特開 2024-22701 誘導加熱装置、真空蒸着装置、局所加熱装置、局所計測装置、誘導加熱方法及び局所計測方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024022701

(43)【公開日】2024-02-21

(54)【発明の名称】誘導加熱装置、真空蒸着装置、局所加熱装置、局所計測装置、誘導加熱方法及び局所計測方法

(51)【国際特許分類】

   H05B 6/10 20060101AFI20240214BHJP

   H05B 6/02 20060101ALI20240214BHJP

   H05B 6/14 20060101ALI20240214BHJP

   H05B 6/24 20060101ALI20240214BHJP

【ＦＩ】

H05B6/10 331

H05B6/02 Z ZNM

H05B6/14

H05B6/24

【審査請求】未請求

【請求項の数】14

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020215934

(22)【出願日】2020-12-24

(71)【出願人】

【識別番号】391043332

【氏名又は名称】公益財団法人福岡県産業・科学技術振興財団

(74)【代理人】

【識別番号】100180921

【弁理士】

【氏名又は名称】峰 雅紀

(72)【発明者】

【氏名】小林 慎一郎

(72)【発明者】

【氏名】波多江 泰裕

(72)【発明者】

【氏名】宮崎 浩

【テーマコード（参考）】

3K059

【Ｆターム（参考）】

3K059AA02

3K059AA08

3K059AB13

3K059AB15

3K059AB28

3K059AC10

3K059AD03

3K059AD04

3K059CD47

3K059CD52

(57)【要約】

【課題】 本発明は、誘導コイルの周囲に磁場に影響を与える金属を配置する必要がある場合でも、良好な加熱効率を得られる誘導加熱装置等を提供することを目的とする。
【解決手段】 誘導加熱方式により対象物を加熱する誘導加熱装置であって、金属製の対象物と、前記対象物の周囲に設置されて前記対象物を加熱する誘導コイルと、前記誘導コイルの外側に設置されて、少なくとも一部が金属又は金属酸化物からなる磁場閉込部とを備える、誘導加熱装置である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

誘導加熱方式により対象物を加熱する誘導加熱装置であって、
金属製の対象物と、
前記対象物の周囲に設置されて前記対象物を加熱する誘導コイルと、
前記誘導コイルの外側に設置されて、少なくとも一部が金属又は金属酸化物からなる磁場閉込部とを備える、誘導加熱装置。

【請求項2】

前記磁場閉込部は、棒状又は板状である、請求項１記載の誘導加熱装置。

【請求項3】

前記磁場閉込部は、前記対象物を固定するための複数の柱である、請求項２記載の誘導加熱装置。

【請求項4】

前記磁場閉込部の主素材は、強磁性体である、請求項１から３のいずれかに記載の誘導加熱装置。

【請求項5】

前記主素材は、ステンレス又はフェライトである、請求項４記載の誘導加熱装置。

【請求項6】

前記磁場閉込部の主素材は、反磁性体である、請求項１から３のいずれかに記載の誘導加熱装置。

【請求項7】

前記誘導コイルに交流電流を供給するインバータは、Si、SiC、IGBT、又はGaNを素材とするFETを有する、請求項１から６のいずれかに記載の誘導加熱装置。

【請求項8】

真空チャンバーを備え、誘導加熱方式によりるつぼを加熱する真空蒸着装置であって、
前記真空チャンバーの中に、
金属製の前記るつぼと、
前記るつぼの周囲に設置されて前記るつぼを加熱する誘導コイルと、
前記誘導コイルの外側に設置されて、少なくとも一部が金属又は金属酸化物からなる磁場閉込部とを備える、真空蒸着装置。

【請求項9】

局所を加熱する局所加熱装置であって、
前記局所に向かって先端が尖ったプローブと、
プローブの前記先端以外の部分の周囲に設置されて前記プローブを加熱する誘導コイルと、
前記誘導コイルの外側に設置されて、少なくとも一部が強磁性体からなる磁場閉込部とを備える、局所加熱装置。

【請求項10】

前記磁場閉込部は、前記プローブを固定する複数の柱であり、
前記柱の延びた側であって前記プローブの前記先端の側に、先端が尖った副プローブをさらに備える、請求項９記載の局所加熱装置。

【請求項11】

前記副プローブの前記先端も、前記局所に向かっている、請求項１０記載の局所加熱装置。

【請求項12】

局所を計測する局所計測装置であって、
前記局所に向かって先端が尖ったプローブと、
プローブの前記先端以外の部分の周囲に設置されて前記プローブを通る磁束を発生させる誘導コイルと、
前記誘導コイルの外側に設置されて、少なくとも一部が強磁性体からなる磁場閉込部と、
前記磁束の変化を計測する磁場センサとを備える、局所計測装置。

