JPH08132425A - 積層セラミックの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 グリーンシートを積層して焼成する際に、せ
ん断加工に起因するだれやかえり等の欠陥を容易に解消
できる積層セラミックの製造方法を提供する。 【構成】 せん断加工によって窓３１が形成された基板
部３０を圧電活性部２１の上面および下面に密着させ等
方圧プレスを行うと、グリーンシートの積層物が得られ
る。次に、ディスペンサ６１を用いて焼結可能なペース
ト６０を接合部の隅に充填、塗布して、滑らかな表面を
形成する。その後、焼成工程を経由することによって、
基板部３０および圧電活性部２１のグリーンシートがセ
ラミックに変化するとともに、接合部に塗布したペース
ト６０も焼結して固化し、くびれが埋まるように滑らか
な表面が形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、セラミック粉末をバイ
ンダで混練して成るグリーンシートの加工方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、積層セラミック製品を製造する場
合、たとえばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などのセ
ラミック材料から成るグリーンシートを所定寸法に裁断
した後、複数枚の裁断シートを積層したものを合成樹脂
製の袋に封入して真空パックを施し、等方圧プレスをか
けてシート間の密着性を向上させ、その後真空パックの
袋を開封してシート積層体を取出してから、金型にセッ
トして穴あけや打抜き等の加工を行っている。

【０００３】図８は、積層セラミック製品の一例を示す
分解斜視図である。この積層セラミック製品は圧電素子
を切り出す前の中間製品であり、ＰＺＴシートが多数積
層され、各層間に内部電極が形成された圧電活性部１
と、同様にＰＺＴシートが多数積層された２枚の基板部
２とが互いに密着して構成され、その後焼成することに
よって硬化したセラミック製品になる。なお、基板部２
の中央付近には、貫通した窓３が予め形成されている。

【０００４】図９は、基板部２の窓３を打抜く様子を示
す工程図である。まず図９（ａ）において、金型の下刃
（ダイ）６の上に基板部２を乗載して、下刃６に対して
所定クリアランスを持つ上刃（パンチ）４および押え５
を下降する。次に図９（ｂ）では押え５が基板部２を押
圧して固定し、図９（ｃ）では上刃４が基板部２と接触
して塑性変形が始まり、図９（ｄ）では上刃４が基板部
２に食い込んで、上刃４と接触した部分が下刃６の下穴
に押し出され、図９（ｅ）では上刃４と接触した部分が
破断する。こうして基板部２に窓３を形成している。

【０００５】図１０は、基板部２の窓３の形状を示す断
面図である。窓３の切口を見ると、上面から順番に、塑
性変形の段階で生じただれ７と、食い込み段階で生じた
せん断面８と、破断の段階で生じた破断面９およびかえ
り１０の各部分に分かれる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】基板部２に窓を形成す
る場合、金型によるせん断加工を用いると、図１０に示
すように、基板部２の下面にかえり１０が発生してしま
う。かえり１０が生じた基板部２をそのまま圧電活性部
１に密着させると、かえり１０が圧電活性部１に食い込
んでしまう。この状態で焼成すると、図１１（ａ）に示
すように、かえり１０が接触した圧電活性部１の表面に
凹みが発生する。その後、図１１（ｂ）に示すように、
蒸着やスパッタリングを用いて、基板部２の表面および
端面ならびに圧電活性部１の表面に外部電極１１を形成
すると、段差部分に外部電極１１が形成されず、導通不
良の欠陥が発生してしまう。

【０００７】本発明の目的は、グリーンシートを積層し
て焼成する際に、せん断加工に起因するだれやかえり等
の欠陥を容易に解消できる積層セラミックの製造方法を
提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、積層した第１
および第２のグリーンシートを用意する工程と、 第１
のグリーンシートにせん断加工を行う工程と、せん断加
工された第１のグリーンシートに焼結可能なペーストを
塗布する工程と、第１のグリーンシートと第２のグリー
ンシートとをペーストを介して接合する工程と、接合さ
れた第１および第２のグリーンシートを焼成する工程と
を含むことを特徴とする積層セラミックの製造方法であ
る。また本発明は、焼結可能なペーストは、第１および
第２のグリーンシートと同一材料から成るペーストであ
ることを特徴とする。また本発明は、積層した第１およ
び第２のグリーンシートを用意する工程と、第１のグリ
ーンシートにせん断加工を行う工程と、第１のグリーン
シートと第２のグリーンシートとを接合する工程と、第
１のグリーンシートと第２のグリーンシートとの接合部
に焼結可能なペーストを塗布する工程と、接合された第
１および第２のグリーンシートを焼成する工程とを含む
ことを特徴とする積層セラミックの製造方法である。ま
た本発明は、焼結可能なペーストは、第１および第２の
グリーンシートと同一材料から成るペーストであること
を特徴とする。

