JP6398671B2 - セラミック成形体の焼成方法、及び、圧力センサの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、セラミック成形体の焼成方法、及び、この焼成方法が適用される圧力センサの製造方法に関する。

従来、２つのセラミック成形体同士を接合する方法が知られている。例えば特許文献１に開示されたＳｉＣ焼結体の接合方法では、接合面が中央部に向かって凸形状である２つのＳｉＣ焼結体の中央部同士を接触させて接合することで、接合界面に空隙が生じ難くしている。

特開平２０１４−９１１４号公報

特許文献１の技術により接合界面の空隙を抑制することは、界面に残留した空気が閉じ込められる「ボイド」の発生を防止することにつながる。一般に製品中にボイドが存在すると、接合強度の低下に繋がる。
また、例えば流体圧力を検出する裏面受圧式圧力センサにおいて、圧力によって歪が生じる薄肉部を有する金属ハウジングを第１被着体、圧力信号を外部に出力するセンサチップを第２被着体、薄肉部の歪をセンサチップに伝達するガラス層をセラミック成形体としたとき、ガラス層とセンサチップとの間にボイドが発生すると、ガラスと空気との伝導率の差によって検出精度が低下するという問題がある。
このように、セラミック成形体の焼成においてはボイドレスの実現が求められる。

ところで、特許文献１に開示されたような凸形状の成形体同士を当接させる接合方法では位置によって接合荷重が不均一となり、適用される製品の用途によっては品質上問題が生じる場合がある。
また、凸形状の成形体を量産する場合、曲面形状の高さや曲率を精度良く一定に製作することは困難であり、ばらつきが生じる。そのため、成形体同士を接合させるときの接触位置や接合荷重がばらつき、品質が安定しないおそれがある。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、２層の被着体に挟まれたセラミック成形体の焼成時に、安定した接合状態を確保しつつ、ボイドの発生を好適に抑制するセラミック成形体の焼成方法を提供することにある。

本発明は、下層の第１被着体と上層の第２被着体との間に、「第１被着体の輪郭に対し同位置又は内側、且つ第２被着体の輪郭に対し同位置又は外側に輪郭が位置するセラミック成形体」を挟み、当該セラミック成形体を焼成する焼成方法であって、組立工程と、焼成工程とを含む。

本発明は、組立工程及び焼成工程の態様の異なる以下４通りの方法を提供する。これらの４通りの方法は、いずれも、セラミック成形体と第２被着体との間の空気を効率良く排出することでボイドの発生を抑制する。また、従来技術に比べ、接合ばらつきを低減し、安定した接合状態を確保することができるという点で共通の効果を奏する。なお、「第１発明」は参考形態である。

（第１発明のセラミック成形体の焼成方法）
組立工程では、第１被着体上に載置したセラミック成形体上に、中央部に貫通孔を有する第２被着体をさらに載置する。焼成工程では、貫通孔から空気を排出しつつセラミック成形体を焼成する。

（第２発明のセラミック成形体の焼成方法）
組立工程では、第１被着体上に載置したセラミック成形体上に、第２被着体の一方の端部である接面端をセラミック成形体に接触させ、第２被着体の他方の端部である離面端をセラミック成形体から離間させるように傾けて載置する。焼成工程では、第２被着体の接面端から離面端に向かって空気を排出しつつ、焼成されたセラミック成形体と第２被着体とを接面端から離面端に向かって順次接合させる。

（第３発明のセラミック成形体の焼成方法）
組立工程では、第１被着体上に載置したセラミック成形体上に、第２被着体をさらに載置する。焼成工程では、セラミック成形体の中央部を局所的に加熱することで、第２被着体の中央部から周縁部に向かって空気を排出しつつ、セラミック成形体を中央部から周囲に向かって焼成する。

（第４発明のセラミック成形体の焼成方法）
組立工程では、第１被着体上に載置したセラミック成形体上に、第２被着体をさらに載置する。焼成工程では、第２被着体の側方の一方側から他方側に向かって空気を排出しつつ、セラミック成形体を一方側から他方側に向かって焼成する。

