JP2013529852A - 真空可変コンデンサ - Google Patents

Abstract

真空（３）中に少なくとも二つの電極（１、２）を有し、これらの電極はアルミニウム若しくはアルミニウム合金から製造されるか、又はアルミニウム若しくはアルミニウム合金でコーティングされ、真空コンデンサ（８）の筐体は絶縁部（例えば、セラミック）及び二つ以上の導電部（４、５）を備える、真空コンデンサ（８）が説明されている。

Description

本発明は、真空コンデンサの分野に関する。真空コンデンサは、従来技術では、高周波と大電力の両方を必要とする用途に使用されることがよく知られている。一般的な用途として、例えば、大電力無線周波数送信用の発振回路、並びに半導体太陽電池パネル及びフラット・パネル・ディスプレイ製造用の高周波電力供給源が挙げられる。

コンデンサは、通常、電極という、誘電性媒質によって分離された二つ以上の導電表面を備える。真空コンデンサの場合、誘電性媒質は真空である。真空コンデンサは、典型的には、高真空（１０^−６トール以下）を必要とする。気密性筐体は、内側が真空に保持され、電極も封入されている。典型的な筐体は、コンデンサの寿命の間、筐体の内側が高真空が維持されうるように気密を保証する接合技術によってセラミック・シリンダに固定された金属カラー（Ｃｏｌｌａｒｓ）を装着した絶縁セラミック・シリンダを備える。

真空コンデンサは、電極間の幾何学的関係が一定に保たれる固定静電容量のコンデンサと、電極の一方又は両方の形状、向き、及び／又は距離を変化させることによりデバイスの静電容量が変化しうる可変コンデンサという二つの主たるカテゴリに分類される。例えば、ベローズ構成が使用されうるか、又は磁石とコイル、若しくは他の構成により、一つの電極をその他の（複数）電極に対して動かしてもよい。そのような可変真空コンデンサの構造、及び無線周波数用途におけるそれらの動作については、当業者によく知られている。ドイツの公開特許公報第２７５２０２５号及び日本の公開特許公報第１１−２７３９９９号は、典型的な従来技術の可変真空コンデンサの構成を説明している。

高周波電流が流れるときの電気損失の少ない真空コンデンサの電極及び筐体が選択されることが多い。こうした損失により、電極をはじめとする導電部が特に大電力用途では熱を持ち、その結果、大電力真空コンデンサは冷却システムを備えなければならないことが多い。このような理由から、これまで、従来技術の真空コンデンサの電極は、低抵抗したがって低損失の銅で製作されてきた。

電極の表面は、電極同士を分離する誘電性媒質を通して流れるアーク放電やその他の形態の望ましくない電流の可能性が最小になるように作らなければならない。制御されない放電又は絶縁破壊ともいうアーク放電は、電極間の任意の点における電界密度が特定の絶縁破壊値を超えたときに生じる。この絶縁破壊値は、印加される電圧差、真空の深さ、電極間の（互いに最も近い位置における）ギャップ距離、並びに電極の表面の物理的及び電気的特性を含むパラメータの組み合わせに依存する。

真空コンデンサの電界の強さは、そのような制御されない放電が発生することなく達成可能な最大許容電界である。この電界の強さは、最終的には、所与の電極間距離に対するコンデンサの動作電圧を制限する。可能な限り高い電界の強さのデバイスを実現すると都合が良いが、それは、この電界の強さを大きくすると、特定の幾何学的形状を有する真空コンデンサを大電力用途に使用できるからである。また、所与の印加電圧について、この電界の強さが大きい真空コンデンサの幾何学的形状（寸法）をこの電界の強さが小さいコンデンサに比べて小さくすることができる。これは、電界強度Ｅ、電位差Ｕ、及び電極距離ｄの間の静電気的関係Ｅ＝Ｕ／ｄから簡単に分かる（この関係は、境界効果が無視できる平行で平坦な電極を仮定しているので、近似である）。

