(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビ−ムが供給される空胴共振器を含み、前記電子ビ−ムを前記空胴共振器の高周波電磁界と相互作用させ前記電子ビ−ムの運動エネルギ−を高周波エネルギ−に変換するジャイロトロン、このジャイロトロンの軸方向に形成される磁場であって、前記電子ビ−ムを旋回運動させる軸方向磁場を形成する磁場発生装置、前記ジャイロトロンが発生した高周波エネルギ−を吸収して自己発熱したセラミックス材料の温度を検出する温度検出手段、この温度検出手段の出力により、電子ビ−ムの運動エネルギ−を高周波エネルギ−に変換する変換効率が最も高い最適磁場よりも強い軸方向磁場を形成するように前記磁場発生装置を制御する温度制御装置を備えたことを特徴とするセラミックス材料を加熱するマイクロ波加熱装置。
【請求項２】
前記磁場発生装置は、一定の強さの定常磁場と温度制御装置の出力により磁場の強さが可変の可変磁場よりなる軸方向磁場を形成するものであって、前記定常磁場を形成する定常磁場発生装置と、前記可変磁場を形成する可変磁場発生装置とを有し、少なくとも前記可変磁場発生装置を空胴共振器の近傍に設けたことを特徴とする請求項１に記載のセラミックス材料を加熱するマイクロ波加熱装置。
【請求項３】
電子ビ−ムを射出する電子銃と、前記電子ビ−ムが供給される空胴共振器とを有し、前記電子ビ−ムを前記空胴共振器の高周波電磁界と相互作用させ前記電子ビ−ムの運動エネルギ−を高周波エネルギ−に変換するジャイロトロン、このジャイロトロンの軸方向に形成され、前記電子ビ−ムを旋回運動させる軸方向磁場を前記空胴共振器および前記電子銃領域に形成するものであって、前記空胴共振器に一定の強さの定常磁場を形成する定常磁場発生装置と、前記電子銃領域に磁場の強さが可変の可変磁場を形成する可変磁場発生装置とを有する磁場発生装置、前記ジャイロトロンが発生した高周波エネルギ−を吸収し、自己発熱したセラミックス材料の温度を検出する温度検出手段、電子ビ−ムの運動エネルギ−を高周波エネルギ−に変換する変換効率の最も高い最適電子銃磁場よりも強い電子銃磁場を形成するように、前記温度検出手段の出力に基づいて前記可変磁場発生装置を制御する温度制御装置を備えたことを特徴とするセラミックス材料を加熱するマイクロ波加熱装置。
【請求項４】
電子ビ−ム加速電圧が印加されて射出された電子ビ−ムが供給される空胴共振器を含み、前記電子ビ−ムを前記空胴共振器の高周波電磁界と相互作用させ、前記電子ビ−ムの運動エネルギ−を高周波エネルギ−に変換するジャイロトロン、電子ビ−ム加速電圧を前記電子ビ−ムに印加するビ−ム電源、前記ジャイロトロンの軸方向に形成される磁場であって、前記電子ビ−ムを旋回運動させる軸方向磁場を形成する磁場発生装置、前記ジャイロトロンが発生した高周波エネルギ−を吸収して自己発熱したセラミックス材料の温度を検出する温度検出手段、この温度検出手段の出力により、電子ビ−ムの運動エネルギ−を高周波エネルギ−に変換する変換効率の最も高い最適電圧よりも弱い電子ビ−ム加速電圧を印加するように、前記ビ−ム電源を制御する温度制御装置を備えたことを特徴とするセラミックス材料を加熱するマイクロ波加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、マイクロ波発振手段としてジャイロトロンを用いて、避雷器用素子等のセラミックス材料を加熱するのに適したマイクロ波加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来よりセラミックスの加熱技術として、電気炉等の抵抗加熱炉の炉内に被加熱体を配置し、この被加熱体を熱伝導、輻射により加熱する抵抗加熱方式が用いられている。これに対して、近年、マイクロ波等の電磁波を誘電体に吸収させ、誘電体内部より自己発熱させるマイクロ波加熱方式を用いてセラミックスを加熱する研究が進められている。
【０００３】
図１１は特開平６−３４５５４１号公報にかかるマイクロ波焼結炉を説明する全体構成図である。マイクロ波発生器１より出力されたマイクロ波は導波管２を経由してアプリケータ３に導入され、被焼結体１０に吸収される。マイクロ波を吸収した被焼結体１０は誘電損により自己発熱する。こうして加熱された被焼結体１０の表面温度が熱電対７により検出され、温度制御装置８に伝達される。同時にアプリケータ３内の温度も熱電対７により検出され、温度制御装置８に伝達される。温度制御装置８は、熱電対７により伝達された、被焼結体１０の表面温度とアプリケータ３内の雰囲気温度とに基づいて、被焼結体１０の表面温度とアプリケータ３内の雰囲気温度との温度差を小さくするように、マイクロ波発生器１とヒータ６とを制御する。
【０００４】
