JP2004338977A - 焼成冶具 - Google Patents
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Abstract
【課題】表面の組成変動が小さく、特性バラツキが小さく、平滑な磁器を得ることを可能とする焼成治具を提供する。
【解決手段】成形体を載置することが可能な支持板と、該支持板の上に前記成形体を囲む様に設けられたスペーサと、該スペーサの上に設けられた天板と、前記成形体の上に載置される重量体とからなり、前記支持板、前記スペーサ及び前記天板を組み合せることによって密閉空間を形成することが可能であり、前記支持板の主面と、該支持板の主面に当接する前記スペーサの主面と、記天板の主面と、該天板の主面に当接する前記スペーサの主面とが、３μｍ以下の表面粗さＲａ、２０μｍ以下の平坦度を有することを特徴とする。
【選択図】図１
【解決手段】成形体を載置することが可能な支持板と、該支持板の上に前記成形体を囲む様に設けられたスペーサと、該スペーサの上に設けられた天板と、前記成形体の上に載置される重量体とからなり、前記支持板、前記スペーサ及び前記天板を組み合せることによって密閉空間を形成することが可能であり、前記支持板の主面と、該支持板の主面に当接する前記スペーサの主面と、記天板の主面と、該天板の主面に当接する前記スペーサの主面とが、３μｍ以下の表面粗さＲａ、２０μｍ以下の平坦度を有することを特徴とする。
【選択図】図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子材料部品等を焼成などの熱処理する際に用いられる焼成冶具に関し、例えば、セラミックコンデンサーやセラミックフィルター、セラミックレゾネータ、燃料噴射用インジェクター用アクチュエータ、インクジェットプリンターヘッド用アクチュエータ、圧電共振子、発振器、超音波モータ、加速度センサ、ノッキングセンサ、またはＡＥセンサ等の圧電センサなどの圧電素子、フェライトコアの焼成等の熱処理する場合に好適に用いられる焼成冶具に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来から、圧電磁器を利用した製品としては、例えば、アクチュエータ、フィルタ、圧電共振子（発振子を含む）、超音波振動子、超音波モータ、圧電センサ等がある。
【０００３】
これらの中で、アクチュエータは、電気信号に対する応答速度が１０−６秒台と非常に高速であるため、半導体製造装置のＸＹステージの位置決め用アクチュエータやインクジェットプリンタのインク吐出用アクチュエータ等に応用されている。
【０００４】
このようなアクチュエータに用いられる圧電磁器にはチタン酸ジルコン酸鉛（以下、単にＰＺＴと言うことがある）等の鉛系セラミックスが用いられている。鉛は揮発性が高いため、焼成中に成形体から蒸発して、焼結体の組成変動を引き起こし、組成が不均一になるという問題があった。特に、表面の組成変動は内部に比べて大きかった。
【０００５】
そこで、Ｐｂのような揮発成分を含む成形体の焼成には、成形体と同一又は類似で、成形体に含まれる揮発成分を含む組成物（以下、共材と言う）を、成形体と共に容器内に入れ、成形体から揮発成分が蒸発することを抑制し、成形体の組成変動、特に表面付近での組成変動や組織変化を防止し、特性の均一化を行うことが提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００６】
即ち、多孔質セッターの上に成形体を載置して容器に装填するとともに、成形体の周囲に共材を配置して焼成する。従って、特許文献１に用いられた焼成治具は、容器と、成形体を載置するために該容器内に置かれた多孔質セッターを具備している。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１０−２９８７２号公報図１
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、厚みが数百μｍ以下のセラミック成形体の積層体を焼成すると、表面が内部に比べて組成が変化しており、表面の変質相を除去する必要があるものの、厚みが薄いため機械加工が困難であるという問題があった。
【０００９】
また、焼成時の組成変動により、部位によって収縮率が異なるため、うねり、反りといった変形を生じ、或いはまた、局部的に凹凸が発生し平滑な磁器を得ることが困難であるという問題があった。
【００１０】
さらに、組成変動により、圧電特性が表面の部位によって異なる、即ち面内バラツキがあるという問題があり、これをインクジェットプリンタの印刷ヘッド用アクチュエータに用いた場合には、インクの吐出バラツキが大きくなり、画質が低下するという結果になった。
【００１１】
従って、本発明の目的は、表面の組成変動が小さく、特性バラツキが小さく、平滑な磁器を得ることを可能とする焼成治具を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、表面が平滑で平坦な部材によって構成した密閉空間に、成形体を挿入し、特に、表面が平滑で平坦な支持板と重量体とで成形体を挟みながら焼成することにより、成形体からの揮発成分の蒸発を抑制し、表面の組成変動を抑えることができるという知見に基づくもので、このような焼成治具を用いることにより、表面の組成変動が小さく、特性バラツキが小さく、平滑な磁器の得られる焼成治具を可能とするものである。
【００１３】
また、本発明によれば、密閉空間を形成する焼成治具の当接面を機械加工等によって平滑で、平坦な平面にすることで機密性を高め、さらに密閉空間中のデッドスペースを小さくすることにより、共材を使用しなくても揮発成分が蒸発するのを抑制することを可能とする。
【００１４】
即ち、本発明の焼成冶具は、成形体を載置することが可能な支持板と、該支持板の上に前記成形体を囲む様に設けられたスペーサと、該スペーサの上に設けられた天板と、前記成形体の上に載置される重量体とからなり、前記支持板、前記スペーサ及び前記天板を組み合せることによって密閉空間を形成することが可能であり、前記支持板の主面と、該支持板の主面に当接する前記スペーサの主面と、記天板の主面と、該天板の主面に当接する前記スペーサの主面とが、３μｍ以下の表面粗さＲａ、２０μｍ以下の平坦度を有することを特徴とするものである。
【００１５】
特に、前記支持板の主面と、該支持板の主面に当接する前記スペーサの主面と、前記天板の主面と、該天板の主面に当接する前記スペーサの主面とが、５％以下の気孔率を有することが好ましい。これにより、気孔通じて揮発成分が外部に飛散することを抑制し、さらなる焼成磁器の機密性を高める効果がある。
【００１６】
また、前記支持板、前記スペーサ、及び前記天板を組み立てた焼成治具の最大厚みが１５ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、磁器の焼成むら防止と焼成治具の破損防止の効果を高めることができる。
【００１７】
さらに、前記スペーサの内壁と前記重量体との間の最大距離が６ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、焼成冶具内に形成される密閉空間で、さらに成形体表面からの揮発成分の蒸発抑制効果を高めることができる。
【００１８】
さらにまた、前記スペーサの一部に設けられた貫通孔の形状と前記重量体の主面の形状が相似形であることが好ましい。これにより、密閉空間に形成されるデッドスペースをより小さくすることができ、成形体からの揮発成分の蒸発をより小さくすることができる。
【００１９】
また、前記重量体の一主面の気孔率が５％以下、表面粗さＲａが３μｍ以下、平坦度が２０μｍ以下であることが好ましい。これにより、成形体の表面と重量体の表面との当接面に形成される隙間が狭くなり、しかも成形体表面からの蒸発が抑制されるため、焼成で得られた焼結体の特性バラツキを効果的に抑制することができ、且つ局部的な凹凸、反り、うねりをさらに抑制することが可能となる。
【００２０】
