JP2005050604A

JP2005050604A - 遠赤外線放射体

Info

Publication number: JP2005050604A
Application number: JP2003204434A
Authority: JP
Inventors: Kengo Yamazaki; 憲五山崎
Original assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2003-07-31
Publication date: 2005-02-24

Abstract

【課題】真空中でガラスを効率よく急速に加熱する遠赤外線放射体を提供すること、特には液晶基板用ガラスのような大面積のガラスを加熱する遠赤外線放射体を提供すること。
【解決手段】管状のセラミックスバルブの内側に抵抗発熱体を設け、該セラミックスバルブの表面は多層膜で被覆され、略２．８μｍより短い波長の光を主に反射し、略２．８μｍより長波長の光を主に透過することを特徴とする遠赤外線放射体とする。特には、セラミックスバルブがＡｌ_２Ｏ_３（多結晶アルミナ）焼結体からなり、前記多層膜がＳｉ（ケイ素）とＳｉＯ_２（シリカ）の交互膜からなる。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガラスを加熱する遠赤外線放射体に関し、特には液晶用ガラス基板のような大面積のガラスを加熱するに適する遠赤外線放射体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディスプレー用部材として液晶が広く使われている。液晶は２枚のガラス基板に液晶材料を挟んだ構造になっており、そのガラス基板には液晶を駆動する為に真空蒸着やスパッタ蒸着によって回路が形成されている。真空蒸着やスパッタ蒸着では、蒸着される側の基板の温度を２００〜３００℃程度に高めておかないと被覆膜の緻密性や密着性が悪くなると言われている。
【０００３】
従来、蒸着前の真空中における基板の加熱には抵抗発熱ヒータやハロゲンランプヒータが使われていた。真空中では対流による熱伝達がないため、これらの抵抗発熱ヒータやハロゲンランプヒータによる加熱では、主として熱輻射と熱伝導による加熱を主として利用するものであり非常にエネルギー効率が悪かった。しかし、液晶用ガラス基板は大面積のガラスであり、真空中で急速に２５０℃程度の温度まで加熱するのは非常に難しく、従来は光で加熱する方法を取らざるを得なかった。
【０００４】
現状行われている液晶用ガラス基板の加熱方法の模式図を図１に示す。図１では、ハロゲンランプヒータ１と被加熱物である液晶用ガラス基板２との間にカーボン板３をはさみ、まずハロゲンランプヒータ１でカーボン板３を５５０℃程度に加熱し、そのカーボン板３からの２次放射により液晶基板用ガラス２を加熱する方法をとっている。例えば特開平６−２６０４２２号公報に例示される。この方法ではハロゲンランプヒータ１への投入電力に対してそのうちの高々１〜２％のエネルギーしか液晶用ガラス基板２の加熱に寄与しておらず、極めて効率の悪いものであった。
【０００５】
何故このような非効率的な加熱方法を取らざるを得ないかであるが、まず液晶用ガラス基板の分光透過率スペクトルを図２に示す。この液晶用ガラス基板は主に硬質ガラスからなり、光に対して約０．３μｍからの長波長側は略透明であり、約２．８μｍから５μｍの間では約５０％ほどの透過率であり、約５μｍ以上の長波長側の光が完全に吸収される。
【０００６】
光で加熱する場合、ガラスが光を吸収しないとガラスが加熱されない。例えば、ヒータ用ハロゲンランプヒータの発熱体であるタングステンフィラメントのランプ点灯時の温度は約２１００〜２３００Ｋである。タングステンの５μｍ付近の放射率が０．１〜０．２であることを考慮すると、この約２１００〜２３００Ｋの温度では５μｍ以上の放射量は全波長域の放射量の１〜２％程度しかないであろう。
