JP6253918B2 - 曲面部を備えるセラミックスプレートの製造方法及び製造装置 - Google Patents
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Description
本発明は、曲面部を備えるセラミックスプレートの製造方法及び製造装置に関する。
セラミックスの成形方法には、セラミックススラリーを透水性の型に流し込む鋳込み成形、金型から圧力をかけて押し出して成型する押し出し成形、及びセラミックス粉末にバインダーを加えて造粒して得た顆粒を金型に入れて加圧する加圧成形があることが一般的に知られている。
従来から、曲面部を備えるセラミックスプレートの製造も、上記方法ないし上記方法を組み合わせた方法で行われている。例えば特許文献１では、頭蓋プレート等に用いられる曲面形状のセラミックスプレートを製造している。まず、セラミックス顆粒や有機バインダー等を練り込んだスラリーを略曲面形状に押し固めて成形体を製作する。次に、この成形体を焼成する。
ところで、曲面部を備えるセラミックスプレートを、セラミックススラリーや顆粒から作製するのではなく、バインダーを加えたセラミックススラリーをキャスティング法で作製したセラミックスグリーンシートから製造する場合には、シート状のセラミックスグリーンシートを、焼成前に曲げ加工する。一般的に、セラミックスグリーンシートは焼成前であっても所定の硬度を備えており、曲げ加工中に割れやしわ等が生じるおそれがある。そこで本発明は、曲げ加工中の、セラミックスグリーンシートの割れ等の発生を抑制することが可能な、セラミックスプレートの製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。
本発明は、曲面部を備えるセラミックスプレートの製造方法に関するものである。当該方法は、セラミックスグリーンシートを、前記セラミックスグリーンシートのバインダーのガラス転移点の１０℃以上４０℃以下の環境下にて加熱するとともに、前記加熱されたセラミックスグリーンシートに対して、曲げ加工を行うステップと、前記曲げ加工後のセラミックスグリーンシートを焼成するステップと、を備える。
また、上記発明において、前記曲げ加工ステップは、前記セラミックスグリーンシートと、曲げ成形型とを重ねて可撓性のパック内に収容するとともに、前記パックを前記バインダーのガラス転移点の１０℃以上４０℃以下の環境下に配置して前記セラミックスグリーンシートを加熱させた後に前記パック内を真空引きすることにより、前記セラミックスグリーンシートを前記曲げ成形型に追従するように変形させるステップと、前記真空引き後のパックに対して、前記バインダーのガラス転移点の１０℃以上４０℃以下の環境下にて、等方圧加圧を行って、前記セラミックスグリーンシートの密度を増加させるステップと、を備えることが好適である。
また、本発明は、曲面部を備えるセラミックプレートの製造装置に関するものである。当該装置は、セラミックスグリーンシートを、前記セラミックスグリーンシートのバインダーのガラス転移点の１０℃以上４０℃以下の環境下にて加熱するとともに、前記加熱されたセラミックスグリーンシートに対して、曲げ加工を行う、曲げ加工部と、前記曲げ加工後のセラミックスグリーンシートを焼成する焼成部と、を備える。
本発明によれば、セラミックスグリーンシートの曲げ加工中に、割れ等が発生することを抑制することが可能となる。
図１に、本実施形態に係る製造方法によって形成されたセラミックスプレート１０を例示する。セラミックスプレート１０は、例えば、タブレット端末のようなポータブル通信機器の筐体に用いられる。セラミックスプレート１０を、ポータブル通信機器の筐体として用いることで、従来のプラスチック製の筐体と比較して、放熱性が高く、また、筐体にアンテナ等の配線を形成できるという利点がある。その他、プラスチック製の筐体と比較して、高い質感を持つという、審美的な面からの利点もある。
セラミックスプレート１０は、略矩形の平板であって、平面部１２および曲面部１４を備えている。平面部１２はセラミックスプレート１０の中央領域を占めており、また、曲面部１４は平面部１２の周囲を取り囲むようにして形成されている。
本実施形態に係る、セラミックスプレート１０の製造フローの概要を、図２に示す。当該製造フローは、積層ステップＳ１０、真空包装前加熱ステップＳ１２、真空包装ステップＳ１４、圧着ステップＳ１６、切断前加熱ステップＳ１８、切断ステップＳ２０、及び焼成ステップＳ２２を備える。
図３に積層ステップＳ１０を例示する。積層ステップＳ１０では、セラミックスグリーンシート１８を積層する。なお、一層のセラミックスグリーンシート１８からセラミックスプレート１０を製造する際には、この積層ステップＳ１０を省略してもよい。
