JPH061666B2 - ラミツク部材の接合方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は陰極線管の管球など中空部材であるセラミツク
部材を互いに気密に接合する方法に関するものである。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする問題点〕

陰極線管（ＣＲＴ）管球のセラミツク・フアンネル部
と、同管球のセラミツク・リングとを接合するための従
来の方法の１つは、１対の連絡器を用いることである。
これら連結器の各々は２つの環状部材から成つている。
第１部材はNi-Cr-Fe（ニツケル・クロム・鉄）合金によ
るもので、平らな環状基体部分とのこの環状基体部分の
ひとつのエツジから突出した矩形の筒状部分とを有する
断面がＬ字形をした部材である。これに用いられる合金
は、シールメツトの名で市販されている。第２部材は、
ニツケルと鉄の合金による平らな環状の部材であり、上
述の筒状部分の突出した端に接合する。セラミツク・フ
アンネルとセラミツク・リングとを接合するために数段
階の工程を経る。最初に上述の部材の１つの基体部分を
セラミツク・フアンネルの端に溶融（フリツト）接合
し、次に他の部材の基体部分をセラミツク・リングの端
にフリツト接合する。基体部分の外表面を相互に向い合
わせに置く。ニツケル・鉄合金によるリングと接触する
位置に熱クランプを一時的に固定する。これらのクラン
プは放熱器を提供し、連結器をいつしよに保持する。タ
ングステン不活性ガス(TIG)又はプラズマ溶接によつて
高温度にて基体部分をフリツト接合する。その後熱クラ
ンプを解除する。

上述の方法では熱クランプを用いることが比較的時間を
要することであるが、セラミック部材が破損したりフリ
ツト継手が破損したりすることを防止するためには必要
である。上述のTIG又はプラズマ溶接の作業中連結器の
温度はかなり上昇する。さらに金属の連結器とセラミッ
クとの間で大きな温度差があると、フリツト継手が破損
する。

さらに、苦土かんらん石（フオステライトとも呼ばれ
る）によつて成るセラミツクの熱膨張係数と、フリツト
の熱膨張係数はたいへん近い。しかしながらNi-Cr-Fe合
金の熱膨張係数は上述の熱膨張係数とはかなり隔つてい
る。接合工程を通じて、またCRT管球の使用を通じて、
フリツト継手が被むる動作温度範囲内にてこの隔りが生
じる。従つて、連結器、フリツト、及びセラミツクは異
なつた量と異なつた比率で膨張したり収縮したりする。
これがセラミツクのひび割れフリツト継手の破損に至る
ことがある。この問題はさらにNi-Cr-Fe合金の熱膨張係
数は、連結器の使用に先だつ製造工程で合金が達した温
度範囲に依存して変化するという事実によつてさらに複
雑になるのである。このようにその熱的な経歴により、
化学的組成は同一なNi-Cr-Fe合金の多くが異なつた熱膨
張係数を有する。

さらにこの従来の方法では、CRT管球は大き目につくつ
ている。これは、必要な熱クランプ(ther-mnl clamp)を
収容するために、連結器の筒状部分の高さは典型的には
約１インチである。これゆえ、後続の接合物、すなわち
セラミツク部材は、約２インチ離れることにより、CRT
の場合は、断面において管のフロント・プレートとセラ
ミツク部材が略等しくなる。従つてこのような管球を具
えたCRTを使用したオシロスコープとかその他の機器を
収容するためには、大形のキヤビネツトが必要となる。

このように上述の方法はセラミツク部材を接合するのに
時間がかかるし、セラミツクとセラミツクの連結器のコ
ンパクト性が最良の状態より劣つたものになり、さらに
この連結器がやや信頼性の劣るものとなる。

ピンカスによる米国特許第2912340号は、真空管管球に
用いられる苦土かんらん石セラミツク材料を開示してい
る。この特許公報の第２図は、セラミツク部材(33)，(3
4)を密着させているチタニウム、ジルコニウム、又はこ
れらの合金の金属円板を示している。この特許の中で
は、第７欄第６４行において、これの要素をなんらかの
既知の満足のゆく半田付け又は溶接技術により封止する
ことを述べている。同様に第７欄第７６行〜第８欄第８
行においても、金属部材とセラミツク部材間のシール又
はセラミツクの破損を避けるために、セラミツク部材(3
3)，(34)の熱膨張／収縮に関する特性をチタニウムのそ
の特性に近づけることの必要性を強調している。

