セラミックス接合方法及び接合装置
【課題】セラミックス材同士またはセラミックス材と金属材とを容易にかつ簡便に接合し得るセラミックス接合方法及び接合装置を提供する。
【解決手段】セラミックス接合装置１０は、一対の被接合材４１，４１を押圧すると共に一対の被接合材４１，４１の間に挟む金属箔４２に電流を流すための一対の電極２１を備えた接合台２０と、一対の電極間に金属箔を気化させるのに必要な電気エネルギーを供給する回路３０とを備える。この回路３０は、一対の電極２１，２１に並列接続する充放電用コンデンサー３１と、充放電用コンデンサー３１と一対の電極２１，２１との間に直列接続される放電用スイッチ３２と、充放電用コンデンサー３１を充電するための電源回路３３とを備える。充放電用コンデンサー３１は、金属箔４２を気化させるのに必要なエネルギーを蓄積し、充電電圧が数百Ｖオーダーになるよう選定される。
【解決手段】セラミックス接合装置１０は、一対の被接合材４１，４１を押圧すると共に一対の被接合材４１，４１の間に挟む金属箔４２に電流を流すための一対の電極２１を備えた接合台２０と、一対の電極間に金属箔を気化させるのに必要な電気エネルギーを供給する回路３０とを備える。この回路３０は、一対の電極２１，２１に並列接続する充放電用コンデンサー３１と、充放電用コンデンサー３１と一対の電極２１，２１との間に直列接続される放電用スイッチ３２と、充放電用コンデンサー３１を充電するための電源回路３３とを備える。充放電用コンデンサー３１は、金属箔４２を気化させるのに必要なエネルギーを蓄積し、充電電圧が数百Ｖオーダーになるよう選定される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミナやジルコニア等のセラミックス同士を接合したり又はこれらのセラミックスと高融点の金属とを接合する、セラミックス接合方法及び接合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
セラミックス材同士を接合する方法として、金属中間材法が知られている。これは、接合するセラミックス材の間に、ろう材と呼ばれる金属の中間材を挟み、真空中やアルゴンガス中で、１０ＭＰａ程度の圧力を加え、数分から数時間高温に加熱する方法である。
【０００３】
特許文献１には、金層を形成したセラミックス材料の金層上に、接合金属と金との混合粉体と接合金属とを順に積層し、大気中で加圧して圧粉体を作製し、真空中で加熱することで固相拡散法によってセラミックスと金属材料とを接合させる技術が開示されている。特許文献２及び３には、セラミックスと金属との間に金層を介在させ、所定の押圧力で加圧すると共に、パルス電圧を印加して加熱することで、セラミックスと金属とを金層を介して接合することが開示されている。特許文献４には、チタン、ジルコニア等のセラミックスに対して活性な金属からなる金属箔と金属板とを圧着する工程を経ることで、セラミックスと金属板との接合強度が増すことが開示されている。
【０００４】
上記金属中間材法は、使用できる中間材が炉の到達温度で制限されること、オペレーション時間が長く生産性が悪いこと、真空容器や真空ポンプが必要となり装置が大規模になる、といった欠点があった。
【０００５】
そこで、セラミックス材の間に金属箔を挟み、この金属箔に電流を流すことで生じるジュール熱で金属箔を気化させ、セラミックス材同士を接合するコンデンサー放電法が報告されている（非特許文献１乃至３）。
【０００６】
【特許文献１】特開平９−３２８３７２号公報
【特許文献２】特開平１０−１９４８５９号公報
【特許文献３】特開平１１−７１１８５号公報
【特許文献４】特開平８−２４５２７４号公報
【非特許文献１】K.Takaki 他８名、 "A capacitor discharge technique with optimized energy for joining ceramics", Surface Engineering Instrumentation & Vacuum Technology, ２００２年、６５巻、ｐ．４５７−４６２
【非特許文献２】K.Takaki 他８名、 "Bonding strength of alumina tiles joined using capacitor discharge technique", Surface & Coatings Technology, ２００３年、１６９−１７０、ｐ．４９５−４９８
【非特許文献３】高田良宏、板垣稔、藤原民也、高橋幾久雄、高木浩一、向川政治、大島修三、桑嶋孝幸「チタン箔溶断セラミックス接合におかる回路インダクタンスの効果」、電気学会論文誌Ａ、平成１５年９月、１２３巻、９号、ｐ．８８４−８９０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来のコンデンサー放電法では、被接合材であるセラミックス材同士に挟まれた金属箔に、数ｋＶという高電圧を印加して行っているので、耐圧が高いコンデン
サー素子を用いる必要がある。また、金属箔に印加される電圧が高電圧であることから、装置が大型化し、安全性を損なうという課題がある。このため、場所を選ばずに接合作業を行うことができない。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑み、セラミックス材同士またはセラミックス材と金属材とを容易にかつ簡便に接合することができる、セラミックス接合方法及び接合装置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】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明のセラミックス接合方法は、セラミックス材を含む一対の被接合材の間に金属箔を挟んで、被接合材同士を押圧しながら、充放電用コンデンサーに蓄えられたエネルギーを上記金属箔に注入して該金属箔に生じるジュール熱で被接合材同士を接合させる方法において、充放電用コンデンサーが、金属箔を気化させるのに必要なエネルギーを蓄積し、かつ、充電電圧が数百Ｖオーダーとなるよう選定されることを特徴とする。
前記充放電用コンデンサーには、金属箔の気化を開始させるのに必要なエネルギー以上で金属箔全てを気化させるエネルギーの２倍以下の範囲のエネルギーを、１００〜４００Ｖの充電電圧で充電させることが好ましい。
上記構成において、一対の被接合材の他方は、好ましくは、セラミックス又は金属である。また、セラミックス材又は金属の接合面には、好ましくは、表面を粗す処理が施されている。また、金属箔は、チタン、ステンレス、ニッケル、タングステン、モリブデンの何れかであってよい。
上記構成によれば、数百Ｖオーダの低電圧で金属箔に通電し、金属箔の抵抗成分で生じるジュール熱により、金属箔の温度が上昇し、金属箔が液化及び気化する。よって、低電圧でパルス状大電流を印加するという簡便且つ安全な方法で、セラミックス材同士を又はセラミックス材と金属材とを接合することができる。
【００１０】
一方、本発明の接合装置は、一対の被接合材を押圧すると共に一対の被接合材の間に挟まれる金属箔に電流を流すための一対の電極を備えた接合台と、一対の電極間に金属箔を気化させるのに必要な電気エネルギーを供給する回路とを備え、この回路が、一対の電極に並列接続され、かつ金属箔を気化させるのに必要なエネルギーを蓄える充電電圧が数百Ｖオーダの充放電用コンデンサーと、充放電用コンデンサーと一対の電極との間に直列接続される放電用スイッチと、充放電用コンデンサーを充電するための電源回路と、を備えたことを特徴とする。
上記構成によれば、接合台にセットされた一対の接合材の間に金属箔を挟んで、電源回路から充放電用コンデンサーを充電させ、放電用スイッチをＯＮにして金属箔に電流を数百Ｖの電圧でパルス的に流すことができる。よって、金属箔の抵抗成分で生じるジュール熱により、金属箔の温度が上昇し、金属箔が液化及び気化する。これにより、低電圧のパルス電流で金属箔に電気エネルギーを供給でき、装置の小型化及び安全性を図ることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、被接合材同士を金属箔で挟み、予め金属箔を気化させるのに必要なエネルギーを低電圧の充放電用コンデンサーに蓄えておき、その後、当該充放電用コンデンサーと金属箔とを電気的に接続することで、金属箔に対してパルス的に電流が流れ込み、電気エネルギーが金属箔の抵抗成分でジュール熱として熱エネルギーに変換され、金属箔が液化及び気化し、再度固化させることができる。このようにして、被接合材同士を接合できる優れたセラミックス接合方法を提供することができる。
