JPWO2010030032A1 - 立体形成部製造方法 - Google Patents
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Abstract
この立体形成部製造方法においては、正面視において所定の形状に沿う凹部13が形成された型10を準備し、その凹部13内にスラリー20を塗布・充填する。次に、多孔質基板であるセラミックグリーンシート30の上面に、スラリー20が充填された型10を配置する。このとき、吸引用連通管51及び焼結金属40を介してセラミックグリーンシート30内が低圧化される。また、セラミックグリーンシート30はホットプレート60により加熱される。これらにより、スラリー20に含まれる溶剤は、セラミックグリーンシート30の細孔内に浸透・吸収され、蒸発する。この結果、乾燥前の立体形成部(スラリー20)は変形することなく乾燥する。
Description
本発明は、例えば、セラミックグリーンシート等の「気体が通過可能な多孔質基板」と、主原料の粒子と溶剤と有機材料とを含むスラリーと、を使用して、基板上に所定の形状を有する立体形成部を形成する立体形成部製造方法に関する。
従来から、「流路及び加圧室等」の空洞部(空間)を内部に備えるセラミックス積層体が知られている。このようなセラミックス積層体は、例えば、インクジェットプリンタのアクチュエータ及び燃料噴射装置等の「流体噴射用アクチュエータ」、燃料電池(SOFC)、スイッチング素子、及び、センサ等として広い分野において使用されている。
一般に、このようなセラミックス積層体は以下に述べる手順を経て製造される(例えば、特開2004−190653号公報(段落0047、図5)、特許2005−285421号公報(段落0464乃至段落0472、図32)、及び、特開平8−155935号公報(段落0004)を参照。)。
(1)セラミックグリーンシートを「金型パンチ及びダイ」を用いて打ち抜くことにより、セラミックグリーンシートに窓部を形成する。この窓部の側面(破断面)が、後に空洞部の側面を構成する。
(2)窓部を有するセラミックグリーンシートが、窓部を有さない2枚のセラミックグリーンシートにより挟持されるように、これらのセラミックグリーンシートを積層する。
(3)積層された複数のセラミックグリーンシートを焼成・一体化する。
(1)セラミックグリーンシートを「金型パンチ及びダイ」を用いて打ち抜くことにより、セラミックグリーンシートに窓部を形成する。この窓部の側面(破断面)が、後に空洞部の側面を構成する。
(2)窓部を有するセラミックグリーンシートが、窓部を有さない2枚のセラミックグリーンシートにより挟持されるように、これらのセラミックグリーンシートを積層する。
(3)積層された複数のセラミックグリーンシートを焼成・一体化する。
しかしながら、金型パンチ及びダイを用いた打ち抜き加工は、破断により窓部を形成する。従って、セラミックグリーンシートを打ち抜く際、そのセラミックグリーンシートに大きな力が加わる。この結果、打ち抜きピッチ(窓部とその窓部に隣接する窓部との距離等)が小さい場合やセラミックグリーンシートの厚みが大きい場合等において、窓部近傍及び破断面が変形し、或いは、破断面が荒れ、或いは、破断部にクラックやバリが発生する場合がある。空洞部が微細化するにつれ、これらの変形、バリ及びクラック等は空洞部の形状精度に大きな悪影響を及ぼす。更に、「金型パンチ及びダイ」は打ち抜き加工に耐える硬度を備える必要があるから、それらは高い硬度を有する材質から形成される。高い硬度を有する材質を用いて小型の「金型パンチ及びダイ」を製作することは困難であるから、「金型パンチ及びダイ」の小型化にも限界がある。
そこで、発明者は種々の検討を重ねた結果、「窓部を有するセラミックグリーンシート」を「基板となるセラミックグリーンシート」に載置した積層体は、その「基板となるセラミックグリーンシート」上に「所望のパターンを有する立体形成部(凸状部)」を形成したものと同じ構造を有するので、微細な立体形成部(凸状部)を打ち抜き加工に依ることなくセラミックグリーンシート上に形成することができれば、打ち抜き加工が有する問題を解決できるとの知見を得た。即ち、本発明の目的の一つは、多孔質基板の一つの面側に「所望の微細パターン等の形状を有する立体形成部(凸状部)」を多孔質基板の特性を利用しながら「精度良く且つ容易に形成する」ことができる立体形成部製造方法を提供することにある。
より具体的に述べると、上記目的を達成するための本発明による立体形成部製造方法は、型準備工程と、スラリー準備工程と、基板準備工程と、乾燥前立体形成部形成工程と、乾燥後立体形成部形成工程と、を含む。なお、以下に述べる各工程の実施順序は、矛盾が生じない範囲において入れ替えることができる。
型準備工程は、型の一面側に凹部が形成された型を準備する工程である。この凹部は、型の正面視において所定の形状に沿うように形成される。
スラリー準備工程は、「主原料の粒子」と「その粒子の溶剤(溶媒)」と「有機材料」とを含む「スラリー」を準備する工程である。
基板準備工程は、気体が通過可能な多孔質基板を準備する工程である。このような多孔質基板の代表例は、セラミックグリーンシート、多孔質セラミック基板、多孔質フィルム、多孔質金属(例えば、焼結金属)基板、触媒担体、紙、基材上に形成されたセラミック膜、及び、電極膜等である。通気性を有する基板であれば、基板となるものに制約はない。
これらの準備工程は、どのような順序により実施されてもよい。
スラリー準備工程は、「主原料の粒子」と「その粒子の溶剤(溶媒)」と「有機材料」とを含む「スラリー」を準備する工程である。
基板準備工程は、気体が通過可能な多孔質基板を準備する工程である。このような多孔質基板の代表例は、セラミックグリーンシート、多孔質セラミック基板、多孔質フィルム、多孔質金属(例えば、焼結金属)基板、触媒担体、紙、基材上に形成されたセラミック膜、及び、電極膜等である。通気性を有する基板であれば、基板となるものに制約はない。
これらの準備工程は、どのような順序により実施されてもよい。
乾燥前立体形成部形成工程は、
前記多孔質基板の一方の面側に、前記スラリーからなるとともに前記所定の形状に沿う「乾燥前の立体形成部」が前記型の凹部によって形成されるように、前記型を前記多孔質基板の一方の面側に配置する工程である。但し、本明細書及び特許請求の範囲において、「多孔質基板の一方の面側」は、「多孔質基板の両面のうちの一方の面側」の意味であり、例えば、「多孔質基板の上方(上部側)」である。この場合、後述するように、前記型の凹部に前記スラリーを予め充填させた状態にて、その型を多孔質基板の一方の面側に配置してもよく、多孔質基板の一方の面側に予め存在させておいたスラリーに対して前記型を押し込むことによって同型の凹部に前記スラリーを充填させてもよい。即ち、前記乾燥前立体部形成工程は、「前記型の凹部に前記スラリーを充填させた状態にて同型を前記多孔質基板の一方の面側に配置する工程」である。
前記多孔質基板の一方の面側に、前記スラリーからなるとともに前記所定の形状に沿う「乾燥前の立体形成部」が前記型の凹部によって形成されるように、前記型を前記多孔質基板の一方の面側に配置する工程である。但し、本明細書及び特許請求の範囲において、「多孔質基板の一方の面側」は、「多孔質基板の両面のうちの一方の面側」の意味であり、例えば、「多孔質基板の上方(上部側)」である。この場合、後述するように、前記型の凹部に前記スラリーを予め充填させた状態にて、その型を多孔質基板の一方の面側に配置してもよく、多孔質基板の一方の面側に予め存在させておいたスラリーに対して前記型を押し込むことによって同型の凹部に前記スラリーを充填させてもよい。即ち、前記乾燥前立体部形成工程は、「前記型の凹部に前記スラリーを充填させた状態にて同型を前記多孔質基板の一方の面側に配置する工程」である。
