(57)【要約】【課題】極低温環境下等、大きな温度差を受ける環境下においても、電気絶縁体と金属部品との間に生じる応力を軽減することのできる、長寿命の密封端子を提供する。【解決手段】本開示の密封端子は、第１面１ｘと第２面１ｙとを含み、これら第１面と第２面との間を貫通する貫通孔Ｈを有するセラミック板１と、貫通孔Ｈに挿通される金属製のピン２と、ピン２と貫通孔Ｈとの間のすき間を封止するろう材３とを備える。セラミック板１は、第１面１ｘと第２面１ｙとの間の厚さ方向に直交する方向に、貫通孔Ｈの内周面１ｈを含みセラミック板１の厚さ方向に延びる第１部位Ｒ１と、第１部位Ｒ１に隣接する第２部位Ｒ２とを有し、貫通孔Ｈの貫通方向に沿った断面視において、第１部位Ｒ１におけるセラミック板の厚さ（ｄ１）は、第２部位Ｒ２におけるセラミック板の厚さ（ｄ２）より厚い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１面と第２面とを含み、これら第１面と第２面との間を貫通する貫通孔を有するセラミック板と、
前記貫通孔に挿通される金属製のピンと、
前記ピンと前記貫通孔との間のすき間を封止するろう材と、を備え、
前記セラミック板は、前記第１面と前記第２面との間の厚さ方向に直交する方向に、
前記貫通孔の内周面を含み、セラミック板の厚さ方向に延びる第１部位と、
該第１部位に隣接する第２部位と、を有し、
前記貫通孔の貫通方向に沿った断面視において、
前記第１部位におけるセラミック板の厚さは、前記第２部位におけるセラミック板の厚さより厚い、密封端子。
【請求項２】
前記貫通孔の貫通方向に沿った断面視において、
前記第１部位に対応する領域の、前記第１面および前記第２面の少なくとも一方の面は、前記貫通孔に接近するに従って他方の面との間の距離が大きくなる傾斜面である、請求項１に記載の密封端子。
【請求項３】
前記貫通孔の貫通方向に沿った断面視において、
前記第１部位と前記第２部位との間の境界領域に位置する、前記第１面および前記第２面の少なくとも一方の面側に、前記第１部位の厚さを前記第２部位の厚さより厚くする段部が、配設されている、請求項１に記載の密封端子。
【請求項４】
前記第１部位の厚さと前記第２部位の厚さとの差が、０．０１ｍｍ以上である、請求項１〜３のいずれか１つに記載の密封端子。
【請求項５】
前記第１部位の、前記セラミック板の厚さ方向に直交する方向の幅が、０．０１ｍｍ以上１０ｍｍ以下である、請求項１〜４のいずれか１つに記載の密封端子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体や液体等を密閉する位置で、外部との電気的接続に用いられる密封端子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造装置等、内部雰囲気と外部雰囲気とを遮断して使用する電気装置には、内外間で電気信号を送受信するために、密封端子が取り付けられている。密封端子は、気体および液体等の流体の流通を阻止しつつ電気または電気信号を導通させるものであり、気体の通過を阻止するものを気密端子、液体の通過を阻止するものを液密端子と呼ぶ場合がある。
【０００３】
このような密封端子（気密端子）の例として、特許文献１等では、厚さ方向に貫通孔を有する、円筒形状のアルミナ質セラミックス等からなる電気絶縁体の全面に、金属からなるメタライズ層を形成し、それを軸線方向に所定間隔で切断（いわゆる「輪切り」に）して、外周面と前記貫通孔の内周面に隔絶されたメタライズ層（めっきのプライマーとしての金属層）を有する円板状の電気絶縁体を形成している。
【０００４】
そして、このような円板状の電気絶縁体は、電気装置等の基板または土台等のワークＷに形成された密閉用の穴または開口に嵌め入れられた後、ワークＷに接する外周は、外周に設けられたメタライズ層を介して、前記の密閉用の穴に、ロウ付け加工等により固着される。
【０００５】
また、電気絶縁体の内側に設けられた貫通孔には、ピン等の金属製の端子が挿通され、先に述べた貫通孔内周のメタライズ層を介して、前記端子がこの貫通孔の内周にロウ付け加工により取り付けられる。これにより、密封端子は、信号等の電気をワークＷの内外で導通させつつ、このワークＷの内部を、密閉された状態に保つことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−３１７２３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、前述のような密封端子においては、昇温および降温を繰返すと、セラミックス等からなる電気絶縁体に、ひび割れや欠け等の破損が生じて、気密・液密などの密封性が損なわれることがある。これらひび割れ等の電気絶縁体の破損は、貫通孔に嵌合されたリード端子等の金属部品と該電気絶縁体との線膨張係数（熱膨張率）の差によって生じる応力に起因して、発生・進展することが知られている。
