(57)【要約】 【課題】マイクロ波加熱装置内に被加熱体とともにマイクロ波吸収体を配置し、マイクロ波吸収体を加熱し、その輻射熱又は伝熱により被加熱体を加熱することにより、マイクロ波加熱方法の適用対象を拡大する。【解決手段】シリコンまたはシリコンを有する加熱用マイクロ波吸収体とする。５〜１５ｍｏｌ％Ａｌ２Ｏ３の範囲では、約８００°Ｃの極めて高い到達温度となり、高温用のマイクロ波加熱装置に適用できる。例えばＰＺＴ系セラミックスを焼成する焼成装置に適用できる。１５〜３５ｍｏｌ％Ａｌ２Ｏ３の範囲では、中高温用のマイクロ波加熱装置として適用できる。３５〜８０ｍｏｌ％Ａｌ２Ｏ３の範囲では、精密に到達温度を制御することができる中温用のマイクロ波加熱装置に適用できる。８０〜９０ｍｏｌ％Ａｌ２Ｏ３の範囲では、低温用のマイクロ波加熱装置として適用できる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンまたはシリコンを含有する加熱用マイクロ波吸収体。
【請求項２】
シリコンを耐熱性材に分散または含浸していることを特徴とする請求項１記載の加熱用マイクロ波吸収体。
【請求項３】
シリコンまたはシリコンを含有する加熱用マイクロ波吸収体を被加熱体とともに配置し、該加熱用マイクロ波吸収体にマイクロ波を照射して被加熱体を加熱するマイクロ波加熱装置。
【請求項４】
マルチモード共振器によるマイクロ波加熱装置内に、シリコンまたはシリコンを含有する加熱用マイクロ波吸収体を被加熱体であるチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスとともに配置し、該加熱用マイクロ波吸収体および該被加熱体にマイクロ波を照射するチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスの焼成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波加熱装置内に被加熱体とともに配置し、マイクロ波を吸収して加熱するマイクロ波吸収体、及びこの加熱されたマイクロ波吸収体により被加熱体を加熱するマイクロ波吸収体を利用した加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ波加熱方法は、物質内部より自己発熱させる方法で、外部からの熱の移動による外部加熱方式に比べて、急速かつ均一加熱が可能であり、加熱効率が良くまた選択加熱ができるなど多くの利点を有している。ここで、加熱は被加熱体の誘電特性に基づく自己発熱であり、被加熱体の誘電特性などの性質に依存している。従って、マイクロ波透過性の被加熱体では、誘電特性によって目的の到達温度に達しないものがあり、その利用は限定されている。
【０００３】
マイクロ波加熱方法の適用対象を拡大する一方策として、マイクロ波加熱装置内に被加熱体とともにマイクロ波吸収体を配置し、マイクロ波吸収体を加熱することによって、その輻射熱や伝熱により被加熱体を加熱する方法が提唱されている。
【０００４】
従来、マイクロ波吸収体として、ＳｉＣやＺｎＯなどのセラミックス系のものが知られているが、特定の到達温度に限定され、低温から高温まで種々の目的に応じた到達温度が得られていない。
【０００５】
また、多くのセラミックスの焼結に適用を図る開発も行われている。しかし多くのセラミックスの焼結には、約１２００°Ｃを越える加熱が必要であり、また、セラミックスによっては誘電特性が温度の上昇とともに変化したり、さらには、局所的に異なる誘電特性を有しているものがある。このようにセラミックスの焼結にマイクロ波加熱方法を適用することは、焼結できなかったり、焼きむらを生じるなど、その焼結条件が複雑であり、更なる研究が望まれている。
【０００６】
一例として、チタン酸ジルコン酸鉛（以下、ＰＺＴと表す。）やＰＬＺＴ（ランタン置換チタン酸ジルコン酸鉛）などのＰＺＴ系セラミックスについて説明すると、ＰＺＴ系セラミックスは、圧電ブザー，センサー用、圧電アクチュエーター、スピ−カ、携帯電話レシーバ用などに広く使われ、機械電気エネルギー変換用の素材として重要なセラミックスである。
【０００７】
