(57)【要約】【課題】複雑な形状のセラミックの成形が可能で、環境負荷物質である有機バインダーの使用を低減したセラミック製造方法およびセラミック製造装置の提供を図る。【解決手段】基板３上に、所望の形状のマスク２を配置し、基板３と所望の形状のマスク２と基板３の間に隙間を形成し、原料粉４をキャリアガス５により分散してなるエアロゾル１５を基板３上に噴射する。噴射されたエアロゾル１５を基板３とマスク２の隙間の間に流入せしめることにより、エアロゾル１５内の原料粉４を基板３とマスク２の隙間の間に堆積させることで、マスク２と同じ形状の成形体１７を形成する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、所望の形状のマスクを配置し、
前記基板と前記所望の形状のマスクと基板の間に隙間を形成し、
原料粉をキャリアガスにより分散してなるエアロゾルを前記基板上に噴射し、
該噴射されたエアロゾルを基板とマスクの隙間の間に流入せしめることにより、前記エアロゾル内の原料粉を基板とマスクの隙間の間に堆積させることで、マスクと同じ形状の成形体を形成することを特徴とするセラミック製造方法。
【請求項２】
開口部を有するマスクにより基板を覆い、
原料粉をキャリアガスにより分散してなるエアロゾルを、前記マスクを介して前記基板に向けて噴射し、
該噴射されたエアロゾルを、前記マスクの開口部から前記マスクと前記基板のマスクに覆われた部分との間の隙間に流入せしめることにより、前記エアロゾル内の原料粉を、前記隙間において前記マスクにより覆われた基板の部分に堆積させることで成形体を形成することを特徴とするセラミック製造方法。
【請求項３】
さらに、前記成形体を焼成することを特徴とする請求項１または２に記載のセラミック製造方法。
【請求項４】
基板と、
該基板上に配置された、開口部を有するマスクと、
原料粉をキャリアガスにより分散してなるエアロゾルを生成するエアロゾル生成手段と、
前記エアロゾルを前記マスクを介して前記基板に噴射する噴射手段とを備えたことを特徴とするセラミック製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はセラミック製造方法およびセラミック製造装置、詳しくは、エアロゾル化した原料粉を噴射することにより、原料粉を基板に堆積させて成形体を形成するセラミック製造方法およびセラミック製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、セラミック製造方法として射出成形の技術が利用されている。射出成型技術では、複雑な成形体を高精度に成形することができるが、成形材料に対しての有機バインダーの混合割合が約５０重量％と高い。このため、脱脂工程に際しての成形体の膨張収縮差が大きく、膨張収縮差によるクラックを防止するため、極めて小さな昇温速度で成形体の温度分布を小さく保ちながらの長時間の脱脂工程が必要となる。
【０００３】
特許文献１には、マイクロ波加熱により成形体内部から加熱することで、成形体内の温度分布を小さくする脱脂工程が提案されているが、ＰＺＴやＢａＴｉＯ３のように誘電損失の温度依存が大きく、熱伝動率が低い材料の場合には、不均一な温度分布が生じ、局所的にマイクロ波エネルギーが集中するランナウェイ現象により、局部加熱した部分が溶融してしまう虞がある。
【０００４】
更に、特許文献２には、セラミック製造方法として、固体粒子の衝撃固化現象を利用したエアロゾルデポジション（Aerosol Deposition：ＡＤ）法が開示され、注目されている。具体的には、原料粉をキャリアガスに分散させたエアロゾルをノズルから基板に向けて噴射して、原料粉を基板に堆積させることにより成形体を形成する方法である。このＡＤ法によれば、衝撃固化現象により原料粉同士が強固に結合するので、有機バインダーの使用が低減される。
【特許文献１】特開平６−２７９１２７号公報