次にマイクロ波発生器の一例として、従来のジャイロトロン装置を説明する。図１２は特開昭５６−１０２０４５号公報にかかるジャイロトロン装置３００を示す断面図である。図において、ジャイロトロン２００は、電子銃２１、空胴共振器２６、コレクタ２７、出力窓２８を主要部分として構成され、このジャイロトロン２００の電子銃２１近傍に電子銃部磁場発生電磁石１５、空胴共振器２６近傍に主磁場発生電磁石１２が設けられて、ジャイロトロン装置３００が構成される。
【０００５】
次に動作について説明する。電子銃２１のカソード２２上の電子放出部２３より電子ビーム２９が射出される。この電子ビーム２９はカソード２２・第１アノード２４間に形成された電場によりジャイロトロン２００の垂直方向に加速されるとともに、電子銃部磁場発生電磁石１５により形成された電子銃磁場の影響を受けて回転運動を開始し、サイクロトロン（旋回）運動しながらジャイロトロン２００の軸方向にドリフトする。
【０００６】
サイクロトロン運動しながら軸方向にドリフトする電子ビーム２９は、主磁場発生電磁石１２の形成する軸方向磁場により圧縮され、電子ビーム２９の持つ速度成分のうち、軸方向磁場に対する垂直成分の速度は加速され、水平成分（軸方向）の速度は減速されながら空胴共振器２６に入る。軸方向磁場に対する垂直方向の速度を増しながら空胴共振器２６に入った電子ビーム２９は、空胴共振器２６内で発振している高周波電磁界と相互作用して、電子ビーム２９の垂直方向の運動エネルギーが高周波エネルギーに変換される。
【０００７】
空胴共振器２６において電子ビーム２９の運動エネルギーが変換されて発生した高周波エネルギーは出力窓２８を透過して外部に取り出される。この高周波エネルギーがマイクロ波またはミリ波として、ジャイロトロンの出力となる。一般的に、電子ビーム２９の軸方向磁場に対する垂直方向の速度成分が大きいほど、ジャイロトロンの発振する出力は大きくなる。また、電子ビームの垂直方向の速度成分は、空胴共振器磁場と電子銃磁場の強さにより決定される磁場の圧縮比（空胴共振器磁場／電子銃磁場）に影響される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
特開平６―３４５５４１号公報にかかるマイクロ波焼結炉は、被焼結体１０の表面温度とアプリケータ３内の温度との温度差を小さくするように、マイクロ波発生器１とヒータ６とを制御して焼結処理を行い、クラック等の焼結不良の発生を抑制することを特徴としている。しかし、被焼結体１０の表面温度及びアプリケータ３内の雰囲気温度に基づいて、マイクロ波発生器１及びヒータ６を制御する温度制御装置８については具体的な記載がない。また、温度制御装置８の制御を受けて被焼結体１０を加熱するマイクロ波発生器１についても触れられていない。
【０００９】
例えば、避雷器用素子等のセラミックス材料を焼結する場合、その焼結過程における被焼結体１０の温度、昇温時間、焼結時間などを高精度に制御する必要がある。
【００１０】
また、温度制御装置８の制御とマイクロ波発生器１の動作にタイムラグがあると、時間の経過とともにタイムラグは大きくなり、焼結不良を引き起こす可能性がある。従って、マイクロ波発生器１は温度制御装置８の制御に瞬時に反応するものでなければならない。
【００１１】
また、避雷器用素子のようなセラミックス材料を焼成するのに、抵抗加熱方式では長時間焼成する必要があった。マイクロ波加熱方式を用いると、加熱時間を短縮でき、セラミックス材料の生産性が高まるとともにエネルギーを節約できる。
【００１２】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の第一の目的は、高精度なマイクロ波出力の制御が可能なマイクロ波加熱装置を提供することである。
【００１３】
また、この発明の第二の目的は、被加熱体の温度に応じて温度制御装置が行う制御と、温度制御装置の制御を受けてマイクロ波を出力するジャイロトロン装置の動作とのタイムラグをなくすことにより、高精度な焼結処理を行うことが可能なマイクロ波加熱装置を提供することである。
【００１４】
また、この発明の第三の目的は、避雷器用素子のようなセラミックス材料の焼結時間を短縮できるマイクロ波加熱装置を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るマイクロ波加熱装置は、電子ビームが供給される空胴共振器を含み、前記電子ビームを前記空胴共振器の高周波電磁界と相互作用させ前記電子ビームの運動エネルギーを高周波エネルギーに変換するジャイロトロン、このジャイロトロンの軸方向に形成される磁場であって、前記電子ビームを旋回運動させる軸方向磁場を形成する磁場発生装置、前記ジャイロトロンが発生した高周波エネルギーを吸収して自己発熱した被加熱体の温度を検出する温度検出手段、この温度検出手段の出力により、電子ビームの運動エネルギーを高周波エネルギーに変換する変換効率が最も高い最適磁場よりも強い軸方向磁場を形成するように前記磁場発生装置を制御する温度制御装置を備えたものである。
【００１６】
