JP2023167376A - 圧電素子の接着方法及び超音波送受信器 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電素子がバリを含む場合でも、圧電素子と金属板材との接着において従来よりも導電性を確保可能とする圧電素子を金属板材に接着するための方法並びに当該圧電素子及び当該金属板材を備えた超音波送受信器を提供する。【解決手段】超音波送受信器において、圧電素子１を金属板材３に接着する方法は、圧電素子１における第２の電極膜１０３の表面と金属板材３とを接着材（接着部４）を介して接着する接着ステップと、圧電素子１における第２の電極膜１０３の外周面と金属板材３との間に、導電性接着材を用いたフィレット部５を形成するフィレット形成ステップと、を有する。【選択図】図１

Description

本開示は、圧電素子を金属板材に接着するための圧電素子の接着方法、及び、当該圧電素子及び当該金属板材を備えた超音波送受信器に関する。

超音波流量計は、一対の超音波送受信器を用い、計測対象である媒体（流体又は気体）の流速又は流量を測定する。この際、超音波流量計は、一方の超音波送受信器によって超音波を照射し、その超音波が媒体を通過して他方の超音波送受信器に到着するまでの時間を計測することによって、媒体の流速を算出する。又は、超音波流量計は、媒体の流速と媒体が流れる配管の面積との関係に基づいて、媒体の流量を算出する。

ここで、超音波流量計で用いられる超音波送受信器は、圧電素子、音響整合層、及び、金属板材を備えている。
圧電素子は、入力された高周波の電圧に応じた超音波を出力し、また、入力された超音波に応じた高周波の電圧を出力する。
音響整合層は、圧電素子により出力された超音波を外部に送り、また、外部からの超音波を圧電素子に送る。
金属板材は、圧電素子と音響整合層とを固定する。

そして、圧電素子を金属板材に固定する場合、圧電素子における電極膜の表面に接着材を塗布して金属板材に接着させる方法が一般的である。

一方、この接着に対し、熱又は湿度等の環境による膨張収縮によって、はがれの発生又は密着が安定化しないといった状態が生じると、超音波の入出力が不安定となる。よって、環境因子、特に温度に対する熱膨張収縮に対して、導通が安定な接着が形成できているかが重要となる。

ここで、圧電素子は、圧電体が２枚の電極膜に挟まれた構造をしている。この電極膜は、数ミクロン程度の薄膜である。そして、この圧電素子は、２枚の電極膜に高周波の電圧が印加されることで動作し、超音波を出力する。

このように、圧電素子では、２枚の電極膜に電圧を印可する必要があるため、当該２枚の電極膜に対してそれぞれ配線が取り付けられている必要がある。
ここで、仮に、圧電素子を音響整合層に直接固定しようとした場合、２枚の電極膜のうちの音響整合層側の電極膜については、薄膜である電極膜の外周面に対して配線が取り付けられる必要があり、配線の取り付けが非常に困難である。
そのため、通常、圧電素子は金属板材の一面に固定され、音響整合層は当該金属板材の他面に固定される。これにより、圧電素子及び金属板材は導通状態となるため、２枚の電極膜のうちの音響整合層側の電極膜については、金属板材に配線が取り付けられることで配線の取り付けが実現可能となる。このように、金属板材は、圧電素子の固定用としてのみならず、配線の取り付け用としても寄与することになる。

このように、圧電素子の金属板材への接着においては、圧電素子における薄膜である電極膜と金属板材との間で電気的な接続がされていること、及び、圧電素子と金属板材との固定強度が安定化していることが必要となる。
そのため、周囲の環境の影響が変化した場合にも、接着層は薄膜である電極膜と電気的な接続が安定していることが課題となる。

これらの課題を解決するため、導電性粒子を有する導電性接着材を用いた接着方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。この接着方法では、導電性粒子を用いて電気的な導通を確保すること、及び、その導電性粒子の径を制御することで、圧電素子における電極膜の表面の膜厚（凹凸）及び金属板材の表面の不均一による接続導通の不安定を解決させている。より具体的には、この接着方法では、導電性粒子として、電極膜の表面の膜厚の厚さ以上の径のものを用いている。

特開２０２０－１６７５０１号公報

一方、圧電素子は、平板状の圧電体の両表面に電極膜が形成された後、ダイシングプロセスによってチップ化されることで、個々の素子として構成される。そのため、圧電素子では、このダイシングプロセスによって、電極膜の表面にバリが発生する。

