JPH10299454A

JPH10299454A - 排ガスフィルタ及びその製造方法、それに用いる排ガスフィルタ用封止材

Info

Publication number: JPH10299454A
Application number: JP9112211A
Authority: JP
Inventors: Shinji Wada; 信二和田; Nobuaki Nagai; 伸明永井; Yuichi Murano; 雄一村野; Koichi Watanabe; 浩一渡辺
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1997-04-30
Filing date: 1997-04-30
Publication date: 1998-11-10

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は封止材と格子壁の接合強度が極めて
大きく、かつそのバラツキが少なく、耐熱衝撃性に優れ
高いパティキュレート捕集率を備えた排ガスフィルタを
提供することを目的とする。【解決手段】本発明の排ガスフィルタは、多孔質セラ
ミックスで形成されたハニカム構造体の格子壁３に仕切
られ排ガス流路方向に多数設けられた貫通孔２と、貫通
孔２の排ガス入口と排ガス出口の端面部に交互に設けら
れた封止材４とを備えた排ガスフィルタ１であって、格
子壁３がチタン酸アルミニウムを主成分とし、副成分と
して少なくともＳｉＯ₂を３〜１０ｗｔ％含有し、前記
封止材がチタン酸アルミニウムを主成分とし、副成分と
して少なくともＳｉＯ₂を格子壁３より５ｗｔ％以上含
有する構成を有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ディーゼルエンジ
ン等から排出される排ガス中に含まれるパティキュレー
ト等をろ過する排ガスフィルタ及びその製造方法、それ
に用いる排ガスフィルタ用封止材に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、環境問題が深刻化したことに伴い
ディーゼルエンジン等の燃焼機関から排出される排気ガ
スとともに大気中に分散されるスス等のパティキュレー
トの処理が問題となってきている。この問題を解決する
ために、ディーゼルエンジン等の燃焼機関の排気管の途
中に排ガスフィルタを設け、この排ガスフィルタによっ
てパティキュレートをろ過、捕集し排気ガスのみを排出
している。ところで、この排ガスフィルタにパティキュ
レートが多量に捕集されると排ガスフィルタは目詰まり
を起こすようになって排気ガスの流路を妨げることにな
り、結果的にエンジンの背圧が上がり悪影響を及ぼすこ
とになる。そのため予め設けられた所定の捕集量に達す
るとパティキュレートを燃焼させて気体化し、目詰まり
を除去して排ガスフィルタを再生することが必要であ
る。

【０００３】この排ガスフィルタの再生には主として電
気ヒータ方式が用いられ、パティキュレートが所定量捕
集されるのを検知した制御部は、パティキュレートを安
定して燃焼させるように制御する。ここで電気ヒータ方
式というのは、排ガスの流入側もしくは流出側に電気ヒ
ータを設け、電気ヒータに通電することによって排ガス
フィルタ全体を加熱し、排ガスの流入側もしくは流出側
から供給される空気によってパティキュレートを燃焼さ
せるものである。そしてこの再生中は、予備の排ガスフ
ィルタを使用してディーゼルエンジンは継続して運転さ
れる。ところで、この捕集されたパティキュレートは排
ガスフィルタの全面に分布しているが、その全面のパテ
ィキュレートが同時に燃焼するのではなく、流入する空
気に接触し易い排ガスフィルタの端部から徐々に燃焼が
進行する。そのため排ガスフィルタの部分によっては温
度勾配が生じ、熱膨張の差がその内部に熱応力を発生さ
せることになる。通常の使用では捕集されるパティキュ
レートの量を予測して、比較的早い段階に燃焼させて排
ガスフィルタを再生することが行われている。この場合
にはパティキュレートは６００〜９００℃で徐々に燃焼
し、排ガスフィルタは急激に加熱されることがなく、大
きな熱応力を受けることは少ない。

【０００４】一方、制御部による制御が充分でなかった
り、パティキュレートが所定量以上に捕集された場合な
どには加熱によってパティキュレートは急激に燃焼し、
１０００℃以上もの高温度に急激に上昇して異常燃焼す
る。このとき排ガスフィルタは部分的に大きな熱衝撃を
受け、熱応力によってクラックが生じたりして破壊され
ることになる。したがって、排ガスフィルタはこの異常
燃焼による急激な熱衝撃に耐える材質のものが必要で、
低熱膨張性，高耐熱衝撃性が強く要求されている。更に
パティキュレートの捕集効率が高いことと、同時にパテ
ィキュレートの捕集によって起こる排気ガスの流路抵抗
が小さいことも必要である。そこでこれらの要求を満た
すため排ガスフィルタは材料、製造法や構造および構成
等の分野で種々の開発が行われている。

【０００５】ここで、排ガスフィルタの格子壁を構成す
る多孔質セラミックス材料について説明する。例えば、
排ガスフィルタに用いる材料としてはコージェライト焼
結体（２ＭｇＯ・２Ａｌ₂Ｏ₃・５ＳｉＯ₂）が熱膨張係
数が小さく、耐熱衝撃性に優れており一般的に使用され
ている。このコージェライトの熱膨張係数はその結晶の
方向によって異方性を示し、結晶のａ軸が２．０×１０
^-6Ｋ^-1、ｃ軸が−０．９×１０^-6Ｋ^-1と異なっている。
しかしながら、押出し成形法で成形されたものは、工程
中で原料に含有されるカオリンやタルク等の板状結晶が
煎断力を受けて格子壁と平行な方向に分散され、コージ
ェライトの結晶のｃ軸は押出し方向（排ガス流路方向）
に僅かながら多く配向された状態となる。このようにし
て、コージェライトの押出し成形方向の熱膨張係数は約
０．５×１０^-6Ｋ^-1となり、押出し成形方向に垂直な方
向の熱膨張係数は約０．９×１０^-6Ｋ^-1となり、全体に
わたって熱膨張係数が小さく異方性が少なくなり、高耐
熱衝撃性の排ガスフィルタが製造されている。

