JPH10315485A - 圧電素子の接着方法 - Google Patents

圧電素子の接着方法

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JPH10315485A
JPH10315485A JP13203997A JP13203997A JPH10315485A JP H10315485 A JPH10315485 A JP H10315485A JP 13203997 A JP13203997 A JP 13203997A JP 13203997 A JP13203997 A JP 13203997A JP H10315485 A JPH10315485 A JP H10315485A
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JP
Japan
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adhesive
piezoelectric element
conductive
particles
electrode
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JP13203997A
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English (en)
Inventor
Hirozo Matsumoto
浩造 松本
Masahiko Takei
正彦 武居
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Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】必要な導通状態と接着強度が確保され、接着剤
を硬化する温度条件が厳しくなく、工数が増大しない圧
電素子の接着方法を提供する。 【解決手段】絶縁性の接着剤5に平均接着剤層厚さの
0.5倍から3倍の大きさを有する導電性粒子7を 0.001
から10体積%混合した接着剤によって圧電素子4を基板
2aの電極層21に接着する。導電性粒子7が圧電素子4の
第1電極41と電極層21との導通を確保し、絶縁性の接着
剤5が十分な接着強度を確保する。接着剤5としては粘
度管理が容易な嫌気性接着剤が優れ、導電性粒子として
は嫌気性接着剤と反応しないITOからなる粒子が適し
ている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、圧電素子を用い
たセンサあるいはアクチュエータにおいて、圧電素子を
基板へ導電状態で接着する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】圧電素子は、電圧印加に伴うその変形が
利用されてアクチュエータとしていろんな分野に広く利
用されている。その例としては、インクジェット記録ヘ
ッド、圧電ブザー、加圧用の積層アクチュエータなどが
挙げられる。また、印加圧力による起電力や電荷の発生
を検知して圧力を測定する圧力のセンサとしても利用さ
れている。
【0003】通常は、金属などの導電性基板や蒸着、ス
パッタあるいはメッキなどで電極層が形成された絶縁性
基板、例えばガラス板やセラミックス板やプラスチック
板など、の上に接着されて使用されることが多い。アク
チュエータの一例として、インクジェット記録ヘッドの
構造を図4に示した。
【0004】このヘッドは、図示していないインク溜め
からのインク通路14とインク供給路13とインクを加圧し
てノズル11からインクを吐出させるためのインク加圧室
12などのインクの流路を形成するための流路基板1と、
ノズル板3と、インク加圧室12内のインクを加圧するた
めに、圧電素子4と一体になって変形する振動板2と、
圧電素子4とで構成されている。
【0005】インク加圧室12を加圧するためには、圧電
素子4を変形させることが必要であり、圧電素子4と振
動板2とが強固に接合されていることが必要である。圧
電素子4を変形させるためには圧電素子4の両面に電圧
を印加することが必要である。圧電素子4の下面の電極
