(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｗ及び／又はＭｏの高融点金属粉末と、Ｎｉ粉末とを含有する混合物を、有機バインダと混合してペーストとしてメタライズインクを製造し、該メタライズインクをセラミック焼成体であるセラミック基材に塗布して焼き付けてメタライズ層を形成する接合用セラミック部材の製造方法であって、
前記混合物として、前記Ｗ及び／又はＭｏの高融点金属粉末を７０〜９７重量％と、前記Ｎｉ粉末を１〜１０重量％とを含有する混合物を用いるとともに、
ＳｉＯ2を含む前記セラミック基体を用い、
前記焼き付けの際の焼成温度を、１１５０℃以上１２５０℃以下とし、その焼成の際に前記セラミック基体中のＳｉＯ2を前記メタライズ層の前記高融点金属の粒子間に浸透させることを特徴とする接合用セラミック部材の製造方法。
【請求項２】
前記請求項１に記載の接合用セラミック部材の製造方法により製造されたことを特徴とする接合用セラミック部材。
【請求項３】
前記請求項２に記載の接合用セラミック部材に、前記メタライズ層を介して金属部材を接合したことを特徴とする接合体。
【請求項４】
前記請求項２に記載の接合用セラミック部材に、前記メタライズ層を介して他の接合用セラミック部材を接合したことを特徴とする接合体。
【請求項５】
前記請求項３又は４の接合体を備えたことを特徴とする真空スイッチ。
【請求項６】
前記請求項３又は４の接合体を備えたことを特徴とする真空容器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば金属とセラミックを接合する場合のように、接合強度、気密性等が要求される部材などに関し、接合用セラミック部材の製造方法、接合用セラミック部材、接合体、真空スイッチ、及び真空容器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、セラミック基材の表面にメタライズを施す方法として、モリブデン−マンガン法（Ｍｏ−Ｍｎ法；テレフンケン法）が知られている。
【０００３】
このＭｏ−Ｍｎ法は、ＷやＭｏ等の高融点金属の粉末に、Ｍｎ粉末、Ｔｉ粉末、ガラス成分（ＳｉＯ2）等の接合助剤を添加し、有機バインダと混合してペーストとしたメタライズインクを、セラミック基材上に塗布し焼き付ける方法（焼成方法）である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した従来技術では、メタライズの焼き付け温度は、１３００〜１５００℃の高温であり、炉の構造、光熱費、耐熱消耗材等、焼成費用が大きくかかるという問題があった。
また、高温の焼き付けにより、セラミック自体の変形も生じ、寸法精度を満足しない製品が発生するという問題もあった。
【０００５】
この対策として、従来の組成のメタライズインクを、１３００℃未満の低温で焼き付けることが考えられるが、この場合は、十分な接合強度が得られないという問題があり、その改善が求められていた。
【０００６】
本発明は前記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、低温での焼成でも十分なメタライズの接合強度が得られる接合用セラミック部材の製造方法、接合用セラミック部材、接合体、真空スイッチ、及び真空容器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
従来のメタライズ方法では、主に二つの作用により、金属がセラミックと接合する。即ち、高融点金属粒子同士の焼結と、同粒子間の空隙へのガラス成分の拡散浸透である。
この従来方法において、メタライズ焼成温度が十分に高いと、高融点金属の焼結が進み、メタライズ層自体の強度が向上し、なおかつ、セラミック内又はインク成分のガラス質（ＳｉＯ2等）が、高融点金属粒子間に浸透し、投錨効果として機械的に接合強度が向上する。しかし、これらの効果が得られる十分な反応には、１３００℃以上の温度が必要であった。
【０００８】
それに対して、本発明では、Ｎｉが高融点金属と反応して焼結を促進させることにより、低温で焼結することができる。