【０００７】
しかもハロゲンランプヒータは石英ガラスバルブでタングステンフィラメントを覆っている構造からなっている。この石英ガラスバルブも５μｍ以上の光は吸収してしまいタングステンフィラメントからの光は放出されない。したがって、液晶用ガラス基板をハロゲンランプヒータで直接加熱する場合、ランプ点灯で加熱された石英ガラスバルブからの２次放射で放射される赤外線でわずかに加熱されるにすぎない。
【０００８】
ハロゲンランプヒータによる直接加熱は勿論であるが、前述のように現行のハロゲンランプヒータにより加熱したカーボン板による２次放射加熱も極めて非効率的で投入エネルギーのほとんどを無駄にしているのが現状である。液晶用ガラス基板に限らず一般のガラス類を効率よく加熱する遠赤外線放射体が望まれている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平６−２６０４２２号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は真空中でガラスを効率よく急速に加熱する遠赤外線放射体を提供すること、特には液晶用ガラス基板のような大面積のガラスを加熱する遠赤外線放射体を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、管状のセラミックスバルブの内側に抵抗発熱体を設け、該セラミックスバルブの表面は多層膜で被覆され、略２．８μｍより短い波長の光を主に反射し、略２．８μｍより長い波長の光を主に透過することを特徴とする遠赤外線放射体とするものである。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、前記セラミックバルブがＡｌ_２Ｏ_３（多結晶アルミナ）焼結体からなり、前記多層膜がＳｉ（ケイ素）とＳｉＯ_２（シリカ）との交互膜からなることを特徴とする請求項１に記載の遠赤外線放射体とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図３に本発明の遠赤外線放射体の実施の形態を示す。図３（ａ）において、遠赤外線放射体１０は、多結晶アルミナ管１の内部にアルゴン（Ａｒ）および窒素（Ｎ_２）ガスが封入され、タングステン製の発熱体２を有し、Ａｌ_２Ｏ_３とＢａＯとＣａＯを主成分としたフリットを使いアルミナエンドキャップ３で気密に１４００°以上に加熱され熔融シールされている。多結晶アルミナ管１内の排気は油拡散ポンプなどで行われる。アルミナエンドキャップ３の中央部には孔（不図示）があり、そこから発熱体２にカシメ接続された給電線４がニオブ管５を通して出ており、ニオブ管５はアルミナ製エンドキャップ３と前記フリットを使い熔融シール（フリットシール）されている。ニオブ管５の先端部において給電線４はスポット溶接されている。給電線４は例えばニッケル線である。図３（ｂ）は図３（ａ）の多結晶アルミナ管１の軸方向の部分断面図である。多結晶アルミナ管１には多層膜１１が被覆され、略２．８μより長い波長の光は透過し、略２．８μｍより短い波長の光を反射する。
【００１４】
図３（ｃ）では、遠赤外線放射体２０は、短い多結晶アルミナ管１ａ、１ｂ、１ｃを途中でアルミナ製つなぎ管７でつなぎ合わせて構成している。両端はモリブデン製キャップ６を発熱体２の保持のため具備しているが、多結晶アルミナ管の両端でカシメ固定しているだけで気密封止はしていない。
【００１５】