電極材料及び電極の表面仕上げの選択は、高い印加電圧における絶縁破壊若しくは漏れ電流を低減するために非常に重要である。日本の公開特許公報第１１−２７３９９９号では、銅が電極に使用され、電極はニッケル若しくはクロムでコーティングされている。これらのコーティング金属は、硬く、融点が高いため選択されている。

誘電体として真空を選択するのは、ＡＣ、ＲＦ、又はＶＨＦ電流がコンデンサ内を流れるときに電気損失がないという事実、また高電圧破壊が生じた場合の回復能が良好であるという理由から正当化される。他の誘電体は、そのような絶縁破壊に際して壊滅的な回復できない損傷を被ることが知られている。

電極表面の状態は、絶縁破壊の発生の可能性に大きな影響がある。微小突起の形態の表面の凸凹、又は表面上の粒子若しくは粒子の塊の存在は、電圧破壊を開始させる促進要因であるが、それは、突起又は塊があると、電子が電界放出によって金属表面からより容易に放出され、及び／又は吸着粒子の電離、そしてその後の加速が開始されうる領域を形成するからである。両方の効果が、制御されない形で電極間の媒質（誘電体）を横断する電荷の「アバランシェ（雪崩）」をもたらしうる。絶縁破壊現象の物理的過程、及び特にその開始は、まだ十分には理解されておらず、したがって、電界の強さが大きい電極の設計は、事前に定められているやり方には従わず、最良の材料及び表面特性を決定するために経験的な材料比較、実験的な表面処理、及び高電圧検査を伴う。

上述したように、真空コンデンサの電極は、従来から、銅で作られているが、それは、この材料の優秀な導電性（つまり、低損失）と、銅電極を使用して得られる電界の強さが満足できる程度に大きいためである。銅よりも硬く高い融点を有する金属を使用することによってコンデンサの最大の電界の強さを増す試みがなされてきた。日本の公開特許公報第１１−２７３９９８号では、例えば、ステンレス、ニッケル、モリブデン、ニオブ、タンタル、チタン、タングステン、モネル、銅ニッケル合金、及びニッケル銀のうちの一つを電極にすることが提案された。日本の公開特許公報第１１−２７３９９９号では、同じリストから選ばれた材料で電極をコーティングすることが提案された。より高い融点を有しより硬い電極材料が、制御されない放電の発生を低減する、したがって、より大きい電界の強さ（つまり、より小さい電極間ギャップ及び／又はより高い印加電圧）を使用することが可能になるという一般的に認められている常識に従って、これらの材料は、比較的硬く融点が高いため選択された。

しかし、上述したように、絶縁破壊は、一般的に電極の表面からの電子の放出と電極の表面での粒子の電離という二つの主要な事象によって引き起こされる。電子又はイオンが、金属表面から放出されると、これらは、強電界によって他方の電極の方へ急加速され、そこで、それらの衝突がターゲット電極の表面を加熱し、さらなるイオン若しくは電子の放出を引き起こし、次いで、対向する電極の方へ加速され、というように続いてゆく。電極がより高い融点のより硬い材料から作られている場合、その表面に電子又はイオンが衝突する際の衝突及び加熱効果が低減され、それぞれの電子／イオンの衝突の結果、表面から放出される電子及びイオンは少なくなる。そのため、上述の衝突／放出サイクルの進行を阻止するように、より高い融点のより硬い材料を使用する設計がされ、アバランシェ降伏の発生の可能性が低減される。

しかし、上述したより硬くより高い融点を持つ電極材料（ステンレス、ニッケル、モリブデン、ニオブ、タンタル、チタン、タングステン、モネル、銅ニッケル合金、及びニッケル銀）を銅の代わりに、又は銅をコーティングするものとして使用しても、不都合が生じる。例えば、これらのより硬い金属はすべて、電気抵抗率が銅よりはるかに大きい。モリブデン及びタングステンの抵抗率は、約５３ｎΩ・ｍであり、チタン及びステンレスの抵抗率はそれぞれ４２０及び７４０ｎΩ・ｍである。一方、銅の抵抗率は、約１７ｎΩ・ｍである。より硬くより融点の高い金属は、著しく低い熱伝導率も有し、最高はタングステンで、１７３Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１であり、モリブデンは１３８Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１であるが、その他のリストアップされた金属は、ステンレスの１６Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１からニッケルの９０Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１までの熱伝導率を有する。一方、銅は、約４００Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１とかなり大きな熱伝導率を有する。

