JP6433878B2 - 気密端子 - Google Patents

Description

本発明は、気密端子に関する。

気密端子は、金属外環の挿通孔に絶縁材を介してリードを気密に封着したもので、気密容器内に収容された電気機器や素子に電流を供給したり、電気機器や素子から信号を外部に導出したりする場合に用いられる。特に金属外環とリードを絶縁ガラスで封着するＧＴＭＳ（Ｇｌａｓｓ−ｔｏ−Ｍｅｔａｌ−Ｓｅａｌ）タイプの気密端子は、整合封止型と圧縮封止型の２種類に大別される。前述の気密端子において信頼性の高い気密封止を確保するには、外環およびリードの金属材と絶縁ガラスの熱膨張係数を適正に選択することが重要となる。封止用の絶縁ガラスは、金属外環とリードの素材、要求温度プロファイルおよびその熱膨張係数によって決定されている。整合封止の場合、金属材と絶縁ガラスの熱膨張係数が可能な限り一致するように封止素材を選定する。一方、圧縮封止は、金属外環が絶縁ガラスおよびリードを圧縮するように意図的に異なる熱膨張係数の金属材と絶縁ガラスの材料が選択されている。

従来の気密端子は高い気密信頼性ならびに電気絶縁性を確保するため、整合封止型気密端子においては、金属外環およびリード材に広い温度範囲でガラス材と熱膨張係数が一致しているコバール合金（Ｆｅ５４％、Ｎｉ２８％、Ｃｏ１８％）を使用して、両者をホウケイ酸ガラスからなる絶縁ガラスで封着し、圧縮封止型気密端子においては、使用温度範囲においてガラスに同心円状の圧縮応力が加わるように、炭素鋼またはステンレス鋼などの鋼製の金属外環と、鉄ニッケル合金（Ｆｅ５０％、Ｎｉ５０％）や鉄クロム合金（Ｆｅ７２％、Ｃｒ２８％）などの鉄合金のリード材を使用して、両者をソーダバリウムガラスからなる絶縁ガラスで封着していた。

その他、電子管、電球、放電ランプおよびダイオード、サーミスタなどの半導体デバイスの軟質ガラス封入部に用いる封着金属線材にジュメット線がある。ジュメット線は鉄・ニッケル合金を心金とし、それに銅を被覆した複合線で、さらに表面をオキシダイズ仕上げまたはボレート仕上げしたもので、非特許文献１の日本工業規格に規定されている。しかしながら、ジュメット線は灯具などの球管用の比較的細線径のものしか無く大容量化に対応できない。また、大容量化に対応して芯材線径の大きなリード母材を用意し、これにＣｕめっき被膜を施したものは、めっき工程に由来するガス成分のリーク発生、被膜密着性の悪さによる膨れや剥離、析出金属の粗大な表面組織、尖端電流効果によるエッジ部分の厚膜化による所謂Ｄｏｇ−Ｂｏｎｅ現象等の不具合を払拭し難いと言う欠点があった。

特開昭６１−２６０５６０号公報

日本工業規格 ＪＩＳ Ｈ ４５４１−１９９７ ジュメット線

近年、気密端子の大電力対応が求められるようになっている。例えば、コンビニエンス・ストアのようなスペースが限られた店舗内に設置する冷凍機用に小型かつ高性能なコンプレッサーが求められるようになっている。このように業務用途を中心に近年のコンプレッサーは、従来サイズに比し小型化される傾向にあるが、冷凍機の能力向上に伴ってコンプレッサーに取り付けられた気密端子を通る最大電流値は自ずと上昇する傾向にある。従来から冷凍機用気密端子には、リード・ピンの機械的強度などの制約からリード材に鉄合金などの高抵抗金属を用いている。このため、電気的な過負荷がかかるとリード材のジュール熱により絶縁ガラスが溶融し、気密性が確保できなくなり、最悪の場合はリード材が抜け落ちるなどの危険があった。特に大電力用途向けには、気密端子のリード材の通電発熱を抑制できれば、大電力への対応や省電力化など電気エネルギーの効率利用の観点からより好ましい。従来の鉄合金製のリード材から、銅やアルミニウム合金などの低抵抗金属製のリード材に変更できればよいが、これら低抵抗材は機械的強度が鉄合金より乏しく、組立や設置作業時にリード・ピンが曲がりやすくなるため不都合である。また、封止に利用する絶縁ガラスは概して低熱膨張係数材料のため、リード材に高熱膨張係数材料の銀、銅、アルミニウムや銀合金、銅合金、アルミニウム合金などを用いると整合封止が原理上利用できなくなる。圧縮封止においても、低抵抗金属は、金属外環に使用する鋼材に比べて熱膨張係数がより大きく、これをリード材に用いると、封着後にリード材が収縮するため、絶縁ガラスに負荷できる圧縮応力が小さくなりすぎ気密性の確保が難しくなる。敢えて金属外環とリード材ともに銀、銅、アルミニウムやその合金などの高熱膨張係数材料で構成することも考えられるが、その場合は絶縁ガラスに加わる圧縮応力が大きくなりすぎ、封止材のガラスに割れが生じたりするので採用できない。

