JP4153338B2

JP4153338B2 - Method and system for manufacturing ceramic element

Info

Publication number: JP4153338B2
Application number: JP2003083520A
Authority: JP
Inventors: 誠志佐々木; 慎也東海林; 一志立本
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2003-03-25
Filing date: 2003-03-25
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2023-03-25
Also published as: JP2004296525A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、積層型圧電アクチュエータや圧電センサ等のセラミック素子の製造方法及び製造システムに関し、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及び製造システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２５４６３４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
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。
【０００６】
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及び製造システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
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、第１のマークを位置基準として、セラミック層となるセラミック素材にスルーホールを形成する工程と、セラミック素材に導電材料を印刷することで、第２のマークとスルーホールの一端側を覆う導電パターンとを形成する工程と、第１のマークと第２のマークとの位置関係を検出する工程とを備えることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係るセラミック素子の製造システムは、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システムであって、第１のマークを位置基準として、セラミック層となるセラミック素材にスルーホールを形成するスルーホール形成手段と、セラミック素材に導電材料を印刷することで、第２のマークとスルーホールの一端側を覆う導電パターンとを形成する印刷手段と、第１のマークと第２のマークとの位置関係を検出する検出手段とを備えることを特徴とする。
【０００９】
これらのセラミック素子の製造方法及び製造システムにおいては、第１のマークを位置基準としてスルーホールを形成し、当該スルーホールの一端側を覆う導電パターンと第２のマークとを印刷により同時に形成する。そのため、第１のマークと第２のマークとの位置関係を検出することで、スルーホールに対する導電パターンの形成位置を求めることができる。これにより、スルーホールに対して導電パターンが位置ずれを起こしている場合に、第１のマークと第２のマークとの位置関係に基づいて当該位置ずれを補正しつつ、セラミック素材に導電パターンを形成したり、導電パターン形成済のセラミック素材を積層したりすることが可能になる。また、スルーホールに対する導電パターンの位置ずれが所定値より大きく補正不可能な場合に、そのセラミック素材を不良と判定して、次工程以降に流すことなく直ちに取り除くことが可能になる。このように、本発明によれば、スルーホールに対する導電パターンの位置精度を向上させることができるため、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可能になる。
【００１０】
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。
【００１１】
【発明の実施の形態】
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及び製造システムによって製造されるセラミック素子について説明する。
【００１２】
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。
【００１３】
なお、各圧電シート３，５，７，９は、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とし、「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。
【００１４】
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）。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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する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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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）。
【００３０】
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。
【００３１】
次に、上述したスルーホール形成工程、第１の印刷工程及び第２の印刷工程について、本実施形態に係るセラミック素子の製造システムの動作と共に説明する。なお、図９に示すように、製造システム６０は、レーザ加工装置（スルーホール形成手段）３８、スクリーン印刷装置（印刷手段）３９及び位置関係検出装置（検出手段）６１により構成される。
【００３２】
図８（ａ）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の一方の外縁部に２つ、他方の外縁部に１つというように、３つの位置基準穴（第１のマーク）４５がパンチング装置３７により形成される。そして、スルーホール１３を形成するに際しては、各位置基準穴４５の上方に設置されたＣＣＤカメラ４６ａ（レーザ加工装置３８に含まれる）により各位置基準穴４５が撮像される。この撮像された画像データに基づいてキャリアフィルム３２及びグリーンシート３４が移動されて位置決めがなされ、グリーンシート３４の所定の位置にスルーホール１３が形成される。このように、スルーホール形成工程においては、レーザ加工装置３８によって、位置基準穴４５を位置基準としてグリーンシート３４にスルーホール１３が形成される。
【００３３】
なお、図８では、明瞭化のためスルーホール１３を１つのみ示すが、実際には、多数のスルーホール８，１３がグリーンシート３４に形成される。また、上述したように、位置基準穴４５の形成位置は、後の切断工程にて残材となるグリーンシート３４の外縁部に限らず、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であってもよい。
【００３４】
続いて、図８（ｂ）に示すように、第１の印刷工程においては、スルーホール１３内に導電ペーストを充填印刷するに際し、各位置基準穴４５の上方に設置されたＣＣＤカメラ４６ｂ（スクリーン印刷装置３９に含まれる）により各位置基準穴４５が撮像される。この撮像された画像データに基づいてキャリアフィルム３２及びグリーンシート３４が移動されて位置決めがなされ、グリーンシート３４の所定の位置に、スルーホール１３の一端側を覆うように当該スルーホール１３を含む下地パターン（導電パターン）４７が印刷される。このとき同時に、同じ製版によって３つの印刷マーク（第２のマーク）４８が印刷される。この印刷マーク４８は、グリーンシート３４の一方の外縁部に１つ、他方の外縁部に２つというように形成される。
【００３５】
