JP2006112762A - 焼成炉 - Google Patents

Abstract

【課題】 炉内の焼成雰囲気を安定化させることができる焼成炉を提供する。
【解決手段】 焼成炉１は、セラミック電子部品２を焼成するための焼成空間Ｓを形成する炉体３を備えている。炉体３内には、焼成空間Ｓを加熱するための複数本の直線棒状の焼成用ヒーター７が設けられている。各焼成用ヒーター７は、焼成空間Ｓから隔離するように保護配管８内に収容されている。炉体３には、各保護配管８内に充填用ガスを導入するためのガス流路１０と、充填用ガスを炉体３外に排出するためのガス流路１２とが設けられている。充填用ガスは、セラミック電子部品２の焼成時に焼成空間Ｓに存在するガス及び焼成用ヒーター７に対して非反応性を有するガスである。ガス導入口１１には外部配管１４が接続され、ガス排出口１３には外部配管１５が接続されている。充填用ガスは、外部配管１４及びガス流路１０を通って各保護配管８内に供給される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、セラミック電子部品等を焼成する焼成炉に関するものである。

従来の焼成炉としては、例えば特許文献１に記載されているように、浸食的成分の多い雰囲気から焼成用ヒーターを保護する等といった理由から、ヒーター用保護チューブを設けたものが知られている。
特開平５−３２２１３５号公報

しかしながら、上記従来技術のように焼成用ヒーターを保護チューブ内に配置しただけでは、万が一保護チューブが破損した場合に、炉内の焼成雰囲気が著しく変化するおそれがある。この場合には、焼成雰囲気条件が変わってしまうので、焼成後の製品の特性が劣化するという問題が生じる。

本発明の目的は、炉内の焼成雰囲気を安定化させることができる焼成炉を提供することである。

本発明の焼成炉は、被焼成物を焼成するための焼成空間を形成する炉体と、炉体内に設けられた焼成用ヒーターと、炉体内に設けられ、焼成用ヒーターを焼成空間から隔離するように収容するヒーター収容部と、ヒーター収容部の内部に、焼成空間に存在するガス及び焼成用ヒーターに対して非反応性を有する充填用ガスを導入するガス供給手段とを備えることを特徴とするものである。なお、「焼成空間に存在するガス及び焼成用ヒーターに対して非反応性を有する充填用ガス」とは、焼成空間に存在するガス及び焼成用ヒーターと反応しにくい充填用ガスをいう。

このような焼成炉において、被焼成物を炉体内（焼成空間）に配置して焼成する場合には、焼成雰囲気ガスを焼成空間に導入すると共に、ガス供給手段により充填用ガスをヒーター収容部の内部に導入する。充填用ガスは焼成用ヒーターに対して非反応性を有するので、焼成用ヒーターが充填用ガスと反応して劣化することは殆ど無い。このような充填用ガスをヒーター収容部内に導入することにより、ヒーター収容部に万が一破損が生じても、焼成空間に存在する焼成雰囲気ガスを含むガスと焼成用ヒーターとの反応が起こりにくくなる。また、ヒーター収容部内の充填用ガスは、焼成空間に存在するガスに対しても非反応性を有するので、当該ガスと反応することも殆ど無い。これにより、炉内の焼成雰囲気は、著しく変化すること無く安定化するようになる。さらに、焼成空間に存在するガスによる焼成用ヒーターの劣化が抑えられるため、焼成用ヒーターの長寿命化を図ることができる。

好ましくは、ヒーター収容部の内部圧力が焼成空間の圧力と同等となるようにガス供給手段を制御する圧力制御手段を更に備える。これにより、焼成空間の圧力に変動が生じても、ヒーター収容部の内部圧力は焼成空間の圧力と同等となるように自動制御される。このため、ヒーター収容部に万が一破損が発生しても、ヒーター収容部内と焼成空間との間におけるガスの流出・流入が殆ど生じないので、焼成空間に存在するガスと焼成用ヒーターとの反応が一層起こりにくくなる。従って、炉内の焼成雰囲気を更に安定化させることができる。

