JP2016534566A - セラミック多層デバイスを製造するための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、セラミック多層デバイス（１００）を製造するための方法を提供する。本方法は、セラミック多層デバイス（１００）用のグリーン層（複数）（５）を準備するステップと、これらのグリーン層（５）を１つの積層体に積層し、続いて当該積層体をプレスして１つのブロック（１）とするステップとを備える。さらに本方法は、このブロック（１）を長手方向（Ｘ）に沿って部分ブロック（複数）（３）にそれぞれ個々に分離するステップと、これらの部分ブロック（３）を熱処理するステップ、および続いてこれらの部分ブロック（３）の表面を機械加工するステップとを備え、またこれらの部分ブロック（３）に外部電極（複数）を設けるステップと、これらの部分ブロック（３）をその長手方向（Ｘ）に対して横方向で個々に分離して、個々のセラミック多層デバイス（１００）にする分離ステップとをを備える。【選択図】 図２

Description

本発明は、セラミック多層デバイスを製造するための方法およびセラミック多層デバイスに関する。

本発明が解決すべき課題は、改善されたセラミック多層デバイスおよびこれを製造するための方法を提示することである。

この課題は請求項１の特徴を有する方法により解決される。

本発明は、セラミック多層デバイスを製造するための方法を提供する。この方法はこのセラミック多層デバイス用のグリーン層（複数）を準備するステップを備える。これらのグリーン層は、好ましくは、たとえば焼結されていない、セラミック多層デバイス用の１つの原材料から成る層（複数）のことである。本方法は、さらにこれらのグリーン層に内部電極を設けるステップを備える。これらの内部電極は、銅（Ｃｕ）を含んでよい。

１つの実施形態においては、これらの内部電極は銅から成っている。

これらのグリーン層は、好ましくはそれぞれ少なくとも１つの内部電極または内部電極層によってコーティングされている。

本方法は、さらに上記の内部電極が設けられたグリーン層を積層して積層体とするステップを備える。この積層のステップは、好ましくは、上記の内部電極（複数）がそれぞれ２つの隣接するグリーン層の間に配設されるように行われる。

１つの好ましい実施形態においては、本方法は、上記のグリーン層の積層のステップの後に、上記の積層体をプレスして１つのブロックにするステップを備える。本方法は、さらにこのブロックを部分ブロック（複数）に個々に分離するステップを備え、ここでそれぞれの部分ブロックは１つの長手方向を備える。１つの部分ブロックは、１つの棒状体（Riegel）であってよい。

上記のブロックの長手方向は、本願においてはこのブロックの主延伸方向となる。このブロックの端面は、具体的にはこの長手方向に対して平行に延在してよい。この長手方向は、好ましくはさらに、このブロックの深さまたは幅に対し垂直に延伸している。上述の端面は、好ましくはこのブロックの側面であり、この端面で上記の内部電極（複数）を外部電極（複数）または１つの外部接続部と接続することができる。

１つの好ましい実施形態においては、上記のブロックはこのブロックを個々に分離するために裁断される。

１つの好ましい実施形態においては、上記のブロックは、具体的にはこの個々の分離のために、長手方向に対し横方向におよび／またはこの長手方向に沿って、好ましくは２つ以上の同じ長さの部分ブロック（複数）の形成のために、１回のみ裁断される。この部分ブロックの数は２〜１０であってよい。

１つの好ましい実施形態においては、このブロックあるいは既に裁断されたこのブロックの部分は、深さ方向に沿って長手方向に平行に複数回または多数回裁断される。

１つの好ましい実施形態においては、上記のブロックは、個々に分離するために、長手方向に対し横方向に複数回裁断される。ここでこの部分ブロックの数は２〜１０であってよい。

１つの好ましい実施形態においては、上記のブロックは、個々に分離するために、このブロックの長手方向に対し平行に、長手方向に対して横方向に裁断するよりも多数回裁断される。この実施形態により、製造コストまたはプロセスコスト、具体的には熱処理および機械加工を有利に低減することができる。これは具体的には、これらの部分ブロックに外部電極が設けられる表面（下記参照）で処理または加工されなければならない部分または部分ブロックの数がより少ないからである。換言すれば、このブロックの長手方向に対し平行に延在する側面は、以降に続く方法ステップにおいて、有利に並列に処理または加工することができる。

