JP6783571B2 - 放射装置及び放射装置を用いた処理装置 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、メタマテリアル（ｍｅｔａ−ｍａｔｅｒｉａｌ）構造層（メタサーフェスと呼ばれる場合もある）を利用して放射されるふく射エネルギーの波長を制御する放射装置、及び当該放射装置を用いた処理装置に関する。

被処理物を処理するために、ふく射エネルギーを放射する放射装置が用いられることがある。例えば、非特許文献１には、機能性ポリマーの一種である環状オレフィンコポリマーを熱処理する技術が開示されている。このような機能性ポリマーは、原料ポリマーを高温で溶融し成形した後、放射装置を用いて熱処理することで生成される。熱処理には、例えば赤外線ヒーター（放射装置の一例）が用いられている。

畦▲崎▼崇、他７名、"新たな熱硬化性耐熱ポリオレフィン材料を開発"、［online］、２０１２年１０月１９日、高分子学会、［２０１５年９月１０日検索］、インターネット、＜ＵＲＬ：http://main.spsj.or.jp/koho/21pmf.html＞

放射装置を用いて被処理物を処理する場合に、特定の波長のふく射エネルギーが被処理物に放射されないようにしたいという要望があるときがある。例えば、非特許文献１の機能性ポリマーでは、赤外線ヒーターが放射するふく射エネルギーのうち、特定の波長領域のふく射エネルギーは、原料ポリマーから機能性ポリマーへの反応を阻害することが知られている。このため、例えば光学フィルタを用いて特定の波長領域のふく射エネルギーを透過させない工夫が行われている。しかしながら、光学フィルタの波長選択性は比較的に緩やかであるため、光学フィルタを用いる場合は特定の波長領域近傍の波長の透過率も抑制されてしまい、エネルギー効率が低下するという問題がある。本明細書は、急峻な波長選択性を有する放射装置及び当該放射装置を用いた処理装置を提供する。

本明細書が開示する放射装置は、発熱源と、表面側にメタマテリアル構造層を有するメタマテリアル構造物と、を備える。メタマテリアル構造層は、その表面に発熱源から放射されたふく射エネルギーが入射するように配置されており、かつ、当該メタマテリアル構造層の表面で反射されるふく射エネルギーが特定の波長領域を除いた波長領域のふく射エネルギーとなるように構成されている。

メタマテリアル構造層は、入射したふく射エネルギーのうち特定の波長領域を除いたふく射エネルギーをほぼ反射する。これによって、結果的に見かけ上は、メタマテリアル構造層の表面から特定の波長領域を除いた波長領域のふく射エネルギーが放射されることになる。メタマテリアル構造層は、特定の波長領域の境界において放射率が急峻に変化するという性質を有する。上記の放射装置は、上述したメタマテリアル構造層を表面側に有するメタマテリアル構造物を備えるため、急峻な波長選択性を有する。上記の放射装置によると、エネルギー効率の低下を抑制しながら、特定の波長領域を除いた波長領域のふく射エネルギーを放射することができる。

また、本明細書は、上記の放射装置を利用して被処理物を処理する新規な処理装置を開示する。本明細書が開示する処理装置は、被処理物と対向して配置される上記の放射装置と、被処理物と放射装置とを収容する収容部と、を備える。メタマテリアル構造層の表面からは、被処理物にふく射エネルギーが放射される。

上記の処理装置によれば、発熱源からメタマテリアル構造層に入射したふく射エネルギーのうち特定の波長領域を除いた波長領域のふく射エネルギーを被処理物に照射することができる。メタマテリアル構造層は、特定の波長領域の境界において放射率が急峻に変化するという性質を有する。このため、エネルギー効率の低下を抑制しながら被処理物を好適に処理することができる。

実施例１の放射装置の縦断面図。 （ａ）は発熱源からメタマテリアル構造物の表面に入射するふく射エネルギーの入射スペクトルを示すグラフであり、（ｂ）はメタマテリアル構造層が吸収するふく射エネルギーの吸収スペクトルを示すグラフであり、（ｃ）はメタマテリアル構造層表面から反射される、見かけ上のふく射エネルギーのスペクトルを示すグラフである。 メタマテリアル構造物の構造を模式的に示す図。 実施例１の放射装置を利用した処理装置の構造を模式的に示す断面図。 実施例２の放射装置の縦断面図。 実施例２の放射装置を利用した処理装置の構造を模式的に示す断面図。