しかしながら、ＰＺＴ系セラミックスは、８００°Ｃ付近で誘電率が急変する強誘電体であり、マイクロ波加熱によって焼成（焼結）すると、内部の局所的な誘電損率の不均一から、いわゆるランナウエイ現象による焼きむらが発生し、均質な焼結体を得ることができないために、現在では外部加熱方式が一般的に採用されている。
【０００８】
ＰＺＴ系セラミックスをマイクロ波加熱装置により焼結する発明が、特許文献１や特許文献２などに開示されている。
特許文献１、特許文献２では、電子レンジのように多数の電磁界モードが存在するマルチモード共振器では、電界の不均一により被加熱物に温度分布を生じて焼きむらを生じたり、エネルギー効率が悪く高温まで加熱できないとの知見の下に、電磁界を一カ所に集中できるシングルモードの空洞共振器を用いている。そして、この空洞共振器内の電界強度の最大のところにＳｉＣからなるマイクロ波吸収体と被焼成体を配置したマイクロ波加熱装置によって、焼きむらの無い均質な焼結体を得ることができるとしている。
【０００９】
この特許文献１、特許文献２に開示されたマイクロ波加熱装置では、一枚の被焼結体であるＰＺＴ板の両面にマイクロ波吸収体であるＳｉＣ板を絶縁板を介して積層状に重ねて配置し、低温域でマイクロ波吸収体を加熱し、主として伝熱により被焼結体を加熱している。
【００１０】
【特許文献１】特開平４−２０８４０１号公報
【特許文献２】特開平６−１７２０１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の第１の目的として、急速かつ均一加熱が可能であり、加熱効率が良くまた選択加熱ができるなど多くの利点を有しているマイクロ波加熱方法の適用対象を拡大するために、低温から高温までの適用範囲が広く、また温度制御が容易な加熱用マイクロ波吸収体を得ることにある（請求項１，２）。また、そのマイクロ波吸収体を利用した加熱装置を提供することにある（請求項３）。
【００１２】
また、本発明の加熱用マイクロ波吸収体を利用する一例として、特にマイクロ波加熱方法の適用が困難とされているＰＺＴ系セラミックスの焼結に適用することを第２の目的としている。
すなわち、特許文献１や特許文献２に示されているシングルモードのマイクロ波加熱装置では、バッチ装置として高価であるばかりか、連続加熱装置に適用することが困難である。そこで、安価でかつ連続加熱装置化が容易なマルチモード共振器による加熱装置により、ＰＺＴ系セラミックスを焼成できる焼成装置を提供することである（請求項４）。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
請求項１の発明では、シリコンまたはシリコンを有する加熱用マイクロ波吸収体としている。
【００１４】
シリコンは、融点が１４２０°Ｃと高温であるばかりか空気中では４００°Ｃ以上で酸素と、また１０００°Ｃ以上では窒素と反応するが、これらの反応物はシリコン表面に化学的に安定した被膜を形成して長期安定性に優れた単体半導体である。発明者らは加熱用マイクロ波吸収体としてシリコンに着目して発明を完成した。
最も高温用の加熱用マイクロ波吸収体として、ブロック状のシリコンや単結晶からなるシリコンウェハを使用することができる。
【００１５】
また、シリコン単独ではなく、シリコンを耐熱性材と複合化することによって、マイクロ波吸収体を容易に成形することができ、また到達温度を制御することができる。これには、シリコン粉末と耐熱性材粉末とを混合・成形・焼成して、シリコンを分散した加熱用マイクロ波吸収体としたり、耐熱材にシリコンを含浸させた加熱用マイクロ波吸収体とするなど種々の形態を採用することができる（請求項２）。
【００１６】
耐熱性材としては、目的に応じてＡｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＺｎＯなどの酸化物やＳｉＣなどの炭化物など、耐熱性のある材料であれば広く選択することができる。到達温度は、シリコンの含有率のみならず、これら耐熱性材のマイクロ波透過性にも関係するために、目的に応じて耐熱性材を適宜選択する。なお、本明細書では、耐熱性材の語を、マイクロ波加熱により到達した温度で、変形・溶融・変質などを生じない性質を有する材料を意味し、到達温度との関係で使用している。
【００１７】