このピンカスの特許においては、半田付け又は溶接技術
は比較的高温度での技術である理解される。さらにチタ
ニウムは真空中で溶接されており、これは比較的高価な
炉を必要とする。さらに溶接作業は高温度で行われてい
るために、フリツト接合する前に個別に溶接しなければ
フリツト継手が破損してしまう。これゆえこれらの装置
を製造するのには時間と費用がさらにかかる。もう１つ
の欠点として、これらの技術において用いられている高
温度ではガラスが溶ける可能性があることである。この
理由から、このような技術は、ガラス部材の相互接合に
は全く向かない。

またレーザーによるチタニウムへの溶接は従来例によつ
て知られている、ということも注意されるべきである。
さらに一方の部材の端を他方の部材の端の上に付き出る
ように位置決めし、２つの端を溶接するという隅肉溶接
の技術も知られている。しかしながら、チタニウムを前
もつてセラミツク部材にフリツト接合しておいてからレ
ーザー溶接を行う利用方法はなかつた。

それゆえ、この従来例が有するさまざまな欠点を克服す
る、セラミツク部材の気密な相互接合のための方法が求
められている。

そこで本発明の目的は、セラミツク部材を気密にコンパ
クトに相互接合するための方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、CRT管球とかその他の中空管など
の部材として用いられるセラミツク部材を気密に相互接
合するための安価でじん速な方法を提供することにあ
る。

本発明のさらに他の目的は、フリツト接合の場合のよう
な低温度での接合方法を提供し、さらにひび割れとか分
離をおこしにくいセラミツクとセラミツクの気密な接合
をなす方法を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、工程数が最少で、熱クラン
プ又は真空炉を必要としないセラミツク部材の気密な相
互接合方法を提供することにある。

〔問題を解決するための手段及び作用〕

第１の環状端を有する第１のセラミツク（壁）部材と第
２の環状端を有する第２のセラミツク（壁）部材とを含
む中空管において、第１及び第２の連結器を設けて上述
の部材の端を相互接合する。１つの形態としては、各連
結器は夫々２つのフランジ部、及び中間部を含んでい
る。セラミツク部材を相互接合するために、第１連結器
の第１フランジ部を第１セラミツク部材の第１環状端に
フリツト接合する。さらに第２連結器の第１フランジ部
を第２セラミツク部材の第２環状端にフリツト接合す
る。第２フランジを互いに向かい合わせにおき、熱クラ
ンプなしにレーザー溶接する。連結器はレーザー溶接す
る部分からフリツト継手までの距離を最小にすべくコン
パクトな設計にしておく。この距離は、レーザー溶接を
している間にフリツト継手が破損することを防ぐに十分
なだけ熱伝導を遅らせるに必要な距離により実質的に大
きくはない。

特に、いくつか例示した実施例では、連結器は例えば2.
0インチに対して0.330インチの厚さのコ字状の断面形を
有するコンパクトなものである。この連結器は材料パラ
メータを選定することによつて従来例の特性を維持し、
又は上まわることができる。これら連結器は連結される
セラミツク部材の外周面と実質的に同一平面となるよう
に設計されている。このことにより連結器はセラミツク
部材の外周面に対して問題になるほど外側へ突出するこ
とがない。これらの連結器のコ字状の断面形状によつ
て、連結器は撓むことが可能でレーザー溶接によつて生
じる内部応力を逃がすことができる。さらにこのコ字状
の断面形状によつて溶接中フリツト継手におしよせる熱
衝撃波の伝播方向を制御することもできる。この撓み及
び熱衝撃波の伝播方向制御によつてフリツト継手が破損
する危険性が最小限となる。

本発明の他の特定の実施例によれば、第１及び第２の連
結器は、夫々平らな環状フランジ部を有している。さら
に夫々の連結器は、上述の環状フランジの側面から外側
へ突出して設けられたおおむねＳ形の断面形状の環状部
材を有している。この公社の部材は中間部ともう１つの
フランジ部とを形成している。環状フランジと環状部材
は一体となつて全体でおおむねコ字状の断面形状をした
連結器を形成している。