【０００６】一方、最近になって多孔質セラミックス材
料として従来からのコージェライトに代わって、チタン
酸アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃・ＴｉＯ₂）が検討され始め
ている。このチタン酸アルミニウムは溶融温度が１６０
０℃以上と高く、再生時の高温にも充分耐えることがで
きるものである。しかしながら、このチタン酸アルミニ
ウムの結晶はコージェライトの結晶と同様にその熱膨張
係数は異方性を示し、結晶のａ軸が１１．８×１０^-6Ｋ
^-1、ｂ軸が１９．４×１０^-6Ｋ^-1、ｃ軸が−２．６×１
０^-6Ｋ^-1とコージェライトの結晶と比べてその異方性は
大きいという問題がある。このように熱膨張係数の異方
性が大きいと、チタン酸アルミニウムの結晶粒子間にマ
イクロクラックが生じ易いという問題がある。更にチタ
ン酸アルミニウム結晶は高温で酸化チタニウムと酸化ア
ルミニウムに分解し易いという欠点を有している。この
様に、チタン酸アルミニウムは比較的低熱膨張姓で、耐
熱性に優れた材料ではあるが、製造時に発生する結晶粒
子間のマイクロクラックのため他のセラミックス材料に
比べて機械的強度が低く、製造条件によっては結晶粒子
の分解により熱膨張係数が変化してクラックが大きくな
りやすいという問題がある。そこでチタン酸アルミニウ
ムの機械的強度の向上や熱膨張係数の制御について改善
が行われ、既に一部実用化されるまでになってきてい
る。

【０００７】一方、排ガスフィルタを構成する封止材に
ついても、その材料の選択が重要である。特に格子壁と
封止材に使用されるセラミックス材料の熱膨張係数の差
が大きいと、貫通孔を充分に封止することができなかっ
たり、格子壁にクラックが生じパティキュレートを捕集
できなくなることがある。こうした問題を解決するもの
として特公平２−５３０８３公報に、排ガスフィルタの
格子壁と封止材との熱膨張係数の適合範囲と、封止材の
セラミックス粉末の粒径の上限とを設け、格子壁及び封
止材にクラックを生じさせることなく封止材によって貫
通孔の封止を充分なものにしようとする技術が開示され
ている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特公平
２−５３０８３公報に記載された排ガスフィルタの格子
壁と封止材との熱膨張係数の範囲を制御する技術は、封
止材が格子壁へ埋め込まれて接合され貫通孔に嵌合する
方法を用いた場合にのみ有用であるものの、封止材と格
子壁との熱膨張の整合性を充分に管理しておく必要があ
り、製造工程での管理が容易でないという課題があっ
た。また、嵌合の強度が不均一になりやすく、高温下で
の使用中に排ガスの圧力や熱膨張係数のバラツキによっ
て、封止材の嵌合部の強度が劣化して封止材が欠落し、
パティキュレートを充分捕集できなくなるという課題を
有していた。

【０００９】本発明は上記従来の課題を解決するもの
で、封止材と格子壁の接合強度が極めて大きく、かつそ
のバラツキが少なく、耐熱衝撃性に優れ高いパティキュ
レート捕集率を備えた排ガスフィルタを提供すること、
及び封止材と格子壁のそれぞれに非晶質を介在させてそ
れらの接合を強固にすると同時に接合強度のバラツキを
抑え、フィルタの製造時に発生するクラックなどの欠陥
を抑え、製造工程での管理が容易で、高温下での使用時
にも封止材の欠落を抑えることができ、耐熱衝撃性が高
く、高効率にパティキュレートを捕集することができる
排ガスフィルタの製造方法を提供し、及び非晶質相を介
在させ格子壁と強固に接合し、耐熱衝撃性に優れ耐久性
に優れた排ガスフィルタ用封止材を提供することを目的
とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の排ガスフィルタは、格子壁はチタン酸アルミ
ニウムを主成分とし、副成分として少なくともＳｉＯ₂
を３〜１０ｗｔ％含有するとともに、封止材はチタン酸
アルミニウムを主成分とし、副成分として少なくともＳ
ｉＯ₂を格子壁より５ｗｔ％以上多く含有する構成を有
している。

【００１１】この構成により、封止材と格子壁の接合を
強固にすると同時に接合強度のバラツキを抑え、耐熱衝
撃性が高く、高効率でパティキュレートを捕集すること
ができるという作用を有する。

【００１２】また、本発明の排ガスフィルタの製造方法
は、主成分としてチタン酸アルミニウムと、副成分とし
て焼結促進剤及び分解抑制剤とからなるセラミックス原
料を含有した坏土をハニカム形状に押出成形し、得られ
た押出成形体を加熱して焼結して多孔質のセラミックス
のハニカム構造体を形成するハニカム形成工程と、主成
分としてチタン酸アルミニウムと、副成分として少なく
ともＳｉＯ₂及びＦｅ₂Ｏ₃からなるセラミックス原料を
ペースト状またはスラリー状にして封止材を得る封止材
作製工程と、ハニカム形成工程で焼結したハニカム構造
体の排ガス入口と排ガス出口の端面部の貫通孔に封止材
を交互に充填する封止工程と、封止材を充填したハニカ
ム構造体をハニカム形成工程の最高温度より３０〜１５
０℃以上低い温度で熱処理する焼成工程とを備えた構成
を有している。この構成により、フィルタの製造時に発
生するクラックなどの欠陥を抑え、製造工程での管理が
容易で、高安定性の排ガスフィルタを得ることができる
という作用を有する。

