JP6771657B2 - 赤外線面放射源 - Google Patents

Description

本発明は、加熱面を有する支持体を備えた赤外線面放射源に関し、支持体はさらに、当該支持体の導体路搭載面上に設けられた導体路を備えており、導体路は、通電時に発熱する導電性の抵抗材料から成り、導体路は、第１の面出力を生成するための第１の導体路部分と、第１の面出力とは異なる第２の面出力を生成するための第２の導体路部分と、を含む。

本発明における赤外線面放射源は、面状に広がる２次元または３次元の放射特性を有する加熱面を示し、加熱面の面状の放射特性に基づき、２次元または３次元の加熱物品表面への一様な照射が可能となるように、加熱物品の加熱される表面の幾何学的形態に合わせて加熱面を簡単に調整することができる。

本発明の赤外線面放射源は、とりわけ高温加熱プロセスのために使用され、たとえば、半導体産業もしくは光電池産業における半導体ウェハの熱処理のため、印刷産業またはプラスチック加工において使用される。たとえば本発明の赤外線面放射源は、プラスチックの重合、レジストの硬化またはインクの乾燥の際に使用される。さらに、たとえば膜もしくは糸の作成の際、またはモデル、パターン、プロトタイプ、ツールまたは最終製品の作成（アディティブマニュファクチャリング）の際に、多くの乾燥プロセスで使用することができる。他の重要な一適用分野は、乾燥プロセスおよび焼結プロセスを直接連続して行う、フレキシブルプリント電子デバイスの製造、とりわけロール・トゥ・ロール法（Ｒ２Ｒ法）での製造である。

加熱物品の熱処理を行うためには、しばしば赤外線面放射源が用いられることが多い。公知の赤外線面放射源は、種々の構成形態を有し得る。たとえば、円筒形の放射管を備えた複数の赤外線放射源を、その放射管長手軸が互いに平行かつ１平面内で延在するように、１つの放射源モジュールに配置した赤外線面放射源が公知である。さらに、冒頭に述べた分野の赤外線放射源であって、面状の支持体の表面に直接、抵抗加熱要素を設けた赤外線放射源が公知である。

上記の２つの構成形態の相違点は、熱移動である。最初の事例では、主として熱放射によって、放射管内に配置された加熱要素から放射管へ熱移動が行われるのに対し、２番目に挙げた事例では、主に熱伝導および対流によって加熱要素から支持体へ熱移動が行われるように、加熱要素が面状の支持体に直接接触する。

支持体に加熱要素が接触している赤外線放射源は、良好な出力効率を示す。かかる赤外線放射源において、抵抗加熱要素に電圧が印加される場合、この抵抗加熱要素はその全長で見たとき、実質的に一定の電力で動作する。

しかし、一定の電力での加熱要素の動作は、支持体の加熱面における温度差、とりわけ非一様な温度分布を伴い得ることが判明している。とりわけ支持体の縁部では通常、たとえば支持体の中央領域より低い温度が測定される。その１つの理由は、支持体縁部領域において中央領域より高いエネルギー損失が対流により生じ得ることである。これは、とりわけ支持体の縁部領域では温度の低下を伴い、支持体全体に関しては非一様な温度分布を伴う。

よって、可能な限り一様な支持体温度を達成し、これに伴って、本来の加熱面の可能な限り一様な放射放出を達成するためには、支持体の縁部領域と中央領域とを異なる程度に加熱しなければならないことが知られている。

導体路が複数の並列接続された導体路部分を有する面状の支持体を備えた赤外線面放射源が公知である。この並列接続は、導体路が可能な限り低い全体抵抗を有するために、かつこれによって導体路を高い動作電流で動作し、これに伴って高電力で動作できるようにするために寄与すべきものである。縁部ゾーン現象を補償するためには、これらの導体路部分をそれぞれ異なる面出力で動作し、導体路部分は大抵、印刷技術を使用することによって、たとえばスクリーン印刷またはインクジェット印刷等によって形成される。通常、かかる放射源ではとりわけ支持体の縁部領域に、より高い面出力で動作できる導体路部分が割り当てられる。このことの利点は、縁部ゾーンの領域において対流に起因して生じる温度損失を、この領域に割り当てられた導体路の面出力を高くすることによって補償できることである。

独国特許出願公開第１０２０１４１０８３５６号明細書（DE 10 2014 108 356 A1）から、支持体に抵抗パターン部が設けられた赤外線面放射源が公知である。抵抗パターン部は、内側の導体路と、当該内側の導体路に並列接続された外側の導体路と、を含み、これらの抵抗は異なる。かかる抵抗パターン部は、導体路がその比較的低い抵抗によって、より大きく加熱電力に貢献するという作用を利用するものである。このようにして、縁部ゾーンの領域におけるいわゆる「コールドスポット（cold spot）」の形成ないしは出力降下が補償される。

加熱抵抗を並列接続することの利点は、これらの加熱抵抗が特に低い全体抵抗を有することである。全体抵抗が低いことにより、既定の一定の動作電圧の場合には動作電流強度が高くなり、赤外線面放射源を高出力で動作することができる。しかし、並列接続された加熱抵抗を設けると、導体路設計、すなわち導体路部分の配置および幾何学的形態に影響が及ぼされる。とりわけ、所望の温度分布によって、並列部分回路の抵抗と、主回路からの並列分岐の位置と、を定めることができる。その際には、並列回路分岐の位置が定まることにより、導体路設計を自由に選択できなくなることがあり得る。その上、とりわけ並列分岐の領域において導体路搭載密度が高くなることがあり、このことも、支持体表面の温度分布、とりわけ加熱面の温度分布に影響を及ぼし得る。

よって、本発明の基礎となる技術的課題は、可能な限り均一な照射強度で放射を放出するように構成された、照射出力が高い赤外線面放射源を実現することである。

上記課題は、冒頭に述べた分野の赤外線面放射源に基づき、本発明では、支持体が、非晶質のマトリクス成分と半導体材料の形態の添加成分とを含む複合材料を含み、第１の導体路部分と第２の導体路部分とが直列接続されており、第１の導体路部分および第２の導体路部分の搭載密度および／または導体断面積が互いに異なることによって解決される。

