(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
帯電させた試料を電極間で発生する電場により浮遊状態にして加熱処理を行う落下型の静電浮遊炉であって、炉本体の下側に、真空に掃気可能な落下チューブを鉛直にして接続し、炉本体内と落下チューブ内を連通状態にすると共に、落下チューブ内に試料を落下可能にしたことを特徴とする落下型静電浮遊炉。
【請求項２】
試料に対する加熱源が、炉本体の上側から導入したレーザ光であって、下部電極に、導入したレーザ光を試料に向けて集光照射する集光照射光学系を備え、落下チューブに対して下部電極を落下可能に配置すると共に、下部電極への通電を遮断すると同時に同下部電極を解放する電極保持機構を備えたことを特徴とする請求項１に記載の落下型静電浮遊炉。
【請求項３】
下部電極が、その下側に試料を通過させる開口部を有し、落下チューブの下端部分に、下部電極を受ける電極受けと、電極受けよりも下側で試料を受ける試料受けを備えたことを特徴とする請求項２に記載の落下型静電浮遊炉。
【請求項４】
落下チューブに、その内部空間を上下に仕切るゲートバルブを設け、上部空間内と下部空間内に対して夫々真空ポンプを備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の落下型静電浮遊炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、帯電させた試料を電極間で発生する電場により浮遊状態にして、この試料に加熱処理を行うのに用いる落下型静電浮遊炉に関するものである。
【背景技術】  一般に、静電浮遊炉は、真空に掃気可能な密閉空間内に、一対の電極と、電極間に浮遊させた試料に対して外部にて集光して導入したレーザ光を照射する光学系を備えており、密閉空間内を真空にすると共に、帯電させた試料を電極間で発生する電場により浮遊状態にし、この試料にレーザ光を照射して非接触で加熱処理するものである。
また、この種の静電浮遊炉は、より良好な試料の加熱処理を実現するために、無重量（微小重量を含む）環境で用いるのが望ましく、無重量環境を得る手段としては、宇宙航行体や航空機への搭載、又は当該静電浮遊炉を自由落下させる落下塔が挙げられていた。
しかしながら、静電浮遊炉に対して無重量環境を得る手段のうち、航空機を使用する場合には、重力レベルが１０−２Ｇ程度であり、無重量環境としては必ずしも充分なものではなかった。また、宇宙航行体や落下塔を使用する場合には、航空機に比べて重力レベルが１０−３Ｇ程度であり、無重量環境としては満足し得るものとなるが、この場合には、装置が大掛りになると共に、費用も膨大なものとなり、なお且つパラメータを変えながら数多くの実験を行うことも困難であるという問題点があった。
【発明の開示】
本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたもので、地上において比較的簡単な装置構成で充分な無重量環境を得ることができると共に、費用の大幅な低減を実現することができる落下型静電浮遊炉を提供することを目的としている。
本発明の落下型静電浮遊炉は、帯電させた試料を電極間で発生する電場により浮遊状態にして加熱処理を行う静電浮遊炉であって、炉本体の下側に、真空に掃気可能な落下チューブを鉛直にして接続し、炉本体内と落下チューブ内を連通状態にすると共に、落下チューブ内に試料を落下可能にしたことを特徴としている。
また、本発明の落下型静電浮遊炉は、試料に対する加熱源が、炉本体の上側から導入したレーザ光であって、下部電極に、導入したレーザ光を試料に向けて集光照射する集光照射光学系を備え、落下チューブに対して下部電極を落下可能に配置すると共に、下部電極への通電を遮断すると同時に同下部電極を解放する電極保持機構を備えたことを特徴としている。
さらに、本発明の落下型静電浮遊炉は、下部電極が、その下側に試料を通過させる開口部を有し、落下チューブの下端部分に、下部電極を受ける電極受けと、電極受けよりも下側で試料を受ける試料受けを備えたことを特徴としている。
さらに、本発明の落下型静電浮遊炉は、落下チューブに、その内部空間を上下に仕切るゲートバルブを設け、上部空間内と下部空間内に対して夫々真空ポンプを備えたことを特徴としている。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明の落下型静電浮遊炉の一実施例を説明する概略図であって、加熱処理初期の状態を示す断面図（ａ）、試料と下部電極が落下中である状態を示す断面図（ｂ）、及び試料と下部電極が落下した状態を示す断面図（ｃ）である。
【発明を実施するための最良の形態】  図１は、本発明の落下型静電浮遊炉の一実施例を示す図である。図１（ａ）に示す落下型静電浮遊炉１は、炉本体２の下側に、真空に掃気可能な落下チューブ３を鉛直にして接続し、炉本体２内と落下チューブ３内を連通状態にすると共に、落下チューブ３内に試料Ａを非接触状態で落下可能にしたものとなっている。
