JP2020198303A - スリーブを備えたガラス・金属フィードスルー - Google Patents
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Abstract
【課題】人体と接触してもニッケルを放出せず、十分なロウ付け性を有するガラス・金属フィードスルーを提供する。【解決手段】外部導体または基体と、ガラス材料またはガラスセラミック材料と、内部導体とからなるガラス・金属フィードスルーであって、内部導体は、好ましくは金属ピン１であり、外部導体、特に基体内の前記内部導体は、ガラスまたはガラスセラミック材料に封着されている、ガラス・金属フィードスルーにおいて、金属ピン１は、高い伝導性および／または低い接触抵抗を有する材料と、金属ピン１を少なくとも部分的に包囲するスリーブエレメント２とを含むことを特徴とする、ガラス・金属フィードスルー。【選択図】図１
Description
本発明は、外部導体または基体と、ガラス材料またはガラスセラミック材料と、金属ピンの形態の内部導体とからなるガラス・金属フィードスルーに関する。本発明はさらに、ウェアラブル品、埋め込み型医療機器および装置におけるガラス・金属フィードスルーの使用、ならびにかかるガラス・金属フィードスルーを備えたエレメントに関する。
ガラス・金属フィードスルーは、電気工学の様々な応用範囲で使用されている。例えば、電子機器およびセンサーシステムのデバイスのハウジングにおける導電体のフィードスルーに使用される。これに関連して、そのような部材は、ガラスと異なる金属材料との溶融接合部を有する。金属製の内部導体を、金属製の外部導体で包囲されたガラスまたはガラスセラミック材料に封入することにより、ハウジングへの導体のハーメチックシールフィードスルーを提供することができる。フィードスルー自体またはフィードスルーの一部が人体に接触するフィードスルーは、非常に特殊なガラス・金属フィードスルーである。こうしたフィードスルーでは、使用するすべてのコンポーネントの高い耐食性および優れた長期耐久性を確保することが重要である。特にそのようなフィードスルーは、アレルギー反応の発生を防ぐために、限られた量のＮｉしか放出しないことが望ましい。これは、いわゆるニッケル溶出の限界値の規格で定められている。これに関して、ＤＩＮ ＥＮ１８１１およびＤＩＮ ＥＮ１２４７２が参照される。
ガラス・金属フィードスルーでは、フィードスルー導体の材料としては主にＦｅ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金が使用されている。これらの材料の利点は、封止ガラスへのその熱膨張性の優れた適合にある。ただし、こうした材料はいずれも、母材に著量のＮｉを含んでいる。さらに、こうした材料には、該材料を腐食から保護するためのニッケルコーティングが施されており、こうしたコーティングによってまたも、望ましくない量のニッケルが放出される。
Ｎｉの放出を防止すべく、従来技術では、ニッケル浸透を低減するのに十分な厚さの金層でフィードスルー導体または内部導体をコーティングすることが想定されていた。しかしこれには、Ｎｉの放出を十分に防ぐことができないか、またはこれを達成するには厚さ２．５μｍを超える非常に厚いＡｕ層が必要であるという欠点があった。
独国特許出願公開第１９８４２９４３号明細書では、被覆導体を用いた解決法の代替案として、内部導体としてタンタルを使用するか、またはニッケルフリーのステンレス鋼およびフェライト系ステンレス鋼を使用することが提案されており、該ステンレス鋼は、例えば米国規格ＡＩＳｉ ４４６に準拠した鋼であり、これは、アルミニウムを添加したクロム系の耐熱性フェライト系ステンレス鋼である。フェライト系ステンレス鋼ＡＩＳＩ４４６の膨張係数は、一般的なガラスの膨張係数よりもわずかに高い。そのため、冷却時に内部導体がガラスよりも強度に収縮し、ガラスとの界面にクラックが生じる危険性があった。さらに、フェライト系ステンレス鋼のロウ付け性も限定的であり、通常、ロウ付け時には強力なフラックスを使用する必要がある。こうした強力なフラックスは、後の操作で腐食を引き起こす可能性があり、使用前にコストをかけて洗浄する必要がある。
