KR101902301B1 - 진공 가변 커패시터 - Google Patents

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롤랜드 비에리
마이크 아브레크트
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더글라스 뷰어만
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Abstract

본 발명은 벨로즈(11)에 걸친 압력차를 감소시키기 위한 사전-진공 인클로저(21)를 포함하는 진공 가변 커패시터(1)를 제공한다. 이로 인해, 구동 시스템(9, 14)에 대한 진공력 부하가 감소될 수 있어서, 이동가능 전극(7)의 이동이 보다 빠르게 되고, 진공 가변 커패시터(1)의 커패시턴스 조절이 보다 빠르게 되며 그리고 디바이스의 수명이 보다 길어진다.

Description

진공 가변 커패시터{VACUUM VARIABLE CAPACITOR}
본 발명은 진공 가변 커패시터 분야에 관한 것이다.
진공 가변 커패시터들은 예컨대 시간-종속 고-주파수 부하의 임피던스가 하나 이상의 진공 가변 커패시터들을 조절함으로써 제너레이터의 부하와 매칭될 수 있는 임피던스 매칭 네트워크들에서 유용하다. 이러한 커패시터들의 커패시턴스는 하나의 전극 또는 전극들의 세트를 다른 전극 또는 전극들의 세트에 대하여 이동시킴으로써 제어가능하게 조절될 수 있으며, 유전체 매체로서 진공을 사용하면, 예컨대 수백 amp까지의 전류를 흐르게 하는 kV 범위의 전압들 또는 수십 kV 전압에서 동작하고 200kHz 정도의 낮은 주파수 또는 200MHz 정도 높은 주파수에서 동작하는 고전력 응용들에서 그 커패시터들의 사용을 가능하게 한다. 이러한 커패시터들은 고-전력 임피던스 매칭 네트워크들에서 튜닝 엘리먼트(tuning element)로서 사용될 수 있으며, 넓은 범위(통상적으로, 약 1:50 또는 그 초과)에 걸쳐 고분해능(통상적으로 그 범위에서 10000개 초과의 세트포인트(setpoint)들)와 수년의 동작 수명과 함께 고속으로 제어가능한 신뢰성 있는 커패시턴스 조절을 요구하는 고전력 무선-주파수(RF) 응용들에 대하여 종종 사용된다.
진공 커패시터들은 통상적으로 펌핑되어 시일링된 인클로저(pumped and sealed enclosure)를 포함하며, 상기 인클로저는 통상적으로 2개의 금속 칼라(collar)들에 진공 밀봉 방식(vacuum tight manner)으로 결합된 실린더형(관형) 세라믹(또는 다른 전기 절연) 피스(piece)에 의해 서로 전기적으로 절연된 2개의 금속 칼라들을 포함한다. (유전체와 함께) 전기 커패시턴스를 생성하는 기능을 하는 전극들은 인클로저내에서 각각의 금속 칼라에 전도적으로 부착된다. 통상적으로, 하나의 전극은 하나의 칼라에 기계적으로 고정되며, 다른 전극은 샤프트(shaft) 및 스크류/너트(screw/nut) 시스템을 포함하는 구동 시스템에 의해 이동될 수 있다. 진공 밖으로 스크류/너트 가이딩 시스템의 축 이동은, 통상적으로, 비록 다른 팽창가능 조인트들이 사용될 수 있을지라도, 이후 일반적으로 벨로즈(bellows)로서 지칭되는 팽창가능 조인트(expandible joint)에 의해 진공 내로의 이동가능 전극의 축 이동으로 전환된다. 진공 유전체 매체는 그 이름을 이러한 커패시터들에 부여한다. 진공 압력은 통상적으로 10-4mbar보다 양호하다(보다 낮다). 커패시터 유전체로서 진공을 사용하면, (특히 온도 또는 주파수에 종속되지 않고) 유전체값을 안정하게 하는 장점이 제공되며, 고전압 및 고전류에서도 매우 낮은 유전체 손실로 안정한 커패시터의 동작을 가능하게 한다. 예컨대, 공보 US2010202094 (A1)는 진공 가변 커패시터를 설명하다. 진공 커패시터들의 일부 특정 응용들은 반도체, 솔라 패널 및 플랫 패널 제조에서, 예컨대 산업 PECVD(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition) 프로세스들 동안 브로드캐스팅(예컨대 고전력 송신기의 발진 회로에서) 또는 플라즈마 제어 프로세스들을 포함한다. 이러한 응용들에서, 진공 가변 커패시터들의 커패시턴스를 조절하면, RF 부하들(예컨대, PECVD 프로세스들에 의해 생성된 부하들)과 산업 표준에 의해
Figure 112015126560011-pct00001
Ohm으로 고정된 고전력 RF 제너레이터의 고정 임피던스 사이의 임피던스를 변경(및 매칭)시키는 것을 가능하게 한다.
