JP2005271386A - 粉末プレス成形装置およびこれを用いたセラミックスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】近年、互いに相対する面に空間部を設けて、互いに相対する方向に外接して開孔され、連通孔を形成したパッケージなどが求められてきているが、ドクターブレード法や射出成形法、鋳込み成形法などによって作製する場合、量産性が粉末成形プレス装置と比較して劣り、高価になるといった課題があった。
【解決手段】セラミック原料粉末を成形するための粉末プレス成形装置において、前記粉末プレス成形装置が、ダイと上パンチと下パンチとを有した金型を備えるとともに、前記上パンチ及び下パンチに貫通孔を設けてそれぞれ上浮動パンチ及び下浮動パンチを挿入し、該上浮動パンチと下浮動パンチの先端部が近接してスライドすることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の開孔部が互いに相対する方向に外接して開孔され、連通孔を形成したセラミックスを製造する粉末プレス成形装置に関し、さらにはこれを用いたセラミックスの製造方法に関するもので、電子部品を搭載したパッケージ、気体や液体などの流路部材または継ぎ手などの分野に用いられるものである。

従来より、セラミックスを効率よく量産するためには、粉末プレス成形法、ドクターブレード法、射出成形法、鋳込み成形法などのセラミックスを成形するための一般的な方法が用いられるが、なかでも簡単な形状の製品については、粉末プレス成形法が多用されている。

粉末プレス成形法は粉末プレス成形装置を用いて、セラミック原料粉末を所望の製品形状にプレス成形する方法で、この後、成形した未焼結の成形体を所定の温度で焼結して製品を得ることができるもので、例えば電子部品を搭載する簡単なパッケージやその蓋体などの成形に用いられている。

図３に従来例の粉末プレス成形装置を用いて作製されたパッケージ５０を示す。なお、（ａ）はパッケージ５０の斜視図を示し、（ｂ）はＹ−Ｙ線での断面図を示す。

パッケージ５０は電子部品や各種の素子を搭載するための空間部５１と、該空間部５１を囲み、一方向を開孔した隔壁５２とから構成されている。

そして、パッケージ５０を効率よく製造するには、ダイと上パンチと下パンチを有した金型を備える粉末プレス成形装置を用いればよく、図４に、粉末プレス成形装置の金型にセラミック原料粉末を供給してプレス成形する工程を断面図で示す。

この粉末成形プレス装置４０は、略製品形状を有した空間部４２を持つダイ４１と、前記空間部４２に挿入してセラミック原料粉末４６を加圧するための上パンチ４３と、下パンチ４４と、この下パンチ４４に設けられた貫通孔に挿入される下浮動パンチ４７とからなる金型を備えて構成されている。そして、前記ダイ４１上面に平行にスライドしてセラミック原料粉末４６をダイ４１の空間部４２に充填するためのフィーダー４５が設けてある。

なお、図４には粉末プレス装置４０の金型部分の断面を示し、その他の部分は不図示としてある。

この粉末成形プレス装置４０を用いて、パッケージ５０を製造するには、図４（ａ）に示すように、ダイ４１に下パンチ４４の先端の一部を挿入するとともに、下パンチ４４の貫通孔に下浮動パンチ４７の一部を挿入して、下パンチ４４の先端部よりもさらに先端を突出させ、ダイ４１、下パンチ４４先端、及び下浮動パンチ４７先端とで一方向に開孔した空間部４２を形成し、該空間部４２内にセラミック原料粉末４６を充填した後、（ｂ）に示すように、上パンチ４３をダイ４１に挿入してセラミック原料粉末４６を加圧し、前記上パンチ４３を加圧完了位置まで降下させることによりセラミック成形体を得る。そして、その後、（ｃ）に示すように、下パンチ４４と下浮動パンチ４７とを上昇させて、セラミック成形体５５を粉末成形プレス装置４０の金型部分より離型し、これを焼結し、セラミックスを得ている。

このような、粉末プレス成形装置やこれを用いたセラミックスの製造方法は特許文献１に示す粉末成形装置や特許文献２に示す粉末成形方法に記載されている。

そして、このような工程を経て、図３に示すような電子部品搭載用のパッケージ５０は製作される。

さらに、このようなセラミックスを用いたパッケージについては、特許文献３などに示されるように、内部に圧電振動素子などを搭載したものが例示されている。
実開平６−５９２号公報 特開平１−２７３６９７号公報 特開２００２−３４４２７７号公報

しかしながら、近年は図３に示すようなパッケージ５０のような単純な空間部５１を有した形状に限らず、例えば、図２に示すような互いに相対する面に空間部３１ａと３２ｂとを設けて、互いに相対する方向に外接して開孔され、連通孔を形成したパッケージ３０などが求められてきている。

