JP2920390B2 - 電子レンズの冷却系 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は電子顕微鏡，電子線描画装置，電子線マイク
ロアナライザ等に用いられる電子レンズの冷却構造に関
する。

〔従来の技術〕

従来の技術について、本発明の主用途である電子顕微
鏡の電子レンズに例をとつて説明する。従来の電子レン
ズの構造は実開昭57−140169号公報に示すようなものが
ある。この電子レンズは概して円筒状の巻線コイルとそ
のコイルを覆う部材とそのコイルを冷却する冷却手段
と、さらにそれらコイル、コイルを覆う部材および冷却
手段をまとめて覆うヨークとから構成されており、ドー
ナツ状のヨークの中心穴が電子線の通路となつている。
電子顕微鏡は、上記の電子レンズを多段に重ね、各コイ
ルに通電し中心軸を通る電子線を収束又は拡大させ、試
料を高倍率で観察できるようにしたものである。コイル
に通電するとコイルのジユール熱でその近辺の装置部品
が加熱され変形する等で画像が乱れるので、それを防止
するため、コイルを冷却する。

冷却手段は、主としてコイルから除去すべき熱量によ
つて決定されるが、その熱量が数十Ｗ程度の電子顕微鏡
では水冷によるものが主流である。冷却手段は、コイル
を覆う冷却板に冷却パイプを取付けるパイプ方式や、冷
却板そのものを加工し通水路を設けるジヤケツト方式が
ある。いずれの方式もコイルで発生したジユール熱は、
冷却板を介して冷却水に伝えられることで冷却が行われ
る。後者のジヤケツト方式の冷却手段は、冷却水量、水
側伝熱面積を大きく取れる場所があるが、機械加工ある
いは鋳物で製作する必要があり、加工が容易でないとい
う短所がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

近年、高分解能の電子顕微鏡の開発が望まれており、
そのために電子レンズのコイル電流が増大する傾向にあ
るが、上記従来技術では、コイル電流の増大に伴うコイ
ルからの放熱量の増大に対しては、必ずしも十分に配慮
がなされていない。

特に高倍率で試料を観察する際、電子顕微鏡では、画
像ぼけ等の画像を揺らぎが問題化する可能性がある。画
像ぼけは、装置外部から冷却水を供給するため冷却水に
より伝播する外部からの水圧変動と、装置内の冷却水の
流路が縮流拡大する部分で発生する渦とによつて、装置
が揺動するため起きると考えられる。従来技術では装置
内の流路形状が原因で生じる渦に関して十分な配慮がな
されておらず、放熱量の増大で必然的に冷却水量が増え
ると、渦による流体振動で画像ぼけが生じ易くなるとい
う問題があつた。

本発明の目的は、冷却水の水圧変動を防止することに
より画像ぼけを抑えられるコイルの冷却構造を提供する
ことにより、ひいては電子レンズの小形化及び軽量化を
進めるに有効なレンズの冷却構造を提供することにあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的は、円筒状の巻線部と該巻線部の内周面に
配設した内筒と該内筒の各端部につば状に設け前記巻線
部の各側面を覆うカバー板とを有するコイルと、前記巻
線部の側面側の少なくとも一方に略環状に設けて冷却水
の給排水を行う冷却流路と、前記コイル及び冷却流路を
覆うヨークと、前記冷却流路をに接続した給排水用の導
水管とから構成された電子レンズの冷却系において、導
水管のうちの少なくとも給水側の導水管に続く冷却流路
の上流部を中流部に向かってテーパー状に拡大している
ことを特徴とする電子レンズの冷却系によって、達成さ
れる。

また、前記冷却流路を途中で滑らかに反転させて並列
的に設ければ巻線部からの熱はより多く除去される。

さらに、本発明の課題は、円筒状の巻線部と該巻線部
の内周面に配設した内筒と該内筒の各端部につば状に設
け前記巻線部の各側面を覆うカバー板とを有するコイル
と、前記巻線部の側面側の少なくとも一方に略環状に設
けた冷却流路と、前記コイル及び冷却流路を覆うヨーク
と、前記冷却流路に冷却水を給排水する導水管とから構
成された電子レンズの冷却系において、導水管のうちの
少なくとも給水側の前記導水管に続く冷却流路は、該導
水管から直線的に延びて環状部分に接線方向から接続し
ていることを特徴とする電子レンズの冷却系とすること
でも達成される。

