JP2004284900A - セラミック板の焼成方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】対面するジルコニアセッター1,5間においてジルコニアセッター1上にセラミック板2を配置し、セラミック板2とほぼ同一組成のセラミック材料からなる包囲部材4によってセラミック板2の周囲部を包囲して焼成を行う。これにより、セラミック板2とジルコニアセッター5との隙間Sにチタン酸ジルコン酸鉛中の鉛が各包囲部材4から放出される。そのため、セラミック板2からのチタン酸ジルコン酸鉛中の鉛の蒸発が抑制され、しかも、隙間Sにおける鉛の濃度が焼成中均一に保たれる。したがって、焼成によるセラミック板2の収縮が均一化されて、焼成後のセラミック板2に反りやうねりが生じるのを防止することができる。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電アクチュエータや圧電センサ等に用いられる積層型圧電基板等のセラミック板の焼成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来におけるセラミック板の焼成方法は、例えば下記の特許文献1に開示されている。この特許文献1記載の焼成方法においては、対面するセッターの下側のセッター上にセラミック板を載置し、セラミック板と上側のセッターとの間に所定間隔の隙間が形成されるよう、セラミック板と同じ収縮特性を有する支柱によって上側のセッターを下側のセッター上に支持する。この状態で焼成を行うと、セラミック板と共に支柱も収縮するため、セラミック板と上側のセッターとの間の隙間を所定間隔に保つことができる。
【0003】
【特許文献1】
特開平10−324574号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した焼成方法にあっては、対面するセッター間におけるセラミック板の周囲部が開放されているため、セラミック板と上側のセッターとの間における雰囲気の濃度が焼成中均一に保たれず、セラミック板の収縮が場所によって不均一となり、焼成後のセラミック板に反りやうねりが生じるおそれがある。この問題は、セラミック板の厚さが薄型化されるほど顕著になる。
【0005】
そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、焼成後のセラミック板に反りやうねりが生じるのを防止することのできるセラミック板の焼成方法を提供する。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係るセラミック板の焼成方法は、第1の保持部材と第2の保持部材との間にセラミック板を配置して焼成するセラミック板の焼成方法であって、セラミック板とほぼ同一組成のセラミック材料により形成された包囲部材によって、第1の保持部材と第2の保持部材との間におけるセラミック板の周囲部を包囲して、セラミック板を焼成することを特徴とする。
【0007】
このセラミック板の焼成方法においては、第1の保持部材と第2の保持部材との間におけるセラミック板の周囲部が、セラミック板とほぼ同一組成のセラミック材料により形成された包囲部材によって包囲されているため、セラミック板が配置された雰囲気の濃度が焼成中均一に保持される。したがって、焼成によるセラミック板の収縮が均一化されて、焼成後のセラミック板に反りやうねりが生じるのを防止することができる。
【0008】
なお、セラミック板とは、セラミックシートの単板は勿論、複数のセラミックシートを積層してなる板状の積層体を含む意味であり、セラミックシートを基板として電極等が形成されたものも含む。
【0009】
そして、本発明に係るセラミック板の焼成方法は、セラミック板を形成するセラミック材料が鉛を含有する化合物を含んでいる場合に特に有効である。チタン酸鉛やチタン酸ジルコン酸鉛等、鉛を含有する化合物中の鉛は焼成により蒸発し易いが、包囲部材がセラミック板とほぼ同一組成のセラミック材料により形成されているため、セラミック板が配置された雰囲気中には、鉛を含有する化合物中の鉛が包囲部材から放出される。これにより、鉛を含有する化合物中の鉛がセラミック板から蒸発することが抑制され、しかも、セラミック板が配置された雰囲気中における鉛の濃度が焼成中均一に保たれる。したがって、焼成によるセラミック板の収縮が一定化されて、焼成後のセラミック板に反りやうねりが生じるのを防止することができる。
【0010】
また、セラミック板は第1の保持部材上に載置され、セラミック板と第2の保持部材との間には、セラミック板の厚さ以下の隙間が設けられることが好ましい。このように、セラミック板と第2の保持部材との間にセラミック板の厚さ以下の隙間を設けて焼成を行うと、セラミック板が配置された雰囲気の濃度の均一化が促進されるため、セラミック板に反りやうねりが生じるのをより一層抑制することができる。
【0011】