さらに、前記重量体の重力によって生ずる圧力が１〜５００Ｐａであることが好ましい。これにより、磁器の収縮率のバラツキを抑制することができ、磁器の変形を回避することが容易になる。
【００２１】
さらにまた、前記支持板及び重量体が、アルミナ、ベリリア、ジルコニア、マグネシア、ムライト、スピネル、ビスマス層状化合物、タングステンブロンズ構造化合物、Ｐｂ系ペロブスカイト構造化合物、ニオブ系ペロブスカイト構造化合物及びタンタル系ペロブスカイト構造化合物のうち少なくとも１種を含有することが好ましい。これらの材質は、成形体、特に圧電材料との反応を抑制し、磁器と冶具との付着を抑制することができる。
【００２２】
さらに、前記支持板及び重量体を構成する主結晶の平均粒径が５〜３０μｍであることが好ましい。これにより、焼成の加熱時及び冷却時における磁器の変形、破損の効果的な抑制が期待できる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明を、圧電磁器としてＰＺＴを用いた場合を例として、図を用いて説明する。
【００２４】
本発明の焼成治具は、内部に挿入した金属、合金又はセラミックス等の粉末成形体を焼成するために用いるものであって、例えば、図１（ａ）に示すように、支持板１０１と、スペーサ１０２と、天板１０３とを組み合せて内部に密閉空間１０４を形成し、支持板１０１の主面１０６ａに当接するように、密封空間１０４に成形体１０５を載置するとともに、重量体１０７を成形体１０５の上に載置し、その焼成治具を成形体と共に焼成炉の内部に入れて焼成を行うためのものである。
【００２５】
このように、支持板１０１は、成形体１０５を載置する主面１０６ａを有し、スペーサ１０２は、成形体１０５を内部に収納するように、即ち、成形体１０５を取り囲むように設けられ、天板１０３は、スペーサ１０２の上に設けられる。
【００２６】
従って、本発明の焼成治具は、図１（ｂ）に示したように、支持板１０１と、貫通孔１０９を有するスペーサ１０２と、天板１０３と、重量体１０７との治具部材で構成され、スペーサ１０２に設けられた貫通孔１０９の内部に重量体１０７を配置するように、これらを組み合せたものである。
【００２７】
本発明によれば、支持板１０１の主面１０６ａと、支持板１０１の主面１０６ａに当接するスペーサ１０２の主面１０６ｂと、天板１０３の主面１０６ｄと、天板１０３の主面１０６ｄに当接するスペーサ１０２の主面１０６ｃとが、いずれも３μｍ以下の表面粗さＲａと、２０μｍ以下の平坦度とを有することが重要である。
【００２８】
これは、例えばＰｂ、Ｂｉといった焼成中に揮発しやすい成分を含有した成形体を焼成する際、組み合せた焼成冶具に大きな隙間があると、揮発成分が治具外に継続的に飛散し、結果的には多量の揮発成分が飛散することとなり、焼結した磁器の特性バラツキが多くなる。従って、このような揮発成分を焼成治具から飛散することを抑制するため、隙間を形成する治具部材間の当接部、即ち、支持板１０１、スペーサ１０２及び天板１０３の当接面である主面１０６の表面状態を制御することが重要となる。
【００２９】
主面１０６の平坦度が２０μｍを越えると、表面の歪みによって比較的大きな隙間ができやすく、この隙間を通して揮発成分が飛散しやすくなり、成形体を焼成して得た焼結体の特性バラツキが大きくなる。特に、５〜１００μｍの薄層の圧電磁器を作製する場合、例えば印刷ヘッド用アクチュエータに用いる圧電磁器を焼成する場合には、反りや表面凹凸が発生しやすく、平坦で平滑な圧電磁器を得ることが困難になる。
【００３０】
より平坦で平滑な焼結体を得るため、支持板支持板１０１、スペーサ１０２及び天板１０３の当接面である主面１０６の平坦度は１５μｍ以下、更には１０μｍ以下が好ましい。
【００３１】
また、主面１０６の表面粗さＲａが３μｍを越えると、治具部材間の凹凸で形成される拡散経路を介して揮発成分が飛散しやすく、成形体を焼成して得た焼結体の特性バラツキが大きくなる。従って、拡散経路を介した揮発成分の飛散を抑制して焼結体の特性バラツキを小さくするために表面粗さＲａを３μｍとすることが重要である。
【００３２】
拡散経路となる隙間をより小さくすることによって、成形体からの揮発を効果的に抑制するために、支持板１０１、スペーサ１０２及び天板１０３の当接面である主面１０６の表面粗さＲａを、特に２．５μｍ以下、更には２μｍ以下にすることが好ましい。
【００３３】
本発明によれば、焼成治具の当接面、即ち支持板１０１の主面１０６ａと、支持板１０１の主面１０６ａに当接するスペーサ１０２の主面１０６ｂと、天板１０３の主面１０６ｄと、天板１０３の主面１０６ｄに当接するスペーサ１０２の主面１０６ｃと、の表面部が、５％以下、特に１％以下、更には０．５％以下の気孔率を有することが好ましい。
【００３４】
このような気孔率を設定することで、多孔質体のように気孔を通して揮発性成分が焼成治具の外部に飛散することを防止することが可能となる。また、上記のように気孔率を小さくすることで、表面粗さを容易に小さくすることが可能となり、焼成治具の機密性をさらに高めることができ、その結果、焼結体の平坦度、表面粗さ及び組成バラツキをさらに改善することができる。
【００３５】
また、気孔率を小さくすることにより、支持板１０１の主面１０６ａは従来用いられていた多孔質体のように脱粒が少ないため、主面１０６ａと接する成形体１０７の表面に脱粒した粒子が付着し、不良品の発生を抑制することもできる。
【００３６】
なお、治具部材の表面の気孔率を測定するためには、表面を研磨し、研磨面の気孔率を評価するため、実際には研磨に必要な最低限の厚み、例えば数μｍの厚みが必要であり、これを本発明では表面部と言う。
【００３７】
支持板１０１、スペーサ１０２及び天板１０３は、全体が緻密なものであっても、表面のみが緻密なものであっても、いずれでも使用することができる。
【００３８】
例えば、全体が緻密な緻密焼結体は、繰り返し焼成治具として使用して表面が汚れたり、傷ついたりしても、表面を再加工することによって低コストで再生が可能である。
【００３９】
表面が緻密で内部が比較的気孔率が高い部材として、焼結時に内部よりも表面部で焼結が容易に進むような焼結体を例示することができる。また、緻密でない表面を有する部材、例えば多孔質体の表面だけを緻密にすることもできる。例えば、表面の気孔率が２〜８％程度のセラミック焼結体表面を研磨加工し、セラミック層を被覆することにより、支持板１０１、重量体１０７の主面１０６ａ、１０６ｂを０．１％以下の気孔率にすることができる。
【００４０】
特に、ＣＶＤ（科学気相成長法）により数１０μｍ以上、更には５０μｍ以上、より好適には１００μｍ以上の厚みに形成し、鏡面研磨を行って表面の気孔率を１％以下にすることができる。この方法を用いると、気孔率が０．１％以下で、表面粗さも１００ｎｍ以下の超緻密、超平滑な表面を得ることができ、機密性の高い焼結治具を得ることが可能である。また、この方法は、大型支持板の全体を緻密な焼結体で作製するためのコストが高い場合、或いは緻密な焼結体を合成することが困難な場合、成形体と支持板とが反応しやすい場合に特に有効である。
【００４１】
本発明によれば、支持板１０１の主面１０６ａの上に成形体１０５を載置すれば、成形体１０５の上に何があっても良く、例えば、多孔質体を載せても良いが、支持板１０１と同様の主面を有する重量体１０７を成形体１０５の上に載せて、成形体１０５を支持板１０１と重量体１０７とで挟持するように配置するのが、組成のバラツキを効果的に抑制でき、且つ２０μｍ以下の平坦度を容易に得られる点で好ましい。
【００４２】
これは、揮発性の高いＰｂ、Ｂｉを含む場合、面積の広い一対の主面を平滑で、平坦な表面を有する支持板１０１と重量体１０５とで挟むことにより、Ｐｂの蒸発を抑制すると共に、蒸発による面内の組成バラツキを抑制することができる。
【００４３】
なお、成形体１０５を支持板１０１と重量体１０５とで挟み込むように配置すると、側面からＰｂが蒸発するものの、側面の表面部のＰｂ組成バラツキが発生しても、側面部を変位素子として使用しないアクチュエータ等においては、変位特性に影響を及ぼさないため、実質的に組成バラツキは無視できる。
【００４４】
