(57)【要約】      （修正有）【課題】電子部品が誤作動を引き起こすおそれが少ないとともに、被覆層の絶縁性が低下しにくいセラミック構造体および真空スイッチ用容器の提供。【解決手段】セラミックスからなる基体１と、基体１上の少なくとも一部に位置する被覆層２とを備え、被覆層２は、珪素と、カルシウムと、アルミニウムと、カリウムと、バリウム及びストロンチウムの少なくともいずれかと、酸素とを含み、被覆層２が、被覆層２を構成する全成分の合計１００質量％のうち、各含有量が、珪素をＳｉＯ２換算で６０質量％以上、カルシウムをＣａＯ換算で１２〜１８質量％、アルミニウムをＡｌ２Ｏ３換算で１０〜１４質量％、カリウムをＫ２Ｏ換算で３〜７質量％、バリウムをＢａＯ換算及びストロンチウムをＳｒＯ換算の合計で０．２〜０．６質量％である、セラミック構造体３であり、セラミック構造体３からなる真空スイッチ用容器２０。【選択図】図１
2018168017.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックスからなる基体と、
該基体上の少なくとも一部に位置する被覆層とを備え、
該被覆層は、珪素と、カルシウムと、アルミニウムと、カリウムと、バリウムおよびストロンチウムの少なくともいずれかと、酸素とを含み、
前記被覆層を構成する全成分の合計１００質量％のうち、
珪素をＳｉＯ２換算で６０質量％以上、
カルシウムをＣａＯ換算で１２質量％以上１８質量％以下、
アルミニウムをＡｌ２Ｏ３換算で１０質量％以上１４質量％以下、
カリウムをＫ２Ｏ換算で３質量％以上７質量％以下、
バリウムをＢａＯ換算およびストロンチウムをＳｒＯ換算の合計で０．２質量％以上０．６質量％以下である、セラミック構造体。
【請求項２】
前記被覆層は、さらにナトリウムを含み、前記被覆層を構成する全成分の合計１００質量％における含有量がＮａ２Ｏ換算で０．６質量％以上１．６質量％以下である、請求項１に記載のセラミック構造体。
【請求項３】
前記被覆層は、さらに鉄を含み、前記被覆層を構成する全成分の合計１００質量％における含有量がＦｅ２Ｏ３換算で０．１質量％以上０．３質量％以下である、請求項１または請求項２に記載のセラミック構造体。
【請求項４】
前記被覆層は、表面の算術平均粗さＲａが０．２μｍ以下である、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のセラミック構造体。
【請求項５】
前記基体は、気孔の円相当径の平均値が５μｍ以下である、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のセラミック構造体。
【請求項６】
前記基体は、気孔の円相当径の最大値が１４μｍ以下である、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のセラミック構造体。
【請求項７】
前記基体は、気孔の面積率が４．５％以下である、請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のセラミック構造体。
【請求項８】
前記基体は、隣り合う気孔の重心間距離の平均値は前記気孔の円相当径の平均値の５．５倍以上である、請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のセラミック構造体。
【請求項９】
前記基体が内周面および外周面を有する筒状体からなり、前記外周面が前記被覆層により覆われている、請求項１乃至請求項８のいずれかに記載のセラミック構造体。
【請求項１０】
請求項９に記載のセラミック構造体を備える、真空スイッチ用容器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
セラミック構造体および真空スイッチ用容器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高電圧負荷装置への電流供給を開閉するスイッチとして、電流遮断に伴う火花発生と、その後の放電短絡とを防止して十分な電気絶縁性を確保するために、シリコン整流器等の半導体素子をセラミック製の筒状容器（以下、この筒状容器を容器という。）に収納し、容器の内部を減圧した真空スイッチが用いられている。この容器の外周面は、通常、表面を平滑化することにより汚れの付着を抑制したり、沿面放電短絡等に対する絶縁耐電圧を高くしたりするために、釉薬からなる被覆層によって覆われている。特許文献１では、ＳｉＯ２；６０〜８０重量％、Ａｌ２Ｏ３；１０〜２０重量％、Ｋ２Ｏ；４〜１０重量％を含むとともに、残部に、Ｎａ２Ｏ、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ｆｅ２Ｏ３のうち少なくとも１種を含む釉薬が提案されている。
