JPH1086366A - セラミックス素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】スクリーン印刷による、小型で、薄く均一な厚
さをもち、低価格で、特性が優れているセラミックス素
子の製造方法を提供する。 【解決手段】基板上に下部電極用ペーストを印刷した
（工程Ａ）後、この印刷体の内部気泡を除去し、表面を
平滑化するためのレベリング工程を実施する（工程A
1）。続いて、その上に圧電体用ペーストを印刷した
（工程Ｂ）後、同様のレベリング工程を実施する（工程
B1）。後は、従来技術と同様に、焼成し（工程Ｃ）、上
部電極を形成して（工程Ｄ）圧電素子を完成する。レベ
リング工程としては、ホットプレス、加熱、雰囲気制
御、超音波印加が有効である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、基板上にスクリ
ーン印刷したペーストを焼成する工程を含む、セラミッ
クス素子の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】エレクトロニクス機器に用いられるセラ
ミックス素子としては、圧電アクチュエータ、バリス
タ、サーミスタ、各種センサなどがある。これらのセラ
ミックス素子に対して、小型化、薄膜化、低価格化が要
求されている。従来のセラミックス素子の作製方法は、
バルク焼結体をチップ状に切り出し、基板に接着する方
法や、グリーンシートを積層して作製する方法などであ
った。そのため、小型化、低価格化の要求によって、セ
ラミックスチップの微小化、グリーンシートの薄膜化な
どが進められてきた。しかしながら、従来の技術では小
型化に限界があり、マイクロ素子化、低電圧で駆動する
ための薄膜化あるいは更なる低価格化のために、スクリ
ーン印刷を用いて基板上に直接、電極と機能性セラミッ
クスを形成する方法が開発、実用化されてきている。そ
の中で、素子の電気的特性や機械的特性を改善するため
には、膜厚の均一化、表面の平滑化及び内部気泡の除去
が重要な要件となる。

【０００３】例えば、圧電アクチュエータでは、微小な
圧電素子で大きな変位を得ることが要求されており、機
構が単純な屈曲式の圧電素子がマイクロデバイス分野で
多数利用されている。その例として、インクジェット記
録ヘッドにおいては、弾性変形が可能な振動板と呼ばれ
る基板上に下部電極を形成し、その上に圧電体を接合し
て圧電素子を構成し、この圧電素子を、インク流路を形
成する溝を加工されている流路基板に接合して、インク
ジェット記録ヘッドを作製している。圧電体はインク流
路の内のインク加圧室に対応する位置に接合されてお
り、圧電体に電圧パルスを印加することによって、圧電
体が伸縮し、インク加圧室の一部である振動板を屈曲さ
せ、インクで満たされているインク加圧室内のインクを
加圧し、ノズルからインクを吐出させるのである。小型
で多数のノズルを形成するためには、微小な圧電体を高
密度に配置することができるマイクロ化が必要であり、
また、低電圧で駆動できるようにするためには圧電体の
薄膜化が必要である。

【０００４】図５から図７は、このような圧電素子の例
を示す図で、図５は圧電素子５の全体を示す平面図、図
６及び図７は個々の圧電体３を拡大して示した図で、図
６は平面図、図７は断面図である。基板１の表面にフレ
キシブルプリント基板の接続部（図ではフレキ接続部）
21をもつ下部電極２が形成されており、その上に、多数
の、上部電極４をもつ圧電体３が形成されている。。

【０００５】この圧電素子の、スクリーン印刷を用いた
製造工程は図４の通りであり、ジルコニア製薄板の基板
１上に下部電極２を形成するための下部電極用白金ペー
ストをスクリーン印刷して乾燥し（工程Ａ）、次いで、
白金ペースト上に圧電体３を形成するためのチタン酸ジ
ルコン酸鉛系化合物（ＰＺＴ）ペーストをスクリーン印
刷して乾燥し（工程Ｂ）、これを 450℃に加熱してペー
スト中のバインダ−を除去した後、1200℃に加熱して焼
結し、白金の下部電極２及びＰＺＴの圧電体３を積層状
態で形成する（工程Ｃ）。この積層構造の圧電体３の表
面にマスクを用いて金をスパッタして上部電極４を形成
し（工程Ｄ）、圧電素子５を得る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】以上の説明から明らか
なように、バルク焼結体をチップ化したものを基板に接
合する方法やグリーンシートを積層する方法では、マイ
クロ化において、位置合わせが困難であり、機械加工に
よりコストが増大し、薄膜化においてはシート厚さに限
界がある。これに対して、スクリーン印刷を用いる製作
方法では、マイクロ化に関しては、位置合わせは可能で
あり、機械加工によるコストアップはなく、薄膜化に関
しても比較的容易に対処できる。

