JP2005239453A

JP2005239453A - セラミックス構造体

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Publication number: JP2005239453A
Application number: JP2004048440A
Authority: JP
Inventors: Kazuhisa Tanigawa; 和久谷川; Toshiyuki Ihara; 俊之井原
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-02-24
Filing date: 2004-02-24
Publication date: 2005-09-08

Abstract

【課題】接合強度の優れたセラミックス構造体を提供する。
【解決手段】本発明のセラミックス構造体１は、同一の材質からなるセラミックス部材の接合面同士が、セラミックス部材と実質的に同材質の接合材を介して接合され、中空箱型の構造となっており、この接合材は、接合面に対して垂直方向に０．０５〜０．５ｍｍの厚みｔを有し、中空部に面する７０％以上の接合領域において接合面に平行な幅方向に突出するとともに接合面に隣接する側壁を被覆するように形成されており、接合材の接合面からの突出距離ｗと厚みｔとの比ｗ／ｔが２以上１０以下であり、接合材の接合面からの被覆距離δと厚みｔとの比δ／ｔが０．５以上５以下となっている。
【選択図】図２

Description

本発明は同一の材質からなるセラミックス部材と実質的に同材質の接合材を介して接合されたセラミックス構造体に関する。

セラミックスは軽量、高剛性、高強度、高硬度という特徴を有し、また、耐熱性、耐食性に優れているという特性を生かし、構造部材・耐摩耗部材・耐食部材として広く用いられており、その期待も高い素材である。
セラミックスを構造部材として用いる場合、軽量化を求められることが多く、その実現のため、中実のセラミックス構造体から不必要な部分を成形や切削や研削により除去し、肉抜きの構造体とする方法が知られている。しかし、中空部が複雑な形状のセラミックス構造体を製造する場合には、上記方法による成形が困難なため、複数のセラミックス部材を別個に製造しこれを接合する方法が採用されている。

このような接合方法として、鋳込み成形により形成された未焼成のセラミック成形体同士の突合せ面に、セラミック成形体と同種のスラリーを塗布し押付け、乾燥する方法が知られている（特許文献１参照）。
また、仮焼成体同士を同一組成の泥しょうで接合一体化し、再度焼成する方法も知られ、この方法により製造されたセラミックス構造体として、接合部が接合面より外方に膨らむとともに、接合面に隣接する側壁を被覆するような形状になったものが知られている（特許文献２参照）。
特公平７−８８００５号公報特開平２−２７９５７０号公報

このように、接合しようとするセラミックス部材と実質的に同材質の接合材を用いて接合することが知られ、また接合部として、接合面より外方に膨らむとともに、接合面に隣接する側壁を被覆するような形状のものも知られているが、従来のセラミックス構造体ではまだまだ満足のいく接合強度が得られておらず、また接合強度の向上のために接合部の形状に着目されることもなかった。
本発明は叙情の事情に鑑みてなされたもので、接合強度の優れたセラミックス構造体を提供することを目的とする。

本発明者らは上記課題を解決するために、接合強度について種々の検討をしていたところ、接合材（接合部）の厚みと、接合材のセラミックス部材接合面からの突出距離と、接合材のセラミックス部材接合面に隣接する側壁を被覆する被覆距離がある一定の関係を有するときに優れた接合強度を示すことを見出し、本発明に到達した。

すなわち本発明は、同一の材質からなるセラミックス部材の接合面同士が該セラミックス部材と実質的に同材質の接合材を介して接合されてなる中空構造のセラミックス構造体であって、前記接合材は前記接合面に垂直な方向に０．０５〜０．５ｍｍの厚みｔを有し、中空部に面する７０％以上の接合領域において、前記接合面に対して平行な幅方向に突出するとともに前記接合面に隣接する側壁を被覆するように形成されており、前記接合材の接合面からの突出距離ｗと厚みｔとの比ｗ／ｔが２以上１０以下、前記接合材の接合面からの被覆距離δと厚みｔの比δ／ｔが０．５以上５以下であることを特徴とするセラミックス構造体である。
ここで、セラミックス部材および接合材は、コージェライト、アルミナ、ジルコニア、チタニア、炭化珪素、窒化珪素、サイアロン、ＳｉＯ_２系ガラスセラミックスの群から選ばれる１つであるのが好ましい。
そして、本発明のセラミックス構造体は、セラミックス部材として、基板と、該基板と対向する天板と、該基板および天板の間に配置されたリブを含んでなり、リブは基板及び／又は天板の周囲に接合材を介して取り付けられて外壁を構成し、基板及び天板の厚みがリブの幅の５０％以上１５０％以下である構造のものとして好ましく採用できる。

