JP4578033B2

JP4578033B2 - 絶縁継手

Info

Publication number: JP4578033B2
Application number: JP2001255550A
Authority: JP
Inventors: 英俊岡
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-08-27
Filing date: 2001-08-27
Publication date: 2010-11-10
Anticipated expiration: 2021-08-27
Also published as: JP2003063880A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空装置や加速器の電子銃等に用いられる絶縁継手であって、加速電極に接続された金属部材に電圧をかけることによって、電子等の荷電粒子を加速しビームを発生させるのに使用される絶縁継手に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、真空容器を備えた理化学機器では、電子等の荷電粒子を加速させるために絶縁継手（絶縁フランジ）が用いられている。この絶縁継手の基本構成を図３の断面図に、図３の絶縁継手における絶縁体１と金属部材２とのロウ付部の拡大断面図を図４に示す。これらの図において、１は絶縁体、２は金属部材、３はメタライズ層、４はニッケル（Ｎｉ）メッキ層、５はロウ材であり、主にこれらで絶縁継手は構成されている。この絶縁継手は、一般に酸化アルミニウム(Ａｌ₂Ｏ₃)質焼結体からなる略円筒状の絶縁体1と、絶縁体１の外周面の両端部にそれぞれ一端を嵌入しロウ付された、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属材料からなる略円筒状の金属部材２とから構成されている。そして、絶縁体１の両端部にロウ付された２つの金属部材２にそれぞれ異なる電圧を印加することにより、電子等の荷電粒子が加速され、絶縁継手の内部空間で荷電粒子のビームが発生する。
【０００３】
金属部材２の絶縁体１へのロウ付による接合は以下のようにして行なわれる。絶縁体１は、その外周面の両端部（ロウ付部）の外径が外周面の中央部よりも小さくなるように段差部が形成されており、その段差部に予めモリブデン（Ｍｏ）−マンガン（Ｍｎ）から成るメタライズ層３とＮｉメッキ層４を順次被着しておき、そのメタライズ層３とＮｉメッキ層４が被着された絶縁体１の段差部に金属部材２がロウ材５を介して接合される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の絶縁継手においては、絶縁体１は酸化アルミニウム質焼結体、金属部材２はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属材料からなり、酸化アルミニウム質焼結体の熱膨張係数が約７．９×１０^-6／℃(室温〜８００℃)、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金の熱膨張係数が約１０．８×１０^-6／℃(室温〜８００℃)と相違することから、接合の際に両者の熱膨張係数差に起因して大きな応力が発生する。その結果、その応力が、絶縁体１の脆弱な箇所、即ち絶縁体１の外周面の両端部、特に段差部の角部に集中し、絶縁体１にクラックや割れ等を発生させるという問題点を有していた。
【０００５】