乾燥後立体形成部形成工程は、
前記型を前記多孔質基板の一方の面側に配置させた状態において、「前記スラリーに含まれる前記溶剤」を「前記多孔質基板の細孔内に浸み込ませる」ことにより、前記乾燥前の立体形成部を乾燥させ、それにより「乾燥後の立体形成部」を形成する工程である。
前記型を前記多孔質基板の一方の面側に配置させた状態において、「前記スラリーに含まれる前記溶剤」を「前記多孔質基板の細孔内に浸み込ませる」ことにより、前記乾燥前の立体形成部を乾燥させ、それにより「乾燥後の立体形成部」を形成する工程である。
これによれば、「乾燥前の立体形成部を構成するスラリー」に含まれる溶剤が、多孔質基板の細孔内に浸透・吸収され、多孔質基板の閉鎖されていない端面から拡散(蒸発)する。従って、多孔質基板の一方の面側に、所定の形状を有し且つ主原料の粒子が主たる構成成分である「乾燥した立体形成部(形状を自身で維持可能な立体形成部)」を容易に形成することができる。この場合、金型パンチ及びダイを用いた打ち抜き加工のように多孔質基板に大きな荷重が加わることがないので、多孔質基板が変形し難い。加えて、破断によって立体形成部の側面を形成しないので、立体形成部の側面が荒れず且つバリが発生しない。加えて、型の硬度を「打ち抜き加工に用いる型」の硬度よりも小さくできるので、型に「微細なパターン(形状)を有する凹部」を容易に形成することができる。その結果、立体形成部の正面視における形状を容易に微細化することができ、且つ、乾燥後の立体形成部の形状精度を良好なものとすることができる。
前記多孔質基板はセラミックグリーンシートであり、前記主原料の粒子はセラミック粉末であってもよい。
この場合、本発明の立体形成部製造方法は、
前記乾燥後立体形成部形成工程の後に、前記多孔質基板と前記乾燥後の立体形成部と(即ち、前記多孔質基板と前記乾燥後の立体形成部とを少なくとも含む焼成前の中間構造体)を焼成して一体化する焼成工程を備える、ことが好適である。
この場合、本発明の立体形成部製造方法は、
前記乾燥後立体形成部形成工程の後に、前記多孔質基板と前記乾燥後の立体形成部と(即ち、前記多孔質基板と前記乾燥後の立体形成部とを少なくとも含む焼成前の中間構造体)を焼成して一体化する焼成工程を備える、ことが好適である。
セラミックグリーンシートは「気体が通過可能な多孔質基板」である。従って、前記主原料の粒子を「セラミック粉末」とすれば、セラミックグリーンシート上に、所望の「正面視における形状」を有する「セラミック粉末を主成分とする立体形成部」を容易に形成することができる。この「セラミックグリーンシート及び立体形成部を含む中間構造体」を焼成すれば、「緻密なセラミック基板」の上に「所望の正面視における形状を有する緻密な立体形成部」を備えた「セラミックの最終構造体」を容易に製造することができる。更に、後述するように、この中間構造体の立体形成部に「別のセラミックグリーンシート」を載置し、それらを焼成して一体化すれば、「所望の形状の空洞部を有する緻密なセラミック構造体」を容易に製造することができる。
更に、この場合、「前記セラミックグリーンシートを形成するセラミック粒子」と「前記スラリーの前記主原料の粒子(前記セラミック粉末)」とは、同一種のセラミックであることが好適である。
これによれば、焼成工程において「多孔質基板」と「焼成前の立体形成部(乾燥後の立体形成部)」とが焼成される際、両者の収縮の程度を近しくすることができる。従って、焼成に伴う両者の変形を小さくすることができる。その結果、狙い通りの形状を有し且つクラック等を有さない「セラミック構造体」を容易に製造することができる。
更に、前記多孔質基板がセラミックグリーンシートであり、前記主原料の粒子がセラミック粉末である場合、前記立体形成部製造方法は、
前記乾燥後立体形成部形成工程の後であり且つ前記焼成工程の前に、前記乾燥後の立体形成部(前記乾燥後の立体形成部の他の一面側、即ち、前記乾燥後の立体形成部の前記多孔質基板とは反対側)に、更に別のセラミックグリーンシートを載置することにより、空洞部を有する焼成前構造体を形成する積層工程を備え、
前記焼成工程は、前記焼成前構造体を焼成して一体化する工程であることが望ましい。
前記乾燥後立体形成部形成工程の後であり且つ前記焼成工程の前に、前記乾燥後の立体形成部(前記乾燥後の立体形成部の他の一面側、即ち、前記乾燥後の立体形成部の前記多孔質基板とは反対側)に、更に別のセラミックグリーンシートを載置することにより、空洞部を有する焼成前構造体を形成する積層工程を備え、
前記焼成工程は、前記焼成前構造体を焼成して一体化する工程であることが望ましい。
これによれば、微細な空洞部(流路及び加圧室等)を有するセラミック構造体を容易に製造することができる。なお、この場合において、上記別のセラミックグリーンシートは、「前記スラリーの主原料の粒子を構成するセラミック粉末」と同一種のセラミックからなっていることが好ましい。
また、本発明による立体形成部製造方法において、前記多孔質基板はセラミックグリーンシートであり、前記主原料の粒子は導電材料、及び、セラミック粉末と導電材料との混合物等とすることもできる。
これによれば、導体パターン、及び、導体とセラミック粉末混合物のパターン等をセラミック基板上に容易に形成することができる。即ち、本発明によれば、粒子を含むペースト状物質を用いて、その粒子を主とするパターンをセラミック基板上に容易に形成することができる。
更に、
前記乾燥前立体形成部形成工程は、
前記型の凹部に前記スラリーを充填する凹部内スラリー充填工程を含み、同凹部に同スラリーを充填した後に、「その凹部が形成されている面(凹部形成面)」を「前記多孔質基板の一方の面(一方の面側の面)」に対向するように配置することにより、前記「乾燥前の立体形成部」を形成する工程であり、
前記乾燥後立体形成部形成工程は、
前記型を「前記乾燥後の立体形成部」から離脱させる離型工程を含む、
ことが好適である。
このとき、前記型の凹部を形成する凸部(前記凹部形成面の端面)は前記多孔質基板の一方の面に接してもよく、前記凹部形成面の端面が前記多孔質基板の一方の面から僅かに離間していてもよい。
前記乾燥前立体形成部形成工程は、
前記型の凹部に前記スラリーを充填する凹部内スラリー充填工程を含み、同凹部に同スラリーを充填した後に、「その凹部が形成されている面(凹部形成面)」を「前記多孔質基板の一方の面(一方の面側の面)」に対向するように配置することにより、前記「乾燥前の立体形成部」を形成する工程であり、
前記乾燥後立体形成部形成工程は、
前記型を「前記乾燥後の立体形成部」から離脱させる離型工程を含む、
ことが好適である。
このとき、前記型の凹部を形成する凸部(前記凹部形成面の端面)は前記多孔質基板の一方の面に接してもよく、前記凹部形成面の端面が前記多孔質基板の一方の面から僅かに離間していてもよい。
これによれば、セラミックグリーンシート等の多孔質基板に大きな荷重を加えることなく、立体形成部を形成することができる。従って、多孔質基板が変形することを回避することができる。また、大きな荷重を型に加える必要がないので、型の強度及び耐久性を極めて高くする必要がない。その結果、型の材質の制約を少なくすることができ、更に、比較的硬度の小さい材質から型を作製できるので、微細なパターンを型に容易に形成することができる。
この代替として、
前記乾燥前立体形成部形成工程は、
前記多孔質基板の一方の面(一方の面側の面)に前記スラリーを層状に形成した後に、「前記型の凹部が形成されている面」を「前記多孔質基板の一方の面」に対向させて配置するとともに、その型を前記多孔質基板に向けて押圧する押圧工程を含み、
前記乾燥後立体形成部形成工程は、
前記型を前記乾燥後の立体形成部から離脱させる離型工程を含む、
こともできる。
