JPH07335376A

JPH07335376A - 赤外線用光源

Info

Publication number: JPH07335376A
Application number: JP6121501A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Murakami; 嘉彦村上; Masayuki Hashimoto; 昌幸橋本; Yukio Ikuhara; 幸雄生原
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 1994-06-02
Filing date: 1994-06-02
Publication date: 1995-12-22

Abstract

(57)【要約】【目的】赤外線用光源に関し、低い消費電力で高輝度で
放射率の高い赤外線の面状光源が実現でき、損失の少な
い、強い平衡光束を取り出すことができるようにするこ
とを目的とする。【構成】赤外線用光源を、焼結体密度が２．８ｇ／ｃｍ
³以上であり、室温での電気比抵抗値が１Ω・ｃｍ以下
である炭化珪素焼結体からなる赤外線用発光体１と、該
赤外線用発光体１と該赤外線用発光体１に電力を供給す
る電極部２との間に介在して赤外線用発光体１から電極
部２への熱の伝導を遮断する耐熱材料製からなる脚部３
と、電極部２から前記赤外線用発光体１へ通電するため
の導電部材４とを備えた構造とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐酸化性、耐熱性、及
び耐熱衝撃性に優れ、酸化雰囲気中で好適に使用される
赤外線用光源に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば、赤外線分光装置に使用される赤
外線用光源としては、従来、コイル状ニクロム線光源、
金属リボンフィラメント光源、珪化モリブデン光源、ネ
ルンスト灯、巻線セラミック灯、グローバ光源などがあ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ここで、赤外線分光光
度計のＳ／Ｎ比を向上させるためには、高輝度の光源が
必要である。光源の放射エネルギーは、絶対温度の４乗
に比例するので、高輝度の光源を得るには発熱体の温度
を高くする必要がある。しかし、従来の技術では下記に
述べるような不都合がある。

【０００４】コイル状ニクロム線、金属リボンフィラメ
ント光源は、大気中で１０００℃以上では酸化が進み、
寿命が短くなってしまうという問題がある。そこで、こ
のような光源の酸化を防ぐためには不活性ガス中に封入
する必要があり、構造が複雑でコストが高くなってしま
うという問題を有している。また、珪化モリブデンも放
射率が比較的悪く、１７００℃でも使用可能であるが、
非常に脆くて微細加工が難しく、細線化できないので、
発光部の集中化ができず、また、比抵抗が０．０００３
と小さいため、発熱させるためにはある程度の大電流が
必要となる。

【０００５】さらに、ネルンスト灯、巻線セラミック灯
は、使用されるセラミックスの常温比抵抗が高いため
に、自己始動することができず、補助ヒーターが必要と
なり、光源構造が複雑になる。さらに微細加工が困難な
ために抵抗の集中化ができず、電極部分での接続までが
比較的長くなり、発光源として小型化できず、電力効率
が悪くなってしまう。しかも、セラミックスとして使用
するジルコニアやアルミナは、放射率が比較的悪く、２
〜２０μｍで平均０．７５であり、３μｍでは０．１５
〜０．３０まで低下する。

【０００６】そして、グローバ光源は、光源素材に炭化
珪素を使用しているために放射率は非常に優れている
が、上述したネルンスト灯や巻線セラミック灯と同様の
欠点を有する。また、電極部分を水冷する必要があり、
構造が複雑で電力効率はさらに悪くなるという問題があ
る。赤外線分光光度計のＳ／Ｎ比を向上させるために
は、光源としては、高輝度であること、広い波長領
域で放射率が高いこと、発光部に温度むらがなくかつ
集中化していることが必要となる。の高輝度の光源を
得るためには、光源の放射エネルギーが、絶対温度の４
乗に比例するので、発熱体の温度を高くする必要があ
る。は広い波長領域で放射率が高くなる発熱体材料を
選択する必要がある。さらに重要なことは、の発光部
に温度むらがなく集中化していることである。通常、発
光源は、赤外線の発光体と、発光体から発散する光を集
光して閉口光束する光学系（リフレクター及びレンズ）
とからなる。その平行光束をガス測定セル内に通過させ
た後、赤外線検出器により、ガスで一部吸収された赤外
線を検出するという基本構造となっている。従って、赤
外線の平行光束性が良好でないと、測定セルの内壁に衝
突し、反射を繰り返すために、赤外線は減衰してしま
い、赤外線分光光度計のＳ／Ｎ比は極端に悪化する。赤
外線の強い平行光束を得るためには、温度むらのない、
集中化された点状或いは面状の発光源であることが望ま
しい。さらに発光部を集中化させることによって、電極
部分の温度が下がり、消費電力が低減されるために、熱
の影響からくる光学系の機械的な歪みによる平行光束の
ずれも防止することができる。しかし、従来の技術で
は、上記に述べたような不都合があり、このような理想
的な光源は存在しなかった。