これらの金属のより高い抵抗とより低い熱伝導率は、大電力高周波用途にかかわる大電流を流すのには適さない。類似の銅電極と比べると、タングステン又はモリブデンから作られた電極は、熱の形態で電気エネルギーを３倍よりも多く放散し、この余分な熱は、銅電極を通るより約２．５倍低い効率で電極を通って伝導する。発熱の増大と熱伝導効率の低さとが合わさって、タングステン又はモリブデンから作られた（あるいはタングステン又はモリブデンでコーティングされた）電極を冷却する必要性が非常に高まる。リストにある他の金属は、タングステン及びモリブデンに比べて熱／抵抗に関する特性が著しく劣る。

ドイツの公開特許公報第２７５２０２５号 日本の公開特許公報第１１−２７３９９９号 日本の公開特許公報第１１−２７３９９８号

したがって、本発明の目的は、上述したように、電界の強さが大きいが、過熱の問題がなくその問題に対応する冷却の必要性もない真空コンデンサを提供することである。

従来技術における上記問題及びその他の問題を解決するために、本発明は、アルミニウムで作られた一つ以上の電極を使用することを提案する。アルミニウムの相対的な柔らかさ、アルミニウムの低い融点、及びアルミニウムを実際に取り扱う際の難しさのため、これまでこの金属は真空コンデンサ電極に適した電極材料とは考えられていなかった。しかし、現在、アルミニウムは、当業者の予想に反して、放熱若しくは冷却の必要性の増加という深刻な問題を伴わずに、銅電極に比べてアルミニウム電極で達成されうる電界の強さが大きいという電気的特性、熱的特性、及び表面特性を併せ持つことが判明している。

したがって、本発明の目的は、真空の誘電体によって分離された第１の電極と第２の電極とを有する真空コンデンサであって、第１の電極及び第２の電極のうちの少なくとも一方がアルミニウム若しくはアルミニウム合金から作られるか、又はアルミニウム若しくはアルミニウム合金でコーティングされることを特徴とする、真空コンデンサを提供することである。

真空コンデンサは、真空コンデンサの静電容量を変化させるために第１の電極及び第２の電極のうちの少なくとも一方の形状、向き、及び／又は位置を変化させるための静電容量可変手段を備える、可変真空コンデンサでよい。真空コンデンサは、第１の電極及び第２の電極の形状、向き、及び／又は位置が固定される固定静電容量の真空コンデンサでもよい。

本発明の変形例によれば、真空コンデンサは、真空の誘電体並びに第１の電極及び第２の電極を封入するための筐体を備え、筐体は少なくとも部分的にはアルミニウムから作られる。

筐体は、少なくとも部分的にはアルミニウムから作られた一つ以上の電気コネクタと少なくとも部分的にはセラミック材料から作られた絶縁部とを備えてよい。

本発明のさらなる目的は、真空コンデンサは真空の誘電体によって分離された第１の電極及び第２の電極を封入する筐体を備える真空コンデンサを製造する方法であって、第１の電極及び第２の電極のうちの少なくとも一方をアルミニウムから製造する工程を含む真空コンデンサを製造する方法を提供することである。

筐体は、少なくとも部分的にはアルミニウムから作られた少なくとも一つの導電部と少なくとも部分的にはセラミック材料から作られた少なくとも一つの絶縁部とを備え、この方法は真空ろう付けプロセスを使用して導電部を絶縁部に接合する工程を含んでよい。本発明の一実施例によれば、真空ろう付けプロセスは、フラックスを使用しないろう付けプロセスである。このようなろう付けプロセスは、その後真空室内にガス放出するかもしれない材料を導入することなく実行できる。セラミック材料は、アルミニウムの酸化物を含むと有利である。