そして、このようなパッケージ３０を、前述の図４で示すような工程で作製することは不可能であり、例えば、ドクターブレード法を用いてセラミックグリーンシートを作製し、これに空間部３１ａと３２ｂとなる開孔を設けて積層して作製しようとしてもコストのかかるものであり、また、射出成形法により、図２に示すようなパッケージ３０を形成するセラミックスを作製する場合、このような複雑な製品形状に対応した複雑な形状の金型が必要となり高価なものになってしまうとともに、成形速度が遅いため、量産性が粉末成形プレス装置と比較して劣るといった課題があった。しかも、使用する原料には多量のバインダーが含まれているため、粉末成形プレス装置により成形したセラミック成形体と比較して脱脂に４〜５倍の時間を要し、生産性が悪いといった課題もあった。

また、鋳込み成形法においても、量産性に欠けるという課題が同様にあった。

したがって、本発明の粉末プレス成形装置は、セラミック原料粉末を成形するための粉末プレス成形装置において、ダイと上パンチと下パンチとを有した金型を備えるとともに、前記上パンチ及び下パンチに貫通孔を設けてそれぞれ上浮動パンチ及び下浮動パンチを挿入し、該上浮動パンチと下浮動パンチの先端部が近接してスライドするようにしたことを特徴とする。

さらに、前記上下浮動パンチのうち、先端面の面積の大きい方を前記ダイの空間部に挿入固定し、上記空間部へセラミック原料粉末を充填した後、他方の浮動パンチを前記空間部へ挿入するようにしたことを特徴とする。

また、前記ダイの空間部へ後から挿入される前記上浮動パンチまたは下浮動パンチと、その周囲に配置される上パンチあるいは下パンチのとの間隙が０．００５〜０．０２ｍｍであることを特徴とする。

また、前記上浮動パンチと下浮動パンチの先端部が近接してスライドする間隙が０．０１〜０．０３ｍｍであることを特徴とする。

そして、本発明のセラミックスの製造方法は、前記粉末プレス成形装置を用いて、前記ダイに下パンチの一部を挿入するとともに、上記下パンチの貫通孔に下浮動パンチの一部を挿入して先端を突出させ、ダイ、下パンチ先端、及び下浮動パンチ先端とで段を有した凹部を形成し、該凹部内にセラミック原料粉末を充填した後、前記上パンチと該上パンチの貫通孔に挿入した上浮動パンチとを前記ダイに挿入して降下させ、下浮動パンチと上浮動パンチとを近接してスライドさせた後、前記上パンチをさらに降下させてセラミック原料粉末を加圧し、前記上パンチを加圧完了位置まで降下させることによりセラミック成形体を得た後、これを焼成することを特徴とする。

本発明によれば、セラミック原料粉末を成形するための粉末プレス成形装置に、ダイと上パンチと下パンチとを有した金型を備え、前記上パンチ及び下パンチに貫通孔を設けてそれぞれ上浮動パンチ及び下浮動パンチを挿入し、該上浮動パンチと下浮動パンチの先端部が近接してスライドするようにしたことから、複数の開孔部が互いに相対する方向に外接して開孔され、連通孔を形成したセラミックスを容易に量産性よく作製することが出来る。

さらに、前記上下浮動パンチのうち、先端面の面積の大きい方を前記ダイの空間部に挿入固定し、上記空間部へセラミック原料粉末を充填した後、他方の浮動パンチを前記空間部へ挿入するようにしたことから、セラミック原料粉末が充填された空間部内で、例えば上下浮動パンチのうち先端面の面積の大きい方をスライドさせて大きく動かすことは、前記セラミック原料粉末の部分的な移動にともなって、他方の浮動パンチを変形させ寸法精度の問題が生じるからである。

また、前記ダイの空間部へ後から挿入される前記上浮動パンチまたは下浮動パンチと、その周囲に配置される上パンチあるいは下パンチのとの間隙が０．００５〜０．０２ｍｍとしたことから、この間隙が小さいことにより上パンチと上浮動パンチの摺動が悪く金型を破損することを防止でき、また、反面上記間隙が大きすぎることによる上浮動パンチと下浮動パンチの間隙の設定が困難になることを防止できる。

さらに、前記上浮動パンチと下浮動パンチの先端部が近接してスライドする間隙を０．０１〜０．０３ｍｍとすることにより、前記間隙によって生じるセラミックス内のバリの発生を防止し、さらには、間隙が小さすぎることによる上浮動パンチと下浮動パンチの先端部が互いに接触して破損することを防止できる。