【０００３】
また、セラミック基板用グレーズ組成物として、特許文献２に、Ｓｉ０２；６０〜７０モル％、Ａｌ２０３；５．１〜１２モル％、Ｂ２０３；０．５〜５モル％、ＣａＯ；３〜１８モル％、ＢａＯ；１〜１５モル％、Ｓｒ０；０．５〜２５モル％よりなることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−８９２６８号公報
【特許文献２】特開昭６０−１１８６４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
容器の小型化が求められ、容器の内壁と半導体素子との間隔が狭くなると、外部から到来する高周波の雑音電波を被覆層が十分吸収することができない場合に、半導体素子等の電子部品が誤作動を引き起こすおそれがある。また、被覆層において、大気中に含まれる水分が吸着した場合、絶縁性が低下するという問題があった。
【０００６】
本開示は、このような事情に鑑みて案出されたものであり、電子部品が誤作動を引き起こすおそれが少ないとともに、被覆層の絶縁性が低下しにくいセラミック構造体および真空スイッチ用容器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示のセラミック構造体は、セラミックスからなる基体と、該基体上の少なくとも一部に位置する被覆層とを備える。該被覆層は、珪素と、カルシウムと、アルミニウムと、カリウムと、バリウムおよびストロンチウムの少なくともいずれかと、酸素とを含む。前記被覆層は、該被覆層を構成する全成分の合計１００質量％のうち、各含有量が、珪素をＳｉＯ２換算で６０質量％以上、カルシウムをＣａＯ換算で１２質量％以上１８質量％以下、アルミニウムをＡｌ２Ｏ３換算で１０質量％以上１４質量％以下、カリウムをＫ２Ｏ換算で３質量％以上７質量％以下、バリウムをＢａＯ換算およびストロンチウムをＳｒＯ換算の合計で０．２質量％以上０．６質量％以下である。
【０００８】
本開示の真空スイッチ用容器は、小型化を図ることができる。また、信頼性に優れているため、長期間に亘って使用することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本開示のセラミック構造体は、電子部品が誤作動を引き起こすおそれが少ないとともに、被覆層の絶縁性が低下しにくい。
【００１０】
本開示の真空スイッチ用容器は、上記構成のセラミック構造体を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態の真空スイッチ用容器の概略構成の一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本開示のセラミック構造体および真空スイッチ用容器について図を参照しながら説明する。
【００１３】
図１は、本実施形態の真空スイッチ用容器の概略構成の一例を示す断面図である。図１に示す真空スイッチ用容器２０は、セラミックスからなる基体１と、基体１上の少なくとも一部に位置する被覆層２とを有するセラミック構造体３を備えている。基体１は内周面１ａおよび外周面１ｂを有する筒状体からなり、外周面１ｂが被覆層２により覆われている。
【００１４】
基体１は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、炭化珪素、窒化珪素またはサイアロンを主成分とするセラミックスからなる。
【００１５】
基体１は、例えば、外径が６０ｍｍ以上１００ｍｍ以下、内径が５０ｍｍ以上８０ｍｍ以下、高さＨ１が５０ｍｍ以上７０ｍｍ以下に設定できる。そして、筒状をなす金属製のアークシールド４がろう材からなる接合層５を介して内周面１ｂに接合されている。
【００１６】
基体１の上側には円板状の第１金属板６、下側には円板状の第２金属板７がそれぞれ取り付けられている。第１金属板６および第２金属板７は、いずれもフェルニコ系合金からなる。
