(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023012878
(43)【公開日】2023-01-26
(54)【発明の名称】嵌合体および接続機構
(51)【国際特許分類】
C04B 37/00 20060101AFI20230119BHJP
【FI】
C04B37/00 Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2021116610
(22)【出願日】2021-07-14
(71)【出願人】
【識別番号】000006633
【氏名又は名称】京セラ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110003029
【氏名又は名称】弁理士法人ブナ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】浜島 浩
【テーマコード(参考)】
4G026
【Fターム(参考)】
4G026BA03
4G026BB03
4G026BE04
4G026BG05
4G026BH13
(57)【要約】
【課題】高い断熱性を有する嵌合体およびこの嵌合体を有する接続機構を提供する。
【解決手段】本開示の第1の嵌合体は、少なくとも先端部が酸化アルミニウムを主成分とする第1セラミックスからなる柱状体と、前記先端部が挿入される凹部を有する、酸化アルミニウムを主成分とする第2セラミックスからなる基体とを備える。前記先端部は、凹部に嵌合され、先端部の先端面と、凹部の内底面との間に間隙を有する。
【選択図】
図3
【特許請求の範囲】
【請求項1】
少なくとも先端部が酸化アルミニウムを主成分とする第1セラミックスからなる柱状体と、
前記先端部が挿入される凹部を有する、酸化アルミニウムを主成分とする第2セラミックスからなる基体とを備えてなり、
前記先端部は、前記凹部に嵌合され、前記先端部の先端面と、前記凹部の内底面との間に間隙を有する、嵌合体。
【請求項2】
酸化アルミニウムを主成分とする第1セラミックスからなる凸部と、該凸部を支持する基部とを有する第1部材と、
前記凸部が挿入される凹部を有する、酸化アルミニウムを主成分とする第2セラミックスからなる第2部材とを備えてなり、
前記凸部は、前記凹部に嵌合され、前記凸部の先端面と、前記凹部の内底面との間に間隙を有する、嵌合体。
【請求項3】
前記凹部の軸心における前記間隙の幅が0.03mm以上である、請求項1または2に記載の嵌合体。
【請求項4】
前記第1セラミックスは、前記第2セラミックスよりも酸化アルミニウムの含有量が多い、請求項1~3のいずれかに記載の嵌合体。
【請求項5】
前記第2セラミックスに含まれる酸化アルミニウムの含有量は、95質量%以上である、請求項4に記載の嵌合体。
【請求項6】
前記第1セラミックスおよび前記第2セラミックスは、珪素、マグネシウムおよびカルシウムを含み、これらの元素を酸化物に換算した含有量の合計が第1セラミックスの方が第2セラミックスよりも少ない、請求項1~5のいずれかに記載の嵌合体。
【請求項7】
前記第2セラミックスに含まれる珪素、マグネシウムおよびカルシウムを酸化物に換算した含有量の合計は、1質量%以下である、請求項6に記載の嵌合体。
【請求項8】
前記第1セラミックスは、前記第2セラミックスよりも酸化アルミニウムの結晶粒子の円相当径の平均値が小さい、請求項1~7のいずれかに記載の嵌合体。
【請求項9】
請求項1~8のいずれかに記載の嵌合体を有する、接続機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、嵌合体およびこの嵌合体を有する接続機構に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、セラミックス同士を嵌合するのに焼き嵌めが用いられている。例えば、特許文献1では、透光性アルミナからなる筒状の容器本体の両端に、透光性アルミナからなるエンドキャップを焼き嵌めにより気密接合し、内部に放電空間を形成した高圧放電ランプが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献1で提案された高圧放電ランプは、透光性アルミナという熱伝導率の高いセラミックスを用い、隙間なく焼き嵌めすることにより形成されている。透光性アルミナは粒径の大きい結晶粒子からなり、熱伝導の妨げとなる粒界相の占める割合が少ない上、隙間なく焼き嵌めされているため、透光性アルミナ同士の嵌合部における熱伝導は良好になる。そのため、高い断熱性が求められる用途に、透光性アルミナの嵌合体は適さないという問題があった。
【0005】
