JP2011187522A - 圧電素子接着方法及び圧電素子接着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電素子を基材上に塗布された接着剤上に押し当てて接着させる際に、圧電素子の破損を防止することができる製造方法を提供する。
【解決手段】チクソトロピー性を有する接着剤２でセラミックス製の圧電素子３を基材１に接着させる圧電素子接着方法において、基材１表面に接着剤２を塗布する塗布工程と、圧電素子３を、吸着穴８１ａが形成された吸引ヘッドで吸着し、塗布された接着剤２上に載置する仮置き工程と、圧電素子３を、押圧面８２ａが平面の押圧ヘッド８２で押圧する押圧工程と、接着剤２を硬化させる硬化工程とからなることを特徴とする。これにより、平面の押圧面８２ａで押圧される圧電素子３には過大な応力が作用することないので、圧電素子３の破損を防止することが可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、脆性材料である圧電素子を基材に接着させる技術に関する。

特許文献１に示されるように、振動するミラーによりレーザー光の走査を行うレーザー光走査デバイスが知られている。このようなレーザー光走査デバイスのミラー１ａは、図７に示されるように、板状の基材１をプレス加工やエッチング加工等の除去加工を行うことにより形成される。ミラー１ａの両側は、梁部１ｂにより回動可能に支持されている。レーザー光走査デバイス１０は、ミラー１ａを回動振動させるためのセラミックス製の圧電素子３を有している。この圧電素子３は、基材１上に接着されている。圧電素子３を基材１上に接着させるには、まず、基材１上に金属フィラーを含有する接着剤を塗布し、圧電素子３を前記塗布された接着剤に押し当てた後に、接着剤を熱硬化させることにより行われる。

圧電素子３を基材１上に接着させるには、まず、基材１上に接着剤を塗布し、図８の（Ａ）に示されるような中央に吸着穴８１ａが形成された吸引ヘッド８１で、圧電素子３を吸着して前記塗布された接着剤に押し当てた後に、接着剤を熱硬化させることにより行われる。なお、図８の（Ｂ）は、吸着穴８１ａ部分の拡大図である。

特開２００７−２７１７８８号公報

基材１と圧電素子３との導電性を確実にするために、圧電素子３は接着剤に確実に押し当てられる必要がある。しかし、圧電素子３は脆性材料であるセラミックスで構成されていることから破損し易く、また、吸引ヘッド８１には吸着穴８１ａが形成されていることから、吸引ヘッド８１で圧電素子を接着剤に押し当てる際に、圧電素子３に作用する応力が集中してしまう。このため、圧電素子３を接着剤に押し当てる工程で、圧電素子３が破損してしまう場合があり、製造上の歩留まりが低下して、製造コストが増大してしまうという問題があった。そこで、吸引ヘッドを多孔質材料で構成して、圧電素子３を接着剤に押し当てる際に、圧電素子３に作用する応力を緩和させることも考えられる。しかしながら、セラミックスで構成された圧電素子３の表面は平滑面でないことから、多孔質材料で構成された吸引ヘッドでは、圧電素子を吸引することができない。

本発明は、上記問題を解決し、圧電素子を基材上に塗布された接着剤上に押し当てて接着させる際に、圧電素子の破損を防止することができる製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、
チクソトロピー性を有する接着剤でセラミックス製の圧電素子を基材に接着させる圧電素子接着方法において、
前記基材表面に前記接着剤を塗布する塗布工程と、
前記圧電素子を、吸着穴が形成された吸引ヘッドで吸着し、塗布された接着剤上に載置する仮置き工程と、
前記圧電素子を、押圧面が平面の押圧ヘッドで押圧する押圧工程と、
前記接着剤を硬化させる硬化工程とからなることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
仮置き工程において、接着剤に作用する垂直方向の応力が接着剤の降伏値より小さくなるように、圧電素子を接着剤上に載置させることを特徴とする。
これにより、圧電素子に対して過大な応力が作用することなく、圧電素子の破損を防止することが可能となる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、
押圧工程において、圧電素子に作用する応力が、圧電素子の抗折強度以下となる押圧力で押圧ヘッドを押圧することを特徴とする。
これにより、圧電素子の破損を防止することが可能となる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３に記載の発明において、
押圧工程において、接着剤の粘度が飽和するまで、押圧ヘッドで圧電素子を押圧することを特徴とする。
これにより、接着剤に金属フィラーを含有させ、圧電素子と基材とを導電させる必要がある場合に、接着剤層の粘度が飽和する際に、隣接する金属フィラー同士が接触して、接着剤層が導電性を有するようになるので、圧電素子と基材とを確実に導電させることが可能となる。

