(57)【要約】      （修正有）【課題】セラミックス成形体を効率的に製造することを可能とするセラミックス成形体の製造方法の提供。【解決手段】所望の形状の鋳型１００に、セラミックス微粒子を含むスラリー１５を充填する工程と、スラリー１５から分散媒を除去し仮成形体を得る工程と、鋳型から仮成形体を取り出す工程と、仮成形体を焼成する工程と、を有し、鋳型は、所望の形状に対応する形状を有する凹部１００ａと、凹部１００ａと連続する平坦部１００ｂと、を有し、スラリー１５を充填する工程では、凹部１００ａと平坦部１００ｂとにまたがってスラリー１５を配置し、仮成形体を得る工程では、スラリー１５から分散媒を除去して得られる乾固物を、凹部１００ａに含まれる第１部分と、平坦部１００ｂと重なる第２部分との境界で折り取り、第１部分を仮成形体とするセラミックス成形体の製造方法。【選択図】図１
2018158543.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所望の形状の鋳型に、セラミックス微粒子を含むスラリーを充填する工程と、
前記スラリーから分散媒を除去し仮成形体を得る工程と、
前記鋳型から前記仮成形体を取り出す工程と、
前記仮成形体を焼成する工程と、を有し、
前記鋳型は、前記所望の形状に対応する形状を有する凹部と、前記凹部と連続する平坦部と、を有し、
前記スラリーを充填する工程では、前記凹部と前記平坦部とにまたがって前記スラリーを配置し、
前記仮成形体を得る工程では、前記スラリーから分散媒を除去して得られる乾固物を、前記凹部に含まれる第１部分と、前記平坦部と重なる第２部分との境界で折り取り、前記第１部分を前記仮成形体とするセラミックス成形体の製造方法。
【請求項２】
前記鋳型は、樹脂材料を形成材料とし、
前記取り出す工程は、溶媒で前記鋳型を膨潤させ前記凹部を拡大させた後に行う請求項１に記載のセラミックス成形体の製造方法。
【請求項３】
前記取り出す工程では、拡大された前記凹部と前記仮成形体との隙間に硬化性樹脂を充填して硬化させた後、前記凹部から前記硬化性樹脂と共に前記仮成形体を取り出す請求項２に記載のセラミックス成形体の製造方法。
【請求項４】
前記鋳型は、樹脂材料を形成材料とし、
前記取り出す工程は、前記鋳型を溶失させて行う請求項１に記載のセラミックス成形体の製造方法。
【請求項５】
前記鋳型は、樹脂材料を形成材料とし、
前記取り出す工程は、前記鋳型を焼失させて行う請求項１に記載のセラミックス成形体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックス成形体の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、電子機器の小型化に伴い、電子機器に用いられる電子部品は、小型、軽量、かつ高い信頼性を有することが求められている。このような要求物性に応える材料として、セラミックスが挙げられる。セラミックスは、絶縁性が高く熱変形しにくいことから、種々の電子部品の形成材料として用いられている。そのため、近年では、上記市場要求に応えるべく、小型のセラミックス成形体を製造する方法が検討されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２６０９２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１の方法では、１０μｍを下回るような微小な成形体の形成は記載されていない。電子機器の小型化に伴い、このような微小なセラミックス成形体の要求が予想されるため、微小なセラミックス成形体の製造方法が求められていた。
【０００５】
なお、本発明においては、２００μｍ角の立方体に収まるような大きさのセラミックス成形体のことを、「微小セラミックス成形体」と称する。
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、セラミックス成形体を効率的に製造することを可能とするセラミックス成形体の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するため、本発明の一態様は、所望の形状の鋳型に、セラミックス微粒子を含むスラリーを充填する工程と、前記スラリーから分散媒を除去し仮成形体を得る工程と、前記鋳型から前記仮成形体を取り出す工程と、前記仮成形体を焼成する工程と、を有し、前記鋳型は、前記所望の形状に対応する形状を有する凹部と、前記凹部と連続する平坦部と、を有し、前記スラリーを充填する工程では、前記凹部と前記平坦部とにまたがって前記スラリーを配置し、前記仮成形体を得る工程では、前記スラリーから分散媒を除去して得られる乾固物を、前記凹部に含まれる第１部分と、前記平坦部と重なる第２部分との境界で折り取り、前記第１部分を前記仮成形体とするセラミックス成形体の製造方法を提供する。