【０００７】本発明者らは、本願と同時に特許出願「赤
外線用光源及びその製造方法」を提案し、放射率が優れ
ている炭化珪素素材に着目し、焼結体密度が２．８ｇ／
ｃｍ ³以上で、室温での電気比抵抗値が１Ω・ｃｍ以下
の、緻密で放電加工が可能な炭化珪素焼結体からなる赤
外線発光源を開発した。もちろん、炭化珪素単体でも、
赤外線光源としても、上記のように従来には存在しない
理想的な光源であるが、炭化珪素は熱伝導が良いため
に、そのまま電極部分まで炭化珪素とすると、電極部分
の温度が上がってしまうという欠点を有していた。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明では、この不具合
を鋭意検討した結果、焼結体密度が２．８ｇ／ｃｍ³以
上で、室温での電気比抵抗値が１Ω・ｃｍ以下の、緻密
で放電加工が可能な炭化珪素焼結体からなる赤外線光源
用発光体と、電極部への熱の伝導を遮断するために、脚
部を熱伝導率が低いセラミックス等の耐熱材料として熱
の流れを遮断し、一方で、導電するための金属、カーボ
ン等の電気伝導性の良好な部材からなる導電部材とを組
み合わせた複合体で、赤外線用光源とすることによっ
て、上記課題を解決した。

【０００９】本発明において上記の課題を解決するため
の第１の手段は、焼結体密度が２．８ｇ／ｃｍ³以上で
あり、室温での電気比抵抗値が１Ω・ｃｍ以下である炭
化珪素焼結体からなる赤外線用発光体１と、該赤外線用
発光体１と該赤外線発光体１に電力を供給する電極部２
との間に介在して赤外線発光体１から電極部２への熱の
伝導を遮断する耐熱材料製からなる脚部３と、電極部２
から前記赤外線用発光体１へ通電するための導電部材４
とを備えた赤外線用光源である。

【００１０】本発明の第２の手段は、上記第１の手段の
導電部材４を板状体とし、該導電部材４の一側面上の一
部位に前記赤外線用発光体１を接合し、導電部材４の同
一側面上の他の部位に前記脚部３をそれぞれ接合するこ
とにより、前記赤外線用発光体１と、前記脚部３と、前
記導電部材４とを一体化したことである。本発明の第３
の手段は、上記第１の手段の赤外線用発光体１と前記脚
部３とを接合して一体化すると共に、前記赤外線用発光
体１と前記脚部３とにまたがるように、蒸着等で形成し
た薄膜を前記導電部材４として配設したことである。

【００１１】本発明の第４の手段は、上記第１乃至第３
の手段の赤外線用発光体は、微細な抵抗回路が密に形成
されてなる集中化された平面状発光部を有することであ
る。本発明の第５の手段は、上記第１乃至第４の手段の
耐熱材料製脚部は、セラミックスからなる低熱伝導性材
料で形成されてなることである。以下、本発明の炭化珪
素を含む赤外線用光源についてその詳細を説明する。

【００１２】焼結体密度が２．８ｇ／ｃｍ³以上で、室
温での電気比抵抗値が１Ω・ｃｍ以下の炭化珪素焼結体
を、放電加工により、先端部分を細線化して重ね合わせ
た平面状とし、細線化した１本１本の線が互いに輻射熱
を受けるようにした構造とする。脚部は熱の流れを遮断
するために、熱伝導率の低いアルミナ、ジルコニア、フ
ォルステライト、ステアタイトなどのセラミックス製の
耐熱材料を使用することが望ましい。これは、材料の構
造を空隙率の高いものにすることで熱伝導率を下げた材
料も使用することができる。

