JP2005225748A - セラミックス体の製造方法、及び焼成用治具 - Google Patents

Abstract

【課題】薄肉部の撓みが少ないダイヤフラム構造のセラミックス体が得られる製造方法及び焼成用治具を提供する。
【解決手段】厚肉部と板状の薄肉部とを備え、該薄肉部と該厚肉部とにより凹部又は空所が形成されるように該厚肉部と該薄肉部が配置されたダイヤフラム構造を有する成形体を焼成する工程を含むセラミックス体の製造方法を提供する。これは、熱緩衝部材を、該薄肉部と接触又は非接触の状態で該薄肉部を覆う位置に配置して焼成を開始することを含むセラミックス体の製造方法である。多孔質セラミックスからなる熱緩衝部と、該熱緩衝部の一の面に配置されたスペーサーと、該スペーサーを介して、該熱緩衝部に対して非接触で配置された加重調節部とを備える焼成用治具を提供する。これは、熱緩衝部及び該加重調節部の間に空隙が保持されている焼成用治具である。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミックス体の製造方法、及びセラミックス体焼成用治具に関する。より詳しくは、いわゆるダイヤフラム構造を備えるセラミックス体に好適な製造方法及びそれに用いるセラミックス体焼成用治具に関する。

各種電子部品にあっては、セラミックス製の基体が広く適用されており、その代表的なものとして、圧電／電歪膜型素子等に適用されるダイヤフラム構造の基体がある。

ダイヤフラム構造の基体は、厚肉部間に板状の薄肉部が支持され、薄肉部の下方又は上方に凹部又は空所を有する構造の基体であり、圧電／電歪膜型素子の場合には、この薄肉部が振動部として機能する。

ところで、各種電子部品に適用されるセラミックス製の基体は、近年、より薄く、より小さく、より複雑化することが求められる一方、焼成時の変形が問題となっており、焼成時の変形を防止する様々な試みがなされている。

例えば、特許文献１には、焼成によって反り等の変形が発生したセラミックス体を、その上部に重りを載せた状態で、再度高温による加熱処理を行うことで、反り等の変形を矯正する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、この特許文献１に記載の製造方法は、２度加熱処理を要することから、エネルギー消費が非常に大きく、製品のコストを低減する上でも、大きな問題となっていた。また、一度変形したものを矯正するため、矯正後の基体には、少なからず応力が残留し、加えて、矯正工程が再度の加熱によるためセラミックス材料の粒成長、及び相変態を生じる。このため、矯正後のセラミックス製の基体は、強度、耐湿性等の点でも必ずしも十分なものではなかった。更に、重り板による加重のかけ方によっては、薄肉部に破損を生じることがあった。

これに対して、焼成時においてセラミックスグリーンシートの反りを防ぐため、重量、面積及び単位面積当りの加重が、所定の関係を満たす重しを用いて、表面平滑性に優れた０．５ｍｍ以下の焼成板を形成せしめる方法が開示されている。また、脱脂の観点から５〜３０％の気孔率の重しが開示されている（例えば、特許文献２参照）。

また、面積が４００ｃｍ²以上で且つ厚さが０．４ｍｍ以下の焼成板を焼成する際の反り及びうねり抑制方法として、グリーンシートを多孔質アルミナシートで数層に挟み加重をかける方法が開示されている（例えば、特許文献３参照）。

しかし、特許文献２、３に記載の方法では、ダイヤフラム構造を備えるセラミックス体に適用することについて全く考慮されておらず、ダイヤフラム構造の薄肉部の変形について何ら解決法を開示していない。

また、ダイヤフラム構造を備えるセラミックス体においては、特許文献２、３に開示された方法が対象とするようなサイズでなくても、その複雑な形状から反り及びうねりが発生する。更に、重し板により加重をかけながら再加熱する方法では、内側に撓んで変形した薄肉部はその変形を矯正することができない。加えて、両面に薄肉部が形成されているセラミックス体の反り及びうねりを矯正する場合には、変形の山側にある薄肉部の撓みが圧縮されて更に撓むため、二面間での撓み量の差が大きくなる。このため、薄肉部が湾曲した状態のまま各種素子に適用しているのが現状である。

特開２０００−１６９２６５号公報 特開平６−９２６８号公報 特許第２８３０７９５号公報

本発明は、上述の問題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、ダイヤフラム構造を備えるセラミックス体において、その薄肉部の撓みが少ない所望形状のセラミックス体が得られる製造方法、及びそれに用いる焼成用治具を提供することにある。

本発明者は、上述の問題を解決すべく鋭意検討したところ、ダイヤフラム構造における薄肉部の撓みや変形が以下のようにして生じることを見出した。ダイヤフラム構造を備える成形体を焼成する際には、最初、薄肉部が焼結してセラミックス体となった後も、厚肉部の焼結は進行中であり、厚肉部は収縮し続けている。従って、薄肉部は、厚肉部が焼成収縮する際に、既に大きな剛性を有しており、厚肉部の収縮に追従できない状態となっている。このため、当該薄肉部は、厚肉部の収縮により、空所側又はそれと反対側に撓み、ダイヤフラム構造を備えるセラミックス体の主な変形の原因となっていた。

更に、熱緩衝部材を、薄肉部に接触あるいは非常に近接した非接触の状態で、薄肉部を覆う位置に配置して、ダイヤフラム構造の成形体を焼成することにより、薄肉部と厚肉部との焼結時間の較差が低減され、成形体全体がほぼ同じタイミングで焼結し、薄肉部の撓みが減少することを見出し、本発明を完成するに至った。ここで、焼結時間とは、各々の部位の焼結が開始してから完了するまでに要する時間を意味する。

即ち、本発明は、厚肉部と板状の薄肉部とを備え、該薄肉部と該厚肉部とにより凹部又は空所が形成されるように該厚肉部と該薄肉部が配置されたダイヤフラム構造を有する成形体を焼成するセラミックス体の製造方法であって、該成形体の該薄肉部と接触又は非接触の状態で該薄肉部を覆う位置に熱緩衝部材を配置して焼成を開始することを含むセラミックス体の製造方法を提供するものである。