従って、本発明は上記従来技術における問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、絶縁体にクラックや割れ等が発生するのを有効に防止し、また絶縁体に金属部材を強固に固定した高信頼性の絶縁継手を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の絶縁継手は、略円筒状の絶縁体の外周面の両端部をそれぞれ略円筒状の金属部材の一端に嵌入しロウ付けして成る絶縁継手であって、前記金属部材は厚みが０．３〜１ｍｍであり、前記絶縁体は、その外周面の前記両端部の外径が前記外周面の中央部よりも小さくなるように前記中央部から前記両端部にかけて段差部が形成されているとともに該段差部と前記中央部との間の稜部が平面状の面取り部となっており、該面取り部の前記絶縁体の径方向の幅が前記金属部材の厚みの４０〜６０％であることを特徴とする。
【０００７】
本発明は、上記の構成により、絶縁体と金属部材の熱膨張係数差に起因して発生する応力を緩和することができ、応力によって絶縁体にクラックや割れ等が発生することを有効に抑制し、絶縁体に金属部材を強固に固定した高信頼性の絶縁継手となる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の絶縁継手を以下に詳細に説明する。本発明の絶縁継手の基本構成を図１の断面図に、図１の絶縁継手におけるロウ付部の拡大断面図を図２に示す。これらの図において、２はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｃｕ−Ｗ等の金属材料からなる金属部材、３はメタライズ層、４はＮｉメッキ層、５はロウ材、１１は絶縁体であり、主にこれらで絶縁継手は構成されている。なお、図１，図２において図３，図４と同じ部位には同じ符号を付している。
【０００９】
そして、本発明の絶縁継手は、略円筒状の絶縁体１１の外周面の両端部をそれぞれ略円筒状の金属部材２の一端に嵌入しロウ付して成るものである。
【００１０】
本発明の絶縁体１は、その両端の２つの金属部材２相互を電気的に絶縁する作用を為し、一般に酸化アルミニウム質焼結体等からなる電気絶縁材料で構成される。この絶縁体１１は、その外周面の両端部（ロウ付部）の外径が外周面の中央部よりも小さくなるように中央部から両端部にかけて段差部が形成されており、その段差部に予めＭｏ−Ｍｎ等のメタライズ層３とＮｉメッキ層４を被着しておき、メタライズ層３とＮｉメッキ層４と金属部材２とをロウ材５を介して接合させる。
【００１１】
メタライズ層３の厚さは８〜３５μｍがよく、８μｍ未満では、絶縁体１１と金属部材２の接合強度が低下することと、両者を接合する際の応力緩和が難しくなる。３５μｍを超える場合、メタライズ層３の焼結時にボイド（空隙）が発生し、接合強度が低下し易くなる。
【００１２】
Ｎｉメッキ層４の厚さは１〜１０μｍがよく、１μｍ未満では、ロウ材５の濡れ性が劣化する。１０μｍを超えると、Ｎｉメッキ層４の内部応力が高まるため、メタライズ層３とＮｉメッキ層４のと間で剥がれが生じやすくなる。
【００１３】
ロウ材５の厚さは２５〜７５μｍがよく、２５μｍ未満では、絶縁体１１と金属部材２を接合する際の応力緩和が難しくなる。７５μｍを超えると、ロウ材５が均一に流れにくくなり、溜りが生じやすくなる。
【００１４】
また、絶縁体１１は、段差部と外周面の中央部との間の稜部が平面状の面取り部となっており、その面取り部の絶縁体１１の径方向の幅が金属部材２の厚みの４０〜６０％となっている。４０％未満では、絶縁体１１と金属部材２との接合部のうち面取り部において、熱膨張係数差に起因する応力を緩和させるようなロウ材５の裾野形状（凹形曲面状）のメニスカス形成が不十分となる。その結果、応力に耐えられず、絶縁体１１の段差部の面取り部にクラックや割れ等が発生しやすくなる。６０％を超えると、面取り部にロウ材５が過剰に溜り、絶縁体１１と金属部材２との熱膨張係数差に起因する応力を緩和させるようなロウ材５の裾野形状のメニスカス形成が面取り部でなされなくなる。その結果、応力に耐えられず、絶縁体１１の段差部の面取り部にクラックや割れ等が発生しやすくなり、また金属部材２の固定される位置が不安定になり易い。
【００１５】
本発明において、絶縁体１１と金属部材２との熱膨張係数差に起因する応力を緩和させるようなロウ材５の裾野形状のメニスカスは、具体的には、図２に示すようにロウ材５のメニスカスの幅が絶縁体１１の面取り部の幅の５０〜８０％であり、かつ滑らかな凹形の円弧状等の曲面状となるように形成されていることが好ましい。
