(57)【要約】      （修正有）【課題】装置全体の小型化が可能であり、成形体の外径の寸法精度に優れると共に、成形体のクラックなどを防ぐことが可能な被成形材料の成形方法、被成形材料の成形用治具、被成形材料の成形装置の提供。【解決手段】収容部が設けられた外型１１と、収容部に収容され、側面と当該側面と繋がる底部とを有する弾性部材からなる内型１２と、を備えた成形用治具１を用いた被成形材料の成形方法であって、外型１１と内型１２との間に被成形材料を充填する充填工程と、被成形材料が充填された成形用治具の内型の内側から圧力印加部により圧力を印加して被成形材料を成形する成形工程と、成形用治具から成形後の被成形材料を抜き取る抜取工程と、を含む被成形材料の成形方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
収容部が設けられた外型と、前記収容部に収容され、側面と当該側面と繋がる底部とを有する弾性部材からなる内型と、を備えた成形用治具を用いた被成形材料の成形方法であって、
前記外型と前記内型との間に被成形材料を充填する充填工程と、
前記被成形材料が充填された前記成形用治具の前記内型の内側から圧力印加部により圧力を印加して被成形材料を成形する成形工程と、
前記成形用治具から成形後の前記被成形材料を抜き取る抜取工程とを含むことを特徴とする、被成形材料の成形方法。
【請求項２】
前記弾性部材が、シリコンゴムである、請求項１に記載の被成形材料の成形方法。
【請求項３】
前記圧力印加部が、水圧ポンプである、請求項１又は請求項２に記載の被成形材料の成形方法。
【請求項４】
前記成形用治具は、前記弾性部材の内周面に設けられ、当該弾性部材より水の透過率が低い防水部材を備える、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の被成形材料の成形方法。
【請求項５】
前記内型は、円筒状の弾性部材からなる、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の被成形材料の成形方法。
【請求項６】
収容部が設けられた外型と、前記収容部に収容され、側面と当該側面と繋がる底部とを有する弾性部材からなる内型と、を備えたことを特徴とする、被成形材料の成形用治具。
【請求項７】
前記弾性部材が、シリコンゴムである、請求項５に記載の被成形材料の成形用治具。
【請求項８】
前記弾性部材の内周面に設けられ、当該弾性部材より水の透過率が低い防水部材を備える、請求項６又は請求項７に記載の被成形材料の成形用治具。
【請求項９】
前記内型は、円筒状の弾性部材からなる、請求項６から請求項８のいずれか１項に記載の被成形材料の成形方法。
【請求項１０】
請求項６から請求項９のいずれか１項に記載の被成形材料の成形用治具と、
前記内型の内側に圧力を印加する圧力印加部とを備えたことを特徴とする、被成形材料の成形装置。
【請求項１１】
前記圧力印加部が、水圧ポンプである、請求項１０に記載の被成形材料の成形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被成形材料の成形方法、被成形材料の成形用治具、被成形材料の成形装置に関し、例えば、水素センサなどに用いられる固体電解質セルを好適に成形可能な被成形材料の成形方法、被成形材料の成形用治具、被成形材料の成形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、水素センサなどの固体電解質セルとして用いられる金属粉末及びセラミックス粉末などの被成形材料の成型用金型が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この成形用金型は、金属材料製の中子とこの中子の外側に配置される外型との間に弾力性のあるシリコンゴムが組み込まれてなり、外型と中子との間にセラミックス粉末を注入した後、外型の外側から常温下で冷間水圧加圧成形（ＣＩＰ：Ｃｏｌｄ  Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ  Ｐｒｅｓｓｉｎｇ）による加圧処理により被成形材料を所望の形状に成形する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実開平３−１２０９９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の成形用金型を用いた固体電解質セルの製造方法では、冷間水圧加圧成形用のＣＩＰ設備が大がかりとなり、またシリコンゴムを介して外側から圧力をかけて被成形材料を成形するので、成形後の成形体の外径にバラツキが生じる場合がある。さらに、特許文献１に記載の成形用金型では、被成形材料の加圧処理後の成形後の圧環強度は高くなる一方、引張強度が弱くなるので、圧力解放時に成形後の被成形材料に引張応力が作用してクラック及び割れが発生する場合がある。
【０００５】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、装置全体の小型化が可能であり、成形体の外径の寸法精度に優れると共に、成形体のクラックなどを防ぐことが可能な被成形材料の成形方法、被成形材料の成形用治具、被成形材料の成形装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の被成形材料の成形方法は、収容部が設けられた外型と、前記収容部に収容され、側面と当該側面と繋がる底部とを有する弾性部材からなる内型と、を備えた成形用治具を用いた被成形材料の成形方法であって、前記外型と前記内型との間に被成形材料を充填する充填工程と、前記被成形材料が充填された前記成形用治具の前記内型の内側から圧力印加部により圧力を印加して被成形材料を成形する成形工程と、前記成形用治具から成形後の前記被成形材料を抜き取る抜取工程とを含むことを特徴とする。
【０００７】
この被成形材料の成形方法によれば、冷間水圧加圧成形用のＣＩＰ設備を用いることなく、被成形材料を加圧により成形できるので、装置全体の小型化が可能となる。また、外型との間に被成形材料を充填した状態で、弾性部材の内型の内側から被成形材料を成形するので、成形後に得られる被成形材料の成形体の外径の寸法が、外型の内径の寸法に対応して高い寸法精度が得られる。さらに、内型の内側から加圧するので、成形後に得られる被成形材料の成形体に対する圧力解放時に成形体に対して外側に作用する引張応力を低減することができる。したがって、被成形材料の成形方法は、装置全体の小型化が可能であり、成形体の外径の寸法精度に優れると共に、成形体のクラックなどを防ぐことが可能となる。
【０００８】
本発明の被成形材料の成形方法においては、前記弾性部材が、シリコンゴムであることが好ましい。この方法により、被成形材料の成形方法は、弾性部材の弾性力が適度な範囲となるので、被成形材料の加圧成形時にシリコンゴムが緩衝材となると共に、被成形材料の内側の形状の寸法精度が向上する。
【０００９】
本発明の被成形材料の成形方法においては、前記圧力印加部が、水圧ポンプであることが好ましい。この方法により、被成形材料の成形方法は、内型の内側から容易に圧力を印加することが可能となる。
【００１０】
本発明の被成形材料の成形方法においては、前記成形用治具は、前記弾性部材の内周面に設けられ、当該弾性部材より水の透過率が低い防水部材を備えることが好ましい。この方法により、内型の内側からの水の透過量を低減することができるので、被成形材料と水分との変質反応による被成形材料の変質を防ぐことができる。
【００１１】
本発明の被成形材料の成形方法においては、前記内型は、円筒状の弾性部材からなることが好ましい。この構成により、内型の内側からの加圧が容易となるので、被成形材料を容易に成形することが可能となる。
【００１２】
本発明の被成形材料の成形用治具は、収容部が設けられた外型と、前記収容部に収容され、側面と当該側面と繋がる底部とを有する弾性部材からなる内型とを備えたことを特徴とする。
【００１３】
