JP2017224493A - ハーメチック構造および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐圧性能の高いハーメチック構造を提供する。
【解決手段】高圧側と低圧側とを貫通する貫通孔を有するハーメボディと、貫通孔に通された導体と、を備えたハーメチック構造であって、貫通孔は、低圧側から高圧側に向かって径が拡がるテーパ部が形成され、導体を通して、テーパ部に嵌め込まれたプロテクタ部と、貫通孔において、プロテクタ部よりも低圧側に延びて導体を封着するガラス部材とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ハーメチック構造に関し、特に、耐圧性能を高めたハーメチック構造に関する。

ハーメチック構造は、外気を完全に遮断する気密封止構造であり、電子デバイス、計装機器等種々の装置に用いられている。図７は、ハーメチック構造を使用した圧力伝送器のセンサユニット３１０の一例を示す概略図である。

本図に示すように、内部にシリコン圧力センサ３５０を備えたセンサユニット３１０は、圧力導入部３８１が形成されたカプセル状の圧力容器３８０に溶接固定されている。センサユニット３１０では、シリコン圧力センサ３５０から電気信号を取り出すために複数のハーメチック構造が使用されている。圧力伝送器に使用されるハーメチック構造は、圧力容器３８０内に高い圧力がかかっても破損しない構造であることが必要である。

センサユニット３１０は、シリコン圧力センサ３５０に加え、Ｆｅ−Ｎｉ系合金等で形成されたハーメボディ３２０と、磁石３４０と、磁石３４０等をホールドするセラミック部材３３０、ハーメボディ３２０に形成された貫通孔３２１に通されたリードピン３２４、リードピン３２４とシリコン圧力センサ３５０とを電気的に接続するリード線３５２、貫通孔３２１とリードピン３２４との隙間を埋めて気密封止するガラス部材３２６を備えている。

ここで、貫通孔３２１を備えたハーメボディ３２０、リードピン３２４、ガラス部材３２６でハーメチック構造部を構成している。図８は、ハーメチック構造部を示す図である。

本図に示すように、ハーメチック構造部では、高圧力が印加される面Ｘ側と、大気圧となる面Ｙ側とがガラス部材３２６により仕切られている。ハーメチック構造部は、高温においてガラス部材３２６を溶融させ、リードピン３２４とハーメボディ３２０とを接着固定した構造となっている。

高温下で接着固定されるため、降温した際にガラス部材３２６にかかる引張応力を抑制して割れが生じないようにしている。具体的には、ガラス部材３２６、リードピン３２４、ハーメボディ３２０の熱膨張係数の関係が適切となるように材料を選択している。

圧力容器３８０内に圧力がかかると、リードピン３２４および面Ｘに対して応力が発生する。ここで、ハーメチック構造は、ガラス部材３２６とハーメボディ３２０との境目である円筒状のガラス接着面に大きな引張応力が発生し、ガラス部材３２６の破壊応力を超えるか、ガラス接着面の接着強度を超えることで破損に至る。このため、リードピン３２４および面Ｘにかかる応力の許容値は、ガラス部材３２６の破壊応力、または、ガラス接着面の接着強度によってほぼ決定され、これにより、ハーメチック構造の破損圧力が決定する。

ハーメボディ３２０の貫通孔３２１の径（面積）は、圧力印加時にガラス部材３２６にかかる応力と比例関係にあり、貫通孔３２１の径を大きくするとガラス部材３２６にかかる応力は大きくなる。

圧力が印加されたときの面Ｘでは、リードピン３２４、ハーメボディ３２０よりもヤング率が低いガラス部材３２６の収縮率が大きくなることで、ガラス接着面に引張応力が発生する。また、ガラス部材３２６の長さ（面Ｘから面Ｙまでの長さ）によって、面Ｘにおけるガラス部材３２６の変形量が変わる。ガラス部材３２６の長さを短くし、変形量が大きくなると、ガラス接着面で、より大きな引張応力が発生する。

