(57)【要約】【課題】焼成過程における成形体の上部と下部とでの均等な収縮を図り、それによって形状精度を著しく高めることができ、そのため後加工は最小限でよく、あるいは後加工自体が不要となり、しかも製作コストを低く抑えることができるようにする。【解決手段】円筒形状などのセラミック成形体１０を、匣鉢１２上に載置して焼成する方法において、匣鉢に前記セラミック成形体と同材質の下敷き粉１４を３ｍｍ以上、より好ましくは１０ｍｍ以上の厚さで敷き詰め、その下敷き粉の層上にセラミック成形体を載置して焼成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック成形体を匣鉢に載置して焼成する方法において、匣鉢に前記セラミック成形体と同じ材質の下敷き粉を３ｍｍ以上の厚さで敷き詰め、その下敷き粉の層上にセラミック成形体を載置して焼成することを特徴とするセラミック成形体の焼成方法。
【請求項２】
下敷き粉を１０ｍｍ以上の厚さで敷き詰め、その下敷き粉の層上にセラミック成形体を載置して焼成する請求項１記載のセラミック成形体の焼成方法。
【請求項３】
セラミック成形体が、Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉを主成分とする圧電セラミックスの円筒体もしくは円柱体であり、その中心軸が鉛直方向を向くように設置し焼成する請求項１又は２記載のセラミック成形体の焼成方法。
【請求項４】
セラミック成形体が、Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉを主成分とする圧電セラミックスの円筒体であって、その中心軸が鉛直方向を向くように設置し、円筒体の内部にも下敷き粉を円筒体高さの半分以下充填して焼成する請求項１又は２記載のセラミック成形体の焼成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミック成形体を焼成する方法に関し、更に詳しく述べると、セラミック成形体を、厚く敷き詰めた下敷き粉の層上に載置して焼成することにより、焼成に伴う不均一な収縮変形を防止できるように工夫したセラミック成形体の焼成方法に関するものである。この技術は、特に限定されるものではないが、例えば超音波モータに使用するような、高い形状精度が要求される円筒型圧電素子の製造に有用である。
【背景技術】
【０００２】
セラミック成形体は、通常、匣鉢（焼成治具）あるいはセラミック板上に直接載置した状態で焼成される。例えば、円筒形状あるいは円柱形状の成形体の場合、その中心軸方向が匣鉢底面に対して垂直を向くように配列して焼成している。しかし、このような焼成方法では、匣鉢の内底面と成形体の底面との摩擦抵抗によって、成形体下部の内部方向への円滑な焼成収縮が妨げられ、そのため成形体下部が広がったいびつな焼成品になってしまう。そこで、予め下部の変形分を考慮した削り代を上乗せした形状の成形体を製作しておく必要があり、焼成後の削り加工量の増加など余分なコストがかかる問題があった。
【０００３】
この問題を解決する対策として、匣鉢に成形体との収縮率の差が小さく平面度の良好な平板形状の成形体を補助具として敷き、その補助具を介して成形体を匣鉢内に設置する方法が提案されている（特許文献１参照）。確かに、このような焼成方法によって、焼成過程における成形体の均等な収縮を図ることができ、形状精度を高めることができる。しかし、補助具として平面度の良好な平板形状の成形体を必要とするため、焼成コストが嵩む欠点がある。
【０００４】
他の対策として、匣鉢に下敷き粉（例えば、セラミック成形体と同材質の粉末）を薄く（具体的には、粉末１層もしくは２層程度の厚み）敷いてセラミック成形体と匣鉢とが直接接触しないようにし、その上にセラミック成形体を載置して焼成する方法も行われている。この焼成方法は、下敷き粉によってセラミック成形体と匣鉢との摩擦抵抗を低減できるので、ある程度は形状精度を高めることができるが、必ずしも十分ではない。
【０００５】
例えば、超音波モータに使用する円筒形状の圧電素子では、焼成終了の段階で上部も下部も真円度の高い状態とすることが望まれるが、現状では十分ではない。必要な真円度に仕上げるためには、ある程度の後加工を必要とする。この後加工における研磨量が多いほど、加工コストは増大し、製造効率も低下する。従って、必要とする真円度、もしくはそれに極力近い形状精度で焼成できれば、その分、後加工を低減できるか、極端な場合は無くすことができるため、そのような焼成方法の開発が強く求められている。