本発明の基礎となる認識は、高い放射率を有する複合材料を用いて赤外線面放射源を作成し、なおかつ、複数の導体路部分を直列接続して、各導体路部分の搭載密度および／または導体断面積が異なることにより、導体路設計を複合材料に合わせて調整できるようにすると、照射強度が高く放射放出が特に一様な赤外線面放射源を達成することができる、というものである。このように調整できることにより、加熱面は赤外線を一様な照射強度で放出し、または換言すると、導体路に電圧が印加されたときに、加熱面に実質的に均一な温度分布が得られることが達成される。

よって、本発明の赤外線面放射源が従来の赤外線面放射源と相違する点は、特殊な複合材料から作成された支持体または当該支持体の少なくとも一部の化学組成と、複合材料の組成に合わせて特別に調整された導体路設計と、の２点である。

支持体が非晶質のマトリクス成分と、半導体材料の形態の添加成分と、を含むことにより、熱励起の際に高エネルギーの励起状態をとり得る支持体が得られる。とりわけ支持体の物理的特性は、添加成分によって影響を受ける。半導体材料を添加することにより、赤外線を高い照射密度で放出するために適した支持体が得られることが判明した。それと同時に、複合材料は温度依存性の熱伝導能力を示し、これも半導体材料の添加に基づく。

複合材料は以下の成分を含む：
・非晶質のマトリクス成分は、重量および体積において複合材料の最大割合を占める。非晶質のマトリクス成分は、複合材料の機械的特性および化学的特性、たとえば複合材料の耐温度性、強度および腐食特性等を決定する重要なものである。マトリクス成分が非晶質であること（有利にはガラスから成ること）により、本発明の赤外線面放射源の特殊な用途の場合、支持体の幾何学的形状を、結晶質の材料から成る支持体と比較してより簡単に要求に合わせて調整することができる。

マトリクス成分は、ドープされていないまたはドープされた石英ガラスから成ることができ、場合によってはＳｉＯ_２以外に、最大１０重量％の量の他の酸化物、窒化物または炭化物の成分を含むことができる。しかし、支持体材料に起因するコンタミネーションのおそれを回避するため、非晶質のマトリクス成分が石英ガラスである赤外線面放射源であって、非晶質のマトリクス成分が有利には少なくとも９９．９９％の化学的純度のＳｉＯ_２を有し、非晶質のマトリクス成分のクリストバライト含有量が最大１％である赤外線面放射源の実施形態が特に有効であることが実証された。

・本発明ではさらに、マトリクス成分中に半導体材料の形態の添加成分が貯蔵されている。これは、非晶質のマトリクス成分中に分散された非晶質または結晶質の固有相となる。これは高い放射率に寄与するので、赤外線を高い放射出力で放出するために適した支持体が得られる。

本発明の赤外線面放射源では、導体路搭載面に設けられた導体路は、他の部品つまり支持体を加熱するために直接使用される。導体路は、支持体の少なくとも一部領域を局所的に加熱できるようにするための「局所」加熱要素として機能し、導体路は、支持体の本来の赤外線放出要素となる複合材料から作成された支持体の一部を加熱するような寸法となっている。導体路が支持体との組み合わせで、支持体の導体路搭載面と直接接触することにより、特にコンパクトな赤外線面放射源が達成される。

導体路設計と導体路部分の電気的接続とは、熱励起可能な複合材料の物理的特性に合わせて調整される。

導体路が本来の加熱要素となる従来の赤外線面放射源の熱出力は、オームの法則に従って導体路の全体電気抵抗に依存し、かかる従来の赤外線面放射源では、導体路全体抵抗値を可能な限り低く選択すると熱出力を上昇させることができる。それゆえ、導体路部分の並列接続を使用することが特に有利であることが判明した。というのも、全体抵抗が最小個別抵抗より小さくなるからである。

それに対して本発明の赤外線面放射源は、支持体の熱励起が可能である、材料に起因する吸収領域を示す。面出力はこの吸収領域に依存するので、従来の赤外線面放射源のように、可能な限り低い全体抵抗が望ましいということはなく、むしろ、導体路の面出力が、材料に起因する吸収領域に合わせて調整され、これによって導体路の全体抵抗が当該吸収領域に合わせて調整されると、最適かつ効率的な熱出力を達成できることが判明した。

最適な照射強度を達成するためには、支持体の十分な熱励起が必要である。このことは、支持体の熱励起のために十分なエネルギーが得られるように導体路およびその部分を接続すると、達成される。それを超えるエネルギー入力は、限られた範囲でしか照射強度の上昇に寄与せず、通常はエネルギー効率の低下を伴う。

支持体の励起のために必要なエネルギーは、導体路部分を直列接続することによって簡単かつ低コストで調達することができる。支持体の熱励起可能な複合材料に関しては、導体路部分を直列接続することはさらに、特に有利な電流電圧比で励起を行えるという利点も奏する。導体路抵抗を直列接続することにより、１００Ｖから４００Ｖの範囲の動作電圧が可能になる。それと同時に、より低い動作電流での導体路部分の動作が可能になり、これによって、本発明の赤外線面放射源の寿命を長くすることができる。

最後に、本発明では導体路部分を直列接続することにより、導体路設計を都度の用途に合わせてフレキシブルに調整することができる。とりわけ、各導体路部分が部分回路を構成する導体路部分の並列接続との比較において、達成すべき全体抵抗によって部分回路分岐の位置が定まってしまうことによりプリント設計の自由な構成に反し得る部分回路分岐が不要となる。プリント設計が自由に選択可能であることにより、特に一様な照射強度を有する加熱面を達成することができ、これによって、加熱物品の特に一様な熱処理が可能になる。