また、スペーサ１０２の内壁１０８と重量体１０５との間の最大距離、即ちスペーサ１０２の貫通孔１０９の長さＳと重量体Ｗとの差ｄ（ｄ＝Ｓ−Ｗ）が６ｍｍ以下、特に４ｍｍ以下、更には２ｍｍ以下であることが好ましい。重量体１０５は密閉空間１０９に配置されるため、重量体１０５の占有スペースがスペーサの内壁に近いほどデッドスペース（密閉空間の容積から成形体と重量体１０５の容積を引いた残りの容積）が小さくなり、揮発成分が蒸発してもわずかな量で飽和蒸気圧となり、磁器中の組成変動をさらに小さくすることができる。
【００４５】
なお、Ｓ−Ｗの値が小さすぎるとスペーサ１０２と重量体１０３との隙間が小さくなりすぎて焼成後にかみ込んで分離が困難になることがないように、ｄ（Ｓ−Ｗ）の値は０．２ｍｍ以上、特に０．４ｍｍ以上、更には０．６ｍｍ以上であることが好ましい。
【００４６】
さらに、スペーサ１０２の一部に設けられた貫通孔の形状と重量体１０２の主面の形状が相似形であることが好ましい。重量体１０５の主面の形状がスペーサ１０２の貫通孔の形状に近づくほどデッドスペースを縮小することができる。
【００４７】
前記重量体の重力によって生ずる圧力が１〜５００Ｐａ、特に１０〜３００Ｐａ、更には、３０〜２０Ｐａであることが好ましい。このような圧力を成形体に加えることにより、焼結を阻害することなく、焼成時の成形体の変形を効果的に防止することができる。
【００４８】
本発明に用いる支持板は、焼成温度に耐えることができ、表面加工が容易で、成形体粉末と反応性が低いものであればどのような材質でも用いることは可能である。
【００４９】
特に、焼成治具を圧電体の焼成に用いる場合には、ＰＺＴ等の圧電セラミック粉末からなる成形体との反応性が低く、圧電体の特性安定化が可能であることから、アルミナ、ベリリア、ジルコニア、マグネシア、ムライト、スピネル、ビスマス層状化合物、タングステンブロンズ構造化合物、Ｐｂ系ペロブスカイト構造化合物、ニオブ系ペロブスカイト構造化合物及びタンタル系ペロブスカイト構造化合物のうち少なくとも１種を含有することが好ましい。
【００５０】
これらの中で、特に反応性が低いジルコニア、スピネルが好ましく、更に、１０モル％以上のＹ２Ｏ３、ＣａＯ、ＭｇＯ及び希土類のうち、少なくとも１種を含む安定化ジルコニアであることが、ジルコニアの相変態を抑制するため、治具の割れ、欠け変形、表面粗さの変化を抑制する点で好ましい。
【００５１】
さらに、支持板１０１を構成する結晶の平均粒径は、加熱や冷却による変形を小さくし、また、割れ、欠けが顕著に発生することを防止するため、５〜３０μｍ、特に１０〜２５μｍ、更には１５〜２０μｍであることが好ましい。
【００５２】
本発明によれば、支持板１０１、スペーサ１０２及び天板１０３を組み立てた焼成治具の最大厚みは、１５ｍｍ以下であることが好ましい。このような厚みに設定することにより、均熱性を高め、成形体の温度を均一化して、焼成ムラによる特性バラツキをより効果的に抑制することが可能で、特にＺｒＯ２等の熱伝導率の低い材料からなる場合に有効である。
【００５３】
また、本発明によれば、複数の成形体を焼成するためには、例えば図２（ａ）に示したように、支持板１１１と、スペーサ１１２と、天板１１３とを組み合せて内部に複数の密閉空間１１４を形成するとともに、支持板１１１の主面１１６ａに成形体１１５を載置し、成形体１１５を内部に収納するように、即ち、成形体１１５を取り囲むようにスペーサ１１２を支持板１１１の上に設け、さらにスペーサ１１２の上に天板１１３を設け、密閉空間１１４の内部に成形体１１５と重量体１１７とを配置すればよい。
【００５４】
このように、本発明の焼成治具は、図２（ｂ）に示したように、支持板１１１と、スペーサ１１２と、天板１１３と、重量体１１７との治具部材で構成され、これらを組み合せたものであり、スペーサ１１２の貫通孔１１９の内部に重量体１１７を配置すれば良い。
【００５５】
また、図１や図２の焼成治具を複数重ねた構造にして、さらに多くの成形体を一度に焼成できるようにしても良い。
【００５６】
次に、本発明の焼成治具の使用方法について、ＰＺＴの焼成を例として説明する。
【００５７】
まず、原料に用いる圧電体粉末として、純度９９％、平均粒子径１μｍ以下のＰＺＴ粉末を準備する。
【００５８】
このＰＺＴ粉末に適当な有機バインダーを添加してテープ状に成形し、このテープの所望の部位に内部電極を形成するために、導電性ペーストを塗布し、また所望の箇所にビアホールを形成すると共にビアホールの内部に導電性ペーストを埋め込んで電極を形成した。次いで、得られた成形体を積層する。また、所望により、特定の形状に切断する。
【００５９】
積層して得られた成形体を、焼成するために、成形体を焼成治具に搭載して焼成炉内に配置する。以下、焼成治具として図１に示した焼成治具を使用する場合を例として説明する。即ち、平坦度が２０μｍ以下、表面粗さＲａが３μｍ以下の支持板１０１の上に、成形体１０５を載せ、その成形体を取り囲むように、スペーサ１０２を載せる。
【００６０】
次いで、スペーサ１０２の貫通孔１０９の内部に載置された成形体１０５の上に重量体１０７を載せる。この時、成形体１０５を破損しないように、衝撃を与えないように載せる。なお、重量体１０７を、成形体１０５を載せた直後、成形体１０５の上に置いてからスペーサ１０２を支持板１０１の上に載せても良い。
【００６１】
さらに、スペーサ１０２の上に天板１０３を載せ、支持板１０１と、スペーサ１０２と、天板１０３とで密閉空間１０４を形成し、且つその密閉空間１０４の内部に成形体１０５と重量体１０７とを配置する。
【００６２】
このようにして機密性の高い密閉空間を形成した焼成治具を焼成炉に挿入し、所望の焼成温度で焼成すれば良い。
【００６３】
なお、焼成に先立ち、所望により、成形体を４００℃〜９００℃程度の温度で脱脂処理を行っても良い。
【００６４】
このように焼成して得られた圧電磁器の表面に表面電極を形成し、また、分極してアクチュエータを作製することができる。例えば、このようなアクチュエータは、図３に示したように、圧電磁器からなる圧電板２と、圧電板２の内部に設けられた内部電極５と、圧電板２の主面の一部に設けられた表面電極６とを具備し、圧電板２の表面部に形成された圧電振動層４と内部電極５と表面電極６とで変位素子７を構成したものである。
【００６５】
また、例えば図３（ｂ）に示したように、表面電極６が等間隔で２次元的に配列され、それぞれ外部の電子制御回路に独立して接続され（図示せず）、それぞれの電極間に電圧が印加されると、電圧が印加された内部電極５と表面電極６に挟持された部位の圧電振動層４が変位することができる。
【００６６】
さらに、印刷ヘッドに応用する場合、図３（ｃ）に示したように、アクチュエータ１を、インク流路３ａが隔壁３ｂによって形成されてなる流路部材３に接合すると、変位素子７が変位することにより、インク流路３ａのインクをインクノズル８から吐出させることができる。
【００６７】
本発明の焼成治具を焼成に用いれば、図３に示したような厚みが１００μｍ以下の薄層のアクチュエータを製造する時でも、焼成時の揮発性成分の蒸発の影響を顕著に低減でき、収縮バラツキ等による磁器の変形を小さくできるため、流路部材に固定する際に凹凸を矯正して平滑に接合する際に発生する残留応力を小さくすることができる。
【００６８】
また、成形体からの揮発成分の蒸発を抑制できるので焼結体表面の組成バラツキが抑制され、アクチュエータを構成する多数の変位素子が、均一な圧電特性を具備するため、変位量のバラツキを顕著に低減することができる。また、このようなアクチュエータをインクジェットプリンタの印刷ヘッドに適応することで、インクジェットプリンタの高速化及び高精度化に大きく寄与することができる。
【００６９】
なお、本発明の焼成治具は圧電磁器に限らず、あらゆる粉末成形体の焼成に用いることができることは言うまでもない。
【００７０】
【実施例】
本発明の焼成治具を用いて圧電磁器を焼成し、図３に示したアクチュエータを作製し、特性を評価した。以下に、具体的に説明する。
【００７１】
まず、原料として、純度９９％以上のチタン酸ジルコン酸鉛を含有する圧電セラミックス粉末を準備した。
【００７２】