最初に、以下に説明する実施例の特徴を列記する。なお、ここに列記する特徴は、何れも独立して有効なものである。

（特徴１） 本明細書に開示の放射装置は、冷却部材を備えていてもよい。冷却部材は、メタマテリアル構造物の裏面側に配置され、メタマテリアル構造物を冷却してもよい。メタマテリアル構造物は、その表面（即ち、メタマテリアル構造層の表面）に入射したふく射エネルギーのうち特定の波長領域のふく射エネルギーを吸収する。このため、放射装置の使用に伴いメタマテリアル構造物の温度が上昇する場合がある。メタマテリアル構造物の温度が過度に上昇すると、そこからの自己ふく射エネルギー（自身の温度に大きく依存）が増大するため、前記見かけ上のふく射エネルギーのスペクトル形状が変化する可能性が生じる。上記の放射装置によると、冷却部材はメタマテリアル構造物の裏面からメタマテリアル構造物を冷却する。このため、当該構造物の温度上昇が抑制され、結果的に、そこからの見かけ上のふく射エネルギーについて、所望のスペクトル形状を維持することが可能となる。

（特徴２） 本明細書に開示の放射装置は、反射面を有しており、当該反射面に入射したふく射エネルギーを反射する第１反射器と、放物面を有しており、当該放物面に入射したふく射エネルギーを反射する第２反射器と、を備えていてもよい。第１反射器は、発熱源から放射されるふく射エネルギーが、第１反射器の反射面に入射すると共に、当該反射面で反射したふく射エネルギーが、第２反射器の放物面の対称軸と平行な方向に当該放物面に入射するように構成されていてもよい。メタマテリアル構造物は、メタマテリアル構造層の表面が第２反射器の放物面と対向すると共に、その表面が当該放物面の焦点に位置するように配置されていてもよい。なお、反射面と放物面のそれぞれは、発熱源から放射されるふく射エネルギーの全波長域において高い反射率を有していてもよい。

この放射装置では、発熱源から放射されるふく射エネルギーは、第１反射器の反射面及び第２反射器の放物面でそれぞれ反射して、メタマテリアル構造層の表面に入射する。メタマテリアル構造層の表面からは、特定の波長領域を除いた波長領域のふく射エネルギーが見かけ上放射される。当該表面から見かけ上放射されるふく射エネルギーは、第２反射器の放物面で反射し、当該放物面の対称軸と平行な方向に放射される。この構成によると、第２反射器の放物面から、その対称軸と平行な方向にふく射エネルギーを放射可能である放射装置を実現することができる。また、一般に、メタマテリアル構造層は製造コストが高い。上記の放射装置では、メタマテリアル構造物を、その表面（即ち、メタマテリアル構造層の表面）が第２反射器の放物面の焦点に位置するように配置するだけでよい。このため、メタマテリアル構造物を第２反射器に比べて大幅に小さくできる。この構成によると、メタマテリアル構造物を比較的安価に製造できるため、放射装置の製造コストが高くなることを抑制できる。また、冷却部材の構成を簡素化できる。

（特徴３） 本明細書に開示の放射装置では、第１反射器の反射面が放物面形状を有していてもよい。第１反射器の反射面の対称軸は、第２反射器の放物面の対称軸と平行であってもよい。発熱源は、反射面の焦点に配置されていてもよい。この放射装置では、発熱源から放射されるふく射エネルギーは、第１反射器の反射面で反射して、第２反射器の放物面に、当該放物面の対称軸と平行な方向に入射する。この構成によると、第２反射器の放物面に、その対称軸と平行な方向に入射するふく射エネルギーを比較的容易に生成することができる。

（特徴４） 本明細書に開示の放射装置では、メタマテリアル構造層の表面が放物面形状を有していてもよい。発熱源は、当該表面の焦点に配置されていてもよい。この放射装置では、発熱源から放射されるふく射エネルギーは、メタマテリアル構造層の表面に入射し、当該表面からは見かけ上、特定の波長領域を除いた波長領域のふく射エネルギーが放射される。このふく射エネルギーは、メタマテリアル構造層の表面の対称軸と平行な方向に放射される。この構成によると、メタマテリアル構造層の表面から、その対称軸と平行な方向にふく射エネルギーを放射可能である放射装置を実現することができる。また、発熱源から放射されるふく射エネルギーの反射回数が比較的少ないため、反射に起因するエネルギー損失を低減することができる。さらに、上記の放射装置では、メタマテリアル構造層がいわゆる反射器として機能するため、メタマテリアル構造物の大きさは比較的大きい。即ち、メタマテリアル構造物が単位面積当たりに吸収するエネルギー量は比較的小さい。このため、メタマテリアル構造物を比較的容易に冷却することができる。なお、「メタマテリアル構造層の表面が放物面形状を有する」とは、メタマテリアル構造層を肉眼視したときの表面形状を意味するものであり、微視的な表面形状を意味するものではない。即ち、肉眼視においてメタマテリアル構造層の表面が放物面形状を有している構成であれば、微視的には当該表面が凹凸形状を有していたとしても、当該構成は、「メタマテリアル構造層の表面が放物面形状を有する」構成に含まれる。