【０００９】

【作用】本発明に従えば、せん断加工された第１のグリ
ーンシートに焼結可能なペーストを塗布した後、第１の
グリーンシートと第２のグリーンシートとをペーストを
介して接合することによって、せん断加工によって発生
しただれやかえり等の欠陥にペーストが充填され、第１
のグリーンシートと第２のグリーンシートとの接合部に
生じたくびれが解消される。こうしてペーストで補修さ
れたグリーンシートを焼成することによって、接合部に
欠陥の無い積層セラミックが得られる。その後、接合部
を含む表面に外部電極を形成すると、接合部での導通が
確実に得られる。

【００１０】また本発明に従えば、せん断加工された第
１のグリーンシートを第２のグリーンシートに接合し
て、この接合部に焼結可能なペーストを塗布することに
よって、せん断加工によって発生しただれやかえり等の
欠陥にペーストが充填され、接合部に生じたくびれが解
消される。こうしてペーストで補修されたグリーンシー
トを焼成することによって、接合部に欠陥の無い積層セ
ラミックが得られる。その後、前述と同様に、接合部を
含む表面に外部電極を形成すると、接合部での導通が確
実に得られる。

【００１１】また、焼結可能なペーストは、第１および
第２のグリーンシートと同一材料から成るペーストであ
ることによって、焼結後の接合強度が向上する。

【００１２】なお、本明細書で使用する「せん断加工」
とは、ａ）板材を直線または曲線に沿って切断する狭義
の「せん断」、ｂ）板材を上刃および下刃で打抜いて、
所定形状の製品に切り取る「打抜き」、ｃ）板材を上刃
および下刃で打抜いて、所定形状の穴を形成する「穴あ
け」を含む広義の概念である。

【００１３】

【実施例】図１は、本発明を適用して得られる圧電素子
を示す斜視図である。圧電素子２０は、電圧印加によっ
て伸縮する圧電活性部２１と、圧電活性部２１を両側か
ら保持する基板部３０と、圧電活性部２１の内部電極２
３、２４と電気的に接続された外部電極３２、３３など
で構成される。

【００１４】圧電活性部２１は、ＰＺＴシートが多数積
層されて構成され、各層間に内部電極２３、２４が交互
に形成される。基板部３０は、同様にＰＺＴシートが多
数積層されて構成される。こうした圧電活性部２１およ
び基板部３０は互いに密着した後、焼成によって硬化し
一体化する。その後、蒸着やスパッタリングを用いて、
圧電活性部２１および基板部３０の表面および端面に外
部電極３２、３３を形成している。圧電活性部２１の先
側端面（図１の左方）には内部電極２４が露出してお
り、外部電極３２と接続している。また、圧電活性部２
１の後側端面（図１の右方）には内部電極２３が露出し
ており、外部電極３３と接続される。

【００１５】次に圧電素子２０の動作について説明す
る。外部電極３２、３３に電圧を印加すると、内部電極
２３と内部電極２４との間に電界が発生し、圧電活性部
２１のＰＺＴ層は厚さ方向に分極し、圧電効果によって
応力が発生する。応力は圧電活性部２１に厚さ方向の縦
ひずみを発生させ、さらにポアソン比に応じた横ひずみ
を圧電素子２０の長手方向に発生する。そこで、圧電素
子２０の後側を固定すると、先端が印加電圧に応じて直
線変位することになる。こうして電気信号を機械的変位
に変換する圧電素子２０が得られ、たとえばインクジェ
ットプリンタのインクノズルに搭載することによって、
小型軽量で高速印字が可能なプリンタが実現する。

【００１６】図２は、圧電素子２０の製造方法を示す工
程図である。まず工程Ｓ１において、ＰＺＴ粉末、バイ
ンダ、可塑剤、分散界面活性剤、消泡剤、純水等を所定
比率で混合してスラリー状のグリーンシート原料を調合
する。次に工程Ｓ２では、スラリー状の原料を移動する
ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルムの上に
載せて、ブレードを用いて厚さ２６〜２７μｍ程度に均
一に延ばしてグリーンシートを成型し、その後グリーン
シートとＰＥＴフィルムとを剥離してそれぞれロール状
に巻き取る。

