【手続補正書】
【提出日】平成17年5月30日(2005.5.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】  明細書
【発明の名称】  真空用ソレノイドおよび前記真空用ソレノイドを備えた真空用ソレノイド式割出盤
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空中に設置して用いられるソレノイドであって、該ソレノイドの巻き線がフッ素樹脂又はセラミックを被覆した導線であることを特徴とする真空用ソレノイド。
【請求項２】
真空中に設置して用いられるソレノイドであって、該ソレノイドの可動部分に固体潤滑材を用いることを特徴とする真空用ソレノイド。
【請求項３】
可動部分に固体潤滑材を用いることを特徴とする請求項１記載の真空用ソレノイド。
【請求項４】
真空中で４５０Ｋ以上に加熱して脱ガスしたことを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の真空用ソレノイド。
【請求項５】
請求項１〜４いずれか１項記載の真空用ソレノイドを備えた防塵気密構造を持つソレノイド式割出盤において、真空中で前記気密構造内部の空間の大気成分を排気する排気穴を備えていることを特徴とする真空用ソレノイド式割出盤。
【請求項６】
請求項５のソレノイド式割出盤において、前記排気穴の開閉制御を電気信号で行うことを特徴とする真空用ソレノイド式割出盤。
【請求項７】
請求項１〜４いずれか１項記載の真空用ソレノイドがロータリソレノイドであり、該ロータリソレノイドと、前記ロータリソレノイドの回転動作が伝達されるラチェット機構で構成されることを特徴とする真空用ソレノイド式割出盤。
【請求項８】
請求項７記載の真空用ソレノイド式割出盤において、角度決め機構の歯車分割が不等分割であることを特徴とする真空用ソレノイド式割出盤。
【請求項９】
請求項５〜８のいずれか１項記載のソレノイド式割出盤において、前記真空用ソレノイドに対する印加電圧を０Ｖから最大印加電圧ＶＭＡＸに変化させる際に、
ＶＭＡＸ＊（１／Ｎ）、ＶＭＡＸ＊（２／Ｎ）、・・・ＶＭＡＸ＊（（Ｎ−１）／Ｎ）：（ただし、Ｎは３以上の整数でｔは０．１から３の範囲の値）
の各電圧を一定時間ｔ秒毎印加する過渡期間を経た後にＶＭＡＸの電圧を印加する手段を備えることを特徴とする真空用ソレノイド式割出盤。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は真空用ソレノイド及び前記真空用ソレノイドを備えた真空用の割出盤に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ソレノイドを用いて電気信号で機械動作を制御する機器は身の回りに数多く使われている。直進運動を制御するリニアソレノイドの応用例として、電磁ロックがある。回転運動を制御するロータリソレノイドも開発されている。通常のロータリソレノイドはエナメルコートの電線を使用し、軸受けには含油メタル軸受けや鉄材などのガス放出が大きい材料を使用し、真空には適さない。ロータリソレノイド式アクチュエータに関しては特許公報Ｈ７年１０月２５日発行において日本電装（株）の登録特許が掲載されている。概要は、単一のアクチュエータにより、低温域から高温域まで幅広く流量の制御ができる。電磁コイルの磁力と磁石との間の磁力により駆動軸を回転制御するとともに、バイメタル製スプリングのばね力により駆動軸の回転方向に所定の抵抗力を生じ、さらにバイメタル製スプリングの回転方向抵抗力は温度に応じ可変するよう構成したロータリソレノイド式アクチュエータ、である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のソレノイド式割出盤は真空中に設置すると割出盤自身からのガス放出が大きく、真空環境を汚染する課題を抱えていた。また、真空中で含油潤滑材が気化して消失することで潤滑特性が損なわれて割出盤自身の動作が損なわれる課題を抱えていた。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の真空用ソレノイドは、第１に真空中に設置して用いられるソレノイドであって、該ソレノイドの巻き線をフッ素樹脂又はセラミック被覆導線としたことを特徴とする。
