JP6430877B2 - マイクロ波照射装置、及び、マイクロ波照射方法 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波照射装置、及び、マイクロ波照射方法に関する。なお、「マイクロ波」とは、一般には、３００ＭＨｚ〜３ＴＨｚの電波（電磁波）を指すが、本明細書にて、「マイクロ波」とは、１０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚの電波（電磁波）を指すものとする。なお、一般に、３ＧＨｚ〜３０ＧＨｚの電波（電磁波）は、「センチメートル波」とも呼ばれ、３０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚの電波（電磁波）は、「ミリ波（ミリメートル波）」とも呼ばれる。従って、本明細書における「マイクロ波」は、センチメートル波、又は、ミリ波である、ともいえる。

従来より、マイクロ波を発生するマイクロ波源と、前記マイクロ波源から発生した前記マイクロ波を反射して集光する反射機構と、前記反射機構によって反射された前記マイクロ波が照射される対象である被加熱体が載置される載置台と、を備えたマイクロ波照射装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

マイクロ波を被加熱体に集光して照射することによって、被加熱体を局所的に強く加熱することができる。従って、例えば、セラミックスで構成された２つの物体を接合する際に上記文献に記載の装置を使用することができる。この場合、反射されたマイクロ波を集光して前記２つの物体の接合部分に直接的に照射することによって、前記接合部分の周囲の広い範囲を溶かすことなく、前記２つの物体を確実に接合することができる。

特開２００３−２８８９７８号公報

ところで、上述のように、反射されたマイクロ波を集光して被加熱体に直接的に照射すると、被加熱体の照射面（マイクロ波が照射される表面を含む面）にクラックが発生するという問題が発生し得る。この問題は、被加熱体の照射面に過大な温度差（温度勾配）が発生することに基づく、と考えられる（詳細は、後述する）。このようなクラックが発生し難いマイクロ波照射装置、或いは、マイクロ波照射方法が提供されることが望まれるところである。

本発明は上記問題に対処するものであり、その目的は、集光されたマイクロ波を被加熱体に照射する際にて、被加熱体の照射面にクラックが発生する頻度を低減することにある。

本発明に係るマイクロ波照射装置は、上記文献に記載の装置と同様のマイクロ波源、反射機構、並びに、被加熱体が載置される載置台、を備える。本発明では、前記マイクロ波の周波数が２８ＧＨｚであり且つ温度が２５℃という条件下において、ある材料の内部を前記マイクロ波が通過する際に、前記マイクロ波のエネルギーの大きさ（単位：ワット（Ｗ））が半減するのに必要な前記マイクロ波の移動距離が、その材料の「半減深さ」と定義される。

本発明に係るマイクロ波照射装置の特徴は、「前記反射機構と前記載置台に載置された前記被加熱体との間における前記反射されたマイクロ波が通過する領域に介在する透過物であって、前記半減深さが１００ｍｍ以上である材料で構成された透過物」を備えたことにある。

ここにおいて、前記透過物は、緻密質又は多孔質の固体であることが好ましいが、粉体の集合体であってもよい。前記反射機構によって反射されたマイクロ波の全てが前記透過物に進入するように、前記透過物が配置されることが好ましい。また、前記被加熱体は、前記半減深さが１００ｍｍ未満である材料で構成されることが好適である。本明細書では、半減深さが１００ｍｍ以上の材料を「マイクロ波を透過する材料」と呼び、半減深さが１００ｍｍ未満の材料を「マイクロ波を吸収する材料」と呼ぶこともある。

上記本発明の構成によれば、透過物は「マイクロ波を透過する材料」で構成されている。従って、透過物に進入したマイクロ波の殆ど全てが透過物を透過する。即ち、反射機構によって反射されたマイクロ波の殆ど全て（例えば、９０％以上）が、透過板を透過した後に、被加熱体の照射面に照射される。この構成では、上記背景技術の欄に記載した「反射されたマイクロ波が集光して被加熱体に直接的に照射される構成」と比べて、被加熱体の照射面に発生する温度差（温度勾配）が小さくなる（詳細は、後述する）。この結果、被加熱体の照射面にクラックが発生し難くなる。

上記本発明においては、前記透過物は、前記載置台に載置された前記被加熱体の照射面と向かい合うように（前記照射面から離れて）配置された（平板状の）透過板であり、且つ、前記被加熱体の照射面と、前記透過板と、の間隔が２０ｍｍ以下であることが好適である。

本発明者は、前記被加熱体の照射面と、前記透過板と、の間隔が２０ｍｍ以下である場合、そうでない場合と比べて、前記被加熱体の照射面により一層クラックが発生し難くなることを見出した（詳細は、後述する）。