【００１２】
さらに本発明によれば、大気中で、短時間に、簡単かつ簡便に、被接合材同士を接合することができるセラミックス接合装置を提供することができる。この接合装置では、充電電圧が低いコンデンサー素子を用いているので、回路構成が複雑とならず小型化でき、従来のようにｋＶオーダの高電圧を印加しないので、安全面にも寄与する。また、被接合材に予め拡散層を設ける必要がなく、被接合材の接合面に所定範囲の表面粗さとなるよう処理を行うという単純な工程で、被接合材同士を高い強度で接合させることができるので、異種のセラミックス材同士を容易に接合させることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。
図１は本発明の接合装置１０の構成を示す回路図であり、図２は図１中の接合台２０の構造を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図である。
接合装置１０は、図１及び２に示すように、一対の被接合材４１，４１を押圧すると共に一対の被接合材４１，４１の間に挟まれる金属箔４２に電流を流すための一対の電極２１，２１を備えた接合台２０と、この一対の電極２１，２１間に電流を流して金属箔４２を気化させるのに必要な電気エネルギーを供給する回路３０と、を含んで構成される。
【００１４】
一対の被接合材４１，４１は、何れもアルミナやジルコニア、炭化珪素、窒化珪素などのセラミックス材であっても、このようなセラミックスと高融点の金属材とからなる組合せであってもよい。金属箔は、好ましくは、高融点材料であるチタン（Ｔｉ）、ステンレス、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）などの素材でなる。
【００１５】
接合台２０は、図２に示すように、例えば下側プレート２２と、下側プレート２２に立設した複数本のロッド２３と、各ロッド２３に挿通する孔を設けた上側プレート２４と、上下各プレート２２，２４の対向する各面に配置される上下のゴム板２５，２５と、各ロッド２３に刻設により形成されたボルトにネジ締めされる各ナット２６と、対向するように下側プレート２２上に配置された一対の電極２１，２１と、を有する。そして、下側プレート２２と上側プレート２４との間に上下のゴム板２５，２５を介して、被接合材４１，４１を挟んで各ボルトに対してナット２６でネジ締めして、所定の押圧力で、上下から被接合材４１，４１を押圧することができ、一対の被接合材４１，４１に挟まれた金属箔４２の各端部を、一対の電極２１で電気的に接続できるように構成されている。例えば、各電極２１は、上下の銅でなる電極板で金属箔４２の各端部を挟持することで、電気的に接続することができる。
【００１６】
これにより、金属箔４２を挟んだ状態で一対の被接合材４１，４１を、上下のゴム板２５，２５を介在させて上側プレート２４と下側プレート２２とで挟み、各ロッド２３に形成されたボルトに対するナット２６の締め付け強度を、トルクレンジなどで測定しながら行うことで、一対の被接合材４１，４１をバラツキをなくして均一に接合させることができる。
【００１７】
次に、本発明のセラミックス接合方法に用いる回路３０について説明する。
回路３０は、一対の電極２１，２１に並列接続された、充電電圧が数百Ｖオーダの充放電用コンデンサー３１と、この充放電用コンデンサー３１と一方の電極２１との間に接続される放電用スイッチ３２と、充放電用コンデンサー３１を充電するための電源回路３３と、充放電用コンデンサー３１と電源回路３３との間に直列に接続される電流突入防止用抵抗である抵抗３４と、を含んで構成されている。
【００１８】
電源回路３３は、ＡＣ１００Ｖなどの交流用電源（図示せず）に第１スイッチ３３ａを介して接続されるトランス３３ｂと、このトランス３３ｂの出力側に接続される交流用トランス３３ｃと、この交流用トランス３３ｃの出力側に接続される整流器３３ｄと、で構成される。トランス３３ｂは、例えばスライダックトランスを用いることができる。トランス３３ｂ及び交流用トランス３３ｃに代えて、二次側に多数の電圧タップを設けた交流用トランスでもよい。また、出力電圧及び整流器３３ｄは、図示したように全波整流回路でも半波整流回路でもよい。
【００１９】
放電用スイッチ３２は、充放電用コンデンサー３１と一方の電極２１との間に接続されるスイッチ素子３２ａと、このスイッチ素子３２ａにトリガーを印加するトリガー回路３２ｂとでなり、トリガー回路３２ｂに第２スイッチ３２ｃを介在させて、ＡＣ１００Ｖなどの交流電源（図示せず）に接続される。この放電用スイッチ３２としては、サイラトロン等の電子管やサイリスタなどの半導体スイッチング素子を用いることができる。
【００２０】
本発明のセラミックス接合方法においては、充放電用コンデンサー３１は、電源回路３３で充電されるが、被接合材４１，４１同士の接合に必要なエネルギー量を計算で求め、この求めたエネルギーを蓄えることができる容量を少なくとも有するコンデンサー素子で構成される。被接合材４１，４１同士の接合に必要なエネルギー量は、金属箔４２の材質、形状及び寸法から求まり、後述する金属箔４２を構成する素材の比熱及び液化及び気化に必要となる遷移熱と、実際に用いる金属箔４２の形状、寸法から、金属箔４２が液化するまでの温度上昇と液化から気化するまでの温度上昇にそれぞれ必要な熱量から算出される。被接合材４１，４１同士の接合に必要なエネルギーは、このような理論計算の他に、金属箔４２の寸法を変化させて実験的にその最適値を算出してもよい。このようにして求めたエネルギー量は充放電用コンデンサー３１に蓄えるが、その際、充放電用コンデンサー３１を、充電電圧が数百Ｖ、例えば１００〜４００Ｖという低電圧の素子で構成することにより、低電圧の回路３０とする。充放電用コンデンサー３１は、必要に応じて素子を並列接続して構成してもよい。
【００２１】
次に、充放電用コンデンサー３１に蓄える電気的エネルギーについて説明する。
上記回路３０において、一点鎖線で囲んだ部分３５が、充放電用コンデンサー３１と、放電用スイッチ３２と、金属箔４２を挟んだ状態からなる一対の被接合材４１，４１からなる充放電回路３５となっている。
図３は、図１に示した充放電回路３５を説明するために、放電スイッチ３２をＯＦＦにした際の等価回路図である。図３において、Ｃ0 は充放電用コンデンサー３１の容量であり、Ｒfoilは金属箔４２の抵抗である。そして、Ｌ0 及びＲ0 は、それぞれ、放電スイッチ３２と接合台２０との配線などにより生じる寄生インダクタンス及び寄生直列抵抗である。
【００２２】
図３に示すように、コンデンサーＣを電圧Ｖ0 へ充電したとき、スイッチＳＷを閉じることで、回路に流れる電流は、下式（１）の回路方程式に従って流れる。
【数１】
【００２３】
Ｒfoilは金属箔４２の抵抗で、下式（２）から求められる。
【数２】
但し、ρは金属箔４２の抵抗率、Ｌ，ｔ，ｈはそれぞれ金属箔４２の長さ、厚さ、幅である。
【００２４】
このとき、金属箔４２に注入されるエネルギーｗfoil（ｔ）は、下式（３）となる。
【数３】
【００２５】
また、コンデンサーＣに蓄えられるエネルギーＷ0 は、下式（４）となる。
【数４】
【００２６】
金属箔４２に注入される総和のエネルギーＷfoilは、抵抗分圧で決まるので、放電後にコンデンサーＣに電荷が残らない場合には、下式（５）となる。
【数５】
【００２７】
本発明のセラミックス接合方法では、被接合材４１，４１を接合する場合、溶融させるだけでなく気化させる。したがって、金属箔４２の抵抗Ｒfoilが、寄生直列抵抗Ｒ0 に比べて十分大きい場合には、式（５）より、充放電用コンデンサー３１の静電エネルギーは、その大半が金属箔４２に注入される。そのため、金属箔４２の気化に必要なエネルギーを充放電用コンデンサー３１に充電することで、一対の被接合材４１，４１を接合することができる。
ここで、上記回路条件としては、Ｒfoilに対して寄生直列抵抗Ｒ0 を十分に小さくして、かつ、Ｌ0 の影響により振動が生じない条件とすることが好ましい。寄生直列抵抗Ｒ0 が十分に小さくて、Ｌ0 の影響が無視できないときには、上記Ｃ0 、Ｌ0 、Ｒfoilで決まる臨界制動の条件である、Ｒfoil＝２（Ｌ0 ／Ｃ0 ）1/2 とすれば、一回の放電で、必要な電流及び電圧を金属箔４２に印加することができる。本発明においては、後述するように、充放電用コンデンサー３１に蓄えるエネルギーＷo を金属箔４２の気化の開始に必要なエネルギーから全て気化してしまうエネルギーの２倍までの範囲としている。