続いて、図８（ｃ）に示すように、第２の印刷工程においては、個別電極２等となる電極パターン４９を印刷するに際し、各位置基準穴４５及び各印刷マーク４８の上方に設置されたＣＣＤカメラ４６ｃ（位置関係検出装置６１に含まれる）により各位置基準穴４５及び各印刷マーク４８が撮像される。そして、位置関係検出装置６１において、撮像された画像データに基づいて位置基準穴４５と印刷マーク４８とのＸ−Ｙ座標系における位置関係が検出される。
【００３６】
この位置関係の検出により、例えば、位置基準穴４５に対して印刷マーク４８がＹ軸方向に位置ずれを起こしていれば、スルーホール１３に対して下地パターン４７もＹ軸方向に位置ずれを起こしていることになる（図８（ｃ）参照）。つまり、位置基準穴４５と印刷マーク４８とのＸ−Ｙ座標系における位置関係を検出することで、スルーホール１３に対する下地パターン４７の位置ずれを求めることができる。
【００３７】
これにより、スルーホール１３に対して下地パターン４７が位置ずれを起こしている場合には、位置基準穴４５と印刷マーク４８との位置関係に基づいてキャリアフィルム３２及びグリーンシート３４が移動され、電極パターン４９が下地パターン４７を確実に含むようにグリーンシート３４の位置決めがなされる。また、位置基準穴４５と印刷マーク４８との位置関係に基づいて、第１の印刷工程におけるグリーンシート３４の位置決めがフィードバック制御され、グリーンシート３４に対する新たな下地パターン４７の位置ずれが補正される。
【００３８】
なお、第２の印刷工程における位置決めの仕方としては、電極パターン４９を下地パターン４７に合わせるものに限らない。例えば、電極パターン４９をスルーホール１３に合わせることもできるし、スルーホール１３に対する下地パターン４７の位置ずれの中間位置に電極パターン４９を合わせることもできる。
【００３９】
このようにして、位置基準穴４５と印刷マーク４８との位置関係を検出することで、スルーホール１３に対して下地パターン４７が位置ずれを起こしている場合に、第２の印刷工程においては、下地パターン４７に対する電極パターン４９の形成位置を補正することができ、また、第１の印刷工程においては、スルーホール１３に対する下地パターン１３の形成位置をフィードバック制御により補正することができる。しかも、スルーホール１３に対する下地パターン４７の位置ずれが所定値より大きく使用不可能な場合には、その下地パターン４７が形成されたグリーンシート３４を不良と判定して、次工程以降に流すことなく直ちに取り除くことができる。さらに、積層工程においても、位置基準穴４５と印刷マーク４８との位置関係に基づいてグリーンシート３４ａを精度良く積層していくことができる。
【００４０】
以上により、本実施形態に係るセラミック素子の製造方法及び製造システムによれば、スルーホール１３に対する下地パターン４７及び電極パターン４９等の位置精度を向上させることができ、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を製造することが可能になる。
【００４１】
そして、本実施形態に係るセラミック素子の製造方法に基づいて、「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を作製すると、次のような結果が得られた。すなわち、位置基準穴４５と印刷マーク４８との位置関係に基づいて位置決めを行った場合に比べ、いずれか一方に基づいて位置決めを行った場合には、スルーホール８，１３における接続不良が３０％も増加してしまった。また、位置基準穴４５と印刷マーク４８との位置関係に基づいて位置決めを行った場合には、各圧電体層３，５の相対的な積層ずれが２０μｍ以下に抑えられたのに対し、いずれか一方に基づいて位置決めを行った場合には、各圧電体層３，５の相対的な積層ずれが平均５０μｍ発生した。
【００４２】
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、第１及び第２のマークとしては、その形成位置が検出可能なものであれば適用可能である。したがって、第１のマークは、上記実施形態のような貫通穴に限らず、溝や印刷マーク等であってもよく、第１のマークの形成対象も、グリーンシート等のセラミック素材に限らず、キャリアフィルム等の保持部材であってもよい。また、第１及び第２のマークの形状も、上記実施形態のような円形状に限らず、線状や十字形状等であってもよい。なお、第１及び第２のマークの形状が円形状の場合、それぞれ２つ形成すれば、第１のマークと第２のマークとの２次元的な位置関係を検出することができるが、上記実施形態のように、それぞれ３つ以上形成すれば、位置関係の検出精度をより一層向上させることができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の積層型圧電素子の分解斜視図である。
【図２】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。
【図３】本実施形態のシート成形工程を示す概念図である。
【図４】本実施形態の熱処理工程を示す概念図である。
【図５】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。
【図６】本実施形態の第１の印刷工程を示す概念図である。
【図７】本実施形態の積層工程を示す概念図である。
【図８】本実施形態の位置決めを説明するための概念図であり、（ａ）にスルーホール形成工程を示し、（ｂ）に第１の印刷工程を示し、（ｃ）に第２の印刷工程を示す。
【図９】本実施形態の製造システムの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
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）、３８…レーザ加工装置（スルーホール形成手段）、３９…スクリーン印刷装置（印刷手段）、４５…位置基準穴（第１のマーク）、４７…下地パターン（導電パターン）、４８…印刷マーク（第２のマーク）、６０…製造システム、６１…位置関係検出装置（検出手段）。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and a system for manufacturing a ceramic element such as a multilayer piezoelectric actuator and a piezoelectric sensor, 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 manufacturing method and a manufacturing system of a connected ceramic element.
[0002]
[Prior art]
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.
[0003]
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.
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-254634
[Problems to be solved by the invention]
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.
[0006]
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 and a manufacturing system.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the method for manufacturing a ceramic element of the present invention, 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 method of manufacturing a ceramic element, wherein a first mark is used as a position reference, a step of forming a through hole in a ceramic material to be a ceramic layer, and a conductive material is printed on the ceramic material, The method includes a step of forming a conductive pattern that covers one end side of the through hole, and a step of detecting a positional relationship between the first mark and the second mark.
