DE10254452A1

DE10254452A1 - Verfahren zum Herstellen eines keramischen Stapelaufbaus

Info

Publication number: DE10254452A1
Application number: DE2002154452
Authority: DE
Inventors: Kazuhide Sato; Michio Kameyama; Rikiya Kamimura; Hidekazu Hattori
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-11-22
Filing date: 2002-11-21
Publication date: 2003-07-17
Anticipated expiration: 2022-11-22
Also published as: JP4000835B2; JP2003158310A; DE10254452B4

Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen eines keramischen Stapelaufbaus ist offenbart, das eine Delamination verhindern kann, während gleichzeitig die Größe geringer ist und eine hohe Zuverlässigkeit erzielt wird. Das Verfahren zum Herstellen eines keramischen Stapelaufbaus (1) mit keramischen Lagen und Innenelektrodenlagen, die abwechselnd zueinander gestapelt sind, weist die folgenden Schritte auf: Ausbilden von Rohblättern (10), die zumindest keramische Partikel und ein Thermoplastharz enthalten, Drucken eines Elektrodenpastenmaterials (2) auf die Oberfläche der Rohblätter (10), Erwärmen eines Stapelaufbaus (100) mit einem Stapel der Rohblätter (10), während gleichzeitig ein Druck auf diesen für das Thermokompressionsverbinden aus der Stapelrichtung ausgeübt wird, Abtrennen des Stapelaufbaus (100) in Querrichtung und Sintern von Stapelaufbaueinheiten (105). Bei dem Thermokompressionsverbindungsschritt hat der Stapelaufbau (100) eine Stapelhöhe B von nicht weniger als 3 mm und ein Seitenverhältnis B/A von nicht mehr als 2, wobei A die Breite und B die Stapelhöhe des Stapelaufbaus entlang der Stapelrichtung ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines keramischen Stapelaufbaus, der für ein piezoelektrisches Betätigungsglied oder dergleichen verwendbar ist.

In der Vergangenheit ist ein keramischer Stapelaufbau bei einem piezoelektrischen Betätigungsglied verwendet worden, um eine hohe Verschiebung bei einer geringen Spannung zu erzielen und er ist so aufgebaut worden, dass eine Vielzahl an piezoelektrischen keramischen dünnen Platten, die jeweils im Allgemeinen 20 bis 200 µm dick sind, und eine Vielzahl an Innenelektrodenlagen aus Metall in 20-700 abwechselnden Lagen gestapelt wurden. Des weiteren ist es bei dem in einer Einspritzeinrichtung oder dergleichen einzubauenden piezoelektrischen Betätigungsglied von hoher Bedeutung, dass es eine geringe Größe hat, und daher ist es erforderlich, die Fläche der piezoelektrischen Keramik zu verringern.

Ein keramischer Stapelaufbau wird ausgebildet, indem Rohblätter gestapelt werden, von denen jedes ein Gemisch aus keramischen Partikeln und Thermoplastharz ist, wobei danach Prozesse zum Thermokompressionsverbinden, Entfetten und Sintern folgen. In dem Fall, bei dem die Fläche der piezoelektrischen Keramik wie vorstehend beschrieben verringert wird, wird das Seitenverhältnis des Stapelaufbaus (das Verhältnis der Dicke des Stapels entlang der Stapelrichtung zu der Breite des Stapelaufbaus entlang der senkrecht zu der Stapelrichtung stehenden Richtung) erhöht. In dem Fall, bei dem der Stapelaufbau unter Druck verbunden wird, der von den beiden Enden entlang der Stapelrichtung aufgebracht wird, während die Seitenflächen des Stapelaufbaus mit einer Einspanneinrichtung geführt werden, ist daher der Druck an dem mittleren Abschnitt entlang der Stapelrichtung unzureichend. Als ein Ergebnis ergibt sich ein Problem im Hinblick auf die Delamination (Trennung der Lagen) von der Anfangsstufe nach dem Sintern. Dieses Phänomen wird insbesondere in dem Fall bedeutsam, bei dem das Seitenverhältnis des Stapelaufbaus den Wert 2 überschreitet. Das piezoelektrische Betätigungsglied, das einen keramischen Stapelaufbau mit einer Delamination hat, entwickelt einen Betriebsfehler wie beispielsweise ein Kurzschluß oder eine verringerte Verschiebung.

Der Aufbau der Innenelektrode hat andererseits einen Gesamtelektrodenaufbau oder einen Teilelektrodenaufbau. Der Gesamtelektrodenaufbau erfordert einen Prozess zum Isolieren der Elektrodenabschnitte, die zu den Seitenflächen des Stapelaufbaus hin freigelegt sind, und bringt höhere Kosten als der Teilelektrodenaufbau mit sich. Daher wird der Teilelektrodenaufbau weitgehend angewendet.

Dennoch entwickelt der Teilelektrodenaufbau häufig eine Delamination. Dies ist der Fall aufgrund des Effektes des Elektrodenaufbaus an sich und auch aufgrund eines zu geringen Drucks, der für das Thermokompressionsverbinden angewendet wird. Der Effekt des Elektrodenaufbaus ist von dem Umstand abgeleitet, dass die Gesamtelektrodendicke des keramischen Stapelaufbaus zwischen dem Hilfselektrodenabschnitt (dem Abschnitt ohne Elektrodenmuster) und dem Elektrodenabschnitt (dem Abschnitt mit einem Elektrodenmuster) verschieden ist, und daher im Wesentlichen kein Druck an dem Hilfselektrodenabschnitt ausgeübt wird, der eine geringe Gesamtdicke hat. Somit ist es wahrscheinlich, dass der Teilelektrodenaufbau eine Delamination häufiger als der Gesamtelektrodenaufbau entwickelt.

Die vorliegende Erfindung ist auf die vorstehend beschriebenen Probleme des Standes der Technik gerichtet und die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines keramischen Stapelaufbaus zu schaffen, bei dem eine Delamination verhindert ist, während gleichzeitig die Größe verringert ist und eine hohe Zuverlässigkeit erzielt wird.

