JPH07174467A

JPH07174467A - アクチュエータ及びセラミック基板の焼結治具及びセラミック基板の焼結方法

Info

Publication number: JPH07174467A
Application number: JP5343619A
Authority: JP
Inventors: Takeji Shiokawa; 武次塩川; Kuninori Imai; 邦典今井; Hideaki Sasaki; 秀昭佐々木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-12-16
Filing date: 1993-12-16
Publication date: 1995-07-14

Abstract

(57)【要約】【目的】高温で使用できるパッキンを設けた高温でも
使用可能アクチュエータを提供することにある。【構成】図１に示すように、アクチュエータのシリン
ダ３の内側に挿入されたピストン１の、高圧室６側の端
部に金属材料で作られたパッキン２を取り付ける。気体
は、導入孔４を通って高圧室６内へ送給され、パッキン
２から漏れた空気は、排気孔１２を通って排気されるこ
とから、パッキンの背圧は常にほぼ大気圧に保たれる。
すなわち、パッキン２は、高圧室６側では高圧に、その
反対側は大気圧に保たれることから、その差圧分がパッ
キンに負荷され、パッキンは弾性変形してそのつば部２
１がシリンダ内壁に強く接触し、この部分で漏れを防止
する。このパッキンをステンレス材で製作すると、１０
００°Ｃ迄加熱しても十分な耐熱性を有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、気体圧力で作動するガ
ス漏れ防止をしたアクチュエータ、アクチュエータを用
いたセラミック基板の焼結治具および該焼結治具による
にセラミック基板の焼結方法に係る。