【請求項13】

誘導加熱方式により対象物を加熱する誘導加熱装置を用いた誘導加熱方法であって、
前記誘導加熱装置は、
金属製の対象物と、
前記対象物の周囲に設置されて前記対象物を加熱する誘導コイルと、
前記誘導コイルの外側に設置されて、少なくとも一部が金属又は金属酸化物からなる磁場閉込部とを備え、
前記誘導コイルに交流電流を流して前記対象物を加熱する誘導加熱ステップを含む、誘導加熱方法。

【請求項14】

局所を計測する局所計測装置を用いた局所計測方法であって、
前記局所計測装置は、
前記局所に向かって先端が尖ったプローブと、
プローブの前記先端以外の部分の周囲に設置されて前記プローブを通る磁束を発生させる誘導コイルと、
前記誘導コイルの外側に設置されて、少なくとも一部が強磁性体からなる磁場閉込部と
前記磁束の変化を計測する磁場センサとを備え、
前記誘導コイルに交流電流を流して前記プローブを通る磁束を発生させる磁束発生ステップと、
前記磁場センサが、前記磁束の変化を計測する計測ステップとを含む、局所計測方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、誘導加熱装置、真空蒸着装置、局所加熱装置、局所計測装置、誘導加熱方法及び局所計測方法に関し、特に、誘導加熱方式により対象物を加熱する誘導加熱装置等に関するものである。

【背景技術】

【0002】

近年、有機電子デバイスの大型化に伴い、大電流での真空蒸着の手法が必要とされている。本願の発明者らは、これまでに誘導加熱方式において、大電流を使用することに堪える真空蒸着装置を開発してきた（例えば、特許文献１－４参照）。

【0003】

図１０は、従来の誘導加熱装置の誘導コイル周辺の構成の概要を示す図である。誘導加熱装置は、誘導コイル１０１と、るつぼ１０３、るつぼ保持部１０５を備える。図１０(a)誘導コイル１０１の周囲に何もない場合は、磁束１０７に大きなひずみが生じることはなく、誘導コイル１０１内部のるつぼ１０３部分の磁束密度を大きくすることができ、加熱効率は良好である。このように、従来の誘導加熱装置では、良好な加熱効率を得るためには、被加熱物及び誘導コイル１０１の周囲に金属等の磁場に影響与えるものは配置せず、誘導コイル１０１に流す電流を大きくすることが一般的である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第６７０９２７１号

【特許文献2】特許第６７０９２７２号

【特許文献3】特許第６７０９２７３号

【特許文献4】特許第６７３４９０４号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、図１０(b)誘導コイル１０１の周囲に例えばステンレス単管１０９等の金属を配置する場合、磁束１０７に大きなひずみが生じるため、誘導コイル１０１内部のるつぼ１０３部分の磁束密度が大きくなるとは限らない。また、ステンレス単管１０９をある程度のサイズに納めようとすれば、ステンレス単管１０９にも磁束１０７が入り、ステンレス単管１０９も加熱されてしまう。このように、さらに誘導加熱方式による真空蒸着装置の加熱効率を高める余地が残されていた。

【0006】

そこで、本発明は、誘導コイルの周囲に磁場に影響を与える金属を配置する必要がある場合でも、良好な加熱効率を得られる誘導加熱装置等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】

【0007】

本発明の第１の観点は、誘導加熱方式により対象物を加熱する誘導加熱装置であって、金属製の対象物と、前記対象物の周囲に設置されて前記対象物を加熱する誘導コイルと、前記誘導コイルの外側に設置されて、少なくとも一部が金属又は金属酸化物からなる磁場閉込部とを備える、誘導加熱装置である。

【0008】

本発明の第２の観点は、第１の観点の誘導加熱装置であって、前記磁場閉込部は、棒状又は板状である。

【0009】

本発明の第３の観点は、第２の観点の誘導加熱装置であって、前記磁場閉込部は、前記対象物を固定するための複数の柱である。

【0010】

本発明の第４の観点は、第１から第３のいずれかの観点の誘導加熱装置であって、前記磁場閉込部の主素材は、強磁性体である。

【0011】

本発明の第５の観点は、第４の観点の誘導加熱装置であって、前記主素材は、ステンレス又はフェライトである。

【0012】

本発明の第６の観点は、第１から第３のいずれかの観点の誘導加熱装置であって、前記磁場閉込部の主素材は、反磁性体である。

【0013】

本発明の第７の観点は、第１から第６のいずれかの観点の誘導加熱装置であって、前記誘導コイルに交流電流を供給するインバータは、Si、SiC、IGBT、又はGaNを素材とするFETを有する。

