(57)【要約】【課題】容易に孔を形成することができるセラミック焼成体の孔形成部材及び孔を有するセラミック焼成体の製造方法を提供する。【解決手段】セラミック焼成体の孔形成部材１は、基部材２と、該基部材２から突出する複数の糸状部材３とを有している。セラミック成形型の内側に孔形成部材１を相対移動可能に摺接させた後、セラミック成形型内にセラミックスラリーを注入し、その状態で加熱する。加熱によりセラミックスラリーは固化し、セラミック乾燥体を得る。その後、前記孔形成部材１及びセラミック乾燥体をセラミック成形型に対して相対移動させ、セラミック成形型から孔形成部材１及びセラミック乾燥体を取り出す。そして、セラミック乾燥体を前記糸状部材３から引き抜くことで貫通孔を有するセラミック乾燥体を得る。該セラミック乾燥体を焼成することによって、孔を有するセラミック焼成体を得る。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック成形型内に孔形成部材を配置してセラミックスラリーを注入し、該セラミックスラリーを乾燥させてセラミック乾燥体を得た後、該乾燥体を焼成してセラミック焼成体を得る、孔を有するセラミック焼成体の製造工程において使用され、前記孔形成部材が、基部材と、該基部材から突出し、セラミックスラリーの注入時に自立可能な複数の糸状部材とを有することを特徴とするセラミック焼成体の孔形成部材。
【請求項２】
前記糸状部材が可燃性であることを特徴とする請求項１に記載のセラミック焼成体の孔形成部材。
【請求項３】
セラミック成形型内に請求項１又は請求項２に記載の孔形成部材を配置してセラミックスラリーを注入し、該セラミックスラリーを乾燥させてセラミック乾燥体を得た後、該乾燥体から前記孔形成部材を除去し、前記乾燥体を焼成してセラミック焼成体を得ることを特徴とする孔を有するセラミック焼成体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、フィルター、プリンターヘッド、触媒担体、多層基板、ペン先、人工骨、炭素キャピラリ膜等に使用される、セラミック焼成体の孔形成部材及び孔を有するセラミック焼成体の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の孔を有するセラミックの製造方法としては、例えば、セラミック粉末を金型プレス成形法、射出成形法、冷間等方圧加工法等により成形し、続いてバインダー脱脂後又はセラミック焼成後に孔を形成する方法がある。これらの孔の形成にはドリル、超音波あるいはレーザー等が使用される。
【０００３】
また、金型プレス成形法、射出成形法等によって成形した２以上の分割成形体を冷間等方圧加工法によって一体成形する方法もある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
物理的な加工によらない方法としては、中子ピンをセラミックスラリー中に挿入して乾燥硬化させ、その後中子ピンを引き抜くことによって孔を形成する方法がある。ピンを用いる方法としては他にも、セラミック乾燥体をピンで打ち抜く方法もある（例えば、特許文献２参照。）。あるいは、共晶反応によってセラミック相を一次元的に成長させ、それを取り囲むセラミックマトリックス相からなる複合膜中の一次元的に成長したセラミック相を除去して得る方法もある（例えば、特許文献３参照。）。
【０００５】
このほか、セラミックスシート上に貫通孔形成剤を印刷方式で配置した後、積層、脱脂、焼結を行うことにより孔を形成する方法もある（例えば、特許文献４参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−１４７０１１号公報（第２〜３頁、第２図、第５図）
【特許文献２】
特開平１１−３０９６９７号公報（第４〜７頁）
【特許文献３】
特開平１０−１８２２６３号公報（第３頁）
【特許文献４】
