JP2023123195A - 溶融成形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】振動子の溶融成形型を提供する。【解決手段】溶融成形装置は、溶融成形型とプレートとリング部とを備える。溶融成形型は、下面と、下面と平行な上面と、上面の一部に形成されている穴部と、穴部の底面から下面まで貫通している貫通孔と、を備えている。プレートの表面には、排気口が形成されている。リング部は、溶融成形型の下面とプレートの表面との間に配置されており、溶融成形型とプレートとを接続している。リング部は、溶融成形型の下面に表出している貫通孔の周囲およびプレートの表面に表出している排気口の周囲を取り囲んでいる。リング部が配置されていない領域では、溶融成形型の下面とプレートの表面との間に空間が形成されている。【選択図】図２

Description

本明細書は、振動子の溶融成形装置に関する。

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、排気機能および排熱機能を備えたプレート上に、溶融成形型を配置する。溶融成形型の表面に形成されている穴部を塞ぐように、石英板を配置する。プレートの排気機能によって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。

米国特許出願公開第２０１８／０７９１２９号明細書

加熱された石英板の熱は、石英板と溶融成形型の表面との接触面および溶融成形型を介して、プレートへ排熱される。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。

本明細書が開示する溶融成形型の一実施形態は、溶融成形型とプレートとリング部とを備える溶融成形装置である。溶融成形型は、下面と、下面と平行な上面と、上面の一部に形成されている穴部と、穴部の底面から下面まで貫通している貫通孔と、を備えている。プレートの表面には、排気口が形成されている。リング部は、溶融成形型の下面とプレートの表面との間に配置されており、溶融成形型とプレートとを接続している。リング部は、溶融成形型の下面に表出している貫通孔の周囲およびプレートの表面に表出している排気口の周囲を取り囲んでいる。リング部が配置されていない領域では、溶融成形型の下面とプレートの表面との間に空間が形成されている。

リング部によって、溶融成形型の下面とプレートの表面との間に空間が形成されている。溶融成形型の下面の全面がプレートの表面に接触している場合に比して、溶融成形型とプレートとの接触面積を低減できるため、溶融成形型からプレートへの排熱量を減少させることが可能となる。すなわち、溶融成形型に蓄熱することが可能となる。これにより、石英板に発生する温度勾配を抑制することができるため、振動子の加工精度を高めることが可能となる。

リング部は、プレートと一体形成されており、プレートの表面から突出していてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

リング部は、溶融成形型と一体形成されており、溶融成形型の下面から突出していてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

リング部は、プレートおよび溶融成形型とは別体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。

プレートの表面には、リング部の形状に対応した凹部が形成されていてもよい。リング部は、凹部の内部に配置されていてもよい。リング部が凹部の内部に配置されている状態において、リング部の上端がプレートの表面から突出していてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

リング部の融点は８００℃以上であってもよい。

穴部の中心を通り溶融成形型の下面に垂直な中心軸からリング部の外周までの距離は、中心軸から溶融成形型の外周までの距離よりも小さくてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

リング部は、前記溶融成形型の下面に垂直な方向からみたときに、円形の環型を有していてもよい。

実施例１の成形装置１の上面図である。 実施例１の成形装置１の断面図である。 溶融変形後の断面図である。 ＢＲＧ６０の上面図および断面図である。 第１比較例のプレート１０１０を用いて振動子３１を作製する場合の断面図である。 第２比較例の成形型２０２０を用いて振動子３１を作製する場合の断面図である。 実施例２の成形装置２０１の断面図である。 実施例３の成形装置３０１の断面図である。 実施例４の成形装置４０１の断面図である。 変形例の成形装置５０１の断面図である。

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、排気機構１１、成形型２０、石英板３０、リング部４０、バーナ５０、を備える。なお図１では、リング部４０を点線で示しているとともに、バーナ５０および排気機構１１の記載を省略している。

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の表面１０ｓには、排気口１０ａが形成されている。排気口１０ａは、排気経路１０ｐを介して排気機構１１（例：真空ポンプ）に接続されている。

