JP4449574B2 - 真空可変コンデンサ - Google Patents

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Description

この発明は、大電力発振器の発振回路、半導体製造装置用の高周波電源回路、あるいは誘導加熱装置のタンク回路等に用いられる真空可変コンデンサに関するものである。
従来、真空可変コンデンサは、例えば、半導体設備の高周波電源、あるいは大電力発振回路等の高周波機器等におけるインピーダンス調整に使用されている。この真空可変コンデンサについて、図４に示す特許文献１により説明する。図において、１はセラミックス製の絶縁筒であり、その両端に銅製の接続筒２，３を介して固定側端板４及び可動側端板５を封着し、真空容器６を形成する。固定側端板４の内面側には、複数の径が異なる円筒状電極板７ａを同心状に取り付けて固定電極７を形成する。真空容器６内に固定側端板４と対向して配置された可動導体８には各円筒状電極板９ａ間に非接触で挿出入できるように径が異なる複数の円筒状電極板９ａを同心状に取り付け、可動電極９を形成する。
可動導体８は可動電極９の反対側に突出して中空リード部８ａを有しており、中空リード部８ａの外周は可動側端板５の中心の孔５ａに嵌合固定された筒状の軸受１０に摺動自在に支持され、中空リード部８ａの閉塞端には雌ねじ部８ｂが形成されている。１１は静電容量調整ねじであり、頭部１１ａと、雌ねじ部８ｂと螺合する雄ねじ部１１ｂとからなる。１２は可動側端板５の孔５ａの周辺部外面側に立設されたねじ受け部であり、静電容量調整ねじ１１はねじ受け部１２に回転トルクを低減するためのスラストベアリング１３を介して回転自在に支持されており、その頭部１１ａを手動又はモータ等を用いて回転させることにより可動導体８を上下動する。これにより、電極７，９の対向総面積が変化し、静電容量が変化し、インピーダンスが調整される。
１４は軟質金属製の筒状のベローズであり、真空容器６内を気密を保持しながら可動導体８及び可動電極９を上下動できるように、一端を可動側端板５及び軸受１０に接合するとともに、他端を可動導体８に接合している。中空リード部８ａとそれをガイドする軸受１０との間は潤滑油で絶縁されるため、真空容器６の内部ではベローズ１４に通電する構造となっている。即ち、可動側端板５に設けられた外部電源端子（図示省略）と可動導体８との通電路をベローズ１４が兼ねている。
従って、高周波電流は例えば一方の端板５からベローズ１４、可動導体８及び電極７，９間の静電容量を介して他方の端板４に流れる。近年、高周波機器に使用される負荷が大きくなり、それに伴い、高周波電流が増加して大きな電流が流れるので、真空可変コンデンサも大形化した。これにより、静電容量調整ねじ１１の回転トルクも大きくなった。
特開平７−７８７２９号公報
ところで、真空容器６内の真空圧力に打ち勝って可動導体８を移動させるには、駆動エネルギーの大きなモータを使用する必要があり、真空可変コンデンサが大形化するとともに、モータも大きな動力を必要とした。特に、電極７，９の対向面積が減少する、真空圧力とは逆方向に可動導体８を移動させる場合には、真空圧力に逆らって可動導体８を移動させるので、大きな駆動力を必要とし、真空可変コンデンサ及びモータ等の駆動部が大形化した。
又、静電容量調整ねじ１１の回転に応じて、その雄ねじ部１１ｂに沿って中空リード部８ａの雌ねじ部８ｂを移動させる際、雄ねじ部１１ｂには摩擦抵抗力及び面圧が働いており、使用しているうちに雄ねじ部１１ｂが摩耗・変形してしまう恐れがあった。また、雄ねじ部１１ｂが摩耗・変形すると、雄ねじ部１１ｂの摩擦抵抗力がさらに高まり、静電容量調整ねじ１１の回転トルクが上昇してしまう恐れがあった。又、雄ねじ部１１ｂが摩耗・変形すると、その回転位置に対する可動電極９の位置が雄ねじ部１１ｂの摩耗・変形分だけ変位するため、静電容量に変化が生じてしまう恐れがあった。
