JPH11289651A - イオン源用コネクタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 数十ｋＶ、数十Ａ〜１００Ａの高電圧大電流
の直流の電力をイオン源に与える２本の電力線を、真空
中でイオン源の電極に接続すると、放電などがおこらな
いよう接続部をテープで何重にも巻いて保護する必要が
あった。テープが大量に消費され無駄が多いしテープ巻
の作業も難しくて時間が掛かる。テープを巻く必要がな
くて簡単に着脱できるコネクタ構造を提供する事。 【解決手段】 同軸構造のケーブルによって電流を流
し、同軸ケーブルの先端を取り付けたプラグと、チャン
バ側の電極を取り付けるレセプタクルとよりなり、レセ
プタクルにプラグを挿入してケーブルを電極に接続し、
プラグを引き抜くことによって、ケーブルを電極から外
すようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、真空中に設けられ
高電圧大電流を通すためのイオン源用コネクタに関す
る。イオン源というのは原料ガスを励起してプラズマと
し有孔電極によって電界を加え外部へ引き出すものであ
る。励起手段はフィラメントとチャンバの間のアーク放
電を利用するものや、マイクロ波放電を利用するもの、
平行平板電極間の高周波放電を利用するものなど様々で
ある。

【０００２】イオン源では気体の原料を導入してこれを
プラズマとするが、連続的にビームを出す場合もある
し、間欠的にイオン源を駆動し間欠ビームを取り出す場
合もある。平行平板電極に直流を印加することによって
ガスを励起する場合や、フィラメントに直流電流を流し
チャンバとの間にアーク放電を生じさせる場合など、電
極は真空中にあり外部から直流電力を供給しなければな
らない。

【０００３】イオンビーム電流や電圧が僅かな場合はあ
まり問題はない。電流が大きくてしかも電圧が高い場合
には問題がある。電極は真空中にあり、空気中よりも放
電が起こりやすい。真空中で高電圧を印加する場合は電
極間や導線間で放電が起こらないようにしなければなら
ない。さらに電流が大きい場合は導体でのジュール発熱
も無視できない。

【０００４】

【従来の技術】ここで対象にするのは、高電圧、大電流
によってプラズマを点灯し、強力なイオンビームを発生
させるためのイオン源などの直流電力供給用のコネクタ
である。たとえば核融合のための強いイオンビームを発
生させるイオン源などのコネクタである。この場合瞬時
にパワーを発生しなければいけないので、例えば１０ｋ
Ｖの高圧で、８０Ａ〜１００Ａの大電流をイオン源に与
える必要がある。

【０００５】直流または低周波の電流であるから周波数
は低いのであるが、電圧が高いし真空中であるから放電
が起こりやすいのである。

【０００６】従来は、先端に有孔接続端子を付けた２本
の被覆電線を、イオン源チャンバの中に導き、内部の二
つの電極のネジに端子を差し入れてナットをネジにねじ
込んで止めていた。高周波でないので、２本の独立した
被覆電線であって差し支えない。ネジ止めするのは余り
取り外しを頻繁にする必要がないからでもある。

【０００７】単にネジ止めしただけでは、近接した電極
間で放電が起こるので危険である。真空中であるので放
電が容易に起こる。しかも、イオン源内部の空間は真空
度が一定でない。プラズマの発生するチャンバの中心部
ではガス圧が比較的高い。下流側の真空ポンプに近い部
位ではガス圧が低い。ガス圧によって放電の起こりやす
さが違う。さらにプラズマ密度が高い部位や低い領域な
どがある。プラズマ密度の粗密によっても放電の起こる
確率が相違する。さらに大地電位の部材や別の高電圧の
部材などが接近して存在する場合も放電が起こりやす
い。

【０００８】このようなガス圧、電位の分布、プラズマ
の密度などを、大まかに雰囲気といっている。真空であ
ってしかも雰囲気の異なる領域を貫いて設けられる電流
導入端子であるから、接続点などで放電が起こらないよ
うにしなければならない。そのため電極部の金属部が露
呈しないようにする。従来は端子をナットで固定したあ
と、テフロンのテープをボルト、ナット、端子の廻りに
巻き付けて金属部を隙間無く巻き、完全に被覆するよう
にしていた。