【００２８】
金属箔４２の温度は、式（３）に示す金属箔に注入されるエネルギーｗfoilと、金属箔４２の熱容量や比重を用いて、下式（６）となる。
【数６】
ここで、Ｔ0 は金属箔４２の初期温度、ｃp 、ρ、Ｖfoil、Ａは、それぞれ金属箔４２の比熱、比重、体積、原子量である。
【００２９】
また、式（６）は、金属箔の相変化、即ち、固体から液体、液体から気体に変わると、遷移熱を考慮して、下式（７）となる。
【数７】
ここで、Ｗmelt、Ｗboilは、それぞれ、液化に必要となる遷移熱、気化に必要となる遷移熱である。
【００３０】
これにより、金属箔４２の素材を決定すればその比熱、原子量が求まり、金属箔４２の形状及び寸法から金属箔４２の体積が求まるので、液化及び気化に必要となる遷移熱分を含めた、金属箔４２が気化するまでに必要となるエネルギーの総和が求められる。
とくに、充放電用コンデンサー３１に、金属箔４２の気化を開始させるのに必要なエネルギー以上で金属箔４２の全てを気化させるエネルギーの２倍以下の範囲のエネルギーを充電させることにより、一対の被接合材を接合した場合の接合強度を向上させることができる。金属箔に印加するエネルギーが大凡２倍以上では、セラミックスが破壊するので好ましくない。この一対の被接合材の接合に必要なエネルギーを、好ましくは、１００〜４００Ｖという低電圧で蓄えることができる容量を算出し、この算出した容量の素子で充放電用コンデンサー３１を構成する。
【００３１】
次に、本発明の接合装置１０による被接合材４１，４１の接合方法について説明する。 前述のように、接合装置１０の回路構成が決定されると、金属箔４２を一対の被接合材４１，４１で挟んで、上下のゴム板２５，２５を介在させて、下側プレート２２と上側プレート２４の間にセットすると共に、各ロッド２３に形成されたボルトをナット２６で所定のトルクで締め付け、金属箔４２の両端部を各電極２１，２１に電気的に接続して、被接合材４１，４１及び金属箔４２のセッティングをする。
次に、電源回路３３の第１スイッチ３３ａを入れて（ＯＮ）、充放電用コンデンサー３１に接合に必要となるエネルギーを蓄積し、充電が済み次第、第１スイッチ３３ａを切る（ＯＦＦ）。
次に、放電用スイッチ３２の第２スイッチ３２ｃを入れると、充放電用コンデンサー３１が放電する。これにより、充放電用コンデンサー３１に蓄えられた電荷が、金属箔４２に流れ、金属箔４２の抵抗成分によるジュール熱で熱エネルギーに変換され、金属箔４２が気化し、その後固化することで、被接合材４１，４１が接合する。一対の電極２１，２１を介して充放電用コンデンサー３１から金属箔４２への通電時間は、例えば、２００μ秒程度の短時間が好ましい。
【００３２】
本発明のセラミックス接合方法においては、被接合材４１，４１であるセラミックスや金属板の表面を適度に粗くすることによりセラミックス接合の接合強度を増すことができる。被接合材４１，４１の表面粗さは、Ｒａとして、０．５μｍ程度以上が好ましく、例えばアルミナの場合には１μｍとすればよい。逆に、０．５μｍ以下では接合強度が落ち、好ましくない。上記現象は、被接合材の表面の各凹凸部に液化したり気化した金属が入り込んで、各凹凸部で再度固化することで、碇のように被接合材の表面の各凹凸部で引っ掛かるためと考えられる。このように、被接合材の表面を所定範囲の表面粗さにする処理を接合作業に先立って行うことで、接合材としての金属が液化や気化して再度固化しアンカーのように各凹凸部に引っ掛かるというアンカー効果により、被接合材の材質同士の相性などによらず、被接合材同士を接合することができる。特に、異種類セラミックス同士を接合するときには有効である。
【００３３】
本発明のセラミックス接合方法によれば、被接合材同士を金属箔で挟み、予め金属箔を気化させるのに必要なエネルギーを低電圧の充放電用コンデンサーに蓄えておき、その後、当該充放電用コンデンサーと金属箔とを電気的に接続することで、金属箔に対してパルス的に電流が流れ込み、電気エネルギーが金属箔の抵抗成分でジュール熱として熱エネルギーに変換され、金属箔が気化し、再度固化することで、被接合材同士を接合できるセラミックス接合方法を提供することができる。
【００３４】
本発明のセラミックス接合装置によれば、大気中で、短時間に、簡単かつ簡便に被接合材同士を接合することができるセラミックス接合装置を提供することができる。この接合装置では、充電電圧が低いコンデンサー素子を用いているので、回路構成が複雑とならず小型化でき、従来のようにｋＶオーダの高電圧を印加しないので、安全面にも寄与する。また、被接合材に予め拡散層を設ける必要がなく、被接合材の接合面に所定範囲の表面粗さとなるよう処理を行うという単純な行程で、被接合材同士を強度に接合させることができるので、異種のセラミックス材同士を容易に接合させることができる。
【実施例１】
【００３５】
次に実施例を示しながら、さらに具体的に説明する。
実施例１として、被接合材４１，４１をアルミナとし、チタンからなる金属箔４２を用いて接合を行なった。
具体的には、被接合材４１として、縦２０ｍｍ×横１０ｍｍ×厚み２ｍｍの一対のアルミナを用いた。チタン箔４２のうち一対の被接合材４１，４１に挟まれる部分、すなわち接合部分の断面積が、５×１０-4ｃｍ2 、２．５×１０-3ｃｍ2 となるように、チタン箔４２の接合部分の断面寸法を、厚さ５０μｍ×幅１ｍｍ、厚さ２０μｍ×幅２．５ｍｍ、厚さ１００μｍ×幅２．５ｍｍ、厚さ５０μｍ×幅５ｍｍの４種類とした。
【００３６】
各チタン箔４２を一対の被接合材４１，４１で挟み、充放電用コンデンサー３１に蓄えるエネルギーを変化させて、接合作業を行った。その際、チタン箔４２に印加される電圧と流れる電流とを測定し、チタン箔４２に注入されるエネルギーを積算した。
【００３７】
図４は、実施例１の被接合材４１，４１の接合結果を示す図であり、チタン箔４２の幅に対する注入エネルギーの関係を示す図である。図において、縦軸はチタン箔４２に注入されるエネルギー（Ｊ）を示し、横軸はチタン箔４２の幅（ｍｍ）である。●プロット、▲プロット、△プロット、□プロットは、それぞれ、金属箔４２の接合部分の断面が、厚さ５０μｍ×幅１ｍｍ、厚さ２０μｍ×幅２．５ｍｍ、厚さ１００μｍ×幅２．５ｍｍ、厚さ５０μｍ×幅５ｍｍの各場合で接合が成功したものを示す。また、×プロットは、被接合材４１であるアルミナが破壊し接合が成功しなかったものを示す。
【００３８】
図４から明らかなように、厚さ及び幅が同一のチタン箔では、注入エネルギーを増加させると、ある一定の注入エネルギー以上では、アルミナが破壊し、一対のアルミナを接合することができないことが分かる。また、△プロットで示すチタン箔４２の断面積（２．５×１０-3ｍ2 ）は、▲プロットで示すチタン箔４２の断面積（５×１０-4ｍ2 ）の５倍であるので、注入エネルギーを増加させても、アルミナが破壊しない。また、チタン箔４２の幅を増加させることにより、同じ注入エネルギーでアルミナが破壊せず一対のアルミナを接合することができることが分かる。
【００３９】
また、図４において、金属箔４２の各幅における最大値を結ぶことで、接合の成否の境界を示す各直線が求められる。このようにして求めた各直線（図４の矢印Ａ及びＢで示す直線参照）より下側（図中で、下向き矢印の領域）が、金属箔４２の各幅において、充放電用コンデンサー３１に蓄えるべき必要なエネルギー量の１〜２倍程度に相当する。したがって、本発明のセラミックス接合方法において金属箔４２の気化には、気化の開始に必要なエネルギーから全て気化してしまうエネルギーの２倍までの範囲とすることで接合を行なうことができる。したがって、チタン箔４２の寸法（厚みと幅）を変化させることにより、一対のアルミナ４１を接合させるのに必要なエネルギー量やその最適値を求めることができた。
【実施例２】
【００４０】
実施例２は、一対の被接合材４１，４１の接合面の表面粗さが所定の値より大きいことで、接合強度を増すことができることを示す。
実施例２では、充放電用コンデンサー３１は、耐圧４５０Ｖ、容量２７００μＦの素子を１０個並列接続して構成した。電流突入防止用抵抗としての抵抗３４には、２ｋΩのセメント抵抗を用いた。被接合材４１として、縦２０ｍｍ×横１０ｍｍ×厚み３ｍｍの一対のアルミナを用いた。各アルミナの接合面の粗さは、約０．８μｍであった。
