JP5882088B2 - セラミックグリーンシート製造システムおよびセラミックグリーンシート製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、セラミックグリーンテープからセラミックグリーンシートを得るシステムおよび方法に関する。
セラミックシートは、セラミックグリーンシートを焼成することにより得られる。セラミックグリーンシートを製造する方法としては、まずセラミック粒子を含むスラリーを塗工法などによりシート状に成形して長尺のセラミックグリーンテープを作製し、このセラミックグリーンテープから上下一対の金型を用いてセラミックグリーンシートを打ち抜く方法がある（例えば、特許文献１，２参照）。
セラミックグリーンシートを大量生産するには、セラミックグリーンテープを巻き出しロールから巻き取りロールに走行させながら前記の打ち抜きを連続的に行うとともに、打ち抜かれたセラミックグリーンシートを、走行するセラミックグリーンテープを利用して当該セラミックグリーンテープに形成された開口内に嵌り込んだ状態で移送することが考えられる。しかしながら、この場合には、打ち抜き加工後の梯子状のセラミックグリーンテープにおける桟部分がセラミックグリーンシートの下に潜り込んだりセラミックグリーンシートの上に重なったりすることがあり、次の工程でセラミックグリーンシートを良好に取り出せないおそれがある。特に、３００μｍ以下の厚さのセラミックグリーンシートを移送する場合、そのグリーンシートを取りだす時に上記のトラブルが発生し易くなり、焼成後のセラミックシートの歩留りや生産性への影響が大きく現れる事になる。
本発明は、このような事情に鑑み、打ち抜いたセラミックグリーンシートを良好に取り出すことができるシステムおよび方法を提供することを目的とする。
前記課題を解決するために、本発明の発明者らは鋭意研究の結果、打ち抜き加工の直後に下側の金型上でセラミックグリーンシートを吸着し、そのまま次の工程に移送することを思い付いた。しかしながら、下側の金型の表面は通常はフラットであるために、そのような金型上で吸着を行うと吸着不良がしばしば生じる結果となった。セラミックグリーンシートの厚さが薄いほどこの吸着不良の発生が顕著となり、歩留りや生産性への影響も大きくなった。本発明は、このような観点からなされたものである。
すなわち、本発明のセラミックグリーンシート製造システムは、セラミックグリーンテープからセラミックグリーンシートを打ち抜く打ち抜き装置であって、本体部上に積層された多孔質材により上面が多孔質化された下保持金型および前記下保持金型を取り囲む下切断金型で構成された下金型ユニット、ならびに前記下保持金型と対をなす上保持金型および前記上保持金型を取り囲む上切断金型で構成された上金型ユニット、を含む打ち抜き装置と、打ち抜かれた前記セラミックグリーンシートを前記下保持金型上で吸着して移送する吸着装置と、を備えた、ことを特徴とする。
また、本発明のセラミックグリーンシート製造方法は、本体部上に積層された多孔質材により上面が多孔質化された下保持金型および前記下保持金型を取り囲む下切断金型で構成された下金型ユニット、ならびに前記下保持金型と対をなす上保持金型および前記上保持金型を取り囲む上切断金型で構成された上金型ユニットを用いて、セラミックグリーンテープからセラミックグリーンシートを打ち抜く工程と、打ち抜かれた前記セラミックグリーンシートを前記下保持金型上で吸着して移送する工程と、を含む、ことを特徴とする。
本発明によれば、打ち抜いたセラミックグリーンシートを良好に取り出すことができる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明は本発明の一例に関するものであり、本発明はこれらによって限定されるものではない。
図１は、本発明の一実施形態に係るセラミックグリーンシート製造システム１の概略構成図である。このシステム１は、セラミックグリーンテープ２０を巻き出しロール２１から巻き取りロール２２に走行させながら、セラミックグリーンテープ２０からのセラミックグリーンシート２（図２（ｂ）参照）の打ち抜きを連続的に行うものである。具体的に、システム１は、打ち抜き装置３と吸着装置６を備えている。また、打ち抜き装置３は、打ち抜き時および吸着時にセラミックグリーンテープ２０の走行を一時停止するように巻き取るロール２２を回転させる駆動部（図示せず）を備えている。
