(57)【要約】【課題】  従来の、ガラスやセラミックスなどの非金属材料の窓部材と、窓部材を保持する金属部材を、中間に封着金属を配置して接合する構成の窓構造では、使用温度が高くなるにつれ、窓部材に伝わる金属部材の熱膨張によるひずみが大きくなってしまう構造となっていた。そのため窓構造を使用可能な温度の上限が用途等の要望から求められる使用温度に対して十分ではなかった。【解決手段】  課題の解決手段として、封着金属の断面構造において、金属部材と封着金属の接合部と窓部材と封着金属の接合部の間に梃の支点となる支点部を設け、金属部材と封着金属の接合部を梃の力点とし、窓部材と封着金属の接合部を梃の作用点とする梃の構造を導入し、なおかつ、作用点部が熱膨張後に位置を変えないような移動量だけ支点部が力点の動きにつれて動くように支点部の構造を調整する。これにより、金属部材の熱膨張によるひずみが窓部材に伝わらない窓構造を実現する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラスやセラミックスなどの非金属の窓部材１と金属部材２を中間に配置した封着金属３を介して接合して構成される窓構造であって、窓部材１の熱膨張率と封着金属３の熱膨張率が金属部材２の熱膨張率よりも小さな値である構成であって、窓構造の断面構造において、金属部材２と封着金属３の接合部６と、窓部材１と封着金属３の接合部７の間に、相対的に厚みが厚く剛性の高い梃の支点となる支点部５を設け、封着金属３と金属部材２の接合部５を力点とし、窓部材１と封着金属との接合部６を作用点とする梃の構造を有する窓構造。
【請求項２】
請求項１の窓構造であって、窓部材１と封着金属３を接合するためのバインダー７がアルミニウムである窓構造。
【請求項３】
請求項１の窓構造の製造方法であって、金属部材２と封着金属３を接合したのちに窓部材１を封着金属３に接合する製造工程となる製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、ガラスまたはセラミックスなどの窓部材と金属部材を接合して構成する窓の構造と製造方法に関する。特に、ベーキング可能な真空装置用のガラス窓付きフランジの構造と製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  ガラス窓部材と金属を接合して構成する窓構造は、真空機器、半導体製造機器、計測機器、光学機器などに広く利用されている。特に真空機器用の窓構造として、コンフラットフランジと呼ばれる規格のフランジに適用された窓構造が広く利用されている。  コンフラットフランジの規格は超高真空用のフランジの国際規格である。コンフラットフランジは、日本国内ではＩＣＦフランジと呼ばれている。コンフラットフランジは５００℃までのベーキングに対応した超高真空用のフランジである。窓付きのコンフラットフランジはビューイングポートと呼ばれている。コンフラットフランジのビューイングポートは３００℃から３５０℃程度の温度までベーキング可能なものが実用化されている。【０００３】  窓構造の例として、ガラス窓が付いたコンフラットフランジについて図２と図３を用いて説明する。【０００４】  説明の都合により、図２のコンフラットフランジを従来の技術１とする。【０００５】  図２は直径７０ｍｍのコンフラットフランジにガラスの窓を設けたビューイングポートを大気圧側から見た正面図であり、図３は断面図である。窓部材１が金属部材２に封着金属部材３を介して接合されている。窓部材１の素材は、コバールガラス、石英ガラス、サファイアガラスなどのガラスの他に光学結晶などが用途により選択される。金属部材２はコンフラットフランジの本体であり、一般的に材質はＳＵＳ３０４ステンレスやＳＵＳ３１６ステンレスなどのステンレスであり、用途によってはハステロイなどの材質が選択されることもある。窓部材１と金属部材２であるフランジ本体２の間には封着金属部材３が配置されている。封着金属部材３の材質はコバール金属が用いられることが多い。窓部材１と封着金属部材３の接合には少なからず熱を加える工程が必要があり、接合加工の熱による熱膨張やその後の冷却による収縮によるひずみが大きいと窓部材１が破損してしまう。コバール金属の熱膨張率はガラスの熱膨張率に近いためガラスと金属を接合する場合の中間部材として利用される。ガラスの窓部材１とコバール金属部材３はバインダー４を介して接合される。バインダー４はロウ付けのロウ材であることが多いが、後述するようにアルミニウムをバインダー４として接合されることもある。【０００６】  従来技術１では、金属部材２をフランジ本体２とし、封着金属３をコバール金属部材３として説明する。フランジ本体２の材質はステンレスであり、コバール金属部材３の材質はコバール金属である。