このとき、前記凹部形成面の端面は前記多孔質基板の一方の面に接してもよく、前記凹部形成面の端面が前記多孔質基板の一方の面から僅かに離間していてもよい。
前記乾燥前立体形成部形成工程は、
前記多孔質基板の一方の面(一方の面側の面)に前記スラリーを層状に形成した後に、「前記型の凹部が形成されている面」を「前記多孔質基板の一方の面」に対向させて配置するとともに、その型を前記多孔質基板に向けて押圧する押圧工程を含み、
前記乾燥後立体形成部形成工程は、
前記型を前記乾燥後の立体形成部から離脱させる離型工程を含む、
こともできる。
このとき、前記凹部形成面の端面は前記多孔質基板の一方の面に接してもよく、前記凹部形成面の端面が前記多孔質基板の一方の面から僅かに離間していてもよい。
この場合、セラミックグリーンシート等の比較的硬度の高い板体を打ち抜く場合とは異なり、「変形容易なスラリー」を「凹部を有する型」によって成形するだけで立体形成部を形成することができる。従って、前記押圧工程において「大きな荷重を型に加える必要がない」ので、型の強度及び耐久性を極めて高くする必要がない。その結果、型の材質の制約を少なくすることができ、更に、比較的硬度の小さい材質から型を作製できるので、微細なパターンを型に容易に形成することができる。加えて、多孔質基板の変形を最小限に留めることができる。
更に、別の代替として、
前記乾燥前立体形成部形成工程は、
前記型の凹部に前記スラリーを充填する凹部内スラリー充填工程と、
前記多孔質基板の一方の面に前記スラリーを層状に形成するスラリー層形成工程と、
を含み、
前記型の凹部に前記スラリーを充填し且つ前記多孔質基板の一方の面に前記スラリーを層状に形成した後に、前記型の凹部が形成されている面を同多孔質基板の一方の面に対向させて配置することにより、前記乾燥前の立体形成部を形成する工程であり、
前記乾燥後立体形成部形成工程は、
前記型を前記乾燥後の立体形成部から離脱させる離型工程を含む、
こともできる。
このとき、前記凹部形成面の端面は前記多孔質基板の一方の面に接してもよく、前記凹部形成面の端面が前記多孔質基板の一方の面から僅かに離間していてもよい。
前記乾燥前立体形成部形成工程は、
前記型の凹部に前記スラリーを充填する凹部内スラリー充填工程と、
前記多孔質基板の一方の面に前記スラリーを層状に形成するスラリー層形成工程と、
を含み、
前記型の凹部に前記スラリーを充填し且つ前記多孔質基板の一方の面に前記スラリーを層状に形成した後に、前記型の凹部が形成されている面を同多孔質基板の一方の面に対向させて配置することにより、前記乾燥前の立体形成部を形成する工程であり、
前記乾燥後立体形成部形成工程は、
前記型を前記乾燥後の立体形成部から離脱させる離型工程を含む、
こともできる。
このとき、前記凹部形成面の端面は前記多孔質基板の一方の面に接してもよく、前記凹部形成面の端面が前記多孔質基板の一方の面から僅かに離間していてもよい。
これによれば、前記型の凹部内に前記スラリーをより確実に充填することができる。なお、前記型の凹部が形成されている面を前記多孔質基板の一方の面に対向させて配置した後に、前記型を前記多孔質基板に向けて押圧してもよい。
本発明の立体形成部製造方法において、
前記乾燥後立体形成部形成工程は、
前記多孔質基板の内部を大気圧よりも低圧にする(即ち、真空化する)ことにより、前記溶剤を前記多孔質基板の細孔内に浸み込ませることを補助することを含むことが望ましい。
前記乾燥後立体形成部形成工程は、
前記多孔質基板の内部を大気圧よりも低圧にする(即ち、真空化する)ことにより、前記溶剤を前記多孔質基板の細孔内に浸み込ませることを補助することを含むことが望ましい。
これによれば、多孔質基板の細孔内に「前記スラリーに含まれる前記溶剤」が吸引されるので、前記溶剤を多孔質基板の細孔内に短時間にて浸み込ませることができる。その結果、乾燥後立体形成部形成工程に要する時間を短くすることができる。なお、溶剤が多孔質基板の細孔内に吸収される限り、多孔質基板の一方の面(立体形成部が形成される面)の面積に対する立体形成部が占める面積(立体形成部形成面積)の比に制約はない。従って、この比を大きくとることにより、例えば有効面積を大きくすることができ、一つの基板から多数の製品を作成することができる。即ち、本発明によれば生産性に優れた立体形成部製造方法が提供される。
更に、本発明の立体形成部製造方法において、
前記乾燥後立体形成部形成工程は、
前記多孔質基板の少なくとも一部を加熱することによって前記溶剤を蒸発させ、前記立体形成部を乾燥させることを補助することを含むことが望ましい。なお、溶剤の濃度を適宜調整することにより、前記立体形成部の乾燥時における収縮量を小さくすることができる。
前記乾燥後立体形成部形成工程は、
前記多孔質基板の少なくとも一部を加熱することによって前記溶剤を蒸発させ、前記立体形成部を乾燥させることを補助することを含むことが望ましい。なお、溶剤の濃度を適宜調整することにより、前記立体形成部の乾燥時における収縮量を小さくすることができる。
これによれば、多孔質基板の細孔内に浸み込んだ溶剤を短時間内に蒸発させることができる。その結果、乾燥後立体形成部形成工程に要する時間を短くすることができる。更に、多孔質基板がセラミックグリーンシートである場合、そのセラミックグリーンシートの加熱によってセラミックグリーンシートの温度をガラス転移温度以上とすることも可能である。その場合、セラミックグリーンシートが軟化するから、セラミックグリーンシートとスラリーとの密着力を増大させることができる。
以下、図面を参照しながら、本発明の各実施形態に係る「立体形成部製造方法」について工程順に説明する。但し、各工程の実施順序は、矛盾が生じない範囲において入れ替えることができる。
この製造方法は、例えば、微細な「流路及び加圧室等」の空洞部(空間)を内部に備える「セラミック積層体」の製造に適している。そのようなセラミック積層体は、例えば、インクジェットプリンタのアクチュエータ及び燃料噴射装置等の「流体噴射用アクチュエータ」、固体酸化物形燃料電池(SOFC)、スイッチング素子、並びに、センサ等として用いられる。但し、本発明による立体形成部製造方法は、基板上に「所定のパターンに沿う立体形成部」を備えるデバイスを製造する場合にも適している。そのようなデバイスは、例えば、配線用基板である。更に、本発明の立体形成部製造方法は、LTCC基板(Low−Temperature Co−fired Ceramics)及びHTCC基板(High−Temperature Co−fired Ceramics)等のセラミックス積層基板を製造する際にも使用できる。LTCC基板及びHTCC基板等は、例えば、誘電体積層フィルター、多層誘電体アンテナ、誘電体カプラー、誘電体複合モジュール及びハイブリッドIC等の電子デバイスに用いられるセラミックス積層基板である。更に、本発明の立体形成部製造方法によれば、後述するように、複数の凹部(ホール部)を所定の位置に配置した構造体及び複数の凸部(ドット部)を所定の位置に配設した構造体をも容易に製造することができる。
<第1実施形態>
(型準備工程)
先ず、図1に示した型(押し型・スタンパ)10を準備する。図1の(A)は型10の正面図である。図1の(B)は、図1の(A)において1−1線に沿った平面にて型10を切断した断面図である。型10は金属(例えば、超硬合金又は通常の合金)等の緻密な材質からなる。型10は、平板状の基部11から突出した凸部12を複数備えている。凸部12は略直方体形状を有する。複数の凸部12は長手方向が互いに平行になるように配置されている。従って、隣り合う一対の凸部12,12の間には凹部13が形成されている。この凹部13が、「最終的に基板上に形成される立体形成部である凸状部(後述)」のパターンを形成している。即ち、型10は、「正面視において所定のパターン(所定の形状)に沿った凹部」を一面(凹部形成面)側に有する。