Erfindungsgemäß ist geschaffen ein Verfahren zum Herstellen eines keramischen Stapelaufbaus mit einer Vielzahl an keramischen Lagen und einer Vielzahl an Innenelektrodenlagen, die abwechselnd zueinander gestapelt sind, mit den folgenden Schritten:
einem Blattausbildungsschritt zum Ausbilden einer Vielzahl an Rohblättern, die zumindest keramische Partikel und ein Thermoplastharz enthalten;
einem Elektrodendruckschritt zum Drucken eines Elektrodenpastenmaterials an der Oberfläche der Rohblätter;
einem Thermokompressionsverbindungsschritt zum Erwärmen des Stapelaufbaus, der einen Stapel aus dem Rohblättern aufweist, und zum Aufbringen eines Drucks auf den Stapelaufbau aus der Stapelrichtung;
einem Abtrennschritt zum Abtrennen des Stapelaufbaus entlang dessen Breite; und
einem Sinterschritt zum Sintern des Stapelaufbaus;
wobei der Stapelaufbau bei dem Thermokompressionsverbindungsschritt eine Breite A, eine Stapelhöhe B von nicht weniger als 3 mm und ein Seitenverhältnis B/A von nicht mehr als 2 hat.

Erfindungsgemäß ist in dem Fall, bei dem die Stapelhöhe B des Stapelaufbaus bei dem Thermokompressionsverbindungsschritt nicht geringer als 3 mm ist, das Seitenverhältnis B/A auf nicht mehr als 2 eingestellt, und die Breite A kann den kleinsten Wert einnehmen. Durch ein Steuern des Seitenverhältnisses kann der Druck bei dem Thermokompressionsverbindungsschritt vergleichsweise gleichförmig auf den mittleren Abschnitt des Stapelaufbaus entlang der Stapelrichtung übertragen werden. Der Stapelaufbau nimmt daher nach dem Thermokompressionsverbindungsschritt einen Zustand ein, bei dem die Rohblätter ausreichend nahe beieinander angebracht sind. Als ein Ergebnis kann die Delamination des keramischen Stapelaufbaus im Vergleich zum Stand der Technik bei den anschließenden Schritten des Abtrennens und Sinterns erheblich verringert werden. Erfindungsgemäß kann daher ein Verfahren zum Herstellen eines keramischen Stapelaufbaus geschaffen werden, bei dem die Delamination verhindert ist, während die Größe verringert ist und eine hohe Zuverlässigkeit gleichzeitig erzielt wird.