【００１７】
そして、第１金属板６には、固定電極８が取り付けられている。固定電極８は、第１金属板６の中央部を貫通して第１金属板６に固定される固定軸８ａと、固定軸８ａの先端側に接続される固定側接点８ｂとを備えている。一方、第２金属板７には、可動電極９が取り付けられている。可動電極９は、第２金属板７の中央部を貫通する可動軸９ａと、可動軸９ａの先端側に接続される可動側接点９ｂとを備えている。なお、可動電極９は、蛇腹状の金属製のベローズ１０によって、固定電極８に対して接近または離間するようになっている。このような構成であることによって、可動側接点９ｂは、固定側接点８ｂに対して当接または離間するようになる。そして、可動側接点９ｂが固定側接点８ａに当接すると、基体１の軸方向Ａに通電する。
【００１８】
固定側接点８ａおよび可動側接点９ｂは、アークシールド４の内部に配置されている。アークシールド４は、電圧印加によって、固定側接点８ａおよび可動側接点９ｂから発生した金属蒸気の内周面１ａへの付着を抑制して、基体１の絶縁性低下を防止する。また、ベローズ１０は、ベローズカバー１１によって覆われている。ベローズカバー１１は、ベローズ１０への金属蒸気の付着を抑制する。
【００１９】
そして、セラミック構造体３を構成する被覆層２は、珪素と、カルシウムと、アルミニウムと、カリウムと、バリウムおよびストロンチウムの少なくともいずれかと、酸素とを含む。言い換えれば、被覆層２は、珪素の酸化物、カルシウムの酸化物、アルミニウムの
酸化物、カリウムの酸化物、バリウムの酸化物およびストロンチウムの酸化物の少なくともいずれかを含むものである。
【００２０】
被覆層２は、被覆層２を構成する全成分の合計１００質量％のうち、各含有量が、珪素をＳｉＯ２換算で６０質量％以上、カルシウムをＣａＯ換算で１２質量％以上１８質量％以下、アルミニウムをＡｌ２Ｏ３換算で１０質量％以上１４質量％以下、カリウムをＫ２Ｏ換算で３質量％以上７質量％以下、バリウムをＢａＯ換算およびストロンチウムをＳｒＯ換算の合計で０．２質量％以上０．質量％以下である。
【００２１】
以下においては、珪素の酸化物がＳｉＯ２、カルシウムの酸化物がＣａＯ、アルミニウムの酸化物がＡｌ２Ｏ３、カリウムの酸化物がＫ２Ｏ、バリウムの酸化物がＢａＯ、ストロンチウムの酸化物がＳｒＯであるものとして記載する。
【００２２】
ＳｉＯ２は、被覆層２となる釉薬の骨格を形成するための成分であり、線膨張係数は被覆層２を構成する上記各酸化物のうち、最も小さい。従って、ＳｉＯ２の含有量が少な過ぎると、被覆層２の耐候性が低下する。また、他に含まれる酸化物の量が増えることとなるため、被覆層２の線膨張係数が大きくなる。本開示のセラミック構造体を構成する被覆層２は、珪素がＳｉＯ２換算で６０質量％以上であることによって、耐候性に優れる。また、他の酸化物の含有量に絡み、被覆層２の線膨張係数を基体１の線膨張係数に近づけることができる。
【００２３】
ＣａＯは、被覆層２を構成するアルカリ金属の移動を制限するため、化学的耐久性（耐酸性および耐アルカリ性）を向上させる成分であるが、ＣａＯの含有量が少な過ぎると、化学的耐久性を向上させることができない。また、ＣａＯの含有量が多過ぎると、失透による異物が被覆層２内に発生する。そして、ＣａＯは、上記各酸化物のうち、線膨張係数が大きいものである。本開示のセラミック構造体を構成する被覆層２は、カルシウムがＣａＯ換算で１２質量％以上１８質量％以下であるによって、化学的耐久性を有しつつ、失透による異物の発生を抑制することができる。また、基体１の線膨張係数と被覆層２の線膨張係数との差を小さくすることができる。
【００２４】
Ａｌ２Ｏ３は、被覆層２の耐水性、耐熱性および耐失透性を高くする成分であって、Ａｌ２Ｏ３の含有量が少な過ぎると、失透による異物が発生したりする。また、Ａｌ２Ｏ３は、被覆層２の軟化温度を高めることができ、被覆層２を形成した後のろう付け、特に、高真空下でのろう付けする場合、被覆層２の表面粗化による外観の劣化や、汚れ付着による絶縁性の低下を生じにくくすることができる。また、ろう付けしない場合でも、セラミック構造体３を高温環境にて用いる場合、被覆層２の表面粗化を抑制することができる。また、Ａｌ２Ｏ３の含有量が多過ぎると、化学的耐久性が低くなる。