【００１７】ここから圧電活性部２１の工程Ｓ３〜Ｓ７
と、基板部３０の工程Ｓ８〜Ｓ１２とに分かれる。工程
Ｓ３において、ロール状に巻き取られたグリーンシート
を解きつつ、たとえば１００ｍｍ×９０ｍｍの寸法に裁
断し、工程Ｓ４で裁断シートに透過光を照射して、ピン
ホールや異物等の欠陥の有無を検査して、不良シートを
除去する。工程Ｓ５では、図１の内部電極２３、２４の
形状に対応した２種類の印刷パターンを用いて、裁断シ
ート上に電極ペーストをスクリーン印刷し、工程Ｓ６で
室温で２分間放置してインク表面を滑らかにするレベリ
ングを行い、温度６０℃で４分間放置して乾燥させる。
こうして得られた２種類の電極パターンが印刷されたシ
ートを交互に合計１９枚積層し、さらに印刷無しのシー
トを２枚ずつ両側に積層して、圧電活性部２１の焼成前
の積層グリーンシートを得る。

【００１８】一方、工程Ｓ８〜Ｓ９では、工程Ｓ３〜Ｓ
４と同様に、ロール状のグリーンシートを解きつつ所定
寸法に裁断した後、欠陥検査を行う。工程Ｓ１０では、
裁断シートを１４枚積層した後、塩化ビニル樹脂製の袋
に収納して真空引きを約１００秒間行って密閉し、さら
に別の袋に収納して真空引きを約３０秒間行って密閉
し、耐水性向上のため２重袋構造の真空パックを施す。
工程Ｓ１１では、ＷＩＬ（温水静水圧ラミネート）装置
を用いて、真空パック状態の積層グリーンシートを水等
の液体で充たされた高圧容器内に投入し、温度６０℃、
静水圧５００ｋｇ／ｃｍ² 、圧力保持時間５分間の条件
で等方圧プレスを施す。この等方圧プレスはパスカルの
原理を利用したもので、両側から挟む方式の機械的プレ
スと比べて、表面形状に凹凸があっても印加圧力の大き
さおよび方向が均一になるため、積層グリーンシートの
密着性を格段に向上させることができる。次に工程Ｓ１
２で真空パックを開封し、積層グリーンシートを金型に
セットし、打抜きによるせん断加工を行って、基板部３
０に窓を形成する。

【００１９】次に工程Ｓ１３において、工程Ｓ７で得ら
れた圧電活性部２１用の積層グリーンシートの両面に工
程Ｓ１２で得られた基板部３０用の積層グリーンシート
を配置し、治具を用いて相互に位置決めし、水系グルー
を塗布して、温度４０℃、圧力４０ｋｇ／ｃｍ² 、プレ
ス時間５秒間の条件でプレスし、積層グリーンシート同
士を仮圧着する。

【００２０】図３は工程Ｓ１３で得られる積層グリーン
シートの分解断面図であり、図４はその平面図である。
内部電極２３が印刷されたＰＺＴシート２２と内部電極
２４が印刷されたＰＺＴシート２２とを交互に積層して
圧電活性部２１を構成し、さらに圧電活性部２１の上面
および下面には窓３１が形成された基板部３０を密着さ
せる。基板部３０には８×６個の窓３１が形成され、図
１に示す圧電素子２０の先端同士および後端同士が連設
するように配置される。窓３１の領域では内部電極２
３、２４同士が重なるように印刷しており、焼成後は内
部電極２３、２４で挟またれ部分が圧電動作を行う。な
お、全体の厚さを均一化するため、窓３１以外の幅広部
分でも内部電極２３、２４同士を重ねているが、この部
分は内部電界が印加されず圧電動作を行わない。

【００２１】図２に戻って、工程Ｓ１４では、合体した
積層グリーンシートの両面にゴム等から成る弾性シート
を介在させてから、工程Ｓ１０と同様な２重袋構造の真
空パックを施し、工程Ｓ１５でＷＩＬ装置に投入し、温
度６５℃の液体に２０分間放置し、さらに温度６０℃で
２分間放置した後、温度６０℃、静水圧１０００ｋｇ／
ｃｍ² 、圧力保持時間２０分間の条件で等方圧プレスを
施す。ここで、積層グリーンシートの両面には基板部３
０の窓が露出しているため、そのまま真空パックして等
方圧プレスを作用すると、窓の部分に不均一な圧力がか
かって歪みが発生することがある。そこで、弾性シート
を介在させて真空パックを施すことによって、弾性シー
トが圧力の不均一を解消するため、歪み発生を低減でき
る。