(型準備工程)
先ず、図1に示した型(押し型・スタンパ)10を準備する。図1の(A)は型10の正面図である。図1の(B)は、図1の(A)において1−1線に沿った平面にて型10を切断した断面図である。型10は金属(例えば、超硬合金又は通常の合金)等の緻密な材質からなる。型10は、平板状の基部11から突出した凸部12を複数備えている。凸部12は略直方体形状を有する。複数の凸部12は長手方向が互いに平行になるように配置されている。従って、隣り合う一対の凸部12,12の間には凹部13が形成されている。この凹部13が、「最終的に基板上に形成される立体形成部である凸状部(後述)」のパターンを形成している。即ち、型10は、「正面視において所定のパターン(所定の形状)に沿った凹部」を一面(凹部形成面)側に有する。
型10の凸部12及び凹部13の表面は、離型剤により被覆されることが好ましい。この場合、型10と離型剤との密着力を向上させるために、離型剤を型10に塗布する前に型10の洗浄を行っておくことが望ましい。この洗浄は、超音波洗浄、酸洗浄、及び、紫外線オゾン洗浄等により行うことができる。この洗浄により、型10の離型剤が塗布される面(洗浄表面)が原子レベルにまで清浄されることが好ましい。離型剤の一例は、ダイキン工業株式会社製の「オプツールDSX」等のフッ素系離型剤である。離型剤は、シリコン系又はワックス系の離型剤であってもよい。離型剤は、ディッピング、スプレー塗布、及び、刷毛塗り等により塗布された後、乾燥及び洗浄の各工程を通して型10の表面に膜状に形成される。型の表面を、DLC(ダイヤモンドライクカーボン)コーティングによる無機膜処理によって被覆してもよい。
本例において、凸部12の幅Wは50μm、高さHは100μm、隣り合う一対の凸部12,12の中心線距離Pは90μmである。従って、凹部13の幅Dは40μmである。凸部12及び凹部13の長手方向の長さLは870μmである。これらの寸法及びパターンは一例であって、特に限定されるものではない。好ましくは、幅Wは10〜80μm、高さHは0〜200μm(但し、0μmを除く)、Pは60〜120μmである。
なお、従来の「打ち抜き加工」によると、エッヂ部に生じるバリ、基板の変形及びクラック等を避けることが困難である。更に、基板の機械的性質を極めて厳密に管理をしないと、所望の形状を有する窓部を安定して形成することができない。従って、現状において、「幅Dが40μm、幅Wが50μm、高さHが100μmである窓部」を「打ち抜き加工」によって精度良く形成することは困難である。
(スラリー準備工程)
次に、スラリー20を準備する(図2を参照。)。スラリー20は、主原料の粒子としてのセラミック粉末、セラミック粉末の溶剤、有機材料及び可塑剤からなっている。これらの重量比率は、例えば、セラミック粉末:溶剤:有機材料:可塑剤=100:50〜100:5〜10:2〜5である。本例において、セラミック粉末はアルミナ及びジルコニア等からなり、溶剤はトルエン及びイソプロピルアルコール等からなる。有機材料はポリビニルブチラールからなる。可塑剤はフタル酸系ブチルである。各材料及び重量比率は、これらに限定されるものではない。更に、このスラリーの粘性は、例えば、0.1〜100Pa・secであることが望ましい。
次に、スラリー20を準備する(図2を参照。)。スラリー20は、主原料の粒子としてのセラミック粉末、セラミック粉末の溶剤、有機材料及び可塑剤からなっている。これらの重量比率は、例えば、セラミック粉末:溶剤:有機材料:可塑剤=100:50〜100:5〜10:2〜5である。本例において、セラミック粉末はアルミナ及びジルコニア等からなり、溶剤はトルエン及びイソプロピルアルコール等からなる。有機材料はポリビニルブチラールからなる。可塑剤はフタル酸系ブチルである。各材料及び重量比率は、これらに限定されるものではない。更に、このスラリーの粘性は、例えば、0.1〜100Pa・secであることが望ましい。
(基板準備工程)
一方、図2に示したセラミックグリーンシート30を別途準備しておく。セラミックグリーンシート30は、スラリー20を構成する材料から「溶剤を除いた材料」により形成されている。即ち、セラミックグリーンシート30は、スラリー20に用いられたセラミック粉末と同一種のセラミック粉末、有機材料及び可塑剤からなっている。これらの重量比率は、例えば、セラミック粉末:有機材料:可塑剤=100:7〜8:3〜4である。セラミックグリーンシート30は、周知の方法により作製される。例えば、セラミックグリーンシート30は、上記スラリー20を作製し、このスラリーに対して脱泡処理を施し、更に、ドクターブレード法及びリバースロールコーター法等の周知のシート成形法を利用することにより作製される。
一方、図2に示したセラミックグリーンシート30を別途準備しておく。セラミックグリーンシート30は、スラリー20を構成する材料から「溶剤を除いた材料」により形成されている。即ち、セラミックグリーンシート30は、スラリー20に用いられたセラミック粉末と同一種のセラミック粉末、有機材料及び可塑剤からなっている。これらの重量比率は、例えば、セラミック粉末:有機材料:可塑剤=100:7〜8:3〜4である。セラミックグリーンシート30は、周知の方法により作製される。例えば、セラミックグリーンシート30は、上記スラリー20を作製し、このスラリーに対して脱泡処理を施し、更に、ドクターブレード法及びリバースロールコーター法等の周知のシート成形法を利用することにより作製される。
図3は、セラミックグリーンシート30の断面図である。このように、セラミックグリーンシート30は、粒子fpの間に多数の細孔hを有する。即ち、セラミックグリーンシート30は、「気体(流体)が通過可能な多孔質基板」である。但し、セラミックグリーンシート30の細孔径(平均細孔径)は、上述したスラリーのセラミック粉末の粒径(平均粒子径)よりも小さく、溶剤の分子径よりも当然に大きい。セラミックグリーンシート30の気孔率は、5〜30vol%、好ましくは、12〜23vol%。である。また、この場合におけるグリーンシート30の厚みは10〜500μmであることが好ましい。使用されるセラミック粉末の平均粒子径は0.2〜1.0μmであることが好ましい。
(乾燥前立体形成部形成工程)
次に、図2に示したように、型10の凹部13にスラリー20を塗布によって充填する。この工程は「スラリー充填(塗布)工程、又は、凹部内スラリー充填工程」とも称呼される。スラリー20は、塗布以外の適当な方法(例えば、ディッピング、スキージ、刷毛塗り、及び、ディスペンサーによる充填等)により、凹部13に充填されてもよい。更に、スラリー充填率を向上させために、スラリー20を凹部13に充填させる際に型10に超音波振動を加えても良く、或いは、真空脱気して型10内に残存している気泡を除去してもよい。
次に、図2に示したように、型10の凹部13にスラリー20を塗布によって充填する。この工程は「スラリー充填(塗布)工程、又は、凹部内スラリー充填工程」とも称呼される。スラリー20は、塗布以外の適当な方法(例えば、ディッピング、スキージ、刷毛塗り、及び、ディスペンサーによる充填等)により、凹部13に充填されてもよい。更に、スラリー充填率を向上させために、スラリー20を凹部13に充填させる際に型10に超音波振動を加えても良く、或いは、真空脱気して型10内に残存している気泡を除去してもよい。