この被成形材料の成形用治具によれば、冷間水圧加圧成形用のＣＩＰ設備を用いることなく、被成形材料を加圧により成形できるので、被成形材料の成形用装置全体の小型化が可能となる。また、外型との間に被成形材料を充填した状態で、弾性部材の内型の内側から被成形材料を成形できるので、成形後に得られる被成形材料の成形体の外径の寸法が、外型の内径の寸法に対応して高い寸法精度が得られる。さらに、内型の内側から加圧するので、成形後に得られる被成形材料の成形体に対する圧力解放時に成形体に対して外側に作用する引張応力を低減することができる。したがって、被成形材料の成形用治具は、装置全体の小型化が可能であり、成形体の外径の寸法精度に優れると共に、成形体のクラックなどを防ぐことが可能となる。
【００１４】
本発明の被成形材料の成形用治具においては、前記弾性部材が、シリコンゴムであることが好ましい。この構成により、被成形材料の成形用治具は、弾性部材の弾性力が適度な範囲となるので、被成形材料の加圧成形時にシリコンゴムが緩衝材となると共に、被成形材料の内側の形状の寸法精度が向上する。
【００１５】
本発明の被成形材料の成形用治具においては、前記弾性部材の内周面に設けられ、当該弾性部材より水の透過率が低い防水部材を備えることが好ましい。この構成により、内型の内側からの水の透過量を低減することができるので、被成形材料と水分との変質反応による被成形材料の変質を防ぐことができる。
【００１６】
本発明の被成形材料の成形用治具においては、前記内型は、円筒状の弾性部材からなることが好ましい。この構成により、内型の内側からの加圧が容易となるので、被成形材料を容易に成形することが可能となる。
【００１７】
本発明の被成形材料の成形装置は、上記被成形材料の成形用治具と、前記内型の内側に圧力を印加する圧力印加部とを備えたことを特徴とする。
【００１８】
この被成形材料の成形装置によれば、冷間水圧加圧成形用のＣＩＰ設備を用いることなく、被成形材料を加圧により成形できるので、装置全体の小型化が可能となる。また、外型との間に被成形材料を充填した状態で、弾性部材の内型の内側から被成形材料を成形できるので、成形後に得られる被成形材料の成形体の外径の寸法が、外型の内径の寸法に対応して高い寸法精度が得られる。さらに、内型の内側から加圧するので、成形後に得られる被成形材料の成形体に対する圧力解放時に成形体に対して外側に作用する引張応力を低減することができる。したがって、被成形材料の成形装置は、装置全体の小型化が可能であり、成形体の外径の寸法精度に優れると共に、成形体のクラックなどを防ぐことが可能となる。
【００１９】
本発明の被成形材料の成形装置においては、前記圧力印加部が、水圧ポンプであることが好ましい。この構成により、被成形材料の成形装置は、内型の内側から容易に圧力を印加することが可能となる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、装置全体の小型化が可能であり、成形体の外径の寸法精度に優れると共に、成形体のクラックなどを防ぐことが可能な被成形材料の成形方法、被成形材料の成形用治具、被成形材料の成形装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本実施の形態に係る被成形材料の成形用治具の断面模式図である。
【図２】図２は、本実施の形態に係る成形用治具の外型の上面側の模式的な分解斜視図である。
【図３】図３は、本実施の形態に係る成形用治具の外型の底面側の模式的な分解斜視図である。
【図４】図４は、本実施の形態に係る成形用治具の内型の模式的な斜視図である。
【図５】図５は、本実施の形態に係る被成形材料の成形用治具を備えた被成形材料の成形装置の模式図である。
【図６】図６は、本発明の一実施の形態に係る被成形材料の成形方法のフロー図である。
【図７】図７は、本実施の形態に係る被成形材料の成形方法の充填工程の説明図である。
【図８】図８は、本実施の形態に係る被成形材料の成形方法の成形工程の説明図である。
