JP4800489B2

JP4800489B2 - Method for manufacturing piezoelectric device

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Publication number: JP4800489B2
Application number: JP2001000494A
Authority: JP
Inventors: 真理若林
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2001-01-05
Filing date: 2001-01-05
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2021-01-05
Also published as: JP2002204000A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波モータ、圧電アクチュエータ、および圧電センサ等に用いられる圧電体装置の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電圧を印加することによって機械的振動を得たり、逆に、機械振動を与えることによって電圧を発生させるという圧電体の特徴を活かした圧電体装置は、近年、圧電アクチュエータや圧電センサ、周波数フィルター、音響機器、超音波機器として広く利用されている。中でも、圧電アクチュエータは、モータの微細化、高密度化が可能であるという点で、電磁型モータに代わる新しいモータとして、携帯情報機器分野、ならびに化学、医療分野で注目されている。圧電アクチュエータはその駆動に際して電磁ノイズを発生させず、またノイズの影響も受けない。アクチュエータの条件として、小型、軽量、高出力、良好な制御性、適度な速度と駆動力が求められるが、超音波モータはこれらの要求を満足するアクチュエータの優れた例である。圧電体装置は、上記のアクチュエータやセンサ、フィルタ等の振動部分に用いられており、上記機器の微小化の要求に伴い、圧電体装置自身の微小化も要求されている。先ず、従来の圧電体装置の構成を説明する。
【０００３】
図１０に従来の圧電体装置の構造を示す。アルミ、真鍮、ステンレススチールなどの金属やシリコンなどの基板３と圧電体２より構成されており、この基板３と圧電体２は従来の接合方法による接合層１６を介して接合されている。従来の接合方法による接合層１６とは、有機高分子材料からなる接着剤やろう材を言う。有機高分子材料からなる接着剤には主にエポキシ系樹脂が使用されている。はじめに、基板の接合面に接着剤を塗布し、塗布した面と圧電体を加圧密着させて所望の温度にて接着剤を硬化させて接合をおこなう。
【０００４】
一方、接着剤による接合の他に、金属基板と圧電体をはんだで接合する方法が、特開昭52-10904号公報、特開昭58-99100号公報に提示されている。そのほか、銀ろう付けなどの硬ろう接合法、金、クロム、インジウムなどの多層メタライズ、または、低膨張合金を用いた金属薄膜をろう材としたろう接合法がある。いずれの手法においても、圧電体２には電極が設けられており、電極を通じて交流電圧が印加されるような構成になっている。
【０００５】
上記の説明のように、圧電体装置の基本的構成は圧電体と基板を接着剤で貼り合わせた構造となっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のような構造、製造方法では、以下のような問題点があった。
【０００７】
すなわち、従来のようにエポキシ系樹脂などの接着剤を使用した場合、圧電体より発生した力が伝播する際に接着層で乱反射したり吸収されてしまい、その結果として、振動部の電気的および機械的な性能や信頼性を低下させてしまうだけでなく、圧電体との接着界面における剥離現象も生じさせてしまうという不具合があった。また、より微小な圧電体装置を実現しようとすれば、相対的に接着層の影響は大きくなる。
【０００８】
また、接着性を高めるために、金属を用いた焼結接合やろう付け等の接合方法も行われているが、いずれの場合も高温下での接合が必須となり、圧電体と基板の熱膨張の差より接着後に圧電体装置の基板に反りが発生してしまうという問題がある。
