特開 2023-5789 成形装置および成型方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023005789

(43)【公開日】2023-01-18

(54)【発明の名称】成形装置および成型方法

(51)【国際特許分類】

   C03B 20/00 20060101AFI20230111BHJP

   G01J 5/00 20220101ALI20230111BHJP

【ＦＩ】

C03B20/00 E

G01J5/00 101D

【審査請求】未請求

【請求項の数】14

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021107969

(22)【出願日】2021-06-29

(71)【出願人】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(71)【出願人】

【識別番号】520124752

【氏名又は名称】株式会社ミライズテクノロジーズ

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】藤塚 徳夫

(72)【発明者】

【氏名】島岡 敬一

(72)【発明者】

【氏名】中村 忠司

(72)【発明者】

【氏名】船橋 博文

(72)【発明者】

【氏名】吉田 貴彦

(72)【発明者】

【氏名】稲垣 優輝

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 啓太郎

(72)【発明者】

【氏名】原田 翔太

(72)【発明者】

【氏名】後藤 勝昭

【テーマコード（参考）】

2G066

4G014

【Ｆターム（参考）】

2G066AC01

2G066AC07

2G066AC20

4G014AH00

(57)【要約】

【課題】振動子の成形装置を提供する。
【解決手段】成形装置は、平坦な上面、および、上面の一部に形成されている穴部を備える成形型を備える。成形装置は、上面に配置され、穴部の外周を取り囲むリング部材を備える。成形装置は、穴部の上方に配置される加熱手段を備える。成形装置は、リング部材の上方に配置され、非接触でリング部材の温度を測定可能な温度計を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

平坦な上面、および、前記上面の一部に形成されている穴部を備える成形型と、
前記上面に配置され、前記穴部の外周を取り囲むリング部材と、
前記穴部の上方に配置される加熱手段と、
前記リング部材の上方に配置され、非接触で前記リング部材の温度を測定可能な温度計と、
を備える、成形装置。

【請求項2】

前記リング部材は、前記上面に配置されている板状の被加工材料を介して、前記上面に配置される、請求項１に記載の成形装置。

【請求項3】

前記リング部材は、前記リング部材の外周から外側へ延びている第１部分を備えており、
前記第１部分の下面は前記リング部材の下面よりも下側に位置しているとともに前記リング部材の下面と平行であり、
前記リング部材の下面が前記被加工材料の表面に接触可能に構成されており、
前記第１部分の下面が前記上面に接触可能に構成されている、請求項２に記載の成形装置。

【請求項4】

前記第１部分は、前記第１部分を前記上面に固定することが可能な固定部を備える、
請求項３に記載の成形装置。

【請求項5】

前記リング部材は、前記上面に接触するように配置されている、請求項１に記載の成形装置。

【請求項6】

前記リング部材の表面は、前記上面と平行であるとともに、前記上面よりも上側に位置している、請求項５に記載の成形装置。

【請求項7】

前記リング部材の裏面は前記リング部材の表面よりも表面粗さが小さい、請求項１～６の何れか１項に記載の成形装置。

【請求項8】

前記リング部材の融点は１０００℃以上である、請求項１～７の何れか１項に記載の成形装置。

【請求項9】

前記リング部材の幅は、前記温度計の測定スポット径以上である、請求項１～８の何れか１項に記載の成形装置。

【請求項10】

穴部が形成されている上面を備える成形型の前記上面に、前記穴部を覆うように板状の被加工材料を配置する配置工程と、
前記穴部の内部を減圧しながら、前記被加工材料の上面を加熱手段で加熱して溶融変形させる加熱工程と、
非接触温度計を用いて前記被加工材料の温度に対応する所定温度を測定する測定工程と、
前記所定温度に基づいて前記加熱手段を制御する工程と、
を備える、成型方法。