【特許文献２】特開２００７−１６２０７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、近年ＭＥＭＳ（マイクロエレクトメカニカルシステム）関連の機器の開発が盛んになるに伴い、積層セラミックコンデンサや圧電アクチュエータ等の素子の微細化及び集積をすることが要求されている。また、環境負荷への配慮から脱脂工程における有機バインダーの温室効果ガスとしての排出防止や、脱脂工程での長時間加熱によるエネルギー消費を防止するため、有機バインダーの使用の低減化も要求されている。
【０００６】
特許文献１に開示されている技術では、上述したように複雑な形状のセラミックを成形するためには、流動性を向上させるため比較的多くの有機バインダーを添加する必要がある。
【０００７】
特許文献２に開示されている技術では、有機バインダーの使用は低減されるが、複雑な形状のセラミックを成形することができない。
【０００８】
本発明の目的は、上記事情に鑑み、複雑な形状のセラミックの成形を可能とし、且つ環境負荷物質である有機バインダーの使用を低減したセラミック製造方法およびセラミック製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以上の課題を解決するために、本発明の第１のセラミック製造方法は、基板上に、所望の形状のマスクを配置し、基板と所望の形状のマスクと基板の間に隙間を形成し、原料粉をキャリアガスにより分散してなるエアロゾルを基板上に噴射し、噴射されたエアロゾルを基板とマスクの隙間の間に流入せしめることにより、エアロゾル内の原料粉を基板とマスクの隙間の間に堆積させることで、マスクと同じ形状の成形体を形成することを特徴とする。
【００１０】
ここで、上記「マスク」とは、基板を全部または一部を覆うものを広く意味するものである。マスクは一つに限定されず、複数から構成されてもよい。さらに、マスク形状も制限されず、開口形状のマスクや櫛形状等のマスクをも含むものとする。
【００１１】
本発明の第２のセラミック製造方法は、開口部を有するマスクにより基板を覆い、原料粉をキャリアガスにより分散してなるエアロゾルを、マスクを介して基板に向けて噴射し、噴射されたエアロゾルを、マスクの開口部からマスクと基板のマスクに覆われた部分との間の隙間に流入せしめることにより、エアロゾル内の原料粉を、隙間においてマスクにより覆われた基板の部分に堆積させることで成形体を形成することを特徴とするものである。
【００１２】
ここで、上記「開口部」とは、開口形状のマスクの開口部のみを意味するものではなく、櫛形状等のマスクにおける外周の縁部等をも意味する。
【００１３】
このセラミック製造方法において、成形体は焼成してもよい。
【００１４】
本発明のセラミック製造装置は、基板と、基板上に配置された、開口部を有するマスクと、原料粉をキャリアガスにより分散してなるエアロゾルを生成するエアロゾル生成手段と、このエアロゾルをマスクを介して基板に噴射する噴射手段とを備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のセラミック製造方法およびセラミック製造装置によれば、噴射されたエアロゾルを、基板とマスクの隙間の間の隙間に流入せしめることにより、エアロゾル内の原料粉を、隙間においてマスクが配置された基板の部分に堆積させることにより、成形体を形成できる。したがって、エッチング加工等により作成した複雑な形状のマスクを使用した場合であっても、原料粉が、エアロゾルが噴出された部分のマスクの形状で基板に堆積されるので、複雑な形状をした成形体を高精度に形成することができる。
【００１６】
また、原料粉は主として隙間に堆積することにより互いに付着して固形の成形体を形成するので、環境負荷物質である有機バインダーの使用を低減することができる。なお、成形体を焼成することにより、原料粉同士が焼結し、さらに機械強度を有する焼結体を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の第１実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１８】
