WO2011007646A1

WO2011007646A1 - 金属板と圧電体との接着構造及び接着方法

Info

Publication number: WO2011007646A1
Application number: PCT/JP2010/060516
Authority: WO
Inventors: 裕樹北山; 英雄中越; 栗原　潔
Original assignee: 株式会社村田製作所
Priority date: 2009-07-17
Filing date: 2010-06-22
Publication date: 2011-01-20
Also published as: JP4771028B2; US8492959B2; US9276194B2; JP5333523B2; CN102473837A; US20130276977A1; CN102473837B; JPWO2011007646A1; US20120091863A1; JP2011179015A

Abstract

【課題】圧電体と金属板との導電性及び接着性に優れた接着構造を提供すること。【解決手段】金属板１と圧電体２の電極３とを導電性接着剤１０で電気的導通性をもって接着した接着構造において、導電性接着剤１０は平均粒径がナノレベルのカーボンブラック１２ａを含み、かつカーボンブラックが平均粒径１μｍ～５０μｍの凝集体１２となるように、無溶剤系又は溶剤系樹脂中に含有されたペースト状である。導電性接着剤１０を金属板と圧電体の電極との間に塗布し、カーボンブラック凝集体１２が変形するように金属板１と圧電体２とを加熱・加圧することにより、導電性接着剤１０を硬化させる。

Description

金属板と圧電体との接着構造及び接着方法

　本発明は圧電マイクロブロアの駆動体などに使用される圧電振動板のように、金属板と圧電体との接着構造及び接着方法に関するものである。

　携帯型電子機器の筐体内部で発生する熱を効果的に放出させるための送風用ブロア、あるいは燃料電池で発電するのに必要な酸素を供給するための送風用ブロアとして、圧電マイクロブロアが知られている（特許文献１参照）。圧電マイクロブロアは、電圧印加により屈曲振動する振動板を用いた一種のポンプであり、構造が簡単で、小型・薄型に構成でき、かつ低消費電力であるという利点がある。

　図１は圧電マイクロブロアに使用される振動板の一例を示す。図１において、金属製のダイヤフラム１の上に表裏面に電極３，４を持つ圧電体（圧電セラミック板）２が接着されている。一方の電極３とダイヤフラム１とは電気的に導通している。ダイヤフラム１と圧電体２の電極４間に所定の交流電圧を印加することにより、振動板全体が屈曲振動し、空気を送り出すことができる。なお、振動板としては、ダイヤフラム１の上に圧電体２を直接接着したものに限らず、ダイヤフラム１の上に別の金属板を接着し、その上に圧電体２を接着したものや、ダイヤフラム１の表裏両面に圧電体２を接着したものなど、種々の形態がある。

　図２（ａ）～（ｃ）は、圧電体２の電極３と金属板１（ダイヤフラム）との接着構造の例を示す。

　図２（ａ）は、導電性補助剤を有しない接着剤５を使用した例であり、圧電体２と金属板１間の接着厚みを極限まで薄層化し、電極３と金属板１との接触（オーミック接触）により導通を図るものである。

　図２（ｂ）は、導電性補助剤としてカーボン球６を接着剤５中に添加し、カーボン球６を介して導電性を得るものである。カーボン球６の直径は例えば２０μｍ程度であり、電極３と金属板１とは直接導通していない。

　図２（ｃ）は導電性補助剤として平均粒径が数十ｎｍのカーボンブラック７を接着剤５中に添加し、圧電体２の電極３と金属板１間の接触による導電性に加えて、カーボンブラック７を介して導電性を得るものである。

　図２（ａ）に示すように、導電性補助剤を有しない接着剤５を使用した場合には、接着後の湿中試験において接着剤が膨潤したとき、抵抗値が上昇する（導電性が低下する）という問題がある。図２（ｂ）のようにカーボン球６を添加した接着剤５を使用した場合には、カーボン球６を起点とするクラックが圧電体２に発生しやすく、しかも接着剤が厚くなり、圧電体２の振動特性を悪化させるという問題がある。また、電極との接触が点接触になるため、又は最も大きな粒子がスペーサとなり小粒径の粒子が導通に寄与しないため、抵抗値が高くなるという問題がある。図２（ｃ）のように微小粒径のカーボンブラック７を使用した場合には、カーボンブラック７の含有量によって接着剤の粘度・チクソ性への影響が大きく、作業性・塗布性に悪影響を及ぼすという問題がある。さらに、接着後の湿中試験において接着剤が膨潤したとき、抵抗値が上昇（導電性が低下）するという問題もある。

