JPH11130554A - セラミック素材の接合構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 接合強度に優れたセラミック素材の接合構造
を提供すること。 【解決手段】 第１のセラミック素材２の凹部４と、セ
ラミック接合剤を介して第２のセラミック基材３の凸部
５とを接合する。その際、嵌合部の凹部４及び凸部５の
少なくともいずれかの表面に溝７を形成しておく。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、セラミック素材の
接合構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】セラミック構造材は、耐熱性、耐食性に
優れており、各種治具として使用されているが、セラミ
ックは加工が困難で複雑な形状の治具を一体的に製造す
ることが困難であるため、それぞれ部分的に製造した素
材を組合せ、接合したものが使用されている。

【０００３】接合構造の一例を図５に示す。セラミック
プレート２２には凹部としてのピン嵌入孔２４が設けら
れ、そのピン嵌入孔２４には凸部としてのセラミックピ
ン２３が嵌入されている。ピン嵌入孔２４は大径部２４
ａと小径部２４ｂとからなり、両者２４ａ，２４ｂの境
目は段部になっている。図５では、大径部２４ａのある
ほうが上側である。セラミックピン２３は略円筒状であ
って、下半部２５側にある端面には円形状の凸部２６が
形成されている。そして、被嵌入部としてのセラミック
ピン２３の下半部２５は、ピン嵌入孔２４に嵌入された
状態で、セラミック接合剤を介して接合されている。

【０００４】このような構成の接合構造２１は、例えば
次のような手順で作製される。まず、板状の成形体とピ
ン状の成形体とをそれぞれ作製し、かつそれらを所定温
度で仮焼成する。その結果、ある程度焼結した状態のセ
ラミックプレート２２及びセラミックピン２３が得られ
る。次いで、セラミックプレート２２にピン嵌入孔２４
を加工形成するとともに、セラミックピン２３に凸部２
６を加工形成する。そして、あらかじめ用意しておいた
セラミック接合剤を塗布し、この状態でセラミックピン
２３をピン嵌入孔２４に嵌入する。このような組み立て
作業が終了した後、再び焼成を行う。すると、セラミッ
クプレート２２、セラミックピン２３及びセラミック接
合剤がともに焼結する結果、セラミックプレート２２と
セラミックピン２３とが接合され一体化した接続構造２
１が得られる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来技術で
はセラミックプレート２２とセラミックピン２３との接
合部分の強度が弱かった。このため、接合部分に大きな
荷重や衝撃が加わると、接合部分の界面にクラックが生
じ、ピン嵌入孔２４からセラミックピン２３が容易に抜
けてしまうという問題があった。従って、高強度の接合
構造２１を実現することができなかった。

【０００６】本発明は上記の課題を解決するためなされ
たものであり、その目的は、接合強度に優れたセラミッ
ク素材の接合構造を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、請求項１に記載の発明では、第１のセラミック素
材に設けられた凹部と、第２のセラミック素材に設けら
れた凸部とが嵌合され、かつ当該嵌合部が接合剤を介し
て接合されてなる接合構造において、前記嵌合部の凹部
及び凸部の少なくともいずれかの表面に溝が形成されて
なることを特徴とするセラミック素材の接合構造をその
要旨とする。

【０００８】請求項２に記載の発明では、請求項１にお
いて、前記溝は、セラミック素材の嵌合部に嵌入方向と
平行でないように形成された接合剤溜まり溝であるとし
た。請求項３に記載の発明では、請求項１において、前
記溝は、セラミック素材の非嵌合部まで連続して設けら
れた空気抜き溝であるとした。

【０００９】以下、本発明の「作用」を説明する。請求
項１〜３に記載の発明によると、溝が形成されているこ
とで、両セラミック素材の界面に適正な量の接合剤を保
持させることができる。そのため、両セラミック素材同
士をより強固に接合することができる。

【００１０】請求項２に記載の発明によると、接合剤溜
まり溝が形成されていることで、接合剤が溝内に埋まる
ことによるアンカー効果で、両セラミック素材同士をよ
り強固に接合することができる。