【請求項11】

前記配置工程によって前記上面に配置された前記被加工材料の表面に、前記穴部の外周を取り囲むリング部材を配置する工程をさらに備え、
前記測定工程では、前記リング部材の表面の温度を測定する、請求項１０に記載の成型方法。

【請求項12】

前記上面には、前記穴部の外周を取り囲むリング部材が配置されており、
前記配置工程では、前記リング部材の上に前記被加工材料を配置し、
前記測定工程では、前記被加工材料を透過する波長を測定することで、前記リング部材の表面の温度を測定する、請求項１０に記載の成型方法。

【請求項13】

前記被加工材料の表面の一部に表面粗さが大きくされている粗面領域が形成されており、
前記測定工程では、前記粗面領域の温度を測定する、請求項１０に記載の成型方法。

【請求項14】

前記測定工程では、前記被加工材料を透過する波長を測定することで、前記上面の温度を測定する、請求項１０に記載の成型方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書は、振動子の成形装置および成型方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、高精度化が可能であるジャイロとして、溶融シリカを振動子に用いたBird-bath Resonator Gyroscope (BRG)が開示されている。具体的には、グラファイトなどの型の上に石英板を乗せ、石英板の下面を減圧しながら、石英板の上面をバーナで加熱して溶融変形させることで、半球形状の振動子を作製する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】米国特許出願公開第２０１８／０７９１２９号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

この工程管理には、石英板の温度情報を非接触で取得する必要がある。しかし、石英板が高速に変形することや、石英板の厚みが薄い（例：１００μｍ）ことなどから、石英板の温度情報を非接触で取得することは困難である。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本明細書が開示する成形装置の一実施形態は、平坦な上面、および、上面の一部に形成されている穴部を備える成形型を備える。成形装置は、上面に配置され、穴部の外周を取り囲むリング部材を備える。成形装置は、穴部の上方に配置される加熱手段を備える。成形装置は、リング部材の上方に配置され、非接触でリング部材の温度を測定可能な温度計を備える。

【0006】

リング部材は、成型中に変形することがない。またリング部材は、被加工材料に比して厚くすることが可能である。よって温度計を用いて、リング部材の温度を非接触で測定することができる。被加工材料に対応する温度情報を正確に検出することができるため、工程管理が可能となる。

【0007】

リング部材は、上面に配置されている板状の被加工材料を介して、上面に配置されてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

【0008】

リング部材は、リング部材の外周から外側へ延びている第１部分を備えていてもよい。第１部分の下面はリング部材の下面よりも下側に位置しているとともにリング部材の下面と平行であってもよい。リング部材の下面が被加工材料の表面に接触可能に構成されていてもよい。第１部分の下面が上面に接触可能に構成されていてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

【0009】

第１部分は、第１部分を上面に固定することが可能な固定部を備えていてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

【0010】

リング部材は、上面に接触するように配置されていてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

【0011】

リング部材の表面は、上面と平行であるとともに、上面よりも上側に位置していてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

【0012】

リング部材の裏面はリング部材の表面よりも表面粗さが小さくてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

【0013】

リング部材の融点は１０００℃以上であってもよい。

【0014】

リング部材の幅は、温度計の測定スポット径以上であってもよい。

【0015】

本明細書が開示する成型方法の一実施形態は、穴部が形成されている上面を備える成形型の上面に、穴部を覆うように板状の被加工材料を配置する配置工程を備える。成型方法は、穴部の内部を減圧しながら、被加工材料の上面を加熱手段で加熱して溶融変形させる加熱工程を備える。成型方法は、非接触温度計を用いて被加工材料の温度に対応する所定温度を測定する測定工程を備える。成型方法は、所定温度に基づいて加熱手段を制御する工程を備える。効果の詳細は実施例で説明する。

【0016】

成型方法は、配置工程によって上面に配置された被加工材料の表面に、穴部の外周を取り囲むリング部材を配置する工程をさらに備えていてもよい。測定工程では、リング部材の表面の温度を測定してもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