本開示の課題は、高い断熱 性を有する嵌合体およびこの嵌合体を有する接続機構を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記課題を解決するための本開示の第1の嵌合体は、少なくとも先端部が酸化アルミニウムを主成分とする第1セラミックスからなる柱状体と、前記先端部が挿入される凹部を有する、酸化アルミニウムを主成分とする第2セラミックスからなる基体とを備える。前記先端部は、前記凹部に嵌合され、先端部の先端面と、凹部の内底面との間に間隙を有する。
【0007】
本開示の第2の嵌合体は、酸化アルミニウムを主成分とする第1セラミックスからなる凸部と、該凸部を支持する基部とを有する第1部材と、前記凸部が挿入される凹部を有する、酸化アルミニウムを主成分とする第2セラミックスからなる第2部材とを備える。前記凸部は、前記凹部に嵌合され、前記凸部の先端面と、前記凹部の内底面との間に間隙を有する。
【0008】
本開示の接続機構は、上記第1または第2の嵌合体を有する。
【発明の効果】
【0009】
本開示の第1の嵌合体は、柱状体および基体がいずれも熱伝導率が低い酸化アルミニウムを主成分とするセラミックスから形成され、しかも柱状体の先端部は基体の凹部に嵌合され、該先端部の先端面と、凹部の内底面との間に間隙があるので、断熱性が向上する。
本開示の第2の嵌合体は、第1部材および第2部材がいずれも熱伝導率が低い酸化アルミニウムを主成分とするセラミックスから形成され、しかも第1部材の凸部は、第2部材の凹部に嵌合され、該凸部の先端面と凹部の内底面との間に間隙があるので、断熱性が向上する。
従って、第1または第2の嵌合体を有する接続機構は、断熱体に適用するのに好適である。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【
図1】本開示の一実施形態に係る嵌合体を有する断熱体を示す斜視図である。
【
図4】本開示の他の実施形態に係る嵌合体を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、本開示の一実施形態に係る嵌合体およびこの嵌合体を有する接続機構を説明する。
図1は、本開示の一実施形態に係る嵌合体を有する板状の断熱体1を示している。
【0012】
この断熱体1は、
図2に示すように、周縁に立ち上り部21を設けた基体2と、この基体2の上面に配置された蓋体3とを備える。蓋体3の下面周縁は、基体2の立ち上り部21上面に第1接合層4を介して接合され、基体2と蓋体3との間に内部空間5が形成されている。内部空間5内を真空加熱処理等により真空状態に維持することにより、断熱体1に高い断熱性を付与する。
【0013】
断熱体1には、減圧に耐え得るように、内部空間5内に複数の柱状体6が所定の間隔で配設されている。柱状体6は、基体2と蓋体3との間に介在して、基体2と蓋体3との間に一定の間隙を保持させるものである。
内部空間5は、断熱層として機能する。内部空間5の幅Wは、10mm以上60mm以下であるのがよい。基体2と蓋体3の厚さは、それぞれ10mm以上30mm以下であるのがよい。
【0014】
図3は、柱状体6を凹部7に嵌合した嵌合体の一例を示している。
図3に示すように、蓋体3の内表面には凹部7が形成されており、この凹部7に柱状体6の先端部が挿入される。柱状体6は、凹部7に嵌合された状態となり、断熱体1は、柱状体6の先端面と、凹部7の内底面との間に間隙8を有する。これにより、断熱性が向上する。凹部7の軸心における間隙8の幅wは、0.03mm以上であるのがよい。これにより、間隙8が占める空間が大きくなるため、断熱性がさらに向上する。幅wは、凹部7の深さの1/2以下であるのがより好ましい。幅wが凹部7の深さの1/2以下であると、凹部7に挿入された柱状体6の先端部が嵌合、固定された後、振動や引抜力が加わっても十分耐えることができる。
一方、柱状体6の後端部は、第2接合層9を介して蓋体3の内表面に接合される。
【0015】
本開示において、柱状体6は、少なくとも先端部が酸化アルミニウムを主成分とする第1セラミックスからなる。また、基体2は、酸化アルミニウムを主成分とする第2セラミックスからなる。
第1セラミックスおよび第2セラミックスは、いずれも20℃における熱伝導率が33W/(m・K)以下、好ましくは32W/(m・K)以下であるのがよい。このように、柱状体6の先端部および基体2がいずれも熱伝導率が低いセラミックスから形成されているので、断熱性が確保される。
熱伝導率は、JIS R 1611:2010に準拠して求めればよい。
【0016】
柱状体6の先端部を形成する第1セラミックスは、基体2の第2セラミックスよりも酸化アルミニウムの含有量が多いのがよい。これにより、第1セラミックスに含まれるガラス成分(焼結助剤)が第2セラミックスに含まれるガラス成分(焼結助剤)よりも少なくなるため、柱状体6の先端部の3点曲げ強度、剛性等の機械的特性が高くなる。一方、柱状体6の先端部の外周面に対向する凹部7の内周面からはガラス成分が後述する焼成で溶出しやすくなるため、嵌合強度が高くなり、柱状体6の後端部側から外圧がかかっても間隙8が塞がれるのを抑制することができる。