特開２００３−２０２８９号公報（第３〜４頁）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、セラミック焼成体は硬質であるため、ドリル、超音波あるいはレーザー等による加工は困難で、生産効率が低いものであった。一旦成形したセラミック体を冷間等方圧加工によって一体成形する方法では、特殊な加工装置が必要であるため、容易には使用できなかった。
【０００８】
物理的な加工によらないものであっても、中子ピンによる方法ではピンの自立・抜き取り工程が必要で、生産効率が低いものであった。その他の方法についても、特殊な加工装置や前提条件が必要であるため、容易には使用できなかった。
【０００９】
この発明は前述した事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、セラミック焼成体に容易に孔を形成することができるセラミック焼成体の孔形成部材及び孔を有するセラミック焼成体の製造方法を提供することにある。
【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、請求項１に記載の発明は、セラミック成形型内に孔形成部材を配置してセラミックスラリーを注入し、該セラミックスラリーを乾燥させてセラミック乾燥体を得た後、該乾燥体を焼成してセラミック焼成体を得る、孔を有するセラミック焼成体の製造工程において、前記孔形成部材が、基部材と、該基部材から突出し、セラミックスラリーの注入時に自立可能な複数の糸状部材とを有することを要旨とした。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記糸状部材が可燃性であることを要旨とした。
請求項３に記載の発明は、セラミック成形型内に請求項１又は請求項２に記載の孔形成部材を配置してセラミックスラリーを注入し、該セラミックスラリーを乾燥させてセラミック乾燥体を得た後、該乾燥体から前記孔形成部材を除去し、前記乾燥体を焼成してセラミック焼成体を得ることを要旨とした。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した実施形態を図１〜図７に基づいて説明する。
図１に示すように、セラミック焼成体の孔形成部材１は、プラスチック製の四角板状をなす基部材２と、該基部材２から細長い円柱状に突出する複数の糸状部材３とを有している。前記糸状部材３の直径は１００μｍであり、その横断面の断面形状は真円である。この図においては説明のために拡大して表示してある。
【００１３】
前記糸状部材３は一定の間隔をおいて自立しており、その材質は吸水率が０．０１質量％、水との接触角が８２°、２５℃におけるヤング率が１．０ＧＰａであるポリフッ化ビニリデンである。
【００１４】
前記糸状部材３は一定の間隔をおいて自立しているが、それらの間隔は任意に設定できる。また、間隔は一定でなく個々に任意の間隔を設定しても良い。例えば０．５μｍ、２０μｍ、１０００μｍの間隔で配置させることもできる。また、その数は特に限定されず、１又は２以上の糸状部材３を配置することができる。
【００１５】
前記糸状部材３の横断面は真円に限らず、楕円、半円、三日月等でも良い。また、四角形や六角形等の多角形でも良い。また、その形状は、直線状に限らず、螺旋状、輪形状等、任意の形状のものが使用できる。
【００１６】
前記糸状部材３の長さは特に限定されず、任意に設定することができる。糸状部材３の長さを調整することにより、セラミック焼成体６に設ける孔１１の深さを調整することができる。
【００１７】
前記糸状部材３の材質はポリフッ化ビニリデンに限らず、ポリアミド、ポリエステル、アクリル樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニリデン等のプラスチック、カーボンナノチューブ、炭素繊維、炭化ケイ素、アルミナ、金属、ガラス、綿等の天然繊維、ウィスカー等、糸状のものであれば任意に設定することができる。
【００１８】