本発明のセラミックス構造体によれば、接合材が、中空部に面する７０％以上の接合領域においてその厚みとの関係で、セラミック部材接合面の外周よりも所定比率だけ突出し、セラミック部材の接合面に隣接する側壁を所定比率だけ被覆する形状になっているため、応力集中を緩和するとともに界面にクラックが生じにくくなり、接合強度、特に曲げ強度を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示す本発明のセラミックス構造体１は、同一の材質からなるセラミックス部材の接合面同士が、セラミックス部材と実質的に同材質の接合材を介して接合され、中空箱型の構造となっており、この接合材は、図２に示すように、接合面に対して垂直方向に０．０５〜０．５ｍｍの厚みｔを有し、中空部に面する７０％以上の接合領域において接合面に平行な幅方向に突出するとともに接合面に隣接する側壁を被覆するように形成されており、接合材の接合面からの突出距離ｗと厚みｔとの比ｗ／ｔが２以上１０以下であり、接合材の接合面からの被覆距離δと厚みｔとの比δ／ｔが０．５以上５以下となっている。

図１（ａ）に示すセラミックス構造体１は中空箱型状の構造体であり、図１（ｂ）に示すように、セラミック部材としての基板１１と、基板１１に対向する天板１２と、基板１１と天板１２の間に田型（図示しない）に配置されたリブ１３と、これらの部材を接合する接合材１４から構成される。ここで、セラミックス部材（基板１１、天板１２、リブ１３）の材質としては、コージェライト、アルミナ、ジルコニア、チタニア、炭化珪素、窒化珪素、サイアロン、ＳｉＯ_２系ガラスセラミックス等が挙げられるが、特に限定はされない。また、焼結助剤は適宜決定され、主成分に少量の不純物が含まれていてもよい。

図１（ｂ）のＸ部の拡大図を図２に示すように、接合材１４は、リブ１３の接合面１３１に対し垂直方向に０．０５〜０．５ｍｍの厚みｔ（基板１１とリブ１３の接合面間の距離と同一）を有している。接合材１４の厚みｔが０．０５ｍｍ未満の場合は塗布量が少なく接合が不十分となって接合強度が低下してしまい、０．５ｍｍを越える場合は接合材中の内部欠陥による影響が大きくなり接合強度の低下が生じてしまう。なお、内部欠陥とは、ボイド、接合材の塗りむら、空気の巻き込み等により発生する未接合部分をいう。

そして、接合材１４はリブ１３の接合される端面（接合面１３１）の外周よりも外方に膨らんで突出しているとともに、リブ１３の接合面１３１に隣接する側壁１３２を被覆するように形成されている。このように形成された接合材１４の最大突出部位とリブ１３の接合面１３１外周との距離、即ち図２に示す突出距離ｗは、上述の接合材の厚みｔとの関係において、ｗ/ｔが２以上１０以下となるように決定される。ｗ／ｔが２未満であると接合強度が低下しリブ１３を安定して基盤１１に接合し続けることが困難となり、ｗ／ｔが１０を超えるとセラミックス部材と接合材との収縮率の差による影響が大きくなって界面にクラックが生じやすくなり、接合不良の原因となってしまう虞がある。また、接合材１４がリブ１３の接合面１３１に隣接する側壁１３２を被覆する距離、即ち図２に示す被覆距離δは、上述の接合材の厚みｔとの関係において、δ／ｔが０．５以上５以下となるように決定される。δ／ｔが０．５未満であると、界面にクラックが生じやすくなり、接合不良の原因となってしまう虞があり、δ／ｔが５を超えてもそれほど強度向上に影響せず、むしろこのような形状にするためには接合材の粘度を低下させなければならなくなりこれにより接合強度が低下するという問題がある。

