JP6292775B2 - セラミック流路構造体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、一体的なセラミック焼結体の内部に流路が形成されたセラミック流路構造体を製造するための方法に関する。

気体や液体を流通させる流路として、筐体内部に複数の流路を一体的に形成し、その流路を当該筐体外部に開口させた流路がある。例えば、多数のノズルを備えたインクジェットプリンター用のインク流路などがそれに当たる。このような流路の製造方法としては、ダイサーなどを用いて金属板表面に流路となる溝を形成し、その金属板の表面に蓋となる平板を接着する方法がある。しかし、極めて狭い間隔で複数の流路を平行して形成するような場合には、蓋となる平板の接着強度が不足したり、接着面から流体が漏れたりする可能性もある。また、硬い金属を切削して流路を形成するため、細い流路を精度良く形成することが難しく流路間が短絡する可能性もある。切削屑を除去する工程も必要となる。筐体が扁平な形状であれば外力によって曲がる可能性がある。

樹脂を射出成形して流路を形成する方法もあるが、高温の流体を通せば樹脂が変形したり、場合によっては熱分解して流路そのものが破損したりする。また、有機溶剤などの流路には使えない。微細な流路を形成するためには、樹脂の射出条件を厳密に制御する必要があり、金型に掛かるコストも嵩む。そして、金属や樹脂を用いて流路を形成する従来の流路製造方法では、立体的で複雑な流路を形成することが難しい。

そこで、磁器組成物の焼結体（セラミック）の内部に流路を形成する技術に注目されている。セラミックは金属酸化物などの焼結体であり、高い硬度を有して変形し難く、耐熱性や耐薬品性に優れるという特徴を有している。そして、以下の特許文献１には、積層インダクタなどの積層チップ部品の製造方法を応用してセラミックの内部に流路を形成する技術について記載されている。

周知のごとく、積層チップ部品は、粉体状のセラミック材料にバインダを混合したペーストをグリーンシートと呼ばれるシート状に形成し、そのグリーンシートを積層したり、層間に回路配線が形成された電極層を配置したりして積層体を形成し、その積層体を焼成することで製造される。そして、特許文献１に記載の技術では、この積層チップ部品の製造方法を応用し、積層体を構成するグリーンシートの一部に流路となる溝や孔を形成しておき、この溝や孔に化学処理あるいは物理処理によって除去可能な充填材料を充填しておき、焼結後の積層体からこの充填材料を除去する。それによって、グリーンシートに形成された溝や孔が流路となる。なお、充填材料を化学処理によって除去する方法としては強酸浸漬などがあり、物理的処理による除去方法としては、精密ドリル加工やレーザー加工などの方法がある。

特開２００１−２４７３７６号公報

上述したように、セラミックは変形しにくく、耐熱性、耐薬品性に優れている。そして、積層チップ部品の製造方法を応用することで、複雑な形状の流路を内蔵した構造体を一体的に成形することも可能である。しかしながら、従来のセラミック内部に流路を備えた構造体（以下、セラミック流路構造体と称する）の製造方法では、流路となる溝や孔に充填しておいた充填材料を焼結後に化学的処理あるいは物理的処理により除去していた。すなわち、充填材料の除去工程が必須であり、製造コストが嵩む。

また、流路が微細であると、充填材料が流路内に残存する可能性もある。例えば、化学的処理によって充填材料を除去する場合では、その処理に用いる薬品（強酸性液体など）が流路の奥まで浸透しない可能性がある。確実に薬品を浸透させようとすれば長時間を要することになり生産性が悪化し製造コストが増加する。物理的処理による除去では、ドリルなどを用いて機械的に除去すれば、その除去に際して発生した切削屑が流路内に残存する可能性がある。レーザー加工では充填材料を蒸発させてしまうため、切削屑は発生しないが、流路が立体的な形状である場合には、流路の開口からレーザー光線を照射するため、複雑に屈曲する流路の全域に亘って充填材料を除去することができない。もちろん、ドリルでも立体的な流路に対応することができない。

