JP2009229013A - 急速昇温機能を有するローラハースキルン - Google Patents

Abstract

【課題】前後のゾーンへの温度干渉を防止しつつ理想的な急昇温が可能であり、またバインダーガスが最高温度ゾーンに流入することによる焼成品質の低下をも防止することができる急速昇温機能を有するローラハースキルンを提供する。
【解決手段】積層デバイス等の被焼成品を所定速度で移送する通常搬送領域12,13の途中に、被焼成品をこの所定速度よりも高速で搬送する高速搬送領域14を形成し、この高速搬送領域14の炉室内に、通常搬送領域の加熱源18よりも高出力の加熱源19を設ける。高速搬送領域14は脱バインダーゾーンと焼成ゾーンとの間の急速昇温ゾーンとすることが好ましい。
【選択図】図３

Description

本発明は、LTCC等の積層デバイスの連続焼成に適した、急速昇温機能を有するローラハースキルンに関するものである。

電子工業用のセラミック部品として、基材に電極を印刷し、これを多数積層した積層デバイスが広く普及している。LTCC（低温同時焼成セラミック）の場合には基材はガラスが含有されたセラミックス、電極は銀や銅である。また積層コンデンサの場合には、基材はBaTiO₃、電極はニッケルなどである。このような積層デバイスにおいては、基材と電極との間に焼成中の収縮開始温度や収縮率に差に起因する積層剥離の問題がある。

近年における積層厚みの薄型化に伴い、電極材料の粒子は微細化の方向にあり、これは焼成温度の低下となる。もともと基材に対して電極の焼成温度は低いので、基材と電極との焼成温度の違いがより顕著になっている。

上記した積層剥離の問題を解決するため、特許文献１では電極の焼成温度付近で所定時間にわたり一定温度をキープするなどの手段によって積層デバイスに与えられる温度変化を緩慢にし、焼成温度の違いによる相互の材料間の収縮差を回避する方法が開示されている。しかしこの方法では焼成に余分の時間を必要とし、生産性が低下すことを避けられない。

これに対して特許文献１とは逆に、電極の焼成される温度域を急昇温することにより、収縮差を回避する方法がある。すなわち図１に示すように、基材である誘電体と電極との収縮率は温度によって変化するが、電極材料は急昇温を行なうことによって焼成開始温度、つまり収縮が開始する温度をより高温側にシフトすることができ、基材である誘電体との収縮タイミングを近づけることができる。

特許文献２では複数の搬送機構を備えた特殊なウォーキングビーム炉を用い、ビームを急速に移動させて焼成領域における太陽電池基板の移動速度を高速化することによって太陽電池基板を急昇温する方法が開示されている。しかし特許文献２に開示された焼成炉は特殊製品向けであって、一般的な積層デバイスの焼成に広く用いられているローラハースキルンには適用することができない。

なお、図２は通常のローラハースキルンの焼成ゾーン１の先端部に高出力のヒーター２を設置することにより、急昇温を行なう例を示す図である。ところが高出力のヒーター２によって炉室内に強力な熱入力を行なうと、その熱により前後の領域の温度も高温となり、図２の上段のグラフに示すように温度変化がなだらかになったり、オーバーシュートしたりする温度干渉が生ずる。このため、矢印で示すような理想的な温度変化を達成することが難しいという問題が発生する。

また急昇温のために脱バインダーゾーン３と最高温度ゾーン４との距離が接近し、脱バインダーゾーン３で発生したバインダーガスが最高温度ゾーン４に流入し易くなり、焼成される積層デバイスの焼成品質を低下させるという問題も発生する。

また現在では、脱バインダーと焼成とを別の炉により行なう方法が一般的に実施されているが、脱バインダーされた段階では基材の保形力が低下しているため、焼成炉に移送する途中におけるわずかな振動で欠けや割れが発生し易い。このため移送に耐える保形力を維持させるために、バインダーを若干残留させるという望ましくない方法を取らざるを得なかった。
特開２００４−４７９０２号公報 特開２００６−１８９２３６号公報

