JP5864328B2 - セラミックス接合体の製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、管状若しくは棒状の２本のセラミックス製被接合材どうしを、又は、管状若しくは棒状のセラミックス製被接合材と管状若しくは棒状の金属製被接合材とを、接合してセラミックス接合体を製造する装置に関する。

管状又は棒状の複数のセラミックス製被接合材どうしを、又は、管状若しくは棒状のセラミックス製被接合材と管状若しくは棒状の金属製被接合材とを、それらの端面において突き合わせた状態で接合させるセラミックス接合体の製造装置が種々提案されている。例えば特許文献１に記載されている装置は、非酸化雰囲気中において、２個以上のセラミックス製被接合材どうしを、互いの端面を向かい合わせ、その間にろう材を配置した状態で、高周波加熱を行うことによって端面どうしをろう付け接合するものである。この装置は、２本の被接合材を、上下方向に連ねた状態で加熱することによって接合させる。

これに対し、被接合材を水平に保持した状態で突き合わせて接合させる装置も提案されている。例えば特許文献２には、水平状態に保持されたＳｉ含有炭化珪素セラミックス製の管どうしを突き合わせ、加圧装置により適宜の圧力を加えて固定し、突き合わせ部の外周側近傍に誘導コイルを巻回し、該誘導コイルによって該突き合わせ部を加熱する装置が記載されている。また特許文献３に記載の接合装置は、それぞれの軸心を同軸として連接される複数本のセラミックエレメントの一端に配設される加圧装置と、他端に配設されるストッパー装置と、各エレメントを支持固定する芯合わせ兼用保持装置と、エレメントの接合部近傍を加熱する局所加熱用炉とを備えている。

特開２００３−３４２０８２号公報 特開平６−１７２０４９号公報 特開平８−４０７８０号公報

被接合材を上下方向に連ねた状態で接合する特許文献１に記載の装置では、被接合材の重力が突き合わせ面に集中するので、軸心が一致した状態での突き合わせ状態を維持することが容易でない。それゆえ、特に接合面積が小さい薄肉な管状又は棒状の被接合体どうしの接合は、困難である場合が多い。また、加圧時の荷重を制御すること、及び高い荷重を加えること、が容易でない。また、３本以上の被接合材を順次接合していくことが容易でない。それゆえ、製造し得る接合体の長さに限界がある。一方、被接合材を水平状態に保持して突き合わせる特許文献２及び３の装置では、加熱によって、被接合材における被加熱部位が下方に撓みやすく、そのことに起因して、被接合材の軸心にずれが生じやすい。また、被接合材の端面間にろう材等の接合材を介在させた場合、この接合材が加熱によって溶融して下方に垂れやすく、被接合材の端面間における接合材の分布が不均一になることがある。

したがって本発明の課題は、前述した従来技術が有する欠点を解消し得るセラミックス接合体の製造装置を提供することにある。

本発明は、管状若しくは棒状の２本のセラミックス製被接合材を、又は、管状若しくは棒状のセラミックス製被接合材と管状若しくは棒状の金属製被接合材とを、それらの端面において突き合わせた状態で加圧加熱下に接合させるセラミックス接合体の製造装置において、
前記製造装置は、各被接合材の端部をそれらの側面において把持可能な把持部を有し、かつ該把持部が向き合うように配置された一対の把持手段と、
前記把持手段の間に配置され、突き合わされた状態の前記端面どうしの接合部及びその近傍の局所加熱が可能な加熱手段と、
前記把持手段と前記加熱手段との間に配置された、前記被接合材を保持するための保持手段と、
前記把持手段のうちの少なくとも一方を押圧して、突き合わされた状態の前記端面を加圧することが可能な加圧手段とを備え、
前記把持手段のうちの一方は、その背面側に、該把持手段の開口部内に挿入された前記被接合材が、該把持手段の背面側に突き出ることを規制するための閉塞部材を備え、
前記把持手段のうちの他方は、前記把持部を備えた本体部を有し、該本体部に、該被接合材の挿入が可能であり、且つ該被接合材の長手方向に沿って貫通した開口部が形成されており、
前記把持手段のうちの他方は、前記本体部が、基盤部の上面に固定されているとともに、該基盤部が、該基盤部の下側に配置された下部基盤部に対して摺動自在に取り付けられており、
前記把持手段のうちの他方に、前記加圧手段が、前記下部基盤部の上面で且つ該把持手段における背面側の位置に取り付けられており、該加圧手段を作動させることで、前記本体部及び前記基盤部が、該下部基盤部上を摺動自在に移動できるようになっており、
一対の前記把持手段はそれぞれ、各被接合材を、その水平状態下に、該被接合材どうしの軸心を一致させて前記端面どうしが突き合わされるように把持可能になっていると共に、前記端面どうしが突き合わされた状態における各被接合材を、それらの軸周りに同方向にかつ同速で同期して回転させることが可能な回転部を有している、セラミックス接合体の製造装置を提供するものである。

本発明のセラミックス接合体の製造装置によれば、被接合材どうしの軸心にずれが生じにくく、かつ接合部位の強度を高くし得るセラミックス接合体を得ることができる。

図１は、本発明のセラミックス接合体の製造装置の一実施形態を示す斜視図である。 図２は、図１に示す製造装置の側面図である。 図３は、図１に示す製造装置の加熱手段を、把持部が向き合う方向に沿って切断した断面図である。 図４は、図１に示す加熱手段を、図３のIV−IV線で切断した断面図である。 図５は、図１に示すセラミックス接合体の製造装置によって、セラミックス接合体を製造する工程を順次示す模式図である。 図６は、管状の２本の被接合材における突き合い状態とならない端部から該被接合材の内部への非酸化性ガスの供給が可能なガス供給手段を示す断面図である。 図７は、管状の２本の被接合材に流通する非酸化性ガスを外部に排出するためのガス排出管を示す断面図である。 図８は、図１に示す製造装置を用い、３本以上の被接合材を接合する状態を示す斜視図である。 図９は、図８に示す状態の側面図である。