とりわけ対流に起因する縁部ゾーン現象を補償するために、不均一な温度分布を補償するため、本発明の赤外線面放射源の導体路は、それぞれ達成できる面出力が異なる複数の部分を有する。すなわち、少なくとも１つの第１の導体路部分および１つの第２の導体路部分であって、導体路に電圧が印加されたときに加熱面に実質的に均一な温度分布が得られるように当該第１および第２の導体路部分の搭載密度および／または導体断面積が互いに合わせて調整された第１の導体路部分および第２の導体路部分を有する。

第１および第２の導体路部分の各面出力の調整はたとえば、各導体路部分の搭載密度を変えることによって、または各導体路部分の導体断面積を変えることによって、またはその両方によって行うことができる。

面出力は、導体路が搭載されている支持体面を基準とした当該導体路の電気的接続端出力として定義される。支持体面には、当該導体路を囲う包絡線であって、隣り合った導体路の包絡線は相互間に距離を置くことなく、当該隣り合った導体路の間の中央を延在する包絡線によって囲まれた面が該当し、ここで、給電線がある場合にはこれを考慮しない。よって支持体面は、１つの導体路部分に割り当てられた個別の表面領域をいう。導体路搭載密度が高くなるほど、かつ導体路の導体断面積が小さくなるほど、１つの導体路部分における面出力は高くなる。

導体断面積は、電流方向で見たときの導体路の横断面積である。よって、矩形の層状の導体路の場合には、導体断面積は層幅と層厚との乗算によって得られる。

よって搭載密度は、１つの支持体部分に導体路がどの程度の密度で搭載されているかを表す尺度である。搭載密度は、支持体面を基準として導体路が搭載される（導体路搭載面への投影としての）表面積の面積比率として百分率で表される。支持体面は、導体路搭載面のうち導体路が搭載される表面と、導体路が搭載されない「自由な」表面と、の双方を含む。

導体路がかかる導体路部分を複数含むことにより、面出力が相違する複数の加熱ゾーンの形成が可能になる。これらの加熱ゾーンは、照射強度が一様である加熱面を得るために加熱面の温度損失を補償するように配置することができる。とりわけ縁部ゾーン現象の補償が可能になり、たとえば、導体路搭載面の縁部ゾーンに、面出力がより高い導体路部分を割り当てる。

かかる赤外線面放射源は、２００ｋＷ／ｍ^２超の照射強度を達成するように構成された加熱面、有利には２００ｋＷ／ｍ^２から２５０ｋＷ／ｍ^２の範囲の照射強度を達成するように構成された加熱面を有する。

本発明の赤外線面放射源の有利な一実施形態では、支持体の全部が複合材料から作成されており、複合材料は電気絶縁体である。

支持体は多層構成とすることができ、複合材料以外に他の材料領域を含むことができる。しかし赤外線面放射源を動作するためには、支持体表面が少なくとも導体路搭載面の領域において電気絶縁性材料から作成されていることが重要である。これによって、赤外線面放射源の低妨害での動作が保証され、とりわけ、隣り合った導体路部分間の弧絡および短絡が防止される。複合材料が電気絶縁体であることにより、導体路を複合材料に直接設けることができ、これによって支持体に直接設けることができる。

複数の材料から作成された支持体は、たとえば層構造体を有することができ、この層構造体では、２つ以上の材料層を重ねて配置することができる。これに代えて支持体は、第１の材料から成るコア、有利には複合材料から成るコアを有し、このコアを、第２の材料から成るカバーによって覆うこともできる。コアの全部または一部を、第２の材料によって覆うことができる。有利には、コアの全部が第２の材料によって覆われている。

本発明の赤外線面放射源の有利な一実施形態では、複合材料の少なくとも導体路搭載面の領域が、電気絶縁性材料から成る層によって覆われている。

支持体を作成するための複合材料は、赤外領域において良好な放射率を示す。複合材料が赤外線面放射源の支持体として適したものとなるためには、その放射率の他、複合材料の他の物理的特性、とりわけその電気伝導率も重要となる。複合材料の物理的特性は第一に、当該複合材料を構成する成分によって決定される。よって、化学組成如何に応じて、複合材料は電気絶縁体となり、またはある程度の電気伝導率を有することができる。導電性の複合材料には、上掲の理由により、導体路を直接設けることができない。というのも、赤外線面放射源の動作中に短絡が生じ得るからである。それにもかかわらず導電性の複合材料から支持体を作成できるようにするためには、最初に支持体を電気絶縁性材料から成る層によって覆うことが有利であることが判明した。複合材料の全部または一部を、電気絶縁性材料によって覆うことができる。いずれの場合にも、少なくとも支持体のうち導体路が割り当てられた領域、すなわち導体路搭載面を、電気絶縁性材料から成る層によって覆うことができ、たとえばガラスから成る層、とりわけ石英ガラスから成る層によって覆わなければならない。

本発明の赤外線面放射源の他の有利な一実施形態では、添加成分の重量割合は１％と５％との間の範囲、有利には１．５％と３．５％との間の範囲である。

複合材料の熱吸収は、添加成分の割合に依存する。よって、添加成分の重量割合は、有利には少なくとも１％でなければならない。他方、添加成分の体積割合が高いと、マトリクスの化学的特性および機械的特性を阻害し得る。このことに鑑みて、添加成分の重量割合は有利には１％と５％との間の範囲、有利には１．５％と３．５％との間の範囲である。

導体路が、焼成された厚膜層として構成されている場合、または導体路と支持体とが互いに永久接合されるように導体路が成形品として支持体の表面に付着されている場合、有利であることが判明した。

導体路を作成できる作成手法は種々存在し、たとえば印刷技術を用いて、また打抜き加工、レーザ切削またはキャスティングによって作成することもできる。

導体路を焼成された厚膜層として構成すると、特に有利であることが判明した。かかる厚膜層はたとえば、スクリーン印刷を用いて抵抗ペーストから、またはインクジェット印刷を用いて金属含有インクから生成され、その後に高温で焼成される。これに代えて、熱切断法を使用して、たとえばレーザビーム切削によって、または打抜き加工によって、金属板から成形品を作成することもできる。熱切断法または打抜き加工法を用いることにより、導体路を大量に作成することができ、これによって、材料コストおよび作成コストを小さく抑えることに寄与する。

