JP4789766B2 - 気密端子およびこれを用いた電気装置 - Google Patents

Description

本発明は、気密容器の内外に電気信号を導通させる気密端子に関し、特に、中心導体と固定金具とのロウ付け構造を向上した気密端子に関するものである。

従来、気密端子は、例えば筒状の貫通孔を有するセラミック絶縁体と貫通孔に挿通される中心導体とが鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金等の金属から成る固定金具を介してロウ付けされていた（例えば、特許文献１，特許文献２参照）。このような気密端子の一例を図３、図４に示す。

図３は従来の気密端子の一例を示す断面図である。従来の気密端子は、中心導体２２と、中心導体２２が挿通される貫通孔２１ａを有する筒状のセラミック絶縁体２１と、筒２３ａの一端が筒の内側に向けて突出する環状部２３ｂを有する固定金具２３とから成る。固定金具２３における環状部２３ｂの内周側は筒の内側に向けて斜め方向に曲げられた絞りとされている。そして、固定金具２３の筒２３ａの内周面とセラミック絶縁体２１の外周面２１ｂおよび固定金具２３の環状部２３ｂ内周側と中心導体２２の外周面２２ｂとの間をロウ付けすることによって、中心導体２２がセラミック絶縁体２１に固定されている。

図４は従来の気密端子の他の例を示す断面図である。図４に示す気密端子は、中心導体２２と、中心導体２２が挿通される貫通孔２１ａを有する筒状のセラミック絶縁体２１と、中心導体２２をセラミック絶縁体２１に固定する固定金具２３とから成る。セラミック絶縁体２１には、一端面にモリブデン（Ｍｏ）−マンガン（Ｍｎ）等のメタライズ層２４が形成されている。中心導体２２は銅（Ｃｕ），鉄（Ｆｅ），Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金等から成る。固定金具２３はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等から成り、筒２３ａの一端に筒の内側に向けて突出する環状部２３ｂを有し、筒２３ａの他端に筒２３ａの外側に向けて突出するように設けられた環状の鍔部２３ｃを有している。そして、セラミック絶縁体２１のメタライズ層２４と固定金具２３の鍔部２３ｃ、および中心導体２２の外周面２２ｂと固定金具２３の環状部２３ｂの内周側とがおのおの、銀（Ａｇ）ろう等のロウ材２５によってロウ付け接合される。この構成により、セラミック絶縁体２１に中心導体２２との熱膨張差による応力を大きく作用させることなく、セラミック絶縁体２１と中心導体２２とを気密にロウ付け接合することができる。
特許第２９０３９７６号公報 特開２００６−２１０１７２号公報

しかしながら、図３、４に示した上記従来の気密端子においては、固定金具２３と中心導体２２とをロウ付け後に、ロウ材２５が中心導体２２の外周面２２ｂに這い上がり、中心導体２２にネジ部２２ａ等を設ける場合、ネジ溝がロウ材２５で埋まってしまうために、気密端子に外部接続線等をネジ止めによって固定する際に、ネジが根元まで締められなくなるという問題があった。

従って、本発明は上記問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、中心導体にロウ材が這い上がり、外部機器との接続等に支障を及ぼすことがなく、気密性を保持できる気密端子を提供することにある。

本発明の気密端子は、第１の部位および該第１の部位より太さが細い第２の部位を有する柱状の中心導体と、中央部に前記中心導体が挿通される貫通孔を有し、該貫通孔の開口
周囲にメタライズ層が形成されている筒状のセラミック絶縁体と、外筒の内側に内筒が配置され、前記外筒と前記内筒との一端が前記外筒と前記内筒との間で閉じられているとともに前記内筒の他端に前記内筒の内側に向けて突出する環状部を有する固定金具とから成り、前記貫通孔の軸方向延長線上から見て、前記環状部の内側開口が前記貫通孔の開口範囲内に位置するようにして前記外筒の他端と前記メタライズ層とがロウ付けされ、前記中心導体の前記第２の部位が前記内筒および前記貫通孔を挿通するとともに前記第１の部位と前記第２の部位との間の段部が前記環状部にロウ付けされており、前記環状部の内面と前記第２の部位の外周面との距離に比べ、前記内筒の内面と前記第１の部位の外周面との距離がより大きいことを特徴とする。