窓部材１の材質は任意の材質として説明する。【０００７】  窓部材１とコバール金属部材３はバインダー４を介して接合部７ａで接合される。バインダー４はロウ付けのロウ材である。【０００８】  窓部材１と接合済みのコバール金属部材３をフランジ本体２に接合する。フランジ本体２とコバール金属部材３は接合部６ａで溶接により接合される。従来の技術では窓部材１と封着金属部材３を接合したのちに金属部材２と接合を行う。加工時の熱による金属部材２の熱膨張によるひずみの影響を窓部材に与えないためである。【０００９】  コバール金属部材３は、ベーキング時のフランジ本体２の熱膨張によるひずみを緩和して窓部材１にひずみが極力伝わらないようにする緩衝部としても機能する。図３の例では、コバール金属部材３を薄肉としている。接合部６ａから接合部７ａまでの長さは、窓部材１に伝わるフランジ本体の熱膨張によるひずみが十分に小さくなる長さとされている。そのため、窓部材１がフランジー本体２の表面から突出している。【００１０】  フランジ本体２の表面から窓部材１が突出していると使用時や着脱作業時に窓部材１を破損する危険性が高くなるため、フランジ本体２の表面と窓部材１の表面が同一面となっているか、あるいは、フランジ本体２の表面に対して窓部材１の表面がやや低くなっているビューイングポートが製品化されており、ゼロレングスビューイングポートと呼ばれている。【００１１】  ゼロレングスビューイングポートでは必然的に接合部６ａと接合部７ａの距離が短くなる。ゼロレングスビューイングポートを実現するためには、フランジ本体２の熱膨張によるひずみをコバール金属部材３が十分に緩和し、窓部材１にひずみを伝えないようにすることが重要であり、コバール金属部材３には構造上の工夫が施されている。ひずみを緩和する工夫や構造には種々あり、例えば後述する従来の技術２や、特許文献１に記載される構造などがある。【００１２】  バインダー４がロウ付けのロウ材である場合、ベーキングによりロウ材を構成する物質の一部が気化して消失することにより寿命に問題があることが知られている。ロウ材が消失することにより、接合部７ａが劣化してリークが発生してしまったり、気化した成分が装置内の不純物となってしまったりするといった問題が知られている。【００１３】  この問題を解決する方法としてバインダー４をアルミニウムとした窓構造が実用化されている。例えば、非特許文献１に記載のビューイングポートがある。【００１４】  窓部材１の材質として石英ガラスが選択されることも多い。石英ガラスは熱膨張率が小さく、石英ガラス自身が熱衝撃により破損する危険性が他のガラスに比べて低い。石英ガラスは広い波長範囲で高い透過率を有し光学ガラスとして優れている。また、石英ガラスは化学的に安定であり装置を汚染することもない。これらの理由で石英ガラスのを採用したビューイングポートはより高品位のビューイングポートと位置付けられる。【００１５】  以下、さらに具体的に、窓部材１が石英ガラスであり、金属部材２であるフランジ本体２がステンレスであり、封着金属部材３がコバール金属であり、バインダー４がアルミニウムであるゼロレングスビューイングポートについて説明する。【００１６】  説明の都合により、下に説明するゼロレングスビューイングポートを従来の技術２とする。【００１７】  図４は従来技術２のゼロレングスビューイングポートを大気圧側から見た正面図であり、図５は断面図であり、図６は断面の拡大図である。表１はビューイングポートを構成する部材の室温における熱膨張率の一覧である。【００１８】  従来技術２においても、従来技術１と同様に、窓部材１と封着金属部材３を接合したのちに金属部材２と接合を行う。【００１９】  封着金属３であるコバール金属部材３は、金属部材２であるフランジ本体２と接合部６ａで溶接により接合される。溶接はコバール金属部材３の先端部とフランジ本体２を、溶接領域���小さく一定の大きさとなるように全周にわたって精密に溶接を施している。【００２０】  コバール金属部材３の溶接部付近は薄肉の薄肉部１０となっている。ベーキング等による温度変化によるフランジ本体２の熱膨張によって生じるひずみを緩和するための工夫である。【００２１】  コバール金属部材３の薄肉部１０の上側の外周部側にある突起部９は、フランジ本体２とコバール金属部材３を溶接する際の位置決めのために利用する突起である。突起部９を設けない場合、溶接時に加わった熱が冷める際にコバール金属部材３が収縮してコバール金属部材３を下側に引き込むように変形するため、石英ガラス窓部材１にこの変形によるひずみが伝わってしまう。突起部９にはこのひずみの発生を防ぐ働きもある。また、真空時に大気圧によりかかる力を突起部９で受けることにより、接合部６ａにかかる力を軽減する働きがある。