上記本発明においては、前記透過物は、前記載置台に載置された前記被加熱体の照射面と向かい合うように（前記照射面から離れて）配置された（平板状の）透過板であり、且つ、前記透過板の厚さが、前記透過板を構成する材料の「半減深さ」の１／４１以下であることが好適である。

本発明者は、前記透過板の厚さが前記透過板を構成する材料の「半減深さ」の１／４１以下である場合、そうでない場合と異なり、前記被加熱体が溶融し易いことを見出した（詳細は、後述する）。

本発明に係るマイクロ波照射方法は、前記マイクロ波を発生するマイクロ波源と、前記マイクロ波源から発生した前記マイクロ波を反射して集光する反射機構と、前記被加熱体が載置される載置台と、を備えたマイクロ波照射装置を利用して、前記反射機構と前記載置台に載置された前記被加熱体との間における前記反射されたマイクロ波が通過する領域に、前記マイクロ波を透過する材料で構成された透過物を介在させた状態で、前記被加熱体に前記反射されたマイクロ波を照射する方法、と記載することができる。

実施形態に係るマイクロ波照射方法（本実施形態）に使用されるマイクロ波照射装置の全体の概略構成図である。 比較例において、被加熱体にマイクロ波が照射される一例を示した斜視図である。 図２に示す比較例において、熱の伝わり方を説明するための図である。 図２に示す比較例において、被加熱体の温度分布を示すグラフであり、具体的には、（ａ）は、被加熱体の照射面におけるｘ軸方向における温度分布を示し、（ｂ）は、被加熱体の照射面におけるｙ軸方向における温度分布を示し、（ｃ）は、被加熱体の厚さ方向における温度分布を示す。 本実施形態において、被加熱体にマイクロ波が照射される一例を示した、図２に対応する斜視図である。 図５に示す本実施形態において、熱の伝わり方を説明するための、図３に対応する図である。 図５に示す本実施形態において、被加熱体の温度分布を示した、図４に対応するグラフである。 実験にて採用された、透過板の載置方法を説明するための図である。 透過板の厚さＴ、並びに、透過板及び被加熱体の間の距離Ｈを説明するための図である。 透過板の載置方法の変形例を説明するための図である。 本実施形態の変形例において、被加熱体にマイクロ波が照射される一例を示した、図５に対応する斜視図である。 図１１に示す変形例における、図６に対応する図である。 本実施形態の他の変形例において、被加熱体にマイクロ波が照射される一例を示した、図５に対応する斜視図である。 図１３に示す他の変形例における、図６に対応する図である。

以下、本発明に係るマイクロ波照射方法の実施形態（本実施形態）について説明する。

（マイクロ波照射装置の構成）
図１は、本実施形態に使用される、既に知られているマイクロ波照射装置の全体の概略を示す。この装置は、マイクロ波を発生するマイクロ波源１０と、マイクロ波源１０から発生したマイクロ波を反射して集光する反射機構２０と、被加熱体を載置する載置台３０と、マイクロ波が装置の外部へ漏洩するのを防止するための筐体４０と、を備える。この装置は、筐体４０内の空気が常温の状態で使用される。

マイクロ波源１０は、マイクロ波を発生する電子管１１と、電子管１１の作動に必要な磁場を形成する磁場発生装置１２と、を備える。電子管１１は、例えば、ジャイロトロンを含んで構成される。磁場発生装置１２は、例えば、電磁石を含んで構成される。反射機構２０は、筐体４０内に設けられ、凹状の曲面ミラーを含んで構成される。この曲面ミラーは、電子管１１の先端部（筐体４０内）から放出されたマイクロ波を反射し、載置台３０に載置された被加熱体に向けてビーム状に集光する。

以下、この既に知られているマイクロ波照射装置の作動について簡単に説明する。電子管１１は、図示しない電源装置から電力を供給され、且つ、磁場発生装置１２から磁場を供給されながら、マイクロ波（１０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚの電波（電磁波））を発生する。電子管１１内で発生したマイクロ波は、電子管１１内を伝搬して電子管１１の先端部（筐体４０内）に達し、その先端部から、筐体４０内の反射機構２０（曲面ミラー）に向けて放出される。その後、マイクロ波は、反射機構２０（曲面ミラー）によって反射され、載置台３０に載置された被加熱体の上面（照射面）（或いは、照射面の近傍）が焦点と一致するように、集光される。このように、曲面ミラーによって反射されたマイクロ波は、集光されて被加熱体の照射面に照射される。ここで、被加熱体は、マイクロ波を吸収する材料（後述する）で構成される部分を少なくとも含む。この結果、被加熱体が局所的に加熱される。被加熱体の材料としては、例えば、ジルコニア、βアルミナ等が挙げられる。

