JP2004018358A

JP2004018358A - 接合方法および接合体

Info

Publication number: JP2004018358A
Application number: JP2002179715A
Authority: JP
Inventors: Tetsujo Hamano; 濱野　哲丞
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2002-06-20
Filing date: 2002-06-20
Publication date: 2004-01-22
Anticipated expiration: 2022-06-20
Also published as: JP4135410B2

Abstract

【課題】接合材料の流れ性を向上させて接合品質に優れた接合方法を提供する。
【解決手段】本発明の接合方法は、低融点ガラスからなる第１ガラス材料１３と、第１ガラス材料１３よりも融点が高い第２ガラス材料１４とを第１部材１１と第２部材１２との間に第１ガラス材料１３が下になるように重ね合わせて配置するガラス材料配置工程と、第１ガラス材料１３を溶融させる第１溶融工程と、第１ガラス材料１３を溶融した後に第２ガラス材料１４を溶融させる第２溶融工程を備える。これにより、ガラスあるいはセラミックスからなる第１部材１１と金属あるいは合金からなる第２部材１２との接合部に空隙を生じることなく、第１部材１１と第２部材１２を強固に接合することが可能となる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガラスあるいはセラミックスからなる第１部材と、金属あるいは合金からなる第２部材とをガラスにて接合したり、金属あるいは合金からなる第１部材と、該第１部材の金属あるいは合金とは異なる金属あるいは合金からなる第２部材とをガラスにて接合する接合方法、およびこの接合方法により接合された接合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学ガラスあるいはアルミナ、ルチル（酸化チタン）、ガーネット等の光学結晶などからなる光学部品は、金属ホルダに接合されて固定されるようになされている。そして、これらの光学部品を金属ホルダに接合するに際しては、光学部品と金属ホルダとの接合部に低融点ガラスを介在させ、この低融点ガラスを溶融させることにより、光学部品と金属ホルダとを一体化して固定するようになされている。この場合、一般的には金属ホルダは比較的熱膨張率が小さい鉄−ニッケル合金あるいは鉄−ニッケル−コバルト合金（商品名：コバール（Ｋｏｖａｒ））、あるいはＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６，ＳＵＳ４５０等のステンレス鋼が使用される。
【０００３】
ところで、この種の光学部品と金属ホルダとを低融点ガラスで接合する場合、一般的には、まず、図３（ａ）に示すように、金属ホルダ３２の保持部に光学部品（この場合は、ロッドレンズとする）３１を挿入し、光学部品３１と金属ホルダ３２との間隙の上部に、例えば、ＰｂＯを主成分とする低融点ガラスからなるガラス接合剤３３を載置する。ついで、これらをガラス接合剤３３の融点より低い温度に設定された作業温度以上に加熱してガラス接合剤３３を溶融させて、図３（ｂ）に示すように、光学部品３１と金属ホルダ３２とを溶融したガラス接合剤３３で接合するようにしている。
【０００４】
ところが、光学部品３１とガラス接合剤３３との濡れ性が悪かったり、あるいは金属ホルダ３２とガラス接合剤３３との濡れ性が悪かった場合には、ガラス接合剤３３が光学部品３１と金属ホルダ３２との間隙に充分に付き回ることができずに、図４（ａ）に示すように、ガラス接合剤３３が未充填の空間部３３ａが生じたり、あるいは図４（ｂ）に示すように、ガラス接合剤３３が未充填の空間部３３ｂ，３３ｃが生じたりするという問題を生じた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、図５（ａ）に示すように、金属ホルダ４２の保持部に光学部品４１を挿入し、光学部品４１と金属ホルダ４２との間隙の上部に、例えば、ＰｂＯを主成分とする低融点ガラスからなるガラス接合剤４３を載置する。ついで、ガラス接合剤４３の上部にこれとの濡れ性が良くないカーボン製治具４４を載置し、これらをガラス接合剤４３の融点より低い温度に設定された作業温度以上に加熱してガラス接合剤４３を溶融させて、図５（ｂ）に示すように、光学部品４１と金属ホルダ４２とを溶融したガラス接合剤４３で接合する方法が提案されるようになった。
