JP7136331B2 - 真空処理装置 - Google Patents

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Description

以下の開示は強化繊維にコーティングを施すプロセス等に利用しうる真空処理装置に関し、特に装置の大半を真空に保ったままボビンの交換を行うことができる真空処理装置に関する。
セラミックスマトリックス複合材料(CMC)は、セラミックスよりなる強化繊維をセラミックスよりなるマトリックスにより結合したものである。例えばシリコンカーバイドよりなる強化繊維をシリコンカーバイドよりなるマトリックスにより結合したSiC/SiCコンポジットは、ジェットエンジンのタービン部品等への応用が期待されている。
マトリックスとの結合力を高める等の目的で、シリコンカーバイド繊維に例えばボロンナイトライドのごときコーティングを施すことがある。コーティングには、一例として、真空プロセスが利用される。十分な反応時間を確保するために、反応チャンバはしばしば長大になり、その全体について十分な真空度を達成しようとすると、相当程度の長時間にわたり真空ポンプの稼動を継続しなければならない。
一方、プロセスの前後には、新たな繊維を装填し、反応チャンバを通過させ、巻取りボビンに接続する作業が必要であるため、反応チャンバを大気に開放する必要がある。大気に開放された反応チャンバの内部には気体分子が吸着してしまい、再びこれを十分な真空度に到達せしめるには多大な時間を要する。
それゆえ、コーティング自体は短時間で実行できても、その前後の処理に長時間(例えば一昼夜)を要し、従ってかかる真空プロセスの生産性は限られたものである。コーティング装置の内部を大気に曝す時間を短縮できれば、生産性を著しく改善しうる。
繊維を巻取りボビンに接続する作業を真空中で実行することを可能にし、以って反応チャンバを大気に曝さずにボビン交換を可能にする技術が提案されている。 特許文献1から3までは、関連する技術を開示している。
特開平7-197264号公報 特開2011-157632号公報 特開2015-203129号公報
同時に複数条の強化繊維を真空処理することができれば、生産性はさらに著しく改善する。しかし真空中において、すなわち手作業によれない環境において、強化繊維を長大な反応チャンバを通過させ、その先の巻取りボビンにまで正しく到達させることは容易ではない。複数条の強化繊維を同時に取り扱うことは、当然に、より困難である。また強化繊維は容易に毛羽が立ち、かかる毛羽が装置内の各所や他の強化繊維の毛羽に触れて強化繊維の軌道を変えてしまいがちである。このことは、複数の条の強化繊維を同時に取り扱うことをより一層困難にしてしまう。以下に開示する装置は、かかる問題に鑑みて為されたものである。
一局面によれば、複数条の強化繊維に真空処理を行う装置は、前記真空処理を行う単一の主チャンバを含む、全体を減圧状態に保持しうるチャンバと、前記複数条を前記主チャンバ中に互いに離して垂下するべく配置された複数の送りローラと、前記複数条をそれぞれ独立に巻き取る複数の巻取りボビンであって、鉛直に垂下された前記複数条から水平方向に離れて前記チャンバ中に配置された複数の巻取りボビンと、複数の可動アームであって、それぞれ、鉛直に垂下された前記複数条から水平方向に離れた第1の位置から、前記複数条の何れかに接する第2の位置を経由し、前記接した条を対応する巻取りボビンへ接しさせる第3の位置まで前記チャンバ中において移動可能な、可動アームと、を備える。
装置の全体を減圧状態にしたまま複数の繊維をそれぞれ複数のボビンに誘導して巻き取りを開始することができる。
図1は、一実施形態による真空処理装置の模式的な断面図である。 図2は、一組の可動アームと巻取りボビンとの関係を特に示す、装置の斜視図である。 図3は、一組の可動アームおよびプーリの平面図である。 図4は、一例による複数条の強化繊維の配置と可動アームが移動する軌道との関係を示す平面図である。
幾つかの実施形態を添付の図面を参照して以下に説明する。図面は必ずしも正確な縮尺により示されておらず、従って相互の寸法関係は図示されたものに限られないことに特に注意を要する。
図1を参照するに、本実施形態による真空処理装置1は、例えば、CVDやPVDのごとき真空を必要とするプロセスにより、強化繊維Fにコーティングを施す用途に利用できる。強化繊維の例としてはシリコンカーバイド、炭素、アルミナを挙げることができ、コーティングの例としてはボロンナイトライドや炭素を挙げることができるが、もちろんこれらに限られない。また単繊維に限らず、複数の繊維を束ねた糸条、トウ、帯、あるいは織物の真空処理に、さらにはそれらの複数条の真空処理に、本実施形態を適用することができる。