また、一定の強さの定常磁場と温度制御装置の出力により磁場の強さが可変の可変磁場よりなる軸方向磁場を形成するものであって、前記定常磁場を形成する定常磁場発生装置と、前記可変磁場を形成する可変磁場発生装置とを有し、少なくとも前記可変磁場発生装置を空胴共振器の近傍に設けた磁場発生装置を備えたものである。
【００１７】
また、この発明に係るマイクロ波加熱装置は、電子ビームを射出する電子銃と、前記電子ビームが供給される空胴共振器とを有し、前記電子ビームを前記空胴共振器の高周波電磁界と相互作用させ前記電子ビームの運動エネルギーを高周波エネルギーに変換するジャイロトロン、このジャイロトロンの軸方向に形成され、前記電子ビームを旋回運動させる軸方向磁場を前記空胴共振器および前記電子銃領域に形成するものであって、前記空胴共振器に一定の強さの定常磁場を形成する定常磁場発生装置と、前記電子銃領域に磁場の強さが可変の可変磁場を形成する可変磁場発生装置とを有する磁場発生装置、前記ジャイロトロンが発生した高周波エネルギーを吸収し、自己発熱した被加熱体の温度を検出する温度検出手段、電子ビームの運動エネルギーを高周波エネルギーに変換する変換効率の最も高い最適電子銃磁場よりも強い電子銃磁場を形成するように、前記温度検出手段の出力に基づいて前記可変磁場発生装置を制御する温度制御装置を備えたものである。
【００１８】
また、この発明に係るマイクロ波加熱装置は、電子ビーム加速電圧が印加されて射出された電子ビームが供給される空胴共振器を含み、前記電子ビームを前記空胴共振器の高周波電磁界と相互作用させ、前記電子ビームの運動エネルギーを高周波エネルギーに変換するジャイロトロン、電子ビーム加速電圧を前記電子ビームに印加するビーム電源、前記ジャイロトロンの軸方向に形成される磁場であって、前記電子ビームを旋回運動させる軸方向磁場を形成する磁場発生装置、前記ジャイロトロンが発生した高周波エネルギーを吸収して自己発熱した被加熱体の温度を検出する温度検出手段、この温度検出手段の出力により、電子ビームの運動エネルギーを高周波エネルギーに変換する変換効率の最も高い最適電圧よりも弱い電子ビーム加速電圧を印加するように、前記ビーム電源を制御する温度制御装置を備えたものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係るマイクロ波加熱装置を示す構成図である。図２はマイクロ波出力Ｐout［ｋＷ］と空胴共振器内の軸方向磁場Ｂ［ｋＧ］との関係を説明する特性図である。図３、図４、図５は実施の形態１に係るマイクロ波加熱装置の温度測定方法、断熱方法を示す説明図である。
【００２０】
図１において、２００は図１２に示す電子銃２１、空胴共振器２６、コレクタ２７、出力窓２８を備えたジャイロトロンである。２は導波管、３はアプリケータ、８は温度制御装置、１０は被焼結体、１１は電子銃部に電子ビーム加速電圧を印加するビーム電源、１２は電子ビームの運動エネルギーを高周波エネルギーに変換する空胴共振器磁場を形成する主磁場発生電磁石、１４は温度制御装置８の制御を受けて、形成する磁場の強さを変える補助電磁石、１５は電子銃部に磁場を形成する電子銃部磁場発生電磁石である。ジャイロトロン２００に主磁場発生電磁石１２、補助電磁石１４、電子銃部磁場発生電磁石１５からなる磁場発生装置を設けてジャイロトロン装置３００は構成される。
【００２１】
１３は補助電磁石１４に励磁電流を流す直流電源、１５は電子銃部磁場発生電磁石、１６は主磁場発生電磁石１２に励磁電流を流す直流電源である。なお、主磁場発生電磁石１２は空胴共振器近傍に設けられて、一定の強さの定常磁場を形成し保持する定常磁場発生装置、補助電磁石１４は温度制御装置８の制御を受けて、形成する磁場の強さを変える可変磁場発生装置である。主磁場発生電磁石１２、補助電磁石１４により軸方向磁場が形成される。図３、図４、図５において、１０は被焼結体、１７は断熱材、１８は放射温度計の集光部、１９は放射温度計集光部１８の冷却手段、３１は内部温度測定用サンプル、３２は熱電対挿入穴、３３は熱電対である。
【００２２】
実施の形態１に係るマイクロ波加熱装置のうち、ジャイロトロン装置３００について説明する。図１２は従来のジャイロトロン装置を説明する断面図である。図１２に示すジャイロトロン装置は、ジャイロトロン２００に主磁場発生電磁石１２及び電子銃部磁場発生電磁石１５からなる磁場発生装置を設けたものである。これに対して、図１に示す実施の形態１に係るマイクロ波加熱装置に設けられたジャイロトロン装置３００は、磁場発生装置として主磁場発生電磁石１２と電子銃部磁場発生電磁石１５に加えて、補助電磁石１４を設けたものである。
【００２３】
電子銃より射出され、空胴共振器２６に形成された軸方向磁場により旋回運動する電子ビームの運動エネルギーは、空胴共振器２６の高周波電磁界と相互作用して高周波エネルギーに変換される。ジャイロトロン装置３００は、この高周波エネルギーをマイクロ波出力として発振するものである。従来のジャイロトロン装置３００では、主磁場発生電磁石１２に印加する励磁電流の強さを変えることにより、マイクロ波出力は制御されていた。
【００２４】