진공 커패시터들은 시변 부하들에 RF 전력을 전달하기 위한 중요한 튜닝가능 엘리먼트이다. 상대적으로 대형임에도 불구하고, 진공 가변 커패시터들은 유도성 튜닝 또는 다른 형태들의 용량성 튜닝과 같은 다른 튜닝 메커니즘들(비-기계적 기술 또는 비 진공-기술)과 비교하여 여러 장점들을 제공한다. 실제로, 진공 가변 커패시터들은 거의 연속적인 튜닝을 가능하게 하며, 매우 넓은 커패시턴스 범위에 걸쳐 우수한 분해능을 가지며(커패시턴스 범위는 통상적인 스테퍼 모터의 마이크로-스텝 사양들이 사용될 때 10000개 초과의 세트포인트들로 용이하게 분할될 수 있으며) 진공 유전체 때문에 매우 높은 전압 능력들을 가진다. 더욱이, 극도로 낮은 유전체 손실들 때문에, 진공 커패시터들은 큰 열을 생성하지 않고 큰 전류들을 허용하며, 결과적으로 고도의(most demanding) 전력 응용들에 있어서 본래 견줄 만한 것이 없다. 커패시턴스 값의 조절은 하나의 전극에 대하여 다른 전극을 기계적으로 이동시킴으로써 달성되며, 따라서 2개의 전극 표면들 사이의 거리를 수정하거나 또는 전극 표면 오버랩(overlap)을 수정하는 것(후자가 가장 일반적임)이 가능하며, 이들 둘다는 커패시턴스 값의 변화를 초래한다.
MHz 응용들에 대한 통상적인 진공 가변 커패시터들은 pF 범위(때때로, 낮은 nF 범위까지 확장됨)의 커패시턴스 값들을 제공하도록 설계되는 반면에, 단일 유닛은 대략 1:50 또는 그 초과의 커패시턴스 범위를 커버할 것이며, 즉 만일 최소 세팅 Cmin가 예컨대 10pF이면, Cmax=500pF의 최대치는 통상적으로 동일한 유닛을 사용하여 세팅될 수 있다. Cmin 내지 Cmax 사이에서 이동가능 전극을 이동시키는데 걸리는 시간은 통상적으로 종래의 커패시터들에서는 1s 또는 그 초과이다. 조절이 작을 수록 비례하여 시간량이 짧아진다. 최근에, 칩 제조 또는 다른 반도체 제조 프로세스들에서 사용되는 연속적인 플라즈마 프로세스들 동안 또는 이 프로세스들 사이의 조절 시간들은 상당히 줄어들며, 따라서 진공 가변 커패시터들은 때때로 무선 주파수 전력을 사용하는 전체 프로세스들 및 임피던스 매칭에서 병목 엘리먼트(bottleneck element)가 되었다. 제어 소프트웨어가 더 고속으로 진보하는 반면에, 기계적 부품(가동 전극)이 주어진 모터를 사용하여 이동될 수 있는 속도는 물리적으로 제한된다. 속도에 대한 하나의 제한 요소는 진공 밀봉 인클로저의 내부와 외부 사이의 압력차(1 bar)로 인한 상당한 힘에 대항하는데 필요한 모터 전력이다.
따라서, 최신의 진공 가변 커패시터들은 모터의 전력에 의해 그리고 커패시터의 이동가능 전극을 이동시키는데 사용되는 구동 시스템의 스크류 및 너트의 압력-속도 제한치(소위 PV 값)에 의해 속도가 주로 제한된다. 높은 PV 값은 구동 시스템의 너트 및 스크류 스레드(thread)들 사이의 고접촉 압력을 초래하여, 상기 스크류/너트 시스템의 마모에 부정적인 영향을 미치며 조기 고장을 유발한다(또는 그렇지 않으면 스크류/너트 시스템을 자주 교체해야 한다).
종래의 커패시터들은 또한 벨로즈에서 상당한 막응력들 및 굽힘 응력들을 겪는다. 이들 응력들이 클수록, 벨로즈가 고장나기 전에 벨로즈가 견딜 수 있는 압축/팽창 사이클들(라이프사이클들)의 수가 적다.
구동 시스템에 대하여 사용되고 있는 모터의 타입과 관계없이, 이하에서 설명되는 바와같이, 종래의 진공 가변 커패시터의 압력차에 대해 작용하기 위해서는 높은 토크가 필연적으로 요구된다.