（特徴５） 本明細書に開示の処理装置は、特徴４に記載の放射装置を備えていてもよい。メタマテリアル構造物は、収容部の一部を構成していてもよい。メタマテリアル構造物の裏面は、収容部の外部に露出していてもよい。一般に、収容部の外部の温度は、収容部内の処理温度よりも低い。このため、メタマテリアル構造物の裏面を収容部の外部に露出させる（例えば、大気開放する）ことにより、メタマテリアル構造物をその裏面側から冷却することができる。このため、冷却部材を用いることなくメタマテリアル構造物の温度上昇が抑制可能となり、結果として、その表面の放射率を一定に維持することができる。

実施例１の放射装置１０は、近赤外線の波長領域（２〜１０μｍ）内の特定の波長領域（本実施例では、５．２〜６．２μｍ）を除いた波長領域のふく射エネルギーを放射する放射装置（エミッタ）である。図１に示すように、本実施例の放射装置１０は、メタマテリアル構造物１２と、冷却管１８と、ランプヒーター２０、２４と、第１パラボラリフレクタ３０、３４と、第２パラボラリフレクタ３８を備えている。

メタマテリアル構造物１２は、平板状の支持基板１６と、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｏｒ−Ｍｅｔａｌ）構造層１４を備えている。別言すれば、メタマテリアル構造物１２は、その表面側にＭＩＭ構造層１４を有している。支持基板１６は、熱伝導率の大きい材料によって形成することができ、例えば、ケイ素（Ｓｉ）基板等を用いることができる。

ＭＩＭ構造層１４は、メタマテリアル構造層の一種であり、支持基板１６の表面に形成されている。後で詳しく説明するが、ＭＩＭ構造層１４の表面（即ち、メタマテリアル構造物１２の表面）には、ランプヒーター２０、２４から放射されるふく射エネルギー（近赤外線の波長領域を有する）が、第１パラボラリフレクタ３０、３４及び第２パラボラリフレクタ３８を介して入射する。図２（ａ）〜（ｃ）は、ＭＩＭ構造層に入射したふく射エネルギーがどのようにふく射エネルギーを放射するかをシミュレーションしたグラフである。グラフには示していないが、図２（ａ）〜（ｃ）の横軸は、いずれも近赤外線の波長領域（２〜１０μｍ）を示す。図２（ａ）〜（ｃ）を比較すると、図２（ｂ）における吸収率のピーク波長と、図２（ｃ）におけるふく射エネルギーが最も小さいときのピーク波長が一致することが分かる。また、図２（ａ）の入射エネルギーから図２（ｂ）の吸収に相当する分だけふく射エネルギーを除くと、図２（ｃ）のふく射エネルギーに一致することが分かる。上記のシミュレーションから、ＭＩＭ構造層１４は、その表面に入射したふく射エネルギーのうち特定の波長領域のふく射エネルギーを吸収し、特定の波長領域を除いた波長領域のふく射エネルギーを反射することが分かる。即ち、ＭＩＭ構造層１４は、ピーク波長とその周辺の狭い波長領域（特定の波長領域）のふく射エネルギーを吸収し、特定の波長領域以外のふく射エネルギーを反射エネルギーとして見かけ上放射するように構成されている。具体的には、ＭＩＭ構造層１４は、特定の波長領域では極めて低い放射率（例えば、０．０３〜０．１）を有し、特定の波長領域以外では高い放射率（例えば、０．８５〜０．９）を有している。このため、ＭＩＭ構造層１４は、特定の波長領域の境界において放射率が急峻に変化するという性質を有する（図２（ｃ）参照）。また、上記の説明から明らかなように、ＭＩＭ構造層１４では、ふく射エネルギーが入射する面と、ふく射エネルギーが放射される面が同一となっている。

