JP5071292B2 - 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３に示す。
図３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には凹部が形成され、絶縁体１１３との間にクリアランスが設けられている。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（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には、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４をもとに説明する。
真空中で図４の高電位導体１１１に高電圧が印加されると、真空と絶縁体１１３と低電位導体１１２とが成す３重点（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。

本願の代表的な発明は、高電位が与えられる高電位導体と、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との間に配置された絶縁体と、前記絶縁体上に形成され、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％以下であり、かつ、膜厚が０．００５ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下であり、かつ、前記絶縁体とは異なるエポキシ樹脂組成物とを備えた真空雰囲気で用いられる真空機器である。
また、本願の他の代表的な発明は、高電圧が印加される第１および第２の導体間に絶縁体が配置された絶縁構造体を備え、５×１０^−２Ｐａ以下の圧力下で使用される真空機器であって、前記絶縁体の最表面の一部のみが、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真空機器である。
さらに、本願の他の代表的な発明は、エポキシ樹脂組成物と絶縁体との間に、縮合型硬化剤を用いたエポキシ樹脂層を形成したものである。
さらに、本願の他の代表的な発明は、上記発明で用いられるイミダゾール化合物を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、それらの混合物とし、その配合比を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重量部以下としたものである。
本願の他の発明については、本願明細書および図面の開示を参照すれば理解できるであろう。

本願の代表的な発明によれば、絶縁体からのガス放出量が少なく、かつ２次電子放出係数も小さ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。
本願の他の代表的な発明によれば、エポキシ樹脂組成物と絶縁体との間に、縮合型硬化剤を用いたエポキシ樹脂層を形成したので、絶縁体とその最表面のエポキシ樹脂組成物との密着性が高くなり、さらにガス放出量を低減することができる。その結果、絶縁体の沿面における絶縁耐力がより高まる。

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、１はエポキシ樹脂組成物であり、絶縁体１１３の表面（側面）全体に被覆されている。
本実施形態における絶縁構造体と図３に示した構造体との間で最も異なる部分は、絶縁体１１３の表面に形成されたエポキシ樹脂組成物１の有無である。なお、本実施形態においては、絶縁体１１３の表面にエポキシ樹脂組成物１を形成した例が示されているが、絶縁構造体を全てエポキシ樹脂組成物により構成することも可能である。すなわち、絶縁体をエポキシ樹脂組成物で構成すれば、本実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
このような構成によれば、絶縁体からのガス放出量が少なく、かつ２次電子放出係数も小さくできる。これにより真空中での絶縁体の沿面における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。
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、正負の電圧を含めて適宜設定できる。
以下、本実施形態に係る種々の実施例を説明する。

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、希釈材、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１を絶縁体１１３の表面に被覆して、絶縁体１１３の沿面における絶縁耐力とガス放出速度を調べた。いずれの場合も、エポキシ樹脂組成物１の厚さは１ｍｍとし、絶縁体１１３にはアルミナおよびＦＲＰを用いた。
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。
一方、ガス放出速度を調べる場合、絶縁耐力を調べる試料とは別に、絶縁体１１３と同一材質の平板全面にエポキシ樹脂組成物１を被覆した試料を用いた。ガス放出速度はスループット法で調べ、室温排気１０時間時点での試料の単位面積当たりのデータを用いた。
なお、絶縁耐力の従来例には図３の構造の絶縁構造体を用い、図３中ｘ、ｈはいずれも０．２ｍｍとした。ガス放出速度の従来例にはアルミナおよびＦＲＰの平板試料を用いた。
表２に評価結果を示す。ガス放出速度と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５倍以上に向上していることがわかる。表１に示すエポキシ樹脂組成物が最表面に存在することにより、絶縁体１１３がアルミナの場合は二次電子放出係数の高いアルミナが表面に露出しないようになり、絶縁体１１３がＦＲＰの場合は、ガス放出速度が低減される。これらに起因して絶縁耐力が向上している。
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、絶縁体の表面近傍における絶縁体のガス放出速度が多いほど絶縁破壊しやすくなり、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。

次に、最適な被覆厚みを調べるために、エポキシ樹脂組成物１に表１の（１）を用い、その厚みを変えて同様な実験を行った。表３に結果を示す。なお、表中の厚みは試料の断面を複数個所観察して、その中で最も大きい値を示している。また、ガス放出速度および絶縁耐力は表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の場合も厚みが０．００５ｍｍから２．０ｍｍの範囲で絶縁耐力は５倍以上向上していることがわかる。厚みが０．００４ｍｍ以下において、絶縁体１１３がアルミナの場合は、二次電子放出係数の高いアルミナが一部表面に露出するために絶縁耐力が低下している。一方、絶縁体１１３がＦＲＰの場合は、ＦＲＰが一部表面に露出することやＦＲＰから放出されたガスがエポキシ樹脂組成物１を透過する割合が増大することによって、ガス放出速度が大きくなる。このために厚みが０．００４ｍｍ以下において絶縁耐力が低下している。