【０００８】
本発明の一態様においては、前記鋳型は、樹脂材料を形成材料とし、前記取り出す工程は、溶媒で前記鋳型を膨潤させ前記凹部を拡大させた後に行う製造方法としてもよい。
【０００９】
本発明の一態様においては、前記取り出す工程では、拡大された前記凹部と前記仮成形体との隙間に硬化性樹脂を充填して硬化させた後、前記凹部から前記硬化性樹脂と共に前記仮成形体を取り出す製造方法としてもよい。
【００１０】
本発明の一態様においては、前記鋳型は、樹脂材料を形成材料とし、前記取り出す工程は、前記鋳型を溶失させて行う製造方法としてもよい。
【００１１】
本発明の一態様においては、前記鋳型は、樹脂材料を形成材料とし、前記取り出す工程は、前記鋳型を焼失させて行う製造方法としてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、セラミックス成形体を効率的に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態に係るセラミックス成形体の製造方法を示す工程図。
【図２】本実施形態に係るセラミックス成形体の製造方法を示す工程図。
【図３】本実施形態に係るセラミックス成形体の製造方法を示す工程図。
【図４】本実施形態に係るセラミックス成形体の製造方法を示す工程図。
【図５】凹部内に仮成形体が残存する鋳型を膨潤させたときの様子を示す拡大写真。
【図６】本実施形態に係るセラミックス成形体の製造方法を示す工程図。
【図７】本実施形態に係るセラミックス成形体の製造方法を示す工程図。
【図８】取り出した仮成形体についてのＳＥＭ写真。
【図９】本実施形態に係るセラミックス成形体の製造方法を示す工程図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［第１実施形態］
以下、図１〜図９を参照しながら、本実施形態に係るセラミックス成形体の製造方法について説明する。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の寸法や比率などは適宜異ならせてある。
【００１５】
図１〜９は、本実施形態に係るセラミックス成形体の製造方法を示す説明図である。図１〜４，６，７，９は、セラミックス成形体の製造方法を示す工程図であり、図５，８は、セラミックス成形体の製造方法について確認した確認写真である。
【００１６】
本実施形態のセラミックス成形体の製造方法では、所望の形状を有する鋳型を用いて、当該所望の形状が転写されたセラミックス成形体を製造する。対象となるセラミックス成形体の大きさは、種々選択することができるが、サブミリオーダーの大きさを有するセラミックス成形体、特に２００μｍ角の立方体に収まるような大きさを有する微小セラミックス成形体の製造方法として好適である。
【００１７】
以下の説明においては、セラミックス成形体として、１００μｍ角に収まる角錐台状の微小セラミックス成形体を製造することとして説明する。
【００１８】
（スラリーを充填する工程）
まず、図１に示すように、鋳型１００にスラリー１５を充填する。
【００１９】
鋳型１００は、目的物であるセラミックス成形体の形状（所望形状）に対応する形状を有する凹部１００ａと、凹部１００ａと連続する平坦部１００ｂと、を有している。ここで、凹部１００ａが「目的物であるセラミックス成形体の形状に対応する形状」を有するとは、後述するセラミックス成形体の原型の形状が凹部１００ａの内壁に転写されており、凹部１００ａの内壁と原型の形状とが相補的な関係にあることを意味する。
【００２０】
また、鋳型１００は、樹脂材料を形成材料としている。鋳型１００の形成材料は、後述する操作において転写した形状を保持できるだけの強度や弾性を有し、且つ後述する操作において溶媒に膨潤する樹脂材料であれば、種々のものを用いることができる。また、後述する操作において、鋳型１００で成形した仮成形体を離型させやすくするため、表面エネルギーが低く、凹部１００ａ内に充填した材料との密着し難い材料が好ましい。
【００２１】