【特許文献１】特開平６−２７９０９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、焼成過程における成形体の上部と下部とでの均等な収縮を図り、それによって形状精度を著しく高めることができ、そのため後加工は最小限でよく、あるいは後加工自体が不要となり、しかも焼成コストを低く抑えることができるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、セラミック成形体を匣鉢に載置して焼成する方法において、匣鉢に前記セラミック成形体と同材質の下敷き粉を３ｍｍ以上の厚さで敷き詰め、その下敷き粉の層上にセラミック成形体を載置して焼成することを特徴とするセラミック成形体の焼成方法である。より好ましくは、下敷き粉を１０ｍｍ以上の厚さで敷き詰める。なお、下敷き粉の厚みは、過度に厚くなっても形状精度に及ぼす影響は殆ど無く、厚くした分、余分に下敷き粉が必要になり不経済となることから、下敷き粉の厚みは１５ｍｍ程度を限度とするのがよい。
【０００８】
セラミック成形体は、例えば、Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉを主成分とする圧電セラミックスの円筒体もしくは円柱体である。円筒体の場合には、その内部にも下敷き粉を円筒体高さの半分程度以下充填して焼成するのが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、匣鉢内にセラミック成形体と同材質の下敷き粉を厚く敷き詰め、その下敷き粉の層上にセラミック成形体を載置して焼成するように構成したので、セラミック成形体は、焼成過程において焼成収縮を阻害する匣鉢との接触による直接的な影響を受けず、また厚い下敷き粉層のなかの殆どフリーに収縮する上層部と一緒に収縮する。そのため、セラミック成形体のフリーな上部と下敷き粉に接している下部とがほぼ同じ割合で焼成収縮することになり、局部的な変形を防止することができ、真円度などの形状精度が極めて良好なセラミック製品を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明者等は、円筒形状のセラミック成形体について、実施例で述べるように、匣鉢内での設置の向きや下敷き材料・形状などを変えた様々な態様での焼成実験を試みた。その結果、焼成品の軸方向の様々な位置での真円度などの形状精度に関し、下敷き材料としてセラミック成形体と同じ材料を用いること、下敷き材料は粉末状にし、しかもかなり厚く敷き詰めること、が極めて有効であることを見出した。本発明は、このような焼成実験とそれによる形状精度変化の解析結果に基づき完成されたものである。
【００１１】
図１は、本発明に係るセラミック成形体の焼成方法を示す説明図である。（Ａ）に示す例では、セラミック成形体１０は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）圧電セラミックスの円筒体である。容器状の匣鉢１２の内底部上に、前記セラミック成形体と同材質の下敷き粉１４をかなり厚く（厚さｔ≧３ｍｍ、より好ましくはｔ≧１０ｍｍ）敷き詰め、軽く押さえ付けて上面が平坦になるように整える。その下敷き粉１４の層上に、セラミック成形体１０を、その中心軸が鉛直方向を向くように載置し、匣鉢１２に蓋１６を被せて焼成する。なお、セラミック成形体は、円筒体の他、円柱体など任意の形状のものでよい。
【００１２】
図１の（Ｂ）に示す例も、セラミック成形体１０は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）圧電セラミックスの円筒体である。容器状の匣鉢１２の内底部上に、セラミック成形体と同材質の下敷き粉１４をかなり厚く（厚さｔ≧３ｍｍ、より好ましくはｔ≧１０ｍｍ）敷き詰め、軽く押さえ付けて上面が平坦になるように整える。その下敷き粉１４の層上に、セラミック成形体１０を、その中心軸が鉛直方向を向くように載置し、更にセラミック成形体１０の内部にも下敷き粉を半分程度の高さまで充填し（ｈ≒Ｈ／２：ｈは充填高さ、Ｈは成形体高さ）、匣鉢１２に蓋１６を被せて焼成する。
【００１３】