ここでこの側面の表面法線は、この長手方向に対し垂直方向に向いていてよい。

さらに本発明よる方法は、好ましくは上記のブロックを部分ブロック（複数）に個々に分離した後に、これらの部分ブロックを熱処理することを含む。

１つの好ましい実施形態においては、この熱処理は、これらの部分ブロックを脱炭することを含む。この脱炭は、たとえばこれらの部分ブロックからの炭素の除去のために、さらにこれらの部分ブロックを特殊な、たとえば低酸素の雰囲気に曝露することを含む。

１つの好ましい実施形態においては、これらの部分ブロックは、熱処理の間に焼結される。この焼結は上記の好適には脱炭の後に行われる。

さらに本発明よる方法は、この熱処理の後に、これらの部分ブロックの表面を機械加工することを含む。この機械加工とは、これらの部分ブロックの表面から材料を除去すること、好ましくは研磨することである。

さらに本発明よる方法は、好ましくはこの機械加工の後で、これらの部分ブロックに外部電極を設けることを含む。これらの部分ブロックは、好ましくはその長手方向に対し平行になっている側面に、外部電極が設けられる。詳細にはこれらの部分ブロックに外部電極を設ける際には、好適には上記の内部電極が接続され、すなわちこの外部電極と電気的に導通して結合される。

さらに本発明による方法は、これらの部分ブロックをそれぞれ、その長手方向に対して横方向に個々のセラミック多層デバイスに個々に分離することを含む。これらの部分ブロックを、その長手方向に対して個々に分離する際には、個々のセラミック多層デバイスを形成するために、それぞれ１つのブロックは、好ましくはその長手方向に対し横方向に多数回裁断される。

１つの好ましい実施形態においては、これらの部分ブロックは、機械的加工の後で、それぞれその長手方向に対して横方向に個々に分離される。これによりセラミック多層デバイスの製造の際に、既に個々の分離の終わったデバイスまたは基体をデバイスにするためのコストのかかる一連の処理を省くことができる。通常は、多層のセラミックの、たとえば圧電性の多層デバイス、たとえばアクチュエータは、既に個々に分離されたものが多数の処理ステップで処理される。たとえばセラミックシート（複数）および内部電極（複数）からなる積層体は、通常はプレスされた後に分離処理によってアクチュエータ（複数）に個々に分離される。これらのアクチュエータは個々に分離されたデバイスとして脱炭，焼結，研磨，およびメタライジング化または接続される。

このような処理は、各々のアクチュエータが個々に加工されるので、一方では多大のコストを必要とし、他方ではこれは技術的な問題と結びついている。これらの問題の１つは焼結の際のアクチュエータの歪み、たとえば反りであり、これは小さな断面を有するアクチュエータではとりわけ強く起こり得る。この結果、これらのセラミック多層デバイスまたはアクチュエータが使用不能となるか、またはより多くの研磨の手間とこれに対応した材料損失が必要となり得る。さらなる問題は、それぞれのアクチュエータの側面の研磨の際の研磨しろ，研磨許容誤差，または絶縁領域のオフセットに関する。

具体的には、通常の内部電極（複数）の接続に対しては、大きな研磨しろは不利となり得る。これはこの研磨によって上述の絶縁領域の幅が減少され、ある大きさの研磨しろからはこれによって内部電極間の短絡が特にこのセラミック多層デバイスの動作中に発生しかねないからである。個々に分離されたアクチュエータの代わりに、部分ブロック（複数）または棒状体（複数）を加工することは、以下の利点をもたらす。

−製造コストまたは処理コスト、具体的には熱処理から機械処理までのコストが低減される。これは各々の処理ステップでの部品の数が少なくなるからである。
−材料損失、たとえば研磨しろによるものが低減される。
−小さな断面（たとえば３×３ｍｍ）を有するデバイスの歪みが低減される。
−裁断面が表面品質に対する要求を満たし、これよりさらなる加工（たとえば研磨）、たとえば各々のアクチュエータの２つの側面の研磨を全く必要としない。
−処理が完了した棒状体における裁断位置の調整により絶縁領域の対称性が高くなる。
−個々に分離されたアクチュエータの機械的損傷（たとえばエッジ欠け）が大幅に低減される。これは棒状体が後の処理ステップでやっとアクチュエータ（複数）に個々に分離されるからであり、これがこれらのアクチュエータの収率の向上を有利にもたらすからである。
−さらに、改善された電気的特性および／またはより長い寿命を有するアクチュエータの製造のためのセラミック層またはグリーン層の絶縁領域における、またはこの絶縁領域での内部電極層のエッチング等の新たな処理を、比較的僅かな製造コストで導入できる可能性がある。