스테퍼 모터들은 통상적으로 자신들의 포지셔닝 정확도(분해능), 고강성 때문에(스테퍼 모터들은 스탠드스틸(standstill)에서 자신들의 최대 홀딩 토크를 발생시키며 통상적으로 어느 브레이크도 요구하지 않는다) 그리고 자신들이 대부분의 응용들에 대하여 만족스러운 속도들을 가지기 때문에 진공 가변 커패시터들을 구동시키는데 사용된다. 통상적으로, 스테퍼 모터들은 가장 일반적인 진공 가변 커패시터들을 구동하기 위하여 600RPM 또는 1200RPM으로 회전될 수 있으며, 진공력에 대하여 작용하기에 충분한 토크를 계속 제공할 수 있다. 그러나, 불행하게도, 스테퍼 모터들의 하나의 특성은 속도를 증가시키면 이용가능한 토크가 감소한다는 점인데, 이는 초고속 속도에서 스텝 손실 및 부정확성을 유발한다. 다른 모터들(예컨대, 서보-모터들, 또는 선형 모터들)은 또한 빠른 속도들에서 토크를 감소시키는 특징이 있다. 단지 모터의 크기 및 비용을 급격하게 증가시킴으로써 높은 토크 및 속도의 조합을 획득하는 것이 가능하다. 이는 OEM(Original Equipment Manufacturer) 임피던스 매칭 네트워크들에 통합된 컴포넌트들에 대해 허용가능한 옵션이 아니다.
본 발명은 종래의 진공 가변 커패시터들의 앞의 단점 및 다른 단점을 극복하는 것을 목적으로 한다. 특히, 본 발명의 목적은, 바람직하게는 모터의 크기를 증가시키지 않고, 디바이스의 크기를 증가시키지 않고 그리고/또는 디바이스의 조절 분해능을 감소시키지 않고, 조절 속도를 증가시키는 개선된 진공 가변 커패시터를 제공하는데 있다.
추가 장점들은 최대 동작 전압/전력, 디바이스의 콤팩트성(compactness) 또는 디바이스의 조절 분해능에 대해 타협하지 않고 디바이스의 수명을 증가시키는 것을 포함할 수 있다(특히, 커패시턴스 조절 사이클들의 수를 증가시키는 것을 포함할 수 있다).
앞의 목적은 최소 커패시턴스 값과 최대 커패시턴스 값 사이에서 조절가능한 진공 가변 커패시터에 의해 달성되며, 진공 가변 커패시터는,
진공 유전체에 의해 분리된 커패시터 전극들을 포함하는 제 1 진공 인클로저(enclosure) ― 제 1 진공 인클로저의 벽은 제 1 진공 인클로저 외부에 배치된 구동 수단과 제 1 진공 인클로저 내의 커패시터 전극들 중 이동가능 전극 사이의 기계적 이동을 전달하기 위한 제 1 변형가능 영역(또한 벨로즈(bellows)로서 지칭됨)을 포함함 ―; 및 대기압 보다 낮은 미리 결정된 압력의 가스를 포함하는 제 2 인클로저(이후, 사전-진공 인클로저로서 지칭됨)를 포함하며, 사전-진공 인클로저는 제 1 변형가능 영역이 제 1 진공 인클로저로부터 사전-진공 인클로저를 분리하도록 배열된다.
사전-진공 인클로저(또한, 2차 진공 인클로저로서 지칭됨)는 대기압 미만의 압력의 공기를 포함하며, 이에 의해 벨로즈에 걸친 압력차를 감소시키는 역할을 한다. 이러한 압력차의 감소는 차례로 벨로즈를 이동시키는데 요구되는 모터 토크량을 감소시키고 그리고/또는 주어진 모터를 사용하여 달성될 수 있는 조절 속도를 증가시킨다.
본 발명의 추가 변형들은 종속항들에서 제시된다.
사전-진공 인클로저의 존재는 너트를 구동시키고 벨로즈를 압축하거나 또는 팽창시키며 제 1 (또는 1차로 지칭됨) 진공 인클로저 내로 이동가능 전극(들)을 이동시키는데 모터가 작은 토크를 필요로 한다는 점을 의미한다. 이는 동일한 크기 및 전력의 모터를 사용하여 속도를 가속시킨다. 요구되는 토크의 감소가 단순히 벨로즈에 대한 진공력(vacuum force)의 감소 때문이 아니라는 것에 유의해야 한다. 진공력은 샤프트의 스크류 스레드와 너트 사이에 축력(axial force)을 일으킨다. 이러한 축력은 너트와 스크류 사이에 상당한 마찰을 유발한다. 압력차의 감소 및 이로 인한 진공력의 감소는 너트와 스크류 스레드 간의 회전 마찰량의 상당한 감소를 초래한다. 이러한 감소된 회전 마찰은 또한 샤프트를 구동시키기 위하여 모터에 의해 요구되는 토크량의 상당한 감소를 초래한다.