特開平０７−３１２２４４号公報 特開２０１４−１７５０６９号公報

ガラス接着面積を増加させるためにガラス部材３２６を長くしたり、ガラス部材３２６が受ける圧力を減少するためにハーメボディ３２０の貫通孔３２１の径を小さくすることで、ある程度まで耐圧性能を上げることができる。

特許文献１には、図９に示すように、ハーメボディ３２０の貫通孔３２１に、ガラス部材３２６に加え、高圧側に筒状のセラミック部品３２８を配置し、ガラス部材３２６を利用してガラス封着することで、耐圧性能を向上させることが開示されている。

ガラス部材３２６よりもヤング率の大きなセラミック部品３２８を用いることで、ガラス部材３２６の変形を抑制できるが、面Ｚにかかる圧力は、すべてハーメボディ３２０の貫通孔３２１に沿ったガラス接着面で支えられることになるため、十分な耐圧性能を得ることができない。

そこで、本発明は、耐圧性能の高いハーメチック構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様であるハーメチック構造は、高圧側と低圧側とを貫通する貫通孔を有するハーメボディと、前記貫通孔に通された導体と、を備えたハーメチック構造であって、前記貫通孔は、前記低圧側から前記高圧側に向かって径が拡がるテーパ部が形成され、前記導体を通して、前記テーパ部に嵌め込まれたプロテクタ部と、前記貫通孔において、前記プロテクタ部よりも低圧側に延びて前記導体を封着するガラス部材と、を備えたことを特徴とする。
ここで、前記プロテクタ部と前記貫通孔との間には、前記ガラス部材が入り込んでいてもよい。
また、前記テーパ部が複数個形成されていてもよい。
また、前記貫通孔において、前記プロテクタ部よりも高圧側に延びて前記導体を封着する第２ガラス部材をさらに備えてもよい。
また、前記プロテクタ部は、前記ハーメボディよりもヤング率の大きい材料で形成されていることが好ましい
上記課題を解決するため、本発明の第２の態様であるハーメチック構造の製造方法は、高圧側と低圧側とを貫通し、前記低圧側から前記高圧側に向かって径が拡がるテーパ部が形成された貫通孔を有するハーメボディと、前記貫通孔に通された導体と、を備えたハーメチック構造の製造方法であって、前記導体を通すための穴が形成されたプロテクタ部を前記テーパ部に嵌め込むステップと、前記穴に前記導体を通した状態で、前記貫通孔の前記低圧側に配置したガラス部材を溶融して、前記導体を封着するステップと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、耐圧性能の高いハーメチック構造が提供される。

本実施形態のハーメチック構造の一例を示す図である。 プロテクタ部の形状を示す図である。 ハーメチック構造の別例を示す図である。 ハーメチック構造の別例を示す図である。 ハーメチック構造の別例を示す図である。 ハーメチック構造の別例を示す図である。 従来のセンサユニットの例を示す図である。 従来のハーメチック構造の例を示す図である。 セラミック部品を配置し、耐圧性能を向上させた従来のハーメチック構造の例を示す図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態のハーメチック構造の一例を示す図である。ハーメチック構造は、高圧力差を扱い、高いＳ／Ｎ特性が要求されるセンサに好適であり、例えば、圧力伝送器、流量計、温度計、コンプレッサ、圧力試験機等に適用することができる。

本図に示すように、ハーメチック構造１００は、高圧側と低圧側とを貫通する貫通孔１１１を有するハーメボディ１１０と、貫通孔１１１に通された導体であるリードピン１２０とを備えている。なお、本図における上方向を高圧側とし、下方向が低圧側とする。ハーメボディ１１０は、例えば、Ｆｅ−Ｎｉ系合金等で形成することができる。

ハーメボディ１１０の貫通孔１１１には、低圧側から高圧側に向かって径が拡がるテーパ部（面Ｄ）が形成されている。貫通孔１１１に形成されたテーパ部には、リードピン１２０を通したプロテクタ部１４０が嵌め込まれている。そして、貫通孔１１１は、プロテクタ部１４０よりも低圧側に延びてリードピン１２０を封着するガラス部材１３０により埋められている。