セラミックスグリーンシート１８は、セラミックス材料と、バインダーを含んで構成される。また、これらの材料に、硼珪酸ガラス等のガラス材料を含ませてもよい。セラミックス材料は、例えば、アルミナ、ジルコニア、またはこれらの混合物であってよい。また、バインダーは、例えば、アクリル系樹脂等の、有機バインダーであってよい。具体的には、セラミックスグリーンシート１８は、ＬＴＣＣ（低温焼結多層セラミックス）用グリーンシートや、ＨＴＣＣ（高温焼結多層セラミックス）用グリーンシートであってよい。
積層ステップＳ１０では、複数のセラミックスグリーンシート１８を積層させる。積層枚数は、偶数枚であってよい。セラミックスグリーンシート１８は、その成膜時のベルト送り方向と、その幅方向とで、後述する焼結時の収縮率が異なることが知られている。このことから、ベルト送り方向を長手方向とするセラミックスグリーンシート１８Ａと、ベルト送り方向を幅方向とするセラミックスグリーンシート１８Ｂとを交互に積層させて圧着して、焼結時の収縮率の差を抑制するようにしてもよい。具体的には、セラミックスグリーンシート１８の積層数は、４または６であってよい。また、セラミックスプレート１０のかくれ面（裏表面、通信機器の基板と対向する面）側の最外層に当たるセラミックスグリーンシート１８には、配線２０が形成されていてもよい。
図４に、真空包装前加熱ステップＳ１２を例示する。このステップでは、まず、グリーンシートの積層体２２と、曲げ成形型２４とを重ねて、可撓性のパック２６内に収容する。曲げ成形型２４は、グリーンシートの積層体２２を所望の形状に曲げ加工するための型であって、例えば、凸型であってよい。また、曲げ成形型２４は、石膏、セメント、金属、セラミック、またはこれらの混合物等の、無機材料から形成されてよい。可撓性のパック２６は、グリーンシートの積層体２２と曲げ成形型２４とを真空状態にて密封するための袋体であり、例えば、耐熱性のビニールバッグから構成されてよい。
積層体２２と曲げ成形型２４を収容したパック２６は、加熱環境下に置かれる。例えば、恒温槽２８内に配置される。恒温槽２８では、積層体２２を加熱して軟化させ、曲げ易くする。上述したように、セラミックスグリーンシート１８にはバインダーが含まれている。このバインダーの非結晶部分（分子の集まりが疎な部分）は、常温ではガラス状態（分子運動性の低い状態）になっており、そのため、常温で積層体２２を曲げようとすると割れ等が発生するおそれがある。そこで、積層体２２を加熱させ、バインダーの非結晶部分をゴム状態（運動性が高くなる状態）に転移させて、積層体２２を曲げ易くさせる。
ガラス状態とゴム状態との境界温度はガラス転移点として知られている。そこで、積層体２２を、ガラス転移点以上に加熱して、積層体２２を軟化させる。ここで、恒温槽２８内の温度は、各領域で一定とは限らず、例えば熱源から遠くなるほど温度が下がるなど、ある分布を持っている。また、積層体２２内の気泡などが、バインダーへの熱伝達を妨げるおそれもある。このため、積層体２２が置かれた環境の温度を、ガラス転移点よりも高い温度とすることが好適である。その一方で、ガラス転移点よりも過度に温度を高く設定すると、バインダーが溶け出すおそれもある。そこで、恒温槽２８の熱源の設定温度を、ガラス転移点よりも１０℃以上４０℃以下の範囲に設定することが好適である。さらに、恒温槽２８の熱源の設定温度を、ガラス転移点よりも２０℃以上３０℃以下の範囲に設定することが更に好適である。例えば、恒温槽２８の熱源の設定温度を、８０℃に設定する。
なお、恒温槽２８での加熱の際に、積層体２２の加熱を効率的に行うために、パック２６を挟んで、積層体２２上に金属板等の熱伝達媒体３０を配置させてもよい。
図５に真空包装ステップＳ１４を例示する。ここでは、恒温槽２８にて加熱されたパック２６内を真空引きする。このとき、パック２６内の容積減少に伴って、パック２６によって積層体２２が、曲げ成形型２４に追従するように変形させられる。真空引き後、パック２６は、溶着等によって密封される。
なお、図５の真空包装ステップＳ１４は、恒温槽２８内で行ってもよく、また、恒温槽２８から取り出した後に速やかに行うようにしてもよい。
図６に、圧着ステップＳ１６を例示する。ここでは、曲げ加工後の積層体２２を圧着させて、積層体２２の密度を増加させている。セラミックスグリーンシート１８の焼結時の収縮率は、その密度によって変化することが知られている。そこで、この工程では、積層体２２の収縮率を所望のものとするために、密度の調整を行っている。圧着手段としては、例えば機械プレスや等方圧プレス等が挙げられるが、密度を全体に亘って均一にできるという点で、等方圧プレスを用いることが好適である。
図７には、プレス後の積層体密度と焼成時の収縮率の関係が示されている。このグラフを得るに当たり、グリーンシートとして、山村フォトニクス製ＧＣＳ７１Ｅを用いた。図７から、積層体の密度により焼成時の収縮率が変わることが分かる。仮に、曲面を含む積層体の密度に部分的な不均一が生じると、焼成した時に収縮率が不均一となり、その部分に変形が生じて設計通りの形状を得ることができないという問題点が発生するおそれがある。等方圧プレスを用いて曲面を備える積層体を加圧すると、積層体に均一な応力が掛かるため、プレス後の密度が均一な積層体を得ることができるという利点がある。