成形体は、ジルコン酸チタン酸鉛を主成分とする圧電用のセラミック材の粉末に、水系バインダーとしてブチルメタクリレート、分散剤にポリカルポン酸アンモニウム塩、溶剤にイソプロビルアルコールと純水を各々添加して混合し、このスラリーをドクタープレード法によりキャリアフィルム上に、厚さ３０μｍ程度のシート形状にて作製した。
【００７３】
また、各種の圧電用のセラミックス材の粉末を用いて同様にグリーンシートを作製した。また、Ａｇ−Ｐｄ内部電極用の導電ペーストを作製した。得られた導電ペーストを、グリーンシートの表面に厚さ４μｍで印刷し、内部電極を形成した。
【００７４】
次いで、内部電極が印刷されたグリーンシートを、内部電極が印刷されていないグリーンシートで挟むように順次積層し、熱圧着して成形体を得た。
【００７５】
この成形体を脱脂処理した後に、図２に示したように、成形体を支持板と重量体とで挟み込むように密閉空間に配置した。このように複数の成形体を内部に装填した焼成治具を焼成炉に配置した。
【００７６】
これを、酸素９９％以上の雰囲気中で、焼成温度１０００℃で２時間保持して焼成し、内部電極を具備する圧電磁器を作製した。
【００７７】
支持板には表１に示す材料を用いた。安定化ジルコニアを用いた場合、安定化を測定した。この安定化度は、全体の結晶相中の立法晶の割合で表すもので、具体的にはＸ線回折（ＸＲＤ）によるピーク強度を測定し、安定化度を下記式から算出したものである。
【００７８】
安定化度＝１００×Ｖｍ／Ｖｃ
ここで、Ｖｍ、Ｖｃはそれぞれ単斜晶、立法晶の体積分率であり、
Ｖｍ＝（ｌｍ（１１１）＋ｌｍ（１１−１））／（ｌｍ（１１１）＋ｌｍ（１１−１）＋ｌｔ（１１１）＋ｌｃ（１１１））
Ｖｃ＝ｌｃ（４００）／（ｌｃ（４００）＋ｌｔ（４００）＋ｌｔ（００４））
で表される。なお、ｌは各反射面の積分強度（ピーク強度）、添字ｍ、ｔ、ｃはそれぞれ単斜晶、正方晶、立法晶を示す。
【００７９】
支持板の気孔率は、鏡面研磨面の顕微鏡写真（２００倍）より画像解析にて測定した。また、平坦度はキーエンス製レーザーフォーカス変位計とＸ−Ｙステージを組み合せた装置にて冶具の長軸方向とその垂直方向にスキャンし最大値で評価した。平均粒径Ｇは鏡面研磨した後沸騰燐酸によりエッチングし、ＳＥＭ写真での平均切片長さＬから、関係式Ｇ＝１．５×Ｌより求めた。
【００８０】
支持板の表面のＲａは、ＡＦＭをもちいて１００μｍ×１００μｍのエリアを走査して測定し、面内任意の５個所の測定値の平均値より求めた。
【００８１】
ｄ＝Ｓ−Ｗは、相似形の場合は平均値で、非相似形は最大値で示した。また、重量体による圧力は、その重量から算出した。
【００８２】
なお、Ｖ１、Ｖ２はアルキメデス法により求めた。Ｖ３は、成形体の外形寸法より求め、密閉空間の容積Ｖ１は１３２６ｍｍ３、重量体の容積Ｖ２は６２５ｍｍ３、成形体の体積Ｖ３は７５ｍｍ３となるようにした。この時、１．０００１≦Ｖ１／（Ｖ２＋Ｖ３）≦４．００００、及び０．０２≦Ｖ２／Ｖ３≦５０となることが、被焼成体からの揮発成分の蒸発をさらに抑制し、圧電特性のバラツキをより効果的に抑制することができる。
【００８３】
得られた圧電磁器の厚みは５０μｍであり、これを下記のように評価した。
【００８４】
圧電磁器の平坦度は、キーエンス製レーザーフォーカス変位計とＸ−Ｙステージの組み合わせ装置により、試料の一端から他端の間を走査して高さの変化よりもとめた。
【００８５】
磁器表面の凹凸はキーエンス製レーザーフォーカス変位計とＸ−Ｙステージの組み合わせ装置により、縦２ｍｍ、横２ｍｍの範囲を走査して、最大値−最小値より算出した。
【００８６】
磁器表面のＲａも、上記と同様にＡＦＭを用いて測定した。
【００８７】
次に、得られた圧電磁器の表面片側に表面電極を形成した。表面電極は、スクリーン印刷にてＡｕペーストを塗布し、一基板当たり６００点形成した。これを６００〜８００℃の大気中で焼付け、図３（ａ）及び（ｂ）に示したアクチュエータを作製した。
【００８８】
圧電定数はｄ３１についてインピーダンスアナライザ（アジレントテクノロジー製４１９４Ａ）を用いた共振法で１０箇所測定し、その平均値を算出した。そして、ｄ３１の平均値との差を算出し、その差の最大値をｄ３１バラツキとして百分率で表示した。
【００８９】
変位の測定は、インクジェットプリンタ用印刷ヘッドとしての使用を考慮し、図４に示したように、溝１３ａと隔壁１３ｂを有する支持板１３に、上記作製したアクチュエータ１１を接着し、圧電振動層１４を内部電極１５と表面電極１６で挟持する構造となるように変位素子１７を作製した。そして、レーザードップラー変位計により支持板１３側から溝１３ａを通してアクチュエータにレーザービームを照射し、支持板１３の溝１３ａに当接しているアクチュエータの中心部及び周辺部７点を測定して変位を測定し、平均値を算出した。結果を表１に示した。
【００９０】
【表１】
【００９１】
本発明の試料Ｎｏ．１〜９、１０〜１５及び１７〜４５は、圧電定数ｄ３１のバラツキが１０％以下であった。
【００９２】
一方、支持体の平坦度が３０μｍと大きい焼成治具を使用した本発明の範囲外の試料Ｎｏ．９は、ｄ３１のバラツキが１４％と大きかった。
【００９３】
また、支持板の表面粗さＲａが４μｍ大きい本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１６は、ｄ３１のバラツキが１５％と大きかった。
【００９４】
【発明の効果】
本発明によれば、表面が平滑で平坦な焼成治具部材によって密閉空間を形成するため、機密性の良好な密閉空間を得ることができ、その内部に成形体と重量体とを挿入し、特に表面が平滑で平坦な支持板と重量体とで成形体を挟みながら焼成することにより、成形体からの揮発成分の蒸発を顕著に抑制し、表面の組成変動を抑えることができるという知見に基づくもので、このような焼成治具を用いることにより、表面の組成変動が小さく、特性バラツキが小さく、平滑な磁器の得ることができる。
【００９５】
また、密閉空間の機密性が高く、密閉空間中のデッドスペースも小さくすることが可能なため、共材を使用しなくても揮発成分が蒸発するのを抑制しつつ、焼成することができる。
【００９６】
本発明によって圧電磁器を作製する場合には、厚み１００μｍ以下の薄層の成形体でも磁器の平坦度と平滑性を向上させることが可能であり、支持板に接合しても圧電体の特性劣化を抑制することができ、圧電振動層の表面組成のバラツキが抑制され、複数の圧電素子の変位バラツキを低減することができるため、インクジェットプリンタの印刷ヘッドとして好適に使用可能なアクチュエータを作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の焼成治具を用いて作成したアクチュエータを示すもので、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は概略平面図、（ｃ）は流路部材を接合した時の概略断面図である。
【図２】本発明の焼成治具を説明するための概略断面図である。
【図３】従来の焼成治具の製造方法を説明するための概略断面図である。
【図４】実施例で用いたアクチュエータを示すもので、流路部材を接合した時の概略断面図である。
【符号の説明】
１０１・・・棚板
１０２・・・スペーサ
１０３・・・天板
１０４・・・密閉空間
１０５・・・成形体
１０６・・・主面
１０６ａ・・・棚板の主面
１０６ｂ・・・スペーサの主面
１０６ｃ・・・スペーサの主面
１０６ｄ・・・天板の主面
１０６ｅ・・・重量体の主面
１０７・・・重量体
１０８・・・内壁
１０９・・・貫通孔
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子材料部品等を焼成などの熱処理する際に用いられる焼成冶具に関し、例えば、セラミックコンデンサーやセラミックフィルター、セラミックレゾネータ、燃料噴射用インジェクター用アクチュエータ、インクジェットプリンターヘッド用アクチュエータ、圧電共振子、発振器、超音波モータ、加速度センサ、ノッキングセンサ、またはＡＥセンサ等の圧電センサなどの圧電素子、フェライトコアの焼成等の熱処理する場合に好適に用いられる焼成冶具に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来から、圧電磁器を利用した製品としては、例えば、アクチュエータ、フィルタ、圧電共振子（発振子を含む）、超音波振動子、超音波モータ、圧電センサ等がある。