【図９Ａ】図９Ａは、本実施の形態に係る被成形材料の成形方法の抜取工程の説明図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、本実施の形態に係る被成形材料の成形方法の抜取工程の説明図である。
【図９Ｃ】図９Ｃは、本実施の形態に係る被成形材料の成形方法の抜取工程の説明図である。
【図９Ｄ】図９Ｄは、本実施の形態に係る被成形材料の成形方法の抜取工程の説明図である。
【図１０】図１０は、本実施の形態に係る被成形材料の成形方法に用いられる成形用治具の他の例を示す断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の各実施の形態に限定されるものではなく、適宜変更して実施可能である。また、以下の各実施の形態は適宜組み合わせて実施可能である。また、各実施の形態において共通する構成要素には同一の符号を付し、説明の重複を避ける。
【００２３】
本発明の一実施の形態に係る被成形材料の成形方法は、略円筒形状の開口部を有する外型と、開口部内に挿抜可能に形成され、内側から圧力を印加可能な有底円筒形状の弾性部材からなる内型と、を備えた成形用治具を用いた被成形材料の成形方法である。まず、本実施の形態に係る被成形材料の成形方法に用いられる被成形材料の成形用治具及び当該成形用治具を備えた被成形材料の製造装置について説明する。
【００２４】
図１は、本実施の形態に係る被成形材料の成形用治具１の断面模式図であり、図２は、本実施の形態に係る成形用治具１の外型１１の上面側の模式的な分解斜視図であり、図３は、本実施の形態に係る成形用治具１の外型１１の底面側の模式的な分解斜視図であり、図４は、本実施の形態に係る成形用治具１の内型１２の模式的な斜視図である。
【００２５】
図１から図４に示すように、本実施の形態に係る被成形材料の成形用治具１は、概して円筒形状をなしており、金属部材からなる外型１１と、この外型１１の内部に挿抜可能に配置される弾性部材からなる内型１２とを備える。外型１１は、内型１２が内部に挿抜可能に配置される本体部１１１と、この本体部１１１の上部に着脱可能に配置される支持部１１２と、本体部１１１の底部に着脱可能に配置される投入口蓋１１３とを備える。
【００２６】
外型１１の本体部１１１は、概して円柱形状をなしており、上面の径方向における中央部に内型１２が挿入される収容部１１１ａが設けられている。この収容部１１１ａは、直径Ｄ１が内型１２の外径Ｄ２より大きく設けられており、底面側が本体部１１１の底面に設けられた被成形材料の投入口１１１ｂに繋がっている。また、本体部１１１の底面の投入口１１１ｂの周囲には、投入口蓋１１３が配置される凹部１１１ｃが設けられている。このように収容部１１１ａを設けることにより、収容部１１１ａに内型１２を挿入した際に、収容部１１１ａの内周面と内型１２の外周面との間に所定の間隔ができるので、外型１１と内型１２との間に被成形材料を充填することが可能となる。この成形用治具１においては、成形される被成形材料の外側の形状は、外型１１の本体部１１１の収容部１１１ａの形状に応じた形状となる。
【００２７】
支持部１１２は、概して円柱形状をなしており、径方向の中央部に支持部１１２の上面側と下面側とを連通する連通孔１１２ａが設けられている。この連通孔１１２ａは、直径Ｄ３が本体部１１１の直径Ｄ１より小さくなるように設けられ。連通孔１１２ａには、外部から内型１２内に流体を流す配管が接続される。また、支持部１１２は、底面側に内型１２を収容する収容部１１２ｂが設けられている。このように、支持部１１２に設けた収容部１１２ｂに内型１２の後述する鍔部１２２を配置して支持部１１２と本体部１１１との間で鍔部１２２を支持することにより、内型１２の内部に効率良く圧力を印加することが可能となる。
【００２８】