Fig. 1 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung der Herstellschritte gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 2 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung der Form, die bei den Herstellschritten gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung geändert wird.
Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines keramischen Stapelaufbaus gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 4 zeigt eine Entwicklungsdarstellung zur Erläuterung des keramischen Stapelaufbaus vor dem Sintern gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 5 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung der Herstellschritte gemäß einem ersten Vergleichsbeispiel.
Fig. 6a bis 6f zeigen Darstellungen zur Erläuterung der Form, die mit den Herstellschritten gemäß dem ersten Vergleichsbeispiel geändert wird.
Fig. 7 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung der Beziehung zwischen der Position des Stapels und der Änderung der Dicke der keramischen Lage aufgrund des Thermokompressionsverbindens gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 8 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung der Beziehung zwischen der Stapelhöhe (Seitenverhältnis), der Änderung der Dicke der keramischen Lage aufgrund des Thermokompressionsverbindens und der Anzahl an erzeugten Delaminationen.
Fig. 9 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung der in dem Fall auftretenden Unannehmlichkeiten, bei dem der Stapelaufbau lediglich an einem Punkt mit einem Wasserstrahl unter Verwendung einer einzelnen Düse abgetrennt wird.
Fig. 10 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung des Zustandes, bei dem der Stapelaufbau bei einer Vielzahl an Punkten gleichzeitig mit einem Wasserstrahl unter Verwendung einer Vielzahl an Düsen abgetrennt wird.
Fig. 11 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung der Form eines paralleleppipedförmigen keramischen Stapelaufbaus, der bei den Herstellschritten gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung abgetrennt wird.
Fig. 12 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung der Form eines zylindrischen keramischen Stapelaufbaus, der bei den Herstellschritten gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung abgetrennt wird.
Gemäß dieser Erfindung ist, wie dies vorstehend beschrieben ist, das Seitenverhältnis des Stapelaufbaus bei dem Thermokompressionsverbindungsschritt auf 2 oder weniger begrenzt. Zum spezifischen Ausführen ist es dabei erforderlich, eine Einrichtung anzuwenden, die eine ausreichend große Fläche des Rohblattes sicher stellt, um eine Vielzahl an keramischen Lagen des Enderzeugnisses zu erlangen und um das Seitenverhältnis zu verringern, indem die Breite des Stapelaufbaus erhöht wird. Die Anzahl an Lagen des Stapelaufbaus muss nicht unbedingt der Anzahl an Lagen gleich sein, die bei dem Enderzeugnis gestapelt sind, sondern eine Vielzahl an keramischen Stapelaufbauten, die nach dem Sinterschritt erhalten werden, können aneinander durch ein Haftmittel oder ein Lötmittel verbunden werden.
Der vorstehend beschriebene Abtrennschritt wird vorzugsweise vor dem Sinterschritt ausgeführt. In diesem Fall kann der Stapelaufbau leichter als nach dem Sinterschritt abgetrennt werden.
Alternativ kann der Abtrennschritt nach dem Sinterschritt ausgeführt werden. In diesem Fall kann die Abtrenntätigkeit ohne Berücksichtigung des Kontraktionsbetrages zum Zeitpunkt des Sinterns ausgeführt werden.
Der überlegene Effekt des Begrenzens des Seitenverhältnisses auf 2 oder weniger gemäß der vorliegenden Erfindung wird als Ergebnis des nachstehend beschriebenen Grundes erachtet.
Genauer gesagt wird bei dem Thermokompressionsverbindungsschritt ein Druck auf den Stapelaufbau normalerweise aus der Stapelrichtung ausgeübt, wobei die Seitenflächen durch eine Einspanneinrichtung gestützt sind, um die Form des gesamten Stapelaufbaus zu halten. Bei dem Prozess tritt eine Reibungskraft zwischen den Seitenflächen des Stapelaufbaus und der Einspanneinrichtung auf und erzeugt einen Widerstand gegenüber dem Aufbringen des Drucks. Dieser Widerstand hemmt die Übertragung des Drucks zu dem mittleren Abschnitt des Stapelaufbaus entlang der Stapelrichtung. Es wird angenommen, dass dieser Effekt mit der Zunahme des Seitenverhältnisses deutlicher sichtbar wird.
Im Hinblick darauf ist erfindungsgemäß das Seitenverhältnis (B/A) auf 2 oder weniger begrenzt. Als ein Ergebnis kann der Reibungseffekt sogar in dem Fall verringert werden, bei dem die Einspanneinrichtung verwendet wird. Ein verringertes Seitenverhältnis erleichtert das Halten der Form des Stapelaufbaus unter Druck. Daher kann der Stapelaufbau vergleichbar leicht mit Druck beaufschlagt werden, ohne die Einspanneinrichtung zum Stützen der Seitenflächen zu verwenden oder bei im Wesentlichen von der Eingrenzung durch die Einspanneinrichtung freigegebenen Seitenflächen. Somit kann die Wirkung der Einspanneinrichtung sicher entfernt werden.
Diese Wirkung zeigt sich deutlich sichtbar insbesondere in dem Fall, bei dem das Seitenverhältnis (B/A) 0,5 oder weniger beträgt.
Der durch das Erfindungsgemäße Verfahren hergestellte keramische Stapelaufbau hat vorzugsweise einen Teilelektrodenaufbau mit Hilfsabschnitten ohne die Innenelektrodenlagen, wobei die keramischen Lagen miteinander so in Kontakt stehen, dass die Innenelektrodenlagen an ihren Positionen in dem Stapel nicht den Seitenflächen des keramischen Stapelaufbaus ausgesetzt sind und wobei die Hilfsabschnitte bei sich abwechselnd ändernden Positionen entlang der Stapelrichtung angeordnet sind. In dem Fall des Teilelektrodenaufbaus tritt wahrscheinlich die Delamination häufiger auf. Dennoch kann der Effekt des Unterdrückens einer Delamination erzielt werden, indem das Seitenverhältnis von 2 oder weniger gesichert wird, wie dies vorstehend beschrieben ist.
Bei dem vorstehend beschriebenen Abtrennschritt wird die Abtrenntätigkeit vorzugsweise gleichzeitig an 2 oder mehr Abtrennpunkten ausgeführt. Bei dem Abtrennschritt wird der Stapelaufbau mit einem geringen Seitenverhältnis nach dem Thermokompressionsverbindungsschritt quer in einer derartigen Weise abgetrennt, dass das Seitenverhältnis erhöht wird. Bei dem Prozess würde die durch die Abtrenntätigkeit aufgebrachte Spannung dem Stapelaufbau verformen oder sich verwerfen. Durch gleichzeitiges Abtrennen des Stapelaufbaus an 2 oder mehr Stellen kann jedoch die zum Zeitpunkt des Abtrennens aufgebrachte Spannung verteilt werden und die Verformung des Stapelaufbaus kann unterdrückt werden. In dieser Weise kann die Abtrenneffizienz ebenfalls verbessert werden.
Der Abtrennschritt kann ausgeführt werden, indem ein beliebiger Abtrennschritt mit einer Scherkraft unter Verwendung einer Metallklinge, einem Schleifen oder Abtrennen unter Verwendung eines Drehschleifsteins, einem Schleifen oder Abtrennen unter Verwendung einer Drahtsäge oder eines Wasserstrahls, ein Heißdrahtabtrennverfahren oder ein Ultraschallabtrennverfahren angewendet wird.
Die Abtrenntätigkeit mit der Drahtsäge wird vorzugsweise ausgeführt, während eine Schleifkörner enthaltende Flüssigkeit zu dem Abtrennpunkt in Kontakt mit der Drahtsäge geliefert wird. In diesem Fall kann der Schleif- oder Abtrenneffekt der Schleifkörner mit einer hohen Abtrenneffizienz erzielt werden, während gleichzeitig die Spannung verringert wird und die Verformung des Stapelaufbaus zum Zeitpunkt des Abtrennens unterdrückt wird.