【０００８】
特に、密封端子を、液化天然ガス（ＬＮＧ）や液体水素，液体ヘリウムなどの低温液体が存在する環境下で使用する場合、さらに大きな応力が生じると予想されるため、このような極低温環境に対応できる密封端子が求められている。
【０００９】
本発明の目的は、極低温環境下等、大きな温度差を受ける環境下においても、電気絶縁体と金属部品との間に生じる応力を軽減することのできる、長寿命の密封端子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示の密封端子は、第１面と第２面とを含み、
これら第１面と第２面との間を貫通する貫通孔を有するセラミック板と、
前記貫通孔に挿通される金属製のピンと、
前記ピンと前記貫通孔との間のすき間を封止するろう材と、を備え、
前記セラミック板は、前記第１面と前記第２面との間の厚さ方向に直交する方向に、
前記貫通孔の内周面を含み、セラミック板の厚さ方向に延びる第１部位と、
該第１部位に隣接する第２部位と、を有し、
前記貫通孔の貫通方向に沿った断面視において、
前記第１部位におけるセラミック板の厚さは、前記第２部位におけるセラミック板の厚さより厚いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本開示によれば、昇温および降温を繰返したり、極低温の環境下に晒されたりしても、セラミック板にひび割れや欠け等の不具合が発生する可能性が低減され、その結果、密封性に対する信頼性の高い、長寿命な密封端子とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】（ａ）は第１実施形態の密封端子の概略構成を示す部分断面図、（ｂ）はロウ付けされた接合部（Ｐ部）の拡大断面図、（ｃ）はシミュレーション解析により得られた、接合部（Ｑ部）におけるセラミック板の応力ベクトルの分布を示す図である。
【図２】（ａ）は第２実施形態の密封端子の部分断面図、（ｂ）は（ａ）のＰ部拡大断面図である。
【図３】（ａ）は第３実施形態の密封端子の部分断面図、（ｂ）は（ａ）のＰ部拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本開示の各実施形態における密封端子は、図１〜図３における概略構成図（ａ）に示すように、中央部に貫通孔Ｈが形成された円板（円環）状の電気絶縁体（セラミック板１）と、導電体として貫通孔Ｈに挿通される金属製のリード端子（ピン２）と、を主体として構成されている。
【００１４】
セラミック板１は、たとえばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）質セラミックス等から成る絶縁性のものであり、電気装置側の基板や土台等（以下、総称してワークＷという）に設けられた、密封端子取り付け用の開口穴に嵌め入れられ、このワークＷとの間の電気的絶縁を保ったまま、ピン２を保持する。なお、各図において、図示の上下方向を、貫通孔Ｈの貫通方向、または、セラミック板１の厚さ（厚み）方向として記載している。
【００１５】
また、図示のセラミック板１は、一方の主面である図示上側の第１面（１ｘ）と、他方の主面である図示下側の第２面（１ｙ）と、を有しており、これら平行な二面間に、先にも述べた、リード端子であるピン２を挿通するための貫通孔Ｈ（その内周面１ｈ）が穿設されている。また、図示左右方向の、セラミック板１の外周面と、貫通孔Ｈの内周面１ｈには、後記のロウ付け加工を行うためのメタライズ層が設けられている。
【００１６】
なお、図１〜図３の（ａ）では、説明の便宜のために、各メタライズ層を、厚みを持った層として描いているが、実際は、他の部材や層に比べて非常に薄いものである。また、後記のロウ付け加工を行った後は、メタライズ層は、「ろう」の層と一体となって埋もれてしまうものであるので、各図（ｂ）の拡大図では、隠れ線（点線）もしくは、厚みのない単なる太線（実線）として描いている。そして、メタライズ層は、上記「ろう」の層と一体となるものであるため、後記の応力シミュレーションにおいて、このメタライズ層は「ろう」の厚みの一部となすものとしてその中に組み込まれており、層単体として解析には関与していない。