内型１２は、側面（側壁）１２ａと当該側面１２ａと繋がる底部１２ｂとを有する有底円筒状の本体部１２１と、本体部１２１の開口された一端部に設けられ、本体部１２１から外側に向かって延在する鍔部１２２とを有する。このように、内型１２が有底円筒状であることにより、内型１２の内側からの加圧による被成形材料の成形が容易となる。内型１２は、外型１１の収容部１１１ａ内に本体部１２１が挿抜可能に形成される。また、内型１２は、内側から圧力を印加可能であり、内側から圧力を印加した際の緩衝材となる弾性部材からなる。この成形用治具１においては、成形される被成形材料の内側の形状は、内型１２の本体部１２１の外側の形状に応じた形状となる。内型１２の弾性部材としては、シリコンゴムが好ましい。これにより、弾性部材の弾性力が適度な範囲となるので、被成形材料の加圧成形時にシリコンゴムが緩衝材となると共に、被成形材料の内側の形状の寸法精度が向上する。なお、本実施の形態においては、内型１２の形状としては、有底円筒状である例について説明したが、内型１２の形状は、内型１２の内側から加圧が可能である形状であれば有底円筒状に限定されない。
【００２９】
図５は、本実施の形態に係る被成形材料の成形用治具１を備えた被成形材料の成形装置１０の模式図である。図５に示すように、本実施の形態に係る被成形材料の成形装置１０は、上述した成形用治具１と、成形用治具１の内型１２の内部に水圧を印加する水圧ポンプ（圧力印加部）１３と、水圧ポンプ１３と成形用治具１の支持部１１２の連通孔１１２ａとを接続する接続配管１４とを備える。接続配管１４には、水圧ポンプ１３によって内型１２内に印加された圧力を保持するバルブＶが設けられている。なお、本実施の形態では、水圧ポンプ１３によって内型１２の内部を水圧で加圧する例について説明したが、内型１２の内部には、気体などの他の流体によって圧力を印加してもよい。
【００３０】
次に、本実施の形態に係る被成形材料の成形方法について詳細に説明する。図６は、本発明の実施の形態に係る被成形材料の成形方法のフロー図である。図６に示すように、本実施の形態に係る被成形材料の成形方法は、成形用治具の外型と内型との間に被成形材料を充填する充填工程ＳＴ１１と、被成形材料が充填された成形用治具の内型の内側から圧力印加部により圧力を印加して被成形材料を成形する成形工程ＳＴ１２と、成形用治具から成形後の被成形材料を抜き取る抜取工程ＳＴ１３とを含む。
【００３１】
図７は、本実施の形態に係る被成形材料の成形方法の充填工程ＳＴ１１の説明図である。図７に示すように、充填工程ＳＴ１１では、成形用治具１の外型１１の収容部１１１ａ内に内型１２を配置する。そして、成形用治具１の底面側を上方に向けて内型１２の内部に保持部材２１を配置した後に、バイブレータなどの振動印加装置２２によって成形用治具１に振動を印加する。続いて、外型１１の本体部１１１の投入口１１１ｂから被成形材料の原料粉末を投入して外型１１と内型１２との間に被成形材料を充填する。被成形材料としては、成形用治具１によって成形可能なものであれば特に制限はなく、例えば、ＳｒＺｒ０．９５Ｙｂ０．０５Ｏ３、ＣａＺｒ０．９５Ｙｂ０．０５Ｏ３、ＳｒＺｒ０．９５Ｙｂ０．０５Ｏ３、ＣａＺｒ０．９５Ａｌ０．０５Ｏ３、ＳｒＺｒ０．９５Ａｌ０．０５Ｏ３、ＳｒＺｒ０．９５Ｉｎ０．０５Ｏ３及びＳｒＺｒ０．９５Ｓｍ０．０５Ｏ３などのＳｒＺｒＯ３系ペロブスカイト型化合物にＹｂがドーピングされた化合物が挙げられる。
【００３２】
図８は、本実施の形態に係る被成形材料の成形方法の成形工程ＳＴ１２の説明図である。図８に示すように、成形工程ＳＴ１２では、内型１２内から保持部材２１を取り外した後、外型１１の投入口１１１ｂに投入口蓋１１３をする。そして、外型１１の支持部１１１２の連通孔１２１ａに接続配管１４を接続してバルブＶを開放した後、水圧ポンプ１３から内型１２の内部に水圧（例えば、１．５ｔ／ｃｍ２）を印加して被成形材料の粉末を成形する。ここでは、水圧ポンプ１３から所定圧力を印加した後、バルブＶを閉止して水圧ポンプ１３を停止した状態で所定時間保持してもよい。
【００３３】
