特許 7390218 気密端子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-11-22

(45)【発行日】2023-12-01

(54)【発明の名称】気密端子

(51)【国際特許分類】

   H01R 9/16 20060101AFI20231124BHJP

【ＦＩ】

H01R9/16 101

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2020041035

(22)【出願日】2020-03-10

(65)【公開番号】P2021144801

(43)【公開日】2021-09-24

【審査請求日】2022-10-12

(73)【特許権者】

【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】大村 遥

【審査官】松原 陽介

(56)【参考文献】

【文献】特公昭５５－００２０６５（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】特開２０１９－１４９３０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特公昭６３－０３６０９８（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】特開昭４８－０６９０８８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｒ ９／１６

Ｈ０１Ｒ ２４／３８

Ｈ０１Ｒ ４３／２０

Ｈ０１Ｊ ５／０２

Ｂ２３Ｋ １／００－３／０８

Ｂ２３Ｋ ３１／０２，３３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

柱状または筒状の導通部材と、
該導通部材を挿入するための第１貫通孔を厚み方向に有する円板状の第１セラミック基板と、
第１端面および第２端面を有し、前記第１セラミック基板を囲繞する円筒体と、
前記円筒体を囲繞するための第２貫通孔を厚み方向に有する第２セラミック基板と、
前記第２端面の位置する側で前記第２セラミック基板を接合するパイプと、
を備えてなる気密端子であって、
前記第２セラミック基板の反対側に位置する前記パイプの第３端面は、前記第２端面から前記第２セラミック基板の反対方向に向かって離れた位置にある、気密端子。

【請求項2】

前記導通部材は、前記第１セラミック基板と対向する位置に縮径部を有する、請求項１に記載の気密端子。

【請求項3】

前記パイプの前記第３端面の側の端部を囲繞するフランジを備えてなる、請求項１または２に記載の気密端子。

【請求項4】

前記第１セラミック基板と前記導通部材とは接合されてなり、前記第１セラミック基板と前記導通部材との接合部は、前記フランジの前記第１端面側の主面から前記第１端面側に離れた位置にある、請求項３に記載の気密端子。

【請求項5】

前記第２セラミック基板と前記パイプとは接合されてなり、前記第２セラミック基板と前記パイプとの接合部は、前記フランジの前記第１端面側の主面から前記第１端面側に離れた位置にある、請求項３または４に記載の気密端子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、気密端子に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、真空機器、原子力機器等で用いられる気密端子は、中空の中心導体をセラミック基板に貫通して設け、セラミック基板の外周部に金属リングを嵌合する同軸形の気密端子が用いられている。

【0003】

このような気密端子として、例えば、特許文献１では、中空の中心導体と、この中心導体に嵌合してろう接された内側セラミックリングと、この内側セラミックリングの外周部に嵌合してろう接された金属リングと、この金属リングの外周部に嵌合された外側セラミックリングと、この外側セラミックリングを挾んで金属リングの外周部に嵌合してろう接され外側セラミックリングの両方の端面に夫々ろう接された一対の接合金属リングとを備えた気密端子が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特公昭６３－３６０９８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

昨今、気密端子の小型化が求められ、この小型化の要求に応じて、外側セラミックリングおよび内側セラミックリングも薄型化されつつある。フランジを溶接により、気密端子に装着する場合、溶接で生じる高熱が各部材を介して薄いセラミックリングに伝わると、特に、外側セラミックリングにクラックが生じやすいという問題が新たに生じるようになっている。

【0006】

本開示は、高熱がかかっても、外側セラミックリング等、外周側に配置されたセラミック基板にクラックが生じにくく、長期間に亘って用いることができる気密端子を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の気密端子は、柱状の導通部材と、該導通部材を挿入するための第１貫通孔を厚み方向に有する円板状の第１セラミック基板と、第１端面および第２端面を有し、前記第１セラミック基板を囲繞する円筒体と、前記円筒体を囲繞するための第２貫通孔を厚み方向に有する第２セラミック基板と、前記第２端面の位置する側で前記第２セラミック基板を接合するパイプと、を備えてなり、前記第２セラミック基板の反対側に位置する前記パイプの第３端面は、前記第２端面から前記第２セラミック基板の反対方向に向かって離れた位置にある。