図４では、バリを有する圧電素子の構成例を示している。図４において、符号１は圧電素子を示し、符号１０１は圧電体を示し、符号１０２は第１の電極膜を示し、符号１０３は第２の電極膜を示し、符号１０３１は第２の電極膜に生じたバリを示している。なお、通常、図４に示す第１の電極膜にもバリが生じるが、そのバリについては図示を省略している。

この圧電素子における電極膜の表面に発生したバリと、金属板材との電気的接続を安定化させるためには、表面処理によってバリを除去することが望ましい。しかしながら、この場合、バリの除去工程を実施することによって、圧電素子における電極膜も同時に除去されてしまう可能性があり、電極層の欠損を発生させてしまう可能性がある。
よって、従来の圧電素子の金属板材への接着においては、このバリの除去は実施せずに、バリを含む圧電素子を金属板材へと接着させている。

一方、各圧電素子に発生するバリは、一様の寸法にはならない。そのため、圧電素子と金属板材との間の接着層の厚みを一定にすることは困難である。また、バリは、電極膜の表面において、突起状の凹凸を成す。そのため、このバリは、電極膜の表面又は金属膜の表面における不均一差よりも影響が大きい。よって、バリを含む圧電素子を金属板材に接着する場合には、圧電素子における電極膜と金属板材との間での導通が不安定になる可能性がある。

図５では、バリを有する圧電素子の金属板材への接着例を示している。図５において、符号３は金属板材を示し、符号１０３１ｂはバリのうちの特に突出した部分を示している。また、符号４は接着部を示している。また、符号４０１は、この接着部のうち、第２の電極膜に生じたバリで囲まれた面内における隙間部分を埋めるように接着材が塗布されることで、形成された部位を示している。また、符号４０２は、この接着部のうち、上記バリの突出長さの不均一により生じた高さ方向（上記面に垂直な方向）における隙間部分を埋めるように接着材が塗布されることで、形成された部位を示している。また、図５に示す矢印は、接着層の厚さを示している。
この図５に示すように、バリの突出量は均一ではない。そのため、例えば図５に示す例では、左側の部分についてはバリが長く当該バリと金属板材とが接触しているため導通が確保されているものの、右側についてはバリが短く当該バリと金属板材とが接触しておらず導通が確保されていない。

そこで、バリを有する圧電素子の接着方法として、特許文献１に開示された接着方法を利用することが考えられる。ここで、特許文献１に開示された接着方法では、導電性接着材による導通を行う際に、導電性粒子の径を膜厚以上とすることとなっている。そのため、特許文献１に開示された接着方法を、バリを有する圧電素子の接着方法に適用した場合には、導電性粒子の径をバリの厚み以上とする必要がある。
しかしながら、このバリの厚みは、圧電素子毎に不均一である。よって、特許文献１に開示された接着方法を適用しようとしても、導電性粒子の径を一律に決めることはできず、導電性粒子として圧電素子毎に異なる径のものを採用する必要があり現実的ではない。

なお、バリを圧接する方法も考えられるが、この圧接によっても高さの不均一は発生するため、上記の課題を解決することはできない。

以上のように、従来の圧電素子の接着方法では、圧電素子にバリが含まれる場合に、圧電素子における電極膜と金属板材との間での導電性が安定化しない。

本開示は、上記のような課題を解決するためになされたもので、従来に対し、圧電素子がバリを含む場合でも、圧電素子と金属板材との接着において導電性を確保可能となる圧電素子の接着方法を提供することを目的としている。

本開示に係る圧電素子の接着方法は、圧電素子における電極膜の表面と金属板材とを接着材を介して接着させる接着ステップと、圧電素子における電極膜の外周面と金属板材との間に、導電性接着材を用いたフィレット部を形成するフィレット形成ステップとを有することを特徴とする。

本開示によれば、上記のように構成したので、従来に対し、圧電素子がバリを含む場合でも、圧電素子と金属板材との接着において導電性を確保可能となる。

実施の形態１に係る超音波送受信器の構成例を示す図である。 実施の形態１に係る圧電素子の金属板材への接着方法の一例を示すフローチャートである。 実施の形態１に係る超音波送受信器の別の構成例を示す図である。 圧電素子の構成例を示す図である。 従来の超音波送受信器の構成例を示す図である。