通常、主磁場発生電磁石１２が形成する磁場の強さを変えるには、主磁場発生電磁石１２が超電導電磁石であれば４０Α〜５０Α、常電導電磁石であれば２００Α程度の励磁電流を主磁場発生電磁石１２に流す必要がある。また、主磁場発生電磁石１２の自己インダクタンスはかなり大きく、励磁電流に対して主磁場発生電磁石１２が瞬時に磁場の強さを変化させることは困難であるので、磁場の強さを変化させるのに時間がかかる。これが温度制御装置８の制御とジャイロトロン装置３００の出力との間にタイムラグを発生させる原因となっていた。
【００２５】
実施の形態１に係るマイクロ波加熱装置に設けられたジャイロトロン装置３００は、自己インダクタンスの小さい小型の電磁石を補助電磁石１４として、新たに設け、自己インダクタンスの大きい主磁場発生電磁石１２を一定の強さの磁場を形成保持する定常磁場発生装置とし、補助電磁石１４を温度制御装置８の制御を受けて形成する磁場の強さを変化させる可変磁場発生装置とすることにより、より小さい励磁電流で、形成する磁場の強さを瞬時に変化させることを可能にした。
【００２６】
次に温度制御装置８のマイクロ波出力制御方法について、図２を用いて説明する。温度制御装置８は磁場発生装置、すなわち補助電磁石１４の形成する磁場の強さを変えることによりジャイロトロン２００の発振するマイクロ波出力を変化させて被焼結体１０の温度を制御するものである。より具体的には温度制御装置８は、直流電源１３を制御することにより、直流電源１３が補助電磁石１４に流す励磁電流の強さを変えて、補助電磁石１４の形成する磁場の強さを変化させるものである。
【００２７】
図２に示す空胴共振器内の軸方向磁場Ｂ［ｋＧ］に対するマイクロ波出力Ｐout［ｋＷ］の特性図を見ると、最も強いマイクロ波出力Ｐ１［ｋＷ］を得られる軸方向磁場Ｂ１［ｋＧ］があり、軸方向磁場Ｂ１を中心とする低磁場側と高磁場側では軸方向磁場Ｂに対するマイクロ波出力Ｐoutの変化率が異なることが分かる。最も強いマイクロ波出力Ｐ１を得る磁場Ｂ１を最適磁場と呼ぶ。この最適磁場Ｂ１よりも低磁場側では、軸方向磁場Ｂに対するマイクロ波出力Ｐoutの変化率は大きく、すなわち特性図の傾きが大きく、最適磁場Ｂ１よりも高磁場側では、軸方向磁場Ｂに対するマイクロ波出力Ｐoutの変化率は小さく、すなわち特性図の傾きが緩やかであることが見てとれる。
【００２８】
最適磁場Ｂ１よりもさらに軸方向磁場Ｂを強くすると、次第にジャイロトロンの発振するマイクロ波出力Ｐoutは低下し、やがて軸方向磁場ＢがＢ２に達するとジャイロトロンのマイクロ波発振は停止する。このような磁場Ｂ２を発振停止磁場と呼ぶ。
【００２９】
実施の形態１に係るマイクロ波加熱装置に設けられた温度制御装置８はＢ１≦Ｂ≦Ｂ２の範囲内で磁場の強さを変えることにより、ジャイロトロンの発振するマイクロ波出力を制御して被焼結体１０の温度を変えるものである。Ｂ≦Ｂ１の領域は、軸方向磁場Ｂに対するマイクロ波出力Ｐoutの変化率が大きいため、軸方向磁場Ｂの微妙な変化に対してマイクロ波出力Ｐoutが過敏に反応することになり制御には適さない。温度制御装置８はＢ１≦Ｂ≦Ｂ２の範囲内で磁場の強さを変えることにより、マイクロ波出力の微調整が可能になるとともに、ジャイロトロン２００のマイクロ波発振を安定させることが可能になった。
【００３０】
次に、実施の形態１に係るマイクロ波加熱装置を用いた避雷器用素子の焼結について説明する。避雷器用素子とは避雷器に用いられる高抵抗素子であり、酸化亜鉛（ZnO）を主な材料として形成される。避雷器用素子を焼成する工程はいくつかあるが、実施の形態２ではマイクロ波加熱装置を用いて避雷器用素子を「熱処理」する工程について説明する。なお、ここでいう「熱処理」とは、避雷器用素子を製造する工程の一つであり、避雷器用素子としての寿命を延ばすために、５３０℃〜５５０℃程度で一定時間加熱する処理をいう。
【００３１】
酸化亜鉛で形成された避雷器用素子の寿命は、素子の「γ化率」に影響される。避雷器用素子を構成する酸化亜鉛粒子の隙間（このような酸化亜鉛粒子間の隙間を「粒界」という）には酸化ビスマスの結晶が存在する。粒界に存在する酸化ビスマスの結晶は熱処理を実施する前は正方晶である。この酸化亜鉛素子を５３０℃〜６００℃程度で加熱すると、酸化ビスマスの結晶は正方晶から立方晶に転移する。
【００３２】
酸化亜鉛の粒界に存在する酸化ビスマスの結晶が正方晶から立方晶に転移する作用を「γ化」といい、酸化亜鉛の粒界に存在する酸化ビスマスの正方晶と立方晶の割合が「γ化率」である。避雷器用素子の種類により異なるが、交流用素子として用いる場合、適正なγ化率は８０％程度とされている。
【００３３】
ここでもう一度図１を参照して避雷器用素子を熱処理するマイクロ波加熱装置を説明する。図１に示すマイクロ波加熱装置は、被焼結体である避雷器用素子の温度を、所望のパターンに対して±１℃の精度で温度制御するために構成された、ジャイロトロンの発振するマイクロ波出力の自動制御系である。温度制御装置８はＰＩＤコントローラを用いており、避雷器用素子１０の温度が最適な温度か判定し、予め温度制御装置８に入力されている制御プログラムに合致するように、直流電源１３が補助電磁石１４に流すべき励磁電流を計算し、求められた励磁電流を補助電磁石１４に流すように直流電源１３を制御する。また、温度測定手段は熱電対を用いている。