【００１１】請求項３に記載の発明によると、セラミッ
ク素材を嵌合する際、嵌合部に取り残されている空気が
空気抜き溝に沿って送り出されることにより、嵌合部の
接合剤が空気によって押し出されることがない。このた
め、界面において確実に接合剤が介在した状態となり、
両セラミック素材同士をよりいっそう強固に接合するこ
とができる。なお、これに併せて上記の接合剤溜まり溝
が形成されている場合には相乗的な作用が奏されるた
め、両者がさらに強固に接合された状態となる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明のセラミック素材の
接合構造を具体化した一実施形態を図１，図２（ａ）に
基づき詳細に説明する。

【００１３】実施形態の接合構造１は、第１のセラミッ
ク素材としてのセラミックプレート２と、第２のセラミ
ック素材としてのセラミックピン３とからなる。図１は
それらの部分破断斜視図であり、図２（ａ）は接合状態
における部分断面図である。セラミックプレート２の複
数の箇所には、凹部としてのピン嵌入孔４が設けられて
いる。ピン嵌入孔４は断面円形状である。ピン嵌入孔４
は大径部４ａと小径部４ｂとからなり、両者４ａ，４ｂ
の境目は段部になっている。図１，図２（ａ）では、大
径部４ａのあるほうが上側（ピン嵌入側）である。セラ
ミックピン３は略円筒状であって、下半部５側にある端
面には円形状の凸部６が形成されている。そして、セラ
ミックピン３の下半部５は、ピン嵌入孔４に嵌入された
状態で、セラミック接合剤を介して接合されている。

【００１４】セラミックピン３は溝としての空気抜き溝
７を備えている。この空気抜き溝７はセラミックピン３
の外周面に形成されている。ここでは空気抜き溝７は１
本のみであって、セラミックピン３の嵌入方向（即ちセ
ラミックピン３の軸線方向）に対して平行にかつ直線的
に形成されている。また、空気抜き溝７の長さは、その
一端が完全嵌入時に上面から一部露出する程度にあらか
じめ設定されていることがよい。即ち、空気抜き溝７が
非嵌合部まで連続して設けられた状態となるからであ
る。

【００１５】セラミックプレート２やセラミックピン３
は、板状の成形体とピン状の成形体とをそれぞれ作製
し、かつそれらを所定温度で仮焼成することによって得
られる。その際の出発材料としては、セラミック粉末に
バインダや分散剤等を配合して混練したものが用いられ
る。使用されるセラミック粉末としては、例えばβ型炭
化珪素粉末、α型炭化珪素粉末、窒化珪素粉末、窒化ア
ルミニウム粉末、窒化ほう素粉末、ジルコニア粉末、ア
ルミナ粉末、ムライト粉末等が挙げられる。セラミック
粉末の平均粒径は、０．１０μｍ〜０．５０μｍ程度、
好ましくは０．１５μｍ〜０．３０μｍ程度がよい。

【００１６】例えば、セラミック粉末として炭化珪素粉
末を選択した場合には、仮焼成の温度は１５００℃〜２
０００℃程度に設定される。前記仮焼成によって得られ
るセラミックプレート２及びセラミックピン３は、少な
くとも接合面となる領域が研磨等によって面粗度（Ｒｍ
ａｘ）が２０μｍ〜１００μｍ、好ましくは５０μｍ前
後となるように処理されることがよい。このようにする
と、セラミック接合剤による接合作用を最大限に引き出
すことができるからである。

【００１７】この後、セラミックプレート２の所定箇所
には、ドリル等によってピン嵌入孔４が加工形成され
る。また、セラミックピン３の一方側の端部には凸部６
が加工形成されるとともに、下半部５の外周面には溝加
工によって前記空気抜き溝７が形成される。なお、前記
空気抜き溝７は仮焼成後に加工形成されるばかりでな
く、仮焼成前に形成されることも可能である。ただし、
焼成時の熱による変形が避けられるため、細かい溝であ
っても精度よく形成することができるという点におい
て、仮焼成後の形成のほうが好ましい。

【００１８】また、空気抜き溝７はその深さが０．１mm
〜２mm、好ましくは０．５mm〜１．０mmであることがよ
い。この深さが浅すぎると、期待する効果が充分に得ら
れなくなるおそれがある。一方、この深さが深すぎる
と、セラミック素材２，３に強度低下をもたらす原因に
もつながりかねない。