【００２２】  突起部９の上側には薄肉部１１ａがあり、薄肉部１０と同様に、石英ガラス窓部材１に伝わるひずみを緩和するために薄肉となっている。ただし、真空時に大気圧による力が加わる部分であるため、必要な強度が保たれる厚みとしている。【００２３】  アルミニウムバインダー４を介して石英ガラス窓部材１と接合される箇所であるコバール金属部材３の窓部材受け部１２は、薄肉部１１ａに比べて厚く剛性が高くなっており、ひずみが伝播してきた場合の変形を極力抑える働きをする。【００２４】  窓部材受け部１２の外周にはふち状の補強部１３を設けている。補強部１３は窓部材受け部１２の剛性を向上させるとともに、窓部材受け部１２の面のねじれを防ぎ平面度を保つ働きがある。【００２５】  窓部材受け部１２のアルミニウムバインダー４との接合面は精密な平面加工が施されるとともに研磨が施されており、接合面からのリークの発生を防いでいる。【００２６】  アルミニウムバインダー４は薄肉のリング状であり、接合面の気密性を保つために表面は研磨加工が施される。【００２７】  石英ガラス部材１とコバール金属部材３の間にアルミニウムバインダー４を挿入し加熱しつつ圧力を加えることで接合する。【００２８】  この構成では窓部材１は化学的に安定かつ光学特性に優れた石英ガラスであり、その他の部材のすべてが金属の構成となる。すべての接合部分において高い気密シールが形成され超高真空対応のビューイングポートとして機能する。ロウ付けにより窓部材１と封着金属３を接合したビューイングポートと異なり、ベーキングによるロウ材から脱ガスもなく非常にクリーンなビューイングポートとなる。【００２９】  なおかつ、この構成のゼロレングスビューイングポートの最高使用温度は３５０℃程度である。一方、バインダー４がロウ材である場合の最高使用温度が２００℃程度である。バインダーをアルミニウムとすることで、従来技術１のビューイングポートに比べて優れたベーキング性能が得られている。これらの理由により、従来技術２のゼロレングスビューイングポートは非常に高品位のビューイングポートと位置付けられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３０】
【特許文献１】特許第４２６６２６４号
【非特許文献】
【００３１】
【非特許文献１】浜松ホトニクスのＨＯＴな情報マガジン［ハマホット］、２０１０冬、ｖｏｌ．７、０７−０８ページ、株式会社浜松ホトニクス
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３２】  上に述べたように、従来の技術２の、アルミニウムをバインダー４として構成したゼロレングスビューイングポートは超高真空に対応したベーキング可能なクリーンなビューイングポートである。しかしながら、フランジ本体２の材質であるステンレスとコバール金属部材３の材質であるコバール金属の熱膨張率は窓部材１の石英ガラスの熱膨張率よりも大きく、高温となるにつれて石英ガラス窓部材１との熱膨張率の差によるひずみが大きくなってしまうことを避けられない構成となっている。熱膨張率の差によるひずみが石英ガラス窓部材１に伝わらないようにするための構造上の工夫は施されているが、ひずみの伝達を極力小さくする作用にとどまっている。また、仮にフランジ本体２の熱膨張により石英ガラス窓部材１に伝わるひずみをコバール金属部材３の構造を工夫することによりゼロとできたとしても、コバール金属部材３と石英ガラス窓部材１の熱膨張率には差があるため、温度が高くなるにつれて石英ガラス窓部材１に加わるストレスは大きくなってしまう。【００３３】  なお、コバール金属よりも熱膨張率が小さく石英ガラスの熱膨張率に近い熱膨張率をもつ合金も存在するが、製造工程で加えられる熱により性質が変化して膨張率が変化してしまうため、封着用の金属合金としては実用化にいたっていない。【００３４】  このように、従来の技術では、石英ガラス窓部材１と金属部材類の熱膨張率の差によるひずみにより石英ガラス窓部材１に加わるストレスをゼロとすることはできない。この理由によりベーキング可能な温度の上限があり、実用化されているゼロレングスビューイングポートの最高使用温度は３５０℃程度となっている。【００３５】  また、最高使用温度において、熱膨張率の差によるひずみに起因した応力が窓部材１の破壊応力よりも小さくなるように設計されているのはもちろんのことであるが、窓部材に期待していないストレスが加わっていることは、窓部材１が破損する危険性を少なからず含んでいることとなり望ましいことではない。【００３６】  コンフラットフランジの規格は５００℃までのベーキングを想定した規格であるため、ビューイングポートについても５００℃までのベーキングが可能であることが望ましい。さらに言えば、５００℃で利用可能とするためにはより高い耐熱温度であることが求められる。