また、本発明の気密端子は、好ましくは、前記貫通孔の開口部に、前記貫通孔と連続するように筒状の突出部が設けられており、前記外筒の内周面が前記突出部の外周面および前記セラミック絶縁体の端面に接合されていることを特徴とする。

また、本発明の気密端子は、好ましくは、前記中心導体がステンレス鋼から成ることを特徴とする。

また、本発明の電気装置は、気密容器と、該気密容器の外壁に取着された請求項１乃至３のいずれかに記載の気密端子とを備えることを特徴とする。

本発明の気密端子は、第１の部位および該第１の部位より太さが細い第２の部位を有する柱状の中心導体と、中央部に前記中心導体が挿通される貫通孔を有し、該貫通孔の開口周囲にメタライズ層が形成されている筒状のセラミック絶縁体と、外筒の内側に内筒が配置され、前記外筒と前記内筒との一端が前記外筒と前記内筒との間で閉じられているとともに前記内筒の他端に前記内筒の内側に向けて突出する環状部を有する固定金具とから成り、前記貫通孔の軸方向延長線上から見て、前記環状部の内側開口が前記貫通孔の開口範囲内に位置するようにして前記外筒の他端と前記メタライズ層とがロウ付けされ、前記中心導体の前記第２の部位が前記内筒および前記貫通孔を挿通するとともに前記第１の部位と前記第２の部位との間の段部が前記環状部にロウ付けされており、前記環状部の内面と前記第２の部位の外周面との距離に比べ、前記内筒の内面と前記第１の部位の外周面との距離がより大きいことから、溶けたロウ材が固定金具の内筒と中心導体との間に流れ込み、毛細管現象によって環状部と段部の間の隙間に流れることによりロウ付けされる。余分なロウ材は、内筒と中心導体との間に溜まり、固定金具の上側にロウ材が這い上がることはなく、中心導体への外部接続線等の取り付けを確実に行なうことができる。

また、本発明の気密端子は、好ましくは、貫通孔の開口部に、貫通孔と連続するように筒状の突出部が設けられており、外筒の内周面が突出部の外周面およびセラミック絶縁体の端面に接合されていることから、固定金具をセラミック絶縁体の突出部外周面と端面との両方に接合するので、中心導体とセラミック絶縁体とを強い接合強度で接合できる。

また、本発明の気密端子は、好ましくは、中心導体がステンレス鋼からなることから、気密端子が取り付けられる装置内部の温度、雰囲気に対して耐酸化性、耐食性があり、またネジ部の耐磨耗性も優れている。

また、本発明の電気装置は、気密容器と、この気密容器の外壁に取着された上記本発明の気密端子とを備えることから、外部接続線等を確実に接続することができる信頼性の高い気密装置とできる。

本発明の気密端子について、以下に詳細に説明する。図１は本発明の気密端子の実施の形態の一例を示す断面図であり、図２は図１の気密端子におけるロウ付け部を拡大して示す要部拡大断面図である。なお、本発明の気密端子は、中心軸に関してほぼ線対称に形成されている。すなわち、例えば、図１の断面図の上下方向中心線で示される断面の断面図は、図１と同じ断面形状を有している。

これら図において、１は中央部に貫通孔１ａを有するセラミック絶縁体、１ｂはセラミック絶縁体１の端面１ｃに貫通孔１ａと連続するように設けられた筒状の突出部、１ｃはセラミック絶縁体１の端面、２は柱状の中心導体、２ａは中心導体２の第１の部位、２ｂは第１の部位２ａの太さＷ１よりも細い太さＷ２を有する中心導体２の第２の部位、２ａ’は中心導体２の第１の部位２ａに設けられたネジ部、２ｃは第１の部位２ａと第２の部位２ｂとの間に形成される段部、３は固定金具、３ａは固定金具３の外筒、３ｂは固定金具３の内筒、３ｃは外筒３ａと内筒３ｂとの一端において外筒３ａと内筒３ｂとの間で閉じられている固定金具３の閉塞部、３ｄは内筒３ｂの他端において内筒３ｂの内側に向けて突出するように環状に設けられた環状部、４は貫通孔１ａの開口周囲に形成されたメタライズ層である。５はロウ材であり、５ａはセラミック絶縁体１のメタライズ層４と固定金具３とを接合するロウ材、５ｂは固定金具３と中心導体２とを接合するロウ材である。