本発明においては、熱緩衝部材として平板状のものを用い、前記成形体を挟持する位置に少なくとも２つの該熱緩衝部材を配置して焼成を開始することが好ましい。

また、本発明においては、成形体が、空所を挟んで対向する２つの薄肉部を備えるダイヤフラム構造を有し、熱緩衝部材を、２つの薄肉部を覆う位置に各々配置して焼成を開始することが好ましい。

ここで、本明細書において「熱緩衝部材」とは、薄肉部及び厚肉部が大気に開放された状態で焼成した場合に比べ、薄肉部及び厚肉部の任意の単位体積が任意の単位時間に受け取る熱量の差を低減する作用を有する部材を意味する。

もっとも、本発明において熱緩衝部材は、その単位面積当りの熱容量が、熱緩衝部材を配置する薄肉部の単位面積当りの熱容量以上のものを用いることが好ましい。

また、薄肉部と厚肉部との単位面積当りの熱容量差と、熱緩衝部材の単位面積当りの熱容量（Ｃ_b）との関係が、
０≦（（Ｃ_b−Ｃ_s）／Ｃ_s）×１００≦３００ …１
であることが更に好ましい。なお、（Ｃ_s）、（Ｃ_b）は各々、以下の式により求められる値を意味する。
Ｃ_b＝（ρ_b×ｄ_b×ｔ_b） …２
（式２において、Ｃ_b：熱緩衝部材の単位面積当りの熱容量、ρ_b：熱緩衝部材の比熱、ｔ_b：熱緩衝部材厚さ、ｄ_b：熱緩衝部材の密度）
Ｃ_s＝（ρ_s×ｄ_s×（ｔ₂−ｔ₁）） …３
（式３において、Ｃ_s：薄肉部の単位面積当りの熱容量、ρ_s：成形体の比熱、ｔ₁：成形体の薄肉部厚さ、ｔ₂：成形体の厚肉部厚さ（但し、成形体が空所を挟んで対向する２つの薄肉部を持つ場合、ｔ₂は全厚さの半分とする）、ｄ_s：成形体の密度）

また、本発明において、薄肉部と熱緩衝部材との間隔が熱緩衝部材の厚さ以下であることが好ましい。更に、この間隔が、厚肉部の厚さと薄肉部の厚さの差以下であることが好ましい。なお、本発明において、表面に凸部が形成された成形体又は熱緩衝部材を用い、該凸部が熱緩衝部材又は成形体と接触するように熱緩衝部材を配置することにより、薄肉部の少なくとも一部と熱緩衝部材とを非接触の状態としてもよい。この場合、凸部を形成する手段は、薄膜を形成させる手段であれば特に制限はないが、量産性の観点からするとスクリーン印刷法で形成するのが好ましい。

本発明においては、熱緩衝部材として、気孔率１〜７０％の多孔質体で構成されるものを用いることが好ましい。

また、熱緩衝部材が成形体を加圧した状態で前記焼成を行うことも好ましい。また、薄肉部の上面が実質的に水平となるように成形体を配置し、薄肉部の上面に熱緩衝部材を配置することにより加圧することも好ましい。

上述のように当該熱緩衝部材に重し部材としての機能を兼備させてもよく、その場合には、熱緩衝部材上に配置されたスペーサーと、スペーサーを介して該熱緩衝部材の上方に配置された加重調節部材が存在する状態で焼成を開始すことが更に好ましい。この際、スペーサーが、焼成の開始から終了までの間、成形体、又はその成形体から焼成により形成されるセラミックス体、の上方に常に配置された状態とすることが更に好ましい。

このように成形体を加圧する加圧力は、単位体積当り１×１０^-4〜２×１０^-1ｇ／ｍｍ³となる圧力であることが好ましい。また、熱緩衝部材として、厚さ０．３〜１０．０ｍｍのものを用いることができる。

また、前記熱緩衝部材の、前記成形体と接触する面の単位接触面積当りの算術平均粗さ（Ｒａ）が、０．１≦Ｒａ７５≦１０．０μｍであることが好ましく、熱緩衝部材の熱伝導率が、前記薄肉部の熱伝導率よりも大きいことも好ましい。また、本発明における成形体は、凹部又は空所が１つのものであってもよく、凹部又は空所が２以上のものであってもよい。

また、本発明は、このような製造方法に好適な焼成用治具、即ち、多孔質セラミックスからなる熱緩衝部と、該熱緩衝部の一の面に配設されたスペーサーと、該スペーサーを介して、該熱緩衝部に対して非接触で配設される加重調節部とを備え、該熱緩衝部及び該加重調節部の間に空隙が保持されていることを特徴とする焼成用治具を提供するものである。

本発明の焼成用治具においては、熱緩衝部が、気孔率１〜７０％の多孔質体で構成されているものが好ましく、熱緩衝部が、厚さ０．３〜１０．０ｍｍであるものが好ましい。

また、熱緩衝部の外面の少なくとも一部、即ち被焼成体と接触する面の単位接触面積当りの算術平均粗さ（Ｒａ７５）が、０．１≦Ｒａ７５≦１０．０μｍであることが好ましい。ここで、Ｒａ７５は、ＪＩＳ’８２に準拠した方法により、測定装置として、東京精密（株）ＳＵＲＦＣＯＭ４８０Ａを用い、触針の先端半径５μｍ、先端角度６０°材質ダイヤモンドとし、測定速度０．６ｍｍ／ｓｅｃ、カットオフ０．８ｍｍ、測定距離５ｍｍの条件で得ることができる値である。

本発明によれば、ダイヤフラム構造を備えるセラミックス体において、その薄肉部の撓みが少ない所望形状のセラミックス体が得られる製造方法を提供することができる。また、ダイヤフラム構造を含む各種形状のセラミックス体を焼成する際に、被焼成体に対し、適切なる加重を付与しながら、焼成時に発生するガスの抜けが良好で、得られるセラミックス体の破損、変形が極めて少ない焼成用治具を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を具体的に説明する。但し、本発明は、以下の記載に限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。図１は、本発明の一の実施の形態を模式的に示す断面図である。