以下、実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る超音波送受信器の構成例を示す図である。
超音波送受信器は、超音波の送信、及び、超音波の受信を行う。この超音波送受信器は、例えば超音波流量計に用いられる。この超音波送受信器は、図１に示すように、圧電素子１、音響整合層２，及び、金属板材３を備えている。なお、図１では、音響整合層２の図示を省略している。

圧電素子１は、入力された高周波（例えば５００ｋＨｚ）の電圧に応じた超音波を出力し、また、入力された超音波に応じた高周波の電圧を出力する。
この圧電素子１は、図１に示すように、圧電体１０１、第１の電極膜１０２、及び、第２の電極膜１０３を有している。

第１の電極膜１０２は、圧電体１０１における一方の面（図では上面）に形成された薄膜の電極膜である。この第１の電極膜１０２には、電圧を入出力するための配線（不図示）が取り付けられている。

第２の電極膜１０３は、圧電体１０１における他方の面（図では下面）に形成された薄膜の電極膜である。この第２の電極膜１０３には、金属板材３を介して、電圧を入出力するための配線（不図示）が取り付けられている。

この圧電素子１は、平板状の圧電体１０１の両表面に第１の電極膜１０２及び第２の電極膜１０３が形成された後、ダイシングプロセスによってチップ化されることで、個々の素子として構成される。
そのため、第２の電極膜１０３には、バリ１０３１が含まれる。このバリ１０３１は、一般的に、第２の電極膜１０３の表面（図１では下面）において、周囲を囲むように形成されている。また、このバリ１０３１は、突出長さが不均一である。
また、第１の電極膜１０２についても、上記と同様に、バリが含まれるがその図示を省略している。

音響整合層２は、圧電素子１により出力された超音波を外部に送り、また、外部からの超音波を圧電素子１に送る。

金属板材３は、圧電素子１と音響整合層２とを固定する。この金属板材３は、一方の面（図１では上面）に圧電素子１が固定され、他方の面（図１では下面）に音響整合層２が固定されている。
また、金属板材３には、第２の電極膜１０３に対する配線（不図示）が取り付けられている。

また、この超音波送受信器では、圧電素子１と金属板材３との間に、図１に示すように、接着部４、及び、フィレット部５が構成されている。

接着部４は、圧電素子１における第２の電極膜１０３の表面（図では下面）と金属板材３との間に存在し、圧電素子１における第２の電極膜１０３の表面と金属板材３とを接着する部位である。
この接着部４は、圧電素子１における第２の電極膜１０３の表面と金属板材３との間に接着材が塗布されることで、形成される。なお、この接着部４の形成に用いられる接着材としては、導電性粒子を有する導電性接着材が用いられてもよいし、導電性接着材以外の接着材が用いられてもよい。すなわち、この接着部４は、圧電素子１と金属板材３とを接着する役割を果たすことができればよく、圧電素子１と金属板材３とを導通させる役割については必須ではない。

この接着部４は、第１の接着部４０１、及び、第２の接着部４０２を有する。
第１の接着部４０１は、第２の電極膜１０３に生じたバリ１０３１で囲まれた面内における隙間部分を埋めるように接着材が塗布されることで、形成された部位である。
第２の接着部４０２は、上記バリ１０３１の突出長さの不均一により生じた高さ方向（上記面に垂直な方向）における隙間部分を埋めるように接着材が塗布されることで、形成された部位である。

フィレット部５は、圧電素子１における第２の電極膜１０３の外周面と前記金属板材３との間に存在する部位である。このフィレット部５は、圧電素子１における第２の電極膜１０３の外周面と金属板材３との間に導電性接着材が塗布されることで、形成される。すなわち、このフィレット部５は、圧電素子１と金属板材３とを導通させる役割を果たすための部位である。

なお、図１では、フィレット部５は、金属板材３側から圧電素子１における圧電体１０１の一部に渡って、形成された場合を示している。
しかしながら、これに限らず、フィレット部５は、圧電素子１と金属板材３との導通が確保できればよい。そのため、フィレット部５は、金属板材３側から圧電素子１における第２の電極膜１０３の少なくとも一部に渡って、形成されていればよい。

また、フィレット部５は、上記のように圧電素子１と金属板材３との導通を目的として設けられたものである。そのため、このフィレット部５は、圧電素子１における第２の電極膜１０３の外周面の全周について形成されていなくてもよく、当該外周面の一部にのみ形成されていてもよい。