【０００９】
本発明は、上述した知見により得られたものである。以下各請求項毎に説明する。
（１）前記目的を達成するための請求項１の発明は、Ｗ及び／又はＭｏの高融点金属粉末と、Ｎｉ粉末とを含有する混合物を、有機バインダと混合してペーストとしてメタライズインクを製造し、該メタライズインクをセラミック焼成体であるセラミック基材に塗布して焼き付けてメタライズ層を形成する接合用セラミック部材の製造方法であって、前記混合物として、前記Ｗ及び／又はＭｏの高融点金属粉末を７０〜９７重量％と、前記Ｎｉ粉末を１〜１０重量％とを含有する混合物を用いるとともに、ＳｉＯ2を含む前記セラミック基体を用い、前記焼き付けの際の焼成温度を、１１５０℃以上１２５０℃以下とし、その焼成の際に前記セラミック基体中のＳｉＯ2を前記メタライズ層の前記高融点金属の粒子間に浸透させることを特徴とする接合用セラミック部材の製造方法を要旨とする。
【００１０】
本発明では、メタライズインク中に、Ｎｉを含むので、上述したように、Ｎｉが高融点金属と反応し、メタライズ層における焼結を促進する。これにより、１１５０〜１２５０℃の低温でも十分に焼結が可能である。
【００１１】
その結果、従来と比べて、炉の構造、光熱費、耐熱消耗材等に関する焼成費用を小さくすることができる。また、低温での焼き付けにより、セラミック自体の変形も生じにくく、高い寸法精度が得られるという顕著な効果を奏する。更に、低温でも十分に焼結ができるので、高い接合強度を確保できるという利点がある。
【００１３】
詳しくは、本発明では、メタライズインク中に、Ｎｉを１〜１０重量％含むので、上述したように、Ｎｉが高融点金属と反応し、メタライズ層における焼結を促進する。これにより、１１５０〜１２５０℃の低温でも十分に焼結が可能である。
【００２３】
更に、Ｓｉ成分は、ガラス質のＳｉＯ2として機能し、このＳｉＯ2が高融点金属粒子間に浸透することにより、投錨効果として機械的に接合強度が向上する。特に、低温でも高い接合強度が得られる。
【００２４】
（２）請求項２の発明は、前記請求項１に記載の接合用セラミック部材の製造方法により製造されたことを特徴とする接合用セラミック部材を要旨とする。
（３）請求項３の発明は、 前記請求項２に記載の接合用セラミック部材に、前記メタライズ層を介して金属部材を接合したことを特徴とする接合体を要旨とする。
【００２５】
本発明は、接合用セラミック部材と金属部材とを、上述したＮｉ等を含むメタライズ層にて接合したものである。
従って、上述した様に、この接合用セラミック部材と金属部材とが接合した接合体を製造する際には、その製造コストが低減し、また、接合体においては、高い接合強度及び寸法精度が得られる。
【００２６】
（４）請求項４の発明は、前記請求項２に記載の接合用セラミック部材に、前記メタライズ層を介して他の接合用セラミック部材を接合したことを特徴とする接合体を要旨とする。
【００２７】
本発明は、接合用セラミック部材と他の接合用セラミック部材とを、上述したＮｉ等を含むメタライズ層にて接合したものである。尚、接合の際には、このメタライズ層上の接合面にメッキを施すことが好ましい。また、接合方法としてはろう付け接合が好適である。
【００２８】
従って、上述した様に、この接合用セラミック部材同士が接合した接合体を製造する際には、その製造コストが低減し、また、接合体においては、高い接合強度及び寸法精度が得られる。
【００２９】
（５）請求項５の発明は、前記請求項３又は４の接合体を備えたことを特徴とする真空スイッチを要旨とする。
本発明は、上述した接合体を用いた真空スイッチである。この真空スイッチとは、例えばセラミック製の絶縁バルブを用いた電気回路開閉器であり、特に高電圧、大電流の開閉に好適なものである。
【００３０】
（６）請求項６の発明は、前記請求項３又は４の接合体を備えたことを特徴とする真空容器を要旨とする。
本発明は、上述した真空スイッチなどに用いられる真空容器（例えば絶縁バルブ）であり、この真空容器内に電極などを配置することにより、真空スイッチ（電気回路開閉器）を形成することができる。
【発明の効果】
【００３１】