また、包囲部材は、セラミック板の厚さとほぼ同一の高さを有することが好ましい。このような状態で焼成を行うと、上記と同様に、セラミック板が配置された雰囲気の濃度の均一化が促進され、セラミック板に反りやうねりが生じるのをより一層抑制することができる。しかも、第2の保持部材をセラミック板に近付けるに際し、包囲部材が障害となることがないため、セラミック板と第2の保持部材との間の隙間をセラミック板の厚さ以下に設定する場合に特に有効である。
【0012】
また、包囲部材は、セラミック板から所定の距離をもって配置されることが好ましい。セラミック板と包囲部材と間に所定の距離をとることで、セラミック板の厚さや組成等に応じて当該セラミック板における反りやうねりの発生が抑制されるよう、セラミック板が配置される雰囲気の濃度を調節することができる。
【0013】
また、セラミック板の周囲部には、第1の保持部材と第2の保持部材との間隙を保持するスペーサが複数配置され、隣り合うスペーサ間には包囲部材が配置されることが好ましい。このように、隣り合うスペーサ間に包囲部材を配置することで、保持部材の小型化、ひいては省スペース化を図ることができる。
【0014】
また、セラミック板は、セラミック素材から取り出され、包囲部材は、セラミック板が取り出されたセラミック素材の残余部分により形成されることが好ましい。例えば、グリーンシートの単板やグリーンシートの積層体等のセラミック素材から、打ち抜き等によりセラミック板を取り出した際に、セラミック素材の残余部分により包囲部材を形成すれば、セラミック板とほぼ同一組成のセラミック材料を含む包囲部材を効率良く形成することができる。しかも、一般に廃材となるセラミック素材の残余部分を利用することで、セラミック板の焼成に要するコストの低廉化を図ることがきる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【0016】
[第1実施形態]
図1及び図2に示すように、10mm×10mmの正方形状に形成された緻密質(気孔率3%以下、より好ましくは気孔率1%以下)のジルコニアセッター(第1の保持部材)1上にセラミック板2を載置する。ジルコニアセッター1は、焼成中におけるセラミック板2との反応性が低く且つ耐久性が良好であることから、3mol%〜8mol%のイットリア(Y203)で安定化されたものが好ましい。また、セラミック板2は、チタン酸ジルコン酸鉛を含む圧電セラミック(より詳細には、PbTiO3−PbZrO3−Pb(Mg1/3 Nb2/3)O3−Pb(Zn1/3 Nb2/3)O3の4成分系圧電セラミック)により形成された単板であり、次のように作製されたものである。
【0017】
すなわち、酸化物又は炭酸塩の形態の材料をボールミルにより湿式混合し、混合後950℃にて仮焼成を行う。この仮焼成後の材料をボールミルにて湿式粉砕して圧電セラミック粉体を用意する。続いて、この圧電セラミック粉体にバインダや溶剤等を加えてスラリー化し、押し出し成形法によって厚さ0.15mmのグリーンシート(セラミック素材)を成形する。このグリーンシートを押し切り切断して、「80mm×80mm,厚さ0.15mm」の正方形薄板状のセラミック板2を得る。
【0018】
このように作製されたセラミック板2をジルコニアセッター1の中央に配置し、これにより形成されるジルコニアセッター1上の余白部の四隅に、高さ0.30mmのスペーサ3を載置する。さらに、ジルコニアセッター1上の隣り合うスペーサ3,3間に棒状の包囲部材4を載置する。このとき、4本の包囲部材4のそれぞれを、セラミック板2の4つ側面2aのそれぞれから一定距離離間させる。このように、隣り合うスペーサ3,3間に包囲部材4を配置することで、ジルコニアセッター1の小型化を図ることができる。なお、スペーサ3は、ジルコニアセッター1と同材質で構成されていることが好ましいが、アルミナやマグネシア等の材質で構成されていてもよい。そして、スペーサ3の形状は、角柱状に限らず、例えば円柱状でもあってもよい。また、各包囲部材4は、上述したセラミック板2の作製において、セラミック板2が切り出されたグリーンシートの残余部分から形成されたものである。
【0019】
そして、ジルコニアセッター1と同形状のジルコニアセッター(第2の保持部材)5を、ジルコニアセッター1と対面するようスペーサ3上に載置する。これにより、セラミック板2の上面2bとジルコニアセッター5の下面5aとの間に、間隔0.15mmの隙間Sが形成される。
【0020】
以上のように構成された焼成ユニット10を、図3に示すように密閉匣鉢7内に収容して加熱する。これにより、セラミック板2の焼結反応が起こり、セラミック板2の焼成体が得られる。なお、焼成温度は1100℃、安定時間は2時間である。また、このセラミック板2の焼成前に、ジルコニアセッター1上の上記所定の位置にセラミック板1及び各包囲部材4を載置した状態で350℃にて加熱を行い、セラミック板1及び各包囲部材4の脱脂を行った。
【0021】