次に、図4に示したように、「型10の凹部13が形成されている面」が「セラミックグリーンシート(多孔質基板)30の上面(一方の面)」に対向するように、型10をセラミックグリーンシート30の上部(一方の面側)に配置(載置)する。これにより、スラリーが乾燥される前の立体形成部である「乾燥前立体形成部(乾燥前凸状部)12」がセラミックグリーンシート30の上に形成される。なお、本例において、型10の凹部13を形成する凸部12の端面(即ち、型10の「凹部13を形成している面側」の端面である「凹部形成面の端面」)P12はセラミックグリーンシート30の上面U30に接する。但し、型10は、凹部形成面の端面P12が「セラミックグリーンシート30の上面U30」から僅かな距離(例えば、0〜0.5mm)だけ離間するように配置されてもよい。なお、型10をセラミックグリーンシート30に載置する際、基準穴及びアライメントマーク等を用いることにより、立体形成部の形成位置の精度を上げることが望ましい。
即ち、この乾燥前立体形成部形成工程は、多孔質基板であるセラミックグリーンシート30の一方の面側(この場合、上方又は上面側)に、スラリー20からなるとともに「凹部13の所定のパターン」に沿う「乾燥前の立体形成部」が型10の凹部13によって形成されるように、型10をセラミックグリーンシート30の一方の面側に配置する工程である。
セラミックグリーンシート30は多孔質の焼結金属40の上面(焼結金属40の両方の面のうちの一方の面)に載置される。焼結金属40は、「緻密で熱伝導性のある材質」からなる枠体50内に収容されている。即ち、焼結金属40は、その上面を除く周囲(側面及び下面)が枠体50により覆われている。枠体50の側部には吸引用連通管51が挿入されている。吸引用連通管51は図示しない真空ポンプに接続されている。
枠体50は、ホットプレート(加熱装置)60の上に載置されている。ホットプレート60は通電されたときに発熱し、枠体50及び焼結金属40を介してセラミックグリーンシート30の下面(他方の面、即ち、セラミックグリーンシート30の一部)を加熱するようになっている。
(乾燥後立体形成部形成工程)
次に、乾燥後立体形成部形成工程において、図4の矢印により示したように、「型10の凹部13内に保持されているスラリー20」に含まれる溶剤が「自重及び毛細管現象によって」セラミックグリーンシート30の細孔内に浸み込む(浸透する)。乾燥後立体形成部形成工程は所定時間(例えば、5分)継続される。即ち、乾燥後立体形成部形成工程は、移動することのない状態にある「多孔質基板(セラミックグリーンシート30)」の上に、「スラリー20を凹部13に収容した型10」を「凹部13の開放部が多孔質基板30に対向するように載置・固定した状態」にて所定時間だけ放置する工程である。これにより、スラリー20は乾燥され固化する。その結果、凹部13内であってセラミックグリーンシート30の一方の面側(上方)に「乾燥後の立体形成部」が形成される。なお、上記乾燥後立体形成部形成工程は、「多孔質基板(セラミックグリーンシート30)」を移動させながら、「スラリー20を凹部13に収容した型10」を凹部13の開放部が多孔質基板30に対向するように載置することによって「乾燥後の立体形成部」を形成する工程であってもよい。
次に、乾燥後立体形成部形成工程において、図4の矢印により示したように、「型10の凹部13内に保持されているスラリー20」に含まれる溶剤が「自重及び毛細管現象によって」セラミックグリーンシート30の細孔内に浸み込む(浸透する)。乾燥後立体形成部形成工程は所定時間(例えば、5分)継続される。即ち、乾燥後立体形成部形成工程は、移動することのない状態にある「多孔質基板(セラミックグリーンシート30)」の上に、「スラリー20を凹部13に収容した型10」を「凹部13の開放部が多孔質基板30に対向するように載置・固定した状態」にて所定時間だけ放置する工程である。これにより、スラリー20は乾燥され固化する。その結果、凹部13内であってセラミックグリーンシート30の一方の面側(上方)に「乾燥後の立体形成部」が形成される。なお、上記乾燥後立体形成部形成工程は、「多孔質基板(セラミックグリーンシート30)」を移動させながら、「スラリー20を凹部13に収容した型10」を凹部13の開放部が多孔質基板30に対向するように載置することによって「乾燥後の立体形成部」を形成する工程であってもよい。
更に、乾燥後立体形成部形成工程においては、前述した真空ポンプが駆動されることにより、セラミックグリーンシート30内に存在するガスが排出される(白抜きの矢印を参照。)。従って、セラミックグリーンシート30の内部の圧力は、大気圧よりも低圧(例えば、大気圧よりも80kPa低い圧力)になる。これによって、スラリー20に含まれている溶剤が、セラミックグリーンシート30の細孔内に効率的に透過・吸引される(浸み込んで行く)。この場合、真空度(セラミックグリーンシート30内部圧力)は、0〜−100kPaであることが好ましく、−80〜−100kPaであることが更に好ましい。
加えて、乾燥後立体形成部形成工程においては、ホットプレート60が通電される。従って、セラミックグリーンシート30の温度が上昇するので、細孔内に浸み込んだ溶剤は容易に蒸発(拡散)する。これにより、一層短時間内にスラリー20は乾燥され固化する。
このように、乾燥後立体形成部形成工程は、型10を多孔質基板であるセラミックグリーンシート30の一方の面側(この場合、上面)に配置させた状態において、スラリー20に含まれる溶剤をセラミックグリーンシート30の細孔内に浸み込ませることにより、凹部13内の「乾燥前の立体形成部(スラリー20)」を乾燥させ、凹部13内に「乾燥後の立体形成部」を形成する工程である。
なお、真空ポンプによるセラミックグリーンシート30の細孔内の低圧化は任意である。従って、焼結金属40及び枠体50は、単なる基台に置換されてもよい。更に、ホットプレート60によるセラミックグリーンシート30の加熱も任意である。従って、ホットプレート60は省略されてもよい。また、本例において、スラリー20が充填された型10はセラミックグリーンシート30の上に載置されるのみである。即ち、型10には何らの荷重も加えられていない。
その後、図5に示したように、スラリー20が乾燥して「乾燥後の立体形成部21」が形成されると、「セラミックグリーンシート30及び乾燥後の立体形成部21」は冷却され、次いで、型10が「セラミックグリーンシート30及び乾燥後の立体形成部21」から除去される。すなわち、離型工程が実施される。
この離型工程においても真空ポンプを駆動し、焼結金属40の内部の圧力を低圧化することが好ましい。これにより、型10を脱離させる際(離型時)、セラミックグリーンシート30を焼結金属40によって安定して保持することができる。この結果、セラミックグリーンシート30が浮き上がることが防止されるので、セラミックグリーンシート30の変形及び乾燥後立体形成部21の変形(パターンの破損)が回避され得る。
更に、乾燥後立体形成部形成工程であって上記離型のための冷却前においては、ホットプレート60による加熱によってセラミックグリーンシート30の温度がガラス転移温度以上となる。これにより、セラミックグリーンシート30が軟化するから、セラミックグリーンシート30とスラリー20との密着力を増大させることができる。その結果、離型時における乾燥後立体形成部21の変形(パターンの破損)がより確実に回避され得る。
(積層工程)
次に、図6に示したように、乾燥後の立体形成部21の上に「更に別のセラミックグリーンシート31」を載置する。そして、このセラミックグリーンシート31を乾燥後の立体形成部21に対して加熱・圧着する。この結果、空洞部SPを有する焼成前構造体32が形成される。なお、この積層工程は任意である。セラミックグリーンシート31を載置する前に、或いは、セラミックグリーンシート31を積層した後に、乾燥後の立体形成部21にレーザー加工及び金型パンチを用いた加工等により追加的な加工を施してもよい。更に、セラミックグリーンシート31の積層後に印刷工程や切断・分割工程等を実施してもよい。