また、この圧着ステップＳ１６においても、積層体２２を加熱させて曲げ易くさせる。具体的には、積層体２２を、そのバインダーのガラス転移点の１０℃以上４０℃以下の環境下に配置して、等方圧加圧を行う。例えば、温水等方圧プレスによって圧着を行う場合、水温をバインダーのガラス転移点の１０℃以上４０℃以下の範囲に設定する。具体的には、水温８０℃、予熱時間１０分、加圧時間１０分とし、プレス圧は２５ＭＰａ以上４０ＭＰａ以下とする。圧着後、パック２６から積層体２２を取り出す。
以上説明した、真空包装前加熱ステップＳ１２、真空包装ステップＳ１４，及び圧着ステップＳ１６をひとまとめにして曲げ加工ステップとすると、恒温槽２８、真空引きを行う真空ポンプ等の負圧手段、及び、圧着を行う等方圧プレス機等の圧着手段が、曲げ加工部となる。
次に、図８に、切断前加熱ステップＳ１８を例示する。ここでは、積層体２２の切断の前処理を行う。つまり、積層体２２を加熱して軟化させて、切断時の割れを防止する。具体的には、積層体２２、パンチ３２、及びダイ３４を恒温槽２８内に配置する。さらに、恒温槽２８の熱源の設定温度を、ガラス転移点よりも１０℃以上４０℃以下の範囲に設定して、これらの部材を加熱する。例えば、恒温槽２８の熱源の設定温度を、８０℃に設定する。
図９に、切断ステップＳ２０を例示する。ここでは、積層体２２の端部を形成するために、積層体２２の一部を切断する。切断後に、切断面を整形する整形工程を加えてもよい。なお、切断ステップＳ２０は、恒温槽２８内で行ってもよく、恒温槽２８から取り出した後に速やかに行うようにしてもよい。
図１０に、焼成ステップＳ２２を例示する。ここでは、切断ステップＳ２０後の積層体２２を焼成して、セラミックスプレート１０を完成させる。積層体２２は、焼成炉３６内の焼成セッタ３８上に配置される。焼成条件として、例えば、積層体２２がＬＴＣＣ用グリーンシートである場合、焼成のピーク温度は、８６０℃とし、ピーク時間は３０分とする。
焼成セッタ３８は、セラミックスプレート１０の背面（隠れ面）と同一の形状をしており、積層体２２の収縮率を考慮して、積層体２２よりも小さく形成されている。焼成セッタ３８は、凸型であってよく、また、セメント、金属、セラミック、またはこれらの混合材料などの、無機材料から構成されてよい。
１０ セラミックスプレート、１２ 平面部、１４ 曲面部、１８ セラミックスグリーンシート、２０ 配線、２２ 積層体、２４ 成形型、２６ パック、２８ 恒温槽、３０ 熱伝達媒体、３２ パンチ、３４ ダイ、３６ 焼成炉、３８ 焼成セッタ。
Claims (2)
- セラミックスグリーンシートを、前記セラミックスグリーンシートのバインダーのガラス転移点の１０℃以上４０℃以下の環境下にて加熱するとともに、前記加熱されたセラミックスグリーンシートに対して、曲げ加工を行うステップと、
前記曲げ加工後のセラミックスグリーンシートを焼成するステップと、
を備え、
前記曲げ加工ステップは、
１枚ないし複数枚の前記セラミックスグリーンシートと、曲げ成形型とを重ねて可撓性のパック内に収容するとともに、前記パックを前記バインダーのガラス転移点の１０℃以上４０℃以下の環境下に配置して前記セラミックスグリーンシートを加熱させた後に前記パック内を真空引きすることにより、前記セラミックスグリーンシートを前記曲げ成形型に追従するように変形させるステップと、
真空引き後の前記パックに対して、前記バインダーのガラス転移点の１０℃以上４０℃以下の環境下にて、等方圧加圧を行って、前記セラミックスグリーンシートの密度を増加させるステップと、
を備えることを特徴とする、曲面部を備えるセラミックスプレートの製造方法。 - セラミックスグリーンシートを、前記セラミックスグリーンシートのバインダーのガラス転移点の１０℃以上４０℃以下の環境下にて加熱するとともに、前記加熱されたセラミックスグリーンシートに対して、曲げ加工を行う、曲げ加工部と、
前記曲げ加工後のセラミックスグリーンシートを焼成する焼成部と、
を備え、
前記曲げ加工部は、
１枚ないし複数枚の前記セラミックスグリーンシートと、曲げ成形型とが重ねて収容された可撓性のパックを前記バインダーのガラス転移点の１０℃以上４０℃以下の環境下に配置して加熱する恒温槽と、
前記パック内を真空引きすることで加熱された前記セラミックスグリーンシートを前記曲げ成形型に追従するように変形させる負圧手段と、
真空引き後の前記パックに対して、前記バインダーのガラス転移点の１０℃以上４０℃以下の環境下にて、等方圧加圧を行って、前記セラミックスグリーンシートの密度を増加させる圧着手段と、
を備えることを特徴とする、曲面部を備えるセラミックスプレートの製造装置。
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