特開 2023-5790 溶融成形型

(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】P2023005790

(43)【公開日】2023-01-18

(54)【発明の名称】溶融成形型

(51)【国際特許分類】

   G01C 19/5691 20120101AFI20230111BHJP

   C03B 23/035 20060101ALI20230111BHJP

【ＦＩ】

G01C19/5691

C03B23/035

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021107971

(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】島岡 敬一

(72)【発明者】

【氏名】藤塚 徳夫

(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】原田 翔太

(72)【発明者】

【氏名】稲垣 優輝

(72)【発明者】

【氏名】後藤 勝昭

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 啓太郎

(72)【発明者】

【氏名】吉田 貴彦

【テーマコード（参考）】

2F105

4G015

【Ｆターム（参考）】

2F105BB02

2F105BB15

2F105CC04

2F105CD03

2F105CD05

4G015AA03

4G015AA13

4G015AB01

4G015AB05

(57)【要約】

【課題】振動子の溶融成形型を提供する。
【解決手段】溶融成形型は、裏面を備える。溶融成形型は、裏面と平行な表面を備える。溶融成形型は、表面に形成されている穴部であって、表面に垂直な軸を中心とした円柱がくり抜かれた形状を有するとともに穴底面を備えている穴部を備える。溶融成形型は、軸を中心として穴底面から上方へ伸びている支柱を備える。溶融成形型は、穴部の周囲を取り囲むように形成されている第１溝を備える。第１溝は、溶融成形型の外周面または穴部の少なくとも一方に連通しているとともに、裏面および表面には連通していない。第１溝は、表面に垂直な方向の幅が表面に平行な方向の幅よりも小さい。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

裏面と、
前記裏面と平行な表面と、
前記表面に形成されている穴部であって、前記表面に垂直な軸を中心とした円柱がくり抜かれた形状を有するとともに穴底面を備えている前記穴部と、
前記軸を中心として前記穴底面から上方へ伸びている支柱と、
前記穴部の周囲を取り囲むように形成されている第１溝と、
を備える溶融成形型であって、
前記第１溝は、
前記溶融成形型の外周面または前記穴部の少なくとも一方に連通しているとともに、前記裏面および前記表面には連通しておらず、
前記表面に垂直な方向の幅が前記表面に平行な方向の幅よりも小さい、溶融成形型。

【請求項2】

前記第１溝の内部に配置されている温度センサをさらに備える、請求項１に記載の溶融成形型。

【請求項3】

前記溶融成形型は、嵌め合いによって一体となる下側成形型と上側成形型とを備えており、
前記下側成形型の上面と前記上側成形型の下面とが距離を有して対向している領域に、前記第１溝が形成されている、請求項１または２に記載の溶融成形型。

【請求項4】

前記下側成形型は、前記上側成形型よりも熱伝導率が低い材料である、請求項３に記載の溶融成形型。

【請求項5】

前記第１溝は、前記穴部に連通しているとともに、前記溶融成形型の前記外周面に連通しておらず、
前記溶融成形型は、前記穴底面から前記裏面に貫通している１つ以上の排気孔をさらに備える、請求項１～３の何れか１項に記載の溶融成形型。

【請求項6】

前記穴部の周囲を取り囲むように形成されている第２溝をさらに備え、
前記第２溝は、
前記裏面に連通しているとともに、前記溶融成形型の外周面、前記穴部および前記表面には連通しておらず、
前記表面に平行な方向の幅が前記表面に垂直な方向の幅よりも小さい、
請求項１～５の何れか１項に記載の溶融成形型。

【請求項7】

前記穴部の内部に配置されており、前記軸を中心とした円筒形状を有する円筒部材をさらに備え、
前記円筒部材の外周面と前記穴部の内周面との間には一定の隙間が形成されている、請求項１～６の何れか１項に記載の溶融成形型。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書は、振動子の溶融成形型に関する。

【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、表面に穴部が形成されている成形型に、穴部を塞ぐように石英板を配置する。穴部の内部を減圧しながら、石英板の上面をバーナで加熱する。穴部の内部に入り込むように石英板を溶融変形させることで、半球形状の振動子を作製することができる。