【0014】

本発明の第８の観点は、真空チャンバーを備え、誘導加熱方式によりるつぼを加熱する真空蒸着装置であって、前記真空チャンバーの中に、金属製の前記るつぼと、前記るつぼの周囲に設置されて前記るつぼを加熱する誘導コイルと、前記誘導コイルの外側に設置されて、少なくとも一部が金属又は金属酸化物からなる磁場閉込部とを備える、真空蒸着装置である。

【0015】

本発明の第９の観点は、局所を加熱する局所加熱装置であって、前記局所に向かって先端が尖ったプローブと、プローブの前記先端以外の部分の周囲に設置されて前記プローブを加熱する誘導コイルと、前記誘導コイルの外側に設置されて、少なくとも一部が強磁性体からなる磁場閉込部とを備える、局所加熱装置である。

【0016】

本発明の第１０の観点は、第９の観点の局所加熱装置であって、前記磁場閉込部は、前記プローブを固定する複数の柱であり、前記柱の延びた側であって前記プローブの前記先端の側に、先端が尖った副プローブをさらに備える。

【0017】

本発明の第１１の観点は、第１０の観点の局所加熱装置であって、前記副プローブの前記先端も、前記局所に向かっている。

【0018】

本発明の第１２の観点は、局所を計測する局所計測装置であって、前記局所に向かって先端が尖ったプローブと、プローブの前記先端以外の部分の周囲に設置されて前記プローブを通る磁束を発生させる誘導コイルと、前記誘導コイルの外側に設置されて、少なくとも一部が強磁性体からなる磁場閉込部と、前記磁束の変化を計測する磁場センサとを備える、局所計測装置である。

【0019】

本発明の第１３の観点は、誘導加熱方式により対象物を加熱する誘導加熱装置を用いた誘導加熱方法であって、前記誘導加熱装置は、金属製の対象物と、前記対象物の周囲に設置されて前記対象物を加熱する誘導コイルと、前記誘導コイルの外側に設置されて、少なくとも一部が金属又は金属酸化物からなる磁場閉込部とを備え、前記誘導コイルに交流電流を流して前記対象物を加熱する誘導加熱ステップを含む、誘導加熱方法である。

【0020】

本発明の第１４の観点は、局所を計測する局所計測装置を用いた局所計測方法であって、前記局所計測装置は、前記局所に向かって先端が尖ったプローブと、プローブの前記先端以外の部分の周囲に設置されて前記プローブを通る磁束を発生させる誘導コイルと、前記誘導コイルの外側に設置されて、少なくとも一部が強磁性体からなる磁場閉込部と前記磁束の変化を計測する磁場センサとを備え、前記誘導コイルに交流電流を流して前記プローブを通る磁束を発生させる磁束発生ステップと、前記磁場センサが、前記磁束の変化を計測する計測ステップとを含む、局所計測方法である。

【発明の効果】

【0021】

本発明者らは、従来の誘導加熱装置を用いて大電流を流すに際し、るつぼや蒸着材料が加熱されるだけではなく、真空チャンバー等の周囲の金属への無視できない程度のエネルギーロスが発生しうることに着目した。

【0022】

本発明の各観点によれば、誘導コイルが発生する磁束を磁場閉込部でトラップして磁束密度の空間分布を制御し、磁束の漏れを抑制することが可能となる。これにより、意図しない部分の加熱を防ぐ等、エネルギーロスを抑制して効率のよい誘導加熱や磁束変化の計測が可能となる。

【0023】

本発明の第２及び第３の観点によれば、誘導コイル周りの磁場を確実に閉じ込める具体的な構造を実現することが容易となる。また、磁場の閉じ込めと発熱のバランスを考慮した構造とすることにより、磁場閉込部の加熱を最小限とし、エネルギーロスを抑制することがさらに容易となる。

【0024】

本発明の第４から第６のいずれかの観点によれば、誘導コイル周りの磁場を閉じ込めてエネルギーロスを抑制することがさらに容易となる。

【0025】

本発明の第７の観点によれば、本発明の誘導加熱装置において、高周波数1-2MHzを低いスイッチングロスで効率的に加熱することが容易となる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】本発明の実施例１に係る誘導加熱装置の中核をなす誘導コイル周辺の構成の概要を示す図である。