【００３４】
避雷器用素子の熱処理は、粒界にて進行するγ化の進行を制御することであり、熱処理の結果は避雷器用素子の寿命に影響する。従って、マイクロ波出力は緻密に制御される必要がある。実施の形態１に係るマイクロ波加熱装置は、被焼結体（避雷器用素子）１０の温度に基づいて、空胴共振器磁場Ｂの強さを、図２に示すように、Ｂ１≦Ｂ≦Ｂ２の範囲内の強さになるように制御するので、高精度なマイクロ波出力の制御が可能になり、γ化の進行をより緻密に制御できるようになった。
【００３５】
また、実施の形態１に係るマイクロ波加熱装置は、主磁場発生電磁石１２よりも小型の補助電磁石１４を可変磁場発生装置として用いることにより、温度制御装置８の制御とジャイロトロン装置３００の出力とのタイムラグをなくすことができ、従って、所望のγ化率を有する避雷器用素子を量産できる。
【００３６】
次に、実施の形態１に係るマイクロ波加熱装置の温度測定手段と被焼結体１０（避雷器用素子）の断熱手段について説明する。図３、図４、図５は実施の形態１に係るマイクロ波加熱装置の温度測定方法を説明する図である。図３、図４、図５に示す図は図１におけるアプリケータ３内の様子を示すものである。
【００３７】
図３、図４、図５において、１７はアルミナブランケットを材料として形成された断熱材であり、内部に避雷器用素子１０を収納する空間を有する。マイクロ波加熱方式は抵抗加熱方式とは異なり、被加熱体を内部から自己発熱させて加熱するものであり、被加熱体の表面と内部の温度差が小さくなることが特徴である。ところが、被加熱体周囲の雰囲気温度は加熱されないので、被加熱体と雰囲気温度との温度差は大きくなる。被加熱体の温度と雰囲気温度との温度差が大きくなると、被加熱体の熱は、被加熱体の表面、および熱電対と被加熱体の接触部から熱電対を介して放散し、被加熱体の表面と内部で温度差が生じる。
【００３８】
このような温度差は被加熱体の表面または内部にクラックを発生させる原因となる。また、被加熱体の温度が炉内雰囲気中に放散するのは加熱効率の観点からも好ましいことではない。従って、マイクロ波を用いて被加熱体を加熱するには何らかの断熱対策を施す必要がある。そこで、断熱材１７で避雷器用素子１０の周囲を覆うことで避雷器用素子１０周囲の空間を小さくしたものである。
【００３９】
以上説明したように、被加熱体の表面と内部の温度差が小さいことがマイクロ波加熱方式の特徴である。しかし、被加熱体の温度が雰囲気温度に放散し表面温度と内部温度の温度差が生じる場合も考えられる。従って、品質のよい焼結体を得るためには被焼結体内部の温度を測定する必要がある。図３において、３１は温度測定用サンプルであり、熱処理する避雷器用素子１０と材質、サイズが同じものが用いられている。前記温度測定用サンプル３１には熱電対挿入穴３２が形成されており、この温度測定用サンプル３１を断熱材１７内部の空間に収納して、熱電対３３を用いて温度測定用サンプル３１の内部温度を測定し、測定した温度測定用サンプル３１の内部温度に基づいてマイクロ波出力を制御するようにした。このようにすることにより、避雷器用素子の内部温度を推測することができ、測定した内部温度を温度制御装置８にフィードバックさせて、マイクロ波出力を制御することにより、避雷器用素子を熱処理する温度の精密な制御が可能になった。
【００４０】
なお、実施の形態１では、熱電対３３を用いて温度測定用サンプル３１の内部温度を測定し、この温度を用いてマイクロ波出力を制御するものであるが、放射温度計ないし熱電対を用いて被焼結体１０の表面温度を測定し、この表面温度と、熱電対３３が検出する温度測定用サンプルの内部温度とに基づいて、温度制御装置８はマイクロ波出力を制御するようにしても良い。
【００４１】
図４において、温度測定手段として、避雷器用素子に接触させずに温度を測定できる放射温度計を使用することとした。温度測定手段を熱電対３３に換えて放射温度計を用いることにより、温度測定用サンプルが不要になり、温度測定精度も改善されるという効果がある。なお、図４に示す放射温度計集光部１８には、図５に示すような冷却手段１９を設けることにより放射温度計が加熱して破損する問題を防止することができる。また、温度測定手段として放射温度計を用いると、熱電対を用いた場合に比べて、温度制御装置８に検出した温度を伝送する速度が速く、温度制御装置８の制御性が高められるという効果がある。
【００４２】
以上説明したような断熱対策を採用することにより、被焼結体１０周囲の雰囲気温度と被焼結体１０の温度との温度差を小さくすることができ、クラック等の焼結不良を抑制することができる。
【００４３】
実施の形態２．