【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】

加熱された石英板の熱は、石英板と成形型の表面との接触面を介して、成形型へ排熱される。これにより石英板には、穴部の中心から外周に向かって温度が低下する温度勾配が発生する。この温度勾配が、振動子の加工形状に影響してしまう場合がある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本明細書が開示する溶融成形型の一実施形態は、裏面を備える。溶融成形型は、裏面と平行な表面を備える。溶融成形型は、表面に形成されている穴部であって、表面に垂直な軸を中心とした円柱がくり抜かれた形状を有するとともに穴底面を備えている穴部を備える。溶融成形型は、軸を中心として穴底面から上方へ伸びている支柱を備える。溶融成形型は、穴部の周囲を取り囲むように形成されている第１溝を備える。第１溝は、溶融成形型の外周面または穴部の少なくとも一方に連通しているとともに、裏面および表面には連通していない。第１溝は、表面に垂直な方向の幅が表面に平行な方向の幅よりも小さい。

【0006】

第１溝によって、溶融成形型の上部から下部への熱伝導経路を小さくすることができる。成溶融成形型への排熱を抑制することができる。これにより、穴部の中心から外周に向かって温度が低下する温度勾配が被加工材料に発生してしまうことを抑制できる。

【0007】

溶融成形型は、第１溝の内部に配置されている温度センサをさらに備えていてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

【0008】

溶融成形型は、嵌め合いによって一体となる下側成形型と上側成形型とを備えていてもよい。下側成形型の上面と上側成形型の下面とが距離を有して対向している領域に、第１溝が形成されていてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

【0009】

下側成形型は、上側成形型よりも熱伝導率が低い材料であってもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

【0010】

第１溝は、穴部に連通しているとともに、溶融成形型の外周面に連通していなくてもよい。溶融成形型は、穴底面から裏面に貫通している１つ以上の排気孔をさらに備えていてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

【0011】

溶融成形型は、穴部の周囲を取り囲むように形成されている第２溝をさらに備えていてもよい。第２溝は、裏面に連通しているとともに、溶融成形型の外周面、穴部および表面には連通していなくてもよい。第２溝は、表面に平行な方向の幅が表面に垂直な方向の幅よりも小さくてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

【0012】

溶融成形型は、穴部の内部に配置されており、軸を中心とした円筒形状を有する円筒部材をさらに備えていてもよい。円筒部材の外周面と穴部の内周面との間には一定の隙間が形成されていてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【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】ＢＲＧ６０の上面図および断面図である。

【図5】従来の成形型１０２０を用いて振動子３１を作製する場合の断面図である。

【図6】本実施例の成形型２０を用いて振動子３１を作製する場合の断面図である。

【図7】実施例２の成形装置２０１の上面図である。

【図8】実施例２の成形装置２０１の断面図である。

【図9】実施例３の成形装置３０１の断面図である。

【図10】実施例４の成形装置４０１の上面図である。

【図11】実施例４の成形装置４０１の断面図である。

【図12】円筒ライナ４２１の形成方法を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【実施例0014】

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、成形型２０、石英板３０、熱電対４０、バーナ５０、を備える。なお図１では、バーナ５０の記載を省略している。

【0015】

プレート１０は、成形型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。

【0016】

成形型２０は、溶融シリカを用いて半球形状の振動子３１を成形するための型である。振動子３１については後述する。成形型２０は、下側成形型２０Ｌと上側成形型２０Ｕとを備えている。下側成形型２０Ｌと上側成形型２０Ｕとは、嵌め合いによって一体とすることができる。本実施例では、下側成形型２０Ｌが有する円形の溝２０Ｌｔに、上側成形型２０Ｕが有する円筒形状の突起２０Ｕｐがはめ込まれることで、両者は一体化している。下側成形型２０Ｌは、上側成形型２０Ｕよりも熱伝導率が低い材料で形成されている。本実施例では、下側成形型２０Ｌの材料は窒化ホウ素（ＢＮ））であり、上側成形型２０Ｕの材料はグラファイトである。

【0017】

本実施例では、成形型２０は、中心軸ＣＡを備えた円板形状である。成形型２０は、裏面２０ｒ、表面２０ｓ、穴部２０ｈ、支柱２０ｐ、排気口２０ｅ、平行溝２０ｔ１を備える。裏面２０ｒおよび表面２０ｓは、中心軸ＣＡに垂直な平坦面である。表面２０ｓは、裏面２０ｒと平行である。表面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を中心とした円柱がくり抜かれた形状を有している。穴部２０ｈは、底面２０ｂを備えている。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に連通している。