熱切断法または打抜き加工法を用いることにより、印刷技術ではほとんど加工できない材料または加工に労力を要する材料も導体路に加工することができる。導体路が、通電時に発熱する導電性の抵抗材料から作成されていることにより、導体路は加熱要素として機能する。しかし、面で一様に放射する、高い放射出力の赤外線放射源は、導体路と支持体とを結合することで初めて得られる。こうするためにはたとえば、導体路を成形品として、支持体の表面に付着し、支持体と永久接合する。その際には、導体路と支持体とを機械的かつ熱的に接合することができ、または非導電性の層を介して接合することができる。最も簡単な事例では、導体路を支持体に継ぎ合わせて、ばらの結合体とする。

さらに、熱切断法または打抜き加工法を用いる場合には、導体路の作成時に生じ得る製造誤差を早期に識別することも可能になる。とりわけ印刷技術を用いて作成された導体路と比較して、支持体と接合する工程の前に導体路成形品の機能性を検査することができる。別個の部品として、導体路にたとえば電圧を簡単に印加することができる。このことにより、欠陥のある導体路を選別して排除することができ、しかも、欠陥のある導体路を支持体に結合する前に選別して排除することができ、これによって、不良品の発生を減少して製造コストを低減することができる。

導体路が白金、耐温度性の鋼材、タンタル、フェライトＦｅＣｒＡｌ合金、オーステナイトＣｒＦｅＮｉ合金、炭化シリコン、二ケイ化モリブデンまたはモリブデン系合金から作成されていると、有利であることが判明した。

上掲の材料、とりわけ炭化シリコン（ＳｉＣ）、二ケイ化モリブデン（ＭｏＳｉ_２）、タンタル（Ｔａ）、耐高熱性の鋼材、またはたとえばKanthal（カンタル、登録商標）（Kanthalは、サンドビック・インテレクチュアル・プロパティー・アクティエボラーグ（SANDVIK INTELLECTUAL PROPERTY AB、８１１ ８１、サンドビーケン、スウェーデン）の登録商標）等のフェライトＦｅＣｒＡｌ合金は、たとえば金、白金または銀等の貴金属と比較して低コストであり、赤外線面放射源の製造時に中間製品として使用できる導体路成形体に、簡単に形状変換することができる。これらの材料はとりわけ金属板として入手することができ、この金属板から導体路を簡単かつ低コストで作成することができる。さらに、上掲の材料は空気に対して耐酸化性であるから、導体路を覆う追加の層（カバー層）を導体路の保護のために必ずしも必要としないという利点も奏する。

各１つの導体路部分の熱出力は、抵抗材料の比抵抗と、導体路部分の長さと、導体断面積と、に依存する。長さおよび導体断面積を適合することにより、各導体路部分の熱出力を簡単かつ迅速に調整することができる。

ここで、導体路部分の導体断面積が大きいほど当該導体路部分の抵抗は小さくなり、かつ接続端電圧が同じである場合、当該導体路部分の面出力が小さくなることが成り立つ。全体抵抗と、一定の接続端電圧の場合に流れる電流と、は、直列接続された抵抗の総和から求められる。より高い面出力は、断面積が等しい線路の搭載密度を高くすることによって、または電流密度を増加することによって、または線路断面をより細くすることによって、生成することができる。

よって、第１の導体路部分の導体路の導体断面積が０．０１ｍｍ^２から０．０３ｍｍ^２の範囲であり、かつ第２の導体路部分の導体路の導体断面積が０．０２５ｍｍ^２から０．５ｍｍ^２の間であると、特に有効であることが実証されている。

第１および第２の導体路部分の導体断面積の相互間の差が少なくとも２５％である場合、赤外線面放射源において通常観測されるような照射強度の非一様性の補償に関して、良好な結果を得ることができることが判明した。有利には、第１の導体路部分と第２の導体路部分との間の導体断面積の差は、３０％から７０％の範囲である。０．０１ｍｍ^２未満の導体断面積の場合、設けるのが困難になる可能性があり、機械的付着が小さくなる。導体断面積が０．５ｍｍ^２を超えると抵抗が比較的小さくなり、よって、加熱のために必要な動作電流が比較的高くなる。

導体断面積を０．０１ｍｍ^２から０．５ｍｍ^２の範囲とすることは、電圧電流比が特に有利になる点で優れており、かかる導体断面積によってとりわけ、１Ａから４．５Ａの電流の場合、１００Ｖから４００Ｖの範囲の電圧で動作することができる。

導電路長は、導体路の形状を適切に選択することによって変えることができる。可能な限り一様な温度分布にすることに関しては、導体路を線パターンとして構成し、隣り合った導体路部分間に少なくとも１ｍｍのスペース、有利には少なくとも２ｍｍのスペースが残るように、この線パターンが支持体の面を覆うと有利であることが判明した。

有利には導体路は、２５％から８５％の範囲の搭載密度を有する線パターンとして構成されている。

搭載密度が２５％未満と小さい場合、導体路は加熱面の側から、温度分布の非一様性として表出し得る。搭載密度を８５％超に上昇させると、面出力に顕著な増加は生じなくなる。第１および第２の導体路部分は等しい搭載密度を有し、または異なる搭載密度を有することができる。搭載密度を介して面出力を調整することができる。面出力の調整は、搭載密度の適切な選択および導体断面積の適切な選択のいずれによっても、行うことができる。導体路部分の導体断面積が小さい場合または導体路部分が高い搭載密度を有する場合、面出力が高い導体路部分が達成される。第１および第２の導体路部分の導体断面積および搭載密度の双方が異なる場合、第１および第２の導体路部分の面出力を可能な限り正確に調整することができる。