【００１６】
本発明において、金属部材２の厚みは０．３〜１mmである。０．３ｍｍ未満では、外力による振動、衝撃等に対する金属部材２の強度が低下し、絶縁継手としての機械的強度が低下しその機能を維持するのが困難になる。１mmを超えると、絶縁体１１は金属部材２との熱膨張差に起因する応力に耐えられず、絶縁体１１にクラックや割れ等が発生し易くなる。
【００１７】
絶縁体１１の段差部の面取り部と絶縁体１１の外周面とのなす角度は１２０〜１５０°が好ましい。１２０°未満では、面取り部にロウ材が過剰に溜り、絶縁体１１と金属部材２との熱膨張係数差に起因する応力を緩和させるようなロウ材５の裾野形状のメニスカス形成が面取り部でなされなくなる。１５０°を超えると、絶縁体１１と金属部材２との接合部のうち面取り部において、熱膨張係数差に起因する応力を緩和させるようなロウ材５の裾野形状のメニスカス形成が不十分となる。
【００１８】
かくして、本発明は、絶縁体が、その外周面の両端部の外径が外周面の中央部よりも小さくなるように中央部から両端部にかけて段差部が形成されているとともに段差部と中央部との間の稜部が平面状の面取り部となっており、面取り部の絶縁体の径方向の幅が金属部材の厚みの４０〜６０％であることから、熱膨張係数差に起因する応力を緩和させるようなロウ材の裾野形状のメニスカスが面取り部で形成され、絶縁体と金属部材の接合の際に両者の熱膨張係数差に起因して発生する応力を緩和させることができ、応力によって絶縁体にクラックや割れ等を発生することが有効に抑えられる。
【００１９】
【実施例】
本発明の実施例について以下に説明する。
【００２０】
（実施例１）
実施例１として、図５に示す構成のものを以下のようにして製作した。純度９９重量％の酸化アルミニウム質焼結体から成り、内径φａが２０ｍｍ、外径φｂが４０ｍｍ、長さが３０ｍｍ、金属部材７が嵌入する両端部の外径φｃが３９ｍｍ、両端部の長さが５ｍｍであり、段差部と外周面の中央部との間の稜部に径方向の幅が０．２５ｍｍ（金属部材７の厚み０．５ｍｍの５０％）の面取り部が形成された円筒状の絶縁体６を用意した。
【００２１】
その絶縁体６の両端部の面取り部を含めて両端部に、Ｍｏ粉末とＭｎ粉末と酸化ケイ素（ＳｉＯ２）粉末とに適当な有機バインダや溶剤を混合してなる金属ペーストを、１０〜１５μｍの厚さとなるように印刷塗布し、乾燥後、加湿したフォーミングガス中で１４００℃の温度で焼成した。こうして、絶縁体６の面取り部を含む両端部に、Ｍｏ−Ｍｎ合金からなるメタライズ層を被着した。その後、メタライズ層上にＮｉメッキ層を電解メッキ法により約２μmの厚さで被着した。
【００２２】
次に、絶縁体６の両端部に、外径φｄが４０mm、厚みが０．５mm、長さが２０ｍｍであり、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金からなる円筒状の金属部材７をロウ付接合した。このとき、絶縁体６の両端面に、直径φｅが０．７ｍｍの線状のＡｇ−Ｃｕ合金からなるロウ材８のプレフォームを設置し、それを８２０℃に加熱して、絶縁体６の両端部と金属部材７との間の隙間にロウ材８を毛細管現象により侵入させ、絶縁体６と金属部材７とを接合した。これにより製作されたものをサンプルＡとした。
【００２３】
比較例１として、実施例１の絶縁体６の段差部と外周面の中央部との間の稜部に径方向の幅が０．１５ｍｍ（金属部材７の厚み０．５ｍｍの３０％）の面取り部を形成したものをサンプルＢとした。
【００２４】
比較例２として、実施例１の絶縁体６の段差部と外周面の中央部との間の稜部に径方向の幅が０．３５ｍｍ（金属部材７の厚み０．５ｍｍの７０％）の面取り部を形成したものをサンプルＣとした。
【００２５】
サンプルＡ〜Ｃの接合部を双眼顕微鏡を用いて観察し異常がないか検査した。その結果を表１に示す。
【００２６】
【表１】

【００２７】