【００１３】本発明の排ガスフィルタ用封止材は、チタ
ン酸アルミニウムを主成分とし、副成分として少なくと
もＳｉＯ₂を５ｗｔ％以上含有するものであり、これに
より、非晶質相が介在してバインダーとして格子壁と接
合することができるという作用を有する。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の排ガス
フィルタは、多孔質セラミックスで形成されたハニカム
構造体の格子壁に仕切られ排ガス流路方向に多数設けら
れた貫通孔と、前記貫通孔の排ガス入口と排ガス出口の
端面部に交互に設けられた封止材とを備えた排ガスフィ
ルタであって、前記格子壁がチタン酸アルミニウムを主
成分とし、副成分として少なくともＳｉＯ₂を３〜１０
ｗｔ％含有し、前記封止材がチタン酸アルミニウムを主
成分とし、副成分として少なくともＳｉＯ₂を前記格子
壁より５ｗｔ％以上含有するものであり、これにより、
封止材の焼結温度を格子壁の焼結温度より低くできると
いう作用を有する。

【００１５】本発明の請求項２に記載の排ガスフィルタ
は、請求項１において、格子壁の副成分が少なくともＳ
ｉＯ₂及びＦｅ₂Ｏ₃を含有するものであり、これによ
り、焼結温度を低くしてチタン酸アルミニウムの分解を
抑えることができるという作用を有する。

【００１６】本発明の請求項３に記載の排ガスフィルタ
は、請求項１又は２において、格子壁には少なくともＳ
ｉＯ₂からなる非晶質相が含有されるものであり、これ
により、この非晶質相がバインダーとして介在し封止材
を強固に接合することができるという作用を有する。

【００１７】本発明の請求項４に記載の排ガスフィルタ
は、請求項１乃至３の内いずれか１において、封止材が
副成分として少なくともＳｉＯ₂及びＦｅ₂Ｏ₃を含有し
ているものであり、これにより、焼結温度を低くしてチ
タン酸アルミニウムの分解を抑えることができるという
作用を有する。

【００１８】本発明の請求項５に記載の排ガスフィルタ
は、請求項１乃至４の内いずれか１において、封止材が
少なくともＳｉＯ₂からなる非晶質相を含有しているも
のであり、これにより、この非晶質相が介在して格子壁
と接合することができるという作用を有する。

【００１９】本発明の請求項６に記載の排ガスフィルタ
は、請求項１乃至５の内いずれか１において、封止材が
少なくともＳｉＯ₂からなる非晶質相を前記格子壁と比
べて多く含有しているものであり、これにより、格子壁
よりも低い温度で焼結することができるという作用を有
する。

【００２０】本発明の請求項７に記載の排ガスフィルタ
の製造方法は、主成分としてチタン酸アルミニウムと、
副成分として焼結促進剤及び分解抑制剤とからなるセラ
ミックス原料を含有する坏土をハニカム形状に押出形成
し、得られた押出成形体を加熱して焼結して多孔質のセ
ラミックスのハニカム構造体を形成するハニカム形成工
程と、主成分としてチタン酸アルミニウムと、副成分と
して少なくともＳｉＯ ₂及びＦｅ₂Ｏ₃からなるセラミッ
クス原料をペースト状又はスラリー状にして封止材を得
る封止材作製工程と、前記ハニカム形成工程で焼結した
前記ハニカム構造体の排ガス入口と排ガス出口の端面部
の貫通孔に前記封止材を交互に充填する封止工程と、前
記封止材を充填した前記ハニカム構造体をハニカム形成
工程の最高温度より３０〜１５０℃低い温度で熱処理す
る焼成工程とを備えるものであり、これにより、封止材
の分解を抑え、格子壁はハニカム形成工程で得られたも
の以上に収縮せず、貫通孔の形状が殆ど変化しないとい
う作用を有する。

【００２１】本発明の請求項８に記載の排ガスフィルタ
は、請求項７において、主成分のチタン酸アルミニウム
と副成分の平均粒径が８〜３０μｍからなるものであ
り、これにより、焼成時の収縮を小さくすることができ
るという作用を有する。

【００２２】本発明の請求項９に記載の排ガスフィルタ
の製造方法は、請求項７又は８において、ハニカム形成
工程の最高温度が１４００〜１６００℃、好ましくは１
４５０〜１５５０℃の範囲で、かつ焼成工程の最高温度
が１３５０〜１５００℃、好ましくは１４００〜１４５
０℃の範囲で調整されるものであり、これにより、ハニ
カム形成工程では格子壁を焼結させ、焼成工程で封止材
を焼結すると同時に貫通孔を封止することができるとい
う作用を有する。

【００２３】本発明の請求項１０に記載の排ガスフィル
タ用封止材は、ハニカム構造体の格子壁に仕切られ、排
ガス流路方向に多数設けられた貫通孔を封止する排ガス
フィルタ用封止材であって、チタン酸アルミニウムを主
成分とし、副成分として少なくともＳｉＯ₂を５ｗｔ％
以上含有するものであり、これにより、非晶質相が介在
して格子壁と接合することができるという作用を有す
る。