以上詳述した様に、請求項１の発明の接合用セラミック部材の製造方法により、メタライズの低温での十分な焼結が可能であるので、従来と比べて、炉の構造、光熱費、耐熱消耗材等に関する焼成費用を小さくすることができる。また、高い寸法精度及び高い接合強度を実現できる。
【００３２】
また、請求項２の発明の接合用セラミック部材は、低温でも十分に焼結が進んだメタライズ層を有するので、前記請求項１と同様に、焼成費用を低減でき、高い寸法精度及び高い接合強度を有する。
【００３３】
更に、請求項３及び請求項４の接合体は、上述した接合用セラミック部材を有するので、前記と同様に、コストの低減や高い接合強度及び高い寸法精度という利点がある。
その上、請求項５の発明の真空スイッチ及び請求項６の発明の真空容器は、上述した接合用セラミック部材を備えた接合体を有するので、前記と同様に、コストの低減や高い接合強度及び高い寸法精度という利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明の、接合用セラミック部材の製造方法、接合用セラミック部材、接合体、真空スイッチ、及び真空容器の実施の形態の例（実施例）を、図面を参照して説明する。
（実施例１）
ここでは、接合用セラミック部材と金属部材の接合体を例に挙げる。
【００３５】
ａ）図１に模式的に示す様に、本実施例では、接合用セラミック部材１と金属部材３とがロー材５により接合されて接合体７が形成されている。
詳しくは、接合用セラミック部材１は、セラミック基材９上にメタライズ層１１が形成されたものであり、このメタライズ層１１上にメッキ層１３が形成され、メッキ層１３と金属部材３とがロー材５により接合され、これにより接合用セラミック部材１と金属部材３とが接合一体化されている。
【００３６】
ｂ）次に、この接合体の１例として円形のテストピースの製造方法を、接合用セラミック部材の製造方法とともに説明する。
1)まず、下記表１に示すメタライズインク成分の粉末（例えば８７重量％）を、粉砕混合し、エトセル等の有機バインダ（例えば１３重量％）と混合してペーストとし、メタライズインクを製造した。
【００３７】
2)次に、前記メタライズインクを、セラミック焼成体であるアルミナ製（例えばアルミナ９２重量％）のセラミック基材９（例えば厚み５ｍｍ×外径φ３０ｍｍ×内径φ８．５ｍｍの円筒形のテストピース）の表面に、厚み１０〜２０μｍ程度塗布した。
【００３８】
3)次に、前記メタライズインクを塗布したセラミック基材９を炉中に入れ、ウエッター温度５０℃のＨ2／Ｎ2（１：１）のフォーミングガス雰囲気にて、下記表２に示す１１５０〜１３５０℃の温度範囲の温度にて焼成した（メタライズした）。これにより、セラミック基材９の表面にメタライズ層１１を備えた接合用セラミック部材１が得られた。
【００３９】
4)次に、メタライズ層１１の表面（メタライズ面）に、電解メッキによりＮｉメッキを施してメッキ層１３を形成した。その後、Ｈ2雰囲気中、温度８３０℃にて、メッキ層１３を焼成（シンタリング）した。
【００４０】
5)次に、接合用セラミック部材１とコバール製（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ）の金属部材３をロー付けした。
【００４１】
具体的には、メッキ層１３と金属部材３（例えば厚み１ｍｍ×外径φ１６ｍｍのコバール円板）との間に、銀ロー材（ＢＡｇ−８）５の箔を配置して、所定のロー付け温度にて加熱して冷却することにより、接合用セラミック部材１と金属部材３とをロー付け接合して接合体７を完成した。
【００４２】
つまり、上述した(1)〜(5)の製造工程によって、下記表１に示す様に、メタライズインクの成分を違えて、図２に示す様に、実験に供する接合体７としてＮo.２〜１７の円形のテストピース（試料）を作成した。ここで、試料No.１５が本発明の範囲の試料であり、試料No.２〜１４、１６、１７は、メタライズインクにＳｉＯ2を含む参考例である。尚、メタライズインクの組成を違えた（即ちＮｉを含まない）比較例のＮo.１の試料も作成した。
【００４３】
【表１】
0004659812.tif 000002