図１に示すように、本発明のセラミックス体の製造方法は、厚肉部１と板状の薄肉部２とを備え、薄肉部２と厚肉部１とにより凹部又は空所が形成されるように厚肉部１と薄肉部２が配置されたダイヤフラム構造を含む成形体３を焼成する工程を含み、薄肉部２に、好ましくは薄肉部の一の面全体、更に好ましくは薄肉部及び厚肉部で構成される一の面全体を、熱緩衝部材４が接触した状態で覆う位置に熱緩衝部材４を配置して焼成を行うものである。あるいは、熱緩衝部材４が薄肉部２の一部又は全部と非接触の状態で薄肉部２の一面全体、好ましくは薄肉部及び厚肉部で構成される一の面全体を覆う位置に熱緩衝部材４を配置して焼成を行うものである。なお、図１には、２つの厚肉部１とその間に配置された薄肉部２が示されているが、この厚肉部１は、各々独立したものでもよく、あるいは厚肉部１が例えばリング状になっており、図１において示された２つの厚肉部１がつながっているようなものでもよい。

これにより、薄肉部２の撓みが抑制された所望のダイヤフラム構造を有するセラミックス体が得られ、このようなセラミックス体は、薄肉部の撓みが抑制されることにより、例えば、ＨＤＤ素子のように挟みこむ構造（例えば特開２００１−３２００９９号公報に記載されているような構造）を有し、高精度を要する部品として適用可能となり、圧電／電歪膜型素子等の電子部品に適用した際に所望の性能を発揮させることができる。ここで、特開２００１−３２００９９号公報の記載は、本願明細書の記載に含めるものとする。

ここで、図面を用いて、本発明の製造方法の基本原理について説明する。図９は、厚肉部１間に板状の一の薄肉部２が支持され、薄肉部２の下方に凹部６を有するダイヤフラム構造の成形体を、薄肉部が直接大気に開放された状態で焼成する場合の成形体の挙動を示す説明図であり、図２は、同じダイヤフラム構造の成形体を、薄肉部に緩衝部材を接触させて焼成する場合（本発明の製造方法）の成形体の挙動を示す説明図である。

なお、各図で、矢印は、薄肉部及び厚肉部において主要な焼成収縮が起こっている状態を示し、斜線で示す領域は、焼結がほぼ完了し、セラミックス化した部位を示す。

図９に示すように、薄肉部２と厚肉部１とを有するダイヤフラム構造の成形体３を、薄肉部２及び厚肉部１の何れも大気雰囲気に開放された状態で焼成した場合には、その厚みの差に起因して薄肉部２の焼結が先に完了する。そして、厚肉部１は、薄肉部２の焼結がほぼ終了してその大部分がセラミックス化した後も、まだ焼結の途上にある。このため、既に剛性の高い薄肉部２（斜線で示す）は、厚肉部１の収縮により応力がかかり、空所側Ａか、もしくはその反対側Ｂに撓んだ状態で最終的な焼結が終了する。

これに対して、図２に示すようにして、同じダイヤフラム構造の成形体３を、薄肉部２に熱緩衝部材４を接触させて焼成した場合には、焼成雰囲気の熱が熱緩衝部材４を介して薄肉部２及び厚肉部１に伝わり、薄肉部２及び厚肉部１へ伝わる単位時間当りの熱量は大気から直接伝達される場合に比べ小さくなる。このため、当該熱緩衝部材４の熱容量を調整することで、薄肉部２の焼結の進行を、厚肉部１の焼結の進行に近づけることができ、更に熱緩衝部材の存在により伝達される熱量の局所的な偏重が抑制され、薄肉部２の撓みが抑制されたダイヤフラム構造のセラミックス体を得ることができる。

なお、熱緩衝部材４が薄肉部２に直接接触しなくてもこのような効果を得ることができる。これは、薄肉部２と熱緩衝部材４とが非接触であっても、放射によって熱緩衝部材４から薄肉部２へ熱エネルギーが伝わるためである。即ち、熱緩衝部材４が、薄肉部２の少なくとも一部と非接触の状態で薄肉部２を覆うように熱緩衝部材４を配置することによっても薄肉部２の焼結の進行を、厚肉部１の焼結の進行に近づけることができる。しかし、あまりに間隔が広くなると薄肉部２と熱緩衝部材４の間を空気が流れるため薄肉部表面や熱緩衝部材表面から熱エネルギーを損失してしまい、本発明の効果が十分に発揮されない。従って、熱緩衝部材４と薄肉部２との間隔は、０（即ち、接触状態）から熱緩衝部材の厚さ以下の範囲内であることが好ましく、０から熱緩衝部材の厚さの半分以下の範囲内であることが更に好ましい。また、熱緩衝部材４と薄肉部２との間隔が、厚肉部１と薄肉部２との厚さの差、即ち凹部６の厚さより大きいと、薄肉部２と凹部６を挟んで対向する位置に存在する物体の影響が、熱緩衝部材４の効果よりも大きくなる場合がある。従って、熱緩衝部材４と薄肉部２との間隔は厚肉部１と薄肉部２との厚さの差よりも小さいことが好ましい。

薄肉部２と非接触の状態で薄肉部２を覆う位置に熱緩衝部材４を配置する具体的な方法として、成形体３の一部の表面、好ましくは外周部の表面に凸部を設け、この凸部と接触した状態で薄肉部２を覆うように熱緩衝部４を配置する方法が挙げられる。即ち、凸部をスペーサーとして、薄肉部２と熱緩衝部材との間に所定の間隔を設ける方法が挙げられる。この場合、この凸部の高さがこの間隔に対応するようになる。熱緩衝部材４と薄肉部２との間隔が上述の好ましい範囲となるように凸部を設ける好ましい方法として、スクリーン印刷などの印刷により成形体に薄膜を形成して凸部とする方法が挙げられる。なお、凸部は、熱緩衝部材４に設けても同様の効果が得られる。また、成形体表面の外周部分を囲むように凸部を設けた場合は、空気の流れをほぼ遮断することができ、熱エネルギーの損失を抑制できるためよりよい。

図３は、空所８を挟んで対向する２つの薄肉部２ａ、２ｂを備えるダイヤフラム構造を有する成形体を、両方の薄肉部に緩衝部材４ａ、４ｂを接触又は非常に近接した非接触の状態として焼成する場合の成形体の挙動を示す説明図である。（以下において、「直接接触」と記載しない限り、「接触」とは一部接触及び非常に近接した非接触の状態も含むものとする）

