JP6876677B2 - 放射装置及び放射装置を用いた処理装置 - Google Patents

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Description

本明細書が開示する技術は、メタマテリアル（ｍｅｔａ−ｍａｔｅｒｉａｌ）構造層を利用して特定の波長の放射エネルギーを放射する放射装置に関する。
特開２０１５−１９８０６３号公報に、メタマテリアル構造層を利用した赤外線ヒーター（放射装置の一例）が開示されている。この赤外線ヒーターは、発熱体と、その発熱体の表面側に配置されたマイクロキャビティ形成体（メタマテリアル構造層の一例）を備えている。発熱体から出力される熱エネルギーは、マイクロキャビティ形成体を介することで、特定の波長の放射エネルギーとなって放射される。
上述したように、メタマテリアル構造を利用した放射装置では、発熱源から出力される熱エネルギーを、特定の波長の放射エネルギーとしてメタマテリアル構造層側の面から放射することができる。しかし、従来の放射装置では、メタマテリアル構造層側の面以外の面から流出する熱エネルギーが大きく、大きな熱エネルギー損失が生じるという問題を有していた。本明細書は、従来の放射装置と比較して、熱エネルギー損失を抑制することができる放射装置を提供する。
本明細書が開示する放射装置は、特定の波長領域の放射エネルギーを放射する放射装置であり、発熱源と、その発熱源の表面側に配置され、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、を備えている。裏面金属層の平均放射率は、メタマテリアル構造層の平均放射率より小さくされている。
上記の放射装置では、メタマテリアル構造層と裏面金属層の間に発熱源が配置されている。そして、裏面金属層の放射率が、メタマテリアル構造層の放射率より小さくされている。このため、裏面金属層からの熱エネルギー損失を小さくでき、従来の放射装置と比較して熱エネルギー損失を抑制することができる。
ここで、上記の「平均放射率」は、赤外線の全波長領域（０．７μｍ〜１ｍｍ）における平均放射率を意味する。したがって、一部の波長領域において裏面金属層の放射率がメタマテリアル構造層の放射率より大きくても、赤外線の全波長領域において、裏面金属層の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ければ、上記の「裏面金属層の平均放射率は、メタマテリアル構造層の平均放射率よりも小さくされている。」に相当する。
また、上記の「平均放射率」は、裏面金属層とメタマテリアル構造層を同一の設定温度としたときに計測される「平均放射率」を意味する。このため、放射装置を作動させたときに裏面金属層の温度とメタマテリアル構造層の温度が異なる場合は、裏面金属層を設定温度として「平均放射率」を測定し、メタマテリアル構造層を設定温度として「平均放射率」を測定し、これら測定された「平均放射率」によってその大小を比較することとなる。なお、上記の「設定温度」は、例えば、放射装置を定格出力で運転したときのメタマテリアル構造層の温度、又は、裏面金属層の温度とすることができる。
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、その一端が収容部の内壁面に取付けられ、その他端が放射装置の一部に取付けられ、放射装置を収容部内で保持する保持部と、を備えている。放射装置のメタマテリアル構造層は被処理物と対向している。放射装置の裏面金属層は収容部の内壁面と対向している。そして、裏面金属層と収容部の内壁面との間には隙間が設けられている。
上記の処理装置によれば、裏面金属層からの放射による熱エネルギー損失が抑制されるだけでなく、裏面金属層からの熱伝導による熱エネルギー損失も抑制することができる。このため、放射装置を用いた被処理物の処理を効率的に行うことができる。
本実施例の放射装置の縦断面図。 ＭＩＭ構造層の構造を模式的に示す要部拡大図。 実施例に係る放射装置の熱収支の一例を説明するための図。 比較例に係る放射装置の熱収支の一例を説明するための図。 本実施例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。 本実施例の放射装置を利用した他の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において、メタマテリアル構造層は、第１の支持基板の表面上に配置されていてもよい。裏面金属層は、第２の支持基板の裏面上に配置されていてもよい。発熱源は、第１の支持基板と第２の支持基板の間に配置されていてもよい。そして、第２の支持基板の熱伝導率は、第１の支持基板の熱伝導率よりも小さくてもよい。このような構成によると、発熱源から第２の支持基板に流れる熱エネルギーを低く抑えることができ、裏面金属層からの熱エネルギー損失を好適に抑制することができる。