上記のセラミック成形体の焼成方法は、例えば圧力センサの製造方法に有効に適用することができる。この圧力センサは、金属ハウジングの圧力導入孔の内部に形成された薄肉部に流体圧力が作用することによって生じた歪を、ガラス層を通してセンサチップに伝達し、流体圧力を検出する裏面受圧式の圧力センサであり、金属ハウジング、ガラス層、及びセンサチップが、それぞれ、上記のセラミック成形体の焼成方法における第１被着体、セラミック成形体、及び第２被着体に相当する。
この圧力センサの製造方法では、ガラス層とセンサチップとの間のボイドの発生を抑制することにより接合強度の低下を防止し、また、ガラス層の伝導率を均一にすることでセンサの検出精度を向上させることができる。

本発明の実施形態のセラミック成形体の焼成方法が適用される圧力センサの模式図。 本発明の第１実施形態のセラミック成形体の焼成方法による組付工程を示す模式図。 同上のセラミック成形体の焼成方法による焼成工程を示す模式図。 本発明の第２実施形態によるセラミック成形体の焼成方法による組立工程を示す模式図。 同上のセラミック成形体の焼成方法による焼成工程を示す模式図。 同上のセラミック成形体の焼成方法による焼成工程を示す模式図。 本発明の第３実施形態によるセラミック成形体の焼成方法による組立工程を示す模式図。 同上のセラミック成形体の焼成方法の焼成工程を示す模式図。 本発明の第３実施形態によるセラミック成形体の焼成方法による組立工程を示す模式図。 同上のセラミック成形体の焼成方法による焼成工程を示す模式図。

以下、本発明の複数の実施形態によるセラミック成形体の焼成方法、及び、この焼成方法を適用した圧力センサの製造方法について、図面に基づいて説明する。
最初に、「圧力センサの製造方法」の製造物である圧力センサ９の概略構成について、図１を参照して説明する。図１に示す圧力センサ９は、従来の「セラミック成形体の焼成方法」により製作されたものを想定する。圧力センサ９は、燃料等の流体圧力を検出する「裏面受圧式」の圧力センサであり、例えば特開２００６−１４５３１６号公報等に開示された圧力センサと同様の機能を有する。

圧力センサ９は、主に、金属ハウジング１、ガラス層３、及びセンサチップ４から構成されている。なお、金属ハウジング１のネジ部等、基本機能と関連の低い部分の図示及び説明を省略する。また、各部材のハッチング等の意味については、後述する図２〜図１０の注記に準ずる。

金属ハウジング１は、筒部１１の中心軸に沿って圧力導入孔１２が形成されており、圧力導入孔１２の底が薄肉部１３となっている。矢印Ｐｆで示すように、圧力導入孔１２に導入された燃料等の流体圧力は、薄肉部１３に作用し、歪を生じさせる。ガラス層３は、薄肉部１３に生じた歪をセンサチップ４に伝達する。センサチップ４は、例えばシリコンチップであり、伝達された圧力信号を、信号線Ｓｏを介して外部の検出装置に出力する。

この圧力センサ９の製造工程では、ガラス層３が焼成され、シリコンチップ４と接合される。この焼成工程において、ガラス層３とシリコンチップ４との間の空気が適切に排出されないと、空気が閉じ込められたまま接合され、図１（ａ）に示すようなボイドＶが発生する。
一般に、部材同士の接合部にボイドＶが発生すると、接合強度の低下に繋がる。また、特に圧力センサ９ではガラスと空気との伝導率の差により歪の伝達が不正確となるため、検出精度の低下を招くといった問題がある。