また、本発明の別の真空用ソレノイドは、同様に真空中に設置して用いられるソレノイドであって、前記巻き線の構成と共に、又は前記巻き線の構成に代えて該ソレノイドの可動部分に固体潤滑材を用いることを特徴とする。
前記各真空用ソレノイドは、好ましくは真空中で４５０Ｋ以上に加熱して脱ガスする。
また、本発明の真空用ソレノイド式割出盤は、前述したいずれかの真空用ソレノイドを備えると共に，防塵気密構造を持ち、真空中で前記気密構造内部の空間の大気成分を排気する排気穴を備えていることを特徴とする。
この排気穴の開閉制御は、電気信号で行うことができる。
さらに、本発明の真空用ソレノイド式割出盤は、前掲の真空用ソレノイドとしてロータリ式のソレノイドを備え、このロータリソレノイドとその回転動作が伝達されるラチェット機構で構成されるものとしても良い。
この場合、真空用ソレノイド式割出盤に設けられる角度決め機構の歯車分割を不等分割としても良い。
なお、前述した真空用ソレノイド式割出盤には、ソレノイド印加電圧を０Ｖから最大印加電圧ＶＭＡＸに変化させる際にＶＭＡＸ＊（１／Ｎ）、ＶＭＡＸ＊（２／Ｎ）、・・・ＶＭＡＸ＊（（Ｎ−１）／Ｎ）の各電圧を一定時間ｔ秒毎印加する過渡期間を経た後にＶＭＡＸの電圧を印加する手段を設けることもできる。
なお、前記印加電圧において、Ｎは３以上の整数でｔは０．１から３の範囲の値である。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の真空用ソレノイド及びこの真空用ソレノイドを使用した真空用ソレノイド式割出盤において、第１にフッ素樹脂被覆導線を巻き線に用いる特徴を備える場合には、互いに隣接する線同士が絶縁を保たなければならない巻き線において、絶縁のための被覆にエナメルではなくフッ素樹脂を用いる。フッ素樹脂は隣接線同士の良好な絶縁特性を示し、かつ、４５０ケルビン程度の加熱を行っても変質することがない安定した被覆材料である。このフッ素樹脂被覆導線を巻いた真空用ソレノイド、及びこの真空用ソレノイドを備えたソレノイド式割出盤を真空中に設置して、前記フッ素樹脂被覆導線に通電したり電流を遮断したりすることで割出盤の回転動作を駆動制御する。
第２に、セラミック被覆導線を巻き線に用いる特徴を備える場合には、芯線である導線及びセラミック被覆材料、他の構成材料の耐熱性限界温度まで真空用ソレノイドやこの真空用ソレノイドを備えたソレノイド式割出盤を加熱する場合に高温まで加熱することができる。つまり、セラミック被覆材料自身の耐熱性が導線や他の構成材料と同等もしくは高温である。
第３に、可動部分に固体潤滑材を用いる特徴を備える場合には真空中で使用した場合に潤滑材からの放出ガスが少なく、真空雰囲気を汚染しないでソレノイド又は該ソレノイドを備えたソレノイド式割出盤を使用することができる。
第４に、真空中で４５０Ｋ以上に加熱する脱ガス工程を経た真空用ソレノイド又はこの真空用ソレノイドを備えた割出盤は、ソレノイドや割出盤が吸収しているガス成分を真空中での加熱で十分に放出させることで、割出盤からのその後のガス放出を抑制できる。吸着ガスの主成分である水（Ｈ２Ｏ）は３５０Ｋ（ケルビン）以上の温度では真空中で短時間に放出されることを確認してある。４５０Ｋではさらに効率的に放出するのでこの温度以上の加熱によって、それ以下の場合よりも効率的に脱ガスが可能である。
第５に、防塵気密構造を持つ特徴に加えて、真空中で前記気密構造内部の空間の大気成分を排気する排気穴を備えている割出盤の場合には、まず、大気中でこのソレノイド式割出盤を取り扱う際には大気中に浮遊している埃やゴミがこの割出盤の内部に進入して機構部分等の重要部分の機能を損なうことを防ぐ。真空中で使用する場合には気密構造内部に溜まった大気成分が少しずつ漏れだすことで真空環境を汚染することが一般的に懸念されるが本発明においては気密構造内部の大気成分を真空中で積極的に排出するための排気穴を備えている。この穴は防塵気密の特性を損なわないために、例えば弁の構造を備えて、外部が減圧された場合には排気穴として作用する、または、排気穴が１ミクロン程度の穴径で一般的な埃等よりも十分に小さな大きさにしておき、この穴を多数設けるといった工夫をすることで、埃が入らない防塵気密構造と真空中での排気特性の両立ができる。