成形型２０は、石英板３０を溶融変形させて半球形状の振動子３１を成形するための型である。成形型２０の材料はグラファイトとした。本実施例では、成形型２０は、中心軸ＣＡを備えた円柱形状である。成形型２０は、下面２０ｒ、上面２０ｓ、穴部２０ｈ、支柱２０ｐ、貫通孔２０ｅ、を備える。下面２０ｒおよび上面２０ｓは、中心軸ＣＡに垂直な平坦面である。上面２０ｓは、下面２０ｒと平行である。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を中心とした円柱がくり抜かれた形状を有している。換言すると、中心軸ＣＡは、穴部２０ｈの中心を通り成形型２０の下面２０ｒに垂直な軸である。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、下面２０ｒに貫通している複数の貫通孔２０ｅが形成されている。貫通孔２０ｅは排気口１０ａに連通している。

図１に示すように、リング部４０は、成形型２０の下面２０ｒに垂直な方向（ｚ方向）からみたときに、円形の環型を有している。中心軸ＣＡからリング部４０の外周までの半径Ｒ１は、中心軸ＣＡから成形型２０の外周までの半径Ｒ２よりも小さい。リング部４０は、周方向に一定の幅Ｗ１を備えている。

図２に示すように、リング部４０は、プレート１０と一体形成されており、プレート１０の表面１０ｓから上方（＋ｚ方向）へ突出している。リング部４０の上面４０ｓは、成形型２０の下面２０ｒに接触している。換言すると、リング部４０は、成形型２０の下面２０ｒとプレート１０の表面１０ｓとの間に配置されており、成形型２０とプレート１０とを接続している。リング部４０が配置されていない領域では、成形型２０の下面２０ｒとプレート１０の表面１０ｓとの間に空間ＳＰが形成されている。

リング部４０は、下面２０ｒに表出している貫通孔２０ｅの周囲、および、表面１０ｓに表出している排気口１０ａの周囲を取り囲んでいる。これによりリング部４０は、貫通孔２０ｅと排気口１０ａとの接続経路の気密性を確保するシールとして機能する。リング部４０の幅Ｗ１は、所定の気密性を維持できる幅であればよい。

成形型２０の上面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以下である。本実施例では石英板３０は正方形であるが、六角形や八角形などの点対称の多角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。

（振動子の製造工程）
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、リング部４０の上面４０ｓに成形型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、排気機構１１を用いて、所望の真空度で排気口１０ａの真空引きを行う。貫通孔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。これにより、図２に示す状態となる。

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。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。ステップＳ５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。ステップＳ６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、図４の振動子３１が完成する。

ステップＳ７において、Bird-bath Resonator Gyroscope (BRG)を組み立てる。図４（Ａ）に、組み立て後の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。

（効果）
課題を説明する。ＢＲＧ６０の感度を高める（つまり、低い駆動電圧で大きく励振振動させ、出力として大きな容量変化を得る）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。ここで第１比較例として、図５に示すプレート１０１０を用いて振動子３１を作製する場合を説明する。第１比較例のプレート１０１０は、リング部４０を備えていない。従って、成形型２０の下面２０ｒの全面が、プレート１０１０の表面１０１０ｓに接触している。太い矢印は熱伝導を示しており、矢印の数および面積が大きいほど伝熱量が大きいことを示している。第１比較例の成形型２０では、下面２０ｒの全面がプレート１０１０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。従って太い矢印に示すように、石英板３０の熱のうちの大きな部分が、成形型２０を介してプレート１０１０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。

一方、図３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では、リング部４０によって、成形型２０の下面２０ｒとプレート１０の表面１０ｓとの間に空間ＳＰが形成されている。空間ＳＰ内の空気の熱伝導率は、成形型２０のグラファイトの熱伝導率に比して極めて低い。よって、リング部４０のみをプレート１０への熱伝導経路とすることができる。その結果、本実施例の熱伝導経路の幅ＨＷ２（図３）を、第１比較例の熱伝導経路の幅ＨＷ１（図５）よりも狭くすることができる。太い矢印に示すように、成形型２０からプレート１０への伝熱量を大幅に減少させることが可能となる。すなわち、成形型２０に蓄熱することで、成形型２０の温度分布をより均一にすることが可能となる。これにより、石英板３０に発生する温度勾配を抑制することができるため、未変形領域ＮＲの形成が抑えられ、傾斜角θを９０°に近づけることが可能となる。

また本実施例の成形型２０では、支柱２０ｐが局所的に加熱されてしまうことを防止できるため、支柱２０ｐ近傍での局所的な大変形を抑制できる。よって、振動子３１の頭頂部３１ｈ（図４）の厚さをより厚く形成することや、頭頂部３１ｈの位置をより外周側に形成することが可能となる。また、成形型２０へ蓄熱することができるため、石英板３０の温度上昇傾きを大きくすることが可能となる。加工時間を短縮化することが可能となる。また加工時間の短縮化に伴い、ガス消費量を低減することや、成形型２０の繰り返し使用回数を増加させることが可能となる。

