日本ガイシにおけるセラミックス加工の取組み
Development of Precision Machining for Ceramic Materials in NGK INSULATORS,LTD.
日本ガイシ株式会社
NGK INSULATORS,LTD.

裕 之Hiroyuki Tsuji

１．はじめに４．製造プロセスにおける加工技術の役割

セラミックス材料は構造材料や機能材料として金属材料や有機材

セラミックス材料は無機材料の固体からなる多結晶体であり、その料にない特性を活かして産業界で活用されている。
特に原料と製造プ

製造プロセスの概要を図１に示す。特徴的であるのは、成形体に対しロセスを科学的に制御したファインセラミックスは高度な特性を有て焼成後の収縮率は 10～30%のすることから広い分野で部材、デバイスに活用されている。また、先大きさであり、それは成形体と端分野に使われることも多く、セラミックス加工、計測技術も最先端

焼結体の密度比によって決まの技術を要求される。
ここでは、精密工学会賞を戴いたことに際して、る。成形体の形状はトータルの長年、取組んできたセラミックスの製品開発および製造プロセス開発

焼成収縮量等を見込んで金型に関係する精密加工技術の取組みについて紹介をする。

等の設計を行う。また、セラミックスは硬く脆いため難加工

２．セラミックス材料の特性性のものも多く、成形精度を向セラミックス材料は、酸化物系、窒化物系、炭化物系等に分類され上させて仕上げ加工を最小限る。各材料系において組成の改良や粒子・粒界の制御によって以下のにする技術開発を行ってきた。

ような特性を向上させている。

工程順に加工技術の役割について説明する。

①

電気絶縁/耐蝕性

粉末調整とは原料の粉砕・解砕・造粒・分級・仮焼等を行うことで、②耐熱/熱衝撃性セラミックスの特性を向上させる上で重要な工程であり、同時に成形③

断熱/熱伝導/放熱性性や焼結性に対しても重要な因子である。また、加工性に対しても変④誘電/強誘電性化を与えることもあり、特に工程変更や量産移行のバッチアップ時に⑤イオン電導性は加工状態の観察を必要とする。

これに加えて、多孔質、緻密質、単結晶、さらには配向制御材料と区代表的な成形法としては、粉体プレス、混練押出、鋳込み、テープ別することもできる。日本ガイシでの具体的な製品として、①電力用成形等である。成形金型を使用する場合、焼成収縮および形状によるガイシ、②自動車排ガス浄化用触媒単体、各種フィルター、③半導体部分変形も加味した形状決定と成形均一性を考慮した金型設計を行製造装置用ヒーター/静電チャック、絶縁放熱基板、④圧電マイクロう。また、セラミック粒子は硬いために金型はじめ治具類には耐摩耗アクチュエーター、ＧａＮ基板、⑤排ガス用センサー、蓄電池などで性を要求される。
形状変化だけでなく僅かな異物混入によっても特性ある。

は低下することもあり、コーティングを含めて金型材質の選定は重要加工技術としての課題は、加工変質層やマイクロクラックによる材である。

料強度と機能の低下防止であり、さらに加工装置・工具・加工液によ仕上げ加工の工数削減のためと成形では形状の付与をできない箇

る材料へのコンタミと反応の防止である。材料の分析・解析に踏み込所に焼成前加工を実施することもある。前提として、焼結前のセラミんだ加工技術の開発や改良を行っている。

ックスは水分等と反応するために乾式加工を用いる。さらに工具および加工機械等からのコンタミを防止することも必須である。

３．セラミックス材料および製品開発と加工技術の取組み

セラミックス製品の仕上げ加工はダイヤモンドホイールによる研セラミックスの製品開発には多くの時間を要する。その一因とし削加工、ダイヤモンドラッピング、レーザー加工等を使用する。そのて、材料開発から始まり製品設計とプロセス開発において、実際の理由は材料の硬さであるが、セラミックスの加工性は結晶構造によっ「ものづくり」と摺り合わせながら実現性を高めていくからと考えても異なる。加工面性状や研削抵抗を参考に加工条件の設定を行うが、る。さらに量産に移行するにはバッチアップまたは連続化の課題解

工作機械の剛性アップと送り精度の安定化は、セラミックスの加工精決も必要となる。

度と加工能率の向上に効果的であると考える。また、硬いセラミック加工技術も開発の早い段階から製品開発に携わり、将来を見越し粒子による工作機械に対するダメージ低減も課題であったが、機械構た加工技術開発を要求される。また、適用分野によって必要となる造の選択によっては汎用機であっても工夫をすれば摺動部やスピン加工プロセスも様々であり、最先端の加工技術も要求される。一方ドルの劣化は抑えられている。現在では自動化推進も重視した装置選で、材料系が異なっても技術の蓄積や応用展開は可能であり、セラ定を行っている。