そして、本発明の以前に５００℃で利用可能であることを明示したゼロレングスビューイングポートは存在していない。【００３７】  また、ビューイングポートを高温とする場合と同様に、ビューイングポートを低温に冷却する場合にも金属部材類の収縮によるひずみが発生するため、高温の場合と同様の問題が発生する。例えば、ビューイングポートをマイナス１９６℃の液体窒素中で使用する必要がある用途などにおいても、材質の熱膨張率の差により発生するストレスによる破損の危険性を考慮にいれる必要がある。【００３８】  本発明は、このような従来の技術が有していた問題を解決しようとするものであり、金属部材２と封着金属３の熱膨張あるいは収縮によるひずみを窓部材１に伝えない構造を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００３９】  本発明は上記の目的を達成するために、図１に示したように、封着部材３の断面構造において、金属部材２と封着金属３の接合部６を梃の力点となる力点部６とし、窓部材１と封着金属３の接合部７を梃の作用点となる作用点部７とし、力点部６と作用点部７の間に相対的に剛性の高い構造の梃の支点となる支点部５を設けた梃の構造を導入する。【００４０】  下に、バインダー４をアルミニウムとしたゼロレングスビューイングポートを例に具体的に説明する。より具体的な説明のため、日本国内ではＩＣＦ７０フランジと呼ばれる直径が７０ｍｍのコンフラットフランジである従来技術２のゼロレングスビューイングポートの場合について説明する。【００４１】  まずは、従来の技術２のゼロレングスビューイングポートが最高使用温度を超えた温度で破損する理由について説明する。【００４２】  表１は従来技術２のゼロレングスビューイングポートを構成するそれぞれの部材の材質の室温における熱膨張率の一覧である。表１のように、熱膨張率の大小関係は数１のようになる。【００４３】
【数１】
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【００４４】  コバール金属部材３の熱膨張率はステンレス製のフランジ本体２の熱膨張率に比べれば石英ガラス窓部材１の熱膨張率に近いが、コバール金属部材３の熱膨張率が石英ガラス窓部材１の熱膨張率と一致しているわけではない。バインダー４のアルミニウムは厚みが薄く、接合されているコバール金属部材３の窓部材受け部１２と同じ動きをすると考えてよく、ここでは考慮に入れなくても差し支えない。【００４５】  図４と図５に示される従来技術２のゼロレングスビューイングポートを電気炉中で最高使用温度を超える５００℃まで加熱し、冷却後に取り出して、最高使用温度を超えた温度としたことによる破損の状況を調べた。図７中の破損部位１４は石英ガラス窓材１の破損が発生した箇所である。破損が起きた部位はコバール金属部材３の窓部材受け部１２の内周側の接合部の付近であった。【００４６】  破損が起きた箇所や、各部材の熱膨張率の関係から下のように考察を行った。【００４７】  図８は高温時に想定されるコバール金属部材３の姿勢を示した断面図である。実際の変形量はわずかなものであるが、説明のために変形の程度を強調した図としている。フランジ本体２とコバール金属部材３の接合部６ａ付近を点ａとし、コバール金属部材３の薄肉部１１ａの上端部に相当する点を点ｂとしている。説明の都合上、点ｂを石英ガラス窓部材１とコバール金属部材３の接合部７ａを代表する点として説明を進める。【００４８】  点ａはフランジの中心から約１８ｍｍの位置にある。ステンレスの熱膨張率は１４．７×１０−６Ｋ−１であるので、室温から５００℃まで温度が上昇すると、熱膨張により点ａはフランジの中心から矢印Ａの外周方向に約０．１３ｍｍ移動する。点ａと点ｂの距離は４．５ｍｍほどと短いことから、点ａの移動の影響は点ａから点ｂまでの距離では緩和しきれず、点ｂは点ａの移動に引きずられて矢印Ｂの外周方向に動く。コバール金属部材３そのものも熱膨張するが、点ａに引きずられて移動する移動量分があるため、点ｂはコバール金属部材３が自然に熱膨張した場合の移動距離よりも大きな距離を移動していると推定できる。石英ガラス窓部材１とコバール金属部材３の接合部である窓部材受け部１２は剛性が高く同じ直径を保とうとするため、コバール金属部材３は矢印Ｄの方向に倒れこむと推定できる。【００４９】  図９はひずみなしに自然に熱膨張したコバール金属部材部材３の姿勢と、上記の様に熱膨張によるひずみが加わったコバール金属部材３の姿勢の比較をした図である。２点破線の断面形状はひずみなしに自然に熱膨張したコバール金属部材３の姿勢であり、ハッチングを施した断面形状は熱膨張によるひずみが加わったコバール金属部材３の姿勢である。