(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下方向に延びる炉芯管の中間部位置の軸心部に設定した試料浮遊位置を上下両側から挟むように該炉芯管の外側面に、上下一対の浮遊コイル及び加熱コイルをそれぞれ取り付けて、上下の浮遊コイルに流す逆向きの高周波電流により上記試料浮遊位置に試料を浮遊させると共に、上下の加熱コイルに流す同方向の高周波電流により上記試料を加熱溶融させ、該試料浮遊位置にて加熱溶融される試料の挙動を、炉芯管外部の側方位置に装備した観察装置により炉芯管を通して観察できるようにしてある電磁浮遊炉における上記炉芯管の内側に、該炉芯管よりも小径で閉塞した下端部の内底部に試料を載置するための試料ホルダを設けてなる内筒管を、上記試料浮遊位置を取り囲むように上記炉芯管と同軸心上に配置して、上記試料浮遊位置の周囲が内筒管と炉芯管による二重管構造となるようにした構成を有することを特徴とする電磁浮遊炉の炉芯管汚れ防止装置。
【請求項２】
内筒管の内径よりも小さい外径を有する上部内筒管を、下端が試料浮遊位置の上方位置に達するように内筒管内に上方より挿入させてあり、該内筒管の内周面と上記上部内筒管の外周面とを摺動させて上下方向に相対変位できるようにして、上記内筒管の試料浮遊位置よりも上方位置から上端までの内周面を上部内筒管により保護できるようにし、更に、該内筒管の下端に、内筒管移動機構部の昇降ロッドの上端部が連結してあり、該内筒管移動機構部により、内筒管を一定速度で昇降動作できるようにした請求項１記載の電磁浮遊炉の炉芯管汚れ防止装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電磁浮遊炉にて蒸気圧の高い物質を試料として用いるときにも、炉芯管内面の汚れや曇りを防止することができて、試料の観察性が阻害されないようにするための電磁浮遊炉の炉芯管汚れ防止装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体や金属等の物性を計測する手法の１つとしては、物性計測対象となる半導体や金属の試料を溶融状態とし、その挙動から表面張力や粘性等の熱物性値を取得する方法がある。
【０００３】
かかる物性計測手法を実施する場合、従来、地上（重力環境下）においては、重力に起因する熱対流や重力自体の影響等から精密な熱物性値を取得することは極めて困難であったが、近年、図３に概略を示す如く、地下に垂直に掘ったドロップシャフト１内に、地上の落下塔２から落下カプセル３を自由落下させ、この自由落下する落下カプセル３内に、１０−５Ｇレベルの微少重力環境（マイクログラビティ：μＧ）を短時間（約１０秒間）形成させることができるようにしてある落下型無重力実験施設において、上記落下カプセル３内に搭載した物性計測実験装置としての電磁浮遊炉を用いることにより、計測対象試料を浮遊させながら加熱溶融させ、この状態で落下カプセル３を自由落下させて微少重力環境を形成させることにより、上記浮遊状態で、加熱溶融された試料の挙動を、重力の影響を取り除いた微少重力環境下で観察して、対象試料の精密な熱物性値を計測することが行われてきている。
【０００４】
上記物性計測のため落下カプセル３内に搭載される電磁浮遊炉は、電磁誘導で試料の浮遊及び加熱を行う装置であり、図４にその一例の概略を示す如く、ある所要長さの炉芯管４を上下方向に配して、その上下両端部をそれぞれ上部及び下部の炉芯管支持部材５ａ，５ｂにて支持させ、該炉芯管４の中間部分における軸心位置に、試料浮遊位置６を設定して、該試料浮遊位置６よりもやや下方位置となる炉芯管４の内側に、物性計測すべき試料７を載置する試料ホルダ８を設け、且つ上記試料浮遊位置６を挟むようにした上下両側位置の炉芯管４の外側面に、上下方向でそれぞれ対をなす浮遊コイル９ａ，９ｂと加熱コイル１０ａ，１０ｂとを取り付け、上下の浮遊コイル９ａ，９ｂに逆向きの高周波電流を流すことにより、図４に二点鎖線で示す如き試料ホルダ８上に載置された試料７に誘導電流を誘起して、この試料７に誘起された誘導電流と浮遊コイル９ａ，９ｂの電流との反発により図４に実線で示す如く試料７を試料浮遊位置６にて浮遊させると共に、上下の加熱コイル１０ａ，１０ｂに同方向の高周波電流を流すことにより試料７に誘導電流を流し、この誘導電流によるジュール熱により試料７を加熱して溶融させることができるようにしてあり、更に又、上記試料浮遊位置６の側方となる炉芯管４の外部位置に、ＣＣＤカメラ等の観察装置１１を上記試料浮遊位置６に向けて装備した構成としてある。