請求項５に記載の発明は、
基材表面に、チクソトロピー性を有する接着剤を塗布する接着剤塗布手段と、
吸着穴が形成された吸引ヘッドと、
平面の押圧面が形成された押圧ヘッドと、
前記吸引ヘッド及び押圧ヘッドを移動させる移動手段と、
前記接着剤塗布手段で前記接着剤を前記基材表面上に塗布させ、前記移動手段で吸引ヘッドを移動させることにより、セラミックス製の圧電素子を、前記吸引ヘッドの吸着面で吸着させて塗布された接着剤上に載置させ、前記移動手段で押圧ヘッドを移動させることにより、前記押圧ヘッドの押圧面で前記圧電素子を押圧させる制御を行う制御手段を有することを特徴とする。
これにより、平面の押圧面で押圧される圧電素子には過大な応力が作用することないので、圧電素子の破損を防止することが可能となる。

本発明によれば、圧電素子を、吸着穴が形成された吸着面を有する吸引ヘッドで吸着し、塗布された接着剤上に載置した後に、圧電素子を、押圧面が平面の押圧ヘッドで押圧する。これにより、平面の押圧面で押圧される圧電素子には過大な応力が作用することないので、圧電素子の破損を防止することが可能となる。

本発明の実施の形態を示す圧電素子接着装置の説明図である。 本発明の実施の形態を示す圧電素子の接着工程の説明図である。 圧電素子の接着に使用される接着剤の剪断速度と粘度の関係を表したグラフである。 圧電素子の接着に使用される接着剤の剪断速度と剪断応力の関係を表したグラフである。 回転粘度計の説明図である。 押圧ヘッドの説明図である。 レーザー光走査デバイスの斜視図である。 吸引ヘッドの説明図である。 三点曲げ試験の説明図である。

（レーザー光走査デバイスの説明）
以下に図面を参照しつつ、本発明の好ましい実施の形態を示す。まず、図２や図７を用いて、レーザー光走査デバイス１０を構成する、基材１、接着剤２、圧電素子３について説明する。基材１は、ステンレス、チタン等の導電性材料で構成されている。或いは、基材１として、シリコンの表面に物理気相成長法や真空蒸着方等のよって金や白金等を０．２〜０，６μｍ積層して、表面に導電層を形成した構成のものであっても差し支えない。

図３に示されるように、接着剤２は、熱硬化性を有するエポキシ系、アクリル系、シリコン系等の合成樹脂製の基剤２ａ内に、銀、金、銅等で構成された円盤状の金属フィラー２ｂを分散させたものである。図３に示されるように、静止時の接着剤２は粘度が高い一方で、接着剤２は剪断すると粘度が低下するチクソトロピー性を有している。また、図４に示されるように、接着剤２の剪断速度と剪断応力の関係は非線形であり、所定の降伏応力以上の剪断応力が接着剤２に作用しない場合には、接着剤２は剪断しないようになっている。
圧電素子３は、厚さが３０〜１００μｍであり、一辺の長さが約３〜５ｍｍの板状のセラミックスである。

（圧電素子接着装置の説明）
図１を用いて、以下、圧電素子接着装置８０の説明をする。なお、図１の（Ｂ）は、ヘッド固定部８５の裏面図である。圧電素子接着装置８０は、図１の（Ａ）に示されるように、駆動部８３、真空供給部８４、ヘッド固定部８５からなるロボットアーム部８７を有している。駆動部８３は、複数のアクチュエータを有していて、ヘッド固定部８５をＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向に関して移動させる装置である。駆動部８３は、吸引ヘッド８１や押圧ヘッド８２（図６に示す）を移動させる移動手段となっている。真空供給部８４は、真空ポンプと接続した配管が分岐して格納してあり、分岐された複数の配管はヘッド固定部８５の複数の吸着穴８５ａに連通されている。真空ポンプにより複数の吸着穴８５ａ内は略真空にされる。