【００１９】次に、セラミックプレート２とセラミック
ピン３とを接合するためのセラミック接合剤について説
明する。ここで使用されるセラミック接合剤は、セラミ
ック粉末にバインダ及び水を配合して混練したものであ
る。

【００２０】セラミック粉末としては、先に列挙したβ
型炭化珪素粉末、α型炭化珪素粉末、窒化珪素粉末、窒
化アルミニウム粉末、窒化ほう素粉末、ジルコニア粉
末、アルミナ粉末、ムライト粉末等が使用される。この
場合、前記セラミックプレート２や前記セラミックピン
３に使用されているセラミック粉末と同種のものがセラ
ミック粉末として選択されることが好ましい。異種のも
のであると接合強度が低下するか、または接合が不能に
なるおそれがあるからである。

【００２１】また、セラミック粉末としては、前記セラ
ミックプレート２や前記セラミックピン３を構成するセ
ラミック粉末と同程度の平均粒径を有するものが選択さ
れることが好ましい。このように設定することにより、
接合強度の低下を防止することができるからである。

【００２２】バインダとしてはアクリル系バインダが使
用され、その他にも例えばエチルセルロース、ヒドロキ
シエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ポ
リビニルブチラール等が使用される。前記バインダは、
セラミック粉末１００重量部に対して、０．５重量部〜
５重量部ほど配合されていることがよい。この範囲に設
定することにより、接合剤としての好適な粘度が得られ
るからである。

【００２３】また、前記水に代えて、例えばα−テルピ
ネオール、テトラヒドロフラン、ベンゼン等の有機溶媒
を分散剤として配合してもよい。前記水や分散剤等は、
セラミック粉末１００重量部に対して、３０重量部〜４
０重量部ほど配合されていることがよい。

【００２４】なお、セラミック接合剤は、材料の混練・
調製時に充分に脱気処理されることが好ましい。このよ
うな前処理は、接合強度の向上にとって確実にプラスに
作用するからである。

【００２５】上記のように調製されたセラミック接合剤
は、嵌入を行う前にあらかじめ接合面に塗布される。即
ち、セラミックプレート２のピン嵌入孔４の内壁面及び
セラミックピン３の下半部５の外周面にそれぞれ塗布さ
れる。なお、このように両方側に塗布してもよく、いず
れか片方側のみに塗布してもよい。ただし、セラミック
接合剤を確実に供給するためには、前者の塗布方法を採
用することのほうが好ましい。

【００２６】次に、セラミックピン３の下半部５を上面
側開口からピン嵌入孔４に嵌入する。その際、嵌合部に
取り残されている空気は、空気抜き溝７に沿って後方
（上方）に送り出される。それにより嵌合部のセラミッ
ク接合剤が空気により押し出されることが防止される。
このため、界面において確実にセラミック接合剤が介在
した状態となる。また、空気抜き溝７があることによっ
て、ピン嵌入孔４と下半部５との界面に適量のセラミッ
ク接合剤が保持される。

【００２７】このような嵌入組み立て作業が終了した
後、セラミックプレート２、セラミックピン３及びセラ
ミック接合剤からなる組立体は、必要に応じて乾燥され
る。乾燥温度は、８０℃〜２００℃がよく、好ましくは
１００℃〜１３０℃がよい。乾燥時間の短縮を図るため
に温度を高くしすぎると、界面にクラックが生じやすく
なる。一方、温度を低くしすぎると、乾燥時間が長くな
ったり、乾燥が不十分になったりするおそれがある。ま
た、乾燥時間は１時間〜６時間程度であることがよい。

【００２８】加熱乾燥工程を経た前記組立体は、次いで
常圧下で本焼成される。すると、セラミックプレート
２、セラミックピン３及びセラミック接合剤がともに焼
結する結果、セラミックプレート２とセラミックピン３
とが接合され一体化する。その結果、所望の接合構造１
を得ることができる。

【００２９】ここで、セラミック粉末として炭化珪素粉
末を選択した場合には、このときの焼成温度は１７００
℃〜２０００℃程度に設定されることがよい。焼成温度
が低すぎると炭化珪素粉末の焼結が不十分となり、高い
接合強度を得ることができないからである。一方、焼成
温度が高すぎると、セラミックプレート２やセラミック
ピン３自体に変形が生じるおそれがあるからである。