【０００２】

【従来の技術】空気圧等、気体圧力を用いて作動させる
アクチュエータにおいては、円筒状のシリンダと、その
内部で移動するピストンとの間隙からの気体の漏れを防
止するためにパッキンが用いられている。日本規格協会
発行「ＪＩＳに基づく機械システム設計便覧」（１９８
６年１２月１８日発行）によれば、パッキンの性能によ
ってアクチュエータの性能が決まるため、その設計は非
常に重要である。パッキンがなければ、シリンダとピス
トンとの間隙に比例して、加圧気体が大量に漏れてしま
い（例えば、シリンダ内径がφ２００で、間隙が５０μ
ｍ二直径差で１００μｍの場合、気体圧力が３気圧で約
２００〜４００ｌ／ｍｉｎ）、ピストンを動作させよう
としても所望の圧力が得られず、ピストンからの力が得
られない。これを防止するために、パッキンを用いる。
通常室温で使用する場合には、パッキンとしてゴムのＯ
リングを使用することが多い。しかし、ピストンを高温
（例えば２００〜１０００°Ｃ）で使用したい場合に
は、ゴムのＯリングは耐熱性がないため使用できない。
これに代る有効なパッキンがないことから、これまでは
高温で使えるようなアクチュエータは、実用化されてい
なかった。しかし、気体圧力を利用するアクチュエータ
は、加圧力を簡便に得られることから非常に便利であ
り、高温でも使用可能なパッキンの開発が望まれてい
た。高温で使用する一つの適用分野として、セラミック
基板または電子回路用セラミック基板の焼結工程があ
る。すなわち、特開平５−２２６７１号公報に記載され
ているように、電子回路用セラミック基板を焼結すると
きに生ずる基板収縮を抑制するためには、焼結工程中に
厚さ方向に荷重を負荷しておくのが非常に有効である。
また、グリーンシート中に含まれるバインダの除去（脱
バインダ）を短時間で行うために、脱バインダ気体をセ
ラミック基板上に常に流しながら行う方法も記載されて
いる。しかし、そのための具体的な方法は提供されてい
ない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記方法を実施するた
めには、通常は、プレス付きの大掛かりな電気炉（価格
数億円）を用いる方法などが検討されている。しかしな
がら、プレス機能付き電気炉などは非常に高価であり、
また大型になるため大きなスペースも必要である。本発
明によるアクチュエータをこのような分野に適用すれ
ば、加圧焼結は非常に簡便になるものである。本発明の
目的は、高温で使用できるパッキンを設けた高温でも使
用可能アクチュエータを提供することにある。本発明の
他の目的は、セラミックスを加圧しながら焼結するため
のセラミック基板の焼結治具を提供することにある。本
発明のさらに他の目的は、上記焼結治具によるセラミッ
ク基板の焼結方法を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では、シリンダ内でピストンを作動させる構
造のアクチュエータにおいて、金属材料からなりドーナ
ツ状の天板部分と該天板部分の外周部に連続して形成さ
れた円筒状のフランジ部分からなるパッキンを天板部分
の孔をピストンの端部の突起部分に嵌め込むことにより
ピストンに装着し、パッキンの円筒状のフランジ部分を
シリンダ内壁面に接するようにして、空気圧が掛かった
とき空気圧によるパッキンの弾性変形を利用して空気漏
れを防止するようにしている。また、上記パッキンの内
側にヒータを設け、該ヒータに掛る電源容量を調節する
ことによりパッキンの熱膨張量を制御可能とし、気体の
漏れを防止できるようにしている。また、アクチュエー
タのシリンダ延長部分に側壁部が設けられ、該側壁部上
部に受圧板が設けられ、該受圧板とアクチュエータのピ
ストンの間に一対の加圧板に挾まれた焼結サンプルを配
置し、アクチュエータにより焼結サンプルに圧力を作用
させつつ焼結するセラミック基板の焼結治具において、
アクチュエータとして上記パッキンを設けたアクチュエ
ータまたは更にパッキン内側にヒータを設けたアクチュ
エータを適用してセラミック基板の焼結治具としてい
る。さらに、上記セラミック基板の焼結治具において、
受圧板および／または加圧板に脱バインダ用気体を焼結
サンプルに吹きかけるための通気孔を設けるようにして
いる。また、上記セラミック基板の焼結治具２台を受圧
板を共通にして上下に配置し、受圧板に上下のアクチュ
エータの加圧力が対向して作用する構造としている。さ
らに、この受圧板を共通にしたセラミック基板の焼結治
具において、受圧板および／または加圧板に脱バインダ
用気体を焼結サンプルに吹きかけるための通気孔を設け
るようにしている。また、上記のパッキンの内側にヒー
タを設けたアクチュエータを適用したセラミック基板の
焼結治具によりセラミック基板の焼結をするとき、アク
チュエータ内の圧力をモニタし、圧力が所定の値より低
下したときには、パッキンの内側のヒータに掛かる電源
容量を調節してパッキンからの気体の漏れを防止するよ
うにしている。

【０００５】

【作用】アクチュエータにおいて、パッキンは、高圧室
側では高圧に、その反対側は大気圧に保たれることか
ら、その差圧分がパッキンに負荷され、パッキンは弾性
変形してそのつば部がシリンダ内壁に強く接触し、この
部分で気体の漏れを防止することができる。また、パッ
キンをステンレス材などで製作することにより、加熱に
たいしても十分な耐熱性を有するようにできる。また、
パッキンの内側にヒータを設けることにより、シリンダ
とパッキンの熱膨張率の違いにより生ずる気体の漏れを
防止することができる。また、セラミック基板の焼結治
具に上記のパッキンを設けたアクチュエータを適用する
ことにより、サンプルに十分な加圧力を作用させて焼結
することができ、焼結中に生ずるセラミック基板の収縮
を抑制することを可能にしている。また、焼結中に脱バ
インダ用気体を焼結サンプルに吹きかけることにより、
脱バインダに要する時間を短縮することを可能にしてい
る。また、受圧板を共通にして二つの焼結治具を備えた
構成とすることにより、生産能率を向上している。ま
た、アクチュエータ内の圧力に応じてパッキンの内側の
ヒータに掛かる電源容量を調節するため、パッキンから
の気体の漏れが防止される。