へ電圧を印加するための電極としては、振動板2が導電
性である場合には振動板2が利用され、振動板2が絶縁
性である場合には振動板2の表面に電極層が形成され
る。
【0006】寸法などの一例を示すと、ノズル11の間隔
は1.5mm 、ノズル総数は256 、圧電素子4の長さは1.0
〜1.6mm 、厚さは0.1 〜0.2mm である。また、振動板2
としてはガラス板が用いられ、電極層としては酸化錫、
ITOあるいは金の層が形成されている。導電性振動板
あるいは絶縁性振動板上に形成された電極層と圧電素子
の下面電極との導通を確保しながら振動板と圧電素子と
を接着する方法としては、図5に示すような構成が使わ
れている。なお、図5においては、図4の振動板2を絶
縁性の基板2aとし、その上表面には電極層21が形成され
たものとしている。また、圧電素子4の基板2a側の電極
を第1電極41と称し、反対面の電極を第2電極42と称
す。
【0007】図5(a)は圧電素子4を例えばエポキシ
系接着剤などの絶縁性接着剤(以下では単に接着剤とい
う)5で基板2aに接着した場合を示している。図5
(a)の状態では絶縁状態になると考えられるが、この
状態において、必要な導通状態が確保されることが多
く、現実には、図6に示すように、圧電素子4及び基板
2aの表面の凹凸によって多くの接触点6が形成され、導
通状態になっているものと考えられる。しかし、接着剤
5の厚さが厚くなると導通が悪くなり、印加電圧を高く
することが必要となり、圧電素子4の耐電圧上の問題を
起こすことになる。また、圧電素子4及び基板2aを薄く
するために表面粗さを小さくすると、必要な導通状態を
確保できなくなることがある。
【0008】なお、この場合の接着剤は絶縁性であるか
ら、圧電素子4の側面に付着することには問題がなく、
むしろ、この状態の方が圧電素子4の保持が強固となる
ので望ましい。絶縁性接着材としてエポキシ系接着材を
使用する場合には、次のような問題点がある。エポキシ
系接着材は濡れ性が良く、しかも高温で粘度が低下して
流動性が良くなる。そのため、接着温度が高くなると、
接着剤5が圧電素子4の第2電極42上にまで回り込んで
第2電極42を覆い、第2電極42の電気的導通が取れなく
なるという障害を発生させることがあり、加熱処理にお
いて厳しく温度管理することが必要である。
【0009】図5(b)は、銀、銅、ニッケルあるいは
無定形カーボンなどの1〜10μm の微粉末からなる導電
フィラーをエポキシ系接着剤のような絶縁性接着剤に大
量に混合した導電性接着剤51で、圧電素子4を基板2aに
接着した場合を示している。接着剤51が導電性を有する
ので、圧電素子4の側面に接着剤51が付着することは耐
電圧不良などの問題を生ずるので避けなければならな
い。導電性接着剤51はそれ自体の接着強度が低く(通
常、剥離強さ=30〜50kgf/cm2)、しかも圧電素子4の
側面には付けられないので、必要な接着強度(変形時の
最大応力の推定値は70〜90kgf/cm2 )を確保することが
困難である。更に、圧電素子4を高密度で配置する場合
には、隣り合う圧電素子4の第2電極42あるいはその近
傍に接触して誤動作を発生させる可能性もある。
【0010】この導電性接着剤51の欠点を補うための方
法が、図5(c)に示す構成である。圧電素子4の下面
中央部を導電性接着剤51で接着して導電性を確保し、周
辺部を接着剤5で接着して接着強度を確保している。こ
の構成で導電性と接着強度を確保することはできるが、
接着工程が複雑となり工数が増大する。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】この発明の課題は、上
記の従来の接着方法の問題点を解決して、必要な導通状
態と接着強度が確保され、接着剤を硬化する温度条件が
それほど厳しくなく、工数が増大しない圧電素子の接着
方法を提供することである。
【0012】
【課題を解決するための手段】この発明においては、導
電性基板あるいは表面に電極層を有する絶縁性基板の上
に、センサあるいはアクチュエータとして使用される圧
電素子を導電状態で接着する圧電素子の接着方法とし