図１の（Ｂ）に示されるように、ヘッド固定部８５の裏面は平面となっている。ヘッド固定部８５の裏面には、位置決め用突起８５ｂが突設されている。図１の（Ｂ）に示される実施形態では、位置決め用突起８５ｂは、ヘッド固定部８５の裏面の角部に形成されている。ヘッド固定部８５の裏面には、複数の吸着穴８５ａが形成されている。吸着穴８５ａは配管を介して真空ポンプと連通している。このような構成により、ヘッド固定部８５の吸着穴８５ａにより、吸引ヘッド８１や押圧ヘッド８２が吸引されて、固定部８５に固定される。この際に、吸引ヘッド８１や押圧ヘッド８２に形成された位置決め凹部８１ｂ、８２ｂと位置決め突起８５ｂとが係合して、吸引ヘッド８１や押圧ヘッド８２のヘッド固定部８５に対する位置決めが行われる。ヘッド固定部８５の裏面には、ピックアップセンサー８６が取り付けられている。ピックアップセンサー８６は、吸引ヘッド８１や押圧ヘッド８２の、ヘッド固定部８５への固定を検知するセンサーである。ピックアップセンサー８６には、超音波や電磁波を利用した近接センサーや、機械的なスイッチ等が含まれる。

圧電素子接着装置８０は、印刷マスク８８（図２に示す）、印刷マスク移動手段（図示せず）、接着剤供給手段（図示せず）、スキージ８９（図２に示す）、スキージ走査手段（図示せず）とからなる接着剤塗布手段を有している。また、圧電素子接着装置８０は、制御部９０を有している。制御部９０は、駆動部８３、真空ポンプ、ピックアップセンサー８６、接着剤供給手段、スキージ走査手段と接続し、後述する圧電素子接着方法の各工程を制御する。

（圧電素子接着方法の説明）
次に、図２を用いて、本発明の圧電素子接着方法について説明する。図２の（Ａ）と（Ｂ）は基材１上に接着剤２を塗布する塗布工程を表している。図２の（Ａ）に示されるように、印刷マスク移動手段が、基材１上に開口部８８ａが形成された印刷マスク８８を載置する。そして、接着剤供給手段が、印刷マスク８８に接着剤を供給する。次に、スキージ走査手段がスキージ８９を走査すると、接着剤層２が形成される。次に、図２の（Ｂ）に示されるように、印刷マスク移動手段が、印刷マスク８８を上方に持ち上げると、基材１上に開口部８８ａに対応した形状の接着剤層２が形成される。このように本実施形態では、印刷マスク８８を使用して、スキージ８９の走査により基材１上に接着剤層２を形成することにしたので、接着剤層２の上面を略平面にすることが可能となる。

図２の（Ｃ）及び（Ｄ）は、吸引ヘッド８１で圧電素子３を吸着して接着剤層２上に載置する載置工程を表している。図２の（Ｃ）に示されるように、載置工程では、ヘッド固定部８５には吸引ヘッド８１が装着される。ヘッド固定部８５に吸引ヘッド８１（図８参照）が装着される際に、ピックアップセンサー８６が、吸引ヘッド８１のヘッド固定部８５への固定を検知しない場合には、次工程に進まず、エラーが報知される。次に、駆動部８３を駆動させることにより、ヘッド固定部８５の先端に取り付けられた吸引ヘッド８１で、圧電素子３を吸引し、当該圧電素子３を基材１上に形成された接着剤層２上に載置する（図２の（Ｄ）の状態）。なお、仮置き工程では、圧電素子３に負担をかけないように、吸引ヘッド８１で吸引した圧電素子３を、接着剤層２上に載置する際に、接着剤層２に作用する垂直方向の応力が接着剤層２の降伏値よりも小さくなるようにしている。これは、図３に示されるように、本発明に使用される接着剤２は、静止時の粘度が大きく、吸引穴８１ａが形成されている吸引ヘッド８１で圧電素子３を押圧すると、圧電素子３に過大な応力が作用して、圧電素子３が破損する恐れがあるからである。そこで、圧電素子３と接着剤層２が接触しない近接位置で、吸引ヘッド８１で吸引されている圧電素子３を離すことが好ましい。一方で、圧電素子３と接着剤層２が大きく離間した位置で、吸引ヘッド８１で吸引されている圧電素子３を離すと、落下する圧電素子３が接着剤層２と衝突して、圧電素子３に過大な応力が作用する恐れがあるだけでなく、接着剤層２に対する圧電素子３の載置位置がズレてしまう恐れがある。このため、本実施形態では、吸引ヘッドが基材１と接触することの無き様に基材１の反り量バラツキを考慮して、圧電素子３と接着剤層２が約０．０６ｍｍ離間した近接位置で、吸引ヘッド８１で吸引されている圧電素子３を離すことにしている。なお、前記した接着剤層２に作用する垂直方向の応力とは、仮置き工程時に、接着剤層２に作用する荷重を、接着剤層２上面の面積で除した値をいう。また、前記した接着剤２の降伏応力とは、図５に示されるような回転粘度計の測定用コーンプレート９１が回転しないトルクから算出される応力のことをいう。