【0017】

上面には、穴部の外周を取り囲むリング部材が配置されていてもよい。配置工程では、リング部材の上に被加工材料を配置してもよい。測定工程では、被加工材料を透過する波長を測定することで、リング部材の表面の温度を測定してもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

【0018】

被加工材料の表面の一部に表面粗さが大きくされている粗面領域が形成されていてもよい。測定工程では、粗面領域の温度を測定してもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

【0019】

測定工程では、被加工材料を透過する波長を測定することで、上面の温度を測定してもよい。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】実施例１の成形装置１の上面図である。

【図2】実施例１の成形装置１の断面図である。

【図3】溶融変形後の断面図である。

【図4】実施例２の成形装置２０１の上面図である。

【図5】実施例２の成形装置２０１の断面図である。

【図6】実施例３の成形装置３０１の断面図である。

【図7】実施例４の成形装置４０１の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【実施例0021】

図１および図２に、実施例１の成形装置１を示す。図１は上面図である。図２は、図１のII－II線における断面図である。成形装置１は、プレート１０、成型型２０、石英板３０、リング４０、バーナ５０、温度計６０、を備える。なお図１では、プレート１０、バーナ５０および温度計６０の記載を省略している。

【0022】

プレート１０は、成型型２０を設置するためのステンレス製の台である。プレート１０は開口部１０ａを備えている。開口部１０ａは、不図示の真空ポンプにより真空とすることができる。

【0023】

成型型２０は、溶融シリカを用いて半球形状の振動子を成形するための型である。振動子は、Bird-bath Resonator Gyroscope (BRG)を構成する部品である。成型型２０は、グラファイト製である。本実施例では、成型型２０は、中心軸ＣＡを備えた円板形状である。成型型２０は、上面２０ｓ、穴部２０ｈ、支柱２０ｐ、排気口２０ｅを備える。上面２０ｓは、中心軸ＣＡに垂直な平坦面である。上面２０ｓの一部には、穴部２０ｈが形成されている。穴部２０ｈは、石英板３０が溶融変形するための変形空間である。本実施例では、穴部２０ｈは、中心軸ＣＡを中心とした円柱形状に形成されている。穴部２０ｈの中央には、底面２０ｂから垂直上方に伸びている支柱２０ｐが配置されている。支柱２０ｐは、中心軸ＣＡを中心軸とする円柱である。底面２０ｂには、裏面２０ｒに貫通している複数の排気口２０ｅが形成されている。排気口２０ｅは開口部１０ａに連絡している。

【0024】

上面２０ｓには、穴部２０ｈを覆うように、石英板３０が配置されている。石英板３０は、振動子を形成するための被加工材料である。石英板３０の厚さは、例えば１００μｍである。本実施例では石英板３０は正方形であるが、長方形や円形であってもよい。

【0025】

石英板３０の表面には、穴部２０ｈの外周を取り囲むように、リング４０が配置されている。換言すると、リング４０は、石英板３０を介して上面２０ｓに配置されている。リング４０は円形であり、その中心は中心軸ＣＡと一致している。リング４０の内径Ｄ１は、穴部２０ｈの直径Ｄ２よりも大きい。リング４０の幅Ｗ１は、温度計６０の測定スポット径以上である。リング４０の厚さＴ１は、石英板３０の厚さＴ２以上である。

【0026】

リング４０の裏面４０ｒは表面４０ｓよりも表面粗さが小さい。裏面４０ｒの平滑性を高めることで、石英板３０との接触界面の熱抵抗を低下させることができる。石英板３０からリング４０への伝熱性を高めることができるため、リング４０の温度を石英板３０の温度により接近させることが可能となる。また表面４０ｓの面粗度を悪化させることで、遠赤外線の輻射率を高めることができる。温度計６０の測定精度を高めることが可能となる。