【０００３】
これらの中で、アクチュエータは、電気信号に対する応答速度が１０−６秒台と非常に高速であるため、半導体製造装置のＸＹステージの位置決め用アクチュエータやインクジェットプリンタのインク吐出用アクチュエータ等に応用されている。
【０００４】
このようなアクチュエータに用いられる圧電磁器にはチタン酸ジルコン酸鉛（以下、単にＰＺＴと言うことがある）等の鉛系セラミックスが用いられている。鉛は揮発性が高いため、焼成中に成形体から蒸発して、焼結体の組成変動を引き起こし、組成が不均一になるという問題があった。特に、表面の組成変動は内部に比べて大きかった。
【０００５】
そこで、Ｐｂのような揮発成分を含む成形体の焼成には、成形体と同一又は類似で、成形体に含まれる揮発成分を含む組成物（以下、共材と言う）を、成形体と共に容器内に入れ、成形体から揮発成分が蒸発することを抑制し、成形体の組成変動、特に表面付近での組成変動や組織変化を防止し、特性の均一化を行うことが提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００６】
即ち、多孔質セッターの上に成形体を載置して容器に装填するとともに、成形体の周囲に共材を配置して焼成する。従って、特許文献１に用いられた焼成治具は、容器と、成形体を載置するために該容器内に置かれた多孔質セッターを具備している。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１０−２９８７２号公報図１
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、厚みが数百μｍ以下のセラミック成形体の積層体を焼成すると、表面が内部に比べて組成が変化しており、表面の変質相を除去する必要があるものの、厚みが薄いため機械加工が困難であるという問題があった。
【０００９】
また、焼成時の組成変動により、部位によって収縮率が異なるため、うねり、反りといった変形を生じ、或いはまた、局部的に凹凸が発生し平滑な磁器を得ることが困難であるという問題があった。
【００１０】
さらに、組成変動により、圧電特性が表面の部位によって異なる、即ち面内バラツキがあるという問題があり、これをインクジェットプリンタの印刷ヘッド用アクチュエータに用いた場合には、インクの吐出バラツキが大きくなり、画質が低下するという結果になった。
【００１１】
従って、本発明の目的は、表面の組成変動が小さく、特性バラツキが小さく、平滑な磁器を得ることを可能とする焼成治具を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、表面が平滑で平坦な部材によって構成した密閉空間に、成形体を挿入し、特に、表面が平滑で平坦な支持板と重量体とで成形体を挟みながら焼成することにより、成形体からの揮発成分の蒸発を抑制し、表面の組成変動を抑えることができるという知見に基づくもので、このような焼成治具を用いることにより、表面の組成変動が小さく、特性バラツキが小さく、平滑な磁器の得られる焼成治具を可能とするものである。
【００１３】
また、本発明によれば、密閉空間を形成する焼成治具の当接面を機械加工等によって平滑で、平坦な平面にすることで機密性を高め、さらに密閉空間中のデッドスペースを小さくすることにより、共材を使用しなくても揮発成分が蒸発するのを抑制することを可能とする。
【００１４】
即ち、本発明の焼成冶具は、成形体を載置することが可能な支持板と、該支持板の上に前記成形体を囲む様に設けられたスペーサと、該スペーサの上に設けられた天板と、前記成形体の上に載置される重量体とからなり、前記支持板、前記スペーサ及び前記天板を組み合せることによって密閉空間を形成することが可能であり、前記支持板の主面と、該支持板の主面に当接する前記スペーサの主面と、記天板の主面と、該天板の主面に当接する前記スペーサの主面とが、３μｍ以下の表面粗さＲａ、２０μｍ以下の平坦度を有することを特徴とするものである。
【００１５】
特に、前記支持板の主面と、該支持板の主面に当接する前記スペーサの主面と、前記天板の主面と、該天板の主面に当接する前記スペーサの主面とが、５％以下の気孔率を有することが好ましい。これにより、気孔通じて揮発成分が外部に飛散することを抑制し、さらなる焼成磁器の機密性を高める効果がある。
【００１６】
また、前記支持板、前記スペーサ、及び前記天板を組み立てた焼成治具の最大厚みが１５ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、磁器の焼成むら防止と焼成治具の破損防止の効果を高めることができる。
【００１７】
さらに、前記スペーサの内壁と前記重量体との間の最大距離が６ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、焼成冶具内に形成される密閉空間で、さらに成形体表面からの揮発成分の蒸発抑制効果を高めることができる。
【００１８】
さらにまた、前記スペーサの一部に設けられた貫通孔の形状と前記重量体の主面の形状が相似形であることが好ましい。これにより、密閉空間に形成されるデッドスペースをより小さくすることができ、成形体からの揮発成分の蒸発をより小さくすることができる。
【００１９】
また、前記重量体の一主面の気孔率が５％以下、表面粗さＲａが３μｍ以下、平坦度が２０μｍ以下であることが好ましい。これにより、成形体の表面と重量体の表面との当接面に形成される隙間が狭くなり、しかも成形体表面からの蒸発が抑制されるため、焼成で得られた焼結体の特性バラツキを効果的に抑制することができ、且つ局部的な凹凸、反り、うねりをさらに抑制することが可能となる。
【００２０】
さらに、前記重量体の重力によって生ずる圧力が１〜５００Ｐａであることが好ましい。これにより、磁器の収縮率のバラツキを抑制することができ、磁器の変形を回避することが容易になる。
【００２１】
さらにまた、前記支持板及び重量体が、アルミナ、ベリリア、ジルコニア、マグネシア、ムライト、スピネル、ビスマス層状化合物、タングステンブロンズ構造化合物、Ｐｂ系ペロブスカイト構造化合物、ニオブ系ペロブスカイト構造化合物及びタンタル系ペロブスカイト構造化合物のうち少なくとも１種を含有することが好ましい。これらの材質は、成形体、特に圧電材料との反応を抑制し、磁器と冶具との付着を抑制することができる。
【００２２】
さらに、前記支持板及び重量体を構成する主結晶の平均粒径が５〜３０μｍであることが好ましい。これにより、焼成の加熱時及び冷却時における磁器の変形、破損の効果的な抑制が期待できる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明を、圧電磁器としてＰＺＴを用いた場合を例として、図を用いて説明する。
【００２４】
本発明の焼成治具は、内部に挿入した金属、合金又はセラミックス等の粉末成形体を焼成するために用いるものであって、例えば、図１（ａ）に示すように、支持板１０１と、スペーサ１０２と、天板１０３とを組み合せて内部に密閉空間１０４を形成し、支持板１０１の主面１０６ａに当接するように、密封空間１０４に成形体１０５を載置するとともに、重量体１０７を成形体１０５の上に載置し、その焼成治具を成形体と共に焼成炉の内部に入れて焼成を行うためのものである。
【００２５】
このように、支持板１０１は、成形体１０５を載置する主面１０６ａを有し、スペーサ１０２は、成形体１０５を内部に収納するように、即ち、成形体１０５を取り囲むように設けられ、天板１０３は、スペーサ１０２の上に設けられる。
【００２６】
従って、本発明の焼成治具は、図１（ｂ）に示したように、支持板１０１と、貫通孔１０９を有するスペーサ１０２と、天板１０３と、重量体１０７との治具部材で構成され、スペーサ１０２に設けられた貫通孔１０９の内部に重量体１０７を配置するように、これらを組み合せたものである。