【００２４】以下、本発明の実施の形態について、図面
を用いて説明する。（実施の形態１）図１は本発明の実施の形態１における
排ガスフィルタの斜視図であり、図２は図１のＸ部の要
部拡大図であり、図３は図１のＹ−Ｙ線の断面模式図で
ある。

【００２５】１は外観が円柱状でハニカム構造体の周囲
に周壁１ａを備えた排ガスフィルタ、１ｂ，１ｃは排ガ
スフィルタの排ガス流入及び流出口となる端面部、２は
排ガス流路方向に多数設けられた貫通孔で、多孔質セラ
ミックスで形成された格子壁３によって仕切られてい
る。４は封止材で端面部１ｂ及び１ｃの貫通孔２にそれ
ぞれ交互に充填されている。

【００２６】次に、端面部１ｂ，１ｃの詳細な構造につ
いて図２を用いて説明する。端面部１ｂ，１ｃは基本的
に同じ構造を有しているのでここでは端面部１ｂについ
て説明する。端面部１ｂには排ガスフィルタ１の排ガス
流路方向に沿って断面方形状の複数の貫通孔２が設けら
れており、貫通孔２は多数の連続気孔が設けられた格子
壁３で仕切られている。格子壁３は端面部１ｂから端面
部１ｃまで連続して構成されている。格子壁３の厚さｔ
１，ｔ２はそれぞれ０．２〜０．３ｍｍ（貫通孔２の数
が２００セル／平方インチ），０．４〜０．５ｍｍ（貫
通孔２の数が１００セル／平方インチ）の範囲内で構成
することが好ましい。これより小さくなると機械的強度
が低下し、捕集効率が落ちる傾向があるので好ましくな
い。またこれより大きくなると流体抵抗が高くなり破損
等の不都合が生じる傾向が認められるので好ましくな
い。

【００２７】尚、本実施の形態では、量産性を考慮して
押し出し成形法を採用したのでｔ１＝ｔ２としたが、他
の成形方法（例えば加工シートを積層する方法等）にお
いて、はｔ１＜ｔ２やｔ１＞ｔ１になるようにしてもよ
い。例えば、図２において、矢印方向Ｌに平行な格子壁
３の厚みを厚くして、矢印方向Ｍに平行な格子壁３の厚
みを薄くすることによって、方向Ｍに平行な格子壁３に
排ガスが通過しやすくすることにより流量調整ができる
ので、排ガスの流出量を制御することができる。尚、外
周部（外周面１ｂに近い内部）よりも内周部の格子壁３
の厚さを厚くすることによって、内周部より外周部の側
の排ガスを通過し易くして、排ガスフィルタ１の全体に
わたって排ガスの通過量を均等にし、排ガスフィルタ１
の端面部１ｂの各部においてパティキュレート等の捕集
量を均一化することができ、捕集効率を向上させること
ができる。また、内周部より外周部の格子壁３の厚みを
厚くすることによって、外周部の機械的強度を向上させ
ることができ、排ガスフィルタ１をディーゼルエンジン
等に取り付ける際に生じる局部的な応力や、使用時の振
動等による排ガスフィルタ１の破損などを防止すること
ができる。

【００２８】また、格子壁３の方向Ｌに沿ったピッチＡ
１と方向Ｍに沿ったピッチＡ２はそれぞれ２ｍｍ〜４ｍ
ｍの範囲にあることが好ましい。これより小さくなると
排ガスの流体抵抗が高く背圧がかかりエンジンに負荷が
かかる傾向があり、またこれより大きくなるにつれパテ
ィキュレート等の捕集効率が低下する傾向が生じ好まし
くない。実施の形態１においてはＡ１＝Ａ２としたこと
によって、等方的に機械的強度を向上させることがで
き、捕集能力を各部で均一にできたので、安定したフィ
ルタ特性を得ることができた。尚、ピッチＡ１及びピッ
チＡ２を変えることによって貫通孔２の断面形状を長方
形にし、形成された長方形の長辺部と短辺部を通過する
排ガスの流量に差を設けることで捕集効率の偏りを任意
に形成でき、排ガスフィルタ１の収納容器の設計やそれ
に接続する配管などの構成にも自由度がとれるようにな
るので好ましい。

【００２９】次に、封止材４は端面部１ｂ側の貫通孔２
と同じ端面部１ｃ側の貫通孔２のどちらかに、しかも交
互に設けられている。一般にこの封止材４は格子壁３と
同じ材料組成で構成したり、違った種類の材料でも熱膨
張係数の比較的近いものを選択することで、貫通孔２の
周辺に生じるクラックなどを防止することができる。

【００３０】また、格子壁３と封止材４のそれぞれの主
成分を同じにしておき、副成分の種類及びその添加等を
変えることによって、格子壁３と封止材４の熱膨張係数
を調整することができるとともに、製造時にペースト状
の封止材４の硬度等をも調整することができ、作業性や
生産性を向上させることもできる。

【００３１】次に封止材４を端面部１ｂ，１ｃのそれぞ
れの貫通孔２に設けたときの排ガスの流路について図３
を用いて説明する。図３に示す様に貫通孔２は格子壁３
によって流入孔２ａと流出孔２ｂに区画される。端面部
１ｂ側から排ガスが流入すると、排ガスはまず開口状態
の流入孔２ａに流入するが、その対向する側の端面部１
ｃの貫通孔２が封止材４によって封止されているため、
排ガスは格子壁３を通過して流出孔２ｂに流入し開口状
態の貫通孔２から系外に流出する。この排ガスが多孔質
セラミックスからなる格子壁３を通過する際に排ガスの
中のパティキュレート等が格子壁３内に捕集されること
になる。