また、好ましくは、ガス供給手段は、ヒーター収容部と繋がるように炉体に形成され、充填用ガスをヒーター収容部の内部に導入するためのガス流路を有する。焼成時には、炉体自体も焼成用ヒーターの熱によって加熱される。従って、炉体に形成されたガス流路を充填用ガスが通ることで、充填用ガスは、炉体によって暖められた状態でヒーター収容部の内部に導入されることになる。これにより、焼成用ヒーターの発熱効率が向上する。

さらに、好ましくは、焼成用ヒーターは棒状を有し、ヒーター収容部は、焼成用ヒーターが挿入される配管である。これにより、棒状の焼成用ヒーターを使用する場合でも、焼成用ヒーターを配管（ヒーター収容部）により十分に保護しつつ、炉内の焼成雰囲気を確実に安定化させることができる。

このとき、焼成用ヒーターは、直線状をなしていると共に、炉体を貫通するように配管内に配置されていることが好ましい。このような構成では、焼成用ヒーターを交換する場合には、炉外から焼成用ヒーターを配管内に抜き差しすれば良い。これにより、焼成用ヒーターの交換を容易に行うことができる。

また、焼成用ヒーターは、ジグザグ状に形成されたヒーター本体部を有し、ヒーター収容部は、ヒーター本体部を収容する構成であっても良い。これにより、ジグザグ状に形成されたヒーター本体部を有する焼成用ヒーターを使用する場合でも、焼成用ヒーターをヒーター収容部により十分に保護しつつ、炉内の焼成雰囲気を確実に安定化させることができる。

本発明によれば、焼成炉の焼成空間に存在するガス及び焼成用ヒーターに対して非反応性を有する充填用ガスをヒーター収容部の内部に導入することで、炉内の焼成雰囲気を安定化させることができる。これにより、焼成雰囲気条件の変動が抑えられるため、特性の良好な製品を得ることが可能となる。

以下、本発明に係わる焼成炉の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係わる焼成炉の第１実施形態を示す構成図である。図２は図１のII−II線断面図であり、図３は図２のIII−III線断面図である。各図において、本実施形態の焼成炉１は、例えばバリスタ素子の素体となるセラミック電子部品２の焼成に使用されるトンネル状の炉である。

焼成炉１は、炉体３を備えている。炉体３は、側炉壁３ａ，３ｂ、上炉壁３ｃ及び下炉壁３ｄからなり、セラミック電子部品２を焼成するための焼成空間Ｓを内部に形成する。焼成空間Ｓには、焼成すべきセラミック電子部品２を複数収容する焼成用さや４を搬送するためのレール５が配置されている。焼成用さや４は、台板６に載置された状態でレール５上を例えば連続的に搬送される。

炉体３内には、焼成空間Ｓを加熱するための複数本の焼成用ヒーター７が設けられている。焼成用ヒーター７は、直線棒状の電気ヒーターである。これらの焼成用ヒーター７は、炉体３の長手方向（焼成用さや４の搬送方向）に上下２本ずつ所定の間隔で配置されている。上下の焼成用ヒーター７は、レール５上に焼成用さや４が載置された時に焼成用さや４を挟むような部位に配置されている。焼成用ヒーター７は、ＳｉＣまたは二珪化モリブデンで形成されている。

このような各焼成用ヒーター７は、焼成空間Ｓに露出しないように保護配管８内に収容されている。つまり、各焼成用ヒーター７は、各保護配管８により焼成空間Ｓから隔離されている。各保護配管８は、焼成空間Ｓを通って炉体３の幅方向に延在するように側炉壁３ａ，３ｂを貫通している。そして、各保護配管８内に、焼成用ヒーター７が配置されている。各焼成用ヒーター７は、図４に示すように保護配管８内に挿入された状態で、クリップ９（図１参照）で側炉壁３ａ，３ｂに固定されている。これにより、保護配管８内の焼成用ヒーター７がずれ動くことを防止できると共に、保護配管８内を密閉状態にすることが可能となる。保護配管８は、アルミナやムライト等のセラミック、モリブデンやタングステン等の金属で形成されている。