真空処理装置1は、概略、チャンバ3と、強化繊維Fを送り出すための一以上の送りボビン5と、送り出された一または複数条の強化繊維Fをそれぞれ垂下する一以上の送りローラ7と、CVD等の処理を行う処理機9と、処理機9を通過した一または複数条の強化繊維CFをそれぞれ誘導する可動アーム11およびプーリ23よりなる一以上の組み合わせと、誘導された一または複数条の強化繊維CFをそれぞれ巻き取る一以上の巻取りボビン13と、よりなる。詳しくは後述するが、複数組の送りボビン5、送りローラ7、プーリ23および巻取りボビン13により、複数条の強化繊維Fを単一の処理機9に平行に同時に通過させて真空処理を行わせることができる。
チャンバ3は、その全体を減圧状態に保持しうる真空チャンバである。チャンバ3はさらに複数のサブチャンバに区分される。図示の例では、送りボビン5および送りローラ7が収容される第1のサブチャンバ3aと、処理機9が収容される単一の主チャンバ3bと、可動アーム11および巻取りボビン13等が収容される第2のサブチャンバ3cと、よりなり、互いに連通している。チャンバ3は必要に応じてさらに他のサブチャンバを備えてもよい。
チャンバ3内を減圧状態にするべく、チャンバ3には図外の一以上の真空ポンプが接続される。少なくとも主チャンバ3bには真空ポンプが接続され、さらに第1のサブチャンバ3aおよび第2のサブチャンバ3cにもそれぞれ個別の真空ポンプが接続されていてもよい。さらに他のサブチャンバがある場合には、それらにも真空ポンプが接続されていてもよい。
強化繊維Fを鉛直に垂下して処理機9を通過させるため、第1のサブチャンバ3a、主チャンバ3bおよび第2のサブチャンバ3cは、鉛直に重ねられた形態をとる。また処理機9内において十分な反応時間を確保するために、主チャンバ3bは鉛直に長くなりうる。それゆえ、例えば第2のサブチャンバ3cを建屋の1階に、主チャンバ3bを2階に、第1のサブチャンバ3aをさらに上層の階に設置することがありうる。
少なくとも第1のサブチャンバ3aと主チャンバ3bとの間、および主チャンバ3bと第2のサブチャンバ3cとの間には、お互いを気密に遮断するためのゲート15,17が介在していてもよい。ゲート15,17にはゲートバルブを適用できるが、あるいは振り子バルブやバタフライバルブ等の他のバルブも利用できる。好ましくはゲート15,17を駆動するための油圧シリンダのごとき駆動装置が、それぞれに接続される。
第1のサブチャンバ3aと主チャンバ3bとの間、および主チャンバ3bと第2のサブチャンバ3cとの間は、それぞれ連通路により気密に連絡され、ゲート15,17は、かかる連通路にそれぞれ設置されていてもよい。
送りボビン5は、第1のサブチャンバ3aに収容される。その回転のためにモータ等の駆動装置が連結される。ゲート15を閉じることにより、第1のサブチャンバ3aと主チャンバ3bとの間が気密に遮断されるので、主チャンバ3bを真空に保ったまま第1のサブチャンバ3aを大気に開放することができ、以って送りボビン5の搬入や交換が可能である。
第1のサブチャンバ3a内には、さらに他の装置、例えば張力検出器19を設置してもよい。張力検出器19は、送り出される強化繊維Fに印加される張力を検出する目的で使用される。
強化繊維Fは送りボビン5に巻かれた状態で搬入され、真空処理に供される。好ましくは図2に示す通り、強化繊維Fの先端には錘Wが結合される。錘Wは、強化繊維Fを、処理機9内を通って対応する可動アーム11とプーリ23との間へ、重力に従って誘導する。
図1に戻って参照するに、送りローラ7も第1のサブチャンバ3aに収容されており、この図からは明らかでないが、水平方向に互いに離れて配置されている。これらの水平方向の配置は、対応する可動アーム11とプーリ23との組み合わせに対して特定的である。すなわち、送りボビン5から送り出された強化繊維Fが送りローラ7を通過し、そこから鉛直に垂下されると、処理機9を通過し、図2に示す通り、対応する可動アーム11とプーリ23との組み合わせの間を通過するように、送りローラ7は配置されている。模式的な立面図である図1において明瞭でないが、平面図である図4より理解される通り、送りローラ7、可動アーム11およびプーリ23よりなる複数の組み合わせは、複数条の強化繊維Fを処理機9内において互いに平行であって離れるように配置されている。かかる配置については、後にさらに詳しく説明する。送りローラ7は第1のサブチャンバ3aに固定されていてもよく、あるいはその位置を調整するべく可動であってもよい。