（特徴２） 本明細書に開示の放射装置において、第１の支持基板は、ＡｌＮ基板であってもよい。第２の支持基板は、Ａｌ２Ｏ３基板であってもよい。裏面金属層は、Ａｕ層であってもよい。このような構成によると、裏面金属層であるＡｕ層からの熱損失を好適に抑制することができる。
（特徴３） 本明細書に開示の放射装置において、第１の支持基板の厚みは、第２の支持基板の厚みよりも小さくてもよい。このような構成によると、メタマテリアル構造層側の基板である第１支持基板に発熱源からの熱が流れ易くなり、発熱源からの熱エネルギーを効率的に利用することができる。
（特徴４） 本明細書に開示の放射装置を利用した処理装置において、収容部内の空間を、被処理物が収容される第１空間と、放射装置が収容される第２空間とに分離する仕切り壁をさらに備えていてもよい。仕切り壁は、特定の波長の放射エネルギーを透過してもよい。このような構成によると、被処理物の温度上昇を好適に抑制することができる一方で、特定の波長の放射エネルギーを被処理物に照射する処理を行うことができる。
（特徴５） 本明細書に開示の放射装置を利用した処理装置においては、収容部内で被処理物の乾燥処理が行われてもよい。
本実施例の放射装置１０は、赤外線の全波長領域（０．７μｍ〜１ｍｍ）内の特定の波長領域の放射エネルギーを放射する放射装置（エミッター）である。図１に示すように放射装置１０は、複数の層が積層された積層構造を有しており、発熱層１６（発熱源の一例）と、発熱層１６の表面側に配置された第１支持基板１４と、第１支持基板１４の表面側に配置されたＭＩＭ構造層１２と、発熱層１６の裏面側に配置された第２支持基板１８と、第２支持基板１８の裏面側に配置された裏面金属層２０と、を備えている。
発熱層１６は、入力される電力エネルギーを熱エネルギーに変換する層である。発熱層１６としては、公知の種々の発熱層を用いることができ、例えば、発熱線（導電材）を第２支持基板１８の表面にパターン印刷して形成されたものや、あるいは、カーボンシートヒーターを用いることができる。発熱層１６は、図示しない外部電源と接続されており、外部電源から電力エネルギーが供給されるようになっている。外部電源から供給される電力エネルギー量が制御されることで、発熱層１６で発生する熱エネルギー量が制御されるようになっている。発熱層１６は第１支持基板１４と第２支持基板１８の間に配置されているため、発熱層１６で発生する熱エネルギーは、第１支持基板１４側と第２支持基板１８側に流れることとなる。
第１支持基板１４は、発熱層１６の表面に接触している。第１支持基板１４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、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板、炭化珪素（ＳｉＣ）基板等を用いることができる。第１支持基板１４と発熱層１６は、接着剤を用いて接着されていてもよいし、あるいは、ケーシング等を用いて両者の間に圧力を作用させることによって接合（いわゆる、圧接）されていてもよい。
ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）構造層１２は、メタマテリアル構造層の一種であり、第１支持基板１４の表面に形成されている。ＭＩＭ構造層１２は、発熱層１６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その表面から放射する。すなわち、ＭＩＭ構造層１２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）の放射エネルギーを放射し、特定の波長領域以外の放射エネルギーは放射しないように構成されている。すなわち、ＭＩＭ構造層１２は、ピーク波長において高い放射率（例えば、０．８５〜０．９）を有し、特定の波長領域以外の波長領域では極めて低い放射率（０．１以下）を有している。このため、ＭＩＭ構造層１２の赤外線の全波長領域（０．７μｍ〜１ｍｍ）における平均放射率は０．１５〜０．３となっている。特定の波長領域としては、例えば、近赤外線の波長領域（例えば、２〜１０μｍ）内にピーク波長（例えば、５〜７μｍ）を有し、その半値幅が１μｍ程度となるように調整することができる。
図２に示すようにＭＩＭ構造層１２は、第１支持基板１４の表面に形成された第１金属層２６と、第１金属層２６の表面に形成された絶縁層２４と、絶縁層２４の表面に形成された複数の凸状金属部２２を備えている。第１金属層２６は、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）等の金属によって形成することができ、本実施例では金（Ａｕ）によって形成されている。第１金属層２６は、第１支持基板１４の表面全体に形成されている。絶縁層２４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（Ａｌ２Ｏ３）によって形成されている。絶縁層２４は、第１金属層２６の表面全体に形成されている。