Bei der vorstehend beschriebenen Abtrenntätigkeit unter Verwendung der Drahtsäge wird die Drahtsäge vorzugsweise in Bezug auf den Stapelaufbau vorwärts gebracht, der an einen Arbeitstisch gesetzt worden ist, der beim Ändern der Abtrennstelle bewegt wird. Genauer gesagt ist die Bewegung der Drahtsäge vorzugsweise lediglich auf die Bewegung in der Vorwärtsrichtung und Rückwärtsrichtung für die Abtrenntätigkeit begrenzt, während der Abtrennpunkt durch die Bewegung wie beispielsweise eine Drehbewegung oder parallele Bewegungen des Arbeitstisches geändert wird. Als ein Ergebnis kann der Aufbau des Abtrenngerätes vergleichsweise einfach sein.
Die Abtrenntätigkeit unter Verwendung eines Wasserstrahls wird vorzugsweise unter Verwendung von Schleifkörner enthaltendem Hochdruckwasser ausgeführt. Auch in diesem Fall kann eine effiziente Abtrenntätigkeit durch den Schleifeffekt oder Abtrenneffekt der Strömung einer die Schleifkörner enthaltenden Schleifflüssigkeit verwirklicht werden, während gleichzeitig die Verformung des abzutrennenden Stapelaufbaus unterdrückt wird.
Die Abtrenntätigkeit wird vorzugsweise bei an einer Leerplatte unter Verwendung eines Haftmittels verbundenem Stapelaufbau ausgeführt, während die Leerplatte fixiert gehalten wird. Als ein Ergebnis kann jeder abgetrennte und separierte Stapelaufbau an der Leerplatte zum Zwecke einer verbesserten Effizienz und einer erhöhten Genauigkeit des Abtrennprozesses fixiert gehalten werden.
Das Haftmittel hat vorzugsweise einen geringeren Schmelzpunkt als das Thermoplastharz bei dem Rohblatt. In diesem Fall kann das Haftmittel bei dem anschließendem Sinterschritt oder Entfettungsschritt entfernt werden, wodurch erleichtert wird, die Leerplatte und den Stapelaufbau voneinander zu trennen.
Der Abtrennschritt wird vorzugsweise ausgeführt, indem der Stapelaufbau an einer Einspannflüssigkeit angeordnet wird, die zum Fixieren des Stapelaufbaus gefroren wird. In diesem Fall kann der Stapelaufbau sehr leicht fixiert werden und in stabiler Weise fixiert gehalten werden, um dadurch ein Rationalisieren des Abtrennschrittes zum Zwecke einer verbesserten Abtrenngenauigkeit zu ermöglichen. Die Einspannflüssigkeit umfasst Wasser oder ein organisches Material wie beispielsweise Butylbenzylphtahalat, (BBP).
Erfindungsgemäß wird die Abtrenntätigkeit nicht unbedingt gänzlich ausgeführt, sondern kann in der Mitte angehalten werden, und der verbleibende Abschnitt des Stapelaufbaus kann abgetrennt werden.
Das Rohblatt enthält vorzugsweise keramische Partikel und Thermoplastharz in dem Gewichtsverhältnis von 100 : 3 bis 100 : 7.
In dem Fall, bei dem das Verhältnis des Thermoplastharzes geringer als 100 : 3 ist, ergibt sich ein Problem einer verringerten Blattfestigkeit oder einer verringerten Thermokompressionsverbindungsfähigkeit. In dem Fall, bei dem das Verhältnis des Thermoplastharzes größer als 100 : 7 ist, wird andererseits ein derartiges Problem bewirkt, wie eine Delamination durch die erhöhte Entgasungsmenge oder Gasabgabemenge bei dem Entfettungsschritt, oder die Maßgenauigkeit wird aufgrund eines zunehmenden Kontrahierens bei dem Sinterschritt verringert.
Ein Verfahren zum Herstellen eines keramischen Stapelaufbaus gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 erläutert.
Dieses Ausführungsbeispiel zeigt ein Verfahren zum Herstellen eines keramischen Stapelaufbaus 1, der keramischen Lagen 11 und Innenelektrodenlagen 21 und 22 abwechselnd zueinander gestapelt aufweist.
Das Herstellverfahren gemäß diesem Ausführungsbeispiel, das in den Fig. 1 und 2a bis 2f gezeigt ist, weist die folgenden Schritte auf: einen Blattausbildungsschritt S1 zum Erzeugen von Rohblättern 10, die zumindest keramische Partikel und ein Thermoplastharz enthalten, einen Elektrodendruckschritt S2 zum Drucken eines Elektrodenpastenmaterials an der Oberfläche der Rohblätter 10, einen Thermokompressionsverbindungsschritt S3 zum Erwärmen eines Stapelaufbaus 100 mit einem Stapel der Rohblätter 10, während gleichzeitig ein Druck auf den Stapelaufbau aus der Stapelrichtung ausgeübt wird, einen Abtrennschritt S4, bei dem der Stapelaufbau 100 quer abgetrennt wird, und einen Sinterschritt S5 (welcher als der Entfettungsschritt/Sinterschritt bei diesem Ausführungsbeispiel bezeichnet ist, wobei das Entfetten ebenfalls umfasst ist) zum Sintern des somit abgetrennten Stapelaufbaus 105. Bei dem Thermokompressionsverbindungsschritt S3 wird angenommen, dass die Breite des Stapelaufbaus 100A und seine Stapelhöhe entlang der Stapelrichtung B ist. Die Stapelhöhe 8 beträgt 3 mm oder mehr und das Seitenverhältnis (B/A) beträgt 2 oder weniger.
Dieses Ausführungsbeispiel ist nachstehend detailliert erläutert.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird, wie dies in den Fig. 1 und 2a gezeigt ist, ein in einer Rolle ausgebildetes (nicht gezeigtes) Rohblatt zu Rohblättern 10 in einer leicht zu handhabenden Größe bei dem Blattausbildungsschritt S1 abgetrennt. Das Rohblatt in der Rolle kann durch ein beliebiges Verfahren von verschiedenen Verfahren ausgebildet werden, die das Rakelklingenverfahren und den Extrusionsformprozess umfassen. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das aufgerollte lange keramische Blatt durch das Rakelklingenverfahren hergestellt, und viereckige Rohblätter 10 mit jeweils einer Dicke von T₁ von ungefähr 0,1 mm und einer Breite W₁ von 100 mm werden abgetrennt.
Die Rohblätter werden aus einem Material hergestellt, das so eingestellt ist, dass es die erwünschte piezoelektrische Keramik nach dem Sintern ausbildet. Genauer gesagt wendet von den verschiedenen Materialien, die verwendet werden können, dieses Ausführungsbeispiel ein Material an, das PZT (Bleizirkonattitanat) - Partikel, PVD als Thermoplastikharz und andere Additive enthält.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Fläche von jedem Rohblatt 10 auf derartige Größe eingestellt, das 42 keramische Lager 11 des Keramikstapelaufbaus schließlich erhalten werden können.
Danach wird gemäß den Fig. 1 und 2b der Elektrodendruckschritt S2 ausgeführt. Bei diesem Schritt wird ein Elektrodenpastenmaterial (nachstehend ist dies als die Innenelektrodenlage 2 bezeichnet), das die Innenelektrodenlagen 21 und 22 bildet, in einem Muster an jedem Rohblatt 10 gedruckt. Bei dem Prozess wird das gedruckte Muster der Innenelektrodenlagen 2 so gesetzt, dass es einen Hilfsabschnitt 15 (siehe Fig. 4) an der keramischen Lage 11 ausbildet, um einen Teilelektrodenaufbau schließlich zu erzeugen.
Wie dies in den Fig. 1 und 2c, 2d gezeigt ist, wird der Thermokompressionsverbindungsschritt S3 ausgeführt. Zunächst wird bei diesem Thermokompressionsverbindungsschritt S3 ein Stapelaufbau 100 ausgebildet, in dem 270 mit der Innenelektrodenlage 2 bedruckte Rohblätter 10 gestapelt werden. Gleichzeitig wird, um zu verhindern, dass die Innenelektrodenlage 2 an den Endflächen entlang der Stapelrichtung freigelegt wird, ein Rohblatt 10, das nicht mit der Innenelektrodenlage bedruckt ist, für die oberste Lage verwendet. In dem Fall, bei dem eine Leerlage oder eine Pufferlage vorgesehen ist, wird eine Vielzahl an Rohblättern, die nicht mit der Innenelektrodenlage bedruckt sind, fortlaufend gestapelt.
Bei dem Thermokompressionsverbindungsschritt S3 wird gemäß Fig. 2d ein Druck an dem Stapelaufbau 100 aus der Stapelrichtung ausgeübt, während gleichzeitig dieser erwärmt wird. Bei diesem Prozess hat der Stapelaufbau 100 eine Breite A von 100 mm und eine Stapelhöhe b von ungefähr 27 mm bei einem Seitenverhältnis von ungefähr 0,27.
Die Bedingungen für den Thermokompressionsverbindungsprozess umfassen eine Erwärmungstemperatur von 120°C und einen Druck von 30 MPa. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine Spanneinrichtung zum Stützen des Seitenflächen des Stapelaufbaus 100 verwendet.
Danach wird gemäß den Fig. 1 und 2e der Abtrennschritt S4 ausgeführt. Bei dem Abtrennschritt S4 wird, wie dies vorstehend beschrieben ist, der durch das Thermokompressionsverbinden von 270 Rohblättern 10 ausgebildete Stapelaufbau 100 quer abgetrennt und in 42 Stapelaufbaueinheiten 105 getrennt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Wasserstrahl als Abtrenneinrichtung verwendet.