【０００９】
そこで、本発明は、これらの問題点を解決して特性の向上、安定した圧電体装置の製造方法および装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は圧電体との接合面に金属膜を形成した基板と、基板との接合面に金属膜を形成した圧電体を接合するときに、圧電体に電圧を印加して圧電体自身を振動させて超音波振動エネルギーから接合の駆動力を得ることとした。
【００１１】
また、基板および圧電体の接合面に形成する金属膜として、AuまたはAuを主成分とする膜を形成した。そしてAuまたはAuを主成分とする膜を形成した圧電体に対して、電圧を印加し圧電体自身を振動させるとともに、基板と圧電体に荷重をかけて接合することとした。
【００１２】
また、基板の接合面に形成する金属膜として、AuまたはAuを主成分とする膜を形成し、圧電体の接合面に形成する金属膜として、はんだを主成分とする膜を形成した。そして圧電体に対して電圧を印加し圧電体自身を振動させるとともに、基板と圧電体に荷重をかけて接合することとした。
【００１３】
【発明の実施の形態】
上記課題を解決するために、本発明は、基板上に圧電体が設けられた圧電体装置の製造方法において、接合面に金属膜を形成した基板と、接合面に金属膜を形成した圧電体を接合するときに、圧電体に電圧をかけて圧電体を振動させるとともに接合をおこなうこととした。
【００１４】
これは、圧電体層と基板の夫々の接合面に金属膜を形成することにより、異種材料間の接合を可能としただけでなく、圧電体自身を振動させることにより振動エネルギーを利用して従来の金属膜の圧接接合に比べて低温で接合できる。振動エネルギーの効果により、基板および圧電体の熱膨張が抑制されるため接合後の反りの問題を解消することができる。また、両層の接合界面に拡散結合するような金属や、お互い金属間化合物を形成するような金属を介在させることにより、基板と圧電体層との密着性を高めることができる。金属原子同士の化学的結合を有するため、有機高分子材料を主成分とする接着剤に比べて十分な強度を持った接合が可能である。したがって接合層で生じていた圧電振動の吸収、乱反射が起こりにくくなる。
【００１５】
また、基板の接合面にメタライズされたAuまたはAuを主成分とする膜が形成されており、圧電体の接合面にメタライズされたAuまたはAuを主成分とする膜が形成されており、基板と圧電体を圧接接合によって接合することとした。
【００１６】
また、基板の接合面にメタライズされたAuまたはAuを主成分とする膜が形成されており、圧電体の接合面にメタライズされたはんだを主成分とする膜が形成されており、基板と圧電体を圧接接合によって接合することとした。
【００１７】
本発明によれば、接合工程において、基板と圧電体を加圧しつつ、加熱すると、ＡｕおよびＰｂ−ＳｎはんだのＳｎが共晶反応を生じて溶解（溶融）する。この場合、少なくともＡｕめっきおよびＰｂ−Ｓｎはんだめっきは、Ｈ₂ガスおよび水分を多量に含んでおり、加熱によりこれらのガスが泡となってＡｕ‐Ｓｎ融液から加熱雰囲気内に放出される。このガス放出の際、泡がＡｕ‐Ｓｎ融液を攪拌し、Ａｕ‐Ｓｎ融液に残留している汚染物質を分解破壊するので、Ａｕ‐Ｓｎ融液は完全に一体化する。ここで接合時に圧電体に外部電圧を印加して振動させることにより、振動のエネルギーが接合時に補足されＨ₂ガスおよび水分の放出が促進される。よって、Ｈ₂ガスの影響により接合面が剥離したり、圧電体が破壊したりする問題が解消されるので装置の信頼性向上に繋がる。
【００１８】
また、本発明によれば、基板と圧電体との間に金属膜を介して金属接合により両者を接合する。このとき金属膜としてＡｕ層を用い、Ａｕの拡散現象を利用して接合することができる。接合工程では加圧しつつ、加熱するとＡｕ同士が接合界面で互いに拡散する。しながら接合表面に形成された金属膜同士の反応を促すために必要なエネルギーを、温度や圧力だけでなく、圧電体自身の振動エネルギーから補充することにより、より低加圧、低温の条件で接合することができる。その上、発生する超音波により熱膨張を吸収することができるため材質の異なる基板（金属など）と圧電体（セラミック）の熱膨張差を少なくする効果がある。
（実施例１）