凸状金属部２２は、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）等の金属によって円柱状に形成されており、本実施例では金（Ａｕ）によって形成されている。凸状金属部２２は、絶縁層２４の表面の一部に形成されている。凸状金属部２２は、絶縁層２４の表面にｘ方向及びｙ方向に間隔を空けて複数配置されている。凸状金属部２２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１２から放射される放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２２の配置パターン（隣接する凸状金属部２２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１２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、ＭＩＭ構造層１２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。例えば、特開２０１５−１９８０６３号公報に開示されているマイクロキャビティ構造を第１支持基板１４の表面に形成してもよい。
第２支持基板１８は、発熱層１６の裏面に接触している。第２支持基板１８は、第１支持基板１４の熱伝導率と比較して熱伝導率の小さな材料によって形成することができ、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）基板等を用いることができる。第２支持基板１８と発熱層１６は、接着剤を用いて接着されていてもよいし、あるいは、ケーシング等を用いて両者の間に圧力を作用させることによって接合（いわゆる、圧接）されていてもよい。図１から明らかなように、第２支持基板１８の厚みは、第１支持基板１４の厚みよりも大きくされている。熱伝導率と厚みが調整されることで、第２支持基板１８の熱抵抗は、第１支持基板１４の熱抵抗よりも大きくされている。このため、発熱層１６で発生する熱エネルギーは、第２支持基板１８側よりも第１支持基板１４側に多く流れることとなる。
裏面金属層２０は、第２支持基板１８の裏面に配置されている。裏面金属層２０は、放射率の低い金属材料（例えば、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等）によって形成される。本実施例では、裏面金属層２０は、金（Ａｕ）によって形成されている。このため、裏面金属層２０の赤外線の全波長領域における平均放射率は約０．０５となっている。したがって、裏面金属層２０の平均放射率は、ＭＩＭ構造層１２の平均放射率よりも小さくされている。なお、裏面金属層２０は、第２支持基板１８の裏面全体にスパッタリング等を用いて形成することができる。
上述した放射装置１０から特定の波長領域の放射エネルギー（赤外線）を放射するには、発熱層１６に電力エネルギーを供給する。これによって、発熱層１６が電力エネルギーを熱エネルギーに変換し、発熱層１６から第１支持基板１４又は第２支持基板１８に熱エネルギーが伝導する。ここで、第１支持基板１４は、第２支持基板１８と比較して、その熱伝導率が高く、また、その厚みが小さい。このため、発熱層１６から第１支持基板１４に伝導される熱エネルギーは、発熱層１６から第２支持基板１８に伝導される熱エネルギーよりも大きくなる。このため、第１支持基板１４の温度は、第２支持基板１８の温度よりも高くなる。
第１支持基板１４に伝導される熱エネルギーは、ＭＩＭ構造層１２に伝導（入力）される。ＭＩＭ構造層１２は、第１支持基板１４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その表面から放射する。一方、第２支持基板１８に伝導される熱エネルギーは、裏面金属層２０に伝導され、裏面金属層２０の裏面から放射される。ここで、裏面金属層２０の放射率は低くされていることから、裏面金属層２０から放射される放射エネルギー量が抑制される。また、上述したように、第２支持基板１８の温度は、第１支持基板１４の温度より低くなり、その結果、裏面金属層２０の温度も低くなる。これによっても、裏面金属層２０から放射される熱エネルギー量を低減することができる。
ここで、上述した放射装置１０を用いてワークＷ（被処理物の一例）を加熱する場合の熱収支計算について、図３を用いて説明する。図３に示すように、放射装置１０は、ＭＩＭ構造層１２が下側に向くように配置され、ＭＩＭ構造層１２がワークＷと対向している。放射装置１０の左右には、ＳＵＳで形成された炉壁３０ａ，３０ｂが配置されている。また、放射装置１０の上下の空間には、炉内の空気が矢印の方向に流れているものとする。熱収支計算は、ＭＩＭ構造層１２の表面温度が２８０℃となるように発熱層１６に電力エネルギーを供給するという条件のもとで行った。計算の結果、発熱層１６に入力された熱エネルギーのうち、約２０％が放射装置１０から放射エネルギーとしてワークＷに放射され、また、約２０％が放射装置１０から対流伝熱によってワークＷの加熱に利用され、残りの約６０％が熱エネルギー損失となった。熱エネルギー損失の内訳は、放射装置１０から炉壁３０ａ，３０ｂへの熱伝導による熱損失と、放射装置１０の裏面金属層２０からの対流による熱損失が主な熱損失であった。すなわち、裏面金属層２０からの放射による熱損失は殆ど発生しなかった。