【００３２】次に、排ガスフィルタの製造方法について
説明する。まず、ハニカム形成工程として、主成分のＡ
ｌ₂Ｏ₃を４０．０〜５７．０ｗｔ％、ＴｉＯ₂を３０．
０〜４５．０ｗｔ％含有した組成物に、副成分としてＳ
ｉＯ₂を３．０〜３０．０ｗｔ％、Ｆｅ₂Ｏ₃を０．９〜
２．０ｗｔ％を添加し、結合剤や造孔剤（格子壁に気孔
を形成させるもの）などを混合して坏土状にし、これを
ハニカム形状の金型を通して押出し成形し、この押出し
成形体を乾燥後、最高温度が１４５０〜１５５０℃で焼
成を行う。封止材作製工程では、予め調整したチタン酸
アルミニウムを主成分とし、副成分としてＳｉＯ₂を８
〜２５ｗｔ％含有したペースト状の封止材４を作成す
る。封止工程でハニカム形成工程で得られたハニカム構
造体の貫通孔２に充填し封止する。次いで、焼成工程で
熱処理を最高温度１４００〜１４５０℃で焼成を行い、
排ガスフィルタ１を作製した。ここで、ハニカム形成工
程で添加したＳｉＯ₂とＦｅ₂Ｏ₃等の副成分は、チタン
酸アルミニウムの焼結や分解抑制作用を有し耐熱衝撃性
や耐久性を高めることができる。

【００３３】ハニカム構造体に含まれるＳｉＯ₂の量は
３〜１０ｗｔ％の範囲が好適である。この範囲にある
と、格子壁３と封止材４との接合部の高い耐熱衝撃性を
得ることができる。ＳｉＯ₂の含有量が３ｗｔ％より少
なくなるにつれ、チタン酸アルミニウムが分解しやすく
なる傾向があり、また、ＳｉＯ₂の含有量が１０ｗｔ％
より大きいと、ＳｉＯ₂が結晶化（クリストバライトな
ど）して格子壁３の熱膨張係数が急激に上昇するため、
パティキュレートの燃焼中に格子壁３にクラックが生じ
やすくなる傾向があるので好ましくない。

【００３４】主成分と副成分の原料の平均粒径は８〜３
０μｍが好ましい。平均粒径が８μｍより小さくなるに
つれ、加熱による収縮が大きくなり、排ガスフィルタ１
の寸法精度が充分なものでなくなってくる。また、平均
粒径が３０μｍより大きくなるにつれ、粒子間にＳｉＯ
₂が均一に分散しないため、焼結が不十分で排ガスフィ
ルタ１の機械的強度が低くなる傾向があり好ましくな
い。

【００３５】格子壁３にチタン酸アルミニウムの焼結に
効果的な副成分を含有させた場合、ハニカム形成工程
で、チタン酸アルミニウム粒子の焼結性を促進し比較的
低い熱処理温度で強度のある排ガスフィルタ１を得るこ
とができる。また、格子壁３にチタン酸アルミニウムの
分解抑制に効果的な副成分を含有させた場合、パティキ
ュレートの燃焼（排ガスフィルタ１の再生）時の温度
（約７５０〜１２００℃）に長時間さらされても、チタ
ン酸アルミニウムが分解するのを防ぐことができる。こ
のチタン酸アルミニウムの焼結や分解抑制に効果的な副
成分にはＳｉＯ₂，Ｆｅ₂Ｏ₃，ＺｒＯ₂，ＭｇＯ，希土類
の酸化物などがある。実施の形態１で、副成分として一
例を示しているが、チタン酸アルミニウムの焼結や分解
抑制に効果のある成分であれば、どれを含有してもよ
い。

【００３６】次に、格子壁３に封止材４を接合する方法
について説明する。この実施の形態１のように、二段焼
成で、ハニカム形成工程の温度を封止工程後の焼成工程
よりも３０〜１５０℃高い温度で焼成することにより、
耐熱衝撃性に優れ格子壁３と封止材４を強固に接合し耐
久性に優れたものが得られるが、反面、押出し成形した
成形体の貫通孔２に封止材４を充填し、その後に排ガス
フィルタ１を高温度で一段焼成すると、その焼成体にク
ラックが生じやすい。これは、押出し成形体の端面部１
ｂ，１ｃに封止材４が設けられた状態で熱処理されるた
め、貫通孔２が閉塞された状態になり、焼成過程での雰
囲気の対流が妨げられ、温度が不均一になったり、雰囲
気中の酸素濃度が不均一になることにも起因していると
考えられる。とくに主成分がチタン酸アルミニウムであ
る場合にはその熱伝導率が低い（コージェライトに比較
して約１／２程度）ため、加熱昇温時に成形体の内部と
外部に温度勾配を生じ、可燃性成分（造孔剤，結合剤，
潤滑剤等）の燃焼が部分的であったり、チタン酸アルミ
ニウムが部分的に焼結したりして焼成体にクラックを生
じることが多い。

【００３７】一方、二段焼成でも先ず押出し成形体を焼
成し、次に封止材４を充填し再び加熱してこの封止材４
を焼成して格子壁３に接合する場合には、その温度が押
出し成形体の焼成温度と同等かそれ以上であると、封止
材４を格子壁３に接合することができるものの排ガスフ
ィルタ１が２度目の加熱によって更に収縮するため、排
ガスフィルタ１の形状の均一なものを得ることが困難に
なる。また、その温度が押出し成形体の焼成温度未満の
場合には封止材４の焼結が進まず、封止材４の格子壁３
への接合が充分でなくなる。