【０００５】
かかる構成の電磁浮遊炉を用いて半導体や金属の物性計測を行う場合は、先ず、物性計測を所望する物質の球形に成形した試料７を、試料ホルダ８上に載置した後、上部或いは下部の炉芯管支持部材５ａ，５ｂ側に接続して備えた図示しない真空ポンプやガス置換装置を用いて上記炉芯管４内部の真空吸引やガス置換等の実験前準備作業を行い、次に、浮遊コイル９ａ，９ｂと加熱コイル１０ａ，１０ｂにそれぞれ所定の高周波電流を流して、上記試料７を試料浮遊位置６に浮遊させると共に試料７が所定の目標温度に達するまで加熱し、次いで、試料７が目標温度に到達した時点で落下カプセル３の自由落下を開始させることにより微少重力環境を形成させて、該微少重力環境下において試料浮遊位置６にて浮遊状態で加熱溶融される試料７の挙動を、観察装置１１により観察するようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の如き微少重力環境下にて電磁浮遊炉を用いて行う物性計測は、当初は蒸気圧の低い物質、すなわち、蒸発し難い物質を計測対象試料７とした実験が主であったため、あまり問題が生じることはなかったが、蒸気圧の高い物質の物性を計測しようとすると、試料７を加熱溶融する際に発生する該試料７の蒸気により炉芯管４の内面が汚れて、すぐに曇ってしまい、試料浮遊位置６にて浮遊状態で加熱溶融させた試料７の観察が困難になるという問題が生じ、このため頻繁に炉芯管４の清掃や交換が必要となることから、その清掃作業や交換作業に多くの時間を要するという問題がある。
【０００７】
因みに、蒸気圧の高い物質の物性計測を行う場合に生じる炉芯管４の曇りを防止する手法としては、炉芯管４の内部にガスフローを形成させ、このガスフローにより計測対象試料７の蒸気を炉芯管４内より吹き流して除去させることも考えられるが、この場合、リソースの問題や、加熱溶融させる試料７の温度低下の問題が生じるため採用は困難である。
【０００８】
そこで、本発明は、電磁浮遊炉にて蒸気圧の高い物質を計測対象試料とする場合にも該試料の蒸気による炉芯管内面の汚れに起因する曇りを防止でき、浮遊状態にて加熱溶融される試料の観察性が低下することを防止できる電磁浮遊炉の炉芯管汚れ防止装置を提供しようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、上下方向に延びる炉芯管の中間部位置の軸心部に設定した試料浮遊位置を上下両側から挟むように該炉芯管の外側面に、上下一対の浮遊コイル及び加熱コイルをそれぞれ取り付けて、上下の浮遊コイルに流す逆向きの高周波電流により上記試料浮遊位置に試料を浮遊させると共に、上下の加熱コイルに流す同方向の高周波電流により上記試料を加熱溶融させ、該試料浮遊位置にて加熱溶融される試料の挙動を、炉芯管外部の側方位置に装備した観察装置により炉芯管を通して観察できるようにしてある電磁浮遊炉における上記炉芯管の内側に、該炉芯管よりも小径で閉塞した下端部の内底部に試料を載置するための試料ホルダを設けてなる内筒管を、上記試料浮遊位置を取り囲むように上記炉芯管と同軸心上に配置して、上記試料浮遊位置の周囲が内筒管と炉芯管による二重管構造となるようにした構成とする。
【００１０】
電磁浮遊炉を用いて計測対象試料の物性計測を行う場合、浮遊コイルと加熱コイルの作用により試料を試料浮遊位置にて浮遊させると共に加熱溶融させると、上記試料が蒸気圧の高い物質の場合には、試料の加熱溶融に伴い該試料の蒸気が発生するが、上記試料浮遊位置の炉芯管の内側には内筒管が配置されているため、炉芯管の内面が試料の蒸気により汚れて曇ることは防止されることになる。
【００１１】
