JP4888476B2 - 真空機器 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子による表面改質装置、電子銃、粒子加速装置などの真空中で高電圧を利用する真空機器に関するものであり、特に、真空モータへの適用が好適である。

従来の真空機器における絶縁構造体として、例えば、特許文献１に示された構造が知られている。この特許文献１に開示された絶縁構造に対応する構造を図２に示す。
図２において、１１１は高電位導体であり、正の高電圧が印加される。１１２は低電位導体であり、通常接地される。１１３は絶縁体であり、高電位導体１１１の支持および高電位導体１１１と低電位導体１１２の電気絶縁を確保するために設けられる。低電位導体１１２には凹部ｈが形成され、絶縁体１１３との間にクリアランスｙが設けられている。絶縁体１１３は、一般的に、アルミナや繊維強化プラスチック（以下、ＦＲＰという）が用いられ、その沿面における絶縁破壊を防止するのに十分な長さが設けられている。
このような絶縁構造体では、低電位導体１１２に凹部を形成し、低電位導体１１２と絶縁体１１３との間にクリアランスが設けられている。これにより絶縁体１１３の沿面における絶縁破壊の原因の一つであるトリプルジャンクション１１４（真空中の低電位導体１１２と絶縁体１１３との接合部）における電子の放出を抑制する。
特開平８−１２４５１４号公報

真空中での絶縁破壊では、高電位導体１１１と低電位導体１１２とのギャップ間の貫通破壊よりも絶縁体１１３の沿面破壊が支配的である。この沿面における絶縁破壊のメカニズムについて、図３をもとに説明する。
真空中で図３の高電位導体１１１に高電圧が印加されると、真空と低電位導体１１２と絶縁体１１３とが成すトリプルジャンクション１１４における電界が非常に大きくなり低電位導体１１２から電子が放出される。放出された一部の電子は絶縁体１１３に衝突する。このとき、絶縁体１１３から電子（二次電子）が放出され、この電子が絶縁体１１３に衝突することでさらに電子が放出される。このように、二次電子が次から次へと増殖される現象（二次電子なだれ現象）が電界によって高電位導体１１１に向かって進行する。二次電子の放出量が多いと絶縁体１１３の帯電量が大きくなり、絶縁破壊（沿面放電）しやすくなる。二次電子の放出量は絶縁体１１３の二次電子放出係数に依存し、この値が大きいほど二次電子放出量が多い。

また、沿面放電は、絶縁体１１３の表面近傍における絶縁体１１３から放出されたガスを介しても生じるので、絶縁体１１３から放出されるガスの量（以下、ガス放出速度という）が多いほど絶縁破壊しやすくなる。この現象は、雰囲気圧力が５×１０^−２Ｐａ以下において特に影響が大きくなる。つまり、雰囲気圧力が５×１０^−２Ｐａ以下では、トリプルジャンクション１１４における電子の放出を抑制しても、絶縁体１１３が二次電子放出係数の高い材料の場合やガス放出速度が大きい材料の場合は絶縁耐力を大幅に向上できない。

以上述べたように、真空中での沿面における絶縁破壊には、トリプルジャンクション１１４における電子の放出と絶縁体１１３の二次電子放出係数と絶縁体１１３からのガス放出速度が関係している。従来の真空中における絶縁構造体は、トリプルジャンクション１１４における電子の放出を抑制しているが、絶縁体１１３にアルミナのような二次電子放出係数がＦＲＰなどの樹脂に比べて桁違いに大きい材料やＦＲＰのようなガス放出速度の大きい材料が使用されるので、絶縁耐力の向上には限界があった。つまり、絶縁体１１３にこれらの材料が使用される場合、絶縁耐力を向上させるためには沿面距離を長くしなければならない。このため、装置の小型化が困難という問題や、装置の大きさが制限される場合は、十分な沿面距離を確保できずに、絶縁信頼性が低下するというような問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、真空中における絶縁構造体の沿面での絶縁耐力を向上させた真空機器を提供するとことを目的とする。本発明により、真空機器の小型化を実現することができ、また、絶縁信頼性の高い絶縁構造体を提供することができる。

上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、高電位が与えられる高電位導体と、前記高電位導体と対向する位置に平行に設けられ、低電位が与えられる低電位導体と、前記高電位導体と前記低電位導体に接続され、その間に垂直に介在する絶縁体と、を備え、５×１０−２Ｐａ以下の真空雰囲気において、前記高電位導体に高電圧を印加することにより、前記低電位導体と前記高電位導体の間に電位差が生じて平等電界が形成され、荷電粒子による表面改質装置、電子銃、および粒子加速装置として適用される真空機器であって、前記低電位導体の表面上の前記絶縁体と隣接する位置に、米国材料試験協会（ＡＳＴＭ：Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）の規格Ｄ５７０に規定された２３℃の吸水率が０．３％以下の絶縁物皮膜が形成された真空機器が適用される。