　特許文献２には、エネルギー貯蔵素子における活物質層と集電体との間を接着するのに用いられる導電性接着剤が開示されている。この接着剤は、導電材としての炭素粉末（例えばカーボンブラック）と、結着剤としての樹脂と、溶媒としての水を含有するペースト状の導電性接着剤であって、炭素粉末の一次粒子の重量平均粒子径が５ｎｍ～１００ｎｍの範囲であり、炭素粉末の量が炭素粉末と樹脂の合計量に対して５～５０重量％の範囲であり、ペースト状導電性接着剤の含水率が７０～９５重量％の範囲とされている。

　図２（ｄ）に、特許文献２に示す導電性接着剤を使用した接着構造の一例を示す。図２（ｃ）と同様に導電性補助剤としてカーボンブラック７を接着剤５中に添加したものであり、電極３と金属板１とは直接導通せず、カーボンブラック７を介して導電性を得ている。図２（ｃ）より多量のカーボンブラック７が添加されているので、導電性は図２（ｃ）より向上すると考えられる。

　しかしながら、５～１００ｎｍのカーボンブラック７が樹脂中に５～５０重量％もの多量含有されていると、接着剤の粘度やチクソ性が飛躍的に増大し、塗布安定性（塗布量ばらつき、塗布後のレベリング性）に悪影響を及ぼす。そこで、特許文献２では、この問題をペーストに含水（７０～９５重量％）させることで解決している。このため、水を使用しないような反応系（エポキシ樹脂等）では上記課題を解決できない。また、カーボンブラック７の含有量が多い分、樹脂量が相対的に少なくなるため、接着力が低下してしまう。さらに、溶媒として多量の水を含有するため、接着剤が硬化したときポーラス状となり、吸水により接着剤の膨潤が起きやすく、長期的な信頼性が欠けるという問題がある。

ＷＯ２００８／０６９２６６特開２００１－３１６６５５号公報

　本発明は、導電性及び接着性に優れた圧電体と金属板との接着構造及び接着方法を提供することを目的とする。

　前記目的を達成するため、第１の発明は、金属板と、前記金属板と対向する面に電極を有する圧電体と、導電補助剤としてカーボンブラックを含み、前記金属板と圧電体の電極とを電気的導通性をもって接着した導電性接着剤と、を有する接着構造において、硬化前の前記導電性接着剤は、平均粒径がナノレベルのカーボンブラックを含み、かつ当該カーボンブラックが平均粒径１μｍ～５０μｍの凝集体となるように、無溶剤系又は溶剤系樹脂中に含有されたペースト状であり、前記金属板と圧電体の電極との間に前記ペースト状の導電性接着剤を塗布し、前記金属板と圧電体とを加熱・加圧することにより、前記カーボンブラックの凝集体を変形させた状態で前記導電性接着剤を硬化させてなることを特徴とする接着構造を提供する。

　第２の発明は、金属板と、前記金属板と対向する面に電極を有する圧電体とを、導電補助剤としてカーボンブラックを含む導電性接着剤を用いて、前記金属板と圧電体の電極との電気的導通性をもって接着する接着方法において、平均粒径がナノレベルのカーボンブラックを含み、かつ当該カーボンブラックが平均粒径１μｍ～５０μｍの凝集体となるように、無溶剤系又は溶剤系樹脂中に含有されたペースト状の前記導電性接着剤を、前記金属板と圧電体の電極との間に塗布する工程と、前記導電性接着剤を塗布した後、前記金属板と圧電体とを加熱・加圧することにより、前記カーボンブラックの凝集体を変形させた状態で前記導電性接着剤を硬化させる工程と、を含む接着方法を提供する。