[0008]
The ceramic element manufacturing system according to the present invention is a ceramic element manufacturing system 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. And, using the first mark as a position reference, through hole forming means for forming a through hole in a ceramic material to be a ceramic layer, and printing a conductive material on the ceramic material, the second mark and the through hole It is characterized by comprising printing means for forming a conductive pattern covering one end side, and detection means for detecting the positional relationship between the first mark and the second mark.
[0009]
In these ceramic element manufacturing methods and systems, a through hole is formed with the first mark as a position reference, and a conductive pattern covering the one end side of the through hole and a second mark are simultaneously formed by printing. Therefore, by detecting the positional relationship between the first mark and the second mark, the formation position of the conductive pattern with respect to the through hole can be obtained. As a result, when the conductive pattern is misaligned with respect to the through hole, the conductive pattern is applied to the ceramic material while correcting the misalignment based on the positional relationship between the first mark and the second mark. It is possible to form or laminate a ceramic material having a conductive pattern formed thereon. Further, when the displacement of the conductive pattern with respect to the through hole is larger than a predetermined value and cannot be corrected, the ceramic material is determined to be defective and can be immediately removed without flowing it in the subsequent process. As described above, according to the present invention, since the positional accuracy of the conductive pattern with respect to the through hole can be improved, the electrical connection between the one end surface side and the other end surface side of the ceramic layer is made through the through hole. Can be performed reliably.
[0010]
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. .
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
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 and system for manufacturing a ceramic element according to the present embodiment will be described.
[0012]
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.
[0013]
Each of the piezoelectric sheets 3, 5, 7, and 9 is mainly composed of lead zirconate titanate and is formed in a rectangular thin plate shape of “10 mm × 30 mm, thickness 30 μm”. 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.
[0014]
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).
[0015]
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.
[0016]
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.
[0017]
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.
[0018]
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.
[0019]
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.
[0020]
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.
[0021]
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.
[0022]
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.
[0023]
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.
[0024]
First, as shown in FIG. 3, a paste is prepared by mixing an organic binder, an organic solvent, or the like with a piezoelectric material mainly composed of lead zirconate titanate, and the paste is stored in a tank 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.