本発明の他の要点は、第１及び第２の連結器はチタニウ
ムでできている、ということである。

〔実施例〕

第１図は、本発明の方法を用いて相互接合されたセラミ
ツク部材を含むCRT管球の上面図である。本図におい
て、CRT管球(10)は第１セラミツク部材であるセラミツ
ク・フアンネル(12)と第２セラミツク部材であるセラミ
ツク・リング(14)を有している。なお、本実施例の説明
においては、セラミツクという言葉はガラス及び結晶質
のセラミツク材料を含み、有機材料は含まぬものとす
る。セラミツク部材(12)，(14)は、環状の第１及び第２
連結器を具えた継手構体(16)によつて気密に相互接合す
る。製造工程において、連結器(18)は第１セラミツク部
材(12)の環状端(22)に取り付け、連結器(20)は第２セラ
ミツク部材(14)の環状端(24)に取り付ける。それから連
結器(18)と(20)とをならべて第１図のおよそ(26)で示し
た位置の連結構体の外周にわたつて接合する。

第２図は、本発明の方法に基づいて相互接合されたセラ
ミツク部材の、第１図における線Ａ−Ａに沿う垂直断面
図である。本図において、第１連結器(18)は、第１フラ
ンジ部材(28)、中間部(30)、外部端(34)を有する第２フ
ランジ部(32)を有し、これらによつて小さなコ字状の断
面形状をなしている。同様に第２連結器(20)も、第１フ
ランジ部(36)、中間部、外部端(42)を有する第２フラン
ジ部(40)を有し、これらによつて小さなコ字状の断面形
状をなしている。

連結器(18)及び(20)は、これをセラミツク部材に取り付
ける前に、また連結器の相互接合をする前に組み立てて
おく。より詳細にいうと、連結器(18)のフランジ部(28)
と中間部(30)は、平面(44)，(46)を有する環状材料から
作られる。これは、平面(44)において参照番号(48)で示
した肉を除去した部分だけの環の外周を機械加工で削り
取ることによつて作ることができる。このように第１フ
ランジ部(28)はリング内に形成された環状のへりを具え
ており、一方中間部(30)は、上述のへりから外側へ突出
した環の中央部分を具えている。連結器(20)のフランジ
部(36)と中間部(38)とは、やはり平面(50)，(52)を有す
る環の凹み部分(54)を平面(52)において削り取る機械加
工によつて形成する。図示の実施例では、連結器(18)の
第２フランジ部(32)は、平面(58)，(60)を有する環であ
る。連結器(18)を完成するために、中間部(30)の平面(4
4)に平面(58)をむき合わせて、これらの内側周囲(66)を
レーザー溶接する。これによつてこれらの部材が真空気
密に接合される。同様に連結器(20)のフランジ部(40)
は、平面(62)，(64)を有する環である。連結器(20)を完
成するためには、中間部(38)の平面(52)に平面(62)をむ
き合わせて、これら内側周囲(68)をレーザー溶接する。
これによつて同様にこれらの部材が真空気密に接合され
る。

連結器(18)，(20)は、この後夫々第１セラミツク部材(1
2)、第２セラミツク部材(14)に接合する。フリツト(70)
は連結器(18)の平面(46)と第１セラミツク部材(12)の端
(22)とを気密に接合している。フリツト(72)も同様に連
結器(20)の平面(50)と第２セラミツク部材(14)の端(24)
とを気密に接合している。フリツト接合はフリツトをガ
ラス化しない十分な温度、典型的には４４０℃にて行わ
れる。

フリツト接合が終了すると、フランジ部(32)と(40)を、
面(60)と(64)を互いに隣接させて保持する。この組みつ
けたもの全体を次に回転させる。回転させながら(74)の
参照番号で示すレーザービームをフランジ部(32)，(40)
の外側端(34)，(42)のところへ向ける。レーザービーム
はフランジ部を外周に亘つて溶接し、第１セラミツク部
材(12)と第２セラミツク部材(14)の気密な相互接合が完
了する。これらの工程全体は、中空管の内側の温度を外
気の温度（例えば２５℃）よりもかなり上に上昇させず
に行う。従つて、温度に対して敏感な部品が中空管内に
あり、外気の温度がその部分を損なうほどの温度にまで
上昇しても、この部品は保護される。

