JP2507905Y2 - 輻射導入加熱装置 - Google Patents

輻射導入加熱装置

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JP2507905Y2
JP2507905Y2 JP1990000556U JP55690U JP2507905Y2 JP 2507905 Y2 JP2507905 Y2 JP 2507905Y2 JP 1990000556 U JP1990000556 U JP 1990000556U JP 55690 U JP55690 U JP 55690U JP 2507905 Y2 JP2507905 Y2 JP 2507905Y2
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智義 遠藤
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株式会社サーモ理工
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Description

【考案の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本考案は、新材料の開発、実験、研究等に使用される
例えばシリコン、ガリウム砒素等の材料、あるいはセラ
ミックス、金属材料等を超高真空中、真空中又は各種不
活性ガス雰囲気中で高温加熱、蒸着加工、半田付け等を
行うための輻射導入加熱装置に関する。
(従来の技術) 従来の技術として特開昭61−211978号公報を挙げるこ
とができる。
(考案が解決しようとする課題) 上記従来装置においては回転楕円反射鏡の下方開口部
に、一本の単一の石英製導光部材の入射面部を適宜位置
付けしているが、該開口部と該導光部材との間隙が大き
いために集光しない赤外線の一部が外に漏れてしまい加
熱効率が低下するという問題点があった。
また、真空チャンバーと石英窓との真空シール部分に
Oリングを採用しているがシール接触面の僅かなリーク
により超高真空度を得ることは事実上不可能に近いとい
う問題点があった。そして、前記石英製の導光部材を固
定する構造も超高真空度を維持するためには適さないと
いう問題点があった。
さらに、導光部材の先端と真空チャンバー内の試料と
の間隔を調整する機構がなく、試料への的確な高温処理
や加工等が困難であるという問題点があった。
本考案は、熱効率に優れるとともに、超高真空中又は
不活性ガス雰囲気中においてセラミックス、金属材料等
の試料への加熱処理や加工に適した輻射導入加熱装置を
提供することを目的とする。
(課題を解決するための手段) 本考案は、上記の目的を達成するため、上側回転楕円
反射鏡と下側回転楕円反射鏡とにより上側の焦点と下側
の焦点を有する中空回転楕円体を形成し、上側回転楕円
反射鏡内に輻射光源を設置し、下側回転楕円反射鏡に開
口部を設けた加熱装置本体において、該開口部に透明石
英により棒状に形成した第一導光部材を隙間少なく挿入
して装着し、該部材の入射部を下側の焦点に位置させ、
出射部を下方に向けて露出してある一方、サファイヤ窓
を気密に装着した真空部を設け、このサファイヤ窓の表
面を上記第一導光部材の出射部に対向近接させ、この真
空部を真空チャンバーに気密に連結するとともに、透明
石英により棒状に形成した第二導光部材を、該真空部と
真空チャンバーとに差し渡して設け、この第二導光部材
の入射部を上記サファイヤ窓の内面に対向近接させ、出
射部を真空チャンバー内の試料載置架台の上方に位置さ
せてあることを特徴とする。
上記真空部と真空チャンバーとの間にストローク調整
機構を設けてあることを特徴とする。
(作用) 中空回転楕円体状の加熱装置本体内の輻射光源から下
側焦点に集光した輻射線例えば赤外線は第一導光部材内
を全反射しながら通過し、サファイヤ窓を経て第二導光
