(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上端部が容器に保持され、内部に冷媒が収納される冷媒タンクの底部付近を支持ステーにより３点支持する保持装置において、上記支持ステーは針状先端部を有し、ステーに設けられた回転軸により先端部側が鉛直方向に回転可能で、前記針状先端部を容器壁または冷媒タンクに形成した窪みと係合させて冷媒タンクを３点支持するようにしたことを特徴とする冷媒タンクの保持装置。
【請求項２】
上端部が容器に保持され、内部に冷媒が収納される冷媒タンクの底部付近を支持ステーにより３点支持する保持装置において、上記支持ステーは針状先端部を有するとともに、撓み性と弾力性を有し、前記針状先端部を容器壁または冷媒タンクに形成した窪みと係合させて冷媒タンクを３点支持するようにしたことを特徴とする冷媒タンクの保持装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は液体窒素等を収容する冷媒タンクを保持する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１は従来のクライオスタットと真空チャンバーの構成を示す図である。
内部が真空のクライオスタットチャンバー３内には冷媒タンク１，２が配置され、熱の冷媒への流入を極力減らして冷却保持時間を長くするために冷媒タンクを支持するロッドの上端部をクライオスタットチャンバーに溶接部Ｗで溶接し、最小限の支持により固定している。クライオスタットチャンバー３の下端部は試料ステージ側の真空チャンバー６とその外壁７においてフランジ５によりボルト８で接続固定している。冷媒タンク１の底面にはヒートコンダクタ９が取り付けられて試料ステージ側に延びている。このヒートコンダクタ９を通して試料ステージ側を冷媒タンクにより冷却する。
【０００３】
このようなクライオスタットを、電子顕微鏡、走査型プローブ顕微鏡等の高分解能の表面分析装置に冷却装置として使用する場合には以下のような問題が起こる。
タンクが冷媒を保持している限り、冷媒は蒸発、対流、沸騰等の状態にあり、冷媒の蒸発、対流、沸騰時の音や動きは振動となって冷媒タンクを揺らすことになる。タンクの振動は主に２つの経路を経て表面分析装置の試料ステージに伝達される。１つはタンク底部からヒートコンダクタを経て、試料ステージに伝達する経路であり、もう１つはタンク底部、クライオスタットのチャンバー、表面分析装置のチャンバーを経て、試料ステージに伝達する経路である。この結果、高分解能の表面分析装置の試料ステージが振動し、分解能の低下を招く。
【０００４】
従って、分解能の低下を防ぐために冷媒タンクを溶接部とは別に支持固定し、振動を抑えることが必要となる。振動は上端部を固定する溶接部Ｗを中心とする振り子運動である。従って、最も振動、振幅の大きいところは、冷媒タンク底部である。よって、タンク底部を支持固定することが大切である。
【０００５】
図２は従来の支持固定方法を説明する図で、図１のＣ部分を示しており、図２（ａ）は側断面図、図２（ｂ）は平断面図である。なお、図２（ａ）のＡ，Ｂは図１のＡ，Ｂに対応してそれぞれチャンバー外壁の支持ステー固定位置、冷媒タンク外面位置を表している。
図示するように、支持ステー１０の端部をチャンバー外壁７に固定ネジ１１で固定し、支持ステー先端部を冷媒タンクの外面に当接させて冷媒タンク底部付近を３点で支持固定する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際には、熱による冷媒タンクの伸縮があり、しかも底部になるほど溶接部から遠ざかるために、冷媒タンクの伸縮が顕著になる。さらに外部から冷媒への熱の流入が多くなり、冷媒の保持時間が短縮され易い。この収縮について、図３、図４により説明する。
【０００７】
図３は冷媒タンクの収縮を説明する図であり、図３（ａ）は冷媒タンクが室温の状態を示し、このときのチャンバー外壁の位置をＡ、冷媒タンクの表面位置をＢとする。図３（ｂ）はタンクに冷媒を保持している状態を示し、チャンバー外壁は室温、冷媒タンクは低温となり、冷媒の冷熱によりタンクは半径の中心方向にａだけ収縮して距離ＡＢはＡＢ′に伸び、また、タンク底部は上方にｂだけ収縮する。図３（ｃ）は内蔵ヒータ等により冷媒タンクをベーク中の状態を示し、チャンバー外壁は室温＋αに上昇し、冷媒タンクは高温となって半径の中心方向にｃだけ膨張して距離ＡＢはＡＢ″に縮み、また、タンク底部は下方にｄだけ伸びる。