セラミックグリーンテープ２０は、例えば、セラミック粒子を含むスラリーを樹脂フィルム上に塗工して乾燥させることにより得られる。セラミック粒子の材料は、特に制限されるものではないが、例えば、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化セリウム、酸化クロム等の金属酸化物；コージェライト、βスポンジューメン、チタン酸アルミニウム、チタン酸バリウム、ムライト、スピネル等の複合酸化物；炭化珪素等の金属炭化物；窒化アルミニウム、窒化ホウ素等の金属窒化物；酸化ニッケル、酸化鉄等の遷移金属酸化物；ランタンマンガネート、ランタンコバルタイト、ランタンクロマイト等のペロブスカイト構造酸化物を挙げることができ、これらから１種を選択するか、２種以上を混合して用いることができる。
特に、燃料電池の電解質膜として利用されるセラミックシートを製造する場合は、セラミック粒子の材料として、酸化イットリウム、酸化スカンジウム、酸化セリウム、酸化イッテリビウム等で安定化されたジルコニア；イットリア、サマリア、ガドリア等がドープされたセリア；ランタンガレート、およびランタンガレートのランタンまたはガリウムの一部が、ストロチウム、カルシウム、バリウム、マグネシウム、アルミニウム、インジウム、コバルト、鉄、ニッケル、銅などで置換されたランタンガレート型ペロブスカイト構造酸化物などを使用することができる。
また、燃料電池のセパレータとして利用されるセラミックシートを製造する場合は、導電性の材料が好適である。例えば、ランタンクロマイトや、ランタンクロマイトのランタンまたはクロムの一部が、ストロンチウム、カルシウム、ニッケル、コバルト、アルミニウム、マグネシウム、チタンなどで置換されたランタンクロマイトペロブスカイト構造酸化物を使用することができる。
また、電子部品用等のセラミック基板として利用されるセラミックシートを製造する場合は、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化セリウム等の金属酸化物；コージェライト、βスポンジューメン、チタン酸アルミニウム、チタン酸バリウム、ムライト、スピネル等の複合酸化物；炭化珪素等の金属炭化物；窒化アルミニウム、窒化ホウ素等の金属窒化物導電性の材料などを１種または１種以上使用することができる。
セラミック粒子の平均粒子径は、０．２μｍ以上０．８μｍ以下であることが好ましい。ここで、「平均粒子径」とは、粒度分布から求められるメジアン径、すなわち５０体積％（Ｄ50）をいう。平均粒子径が０．２μｍ未満だと、スラリーの粘度が上昇しセラミックグリーンテープの表面に斑や気泡が出来易くなり、０．８μｍを超えると、セラミックグリーンテープに粗大粒子が斑点となって現れたり、スジ模様が出易くなるからである。平均粒子径は、より好ましくは０．３０μｍ以上０．７０μｍ以下であり、さらに好ましくは０．４０μｍ以上０．６０μｍ以下である。
スラリーは、セラミック粒子の他に、溶媒、バインダー、可塑剤、分散剤などを含む。スラリーを調製する際には、上記の要素を混合した後に、濃縮脱泡することが好ましい。また、スラリーの粘度は、２５℃で１９００〜２７００ｍＰａ・ｓが好ましく、２１００〜２５００ｍＰａ・ｓがより好ましい。
打ち抜き装置３は、セラミックグリーンテープ２０からセラミックグリーンシート２（図２（ｂ）参照）を打ち抜く。セラミックグリーンシート２の形状は、特に限定されるものではなく、円形、楕円形、矩形、角が丸められた矩形、及びこれらの形状の一部が多様な形に切り取られたシートなどの何れであってもよい。
図２（ａ）および（ｂ）に示すように、打ち抜き装置３は、セラミックグリーンテープ２０を支持する下金型ユニット５と、セラミックグリーンテープ２０を押さえ込む上金型ユニット４を含む。さらに、打ち抜き装置３は、上金型ユニット４を昇降させるプレス部（図示せず）を含む。
