JP5361171B2

JP5361171B2 - 電磁コイル

Info

Publication number: JP5361171B2
Application number: JP2007296656A
Authority: JP
Inventors: 功松井; 研原田; 哲也明石; 秀孝阿部
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2007-11-15
Filing date: 2007-11-15
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2027-11-15
Also published as: JP2009123542A

Description

本発明は、電磁コイルに関し、特に、電子顕微鏡のような荷電粒子線を用いる装置における電子レンズ励磁用の電磁コイルに関する。

透過電子顕微鏡は、図２に示すように、電子線を発生させて電子レンズの方向に加速させる電子銃１０１、電子線を収束させて試料面に照射させる収束レンズ１０２，１０３、試料１０４を透過した試料情報を持つ電子線を拡大する多段の結像レンズ１０５〜１０７からなる。電子顕微鏡を用いた観察は、蛍光板１０８上に投影された像１０９を観察することによって行われる。各々の電子レンズは、照射系および結像系ともほぼ同様の構成をしている。図３に電子レンズの構成図を示す。図に示すように、電子レンズは、電磁コイル１１０、磁性体のヨーク１１１、ポールピース部１１２等から構成される。コイルによって発生した磁束はポールピース部の先端に集まり、ポールピース間に強い磁場が形成される。

電磁コイルの温度上昇を極力低減するために、電磁コイルに帯状の銅条を用いることが特許文献１に開示されている。ここでは、巻線に板状導体（例えば、銅条）を用い、冷却板に熱伝導の良い材料（例えば、銅）を用いている。銅条コイルの端面と冷却板との間の絶縁には、厚さ数１０μｍのポリイミドシートなどが用いられる。また、冷却板と銅条コイルは、締め付けボルトなどで固定されて一体化がなされている。

特許文献１に記載された構成の電磁コイルでは、電磁コイルの作る磁束を妨げる方向の誘導電流が冷却板に生じるという欠点がある。そこで、この誘導電流の低減を図る構成が特許文献２に開示されている。この構成は、特に大型の電磁コイルに適用されてその効力を発揮している。

図４に特許文献２に記載された電磁コイルの構成図を示す。帯状の銅条コイル２は、エポキシモールド材９でモールド加工がなされている。銅条コイル２の寸法は、例えば厚み０．２ｍｍ，幅２０ｍｍで、厚み２５μｍのマイラーを同時に巻き込むことで層間の絶縁を保つ構造となっている。銅条コイル２の端面は、旋盤にて精密な加工がなされている。

銅条コイル２の端面は、厚み５０μｍのポリイミドシート製の電気絶縁物３を介してコイル冷却板１，４に密着されている。コイル冷却板１，４には、銅条コイル２のジュール熱による発熱を吸収するための銅製冷却パイプ１０が埋め込まれている。コイル冷却板１，４と銅条コイル２は、コイル冷却板１，４と絶縁されたボルト５によって一体化されている。

コイル冷却板１，４の一箇所にはスリット７が設けられており、このスリット部は絶縁材料によって固定されている。このスリット７が設けられる理由には、次の２つが挙げられる。第一には、銅条コイル２と上下の冷却板１，４は互いに電磁誘導結合が強く、銅条コイル２の作る磁束を妨げる方向の誘導電流８が生じるが、この誘導電流８を極力少なくするためである。第二には、コイル冷却板１，４の電気抵抗を大きくして時定数を小さくし誘導電流８の消滅時間を短縮するためである。このようにスリット７を設けることにより、銅条コイル２に流す電流のわずかな変化に対しても、コイルが発生する磁束密度の変化に時間遅れが生じない。例えば、電子顕微鏡においては、励磁コイル電流を変化させた後、電子レンズが焦点変化するまでに要する数秒間の時間遅れをなくすことができる。これによって、電子顕微鏡の操作性が大幅に改善される。

なお、特許文献２で記載している電磁コイルには帯状コイルを用いた例が記載されているが、帯状コイルを銅線あるいは導電線に置き換えた電磁コイルの構成においても、スリットを設けることで誘導電流の低減がなされる。
特許第３２３１３４２号明細書特許第２９６７９６６号明細書