【００４１】
金属箔４２の素材としてはＳＵＳ３０４のステンレス素材を選択した。図５は、実施例２で用いたステンレス箔の形状の一例を示す図である。ステンレス箔４２は、図５に示すように、接合部分は長さ２０ｍｍ、幅２．５ｍｍ、厚さ５０μｍである。この部分の抵抗値（Ｒfoil）は１１５ｍΩである。接合する際の上下のプレート板の押圧は０．６ＭＰａであった。
【００４２】
図６は、実施例２のセラミックス接合方法において、ステンレス箔４２に印加する電圧と流れる電流と消費されるエネルギーとの関係を示す図である。図６において、横軸は放電用スイッチ３２をＯＮにした状態からの経過時間（μ秒）を示し、左縦軸はステンレス箔４２に流れる電流（ｋＡ）を示し、右縦軸はステンレス箔４２に印加される電圧（１０×Ｖ）と、消費されるエネルギー（Ｊ）を示している。消費されるエネルギーは電流電圧の積から求めた。
【００４３】
図６から明らかなように、放電用スイッチ３２をＯＮにすると、約２０μ秒の間で約６ｋＡの電流が流れ込み、その後、約２５μ秒で１．３ｋＡまで減少し、その後放電用スイッチ３２をＯＮにしてからの経過時間で１６０μ秒まで略一定で、その後減少して、電流が逆向きに流れた。この電流の値の変化に対応して、放電用スイッチ３２をＯＮにしてから約１０μ秒の間で電圧が１８０Ｖまで増加し、その後緩やかに増加した。このときの消費されるエネルギーは、図６に示すように、放電用スイッチ３２をＯＮにした直後は、立ち上がりが遅く、放電用スイッチ３２をＯＮにしてから約２５μｓ経過すると、直線的に増加した。
【００４４】
図中、ステンレス箔４２の体積（２．５ｃｍ3 ）と比重（７．９ｇ／ｃｍ3 ）及び熱容量から液化開始までに必要なエネルギー量、気化開始までに必要なエネルギーを求めたところ、それぞれ、１４．６Ｊ、３４．５Ｊであった。図中に、液化開始点と気化開始点とを矢印で示している。この場合、ステンレス箔４２全てが気化するのに要するエネルギーは約１６０Ｊである。実施例２において、ステンレス箔４２へ注入されているエネルギーは６５Ｊとなり、前述の接合に要するエネルギー条件を満たしている。
【００４５】
このようにして、一対のセラミックス板４１，４１に挟んだステンレス箔４２に大電流のパルス放電を行ない、ステンレス箔に生じたジュール熱でステンレスを気化し、セラミックス板同士を接合できた。
【００４６】
次に比較例を示す。
比較例が実施例２と異なる点は、被接合材のアルミナの接合面の表面の粗さが、各アルミナ板とも、表面粗さが約０．５μｍと細かい点である。その他の条件設定は実施例２と同じである。
【００４７】
実施例２及び比較例で接合したセラミックス接合材における接合部の引っ張りせん断試験を行った。
表１は、実施例２及び比較例のセラミックス接合における接合強度を示す表である。実施例２の場合には、５００ｋｇで引っ張ってもせん断しなかった。これにより、接合強度は５００ｋｇ以上であることが判明した。一方、比較例も実施例２と同様にして接合強度を測定したところ、それぞれ、３７９ｋｇ，３４５ｋｇであった。
【表１】
【００４８】
上記実施例２と比較例とを比較すると、ステンレス箔をジュール熱で気化させて、被接合材４１のアルミナ材の接合面の表面が粗いもの同士を接合した方が、接合強度が増すことが判明した。
【実施例３】
【００４９】
実施例３として、一対のアルミナを異なる金属箔４２で接合した。具体的には、金属箔４２の材質は、モリブデン、ニッケル、チタンの三種類とした。各金属箔４２の接合部分の抵抗（Ｒfoil）は、モリブデンが８ｍΩ、ニッケルが１０．９ｍΩ、チタンが６７．２ｍΩであった。そして、金属箔４２に注入するエネルギー量が異なるようにして、一対のアルミナを接合した。
【００５０】
図７は、金属箔４２の材質をパラメータとして、注入エネルギーに対する接合強度の依存性を示す図である。図７において、縦軸は接合強度（ｋｇ）を示し、横軸は金属箔４２に注入したエネルギー（Ｊ）を示している。
図７から分かるように、金属箔４２の種類によらず、注入エネルギーを増加させると、接合強度が増加した。また、三種類の材質のうち、金属箔４２の材質として、チタンを用いた場合が接合強度が高く、次に、モリブデン、ニッケルの順に、接合強度が低下することが分かる。さらに、実施例２の結果と比較すると、金属箔４２の材質としてステンレスを選定することで、接合強度を高めることができることが分かる。
【００５１】
上記各実施例によれば、被接合材４１，４１をアルミナとし、金属箔４２として、ステンレス、モリブデン、ニッケル、チタンを用いた場合には、金属箔４２の気化に必要なエネルギー量の約２倍までの範囲とすることで、一対の被接合材４１，４１を接合した場合に接合強度を向上させることができた。上記各実施例では、被接合材が何れもセラミックスである場合を示したが、一方が高融点の金属である場合にも同様に適用することができる。
【００５２】
本発明は、上記実施例に記載のセラミックスや金属箔に限定されるものではなく、セラミックス接合に使用されている材料の如何に係らず適用でき、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の接合装置の構成を示す回路図である。
【図２】図１の接合台の構造を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図である。
【図３】図３は、図１に示した充放電回路を説明するために、放電スイッチをＯＦＦにした際の等価回路図である。
【図４】実施例１の被接合材の接合結果を示す図であり、チタン箔の幅に対する注入エネルギーの関係を示す図である。
【図５】実施例２で用いたステンレス箔の形状を示す図である。
【図６】実施例２のセラミックス接合方法において、ステンレス箔に印加する電圧と流れる電流と消費されるエネルギーとの関係を示す図である。
【図７】金属箔の材質をパラメータとして、注入エネルギーに対する接合強度の依存性を示す図である。
【符号の説明】
【００５４】
１０：接合装置
２０：接合台
２１：電極
２２：下側プレート
２３：ロッド
２４：上側プレート
２５：ゴム板
２６：ナット
３０：回路
３１：充放電用コンデンサー
３２：放電用スイッチ
３２ａ：スイッチ素子
３２ｂ：トリガー回路
３２ｃ：第２スイッチ
３３：電源回路
３３ａ：第１スイッチ
３３ｂ：スライダックトランス
３３ｃ：交流用トランス
３３ｄ：整流器
３４：抵抗（電流突入防止用抵抗）
３５：充放電回路
４１：被接合材
４２：金属箔
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミナやジルコニア等のセラミックス同士を接合したり又はこれらのセラミックスと高融点の金属とを接合する、セラミックス接合方法及び接合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
セラミックス材同士を接合する方法として、金属中間材法が知られている。これは、接合するセラミックス材の間に、ろう材と呼ばれる金属の中間材を挟み、真空中やアルゴンガス中で、１０ＭＰａ程度の圧力を加え、数分から数時間高温に加熱する方法である。
【０００３】
特許文献１には、金層を形成したセラミックス材料の金層上に、接合金属と金との混合粉体と接合金属とを順に積層し、大気中で加圧して圧粉体を作製し、真空中で加熱することで固相拡散法によってセラミックスと金属材料とを接合させる技術が開示されている。特許文献２及び３には、セラミックスと金属との間に金層を介在させ、所定の押圧力で加圧すると共に、パルス電圧を印加して加熱することで、セラミックスと金属とを金層を介して接合することが開示されている。特許文献４には、チタン、ジルコニア等のセラミックスに対して活性な金属からなる金属箔と金属板とを圧着する工程を経ることで、セラミックスと金属板との接合強度が増すことが開示されている。
【０００４】
上記金属中間材法は、使用できる中間材が炉の到達温度で制限されること、オペレーション時間が長く生産性が悪いこと、真空容器や真空ポンプが必要となり装置が大規模になる、といった欠点があった。
【０００５】
そこで、セラミックス材の間に金属箔を挟み、この金属箔に電流を流すことで生じるジュール熱で金属箔を気化させ、セラミックス材同士を接合するコンデンサー放電法が報告されている（非特許文献１乃至３）。
【０００６】
【特許文献１】特開平９−３２８３７２号公報