本願の代表的な発明によれば、低電位導体への塗布などのきわめて簡易な絶縁処理方法で二次電子なだれが生じにくい真空機器を実現できる。従って、真空中での絶縁体の沿面における絶縁耐力が向上する。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は本実施形態の真空機器における絶縁構造体の部分拡大断面図である。図１において、絶縁物皮膜１は、、高電位導体１１１と低電位導体１１２との間に接続された絶縁体に接する低電位導体の表面に隣接する低電位導体の表面上に形成されている。すなわち、絶縁体１１３に接に隣接する低電位導体１１２の表面上に所定距離だけ延在して形成されている。

このような構成によれば、二次電子なだれが生じやすい絶縁体１１３とトリプルジャンクション１１４との距離を確保でき、トリプルジャンクション１１４で発生した電子が絶縁体１１３に衝突せずに、二次電子放出係数の小さい絶縁物皮膜１に衝突することで二次電子の放出を抑制することができる。よって、真空中での絶縁体１１３の沿面における二次電子なだれ、つまり沿面破壊が防止され、絶縁耐力が向上する。結果として小型化の真空機器を実現することができる。
さらに、絶縁物皮膜１は塗布によっても形成できるため、それ自身の形状が簡単であり、また、複雑な形状の低電位導体１１２や絶縁体１１３であっても容易に形成され、また、低電位導体と絶縁体１１３との界面の接着やシールを兼ねることも出来るため、真空機器の小型化に大きく寄与することができる。
なお、本実施形態においては、高電位導体１１１には正の高電位が印加され、低電位導体１１２には基準電位である接地電位が与えられているが、高電位導体１１１と低電位導体１１２との間に所定の電位差（電圧）を生じさせるものであれば本実施形態の態様に限らない。すなわち、所定の電圧が確保できるものであれば、負の電圧となり得る導体に絶縁物皮膜１を形成することで、正負の電圧を含めて適宜設定できる。
ここで、図１における絶縁物皮膜１によって確保するべき、絶縁体１１３とトリプルジャンクション１１４との距離ｘは、少なくとも電子の放出点から次に絶縁物皮膜１上に衝突するまでの距離以上である。非特許文献１を参照すれば、この距離は高々２０μｍ程度であるので、、少なくとも２０μｍ以上の絶縁物皮膜を低電位導体１１２の所定の表面上に施すことで本発明の効果が得られる。本発明者の知見では、実際の製造プロセス上のマージンを考慮して、距離ｘを５０μｍ以上にすることが望ましい。絶縁物皮膜の形成方法によっては５０μｍよりも大きく形成されることもある。また、低電位導体１１２に接点や端子などの導体の露出部分が不要である場合は、その全面あるいは広範囲の表面に絶縁物皮膜１を施すこともできる。
なお、絶縁物皮膜１は、絶縁体１１３とトリプルジャンクション１１４との距離を確保するために設けれているので、その厚さは特に限定されるものではないが、本実施形態では、膜厚１０μｍの絶縁物皮膜１を用いている

電気学会研究会資料 放電研究会ＥＤ−９９−１８７、Ｐ２５〜Ｐ３０（１９９９年１１月１９日）以下、本実施形態に係る種々の実施例を説明する。

絶縁物皮膜１を構成する本実施例のエポキシ樹脂組成物１は触媒型硬化剤で硬化させ、下記の化学構造を持つものとした。本実施例で用いたエポキシ樹脂組成物は米国材料試験協会（ＡＳＴＭ：Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）の規格Ｄ５７０に規定された２３℃吸水率が０．３％以下のエポキシ樹脂組成物である。エポキシ樹脂組成物における、主剤、希釈剤、硬化剤、充填材の組み合わせと配合比（重量部）は表１のとおりである。
（ａ）ナフタレン型エポキシ樹脂
（ｂ）ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂
（ｃ）メソゲン基を持つエポキシ樹脂
（ｄ）ビスフェノール型エポキシ樹脂
（ｅ）フェニルグリシジルエーテル（反応性希釈剤の一例）
（ｆ）２エチル４メチルイミダゾール
（ｇ）２メチルイミダゾール
（ｈ）３フッ化ホウ素アニリン錯体
（ｉ）ジアミノジフェニルメタン系硬化剤
（ｊ）シリカ（充填材の一例）