炉本体２は、落下チューブ３の接続部分を除いて密閉された空間４を形成すると共に、この密閉空間４に、上下で対向する上部電極５と下部電極６を備えており、図示は省略したが、複数のアクセス用ポートを備えると共に、試料Ａの供給装置、位置検出装置及び温度測定装置や、試料Ａを撮像するカメラ及び照明などの各種機器が取り付けられる。
また、当該静電浮遊炉１は、図外にレーザ発振器が配置してあって、試料Ａに対する加熱源が、炉本体２の上側から鉛直に導入する複数のレーザ光Ｌである。これに対して、下部電極６は、上側から導入した複数のレーザ光Ｌを中央の試料Ａに向けて集光照射する集光照射光学系７を一体的に備えると共に、落下チューブ３に対して試料Ａとともに非接触状態で落下可能に配置してあり、電極保持機構８により保持してある。この下部電極６は、中央部分に試料Ａが通過可能な開口部９を有している。
集光照射光学系７は、凹面集光反射鏡又は反射鏡と集光レンズを組み合わせて成るものであって、上側から導入した複数のレーザ光Ｌをほぼ水平に反射し且つ集光して試料Ａに集中照射し、試料Ａを均等に加熱する。電極保持機構８は、炉本体２内において、落下チューブ３の真上に下部電極６を保持しており、下部電極６を解放した際に同下部電極６への通電を遮断する機能を備えている。
落下チューブ３は、試料Ａに対して落下による無重量環境を所定時間だけ確保し得るように、適当な長さに設定することができ、下端部分に、落下した下部電極６を受ける環状の電極受け１０と、電極受け１０よりも下側で落下した試料Ａを受ける試料受け１１を備えると共に、落下した試料Ａ及び下部電極６を外部に取り出すための気密ドア１２が設けてある。
電極受け１０及び試料受け１１には、下部電極６及び試料Ａの落下衝撃を緩和するための衝撃吸収シートなどを用いることができるが、後記するように試料Ａのアモルファス化を行う場合には、試料Ａを叩き付けて急激に冷却凝固させるために、試料受け１１を金属等の剛体で形成する。
また、落下チューブ３は、下端近傍に、その内部空間を気密的に上下に仕切るゲートバルブ１３を備えており、上部空間１４Ａ内と下部空間１４Ｂ内に対して夫々真空ポンプ１５Ａ，１５Ｂを備えている。先述の電極受け１０及び試料受け１１は、下部空間１４Ｂ内に設けてある。なお、図示は省略したが、各空間１４Ａ，１４Ｂには夫々真空計が取り付けてある。
上記構成を備えた落下型静電浮遊炉１は、基本的には炉本体の下部に落下チューブを接続した比較的簡単な装置構成であり、設置場所にはほとんど制限がなく、具体的には企業、研究所及び学校などの様々な施設にも設置することが可能である。また、宇宙航行体や航空機又は落下塔を使用する場合に比べて費用を大幅に低減し得るものとなり、以下に述べるように充分な無重量環境を得ることが可能である。
すなわち、落下型静電浮遊炉１は、真空ポンプ１５Ａ，１５Ｂの少なくとも一方を作動させて炉本体２及び落下チューブ３の内部を真空（例えば１０−４Ｔｏｒｒ程度）に掃気する。この際、二つの真空ポンプ１５Ａ，１５Ｂを作動させれば、当然のことながら短時間で真空にし得る。その後、当該静電浮遊炉１では、試料Ａを帯電させ、帯電した試料Ａを上下の電極５，６間で発生する電場により浮遊状態にして、この試料Ａに複数のレーザ光Ｌによる加熱処理を行う。
そして、試料Ａが加熱により溶融したところで、電極保持機構８による下部電極６の保持を解除すると、下部電極６が落下チューブ３内でその内面に接することなく落下し、この際、電極保持機構８が電極解放と同時に下部電極６への通電を遮断するので、電場が消失して試料Ａも落下チューブ３内に落下する。このとき、落下チューブ３内は真空であるから、下部電極６と試料Ａは互いの位置関係を維持しつつ互いに同じ速さで落下する。このように試料Ａを自由落下させることにより、重力レベルで１０−３Ｇ程度又はそれ以上の充分な無重量環境を得ることができる。
また、当該静電浮遊炉１は、炉本体２の上側から複数のレーザ光Ｌを導入すると共に、下部電極６に集光照射光学系７が一体的に設けてあるので、下部電極６及び試料Ａの落下中においては、図１（ｂ）に示す如く、試料Ａに対して複数のレーザ光Ｌの集中照射が継続される。つまり、試料Ａは、電場による影響を何ら受けることなく、真空雰囲気で且つ落下による無重量環境下において非接触で均等加熱される。
ここで、従来の静電浮遊炉では、浮遊した試料の位置制御を行うために常に電場を作用させていたので、例え無重量環境であっても溶融した試料が電場の方向に変形することとなり、試料の溶融及び凝固において電場の影響を回避することが困難であった。これに対して、当該静電浮遊炉１では、電場の影響を完全に排除することができ、電場及び重力の影響が完全に無くなるまで試料Ａの溶融状態を保つことができるので、試料Ａの溶融や凝固を良好に行うことができる。