次に、図6に示したように、乾燥後の立体形成部21の上に「更に別のセラミックグリーンシート31」を載置する。そして、このセラミックグリーンシート31を乾燥後の立体形成部21に対して加熱・圧着する。この結果、空洞部SPを有する焼成前構造体32が形成される。なお、この積層工程は任意である。セラミックグリーンシート31を載置する前に、或いは、セラミックグリーンシート31を積層した後に、乾燥後の立体形成部21にレーザー加工及び金型パンチを用いた加工等により追加的な加工を施してもよい。更に、セラミックグリーンシート31の積層後に印刷工程や切断・分割工程等を実施してもよい。
(焼成工程)
次に、上記焼成前構造体32を加熱して、焼成する。焼成後にレーザー加工等により焼成された構造体に追加的な加工を施してもよい。更に、焼成された構造体を切断・分割する等の工程を設けてもよい。この結果、空洞部SPを有するセラミック構造体が製造される。前述したように、積層工程は任意である。従って、この焼成工程は、乾燥後立体形成部形成工程の後に、少なくとも「多孔質基板であるセラミックグリーンシート30と乾燥後の立体形成部21と」を含む中間構造体を焼成して一体化する工程であると言える。
次に、上記焼成前構造体32を加熱して、焼成する。焼成後にレーザー加工等により焼成された構造体に追加的な加工を施してもよい。更に、焼成された構造体を切断・分割する等の工程を設けてもよい。この結果、空洞部SPを有するセラミック構造体が製造される。前述したように、積層工程は任意である。従って、この焼成工程は、乾燥後立体形成部形成工程の後に、少なくとも「多孔質基板であるセラミックグリーンシート30と乾燥後の立体形成部21と」を含む中間構造体を焼成して一体化する工程であると言える。
以上、説明したように、本発明の第1実施形態に係る立体形成部製造方法によれば、「乾燥前の立体形成部を構成するスラリー20」に含まれる溶剤が、多孔質基板(セラミックグリーンシート30)の細孔内に浸み込み(浸透・吸収され)且つ多孔質基板の閉鎖されていない端面から拡散(蒸発)する。従って、多孔質基板の一方の面側(この場合、上面)に、所定のパターン(正面視における所定の形状)を有し且つ主原料の粒子が主たる構成成分である「乾燥した立体形成部(形状を自身で維持可能な凸状部)21」を容易に形成することができる。
この立体形成部製造方法は、金型パンチ及びダイを用いた打ち抜き加工を用いない。従って、多孔質基板に大きな荷重が加わることがない。その結果、多孔質基板が変形し難い。加えて、破断によって立体形成部21の側面を形成しないので、立体形成部21の側面が荒れず、且つ、バリが発生しない。加えて、型10の硬度を「打ち抜き加工に用いる型」の硬度よりも小さくできるので、型10に微細なパターンを容易に形成することができる。その結果、「微細で且つ所望のパターンを有する立体形成部21」を多孔質基板の一方の面側(この場合、上面)に容易に形成することができる。
また、本製造方法によれば、セラミックグリーンシート30上に、所望のパターンを有する「セラミック粉末を主成分とする立体形成部21」を容易に形成することができる。そして、この「セラミックグリーンシート30及び立体形成部21からなる中間構造体」を焼成するから、「緻密なセラミック基板」の上に「所望のパターンに従う緻密な立体形成部」を備えた「セラミックの最終構造体」を容易に製造することができる。更に、実際には、焼成工程の前段階において、中間構造体の立体形成部の上に「別のセラミックグリーンシート31」を載置し、その後、それらが焼成される。従って、「所望の形状の空洞部を有する緻密なセラミック構造体」を容易に製造することができる。
加えて、「多孔質基板であるセラミックグリーンシート30」と「焼成前の立体形成部21」とは、同一種のセラミックから形成される。従って、それら両者が焼成・一体化される際、両者の収縮の程度を近しくすることができる。従って、焼成に伴う両者の変形を防止し、且つ、亀裂等の発生を回避することができる。その結果、狙い通りの形状を有するセラミック構造体を容易に製造することができる。
なお、乾燥前立体形成部形成工程において、「スラリー20が充填された型10」が「セラミックグリーンシート30」の上に載置されたとき、その型10を「セラミックグリーンシート30に向かう所定の押圧荷重」にて押圧してもよい。但し、この押圧荷重は、「金型パンチ及びダイ」による打ち抜き加工において金型パンチに加えられる荷重に比して極めて小さい。これによれば、セラミックグリーンシート30とスラリー20との密着力を増大することができる。その結果、離型時における乾燥後立体形成部21の変形(パターンの破損)がより確実に回避され得る。
<直接型押し製造方法との比較>
図7は、上述した本発明の第1実施形態に係る立体形成部製造方法(リバースインプリント方法)と、直接型押し製造方法(直接インプリント方法)と、の比較実験の結果を示すグラフである。直接型押し製造方法とは、スラリーを用いることなく、型のみをセラミックグリーンシートに直接押し付けることにより立体形成部を形成する方法である。具体的には、直接型押し製造方法は、以下のステップを含む。
図7は、上述した本発明の第1実施形態に係る立体形成部製造方法(リバースインプリント方法)と、直接型押し製造方法(直接インプリント方法)と、の比較実験の結果を示すグラフである。直接型押し製造方法とは、スラリーを用いることなく、型のみをセラミックグリーンシートに直接押し付けることにより立体形成部を形成する方法である。具体的には、直接型押し製造方法は、以下のステップを含む。
ステップ1:上記型準備工程により図1に示した型10(但し、その強度は型10よりも高い。)を準備する。
ステップ2:上記基板準備工程によりセラミックグリーンシート30を準備する。
ステップ3:ホットプレート上にセラミックグリーンシート30を載置し、セラミックグリーンシート30の温度(S.G.の温度)が「図7に示した所定の温度」となるように、セラミックグリーンシート30を加熱する。
ステップ4:型10をセラミックグリーンシート30に対して「図7に示した所定の押圧荷重」にて押圧する。
ステップ5;離型する。
ステップ2:上記基板準備工程によりセラミックグリーンシート30を準備する。
ステップ3:ホットプレート上にセラミックグリーンシート30を載置し、セラミックグリーンシート30の温度(S.G.の温度)が「図7に示した所定の温度」となるように、セラミックグリーンシート30を加熱する。
ステップ4:型10をセラミックグリーンシート30に対して「図7に示した所定の押圧荷重」にて押圧する。
ステップ5;離型する。
図7から明らかなように、本実施形態の立体形成部製造方法による実施例は、室温であって且つ型10に荷重を加えなくとも、40μm以上の高さを有する立体形成部が形成されている。これに対し、直接押し型製造方法によると、例えば、セラミックグリーンシート30の温度が100℃であって且つ7kN(700kgf)程度の荷重にて型10を押圧しなければ、40μm程度の高さを有する立体形成部が形成されない。このことからも、本実施形態に係る立体形成部製造方法は、セラミックグリーンシート30に変形を起こさせず、また、型10に高い強度を要求しない、優れた方法であることが理解される。
この製造方法によれば、種々の形状を有する立体形成部(種々の形状の凸部、即ち、見方を変えれば種々の形状の凹部を備えた部分)を基板上に形成することができる。図8乃至図10は、ジルコニアからなるセラミックグリーンシートと、ジルコニアのスラリーと、市販のシリコンからなる型と、を用いて、第1実施形態の製造方法により、それぞれ「複数のドット(複数の円柱状凸部)、複数のホール(複数の円柱状凹部)及び複数のライン&スペース(複数の直線状凹部を形成する複数の直線状凸部)」を形成し焼成した構造体の写真である。