例えば、鋳型１００の形成材料としては、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）などのシリコーン系樹脂や、熱可塑性エラストマー、熱硬化性エラストマー等を用いることができる。熱硬化性エラストマーとしては、シリコーン系樹脂の他、エポキシ系樹脂、ウレタン系樹脂、フッ素ゴム等を挙げることができる。これらの中でも、本実施形態においては、鋳型１００の形成材料は、シリコーン樹脂であることが好ましく、ＰＤＭＳであることがより好ましい。
【００２２】
鋳型１００は、公知の方法で作製することができる。例えば、所望形状の原型を光造形法や削り出し等の公知の方法で作製した後、得られた原型を上記形成材料で型取りすることで、原型の形状が転写された鋳型１００を作製することができる。
【００２３】
スラリー１５は、セラミックス微粒子を含み且つ高分子材料を実質的に含まないものとしている。「高分子材料を実質的に含まない」とは、本発明の効果を奏する範囲においては、少量の高分子材料が含まれることを許容するとの意である。
【００２４】
スラリー１５に用いられるセラミックス微粒子としては、特に制限が無く、後述する焼結により成形体が得られるのであれば、種々のセラミックス微粒子を用いることができる。セラミックス微粒子の形成材料としては、金属酸化物や複合金属酸化物が挙げられる。金属酸化物としては、例えばアルミナ、ジルコニア、シリカ、チタニア等を挙げることができる。複合金属酸化物としては、例えばチタン酸バリウムを挙げることができる。
【００２５】
用いるセラミックス微粒子の平均粒子径は、数ｎｍ〜数μｍの範囲において使用する鋳型１００の凹部１００ａの大きさ、すなわち作製したいセラミックス成形体の大きさに応じて設定するとよい。また、セラミックス微粒子を焼結させてセラミックス成形体を製造した場合に、セラミックス成形体を構成する結晶粒の大きさの予測値が、セラミックス成形体に対して大きすぎないものであると好ましい。
【００２６】
例えば、鋳型１００の凹部１００ａの容積が１ｍｍ３（≒１０μｍ角）程度の場合、セラミックス微粒子の平均粒子径は１００ｎｍ程度であると好ましい。また、鋳型１００の凹部１００ａの容積が１０００ｍｍ３（≒１００μｍ角）程度の場合、セラミックス微粒子の平均粒子径は数μｍ程度であっても用いることができる。
【００２７】
なお、セラミックス微粒子の平均粒子径が小さくなるほど、使用する分散系によってはセラミックス微粒子が凝集しやすくなる。このような場合、本発明の効果を阻害しない範囲において、分散剤を使用し分散系を安定させてもよい。
【００２８】
スラリー１５の分散媒は、水を主成分とすることが好ましい。分散媒に有機溶媒が含まれていてもよい。
【００２９】
スラリー１５は、スラリー１５全体に対するセラミックス微粒子の含有率が５０質量％以上であるものが好ましく、６０質量％以上がより好ましく、６５質量％以上がさらに好ましく、７０質量％以上がよりさらに好ましく、８０質量％以上が殊更に好ましい。
【００３０】
スラリー１５の流動性が確保できる範囲であれば、スラリー１５におけるセラミックス微粒子の含有率を上げることができる。一方、スラリー１５から分散媒を除去した際に、乾固物の形状を維持できる範囲であれば、スラリー１５におけるセラミックス微粒子の含有率を低下させることができる。
【００３１】
なお、このようなスラリー１５を鋳型１００に充填する際には、スラリー１５の流出を抑制するため、土台用の鋳型１１０を鋳型１００に重ねて用いてもよい。鋳型１１０は、貫通孔１１０ａを有する。鋳型１１０は、貫通孔１１０ａ内に鋳型１００の凹部１００ａが露出するように鋳型１００の平坦部１００ｂに重ねて用いる。
本工程では、スラリー１５を、凹部１００ａと平坦部１００ｂにまたがって配置する。
【００３２】
（仮成形体を得る工程）
次いで、図２に示すように、スラリー１５から分散媒を除去し仮成形体を得る。
【００３３】
まず、鋳型１００に配置したスラリー１５から分散媒を除去する。分散媒の除去は、加熱、送風、減圧またはこれらの組合せにより促進させるとよい。
これにより、セラミックス微粒子の集合体である乾固物１０Ｘを得る。
【００３４】
得られた乾固物１０Ｘは、脆く、破損しやすい。本実施形態においては、このような乾固物１０Ｘの性質を利用し、凹部１００ａに含まれる第１部分１０Ａと、平坦部１００ｂと重なる第２部分１０Ｂとの境界１０Ｃで折り取る。これにより、所望形状が転写された第１部分１０Ａと、不要部分である第２部分１０Ｂとを容易に分離することができる。
【００３５】
ここで、従来「折り取る」という操作は、寸法精度が悪い、必要部分が破損しやすい等の問題があると考えられていた。
