JP4091558B2 - Manufacturing method of ceramic element - Google Patents

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Description

本発明は、積層型圧電素子や圧電センサ、積層型コンデンサ等のセラミック素子の製造方法に関し、より詳細には、スルーホールを介してセラミック層の一端面側と他端面側との間の電気的な接続がなされたセラミック素子の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a ceramic element such as a multilayer piezoelectric element, a piezoelectric sensor, or a multilayer capacitor, and more specifically, an electrical connection between one end surface side and the other end surface side of a ceramic layer through a through hole. The present invention relates to a method of manufacturing a ceramic element that has been smoothly connected.

近年、セラミック素子の1つである積層型圧電素子の技術開発が盛んに行われている。この種の積層型圧電素子は、例えば、下記の特許文献1に開示されている。   In recent years, technological development of a multilayer piezoelectric element which is one of ceramic elements has been actively performed. This type of laminated piezoelectric element is disclosed, for example, in Patent Document 1 below.

この特許文献1記載の積層型圧電素子は、多数の個別電極をパターン形成した圧電体層と、コモン電極をパターン形成した圧電体層とを交互に積層し、積層型圧電素子の厚さ方向に整列した各個別電極を、圧電体層に形成したスルーホールを介して導電部材により接続したものである。このような積層型圧電素子においては、所定の個別電極とコモン電極との間に電圧を印加することで、圧電体層において当該所定の個別電極に対応する活性部(圧電効果により歪みが生じる部分)を選択的に変位させることができる。
特開2002−254634号公報
The multilayer piezoelectric element described in Patent Document 1 is formed by alternately stacking piezoelectric layers patterned with a large number of individual electrodes and piezoelectric layers patterned with common electrodes in the thickness direction of the multilayer piezoelectric element. The aligned individual electrodes are connected by a conductive member through through holes formed in the piezoelectric layer. In such a multilayered piezoelectric element, by applying a voltage between a predetermined individual electrode and a common electrode, an active portion corresponding to the predetermined individual electrode (a portion in which distortion occurs due to the piezoelectric effect) in the piezoelectric layer. ) Can be selectively displaced.
JP 2002-254634 A

上述したような積層型圧電素子をはじめとするセラミック素子においては、素子自体の小型化や素子に形成される電極等の高集積化に伴い、セラミック層の一端面側と他端面側との間においてスルーホールを介した電気的な接続を確実に達成し得る技術が望まれていた。   In ceramic elements such as the multilayer piezoelectric element as described above, between the one end surface side and the other end surface side of the ceramic layer due to the miniaturization of the element itself and the high integration of the electrodes formed on the element. Therefore, a technique capable of reliably achieving electrical connection through a through hole has been desired.

そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、スルーホールを介してセラミック層の一端面側と他端面側との間の電気的な接続が確実になされたセラミック素子の製造方法を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been made in view of such circumstances, and a ceramic element in which electrical connection between the one end surface side and the other end surface side of the ceramic layer is reliably made through a through hole. An object is to provide a manufacturing method.

上記目的を達成するために、本発明に係るセラミック素子の製造方法は、セセラミック層に形成されたスルーホールを介してセラミック層の一端面側と他端面側との間の電気的な接続がなされたセラミック素子の製造方法であって、鉛を含有する化合物を含み且つキャリアフィルムの上面に形成されセラミック層となるセラミック素材を加熱することにより、当該セラミック素材をキャリアフィルムと共に強制収縮させる工程と、セラミック素材をキャリアフィルムと共に強制収縮させた後、セラミック素材及びキャリアフィルムの少なくとも一方に位置基準穴を形成する工程と、位置基準穴を形成した後、セラミック素材に対し、YAGレーザの第2次高調波又は第3次高調波のレーザ光を照射することで、セラミック素材にスルーホールを形成する工程と、を備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, according to the method for manufacturing a ceramic element of the present invention, electrical connection between one end surface side and the other end surface side of the ceramic layer is performed through a through hole formed in the ceramic layer. A method for producing a ceramic element, the method comprising forcibly shrinking the ceramic material together with the carrier film by heating the ceramic material containing a lead-containing compound and forming a ceramic layer on the upper surface of the carrier film ; , After forcibly shrinking the ceramic material together with the carrier film , forming a position reference hole in at least one of the ceramic material and the carrier film ; and after forming the position reference hole, a second YAG laser is applied to the ceramic material. Through holes in ceramic materials by irradiating laser light of higher harmonics or third harmonics Forming, characterized in that it comprises a.

また、本発明に係るセラミック素子の製造方法は、セラミック層に形成されたスルーホールを介してセラミック層の一端面側と他端面側との間の電気的な接続がなされたセラミック素子の製造方法であって、粉体密度が5000kg/m以上で且つキャリアフィルムの上面に形成されセラミック層となるセラミック素材を加熱することにより、当該セラミック素材をキャリアフィルムと共に強制収縮させる工程と、セラミック素材をキャリアフィルムと共に強制収縮させた後、セラミック素材及びキャリアフィルムの少なくとも一方に位置基準穴を形成する工程と、位置基準穴を形成した後、セラミック素材に対し、YAGレーザの第2次高調波又は第3次高調波のレーザ光を照射することで、セラミック素材にスルーホールを形成する工程と、を備えることを特徴とする。 Further, the method for manufacturing a ceramic element according to the present invention is a method for manufacturing a ceramic element in which electrical connection is made between one end surface side and the other end surface side of the ceramic layer through a through hole formed in the ceramic layer. A step of forcibly shrinking the ceramic material together with the carrier film by heating the ceramic material that has a powder density of 5000 kg / m 3 or more and is formed on the upper surface of the carrier film to be a ceramic layer; A step of forming a position reference hole in at least one of the ceramic material and the carrier film after forcibly shrinking together with the carrier film ; and after forming the position reference hole, the second harmonic or the second harmonic of the YAG laser is applied to the ceramic material. A process that forms a through hole in a ceramic material by irradiating a third harmonic laser beam. And a step.