次に、比較例の放射装置を用いてワークＷを加熱する場合の熱収支計算について、図４を用いて説明する。比較例の放射装置は、放射装置１０と同様に、第１支持基板１４及びＭＩＭ構造層１２を有しているが、発熱層１６の替わりにセラミックヒーター３２を用いている点、及び、セラミックヒーター３２の裏側（図４において上側）に第２支持基板１８や裏面金属層２０が配置されていない点が異なる。図４から明らかなように、比較例の放射装置もワークＷと対向して配置され、その左右にはＳＵＳで形成された炉壁３４ｄ，３４ｅが配置される。ただし、比較例の放射装置の裏面側（図４において上側）には、断熱材３４ａ，３４ｂ，３４ｃが配置され、セラミックヒーター３２の断熱が行われている。また、セラミックヒーター３２からの熱伝導を防止するため、セラミックヒーター３２と断熱材３４ａの間には空間が形成されている。熱収支計算の条件は、図３の場合と同一の条件で行った。すなわち、ＭＩＭ構造層１２の表面温度が２８０℃となるようにセラミックヒーター３２に電力エネルギーを供給するという条件のもとで行った。計算の結果、セラミックヒーター３２に入力された熱エネルギーのうち、約１０％が放射エネルギーとしてワークＷに放射され、また、約１０％が対流伝熱によってワークＷの加熱に利用され、残りの約８０％が熱エネルギー損失となった。熱エネルギー損失の内訳は、炉壁３０ａ，３０ｂへの熱伝導による熱損失と、断熱材３４ｂ，３４ｃへの熱伝導による熱損失が主な熱損失であった。
上述した図３，４の熱収支計算より明らかなように、本実施例の放射装置１０（図３）では、裏面金属層２０からの熱損失が低く抑えられ、少ない電力エネルギーでワークＷを効率的に加熱することができる。一方、比較例の放射装置（図４）では、従来の一般的な考えに基づいて断熱材３４ａ〜３４ｃを配置したとしても、その熱損失は大きく、より多くの電力エネルギーを必要とすることが判明した。
次に、本実施例の放射装置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５を用いて説明する。図５に示す処理装置は、炉体４０（収容部の一例）と、炉体４０内の空間４６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の搬送方向に間隔を空けて並んで配置されている。放射装置１０は、ＭＩＭ構造層が下側を向くように配置されている。したがって、放射装置１０の裏面金属層２０は、炉体４０の内壁面４０ａと対向している。内壁面４０ａは、ＳＵＳ等の高反射率の材料で形成することができる。
複数の放射装置１０のそれぞれは、保持部材４４ａ，４４ｂ（保持部の一例）で炉体４０の内壁面４０ａに保持されている。具体的には、放射装置１０の左右の両端部にはケーシング４２ａ，４２ｂが取付けられている。ケーシング４２ａ、４２ｂは、放射装置１０の端部でのみ放射装置１０と接触している。保持部材４４ａの上端は内壁面４０ａに固定され、保持部材４４ａの下端はケーシング４２ａに固定されている。同様に、保持部材４４ｂの上端は内壁面４０ａに固定され、保持部材４４ｂの下端はケーシング４２ｂに固定されている。これによって、放射装置１０が炉体４０の内壁面４０ａに保持されている。図５から明らかなように、放射装置１０の裏面金属層２０と内壁面４０ａとが直接接触することはなく、両者の間には空間４９が形成されている。
上記の処理装置においてワークＷを加熱するためには、ワークＷを矢印４８に沿って炉体４０内を搬送する。炉体４０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の放射エネルギーが放射される。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。ここで、放射装置１０は、その端部のみがケーシング４２ａ，４２ｂ及び保持部材４４ａ，４４ｂを介して炉体４０に接続されている。このため、放射装置１０から炉体４０への熱伝導による熱損失を効果的に抑制することができる。また、放射装置１０の裏面金属層２０と炉体４０の内壁面４０ａとは空間４９を挟んで対向するため、裏面金属層２０から放射による熱損失が生じる。しかしながら、裏面金属層２０の放射率は低くされているため、裏面金属層２０から内壁面４０ａへの放射による熱損失を低く抑えることができる。これらによって、図５に示す処理装置では、ワークＷに特定の波長領域の放射エネルギーを効率的に照射することができる。
