(57)【要約】【課題】  本発明の課題は，金属とセラミックスの接合体のセラミックス側における残留応力の過度な増大を防止し、信頼性の高い接合体を得ることにある。また、信頼性の高い電力流通用開閉装置を提供することにある。【解決手段】  上記目的を達成するための本発明の特徴は、金属とセラミックスの接合体の、セラミックス側にろう付を目的として施してあるメタライズ処理の端部が，当該メタライズ処理を施されたセラミックス面の端部より内側へずれていることにある。当該ずれ量は０.２mm以上が望ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属部材と、表面にメタライズ処理を施されている領域を有するセラミックス部材との接合体であって、前記メタライズ処理された領域は、前記セラミックス部材のメタライズ処理を施された面の面積より小さいことを特徴とする接合体。
【請求項２】
請求項１に記載された接合体であって、
前記メタライズ処理された領域の周囲は０.２mm 以上の幅のセラミックス表面が表れていることを特徴とする接合体。
【請求項３】
請求項１または２に記載された接合体であって、
前記メタライズ処理された領域の面積は前記金属部材の接合面の面積より大きく、前記メタライズ処理された領域の端部は、前記金属部材の端部から０.２mm 以上離れていることを特徴とする接合体。
【請求項４】
金属部材とセラミックス部材をろう材により接合した接合体であって、前記セラミックス部材の接合面の端部と前記ろう材の端部とが０.２mm 以上離れて接合されていることを特徴とする接合体。
【請求項５】
請求項４に記載された接合体であって、
前記ろう材の端部は前記金属部材の端部から０.２mm 以上はなれていることを特徴とする接合体。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載された接合体であって、
前記金属はＣｕ，Ｆｅ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｃｏ，Ｓ１，Ｃの元素のうち少なくとも一つを含み、前記セラミックスはＡｌ，Ｓｉ，Ｏ，Ｃ，Ｎ，Ｍｇ，Ｙ，Ｃａ，Ｔｉ，Ｚｒの元素のうち少なくとも一つを含むことことを特徴とする接合体。
【請求項７】
請求項１ないし５のいずれかに記載された接合体であって、
前記ろう材はＡｇ，Ｃｕ，Ｍｎ，Ｎｉのうち少なくともいずれかを含むことを特徴とする接合体。
【請求項８】
請求項４に記載された接合体であって，前記ろう材はＴｉ，Ｚｒの少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする接合体。
【請求項９】
請求項１ないし６のいずれかの接合体を用いたことを特徴とする電力流通用開閉装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械的強度が要求される金属とセラミックスの接合体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属とセラミックスとは、素材の物理的・機械的特性が大きく異なることから、これらを接合した接合部には残留応力が発生する。
【０００３】
金属とセラミックスの残留応力を低減する技術として、金属側へのスリット加工、特殊な中間層などにより、接合部の面積および金属側の剛性を低減、セラミックス側への残留応力の負荷を減じる手法等が考案されている。中間層以外を設ける手法としては、ろう材が形成したフィレットの曲率等の形状に関する工夫として特開２００１−３５３２６（特許文献１）がある。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−３５３２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１には、フィレットの形成の仕方などの具体的な手法は言及されていない。実際にはフィレットの曲率は、材料の表面状態や接合部位，微妙な雰囲気の変化に起因するロット間のバラツキが大きく、フィレットの形状を制御することは簡単ではない。また、単にフィレット形状を制御しただけでは、必ずしも局所的なセラミックスの残留応力を低減できない。
【０００６】
また、フィレット形状を制御するにはろう材の流れの制御が極めて重要である。特に、ろう材による接合の場合、ろう材が予想しえない箇所に付着・蒸着することにより、製品にしばしば不具合が生じることがある。例えば、大電流・大電圧の遮断に用いる真空遮断器などでは、回路と真空容器間の絶縁を保つＣｕとＡｌ2Ｏ3のろう付部位における、ろう材のべ一パやろう流れの不良が致命的な欠陥に繋がる場合がある。