図３に示すように、ＭＩＭ構造層１４は、支持基板１６の表面に形成された第１金属層１４ｃと、第１金属層１４ｃの表面に形成された絶縁層１４ｂと、絶縁層１４ｂの表面に形成された複数の凸状金属部１４ａを備えている。第１金属層１４ｃは、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）等の金属によって形成することができ、本実施例ではモリブデン（Ｍｏ）によって形成されている。第１金属層１４ｃは、支持基板１６の表面全体に形成されている。絶縁層１４ｂは、セラミックス等の絶縁材料によって形成することができ、本実施例では酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）によって形成されている。絶縁層１４ｂは、第１金属層１４ｃの表面全体に形成されている。凸状金属部１４ａは、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）等の金属によって円柱状に形成されており、本実施例ではモリブデン（Ｍｏ）によって形成されている。凸状金属部１４ａは、絶縁層１４ｂの表面の一部に形成されている。凸状金属部１４ａは、絶縁層１４ｂの表面に、幅方向及び奥行き方向に間隔を空けて複数配置されている。上記の説明から明らかなように、ＭＩＭ構造層１４の表面（即ち、メタマテリアル構造物１２の表面）は、凸状金属部１４ａの表面及び側面（いわゆる外表面）と、凸状金属部１４ａが配置されていない部分の絶縁層１４ｂの表面によって構成されている。凸状金属部１４ａの寸法（円柱形状の径及び高さ）を調整することで、ＭＩＭ構造層１４が吸収するふく射エネルギーのピーク波長を調整することができる。また、凸状金属部１４ａの配置パターン（隣接する凸状金属部１４ａの間隔等）を調整することで、上述した「特定の波長領域」の広狭等を調整することができる。上述したＭＩＭ構造層１４は、公知のナノ加工技術を用いて製作することができる。

なお、本実施例の放射装置１０では、金属層と絶縁層を積層したＭＩＭ構造層１４を用いたが、ＭＩＭ構造層以外のメタマテリアル構造層を用いてもよい。

図１に戻って説明を続ける。冷却管１８は、円柱形状を有する液冷却式の冷却管である。冷却管１８は、支持基板１６の裏面（即ち、メタマテリアル構造物１２の裏面側）に配置されている。冷却管１８の側周面は、支持基板１６の裏面に接触している。上述したように、ＭＩＭ構造層１４は特定の波長領域のふく射エネルギーを吸収するため、放射装置１０の使用に伴いメタマテリアル構造物１２の温度が上昇する。メタマテリアル構造物１２に生じた熱は、冷却管１８との接触部分から冷却管１８に熱伝導し、これにより、メタマテリアル構造物１２が冷却される。冷却管１８の温度を制御することにより、メタマテリアル構造物１２の温度上昇を抑制し、一定の温度に保つことができる。冷却管１８には公知の冷却器を用いることができる。なお、冷却管１８は、「冷却部材」の一例に相当する。

ランプヒーター２０は、球状のハロゲンランプであり、供給される電力エネルギーを、赤外線の波長領域（２〜１０μｍ）を有するふく射エネルギーに変換して、その中心から放射する。ランプヒーター２０の表面の一部は金（Ａｕ）を材料とするコート２２によりコーティングされている（後述）。このため、ランプヒーター２０から放射されるふく射エネルギーの一部は、コート２２が形成されていない部分（以下では「ランプヒーター２０の開口部」とも称する）から直接外部に放射される。一方、ランプヒーター２０から放射されるふく射エネルギーの残部は、コート２２で反射して（場合によっては反射を繰り返して）、最終的にランプヒーター２０の開口部から放射される。コート２２は、スパッタコーティング法によりコーティングされており、高い反射率を有する。このため、コート２２で反射を繰り返したとしても、反射に起因するエネルギー損失が増大することを抑制できる。ランプヒーター２４は、ランプヒーター２０と略同一の構成を有しており、その表面の一部がコート２６によりコーティングされている（後述）。コート２６は、コート２２と同一材料、同一方法によりコーティングされている。なお、ランプヒーター２０、２４は、ハロゲンランプに限られず、近赤外線の波長領域のふく射エネルギーを放射可能な公知のヒーターを用いることができる。また、ランプヒーター２０、２４は、「発熱源」の一例に相当する。