図1に戻って参照するに、処理機9は、主チャンバ3bに収容されており、CVDあるいはPVDのごとき真空処理を行うに適した構成を有する。例えばボロンナイトライドよりなるコーティングを施す場合であれば、フッ化ホウ素ガス、アンモニアガスおよびキャリアとしての水素ガスを導入するための配管、および加熱炉が、処理機9に含まれる。処理機9の構成は、もちろん、目的とした処理に応じて適宜に選択しうる。送りローラ7から垂下された強化繊維Fは鉛直に、また互いに離れて、処理機9を通過し、以ってコーティングのごとき処理を受ける。処理機9は、特に加熱炉は、鉛直に立った円筒形、あるいは円筒に近い多角筒にすることができ、その中心に対して対称的に複数条の強化繊維Fが通過することにより、各条へ均一な処理を行うことができる。
図1と組み合わせて図2を参照するに、一組の可動アーム11とプーリ23とは、第2のサブチャンバ3c内であって、重力により引かれて自然に鉛直に垂下した強化繊維CFから水平方向に離れ、かつ強化繊維CFを挟むように、配置される。すなわち強化繊維CFの先端は、概して重力作用のみにより、他の手段なしに、対応する可動アーム11とプーリ23との間に到達しうる。
図2にさらに図3を組み合わせて参照するに、可動アーム11は鉛直方向にプーリ23より下方であり、さらに当初待機している状態において、水平方向にもプーリ23から離れて位置する。可動アーム11は、図3において二点鎖線Lで表されるように、直線的に前進および後退することができ、平面視においてかかる線L上にプーリ23の窪みが揃えられている。すなわち後退した当初の位置に待機している可動アーム11は、前進することにより強化繊維CFに接し、さらに前進すると強化繊維CFをプーリ23へ誘導し、その窪み内に落ち着かせる。
強化繊維CFを捕捉してその中央に誘導するべく、可動アーム11はその先導端に捕獲装置を備えてもよい。捕獲装置の一例は、図3に最もよく示されている通り、平面視においてV字形に開いた一対のガイド板25である。またプーリ23も同様に一対のガイド板27のごとき捕獲装置を備えてもよい。これらは、強化繊維CFの軌道が多少変わっても、それを確実に捕捉するのに有利である。もちろんガイド板に代えて、あるいは加えて、他の形状の構造体、錘Wを誘引する磁石や強化繊維CFを静電的に誘引する帯電体のごとき誘引手段、または繊維が付着する粘着剤や粘弾性体を利用することができる。
可動アーム11は、図2において実線で示された当初の待機位置から、上述の通り強化繊維CFに接する第2の位置を経由して、少なくともさらに、図2において右方に二点鎖線で示される第3の位置にまで移動することができる。一方、巻取りボビン13は、鉛直に垂下した強化繊維CFから水平方向に離れ、かつ第3の位置に進出した可動アーム11の先導端と平面視において重なる位置に、配置されている。可動アーム11が第3の位置にあるとき、錘Wと共に強化繊維CFを下降するか、または巻取りボビン13を上昇すれば、強化繊維CFは巻取りボビン13へ接する。錘Wを巻取りボビン13へ誘導するべく、巻取りボビン13の直上に漏斗のような構造を設けてもよい。
可動アーム11の移動は水平かつ直線的であってもよく、そのような動作のために直動機構を利用することができる。すなわち、真空処理装置1は、可動アーム11を駆動する機構として直動機構を備えることができる。直動機構の一例は、図1に最もよく示されている通り、ラックアンドピニオン機構である。例えば、可動アーム11はラックを備え、かかるラックに噛合するピニオン21を、真空処理装置1は備えることができる。ピニオン21は回転運動により駆動できるので、例えばモータをサブチャンバ3cの外部におき、気密にシールされてサブチャンバ3cを貫通するシャフトを利用して、サブチャンバ3cの外部から直動機構を駆動することができる。雰囲気を汚染するモータのごとき駆動装置をチャンバ3の外に置くことができるので、かかる構造は高純度の真空処理を実行するのに有利である。
もちろんラックアンドピニオン機構に代えて、ボールねじ、リニアモータ、油圧機構等の他の直動機構を利用することができる。