以下本発明を、その好ましい実施形態に基づき図面を参照しながら説明する。図１及び図２に示すとおり、本実施形態のセラミックス接合体の製造装置１は、管状若しくは棒状の２本のセラミックス製被接合材１０Ａ，１０Ｂどうしを、それらの端面において突き合わせた状態で接合させるものである。被接合材１０Ａ，１０Ｂは横断面が同形である２本の管であるか、又は横断面が同形である２本の棒である。場合によっては、被接合材１０Ａ，１０Ｂは横断面が異形である２本の管であるか、又は、横断面が異形である２本の棒であってもよい。更に場合によっては、被接合材１０Ａ，１０Ｂのうちの一方が管であり、他方が該管の横断面の外形と同形又は異形の棒であってもよい。これらの管や棒の横断面形状に特に制限はなく、目的とするセラミックス接合体の具体的な用途に応じて適宜選択することができ、例えば円形や楕円形であり得る。また四角形、五角形、六角形等の多角形でもあり得る。被接合材１０Ａ，１０Ｂは、例えば、同材質のセラミックスから構成されている。又は、２本の被接合材１０Ａ，１０Ｂは、異材質のセラミックスから構成されていてもよい。或いは、２本の被接合材１０Ａ，１０Ｂのうちの一方がセラミックスから構成されており、他方が金属から構成されていてもよい。一方の被接合材が金属から構成される場合、該金属としては、ステンレス鋼、アルミニウム合金、チタン合金、銅合金、鉄系合金、非鉄系合金等を用いることができる。本明細書においてセラミックス接合体とは、２本のセラミックス製被接合材が接合されてなるものであってもよいし、一方がセラミックス製で他方が金属製である２本の被接合材が接合されてなるものであってもよい。

装置１を構成する各部材は、支持台座２上に配置されている。図１及び図２、支持台座２は、Ｘで示す方向に延びている。支持台座２上には、Ｘ方向に延びる２本のレール部２１，２１が設けられている。

支持台座２上には、一対の把持手段３Ａ，３Ｂが配置されている。一対の把持手段３Ａ，３Ｂ間には加熱手段（加熱炉）４が配置されている。把持手段３Ｂと加熱手段４との間には、被接合材１０Ｂを保持するための保持手段５Ａが配置されている。以下、これらの手段についてそれぞれ説明する。

図１及び図２に示すように、把持手段３Ａ，３Ｂは、被接合材１０Ａ，１０Ｂをそれらの側面において片持ちで把持可能な把持部としてのチャック部３１が、直方体の箱状の本体部３０内に配置されたものからなる。把持手段３Ａ，３Ｂは、チャック部３１が向き合うように、支持台座２上に対向配置されている。また把持手段３Ａ，３Ｂは、水平面内の一方向、具体的にはＸ方向に摺動可能な状態で支持台座２上に配置されている。

把持手段３Ａ，３Ｂにおけるチャック部３１は、互いに１２０度離間して把持中心位置から放射状に配置された３つの爪部から構成されている。この把持中心位置には、被接合材１０Ａ，１０Ｂの挿入が可能な開口部（図示せず）が形成されている。開口部は、把持手段３Ａ，３ＢをＸ方向にわたり貫通している。各爪部は開閉自在になっており、各爪部が開いた状態においては、該開口部が露出し、該開口部に被接合材１０Ａ，１０Ｂが挿入可能となる。そして、被接合材１０Ａ，１０Ｂを開口部に挿入した状態で各爪部を閉じることで、被接合材１０Ａ，１０Ｂは、その側面において各爪部によって把持される。把持手段３Ａ，３Ｂのうち、把持手段３Ｂには、その背面側に、開口部の閉塞部材３５を備えている。この閉塞部材３５は、把持手段３Ｂの開口部内に挿入された被接合材１０Ｂが、把持手段３Ｂの背面側に突き出ることを規制するためのものである。後述するように、製造装置１において、閉塞部材３５は、把持手段３Ｂに把持された被接合材１０Ｂの突き合い状態とならない側の端部が突き当たる突き当て部材となっている。なお、把持手段３Ａ，３Ｂに関し、「前面」とは、加熱手段４の側を向く面のことであり、「背面」とは、前面と反対側の面のことである。

把持手段３Ａ，３Ｂは、チャック部３１によって把持した状態の被接合材１０Ａ，１０Ｂを、その軸周りに回転させる回転部（図示せず）を有している。回転部は、例えばサーボモータから構成することができる。各把持手段３Ａ，３Ｂに取り付けられたサーボモータは、制御部（図示せず）と電気的に接続されており、該制御部から発せられた信号によって同方向にかつ同速で同期して一方向に回転するようになっている。それによって、各把持手段３Ａ，３Ｂによって把持されている被接合材１０Ａ，１０Ｂは、それらの軸周りに、同方向にかつ同速で同期して一方向に回転する。