本発明において、図３に示すように、熱緩衝部材４ａ、４ｂを、各薄肉部２ａ、２ｂに各々接触させた状態で焼成を開始することが好ましい。

成形体が２つの薄肉部２ａ、２ｂを有する場合には、図３に示すようにして、ダイヤフラム構造の成形体３を、両方の薄肉部２ａ、２ｂに緩衝部材４ａ、４ｂを接触させて焼成することにより、大気等の焼成雰囲気から、各薄肉部２ａ、２ｂへ伝達される単位時間当りの熱量が同様に小さくなり、各薄肉部２ａ、２ｂの焼結の進行を、厚肉部１の焼結の進行に近づかせることができるとともに、各薄肉部２ａ、２ｂ間においても、焼結をほぼ同時に進行させることができる。また、両方の薄肉部に伝達される熱量の局所的な偏重が抑制される。このため、何れの薄肉部２ａ、２ｂについても、撓みが抑制されたダイヤフラム構造のセラミックス体を得ることができる。図３に示す形態においても、熱緩衝部材４ａ又は４ｂと薄肉部２ｂ又は２ａとの間隔が各々大きすぎると本発明の効果が小さくなりすぎる場合があるため、この間隔は０（即ち、接触状態）から熱緩衝部材４ａ又は４ｂの厚さ以下の範囲内であることが好ましく、０から熱緩衝部材４ａ又は４ｂの厚さの半分以下の範囲内であることが更に好ましい。更に、この間隔が、厚肉部１の厚さと薄肉部２ａ及び２ｂの合計の厚さとの差、即ち空所８の厚さより大きいと、例えば、熱緩衝部材４ａの薄肉部２ｂに対する効果よりも、空所８を挟んで対向する薄肉部２ａや熱緩衝部材４ｂの薄肉部２ｂに対する影響の方が大きくなる場合がある。従って、熱緩衝部材４ａ又は４ｂと薄肉部２ｂ又は２ａとの各々の間隔は、厚肉部１の厚さと薄肉部２ａ及び２ｂの合計の厚さとの差よりも小さいことが好ましい。

薄肉部２と厚肉部１の焼結完了時間の差を効果的に減少させるには、接触対象となる薄肉部２及び厚肉部１と同じかそれ以上の単位面積当りの熱容量を有する熱緩衝部材４を用いることが好ましい。熱容量が大きいものは熱緩衝部材に接する薄肉部の面に、任意の時期に、中でも焼成初期に、供給するエネルギー密度を小さくし、温度分布を狭くできるからである。

更には、式３で求められる薄肉部と厚肉部との単位面積当りの熱容量差（Ｃ_s）と式２で求められる熱緩衝部材の単位面積当りの熱容量（Ｃ_b）との関係が、
０≦（（Ｃ_b−Ｃ_s）／Ｃ_s）×１００≦３００ …１
であることが好ましい。
Ｃ_b＝（ρ_b×ｄ_b×ｔ_b） …２
（式２において、Ｃ_b：熱緩衝部材の単位面積当りの熱容量、ρ_b：熱緩衝部材の比熱、ｔ_b：熱緩衝部材厚さ、ｄ_b：熱緩衝部材の密度）
Ｃ_s＝（ρ_s×ｄ_s×（ｔ₂−ｔ₁）） …３
（式３において、Ｃ_s：薄肉部の単位面積当りの熱容量、ρ_s：成形体の比熱、ｔ₁：成形体の薄肉部厚さ、ｔ₂：成形体の厚肉部厚さ、ｄ_s：成形体の密度）

また、本発明における熱緩衝部材４は、厚さを厚くすることで、単位面積当りの熱容量を大きくしてもよいが、厚さによらず材料の特性によって調製することが好ましい。

材料の特性によって調製することにより、成形体に加わる過度な加重を回避することができ、成形体３と熱緩衝部材４間の摩擦抵抗を低減するため、成形体３の焼成収縮の際に生じる寸法精度の歪を抑制することができる。また、後述するように熱緩衝部材が多孔質の場合には、この厚さを薄くすることにより、より脱脂が容易となる。

具体的には、接触対象となる薄肉部を構成する材料より、比熱が大きな材料からなる熱緩衝部材を用いることが好ましく、例えば、表１に示すような材料の特性に基づいて、成形体の特性との関係から適宜選択することができる。例えば薄肉部及び厚肉部を構成する材料が、ジルコニアであれば、アルミナ、スピネル、マグネシア、ベリリア等からなる材料を用いることができ、薄肉部を構成する材料が、アルミナであれば、マグネシア、ベリリア等からなる材料を用いることができる。

また、本発明における熱緩衝部材４は、薄肉部２に更に均一に熱を伝えることが可能となる点で、熱伝導率が、薄肉部の熱伝導率よりも大きい熱緩衝部材が好ましく、熱伝導率が２．０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上の材料からなる熱緩衝部材４が更に好ましい。

また、このような材料としては、例えば、アルミナ、スピネル、マグネシア、ベリリア等を挙げることができる。

また、本発明における熱緩衝部材４は、焼成時に薄肉部２に均一に熱を伝え、成形体３の焼成ムラを抑制できる点で、図１に示すように、少なくとも、薄肉部２の外表面Ｆ₁を含んで接触するものが好ましいが、薄肉部２及び厚肉部１で構成される一の外表面Ｆ₂を含んで接触するものが更に好ましい。また、焼成時において成形体の薄肉部の撓みを低減するとともに成形体全体の変形をも抑制するためには、図４に示すように、熱緩衝部材として平板状のものを用い、少なくとも当該熱緩衝部材４ａ、４ｂの何れかと薄肉部２とを接触させながら、２つの熱緩衝部材４ａ、４ｂで成形体３を挟持した状態とすることが最も好ましい。

また、熱緩衝部材が成形体を加圧した状態で前記焼成を行うことがセラミックス体全体の反りやうねりを抑制する点で好ましい。加圧する方法に特に制限はないが、例えば図１等に示すように、薄肉部２の上面が実質的に水平となるように成形体を配置し、薄肉部２の上面に前記熱緩衝部材を配置することにより加圧することが好ましい。ここで、実質的に水平とは、薄肉部の上面に配置された熱緩衝部材が自然落下しない程度に水平であることを意味し、薄肉部の上面が水平面に対して５°以内となる程度に水平であることが好ましい。