【００２５】
本開示のセラミック構造体３を構成する被覆層２は、アルミニウムがＡｌ２Ｏ３換算で１０質量％以上１４質量％以下であるによって、耐水性、耐熱性および耐失透性に優れる。また、失透による異物の発生を抑制することができる。
【００２６】
Ｋ２Ｏは、被覆層２を形成する際に、適度な流動性を与えるため、被覆層３の表面の平滑性に寄与する。本開示のセラミック構造体３を構成する被覆層２は、カリウムがＫ２Ｏ換算で３質量％以上７質量％以下であると、被覆層２の表面の平滑性が向上するため、汚れが付着しにくくなり、絶縁性の低下を抑制することができる。また、被覆層２の表面に光沢を与える。
【００２７】
ＢａＯおよびＳｒＯは、電磁波吸収能が高い成分である。そのため、少な過ぎると電磁波吸収能が高いものとならない。また、含有量が多過ぎると、失透による異物が被覆層２
内に発生する。
【００２８】
本開示のセラミック構造体３を構成する被覆層２は、バリウムがＢａＯ換算およびストロンチウムがＳｒＯ換算の合計で０．２質量％以上０．質量％以下であることによって、失透による異物が被覆層２内に発生しにくくなるとともに、外部から到来する電磁波を吸収することができる。そのため、セラミック構造体３の内部に配置される固定側接点８ａ、可動側接点９ｂ等の電子部品の誤動作が少なくなる。
【００２９】
また、被覆層２は、さらにナトリウムを含み、被覆層２を構成する全成分の合計１００質量％における含有量がＮａ２Ｏ換算で０．６質量％以上１．６質量％以下であってもよい。Ｎａ２Ｏは、被覆層２を形成する際に、適度な流動性を与えるため、被覆層３の表面の平滑性に寄与する。ナトリウムがＮａ２Ｏ換算で上記範囲の含有量を含んでいるときには、高い防汚性により、浮遊する金属粉の付着を抑制することができる。また、絶縁性の低下を抑制することができる。
【００３０】
また、被覆層２は、さらに鉄を含み、被覆層２を構成する全成分の合計１００質量％における含有量がＦｅ２Ｏ３換算で０．１質量％以上０．３質量％以下であってもよい。鉄がＦｅ２Ｏ３換算で上記範囲の含有量を含んでいるときには、セラミック構造体３の耐衝撃性を高くすることができる。
【００３１】
また、被覆層２は、表面の算術平均粗さＲａが０．２μｍ以下であってもよい。また、被覆層２は、表面の最大断面高さＲｔが４μｍ以下であってもよい。被覆層２の表面の算術平均粗さＲａが０．２μｍ以下、あるいは最大断面高さＲｔが４μｍ以下であるときには、被覆層２の表面の水に対する接触角が大きくなるため、大気雰囲気中の水分が吸着しにくくなり、耐電圧の低下を抑制することができる。
【００３２】
被覆層２の表面の算術平均粗さＲａおよび最大断面高さＲｔは、ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１：２００１に準拠し、例えば、触針式の表面粗さ計（（株）小坂研究所製、表面粗さ・輪郭形状測定機ＳＥＦ３５００）を用い、測定長さを１０ｍｍ、カットオフ値を０．８ｍｍ、触針先端半径を５μｍ、触針の走査速度を０．５ｍｍ／秒として求めればよい。
【００３３】
また、基体１は、気孔の円相当径の平均値が５μｍ以下であってもよい。気孔の円相当径の平均値がこの範囲であるときには、大気雰囲気中の水分やガス分子の気孔内への浸入およびこの浸入による気孔内への吸着が抑制されるため、耐電圧の低下を抑制することができる。
【００３４】
また、基体１は、気孔の円相当径の最大値が１４μｍ以下であってもよい。気孔の円相当径の最大値がこの範囲であるときには、大気雰囲気中の水分が浸入しやすい大きな気孔が減少するため、耐電圧の低下をさらに抑制することができる。
【００３５】
また、基体１は、気孔の面積率が４．５％以下であってもよい。気孔の面積率がこの範囲であるときには、大気雰囲気中の水分が浸入する面積が減少するため、耐電圧の低下をさらに抑制することができる。
【００３６】
基体１は、隣り合う気孔の重心間距離の平均値は気孔の円相当径の平均値の５．５倍以上であってもよい。隣り合う気孔の重心間距離の平均値と気孔の円相当径の平均値との関係がこの範囲であるときには、隣り合う気孔の間隔が気孔の円相当径に比べて相対的に大きいため、気孔の内部に電荷がチャージしても、高湿度、例えば湿度４０％以上の雰囲気に長時間曝されても、耐電圧の低下をさらに抑制することができる。