【０００６】
このようなカーボン製治具４４を用いると、溶融したガラス接合剤４３がカーボン製治具４４に沿って付き回るようになるため、ガラス接合剤４３が光学部品４１と金属ホルダ４２との間隙に充分に付き回ることができるようになる。これにより、光学部品４１と金属ホルダ４２との間隙にガラス接合剤４３が未充填の空間部が生じるのを防止できるようになる。
【０００７】
しかしながら、このようなカーボン製治具４４を使用する場合においては、カーボン製治具４４の使用回数が増大するに伴って、カーボン製治具４４の表面状態が劣化するようになる。このため、カーボン製治具４４を定期的に交換する必要が生じて、作業性が低下するとともに、この種の一体化物の単価が高価になるという問題も生じた。そして、カーボン製治具４４の表面状態が劣化すると、カーボン製治具４４にガラス接合剤４３が融着して、接合不良が生じるという問題も生じた。
【０００８】
本発明は上述したような問題点を解消するためになされものであって、接合材料の流れ性を向上させて接合品質に優れた接合方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明はガラスあるいはセラミックスからなる第１部材と金属あるいは合金からなる第２部材とをガラスにて接合したり、金属あるいは合金からなる第１部材と該第１部材の金属あるいは合金とは異なる金属あるいは合金からなる第２部材とをガラスにて接合する接合方法である。そして、上記目的を達成するため、本発明の接合方法は、低融点ガラスからなる第１ガラス材料と、第１ガラス材料よりも融点が高い第２ガラス材料とを第１部材と第２部材との間に第１ガラス材料が下になるように重ね合わせて配置するガラス材料配置工程と、第１ガラス材料を溶融させる第１溶融工程と、第１ガラス材料を溶融した後に第２ガラス材料を溶融させる第２溶融工程を備えるようにしている。
【００１０】
このように、第１ガラス材料よりも融点が高い第２ガラス材料を第１ガラス材の上に重ね合わせた後、第１溶融工程で第１ガラス材料を溶融させるようにすると、融点の高い第２ガラス材料をガイドとして、溶融した第１ガラス材料が第１部材と第２部材との間に充分に充填されるようになる。この後、第２溶融工程で第２ガラス材料を溶融させるようにすると、溶融接合した第１ガラス材料の上に溶融した第２ガラス材料が充填されるようになる。これにより、第１部材と第２部材との間に空隙部を生じることなく、第１部材と第２部材とを強固に接合することが可能となる。特に、第１部材あるいは第２部材に位置合わせのための面取り部が形成されて、均一な接合面を有しない場合にその効果が高くなる。この結果、接合部の気密性が高められた接合体を得ることができるとともに、接合品質および信頼性に優れた接合体を得ることが可能となる。
【００１１】
この場合、第１ガラス材料と第２ガラス材料の熱膨張率の差が大きすぎると、第１ガラス材料と第２ガラス材料との間の接合部に歪みを生じて接合品質が低下するため、第１ガラス材料と第２ガラス材料の熱膨張率の差が３×１０^−６以下になるように第１ガラス材料と第２ガラス材料とを選択するのが望ましい。また、第１ガラス材料と第２ガラス材料の融点の差が大きすぎると、ガラスの種類によっては必要以上の温度に加熱することにより、内部に発泡等の問題を生じてしまう可能性があるため、第１ガラス材料と第２ガラス材料の融点の差が５０℃以下になるように第１ガラス材料と第２ガラス材料とを選択するのが望ましい。
【００１２】
そして、第１ガラス材料と第２ガラス材料の少なくとも一方はガラス材料を予備成形した成形体であると、これらのガラス材料の取り扱いが容易になって、作業性が向上するので好ましい。この場合、第１ガラス材料の上に配置される第２ガラス材料を治具の作用をさせるためには、少なくとも第２ガラス材料は予備成形した成形体であるのが望ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