また、図３に示すように、成形体が、空所８を挟んで対向する２つの薄肉部２ａ、２ｂを備えるダイヤフラム構造を有する場合には、この２つの薄肉部の面が水平となるように成形体を配置し、この成形体全体を上下から挟持するように２つの熱緩衝部材４ａ、４ｂを配置することも好ましい。

これにより、薄肉部２ａ、２ｂと厚肉部１との間、更には２つの薄肉部２ａと２ｂとの間においても、焼結完了時間の較差を低減することができ、焼成時における薄肉部の撓みを低減することができる。また、２つの熱緩衝部材４ａ、４ｂにより、成形体３を、成形体上下面全体で挟持することで、当該薄肉部における撓みの低減に加え、成形体全体の反りやうねりといった変形をも抑制することができる。なお、薄肉部と熱緩衝部材が非接触の場合でも、直接接触する凸部に均等に圧力を加えることにより成形体全体の反りやうねりといった変形を抑制することができる。

成形体を加圧する際の加圧力は、小さすぎると十分な効果が得られずに反り等が発生し、大きすぎると平面方向の焼成収縮に影響を及ぼして、平面方向の寸法歪みが発生したり、場合によっては成形体が割れてしまう。適切な加重量は成形体の体積に関係し、単位体積当り１×１０^-4〜２×１０^-1ｇ／ｍｍ³が好ましく、更に２×１０^-4〜１×１０^-1ｇ／ｍｍ³が好ましく、特に単位体積当り１×１０^-3〜１×１０^-1ｇ／ｍｍ³の加重量となる圧力であることが好ましい。

本発明において図１等に示す熱緩衝部材４は、成形体焼成時に、成形体中の有機成分が焼失して発生するガスを容易に外部へ解放でき、ガスの蓄積によるセラミックス体の破損を防止できるものが好ましい。具体的には、多孔質体で構成される熱緩衝部材を用いることが好ましく、更には、気孔率が１〜７０％の多孔質体で構成されるものが好ましく、気孔率が１〜５０％、特に１〜２５％の多孔質体で構成されるものが更に好ましい。また、同様の点で、厚さが０．３〜１０．０ｍｍの熱緩衝部材４が好ましく、厚さが０．５〜５．０ｍｍの熱緩衝部材４が更に好ましい。

また、熱緩衝部材４による圧力の調整は、単に熱緩衝部材の肉厚化によらず、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、多孔質セラミックスからなる熱緩衝部（熱緩衝部材４）と、その面に配設されたスペーサー２１と、これを介して、熱緩衝部（又は熱緩衝部材４）に対して非接触で配設される加重調節部（又は加重調節部材２２）とを備え、熱緩衝部（又は熱緩衝部材４）及び加重調節部（又は加重調節部材２２）間に空隙２３が保持されている焼成用治具２５を用い、当該焼成用治具２５を、少なくとも、成形体上面に配設することが好ましい。

このような焼成用治具２５を成形体上面に配設すると、加重調節部（又は加重調節部材２２）の厚さ等を変更することにより成形体３に付加する加重を調整できるとともに、熱緩衝部（又は熱緩衝部材４）及び加重調節部（又は加重調節部材２２）間に存する空隙２３により、焼成時に薄肉部２ａ、２ｂから発生してくるガスの解放が確保される。また、スペーサー２１の位置に特に制限はないが、スペーサーを配置することによる単位面積当りの熱容量の変化の影響を少なくするため、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、スペーサーを厚肉部上に配置することが好ましく、薄肉部から離れた位置に配置することが更に好ましい。薄肉部が複数ある場合には、薄肉部から実質的に等距離になるようにスペーサーを配置することも好ましい。

なお、当該焼成用治具２５を用いる場合には、熱緩衝部（又は熱緩衝部材４）の寸法を成形体３への加重の観点から制限する必要はない。従って、加重調節部（又は加重調節部材２２）の厚さ等を調製しながら、熱緩衝部（又は熱緩衝部材４）を薄肉化又は高気孔率化することで、成形体に対する所望の加重を確保し、且つ焼成時に薄肉部２から発生してくるガスを、より確実に外部へ開放することができる。また、当該焼成用治具２５は、成形体３の下方に位置する薄肉部２ａに用いることも有用である。この場合、成形体３の薄肉部２が、直接、セッター等の積載面と接することがなく、焼成時に薄肉部２から発生してくるガスの解放ルートが空隙２３により確保されることとなる。この場合には、加重調節部（又は加重調節部材２２）は、加重を調整する機能は有しないため、熱緩衝部（又は熱緩衝部材４）とスペーサーがあればこの効果を得ることができる。更に、当該焼成用治具２５は、本発明の製造方法のみならず、シート状のセラミックス体、又は当該シート状のセラミックス体の積層体等、他の形状のセラミックス体を焼成する際にも、同様の効果を奏する。ここで、熱緩衝部（又は熱緩衝部材４）は、気孔率１〜７０、更に１〜５０％、特に１〜２５％の多孔質体であることが好ましく、また、厚さが０．３〜１０ｍｍであることが好ましく、０．５〜５ｍｍであることが好ましい。

また、スペーサーが、焼成の開始から終了までの間、成形体又はセラミックス体の上方に常に配置された状態とすることが好ましい。薄肉部が大きな板の場合に、板の周辺と中心部に荷重が均等にかかるようにし、それにより薄肉部の変形を抑えることができ、またこれにより成形体を確実に加圧することが可能となる。また、薄肉部と熱緩衝部が非接触の場合にも、直接接触する凸部に加重が均等にかかるようにすることにより薄肉部を含む成形体の変形を抑えることができる。焼成前にはスペーサーが成形体の上方に配置され、加重調節部が成形体を十分に加圧している状態であっても、収縮により成形体又は成形体から形成されるセラミックス体の上方の位置からスペーサーがずれてしまうと焼結中に加圧状態が変化し、スムーズな収縮を阻害する場合もあり、図５（ａ）、（ｂ）に示すように常にスペーサーが成形体又はセラミックス体の垂直上方に存在することにより良好な製品寸法精度のセラミックス体を得ることができる。

