(57)【要約】【課題】軽量化と耐衝撃性の向上化を両立することを可能とした高強度陶磁器製食器を提供する。【解決手段】陶磁器製食器の縁先端からやや内側の引っ張り応力が集中する部分の断面形状に、直線或いは窪みを持たせることで、外周部との剛性分布を適正化し、破壊の起点となる部分の引っ張り応力を低下させることにより、重量を増加することなく耐衝撃性を大幅に向上させた高強度陶磁器製食器。【効果】衝撃に強い形状を持つ高強度陶磁器製食器を提供することができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
皿や碗といった陶磁器製の食器において、縁部への負荷に対する応力解析により、引っ張り応力が発生する部分を、その断面形状の一部変更によって剛性の調整を行うことで、衝撃により発生する引っ張り応力が一点に集中するのを抑え、衝撃強度を向上させたことを特徴とする高強度陶磁器製食器。
【請求項２】
引っ張り応力が発生する製品内面部分に、断面形状で幅２ｍｍ以上、２０ｍｍ以下、且つ、厚みは従来形状の厚みを１００％とした場合、３０％以上、９８％以下となる直線もしくは内に窪みを持つ請求項１に記載の高強度陶磁器製食器。
【請求項３】
引っ張り応力が発生する製品内面部分に、断面形状で幅２ｍｍ以上、２０ｍｍ以下、且つ、厚みは従来形状の厚みを１００％とした場合、３０％以上、９８％以下となる直線もしくは内に窪みを持つと共に、その外面には幅２ｍｍ以上、２０ｍｍ以下、且つ、従来形状の厚みを１００％とした場合、３０％以上、９８％以下となる直線もしくは突起を付加した請求項１に記載の高強度陶磁器製食器。
【請求項４】
食器の縁先端からやや内側の部分の内面に最も大きな引っ張り応力が発生する部分の断面形状において、その内側を通常の曲線から直線にする、或いは内に窪みを付けることで、及び／又はその外面を通常の曲線から直線にする、或いは外に突起を付けることで、衝撃に対する引っ張り応力の集中を抑え、応力を分散させることで衝撃強度を向上させた請求項１に記載の高強度陶磁器製食器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、衝撃に強い形状を持つ高強度陶磁器製食器に関するものであり、更に詳しくは、衝撃に対して、食器の縁先端からやや内側の部分の内面に最も大きな引っ張り応力が発生する部分の断面形状を変更、調整することによって、衝撃に対する引っ張り応力の集中を抑え、応力を分散させることで衝撃強度を向上させた耐衝撃性高強度陶磁器製食器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
陶磁器製の食器は、縁の部分をぶつけて破損することが多く、特に学校給食やホテル・レストランといった、食器洗浄機を使用し、大量に洗浄するような所では、食器同士や機械との衝突といった衝撃が頻繁に起こるため、耐衝撃性の向上が求められている。そのため、縁先端の厚みを厚くしたり、製品全体の厚みを厚くするといった対策がとられていた。また、素材の強度を高くすることで、耐衝撃性も高くなる傾向があるため、磁器の原料に大量にアルミナを添加する方法がとられていた。
【０００３】
その他、従来の方法としては、例えば、強度の強い陶磁器を製造する方法として、陶磁器に貴金属を１０〜９０容量％添加し、高強度化させる方法（例えば、特許文献１参照）、及び、より肉薄の食器に形成されたとしても、落下等の衝撃を加えることにより容易に破損することのない優れた強度を有する陶磁器を製造する方法として、陶磁器製食器表面にジルコニウムアルコキシドなどからジルコニア膜を生成させる方法（例えば、特許文献２参照）などが提案されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１１８０５２号公報
【特許文献２】特開２００２−２７４９８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、陶磁器製食器の厚みを厚くすると、当然のことながら重量が増加し、製品コストの上昇や、食器として使用時の作業者の腰への負担が大きいといった欠点がある。また、大量のアルミナの添加による素材強度の向上も、磁器の比重が約２．４程度に対し、アルミナは３．９程度と大きいため、当然添加量が増えるほど、重量が増加する。しかも、アルミナは粘土のように可塑性がないため、ローラーマシーン成型のような、大量生産に適した成形方法では、変形や亀裂といった不良品が多くなり、成型コストの上昇を引き起こす。更に、貴金属の添加やジルコニア膜の生成による強化方法は、原料コストや製造コストの上昇を伴い、価格競争において不利となる。
【０００６】