【００２２】次に工程Ｓ１６で、ジルコニアと小麦粉を
３：７の体積比で混合した粉を積層グリーンシートの表
面にまぶした後、ＰＺＴダミーシートおよびＭｇＯから
成るセッター基板で挟み、工程Ｓ１７で温度５００℃で
１．５時間加熱して、グリーンシート内のバインダを気
化させる仮焼を行って、工程Ｓ１８で温度１１５５℃で
３時間加熱して焼成する本焼を行うと、厚さ１ｍｍ程度
の積層セラミックが得られる。

【００２３】次に工程Ｓ１９において、積層セラミック
の表面にガラスビーズを噴出させて、表面に付着したジ
ルコニア粉を除去し、工程Ｓ２０で積層セラミックをシ
リコンウエハにワックスで固定し、ダイシングソーを用
いて所定形状に切断する。

【００２４】図５（ａ）は、工程Ｓ２０で切断された積
層セラミックの平面図である。図４に示す窓３１の配列
において、窓３１以外の幅狭部分および幅広部分の中心
を切断すると、図５（ａ）に示す８個の窓３１を有する
形状が得られ、幅狭部分が圧電素子２０の先端に対応
し、幅広部分が圧電素子２０の後端に対応する。

【００２５】図２に戻って、工程Ｓ２１で切断された積
層セラミックの表面を研磨した後、内部電極２３、２４
が露出するように端面を研磨する。工程Ｓ２２で積層セ
ラミックをクロロセン溶媒で超音波洗浄および蒸気洗浄
を行ってワックスを除去し、さらに工程Ｓ２３で界面活
性剤、純水、イソプロピルアルコールなどを用いて超音
波洗浄を行ってから充分に乾燥させる。

【００２６】次に工程Ｓ２４で積層セラミックをマスキ
ング治具に収納した後、蒸着やスパッタリング等を用い
て、Ｃｒ（厚さ０．２μｍ）、Ｎｉ（厚さ０．４μ
ｍ）、Ａｕ（厚さ０．２μｍ）の順で成膜し、図５
（ｂ）に示すような外部電極３２、３３を形成する。工
程Ｓ２５で図５（ｂ）の積層セラミックを８個に分割し
て、図５（ｃ）に示すように、窓３１が１つの積層セラ
ミックにカットして、さらに図５（ｄ）に示すように、
幅８０μｍ程度にカットすると、図１に示す圧電素子２
０が多数得られる。

【００２７】図６は、欠陥補修工程の一例を示す断面図
である。工程Ｓ１５において、せん断加工によって窓３
１が形成された基板部３０を圧電活性部２１の上面およ
び下面に密着させ、ＷＩＬ装置による等方圧プレスを行
うと、グリーンシートの積層物が得られる。このとき、
基板部３０と圧電活性部２１の接合部において、せん断
加工のかえりに起因するくびれが発生する。そこで、デ
ィスペンサ６１を用いて、ＰＺＴペーストやガラスペー
ストなど、焼結可能なペースト６０を接合部の隅に充
填、塗布して、滑らかな表面を形成する。このとき基板
部３０の窓３１の各辺に塗布する。

【００２８】その後、工程Ｓ１７の仮焼、工程Ｓ１８の
本焼を経由することによって、基板部３０および圧電活
性部２１のグリーンシートがセラミックに変化するとと
もに、接合部に塗布したペースト６０も焼結して固化
し、くびれが埋まるように滑らかな表面が形成される。
次に、工程Ｓ２４において、図５（ｂ）に示すような外
部電極３２、３３を形成すると、ペースト６０が焼結し
た部分の表面に電極が形成され、窓３１の段差部での導
通不良を防止できる。

【００２９】図７は、欠陥補修工程の他の例を示す断面
図である。工程Ｓ１３において、せん断加工によって窓
３１が形成された基板部３０の片面、すなわちかえりが
発生した面に、ＰＺＴペーストやガラスペーストなど、
焼結可能なペースト６０をスクリーン印刷などで塗布す
る。このとき全面塗布であっても、かえり部分を重点に
塗布する部分塗布であってもよい。こうしてペーストが
塗布された基板部３０を圧電活性部２１の上面および下
面に密着させ、ＷＩＬ装置による等方圧プレスを行う
と、グリーンシートの積層物が得られる。このとき、塗
布されたペースト６０が基板部３０と圧電活性部２１の
接合部ににじみ出て、接合部の隅に滑らかな表面を形成
する。