さらに本発明のセラミックスの製造方法によれば、前記ダイに下パンチの一部を挿入するとともに、上記下パンチの貫通孔に下浮動パンチの一部を挿入して先端を突出させ、ダイ、下パンチ先端、及び下浮動パンチ先端とで段を有した凹部を形成し、該凹部内にセラミック原料粉末を充填した後、前記上パンチと該上パンチの貫通孔に挿入した上浮動パンチとを前記ダイに挿入して降下させ、下浮動パンチと上浮動パンチとを近接してスライドさせた後、前記上パンチをさらに降下させてセラミック原料粉末を加圧し、前記上パンチを加圧完了位置まで降下させることから、成形密度のばらつきを抑えて、高精度のセラミック成形体を得ることが出来るので、これを焼成すると精度のよいセラミックスを量産性よく作製できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

図１（ａ）〜（ｃ）に、本発明の粉末成形プレス装置にセラミック原料粉末を供給してプレス成形する工程を断面図で示す。

この粉末成形プレス装置２０の金型は、略製品形状を有した空間部２を持つダイ１と、予め空間部２に充填したセラミック原料粉末１０を加圧するための上パンチ３と、下パンチ４、さらには、これら上パンチ３と下パンチ４にそれぞれ貫通孔７，８を設けて、該貫通孔に挿入する上浮動パンチ５、下浮動パンチ６を設けてある。

そして、前記ダイ１上面に平行にスライドしてセラミック原料粉末１０をダイ１の空間部２に充填するためのフィーダー９が設けてある。

なお、図１には粉末プレス装置２０の金型部分の断面を示し、その他の部分は不図示としてあるが、前記粉末プレス装置２０の金型以外の部分は、適宜、一般的な粉末プレス成形機を用いればよく、上浮動パンチ５の駆動手段としては、エアー又は油圧式のシリンダーを用いればよい。

そして、本発明は、前記上浮動パンチ５と下浮動パンチ６の先端部が、ダイ１の空間部２内で、互いに近接してスライドすることを特徴としている。

すなわち、本発明は、前記上浮動パンチ５と下浮動パンチ６の先端部を、互いに近接してスライドするようにしたことから、本来、上浮動パンチ５と下浮動パンチ６との間にセラミック原料粉末１０によって形成される仕切り壁が形成されなくなることから、容易に安価に、セラミックス内に複数の開孔部が互いに相対する方向に外接して開孔された連通孔を形成することができるのである。

そしてこの様な成形を可能とするには、上浮動パンチ５と下浮動パンチ６のうち、各々 の先端部の面積が大きい方をダイ１の空間部２に予め挿入しておき、小さい方をセラミック原料粉末１０を充填した後、セラミック原料粉末１０中に挿入するようにすることが重要である。つまり、図１に示すような場合には、上浮動パンチ５と下浮動パンチ６の先端部の面積は上浮動パンチ５の方が下浮動パンチ６よりも小さいことから、上浮動パンチ５の方をセラミック原料粉末１０を充填した後にダイ１の空間部２へ挿入させることが肝要である。

なぜならば、セラミック原料粉末１０が充填された空間部２内で下浮動パンチ６のみをスライドさせて大きく動かすことは、前記セラミック原料粉末１０の部分的な移動が発生し、そのためにセラミック原料粉末１０の移動にともなって、上浮動パンチ５が変形したりすることで寸法精度に問題が生じるからである。

そして、このように上浮動パンチ５と下浮動パンチ６との間隙を近接させるためには、上パンチ３と上浮動パンチ５との間隙をできる限り小さくして、上浮動パンチ５がぐらつかないようにすることが重要で、この間隙は０．００５〜０．０２ｍｍとすることが好ましく、より好ましくは０．００５〜０．０１ｍｍである。

この間隙を０．００５ｍｍ未満とすると上パンチ３と上浮動パンチ５との摺動が難しくなって、金型の破損につながり、０．０２ｍｍより大きくなると上浮動パンチ５と下浮動パンチ６の間隙を設定し難くなることから注意が必要である。

そして、本発明は、前記上浮動パンチ５と下浮動パンチ６の先端部が近接してスライドする間隙が０．０１〜０．０３mmであることが好適である。

ここで、前記間隙が０．０１〜０．０３mmであるとしたのは、上浮動パンチ５と下浮動パンチ６の先端部が近接してスライドする間隙が０．０１ｍｍ未満であると、上記互いの先端部が接触して欠ける問題が起こり、０．０３ｍｍを越えるとセラミックス内の前記連通孔にバリが発生しやすくなるからで、酷い場合は連通孔を封鎖してしまうからである。