有利には、第１の導体路部分の搭載密度は最大７５％であり、第２の導体路部分の搭載密度は最大８５％付近の範囲である。上掲の搭載密度の第１および第２の導体路部分は、たとえば印刷等によって、簡単かつ低コストで製造することができる。

本発明の赤外線面放射源の有利な一実施形態では、導体路は複数の第１の導体路部分と複数の第２の導体路部分とを有し、第１の導体路部分と第２の導体路部分とは交互に設けられている。

複数の連続する導体路部分を設けることにより、照射強度の特にフレキシブルな適合が可能になり、これによって加熱面における温度分布の特にフレキシブルな適合が可能になり、いわゆる「コールドスポット」または「ホットスポット」の形成を回避することができる。これら複数の導体路部分を直列接続することにより、ほぼあらゆる任意の導体路設計を実現することができる。

第１の導体路部分と第２の導体路部分との間に、面出力勾配を生じさせるための第３の導体路部分を配置すると、特に有効であることが実証された。

１つの導体路部分は、加熱面のうち一定の面出力で加熱される面領域に相当する。第１の導体路部分と第２の導体路部分とは互いに直接隣接し、または互いに離隔することができる。第１の導体路部分と第２の導体路部分との間で漸次移行がなされることは、可能な限り一様な照射出力と、加熱面の一様な温度分布と、を達成できるようにするために寄与する。こうするために、第１の導体路部分と第２の導体路部分との間に、面出力勾配を生じさせるように構成された第３の導体路部分を配置することができる。このことによって、第１の導体路部分の第１の面出力から第２の導体路部分の第２の面出力への連続的な移行が保証される。最も簡単な事例では、第３の導体路部分は、当該第３の導体路部分の面出力が第１の面出力から第２の面出力へ移行するように構成されている。

本発明の赤外線面放射源の有利な一実施形態では、導体路搭載面は縁部領域と中央領域とを有し、第１の導体路部分は、第２の導体路部分より高い面出力を有し、縁部領域に割り当てられており、第２の導体路部分は中央領域に割り当てられている。

しばしば、赤外線面放射源の縁部領域は中央領域より低い温度を示すことが多いことが判明している。その原因は、縁部領域はその空間的配置のため、中央領域より熱輸送しやすいことである。それゆえ、特に縁部領域に、面出力がより高い導体路部分を割り当てることが有利であることが判明しており、これが熱輸送を補償することができる。これはたとえば、外側のゾーンがより高い搭載密度またはより小さい導体断面積を有することによって達成することができる。

添加成分は、支持体の光学的特性および熱的特性を決定する重要なものである。具体的にいうと、添加成分は赤外スペクトル領域において吸収を引き起こし、これは７８０ｎｍと１ｍｍとの間の波長領域である。添加成分は、このスペクトル領域の放射の少なくとも一部に対して、マトリクス成分より高い吸収を示す。

添加成分の相領域は、マトリクス中において光学的欠陥箇所として作用し、これによってたとえば、複合材料が、層厚に応じて、常温で視覚的に黒色または濃灰色に見える。さらに、この欠陥箇所自体が熱吸収作用を示す。

複合材料中には、添加成分は有利には、当該複合材料中において６００℃の温度で２μｍと８μｍとの間の波長に対して少なくとも０．６のスペクトル放射率εを生じさせる態様および量で含まれている。本発明の赤外線面放射源の特に有利な一実施形態では、添加成分は、支持体材料中において１，０００℃の温度で２μｍと８μｍとの間の波長に対して少なくとも０．７５のスペクトル放射率εを生じさせる態様および量で含まれている。

よって支持体材料は、２μｍと８μｍとの間の熱放射に対して、すなわち赤外線の波長領域において、高い吸収能力および放出能力を有する。これによって支持体表面における反射が低減し、透過率が無視できる程度に小さいと仮定すると、２μｍと８μｍとの間の波長に対する反射率は、１，０００℃超の温度では最大０．２５となり、６００℃の温度では最大０．４となる。このようにして、反射された熱放射による再現不能な加熱が回避され、これは、均一な温度分布または所望の不均一な温度分布に寄与する。

添加成分が添加成分相として存在し、最大寸法が平均で２０μｍ未満かつ有利には３μｍ超の非球体の形態を有すると、特に高い放射率を達成することができる。

添加成分相の非球体の形態は、複合材料の高い機械的強度および低い亀裂形成傾向にも寄与する。「最大寸法」との表示は、添加成分相を有する分離された領域のカット面において認識できる最長の寸法を基準とする。カット像における全ての最長寸法の中間値が、上掲の平均値となる。

キルヒホフの放射法則によれば、実際の物体のスペクトル吸収率α_λとスペクトル放射率ε_λとは、熱平衡状態では互いに一致する。
α_λ＝ε_λ （１）

よって、添加成分によって支持体材料が赤外線を放出する。スペクトル放射率ε_λは、分光半球反射率Ｒ_ｇｈおよび分光半球透過率Ｔ_ｇｈが既知である場合、以下のように計算することができる：
ε_λ＝１−Ｒ_ｇｈ−Ｔ_ｇｈ （２）

ここで「スペクトル放射率」とは、「スペクトル垂直放射率」をいう。これは、「黒体境界条件」（Black-Body Boundary Conditions、ＢＢＣ）との名称で知られている測定原理に基づいて求められ、この測定原理は“DETERMINING THE TRANSMITTANCE AND EMITTANCE OF TRANSPARENT AND SEMITRANSPARENT MATERIALS AT ELEVATED TEMPERATURES”（J. Manara, M. Keller, D. Kraus, M. Arduini-Schuster; 5th European Thermal-Sciences Conference、オランダ（２００８年））にて公開されている。