本発明者は、鉛を含有する化合物(チタン酸鉛やチタン酸ジルコン酸鉛等)を含むセラミック素材、又は粉体密度が5000kg/m以上のセラミック素材に対してYAGレーザの第2次高調波又は第3次高調波のレーザ光を照射することで、次のような良好なスルーホールを形成し得ることを見出した。すなわち、従来一般的であるCOレーザによるレーザ光照射を行うと、スルーホール周辺に飛散物が大量に堆積するのに対し、YAGレーザの第2次高調波又は第3次高調波のレーザ光照射を行うと、スルーホール周辺への飛散物の堆積をほとんど無くすことができる。これにより、飛散物によるスルーホールの目詰まりが防止されるため、例えば、スルーホール内に対し導電ペーストの充填スクリーン印刷を行うことで、スルーホール内に導電部材を確実に形成することが可能となる。したがって、セラミック層の一端面側と他端面側との間の電気的な接続を、スルーホールを介して確実に行うことができる。 The present inventor has determined that the second harmonic of the YAG laser is applied to a ceramic material containing a lead-containing compound (such as lead titanate or lead zirconate titanate) or a ceramic material having a powder density of 5000 kg / m 3 or more. It has been found that the following good through-holes can be formed by irradiating a laser beam of a wave or a third harmonic. That is, when laser light irradiation by a conventional CO 2 laser is performed, a large amount of scattered matter is deposited around the through hole, whereas the second harmonic or third harmonic laser beam of the YAG laser is accumulated. When irradiation is performed, it is possible to eliminate the accumulation of scattered matter around the through hole. This prevents clogging of the through-holes due to scattered objects. For example, by conducting screen printing with a conductive paste filling the through-holes, it is possible to reliably form the conductive member in the through-holes. Become. Therefore, electrical connection between the one end surface side and the other end surface side of the ceramic layer can be reliably performed through the through hole.

ここで、セラミック素子とは、セラミック材料により形成されたセラミック層を有する素子を意味し、積層型圧電素子、圧電センサ、コンデンサ、インダクタ、トランス、及びフィルタ、並びにこれらを複合形成したもの等がある。   Here, the ceramic element means an element having a ceramic layer formed of a ceramic material, and includes a multilayer piezoelectric element, a piezoelectric sensor, a capacitor, an inductor, a transformer, a filter, and a combination of these. .

また、例えばレーザ光をQスイッチングにより繰り返し発振させるなど、レーザ光をパルス発振させることが好ましい。一般的に、レーザ光照射によってスルーホールを形成する場合、パルス発振(例えばQスイッチングによる繰り返しの発振)でない場合は、加工の管理が難しくスルーホールの形状がレーザ光入射面側に末広がりのテーパー状となり、また、加工により発生する飛散物が飛散せず加工屑となってスルーホール周辺に堆積する。しかしながら、例えばレーザ光をQスイッチングにより繰り返し発振させるなど、レーザ光をパルス発振させることにより、大きな尖頭出力を容易に得ることが可能となり、スルーホール形状がテーパー状に広がることや飛散物が堆積することを抑制することができる。これにより、例えば、セラミック素材の一端面側からレーザ光を照射してスルーホールを形成し、このスルーホールを含むように一端面に電極をパターン形成するような場合に、当該電極に対するスルーホールの相対的なサイズを小さくすることができる。したがって、電極をより微細化することが可能になり、ひいては、電極の高集積化或いはセラミック素子の小型化を図ることができる。   Further, it is preferable to oscillate the laser beam, for example, to oscillate the laser beam repeatedly by Q switching. Generally, when a through hole is formed by laser light irradiation, if it is not pulse oscillation (for example, repetitive oscillation due to Q switching), it is difficult to manage the processing, and the shape of the through hole is tapered toward the laser light incident surface side. In addition, the scattered matter generated by the processing does not scatter and becomes processing waste and accumulates around the through hole. However, it is possible to easily obtain a large peak output by pulsating the laser beam, for example, by repeatedly oscillating the laser beam by Q switching, and the through-hole shape expands in a taper shape and scattered matter accumulates. Can be suppressed. Thus, for example, when a through hole is formed by irradiating a laser beam from one end surface side of a ceramic material, and an electrode is patterned on one end surface so as to include this through hole, the through hole for the electrode is formed. The relative size can be reduced. Therefore, it becomes possible to further miniaturize the electrode, and as a result, high integration of the electrode or miniaturization of the ceramic element can be achieved.

本発明によれば、スルーホールを介してセラミック素材の一端面側と他端面側との間の電気的な接続が確実になされたセラミック素子を製造することができる。   According to the present invention, it is possible to manufacture a ceramic element in which electrical connection between the one end surface side and the other end surface side of the ceramic material is reliably performed through the through hole.

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。最初に、本実施形態に係るセラミック素子の製造方法によって製造されるセラミック素子について説明する。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. First, a ceramic element manufactured by the method for manufacturing a ceramic element according to this embodiment will be described.

図1に示すように、本実施形態に係るセラミック素子は積層型圧電素子1であり、この積層型圧電素子1は、個別電極2が形成された圧電体層(セラミック層)3と、コモン電極4が形成された圧電体層(セラミック層)5とを4枚ずつ交互に積層し、さらに、端子電極が形成される圧電体層7とベースとなる圧電体層9とで上下から挟み込むようにして構成されている。   As shown in FIG. 1, the ceramic element according to the present embodiment is a multilayer piezoelectric element 1, which includes a piezoelectric layer (ceramic layer) 3 on which individual electrodes 2 are formed, and a common electrode. 4 piezoelectric layers (ceramic layers) 5 each having 4 formed thereon are alternately laminated, and further sandwiched from above and below by the piezoelectric layers 7 on which the terminal electrodes are formed and the piezoelectric layer 9 serving as a base. Configured.

なお、各圧電体層3,5,7,9は、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とし且つ粉体密度が8000kg/mの圧電材料からなり、「10mm×30mm,厚さ30μm」の長方形薄板状に形成されている。また、個別電極2及びコモン電極4は、銀及びパラジウムを主成分とし、スクリーン印刷によりパターン形成されたものである。これは、以下に述べる各電極についても同様である。 Each of the piezoelectric layers 3, 5, 7, and 9 is made of a piezoelectric material mainly composed of lead zirconate titanate and having a powder density of 8000 kg / m 3 , and has a rectangular shape of “10 mm × 30 mm, thickness 30 μm”. It is formed in a thin plate shape. The individual electrode 2 and the common electrode 4 are mainly composed of silver and palladium, and are formed by patterning by screen printing. The same applies to each electrode described below.