【特許文献２】特開平１０−１９４８５９号公報
【特許文献３】特開平１１−７１１８５号公報
【特許文献４】特開平８−２４５２７４号公報
【非特許文献１】K.Takaki 他８名、 "A capacitor discharge technique with optimized energy for joining ceramics", Surface Engineering Instrumentation & Vacuum Technology, ２００２年、６５巻、ｐ．４５７−４６２
【非特許文献２】K.Takaki 他８名、 "Bonding strength of alumina tiles joined using capacitor discharge technique", Surface & Coatings Technology, ２００３年、１６９−１７０、ｐ．４９５−４９８
【非特許文献３】高田良宏、板垣稔、藤原民也、高橋幾久雄、高木浩一、向川政治、大島修三、桑嶋孝幸「チタン箔溶断セラミックス接合におかる回路インダクタンスの効果」、電気学会論文誌Ａ、平成１５年９月、１２３巻、９号、ｐ．８８４−８９０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来のコンデンサー放電法では、被接合材であるセラミックス材同士に挟まれた金属箔に、数ｋＶという高電圧を印加して行っているので、耐圧が高いコンデン
サー素子を用いる必要がある。また、金属箔に印加される電圧が高電圧であることから、装置が大型化し、安全性を損なうという課題がある。このため、場所を選ばずに接合作業を行うことができない。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑み、セラミックス材同士またはセラミックス材と金属材とを容易にかつ簡便に接合することができる、セラミックス接合方法及び接合装置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】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明のセラミックス接合方法は、セラミックス材を含む一対の被接合材の間に金属箔を挟んで、被接合材同士を押圧しながら、充放電用コンデンサーに蓄えられたエネルギーを上記金属箔に注入して該金属箔に生じるジュール熱で被接合材同士を接合させる方法において、充放電用コンデンサーが、金属箔を気化させるのに必要なエネルギーを蓄積し、かつ、充電電圧が数百Ｖオーダーとなるよう選定されることを特徴とする。
前記充放電用コンデンサーには、金属箔の気化を開始させるのに必要なエネルギー以上で金属箔全てを気化させるエネルギーの２倍以下の範囲のエネルギーを、１００〜４００Ｖの充電電圧で充電させることが好ましい。
上記構成において、一対の被接合材の他方は、好ましくは、セラミックス又は金属である。また、セラミックス材又は金属の接合面には、好ましくは、表面を粗す処理が施されている。また、金属箔は、チタン、ステンレス、ニッケル、タングステン、モリブデンの何れかであってよい。
上記構成によれば、数百Ｖオーダの低電圧で金属箔に通電し、金属箔の抵抗成分で生じるジュール熱により、金属箔の温度が上昇し、金属箔が液化及び気化する。よって、低電圧でパルス状大電流を印加するという簡便且つ安全な方法で、セラミックス材同士を又はセラミックス材と金属材とを接合することができる。
【００１０】
一方、本発明の接合装置は、一対の被接合材を押圧すると共に一対の被接合材の間に挟まれる金属箔に電流を流すための一対の電極を備えた接合台と、一対の電極間に金属箔を気化させるのに必要な電気エネルギーを供給する回路とを備え、この回路が、一対の電極に並列接続され、かつ金属箔を気化させるのに必要なエネルギーを蓄える充電電圧が数百Ｖオーダの充放電用コンデンサーと、充放電用コンデンサーと一対の電極との間に直列接続される放電用スイッチと、充放電用コンデンサーを充電するための電源回路と、を備えたことを特徴とする。
上記構成によれば、接合台にセットされた一対の接合材の間に金属箔を挟んで、電源回路から充放電用コンデンサーを充電させ、放電用スイッチをＯＮにして金属箔に電流を数百Ｖの電圧でパルス的に流すことができる。よって、金属箔の抵抗成分で生じるジュール熱により、金属箔の温度が上昇し、金属箔が液化及び気化する。これにより、低電圧のパルス電流で金属箔に電気エネルギーを供給でき、装置の小型化及び安全性を図ることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、被接合材同士を金属箔で挟み、予め金属箔を気化させるのに必要なエネルギーを低電圧の充放電用コンデンサーに蓄えておき、その後、当該充放電用コンデンサーと金属箔とを電気的に接続することで、金属箔に対してパルス的に電流が流れ込み、電気エネルギーが金属箔の抵抗成分でジュール熱として熱エネルギーに変換され、金属箔が液化及び気化し、再度固化させることができる。このようにして、被接合材同士を接合できる優れたセラミックス接合方法を提供することができる。
【００１２】
さらに本発明によれば、大気中で、短時間に、簡単かつ簡便に、被接合材同士を接合することができるセラミックス接合装置を提供することができる。この接合装置では、充電電圧が低いコンデンサー素子を用いているので、回路構成が複雑とならず小型化でき、従来のようにｋＶオーダの高電圧を印加しないので、安全面にも寄与する。また、被接合材に予め拡散層を設ける必要がなく、被接合材の接合面に所定範囲の表面粗さとなるよう処理を行うという単純な工程で、被接合材同士を高い強度で接合させることができるので、異種のセラミックス材同士を容易に接合させることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。
図１は本発明の接合装置１０の構成を示す回路図であり、図２は図１中の接合台２０の構造を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図である。
接合装置１０は、図１及び２に示すように、一対の被接合材４１，４１を押圧すると共に一対の被接合材４１，４１の間に挟まれる金属箔４２に電流を流すための一対の電極２１，２１を備えた接合台２０と、この一対の電極２１，２１間に電流を流して金属箔４２を気化させるのに必要な電気エネルギーを供給する回路３０と、を含んで構成される。
【００１４】
一対の被接合材４１，４１は、何れもアルミナやジルコニア、炭化珪素、窒化珪素などのセラミックス材であっても、このようなセラミックスと高融点の金属材とからなる組合せであってもよい。金属箔は、好ましくは、高融点材料であるチタン（Ｔｉ）、ステンレス、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）などの素材でなる。
【００１５】
接合台２０は、図２に示すように、例えば下側プレート２２と、下側プレート２２に立設した複数本のロッド２３と、各ロッド２３に挿通する孔を設けた上側プレート２４と、上下各プレート２２，２４の対向する各面に配置される上下のゴム板２５，２５と、各ロッド２３に刻設により形成されたボルトにネジ締めされる各ナット２６と、対向するように下側プレート２２上に配置された一対の電極２１，２１と、を有する。そして、下側プレート２２と上側プレート２４との間に上下のゴム板２５，２５を介して、被接合材４１，４１を挟んで各ボルトに対してナット２６でネジ締めして、所定の押圧力で、上下から被接合材４１，４１を押圧することができ、一対の被接合材４１，４１に挟まれた金属箔４２の各端部を、一対の電極２１で電気的に接続できるように構成されている。例えば、各電極２１は、上下の銅でなる電極板で金属箔４２の各端部を挟持することで、電気的に接続することができる。
【００１６】
これにより、金属箔４２を挟んだ状態で一対の被接合材４１，４１を、上下のゴム板２５，２５を介在させて上側プレート２４と下側プレート２２とで挟み、各ロッド２３に形成されたボルトに対するナット２６の締め付け強度を、トルクレンジなどで測定しながら行うことで、一対の被接合材４１，４１をバラツキをなくして均一に接合させることができる。
【００１７】
次に、本発明のセラミックス接合方法に用いる回路３０について説明する。