実施の形態１に係るマイクロ波加熱装置は、空胴共振器内の軸方向磁場を主磁場発生電磁石１２および補助電磁石１４がそれぞれ形成する磁場を重畳して形成していた。これに対して、実施の形態２に係るマイクロ波加熱装置は、空胴共振器磁場を主磁場発生電磁石１２に形成させるものである。
【００４４】
図６は本発明の実施の形態２に係るマイクロ波加熱装置を示す構成図である。図６において、図１のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。主磁場発生電磁石１２は直流電源１３と接続され、直流電源１３は温度制御装置８と接続されて実施の形態２に係るマイクロ波加熱装置は構成される。
【００４５】
次に実施の形態２に係るマイクロ波加熱装置を用いて避雷器用素子を熱処理する場合の動作について説明する。図６において、熱処理される避雷器用素子１０の温度に基づいて温度制御装置８は主磁場発生電磁石１２に供給する励磁電流量を制御し、主磁場発生電磁石１２が形成する空胴共振器磁場の強さを制御する。
【００４６】
温度制御装置８は、図２を用いて説明した空胴共振器の軸方向磁場Ｂ［ｋＧ］に対するマイクロ波出力Ｐout［ｋＷ］の変化率が小さな範囲、即ち、Ｂ１≦Ｂ≦Ｂ２の範囲内で空胴共振器の軸方向磁場Ｂの強さを変えることによりマイクロ波出力を制御するものである。具体的に説明すると、温度制御装置８は主磁場発生電磁石１２に励磁電流を流す直流電源１３を制御することにより、主磁場発生電磁石１２が形成する磁場の強さを、Ｂ１≦Ｂ≦Ｂ２の範囲内で変えて避雷器用素子１０の温度を変化させる。
【００４７】
以上説明したように、温度制御装置８は主磁場発生電磁石１２に励磁電流を印加する直流電源１３を、主磁場発生電磁石１２の形成する磁場の強さをＢ１≦Ｂ≦Ｂ２の範囲内で変化させるように制御するので、マイクロ波出力の微調整が可能になるとともに、ジャイロトロン装置３００のマイクロ波発振を安定させることが可能になった。
【００４８】
実施の形態３．
実施の形態１および実施の形態２に係るマイクロ波加熱装置は、温度検出手段よりフィードバックされてきた被焼結体１０の温度に基づいて、空胴共振器の軸方向磁場Ｂの強さを変えることにより、マイクロ波出力を制御するものであった。これに対して、実施の形態３に係るマイクロ波加熱装置は、空胴共振器磁場を一定の強さに形成保持しながら、温度検出手段よりフィードバックされてきた被焼結体１０の温度に基づいて電子銃磁場の強さを変えてマイクロ波出力を制御するものである。
【００４９】
具体的に説明すると、電子銃磁場を変化させることにより、空胴共振器磁場と電子銃磁場の強さにより決定される磁場の圧縮比（空胴共振器磁場／電子銃磁場）が変化する。磁場の圧縮比は電子ビームの垂直方向の速度を決定するものであり、電子ビームの垂直方向の速度が大きいほどより大きなマイクロ波出力を得ることができる。
【００５０】
図７は本発明の実施の形態３に係るマイクロ波加熱装置を示す構成図である。図８はマイクロ波出力Ｐout［ｋＷ］と電子銃の軸方向磁場Ｂｋ［ｋＧ］との関係を説明する特性図である。図７において、図１のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。１６は主磁場発生電磁石１２に励磁電流を流す直流電源である。
【００５１】
次に実施の形態３に係るマイクロ波加熱装置について、実施の形態１に係るマイクロ波加熱装置との構成上の相違について説明する。主磁場発生電磁石１２は空胴共振器磁場を一定の強さに形成保持する定常磁場発生装置として機能する。一方、電子銃磁場を形成する電子銃部磁場発生電磁石１５は、直流電源１３を介して温度制御装置８と接続され、温度制御装置８の制御に応じて形成する磁場の強さを変える可変磁場発生装置として機能するものである。
【００５２】
電子銃磁場Ｂｋ［ｋＧ］とマイクロ波出力Ｐout［ｋＷ］との関係は図８に示されるとおりである。すなわち、電子ビームの運動エネルギーを最も効率的に高周波エネルギーに変換できる最適電子銃磁場Ｂｋ１があり、この最適電子銃磁場Ｂｋ１においてジャイロトロン２００は最大のマイクロ波出力Ｐ４を発振する。図８に示す電子銃磁場Ｂｋをパラメータとするジャイロトロンの出力特性を示すカーブより、電子銃磁場Ｂｋ≦Ｂｋ１の領域では、電子銃磁場Ｂｋに対するマイクロ波出力の変化率は大きく、Ｂｋ≧Ｂｋ１の領域では、電子銃磁場Ｂｋに対するマイクロ波出力の変化率は小さいことがわかる。
【００５３】
電子銃磁場Ｂｋに対するマイクロ波出力Ｐoutの変化率が大きい領域Ｂｋ≦Ｂｋ１の範囲内で電子銃磁場Ｂｋを変化させると、電子銃磁場Ｂｋの微小な変化がマイクロ波出力Ｐoutの過大な変動を招く。一方、電子銃磁場Ｂｋに対するマイクロ波出力Ｐoutの変化率が小さい領域Ｂｋ≧Ｂｋ１は、電子銃磁場Ｂｋの変化に対してマイクロ波出力Ｐoutが緩やかに変化するので、電子銃磁場Ｂｋをパラメータとしてマイクロ波出力Ｐoutをきめ細かく制御することが可能である。従って、絶えずマイクロ波出力を変動させ、被焼結体の温度を微妙に調節する必要があるセラミックス焼結を行うには、電子銃磁場の強さをＢｋ≧Ｂｋ１の範囲内で制御する必要がある。