表１に示す組成のエポキシ樹脂組成物からなる絶縁物皮膜１を低電位導体１１２の表面に被覆して、絶縁体１１３の沿面における絶縁耐力を調べた。いずれの場合も、絶縁体１１３の縁からトリプルジャンクション１１４までの絶縁物皮膜１の幅ｘは１ｍｍとし、絶縁体１１３にはアルミナおよびＦＲＰを用いた。また、絶縁物皮膜の厚さは０．３ｍｍとした。
絶縁耐力を調べる場合、雰囲気圧力を約１×１０^−４Ｐａとし、絶縁体１１３の沿面距離つまり高電位導体１１１と低電位導体１１２（接地）との距離を２ｍｍとして高電位導体１１１に電圧を印加した。また、絶縁耐力には表面の清浄度などが影響することが知られているので、この影響を低減するために、放電２０回のコンディショニング後のデータで試料間の比較を行った。
なお、絶縁耐力の従来例には図２の構造の絶縁構造体を用い、図２中ｙ、ｈはいずれも０．２ｍｍとした。従来例の絶縁体１１３にはアルミナおよびＦＲＰを用いた。
表２に評価結果を示す。絶縁耐力はいずれも相対値である。表１に示した全てのエポキシ樹脂組成物において、絶縁体１１３がアルミナの場合もＦＲＰの場合も絶縁耐力は表１に示すエポキシ樹脂組成物からなる絶縁体皮膜により向上している。
なお、本実施例の雰囲気圧力は約１×１０^−４Ｐａとしたが、沿面放電は雰囲気圧力が５×１０^−２Ｐａ以下において特に影響が大きくなる。

次に、絶縁物皮膜１の幅の影響を調べるために、絶縁物皮膜１に表１の材質（１）を用い、その塗布の幅を変えて同様な実験を行った。また、絶縁物皮膜の厚さは０．５ｍｍとした。表３に結果を示す。また、絶縁耐力は表１の絶縁体１１３がアルミナの場合の従来例に対する相対値である。
表３において、絶縁体１１３がアルミナの場合もＦＲＰの場合も絶縁耐力は５倍以上向上していることがわかる。

以上の結果から、絶縁物皮膜の幅は、非特許文献１より推測される必要値の数十μｍより数倍大きな値である０．１ｍｍ以上であれば、いかなる値をとっても効果が確認された。

第二の実施例はエポキシ樹脂塑性物以外の吸水率が小さい材料を絶縁物皮膜として適用したものである。

本実施例の絶縁物皮膜１で用いた材料は、以下に示す米国材料試験協会（ＡＳＴＭ）の規格Ｄ５７０に規定された２３℃吸水率が０．３％以下の材料である。熱融着性のフッ素樹脂フィルム（１４）、（１５）を用いた実施例では、また、絶縁物皮膜の厚さは０．０５ｍｍとし、低電位導体１１２と絶縁体１１３の間にこのフィルムを挿入して熱融着させて、低電位導体１１２と絶縁体１１３の固定と絶縁物皮膜１の形成を同時に行った。また、液状の原料である（１６）から（２１）を用いた実施例では、固定された絶縁体１１３周辺に塗布し乾燥することで絶縁物皮膜１を形成した。また、絶縁物皮膜１の幅は表４に示す様々な値をとり、絶縁物皮膜の厚さは０．１ｍｍとした。
（１４）熱融着性のフッ素系樹脂フィルム：ネオフロンＥＦＥＰ（ダイキン工業製）
（１５）熱融着性のフッ素系樹脂フィルム：シルキーボンド（潤工舎製）
（１６）フッ素系樹脂塗料：ルミフロン^(R)（旭硝子製）
（１７）フッ素系樹脂塗料：カンペフロン^(R)ＨＤ（関西ペイント製）
（１８）シリコーン系樹脂ワニス：ＴＳＲ１１６（モメンティブ製）
（１９）シリコーン系樹脂：ＳＥ１７１３（東レダウコーニングシリコーン製）
（２０）ポリアミドイミドワニス：ＨＰＣ−５０００（日立化成製）
（２１）ポリイミド系ワニス：ＣＴ４２００Ｈ（京セラケミカル製）

表４に結果を示す。絶縁耐力はいずれも相対値である。表４に示した吸水率が小さい材料を絶縁物皮膜１として施すことで、絶縁体１１３がアルミナの場合もＦＲＰの場合も絶縁耐力は向上している。