2차 진공 인클로저는 1차 진공 만큼 많이 펌프 다운(pump down)될 필요가 없다. 실제로, 1차 진공 압력은 유전체로서 충분히 수행하기 위하여 대기압보다 수십배 낮아야 하는 반면에, 사전-진공 인클로저의 압력은 예컨대 단순히 대기압보다 10배 낮을 수 있는데, 이는 약 10배 정도 구동 시스템(스크류/너트 등)에 대해 작용하는 축력을 감소시키기에는 이미 충분하다. 구동 시스템에 대해 작용하는 힘이 감소되면서, 모터의 요구된 토크는 상당히 감소되며, 이는 보다 빠른 속도를 가능하게 한다.
더욱이, 이러한 어레인지먼트(arrangement)는 감소된 압력차 하에서 2개의 볼륨(volume)들을 분리시키는 벨로즈의 수명을 증가시킬 수 있으며, 따라서 압축/팽창시에 막 응력 및 굽힘 응력을 덜 받을 것이다. 감소된 진공력은 또한 스크류-엔드-너트 구동 시스템(screw-and-nut drive system)의 마모의 감소를 초래하며, 따라서 이들 컴포넌트들의 수명을 연장시킨다.
본원에 설명된 고속 진공 가변 커패시터는 예컨대 사전-진공 인클로저에 배치된 모터와 함께 구성될 수 있으며, 사전-진공 인클로저는 예컨대 대략 0.1bar의 압력의 가스를 포함한다. 0.1 bar의 압력은 벨로즈에 대한 진공 압력을 대략 90% 정도 약화시키나, 모터가 과열되지 않도록 대류 냉각시키기에 충분한 분자를 여전히 제공한다. 양호한 진공(낮은 압력)은 충분한 열이 외부 환경쪽으로 배출되지 못하게 할 수 있으며, 따라서 모터의 과열 및 시스템의 고장을 유발할 수 있다. 일반적으로, 0.05bar 내지 0.5b의 압력은 추가 냉각 측정을 필요로 하지 않고 진공력을 만족할 만큼 감소시키는 것으로 발견되었다. 그러나, 대기압까지의 임의의 압력이 사용될 수 있으며, 여전히 개선점을 제공할 수 있다.
원칙적으로, 진공력은 사전-진공 챔버를 완전히 배출시킴으로써 0으로 감소될 수 있다. 이는 스크류/너트를 구동시키는데 필요한 모터 토크를 매우 작은 값으로 감소시킬 것이다. 그러나, 진공력은 스크류-너트 드라이브에 대하여 유효한 축 바이어싱력을 제공한다. 이러한 축 바이어싱력은 스크류/너트 드라이브의 동작량을 현저하게 감소시키며 따라서 커패시터 조절의 정확도(분해능)에 기여한다. 벨로즈는 고유 스프링형 힘을 가질 수 있으며, 이 고유 스프링형 힘은 또한 스크류-너트 기계적 인터페이스를 바이어싱하는 효과를 가진다. 그러나, 벨로즈는 자신의 연장 범위내의 한 지점에서는 압축하에 있을 수 있고 그 연장 범위의 다른 부분에서는 장력하에 있을 수 있으며, 따라서 벨로즈는 그 벨로즈가 그 연장 범위내의 어디에 있는지에 따라 구동 스크류/너트에 대해 양의 바이어싱력 및 음의 바이어싱력을 가할 것이다. 따라서, 진공력이 그 진공력의 반대 방향으로 작용하는 최대 벨로즈 스프링력보다 더 크도록 벨로즈에 대해 압력차를 구성하는 것이 유리하다. 다시 말해서, 결과적인 "진공력 + 벨로즈 스프링력"은 벨로즈가 (압축 위치로부터 팽창 위치로의) 자신의 중립 포지션(neutral position )을 통과할 때조차 방향을 변경시키지 않아야 한다. 실제로, 벨로즈가 압축 모드에서 동작하는지 또는 팽창 모드에서 동작하는지의 여부에 따라 벨로즈 힘 그 자체만으로 방향을 변경시킬지라도, (약화된) 진공력의 추가는 힘들의 합이 방향을 변경시키지 않도록 여전히 보장한다. 이는 2차 진공 압력이 커패시터의 벨로즈 스프링력의 최대 진폭을 적어도 등화시키기에 충분히 높게 함으로써 보장될 수 있다. 결과적인 힘의 방향 변경은 스크류-너트 시스템의 백리시(backlash)를 허용할 것이며, 이는 커패시터(및 연관된 커패시턴스 및 임피던스 값들)의 좋지 않은 포지션 제어를 초래한다. 다시 말해서, 약화된 진공력은 그 진공력이 반대 방향에서 임의의 벨로즈 힘을 보상하기에 여전히 충분히 크도록 결정되어야 한다(이는 사용된 벨로즈의 기계적 특성들에 의존할 것이다).