又、内筒管の内径よりも小さい外径を有する上部内筒管を、下端が試料浮遊位置の上方位置に達するように内筒管内に上方より挿入させてあり、該内筒管の内周面と上記上部内筒管の外周面とを摺動させて上下方向に相対変位できるようにして、上記内筒管の試料浮遊位置よりも上方位置から上端までの内周面を上部内筒管により保護できるようにし、更に、該内筒管の下端に、内筒管移動機構部の昇降ロッドの上端部が連結してあり、該内筒管移動機構部により、内筒管を一定速度で昇降動作できるようにした構成とすることにより、内筒管の内周面が試料の蒸気により汚染されて曇ったときに、上記内筒管を所要量下降させることで、それまで上部内筒管により保護されていた清浄な内周面を有する部分の内筒管の管壁を、試料浮遊位置の周囲に露出させることができるため、上記内筒管の曇りを容易に解消できて、試料浮遊位置にて浮遊状態で溶融される試料の観察性が低下することを防止でき、更に、内筒管を昇降ロッドを介して下降させることにより、試料浮遊位置の周囲に、それまで上部内筒管に保護されていた清浄な内周面を有する部分の内筒管の管壁を連続的に露出させることができるため、試料浮遊位置にて浮遊状態で加熱溶融される試料の観察性の低下を解消できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１３】
図１及び図２は本発明の電磁浮遊炉の炉芯管汚れ防止装置の実施の一形態を示すもので、図４に示した電磁浮遊炉と同様に、炉芯管４の上下両端部を炉芯管支持部材５ａ，５ｂに保持させて、該炉芯管４の、中間部分の軸心位置に試料浮遊位置６を設定し、且つ上記試料浮遊位置６を挟むように上下両側位置の炉芯管４の外側面に、上下一対の浮遊コイル９ａ，９ｂ及び加熱コイル１０ａ，１０ｂを取り付けた構成としてある電磁浮遊炉において、上記炉芯管４の内側に、該炉芯管４より小径で且つ炉芯管４よりも短かくしてある円筒形状の下端部を閉塞してその内底部に試料７を載置するための試料ホルダ１３を設けてなる内筒管１２を、上記炉芯管４と同軸心上となるようにして試料浮遊位置６を取り囲むように配置して、試料浮遊位置６の周囲が、内筒管１２と炉芯管４とによる２重管構造となるようにする。
【００１４】
又、上記内筒管１２の内径よりやや小さい外径を有し且つ上端部にフランジ状の突部１５を有する内筒管１４を上部内筒管として用い、該上部内筒管１４を、下端が試料浮遊位置６のやや上方位置に達するように内筒管１２内に上方より挿入して、内筒管１２の内周面と上部内筒管１４の外周面とを摺接させた状態で上下方向に相対変位できるようにし、且つ上端部の突部１５を上部炉芯管支持部材５ａに取り付けて支持させるようにして、内筒管１２の試料浮遊位置６よりもやや上方位置から上端までの内周面を上部内筒管１２により保護されるようにする。
【００１５】
更に、上記内筒管１４は昇降できるように、その下端に、炉芯管４の軸心に沿って該炉芯管４内に下方より挿入配置した昇降ロッド１７の上端部を連結して、該昇降ロッド１７の下端部を内筒管移動機構部１６に昇降可能に連結支持し、昇降ロッド１７を昇降させることにより内筒管１２を所定の速度で昇降できるようにする。
【００１６】
上記内筒管移動機構部１６は、電磁浮遊炉の使用環境が微少重力環境下であることから、モータ駆動系等によるＧジッタの発生は極力抑制する必要があるため、昇降ロッド１７の下端部と、該昇降ロッド１７を昇降させる駆動部（図示せず）との間に、磁石同士の吸引力及び又は反発力を利用して、非接触で上記昇降ロッド１７に駆動力を伝達できる磁気カップリング１８を用いた直線導入機構を採用したものとしてある。
【００１７】
なお、上記内筒管１２は透明な耐熱ガラス製としてあり、又、上部内筒管１４はマシナブルセラミックス製又は耐熱ガラス製としてある。又、上記内筒管移動機構部１６の昇降ロッド１７の上側ストロークエンドにおいて、内筒管１２は、試料ホルダ１３が試料浮遊位置６のやや下方位置に配置されるようにしてあり、一方、昇降ロッド１７の上側ストロークエンドからの下降動作に伴う内筒管１２の下降動作は、該内筒管１２の内周面と上部内筒管１４の外周面が、落下カプセル３の自由落下中、すなわち、該落下カプセル３内に微少重力環境が形成されている間中、継続して摺動できる所定の速度に設定してある。その他、図４に示したものと同一のものには同一符号が付してある。