本発明において図１等に示す熱緩衝部材４としては、成形体３と熱緩衝部材４とが少なくとも一部で直接接触する場合において、成形体３と熱緩衝部材４間での摩擦抵抗を低減して、成形体３をできるだけ均等に焼成収縮させるために、成形体３との接触面、好ましくは熱緩衝部材の一面全体の算術平均粗さ（Ｒａ７５）が、０．１≦Ｒａ７５≦１０．０μｍであることが好ましく、更に０．１≦Ｒａ７５≦６．０μｍ、特に０．１≦Ｒａ７５≦３．０μｍであることが好ましい。なお、本発明の焼成治具において、熱緩衝部と加重調節部とスペーサーとは一体化していてもよく、分解可能であってもよい。

本発明において、当該ダイヤフラム構造を備える成形体３は、例えばドクターブレード法、リバースロールコーター法、カレンダーロール法、鋳込み成形法、ホットプレス法、射出成形法、又は押出し成形法等により作製することができる。中でも、ドクターブレード法により作製された成形体は、精度がよく、薄い薄肉部２を有することができるため好ましい。

また、ドクターブレード法等のシート成形方法により成形された成形体を用いる場合には、図６及び図８に示すように、各成形方法で得た各グリーンシート１５を、切断、打ち抜き等により、最終的な凹部６又は空所８に相当する大きさの貫通孔１８を少なくとも１以上設けた後、積層して積層体１１を作製し、この積層体１１の貫通孔１８が開口する上下面の少なくとも１の面に、薄肉部２を構成させるためのグリーンシート１６を積層することにより、厚肉部１間に板状の薄肉部２が支持され、薄肉部２の下方又は上方に凹部６又は空所８のあるダイヤフラム構造を備える成形体３を得ることができる。なお、同様の方法で、凹部又は空所を１つのみ有する成形体を作製することもでき、図８に示すように複数の凹部又は空所を有する成形体を作製することもできる。また、複数の凹部又は空所を有する成形体の場合、異なる形状の凹部又は空所を有する成形体とすることもできる。即ち、本発明は、ダイヤフラム構造を１つのみ有する成形体の焼成に適用することもでき、同一又は異なるダイヤフラム構造を複数有する成形体の焼成に適用することもできる。そして、複数のダイヤフラム構造を有する成形体を焼成した場合には、その後複数の焼成体に分割することもできる。なお、図８に示すように、複数の凹部又は空所を有する成形体を作製した場合には、この成形体の厚肉部の一部または全部にスクリーン印刷等により薄膜層を形成して凸部とし、薄肉部と非接触の状態で薄肉部を覆うように熱緩衝部材を配置することができる。また、凸部は成形体の外周を一周するように設けることが好ましい。

勿論、図７に示すような、厚肉部１間に、対向する２つの薄肉部２が空所８を挟んで支持されているダイヤフラム構造（図７に示すように、少なくとも何れか一方の薄肉部２に空所と外部とを連通する小径の連通孔７を有するものを含む。）とする場合には、図８に示すように、上記と同様にして積層体１１を作製した後、積層体１１の貫通孔１８が開口する上下面に、薄肉部２を構成させる２つのグリーンシート１６を積層すればよい。また、図８に示す形態において、空所８が密閉空間となることを避けるため、グリーンシート１６の薄肉部を構成する部分に空所８と連通する細隙１７を形成することも好ましい。この細隙１７は、空所の端部と連通するように形成することが好ましい。即ち、積層体１１の貫通孔１８を囲む４辺の１辺に対応する位置に沿ってグリーンシート１６に細隙１７を形成することが好ましい。なお、図８に示すグリーンシート１６にある点線は積層体１１の貫通孔１８が接する位置を示したものである。

本発明においては、成形体３の原料についても特に制限はなく、例えば、安定化酸化ジルコニウム、部分安定化酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化チタン、スピネル、ムライト、窒化アルミニウム、窒化珪素、コージェライト化原料、窒化珪素、炭化珪素、及びガラスからなる群より選ばれる少なくとも１種を主成分とするセラミックス原料を挙げることができる。

また、本発明において成形体３の原料は、これらセラミックス原料に必要に応じて各種添加物を含有するものでもよく、例えば、バインダー、分散剤、可塑剤、造孔材、又は焼成助剤等を添加したものを挙げることができる。

また、バインダーとしては、例えば、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシルメチルセルロース、ポリビニルブチラール、又はポリビニルアルコール等を挙げることができ、分散剤としては、例えば、ソルビタン脂肪酸エステル、エチレングリコール、デキストリン、脂肪酸石鹸、又はポリアルコール等を挙げることができる。また、可塑剤としては、例えば、フタル酸ジ−２−エチルヘキシルを挙げることができる。また、焼成助剤としては、例えば、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、イットリア（Ｙ₂Ｏ₃）、カルシア（ＣａＯ）、マグネシア（ＭｇＯ）、又はセリア（ＣｅＯ）等を挙げることができる。なお、これら各添加物は、目的に応じて１種単独又は２種以上組み合わせて用いることができる。

また、スラリー等の分散媒を含有する態様の原料を用いる場合には、上記セラミックス原料に、例えば、水、石油等の炭化水素系液状化合物、アルコール等の分散媒を混合すればよい。

本発明において成形体１０の焼成温度は、成形体１０の材料に応じて適切な温度を選択すればよく、例えば、成形体１０が部分安定化酸化ジルコニウムを主成分とする場合であれば、１３５０〜１５５０℃が好ましく、１４００〜１４５０℃がより好ましい。

また、本発明においては、必要に応じ、焼成後のセラミックス体に、ダイシング、ワイヤーカット等により切削加工を施し、所望の形状とするこができることは言うまでもない。

以上、詳しく述べた通り、本発明によれば、いわゆるダイヤフラム構造のセラミックス体であっても、薄肉部の変形が殆どないものを得ることができ、特に、厚肉部間に対向する２つの薄肉部が空所を挟んで支持されている構造の場合には、形状の対称性が保持されたセラミックス体を得ることができる。

