JP3067158B2 - セラミックスの電気接合用電源の出力制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、セラミックスの電気接合用電源の出力制御
方法に関するものである。

＜従来の技術＞ 被接合体セラミックス同士を接合する場合、第４図に
示すように、例えば、絶縁性Si3N4セラミックスの角柱
状の被接合体セラミックス1a,1b（15×15×20mm）間
に、導電性を有するTiN含有Si3N4セラミックスの電気接
合用インサート材２（15×15×2mm）の両面に、CaO/SiO
2/Al2O3を主成分とする酸化物ソルダーの接合剤3a,3bを
塗布したものを介在させて突合せる。このインサート材
２の両端部には、電源装置４に接続された通電電極5a,5
bが当接した状態で配設されており、接合時は通電に伴
ってインサート材２に発生するジュール熱によって、セ
ラミックス同士の突合せ部のみを加熱させて接合する方
法を提案した（特開平１−226775号）。なお、この従来
技術には、電源装置４を図示していないが、通常、変圧
器41と可飽和リアクトル，半導体制御素子等により構成
される出力電流制御回路42とからなり、電源装置４とし
ては、第５図，第６図に示すように、電流可変型の垂下
特性または定電流特性を示す単一出力の電源装置であ
る。

ところで、例えば上記のような導電性を有するセラミ
ックス及び上述していないある種の導電性を有する接合
剤は、一般的に第７図のような抵抗・温度特性を示し、
また第８図のような電圧・電流特性を示すように、著し
い負抵抗の特性を有している。なお、これらの特性は、
材質、形状、雰囲気等のある接合条件下の状態を示して
いる。したがって、通電の初期すなわち接合初期段階で
は、抵抗が大きいために、通電開始電圧値Vmが高くなる
ので、高い電源電圧を必要とし、その後の接合段階で
は、突合せ部を所望の接合温度に上昇させるために、所
望の加熱パターンに応じた通電電流をImまで適宜に増加
させるので、電極間の電圧は徐々に低くなる。

今、通電電極5a,5b間に交流電圧を印加して、電圧を
徐々に上昇させると、約240〔Ｖ〕で通電開始し、その
後は、予め定めた加熱パターンに基づいて通電電流を徐
々に増加させ、約230〔Ａ〕で突合せ部が所望の接合温
度1600〔℃〕となり、約10分間保持した後に、電流を減
少させ、常温まで冷却し接合を完了した。

この場合、電源容量に少し余裕を持たせると、電圧が
約250〔Ｖ〕、電流が約250〔Ａ〕となる最大定格の電源
が必要となる。

＜発明が解決しようとする問題点＞ ところが、このような特性を示す負荷に対しては、電
源電圧の著しく高い、かつ通電電流の大きい電源が要求
されるために、電源容量が大きくなるので、コストが高
くなり、また入力kVAが大きくなるので、力率が低下
し、ランニングコストが高くなるという問題があった。

さらに、特に耐熱衝撃性の低いセラミックスを接合す
る場合、通電の初期段階では、小電流の通電制御による
温度制御が必要となるが、上述したように単一出力の電
源装置では、小電流から大電流までの広範囲に亘っての
制御であるために、小電流域での正確な制御が困難とな
り、コストアップするという問題があった。

＜問題点を解決するための手段＞ 本発明は、上記の問題点を解決するために、セラミッ
クス同士の突合せ部を電気的に加熱させて接合する際
に、電圧・電流特性が著しい負特性を示す被接合体セラ
ミックスに、被接合体の加熱部分における通電電流・電
圧・温度の何れかの予め定めた値に応じて、高電圧・小
電流出力または低電圧・大電流出力に切換えて、電気接
合用電源の出力制御させて通電を行うものである。

＜作 用＞ 以上のような構成とすることにより、電圧・電流特性
が著しい負特性を示す被接合体セラミックスを電気的に
接合する場合、接合用電源の容量を格段に低減させるこ
とができ、また特に耐熱衝撃性の低いセラミックスを接
合する場合、通電の初期段階での小電流の正確な通電制
御ができる。

＜実施例＞ 第１図は、本発明の方法に係る電源装置を示すブロッ
ク図である。図において、Ｓは電源端子、41a,42aはそ
れぞれ高電圧・小電流出力電源Pa用の第１の変圧器及び
可飽和リアクトルまたはサイリスタ，トランジスタ等の
半導体制御素子により構成される第１の電流（電圧）制
御回路、41b,42bはそれぞれ低電圧・大電流出力電源Pb
用の第２の変圧器及びリアクトルまたは半導体制御素子
により構成される第２の電流（電圧）制御回路である。