【０００８】
図４は冷媒タンクの収縮を説明する図であり、図４（ａ）は冷媒タンクが室温の状態を示し、このときのチャンバー外壁の位置をＡ、Ａと高さの異なる冷媒タンクの表面位置をＢ、両者の間隔をｄとする。図４（ｂ）はタンクに冷媒を保持して到達温度にある状態を示し、チャンバー外壁は室温、冷媒タンクは低温となり、冷媒の冷熱によりタンクは半径の中心方向にａだけ収縮し、タンク底部は上方にｂだけ収縮する。その結果、間隔はｄ′（＝ｄ＋ａ）に伸び、位置Ｂは斜め上方の位置Ｂ′に変位する。
【０００９】
このように、冷媒タンクの熱伸縮により、特に冷媒時、チャンバ外壁と冷媒タンク外面との距離が伸びる（図３（ｂ）、図４（ｂ））ため、支持ステーの長さが足りなくなり、冷媒タンクを支持できなくなって、冷媒によるタンクの振動を抑えることができない。
【００１０】
本発明は上記課題を解決するためのもので、冷媒タンクの振動を無くし、かつ冷却保持時間を確保し、表面分析装置による高分解能の冷却試料の観察を可能にすることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上端部が容器に保持され、内部に冷媒が収納される冷媒タンクの底部付近を支持ステーにより３点支持する保持装置において、上記支持ステーは針状先端部を有し、ステーに設けられた回転軸により先端部側が鉛直方向に回転可能で、前記針状先端部を容器壁または冷媒タンクに形成した窪みと係合させて冷媒タンクを３点支持するようにしたことを特徴とする。
また、本発明は、上端部が容器に保持され、内部に冷媒が収納される冷媒タンクの底部付近を支持ステーにより３点支持する保持装置において、上記支持ステーは針状先端部を有するとともに、撓み性と弾力性を有し、前記針状先端部を容器壁または冷媒タンクに形成した窪みと係合させて冷媒タンクを３点支持するようにしたことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図５はバネ付支持ステーによる冷媒タンクを保持する例を示す図で、図５（ａ）はバネ付支持ステーを示す図、図５（ｂ）は冷媒タンクを固定したときの上面図である。図５（ａ）に示すように、バネ付支持ステー２０は、一端が固定ネジ２１に、他端がステー先端部のバネ弾性調整ナット２３にそれぞれ取り付けられたコイル状バネ２２が巻回され、長さ調整ネジ２４で長さが調整できると共に、冷媒タンクとの接触摺動部となる先端部分が熱絶縁体２５で形成されている。
固定ネジ２１はステーを取り付けて固定するためのもの、バネ２２は冷媒タンクの伸縮と振動を吸収するためのもの、バネ弾性調整ナット２３はバネの初期力を調整するためのもの、長さ調整ネジ２４は室温時のステーの長さを調整し、３点支持する３つのステーのネジを調整して冷媒タンクの中心位置を調整するためのもの、熱絶縁体２５は冷媒タンクへの熱の流入を抑えるためのものである。図５（ｂ）に示すように、このバネ付支持ステー２０により冷媒タンク底部付近を３点支持し、バネの伸縮で冷媒タンクの熱伸縮、振動を吸収する。
【００１３】
図６は冷媒タンクの熱伸縮に対するバネ付支持ステーの追従を説明する図である。
図６（ａ）は冷媒タンクが室温の状態を示し、バネ付支持ステー２０の長さを調整してチャンバー外壁に固定ネジで取付けて熱絶縁体からなる先端部を冷媒タンク表面に当接させて３点支持する。図６（ｂ）は冷媒タンクに冷媒を保持している低温状態を示し、冷媒の冷熱によりタンク表面は半径の中心方向、タンク底部は上方にそれぞれ収縮するが、これに追従してバネ付支持ステーのバネが伸びるとともに、先端部がタンク表面と摺動して３点支持が維持される。図６（ｃ）は内蔵ヒータ等により冷媒タンクをベークした状態を示し、熱によりタンクは膨張し、チャンバー外壁と冷媒タンク間の距離は短縮し、タンク底部は下方に伸びるが、バネ付支持ステーがこれに追従して収縮するとともに、先端部がタンク表面と摺動して３点支持が維持される。こうして、室温、低温、高温のどのような温度条件にあっても冷媒タンクはバネ付支持ステーにより支持固定される。
【００１４】
図７はバネ付き支持ステー２０の変形例を示す図である。