図8に示した例において、ドット(円柱状凸部)の直径は3.5μm、高さは7.8μm、あるドットの中心軸とそのドットに隣接するドットの中心軸との距離は7.8μmである。
図9に示した例において、ホール(円柱状凹部)の直径は3.5μm、高さは7.8μm、あるホールの中心軸とそのホールに隣接するホールの中心軸との距離は7.8μmである。
図10に示した例において、ライン(直線状凸部)の幅及び高さは、それぞれ3.6μm及び8.3μmである。
図9に示した例において、ホール(円柱状凹部)の直径は3.5μm、高さは7.8μm、あるホールの中心軸とそのホールに隣接するホールの中心軸との距離は7.8μmである。
図10に示した例において、ライン(直線状凸部)の幅及び高さは、それぞれ3.6μm及び8.3μmである。
図11及び図12は、ジルコニアからなるセラミックグリーンシートと、ジルコニアのスラリーと、市販のシリコンからなる別の型と、を用いて、第1実施形態の製造方法により、それぞれ「複数のホール(複数の円柱状凹部)及び複数のライン&スペース(複数の直線状凹部を形成する複数の直線状凸部)」を形成し焼成した構造体の写真である。
図12に示した例において、ライン(直線状凸部)の幅及び高さは、それぞれ0.8μm及び1.4μmである。隣接する2本のラインの長手方向の中心線間距離は1.4μmである。
図12に示した例において、ライン(直線状凸部)の幅及び高さは、それぞれ0.8μm及び1.4μmである。隣接する2本のラインの長手方向の中心線間距離は1.4μmである。
なお、例えば、図8に示した複数の円柱状凸部を有する立体形成部は図13に概略斜視図を示した「複数の円柱状凹部Hを有する型」により製造され、図9及び図11に示した複数の円柱状凹部を有する立体形成部は図14に斜視図を示した「複数の円柱状凸部Pを有する型」により製造される。
<第2実施形態>
次に、本発明の第2実施形態に係る「立体形成部製造方法」について工程順に説明する。但し、各工程は矛盾が生じない範囲において、実施順序を入れ替えることができる。
次に、本発明の第2実施形態に係る「立体形成部製造方法」について工程順に説明する。但し、各工程は矛盾が生じない範囲において、実施順序を入れ替えることができる。
(型準備工程)
図15の(A)に示した型10を準備する。この型準備工程は先に説明した型準備工程と同一である。
(基板準備工程)
図15の(B)に示したセラミックグリーンシート30を準備する。この基板準備工程も先に説明した基板準備工程と同一である。
(スラリー準備工程)
図15の(C)に示したスラリー20を準備する。このスラリー準備工程も先に説明したスラリー準備工程と同一である。
図15の(A)に示した型10を準備する。この型準備工程は先に説明した型準備工程と同一である。
(基板準備工程)
図15の(B)に示したセラミックグリーンシート30を準備する。この基板準備工程も先に説明した基板準備工程と同一である。
(スラリー準備工程)
図15の(C)に示したスラリー20を準備する。このスラリー準備工程も先に説明したスラリー準備工程と同一である。
(乾燥前立体形成部形成工程)
次に、図15の(C)に示したように、セラミックグリーンシート30を積層機の下板71の上に載置する。積層機の下板71は通電により発熱するようになっている。
次に、図15の(C)に示したように、セラミックグリーンシート30を積層機の下板71の上に載置する。積層機の下板71は通電により発熱するようになっている。
次に、セラミックグリーンシート30の上面(一方の面)U30にスラリー20を層状(略一定の厚みを有する膜状)に形成する。この工程は、スラリー層形成工程とも称呼される。その後、図15の(D)に示したように、「型10の凹部13が形成されている面(端面P12)」を「セラミックグリーンシート30の一方の面(上面U30)」に対向させて配置する。
次に、図15の(E)に示したように、型10の凹部13が形成されていない面(前記端面P12に対向する他面)の上に積層機の上板72を載置する。積層機の上板72も通電により発熱するようになっている。この状態において、積層機の上板72に荷重を加え、型10をセラミックグリーンシート30に向けて押圧する。このとき、積層機の下板71及び上板72から熱を発生させ、セラミックグリーンシート30を加熱する。この工程は「押圧工程」とも称呼される。なお、本例においても、型10の「凹部形成面の端面P12」はセラミックグリーンシート30の上面U30に接する。但し、型10は、凹部形成面P12が「セラミックグリーンシート30の上面U30」から僅かに離間するように配置されてもよい。
(乾燥後立体形成部形成工程)
図15の(E)に示した状態(押圧工程)を、所定の時間だけ継続する。これにより、「型10の凹部13内に保持されているスラリー20」に含まれる溶剤が「自重、毛細管現象及び型10の押圧による加圧力等によって」セラミックグリーンシート30の細孔内に浸み込む(浸透する)。これにより、スラリー20は乾燥され固化する。その結果、凹部13内であってセラミックグリーンシート30の一方の面側(この場合、上面U30側)に「乾燥後の立体形成部」が形成される。その後、スラリー20が乾燥して「乾燥後の立体形成部」が形成されると、「セラミックグリーンシート30及び乾燥後の立体形成部」は冷却され、次いで、型10が「セラミックグリーンシート30及び乾燥後の立体形成部」から除去される。すなわち、離型工程が実施される。
図15の(E)に示した状態(押圧工程)を、所定の時間だけ継続する。これにより、「型10の凹部13内に保持されているスラリー20」に含まれる溶剤が「自重、毛細管現象及び型10の押圧による加圧力等によって」セラミックグリーンシート30の細孔内に浸み込む(浸透する)。これにより、スラリー20は乾燥され固化する。その結果、凹部13内であってセラミックグリーンシート30の一方の面側(この場合、上面U30側)に「乾燥後の立体形成部」が形成される。その後、スラリー20が乾燥して「乾燥後の立体形成部」が形成されると、「セラミックグリーンシート30及び乾燥後の立体形成部」は冷却され、次いで、型10が「セラミックグリーンシート30及び乾燥後の立体形成部」から除去される。すなわち、離型工程が実施される。
(積層工程及び焼成工程)
次いで、上記第1実施形態と同様、他のセラミックグリーンシートが「乾燥後の立体形成部」の上に積層され、その後、それらの積層体が焼成・一体化される。なお、この場合においても、積層工程は省略され得る。
次いで、上記第1実施形態と同様、他のセラミックグリーンシートが「乾燥後の立体形成部」の上に積層され、その後、それらの積層体が焼成・一体化される。なお、この場合においても、積層工程は省略され得る。
このように、本発明による第2実施形態に係る立体形成部製造方法によれば、「凹部13内にスラリー20が充填された状態にある型10」は、積層機の下板71及び上板72によって加熱されながらセラミックグリーンシート30に対して押圧される。従って、スラリー20とセラミックグリーンシート30との密着力を増大することができる。その結果、離型時における「乾燥後立体形成部の変形(パターンの破損)」が回避され得る。
以上、説明したように、本発明の各実施形態に係る立体形成部製造方法によれば、微細なパターン(正面視における形状)を有する立体形成部を多孔質基板の上に形成することができる。なお、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。
例えば、上記各実施形態のスラリー20は、主原料の粒子としてセラミック粉末が用いられていた。これに対し、主原料の粒子を「金属等の導電材料の粉末」に置換してもよい。これによれば、基板上に電気回路パターン等を形成することもできる。