【００３６】
しかし、上記「折り取る」という操作の対象となる乾固物１０Ｘは、上述のような性質を有しており、且つ、特にバインダーを含有させる等の強度を向上させる工夫がなされていない。
さらに、乾固物１０Ｘは、境界１０Ｃの部分が乾固物Ｘに対してノッチ状に形成され、応力が集中しやすい。
【００３７】
これらより、本実施形態のセラミックス成形体の製造方法においては、境界１０Ｃにおいて精度良く折り取ることが可能であることが分かった。
【００３８】
第１部分１０Ａは、凹部１００ａの内部に残存する。得られた第１部分１０Ａを、以下、「仮成形体１０Ａ」と称する。
【００３９】
（仮成形体を取り出す工程）
次いで、図３〜７に示すように、鋳型１００から仮成形体１０Ａを取り出す。
まず、凹部１００ａ内に仮成形体１０Ａが残存する鋳型１００を、溶媒Ｓで膨潤させる。例えば、図３に示すように、貯留槽１２０に溶媒Ｓを貯留し、鋳型１００を溶媒Ｓに浸漬させるとよい。
【００４０】
図４に示すように、鋳型１００が膨潤することにより、鋳型１００の凹部が拡大する。図４では、溶媒Ｓで膨潤した鋳型１００を符号１０５で示し、鋳型１０５の凹部を符号１０５ａで示している。一方、セラミックス微粒子の乾固物である仮成形体１０Ａは溶媒Ｓに浸漬しても体積変化を生じない。そのため、仮成形体１０Ａと凹部１０５ａとの間には、隙間１０５Ｘが生じる。
【００４１】
溶媒Ｓとしては、鋳型１００を膨潤させることができれば、種々のものを用いることができる。また、溶媒Ｓは、鋳型１００の形成材料に用いた樹脂材料と、膨潤による鋳型１００の体積膨張率の目標値と、に応じて適宜選択するとよい。例えば、使用可能な溶媒Ｓとしては、炭化水素類、アルコール類、エーテル類、ケトン類、フェノール類、水等を挙げることができる。これらの溶媒は、１種のみ用いてもよく、２種以上を併用してもよい。
【００４２】
一例として、表１には、各種の溶媒に１６８時間浸漬した後のシリコーンゴムの体積膨張率をまとめた。
【００４３】
【表１】
2018158543.tif 000003
【００４４】
なお、上記「体積膨張率」とは、膨潤前の体積をＶ０、膨潤後の体積をＶ１としたとき、下記式（Ａ）で求められる値を指す。
体積膨張率（％）＝（Ｖ１−Ｖ０）／Ｖ０×１００    …（Ａ）
【００４５】
また、ＰＤＭＳについて上記定義に従って体積膨張率を求めたところ、エタノールに１７０時間浸漬した後の体積膨張率は２６％、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）に１７０時間浸漬した後の体積膨張率は８１％であった。シリコーンゴムやＰＤＭＳ等のシリコーン樹脂を形成材料とする鋳型を用いた場合、上記表１の結果に示された傾向を参照して、必要とする膨潤率に応じて適宜用いる溶媒を選択することができる。
【００４６】
図５は、凹部内に仮成形体１０Ａが残存する鋳型１００を溶媒で膨潤させたときの様子を示す拡大写真である。詳しくは、鋳型１００が膨潤したのち（鋳型１０５）の凹部１０５ａの近傍について、平面視したときの写真である。
【００４７】
ここでは、仮成形体１０Ａとして、チタン酸バリウム微粒子の乾固物を用い、鋳型１００の形成材料としてＰＤＭＳを用いた。また、鋳型１００を膨潤させる溶媒としてＩＰＡを用いた。
【００４８】
図に示すように、溶媒の膨潤により拡大した凹部１０５ａとなり、仮成形体１０Ａと凹部１０５ａとの間に隙間１０５Ｘが生じていることが分かる。
【００４９】
次いで、図６に示すように、凹部１０５ａと仮成形体１０Ａとの隙間に硬化性樹脂を充填して硬化させる。
【００５０】
硬化性樹脂としては、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂のいずれも用いることができるが、光硬化性樹脂を用いることが好ましい。例えば、硬化性樹脂として、ＴＳＲ−８８３（エポキシ系樹脂、シーメット株式会社製）、ＴＳＲ−８２０（エポキシ系樹脂、シーメット株式会社製）、ＳＣＲ−７０１（エポキシ系樹脂、ＪＳＲ株式会社製）を用いることができる。また、ＳＲ４９９（アクリル系樹脂、サートマー社製）に光重合開始剤を混合した樹脂を用いてもよい。
【００５１】
また、熱硬化性樹脂および光硬化性樹脂としては、通常知られたものを用いることができるが、焼成したときの灰分が少ないもののほうが好ましい。
【００５２】
ここでは、硬化性樹脂として、紫外線硬化性樹脂であるＴＳＲ−８８３を用いることとして説明する。
【００５３】