そして、本発明のセラミックスの製造方法は、前記ダイに下パンチの一部を挿入するとともに、上記下パンチの貫通孔に下浮動パンチの一部を挿入して先端を突出させ、ダイ、下パンチ先端、及び下浮動パンチ先端とで段を有した凹部を形成し、該凹部内にセラミック原料粉末を充填した後、前記上パンチと該上パンチの貫通孔に挿入した上浮動パンチとを前記ダイに挿入して降下させ、下浮動パンチと上浮動パンチとを近接してスライドさせた後、前記上パンチをさらに降下させてセラミック原料粉末を加圧し、前記上パンチを加圧完了位置まで降下させることによりセラミック成形体を得た後、これを焼結することを特徴とするものである。

ここで、本発明のセラミック粉末成形装置２０を用いたセラミックスの製造方法について説明する。

まず、図１（ａ）に示すようにダイ１と各パンチをセットし、ダイ１上面を往復運動するフィーダー９によってセラミック原料粉末１０を空間部２に充填する。

つぎに、（ｂ）に示すように、上パンチ３と上浮動パンチ５を下降させ、上浮動パンチ５と下浮動パンチ６を近接してスライドできるようにセットする。この時、上浮動パンチ５は上パンチ３の先端面より突出させて配置する。

その後、上パンチ３と上浮動パンチ５を降下させて、ダイ１の空間部２に上パンチ３を挿入させ、下浮動パンチ６も上パンチ３と上浮動パンチ５の降下とともに徐々に降下させる。

そして、上パンチ３がセラミック原料粉末１０を圧縮する加圧完了手前（下死点手前）まで来た時に、上パンチ３を加圧完了位置（下死点）まで降下させることにより成形を完了する。

このように、上浮動パンチ５と下浮動パンチ６を可動させることによりセラミック原料粉末１０を流動化させてセラミック原料粉末の詰まりを良くすることができるため、全体の成形密度を近似させことができる。

しかる後、図１（ｃ）に示すように、上パンチ３と上浮動パンチ５を上昇させるとともに、下パンチ４を上昇させることによりセラミック成形体３５を取り出すようになっている。

このように、本発明の粉末成形プレス装置２０を用いてプレス成形すれば、図２（ａ），（ｂ）に示すような形状のセラミック成形体でも成形密度のばらつきを抑え、精度の高いセラミックスを量産することができる。

そして、本発明の粉末プレス成形装置２０により成形したセラミック成形体を所望の温度で焼成することにより、図２（ａ），（ｂ）に示すセラミックスからなるパッケージ３０を破損なく製作することができる。

そして、このように作製されるセラミックスは、液体や気体の流路部材として用いることもできる。例えば、流路部材としてインクジェットプリンタヘッドに用いる場合は、インクジェットプリンタヘッド（以下、単にヘッドと称す）はインクを加圧するインク加圧室と該インク加圧室を加圧する駆動部と前記インク加圧室へインクを流入するためのインク流路と、前記駆動部によってインク加圧室を加圧してインクを吐出するノズルから構成されるので、本発明の一例を示す流路部材はインク流路として用いられ、インクタンクから流入するインクの流路とインク加圧室に供給するためのインク貯留室として用いられる。

本発明の粉末プレス成形装置を用いた流路部材をヘッドに用いると、高精度な流路部材を安価に作製することができる。

ここで、本発明における前記ダイ１、下パンチ４、下浮動パンチ６、上パンチ３、上浮動パンチ５の形状としては、本発明に示す形状のものに限定されるものではなく、セラミックスの形状や前記連通孔の位置や形状にあわせて適宜選択して用いれば良く、前記連通孔の数を増やすことや多岐にわたることなど、さらには、上パンチ３と上浮動パンチ５を一体化させることや、コアピンを付加する等、本発明の要旨を逸脱しない範囲で改良や変更したものにも適用できることは言う迄もない。

また、適用できる成形方法、プレス成形装置としては、ダイス固定式片パンチ加圧成型法、ダイス固定式両パンチ加圧成型法、下パンチ固定式フローティング・ダイ成型法等のいずれにおいても適用可能である。なお、プレス装置の種類も機械式でも油圧式でも良く、限定されない。

加えて、セラミック原料粉末の種類もアルミナ、ジルコニア、窒化アルミ、ムライト、ステアタイト、フォルステライト、窒化珪素、炭化珪素、チタン酸バリウム系誘電体材料等のセラミック原料粉末のほか、本発明ではセラミック原料粉末で説明したが、磁石用合金粉末等の各種金属材料の原料にも適用でき、範疇に含むものである。