本発明の方法の別の変形例によれば、第１の電極及び／又は第２の電極の静電容量性表面を機械的に、化学的に、又は電気化学的に研磨する工程を含む。

特に、第１の電極及び／又は第２の電極のそれぞれの静電容量性表面は、２ミクロン未満の高さの平均表面粗さ及び５ミクロンの高さの最大表面粗さに合わせて研磨される。このプロセスでは、絶縁破壊開始領域として働くおそれのある突起を可能な限り取り除く。

本発明のさらなる改良によれば、第１の電極及び／又は第２の電極は、最小丸め半径４０ミクロンに丸められたエッジを有する。電極の幾何学的形状から鋭いコーナーを取り除くことで、絶縁破壊の可能性がさらに減じられる。

本発明の別の変形例によれば、真空コンデンサは、第１の電極と第２の電極との間のミリメートル単位の最も近い距離が第１の電極と第２の電極の間に印加されるキロボルト単位の最大電圧の０．０２倍未満となるように作られる。さらなる改良によれば、第１の電極及び／又は第２の電極及び／又は筐体の導電部を作るアルミニウムは、少なくとも９９％の純度のアルミニウムである。これは、２５℃で１０^−９トール・リットル秒^−１ｃｍ^−２より高いガス放出速度を有する物質を含まないように調製してもよい。

典型的な可変真空コンデンサの構成を示す添付した図１を参照して、本発明を説明する。この図は、一組の静止円筒電極（２）と一組の移動円筒電極（１）とが真空（３）中に交互配置される構成を示している。ベローズ（７）によって、筐体（４、５、６）内の真空（３）の完全性を維持しながら移動電極の相対的移動が可能である。筐体は、導電性材料から作ることができる、端部要素（４、５）に真空気密状態を保つように接着されるか、その他の方法で固定されたセラミック筐体壁（６）から構成してよい。

上述したように、より大きな硬さ及び／又は融点を持つ電極表面材料を選択することで、電子又はイオンが電極の表面から放出された場合のアバランシェ降伏の拡大を抑制又は遅くする効果を生じることができる。一方、アルミニウム電極を使用すると、異なるプロセスによって、つまり、電極表面からの電子の電界放出の発生率を下げることによって、アバランシェ状態の開始が減少する。

アルミニウムは、約２８ｎΩ・ｍの電気抵抗率（銅より約１．６倍大きい）及び２３７Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１の熱伝導率（銅の約２／３）を有する。したがって、この金属のこれらの特性は、特に、前述したより硬くより高い融点の材料と比較したときに、銅の特性に匹敵する。しかし、アルミニウムを使用する主な利点は、金属表面からの荷電した電子の電界放出の低減である。他のパラメータを厳格に等しく保った実験では、アルミニウム電極で得られる電界の強さは、銅電極で得られる電界の強さの約２倍であることが判明した。初期試験で使用したアルミニウムは、高純度のものであったが、他の物質とのアルミニウム合金を使用しても同様の増加が得られる。

「アルミニウム」という用語が、この説明及び添付の請求項において使用される場合、この用語は、アルミニウムの含有量がほとんどを占めるアルミニウム合金も含むと理解すべきである。「アルミニウムから作られる」という表現は、アルミニウムが一番多い合金の使用だけでなく、アルミニウムでコーティングした他の材料の使用も含むことを意図している。

銅部品とセラミック絶縁体部品との間の真空ろう付けを含む、さまざまな真空に親和性のある接合プロセスは、従来技術において実施されており、銅部品を用いて作られた真空コンデンサの寿命及び動作環境の改善に成功したことが実証されている。コンデンサの導電部に適した材料を選択する場合、実際の製造上の考察も重要な役割を担う。銅は、比較的直接的な方法でセラミック絶縁体にろう付けすることができ、銅及び通常使用されるセラミック絶縁体の相対熱膨脹係数は、ろう付けの際に問題を引き起こさないほどに類似している。一方、アルミニウムの熱膨脹係数は、そのような絶縁体の熱膨脹係数との違いが大きく、ろう付けプロセスがより難しく、異なるろう付けプロセスを使用しなければならないことを意味する。このことと、アルミニウムの有利な電界放出特性が評価されなかったことが、アルミニウムがこれまで真空コンデンサの電極材料として選択されてこなかった重要な理由である。