유사한 이유들 때문에, 감소된 (그러나 완전히 보상되지는 않은) 진공력의 다른 장점은 벨로즈 축이 수평이 아닐 때 감소된 진공력이 또한 적어도 이동가능 전극에 가해지는 중력을 여전히 보상하는 경우에 커패시터가 임의의 방향에서 임피던스 매칭 네트워크내에 포지셔닝되어 통합될 수 있다는 점이다. 0.1 bar의 압력은 벨로즈와 전극의 질량을 통상적으로 선택하는 것으로도 적절한 것으로 발견되었다. 그러나, 다른 상황들에서는 더 높은 압력 또는 더 낮은 압력이 더 효과적일 수 있다.
본 발명은 첨부 도면들을 참조로 하여 지금 상세히 설명될 것이다.
도 1은 종래의 진공 가변 커패시터를 개략적 단면도로 도시한다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 진공 가변 커패시터의 예를 개략적 단면도로 도시한다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 진공 가변 커패시터의 예를 개략적 단면도로 도시한다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 진공 가변 커패시터의 예를 개략적 단면도로 도시한다.
도면들은 단지 예시적인 목적들로 제공되며, 청구된 특허 보호범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
상이한 도면들에서 동일한 참조부호들이 사용된 경우에, 이 참조부호들은 유사한 또는 대응하는 특징들을 지칭하는 것으로 의도된다. 그러나, 상이한 참조부호의 사용이 반드시 그 참조부호들이 지칭하는 특징들 간의 차이를 표시하는 것은 아니다.
도 1은 종래의 진공 가변 커패시터의 예의 매우 단순화된 도식적 단면도를 도시한다. 진공 가변 커패시터는 펌핑되고 시일링된 진공 인클로저(2)를 포함하며, 진공 인클로저(2)는 2개의 금속 칼라들(3, 4)과 함께 형성되며, 이 2개의 금속 칼라들(3, 4)은 그 칼라들(3,4)에 진공 밀봉 방식으로 결합된 실린더형 세라믹 피스(5)에 의해 서로 전기적으로 절연된다. 진공 유전체(12)와 함께 전기 커패시턴스를 생성하는 기능을 하는 정지 전극(6) 및 이동가능 전극(7)은 인클로저(2)내에서 각각의 금속 칼라(3, 4)에 전도적으로 부착된다. 정지 전극(6)은 하나의 칼라(3)에 기계적으로 고정되며, 이동가능 전극(7)은 리드 스크류(9) 및 너트(14)를 포함하는 구동 시스템에 의해 이동될 수 있다. 팽창 조인트 또는 벨로즈(11)는 진공 인클로저(2) 외부의 대기압으로부터 진공 유전체(12)를 분리한다. 너트(14)와 리드 스크류(9) 사이의 접촉면과 벨로즈(11)에 대하여 작용하는 압력차(
Figure 112015126560011-pct00002
bar)로 인한 힘이 존재한다는 것에 유의해야 한다. 진공 가변 커패시터의 커패시턴스 값을 변경시키기 위하여, 전극(6) 및 전극(7)의 오버랩은 적절한 수의 턴(turn)들 또는 턴들의 일부를 스크류(9)에 감음으로써 조절될 수 있다. 이는 통상적으로 모터(15)를 사용함으로써 이루어진다. 300N 또는 그 초과 정도일 수 있는 진공력은 벨로즈 및 너트를 진공쪽으로(도 1에서 아래방향으로) 당기도록 벨로즈(11)에 대해 작용한다. 진공력의 크기는 진공(12)과 주변 대기 사이의 인터페이스를 형성하는 벨로즈(11)의 기하학적 형태에 의존한다. 앞서 논의된 바와같이, 이는 모터(15)에 대한 높은 토크 요건을 초래하며, 이는 차례로 모터(15)의 속도를 제한한다.
도 2는 본 발명에 따른 진공 가변 커패시터(1)의 예를 유사하게 단순화된 형태로 도시한다. 진공 가변 커패시터(1)는 도 1과 관련하여 이미 설명한 바와같이, 제 1 진공-밀봉 인클로저(2), 전극(6, 7), 모터(15), 리드-스크류(9), 너트(14) 및 벨로즈(11)를 포함한다. 더욱이, 부분 진공 또는 사전-진공 인클로저로서 또한 지칭되는 저압 인클로저(21)는 제 1 진공 인클로저(2)에 시일링된다. 사전-진공 인클로저(21)는 대기압보다 낮은 압력, 예컨대 0.1bar의 가스(20)를 포함한다.