６は第１の制御回路42a及び第２の制御回路42bの出力
を切換える電源切換回路であって、セラミックスを被接
合体とする負荷Ｌに供給される電流（電圧）を検出する
電流（電圧）検出器７または上記負荷Ｌの突合せ部の接
合温度を検出する温度検出器８、例えば放射温度計の出
力と、電源切換設定器９の出力との差に応じて、この電
源切換回路６は、切換信号発生回路10の出力により切換
わる。

11は負荷Ｌに供給する電流（電圧）を可変させる信号
を出力するゲート回路、ベース駆動回路、リアクタンス
制御回路等の電流（電圧）制御信号発生回路であって、
切換信号発生回路10の出力によって、それぞれ高電圧・
小電流出力電源Pa用及び低電圧・大電流出力電源Pb用の
第１及び第２の加熱パターン設定器12a,12bが選択され
て、各加熱パターン設定器の出力、例えば定電流制御、
定電圧制御、定温度制御であれば、電流、電圧、温度に
対応する電気信号出力と、電流（電圧）検出器７または
温度検出器８の出力との差に応じて、制御信号発生回路
11が動作し、所望の加熱パターンに基づいて負荷Ｌが加
熱される。なお、電源装置PSは、電源端子S,電流（電
圧）検出器7,温度検出器８及び負荷Ｌを除いた構成部分
からなる。

電源切換設定器９の設定値は、前述した第８図に示す
電圧・電流特性の変化率の最も大きい箇所に対応する電
流値（Is）または電圧値（Vs）及びコスト的に最小とな
る電流値または電圧値が採用されるが、この値は、セラ
ミックスの種類、接合剤の種類、接合条件及び接合状態
によって、個々に変える必要がある。

両電源Pa,Pbを共に定電流特性とし、第８図に示した
通電開始電圧値Vm,最大通電電流値Im及び上記の電流値
（Is），電圧値（Vs）に対して、少し余裕を持たせる
と、高電圧・小電流出力電源Paの最大定格値は、電圧が
Vmm、電流がIsmであって、その電圧・電流特性は第２図
に示す実線Daとなる。また、低電圧・大電流出力電源Pb
の最大定格値は、電圧がVsm、電流がImmであって、その
電圧・電流特性は第２図に示すDbとなるが、この特性
は、セラミックスの種類、接合剤の種類、接合条件及び
接合状態によって変わる。

電源装置の特性としては、従来のような垂下特性及び
定電流特性の他、定電圧特性及び定電力特性のものが適
用でき、またその種類としては、商用周波数の交流電源
の他、インバータ方式等による可変周波数型の交流電源
または直流電源が適用できる。

実施例１ 本実施例は、本発明の方法に係る電源装置PSを従来技
術（第４図）に適用した実施例であるので、図面を省略
する。

まず、前述した第８図に示す電圧・電流特性を予め測
定し、これからVm,Im及び（Vs），（Is）を決定し、つ
ぎに高電圧・小電流出力電源Paの最大定格値Vmm＝250
〔Ｖ〕,Ism＝10〔Ａ〕とし、低電圧・大電流出力電源Pb
の最大定格値Vsm＝20〔Ｖ〕,Imm＝250〔Ａ〕とするイン
バータ方式の定電流電源を電気接合用電源とした。した
がって、電源容量としては、従来が62.5〔kVA〕に対し
て、本発明が全体で7.5〔kVA〕となり、また入力kVAに
ついては当然、電源容量の低減率と同程度になる。

今、高電圧・小電流出力電源Paからの出力電圧を通電
電極5a,5b間に印加させると、約240〔Ｖ〕で通電開始
し、その後は、第１の加熱パターン設定器12aの出力に
よって、予め定めた加熱パターンに基づいて通電電流
が、第１の電流（電圧）制御回路42aにより徐々に増加
する。一方、通電電極間の電圧は徐々に減少する。

通電電流または通電電極間の電圧を電流（電圧）検出
器７により検出した値が、電源切換設定器９に設定され
た電流値Is＝８〔Ａ〕または電圧値Vs＝15〔Ｖ〕に達す
ると、切換信号発生回路10の出力により電源切換回路６
が動作して、低電圧・大電流出力電源Pbに切換わると共
に、第２の加熱パターン設定器12bに切換わる。