把持手段３Ｂにおいては、本体部３０は、板状の基盤部３２の上面に固定されている。把持手段３Ａにおいても、本体部３０は、板状の基盤部３２の上面に固定されている。更に把持手段３Ａにおいては、基盤部３２の下側に板状の下部基盤部３３が配置されている。基盤部３２は、下部基盤部３３に対してＸ方向に摺動自在に取り付けられている。下部基盤部３３の上面にはエアシリンダ６が取り付けられている。エアシリンダ６は、把持手段３Ａにおける背面側の位置に取り付けられている。エアシリンダ６のピストン（図示せず）は、その先端が、把持手段３Ａにおける本体部３０の背面側に接続されている。エアシリンダ６は、それに接続されているコンプレッサー（図示せず）によって作動する。エアシリンダ６を作動させることで、本体部３０及び基盤部３２が、下部基盤部３３上を、Ｘ方向に沿って摺動自在に移動できるようになっている。エアシリンダ６は、突き合わされた状態の被接合材１０Ａ，１０Ｂにおける端面に加わる圧力を制御するために用いられる。把持手段３Ａ，３Ｂに把持された被接合材１０Ａ，１０Ｂの端面が突き合わされた状態において、エアシリンダ６によって該端面に加わる圧力は、把持手段３Ｂに取り付けられた閉塞部材３５のＸ方向に垂直な前面に受け止められ、その反力が、把持手段３Ａに取り付けられたロードセル（図示せず）によって検出される。

把持手段３Ａは、下部基盤部３３の下面の位置に、上方に窪んだ凹状部を有する２本のレール嵌合部３４，３４を備えている。一方、把持手段３Ｂは、基盤部３２の下面の位置に、上方に窪んだ凹状部を有する２本のレール嵌合部３４，３４を備えている。これらのレール嵌合部３４は、支持台座２に設けられたレール部２１，２１と嵌合し、かつ該レール部２１，２１に沿って摺動自在になっている。

各把持手段３Ａ，３Ｂは、支持台座２に取り付けられている摺動手段７Ａ，７Ｂによって、該支持台座２上をＸ方向に沿って摺動できるようになっている。摺動手段７Ａ，７Ｂは、把持手段３Ａ，３Ｂをそれぞれ独立して、又は両把持手段３Ａ，３Ｂを同期して摺動させることができるようになっている。摺動手段７Ａ，７Ｂは、支持台座２内に配置されたボールネジ７１ａ，７１ｂを有している。ボールネジ７１ａ，７１ｂは、Ｘ方向に延びるように配置されている。各ボールネジ７１ａ，７１ｂにおける両端部のうち、把持手段３Ａ，３Ｂ側の端部には、タイミングプーリ７２ａ，７２ｂが取り付けられている。タイミングプーリ７２ａ，７２ｂは、タイミングベルト７３ａ，７３ｂを介してタイミングプーリ７４ａ，７４ｂと接続されている。タイミングプーリ７４ａ，７４ｂは、サーボモータ７５ａ，７５ｂの回転軸に取り付けられている。サーボモータ７５ａ，７５ｂが回転することで、タイミングプーリ７４ａ，７４ｂが回転し、その回転力はタイミングベルト７３ａ，７３ｂを介してタイミングプーリ７２ａ，７２ｂに伝達される。それによって、タイミングプーリ７２ａ，７２ｂと接続しているボールネジ７１ａ，７１ｂがそれらの軸周りに回転するようになっている。

ボールネジ７１ａ，７１ｂは、ボールネジナット７６ａ，７６ｂと螺合している。ボールネジナット７６ａは、把持手段３Ａにおける下部基盤部３３の下面に設けられている。一方、ボールネジナット７６ｂは、把持手段３Ｂにおける基盤部３２の下面に設けられている。上述した機構によって、ボールネジ７１ａ，７１ｂがそれらの軸周りに回転することで、ボールネジナット７６ａ，７６ｂがボールネジ７１ａ，７１ｂの延びる方向に沿って摺動する。その結果、ボールネジナット７６ａ，７６ｂが取り付けられている各把持手段３Ａ，３Ｂが、Ｘ方向に沿って摺動する。２つのサーボモータ７５ａ，７５ｂの回転方向及び回転数を同期させることで、把持手段３Ａ，３Ｂを同方向に、かつ同速度で移動させることができる。一方、２つのサーボモータ７５ａ，７５ｂの回転方向及び／又は回転数を別個に制御することで、把持手段３Ａ，３Ｂをそれぞれ独立して移動させることができる。

これまで説明してきた把持手段３Ａ，３Ｂに加えて、製造装置１は更に、被接合材１０Ｂの保持可能な保持手段５Ａを備えている。保持手段５Ａは、支持台座２の近傍からＸ方向と直交する水平方向（図１中のＹ方向）に延設されたレール部５１と、レール部５１上を摺動可能な板状の摺動部５２と、摺動部５２に固設されたアーム部５３と、アーム部５３に昇降可能に支持された上側保持部５４ａ及び下側保持部５４ｂからなる。上側保持部５４ａはその下面の位置に、上方に向けて凹陥している凹状部を有する。一方、下側保持部５４ｂはその上面の位置に、下方に向けて凹陥している凹状部を有する。そして両保持部５４ａ，５４ｂが当接した状態においては、各保持部５４ａ，５４ｂに設けられた凹状部によって、Ｘ方向に延びる貫通孔が形成される。この貫通孔に被接合材１０Ｂを貫通させて、被接合材１０Ｂを保持する。貫通孔の大きさは、それに保持される被接合材１０Ｂの回転が妨げられないような大きさとする。

製造装置１における加熱手段４は、支持台座２上に据え付けられている。加熱手段４の詳細は図３及び図４に示すとおりである。図３に示すように、加熱炉４は、天蓋４０を有する本体部４ａと、本体部４ａのＸ方向両側に位置し、本体部４ａと一体に形成された一対の側部チャンバー部４ｂとを有している。

本体部４ａは、外壁部４１と、内側円筒壁部４２と、端壁部４３とを有している。外壁部４１は、Ｘ方向に軸心を有する略円筒状の側壁部４１ａと、該側壁部４１ａのＸ方向端部を覆いＸ方向に垂直な端壁部４１ｂとを有し、バレル状に形成されている。内側円筒壁部４２は、外壁部４１の略円筒状の側壁部４１ａの内側に設けられ、該側壁部４１ａと同一軸心を有する。端壁部４３は、内側円筒壁部４２の両端部を覆う垂直な部位である。