【００３８】次に、封止材４について詳細に説明する。
図４は本発明の実施の形態１による封止材のＸ線回折図
である。図４において縦軸は封止材４に回折されたＸ線
強度をとり、横軸は走査角度２θである。ここで、５は
結晶ピーク、６は非晶質ピーク、７はバックグランドで
ある。この封止材４に含まれるＳｉＯ₂の量は１５ｗｔ
％である。測定は日本電子（株）製のＸ線回折装置（形
式ＪＤＸ−８０３０）を使用した。測定は２θ＝１０〜
４０度の範囲で行った。図４において低角度側には小角
散乱が現れているため、バックグランド７のレベルは高
く、２θ＝１５〜３０度の近傍になだらかな非結晶ピー
ク６が示されている。このことからこの実施の形態１に
よる封止材４には結晶質相と非晶質相が混在しているこ
とがわかる。この非晶質相はガラス相または溶融相と考
えられ、この非晶質相が局部的な熱応力を吸収すること
から、チタン酸アルミニウムからなる排ガスフィルタの
封止材４として使用しても耐熱衝撃性を向上させること
ができる。

【００３９】更に、封止材４に存在する非晶質相は、封
止材４を構成するセラミックス粒子間や封止材４と格子
壁３のそれぞれのセラミックス粒子間で反応相として介
在し、封止材４の焼結性や封止材４と格子壁３との焼結
を促進する。従って、封止材４を充填した後の焼成工程
における最高温度は、ハニカム形成工程における最高温
度よりも低く設定でき、排ガスフィルタ１の収縮は無視
できるほど小さくなり製造工程での形状管理が容易にな
る。

【００４０】尚、封止材４に含まれるＳｉＯ₂の量は８
〜２５ｗｔ％の範囲が適当である。この範囲にあると、
格子壁３と封止材４との接合部の高い耐熱衝撃性を得る
ことができる。ＳｉＯ₂の含有量が８ｗｔ％より少ない
と、焼成工程における封止材４の焼結が充分でなくな
る。また、ＳｉＯ₂の含有量が２５ｗｔ％より多くなる
と、ＳｉＯ₂が結晶化（クリストバライトなど）して封
止材４の熱膨張係数が急激に上昇するため、パティキュ
レートの燃焼中に格子壁３と封止材４との接合部にクラ
ックが生じやすくなる。ＳｉＯ₂の含有量は特に１３〜
１９ｗｔ％の範囲にあると、その効果を十分に発揮でき
るので好ましい。

【００４１】また、ここでは格子壁３がチタン酸アルミ
ニウムで構成された排ガスフィルタ１に使用される封止
材４について説明したが、これ以外にリン酸ジルコニル
などのように熱膨張係数がチタン酸アルミニウムと同程
度のもので構成された排ガスフィルタ１でも、上述した
と同様な効果を得ることができる。

【００４２】このようにして得られた排ガスフィルタ１
は円柱状で、端面部１ｂ，１ｃの直径が１３０〜１６０
ｍｍ程度であり、排ガス流路方向に沿った長さは１４０
ｍｍ〜１７０ｍｍ程度になるように構成されている。こ
の排ガスフィルタ１の大きさは、エンジンの排気量が２
０００〜４０００ｃｃのものに好適に用いられる。排ガ
スフィルタ１を円柱状とすることによって、等方的に応
力を分布させることができ、製造工程で発生する加工歪
等を低減させることができ強度を高めることができる。
尚、この排ガスフィルタ１は多孔質であるため外周面１
ａにも気孔が多く形成されているが、この気孔はその径
が小さいことと使用時には外周面１ａが断熱材等で密着
されるので、微粒子物質（パティキュレート）が外部に
漏れることはない。この排ガスフィルタ１をディーゼル
エンジンなどに取り付ける場合には、排ガスフィルタ１
を無機繊維質の断熱材等で包み、更にＳＵＳ等のステン
レススチール製の収納容器内に収納して固定される。

【００４３】尚、実施の形態１では、端面部１ｂ，１ｃ
の直径をほぼ同じとしたが、端面部１ｂ側の直径を端面
部１ｃ側の直径よりも大きく形成したり、それとは逆に
して形成しても良い。その場合には直径が大きい方の端
面部側から排ガスを流入させた方が流入面積を広くする
ことができるので流体抵抗を小さくして、しかも補集量
を多くすることができる。

【００４４】

【実施例】次に、本発明について、実施例に基づいて説
明する。

【００４５】（実施例）以下の組成になるように原料を
秤量し、結合剤や造孔剤などを混合して坏土状にし、こ
れをハニカム形状の金型を通して押出し成形し、この押
出し成形体を乾燥後、ハニカム構造体を焼結させ（ハニ
カム形成工程）、これに予め調整した封止材４を貫通孔
２に充填した後（封止工程）、焼成工程で焼結して格子
壁３に封止材４を接合し排ガスフィルタ１を作製した。

【００４６】Ａｌ₂Ｏ₃・・・５３．０ｗｔ％ＴｉＯ₂・・・・４０．５ｗｔ％ＳｉＯ₂・・・・５．０ｗｔ％Ｆｅ₂Ｏ₃・・・１．５ｗｔ％ここで得られた格子壁３の熱膨張係数は１．０×１０^-6
Ｋ^-1であった。このようにして得られた排ガスフィルタ
１について、封止材４の特性を確認した。確認は、ハニ
カム形成工程の焼成温度を１５００℃として、ＳｉＯ₂
含有量、焼成工程の焼成温度を変化させ、そのときの封
止材４の熱膨張係数（室温〜８００℃）、封止材４と格
子壁３の接合状態について行った。その結果を（表１）
に示した。