【００３０】

【実施例１〜４、比較例】上記の手順に従って５種の接
合構造１，２１を作製し、各々について強度測定試験を
行った結果を以下に記す。

【００３１】図１，図２（ａ）に示される実施例１は、
セラミックピン３の下半部５の外周面に空気抜き溝７が
１つのみ形成されたものである。詳細は既に説明した通
りである。

【００３２】なお、実施例１における各部の具体的な寸
法は次の通りである。セラミックプレート２の厚さ（即
ちピン嵌入孔４の長さ）は４１mm、ピン嵌入孔４の大径
部４ａの内径は３０mmφ、小径部４ｂの内径は２４mmφ
である。大径部４ａの長さは１９mm、小径部４ｂの長さ
は２２mmφである。セラミックピン３の全長は４３mm、
凸部６の高さは７mmである。セラミックピン３の外径は
３０mmφ、凸部６の部分の外径は２４mmφである。空気
抜き溝７の長さは２２mm、深さは１．０mmである。ま
た、実施例１ではセラミックプレート２及びセラミック
ピン３の形成用のセラミック粉末として、いずれも平均
粒径が０．２μm のβ型炭化珪素粉末を選択した。ま
た、セラミック接合剤として、β型炭化珪素粉末１００
重量部に対して、アクリル系バインダを３重量部、水を
３０重量部配合して混練したものを用いた。

【００３３】図２（ｂ）に示される実施例２では、セラ
ミックピン３の下半部５の外周面にではなく、ピン嵌入
孔４の大径部４ａの内周面に溝８が形成されている。前
記溝８は接合剤溜まり溝８であって、セラミックピン３
の嵌入方向に対して直交している。また、前記接合剤溜
まり溝８は複数本（同図では３本）であって、等間隔に
形成されている。接合剤溜まり溝８の深さは０．５mm〜
１．０mmがよく、具体的には０．７５mmに設定されてい
る。

【００３４】図３（ａ）に示される実施例３では、セラ
ミックピン３の下半部５の外周面に溝９が形成されてい
る。前記溝９は接合剤溜まり溝９であって、セラミック
ピン３の嵌入方向に対して直交している。また、前記接
合剤溜まり溝９は複数本（同図では３本）であって、等
間隔に形成されている。接合剤溜まり溝９の深さは０．
５mm〜１．５mmがよく、具体的には１．０mmに設定され
ている。

【００３５】図３（ｂ）に示される実施例４は、実施例
１の特徴と実施例３の特徴とを兼ね備えたものである。
即ち、セラミックピン３の下半部５の外周面には、１本
の空気抜き溝７と３本の接合剤溜まり溝９とがそれぞれ
形成されている。空気抜き溝７と接合剤溜まり溝９とは
直交する位置関係にある。

【００３６】上記各実施例２〜４は、実施例１の接合構
造１と溝７，８，９の本数や形成位置等が相違するのみ
であるため、それ以外の各部の寸法や組成については全
く等しいものとなっている。

【００３７】比較例は、先に従来技術として例示した図
５の接合構造２１における接合構造である。比較例は、
セラミックプレート２２及びセラミックピン２３のいず
れにも溝が形成されていない点で、実施例１〜４と相違
している。なお、溝７，８，９が無い点を除き、比較例
の各部の寸法や組成は実施例１〜４のそれと全く等しい
ものとなっている。

【００３８】あらかじめ上記の５種の接合構造１，２１
を作製した後、強度測定試験を行った。前記装置の原理
は、図４に示される通りである。即ち、離間して配置さ
れた一対の固定ブロック１１上には、被検体である接合
構造１，２１が裏返しにして載置される。接合構造１，
２１を構成するセラミックプレート２の上方には、押圧
ヘッド１２が配置されている。この押圧ヘッド１２は、
スイッチが入れられると所定スピードで下動する。ここ
ではそのスピードを０．５mm／分に設定した。