なお、図１（ｂ）においては、接合材１４がセラミックス構造体１の外壁から突出するように示されているが、最終的にこの外壁から突出する部分は研削、研磨などにより取り除かれる（図示しない）。さらに、図１（ｂ）では、便宜上接合材１４がすべての箇所において均等に接合面から突出し接合面に隣接する側壁を被覆しているが、実際はばらつきがあって、均等にはなっていない。本発明においては、セラミックス構造体１の中空部に面する接合領域（外壁側の取り除かれる部分ではない領域）の７０％以上において、接合材１４は接合面１３１に平行な幅方向に突出するとともに接合面１３１に隣接する側壁１３２を被覆するように形成されており、ｗ／ｔが２以上１０以下、δ／ｔが０．５以上５以下を満たしている。７０％未満であると接合強度が低下するため、７０％以上である必要があり、さらに好ましくは８０％以上である。このように、接合材１４が突出する形状は、セラミックス構造体１の中空部に接する領域であって外側から見えることはないので、デザイン的に問題となることはない。

接合材１４の材質は、熱膨張差に起因する接合不良がほとんどないように、接合されるセラミックス部材（基板１１、天板１２、リブ１３）と実質的に同材質で構成される。特に、接合材１４は、セラミックス部材（基板１１、天板１２、リブ１３）と実質的に同材質からなる粉体とバインダーが溶媒に混合されてなるスラリーが焼成されたものであるのが好ましい。ここで、接合材１４の材質がセラミックス部材と実質的に同材質とは、セラミックス部材の前駆体である成形体の構成原料粉体と接合材１４の構成原料粉体における主成分が同一であればよいことを意味するが、焼結助剤、不純物などを含めた組成が同一であるのが好ましい。また、バインダーとしてはポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリビニールブチラール、ポリエチレンオキサイド、ポリビニールアセタール、アクリル樹脂、メチルセルロース、カルボキシルメチルセルロース、ワックスエマルジョン等を用いるのが好ましく、溶媒としては水、アルコール、その他有機溶剤等を用いればよい。

接合材１４としてスラリーが焼成されたものを採用した場合、この接合材１４の形状は粉体充填率と加圧荷重などを調整しながら設定される。セラミックス部材と同材質からなる粉体は、スラリー全体に対し２０〜５５体積％の比率で混合されるのが好ましい。粉体の量がスラリー全体に対し２０体積％未満であると、焼成後の密度が低くクラックができて接合強度の低下を引き起こすとともに、ｗ／ｔの値を２以上とすることが困難となってしまう。また、粉体の量がスラリー全体に対し５５体積％を超えると、スラリーの粘度が高くなり過ぎて接合面に均質にスラリーを塗布することができず接合強度の低下を引き起こすとともに、δ／ｔの値を０．５以上とすることが困難となってしまう。なお、本願のセラミックス構造体を製造するために適当なスラリー粘度としては１０〜１００Ｐａ・ｓが好ましく、粉体をスラリー全体に対し２０〜５５体積％の比率で混合することにより、上記範囲の良好なスラリー粘度を得ることができる。また、加圧荷重は１．０〜５．０ｇ／ｍｍ^２であるのが好ましい。加圧荷重が１．０ｇ／ｍｍ^２未満であると、接合材の密着性が悪いために、乾燥、焼成後に接合材に密度差を生じてしまう可能性があり、５．０ｇ／ｍｍ^２を超えるとセラミック部材が破損してしまう可能性があるからである。

このような条件で製造された本発明のセラミックス構造体は、接合材の厚み方向に４０μｍ以上の内部欠陥が存在しない領域が、接合面の面積の総和に対して７０％以上となるため、良好な接合強度を得ることができる。この接合材の厚み方向で４０μｍ以上の内部欠陥が存在しないことは、超音波探傷装置（日本クラウトクレーマー社製、ＨＩＳ−２）を用いて超音波探傷法により測定することができ、セラミックス構造体に入射させた超音波の入力強度に対し、接合材で反射された超音波のエコー強度が１０％未満となった部分が４０μｍ以上の内部欠陥が存在しないことに該当する。