図２は、この既に知られているマイクロ波照射装置を用いて、接合されるべき２つの直方体状のセラミック体（被加熱体Ａ、及び、被加熱体Ｂ）を接合する場合の一例を示す。この場合、曲面ミラーによって反射されたマイクロ波が集光されて、図２に示すように、載置台３０に載置された被加熱体Ａ，Ｂの照射面（上面、ｘ−ｙ平面方向の面）における接合部分（接合面の近傍部分）に直接的に照射される。マイクロ波のビーム中心は、被加熱体Ａ，Ｂの接合面を通る。この場合、マイクロ波を照射しながら、マイクロ波と被加熱体Ａ，Ｂとの相対位置をｙ軸方向に徐々に移動することによって、被加熱体Ａ，Ｂの照射面における「マイクロ波が照射される領域」（マイクロ波のスポット位置）を接合面に沿って（ｙ軸方向に沿って）徐々に移動することが好適である。これにより、被加熱体Ａ，Ｂにおける接合部分の近傍のみを溶かして（接合部分の周囲の広い範囲を溶かすことなく）、被加熱体Ａ，Ｂを確実に接合することができる。

（被加熱体の照射面におけるクラックの発生）
ところで、図２に示すように、曲面ミラーによって反射されたマイクロ波を集光して被加熱体に直接的に照射すると、被加熱体（被加熱体Ａ，Ｂ）の照射面にクラックが発生するという問題が発生し得る。以下、この点について詳述する。先ずは、その準備として、「半減深さ」、「マイクロ波を透過する材料」、及び、「マイクロ波を吸収する材料」を、以下のように定義しておく。

一般に、或る材料の「半減深さ」とは、「その材料の内部をマイクロ波が通過する際に、マイクロ波のエネルギーの大きさ（単位：ワット（Ｗ））が半減するのに必要なマイクロ波の移動距離」と定義される。「半減深さ（ｍ）」は、下記(１)式によって算出される。下記(１)式において、αは半減深さ定数（ｍ/ｓ）、ｆはマイクロ波の周波数（Ｈｚ）、ε_ｒはその材料の比誘電率（無次元）、tanδはその材料の誘電正接（無次元）である。ε_ｒ、及び、tanδは、マイクロ波の周波数ｆ、及び、温度によって変化する。半減深さ定数α＝３．３１×１０＾7（一定）である。

半減深さ＝（３．３１×１０＾７）／（ｆ×ε_ｒ＾（１／２）×tanδ）） …(１)

特に、本明細書では、或る材料の「半減深さ（ｍ）」とは、「マイクロ波の周波数ｆが２８ＧＨｚであり且つ温度が２５℃という条件下において、その材料の内部をマイクロ波が通過する際に、マイクロ波のエネルギーの大きさ（単位：ワット（Ｗ））が半減するのに必要なマイクロ波の移動距離」と定義される。従って、本明細書で定義される、或る材料の「半減深さ（ｍ）」は、マイクロ波の周波数ｆが２８ＧＨｚ、且つ、温度が２５℃という条件下にて実測されたその材料のε_r、及び、tanδのそれぞれの値を上記(１)式に適用することによって算出され得る。

本明細書では、「半減深さ」が１００ｍｍ以上の材料が、「マイクロ波を透過する材料」と定義され、「半減深さ」が１００ｍｍ未満の材料が、「マイクロ波を吸収する材料」と定義される。「マイクロ波を透過する材料」は、マイクロ波（１０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚの電波（電磁波））を殆ど吸収せずに透過するので（半減深さが十分に大きいので）、マイクロ波を照射しても、殆ど加熱されない（温度が殆ど上昇しない）。一方、「マイクロ波を吸収する材料」は、マイクロ波（１０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚの電波（電磁波））を殆ど吸収するので（半減深さが十分に小さいので）、マイクロ波が照射されると、十分に加熱される（温度が上昇し易い）。