【００４４】
また、上述した製造工程の際に、製造された接合用セラミック部材１のメタライズ層１１の成分の定量分析を行った。詳しくは、電子プローブマイクロアナライザー（加速電圧；２０ｋＶ、スポット径；５μｍ）により定量分析を行った。その結果を、下記表２に記す。
【００４５】
尚、分析は、偏析の影響を少なくするために、各試料とも５箇所行い、その平均値を求めた。また、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇの重量％は、酸化物換算した値である。
【００４６】
【表２】
0004659812.tif 000003
【００４７】
但し、試料Ｎo.１０は、Ｍｏに代えてＷを使用。
ｃ）次に、前記の製造方法にて製造した接合体の各試料の接合強度を調べた。
具体的には、図３に示す様に、接合体７を金属部材３を下向きにして配置するとともに、セラミック基材９の外周の下端を円筒形の鉄製の受け台２１で支える。この状態で、セラミック基台９の中央の貫通孔２３に、上方より円柱形のステンレス製の打ち抜き棒２５を配置し、打ち抜き棒２５を荷重速度０．５ｍｍ／ｍｉｎで図の下方に移動させる。
【００４８】
そして、この際の金属部材３が剥がれる時の強度（破壊強度）を、打ち抜き棒２５の上方に配置した荷重計（図示せず）によって測定し、これをロー付け強度とした。このロー付け強度を、各試料の焼成温度別に下記表３に記す。
【００４９】
【表３】
0004659812.tif 000004
【００５０】
尚、前記表３の評価は、１１５０〜１２５０℃において、○は１７ＭＰａ以上のピーク有りを示し、△は１１〜１７ＭＰａのピーク有りを示し、×は１０ＭＰａ以上のピーク無しを示している。
【００５１】
この表３から明らかな様に、本発明の範囲のＮo.１５の試料は、低温での焼成にもかかわらず、メタライズ層は十分に焼結するので、高いロー付け強度が得られ好適である。例えば１１５０℃の焼成では、６．９ＭＰａ以上の強度を有する。また、低温での焼結が可能であるので、焼結のためのコストが少なくて済むという利点がある。更に、低温での十分な焼結が可能であるので、高温での焼結に比べて、接合用セラミック部材の寸法精度が高いという効果がある。
【００５２】
それに対して、比較例のＮo.１の試料は、低温で焼成した場合には、メタライズ層は十分に焼結せず、よってロー付け強度が低く好ましくない。
（実施例２）
次に、実施例２について説明するが、前記実施例１と同様な箇所の説明は省略する。
【００５３】
ここでは、接合用セラミック部材同士を接合した接合体を例に挙げる。
ａ）図４に模式的に示す様に、本実施例では、アルミナ製の第１の接合用セラミック部材３１と同様なアルミナ製の第２の接合用セラミック部材３３とがロー材３５により接合されて接合体３７が形成されている。
【００５４】
詳しくは、第１の接合用セラミック部材３１は、第１のセラミック基材３９上に第１のメタライズ層４１が形成されたものであり、この第１のメタライズ層４１上にはＮｉメッキにより第１のメッキ層４３が形成されている。一方、第２の接合用セラミック部材３３は、第２のセラミック基材４５上に第２のメタライズ層４７が形成されたものであり、この第２のメタライズ層４７上にはＮｉメッキにより第２のメッキ層４９が形成されている。そして、第１メッキ層４３と第２のメッキ層４９とがロー材３５により接合されることにより、第１の接合用セラミック部材３１と第２の接合用セラミック部材３３とが接合されて一体となっている。
【００５５】
ｂ）次に、この接合体の１例として円形のテストピースの製造方法を、接合用セラミック部材の製造方法とともに説明する。
1)前記実施例１にて説明した様に（以下省略した内容は前記実施例１と同様である）、前記表１に示すメタライズインク成分の粉末を使用して、各試料のメタライズインクを製造した。
【００５６】
2)次に、前記メタライズインクを、第１のセラミック基材３９と第２のセラミック基材４５の表面に塗布した。
【００５７】
3)次に、前記メタライズインクを塗布した第１、２のセラミック基材３９、４５を、それぞれ炉中に入れ、１１５０〜１３５０℃の温度にて焼成し、第１、２の接合用セラミック部材３１、３３を得た。