第２図に示す連結構体においては、レーザービーム(74)
をあてる場所からいづれかのフリツト継手へと至る直線
が間隙又は凹み部分(48)，(54)を通過するように設計さ
れている。この間隙が溶接工程中フリツト継手を熱的に
隔てる作用をもたらしている。このようにレーザー溶接
をする場所からフリツト継手へと至る直線は存在せず、
これらは連結器の金属部材内に全面的に包含されてい
る。ゆえにレーザー溶接をする場所から平面(46)へと至
る連係器(18)の金属部を伝播してゆくためには、熱は第
２フランジ部(32)、中間部(30)を通つてその平面へ至ら
ねばならない。同様に平面(50)へと至る連結器(20)の金
属部を伝播してゆくためには、熱は外部端(42)と中間部
(38)とを通過しなければならない。溶接中外周端での急
激で局部的な加熱によつて起こる熱衝撃波を減衰するに
十分な程、熱伝播距離は長く、しかも金属部材の断面形
状は小さい。このためこの熱衝撃波がフリツト継手を破
損することがない。一方で、この熱伝導路は、外部端か
らフリツト継手へと至る熱伝導を遅らせるに十分な距離
であり、しかも金属部材の断面形状は十分に小さい。こ
のためフリツト継手は金属連結器の温度とセラミツク部
材の温度との差が過大になつて損なわれるということが
ない。しかしながら、この熱伝導路又は断面は、熱伝導
を遅らせフリツト継手を保護するに必要な長さを超える
ものではなく、必要以上に小さいものでもない。このこ
とが連結器をコンパクトなものにとどめるし、第１セラ
ミツク部材(12)、第２セラミツク部材(14)の外周面と実
質的に同一平面になるよう連結器を設けることを可能に
している。さらに連結器の断面形状がコ字状をしている
ために撓むことが可能で、溶接によつて生じる張力を逃
がす働きがある。

第３図の本発明の方法に基づいた第２の実施例の相互接
合したセラミツク部材の垂直断面図であり、第４図は本
発明の方法に基づいた第３の実施例の相互接合したセラ
ミツク部材の垂直断面図である。第２，３，４図の実施
例において、各連結器の高さはわずか約0.165インチで
ある。これゆえ、セラミツク部材の端(22)，(24)間の距
離は、本発明のコンパクトな連結器で接合した場合、わ
ずか約0.33インチとなる。また第２図の連結器(18)の場
合、断面図においてわずか0.3インチの幅である。さら
に第２フランジ部、第４フランジ部の各々の厚さは、0.
020インチが普通であるが、約0.015インチから0.030イ
ンチの間である。

もし第２，３，４図における連結器(18)，(20)を同じ大
きさの矩形断面を有する２つの連結器に置き換えると、
フリツト継手は溶接中に破損するということに注意され
たい。この場合の熱伝導路は非常に短かすぎるため溶接
によつて生じる熱衝撃波を減衰することができず、熱伝
導を遅らせることもできない。対照的に溶接する場所と
フリツト継手とを結ぶ直線間に空気の間隙を設けること
で（これは連結器(18)，(20)の構造をコ字状にすること
で生じる）セラミツク部材の相互接合にこのコンパクト
な連結器を用いることができる。

セラミツク、フリツト、及び連結器の各材料は製造工程
でこれらの材料が被る温度範囲に亘つて実質的に同一の
熱膨張係数を有するような材料とする。相互接合の信頼
性は、フリツト、セラミツク及び連結器の各材料の熱膨
張係数が、製造工程でフリツト継手が被る温度範囲に亘
つて相対的に３×１０^-7以内であるときに最も高いと考
えられる。典型的な最も高い温度とは、フリツト接合中
の継手に生じる温度（例えば４４０℃）である。

特定の実施例では、このセラミツク材料は作業温度範囲
にて約９４×１０^-7の熱膨張係数を有するガラスか又は
苦土カンラン石でも良い。フリツトは、オーエンズ・イ
リノイズ・カンパニより市販されているＣＶ−４５５フ
リツト又はコーニング・カンパニより市販されているコ
ーニング７５７５フリツトでも良い。また連結器は商品
レベルでの純粋チタニウムから製造してもよい。なんら
かの相違はあるものの「商品レベルでの純粋」とは典型
的には99.99％の純度をさす。この純度のチタニウム
は、材料がうけた熱処理の経歴にかかわりなく一定の熱
膨張係数を有する。セラミツクと金属との一定して高品
質な気密な接合はこのような材料を用いたとき実現でき
る。

第３図における実施例は第２図における実施例と類似し
ている。したがつてこれらの実施例で同様の部品に対し
ては同一の参照番号を付し、詳しくは論じない。第２図
とは対照的に、第３図におけるフランジ部(32)は、断面
形状すなわち外形寸法においてフランジ部(40)よりもや
や大きくなつている。これゆえフランジ部(32)はフラン
ジ部(40)をわずかな距離ｄだけオーバーハングしてい
る。溶接中、レーザービーム(74)を、フランジ部(32)の
オーバーハングしている部分と共に、フランジ部(40)の
端(42)に照射する。これを行うためにレーザービーム(7
4)の入射角は、フランジ部(32)と(40)が水平であるとし
てこの角度から４５°の如き角度αに設定する。これで
参照番号(78)で示す部分に溶接を行う。