また、前記導水管を備えた電子レンズの冷却系におい
て、前記冷却流路を途中で滑らかに反転させて並列的に
設ければ、巻線部からの熱はより多く除去される。

〔作用〕

巻線部から発生した熱は、巻線部側面を覆うカバー板
や内筒を通じて伝導し、巻線部の側面側に設けられた略
環状の冷却流路を流れる冷却水により外部へと除去され
る。

給水側の導水管に接続する冷却流路の上流部を中流部
に向ってテーパー状に拡大した場合、ここで冷却水は穏
やかな減速流となり、冷却水の速度成分は圧力部分に変
わり、壁側面付近で、はく離流が生じるのが防止され
る。

また、給水側の導水管に続く冷却流路をその導水管か
ら直線的に延ばし、冷却流路の環状部分に接線方向に接
続した場合、導水管から入る冷却水の噴流は、直線部分
で徐々に減速した後、環状部分に流れ、噴流が直線壁面
に衝突することがないので、渦の発生が防止される。

また、冷却流路を途中で滑らかに反転して並列的に設
けた場合、水側伝熱面積が増加し、巻線部からの熱がよ
り多く除去される。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を第１図〜第７図を参照にして
説明する。

第１図は第１実施例の電子レンズの縦断面である、第
２図は、第１図に示す電子レンズに設けた冷却流路をそ
の流路に沿つた断面で見た横断面図（II−II断面）であ
る。第１図，第２図において、電子レンズのコイル１
は、円筒状の巻線部２とその巻線部２の内周面を覆う内
筒３と内筒３の両端部でつば状に設けられ巻線部２の側
面をそれぞれ覆うカバー板5a,5bにより構成されてお
り、一方のカバー板5bには、冷却流路６とその冷却流路
６に冷却水を給水及び排水する継手7a,7bが設けられて
いる。巻線部２は巻線間の熱伝導を良くするため樹脂で
固められ、また内筒３及び側板5a,5bは熱伝導性の良い
材質のものを用いコイル１に接している。電子レンズ36
は、コイル１とそのコイル１への内周面外周面及び側面
を囲うドーナツ状のヨーク17からなり、そのドーナツ状
のヨーク17の中心穴は電子線の通路となる。なお第２図
ではコイルの構造をより明瞭に見えるように、ヨーク17
の図示を省略した。電子レンズ35の外部からコイル１の
冷却流路６には導水管９を配置して、冷却水を外部から
冷却流路６へ給水及び排水する構造にした。冷却流路６
は冷却水の往路と復路とからなり、往路と復路は横に隣
合わせで略環状に設けられ、往路の終端で復路に接続し
て１本の流路を形成している。

第１実施例は、冷却流路を滑らかに曲げ、渦発生を抑
えて、画像ぼけを防止する構造の電子レンズの冷却系で
ある。冷却流路６は、第２図に示すようにカバー板5bそ
のものに加工するかカバー板に管として取り付けられて
いる。冷却流路６の通路断面積は導水管９と同程度の細
い流路にして、導水管９から冷却流路６に入る入口部の
流路が急拡大しないようにしている。そして、細い冷却
流路を用いることにより水側の伝熱面積が不足するのを
回避するため、冷却流路６の途中で少なくとも１回反転
させるターン部37を設け、隣接する流路の冷却水が逆向
きに流れるように環状の冷却流路６を幾つか形成し、所
定の水側伝熱面積を得ている。なお冷却流路６の給水側
先端6aの向きは導水管９の向きと一致させ、冷却水の流
れの向きがここで変化しないようにしている。又ターン
部37は鋭角な曲げを避け、滑らかな曲線で冷却流路を形
成している。この冷却流路の製作方法は、冷却流路を側
板と一体にして機械加工で削り出しカバー板をロー付し
て蓋をし、それから継手を加工する方法がある。あるい
は冷却流路をパイプで成型し、そのパイプと継手を側板
にロー付けする方法等もある。

給水継手7aから給水された冷却水は、外周側の環状の
冷却流路６内を流れ、ターン部で逆向きになり、内側の
環状の冷却流路に流れ、排水継手7bに達して、外部へ放
出される。

第３図は本発明による第２実施例の電子レンズの冷却
系を示す図である。本実施例は冷却流路の急拡大部及び
急縮小部を取り除くことで、冷却水の渦の発生を抑えて
画像ぼけを防止する冷却系である。第３図において冷却
流路の通路面積給水継手7a側の上流端から徐々に滑らか
に大きくし、中流部では一定の通路面積とし、中流部か
ら排水継手7bの下流端に向つて、再び徐々に滑らかに小
さくしている。この冷却流路は、第１実施例と同様に削
り出しあるいはパイプ成型の加工方法で製作する。