第１パラボラリフレクタ３０は、放物面形状の反射面３２を有している。反射面３２は、平面視において円形状を有している。反射面３２は、金（Ａｕ）によるスパッタ処理、及び鏡面加工が施されている。金（Ａｕ）によるスパッタ処理により、反射面３２における反射率を向上でき、第１パラボラリフレクタ３０の温度上昇を抑制できる。ランプヒーター２０は、その中心が反射面３２の焦点Ｆ１に位置するように配置されている。ランプヒーター２０から放射されたふく射エネルギーは、ランプヒーター２０の開口部を通って、反射面３２に入射する。ここで、ランプヒーター２０の寸法は、第１パラボラリフレクタ３０の寸法に比べて大幅に小さい。このため、ランプヒーター２０から放射されるふく射エネルギーのうち、コート２２で反射されるふく射エネルギーは、コート２２で反射することなくランプヒーター２０の中心から直接放射されたふく射エネルギーとみなすことができる。別言すれば、ランプヒーター２０は、焦点Ｆ１に位置する点熱源とみなすことができる。従って、ランプヒーター２０から放射されたふく射エネルギーは、反射面３２に入射し、反射面３２において、反射面３２の対称軸Ａ１と平行な方向に反射する。第１パラボラリフレクタ３４は、第１パラボラリフレクタ３０と略同一の構成であり、放物面形状の反射面３６を有している。ランプヒーター２４は、その中心が反射面３６の焦点Ｆ２に位置するように配置されている。ランプヒーター２４も、焦点Ｆ２に位置する点光源とみなすことができる。ランプヒーター２４から放射されたふく射エネルギーは、反射面３６に入射し、反射面３６において、反射面３６の対称軸Ａ２と平行な方向に反射する。なお、第１パラボラリフレクタ３０、３４は、「第１反射器」の一例に相当する。また、上記の説明から明らかなように、ランプヒーター２０、２４から放射されるふく射エネルギーは、ランプヒーター２０、２４の開口部を通って、第１パラボラリフレクタ３０、３４に入射する。すなわち、ランプヒーター２０、２４から放射されるふく射エネルギーの放射角度は開口部によって制限されており、第１パラボラリフレクタ３０、３４の一部にのみ入射することとなる。従って、第１パラボラリフレクタ３０、３４の一部を除去し、ランプヒーター２０、２４から放射されるふく射エネルギーが入射する範囲にのみ設けてもよい。

第２パラボラリフレクタ３８は、放物面形状の反射面４０を有している。反射面４０は、平面視において円形状を有している。反射面４０は、金（Ａｕ）によるスパッタ処理、及び鏡面加工が施されている。第２パラボラリフレクタ３８は、その反射面４０が、第１パラボラリフレクタ３０、３４の反射面３２、３６とそれぞれ対向する向きに配置されている。第１パラボラリフレクタ３０、３４及び第２パラボラリフレクタ３８は、それぞれの対称軸Ａ１、Ａ２、Ａ３が互いに平行となるように配置されている。第１パラボラリフレクタ３０、３４は、第２パラボラリフレクタ３８の両側に、対称軸Ａ３に関して左右対称に配置されている。反射面４０の焦点Ｆ３には、メタマテリアル構造物１２の表面（即ち、ＭＩＭ構造層１４の表面）が位置している。メタマテリアル構造物１２は、その表面が反射面４０と対向すると共に、対称軸Ａ３に関して左右対称となるように配置されている。なお、第２パラボラリフレクタ３８は、「第２反射器」の一例に相当し、反射面４０は、「放物面」の一例に相当する。

ここで、ランプヒーター２０のコート２２は、第２パラボラリフレクタ３８の反射面４０に入射可能なふく射エネルギーの経路以外の経路を遮断するようにランプヒーター２０の表面にコーティングされている。このため、ランプヒーター２０からその開口部を通って放射されるふく射エネルギーは、第１パラボラリフレクタ３０を介して全て第２パラボラリフレクタ３８の反射面４０に入射する。ランプヒーター２４のコート２６は、対称軸Ａ３に関してコート２２と左右対称となるようにランプヒーター２４の表面にコーティングされている。