本発明の実施例１を図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１は、実施例１の製造方法により作製した圧電体装置の縦断面図である。予め接合面にAu層１をメタライジングした基板３上に同じく接合面にAu層１をメタライジングした圧電体２が設けられている。基板３と圧電体２は圧電体２に電圧をかけて振動させると同時に接合される。
【００２０】
図１０に示した従来の圧電体装置と比較して、圧電体自身を振動させることにより、その振動エネルギーを接合に利用しているため、金属薄膜をろう材としたろう接合に比べて低温加熱で圧接接合することが可能である。また、基板と圧電体層の間に接着剤を用いず、ＡｕとＡｕの金属拡散を利用した金属膜の層を介しているため、接合層において圧電体の振動が妨げられる可能性は少ない。しかも、金属材料の基板との親和力が高いため従来の接着剤に比べて密着性が良い。
本発明の実施例１における圧電体装置の製造方法を図８、を用いて説明する。圧電体装置の製造方法の工程を表す模式図を図８に示す。
【００２１】
はじめに、チタン酸ジルコン酸鉛（以下ＰＺＴと称する）よりなる圧電体２の接合面にＡｕのメタライズをおこなう。圧電体の両面には、予め蒸着、あるいはスパッタ法により電極が形成されている。電極はおよそ１０００Åの厚みのＡｕからなり、基板との密着性を良くするため中間層に、厚みがおよそ５００Å（オングストローム）のNi層４と、Ｃｒ層５が形成されている。このＰＺＴの接合面に新しくＡｕのめっき層を形成する。Ａｕ層１のメタライズは電解めっき法によりおよそ１０〜１８ｍＡ／ｃｍ²の定電流電解を１０〜３０分間おこない、厚み1〜5μｍのAu層１を得た。次に基板３の接合表面にＡｕのメタライズをおこなう。ここでは、厚みが０．３〜１ｍｍのアルミを基板に用いた。基板３を洗浄した後、ジンケート処理をおこない、密着改善層として中間層に厚み約５００ÅのＮｉ層４を無電解めっき法により形成した。Ｎｉ層４を形成した基板３を２００〜４００℃で３０分〜1時間の条件下でＡｒガスなどの不活性ガス雰囲気中で熱処理した。次に1〜３μｍのＡｕ層１を電解めっき法により形成した。
【００２２】
次にメタライズした基板３と圧電体２を接合する。接合する際に圧電体２には外部電圧を印加して３０〜５０ｋＨｚの超音波振動を発生させ、この振動を利用して基板３と接合する。接合の条件は荷重５〜１５ｋｇｆ、加熱温度１５０〜３００℃、圧着時間５〜３０秒間とした。圧電体２に振動を発生させるために、熱圧着機の圧着ヘッドと、圧電体２の電極部分から導通を取り、加圧密着されると同時に基板３と圧電体２に振動が伝播できるようにした。振動のエネルギーを利用することにより、ＡｕとＡｕの金属拡散結合を促進させる効果が得られるため、通常の拡散結合より低温で接合することができた。
（実施例２）
本発明の実施例２を図面に基づいて説明する。
【００２３】
図２は、実施例２の製造方法により作製した圧電体装置の縦断面図である。予め接合面にAu層１をメタライジングした基板３上に同じく接合面にはんだ膜をメタライジングした圧電体２が設けられている。基板３と圧電体２は圧電体に電圧をかけて振動させると同時に接合される。
【００２４】
図１０に示した従来の圧電体装置と比較して、圧電体自身を振動させることにより、その振動エネルギーを接合に利用しているため、金属薄膜をろう材としたろう接合に比べて低温過熱で圧接接合することが可能である。しかも振動エネルギーによりＨ₂ガスや水分の放出が促進されるため、接合面の剥離、圧電体の破損などの問題が低減され装置の信頼性も上がる。また、基板３と圧電体２の間に接着剤を用いず、ＡｕとＰｂ-ＳｎはんだのＡｕとＳｎの共晶反応を利用した金属膜の層を介しているため、接合層において圧電体の振動が妨げられる可能性は少ない。しかも、金属材料の基板との親和力が高いため従来の接着剤に比べて密着性が良い。
【００２５】
本発明の実施例２における圧電体装置の製造方法を図９を用いて説明する。圧電体装置の製造方法の工程を表す模式図を図９に示す。
【００２６】