　本発明の導電性接着剤は、平均粒径がナノレベルのカーボンブラックを含み、かつ当該カーボンブラックが平均粒径１μｍ～５０μｍの凝集体となるように樹脂中に含有されたペースト状である。凝集体とは、カーボンブラックの一次粒子が分子間力等で結合し、平均粒径１μｍ以上の塊状になったものである。そのため、同量のカーボンブラックが分散状態で樹脂中に含まれる場合に比べて、接着剤の粘度やチクソ性に対する影響を小さくでき、作業性・塗布性が良好となる。凝集体自体には剛性がなく、金属板と圧電体とを加熱・加圧したとき、凝集体はそれらの凹凸に倣うように変形するので、圧電体へのダメージが少なく、かつ接着剤の厚み増加への影響がなく、導電性を付与できる。金属板と圧電体との導通性は、カーボンブラックを介した導通だけでなく、金属板と圧電体の電極との直接接触によっても得ることができるので、高い導通性（低い抵抗値）を得ることができる。

　本発明において平均粒径とは、例えば粒体のＳＥＭ画像をとり、得られた画像を２値化処理して粒体の面積を求め、その面積を円に換算したときの直径で求めることができる。１次粒子も２次粒子もＳＥＭ画像で撮像可能である。

　凝集体の粒径は、１μｍ未満になると、樹脂粘度が飛躍的に増大するので、下限サイズは１μｍがよく、一方、上限サイズが５０μｍを超えると、凝集体の大きさが金属板及び電極の表面の凹凸より大きくなるため、接着剤の厚みを増大させる。そのため、上限サイズは５０μｍとするのがよい。

　本発明の好ましい実施形態では、カーボンブラックが分散状態ではなく、凝集体のまま硬化するので、従来のカーボンブラックを用いた導電性接着剤のように金属板と圧電体の電極とが全面で導通する（等方導電性）のではなく、島状に分散状態で導通させることができる（異方導通性）。つまり、金属板と電極との対向方向には導電性を有するが、平面方向には導電性がない。このような異方導電性構造のため、同量のカーボンブラックを分散状態で含有した場合に比べて、カーボンブラック同士の接触確率は飛躍的に向上し、高い導電性（低い抵抗値）を得ることができる。さらに、圧電体と金属板とを接着したとき、圧電体の周囲に導電性接着剤によるフィレットが形成されるが、そのフィレットの一部が圧電体の上面側電極まで回りこむと、短絡が発生するおそれがある。本発明にかかる導電性接着剤は異方導電性を持つことができるので、このような短絡を確実に防止することができる。

　本発明に係る導電性接着剤としては、無溶剤系又は溶剤系のいずれでもよいが、少なくとも水系の溶媒を用いた導電性接着剤は除外される。無溶剤系は、液状樹脂中にカーボンブラックを添加した導電性接着剤であり、溶剤系は、有機溶剤にポリマーを溶かし、その中にカーボンブラックを添加した導電性接着剤である。無溶剤系樹脂としては例えばエポキシ樹脂があり、溶剤系樹脂としては例えばアクリル樹脂などがある。いずれの場合も、硬化状態でポーラス状にならず、長期的な信頼性でみたときに、吸水による接着剤の膨潤が起きにくく、導電性が低下するという問題がない。

　導電性接着剤に含まれるカーボンブラックの平均粒径はナノレベル、例えば５ｎｍ～３００ｎｍのカーボンブラックである。このカーボンブラックの一次粒子が樹脂中で平均粒径１μｍ～５０μｍの凝集体となるように、樹脂に添加されている。そのため、カーボンブラックが樹脂中で目標とする粒径の凝集体となるように、適切な分散／混練処理を行うのが望ましい。

　金属板と圧電体の電極は、その間の距離が、凝集体の平均粒径より小さくなるように加圧するのが望ましい。つまり、金属板と圧電体との距離を、ペースト状態の導電性接着剤における凝集体の平均粒径より小さくする。これによって、大半の凝集体が金属板と圧電体の電極との間に挟み込まれ、確実な導通性を得ることができる。

　導電性接着剤に含まれる樹脂は、硬化状態での組織が緻密であり、耐候性、耐熱性が高く、接着後の湿中試験においても膨潤しにくい樹脂が好ましい。具体的には、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂などがある。

　導電性接着剤中のカーボンブラックの量は、カーボンブラックと樹脂との合計量に対して１～１０重量％であるのが望ましい。このようにカーボンブラックの含有量が少ないので、接着剤の粘度やチクソ性が低くなり、作業性・塗布性が良好となると共に、カーボンブラックの含有量が少なくても、凝集体を作ることによって良好な導通性を得ることができる。

　以上のように、本発明によれば、カーボンブラックを平均粒径１μｍ～５０μｍの凝集体となるように無溶剤系又は溶剤系樹脂中に添加したペースト状の導電性接着剤を用い、金属板と圧電体の電極との間に導電性接着剤を塗布し、金属板と圧電体とを加熱・加圧することにより導電性接着剤を硬化させたので、凝集体は金属板と圧電体の電極の凹凸に倣うように変形し、圧電体へのダメージが少なく、かつ接着剤の厚み増加への影響がなく、良好な導電性を付与できる。また、カーボンブラックの含有量を少なくしながら良好な導通性が得られるので、樹脂の絶対量を増やすことができ、接着剤の粘度やチクソ性が低くなり、作業性・塗布性が良好となると共に、金属板と圧電体との間の良好な接着力を得ることができる。さらに、樹脂が水を含まないので、硬化状態でポーラスにならず、吸水による接着剤の膨潤が起きにくく、長期的な信頼性が向上する利点がある。

金属板に圧電体を接着した圧電振動板の一例の構造図である。従来の接着構造を示す拡大断面図である。本発明に係る接着構造の加熱・加圧前及び加熱・加圧後の断面図である。（ａ）は凝集体サイズと接着剤粘度との関係を示す図、（ｂ）は凝集体サイズと接着厚みとの関係を示す図である。２枚の金属板を導電性接着剤を使用して接着した場合の導電性を評価するための図である。分散カーボンブラックを添加した場合と、凝集カーボンブラックを添加した場合との粘度・チクソ性、直列抵抗の特性を比較した図である。金属板に中間板を介して圧電体を接着した圧電振動板の他の例の構造図である。

　図３は、本発明の第１実施形態に係る圧電振動板の接着構造を示し、（ａ）は加熱・加圧前、（ｂ）は加熱・加圧後である。図１と同様に、ダイヤフラムなどの金属板１の上に、両面に電極３，４を持つ圧電体２を導電性接着剤１０を介して接着したものである。導電性接着剤１０は、例えばエポキシ樹脂のような無溶剤系樹脂１１の中に、平均粒径５ｎｍ～３００ｎｍ（好ましくは５～１００ｎｍ）のカーボンブラック１２ａを添加したペースト状のものであり、カーボンブラック１２ａの添加量は、カーボンブラック１２ａと樹脂１１との合計量に対して１～１０重量％とされている。カーボンブラック１２ａは樹脂１１中に一次粒子として存在するのではなく、主には平均粒径１μｍ～５０μｍの凝集体１２となるように、樹脂１１中に塊状で存在している。凝集体１２とは、カーボンブラック１２ａの一次粒子が分子間力で結合し、１μｍ以上の大きさになったものである。

　加熱・加圧前の段階では、図３（ａ）に示すように、凝集体１２は樹脂１１中に浮遊した状態にあり、金属板１とも電極３とも接触していない。したがって、金属板１と電極３とは導通していない。導電性接着剤１０中に含まれるカーボンブラック１２ａの含有量が少なく、樹脂１１の量が多いので、接着剤の粘度・チクソ性を低くでき、作業性・塗布性が良好である。

　金属板１と圧電体２とを加熱・加圧すると、図３（ｂ）のように凝集体１２が金属板１及び電極３表面の凹凸に倣うように変形し、金属板１と電極３との間で凝集体１２は挟み込まれる。そのため、金属板１と電極３とが確実に導通する。カーボンブラック１２ａは分散状態ではなく、凝集体１２のまま硬化するので、金属板１と圧電体２の電極３とは島状に複数箇所で導通する（異方導通性）。このような異方導電性の導通構造のため、同量のカーボンブラック１２ａを分散状態で含有した場合に比べて、カーボンブラック１２ａ同士の接触確率は飛躍的に向上し、高い導電性（低い抵抗値）を得ることができる。