【００３０】その後、前述と同様に、工程Ｓ１７の仮
焼、工程Ｓ１８の本焼を経由することによって、基板部
３０および圧電活性部２１のグリーンシートがセラミッ
クに変化するとともに、接合部に塗布したペースト６０
も焼結して固化し、くびれが埋まるように滑らかな表面
が形成される。次に、工程Ｓ２４において、図５（ｂ）
に示すような外部電極３２、３３を形成すると、ペース
ト６０が焼結した部分の表面に電極が形成され、窓３１
の段差部での導通不良を防止できる。なお、図７では基
板部３０と圧電活性部２１の接合面にペーストが介在し
ているため、接合性が良好となり、接合強度が格段に向
上する。

【００３１】下記の表は、製造方法の違いによる欠陥発
生率を示す。ここで、焼結前の窓１個当りの欠陥個数と
は、基板部３０と圧電活性部２１とを密着させた積層グ
リーンシートに対して、窓３１に正対するように照明光
を照射して、かえりによって発生した凹みの数を目視観
察によってカウントしたものである。また、焼結後の電
極付け不良率とは、基板部３０と圧電活性部２１とを密
着させた積層グリーンシートを焼結した後、外部電極３
２、３３を形成してから圧電素子２０にカットして、段
差部で発生した導電不良の割合を導通試験で検査したも
のである。

【００３２】

【表１】

【００３３】このように基板部３０と圧電活性部２１と
の接合部に焼成可能なペーストを充填して焼成すること
によって、段差部にくびれの無い積層セラミックが得ら
れる。したがって、外部電極３２を形成する場合、段差
部での導通不良を確実に防止することができる。

【００３４】

【発明の効果】以上詳説したように本発明によれば、せ
ん断加工された第１のグリーンシートと第２のグリーン
シートとの接合部に発生した欠陥部分に焼結可能なペー
ストが充填されるため、焼成後はくびれが無い滑らかな
表面を持つ積層セラミックが得られる。したがって、接
合部を含む表面に外部電極を形成すると、接合部での導
通が確実に得られ、導電不良などの欠陥発生率を格段に
低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用して得られる圧電素子を示す斜視
図である。

【図２】圧電素子２０の製造方法を示す工程図である。

【図３】工程Ｓ１３で得られる積層グリーンシートの分
解断面図である。

【図４】工程Ｓ１３で得られる積層グリーンシートの平
面図である。

【図５】図５（ａ）は工程Ｓ２０で切断された積層セラ
ミックの平面図であり、図５（ｂ）は工程Ｓ２４で外部
電極３２、３３を形成した状態の平面図であり、図５
（ｃ）（ｄ）は工程Ｓ２５でカットした状態の平面であ
る。

【図６】欠陥補修工程の一例を示す断面図である。

【図７】欠陥補修工程の他の例を示す断面図である。

【図８】積層セラミック製品の一例を示す分解斜視図で
ある。

【図９】図８の基板部２の窓３を打抜く様子を示す工程
図である。

【図１０】基板部２の窓３の形状を示す断面図である。

【図１１】図１１（ａ）は基板部２と圧電活性部１との
密着部分を示す拡大図であり、図１１（ｂ）は外部電極
１１の欠陥を示す拡大図である。

【符号の説明】

２０ 圧電素子 ２１ 圧電活性部 ２２ ＰＺＴシート ２３、２４ 内部電極 ３０ 基板部 ３１ 窓 ３２、３３ 外部電極 ６０ ペースト ６１ ディスペンサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 桜井 幸一 静岡県静岡市中吉田20番10号 スター精密 株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 積層した第１および第２のグリーンシー
   トを用意する工程と、 第１のグリーンシートにせん断加工を行う工程と、 せん断加工された第１のグリーンシートに焼結可能なペ
   ーストを塗布する工程と、 第１のグリーンシートと第２のグリーンシートとをペー
   ストを介して接合する工程と、 接合された第１および第２のグリーンシートを焼成する
   工程とを含むことを特徴とする積層セラミックの製造方
   法。
2. 【請求項２】 焼結可能なペーストは、第１および第２
   のグリーンシートと同一材料から成るペーストであるこ
   とを特徴とする請求項１記載の積層セラミックの製造方
   法。
3. 【請求項３】 積層した第１および第２のグリーンシー
   トを用意する工程と、第１のグリーンシートにせん断加
   工を行う工程と、 第１のグリーンシートと第２のグリーンシートとを接合
   する工程と、 第１のグリーンシートと第２のグリーンシートとの接合
   部に焼結可能なペーストを塗布する工程と、 接合された第１および第２のグリーンシートを焼成する
   工程とを含むことを特徴とする積層セラミックの製造方
   法。
4. 【請求項４】 焼結可能なペーストは、第１および第２
   のグリーンシートと同一材料から成るペーストであるこ
   とを特徴とする請求項３記載の積層セラミックの製造方
   法。