はじめに、ＰＺＴよりなる圧電体２の表面にＰｂ−Ｓｎはんだのメタライズをおこなう。圧電体２には、予め蒸着、あるいはスパッタ法により電極が形成されている。電極はおよそ１０００Åの厚みのＡｕからなり、基板との密着性を良くするため中間層に、厚みがおよそ５００ÅのＮｉ層４と、Ｃｒ層５が形成されている。このＰＺＴの接合面に新しくＰｂ−Ｓｎはんだのめっき層を形成する。Ｐｂ−Ｓｎはんだのメタライズは電解めっき法によりおよそ２０ｍＡ／ｃｍ²の定電流電解を１０〜３０分間おこない、厚み1〜5μｍのＰｂ−Ｓｎはんだ層７を得た。次に基板３の接合表面にＡｕのメタライズをおこなう。ここでは、基板に厚みが０．３〜１ｍｍのアルミを用いた。基板３を洗浄した後、ジンケート処理をおこない、密着改善層として中間層に厚み約５００ÅのＮｉ層４を無電解めっき法により形成した。Ｎｉ層４を形成した基板を２００〜４００℃で３０分〜1時間の条件下で不活性ガス雰囲気中で熱処理した。次に1〜３μｍのＡｕ層１を電解めっき法により形成した。
【００２７】
次にメタライズした基板と圧電体を接合する。接合する際に圧電体には外部電圧を印加して３０〜５０ｋＨｚの超音波振動を発生させ、この振動を利用して基板３と接合する。接合の条件は荷重５〜１５ｋｇｆ、加熱温度１３０〜２００℃、圧着時間５〜３０秒間とした。圧電体２に振動を発生させるために、熱圧着機の圧着ヘッドと、圧電体２の電極部分から導通を取り、加圧密着されると同時に基板３と圧電体２に振動が伝播できるようにした。振動のエネルギーを利用することにより、ＡｕとＰｂ−ＳｎはんだのＡｕとＳｎの共晶反応を促進させる効果が得られるため、通常より低温で接合することができた。
【００２８】
実施例１、および実施例２ではアルミ基板を用いたが、アルミニウム以外の基板（銅、真鍮、鉄、ステンレススチール）の接合表面にＡｕのメタライズをおこなう場合も同様に、密着改善層として中間層に厚み約５００ÅのＮｉ層４を形成し、次に厚み1〜３μｍのＡｕ層１を形成する。Ｎｉ層４およびＡｕ層１の形成は、めっき法に限らずスパッタ法、あるいは蒸着法によって形成しても良い。
【００２９】
次に、実施例１、および実施例２の製造方法を用いて作製した圧電体装置を超音波モータの振動部分に用いた。その特性について説明する。
【００３０】
この発明による圧電体装置を振動部分に用いた超音波モータの基本構造を図１１に示す。また、実施例1により作製した振動部分の構造を図１２に、実施例２により作製した振動部分の構造を図１３に示す。本発明の製造方法により接合された金属膜の層１７を介して圧電体２が設けられた振動体８は金属などからなる弾性部材で作製されており、中心軸１３に打ち込みなどにより支持されている。さらに、移動体９は、この中心軸１３が案内として組み込まれ、上方にある加圧ばね１２により振動体８に加圧接触するように配置されている。ここで２本のリード線１４に時間的位相がほぼ９０°異なる信号を印加することによって、圧電体２と振動体８は屈曲運動による機械的進行波を発生し、振動体８に加圧接触させた移動体９が回転運動する構成である。実際に本発明の圧電体装置の構成を持つ超音波モータを製作した。モータの径は４．５mmφとし、振動体８の材質にはアルミを用いた。振動体８の形状は、ＮＣ旋盤により丸棒原料を加工することで振動体８の形状は形成され、煽動面も切削加工で仕上げられている。摩擦材１０の材質はカーボンファイバを含有した複合プラスチックを用いた。
【００３１】
実施例１、および実施例２の製造方法を用いて作製された超音波モータの特性を以下に示す。図３に従来の接合方法によって構成された振動体を備えた超音波モータのアドミッタンス特性を示し、図４に本実施例の製造方法により作製した超音波モータのアドミッタンス特性を示す。ただし、これら図に示したアドミッタンス特性は移動体を取り外した状態、すなわち、振動体が上下方向に対してフリーな状態で測定したものである。対象としたモータ仕様の概略を以下の表１に示す。
【００３２】
【表１】

【００３３】
図３では、主共振点以外でのスプリアス振動が見られるのに対して、図４では機械的Ｑ値が高く、主共振点以外でのスプリアス振動が見られない。
【００３４】
これらのアドミッタンス特性において、スプリアス振動は境界面での力の乱反射に起因する現象であり、Ｑ値は力が伝播する際の減衰の度合いを示すものであるから、本発明によるアクチュエータは従来型のアクチュエータと比較して、大きく性能向上していることが判明する。
【００３５】
図５は本発明にかかる製造方法により作製された進行性超音波モータの周波数−回転数特性を示す図表である。駆動電圧は正弦波形で約６Ｖp-p 、振動体８への移動体９の加圧力は約１０ｇｆでの特性である。