て、接着層の平均厚さの 0.5倍から3倍の大きさを有す
る導電性粒子を 0.001体積%から10体積%の含有率で含
有している絶縁性の接着剤によって接着する。
【0013】接着層の厚さと同等あるいはやや大きい導
電性粒子を絶縁性接着剤中に分散させて接着することに
より、この導電性粒子が圧電素子と導電性基板あるいは
基板の電極層とを確実に接続して必要な導通状態を形成
し、しかも、導電性粒子の体積含有率が10体積%以下で
あるから、絶縁性接着剤の大きな接着強度は維持され、
かつ圧電素子の側面に付着しても上下電極を短絡するこ
とはない。
【0014】また、絶縁性の接着剤が嫌気性接着剤であ
り、導電性粒子が導電性酸化物である。嫌気性接着剤
は、空気からの遮蔽と加熱条件とを制御することによっ
て流動性が制御できるので、絶縁性の接着剤として嫌気
性接着剤を採用することによって、エポキシ系接着剤の
場合のように圧電素子の第2電極まで接着剤が回り込む
ことに伴う障害が発生することを防止することができ
る。しかし、嫌気性接着剤は、金属が存在すると金属イ
オンと反応して硬化が阻害されたり、金属表面を変質さ
せて導電性を悪くしたりする。そのため、導電性を確保
するために混合される導電性粒子としては導電性酸化物
が適している。
【0015】
【発明の実施の形態】この発明による圧電素子の接着方
法の実施の形態を、実施例によって説明する。図1及び
図2はこの発明による圧電素子の接着方法の実施例を示
す断面図であり、図3は、導電性酸化物粒子として粒の
大きさが2μm から10μm のITO粒子を用いた場合
の、ITO粒子の体積含有率( Vol%)に対する接着層
の電気抵抗値と剥離強さの関係を示す線図である。
【0016】図1により圧電素子の接着方法の実施例を
説明する。接着剤5としては、嫌気性接着剤である日本
ロックタイト(株)社製の商品名「ロックタイト3851」
を用い、導電性酸化物粒子としては、優れた導電性を有
する酸化物であるITO粒子を選択し、ITO粒子の大
きさは2〜10μm のものを使用した。接着方法として
は、先ず、嫌気性接着剤に所定量のITO粒子を添加混
合する。次いで、この混合物を基板2a上の所定位置にス
クリーン印刷する。この印刷箇所に圧電素子4を載せ、
空気と接着剤との接触を少なくして所定の荷重をかけて
加熱し、接着剤を硬化させ、圧電素子4を電極2a上に接
着する。加熱条件の一例を示すと、60℃で15分である。
この場合には、接着剤5の流動性はエポキシ系接着剤の
場合ほど大きくならないので、第2電極42の上面にまで
接着剤がせり上がることはなかった。
【0017】このようにして形成した接着層の電気抵抗
値及び剥離強さとITO粒子の体積含有率との関係は、
図3に示す通りである。ITO粒子の体積含有率(図3
では体積添加率( Vol%))を横軸に取り、電気抵抗値
(Ω)を縦軸左側に、剥離強さ(kgf/cm2 )を縦軸右側
に取り、電気抵抗値は○で、剥離強さは×で示してい
る。
【0018】電気抵抗値は体積添加率が0.001Vol%辺り
で急激に減少し、それより体積添加率が大きい領域では
緩やかに減少している。抵抗値の許容上限値である20Ω
を下回るのは、0.001Vol%よりやや多い体積添加率に相
当している。抵抗値が10Ω以下になるのは、0.05 Vol%
より多い体積添加率に相当する領域である。抵抗値の許
容上限値は、抵抗値が安定であること、及び圧電素子を
駆動する信号パルスの波形に余り影響しないインピーダ
ンスから決められ、高速駆動になるほど低抵抗値とな
る。
【0019】一方、剥離強さは体積添加率が6 Vol%辺
りから減少が急になる。圧電素子4を変形させた場合の
最大応力の推定値は70〜90kgf/cm2 であるので、3倍の
安全係数をとると、許容下限値は270kgf/cm2となり、体
積添加率が10 Vol%に相当する。このように、絶縁性接
着剤として嫌気性接着剤を用い、導電性粒子としてIT
O粒子を用いた場合には、ITO粒子の体積添加率が
0.001体積%から10体積%の領域で、電気抵抗値が低
く、剥離強さが大きい接着層を確保することができる。
とりわけ、ITO粒子の体積添加率が0.05体積%から6
体積%の領域が優れている。