側炉壁３ａには、各保護配管８内に充填用ガスを導入するためのガス流路１０が設けられている。ガス流路１０は、各保護配管８と繋がっていると共に、上炉壁３ｃに設けられたガス導入口１１まで側炉壁３ａの内部を延在している。側炉壁３ｂには、充填用ガスを炉体３外に排出するためのガス流路１２が設けられている。ガス流路１２は、各保護配管８と繋がっていると共に、上炉壁３ｃに設けられたガス排出口１３まで側炉壁３ｂの内部を延在している。

充填用ガスは、各保護配管８内に充填されるガスであり、セラミック電子部品２の焼成時に焼成空間Ｓに存在するガス及び焼成用ヒーター７に対して非反応性を有するガスである。セラミック電子部品２の焼成時に焼成空間Ｓに存在するガスには、焼成空間Ｓに導入される焼成雰囲気ガスと、焼成されるセラミック電子部品２から発生するガスとがある。ここでは、焼成空間Ｓの焼成雰囲気は還元雰囲気とされ、焼成雰囲気ガスとしては、還元雰囲気を形成するガス（例えばＮ_２とＨ_２との混合ガス）が使用される。また、充填用ガスとしては、Ｈ_２濃度が焼成雰囲気ガスよりも低く、且つ露点が焼成雰囲気ガスよりも高いガス（例えばＮ_２ガス、Ａｒガス、Ｎ_２とＨ_２との混合ガス）が使用される。

ガス流路１０，１２は、図示の通り、側炉壁３ａ，３ｂの内側（焼成空間Ｓ側）に形成されているのが望ましい。なお、ガス流路１０，１２は、側炉壁３ａ，３ｂに組み込まれた配管であっても良いし、側炉壁３ａ，３ｂに形成された単なる穴であっても良い。

ガス導入口１１には外部配管１４が接続され、ガス排出口１３には外部配管１５が接続されている。充填用ガスは、外部配管１４内に打ち込まれ、ガス流路１０を通って各保護配管８内に供給され、更にガス流路１２を通って外部配管１５から排気される。外部配管１５の途中には、排気バルブ１６が設けられている。この排気バルブ１６は、例えば流量調整弁である。

また、焼成炉１は、各保護配管８内の圧力を検出する圧力センサ１７と、焼成空間Ｓの圧力（炉内圧力）を検出する圧力センサ１８と、コントローラ１９とを備えている。圧力センサ１７は、外部配管１４内または外部配管１５内の圧力を測定することにより、各保護配管８内の圧力を検出する。圧力センサ１８は、焼成空間Ｓと連通された外部配管（図示せず）内の圧力を測定することにより、炉内圧力を検出する。コントローラ１９は、圧力センサ１７，１８の検出値に基づいて、各保護配管８内の圧力と炉内圧力とが同等になるように排気バルブ１６の開度を制御する。

ここで、ガス流路１０，１２、外部配管１４，１５及び排気バルブ１６は、ヒーター収容部８の内部に、焼成空間Ｓに存在するガス及び焼成用ヒーター７に対して非反応性を有する充填用ガスを導入するガス供給手段を構成している。圧力センサ１７，１８及びコントローラ１９は、ヒーター収容部８の内部圧力が焼成空間Ｓの圧力と同等となるようにガス供給手段を制御する圧力制御手段を構成している。

以上のような焼成炉１により複数個のセラミック電子部品２を焼成する場合は、まずセラミック電子部品２を焼成用さや４内に収容し、焼成用さや４を台板６上に載置する。そして、焼成用さや４を炉体３内（焼成空間Ｓ）に送り込む。このとき、炉体３内には、例えばＨ_２濃度が５％程度、露点が−４０〜−３０℃である焼成雰囲気ガスが流れている。この時の炉体３内の温度は例えば１３２０℃程度、炉内圧力は例えば１５０Ｐａ程度となっている。また、各保護配管８内には、例えばＨ_２濃度が１％以下、露点が正である充填用ガスが満たされている。この時の各保護配管８内の圧力は、炉内圧力と等しくなるように自動制御されるため、例えば１５０Ｐａ程度となる。