ここで、第2セラミックスに含まれる酸化アルミニウムの含有量は、95質量%以上、好ましくは96質量%以上99質量%以下であるのがよい。
【0017】
第1セラミックスおよび第2セラミックスは、酸化アルミニウムを主成分とし、珪素、マグネシウムおよびカルシウムを含んでいてもよい。具体的には、珪素は、酸化物に換算して、0.01質量%以上1質量%以下含んでいてもよい。マグネシウムは、酸化物に換算して0.1質量%以上0.4質量%以下含んでいてもよい。カルシウムは、酸化物に換算して0.01質量%以上1質量%以下含んでいてもよい。
珪素、マグネシウムおよびカルシウムの元素を酸化物に換算した含有量の合計は、第1セラミックスの方が第2セラミックスよりも少ないのがよい。これにより、第1セラミックスの高温クリープ性が高くなるため、柱状体6の先端部を長くしても長期間に亘って高温環境下で用いることができる。特に、上記元素を酸化物に換算した含有量の合計の差は、0.6質量%以上1質量%以下であるとよい。
【0018】
第2セラミックスに含まれる珪素、マグネシウムおよびカルシウムを酸化物に換算した含有量の合計は、1質量%以下であるのがよい。これにより、第1セラミックスおよび第2セラミックスからなる基体2の剛性を高くすることができる。
ここで、第1セラミックスにおける上記元素を酸化物に換算した含有量の合計は、例えば、0.17質量%以上0.57質量%以下である。
第1セラミックスおよび第2セラミックスにおける主成分とは、それぞれのセラミックスを構成する成分100質量%のうち、90質量%以上を占める成分をいい、各成分は、CuKα線を用いたX線回折装置で同定すればよい。同定された成分の含有量は、ICP(Inductively Coupled Plasma)発光分光分析装置または蛍光X線分析装置(XRF)を用いて、元素の含有量を求め、同定された成分に換算して求めればよい。
【0019】
第1セラミックスは、第2セラミックスよりも酸化アルミニウムの結晶粒子の円相当径の平均値が小さいのがよい。これにより、先端部の3点曲げ強度、剛性等の機械的特性が高くなるので、先端部や後述する凸部を長くすることができる。上記円相当径は、以下の手順に従って求めればよい。
まず、基体2および柱状体6の先端部の各断面を鏡面になるまで研磨する。
具体的には、以下の第1研磨~第3研磨を順次行う。
(1)第1研磨:平均粒径D50が45μmのダイヤモンド砥粒を用いたダイヤモンドディスクによる研磨
(2)第2研磨:平均粒径D50が3μmのダイヤモンド砥粒を用いた銅板による研磨
(3)第3研磨:平均粒径D50が0.5μmのダイヤモンド砥粒を用いた錫板による研磨
上述した方法によって得られた研磨面を1350℃で熱処理して得られる面を、デジタルマクロスコープ(VHX-500)を用い、400倍の倍率で撮影することで求められる。具体的には、撮影された画像のうち、面積が7.2×10-3mm2の範囲を計測範囲とする。画像解析ソフト(例えば、三谷商事(株)製、Win ROOF)を用いて上記計測範囲を解析することによって酸化アルミニウムの結晶粒子の円相当径を得ることができる。解析するに当たり、円相当径の閾値は、0.2μmとし、0.2μm以下の円相当径は平均値の算出の対象とはしない。
【0020】
この測定方法で求められる第1セラミックスおよび第2セラミックスの円相当径の平均値はいずれも透光性アルミナ(例えば、LUCALOX、ジェネラル・エレクトリック(株)商標)の円相当径の平均値(31.6μm~53.6μm)よりも小さい。例えば、第1セラミックスの円相当径の平均値は3μm以上8μm以下であり、第1セラミックスの円相当径の平均値は10μm以上30μm以下である。そして、第1セラミックスおよび第2セラミックスは、いずれも可視光線を透過せず、相対密度は96%以上である。第1セラミックスの相対密度は、第1セラミックスの理論密度に対する見掛密度の百分率であり、見掛密度は、JIS R 1634:1998に準拠して求められる。第2セラミックスの相対密度も同じ方法で求めることができる。
【0021】
次に、断熱体1の製造方法を説明する。
まず、基体2を作製する工程を説明する。第2セラミックスの主成分である酸化アルミニウム粉末(純度が99.9質量%以上)と、酸化珪素、水酸化マグネシウムおよび炭酸カルシウムの各粉末とを粉砕用ミルに溶媒(イオン交換水)とともに投入して、粉末の平均粒径(D50)が1.5μm以下になるまで粉砕した後、有機結合剤と、酸化アルミニウム粉末を分散させる分散剤とを添加、混合してスラリーを得る。
【0022】