第２比較例として、図６に示す成形型２０２０を用いて振動子３１を作製する場合を説明する。第２比較例の成形型２０２０は、穴部２０ｈの外周を取り囲むように形成された外周溝２０ｔを備えている。また成形型２０２０は、リング部を備えないプレート１０１０上に配置されている。外周溝２０ｔにより断熱することで、石英板３０の熱が、成形型２０２０の外周側へ伝達することを抑制できる。その結果、石英板３０に発生する温度勾配を抑制できる。しかし第２比較例では、外周溝２０ｔの高い加工精度を必要とする。例えば、穴部２０ｈに対する外周溝２０ｔの位置ずれが発生したり、外周溝２０ｔの周方向の幅にばらつきが発生すると、排熱に不均一性（非対称性）が発生し、振動子３１の形状の対称性が悪化してしまう。また、外周溝２０ｔを備えることにより、成形型２０２０の強度が低下してしまう。また、内壁２０ｗのような、火炎によって加熱される細い部位が存在するため、火炎加工に伴う型の劣化（例：グラファイトの焼失）が促進されてしまう。一方、本実施例の成形型２０では、プレート１０が備えるリング部４０によって、石英板３０に発生する温度勾配を抑制することができる。従って、成形型２０に外周溝２０ｔのような加工を行う必要がない。振動子３１の対称性が悪化してしまうことや、成形型２０の強度が低下してしまうことや、成形型２０の劣化が促進されてしまうことなどを、防止することができる。

本実施例の成形型２０では、中心軸ＣＡからリング部４０の外周までの半径Ｒ１を、成形型２０の外周までの半径Ｒ２よりも小さくしている（図１）。これにより、リング部４０の周方向の幅Ｗ１を一定にする条件下では、半径Ｒ２を有するリング部を形成する場合に比して、上面４０ｓの面積を小さくすることができる。成形型２０からプレート１０への伝熱量をさらに減少させることが可能となる。

図７に、実施例２の成形装置２０１の断面図を示す。実施例２は、リング部２４０を備える点が、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。

リング部２４０は、成形型２０と一体形成されており、成形型２０の下面２０ｒから下方（－ｚ方向）へ突出している。リング部２４０の下面２４０ｒは、プレート１０の表面１０ｓに接触している。実施例２によっても、成形型２０の下面２０ｒとプレート１０の表面１０ｓとの間に、空間ＳＰを形成することができる。従って、実施例１の成形装置１と同様の効果を得ることができる。

図８に、実施例３の成形装置３０１の断面図を示す。実施例３は、リング部３４０を備える点が、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。

リング部３４０は、プレート１０および成形型２０とは別体に構成されている。プレート１０の表面１０ｓには、リング部３４０の形状に対応した第１凹部１０ｃ１が形成されている。リング部３４０は、第１凹部１０ｃ１の内部に配置されている。第１凹部１０ｃ１によって、リング部３４０の位置決めを自動的に行うことが可能となる。リング部３４０が第１凹部１０ｃ１の内部に配置されている状態において、リング部３４０の上端３４０ｕが、プレート１０の表面１０ｓから突出している。これにより、空間ＳＰを形成することが可能となる。

また、第１凹部１０ｃ１の内周側には、第１凹部１０ｃ１よりも大きな深さを有する第２凹部１０ｃ２が形成されている。これにより、排気口１０ａの体積を大きくすることができる。排気口１０ａの真空引きを行っている場合における、リーク発生時などに発生する圧力変動を抑制することが可能となる。

リング部３４０は、融点が８００℃以上の材料で形成されている。リング部３４０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、リング部３４０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。

リング部３４０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。

図９に、実施例４の成形装置４０１の断面図を示す。実施例４は、テーパを有するリング部４４０および４４１を備える点が、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。

リング部４４０は、プレート１０と一体形成されており、表面１０ｓから上方（＋ｚ方向）へ突出している。リング部４４１は、成形型２０と一体形成されており、下面２０ｒから下方（－ｚ方向）へ突出している。リング部４４０および４４１は、中心軸ＣＡを通る面での断面が、三角形である。これによりリング部４４０の内径側には、テーパ面４４０ｔが形成されている。またリング部４４１の外径側には、テーパ面４４１ｔが形成されている。そしてテーパ面４４０ｔと４４１ｔとが互いに接触している。