基本的構成は図５（ａ）に示したものと同じであるが、図７（ａ）では先端部分をボールベアリング２６とし、一部に熱絶縁体を設けた点のみ異なっている。このように先端部分をボールベアリングとしたことにより、冷媒タンクの熱伸縮が大きい場合に有効で、効果的に冷媒タンク表面と摺動して熱伸縮に追従することができる。図７（ｂ）は基本的構成は図５（ａ）に示したものと同じであるが、バネ付支持ステーのバネとして板バネ２７を使用した点のみ異なっている。この例のものでも図５（ａ）のものと同様有効に冷媒タンクの３点支持することができる。
【００１５】
図８はシールド板がある場合の冷媒タンクの支持固定例を示す図である。
この例においては、クライオスタット３の壁にバネ付支持ステー２０を３箇所取り付けてシールド板４を外側から３点支持すると共に、冷媒タンクにバネ付支持ステーを３箇所取り付けてシールド板４と冷媒タンク間を３点支持する。このような支持方法により、シールド板を介して冷媒タンクが３点支持されるので、熱の流入を一層少なくし、かつ確実な支持を行うことができる。
【００１６】
なお、上記の各例においてはバネ付支持ステーを３個用いるようにしたが、４個以上で支持するようにしてもよく、また支持ステーの向きは、冷媒タンク外壁に固定して先端部をチャンバー内壁側にするうにしても良い。但し、この場合は支持ステーの固定部のネジが受け入れるだけの厚さのタンクが必要である。厚さが不足する場合には、同材のもので厚みを増すようにすれば良い。
【００１７】
次に、支持ステーと補正パーツを用いた本発明の他の例について説明する。
図９は支持ステーと補正パーツを説明する図で、図９（ａ）に示すように、支持ステー３０は金属または熱絶縁体製で冷却タンクを支持する部材であり、根元部に室温時のタンクの位置を調整してタンクの中心位置を調整する長さ調整ネジ３２が形成され、ステーを固定するための固定ナット３１が取付けられている。先端部は熱絶縁体３３で形成されて外部から冷媒への熱の流入を抑えるようにしている。なおステーが金属の場合には、接触摺動部に熱絶縁体を設け、ステーの全体または一部が熱絶縁体の場合は接触摺動部を金属にすることもできる。
【００１８】
図９（ｂ）は支持ステー３０の接触摺動部と係合する補正パーツを示しており、上端と下端に支持ステーの係合が外れるの防止する脱落防止面４１，４２が形成され、上下方向に所定のテーパーを有する補正面４３を有している。初期点４４は室温時にステー先端部が接触する摺動部の位置を示している。なお、図のａはタンク冷却時の半径方向の収縮補正分、ｂはタンク冷却時の鉛直方向の収縮補正分、ｃはタンク加熱時の半径方向の伸長補正分、ｄはタンク加熱時の鉛直方向の伸長補正分、ｅは補正パーツの冷却時の半径方向の収縮補正分、ｆは補正パーツの冷却時の鉛直方向の収縮補正分、ｇは補正パーツの加熱時の半径方向の伸長補正分、ｈは補正パーツの加熱時の鉛直方向の伸長補正分である。
【００１９】
図１０は支持ステーと補正パーツの３組で冷媒タンクを支持固定した場合の上面図である。冷媒タンク１に補正パーツ４０を３点取付け、これと対向してクライオスタット外壁に支持ステー３０を取り付けて３点で支持する。このような方法により固定した場合の熱による伸縮に対する支持ステーと補正パーツの追従について説明する。
【００２０】
図１１は熱による伸縮に対する支持ステーと補正パーツの追従を説明する図である。
図１１（ａ）は冷媒タンクが室温の状態を示し、支持ステー３０と補正パーツ４０とは初期位置で係合し３点支持している。図１１（ｂ）は冷媒タンクに冷媒を保持して低温状態にあることを示し、冷媒の冷熱によりタンクは半径の中心方向へａ、上方にｂ収縮する。もちろん補正パーツ自体も収縮する。この状態では、支持ステー３０は補正パーツ４０とは補正面の下端位置で係合し、支持が確保される。図１１（ｃ）は内蔵ヒータなどにより冷媒タンクをベークして高温状態にあることを示しており、熱によりタンクは半径方向外側へｃ、下方にｄ膨張し、補正パーツも同様に膨張する。この時、支持ステー３０は補正パーツ４０の上端位置で係合し、同様に支持は確保される。このように熱の伸縮があっても支持ステー３０と補正パーツ４０と支持点が追従し、効果的に支持を確保することができる。
【００２１】
図１２は補正パーツと係合する支持ステーの変形例を示す図である。この例においては、ステー３０の先端部にボールベアリング３４とその一部に熱絶縁体を設けたもので他の構成は図９（ａ）の場合と同様である。このように先端にボールベアリングを設けるーことにより、冷媒タンクの熱伸縮が大きい場合にボールベアリングが効果的に追従して支持が確保される。