本発明は以上のような問題に鑑みなされたもので、その主たる目的は、磁器組成物の焼結体の内部に、微細で複雑な形状の流路を低コストで精度良く形成することができるセラミック流路構造体の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明は、磁器組成物を焼成させてなる焼結体の内部に流路が形成されてなるセラミック流路構造体の製造方法であって、
平板の表裏を貫通する孔を備えたグリーンシートを含む複数枚のグリーンシートを作製するシート作製ステップと、
前記孔を備えたグリーンシートの当該孔に溶媒によって溶解させた樹脂からなる充填剤を充填する充填ステップと、
前記グリーンシートを上下方向に積層して積層体を形成する積層ステップと、
前記積層体を切断する裁断ステップと、
前記積層体を焼成温度より低い温度で熱処理する脱脂ステップと、
前記脱脂ステップを経た前記積層体を焼成して前記焼結体を得る焼成ステップと、
を含み、
前記シート作製ステップによって作製される前記グリーンシートには、スリット状の孔を備えたグリーンシートが含まれ、
前記積層ステップでは、前記充填ステップを経たグリーンシートによって前記積層体の内部に前記充填剤が充填された状態の流路が形成され、
前記裁断ステップでは、上面と下面がそれぞれ所定の形状となるように切断するとともに、前記スリット状の孔の端部を前記流路の開口端として前記積層体の側面に露出させ、
前記樹脂は、前記焼結体の焼成温度よりも低い温度での熱処理によって分解することで、前記焼成ステップにより得られた焼結体の内部に前記孔から前記充填剤が除去されて空洞の流路が形成される、
ことを特徴とするセラミック流路構造体の製造方法としている。

また、前記樹脂が前記脱脂ステップにおける熱処理の温度によって分解することとすれば、より好ましい。さらに、前記焼成ステップでは、前記脱脂ステップによる分解時に除去できなかった前記樹脂の残渣を焼失させることとしてもよい。

本発明のセラミック流路構造体の製造方法によれば、微細で複雑な形状の流路を低コストで精度良く形成することができる。

セラミック流路構造体の一例を示す図である。 本発明の実施例に係るセラミック流路構造体の製造方法を示す工程図である。 上記実施例の方法によって製造されるセラミック流路構造体の製造途上における状態を示す図である。 上記実施例の方法で製造されたセラミック流路構造体の顕微鏡写真である。

＝＝＝セラミック流路構造体について＝＝＝
図１は本発明の実施例に係る製造方法によって製造されたセラミック流路構造体１の一例を示す図である。図１（Ａ）はそのセラミック流路構造体１の外観図であり、（Ｂ）は（Ａ）におけるａ−ａ矢視断面図である。このセラミック流路構造体１の基本的な構造は、アルミナやフェライトなどの磁器組成物（セラミック材料）を所定の形状に成形した上で焼成して得た焼結体であり、この例では、厚い板状の外観形状を有し、当該セラミック流路構造体１の内部には気体や液体を流通させるための空洞状の１０本の流路１０が個別に形成されて、各流路１０がセラミック流路構造体１の表面にて開口している。

ここで、板状の外観形状における厚さ方向を上下方向として、上下前後左右の各方向を図中に示したように規定すると、各流路１０の形状は、（Ｂ）に詳しく示したように、板状のセラミック流路構造体１の周囲を巡る側面の一つ（以下、前面）４と上面２に開口（１１ｂ、１１ａ）を有し、セラミック流路構造体１の内部では前面４の開口１１ａと上面２の開口１１ｂが相互に連絡し、これらの開口（１１ａ、１１ｂ）を流体の流入口あるいは流出口とした流路１０が形成されている。具体的には、前面４に開口１１ａを有して後面５に向かって延長する矩形断面の流路（以下、横流路とも言う）１０ａと、上面２に開口１１ｂを有して下面３方向に延長する円形断面の流路（以下、縦流路とも言う）１０ｂとがセラミック流路構造体１の内部で接続してＬ字型に屈曲した流路１０が形成されている。そして、１０本の流路１０が左右方向に互いに平行となるように形成されている。