例えばセラミックグリーンシートの形状が矩形の場合、下金型ユニット５は、打ち抜くべきセラミックグリーンシート２の形状を規定する下保持金型５１と、下保持金型５１を取り囲む平面視でロ字状の下切断金型５２で構成される。一方、上金型ユニット４は、下保持金型５１と対をなす上保持金型４１と、上保持金型４１を取り囲む平面視でロ字状の上切断金型４２で構成される。
下切断金型５２は、下保持金型５１に対してスライド可能であり、当該下切断金型５２の上面が下保持金型５１の上面５１ａと同一平面となる位置から下向きに移動できるように構成されている。すなわち、セラミックグリーンテープ２０は、図３に示すように、下保持金型５１の上面５１ａと下切断金型５２の上面とで形成される支持面上を走行する。上切断金型４２は、上保持金型４１に対してスライド可能であり、当該上切断金型４２の下面が上保持金型４１の下面と同一平面となる位置から下向きに移動できるように構成されている。すなわち、上保持金型４１の下面と上切断金型４２の下面は、セラミックグリーンテープ２０を押圧する押圧面を形成する。
上述したプレス部は、上金型ユニット４を図２（ａ）に破線で示す待機位置から実線で示す押さえ位置まで下降させる。上切断金型４２は押さえ位置からさらに下降させられ、これに応じて下切断金型５２も下降する。これにより、セラミックグリーンテープ２０からセラミックグリーンシート２が打ち抜かれる。その後、プレス部が上金型ユニット４を上昇させ、打ち抜かれたセラミックグリーンシート２がセラミックグリーンテープ２０に形成された開口２０ａ（図２（ｂ）および図３参照）に嵌り込む。
なお、下金型ユニット５および上金型ユニット４は、それぞれ複数の下保持金型５１および上保持金型４１を含んでいてもよい。この構成であれば、一度の打ち抜き加工で、複数枚のセラミックグリーンシート２を得ることができる。
上保持金型４１の下面の中央部には当該下面の周縁部を僅かに残すように窪み４１ａが形成されている。換言すれば、上保持金型４１は、上切断金型４２に沿う幅の狭い領域でのみセラミックグリーンテープ２０を押さえるように構成されている。
下保持金型５１は、本体部５４と本体部５４上に積層された多孔質材５５の二層構造を有する。本実施形態では、多孔質材５５が本体部５４のフラットな上面を全面的に覆っている。すなわち、下保持金型５１の上面５１ａの全面が多孔質材５５により多孔質化されている。
本体部５４の材質としては、例えば、超硬タングステン、ステンレス鋼、ダイス鋼、ステライト、特殊鋼、超硬合金を挙げることができる。これらの材料は、下保持金型５１の全体を金属で構成する場合にも使用可能である。
多孔質材５５は通気性がある限り特に限定されるものではなく、例えば紙を用いてもよいし、プラスチックや金属材料を用いてもよい。多孔質材５５の具体例としては、樹脂多孔質フィルムや金属粒子焼結体などがある。樹脂多孔質フィルムの材質としては、例えばポリエチレン、ポロプロピレン、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリアミド、ポリメタクリレート、ポリスチレン、スチレン−アクリロニトリル共重合体、スチレン−ブタジエン−アクリロニトリル三次元共重合体、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレンなどが挙げられる。金属粒子焼結体の材質としては、ステンレス鋼、チタン及びチタン合金、銅及び銅合金、ニッケル、低合金鋼、アルミニウムなどが挙げられる。
多孔質材５５の製造方法としては、例えば、樹脂材料では、相分離法、抽出法、化学処理法、延伸法、発泡法、融着法などの製法が良く知られている。その一例として、超高分子量ポリエチレン材料では、その微粒子を金型に充填し、加熱して微粒子の表面を融着して冷却する事により、超高分子ポリエチレン製多孔質材料が作製できる。樹脂材料からなる多孔質材５５は、接着剤や両面テープ等で本体部５４に固定する事ができる。
一方、金属材料では、粉末焼結法、繊維焼結法、発泡法、メタルインジェクションモールド法などの製法が良く知られている。その一例として、ステンレス鋼の粉末とバインダー及び気孔材を混合し、混連、成形、脱脂、焼結する事により、ステンレス製多孔質材料が作製できる。金属材料からなる多孔質材５５は、ピン、若しくはネジ等で本体部５４に固定する事ができる。