５μｍ以上の光を透過する耐熱性の上市されている略円筒形材料としてアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３），窒化アルミ（ＡｌＮ）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、マグネシア（ＭｇＯ）、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）などある。シリコン（Ｓｉ），ゲルマニム（Ｇｅ），セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ），硫化亜鉛（ＺｎＳ）などの半導体物質は比較的大きな吸収が長波長側にあり遠赤外域の透過帯が広いが、脆く管材料に加工しにくいのが難点である。
【００１６】
しかし、コスト、供給性、耐熱安定性等を考えるとＡｌ_２Ｏ_３が最も優れている。Ａｌ_２Ｏ_３管には単結晶アルミナ管と多結晶アルミナ管があるがコストや耐熱衝撃性から多結晶アルミナ管の方が好ましい。赤外域の透過特性は、物質特有の振動準移によって決まり、前述のＡｌ_２Ｏ_３等の誘電体セラミックスでは大体１０μｍ付近に大きな伸縮振動による吸収があり、透過波長は１０μｍまでの場合が多い。
【００１７】
全波長域でみると、発熱体の温度が高いほど放射エネルギーは大きくなる。
しかし、放射エネルギーのピーク波長も短波長側にシフトするので、２．８〜１０μｍ程度の長波長域は、それほど放射エネルギーは大きくならない。例えば、１５００Ｋの黒体放射での比較では、２．８〜１０μｍの波長域のエネルギーは、２．８〜６．５μｍの波長域のエネルギーの１５％程度しか大きくならない。液晶用ガラスの加熱には、発熱体温度は１０００〜１５００Ｋ程度でよく、この温度では、６．５μｍまで透過するアルミナでも十分大きな加熱効果がある。
【００１８】
図３（ｃ）のように、液晶用ガラス加熱のように真空中で使用される場合、この遠赤外線放射体２０は真空気密に封止されていなくともよく、バルブは短いバルブをつなぎ合わせて所定の長さまで長くして使ってもよい。
【００１９】
略２．８μｍより短い波長の光を反射し発熱体に効率よく戻す多層膜物質は、０．５〜１μｍ以上の光に対し透明で、できるだけ高屈折率物質と低屈折率物質との屈折率差が大きく、１０００Ｋ以上の耐熱性のある組み合わせがよい。これを満たす組み合わせとして、ＳｉとＳｉＯ_２，Ｆｅ_２Ｏ_３とＳｉＯ_２，ＴｉＯ_２とＳｉＯ_２，ＳｉＣとＳｉＯ_２などがあり、真空中における使用ならＳｉとＳｉＯ_２が大きな高屈折率物質と低屈折率物質との組合わせであり最適である。
【００２０】
図４にＡｌ_２Ｏ_３基板上のＳｉとＳｉＯ_２との多層反射膜をコートしたときの反射率曲線の例を示す。
【００２１】
発熱体物質としてはカーボン発熱体や通常のランプ用発熱体であるタングステンフィラメント発熱体が使用できる。カーボン発熱体やタングステンフィラメント発熱体の発光放射領域は図６に放射エネルギー曲線で示す。図６は発熱体温度１５００Ｋのときの、カーボンの放射エネルギーを基準とした場合のカーボンとタングステンの単位面積あたりの放射エネルギーの比を示したものである。
【００２２】
多結晶アルミナ管１には多層膜１１が被覆され、略２．８μより長い波長の光は透過し、略２．８μｍより短い波長の光を反射する。図４に多結晶アルミナ基板に多層膜１１の被覆したときの分光特性を示す。この多層膜１１はＳｉとＳｉＯ_２との交互積層膜が屈折率差が大きく、少ない層数で大きな反射率が得られるという理由で好適に使われる。多層膜１１は二帯域合成型であり、それぞれの光学膜厚は、５３６ｎｍと３３０ｎｍである。
【００２３】
図４から分かるように、多結晶アルミナ管に多層膜５１を被覆すると液晶用ガラス基板が略吸収する５μｍより長波長の光も透過する。この多結晶アルミナ管に被覆する多層膜はＳｉとＳｉＯ_２との交互積層膜に限られず、通常の耐熱性の高屈折率膜と低屈折率膜との組み合わせでよい。例えば、ＴｉＯ_２とＳｉＯ_２、ＳｉＣとＳｉＯ_２、Ｆｅ_２Ｏ_３とＳｉＯ_２なども考えられる。
【００２４】
＜実験例＞