図３は、図２に示すように、曲面ミラーによって反射されたマイクロ波が集光されて被加熱体（被加熱体Ａ，Ｂ）の照射面（上面）における接合部分に直接的に照射される場合における、熱の伝わり方の一例を示す。被加熱体の周囲に存在する空気は、マイクロ波を殆ど吸収せずに透過する。従って、マイクロ波が被加熱体に照射されても、マイクロ波が通過してきた空気（従って、被加熱体の周囲に存在する空気）の温度は殆ど上昇しない（常温の近傍に維持される）。一方、被加熱体は「マイクロ波を吸収する材料」で構成されている。従って、図３に示すように、マイクロ波が被加熱体の照射面における接合部分に照射されると、マイクロ波が前記照射面の接合部分に吸収され、前記照射面の接合部分の温度が上昇する。前記照射面の接合部分の温度上昇によって発生する熱（より具体的には、赤外線）は、図３に細い黒矢印で示すように、伝導熱として、前記照射面の前記接合部分（マイクロ波が照射される領域）から、前記照射面における前記接合部分の外側（ｘ−ｙ平面方向）、及び、被加熱体の内部（ｚ軸負方向）に向けて広がるように伝導されていく。この伝導熱の伝導によって、被加熱体の照射面、及び被加熱体の内部の広い範囲に亘って、被加熱体の温度が上昇していく。

被加熱体の照射面の温度が上昇すると、被加熱体の照射面からは、図３に太い黒矢印で示すように、放射熱（より具体的には、赤外線）が上方に向けて放出される。以下、この放射熱を「一次放射熱」と呼ぶ。この一次放射熱の放出によって、被加熱体の照射面の温度が低下する。被加熱体の照射面の周囲に存在する空気は、この一次放射熱を殆ど吸収しない。即ち、この一次放射熱が放出されても、被加熱体の照射面の周囲に存在する空気の温度は殆ど上昇しない。従って、被加熱体の照射面の周囲に存在する空気は、「外部から照射面に供給される熱の発生源」とはならない。換言すれば、マイクロ波以外では、「外部から照射面に供給される熱の発生源」が存在しない。

図４（ａ）は、被加熱体の照射面におけるｘ軸方向における温度分布の一例を示し、図４（ｂ）は、被加熱体の照射面におけるｙ軸方向における温度分布の一例を示し、図４（ｃ）は、被加熱体の接合部分の厚さ方向における温度分布の一例を示す。図４（ａ）（ｂ）に示すように、被加熱体の照射面の温度は、マイクロ波のビーム中心から離れるにつれて、大きく低下していく。換言すれば、被加熱体の照射面に発生する温度差（温度勾配）が大きい。加えて、図４（ｃ）に示すように、被加熱体の厚さ方向に関し、照射面から僅かに内側の部分と比べて照射面の温度が低い。換言すれば、被加熱体の厚さ方向における照射面からの近傍領域において温度差（温度勾配）が大きい。これらのような大きな温度差（温度勾配）の発生は、被加熱体の内部での上述した伝導熱の伝導量に対して被加熱体の照射面からの上述した一次放射熱の放出量が相当程度大きいこと、並びに、マイクロ波以外で「外部から照射面に供給される熱の発生源」が存在しないことに起因する。

上述した被加熱体の照射面にクラックが発生するのは、被加熱体の照射面（或いは、厚さ方向における照射面の近傍）に上述のような大きい温度差（温度勾配）が発生することによって、照射面に過大な熱応力が局所的に発生することに基づく、と考えられる。以上のように、図１に示す既に知られているマイクロ波照射装置を利用して、マイクロ波を集光して被加熱体に直接的に照射すると、被加熱体の照射面にクラックが発生し易い。

（被加熱体の照射面におけるクラックの発生頻度の低減）
このようなクラックの発生頻度を低減するため、本実施形態（本発明に係るマイクロ波照射方法の実施形態）では、図５に示すように、反射機構２０（曲面ミラー）と、載置台３０に載置された被加熱体と、の間における、マイクロ波が通過する領域に、「マイクロ波を透過する材料」で構成された透過板を介在させた状態で、マイクロ波が被加熱体に照射される。反射機構２０によって反射されたマイクロ波の全てがこの透過板に進入するように、透過板が配置されている。透過板の材料としては、例えば、窒化アルミ、炭化ケイ素、αアルミナ等が挙げられる。図５に示す例では、透過板は、平板状（薄い直方体状）を呈している。図５に示す例では、透過板は、載置台３０に載置された被加熱体の照射面の上方に間隔を空けて配置されている。

この透過板は、図１に示したマイクロ波照射装置の一部であってもよい。この場合、例えば、「透過板が、図１に示すマイクロ波照射装置が有する図示しない位置決め機構（スライダ等）に取り付けられる構成」を採用することが好ましい。これにより、載置台３０に載置された被加熱体に対する透過板の相対位置を自由に変更することができる。なお、このように、透過板が図１に示したマイクロ波照射装置の一部である場合のマイクロ波照射装置が、本発明に係る「マイクロ波照射装置」に対応する。