また、図１に示すセラミックス構造体１の他、図３に示すように、基板２１と、天板２２１とリブ２２２が予め一体に成形された上部材２２とを、接合材２３で接合したセラミックス構造体２も採用できる。
さらに、図４に示すように、基板３１１とリブ３１２からなる下部材３１と、天板３２１とリブ３２２からなる上部材３２とを、接合材３３で接合したセラミックス構造体３も採用でき、この形状は特に大きなリブ高さを要する場合に適している。そして、図４（ｂ）のＹ部の拡大図を図５に示すように、接合材３３の横断面形状は略きのこ状になっている。

図１〜図５に示す構造では、セラミックス構造体の剛性を高めるために、周辺部にリブを設けるとともに内部にもリブを設けちょうど田型に配置されているが、さらに複雑な構造のリブを設けてもよく、内部にリブを設けない箱型の構造体であってもよい。また、本例のような直方体形状に限られるものではなく、中空のものであれば種々の形状が採用可能である。さらに、軽量化、中空部とセラミックス構造体の外部とに跨った部品の配置、あるいは中空部に配置された部品を保持または連結等のために、上記セラミックス構造体の外壁に肉抜きを形成してもよいし、貫通孔を形成してもよい。
なお、セラミックス構造体上の積載物による荷重、あるいは周辺機器に固定する際に生じる荷重などを考慮し、その用途により基板及び天板の厚み、リブ幅が決定されるが、基板及び天板の厚みがリブ幅の５０％以上１５０％未満であるのが好ましい。

以上のようにして得られた本発明のセラミックス構造体は、半導体製造装置や液晶製造装置などの精密機器用部材として、ステージ部材、支持支柱、テーブル、ガイドレール、スライダー、計測用部材等、あるいは一般構造用部材として、その駆動源がサーボモータ、リニアモータ、超音波モータ等であるステージ、繊維用ガイド材、治具等に用いることが可能である。特に、より軽量化が求められるステージ部材やガイド部材として好適に用いることができ、このとき熱膨張係数の低いコージェライト質セラミックス材料が好適に用いられる。さらに、接合材としてセラミックス部材と実質的に同材質の接合材を用いることによって、接合部を含むセラミックス構造体全体の熱膨張係数を同一に保つことができるため、精密機器用部材として好適である。

次に、本発明のセラミックス構造体を得るための製造方法について説明する。
先ず、セラミックス部材の前駆体となる未焼成セラミックス成形体を種々の成形法を用いて成形する。特に大型の成形体を作製する場合には、静水圧プレス（コールドアイソスタティックプレス、以下ＣＩＰと記載。）成形装置により粉体を成形した後、切削加工等により所定形状とするのがより好ましい。ここで、成形体表面は切削加工等により、平面度を３次元測定器による測定値が５０〜１００μｍ、表面粗さＲａを面粗さ測定器による測定値が１．０〜２．０μｍとするのが好ましい。なお、上記面粗さ測定器で測定する際、成形体に損傷を及ぼさないためには触針の触針径は０．３ｍｍとするのがより好ましい。

次に、接合材としてのスラリーを作製する。このスラリーは、粉体とバインダーとを溶媒に投入し、万能混合機により真空脱泡しながら撹拌、混合して作製する。
そして、スラリーをセラミックス成形体の接合面に塗布し、セラミック成形体同士を接合面にて当接させた後、加圧・乾燥する。なお、スラリーの塗布は、接合する２つのセラミックス成形体の両方の接合面に塗布しても良いし、片方のセラミックス成形体の接合面に塗布してもよく、焼成による収縮率を考慮して塗布される。また、加圧荷重は、好ましくは１．０〜５．０ｇ／ｍｍ^２で設定される。また、上記乾燥は室温で１０時間以上乾燥させるのが良く、１０時間より短い乾燥時間であるとスラリー中の溶媒が蒸発しきれておらず、焼成時にそれらが急激に気化し、接合材とセラミックス成形体の収縮差により界面にクラック等の欠陥が生じるため好ましくない。
最後に、７２〜９６時間の脱脂工程を経た後、大気中または真空中にて１３００〜１７００℃の温度で４〜５時間焼成することで、本発明のセラミックス構造体を得ることができる。