銅よりもアルミニウムを使用する他の利点として、軽量、原料の入手容易性、相対的低コスト、機械加工性、及び合金化可能性が挙げられるが、それに限られない。アルミニウムの取り扱いの難しさから、これまで、この金属を使用する利点はないと信じられていた。しかし、上述したように、アルミニウム電極を使用して得られる大きな電界の強さによって、現在は、実際、この材料の使用が正当化されると判断されている。

「標準化された電極」は、銅とアルミニウムのどちらが電界の強さのより大きな電極を可能にするかどうかに関して明らかにするために定義された。電界の強さは非常に複雑な現象で、材料の種類以外に、電極の形状及びサイズ、表面粗さ、表面の汚染、金属の材料粒径、並びに真空中の残留ガスの種類及び量にも依存するため、このような実験は明らかなものではない。実際には、いわゆる条件付けの手順を真空コンデンサの電極について意図的に前述のパラメータに従って行うことによって電界の強さを改善することを試みる。一つのパラメータのみへの依存を決定するために、他のパラメータを「凍結する」、又は少なくとも制御することは必須であり、したがって、実験には「標準化された電極」を使用する。

実験において、「標準化された」電極は、材料自体以外名目上同一の特性を持ついわゆる（ＯＦＥ銅及び高純度アルミニウムが使用された）ロゴスキー（Ｒｏｇｏｖｓｋｉ）プロファイル電極として加工された。ロゴスキープロファイルは、電極表面にそって均一な電界を発生するために使用された。また、真空コンデンサ内の電極の環境を再現するために特別に製作した真空室内で高電圧特性を測定したが、セラミックの存在から、又はコンデンサデバイスのより複雑な製造に関連するろう付けプロセスから生じるような潜在的に乱す作用を除くという利点がある。実験のため工業的に製造されたデバイスを使用すると、結果にバラツキが出て、分析している特定の一つのパラメータ（つまり、金属の選択）のみの帰することが難しくなるであろう。真空コンデンサ内で通常使用されるもの等のより現実的な形状の同心円筒電極を比較する実験も実施し、銅電極をアルミニウム電極で置き換えたときに電界の強さの実質的増加が、約２倍であることを確認した。

より優れた性能は、より高い電界の強さ（つまり、電気絶縁破壊が発生する閾値電圧）及びアルミニウムの使用に関連する他の改善点のおかげで得られる。その結果、新しい真空コンデンサでより高い印加電圧を使用することができるか、より小さな電極間ギャップを使用する結果として、真空コンデンサ全体を小型にすることができる。明らかに、同じ性能でより小型の真空コンデンサを使用することができることは有利である。

より高い電界の強さは、電極にとって特に望ましいことであるが、前にリストアップしたアルミニウム化合物の他の利点も、電極及び他の導電部にとって有利である。

実際、アルミニウム化合物を積極的に使用すると、アルミニウムの次の特性のため固定及び可変真空コンデンサの特性にプラスの影響を与える。例えば電子の電界放出が低いことによる高い電界の強さ、低い密度、非磁性の特性、機械加工及び表面処理／研磨の容易性、相対的低コストでの入手の容易性、高真空との適合性、低い電気損失（銅ほど低くはないが）、並びに高い熱伝導率（銅ほど高くはないが）。さらに、アルミニウムは、この金属のさまざまな特性（融点、剛性、ろう付け能力、硬さ等）を特定の真空コンデンサ用途に合わせて細かく調整可能な広範囲の合金化ができる。

本発明は、可変コンデンサ（８）について説明されているが、これは、例示のみを目的としており、本発明は、固定真空コンデンサ等の他のデバイスにも等しく適用することができる。

Claims (15)