【０００９】０．１ｍｍ厚み程度で幅１０ｍｍ〜２０ｍ
ｍのテフロンテープである。粘着性がない単なるテープ
であるが強く引っ張ると戻ろうとする強い摩擦力が働き
摩擦力によってテープが自然に接着される。粘着剤がつ
いていると経年変化などで信頼性が低下する。自然力で
付くようにするから強い力で引っ張りながら巻き付けな
くてはならず、これは難しい作業になっている。

【００１０】しかも端子のネジ止め部分は不定形であ
る。綺麗な円筒形でないので、テープの巻き付け作業は
容易でない。テープを貫いて放電が起こることもあるか
ら、何重にも重ね巻きするのが普通である。テープ巻き
の部分は不格好な不定形状になる。こうして端子や露出
線が見えないようにグルグル巻きにする。そのように接
続部をテープで巻いて被覆すると放電も起こらず安全で
ある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】このようにネジ止めテ
ープ巻きするものは保守点検などに於ける取扱いが不便
である。電極から電線を外す場合、テープは全部カッタ
で切ってしまう。厳重に巻いてあるからカッタで切って
もすぐには解けない。ズタズタに切ってしまわなくては
ならない。だからテープをほどいて再利用するというこ
とはできない。かなりの長さのテフロンの絶縁テープが
無駄になってしまう。さらに点検補修が終わって端子を
電極に再び接続した時は、また絶縁テープを何層にも巻
き付けなければならない。隙間なく巻き付けなくてはな
らないのでこれも時間がかかり熟練を要する。

【００１２】このような欠点を克服しテープを巻き付け
るような動作を不要としテープの損失がないような真空
用のコネクタを提供することが本発明の第１の目的であ
る。大電流高電圧を印加しても放電が起こらないような
コネクタを提供することが本発明の第２の目的である。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明のコネクタは、同
軸構造のケーブルによって電流を流し、同軸ケーブルの
先端を取り付けたプラグと、チャンバ側の電極を取り付
けるレセプタクルとよりなり、レセプタクルにプラグを
挿入してケーブルを電極に接続し、プラグを引き抜くこ
とによって、ケーブルを電極から外すようにしたもので
ある。

【００１４】同軸のケーブルによって電流を流すという
ことがまず新規な特徴である。従来は独立の被覆電線を
２本使っていたが、本発明では１本の同軸ケーブルを用
いる。

【００１５】同軸ケーブルは微弱な高周波信号やマイク
ロ波信号を伝送するために通常用いられる。高周波を扱
うので回路のインピーダンスが５０Ωなら５０Ωと一定
していないと反射が起こって信号損失が大きい。そこで
分布定数回路の単位長さ当たりの静電容量や誘導や抵抗
を一定値に保つ必要があり、そのために同軸ケーブルが
使われる。内外導線間の分布定数は一定になる。また外
部のメッシュ線がアースになって中心の信号線を外部の
ノイズから守るという作用もある。このように周波数が
高い微弱信号（低電圧、微弱電流）を扱う場合は同軸ケ
ーブルをよく使う。

【００１６】しかし同軸ケーブルは大電流高電圧の直流
（或いは低周波）の電力伝送には殆ど用いられない。本
発明は電力伝送に同軸ケーブルを用いる。ケーブルの同
軸構造は直流を扱う本発明では新規な特徴である。同軸
ケーブルを使うと、２本の電力線が１本にまとまる。１
本であるから接続が簡単である。

【００１７】また本発明で同軸ケーブルを使うのは、イ
ンピーダンスを一定に保つためではない。そうではなく
て、着脱が簡単になるということと、内外の電力線間の
絶縁を永久固定的にすることができるからである。芯線
と、中間部の絶縁物と、外側のメッシュ導体と、被覆を
同心状に配置するだけで、芯線とメッシュ導体間の放電
や短絡は完全に防ぐことができる。