【００４７】

【表１】

【００４８】ここで、試料Ｎｏ．１，Ｎｏ．２は実施例
で、含有するＳｉＯ₂の量はそれぞれ２５．１ｗｔ％と
９．８ｗｔ％である。Ｎｏ．３は比較例でＳｉＯ₂の量
は実施例のＮｏ．１，Ｎｏ．２に比較して２９．８ｗｔ
％と多く含んでいる。格子壁３と封止材４に添加したＳ
ｉＯ₂は、ともに平均粒径が約１６μｍで非晶質のもの
である。

【００４９】熱処理温度の１回はハニカム形成工程での
熱処理温度であり、２回は焼成工程での熱処理温度であ
る。熱膨張係数は、排ガスフィルタ１を１０００℃で５
００時間保持した後の高温安定性試験データである。こ
の１０００℃の温度は、上記材料組成を有するチタン酸
アルミニウムが分解しやすい温度である。

【００５０】封止材４と格子壁３との接合部の状態につ
いては、排ガスフィルタ１を７００℃から室温までの急
冷試験を５回繰り返した後の観察データであり、使用し
た排ガスフィルタ１は予め１０００℃，５００時間保持
したものである。尚、（表１）には示さなかったが、こ
の急冷試験による排ガスフィルタ１の本体の亀裂は観察
されなかった。

【００５１】この（表１）の結果から、熱膨張係数につ
いては実施例のＮｏ．１，Ｎｏ．２はそれぞれ１．６４
×１０^-6と０．２７×１０^-6と比較例と比べて低くなっ
ている。また、実施例Ｎｏ．１の熱膨張係数が実施例Ｎ
ｏ．２より大きい理由は、非晶質として存在していたＳ
ｉＯ₂がクリストバライトとして結晶化したためと考え
られる。しかし、非晶質成分が全て結晶化したのではな
く、非晶質の一部は封止材４の内部の粒子間や封止材４
と格子壁３の粒子間に適当量介在しそれらを接合してい
るものと考えられる。

【００５２】一方、比較例のＮｏ．３については、Ｓｉ
Ｏ₂の含有量が多いためクリストバライトへの結晶化が
激しく、熱膨張係数が急激に大きくなっている。尚、高
温安定性試験では、全ての試料とも分解抑制剤の一種で
あるＳｉＯ₂の添加効果と、焼結を促進するＦｅ₂Ｏ₃の
添加効果によってチタン酸アルミニウムの分解は生じな
かった。

【００５３】急冷試験後の封止材４と格子壁３との接合
部の状態について、実施例Ｎｏ．１，Ｎｏ．２には亀裂
が発生せず変化はみられなかったが、比較例のＮｏ．３
については接合部に亀裂が発生した。これは、過剰のＳ
ｉＯ₂が結晶化（クリストバライトなど）して封止材４
の熱膨張係数が急激に上昇し、格子壁３（熱膨張係数は
１．０×１０^-6Ｋ^-1）と封止材４の熱膨張係数の差が大
きくなりすぎたためと考えられる。

【００５４】

【発明の効果】以上から明らかなように本発明の請求項
１によれば、格子壁はチタン酸アルミニウムを主成分と
し、副成分として少なくともＳｉＯ₂を３〜１０ｗｔ％
含有するとともに、封止材はチタン酸アルミニウムを主
成分とし、副成分として少なくともＳｉＯ₂を格子壁よ
り５ｗｔ％以上多く含有しているので、封止材と格子壁
の接合を強固にすると同時に接合強度のバラツキを抑
え、耐熱衝撃性が高く、高効率にパティキュレートを捕
集することができる排ガスフィルタを実現できる。

【００５５】本発明の請求項２によれば、請求項１にお
いて、格子壁の副成分が少なくともＳｉＯ₂及びＦｅ₂Ｏ
₃よりなるので、更にチタン酸アルミニウムの分解を抑
え、耐熱衝撃性を高くすることができる排ガスフィルタ
を実現できる。

【００５６】本発明の請求項３によれば、請求項１又は
２において、格子壁には少なくともＳｉＯ₂からなる非
晶質相が含まれるので、更に、封止材と格子壁の接合を
一層強固にした排ガスフィルタを実現できる。

【００５７】本発明の請求項４によれば、請求項１乃至
３の内いずれか１において、封止材が副成分として少な
くともＳｉＯ₂及びＦｅ₂Ｏ₃を含有しているので、更
に、高温下での使用時にも封止材の欠落を抑える耐久性
に優れた排ガスフィルタを実現できる。

【００５８】本発明の請求項５によれば、請求項１乃至
４の内いずれか１において、封止材が少なくともＳｉＯ
₂からなる非晶質相を含んでいるので、更に、封止材と
格子壁の接合強度を一層強固にし、より耐久性を向上さ
せた排ガスフィルタを実現できる。

【００５９】本発明の請求項６によれば、請求項１乃至
５の内いずれか１において、封止材が少なくともＳｉＯ
₂からなる非晶質相が格子壁と比べて多く含まれている
から、ハニカム形成工程よりも焼成工程の焼成温度を低
くできるので省エネルギー性に優れるとともに管理が容
易で生産性に優れた排ガスフィルタを実現できる。