その後は、第２の加熱パターン設定器12bの出力によ
って、予め定めた加熱パターンに基づいて通電電流が、
第２の電流（電圧）制御回路42bにより増加し、約230
〔Ａ〕，電極5a,5b間の電圧値９〔Ｖ〕で突合せ部が所
望の接合温度1600〔℃〕となり、約10分間保持した後
に、電流を減少させ、常温まで冷却し接合を完了した。
なお、この実施例においては、セラミックスの熱衝撃に
よる破損を防止するために、例えば、0.1〔Ａ〕毎に電
流を上昇させる制御が必要である。

実施例２ 第３図は、本発明の方法に係る電源装置PSを適用した
第２の実施例を示す概略構成図であって、例えば、絶縁
性Si3N4セラミックスの平板状の被接合体セラミックス1
a,1b（50×20×25mm）間に、CaF2/カオリンを主成分と
するソルダーの接合剤３を介在させて突合せる。この突
合せ部の両側には、電源装置PSに接続された通電電極5
a,5bが当接した状態で対向して配設されている。なお、
上記の接合剤３は常温で非導電性であるが、高温条件下
で導電性を有するようになる。

まず、第８図に示す電圧・電流特性を測定して、Vm,I
m,（Vs），（Is）を決定し、つぎに電源Paの最大定格値
Vmm＝3000〔Ｖ〕,Ism＝200〔mA〕とするリアクトル式の
垂下特性電源を、また電源Pbの最大定格値Vsm＝400
〔Ｖ〕,Imm＝２〔Ａ〕とするサイリスタ式の定電流電源
を電気接合用電源とした。したがって、電源容量として
は、従来が６〔kVA〕に対して、本発明が全体で1.4〔kV
A〕となり、また入力kVAについては、電源容量の低減率
と同程度になる。

今、セラミックス1a,1bの両側に配設した図示しない
ガス火口により突合せ部を850〜900〔℃〕に加熱し、電
極5a,5b間に印加する電源Paからの電圧を上昇させる
と、上記加熱に伴って接合剤３の導電性が向上すること
により、約2800〔Ｖ〕で通電開始し、その後は、第１の
加熱パターン設定器12aの出力によって、予め定めた加
熱パターンに基づいて通電電流が第１の電流（電圧）制
御回路42aにより徐々に増加する。

通電電流または通電電極間の電圧を電流（電圧）検出
器７により検出した値が、電源切換設定器９に設定され
た電流値Is＝150〔mA〕または電圧値Vs＝380〔Ｖ〕に達
すると、切換信号発生回路10の出力により電源切換回路
６が動作して、低電圧・大電流出力電源Pbに切換わる。

その後は、第２の加熱パターン設定器12bの出力によ
って、予め定めた加熱パターンに基づいて通電電流が、
第２の電流（電圧）制御回路42bにより増加し、約1.6
〔Ａ〕，電極5a,5b間の電圧値370〔Ｖ〕で突合せ部が所
望の接合温度1700〔℃〕となり、約10分間保持した後
に、電流を減少させ、常温まで冷却し接合を完了した。
なお、この実施例においては、予熱に際して、加熱設備
面、加熱コスト面、セラミックスの劣化防止面等を考慮
して、上記の加熱温度とした。

以上の実施例において、第１及び第２の変圧器41a,41
bを別個としているが、鉄心を共通とする２つの出力が
取り出せる１個の変圧器でもよい。

また、小電流域での電圧・電流特性が急峻である場
合、または特に耐熱衝撃性が低い場合は、高電圧・小電
流出力電源を分割してもよい。

＜発明の効果＞ 以上のように、本発明によれば、大幅な設備費の低減
及びランニングコストの低減が図られると共に、特に耐
熱衝撃性の低いセラミックスを接合する場合、小電流域
での通電制御による温度制御が容易になったために、破
損を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の方法に係る電源装置を示すブロック
図である。 第２図は、本発明の方法に係る電源装置の電圧・電流特
性を示す図である。 第３図は、本発明に係る電源装置PSを適用した第２の実
施例を示す概略構成図である。 第４図は従来の電気接合方法を示す概略構成図である。 第５図及び第６図は、それぞれ電源装置の垂下特性及び
定電流特性を示す図である。 第７図及び第８図は、それぞれ負荷の抵抗・温度特性及
び電圧・電流特性を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−243573（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−235268（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C04B 37/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】セラミックス同士の突合せ部を電気的に加
   熱させて接合する際に、電圧・電流特性が著しい負特性
   を示す被接合体セラミックスに、前記被接合体の加熱部
   分における通電電流・電圧・温度の何れかの予め定めた
   値に応じて、高電圧・小電流出力または低電圧・大電流
   出力に切換えて通電を行うセラミックスの電気接合用電
   源の出力制御方法。