フランジ本体２の熱膨張により点ａが外周方向にΔＲ１移動することで、コバール金属部材３がひずみなしに自然に熱膨張した場合よりも、点ｂが外周方向にΔＲ２の距離だけ余計に動いていることを表している。コバール金属部材３の窓部材受け部１２は、外周方向に引っ張られるとともに窓部材受け部１２の内周側が下側に下がるように傾く。このようなコバール金属３の姿勢の変化により、図７の破壊部位１４付近にかかる応力が石英ガラス窓部材１の破壊応力を超えて破損が発生すると推定される。【００５０】  上の説明における点ａの移動量０．１３ｍｍは日常的な感覚ではわずかな変化であるが、このわずかなひずみが窓部材付近に伝搬して生じる数十μｍ程度の小さなひずみによるストレスが窓部材１を破損する。窓部材がひずみによるストレスに対して非常にデリケートであることを強調しておく。【００５１】  ゼロレングスビューイングポートを低温に冷却した場合にも同様に問題があると推定される。低温にすることによる収縮により、コバール金属部材３の姿勢は図１０のようになると推定される。低温に冷却する場合にはフランジ本体は収縮するため、矢印Ａと矢印Ｂの方向はフランジの中心方向となり、矢印Ｄも図８とは逆向きとなる。【００５２】  図１１はひずみなしに自然に収縮したコバール金属部材３の姿勢と、収縮によるひずみが加わったコバール金属３の姿勢の比較をした図である。２点破線の断面形状はひずみなしに自然に収縮したコバール金属部材３の姿勢であり、ハッチングを施した断面形状は収縮によるひずみが加わったコバール金属部材３の姿勢である。フランジ本体２が冷却により収縮したことにより点ａが中心方向にΔＲ１移動することで、点ｂがコバール金属部材３がひずみなしに自然に収縮した場合よりも中心方向にΔＲ２の距離だけ余計に動くことを示している。コバール金属部材３の窓部材受け部１２は、中心方向に引っ張られるとともに窓部材受け部１２の外周側は下側に下がるように傾く。このようなコバール金属部材３の姿勢の変化により、低温においても石英ガラス窓部材１に望まれていない応力が加わると推定できる。【００５３】  上で説明したとおり、従来の技術における問題は、温度上昇による熱膨張あるいは温度低下による収縮によって、窓部材受け部１２の位置と姿勢が変化してしまうことによるものであった。【００５４】  窓部材受け部１２の位置と姿勢を保つには図中の点ｂの位置が温度により変化しなければ良い。つまりは点ａとは逆の方向に点ｂが移動するしくみを導入すればよい。このような動きをするしくみはすなわち梃のしくみである。【００５５】  コバール金属部材３の断面構造に梃の構造を導入したコバール金属部材３をデザインし、ゼロレングスビューイングポートの試作と耐熱試験を行うことでアイデアの検証を行った。試作品に用いられている各部材の材質は従来技術２と同一であり、窓部材１は石英ガラスであり、フランジ本体２はステンレスであり、封着金属部材３はコバール金属でり、バインダー４はアルミニウムである。【００５６】  説明の都合により、この試作を試作１と呼ぶことにする。【００５７】  図１２は試作１のゼロレングスビューイングポートの断面図であり、図１３は試作１の断面の拡大図である。コバール金属部材３の断面構造において梃の構造を形成するために、点ａと点ｂの中間に薄肉部１０と薄肉部１１に比べて相対的に厚肉で剛性が高くなる梃の支点となる支点部５を設けた。支点部５は明瞭に薄肉部１０と薄肉部１１に比べて厚肉に設定し、また幅も広く設定した。つまり、支点部５が梃の支点として作用することを確認するため、厚みと幅は極端に大きくした。【００５８】  この支点部５は従来技術２の構造にある位置決めのための突起部９とは明らかに厚みと幅が異なっており、また、その結果による剛性が異なっており、突起部９とはっきりと区別されるものである。従来技術１のゼロレングスビューイングポートの突起部９は厚みと幅が小さく剛性が低いため梃の支点として作用していない。支点部５のフランジ本体２と接する面は従来技術２の突起部９と同様に位置決めのためのストッパーとしても機能する。【００５９】  試作した図１２の構造のゼロレングスビューイングポートを電気炉中で最高使用温度を超える５００℃まで加熱して耐熱試験を行った。その結果、図１４中の破損箇所１５の位置に石英ガラス窓部材１の破損が認められた。従来技術２の場合とは石英ガラス窓材１が破壊される部位が異なっており、支点部５を設けたことによる差が明瞭に現れた。【００６０】  破損が起きた箇所や、梃の構造を導入したことなどから下のように考察を行った。【００６１】  図１５は高温時に想定されるコバール金属部材３の姿勢を示した断面図である。試作１のゼロレングスビューイングポートを室温から５００℃まで加熱すると、点ａは矢印Ａの方向に約０．１３ｍｍ移動する。