JP6977943B2 - 赤外線放射装置 - Google Patents

Description

本発明は、赤外線放射装置に関する。

従来、メタマテリアル構造体を用いた赤外線放射装置が知られている。例えば、特許文献１には、発熱源と、発熱源の表面側に配置されたメタマテリアル構造層と、発熱源の裏面側に配置された裏面金属層と、を備えた放射装置が記載されている。メタマテリアル構造層は、発熱源から入力される熱エネルギーを特定の波長領域の放射エネルギーとして放射する。裏面金属層は、平均放射率がメタマテリアル構造層の平均放射率よりも小さく設定されている。特許文献１では、この裏面金属層により、発熱源の裏面側からの熱エネルギー損失を小さくできるため、放射装置の熱エネルギー損失を抑制できるとしている。

国際公開第２０１７／１６３９８６号パンフレット

上記のように、特許文献１の放射装置では熱エネルギー損失を抑制できるが、赤外線放射装置において熱エネルギー損失をさらに抑制することが望まれていた。

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、赤外線放射装置のエネルギー損失をより抑制することを主目的とする。

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。

本発明の赤外線放射装置は、
発熱部と、前記発熱部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第１，第２メタマテリアル構造体と、を有し、前記第１メタマテリアル構造体が前記発熱部の第１面側に配置され、前記第２メタマテリアル構造体が前記発熱部の前記第１面とは反対側である第２面側に配置された本体部、
を備えたものである。

この赤外線放射装置は、発熱部の第１面側に第１メタマテリアル構造体を備えるだけでなく、第１面側とは反対の第２面側にも第２メタマテリアル構造体を備えている。そのため、第１面側と第２面側との両方から、非プランク分布のピーク波長を有する赤外線を放射できる。換言すると、第１面側と第２面側との両方から、特定の波長領域の赤外線を選択的に放射できる。そのため、例えば特許文献１に記載の放射装置のように、メタマテリアル構造体の反対側に裏面金属層が存在する（メタマテリアル構造体が存在しない）場合と比較して、特定の波長領域以外の不要な波長の赤外線が第２面側から放射されることを抑制でき、第２面側からの熱エネルギー損失が少なくなる。したがって、この赤外線放射装置は、熱エネルギー損失をさらに抑制できる。

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。

本発明の赤外線放射装置は、前記第１メタマテリアル構造体と前記第２メタマテリアル構造体との少なくとも一方から放射される赤外線を対象物に向けて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、赤外線反射部が赤外線を反射することで、本体部から放射される赤外線のエネルギーを利用しやすくなる。

本発明の赤外線放射装置は、前記第１，第２メタマテリアル構造体からの赤外線を外部に透過可能な赤外線透過部を有するケーシング、を備え、前記本体部は、前記ケーシングの内部空間に配置されていてもよい。この場合において、前記ケーシングの内側（例えば内周面）に前記赤外線反射部が配置されていてもよいし、前記ケーシングの外側（例えば外周面）に前記赤外線反射部が配置されていてもよいし、前記ケーシングの一部が前記赤外線反射部を兼ねていてもよい。

本発明の赤外線放射装置において、前記第１，第２メタマテリアル構造体は、各々が放射する赤外線の最大ピークのピーク波長の差が０．５μｍ以下であってもよい。すなわち、第１，第２メタマテリアル構造体のピーク波長が互いに近い値又は同じ値であってもよい。

本発明の赤外線放射装置において、前記本体部は、外部空間に露出しているか、又は内部空間が非減圧状態のケーシングの該内部空間に配置されていてもよい。換言すると、前記本体部の周囲が非減圧雰囲気であってもよい。

本発明の赤外線放射装置において、前記第１，第２メタマテリアル構造体の少なくとも一方は、前記発熱部側から順に、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、を備えてもよい。

本発明の赤外線放射装置において、前記第１，第２メタマテリアル構造体の少なくとも一方は、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。

赤外線放射装置１０の断面図。 赤外線放射装置１０の断面図。 第１メタマテリアル構造体３０ａの部分底面図。 変形例の本体部１１の部分断面図。 変形例の第１メタマテリアル構造体３０ａの部分底面斜視図。