【００２７】
本発明によれば、支持板１０１の主面１０６ａと、支持板１０１の主面１０６ａに当接するスペーサ１０２の主面１０６ｂと、天板１０３の主面１０６ｄと、天板１０３の主面１０６ｄに当接するスペーサ１０２の主面１０６ｃとが、いずれも３μｍ以下の表面粗さＲａと、２０μｍ以下の平坦度とを有することが重要である。
【００２８】
これは、例えばＰｂ、Ｂｉといった焼成中に揮発しやすい成分を含有した成形体を焼成する際、組み合せた焼成冶具に大きな隙間があると、揮発成分が治具外に継続的に飛散し、結果的には多量の揮発成分が飛散することとなり、焼結した磁器の特性バラツキが多くなる。従って、このような揮発成分を焼成治具から飛散することを抑制するため、隙間を形成する治具部材間の当接部、即ち、支持板１０１、スペーサ１０２及び天板１０３の当接面である主面１０６の表面状態を制御することが重要となる。
【００２９】
主面１０６の平坦度が２０μｍを越えると、表面の歪みによって比較的大きな隙間ができやすく、この隙間を通して揮発成分が飛散しやすくなり、成形体を焼成して得た焼結体の特性バラツキが大きくなる。特に、５〜１００μｍの薄層の圧電磁器を作製する場合、例えば印刷ヘッド用アクチュエータに用いる圧電磁器を焼成する場合には、反りや表面凹凸が発生しやすく、平坦で平滑な圧電磁器を得ることが困難になる。
【００３０】
より平坦で平滑な焼結体を得るため、支持板支持板１０１、スペーサ１０２及び天板１０３の当接面である主面１０６の平坦度は１５μｍ以下、更には１０μｍ以下が好ましい。
【００３１】
また、主面１０６の表面粗さＲａが３μｍを越えると、治具部材間の凹凸で形成される拡散経路を介して揮発成分が飛散しやすく、成形体を焼成して得た焼結体の特性バラツキが大きくなる。従って、拡散経路を介した揮発成分の飛散を抑制して焼結体の特性バラツキを小さくするために表面粗さＲａを３μｍとすることが重要である。
【００３２】
拡散経路となる隙間をより小さくすることによって、成形体からの揮発を効果的に抑制するために、支持板１０１、スペーサ１０２及び天板１０３の当接面である主面１０６の表面粗さＲａを、特に２．５μｍ以下、更には２μｍ以下にすることが好ましい。
【００３３】
本発明によれば、焼成治具の当接面、即ち支持板１０１の主面１０６ａと、支持板１０１の主面１０６ａに当接するスペーサ１０２の主面１０６ｂと、天板１０３の主面１０６ｄと、天板１０３の主面１０６ｄに当接するスペーサ１０２の主面１０６ｃと、の表面部が、５％以下、特に１％以下、更には０．５％以下の気孔率を有することが好ましい。
【００３４】
このような気孔率を設定することで、多孔質体のように気孔を通して揮発性成分が焼成治具の外部に飛散することを防止することが可能となる。また、上記のように気孔率を小さくすることで、表面粗さを容易に小さくすることが可能となり、焼成治具の機密性をさらに高めることができ、その結果、焼結体の平坦度、表面粗さ及び組成バラツキをさらに改善することができる。
【００３５】
また、気孔率を小さくすることにより、支持板１０１の主面１０６ａは従来用いられていた多孔質体のように脱粒が少ないため、主面１０６ａと接する成形体１０７の表面に脱粒した粒子が付着し、不良品の発生を抑制することもできる。
【００３６】
なお、治具部材の表面の気孔率を測定するためには、表面を研磨し、研磨面の気孔率を評価するため、実際には研磨に必要な最低限の厚み、例えば数μｍの厚みが必要であり、これを本発明では表面部と言う。
【００３７】
支持板１０１、スペーサ１０２及び天板１０３は、全体が緻密なものであっても、表面のみが緻密なものであっても、いずれでも使用することができる。
【００３８】
例えば、全体が緻密な緻密焼結体は、繰り返し焼成治具として使用して表面が汚れたり、傷ついたりしても、表面を再加工することによって低コストで再生が可能である。
【００３９】
表面が緻密で内部が比較的気孔率が高い部材として、焼結時に内部よりも表面部で焼結が容易に進むような焼結体を例示することができる。また、緻密でない表面を有する部材、例えば多孔質体の表面だけを緻密にすることもできる。例えば、表面の気孔率が２〜８％程度のセラミック焼結体表面を研磨加工し、セラミック層を被覆することにより、支持板１０１、重量体１０７の主面１０６ａ、１０６ｂを０．１％以下の気孔率にすることができる。
【００４０】
特に、ＣＶＤ（科学気相成長法）により数１０μｍ以上、更には５０μｍ以上、より好適には１００μｍ以上の厚みに形成し、鏡面研磨を行って表面の気孔率を１％以下にすることができる。この方法を用いると、気孔率が０．１％以下で、表面粗さも１００ｎｍ以下の超緻密、超平滑な表面を得ることができ、機密性の高い焼結治具を得ることが可能である。また、この方法は、大型支持板の全体を緻密な焼結体で作製するためのコストが高い場合、或いは緻密な焼結体を合成することが困難な場合、成形体と支持板とが反応しやすい場合に特に有効である。
【００４１】
本発明によれば、支持板１０１の主面１０６ａの上に成形体１０５を載置すれば、成形体１０５の上に何があっても良く、例えば、多孔質体を載せても良いが、支持板１０１と同様の主面を有する重量体１０７を成形体１０５の上に載せて、成形体１０５を支持板１０１と重量体１０７とで挟持するように配置するのが、組成のバラツキを効果的に抑制でき、且つ２０μｍ以下の平坦度を容易に得られる点で好ましい。
【００４２】
これは、揮発性の高いＰｂ、Ｂｉを含む場合、面積の広い一対の主面を平滑で、平坦な表面を有する支持板１０１と重量体１０５とで挟むことにより、Ｐｂの蒸発を抑制すると共に、蒸発による面内の組成バラツキを抑制することができる。
【００４３】
なお、成形体１０５を支持板１０１と重量体１０５とで挟み込むように配置すると、側面からＰｂが蒸発するものの、側面の表面部のＰｂ組成バラツキが発生しても、側面部を変位素子として使用しないアクチュエータ等においては、変位特性に影響を及ぼさないため、実質的に組成バラツキは無視できる。
【００４４】
また、スペーサ１０２の内壁１０８と重量体１０５との間の最大距離、即ちスペーサ１０２の貫通孔１０９の長さＳと重量体Ｗとの差ｄ（ｄ＝Ｓ−Ｗ）が６ｍｍ以下、特に４ｍｍ以下、更には２ｍｍ以下であることが好ましい。重量体１０５は密閉空間１０９に配置されるため、重量体１０５の占有スペースがスペーサの内壁に近いほどデッドスペース（密閉空間の容積から成形体と重量体１０５の容積を引いた残りの容積）が小さくなり、揮発成分が蒸発してもわずかな量で飽和蒸気圧となり、磁器中の組成変動をさらに小さくすることができる。
【００４５】
なお、Ｓ−Ｗの値が小さすぎるとスペーサ１０２と重量体１０３との隙間が小さくなりすぎて焼成後にかみ込んで分離が困難になることがないように、ｄ（Ｓ−Ｗ）の値は０．２ｍｍ以上、特に０．４ｍｍ以上、更には０．６ｍｍ以上であることが好ましい。
【００４６】
さらに、スペーサ１０２の一部に設けられた貫通孔の形状と重量体１０２の主面の形状が相似形であることが好ましい。重量体１０５の主面の形状がスペーサ１０２の貫通孔の形状に近づくほどデッドスペースを縮小することができる。
【００４７】
前記重量体の重力によって生ずる圧力が１〜５００Ｐａ、特に１０〜３００Ｐａ、更には、３０〜２０Ｐａであることが好ましい。このような圧力を成形体に加えることにより、焼結を阻害することなく、焼成時の成形体の変形を効果的に防止することができる。
【００４８】
本発明に用いる支持板は、焼成温度に耐えることができ、表面加工が容易で、成形体粉末と反応性が低いものであればどのような材質でも用いることは可能である。
【００４９】
特に、焼成治具を圧電体の焼成に用いる場合には、ＰＺＴ等の圧電セラミック粉末からなる成形体との反応性が低く、圧電体の特性安定化が可能であることから、アルミナ、ベリリア、ジルコニア、マグネシア、ムライト、スピネル、ビスマス層状化合物、タングステンブロンズ構造化合物、Ｐｂ系ペロブスカイト構造化合物、ニオブ系ペロブスカイト構造化合物及びタンタル系ペロブスカイト構造化合物のうち少なくとも１種を含有することが好ましい。
【００５０】