【００１７】
ピン２は、銅（Ｃｕ）や銀（Ａｇ）、または黄銅，真ちゅう，リン青銅等の銅合金等の低融点で低電気抵抗の金属で構成されており、円柱状や角柱状に成形されている。なお、ピン２は、セラミック板１の貫通孔が複数である場合、その数に応じて複数本、配設される。また、ピン２は、端子となる棒材を切断加工することによって、または、端子となる棒材に旋盤を用いた切削加工や金型を用いたプレス加工等の従来周知の金属加工を施すことによって、所定の太さおよび長さに成形される。
【００１８】
なお、ピン２は、その外周面の、セラミック板１（貫通孔Ｈ内面のメタライズ層）がロウ付け加工される部位（表面）およびその周囲に、ニッケル（Ｎｉ）や金（Ａｕ），白金（Ｐｔ）等からなる保護金属層を被着した構成としてもよい。この保護金属層によって、ピン２が、接合用のろう材から隔離されるので、ピン２がろう材と化学反応するのを有効に防止することができ、好適である。なお、この保護金属層も、前述のメタライズ層と同様、後記の応力シミュレーションにおいては、「ろう」の層の厚みの一部となすものとしてその中に組み込まれており、層単体として解析には関与しない。
【００１９】
これら、ピン２とセラミック板１とを接合するのに使用される、ろう材３としては、銀ろう（Ａｇ）や金−銅ろう（Ａｕ−Ｃｕ）等が用いられる。
【００２０】
以上の材料および構成を用いた第１実施形態（図１）について説明する。
図１（ａ）は、第１実施形態の密封端子の概略構成を示す部分断面図であり、図１（ｂ）は、ロウ付け加工された接合部の拡大断面図である。また、図１（ｃ）は、シミュレーション解析により得られた、接合部におけるセラミック板の応力ベクトルの分布を示す図である。
【００２１】
図１（ａ）に示すように、第１実施形態の密封端子のセラミック板１Ａは、それぞれ主面と呼ばれる、互いに平行な第１面１ｘと第２面１ｙとからなる貫通孔形成部を有しており、その略中央部に、ピン２挿通用の貫通孔Ｈが形成されている。
【００２２】
また、挿通されるピン２は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金またはＣｕからなる柱状（この例では円柱状）で、その外周面２ｘが、前記貫通孔Ｈの内周面（内壁）１ｈに平行な対向面となっている。
【００２３】
そして、図１（ｂ）に示すように、ピン２と貫通孔Ｈの内周面１ｈの間が、ろう材３を用いてロウ付け加工され、ピン２の外周面２ｘと貫通孔Ｈの内周面１ｈとの間が、気密または液密に閉鎖して密封されている。
【００２４】
なお、ロウ付け加工は、ワークＷおよびセラミック板１，ピン２を、加熱炉内等、ろう材３が溶融する高温（たとえば７８０℃）環境下で、各部材を組み合わせた状態で余熱した後、溶融させたろう材３を、これらピン２の外周面２ｘと貫通孔Ｈの内周面１ｈとのすき間に、毛細管現象により滲み込ませることによって行われる。そして、その状態で、密封端子全体が室温（たとえば２５℃）まで冷えるまで放冷して、密封端子が完成する。
【００２５】
本実施形態の密封端子の構成上の特徴は、セラミック板１Ａの第１面１ｘと第２面１ｙとの間の厚さ方向に直交する方向（すなわち、第１面１ｘまたは第２面１ｙに沿った平面方向）に、前記貫通孔Ｈの内周面１ｈを含む第１部位（後記）と、該第１部位に隣接する第２部位（後記）とを有し、第１部位におけるセラミック板１Ａの貫通孔Ｈの貫通方向の厚さは、第２部位におけるセラミック板１Ａの貫通孔Ｈの貫通方向の厚さより厚く形成されている点である。
【００２６】
すなわち、具体的には、第１実施形態のセラミック板１Ａを、図１（ｂ）のように、貫通孔Ｈの貫通方向（図示上下方向）に沿った断面で視た場合、貫通孔Ｈの内周面１ｈを含む貫通孔Ｈに近接する領域（以下、第１部位Ｒ１）の、第１面１ｘおよび第２面１ｙの少なくとも一方の面（この例では両面）が、貫通孔Ｈに接近するに従って他方の面との間の距離が漸次大きくなる傾斜面に形成されている。その結果、セラミック板１Ａの第１部位Ｒ１の厚さｄ１は、この第１部位Ｒ１に隣接する、第１面１ｘと第２面１ｙとが平行する他の部位（以下、第２部位Ｒ２）のセラミック板１Ａの厚さｄ２より、厚くなっている（ｄ１＞ｄ２）。
【００２７】