成形型２０をプレート１０上に配置する際に、成形型２０の自重により、テーパ面４４０ｔ上をテーパ面４４１ｔが摺動する。これにより、成形型２０の位置決めを自動的に行うことが可能となる。また隙間がなくなるようにテーパ面４４０ｔと４４１ｔとが係合するため、気密性を高めることができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

（変形例）
実施例１において、プレート１０と一体に形成するリング部４０の形状は、図２の形状に限られず、様々であって良い。例えば図１０の変形例の成形装置５０１に示すように、プレート１０の最外周部分に、リング部５４０を形成してもよい。これにより太い矢印に示すように、石英板３０から成形型２０の最外周を経由してプレート１０へ至る熱伝熱経路を形成することができるため、熱伝熱経路の距離を大きくすることができる。よって、石英板３０に発生する温度勾配を抑制することが可能となる。なお実施例２において、成形型２０と一体に形成するリング部２４０の形状も、図７の形状に限られない。例えば、成形型２０の最外周部にリング部を形成してもよい。

実施例３（図８）において、別体で形成したリング部３４０を配置する態様は、様々であってよい。例えば、第１凹部１０ｃ１が形成されていない平坦な表面１０ｓ上に、リング部３４０を配置してもよい。

実施例４（図９）において、テーパ面の形状や接触の態様は、様々であって良い。例えば、リング部４４０の外径側のテーパ面と、リング部４４１の内径側のテーパ面とが互いに接触する態様であってもよい。また例えば、リング部４４０が断面Ｖ字型の溝を備えており、リング部４４１が断面三角形状の突起部を備えており、両者が係合する態様であってもよい。

成形型２０の材料はグラファイトに限られない。所定の熱衝撃耐性や熱伝導率を有する材料であれば、様々な材料を用いることが可能であり、例えば窒化ホウ素であってもよい。

振動子の材料は、石英板３０に限られない。溶融変形する誘電体であれば、何れの材料であってもよい。

また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１、２０１、３０１、４０１、５０１：成形装置 １０：プレート １０ａ：排気口 ２０：成形型 ２０ｓ：上面 ２０ｈ：穴部 ２０ｒ：下面 ２０ｅ：貫通孔 ４０、２４０、３４０、４４０、５４０：リング部 ＳＰ：空間

Claims (8)

1. 溶融成形型とプレートとリング部とを備える溶融成形装置であって、
   前記溶融成形型は、
   下面と、
   前記下面と平行な上面と、
   前記上面の一部に形成されている穴部と、
   前記穴部の底面から前記下面まで貫通している貫通孔と、
   を備えており、
   前記プレートの表面には、排気口が形成されており、
   前記リング部は、前記溶融成形型の下面と前記プレートの表面との間に配置されており、前記溶融成形型と前記プレートとを接続しており、
   前記リング部は、前記溶融成形型の下面に表出している前記貫通孔の周囲および前記プレートの表面に表出している前記排気口の周囲を取り囲んでおり、
   前記リング部が配置されていない領域では、前記溶融成形型の下面と前記プレートの表面との間に空間が形成されている、溶融成形装置。
2. 前記リング部は、前記プレートと一体形成されており、前記プレートの表面から突出している、請求項１に記載の溶融成形装置。
3. 前記リング部は、前記溶融成形型と一体形成されており、前記溶融成形型の下面から突出している、請求項１に記載の溶融成形装置。
4. 前記リング部は、前記プレートおよび前記溶融成形型とは別体に構成されている、請求項１に記載の溶融成形装置。
5. 前記プレートの表面には、前記リング部の形状に対応した凹部が形成されており、
   前記リング部は、前記凹部の内部に配置されており、
   前記リング部が前記凹部の内部に配置されている状態において、前記リング部の上端が前記プレートの表面から突出している、請求項４に記載の溶融成形装置。
6. 前記リング部の融点は８００℃以上である、請求項４または５に記載の溶融成形装置。
7. 前記穴部の中心を通り前記溶融成形型の下面に垂直な中心軸から前記リング部の外周までの距離は、前記中心軸から前記溶融成形型の外周までの距離よりも小さい、請求項１～６の何れか１項に記載の溶融成形装置。
8. 前記リング部は、前記溶融成形型の下面に垂直な方向からみたときに、円形の環型を有している、請求項１～７の何れか１項に記載の溶融成形装置。
   

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