JP4153339B2 - セラミック素子の製造方法 - Google Patents

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。
【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、セラミック層となるセラミック素材のグリーンシートに導電材料を印刷することで、グリーンシートに形成されたスルーホールの一端側を覆う導電パターンを形成する工程と、グリーンシートに印刷された導電材料を所定の乾燥温度で乾燥させる工程とを備え、導電パターンを形成する工程と導電材料を乾燥させる工程との間において、乾燥温度より低い加熱温度で、導電材料が印刷されたグリーンシートを加熱することによって、スルーホールの他端部まで導電材料が行き渡るように導電材料を軟化させることを特徴とする。
【０００８】
このセラミック素子の製造方法においては、導電材料の印刷によりスルーホールの一端側を覆う導電パターンを形成した後、その導電材料を完全に乾燥させるための乾燥温度より低い加熱温度でセラミック素材のグリーンシートを加熱する。この加熱により、グリーンシートに印刷された導電材料が軟化するため、スルーホール内に導電材料を行き渡らせることができる。この効果は、加熱温度が２５℃〜５０℃の範囲の温度である場合に顕著となる。そして、この加熱後に導電材料を乾燥させることで、スルーホールの一端から他端に渡って連続した導電部材をスルーホール内に確実に形成することができる。したがって、このセラミック素子の製造方法によれば、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。
【０００９】
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。
【００１０】
【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によって製造されるセラミック素子について説明する。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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）。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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（導電材料）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を乾燥炉５２に入れて、乾燥温度にて加熱するが（第１の乾燥工程）、この第１の乾燥工程の前に、キャリアフィルム３２及びグリーンシート３４を加熱炉５１に入れて、乾燥温度より低い加熱温度にて加熱する（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。
【００２７】
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。
【００２８】
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）。
【００２９】
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。
【００３０】
次に、上述した第１の印刷工程、加熱工程及び第１の乾燥工程について、さらに詳細に説明する。
【００３１】
図８に示すように、第１の印刷工程において、グリーンシート３４の上面３４ａには、スルーホール１３を含む導電パターン４３が形成される。仮に、第１の印刷工程の直後にグリーンシート３４が乾燥炉５２に入れられれば、導電ペーストがスルーホール１３内の下端部まで自然降下せずに固化し、後に接続不良を起こす原因となるおそれがある。しかしながら、本実施形態では、第１の印刷工程と第１の乾燥工程との間に加熱工程を設けているため、このような接続不良を防止することができる。
【００３２】
すなわち、加熱工程においては、グリーンシート３４が加熱炉５１に入れられて乾燥温度より低い加熱温度で加熱され、導電パターン４３を形成する導電ペーストが軟化するため、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。
【００３３】
そして、第１の乾燥工程においては、グリーンシート３４が乾燥炉５２に入れられて乾燥温度で加熱され、導電ペーストが乾燥・固化するため、図９に示すように、スルーホール１３の上端から下端に渡って連続した導電部材１４をスルーホール１３内に確実に形成することができる。
【００３４】
このようにして、グリーンシート３４の上面３４ａ側と下面３４ｂ側との電気的な接続を確実に達成し得る導電部材１４をスルーホール８，１３内に形成することができるため、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を製造すること可能になる。
【００３５】
また、上述した加熱工程においては、加熱温度を２５℃〜５０℃の範囲の温度とし、加熱時間を１分間以上の時間とすることが好ましい。なお、上述した第１の乾燥工程にける乾燥温度は、５０℃より高く（好ましくは７０℃以上）９０℃より低い範囲の温度である。
【００３６】
ここで、加熱温度を２５℃〜５０℃の範囲の温度とすることが好ましい理由は、図１０から明らかである。図１０は、「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を作製するに際し、加熱時間を２分間（一定）とし加熱温度を変化させた場合の積層型圧電素子１の歩留まりを示すグラフである。図１０に示すグラフから、加熱温度が２５℃〜５０℃の範囲のときには、歩留まりが９０％を超えているが、５０℃を超えると歩留まりが急激に低下してしまうことが分かる。この主たる原因としては、加熱温度が５０℃を超えると、導電ペーストがスルーホール１３内の下端部に到達する前に固化してしまう、ということを挙げることができる。
【００３７】
また、加熱時間を１分間以上の時間とすることが好ましい理由は、図１１及び図１２から明らかである。図１１は、加熱温度を２５℃（一定）とし加熱時間を変化させた場合の積層型圧電素子１（図１０の場合と同仕様のもの）の歩留まりを示すグラフであり、図１２は、加熱温度を５０℃（一定）とし加熱時間を変化させた場合の積層型圧電素子１の歩留まりを示すグラフである。図１１及び図１２に示すグラフから、加熱時間が１分間以上の時間のときには、歩留まりは９０％を超えているが、１分間未満のときには歩留まりが急激に低下してしまうことが分かる。この主たる原因としては、加熱時間が１分間未満のときには、導電ペーストがスルーホール１３内の下端部に到達する前に加熱工程が終了してしまう、ということを挙げることができる。なお、加熱時間を長時間とると作業効率の低下を招くため、本実施形態の場合には、加熱時間を１分間〜３分間の範囲の時間とすることが好ましい。
【００３８】
【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、加熱工程及び第１の乾燥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】本実施形態の第１の印刷工程実施後のグリーンシートの断面図である。
【図９】本実施形態の第１の乾燥工程実施後のグリーンシートの断面図である。
【図１０】本実施形態の加熱工程において加熱時間を２分間（一定）とし加熱温度を変化させた場合の積層型圧電素子の歩留まりを示すグラフである。
【図１１】本実施形態の加熱工程において加熱温度を２５℃（一定）とし加熱時間を変化させた場合の積層型圧電素子の歩留まりを示すグラフである。
【図１２】本実施形態の加熱工程において加熱温度を５０℃（一定）とし加熱時間を変化させた場合の積層型圧電素子の歩留まりを示すグラフである。
【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、３２…キャリアフィルム（保持部材）、３４…グリーンシート（セラミック素材）、４３…導電パターン。

Claims (2)

1. 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、
   前記セラミック層となるセラミック素材のグリーンシートに導電材料を印刷することで、前記グリーンシートに形成されたスルーホールの一端側を覆う導電パターンを形成する工程と、
   前記グリーンシートに印刷された前記導電材料を所定の乾燥温度で乾燥させる工程とを備え、
   前記導電パターンを形成する工程と前記導電材料を乾燥させる工程との間において、前記乾燥温度より低い加熱温度で、前記導電材料が印刷されたグリーンシートを加熱することによって、前記スルーホールの他端部まで前記導電材料が行き渡るように前記導電材料を軟化させることを特徴とするセラミック素子の製造方法。
2. 前記導電材料は、銀とパラジウムとからなる金属材料を含み、
   前記加熱温度は、２５℃〜５０℃の範囲の温度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。

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