そのため、従来の磁器原料や、現在安定して製造されているアルミナ添加量の多い強化磁器を原料に、一部形状を変えることで衝撃強度の向上が図れれば、原料コストや成形コストの上昇もなく、消費者が求める高強度陶磁器製品を供給できる。また更に、耐衝撃性の高い形状が得られることで、全体の肉厚を薄くし、更に軽量化を図ることも可能となる。本発明は、上記従来技術に鑑みて創成されるに至ったものであり、衝撃に強い特定の形状を持つ高強度陶磁器製食器を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）皿や碗といった陶磁器製の食器において、縁部への負荷に対する応力解析により、引っ張り応力が発生する部分を、その断面形状の一部変更によって剛性の調整を行うことで、衝撃により発生する引っ張り応力が一点に集中するのを抑え、衝撃強度を向上させたことを特徴とする高強度陶磁器製食器。
（２）引っ張り応力が発生する製品内面部分に、断面形状で幅２ｍｍ以上、２０ｍｍ以下、且つ、厚みは従来形状の厚みを１００％とした場合、３０％以上、９８％以下となる直線もしくは内に窪みを持つ前記（１）に記載の高強度陶磁器製食器。
（３）引っ張り応力が発生する製品内面部分に、断面形状で幅２ｍｍ以上、２０ｍｍ以下、且つ、厚みは従来形状の厚みを１００％とした場合、３０％以上、９８％以下となる直線もしくは内に窪みを持つと共に、その外面には幅２ｍｍ以上、２０ｍｍ以下、且つ、従来形状の厚みを１００％とした場合、３０％以上、９８％以下となる直線もしくは突起を付加した前記（１）に記載の高強度陶磁器製食器。
（４）食器の縁先端からやや内側の部分の内面に最も大きな引っ張り応力が発生する部分の断面形状において、その内側を通常の曲線から直線にする、或いは内に窪みを付けることで、及び／又はその外面を通常の曲線から直線にする、或いは外に突起を付けることで、衝撃に対する引っ張り応力の集中を抑え、応力を分散させることで衝撃強度を向上させた前記（１）に記載の高強度陶磁器製食器。
【０００８】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、皿や碗といった陶磁器製の食器における、その断面形状において、縁先端からやや内側部分の内面、すなわち破壊の起点となる部分が直線もしくは内に窪みを持つこと、或いは更にその外面も直線もしくは突起を持つことを特徴とする。製造条件に関しては、通常の陶磁器と同様、成形型をあらかじめ本発明の形状としておくか、或いは従来の成形型のままでも、成形後あるいは素焼きの後に、その部分を削る及び／又は付加すれば良い。成形後、乾燥し、８５０℃以上で素焼きを行い、素焼き後釉薬を施し、１１００℃〜１３５０℃で焼成する。
【０００９】
従来より、陶磁器製食器は、日用品においても給食用等においても、縁部分からの破損が多く、特に学校給食用やホテル・レストランといった大量に運搬・洗浄を行うところでは、破損率が多いとクレームの対象となり、より衝撃強度の高いものが求められていた。そのため、一つには製品全体や特に縁先端に厚みを持たせることで、衝撃強度を向上させる方法が取られていた。しかし、衝撃強度はわずかに増加するものの、重量の増加が大きくなり、製品コストの上昇や、製品を洗浄・運搬する作業者の腰への負担が大きいといった欠点があった。また、もう一つには、陶磁器原料にアルミナを添加し、高強度化する方法がとられている。しかし、この方法も、アルミナの添加量をあまり増やしすぎると、陶磁器に比べ比重の大きいアルミナは、重量増加が大きく、しかも、成形性が悪くなり、歩留まりの低下を引き起こす。このようなことから、出来る限りの軽量化と耐衝撃性の向上という、一見相反する問題の解決が求められていた。
【００１０】
そこで、本発明者らは、鋭意研究を重ね、有限要素法を用い、破損がどの部分から発生し、どのような形状にすれば衝撃による応力集中を抑え、破壊の応力を分散できるか突き止めることで、食器の重量を減少もしくは同等のまま衝撃強度を大幅に増加させることを可能とした。すなわち、食器の縁に衝撃を与えた場合、食器断面形状において、縁先端ではなく、縁先端からやや内側の部分の内面に最も大きな引っ張り応力が発生し、この点を起点に破壊が進展することが判明した。そこで、この部分の断面形状を通常の曲線から直線に、或いは内に曲線や三角形、四角形、台形などの窪みを付けることで、衝撃に対する引っ張り応力の集中を抑え、応力を分散することで、３割以上衝撃強度が向上した。
【００１１】
これにより、従来不可能と思われていた軽量化と耐衝撃性の向上の双方を満足する形状を得ることができた。更に、この形状に関して、断面形状で幅２ｍｍ未満では、引っ張り応力が充分分散されず、その効果が得られない。一方、幅が２０ｍｍを越えると、断面積の低下による強度の低下が著しくなり好ましくない。よって、幅２ｍｍ以上、２０ｍｍ以下である必要があり、中でも５ｍｍ以上、１０ｍｍ以下が強度的には最も好ましい。