プロテクタ部１４０は、図２に示すように、テーパ部を含む貫通孔１１１の高圧側端部に対応した形状となっている。ここでは、高圧側の面を面Ａ、低圧側の面を面Ｃ、側面を面Ｂ、テーパを形成する面を面Ｄとしている。

ガラス部材１３０は、封着用のガラスをリードピン１２０に嵌め込み、本図で上下逆さまにした状態で、高温で溶融させることにより形成され、ハーメボディ１１０、リードピン１２０、プロテクタ部１４０を一緒に封着している。すなわち、プロテクタ部１４０とハーメボディ１１０との間、プロテクタ部１４０とリードピン１２０との間には、高温での封着時に溶融したガラスが流れ込み、固着されている。また、ガラス部材１３０とプロテクタ部１４０との間（面Ｃ）も隙間なく固着されている。

このため、ハーメチック構造１００は、リードピン１２０を通すための穴が形成されたプロテクタ部１４０を貫通孔１１１に形成されたテーパ部に嵌め込むステップと、穴にリードピン１２０を通した状態で、貫通孔１１１の低圧側に配置したガラス部材を溶融して、リードピン１２０を封着するステップとを含んだ方法で製造することができる。

溶融したガラスが、重力または表面張力の作用によって適切な粘度で各隙間に流れ込むように、ガラス部材１３０に用いるガラス成分の選定、封着温度の調整等を行なうものとする。

また、封着時のガラスの粘度と封着時間を調整することで、面Ａ付近のハーメボディ１１０上面よりもガラスが突出しないようにすることが好ましい。これにより、センサとして使用する際に、他の部品がガラスに接触することで、ガラスが破損することを防ぐことができる。

製造時において、ハーメボディ１１０、リードピン１２０、プロテクタ部１４０の位置関係は、プロテクタ部１４０の形状で定めることができる。すなわち、プロテクタ部１４０は位置決めガイドの役割も担っており、リードピン１２０を通した状態のプロテクタ部１４０をハーメボディ１１０に嵌め込むことで、相互の位置関係が定まることになる。

プロテクタ部１４０は、リードピン１２０が貫通孔１１１の中心に位置し、貫通孔１１１と平行に延びるような配置となるような形状とする。リードピン１２０と貫通孔１１１とが同心円状の構造を形成することにより、温度歪や圧力歪によって生じる応力に対して強い形状構造となる。

ハーメチック構造１００を圧力伝送器に適用する場合には、ハーメボディ１１０は、圧力容器（図７参照）との溶接が可能な材料を使用する。ここでは、シリコン圧力センサ（図７参照）の仕様温度付近において、シリコン圧力センサと熱膨張係数が近いＦｅ−Ｎｉ系合金を使用している。

また、リードピン１２０は、ハーメボディ１１０と同材料を使用することができる。ハーメボディ１１０、ガラス部材１３０、リードピン１２０、プロテクタ部１４０は、熱膨張係数が近い材料を選択し、構造形成後の残留応力を抑えることが好ましい。

プロテクタ部１４０には、絶縁材料を使用し、ハーメボディ１１０よりもヤング率が大きい材料を用いるものとし、例えば、酸化アルミニウム（アルミナ）を使用することができる。圧力がかかった際に、ヤング率が大きいことによって、ハーメボディ１１０から貫通孔１１１中心方向に向かって圧縮応力が働くようになっている。ハーメボディ１１０とプロテクタ部１４０の隙間に入り込んだガラスについても圧縮応力が働く構造であり、耐圧性能が向上している。

プロテクタ部１４０の選定材料はヤング率・破壊靱性ともにガラス部材１３０よりも大きいものとしている。ヤング率が大きいことで、ガラス部材１３０よりも圧力に対する変形量が抑えられる効果も得られ、変形による引張応力による応力集中の発生を抑制することができる。また、破壊靱性が大きいため、プロテクタ部１４０は、ガラス部材１３０よりも大きい応力に耐えられる。