非晶質のマトリクス成分は、複合材料中において、すなわち添加成分と組み合わさると、添加成分が無い場合より高い熱放射吸収を有する。これによって、導体路から支持体への熱伝導が改善し、熱の分散がより迅速になり、支持体への放射速度がより速くなる。これによって、単位面積あたりより高い放射出力を生成することができ、支持体壁厚が薄い場合および／または導体路搭載密度が比較的小さい場合であっても、一様な放射および画一的な温度場を生成することができる。壁厚が薄い支持体は、小さい熱容量を有し、迅速な温度交代を可能にする。そのための冷却は不要である。

以下、実施例および図面を参照して本発明を詳細に説明する。

縁部領域において中央領域より高い搭載密度を有する導体路を備えた、本発明の赤外線面放射源の第１の実施形態を示す概略図である。 縁部領域において中央領域より小さい導体断面積を有する導体路を備えた、本発明の赤外線面放射源の第２の実施形態を示す概略図である。 本発明の赤外線面放射源の第３の実施形態と、当該赤外線面放射源の導体路搭載面における基板の温度分布を示す熱画像と、を示す概略図である。 電気抵抗が高い導体路部分と電気抵抗が低い導体路部分とを交互に直列接続した、本発明の赤外線面放射源の第４の実施形態を示す概略図である。 １つの材料から成る支持体を備えた、本発明の赤外線面放射源の第５の実施形態を示す概略図である。 ３つの材料層を有する支持体を備えた、本発明の赤外線面放射源の第６の実施形態を示す概略図である。 支持体が、覆われた支持体コアを有する、本発明の赤外線面放射源の第７の実施形態を示す概略図である。

図１は、本発明の赤外線面放射源の第１の実施形態の平面図であり、この赤外線面放射源には全体的に符号１００が付されている。赤外線面放射源１００は、フレキシブルプリント電子部品（図示されていない）を製造するための装置において使用するために適している。赤外線面放射源１００は、板状の基板（これは本発明における支持体である）１０１と、基板１０１上に設けられた導体路１０２と、導体路１０２の電気的コンタクトを行うための２つの導電路１０３ａ，１０３ｂと、を備えている。

板状の基板１０１は、化学的純度９９．９９％の石英ガラスと、０．２５％の含有率のクリストバライトと、から作成されており、これに、総質量の５％のレベルのシリコン元素が添加されている。シリコン元素から成る相は、石英ガラス中に非球体の領域の形態で一様に分布している。Ｓｉ相領域の最大寸法は、平均（中間値）で１μｍから１０μｍの範囲である。板状の基板１０１は２．１９ｇ／ｃｍ^３の密度を有し、１００ｍｍの長さＬと、１００ｍｍの幅Ｂと、２ｍｍの厚さと、を有する。板状の基板１０１は、視覚的に黒色に見える。

貯蔵されたＳｉ相は、基板１０１全体の不透明性に寄与し、基板１０１の光学的特性および熱的特性に影響を及ぼす。基板１０１は高温で、熱放射の高い吸収と高い放射率とを示す。

常温では、複合材料の放射率は積分球を用いて測定される。この積分球によって、分光半球反射率Ｒ_ｇｈと分光半球透過率Ｔ_ｇｈとを測定することができ、これらから垂直スペクトル放射率を計算する。上昇した温度での放射率の測定は２から１８μｍの波長領域で、追加光学系を介してＢＢＣ試料チャンバが結合されたＦＴＩＲ分光計（ブルッカー（Brucker）ＩＦＳ ６６ｖフーリエ変換赤外線（ＦＴＩＲ））を用いて、上述のＢＢＣ測定原理に基づいて行われる。この試料チャンバは半空間内において試料ホルダの前後に、調温可能な黒体周囲と、検出器を備えたビーム出射口と、を備えている。試料は別個の炉内で既定の温度まで加熱され、測定に際しては、既定の温度に調整された黒体周辺を用いて試料チャンバの光路上に移動する。検出器によって検出される強度は、放出成分と反射成分と透過成分とから構成され、すなわち、試料自体から放出された強度と、前方の半空間から試料に入射して試料によって反射された強度と、後方の半空間から試料に入射して試料によって透過された強度と、から構成されている。放射率、反射率および透過率の各パラメータを求めるためには、３つの測定を行わなければならない。

基板１０１において測定される２μｍから約４μｍの波長領域の放射率は、温度に依存する。温度が高いほど放射が高くなる。６００℃のときに、２μｍから４μｍの波長領域における垂直放射率は０．６を上回る。１０００℃のときに、２μｍと８μｍとの間の全体の波長領域における垂直放射率は０．７５を上回る。

導体路１０２は白金抵抗ペーストから形成されており、こうするために、白金抵抗ペーストを板状の基板１０１の導体路搭載面１０４に印刷し、その後焼成した。導体路１０２はメアンダ状の推移を有し、２つの導体路部分１０５，１０６を含んでおり、第１の導体路部分１０５は基板１０１の縁部領域に割り当てられており、第２の導体路部分１０６は基板１０１の中央領域に割り当てられている。対流に起因して基板１０１上に生じる非一様な温度分布を補償できるようにするためには、縁部領域に割り当てられた導体路部分１０５は、中央領域に割り当てられた導体路部分１０６より高い搭載密度で、基板１０１上に設けられている。導体路部分１０５の搭載密度は８０％であり、導体路部分１０６の搭載密度は４０％であり、中央領域では、隣り合った導体路間の距離ｂは４．２ｍｍであり、縁部領域では、隣り合った導体路間の距離ａは０．７ｍｍである。

導体路部分１０５，１０６は、断面積が０．０２８ｍｍ^２、幅が２．８ｍｍ、厚さは１０μｍであることを特徴とする。

他図に示されている実施形態において図１と同一の符号が使用されている場合には、これをもって、上記にて図１の説明において詳細に説明されている部品および構成要素と同一構成または均等の部品および構成要素を示している。

図２は、本発明の赤外線面放射源の第２の実施形態を示しており、この赤外線面放射源には全体的に符号２００が付されている。赤外線面放射源２００は、板状の基板１０１と、基板１０１上に設けられた導体路２０２と、導電路１０３ａ，１０３ｂと、を備えている。