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，図２は、本発明の一実施形態である赤外線放射装置１０の断面図である。図３は、第１メタマテリアル構造体３０ａの部分底面図である。図１は赤外線放射装置１０の軸方向（ここでは前後方向）に沿った縦断面図であり、図２は、赤外線放射装置１０の軸方向に垂直な断面図である。なお、本実施形態において、上下方向、前後方向及び左右方向は、図１，２に示した通りとする。赤外線放射装置１０は、本体部１１と、ケーシング５０と、反射層５９と、熱電対８５と、を備えている。この赤外線放射装置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。

本体部１１は、ケーシング５０の内部空間５３内に配置されている。本体部１１は、平板状に形成されている。本体部１１は、図１の拡大図に示すように、発熱部１２と、第１，第２支持基板２０ａ，２０ｂと、第１，第２メタマテリアル構造体３０ａ，３０ｂと、を備えている。

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。本実施形態では、発熱体１３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。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。本体部１１の長手方向（ここでは前後方向）の両端の各々には、発熱体１３と導通する棒状導体１５が取り付けられている。棒状導体１５は、ケーシング５０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１５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１５は、ケーシング５０内で本体部１１を支持する役割も果たす。棒状導体１５の材質は、ここではＭｏとした。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。

第１，第２支持基板２０ａ，２０ｂは、それぞれ、平板状の部材である。第１支持基板２０ａは、発熱部１２の第１面側（ここでは下面側）に配設されている。第２支持基板２０ｂは、発熱部１２の第２面側（ここでは上面側）に配設されている。第１支持基板２０ａ及び第２支持基板２０ｂを支持基板２０と総称する。支持基板２０は、発熱部１２及び第１，第２メタマテリアル構造体３０ａ，３０ｂ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は石英ガラスとした。なお、第１，第２支持基板２０ａ，２０ｂの各々は、本実施形態のように発熱部１２の下面及び上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。

第１，第２メタマテリアル構造体３０ａ，３０ｂは、それぞれ、板状の部材である。第１メタマテリアル構造体３０ａは、発熱部１２の第１面側（ここでは下面側）に配設されており、第１支持基板２０ａよりも下方に位置する。第２メタマテリアル構造体３０ｂは、発熱部１２の第２面側（ここでは上面側）に配設されており、第２支持基板２０ｂよりも上方に位置する。第１メタマテリアル構造体３０ａ及び第２メタマテリアル構造体３０ｂをメタマテリアル構造体３０と総称する。第１メタマテリアル構造体３０ａは、第１支持基板２０ａの下面と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。同様に、第２メタマテリアル構造体３０ｂは、第２支持基板２０ｂの上面と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。第１メタマテリアル構造体３０ａは主に下方に赤外線を放射し、第２メタマテリアル構造体３０ｂは主に上方に赤外線を放射する。図１に示すように、第１メタマテリアル構造体３０ａと第２メタマテリアル構造体３０ｂとは同じ構成要素を有しており、本実施形態では上下対称に構成されている。以下、第１メタマテリアル構造体３０ａについて説明し、第２メタマテリアル構造体３０ｂについては図１で同じ符号を付して、詳細な説明を省略する。

第１メタマテリアル構造体３０ａ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。このような構造はＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）構造ともいう。なお、第１メタマテリアル構造体３０ａ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。個別導体層３６及び誘電体層３３の下面の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。

第１導体層３１は、第１支持基板２０ａ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第１支持基板２０ａ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と第１支持基板２０ａとが直接接合されていてもよい。

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（ＳｉＯ ₂）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。

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３参照）。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３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。

このように、第１メタマテリアル構造体３０ａ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、第１メタマテリアル構造体３０ａは、発熱部１２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、第１メタマテリアル構造体３０ａ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、第１メタマテリアル構造体３０ａ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、第１メタマテリアル構造体３０ａ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、この第１メタマテリアル構造体３０ａ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、第１メタマテリアル構造体３０ａ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、第１メタマテリアル構造体３０ａ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。第１メタマテリアル構造体３０ａ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、第１メタマテリアル構造体３０ａ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。第１メタマテリアル構造体３０ａ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。第１メタマテリアル構造体３０ａ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、第１メタマテリアル構造体３０ａ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。

このような第１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、第１支持基板２０ａ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。