【００１８】同軸ケーブルを使うので、コネクタの構造
として、同心構造のプラグと同心構造のレセプタクルを
用いる事ができる。プラグやレセプタクルの内部では、
中心の導体（芯線に接続されるもの）と、外周部の導体
（接地線に接続されるもの）との間に、十分な厚みの絶
縁物を設ける。中心の導体が絶縁物で隠れてしまうの
で、接続部が露呈しない。ためにもはや接続部をテープ
で巻き付けるということは不要になる。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１は本発明のコネクタ構造の一
つの要素であるプラグの断面図である。これは同軸ケー
ブルの先端に固定する部材である。ハウジング１は金属
で略円筒形の容器である。ハウジング１の円筒部の外周
には雄螺部２が刻んである。これに雌螺部３を内周部に
設けた円筒形のユニオンナット４が螺合している。金属
ハウジング１の内部には、先細り円筒形の絶縁筒５が挿
入されている。これはアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）の成形物
である。絶縁筒５の外周面はハウジング１の内面に接触
している。

【００２０】絶縁筒５の後方部はハウジング１によって
覆われない部分がある。ここには金属の割りリング６が
はめこまれている。ステンレスなどの金属で作る。円筒
形であるが、後方は円錐形に加工されている。前端の一
部を残し４つの溝７が後方に向けて軸方向に切られてい
る。割りリング６の前端はハウジング１の尾部に接触し
ている。溝７によって割りリングの後端は４つの弾性片
８に分割される。ユニオンナット４の尾部は内向き傾斜
面９を持つ。弾性片８の外周面は前記のユニオンナット
４の内向き傾斜面９によって押さえられる。ユニオンナ
ット４をハウジング１の螺部に対してより深くねじ込む
と、割りリング６の弾性片８は内側へ歪む。

【００２１】ユニオンナット４の後部の開口１０から、
ハウジング１の内室１１におよぶ空間は、同軸ケーブル
の先端を挿入するべき空間となる。絶縁筒５の前方は内
径外径とも縮径しており、内径のより細い前通し穴１２
とより太い後ろ通し穴１３が形成される。境目が段部１
４になっている。２段の通し穴１３、１２には円柱形の
コンタクトピン１５が挿入される。コンタクトピン１５
の後端１６は後ろ通し穴１３に合致するように大径にな
っており、軸方向に凹部１７が穿たれる。

【００２２】絶縁円筒５の段部１４が、コンタクトピン
１５の段を押さえることによって抜け止めしている。絶
縁筒５の先端の細い鞘部１８がコンタクトピン１５を囲
み支えている。絶縁筒の鞘部１８によってコンタクトピ
ン１５を囲むのは、高電圧によって放電が起こるのを防
ぐためである。

【００２３】ハウジング１の前端は細い頚部１９になっ
ている。頚部１９の内周には、やはり円筒形の中金具２
０が差し込まれている。中金具２０の前端は外径部が広
がったフランジ部２１となっている。袋ナット２２は内
周は円筒、外周は六角形状である。後端は内径が狭くな
った尾部２３となっている。内周面には雌螺条２４が刻
まれている。

【００２４】袋ナット２２に中金具２０が挿入されさら
に中金具２０が前記のハウジング１の頚部１９に差し入
れられて、頚部１９と中金具２０は互いに溶接固着され
る。袋ナット２２は、フランジ部２１によって抜け止め
される。このプラグにおいて、中心のコンタクトピン１
５は導体である。外周のユニオンナット４、割りリング
６、ハウジング１、中金具２０、袋ナット２２も金属で
あって導体である。電流は中心のコンタクトピンと、外
周のハウジング１、中金具２０、袋ナット２２を通って
流れる。中間の絶縁筒５が両者を絶縁している。以上が
プラグだけの構造である。

【００２５】図２には、プラグに同軸ケーブルを挿入固
定した状態を示す。同軸ケーブル２５は太い円形断面の
芯線２６と、これを囲む厚い絶縁層２７と、その外側に
同心状に設けた網目状のメッシュ導体２８と、その外側
を被覆する保護外套２９からなっている。高周波信号を
扱う同軸ケーブルは芯線が細くて（０．２ｍｍ〜０．５
ｍｍ）小電流用であるが、本発明で用いるのは芯線が太
い。これは大電流を流すからである。たとえば５ｍｍ直
径の銅線を用いる。