本発明の気密端子は、図１，図２に示すように、第１の部位（頭部）２ａおよび第１の部位２ａの太さＷ１より太さＷ２が細い第２の部位（胴部）２ｂを有する円柱状，多角柱状等の中心導体２と、中央部に中心導体２が内外に挿通される円柱状，多角柱状等の貫通孔１ａを有し、貫通孔１ａの開口周囲の端面１ｃまたは突出部１ｂの外周面に形成されているメタライズ層４を有する筒状のセラミック絶縁体１と、外筒３ａの内側に内筒３ｂが配置され、外筒３ａと内筒３ｂとの一端（上端）が外筒３ａと内筒３ｂとの間で閉塞部３ｃによって閉塞されているとともに内筒３ｂの他端（下端）に内筒３ｂの内側に向けて突出する環状部３ｄを有する中心導体２とセラミック絶縁体１のメタライズ層４とを接合するための固定金具３とから成る。そして、固定金具３は、貫通孔１ａの上側の軸方向延長線上から見て、環状部３ｄの中心導体２が挿通される内側開口が貫通孔１ａの開口範囲内に位置するように配置されて、外筒２ａの他端（下端）とメタライズ層４とがロウ材５ａでロウ付けされ、中心導体２は、固定金具３の内筒２ｂおよび貫通孔１ａを挿通するとともに段部２ｃと環状部３ｄとの間がロウ材５ｂでロウ付けされる。

また、本発明の気密端子においては、図１，図２に示すように、貫通孔１ａと連続するように筒状の突出部１ｂが設けられ、固定金具３の外筒３ａの内周面が突出部１ｂの外周面およびセラミック絶縁体１の端面１ｃにかけて形成されているメタライズ層４に接合されているのが好ましい。しかしながら、突出部１ｂが設けられず、例えば、外筒３ａの下端に外側に突出するように設けられた環状の鍔部等によりセラミック絶縁体１の端面１ｃに形成されたメタライズ層４に接合されていてもよい。

突出部１ｂが設けられ、固定金具３の外筒３ａが突出部１ｂおよび端面１ｃに接合されるようにすると、固定金具３とセラミック絶縁体１との接合面積が増え、接合強度を大きくすることができるのに加えて、中心導体２に加わった外力が、固定金具３に伝わり、固定金具３からセラミック絶縁体１に加わるセラミック絶縁体１へのせん断力が、セラミック絶縁体１の端面１ｃの面方向と、これに垂直な垂直方向の２方向に分散されるために、セラミック絶縁体１にクラックが入りにくいものとできる。

また、本発明の気密端子においては、中心導体２がステンレス鋼から成るのが好ましい。

また、上記構成の気密端子の例として、図１，図２において、気密端子を電気装置へ取り付けるための取付部としてセラミック絶縁体１の外周面に側部メタライズ層６が形成され、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等から成るスリーブ７がロウ付けされている構成を示す。そして、半導体製造装置、電子機器、半導体装置等の電気装置の気密容器部分を構成する壁部に貫通穴を開け、この貫通穴の内周面または貫通穴の開口の周囲の金属部材と気密端子のスリーブ７とが溶接やロウ付け等により接合されることにより、電気装置を密閉するとともに中心導体２によって気密容器の内外に電気信号を導通させることができる。

以下、図１，２を用いて本発明の気密端子を説明する。

セラミック絶縁体１は、例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）質セラミックス等から成る絶縁性のものであり、電気装置との電気絶縁性を保って中心導体２を保持する機能を有する。セラミック絶縁体１が例えばＡｌ_２Ｏ_３質セラミックスから成る場合、アルミナ，酸化珪素（ＳｉＯ_２），酸化マグネシウム（ＭｇＯ）および酸化カルシウム（ＣａＯ）等の原料粉末にポリビニルアルコール等のバインダを添加混合するとともに、これを所定形状のプレス型内に充填し、所定の圧力でプレスすることにより、貫通孔１ａが設けられたプレス成形体を得る。しかる後、このプレス成形体を約１６００℃の温度で焼成する。

セラミック絶縁体１の外周面下部には、太さの細い部分を設け、この細い部分にメタライズ層６を設けておくことが望ましい。この太さの細い部分との間にできる段差によって、スリーブ６の位置固定を確実にすることができる。