【００３６】
本発明の製造方法によれば、回転周波数領域も比較的広く、最大回転数も６０００ｒｐｍ以上と高速なことから、中速〜高速領域における超音波モータの適用も可能であり、本発明の有効性を示すものである。
【００３７】
つぎに、この超音波モータを駆動させた場合のトルク性能、および耐久性を調査した。図６に超音波モータのトルク性能を示す効率の測定結果を示し、図７に耐久性についての測定結果を示す。図中の（ａ）は本発明にかかる製造方法により作製した振動部分を有する超音波モータの測定結果を表し、（ｂ）は従来例による振動部分を有する超音波モータの測定結果を表している。これらの結果から明らかなように、効率および耐久性ともに、本発明による振動部分の構造を有する超音波モータは従来法に比べ明らかに優れている。すなわち、本発明にかかる製造方法により作製した振動部分の構成によれば、径小薄型な超音波モータにおいても高効率化が実現できるようになると言える。
【００３８】
なお、実施例ではＰＺＴ系圧電体の組成を純粋な二成分系としたが、圧電特性を向上させるために、例えば、マグネシウムニオブ酸鉛−ジルコン酸鉛−チタン酸鉛のような三成分系にしたり、また、耐電圧向上のために鉄、経時変化を小さくする目的でクロム、強度向上のためにアンチモンのような添加物を加えても良い。
【００３９】
なお、圧電振動子を利用した超音波モータについては定在波方式と進行波方式が考えられるが、本発明にかかる振動部分の構造はいずれの方式においても利用することができる。
【００４０】
【発明の効果】
この発明によれば、接合面に金属膜を設けた基板と同じく接合面に金属膜を設けた圧電体を加熱しながら圧接接合するときに、圧電体に電圧をかけて圧電体自身の振動エネルギーを利用して接合する。そのため、従来の有機高分子材料からなる接着剤を用いず接合できるだけでなく、金属薄膜をろう材としてろう接合するよりも低温で接合することができる。
【００４１】
本発明にかかる製造方法により、接着剤による圧電特性の劣化を減少できる圧電体装置を作成することができた。しかも、従来のＡｕ−Ａｕによる拡散接合やＡｕ−Ｐｂ−Ｓｎはんだ接合に比べてより低温で強固な接合ができた。本発明にかかる製造方法により作製した圧電体装置を超音波モータの振動部分に用いることにより、モータの効率、および耐久性を向上させることができる。特に、マイクロマシンのような微小構造の駆動源として電気的および機械的性能を向上させ、信頼性を高めることができる。また、金属間結合を利用することにより、金属材料からなる基板との密着性をあげるだけでなく、強度を向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１により作製した圧電体装置の縦断面図。
【図２】本発明の実施例２により作製した圧電体装置の縦断面図。
【図３】従来の超音波モータの特性を表す図表。
【図４】本発明に係る超音波モータの特性を表す図表。
【図５】本発明に係る超音波モータの周波数−回転特性を表す図表。
【図６】本発明に係る超音波モータの効率を表す図表。
【図７】本発明に係る超音波モータの耐久性を表す図表。
【図８】本発明の実施例１の製造工程を表す模式図。
【図９】本発明の実施例２の製造工程を表す模式図。
【図１０】従来の製造方法による圧電体装置の構造を示す概略図。
【図１１】本発明の製造方法により作製した超音波モータの縦断面図。
【図１２】実施例1により作製した超音波モータの振動部分の概略図。
【図１３】実施例２により作製した超音波モータの振動部分の概略図。
【符号の説明】
１Ａｕ層
２圧電体
３基板
４Ｎｉ層
５Ｃｒ層
６上部電極
７Ｐｂ−Ｓｎはんだ層
８振動体
９移動体（ロータ）
１０摩擦材
１１固定台
１２加圧ばね
１３中心軸
１４リード線
１５ステータ
１６従来の接着層
１７本発明の接合方法により接合された金属の膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic motor, a piezoelectric actuator, and manufacturing how piezoelectric equipment used in a piezoelectric sensor or the like.