ここで、図１（ｃ）に、シミュレーション解析に基づく、接合部におけるセラミック板１Ａの応力ベクトルの分布を示す。シミュレーションは、上記構成において、セラミック板１Ａとピン２との間を、高温（７８０℃）環境下でロウ付け加工した後、室温（２５℃）まで放冷した場合の、金属とセラミックの線膨張係数の差によって、セラミック板１Ａ側に発生する応力を、ソフトウェアを用いて解析したものである。
【００２８】
図１（ｃ）のベクトル分布図からもわかるように、セラミック板１Ａにおける厚さ方向の端部（図示上側）の応力ベクトルは、前述の第１面１ｘの傾斜部分（第１部位Ｒ１の表面）に沿って発生するため、仮にこのセラミック板１Ａの端部や表面にひび割れ等の亀裂が生じた場合でも、この亀裂等が、セラミック板１Ａの内部に向かって進展することがない。
【００２９】
したがって、上記構成によれば、第１実施形態のセラミック板１Ａおよびこれを用いた密封端子は、極低温まで冷却される等、大きな温度差を受けても、電気絶縁体と金属部品との間にひび割れや欠け等の破損が生じ難く、また、生じたとしても、その進行が抑制される。すなわち、本実施形態の密封端子は、信頼性の高い、長寿命の密封端子とすることができる。
【００３０】
なお、実施形態におけるセラミック板の、貫通孔Ｈの内周面１ｈを含む貫通孔に近接する領域（第１部位Ｒ１）の厚さを、これに隣接する領域（第２部位Ｒ２）の厚さより厚く構成する方法は、他の形状によっても実現できる。たとえば、図２に示すような、湾曲した傾斜面を有するセラミック板１Ｂとしてもよく、図３に示すような、段部を有するセラミック板１Ｃとしてもよい。また、前記段部の角部は、仮想線（二点鎖線）で示すように、面取り（Ｃ面）状や角丸め（Ｒ面）を有する形状としてもよい。以上の構成によっても、第１実施形態と同様の作用・効果を奏することができる。
【００３１】
また、いずれの形状においても、貫通孔Ｈに近接する第１部位Ｒ１の厚さｄ１と、これに隣接する第２部位Ｒ２の厚さｄ２との差は、０．０１ｍｍ以上とすることが好ましい。さらに、貫通孔Ｈに近接する第１部位Ｒ１の、セラミック板の厚さｄ１方向に直交する方向の幅は、０．０１ｍｍ以上１０ｍｍ以下とすることが望ましい。
【００３２】
なお、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。
【００３３】
また、前述の、接合部においてセラミック板に発生する応力のシミュレーション解析は、エムエスシーソフトウェア社のＭａｒｃ（登録商標）を用いて行ったものである。セラミック板（Ａ−４７９ＳＳ）とピン（たとえばＣｕ製）との間のすき間を、ろう材（ＢＡｇ−８）でロウ付けする場合の、セラミック板に生じる応力（ストレス）を、前記ソフトを用いてシミュレートした。なお、図１（ｃ）〔（ｂ）図のＱ部〕に示す結果（応力ベクトル分布図）は、ロウ付け加工を７８０℃（応力フリー）で行い、それを常温大気圧下で放冷して、温度を室温（２５℃）まで低下させ、２５℃の時点で、ピンとの線膨張係数の差により、セラミック板の接合部（表層）に、どの程度の応力ベクトルが生じているかを、視覚的に表示したものである。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明の密封端子は、半導体製造装置等、内部雰囲気と外部雰囲気とを遮断して使用する電気装置に好適に使用することができる。また、液化天然ガス（ＬＮＧ）、液体ヘリウム、液体窒素、液体酸素、液体ネオン、液体アルゴンなどの低温液体が存在する環境下でも用いることができる。さらに、液化天然ガス（ＬＮＧ）や液体水素等の極低温液体を車両等に充填する、ＬＮＧステーションもしくは水素ガス・ステーション等で用いられる機器等においても、これら極低温液体と接触する部位に使用することが可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１  セラミック板
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ  セラミック板
１ｈ  内周面
１ｘ  第１面
１ｙ  第２面
２  ピン
２ｘ  外周面
３  ろう材
Ｈ  貫通孔
Ｗ  ワーク
Ｒ１  第１部位
Ｒ２  第２部位
【図１】
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【図２】
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【図３】
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