ＣＩＰ成形装置により粉体を成形後、切削加工し、図４に示すセラミックス構造体３の上部材１２となるセラミックス成形体と、下部材１１となるセラミックス成形体とを各材質毎に準備した。ここで、上記セラミックス成形体の材質は、ヤング率がそれぞれ３００ＧＰａ、１３０ＧＰａ、８０ＧＰａであるアルミナ質セラミックス、コージェライト質セラミックス及びＳｉＯ_２系ガラスセラミックスの３材質とした。
次に、上記セラミックス成形体と同材質の粉体を３種類準備し、これら粉体とポリビニルアルコールとを溶媒である水に投入し、万能混合攪拌機により混合して、粘度１５〜７０Ｐａ・ｓのスラリーとした。さらに、このスラリーを真空脱泡装置より、泡がなくなるまで脱泡させた。
このスラリーを上記成形体の接合面に塗布し、セラミックス成形体の接合面同士を当接させ、加圧・５時間乾燥させた後、表１に示す熱処理条件を用いて熱処理することにより、セラミックス成形体同士を接合し、基板３１１、天板３２１とも長さ５００ｍｍ、幅５００ｍｍ、厚み３ｍｍ、リブ厚み１０ｍｍ、リブ高さ５０ｍｍとなる構造体を得た。
そして、接合部を挟んで３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍの抗折試験片を切り出し、これをＪＩＳＲ１６０１（１９９５）の４点曲げ強度法に準拠して曲げ強度を測定し、これを接合強度とした。結果を表１に示す。

表１からわかるように、本発明の範囲内であるセラミックス構造体から切り出した試験片Ｎｏ．３〜４、８〜１０、１２〜１３、１７〜２１、２５〜２９のいずれにおいても、接合材の強度は、セラミックス部材であるバルク体の強度と同等以上となっており、良好な接合状態が得られている。
一方、本発明の範囲外である構造体から切り出した試験片Ｎｏ．１、２、５〜７、１１、１４〜１６、２２〜２４、３０においては、接合強度がセラミックス部材であるバルク体よりも低下しており、荷重に対して接合材部分から破壊を起こしやすく、構造体の信頼性が低下している。

（ａ）は本発明の一実施例を示すセラミックス構造体１の斜視図、（ｂ）はそのＡ−Ａ線矢視断面図である。図１（ｂ）のＸ部の拡大図である。（ａ）は本発明の他の実施例を示すセラミックス構造体２の斜視図、（ｂ）はそのＢ−Ｂ線矢視断面図である。（ａ）は本発明の他の実施例を示すセラミックス構造体３の斜視図、（ｂ）はそのＣ−Ｃ線矢視断面図である。図４（ｂ）のＹ部の拡大図である。

符号の説明

１，２，３：セラミックス構造体
１１，２１，３１１：基板
１２，２２１，３２１：天板
２２，３２：上部材
３１：下部材
１３，２２２，３１２，３２２：リブ
１３１：接合面
１３２：側壁
１４，２３，３３：接合材

Claims

同一の材質からなるセラミックス部材の接合面同士が該セラミックス部材と実質的に同材質の接合材を介して接合されてなる中空構造のセラミックス構造体であって、
前記接合材は前記接合面に垂直な方向に０．０５〜０．５ｍｍの厚みｔを有し、中空部に面する７０％以上の接合領域において前記接合面に平行な幅方向に突出するとともに前記接合面に隣接する側壁を被覆するように形成されており、
前記接合材の接合面からの突出距離ｗと厚みｔとの比ｗ／ｔが２以上１０以下、前記接合材の接合面からの被覆距離δと厚みｔの比δ／ｔが０．５以上５以下であることを特徴とするセラミックス構造体。
前記セラミックス部材および接合材が、コージェライト、アルミナ、ジルコニア、チタニア、炭化珪素、窒化珪素、サイアロン、ＳｉＯ_２系ガラスセラミックスの群から選ばれる１つからなる請求項１に記載のセラミックス構造体。
前記セラミックス部材として、基板と、該基板と対向する天板と、該基板および天板の間に配置されたリブを含んでなり、
該リブは基板及び／又は天板の周囲に接合材を介して取り付けられて外壁を構成し、前記基板及び天板の厚みがリブの幅の５０％以上１５０％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のセラミックス構造体。