【００２２】
図１３はシールド板がある場合において冷媒タンクを固定したときの上面図である。この例においては、シールド板の外側面に補正パーツ４０を３点取り付け、これと対向させて支持ステー３０をクライオスタット３の外壁に取り付け、支持ステーと補正パーツのセットでシールド板を外側から３点支持し、一方、シールド板４の内側面に補正パーツ４０を３点取付け、これと対向して冷媒タンク壁に支持ステー３０を取り付け、支持ステーと補正パーツのセットでシールド板と冷媒タンク間を３点支持する。こうして、シールド板を介して冷媒タンクが３点支持されるので、熱の流入をなくし、かつ確実な支持を行うことができる。
なお、上記の各例において、支持ステー３０と補正パーツ４０の取付け位置は逆の関係にしても良いことは言うまでもない。
【００２３】
次に、支持ステーを鉛直方向に回転または撓むようにして支持する例について説明する。
図１４は支持ステーの例を示す図で、図１４（ａ）は側面図、図１４（ｂ）は上面図である。支持ステー５０は根元側と先端側とが回転軸Ｐで連結されており、針状接触部を有する先端側が鉛直方向に矢印に示すように回転可能である。ステー５０の根元部分には、ステーを取付け固定する固定ネジ５１が形成され、ステーの長さを調整する長さ調整ナット５２が取付けられて、室温時のステーの長さを調整し、３点支持における冷媒タンクの中心位置が調整できるようになっている。
【００２４】
図１５は先端が針状で鉛直方向に回転可能な支持ステー５０による３点支持の例を示す図である。図１５（ａ）の上面図に示すように、支持ステー５０により３点支持し、このとき、ステーの先端の針状接触部が冷媒タンク側面と有効に係合するように、予めポンチ等で窪みＳを形成しておく。なお、図１５（ｂ）に示すように、支持ステー５０を冷媒タンク側に固定するようにしても良い。
【００２５】
図１６は冷媒タンクの熱による収縮と支持ステーの追従を説明する図である。図１６（ａ）は冷媒タンクが室温にある状態を示し、チャンバー外壁と冷媒タンクとの距離をｄ、回転軸Ｐで回転した支持ステー５０の先端側（回転軸Ｐの位置と窪みの位置Ｂを結べ直線ＰＢ）の水平に対する角度をθとする。図１６（ｂ）はタンクに冷媒を保持した低温の状態を示しており、冷媒タンクは半径方向にａ、上方向にｂだけ収縮して窪みの位置はＢ′となり、この時チャンバー外壁と冷媒タンクとの距離はｄ′（＝ｄ＋ａ）、支持ステー先端側は反時計方向に回転してＰＢ′となり、水平線とのなす角はθ′（＜θ）となる。このように冷媒保持時は冷媒タンクが収縮し、図１６（ａ）のＢ点は図１６（ｂ）のＢ′点にくるが、このとき、支持ステー５０のＰＢは点Ｐを軸として（θ−θ′）だけ反時計方向に回転する。冷媒タンクの最大収縮時に支持ステー５０の接触点Ｂ′の位置がＡ点より鉛直方向下側にあれば冷媒タンクが収縮してもＡＢ′間を支持ステー５０が突っ張り、常に冷媒タンクを支持することができる。このように、ＡＢ′間を支持ステー５０が突っ張るためには、図１７のように、支持ステー根元から回転軸Ｐまでの長さＬ１、回転軸Ｐから先端までの長さをＬ２とした時、次の条件を満足させる必要がある。
【００２６】
ＡＢ′≦Ｌ１＋Ｌ２
ａ＜Ｌ２（ cosθ′− cosθ）
一般に、クライオスタットタンクの材料となるステンレス、銅等は上記の条件を満たすように構成することが可能である。
【００２７】
図１８は針状先端部を有する支持ステー５０の変形例を示す図である。この例においては、支持ステーに回転軸を設けずにより簡素化したもので、支持ステー自身に撓みと弾性を持たせ、これにより熱収縮に追従させようとするもので、図１８（ａ）は撓んでいない状態、図１８（ｂ）は撓んだ状態を示しており、熱収縮の小さい小型の冷媒タンク等に有効である。
【００２８】
図１９はシールド板がある時の支持固定の例を示しており、針状先端部を有する支持ステー５０によりシールド板の外側から３点支持し、かつシールド板と冷媒タンク間に支持ステー５０を配置して３点支持する。こうして、シールド板を介して冷媒タンクが３点支持されるので、熱の流入をなくし、かつ確実な支持を行うことができる。
【００２９】
次に、振動防止機構を持たない従来の冷媒タンクにオプションとして振動防止機構を取り付ける例について説明する。
