JP4472141B2 - 低熱膨張率材の締結方法 - Google Patents

低熱膨張率材の締結方法 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミック材あるいは石英ガラス材などの低熱膨張率材どうしや、あるいは、セラミック材や石英ガラス材より熱膨張率が大きい金属材をボルト・ナットで締結する方法に係り、高温下でも緩むことがない締結方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
セラミック材は、耐熱性が高く、また雰囲気の影響を受けることが少なく安定性が高いため、炉や温度評価装置の構成部品として、近年多く用いられている材料の一つである。温度評価装置を例にあげると、その中の加熱源としてよく用いられるセラミックヒータがあり、この主要部分はセラミックからなる。
図6に、このセラミックヒータ1の一例を示す。平坦なセラミック板2の表面に、ヒータ3となる厚さが50μm程度の薄い配線パターンが印刷されている。この配線パターンに通電することによって加熱する。
【0003】
ヒータ3に通電するために、ヒータ3の両端に給電線(図示省略)を固定しなくてはならない。そこで、ヒータ3の両端に金属線6をはんだ付けもしくはロー付けしておいて、金属線6の開放端を給電線と圧着接合する方法がよく採られている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
昇温する温度が数100℃以下の場合は、この給電方法でもさほど問題はなかった。ところが、本来セラミックヒータ1は、セラミック自体の高い耐熱性を生かして、1,000℃を超える加熱源として利用されることが多い。同時にセラミックは、熱容量が小さいために、昇温・降温速度が大変速い。従って、セラミックヒータ1は、1,000℃を超える高温まですばやく昇温させたり、逆に高温から常温にすばやく降温させる加熱源として利用価値の高いヒータである。
【0005】
しかしながら、金属線6をはんだ付けした場合は、加熱温度が数100℃を超えると、その接合部分が溶融してしまう。また、より耐熱性の高いロー付けであっても、銀ロー付けの場合融点が約600℃で、ニッケルローを選択したとしても約800℃であり、これまたその接合部分が溶融・蒸発してしまう。
例えば、半導体素材の気相成長装置などにも、好んでセラミックヒータ1が使用されている。これは、半導体素材を還元雰囲気の加熱チャンバー内に入れて、セラミックヒータ1で約1,000℃まで急激に昇温し、半導体素材の気相成長を促すものである。ところがそのとき、前述したように、接合材であるロー材が溶融してしまうと、正常に気相成長させることができなくなる。
【0006】
そこで、このような装置には、以下の給電方法が採られていた。これについて、図7を用いて説明する。
まず、ヒータ3の両端部には取付け穴7があけられている。一方、給電線4には事前に圧着端子8が圧着されている。そこで、圧着端子8をヒータ3端部の取付け穴7に重ね合わせ、両者をボルト11とナット12で止めるものである。なおボルト11とナット12の材質には、耐熱性が高く比較的加工し易いニッケルが使用されている。これであれば、溶融あるいは蒸発する材料を一切使わないため、前に述べたような問題は発生しない。
なお、給電線4や圧着端子8も通常ニッケル製である。
【0007】
ところが、常温でボルト11とナット12を適当な力で締付けても、温度を上げていくと、いとも簡単に締付け力が低下し、圧着端子8とヒータ3の間には隙間を生じることとなる。これは、ヒータ3が印刷されたセラミック板2と金属製のボルト11の熱膨張率(α)が、高温下で大きく異なるためである。ちなみに1000℃付近の温度下では、セラミック板2によく用いられるアルミナの熱膨張率は約7×10−6/℃で、一方ボルト11の素材であるニッケルの熱膨張率は約17×10−6/℃と、両者には大きな差がある。つまり、昇温とともに、ボルト11の方がより大きく伸びていくために、ヒータ3と圧着端子8が密着しなくなる訳である。
【0008】
ヒータ3には通常大きな電流が流れており、少しでも圧着端子8とヒータ3の間に隙間が生じると、そこでスパークが発生し、ひどいときは接合部が溶断してしまう。そこまで至らずに、単に接合部の接触抵抗が増加した場合でも、ヒータ3に所定の電流が流れなくなり、昇温機能が損なわれることとなる。
締結される部材がセラミックではなく、金属どうしであれば、ボルト11・ナット12を強固に締付けたり、強いスプリングワッシャーを挟んで締付けたり、あるいは昇温・降温を何回か繰り返した後でボルト11・ナット12を増締めすることで、この問題はほとんど解消される。ところが、セラミックを部材に選んだ場合は、セラミックが大変脆い材料であるため、このような対応をすると、セラミックが容易に割れてしまう。従ってそのような対応を採ることはできなかった。