本第1実施形態に係るセラミック板の焼成方法においては、ジルコニアセッター1,5間におけるセラミック板2の周囲部(周囲空間)が、セラミック板2とほぼ同一組成のセラミック材料からなる包囲部材4によって包囲されているため、セラミック板2とジルコニアセッター5との隙間Sにチタン酸ジルコン酸鉛中の鉛が各包囲部材4から放出される。これにより、セラミック板2からのチタン酸ジルコン酸鉛中の鉛の蒸発が抑制され、しかも、隙間Sにおける鉛の濃度が焼成中均一に保たれることになる。したがって、焼成によるセラミック板2の収縮が均一化されて、焼成後のセラミック板2に反りやうねりが生じるのを防止することができる。
【0022】
そして、隙間Sの間隔をセラミック板2の厚さ以下にすると、焼成後のセラミック板2の反りを極めて小さくし得ることが、次に示す実験結果から明らかとなった。その主な理由としては、隙間Sの間隔をセラミック板2の厚さ以下にして焼成を行うと、隙間Sにおける鉛の濃度の均一化が促進されるため、ということを挙げることができる。
【0023】
まず、上述のように隙間Sの間隔を0.15mm(=セラミック板2の厚さ)にすると、反り量は15.7μmであり、さらに、隙間Sの間隔を0.10mm(<セラミック板2の厚さ)にすると、反り量は15.5μmであった。これらに対し、隙間Sの間隔を0.30mm(>セラミック板2の厚さ)にすると、反り量は95.5μmであった。このように、隙間Sの間隔をセラミック板2の厚さ以下にすると、反り量を6分の1程度にまで抑えることができる。ここで、反り量とは、レーザ式の非接触3次元形状測定装置を用いて測定したセラミック板2の最大高低差であり、100枚のセラミック板2についての平均値である。
【0024】
なお、隙間Sの間隔を0.10mm以下とすると、正方形状であったセラミック板2が台形や平行四辺形等に歪んだり、セラミック板2に割れや欠けが発生したりする傾向が若干確認された。したがって、隙間Sの間隔を0.10mmより大きくすることがより好ましい。また、緻密質のジルコニアセッター1,5に換えて、多孔質(気孔率約15%)のジルコニアセッターを用いた場合には、反り量が増加する傾向が若干確認された。
【0025】
また、本第1実施形態に係るセラミック板の焼成方法においては、包囲部材4の高さがセラミック板2の厚さとほぼ同一であるため、スペーサ3の高さを調節してジルコニアセッター5をセラミック板2に近付ける場合に、包囲部材4が障害となることがない。
【0026】
また、各包囲部材4がセラミック板2の側面2aから一定距離離間しているため、セラミック板2上の隙間Sにおける鉛の濃度の均一化を図ることができる。しかも、セラミック板2の側面2aと包囲部材4との距離を調節することで、セラミック板2の厚さや組成等に応じて当該セラミック板2における反りやうねりの発生が抑制されるよう、隙間Sにおける鉛の濃度を調節することができる。
【0027】
さらに、包囲部材4は、セラミック板2を切り出したグリーンシートの残余部分であるため、セラミック板2とほぼ同一組成のセラミック材料からなる包囲部材4を効率良く形成することができる。しかも、一般に廃材となるグリーンシートの残余部分を利用するため、セラミック板2の焼成に要するコストの低廉化、及び廃材の発生量の減少化を図ることができる。
【0028】
[第2実施形態]
第2実施形態に係るセラミック板の焼成方法においては、セラミック板2として、電極がパターン形成されたセラミックシートの積層体を用いた。このセラミック板2は、プレス処理後のグリーンシートの積層体(セラミック素材)から押し切りにより10枚取り出されたものであり、「33mm×12mm,厚さ0.375mm」の長方形薄板状に形成されている。なお、セラミック板2は、以下に示す焼成後、分極処理等が施されて積層型圧電素子となる。
【0029】
図4及び図5に示すように、グリーンシートの積層体から切り出された10枚のセラミック板2をジルコニアセッター1上に載置し、ジルコニアセッター1の中央に2行5列のマットリックス状に配置する。そして、セラミック板2の集合の周囲部を包囲するように、4本の棒状の包囲部材4をジルコニアセッター1上に載置する。さらに、ジルコニアセッター1上の余白部の四隅に、高さ0.75mmのスペーサ3を載置する。なお、各包囲部材4は、セラミック板2が切り出されたグリーンシートの積層体の残余部分から形成されたものである。
【0030】
そして、ジルコニアセッター1と同形状のジルコニアセッター5を、ジルコニアセッター1と対面するようスペーサ3上に載置する。これにより、各セラミック板2の上面2bとジルコニアセッター5の下面5aとの間に、間隔0.375mmの隙間Sが形成される。
【0031】
以上のように構成された焼成ユニット10を、350℃で脱脂後、上述した第1実施形態と同様に密閉匣鉢7内に収容して加熱する。これにより、セラミック板2の焼結反応が起こり、セラミック板2の焼成体が得られる。なお、焼成温度は1100℃、安定時間は2時間である。
【0032】