【０００６】

【実施例】以下、実施例を用いて、本発明を詳細に説明
する。（実施例１）図１は本発明のアクチュエータの実施例の
構成を示す図である。図１に示すように、アクチュエー
タのシリンダ３の内側に挿入されたピストン１の、高圧
室６側の端部に金属材料で作られたパッキン２を取り付
ける。パッキン２は図１、図２から明らかなように、ド
ーナツ状の天板部分２４とこの天板部分の外周部に連続
して形成されたフランジ部分２５からなり、天板部分２
４の孔をピストン１の端部の突起部分１１に嵌め込むよ
うにされ、フランジ部分２５がシリンダ３の内壁面に接
する寸法にされている。これらの部材は、全てステンレ
ス材で製した。ピストン１の端部には、パッキン２より
高い突起部分１１を設けてあり、ピストンが一番下に降
下してもパッキンが異常な力を受けたり、損傷すること
はない。空気は、導入孔４を通って高圧室６内へ送給さ
れる。パッキン２から漏れた空気は、排気孔１２を通っ
て排気されることから、パッキンの背圧は常にほぼ大気
圧に保たれる。すなわち、パッキン２は、高圧室６側で
は高圧（例えば２〜７ｋｇｆ／ｃｍ²）に、その反対側
は大気圧に保たれることから、その差圧分がパッキンに
負荷され、パッキンは弾性変形してそのつば部２１がシ
リンダ内壁に強く接触し、この部分で漏れを防止する。
このパッキンはステンレス材で製作されており、１００
０°Ｃ迄加熱しても十分な耐熱性を有している。なお、
パッキンの材質はステンレスには限らず、例えばチタン
や超耐熱性合金等、種々の材質が適用可能である。

【０００７】このパッキンにおいて漏れ防止効果を高め
るためには、空気圧が負荷されたときに弾性変形が起こ
りやすい形状にするのが有利である。そのためのパッキ
ンとピストン端部との構造を、図２に示す。図２の
（１）は、ピストン１に傾斜１３を受けた場合、（２）
はパッキン側に傾斜２２を設けた場合、（３）はパッキ
ンの内周側に突起２３を設けた場合、（４）はパッキン
の天板２４とフランジ２５との間に、薄肉のヒンジ部２
６を設けた場合をそれぞれ示している。いずれの場合
も、ピストンの最外周において、パッキンとの間隙Ｓが
０．３ｍｍ以上になるようにし、（１）から（３）は、
パッキン２が空気圧を受けたときに、いずれも図２の
（１）の破線にて示したように変形をしようとし、その
結果つば部２１がシリンダ３の内周に押し付けられて漏
れ防止効果を発揮する。一方、（４）は、空気圧によっ
てフランジ２５が破線のように外周方向に変形する結
果、漏れ防止を行うものである。

【０００８】なお、これらの構造において、パッキン２
は、圧縮空気を高圧室６内へ送給したときに自動的にピ
ストン１へ押し付けられるため、必ずしもピストン１に
固定しておく必要はない。しかし、動作をより確実にす
るためには、図２（２）のように、板８を介してボルト
７で固定しておく方が望ましい。また、気体の漏れ防止
効果は、パッキンとシリンダとの間では上記のように行
われるが、パッキンとピストンの間でも、パッキンの内
周部がピストンと接触する結果、シール効果が保たれ
る。なお、ピストンとパッキンとのシール効果は、板８
とボルト７とを用いた締め付けによって、より確実にな
る。