また、１回の焼成によりうねりや反りのないセラミックス体を得ることができるため、消費エネルギーや製品コストの大幅な低減を実現することができる。加えて、一度変形したセラミックス体に対する矯正工程を要しないため、得られるセラミックス体に残留応力が少なく、更には、再加熱によるセラミックス材料の粒成長が少ない。従って、得れらるセラミックス体の耐久性を大幅に向上することができる。

以下、本発明を、実施例により、更に具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に何ら限定されるものではない。

（算術平均粗さ（Ｒａ７５）の測定方法）
（１）測定装置：東京精密（株）ＳＵＲＦＣＯＭ４８０Ａ
触針 先端半径：５μｍ
先端角度：６０°
材質：ダイヤモンド

（２）測定条件
粗さ測定（ＪＩＳ ’８２に準拠）
測定速度：０．６ｍｍ／ｓｅｃ
カットオフ：０．８ｍｍ
測定距離：５ｍｍ

（薄肉部の撓みの測定方法）
実施例及び比較例で得られたセラミックス体について上記装置を用いて、下記条件にて薄肉部の撓みを測定した。
断面形状測定
測定速度：０．６ｍｍ／ｓｅｃ

（実施例１）
まず、ドクターブレード法で、ジルコニア化原料を主成分とする厚さ１５０μｍのグリーンシートを作製した後、そこから外形７０×７０ｍｍの正方形に切り抜いたグリーンシート６枚を得た。これら６枚のグリーンシートに、それぞれ打ち抜き加工により２．３×２．３ｍｍの四角形の貫通孔（空所に相当する。）を、３ｍｍの間隔で１０列１０行の計１００個形成した。次いで、これら四角形の貫通孔を複数有するグリーンシートを、同じくジルコニア化原料を主成分とする接着剤を介して積層した。

次に、同様に、ドクターブレード法で、ジルコニア化原料を主成分とする７０×７０ｍｍ、厚さ６０μｍの１枚のグリーンシートを作製した。次いで、このグリーンシートを、先に作製した複数の貫通孔を有する積層体の上面に、ジルコニア化原料を主成分とする接着剤を介して積層し、成形体（薄肉部と厚肉部の単位面積当りの熱容量差：０．１７Ｊ／℃／ｃｍ²、セラミックス化した時の熱伝導率：２．６Ｗ／ｍ・Ｋ）を形成した。

次に、７５×７５ｍｍ、厚さ１ｍｍで、アルミナ（単位面積当りの熱容量：０．３６Ｊ／℃／ｃｍ²、熱伝導率：３．８９Ｗ／ｍ・Ｋ、気孔率：１９％、表面粗さ（Ｒａ７５）：１．０μｍ）からなる熱緩衝板を、成形体の上面全体（薄肉部の存する面で、薄肉部と厚肉部とで構成される面の全体）に接触させた状態で配置した。

最後に、熱緩衝板を薄肉部に接触させた状態で、上部にスペーサーを介して加重調節部材を配置し、成形体を、１４００℃、２時間焼成してダイヤフラム構造のセラミックス体を製造した。このとき、熱緩衝板、スペーサー、及び加重調節部材による加重は６０ｇであった。

（実施例２）
ジルコニア化原料を主成分とし、外形７０×７０ｍｍ、厚さ６０μｍであって、ダイヤフラム構造体の空所を囲む４辺のうち１辺にあたる部分に細隙を設けてあるグリーンシート、即ち図８におけるグリーンシート１６に相当する形状のグリーンシートを、貫通孔を有する積層体の上面及び下面に積層し、２つの熱緩衝板で上下の薄肉部を挟むように、熱緩衝板を薄肉部に接触させたことを除いて、実施例１と同様の方法で、ダイヤフラム構造のセラミックス体を製造した。

（比較例１）
実施例１と同様の成形体を作製し、熱緩衝板を用いずに、成形体の上面が、直接大気に触れる状態で１４００℃、２時間焼成し、その後、１３５０℃、５時間の再加熱下で加重をかけることによりサンプル全体の反りやうねりを矯正した。他の条件等は実施例１と同様にして、ダイヤフラム構造のセラミックス体を製造した。

（比較例２）
実施例２と同様の成形体を作製し、熱緩衝板を用いずに１４００℃、２時間焼成し、その後、１３５０℃、５時間の再加熱下で加重をかけることによりサンプル全体の反りやうねりを矯正した。他の条件等は実施例２と同様にして、ダイヤフラム構造のセラミックス体を製造した。

（評価結果）
薄肉部両端を結ぶ直線から空所側への薄肉部の変形の最深点までの距離を薄肉部の撓みとし、その測定結果を表２に示す。表２に示すように、薄肉部の撓みは、比較例１では１０．１μｍあったが、実施例１では３．１μｍであって、本発明がこの撓みを減少させるために効果的であることが証明された。実施例２のサンプルは、上側の薄肉部の撓みが２．９μｍ、下側の薄肉部の撓みが２．０μｍであり、上下の薄肉部の良好な対称性が保たれたセラミックス体となった。一方比較例２のサンプルは、上側の薄肉部の撓みが９．８μｍ、下側の薄肉部の撓みが４．０μｍであり、上下の薄肉部の対称性が損なわれたセラミックス体となった。

実施例１及び２のサンプル全体の反りはなく、比較例１及び２と同等で、厚肉部外表面の最も高い部分と最も低い部分の高低差により定義される成形体の反り量は１５μｍ以下の良好な状態であった。また、図１０に示す各サンプルの平面方向の寸法の測定も行い、その結果を表３に示した。実施例１及び２のサンプルの平面方向の寸法精度は全く損なわれることなく、従来方法で作製された比較例１及び２と同等の高精度なサンプルが得られた。

更に実施例１及び２のサンプルは、焼成後の再加熱が不要となったため、機械的に優れたサンプルが得られた。勿論、コスト、及び時間の削減になった。

以上説明してきたように、本発明の製造方法は、圧電／電歪膜型素子等に適用されるダイヤフラム構造を有するセラミックス体の製造に好適に適用することができる。また、本発明の治具は、このようなセラミックス体の製造に好適に使用することができる。