1. 真空誘電体（３）によって分離された第１の電極（１）及び第２の電極（２）を有する真空コンデンサ（８）であって、前記第１の電極（１）及び前記第２の電極（２）のうちの少なくとも一方はアルミニウムから作られることを特徴とする真空コンデンサ（８）。
2. 前記真空コンデンサ（８）の静電容量を変化させるために前記第１の電極（１）及び前記第２の電極（２）のうちの少なくとも一方の形状、向き、及び／又は位置を変化させるための静電容量可変手段を備える請求項１に記載の真空コンデンサ（８）。
3. 前記第１の電極（１）及び前記第２の電極（２）の形状、向き、及び／又は位置は、固定されている請求項１に記載の真空コンデンサ（８）。
4. 前記真空の誘電体（３）並びに前記第１の電極（１）及び前記第２の電極（２）を封入するための筐体（４、５、６）を備え、前記筐体（４、５、６）は少なくとも部分的にはアルミニウムから作られる請求項１から３までのいずれか一項に記載の真空コンデンサ（８）。
5. 前記筐体（４、５、６）は、少なくとも部分的にはアルミニウムから作られた一つ以上の電気コネクタ（４、５）と少なくとも部分的にはセラミック材料から作られた絶縁部（６）とを備える請求項４に記載の真空コンデンサ（８）。
6. 真空の誘電体（３）によって分離された第１の電極（１）及び第２の電極（２）を封入する筐体（４、５、６）を備える真空コンデンサ（８）を製造する方法であって、前記第１の電極（１）及び前記第２の電極（２）のうちの少なくとも一方をアルミニウムから製造する工程を含む方法。
7. 前記筐体（４、５、６）は少なくとも部分的にはアルミニウムから作られた少なくとも一つの導電部（４、５）と少なくとも部分的にはセラミック材料から作られた少なくとも一つの絶縁部（６）とを備え、真空ろう付けプロセスを使用して前記導電部（４、５）を前記絶縁部（６）に接合する工程を含む請求項６に記載の方法。
8. 前記真空ろう付けプロセスは、フラックスを使用しないろう付けプロセスである請求項７に記載の方法。
9. 前記第１の電極（１）及び／又は前記第２の電極（２）の静電容量性表面を機械的に、化学的に、又は電気化学的に研磨する工程を含む請求項６から８までのいずれか一項に記載の方法。
10. 前記セラミック材料は、アルミニウムの酸化物を含む請求項５に記載の真空コンデンサ（８）、又は請求項７若しくは８のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記第１の電極（１）及び／又は前記第２の電極（２）のそれぞれの静電容量性表面は、２ミクロン未満の高さの平均表面粗さ及び５ミクロンの高さの最大表面粗さに合わせて研磨される請求項１から５までのいずれか一項に記載の真空コンデンサ（８）、又は請求項６から９までのいずれか一項に記載の方法。
12. 前記第１の電極（１）及び／又は前記第２の電極（２）は、最小丸め半径４０ミクロンに丸められたエッジを有する請求項１から５までのいずれか一項に記載の真空コンデンサ（８）、又は請求項６から９までのいずれか一項に記載の方法。
13. 前記第１の電極（１）と前記第２の電極（２）との間のミリメートル単位の最も近い距離は、前記第１の電極（１）と前記第２の電極（２）の間に印加されるキロボルト単位の最大電圧の０．０２倍未満である請求項１から８までのいずれか一項に記載の真空コンデンサ（８）、又は請求項９から１２までのいずれか一項に記載の方法。
14. 前記第１の電極（１）及び／又は前記第２の電極（２）及び／又は前記筐体の前記導電部（４、５）を作る前記アルミニウムは、少なくとも９９％の純度のアルミニウムである請求項１から５までのいずれか一項に記載の真空コンデンサ（８）、又は請求項６から９までのいずれか一項に記載の方法。
15. 前記第１の電極（１）及び／又は前記第２の電極（２）及び／又は前記筐体の前記導電部（４、５）を作る前記アルミニウムは、２５℃で１０^−９トール・リットル秒^−１ｃｍ^−２より高いガス放出速度を有する物質を含まない請求項１から５までのいずれか一項に記載の真空コンデンサ（８）、又は請求項６から９までのいずれか一項に記載の方法。

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