内側円筒壁部４２及び端壁部４３と、外壁部４１との間は、冷却水が流通可能な空間となっており、水冷ジャケットを構成している。外壁部の側壁部４１ａは、後述する３本の電極４４をそれぞれ取り囲むように立設された３本の筒状体４ｃを有している。３本の筒状体４ｃは、１２０度間隔で配置されている。３本の筒状体４ｃのうち、下向きの一本の筒状体４ｃには、冷却水流入口４５ａが設けられている。一方、冷却水排出口４５ｂは、外壁部４１の上端部に設けられている。

側部チャンバー部４ｂは、把持部３Ａ，３Ｂの対向方向における本体部４ａの両端側に位置している。側部チャンバー部４ｂは、本体部４ａの外壁部における両端壁４１ｂから、Ｘ方向両外側に向けて突設された略円筒状をしている。側部チャンバー部４ｂは、外壁部４１の側壁部４１ａ及び内側円筒壁部４２と同一軸心を有している。本体部４ａの端壁部４３及び外壁部４１の端壁４１ｂには、被接合材１０Ａ，１０Ｂが挿通可能な貫通孔が設けられており、これが本実施形態における第１開口部４ｄとなっている。図３に示すように、端壁部４３及び端壁４１ｂにおける第１開口部４ｄは略円形であり、その径は、被接合材１０Ａ，１０Ｂの横断面の径よりも大きい。これによって、端面どうしが突き合わされた状態の被接合材１０Ａ，１０Ｂが第１開口部４ｄに挿入された場合においても挿入されていない場合においても、側部チャンバー部４ｂ内の空間と、内側円筒壁部４２及び端壁部４３に囲まれた空間とが第１開口部４ｄを介して連通している。本実施形態においては、この内側円筒壁部４２及び端壁部４３に囲まれた空間が、本体部４ａの内部空間となっている。この空間には、発熱体４６が配置されている。

図１及び図３に示すように、側部チャンバー部４ｂ内には、被接合材１０Ａ，１０Ｂが加熱手段４内に導入された状態において、加熱手段４の内部空間と外部とを隔てるための隔離部材４７が配置されている。本実施形態においては、隔離部材４７が配置された側部チャンバー部４ｂのＸ方向外側端部が、被接合材１０Ａ，１０Ｂの挿入抜去が可能な第２開口部４ｅを構成している。第２開口部４ｅは、蓋部４ｆ，４ｆによって略気密に閉塞可能になっている。端面どうしが突き合わされた状態の被接合材１０Ａ，１０Ｂが第２開口部４ｅに挿入された場合においても、挿入されていない場合においても、蓋部４ｆ，４ｆが開いた状態において、側部チャンバー部４ｂ内の空間と外界とは第２開口部４ｅを介して連通する。以上のとおりの構成によって、加熱手段には、第１開口部４ｄ及び第２開口部４ｅを含む貫通孔が、Ｘ方向に沿って形成される。この貫通孔は、突き合わされた状態の２本の被接合材１０Ａ，１０Ｂの挿入抜去が可能なものである。

内側円筒壁部４２及び端壁部４３の内側には、カーボンファイバーからなる断熱材４８が配設されている。図３中、断熱材４８の位置は、斜線部（右下を向く斜線の斜線部及び右上を向く斜線の斜線部の両方）によって表されている。同図及び図４に示すように、断熱材４８は、内側円筒壁部４２及び端壁部４３における内面の略全体に沿って配設されている。前述した冷却水が流通可能な空間は、内側円筒壁部４２及び端壁部４３の外面の略全体を覆うように配されている。

内側円筒壁部４２の内側には、複数本の発熱体４６が、Ｘ方向に延びるように配置されている。発熱体４６は支持体（図示せず）によって、内側円筒壁部４２の内部空間内に配置されている。図４に示すように、本実施形態においては６本の発熱体４６が、被接合材１０Ａ，１０Ｂの挿入部分を中心位置とした同一円周上に配置されている。前述したように、本体部４ａは、その周面部に突出する３本の筒状体４ｃにそれぞれ囲まれた３本の電極４４を備えており、これらの電極４４が、発熱体４６を外部電源（図示せず）と電気的に接続している。

図４に示すように、本体部４ａにおいては、非酸化性ガスの供給口４９ａが設けられている。供給口４９ａは、加熱時に最も高熱となるＸ方向の中心部に位置している。供給口４９ａは、本体部４ａの外周面に突起し、かつ内側円筒壁部４２内部と連通する筒状体４９ｂの側壁に設けられている。この筒状体４９ｂは、本体部４ａの内部を観察するためののぞき窓としての役割も果たす。この供給口４９ａ及び筒状体４９ｂが、本体部４ａの内部空間とガス源（図示せず）とを連通するガス供給路を構成している。本体部４ａの内部に供給された非酸化性ガスは、第１開口部４ｄ及び第２開口部４ｅを通じて外部へ放出される。

加熱手段４には、供給口４９ａに加えて、別の非酸化性ガスの供給口も設けられている。詳細には、図３に示すとおり、各側部チャンバー部４ｂに、非酸化性ガスの供給口４９ｃ，４９ｄが設けられている。また側部チャンバー部４ｂには、供給口４９ｃ，４９ｄと１８０度対向する位置に、非酸化性ガスの排出口４９ｅ，４９ｆが設けられている。これらの供給口４９ｃ，４９ｄも非酸化性ガスのガス源に接続されている。供給口４９ｃ，４９ｄから供給された非酸化性ガスは、主として排出口４９ｅ，４９ｆを通じて外部に排出される。