放射装置１０から特定の波長領域以外のふく射エネルギーを放射させるには、ランプヒーター２０、２４に電力エネルギーを供給する。これにより、ランプヒーター２０、２４が電力エネルギーをふく射エネルギーに変換し、ランプヒーター２０、２４からふく射エネルギーが放射される。ランプヒーター２０、２４からそれぞれ放射されたふく射エネルギーは、第１パラボラリフレクタ３０、３４の反射面３２、３６及び第２パラボラリフレクタ３８の反射面４０でそれぞれ反射して、焦点Ｆ３に配置されているＭＩＭ構造層１４の表面に入射する。ＭＩＭ構造層１４の表面からは、入射したふく射エネルギーのうち特定の波長領域以外のふく射エネルギーが見かけ上放射され、第２パラボラリフレクタ３８の反射面４０に入射する。このふく射エネルギーは、焦点Ｆ３の位置から放射されるため、反射面４０で反射したふく射エネルギーは、対称軸Ａ３と平行な方向に放射される。なお、ＭＩＭ構造層１４は積層構造を有するため、厳密には、ＭＩＭ構造層１４の表面に入射したふく射エネルギーは、入射位置から若干ずれた位置から放射されると考えられる。しかしながら、入射位置と放射位置のずれ量は第２パラボラリフレクタ３８の大きさに比べて大幅に小さいため、ＭＩＭ構造層１４の表面のうち焦点Ｆ３に対応する位置に入射したふく射エネルギーは、同じく焦点Ｆ３に対応する位置から放射されるとみなすことができる。

実施例１の放射装置１０は、ランプヒーター２０、２４と、ＭＩＭ構造層１４を有するメタマテリアル構造物１２を備える。ＭＩＭ構造層１４は、その表面に入射したふく射エネルギーのうち特定の波長領域を除いた波長領域のふく射エネルギーを見かけ上放射する。ＭＩＭ構造層１４は、特定の波長領域の境界において放射率が急峻に変化するという性質を有する。このため、放射装置１０は急峻な波長選択性を有する。この構成によると、エネルギー効率の低下を抑制しながら特定の波長領域を除いた波長領域のふく射エネルギーを放射することができる。

また、実施例１の放射装置１０は、メタマテリアル構造物１２を裏面側から冷却する冷却管１８を備える。この構成によると、メタマテリアル構造物１２の表面からの自己放射を抑制することができる。このため、メタマテリアル構造物１２の見かけ上のふく射エネルギーに関して、所望のスペクトル形状を維持することが可能となる。

また、実施例１の放射装置１０によると、第２パラボラリフレクタ３８の反射面４０から、対称軸Ａ３と平行な方向にふく射エネルギーを放射可能な放射装置を実現できる。また、メタマテリアル構造物１２を第２パラボラリフレクタ３８に比べて大幅に小さくできる。このため、メタマテリアル構造物１２を比較的安価に製造でき、放射装置１０の製造コストが高くなることを抑制できる。加えて、冷却管１８のような簡素な冷却部材でメタマテリアル構造物１２を冷却することができる。

さらに、実施例１の放射装置１０では、第１パラボラリフレクタ３０、３４の反射面３２、３６がそれぞれ放物面形状を有する。このため、ランプヒーター２０、２４、及び各パラボラリフレクタ３０、３４、３８の位置及び向きを制御するだけで、第２パラボラリフレクタ３８の反射面４０に、対称軸Ａ３と平行な方向に入射するふく射エネルギーを比較的容易に生成できる。

次に、実施例１の放射装置１０を用いてワークを処理する処理装置の一例について、図４を参照して説明する。図４に示す処理装置５０は、炉体５２と、炉体５２内の空間５４に収容された複数の放射装置１０を備えている。複数の放射装置１０は、ワークＷの搬送方向（図４の矢印参照）に間隔を空けて並んで配置されている。複数の放射装置１０は、それぞれの第２パラボラリフレクタ３８の対称軸Ａ３（図示省略）がワークＷの搬送方向と略直交し、かつ、第２パラボラリフレクタ３８の反射面４０がワークＷと対向するように配置されている。複数の放射装置１０は、図示しない保持部材によって炉体５２の内壁面５２ａに保持されている。内壁面５２ａは、ＳＵＳ等の高反射率の材料で形成することができる。なお、炉体５２は、「収容部」の一例に相当する。

上記の処理装置５０においてワークＷを加熱するためには、炉体５２内を矢印に沿ってワークＷを搬送する。炉体５２内を搬送されるワークＷには、複数の放射装置１０のそれぞれから特定の波長領域を除いた波長領域のふく射エネルギーが照射される。上述したように、放射装置１０は急峻な波長選択性を有する。また、ふく射エネルギーの進行方向は、ワークＷの搬送方向と略直交する。このため、ワークＷの表面にはふく射エネルギーが均一に照射される。また、炉内を流れる空気の対流による熱伝導によってワークＷが加熱される。これらによって、図４に示す処理装置５０では、エネルギー効率の低下を抑制しながら、ワークＷに特定の波長領域を除いた波長領域のふく射エネルギーを均一に照射することができる。