第１，第２メタマテリアル構造体３０ａ，３０ｂの上述した赤外線の放射特性は、互いに近いか又は同じであってもよい。例えば、第２メタマテリアル構造体３０ｂが放射する赤外線の最大ピークは、第１メタマテリアル構造体３０ａが放射する赤外線の最大ピークと同じ又は近い値であってもよい。具体的には、第１，第２メタマテリアル構造体３０ａ，３０ｂは、各々が放射する赤外線の最大ピークのピーク波長の差が０．５μｍ以下であってもよい。また、第１，第２メタマテリアル構造体３０ａ，３０ｂは、最大ピークの半値幅の波長領域（半値幅領域）の少なくとも一部が重複していてもよく、半分以上が重複していてもよい。本実施形態では、第１，第２メタマテリアル構造体３０ａ，３０ｂは、Ｄ１，Ｄ２及びＷが互いに同じ値であり、上述した赤外線の放射特性がほぼ同じであるものとした。

熱電対８５は、本体部１１の表面の温度を測定する温度センサの一例であり、本体部１１の表面からケーシング５０を貫通して外部に引き出されている。

ケーシング５０は、略円筒状の部材である。ケーシング５０は、内側に内部空間５３を有している。この内部空間５３内に、本体部１１が配置されている。ケーシング５０は、全体が、第１，第２メタマテリアル構造体３０ａ，３０ｂからの赤外線を外部に透過可能な赤外線透過部として機能する。ケーシング５０は、第１メタマテリアル構造体３０ａ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り、且つ、第２メタマテリアル構造体３０ｂ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。ケーシング５０は、第１，第２メタマテリアル構造体３０ａ，３０ｂから放射される赤外線のうち各々の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、各々の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。ケーシング５０は、第１，第２メタマテリアル構造体３０ａ，３０ｂの各々から放射される最大ピークのピーク波長の赤外線の透過率が８０％以上であってもよいし、９０％以上であってもよい。ケーシング５０の材質としては、例えば石英ガラス（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）などの赤外線透過材料が挙げられる。ケーシング５０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。本実施形態では、ケーシング５０の材質は石英ガラスとした。内部空間５３は、非減圧状態になっている。内部空間５３は、空気雰囲気としてもよいし、窒素やアルゴンなどの不活性ガス雰囲気としてもよい。ケーシング５０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１５が外部に引き出されている。ケーシング５０のうち内部空間５３から外部に棒状導体１５及び熱電対８５が引き出される部分は、ケーシング５０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５０とは別の封止材を用いて封止してもよい。

本実施形態では、ケーシング５０は石英ガラスであり波長３．５μｍ以下の赤外線を透過（３．５μｍを超える赤外線を吸収）するため、第１，第２メタマテリアル構造体３０ａ，３０ｂの放射特性は、最大ピークのピーク波長が３．０μｍとなるようにした。この放射特性は、例えば第１導体層３１の厚さを１００ｎｍとし、誘電体層３３の厚さを８０ｎｍとし、第２導体層３５（個別導体層３６）の厚さを６０ｎｍとし、個別導体層３６の径Ｗを０．５６５μｍとし、周期Λ１，Λ２を４μｍとすることで、実現できる。

反射層５９は、赤外線反射部の一例であり、ケーシング５０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５９は、本体部１１の周囲の一部のみを覆うように設けられている。反射層５９は、本体部１１からみてケーシング５０の長手方向に垂直な方向（ここでは上方）に配置されている。反射層５９は、第２メタマテリアル構造体３０ｂからみて発熱部１２とは反対側（ここでは上側）に配設されている。反射層５９は、ケーシング５０の外側の上面に配設されている。ここでは、反射層５９は、ケーシング５０の外周面の上側半分を全て覆っているものとした（図２参照）。反射層５９は、図２に示すように赤外線放射装置１０の長手方向に垂直な断面視で円弧状（ここでは特に半円状）に形成されている。反射層５９は、第２メタマテリアル構造体３０ｂと対向するように配設されており、第２メタマテリアル構造体３０ｂ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５９は、第２メタマテリアル構造体３０ｂから放射される赤外線を、下方に反射する。反射層５９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５９は金とした。反射層５９は、ケーシング５０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。

こうした赤外線放射装置１０の使用例を以下に説明する。まず、図示しない電源から棒状導体１５を介して発熱体１３に電力を供給する。電力の供給は、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、本体部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、本体部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メタマテリアル構造体３０ａから放射された特定の波長領域の赤外線は、ケーシング５０を透過して赤外線放射装置１０の下方に放射される。また、第２メタマテリアル構造体３０ｂから主に上方に放射された特定の波長領域の赤外線は、反射層５９で下方に反射されて赤外線放射装置１０の下方に放射される。これらにより、赤外線放射装置１０は、下方に配置された対象物に対して、第１，第２メタマテリアル構造体３０ａ，３０ｂからの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ことができる。