【００３９】そして、押圧ヘッド１２に対応する位置に
セラミックピン３を位置合わせし、この状態で押圧ヘッ
ド１２を下動させることにより、セラミックピン３に嵌
入方向とは反対方向の荷重を付加した。その結果、接合
部分の界面にあるセラミック接合剤にクラックが入る時
点の押圧力の大きさ（kgf/cm² ）を各々測定した。この
値が大きいということは、クラックが生じにくくなって
いることを意味し、さらには接合部分の強度が高くなっ
ていることを意味する。

【００４０】上記の試験を行なったところ、実施例１で
は１５００kgf/cm² 、実施例２では１３００kgf/cm² 、
実施例３では１５００kgf/cm² 、実施例４では２０００
kgf/cm² という値が得られた。それに対し、比較例では
９００kgf/cm² という低い値に止まった。つまり、実施
例１〜４はいずれも比較例に勝るものとなっていた。特
に、実施例４では比較例の２倍以上の値を示し、極めて
接合部分の強度に優れたものとなっていることが明らか
となった。実施例１及び実施例３は実施例４に次いで高
い値となり、これらにおいてはほぼ同程度の接合強度が
確保されていた。

【００４１】さて、以下に実施例１〜４の特徴的な作用
効果について列挙する。 （１） 実施例１〜４は、いずれも溝７，８，９を形成
したという共通の特徴を有している。従って、セラミッ
クプレート２とセラミックピン３との界面に適当量のセ
ラミック接合剤が保持される。そのため、両者２，３同
士をより強固に接合することができる。よって、接合部
分に大きな荷重や衝撃が加わわったとしても、すぐに界
面にクラックが生じるというような不具合が起こらな
い。このため、ピン嵌入孔４からセラミックピン３が容
易に抜けてしまうという問題も解消され、高強度の接合
構造１を実現することができる。

【００４２】（２） 実施例２，３では、接合剤溜まり
溝８，９が複数本形成されている。このため、界面に保
持されるセラミック接合剤の量がより増加し、アンカー
効果も増し、セラミックプレート２とセラミックピン３
とをより強固に接合することができる。

【００４３】（３） 実施例１では、セラミックピン３
をピン嵌入孔４に嵌入する際、空気抜き溝７の存在によ
って、嵌合部内に取り残されている空気が除去される。
このため、界面において確実にセラミック接合剤が介在
した状態となり、セラミックプレート２とセラミックピ
ン３とをより強固に接合することができる。

【００４４】（４） また、実施例４は（２）及び
（３）の作用が相乗的に奏される結果、両者２，３同士
をさらに強固に接合することができる。よって、強度に
よりいっそう優れた接合構造１を実現することができ
る。

【００４５】なお、本発明は上記実施形態の各実施例１
〜４に限定されることはなく、例えば次のように変更す
ることが可能である。 ◎ 空気抜き溝７は、実施例１や実施例４のように、セ
ラミックピン３の嵌入方向に対して平行に形成されてい
なくても足りるため、斜めに形成されていてもよい。

【００４６】◎ 空気抜き溝７は、セラミックプレート
２のピン嵌入孔４の内周面側に形成されてもよい。 ◎ 空気抜き溝７は１本だけ形成されるのではなく、複
数（２，３，４，５…）本形成されていることがよい。
複数本であると、界面に保持されるセラミック接合剤の
量がよりいっそう増加することに加え、空気の抜け出し
もより確実なものとなるからである。

【００４７】◎ 実施例２，３，４において、接合剤溜
まり溝８，９の本数を１本または２本というように減ら
した構成としてもよく、逆に４本、５本というように増
やした構成としてもよい。

【００４８】◎ 各実施例において、溝７，８，９の断
面形状を、例えば略Ｖ字状またはＲ形状に変更すること
も勿論許容される。 ◎ 空気抜き溝７や接合剤溜まり溝９は、凸部６の外周
面にも形成されていることがよい。また、接合剤溜まり
溝８は、大径部４ａの内周面のみならず小径部４ｂの内
周面にも形成されていることがよい。

【００４９】◎ 第１のセラミック素材は必ずしも板状
でなくてもよく、また、第２のセラミック素材は必ずし
もピン状でなくてもよい。 ◎ 接合剤として、樹脂系接着剤を用いてもよい。