第３図に示す実施例は、溶接密閉をするうえでは第２図
に示す実施例よりも効果的である。こういつた第３図に
示すオーバーハングしたふちを設ける方法は、フランジ
部(32)，(40)の面(60)，(64)間における１インチあたり
約15000個までのひび割れを効果的に密封する。これと
比較して、第２図に示す方法だとこれらのフランジ部に
おいて典型的には１インチあたり3000〜5000のひび割れ
を密封するのみである。

第４図に示すセラミック部材の気密な相互接合のための
装置及び方法は、連結器の形状がやや異なつていること
を除いては第３図に示すものと類似している。これらの
図中同様の部品に対しては同一の参照番号を付した。

第４図に示すように、この形の連結器(18)の第１フラン
ジ部(28)は、平面(44)，(46)を有する環である。この連
結器は、うねつていて概略Ｓ形の断面形状を有し、平面
(44)に溶接されている基部(80)も有した環状部材も含ん
でいる。さらに、この部材の中央部は中間部(30)を具
え、その外側の部分は第２フランジ部(32)を具えてい
る。同様に連結器(20)は、環を形成している第１フラン
ジ部(36)の面(52)へ溶接部(68)によつて固定された基部
(82)を有する、うねつてＳ形をした部材を含んでいる。
後者の部材の突出した部分は、中間部(38)とフランジ部
(40)を具えている。これらのうねつた部材は、パンチプ
レスとかその他の方法で所望の形状にする。この方法
は、連結器部材の製造に機械加工を要する方法と比較し
て費用がかからない。第２図，第３図が示す形の場合と
同様、第４図における連結器は、第１セラミツク部材(1
2)、第２セラミツク部材(14)のコンパクトな相互接合を
実現している。さらに第４図の連結器は全体でおおむね
コ字状をしている。

断面がコ字状の連結器は同様にその他の方法でも製造で
きる。例えば３つの環を積み重ねていつしよに接合して
も良い。この構造は、もし中央の環が他の環よりも小さ
い外形寸法を有していれば、望ましいコ字状断面を有す
ることになる。またこのような連結器は一体物で作るこ
ともできる。例えばコ字状断面になるように環を機械加
工するのである。

上述のように各実施例は、２つのセラミツク部材を気密
に接合するために、連結器のフリツト接合とレーザー溶
接との組み合わせを導入したものである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、レーザ溶接箇所からフリット接合箇所
間に第２フランジ部、中間部及び第１フランジ部が存在
するので両箇所間の距離が長くなり、レーザ溶接により
生じる熱によりフリット継手が破損するおそれが少なく
なる。また、断面コ字状の第１及び第２連結器のフラン
ジ部を突き合わせた接合により、接合部分を堅牢に形成
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の方法を用いて相互接合されたセラミ
ツク部材を含むCRT管球の上面図、第２図は、本発明の
方法に基づいて相互接合されたセラミツク部材の、第１
図における線Ａ−Ａに沿う垂直断面図、第３図は本発明
の方法に基づいた第２の実施例の相互接合をしたセラミ
ツク部材の垂直断面図、第４図は本発明の方法に基づい
た第３の実施例の相互接合したセラミツク部材の垂直断
面図である。 これらの図において、(12)は第１セラミツク部材である
セラミツク・フアンネル、(14)は第２セラミツク部材で
あるセラミツク・リング、(18)は第１連結器、(20)は第
２連結器、(22)，(24)は環状端、(28)は第１フランジ
部、(32)は第２フランジ部、(36)は他の第１フランジ
部、(40)は他の第２フランジ部である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ケイス・エフ・コングスリー アメリカ合衆国 オレゴン州 97006 ビ ーバートン ノースウエスト ジョセリン 16905 (56)参考文献 特開 昭60−97531（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１セラミック部材の環状端と、第２セラ
   ミック部材の第２環状端と接合するセラミック部材の接
   合方法において、 中間部、該中間部から対向して外側に延びる第１及び第
   ２フランジ部を有する断面コ字状の環状の第１及び第２
   連結器の上記第１フランジ部を上記第１及び第２セラミ
   ック部材の環状端に夫々フリット接合し、 上記第１及び第２連結器の上記第２フランジ部を突き合
   わせ、 上記第１及び第２連結器の上記第２フランジ部の端部を
   レーザ接合することを特徴とするセラミック部材の接合
   方法。