給水継手7aから冷却流路６に入つた冷却水は、中流部
に向つて通路面積が大きくなるので徐々に減速しながら
流れ、また排水継手7bに向つて冷却流路６の通路面積が
小さくなるので徐々に増速して排水継手7bに達して、外
部へ放出される。特に、冷却流路の上流側の断面積を徐
々に拡げることにより、冷却水は緩やかに減速されるの
で、壁面付近で生ずるはく離流の発生を防止することが
できる。なお一般に急拡大流の方が急縮小流より渦が発
生し易いので流路を徐々に大きくして拡大流路を長くし
ているので狭い空間でも確実に渦の発生を防止できる利
点がある。

第４図は本発明の第３実施例を示す図である。本実施
例は、入り口継手から冷却水の噴流が冷却流路壁に衝突
して渦が発生するのを抑えて、画像ぼけを防止する電子
レンズの冷却系である。この冷却系は内周壁3a、外周壁
４で内外を囲まれる冷却流路６、給排水継手7a,7b、そ
れぞれ冷却水を分配しまたは集合させるヘツダー43a,43
b及びヘツダー43a,43bから冷却流路６に通ずる複数個の
分配穴41a,41bのそれぞれで構成した。継手7a及び7b
は、図示のようにヘツダーと一体でも、別々の部品で構
成しても良いが、いずれも機械加工で継手と一体のヘツ
ダー43a,43b、分配穴41a及び集合穴41bを設けた部品を
外周壁４及び内周壁3aに固定している。分配穴41の向き
は、流路６の外周壁４及び内周壁３に給水継手7aからの
噴流が衝突しない方向に設定する。又分配穴を複数個に
設けることで、噴流の速度を低くしている。

給水継手、7aから入つた冷却水は、ヘツダー43aで径
方向に分配され、多数の分配穴41aを通り、減速された
後、均一な速度で流路６に導かれて同じ方向に流れ、冷
却流路６後端に達すると再び集合穴41bで合流し、ヘツ
ダー43b、継手7bを経て外部へ放出される。第４図の分
配穴41a及び集合穴41bは、冷却水中に固形異物が無く又
は腐食等で目詰まりが生じる恐れが無い場合を示した。
しかしあまり細い分配穴を用いて上記の異物等で目詰ま
りが心配される場合は、第５図のように冷却水の出入口
に太い流路でなるガイド穴42a,42bを設けて冷却流路６
を構成しても良い、継手7aからの冷却水は、ガイド穴42
aにより外周壁及び内周壁3aのほぼ中央の方向に導かれ
て流路６内に入り、最後にガイド穴42b及び継手7bを経
て放出される。

第６図は本発明の第４実施例を示す図である。この実
施例の電子レンズの冷却系は、特に入口継手からの噴流
が冷却流路壁に衝突して渦が発生するのを抑える構造と
している。第６図において、冷却流路６は、冷却水を導
入する導水管9a、それに同軸的に接続された継手7aさら
に続いて直線的に接続された上流端の流路6aと、流路6a
が接線方から方向から進入し環状の往復流路形成する主
要流路と、下流の出口部分で設けられた外周方向に曲が
る曲がり管6bにより構成されている。導水管9aから流路
断面積が急拡大する冷却流路6aに入つた冷却水は噴流状
に流れる。冷却流路上流端の直線部で噴流は徐々に減速
し、一様な流れとなり、環状の冷却流路を経て、下流の
曲り管に流れる。又噴流は直線部で向きが変わらないの
で、冷却流路壁面に衝突して２次過を発生することは無
い。

第７図は、上記第６図と同様に冷却流路上流端の流路
6aを、導水管9a、継手7aと同一直線上に並べている。但
し流路6aは徐々に断面積を大きくするテーパー状のもの
を用いているのが上記例と異なるが、テーパー部壁に噴
流が衝突して２次渦が生じるのを防ぐ考え方は同じであ
る。但しテーパー状のものを用いることで、冷却流路６
の先端の急拡大部で循環流を伴う１次渦の発生を防げる
利点がある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、電子レンズの冷却系を、電子レンズ
の巻線部を覆うカバー板に略環状の冷却流路を設け、そ
の冷却流路を途中で反転させて隣接する往復の流路とし
て構成したので、冷却流路の伝熱面積を増加でき、それ
だけ巻線部からの発熱をより多く除去して冷却でき、電
子レンズによつてつくられる画像のぼけを防止すること
ができ、また冷却流路の伝熱面積の増加に伴う冷却能の
向上により、電子レンズの小型化、軽量化を図ることが
できる。