赤外線面放射源２００が、図１に開示されている赤外線面放射源１００と本質的に相違する点は、導体路設計である。基板１０１に関しては、図１についての説明を参照されたい。

導体路２０２は白金抵抗ペーストから形成されており、こうするために、白金抵抗ペーストを板状の基板１０１の上面２０４に印刷し、その後焼成した。導体路２０２はメアンダ状の推移を有し、２つの導体路部分２０５，２０６を含んでおり、第１の導体路部分２０５は基板１０１の縁部領域に割り当てられており、第２の導体路部分２０６は基板１０１の中央領域に割り当てられている。対流に起因して基板１０１上に生じる非一様な温度分布を補償できるようにするためには、縁部領域に割り当てられた導体路部分２０５は、中央領域に割り当てられた導体路部分２０６より高い抵抗を有する。導体路部分２０５の導体断面積は０．０２ｍｍ^２、幅は０．０２ｍｍ、厚さは１０μｍである。導体路部分２０６の導体断面積は０．０２８ｍｍ^２、幅は２．８ｍｍ、厚さは１０μｍである。

中央領域では、隣り合った導体路間の距離ｂは４．１８ｍｍであり、縁部領域では、隣り合った導体路間の距離ａは４．９８ｍｍである。しかし、導体路幅は（ひいては導体断面積も）縁部領域２０５よりも中央領域２０６の方が大きくなっているので、部分２０５，２０６は統一した導体路搭載密度を有しない。中央領域２０６では、灰色の背景で示された面領域２０５ａ（縁部領域２０５の支持体面に対応）ないしは２０６ａ（中央領域２０６の支持体面に対応）によって表されている、各導体路が搭載されている支持体面を基準とする搭載密度は、４０％となり、縁部領域では搭載密度は２８．８％となる。

図３Ａは、本発明の赤外線面放射源の第３の実施形態を示しており、この赤外線面放射源には全体的に符号３００が付されている。赤外線面放射源３００は基板１０１を備えており、これについては図１について詳細に説明している。基板１０１には導体路３０２が設けられており、この導体路３０２の端部に導電路３０３ａ，３０３ｂが設けられている。導体路３０２は、温度勾配を生じさせるように構成されている。

こうするために、基板１０１の表面３０４に設けられた導体路３０２は、搭載密度が矢印の方向３１０で見て増加していくようにするため、隣り合った導体路間の距離ｘ_０〜ｘ_２２が矢印の方向３１０で見て連続的に減少するように構成されている。搭載密度は、第１の導体路端部分３２１では４０％であり、第２の導体路端部分３２２において９１％になるまで連続的に増加していく。

導体路３０２は、下記にて図５の実施例を参照して詳細に説明するように、スクリーン印刷によって形成される。導体路３０２は、矢印の方向３１０で見てメアンダ状の推移を有する。導体路３０２の導体断面積は０．０２ｍｍ^２、幅は０．１ｍｍ、厚さは２０μｍである。

赤外線面放射源３００は、フレキシブルプリント電子部品をロール・トゥ・ロール法（Ｒ２Ｒ法）で製造するための装置（図示されていない）において使用することができる。この装置では赤外線面放射源３００は、（ロールからロールへの）輸送方向が矢印の方向３１０と一致するように配置されている。これによって、照射の開始時に、たとえば印刷された電子部品を乾燥するために必要な出力等の僅かな出力を調達することが可能になる。赤外線面放射源３００の搭載密度が輸送方向で見て増加していくことにより、加熱物品が照射される照射出力は、輸送中増加していき、照射プロセスの終了時には加熱物品は、たとえば印刷された電子部品の焼結に必要な出力等の高い出力を照射されるに至る。照射出力は、照射プロセスの開始時には５０ｋＷ／ｍ^２であり、終了時に１５０ｋＷ／ｍ^２に達するまで連続的に増加していく。

この勾配は、赤外線面放射源３００の加熱面における温度分布にも反映される。図３Ｂは、赤外線面放射源３００の加熱面における温度分布をグラフ４００の形態で示している。搭載密度に依存して矢印の方向３１０で見て加熱面の温度が連続的に増加していき、しかも、赤外線面放射源３００の左側のフィールドにおける約５５０℃の中程度の温度から、当該赤外線面放射源３００の右側のフィールドの７６０℃の温度まで増加していく。

図４は、本発明の赤外線面放射源の第４の実施形態を示しており、この赤外線面放射源には全体的に符号５００が付されている。赤外線面放射源５００は板状の基板１０１を備えており、基板１０１上には、下記に記載の図５の実施例にて説明するように、導体路５０２がスクリーン印刷を用いて設けられている。

基板１０１に関しては、図１についての説明を参照されたい。基板１０１は、図１の基板１０１とは異なり、２００ｍｍの長さｌと、１００ｍｍの幅ｂと、２ｍｍの厚さと、を有する。

導体路５０２は、直列接続された５つの導体路部分を有し、これらの導体路部分は符号Ａ〜Ｅによって示されている。導体路部分Ｂ，Ｄは同一構成であり、これらの導体路部分Ｂ，Ｄの導体断面積は０．０１ｍｍ^２、幅は０．０５ｍｍ、厚さは２０μｍである。導体路部分Ａ，Ｅも同一構成であり、これらの導体路部分Ａ，Ｅの導体断面積は０．０２ｍｍ^２、幅は０．１ｍｍ、厚さは２０μｍである。導体路部分Ｃは導体路部分Ａ，Ｅと等しい導体路幅および等しい導体断面積を有し、導体路部分Ａ，Ｅとは長さのみが異なる。部分Ｂは、部分Ｄと等しい導体路搭載密度を有する。しかし、これらの部分における導体路幅は他の部分Ａ，ＥおよびＣにおける導体路幅の半分のみである。よって、部分ＢおよびＤにおける導体路搭載密度も、他の部分の導体路搭載密度の５０％のみである。