なお、図１においては、図面を簡略化するため、１個の匣鉢内に１個のセラミック成形体を収容した例のみ示しているが、実際には、通常、複数個のセラミック成形体を収容し同時に焼成することになる。
【実施例】
【００１４】
試料として、円筒形状（外径１１．６ｍｍ、内径７．４ｍｍ、高さ５，８ｍｍ）のＰＺＴ成形体を用い、次のＡ〜Ｌに示す態様で焼成を行った。
Ａ：Ｚｒ粉末を薄く（１ｍｍ以下）敷き、その上に試料を縦置き（試料の中心軸を匣鉢底面に対して垂直に載置）する。
Ｂ：Ｚｒ粉末を薄く（１ｍｍ以下）敷き、その上に試料を横置き（試料の中心軸を匣鉢底面に対して平行に載置）する。
Ｃ：ＰＺＴ粉末を薄く（１ｍｍ以下）敷き、その上に試料を縦置きする。
Ｄ：ＰＺＴ粉末を厚く（３ｍｍ以上）敷き、その上に試料を縦置きする。
Ｅ：ＰＺＴ粉末を厚く（３ｍｍ以上）敷き、その上に試料を縦置きし、ＰＺＴ粉末で試料を埋める。
Ｆ：ＰＺＴ粉末を厚く（３ｍｍ以上）敷き、その上に試料を横置きし、ＰＺＴ粉末で試料を埋める。
Ｇ：ＰＺＴ粉末を薄く（１ｍｍ以下）敷き、その上に試料を横置きする。
Ｈ：アルミナ波板上に試料を縦置きする。
Ｉ：試料を２段重ねする。そして、上の試料を測定する。
Ｊ：試料を２段重ねする。そして、下の試料を測定する。
Ｋ：ＰＺＴ成形板（平板）を敷き、その上に試料を縦置きする。
Ｌ：アルミナ波板上に試料を横置きする。
【００１５】
各焼成品の中心軸方向の上端位置、中央位置、下端位置での内径と外径について、真円度のｐ−ｐ値を測定した。その結果、試料が円筒形状の場合、一般的傾向として、横置き（Ｂ，Ｆ，Ｇ，Ｌ）にすると、縦置きよりも真円度がかなり悪くなった。また、真円度のｐ−ｐ値を２０μｍ程度以下にできる焼成方法は、Ｄ，Ｅ，Ｉ，Ｋであった。
【００１６】
これらの焼成方法において、ＩとＫは、無駄が多くなりコスト高になることは明らかであった。そこで、ＰＺＴ粉末を敷く焼成方法に絞って、更に検討した。
【００１７】
試料として、前記と同じ寸法の円筒形状ＰＺＴ成形体を用い、匣鉢にＰＺＴ成形体と同材質のＰＺＴ粉末を敷く次のａ〜ｅに示す態様で焼成を行った。成形体は縦置きである。
ａ：下敷き粉の厚み１ｍｍ
ｂ：下敷き粉の厚み３ｍｍ
ｃ：下敷き粉の厚み５ｍｍ
ｄ：下敷き粉の厚み１０ｍｍ
ｅ：下敷き粉の厚み１０ｍｍ＋成形体内にその高さのほぼ半分まで内部充填
【００１８】
各焼成品の中心軸方向の上端位置、中央位置、下端位置での内径と外径について、それぞれ真円度のｐ−ｐ値を測定した。その結果を図２に示す。図２から分かるように、上端位置での真円度のｐ−ｐ値に関しては、下敷き粉の厚みによる影響は見られない。中央位置での真円度のｐ−ｐ値に関しては、下敷き粉の厚みが３ｍｍ以上になると、ほぼ一定になる。下端位置での真円度のｐ−ｐ値に関しては、下敷き粉の厚みが３ｍｍ以上になれば急激に低下し、１０ｍｍ以上にすると１５μｍ以下まで低減する。従って、下敷き粉の厚みを３ｍｍ以上にすれば、焼成品の中心軸方向の全ての位置での真円度のｐ−ｐ値を２０μｍ以下にできることが分かる。また、下敷き粉の厚みを１０ｍｍ以上にすれば、全ての位置での真円度のｐ−ｐ値が１５μｍ以下というように、極めて小さくできることも分かる。このようなｐ−ｐ値が１５μｍ以下の真円度は、前記Ｉ，Ｋの焼成方法では実現できておらず、極めて良好な形状精度である。
【００１９】
更に、同じ下敷き粉の厚み（１０ｍｍ）のｄとｅの焼成方法を比べると、内部に粉体を充填するｅの焼成方法の方が、下端位置での真円度が向上し、形状精度はより一層良好となることも分かる。
【００２０】
これらの結果、特に下敷き粉の厚みを１０ｍｍ以上にすれば、製品仕様（要求精度）によっては無加工で済むし、加工が必要となる場合でも、加工量（研削量）を最小限に抑えることができ、セラミック焼結体を使用する製品コストを著しく低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係るセラミック成形体の焼成方法を示す説明図。
【図２】下敷き粉の厚みと焼成品の真円度の関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００２２】
１０  セラミック成形体
１２  匣鉢
１４  下敷き粉
１６  蓋
【図１】
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【図２】
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