更に加熱手段４には、両被接合材１０Ａ，１０Ｂの突き合わせ部の加熱温度を計測する熱電対８１が取り付けられている。熱電対８１は、その先端部が加熱時に最も高熱となる本体部４ａの内部空間内のＸ方向の中心部近傍に位置するように取り付けられている。この熱電対８１とは別に、加熱手段４には放射温度計８２も取り付けられている。放射温度計８２は、発熱体４６の発熱に起因する熱放射によって生じた赤外線等の強度を測定して、加熱手段４の内部温度を計測するようになっている。熱電対８１及び放射温度計８２によって計測された温度は制御部（図示せず）に送られて、発熱体４６の発熱の程度がコントロールされる。これらとは別に、加熱手段４には内側円筒壁部４２の温度を計測する熱電対８３も取り付けられている。熱電対８３は、その先端部が内側円筒壁部４２に接するように取り付けられている。以上の各種の測温手段とは別に、加熱手段４は、内側円筒壁部４２の内部と連通し、真空ポンプ（図示せず）と接続される真空排気口（図示せず）を有している。

以上の構成を有する製造装置１を用い、被接合材１０Ａ，１０Ｂを接合してセラミックス接合体を製造する方法を図５（ａ）ないし（ｅ）を参照しながら説明する。

被接合材１０Ａ，１０Ｂの接合に先立ち、加熱手段４における内部空間に存在する空気を非酸化性ガスによって置換する。この理由は、被接合材１０Ａ，１０Ｂの加熱中に雰囲気に酸素が存在すると、セラミックスの種類によっては、意図せず酸素との反応が生じてしまうことがあるので、それを防止するためである。置換の手順は次のとおりである。加熱手段４において、側部チャンバー部４ｂの第２開口部４ｅを蓋部４ｆで気密に閉塞する。また、供給口４９ｃ，４９ｄ及び排出口４９ｅ，４９ｆも気密に閉塞しておく。次に前述の真空排気口を通じ、本体部４ａの内部空間及び側部チャンバー部４ｂの内部空間を真空排気する。所定の真空度まで排気できたら、ガス供給口４９ａを通じて本体部４ａの内部空間に非酸化性ガスを供給する。また供給口４９ｃ，４９ｄを通じて非酸化性ガスを側部チャンバー部４ｂの内部空間に供給する。内部空間の圧力が高まり大気圧を超えたら、蓋部４ｆ及び排出口４９ｅ，４９ｆの気密状態を解除して、非酸化性ガスの排出を行う。本体部４ａ及び側部チャンバー部４ｂの内部空間の圧力は大気圧を超えているので、すなわち正圧になっているので、非酸化性ガスの供給を継続することで、これら内部空間に空気（酸素）が流入することが阻止される。特に、側部チャンバー部４ｂの内部空間に非酸化性ガスを供給し、排出させることで、空気（酸素）が流入しやすい部位である加熱手段４のＸ方向両端部において、空気（酸素）の流入が効果的に防止される。非酸化性ガスの供給は、被接合材１０Ａ，１０Ｂの接合が完了するまで継続する。非酸化性ガスとしては、例えば不活性な酸素非含有ガスである窒素ガスやアルゴンガス等を用いることができる。

加熱手段４における内部空間に存在する空気を非酸化性ガスによって置換する操作とは別に、図５（ａ）に示すとおり、被接合材１０Ａを把持手段３Ａによって把持する一方、被接合材１０Ｂを把持手段３Ｂによって把持する。これによって、被接合材１０Ａ，１０Ｂは、その水平状態下に、該被接合材１０Ａ，１０Ｂどうしの軸心が一致した状態となる。被接合材１０Ａ，１０Ｂが例えば丸管や丸棒などの形状である場合、その外径は５〜６０ｍｍ、特に１０〜４５ｍｍ、とりわけ１０〜３０ｍｍであることが、両被接合材１０Ａ，１０Ｂの確実な接合の点から好ましい。また、被接合材１０Ａ，１０Ｂが例えば丸管や丸棒などの形状である場合、その長さの上限値が例えば２０００ｍｍという長尺物であっても接合を行うことができる。長さの下限値については、短いほど容易に接合を行えるが、被接合材側面を加熱炉４の外で把持できて、被接合材の突き合わせ部を加熱炉４のＸ方向中央で加熱できる長さであれば、接合を行うことができる。例えば、加熱炉４のＸ方向長さを短くすることで、被接合材の長さの下限値を、好ましくは３００ｍｍに設定することができる。

各把持手段３Ａ，３Ｂは、それらを独立して摺動させることが可能な摺動手段７Ａ，７Ｂによって、互いに近接可能になっている。本実施形態においては、把持手段３Ａを把持手段３Ｂ側に摺動させ、それによって、被接合材１０Ａを加熱手段４内に挿入し、該加熱手段４内を貫通させる。更に、加熱手段４内を貫通した被接合材１０Ａの端面と、被接合材１０Ｂの端面とを突き合わせる。両被接合材１０Ａ，１０Ｂが突き合わされたら、エアシリンダ６（図１及び図２参照）を作動させて、両被接合材１０Ａ，１０Ｂの突き合わせ部である端面に所定の圧力を加える。加える圧力は、被接合材１０Ａ，１０Ｂの材質や、長さ及び太さ等に応じ、上限２００ｋｇｆまでの範囲で調整することが好ましい。突き合わせに際しては、被接合材１０Ａ，１０Ｂに材質に応じ、両被接合材１０Ａ，１０Ｂの端面間に、ろう材等の各種の接合材１１を介在させてもよい。被接合材１０Ａ，１０Ｂとしては、例えば窒化珪素、炭化珪素及びアルミナ製のものを用いることができるが、これらに限られない。