メタライズ層４およびメタライズ層６は、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）、マンガン（Ｍｎ）等の金属粉末を主成分とする金属ペーストを、セラミック絶縁体１の端面１ｃ，上記段差部の端面および／または外周部等の所定の部位に塗布し、水素雰囲気、約１３００℃の温度で焼成することによって形成する。なお、ロウ材５との濡れ性を良好とするために、メタライズ層４，６の表面に約３μｍの厚みでＮｉめっきを施しておくのが好ましい。

中心導体２は、セラミック絶縁体１の貫通孔１ａに第２の部位２ｂが挿通され、電気装置の内外を電気的に導通するための端子として機能する部品であり、その一端（上端）の第１の部位２ａ外周面に、外部機器との接続のためにネジ部２ａが形成される。第１の部位２ａと第２の部位２ｂとの間には、それぞれの太さＷ１，Ｗ２が異なることにより段部２ｃが形成される。この段部２ｃは、固定金具３の環状部３ｄ上面に当接されて、中心導体２を位置決めする機能とともに、ロウ材５ｂによってロウ付けされる機能とを有する。中心導体２に段部２ｃを設けることによって固定金具３との接合面積が大きくなるために、接合強度が増大する。

中心導体２は、ＣｕやＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やステンレス鋼などからなるが、電気装置内部の温度や雰囲気に対する耐酸化性、耐食性、さらにはネジ部２ａ’の耐磨耗性の観点から、ステンレス鋼を使用するのが望ましい。

固定金具３は、セラミック絶縁体１とロウ付けされる外筒３ａと中心導体２が挿通される内筒３ｂとその間の外筒３ａと内筒３ｂの一端を接続する閉塞部３ｃと、内筒部３ｃの他端において内周側に突出した環状部３ｄとから成り、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金を絞り加工などで所定形状に成形する。平面視における外筒３ａは、突出部１ｂの外周面と相似形であり、内筒３ｂおよび環状部３ｄの中央部に設けられる貫通開口は中心導体２の断面と相似形とされる。

そして、内筒３ｂの内周面と中心導体２の第１の部位２ａ外周面との間に形成される隙間は、環状部３ｄと中心導体２の第２の部位２ｂ外周面との間に形成される隙間よりも大きくなるようにしておく。そして、ロウ材５ｂとなるプリフォームを第１の部位２ａと内筒３ｂとの間に配置し加熱すると、ロウ材５が溶融して第１の部位２ａと内筒３ｂとの間を流れ、さらに環状部３ｄと段部２ｃとの間および環状部３ｄと第２の部位２ｂの外周面との間に濡れ広がる。第２の部位２ｂの外周面と環状部３ｄとの間の隙間を狭くしておくことにより、ロウ材５の表面張力によって環状部３ｄと第２の部位２ｂの外周面との間からロウ材５が流れ落ちることが無く、また、余分なロウ材５は内筒３ｂと第１の部位２ａとの間の大きな隙間に溜まる。

また、固定金具３が外筒３ａ，閉塞部３ｃ，内筒３ｂ，環状部３ｄとから成り、各部の間が角を介して接合されている、全体として湾曲した形状になっているために、中心導体２に強い衝撃が加わったとしても固定金具３の各部の間の角によって、衝撃力を吸収することができ、セラミック絶縁体１が破壊されにくくなる。

スリーブ６はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等を研削加工や押出成形などで筒状に成形する。固定金具３とスリーブ６の表面は、ロウ材５との濡れ性を良好とするために、Ｎｉめっきを約２μｍ施すのが望ましい。

しかる後、セラミック絶縁体１と中心導体２とは固定金具３を介して、Ａｇ−Ｃｕロウなどのロウ材５ｂによって、またセラミック絶縁体１とスリーブ６とをＡｇ−Ｃｕロウなどのロウ材５ａによって、約８００℃でロウ付けし、本発明の気密端子が得られる。

ここで、中心導体２の段部２ｃの高さ（Ｗ１とＷ２との差の１／２の長さ）は、０．０５ｍｍ〜２ｍｍが好ましい。０．０５ｍｍ未満では、ロウ付けの精度により中心導体２の段部２ｃが固定金具３の環状部３ｄに引掛からない場合がある。また、２ｍｍを超えると接合面積が広くなり過ぎ、ロウ材５の濡れが悪くなり、気密不良が発生する場合がある。