本発明の製造方法において、熱緩衝部材の配置の一例を示す模式的な断面図である。 本発明の製造方法の一の実施の形態における焼成工程において、成形体に生じる焼成収縮に関する挙動を模式的に示す説明図である。 本発明の製造方法の他の実施の形態における焼成工程において、成形体に生じる焼成収縮に関する挙動を模式的に示す説明図である。 本発明の製造方法において、熱緩衝部材の配置の他の例を示す説明図である。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の焼成用治具、及びそれを用いて成形体に配した状態の一例を示す説明図であり、図５（ａ）は模式的な平面図、図５（ｂ）は模式的な断面図である。 本発明の製造方法の概略を模式的に示す説明図である。 本発明の製造方法において、中間に作製される成形体の一例を模式的に示す側面図である。 本発明の製造方法の一の実施の形態において、成形体を作製する工程の一例を模式的に示す説明図である。 従来の製造方法の焼成工程において、成形体に生じる焼成収縮に関する挙動を模式的に示す説明図である。 実施例で作製したサンプルを模式的に示す平面図である。

符号の説明

１…厚肉部、２（２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ）…薄肉部、３…成形体、４（４ａ、４ｂ）…熱緩衝部材、６…凹部、７…連通孔、８…空所、１０…セラミックス体、１１…積層体、１５、１６…グリーンシート、１７…細隙、１８…貫通孔、２１…スペーサー、２２…加重調節部材、２３…空隙、２５…焼成用治具。

Claims (20)

1. 厚肉部と板状の薄肉部とを備え、該薄肉部と該厚肉部とにより凹部又は空所が形成されるように該厚肉部と該薄肉部が配置されたダイヤフラム構造を有する成形体を焼成する工程を含むセラミックス体の製造方法であって、
   該成形体の該薄肉部と接触又は非接触の状態で該薄肉部を覆う位置に熱緩衝部材を配置して焼成を開始することを含むセラミックス体の製造方法。
2. 前記熱緩衝部材として平板状のものを用い、前記成形体を挟持する位置に少なくとも２つの該熱緩衝部材を配置して焼成を開始する請求項１に記載のセラミックス体の製造方法。
3. 前記成形体が、前記空所を挟んで対向する２つの前記薄肉部を備えるダイヤフラム構造を有し、前記熱緩衝部材を、該２つの薄肉部を覆う位置に各々配置して前記焼成を開始する請求項１又は２に記載のセラミックス体の製造方法。
4. 前記熱緩衝部材として、該熱緩衝部材を配置する前記薄肉部と同一又はそれ以上の単位面積当りの熱容量を有するものを用いる請求項１〜３の何れか一項に記載のセラミックス体の製造方法。
5. 前記薄肉部と前記厚肉部との単位面積当りの熱容量差（Ｃ_s）と、前記熱緩衝部材の単位面積当りの熱容量（Ｃ_b）との関係が、
   ０≦（（Ｃ_b−Ｃ_s）／Ｃ_s）×１００≦３００
   である請求項１〜４の何れか一項に記載のセラミックス体の製造方法。
6. 前記薄肉部と前記熱緩衝部材との隙間が、前記熱緩衝部材の厚さ以下で、且つ、厚肉部の厚さと薄肉部の厚さの差以下である請求項１〜５の何れか一項に記載のセラミックス体の製造方法。
7. 表面に凸部が形成された成形体又は熱緩衝部材を用い、該凸部が熱緩衝部材又は成形体と接触するように熱緩衝部材を配置することにより、薄肉部の少なくとも一部と熱緩衝部材とを非接触の状態とする請求項１〜６の何れか一項に記載のセラミックス体の製造方法。
8. 前記熱緩衝部材が、気孔率１〜７０％の多孔質体である請求項１〜７の何れか一項に記載のセラミックス体の製造方法。
9. 前記熱緩衝部材が前記成形体を加圧した状態で前記焼成を開始する請求項１〜８の何れか一項に記載のセラミックス体の製造方法。
10. 前記薄肉部の上面が実質的に水平となるように前記成形体を配置し、該薄肉部の上面に前記熱緩衝部材を配置することにより加圧する請求項９に記載のセラミックス体の製造方法。
11. 前記熱緩衝部材上に配置されたスペーサーと、該スペーサーを介して該熱緩衝部材の上方に配置された加重調節部材が存在する状態で焼成を開始する請求項１０に記載のセラミックス体の製造方法。
12. 前記スペーサーが、焼成の開始から終了までの間、成形体又はセラミックス体の上方に常に配置された状態とする請求項１１に記載のセラミックス体の製造方法。
13. 前記加圧力が、単位体積当り１×１０^-4〜２×１０^-1ｇ／ｍｍ³となる圧力である請求項９〜１２の何れか一項に記載のセラミックス体の製造方法。
14. 前記熱緩衝部材として、厚さ０．３〜１０．０ｍｍのものを用いる請求項１〜１３の何れか一項に記載のセラミックス体の製造方法。
15. 前記熱緩衝部材の、前記成形体と接触する部分の単位面積当りの算術平均粗さ（Ｒａ７５）が、０．１≦Ｒａ７５≦１０．０μｍである請求項１〜１４の何れか一項に記載のセラミックス体の製造方法。
16. 前記熱緩衝部材の熱伝導率が、前記薄肉部の熱伝導率よりも大きい請求項１〜１５の何れか一項に記載のセラミックス体の製造方法。
17. 多孔質セラミックスからなる熱緩衝部と、該熱緩衝部の一の面に配置されたスペーサーと、該スペーサーを介して、該熱緩衝部に対して非接触で配置された加重調節部とを備え、該熱緩衝部及び該加重調節部の間に空隙が保持されていることを特徴とする焼成用治具。
18. 前記熱緩衝部が、気孔率１〜７０％の多孔質体である請求項１７に記載の焼成用治具。
19. 前記熱緩衝部が、厚さ０．３〜１０．０ｍｍである請求項１７又は１８に記載の焼成用治具。
20. 前記熱緩衝部の外面の少なくとも一部の単位面積当りの算術平均粗さ（Ｒａ７５）が０．１≦Ｒａ７５≦１０．０μｍである請求項１７〜１９の何れか一項に記載の焼成用治具。

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