Genauer gesagt wird zunächst der Stapelaufbau 100 mit einer Leerplatte unter Verwendung eines (nicht gezeigten) Haftmittels verbunden. Die Leerplatte ist aus Aluminiumoxid hergestellt und das Haftmittel ist aus einem Thermoplastharz mit einem geringeren Schmelzpunkt als das Gegenstück bei den Rohblättern 10 ausgebildet.
Sechs Düsen werden zum Ausspritzen des Hochdruckwassers verwendet. Das Wasser mit einem hohen Druck ungefähr 370 MPa, das ein Gemisch aus natürlichem Granat enthält, wird in dieser Weise ausgespritzt, um den Stapelaufbau 100 an sechs Stellen gleichzeitig abzutrennen. Dieser Prozess wird wiederholt. Als ein Ergebnis wird der mit der oberen Fläche der Leerplatte verbundene Stapelaufbau 100 in 42 Stapelaufbaueinheiten 105 getrennt. Da das Leerelement nicht abgetrennt wird, sondern einstückig gehalten wird, bleiben die 42 Stapelaufbaueinheiten 105 ordentlich an der Leerplatte angeordnet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird, wie dies in den Fig. 1 und 2f gezeigt ist, der Schritt S5 des Entfettens/Sinterns ausgeführt, bei dem der Entfettungsschritt vor dem Sinterschritt ausgeführt wird. Bei diesem Schritt S5 wird die Stapelaufbaueinheit 105 entfettet, indem sie bei 400°C fünf Stunden lang gehalten wird, wobei danach ein Ausführen des Sinterschrittes folgt, bei dem der Stapelaufbau 105 bei 1100°C zwei Stunden lang gehalten wird. Als Ergebnis des Erwärmens bei dem Schritt S5 zum Entfetten/Sintern sind die Stapelaufbaueinheiten 105 entfettet und gesintert, um einen einstückigen Keramikstapelaufbau 1 auszubilden. Das Haftmittel, das bislang die Stapelaufbaueinheiten 105 verbunden hat, wird durch die Wärme weggeschmolzen, so dass jeder Keramikstapelaufbau 1 von der Leerplatte getrennt ist.
Bei dem Schleifschritt S6 werden, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, die Seitenflächen des Keramikstapelaufbaus 1 zu der erwünschten Form geschliffen. Der schließlich erhaltene keramische Stapelaufbau 1 hat ein Seitenverhältnis von ungefähr 2,7.
Der keramische Stapelaufbau 1 kann unverändert verwendet werden oder er kann zu einer anderen Art an keramischem Stapelaufbau mit einem hohen Seitenverhältnis verbessert werden, indem eine Vielzahl an keramischen Stapeleinheiten 1 entlang der Stapelrichtung unter Verwendung eines Haftmittels oder Lötmittels verbunden werden.
In dem Fall, bei dem der keramische Stapelaufbau 1 für ein piezoelektrisches Betätigungsglied oder dergleichen verwendet wird, können die Seitenelektroden oder die (nicht gezeigten) externen Elektroden an den Seitenflächen 101 und 102 (siehe Fig. 3) von ihm vorgesehen sein.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde der sich ergebende keramischen Stapelaufbau 1 beobachtet und er wurde im Hinblick auf Fehler wie beispielsweise eine Delamination untersucht. Als ein Ergebnis wurde herausgefunden, dass der keramische Stapelaufbau 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel keine Fehler wie beispielsweise eine Delamination hatte.
Insbesondere nimmt der keramischen Stapelaufbau 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Form eines Teilelektrodenaufbaus gemäß den Fig. 3 und 4 ein. Im Gegensatz zu dem Zustand vor dem Thermokompressionsverbinden ist daher die Dicke T₁ der keramischen Lage 2 an dem Hilfsabschnitt 15, der die Innenelektrodenlage 2 nicht hat, ungefähr 100 µm und die Gesamtdicke T₂ der Innenelektrodenlage 2 und der keramischen Lage 2 beträgt ungefähr 103 µm oder die Differenz beträgt 3 µm. In dem Fall von 270 Lagen führt der Umstand, dass die Hilfsabschnitte 15 sich zwischen der rechten und linken Seite abwechseln, zu der Stapelhöhendifferenz von ungefähr 405 µm (= 3 µm × 100 : 135 Lagen). In dem Fall des Teilelektrodenaufbaus kann daher der Zwischenraum von 405 µm nicht gefüllt werden, wenn nicht ein ausreichender Druck entlang der Stapelrichtung übertragen wird, was in unerwünschter Weise eine Delamination bei dem nachfolgenden Sinterschritt bewirkt.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird dieser Nachteil des Teilelektrodenaufbaus ebenfalls überwunden und die Delamination kann unterdrückt werden.
Nachstehend ist ein Vergleichsbeispiel 1 beschrieben.
Als ein Vergleichsbeispiel wird ein keramischer Stapelaufbau durch ein sich von dem vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel unterscheidendes Verfahren hergestellt und wird im Hinblick auf eine Delamination oder andere Fehler untersucht.
Das Herstellverfahren gemäß dem ersten Vergleichsbeispiel ist demjenigen des ersten Ausführungsbeispiel bis zu dem Blattausbildungsschritt S21 und dem Elektrodendruckschritt S22 identisch, wie dies in den Fig. 5, 6a und 6b gezeigt ist. Bei dem ersten Vergleichsbeispiel wird jedoch, wie dies in den Fig. 5 und 6c bis 6e gezeigt ist, ein Rohblatt 10 abgetrennt, einen Stapelaufbau 900 auszubilden, der dem Thermokompressionsverbinden unterworfen wird. Bei diesem Prozess werden die Seitenumfangsflächen des Stapelaufbaus 900 mit einer Einspanneinrichtung gestützt.
Der dem Thermokompressionsverbindungsschritt S24 unterworfene Stapelaufbau 900 hat eine Stapelhöhe B₉ von ungefähr 27 mm und eine Breit A₉ von ungefähr 10 mm bei einem Seitenverhältnis von ungefähr 2,7.
Nach dem Thermokompressionsverbindungsschritt S24 werden der Schritt S25 zum Entfetten/Sintern und der Schleifschritt S26 unter gleichen Bedingungen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel ausgeführt, um dadurch einen keramischen Stapelaufbau 9 herzustellen.
Der somit erhaltene keramische Stapelaufbau 9 wurde untersucht im Hinblick auf Fehler wie beispielsweise Delaminationen. Als ein Ergebnis wurde bestätigt, dass der keramische Stapelaufbau 9 gemäß dem ersten Vergleichsbeispiel eine Vielzahl an Delaminationen entwickelte. Außerdem wurde herausgefunden, dass viele Delaminationen an dem mittleren Abschnitt des keramischen Stapelaufbaus 9 entlang der Stapelrichtung aufgetreten waren.
Das erste Ausführungsbeispiel und das erste Vergleichsbeispiel zeigen, dass die Delamination sehr effektiv unterdrückt werden kann, indem das Seitenverhältnis auf 2 oder weniger bei dem Thermokompressionsverbindungsschritt verringert wird.
Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel 2 beschrieben.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Umstand berücksichtigt, dass die Delamination bei dem ersten Vergleichsbeispiel häufig an dem mittleren Abschnitt des keramischen Stapelaufbaus entlang der Stapelrichtung auftrat, wobei ein Versuch unternommen wurde, um die Druckverteilung entlang der Stapelrichtung bei dem Thermokompressionsverbindungsschritt zu bestimmen. Genauer gesagt wurde die Änderung der Dicke von jedem Rohblatt 10 vor und nach dem Thermokompressionsverbinden als eine alternative Druckeigenschaft untersucht.
Der für die Untersuchung verwendete Stapelaufbau war wie bei dem ersten Vergleichsbeispiel ungefähr 10 mm breit und ungefähr 27 mm hoch bei einem Seitenverhältnis von ungefähr 2,7. Das Thermokompressionsverbinden wurde wie bei dem ersten Vergleichsbeispiel ausgeführt, um die Dickenänderung von jedem Rohblatt vor und nach dem speziellen Thermokompressionsverbindungsschritt zu messen. Ein Teilelektrodenaufbau, der demjenigen des ersten Ausführungsbeispiels und des ersten Vergleichsbeispiels ähnlich war, wurde als ein Muster der Innenelektrodenlagen angewendet.
Das Ergebnis ist in Fig. 7 gezeigt. In Fig. 7 zeigt die Abszisse die Stapelposition entlang der Stapelrichtung und die Ordinate zeigt einen numerischen Wert der Dicke nach dem Kompressionsverbinden geteilt durch die Dicke vor dem Kompressionsverbinden.