　図３の（ｂ）では、金属板１と圧電体２との間の距離ｄを凝集体１２の平均粒径より小さくなるように加圧することで、凝集体１２を介した金属板１と電極３との導通だけでなく、金属板１と電極３同士を直接接触させることもできる。そのため、両者の導電性が一層向上する。なお、金属板１と圧電体２の電極との間の距離ｄは、図３（ｂ）の左右方向の所定長さを抜き取ったときに、金属板１の表面と圧電体２の電極３の表面で囲まれる領域（面積）を所定長さで割ったときの値で求めることができる。すなわち、金属板表面の断面曲線に対する中心線の位置と圧電体電極表面の断面曲線に対する中心線の位置との間隔のことである。

　図４は、凝集体のサイズと接着剤粘度との関係（ａ）と、凝集体のサイズと接着厚みとの関係（ｂ）とを示す。なお、カーボンブラックの含有量を３．０重量％とした。図４の（ａ）から分かるように、凝集体の粒径が１μｍより小さくなると、急激に接着剤の粘度が上昇するため、凝集体の粒径は１μｍ以上とするのがよい。一方、図４の（ｂ）から分かるように、凝集体の粒径が大きくなると、それに伴って接着厚みも増すが、特に５０μｍを超えると、接着厚みの増加率が大きくなり、圧電体の振動が金属板に伝わりにくくなることで商品特性が劣化する。そのため、凝集体の平均粒径は１～５０μｍが望ましい。

　図５は、２枚の金属板２０，２１を導電性接着剤２２を使用して接着した場合の導電性を評価するための図である。評価に当たって、接着剤厚みバラツキを想定し、３μｍの厚みになるように直径３μｍの絶縁スペーサ２３を間にして導電性接着剤２２で接着し、金属板２０，２１間の直列抵抗を測定した。評価結果を表１に示す。なお、接着剤中の成分比率は、カーボンブラック３重量％、エポキシ樹脂９７重量％とした。カーボンブラック（一次粒子）の平均粒径は５０ｎｍ、凝集体の平均粒径は５μｍ、球形カーボンの粒径は３ μｍとした。

　表１から明らかなように、凝集カーボンブラック（本発明）を使用した場合には、カーボンブラックを含有しない場合に比べて直列抵抗が格段に低くなることは勿論、分散カーボンブラックや球形カーボンを使用した場合に比べても抵抗値を１／１０以下に低減できた。つまり、導通性が格段に向上した。

　図６の（ａ），（ｂ）は、分散カーボンブラックを添加した場合と、凝集カーボンブラックを添加した場合との粘度・チクソ性、直列抵抗の特性を比較した図である。（ａ）は、カーボンブラックの添加量と粘度・チクソ性との関係を示す図であり、凝集カーボンブラックでは分散カーボンブラックに比べて、カーボン添加量に対する粘度・チクソ性の変化が小さい。そのため、粘度・チクソ性の許容ラインＬ１を設定した場合、凝集カーボンブラックの方がカーボン添加量を多くできる。また、同じカーボン添加量で比較した場合、凝集カーボンブラックの方が粘度・チクソ性が低くなるので、接着剤塗布工程において、良好な塗布安定性（塗布量ばらつき、塗布後のレベリング性）が得られる。一方、（ｂ）に示すように、カーボンブラックの添加量と直列抵抗とは反比例の関係にあり、所定の許容ラインＬ２を設定した場合、凝集カーボンブラックの方が少ない添加量で所望の抵抗値を得ることができる。つまり、同じ粘度，抵抗値を得ようとしたとき、凝集カーボンブラックの方が添加量を少なくできる。そのため、コストを低減できる。