各圧電体層3の上面には、多数の個別電極2がマトリックス状に配置されている。各個別電極2は、互いに所定の間隔がとられることで、電気的な独立が達成され、且つ互いの振動による影響が防止されている。そして、各個別電極2は、その外方側端部の直下において圧電体層3に形成されたスルーホール13内の導電部材に接続されている(最も下側の圧電体層3を除く)。   A large number of individual electrodes 2 are arranged in a matrix on the upper surface of each piezoelectric layer 3. The individual electrodes 2 are separated from each other by a predetermined distance, thereby achieving electrical independence and preventing the influence of mutual vibration. Each individual electrode 2 is connected to a conductive member in a through hole 13 formed in the piezoelectric layer 3 immediately below the outer end portion thereof (excluding the lowermost piezoelectric layer 3).

さらに、圧電体層3の上面の縁部には、上下に位置する圧電体層5のコモン電極4,4を電気的に接続するための中間電極6が形成されている。この中間電極6は、その直下において圧電体層3に形成されたスルーホール8内の導電部材に接続されている。   Furthermore, an intermediate electrode 6 for electrically connecting the common electrodes 4 and 4 of the piezoelectric layer 5 positioned above and below is formed on the edge of the upper surface of the piezoelectric layer 3. The intermediate electrode 6 is connected to a conductive member in a through hole 8 formed in the piezoelectric layer 3 immediately below the intermediate electrode 6.

また、各圧電体層5の上面には、積層型圧電素子1の厚さ方向において圧電体層3の各個別電極2の外方側端部に対向するように中間電極16が形成されている(以下、「積層型圧電素子1の厚さ方向」、すなわち「圧電体層3,5の厚さ方向」を単に「厚さ方向」という)。各中間電極16は、その直下において圧電体層5に形成されたスルーホール13内の導電部材に接続されている。   An intermediate electrode 16 is formed on the upper surface of each piezoelectric layer 5 so as to face the outer end of each individual electrode 2 of the piezoelectric layer 3 in the thickness direction of the multilayer piezoelectric element 1. (Hereinafter, “the thickness direction of the laminated piezoelectric element 1”, that is, “the thickness direction of the piezoelectric layers 3 and 5” is simply referred to as the “thickness direction”). Each intermediate electrode 16 is connected to a conductive member in a through hole 13 formed in the piezoelectric layer 5 immediately below.

さらに、圧電体層5の上面には、長方形状のコモン電極4が形成されている。このコモン電極4は、厚さ方向から見て、圧電体層3における各個別電極2の外方側端部以外の部分と重なるように、ベタ状に形成されている。なお、コモン電極4は、厚さ方向において圧電体層3の中間電極6に対向するよう圧電体層5に形成されたスルーホール8内の導電部材に接続されている。   Further, a rectangular common electrode 4 is formed on the upper surface of the piezoelectric layer 5. The common electrode 4 is formed in a solid shape so as to overlap with a portion of the piezoelectric layer 3 other than the outer end portion of each individual electrode 2 when viewed from the thickness direction. The common electrode 4 is connected to a conductive member in the through hole 8 formed in the piezoelectric layer 5 so as to face the intermediate electrode 6 of the piezoelectric layer 3 in the thickness direction.

また、最上層の圧電体層7の上面には、厚さ方向において圧電体層5の各中間電極16に対向するよう外部電極17が形成され、厚さ方向において圧電体層3の中間電極6に対向するよう外部電極18が形成されている。そして、各外部電極17は、その直下において圧電体層7に形成されたスルーホール13内の導電部材に接続され、外部電極18は、その直下において圧電体層7に形成されたスルーホール8内の導電部材に接続されている。また、最下層の圧電体層9の上面には、長方形状のコモン電極19が、圧電体層9の外周部から所定の間隔をとってベタ状に形成されている。   An outer electrode 17 is formed on the upper surface of the uppermost piezoelectric layer 7 so as to face each intermediate electrode 16 of the piezoelectric layer 5 in the thickness direction, and the intermediate electrode 6 of the piezoelectric layer 3 in the thickness direction. An external electrode 18 is formed so as to oppose to. Each external electrode 17 is connected to a conductive member in a through hole 13 formed in the piezoelectric layer 7 immediately below it, and the external electrode 18 is connected to the inside of the through hole 8 formed in the piezoelectric layer 7 immediately below it. Connected to the conductive member. A rectangular common electrode 19 is formed on the upper surface of the lowermost piezoelectric layer 9 in a solid shape with a predetermined interval from the outer peripheral portion of the piezoelectric layer 9.

なお、最上層の各外部電極17,18は、駆動電源に電気的に接続するためのリード線を取り付けるべく銀の焼付電極が施され、積層型圧電素子1の端子電極として機能する。   The outermost electrodes 17 and 18 in the uppermost layer are provided with a silver baking electrode so as to attach a lead wire for electrical connection to a drive power supply, and function as terminal electrodes of the multilayer piezoelectric element 1.

以上のような電極パターンが形成された圧電体層3,5,7,9を積層することで、最上層の各外部電極17に対しては、厚さ方向において4つの個別電極2が中間電極16を介在させて整列し、整列した各電極2,16,17は、スルーホール13内の導電部材により電気的に接続されることになる。より詳細には、図2に示すように、厚さ方向において互いに隣り合う個別電極2,2は、中間電極16を介在させてスルーホール13内の導電部材14により電気的に接続されることになる。   By laminating the piezoelectric layers 3, 5, 7, 9 having the electrode patterns as described above, four individual electrodes 2 are intermediate electrodes in the thickness direction with respect to the outermost electrodes 17 of the uppermost layer. The electrodes 2, 16, and 17 that are aligned with the interposition of 16 are electrically connected by a conductive member in the through hole 13. More specifically, as shown in FIG. 2, the individual electrodes 2 and 2 adjacent to each other in the thickness direction are electrically connected by the conductive member 14 in the through hole 13 with the intermediate electrode 16 interposed therebetween. Become.