従来、リード材の電気抵抗を低減する目的で銅芯リードを使った気密端子が提案されている。特許文献１に示されるように銅芯の表面を合金鋼で被覆した複合リード材を用いた気密端子がある。しかしながら、特許文献１の気密端子のリード材は、銅のインナコア表面に合金鋼のアウタジャケットを固着被覆してあるので、限られた金属外環内にリードを装着する制約の下で、銅のインナコア径を大きくして合金鋼のアウタジャケットを薄くすると、リードの機械的強度が保てないばかりか銅の大きな熱膨張に合金鋼の被覆が抗しきれず追従してしまい充分な圧縮封止を得られない。逆にインナコアの銅径を小さくし合金鋼の被覆を厚くすると、所望するリードの抵抗値を得ることが難しくなるという構造上の限界があった。また、リードに実用範囲の機械的強度を具備させた場合は、電流経路として鋼材のアウタジャケットにも必ず通電されるようになり、合金鋼のアウタジャケットは銅の数十倍の比抵抗を有するので、銅材部で発熱を抑えても鋼材部で大きな発熱が生じてしまう。鋼材への通電を抑制するため銅芯をより太くすれば鋼材の発熱は抑えられリードとガラスとの間の熱応力を小さくできるが、代わりに通電側の銅材と鋼材との間に大きな熱応力が生じ材料界面が剥離しやすくなる。従って、鋼材アウタジャケットと銅材インナコアの構成では、銅芯材の電気抵抗を下げる効果と、銅芯材の過大な熱膨張とが拮抗しているため、銅芯材と被覆鋼材の熱応力による界面剥離の問題を解決できず、金属材の複合界面が熱履歴の影響を受けて気密性を損ない易いという欠点があった。

本発明の目的は、例えば、冷凍機用の気密端子や二次電池、燃料電池等の電池セルおよび車載用高容量リレーなどの大電力用に適合した気密端子であって、リード材およびガラス封着部の機械的強度を確保しながら気密信頼性を向上した気密端子を提供することにある。

本発明によれば、少なくとも１個の貫通孔を有した金属外環と、この金属外環の貫通孔に挿通した低電気抵抗材からなるパイプリードと、金属外環とパイプリードとを封着する絶縁ガラスと、パイプリードの内径に挿通した低熱膨張材の芯材リードと、この芯材リードの外径とパイプリードの内径との間を隙間なく接合したロウ材からなり、ロウ材は、絶縁ガラスの軟化点より低温の溶融温度を有することを特徴とする気密端子が提供される。絶縁ガラスの軟化点とロウ材の溶融温度との間に温度差を設けた構成により、絶縁ガラスが固化して封着が完了した後、ロウ材が固化して接合を完了させることができ、パイプリードと芯材リードとの間に大きな熱膨張差が有っても最後までロウ材が液相を維持するので、両者の熱応力を緩衝する効果があり、冷却時に問題となる急激なリード軸方向の収縮を緩和して芯材リードとパイプリードとの間の界面剥離を抑える。パイプリードと絶縁ガラスとの界面は、金属外環の焼ばめ効果によってガラス封着が圧縮保持されるため、ガラス封着させる最外層のパイプリードに熱膨張が大きい低電気抵抗金属材を用いながら、熱膨張が小さい芯材リードとの界面剥離を防止し気密信頼性を向上させる。しかも、各構成部品を同時に通炉して一度に組み立てることができる。