このとき、充填用ガスは、炉体３の側炉壁３ａに形成されたガス流路１０を通って各保護配管８内に導入されるが、炉体３内の温度は焼成用ヒーター７によって高温状態に維持されているため、側炉壁３ａも熱くなっている。このため、ガス流路１０を通過する充填用ガスは、側炉壁３ａの熱によって例えば３００〜１０００℃まで暖められた状態で、各保護配管８内に送られる。従って、充填用ガスが焼成用ヒーター７を冷やして焼成用ヒーター７の発熱を妨げることは無い。これにより、焼成用ヒーター７の発熱効率が高くなる。

そのような状態で、焼成用さや４内に収容された複数個のセラミック電子部品２が還元焼成され、バリスタ素子としてのセラミック焼結体が得られる。

ところで、焼成用ヒーター７を収容する保護配管８内に充填用ガスを導入しない場合には、保護配管８が万が一割れたり破損したときに、焼成用ヒーター７が焼成雰囲気にさらされることになる。焼成用ヒーター７がＳｉＣで形成されている場合、炉体３内のＨ_２濃度が３％以上になり、焼成温度が１３００℃以上になると、焼成用ヒーター７におけるＳｉＣ中のＳｉ成分がベーパーし、図５に示すように焼成用ヒーター７がやせ細る現象が発生する。この場合には、焼成用ヒーター７の寿命が１年もたなくなる可能性がある。また、Ｈ_２濃度が上がると、更にＳｉ成分のベーパーが促進されるため、焼成用ヒーター７の寿命が極端に短くなる。焼成用ヒーター７が二珪化モリブデンで形成されている場合でも、Ｈ_２ガスによって焼成用ヒーター７の変形やひび割れ等が発生しやすくなる。さらに、炉体３内の露点が−４０〜−３０℃とドライな環境となっているので、焼成用ヒーター７の寿命がより短くなる。

このように焼成用ヒーター７が劣化すると、炉体３内の温度が正規の焼成温度よりも下がるので、炉体３内の焼成雰囲気が著しく変化してしまう。このため、セラミック電子部品２が十分に還元焼成されなくなり、その結果として得られる製品（バリスタ素子）が不良品になってしまう可能性がある。また、焼成用ヒーター７の寿命が短くなるため、焼成用ヒーター７の交換を頻繁に行う必要がある。この場合には、バリスタ素子の生産を停止せざるを得ないため、生産効率が低下する。

これに対し本実施形態では、炉体３内のガス及び焼成用ヒーター７に対して非反応性を有する充填用ガスを各保護配管８内に導入するようにしたので、炉体３内の焼成雰囲気が著しく変化することが防止される。即ち、焼成用ヒーター７は保護配管８内に充填された充填用ガスとは殆ど反応しないため、充填用ガスによる焼成用ヒーター７の劣化は発生しにくい。また、保護配管８が万が一割れたり破損した場合でも、充填用ガスは炉体３内のガスと反応しにくく、しかも各保護配管８の内部圧力は炉内圧力とほぼ等しくなっており、各保護配管８内と焼成空間Ｓとの間でのガスの流出・流入は少ない。このため、炉体３内のガス中に含まれるＨ_２成分と焼成用ヒーター７との反応は殆ど起こらないので、炉体３内のガス（特にＨ_２ガス）による焼成用ヒーター７の劣化も発生しにくい。従って、炉体３内の焼成雰囲気が著しく変化すること無く安定化するようになる。これにより、セラミック電子部品２の焼成不良が低減され、特性の良い製品を得ることができる。