しかしながら、上記のような従来技術に係る電磁コイルには、下記のような問題が生じていた。すなわち、電磁コイル冷却板にスリットを加工し、スリット部に絶縁材料を埋め込む作業は繁雑であり、製造工程が増えて製造コストの増加を招いていた。また、銅条コイル端面とコイル冷却板間の電気的絶縁には極めて薄い絶縁材（例えば厚さ５０μｍのポリイミドシート）を採用しているが、組み立て時に細かい塵芥の付着が無いように細心の注意が必要となる。厚さ５０μｍのポリイミドシートに対して、例えば５０μｍ以上の塵芥が付着した場合には、ポリイミドシートに貫通穴が生じ、コイル端子電圧５０Ｖにおいても絶縁破壊が生じることがあり、製品の製造歩留まり低下につながることが多い。

本発明は上記実情を鑑みてなされたものであって、その目的は、簡易な構成で、製作工程における不良を低減することのできる電磁コイルを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る電磁コイルは、電磁コイル冷却板に熱伝導率の高い絶縁物を採用し、電磁コイルと冷却板との間に絶縁物の介在のない構造とする。

より具体的には、本発明に係る電磁コイルは、巻線と冷却板からなり、冷却板は、熱伝導率の高い絶縁部材から構成され、巻線に接触して配置されることを特徴とする。

このような熱伝導率の高い絶縁部材として、窒化アルミ（ＡｌＮ）、ボロンナイトライド（ＢＮ）または窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）のいずれかを採用することが好適である。

また、本発明における巻線が帯状導体からなり、冷却板が帯状導体巻線の片端面又は両端面に接触して配置されることが好適である。

このように本発明に係る電磁コイルでは、巻線と冷却板との間に、絶縁薄膜を介在させる必要がないので、組み立て時に塵芥等の付着をあまり気にせずに作業を行うことができ、かつ、製造上の歩留まりの向上が見込める。また、絶縁薄膜を介在させず、冷却板を巻線に接触させているので、電磁コイルの冷却効率の向上が見込める。

また、冷却板に絶縁部材を用いているため、冷却板に誘導電流が生じることを抑制できる。したがって、誘導電流を低減させるためにスリットを設ける必要が無く、製造工程が容易となる。

また、本発明における冷却板は溝部を有する本体と、この溝部を覆う蓋部とから構成されても良い。この溝部は冷却媒体を流すための流路として用いられる。上記のように冷却板にセラミックス系の材料を用いる場合には、セラミックスは腐食や電食に強いので、冷却流路用のパイプ等を用いることなく、冷却板に直接溝部を設けそこに冷却媒体を流すことができる。

本発明によれば、簡易な構成で、製作工程における不良を低減することのできる電磁コイルを提供することが可能となる。

以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。

［構成］
図１に本実施形態に係る電磁コイルの構成を示す。図１に示すように、本実施形態に係る電磁コイルは、概略、銅条コイル２とその上下に密着して配置された２枚の絶縁冷却板１３から構成される。

銅条コイル２は、板状の導体である銅条を巻いたコイル（板状導体の巻線）である。本実施形態では、２０ｍｍ幅で厚さ０．２ｍｍの銅条を内径２２０ｍｍΦで５００ターン巻回している。この際、銅条間に厚さ２５μｍ程度のマイラーを同時に巻き込むことによって、銅条コイル層間の電気的な絶縁を確保している。

なお、本実施形態の銅条コイルの抵抗値は約３Ωとなり、これに２０Ａの電流を流した場合のコイル両端の端子電圧は、温度上昇を加味しても高々７０Ｖ程度である。このときの各層間の電圧は０．１４Ｖ程度であり、ポリエステルフィルム（マイラー）絶縁で十分である。

銅条コイル２は、エポキシ樹脂モールド材９によって一体化モールドされている。また、銅条コイル２の両端面（絶縁冷却板１３との接触面）は、機械加工により粗さが０．５μｍ以下に仕上げられ、厚さ０．２ｍｍの銅条の両端面と厚さ２５μｍのマイラーが整然と分離されてコイル層間絶縁が保たれる。