【０００９】上記シール効果を確実に行わせるために
は、パッキンとシリンダとの位置関係をより正確に保つ
ことが重要である。この点を考慮すれば、ピストンはシ
リンダとの間の間隙を大きめ（例えば半径にして０．１
〜０．２ｍｍ）にし、パッキンとシリンダとの間隙は小
さめ（例えば半径にして０．０１〜０．０２ｍｍ）にす
るのが好適である。なお、パッキンの厚さは、シリンダ
径がφ２００ｍｍの場合、０．５〜１．５ｍｍ位が適当
であった。これより薄い場合には耐久性に劣り、逆に厚
い場合は剛性が大きすぎてシール効果が発生しにくくな
る傾向がある。また、シール効果をより確実にするため
には、パッキンのつば部２１の角部を若干Ｒ（丸み）を
つけてていねいに仕上げることが重要である。

【００１０】このようなシリンダ構造を電気炉内に入れ
て加熱する場合、炉の輻射熱はシリンダ３の外側から内
側へ伝わる結果、シリンダ３の方が熱膨張を起こし易
く、パッキン２との密着性が阻害される方向になる。こ
れを防ぐ構成として、図３の（１）に示すように、パッ
キン２の内側にヒータ９（パッキンの内周全面に沿う形
態が望ましい）を入れ、熱膨張差を補正する方法が効果
的である。また、加圧空気を送給する前に、炉の温度以
上に予熱した状態で高圧室６の中へ送給することも同様
な効果を発揮する。なお、これらの効果を更に確実に発
生させる構成として、図３の（２）に示したように、パ
ッキン２（ステンレス製）の内側に、熱膨張率がより大
きな素材（例えば銅）で製作したリング２７を密着、又
は接合しておくのも有効である。

【００１１】（実施例２）上記実施例１のアクチュエー
タを用いて、セラミック基板または電子回路用セラミッ
ク基板を厚さ方向に加圧しながら焼結した例について述
べる。

【００１２】図４に、セラミック基板の焼結に使用した
治具の構造を示す。シリンダ３の内側に円板状のピスト
ン１が挿入されており、その下面にパッキン２が固定さ
れている。ピストン３の上には、焼結サンプル１０１を
中央に配置し、その上下に多孔質板１０２、加圧板１０
６を挾んだ状態の一式が載せられる。ガイド１０４は、
加圧板などの位置決めをするために設けられている。高
圧室６内に高圧ガス（空気には限らず、窒素等、焼結の
必要に応じてガスを適宜選択可）を送給したとき、ピス
トン１がせり上り、上の加圧板１０６が受圧板１０３に
ぶつかった状態で停止する。この状態で焼結しようとし
ているサンプル１０１には所望の加圧力が作用する（加
圧力は、送給するガス圧力を適宜調整すれば良い）。こ
の構造において、ピストン１がせり上って受圧板１０３
にぶつかって停止した状態で、パッキン２がシリンダ３
から外れないような寸法になっていることが必要であ
り、少なくもこの範囲において、シリンダとパッキンと
は円筒状になっていることが要求される。しかし、それ
より上部は円筒状である必要はなく、四角でも良い。焼
結サンプル１０１から加圧板１０６迄の一式を出し入れ
するには、横方向に窓があいていた方が好都合である。
また、受圧板１０３が受ける加圧力を支えるためには、
受圧板１０３が横方向にスライド可能になっており、そ
のガイド用Ｔ溝部１０７で加重を支持するのが好都合で
ある。

【００１３】焼結サンプルに所望の加圧力が作用した状
態で加熱を開始する。このとき、孔１０５からグリーン
シート内のバインダを除去（加熱分解、燃焼）させるた
めの気体（例えば空気）を送給すれば、気体は１０５か
ら加圧板の孔を通って多孔質板（セラミック板等）１０
２に達して焼結サンプル１０１の全表面に拡散する。更
に、焼結サンプル内を貫通したのち、下の多質板を通
り、下の加圧板に達し、その孔１０８を通ってガス排気
孔４２から外部へ放出される。この気孔によって、脱バ
インダに要する時間は、強制的に気体を流さない場合に
比較して、約半分に短縮される。また、１０８から真空
で強制排気すれば、脱バインダ時間は更に短縮され、１
／３から１／１０になることさえある。なお、加圧板１
０６と多孔質板１０２との間で、脱バインダ気体が滞り
なく受授されるためには、加圧板１０６の多孔質板１０
２との接触面に、気体を伝播させる溝１０９を設けてお
くのも効果的である。その形状としては、例えば幅×深
さが０．５×０．５ｍｍの溝を５ｍｍ間隔の格子状に配
置する、などがある。