第６に、第５の特徴に加えて、前記排気穴の開閉制御を電気信号で行う特徴を備える場合には電気信号を通す配線を介して真空装置中に設置したソレノイド式割出盤の排気穴の開閉を行える。このことで埃がない状態である真空中で排気穴を開けて、真空装置を大気に戻す前にこの排気穴を閉じるといった使用が可能になる。このような使い方によってソレノイド式割出盤の内部を真空に維持できる。内部が乾燥していることで水分による酸化などの劣化を防げる。
第７に、真空中での回転運動を真空中に設置したロータリソレノイドとその回転動作が伝達されたラチェット機構で構成されるソレノイド式割出盤で行う場合には、電気信号でソレノイドを駆動してその駆動をラチェット機構に伝達する。この機構によって決められた角度の回転を真空中で行うことができる。上記機械的な動作を真空中だけで行えるので大気と真空との間を駆動機構で連携させるような複雑な機構を必要としない長所を持つ。
第８に、第７の特徴に加えて、角度決め機構の歯車分割が不等分割である特徴を備える場合には、歯車の分割によって回転の角度が決まる本ソレノイド式割出盤において隣接する歯車の分割比率を例えば２５°、３５°、２５°、３５°、２５°、３５°といった具合に一回り３６０°の分割を行うことで１つの回転動作が２５／３６０でその次が３５／３６０といった具合に変化を付けられる。
第９に、前記いずれかの特徴に加えて、ソレノイド印加電圧を０Ｖから最大印加電圧ＶＭＡＸに変化させる際にＶＭＡＸ＊（１／Ｎ）、ＶＭＡＸ＊（２／Ｎ）、・・・ＶＭＡＸ＊（（Ｎ−１）／Ｎ）の各電圧を一定時間ｔ秒毎印加する過渡期間を経た後にＶＭＡＸの電圧を印加することを特徴とする真空用ソレノイド式割出盤の場合には、例えばＶＭＡＸ＝２４Ｖ、Ｎ＝３でｔ＝０．５の場合にはソレノイド駆動電圧を０Ｖの状態からまず８Ｖにしてその状態を０．５秒保持する。この保持の期間にソレノイドは８Ｖ分の移動（または回転）をする。その後の０．５秒間は１６Ｖの状態に保持する。この期間は１６Ｖ分の移動（または回転）をする。そしてこの期間の後には２４Ｖの一定電圧を印加する。この３分割によって、電圧変化はそれぞれ８Ｖと小さくできるので急激な電圧変化により駆動（回転）がオーバーシュートする悪影響を低減できる。一定時間ｔを最適に選ぶことで滑らかな駆動が可能となる。Ｎは大きい方がきめ細かく分割できるので滑らかな動作になるが必要以上に分割数を増やすと電源回路が複雑になり、無用なコストアップになる。ｔおよびＮはその駆動系全体の負荷およびかけられるコストによって決まる。
【０００６】
【実施例】
本発明の実施例１を説明する。ソレノイドコイルの巻き線の芯線が銅線でその被覆コーティング材がフッ素樹脂である特徴を備えている。内部には半田も使用していない。従来のエナメル被覆では、真空中でエナメルが加熱されると気化してガス放出源になってしまうことと、エナメルが加熱によって劣化して絶縁被覆としての性能が劣化することがあるので、ガス放出および絶縁劣化の対策としてフッ素樹脂を被覆に用いた。フッ素樹脂被覆線はソレノイドコイルボビンに巻きつける前に十分に洗浄をして汚れを取り除いた後、さらに脱脂を行い、洗浄・脱脂後の取扱では素手で触って手の油や汚れが付着しないよう、手袋をする。ソレノイドコイルボビンにフッ素樹脂被覆導線を巻きつけた部品の状態で電気炉に入れて十分な乾燥を行う。
乾燥条件は５００Ｋで３０分間である。この乾燥工程を経た後、組み立て作業を除く期間は窒素ＢＯＸの中に保管しておくことで無用に水分を含有することを防げる。以上の一連の乾燥および保管方法は真空中でのガス放出を抑制するのに効果的な前処理である。このソレノイドコイルに各種金属部品を取りつけてソレノイド式割出盤を組み立てる。配線の結合には半田を用いずにスポット溶接や圧着やねじ止めを用いる。これは半田が真空中でのガス放出量が非常に多いのでそれを防ぐためである。
【０００７】