この発明は上記のような課題を解決するために成されたものであり、摩耗・変形により静電容量に誤差が生じるのを防止するとともに、静電容量の調整の際の回転トルクの上昇を抑制し、調整のための駆動部を小形化することができる真空可変コンデンサを得ることを目的とする。
この発明の請求項１に係る真空可変コンデンサは、絶縁筒の両端を固定側端板及び可動側端板により閉塞した真空容器と、真空容器内において固定側端板と対向配置されるとともに、真空容器外に伸びる可動導体と、固定側端板及び可動導体に対向して立設された固定電極及び可動電極と、真空容器内において一端が可動導体に取り付けられるとともに、他端が可動側端板に取り付けられ、真空側と大気側とを区分するとともに、通電路を兼ねる第１のベローズと、駆動部により回転駆動され、大気側において可動導体とボールねじ部を介して係合した回転部とを備えた真空可変コンデンサにおいて、
前記ボールねじ部の端部に調整ねじを取り付けたことを特徴とするものである。
請求項２に係る真空可変コンデンサは、上記可動導体を、可動電極が立設された可動電極支持板と可動側端板方向に伸びる摺動軸とから構成し、可動電極支持板と摺動軸とをロー付けではなく、機械的に接続したことを特徴とするものである。
請求項３に係る真空可変コンデンサは、上記可動導体を、可動電極が立設された可動電極支持板と可動側端板方向に伸びる摺動軸とから構成し、その摺動軸を摺動自在に案内する摺動ガイドが真空容器内の大気側で支持されたものである。
以上のようにこの発明の請求項１によれば、可動導体と駆動部により回転駆動される回転部とはボールねじ部を介して係合しており、ボールねじ部の回転トルクは小さくてよいので、可動導体の移動を真空圧力に打ち勝って低摩擦力で行うことができ、モータ等の駆動部を小形化することができる。又、回転部を低摩擦力で回転することができるので、ボールねじ部の摩耗・変形を防止することができ、回転トルクの上昇を抑え、回転部の長寿命化を図ることができ、また回転位置に対して可動電極の位置に変化が生じなくなり、静電容量に誤差が生じなくなる。さらに、ボールねじ部を用いて低摩擦力で回転部を回転させているので、高速回転が可能となり、静電容量の制御を高速化することができる。
請求項２によれば、可動導体を構成する可動電極支持板と摺動軸とをロー付けではなく、機械的に接続しているので、可動電極支持板からの熱伝導率が低下して、摺動部への熱伝導が減少して長寿命化を図ることができる。
請求項３によれば、摺動軸を摺動自在に支持する摺動ガイドを設けたので、可動導体の移動を円滑に行うことができ、回転部の回転トルクも低減することができる。
実施最良形態１
以下、この発明を実施するための最良の形態を図面とともに説明する。図１はこの発明の実施最良形態１による真空可変コンデンサの縦断面図を示し、１５はセラミックスからなる絶縁筒であり、その一端には金属製の接続筒１６を介して固定側端板１７を接合するとともに、絶縁筒１5の他端には接続筒１８を介して可動側端板１９を接合し、真空容器２０を形成する。絶縁筒１５は端板１７，１９間を絶縁するために設けており、端板１７，１９は外部端子を兼ねている。固定側端板１７の内面側には、複数の径が異なる円筒状電極板２１ａを同心状に取り付けて固定電極２１を形成する。２２は固定側端板１７の内面側の中心に取り付けられた電極ガイドであり、その内端は逆円錐状となっている。