本発明の別の観点によれば、低電気抵抗材のパイプリードと、絶縁ガラスのタブレットとを、金属外環の貫通孔に挿通し、さらに、低熱膨張材の母材に絶縁ガラスの軟化点未満の溶融温度を有するロウ材を装着した芯材リードを、パイプリードの内径に挿通して封着治具にセットする部品振込工程、封着治具にセットした各部材をガラス軟化点以上の温度に調温した加熱炉に通して金属外環とパイプリードをガラス封着すると共にパイプリードと芯材リードもロウ接する封着ロウ付け工程によって組み立てたことを特徴とする気密端子の製造方法が提供される。芯材リードへのロウ材の装着方法は、封着ロウ付け工程でパイプリードと芯材リードとの間を溶融したロウ材で充填できればどの様な方法でもよく、例えば、予め芯材リードの周壁にロウ材を取り付け、これをパイプリードに挿通して通炉するか、パイプリードまたは芯材リードの端部にロウ材を搭載して通炉する等の方法が好適に利用できる。

本発明の構成により、一度の通炉で絶縁ガラスの軟化点未満の溶融温度を有するロウ材を用いて、パイプリードと芯材リードとの間を隙間なく接合でき、しかも両者の中間層を構成するロウ材の緩衝機能により、冷却時に問題となる急激なリード軸方向の収縮を緩和してパイプリードと芯材リードの界面剥離を抑え、端子の気密信頼性を高める。また低電気抵抗材からなるパイプリードを最外層に用いたことで端子の電気抵抗を低減できる。

本発明に係る気密端子１０の平面図を示す。 本発明に係る気密端子１０の正面図を示し、図１のＤ−Ｄ線に沿って切断した正面部分断面図を示す。 本発明に係る気密端子１０の下面図を示す。 本発明に係る気密端子の工程フロー図２０を示す。

本発明に係る気密端子１０は、図１ないし図３に示すように、少なくとも１個の貫通孔を有した鉄または鉄合金からなる金属外環１１と、この金属外環１１の貫通孔に挿通した銀、銅、アルミニウムまたは銀合金、銅合金、アルミニウム合金などの低電気抵抗材からなるパイプリード１２と、パイプリード１２と金属外環１１とを封着する絶縁ガラス１３と、パイプリード１２の内径に挿通した鉄またはＦｅ−Ｎｉ合金、コバール合金、Ｆｅ−Ｃｒ合金、フェライト系ステンレス鋼材などの鉄合金からなる低熱膨張材の芯材リード１４と、芯材リード１４の外径とパイプリード１２の内径との間を隙間なく接合した溶融温度が９００℃以下のＳｎなどの金属単体またはＮｉ−Ｐ合金などの無電解Ｎｉめっき材またはＳｎ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ｃｕ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ合金、Ｓｎ−Ｚｎ合金、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｌ合金などのハンダ材またはＡｕ−Ｓｎ合金、Ａｇ−Ｃｕ合金などのロウ材１５からなり、ロウ材１５は絶縁ガラス１３の軟化点より低温の溶融温度を有することを特徴とする。

本発明の気密端子１０は、図４の工程フロー図２０に示すように、低電気抵抗材のパイプリードと、絶縁ガラスのタブレットとを、金属外環の貫通孔に挿通し、さらに低熱膨張材の母材に絶縁ガラスの軟化点未満の溶融温度を有するロウ材を装着した芯材リードを、パイプリードの内径に挿通して封着治具にセットする部品振込工程２１、封着治具にセットした各部材をガラス軟化点以上の温度に調温した加熱炉に通して金属外環とパイプリードをガラス封着すると共にパイプリードと芯材リードもロウ接する封着ロウ付け工程２２によって製造される。芯材リードへのロウ材の装着方法は、封着ロウ付け工程でパイプリードと芯材リードとの間を溶融したロウ材で充填できればどの様な方法でもよく、例えば、予め芯材リードの周壁にロウ材を取り付け、これをパイプリードに挿通して通炉するか、パイプリードまたは芯材リードの端部にロウ材を搭載して通炉するか何れかの方法で適用するのが好ましい。これにより、一度の通炉で絶縁ガラスの軟化点未満の溶融温度を有するロウ材を用いて、パイプリードと芯材リードとの間を隙間なく接合でき、しかも両者の中間層を構成するロウ材の緩衝機能により、冷却時に問題となる急激なリード軸方向の収縮を緩和してパイプリードと芯材リードの界面剥離を抑え、端子の気密信頼性を高める。また低電気抵抗材からなるパイプリードを最外層に用いたことで端子の電気抵抗を低減できる。

本発明に係る実施例１の気密端子１０は、図１ないし図３に示すように、３個の貫通孔を有した炭素鋼の金属外環１１と、この金属外環１１の貫通孔に挿通した銅製のパイプリード１２と、パイプリード１２と金属外環１１とを封着するソーダバリウムガラスの絶縁ガラス１３と、パイプリード１２の内径に挿通したＦｅ−Ｃｒ合金からなる低熱膨張材の芯材リード１４と、芯材リード１４の外径とパイプリード１２の内径との間を隙間なく接合したＳｎ−Ａｇ合金のロウ材１５からなり、ロウ材１５は絶縁ガラス１３の軟化点より低温の溶融温度を有する。