本発明の実施例２について説明する。ソレノイドの巻き線の被覆がセラミックであることを特徴とする例である。セラミック被覆を施す方法はいくつかある。１つの方法は被覆の施していない導線を線を巻きつけるための型に巻きつけて、隣接配線同士が短絡しないように整形後、セラミック含有ペーストを吹きつけてそのまま乾燥および焼成する。その後にそのセラミックで覆われた上層部に新たに被覆を施していない導線を巻きつけて同様にセラミック被覆を施す。このようにして多重に巻いた筒状の配線を型からはずしてソレノイドの軸にかぶせるという方法によって、セラミック被覆のソレノイドが出来上がる。このセラミック製のソレノイドは７００Ｋのガス出しを行ってから割出盤としての組み立てを行う。もう１つの方法は予め導線にセラミック被覆を施しておいてその線をソレノイドの軸に巻きつける方法である。セラミックが傷まないようにセラミックの外面をアクリル樹脂でコーティングしておいて、巻きつけ作業完了後に一次焼温３００Ｋ、二次焼温５００Ｋ、最終焼温７００Ｋの焼成を行ってアクリル成分を焼失させてセラミック被覆だけを残すという方法もある。上記処理を完了した後に可動部分に固体潤滑材を注入する。尚、予め導線にセラミックを被覆する方法としてセラミックをメッキで付着させる方法がある。この方法で作ったセラミック被覆導線をセラメッキ線と呼ぶ。フッ素樹脂被覆線では導線に対して厚くフッ素樹脂を被覆しなければいけないのでソレノイドの巻き線の導電断面積密度が低下してしまう場合があるが、セラメッキ線の場合には薄い被覆で十分に絶縁が確保できるので上記密度が大きく確保できて駆動力に優れたソレノイドを作ることができる。
【０００８】
本発明の実施例３を説明する。図１は本発明のソレノイド式割出盤１の正面図である。割出盤自身は防塵気密構造になっているので本割出盤を真空中に設置しても割出盤内部の大気成分がなかなか排気できず、結果として本装置を設置した真空環境の真空度を低下させてしまう（大気圧に近くさせてしまう）懸念がある。そこで、本割出盤には防塵気密構造の内部大気成分を積極的に排気するための排気穴を設けている。この排気穴は弁を備えている。すなわち、外部環境が大気圧で割出盤内部も大気圧の場合には弁が閉じていて、外部環境が真空、すなわち減圧状態で割出盤内部が大気圧になった場合には、弁が開いて割出盤内部の大気成分を積極的に排気できるよう排気コンダクタンスを大きく確保する。外部、内部とも真空状態においては内部の真空度が低い状態すなわち内部の圧力が高い状態では弁が開いた状態を維持している。内部の真空度が高いすなわち内部の圧力が低い状態では弁は閉じる。弁が閉じていても防塵を目的とした気密構造であるので割出盤自身の構造にわずかに通気があり、時間を経過すれば外部から内部への大気成分流入によって外部と内部との差圧は解消される。外部が大気圧で内部が真空の状態においても同様に、時間経過とともに差圧がなくなる。上記弁の開閉状態は真空センサーの役割を果たせる。特に割出盤を設置した真空装置が大気圧から真空引きを開始する初動動作においては明確に弁が開いた状態になるのでこの状態を電気的に検知してその信号を真空中配線、電気信号導入端子を経由して外部に取り出してモニタリングすることで真空引きの初動が思ったとおり行われているかの確認ができる。この電気信号によって割出盤の内部の圧力について状態モニタリングも行えることになる。
【０００９】
本発明実施例４について説明する。実施例３で用いた図１を再度使用して説明する。ラチェット機構３をロータリソレノイド軸４に取り付けていることを特徴としている。ラチェット機構を取り付けていることで順方向だけに回転させて逆方向には回転しない制御を行える。このラチェット機構は外部からの電気信号によって効かなくすることもできるので必要に応じて逆方向にも回転させる。ラチェット機構を効かなくするには歯車に噛んでいるつめの部分を外すことで対応できる。
【００１０】
本発明実施例５について説明する。図２には本発明が備える位置決め機構５について描いた。この機構は歯車につめが噛む構造になっており、スプリングの強度を調整しておくことで歯車の山を軽微な抵抗で乗り越えられて、しかしながら落ち着く位置は歯車の谷部につめが位置するという構造に仕上げてある。この構造によって各歯車の谷につめが来る回転角毎に準安定状態が得られる。この位置決め機構５およびラチェット機構３をロータリソレノイド軸４に備えたソレノイド式割出盤１を図３に描いた。排気穴２も備えている。本実施例の排気穴はソレノイドの回転角度に応じて弁が開閉する構造になっている。位置決めで準安定状態の谷部の場合には弁が閉じていて山部の場合には弁が開いた状態になる。この割出盤には水冷パイプ６も備えている。この水冷パイプはソレノイドおよび回転軸の軸受け部分を冷却するためのものである。水冷パイプの先端は真空ジョイントが接続できるように円筒状をしている。
【００１１】