대기로부터 진공(12)을 분리하는 대신에, 도 1에서 처럼, 도 2의 벨로즈(11)는 시일링된 사전-진공 인클로저내에 포함된 저압 가스(20)로부터 진공(12)을 지금 분리한다.
만일 사전-진공 인클로저의 압력이 0.1bar이면, 벨로즈(11) 및 너트(14)에 대해 작용하는 진공력은 도 1에 예시된 진공 가변 커패시터의 대응 진공력의 대략 1/10일 것이다.
진공력이 감소되기 때문에, 모터(15)에 의해 요구되는 토크는 또한 도 1의 진공 가변 커패시터의 경우에 보다 더 작다. 결과적으로, 도 1에서 사용되는 것과 동일한 모터(15)는 보다 빠른 속도로 동작할 수 있다.
이러한 실시예에서, 사전-진공 인클로저(21)내에 있는 모터(15)는 진공 가변 커패서터(1)가 RF 동작중일 때 고전력을 운반하는 칼라(4)로부터 전기적으로 절연된다는 것에 주목할 수 있다. 이는 도 2에서 절연 재료(8)에 의해 상징적으로 예시된다.
진공 가변 커패시터(1)의 가변 측에 있는 이러한 칼라(4)는 "가변 장착 플레이트"로서 종종 지칭되는데, 왜냐하면 이 칼라(4)는 임피던스 매칭 네트워크 또는 다른 시스템에 진공 가변 커패시터를 장착하기 위하여 사용되기 때문이다. 제 1 진공 밀봉 인클로저(2) 내의 상이한 전극 어레인지먼트는 본 발명의 제 2실시예와 관련하여 설명되는 바와같이 모터(15)의 장착을 단순화하는 것을 허용한다.
본 실시예(도 2)로 되돌아가면, 진공 가변 커패시터의 수명의 증가에 대한 이하의 논의에서 사전-진공 인클로저(21)의 압력이 0.1bar라고 가정한다.
첫째로, 벨로즈(11)에 걸친 압력차(
Figure 112015126560011-pct00003
)가 90% 정도 지금 감소되고 이러한 감소가 압축 또는 팽창시 벨로즈(11)의 낮은 막응력 및 낮은 굽힘 응력을 초래하여 수명을 연장시키기 때문에 벨로즈(11) 수명이 개선된다. 둘째, 스크류(9) 및 너트(14)의 수명이 또한 개선되는데, 왜냐하면 PV 값은 더 낮은 압력 값 때문에 감소되기 때문이다. PV는 압력 및 속도의 곱이며, 여기서 압력 및 속도는 스크류(9) 및 너트(14)의 메이팅 스레드(mating thread)들의 접촉 표면들에서의 압력 및 속도이다. PV 값은 스크류들 및 너트들의 2개의 슬라이딩 표면들과 접촉하는 2개의 슬라이딩 표면들의 파괴 시간 및 기계적 마모를 예측하기 위하여 사용될 수 있는 공통 엔지니어링 값이다. 벨로즈(11)에 걸친 감소된 압력차는 스크류(9) 및 너트(14)의 메이팅 스레드 표면들 사이의 낮은 접촉 압력을 초래한다. 도 2에 예시된 진공 가변 커패시터(1)에 있어서, 스크류(9)와 너트(4) 사이의 접촉 압력의 감소는 이하의 유리한 특성들 중 하나 이상의 특성을 야기한다.
주어진 스크류/너트 페어링에 대하여 적은 마모 및 긴 수명;
주어진 스크류/너트 시스템 및 동일한 수명 요건들에 대하여, 스크류/너트 구동 시스템이 수명을 감소시키지 않고 보다 빠른 속도로 동작하도록 하는 특성;
스크류/너트 재료들의 저비용 조합을 선택하는 특성 및 동일한 속도로 동일한 수명을 계속해서 달성하는 특성;
수명을 감소시키지 않고 보다 작은 스크류들 및 너트들을 선택하는 특성(따라서 진공 커패시터의 소형화에 기여하는 특성).
모터(15)는 예컨대 스테퍼 모터일 수 있다. 대안적으로, 다른 타입들의 DC 모터들 또는 AC 서보 모터들이 사용될 수 있다. 드라이브에서 어느 회전 부품도 없이 선형 모터들을 사용하는 것이 또한 가능하며, 따라서 주어진 크기의 모터로 훨씬 빠른 속도를 달성할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 진공 가변 커패시터의 예를 도시한다. 이러한 예에서, 제 1 진공 인클로저(2)내에서 전극들(24, 25)의 2개의 집단 세트들의 어레인지먼트 및 진공 인클로저(2)의 부분으로서 제 2 세라믹 절연체(32)의 사용은, 진공 가변 커패시터(1)의 동작들 동안 인가된 고전압들로부터 모터를 전기적으로 절연시키기 위하여 사전-진공 인클로저가 추가 절연 피스를 필요로 하지 않도록 사전-진공 인클로저(21)에 배치된 모터(15)를 연결시키는 것을 가능하게 만든다. 이는 제 2 진공 인클로저에서 모터의 더 컴팩트한 레이아웃을 허용한다.