２枚の絶縁冷却板１３が、銅条コイル２の両端面にボルト１７によって固定され、上下の絶縁冷却板１３の片面が銅条コイル２の端面に密着している。絶縁冷却板１３の材質として、熱伝導率が高くて絶縁性能が良好な材料であれば、どのような材質のものを採用しても構わない。本実施形態では、絶縁冷却板１３として、窒化アルミ（ＡｌＮ）セラミックスを採用している。この他にも、熱伝導率が高くて絶縁性能が良好な材料として、ボロンナイトライド（ＢＮ）や、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を採用することができる。

なお、絶縁冷却板１３の電気抵抗は大きいため、絶縁冷却板１３には誘導電流がほとんど流れない。したがって、絶縁冷却板１３には、従来の銅の冷却板を採用した電磁コイルのようなスリット部を設ける必要がない。

絶縁冷却板１３の銅条コイル２と接触している面と反対側の面には、冷却媒体を流すための流路となる溝部１４が形成されている。この溝部１４は、窒化アルミセラミックスに対して旋盤加工を施すことによって作成できる。絶縁冷却板１３には、絶縁冷却板１３と同じ素材の蓋部１８が、Ｏ−リング１１及びボルト１２を用いて固定される。これによって、溝部１４と蓋部１８とから冷却媒体流路が構成される。

冷却媒体の流路となる溝部１４は、絶縁冷却板１３の周面に設けられた、冷却媒体を注入する冷却媒体入口１５および冷却媒体を取り出す冷却媒体出口１６と連通される。ここで、絶縁冷却板１３にスリット部を設ける必要がないので、冷却媒体流路を絶縁冷却板１３をほぼ一周する形状とすることができる。また、絶縁冷却板１３はセラミックスであり腐食や電食に強いため、冷却パイプなどを追加することなく、絶縁冷却板１３に冷却媒体を直接流す構成を採ることができる。

なお、本実施形態では電磁コイルの巻線として銅条コイル２を用いているが、銅線あるいは導電線に置き換えても良い。

［作用・効果］
１．冷却効率
このように、絶縁冷却板１３を採用することで、銅条コイル２の端面に絶縁冷却板１３を接触させることができ、冷却効率の向上が実現できる。

冷却効率について説明するために、絶縁冷却板１３の材料として採用することのできる、窒化アルミ（ＡｌＮ）、ボロンナイトライド（ＢＮ）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の、熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）、体積抵抗率（Ω・ｃｍ）および密度（ｇ／ｍ^３）を表１に示す。表１には、比較のために、銅、アルミナおよびアルミについてのデータも参考のために載せている。

窒化アルミニウムの熱伝導率はほぼ１７０Ｗ／ｍＫで、一般のファインセラミックスの約８．５倍の高い特性を有している。ちなみに、従来装置の銅条コイルとコイル冷却板間の電気絶縁に使用しているポリイミドシートの熱伝導率は約０．２Ｗ／ｍＫである。したがって、窒化アルミニウム材の熱伝導率は、ポリイミドシートよりも約８５０倍大きい。

本実施形態に係る電磁コイルでは、銅条コイル２の端面と絶縁冷却板１３間に電気絶縁物を介在しない構造となる。したがって、熱伝導の観点からは５０μｍのポリイミドは、約４２．５ｍｍ（５０μｍ×８５０）の窒化アルミニウムに相当する。従来装置の電磁コイルにおいて、３６０ＡＴ／ｃｍ^２（コイル電流Ａ×コイル巻数Ｔ／コイル窓面積ｃｍ^２）、冷却水量２リットル／ｍｉｎ、冷却水温度２１℃の条件とした場合、コイルの温度上昇は約１５分後に８℃で平衡となった。本実施形態に係る電磁コイルでの温度上昇は、電気絶縁物からなる絶縁冷却板１３の厚さを４２．５ｍｍ以下とすれば、他の条件が同じである場合には、コイル温度上昇を８℃以下とすることが可能である。また、絶縁冷却板１３の厚さをさらに薄くすることで、コイル温度上昇をさらに抑制することができると考えられる。このように、本実施形態に係る電磁コイルでは電磁コイルの熱効率が向上が望める。