【００６０】本発明の請求項７によれば、焼成工程での
焼成温度が封止材を充填した多孔質セラミックスをハニ
カム形成工程の最高温度より５０℃以上低い温度で熱処
理するので、フィルタの製造時に発生するクラックなど
の欠陥を抑え、製造工程での形状管理を容易にすること
ができ、製品得率が高く、高品質の排ガスフィルタを低
原価で量産できる排ガスフィルタの製造方法を実現でき
る。

【００６１】本発明の請求項８によれば、請求項７にお
いて、出発原料の平均粒径が８〜３０μｍよりなるの
で、更に、フィルタの製造時に発生するクラックなどの
欠陥を防ぐことができ、高品質の排ガスフィルタを量産
できる排ガスフィルタの製造方法を実現できる。

【００６２】本発明の請求項９によれば、請求項７又は
８において、ハニカム形成工程の最高温度が１４００〜
１５５０℃好ましくは１４５０〜１５５０℃の範囲で、
かつ、焼成工程の最高温度が１３５０〜１５００℃好ま
しくは１４００〜１４５０℃の範囲で調整できるので、
封止材と格子壁の接合を更に強固にすると同時に接合強
度のバラツキを抑え、フィルタの製造時に発生するクラ
ックなどの欠陥を抑えた排ガスフィルタの製造方法を実
現できる。

【００６３】本発明の請求項１０によれば、チタン酸ア
ルミニウムを主成分とし、副成分として少なくともＳｉ
Ｏ₂を５ｗｔ％以上含有しているので、格子壁を構成す
るセラミックスの成分に関わらず非晶質相を介在して貫
通孔を封止することができる排ガスフィルタ用封止剤を
実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１における排ガスフィルタ
の斜視図

【図２】図１のＸ部の要部拡大図

【図３】図１のＹ−Ｙ線の断面模式図

【図４】本発明の実施の形態１による封止材のＸ線回折
図

【符号の説明】

１排ガスフィルタ２貫通孔３格子壁４封止材５結晶ピーク６非結晶ピーク７バックグランド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者渡辺浩一大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】多孔質セラミックスで形成されたハニカム
構造体の格子壁に仕切られ排ガス流路方向に多数設けら
れた貫通孔と、前記貫通孔の排ガス入口と排ガス出口の
端面部に交互に設けられた封止材とを備えた排ガスフィ
ルタであって、前記格子壁がチタン酸アルミニウムを主
成分とし、副成分として少なくともＳｉＯ₂を３〜１０
ｗｔ％含有し、前記封止材がチタン酸アルミニウムを主
成分とし、副成分として少なくともＳｉＯ₂を前記格子
壁より５ｗｔ％以上含有することを特徴とする排ガスフ
ィルタ。
【請求項２】前記格子壁の副成分が少なくともＳｉＯ₂
及びＦｅ₂Ｏ₃を含有することを特徴とする請求項１に記
載の排ガスフィルタ。
【請求項３】前記格子壁には少なくともＳｉＯ₂からな
る非晶質相が含有されることを特徴とする請求項１又は
２に記載の排ガスフィルタ。
【請求項４】前記封止材が副成分として少なくともＳｉ
Ｏ₂及びＦｅ₂Ｏ₃を含有していることを特徴とする請求
項１乃至３の内いずれか１に記載の排ガスフィルタ。
【請求項５】前記封止材が少なくともＳｉＯ₂からなる
非晶質相を含有していることを特徴とする請求項１乃至
４の内いずれか１に記載の排ガスフィルタ。
【請求項６】前記封止材が少なくともＳｉＯ₂からなる
非晶質相を前記格子壁と比べて多く含有していることを
特徴とする請求項１乃至５の内いずれか１に記載の排ガ
スフィルタ。
【請求項７】主成分としてチタン酸アルミニウムと、副
成分として焼結促進剤及び分解抑制剤とからなるセラミ
ックス原料を含有する坏土をハニカム形状に押出形成
し、得られた押出成形体を加熱して焼結して多孔質のセ
ラミックスのハニカム構造体を形成するハニカム形成工
程と、主成分としてチタン酸アルミニウムと、副成分と
して少なくともＳｉＯ₂及びＦｅ₂Ｏ₃からなるセラミッ
クス原料をペースト状又はスラリー状にして封止材を得
る封止材作製工程と、前記ハニカム形成工程で焼結した
前記ハニカム構造体の排ガス入口と排ガス出口の端面部
の貫通孔に前記封止材を交互に充填する封止工程と、前
記封止材を充填した前記ハニカム構造体をハニカム形成
工程の最高温度より３０〜１５０℃低い温度で熱処理す
る焼成工程と、を備えたことを特徴とする排ガスフィル
タの製造方法。
【請求項８】主成分のチタン酸アルミニウムと副成分の
平均粒径が８〜３０μｍであることを特徴とする請求項
７に記載の排ガスフィルタの製造方法。
【請求項９】ハニカム形成工程の最高温度が１４００〜
１６００℃、好ましくは１４５０〜１５５０℃の範囲
で、かつ焼成工程の最高温度が１３５０〜１５００℃、
好ましくは１４００〜１４５０℃の範囲で調整されるこ
とを特徴とする請求項７又は８に記載の排ガスフィルタ
の製造方法。
【請求項１０】ハニカム構造体の格子壁に仕切られ、排
ガス流路方向に多数設けられた貫通孔を封止する排ガス
フィルタ用封止材であって、チタン酸アルミニウムを主
成分とし、副成分として少なくともＳｉＯ₂を１０ｗｔ
％以上含有することを特徴とする排ガスフィルタ用封止
材。