直動機構は、可動アーム11ごとに付与されていてもよいが、図1に示すごとく、複数の可動アーム11を結合し、かかる組に単一の直動機構が付与されていてもよい。可動アーム11を個別に動作させることはできないが、雰囲気を汚染する要素が少なくなる点で、かかる構造は有利である。
上述の説明より理解される通り、巻取りボビン13は、可動アーム11が第3の位置に移動したときに強化繊維CFを引き取る位置に配置される。その回転のためにモータ等の駆動装置が連結されるが、上述と同様に、気密にシールされたシャフトを介することにより、モータをサブチャンバ3cの外部に置くことができる。巻取りボビン13は、予め回転が与えられ、あるいは可動アーム11の移動に同期して回転が与えられることにより、強化繊維CFを引き取り、これを巻き取る。このとき錘Wはカッタにより切り離してもよく、あるいは錘Wごと強化繊維CFを巻き取ってもよい。また、かかる位置において錘Wを受けるべく、巻取りボビン13の下方にトレイHが設置されていてもよい。
鉛直に張られた強化繊維Fの上端を送りローラ7が支持し、下端をプーリ23が支持するので、これらの組み合わせによって強化繊維Fは処理機9中において正確に位置決めされる。送りボビン5、送りローラ7、プーリ23および巻取りボビン13よりなる組は、図1に示されている通り鉛直方向に互いに離れて配置されていてもよい。これらはさらに、水平方向にも互いに離れて配置され、以って強化繊維CFを図3に例示されるごとく互いに離して配置することができる。処理機9の炉心管壁3fが例えば円筒の場合、例えばかかる円筒と同心円上に強化繊維CFを等間隔に配置することができる。また円筒の中心にもこれらと等間隔になるよう強化繊維CFを配置することができる。互いに等間隔に配置されることは、各強化繊維CFへの真空処理を均等化するのに役立つ。
強化繊維CFの水平方向の配置に応じて可動アーム11の軌道Lを適宜に配することにより、繊維CFおよび装置の各構成が互いに干渉することを避けることができる。例えば、強化繊維CFは、図4のごとく、正六角形の頂点および中心に配置することができる。このとき、4組の可動アーム11とプーリ23とを、可動アーム11の軌道Lが互いに平行であって、軌道Lとは異なる方向において互いに離れて配置することができる。また残る3組も同様に互いに離れ、かつそれらの軌道Lが前者と斜めに交差するように配置することができる。このような配置にすれば、それぞれ直動しても可動アーム11は互いに干渉することがない。これは、同時に複数の条の強化繊維Fを取り扱うのに有利である。もちろん可動アーム11とプーリ23の配置はこれに限られないし、その組み合わせの数も7組に限られず、より多くてもよく、あるいは少なくてもよい。
ゲート17を閉じることにより、主チャンバ3bと第2のサブチャンバ3cとの間が気密に遮断されるので、主チャンバ3bを真空に保ったまま第2のサブチャンバ3cを大気に開放することができ、以って巻取りボビン13の搬入や交換が可能である。処理された強化繊維CFは、巻取りボビン13に巻き取られた状態で回収される。
本実施形態によれば、強化繊維にCVDあるいはPVDのごとき真空処理を行う手順は、例えば次のようである。
図1を参照するに、図外の真空ポンプによってチャンバ3内は減圧状態に維持されている。ゲート15,17が閉じられることにより、第1,第2のサブチャンバ3a,3cが主チャンバ3bから気密に遮断される。次いで第1,第2のサブチャンバ3a,3cに外気が導入され、以ってこれらは大気に開放される。このときにも主チャンバ3b内は減圧状態に維持されている。
大気に開放された第1のサブチャンバ3aに、強化繊維Fが巻かれた送りボビン5がそれぞれ導入される。空の送りボビン5が既に第1のサブチャンバ3a内にある場合は、これらと交換される。導入された送りボビン5から強化繊維Fがそれぞれ引き出され、設置されていれば張力検出器19をそれぞれ通され、さらに送りローラ7をそれぞれ通されて鉛直に垂下される。その先端には錘Wがそれぞれ結合される。
並行して、大気に開放された第2のサブチャンバ3cに、空の巻取りボビン13がそれぞれ導入される。処理された強化繊維CFが巻かれた巻取りボビン13が既にあれば、これらと交換される。
第1,第2のサブチャンバ3a,3cは閉じられ、図外の真空ポンプにより減圧される。内部が必要な真空度に到達したら、ゲート15,17が開けられ、第1のサブチャンバ3a、主チャンバ3b、第2のサブチャンバ3cが互いに連通する。このとき図2に示されるごとく、可動アーム11は後退した位置にそれぞれ待機している。