도 2 및 도 3 둘다에서, 모터(15)는 사전-진공 인클로저(21)내에 배치된 것으로 도시되었다. 그러나, 모터(15)는 대안적으로 사전-진공 인클로저(21) 외부에 전체적으로 또는 부분적으로 배열될 수 있다. 사전-진공 인클로저(21)는 벨로즈(11)에 걸친 압력차를 감소시키기 위한 압력 용기의 역할을 하며, 모터(15)를 하우징하기 위한 그의 용도는 2차적이다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 진공 가변 커패시터(1)의 예를 도시하는데, 진공 가변 커패시터(1)는 제 1 및 제 2 실시예들에서 처럼 제 1 진공 인클로저(2)를 포함하며, 제 1 진공 인클로저(2)는, 제 1 및 제 2 실시예들과 관련하여 설명된 바와같이 진공(12)내의 전극들(6, 7) 및 낮은 압력의 가스(20)를 포함하는 사전-진공 인클로저(21)로부터 진공(12)을 분리하는 벨로즈(11)를 포함한다.
도 4의 진공 가변 커패시터는 또한 제 2 진공 인클로저(22) 및 제 2 변형가능 벽 영역 또는 벨로즈(27)와 사전-진공 인클로저(21)를 포함하며, 이 벨로즈(27)는 제 2 진공(13) 및 사전-진공 가스(20) 사이의 압력차로 인한 제 2 벨로즈(27)의 순 진공력 및 제 2 벨로즈(27)의 벨로즈 스프링력이 제 1 벨로즈(11)의 대응하는 순 진공력 및 벨로즈 스프링력과 실질적으로 동일하나 이와 반대 방향으로 작용하도록 구성된다.
도 4에 도시된 바와같이, 제 1 및 제 2 벨로즈들은 기계적 링킹 수단(이 경우에, 공통 샤프트(9))에 의해 연결되며, 이 기계적 링킹 수단은 제 1 벨로즈(11)의 이동이 제 2 벨로즈(27)의 이동과 유사하나 반대방향의 이동에 대항하도록(그 반대의 경우다 마찬가지임)한다. 다시 말해서, 만일 제 1 벨로즈(11)가 자신의 진공력(도 4에서 위쪽을 향함)에 반대하여 이동하면, 제 2 벨로즈(27)는 자신의 진공력(또한 도 4에서 위쪽을 향함)과 함께 이동한다.
이러한 방식으로, 벨로즈(11)에 대한 진공력 및 스프링력은 제 2 유사한(그러나 반작용) 벨로즈(27) 및 진공 인클로저(22) 어레인지먼트에 의해 실질적으로 보상될 수 있다(또는 심지어 완전히 보상될 수 있다).
다양한 가능한 기계적 링크 장치들은 2개의 벨로즈(11 및 27)를 링크하는 것으로 관찰될 수 있으나, 제 1 벨로즈(11) 및 제 2 벨로즈(27)의 개별 단부 부분들의 어느 끝쪽에든 고정된 직통(straight-through) 샤프트(28)는 그것이 스레드형 조인트 또는 다른 이동 부분들을 필요로 하지 않는 장점을 가진다.
도 4는 제 1 진공 인클로저(2) 및 제 2 진공 인클로저(22)가 개별 벨로즈(11, 27)에 걸친 압력차를 감소시키기 위한 공통 사전-진공 인클로저(21)를 공유하는 어레인지먼트를 도시한다. 그러나, 동일한 결과를 달성하기 위하여 2개의 개별 사전-진공 인클로저들을 사용하는 것이 가능할 것이다.
이러한 어레인지먼트의 경우는 스크류 또는 너트를 포함하지 않는 선형 구동 또는 임의의 다른 이동 수단을 사용하는 것이 특히 유리하다. 게다가, 이러한 실시예에 있어서, 진공 가변 커패시터를 조절하는데 필요한 힘은 이전에 논의된 실시예들에서 보다 훨씬 더 감소되며, 훨씬 빠른 속도들이 달성될 수 있다. 선형 유도 또는 보이스-코일형 모터와 같은 선형 모터(29, 34)는 예컨대 도 4의 진공 가변 커패시터를 조절하기 위하여 사용될 수 있다. 게다가, 벨로즈에 대한 순 진공 및 스프링력들이 0으로 효과적으로 감소될 수 있기 때문에, 커패시턴스 조절 속도는 사전-진공 인클로저(21)의 압력에 의존하지 않는다. 따라서, 사전-진공 인클로저(21)의 압력은 대기압, 또는 대기보다 더 높은 압력을 비롯하여 임의의 값일 수 있다. 실제로, 제 3 실시예의 진공 가변 커패시터로 사전-진공 인클로저(21)가 완전히 없어질 수 있다. 벨로즈(11, 27)에 의해 기계적 링크 장치(28)에 전달되는 진공/스프링력은 계속해서 상쇄될 수 있다.