従って本発明の目的は上記した従来の問題点を解決し、前後のゾーンへの温度干渉を防止しつつ理想的な急昇温が可能であり、またバインダーガスが最高温度ゾーンに流入することによる焼成品質の低下をも防止することができる急速昇温機能を有するローラハースキルンを提供することである。

上記の課題を解決するためになされた本発明は、多数のローラによって被焼成品を所定速度で移送しながら脱バインダーと焼成とを行なうローラハースキルンにおいて、被焼成品を所定速度で移送する通常搬送領域の途中に、被焼成品をこの所定速度よりも高速で搬送する高速搬送領域を形成し、この高速搬送領域の炉室内に、通常搬送領域の加熱源よりも高出力の加熱源を設けたことを特徴とするものである。

なお請求項２のように、高速搬送領域の両端に、搬送速度変更部が形成されてセッターの受け渡しを円滑に行なわせる。また請求項３のように、被焼成品が一定サイズのセッターに搭載されて炉内を移送されるものであり、搬送速度変更部が、セッター１枚分の長さを持つことが好ましい。また請求項４に示すように、高速搬送領域のローラが、通常搬送速度とこれよりも高速の急速搬送速度との間で速度可変なものであることが好ましい。

さらに請求項５に示すように、高速搬送領域の前端の炉室に、セッターが通過する際に開かれるシャッターを設けることが好ましく、請求項６に示すように、高速搬送領域が脱バインダーゾーンと焼成ゾーンとの間に形成されていることが好ましい。また請求項７のように、高速搬送領域の前半側に、通常搬送領域よりも多数の固定隔壁と天井排気孔を設置しておくことが好ましい。

本発明によれば、ローラハースキルンの通常搬送領域の途中に被焼成品をこの所定速度よりも高速で搬送する高速搬送領域を形成し、この高速搬送領域の炉室内に通常搬送領域よりも高出力の加熱源を設けたので、被焼成品を高速搬送領域から急速に引き離しながら急速昇温させることが可能となる。このため一般的な積層デバイスの焼成に広く用いられているローラハースキルンによって、理想的な急昇温を達成することができ、電極と基材である誘電体との収縮率の差に起因する積層剥離を解決することができる。

また本発明によれば、脱バインダーゾーンから被焼成品を引き離して高出力の加熱源で加熱するので、脱バインダーゾーンと最高温度ゾーンの距離を十分に確保することができ、バインダーガスが最高温度ゾーンに流入することによる焼成品質の低下をも防止することができる。

なお被焼成品が一定サイズのセッターに搭載されて炉内を移送される構造とし、セッター１枚分の長さを持つ搬送速度変更部を高速搬送領域の前後両端に設けておけば、通常搬送領域と高速搬送領域との間のセッターの移行に支障が生じない。また高速搬送領域の前端の炉室にセッターが通過する際に開かれるシャッターを設けておけば、ガスの移動を抑制することができるので、バインダーガスが焼成ゾーンに流入することによる焼成品質の低下をより確実に防止することができる。

以下に本発明の好ましい実施形態を示す。
図３は実施形態のローラハースキルンの要部を示す断面図であり、１０は多数の搬送用のローラ１１を備えたローラハースキルンの炉体である。通常のローラハースキルンは全部のローラ１１を共通の駆動系により同一速度で回転させ、被焼成品を所定速度で移送しながら脱バインダーと焼成とを行なうものである。しかし本発明では、被焼成品を所定速度で移送する通常搬送領域１２，１３の途中に、被焼成品をこの所定速度よりも高速で搬送する高速搬送領域１４を形成した。

具体的には、ローラ１１の駆動系を高速搬送領域１４の部分で通常搬送領域１２，１３におけるローラ１１の駆動系から切り離して独立させ、この部分のローラ１１を例えばサーボモータ等によって、通常搬送速度とこれよりも高速の急速搬送速度との間で速度可変なものとしておく。なおこの部分のローラ１１を完全停止できるようにしてもよい。