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、セラミックス側における残留応力の過度な増大を防止することであり、そのためにろう付における金属とセラミックスの接合において、安定したフィレット形状を確保することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明の特徴は、金属とセラミックスの接合体の、セラミックス側にろう付を目的として施してあるメタライズ処理の端部が、当該メタライズ処理を施されたセラミックス面の端部より内側へずれていることにある。当該ずれ量は０.２mm以上が望ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ろう付によって接合された金属／セラミックス接合体における残留応力を低減でき、信頼性の高い接合体を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に、本発明の接合体の構成，組成を説明する。
【００１１】
金属とセラミックスの接合において残留応力が集中する箇所は、金属とセラミックス接合部のエッジ部分であることが多い。従って、ろう材によって形成された、または金属とセラミクス接合部周辺のフィレットは、エッジにおける残留応力の低減にとって極めて有効である。残留応力を低減するため、フィレットは安定して形成されることが望ましい。フィレットの形状は、被接合物およびろう材の材質，被接合物の表面状態，ろう材の量，接合処理における雰囲気およびその温度に複雑に左右される。
【００１２】
ろう材の量を増やすことは、安定したフィレットの形成に役立つが、一方で過剰なろう材が流れてくることにより弊害が生じやすい。例えば、ろう材がセラミックス面の端部にまで流れると、セラミックス側に大きな残留応力が生じ割れを誘発する可能性がある。
【００１３】
ろう材の量を調整すること以外の、ろう材をセラミックス端部にまで到達させない手法として、メタライズ層の面積を制御することが挙げられる。通常のろう材の場合、メタライズを施した面以上にろう材が濡れることは殆んどない（ろう材がＴｉ，Ｚｒ等の活性元素を多量に含む場合はセラミックスにも比較的よく濡れる）。セラミクス部材の全面ではなく、それよりも少し小さい範囲をろう材の占める面とすることにより、つまり、周囲に残されたセラミクス面によりろう材の広がりが抑制され、保持されることとなる。
【００１４】
従って、セラミックス面の端部からメタライズ層の端部を０.２mm 以上、好ましくは１mm以上程度空けることによりセラミックス端部の残留応力の増大を防止することができる。
【００１５】
また、接合体の形・大きさや使用するろう材の量により、適切なメタライズ層端部の位置は異なる。接合体が大型になるほど、また使用するろう材の量が多くなるほど、セラミックス端部から離すべきメタライズ端部の距離も大きくなるが、少なくとも接合径が
φ２００程度の金属／セラミックス接合体までは、端部からそれぞれ０.５mm程度離すことによりろう材またはメタライズ層のセラミックス側に発生する残留応力を押さえ、セラミックス側の割れを抑えることができる。従って、メタライズ処理の端部を、当該メタライズ処理を施しているセラミックスの面の端部から離すべき距離は０.２mm 、好ましくは１mm以上とする。
【００１６】
この時に、被接合体である金属とセラミックスの間にフィレットを形成するためには、金属側の接合面積より、少なくともメタライズ処理を施した面の面積が大きくなっている必要がある。接合面積は、接合体の用途や製品の仕様により変化するため限定できないが、金属側の端部とメタライズ処理部の端部の距離で限定することができる。ろう材の量によるが、金属側の端部とメタライズ処理した面の端部が０.２mm 以上、好ましくは０.５
mm以上離れていれば安定したフィレットを形成することが可能である。
【実施例１】
【００１７】
図１に本発明の接合体の模式図を示す。セラミックス端部はメタライズ処理部の端部より０.２mm以上離れており、かつ金属側端部から０.２mm以上離れていることが特徴である。このとき、フィレットが形成できるように、メタライズ処理部の端部と金属側端部は、メタライズ処理部の端部の方がセラミックス端部に近い関係でなければいけない。
【００１８】
セラミックス側にメタライズ処理を施さずに、活性なＴｉ，Ｚｒ入りのろう材を用いて金属とセラミックスを接合する場合、使用するろう材量の調整により、セラミックス端部と使用されたろう材の端部との位置関係は上記と同じく０.２mm 以上離れていることが望ましい。
【００１９】
当該接合体は、主として電力流通用開閉器に用いられる構成部品を想定している。従って、回路の開時の引張力と閉時における衝撃に耐える必要がある。従って、その材質はある程度の強度を有する構造材料に限られる。一般に、電力流通用開閉器の金属とセラミックの接合体は、銅とアルミナあるいはステンレス鋼とアルミナになる。但し、使用環境により、金属側およびセラミックス側により強度の高い材料が用いられる場合がある。