１つの好ましい実施形態においては、上記の部分ブロック（複数）は、対向する外面または側面で加工され、これらの面でこれらの部分ブロックには、好ましくは後の方法ステップにおいて、外部電極（複数）が設けられる。これらの外面または側面は、好ましくは上記のブロックまたは部分ブロックの周囲面であり、上側および下側の面ではない。上側および下側の面は、同様に機械的に処理されてよく、たとえば上述のブロックの周囲面よりも僅かな程度で処理されてよい。

１つの好ましい実施形態においては、これらの部分ブロックの表面の機械加工は、それぞれの部分ブロックの４つの外面の機械加工を含む。

１つの好ましい実施形態においては、本発明による方法は、上記の部分ブロック（複数）に外部電極（複数）を設けた後に、たとえばはんだ、またははんだ処理によって、これらの部分ブロックに１つの外部接続部を設けることを含む。たとえばこの外部接続部は、１つの導電体であってよく、または１つの、はんだによって上記の外部電極と電気的に導通して結合され得るようなものを備えてよい。

１つの好ましい実施形態においては、上記の部分ブロック（複数）は、これらの部分ブロックに上記の外部電極（複数）を設けた後、かつこれらの部分ブロックに外部接続部を設けた後に、その長手方向に対し横方向で個々のセラミック多層デバイスにそれぞれ個々に分離される。

１つの好ましい実施形態においては、本発明によるセラミック多層デバイスは、１つの圧電多層デバイスあるいは１つの圧電アクチュエータである。

１つの好ましい実施形態においては、本発明によるセラミック多層デバイスは、１つの多層コンデンサである。

さらに本発明は、たとえばここに記載した方法を用いて製造可能なまたは製造されている圧電多層デバイスに関する。

１つの好ましい実施形態においては、本発明による方法は、本発明によるセラミック多層デバイス用のグリーン層（複数）を準備すること、これらのグリーン層に内部電極を設けること、これらの内部電極が設けられたグリーン層を１つの積層体に積層し、続いてこの積層体をプレスして１つのブロックにすること、このブロックをそれぞれ１つの長手方向を有する部分ブロック（複数）に個々に分離すること、これらの部分ブロックを熱処理し、続いてこれらの部分ブロックを機械加工すること、これらの部分ブロックに外部電極（複数）を設けること、およびこれらの部分ブロックをそれぞれその長手方向に対して横方向で、セラミック多層デバイス（複数）に個々に分離することを含む。

本発明のさらなる利点，有利な実施形態，および有用性が、以下の実施例で図を参照した説明で示される。

内部電極（複数）が設けられたグリーン層（複数）の１つのブロックを概略的に示す。 上記のブロックから個々に分離された１つの部分ブロックを概略的に示す。 １つの部分ブロックを個々に分離することを示す。 １つのセラミック多層デバイスの製造方法を示し、これを参照して、図１〜３の本発明による方法の利点が説明される。

これらの図中で同じ要素、同様な要素、および同等に機能する要素には、同じ参照符号が付されている。これらの図、およびこれらの図に示された要素相互の大きさの関係は、縮尺通りとはなっていない。むしろ個々の要素は、より見易いように、および／またはより理解しやすいように、誇張して大きく図示されている場合がある。

これらの図は、セラミック多層デバイスの１つの製造方法を示すものである。

図１は、１つのブロック１を示す。このブロック１は、好ましくは、重なって積層され、かつ内部電極層（図示せず）が設けられたグリーン層（複数）５から成る１つの積層体のプレスによって形成または製造されている。積層方向は、図１の方向Ｚに対応している。さらにこれらのグリーン層５は、好ましくは事前に準備され、かつ好ましくはそれぞれ上記の内部電極（複数）の少なくとも１つが設けられている。これらのグリーン層５は、生成される１つのセラミックまたはセラミック層用のシートであってよい。これらの内部電極は、たとえばシルクスクリーン印刷を用いて、これらのセラミックシート上に印刷されてよい。