圧力がかかった際に受圧面となる面Ａは、従来のハーメチック構造の受圧面である面Ｘ（図８参照）よりも面積が大きいため、受圧面積は従来よりも大きくなっている。

しかしながら、本実施形態のハーメチック構造１００は、受圧面に対する応力は大きくなっても、破壊応力に対しては耐性の高い構造である。なぜならば、プロテクタ部１４０の材料特性の他に、圧力印加によってプロテクタ部１４０が受ける応力を、貫通孔１１１に形成されたテーパ部（面Ｄ）によって分散できる構造となっているからである。

このようなテーパ部を設けることによって、従来のハーメチック構造（図８参照）のように、ガラス部材３２６が面Ｘから受けた応力をすべて受圧面と垂直方向の面であるガラス接着面で受けるのではなく、テーパ部（面Ｄ）によって、受圧面の斜めの方向のハーメボディ１１０側へ応力を逃がす構造となっている。

また、プロテクタ部１４０にテーパ形状を形成していることによって、プロテクタ部１４０自体に引張応力が発生しづらい構造となっており、ハーメチック構造１００の耐圧性能を一層向上させている。

プロテクタ部１４０とリードピン１２０との隙間にはガラスが入り込んだ構造となっている。プロテクタ部１４０のリードピン１２０を通す穴の穴径は、小さく抑えることができるため、圧力がかかった際にプロテクタ部１４０の穴に入り込んだガラスが受ける応力は、従来のハーメチック構造よりも小さくできるようになっている。

一般に、ガラス接着面積を増加させるためにガラス部材１３０を長くしたり、ガラス部材１３０が受ける圧力を減少するためにハーメボディ１１０の貫通孔１１１の径を小さくすることで、ある程度まで耐圧性能を上げることができる。しかしながら、ガラス部材１３０を長くすると、ハーメボディ１１０とリードピン１２０との間に誘電率の高い材料が介在する範囲が長くなり、静電容量が増加する。また、ハーメボディ１１０の貫通孔１１１の径を小さくすると、ハーメボディ１１０とリードピン１２０との間の距離が短くなり、絶縁抵抗が低下する。このため、いずれの場合もＳ／Ｎ特性が劣化してしまう。

これに対し、本実施形態のハーメチック構造１００は、貫通孔１１１にテーパ部を形成し、対応するテーパ形状を有するプロテクタ部１４０を嵌め込んだ構成としており、ガラス部材１３０を長くしたり、貫通孔１１１の径を小さくすることなく、耐圧性能を向上させている。このため、耐圧性能向上に伴うＳ／Ｎ特性の劣化を防いでいる。

なお、上記の例では、ハーメボディ１１０の材料をＦｅ−Ｎｉ系合金としたが、ステンレス系材料等を用いることもできる。ハーメボディ１１０の材料を、プロテクタ部１４０よりも熱膨張係数の大きい材料とすると、構造形成後の残留応力を圧縮方向とすることができるため、残留応力の観点から好ましい。

プロテクタ部１４０とリードピン１２０との関係も同様であり、残留応力の観点から、熱膨張係数の大きさは、ハーメボディ１１０＞プロテクタ部１４０＞リードピン１２０とすることが好ましい。

ヤング率については、圧力がかかったときに圧縮応力となることが望ましいため、ハーメボディ１１０＜プロテクタ部１４０＜リードピン１２０とすることが好ましい。

プロテクタ部１４０の材料は、熱膨張係数がハーメボディ１１０、リードピン１２０の材料に近く、ヤング率・破壊靱性・絶縁抵抗が大きく、誘電率が低い、加工性のよい材料を選定することが望ましい。例えば、酸化アルミニウム以外にもサファイア、ジルコニア、窒化珪素、炭化珪素、窒化アルミニウム等のセラミック材料を使用するようにしてもよい。