回路３０は、一対の電極２１，２１に並列接続された、充電電圧が数百Ｖオーダの充放電用コンデンサー３１と、この充放電用コンデンサー３１と一方の電極２１との間に接続される放電用スイッチ３２と、充放電用コンデンサー３１を充電するための電源回路３３と、充放電用コンデンサー３１と電源回路３３との間に直列に接続される電流突入防止用抵抗である抵抗３４と、を含んで構成されている。
【００１８】
電源回路３３は、ＡＣ１００Ｖなどの交流用電源（図示せず）に第１スイッチ３３ａを介して接続されるトランス３３ｂと、このトランス３３ｂの出力側に接続される交流用トランス３３ｃと、この交流用トランス３３ｃの出力側に接続される整流器３３ｄと、で構成される。トランス３３ｂは、例えばスライダックトランスを用いることができる。トランス３３ｂ及び交流用トランス３３ｃに代えて、二次側に多数の電圧タップを設けた交流用トランスでもよい。また、出力電圧及び整流器３３ｄは、図示したように全波整流回路でも半波整流回路でもよい。
【００１９】
放電用スイッチ３２は、充放電用コンデンサー３１と一方の電極２１との間に接続されるスイッチ素子３２ａと、このスイッチ素子３２ａにトリガーを印加するトリガー回路３２ｂとでなり、トリガー回路３２ｂに第２スイッチ３２ｃを介在させて、ＡＣ１００Ｖなどの交流電源（図示せず）に接続される。この放電用スイッチ３２としては、サイラトロン等の電子管やサイリスタなどの半導体スイッチング素子を用いることができる。
【００２０】
本発明のセラミックス接合方法においては、充放電用コンデンサー３１は、電源回路３３で充電されるが、被接合材４１，４１同士の接合に必要なエネルギー量を計算で求め、この求めたエネルギーを蓄えることができる容量を少なくとも有するコンデンサー素子で構成される。被接合材４１，４１同士の接合に必要なエネルギー量は、金属箔４２の材質、形状及び寸法から求まり、後述する金属箔４２を構成する素材の比熱及び液化及び気化に必要となる遷移熱と、実際に用いる金属箔４２の形状、寸法から、金属箔４２が液化するまでの温度上昇と液化から気化するまでの温度上昇にそれぞれ必要な熱量から算出される。被接合材４１，４１同士の接合に必要なエネルギーは、このような理論計算の他に、金属箔４２の寸法を変化させて実験的にその最適値を算出してもよい。このようにして求めたエネルギー量は充放電用コンデンサー３１に蓄えるが、その際、充放電用コンデンサー３１を、充電電圧が数百Ｖ、例えば１００〜４００Ｖという低電圧の素子で構成することにより、低電圧の回路３０とする。充放電用コンデンサー３１は、必要に応じて素子を並列接続して構成してもよい。
【００２１】
次に、充放電用コンデンサー３１に蓄える電気的エネルギーについて説明する。
上記回路３０において、一点鎖線で囲んだ部分３５が、充放電用コンデンサー３１と、放電用スイッチ３２と、金属箔４２を挟んだ状態からなる一対の被接合材４１，４１からなる充放電回路３５となっている。
図３は、図１に示した充放電回路３５を説明するために、放電スイッチ３２をＯＦＦにした際の等価回路図である。図３において、Ｃ0 は充放電用コンデンサー３１の容量であり、Ｒfoilは金属箔４２の抵抗である。そして、Ｌ0 及びＲ0 は、それぞれ、放電スイッチ３２と接合台２０との配線などにより生じる寄生インダクタンス及び寄生直列抵抗である。
【００２２】
図３に示すように、コンデンサーＣを電圧Ｖ0 へ充電したとき、スイッチＳＷを閉じることで、回路に流れる電流は、下式（１）の回路方程式に従って流れる。
【数１】
【００２３】
Ｒfoilは金属箔４２の抵抗で、下式（２）から求められる。
【数２】
但し、ρは金属箔４２の抵抗率、Ｌ，ｔ，ｈはそれぞれ金属箔４２の長さ、厚さ、幅である。
【００２４】
このとき、金属箔４２に注入されるエネルギーｗfoil（ｔ）は、下式（３）となる。
【数３】
【００２５】
また、コンデンサーＣに蓄えられるエネルギーＷ0 は、下式（４）となる。
【数４】
【００２６】
金属箔４２に注入される総和のエネルギーＷfoilは、抵抗分圧で決まるので、放電後にコンデンサーＣに電荷が残らない場合には、下式（５）となる。
【数５】
【００２７】
本発明のセラミックス接合方法では、被接合材４１，４１を接合する場合、溶融させるだけでなく気化させる。したがって、金属箔４２の抵抗Ｒfoilが、寄生直列抵抗Ｒ0 に比べて十分大きい場合には、式（５）より、充放電用コンデンサー３１の静電エネルギーは、その大半が金属箔４２に注入される。そのため、金属箔４２の気化に必要なエネルギーを充放電用コンデンサー３１に充電することで、一対の被接合材４１，４１を接合することができる。
ここで、上記回路条件としては、Ｒfoilに対して寄生直列抵抗Ｒ0 を十分に小さくして、かつ、Ｌ0 の影響により振動が生じない条件とすることが好ましい。寄生直列抵抗Ｒ0 が十分に小さくて、Ｌ0 の影響が無視できないときには、上記Ｃ0 、Ｌ0 、Ｒfoilで決まる臨界制動の条件である、Ｒfoil＝２（Ｌ0 ／Ｃ0 ）1/2 とすれば、一回の放電で、必要な電流及び電圧を金属箔４２に印加することができる。本発明においては、後述するように、充放電用コンデンサー３１に蓄えるエネルギーＷo を金属箔４２の気化の開始に必要なエネルギーから全て気化してしまうエネルギーの２倍までの範囲としている。
【００２８】
金属箔４２の温度は、式（３）に示す金属箔に注入されるエネルギーｗfoilと、金属箔４２の熱容量や比重を用いて、下式（６）となる。
【数６】
ここで、Ｔ0 は金属箔４２の初期温度、ｃp 、ρ、Ｖfoil、Ａは、それぞれ金属箔４２の比熱、比重、体積、原子量である。
【００２９】
また、式（６）は、金属箔の相変化、即ち、固体から液体、液体から気体に変わると、遷移熱を考慮して、下式（７）となる。
【数７】
ここで、Ｗmelt、Ｗboilは、それぞれ、液化に必要となる遷移熱、気化に必要となる遷移熱である。
【００３０】
これにより、金属箔４２の素材を決定すればその比熱、原子量が求まり、金属箔４２の形状及び寸法から金属箔４２の体積が求まるので、液化及び気化に必要となる遷移熱分を含めた、金属箔４２が気化するまでに必要となるエネルギーの総和が求められる。
とくに、充放電用コンデンサー３１に、金属箔４２の気化を開始させるのに必要なエネルギー以上で金属箔４２の全てを気化させるエネルギーの２倍以下の範囲のエネルギーを充電させることにより、一対の被接合材を接合した場合の接合強度を向上させることができる。金属箔に印加するエネルギーが大凡２倍以上では、セラミックスが破壊するので好ましくない。この一対の被接合材の接合に必要なエネルギーを、好ましくは、１００〜４００Ｖという低電圧で蓄えることができる容量を算出し、この算出した容量の素子で充放電用コンデンサー３１を構成する。
【００３１】
次に、本発明の接合装置１０による被接合材４１，４１の接合方法について説明する。 前述のように、接合装置１０の回路構成が決定されると、金属箔４２を一対の被接合材４１，４１で挟んで、上下のゴム板２５，２５を介在させて、下側プレート２２と上側プレート２４の間にセットすると共に、各ロッド２３に形成されたボルトをナット２６で所定のトルクで締め付け、金属箔４２の両端部を各電極２１，２１に電気的に接続して、被接合材４１，４１及び金属箔４２のセッティングをする。
次に、電源回路３３の第１スイッチ３３ａを入れて（ＯＮ）、充放電用コンデンサー３１に接合に必要となるエネルギーを蓄積し、充電が済み次第、第１スイッチ３３ａを切る（ＯＦＦ）。
次に、放電用スイッチ３２の第２スイッチ３２ｃを入れると、充放電用コンデンサー３１が放電する。これにより、充放電用コンデンサー３１に蓄えられた電荷が、金属箔４２に流れ、金属箔４２の抵抗成分によるジュール熱で熱エネルギーに変換され、金属箔４２が気化し、その後固化することで、被接合材４１，４１が接合する。一対の電極２１，２１を介して充放電用コンデンサー３１から金属箔４２への通電時間は、例えば、２００μ秒程度の短時間が好ましい。
【００３２】
本発明のセラミックス接合方法においては、被接合材４１，４１であるセラミックスや金属板の表面を適度に粗くすることによりセラミックス接合の接合強度を増すことができる。被接合材４１，４１の表面粗さは、Ｒａとして、０．５μｍ程度以上が好ましく、例えばアルミナの場合には１μｍとすればよい。逆に、０．５μｍ以下では接合強度が落ち、好ましくない。上記現象は、被接合材の表面の各凹凸部に液化したり気化した金属が入り込んで、各凹凸部で再度固化することで、碇のように被接合材の表面の各凹凸部で引っ掛かるためと考えられる。このように、被接合材の表面を所定範囲の表面粗さにする処理を接合作業に先立って行うことで、接合材としての金属が液化や気化して再度固化しアンカーのように各凹凸部に引っ掛かるというアンカー効果により、被接合材の材質同士の相性などによらず、被接合材同士を接合することができる。特に、異種類セラミックス同士を接合するときには有効である。