【発明の効果】

【0008】

本開示の気密端子は、第２セラミック基板に高熱がかかってもクラックが生じにくいので、長期間に亘って用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本開示の気密端子の一例を示す断面図である。

【図2】（ａ）は図１の第２セラミック基板の接合部を拡大した断面図であり、（ｂ）は他の第２セラミック基板の接合部を拡大した断面図である。

【図3】（ａ）は図１の第１セラミック基板の接合部を拡大した断面図であり、（ｂ）、（ｃ）は他の第１セラミック基板の接合部を拡大した断面図である。

【図4】（ａ）は図１の導通部材の接合部を拡大した断面図であり、（ｂ）、（ｃ）は他の導通部材の接合部を拡大した断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。ただし、本明細書の全図において、混同を生じない限り、同一部分には同一符号を付し、その説明を適時省略する。

【0011】

図１は、本開示の気密端子の一例を示す断面図である。

【0012】

図２（ａ）は図１の第２セラミック基板の接合部を拡大した断面図であり、（ｂ）は他の第２セラミック基板の接合部を拡大した断面図である。

【0013】

図１に示す気密端子２０は、柱状の導通部材１を挿入するための第１貫通孔２を厚み方向に有する円板状の第１セラミック基板３と、第１端面４ｂおよび第２端面５ａを有し、第１セラミック基板３を囲繞する円筒体と、円筒体を囲繞するための第２貫通孔６を厚み方向に有する第２セラミック基板７と、第２端面の位置する側で第２セラミック基板７を接合するパイプ８とを備えている。なお、本実施形態では、上記円筒体は、第１円筒体４と、第１円筒体４と軸方向に沿って連結されてなる第２円筒体５とから成る例を示している。また、図１に示す導通部材１は、柱状であるが、筒状であってもよい。

【0014】

第１セラミック基板３は、中央に位置する基部３ａの各主面の両側から軸方向に向かって伸びる第１環状部３ｂおよび第２環状部３ｃを有している。例えば、第１セラミック基板３の外径は６ｍｍ以上１０ｍｍ以下であり、第１環状部３ｂと第２環状部３ｃとの環状端面間の間隔は４ｍｍ以上７ｍｍ以下である。

【0015】

第２セラミック基板７は、例えば、最外周の外径が１５ｍｍ以上１８ｍｍ以下であり、環状端面間の間隔が５ｍｍ以上９ｍｍ以下である。

【0016】

図２（ａ）に示す第２セラミック基板７は、外周面と同軸上の段差面に備えられた金属層１０を介し、ろう付け部１１によってパイプ８に接合されている。第１円筒体４は、パイプ８と反対側の位置で径方向の外方に向かって広がる鍔部４ａを備えており、パイプ８と反対側に位置する第２セラミック基板７の環状端面は、金属層１０を介し、ろう付け部１１によって鍔部４ａに接合されている。

【0017】

金属層１０は、第２セラミック基板７側に位置するメタライズ層１０ａと、メタライズ層１０ａ上に位置する被覆層１０ｂとからなる。メタライズ層１０ａは、モリブデンを主成分とし、マンガンを含む。被覆層１０ｂは、ニッケル、銅または銅ニッケル合金を主成分とし、リンまたは硼素を含んでいてもよい。被覆層１０ｂは、メタライズ層１０ａの酸化を防止するための層である。ろう付け部１１は、ＢＡｇ－８、ＢＡｇ－８Ａ、ＢＡｇ－８Ｂ等の銀を主成分とするろう材からなる。

【0018】

また、図２（ｂ）に示すように、第２セラミック基板７は、活性金属を含むろう材からなるろう付け部１１によってパイプ８および鍔部４ａに接合されていてもよい。この場合、ろう付け部１１は、例えば、銅が２０質量％～４０質量％、活性金属が１質量％～３質量％、錫またはインジウムが１．２質量％～６質量％、残部がＡｇからなる。

【0019】

活性金属は、例えば、チタン、ジルコニウム、ハフニウムおよびニオブから選択される少なくとも１種である。

【0020】

本開示におけるろう材とは、ＪＩＳ Ｚ ３００１－３：２００８（ＩＳＯ ８５７－２：２００５（ＭＯＤ））で定義されるろう付けに用いられる、融点が４５５０℃以上のろう（硬ろう）であって、前記規格で定義されるはんだ付けに用いられる、融点が４５０℃未満のはんだ（軟ろう）を含まない。