본 발명의 모든 3개의 실시예들에서, 제 1 진공 인클로저(2) 내의 진공(12)에 또는 제 3 실시예에서 제 2 진공 인클로저(22) 내의 진공(13)에 모터(15) 또는 보이스 코일(29)을 배치하는 것이 가능할 것이라는 것에 유의해야 한다. 그러나, 일부 모터들이 외부 공간에서 작동하는 것으로 알려지고 따라서 진공 친화적인 반면에, 전극들을 포함하는 진공 인클로저에 전기 모터를 직접 통합하는 것은 실현가능하지 않다. 그 이유는 바로 그러한 모터들이 유전체 목적들을 위해 필요한 진공을 붕괴시키고 가스를 방출하기 때문이며, 즉 10-3 mbar보다 양호한 (낮은) 진공 압력들이 유지되는 것이 필요하나 이들 모터들은 모터 부분들의 장기간 가스방출율과 맞지 않는 것으로 발견되었다.

Claims (17)

  1. 최소 커패시턴스 값과 최대 커패시턴스 값 사이에서 조절가능한 진공 가변 커패시터(1)로서,
    진공 유전체(12)에 의해 분리된 커패시터 전극들(6, 7)을 포함하는 제 1 진공 인클로저(enclosure)(2) ― 상기 제 1 진공 인클로저(2)의 벽은 상기 제 1 진공 인클로저(2) 외부에 배치된 구동 수단(9, 14, 15, 29, 34)과 상기 제 1 진공 인클로저(2) 내의 상기 커패시터 전극들(6, 7) 중 이동가능 전극(7) 사이의 기계적 이동을 전달하기 위한 제 1 변형가능 영역(11)(이하, 제 1 벨로즈(bellows)로 지칭됨)을 포함함 ―;
    미리 결정된 압력의 가스(20)를 포함하는 제 2 인클로저(21)(이하, 사전-진공 인클로저로 지칭됨) ― 상기 사전-진공 인클로저(21)는 상기 제 1 벨로즈(11)가 상기 제 1 진공 인클로저(2)내의 진공 유전체(12)로부터 상기 사전-진공 인클로저(21)내의 가스(20)를 분리하도록 배열됨 ―; 및,
    제 2 변형가능 벽 영역(27)(이하, 제 2 벨로즈로 지칭됨)을 포함하는 제 2 진공 인클로저(22) ― 상기 제 2 변형가능 벽 영역(27)은 상기 사전-진공 인클로저(21)로부터 상기 제 2 진공 인클로저(22)를 분리하며, 상기 제 1 벨로즈(11)는 상기 제 2 벨로즈(27)에 기계적으로 링크됨 ―
    를 포함하는 진공 가변 커패시터(1).
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 벨로즈(27)는 상기 제 1 벨로즈(11)와 실질적으로 동일한, 진공 가변 커패시터(1).
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 구동 수단(9, 14, 15, 29, 34)은 상기 사전-진공 인클로저(21) 내에 배치된 모터(15, 29, 34)를 포함하는, 진공 가변 커패시터(1).
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 진공 인클로저(2)의 가변 장착 플레이트(4)로부터 상기 구동 수단(9, 14) 중 적어도 하나와 상기 모터(15, 29, 34) 중 적어도 하나를 전기적으로 절연시키기 위한 절연 엘리먼트(8)를 포함하는, 진공 가변 커패시터(1).
  10. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 제 1 진공 인클로저(2)는 상기 제 1 진공 인클로저(2)의 일부로서 집단 전극들(24, 25)의 2개 이상의 세트들 및 세라믹 절연체(32)를 포함하는, 진공 가변 커패시터(1).
  11. 삭제
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  15. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 구동 수단(9, 14, 15, 29, 34)은 리드 스크류(9) 및 너트(14)를 포함하며, 상기 리드 스크류(9) 및 상기 너트(14) 중 적어도 하나는 세라믹 재료를 포함하는, 진공 가변 커패시터(1).
  16. 제 3항에 있어서, 상기 모터(15, 29, 34)는 DC 모터, AC 서보 모터 또는 선형 모터(29, 34)를 포함하는, 진공 가변 커패시터(1).
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 선형 모터(29, 34)는 선형 유도(linear induction) 또는 보이스-코일형 모터인, 진공 가변 커패시터(1).
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