【００１３】導電部材としては、電気伝導率が高い、ニ
ッケル、銅、白金、金、銀、カーボン等を使用すること
ができる。そして、上記炭化珪素焼結体からなる赤外線
用発光体と、上記耐熱材料製脚部と、導電部材とを複合
一体化して赤外線用光源を得る。ここに、複合一体化す
る方法に一例としては、導電部材を板状体とし、該板状
体の一側面上の一部位に前記赤外線用発光体を、同一側
面上の他部位に前記赤外線用発光体をそれぞれ接合する
ことにより、前記赤外線用発光体と、前記耐熱材料製脚
部と、前記導電部材とを一体化する。なお、赤外線用発
光体と耐熱材料製脚部との間には適度な空間を設けても
良く、または空間を設けることなく両者が只単に接する
ようにしても良く、更に両者を接合しても良い。

【００１４】また、一体化する他の方法としては、赤外
線用発光体と前記耐熱材料製脚部とを接合一体化すると
共に、赤外線用発光体と耐熱材料製脚部とにまたがるよ
うに、蒸着等で形成された薄膜を前記導電部材として配
設することにより、前記赤外線用発光体と、前記耐熱材
料製脚部と、前記導電部材とを一体化する。なお、接合
するに際しては、従来公知の接合方法を使用することが
できる。例えば、炭化珪素発光体と脚部とを、あらかじ
め接合部分をメタライズする。メタライズの材料は一般
に用いられるものであるので良いが、ある程度耐熱性が
ある材料が望ましい。例えば、銀−銅−チタンや、銀−
チタン、ニッケル−チタン、金−チタン、白金−チタン
などが好適である。メタライズ方法は、適当に選択した
金属粉末をめのう乳鉢に入れて良く混合し、スクリーン
油を用いてペースト状にし、接合部分に塗布する。次に
塗布した炭化珪素発光体と脚部を真空乾燥機で１００か
ら１５０℃程度で３０分程度乾燥させた後、真空炉に入
れて必要な温度で熱処理する。

【００１５】次に、炭化珪素発光体と脚部の接合部分
と、電気電導率が高い金属薄膜を、ろう剤を挟んで真空
炉にセットし、必要な温度で熱処理する。接合するとき
のろう材としては、例えば銀ろう、ニッケルろう、金ろ
う、パラジウムろう、白金ろうなどの耐熱性が高いろう
材を使用することが好適である。このようにして接合さ
れた複合体を、アルミナ絶縁板とニッケル電極を含めて
メタライズ、ろう付けを行い、赤外線用光源を作製す
る。

【００１６】

【作用】本発明によれば、消費電力がかなり低減され、
電極部の温度も低くなったために、非常に低い消費電力
で面状で光むらのない高輝度の赤外線の光源が実現でき
るようになり、電極部分の水冷が不要であることはもち
ろん、その電源装置も含めたその周辺装置の大幅な小型
化が可能になった。さらに、発光源からくる熱が、周辺
機器の温度を上昇させるために起こっていた故障を現象
させる結果となった。

【００１７】また、粒界に存在する不純物が少ないため
に、１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高い熱電導率が得られる。
従って熱応答性も非常に速く、短時間に熱的平衡に達す
るために、赤外線のパルス点灯光源としても使用でき
る。

【００１８】

【実施例】以下本発明の実施例を詳細に説明するが、本
発明はこれにより限定されるものではない。四塩化珪素
と、エチレンとを原料ガスとしてプラズマＣＶＤ法によ
り気相合成して得た平均粒子計０．０１μｍ、比表面積
９６ｍ²／ｇの非晶質炭化珪素超日粉末を５重量％と、
炭化珪素粉末として平均粒子径が０．７μｍ、ＢＥＴ比
表面積が１３ｍ²／ｇのβ型炭化珪素粉末９５重量％
を、メタノール中に分散せしめ、さらにボールミルで１
２時間混合した。