【００５８】
4)次に、第１，２のメタライズ層４１、４７の表面に、Ｎｉメッキを施して第１、２のメッキ層４３，４９を形成した。
【００５９】
5)次に、両メッキ層４３、４９の間に、銀ロー材３５を配置してロー付け接合し、両接合用セラミック部材３１、３３を接合して一体化して接合体３７を完成した。
【００６０】
ｃ）次に、前記の製造方法にて製造した接合体の各試料（試料Ｎo.１〜１７のテストピース）の接合強度を、前記実施例１と同様な方法で調べた。
その結果を、下記表４に記す。
【００６１】
【表４】
0004659812.tif 000005
【００６２】
尚、前記表４の評価は、１１５０〜１２５０℃において、○は６０ＭＰａ以上のピーク有りを示し、△は４０〜６０ＭＰａのピーク有りを示し、×は４０ＭＰａ以上のピーク無しを示している。
【００６３】
この表４から明らかな様に、本発明の範囲のＮo.１５の試料は、低温での焼成にもかかわらず、メタライズ層は十分に焼結しており、高いロー付け強度が得られ好適である。また、低温での焼結が可能であるので、焼結のためのコストが少なくて済むという利点がある。更に、低温での焼結が可能であるので、高温での焼結に比べて、接合用セラミック部材の寸法精度が高いという効果がある。
【００６４】
それに対して、比較例のＮo.１の試料は、低温で焼成した場合には、メタライズ層は十分に焼結しておらず、ロー付け強度が低く好ましくない。
（実施例３）
次に、実施例３について説明するが、前記実施例１、２と同様な箇所の説明は省略する。
【００６５】
本実施例は、前記実施例１のような接合用セラミック部材と金属部材からなる接合体を真空スイッチに用いた例である。
即ち、本実施例の真空スイッチは、真空容器内に電極等を内蔵し、高電圧、大電流の開閉に適した高負荷開閉器である。
【００６６】
詳しくは、図５に示す様に、真空負荷開閉器１００は、絶縁バルブ１０１と、絶縁バルブ１０１の端部を塞いで取り付けられた第１及び第２の端蓋１０２、１０３と、第１の端蓋１０２に取り付けられ絶縁バルブ１０１内に突出された固定電極１０４と、第２の端蓋１０３に摺動自在に配置された可動電極１０５とを備え、固定電極１０４と可動電極１０５により接点１０６を構成している。
【００６７】
前記絶縁バルブ１０１は、アルミナ９２重量％のセラミック焼成体で形成され、内径８０ｍｍ×肉厚５ｍｍ程度×長さ１００ｍｍの略円筒形である。また、絶縁バルブ１０１は、内径が一定の直胴部１１０及び内周壁１１１の中間にて内側に突出して周設される凸状部１１２を有している。更に、絶縁バルブ１０１の外周面には、釉薬層１１５を備えている。
【００６８】
前記第１、２端蓋１０２，１０３は、円板状のコバール（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ）板で形成され、各中央部に固定電極１０４、ガイド１３１を固着するための穴１２１、１３２が設けられている。このガイド１３１は、可動電極１０５の可動軸１５１が摺動し易いように設けられている。
【００６９】
前記固定電極１０４は、先端が穴１２１に固着される固定軸１４１となり、先端が絶縁バルブ１０１内に突出される円環状の電極１４２となっている。
前記可動電極１０５は、後端がガイド１３１内を摺動する可動軸１５１となり、先端が固定電極１０４側の電極１４２に接触する電極１５２となっている。この可動電極１０５は、電極１５２付近の可動軸１５１と第２の端蓋１０３との間に設けられる蛇腹状の金属べローズ１５３により、真空保持状態で開閉動作を可能とされている。
【００７０】
前記金属ベローズ１５３は、ベローズカバー１５４で囲まれ、電流開閉時に、電極１４２，１５２（即ちその先端の接触子１４３、１５５）から発生する金属蒸気が直接触れるのを防いでいる。
【００７１】
前記接点１０６は、電極１４２，１５２の接触が行われる接触子１４３、１５５に、高融点のタングステン系の焼結金属を用い、発生する真空アークにより溶着し難い構造となっている。
【００７２】