【００１８】
計測対象試料７の物性計測を行う場合は、図３に示した如き落下型無重力実験施設において、落下カプセル３内に、上記本発明の炉芯管汚れ防止装置を採用した電磁浮遊炉を搭載しておく。この状態にて、先ず、図１に二点鎖線で示す如く、内筒管１２の試料ホルダ１３上に、球形の計測対象試料７を載置すると共に、内筒管移動機構部１６の昇降ロッド１７を上側ストロークエンドまで上昇させて、内筒管１２の試料ホルダ１３上の試料７が、試料浮遊位置６のやや下方に配置された状態とする。この際、内筒管１２は、試料ホルダ１３近傍となる下端部を除く内面が、すべて上部内筒管１４により保護された状態となっている。
【００１９】
次に、従来と同様に、炉芯管４内の真空吸引及びガス置換等の実験前準備作業を施すことにより、上部内筒管１４及び内筒管１２内の真空吸引及びガス置換を実施した後、浮遊コイル９ａ，９ｂに高周波電流を流して、図１に二点鎖線で示す如き試料ホルダ１３上の試料７を、図１に実線で示す如く試料浮遊位置６に浮遊させると共に、加熱コイル１０ａ，１０ｂに高周波電流を流して上記浮遊状態の試料７を所定の目標温度に達するまで加熱し、次いで、試料７の温度が所定温度に到達して溶融された時点で、落下カプセル３の自由落下による微少重力環境の形成を開始させ、同時に、内筒管移動機構部１６により昇降ロッド１７を介して内筒管１２の下降動作を開始させた状態として、上記浮遊状態で加熱溶融される試料７の挙動の観察を観察装置１１により行うようにする。
【００２０】
この際、上記試料７が蒸気圧の高い物質の場合には、試料７の加熱溶融に伴い該試料７の蒸気が発生するようになるが、試料浮遊位置６の周囲は、炉芯管４とその内側の内筒管１２との２重管構造としてあるため、上記試料７の蒸気は、内筒管１２により遮られて炉芯管４に達することは防止される。これにより、炉芯管４内面が汚れたり曇ったりすることが防止され、又、浮遊コイル９ａ，９ｂや加熱コイル１０ａ，１０ｂが汚れることも防止される。
【００２１】
一方、試料７の蒸気が内筒管１２の内面に付着すると、該内筒管１２の内面が汚されるようになるが、内筒管１２の上部内筒管１４と接している部分の内周面は、該上部内筒管１４により保護されているため、試料７の蒸気が付着することはなく清浄なまま保たれている。したがって、微少重力環境が形成されている間中、連続的に内筒管移動機構部１６により昇降ロッド１７を介して上部内筒管１２が下降動作させられると、この下降動作により、図２に示す如く、それまで上部内筒管１２により保護されていた部分、すなわち、試料７の蒸気が付着することなく清浄なまま保持されていた部分の内筒管１２の内周面が、上部内筒管１２の下端位置より連続的に引き下ろされて試料浮遊位置６の周囲にて露出するようになるため、上記内筒管１２の新たに露出された清浄な内周面の部分を通して、試料浮遊位置６にて浮遊状態で加熱溶融される試料７の観察が行われる。
【００２２】
しかる後、落下カプセル３の自由落下の終了による微少重力環境の形成終了と共に、内筒管１２の下降動作を停止し、又、浮遊コイル９ａ，９ｂ及び加熱コイル１０ａ，１０ｂへの高周波電流の供給を終了して、浮遊させていた試料７を、試料ホルダ１３上に落下させて回収する。
【００２３】
このように、炉芯管４の内側に、内筒管１２を設けて、試料浮遊位置６の周囲を、内筒管１２及び炉芯管４からなる２重管構造としてあるので、たとえ試料７が蒸気圧の高い物質であっても、試料７の蒸気を内筒管１２により遮ることで、試料７蒸気による炉芯管４の汚れを防止できて曇りを解消できると共に、浮遊コイル９ａ，９ｂや加熱コイル１０ａ，１０ｂの汚染も防止できる。又、内筒管１２の内周面が試料７の蒸気により汚染された場合には、該内筒管１２を下降動作させることで、試料浮遊位置６の周囲に、それまで上部内筒管１４によって試料７の蒸気から保護されていた内筒管１２のクリアな内周面を有する部分の管壁を露出させることができるため、該試料７を微少重力環境下にて浮遊状態で加熱溶融させて、観察装置１１により観察するときに、観察性が阻害される虞を防止することができる。