ついで、本発明の実施の形態を図１および図２に基づいて説明する。なお、図１はレンズとレンズホルダーを接合するための第１実施例の接合方法を模式的に示す断面図であり、図１（ａ）は第１工程を示し、図１（ｂ）は第２工程を示し、図１（ｃ）は第３工程を示し、図１（ｄ）は第４工程を示している。また、図２はリード線をホルダーに接合するための第２実施例の接合方法を模式的に示す断面図であり、図２（ａ）は第１工程を示し、図２（ｂ）は第２工程を示し、図２（ｃ）は第３工程を示し、図２（ｄ）は第４工程を示している。
【００１４】
１．第１実施例
まず、第１実施例を図１に基づいて説明する。本第１実施例においては光学部品１０を示しており、略円柱状に形成されたロッドレンズ（第１部材）１１と、このロッドレンズ１１を固定する金属製レンズホルダ（第２部材）１２と、これらを溶融接合する第１ガラス材料１３および第２ガラス材料１４とから構成される。この場合、ロッドレンズ１１はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ルチル（ＴｉＯ_２）などの光学結晶が円柱状に形成されている。
【００１５】
また、金属製レンズホルダ１２はフェルニコ系のＦｅ５４％，Ｎｉ２９％，Ｃｏ１７％の合金（商品名：コバール（Ｋｏｖａｒ））又はＦｅ５８％，Ｎｉ４２％の合金（商品名：４２アロイ）、あるいはＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６，ＳＵＳ４５０等のステンレス鋼などの金属を所定形状に形成して構成されている。さらに、第１ガラス材料１３は融点が４５０℃（熱膨張率が６×１０^−６）で、作業温度が４３０℃に設定され、その温度での熱膨張率が５×１０^−６である低融点ガラス（例えば、日本電気ガラス社製ＬＳ−３０５１Ｓ）を用いている。また、第２ガラス材料１４は第１ガラス材料１３よりも融点が高く、その融点が４９０℃（熱膨張率が６×１０^−６）で、作業温度が４５０℃に設定され、その温度での熱膨張率が５×１０^−６である低融点ガラス（例えば、旭テクノガラス社製Ｔ４３６）を用いている。
【００１６】
ついで、このような光学部品１０の製造工程について説明する。まず、図１（ａ）に示すように、ロッドレンズ（第１部材）１１と金属製レンズホルダ（第２部材）１２とを図示しない治具を用いて組み合わせる。この場合、ロッドレンズ１１の一部には位置合用の面取り部（図示せず）が形成されている。また、金属製レンズホルダ１２のロッドレンズ１１との嵌合部の先端部にはテーパー部１２ａが形成されている。
【００１７】
一方、略リング状にプリフォームした融点が４５０℃（熱膨張率が６×１０^−６）で、作業温度が４３０℃に設定され、その温度での熱膨張率が５×１０^−６である低融点ガラスからなる第１ガラス材料１３と、略リング状にプリフォームした融点が４９０℃（熱膨張率が６×１０^−６）で、作業温度が４５０℃に設定され、その温度での熱膨張率が５×１０^−６である低融点ガラスからなる第２ガラス材料１４とを用意した。この後、図１（ｂ）に示すように、第１ガラス材料１３をロッドレンズ１１の先端部に挿入して、金属製レンズホルダ１２のテーパー部１２ａ上に配置した。ついで、第１ガラス材料１３の上に第２ガラス材料１４を重ね合わせた後、これらを加熱炉内に配置した。
【００１８】
ついで、この加熱炉内を窒素ガスの雰囲気にした後、加熱炉内が４３０℃（作業温度が４３０℃）になるまで加熱して、当該加熱炉内を４３０℃の温度に約１０分間維持した。これにより第１ガラス材料１３は溶融して、図１（ｃ）に示すように、ロッドレンズ１１と金属製レンズホルダ１２との嵌合部を充填するとともに、プリフォームされた第２ガラス材料１４に沿って広がることとなる。この後、加熱炉内を４５０℃（作業温度が４５０℃）になるまで加熱して、当該加熱炉内を４５０℃の温度に約１０分間維持した。これにより第２ガラス材料１４は溶融して、図１（ｄ）に示すように、第２ガラス材料１４は第１ガラス材料１３の上部で、ロッドレンズ１１と金属製レンズホルダ１２との嵌合部を充填することとなる。
【００１９】
これにより、ロッドレンズ１１の一部には位置合用の面取り部（図示せず）が形成されていても、プリフォームされた第１ガラス材料１３がロッドレンズ１１と金属製レンズホルダ１２との嵌合部に均一に充填されることとなる。この結果、ガラス接合材料が未充填の空間部を生じることを防止することができるようになる。また、プリフォームされた第２ガラス材料１４が治具の作用をするため、カーボン製の治具を用いる必要もなくなり、製造工程を簡略化することが可能となる。