又、真空容器２０内に固定側端板１７と対向して配置された可動電極支持板２３には、各円筒状電極板２１ａ間に非接触で挿出入できるように径が異なる複数の円筒状電極板２４ａを同心状に取り付け、可動電極２４を形成する。可動電極支持板２３の中心には電極ガイド２２と対向して先端が円錐状の突出部２３ａが形成され、また可動電極支持板２３には雌ねじ部２３ｂが形成され、雌ねじ部２３ｂには摺動軸２５の一端に形成された２段の雄ねじ部２５ａ，２５ｂのうちの小径側の雄ねじ部２５ａが螺合され、大径側の雄ねじ部２５ｂには止めねじ２６が螺合される。このように、摺動軸２５の一端と可動電極支持板２３とはロー付けでなく、機械的構造により接続され、可動導体２７を構成する。電極ガイド２２と突出部２３ａとが当接することのより、固定電極２１と可動電極２４とが全面的に重ならないようにする。
２８は真空容器２０内において一端が可動電極支持板２３に取り付けられ、他端が可動側端板１９に取り付けられた第１のベローズであり、真空容器２０内を真空側と大気側とに区分するとともに、通電路を兼ねる。又、可動側端板１９の中心に設けた孔にはベローズ２８の内側で筒状のヒートシンク２９が嵌合され、ボルト３９により固定され、摺動軸２５を摺動自在に案内する筒状の摺動ガイド３０の外周側を支持する。この摺動軸２５と摺動ガイド３０との摺動により、可動電極２４を真空容器２０の中心と平行に移動させることができる。摺動ガイド３０には、Ｃｕ、ＳＵＳ等の外、硬化玉摺動の直動タイプリニアブッシングを用いることにより、可動電極２４を厳密に平行に移動させることができる。ヒートシンク２９には、真空容器２０内の大気側と外部とを連通する空気孔３１を設け、内部温度の上昇を防止している。
３２は真空容器２０外において摺動軸２５とボールねじ部３３を介して係合した回転部であり、回転部３２にはボルト３８により回転ロッド３７が取り付けられ、回転ロッド３７はモータ等の駆動部により回転駆動される。ヒートシンク２９と回転部３２との間には複数のベアリング３４，３５が設けられ、回転部３２の回転トルクを低減することができるとともに、回転部３２への横荷重による内部への影響を緩和することができる。又、摺動軸２５の下端の雄ねじ部２５ｃには調整ねじ３６が螺合され、摺動軸２５が最大静電容量値よりも上昇しようとすると調整ねじ３６が回転ロッド３７と当接し、最大静電容量値を確保した。静電容量の調整は、モータ等の駆動部により回転ロッド３７を介して回転部３２を回転させ、摺動軸２５を上下動させ、可動電極２４を上下動させることにより行われる。
実施最良形態１においては、可動導体２７と駆動部により回転駆動される回転部３２とはボールねじ部３３を介して係合しており、ボールねじ部３３の回転トルクは小さいので、可動電極２４の移動を真空圧力に打ち勝って低摩擦力で行うことができ、モータ等の駆動部を小形化することができる。又、回転部３２を低摩擦力で回転することができるので、ボールねじ部３３の磨耗・変形を防止することができ、回転トルクの上昇を抑えて回転部３２の長寿命化を図ることができるとともに、回転位置に対して可動電極２４の位置に変化が生じなくなり、静電容量に誤差が生じなくなる。さらに、回転部３２を低摩擦力で回転させるので、高速回転が可能となり、静電容量の制御を高速化することができる。図２は最大静電容量からの回転数と荷重（ベローズ自閉力+ベローズばね定数×ストローク）及び回転トルクとの関係を示し、三角ねじを用いた場合に比べてボールねじを用いた場合に回転トルクが小さくなることが判る。なお、三角ねじの回転トルクTの計算式はT＝（Q／２）×（ｄｚ×ｔａｎ（ρ+β）+ｄｗ＋μｗ）である。ただし、Ｑは荷重、ｄｚは有効径、ρは摩擦角、βはリード角、ｄｗはナット座面径、μｗは座面である。又、ボールねじの回転トルクＴの計算式はＴ＝ｐＬ（１−μｔａｎβ）／２π（１+μｔａｎβ）である。ただし、ｐは荷重、Ｌはボールねじのリード、μは摩擦係数、βはリード角である。