前記糸状部材３の吸水率は好ましくは３質量％以下、より好ましくは１．５質量％以下、最も好ましくは、０．５％質量以下である。この範囲にあるとき、セラミックの成形時に糸状部材３の周囲に注入されるセラミックスラリー４の組成中の水分が、糸状部材３によって吸収されることを抑制できる。糸状部材３の吸水率が３質量％を超えると、セラミックスラリー４が脱水して流動性を失うため、目的とする形状に成形できない場合がある。
【００１９】
吸水率が３質量％以下のものとしては例えば、ポリフッ化ビニリデン（０．０１質量％）、ポリアミド（１．３質量％）、ポリカーボネート（０．２４質量％）、ポリメタクリル酸メチル（０．３５質量％）、ポリプロピレン（０．０２質量％）、ポリ四フッ化エチレン（０．０質量％）等のプラスチック、カーボンナノチューブ（０．０質量％）、炭素繊維（０．０質量％）、炭化ケイ素（０．０質量％）、アルミナ（０．０質量％）等のセラミック、鉄（０．０質量％）、銅（０．０質量％）、ステンレス鋼（０．０質量％）等の金属、ガラス（０．０質量％）等が挙げられる。
【００２０】
前記糸状部材３の水との接触角は好ましくは３５°以上、より好ましくは６０°以上、最も好ましくは８０°以上である。この範囲にあるとき、セラミックスラリー４を固化させることによって得られるセラミック乾燥体５から糸状部材３を引き抜くことが容易になる。接触角が３５°未満のときには、糸状部材３をセラミック乾燥体５から引き抜く際に、該セラミック乾燥体５が糸状部材３に付着して引き抜きが困難になる。
【００２１】
水との接触角が３５°以上のものとしては例えば、ポリ塩化ビニル（８７°）、ポリ塩化ビニリデン（８０°）、ポリアミド（７７°）、ポリビニルアルコール（３６°）、ポリエチレン（８７°）、ポリプロピレン（９４°）、ポリフッ化ビニル（８０°）、ポリフッ化ビニリデン（８２°）、ポリ三フッ化エチレン（９２°）、ポリ四フッ化エチレン（１０８°）等が挙げられる。
【００２２】
前記糸状部材３は可燃性であることが好ましい。糸状部材３をセラミック乾燥体５から引き抜く際に、糸状部材３が切断され、セラミック乾燥体５中に取り残される場合がある。前記糸状部材３が可燃性であることにより、該糸状部材３はセラミック乾燥体５の焼成時に同時に消失してしまうため、セラミック焼成体６中には残存しないものである。
【００２３】
可燃性の糸状部材３としては例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリアミド、ポリエステル、アクリル樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニリデン等のプラスチック、綿等の天然繊維等が挙げられる。
【００２４】
前記糸状部材３の２５℃におけるヤング率は好ましくは３００Ｍ〜１５００ＧＰａ、より好ましくは５００Ｍ〜１５００ＧＰａ、最も好ましくは８００Ｍ〜１５００ＧＰａである。ヤング率とは、断面積  （Ｓ）  の物体に力  （Ｆ）  が加えられ、元の長さ  （Ｌ）  が  （ΔＬ）  だけ伸びたとき、  次式で与えられるものである。
【００２５】
ヤング率Ｅ＝（Ｆ／Ｓ）／（ΔＬ／Ｌ）
２５℃における前記糸状部材３のヤング率が３００Ｍ〜１５００ＧＰａであることにより、周囲にセラミックスラリー４が注入されても糸状部材３は自立したままであるため、セラミック乾燥体５に形成される貫通孔１３の形状が一定のものとなる。ヤング率が３００ＭＰａ未満のときには、セラミックスラリー４が注入されると前記糸状部材３は自立できず、セラミック乾燥体５に形成される孔の形状が一定のものとならない。逆にヤング率が１５００ＧＰａを超える場合には、糸状部材の製造が困難となる。
【００２６】
２５℃におけるヤング率が３００Ｍ〜１５００ＧＰａのものとしては例えば、ＡＢＳ樹脂（２．１ＧＰａ）、ポリカーボネート（６．７ＧＰａ）、ポリスチレン（３．５ＧＰａ）、高密度ポリエチレン（１．５ＧＰａ）、ポリフッ化ビニリデン（１．０ＧＰａ）、鉄（２０６ＧＰａ）、チタン（１１６ＧＰａ）、銅（１２３ＧＰａ）、アルミニウム（６９ＧＰａ）、ケイ素（１０５ＧＰａ）、銀（７３ＧＰａ）、金（８０ＧＰａ）、ガラス（７３ＧＰａ）、カーボンナノチューブ（９８０ＧＰａ）等が挙げられる。
【００２７】