【図2】誘導加熱装置における磁場閉込部の有無による磁束の違いを示すイメージ図である。

【図3】磁場閉込部を備える誘導加熱装置での温度変化を示す図である。

【図4】磁場閉込部を備えていない誘導加熱装置での温度変化を示す図である。

【図5】本発明の実施例１と実施例２の誘導コイル周辺の構造の差異を示す図である。

【図6】本発明の実施例２に係る誘導加熱装置の概要を示す図である。

【図7】本発明の実施例３に係るボルトの焼き締めに用いる局所加熱装置の概要を示す図である。

【図8】本発明の実施例４に係る局所計測装置の中核をなす誘導コイル周辺の構成の概要を示す図である。

【図9】本発明の実施例５に係る磁場シールドを備える誘導加熱装置の概要を示す図である。

【図10】従来の誘導加熱装置の誘導コイル周辺の構成の概要を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施例は、本発明の実施例を限定するものではない。

【実施例0028】

図１は、本発明の誘導加熱装置の中核をなす誘導コイル周辺の構成の概要を示す図である。誘導加熱装置１は、るつぼ３と、誘導コイル５と、支柱７（本願請求項の「磁場閉込部」の一例）と、支柱保持部９と、るつぼ保持部１１とを備える。

【0029】

誘導コイル５は、コイル状の導線であり、交流電流が流れると磁場１３を発生させる。支柱７は、棒状の強磁性金属であり、誘導コイル５の外側に複数設けられている。また、複数の支柱７は、同じく強磁性金属からなる支柱保持部９に接続されている。ここでは、強磁性を有するステンレスを用いた。

【0030】

るつぼ保持部１１は、誘導コイル５の内部に、材料を収容するるつぼ３を保持する。また、るつぼ保持部１１は、支柱７によって保持されている。

【0031】

図１に示すように、誘導コイル５の外側に強磁性体材料からなる支柱７を配置し、下部構造を山の字にすることにより、トランスのコアが磁束を閉じ込めるかのような疑似トランス構造を形成できる。これにより、疑似トランス部に磁束をトラップすることが可能となる。そのため、外部の影響を受けにくく、被加熱体に磁束を集中させることが可能となる。誘導コイルの外部に金属を配置した場合でも、磁束のひずみを生じさせにくくすることも可能となる。

【0032】

図２は、誘導加熱装置における磁場閉込部の有無による磁束の違いを示すイメージ図であり、(a)磁場閉込部としてのステンレスの支柱２１を備える場合、(b)磁場閉込部としての支柱を備えない場合の一例を示す図である。図２(b)に示す構成は、支柱２１がないこと以外は図２(a)に示す構成と同一である。なお、図示しないが、図２の誘導加熱装置は、筒状のステンレスからなる真空チャンバーの内に設けられている。真空チャンバーは、強度の要請から少なくとも一部が金属で構成されているものが多く、本実施例の真空チャンバーもその１つである。

【0033】

図２に示すように、磁場閉込部としての支柱２１を誘導コイル２３の外側に設置することにより、磁束２５を閉じ込めて真空チャンバーなどに漏れることを抑制することが可能となる。

【0034】

図３は、磁場閉込部としての支柱２１を備える誘導加熱装置を用いて加熱した際の温度変化を示す図である。最大２５Ｗの電力で５００℃まで昇温し、約１時間保持することが可能だった。

【0035】

図４は、図３との比較例として、磁場閉込部としての支柱を備えない誘導加熱装置を用いて加熱した際の(a)温度変化、(b)供給電力を示す図である。図４に示すように、約２６Ｗの電力を供給している５８０秒付近で、温度が急に減少した。

【0036】

磁場閉込部としての支柱２１を備える誘導加熱装置において、支柱を備えない誘導加熱装置に比べて、加熱効率を向上させ得ることが示された。本発明の誘導加熱装置によれば、磁束密度の空間分布を制御することにより、意図しない部分の加熱を防ぎ、加熱効率を向上させることが可能になる。

【0037】

なお、支柱を備えない誘導加熱装置を用いて誘導加熱を行った際、目視と触診により、蒸着源と真空チャンバーを接続するフランジの固定用ボルトが触れないほど高温に加熱されていたことが確認された。また、このボルトを外して、再度誘導加熱を行ったところ、今度は奥のボルトが加熱されることが確認された。図２に示す通り、支柱を備えない誘導加熱装置においては、支柱２１を備える場合よりも、誘導コイル２３からの磁束２５の空間的な広がりが大きくなってしまうため、少なくとも磁場（磁束密度）がるつぼだけではなく、るつぼの周囲に配置された真空チャンバー等の金属にも入り、特に透磁率が高い上に凸構造となっているボルト部分に集中したと考えられる。このことから、本発明者らは、後述するプローブの先端を尖った構造とする技術的思想の着想を得た。