因みに後述する実施例に示すマイクロ波吸収体を一例として、発明の作用を説明する。すなわち、シリコン粉末と耐熱材のＡｌ２Ｏ３粉末を混合して焼成し、全質量２．５ｇｒとしたマイクロ波吸収体を、マルチモード共振器によるオーブン（６００Ｗ、２４５０ＭＨＺ）により加熱した場合には、到達温度に以下の特性を示す。
【００１８】
５〜１５ｍｏｌ％Ａｌ２Ｏ３のシリコン含有量が多い範囲では、約８００°Ｃの極めて高い到達温度となり、また、この組成範囲でほぼ一定の到達温度が得られる。このことは、ＳｉＣやＺｎＯなどのセラミックス系のマイクロ波吸収体と比較して極めて高温が得られ、高温用のマイクロ波加熱装置に適用できる。
【００１９】
１５〜３５ｍｏｌ％Ａｌ２Ｏ３の範囲では、アルミナの含有量の増加に伴って到達温度が急減し、中高温用のマイクロ波加熱装置として適用できる。
【００２０】
３５〜８０ｍｏｌ％Ａｌ２Ｏ３の範囲では、温度勾配の小さな直線関係が成立しており、精密に到達温度を制御することができ、中温用のマイクロ波加熱装置に適用できる。８０〜９０ｍｏｌ％Ａｌ２Ｏ３の範囲では、アルミナの含有量の増加に伴って到達温度が急減し、低温用のマイクロ波加熱装置として適用できる。また、９０ｍｏｌ％Ａｌ２Ｏ３以上の範囲では、アルミナ単独で得られる到達温度よりもわずかに上昇し、１００°Ｃ以下の極低温用のマイクロ波加熱装置として適用できる。
【００２１】
請求項３の発明では、シリコンまたはシリコンを有する加熱用マイクロ波吸収体を被加熱体とともに配置し、加熱用マイクロ波吸収体にマイクロ波を照射して被加熱体を焼成するマイクロ波加熱装置としている。
これにより、マイクロ波により、加熱用マイクロ波吸収体はその誘電損率（＝誘電率×誘電正接）に基づいて発熱し、昇温する。発熱した加熱用マイクロ波吸収体により、その輻射熱または伝熱によって、被加熱体が加熱される。
【００２２】
請求項４は、ＰＺＴ系セラミックスを被加熱体とし、マルチモード共振器を使用した焼成装置としている。マイクロ波加熱装置内に、シリコンまたはシリコンを有する加熱用マイクロ波吸収体を被加熱体である未焼成のＰＺＴ系セラミックスとともに配置し、マイクロ波吸収体および被加熱体にマイクロ波を照射する。マイクロ波により、マイクロ波吸収体はその誘電損率に基づいて発熱し、８００°Ｃ付近まで加熱される。この加熱されたマイクロ波吸収体による輻射熱または伝熱を主な熱源としてＰＺＴ系セラミックスも加熱される。８００°Ｃ付近に至るとＰＺＴ系セラミックスの誘電損率が大きく変化して、ＰＺＴ系セラミックス自体がマイクロ波加熱され、焼結温度である１２００°付近まで温度上昇して焼結する。
【発明の効果】
【００２３】
請求項１の発明のシリコンまたはシリコンを含有する加熱用マイクロ波吸収体とすることによって、低温から高温まで広い温度範囲の加熱に適用できる効果を奏する。
【００２４】
請求項２の発明では、低温から高温まで広い温度範囲の加熱にマイクロ波加熱装置を適用できる効果を奏する。
【００２５】
請求項３の発明では、シリコンまたはシリコンを有する加熱用マイクロ波吸収体を被加熱体とともに配置して、そのマイクロ波吸収体にマイクロ波を照射することで、適用範囲の広いマイクロ波加熱装置とすることができる。
【００２６】
請求項４の発明では、マルチモード共振器によるマイクロ波加熱装置内に、シリコンまたはシリコンを有する加熱用マイクロ波吸収体を被加熱体であるチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスとともに配置し、そのマイクロ波吸収体およびチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスにマイクロ波を照射することによって、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスを均一に焼結できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
シリコンまたはシリコンを含有する加熱用マイクロ波吸収体によって、適用の範囲の広いマイクロ波加熱装置を実現した。
【実施例】
【００２８】
（マイクロ波吸収体の加熱試験）