本発明の実施例６について説明する。図２に示した位置決め機構の歯車が均等分割ではなく、不均等分割である例である。円周を均等に分割せずに、１２時の位置から時計回りに歯車の谷位置を記述することにして、０°、２５°、６０°、８５°、１２０°、１４５°、１８０°、２０５°、２４０°、２６５°、３００°、３２５°の位置に谷が来るような歯車を用意する。この歯車は２５°、３５°、２５°、３５°、・・・というピッチで歯車が刻まれている。
【００１２】
本発明の実施例７について図４を用いて説明する。図４はソレノイドへの駆動電圧印加を示すタイミングチャートである。０Ｖから２４Ｖに昇圧することでロータリソレノイドが回転をする。この際、０Ｖから２４Ｖまでの変化を瞬間的（０．１秒以下）に行うと本来の２４Ｖの回転位置で止まらずにそれよりも余計に回転した位置まで瞬間的に回転してしまい、その直後に本来の位置まで戻ろうとするがさらに戻りすぎて本来の位置よりも少ない回転位置まで行き過ぎて、その位置から再び本来の位置に戻るといった、オーバーシュートをきっかけとした振動が生じてなかなか本来の位置に戻らない。また、その振動の過程で準安定状態で静止してしまい本来の位置と異なる位置となってしまう、もしくはオーバーシュートによって機構が破壊されてしまうといった問題があった。そこで（ａ）に示すように０Ｖから２４Ｖまでの変化を緩やかにした駆動タイミングを採用したところ実験で用いた系では１．５秒程度の期間の間に線形に電圧を上昇させることでオーバーシュートのない滑らかな回転が行えることを確認した。デジタル制御系においてアナログ駆動電圧を作り出したくない場合があったので、この場合には（ｂ）および（ｃ）の方法を採用した。（ｂ）の方法は２４Ｖの電圧に対してその１／３および２／３の電圧８Ｖ，１６Ｖを作っておき、一定期間はそれぞれの電圧を印加する４値（０，８，１６，２４）電圧駆動法である。各電圧を１秒づつ印加して合計３秒で２４Ｖに至らせる方法である。この分割数は増やすことが可能である。（ｃ）の方法は電圧そのものは２値である。０Ｖから２４Ｖに至る過渡期間に０Ｖと２４Ｖの値を持つパルスを印加して期間の前半では０Ｖのｄｕｔｙが大きいパルス、後半では２４Ｖのｄｕｔｙが大きいパルスを配置する。ソレノイドが持つ駆動の時定数よりもはるかに細かいパルスを印加することでソレノイド自身は１つのパルスの０Ｖ，２４Ｖの変化には応じずにそのｄｕｔｙに応じた変化をする。例えば０Ｖ：２４Ｖの比率が９０％、１０％のパルスが印加されると２．４Ｖの電圧が印加されたのと同様な回転をする。この特性を利用して（ｃ）のパルスによって（ａ）と類似した動作をソレノイドにさせることができる。電圧を何種類も作らなくて済むので電源回路が単純化できる。
【００１３】
本発明の実施例８を図５を用いて説明する。位置決め機構は（ａ）に示した構造である。スプリングを利かせたツメが歯車にかみ合うことで位置が決まる。（ｂ）はラチェット機構である。（ｃ）は位置決め機構５とラチェット機構３を実際にソレノイド７に組み合わせたソレノイド式割出盤１である。ソレノイド７の回転はロータリソレノイド軸４からラチェット機構によって位置決め機構の軸に伝えられる。このラチェット機構について図５（ｂ）と（ｃ）を用いて詳しく述べる。ロータリソレノイド軸の回転はラチェット機構の羽８に伝えられる。この羽にはスプリングで制御されたツメが備えられていて、ラチェット機構の歯車に伝えられる。回転の方向はラチェット機構によって一定方向に限られる、逆方向は空回りする。図５（ｃ）においてロータリソレノイド軸が切れていて位置決め機構へはラチェット機構の羽でその回転を伝えていることを側面図で示している。
【００１４】
【発明の効果】
本発明のソレノイド式割出盤を用いると真空装置内部に回転機構を簡便に設置できる。真空装置内部に機構部分を全て挿入することでこの割出盤専用のポートを設ける必要がなく、真空装置の設計の自由度が向上する。ガス放出が少ないので高真空度においても使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例３を示す正面図である。
【図２】本発明の実施例４を示す部分拡大図である。
【図３】本発明の実施例４を示す側面図である。
【図４】本発明の実施例７を示す電圧印加関係図である。
【図５】本発明実施例８の駆動機構説明図である。
【符号の説明】１はソレノイド式割出盤、２は排気穴、３はラチェット機構、４はロータリソレノイド軸、５は位置決め機構、６は水冷パイプ、７はソレノイド、８は羽である。