【0009】
そこで、この問題の一対応策として、次の方法が採られていた。
図8を用いて説明するが、これは、ボルト11にカーボン製のスペーサ13を挿入して締結するものである。カーボンは、耐熱性が高く高温下でも溶融しない燒結体であると同時に、熱膨張率もセラミックと同等程度に小さく、また硬度が高くないある程度クッション性のある材料である。そのため、このカーボン製のスペーサ13を挿入して締結すると、高温下において周囲に及ぼす影響は全くない。また、セラミック部材が割れない程度の強い力で締付けたとき、スペーサ13がスプリングワッシャーの役目を果たしてくれて、容易にセラミック部材が緩んでしまうことはない。
ところがこの場合も、ヒータ3の昇温・降温を何度か繰り返すうちに、カーボン製のスペーサ13が塑性変形してしまい、ボルト11・ナット12に緩みが生じた。そこで、定期的にボルト11・ナット12を増締めする必要があった。しかしながら、装置の構成上、この接合部分は往々にして増締め作業がし難い個所に当たり、面倒臭さもあいまって、増締め作業を怠ることがしばしばあった。すると、緩みが生じてきて、ヒータは正常に昇温・降温できなくなる。また更に緩みが大きくなると、最悪の場合、前に述べたように接合部が溶断してしまい、セラミックヒータ1や給電線4全体を交換しなければならなくなった。
【0010】
そこで、高温下に置かれ、金属製のボルト・ナットで締結される部材にセラミックを選んだときでも、ボルト・ナットに緩みが生じない締結方法の開発が望まれていた。
【0011】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は、上述した問題点を解決するために提案された、セラミック部材の締結方法である。まず第一の特徴は、金属製のボルトより大きな熱膨張率の金属スペーサにボルトを通したことである。このことにより、高温になったとき、金属スペーサはボルトより僅かに大きく伸びるため、ボルト・ナットが緩むことはない。次なる特徴としては、金属スペーサは1枚だけではなく、締結方向に複数枚配され、それら金属スペーサはそれぞれ熱膨張率が異なることである。これによって、金属スペーサによる締結方向の伸縮量を更にきめこまかく調整することができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下添付図面にしたがって、本発明に係るセラミック材の締結方法の実施形態について詳説する。なお、従来例と同じ構成部品については、従来例と同符号を用いる。
図1に、本発明を用いて、セラミック板2と圧着端子8を締結する様子を示す。この発明の特徴は、金属スペーサ21を用いていることである。円筒状の金属スペーサ21、圧着端子8、及びセラミック板2の取付け穴7にボルト11を通した上、下方からナット12で締結するものである。
ここで、金属スペーサ21は、ニッケルより熱膨張率の大きな材料でつくられている。例えば、ステンレス鋼がそれに当たる。
【0014】
常温下でこのように組付ける際は、セラミック板2が割れない程度の力で、ボルト11とナット12を締付けておく。そうして給電線4に通電をする。いま圧着端子8はヒータ3端部に密着しているため、両者の間の接触抵抗は大きくない。そこで、所定の電流がヒータ3に流れ、ヒータ3は所望の温度カーブで昇温する。
ヒータ3の温度上昇に伴い、周囲(通常、セラミックヒータ1は或る加熱チャンバー内に設置され、その内部は水素などの還元ガスで置換されている。)の温度も上昇する。すると、セラミック板2の厚み方向の伸びに比して、ボルト11が軸方向に大きく伸びていく。ところが、ボルト11より大きな熱膨張率を持つ金属スペーサ21は、更に大きく伸びる。そのためいつまでも、金属スペーサ21は、圧着端子8をセラミック板2の配線パターンに押付けて、両者を密着させてくれる。従って、周囲が高温になっても、接合部の接触抵抗は増えることなく、所定の電流をヒータ3に流しつづけることができる。
【0015】
一方、電流値を下げて、温度が高温から常温に戻る際は、適当に金属スペーサ21が縮んでいく。そのため、金属スペーサ21は、この間両者の間に、常に高い密着強度を保たせてくれる。従って、降温時にも接合部の接触抵抗は増えることはない。
【0016】
ここで、発明者は単に金属スペーサ21を挿入しただけではなく、その材質や長さに次なる関係を持たせている。これについて、図2を用いて説明する。図2は締結したときの側面図であり、(a)はセラミック材と金属材を、(b)はセラミック材どうしを締結したときのものである。
(a)…セラミック材の厚さをLc,金属材の厚さをLm,金属スペーサ21の厚さをLsとし、それらセラミック材,金属材,金属スペーサ21,及びボルト11の熱膨張率を、それぞれαc,αm,αs,αbとすると、
αb・(Lc+Lm+Ls)<αc・Lc+αm・Lm+αs・Ls