前記糸状部材３を基部材２に配置する方法としては、任意の方法を使用できる。例えば、適当な長さに切断した糸状部材３の一端に接着剤等を塗布して前記基部材２に接着させる方法がある。また、別の方法としては、まず、図５（ａ）に示すように、目的とする基部材２よりも幅が狭い帯状基部材２ａと該帯状基部材２ａと同じ形状である挿入部材７とを並行に並べて糸状部材３を巻回する。次に、図５（ｂ）に示すように、前記帯状基部材２ａと糸状部材３とを帯状基部材２ａの両側面で接着剤８により接着する。図６に図５（ｂ）の状態の斜視図（図５（ｂ）は図６のＡ−Ａ線断面図）を示す。接着剤８が硬化した後、図５（ｃ）に示すように挿入部材７を抜き取り、図５（ｄ）に示すように糸状部材３の折返し部分を切断して孔形成部材片１ａを得る。このようにして作成した複数の孔形成部材片１ａの側面と、前記帯状基部材２ａと同形状である複数の層間基部材２ｂの側面とを図５（ｅ）に示すように、層間接着剤９によって交互に接着し、孔形成部材１を得る方法がある。
【００２８】
セラミック焼成体６の製造は以下のようにして行う。図２に示すように、まず、四角筒状のセラミック成形型１０の内側に前記糸状部材３の自立面が上になるようにして孔形成部材１の基部材２の側面をセラミック成形型１０の内側面に相対移動可能に摺接させる。続いて、セラミック成形型１０内にセラミックスラリー４を注入する。このとき糸状部材３は自立したままである。
【００２９】
前記セラミックスラリー４はセラミック粉末を分散剤又はバインダーにより水に分散させたものであり、その組成は例えば以下に示すようなものである。
セラミックスラリー４の組成：  純度９９．９％の高純度アルミナ８００重量部、バインダーとしてのポリエステル樹脂４００重量部、自己乳化型ポリアミド８重量部、水１５０重量部。
【００３０】
セラミックスラリー４の組成中、アルミナに代えてジルコニア（ＺｒＯ２）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）等を使用しても良い。また、バインダーとしては、ポリエステル樹脂のほか、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂等もセラミックとの相性やバインダー性能を考慮して使用しても良い。
【００３１】
そして、その状態で８０℃で２０分間加熱する。加熱によりセラミックスラリー４は固化し、セラミック乾燥体５を得る。その後、図３に示すように、前記孔形成部材１及びセラミック乾燥体５をセラミック成形型１０に対して相対移動、すなわち孔形成部材１の底面を図に示す上向き矢印の方向に押し込むことで、セラミック成形型１０から孔形成部材１及びセラミック乾燥体５を取り出す。そして、図４に示すように、セラミック乾燥体５を前記糸状部材３から引き抜くことで貫通孔１３を有するセラミック乾燥体５を得る。該セラミック乾燥体５を１５００℃で１０時間焼成することによって、図７に示すような一方向に貫通された孔１１を有するセラミック焼成体６が得られる。以上のようにして、セラミック焼成体の孔形成部材１は、孔１１を有するセラミック焼成体６の製造工程において使用される。
【００３２】
本実施形態は以下に示す効果を発揮することができる。
・セラミックスラリー４が注入されるセラミック成形型１０内に配置されて用いられるセラミック焼成体の孔形成部材１は、基部材２と、該基部材２から突出し、セラミックスラリー４の注入時に自立可能な複数の糸状部材３とを有している。このため、機械加工や特殊な装置を必要とせず、孔１１を有するセラミック焼成体６の製造が容易になる。
【００３３】
・前記糸状部材３が可燃性であることにより、糸状部材３をセラミック乾燥体５から引き抜く際に、糸状部材３が切断され、セラミック乾燥体５中に取り残された場合でも、糸状部材３はセラミック乾燥体５の焼成時に同時に消失してしまうため、セラミック焼成体６中には残存することがない。
【００３４】
・前記孔形成部材１にセラミックスラリー４を注入して成形することにより、機械加工や特殊な装置を必要とせず、孔１１を有するセラミック焼成体６の製造を容易に行うことができる。
【００３５】