部材内を全反射しながら通過し、第二導光部材の出射部
から輻射する集光赤外線等により超高真空又は不活性ガ
ス雰囲気中で試料をクリーンに加熱する。
(実施例) 図中1は加熱装置本体である。この加熱装置本体1
は、上側回転楕円反射鏡2の下部開口と下側回転楕円反
射鏡3の上部開口とを突き合わせて適宜螺杆4等により
着脱自在に固着して、上側の焦点F1と下側の焦点F2とを
有する中空回転楕円体を形成し、上側回転楕円反射鏡2
内に輻射光源Qを上側の焦点F1と下側の焦点F2を通る長
軸方向に移動可能に設置し、下側回転楕円反射鏡3の下
部に該長軸を中心とした開口部5を設けて構成してあ
る。この上側回転楕円反射鏡2と下側回転楕円反射鏡3
とはステンレス材等から形成し、内面それぞれには金メ
ッキ2A、3Aを施してある。また、後述するように、輻射
光源Qからの輻射エネルギーを、上側回転楕円反射鏡2
及び下側回転楕円反射鏡3により焦点F2に集光するよう
に成してある。さらに、開口部5は後述する第一導光部
材の外径と略同径にして、開口部5と第一導光部材との
間の隙間を小さくし、開口部5から赤外線を外に漏らさ
ないようにしてある。
図中符号6は透明石英材を高精度に研磨して棒状に形
成した第一導光部材であり、この第一導光部材6は入射
部6Aと出射部6Bとを有して、前記開口部5に挿入しフラ
ンジ部6Cを介して開口部5に装着し、出射部6Bを下方に
向けて大気側に露出してある。前記焦点F2に位置する入
射部6Aに集光した輻射赤外線は、第一導光部材6内を全
反射しながら出射部6Bより、後述するサファイヤ窓8の
表面に向けて出射する。
図中9が基台で、この基台9がロッド9Bを介在して、
上記第一導光部材6を装着した加熱装置本体1を支えて
いる。この基台9に、サファイヤ窓8、ガスケットフラ
ンジ7、懸吊部材9A等よりなる真空部Vを設けてある。
このサファイヤ窓8は銅ガスケットシール8Aにより気密
にシールされてガスケットフランジ7内側の窓孔7Aに取
り付けた真空部Vに装着してある。そして、サファイヤ
窓8の表面を上記第一導光部材の出射部6Bに略0.5mm〜
1.00mmまで対向近接させてある。この窓材には、特に赤
外線域において透光性に優れたサファイヤを用いて、上
記出射部6Bから出射される赤外線を殆ど損失なくそのま
ま後述する第二導光部材に入射させるようにしてある。
この真空部Vは後述するベローズ13を介在して、真空チ
ャンバーに気密に連結してある。
そこで、やや長手棒状に形成した第二導光部材10を真
空部Vからベローズ13を通り抜けて真空チャンバー15に
垂直状に差し渡して設けてある。即ち、この第二導光部
材10上部のフランジ10Cを懸吊部材9Aの内側角部に係架
して、その入射部10Aを上記サファイヤ窓8内面に略0.5
mm〜1.00mmまで対向近接させてあり、一方、この第二導
光部材10先端の出射部10Bは真空チャンバー15内の試料
載置架台16の上方に位置させてある。
なお、第二導光部材10は透明石英材を高精度に研磨し
て成形したものであり、上記基台9より一体的に垂下し
たガイド筒11により保持されている。このガイド筒11に
は複数の透孔11Aと、先端開口縁11Bとが設けられてお
り、この先端開口縁11Bが第二導光部材10を挟持してい
る。
上記基台9の下部には金属ガスケットフランジ13Bを
取り付けてある。一方、真空チャンバー15の上部に金属
ガスケットフランジ15Aを設けてあり、この金属ガスケ
ットフランジ15A上に金属ガスケットフランジ13Aを上記
金属ガスケットフランジ13Bと対向させて取り付けてあ
る。この金属ガスケットフランジ13Bと金属ガスケット
フランジ13Aとの間にベローズ13を介在させて設け、真
空部Vと真空チャンバー15とを気密に連結してある。上
記金属ガスケットフランジ13Bと金属ガスケットフラン
ジ13Aとの間に公知のヘリコイド式のストローク調整機