【0021】

図３（ａ）は、図１の第１セラミック基板の接合部を拡大した断面図であり、（ｂ）、（ｃ）は他の第１セラミック基板の接合部を拡大した断面図である。

【0022】

図３（ａ）に示す第１セラミック基板３は、外周面３ｘと同軸上の段差面３ｙに備えられた金属層１０を介し、ろう付け部１１によって第１円筒体４に接合されている。

【0023】

図３（ｂ）に示す第１セラミック基板３は、外周面３ｘの一部に備えられた金属層１０を介し、ろう付け部１１によって第１円筒体４に接合されている。

【0024】

図３（ａ）、（ｂ）いずれの場合も、金属層１０は、第１セラミック基板３側に位置するメタライズ層１０ａと、メタライズ層１０ａ上に位置する被覆層１０ｂとからなる。

【0025】

例えば、メタライズ層１０ａの厚みは、１０μｍ以上５０μｍ以下であり、被覆層１０ｂの厚みは、２μｍ以上４μｍ以下である。被覆層１０ｂは、ＢＡｇ－８、ＢＡｇ－８Ａ、ＢＡｇ－８Ｂ等の銀を主成分とするろう材からなるろう付け部１１によって、第１円筒体４に接合されている。

【0026】

本開示における被覆層１０ｂにおける主成分とは、被覆層１０ｂを構成する成分の合計１００質量％のうち、８８質量％以上の成分をいい、主成分以外、硼素、リン等を含んでいてもよい。銅ニッケル合金を主成分とする被覆層１０ｂの場合、銅およびニッケルの各含有量の合計が主成分の含有量である。

【0027】

被覆層１０ｂにおける成分は、蛍光Ｘ線分析装置（ＸＲＦ）またはＩＣＰ発光分光分析装置（ＩＣＰ）を用いて、元素の含有量を求めればよい。

【0028】

また、図３（ｃ）に示すように、第１セラミック基板３は、活性金属を含むろう材からなるろう付け部１１によって第１円筒体４に接合されていてもよい。

【0029】

図４（ａ）は図１の導通部材の接合部を拡大した断面図であり、（ｂ）、（ｃ）は他の導通部材の接合部を拡大した断面図である。

【0030】

導通部材１の軸方向の途中に、第１セラミック基板３に対向して環状体１２がろう材によって接合されている。導通部材１、環状体１２、第１円筒体４、第２円筒体５およびパイプ８は、フェルニコ系合金、Ｆｅ－Ｎｉ合金、Ｆｅ－Ｎｉ－Ｃｒ－Ｔｉ－Ａｌ合金、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｃｒ合金またはＦｅ－Ｃｒ－Ａｌ合金からなる。第１セラミック基板３は、酸化アルミニウムを主成分とするセラミックスからなる。環状体１２はＢＡｇ－８、ＢＡｇ－８Ａ、ＢＡｇ－８Ｂ等の銀を主成分とするろう材からなるろう付け部１１によって、第１環状部３ｂの環状面およびこの環状面に接続する内周面の一部に金属層１０を有する第１セラミック基板３に接合されている。

【0031】

第１円筒体４と第２円筒体５とは、第１円筒体４の内周面の先端側と第２円筒体５の外周面の先端側とがＢＡｇ－８、ＢＡｇ－８Ａ、ＢＡｇ－８Ｂ等の銀を主成分とするろう材
によって接合されている。

【0032】

ここで、セラミックスにおける主成分とは、セラミックスを構成する成分の合計１００質量％のうち、８５質量％以上の成分をいい、ろう材における主成分とは、ろう材を構成する成分の合計１００質量％のうち、６０質量％以上の成分をいう。

【0033】

セラミックスは、主成分である酸化アルミニウム以外、珪素、カルシウムおよびマグネシウムの少なくともいずれかを酸化物として含んでいてもよい。

【0034】

セラミックスを構成する成分は、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）を用いて同定した後、蛍光Ｘ線分析装置（ＸＲＦ）またはＩＣＰ発光分光分析装置（ＩＣＰ）を用いて、元素の含有量を求め、同定された成分の含有量に換算すればよい。