・前記糸状部材３は吸水率が３質量％以下であることにより、セラミックの成形時に糸状部材３の周囲に注入されるセラミックスラリー４の組成中の水分が、糸状部材３によって吸収されることを抑制することができる。
【００３６】
・前記糸状部材３の水との接触角は３５°以上であることにより、セラミック乾燥体５から糸状部材３を容易に引き抜くことができる。
・２５℃における前記糸状部材３のヤング率が３００Ｍ〜１５００ＧＰａであることにより、セラミックスラリー４が注入されても糸状部材３は自立したままであるため、セラミック乾燥体５に形成する貫通孔１３の形状を一定にすることができる。
【００３７】
・セラミック焼成体６に形成したい孔１１の配置を、基部材２における糸状部材３の配置によって制御することができるため、セラミック焼成体６に形成する孔１１の配置を自在に決定することができる。
【００３８】
なお、前記実施形態を次のように変更して構成することもできる。
・前記基部材２はプラスチック製に限らず、任意に設定することができる。例えば、紙や金属でも良い。
【００３９】
・前記基部材２は四角板状に限らず、成形したいセラミック焼成体６の形状に合わせて任意に設定することができる。例えば、円板状や多角板状でも良い。
・前記糸状部材３の直径は１００μｍに限らず、任意に設定することができる。また、直径の異なるものを組合せて使用しても良い。例えば、０．１μｍ、５０μｍ、１０００μｍのものを組合せて使用することができる。
【００４０】
・前記糸状部材３は収縮率の異なる２種類の糸状部材３を一体化させた複合体でも良い。
このように構成した場合、前記糸状部材３は収縮率の違いから、加熱により螺旋構造に変形するため、螺旋孔が形成できる。初めから螺旋構造を有している糸状部材３を使用した場合、セラミックスラリー４はその表面張力によって螺旋構造の内側へ注入されないことがあるが、初めは直線状で加熱後に螺旋構造に変形するため、螺旋構造の内側へもセラミックスラリー４を注入することができる。
【００４１】
・前記実施形態において、孔１１はセラミック焼成体６を貫通しているが、貫通させなくても良い。
・前記実施形態において、前記糸状部材３をセラミック乾燥体５から引き抜いたが、糸状部材３が可燃性である場合には、糸状部材３をセラミック乾燥体５から引き抜くことなく、基部材２と糸状部材３とを切断し、そのまま焼成しても良い。
【００４２】
このように構成することで、前記糸状部材３をセラミック乾燥体５から引き抜く工程を省略できる。
・上記の場合において、前記糸状部材３及び基部材２が可燃性である場合には、前記基部材２と糸状部材３とを切断せず、そのまま焼成しても良い。
【００４３】
このように構成することで、前記糸状部材３をセラミック乾燥体５から引き抜く工程を省略できることに加え、前記基部材２と糸状部材３とを切断する工程も省略できる。
【００４４】
・前記実施形態において、セラミック成形型１０は四角筒状であったが、有底四角筒状であっても良い。また、底面の形状は四角に限らず多角形や円形でも良い。
【００４５】
・セラミック成形型１０が有底四角筒状の場合には、図８（ａ）に示すように、前記糸状部材３を下向きにしてセラミック成形型１０の上部に配置しても良い。
【００４６】
・前記実施形態において、糸状部材３は基部材２から突出させているが、図８（ｂ）又は（ｃ）に示すように、有底四角筒状のセラミック成形型１０の底壁１２又は側壁１４から突出させても良い。また、底壁１２及び側壁１４の双方から突出させても良い。この場合には、可燃性の糸状部材３を使用し、セラミックスラリー４をセラミック成形型１０に注入して乾燥した後、セラミック乾燥体５をセラミック成形型１０から取り出さずにそのまま焼成する。焼成によって糸状部材３は消失し、孔１１を有するセラミック焼成体６が得られる。
【００４７】
このように構成した場合、複数の面に孔１１を有するセラミック焼成体６が得らる。
次に、前記実施形態から把握できる請求項に記載した発明以外の技術的思想について、それらの効果と共に記載する。
【００４８】