＝＝＝本発明の実施例＝＝＝
本発明の実施例として、図１に示した内部にＬ字型の流路１０を有するセラミック流路構造体１の製造方法を挙げる。図２は当該製造方法の工程図であり、図３は製造途上にあるセラミック流路構造体１の状態を示しており、図２に示した各工程（ｓ１〜ｓ１０）中の適宜な工程における状態を示している。なお、この図３ではセラミック流路構造体１を構成する部材などの構造や状態が理解し易いように細部を簡略化して示している。以下、図２と図３に基づいて本実施例に係るセラミック流路構造体１の製造方法について説明する。

まず、アルミナやフェライトなどの周知のセラミック材料からなる粉末をバインダ、分散剤、溶媒とともにボールミルを用いて混合し、スラリー状のペーストにする（Ｓ１）。つぎに、そのペーストをドクターブレードシート成形機を用いて所定の厚さ（例えば、１００μｍ）のシート状に成形する。すなわちグリーンシート２０を作製する（ｓ２）。そして、上述した混合工程（ｓ１）とシート成形工程（ｓ２）によって形成したグリーンシート２０を所用枚数分用意する（ｓ３→ｓ４）。

用意した複数枚のグリーンシート２０の内、所定数のグリーンシート２０に対し、流路（図１：符号１０）となる孔（２１ａ、２１ｂ）を打ち抜き器によって形成し（ｓ４→ｓ５）、表裏を貫通する孔（２１ａ、２１ｂ）が形成されたグリーンシート（２０ａ、２０ｂ）を作製する。この例では、図１に示したセラミック流路構造体１の横流路１０ａに対応するスリット状の孔２１ａが形成されたグリーンシート（以下、横流路用シートとも言う）２０ａと、縦流路１０ｂに対応する円形の孔２１ｂが形成されたグリーンシート（以下、縦流路用シートとも言う）２０ｂを用意する。

そして、これら孔（２１ａ、２１ｂ）が形成されたグリーンシート（２０ａ、２０ｂ）については、その孔（２１ａ、２１ｂ）に所定の温度以上で熱処理されると熱分解する樹脂を含んだ充填材料（以下、充填剤）３０を充填する（ｓ６）。本実施例ではアクリル樹脂を溶剤で溶かしてペースト状にしたものを充填剤３０としている。アクリル樹脂に代えてＰＶＡ（ポリビニルアルコール）やＰＶＢ（ポリビニルブチラール）などの樹脂を溶剤で溶かしたものを充填剤３０としてもよい。複数種類の樹脂を溶剤に溶かしたものを充填剤としたり、複数種類の充填剤を混合したりしてもよい。なお、本実施例では充填剤３０をディスペンサを用いて充填しているが、印刷技術を用いて孔（２１ａ、２１ｂ）に選択的に充填剤３０を充填することもできる。なお、充填剤３０の充填作業を容易にするために、樹脂中の溶剤の割合や種類を変えたり増粘剤を加えたりして充填剤３０の粘度を調整してもよい。いずれにしても所定の温度で熱処理すると分解する樹脂をペースト状にしたものを充填剤３０として、その充填剤３０をグリーンシート（２０ａ、２０ｂ）に形成された孔（２１ａ、２１ｂ）に充填する。

つぎに、流路１０の形状にしたがって、孔（２１ａ、２１ｂ）が形成されていない平板状のグリーンシート２０や横流路用シート２０ａおよび縦流路用シート２０ｂを積層し（ｓ７）、その積層構造物を圧着する（ｓ８）。それによって、各層のグリーンシート（２０、２０ａ、２０ｂ）同士が密着してなる積層体（１次積層体）１ａが形成される。この例では、１次積層体１ａは、平板状のグリーンシート２０を所定層数分積層し、その上に横流路１０ａの高さ方向のサイズに応じた枚数分の横流路用シート２０ａを積層し、さらにその上方に縦流路１０ｂの深さに応じた枚数分の縦流路用シート２０ｂを積層している。なお圧着に際しては、専用の治具を用いて１次積層体１ａの積層方向に機械的な圧力を加えてもよいし、周知の静水圧プレス機を用いてもよい。そして、１次積層体１ａの状態では、積層体１ａの前面４ａから横流路１０ａの開口１１ａが露出していない。