独国特許発明第１９８４２９４３号明細書のさらなる欠点は、内部導体の膨張係数α内部がガラスの膨張係数αガラスよりも低い場合にしかフィードスルーの十分な気密性が提供されないため、Ｎｉフリーの材料の選択が限定的であるという点にある。
良好な伝導性を提供するために、従来技術では、ニッケルおよび／または金による金属ピンのコーティングが行われた。その場合、少なくとも金の完全なコーティングが行われるまでは、Ｎｉがこうした構成体から漏出するという問題が生じた。一方で、純銅製や真鍮製の金属ピンは、ガラスへの封着が非常に困難である。被覆導体のもう１つの問題は、水溶液または水の存在下で発生し得る腐食である。ハウジング内部のロウ付け接合には、例えば湿式めっきプロセスにより少なくとも選択的なコーティングを有する、ニオブおよびチタンなどの材料で十分である。しかし、これらの材料をめっきによりしっかりと密着させることは非常に困難である。好ましくは選択的なコーティングによる、例えば湿式めっきプロセスによるロウ付け性の改善は、技術的にも困難であるため、高コストである。
米国特許出願公開第２００４／０１０１７４６号明細書から、導体がカバーによって電解質から保護される電池用フィードスルーが知られている。
米国特許第９，７４１，４６３号明細書には、困難な環境条件向けのフィードスルーが示されており、ここで、導体は、該導体を包囲するスリーブエレメントとともに、ガラスまたはガラスセラミック材料に封着されている。
米国特許出願公開第２００２／０１５５３５０号明細書からも同様に、スリーブエレメントが導体を包囲し、導体とスリーブエレメントとが一緒にガラスまたはガラスセラミック材料に導入されるガラス・金属フィードスルーが知られている。
したがって本発明の課題は、従来技術の欠点を回避するガラス・金属フィードスルーを提示することにある。特に、一方では人体と接触してもニッケルを放出せず、また他方では十分なロウ付け性をも示す、金属ピンまたは内部導体を備えたフィードスルーが提示されることが望ましい。
上述の課題は、請求項１記載のガラス・金属フィードスルー、および請求項７記載の該ガラス・金属フィードスルーの使用、および請求項８記載の、人間もしくは動物の体または細胞培養物への導入が可能な本発明によるガラス・金属フィードスルーを備えたエレメントにより解決される。
本発明によるガラス・金属フィードスルーは、該フィードスルーが、外部導体（基体とも呼ばれる）と、ガラス材料またはガラスセラミックと、内部導体とを含み、該内部導体が、好ましくは金属ピンであり、ガラスまたはガラスセラミック材料に封着されていることを特徴とする。内部導体または金属ピンは、外部導体または基体においてガラスまたはガラスセラミック材料にはめ込まれ、融着されている。
本発明によれば、金属ピンの材料は、高い伝導性および／または低い接触抵抗を有する材料を含む。
さらに、金属ピンまたは内部導体は、該金属ピンまたは内部導体を少なくとも部分的に、好ましくは完全に包囲するスリーブエレメントを含む。スリーブエレメントは、金属ピンの一部にのみ施与されており、基本的には、低抵抗の際に金属ピンと、導体材料、例えばプリント基板、いわゆるＰＣＢ（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）の開口部との電気的接触を提供する役割を果たす。スリーブ材料は、ロウ付け時にロウ材で濡らされるインターフェースである。
スリーブエレメントが金属ピンに取り付けられ、部分的にスリーブエレメントに包囲されているだけでなく、スリーブエレメントが金属ピンとともにプレスされる場合、特に好ましい。プレスにより、スリーブエレメントが金属ピン上で予定された位置にとどまり、滑らないことが保証される。プレスの際は、プレス工具、ペンチまたは電動プレス機などでスリーブエレメントを金属ピンとともにプレスする。プレスにより、スリーブエレメントが金属ピン上に固定配置される。
本発明によれば、ガラス・金属フィードスルーの金属ピンは２つの端部を有し、第１の端部は、ガラスまたはガラス材料に封着されており、第２の端部は、スリーブに収容されており、第２の端部を、スリーブとともに電気接続部にはめ込みまたはロウ付けすることができる。