本第2実施形態に係るセラミック板の焼成方法においても、上述した第1実施形態と同様に、ジルコニアセッター1,5間における各セラミック板2の周囲部が、セラミック板2とほぼ同一組成のセラミック材料からなる包囲部材4によって包囲されていることから、焼成による各セラミック板2の収縮が均一化されて、焼成後の各セラミック板2に反りやうねりが生じるのを防止することができる。
【0033】
そして、第1の実施形態と同様の実験による実験結果は次の通りである。まず、上述のように隙間Sの間隔を0.375mm(=セラミック板2の厚さ)にすると、反り量は13.5μmであり、さらに、隙間Sの間隔を0.10mm(<セラミック板2の厚さ)にすると、反り量は13.3μmであった。これらに対し、隙間Sの間隔を0.825mm(>セラミック板2の厚さ)にすると、反り量は92.6μmであった。このように、隙間Sの間隔をセラミック板2の厚さ以下にすると、反り量を7分の1程度にまで抑えることができる。
【0034】
本発明は、上記第1及び第2実施形態には限定されない。例えば、包囲部材は、セラミック板とほぼ同一組成のセラミック材料により形成されたものであれば、セラミック板が取り出されたセラミック素材の残余部分でなくてもよい。なお、包囲部材とセラミック板とを同一組成のセラミック材料から形成しても、ほぼ同一組成のセラミック材料から形成した場合と同等又はそれ以上の効果が奏されることは勿論である。また、上記第1及び第2実施形態は、複数の包囲部材によってセラミック板の周囲部を包囲する場合であったが、リング状の包囲部材によってセラミック板の周囲部を包囲してもよい。また、包囲部材の高さとセラミック板の厚さとがほぼ同一でなくとも(例えば、包囲部材の高さがセラミック板の厚さより小さくても)、焼成後のセラミック板に反りやうねりが生じるのを防止することが可能である。さらに、図6に示すように、第1実施形態に係る焼成ユニットや第2実施形態に係る焼成ユニットを複数段(例えば10段)積み重ねて密閉匣鉢に収容し、複数のセラミック板の焼成を同時に行ってもよい。
【0035】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、焼成後のセラミック板に反りやうねりが生じるのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施形態に係る焼成ユニットの部分断面正面図である。
【図2】図1に示す焼成ユニットの一部を切り欠いた平面図である。
【図3】図1に示す焼成ユニットを密閉匣鉢に収容した状態を示す部分断面正面図である。
【図4】第2実施形態に係る焼成ユニットの部分断面正面図である。
【図5】図4に示す焼成ユニットの一部を切り欠いた平面図である。
【図6】焼成ユニットを複数段積み重ねて密閉匣鉢に収容した状態を示す部分断面正面図である。
【符号の説明】
1…ジルコニアセッター(第1の保持部材)、2…セラミック板、3…スペーサ、4…包囲部材、5…ジルコニアセッター(第2の包囲部材)。
Claims (7)
- 第1の保持部材と第2の保持部材との間にセラミック板を配置して焼成するセラミック板の焼成方法であって、
前記セラミック板とほぼ同一組成のセラミック材料により形成された包囲部材によって、前記第1の保持部材と前記第2の保持部材との間における前記セラミック板の周囲部を包囲して、前記セラミック板を焼成することを特徴とするセラミック板の焼成方法。 - 前記セラミック板を形成するセラミック材料は、鉛を含有する化合物を含むことを特徴とする請求項1記載のセラミック板の焼成方法。
- 前記セラミック板は前記第1の保持部材上に載置され、
前記セラミック板と前記第2の保持部材との間には、前記セラミック板の厚さ以下の隙間が設けられることを特徴とする請求項1又は2記載のセラミック板の焼成方法。 - 前記包囲部材は、前記セラミック板の厚さとほぼ同一の高さを有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項記載のセラミック板の焼成方法。
- 前記包囲部材は、前記セラミック板から所定の距離をもって配置されることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項記載のセラミック板の焼成方法。
- 前記セラミック板の周囲部には、前記第1の保持部材と前記第2の保持部材との間隙を保持するスペーサが複数配置され、
隣り合う前記スペーサ間には前記包囲部材が配置されることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項記載のセラミック板の焼成方法。 - 前記セラミック板はセラミック素材から取り出され、
前記包囲部材は、前記セラミック板が取り出された前記セラミック素材の残余部分により形成されることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項記載のセラミック板の焼成方法。
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