ブロック１は、１つの長手方向Ｘを有する。上記のグリーン層（複数）５が設けられている内部電極（複数）の積層体した後は、好ましくは２つの隣接するグリーン層５の間には少なくとも１つの内部電極層が存在する。これらの内部電極または内部電極層は、さらに積層方向で、横方向に交互にずれて配設されてよく、こうしてたとえば全ての１つおきの内部電極層だけがこの積層体の１つの側でアクセス可能であり、かつ接続することができる。

ブロック１は、プレスされた後、部分ブロック（複数）３に個々に分離される。このような部分ブロック３の１つが図２に示されている。部分ブロック（複数）３の輪郭が図１に切れ目すなわち裁断方向２によって示されている。個々に分離するとは、好ましくはこのブロック１を部分ブロック（複数）３に裁断することである。この裁断は、この個々の分離の際に、好ましくは長手方向Ｘに対し平行および垂直で行われる。具体的には、「長手方向Ｘに対し垂直」とは、好ましくはこの長手方向に対する横方向である。長手方向Ｘに対して垂直すなわち横方向で、このブロック１は好ましくは１回だけ裁断される。代替としてこのブロック１は、長手方向Ｘに対して横方向で複数回裁断されてよい。長手方向Ｘに対して横方向で裁断された部分ブロック（複数）３の数は、２〜１０であってよい。この長手方向Ｘに対して平行に、このブロック１は好ましくは多数回（図１ではたとえば４回）裁断される。この長手方向Ｘに対して平行に裁断された部分ブロック（複数）の数は、たとえば２〜５０であってよい（図１のＹ方向参照）。このブロックは、長手方向Ｘに対して平行に個々に分離するために、このブロック１の長手方向Ｘに対する横方向よりも多数回裁断される。これはこれによって製造コストが低減され得るからである（上記参照）。ここでこれらの部分ブロックの裁断面は、好ましくは所望の表面品質への要求を、たとえば表面粗さに関して既に満たしている。

図２は、上記のブロック１から個々に分離された部分ブロック（複数）３に対し、１つの部分ブロック３または棒状体を例示的に示す。

さらに本発明よる方法は、上記のブロック１を部分ブロック（複数）３に個々に分離した後に、これらの部分ブロック３を熱処理することを含む。この熱処理は、これらの部分ブロック３から炭素を除去するために、たとえば低酸素の雰囲気でのこれらの部分ブロック３の脱炭を含んでよい。この低酸素雰囲気は、酸素分圧が低減された雰囲気であってよい。低減された酸素分圧によって、特にたとえば銅（Ｃｕ）から成る内部電極の酸化が防止または制限され得る。好ましくはこの脱炭の後に、この熱処理はこれらのグリーン層を焼結してセラミックとすることを含む。

さらに本発明よる方法は、好ましくはこの熱処理の後に、上記の部分ブロック（複数）３の表面または側面を機械加工することを含む。この機械加工は、好ましくは、部分ブロック３または部分ブロック（複数）３の側面６，７，８，および９で行われる。

続いて個々の部分ブロック３の各々に、好ましくは外部電極（不図示）が設けられる。これらの外部電極（複数）は、好ましくはこれらの部分ブロック（複数）３の主側面（複数）に付けられるかまたは堆積される。これらの主側面は、図２に参照番号６および７で示されている。

これらの主側面６，７の機械加工に関しては、上述した研磨しろの問題であるこれらの側面６および７に見込まれている絶縁領域のために、とりわけ高度の要求が設定される。これらの絶縁領域は、積層方向において隣接する内部電極の横方向のずれによって形成することができ、これよりたとえばこれらの部分ブロックに外部電極（複数）側面６および７にそれぞれ設けることで、全ての１つおきの内部電極が、それぞれの外部電極と接続および／または電気的に導通して結合されるようになる。

図３は、これらの部分ブロック（複数）をその長手方向Ｘに対して横方向で個々に分離して、個々のセラミック多層デバイス１００にすることを示す。この際各々の部分ブロック３は、上記の外部電極（複数）が設けられた後、長手方向Ｘに対して横方向で個々に分離すなわち裁断される。後の（個々に分離した後の）、少なくともこのセラミック多層デバイス１００（図３右側）の側面６，７の熱処理および／または機械的処理は、上述の本発明による方法により最早必要ではなく、有利である。

上記の部分ブロック（複数）をセラミック多層デバイス（複数）１００に個々に分離した後に、本発明による方法は、これらの個々のセラミック多層デバイス１００を最終的に完成するさらなる処理ステップを含む。