【００２０】
金属の材質として、鋼とその合金，鉄とその合金，アルミニウムとその合金，ニッケルとその合金，コバルトとその合金が挙げられる。その他、これらの強化元素としてＺｎ，Ｓｎ，ＳｉやＣが適宜添加される。従って、金属部材にはＣｕ，Ｆｅ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｓｉ，Ｃの元素が適宜組み合わせて使用される。
【００２１】
他方、セラミックスの材質としては、アルミナ，炭化珪素，窒化珪素，ジルコニア、あるいはこれらの複合材料が挙げられる。さらに、適宜他の元素を加えることが可能である。従って、セラミクスは、構成元素Ａｌ，Ｓｉ，Ｚｒ，Ｏ，Ｃ，Ｎ、あるいは焼結助剤や添加元素のＹ，Ｃａ，Ｔｉ，Ｍｇを少なくとも一つを含む材質が考えられる。
【００２２】
ろう材の材質としては、上記のＴｉ，Ｚｒ入りのろう材のほか、Ａｇ，Ｃｕ，Ｍｎ，
Ｎｉ等を含んでいるものもよい。
【００２３】
本発明の金属／セラミックス接合体における残留応力低減の原理は、接合界面近傍の機械的な形状効果によるものが主であるので、その材質の組み合わせを変化させてもセラミックス側の残留応力を低減する効果がある。従って、銅とアルミナあるいはステンレスとアルミナ以外の材質の組み合わせでも、強度あるいは耐衝撃性を要求される金属とセラミックスの接合体において有効である。
【実施例２】
【００２４】
図２の構造を有する接合体を、表１に示すＣｕ／Ａｌ2Ｏ3接合体条件で作製した。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
Ｃｕ側には引張試験機に取り付けできるようにネジ加工を施した。金属側の材質は無酸素Ｃｕとし、セラミックス側はφ３０×３０のＡｌ2Ｏ3円柱とした。但し、Ａｌ2Ｏ3の端部はＣ：０.２５mmの面取を行ったため、実質的な接合面はφ２９.５である。Ｃｕ側の接合径は、φ１０〜２９.５ とした。接合に用いたろう材は７２ｗｔ％Ａｇ−２８ｗｔ％
Ｃｕ（ＢＡｇ−８）とした。ろう材の厚さは０.１２mmとして、Ｃｕ側径に合わせてカットしたものを用いた。Ａｌ2Ｏ3側へのメタライズ処理はＭｏ−Ｍｎ法とし、メタライズ処理したのち、さらにろう材流れ改善のためＮｉめっきを施した。メタライズ処理は
Ａｌ2Ｏ3側の全面に施した。引張試験結果では、Ｃｕ側径の増加に伴い引張強さが低下する傾向が認められた。特にＣｕ側径がφ２５を超える試料では強度の低下が激しく、実用に支障をきたすレベルの強度低下であった。また、φ２５を超える場合、ろう材が
Ａｌ2Ｏ3端部にまで達する傾向が顕著にみとめられた。
【００２７】
表２に示すＣｕ／Ａｌ2Ｏ3接合体を作製した。接合体の構造は表１におけるａ−９とほぼ同じであり、Ａｌ2Ｏ3側のメタライズ処理の面積（径）を変化させた。
【００２８】
【表２】
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【００２９】
引張強さは、メタライズ層の径がＣｕ側径を０.２〜０.５上回るところで極大となる傾向が認められた。尚、ｂ−１，ｂ−２では均一なフィレットが形成されなかったのに対し、ｂ−３〜ｂ−７では比較的安定した形状のフィレットが形成された。また、ｂ−３，ｂ−４のフィレットが最も曲率が最も大きく、ｂ−５，ｂ−６，ｂ−７の順にフィレットの曲率が小さくなる傾向が認められた。
【００３０】
表３に示すＣｕ／Ａｌ2Ｏ3接合体を作製した。接合体の構造は表１に示すａ−１〜ａ−１６とほぼ同じであるが、Ａｌ2Ｏ3側のメタライズ径をＣｕ径に対してφ０.５ だけ大きくした。
【００３１】
【表３】
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【００３２】
尚、ｃ−１５，ｃ−１６に関してはメタライズ径がＡｌ2Ｏ3径と同じであり、実質ａ−１５，ａ−１６と全く同じ種類の試料である。引張強さは、Ｃｕ側径の増加に対して僅かに低下する傾向が認められるが、ａ−１〜ａ−１６に比べて緩やかであり、Ｃｕ側径φ２８.５ まで１５０ＭＰａ以上の引張強さを保っことができている。
【００３３】
ａ−１〜ａ−１６およびｃ−１６の耐衝撃性試験を行った。試験は、接合体を所定の高さから落下させることにより、接合体の破損の有無を調べた。接合体の受ける衝撃エネルギは約５Ｊであり、真空開閉装置による電極の開閉時を模擬している。耐衝撃性試験の結果を表４に示す。
【００３４】
【表４】
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【００３５】
ａシリーズではａ−１〜ａ−１１までは１００００回の衝撃負荷を加えても破損はなかったが、ａ−１２〜ａ−１６では、１〜１０回目の衝撃でＡｌ2Ｏ3が割れた。ｃシリーズでは、ｃ−１〜ｃ−１４まで１００００回の衝撃負荷を加えても破損が無く、ｃ−１５，ｃ−１６は１０回以内の衝撃負荷でＡｌ2Ｏ3が割れた。