【００２６】さらに絶縁層２７が厚い。これは高電圧を
内外の導線に掛けたときに絶縁層を通じて放電が起こら
ないようにするためである。たとえば絶縁層の厚みを６
ｍｍ程度にする。絶縁層は例えばテフロンなどの樹脂に
よって作ることができる。高周波用の同軸ケーブルの場
合は、絶縁層の厚みは分布定数回路のインピーダンスを
例えば５０Ωにするという条件によって決まってくる。
内外線の単位長さあたりの静電容量を所定の値にするた
め内外線間距離は短くなる。従って絶縁層は１ｍｍ未満
のごく薄いものであった。

【００２７】つまり同軸ケーブルといっても直流（又は
低周波）大電流高電圧を扱う本発明のものは従来の高周
波用のものとは著しく異なる。特別の同軸ケーブルを用
いなければならない。メッシュ導体２８は解きほぐすこ
とによって広げることができる。保護外套２９は柔らか
い樹脂で作る。

【００２８】そのような直流大電流高電圧同軸ケーブル
２５の先端の保護外套２９の一部を除去し、メッシュ導
体２８を露呈させこれを広げる。絶縁層２７の先端も一
部除去し芯線２６を僅かに露出させる。

【００２９】このような同軸ケーブル２５の芯線２６を
外部でコンタクトピン１５の凹部１７に差し入れ芯線２
６の先端をコンタクトピン１５に溶接する。コンタクト
ピン１５と同軸ケーブル２５の先端を、プラグのユニオ
ンナット４の後ろ開口１０、ハウジング１の内室１１に
挿入する。コンタクトピン１５は、絶縁筒５の後通し穴
１３、前通し穴１２に入って行く。コンタクトピン１５
の肩部が絶縁筒５の段部１４に当たってとまる。同軸ケ
ーブル２５の絶縁層２７は、内室１１に入り込む。

【００３０】メッシュ導体２８は広げて割りリング６の
外側にかぶせるようにする。その状態でユニオンナット
４を、ハウジング１の雄螺部２に螺合させて行く。メッ
シュ導体２８は弾性片８と、ユニオンナット４の間に挟
まれる。ユニオンナット４を強く締めると弾性片８が内
側に歪む。弾性片８の先が同軸ケーブルの保護外套２９
を強く押して抜け止めする。メッシュ導体２８も弾性片
８によって強くユニオンナット４へと押しつけられる。
これによって外側のメッシュ導体２８は、ユニオンナッ
ト４、割りリング６、ハウジング１、中金具２０、袋ナ
ット２２に電気的に接続されることになる。

【００３１】芯線２６と、メッシュ導体２８の間に数十
ｋＶの電圧が掛かるので沿面放電が起きないようにしな
ければならない。同軸ケーブル２５の絶縁層２７と、プ
ラグの絶縁筒５が内外導体間を絶縁している。これらは
十分な厚みが与えられている。絶縁層２７と絶縁筒５の
境界面３０（接触面）は長くてＬ字型に曲がっている。
だから境界面３０を伝わる沿面放電が起こらない構造に
なっている。

【００３２】次に図３によってレセプタクルの構造を述
べる。これは中心より、同心構造のコンタクト棒３１、
絶縁筒体３２、絶縁チューブ３３、スリーブ３４よりな
っている。コンタクト棒３１はプラグに接続される方の
端部は拡開しており筒状になっている。この筒状部が４
つの割り溝３６によって４分割されている。４分割され
たコンタクト棒３１の先端は分離押さえ片３５となって
いる。４つの分離押さえ片３５が囲む空間は、プラグの
コンタクトピンの先端が挿入されるコンタクト空間５７
となる。コンタクト棒３１の他端は螺部３７が形成され
ている。