図１は、第１実施形態の成形装置１の概略構成を模式的に示す図である。
【００１９】
成形装置１は、原料粉４とキャリアガス５が攪拌・混合されるエアロゾル化チャンバー６と、成形が行われる成形チャンバー７と、キャリアガス５を貯留する高圧ガスボンベ８からなり、さらに成形チャンバー７には、原料粉４が堆積される基板３と、基板３を保持するホルダー９と、ホルダー９を３次元移動（図中ＸＹＺθ方向）させるステージ１０と、基板３に原料粉４を噴出させる細い開口を備えたノズル１１とが備えられ、さらに、ノズル１１とエアロゾル化チャンバー６とをつなぐ第１配管１２と、エアロゾル化チャンバー６と高圧ガスボンベ８とをつなぐ第２配管１３と、成形チャンバー７内を減圧する真空ポンプ１４と、基板３を覆うマスク２から構成されている。
【００２０】
この成形装置１を用いて成形するときは、エアロゾル化チャンバー６内に充填された原料粉４を、キャリアガス５を貯留する高圧ガスボンベ８から第２配管１３を通してキャリアガス５とともにエアロゾル化チャンバー６に導入し、振動・撹拌する。このエアロゾル化チャンバー６内で、原料粉４はキャリアガス５により分散されエアロゾル１５が生成される。
【００２１】
基板３上にマスク２を配置し、マスク２の周縁あるいは成形したい形状に対応するマスク２の部分を除いた部分を基板３に固定する。マスク２を基板３に固定するに際しては、接着材により固定してもよく、また治具によりマスク２を基板３に押圧し、固定してもよい。この際、成形したい形状に対応するマスク２の部分は接着材等で基板３に固着しないようにする。
【００２２】
エアロゾル１５内の原料粉４は、第１配管１２を通り成形チャンバー７内の細い開口を備えたノズル１１から基板３に、マスク２を介して噴射される。エアロゾル１５内の原料粉４は、６ｍｍ２以下の微小開口のノズル１１を通すことによって流速２〜４００ｍ／ｓｅｃまで容易に加速される。
【００２３】
これにより基板３とマスク２との隙間に原料粉４が堆積される。マスク２を介して基板３にエアロゾル１５を噴出する工程については後述する。
【００２４】
成形チャンバー７は、真空ポンプ１４で排気され、成形チャンバー７内の真空度は必要に応じて調整される。上述したように、基板３のホルダー９はステージ１０により３次元移動が可能なため、原料粉４は、基板３の所定の部分に必要な厚みに堆積される。すなわち、基板３とノズル１１との相対速度をステージ１０により制御することで、ノズル１１の一往復あたりに原料粉４が堆積する厚みを制御することができる。
【００２５】
原料粉４が、所定の厚みに堆積した後、マスク２を基板３から取り外す。
【００２６】
基板３上の成形体１７は、図示しない電気炉にて大気雰囲気下、所定の昇温速度で昇温させ、所定時間保持した後、冷却することにより焼成させる。なお、上述の焼成工程は、原料粉４同士の付着が強固な場合や、原料粉４が有機バインダー１６を含まない場合は、必ずしも必要ではない。
【００２７】
焼成工程により、成形体１７が焼結収縮し、基板３から焼結体として剥離する。剥離した焼結体は、ノズル１１によりエアロゾル１５が噴出されたマスク２の部分と同一の形状で焼結される。
【００２８】
図２は、第１実施形態のマスク２の形状を示す斜視図である。図２に示すように、マスク２は、開口部２ａと、さらに基板３との固定に使用する固定部２ｂが有る。第１実施形態では、マスク２は一つであり、開口形状を有するものとして説明するが、これに限定されるものではなく、上述したように、複数で構成されてもよく、形状も開口形状を有さない櫛形状等であってもよい。また、第１実施形態においては、マスク２の周辺部を固定部２ｂとすることによってより緻密な成形が可能となる。マスク２は、メタルマスクとしてもよいが、望ましくはポリイミド製マスクを使用することによってより緻密な成形体を成形が可能となる。具体的に、メタルマスクの場合はステンレス材の１ｍｍ程度の厚み、ポリイミド製マスクの場合は１３０μｍ程度の厚みが望ましい。
【００２９】
再び図１を参照して説明する。