一方、最上層の外部電極18に対しては、厚さ方向において4つのコモン電極4と最下層のコモン電極19とが中間電極6を介在させて整列し、整列した各電極4,6,18,19は、スルーホール8内の導電部材14により電気的に接続されることになる。   On the other hand, with respect to the uppermost external electrode 18, the four common electrodes 4 and the lowermost common electrode 19 are aligned with the intermediate electrode 6 interposed in the thickness direction, and the aligned electrodes 4, 6, 18 are arranged. , 19 are electrically connected by the conductive member 14 in the through hole 8.

このような積層型圧電素子1における電気的接続により、所定の外部電極17と外部電極18との間に電圧を印加すると、所定の外部電極17下に整列する個別電極2とコモン電極4,19との間に電圧が印加されることになる。これにより、圧電体層3,5においては、図2に示すように、個別電極2の外方側端部以外の部分とコモン電極4,19とで挟まれる部分に電界が生じ、当該部分が活性部21として変位することになる。したがって、電圧を印加する外部電極17を選択することで、マトリックス状に配置された個別電極2に対応する活性部21のうち、選択した外部電極17下に整列する活性部21を厚さ方向に変位させることができる。このような積層型圧電素子1は、マイクロポンプの弁制御等、微小変位を必要とする種々の装置の駆動源に適用される。   When a voltage is applied between the predetermined external electrode 17 and the external electrode 18 by such electrical connection in the multilayer piezoelectric element 1, the individual electrode 2 and the common electrodes 4 and 19 aligned under the predetermined external electrode 17. A voltage is applied between the two. Thereby, in the piezoelectric layers 3 and 5, as shown in FIG. 2, an electric field is generated in the portion sandwiched between the portions other than the outer end portion of the individual electrode 2 and the common electrodes 4 and 19. The active part 21 is displaced. Therefore, by selecting the external electrode 17 to which the voltage is applied, among the active portions 21 corresponding to the individual electrodes 2 arranged in a matrix, the active portions 21 aligned under the selected external electrode 17 are arranged in the thickness direction. Can be displaced. Such a laminated piezoelectric element 1 is applied to a drive source of various devices that require minute displacement, such as valve control of a micropump.

次に、本実施形態に係るセラミック素子の製造方法として、上述した積層型圧電素子1の製造方法について説明する。   Next, a method for manufacturing the multilayer piezoelectric element 1 described above will be described as a method for manufacturing a ceramic element according to the present embodiment.

まず、図3に示すように、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とし且つ粉体密度が8000kg/mの圧電材料に有機バインダ、有機溶剤等を混合してペーストを作製し、このペーストをタンク31内に貯留する。そして、キャリアフィルム(保持部材)32をリール33から他のリール33へと巻き取る間に、ドクターブレード法によって、圧電体層3,5,7,9となるグリーンシート(セラミック素材)34をキャリアフィルム32の上面に形成する(シート成形工程)。なお、キャリアフィルム32としては、厚さ54μm,幅100mmの透明PETフィルムを用いた。また、キャリアフィルム32の上面に形成されたグリーンシート34の厚さは40μmである。 First, as shown in FIG. 3, a paste is prepared by mixing an organic binder, an organic solvent, etc. with a piezoelectric material mainly composed of lead zirconate titanate and having a powder density of 8000 kg / m 3. Store in 31. Then, while winding the carrier film (holding member) 32 from the reel 33 to the other reel 33, the green sheet (ceramic material) 34 to be the piezoelectric layers 3, 5, 7, 9 is carried by the doctor blade method. It forms on the upper surface of the film 32 (sheet forming process). As the carrier film 32, a transparent PET film having a thickness of 54 μm and a width of 100 mm was used. The thickness of the green sheet 34 formed on the upper surface of the carrier film 32 is 40 μm.

シート成形工程の後、図4に示すように、グリーンシート34が形成されたキャリアフィルム32をリール33から他のリール33へと巻き取る間に、加熱炉36を用いてキャリアフィルム32及びグリーンシート34を加熱し、これらを強制収縮させる(熱処理工程)。これにより、次工程以降におけるキャリアフィルム32及びグリーンシート34の熱収縮を防止することができ、スルーホールの形成や電極のパターン形成を位置精度良く行うことが可能になる。   After the sheet forming step, as shown in FIG. 4, while the carrier film 32 on which the green sheet 34 is formed is wound from the reel 33 to another reel 33, the carrier film 32 and the green sheet are used using the heating furnace 36. 34 is heated and these are forcibly contracted (heat treatment process). Thereby, the thermal contraction of the carrier film 32 and the green sheet 34 in the subsequent steps can be prevented, and the formation of through holes and the pattern of electrodes can be performed with high positional accuracy.

熱処理工程の後、図5に示すように、グリーンシート34が形成されたキャリアフィルム32をリール33から他のリール33へと巻き取りつつ、パンチング装置37を用いて位置基準穴を形成し、この位置基準穴を基準としてグリーンシート34の所定の位置にレーザ加工装置38を用いてスルーホール8,13(図示なし)を形成する(スルーホール形成工程)。なお、位置基準穴は、後の切断工程にて残材となるグリーンシート34の外縁部に形成したり、キャリアフィルム32の外縁部にグリーンシート34が形成されない余白部がある場合には当該余白部に形成したりすればよい。   After the heat treatment step, as shown in FIG. 5, a position reference hole is formed using a punching device 37 while winding the carrier film 32 on which the green sheet 34 is formed from the reel 33 to another reel 33. Through holes 8 and 13 (not shown) are formed at a predetermined position of the green sheet 34 with reference to the position reference hole using a laser processing device 38 (through hole forming step). Note that the position reference hole is formed in the outer edge portion of the green sheet 34 which is a remaining material in a later cutting process, or when there is a blank portion where the green sheet 34 is not formed in the outer edge portion of the carrier film 32. It may be formed in the part.