【００３３】絶縁筒体３２は絶縁物の筒体であり、コン
タクト棒３１を囲んでいる。これはＡｌ_２Ｏ_３などセラ
ミックによって作る。絶縁筒体３２のプラグ側の先は拡
開しチューブ穴３８が広く設けられる。その後ろはより
せまい通し穴３９になっている。コンタクト棒３１の細
径部は絶縁筒体３２の通し穴３９に挿通してある。絶縁
筒体３２の終端面はメタライズ部４０となっている。Ｌ
字断面をもつリング状のハトメ４１をコンタクト棒３１
に差し込み、メタライズ部４０にハトメ４１のフランジ
をＡｇＣｕペーストによって鑞付けする。ハトメ４１の
筒部はコンタクト棒３１へＡｇＣｕにより鑞付けする。
これでコンタクト棒３１が絶縁筒体３２に対して抜け止
めされる。

【００３４】絶縁筒体３２のチューブ穴３８には円筒形
の絶縁チューブ３３が挿入される。絶縁チューブ３３は
例えばＡｌ_２Ｏ_３によって作製する。絶縁チューブ３３
の内方端は、コンタクト棒３１の分離押さえ片３５と絶
縁筒体３２のチューブ穴３８によって挟まれる。絶縁チ
ューブ３３はよりせまい内穴５０と、より広い頚部差し
込み穴４４を持ち境界が段部４９になっている。コンタ
クト棒３１の分離押さえ片３５の先端は、段部４９より
わずか突出している。鞘部差し込み穴４４の先はプラグ
を差し込み易いように、拡開口４５となっている。絶縁
筒体３２も絶縁チューブ３３もこの例ではアルミナ（Ａ
ｌ_２Ｏ_３）である。もちろん異なる材料を用いて製作し
てもよい。いずれもコンタクト棒３１を囲んでこれを絶
縁するものである。複雑な形状であって一部材に纏めら
れないので二つの部材となっている。両者の接合部はＬ
字型の屈折した面であるから沿面放電が起こりにくい。

【００３５】絶縁筒体３２のさらに外側にステンレスな
ど金属製のスリーブ３４が設けられる。プラグ側は肉厚
になっており外側には雄螺部４６が形成される。これは
先述のプラグの袋ナット２２が螺合すべき螺部である。
絶縁筒体３２のメタライズ部４２とスリーブ３４の薄肉
の円筒部がろうづけされている。これによってスリーブ
３４に対して絶縁筒体３２が固定される。スリーブ３４
の後端にはリング状のフランジ４８が溶接してあるスリ
ーブのプラグ側は、傾斜開口４７が開いており、これに
前述の絶縁チューブ３３が通してある。絶縁チューブ３
３と、スリーブ３４は常に間隙があって非接触である。

【００３６】スリーブ３４は、フランジ４８によって導
電箱体５２に接続される。導電箱体５２の内部には電流
引き出し棒５１がある。電流引き出し棒は太い金属の棒
である。絶縁物によって被覆する。電流引き出し棒５１
の頭部５３の穴に、コンタクト棒３１の螺部３７を差し
入れ、両側からナット５４、５５によって固定してい
る。電流引き出し棒５１と導電箱体５２はイオン源側の
電極であって真空中にある。これとレセプタクルは着脱
しない。コンタクト棒３１と電流引き出し棒５１の結
合、あるいはスリーブ３４と導電箱体５２の結合は永久
的である。内部の電流引き出し棒５１を絶縁被覆で囲む
と、これと導電箱体５２間の放電の恐れがない。たとえ
ば電流引き出し棒５１をテープで包んだとしてもそのテ
ープは再び剥す必要はないので無駄にはならない。

【００３７】プラグをレセプタクルに結合するにはつぎ
のようにする。プラグのコンタクトピン１５を、レセプ
タクルの絶縁チューブ３３の拡開口４５から入れて、コ
ンタクト棒３１の分離押さえ片３５が囲むコンタクト空
間５７に挿入する。分離押さえ片３５は弾力性を持ち、
コンタクトピン１５の先を強く把持する。このとき絶縁
筒５の鞘部１８は、レセプタクルの絶縁チューブ３３の
鞘部差し込み穴４４の中へピッチリと入っている。つま
り絶縁チューブの先端は鞘部１８と二重の絶縁層になっ
ている。プラグの袋ナット２２を、スリーブ３４の雄螺
部４６にねじ込んで行く。袋ナット２２を強く締める
と、コンタクトピン１５の先端が、コンタクト棒３１の
内端面５６を強く押しつける。これでプラグとレセプタ
クルが結合された事になる。同軸ケーブルの芯線は、コ
ンタクトピン１５、コンタクト棒３１を経て電流引き出
し棒５１へとつながる。同軸ケーブルのメッシュ線は、
ハウジング１、中金具２０、袋ナット２２、スリーブ３
４、フランジ４８を通して、導電箱体５２につながる。