被焼成品である積層デバイスは従来と同様に、一定サイズのセッター１５に搭載されてローラ１１によって炉内を移送されるもので、高速搬送領域１４の前後両端に、セッター１枚分の長さを持つ搬送速度変更部１６、１７が形成されている。この搬送速度変更部１６、１７は、図３に示すように通常搬送領域１２，１３と高速搬送領域１４とを重複させた部分であり、通常搬送領域１２の搬送用ローラ１１によって搬送速度変更部１６まで移送されてきたセッター１５は、搬送速度変更部１６に載せられる。セッター１５が搬送速度変更部１６まで移動完了したことをセンサーが検知すると、高速搬送領域１４のローラ１１が高速回転を開始し、セッター１５を急速搬送する。

またこの高速搬送領域１４の後半部の炉室内には、通常搬送領域１２，１３の加熱源１８よりも高出力の加熱源１９が設けられている。加熱源１８、１９はともに電熱ヒーターであるが、この実施形態では通常搬送領域１２，１３では加熱源１８はローラ１１の上方のみに配置されているのに対し、高速搬送領域１４においてはローラ１１の上下両側に配置されており、しかも設置間隔が小さくなっている。なおヒーター１本当たりの出力をより高出力なものとしてもよいことはいうまでもない。高速搬送領域１４の前半部には加熱源は設けられていない。

この結果、セッター１５上に搭載された積層デバイスは、通常搬送領域１２から高速搬送領域１４に移行すると同時に急速移動されながら高出力の加熱源１９によって強く加熱される。その結果、図３の上段の温度グラフに示されるように、シャープな昇温が可能である。このように通常搬送領域１２から高速搬送領域１４に移行すると同時にセッター１５を引き離すことによって双方の領域間の温度干渉を抑制することができる。

このような高速搬送領域１４は、脱バインダーゾーンと焼成ゾーンとの間に形成しておくことが好ましい。このような構成を取ることによって、焼成開始時の急速昇温が可能となるからである。焼成温度まで昇温させた後は一定温度での焼成を行えばよく、この焼成は通常搬送領域１３において行われる。高速搬送領域１４の後端にも搬送速度変更部１７が設けられており、高速搬送領域１４内を急速移動されてきたセッター１５はこの搬送速度変更部１７において通常搬送速度のローラ１１に乗り移り、それ以降は通常のローラハースキルンと同様の焼成が行われる。

なおローラハースキルンの炉室内の天井と床面には、従来と同様にローラ１１の方向に突出する固定隔壁２０が設けられてガスの流動を防止しているが、より確実なガス遮断効果を達成するためには、高速搬送領域１４の前端の炉室に、セッター１５が通過する際に開かれるシャッター２１を設けておくことが好ましい。このシャッター２１はローラ１１の隙間を介して昇降できるようにしておき、セッター１５が通過するタイミング以外は閉じておく。これによってバインダーガスが脱バインダーゾーンから焼成ゾーンに流入することをより確実に防止することができる。ただしシャッター２１は必須のものではなく、被焼成物の形状やバインダーガスの影響度に応じて省略したり、完全閉鎖しない構造とすることもできる。

さらに、高速搬送領域１４の前半側には、通常搬送領域１２、１４よりも多数の固定隔壁２０と天井排気孔２２を設置しておくことが好ましい。これは焼成ゾーンに供給された窒素等の不活性ガスを天井排気孔２２に向かって流すことによって、バインダーガスが焼成ゾーンに流入することを防止するためである。

図４は本発明の急速昇温機能を有するローラハースキルンを通常のローラハースキルンと組み合わせ、積層デバイスの焼成とアニールとを行うようにした装置の断面図である。上段が図３に説明した急速昇温機能を有するローラハースキルンであり、下段が通常のローラハースキルンである。前端部と後端部にはそれぞれセッター１５を昇降させることができるリフター３１，３２が設けられている。リフター３２は外部に露出しないように外壁３により覆われている。