[0002]
[Prior art]
Piezoelectric devices that take advantage of the characteristics of piezoelectric bodies to obtain mechanical vibration by applying voltage, or conversely to generate voltage by applying mechanical vibration, have recently been developed as piezoelectric actuators, piezoelectric sensors, frequency filters, Widely used as acoustic equipment and ultrasonic equipment. Above all, the piezoelectric actuator is attracting attention in the field of portable information equipment, as well as in the chemistry and medical fields as a new motor that replaces the electromagnetic motor in that the motor can be miniaturized and densified. The piezoelectric actuator does not generate electromagnetic noise when driven, and is not affected by noise. As conditions for the actuator, small size, light weight, high output, good controllability, moderate speed and driving force are required. An ultrasonic motor is an excellent example of an actuator that satisfies these requirements. Piezoelectric devices are used in vibrating parts such as the actuators, sensors, and filters described above, and the miniaturization of the piezoelectric device itself is required with the demand for miniaturization of the devices. First, the configuration of a conventional piezoelectric device will be described.
[0003]
FIG. 10 shows the structure of a conventional piezoelectric device. The substrate 3 is composed of a metal 3 such as aluminum, brass, stainless steel, or silicon, and the piezoelectric body 2, and the substrate 3 and the piezoelectric body 2 are bonded via a bonding layer 16 by a conventional bonding method. The joining layer 16 by the conventional joining method means the adhesive agent and brazing material which consist of organic polymer materials. Epoxy resins are mainly used for adhesives made of organic polymer materials. First, an adhesive is applied to the bonding surface of the substrate, the applied surface and the piezoelectric body are pressed and adhered, and the adhesive is cured at a desired temperature to perform bonding.
[0004]
On the other hand, in addition to bonding with an adhesive, methods for bonding a metal substrate and a piezoelectric body with solder are proposed in Japanese Patent Laid-Open Nos. 52-10904 and 58-99100. In addition, there are a brazing method using a brazing material such as a hard brazing method such as silver brazing, a multi-layer metallization such as gold, chromium and indium, or a metal thin film using a low expansion alloy. In any method, the piezoelectric body 2 is provided with an electrode, and an AC voltage is applied through the electrode.
[0005]
As described above, the basic structure of the piezoelectric device has a structure in which the piezoelectric body and the substrate are bonded together with an adhesive.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional structure and manufacturing method have the following problems.
[0007]
That is, when an adhesive such as an epoxy resin is used as in the prior art, when the force generated from the piezoelectric body propagates, it is diffusely reflected or absorbed by the adhesive layer. In addition to lowering the mechanical performance and reliability, there is a problem in that a peeling phenomenon occurs at the adhesive interface with the piezoelectric body. In addition, if a smaller piezoelectric device is to be realized, the influence of the adhesive layer is relatively increased.
[0008]
In addition, in order to improve adhesion, joining methods such as sintered joining and brazing using metals are also performed, but in any case, joining at high temperature is essential, and the thermal expansion of the piezoelectric body and the substrate Due to the difference, there is a problem that the substrate of the piezoelectric device is warped after bonding.
[0009]
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a method and an apparatus for manufacturing a piezoelectric device that solves these problems, improves characteristics, and is stable.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention applies a voltage to a piezoelectric body when bonding a substrate having a metal film on the bonding surface with the piezoelectric body and a piezoelectric body having a metal film formed on the bonding surface with the substrate. The piezoelectric body itself was vibrated and applied to obtain a driving force for bonding from ultrasonic vibration energy.
[0011]
In addition, Au or a film mainly composed of Au was formed as a metal film formed on the bonding surface of the substrate and the piezoelectric body. Then, a voltage is applied to the piezoelectric body on which Au or a film containing Au as a main component is applied to vibrate the piezoelectric body itself, and the substrate and the piezoelectric body are bonded under a load.
[0012]
In addition, Au or a film mainly composed of Au was formed as a metal film formed on the bonding surface of the substrate, and a film mainly composed of solder was formed as the metal film formed on the bonding surface of the piezoelectric body. Then, a voltage was applied to the piezoelectric body to vibrate the piezoelectric body itself, and the substrate and the piezoelectric body were bonded under a load.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In order to solve the above-described problems, the present invention provides a method of manufacturing a piezoelectric device in which a piezoelectric body is provided on a substrate, and a substrate having a metal film formed on a bonding surface and a piezoelectric body having a metal film formed on the bonding surface. When bonding, a voltage was applied to the piezoelectric body to vibrate the piezoelectric body and to perform bonding.