ここで、本願発明の遠赤外線放射体を使用した液晶用ガラス基板の加熱実験について説明する。液晶用ガラス基板の加熱実験は、圧力３０Ｐａの真空チャンバーの中で行った。被加熱ワークは縦５０ｍｍ、横５０ｍｍ、厚み１．１ｍｍの液晶用ガラス基板である。液晶用ガラス基板の加熱温度を測定する手段としては、液晶用ガラス基板の裏面側に熱電対を貼り付けた。
【００２５】
本発明の遠赤外線放射体としては、図３（ａ）の構成において、多結晶アルミナ管１の周面に、ＳｉとＳｉＯ_２との多層膜をスパッタ蒸着法で被覆した。ＳｉとＳｉＯ_２との多層膜の膜設計は珪素（Ｓｉ）基板側から、中心波長を５５０ｎｍとして、３．９（０．５Ｈ・Ｌ・０．５Ｈ）^４・２．４（０．５Ｈ・Ｌ・０．５Ｈ）^４・４．８Ｌである。
【００２６】
ここでＨは高屈折率物質を意味し、ここではＳｉのことであり、Ｌは低屈折率物質を意味し、ここではＳｉＯ_２である。カッコの乗数４は積層の繰り返し数を意味する。０．５Ｈは所定の膜厚の半分の厚みを意味し、カッコの前の係数３．９や２．４、および４．８Ｌの４．８は光学膜厚が中心波長５５０ｎｍの１／４、すなわち１３７．５ｎｍの３．９倍、２．４倍、４．８倍をそれぞれ表している。
【００２７】
本発明における遠赤外放射体の発熱体は、タングステンフィラメント発熱体であり、１００Ｖ、５００Ｗである。
【００２８】
本発明との比較のための加熱方法としては、図１に示した構成にて、透明石英ガラスをガラスバルブに使用した１００Ｖ、７００Ｗのハロゲンランプヒータを４本並べ合計２．８ｋＷとし、被加熱ワークである液晶ガラス基板とハロゲンランプヒータの間を１５ｍｍ離し、液晶ガラス基板とハロゲンランプヒータの中間に厚さ１ｍｍのカーボン板を挿入し、ハロゲンランプヒータで加熱されたカーボン板からの間接加熱である。
【００２９】
また、カーボン板を使用せず直接に１００Ｖ、７００Ｗ（合計２．８ｋＷ）のハロゲンランプヒータを４本での加熱も行った。
【００３０】
図５にハロゲンランプヒータや遠赤外放射体を点灯開始してからの液晶ガラス基板の昇温曲線を示す。本発明の遠赤外線放射体による加熱結果が▲３▼、ハロゲンランプヒータとカーボン板を使用した加熱結果が▲１▼、ハロゲンランプヒータのみによる加熱結果が▲２▼であるが、本発明の遠赤外線放射体による加熱は、ハロゲンランプヒータとカーボン板を使用した加熱、およびハロゲンランプヒータのみによる加熱のいずれと比べても、低い入力にかかわらず大きな昇温となった。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば真空中でガラスを効率よく急速に加熱する放射体を提供すること、特には液晶基板用ガラスのような大面積のガラスを加熱する放射体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の液晶用ガラス加熱方法の模式図を示す。
【図２】液晶用ガラスの透過率曲線例を示す。
【図３】本発明の実施形態としての遠赤外線放射体の概略図を示す。
【図４】Ａｌ_２Ｏ_３基板上にＳｉ−ＳｉＯ_２多層反射膜を被覆した場合の反射率曲線を示す。
【図５】本発明の遠赤外放射体による加熱法と従来の加熱法の加熱実験の結果を示す。
【図６】カーボン発熱体とタングステンフィラメント発熱体の放射エネルギー曲線を示す。
【符号の説明】
１多結晶アルミナ管
２発熱体
３アルミナ製エンドキャップ
４給電線
５ニオブ管
６モリブデン製キャップ
７アルミナ製つなぎ管
１０遠赤外線放射体
１１多層膜
２０遠赤外線放射体

Claims

管状のセラミックスバルブの内側に抵抗発熱体を設け、該セラミックスバルブの表面は多層膜で被覆され、略２．８μｍより短い波長の光を主に反射し、略２．８μｍより長い波長の光を主に透過することを特徴とする遠赤外線放射体。
前記セラミックスバルブがＡｌ_２Ｏ_３（多結晶アルミナ）焼結体からなり、前記多層膜がＳｉ（ケイ素）とＳｉＯ_２（シリカ）との交互膜からなることを特徴とする請求項１に記載の遠赤外線放射体。