スルーホール形成工程の後、図6に示すように、スクリーン印刷装置39を用いて、スルーホール8,13内に対してグリーンシート34の上面側から導電ペーストの充填スクリーン印刷を行う(第1の印刷工程)。続いて、スルーホール8,13内において導電ペーストを乾燥・固化させて導電部材14を形成すべく、キャリアフィルム32及びグリーンシート34を乾燥機に入れるが(第1の乾燥工程)、この第1の乾燥工程の前に、その乾燥温度より低い温度にてキャリアフィルム32及びグリーンシート34を所定時間加熱する(加熱工程)。この加熱により導電ペーストが軟化し、スルーホール8,13内の下端部まで導電ペーストが確実に行き渡る。   After the through-hole forming step, as shown in FIG. 6, the screen printing device 39 is used to screen-fill the through-holes 8 and 13 with the conductive paste from the upper surface side of the green sheet 34 (first screen). Printing process). Subsequently, the carrier film 32 and the green sheet 34 are placed in a dryer to dry and solidify the conductive paste in the through holes 8 and 13 to form the conductive member 14 (first drying step). Before the drying step, the carrier film 32 and the green sheet 34 are heated for a predetermined time at a temperature lower than the drying temperature (heating step). By this heating, the conductive paste is softened, and the conductive paste is reliably spread to the lower end portions in the through holes 8 and 13.

第1の乾燥工程の後、グリーンシート34上面の所定の位置に対し導電ペーストのスクリーン印刷を行う(第2の印刷工程)。続いて、キャリアフィルム32及びグリーンシート34を乾燥機に入れ、導電ペーストを乾燥・固化させて各電極2,4,17,19等を形成する(第2の乾燥工程)。なお、第1及び第2の印刷工程にて用いた導電ペーストは、所定比率の銀とパラジウムとからなる金属材料に有機バインダ、有機溶剤等を混合して作製した。   After the first drying step, screen printing of the conductive paste is performed on a predetermined position on the upper surface of the green sheet 34 (second printing step). Subsequently, the carrier film 32 and the green sheet 34 are put in a dryer, and the conductive paste is dried and solidified to form the electrodes 2, 4, 17, 19 and the like (second drying step). The conductive paste used in the first and second printing steps was prepared by mixing an organic binder, an organic solvent, or the like with a metal material composed of silver and palladium in a predetermined ratio.

第2の乾燥工程の後、図7に示すように、ピックアップ装置41を用いてキャリアフィルム32から所定の長さのグリーンシート34aを剥離させ、上述した積層型圧電素子1と同じ積層順序となるようにグリーンシート34aを積層し、仮圧着する(積層工程)。   After the second drying step, as shown in FIG. 7, the green sheet 34 a having a predetermined length is peeled off from the carrier film 32 using the pickup device 41, and the same stacking order as that of the multilayer piezoelectric element 1 described above is obtained. Thus, the green sheets 34a are laminated and temporarily pressed (lamination process).

積層工程の後、加熱しながら積層方向にプレスすることで、各グリーンシート34aを熱圧着し、積層体グリーンを作製する。続いて、この積層体グリーンから所定の寸法の積層体グリーン素子を複数切り出し、切り出した積層体グリーン素子を脱脂・焼成した後、端子電極の形成・分極処理等を経て積層型圧電素子1を完成させる。   After the laminating step, each green sheet 34a is thermocompression-bonded by pressing in the laminating direction while heating to produce a laminate green. Subsequently, a plurality of laminated green elements having a predetermined size are cut out from the laminated green, and the cut-out laminated green elements are degreased and fired, and then the laminated piezoelectric element 1 is completed through terminal electrode formation, polarization treatment, and the like. Let

次に、上述したスルーホール形成工程について、さらに詳細に説明する。   Next, the through hole forming process described above will be described in more detail.

図8に示すように、スルーホール形成工程においては、グリーンシート34が形成されたキャリアフィルム32が、リール33,33間に配置されたステージ43上に真空吸着される。ステージ43上にキャリアフィルム32及びグリーンシート34が吸着固定されると、レーザ加工装置38によって、グリーンシート34の所定の位置にレーザ光Lの集光点Pが合わせられ、グリーンシート34の上面側からレーザ光Lが照射される。   As shown in FIG. 8, in the through-hole forming step, the carrier film 32 on which the green sheet 34 is formed is vacuum-sucked on a stage 43 disposed between the reels 33 and 33. When the carrier film 32 and the green sheet 34 are sucked and fixed on the stage 43, the laser beam focusing point P of the laser light L is aligned with a predetermined position of the green sheet 34 by the laser processing device 38. Is irradiated with laser light L.

このとき、グリーンシート34に対する集光点Pの位置は、パンチング装置37により形成された複数の位置基準穴(位置基準部)をCCDカメラ(撮像手段)で撮像し、その画像データに基づいて位置基準穴に対する所定の位置に位置決めされる。   At this time, the position of the condensing point P with respect to the green sheet 34 is determined based on the image data obtained by imaging a plurality of position reference holes (position reference portions) formed by the punching device 37 with a CCD camera (imaging means). Positioned at a predetermined position with respect to the reference hole.

また、レーザ光Lは、Nd:YAGレーザの第3次高調波をパルス発振させたレーザ光(例えばQスイッチングにより繰り返し発振させたレーザ光)であり、繰り返し周波数30kHz,パルス幅210nsec,出力5Wの条件で照射される。そして、グリーンシート34にスルーホール13が形成され、且つ溶融等によりキャリアフィルム32に形成される穴が所定の深さ以下となるように、グリーンシート34の厚さや組成等に応じて、グリーンシート34の所定の位置に照射されるショット回数(すなわち、照射されるパルスの回数(Qスイッチングによる繰り返しの発振の場合、レーザ光Lの繰り返しの照射回数))が設定される。本実施形態では、厚さが40μmであって、(Pb0.97 Sr0.03)[Ti0.465 Zr0.535]O3を主成分とし、副成分としてNb2O5を主成分1モルに対して0.5質量%添加した組成を有するグリーンシート34に対し、ショット回数を30回に設定してレーザ光Lの照射を行った。 The laser beam L is a laser beam obtained by pulsing the third harmonic of an Nd: YAG laser (for example, a laser beam repeatedly oscillated by Q switching), having a repetition frequency of 30 kHz, a pulse width of 210 nsec, and an output of 5 W. Irradiated under conditions. Then, depending on the thickness and composition of the green sheet 34, the green sheet 34 is formed so that the through hole 13 is formed in the green sheet 34 and the hole formed in the carrier film 32 by melting or the like is below a predetermined depth. The number of shots irradiated to a predetermined position 34 (that is, the number of pulses irradiated (in the case of repeated oscillation by Q switching, the number of repeated irradiations of the laser beam L)) is set. In this embodiment, the thickness is 40 μm, and (Pb0.97 Sr0.03) [Ti0.465 Zr0.535] O 3 is the main component and Nb 2 O 5 is used as a subcomponent for 1 mol of the main component. The green sheet 34 having a composition added with 0.5% by mass was irradiated with the laser beam L with the number of shots set to 30.