一方、この透過板は、図１に示したマイクロ波照射装置の一部でなくてもよい。この場合、例えば、透過板は、後述する図８及び図１０に示すように、スペーサを用いて、載置台３０に載置された被加熱体の照射面の上方に間隔を空けて配置され得る。

（作用・効果）
以下、図５に示すように透過板を介在することによる作用・効果について説明する。図６は、図５に示すように、曲面ミラーによって反射されたマイクロ波が、透過板を透過した後に、被加熱体（被加熱体Ａ，Ｂ）の照射面（上面）における接合部分に集光して照射される場合における、熱の伝わり方の一例を示す。透過板は、「マイクロ波を透過する材料」で構成されている。従って、マイクロ波が透過板を透過しても、透過板は殆ど加熱されない。一方、透過物に進入したマイクロ波の殆ど全てが透過物を透過する。即ち、曲面ミラーによって反射されたマイクロ波の殆ど全て（例えば、９０％以上）が、透過板を透過した後に、被加熱体の照射面に照射される。この結果、図２に示すように透過板が介在されない場合と同様、被加熱体の照射面の温度が上昇し、温度が上昇した照射面からは、上方に向けて一次放射熱が放出される。

透過板の下面は、この一次放射熱を受ける。この結果、透過板の下面の温度が上昇する。透過板の下面の温度が上昇すると、透過板の下面からは、図６に太い白矢印で示すように、放射熱（より具体的には、赤外線）が下方に向けて放出される。以下、この放射熱を「二次放射熱」と呼ぶ。なお、被加熱体と透過板との間に存在する空気は、一次放射熱、及び、二次放射熱を殆ど吸収しない。従って、一次放射熱、及び、二次放射熱が放出されても、被加熱体と透過板の間に存在する空気の温度は殆ど上昇しない。

被加熱体の照射面は、この二次放射熱を受ける。換言すれば、マイクロ波以外で「外部から照射面に供給される熱の発生源」が存在する。被加熱体の照射面の温度分布は、被加熱体の内部での上述した伝導熱の伝導による温度の上昇と、一次放射熱の放出による温度の低下と、二次放射熱の供給による温度の上昇と、のバランスによって決定される。

図７（ａ）〜図７（ｃ）は、上述した図４（ａ）〜図４（ｃ）にそれぞれ対応している。図７（ａ）〜図７（ｃ）において、実線は、図５に示すように透過板が介在される場合の温度分布を示し、二点鎖線は、図４に示した温度分布と同じ温度分布（即ち、図２に示すように透過板が介在されない場合の温度分布）を示す。図７（ａ）〜図７（ｃ）から理解できるように、透過板が介在されると、透過板が介在されない場合と比べて、被加熱体の照射面に発生する温度差（温度勾配）、並びに、被加熱体の厚さ方向における照射面からの近傍領域における温度差（温度勾配）が共に小さくなる。これは、上述したように、透過板が介在されない場合と異なり、マイクロ波以外で「外部から照射面に供給される熱の発生源」（＝二次放射熱）が存在することに起因する。この結果、被加熱体の照射面に過大な熱応力が発生し難くなることによって、被加熱体の照射面にクラックが発生し難くなる。以下、この作用・効果を、「二次放射熱による照射面の温度差の低減効果」と呼ぶ。なお、この「二次放射熱による照射面の温度差の低減効果」を安定して発揮するためには、透過板の温度が高い必要がある。従って、本実施形態では、透過板を冷却する装置を設ける必要はない。

（被加熱体の照射面と透過板との間隔の適正範囲）
上述のように、「反射機構２０（曲面ミラー）」と「載置台３０に載置された被加熱体」との間に、「マイクロ波を透過する材料」で構成された透過板を介在させると、透過板を介在させない場合と比べて、被加熱体の照射面にクラックが発生し難くなる。しかしながら、条件によっては、透過板を介在させてもなお、被加熱体の照射面にクラックが発生し易い場合があった。

本発明者は、透過板を介在させた場合における、被加熱体の照射面のクラックの発生の有無が、「被加熱体の照射面と透過板との間隔」と強い相関があることを見出した。以下、このことを確認した試験Ａについて説明する。

（試験Ａ）
この試験Ａでは、図５に示した状態を実現するため、図８に示すように、図１に示したマイクロ波照射装置の載置台３０に載置された被加熱体（被加熱体Ａ、Ｂ）の照射面（上面）の上に、スペーサを介して、透過板が、前記照射面と間隔を空けて配置された。