【0027】

なお、リング４０の幅Ｗ１および厚さＴ１は、温度計６０で測定可能な範囲内でなるべく小さいことが好ましい。これにより、リング４０による排熱・蓄熱を抑制できるため、温度測定精度を高めることが可能となる。

【0028】

バーナ５０は、火炎により石英板３０を加熱する手段である。バーナ５０は、中心軸ＣＡに沿って上下に移動可能である。温度計６０は、遠赤外線による非接触温度計である。温度計６０の測定スポットは、リング４０の表面に位置している。

【0029】

（リング４０の材料）
リング４０は、融点が１０００℃以上の材料で形成されている。理由を説明する。穴部２０ｈに配置されている石英板３０は、石英板の面方向にしか熱伝導経路が存在しない。よって、後述する加熱工程において、バーナ５０により１６００℃以上に加熱される。一方、上面２０ｓに配置されている石英板３０は、成型型２０への熱伝導経路が存在する。よって、加熱工程中に排熱されるため、最高温度を１０００℃よりも低い温度（例：７００℃程度）に抑制することができる。リング４０は、上面２０ｓに配置されている石英板３０の表面に位置しているため、リング４０の最高温度も１０００℃よりも低く抑制される。よってリング４０の融点を１０００℃以上とすることで、リング４０の融解を防止することができる。

【0030】

リング４０の材料は、酸化されにくい材料（例：金）であることが好ましい。これにより、火炎による酸化に起因する割れの発生を防止することができる。またリング４０の材料は、密度の大きな材料であることが好ましい。リング４０の質量を大きくすることができるため、バーナ５０による火炎圧によってリング４０が移動してしまうことを防止できる。またリング４０の材料は、バーナ加熱による熱衝撃の耐性を有することや、リング形状に加工可能であることが好ましい。

【0031】

リング４０の材料の具体例としては、高融点金属（例：金、白金、ジルコニアなど）、各種合金、酸化物、などが挙げられる。以下に、リング４０に使用可能な材料を列挙する。これらの材料は、単独で用いてもよいし、複数を混合してもよいし、化合物として用いてもよい。

【0032】

リング４０の材料の例：金、白金、ジルコニア、銀、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素、アルミナ、ゲルマニウム、コバルト、サマリウム、シリコン、スカンジウム、ステンレス、石英ガラス、タングステン、タンタル、チタン、鉄、銅、ニオブ、ニッケル、ネオジウム、マンガン、モリブデン。

【0033】

リング４０の熱伝導率は、成型型２０の熱伝導率よりも高いことが好ましい。これにより、成型型２０よりもリング４０をより均一に加熱することができる。リング４０は穴部２０ｈの外周において石英板３０に接触している。よってリング４０は、穴部２０ｈの外周における石英板３０の温度を均一化するための伝熱材として機能することができる。振動子の加工形状ばらつきを抑制することが可能となる。

【0034】

（製造工程）
図２および図３を用いて、振動子の製造工程を説明する。ステップＳ１において、プレート１０上に成型型２０を設置する。ステップＳ２において、上面２０ｓに石英板３０を配置する。ステップＳ３において、所望の真空度で開口部１０ａの真空引きを行う。排気口２０ｅを介して、穴部２０ｈも真空引きされる。石英板３０が上面２０ｓに吸着され、固定される。ステップＳ４において、石英板３０の表面にリング４０を配置する。これにより、図２に示す状態となる。

【0035】

ステップＳ５において、加熱工程が行われる。具体的には、バーナ５０に着火し、所望の速度で下降させる。ステップＳ６において、測定工程が行われる。温度計６０を用いて、リング４０の温度を測定する。

【0036】

ステップＳ７において、リング４０の温度測定値に基づいて、加工パラメータを制御する。具体的には、バーナ５０のガス流量、バーナ５０と石英板３０との距離、減圧圧力、加熱時間などの各種の加工パラメータを、温度測定値に基づいてフィードバック制御する。これにより、図３に示すように、石英板３０を所望の形状に溶融変形させることができる。