従来、ボイドＶの発生を抑制する方法として、特許文献１（特開２０１４−９１１４号公報）のように、凸形状の成形体同士を接合させる方法が開示されている。しかし、凸形状の成形体同士を当接させる接合方法では位置によって接合荷重が不均一となる。また、凸形状の成形体を量産する場合、曲面形状の高さや曲率を精度良く一定に製作することは困難であり、接合状態のばらつきが生じる。
そこで、本発明の実施形態によるセラミック成形体の焼成方法では、安定した接合状態を確保しつつ、ボイドの発生を好適に抑制することを目的とする。

以下、第１〜第４実施形態のセラミック成形体の焼成方法について、図２〜図１０を参照して順に説明する。これらの実施形態は、例えば圧力センサ９の製造方法として好適に適用されるものであるが、これに限らず、汎用的な焼成方法としても成立する。
そこで、圧力センサ９における「金属ハウジング」、「ガラス層」及び「センサチップ」の名称を、それぞれ「第１被着体」、「セラミック成形体」及び「第２被着体」に変更し、一般化した形態で説明することとする。また、第１被着体１の図示にあたり、圧力センサ９の金属ハウジングに特有な筒部１１、圧力導入孔１２等の図示を省略する。

各実施形態のセラミック成形体の焼成方法は、総じて、下層の第１被着体１と上層の第２被着体４との間に、中間層としてセラミック成形体２を挟み、焼成する方法である。
例えば、第１被着体１はステンレス等の金属やセラミック、セラミック成形体２はガラス、第２被着体４はシリコン等の金属やセラミックである。

ここで、セラミック成形体は、焼成前を符号「２」、焼成後を符号「３」として区別する。また、第１実施形態の第２被着体については、他の実施形態にはない貫通孔を有するため、専用の符号「４３」を付す。ただし、共通の説明で「第２被着体４」という場合、第１実施形態の第２被着体４３を含むものとする。なお、第１被着体１及びセラミック成形体２は、いずれの実施形態においても実質的に同一の仕様である。複数の実施形態において実質的に同一の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。

次に、第１被着体１、セラミック成形体２、及び第２被着体４の大きさ、特に上方から見たときの輪郭位置の関係について説明する。
セラミック成形体２の輪郭は、第１被着体１に対し同位置又は内側に位置する。各図では、セラミック成形体２と第１被着体１との輪郭が同位置の場合を例示しているが、セラミック成形体２が第１被着体１より小さくてもよい。

また、セラミック成形体２の輪郭は、第２被着体４に対し同位置又は外側に位置する。各図では、方形の第２被着体４が円形のセラミック成形体２よりも明らかに小さい場合を例示しているが、第２被着体４の輪郭がセラミック成形体２の輪郭に対しわずかに内側、又は同位置になるようにしてもよい。各部材１、２、４の形状は、円形、方形、又は他の多角形等のいずれでもよい。
要するに、重力方向の上の層の輪郭が下の層の輪郭の外にはみ出していると、加熱したとき垂れ落ちるおそれがある。したがって、下の層の輪郭が上の層の輪郭に対し同位置又は外側に位置することが、この焼成方法を実施するための前提条件となる。

続いて、図２〜図１０の図示における共通の注意事項について説明する。
第１被着体１について、（ｂ）断面図では、ピッチの粗い実線ハッチングにより断面を表す。
セラミック成形体２、３について、焼成前のセラミック成形体２には破線ハッチングを記し、焼成後のセラミック成形体３にはピッチの細かい実線ハッチングを記す。これらのハッチングは（ｂ）断面図のみでなく、焼成の前後を区別して表す目的で、（ａ）平面図にも同様に記載する。

焼成されたセラミック成形体３は、第２被着体４と接合し、接合部３５が形成される。この接合部３５を（ａ）平面図にクロスハッチングで表す。このクロスハッチングは、接合の進行具合を表現するものであり、断面の意味ではない。
第２被着体４は、（ａ）平面図では、接合部３５を除き外形線のみを表し、（ｂ）断面図では、中程度のピッチのハッチングにより断面を表す。
このように本明細書の図では、実体視又は断面視の区別は自明であり、また、ハッチングの種類により材質を特定する重要性も低い。むしろ、工程の進行に伴う状態変化をわかりやすく表現するためにハッチングを使用することとする。