表１より、面取り部の径方向の幅が金属部材７の厚みの５０％であるサンプルＡは異常が見られなかった。サンプルＢ，Ｃは、絶縁体６の両端の面取り部付近に長さ１mm程度のクラックの発生が確認された。
【００２８】
（実施例２）
本実施例２では、金属部材７の厚みが０．２ｍｍのもの（サンプルＤ）、０．７ｍｍのもの（サンプルＥ）、１．２ｍｍのもの（サンプルＦ）をそれぞれ製作し、それ以外の構成は実施例１と同様に構成した。
【００２９】
サンプルＤ〜Ｆのそれぞれについて、大気雰囲気中、常温で衝撃試験{ＭＩＬ−ＳＴＤ（Military Standard：アメリカ軍用規格）−２０２ＦＭＥＴＨＯＤ２１３Ａ}を行い、１１ｍｓ（ミリ秒）の間に正弦半波の波形で５０Ｇ（Ｇ：重力加速度）程度の衝撃を一回加え、各接合部について双眼顕微鏡を用いて観察し異常がないか試験した。その結果、サンプルＤは金属部材７が変形していることが確認された。サンプルＥは接合部に異常は見られなかった。サンプルＦは、絶縁体６と金属部材７をロウ付する工程において絶縁体６の両端の面取り部付近に長さ１mm程度のクラックの発生が確認された。
【００３０】
また、上記と同様に製作した別のサンプルＤ〜Ｆそれぞれを用意し、大気雰囲気中、常温で振動試験{ＭＩＬ−ＳＴＤ−２０２ＦＭＥＴＨＯＤ２０１Ａ}を行い、周波数１０〜５５Ｈｚ（ヘルツ）、最大振れ幅１．５２mmの振動をＸ，Ｙ，Ｚの３方向に順次各２時間づつ加え、各接合部において異常がないかを双眼顕微鏡を用いて観察し検査した。その結果、サンプルＤは金属部材７が変形していることが確認された。サンプルＥは接合部に異常は見られなかった。サンプルＦは、絶縁体６と金属部材７をロウ付する工程において絶縁体６の両端の面取り部付近に長さ１mm程度のクラックの発生が確認された。
【００３１】
これらの結果を総合すると、サンプルＤが、絶縁体６と金属部材７との熱膨張係数差に起因する応力によるクラックや割れ等が発生せず、衝撃、振動等に対して優れていることが判った。
【００３２】
なお、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を施すことは何等差支えない。
【００３３】
【発明の効果】
本発明は、略円筒状の絶縁体の外周面の両端部をそれぞれ略円筒状の金属部材の一端に嵌入しロウ付けして成る絶縁継手であって、金属部材は厚みが０．３〜１ｍｍであり、絶縁体は、その外周面の両端部の外径が外周面の中央部よりも小さくなるように中央部から両端部にかけて段差部が形成されているとともに段差部と中央部との間の稜部が平面状の面取り部となっており、面取り部の絶縁体の径方向の幅が金属部材の厚みの４０〜６０％であることにより、絶縁体と金属部材との接合部において絶縁体と金属部材の熱膨張係数差に起因して発生する応力を緩和することができ、応力によって絶縁体にクラック等が発生することを有効に抑制し、その結果金属部材を絶縁体に強固に固定した高信頼性の絶縁継手となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の絶縁継手について実施の形態の例を示す断面図である。
【図２】図１の絶縁継手のロウ付部の拡大断面図である。
【図３】従来の絶縁継手の断面図である。
【図４】図３の絶縁継手のロウ付部の拡大断面図である。
【図５】本発明の実施例の絶縁継手を示す断面図である。
【符号の説明】
２：金属部材
３：メタライズ層
４：Ｎｉメッキ層
５：ロウ材
１１：絶縁体

Claims

略円筒状の絶縁体の外周面の両端部をそれぞれ略円筒状の金属部材の一端に嵌入しロウ付けして成る絶縁継手であって、前記金属部材は厚みが０．３〜１ｍｍであり、前記絶縁体は、その外周面の前記両端部の外径が前記外周面の中央部よりも小さくなるように前記中央部から前記両端部にかけて段差部が形成されているとともに該段差部と前記中央部との間の稜部が平面状の面取り部となっており、該面取り部の前記絶縁体の径方向の幅が前記金属部材の厚みの４０〜６０％であることを特徴とする絶縁継手。