【００１２】
また、その厚みに関しても、断面形状で従来の厚みを１００％とした場合、９８％を越える厚さでは、引っ張り応力が充分分散されず、その効果が得られない。一方、厚みが３０％未満では厚みが薄く、強度の低下が著しくなり好ましくない。よって、厚み３０％以上、９８％以下である必要があり、中でも６０％以上、８０％以下が強度的には最も好ましい。
【００１３】
更に、重量が軽くなった分を外面に付加することで、重量は同等となるが、耐衝撃強度は５割以上と大幅に増加する。このとき、上記の幅と厚みの範囲内であれば、内面が窪みで、外面が直線といったように、内面と外面で異なる形状でも同様の効果が得られる。  更に、本発明には、大幅な製造工程の追加や変更、或いは高価な装置や高度な技術なども必要としないことから、製造コストの上昇といった問題もなく、従来の製品価格で、衝撃強度の高い製品を提供することができる。
【００１４】
加えて、本発明は、陶磁器製品のみならず、同じ脆性材料であるアルミナやジルコニア等ファインセラミックス製品においても同様の応力解析を行い、製品中に発生する引っ張り応力を、形状の一部変更により分散させることで、高強度化することも可能である。本発明は、このようなファインセラミックス製品をも包含する。
【００１５】
従来製品では、衝撃強度の高い製品を作製するために、例えば、製品全体や縁先端を肉厚に形成することで耐衝撃性の向上化が図られていたが、この種の方法では、陶磁器製食器の軽量化と耐衝撃性の向上の両方を満たすことは不可能であった。これに対し、本発明では、有限要素法に基づいて、陶磁器製食器の縁先端からやや内側の部分の内面に最も大きな引っ張り応力が発生する部分の断面形状において、その内側を通常の曲線から直線にする、或いは内に窪みを付けることで、及び／又はその外面を通常の曲線から直線にする、或いは外に突起を付けることで、衝撃に対する引っ張り応力の集中を抑え、応力を分散させることで衝撃強度を向上させることが可能となり、それにより、陶磁器製食器の軽量化と耐衝撃性の向上の両方を両立させることが実現できる。
【００１６】
本発明では、上記断面形状における直線、窪み、突起については、上述の衝撃に対する引っ張り応力の集中を抑え、応力を分散させることができる機能を有するものであれば、その形状及び構造は、特に、制限されるものではなく、陶磁器製食器の形状、構造、大きさ、種類等に応じて任意に設計することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明により、（１）衝撃に強い形状を持つ高強度陶磁器製食器を提供することができる、（２）軽量化と耐衝撃性の向上の両方を満たした陶磁器製食器を提供することができる、（３）大幅な製造工程の追加や変更、或いは高価な装置や高度な技術などを必要としないで、従来製品と略同様の製造工程で、高強度陶磁器製食器を製造することができる、（４）本発明の技術は、食器使用時に破損率が高い縁部からの破壊に対し有効であることから、陶磁器製食器における破損率の低減が期待できる、という効果が奏される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、実施例に従って、本発明を更に詳しく説明するが、本発明は、これに限定されるものではなく、その趣旨を脱しない範囲で陶磁器業者の知識と経験に基づき、形状の改良を行い実施できるものである。
【実施例１】
【００１９】
現在、国内における陶磁器食器の衝撃強度はＡＳＴＭ−Ｃ３６８−８８に準じて測定されている。それは、製品試料を台に置き、一方の縁をＶブロックで止め、もう一方から金属製のハンマーを製品の縁に振り当て、製品が破損した時のハンマーの位置エネルギーから、衝撃強度を割り出す方法である。そこで、有限要素法を用い、現在製造されている、皿形状で直径１６０ｍｍの給食用アルミナ強化磁器食器について上記衝撃試験に準じた試験条件をパソコン上でシュミレーションし、応力の解析を行った。その結果、皿の上から見た状態が図１のようになり、右側の縁から負荷が掛かると、縁先端ではなく、そこからやや内側に入った点、つまり図中矢印で示す縁先端から６ｍｍ入った表面上の点が、最も引っ張り応力が大きく、この点が破壊起点と考えられた。
【００２０】
そこで、確認試験のため、実際に衝撃試験を行った。その結果、図２に衝撃試験後製品の破損状況を示すように、丸印で示した点、すなわち、有限要素法でシュミレーションした通り、縁先端からやや内側に入った点付近から破壊が進展していることが確認され、今回の解析が有効であることが確かめられた。そこで、次に、負荷をかけることでどのような変形が起きているのか同じく有限要素法でシュミレーションした結果を図３に示す。図３は、当然実際よりもスケールをかなり大きくしたものであり、ここまで磁器製品が変形するものではないが、少なくとも打点部分には圧縮応力が働き、一方、打点から内側に入った部分の表面には大きな引っ張り応力が働くことが確認された。そこで、製品の耐衝撃性を向上させるには、外周部との剛性分布を適正化し、破壊の起点となる部分の引っ張り応力を低下させること、すなわち衝撃に対する引っ張り応力の一点集中を抑え、衝撃力を製品全体に分散させる形状が有効であると考えた。