[0025]
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.
[0026]
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.
[0027]
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.
[0028]
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.
[0029]
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).
[0030]
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, etc. Let
[0031]
Next, the through hole forming process, the first printing process, and the second printing process described above will be described together with the operation of the ceramic element manufacturing system according to the present embodiment. As shown in FIG. 9, the manufacturing system 60 includes a laser processing device (through-hole forming means) 38, a screen printing device (printing means) 39, and a positional relationship detection device (detection means) 61.
[0032]
As shown in FIG. 8A, in the through-hole forming step, three position reference holes (first marks) are formed such that two are formed on one outer edge of the green sheet 34 and one is formed on the other outer edge. 45) is formed by the punching device 37. When forming the through hole 13, each position reference hole 45 is imaged by a CCD camera 46 a (included in the laser processing device 38) installed above each position reference hole 45. The carrier film 32 and the green sheet 34 are moved and positioned based on the imaged image data, and the through hole 13 is formed at a predetermined position of the green sheet 34. Thus, in the through hole forming step, the through hole 13 is formed in the green sheet 34 by the laser processing device 38 with the position reference hole 45 as a position reference.
[0033]
In FIG. 8, only one through hole 13 is shown for the sake of clarity, but actually, a large number of through holes 8 and 13 are formed in the green sheet 34. As described above, the position reference hole 45 is not limited to the outer edge portion of the green sheet 34 that remains as a remaining material in the subsequent cutting process, and the margin where the green sheet 34 is not formed on the outer edge portion of the carrier film 32. If there is a part, it may be the margin part.
[0034]
Subsequently, as shown in FIG. 8B, in the first printing process, when the conductive paste is filled and printed in the through-hole 13, the CCD camera 46b (screen) installed above each position reference hole 45 is used. Each position reference hole 45 is imaged by (included in the printing device 39). Based on the imaged image data, the carrier film 32 and the green sheet 34 are moved and positioned, and the ground including the through hole 13 is covered at a predetermined position of the green sheet 34 so as to cover one end side of the through hole 13. A pattern (conductive pattern) 47 is printed. At the same time, three printing marks (second marks) 48 are printed by the same plate making. The print marks 48 are formed such that one is printed on one outer edge of the green sheet 34 and two are printed on the other outer edge.
[0035]
Subsequently, as shown in FIG. 8C, in the second printing step, when the electrode pattern 49 to be the individual electrode 2 or the like is printed, it is installed above each position reference hole 45 and each print mark 48. Each position reference hole 45 and each print mark 48 are imaged by the CCD camera 46c (included in the positional relationship detection device 61). Then, the positional relationship detection device 61 detects the positional relationship in the XY coordinate system between the position reference hole 45 and the print mark 48 based on the captured image data.
[0036]
By detecting the positional relationship, for example, if the print mark 48 is displaced in the Y-axis direction with respect to the position reference hole 45, the ground pattern 47 is also displaced in the Y-axis direction with respect to the through hole 13. (See FIG. 8C). That is, by detecting the positional relationship between the position reference hole 45 and the print mark 48 in the XY coordinate system, the positional deviation of the base pattern 47 with respect to the through hole 13 can be obtained.
[0037]
Thereby, when the base pattern 47 is displaced with respect to the through hole 13, the carrier film 32 and the green sheet 34 are moved based on the positional relationship between the position reference hole 45 and the print mark 48, and the electrode The green sheet 34 is positioned so that the pattern 49 surely includes the base pattern 47. Further, the positioning of the green sheet 34 in the first printing process is feedback-controlled based on the positional relationship between the position reference hole 45 and the print mark 48, and the positional deviation of the new base pattern 47 with respect to the green sheet 34 is corrected. .
[0038]
Note that the positioning method in the second printing step is not limited to aligning the electrode pattern 49 with the base pattern 47. For example, the electrode pattern 49 can be aligned with the through hole 13, or the electrode pattern 49 can be aligned with an intermediate position of the position shift of the base pattern 47 with respect to the through hole 13.