試験Ａでは、被加熱体（被加熱体Ａ、Ｂ）の材料、透過板の材料、透過板の厚さＴ、及び、「透過板と被加熱体の照射面との間隔Ｈ」（Ｔ、Ｈについて、図９を参照）の組み合わせが異なる複数のサンプルが作製された。具体的には、表１に示すように、１０種類の水準（組み合わせ）が準備された。各水準に対して１０個のサンプル（Ｎ＝１０）が作製された。各サンプルにおいて、被加熱体の材料としては「マイクロ波を吸収する材料」（＝半減深さが１００ｍｍ未満の材料）が使用され、透過板の材料としては「マイクロ波を透過する材料」（＝半減深さが１００ｍｍ以上の材料）が使用された。

各サンプルにおいて、接合されるべき被加熱体Ａ、Ｂは、それぞれ、幅（ｘ軸方向）５０ｍｍ、奥行き（ｙ軸方向）５０ｍｍ、高さ（ｚ軸方向）５０ｍｍの直方体状を呈していた。透過板は、幅（ｘ軸方向）５０ｍｍ、奥行き（ｙ軸方向）５０ｍｍの薄板状（直方体状）を呈していた。直方体状のスペーサが、透過板の四隅に１つずつ配置された。間隔Ｈは、スペーサの高さを調整することによって調整された。間隔Ｈ＝０（水準１を参照）は、スペーサを取り除くこと（即ち、照射面上に透過板を直接載置すること）によって実現された。被加熱体の気孔率は７０〜８０体積％であった。透過板の気孔率は９０〜９５体積％であった。また、各水準において、透過板の材料の半減深さＤ（ｍｍ）が算出された。各半減深さＤは、マイクロ波の周波数ｆが２８ＧＨｚ、且つ、温度が２５℃という条件下にて実測された透過板の材料のε_ｒ、及び、tanδのそれぞれの値を上記(１)式に適用することによって算出された。

試験Ａでは、各サンプルについて、常温下にて、図８に示すように、曲面ミラー（図１を参照）によって反射されたマイクロ波が、透過板を透過した後に、被加熱体（被加熱体Ａ，Ｂ）の照射面（上面）における接合部分に集光して照射された。マイクロ波の出力は２００Ｗ、マイクロ波の周波数は２８ＧＨｚであった。被加熱体の照射面上におけるマイクロ波のスポット径は約２０ｍｍであった。試験Ａでは、曲面ミラーの向き、及び、載置台３０の位置の少なくとも１つを変更することによって、被加熱体の照射面上のマイクロ波のスポット位置が、接合面に沿って（ｙ軸方向に沿って）、相対速度５ｍｍ／秒で移動させられた。なお、被加熱体の照射面上のマイクロ波のスポット位置が固定されていてもよい。マイクロ波は、３０分に亘って連続的に照射された。そして、各サンプルについて、被加熱体の照射面にクラックが発生しているか否かが確認された。この確認は、目視、並びに、顕微鏡を使用した観察によってなされた。この結果は表１に示すとおりである。

表１から理解できるように、間隔Ｈが２０ｍｍより大きいと、間隔Ｈが２０ｍｍ以下の場合と比べて、被加熱体の照射面にクラックが発生し易い。これは、間隔Ｈが大き過ぎると、被加熱体の照射面が透過板の下面から受ける二次放射熱の量が小さくなり、上述した「二次放射熱による照射面の温度差の低減効果」が十分に発揮され得ないことに基づく、と考えられる。なお、表１のように、間隔Ｈ＝０の場合（即ち、透過板が照射面上に直接載置された場合）は、上述した「一次放射熱」及び「二次放射熱」を、それぞれ、「一次伝達熱」及び「二次伝達熱」と読み替えることによって、熱の伝わり方を説明することができる。

以上、間隔Ｈが（０以上、且つ、）２０ｍｍ以下であると、間隔Ｈが２０ｍｍより大きい場合と比べて、被加熱体の照射面にクラックが発生し難い、ということができる。なお、試験Ａでは、マイクロ波の出力が２００Ｗであり、マイクロ波の周波数が２８ＧＨｚであったが、マイクロ波の出力が２００Ｗ以外（例えば、１０００Ｗ、２０００Ｗ）であっても、且つ、マイクロ波の周波数が２８ＧＨｚ以外（例えば、２４ＧＨｚ、１００ＧＨｚ）であっても、同じ結果が得られることを別途確認している。

（透過板の厚さの適正範囲）
上述のように、「反射機構２０（曲面ミラー）」と「載置台３０に載置された被加熱体」との間に、「マイクロ波を透過する材料」で構成された透過板を介在させた場合において、条件によっては、被加熱体が溶融しない場合があった。