このようなレーザ光Lの照射によって、図9に示すように、グリーンシート34におけるレーザ光Lの照射部位が溶融・蒸発してスルーホール13が形成されるが、スルーホール13周辺への飛散物の堆積はほとんど無かった。したがって、飛散物によるスルーホール13の目詰まりが防止されるため、スルーホール13内に対し導電ペーストの充填スクリーン印刷を行うことで、スルーホール13内に導電部材14を確実に形成することが可能になる。   As shown in FIG. 9, the irradiated portion of the laser light L in the green sheet 34 melts and evaporates to form the through hole 13 as a result of such irradiation of the laser light L, but the scattered matter around the through hole 13 There was almost no sedimentation. Therefore, clogging of the through hole 13 due to scattered objects is prevented, so that the conductive member 14 can be reliably formed in the through hole 13 by performing screen printing with filling of the conductive paste into the through hole 13. become.

また、一般的に、レーザ光照射によってスルーホールの形成を行うと、スルーホールの形状はレーザ光入射面側に末広がりのテーパー状となるが、例えばレーザ光LをQスイッチングにより繰り返し発振させるなど、レーザ光Lをパルス発振させることで、スルーホールがテーパー状に広がるのを抑制することができる。本実施形態では、スルーホール13の下面側の径が40μmであるのに対して上面側の径が約50μmというように、スルーホール13の上面側での広がりが抑制された。   In general, when a through-hole is formed by laser light irradiation, the shape of the through-hole becomes a tapered shape spreading toward the laser light incident surface side. For example, the laser light L is repeatedly oscillated by Q switching. By causing the laser beam L to oscillate, it is possible to suppress the through hole from spreading in a tapered shape. In the present embodiment, the spread on the upper surface side of the through hole 13 is suppressed such that the diameter on the lower surface side of the through hole 13 is 40 μm while the diameter on the upper surface side is about 50 μm.

これにより、当該スルーホール13を含むように上面に形成される個別電極2をより細い形状とすることが可能になり、ひいては、個別電極2の高集積化或いは積層型圧電素子1の小型化を図ることができる。しかも、グリーンシート34の上面側からスルーホール13内に充填された導電ペーストが下面側に流動し易くなり、スルーホール13内の下端部まで導電ペーストを確実に行き渡らせることができる。   As a result, the individual electrode 2 formed on the upper surface so as to include the through hole 13 can be made to have a narrower shape, and as a result, the individual electrode 2 can be highly integrated or the stacked piezoelectric element 1 can be miniaturized. Can be planned. In addition, the conductive paste filled in the through hole 13 from the upper surface side of the green sheet 34 easily flows to the lower surface side, and the conductive paste can be reliably spread to the lower end portion in the through hole 13.

また、上述したようにショット回数を設定してレーザ光Lの照射を行うことで、図9に示すように、キャリアフィルム32が損傷するのを防止することができる。本実施形態では、キャリアフィルム32の損傷の深さは18μm以下に抑えられた。   Further, as described above, the number of shots is set and irradiation with the laser light L is performed, thereby preventing the carrier film 32 from being damaged as shown in FIG. In the present embodiment, the damage depth of the carrier film 32 is suppressed to 18 μm or less.

これにより、スルーホール13内に充填された導電ペーストが、グリーンシート34とキャリアフィルム32との間からグリーンシート34の下面に滲み出すようなことを防止することができる。しかも、キャリアフィルム32の損傷が極めて小さいことから、スルーホール形成工程以降の他の工程において、キャリアフィルム32を確実に真空吸着することができ、また、この真空吸着によってキャリアフィルム32が破損し穴が空くというような事態を防止することができる。   Thereby, it is possible to prevent the conductive paste filled in the through hole 13 from oozing out from between the green sheet 34 and the carrier film 32 to the lower surface of the green sheet 34. In addition, since the damage to the carrier film 32 is extremely small, the carrier film 32 can be surely vacuum-sucked in other processes after the through-hole forming process. Can prevent such a situation.

そして、「10mm×30mm,厚さ30μm」の圧電体層3の上面に個別電極2が300個(4行75列)形成された積層型圧電素子1を作製し、その歩留まりを算出すると、次のような結果が得られた。すなわち、レーザ光照射によってキャリアフィルム32に貫通穴が空いた場合の歩留まりは20%未満であり、キャリアフィルム32の損傷の深さが18〜48μmの場合の歩留まりは50%程度であった。これらに対し、キャリアフィルム32の損傷の深さが0〜18μmの場合の歩留まりは90%を超えた。なお、140個の積層型圧電素子1を試験対象とし、個別電極2に対応する300箇所の静電容量がすべて正常に得られる場合のみを良品として歩留まりを算出した。   Then, when the multilayer piezoelectric element 1 having 300 individual electrodes 2 (4 rows and 75 columns) formed on the upper surface of the piezoelectric layer 3 of “10 mm × 30 mm, thickness 30 μm” was manufactured and the yield was calculated, The following results were obtained. That is, the yield when the through hole was formed in the carrier film 32 by laser light irradiation was less than 20%, and the yield when the damage depth of the carrier film 32 was 18 to 48 μm was about 50%. On the other hand, the yield when the damage depth of the carrier film 32 was 0 to 18 μm exceeded 90%. The yield was calculated by assuming that 140 laminated piezoelectric elements 1 were tested and only 300 locations corresponding to the individual electrodes 2 were normally obtained.

次に、上述したスルーホール形成工程におけるレーザ光照射と、他のレーザ光照射との比較結果について説明する。   Next, a comparison result between the laser beam irradiation and the other laser beam irradiation in the above-described through hole forming step will be described.