又、可動導体２７を可動電極支持版２３と摺動軸２５とから構成し、この両者をロー付けではなく、機械的に接続したので、可動電極支持版２３からの熱伝導率が低下し、摺動部への熱伝導が減少して長寿命化を図ることができる。また、摺動軸２５を摺動ガイド３０により摺動自在に支持したので、可動導体２７の移動が平行かつ円滑に行われ、回転部３２の回転トルクを低減することができる。
又、回転部３２と真空容器２０側との間に複数のベアリング３４，３５を設けたので、回転部３２の回転トルクを低減することができる。また、最大静電容量値を調整する調整ねじ３６を設けたので、最大静電容量値の調整が容易となる。さらに、真空容器２０の大気側と外部とを連通する空気孔３１を設けたので、真空容器２０内の温度が低減され、長寿命化を図ることができる。
図３は実施最良形態２による真空可変コンデンサの縦断面図を示し、４０は第１のベローズ２８の内側において両端が可動電極支持板２３と可動側端板１９とに取り付けられた筒状の第２のベローズであり、真空側と大気側とを区分するとともに、通電路を兼ねる。調整ねじ３６は、摺動軸２５の下端に設けられた雌ねじ部２５ｄに螺合される。その他の構成は空気孔３１を設けないことを除いて実施最良形態１と同様である。
実施最良形態２においては、第２のベローズ４０が第１のベローズ２８より径が小さいので、真空側と大気側との差圧による自閉力が小さくなり、回転部３２の回転トルクが小さくなり、また２つのベローズ２８，４０によりより大きな通電電流を流すことができる。その他の効果は実施最良形態１と同様である。
この発明の実施最良形態１による真空可変コンデンサの縦断面図である。 実施最良形態１による真空可変コンデンサの回転部の回転数と荷重及び回転トルクとの関係図である。 実施最良形態２による真空可変コンデンサの縦断面図である。 特許文献１による真空可変コンデンサの縦断面図である。
符号の説明
１５…絶縁筒
１７…固定側端板
１９…可動側端板
２０…真空容器
２１…固定電極
２３…可動電極支持板
２３ｂ…雌ねじ部
２４…可動電極
２５…摺動軸
２５ａ，２５ｂ…雄ねじ部
２６…止めねじ
２７…可動導体
２８，４０…ベローズ
３０…摺動ガイド
３１…空気孔
３２…回転部
３３…ボールねじ部
３４，３５…ベアリング
３６…調整ねじ

Claims (3)

  1. 絶縁筒の両端を固定側端板及び可動側端板により閉塞した真空容器と、真空容器内において固定側端板と対向配置されるとともに、真空容器外に伸びる可動導体と、固定側端板及び可動導体に対向して立設された固定電極及び可動電極と、真空容器内において一端が可動導体に取り付けられるとともに、他端が可動側端板に取り付けられ、真空側と大気側とを区分するとともに、通電路を兼ねる第１のベローズと、駆動部により回転駆動され、大気側において可動導体とボールねじ部を介して係合した回転部とを備えた真空可変コンデンサにおいて、
    前記ボールねじ部の端部に調整ねじを取り付けたことを特徴とする真空可変コンデンサ。
  2. 上記可動導体を、可動電極が立設された可動電極支持板と可動側端板方向に伸びる摺動軸とから構成し、可動電極支持板と摺動軸とをロー付けではなく、機械的に接続したことを特徴とする請求項１記載の真空可変コンデンサ。
  3. 上記可動導体を、可動電極が立設された可動電極支持板と可動側端板方向に伸びる摺動軸とから構成し、その摺動軸を摺動自在に案内する摺動ガイドが真空容器内の大気側で支持されたことを特徴とする請求項１記載の真空可変コンデンサ。
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