Wie dies aus Fig. 7 ersichtlich ist, ist in dem Fall, bei dem das Seitenverhältnis 2,7 ist, die Dicke des mittleren Abschnittes entlang der Stapelrichtung auf einen kleineren Grad verringert, was anzeigt, dass der Druck nicht ausreichend zum Zeitpunkt des Thermokompressionsverbindens übertragen worden ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wurden die Dickenänderung des Rohblattes vor und nach dem Thermokompressionsverbinden in Bezug auf das Seitenverhältnis und die Delamination überprüft durch ein Ändern der Höhe des Stapelaufbaus d. h. der Anzahl der gestapelten Rohblätter und somit durch ein Ändern des Seitenverhältnisses.
Das Ergebnis ist in Fig. 8 gezeigt. In Fig. 8 zeigt die Abszisse die Stapelhöhe und das Seitenverhältnis, zeigt die linke Ordinate einen numerischen Wert, der gleich der Dicke nach dem Kompressionsverbinden geteilt durch die Dicke vor dem Kompressionsverbinden ist, und zeigt die rechte Ordinate die Anzahl an Delaminationen bei Umwandlung auf die Stapelhöhe von 50 mm.
Es ist aus Fig. 7 ersichtlich, dass, je geringer das Seitenverhältnis ist, desto weniger Delaminationen auftreten. Insbesondere für das Seitenverhältnis von 2 oder weniger sind die Delaminationen erheblich verringert. Für das Seitenverhältnis von 0,5 oder weniger trat überhaupt keine Delamination auf.
Dieses Ergebnis offenbart, dass eine Delamination wirksam verhindert werden kann, wenn das Seitenverhältnis 2 oder weniger oder vorzugsweise nur 0,5 oder weniger zum Zeitpunkt des Thermokompressionsverbindens beträgt.
Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel 3 beschrieben.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Abtrenngenauigkeit bei dem Abtrennverfahren unter Verwendung eines Wasserstrahls bei dem Abtrennschritt gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel verifiziert.
Zunächst wird zum Zwecke eines Vergleichs gemäß Fig. 9 ein Stapelaufbau 100, der demjenigen des ersten Ausführungsbeispiels ähnlich ist und der durch ein Haftmittel mit einer Lehrplatte 79 verbunden ist, durch einen von einer einzelnen Düse 71 ausgespritzten Wasserstreifen von 70 abgetrennt. Der Wasserstrahl wird auf einen Druck auf 370 MPa eingestellt und enthält keine Schleifkörner. Außerdem wird der Wasserstrahl bei einer Rate von 150 mm pro Minute zugeführt.
In diesem Fall wird gemäß Fig. 9 ein Zwischenraum an der Abtrennposition 81 erzeugt. Beim Abtrennen an der zweiten Abtrennposition 82 wird daher der Stapelaufbau 100 durch die Abtrennspannung aufgrund des Wasserstrahls verformt. Als ein Ergebnis wird der geschnittene Stapelaufbau bei der Rate von 1 mm pro 27 mm entlang der Stapelrichtung verzogen.
In dem Fall, bei dem Schleifkörner mit einem natürlichen Granat (#80) mit dem Wasserstrahl vermischt sind, wird andererseits das Verziehen auf 0,5 mm oder weniger pro 27 mm trotz der Anwendung der Gleichen einzelner Düsen 71 verringert.
Des Weiteren wird gemäß Fig. 10 eine Vielzahl an Düsen 71 wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel zum Abtrennen des Stapelaufbaus an einer Vielzahl von Punkten unter Verwendung von Schleifkörnern verwendet. In diesem Fall tritt das vorstehend beschriebene Verziehen im Wesentlichen nicht auf.
Je weniger Delaminationen nach dem Sintern auftreten, desto geringer ist das Verziehen des Stapelaufbaus. Außerdem wurden keine Delaminationen bei dem Stapelaufbau beobachtet, der im Wesentlichen frei von Verzug war.
Dieses Ergebnis zeigt, dass die Delamination noch wirksamer verhindert werden kann, indem das Verziehen zum Zeitpunkt des Abtrennens unterdrückt wird und außerdem das Seitenverhältnis zum Zeitpunkt des Thermokompressionsverbindens gesteuert wird.
Das Fixieren des Stapelaufbaus, indem dieser mit der Leerplatte verbunden wird, wird ebenfalls als ein gewisser Beitrag im Hinblick auf das Unterdrücken der Fehler zum Zeitpunkt des Abtrennens erachtet. In dem Fall, bei dem eine einzelne Düse für den Wasserstrahl verwendet wird, ist es jedoch nicht ausreichend, lediglich den Stapelaufbau zu fixieren.
Ein andere Antrenneinrichtung außer der Wasserstrahl, die das Scheren mit einem Metallblatt, das Drehabtrennen mit einem Schleifstein und das Abtrennen mit einer Drahtsäge umfassen, entwickelt ebenfalls einen Verzug in dem Fall, bei dem die Abtrenntätigkeit an lediglich einer Stelle ausgeführt wird. Die Abtrennspannung wird durch das Blattvolumen für das Abtrennen mit einem Metallblatt, durch das Drahtvolumen für das Abtrennen mit einer Drahtsäge und durch das Volumen des Schleifsteins für das Abtrennen mit einem Schleifstein erzeugt. Bei jedem dieser Fälle kann das Verziehen wahrscheinlich verhindert werden, indem der Abtrennvorgang bei einer Vielzahl an Punkten gleichzeitig ausgeführt wird.
Wie dies vorstehend beschrieben ist, ist es erforderlich, dass die Breiten in beiden Richtungen (in der Stapelrichtung und in der senkrecht zu dieser stehenden Richtung) des Stapelaufbaus erhöht werden, um das Seitenverhältnis vor dem Kompressionsverbinden zu verringern. In dem Fall, bei dem der erwünschte keramische Stapelaufbau ein Parallelepiped ist, ist es erforderlich, dass die beiden Seiten entlang der Breite nach dem Thermokompressionsverbinden abgetrennt werden. Wie dies in Fig. 11 gezeigt ist, kann daher der Stapelaufbau in Stücke in einem tessellierten Muster oder Mosaikmuster abgetrennt werden. In dem Fall, bei dem jede keramische Lage kreisartig ist, kann andererseits gemäß Fig. 12 die Abtrenntätigkeit bei einer Vielzahl an Kreisabtrennpositionen 84 bei einer Vielzahl an Kombinationen ausgeführt werden.
Das Verfahren zum Herstellen des keramischen Stapelaufbaus ist geschaffen, das eine Delamination verhindern kann, während gleichzeitig die Größe verringert ist und eine hohe Zuverlässigkeit erzielt worden ist. Das Verfahren zum Herstellen eines keramischen Stapelaufbaus 1 mit keramischen Lagen und Innenelektrodenlagen, die abwechselnd zu einander gestapelt sind, weist die folgenden Schritte auf: Ausbilden von Rohblättern 10, die zumindest keramische Partikel und ein Thermoplastharz enthalten, Drucken eines Elektrodenpastenmaterials 2 auf die Oberfläche der Rohblätter 10, Erwärmen eines Stapelaufbaus 100 mit einem Stapel der Rohblätter 10, während gleichzeitig ein Druck auf diesen für das Thermokompressionsverbinden aus der Stapelrichtung ausgeübt wird, Abtrennen des Stapelaufbaus 100 in Querrichtung und Sintern von Stapelaufbaueinheiten 105. Bei dem Thermokompressionsverbindungsschritt hat der Stapelaufbau 100eine Stapelhöhe B von nicht weniger als 3 mm und ein Seitenverhältnis B/A von nicht mehr als 2, wobei A die Breite und B die Stapelhöhe des Stapelaufbaus entlang der Stapelrichtung ist.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines keramischen Stapelaufbaus mit einer Vielzahl an keramischen Lagen und einer Vielzahl an Innenelektrodenlagen, die abwechselnd zueinander gestapelt sind, mit den folgenden Schritten:
einem Blattausbildungsschritt zum Ausbilden einer Vielzahl an Rohblättern, die zumindest keramische Partikel und ein Thermoplastharz enthalten;
einem Elektrodendruckschritt zum Drucken eines Elektrodenpastenmaterials an der Oberfläche der Rohblätter;
einem Thermokompressionsverbindungsschritt zum Erwärmen des Stapelaufbaus, der einen Stapel aus dem Rohblättern aufweist, und zum Aufbringen eines Drucks auf den Stapelaufbau aus der Stapelrichtung;
einem Abtrennschritt zum Abtrennen des Stapelaufbaus entlang dessen Breite; und
einem Sinterschritt zum Sintern des Stapelaufbaus;
wobei der Stapelaufbau bei dem Thermokompressionsverbindungsschritt eine Stapelhöhe B von nicht weniger als 3 mm und ein Seitenverhältnis B/A von nicht mehr als 2 hat, wobei A die Breite und B die Höhe des Stapelaufbaus ist.