【0035】

ろう付け部１１を構成する成分は、蛍光Ｘ線分析装置（ＸＲＦ）またはＩＣＰ発光分光分析装置（ＩＣＰ）を用いて、元素の含有量を求めればよい。

【0036】

また、気密端子２０は、パイプ８を挿入するための第３貫通孔９ａと、その外周側にボルト等の締結部材（図示しない）を挿入して、真空容器あるいは低温液体用の貯蔵容器等（図示しない）に固定するために円周上に配置された複数の第４貫通孔９ｂと、を有するフランジ９を備えており、フランジ９はパイプ８の第３端面８ａの側の端部を囲繞している。フランジ９は、フェルニコ系合金、Ｆｅ－Ｎｉ合金、Ｆｅ－Ｎｉ－Ｃｒ－Ｔｉ－Ａｌ合金、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｃｒ合金、Ｆｅ－Ｃｒ－Ａｌ合金等からなり、例えば、ＩＣＦ３４固定フランジ（ＴＹＰＥ：Ａ）である。

【0037】

図１において、第１セラミック基板３および第２セラミック基板７より左側に位置するパイプ８内の空間は、真空または液体窒素に曝される環境で、第１セラミック基板３および第２セラミック基板７より右側に位置する空間は、大気に曝される環境でそれぞれ用いられる。

【0038】

本開示の気密端子２０は、第２セラミック基板７の反対側（図１の左側）に位置するパイプ８の第３端面８ａが第２セラミック基板７の反対側に位置する第２円筒体５の第２端面５ａから第２セラミック基板７の反対方向（図１の左側方向）に向かって離れた位置にある。

【0039】

このように構成することによって、第３端面８ａから第２セラミック基板７までの間隔が大きくなるので、第３端面８ａの周辺でＴＩＧ(Tungsten Inert Gas)溶接法によってフランジ９を溶接、固定しても、溶接で生じた熱が第２セラミック基板７に伝わりにくくなるため、第２セラミック基板７にクラックが生じにくくなる。

【0040】

特に、第３端面８ａと第２端面５ａとの間隔は３ｍｍ以上であるとよい。

【0041】

また、導通部材１は、第１セラミック基板３と対向する位置に縮径部１ａを有していてもよい。

【0042】

このような構成であると、導通部材１と第１セラミック基板３を接合するためのろう材が環状体１２側から過度に流れ込んでも縮径部１ａの外周側の空間で受け留めることができるので、第１貫通孔２に対する導通部材１の同軸度が損なわれにくくなる。

【0043】

さらに、基部３ａの径方向上に位置する導通部材１の外径は第１環状部３ｂおよび第２環状部３ｃの径方向上に位置する導通部材１の外径よりも小さくなるため、第１セラミッ
ク基板３の外径が大きい基部３ａと導通部材１との特性インピーダンスを同等にすることができ、全体として特性インピーダンスの整合をとることができる。

【0044】

第１セラミック基板３と導通部材１との接合部は、フランジ９の第１円筒体４側の主面９ｃから第１円筒体４の側に離れた位置にあるとよい。（すなわち、図１において、第１セラミック基板３と導通部材１との接合部が、フランジ９の第１円筒体４側の主面９ｃが位置する仮想平面よりも図の右側に位置し、フランジ９が上記仮想平面よりも図の左側に位置しているとよい）。

【0045】

第１セラミック基板３と導通部材１との接合部がこの位置にあると、溶接によって生じる熱がこの接合部に伝わりにくくなるので、第１セラミック基板３に残る応力が抑制されて、クラックが第１セラミック基板３内に生じにくくなる。

【0046】

特に、第１セラミック基板３と導通部材１との接合部とフランジ９の主面９ｃとの間隔は、６ｍｍ以上であるとよい。

【0047】

また、第２セラミック基板７とパイプ８との接合部は、フランジ９の第１円筒体４側の主面９ｃから第１円筒体４の側に離れた位置にあるとよい。（すなわち、図１において、第２セラミック基板７とパイプ８との接合部が、フランジ９の第１円筒体４側の主面９ｃが位置する仮想平面よりも図の右側に位置し、フランジ９が上記仮想平面よりも図の左側に位置しているとよい）。