支点部５は相対的に厚肉であり剛性が高くなるため、点ａの動きに引きずられにくく位置をほとんど変えないと考えられ、支点部５は点ｃ付近を支点として矢印Ｅの方向に倒れ込むと推定できる。実際の支点は支点部５の内部にあると思われるが、ここでは説明のために点ｃを支点として説明をする。点ａを梃の力点とし、点ｃを梃の支点とした梃の動きとなり、接合部７付近の点ｂは点ａとは逆向きのフランジの中心方向の矢印Ｂの方向に移動する。支点である点ｃがほとんど動かないとすると、点ｂはコバール金属部材３がひずみなく自然に熱膨張した場合よりもフランジの中心側に位置することになる。点ｂが中心に向かって移動するのに対して窓部材の受け部１２は同じ直径を保とうとするため矢印Ｄの方向に倒れ込むと考えられる。【００６２】  図１６はひずみなしに自然に熱膨張したコバール金属部材３の姿勢と、上記の様にひずみが加わったコバール金属３の姿勢の比較をした図である。２点破線の断面形状はひずみなしに自然に熱膨張したコバール金属部材部材３の姿勢であり、ハッチングを施した断面形状は熱膨張によるひずみが加わったコバール金属部材３の姿勢である。点ａが外周方向にΔＲ１移動すると点ｂが中心側に移動し、部材受け部１２の外周側が下向きに傾く様子を図示している。図中では、梃の支点となる点ｃの移動距離であるΔＲ３はほぼゼロと想定している。【００６３】  石英ガラス窓部材１は、中心向きの圧縮の力と、窓部材受け部１２の外周部が下向きに傾くことで生じる応力により、外周部に破壊が発生したと推定され、図１６のモデルと試験の結果が一致する。【００６４】  図５の従来技術２と図１２の梃の構造を導入した試作１の耐熱試験の結果と考察の対比より、点ａが熱膨張により移動しても点ｂの移動量がゼロとなるように、支点部５の位置が動けばよいことがわかる。具体的には、コバール金属部材３の形状を調整して支点部５の剛性を調整すればよいことがわかる。【００６５】  図１７は断面形状に梃の構造をもつコバール金属部材３の断面形状である。この断面図において支点部５の厚みＴ２と幅Ｌ２を変えることで支点部の剛性を調整できる。薄肉部１０の長さＬ１と、薄肉部１１の長さＬ３と、支点部５の長さＬ２のバランスを変えることで、支点の位置を変えることもできる。【００６６】  図１８に示すように、支点部５の剛性や支点の位置を調整することで、梃の支点である点ｃを点ａの動きにつれて矢印Ｃの方向に適切な距離を移動するように調整でき、点ａが動いても点ｂが動かないようなコバール金属部材３の形状を設計ができることがわかる。【００６７】  図１９に示すように、梃の力点となる点ａから支点となる点ｃまでの距離をＤ１とし、支点となる点ｃから作用点となる点ｂまでの距離をＤ２とし、力点となる点ａの移動量をΔＲ１とし、支点となる点ｃの移動量をΔＲ３としたときに、作用点となる点ｂの移動量ΔＲ２が０となるようにすればよい。つまり数２のような関係となるようにコバール金属部材３を設計すればよい。【００６８】
【数２】
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【００６９】  数２を満たすように設計されたコバール金属部材３では、窓部材受け部１２には点ａの移動によるひずみによるストレスが加わらないため、窓部材１にストレスが加わらない。【００７０】  数２の関係は、金属部材１の熱膨張率と封着金属３の熱膨張率の比が大きく変化しない温度領域の任意の温度で成立するので、広い温度範囲で梃の作用が有効であることが期待できる。【００７１】  厳密には、石英ガラス窓部材１の熱膨張率とコバール金属部材３の熱膨張率は異なるので、点ｂの位置は石英ガラス窓部材１の熱膨張に合わせて移動量をほぼ０とすることが理想的であるが、こうした調整も支点部５の剛性を調整することで可能である。また、同様の類推から、膨張率がゼロのゼロ膨張ガラスや膨張率がマイナスの値となるマイナス膨張ガラスに合わせたコバール金属部材３の設計も可能になることがわかる。【００７２】  窓部材１と封着金属３を接合する際に加熱の工程が必要であるが、窓部材１の熱膨張率と封着金属部材３の熱膨張率が同じ値となる構成にできるとは限らない。窓部材１と封着金属３の熱膨張率の差が一定の値以上であると、接合加工後の温度低下による封着金属３の収縮により発生するひずみが窓部材１を破壊してしまう。つまり、窓部材１と封着金属３を接合すること自体が困難であることもありうる。【００７３】  この問題は本発明を適用することで解決できる。金属部材２と封着金属３を接合しておき、その後に窓部材１と封着金属部材３を接合すればよく、窓部材１と封着金属３を接合する際に、接合済みの金属部材２と封着金属部材３の温度と窓部材１の温度を同一として接合すればよい。封着金属部材３の構造に導入された梃の作用により、窓部材１と封着金属３を熱膨張のひずみなしに接合することができる。【００７４】  この製造方法は請求項３の製造方法であり、後述する実施例ではこの製造工程によりゼロレングスビューイングポートを製作した。【００７５】  この請求項３の製造工程は、特に窓部材１の熱膨張率と封着金属３の熱膨張率の差が大きい場合や、ひずみによる破壊応力が小さく脆いセラミックスなどを窓材とする場合に有効であると考えられる。