更に、例えば、上記積層工程において積層される「別のセラミックグリーンシート31」は、立体形成部が別途形成されたセラミックグリーンシートであってもよい。更に、その上に他の一以上のセラミックグリーンシートを積層し、多層の焼成前積層体を構成し、その焼成前積層体を焼成してもよい。
加えて、型10は、図16に示したように、断面が台形状の凸部12aを基部11の上に複数備える形状を有していてもよい。この場合、凹部13aは逆台形状となる。図16に示した例において、凸部12aの上底の幅W1は50μm、凸部12aの下底の幅W2は70μm、高さHは100μm、隣り合う一対の凸部12a,12aの中心線距離Pは90μmである。凹部13の最小幅D1は20μmである。凸部12a及び凹部13aの長手方向の長さは870μmである(好ましくは、W1は10〜80μm、Hは0〜200μm、Pは60〜120μmである。)。これらの寸法は一例であって、特に限定されるものではない。この型を用いて実際に製造した構造体の拡大写真を図10に示す。
更に、前述し且つ図18に示したように、本発明の各実施形態に係る立体形成部製造方法の「乾燥前立体形成部形成工程」及び「乾燥後立体形成部形成工程」において、型10の凹部形成面の端面(凸部12の上端面)P12が「セラミックグリーンシート30の上面U30」と平行であって「セラミックグリーンシート30の上面U30」から僅かな距離tだけ離間するように、型10がセラミックグリーンシート30の上面U30側(一方の面側)に配置されてもよい。これによれば、セラミックグリーンシート30の上に「厚さtの板状部20a」が形成され、その板状部20aの上に前記所定のパターンに沿う「立体形成部20b」が形成される。
この場合、図19の(A)に示したように、型10の凹部13内にスラリー20を充填し、図19の(B)に示したように、セラミックグリーンシート30の上面(一方の面)U30にスラリー20を層状に形成しておく。そして、図19の(C)に示したように、スラリー20が充填された型10をセラミックグリーンシート30の上面U30に形成されたスラリー20に押圧するとよい。即ち、例えば、上記第1実施形態の乾燥前立体形成部形成工程において、上記第2実施形態の乾燥前立体形成部形成工程のように、セラミックグリーンシート30の上面U30にスラリー20を層状に形成し、次いで、型10の凹部13が形成されている面P12をセラミックグリーンシート30の上面に対向させて配置するようにしてもよい。この場合、型10はセラミックグリーンシート30の上面U30に向けて荷重が加えられることが好ましい。
また、型10は、その型10の周部(外周部)全体に「基部11から突出し且つ凸部12よりも高さの高い枠部14(例えば、図1を参照。)」が備えられている。これによれば、スラリー20を凹部13内により確実且つ容易に充填することができる。
更に、上述した各実施形態においては、セラミックグリーンシート30の鉛直方向上方に型10を載置していたが、セラミックグリーンシート30の鉛直方向下方に型10を配置してもよい。即ち、セラミックグリーンシート30の下面(上面U30と反対側の面)に型10の凹部形成面P12が対向するように型10をセラミックグリーンシート30に対して配置してもよい。この場合、スラリー20に含まれる溶剤は毛細管現象によってセラミックグリーンシート30内に浸み込む。更に、この場合、上述した真空ポンプ等を作動させることにより、セラミックグリーンシート30の内部の圧力を大気圧よりも低圧に維持すれば、スラリー20に含まれている溶剤をセラミックグリーンシート30の細孔内に効率的に透過・吸引させ且つ乾燥させることができる。このように、本明細書及び特許請求の範囲において、「多孔質基板の上方(上部側)」は、「多孔質基板の両面のうちの一方の面側」と同義であり、必ずしも「鉛直方向上方」を意味するものではなく、多孔質基板の「鉛直方向下方」をも意味する概念である。
Claims (9)
- 正面視において所定の形状を有する凹部が形成された型を準備する型準備工程と、
主原料の粒子と同粒子の溶剤と有機材料とを含むスラリーを準備するスラリー準備工程と、
気体が通過可能な多孔質基板を準備する基板準備工程と、
前記多孔質基板の一方の面側に、前記スラリーからなるとともに前記所定の形状に沿う乾燥前の立体形成部が前記型の凹部によって形成されるように、同型を同多孔質基板の一方の面側に配置する乾燥前立体形成部形成工程と、
前記型を前記多孔質基板の一方の面側に配置させた状態において前記スラリーに含まれる前記溶剤を同多孔質基板の細孔内に浸み込ませることにより前記乾燥前の立体形成部を乾燥させ、乾燥後の立体形成部を形成する乾燥後立体形成部形成工程と、
を含む立体形成部製造方法。 - 請求項1に記載の立体形成部製造方法であって、
前記多孔質基板はセラミックグリーンシートであり、
前記主原料の粒子はセラミック粉末であり、
更に、前記乾燥後立体形成部形成工程の後に、前記多孔質基板と前記乾燥後の立体形成部とを焼成して一体化する焼成工程を備える製造方法。 - 請求項2に記載の立体形成部製造方法において、
前記セラミックグリーンシートを形成するセラミック粒子と前記主原料の粒子とは同一種のセラミックである製造方法。 - 請求項2又は請求項3に記載の立体形成部製造方法であって、
前記乾燥後立体形成部形成工程の後であり且つ前記焼成工程の前に、前記乾燥後の立体形成部に更に別のセラミックグリーンシートを載置することにより、空洞部を有する焼成前構造体を形成する積層工程を備え、
前記焼成工程は、前記焼成前構造体を焼成して一体化する工程である製造方法。 - 請求項1乃至請求項4の何れか一項に記載の立体形成部製造方法において、
前記乾燥前立体形成部形成工程は、
前記型の凹部に前記スラリーを充填する凹部内スラリー充填工程を含み、同凹部に同スラリーを充填した後に同凹部が形成されている面を前記多孔質基板の一方の面に対向するように配置することにより、前記乾燥前の立体形成部を形成する工程であり、
前記乾燥後立体形成部形成工程は、
前記型を前記乾燥後の立体形成部から離脱させる離型工程を含む、
製造方法。 - 請求項1乃至請求項4の何れか一項に記載の立体形成部製造方法において、
前記乾燥前立体形成部形成工程は、
前記多孔質基板の一方の面に前記スラリーを層状に形成した後に前記型の凹部が形成されている面を同多孔質基板の一方の面に対向させて配置するとともに同型を同多孔質基板に向けて押圧する押圧工程を含み、
前記乾燥後立体形成部形成工程は、
前記型を前記乾燥後の立体形成部から離脱させる離型工程を含む、
製造方法。 - 請求項1乃至請求項4の何れか一項に記載の立体形成部製造方法において、
前記乾燥前立体形成部形成工程は、
前記型の凹部に前記スラリーを充填する凹部内スラリー充填工程と、
前記多孔質基板の一方の面に前記スラリーを層状に形成するスラリー層形成工程と、
を含み、
前記型の凹部に前記スラリーを充填し且つ前記多孔質基板の一方の面に前記スラリーを層状に形成した後に、前記型の凹部が形成されている面を同多孔質基板の一方の面に対向させて配置することにより、前記乾燥前の立体形成部を形成する工程であり、
前記乾燥後立体形成部形成工程は、
前記型を前記乾燥後の立体形成部から離脱させる離型工程を含む、
製造方法。 - 請求項1乃至請求項7の何れか一項に記載の立体形成部製造方法において、
前記乾燥後立体形成部形成工程は、
前記多孔質基板の内部を大気圧よりも低圧にすることにより、前記溶剤を前記多孔質基板の細孔内に浸み込ませることを補助することを含む製造方法。 - 請求項1乃至請求項8の何れか一項に記載の立体形成部製造方法において、
前記乾燥後立体形成部形成工程は、
前記多孔質基板の少なくとも一部を加熱することによって前記溶剤を蒸発させ、前記立体形成部を乾燥させることを補助することを含む製造方法。
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