【００３８】外部の電力線は接地するようにする。内部
の電力線が数十ｋＶの高電圧（正負いずれでもよい）に
なる。内部の電力線経路はもはやテープで包まない。絶
縁物によって濃密に囲まれており、内部電力線経路と外
部（接地線）の間で放電が起こる余地はない。そもそも
内部の電力経路露出しないのでテープを巻き付けるよう
なことはできない。テープをまかないのでプラグとレセ
プタクルの結合作業は簡単である。テープを浪費しない
という利点もある。

【００３９】またプラグを外すのも簡単である。テープ
で包んでないからテープをナイフで切る事もない。単に
袋ナット２２をゆるめてはずし、コンタクトピンを引き
抜くだけでよい。

【００４０】

【発明の効果】従来のように二つの端子を別々に螺止め
してテープで巻くのとちがって、本発明はプラグをレセ
プタクルに差し込んで袋ナットを締めるだけで２本の電
力線ともに接続することができる。不定形の端子螺止め
部にテープを何回も巻き付ける面倒な作業がなくなる。
それでいて絶縁は完全であって放電も起こらない。また
取り外すときもテープを切ったりする必要はない。簡単
に取り外しができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例にかかるコネクタのプラグの部
分の断面図。

【図２】本発明の実施例にかかるコネクタのプラグに同
軸ケーブルを着装した状態の断面図。

【図３】本発明の実施例にかかるコネクタのレセプタク
ルの断面図。

【符号の説明】

１ ハウジング ２ 雄螺部 ３ 雌螺部 ４ ユニオンナット ５ 絶縁筒 ６ 割りリング ７ 溝 ８ 弾性片 ９ 内向き傾斜面 １０ 開口 １１ 内室 １２ 前通し穴 １３ 後ろ通し穴 １４ 段部 １５ コンタクトピン １６ 後端 １７ 凹部 １８ 鞘部 １９ 頚部 ２０ 中金具 ２１ フランジ部 ２２ 袋ナット ２３ 尾部 ２４ 雌螺条 ２５ 同軸ケーブル ２６ 芯線 ２７ 絶縁層 ２８ メッシュ導体 ２９ 保護外套 ３０ 境界面 ３１ コンタクト棒 ３２ 絶縁筒体 ３３ 絶縁チューブ ３４ スリーブ ３５ 分離押さえ片 ３６ 割り溝 ３７ 螺部 ３８ チューブ穴 ３９ 通し穴 ４０ メタライズ部 ４１ ハトメ ４２ メタライズ部 ４４ 頚部差し込み穴 ４５ 拡開口 ４６ 雄螺部 ４７ 傾斜開口 ４８ フランジ ４９ 段部 ５０ 内穴 ５１ 電流引き出し棒 ５２ 導電箱体 ５３ 頭部 ５４ ナット ５５ ナット

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直流または低周波の大電流高電圧を必要
   とするイオン源の電力線を、真空中でイオン源の電極に
   接続するためのコネクタであって、芯線と絶縁層とメッ
   シュ線と外套よりなる同軸構造のケーブルを電力線と
   し、中心のコンタクトピンと中間の絶縁物と外周部のハ
   ウジングを同軸に設けてあり同軸ケーブルの先端に取り
   付けたプラグと、中心のコンタクト棒と中間の絶縁物と
   外周のスリーブを同軸に設けイオン源側の電極を取り付
   けたレセプタクルとよりなり、レセプタクルにプラグを
   挿入して同軸ケーブルを電極に接続し、プラグを引き抜
   くことによって、ケーブルを電極から外すようにしたこ
   とを特徴とするイオン源用コネクタ。