【0037】

ステップＳ８において、温度測定値により加工終点を検出することに応じて、バーナ５０を上昇させ、消火する。石英板３０が所望の温度になるまで冷却した後に、穴部２０ｈを大気開放する。成型型２０から溶融加工した石英板３０を取り出す。ステップＳ９において、未成形部をＣＭＰ法などによって除去することで、振動子が完成する。

【0038】

（効果）
課題を説明する。リング４０を用いない従来の技術では、石英板の温度情報を非接触で取得することは困難であった。これは、石英板が高速に変形することや、石英板の厚みが薄い（例：１００μｍ）ことなどに起因するものである。よって従来は、温度情報を用いることなく、加工パラメータ（例：バーナのガス流量、バーナと石英板との距離、加熱時間など）を管理することで工程管理を行っていた。工程管理の精度が低いため、振動子の加工形状ばらつきが大きくなり、歩留まり低下を招いていた。

【0039】

本実施例の技術では、リング４０を石英板３０上に配置している。リング４０は、成型中に変形することがない。またリング４０の厚さＴ１は、石英板３０の厚さＴ２に比して厚くすることが可能である。よって、リング４０の温度を温度計６０で非接触で測定することができる。リング４０の温度は、石英板３０の温度変化に高精度に追従するため、リング４０の温度を測定することで、石英板３０の温度に対応する温度情報を取得することが可能となる。石英板３０の温度情報に基づいて工程管理を行うことができるため、工程管理の精度を高めることが可能になる。振動子の加工形状ばらつきを抑制できるため、歩留まりが向上し、製造コストの削減が可能となる。また、温度情報を用いることで、成型型２０の熱設計の精度を向上させることが可能となる。

【0040】

リング４０は熱伝導率が高いため、周方向の温度を均一にすることができる。そのため、リング４０のある一点の温度を温度計６０で測定することによって、平均化されたリング４０の全体の温度を取得することができる。正確な温度情報を取得できるため、工程管理の精度を高めることが可能になる。なお、リング４０の複数点の温度を測定してもよい。

【実施例0041】

図４および図５に、実施例２の成形装置２０１の上面図および断面図を示す。実施例２は、リング２４０がフランジ２４０ｆを備えている点が、実施例１と異なっている。実施例１の成形装置１と共通する部位には同一符号を付すことで、説明を省略する。

【0042】

リング２４０は、リング２４０の外周から外側へ延びているフランジ２４０ｆを備えている。フランジ２４０ｆの下面２４０ｆｒは、リング２４０の下面２４０ｒよりも下側に位置している。フランジ２４０ｆの下面２４０ｆｒは、リング２４０の下面２４０ｒと平行である。リング２４０の下面２４０ｒは、石英板３０の表面に接触可能に構成されている。フランジ２４０ｆの下面２４０ｆｒは、成型型２０の上面２０ｓに接触可能に構成されている。

【0043】

ねじ２４１は、フランジ２４０ｆに形成されているねじ孔を貫通して、上面２０ｓにねじ込まれている。ねじ２４１により、フランジ２４０ｆを上面２０ｓに固定することが可能である。

【0044】

（効果）
ねじ２４１により、リング２４０を上面２０ｓに固定することができる。火炎圧によりリング２４０が移動してしまうことを防止することが可能となる。また、リング２４０の押し付け圧を高めることができるため、石英板３０と上面２０ｓとの気密性を向上させることができる。穴部２０ｈを減圧する場合に、圧力変動を抑制できるため、振動子の加工形状ばらつきを抑制することが可能となる。

【0045】

（実施例２の変形例）
フランジ２４０ｆは、ねじ２４１を備えていなくてもよい。これによっても、フランジ２４０ｆによって、石英板３０の平面方向への移動を規制することが可能である。