【００２４】
なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されるものではなく、微少重力環境下にて浮遊させ且つ加熱溶融させた試料７の観察を行う間、内筒管１２の内周面を、上部内筒管１４の外周面にて摺動させながら連続的に下方に引き出せるようにすれば、内筒管１２、上部内筒管１４及び炉芯管４の上下方向の長さ寸法は、微少重力環境を形成させる時間の長さや内筒管移動機構部１６による内筒管１２の下降動作の動作速度に応じて適宜設定してよいこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００２５】
【発明の効果】
以上述べた如く、本発明の電磁浮遊炉の炉芯管汚れ防止装置によれば、上下方向に延びる炉芯管の中間部位置の軸心部に設定した試料浮遊位置を上下両側から挟むように該炉芯管の外側面に、上下一対の浮遊コイル及び加熱コイルをそれぞれ取り付けて、上下の浮遊コイルに逆向きの高周波電流を流すことにより上記試料浮遊位置に試料を浮遊させると共に、上下の加熱コイルに同方向の高周波電流を流して試料を加熱溶融させ、該試料浮遊位置にて加熱溶融される試料の挙動を、炉芯管外部の側方位置より観察できるようにしてある電磁浮遊炉における上記炉芯管の内側に、該炉芯管よりも小径で閉塞した下端部の内底部に試料を載置するための試料ホルダを設けてなる内筒管を、上記試料浮遊位置を取り囲むように上記炉芯管と同軸心上に配置して、上記試料浮遊位置の周囲が内筒管と炉芯管による二重管構造となるようにした構成としてあるので、電磁浮遊炉における物性計測対象試料として蒸気圧の高い物質を用いる場合にも、試料浮遊位置にて浮遊状態で加熱溶融される該試料の蒸気を、内筒管で遮ることができて、試料の蒸気により炉芯管が曇る虞を解消できるという優れた効果を発揮し、又、内筒管の内径と対応した外径を有する上部内筒管を、下端が試料浮遊位置のやや上方位置に達するように内筒管内に上方より挿入し、該内筒管の内周面と上記上部内筒管の外周面とを摺動させて上下方向に相対変位できるようにして、上記内筒管の試料浮遊位置よりもやや上方位置から上端までの内周面を上部内筒管により保護できるようにし、更に、該内筒管の下端に、内筒管移動機構部の昇降ロッドの上端部を連結し、該内筒管移動機構部により、内筒管を一定速度で昇降動作できるようにした構成とすることにより、内筒管の内周面が試料の蒸気により汚れて曇ったときに、上記内筒管を所要量下降させることで、それまで上部内筒管により保護されていた清浄な内周面を有する部分の内筒管の管壁を、試料浮遊位置の周囲に露出させることができるため、上記内筒管の曇りを容易に解消できて、試料浮遊位置にて浮遊状態で溶融される試料の観察性が低下することを防止でき、更に、内筒管を昇降ロッドを介して下降させることにより、試料浮遊位置の周囲に、それまで上部内筒管に保護されていた清浄な内周面を有する部分の内筒管の管壁を連続的に露出させることができるため、試料浮遊位置にて浮遊状態で加熱溶融される試料の観察性の低下を解消できるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電磁浮遊炉の炉芯管汚れ防止装置の実施の一形態を示す切断概略側面図である。
【図２】図１の装置の作動状態を示す切断概略側面図である。
【図３】落下型無重力実験施設の概略を示す切断側面図である。
【図４】従来の電磁浮遊炉の炉芯管部分の一例の概略を示す切断側面図である。
【符号の説明】
４  炉芯管
６  試料浮遊位置
７  試料
９ａ，９ｂ  浮遊コイル
１０ａ，１０ｂ  加熱コイル
１２  内筒管
１３  試料ホルダ
１４  上部内筒管
１６  内筒管移動機構部
１７  昇降ロッド
【図１】
0004914544.tif 000002
【図２】
0004914544.tif 000003
【図３】
0004914544.tif 000004
【図４】
0004914544.tif 000005