スリーブの材料が、例えば銅またはニッケルといったロウ付け可能な材料を含む場合、特に好ましい。なぜならば、そうであれば、スリーブが例えばプリント基板（ＰＣＢ）の開口部などの電気的接続部に挿入されている場合に、該スリーブをこの電気接点にロウ付けできるためである。
金属ピンが医学的に懸念のない材料を含み、医学的応用が可能である場合、特に好ましい。金属ピンの材料として、導電性が高く、医学的に懸念がなく、さらには接触抵抗が低い材料は、例えばニオブ、チタン、タンタル、ステンレス鋼、特にフェライト系ステンレス鋼またはモリブデンである。
スリーブを備えていない金属ピンが、例えばニオブ、チタン、タンタルまたはモリブデンといったこれらの材料のみから製造される場合、確かに、非アレルギー性で導電性の高い材料が使用されるが、導体にロウ付けすることは非常に困難である。
本発明によれば、この課題は、例えば銅などのロウ付け可能な材料で作製されたスリーブエレメントを、ニオブ、チタン、タンタル、ステンレス鋼またはモリブデンで作製された金属ピンにプレスすることによって解決される。金属ピンにニオブ、チタン、タンタル、ステンレス鋼またはモリブデンといった材料を使用する利点は、伝導性が高いことに加え、こうした材料が実用上めっき腐食を示さないことにもある。金属ピンに別個のスリーブエレメントまたはスリーブを配置することには、良好にロウ付け可能な材料が漏出して人間と接触することがないという利点がある。金属ピンに適した材料には、ニオブ、チタン、タンタル、ステンレス鋼およびモリブデンの他に、タングステンもある。ニオブの膨張係数は、約７×１０−６ １／Ｋであり、モリブデンの膨張係数は、５×１０−６ １／Ｋである。
金属ピンの膨張係数α内部は、好ましくは４〜１３ｐｐｍ／Ｋ、すなわち４×１０−６ １／Ｋ〜１３×１０−６ １／Ｋの範囲にある。金属ピンの材料とは対照的に、スリーブの材料、例えば銅などは、より高い膨張係数を有する。
熱膨張係数の違いが大きいことから、６００℃を超える温度で金属ピンをガラス封着すると、銅製のスリーブが、ニオブまたはモリブデン製の金属ピンよりも膨張係数が大きいためにより強度に膨張して、スリーブが金属ピンとの接触を失うものと予想される。
驚くべきことに、この事実にもかかわらず、高温での処理後に、低度のプレスであっても、銅スリーブが金属ピンから外れないことが判明した。これは、拡散接合、したがって銅と金属ピンとの間に化学結合が存在し、単なる圧接ではないことに起因すると考えられる。ガラスと金属との接合を生じさせるために用いられる通常の温度である８００〜１０００℃は、スリーブからピンへの拡散を促進するのにも最適である。温度が高いほど、拡散アンカー作用がより良好に機能する。したがってこの場合、スリーブの拡散アンカー作用のための別個のプロセスステップは不要である。拡散は、ガラス封着プロセスと並行して進行する。
金属ピンのガラス封着ゆえに、フィードスルーの厚さが１ｍｍ未満である場合、特に好ましい。このことは特に、金属、セラミックおよび／またはガラス製の基体により達成される。
コンタクトピンと基体とをポリマー材料で例えば押出し被覆により接合する場合、例えば５バールの耐水圧を実現するには少なくとも２ｍｍが必要である。したがって、この金属製の比較的薄いガラス・金属フィードスルーが必要とするスペースははるかに少なく、そのため、金属は基体の材料として好ましい。
金属ピンの材料としてニオブ、チタン、タンタルおよびモリブデンを使用すると、ロウ材が濡れによってもち上がることなく、スリーブエレメントまたはスリーブの領域にのみ制限されるという利点がある。ロウ材をスリーブの領域に制限することには、例えば金属ピン全体が銅で形成されている場合よりもロウ付けプロセスをより良好に制御できるという、さらなる利点がある。
本発明によるガラス・金属フィードスルーは、特にウェアラブル品、埋め込み型医療機器または装置において使用され、その際、外部導体と内部導体の双方が、少なくとも表面領域において、動作状態で人間または動物の体と接触する。