次に、実施の形態１に係る圧電素子１の金属板材３への接着方法の一例について、図１及び図２を参照しながら説明する。
実施の形態１に係る圧電素子１の金属板材３への接着方法では、図１及び図２に示すように、まず、圧電素子１における第２の電極膜１０３の表面（図１では下面）と金属板材３とを接着材を介して接着する（ステップＳＴ２０１、接着ステップ）。
この際、例えば、まず、圧電素子１における第２の電極膜１０３の表面に、接着材を塗布する。そして、第２の電極膜１０３の表面に接着材が塗布された圧電素子１を、金属板材３のうちの圧電素子１を接着する箇所に載せることで、圧電素子１を金属板材３に接着する。

また、圧電素子１における第２の電極膜１０３の外周面と金属板材３との間に、導電性接着材を用いたフィレット部５を形成する（ステップＳＴ２０２、フィレット形成ステップ）。

この際、接着ステップにおいて接着材として導電性接着材を用い、フィレット形成ステップにおいて、圧電素子１を金属板材３側に押し付けることで、当該圧電素子１における第２の電極膜１０３の表面と当該金属板材３との間に存在する導電性接着材によってフィレット部５を形成してもよい。すなわち、上記押し付けによって、圧電素子１における第２の電極膜１０３の表面と金属板材３との間に存在する導電性接着材が押し潰され、当該導電性接着材の一部が外周側に押し出されることでフィレット部５が形成される。
なお、この場合には、接着ステップでの１度の導電性接着材の塗布によって、接着部４及びフィレット部５を形成するための塗布を行う必要がある。そのため、接着ステップにおける導電性接着材の塗布量を、接着部４のみを形成する場合に対し、フィレット部５を形成するための量だけ多めに設定する。

また、フィレット形成ステップにおいて、圧電素子１における第２の電極膜１０３の外周面と金属板材３との間に、接着ステップにおいて用いられた接着材とは別に導電性接着材を塗布することで、フィレット部５を形成してもよい。
なお、この場合には、接着ステップにおいて用いられる接着材は、導電性接着材でよいし、導電性接着材以外の接着材でもよい。

また、予めフィレット形成ステップにおいてフィレット部５を形成し、その後に接着ステップにおいて接着を行ってもよい。

次に、実施の形態１に係る圧電素子１の接着方法による効果について、説明する。
実施の形態１に係る圧電素子１の接着方法では、図１及び図２に示すように、圧電素子１における第２の電極膜１０３の外周面と金属板材３との間に、電気的接続を確保するための導電性接着材を使ったフィレット部５を形成している。すなわち、実施の形態１に係る圧電素子１の接着方法では、第２の電極膜１０３に生じたバリ１０３１による接着層の厚みの不安定さを解消するために、圧電素子１と金属板との間の導通パスとして、第２の電極膜１０３に対して側面方向から導通経路を確保する方法を採用している。
これにより、実施の形態１に係る圧電素子１の接着方法では、圧電素子１に不均一な厚みのバリ１０３１が生じている場合であっても、導通が安定した接着層を形成可能となり、また、接着層の接着不安定さを解消又は緩和可能となる。

また、実施の形態１に係る圧電素子１の接着方法において、フィレット部５に加え、接着部４についても、導電性接着材を用いて構成してもよい。すなわち、第２の電極膜１０３に生じたバリ１０３１による接着層の厚みの不安定さを解消するために、圧電素子１と金属板材３との間の導通パスとして、第２の電極膜１０３に対して面方向及び側面方向から導通経路を確保する方法を採用してもよい。これにより、実施の形態１に係る圧電素子１の接着方法では、フィレット部５のみが導電性接着材を用いて構成された場合に対し、圧電素子１と金属板材３との導通をより確実なものとすることが可能となる。

なお、実施の形態１に係る超音波送受信器は、図１に示すような構成に限らない。例えば図３に示すように、実施の形態１に係る超音波送受信器は、圧電素子１の動きをより大きくさせるために、圧電素子１内に溝部１０４が形成されて圧電素子１がピラー状に構成されていてもよい。
図３に示すような構成の場合、第１の電極膜１０２については単一であるが、第２の電極膜１０３については複数に分割されており、それぞれが金属板材３との間で導通を確保している必要がある。そこで、図３に示す構成の場合には、実施の形態１に係る圧電素子１の接着方法によって、溝部１０４にもフィレット部５を形成する。これにより、複数に分割された第２の電極膜１０３のそれぞれについて、金属板材３との間で導通を確保することが可能となる。