本発明者は、透過板を介在させた場合における、被加熱体の溶融の発生の有無が、値「Ｔ／Ｄ」と強い相関があることを見出した。以下、このことを確認した試験Ｂについて説明する。

（試験Ｂ）
試験Ｂでも、試験Ａと同様、被加熱体（被加熱体Ａ、Ｂ）の材料、透過板の材料、透過板の厚さＴ、及び、「透過板と被加熱体の照射面との間隔Ｈ」の組み合わせが異なる複数のサンプルが作製された。具体的には、表２に示すように、１０種類の水準（組み合わせ）が準備された。各水準に対して１０個のサンプル（Ｎ＝１０）が作製された。

試験Ｂにおける、表２に記載された条件以外の種々の条件（各部材の材料、サイズ等、試験条件等）については、試験Ａと同様である。そして、各サンプルについて、被加熱体が溶融しているか否かが確認された。この確認は、目視、並びに、顕微鏡を使用した観察によってなされた。この結果は表２に示すとおりである。

表２から理解できるように、値「Ｔ／Ｄ」が１／４１より大きいと、値「Ｔ／Ｄ」が１／４１以下の場合と異なり、被加熱体が溶融しない。これは、透過板の厚さＴが大き過ぎると、透過板によるマイクロ波の吸収量が過剰となり、被加熱体が十分に発熱し得ないことに起因する、と考えられる。

以上、値「Ｔ／Ｄ」が１／４１以下であると、値「Ｔ／Ｄ」が１／４１より大きい場合と異なり、被加熱体が溶融する、ということができる。なお、試験Ｂでも、試験Ａと同様、マイクロ波の出力が２００Ｗであり、マイクロ波の周波数が２８ＧＨｚであったが、マイクロ波の出力が２００Ｗ以外（例えば、１０００Ｗ、２０００Ｗ）であっても、且つ、マイクロ波の周波数が２８ＧＨｚ以外（例えば、２４ＧＨｚ、１００ＧＨｚ）であっても、同じ結果が得られることを別途確認している。

以下、透過板の厚さについて付言する。上述したように、本実施形態では、透過板が介在されることによって、「二次放射熱による照射面の温度差の低減効果」が得られる。係る効果を安定して得るためには、被加熱体の照射面におけるマイクロ波のスポット位置の周囲に対して透過板からの二次放射熱が安定して供給される必要がある。ここで、被加熱体の照射面上にてマイクロ波のスポット位置が移動する場合を想定する。この場合、被加熱体の照射面上にて「一次放射熱が放出される位置」が移動していく。従って、透過板において「一次放射熱を受ける位置」も移動していく。ここで、透過板が薄いほど、透過板の熱容量が小さいので、透過板の熱を受けた位置における温度上昇の応答性が良くなる。このことは、一次放射熱を受けた位置からの透過板の二次放射熱の放出の応答性が良くなることを意味する。従って、透過板が薄いほど、移動していくマイクロ波のスポット位置の周囲に対して透過板からの二次放射熱が安定して供給され易くなる。以上、被加熱体の照射面上にてマイクロ波のスポット位置が移動する場合、透過板が薄いほど、「二次放射熱による照射面の温度差の低減効果」がより安定して得られ、この結果、被加熱体の照射面にクラックが発生する頻度をより一層安定して低減することができる。

他方、上記試験Ｂの結果から理解できるように、透過板が薄いと（即ち、値「Ｔ／Ｄ」が小さいと）、被加熱体が溶融し易くなる。以上より、「二次放射熱による照射面の温度差の低減効果」をより安定して得る観点からも、被加熱体を溶融し易くする観点からも、透過板が薄いほどより好ましい、といえる。

以上、本発明は上記本実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上述した図８に示す例では、載置台３０に載置された被加熱体の照射面の上方に間隔を空けて透過板を配置するため、透過板の四隅に、直方体状のスペーサが１つずつ配置されている。これに対し、図１０に示すように、透過板の向かい合う１対の側端部に、細長の直方体状のスペーサが１本ずつ配置されていてもよい。

このとき、図１０に示すように、２本のスペーサが、「接合されるべき被加熱体Ａ、Ｂの照射面上における接合部分が延びる方向と、２本のスペーサの長手方向とが一致するように、且つ、２本のスペーサの間に前記接合部分が位置するように」配置されることが好適である。これにより、前記接合部分の周囲の比較的狭い範囲内だけを前記接合部分に沿って溶かすことで、被加熱体Ａ、Ｂを確実に接合することができる。