本発明に係る実施例１の気密端子１０は、図４の工程フロー図２０に示すように、低電気抵抗材のパイプリードと、絶縁ガラスのタブレットとを、金属外環の貫通孔に挿通し、さらに低熱膨張材の母材に絶縁ガラスの軟化点未満の溶融温度を有するロウ材を装着した芯材リードを、パイプリードの内径に挿通して封着治具にセットする部品振込工程２１、封着治具にセットした各部材をガラス軟化点以上の１０００℃に調温した加熱炉に通して金属外環とパイプリードをガラス封着すると共にパイプリードと芯材リードもロウ接する封着ロウ付け工程２２によって製造される。

本発明は、特に高圧力下で高電圧・高電流に耐久し、高い気密性が要求される気密端子に利用できる。

１０・・・気密端子、
１１・・・金属外環、
１２・・・パイプリード、
１３・・・絶縁ガラス、
１４・・・芯材リード、
１５・・・ロウ材、
２０・・・工程フロー図、
２１・・・部品振込工程、
２２・・・封着ロウ付け工程。

Claims (10)

1. 少なくとも１個の貫通孔を有する金属外環と、この金属外環の貫通孔に挿通した低電気抵抗材からなるパイプリードと、このパイプリードと前記金属外環とを封着する絶縁ガラスと、前記パイプリードの内径の全面に挿通した低熱膨張材の芯材リードと、この芯材リードの外径の全面に挿着された前記パイプリードの内径との間を隙間なく接合した構成元素としてＮｉを有しないロウ材からなり、前記ロウ材は、前記絶縁ガラスの軟化点より低温の溶融温度を有することを特徴とする気密端子。
2. 前記低電気抵抗材は、銀、銅、アルミニウムまたは銀合金、銅合金、アルミニウム合金から選択されたことを特徴とする請求項１に記載の気密端子。
3. 前記低熱膨張材は、鉄またはＦｅ−Ｎｉ合金、コバール合金、Ｆｅ−Ｃｒ合金、フェライト系ステンレス鋼材の鉄合金から選択したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の気密端子。
4. 前記ロウ材は、溶融温度が９００℃以下の金属単体または構成元素としてＮｉを有しないハンダ材または構成元素としてＮｉを有しないロウ材からなることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか一つに記載の気密端子。
5. 前記ロウ材は、Ｓｎ、Ｓｎ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ｚｎ合金、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｌ合金、Ａｕ−Ｓｎ合金、Ａｇ−Ｃｕ合金から選択したことを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れか一つに記載の気密端子。
6. 低電気抵抗材のパイプリードと、絶縁ガラスのタブレットとを、金属外環の貫通孔に挿通し、さらに、低熱膨張材の母材に前記絶縁ガラスの軟化点未満の溶融温度を有する構成元素としてＮｉを有しないロウ材を装着した芯材リードを、前記パイプリードの内径の全面に挿通して封着治具にセットする部品振込工程、前記封着治具にセットした上記各部材をガラス軟化点以上の温度に調温した加熱炉に通して前記金属外環と前記パイプリードをガラス封着すると共に前記パイプリードと前記芯材リードの外径全面とをロウ接する封着ロウ付け工程によって組み立てたことを特徴とする気密端子の製造方法。
7. 前記低電気抵抗材は、銀、銅、アルミニウムまたは銀合金、銅合金、アルミニウム合金から選択されたことを特徴とする請求項６に記載の気密端子の製造方法。
8. 前記低熱膨張材は、鉄またはＦｅ−Ｎｉ合金、コバール合金、Ｆｅ−Ｃｒ合金、フェライト系ステンレス鋼材の鉄合金から選択したことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の気密端子の製造方法。
9. 前記ロウ材は、溶融温度が９００℃以下の金属単体または構成元素としてＮｉを有しないハンダ材または構成元素としてＮｉを有しないロウ材からなることを特徴とする請求項６ないし請求項８の何れか一つに記載の気密端子の製造方法。
10. 前記ロウ材は、Ｓｎ、Ｓｎ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ｚｎ合金、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｌ合金、Ａｕ−Ｓｎ合金、Ａｇ−Ｃｕ合金から選択したことを特徴とする請求項６ないし請求項９の何れか一つに記載の気密端子の製造方法。
    

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