次に、両被接合材１０Ａ，１０Ｂの端面どうしを突き合わせた状態を維持しつつ、把持手段３Ａ，３Ｂを、同方向に向けて、かつ同速度で同期させて支持台座２上で摺動させる。これによって、図５（ｃ）に示すように、両被接合材１０Ａ，１０Ｂの突き合わせ部を加熱手段４内に配置する。引き続き、把持手段３Ａ，３Ｂの回転部を作動させて、被接合材１０Ａ，１０Ｂを図５（ｃ）に示すとおり、その軸周りに同方向及び同速度で同期して回転させる。回転速度は高速であることを要せず、例えば０．５〜１０ｒｐｍであることが好ましく、０．７〜７ｒｐｍであることが更に好ましい。

被接合材１０Ａ，１０Ｂの回転と共に、図５（ｄ）に示すとおり、電極４４を介して発熱体４６に通電を行うことによって、被接合材１０Ａ，１０Ｂの突き合わせ部及びその近傍を局所的に加熱する。例えば、被接合材の長さが前述した長さである場合、突き合わせ部から左右に２５０ｍｍ以下、特に１５０ｍｍ以下の範囲にわたって加熱することが、２つの被接合材を確実に接合しうる点から好ましい。更に、加熱手段４において、冷却水が流通可能な空間に冷却水を流通させる。突き合わせ部の加熱温度は、被接合材１０Ａ，１０Ｂの材質に応じて適切な温度を設定すればよい。加熱時間についても同様である。

所定温度下において所定時間にわたった加熱を行い被接合材１０Ａ，１０Ｂどうしが接合されたら、加熱を停止する。しかし、被接合材１０Ａ，１０Ｂの回転は、加熱停止後も継続する。また非酸化性ガスの供給も継続する。加熱手段４が室温まで冷却されたら、被接合材１０Ａ，１０Ｂの回転及び非酸化性ガスの供給を停止する。このようにして、目的とするセラミックス接合体１２が得られる。次いで図５（ｅ）に示すとおり、把持手段３Ｂによる把持を解除するとともに、把持手段３Ａを把持手段３Ｂから離間する方向に摺動させて、セラミックス接合体１２を加熱手段４内から外部へ送り出す。

以上のとおり、本実施形態におけるセラミックス接合体の製造装置１は、把持手段３Ａ，３Ｂが、被接合材１０Ａ，１０Ｂを、その水平状態下に、両者の軸心を一致させて把持可能であると共に、端面どうしが突き合わされた状態における各被接合材を、加熱手段（加熱炉４）による加熱中及び加熱後に、同方向にかつ同速で同期して回転可能である。この回転によって、被接合材１０Ａ，１０Ｂの端面どうしの接合部である突き合わせ部を均一に加熱できることに加え、加熱中における高温下での被接合材の重力による下方への垂れが抑制され、被接合材１０Ａ，１０Ｂの軸心の位置がずれることを効果的に防止することができる。これらに加え、被接合材１０Ａ，１０Ｂの突き合わせ部に接合材１１を介在させて接合を行う場合には、加熱によって溶融した該接合材１１が垂れ落ちることを抑えることができる。更に、加圧手段であるエアシリンダ６が突き合わされた端面を加圧した状態で接合が行われるので、得られるセラミックス接合体に接合不良が生じにくくなり、しかも短時間で接合を完了することができる。

更に、製造装置１は、摺動手段７Ａ，７Ｂが、被接合材１０Ａ，１０Ｂを側面において把持する把持手段３Ａ，３Ｂをそれぞれ独立して、又は両把持手段３Ａ，３Ｂを同期して摺動させるとともに、摺動手段７Ａ，７Ｂは、加圧手段６と、該加圧手段６が押圧する把持手段３Ａとを一体に摺動させる。それゆえ、把持手段３Ａの加熱手段４に対するＸ方向位置、及び把持手段３Ｂの加熱手段４に対するＸ方向位置を任意に制御でき、それによって、把持手段３Ａ，３Ｂ間の間隔に関わらずに、被接合材１０Ａ，１０Ｂの端面どうしの突き合わせ、及び該端面の加圧を行うことができる。また、被接合材１０Ａ，１０Ｂの長さに関わらず、被接合材１０Ａ，１０Ｂの接合を容易に行うことができる。

被接合材１０Ａ，１０Ｂが管状である場合、製造装置１は、一方の把持手段が更に、以下に説明するガス供給手段を備えることにより、一層効果的に被接合材１０Ａ，１０Ｂと酸素との反応を防止することが可能である。
図６は、把持手段３ＢのＸ方向に沿う断面図である。図６に示すように、一対の把持手段３Ａ，３Ｂのうち把持手段３Ｂは、該把持手段に把持された被接合材１０Ｂにおける、突き合い状態とならない側の端部１０ｂから、被接合材１０Ａ，１０Ｂの内部への非酸化性ガスの供給が可能なガス供給手段を有している。具体的には、ガス供給手段は、上述した突き当て部材（閉塞部材）３５に形成されてＸ方向に貫通する貫通孔３５ａからなる。貫通孔３５ａは、突き当て部材３５に固設されて非酸化性ガスのガス源（図示せず）と接続したガス供給管９１と連通している。なお、図６に示す例においては、突き当て部材３５は、その加熱炉４側の端面からＸ方向に突出する円筒状突起部３５ｂを有しており、該円筒状突起部３５ｂは、その内部が貫通孔３５ａの一部を構成している。被接合材１０Ｂの端部１０ｂが突き当て部材３５に突き当てられた状態において、該円筒状突起部３５ｂは被接合材１０Ｂの内部に挿入され、ガス供給管９１から供給された非酸化性ガスを被接合材１０Ｂの内部に案内可能となっている。ここで、円筒状突起部３５ｂを、突き当て部材３５の一部とする代わりに、突き当て部材３５に固設された別部材としてもよい。また円筒状突起部３５ｂを設ける代わりに、ガス供給管９１と連通して貫通孔３５ａ内を通るガス管を配置し、該ガス管によって非酸化性ガスを被接合材１０Ａ，１０Ｂの内部に供給してもよい。