なる関係となるように、それぞれの材質や長さを選定している。
(b)…2枚からなるセラミック材の厚さの和をLct,金属スペーサ21の厚さをLsとし、それらセラミック材と金属スペーサ21とボルト11の熱膨張率を、それぞれαc,αs,αbとすると、
αb・(Lct+Ls)<αc・Lct+αs・Ls
なる関係となるように、それぞれの材質や長さを選定している。
【0017】
上記の関係式は、右辺・左辺ともに、温度変化に伴う伸び量を表している。左辺はボルト11の伸び量、一方右辺は組み合わせられたそれぞれの材料あるいは部品の伸び量である。ここで、両式ともに、左辺<右辺となるように、それぞれの材料・部品の材質や厚さを選定している。ただ、左辺<右辺とはいえ、余りにその差が大きければ、高温下でセラミック材が割れてしまう。従って、この数式における左辺と右辺の差は、常温で適度な力で締結し、その後高温下に置かれてもセラミック材が割れない程度の範囲内に設定されている。
このため、昇温・降温に伴ってボルト11が伸び縮みしてもその量は、それぞれの材料あるいは部品もそれより僅かに大きく伸び縮みする。しかも、その大きさの差でセラミック材が割れることはないし、ボルト11・ナット12は常に緩むことなく、ほぼ一定の力で2つの材料を密着させてくれる。
【0018】
更に、本発明の別な実施形態として次の構成がある。
それは、金属スペーサが1枚だけではなく、締結方向に複数枚配され、それら金属スペーサ21a,21bは互いに熱膨張率が異なる構成である。図3は、セラミック材を2枚締結したときの様子を示す側面図である。金属スペーサには、21aと21bが用いられている。長さはそれぞれLs1,Ls2である。また、材質も両者異なり、熱膨張率が異なる。
次に図4を用いて、この構成の利点を述べる。図4は金属スペーサ21a,21bの熱膨張率を示すグラフである。通常、あらゆる物質の熱膨張率は、置かれた環境温度によって変化する。この図を見ると、両カーブともに温度t1まではほぼ直線的に増加しているものの、温度t1からt2にかけては、21aは増加の度合が増し、反面21bは増加の度合が鈍くなっている。
【0019】
この金属スペーサ21の材料としては、当然、温度に対する熱膨張率の変化は小さく、使用温度全域で直線性の高いものが使いやすい。というのは、いま金属スペーサ21a1つだけで締結した場合を考えると、温度がt1からt2の間で金属スペーサ21aの伸び量が増加するため、この間は締結される材料どうしを一層強固に密着させることになる。この力が強すぎると、セラミック材の割れなど不具合の発生を引き起こしかねない。逆に、金属スペーサ21b1つだけの場合は、温度がt1からt2の間で金属スペーサ21aの伸び量の増加が鈍るため、ボルト・ナットにガタを生じさせかねない。
【0020】
そこで、図4に示すような2種類の金属スペーサ21a,21bを用いて、それらスペーサの長さを適当に調整すれば、一式のスペーサとして使用温度全域に渡って熱膨張率の直線性が高いスペーサとすることができる。
【0021】
これまでセラミックヒータと金属性の圧着端子を締結する例を示し、その利点を説明したが、次は本発明を用いてセラミックどうしを締結した場合の、具体例及びその利点を説明する。
図5は、前に少し触れた、半導体素材の気相成長装置に用いられる加熱チャンバー22をイメージした斜視図(上面部一部くり貫き)である。加熱チャンバー22は、合計4枚の石英ガラス板23,24を組合せて作られており、対向する2つの側面が開口している。そして、一定量の置換用ガスが、その片方の開口部から流入し、対向する開口部から流れ出る。この中にセラミックヒータ1が設置され、そのヒータの上方に半導体素材(図示省略)を置いて、そこで加熱させながら気相成長をさせるものである。
ここで、側面用石英ガラス板23と上下面用石英ガラス板24には、各々所定の位置にボルト11の貫通穴があけられていて、図5のように熱膨張率の大きな金属スペーサ21をボルト11に通した後、下面用石英ガラス板24の下面からナット12で締結されている。これであれば、通常のセラミック(アルミナなど)より一段と熱膨張率が小さい石英ガラス板を、ニッケル製のボルト11・ナット12で締結しても、高温下でボルト11・ナット12が緩むことはない。
【0022】
ところで、ここで、この加熱チャンバー22に対する特殊な要求項目を述べる。加熱チャンバー22の内面は、開口部の入口から出口にかけて、断面が均一であることが要求される。言い換えると、ガスが流れる内壁は途中で広がったり狭まったりしてはいけない。その許容範囲は、開口部の寸法が300mm×20mmで長さが500mm程度の場合、±0.5mmと大変厳しい。またそれに加えて、その内面は平坦で、組合せられた各石英ガラス板の合わせ面である稜線(図5では、エッジと表現)に極力丸みがないことが要求される。