図５は、本発明の赤外線面放射源６００の第５の実施形態を示しており、この赤外線面放射源６００は基板６０３と、基板６０３上に設けられた導体路６０１と、導体路６０１を覆うカバー層６０２と、を備えており、導体路６０１は５つの導体路部分を有する。

基板６０３は、図１の板状の基板１０１と同一の材料から作成されている。図１におけるこれについての説明を参照されたい。基板６０３を作成するための複合材料は、電気絶縁体である。電気絶縁体は、石英ガラスの形態のマトリクス成分から成る。マトリクス中には、シリコン元素から成る相が非球体の領域の形態で一様に分布しており、その重量割合は５％である。シリコン相領域の最大寸法は、平均（中間値）で約１μｍから１０μｍの範囲である。複合材料は気密性であり、複合材料は２．１９ｇ／ｃｍ^３の密度を有し、複合材料は、約１１５０℃の温度までの空気に対して安定的である。複合材料は高温で、熱放射の高い吸収と高い放射率とを示す。この放射率は温度に依存する。６００℃のときに、２μｍから４μｍの波長領域における垂直放射率は０．６を上回る。１，０００℃のときに、同一の波長領域における垂直放射率は０．７５を上回る。

導体路６０１は、スクリーン印刷を用いて白金ペーストを基板６０３に設けてその後焼成したものから作成されている。この導体路６０１上に、石英ガラスから成る薄いカバー層６０２が設けられている。このＳｉＯ_２から成るカバー層は、厚膜手法を用いてスクリーン印刷で設けられ、２０から５０μｍの平均層厚を有する。この層は、白金を腐食性の攻撃から保護するため、無亀裂かつ無孔性である。

図６および図７に示されている実施形態において図５と同一の符号が使用されている場合には、これをもって、上記にて図５の説明において詳細に説明されている部品および構成要素と同一構成または均等の部品および構成要素を示している。

図６は、本発明の赤外線面放射源７００の他の一実施形態を示す図である。赤外線面放射源７００が図５の赤外線面放射源６００と相違する点は、基板組成である。基板７０５は２つの材料から構成されており、これらの材料は層状に互いに結合されている。中間の層７０４は、放射率が高い導電性の材料から、すなわちＳｉＣから成る。層７０４には、その電気伝導度のため、導体路６０１を直接搭載することができない。よって、層７０４の上面および下面はそれぞれ、石英ガラスから成る層７０３によって覆われている。層７０３の相違点は、その層厚である。

図７は、本発明の赤外線面放射源の第７の実施形態を示しており、この赤外線面放射源には符号８００が付されている。赤外線面放射源８００は基板８０５を備えており、これは、図６の基板７０５と同一の材料から成る。材料７０４は基板コアを構成し、この基板コアは、材料７０３から成る層によって包囲されている。

Claims (11)

1. 加熱面を有する支持体を備えた赤外線面放射源であって、
   前記支持体はさらに、前記支持体の導体路搭載面上に設けられた導体路を備えており、
   前記導体路は、通電時に発熱する導電性の抵抗材料から成り、
   前記導体路は、第１の面出力を生成するための第１の導体路部分と、前記第１の面出力とは異なる第２の面出力を生成するための第２の導体路部分と、を含む、赤外線面放射源において、
   前記支持体は、非晶質のマトリクス成分と半導体材料の形態の添加成分とを含む複合材料を含み、
   前記第１の導体路部分および前記第２の導体路部分は、直列接続されており、
   前記第１の導体路部分および前記第２の導体路部分の搭載密度および／または導体断面積は、互いに異なり、
   前記導体路搭載面は、縁部領域と中央領域とを有し、
   前記第１の導体路部分は、前記第２の導体路部分より高い面出力を有し、前記縁部領域に割り当てられており、
   前記第２の導体路部分は、前記中央領域に割り当てられている、
   ことを特徴とする赤外線面放射源。
2. 前記支持体の全部は、前記複合材料から作成されており、
   前記複合材料は、電気絶縁体である、
   請求項１記載の赤外線面放射源。
3. 前記複合材料の少なくとも前記導体路搭載面の領域は、電気絶縁性材料から成る層によって覆われている、
   請求項１記載の赤外線面放射源。
4. 前記添加成分の重量割合は、１％と５％との間の範囲または１．５％と３．５％との間の範囲である、
   請求項１から３までのいずれか１項記載の赤外線面放射源。
5. 前記導体路は、焼成された厚膜層として構成されている、または、前記導体路と前記支持体とが互いに永久接合されるように前記導体路は成形品として前記支持体の表面に付着されている、
   請求項１から４までのいずれか１項記載の赤外線面放射源。
6. 前記導体路は、２５％から８５％の範囲の搭載密度を有する線パターンとして構成されている、
   請求項１から５までのいずれか１項記載の赤外線面放射源。
7. 前記導体路は、前記第１の導体路部分において０．０１から０．０３ｍｍ^２の範囲の導体断面積を有し、
   前記導体路は、前記第２の導体路部分において０．０２５から０．５ｍｍ^２の範囲の導体断面積を有する、
   請求項１から６までのいずれか１項記載の赤外線面放射源。
8. 前記導体路は複数の第１の導体路部分と複数の第２の導体路部分とを有し、第１の導体路部分と第２の導体路部分とは交互に設けられている、
   請求項１から７までのいずれか１項記載の赤外線面放射源。
9. 前記第１の導体路部分と前記第２の導体路部分との間に、面出力勾配を生じさせるための第３の導体路部分が配置されている、
   請求項１から８までのいずれか１項記載の赤外線面放射源。
10. 前記加熱面は、２００ｋＷ／ｍ^２から２５０ｋＷ／ｍ^２の範囲の照射出力を有する、
    請求項１から９までのいずれか１項記載の赤外線面放射源。
11. 半導体材料の形態の前記添加成分は、前記マトリクス成分中に貯蔵され、前記非晶質のマトリクス成分中に分散された固有相となる、
    請求項１から１０までのいずれか１項記載の赤外線面放射源。

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