更に、製造装置１は、管状の２本の被接合材１０Ａ，１０Ｂに供給された非酸化性ガスを外部に排出するために、図７に示すようなガス排出管９２を備えていてもよい。図７に示す例では、ガス排出管９２は、ガス供給手段を備えていない把持手段３Ａの背面側に配置されている。ガス排出管９２は、把持手段３Ａが把持する被接合材１０Ａにおける、突き合い状態とならない端部１０ａに、挿入抜去可能に配置されている。ガス排出管９２はＸ方向に延びており、アーム状の支持部材９３に固設されている。図示しないが、支持部材９３はＸ方向に摺動可能に配置されており、図７に示すように、支持部材９３が加熱炉４側に摺動して被接合材１０Ａの端部１０ａに当接すると、ガス排出管９２が被接合材１０Ａの端部１０ａに挿入され、支持部材９３が加熱炉４とは反対側に摺動して被接合材１０Ａから離間すると、ガス排出管９２が被接合材１０Ａの端部１０ａから抜去される。被接合材１０Ａ，１０Ｂ内の非酸化性ガスは、ガス排出管９２及び該ガス排出管９２と連続するガス管９５を介して外部へ排出される。支持部材９３は、その加熱炉４側の面に、ガス排出管９２の外周面を囲む円筒状の断熱材９４が固設されている。断熱材９４は、外径が被接合材１０Ａ，１０Ｂの内径よりも小さくなっており、ガス排出管９２と共に被接合材１０Ａ内に挿入可能に構成されている。

上述したガス供給手段及びガス排出管を備えた製造装置１により管状の２本の被接合材を接合する場合のセラミックス接合体の製造方法は、以下の点以外は、上述した製造方法と同様である。
被接合材１０Ａ，１０Ｂの端面どうしを突き合わせ、加圧手段６により被接合材１０Ａ，１０Ｂの端面を加圧し、その状態において、貫通孔３５ａを通じて非酸化性ガスを被接合材１０Ａ，１０Ｂ内部に供給すると共に、ガス排出管９２を被接合材１０Ａの端部１０ａに挿入する。被接合材１０Ａ，１０Ｂ内の気体は、ガス排出管９２から排出される。この流通状態を所定時間続けることにより、被接合材１０Ａ，１０Ｂ内の空気が非酸化性ガスで押し出されて、被接合材１０Ａ，１０Ｂ内部の空気が非酸化性ガスに置換される。ガス置換後も非酸化性ガスを流通し続けることにより空気（酸素）が被接合材１０Ａ，１０Ｂ内部に流入することが効果的に防止される。このガス流通状態において、被接合材１０Ａ，１０Ｂを回転させ、加熱手段４によって２本の被接合材１０Ａ，１０Ｂの突き合わせ部を加熱する。加熱手段４が室温まで冷却されたら、被接合材１０Ａ，１０Ｂ内部への非酸化性ガスの供給を停止し、ガス排出管９２を被接合材１０Ａから抜去する。被接合材１０Ａ，１０Ｂ内部に供給する非酸化性ガスは、加熱炉４における前記の各内部空間に流通させる非酸化性ガスと同じものを用いることができるが、異なっていてもよい。
なお、製造装置１がガス供給手段を備えていても、該ガス供給手段を使用せずに該製造装置１を運転することで、２本の被接合材１０Ａ，１０Ｂがいずれも棒状の場合であっても、セラミックス接合体を製造することができる。

以上の説明は、２本の被接合材１０Ａ，１０Ｂを接合してセラミックス接合体１２を得ることに関するものであったところ、本発明の装置を用いれば、３本以上の被接合材の接合も可能である。詳細には、先に説明した図５（ｅ）に示す状態において、把持手段３Ｂに新たな被接合材１０Ｃを把持させる。そして、被接合材１０Ｃの端面と、該端面に対向するセラミックス接合体１２の端面とを突き合わせる。必要に応じ、突き合わせ部には接合材１１を介在させる。この状態は、先に説明した図５（ｂ）に示す状態と同じである。その後は図５（ｃ）ないし（ｅ）に示す工程を行い、３本の被接合材１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃが接合したセラミックス接合体が得られる。この操作を繰り返すことで、所望の本数の被接合材を接合させることができる。なお、３本以上の被接合材を接合する場合には、２本の被接合材１０Ａ，１０Ｂの接合が完了した時点でも加熱手段４内への被酸化性ガスの供給を停止せずに、供給を継続しておくことが好ましい。こうすることで、新たな突き合わせ及び接合に際して再度の真空排気を行う必要がなくなり、効率的に突き合わせ及び加熱を行うことができる。

図８及び図９には、３本の被接合材が接合されてなるセラミックス接合体１２Ａに、新たな被接合材１０Ｄを接合する実施形態が示されている。この実施形態においては、セラミックス接合体１２Ａを、保持手段５Ｂ，５Ｃによって保持した状態下に、該セラミックス接合体１２Ａ及び被接合材１０Ｄの回転及び加熱を行う。保持手段５Ｂ，５Ｃの構成は、先に説明した保持手段５Ａの構成と同様である。保持手段５Ｂ，５Ｃは、セラミックス接合体１２Ａと被接合材１０Ｄとの端面どうしを突き合わせるとき、及びそれらの端面を加熱しているときに、セラミックス接合体１２Ａを保持している。尤もその保持は、セラミックス接合体１２Ａの回転を規制しない程度の緩やかなものである。

本実施形態の製造装置１によって得られたセラミックス接合体は、例えばヒーターチューブや熱電対用保護管、ロータリーキルン用炉芯管、ローラーハースキルン用ローラー等の焼成炉部材や、内張り材、ライナー、撹拌羽根材の軸芯材、鋼板の搬送用ローラー等の耐摩耗性機械装置部材、薬品やスラリー等搬送用パイプ部材等の多くの用途に有用である。