【００１９】ついで、この混合物を乾燥して内径１００
ｍｍの黒鉛製モールドに充填し、ホットプレス装置に
て、アルゴン雰囲気下、プレス圧４００ｋｇ／ｃｍ³、
焼結温度２２００℃の条件で９０分間焼結した。得られ
た炭化珪素焼結体の密度を調べたところ、３．１ｇ／ｃ
ｍ³であった。また、この焼結体の室温時における３点
曲げ強度は、ＪＩＳＲ−１６０１に準拠して測定した
ところ６４．３ｋｇ／ｍｍ³という結果が得られ、さら
に１５００℃における３点曲げ強度は、６８．５ｋｇ／
ｍｍであった。また、室温時における電気比抵抗値を四
端子法で測定したところ０．０５Ω・ｃｍという結果が
得られ、さらに室温時の熱電導率をレーザーフラッシュ
法で測定したところ、１９７Ｗ／ｍ．Ｋであった。ま
た、焼結体の表面を濃度１０％のフェロシアン化カリウ
ムでエッチングし、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により
焼結体の微細構造を調べたところ、ポアの大きさが１μ
ｍ以下であり、その数も少なく、非常に均質かつ緻密な
組織であることが判明した。

【００２０】ついで、この直径１００ｍｍ、厚さ５ｍｍ
の円板状炭化珪素焼結体をワイヤ放電加工により、図２
（１），（２）乃至図４（１），（２）に示すように切
り出し赤外線用光源の発光体１１，２１，３１を作成し
た。この赤外線用光源の発光体の構造は、細線化（幅
０．４ｍｍ）した部分を平面状にできるだけ重ね合わ
せ、細線化した線の１本１本が互いに輻射熱を受けるよ
うにし、さらに、微細な抵抗回路が密に形成されてなる
集中化された平面状のものとした。

【００２１】これらの例では発光体の先端部１２，２
２，３２の線幅は、図２乃至図４に示すように、炭化珪
素の比抵抗、熱伝導性から、０．４〜１．０ｍｍ程度と
したが、常温及び高温強度の向上と、耐酸化性、耐熱性
の向上により、本来、制約されるものではない。また、
先端部の線と線との幅は、放電加工のワイヤーの幅が最
低で０．２ｍｍなので、０．３ｍｍとしたが、本来制約
されるものではない。

【００２２】このようにして、先端部の線幅を０．４ｍ
ｍ、厚さ１．０ｍｍとして折り返し、線と線との間の寸
法を０．３ｍｍとした例示の形状の赤外線用光源を作成
した。赤外線用光源の詳細な寸法を図２乃至図４に示し
た。なお、ワイヤー放電加工はトランジスタパルス回路
方式の放電加工機を用いて行った。また、放電用ワイヤ
ーには外径が２ｍｍの黄銅のワイヤーを用い、加工条件
としては、加工電圧を５０Ｖ、パルス幅を１．２μｓｅ
ｃ、休止時間を２０μｓｅｃとした。

【００２３】放電加工を行なった後、放電加工面の表面
粗さを測定したところ、Ｒｍａｘが２．５μｍであり、
上記炭化珪素焼結体は放電加工性が良好であることが確
認された。そして、図１に示すように、アルミナで脚部
４２と絶縁板４５と板状及び半円板状に加工したものを
使用し、また、ニッケル板製の導電部材４３と電圧引加
用のニッケル製電極４４により赤外線用光源を組み立て
た。

【００２４】接合部分をメタライズするために、銀−銅
（２７ｗｔ％）−チタン（５ｗｔ％）の混合粉をスクリ
ーン油とともにめのう乳鉢で混合してスラリーとして塗
布し、真空雰囲気中（５×１０^-5Ｔｏｒｒ以下）、８７
０℃で熱処理してメタライズした。次に、銀−銅（２８
ｗｔ％）の薄膜を使用して、炭化珪素、アルミナ、ニッ
ケル薄板を、真空雰囲気中（５×１０^-5Ｔｏｒｒ以
下）、８５０℃で熱処理して、ろう付けした。また、ア
ルミナ絶縁板４５とニッケル製電極も、同様にメタライ
ズ、ろう付けし、図１のように、赤外線用光源として組
み立てた。

【００２５】本実施例に係る赤外線用光源の加熱実験の
結果を表１に示す。赤外線用光源に直流電圧を印加し
て、先端部温度が１０００℃以上になるところで安定さ
せたものである。なお、先端部の温度は、サーモビュア
で、放射率を０．８として測定し、電極部の温度はＫ熱
電対を用いて測定した。