また、冷却流路の入り口端から冷却水の進行方向に向
つて流路断面積を徐々に拡大すると、冷却水の渦の発生
を少なくでき、電子レンズへの加振力を低減でき、画像
ぼけを防止できる。

冷却流路の入口に、複数個の細い流路でなるヘツダー
を設け冷却流路に給水すると、冷却流路に入る噴流の速
度を徐々に低くできるので、冷却流路内に生じる渦が弱
まり、又内周壁及び外周壁に噴流が達しないように向き
を調節できるので、壁面付近の二次渦の発生を防止で
き、画像ぼけを少なくできる。

その他、冷却流路上流端に直管部又はテーパー部の流
路形状を用いることで、継手からの噴流が流路壁に衝突
するのを避けられ、渦の発生を防げるので、渦による圧
力変動で電子レンズの振動が少なくなり、画像ぼけを防
止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による電子レンズの冷却系の第１実施例
の縦断面図、第２図は第１図のII−II断面図、第３図は
本発明の第２実施例の横断面図、第４図は第３実施例の
横断面図、第５図は本発明の第３実施例の横断面図、第
６図は本発明の第４実施例の横断面図、第７図は第４実
施例別案の横断面図である。 １……コイル、２……巻線部、３……内筒、４……外周
壁、５……カバー板、６……冷却流路、７……継手、９
……導水管、17……ヨーク、37……ターン部、41……分
配集合穴、43……ヘツダー。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 寺門 貞夫 茨城県勝田市市毛882番地 株式会社日 立製作所那珂工場内 (56)参考文献 特開 昭61−227356（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−269839（ＪＰ，Ａ) 実開 昭57−89256（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭54−177861（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01J 37/141 H01J 37/26

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】円筒状の巻線部と該巻線部の内周面に配設
   した内筒と該内筒の各端部につば状に設け前記巻線部の
   各側面を覆うカバー板とを有するコイルと、前記巻線部
   の側面側の少なくとも一方に略環状に設けて冷却水の給
   排水を行う冷却流路と、前記コイル及び冷却流路を覆う
   ヨークと、前記冷却流路をに接続した給排水用の導水管
   とから構成された電子レンズの冷却系において、導水管
   のうちの少なくとも給水側の導水管に続く冷却流路の上
   流部を中流部に向かってテーパー状に拡大していること
   を特徴とする電子レンズの冷却系。
2. 【請求項２】円筒状の巻線部と該巻線部の内周面に配設
   した内筒と該内筒の各端部につば状に設け前記巻線部の
   各側面を覆うカバー板とを有するコイルと、前記巻線部
   の側面側の少なくとも一方に略環状に設けて冷却水の給
   排水を行う冷却流路と、前記コイル及び冷却流路を覆う
   ヨークと、該ヨークを貫通し前記冷却流路をに接続した
   給排水用の導水管とから構成された電子レンズの冷却系
   において、前記冷却流路を途中で滑らかに反転させて並
   列的に設け、かつ導水管のうちの少なくとも給水側の導
   水管に続く冷却流路の上流部を中流部に向かってテーパ
   ー状に拡大していることを特徴とする電子レンズの冷却
   系。
3. 【請求項３】円筒状の巻線部と該巻線部の内周面に配設
   した内筒と該内筒の各端部につば状に設け前記巻線部の
   各側面を覆うカバー板とを有するコイルと、前記巻線部
   の側面側の少なくとも一方に略環状に設けた冷却流路
   と、前記コイル及び冷却流路を覆うヨークと、前記冷却
   流路に冷却水を給排水する導水管とから構成された電子
   レンズの冷却系において、導水管のうちの少なくとも給
   水側の前記導水管に続く冷却流路は、該導水管から直線
   的に延びて環状部分に接線方向から接続していることを
   特徴とする電子レンズの冷却系。
4. 【請求項４】円筒状の巻線部と該巻線部の内周面に配設
   した内筒と該内筒の各端部につば状に設け前記巻線部の
   各側面を覆うカバー板とを有するコイルと、前記巻線部
   の側面側の少なくとも一方に略環状に設けた冷却流路
   と、前記コイル及び冷却流路を覆うヨークと、該ヨーク
   を貫通し前記冷却流路に冷却水を給排水する導水管とか
   ら構成された電子レンズの冷却系において、前記冷却流
   路を途中で滑らかに反転させて並列的に設け、かつ導水
   管のうちの少なくとも給水側の導水管に続く冷却流路
   は、該導水管から直線的に延びて環状部分に接線方向か
   ら接続していることを特徴とする電子レンズの冷却系。