同様に、ボロンナイトライドおよび窒化珪素の熱伝導率は約１００Ｗ／ｍＫであり、ポリイミドの約５００倍である。したがって、ボロンナイトライドや窒化珪素の厚さを２５ｍｍ以下とすれば、上記と同程度の冷却効率が得られる。

２．製造工程の容易化
銅条コイルと冷却板の間に絶縁薄膜を配置する必要が無くなるので、組み立て時の塵芥等の付着に気を使わずに製造を行うことができる。

また、冷却板に絶縁材を用いているので、銅条コイルと冷却板との間の電磁誘導結合が無くなり、従来の装置のように冷却板にスリットを設けなくても、銅条コイル２の作る磁束を妨げる方向の誘導電流がほとんど無くなる。したがって、製造時に冷却板にスリットを設け、そこに絶縁部材を埋め込むという煩雑な作業を行わなくても良くなる。

また、セラミックスは腐食・電食に強いため、従来のように冷却媒体を流すためのパイプを埋め込むことなく、冷却媒体を冷却板に直接流すことができる。したがって、冷却板にパイプを埋め込む作業を行わなくても良い。また、冷却媒体の通路である溝部１４は、旋盤加工によって設けることができるが、窒化アルミのようなセラミックスは加工性が良いためこの作業も容易に行うことができる。また、従来の装置では、冷却板にスリットを設ける必要があるため、流路がスリットを回避できるように多くの屈曲部を設けた流路を製造する必要があったが、本実施形態による電磁コイルでは屈曲部のないほぼ円周状の流路を作成するだけでよく、この点でも製造作業が容易となっている。

以上のように、製造工程が容易化され、したがって製品の歩留まりも向上し、製造コストを下げることが可能となる。

３．軽量化
電磁コイルを構成する冷却板の材質が金属からセラミックス系の材料となるため、軽量化が可能となる。具体的には、絶縁冷却板１３に窒化アルミを用いた場合、従来の銅に比較してその重さは１／２以下に軽量化することができる（表１の密度参照）。このように装置の軽量化が行えるため、取り扱いが簡便となる。

４．操作性の向上
冷却板に絶縁素材を用いているため、銅条コイル２の作る磁束を妨げる方向の誘導電流がほとんど無くなる。これにより、電磁コイルを電子レンズとして用いる場合に、励磁コイル電流を変化させてから電子レンズの焦点が変化するまでの時間遅れが無くなり、操作性が損なわれない。

５．耐久性の向上
セラミックスは腐食や電食に強いため、冷却媒体を直接流した場合であっても腐食や電食による漏水などをなくすことができる。

本実施形態に係る電磁コイルの構成を示す図である。一般的な透過電子顕微鏡の構成を示す図である。一般的な電子レンズの構成を示す図である。従来の電磁コイルの構成を示す図である。

符号の説明

１コイル冷却板
２銅条コイル
３電気絶縁物
４コイル冷却板
５ボルト
６絶縁ワッシャ
７スリット
８誘導電流
９エポキシモールド材
１０冷却パイプ
１１Ｏ−リング
１２ボルト
１３絶縁冷却板
１４溝部
１５冷却媒体入口
１６冷却媒体出口
１７固定ボルト
１８蓋部

Claims

巻線と冷却板とを有する電磁コイルであって、前記巻線は、帯状の導体を、中央部に空洞を有するように、コイル層間絶縁を保って複数回巻かれたものであり、前記冷却板は、窒化アルミ（ＡｌＮ）、ボロンナイトライド（ＢＮ）または窒化珪素（Ｓｉ _３Ｎ _４）のいずれかであり、前記巻線は、その片端面又は両端面に絶縁皮膜が無く、この巻線の絶縁皮膜無しの片端面又は両端面に前記冷却板が直接接触していることを特徴とする電磁コイル。
前記冷却板は、冷却媒体流路となる溝部を有する本体と、該溝部を覆う蓋部とから構成されることを特徴とする請求項１に記載の電磁コイル。