【００３３】
本発明のセラミックス接合方法によれば、被接合材同士を金属箔で挟み、予め金属箔を気化させるのに必要なエネルギーを低電圧の充放電用コンデンサーに蓄えておき、その後、当該充放電用コンデンサーと金属箔とを電気的に接続することで、金属箔に対してパルス的に電流が流れ込み、電気エネルギーが金属箔の抵抗成分でジュール熱として熱エネルギーに変換され、金属箔が気化し、再度固化することで、被接合材同士を接合できるセラミックス接合方法を提供することができる。
【００３４】
本発明のセラミックス接合装置によれば、大気中で、短時間に、簡単かつ簡便に被接合材同士を接合することができるセラミックス接合装置を提供することができる。この接合装置では、充電電圧が低いコンデンサー素子を用いているので、回路構成が複雑とならず小型化でき、従来のようにｋＶオーダの高電圧を印加しないので、安全面にも寄与する。また、被接合材に予め拡散層を設ける必要がなく、被接合材の接合面に所定範囲の表面粗さとなるよう処理を行うという単純な行程で、被接合材同士を強度に接合させることができるので、異種のセラミックス材同士を容易に接合させることができる。
【実施例１】
【００３５】
次に実施例を示しながら、さらに具体的に説明する。
実施例１として、被接合材４１，４１をアルミナとし、チタンからなる金属箔４２を用いて接合を行なった。
具体的には、被接合材４１として、縦２０ｍｍ×横１０ｍｍ×厚み２ｍｍの一対のアルミナを用いた。チタン箔４２のうち一対の被接合材４１，４１に挟まれる部分、すなわち接合部分の断面積が、５×１０-4ｃｍ2 、２．５×１０-3ｃｍ2 となるように、チタン箔４２の接合部分の断面寸法を、厚さ５０μｍ×幅１ｍｍ、厚さ２０μｍ×幅２．５ｍｍ、厚さ１００μｍ×幅２．５ｍｍ、厚さ５０μｍ×幅５ｍｍの４種類とした。
【００３６】
各チタン箔４２を一対の被接合材４１，４１で挟み、充放電用コンデンサー３１に蓄えるエネルギーを変化させて、接合作業を行った。その際、チタン箔４２に印加される電圧と流れる電流とを測定し、チタン箔４２に注入されるエネルギーを積算した。
【００３７】
図４は、実施例１の被接合材４１，４１の接合結果を示す図であり、チタン箔４２の幅に対する注入エネルギーの関係を示す図である。図において、縦軸はチタン箔４２に注入されるエネルギー（Ｊ）を示し、横軸はチタン箔４２の幅（ｍｍ）である。●プロット、▲プロット、△プロット、□プロットは、それぞれ、金属箔４２の接合部分の断面が、厚さ５０μｍ×幅１ｍｍ、厚さ２０μｍ×幅２．５ｍｍ、厚さ１００μｍ×幅２．５ｍｍ、厚さ５０μｍ×幅５ｍｍの各場合で接合が成功したものを示す。また、×プロットは、被接合材４１であるアルミナが破壊し接合が成功しなかったものを示す。
【００３８】
図４から明らかなように、厚さ及び幅が同一のチタン箔では、注入エネルギーを増加させると、ある一定の注入エネルギー以上では、アルミナが破壊し、一対のアルミナを接合することができないことが分かる。また、△プロットで示すチタン箔４２の断面積（２．５×１０-3ｍ2 ）は、▲プロットで示すチタン箔４２の断面積（５×１０-4ｍ2 ）の５倍であるので、注入エネルギーを増加させても、アルミナが破壊しない。また、チタン箔４２の幅を増加させることにより、同じ注入エネルギーでアルミナが破壊せず一対のアルミナを接合することができることが分かる。
【００３９】
また、図４において、金属箔４２の各幅における最大値を結ぶことで、接合の成否の境界を示す各直線が求められる。このようにして求めた各直線（図４の矢印Ａ及びＢで示す直線参照）より下側（図中で、下向き矢印の領域）が、金属箔４２の各幅において、充放電用コンデンサー３１に蓄えるべき必要なエネルギー量の１〜２倍程度に相当する。したがって、本発明のセラミックス接合方法において金属箔４２の気化には、気化の開始に必要なエネルギーから全て気化してしまうエネルギーの２倍までの範囲とすることで接合を行なうことができる。したがって、チタン箔４２の寸法（厚みと幅）を変化させることにより、一対のアルミナ４１を接合させるのに必要なエネルギー量やその最適値を求めることができた。
【実施例２】
【００４０】
実施例２は、一対の被接合材４１，４１の接合面の表面粗さが所定の値より大きいことで、接合強度を増すことができることを示す。
実施例２では、充放電用コンデンサー３１は、耐圧４５０Ｖ、容量２７００μＦの素子を１０個並列接続して構成した。電流突入防止用抵抗としての抵抗３４には、２ｋΩのセメント抵抗を用いた。被接合材４１として、縦２０ｍｍ×横１０ｍｍ×厚み３ｍｍの一対のアルミナを用いた。各アルミナの接合面の粗さは、約０．８μｍであった。
【００４１】
金属箔４２の素材としてはＳＵＳ３０４のステンレス素材を選択した。図５は、実施例２で用いたステンレス箔の形状の一例を示す図である。ステンレス箔４２は、図５に示すように、接合部分は長さ２０ｍｍ、幅２．５ｍｍ、厚さ５０μｍである。この部分の抵抗値（Ｒfoil）は１１５ｍΩである。接合する際の上下のプレート板の押圧は０．６ＭＰａであった。
【００４２】
図６は、実施例２のセラミックス接合方法において、ステンレス箔４２に印加する電圧と流れる電流と消費されるエネルギーとの関係を示す図である。図６において、横軸は放電用スイッチ３２をＯＮにした状態からの経過時間（μ秒）を示し、左縦軸はステンレス箔４２に流れる電流（ｋＡ）を示し、右縦軸はステンレス箔４２に印加される電圧（１０×Ｖ）と、消費されるエネルギー（Ｊ）を示している。消費されるエネルギーは電流電圧の積から求めた。
【００４３】
図６から明らかなように、放電用スイッチ３２をＯＮにすると、約２０μ秒の間で約６ｋＡの電流が流れ込み、その後、約２５μ秒で１．３ｋＡまで減少し、その後放電用スイッチ３２をＯＮにしてからの経過時間で１６０μ秒まで略一定で、その後減少して、電流が逆向きに流れた。この電流の値の変化に対応して、放電用スイッチ３２をＯＮにしてから約１０μ秒の間で電圧が１８０Ｖまで増加し、その後緩やかに増加した。このときの消費されるエネルギーは、図６に示すように、放電用スイッチ３２をＯＮにした直後は、立ち上がりが遅く、放電用スイッチ３２をＯＮにしてから約２５μｓ経過すると、直線的に増加した。
【００４４】
図中、ステンレス箔４２の体積（２．５ｃｍ3 ）と比重（７．９ｇ／ｃｍ3 ）及び熱容量から液化開始までに必要なエネルギー量、気化開始までに必要なエネルギーを求めたところ、それぞれ、１４．６Ｊ、３４．５Ｊであった。図中に、液化開始点と気化開始点とを矢印で示している。この場合、ステンレス箔４２全てが気化するのに要するエネルギーは約１６０Ｊである。実施例２において、ステンレス箔４２へ注入されているエネルギーは６５Ｊとなり、前述の接合に要するエネルギー条件を満たしている。
【００４５】
このようにして、一対のセラミックス板４１，４１に挟んだステンレス箔４２に大電流のパルス放電を行ない、ステンレス箔に生じたジュール熱でステンレスを気化し、セラミックス板同士を接合できた。
【００４６】
次に比較例を示す。
比較例が実施例２と異なる点は、被接合材のアルミナの接合面の表面の粗さが、各アルミナ板とも、表面粗さが約０．５μｍと細かい点である。その他の条件設定は実施例２と同じである。
【００４７】
実施例２及び比較例で接合したセラミックス接合材における接合部の引っ張りせん断試験を行った。
表１は、実施例２及び比較例のセラミックス接合における接合強度を示す表である。実施例２の場合には、５００ｋｇで引っ張ってもせん断しなかった。これにより、接合強度は５００ｋｇ以上であることが判明した。一方、比較例も実施例２と同様にして接合強度を測定したところ、それぞれ、３７９ｋｇ，３４５ｋｇであった。
【表１】
【００４８】
上記実施例２と比較例とを比較すると、ステンレス箔をジュール熱で気化させて、被接合材４１のアルミナ材の接合面の表面が粗いもの同士を接合した方が、接合強度が増すことが判明した。
【実施例３】
【００４９】