シリコンは入手容易なシリコン粉末を使用した。また、シリコン粉末単独では成形が困難であることから、耐熱性に優れたアルミナ粉末と混合することによってマイクロ波吸収体を作成した。シリコン粉末として純度９９．９９％、平均粒子径４００μｍ以下のものを使用した。またアルミナは大名化学工業株式会社製、純度９９．９９％を使用した。シリコンとアルミナを所定の割合に調合し、混合した粉末を金網を通して投入し、プレス機により９８ＭＰａで加圧成形した。２４時間乾燥した後、７６０°Ｃで３時間焼成し、直径ｄが２．２ｍｍ、厚さｈが２．７〜３．５ｍｍ、一定質量２．５ｇｒの図１に示す円盤状に成形したマイクロ波吸収体１を得た。なお、シリコン粉末を使用したため５ｍｏｌ％Ａｌ２Ｏ３未満では、マイクロ波吸収体を成形できなかった。
【００２９】
マルチモード共振器によるオーブン（６００Ｗ、２４５０ＭＨＺ）内に断熱材を置き、この上にマイクロ波吸収体の試料を置いて、加熱試験を行った。
【００３０】
この加熱試験の結果、１〜３分でほぼ一定の到達温度に達した。そして、５分と１０分加熱した試験から、図２に示すアルミナの含有量と到達温度との関係が得られた。この結果、アルミナの配合量が増加するほど到達温度が低下することが判明した。
【００３１】
また、アルミナの含有量と到達温度の関係において、図２中にＩ〜Ｖに区分される５つの範囲に大別されることも判明した。すなわち、５〜１５ｍｏｌ％Ａｌ２Ｏ３の範囲Ｉでは、約８００°Ｃの高温となり、またアルミナ含有量に関係なくほぼ一定の到達温度が得られている。この範囲Ｉでは、シリコンが主として支配する到達温度範囲である。
【００３２】
１５〜３５ｍｏｌ％Ａｌ２Ｏ３の範囲IIでは、シリコンとアルミナの生成物が依存する到達温度範囲への遷移範囲であり、アルミナの含有量の増加によって到達温度が急激に低下している。３５〜８０ｍｏｌ％Ａｌ２Ｏ３の範囲IIIでは、約４００°Ｃから１００°程度緩やかに到達温度が低下する到達温度範囲であり、温度勾配の小さな直線関係が成立している。なお、範囲IIIでは、シリコンとアルミナとの何らかの生成物に依存していると思われる。８０〜９０ｍｏｌ％Ａｌ２Ｏ３の範囲IVは、アルミナが主に支配する到達温度範囲への遷移範囲であって、アルミナの含有量の増加によって到達温度が２００°近く急激に低下している。また、９０ｍｏｌ％Ａｌ２Ｏ３以上の範囲Vは、アルミナが主に支配する到達温度範囲である。得られた結果から、範囲Ｉでは、８００°Ｃ程度の極めて高温が得られること、また、アルミナの含有量に余り関係なく一定の到達温度が得られる。３５〜８０ｍｏｌ％Ａｌ２Ｏ３の広い範囲IIIでは、温度勾配の小さな直線関係が成立しており、精密な到達温度を得ることができる。
【００３３】
次に、３５〜５０ｍｏｌ％Ａｌ２Ｏ３の範囲IIIについて、シリコン粉の質量を１ｇｒと一定質量とし、これにアルミナ粉を混合した試料を作成して、試料全体の質量を一定にした前述の試料との比較を行ったが、到達温度に大きな相違は見られなかった。これは範囲IIIでは、発熱体の発熱量と放熱量のバランスによりほぼ同じ到達温度になったと考えられる。
【００３４】
（ＰＺＴの焼成試験）  
次に、特許文献１や特許文献２に示されているように、高温を得られないためにＰＺＴの焼成（焼結）が困難とされているマルチモード共振器によるオーブン（６００Ｗ、２４５０ＭＨＺ）により、焼成（焼結）試験を行った。
【００３５】
マイクロ波吸収体１として、１５ｍｏｌ％Ａｌ２Ｏ３以下の範囲Ｉでアルミナ含有量に関係なく高温かつほぼ一定の到達温度が得られたことから、上述したマイクロ波吸収体の加熱試験において製作した９０ｍｏｌ％Ｓｉー１０ｍｏｌ％Ａｌ２Ｏ３の組成のものを使用した。
【００３６】
ＰＺＴの試験試料を次のように製作した。化学量論的な配合になるようにＰｂＯ、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２ の各粉末にバインダとしてＰＶＡ（ポリビニールアルコール）を添加し、ボールミルにより混合した。この混合粉末を８００〜１０００°Ｃで仮焼して分解するとともに固相熱化学反応により固溶体化した。次にサブミクロンオーダーまで粉砕した後、有機バインダーを添加して、２〜３ｍｍの団粒を作成し、乾式手動プレス機により３ｔｏｎ／ｃｍ２の成形圧により、図１に示すように直径ｄを２５ｍｍ、厚さｈを４ｍｍの円盤状の成形体を得た。これを昇温速度１３°Ｃ／ｈｒで昇温し、２時間５００°Ｃに保持し、その後炉冷して、ＰＺＴの試験試料２を得た。