図10に示すように、COレーザ(波長10.6μm)の場合には、レーザ光照射による飛散物がスルーホール周辺に大量に堆積してしまった。また、YAGレーザの基本波(波長1064nm)を連続(CW)発振させた場合には、スルーホールがレーザ光入射面側で大きく広がってしまった。さらに、YAGレーザの基本波(波長1064nm)をQスイッチングにより繰り返し発振させた場合には、熱影響が大きく、スルーホールの径制御が極めて困難であり、また、加工堆積物も多い状態であった。 As shown in FIG. 10, in the case of a CO 2 laser (wavelength 10.6 μm), a large amount of scattered matter due to laser light irradiation was deposited around the through hole. In addition, when the fundamental wave (wavelength 1064 nm) of the YAG laser was oscillated continuously (CW), the through hole was greatly spread on the laser light incident surface side. Further, when the fundamental wave (wavelength 1064 nm) of the YAG laser is repeatedly oscillated by Q switching, the thermal effect is large, the control of the diameter of the through hole is extremely difficult, and there are many processed deposits. .

これらに対し、YAGレーザの第3次高調波(波長355nm)をQスイッチングにより繰り返し発振させた場合(本実施形態)には、スルーホール周辺への飛散物の堆積はほとんど無く、スルーホールのレーザ光入射面側での広がりも抑制された。また、YAGレーザの第2次高調波(波長532nm)をQスイッチングにより繰り返し発振させた場合にも、YAGレーザの第3次高調波をパルス発振させた場合と同様の効果が得られた。以上の比較結果により、YAGレーザから発振されるレーザ光であって、その波長が532nm以下の波長に変換されたレーザ光が好ましいといえる。   In contrast, when the third harmonic (wavelength 355 nm) of the YAG laser is repeatedly oscillated by Q switching (this embodiment), there is almost no accumulation of scattered matter around the through hole, and the laser of the through hole The spread on the light incident surface side was also suppressed. Further, when the second harmonic (wavelength 532 nm) of the YAG laser was repeatedly oscillated by Q switching, the same effect as that obtained when the third harmonic of the YAG laser was pulsated was obtained. From the above comparison results, it can be said that laser light oscillated from the YAG laser and whose wavelength is converted to a wavelength of 532 nm or less is preferable.

以上説明したように、本実施形態に係るセラミック素子の製造方法によれば、スルーホール形成工程においてグリーンシート34に良好なスルーホール8,13を形成することができるため、スルーホール8,13内に導電部材14を確実に形成することが可能となる。これにより、例えば、各圧電体層3においては、上面側の個別電極2と下面側の中間電極16とをスルーホール13内の導電部材14によって確実に接続することができる。また、各圧電体層5においては、上面側のコモン電極4と下面側の個別電極2とをスルーホール8内の導電部材14によって確実に接続することができる。したがって、スルーホール8,13を介して圧電体層3,5の上面側と下面側との間の電気的な接続が確実になされた積層型圧電素子1を製造することができる。   As described above, according to the method for manufacturing a ceramic element according to the present embodiment, good through holes 8 and 13 can be formed in the green sheet 34 in the through hole forming step. Thus, the conductive member 14 can be reliably formed. Thereby, for example, in each piezoelectric layer 3, the individual electrode 2 on the upper surface side and the intermediate electrode 16 on the lower surface side can be reliably connected by the conductive member 14 in the through hole 13. In each piezoelectric layer 5, the common electrode 4 on the upper surface side and the individual electrode 2 on the lower surface side can be reliably connected by the conductive member 14 in the through hole 8. Therefore, it is possible to manufacture the multilayer piezoelectric element 1 in which the electrical connection between the upper surface side and the lower surface side of the piezoelectric layers 3 and 5 is reliably made through the through holes 8 and 13.

本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、粉体密度が5000kg/m以上のグリーンシート(セラミック素材)に対し、YAGレーザの第2次高調波又は第3次高調波のレーザ光を照射することで、グリーンシートにスルーホールを形成してもよい。 The present invention is not limited to the above embodiment. For example, by irradiating a green sheet (ceramic material) having a powder density of 5000 kg / m 3 or more with a second harmonic or third harmonic laser beam of a YAG laser, a through hole is formed in the green sheet. It may be formed.

ここでは、組成が(Na0.25 K0.25 Bi0.5)[Ti0.97 In0.01 Nb0.02]O8で且つ粉体密度が5500kg/mの圧電材料からなるグリーンシートに対し、Nd:YAGレーザの第3次高調波をQスイッチングにより繰り返し発振させたレーザ光を照射して、スルーホールを形成した。このとき、レーザ光の照射条件は、繰り返し周波数30kHz,パルス幅210nsec,出力5W,ショット回数20回であった。そして、上記実施形態と同様の製造方法により、上記実施形態と同様の構成を有する積層型圧電素子を作製した(ただし、内部電極及び導電部材の材料には白金を用いた)。 Here, for a green sheet made of a piezoelectric material having a composition of (Na0.25 K0.25 Bi0.5) [Ti0.97 In0.01 Nb0.02] O 8 and a powder density of 5500 kg / m 3 , Nd : A through hole was formed by irradiating a laser beam obtained by repeatedly oscillating the third harmonic of the YAG laser by Q switching. At this time, the laser light irradiation conditions were a repetition frequency of 30 kHz, a pulse width of 210 nsec, an output of 5 W, and a shot count of 20 times. Then, a laminated piezoelectric element having the same configuration as that of the above embodiment was manufactured by the same manufacturing method as that of the above embodiment (however, platinum was used as a material for the internal electrode and the conductive member).

このようにして作製した積層型圧電素子の歩留まりを算出すると、キャリアフィルムの損傷の深さが0〜18μmの場合の歩留まりは90%を超えた。また、Nd:YAGレーザの第2次高調波又は第3次高調波をQスイッチングにより繰り返し発振させたレーザ光を照射することでスルーホールを形成した場合には、スルーホール周辺への飛散物の堆積はほとんど無く、スルーホールのレーザ光入射面側での広がりも抑制され、当該スルーホールは所望の品質を満たす状態であった。   When the yield of the multilayer piezoelectric element produced in this way was calculated, the yield exceeded 90% when the damage depth of the carrier film was 0 to 18 μm. In addition, when a through hole is formed by irradiating a laser beam in which the second harmonic or the third harmonic of an Nd: YAG laser is repeatedly oscillated by Q switching, the scattered matter around the through hole is generated. There was almost no deposition, and the spread of the through hole on the laser light incident surface side was suppressed, and the through hole was in a state satisfying the desired quality.