また、上記本実施形態では、前記「透過物」として、被加熱体の照射面の上方に配置された平板状の透過板が使用されているが、図１１及び図１２に示すように、前記「透過物」として、被加熱体（被加熱体Ａ、Ｂ）の全体を内部に載置・収容する筐体が使用されてもよい。この場合、筐体における「被加熱体の照射面の上方に位置する部分」（上記本実施形態における「透過板」に対応する部分）の内壁から筐体内部に向けて放出される二次放射熱が、筐体のその他の部分の内壁で反射されて、被加熱体の照射面（上面）のみならず側面にも供給され得る。従って、上記本実施形態と比べて、被加熱体の表面における二次放射熱が供給される範囲が広くなるので、被加熱体の表面の温度差がより一層低減され得る。この結果、被加熱体の表面にクラックが発生する頻度がより一層低減され得る。

また、図１３及び図１４に示すように、前記「透過物」として、被加熱体の照射面上に直接載置された、平板状の「粉体の集合体」であってもよい。この場合、上述した「透過板」及び「筐体」とは異なり、「透過物にクラックが発生する」という問題がそもそも発生しない、という利点がある。なお、この場合、上述した表１における「間隔Ｈ＝０の場合」に対応する。従って、上述した「一次放射熱」及び「二次放射熱」を、それぞれ、「一次伝達熱」及び「二次伝達熱」と読み替えることによって、熱の伝わり方を説明することができる。

１０…マイクロ波源、２０…反射機構（曲面ミラー）、３０…載置台

Claims (4)

1. 周波数が１０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚのマイクロ波を発生するマイクロ波源と、
   前記マイクロ波源から発生した前記マイクロ波を反射して集光する反射機構と、
   前記反射機構によって反射された前記マイクロ波が照射される対象である被加熱体が載置される載置台と、
   を備えたマイクロ波照射装置であって、
   前記マイクロ波の周波数が２８ＧＨｚであり且つ温度が２５℃という条件下において、ある材料の内部を前記マイクロ波が通過する際に、前記マイクロ波のエネルギーの大きさが半減するのに必要な前記マイクロ波の移動距離を、その材料の半減深さと定義したとき、
   前記反射機構と前記載置台に載置された前記被加熱体との間における前記反射されたマイクロ波が通過する領域に介在する透過物であって、前記半減深さが１００ｍｍ以上である材料で構成された透過物を備え、
   前記透過物は、前記載置台に載置された前記被加熱体における前記マイクロ波が照射される表面を含む照射面と向かい合うように配置された板状部分を有し、
   前記被加熱体の照射面と、前記板状部分と、の間隔が２０ｍｍ以下である、
   マイクロ波照射装置。
2. 請求項１に記載のマイクロ波照射装置において、
   前記透過物は、前記載置台に載置された前記被加熱体における前記マイクロ波が照射される表面を含む照射面と向かい合うように配置された板状部分を有し、
   前記板状部分の厚さが、前記透過物を構成する材料の前記半減深さの１／４１以下である、マイクロ波照射装置。
3. 周波数が１０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚのマイクロ波を発生するマイクロ波源と、
   前記マイクロ波源から発生した前記マイクロ波を反射して集光する反射機構と、
   前記反射機構によって反射された前記マイクロ波が照射される対象である被加熱体が載置される載置台と、を備えたマイクロ波照射装置を利用して、前記載置台に載置された前記被加熱体に前記反射されたマイクロ波を集光して照射する、マイクロ波照射方法であって、
   前記マイクロ波の周波数が２８ＧＨｚであり且つ温度が２５℃という条件下において、ある材料の内部を前記マイクロ波が通過する際に、前記マイクロ波のエネルギーの大きさが半減するのに必要な前記マイクロ波の移動距離を、その材料の半減深さと定義したとき、
   前記反射機構と前記載置台に載置された前記被加熱体との間における前記反射されたマイクロ波が通過する領域に、前記半減深さが１００ｍｍ以上である材料で構成された透過物を介在させた状態で、前記被加熱体に前記反射されたマイクロ波を照射し、
   前記透過物は、前記載置台に載置された前記被加熱体の前記反射されたマイクロ波が照射される照射面と向かい合うように配置された板状部分を有し、
   前記被加熱体の照射面と、前記板状部分と、の間隔が２０ｍｍ以下である、
   マイクロ波照射方法。
4. 請求項３に記載のマイクロ波照射方法において、
   前記透過物は、前記載置台に載置された前記被加熱体の前記反射されたマイクロ波が照射される照射面と向かい合うように配置された板状部分を有し、
   前記板状部分の厚さが、前記透過物を構成する材料の前記半減深さの１／４１以下である、マイクロ波照射方法。

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