以上詳述した本実施形態の赤外線放射装置１０では、発熱部１２の第１面側（下面側）に第１メタマテリアル構造体３０ａを備えるだけでなく、第１面側とは反対の第２面側（上面側）にも第２メタマテリアル構造体３０ｂを備えている。そのため、発熱部１２の第１面側と第２面側との両方から、非プランク分布のピーク波長を有する赤外線を放射できる。換言すると、発熱部１２の第１面側と第２面側との両方から、特定の波長領域の赤外線を選択的に放射できる。そのため、例えば第２メタマテリアル構造体３０ｂが存在しない場合や、第２メタマテリアル構造体３０ｂの代わりに特許文献１に記載の裏面金属層が存在する場合と比較して、特定の波長領域以外の不要な波長の赤外線が発熱部１２の第２面側から放射されることを抑制でき、第２面側からの熱エネルギー損失が少なくなる。したがって、この赤外線放射装置１０は、熱エネルギー損失をさらに抑制できる。

また、赤外線放射装置１０は、第２メタマテリアル構造体３０ｂから放射される赤外線を対象物に向けて反射可能な反射層５９を備えている。これにより、本体部１１から放射される第２メタマテリアル構造体３０ｂのエネルギーを利用しやすくなる。例えば、本実施形態では、反射層５９が第２メタマテリアル構造体３０ｂの上方に位置しており、反射層５９は第２メタマテリアル構造体３０ｂから上方に放射された赤外線を下方に反射する。これにより、本体部１１の第２面側（ここでは本体部１１の上方）に赤外線を放射する対象物が存在しない場合でも、第２メタマテリアル構造体３０ｂからの赤外線のエネルギーを対象物の赤外線処理に利用できる。

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。

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、すなわちＭＩＭ構造を有していたが、これに限られない。メタマテリアル構造体３０は、発熱部１２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４は、変形例の本体部１１の部分断面図である。図５は、変形例の第１メタマテリアル構造体３０ａの部分底面斜視図である。変形例の本体部１１の第１，第２メタマテリアル構造体３０ａ，３０ｂは、それぞれ、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。第１メタマテリアル構造体３０ａと第２メタマテリアル構造体３０ｂとは、同じ構成要素を有しており、上下対称に構成されている。そのため、第１メタマテリアル構造体３０ａについて詳細に説明し、第２メタマテリアル構造体３０ｂについては図４で同じ符号を付して、詳細な説明を省略する。第１メタマテリアル構造体３０ａは、本体部１１の発熱部１２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、第１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５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、第１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、第１メタマテリアル構造体３０ａが発熱部１２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、第１メタマテリアル構造体３０ａは、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、第１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。この図４，５のような本体部１１を有する赤外線放射装置においても、上述した実施形態と同様に、本体部１１が第１，第２メタマテリアル構造体３０ａ，３０ｂを備えているため、本体部１１の第２面側からの熱エネルギー損失が少なくなる。なお、図４，５に示したような第１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。ここで、第１，第２メタマテリアル構造体３０ａ，３０ｂの一方がＭＩＭ構造を有し、他方がマイクロキャビティを有していてもよい。

上述した実施形態では、反射層５９はケーシング５０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５０の外側に配置されていてもよい。例えば、反射層５９の代わりに独立した部材としての赤外線反射部をケーシング５０の外側に配置してもよい。あるいは、反射層５９はケーシング５０の内側（例えば内周面）に配置されていてもよい。また、赤外線放射装置１０が反射層５９を備える代わりに、ケーシング５０の一部が赤外線反射部を兼ねていてもよい。この場合、ケーシング５０は、上述した実施形態のように全体が赤外線透過部として機能する代わりに、赤外線透過部と赤外線反射部とを有していればよい。例えば、ケーシング５０が、赤外線反射部として機能するケーシング本体と、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と、を備えていてもよい。赤外線透過板は、例えば第１メタマテリアル構造体３０ａの下面と対向するように配置する。この場合のケーシング本体の材質としては、例えばステンレス鋼が挙げられる。赤外線透過板の材質としては、上述した赤外線透過料が挙げられる。ケーシング５０は、赤外線反射部を備えるか否かに関わらず、全体が赤外線透過部でなくてもよく、少なくとも赤外線透過部を備えていればよい。