【0018】

平行溝２０ｔ１は、表面２０ｓと略平行に延びている溝である。平行溝２０ｔ１は、穴部２０ｈの周囲を取り囲むように形成されている。本実施例では、下側成形型２０Ｌの上面２０Ｌｕと上側成形型２０Ｕの下面２０Ｕｒとが距離を有して対向している領域に、平行溝２０ｔ１が形成されている。換言すると、分割された下側成形型２０Ｌと上側成形型２０Ｕの間の隙間によって、平行溝２０ｔ１が形成されている。これにより、一体の成形型に平行溝を形成する場合に比して、平行溝２０ｔ１を精度よく低コストで形成することが可能である。

【0019】

平行溝２０ｔ１は、成形型２０の外周面２０ｃに連通している（領域Ｒ１参照）。また平行溝２０ｔ１は、裏面２０ｒおよび表面２０ｓには連通していない。平行溝２０ｔ１は、表面２０ｓに垂直な方向の幅Ｗ１と、表面２０ｓに平行な方向の幅Ｗ２を備えている。幅Ｗ１は幅Ｗ２よりも小さい。

【0020】

平行溝２０ｔ１の内部には、熱電対４０が配置されている。これにより、上側成形型２０Ｕの穴部２０ｈ近傍に位置している、領域ＴＲの温度を測定することができる。

【0021】

上側成形型２０Ｕの下面２０Ｕｒの外周部には、３つのスペーサ２０Ｕｓが配置されている。スペーサ２０Ｕｓは、上側成形型２０Ｕと一体に形成されていてもよいし、別部品で構成されていてもよい。スペーサ２０Ｕｓの高さＨ１は、平行溝２０ｔ１の幅Ｗ１と同等である。スペーサ２０Ｕｓの下面は、下側成形型２０Ｌの上面２０Ｌｕに接触している。これにより、上側成形型２０Ｕの外周を支持することができるため、剛性を高めることができる。熱衝撃等による成形型２０の破損を防止することが可能となる。なおスペーサ２０Ｕｓの数は３つ以上であれば、自由に設定可能である。これにより、上側成形型２０Ｕの外周を面で支持することができる。

【0022】

表面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以下である。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。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。

【0023】

（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上に成形型２０を設置する。ステップＳ２において、表面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が表面２０ｓに吸着され、固定される。これにより、図２に示す状態となる。

【0024】

ステップＳ４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Ｓ５において、測定工程が行われる。熱電対４０を用いて、上側成形型２０Ｕの領域ＴＲの温度を測定する。ステップＳ６において、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。

【0025】

ステップＳ７において、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。成形型２０から溶融加工した石英板３０を取り出す。

【0026】

なお、ステップＳ６は省略してもよい。この場合、ステップＳ７において、熱電対４０による温度測定値に基づいて、加工終点を検出してもよい。

【0027】

ステップＳ８において、石英板３０の未成形領域ＵＲをＣＭＰ法などによって除去することで、振動子３１が完成する。ステップＳ９において、Bird-bath Resonator Gyroscope (BRG)を組み立てる。図４（Ａ）に、ＢＲＧ６０の上面図を示す。また図４（Ｂ）に、図４（Ａ）のＢ－Ｂ線における断面図を示す。ＢＲＧ６０は、振動子３１、ガラス基板６１、シリコン電極６２、を備える。振動子３１は、アンカー３１ａおよびリム３１ｒを備えている。アンカー３１ａは、ガラス基板６１の固定部６１ｆに固定されている。シリコン電極６２は、リム３１ｒの周囲を取り囲むように配置されている。

【0028】

ＢＲＧ６０の動作を説明する。振動子３１とシリコン電極６２との間に所望の周波数で電圧を印加し、振動子３１を共振駆動させる。この状態でＢＲＧ６０にｚ軸周りの回転が作用すると、振動モードが変化する。その変化に伴う振動子３１とシリコン電極６２の間の静電容量を計測することにより、回転角を高精度に検出することができる。