【００１４】加熱中にパッキンが正常に作用して所望の
圧力が作用しているかどうかをチェックする方法とし
て、圧力モニタポ−ト４１に圧力計を取り付け、圧力を
チェックするのが最も簡便でかつ確実な方法である（た
だし、このポ−トから高圧ガスが漏れないように配管す
ることが必要である）。モニタでチェックした場合、パ
ッキンが良好に作動しているときには、モニタ圧力は送
給圧力より僅かに低い程度（例えば２気圧の送給圧に対
してモニタ圧が１．７〜１．９気圧）であり、漏れ量
（圧力を保持するために必要な高圧ガスの流量）は２〜
５ｌ／ｍｉｎ以下と小さかった。しかし、温度が上昇す
るに従って、特に２００〜３００°Ｃでは、シリンダと
パッキンとの温度差が発生し易く、熱膨張のために両者
の間隙が増す結果、漏れ量が３０〜５０ｌ／ｍｉｎに増
大することもあった。（漏れ量が小さいほど、シール効
果が大きいことを示している。）この場合には、送給圧
力が例えば２気圧でも、モニタ圧力は０．５〜１気圧な
どと、送給圧力より大幅に減少してしまい、所望の加圧
力を得られないことがわかった。これを防止するには、
パッキン２の内周にヒータ９を挿入し、電源９１の電圧
を制御しながらパッキンを適度に熱膨張させ、漏れ量を
減少させるのが極めて好適であった。また、このような
作用をさせるのに更に好都合な方法として、パッキンの
材質を、シリンダの材質より熱膨張係数αの大きなもの
にする方法もある。例えば、シリンダをＳＵＳ６３１
（ステンレス鋼ＪＩＳ規格）（α≒１２．８×１０~⁶／
℃）やインコネル（α≒１３．３×１０~⁶／℃）で製作
し、パッキンをＳＵＳ３０４（α≒１８．４×１０~⁶／
℃）やＢｅの青銅（α≒１７×１０~⁶／℃、ただし温度
が７００℃以下で使用する場合）等の組合せで製作すれ
ばよい。

【００１５】この構造において、受圧板１０３が薄いと
加圧力によって弾性変形し、焼結したサンプルに厚さの
ばらつきが生じたり、ときには破壊さえも生ずる可能性
がある。これを防止するには、受圧板１０３をできるだ
け厚くし、また材質として耐熱性に優れたものを選ぶな
どか必要である。これに代る他の構造として、図５に示
すように、受圧板を挾んで上下に加圧ユニットを配置す
るのは、極めて有効である。すなわち、図４のように片
方だけから加圧した場合に生ずる変形を、両側から加圧
することによって相殺することが可能となるものであ
る。これによれば、一回に２枚のセラミックを焼結する
ことが可能となり、能率の向上も一挙に達成することが
できる。なお、これらの治具に、ヒータも埋め込めば、
昇温途中の温度分布を改善できるようになる。更に、断
熱材を覆えば、電気炉に入れなくても高温加熱が可能に
なり、焼結を非常に簡便に行えるようになる。また、図
５の上側のサンプルを出し入れするときに、ピストンが
自重で降下して操作しにくいが、これをやり易くする方
法として、空気導入孔４に真空をつなげばピストン１が
上方に引き上げられる。下部のピストンでも、パッキン
が固く上下しにくいときには、この方法は有効である。