2. Verfahren zum Herstellen eines keramischen Stapelaufbaus gemäß Anspruch 1, wobei der keramische Stapelaufbau eine Vielzahl an Hilfsabschnitten hat, die keine Innenelektrodenlagen haben, wobei die keramischen Lagen miteinander in Kontakt stehen, um zu verhindern, dass die keramischen Lagen zu den Seitenflächen des keramischen Stapelaufbaus an den Stapelpositionen der Innenelektrodenlagen freigesetzt sind, und wobei die Hilfsabschnitte so aufgebaut sind, dass sich ihre Positionen abwechselnd entlang der Stapelrichtung ändern.

3. Verfahren zum Herstellen eines keramischen Stapelaufbaus gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Stapelaufbau an nicht weniger als 2 Abtrennpositionen gleichzeitig bei dem Abtrennschritt abgetrennt wird.

4. Verfahren zum Herstellen eines keramischen Stapelaufbaus gemäß Anspruch 3, wobei der Abtrennschritt durch ein ausgewähltes der folgenden Verfahren ausgeführt wird, d. h. ein Scheren unter Verwendung eines Metallblattes, ein Schleifen oder Abtrennen unter Verwendung eines Drehschleifsteins, ein Schleifen oder Abtrennen unter Verwendung einer Drahtsäge und eines Wasserstrahls, ein Heißdrahtabtrennverfahren bzw. ein Ultraschallabtrennverfahren.