【００５４】
実施の形態３に係るマイクロ波加熱装置は、Ｂｋ≧Ｂｋ１の強さの電子銃磁場を形成し、避雷器用素子１０の焼結状況に応じてＢｋ≧Ｂｋ１の範囲で電子銃磁場の強さを変えて、マイクロ波出力を変化させて避雷器用素子１０の温度を制御する温度制御装置８を備えたものである。
【００５５】
実施の形態３に係るマイクロ波加熱装置は、温度制御装置８は避雷器用素子１０の温度に応じてマイクロ波出力を変化させることが可能である。また、図８に示すように、電子銃磁場に対するマイクロ波出力の変化率が小さな範囲内で電子銃磁場の強さを変えてマイクロ波の出力を制御するので、マイクロ波出力の微調整が可能であるとともにジャイロトロン２００のマイクロ波発振を安定させることができる。
【００５６】
実施の形態４．
実施の形態１、実施の形態２に係るマイクロ波加熱装置は空胴共振器磁場をパラメータとして、また、実施の形態３に係るマイクロ波加熱装置は電子銃磁場をパラメータとして、磁場の圧縮比（空洞共振器磁場Ｂ／電子銃磁場Ｂｋ）を変えることにより、電子ビームの垂直方向の速度の大きさを変化させてマイクロ波出力を制御するものであった。これに対して、実施の形態４に係るマイクロ波加熱装置は、電子ビーム加速電圧を制御することにより、電子ビームの垂直方向の速度の大きさを変化させ、マイクロ波出力を制御するものである。
【００５７】
図９は本発明の実施の形態４に係るマイクロ波加熱装置を示す構成図である。図１０はマイクロ波出力Ｐout［ｋＷ］と電子ビーム加速電圧Ｖｂ［ｋＶ］との関係を説明する特性図である。図９において、図１のものと同一の符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。１１は電子銃部に電子ビーム加速電圧を印加する電源である。図９には図示されないが、主磁場発生電磁石１２および電子銃部磁場発生電磁石１５が一定の強さの定常磁場を形成保持するように、励磁電流を前記主磁場発生電磁石１２および電子銃部磁場発生電磁石１５に流す直流電源が接続されている。
【００５８】
温度制御装置８は、実施の形態１から実施の形態３に記載されたマイクロ波加熱装置と異なり、電子ビーム加速電圧を電子銃部に供給するビーム電源１１と接続されている。この温度制御装置８は、避雷器用素子１０よりフィードバックされる温度に基づいて、この避雷器用素子１０に照射するべきマイクロ波出力を計算して、計算されたマイクロ波出力が発振されるように電子ビーム加速電圧を供給するビーム電源１１を制御する。
【００５９】
電子ビーム加速電圧の大きさは電子ビームの運動エネルギーと関係があり、この電子ビームの運動エネルギーを変えることにより電子ビームの垂直方向の速度の大きさを変化させ、マイクロ波出力を制御することができる。電子ビームの垂直方向の速度が大きいほどより大きなマイクロ波出力を得ることができ、この電子ビームの垂直方向の速度は、電子ビーム加速電圧、電子銃の電極形状、磁場の圧縮比（空胴共振器磁場Ｂ／電子銃磁場Ｂｋ）により決定される。
【００６０】
図１０は電子ビーム加速電圧Ｖｂ［ｋＶ］とマイクロ波出力Ｐout［ｋＷ］との関係を示す特性図である。電子ビーム加速電圧を上げていくと、マイクロ波出力Ｐoutは緩やかなカーブを描いて上昇し、電子ビーム加速電圧Ｖｂ１で最大出力Ｐ３を発生する。最大出力Ｐ３のマイクロ波を発振するときの電子ビーム加速電圧Ｖｂ１を最適電圧と呼ぶ。電子ビーム加速電圧を最適電圧Ｖｂ１よりもさらに大きくすると、マイクロ波出力Ｐoutは急速に低減して発振を停止する。
【００６１】
図１０を参照しながら、電子ビーム加速電圧をパラメータとするマイクロ波出力の制御に適する領域を検討してみると、電子ビーム加速電圧Ｖｂに対するマイクロ波出力Ｐoutの変化率が小さい、すなわち最適電圧Ｖｂ１よりも低い範囲がマイクロ波出力の制御に適する電子ビーム加速電圧の領域であることがわかる。従って、実施の形態４に係るマイクロ波加熱装置が有する温度制御装置８は、最適電圧Ｖｂ１よりも低い範囲内で電子ビーム加速電圧Ｖｂを変化させてマイクロ波出力を制御する。
【００６２】
実施の形態４に係るマイクロ波加熱装置は以上説明したように構成されているので、温度制御装置８は、マイクロ波の発振のために最適な電子ビーム加速電圧より低電圧側で電子ビーム加速電圧を制御することによりマイクロ波出力を制御できる。従って、ジャイロトロンのマイクロ波発振が安定し、また高精度なマイクロ波出力制御が可能になった。
【００６３】
なお、実施の形態１から実施の形態４に係るマイクロ波加熱装置は、図１２に示す３極型電子銃を備えたジャイロトロンについて述べた。しかし、この３極型電子銃の第１アノードと第２アノードが統合された形の２極型電子銃を用いたジャイロトロンをマイクロ波発振手段として用いたマイクロ波加熱装置を用いて実施しても同様の効果を得ることができる。