多孔質材５５の気孔率は、２０％以上７０％以下であることが好ましい。ここで、気孔率とは、見掛け体積に対する、重量から求められる実体積と見掛け体積との差の割合をいう。気孔率が２０％を下回ると、グリーンシートの吸着、移送率が１００％以下となり、気孔率が７０％を超えると、多孔質材５５の耐久性が低下するからである。多孔質材５５の気孔率は、２５％以上６０％以下がより好ましく、３０％以上５０％以下がさらに好ましい。
なお、図４に示すように、本体部５４の上面の中央部に多孔質材５５の厚さと同一の深さの窪みが形成されており、この窪みに多孔質材５５が嵌め込まれることにより、下保持金型５１の上面５１ａの中央部のみが多孔質化されていてもよい。換言すれば、下保持金型５１の上面５１ａは、多孔質材５５と本体部５４で構成されていてもよい。この多孔質化される領域は上保持金型４１の窪み４１ａよりも小さいことが好ましい。この構成であれば、セラミックグリーンシート２０におけるセラミックグリーンシート２となるべき領域が、多孔質化された部分に押し付けられることを防止でき、セラミックグリーンテープ２０に剪断力を効果的に与えることができるとともに、安定した形状のセラミックグリーンシート２を得ることができる。
吸着装置６は、打ち抜かれたセラミックグリーンシート２を下保持金型５１上で吸着し、例えば打ち抜き装置３の隣りに設置されたコンベア７に移送する。なお、コンベア７の搬送方向は、セラミックグリーンテープ２０の走行方向と平行であってもよいし直交していてもよい。また、コンベア７の代わりに別の搬送装置または加工装置が配置されていてもよい。
具体的に、吸着装置６は、下向きの水平面である吸着面６２を有する吸着ヘッド６１と、吸着ヘッド６１を水平面上でセラミックグリーンテープ２０の走行方向と直交する方向（図２（ａ）および（ｂ）では左右方向）に移動させる移動部（図示せず）と、吸着ヘッド６１を昇降させる昇降部（図示せず）と、を備える。さらに、吸着装置６は、吸着ヘッド６１の吸着面６２から図略のコンプレッサまで延びる圧力路、および圧力路における圧力を吸着時に負圧に切り替え開放時に大気圧に切り替える切り替え弁、を含む空圧回路を備える。
吸着装置６が吸着面６２に作用させる大気圧に対する負圧は、１ＫＰａ以上１００ＫＰａ以下が好ましい。負圧が１ＫＰａを下回ると、セラミックグリーンシートの吸着が十分でなく移送率が悪化し、負圧が１００ＫＰａを超えると、移送先で大気圧に戻してもセラミックグリーンシートを吸着ヘッドからスムースに切り離すことができなくなるからである。負圧は、５ＫＰａ以上５０ＫＰａ以下がより好ましく、１０ＫＰａ以上３０ＫＰａ以下がさらに好ましい。
吸着面６２には、多孔質プレートが配置される。多孔質プレートは特に限定されるものではないが、例えば樹脂多孔質フィルムや金属粒子焼結体を用いることができる。多孔質プレートの気孔率は、２０％以上７０％以下が好ましい。気孔率が２０％を下回ると、セラミックグリーンシートの吸着が１００％以下となり、気孔率が７０％を超えると、多孔質プレートの耐久性が低下するからである。多孔質プレートの気孔率は、２５％以上６０％以下がより好ましく、３０％以上５０％以下がさらに好ましい。
例えば、金属粒子焼結体を用いる場合は、金属粒子がステンレス鋼からなり、厚さが１〜１０ｍｍ、平均粒子径が０．１〜０．５μｍ、密度が４．５〜６．５ｇ／ｃｍ3のものを用いることができる。
上述した移動部は、打ち抜き装置３による打ち抜き作業（上金型ユニット４の昇降）が行われる間は、吸着ヘッド６１を図２（ａ）に示すコンベア７上の第１位置に維持する。打ち抜き装置３による打ち抜き作業が完了すると、移動部は、吸着ヘッド６１を図２（ｂ）に示す下金型ユニット５と上金型ユニット４の間の第２位置に移動する。ついで、上述した昇降部により吸着ヘッド６１が下降させられ、打ち抜かれたセラミックグリーンシート２の吸着面６２への吸着が行われる。その後、吸着ヘッド６１の上昇、第１位置への移動、吸着ヘッド６１の下降、セラミックグリーンシート２の開放が行われ、コンベア７上にセラミックグリーンシート２が載置される。打ち抜き加工後の梯子状のセラミックグリーンテープ２０（図３参照）は、巻き取りロール２２（図１参照）に巻き取られる。