【０００７】一方、スクリーン印刷によるセラミックス
素子製作の問題点は、内部の空孔、表面のメッシュ跡や
亀裂及び膜厚のうねりが避けられないことである。特
に、電圧をかけて変形させる圧電体は、均一に電圧がか
かり、均一に力がかからなければ、素子の一部に破壊を
引き起こす場合がある。また、均一な電界強度を得るた
めには厚さを均一にすることが重要である。したがっ
て、表面が平滑でうねりが少なく、内部に空孔をもたな
いことが要求される。

【０００８】この発明が解決しようとする課題は、従来
のスクリーン印刷によるセラミック素子がもつ上記の問
題点を解消し、スクリーン印刷により、小型で、薄く均
一な厚さをもち、低価格で、特性が優れているセラミッ
クス素子を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明においては、基
板上にペーストをスクリーン印刷した後、印刷されたペ
ーストのレベリング工程により表面の平滑化と内部気泡
の除去を行う。レベリング工程としては、加熱工程、ホ
ットプレス工程、雰囲気制御工程あるいは超音波印加工
程が有効である。

【００１０】加熱工程と雰囲気制御工程は、印刷直後の
ペーストの粘度を下げることによって、表面を平滑化し
気泡を逃がす。ホットプレス工程は、乾燥後のペースト
を加熱して平板で加圧することによって、平滑化し気泡
を除去する。超音波印加工程は、印刷直後のペーストに
超音波振動を印加することで、気泡を逃がし表面を平滑
化する。

【００１１】

【発明の実施の形態】この発明の基本は、スクリーン印
刷されたペースト内の気泡を除去し、ペーストの厚さを
均一にするためのレベリング工程を、スクリーン印刷工
程の後に追加することである。図１は、図５から図７に
示したような、基板上に形成された、上下に電極をもつ
圧電体の集合体である圧電素子の、この発明による製造
方法を示す工程図である。従来技術の工程図である図４
と比較して明らかなように、下部電極用ペーストの印刷
工程（工程Ａ）の後、及び、圧電体用ペーストの印刷工
程（工程Ｂ）の後に、それぞれのレベリング工程（工程
A1及び工程B1）が追加されている。一般的には、個々の
スクリーン印刷工程毎にレベリング工程が追加される。

【００１２】以下に実施例について説明する。実施例は
全て図５から図７に示した構造の圧電素子の場合であ
り、圧電素子の構造は従来技術で説明したものと同じで
あるので説明は省略し、この発明の特徴であるレベリン
グ工程を中心に製造工程を具体的に説明する。 〔第１の実施例〕ジルコニア薄板からなる基板１上の所
定の位置に、下部電極２を形成するための白金ペースト
を乾燥後の厚さが10μm 以下になるように、スクリーン
印刷し、直ちに、この白金ペースト印刷体に60℃で10分
間の加熱によるレベリング工程を実施した。その結果、
このレベリング工程を実施しないものに比べて、乾燥後
の密度が1.1 倍に、表面粗さが中心線平均粗さ（Ra）で
80％に改善された。