本発明によれば、金属ピンの実施形態は、特に金属ピンからニッケルもクロムも析出されないため、アレルギーの可能性が低減されている。前述の材料に加えて、ステンレス鋼、特にフェライト系ステンレス鋼も金属ピンに使用できる。
ガラス・金属フィードスルーの外部導体または基体が、良好な溶接性および高い膨張係数を特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼、好ましくは３１６Ｌステンレス鋼である場合、特に好ましい。
ニオブまたはモリブデン製の金属ピンは、５×１０−６ １／Ｋ〜７×１０−６ １／Ｋの範囲の膨張係数α内部を有し、これはガラス材料の膨張係数よりも低いため、シールフィードスルー、特にハーメチックシールフィードスルーが提供される。内部導体には、モリブデンおよびニオブの他に、タングステン、ステンレス鋼またはタンタルを使用することができる。好ましくは、外部導体または基体の膨張係数は、内部導体または金属ピンで少なくとも３０ＭＰａ、好ましくは少なくとも５０ＭＰａ、特に少なくとも１００ＭＰａの接合圧力が提供されるように選択される。
そのような場合、これは、圧力グレージングである。しかし、本発明を、適合されたフィードスルーにも使用することができる。このような場合、金属材料だけでなくセラミック体におけるガラス封着も可能である。セラミックにおけるガラス封着は、ガラスに圧力をかけた状態でのみ実現可能である。
本発明はさらに、埋め込み型医療機器または装置における本発明によるガラス・金属フィードスルーの使用、ならびに人間もしくは動物の体または生物の生細胞を含む細胞培養物への導入またはこれらへの装着が可能な、本発明によるガラス・金属フィードスルーを備えたエレメントであって、外部導体および内部導体は、少なくとも、動作状態で人間または動物の体と接触するその表面領域において、アレルギーの可能性が低減された材料、特に金属からなる、エレメントを含む。
外部導体または基体および内部導体または金属ピンの材料は、人間もしくは動物の体または細胞培養物と接触する可能性があり、好ましくは、該材料からニッケルおよび／またはクロムが析出されないことを特徴とする。
好ましくは、外部導体の材料は、少なくとも、動作状態で人間もしくは動物の体または細胞培養物の生物細胞と接触するその表面領域において、ニッケルフリーおよび／もしくはクロムフリーのステンレス鋼および／もしくはオーステナイト系ステンレス鋼ならびに／またはセラミックならびに／またはガラス／ガラスセラミックを含む。ＤＩＮ ＥＮ１８１１およびＤＩＮ ＥＮ１２４７２に準拠したニッケル溶出試験の要件を満たす材料が特に好ましい。
好ましくは、内部導体の材料は、少なくとも、動作状態で人間もしくは動物の体または細胞培養物の生物細胞と接触するその表面領域において、ニッケルフリーおよび／もしくはクロムフリーのステンレス鋼および／もしくはニオブおよび／またはチタンおよび／またはタンタルおよび／またはタングステンを含む。ＤＩＮ ＥＮ１８１１およびＤＩＮ ＥＮ１２４７２に準拠したニッケル溶出試験の要件を満たす材料が特に好ましい。
以下に、本発明につき、図面をもとにさらに詳説する。
図１に、本発明によるスリーブエレメント２を備えた金属ピン１の概略図を示す。金属ピン１は、例えばニオブ、チタン、タンタル、モリブデン、ステンレス鋼またはタングステンといった、導電性および生体適合性の高い材料を含む。
金属ピン１は、２つの端部、すなわち第１の端部１０および第２の端部２０を有する。金属ピン１の第１の端部１０は、通常、ガラス・金属フィードスルーの場合にはガラスまたはガラスセラミック材料に封着される。本発明によれば、金属ピン１の第２の端部２０には、スリーブエレメント２またはスリーブが、好ましくはプレスによって施与されており、加熱時には、スリーブエレメント２の金属と金属ピン１との融着も生じ得る。スリーブエレメント２の材料としては、例えば電気接点により容易にロウ付け可能であるいずれの材料も該当する。良好にロウ付け可能な材料は、銅、ニッケルなどであり得る。