【００３７】
次に、基体１の円相当径の平均値、円相当径の最大値および面積率ならびに気孔の重心間距離の平均値の測定方法について説明する。
【００３８】
まず、基体１を切り出し、断面をダイヤモンド砥粒を用いて研磨する。そして、研磨によって得られた鏡面を洗浄した後、光学顕微鏡を用いて１７５倍の倍率で観察し、面積が、例えば、３．３ｍｍ２（横方向の長さが２．０ｍｍ、縦方向の長さが１．７ｍｍ）となる範囲を光学顕微鏡付属のＣＣＤカメラを用いて撮影し、画像データを取得する。得られた画像データを用いて、画像解析ソフト「Ａ像くん(ver2.52)」（登録商標、旭化成エンジニアリング（株）製）による粒子解析を行うことで、基体１の円相当径の平均値、円相当径の最大値および面積率を求めることができる。なお、粒子解析の設定条件としては、例えば、明度を暗、２値化の方法を手動、小図形除去面積を３μｍ２、雑音除去フィルタを有とした上で、画面上に現れるマーカーが気孔の形状と一致するように、しきい値を設定すればよい。
【００３９】
また、気孔の重心間距離は、上記画像データを用いて、上記画像解析ソフトの重心間距離法を適用することで求めることができる。なお、重心間距離法の設定条件は、粒子解析の設定条件と同じとすればよい。
【００４０】
以上、本実施形態のセラミック構造体が真空スイッチ用容器に用いられる場合について説明したが、絶縁碍子等の高い絶縁性が要求される用途に用いてもよい。
【００４１】
次に、本実施形態のセラミック構造体の製造方法の一例を説明する。
【００４２】
主成分が酸化アルミニウムであるセラミック構造体を得る場合、まず、主成分である酸化アルミニウム粉末と、焼結助剤として酸化珪素、酸化マグネシウムおよび酸化カルシウムの各粉末と、必要に応じて酸化アルミニウム粉末を分散させる分散剤と、バインダーとをボールミルまたはビーズミルにより４０〜５０時間湿式混合してスラリーとする。
【００４３】
ここで、上記粉末の合計１００質量％における酸化珪素粉末の含有量は３．３〜５質量％、炭酸カルシウム粉末の含有量は、１．３〜２．０質量％、酸化マグネシウム粉末の含有量は、１．７〜２．６質量％である。
【００４４】
ここで、気孔の円相当径の平均値が５μｍ以下、気孔の円相当径の最大値が１４μｍ以下あるいは気孔の面積率が４．５％以下であるである基体を得るには、ビーズミルを用い、粉砕時間で調整すればよい。
【００４５】
また、隣り合う気孔の重心間距離の平均値は前記気孔の円相当径の平均値の５．５倍以上である基体を得るには、分散剤の添加量で調整すればよい。
【００４６】
そして、スラリーを噴霧乾燥することで主成分が酸化アルミニウムである顆粒を得る。次に、顆粒を所定の成形型に充填し、成形圧を、例えば、８０ＭＰａ以上１２０Ｍｐａ以下として、１軸プレス装置を用いて円筒状の成形体を得る。
【００４７】
得られた成形体を１５３０℃以上１６３０℃以下で保持してセラミックスからなる基体を得ることができる。
【００４８】
次に、炭酸バリウム、カオリン、石灰、溶融シリカおよび長石の各粉末を準備する。
【００４９】
上記粉末の合計１００質量％における各粉末の比率は、炭酸バリウムを５質量％以上９質量％以下、カオリンを１０質量％以上１６質量％以下、石灰を１０質量％以上１６質量
％以下、溶融シリカを２７質量％以上３５質量％以下、残部を長石とする。バリウム源は炭酸バリウムであり、カリウム源はカオリンおよび長石である。
【００５０】
上記粉末を水およびバインダーとともにポットミルに投入した後、混合、粉砕してペーストを得る。
【００５１】
基体の外周面に刷毛塗り、スプレー塗布等によってペーストを塗布し、保持する温度を１３５０℃以上１４５０℃以下、保持する時間を２時間以上４時間以下として熱処理することで被覆層が形成され、本実施形態のセラミック構造体を得ることができる。
【００５２】
被覆層の表面の算術平均粗さＲａが０．２μｍ以下であるセラミック構造体を得るには、ポットミルにおける粉砕時間を４０時間以上４５時間以下とすればよい。
【符号の説明】
【００５３】
１：基体
２：被覆層
３：セラミック構造体
４：アークシールド
５：接合層
６：第１金属板
７：第２金属板
８：固定電極
９：可動電極
１０：ベローズセラミック構造体
１１：ベローズカバー
２０：真空スイッチ用容器
【図１】
2018168017.tif 000003