　以上のように、本発明による接着構造の効果をまとめると、次の通りである。
（ａ）カーボンブラック凝集体が柔軟に変形するため、接着剤の厚み増加への影響が少ない。
（ｂ）加圧接着時にカーボンブラック凝集体が柔軟に変形するため、圧電体へのダメージが少ない。
（ｃ）カーボンブラックが凝集体（塊状）で存在するため、カーボンブラック同士の接触確率が飛躍的に向上し、同量のカーボンブラックが非凝集（一次粒子）の状態で存在する場合に比べて、高い導電効果（異方導電性）を得ることができる。
（ｄ）接着状態において導電性接着剤が異方導電性を有するので、圧電体の周囲に形成されたフィレットの一部が表面側の電極まで回りこんでも、短絡を防止することができる。
（ｅ）湿中試験での接着剤膨潤に対して、カーボンブラック凝集体の柔軟な変形によって対応できるので、導通信頼性が向上する。
（ｆ）カーボンブラックの一次粒子が樹脂中へ分散している状態と比較して、樹脂流動性が高く、大幅に粘度・チクソ性への影響を抑えることができる。

　本発明に係る接着構造は、図１に示すようにダイヤフラム１の上に圧電体２を直接貼り付けた構造に限らず、図７に示すように、ダイヤフラム１の上に金属製の中間板８を貼り付け、その上に圧電体２を貼り付けた構造であってもよい。この場合には、本発明に係る導電性接着剤１０が、ダイヤフラム１と中間板９との間、及び中間板９と圧電体２との間に介在することになるが、上述のように導電性接着剤１０の導電性が高くかつ接着力も優れているので、圧電体２の電極３、中間板９、ダイヤフラム１間の良好な導電性と接着性とを確保できる。

　本発明に係る接着構造において、金属板及び圧電体の形状は任意であり、円板状、四角板状、あるいは円環状であってもよい。本発明にかかる圧電振動板は、空気のような圧縮性流体を輸送する圧電マイクロブロア以外に、圧電ファン、水のような非圧縮性流体を輸送する圧電マイクロポンプ、圧電スピーカー、圧電ブザー、圧電センサー等にも利用することができる。

１　　　　　　ダイヤフラム（金属板）
２　　　　　　圧電体
３，４　　　　電極
１０　　　　　導電性接着剤
１１　　　　　無溶剤系樹脂
１２　　　　　凝集体
１２ａ　　　　カーボンブラック

Claims

　金属板と、前記金属板と対向する面に電極を有する圧電体と、導電補助剤としてカーボンブラックを含み、前記金属板と圧電体の電極とを電気的導通性をもって接着した導電性接着剤と、を有する接着構造において、
　硬化前の前記導電性接着剤は、平均粒径がナノレベルのカーボンブラックを含み、かつ当該カーボンブラックが平均粒径１μｍ～５０μｍの凝集体となるように、無溶剤系又は溶剤系樹脂中に含有されたペースト状であり、
　前記金属板と圧電体の電極との間に前記ペースト状の導電性接着剤を塗布し、前記金属板と圧電体とを加熱・加圧することにより、前記カーボンブラックの凝集体を変形させた状態で前記導電性接着剤を硬化させてなることを特徴とする接着構造。
　前記金属板と圧電体の電極との間の距離が、前記凝集体の平均粒径より小さくなるように、前記金属板と圧電体とが加圧されていることを特徴とする、請求項１に記載の接着構造。
　硬化状態における前記導電性接着剤は異方導電性を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の接着構造。
　前記導電性接着剤中のカーボンブラックの量は、カーボンブラックと樹脂との合計量に対して１～１０重量％であることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の接着構造。
　金属板と、前記金属板と対向する面に電極を有する圧電体とを、導電補助剤としてカーボンブラックを含む導電性接着剤を用いて、前記金属板と圧電体の電極との電気的導通性をもって接着する接着方法において、
　平均粒径がナノレベルのカーボンブラックを含み、かつ当該カーボンブラックが平均粒径１μｍ～５０μｍの凝集体となるように、無溶剤系又は溶剤系樹脂中に含有されたペースト状の前記導電性接着剤を、前記金属板と圧電体の電極との間に塗布する工程と、
　前記導電性接着剤を塗布した後、前記金属板と圧電体とを加熱・加圧することにより、前記カーボンブラックの凝集体を変形させた状態で前記導電性接着剤を硬化させる工程と、を含む接着方法。
　前記金属板と圧電体の電極との間の距離が、前記凝集体の平均粒径より小さくなるように、前記金属板と圧電体とを加圧することを特徴とする、請求項５に記載の接着方法。