参考形態としての第１実施形態によるセラミック成形体の焼成方法について、図２、図３を参照して説明する。この焼成方法は、炉を用いたバッチ処理の工程に適しており、セラミック成形体２は、例えば４００℃以上の温度で成形される。
図２に示す組立工程では、第１被着体１上に載置したセラミック成形体２上に、中央部に貫通孔４５を有する第２被着体４３をさらに載置する。このように、第１実施形態は、中央部に貫通孔４５を有する第２被着体４３を用いることを特徴とする。
ここで、中央部の貫通孔４５は、厳密な中心に限らず、中心付近に形成されればよい。また、貫通孔の形状は円形に限らず、小さな貫通孔を複数形成してもよい。

図３に示す焼成工程では、図２のセラミック成形体２が焼成される。焼成されたセラミック成形体３は、周縁部が第１被着体１から離れるように反る傾向がある。したがって、第２被着体４３は、四方の周端４４がセラミック成形体３に接触し、中央部がセラミック成形体３の表面から浮いた状態になる。そのため、第２被着体４３とセラミック成形体３との接合部３５は、周端４４から順に内側へ広がる。このとき、第２被着体４３とセラミック成形体３との間の空間に溜まった空気Ａは、矢印で示すように、中央部の貫通孔４５を通って外部へ効率良く排出される。

これにより、セラミック成形体の焼成工程におけるボイドの発生を抑制し、品質を向上させることができる。また、このセラミック成形体の焼成工程を圧力センサ９の製造方法に適用する場合、セラミック成形体であるガラス層にボイドを混入させないことにより、圧力伝導率を均一とし、検出精度を向上させることができる。
さらに、特許文献１の従来技術のように、成形体を凸形状に成形する必要がないため、位置による接合荷重が均一となる。また、成形体の形状に個体ばらつきが生じる要因が少ない。したがって、量産における接合のばらつきを低減し、安定した接合状態を確保することができる。

ところで、空気Ａの排出経路に関し、周縁部が反ったセラミック成形体３と下層の第１被着体１との間の空気Ａは、図３に示すように中央部から周縁部に向かって排出される。このセラミック成形体３と第１被着体１との間の空気Ａの排出については、以下の実施形態でも同様である。なお、以下の実施形態では、主たる特徴を強調するため、セラミック成形体３の反り、及び、セラミック成形体３と第１被着体１との間の空気Ａの排出の図示を省略する。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態によるセラミック成形体の焼成方法について、図４〜図６を参照して説明する。第２実施形態の焼成方法は、セラミック成形体２を焼成しつつ、焼成されたセラミック成形体３に対し傾けて保持された第２被着体４を、一方の端部から他方の端部に向かって順にセラミック成形体２に接触させ、接合させることを特徴とする。この焼成方法は、第１実施形態と同様に炉を用いたバッチ処理の工程に適している。

図４に示す組立工程では、第１被着体１上に載置したセラミック成形体２上に、第２被着体４の一方の端部である「接面端４１」をセラミック成形体２に接触させ、第２被着体４の他方の端部である「離面端４２」をセラミック成形体２から離間させるように傾けて載置する。例えば、第２被着体４の離面端４２とセラミック成形体２との間にスペーサ５を介装させることで、傾けた状態を実現することができる。図４では、スペーサ５として円柱棒状のものを用いているが、スペーサ５の形状はこれに限らない。また、スペーサ５に代えて、第２被着体４の離面端４２を上方から引っ張り上げてもよい。