厚みが２．５ｍｍ以上では、絶縁体１１３がアルミナの場合もＦＲＰの場合も、エポキシ樹脂組成物に微小なクラックが生じるようになるとともに絶縁体１１３との間が一部はく離するために、絶縁耐力が低下する。エポキシ樹脂組成物１は厚いほど、クラックは生成しやすくなり、密着性（以下，はく離強さという）は低下する。ただし、両者とも比較的ばらつくので、エポキシ樹脂組成物１の適切な厚みを決定するために、多数の試料を作製してクラックの有無やはく離強さを調べた。はく離強さは正規分布に従うことが知られており、産業用製品でははく離強さの低い側に分布した少なくとも３σの値が０ＭＰａ以上でないと製品適用ができないので、測定されたはく離強さの平均値と標準偏差σを計算して、平均値−３σの値で評価した。エポキシ樹脂組成物の材質は表１の（１）とし、絶縁体１１３にはエポキシ樹脂組成物１との線膨張係数差が大きいアルミナを用いた。表４に評価結果を示す。エポキシ樹脂組成物１の厚みが２．１ｍｍ以上でははく離強さの平均値−３σが０ＭＰａ未満となっている。また、２．２ｍｍ以上の厚みでは微小なクラックが観察された。
以上の結果から、エポキシ樹脂組成物の厚みは０．００５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下が望ましい。

図２は第２実施例の構成を示す図である。図において、２は縮合型硬化剤を用いたエポキシ樹脂層であり、絶縁体１１３とエポキシ樹脂組成物１との間に配置されている。

絶縁耐力の信頼性を調べるために、ヒートサイクル試験を行った。絶縁体１１３にはエポキシ樹脂組成物１との線膨張係数差が大きいアルミナを用い、縮合型硬化剤を用いたエポキシ樹脂層２には、縮合型硬化剤の一例としてアミン硬化剤を用いた下記の材質とした・ヒートサイクルの上限および下限温度は、それぞれ１５０℃、室温とし、２００サイクル実施した。なお、最表面のエポキシ樹脂組成物の厚みは２．０ｍｍとした。上述したように、クラックやはく離が生じると絶縁耐力が著しく低下するので、ヒートサイクル試験後にクラックやはく離の有無を観察することにより絶縁耐力に対する信頼性を評価した。本実施例では、縮合型硬化剤を用いたエポキシ樹脂層２として、（ｉ）商品名ＥＰ−００１（セメダイン社製）、（ｉｉ）商品名ＤＰ−４６０シリーズ（住友スリーエム社製）を用いた。

表５に結果を示す。エポキシ樹脂層２を配置したすべての試料においてクラックやはく離は観察されなかった。なお、エポキシ樹脂層２を配置しない場合はヒートサイクル試験後にわずかにはく離が観察された。つまり、縮合型硬化剤を用いたエポキシ樹脂層２の接着力が強いために、エポキシ樹脂組成物１の接着信頼性が向上することが確認された。これにより、絶縁耐力の信頼性をより向上することが可能である。

以上述べたように、絶縁体１１３の最表面がエポキシ樹脂組成物１であれば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、気泡の生成が抑制されるとともに、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。

本実施形態の真空機器における絶縁構造体の側断面図 第２の実施例に係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 エポキシ樹脂組成物
２ 縮合型硬化剤で硬化させたエポキシ樹脂層
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

Claims (12)

1. 高電位が与えられる高電位導体と、
   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との間に配置された絶縁体と、
   前記絶縁体上に形成され、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％以下であり、かつ、膜厚が０．００５ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下であり、かつ、前記絶縁体とは異なるエポキシ樹脂組成物とを備えたことを特徴とする真空雰囲気で用いられる真空機器。
2. 前記真空雰囲気は１×１０^−２Ｐａ以下であることを特徴とする請求項１記載の真空機器。
3. 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または４記載の真空機器。
6. 前記エポキシ樹脂組成物と前記絶縁体との間に、縮合型硬化剤を用いたエポキシ樹脂層を形成したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の真空機器。
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乃至６のいずれかに記載の真空機器。
8. 高電圧が印加される第１および第２の導体間に絶縁体が配置された絶縁構造体を備え、５×１０^−２Ｐａ以下の圧力下で使用される真空機器であって、
   前記絶縁体の最表面の一部のみが、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真空機器。
9. 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８記載の真空機器。
10. 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８または９記載の真空機器。
11. 前記エポキシ樹脂組成物の厚みが、０．００５ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれかに記載の真空機器。
12. 前記エポキシ樹脂組成物の下に縮合型硬化剤を用いたエポキシ樹脂層を設けることを特徴とする請求項８乃至１１のいずれかに記載の真空機器。