ミックス加工の進歩に繋がった考える。

５．セラミックスの製品設計と加工技術

ウエハーで、温度変化による周波数帯域のズレを防止でき、高速大容セラミックス製品は材料の特徴に加えて成形法と焼成法を加味し量通信では不可欠となっている。支持基板は Si であり、機能層（表て設計され、そこには最新の加工技術を多く取り入れている。また、面弾性波層）は LiTaO3 で除去加工により数十ナノメートルの精度で装置組込み用部品として用途に合わせた各種加工も行われている。精無欠陥に仕上げ加工を行う。現在、独自の FAB ガンを用いて、４～６密加工を必要とするセラミックス製品の二例を紹介する。

inch ウエハー基板での量産化に成功している。

5-1．自動車排ガス浄化用触媒単体「ハニセラム」

他の単結晶基板でも表面活性化接合は量産レベルで可能なことを1970 年代に排ガス規制は強化され、排ガス浄化用触媒単体として確認している。さらに、図５に示すように多結晶の高純度アルミナで開発された「ハニセラム」はコージェライトセラミックス(2MgO･粒子間段差を１2Al2O3･5SiO2)の耐熱性と熱衝撃性ナノメートル程を利用している。成形工程によっ度に加工するこて形状は付与され、最終加工は外とで単結晶材料周と端面のみである。セル形状は

LiTaO3 との表面混練押出成形機に装着した押出活性化接合を可ダイス（以下、口金と呼ぶ）によ能とした。接合できる材料系の拡大により、多様な機能を持った複合り形成され、排ガスの浄化効率をウエハーを開発することで用途は拡大すると考えている。

向上させるためにセル構造は微細化して壁厚は 2mil(thou)まで可能である。また、HV,PHV の普及が進む中でエンジン起動時の排ガス浄７．まとめ化性能を向上させるために、セル薄壁化や六角等の異形状セルに対すセラミックスは硬くて脆いため難加工性であり、加工工程はコストるニーズは拡大している。セル形状・壁厚や外形サイズの違いによりアップの要因となってきた。そのためセラミックスの特徴の活かせる口金の製作方法は複数あり様々な工作機械を使用する。

設計がなされ、材料技術と成形技術の開発によってニアネットシェイ

口金は最高品質を追求して国内で一貫生産されて、同一品質のものプ技術を確立している。その製造プロセスに精密加工技術を多く活しを世界各地の工場に供給している。最新の工作機械を導入して技術開ていてセラミックスでしかできない形状も可能としている。また、装発と生産を続けてきて、日本のものづくりの強みを発揮できていると置用部材として使用される場合でも加工量は最小限に抑えられ高能考える。

率化は進んでいる。さらに精度面でも複合ウエハー用途でナノメート5-2. 半導体製造装置用ヒーターおよび静電チャックルレベルの平坦加工も実現可能となった。

セラミックヒーターはＣＶＤ装置に使用されるために、耐蝕・耐熱・このように最新の加工技術を導入および応用できた背景として、日熱伝導性に優れ、Si と熱膨張率の近い窒化アルミニウムを用いる。

本の工作機械および周辺技術の進歩によることも大きい。さらに、学静電チャックはエッチング装置に使用されて材料は主にアルミナで会を中心とする産官学の連携および業種を超えた交流も行われ、セラある。両製品とも成形時に電極を埋設するので、電極の酸化を防止すミックスに関する加工技術についても色々な場で交流できたことをるための雰囲気下で脱感謝している。

媒と焼成を行う。その栄誉ある精密工学会賞を戴き、ご指導ご助言を戴いた方々や共に仕後にシリコンウエハー事をさせて戴いた方々に厚く御礼申し上げます。
、今後ともセラミッを装着する機械部品とクス技術と精密加工技術の融合領域を拡大して精密工学の発展に寄しての仕上げ工程とな与していきたいと考えております。

り、焼成時の変形と電極位置を考慮して、主にマシニングセンターでダイヤモンドホイールを用いて研削加工を実施する。ＡＴＣおよびＡＰＣを用いた自動化推

参考文献
1)

K.Watanabe,T.Takahashi,T.Nagae,H.Tsuji:FormingandSurface Finishing Technology Translucent Polycrystalline

進も実施されていて、高効率加工はさらに進展すると考えている。

Alumina(TL-PCA) ICC6 in Dresden 2016
６．複合ウエハーにおける加工技術

2)

Precision

Forming and Machining Technologies for Ceramics based

各種の単結晶材料では表面粗さサブナノメーター、平面度ナノメー

Components.ICPE2016 in Hamamatsu 2016

トルレベルの仕上げ加工を達成している。合わせて、超高真空下でFAB(Fast Atom Beam)を照射

K.Watanabe,T.Takahashi,T.Nagae,H.Tsuji:

3)

渡邊敬一郎、高橋知典、 裕之：日本ガイシに於ける構造用セ

して表面を活性化することにラミックスの取組みについて、日本材料学会東海支部第 11 回学より常温での直接接合（表面術講演会(2017)

活性化接合）を可能としている。これらの技術により単一材料では実現できない性能や機能を持った複合ウエハーを開発した。代表例として温度特性を改善した SAW フィルター用複合