図５及び図６は、一連の焼成工程を経時的に分けて示す。図５に示す前半段階では、第２被着体４の接面端４１寄りの部分が、焼成されたセラミック成形体３に接触し、接合部３５を形成する。矢印で示すように、空気Ａは、接面端４１側から離面端４２側の開放空間に向かって排出される。
こうして接合部３５は、接面端４１側から離面端４２側に向かって広がっていく。図６に示すように、第２被着体４の大半に接合部３５が形成された後半段階で、スペーサ５を矢印Ｍの方向に移動させて取り除く。

このように、接面端４１からの熱の伝達に連れ、焼成されたセラミック成形体３と第２被着体４とが接面端４１から離面端４２に向かって順次接合される。それに伴い、セラミック成形体２と第２被着体４との間の空気Ａは接面端４１から離面端４２に向かって排出される。
よって、この焼成方法でも第１実施形態の焼成方法と同様の効果を奏する。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態によるセラミック成形体の焼成方法について、図７、図８を参照して説明する。第３実施形態の焼成方法は、局所的な加熱手段としてレーザ加熱装置６を用い、セラミック成形体２の中央部を局所的に加熱することを特徴とする。この焼成方法は、１個流しの工程に適している。

図７、図８では、レーザ加熱の特徴を表すため、他の実施形態では図示を省略した第１被着体１の圧力導入孔１２及び薄肉部１３をあえて示す。つまり、圧力センサ９の金属ハウジングを第１被着体１として用いる場合、圧力導入孔１２の延長線上にレーザ加熱装置６を設けることで、レーザ光Ｌの照射方向の狙いを圧力導入孔１２の中心軸方向に定め、薄肉部１３を介してセラミック成形体２の中央部を効率的に局所加熱することができる。
ただし、第１被着体１として、中央部に孔や薄肉部を有しない部材を用いる場合でも、レーザ光Ｌによる局所加熱は可能である。

図７に示す組立工程では、第１被着体１上に載置したセラミック成形体２上に、第２被着体４をさらに載置する。この段階では特段の特徴はない。
図８に示す焼成工程では、第１被着体１の下方に設置されたレーザ加熱装置６から、圧力導入孔１２の奥に位置するセラミック成形体２の中央部に向けて、レーザ光Ｌを照射する。これにより、セラミック成形体２の中央部が局所的に加熱される。そして、中央部からの熱の伝達に連れ、セラミック成形体２と第２被着体４との接合部３５が中央部から周縁部に向かって広がる。それに伴い、セラミック成形体２と第２被着体４との間の空気Ａは、中央部から周縁部に向かって放射状に排出される。
よって、この焼成方法でも第１実施形態の焼成方法と同様の効果を奏する。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態によるセラミック成形体の焼成方法について、図９、図１０を参照して説明する。第４実施形態の焼成方法は、輻射加熱手段として赤外線（ＩＲ）ヒータ７を用い、セラミック成形体２を側方の一方向から加熱することを特徴とする。この焼成方法は、一列に並べた複数のセラミック成形体２を一度に焼成する工程に適している。

図９、図１０の符号「７０」は赤外線ヒータ装置の本体を示し、符号「７」は赤外線ヒータを示している。赤外線ヒータ７は、各図（ａ）、（ｂ）のセラミック成形体２、３の左端において、各図（ａ）の上下方向、且つ各図（ｂ）の紙面前後方向に延伸して配設されている。第１被着体１、セラミック成形体２、及び第２被着体４からなる組立部品のセットは、赤外線ヒータ７に沿って複数セットが一列に並べられてもよい。

図９に示す組立工程では、第１被着体１上に載置したセラミック成形体２上に、第２被着体４をさらに載置する。この段階では特段の特徴はない。
図１０に示す焼成工程では、赤外線ヒータ７の輻射熱により、セラミック成形体２を側方の一方側（図の左側）から他方側（図の右側）に向かって焼成する。焼成されたセラミック成形体３と第２被着体４との界面は接合部３５を形成する。それに伴い、セラミック成形体２と第２被着体４との間の空気Ａは、赤外線ヒータ７側（一方側）から反対側（他方側）に向かって排出される。
よって、この焼成方法でも第１実施形態の焼成方法と同様の効果を奏する。