ここで、上記粉末の合計100質量%における酸化珪素粉末の含有量は0.01~0.05質量%、水酸化マグネシウム粉末の含有量は0.15~0.57質量%、炭酸カルシウム粉末の含有量は0.9~1.8質量%であり、残部が酸化アルミニウム粉末および不可避不純物である。
【0023】
有機結合剤は、アクリルエマルジョン、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキサイド等である。
【0024】
次に、スラリーを噴霧造粒して顆粒を得た後、顆粒を成形型に充填する。1軸プレス成形装置または冷間静水圧加圧装置を用いて、成形圧を78Mpa以上128MPa以下として成形型に充填された顆粒を加圧して矩形板状の成形体を得る。そして、切削加工により、焼成後、凹部7となる窪みと、蓋体3を接合した後、内部空間5となる囲繞空間とを成形体1にそれぞれ形成する。囲繞空間とは、成形体の厚み方向に一方が開口し、外縁が取り囲まれた空間である。窪みの内底面にはカーボンシート(図示せず)を敷いておく。カーボンシートの厚さは、形成する間隙8の幅wと同じでよい。カーボンシートは、脱脂性を考慮すると、多孔質であるとよく、特に、気孔率が30%以上80%以下であるとよい。
【0025】
一方、柱状体6の成形体は、基体2と同様にして得られる。このとき、柱状体6の成形体を構成する原料粉末の合計100質量%における酸化珪素粉末の含有量は0.3~1質量%、水酸化マグネシウム粉末の含有量は0.15~0.57質量%、炭酸カルシウム粉末の含有量は0.018~0.9質量%であり、残部が酸化アルミニウム粉末および不可避不純物である。
【0026】
作製された柱状体6の成形体を焼成して焼結体を得る。焼成雰囲気は大気雰囲気、減圧雰囲気、または真空雰囲気で、焼成温度は1500℃以上1700℃以下で、保持時間を4時間以上6時間以下とするのがよい。焼結体である柱状体6の先端部を凹部に挿入した状態で、上述した焼成条件と同じ焼成条件によって矩形板状の成形体を焼成する。これにより、焼成収縮によって柱状体6の先端部が凹部7に嵌合されると共に、カーボンシートは消失し、柱状体6の先端面と、凹部7の内底面との間に間隙8が形成される。
【0027】
次に、蓋体3を取り付けるが、蓋体3がセラミックス(例えば、基体2と同様な酸化アルミニウムを主成分とするセラミックス)の場合、柱状体6の他方の端面および基体2の周縁に位置する立ち上り部21の端面にそれぞれガラス・ペーストを塗布して、ガラス接合を行い、断熱体1を得る。
【0028】
一方、蓋体3が金属(例えば、SUS304、SUS630等のステンレス、アルミニウム等)の場合、柱状体6の他方の端面および基体2の周縁に位置する立ち上り部21の端面にそれぞれろう材(例えば、Ag 63~70.5質量%-Cu 27.5~35質量%-Ti 2質量%)を塗布して、ろう接し、断熱体1を得る。
【0029】
次に、本開示の他の実施形態に係る嵌合体を
図4に基づいて説明する。なお、
図3に示す嵌合体と同じ構成部材には同一の符号を付して説明を省略する。
この実施形態では、凸部11bと該凸部11bを支持する基部11aとを有する第1部材11と、凸部11bが挿入される凹部17を有する第2部材12とを備える。凸部11bは、凹部17に嵌合され、凸部11bの先端面と、凹部17の内底面との間に間隙8を有する。
【0030】
第1部材11は、前記した柱状体6と同様に、少なくとも凸部11bは、酸化アルミニウムを主成分とする第1セラミックスからなる。また、第2部材12は、前記した基体2と同様に、酸化アルミニウムを主成分とする第2セラミックスからなる。
凸部11bは、例えば、切削加工によって形成することができる。
【0031】
図3または
図4に示す嵌合体を用いて作製された断熱体1は、例えば、半導体製造装置や、プラズマ装置等に使用可能であるが、これらの用途に限定されるものではない。また、
図3または
図4に示す嵌合体は、断熱体1への利用だけでなく、嵌合を必要とする様々な用途に利用可能である。
【0032】
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、本開示の範囲内で種々の変更や改善が可能である。
【符号の説明】
【0033】
1 断熱体
2 基体
21 立ち上り部
3 蓋体
4 第1接合層
5 内部空間
7 凹部
8 間隙
9 第2接合層
11 第1部材
11a 基部
11b 凸部
12 第2部材
17 凹部
【手続補正書】
【提出日】2021-07-15
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0005
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0005】
本開示の課題は、高い断熱性を有する嵌合体およびこの嵌合体を有する接続機構を提供することである。