上述の本発明による方法は、Ｃｕ内部電極を有する多層圧電アクチュエータの製造で利用することができる。さらに、他の電極タイプ、たとえばＡｇまたはＡｇＰｄからなるものを有するデバイスまたはアクチュエータも同様にして処理または製造することができる。

本発明の技術は他の製品でも、たとえば多層セラミックコンデンサでも利用することができ、ここでこれらの多層の部品または多層デバイスは、多くの処理ステップに渡ってブロックの一部としてまたは全ブロックとして加工され、個々に加工されることはない。

多層デバイス（複数）または部分ブロック（複数）の多数の構造形状のもの、たとえば３．４×３．４×２７ｍｍ³〜５．２×５．２×６０ｍｍ³のものが製造または生産された。

図４には、１つのセラミック多層デバイスの製造方法が示されており、これを参照して本発明による方法が図１〜３により説明される。特別な点が図１に示すブロック１である。このブロック１が個々に分離される（図４右側参照）部分ブロック（複数）３の輪郭は、上述したように、切れ目すなわち裁断方向２によって示されている。右側の図は、このブロック１から個々に分離された部分ブロック（複数）３に対し、１つの部分ブロック３または棒状体を例示的に示す。これらの切れ目２は、ここでは個々に分離されたものに対し、長手方向Ｘに対して平行に、および横方向に続いており、すなわち延伸している。本方法においては、このブロック１は、その長手方向Ｘに対して横方向で、上述した方法とは反対に、長手方向Ｘに対し平行な方向と全く同様にまたはほぼ同様に多数回裁断されてよい。図１〜３に記載した方法は、図４の方法に対して、（上述したような）セラミック多層デバイスを顕著に簡単に製造する利点を提供する。

本発明は上記の実施例を参照した説明によって限定されない。むしろ本発明は、特に請求項中の特徴の組み合わせそれぞれが含むいかなる新規な特徴、並びにいかなる新規な特徴の組み合わせをも、たとえその特徴またはその組み合わせがそれ自体として請求項または実施例に明示されていなくとも、含むものである。

１ ： ブロック
２ ： 裁断方向
３ ： 部分ブロック
５ ： グリーン層
６，７，８，９ ： 側面
１００ ： セラミック多層デバイス
Ｘ ： 長手方向
Ｙ，Ｚ ： 方向

Claims (10)

1. セラミック多層デバイス（１００）を製造するための造方法であって、
   前記セラミック多層デバイス（１００）用のグリーン層（複数）（５）を準備するステップと、
   前記グリーン層（５）を１つの積層体に積層し、続いて当該積層体をプレスして１つのブロック（１）とするステップと、
   前記ブロック（１）を長手方向（Ｘ）に沿って部分ブロック（複数）（３）にそれぞれ個々に分離するステップと、
   前記部分ブロック（３）を熱処理するステップ、および続いて当該部分ブロック（３）の表面（６，７，８，９）を機械加工するステップと、
   前記部分ブロック（３）に外部電極（複数）を設けるステップと、
   前記部分ブロック（３）をその長手方向（Ｘ）に対して横方向で個々に分離して、個々のセラミック多層デバイス（１００）にする分離ステップと、
   を備えることを特徴とする方法。
2. 前記内部電極は銅（Ｃｕ）から成ることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記ブロック（１）は、前記分離ステップのため、当該ブロック（１）の長手方向（Ｘ）に対し横方向に１回のみ裁断されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記ブロック（１）は、前記分離ステップのため、当該ブロック（１）の長手方向（Ｘ）に対し横方向に複数回裁断されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
5. 前記ブロック（１）は、前記分離ステップのため、当該ブロック（１）の長手方向（Ｘ）に対し平行に、当該ブロック（１）の長手方向（Ｘ）に対して横方向に裁断するよりも多数回裁断されることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記部分ブロック（３）の前記表面（６，７，８，９）は、対向する側面（６，７）で機械加工され、当該部分ブロック（３）の当該側面に外部電極（複数）が設けられることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記方法は、前記部分ブロック（３）に外部電極を設けた後に、たとえばはんだ、またははんだ処理によって、当該部分ブロック（３）に１つの外部接続部を設けるステップを備えることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記セラミック多層デバイス（１００）は、圧電多層デバイス、あるいは圧電アクチュエータであることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記セラミック多層デバイス（１００）は、多層コンデンサであることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法を用いて製造可能な、または製造されている圧電多層デバイス（１００）。

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