以上のように、この実施の形態１によれば、圧電素子１の接着方法は、圧電素子１における第２の電極膜１０３の表面と金属板材３とを接着材を介して接着させる接着ステップと、圧電素子１における第２の電極膜１０３の外周面と金属板材３との間に、導電性接着材を用いたフィレット部５を形成するフィレット形成ステップとを有する。これにより、実施の形態１に係る圧電素子１の接着方法では、従来に対し、圧電素子１がバリ１０３１を含む場合でも、圧電素子１と金属板材３との接着において導電性を確保可能となる。

実施の形態２．
実施の形態１に係る圧電素子１の接着方法では、接着ステップにおいて導電性接着材を用いた場合に、当該導電性接着材が有する導電性粒子の詳細については言及していない。
一方、接着ステップにおいて導電性接着材を用いた場合に、第２の電極膜１０３に生じたバリ１０３１と金属板材３との間に導電性粒子が入り込むと、導電性粒子の厚みによっては、接着部４（接着層）の高さが圧電素子１毎に変わってしまう可能性がある。その結果、超音波送受信器全体の形状が変わってしまい、超音波送受信器の共振動作が一様でなくなる可能性がある。

例えば、特許文献１に開示されたような球状の導電性接着材を接着ステップにおいて用いた場合、第２の電極膜１０３に生じたバリ１０３１と金属板材３との間にこの導電性粒子が入り込むと、接着部４（接着層）の高さが大きく変わってしまう。よって、この場合には、超音波送受信器の共振動作が大きく変わってしまう。

そこで、接着ステップにおいて接着材として導電性接着材を用いる場合に、上記のような球状の導電性粒子を有する接着材ではなく、リン片状の導電性粒子（金属箔）を有する導電性接着材を用いてもよい。
このように、接着ステップにおいてリン片状の導電性粒子を有する導電性接着材を用いることで、球状の導電性粒子を有する導電性接着材を用いた場合に対し、第２の電極膜１０３に生じたバリ１０３１と金属板材３との間にこの導電性粒子が入り込んだとしても、接着部４（接着層）の高さの変化を少なくすることができる。その結果、超音波送受信器の共振動作の変化を抑制することが可能となる。

なお、各実施の形態の自由な組合わせ、或いは各実施の形態の任意の構成要素の変形、若しくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ 圧電素子
２ 音響整合層
３ 金属板材
４ 接着部
５ フィレット部
１０１ 圧電体
１０２ 第１の電極膜
１０３ 第２の電極膜
１０４ 溝部
４０１ 第１の接着部
４０２ 第２の接着部
１０３１ バリ

Claims (5)

1. 圧電素子における電極膜の表面と金属板材とを接着材を介して接着させる接着ステップと、
   前記圧電素子における電極膜の外周面と前記金属板材との間に、導電性接着材を用いたフィレット部を形成するフィレット形成ステップと
   を有する圧電素子の接着方法。
2. 前記接着ステップにおいて用いられる接着材は、導電性接着材であり、
   前記フィレット形成ステップにおいて、前記圧電素子を前記金属板材側に押し付けることで、当該圧電素子における電極膜の表面と当該金属板材との間に存在する導電性接着材によってフィレット部を形成する
   ことを特徴とする請求項１記載の圧電素子の接着方法。
3. 前記フィレット形成ステップにおいて、前記接着ステップにおいて用いられた接着材とは別に導電性接着材を塗布することで、フィレット部を形成する
   ことを特徴とする請求項１記載の圧電素子の接着方法。
4. 前記接着ステップにおいて用いられる接着材は、リン片状の導電性粒子を有する接着材である
   ことを特徴とする請求項１記載の圧電素子の接着方法。
5. 両面に電極膜を有する圧電素子と、
   前記圧電素子における一方の電極膜の表面と対向配置された金属板材と、
   前記圧電素子における一方の電極膜の表面と前記金属板材との間に存在し、当該圧電素子における一方の電極膜の表面と当該金属板材とを接着する接着部と、
   前記圧電素子における一方の電極膜の外周面と前記金属板材との間に存在し、導電性接着材により形成されたフィレット部と
   を備えた超音波送受信器。

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