次に１次積層体１ａをダイサーや押切りカッターなどを用いて上面２の形状が所定の形状となるように裁断するとともに、横流路１０ａの開口１１ａを露出させる（ｓ９）。この例では１次積層体１ａの前面４ａ側と後面５ａ側をこれらの面（４ａ、５ａ）と平行となるように切断している（図３：点線Ｌ）。そして、裁断後の積層体（以下、２次積層体）１ｂを３００〜５００℃の温度で熱処理することでグリーンシート（２０、２０ａ、２０ｂ）中のバインダや充填剤３０を脱脂する（ｓ１０）。このとき充填剤３０中の樹脂が熱分解され、溶媒が揮発する。それによって充填剤３０が孔（２１ａ、２１ｂ）から除去され、脆いセラミック材料からなる積層体（以下、３次積層体）１ｃが形成される。最後にセラミック材料の焼結温度（例えば９００〜１３００℃）に応じた所定の温度でこの３次積層体１ｃ焼成すると、焼結体の内部に流路１０が形成されたセラミック流路構造体１が完成する。なお、３次積層体１ｃが薄い板状である場合には焼成によってその３次積層体１ｃ自体が反らないように、３次積層体１ｃの上下両面（２、３）をセッターなどで挟んだ状態で焼成させてもよい。

上述したように、本発明の実施例に係るセラミック流路構造体１の製造方法によれば、焼成後の焼結体から充填剤３０を除去する工程が不要であり、焼成後の焼結体がそのままセラミック流路構造体１となる。そのため、工程が簡略化されセラミック流路構造体１を安価に製造することが可能となる。また、立体的で複雑な形状の流路を精度良く形成することも可能となる。

図４に上記方法によって実際に製造したセラミック流路構造体（１０１、１０２）の一部拡大写真を示した。なお、ここに示したセラミック流路構造体（１０１、１０２）は、扁平箱状の外観形状を有し、対向する側面（前面または後面：４、５）に開口１１ａを有して、その開口１１ａ間を直線状に貫通する複数の横流路が左右方向に平行して形成されている。また各流路の開口１１ａおよび断面は一辺が５００μｍの正方形である。なお図４（Ａ１）（Ａ２）は、セラミック材料としてフェライトを用いたセラミック流路構造体１０１を示しており、（Ｂ１）（Ｂ２）はアルミナをセラミック材料としたセラミック流路構造体１０２を示している。そして、（Ａ１）（Ｂ１）は、扁平箱状のセラミック流路構造体（１０１、１０２）の側面（前面または後面：４、５）を拡大した光学顕微鏡写真であり、（Ａ２）（Ｂ２）は、その側面（４、５）に形成された開口１１ａの一つを拡大したレーザー顕微鏡写真である。

この図４に示したように、上記実施例の方法で製造したセラミック流路構造体（１０１、１０２）では、縦横のサイズが５００μｍの微細な流路であるにもかかわらず、開口１１ａの形状が鮮鋭であり、流路が精度よく形成されていることがわかる。そして、これらのセラミック流路構造体（１０１、１０２）の全ての流路に対し、一方の開口からインクを流入させたところ、内部でインクが滞留することなく他方の開口から円滑に流出した。また、漏れや隣接する流路間での短絡などもなかった。すなわち、高粘度の流体であっても円滑にかつ確実に流通させることができた。

＝＝＝その他の実施例＝＝＝
本発明の方法で製造されるセラミック流路構造体は、上記実施例によって製造された構造に限らず、グリーンシートに形成する孔の形状を変えることで、例えば、横流路と縦流路を自在に組み合わせて立体的な流路形状としたり、一本の流路を複数本の流路に分岐させたりするなど多種多様な形状の流路を形成することができる。もちろん、外観形状も扁平箱状に限定されない、グリーンシートの総数を増やせば、上下方向に複数の横流路を形成することも可能である。上面形状も円形や多角形状など適宜な形状とすることができる。１次積層体を上面から下面に向かって斜めに切断して上面形状と下面形状が異なる外観形状とすることもできる。いずれにしても、セラミック流路構造体の用途や設置場所、各流路の経路（開口の位置）などに応じて外観形状は自由に設定することができる。