その後、当該静電浮遊炉１は、図１（ｃ）に示すように、下部電極６を電極受け１０で受ける直前にレーザ光Ｌの発信を停止するのに続いて、下部電極６の開口部９を通過した試料Ａを試料受け１１で受ける。これにより、当該静電浮遊炉１では、試料Ａを試料受け１１に達する直前まで加熱し続けた後、重力により試料Ａを試料受け１１に叩き付けて薄く潰すことにより、試料Ａを急激に冷却凝固させてアモルファス化させることができる。この際、下部電極６と試料Ａとが上下の受け１０，１１で分離されるので、溶融した試料Ａが下部電極６に付着することもない。なお、図１（ｃ）は変形した試料ではなく、球形に凝固した試料Ａを示している。
また、上記の加熱処理後には、ゲートバルブ１３を閉じて上部空間１４Ａと下部空間１４Ｂを気密的に分離し、下部空間１４Ｂを大気に開放し、気密ドア１２から試料Ａ及び下部電極６を取り出す。このようにゲートバルブ１３を用いることにより、炉本体２及び上部空間１４の内部を真空状態に維持することができ、次の実験を行う際には、真空ポンプ１５Ｂで下部空間１４Ｂ内を真空に掃気してからゲートバルブ１３を開けば良く、短時間での準備が可能である。
以上のように、当該静電浮遊炉１は、地上で用いることができ、比較的簡単な装置構成であると共に、試料Ａに電場の影響を全く与えることなく、少なくとも宇宙航行体や落下塔を使用した場合に匹敵する充分な無重量環境下において試料Ａを非接触で加熱処理することができ、パラメータを変えながら数多くの実験を行うことにも容易に対処することができる。また、従来のように落下塔を使用する場合には、静電浮遊炉自体を落下させるので、装置が非常に大掛りなものとなるが、当該静電浮遊炉１は、試料Ａ及び下部電極６を落下させるだけなので、落下型のものとしては構造がきわめてシンプルである。
なお、本発明に係わる落下型静電浮遊炉は、その構成が上記実施例に限定されることはなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の細部を適宜変更することができる。また、上記実施例では、試料Ａを落下させながら加熱を継続し、最終的に試料Ａをアモルファス化する場合を説明したが、炉本体２内で試料Ａを加熱溶融させた後、アモルファス化の例のように、下部電極６を試料Ａとともに落下させ、電場及び重力の影響がなくなるまで試料Ａの溶融状態を維持したうえで同試料Ａを凝固させる方法に加え、簡易的には、電極５，６への通電を遮断して電場を消失させることにより、試料Ａのみを落下させるようにしても良く、このようにすれば、電場の影響を排除したうえで、充分な無重量環境下において試料Ａを凝固させることができる。この場合には、凝固した試料Ａの破損を防ぐために、試料受け１１に衝撃吸収シート等の緩衝材を設けることが望ましい。
【産業上の利用可能性】  本発明の落下型静電浮遊炉によれば、炉本体の下側に落下チューブを接続した比較的簡単な装置構成であると共に、炉本体内で加熱した試料を落下チューブ内で落下させることにより同試料に対して充分な無重量環境（１０−３Ｇ程度の重力レベル）を得ることができ、例えば加熱溶融した試料を凝固させる場合には、充分な無重量環境であるうえに電場の影響をも排除して試料の凝固を良好に行うことができる。また、宇宙航行体や航空機又は落下塔を使用する場合に比べて費用を大幅に低減することができるほか、パラメータを変えながら数多くの実験を行うことにも容易に対処することができる。
また、本発明の落下型静電浮遊炉の好適な例によれば、落下チューブ内において、試料とともに集光照射光学系を備えた下部電極を落下させることにより、落下中の試料をレーザ光で加熱し続けることが可能となる。つまり、落下による無重量環境下で試料の溶融状態を保つことができ、この際、下部電極への通電を遮断することから、電場の影響をも排除して試料の加熱及び凝固を行うことができる。
さらに、本発明の落下型静電浮遊炉の好適な例によれば、とくに試料受けを金属等の剛体で形成し、試料が試料受けに達する直前までレーザ光による加熱を行って試料を試料受けに重力で叩き付けることにより、同試料を急激に冷却凝固させてアモルファス化することができる。また、下部電極と試料とが上下の受けで分離されるので、溶融した試料が下部電極に付着するような事態も防止し得る。
さらに、本発明の落下型静電浮遊炉の好適な例によれば、二つの真空ポンプにより炉本体内及び落下チューブ内を短時間で真空にすることができ、とくに落下チューブ内に落下した試料や下部電極を取り出す際には、ゲートバルブを閉じて下部空間のみを大気に開放することにより、炉本体内及び上部空間内の真空状態を維持することができ、次の実験を行う際には、下部空間内を真空にしてゲートバルブを開けばよいので、準備を短時間で行うことができる。
【図１】
0004439513.tif 000002