なお、粉体密度は、例えば、いわゆる気相置換法により測定される。すなわち、グリーンシート化するための塗料にする前のセラミックの微粉砕粉を測定対象とし、ボイルの法則により一定温度で気体(例えばHeガス)の体積及び圧力を変化させて、測定対象の体積を求める。そして、測定対象の体積を求めた後、重量を計量して測定対象の密度を求める。   The powder density is measured by, for example, a so-called gas phase substitution method. That is, the finely pulverized ceramic powder before making it into a paint for forming a green sheet is the object of measurement, and the volume and pressure of the gas (eg, He gas) are changed at a constant temperature according to Boyle's law. Ask. And after calculating | requiring the volume of a measuring object, weight is measured and the density of a measuring object is calculated | required.

本実施形態の積層型圧電素子の分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of the multilayer piezoelectric element of this embodiment. 図1に示す積層型圧電素子の長手方向に直交する方向から見た拡大断面図である。It is the expanded sectional view seen from the direction orthogonal to the longitudinal direction of the lamination type piezoelectric element shown in FIG. 本実施形態のシート成形工程を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the sheet forming process of this embodiment. 本実施形態の熱処理工程を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the heat processing process of this embodiment. 本実施形態のスルーホール形成工程を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the through-hole formation process of this embodiment. 本実施形態の第1の印刷工程を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the 1st printing process of this embodiment. 本実施形態の積層工程を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the lamination process of this embodiment. 本実施形態のスルーホール形成工程におけるレーザ光照射中の状態を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the state during the laser beam irradiation in the through-hole formation process of this embodiment. 本実施形態のスルーホール形成工程におけるレーザ光照射後の状態を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the state after the laser beam irradiation in the through-hole formation process of this embodiment. レーザ光照射によるスルーホール形成状態の比較結果を示す図である。It is a figure which shows the comparison result of the through-hole formation state by laser beam irradiation.

符号の説明Explanation of symbols

1…積層型圧電素子(セラミック素子)、3,5…圧電体層(セラミック層)、8,13…スルーホール、34…グリーンシート(セラミック素材)、L…レーザ光。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Laminated piezoelectric element (ceramic element), 3, 5 ... Piezoelectric layer (ceramic layer), 8, 13 ... Through hole, 34 ... Green sheet (ceramic material), L ... Laser beam.

Claims (5)

セラミック層に形成されたスルーホールを介して前記セラミック層の一端面側と他端面側との間の電気的な接続がなされたセラミック素子の製造方法であって、
鉛を含有する化合物を含み且つキャリアフィルムの上面に形成され前記セラミック層となるセラミック素材を加熱することにより、当該セラミック素材を前記キャリアフィルムと共に強制収縮させる工程と、
前記セラミック素材を前記キャリアフィルムと共に強制収縮させた後、前記セラミック素材及び前記キャリアフィルムの少なくとも一方に位置基準穴を形成する工程と、
前記位置基準穴を形成した後、前記セラミック素材に対し、YAGレーザの第2次高調波又は第3次高調波のレーザ光を照射することで、前記セラミック素材にスルーホールを形成する工程と、を備えることを特徴とするセラミック素子の製造方法。
A method of manufacturing a ceramic element in which electrical connection is made between one end surface side and the other end surface side of the ceramic layer through a through hole formed in the ceramic layer,
A step of forcibly shrinking the ceramic material together with the carrier film by heating a ceramic material that contains a lead-containing compound and is formed on the upper surface of the carrier film and becomes the ceramic layer;
Forming the position reference hole in at least one of the ceramic material and the carrier film after forcibly shrinking the ceramic material together with the carrier film ;
Forming the through hole in the ceramic material by irradiating the ceramic material with a laser beam of the second harmonic or the third harmonic of the YAG laser after forming the position reference hole; A method for producing a ceramic element, comprising:
セラミック層に形成されたスルーホールを介して前記セラミック層の一端面側と他端面側との間の電気的な接続がなされたセラミック素子の製造方法であって、
粉体密度が5000kg/m以上で且つキャリアフィルムの上面に形成され前記セラミック層となるセラミック素材を加熱することにより、当該セラミック素材を前記キャリアフィルムと共に強制収縮させる工程と、
前記セラミック素材を前記キャリアフィルムと共に強制収縮させた後、前記セラミック素材及び前記キャリアフィルムの少なくとも一方に位置基準穴を形成する工程と、
前記位置基準穴を形成した後、前記セラミック素材に対し、YAGレーザの第2次高調波又は第3次高調波のレーザ光を照射することで、前記セラミック素材にスルーホールを形成する工程と、を備えることを特徴とするセラミック素子の製造方法。
A method of manufacturing a ceramic element in which electrical connection is made between one end surface side and the other end surface side of the ceramic layer through a through hole formed in the ceramic layer,
A step of forcibly shrinking the ceramic material together with the carrier film by heating a ceramic material that has a powder density of 5000 kg / m 3 or more and is formed on the upper surface of the carrier film and serves as the ceramic layer;
Forming the position reference hole in at least one of the ceramic material and the carrier film after forcibly shrinking the ceramic material together with the carrier film ;
Forming the through hole in the ceramic material by irradiating the ceramic material with a laser beam of the second harmonic or the third harmonic of the YAG laser after forming the position reference hole; A method for producing a ceramic element, comprising:
前記化合物はチタン酸ジルコン酸鉛であることを特徴とする請求項1記載のセラミック素子の製造方法。   2. The method of manufacturing a ceramic element according to claim 1, wherein the compound is lead zirconate titanate. 前記レーザ光をパルス発振させることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項記載のセラミック素子の製造方法。   The method for manufacturing a ceramic element according to claim 1, wherein the laser light is pulse-oscillated. 前記レーザ光をQスイッチングにより繰り返し発振させることを特徴とする請求項4記載のセラミック素子の製造方法。
5. The method of manufacturing a ceramic element according to claim 4, wherein the laser light is repeatedly oscillated by Q switching.
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