（１）前記糸状部材の吸水率が３質量％以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のセラミック焼成体の孔形成部材。
このように構成した場合、糸状部材の周囲に注入されるセラミックスラリーからの脱水を抑制することができる。
【００４９】
（２）前記糸状部材の水との接触角が３５°以上であることを特徴とする請求項１、請求項２及び上記（１）のいずれか一項に記載のセラミック焼成体の孔形成部材。
【００５０】
このように構成した場合、セラミック乾燥体から糸状部材を容易に引き抜くことができる。
（３）前記糸状部材の２５℃におけるヤング率が３００Ｍ〜１５００ＧＰａであることを特徴とする請求項１、請求項２、上記（１）及び（２）のいずれか一項に記載のセラミック焼成体の孔形成部材。
【００５１】
このように構成した場合、セラミックスラリーが注入されても前記糸状部材は自立できるため、セラミック乾燥体に形成する孔の形状が一定のものとなる。
（４）前記基部材が可燃性であることを特徴とする請求項２に記載のセラミック焼成体の孔形成部材。
【００５２】
このように構成した場合、前記糸状部材をセラミック乾燥体から引き抜く工程を省略できる。
（５）セラミック成形型内に上記（１）から（４）のいずれか一項に記載のセラミック焼成体の孔形成部材を配置してセラミックスラリーを注入し、該セラミックスラリーを乾燥させてセラミック乾燥体を得た後、該乾燥体から前記孔形成部材を除去し、前記乾燥体を焼成してセラミック焼成体を得ることを特徴とする孔を有するセラミック焼成体の製造方法。
【００５３】
このように構成した場合、機械加工や特殊な装置を必要とせず、容易に孔を形成することができる。
【００５４】
【発明の効果】
この発明は、以上のように構成されているため、次のような効果を奏する。
請求項１に記載の発明のセラミック焼成体の孔形成部材によれば、機械加工や特殊な装置を必要とせず、セラミック焼成体に容易に孔を形成することができる。
【００５５】
請求項２に記載の発明のセラミック焼成体の孔形成部材によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、糸状部材をセラミック乾燥体から引き抜く際に、糸状部材が切断され、セラミック乾燥体中に取り残された場合でも、セラミック乾燥体の焼成時に同時に消失してしまうため、セラミック焼成体中には残存しないものである。
【００５６】
請求項３に記載の発明の孔を有するセラミック焼成体の製造方法によれば、請求項１又は請求項２に記載のセラミック焼成体の孔形成部材を用い、孔を有するセラミック焼成体を機械加工や特殊な装置を必要とせず、容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態のセラミック焼成体の孔形成部材を示す斜視図。
【図２】セラミック成形型に孔形成部材を配置し、セラミックスラリーを流し込んだ状態を示す断面図。
【図３】図２の状態から孔形成部材及びセラミック乾燥体を押し込んだ状態を示す断面図。
【図４】図３の状態からセラミック乾燥体を引き抜いた状態を示す断面図。
【図５】（ａ）〜（ｅ）は基部材に糸状部材を自立させる手順の一例を示す断面図。
【図６】図５（ｂ）の状態を示す斜視図。
【図７】孔を有するセラミック焼成体を示す斜視図。
【図８】（ａ）〜（ｃ）はそれぞれセラミック成形型に孔形成部材を配置し、セラミックスラリーを流し込んだ状態の別例を示す断面図。
【符号の説明】
１…セラミック焼成体の孔形成部材、２…基部材、３…糸状部材、４…セラミックスラリー、５…セラミック乾燥体、６…セラミック焼成体、１０…セラミック成形型、１１…孔。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2005022162.tif 000008
【図７】
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【図８】
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