なお、ワークＷに特定の波長領域の放射エネルギーのみを照射すると、ワークＷの温度を低く抑えながら、特定の波長領域の放射エネルギーを吸収する物質のみを加熱することができる。例えば、可燃性の溶剤（例えば、Ｎ−メチル−ピロリドン、メチルイソブチルケトン、酢酸ブチル、トルエン等）を含んだワークＷ（例えば、塗布層を有する基板（塗布層に溶剤が含まれる））を乾燥処理する際に、溶剤が吸収する波長領域の放射エネルギーのみをワークＷに放射すれば、ワークＷの温度を低く抑えながら、溶剤のみを蒸発させ、ワークＷを乾燥することができる。溶剤を効率的に乾燥させることができるため、少ない消費電力で、かつ、短時間で乾燥処理を行うことができる。
また、本実施例の放射装置１０は、図６に示す処理装置に用いることもできる。図６に示す処理装置では、図５に示す処理装置と異なり、炉体５０内の空間がマッフル板５８（仕切り板の一例）によって区切られ、放射装置１０を収容する空間５６ｂと、ワークＷが搬送される空間５６ａに分割されている点で大きく異なる。具体的には、図６に示すように、炉体５０は、ワークＷが搬送する空間５６ａを有する本体部５４と、本体部５４の上方に設置される支持ビーム５２を備えている。本体部５４の上端の開口は、マッフル板５８で塞がれている。マッフル板５８は、放射装置１０から放射される特定の波長領域の放射エネルギーを透過する材料によって形成されている。支持ビーム５２は、複数の放射装置１０を保持している。放射装置１０を支持ビーム５２へ保持する保持構造は、図５に示す処理装置における保持構造と同様となっている。
図６に示す処理装置においても、各放射装置１０から放射される特定の波長領域の放射エネルギーは、マッフル板５８を透過してワークＷに照射される。これによって、ワークＷの加熱が行われる。また、放射装置１０とワークＷの間にマッフル板５８が設けられるため、放射装置１０から放射される放射エネルギー以外の熱エネルギーがワークＷに伝達されることをより抑制することができる。その結果、図５に示す処理装置と比較して、ワークＷの温度の上昇をより抑制することができる。
上述した説明から明らかなように、本実施例の放射装置１０では、裏面金属層２０からの熱損失を効果的に抑制することができるため、少ない電力エネルギーでより多くの特定の波長領域の放射エネルギーを出力することができる。このため、省エネルギー、かつ、短時間でワークＷの加熱処理（例えば、溶剤の乾燥処理等）を行うことができる。
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。また、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。

Claims (6)

  1. 複数の層が積層された積層構造を有し、特定の波長領域の放射エネルギーを放射する放射装置であり、
    前記複数の層は、
    発熱源と、
    前記発熱源の表面側に配置されている第１の支持基板と、
    前記発熱源の裏面側に配置されている第２の支持基板と、
    前記第１の支持基板の表面上に配置され、前記発熱源から入力される熱エネルギーを前記特定の波長領域の放射エネルギーとして放射するメタマテリアル構造層と、
    前記第２の支持基板の裏面上に配置されている裏面金属層と、を備えており、
    前記裏面金属層の平均放射率は、前記メタマテリアル構造層の平均放射率よりも小さくされており、
    前記第２の支持基板の熱伝導率は、前記第１の支持基板の熱伝導率より小さくされており、
    前記メタマテリアル構造層、前記第１の支持基板、前記発熱源、及び、前記第２の支持基板の側面が前記裏面金属層によって囲まれていない、放射装置。
  2. 前記第１の支持基板は、ＡｌＮ基板であり、
    前記第２の支持基板は、Ａｌ２Ｏ３基板であり、
    前記裏面金属層は、Ａｕ層である、請求項１に記載の放射装置。
  3. 前記第１の支持基板の厚みは、前記第２の支持基板の厚みよりも小さい、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、
    その一端が前記収容部の内壁面に取付けられ、その他端が前記放射装置の一部に取付けられ、前記放射装置を前記収容部内で保持する保持部と、を備えており、
    前記放射装置の前記メタマテリアル構造層が前記被処理物と対向しており、
    前記放射装置の前記裏面金属層が前記収容部の前記内壁面と対向しており、
    前記裏面金属層と前記収容部の前記内壁面との間には隙間が設けられている、処理装置。
  5. 前記収容部内の空間を、前記被処理物が収容される第１空間と、前記放射装置が収容される第２空間とに分離する仕切り壁をさらに備えており、
    前記仕切り壁は、前記特定の波長の放射エネルギーを透過する、請求項４に記載の処理装置。
  6. 前記収容部内で、前記被処理物の乾燥処理が行われる、請求項４又は５に記載の処理装置。
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