以上述べたように、低電位導体表面の前記絶縁体に接した縁近傍に絶縁物皮膜を施すことで絶縁耐力を大幅に向上させることができるので、本発明の真空中における絶縁構造体を荷電粒子による表面改質装置，電子銃，粒子加速装置および真空モータの電気絶縁部に適用すれば、それらの絶縁耐力を向上でき、装置の小型化が可能であることは言うまでもない。

なお、上記各実施例における触媒型硬化剤の配合比は、主剤と反応性希釈剤との合計１００重量部に対して０．５重量部以上７重量部以下が最適である。この範囲の配合比であれば、硬化反応が適切な速度となり、硬化収縮も抑制されてクラックが実質的に発生することもなく、安定した品質の製品が実現できる。
また、本発明における絶縁体１１３の形状は、実施例に示した柱状でなくても、管状や箱状でその両端に導体を接続したものでも良く、また管状や箱状の内部の空間を真空雰囲気とし、内部の絶縁耐力を向上させたものでも良い。これは実施例における絶縁体の表面を管状や箱状の内壁と置き換え、真空雰囲気をその内部空間と置き換えることで理解できるであろう。

本実施形態の真空機器における絶縁構造体の側断面図 従来例における絶縁構造体の側断面図 従来例の絶縁構造体において沿面における絶縁破壊メカニズムを説明するための側断面図

符号の説明

１ 絶縁物皮膜
１１１ 高電位導体（正の高電圧印加部）
１１２ 低電位導体（接地部）
１１３ 絶縁体
１１４ トリプルジャンクション

Claims (8)

1. 高電位が与えられる高電位導体と、
   前記高電位導体と対向する位置に平行に設けられ、低電位が与えられる低電位導体と、
   前記高電位導体と前記低電位導体に接続され、その間に垂直に介在する絶縁体と、を備え、
   ５×１０−２Ｐａ以下の真空雰囲気において、前記高電位導体に高電圧を印加することにより、前記低電位導体と前記高電位導体の間に電位差が生じて平等電界が形成され、荷電粒子による表面改質装置、電子銃、および粒子加速装置として適用される真空機器であって、
   前記低電位導体の表面上の前記絶縁体と隣接する位置に、米国材料試験協会(ＡＳＴＭ：Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ) の規格Ｄ５７０に規定された２３℃の吸水率が０．３％以下の絶縁物被膜が形成されたことを特徴とする真空機器。
2. 前記絶縁物皮膜は、前記絶縁体に隣接し、且つ、前記絶縁体から２０μｍ以上延在して形成されたことを特徴とする請求項１記載の真空機器。
3. 前記絶縁物被膜はエポキシ樹脂組成物であり、前記エポキシ樹脂組成物は少なくとも主剤と反応性希釈剤と触媒型硬化剤とから構成され、前記主剤は、ビスフェノール型、または、芳香族環、五員環、脂肪族六員環、ジシクロペンタジエン構造、ノボラック構造、メソゲン基のいずれかを含む環状の化学構造より選ばれる１つ、またはそれらの混合物であり、前記反応性希釈剤の化学構造は、ブチルグリシジルエーテル、フェニルグリシジルエーテルなどの単官能型、または直鎖脂肪族、ポリグリコール、ポリエーテル、ポリチオールなどの２官能型、またはそれらの混合物であり、前記触媒型硬化剤はイミダゾール化合物、または、３フッ化ホウ素アミン錯体であることを特徴とする請求項１または２に記載の真空機器。
4. 前記イミダゾール化合物は２メチルイミダゾール、２エチル４メチルイミダゾール、ｎウンデシルイミダゾール、１ベンジル２メチルイミダゾール、または、それらの混合物であり、その配合比が前記主剤と前記反応性希釈剤との合計１００重量部に対して前記触媒型硬化剤が０．５重量部以上７重量部以下であることを特徴とする請求項３に記載の真空機器。
5. 前記３フッ化ホウ素アミン錯体は３フッ化ホウ素アニリン錯体、３フッ化ホウ素クロロフェニルアミン錯体、またはそれらの混合物であることを特徴とする請求項３に記載の真空機器。
6. 前記絶縁物被膜は、フッ素系樹脂またはシリコーン系樹脂またはポリイミド系樹脂であることを特徴とする請求項１または２に記載の真空機器。
7. 前記絶縁体はアルミナまたは繊維強化プラスチックであることを特徴とする請求項１または２に記載の真空機器。
8. 前記絶縁体は内部に真空排気された空間を持つことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の真空機器。