また、上記のように炉体３内のガス中に含まれるＨ_２成分と焼成用ヒーター７との反応が殆ど起こらないことに加え、露点が正というウェットな充填用ガスを使用しているので、焼成用ヒーター７が十分に保護される。これにより、焼成用ヒーター７の長寿命化を図ることができる。従って、焼成用ヒーター７を頻繁に交換しなくて済むため、バリスタ素子の生産効率を向上させることができる。

さらに、直線棒状の焼成用ヒーター７を保護配管８と共に炉体３の側炉壁３ａ，３ｂに貫通させる構成としたので、焼成用ヒーター７を交換する必要が生じた場合には、クリップ９を外して古い焼成用ヒーター７を保護配管８内から抜き出した後、新しい焼成用ヒーター７を保護配管８内に挿入し、クリップ９で焼成用ヒーター７を留めるだけで良い。これにより、焼成用ヒーター７の交換を簡単に行うことができる。

図６は、本発明に係わる焼成炉の第２実施形態を示す構成図である。図７は図６のVII−VII線断面図であり、図８は図７のVIII−VIII線断面図であり、図９は図７のIX−IX線断面図である。図中、第１実施形態と同一または同等の部材には同じ符号を付し、その説明を省略する。

各図において、本実施形態の焼成炉２０は、第１実施形態における焼成用ヒーター７に代えて、複数の焼成用ヒーター２１を備えている。焼成用ヒーター２１は、図８及び図１０に示すように、ジグザグ状に形成されたヒーター本体部２２と、このヒーター本体部２２の両端に接続された通電部２３とからなる電気ヒーターである。焼成用ヒーター２１は、二珪化モリブデンまたはＳｉＣで形成されている。

各焼成用ヒーター２１のヒーター本体部２２は、焼成炉２０の焼成空間Ｓから隔離するように保護ケース２４内に収容されている。焼成空間Ｓには、炉体３の長手方向に延在する２枚のヒータープレート２５が上下に配置されている。そして、保護ケース２４は、各ヒータープレート２５上に載置されている。保護ケース２４は、アルミナ、ＳｉＣ、ムライト等で形成されている。なお、焼成空間Ｓの下側に位置する保護ケース２４は、レール５の直下に配置されている。

保護ケース２４は、複数（ここでは３つ）の収容部２４ａを有している。そして、各焼成用ヒーター２１は、ヒーター本体部２２を保護ケース２４の各収容部２４ａに収容した状態で、通電部２３が炉体３の側炉壁３ｂを貫通するように配置されている。なお、保護ケース２４は、１つの焼成用ヒーター２１のヒーター本体部２２のみを収容するものであっても良い。

また、側炉壁３ａ及び上炉壁３ｃには、充填用ガスを各保護ケース２４内に導入するためのガス流路２６が設けられている。ガス流路２６は、各保護ケース２４と繋がっていると共に、上炉壁３ｃに設けられたガス導入口２７まで側炉壁３ａ及び上炉壁３ｃの内部を延在している。側炉壁３ｂには、充填用ガスを炉体３外に排出するためのガス流路２８が設けられている。ガス流路２８は、各保護ケース２４と繋がっていると共に、側炉壁３ｂに設けられたガス排出口２９まで側炉壁３ｂの内部を延在している。なお、ガス流路２６，２８は、第１実施形態におけるガス流路１０，１２と同様に、配管でも単なる穴でも良い。ガス導入口２７には外部配管１４が接続され、ガス排出口２９には外部配管１５が接続されている。

このような本実施形態においては、各保護ケース２４内に充填用ガスを導入するようにしたので、第１の実施形態と同様に、保護ケース２４が万が一割れたりした場合でも、炉体３内の焼成雰囲気が著しく変化することが防止されるため、セラミック電子部品２の焼成不良を低減することができる。また、焼成用ヒーター２１の寿命が長くなるので、焼成用ヒーター７の頻繁な交換が不要となる。