構12を介在させて設け、このストローク調整機構12に備
えたストローク調整ダイヤル14を操作することにより、
基台9を上下移動させて真空チャンバー15を基台9との
間の距離Lを真空を保ったまま調整するようにしてあ
る。基台9の上下移動に伴ってベローズ13は伸縮する。
従って、上記ストローク調整ダイヤル14の操作によ
り、第二導光部材10の出射部10Bと試料載置架台16の試
料上面Sとの間隔ΔLを調整できる。この間隔調整によ
り、凸レンズ状に形成した出射部10Bから出射した輻射
赤外線の焦点Pを、試料載置架台16に載置した試料の上
面Sに合わせることができるので、例えば試料にピンポ
イントの高温処理や加工等を行うことが可能となる。な
お、図中16Aは上記試料載置架台16の支持部である。
上記実施例では、第一、第二導光部材それぞれの入射
部(6A、10A)は平面状に形成してあるので、輻射光源
Qからの赤外線の入射角度θを全反射条件を満たすよう
に設定すれば入射赤外線を殆ど損失なく、それぞれの出
射部(6B、10B)に導光できる。なお、この第一、第二
導光部材はともに装置本体に着脱可能に取り付けて、使
用目的に応じて全長や外径等の異なる種々の仕様のもの
と交換自在としてある。
また、前記ガイド筒11に透孔11Aを設けてあるので、
真空部Vと真空チャンバー15を真空にする場合又は不活
性ガスと置換する場合にも、第二導光部材周辺の排気ガ
スやガス置換が十分行われる。
輻射光源Qは各種仕様のものから選択できるが、上記
実施例ではハロゲンランプ系に属する近赤外線ランプ
(100V、1Kw)を使用した。電源制御部17が輻射光源Q
の照度を適宜調節し、試料の処理温度を変えるようにし
てある。上側回転楕円反射鏡2の周囲には給水口18Aと
排水口18Bとを備えた冷却水用タンク18を設けてある。
同じく、下側回転楕円反射鏡3の周囲にも給水口19Aと
排水口19Bとを備えた冷却水用タンク19を設けてある。
加熱装置本体1の上方に設けた光源微動機構20は、輻
射光源Qを前記長軸方向に移動させるものであり、摺動
板25に回転摘子21Aを有する螺杆21Bを回転自在に取り付
け、また輻射光源Qの導線16Aが挿通した摺動筒体22と
を取り付けて構成されている。この構成により、輻射光
源Qと連結した摺動筒体22が上側回転楕円反射鏡2の頂
部の貫通孔2Cを上下に移動する。この輻射光源Qの移動
により、下側の焦点F2に位置した第一導光部材6の入射
部6Aへの前記入射角度θと照射面積とを変えることがで
きる。
以下、上記の輻射導入加熱装置の実施例の使用方法を
説明する。
先ず、ストローク調整ダイヤル14を操作し、第二導光
部材出射部10Bからの輻射赤外線の焦点Pを、試料載置
架台16上に載置した試料の上面Sに合わせる。
冷却水用タンク18、19に冷却水を流し、真空チャンバ
ーの真空排気口より内の空気を排気し、超高真空状態に
維持させる。輻射光源Qを点灯して電源制御部17により
照射強度を設定して、光源微動機構20の回転摘子21Aを
回して輻射光源Qの位置調整を行い、第一導光部材6の
入射部6Aに輻射赤外線を効率よく入射させる。
そのとき、平面状に形成した入射部6Aに入射する上記
赤外線の入射角度θ、屈折率nを有する第一導光部材6
内への屈折角度をφとすれば第一導光部材6の内壁面R
における入射角度90−φの全反射条件は、 n・sinφ=sinθ n-1=sin(90−φc) φ≦φc となる。
即ち、sinθ・sin(90−φc)≦sinφcであり、90
−φcは臨界角度である。
従って、上記入射角度θを適宜調整すれば、赤外線は
内壁面Rにおいて全反射するので、その熱エネルギーが
内壁面Rから漏出することなく全反射を繰り返して減衰
することなく第一導光部材6の出射部6Bに伝導される。
続いて、赤外線は出射部6Bから真空部Vのサファイヤ
窓8をそのまま透過し、超高真空又は不活性ガス雰囲気