また、接点１０６を囲んでアークシールド１６１が配置されている。このアークシールド１６１は、前述の金属蒸気が絶縁バルブ１０１の内周壁１１１に付着して絶縁が低下するのを防止するために、絶縁バルブ１０１の凸状部１１２にロー付けにより接合されている。
【００７３】
つまり、本実施例の高負荷開閉器１００では、前記実施例１の接合体と同様に、接合用セラミック部材である絶縁バルブ１０１の凸状部１１２に、金属部材であるアークシールド１６１がロー材１６２によるロー付けにより接合されている。
【００７４】
詳しくは、図６に要部を模式的に示す様に、絶縁バルブ１０１の凸状部１１２の先端には、前記実施例１に示した様に、低温でのメタライズにより、メタライズ層１７１が形成され、このメタライズ層１７１上にＮｉメッキによりメッキ層１７３が形成され、このメッキ層１７３とアークシールド１６１とがロー材１６２によるロー付けによって接合されているのである。
【００７５】
これにより、アークシールド１６１を備えた絶縁バルブ１０１（従って高負荷開閉器１００）を、低コストで製造でき、また、高い寸法精度及び高い接合強度を実現することができる。
（実施例４）
次に、実施例４について説明するが、前記実施例３と同様な箇所の説明は省略する。
【００７６】
本実施例は、前記実施例３の様に、接合用セラミック部材と金属部材からなる接合体を真空スイッチに用いた例であるが、アークシールドと絶縁バルブの構造が異なる。
図７に要部を模式的に示す様に、本実施例の真空スイッチ（高負荷開閉器）２００は、上絶縁バルブ２０１と下絶縁バルブ２０３との間に、無酸素銅からなる金属製の接続部材２０５がロー付けされ、その接続部材２０５の先端側に、アークシールド２０７がロー付け接合されている。
【００７７】
特に、前記上絶縁バルブ２０１及び下絶縁バルブ２０３と接続部材２０５とが固定される部分（固定部２０９）には、前記実施例１と同様な方法で、それぞれメタライズ層２１１、２１３が形成され、各メタライズ層２１１、２１３上にはそれぞれＮｉメッキによりメッキ層２１５、２１７が形成されている。
【００７８】
そして、このメッキ層２１５、２１７と接続部材２０５とが、それぞれロー材２１９、２２１により接合されることにより、両絶縁バルブ２０１、２０３と接続部材２０５とが接合一体化されている。
【００７９】
尚、両絶縁バルブ２０１、２０３の外周面には  前記実施例３と同様の釉薬層２２３、２２５がそれぞれ形成されている。
本実施例によっても、前記実施例３と同様な効果を奏する。
【００８０】
尚、本発明は前記実施例になんら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において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】実施例１の接合体の要部を破断して示す説明図である。
【図２】実施例１の接合体を示す斜視図である。
【図３】実施例１の接合体の接合強度の測定方法を示す説明図である。
【図４】実施例２の接合体の要部を破断して示す説明図である。
【図５】実施例３の真空スイッチを破断して示す説明図である。
【図６】実施例３の真空スイッチの要部を破断して示す説明図である。
【図７】実施例４の真空スイッチの要部を破断して示す説明図である。
【符号の説明】
【００８２】
１…接合用セラミック部材
３…金属部材
５、３５、１６２，２１９，２２１…ロー材
７、３７…接合体
９…セラミック基材
１１…メタライズ層
１３…メッキ層
３１…第１の接合用セラミック部材
３３…第２の接合用セラミック部材
３９…第１のセラミック基材
４１…第１のメタライズ層
４５…第２のセラミック基材
４７…第２のメタライズ層
１６１、２０７…アークシールド
１０１…絶縁バルブ
１００、２００…真空スイッチ（高負荷開閉器）
１７１、２１１、２１３…メタライズ層
２０１…上絶縁バルブ
２０３…下絶縁バルブ
２０５…接続部材
【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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