【００２０】
２．第２実施例
ついで、第２実施例を図２に基づいて説明する。本第２実施例においてはリード線がハーメチックシールされた気密蓋２０を示しており、この気密蓋２０は、リード線（第１部材）２１と、このリード線２１を固定、保持する金属製蓋体（第２部材）２２と、これらを溶融接合する第１ガラス材料２３および第２ガラス材料２４とから構成される。この場合、リード線２１はＣｕ，ＣｕＷなどの導電性に優れた金属あるいは合金材料により形成されている。
【００２１】
また、金属製蓋体２２はフェルニコ系のＦｅ５４％，Ｎｉ２９％，Ｃｏ１７％の合金（商品名：コバール（Ｋｏｖａｒ））又はＦｅ５８％，Ｎｉ４２％の合金（商品名：４２アロイ）、あるいはＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６，ＳＵＳ４５０等のステンレス鋼などの金属を所定形状に形成して構成されている。さらに、第１ガラス材料２３は、上述した第１実施例と同様に、融点が４５０℃（熱膨張率が６×１０^−６）で、作業温度が４３０℃に設定され、その温度での熱膨張率が５×１０^−６である低融点ガラス（例えば、日本電気ガラス社製ＬＳ−３０５１Ｓ）を用いている。また、第２ガラス材料２４も、上述した第１実施例と同様に、第１ガラス材料２３よりも融点が高く、その融点が４９０℃（熱膨張率が６×１０^−６）で、作業温度が４５０℃に設定され、その温度での熱膨張率が５×１０^−６である低融点ガラス（例えば、旭テクノガラス社製Ｔ４３６）を用いている。
【００２２】
ついで、このような気密蓋２０の製造工程について説明する。まず、図２（ａ）に示すように、リード線（第１部材）２１と金属製蓋体（第２部材）２２とを図示しない治具を用いて組み合わせる。この場合、金属製蓋体２２のリード線２１との嵌合部の先端部にはテーパー部２２ａが形成されている。
一方、略リング状にプリフォームした融点が４５０℃（熱膨張率が６×１０^−６）の低融点ガラスからなる第１ガラス材料２３と、略リング状にプリフォームした融点が４９０℃（熱膨張率が５×１０^−６）の低融点ガラスからなる第２ガラス材料２４とを用意した。
【００２３】
この後、図２（ｂ）に示すように、第１ガラス材料２３をリード線２１の先端部に挿入して、金属製蓋体２２のテーパー部２２ａ上に配置した。ついで、第１ガラス材料２３の上に第２ガラス材料２４を重ね合わせた後、これらを加熱炉内に配置した。ついで、この加熱炉内を窒素ガスの雰囲気にした後、加熱炉内が４３０℃（作業温度が４３０℃）になるまで加熱して、当該加熱炉内を４３０℃の温度に約１０分間維持した。これにより第１ガラス材料２３は溶融し、溶融した第１ガラス材料２３はプリフォームされた第２ガラス材料２４に沿って広がり、図２（ｃ）に示すように、リード線２１と金属製蓋体２２との間隙部に充填されることとなる。
【００２４】
この後、加熱炉内を４５０℃（作業温度が４５０℃）になるまで加熱して、当該加熱炉内を４５０℃の温度に約１０分間維持した。これにより第２ガラス材料２４は溶融して、図２（ｄ）に示すように、第２ガラス材料２４は第１ガラス材料２３の上部で、リード線２１と金属製蓋体２２との嵌合部を充填することとなる。
【００２５】
これにより、プリフォームされた第１ガラス材料２３がリード線２１と金属製蓋体２２との間隙部に均一に充填されることとなる。この結果、ガラス接合材料が未充填の空間部を生じることを防止することができるようになる。また、プリフォームされた第２ガラス材料２４が治具の作用をするため、カーボン製の治具を用いる必要もなくなり、製造工程を簡略化することが可能となる。
【００２６】
【発明の効果】
以上に詳述したように、本発明においては、第１ガラス材料１３（２３）よりも融点が高い第２ガラス材料１４（２４）を第１ガラス材料１３（２３）の上に重ね合わせた後、第１ガラス材料１３（２３）を溶融させるようにしている。これにより、融点の高い第２ガラス材料１４（２４）をガイドとして、溶融した第１ガラス材料１３（２３）が第１部材１１（２１）と第２部材１２（２２）との間に充分に充填されるようになる。この後、第２ガラス材料１４（２４）を溶融させるようにすると、溶融接合した第１ガラス材料１３（２３）の上に溶融した第２ガラス材料１４（２４）が充填されるようになる。
【００２７】