例えば、光硬化性樹脂を塗布し、凹部１０５ａと仮成形体１０Ａとの間の隙間に光硬化性樹脂を充填させた後、基板Ｐを重ね、さらに紫外線Ｌを照射することにより、光硬化性樹脂の支持層１３０を形成する。
【００５４】
基板Ｐとしては、金属製、ガラス製、セラミックス製等種々の材料の板材を用いることができる。鋳型１０５が光透過性を有する場合、基板Ｐは光透過性を有するものを用いてもよく、光透過性を有さないものを用いてもよい。鋳型１０５が光透過性を有さない場合、基板Ｐは光透過性を有するものを用いる。
【００５５】
次いで、図７に示すように、図６に示す凹部１０５ａから、硬化性樹脂を形成材料とする支持層１３０と共に仮成形体１０Ａを取り出す。
【００５６】
支持層１３０を用いない場合、仮成形体１０Ａが凹部の底面に付着し、仮成形体１０Ａを破損することなく取り出すことが困難となる場合がある。しかし、本実施形態の製造方法のように、支持層１３０を形成した後に支持層１３０と共に仮成形体１０Ａを取り出すことで、容易に且つ確実に仮成形体１０Ａを取り出すことができる。
【００５７】
なお、鋳型が膨潤により柔らかくなるため、鋳型１０５を湾曲させながら仮成形体１０Ａの取出しを行ってもよい。
【００５８】
図８は、取り出した仮成形体１０ＡについてのＳＥＭ写真である。図に示すように、仮成形体１０Ａを破損することなく取り出すことが可能であることが分かる。
【００５９】
次いで、図９に示すように、支持層１３０ごと仮成形体１０Ａを焼成する。焼成温度は、仮成形体１０Ａを構成するセラミックス微粒子の焼結温度よりも高い温度に設定する。
【００６０】
焼成により、支持層１３０は焼失する。また、仮成形体１０Ａは、仮成形体１０Ａを構成するセラミックス微粒子同士が焼結し、目的とする成形体１０となる。
【００６１】
以上のような構成のセラミックス成形体の製造方法によれば、セラミックス成形体を効率的に製造することが可能となる。
【００６２】
なお、本実施形態においては、説明を用意にするために、鋳型１００が凹部１００ａを１つだけ有することとしたが、これに限らない。複数の凹部１００ａを有する鋳型１００を用いると、同時に複数のセラミックス成形体を製造することができる。
【００６３】
また、本実施形態においては、鋳型１００の凹部１００ａとして、開口径が深さ方向に漸減するテーパ形状を図に示して説明したが、これに限らない。例えば、凹部１００ａとして、開口径が深さ方向に漸増する逆テーパ形状である場合、得られる仮成形体は凹部形状が転写され逆テーパ状の成形体となる。この場合、通常は仮成形体を凹部１００ａから取り出すことができない。
【００６４】
対して、本実施形態を用いると、凹部１００ａが膨潤により凹部１０５ａに拡大するため、逆テーパ状の仮成形体であっても凹部１０５ａから取り出すことが可能となる。
【００６５】
また、本実施形態においては、鋳型１０５から仮成形体１０Ａを取り出す際に、硬化性樹脂を用いて支持層１３０を形成することとしたが、支持層１３０を用いることなく仮成形体１０Ａを取り出すこととしてもよい。例えば、仮成形体１０Ａと鋳型１０５との付着力が弱い場合には、支持層１３０を用いることなく仮成形体１０Ａを取り出すことができる。
【００６６】
また、本実施形態においては、鋳型から仮成形体を取り出す際に、鋳型を溶媒で膨潤させることとしたが、これに限らない。
【００６７】
例えば、鋳型１００の形成材料として有機溶媒に可溶な樹脂材料を用い、鋳型１００を有機溶媒で溶失させて仮成形体１０Ａを取り出すこととしてもよい。
【００６８】
また、鋳型１００を熱分解させ、焼失させて仮成形体１０Ａを取り出すこととしてもよい。
【００６９】
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【符号の説明】
【００７０】
１０…成形体、１０Ａ…仮成形体、１０Ａ…第１部分、１０Ｂ…第２部分、１０Ｃ…境界、１０Ｘ…乾固物、１５…スラリー、１００，１０５，１１０…鋳型、１００ａ，１０５ａ…凹部、１００ｂ…平坦部、１０５Ｘ…隙間、Ｓ…溶媒
【図１】
2018158543.tif 000004
【図２】
2018158543.tif 000005
【図３】
2018158543.tif 000006
【図４】
2018158543.tif 000007
【図５】
2018158543.tif 000008
【図６】
2018158543.tif 000009
【図７】
2018158543.tif 000010
【図８】
2018158543.tif 000011
【図９】
2018158543.tif 000012