【００５０】ここで、特許請求の範囲に記載された技術
的思想のほかに、前述した実施形態によって把握される
技術的思想をその効果とともに以下に列挙する。 （１） 請求項３において、前記空気抜き溝は複数本で
あることを特徴とするセラミック素材の接合構造。この
構成であると、複数の空気抜き溝によって確実に空気が
抜けることで、よりいっそう強度に優れたものとなる。

【００５１】（２） 請求項３において、前記空気抜き
溝は、その一端が完全嵌合時に一部露出する程度の長さ
に形成されていることを特徴とするセラミック素材の接
合構造。この構成であると、露出しているため確実に空
気が抜けることで、接合部界面の接合剤が押し出されて
しまうことがなくなり、よりいっそう強度に優れたもの
となる。

【００５２】（３） 請求項１乃至３のいずれか１項に
おいて、前記凹部は内周面に段部を備えるピン嵌入用の
貫通孔であることを特徴とするセラミック素材の接合構
造。 （４） 請求項２，３において、前記溝は第２のセラミ
ック素材側に形成されていることを特徴とするセラミッ
ク素材の接合構造。この構成であると、第１のセラミッ
ク素材側に溝を形成する場合に比べて、形成作業を簡単
に行うことができる。

【００５３】（５） 請求項１乃至３のいずれか１項に
おいて、前記溝は仮焼成後に加工形成されることを特徴
とするセラミック素材の接合構造。この構成であると、
焼成時の熱による変形が避けられるため、細かい溝であ
っても精度よく形成することができる。

【００５４】なお、本明細書中において使用した技術用
語を次のように定義する。 「セラミック粉末： β型炭化珪素粉末、α型炭化珪素
粉末、窒化珪素粉末、窒化アルミニウム粉末、窒化ほう
素粉末、ジルコニア粉末、アルミナ粉末、ムライト粉末
等をいう。」

【００５５】

【発明の効果】以上詳述したように、請求項１〜３に記
載の発明によれば、接合強度に優れたセラミック素材の
接合構造を提供することができる。

【００５６】特に請求項２に記載の発明によれば、界面
に保持されるセラミック接合剤の量がさらに増加するた
め、両セラミック素材同士をよりいっそう強固に接合す
ることができる。請求項３に記載の発明によれば、嵌入
時にセラミック接合剤の脱気が図られるため、両セラミ
ック素材同士をよりいっそう強固に接合することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態のセラミックピン（実施例１）及びセ
ラミックプレートを示す部分破断斜視図。

【図２】（ａ）は実施例１のセラミックピンを接合した
ときの様子を示す部分断面図、（ｂ）は実施例２のセラ
ミックピンを接合したときの様子を示す部分断面図。

【図３】（ａ）は実施例３のセラミックピンを接合した
ときの様子を示す部分断面図、（ｂ）は実施例４のセラ
ミックピンを接合したときの様子を示す部分断面図。

【図４】強度試験の方法を説明するための概略断面図。

【図５】従来例のセラミックピンを接合したときの様子
を示す部分断面図。

【符号の説明】

１…接続構造、２…第１のセラミック素材としてのセラ
ミックプレート、３…第２のセラミック基材としてのセ
ラミックピン、４…凹部としてのピン嵌入孔、５…凸部
としてのセラミックピンの下半部、７…溝としての空気
抜き溝、８，９…溝としての接合剤溜まり溝。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１のセラミック素材に設けられた凹部
   と、第２のセラミック素材に設けられた凸部とが嵌合さ
   れ、かつ当該嵌合部が接合剤を介して接合されてなる接
   合構造において、 前記嵌合部の凹部及び凸部の少なくともいずれかの表面
   に溝が形成されてなることを特徴とするセラミック素材
   の接合構造。
2. 【請求項２】前記溝は、セラミック素材の嵌合部に嵌入
   方向と平行でないように形成された接合剤溜まり溝であ
   ることを特徴とする請求項１に記載のセラミック素材の
   接合構造。
3. 【請求項３】前記溝は、セラミック素材の非嵌合部まで
   連続して設けられた空気抜き溝であることを特徴とする
   請求項１に記載のセラミック素材の接合構造。