（その他の実施形態）
（ア）上述のように、第１被着体１、セラミック成形体２、及び第２被着体４は、輪郭位置関係の条件を満たしさえすれば形状を問わない。
（イ）材質について、セラミック成形体２として用いられるガラス層は、鉛ガラス、シリカアルミナガラス等が適用可能である。第１被着体１及び第２被着体４は、金属又はセラミック等が適用可能であり、例えばセラミック成形体２との組合せによって好適なものが選定される。

（ウ）本発明によるセラミック成形体の焼成方法は、圧力センサ以外に各種製品の製造や試験、改修等に用いることができる。
以上、本発明は、このような実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施することができる。

１ ・・・第１被着体、金属ハウジング、
２ ・・・セラミック成形体（焼成前）、
３ ・・・セラミック成形体（焼成後）、ガラス層、
４、４３・・・第２被着体、センサチップ、 ４１・・・接面端、４２・・・離面端、
４５・・・貫通孔、
９ ・・・圧力センサ。

Claims (4)

1. 下層の第１被着体（１）と上層の第２被着体（４）との間に、前記第１被着体の輪郭に対し同位置又は内側、且つ前記第２被着体の輪郭に対し同位置又は外側に輪郭が位置するセラミック成形体（２）を挟み、当該セラミック成形体を焼成する焼成方法であって、
   前記第１被着体上に載置した前記セラミック成形体上に、前記第２被着体の一方の端部である接面端（４１）を前記セラミック成形体に接触させ、前記第２被着体の他方の端部である離面端（４２）を前記セラミック成形体から離間させるように傾けて載置する組立工程と、
   前記第２被着体の前記接面端から前記離面端に向かって空気を排出しつつ、焼成された前記セラミック成形体と前記第２被着体とを前記接面端から前記離面端に向かって順次接合させる焼成工程と、
   を含むことを特徴とするセラミック成形体の焼成方法。
2. 下層の第１被着体（１）と上層の第２被着体（４）との間に、前記第１被着体の輪郭に対し同位置又は内側、且つ前記第２被着体の輪郭に対し同位置又は外側に輪郭が位置するセラミック成形体（２）を挟み、当該セラミック成形体を焼成する焼成方法であって、
   前記第１被着体上に載置した前記セラミック成形体上に、前記第２被着体をさらに載置する組立工程と、
   前記セラミック成形体の中央部を局所的に加熱することで、前記第２被着体の中央部から周縁部に向かって空気を排出しつつ、前記セラミック成形体を中央部から周囲に向かって焼成する焼成工程と、
   を含むことを特徴とするセラミック成形体の焼成方法。
3. 下層の第１被着体（１）と上層の第２被着体（４）との間に、前記第１被着体の輪郭に対し同位置又は内側、且つ前記第２被着体の輪郭に対し同位置又は外側に輪郭が位置するセラミック成形体（２）を挟み、当該セラミック成形体を焼成する焼成方法であって、
   前記第１被着体上に載置した前記セラミック成形体上に、前記第２被着体をさらに載置する組立工程と、
   前記第２被着体の側方の一方側から他方側に向かって空気を排出しつつ、前記セラミック成形体を前記一方側から前記他方側に向かって焼成する焼成工程と、
   を含むことを特徴とするセラミック成形体の焼成方法。
4. 金属ハウジング（１）の圧力導入孔（１２）の内部に形成された薄肉部（１３）に流体圧力が作用することによって生じた歪を、ガラス層（３）を通してセンサチップ（４）に伝達し、流体圧力を検出する裏面受圧式の圧力センサ（９）の製造方法であって、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のセラミック成形体の焼成方法において、
   前記金属ハウジング、前記ガラス層、及び前記センサチップが、それぞれ前記第１被着体、前記セラミック成形体、及び前記第２被着体に相当することを特徴とする圧力センサの製造方法。

Images