【００３０】
基板３には、耐熱性の高いジルコニア（Zirconia）基板を使用した。基板サイズは、最小５ｍｍ角から５０ｍｍ角の範囲であれば良く、望ましくは２５ｍｍ角が良い。原料粉４を堆積させる際の基板３の温度は室温であってもよいが、所定の温度に調整することによってより緻密な成形体を形成することができる。
【００３１】
原料粉４には、ジルコンチタン酸鉛（ＰＺＴ）の粉末が使用される。平均粒径０．１μｍ〜３μｍ程度の粉末を用いることが好ましく、さらに粒径が０．１〜２μｍの粉末が５０重量％以上のものが好ましい。ここで、粒径とは、粒子と同じ体積の球の直径である等堆積球相当径を意味し、平均は個数平均を意味する。なお、原料粉４は、有機バインダー１６を含有させた造粒粉でも良いが、エアロゾル１５の生成を可能とするため、上記平均粒径の範囲内であることが必要とされる。有機バインダー１６としては、ポリビニルアルコール、メチルセルロース、アクリル樹脂が用いられる。
【００３２】
キャリアガス５には、ヘリウム（Ｈｅ）、酸素（Ｏ２）、窒素（Ｎ２）、アルゴン（Ａｒ）又はそれらの混合ガス、或いは、乾燥空気等が用いられる。
【００３３】
図３は、第１実施形態における成形体の形成過程を模式的に示す図である。ここで、図３においては、理解を容易にするため、マスク２および基板３の断面以外の部材は省略している。
【００３４】
図３（ａ）に示すように、ノズル１１から噴出されたエアロゾル１５は、マスク２の開口部２ａを通過して、基板３に噴射される。エアロゾル１５は、開口部２ａの内部で乱流となり、原料粉４は乱流により開口部２ａから排出される。
【００３５】
図３（ｂ）に示すように、開口部２ａにおいて乱流となったエアロゾル１５の、一部は開口部２ａから排出され、一部はマスク２と基板３との間に流れ込む。すなわち、マスク３がたわむことによりマスク２と基板３との間に隙間が発生する。
【００３６】
ここで、図３（ｃ）に示すように、原料粉４が、エアロゾル１５の流入により発生したマスク２と基板３との隙間に進入する。更に、原料粉４が、隙間に進入することにより原料粉４同士で衝突し衝撃により互いに付着する。互い付着することで重量が増加した原料粉４が隙間において基板３に押し付けられ、そこに堆積する。
【００３７】
図３（ｄ）に示すように、エアロゾル１５の噴射を継続することにより、エアロゾル１５が更に隙間に流入し、原料粉４は、同様に原料粉４同士で衝突し、隙間において基板３上にさらに堆積し、成形体１７が形成させる。なお、成形体１７は、図示しない電気炉により焼成することにより、原料粉４同士が焼結し、機械強度を向上させることができる。
【００３８】
次に、本発明の第２実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３９】
図４は、第２実施形態の成形装置１の概略構成を示す模式的に示す図である。ここで、第２実施形態においては、ホルダー９上に、基板ホルダー９基板３とマスク２との間の隙間を形成する隙間形成手段１８を有しており、マスク２が基板３に対し相対移動（図中Ｚ方向）することが可能となる点においてのみ相違する。理解を容易にするため、第１実施形態と同一の部材には同一の番号を付する。なお、同一部材についての詳しい説明は省略する。
【００４０】
図５は、第２実施形態における成形体の形成過程を模式的に示す図である。ここで、図５においては、理解を容易にするため、マスク２、基板３、ノズル１１以外の部材は省略している。さらに、マスク２は、図示しない隙間形成手段１８と固定されているものとする。
【００４１】
図５（ａ）に示すように、第２実施形態のマスク２は、開口形状を有さない櫛形状のマスクとして説明するが、第１実施形態と同様に、マスク形状はこれに限定されるものではなく、開口形状を有するものであってもよい。
【００４２】
図５（ｂ）に示すように、ノズル１１からキャリアガス５をマスク２を介して基板３に噴出する。
【００４３】