次に、本発明の実施例を説明する。

アルミナ粉末原料に添加剤を加えてセラミック原料粉末１０を作製し、ダイ１と上パンチ３と下パンチ４とを有した金型を備えるとともに、前記上パンチ３及び下パンチ４に貫通孔を設けてそれぞれ上浮動パンチ５及び下浮動パンチ６を挿入し、該上浮動パンチ５と下浮動パンチ６の先端部が近接してスライドする粉末プレス成形装置２０を用いて成形を行った。この時、上パンチ３と上浮動パンチ５との間隙を０．００５〜０．０１ｍｍの範囲に設定し、上浮動パンチ５と下浮動パンチ６の先端部が近接してスライドする間隙を０．００５ｍｍ、０．０１ｍｍ、０．０３ｍｍ、０．０３５ｍｍと設定して成形を行った。

その結果、前記上浮動パンチ５と下浮動パンチ６の先端部が近接してスライドする間隙を０．００５ｍｍとしたものは上浮動パンチ５と下浮動パンチ６の先端部が接触して欠けが発生し、０．０３５ｍｍのものは前記間隙にバリが残り使用不可であった。

前記間隙が０．０１ｍｍと０．０３ｍｍのものはいずれも、前記上浮動パンチ５と下浮動パンチ６の先端部に欠けは発生せず、また、前記間隙にバリの発生は見られず良好であった。

そして、これら成形体を１６００℃で焼成してセラミックスを得た。そして、これらを双眼顕微鏡で観察したところ、特にクラックやバリによる突起などもなく、前記流路部材、特にインクジェットプリンターヘッド等に用いても問題なく使える状態であった。

本発明は、電子部品を搭載したパッケージや気体や液体などの流路部材または継ぎ手などの分野に利用可能である。

（ａ）〜（ｃ）は本発明の粉末成形プレス装置における成形工程を説明するための縦断面図である。 本発明の粉末成形プレス装置を用いて製造したセラミックパッケージを示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。 従来のセラミックパッケージを示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のY−Ｙ線断面図である （ａ）〜（ｃ）は従来の粉末成形プレス装置における成形工程を示す縦断面図である。

符号の説明

１，４１ ：ダイ
２，４２ ：空間部
３，４３ ：上パンチ
４，４４ ：下パンチ
５ ：上浮動パンチ
６，４７ ：下浮動パンチ
７ ：貫通孔
８ ：貫通孔
９，４５ ：フィーダー
１０，４６ ：セラミック原料粉末
２０，４０ ：粉末成形プレス装置
３０，５０ ：パッケージ
３１ａ ：空間部
３２ｂ ：空間部
３１ｃ ：空間部内面
３２ｄ ：空間部内面
３５，５５ ：セラミック成形体
５１ ：空間部
５２ ：隔壁

Claims (5)

1. セラミック原料粉末を成形するための粉末プレス成形装置において、ダイと上パンチと下パンチとを有した金型を備えるとともに、前記上パンチ及び下パンチに貫通孔を設けてそれぞれ上浮動パンチ及び下浮動パンチを挿入し、該上浮動パンチと下浮動パンチの先端部が近接してスライドするようにしたことを特徴とする粉末プレス成形装置。
2. 前記上下浮動パンチのうち、先端面の面積の大きい方を前記ダイの空間部に挿入固定し、上記空間部へセラミック原料粉末を充填した後、他方の浮動パンチを前記空間部へ挿入するようにしたことを特徴とする請求項１記載の粉末プレス成形装置。
3. 前記ダイの空間部へ後から挿入される前記上浮動パンチまたは下浮動パンチと、その周囲に配置される上パンチあるいは下パンチのとの間隙が０．００５〜０．０２ｍｍであることを特徴とする請求項２記載の粉末プレス成形装置。
4. 前記上浮動パンチと下浮動パンチの先端部が近接してスライドする間隙が０．０１〜０．０３ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の粉末プレス成形装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の粉末プレス成形装置を用いて、前記ダイに下パンチの一部を挿入するとともに、上記下パンチの貫通孔に下浮動パンチの一部を挿入して先端を突出させ、ダイ、下パンチ先端、及び下浮動パンチ先端とで段を有した凹部を形成し、該凹部内にセラミック原料粉末を充填した後、前記上パンチと該上パンチの貫通孔に挿入した上浮動パンチとを前記ダイに挿入して降下させ、下浮動パンチと上浮動パンチとを近接してスライドさせた後、前記上パンチをさらに降下させてセラミック原料粉末を加圧し、前記上パンチを加圧完了位置まで降下させることによりセラミック成形体を得た後、これを焼成することを特徴とするセラミックスの製造方法。

Images