なお、下保持金型５１には複数の貫通孔または流路が形成されていて、セラミックグリーンシート２が吸着ヘッド６２に吸着される際にセラミックグリーンシート２に対して下方から均一に空気が吹き付けられてもよい。
以上説明したシステム１では、下保持金型５１の上面５１ａが多孔質化されているために、下保持金型５１上でのセラミックグリーンシート２の吸着が確実に行われる。従って、打ち抜いたセラミックグリーンシート２を良好に取り出すことができる。
１ セラミックグリーンシート製造システム
２０ セラミックグリーンテープ
２ セラミックグリーンシート
３ 打ち抜き装置
４ 上金型ユニット
４１ 上保持金型
４２ 上切断金型
５ 下金型ユニット
５１ 下保持金型
５１ａ 上面
５２ 下切断金型
５４ 本体部
５５ 多孔質材
６ 吸着装置
２０ セラミックグリーンテープ
２ セラミックグリーンシート
３ 打ち抜き装置
４ 上金型ユニット
４１ 上保持金型
４２ 上切断金型
５ 下金型ユニット
５１ 下保持金型
５１ａ 上面
５２ 下切断金型
５４ 本体部
５５ 多孔質材
６ 吸着装置
Claims (7)
- セラミックグリーンテープからセラミックグリーンシートを打ち抜く打ち抜き装置であって、本体部上に積層された多孔質材により上面が多孔質化された下保持金型および前記下保持金型を取り囲む下切断金型で構成された下金型ユニット、ならびに前記下保持金型と対をなす上保持金型および前記上保持金型を取り囲む上切断金型で構成された上金型ユニット、を含む打ち抜き装置と、
打ち抜かれた前記セラミックグリーンシートを前記下保持金型上で吸着して移送する吸着装置と、
を備え、
前記吸着装置は、前記セラミックグリーンシートを吸着する吸着面を有し、前記吸着装置が前記吸着面に作用させる大気圧に対する負圧は、１ｋＰａ以上１００ｋＰａ以下であり、
前記吸着面には多孔質プレートが配置されており、前記多孔質プレートの気孔率は、２０％以上７０％以下である、
セラミックグリーンシート製造システム。 - 前記本体部の上面の中央部には窪みが形成されており、この窪み内に前記多孔質材が配置されている、請求項１に記載のセラミックグリーンシート製造システム。
- 前記上保持金型の下面の中央部に、当該下面の周縁部を残すように窪みが形成されており、
前記下保持金型において前記多孔質材が配置される領域は、前記上保持金型に形成されている前記窪みよりも小さい、
請求項２に記載のセラミックグリーンシート製造システム。 - 前記セラミックグリーンシートが３００μｍ以下の厚さを有する、
請求項１〜３のいずれか１項に記載のセラミックグリーンシート製造システム。 - 前記下保持金型における前記多孔質材の気孔率が２０％以上７０％以下である、
請求項１〜４のいずれか１項に記載のセラミックグリーンシート製造システム。 - 本体部上に積層された多孔質材により上面が多孔質化された下保持金型および前記下保持金型を取り囲む下切断金型で構成された下金型ユニット、ならびに前記下保持金型と対をなす上保持金型および前記上保持金型を取り囲む上切断金型で構成された上金型ユニットを用いて、セラミックグリーンテープからセラミックグリーンシートを打ち抜く工程と、
打ち抜かれた前記セラミックグリーンシートを前記下保持金型上で吸着して移送する工程と、
を含み、
前記セラミックグリーンシートを前記下保持金型上で吸着して移送する際に用いられる吸着装置は、前記セラミックグリーンシートを吸着する吸着面を有し、前記吸着装置が前記吸着面に作用させる大気圧に対する負圧は、１ｋＰａ以上１００ｋＰａ以下であり、
前記吸着面には多孔質プレートが配置されており、前記多孔質プレートの気孔率は、２０％以上７０％以下である、
セラミックグリーンシート製造方法。 - 前記セラミックグリーンシートが３００μｍ以下の厚さを有する、
請求項６に記載のセラミックグリーンシート製造方法。
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