実施例３として、一対のアルミナを異なる金属箔４２で接合した。具体的には、金属箔４２の材質は、モリブデン、ニッケル、チタンの三種類とした。各金属箔４２の接合部分の抵抗（Ｒfoil）は、モリブデンが８ｍΩ、ニッケルが１０．９ｍΩ、チタンが６７．２ｍΩであった。そして、金属箔４２に注入するエネルギー量が異なるようにして、一対のアルミナを接合した。
【００５０】
図７は、金属箔４２の材質をパラメータとして、注入エネルギーに対する接合強度の依存性を示す図である。図７において、縦軸は接合強度（ｋｇ）を示し、横軸は金属箔４２に注入したエネルギー（Ｊ）を示している。
図７から分かるように、金属箔４２の種類によらず、注入エネルギーを増加させると、接合強度が増加した。また、三種類の材質のうち、金属箔４２の材質として、チタンを用いた場合が接合強度が高く、次に、モリブデン、ニッケルの順に、接合強度が低下することが分かる。さらに、実施例２の結果と比較すると、金属箔４２の材質としてステンレスを選定することで、接合強度を高めることができることが分かる。
【００５１】
上記各実施例によれば、被接合材４１，４１をアルミナとし、金属箔４２として、ステンレス、モリブデン、ニッケル、チタンを用いた場合には、金属箔４２の気化に必要なエネルギー量の約２倍までの範囲とすることで、一対の被接合材４１，４１を接合した場合に接合強度を向上させることができた。上記各実施例では、被接合材が何れもセラミックスである場合を示したが、一方が高融点の金属である場合にも同様に適用することができる。
【００５２】
本発明は、上記実施例に記載のセラミックスや金属箔に限定されるものではなく、セラミックス接合に使用されている材料の如何に係らず適用でき、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の接合装置の構成を示す回路図である。
【図２】図１の接合台の構造を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図である。
【図３】図３は、図１に示した充放電回路を説明するために、放電スイッチをＯＦＦにした際の等価回路図である。
【図４】実施例１の被接合材の接合結果を示す図であり、チタン箔の幅に対する注入エネルギーの関係を示す図である。
【図５】実施例２で用いたステンレス箔の形状を示す図である。
【図６】実施例２のセラミックス接合方法において、ステンレス箔に印加する電圧と流れる電流と消費されるエネルギーとの関係を示す図である。
【図７】金属箔の材質をパラメータとして、注入エネルギーに対する接合強度の依存性を示す図である。
【符号の説明】
【００５４】
１０：接合装置
２０：接合台
２１：電極
２２：下側プレート
２３：ロッド
２４：上側プレート
２５：ゴム板
２６：ナット
３０：回路
３１：充放電用コンデンサー
３２：放電用スイッチ
３２ａ：スイッチ素子
３２ｂ：トリガー回路
３２ｃ：第２スイッチ
３３：電源回路
３３ａ：第１スイッチ
３３ｂ：スライダックトランス
３３ｃ：交流用トランス
３３ｄ：整流器
３４：抵抗（電流突入防止用抵抗）
３５：充放電回路
４１：被接合材
４２：金属箔
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス材を含む一対の被接合材の間に金属箔を挟んで、被接合材同士を押圧しながら、充放電用コンデンサーに蓄えられたエネルギーを上記金属箔に注入して該金属箔に生じるジュール熱で被接合材同士を接合させる方法であって、
上記充放電用コンデンサーが、上記金属箔を気化させるのに必要なエネルギーを蓄積し、かつ、その充電電圧が数百Ｖオーダーとなるよう選定されることを特徴とする、セラミックス接合方法。
【請求項２】
前記充放電用コンデンサーに、前記金属箔の気化を開始させるのに必要なエネルギー以上で該金属箔全てを気化させるエネルギーの２倍以下の範囲のエネルギーを、１００〜４００Ｖの充電電圧で充電させることを特徴とする、請求項１に記載のセラミックス接合方法。
【請求項３】
前記一対の被接合材の他方が、セラミックス又は金属であることを特徴とする、請求項１に記載のセラミックス接合方法。
【請求項４】
前記セラミックス材又は金属の接合面には、表面を粗す処理が施されていることを特徴とする、請求項１又は３に記載のセラミックス接合方法。
【請求項５】
前記金属箔が、チタン、ステンレス、ニッケル、タングステン、モリブデンの何れかであることを特徴とする、請求項１に記載のセラミックス接合方法。
【請求項６】
一対の被接合材を押圧すると共に該一対の被接合材の間に挟まれる金属箔に電流を流すための一対の電極を備えた接合台と、上記一対の電極間に上記金属箔を気化させるのに必要な電気エネルギーを供給する回路と、を備え、
上記回路が、上記一対の電極に並列接続され、かつ上記金属箔を気化させるのに必要なエネルギーを蓄える充電電圧が数百Ｖオーダの充放電用コンデンサーと、該充放電用コンデンサーと上記一対の電極との間に直列接続される放電用スイッチと、該充放電用コンデンサーを充電するための電源回路と、を備えたことを特徴とする、接合装置。
【請求項１】
セラミックス材を含む一対の被接合材の間に金属箔を挟んで、被接合材同士を押圧しながら、充放電用コンデンサーに蓄えられたエネルギーを上記金属箔に注入して該金属箔に生じるジュール熱で被接合材同士を接合させる方法であって、
上記充放電用コンデンサーが、上記金属箔を気化させるのに必要なエネルギーを蓄積し、かつ、その充電電圧が数百Ｖオーダーとなるよう選定されることを特徴とする、セラミックス接合方法。
【請求項２】
前記充放電用コンデンサーに、前記金属箔の気化を開始させるのに必要なエネルギー以上で該金属箔全てを気化させるエネルギーの２倍以下の範囲のエネルギーを、１００〜４００Ｖの充電電圧で充電させることを特徴とする、請求項１に記載のセラミックス接合方法。
【請求項３】
前記一対の被接合材の他方が、セラミックス又は金属であることを特徴とする、請求項１に記載のセラミックス接合方法。
【請求項４】
前記セラミックス材又は金属の接合面には、表面を粗す処理が施されていることを特徴とする、請求項１又は３に記載のセラミックス接合方法。
【請求項５】
前記金属箔が、チタン、ステンレス、ニッケル、タングステン、モリブデンの何れかであることを特徴とする、請求項１に記載のセラミックス接合方法。
【請求項６】
一対の被接合材を押圧すると共に該一対の被接合材の間に挟まれる金属箔に電流を流すための一対の電極を備えた接合台と、上記一対の電極間に上記金属箔を気化させるのに必要な電気エネルギーを供給する回路と、を備え、
上記回路が、上記一対の電極に並列接続され、かつ上記金属箔を気化させるのに必要なエネルギーを蓄える充電電圧が数百Ｖオーダの充放電用コンデンサーと、該充放電用コンデンサーと上記一対の電極との間に直列接続される放電用スイッチと、該充放電用コンデンサーを充電するための電源回路と、を備えたことを特徴とする、接合装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００７−１１９３１３（Ｐ２００７−１１９３１３Ａ）
【公開日】平成１９年５月１７日（２００７．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３１５４３９（Ｐ２００５−３１５４３９）
【出願日】平成１７年１０月２８日（２００５．１０．２８）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１７年５月２０日 社団法人電気学会主催の「パルスパワー研究会」において文書をもって発表
【出願人】（５０４１６５５９１）国立大学法人岩手大学 (222)
【出願人】（５０５４０４６２２）株式会社アロン岩手 (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年５月１７日（２００７．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１０月２８日（２００５．１０．２８）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１７年５月２０日 社団法人電気学会主催の「パルスパワー研究会」において文書をもって発表
【出願人】（５０４１６５５９１）国立大学法人岩手大学 (222)
【出願人】（５０５４０４６２２）株式会社アロン岩手 (1)
【Ｆターム（参考）】
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