図２に、図１に示す本発明による金属ピン１の、ガラス・金属フィードスルーにおける使用を示し、ここで、本発明による金属ピン１は、電気接点（示されている実施例では、プリント基板（ＰＣＢ）５）に接続されている。本発明によれば、金属ピン１の第１の端部１０がガラスまたはガラスセラミック材料３に封着されて、ガラス・金属フィードスルーとなっている。ガラス材料３は、外部導体または基体４に包囲される。基体４の材料は、例えば金属、特にステンレス鋼であり得るが、セラミックであってもよい。金属を使用した場合には、基体４の金属の膨張係数とガラス材料３の膨張係数とが異なるため、圧力グレージングが存在し得る。しかし、例えば基体４にセラミック材料を使用した場合には、適合されたフィードスルーも可能となる。
ガラス封着された金属ピン１を備えた基体４の厚さは、通常は１ｍｍ未満の範囲にある。スリーブ２は、ガラス封着されていない第２の端部２０で金属ピン１を包囲し、この場合、導体材料、ここではプリント基板（ＰＣＢ）５の開口部にはめ込まれている。ガラスまたはガラスセラミック材料３には、金属ピン１の第１の端部１０が取り付けられている。
本発明により、高い生体適合性、高い導電性、非常に良好なロウ付け性および高い耐食性を特徴とする金属ピン１が初めて提示される。
本発明は、以下の文に示される態様を含む。以下の項目は、説明の一部であって、特許請求の範囲ではない。
項目
１．外部導体または基体（４）と、ガラスまたはガラスセラミック材料（３）と、内部導体とからなるガラス・金属フィードスルーであって、前記内部導体は、好ましくは金属ピン（１）であり、前記外部導体、特に前記基体（４）内の前記内部導体は、前記ガラスまたはガラスセラミック材料（３）に封着されている、ガラス・金属フィードスルーにおいて、前記金属ピン（１）は、高い伝導性および／または低い接触抵抗を有する材料と、前記金属ピン（１）を少なくとも部分的に包囲するスリーブエレメント（２）とを含むことを特徴とする、ガラス・金属フィードスルー。
１．外部導体または基体（４）と、ガラスまたはガラスセラミック材料（３）と、内部導体とからなるガラス・金属フィードスルーであって、前記内部導体は、好ましくは金属ピン（１）であり、前記外部導体、特に前記基体（４）内の前記内部導体は、前記ガラスまたはガラスセラミック材料（３）に封着されている、ガラス・金属フィードスルーにおいて、前記金属ピン（１）は、高い伝導性および／または低い接触抵抗を有する材料と、前記金属ピン（１）を少なくとも部分的に包囲するスリーブエレメント（２）とを含むことを特徴とする、ガラス・金属フィードスルー。
２．前記スリーブエレメント（２）が、前記金属ピン（１）とともにプレスされていることを特徴とする、項目１記載のガラス・金属フィードスルー。
３．前記スリーブエレメントの材料が、ロウ付け可能な材料、特に銅またはニッケルを含むことを特徴とする、項目１または２記載のガラス・金属フィードスルー。
４．前記金属ピン（１）が、医学的に懸念のない材料、特に以下の材料：
ニオブ、モリブデン、チタン、タンタル、ステンレス鋼およびタングステン
のうちの１つを含むことを特徴とする、項目１から３までのいずれか１項記載のガラス・金属フィードスルー。
ニオブ、モリブデン、チタン、タンタル、ステンレス鋼およびタングステン
のうちの１つを含むことを特徴とする、項目１から３までのいずれか１項記載のガラス・金属フィードスルー。
５．前記金属ピン（１）が、２つの端部、すなわち第１の端部（１０）および第２の端部（２０）を有し、前記第１の端部は、前記ガラスまたはガラスセラミック（３）に封着されており、前記第２の端部（２０）は、前記スリーブエレメント（２）に収容されていることを特徴とする、項目１から４までのいずれか１項記載のガラス・金属フィードスルー。
６．前記金属ピン（１）の膨張係数α内部が、４〜１３ｐｐｍ／Ｋの範囲にあることを特徴とする、項目１から５までのいずれか１項記載のガラス・金属フィードスルー。
７．ウェアラブル品、埋め込み型医療機器または装置における、項目１から６までのいずれか１項記載のガラス・金属フィードスルーの使用。