図１１は、本発明に係わる焼成炉の第２実施形態の変形例を示す構成図であり、図１２は図１１のXII−XII線断面図である。

各図において、本実施形態の焼成炉２０Ａは、第２実施形態における複数の保護ケース２４の代えて、上下２つのヒーター室３０を備えたものである。各ヒーター室３０は、複数の焼成用ヒーター２１を焼成炉２０Ａの焼成空間Ｓから隔離するように収容するためのものである。焼成空間Ｓの上側に位置するヒーター室３０は、上炉壁３ｃ、ヒータープレート２５及び端壁３１によって形成され、焼成空間Ｓの下側に位置するヒーター室３０は、レール５、ヒータープレート２５及び端壁３１によって形成されている。各ヒーター室３０内には、充填用ガスが導入される。その他の構成は、第２実施形態と同様である。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、炉体３内を還元雰囲気としたが、セラミック電子部品の材料等によっては、炉体３内を大気雰囲気や不活性雰囲気等としても良い。

また、上記実施形態の焼成炉は、バリスタ素子を焼成するものであるが、本発明は、特にバリスタ素子に限られず、誘電体素子、圧電素子等を焼成するものにも適用できることは言うまでもない。

本発明に係わる焼成炉の第１実施形態を示す構成図である。 図１のII−II線断面図である。 図２のIII−III線断面図である。 図１に示す焼成用ヒーター、保護配管及びガス流路を概略的に示す斜視図である。 図１に示す焼成用ヒーターが劣化していく状態を示す図である。 本発明に係わる焼成炉の第２実施形態を示す構成図である。 図６のVII−VII線断面図である。 図７のVIII−VIII線断面図である。 図７のIX−IX線断面図である。 図６に示す焼成用ヒーター及び保護ケースを概略的に示す斜視図である。 本発明に係わる焼成炉の第２実施形態の変形例を示す構成図である。 図１１のXII−XII線断面図である。

符号の説明

１…焼成炉、２…セラミック電子部品（被焼成物）、３…炉体、７…焼成用ヒーター、８…保護配管（ヒーター収容部）、１０，１２…ガス流路（ガス供給手段）、１４，１５…外部配管（ガス供給手段）、１６…排気バルブ（ガス供給手段）、１７，１８…圧力センサ（圧力制御手段）、１９…コントローラ（圧力制御手段）、２０，２０Ａ…焼成炉、２１…焼成用ヒーター、２２…ヒーター本体部、２４…保護ケース（ヒーター収容部）、２６，２８…ガス流路（ガス供給手段）、３０…ヒーター室（ヒーター収容部）、Ｓ…焼成空間。

Claims (6)

1. 被焼成物を焼成するための焼成空間を形成する炉体と、
   前記炉体内に設けられた焼成用ヒーターと、
   前記炉体内に設けられ、前記焼成用ヒーターを前記焼成空間から隔離するように収容するヒーター収容部と、
   前記ヒーター収容部の内部に、前記焼成空間に存在するガス及び前記焼成用ヒーターに対して非反応性を有する充填用ガスを導入するガス供給手段とを備えることを特徴とする焼成炉。
2. 前記ヒーター収容部の内部圧力が前記焼成空間の圧力と同等となるように前記ガス供給手段を制御する圧力制御手段を更に備えることを特徴とする請求項１記載の焼成炉。
3. 前記ガス供給手段は、前記ヒーター収容部と繋がるように前記炉体に形成され、前記充填用ガスを前記ヒーター収容部の内部に導入するためのガス流路を有することを特徴とする請求項１または２記載の焼成炉。
4. 前記焼成用ヒーターは棒状を有し、
   前記ヒーター収容部は、前記焼成用ヒーターが挿入される配管であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の焼成炉。
5. 前記焼成用ヒーターは、直線状をなしていると共に、前記炉体を貫通するように前記配管内に配置されていることを特徴とする請求項４記載の焼成炉。
6. 前記焼成用ヒーターは、ジグザグ状に形成されたヒーター本体部を有し、
   前記ヒーター収容部は、前記ヒーター本体部を収容することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の焼成炉。
   
   
   
   
   
   
   
   

Images