022
【図８】
2016065786.tif 000023
【図９】
2016065786.tif 000024
【図１０】
2016065786.tif 000025
【図１１】
2016065786.tif 000026
【図１２】
2016065786.tif 000027