上述した実施形態では、反射層５９は、図２に示すように断面視で円弧状（ここでは特に半円状）としたが、これに限られない。例えば、反射層５９は半球状であってもよいし、平板状であってもよい。

上述した実施形態では、反射層５９は第２メタマテリアル構造体３０ｂからみて発熱部１２とは反対側（ここでは上側）に配設されていたが、これに限られない。赤外線放射装置１０が備える赤外線反射部は、第１メタマテリアル構造体３０ａと第２メタマテリアル構造体３０ｂとの少なくとも一方から放射される赤外線を対象物に向けて反射可能であればよい。また、反射層５９は第２メタマテリアル構造体３０ｂからの赤外線を下方に反射したが、赤外線を反射する方向もこれに限られない。例えば、赤外線放射装置１０は、図２の反射層５９を備える代わりに、図２におけるケーシング５０の左側と右側との少なくとも一方に位置する反射層５９を備えていてもよい。この場合の反射層５９は、第１メタマテリアル構造体３０ａからの赤外線を下方に反射し、第２メタマテリアル構造体３０ｂからの赤外線を上方に反射してもよい。

上述した実施形態では、反射層５９は対象物に向けて赤外線を反射したが、一部の赤外線を本体部１１に向けて反射してもよい。ただし、反射層５９はなるべく対象物に向けて赤外線を反射することが好ましい。

上述した実施形態において、赤外線放射装置１０は反射層５９を備えなくてもよい。反射層５９などの赤外線反射部が存在しない場合でも、赤外線放射装置１０の上下に対象物が存在すれば、第１，第２メタマテリアル構造体３０ａ，３０ｂの各々が放射する赤外線のエネルギーを利用できる。この場合、赤外線放射装置１０の下方の対象物と上方の対象物とが異なっていてもよく、各々の対象物に合わせて第１，第２メタマテリアル構造体３０ａ，３０ｂの放射特性が異なっていてもよい。

上述した実施形態では、ケーシング５０の内部空間５３は非減圧状態としたが、これに限らず減圧状態や真空状態であってもよい。また、赤外線放射装置１０がケーシング５０を備えず、本体部１１が外部空間に露出していてもよい。この場合も、本体部１１の周囲（外部空間）が大気雰囲気などの非減圧状態であってもよい。

本出願は２０１８年４月２３日に出願された日本国特許出願第２０１８−０８２１７１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。

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。

１０ 赤外線放射装置、１１ 本体部、１２ 発熱部、１３ 発熱体、１４ 保護部材、１５ 棒状導体、２０ 支持基板、２０ａ，２０ｂ 第１，第２支持基板、３０ メタマテリアル構造体、３０ａ，３０ｂ 第１，第２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、５０ ケーシング、５３ 内部空間、５９ 反射層、８５ 熱電対、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。

Claims (7)

1. 赤外線処理を行うための赤外線放射装置であって、
   発熱部と、前記発熱部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第１，第２メタマテリアル構造体と、を有し、前記第１メタマテリアル構造体が前記発熱部の第１面側に配置され、前記第２メタマテリアル構造体が前記発熱部の前記第１面とは反対側である第２面側に配置された本体部、
   を備えた赤外線放射装置。
2. 請求項１に記載の赤外線放射装置であって、
   前記第１メタマテリアル構造体と前記第２メタマテリアル構造体との少なくとも一方から放射される赤外線を対象物に向けて反射可能な赤外線反射部、
   を備えた赤外線放射装置。
3. 請求項１又は２に記載の赤外線放射装置であって、
   前記第１，第２メタマテリアル構造体からの赤外線を外部に透過可能な赤外線透過部を有するケーシング、
   を備え、
   前記本体部は、前記ケーシングの内部空間に配置されている、
   赤外線放射装置。
4. 前記第１，第２メタマテリアル構造体は、各々が放射する赤外線の最大ピークのピーク波長の差が０．５μｍ以下である、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の赤外線放射装置。
5. 前記本体部は、外部空間に露出しているか、又は内部空間が非減圧状態のケーシングの該内部空間に配置されている、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の赤外線放射装置。
6. 前記第１，第２メタマテリアル構造体の少なくとも一方は、前記発熱部側から順に、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１〜５のいずれか１項に記載の赤外線放射装置。
7. 前記第１，第２メタマテリアル構造体の少なくとも一方は、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項に記載の赤外線放射装置。

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