中にある第二導光部材10の入射部10Aに入射する。この
赤外線は第二導光部材10においても上記と同じ条件で全
反射を繰り返して減衰することなく第二導光部材10の出
射部10Bに伝導される。
そこで、出射部10Bからの輻射赤外線が試料載置架台1
6載置した試料の上面Sに集中して局部的に加熱する。
このとき、輻射光源Qに出力1Kwの赤外線ランプを用
い、外径20mm、全長約200mmの導光部材を使用してあれ
ば、焦点Pにおける温度は1000℃をはるかに越えるが、
導光部材の外壁面R′の温度は70〜80℃に留まってお
り、伝導中における損失がきわめて少ないことを示して
いる。
さらに、本考案輻射導入加熱装置では、真空部と真空
チャンバーとを超高真空度(10-8〜10-11Torr)に維持
できるので、きわめてクリーンな状態において試料への
高温処理等を精密にかつ確度高く行うことができる。
(考案の効果) 本考案輻射導入加熱装置は上記の構成、作用により下
記の効果を発揮する。
(a)下側回転楕円反射鏡の開口部に、第一導光部材を
隙間少なく装着して、サファイヤ窓を介して真空又は希
ガス雰囲気側の第二導光部材と縦方向に対向近接させて
位置付けしたので、輻射光源からの赤外線が外部に漏洩
するおそれがなく、常に高い加熱効率が得られる。
(b)サファイヤ窓を気密に装着した真空部を設け、こ
の真空部を真空チャンバーと気密に連結してあるので、
真空部を真空チャンバーとを超高真空度に維持できるか
ら、きわめてクリーンな状態において試料への加熱高温
処理等を確度高くかつ容易に行うことができる。
(c)真空部と真空チャンバーとの間にストローク調整
機構を設けてあるから、真空チャンバー内において第二
導光部材の出射部と試料との間隔を調整することがで
き、超高真空でも試料に高温処理等を精密にかつ確度高
く行える。
【図面の簡単な説明】
第1図は本考案の実施例を示す縦断正面図、第2図は導
光部材の取付要部を示す拡大縦断正面図、第3図は導光
部材を分離した状態を示す斜視図である。 3……下側回転楕円反射鏡、5……開口部 6……第一導光部材、6B……出射部 8……サファイヤ窓、10……第二導光部材 10A……入射部、10B……出射部

Claims (2)

    (57)【実用新案登録請求の範囲】
  1. 【請求項1】上側回転楕円反射鏡と下側回転楕円反射鏡
    とにより上側の焦点と下側の焦点を有する中空回転楕円
    体を形成し、上側回転楕円反射鏡内に輻射光源を設置
    し、下側回転楕円反射鏡に開口部を設けた加熱装置本体
    において、該開口部に透明石英により棒状に形成した第
    一導光部材を隙間少なく挿入して装着し、該部材の入射
    部を下側の焦点に位置させ、出射部を下方に向けて露出
    してある一方、サファイヤ窓を気密に装着した真空部を
    設け、このサファイヤ窓の表面を上記第一導光部材の出
    射部に対向近接させ、この真空部を真空チャンバーに気
    密に連結するとともに、透明石英により棒状に形成した
    第二導光部材を、該真空部と真空チャンバーとに差し渡
    して設け、この第二導光部材の入射部を上記サファイヤ
    窓の内面に対向近接させ、出射部を真空チャンバー内の
    試料載置架台の上方に位置させて超高真空状態や不活性
    ガス雰囲気中で試料の高温加熱処理が可能であることを
    特徴とする輻射導入加熱装置。
  2. 【請求項2】上記真空部と真空チャンバーとの間にスト
    ローク調整機構を設けてあることを特徴とする請求項1
    記載の輻射導入加熱装置。
JP1990000556U 1990-01-10 1990-01-10 輻射導入加熱装置 Expired - Lifetime JP2507905Y2 (ja)

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