これらの中で、特に反応性が低いジルコニア、スピネルが好ましく、更に、１０モル％以上のＹ２Ｏ３、ＣａＯ、ＭｇＯ及び希土類のうち、少なくとも１種を含む安定化ジルコニアであることが、ジルコニアの相変態を抑制するため、治具の割れ、欠け変形、表面粗さの変化を抑制する点で好ましい。
【００５１】
さらに、支持板１０１を構成する結晶の平均粒径は、加熱や冷却による変形を小さくし、また、割れ、欠けが顕著に発生することを防止するため、５〜３０μｍ、特に１０〜２５μｍ、更には１５〜２０μｍであることが好ましい。
【００５２】
本発明によれば、支持板１０１、スペーサ１０２及び天板１０３を組み立てた焼成治具の最大厚みは、１５ｍｍ以下であることが好ましい。このような厚みに設定することにより、均熱性を高め、成形体の温度を均一化して、焼成ムラによる特性バラツキをより効果的に抑制することが可能で、特にＺｒＯ２等の熱伝導率の低い材料からなる場合に有効である。
【００５３】
また、本発明によれば、複数の成形体を焼成するためには、例えば図２（ａ）に示したように、支持板１１１と、スペーサ１１２と、天板１１３とを組み合せて内部に複数の密閉空間１１４を形成するとともに、支持板１１１の主面１１６ａに成形体１１５を載置し、成形体１１５を内部に収納するように、即ち、成形体１１５を取り囲むようにスペーサ１１２を支持板１１１の上に設け、さらにスペーサ１１２の上に天板１１３を設け、密閉空間１１４の内部に成形体１１５と重量体１１７とを配置すればよい。
【００５４】
このように、本発明の焼成治具は、図２（ｂ）に示したように、支持板１１１と、スペーサ１１２と、天板１１３と、重量体１１７との治具部材で構成され、これらを組み合せたものであり、スペーサ１１２の貫通孔１１９の内部に重量体１１７を配置すれば良い。
【００５５】
また、図１や図２の焼成治具を複数重ねた構造にして、さらに多くの成形体を一度に焼成できるようにしても良い。
【００５６】
次に、本発明の焼成治具の使用方法について、ＰＺＴの焼成を例として説明する。
【００５７】
まず、原料に用いる圧電体粉末として、純度９９％、平均粒子径１μｍ以下のＰＺＴ粉末を準備する。
【００５８】
このＰＺＴ粉末に適当な有機バインダーを添加してテープ状に成形し、このテープの所望の部位に内部電極を形成するために、導電性ペーストを塗布し、また所望の箇所にビアホールを形成すると共にビアホールの内部に導電性ペーストを埋め込んで電極を形成した。次いで、得られた成形体を積層する。また、所望により、特定の形状に切断する。
【００５９】
積層して得られた成形体を、焼成するために、成形体を焼成治具に搭載して焼成炉内に配置する。以下、焼成治具として図１に示した焼成治具を使用する場合を例として説明する。即ち、平坦度が２０μｍ以下、表面粗さＲａが３μｍ以下の支持板１０１の上に、成形体１０５を載せ、その成形体を取り囲むように、スペーサ１０２を載せる。
【００６０】
次いで、スペーサ１０２の貫通孔１０９の内部に載置された成形体１０５の上に重量体１０７を載せる。この時、成形体１０５を破損しないように、衝撃を与えないように載せる。なお、重量体１０７を、成形体１０５を載せた直後、成形体１０５の上に置いてからスペーサ１０２を支持板１０１の上に載せても良い。
【００６１】
さらに、スペーサ１０２の上に天板１０３を載せ、支持板１０１と、スペーサ１０２と、天板１０３とで密閉空間１０４を形成し、且つその密閉空間１０４の内部に成形体１０５と重量体１０７とを配置する。
【００６２】
このようにして機密性の高い密閉空間を形成した焼成治具を焼成炉に挿入し、所望の焼成温度で焼成すれば良い。
【００６３】
なお、焼成に先立ち、所望により、成形体を４００℃〜９００℃程度の温度で脱脂処理を行っても良い。
【００６４】
このように焼成して得られた圧電磁器の表面に表面電極を形成し、また、分極してアクチュエータを作製することができる。例えば、このようなアクチュエータは、図３に示したように、圧電磁器からなる圧電板２と、圧電板２の内部に設けられた内部電極５と、圧電板２の主面の一部に設けられた表面電極６とを具備し、圧電板２の表面部に形成された圧電振動層４と内部電極５と表面電極６とで変位素子７を構成したものである。
【００６５】
また、例えば図３（ｂ）に示したように、表面電極６が等間隔で２次元的に配列され、それぞれ外部の電子制御回路に独立して接続され（図示せず）、それぞれの電極間に電圧が印加されると、電圧が印加された内部電極５と表面電極６に挟持された部位の圧電振動層４が変位することができる。
【００６６】
さらに、印刷ヘッドに応用する場合、図３（ｃ）に示したように、アクチュエータ１を、インク流路３ａが隔壁３ｂによって形成されてなる流路部材３に接合すると、変位素子７が変位することにより、インク流路３ａのインクをインクノズル８から吐出させることができる。
【００６７】
本発明の焼成治具を焼成に用いれば、図３に示したような厚みが１００μｍ以下の薄層のアクチュエータを製造する時でも、焼成時の揮発性成分の蒸発の影響を顕著に低減でき、収縮バラツキ等による磁器の変形を小さくできるため、流路部材に固定する際に凹凸を矯正して平滑に接合する際に発生する残留応力を小さくすることができる。
【００６８】
また、成形体からの揮発成分の蒸発を抑制できるので焼結体表面の組成バラツキが抑制され、アクチュエータを構成する多数の変位素子が、均一な圧電特性を具備するため、変位量のバラツキを顕著に低減することができる。また、このようなアクチュエータをインクジェットプリンタの印刷ヘッドに適応することで、インクジェットプリンタの高速化及び高精度化に大きく寄与することができる。
【００６９】
なお、本発明の焼成治具は圧電磁器に限らず、あらゆる粉末成形体の焼成に用いることができることは言うまでもない。
【００７０】
【実施例】
本発明の焼成治具を用いて圧電磁器を焼成し、図３に示したアクチュエータを作製し、特性を評価した。以下に、具体的に説明する。
【００７１】
まず、原料として、純度９９％以上のチタン酸ジルコン酸鉛を含有する圧電セラミックス粉末を準備した。
【００７２】
成形体は、ジルコン酸チタン酸鉛を主成分とする圧電用のセラミック材の粉末に、水系バインダーとしてブチルメタクリレート、分散剤にポリカルポン酸アンモニウム塩、溶剤にイソプロビルアルコールと純水を各々添加して混合し、このスラリーをドクタープレード法によりキャリアフィルム上に、厚さ３０μｍ程度のシート形状にて作製した。
【００７３】
また、各種の圧電用のセラミックス材の粉末を用いて同様にグリーンシートを作製した。また、Ａｇ−Ｐｄ内部電極用の導電ペーストを作製した。得られた導電ペーストを、グリーンシートの表面に厚さ４μｍで印刷し、内部電極を形成した。
【００７４】
次いで、内部電極が印刷されたグリーンシートを、内部電極が印刷されていないグリーンシートで挟むように順次積層し、熱圧着して成形体を得た。
【００７５】
この成形体を脱脂処理した後に、図２に示したように、成形体を支持板と重量体とで挟み込むように密閉空間に配置した。このように複数の成形体を内部に装填した焼成治具を焼成炉に配置した。
【００７６】
これを、酸素９９％以上の雰囲気中で、焼成温度１０００℃で２時間保持して焼成し、内部電極を具備する圧電磁器を作製した。
【００７７】
支持板には表１に示す材料を用いた。安定化ジルコニアを用いた場合、安定化を測定した。この安定化度は、全体の結晶相中の立法晶の割合で表すもので、具体的にはＸ線回折（ＸＲＤ）によるピーク強度を測定し、安定化度を下記式から算出したものである。
【００７８】
安定化度＝１００×Ｖｍ／Ｖｃ
ここで、Ｖｍ、Ｖｃはそれぞれ単斜晶、立法晶の体積分率であり、
Ｖｍ＝（ｌｍ（１１１）＋ｌｍ（１１−１））／（ｌｍ（１１１）＋ｌｍ（１１−１）＋ｌｔ（１１１）＋ｌｃ（１１１））
Ｖｃ＝ｌｃ（４００）／（ｌｃ（４００）＋ｌｔ（４００）＋ｌｔ（００４））
で表される。なお、ｌは各反射面の積分強度（ピーク強度）、添字ｍ、ｔ、ｃはそれぞれ単斜晶、正方晶、立法晶を示す。
【００７９】