【0020】なお、電気抵抗値が体積添加率0.001Vol%
以上の領域で体積添加率に反比例して減少しないのは、
添加されているITO粒子の一部だけが抵抗値を減少さ
せるのに寄与し、接着層の厚さに比べて大き過ぎる粒子
は破壊され、小さい粒子は関与できないためであろうと
考えられる。また、上記の実施例はITO粒子の場合で
あるから、ITOより電気伝導率の大きい金属粒子を使
用する場合には、望ましい体積添加率の領域はより低い
領域にシフトすると予想することができる。
【0021】図2は、複数の圧電素子4が隣接して接着
されている場合の実施例を示しており、接着方法は図1
の場合と同じである。接着剤として嫌気性接着剤を用い
ているので、流動性が制御され、接着剤が圧電素子4の
第2電極42の上面にまでせり上がることはなく、また、
隣り合う圧電素子4の間が電気的に接触して誤動作を発
生することもない。
【0022】
【発明の効果】この発明によれば、導電性基板あるいは
表面に電極層を有する絶縁性基板の上に、センサあるい
はアクチュエータとして使用される圧電素子を導電状態
で接着する圧電素子の接着方法として、接着層の平均厚
さの 0.5倍から3倍の大きさを有する導電性粒子を 0.0
01体積%から10体積%の含有率で含有している絶縁性の
接着剤によって接着するので、この導電性粒子が圧電素
子と導電性基板あるいは基板の電極層とを確実に接続し
て必要な導通状態を形成し、しかも、導電性粒子の体積
含有率が10体積%以下であるから、絶縁性接着剤の大き
な接着強度は維持され、かつ圧電素子の側面に付着して
も上下電極を短絡することはない。
【0023】したがって、必要な導通状態と接着強度が
確保され、工数が増大しない圧電素子の接着方法を提供
することができる。また、絶縁性の接着剤が嫌気性接着
剤であり、導電性粒子が導電性酸化物であるので、空気
からの遮蔽と加熱条件とを制御することによって流動性
が制御でき、エポキシ系接着剤の場合のように圧電素子
の第2電極まで接着剤が回り込むことに伴う障害が発生
することを防止することができ、接着剤を硬化する温度
条件をエポキシ系接着剤の場合ほど厳しく管理する必要
はない。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明による圧電素子の接着方法により基板
に接着した状態を示す断面図
【図2】複数の圧電素子を接着した実施例を示す断面図
【図3】ITO粒子の含有率と抵抗値及び剥離強さの関
係を示す線図
【図4】インクジェット記録ヘッドの構造を示す断面図
【図5】従来技術による圧電素子の接着方法により基板
に接着した状態を示し、(a)は絶縁性接着剤の場合の
断面図、(b)は導電性接着剤の場合の断面図、(c)
は導電性接着剤と絶縁性接着剤との併用の場合の断面図
【図6】図5(a)の場合における導通を説明するため
の説明図
【符号の説明】
1 流路基板 2 振動板 2a 基板 21 電極層 3 ノズル板 4 圧電素子 41 第1電極 42 第2電極 5 接着剤 51 導電性接着剤 6 接触点 7 導電性粒子

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】導電性基板あるいは表面に電極層を有する
    絶縁性基板の上に、センサあるいはアクチュエータとし
    て使用される圧電素子を導電状態で接着する圧電素子の
    接着方法であって、絶縁性の接着剤を基材とし、かつ接
    着層の平均厚さの 0.5倍から3倍の大きさを有する導電
    性粒子を 0.001体積%から10体積%の含有率で含有して
    いる接着剤によって接着することを特徴とする圧電素子
    の接着方法。
  2. 【請求項2】絶縁性の接着剤が嫌気性接着剤であり、導
    電性粒子が導電性酸化物であることを特徴とする請求項
    1に記載の圧電素子の接着方法。
JP13203997A 1997-05-22 1997-05-22 圧電素子の接着方法 Pending JPH10315485A (ja)

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