上記実施例では、あらかじめ作製しておいた平板状のグリーンシートに打ち抜き機を用いて孔を形成していた。もちろん、印刷技術によりグリーンシートの作製と同時に孔を形成することもでききる。いずれにしても、最終的に焼結体中の流路となる孔が形成されたグリーンシートを作製する工程があればよい。

上記実施例では、充填剤３０には脱脂時の温度（３００〜５００℃）で分解する樹脂が含まれていた。もちろん、樹脂の種類によっては脱脂時の温度よりも高い温度で分解するものがあり、このような樹脂を用いて焼成過程の温度で分解させることもできる。しかし、上記実施例では、柔らかい樹脂が積層体内部に存在する状態で焼成することで、セラミック材料と充填剤３０との熱応力の差による亀裂や変形が生じるという可能性や、煤の発生によって流路内が汚染される可能性などを考慮し、脱脂工程によって充填剤３０中の溶媒を揮発させ、樹脂を熱分解させていた。また、脱脂時の温度で樹脂を分解させることは、脱脂時に残渣が発生したとしても、その後のさらに高い温度でその残渣が焼失し、流路の狭窄を確実に防止できるという利点もある。

１，１０１，１０２ セラミック流路構造体、１ａ〜１ｃ 積層体、
１０、１０ａ、１０ｂ 流路 １１ａ，１１ｂ 流路の開口、
２０，２０ａ，２０ｂ グリーンシート、２１ａ，２１ｂ 孔、３０ 充填剤、
ｓ１ 材料混合工程、ｓ２ グリーンシート作製工程、ｓ５ 孔開け工程、
ｓ６ 充填剤の充填工程、ｓ７ 積層工程、ｓ８ 圧着工程、ｓ１０ 脱脂工程、
ｓ１１ 焼成工程

Claims (3)

1. 磁器組成物を焼成させてなる焼結体の内部に流路が形成されてなるセラミック流路構造体の製造方法であって、
   平板の表裏を貫通する孔を備えたグリーンシートを含む複数枚のグリーンシートを作製するシート作製ステップと、
   前記孔を備えたグリーンシートの当該孔に溶媒によって溶解させた樹脂からなる充填剤を充填する充填ステップと、
   前記グリーンシートを上下方向に積層して積層体を形成する積層ステップと、
   前記積層体を切断する裁断ステップと、
   前記積層体を焼成温度より低い温度で熱処理する脱脂ステップと、
   前記脱脂ステップを経た前記積層体を焼成して前記焼結体を得る焼成ステップと、
   を含み、
   前記シート作製ステップによって作製される前記グリーンシートには、スリット状の孔を備えたグリーンシートが含まれ、
   前記積層ステップでは、前記充填ステップを経たグリーンシートによって前記積層体の内部に前記充填剤が充填された状態の流路が形成され、
   前記裁断ステップでは、上面と下面がそれぞれ所定の形状となるように切断するとともに、前記スリット状の孔の端部を前記流路の開口端として前記積層体の側面に露出させ、
   前記樹脂は、前記焼結体の焼成温度よりも低い温度での熱処理によって分解することで、前記焼成ステップにより得られた焼結体の内部に前記孔から前記充填剤が除去されて空洞の流路が形成される、
   ことを特徴とするセラミック流路構造体の製造方法。
2. 請求項１において、前記樹脂は、前記脱脂ステップにおける熱処理の温度によって分解することを特徴とするセラミック流路構造体の製造方法。
3. 請求項２において、前記焼成ステップでは、前記脱脂ステップによる分解時に除去できなかった前記樹脂の残渣を焼失させることを特徴とするセラミック流路構造体の製造方法。