[0039]
In this way, when the base pattern 47 is displaced with respect to the through hole 13 by detecting the positional relationship between the position reference hole 45 and the print mark 48, in the second printing step, The formation position of the electrode pattern 49 with respect to the base pattern 47 can be corrected, and in the first printing process, the formation position of the base pattern 13 with respect to the through hole 13 can be corrected by feedback control. In addition, if the positional deviation of the base pattern 47 with respect to the through hole 13 is larger than a predetermined value and cannot be used, the green sheet 34 on which the base pattern 47 is formed is determined to be defective, and is not flowed after the next process. Can be removed immediately. Furthermore, also in the laminating process, the green sheets 34a can be accurately laminated based on the positional relationship between the position reference holes 45 and the print marks 48.
[0040]
As described above, according to the method and system for manufacturing a ceramic element according to the present embodiment, the positional accuracy of the base pattern 47 and the electrode pattern 49 with respect to the through hole 13 can be improved. It becomes 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 ensured.
[0041]
Then, on the basis of the ceramic element manufacturing method according to this embodiment, 300 individual electrodes 2 (4 rows and 75 columns) are formed on the upper surface of the piezoelectric layer 3 of “10 mm × 30 mm, thickness 30 μm”. When the piezoelectric element 1 was produced, the following results were obtained. That is, compared to the case where positioning is performed based on the positional relationship between the position reference hole 45 and the print mark 48, the connection failure in the through holes 8 and 13 is 30% when positioning is performed based on either one. Has also increased. In addition, when positioning was performed based on the positional relationship between the position reference hole 45 and the print mark 48, the relative stacking deviation of the piezoelectric layers 3 and 5 was suppressed to 20 μm or less. When positioning was performed based on either of these, the relative stacking error of the piezoelectric layers 3 and 5 occurred on average 50 μm.
[0042]
The present invention is not limited to the above embodiment. For example, the first and second marks can be applied as long as their formation positions can be detected. Therefore, the first mark is not limited to the through hole as in the above embodiment, but may be a groove or a printed mark. The first mark is not limited to a ceramic material such as a green sheet, A holding member such as a carrier film may be used. Also, the shape of the first and second marks is not limited to the circular shape as in the above embodiment, and may be a linear shape, a cross shape, or the like. In addition, when the shape of the first and second marks is circular, if two are formed, the two-dimensional positional relationship between the first mark and the second mark can be detected. If three or more are formed as in the embodiment, the positional relationship detection accuracy can be further improved.
[0043]
【The invention's effect】
As described above, 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.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view of a multilayer piezoelectric element according to an embodiment.
2 is an enlarged cross-sectional view of the multilayer piezoelectric element shown in FIG. 1 as viewed from a direction orthogonal to the longitudinal direction.
FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating a sheet forming process of the present embodiment.
FIG. 4 is a conceptual diagram showing a heat treatment process of the present embodiment.
FIG. 5 is a conceptual diagram showing a through hole forming process of the present embodiment.
FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating a first printing process of the present embodiment.
FIG. 7 is a conceptual diagram showing a stacking process of the present embodiment.
FIGS. 8A and 8B are conceptual diagrams for explaining positioning according to the present embodiment, in which FIG. 8A shows a through hole forming process, FIG. 8B shows a first printing process, and FIG. 8C shows second printing; A process is shown.
FIG. 9 is a block diagram showing a configuration of a manufacturing system according to the present embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Laminated piezoelectric element (ceramic element), 3, 5 ... Piezoelectric layer (ceramic layer), 8, 13 ... Through hole, 34 ... Green sheet (ceramic material), 38 ... Laser processing apparatus (through hole forming means) 39 ... Screen printing apparatus (printing means) 45 ... Position reference hole (first mark) 47 ... Base pattern (conductive pattern) 48 ... Print mark (second mark) 60 ... Manufacturing system 61 ... Position relation detection device (detection means).

Claims

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,
Forming a through hole in a ceramic material to be the ceramic layer, using the first mark as a position reference;
Forming a second mark and a conductive pattern covering one end side of the through hole by printing a conductive material on the ceramic material;
And a step of detecting a positional relationship between the first mark and the second mark.

A ceramic element manufacturing system in which electrical connection is made between one end face side and the other end face side of the ceramic layer through a through hole formed in the ceramic layer,
Through hole forming means for forming a through hole in the ceramic material to be the ceramic layer, with the first mark as a position reference;
Printing means for forming a second mark and a conductive pattern covering one end side of the through hole by printing a conductive material on the ceramic material;
A ceramic element manufacturing system comprising: detecting means for detecting a positional relationship between the first mark and the second mark.