【００１６】

【発明の効果】本発明によれば、高温でもパッキンから
のガス漏れを防止でき、高温下でも使用可能なガス圧作
動型のアクチュエータを得ることができ、さらにアクチ
ュエータの機構の設計に大きな自由度を与えることがで
きる。また、焼結中に厚さ方向に加圧保持した状態での
焼結が可能なセラミック基板の焼結治具を得ることがで
き、該焼結治具により、焼結中に生ずるセラミック基板
の収縮を抑制することができる。また、上記焼結治具に
より、焼結のために大規模な装置を使用しなくても済
み、セラミック基板の生産において大きな経済的な効果
が得られる。また、二つのアクチュエータを対抗させた
焼結治具により、１回に２倍の生産が可能になる。ま
た、脱バインダに要する時間を短縮することが可能にな
る。アクチュエータ内の圧力をモニタしてパッキンの内
側のヒータに掛かる電源容量を調節することにより、気
体の漏れ防止をさらに向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例のアクチュエータの基本的構造を示す断
面図である。

【図２】パッキンの弾性変形を発生させるための構成を
示す部分拡大断面図である。

【図３】パッキンを局部的に変形させる構成を示す部分
拡大断面図である。

【図４】セラミック基板を焼結するための治具の構造例
を示した断面図である。

【図５】セラミック基板を焼結するための治具の他の構
造例を示した断面図である。

【符号の説明】

１ピストン２パッキン３シリンダ４空気導入孔５フタ６高圧室７ボルト８板９ヒータ１１突起１２排気孔２１つば部２４天板２５フランジ２６ヒンジ４１圧力モニタポート４２ガス排気孔９１電源１０１焼結サンプル１０２多孔質板１０３受圧板１０４ガイド１０５、１０８孔１０６加圧板１０７Ｔ溝１０９気体拡散溝

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリンダ内でピストンを作動させる構造
のアクチュエータにおいて、金属材料からなりドーナツ
状の天板部分と該天板部分の外周部に連続して形成され
た円筒状のフランジ部分からなるパッキンを前記天板部
分の孔を前記ピストンの端部の突起部分に嵌め込むこと
によりピストンに装着し、前記パッキンの円筒状のフラ
ンジ部分をシリンダ内壁面に接するようにし、空気圧に
よるパッキンの弾性変形を利用して空気漏れを防止する
ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】アクチュエータのシリンダ延長部分に側
壁部が設けられ、該側壁部上部に受圧板が設けられ、該
受圧板とアクチュエータのピストンの間に一対の加圧板
に挾まれた焼結サンプルを配置し、アクチュエータによ
り焼結サンプルに圧力を作用させつつ焼結するセラミッ
ク基板の焼結治具において、前記アクチュエータとして
請求項１記載のアクチュエータを適用したことを特徴と
するセラミック基板の焼結治具。
【請求項３】請求項２記載のセラミック基板の焼結治
具２台を、前記受圧板を共通にして上下に配置し、前記
受圧板に上下のアクチュエータの加圧力が対向して作用
する構造とし、前記受圧板および／または加圧板に脱バ
インダ用気体を焼結サンプルに吹きかけるための通風孔
を設けたことを特徴とするセラミック基板の焼結治具。
【請求項４】アクチュエータのシリンダ延長部分に側
壁部が設けられ、該側壁部上部に受圧板が設けられ、該
受圧板とアクチュエータのピストンの間に一対の加圧板
に挾まれた焼結サンプルを配置し、アクチュエータによ
り焼結サンプルに圧力を作用させつつ焼結するセラミッ
ク基板の焼結治具における前記アクチュエータとして、
請求項１記載のアクチュエータを適用したセラミック基
板の焼結治具によるセラミック基板の焼結方法であっ
て、パッキンの内側にヒータを設けて該ヒータに掛る電
源容量を調節することによりパッキンの熱膨張量を制御
可能とすると共に、アクチュエータ内の圧力をモニタ
し、圧力が所定の値より低下したときには、前記パッキ
ンの内側のヒータに掛かる電源容量を調節してパッキン
からの気体の漏れを防止するようにしたことを特徴とす
るセラミック基板の焼結方法。