【００３６】
引張試験および耐衝撃試験の結果から，ろう材がＡｌ2Ｏ3端部にかかることにより、接合体の強度および耐衝撃性が著しく低下する傾向が認められた。
【実施例３】
【００３７】
図３は、本発明の接合体を内包する電力流通用開閉装置の上面図（ａ）及び断面図(ｂ)である。接地真空容器１には、２つの遮断器部又は断路器部の可動電極１２，１３及び固定電極１０，１１と、１つの接地装置部の可動電極１５及び固定電極１４が収容され、又接地真空容器１に取り付けた真空圧力測定装置の真空圧力測定端子２５が設けられている。上面図（ａ）に示す様に、２つの遮断器部又は断路器部を一列にし、１つの接地装置部と外部接続導体２７とを一列にして互いに並列に配置したものである。
【００３８】
外部接続導体２７は、接地真空容器１外で中央部に円筒状のアルミナ，ジルコニア等のセラミックスからなる絶縁物を挟んで上下に非磁性ステンレス鋼のキャップによって接地真空容器１に絶縁されて接続されている。
【００３９】
接地真空容器１は大部分が強度の高い金属例えば非磁性ステンレス鋼などの導電性材料で構成される。そして接地真空容器１は接地されている。又、接地真空容器１の真空圧力は、真空度測定装置２５によって監視される。接地真空容器１と真空容器内部導体との絶縁は前述のセラミックスからなる絶縁物４，５，１９，２０，２１，２６によって保たれている。
【００４０】
接地真空容器１の内部に、接離自在な固定電極１０と可動電極１２，固定電極１１と可動電極１３，固定電極１４と可動電極１５が配置され、各可動電極を操作機構の指令によって接離させて投入及び切動作を行う。可動電極１２，１３，１５はそれぞれ可動導体
１６，１７，１８に接続され、それぞれ絶縁物１９，２０，２１を介して、可動ロッド
２８，２９，３０に接続され、操作機構部へと接続される。可動ロッド２８，２９，３０はそれぞれベローズ２２，２３，２４により気密に封止される。固定電極１０と可動電極１２，固定電極１１と可動電極１３の接続部分の周囲は、非磁性ステンレス鋼からなるシールドカバーが設けられている。
【００４１】
固定電極１０は接続導体２に接続され、接地真空容器１の外部との接続が行われる。同様に固定電極１１は接続導体３に接続され、接地真空容器１の外部との接続が行われる。接続導体２，３は接地真空容器１外では更に絶縁物４，５によって被われている。
【００４２】
外部と接続される接続導体２と接続導体３との間は、可動導体１７からフレキシブル導体３１を介して可動導体１６に接続されるため、可動電極１３，可動電極１２が入状態の場合電気的に接続される。また、接地部固定電極１４は、可動導体１８がフレキシブル導体３２を介して接地端子部導体３３に接続されるため、接地部可動電極１５が入状態の場合接地端子部の外部接続導体２７と電気的に接続される。
【００４３】
外部接続導体２７は、フレキシブル導体３２との接続部と接地端子部導体３３とが一体に接続されており、絶縁物２６によって接地真空容器１とが絶縁されている。
【００４４】
フレキシブル導体３１，３２は、真空容器中に配置するため、真空中で動作できるよう通電部に薄板（０.１mm〜０.２mm）の無酸素銅を積層して用い、各無酸素銅薄板間にそれより薄板の酸化層を有するステンレス板を挿入することで、真空中で無酸素鋼同士が凝着せず、フレキシブル性が維持できる構造とした。
【００４５】
又、フレキシブル導体を主回路通電部との距離がとれるように通電部と反対方向に凸形状とした。本発明における接合体構造を、当該真空スイッチの絶縁物４，５，１９，２０，２１，２６に適用し、当該装置が必要なスペックを満足することを確認した。
【００４６】
上記のような接合体により、信頼性の高い電力流通用開閉装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明における接合体の接合面構造を示す図である。
【図２】実施例１において試作した接合体の概賂を示す図である。
【図３】実施例２において試作した電力流通用開閉装置の概略を示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１…接地真空容器、２，３…接続導体、４，５，１９，２０，２１，２６…絶縁物、
１０，１１…固定電極、１２，１３…可動電極、１４…接地部固定電極、１５…接地部可動電極、１６，１７，１８…可動導体、２２，２３，２４…ベローズ、２５…真空度測定端子、２７…外部接続導体、２８，２９，３０…可動ロッド、３１，３２…フレキシブル導体。
【図１】
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【図２】
2006321661.tif 000008
【図３】
2006321661.tif 000009