【００３７】
試験は、図３に示すように、縦１１０ｍｍ、横１５０ｍｍ、厚さ２２ｍｍの断熱板３に、対角線距離１８ｍｍになる差込スリット４を四方に形成し、これにマイクロ波吸収体１を差込み、起立して配置した。この４枚のマイクロ波吸収体１の中央にＰＺＴの試験試料２を接触しないように配置した。断熱板２上に縦２０ｍｍ、横２０ｍｍ、厚さ１ｍｍのアルミナ板を配置し、断熱蓋５を被せて、箱状に密閉した。
【００３８】
箱状に構成した断熱板２と断熱蓋５をオーブン（６００Ｗ、２４５０ＭＨＺ）内にセットして加熱した。試料の割れの発生を防ぐために最初に出力を１７０Ｗで約５分加熱処理し、５００℃に達した後、６００Ｗ出力で２０、６５、１２５分間加熱した（実施例１〜３）。また、試料温度は側面の測温用孔６から輻射式温度計で測定した。表１に示す実施例１〜３の結果が得られた。なお、表１中、実施例１〜３における焼成時間とは、５００°Ｃに達した後に、６００Ｗ出力によるマイクロ波加熱を開始後の焼成時間である。
【００３９】
参考のため、ＰＺＴの試験試料２のみを配置し６００Ｗ出力によるマイクロ波加熱したところ、１２５分行っても５００°Ｃ以上に昇温することはなく、焼結しなかった。これによって、マイクロ波吸収体を配置する意義が確認された。
【００４０】
【表１】
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【００４１】
また、ＰＺＴの焼結方法として従来から一般的に行われている外部加熱により得られている従来品を比較例１として挙げた。次に、実施例１〜３及び比較例１について、諸特性を測定した。
【００４２】
電気機械結合係数（Ｋｒ）の測定は、次のようにして行った。すなわち、焼成した試験試料をラップ加工した後、銀電極をスクリーン印刷して７００〜８００°Ｃで焼き付けした。その後８０°Ｃ、２．５ｋＶ／ｍｍの分極電界中で１０分間保持して、等方性微結晶軸の特定方向に揃えて圧電性を与えた。そして、インピーダンスアナライザーを用いて、共振周波数と反共振周波数を測定し、その周波数から結合係数を算出する共振反共振法を採用して、セラミック振動子の直列・並列共振周波数の間隔Δｆを測定することにより、圧電特性をである電気機械結合係数Ｋｒを測定した。
【００４３】
この結果、外部加熱した比較例１とマイクロ波加熱した実施例１〜３の電気機械結合係数Ｋｒがほぼ同程度であり、遜色ない圧電特性が得られた。
【００４４】
また、機械的強度（Ｈv硬度）については、実施例１〜３の方が比較例１よりも高くなった。この理由を探るために断面のＳＥＭ像を観察したところ、比較例１に比較して、実施例１〜３では、粒界が滑らかであった。これは、マイクロ波焼結では、粒界が加熱され易いことから、粒界内よりも粒界が先に高温になって焼結を始めることがその理由と考えられる。また、実施例１〜３を比較すると、焼結温度が高いほど嵩密度は高くなっている。
【００４５】
以上から、外部加熱による従来品と比べ、マイクロ波焼成では、焼結時間はかなり短く、焼結温度も低いけれどもほぼ同程度の性能を有するＰＺＴの焼成が可能であり、また、温度が高いほど嵩密度は高いことが分かった。
【００４６】
さらに、特許文献１や特許文献２に述べられているように、従来焼成できないとされていたオーブンをマイクロ波発信装置として、ＰＺＴの焼成が可能であることが判明した。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】マイクロ波吸収体またはＰＺＴ試験試料の斜視図
【図２】マイクロ波吸収体におけるアルミナ含有率と到達温度の関係を示すグラフ
【図３】ＰＺＴを焼結する際のマイクロ波吸収体とＰＺＴの配置を示す一部切欠斜視図
【符号の説明】
【００４８】
１…マイクロ波吸収体
２…ＰＺＴ
３…断熱板
４…スリット
５…断熱蓋
６…測温用孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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