【００２１】
そこで、まず、図４に皿の断面を示すように、従来の給食用食器のような食器類は縁近辺が波線１０で示す外側に曲線を有している。それに対し、本発明の高強度陶磁器製食器は破壊起点部分に幅７ｍｍの直線１１を施すことで、応力の分散を図り、高強度化を目指した。図５に、両形状で試作した試験品１２枚の衝撃強度を測定し、その平均値を求めた実測値、並びに有限要素法から算出した、従来形状を１００％とする計算値をグラフに示す。図５より、実測値及び計算値ともに、本発明による形状が、高い衝撃強度の値を示した。更に、重量においても、従来形状では２０７．４ｇであるのに対し、本発明による形状では２０５．９ｇに軽量化した。
【実施例２】
【００２２】
図６に、断面形状を示すように、従来形状における引っ張り応力が発生する部分に、幅７ｍｍ、厚み７０％となるよう曲線状の窪み１２を縁内側に付けることで、実施例１より更に応力が分散され、高強度な形状となることが予測される陶磁器製食器の作製を試みた。そこで、実施例１と同様の比較試験を行った。その結果を図７に示す。図７より、やはり、本発明による形状が、高い衝撃強度の値を示し、重量においても２０３．９ｇと、更に軽量となった。
【実施例３】
【００２３】
図８に、断面形状を示すように、実施例２の縁形状の外面に、内面１３ａと同形状の曲線状の突起１３ｂを付けることで、重量は従来と同等であるが、衝撃に対する応力の分散を図ると共に、厚みが従来と同等となることで、高強度な食器が得られることが予測される陶磁器製食器の作製を試みた。そこで、実施例１と同様の比較試験を行った。その結果を図９に示す。図９より、本発明による形状が高い衝撃強度の値を示した。
【実施例４】
【００２４】
実施例１、実施例２、実施例３の縁形状の幅と厚みの寸法、並びに形状を変えた試験体各１２枚について、衝撃強度の測定と平均値を求め、その結果を表１及び表２に示す。表１は、皿形状の試験品における各種縁形状と衝撃強度の測定値である。表２は、碗形状の試験品における各種縁形状と衝撃強度の測定値である。
【００２５】
表１は皿、表２は直径１３５ｍｍの碗についての評価結果であるが、表１、表２ともに内面の形状を幅２ｍｍ以上、２０ｍｍ以下、且つ、厚みは従来形状の厚みを１００％とした場合、３０％以上、９８％以下となる直線もしくは内に窪みを持つ形状、更に外面にも直線や突起を施すことで、従来品よりも衝撃強度が向上した。その中でも、特に、幅５ｍｍから１０ｍｍ、厚み６０％〜８０％で、曲線状の窪みと突起を内面と外面に施したものが最も高い衝撃強度を示し、この形状が最も効果的に引っ張り応力を均一に分散し易いためと考えられる。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
【表２】
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【産業上の利用可能性】
【００２８】
以上詳述したように、本発明は、高強度陶磁器製食器に係るものであり、本発明により、簡便な手法で、衝撃に強い形状を持つ高強度陶磁器製食器を製造し、提供することが実現できるので、軽量で高強度の新しい陶磁器製食器の開発と普及及びその利用が促進されることが期待される。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】有限要素解析による応力分布図である。
【図２】衝撃試験を行った後の製品の破損状況写真である。
【図３】有限要素解析による負荷に対する皿の変形状態である。
【図４】本発明に係る陶磁器製食器皿の１／２断面図である。
【図５】試験品による衝撃強度の実測値と、有限要素法により導き出した計算値である。
【図６】本発明に係る陶磁器製食器皿の１／２断面図である。
【図７】試験品による衝撃強度の実測値と、有限要素法により導き出した計算値である。
【図８】本発明に係る陶磁器製食器皿の１／２断面図である。
【図９】試験品による衝撃強度の実測値と、有限要素法により導き出した計算値である。
【符号の説明】
【００３０】
１０−従来食器形状
１１−第１縁形状
１２−第２縁形状
１３ａ、１３ｂ−第３縁形状
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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