これは、次の理由による。上記の条件が満たされないと、その不具合個所で、置換用ガスの流れが乱れてしまい、ガスが所謂乱流を起こしてしまう。これが、半導体素材の安定な気相成長を阻害してしまうためである。
【0023】
本発明のような、石英ガラス板どうしの締結が可能でなければ、最初から角筒状の石英ガラスを一体物で成型したり、上面部を除いたコの字部分を石英ガラスで成型しその上に上面部を被せる方法をとらざるを得ない。しかし、コの字状に成型された石英ガラスの場合、ガスが流れる内面を平坦に仕上げることができず、そこにはある程度のうねりが残ってしまう。また、図5に示すエッジには、どうしても丸みが残ってしまう。従って、狙い通りの形状を有する加熱チャンバーを製作することが難しい。
ところが、組合せる前の素材の状態で、石英ガラス板の各面を平坦に仕上げることは容易である。そのため、その平坦に仕上げた石英ガラス板を、図5のように正確に組合さえすれば、エッジに丸みが一切なく、内壁は全て平坦で、かつ石英ガラス板23,24の合わせ面である稜線が全て平行な、理想的な形状の加熱チャンバー22をつくることができる。また、それら石英ガラス板23,24は、本発明の締結方法が採られているため、高温時にもボルト11・ナット12が緩むことはない。
従って、常温から高温下に渡り、加熱チャンバー22は常に理想的な内面形状を維持することでき、このことが半導体素材の安定な気相成長に大いに貢献してくれる。
【0024】
ここで、図5で示したような加熱チャンバーを発明者が試作し、それを用いて行なった実験結果を述べておく。
主な仕様・条件を
・石英ガラス板…厚み20mm
・開口部…幅300mm×高さ20mm×奥行き500mm
・ボルト・ナット…ニッケル製
・金属スペーサ…ステンレス鋼製
・圧着端子…ニッケル製
・温度サイクル…20℃〜1,000℃の繰り返し
として試作・実験を行なった結果、温度サイクルを100回繰り返した後もボルト・ナットの緩みは生じず、またセラミックヒータへの通電状態にも異常はなかった。
【0025】
以上、半導体素材の気相成長装置を適用例にとって、本発明の特徴また作用効果を説明したが、これに限らず本発明の用途範囲は広い。
例えば、石英ガラス材どうしの締結であれば、被加熱物を載せて加熱炉内へセットする石英ボードなどが好適である。図示は省略するが、平坦な石英ガラス板どうしを本発明の締結方法で締結することにより、被加熱物の位置決めガイドを設けたり、石英ボードを各段が平坦な階段形状にすることが容易に可能となる。
【0026】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の締結方法であれば、セラミック材あるいは石英ガラス材など熱膨張率の小さい材料どうしや、あるいは、セラミック材や石英ガラス材より熱膨張率が大きく金属材を、金属製のボルト・ナットで締結する際に、ボルトより更に熱膨張率が大きな金属スペーサにボルトを通して締結をするために、高温下においてもボルト・ナットが緩むことはない。そのためこの発明は、高温下で使用される種々の部品・装置に適用が可能であり、かつその場合、製作が簡単で完成した部品・装置も精度の高いものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明を用いてセラミックヒータと圧着端子をボルト・ナットで締結する方法を示す、斜視図と側面図
【図2】 (a)本発明を用いて、セラミック材と金属材を締結したときの状態を示す側面図
(b)本発明を用いて、セラミック材どうしを締結したときの状態を示す側面図
【図3】 本発明の別な実施形態を用いて、セラミックどうしを締結したときの状態を示す側面図
【図4】 2種類の金属の、温度に対する熱膨張率の変化を表すグラフ
【図5】 本発明を用いて組立てた加熱チャンバーをイメージした斜視図
【図6】 金属線がはんだ付けされた、従来のセラミックヒータを示す斜視図
【図7】 セラミックヒータと圧着端子をボルト・ナットで締結する、従来の方法を示す斜視図と側面図
【図8】 セラミックヒータと圧着端子をボルト・ナットで締結する、従来の別な方法を示す斜視図と側面図
【符号の説明】
1 セラミックヒータ
2 セラミック板
3 配線パターン
4 給電線
6 金属線
7 取付け穴
8 圧着端子
11 ボルト
12 ナット
13 スペーサ(カーボン製)
21,21a,21b 金属スペーサ
22 加熱チャンバー
23 側面用石英ガラス板
24 上下面用石英ガラス板

Claims (1)

  1. 低熱膨張率材と低熱膨張率材、あるいは低熱膨張率材と金属材を、金属製のボルトとナットで締結する方法であって、そのボルトより大きな熱膨張率であり、締結方向に複数枚配され、それぞれの熱膨張率が異なる金属スペーサにボルトを通して締結することを特徴とする低熱膨張率材材の締結方法。
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