図２の（Ｂ）に示されるように、基材１上に接着剤層２が形成された状態では、接着剤層２の上面は、微少に凹凸状となっている。これは、接着剤２がチクソトロピー性を有し、所定の降伏応力以下では、接着剤２が流動しないからである。一方で、図２の（Ｄ）に示されるように、圧電素子３が接着剤層２上に載置されると、圧電素子３の質量により、微少に凹凸している接着剤層２の上面が流動して、圧電素子３と接着剤層２とが密着した状態となる。なお、圧電素子３と接着剤層２が密着した状態では、接触面積が大きく、接着剤２に作用する剪断応力が、降伏応力以下となるので、圧電素子３が沈降することがない。

図２の（Ｅ）は、圧電素子３を押圧ヘッド８２（図６参照）で押圧する押圧工程を表している。図２の（Ｅ）に示されるように、押圧工程では、ヘッド固定部８５には、平面の押圧面８２ａが形成された押圧ヘッド８２が装着される。ヘッド固定部８５に押圧ヘッド８２が装着される際に、ピックアップセンサー８６が、吸引ヘッド８１のヘッド固定部８５への固定を検知しない場合には、次工程に進まず、エラーが報知される。駆動部８３を駆動させることにより、押圧ヘッド８２の押圧面８２ａで、接着剤層２上に載置された圧電素子３を押圧して、圧電素子３を接着剤層２に押し付ける。この際に、接着剤層２の流動に伴い、接着剤層２内に含まれる金属フィラー２ｂが水平方向に配向し（図３に示す）、更に、隣接する金属フィラー２ｂ同士が接触して、接着剤層２が導電性を有するようになる。図３に示されるように、接着剤層２の粘度が飽和する際に、隣接する金属フィラー２ｂ同士が接触して、接着剤層２が導電性を有するようになる。接着剤層２が確実に導電性を有するように、本発明では、接着剤層２の粘度が飽和するまで、押圧ヘッド８２で圧電素子３を押圧することにしている。なお、本明細書において、接着剤層２の粘度の飽和とは、圧電素子３のZ軸方向の積載位置の変化が停止、即ち金属フィラー２ｂ同士が接触して接着剤層２の厚み変化が無くなる点のことをいう。なお、接着剤層２の厚み変化がある場合、圧電素子３、接着剤層２、基材３が相互に完全には接触しておらず、所望の押圧応力（抗折強度未満で設定）を基板１側は受けない。なお、積載位置の変化の停止とは、圧電素子３の降下速度：０．０１ｍｍ／ｓ（制御下限値）未満と定義する。

本発明では、押圧面８２ａが平面の押圧ヘッド８２で、接着剤層２上に載置されている圧電素子３を押圧することにしたので、圧電素子３のある箇所に応力が集中することがなく、圧電素子３に作用する応力が過大とならず、圧電素子３が破損することがない。また、吸引ヘッド８１で圧電素子３を接着剤層２上へ載置後、押圧ヘッド８２で圧電素子３を押圧するまでの間に（図２の（Ｄ）の状態）、圧電素子３の質量により、微少に凹凸している接着剤層２の上面が流動して、圧電素子３と接着剤層２とが密着した状態となることから、接着剤層２の上面が微少に凹凸している状態で圧電素子３が押圧された場合と比較して、押圧時の接着剤層２から圧電素子３に作用する応力が過大とならず、圧電素子３が破損することがない。なお、本実施形態では、押圧工程時の圧電素子３の破損を防止するために、押圧ヘッド８２の降下速度を、０．２ｍｍ／ｓ未満（望ましくは降下速度の最小値：０．０１ｍｍ／ｓ）に設定している。