【００２６】

【表１】

【００２７】この加熱実験の後、さらに５時間加熱を続
けたが、どの形状の炭化珪素発光体の先端部もほとんど
消耗が認められず、さらにこの加熱試験を１０回繰り返
した後でも先端部分及び炭化珪素とアルミナの接合部に
異常は認められなかった。また、最初の１０００℃の加
熱には３分程度かかるものの、電圧の印加を切ると約２
０秒で先端部は４００℃まで温度が低下し、その時点で
また印加すると、約５秒で１０００℃に到達した。この
ＯＮ／ＯＦＦを１０００回繰り返したが、炭化珪素先端
部分及び炭化珪素とアルミナの接合部にはほとんど異常
が認められたかった。

【００２８】また、電極部の温度上昇も有効に防止する
ことができた。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る赤外
線用光源によれば、耐酸化性、耐熱性、及び耐熱衝撃性
に優れ、酸化雰囲気中で好適に使用され、高輝度で放射
率が高く、平面状で光むらがなく、消費電力が小さい、
小型の電極部分へ熱伝導が少ない、即ち、電極部分の温
度上昇が少ないものとすることができる。

【００３０】よって、非常に低い消費電力で高輝度で放
射率の高い赤外線の面状光源が実現できるようになり、
損失の少ない、強い平行光束を取り出すことができるた
めに、赤外線分光計として、Ｓ／Ｎ比が大幅に向上でき
るようになった。さらに、従来必要であった電極部分の
水冷も不要となり、赤外線発光源及びその周辺装置の大
幅な小型化が可能になった。

【００３１】そして、熱応答性も非常に速く、短時間に
熱的平衡に達するために、赤外線のパルス点灯光源とし
ても使用できるようになった。このように、赤外線発光
源として、Ｓ／Ｎ比の高い、耐久性が高い、長寿命で、
かつ非常に小型化されたために、工業用から研究用にい
たるまで、広い範囲で赤外線発光分析計の用途が拡大さ
れ、産業上多大な効果を奏するものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る赤外線用光源を示す正面図、平面
図及び側面図である。

【図２】本発明に係る赤外線用光源の発光体の構成例を
示す平面図及び側面図である。

【図３】本発明に係る赤外線用光源の発光体の構成例を
示す平面図及び側面図である。

【図４】本発明に係る赤外線用光源の発光体の構成例を
示す平面図及び側面図である。

【符号の説明】

１発光体２電極部３脚部４導電部材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】焼結体密度が２．８ｇ／ｃｍ³以上であ
り、室温での電気比抵抗値が１Ω・ｃｍ以下である炭化
珪素焼結体からなる赤外線用発光体（１）と、該赤外線用発光体（１）と該赤外線用発光体（１）に電
力を供給する電極部（２）との間に介在して赤外線発光
体（１）から電極部（２）への熱の伝導を遮断する耐熱
材料製からなる脚部（３）と、電極部（２）から前記赤外線用発光体（１）へ通電する
ための導電部材（４）とを備えた赤外線用光源。
【請求項２】前記導電部材（４）を板状体とし、該導
電部材（４）の一側面上の一部位に前記赤外線用発光体
（１）を接合し、導電部材（４）の同一側面上の他の部
位に前記脚部（３）をそれぞれ接合することにより、前記赤外線用発光体（１）と、前記脚部（３）と、前記
導電部材（４）とを一体化したことを特徴とする請求項
１記載の赤外線用光源。
【請求項３】前記赤外線用発光体（１）と前記脚部
（３）とを接合して一体化すると共に、前記赤外線用発
光体（１）と前記脚部（３）とにまたがるように、蒸着
等で形成した薄膜を前記導電部材（４）として配設した
ことを特徴とする請求項１記載の赤外線用光源。
【請求項４】前記赤外線用発光体は、微細な抵抗回路
が密に形成されてなる集中化された平面状発光部を有す
ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の
赤外線用光源。
【請求項５】前記耐熱材料製脚部は、セラミックスか
らなる低熱伝導性材料で形成されてなることを特徴とす
る請求項１乃至４いずれかに記載の赤外線用光源。