これにより、第１部材１１（２１）と第２部材１２（２２）との間に空隙部を生じることなく、第１部材１１（２１）と第２部材１２（２２）とを強固に接合することが可能となる。特に、第１部材１１（２１）あるいは第２部材１２（２２）に位置合わせのための面取り部が形成されて、均一な接合面を有しない場合にその効果が高くなる。この結果、接合部の気密性が高められた接合体を得ることができるとともに、接合品質および信頼性に優れた接合体を得ることが可能となる。
【００２８】
なお、上述した各実施例においては、リング状にプリフォームした第１ガラス材料１３（２３）および第２ガラス材料１４（２４）を用いる例について説明したが、リング状にプリフォームした第１ガラス材料１３（２３）および第２ガラス材料１４（２４）に代えてペースト状の第１ガラス材料１３（２３）および第２ガラス材料１４（２４）を用いるようにしてもよいが、第２ガラス材料１４（２４）により治具の作用をさせるためには、少なくとも第２ガラス材料１４（２４）はリング状にプリフォームする必要がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】レンズとレンズホルダーを接合するための接合方法を模式的に示す断面図であり、図１（ａ）は第１工程を示し、図１（ｂ）は第２工程を示し、図１（ｃ）は第３工程を示し、図１（ｄ）は第４工程を示している。
【図２】リード線をホルダーに接合するための接合方法を模式的に示す断面図であり、図２（ａ）は第１工程を示し、図２（ｂ）は第２工程を示し、図２（ｃ）は第３工程を示し、図２（ｄ）は第４工程を示している。
【図３】従来例の光学部品と金属ホルダとを低融点ガラスで接合する状態を示す断面図であり、図３（ａ）は接合前の状態を示し、図３（ｂ）は接合後の状態を示している。
【図４】図３の光学部品と金属ホルダとを低融点ガラスで接合した状態を示す上面図であり、図４（ａ）はその一例を示しており、図４（ｂ）他の例を示している。
【図５】他の従来例の光学部品と金属ホルダとを低融点ガラスで接合する状態を示す断面図であり、図４（ａ）は接合前の状態を示し、図４（ｂ）は接合後の状態を示している。
【符号の説明】
１０…光学部品、１１…ロッドレンズ、１２…金属製レンズホルダ、１２ａ…テーパー部、１３…第１ガラス材料、１４…第２ガラス材料、２０…気密蓋、２１…リード線、２２…金属製蓋体、２２ａ…テーパー部、２３…第１ガラス材料、２４…第２ガラス材料

Claims

ガラスあるいはセラミックスからなる第１部材と、金属あるいは合金からなる第２部材とをガラスにて接合したり、金属あるいは合金からなる第１部材と、該第１部材の金属あるいは合金とは異なる金属あるいは合金からなる第２部材とをガラスにて接合する接合方法であって、
低融点ガラスからなる第１ガラス材料と、該第１ガラス材料よりも融点が高い第２ガラス材料とを前記第１部材と前記第２部材との間の接合部に前記第１ガラス材料が下になるように重ね合わせて配置するガラス材料配置工程と、
前記第１ガラス材料を溶融させる第１溶融工程と、
前記第１ガラス材料が溶融した後に前記第２ガラス材料を溶融させる第２溶融工程とを備えるようにしたことを特徴とする接合方法。
前記第１ガラス材料と前記第２ガラス材料の熱膨張率の差が３×１０^−６以下になるように前記第１ガラス材料と前記第２ガラス材料とを選択するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
前記第１ガラス材料と前記第２ガラス材料の融点の差が５０℃以下になるように前記第１ガラス材料と前記第２ガラス材料とを選択するようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の接合方法。
前記第１ガラス材料と前記第２ガラス材料の少なくとも一方はガラス材料を予備成形した成形体であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の接合方法。
前記第１部材としての光学部品と、前記第２部材としての金属ホルダとを接合一体化した接合体であって、
前記第１部材としての光学部品と前記第２部材としての金属ホルダとを請求項１から請求項４のいずれかに記載の接合方法により接合したことを特徴とする接合体。
前記第２部材としての金属ホルダは熱膨張係数が前記第１部材としての光学部品と近似するＦｅ−Ｎｉを主成分とする合金あるいはステンレスからなることを特徴とする請求項５に記載の接合体。