【0029】

（効果）
課題を説明する。ＢＲＧ６０の感度を高めるためには、振動子３１のリム３１ｒの傾斜角θ（図４（Ｂ）参照）を９０°に近づける必要がある。リム３１ｒとシリコン電極６２の側面とを平行にするとともに距離を小さくすることで、回転角の作用による静電容量の変化を大きくするためである。ここで比較例として、図５に示す従来の成形型１０２０を用いて振動子３１を作製する場合を説明する。従来の成形型１０２０は、平行溝２０ｔ１を備えない型である。白矢印は、成形型１０２０内の熱伝導を示しており、矢印の面積が大きいほど伝熱量が大きい。従来の成形型１０２０では、成形型１０２０全体がプレート１０への熱伝導経路となるため、熱伝導経路の幅ＨＷ１は非常に広い。従って白矢印に示すように、石英板３０の熱のうちの大きな部分が、成形型１０２０を介してプレート１０へ排熱されてしまう。その結果、石英板３０は、穴部２０ｈの外周に向かって温度が低下する温度勾配を有することとなり、未変形領域ＮＲ（石英の軟化温度以上に加熱されず、石英板３０が変形しない領域）が形成されてしまう。よって傾斜角θが９０°よりも小さくなってしまう。次に、図６に示す本実施例の成形型２０を用いて振動子３１を作製する場合を説明する。本実施例の成形型２０は、平行溝２０ｔ１を備えている。黒矢印は、平行溝２０ｔ１内の空気の熱伝導を示しており、矢印の面積が大きいほど伝熱量が大きい。平行溝２０ｔ１内の空気の熱伝導率は、グラファイトの熱伝導率に比して極めて低い。よって黒矢印に示すように、平行溝２０ｔ１が配置されている領域では、配置されていない領域に比して伝熱量を減少させることができる。すなわち、平行溝２０ｔ１により断熱することができる。その結果、平行溝２０ｔ１が形成されていない領域がプレート１０への熱伝導経路となるため、熱伝導経路の幅ＨＷ２（図６）を幅ＨＷ１（図５）よりも狭くすることができる。成形型２０を介したプレート１０への排熱量を減少させることができるため、石英板３０に発生する温度勾配を抑制できる。未変形領域ＮＲの形成が抑えられるため、傾斜角θを９０°に近づけることが可能となる。

【0030】

下側成形型２０Ｌ（窒化ホウ素）は、上側成形型２０Ｕ（グラファイト）よりも熱伝導率が低い材料で形成されている。これにより、上側成形型２０Ｕからプレート１０への熱伝導を抑制することが可能となる。

【0031】

平行溝２０ｔ１を、熱電対４０を挿入するための通路として流用することができる。これにより、上側成形型２０Ｕの領域ＴＲ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。

【実施例0032】

図７および図８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、下側成形型２２０Ｌと上側成形型２２０Ｕとの嵌合部が、成形型２２０の外周に配置されている点が、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。

【0033】

成形型２２０は、下側成形型２２０Ｌと上側成形型２２０Ｕとを備えている。下側成形型２２０Ｌは、外周を取り囲む円形の溝２２０Ｌｔを備えている。上側成形型２２０Ｕは、外周を取り囲む円筒形状の突起２２０Ｕｐを備えている。溝２２０Ｌｔに突起２２０Ｕｐが嵌合することで、下側成形型２２０Ｌと上側成形型２２０Ｕとは一体化している。

【0034】

平行溝２２０ｔ１は、穴部２０ｈに連通している（図８、領域Ｒ２１参照）。また平行溝２２０ｔ１は、成形型２２０の外周面２０ｃ、裏面２０ｒおよび表面２０ｓには連通していない。平行溝２２０ｔ１の内部には、突起２２０Ｕｐを貫通して熱電対４０が配置されている。熱電対４０の貫通部は、シール等により気密が保たれている。なお、実施例２の平行溝２２０ｔ１のその他の構成は、実施例１の平行溝２０ｔ１と同様であるため、説明を省略する。

【0035】

上側成形型２２０Ｕの下面２０Ｕｒの内周部には、３つのスペーサ２２０Ｕｓが配置されている。実施例２の２２０Ｕｓの構成は、実施例１のスペーサ２０Ｕｓと同様であるため、詳細な説明を省略する。３つのスペーサ２２０Ｕｓにより、上側成形型２２０Ｕの内周を面で支持することができるため、剛性を高めることが可能となる。

【0036】

（効果）
平行溝２２０ｔ１の外周側の気密は、溝２２０Ｌｔと突起２２０Ｕｐとの嵌合により保たれている。また平行溝２２０ｔ１は、穴部２０ｈに連通している。従って、穴部２０ｈの真空引きを行うことにより、平行溝２２０ｔ１の内部を真空状態とすることができる。平行溝２２０ｔ１内に空気が存在する場合に比して、平行溝２２０ｔ１が配置されている領域での伝熱量を、さらに低減することが可能となる。振動子３１の傾斜角θを９０°に近づけることが可能となる。