実施例２の放射装置１１０について説明する。以下では、実施例１と相違する点についてのみ説明し、実施例１と同一の構成についてはその詳細な説明を省略する。実施例２の放射装置１１０は、メタマテリアル構造物１１２と、冷却部材１１８と、ランプヒーター１２０を備えている。メタマテリアル構造物１１２は、支持基板１１６と、その表面に形成されたＭＩＭ構造層１１４を有しており、平面視において円形状を有している。メタマテリアル構造物１１２は、実施例１の第２パラボラリフレクタ３８と略同一の大きさを有している。ＭＩＭ構造層１１４の表面は、支持基板１１６側に凸となる放物面形状を有している。ここで、「ＭＩＭ構造層の表面が放物面形状を有する」とは、ＭＩＭ構造層を肉眼視したときの表面形状を意味するものであり、微視的な表面形状を意味するものではない。即ち、肉眼視においてＭＩＭ構造層の表面が放物面形状を有している構成（即ち、本実施例のＭＩＭ構造層１１４）であれば、微視的には当該表面が凹凸形状を有していたとしても、当該構成は、「ＭＩＭ構造層の表面が放物面形状を有する」構成に含まれる。

支持基板１１６の裏面（即ち、メタマテリアル構造物１１２の裏面側）には、冷却部材１１８が配置されている。冷却部材１１８は、支持基板１１６の裏面全体に配置されている。これにより、メタマテリアル構造物１１２の温度上昇を好適に抑制することができる。ランプヒーター１２０は、ＭＩＭ構造層１１４の表面の焦点Ｆ４に配置されている。ランプヒーター１２０は、その表面の一部がコート１２２、１２３によりコーティングされている。

放射装置１１０から特定の波長領域以外のふく射エネルギーを放射させるには、ランプヒーター１２０に電力エネルギーを供給する。これにより、ランプヒーター１２０からふく射エネルギーが放射される。ランプヒーター１２０から放射されたふく射エネルギーは、ＭＩＭ構造層１１４の表面に入射して、当該表面からは、実施例１と同様の原理で、特定の波長領域を除いた波長領域のふく射エネルギーが見かけ上放射される。ＭＩＭ構造層１１４の表面から放射されたふく射エネルギーは、ＭＩＭ構造層１１４の表面の対称軸Ａ４と平行な方向に進行する。

ここで、コート１２２は、ＭＩＭ構造層１１４の表面に入射可能なふく射エネルギーの経路以外の経路を遮断するようにランプヒーター１２０の表面にコーティングされている。コート１２３は、ＭＩＭ構造層１１４の表面から見かけ上放射される経路のうち、ランプヒーター１２０に入射することになる経路を遮断するようにランプヒーター１２０の表面にコーティングされている。ランプヒーター１２０は、焦点Ｆ４に位置する点光源とみなすことができる。このため、ランプヒーター１２０から放射されるふく射エネルギーは、全てＭＩＭ構造層１１４の表面に入射する。

実施例２の放射装置１１０によると、ＭＩＭ構造層１１４の表面から、対称軸Ａ４と平行な方向にふく射エネルギーを放射可能である放射装置を実現できる。また、ランプヒーター１２０から放射されるふく射エネルギーの反射回数は１回のみであるため、反射に起因するエネルギー損失を低減できる。さらに、メタマテリアル構造物１１２はランプヒーター１２０と比べて大幅に大きいため、メタマテリアル構造物１１２が単位面積あたりに吸収するふく射エネルギー量は小さい。従って、メタマテリアル構造物１１２を比較的容易に冷却できる。なお、メタマテリアル構造物１１２の温度上昇を好適に抑制できるのであれば、放射装置１１０は冷却部材１１８を有していなくてもよい（以下では、放射装置１１０から冷却部材１１８を除いた放射装置を放射装置２１０と称する）。また、コート１２３はコーティングされていなくてもよい。