なお、上述の例では、プロテクタ部１４０を１つの貫通孔１１１のテーパ部に嵌め込ませていたが、図３に示すように、複数個の貫通孔１１１のテーパ部に嵌めこむ形状のプロテクタ部１４２を用いてもよい。

この場合、複数個のハーメチック構造を一度に作成することができる。また、面Ａとハーメボディ１１０とで段差が生じる領域を小さくすることができ、ハーメチック構造と別の部品とを組み合わせて使用する場合のデッドスペースを小さく抑えることが可能となる。さらに、リードピン１２０とプロテクタ部１４２とを同一平面上に形成することが容易となる。

貫通孔１１１およびプロテクタ部１４０は、受圧面に対して斜めのテーパ部（面Ｄ）を有していれば足り、例えば、図４に示すプロテクタ部１４４のように受圧面と垂直方向の面Ｂを備えない形状としてもよい。また、面Ｃは湾曲していてもよい。

テーパ部は複数個設けてもよい。例えば、図５に示すように、プロテクタ部１４６をねじ構造でハーメボディ１１０に嵌め込む構造とすることで、低圧側から高圧側に向かって径が拡がるテーパ部が実質的に複数個形成され、テーパ面の面積を大きくすることができる。これにより、圧力かかかった際の応力を一層受圧面の斜めの方向に逃がすことができ、耐圧性能を向上させることができる。このとき、ねじ構造の加工精度や面粗度によって部分的に応力が集中することを防ぐため、ねじ構造に隙間なく封着用のガラスを埋め込むことが好ましい。

プロテクタ部１４０、１４２、１４４とハーメボディ１１０との隙間を埋める方法として、高温下でガラス封着する際に、ガラス粘度が低いものを使用する方法や、プロテクタ部１４０、１４２、１４４の表面に、あらかじめガラス封止温度で溶融する材料、例えば、セラミック、ガラス等をコーティングしておく方法がある。コーティングはリードピン１２０との隙間にも適用することができる。

さらには、図６に示すように、プロテクタ部１４０（１４２、１４４）よりも高圧側に第２のガラス部材１３４を形成することで、低圧側、高圧側の両面からガラス封着を行なうことができる。

１００…ハーメチック構造
１１０…ハーメボディ
１１１…貫通孔
１２０…リードピン
１３０…ガラス部材
１３４…第２ガラス部材
１４０…プロテクタ部
１４２…プロテクタ部
１４４…プロテクタ部
１４６…プロテクタ部

Claims (6)

1. 高圧側と低圧側とを貫通する貫通孔を有するハーメボディと、
   前記貫通孔に通された導体と、
   を備えたハーメチック構造であって、
   前記貫通孔は、前記低圧側から前記高圧側に向かって径が拡がるテーパ部が形成され、
   前記導体を通して、前記テーパ部に嵌め込まれたプロテクタ部と、
   前記貫通孔において、前記プロテクタ部よりも低圧側に延びて前記導体を封着するガラス部材と、
   を備えたことを特徴とするハーメチック構造。
2. 前記プロテクタ部と前記貫通孔との間には、前記ガラス部材が入り込んでいることを特徴とする請求項１に記載のハーメチック構造。
3. 前記テーパ部が複数個形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のハーメチック構造。
4. 前記貫通孔において、前記プロテクタ部よりも高圧側に延びて前記導体を封着する第２ガラス部材をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のハーメチック構造。
5. 前記プロテクタ部は、前記ハーメボディよりもヤング率の大きい材料で形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のハーメチック構造。
6. 高圧側と低圧側とを貫通し、前記低圧側から前記高圧側に向かって径が拡がるテーパ部が形成された貫通孔を有するハーメボディと、前記貫通孔に通された導体と、を備えたハーメチック構造の製造方法であって、
   前記導体を通すための穴が形成されたプロテクタ部を前記テーパ部に嵌め込むステップと、
   前記穴に前記導体を通した状態で、前記貫通孔の前記低圧側に配置したガラス部材を溶融して、前記導体を封着するステップと、
   を有することを特徴とするハーメチック構造の製造方法。