【実施例0038】

実施例２では、誘導コイル内部の対象物を直接的に誘導加熱する実施例１とは異なり、誘導コイル外部の対象物を間接的に加熱する局所加熱装置の一例を示す。

【0039】

図５は、比較しやすいよう、(a)実施例１の誘導コイル周辺の構成の概要と(b)実施例２の誘導コイル周辺の構成の概要とを並べて示す図である。上述の通り、図５(a)に示す実施例１においては、対象物３１は誘導コイル３３内部に設置されて、誘導加熱される。対象物３１を含む疑似トランス構造が形成されて磁束３５をトラップすることが可能になる。そのため、誘導コイル３３の外部に金属を配置した場合でも、磁束３５のひずみを生じさせにくくなる。この結果、外乱に強くなる。

【0040】

一方、図５(b)に示す実施例２においては、誘導コイル３３及び支柱３７の構成は同一であるものの、誘導コイル３３の内部ではなく、磁束３５が集中するトランス中央部に対象物４１を配置して、形成されている疑似トランス構造を用いて間接的に誘導加熱を行う。

【0041】

なお、図示していないが、誘導コイルの中央に、対象物に向かって伸びるプローブを設けることにより、プローブの先端に磁束を集中させることができる。また、実施例２でも当然ながら、対象物４１が強磁性であれば加熱効率が高くなる。

【0042】

図６は、本発明の局所加熱装置５１の中核をなす誘導コイル周辺の構成の概要を示す図である。図６(a)は、μＬＥＤや表面実装用電子パーツ固定プロセスに応用した図である。図６(b)は、癌細胞のナノ粒子加熱に応用した図である。

【0043】

局所加熱装置５１は、誘導コイル５３と、磁場閉込部５５と、中央プローブ５７（請求項記載の「プローブ」の一例）と、副プローブ５９（請求項記載の「副プローブ」の一例）と、保持部６１と、冷却管６３とを備える。

【0044】

誘導コイル５３は、中央プローブ５７の先端以外の部分の周囲に設置されているコイル状の導線であり、交流電流が流れると磁場を発生させ、中央プローブ５７を加熱する。

【0045】

磁場閉込部５５は、棒状の強磁性金属であり、誘導コイル５３の外側に複数設けられている。また、複数の磁場閉込部５５は、中央プローブ５７を固定する複数の柱でもある。複数の磁場閉込部５５は、同じく強磁性金属からなる保持部６１に接続されている。強磁性金属が好ましい。本実施例では強磁性金属としてステンレスを用いた。

【0046】

中央プローブ５７は、局所に向かって先端が尖った棒状の強磁性金属であり、誘導コイル５３の内部に１本設けられている。また、中央プローブ５７は、磁場閉込部５５及び副プローブ５９と共に、保持部６１によって保持されている。

【0047】

副プローブ５９は、局所に向かって先端が尖った棒状の強磁性金属であり、磁場閉込部５５の延びた側であって中央プローブ５７の先端に２本設けられている。また、２本の副プローブ５９は、保持部６１によって保持されている。

【0048】

冷却管６３は、誘導コイル５３の内部、かつ、中央プローブ５７の周囲に設けられていて、誘導コイル５３の内部の中央プローブ５７の先端以外の部分を冷却している。

【0049】

図６の局所加熱装置は、誘導コイル５３が発生させる磁束を磁場閉込部５５でトラップして磁束密度の空間分布を制御し、中央プローブ５７及び副プローブ５９の先端に磁束密度を集中させ、中央プローブ５７及び副プローブ５９の先端に設置した対象物を加熱するものである。磁場閉込部５５があることにより、磁場閉込部５５がない場合に比べて、加熱効率が高く、他の電子機器への影響を低減できる。これにより、様々な分野において、微小領域の高速加熱が可能になる。

【0050】

例えば、局所加熱装置５１で加熱することにより、ごく小さなLEDを固定するμＬＥＤ固定プロセスにおける半田の精密な溶接や接合の修正を高速かつ安定的に行うことができる。局所的に周波数を1-2MHzと高く設定することで効率よく加熱することが可能である。このために、誘導コイルに交流電流を供給するインバータは、GaNを素材とするFETを有するものとした。また、局所加熱装置５１で癌細胞磁性を有するナノ粒子を結合させ、このナノ粒子を加熱して死滅させる応用も考えられる。これにより、微小領域に短時間の加熱を行い、患者への負担を軽減できると考えられる。