なお、本発明では、押圧工程時に、圧電素子３に作用する応力を、圧電素子３の抗折強度δ以下となる押圧力で押圧ヘッド８２を押圧することにしている。
つまり、下式（１）又は（２）を満たす押圧力で圧電素子３を押圧することにしている。
抗折強度＝δ
押圧ヘッド８２の押圧力＝Ｆ
押圧ヘッド８２の押圧面８２ａ面積＝Ａ
圧電素子３の面積＝ａ
押圧ヘッド８２の押圧面８２ａの面積Ａが、圧電素子３の面積ａより大きい場合には、下式（１）を満たす押圧力Ｆで圧電素子３を押圧する。
Ｆ＜δ・ａ…式（１）
押圧ヘッド８２の押圧面８２ａの面積Ａが、圧電素子３の面積ａより小さい場合には、下式（２）を満たす押圧力Ｆで圧電素子３を押圧する
Ｆ＜δ・Ａ…式（２）
なお、圧電素子３の抗折強度δは、図９に示されるような三点曲げ試験により下式（３）で求められる値である。
δ＝３／２×ＬＰ／ＷＴ^２ …式（３）
なお、Ｌは試験装置の支点間距離、Ｗは圧電素子３の幅、Ｔは圧電素子３の厚み、Ｐは圧電素子３が破断する荷重である。

次に、押圧ヘッド８２を上方に移動させる（図２の（Ｅ）の状態）。次に、接着剤層２を加熱して、接着剤層２を熱硬化させる熱硬化工程を行う。なお、本実施形態では、圧電素子得３が取り付けられた基板１を、１００〜２００℃の雰囲気に保たれた加熱炉内に３０〜６０分間装入する。

以上、現時点において、もっとも、実践的であり、かつ好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨あるいは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う圧電素子接着方法及び圧電素子接着装置もまた技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。

１ 基材
１ａ ミラー
１ｂ 梁部
２ 接着剤（接着剤層）
２ａ 基剤
２ｂ 金属フィラー
３ 圧電素子
１０ レーザー光走査デバイス
８０ 圧電素子接着装置
８１ 吸引ヘッド
８１ａ 吸着穴
８１ｂ 位置決め凹部
８２ 押圧ヘッド
８２ａ 押圧面
８２ｂ 位置決め凹部
８３ 駆動部
８４ 真空供給部
８５ ヘッド固定部
８５ａ 吸着穴
８５ｂ 位置決め用突起
８６ ピックアップセンサー
８７ ロボットアーム部
８８ 印刷マスク
８８ａ 開口部
８９ スキージ
９０ 制御部
９１ 測定用コーンプレート

Claims (5)

1. チクソトロピー性を有する接着剤でセラミックス製の圧電素子を基材に接着させる圧電素子接着方法において、
   前記基材表面に前記接着剤を塗布する塗布工程と、
   前記圧電素子を、吸着穴が形成された吸引ヘッドで吸着し、塗布された接着剤上に載置する仮置き工程と、
   前記圧電素子を、押圧面が平面の押圧ヘッドで押圧する押圧工程と、
   前記接着剤を硬化させる硬化工程とからなることを特徴とする圧電素子接着方法。
2. 仮置き工程において、接着剤に作用する垂直方向の応力が接着剤の降伏値より小さくなるように、圧電素子を接着剤上に載置させることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子接着方法。
3. 押圧工程において、圧電素子に作用する応力が、圧電素子の抗折強度以下となる押圧力で押圧ヘッドを押圧することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の圧電素子接着方法。
4. 押圧工程において、接着剤の粘度が飽和するまで、押圧ヘッドで圧電素子を押圧することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の圧電素子接着方法。
5. 基材表面に、チクソトロピー性を有する接着剤を塗布する接着剤塗布手段と、
   吸着穴が形成された吸引ヘッドと、
   平面の押圧面が形成された押圧ヘッドと、
   前記吸引ヘッド及び押圧ヘッドを移動させる移動手段と、
   前記接着剤塗布手段で前記接着剤を前記基材表面上に塗布させ、前記移動手段で吸引ヘッドを移動させることにより、セラミックス製の圧電素子を、前記吸引ヘッドの吸着面で吸着させて塗布された接着剤上に載置させ、前記移動手段で押圧ヘッドを移動させることにより、前記押圧ヘッドの押圧面で前記圧電素子を押圧させる制御を行う制御手段を、
   有することを特徴とする圧電素子接着装置。

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