また、固定金具３の環状部３ｄの内筒３ｂ内周面からの突出長さは、中心導体２の第１の部位２ａ外周面と固定金具３の内筒３ｂ内周面との隙間が第２の部位２ｂ外周面と固定金具３の環状部３ｄとの間の隙間よりも０．０５ｍｍ程度大きくなるように設計するのが望ましい。そうすることにより、溶けたろう材５が毛細管現象により、環状部３ｄと段部２ｃとの隙間に流れ込み、ロウ材５ｂの上面が中心導体２の第１の部位２ａと固定金具３との間の隙間にメニスカスを形成し、閉塞部３ｃより上側のネジ部２ａ’にロウ材５ｂが這い上がらないようにすることができる。

中心導体２に形成される段部２ｃの位置は、中心導体２のネジ部２ａの下端が固定金具３の平坦閉塞部３ｃｂの上面と同一面になるように形成するのがよい。そうすることにより、外部機器とネジ止めした際に、相手メネジの端面と平坦部３ｂの上面とを当接させることができ、ネジが緩んだ際に目視にて容易に察知することができ、脱落などの不具合を未然に防止することができる。

このようにして得られた気密端子は、ネジ部２ａ’にロウ材５が這い上がることなく、外部機器への取り付けが確実に行なえるとともに、機械的な外力に対して接合強度が強く、耐久性に優れたものとなる。

なお、本発明は以上の実施の形態の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であれば種々の変更が可能である。例えば、セラミック絶縁体１に複数の貫通孔１ａを形成し、各貫通孔１ａに固定金具３を介して中心導体２を固定した気密端子としてもよい。また、段部２ｃは中心導体２の外周面に対して垂直に形成されているが、これを傾斜させたテーパ状とし、これと呼応させて環状部３ｄが内筒３ｂの内周面に対して傾斜したものとしてもよい。

また、上記実施の形態の説明において上下左右という用語は、単に図面上の位置関係を説明するために用いたものであり、実際の使用時における位置関係を意味するものではない。

本発明の気密端子の実施の形態の一例を示す断面図である。 図１の気密端子におけるロウ付け部を拡大して示す要部拡大断面図である。 従来の気密端子の例を示す断面図である。 従来の気密端子の他の例を示す断面図である。

符号の説明

１：セラミック絶縁体
１ａ：貫通孔
２：中心導体
２ａ：第１の部位
２ｂ：第２の部位
２ａ’：ネジ部
２ｃ：段部
３：固定金具
３ａ：外筒
３ｂ：内筒
３ｃ：閉塞部
３ｄ：環状部
４：メタライズ層
５：ろう材

Claims (4)

1. 第１の部位および該第１の部位より太さが細い第２の部位を有する柱状の中心導体と、中央部に前記中心導体が挿通される貫通孔を有し、該貫通孔の開口周囲にメタライズ層が形成されている筒状のセラミック絶縁体と、
   外筒の内側に内筒が配置され、前記外筒と前記内筒との一端が前記外筒と前記内筒との間で閉じられているとともに前記内筒の他端に前記内筒の内側に向けて突出する環状部を有する固定金具とから成り、
   前記貫通孔の軸方向延長線上から見て、前記環状部の内側開口が前記貫通孔の開口範囲内に位置するようにして前記外筒の他端と前記メタライズ層とがロウ付けされ、
   前記中心導体の前記第２の部位が前記内筒および前記貫通孔を挿通するとともに前記第１の部位と前記第２の部位との間の段部が前記環状部にロウ付けされており、
   前記環状部の内面と前記第２の部位の外周面との距離に比べ、
   前記内筒の内面と前記第１の部位の外周面との距離がより大きいことを特徴とする気密端子。
2. 前記貫通孔の開口部に、前記貫通孔と連続するように筒状の突出部が設けられており、前記外筒の内周面が前記突出部の外周面および前記セラミック絶縁体の端面に接合されていることを特徴とする請求項１記載の気密端子。
3. 前記中心導体がステンレス鋼から成ることを特徴とする請求項１または請求項２記載の気密端子。
4. 気密容器と、該気密容器の外壁に取着された請求項１乃至３のいずれかに記載の気密端子とを備えることを特徴とする電気装置。
   

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