図２０はチャンバー内壁にあるリングに針状先端部を有する撓み性支持ステーを固定し、振動防止機構のない冷媒タンクに装着する例を示している。冷媒タンクの表面に窪みＳを形成し、チャンバー内壁のリングに支持ステー５０を取り付け、その針状先端部を窪みＳに係合させて３点支持するようにしたものであり、支持ステーの撓みと弾力性により振動を吸収することが可能である。
【００３０】
図２１は振動防止機構のない冷媒タンクに針状先端部を有する撓み性支持ステーを取付け、チャンバー内壁に窪みＳを形成し、針状先端部を窪みＳに係合させて３点支持するようにしたものであり、支持ステーの撓みと弾力性により振動を吸収することが可能である。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば支持ステーをバネ付、あるいは回転可能、あるいは撓み性として、また支持ステーと補正パーツとの組み合わせにより熱伸縮に追従させて常時支持してタンク内の冷媒の蒸発、対流、沸騰によるタンクの振動を防止ないしは吸収し、室温、冷媒による冷却時でも装置の分解能を下げずに像観察を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来のクライオスタットと真空チャンバーの構成を示す図である。
【図２】  従来の冷媒タンク支持固定方法を説明する図である。
【図３】  冷媒タンクの収縮を説明する図である。
【図４】  冷媒タンクの収縮を説明する図である。
【図５】  バネ付支持ステーによる冷媒タンクを保持する例を示す図である。
【図６】  冷媒タンクの熱伸縮に対するバネ付支持ステーの追従を説明する図である。
【図７】  バネ付支持ステーの変形例を示す図である。
【図８】  シールド板がある場合の冷媒タンクの支持固定例を示す図である。
【図９】  支持ステーと補正パーツを用いた本発明の他の例を示す図である。
【図１０】  支持ステーと補正パーツ３組で冷媒タンクを支持固定した場合の上面図である。
【図１１】  熱による伸縮に対する支持ステーと補正パーツの追従を説明する図である。
【図１２】  補正パーツと係合する支持ステーの変形例を示す図である。
【図１３】  シール板のある場合の冷媒タンクの固定を示す上面図である。
【図１４】  支持ステーを鉛直方向に回転させて支持する例を示す図である。
【図１５】  先端が針状で上下方向に回転可能な支持ステーによる支持の例を示す図である。
【図１６】  冷媒タンクの熱収縮と支持ステーの追従を説明する図である。
【図１７】  支持ステーの支持できる条件を説明する図である。
【図１８】  本発明の支持ステーの変形例を示す図である。
【図１９】  シールド板がある時の固定例を示す図である。
【図２０】  従来の冷媒タンクに振動防止機構を取付ける例を示す図である。
【図２１】  従来の冷媒タンクに振動防止機構を取付ける例を示す図である。
【符号の説明】
３…クライオスタット、４…シールド板、９…ヒートコンダクタ、２０…バネ付支持ステー、３０…支持ステー、４０…補正パーツ、５０…支持ステー。
【図１】
0003781579.tif 000002
【図２】
0003781579.tif 000003
【図３】
0003781579.tif 000004
【図４】
0003781579.tif 000005
【図５】
0003781579.tif 000006
【図６】
0003781579.tif 000007
【図７】
0003781579.tif 000008
【図８】
0003781579.tif 000009
【図９】
0003781579.tif 000010
【図１０】
0003781579.tif 000011
【図１１】
0003781579.tif 000012
【図１２】
0003781579.tif 000013
【図１３】
0003781579.tif 000014
【図１４】
0003781579.tif 000015
【図１５】
0003781579.tif 000016
【図１６】
0003781579.tif 000017
【図１７】
0003781579.tif 000018
【図１８】
0003781579.tif 000019
【図１９】
0003781579.tif 000020
【図２０】
0003781579.tif 000021
【図２１】
0003781579.tif 000022