【００１３】この改善効果は、実験によって得られた図
２の関係により説明することができる。図２は、白金ペ
ーストの粘度及び乾燥速度と温度との関係を示すもの
で、粘度を実線で、乾燥速度を破線で示し、細線は大気
中での関係、太線はアセトン雰囲気中での関係である。
この線図の細線の実線で示されている、大気中における
粘度と温度の関係をみると、温度の上昇に伴って粘度が
低下していることが分かる。この粘度の低下が、ペース
ト内の気泡を表面に浮き出させて除去し、同時に、スク
リーン印刷のメッシュ跡や表面のうねりなどを滑らかに
して表面を平滑化している。加熱すると粘度が下がるこ
とによって上記のような効果が現れるが、同時に乾燥速
度も大きくなり、逆に粘度を高くする。したがって、両
者の兼ね合いで最適温度を選ぶことが重要である。

【００１４】以上は大気中での加熱の場合であるが、図
２の太線で示したアセトン飽和蒸気圧雰囲気における関
係をみると、大気中の場合に比べて、室温においても粘
度は低下し、加熱することで更に粘度が低下している。
しかも、乾燥速度が大幅に低下しているので制御が容易
となり、ペースト厚さが薄い場合に、特に効果的であ
る。

【００１５】なお、以上の効果は白金ペーストに限られ
る効果ではなく、スクリーン印刷に使用する全てのペー
ストにおいても同様の効果が得られる。このようにして
形成した白金の下部電極用印刷体の上に、ＰＺＴペース
トを所定の位置に、乾燥後の厚さが30μm になるように
スクリーン印刷し、乾燥前に、白金ペーストと同様の加
熱によるレベリング工程を実施し、乾燥後に、表面の平
滑な超硬合金板に挟んで、150 ℃に加熱し、 500kg/cm²
の加重を２分間かけるホットプレス工程によるレベリン
グ工程を実施した。この結果、このレベリング工程を実
施しないものに比べて、乾燥後の密度が1.3 倍に、表面
粗さが中心線平均粗さ（Ra）で70％に改善された。

【００１６】このＰＺＴペーストの乾燥印刷体について
は、実験によって、図３に示すような、密度とホットプ
レス条件との関係が得られた。加熱することにより乾燥
印刷体内に含まれている有機バインダーが軟化し、加圧
により変形し易くなり、乾燥印刷体内に含まれている気
泡が押し潰され側面から外部に押し出され、密度が高く
なる。したがって、加熱温度が高いほど有機バインダー
がより軟化するので、低い圧力においても密度が向上す
る。更に、当然のことながら、スクリーン印刷のメッシ
ュ跡や表面のうねりなどが滑らかになり、表面が平滑化
し厚さが均一化される。

【００１７】この効果は、ＰＺＴペーストに限られる効
果ではなく、スクリーン印刷に使用する全てのペースト
においても同様の効果が得られる。以上の工程で基板１
上に形成された、白金ペーストによる下部電極用印刷体
とその上に形成されたＰＺＴペーストによる圧電体用印
刷体は、 450℃でバインダーを除去され、1200℃で焼結
されて、白金の下部電極２及びＰＺＴの圧電体３とな
る。このようにして得られた積層構造体の圧電体３の表
面の所定位置に、マスクを用いて金をスパッタして上部
電極４を形成し、図５から図７に示す構造の圧電素子５
を作製した。

【００１８】このようにして作製した圧電素子５にリー
ド線を取り付け、上部電極４と下部電極２に電圧を印加
すると、良好な屈曲変位が得られ、２億回の電圧パルス
印加の耐久試験においても、層間の剥離や特性劣化は発
生しなかった。 〔第２の実施例〕第２の実施例は、第１の実施例と同様
の工程で下部電極用印刷体を形成しＰＺＴペーストを印
刷した後、直ちに、溶剤雰囲気におけるレベリング工程
を実施するものである。

【００１９】溶剤雰囲気においてペーストの粘度が低下
し、乾燥速度も低下することは、第１の実施例におい
て、図２の説明の際に述べたが、その効果をＰＺＴペー
ストで確認したのが、この実施例である。乾燥後の厚さ
が30μm になるようスクリーン印刷されたＰＺＴペース
トは、直ちに、飽和蒸気圧のアセトンで充たされてい
る、20℃の密閉容器に10分間入れるというレベリング工
程にかけられた。この結果、このレベリング工程を実施
しないものに比べて、乾燥後の密度が1.2 倍に、表面粗
さが中心線平均粗さ（Ra）で75％に改善された。