5. Verfahren zum Herstellen eines keramischen Stapelaufbaus gemäß Anspruch 4, wobei das Abtrennverfahren unter Verwendung der Drahtsäge ausgeführt wird, indem eine Schleifkörner enthaltende Flüssigkeit an dem Abtrennpunkt in Kontakt mit der Drahtsäge geliefert wird.

6. Verfahren zum Herstellen eines keramischen Stapelaufbaus gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei das Abtrennverfahren unter Verwendung der Drahtsäge ausgeführt wird, indem die Drahtsäge in Bezug auf den Stapelaufbau vorwärts gebracht wird, der an einem Arbeitstisch gesetzt ist, und der Abtrennpunkt durch ein Bewegen des Arbeitstisches verändert wird.

7. Verfahren zum Herstellen eines keramischen Stapelaufbaus gemäß Anspruch 3, wobei das Abtrennverfahren unter Verwendung eines Wasserstrahls ausgeführt wird, indem Hochdruckwasser verwendet wird, das Schleifkörner enthält.

8. Verfahren zum Herstellen eines keramischen Stapelaufbaus gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Abtrennschritt ausgeführt wird, wobei der Stapelaufbau mit einer Leerplatte unter Verwendung eines Haftmittels verbunden ist, wobei die Leerplatte fixiert ist.

9. Verfahren zum Herstellen eines keramischen Stapelaufbaus gemäß Anspruch 8, wobei das Haftmittel einen geringeren Schmelzpunkt als das Thermoplastharz in den Rohblättern hat.

10. Verfahren zum Herstellen eines keramischen Stapelaufbaus gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Abtrennschritt in einer derartigen Weise ausgeführt wird, dass der Stapelaufbau in einer Einspannflüssigkeit angeordnet wird, die gefroren wird, um dadurch den Stapelaufbau zu fixieren.

11. Verfahren zum Herstellen eines keramischen Stapelaufbaus gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Rohblätter keramische Partikel und das Thermoplastharz in dem Gewichtsverhältnis von 100 : 3 bis 100 : 7 enthalten.