セッター１５上に載せられて入口３３からリフター３１上に供給された積層デバイスは、上段のローラハースキルンの通常搬送領域１２において脱バインダーが行われ、次いで高速搬送領域１４において焼成開始時の急速昇温が行われたうえで、通常搬送領域１３において一定温度の焼成が行われる。その後にリフター３２によってセッター１５は下段のローラハースキルンに運ばれ、アニールされたうえで出口３４から取り出される。このような2段構造とすれば設置面積を拡大することなく、脱バインダー、焼成、アニールを行うことができる。

以上に説明した本発明の急速昇温機能を有するローラハースキルンによって得られる利点を要約すると、次のとおりである。
（1）高速搬送領域を急速昇温ゾーンとすれば、急速昇温ゾーンと脱バインダーゾーンとの距離を離すことができ、被焼成品は通常の脱バインダー温度から焼成温度まで、急速昇温が可能である。このため、前後のゾーンへの温度干渉を防止しつつ理想的な急昇温が可能である。
（2）脱バインダーゾーンにおいて発生したバインダーガスが焼成ゾーンに流入することを防止することができる。
（3）被焼成品はセッターに載せられたまま脱バインダーゾーン、急速昇温ゾーン、焼成ゾーン間をローラによって水平移動するので、振動等による欠けや割れを生じにくい。またセッターを外部に取り出すことがないので、再昇温するためのエネルギーロスがない。
（4）ローラハースキルンは一般的な積層デバイスの焼成に広く用いられている炉であるから、各種の積層デバイスの焼成に利用することができる。

基材である誘電体と電極との収縮率のグラフである。 通常のローラハースキルンの焼成ゾーン先端部に高出力のヒーターを設置し、急昇温を行なう例を示す説明図である。 本発明の実施形態の要部を示す断面図である。 本発明を通常のローラハースキルンと組み合わせた実施形態を示す断面図である。

符号の説明

１ 通常のローラハースキルンの焼成ゾーン
２ 高出力のヒーター
３ 脱バインダーゾーン
４ 最高温度ゾーン
１０ 炉体
１１ ローラ
１２ 通常搬送領域
１３ 通常搬送領域
１４ 高速搬送領域
１５ セッター
１６ 搬送速度変更部
１７ 搬送速度変更部
１８ 通常搬送領域の加熱源
１９ 高出力の加熱源
２０ 固定隔壁
２１ シャッター
２２ 天井排気孔
３１ リフター
３２ リフター
３３ 入口
３４ 出口

Claims (7)

1. 多数のローラによって被焼成品を所定速度で移送しながら熱処理を行なうローラハースキルンにおいて、被焼成品を所定速度で移送する通常搬送領域の途中に、被焼成品をこの所定速度よりも高速で搬送する高速搬送領域を形成し、この高速搬送領域の炉室内に、通常搬送領域の加熱源よりも高出力の加熱源を設けたことを特徴とする急速昇温機能を有するローラハースキルン。
2. 高速搬送領域の両端に、搬送速度変更部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の急速昇温機能を有するローラハースキルン。
3. 被焼成品が一定サイズのセッターに搭載されて炉内を移送されるものであり、搬送速度変更部が、セッター１枚分の長さを持つことを特徴とする請求項２記載の急速昇温機能を有するローラハースキルン。
4. 高速搬送領域のローラが、通常搬送速度とこれよりも高速の急速搬送速度との間で速度可変なものであることを特徴とする請求項１記載の急速昇温機能を有するローラハースキルン。
5. 高速搬送領域の前端の炉室に、セッターが通過する際に開かれるシャッターを設けたことを特徴とする請求項２記載の急速昇温機能を有するローラハースキルン。
6. 高速搬送領域が、脱バインダーゾーンと焼成ゾーンとの間に形成されていることを特徴とする請求項１記載の急速昇温機能を有するローラハースキルン。
7. 高速搬送領域の前半側に、通常搬送領域よりも多数の固定隔壁と天井排気孔を設置したことを特徴とする請求項１記載の急速昇温機能を有するローラハースキルン。

Images