支持板の気孔率は、鏡面研磨面の顕微鏡写真（２００倍）より画像解析にて測定した。また、平坦度はキーエンス製レーザーフォーカス変位計とＸ−Ｙステージを組み合せた装置にて冶具の長軸方向とその垂直方向にスキャンし最大値で評価した。平均粒径Ｇは鏡面研磨した後沸騰燐酸によりエッチングし、ＳＥＭ写真での平均切片長さＬから、関係式Ｇ＝１．５×Ｌより求めた。
【００８０】
支持板の表面のＲａは、ＡＦＭをもちいて１００μｍ×１００μｍのエリアを走査して測定し、面内任意の５個所の測定値の平均値より求めた。
【００８１】
ｄ＝Ｓ−Ｗは、相似形の場合は平均値で、非相似形は最大値で示した。また、重量体による圧力は、その重量から算出した。
【００８２】
なお、Ｖ１、Ｖ２はアルキメデス法により求めた。Ｖ３は、成形体の外形寸法より求め、密閉空間の容積Ｖ１は１３２６ｍｍ３、重量体の容積Ｖ２は６２５ｍｍ３、成形体の体積Ｖ３は７５ｍｍ３となるようにした。この時、１．０００１≦Ｖ１／（Ｖ２＋Ｖ３）≦４．００００、及び０．０２≦Ｖ２／Ｖ３≦５０となることが、被焼成体からの揮発成分の蒸発をさらに抑制し、圧電特性のバラツキをより効果的に抑制することができる。
【００８３】
得られた圧電磁器の厚みは５０μｍであり、これを下記のように評価した。
【００８４】
圧電磁器の平坦度は、キーエンス製レーザーフォーカス変位計とＸ−Ｙステージの組み合わせ装置により、試料の一端から他端の間を走査して高さの変化よりもとめた。
【００８５】
磁器表面の凹凸はキーエンス製レーザーフォーカス変位計とＸ−Ｙステージの組み合わせ装置により、縦２ｍｍ、横２ｍｍの範囲を走査して、最大値−最小値より算出した。
【００８６】
磁器表面のＲａも、上記と同様にＡＦＭを用いて測定した。
【００８７】
次に、得られた圧電磁器の表面片側に表面電極を形成した。表面電極は、スクリーン印刷にてＡｕペーストを塗布し、一基板当たり６００点形成した。これを６００〜８００℃の大気中で焼付け、図３（ａ）及び（ｂ）に示したアクチュエータを作製した。
【００８８】
圧電定数はｄ３１についてインピーダンスアナライザ（アジレントテクノロジー製４１９４Ａ）を用いた共振法で１０箇所測定し、その平均値を算出した。そして、ｄ３１の平均値との差を算出し、その差の最大値をｄ３１バラツキとして百分率で表示した。
【００８９】
変位の測定は、インクジェットプリンタ用印刷ヘッドとしての使用を考慮し、図４に示したように、溝１３ａと隔壁１３ｂを有する支持板１３に、上記作製したアクチュエータ１１を接着し、圧電振動層１４を内部電極１５と表面電極１６で挟持する構造となるように変位素子１７を作製した。そして、レーザードップラー変位計により支持板１３側から溝１３ａを通してアクチュエータにレーザービームを照射し、支持板１３の溝１３ａに当接しているアクチュエータの中心部及び周辺部７点を測定して変位を測定し、平均値を算出した。結果を表１に示した。
【００９０】
【表１】
本発明の試料Ｎｏ．１〜９、１０〜１５及び１７〜４５は、圧電定数ｄ３１のバラツキが１０％以下であった。
【００９２】
一方、支持体の平坦度が３０μｍと大きい焼成治具を使用した本発明の範囲外の試料Ｎｏ．９は、ｄ３１のバラツキが１４％と大きかった。
【００９３】
また、支持板の表面粗さＲａが４μｍ大きい本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１６は、ｄ３１のバラツキが１５％と大きかった。
【００９４】
【発明の効果】
本発明によれば、表面が平滑で平坦な焼成治具部材によって密閉空間を形成するため、機密性の良好な密閉空間を得ることができ、その内部に成形体と重量体とを挿入し、特に表面が平滑で平坦な支持板と重量体とで成形体を挟みながら焼成することにより、成形体からの揮発成分の蒸発を顕著に抑制し、表面の組成変動を抑えることができるという知見に基づくもので、このような焼成治具を用いることにより、表面の組成変動が小さく、特性バラツキが小さく、平滑な磁器の得ることができる。
【００９５】
また、密閉空間の機密性が高く、密閉空間中のデッドスペースも小さくすることが可能なため、共材を使用しなくても揮発成分が蒸発するのを抑制しつつ、焼成することができる。
【００９６】
本発明によって圧電磁器を作製する場合には、厚み１００μｍ以下の薄層の成形体でも磁器の平坦度と平滑性を向上させることが可能であり、支持板に接合しても圧電体の特性劣化を抑制することができ、圧電振動層の表面組成のバラツキが抑制され、複数の圧電素子の変位バラツキを低減することができるため、インクジェットプリンタの印刷ヘッドとして好適に使用可能なアクチュエータを作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の焼成治具を用いて作成したアクチュエータを示すもので、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は概略平面図、（ｃ）は流路部材を接合した時の概略断面図である。
【図２】本発明の焼成治具を説明するための概略断面図である。
【図３】従来の焼成治具の製造方法を説明するための概略断面図である。
【図４】実施例で用いたアクチュエータを示すもので、流路部材を接合した時の概略断面図である。
【符号の説明】
１０１・・・棚板
１０２・・・スペーサ
１０３・・・天板
１０４・・・密閉空間
１０５・・・成形体
１０６・・・主面
１０６ａ・・・棚板の主面
１０６ｂ・・・スペーサの主面
１０６ｃ・・・スペーサの主面
１０６ｄ・・・天板の主面
１０６ｅ・・・重量体の主面
１０７・・・重量体
１０８・・・内壁
１０９・・・貫通孔
Claims (9)
- 成形体を載置することが可能な支持板と、該支持板の上に前記成形体を囲む様に設けられたスペーサと、該スペーサの上に設けられた天板と、前記成形体の上に載置される重量体とからなり、前記支持板、前記スペーサ及び前記天板を組み合せることによって密閉空間を形成することが可能であり、前記支持板の主面と、該支持板の主面に当接する前記スペーサの主面と、記天板の主面と、該天板の主面に当接する前記スペーサの主面とが、３μｍ以下の表面粗さＲａ、２０μｍ以下の平坦度を有することを特徴とする焼成冶具。
- 前記支持板の主面と、該支持板の主面に当接する前記スペーサの主面と、前記天板の主面と、該天板の主面に当接する前記スペーサの主面とが、５％以下の気孔率を有することを特徴とする請求項１記載の焼成冶具。
- 前記支持板、前記スペーサ、及び前記天板を組み立てた焼成治具の最大厚みが１５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の焼成治具。
- 前記スペーサの内壁と前記重量体との間の最大距離が６ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の焼成治具。
- 前記スペーサの一部に設けられた貫通孔の形状と前記重量体の主面の形状が相似形であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の焼成治具。
- 前記重量体の一主面の気孔率が５％以下、表面粗さＲａが３μｍ以下、平坦度が２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の焼成治具。
- 前記重量体の重力によって生ずる圧力が１〜５００Ｐａであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の焼成治具。
- 前記支持板及び重量体が、アルミナ、ベリリア、ジルコニア、マグネシア、ムライト、スピネル、ビスマス層状化合物、タングステンブロンズ構造化合物、Ｐｂ系ペロブスカイト構造化合物、ニオブ系ペロブスカイト構造化合物及びタンタル系ペロブスカイト構造化合物のうち少なくとも１種を含有することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の焼成治具。
- 前記支持板及び重量体を構成する主結晶の平均粒径が５〜３０μｍであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の圧電磁器の製造方法。
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