【発明の効果】
【００７６】  上述したように、本発明の窓構造では、金属部材２の熱膨張あるいは収縮によるひずみが窓部材１に伝わらない。従来技術の窓構造の最高使用温度を超えた温度領域においても、金属部材２の熱膨張によるひずみが窓部材１に伝わらない。その結果として、従来の窓構造の最高使用温度を超えた温度領域で使用可能な窓構造となる。特に５００℃までのベーキングを前提としたコンフラットフランジの窓構造として５００℃まで使用可能なフランジを提供できる。【００７７】  低温から高温までの広い温度範囲において、窓部材１に加わるストレスがゼロの窓構造を提供できる。窓部材に加わるストレスがゼロであるということは、窓構造を使用中の破損の危険性を下げることに相当し、より安全な窓構造を提供することに相当する。【００７８】  熱膨張により窓部材１に伝わるストレスをゼロにすることができるため、これまで接合が困難であったり熱膨張によるひずみに弱かったセラミックス等の窓構造を実現できる。【００７９】  ひずみによりある種の機能を有する材料がある場合には、意図的にひずみの方向や大きさをコントロールすることもできる。【００８０】  本発明と従来技術の決定的な違いは、本発明では窓部材１に伝わるひずみの量と方向を積極的にコントロールできる点にある。窓部材１に伝わるひずみをゼロとすることもできるし、意図的にひずみを伝えることもできる。【００８１】
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】  本発明の形態をしめす窓構造の断面図
【図２】  従来技術１の窓構造の正面図
【図３】  従来技術１の窓構造の断面図
【図４】  従来技術２のゼロレングスビューイングポートの正面図
【図５】  従来技術２のゼロレングスビューイングポートの断面図
【図６】  図５の断面の拡大図
【図７】  従来技術２の耐熱テストによる破損箇所
【図８】  コバール金属部材の姿勢
【図９】  コバール金属部材の姿勢の比較
【図１０】  コバール金属部材の姿勢
【図１１】  コバール金属部材の姿勢の比較
【図１２】  試作１のゼロレングスビューイングポートの断面図
【図１３】  図１２の断面の拡大図
【図１４】  試作１の耐熱テストによる破損箇所
【図１５】  コバール金属部材の姿勢
【図１６】  コバール金属部材の姿勢の比較
【図１７】  コバール金属部材の形状
【図１８】  コバール金属部材の姿勢
【図１９】  コバール金属部材の姿勢の比較
【図２０】  実施例１のゼロレングスビューイングポートの断面図
【発明を実施するための形態】
【００８３】  以下、本発明の実施の形態を図１７から図２１を用いて説明する
【実施例】
【００８４】  直径７０ｍｍのステンレス製コンフラットフランジのフランジ本体２に石英ガラス窓部材１を設けたゼロレングスビューイングポートに本発明を適用した実施例について説明する。【００８５】  実施例は、請求項１の構成の窓構造であり、窓部材１と封着金属部材３をバインダー４をアルミニウムとして接合した請求項２の窓構造であり、請求項３の製造方法により製作した真空装置用の窓構造である。【００８６】  図２０は本発明を適用したゼロレングスビューイングポートの断面図である。
窓部材１は合成石英ガラスであり、金属部材２であるフランジ本体２はＳＵＳ３０４ステンレスであり、封着金属部材３であるコバール金属部材３はコバール金属であり、バインダー４であるアルミニウムバインダー４はアルミニウムである。【００８７】  コバール金属部材３とフランジ本体２はＴＩＧ溶接により接合部６で溶接により接合した。溶接はフランジ本体２とコバール金属部材３の溶接部６の溶接領域が小さく一定の大きさとなるように精密な溶接を全周にわたって施した。コバール金属部材３の梃の支点となる支点部５と梃の力点となる力点部６の距離を全周にわたって一定とするとで、梃の作用が全周にわたって均一に働くようにするためである。【００８８】  フランジ本体２と接合済みのコバール金属部材３に石英ガラス窓部材１を接合した。石英ガラス窓部材１とコバール金属部材３の間にアルミニウムバインダー４を挿入し、加熱しつつ圧力をかけて接合した。【００８９】  図１７は、図２０中の封着金属部材３であるコバール金属部材３の形状の拡大図であり、形状の特徴的な寸法を付記したものである。