図５（ｃ）に示すように、図示しない隙間形成手段１８によりマスク２を図中Ｚ方向に移動させることにより、マスク２と基板３のマスク２が配置された部分との間に隙間が形成される。これにより、原料粉４が堆積する。具体的に、マスク２の図中Ｚ方向の移動速度は、１００μｍ/ｍｉｎ程度が望ましい。なお、噴射されたエアロゾル１５の作用は第１実施形態と同じであり説明を省略する。
【００４４】
図５（ｄ）に示すように、ステージ１０によりノズル１１を図中Ｙ方向に基板３に対して相対移動させ、基板３の所定範囲に、原料粉４を堆積させることにより成形体１７を形成できる。
【００４５】
図５（ｅ）に示すように、成形体１７が所定の厚みになることにより、ノズル１１のエアロゾル１５の噴射を停止する。
【００４６】
図５（ｆ）に示すように、マスク２を基板３から取り外す。なお、成形体１７は、図示しない電気炉により焼成することにより、原料粉４同士が焼結し、機械強度を向上させることができる。
【００４７】
（実施例）
ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア−Yttrium Stabilized Zirconia）基板に２次元周期的に開口形状が配列された格子状のポリイミド製マスクの周辺部を接着材で固定した。開口は、２２０μｍ角、周期間隔は３００μｍ（格子幅８０μｍ）、ポリイミド製マスクの厚みは１３０μｍであった。
【００４８】
次に、平均粒径０．３μｍのＰＺＴ（ジルコンチタン酸鉛）粉末を、Ｏ２ガスを混合してエアロゾル化した後、ノズルからポリイミド製マスクを介してＹＳＺ基板に噴射した。ノズルをＹＳＺ基板に対して相対的に動かし、所定の面積にエアロゾルを噴射した。なお、ＹＳＺ基板の温度は室温であった。
【００４９】
ポリイミド製マスクとＹＳＺ基板の間の隙間にＰＺＴ粉が堆積し、ポリイミド製マスクの高さが２００μｍ上昇した時点で、ノズルからの噴射を停止させ、その後、ポリイミド製マスクを取り除いた。ＹＳＺ基板上には、格子幅８０μｍを有し、２２０μｍ角の開口形状が周期間隔で配列された成形体が確認された。ここで、図６には、第１実施形態のポリイミド製マスクとその断面形状を示し、図７には、第１実施形態の形成されたＰＺＴ成形体とその断面形状を示す。
【００５０】
さらに、大気雰囲気において１１００℃で３時間焼成した。焼成による焼結収縮によってＰＺＴ焼結体はＹＳＺ基板から剥離した。
【００５１】
したがって、噴射されたエアロゾルを、ポリイミド製マスクの開口形状の開口部からポリイミド製マスクとＹＳＺ基板のポリイミド製マスクに覆われた部分との間の隙間に流入せしめることにより、エアロゾル内のＰＺＴ粉を、隙間においてポリイミド製マスクにより覆われたＹＳＺ基板の部分に堆積させることができ、複雑な形状のマスクを使用した場合であっても、ＰＺＴ粉が、エアロゾルが噴出された部分のポリイミド製マスクの形状でＹＳＺ基板に堆積されている。また、ＰＺＴ粉は、主として隙間に堆積することにより付着しているので、有機バインダーの使用は低減される。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】第１実施形態の成形装置１の概略構成を示す模式図
【図２】第１実施形態のマスク２の形状を示す斜視図
【図３】第１実施形態における成形体の形成過程を示す模式図
【図４】第２実施形態の成形装置１の概略構成を示す模式図
【図５】第２実施形態における成形体の形成過程を示す模式図
【図６】本実施例で使用されたポリイミド製マスクとその断面形状を示す図
【図７】本実施例で成形されたＰＺＴ成形体とその断面形状を示す図
【符号の説明】
【００５３】
１      成形装置
２      マスク
２ａ    開口部
２ｂ    固定部
３      基板
４      原料粉
５      キャリアガス
１５    エアロゾル
１６    有機バインダー
１７    成形体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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