【0048】

第２セラミック基板７とパイプ８との接合部がこの位置にあると、溶接によって生じる熱がこの接合部に伝わりにくくなるので、第２セラミック基板７に残る応力が抑制されて、クラックが第２セラミック基板７内にさらに生じにくくなる。

【0049】

特に、第２セラミック基板７とパイプ８との接合部とフランジ９の主面９ｃとの間隔は、１０ｍｍ以上であるとよい。

【0050】

次に、本開示の気密端子の製造方法の一例について説明する。

【0051】

第１セラミック基板および第２セラミック基板は、以下のような製造方法で得ることができる。

【0052】

まず、主成分である酸化アルミニウム粉末と、水酸化マグネシウム、酸化珪素、炭酸カルシウムおよび酸化ジルコニウムの各粉末と、必要に応じて酸化アルミニウム粉末を分散させる分散剤と、有機結合剤とを、ボールミル、ビーズミルまたは振動ミルにより湿式混合してスラリーとする。

【0053】

ここで、酸化アルミニウム粉末の平均粒径（Ｄ_５０）は３μｍ以下、好ましくは１μｍ以下であり、上記粉末の合計１００質量％における水酸化マグネシウム粉末の含有量は０．８７質量％～１．０７質量％、酸化珪素粉末の含有量は６．１質量％～７．５質量％、炭酸カルシウム粉末の含有量は２．５質量％～３．１質量％、酸化ジルコニウムの含有量は、１．０質量％～１．３質量％である。

【0054】

湿式混合する時間は、例えば、４０～５０時間である。また、有機結合剤は、例えば、パラフィンワックス、ワックスエマルジョン（ワックス＋乳化剤）、ＰＶＡ（ポリビニールアルコール）、ＰＥＧ（ポリエチレングリコール）、ＰＥＯ（ポリエチレンオキサイド）等である。

【0055】

次に、上述した方法によって得たスラリーを噴霧造粒して顆粒を得た後、この顆粒を粉末プレス成形法あるいは冷間静水圧成形法により、成形することで円板状の成形体を得る。

【0056】

そして、切削加工により、貫通孔、段差面等を形成し、環状の成形体を１５５０℃以上１７５０℃以下の温度で焼成することにより第１セラミック基板および第２セラミック基板を得ることができる。

【0057】

第２セラミック基板とパイプおよび第１円筒体との接合部、第１セラミック基板と導通部材との接合部、第１セラミック基板と第１円筒体との接合部を得るには、第２セラミック基板および第１セラミック基板の各接合部の対象となる面に、Ｍｏ－Ｍｎ法等でメタライズ層を形成した後、めっき法により、ニッケル、銅または銅ニッケル合金を主成分とする被覆層を形成する。

【0058】

そして、各接合部の対象となる面にＢＡｇ－８、ＢＡｇ－８Ａ、ＢＡｇ－８Ｂ等の銀を主成分とするろう材を塗布して、適正温度で熱処理することによって各接合部が形成されて本開示の気密端子を得ることができる。

【0059】

ここで、適正温度とは、ＪＩＳ Ｚ ３２８１：１９９８に記載されているろう付け温度である。

【0060】

また、フランジを備えた気密端子を得るには、第２セラミック基板の反対側に位置するパイプの端面の外周側にフランジを装着し、ＴＩＧ(Tungsten Inert Gas)溶接法によって溶接、固定することによって、本開示の気密端子を得ることができる。

【0061】

上述した製造方法によって得られた本開示の気密端子は、第２セラミック基板に高熱がかかってもクラックが生じにくいので、長期間に亘って用いることができる。

【0062】

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想に則して種々の変更および改良が可能である。

【符号の説明】

【0063】

１ 導通部材
１ａ 縮径部
２ 第１貫通孔
３ 第１セラミック基板
３ａ 基部
３ｂ 第１環状部
３ｃ 第２環状部
４ 第１円筒体
５ 第２円筒体
６ 第２貫通孔
７ 第２セラミック基板
８ パイプ
９ フランジ
９ａ 第３貫通孔
９ｂ 第４貫通孔
１０ 金属層
１０ａ メタライズ層
１０ｂ 被覆層
１１ ろう付け部
１２ 環状体
２０ 気密端子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】