次に、放射装置２１０を用いてワークを処理する処理装置の一例について、図６を参照して説明する。図６に示す処理装置１５０は、複数の放射装置２１０を備えている。複数の放射装置２１０のそれぞれのメタマテリアル構造物１１２は、炉体１５２の一部を構成している。具体的には、それぞれの支持基板１１６が炉体１５２の壁部１５３と一体化しており、それぞれのＭＩＭ構造層１１４及びランプヒーター１２０は、炉体１５２内の空間１５４に収容されている。ＭＩＭ構造層１１４の表面は、ワークＷと対向している。複数の放射装置２１０は、それぞれのメタマテリアル構造物１１２の対称軸Ａ４（図示省略）がワークＷの搬送方向と略直交するように配置されている。この処理装置１５０では、支持基板１１６の裏面（即ち、メタマテリアル構造物１１２の裏面）が炉体１５２の外部に露出している。この構成によると、支持基板１１６の裏面に冷却部材を配置しなくても、メタマテリアル構造物１１２をその裏面側から冷却することができる。これにより、メタマテリアル構造物１１２の温度上昇を抑制でき、その表面から放射されるふく射エネルギーの放射率を一定に維持することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。

例えば、ＭＩＭ構造層１４が吸収するふく射エネルギーの波長領域は近赤外線の波長領域に限られない。ＭＩＭ構造層１４の凸状金属部１４ａの寸法及び配置パターンを調整することにより、電磁波の全波長領域のふく射エネルギーが吸収の対象となり得る。これに関連して、ランプヒーター２０、２４は、近赤外線の波長領域のふく射エネルギーを放射するヒーターに限られない。ランプヒーター２０、２４に用いられるヒーターの種類（即ち、ヒーターが放射するふく射エネルギーの波長領域）は、ＭＩＭ構造層１４の波長選択性（即ち、ＭＩＭ構造層１４が吸収するふく射エネルギーの波長領域）に応じて、適宜決定してもよい。

また、実施例１の第１パラボラリフレクタ３０、３４（第１反射器の一例）の反射面３２、３６は、放物面形状でなくてもよく、例えば平坦であってもよい。この場合、指向性の強い発熱源が用いられることが好ましい。また、発熱源と第１反射器の位置関係は、第１反射器の反射面で反射したふく射エネルギーが、第２パラボラリフレクタ３８の反射面４０に、その対称軸と平行な方向に入射する位置関係であることが好ましい。

また、実施例２のメタマテリアル構造物１１２は、その全体がＭＩＭ構造層１１４の表面形状（即ち、放物面形状）に追従するように湾曲していたが、この構成に限られない。例えば、ＭＩＭ構造層１１４の絶縁層１４ｂ及び／又は第１金属層１４ｃの厚みを調整することで、支持基板１１６を平板状にしてもよい。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：放射装置
１２：メタマテリアル構造物
１４：ＭＩＭ構造層
１６：支持基板
１８：冷却管
２０、２４：ランプヒーター
３０、３４：第１パラボラリフレクタ
３８：第２パラボラリフレクタ
５０：処理装置
５２：炉体

Claims (4)

1. 発熱源と、
   反射面を有しており、前記発熱源から放射されて前記反射面に入射したふく射エネルギーを反射する第１反射器と、
   放物面を有しており、前記反射面で反射されて前記放物面に入射したふく射エネルギーを反射する第２反射器と、
   前記放物面の焦点に配置され、前記放物面で反射されたふく射エネルギーが入射する表面側にメタマテリアル構造層を有するメタマテリアル構造物と、を備えており、
   前記メタマテリアル構造層は、その表面に前記放物面で反射されたふく射エネルギーが入射するように配置されており、かつ、当該メタマテリアル構造層の表面で反射されるふく射エネルギーが特定の波長領域を除いた波長領域のふく射エネルギーとなるように構成されており、
   前記第１反射器は、前記反射面で反射して前記放物面に入射するふく射エネルギーの前記放物面への入射方向が、前記放物面の対称軸と平行な方向となるように構成されており、
   前記第２反射器は、前記メタマテリアル構造層の表面で反射されるふく射エネルギーが、前記放物面で反射されて被処理物に放射されるように構成されている、放射装置。
2. 冷却部材を備えており、
   前記冷却部材は、前記メタマテリアル構造物の裏面側に配置され、前記メタマテリアル構造物を冷却する、請求項１に記載の放射装置。
3. 前記第１反射器の前記反射面は放物面形状を有しており、
   前記第１反射器の反射面の対称軸は、前記第２反射器の前記放物面の対称軸と平行であり、
   前記発熱源は、前記反射面の焦点に配置されている、請求項１又は２に記載の放射装置。
4. 被処理物を処理する処理装置であり、
   前記被処理物と対向して配置される請求項１〜３のいずれか一項に記載の放射装置と、
   前記被処理物と前記放射装置とを収容する収容部と、を備えており、
   前記メタマテリアル構造層の前記表面から前記被処理物にふく射エネルギーが放射される、処理装置。

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