課題を解決する手段の試作１において説明した通り、梃の支点部５の剛性を調整することで窓部材に伝わるひずみを調整できる。図１７の断面形状において、試作１のコバール金属部材３の形状を基準として、梃の支点となる支点部５の厚みＴ２を変えたゼロレングスビューイングポートを複数製作した。【００９０】  製作したゼロレングスビューイングポートを電気炉で５００℃まで加熱して耐熱テストを実施し、石英ガラス窓部材１が破損しない梃の支点となる支点部の厚みＴ２を見つけ出した。Ｔ２の値は従来技術２のコバール金属部材の薄肉部２の厚みと、試作１の梃の支点となる支点部５の厚みの中間の値となった。【００９１】  耐熱試験において、電気炉の昇温速度は約１０℃／ｍｉｎとした。通常、実用化されているコンフラットフランジのビューイングポートのベーキングにおける昇温速度は昇温中の破損を防止するため３℃／ｍｉｎ以下であることが推奨されており、昇温速度１０℃／ｍｉｎはかなり大きな昇温速度であり厳しい耐熱試験の条件といえる。【００９２】  上の説明においては、説明のしやすさや理解のしやすさを優先してシンプルなモデルを利用して本発明の原理の説明を行ったことを念のため付記しておく。実際には、熱膨張による封着金属３の挙動は上の説明よりも複雑である。例えば、薄肉部１０は多少の変形すると思われるが、この変形については無視して説明を行っている。【００９３】  上の説明では、封着金属３の断面構造において梃の構造は１つであったが、梃の構造の数は１つである必要はなく、必要に応じて複数の梃の構造を導入してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９４】  本発明により、従来の技術の窓構造を利用できなかった温度領域で使用可能な窓構造を実現できる。例えば真空装置用の窓構造であるビューイングポートに適用した場合、従来の技術のビューイングポートの最高使用温度を超えた温度でのベーキングが可能となり、真空装置の運用温湿を高めることができると考えられる。【００９５】  本発明の窓構造を装着した装置全体を加熱あるいは冷却する場合だけでなく、窓構造部分のみを高温の環境あるいは低温の環境にさらす用途でも利用できると考えられる。高温または低温の環境に窓構造部分のみを挿入してプローブのようにして利用する用途が想定できる。【００９６】  これまで窓部材に利用することが困難であった材質の窓を窓構造に適用できる可能性が広がる。請求項３の製造方法により、窓部材１の接合工程においても窓部材１に伝わるストレスをゼロにすることができるため、これまで接合が困難であったり熱膨張によるひずみに弱かったセラミックス等を窓部材１とした窓構造の実現の可能性が広がると期待できる。【００９７】  本発明を適用可能な窓部材１は、光に対して透過性を有するガラスに限定されない。電磁波を通すための窓や分子ふるいの働きをする窓など光以外のものを通過させる窓にも適用可能であると思われる。【００９８】  本発明では封着金属３の窓材受け部１２の動きを窓部材の熱膨張あるいは収縮に合わせることができるため、熱膨張率がゼロのゼロ膨張ガラスや膨張率がマイナスの値のマイナス膨張ガラスの窓材の窓構造の構成が可能になる。【００９９】  本発明は、金属部材２と封着金属部材３の接合部６と窓部材１と封着金属部材３の接合部７の距離を大きくできない窓において有用であるので、より薄型の窓構造を構成する場合に有効と思われる。【０１００】  本発明の実施例では窓部材１が円形の窓構造について例示をおこなった。本発明は窓部材１が円形でない場合にも有用であると思われる。【０１０１】  本発明がコンフラットフランジのビューイングポート以外の窓にも適用可能であるのはもちろんのことである。【０１０２】
【０１０３】
【表１】
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【０１０４】
【符号の説明】
【０１０５】  １    窓部材（例示では石英ガラス窓部材）
２    金属部材（例示ではフランジ本体）
３    封着金属部材（例示ではコバール金属部材）
４    バインダー（例示ではアルミニウムバインダー）
５    梃の支点となる支点部
６    ２と３の接合部（梃の力点となる力点部）
６ａ  従来技術における２と３の接合部
７    １と３の接合部（梃の作用点となる作用点部）
７ａ  従来技術における１と３の接合部
８    ボルト取付穴
９    突起部
１０    薄肉部
１１    薄肉部
１２    窓部材受け部
１３    補強部
１４    破損部位
１５    破損部位
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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