８．人間もしくは動物の体または生物の生細胞を含む細胞培養物への導入またはこれらへの装着が可能な、項目１から６までのいずれか１項記載のガラス・金属フィードスルーを備えたエレメントであって、前記外部導体および前記内部導体は、少なくとも、動作状態で人間または動物の体と接触するその表面領域において、アレルギーの可能性が低減された材料、特に金属からなる、エレメント。
９．人間もしくは動物の体または細胞培養物と接触する前記外部導体および前記内部導体の材料から、ニッケルおよび／またはクロムが析出されない、項目８記載のエレメント。
１０．前記外部導体および前記内部導体の材料が、少なくとも、動作状態で人間もしくは動物の体または細胞培養物の生物細胞と接触するその表面領域において、ニッケルフリーおよび／もしくはクロムフリーのステンレス鋼および／もしくはオーステナイト系ステンレス鋼ならびに／またはセラミックならびに／またはガラスならびに／またはガラスセラミックを含む、項目７または８記載のエレメント。
Claims (10)
- 外部導体（４）と、ガラスまたはガラスセラミック材料（３）と、内部導体とを含むガラス・金属フィードスルーであって、前記内部導体は、金属ピン（１）であり、前記基体（４）内の前記内部導体は、前記ガラスまたはガラスセラミック材料（３）に封着されており、前記金属ピン（１）は、高い伝導性および／または低い接触抵抗を有する材料と、前記金属ピン（１）を少なくとも部分的に包囲するスリーブエレメント（２）とを含む、ガラス・金属フィードスルーにおいて、
前記金属ピン（１）が、２つの端部、すなわち第１の端部（１０）および第２の端部（２０）を有し、前記第１の端部は、前記ガラスまたはガラスセラミック（３）に封着されており、前記第２の端部（２０）は、前記スリーブエレメント（２）に収容されていることを特徴とする、ガラス・金属フィードスルー。 - 前記スリーブエレメント（２）が、前記金属ピン（１）とともにプレスされていることを特徴とする、請求項１記載のガラス・金属フィードスルー。
- 前記スリーブエレメントの材料が、ロウ付け可能な材料を含むことを特徴とする、請求項１または２記載のガラス・金属フィードスルー。
- 前記ロウ付け可能な材料が、銅またはニッケルを含むことを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載のガラス・金属フィードスルー。
- 前記金属ピン（１）が、医学的に懸念のない材料として、以下の材料：
ニオブ、モリブデン、チタン、タンタル、ステンレス鋼およびタングステン
のうちの１つを含むことを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載のガラス・金属フィードスルー。 - 前記金属ピン（１）の膨張係数α内部が、４〜１３ｐｐｍ／Ｋの範囲にあることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載のガラス・金属フィードスルー。
- ウェアラブル品、埋め込み型医療機器または装置における、請求項１から６までのいずれか１項記載のガラス・金属フィードスルーの使用。
- 人間もしくは動物の体または生物の生細胞を含む細胞培養物への導入またはこれらへの装着が可能な、請求項１から６までのいずれか１項記載のガラス・金属フィードスルーを備えたエレメントであって、前記外部導体および前記内部導体は、少なくとも、動作状態で人間または動物の体と接触するその表面領域において、アレルギーの可能性が低減された材料からなる、エレメント。
- 人間もしくは動物の体または細胞培養物と接触する前記外部導体および前記内部導体の材料から、ニッケルおよび／またはクロムが析出されない、請求項８記載のエレメント。
- 前記外部導体および前記内部導体の材料が、少なくとも、動作状態で人間もしくは動物の体または細胞培養物の生物細胞と接触するその表面領域において、ニッケルフリーおよび／もしくはクロムフリーのステンレス鋼および／もしくはオーステナイト系ステンレス鋼ならびに／またはセラミックならびに／またはガラスならびに／またはガラスセラミックを含む、請求項８または９記載のエレメント。
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