【００６４】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、ジャイロトロンを備えたマイクロ波加熱装置において、温度検出手段よりフィードバックされた被加熱体の温度に応じて、電子ビームの運動エネルギーを最も効率的に高周波エネルギーに変換可能な最適磁場よりも強い空胴共振器磁場を形成してマイクロ波出力を制御するマイクロ波出力制御手段を設けたので、ジャイロトロンが発生するマイクロ波出力の微調整が可能になるとともに、ジャイロトロンのマイクロ波発振を安定させることが可能になった。従って、被加熱体に加熱不良等の問題が発生するのを防止する効果がある。
【００６５】
また、可変磁場発生装置と定常磁場発生装置を有する磁場発生装置を空胴共振器の近傍に設けたので、微弱な励磁電流で瞬時にジャイロトロンの出力を変化させることが可能になり、被加熱体の加熱状況に応じた加熱処理が可能になる。さらに、マイクロ波出力制御装置とジャイロトロンの動作がタイミング良く連動し、タイムラグをなくすことができるので高度な加熱制御ができるという効果がある。
【００６６】
また、この発明によれば、ジャイロトロンを備えたマイクロ波加熱装置において、温度検出手段よりフィードバックされた被加熱体の温度に応じて、電子ビームの運動エネルギーを最も効率的に高周波エネルギーに変換可能な最適電子銃磁場よりも強い電子銃磁場を形成してマイクロ波出力を制御するマイクロ波出力制御手段を設けたので、ジャイロトロンが発生するマイクロ波出力の微調整が可能になるとともに、ジャイロトロンのマイクロ波発振を安定させることが可能になった。従って、被加熱体に加熱不良等の問題が発生するのを抑制することができる。
【００６７】
また、この発明によれば、ジャイロトロンを備えたマイクロ波加熱装置において、電子ビームの運動エネルギーを最も効率的に高周波エネルギーに変換できる電子ビーム加速電圧よりも弱い電子ビーム加速電圧を用いてジャイロトロンの出力を制御するマイクロ波出力制御手段を設けたので、ジャイロトロンが発生するマイクロ波出力の微調整が可能になるとともに、ジャイロトロンのマイクロ波発振を安定させることが可能になった。従って、被加熱体に加熱不良等の問題が発生するのを防止する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１に係るマイクロ波加熱装置を示す全体構成図である。
【図２】  マイクロ波出力と、空胴共振器内の軸方向磁場の磁束密度との関係を説明する特性図である。
【図３】  この発明の実施の形態１に係るマイクロ波加熱装置の温度測定方法を示す説明図である。
【図４】  この発明の実施の形態１に係るマイクロ波加熱装置の温度測定方法を示す説明図である。
【図５】  この発明の実施の形態１に係るマイクロ波加熱装置の温度測定方法を示す説明図である。
【図６】  この発明の実施の形態２に係るマイクロ波加熱装置を示す全体構成図である。
【図７】  この発明の実施の形態３に係るマイクロ波加熱装置を示す全体構成図である。
【図８】  マイクロ波出力と、電子銃の軸方向磁場の磁束密度との関係を説明する特性図である。
【図９】  この発明の実施の形態４に係るマイクロ波加熱装置を示す全体構成図である。
【図１０】  マイクロ波出力と、電子ビーム加速電圧との関係を説明する特性図である。
【図１１】  従来のマイクロ波加熱装置を示す全体構成図である。
【図１２】  従来のジャイロトロン装置を説明する断面図である。
【符号の説明】
１  マイクロ波発生器
２  導波管
３  アプリケータ
４  ジャケット
５  断熱材
６  ヒータ
７  熱電対、
８  温度制御装置
９  ヒータ電源
１０  被焼結体（避雷器用素子）
１１  ビーム電源
１２  主磁場発生電磁石
１３  直流電源
１４  補助電磁石
１５  電子銃部磁場発生電磁石
１６  直流電源
１７  断熱材
１８  放射温度計集光部
１９  冷却手段
２１  電子銃
２２  カソード
２３  電子放出部
２４  第１アノード
２５  第２アノード
２６  空胴共振器
２７  コレクタ
２８  出力窓
２９  電子ビーム
３０  高周波、
３１  内部温度測定用サンプル
３２  熱電対挿入穴
３３  熱電対
２００  ジャイロトロン
３００  ジャイロトロン装置
【図１】
0003794166.tif 000002
【図２】
0003794166.tif 000003
【図３】
0003794166.tif 000004
【図４】
0003794166.tif 000005
【図５】
0003794166.tif 000006
【図６】
0003794166.tif 000007
【図７】
0003794166.tif 000008
【図８】
0003794166.tif 000009
【図９】
0003794166.tif 000010
【図１０】
0003794166.tif 000011
【図１１】
0003794166.tif 000012
【図１２】
0003794166.tif 000013