図９Ａ〜図９Ｄは、本実施の形態に係る被成形材料の成形方法の抜取工程ＳＴ１３の説明図である。図９Ａに示すように、抜取工程ＳＴ１３では、接続配管１４、バルブＶ及び水圧ポンプ１３を停止した後、内型１２の内部の水を抜く。次に、図９Ｂに示すように、そして、成形体１５から外型１１を外す。続いて、図９Ｃに示すように、外型１１の投入孔１１３ａの近傍の部位に形成された成形体１５の突起部１５ａを紙やすりなどで削って除去する。最後に、図９Ｄに示すように、内型１２から成形体１５を自重で落として抜き取るなどして外すことにより、被成形材料の成形体１５を得ることができる。
【００３４】
以上説明したように、上記実施の形態に係る被成形材料の成形方法によれば、冷間水圧加圧成形用のＣＩＰ設備を用いることなく、被成形材料を加圧により成形できるので、装置全体の小型化が可能となる。また、外型１１との間に被成形材料を充填した状態で、弾性部材の内型１２の内側から被成形材料を成形するので、成形後に得られる被成形材料の成形体の外径の寸法精度が、外型１１の内径の寸法に対応した高い寸法精度となる。さらに、内型１２の内側から加圧するので、成形後の圧力解放時には、成形体の内側に対して応力が働くので、圧力解放時に成形体に対して外側に作用する引張応力を低減することができ、成形体のクラックを防ぐことが可能となる。したがって、被成形材料の成形方法は、装置全体を従来の１／１０程度に小型化することが可能であり、成形体の外径の寸法精度に優れると共に、成形体のクラックなどを防ぐことが可能となる。
【００３５】
ところで、水を用いた冷間水圧加圧成形を行う成形方法では、例えば、ＳｒＺｒ０．９５Ｙｂ０．０５Ｏ３（ＳｒＯ含量：４４．８８質量％、Ｓｒ含量：３７．９５質量％）などの原料粉末がＳｒＯなどの吸湿性の高い材料を含有する場合には、ＳｒＯと水分とが下記式（１）に示す反応により被成形材料の原料粉末が変質する場合がある。
ＳｒＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｓｒ（ＯＨ）２・・・式（１）
【００３６】
図１０は、本実施の形態に係る被成形材料の成形方法に用いられる成形用治具の他の例を示す断面模式図である。図１０に示すように、この成形用治具２は、内型１２の内面に沿って設けられた防水部材１６を備える。防水部材１６は、内型１２の本体部１２１の内面及び鍔部１２２の上面に亘って設けられる。この防水部材１６は、内型１２を構成する弾性部材よりも水の透過率が低い防水材料で構成される。このような防水材料としては、例えば、塩化ビニリデン、ポリイミド、及びアモルファスフッ素樹脂（例えば、ＣＹＴＯＰ（登録商標）、旭硝子社製）などが挙げられる。これらの中でも、被成形材料への水分の透過を効率良く防ぐ観点及び成形される成形体の外径寸法の精度を向上する観点から、塩化ビニリデンが好ましい。
【００３７】
防水部材１６の厚みとしては内型１２内に充填された被成形材料への水分の透過を防ぐ観点から、１０μｍ以上が好ましく、また内型１２内に充填された被成形材料の原料粉末を均一に加圧する観点から、３０μｍ以下が好ましい。
【００３８】
このように、内型１２の内面に防水部材１６を設けることにより、成形工程ＳＴ１２で内型１２の内面から水圧を印加した際の内型１２を透過する水分の量を低減することができるので、被成形材料が吸湿性の高い材料を含有する場合であっても、被成形材料の原料粉末の変質を防ぐことが可能となり、被成形材料の歩留まりを大幅に改善することが可能となる。
【符号の説明】
【００３９】
１，２  成形用治具
１０  成形装置
１１  外型
１１１  本体部
１１１ａ  収容部
１１１ｂ  投入口部
１１２  支持部
１１２ａ  連通孔
１１２ｂ  収容部
１１３  投入口蓋
１２  内型
１２ａ  側面
１２ｂ  底部
１２１  本体部
１２２  鍔部
１３  水圧ポンプ（圧力印加部）
１４  接続配管
１５  成形体
１６  防水部材
２１  保持部材
２２  振動印加装置
【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図１０】
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