送りローラ7から鉛直に垂下された複数の条の強化繊維Fは、主チャンバ3b内に配置された処理機9を通過する。処理機9を通過した強化繊維Fはさらに鉛直に落下して、それらの先端が対応する可動アーム11とプーリ23との間にそれぞれ到達する。各可動アーム11を前進しめて各条に接しさせ、各プーリ23の溝に位置決めする。
各可動アーム11をさらに前進しめて、各条をそれぞれ対応する巻取りボビン13に接しさせ、各巻取りボビン13により各強化繊維CFを巻き取る。並行して可動アーム11を後退せしめる。
処理機9を稼動して強化繊維Fにコーティング等の処理を施し、同時に巻取りボビン13を回転せしめて、処理された強化繊維CFを一定の速度で巻取りボビン13に巻き取らせる。
上述の説明より理解される通り、真空処理が終了してボビンを交換するときには、第1,第2のサブチャンバを大気に開放する必要があるが、主チャンバは真空に保ったままにすることができる。真空処理装置のうちで最も容積および内面積の大きな主チャンバを真空に保ったままでおけるので、ボビンを交換した後には短時間の減圧作業で目的の真空度が得られ、従って高い生産性をもって真空処理を繰り返すことができる。
また本実施形態によれば、繊維を巻取りボビンに接続する作業は、真空下で実行することができる。さらに本実施形態によれば、複数の条の繊維を並行して真空処理に付することができる。
かかる作業は、大気圧下であれば、手作業で容易に実行することができる。あるいは繊維を空気とともにノズルに吸引することで位置決めすることができる。すなわち、大気圧下であれば、かかる作業を自動化することもできる。しかしながらかかる作業は、繊維が主チャンバを通過した状態で行うのであるから、必然的に主チャンバをも大気に開放しなければならない。それは既に述べたごとく、生産性を著しく損なう。真空下であれば、手作業も、ノズルによる吸引も、共に実行することが不可能である。
本実施形態によれば、強化繊維を可動アームにより捕捉して巻取りボビンに誘導できるので、かかる作業を真空下において自動的に実行できる。必然的に主チャンバを大気に開放する必要がなく、高い生産性が得られる。また装置の各要素を適切に配置することにより、複数の条を同時に取り扱うことができるので、より高い生産性が得られる。
幾つかの実施形態を説明したが、上記開示内容に基づいて実施形態の修正または変形をすることが可能である。
装置の大半を真空に保ったまま複数の条の繊維をそれぞれ複数のボビンに誘導して巻取りをすることができる真空処理装置が提供される。

Claims (6)

  1. 複数条の強化繊維に真空処理を行う装置であって、
    前記真空処理を行う単一の主チャンバを含む、全体を減圧状態に保持しうるチャンバと、
    前記複数条を前記主チャンバ中に互いに離して垂下するべく配置された複数の送りローラと、
    前記複数条をそれぞれ独立に巻き取る複数の巻取りボビンであって、鉛直に垂下された前記複数条から水平方向に離れて前記チャンバ中に配置された複数の巻取りボビンと、
    複数の可動アームであって、それぞれ、鉛直に垂下された前記複数条から水平方向に離れた第1の位置から、前記複数条の何れかに接する第2の位置を経由し、前記接した条を対応する巻取りボビンへ接しさせる第3の位置まで前記チャンバ中において移動可能な、可動アームと、
    を備えた装置。
  2. 前記第1の位置から前記第2の位置を経由して前記第3の位置に至る移動はそれぞれ水平な第1の方向に沿い、前記複数の可動アームは前記第1の方向とは異なる水平な第2の方向において互いに離れて配置される、請求項1の装置。
  3. 前記各可動アームを前記第1の方向に沿って直線的に駆動する直動機構を、
    さらに備えた請求項2の装置。
  4. 前記直動機構はラックと前記ラックに噛合したピニオンとを備え、前記ピニオンは前記チャンバ外から回動される、請求項3の装置。
  5. 前記各可動アームは、前記接した条を捕捉して中央に誘導するガイド板を備えた先導端を備える、請求項1の装置。
  6. 前記チャンバは、さらに前記送りローラを収容する第1のサブチャンバと、前記巻取りボビンおよび前記可動アームを収容する第2のサブチャンバと、を含み、前記主チャンバは前記第1のサブチャンバおよび前記第2のサブチャンバから一時的に気密に遮断されるよう構成されている、請求項1から5までの何れか1項の装置。
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