【００２０】なお、続いて、温度を上げると、ペースト
の粘度は低下し、ペースト内の気泡はより抜け易くな
り、表面の平滑化も進むが、粘度が低下し過ぎたため
か、周辺部でだれやにじみを発生した。したがって、許
容範囲のだれやにじみに抑えるための条件設定が重要で
ある。 〔第３の実施例〕この実施例も、第１の実施例と同様の
工程で下部電極用印刷体を形成しＰＺＴペーストを印刷
した後、直ちに、超音波印加によるレベリング工程を実
施するものである。

【００２１】乾燥後の厚さが30μm になるようスクリー
ン印刷されたＰＺＴペーストは、直ちに、超音波を５分
間印加するというレベリング工程にかけられた。この結
果、レベリング工程を実施しないものに比べて、乾燥後
の密度が1.1 倍に、表面粗さが中心線平均粗さ（Ra）で
85％に改善された。超音波の印加によりペースト内部の
気泡が表面に浮き出し、表面が平滑化されるが、長時間
印加すると、周辺部のだれやにじみが発生した。したが
って、許容範囲のだれやにじみに抑えるための条件設定
が重要である。

【００２２】以上の実施例では、主に単独のレベリング
工程を説明してきたが、いろいろな組合せでより効果を
発揮することができる（例えば、加熱しながら超音波印
加するなど）。

【００２３】

【発明の効果】以上のように、この発明によってスクリ
ーン印刷した印刷体をレベリング工程にかけることによ
り、内部の気泡が除去されて密度が高くなり、スクリー
ン印刷のメッシュ跡や表面のうねりなどが滑らかにされ
て厚さが均一化できる。したがって、この発明によれ
ば、スクリーン印刷によりマイクロ化でき、薄くて欠陥
が少なく厚さが均一な電極及びセラミックスが形成で
き、したがって、小型で、薄く、安価な、電気的、機械
的特性の優れたセラミックス素子を作製することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明によるセラミックス素子製造方法の実
施例を示す工程図

【図２】ペーストの粘度及び乾燥速度と温度及び雰囲気
の関係を示す線図

【図３】ペーストの密度とプレス圧及び温度の関係を示
す線図

【図４】従来技術によるセラミックス素子製造方法の例
を示す工程図

【図５】インクジェット記録ヘッド用圧電素子の１例の
全体を示す平面図

【図６】図５における１つの圧電体を拡大して示した平
面図

【図７】図５における１つの圧電体を拡大して示した断
面図

【符号の説明】

１ 基板 ２ 下部電極 ３ 圧電体
４ 上部電極 ５ 圧電素子 21 フレキ接続部

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電極及びセラミックスを基板上に形成して
   構成されるセラミックス素子の製造方法であって、電極
   及びセラミックスの全部あるいは一部を、それらの原料
   のペーストを基板上にスクリーン印刷し、焼成すること
   によって形成する製造方法において、 原料のペーストを基板上にスクリーン印刷する工程の後
   に、スクリーン印刷された層の高密度化及び表面の平滑
   化のためのレベリング工程を有することを特徴とするセ
   ラミックス素子の製造方法。
2. 【請求項２】レベリング工程が、加熱工程であることを
   特徴とする請求項１に記載のセラミックス素子の製造方
   法。
3. 【請求項３】レベリング工程が、ホットプレス工程であ
   ることを特徴とする請求項１に記載のセラミックス素子
   の製造方法。
4. 【請求項４】レベリング工程が、雰囲気制御工程である
   ことを特徴とする請求項１に記載のセラミックス素子の
   製造方法。
5. 【請求項５】雰囲気制御工程の雰囲気が、水系ペースト
   の場合は高湿度雰囲気であり、有機溶剤系ペーストの場
   合には有機溶剤雰囲気であることを特徴とする請求項４
   に記載のセラミックス素子の製造方法。
6. 【請求項６】レベリング工程が、超音波印加工程である
   ことを特徴とする請求項１に記載のセラミックス素子の
   製造方法。