以上、本発明をその好ましい実施形態に基づき説明したが、本発明は前記実施形態に制限されない。例えば加圧手段であるエアシリンダ６を把持手段３Ａの背面側に設けることに代えて、把持手段３Ｂの背面側に設けてもよい。或いは、両把持手段３Ａ，３Ｂの背面側に設けてもよい。また、加圧手段として、エアシリンダ６の代わりに、ボールねじとサーボモータとの組み合わせ等を用いてもよい。

また本実施形態における加熱手段４は、支持台座２上に据え置かれているものであるが、これに代えて、移動可能な加熱手段を採用してもよい。例えば特許文献２の図４に記載されているとおり、上下に分割可能な上部加熱炉と下部加熱炉からなり、これらの加熱炉が上下に昇降可能なアーム型に保持されている加熱炉を用いてもよい。

１ セラミックス接合体の製造装置
２ 支持台座
３Ａ，３Ｂ 把持部材
３１ 把持部（チャック部）
３５ａ 貫通孔（ガス供給手段）
４ 加熱手段（加熱炉）
４ａ 本体部
４ｂ 側部チャンバー部
４３ 端壁部
４１ｂ 本体部の外壁部の端壁
４ｄ 第１開口部
４ｅ 第２開口部
５Ａ〜５Ｃ 保持手段
６ 加圧手段（エアシリンダ）
７Ａ，７Ｂ 摺動手段
１０Ａ，１０Ｂ 被接合材
１２ セラミックス接合体

Claims (7)

1. 管状若しくは棒状の２本のセラミックス製被接合材を、又は、管状若しくは棒状のセラミックス製被接合材と管状若しくは棒状の金属製被接合材とを、それらの端面において突き合わせた状態で加圧加熱下に接合させるセラミックス接合体の製造装置において、
   前記製造装置は、各被接合材の端部をそれらの側面において把持可能な把持部を有し、かつ該把持部が向き合うように配置された一対の把持手段と、
   前記把持手段の間に配置され、突き合わされた状態の前記端面どうしの接合部及びその近傍の局所加熱が可能な加熱手段と、
   前記把持手段と前記加熱手段との間に配置された、前記被接合材を保持するための保持手段と、
   前記把持手段のうちの少なくとも一方を押圧して、突き合わされた状態の前記端面を加圧することが可能な加圧手段とを備え、
   前記把持手段のうちの一方は、その背面側に、該把持手段の開口部内に挿入された前記被接合材が、該把持手段の背面側に突き出ることを規制するための閉塞部材を備え、
   前記把持手段のうちの他方は、前記把持部を備えた本体部を有し、該本体部に、該被接合材の挿入が可能であり、且つ該被接合材の長手方向に沿って貫通した開口部が形成されており、
   前記把持手段のうちの他方は、前記本体部が、基盤部の上面に固定されているとともに、該基盤部が、該基盤部の下側に配置された下部基盤部に対して摺動自在に取り付けられており、
   前記把持手段のうちの他方に、前記加圧手段が、前記下部基盤部の上面で且つ該把持手段における背面側の位置に取り付けられており、該加圧手段を作動させることで、前記本体部及び前記基盤部が、該下部基盤部上を摺動自在に移動できるようになっており、
   一対の前記把持手段はそれぞれ、各被接合材を、その水平状態下に、該被接合材どうしの軸心を一致させて前記端面どうしが突き合わされるように把持可能になっていると共に、前記端面どうしが突き合わされた状態における各被接合材を、それらの軸周りに同方向にかつ同速で同期して回転させることが可能な回転部を有している、セラミックス接合体の製造装置。
2. 前記加熱手段は、突き合わされた状態の２本の前記被接合材の挿入抜去が可能な貫通孔と、該貫通孔と連通しかつ非酸化性ガス源に接続する非酸化性ガスの供給路とを、該加熱手段の内部に備えている、請求項１に記載の製造装置。
3. 前記加熱手段は、発熱体が設置された内部空間が形成された本体部と、前記把持部の対向方向における該本体部の両端側に位置し、かつ該本体部と一体に形成された一対の側部チャンバー部とを有し、
   前記本体部の前記内部空間と前記側部チャンバー部の内部空間とは、該本体部における前記対向方向と垂直な両端壁に開口した第１開口部を介して連通しており、
   前記側部チャンバー部においては、前記本体部と反対側の端部に第２開口部が開口しており、
   前記端面どうしが突き合わされた状態における各被接合材は、第１開口部及び第２開口部を介して前記本体部内に挿入抜去が可能となっている請求項２に記載の製造装置。
4. 前記側部チャンバー部は、その内部空間と連通する被酸化性ガスの供給口と、該非酸化性ガスの排出口とを備えている請求項３に記載の製造装置。
5. 前記把持手段は、水平面内の一方向に摺動可能な状態で支持台座上に配置されており、
   前記支持台座は、各把持手段をそれぞれ独立して、又は両把持手段を同期して摺動させる摺動手段を備えており、
   前記摺動手段は、前記加圧手段と、該加圧手段が押圧する前記把持手段とを一体に摺動させる、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の製造装置。
6. 管状の２本の前記被接合材を接合するために用いられ、
   一対の前記把持手段のうち一方の把持手段は、該把持手段に把持された管状の前記被接合材の２の端部のうち、突き合い状態とならない側の端部から、該被接合材の内部への非酸化性ガスの供給が可能なガス供給手段を有し、
   ２本の管状の前記被接合材が突き合わされた状態において、それらの被接合材の内部を前記非酸化性ガスが流通するようになっている、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の製造装置。
7. 窒化珪素、炭化珪素又はアルミナ製の被接合材の接合に用いられる請求項１ないし６のいずれか一項に記載の製造装置。
   

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