[0014]
This is because not only enables bonding between different materials by forming a metal film on each bonding surface of the piezoelectric layer and the substrate, but also makes use of vibration energy by vibrating the piezoelectric body itself. Compared with the pressure welding of metal films, bonding can be performed at a low temperature. Due to the effect of vibration energy, the thermal expansion of the substrate and the piezoelectric body is suppressed, so that the problem of warping after bonding can be solved. In addition, the adhesion between the substrate and the piezoelectric layer can be enhanced by interposing a metal that diffuses and bonds to the bonding interface between the two layers or a metal that forms an intermetallic compound. Since there is a chemical bond between metal atoms, bonding with sufficient strength is possible compared to an adhesive mainly composed of an organic polymer material. Therefore, the absorption and irregular reflection of the piezoelectric vibration generated in the bonding layer are less likely to occur.
[0015]
Further, a metallized Au or Au-based film is formed on the bonding surface of the substrate, and a metallized Au or Au-based film is formed on the piezoelectric bonding surface. And the piezoelectric body were joined by pressure welding.
[0016]
Also, a metallized Au or Au-based film is formed on the bonding surface of the substrate, and a metallized solder-based film is formed on the bonding surface of the piezoelectric body. The bodies were joined by pressure welding.
[0017]
According to the present invention, when the substrate and the piezoelectric body are heated while being pressed in the bonding step, the Au and Sn of the Pb—Sn solder cause a eutectic reaction and melt (melt). In this case, at least Au plating and Pb—Sn solder plating contain a large amount of H ₂ gas and moisture, and these gases are bubbled by heating and released from the Au—Sn melt into the heating atmosphere. During the gas release, the bubbles stir the Au—Sn melt and decompose and destroy the contaminants remaining in the Au—Sn melt, so that the Au—Sn melt is completely integrated. Here, by applying an external voltage to the piezoelectric body at the time of bonding to vibrate, the energy of vibration is captured at the time of bonding, and the release of H ₂ gas and moisture is promoted. Therefore, problems such as peeling of the joint surface or destruction of the piezoelectric body due to the influence of H ₂ gas are solved, leading to improvement in the reliability of the apparatus.
[0018]
Moreover, according to this invention, both are joined by metal joining via a metal film between a board | substrate and a piezoelectric material. At this time, an Au layer can be used as the metal film, and bonding can be performed by utilizing the Au diffusion phenomenon. In the bonding step, Au is diffused at the bonding interface when heated while being pressurized. However, by replenishing the energy required to promote the reaction between the metal films formed on the bonding surface not only from the temperature and pressure, but also from the vibration energy of the piezoelectric body itself, under conditions of lower pressure and lower temperature. Can be joined. In addition, since thermal expansion can be absorbed by the generated ultrasonic waves, there is an effect of reducing the difference in thermal expansion between a substrate (metal, etc.) and a piezoelectric body (ceramic) of different materials.
Example 1
A first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0019]
1 is a longitudinal sectional view of a piezoelectric device manufactured by the manufacturing method of Example 1. FIG. A piezoelectric body 2 having the Au layer 1 metallized on the bonding surface is provided on a substrate 3 having the Au layer 1 metallized on the bonding surface in advance. The substrate 3 and the piezoelectric body 2 are bonded at the same time as the piezoelectric body 2 is vibrated by applying a voltage.
[0020]
Compared with the conventional piezoelectric device shown in FIG. 10, the vibration energy is utilized for bonding by vibrating the piezoelectric body itself, so that it is heated at a lower temperature than brazing using a metal thin film as a brazing material. It is possible to press-weld with. In addition, since no adhesive is used between the substrate and the piezoelectric layer and a metal film layer using metal diffusion of Au and Au is interposed, there is little possibility that the vibration of the piezoelectric body is hindered in the bonding layer. In addition, since the affinity of the metal material with the substrate is high, it has better adhesion than conventional adhesives.
A method of manufacturing the piezoelectric device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a schematic diagram showing the steps of the method for manufacturing the piezoelectric device.
[0021]
First, Au metallization is performed on the bonding surface of the piezoelectric body 2 made of lead zirconate titanate (hereinafter referred to as PZT). Electrodes are previously formed on both surfaces of the piezoelectric body by vapor deposition or sputtering. The electrode is made of Au having a thickness of about 1000 mm, and an Ni layer 4 and a Cr layer 5 having a thickness of about 500 mm (angstrom) are formed in the intermediate layer in order to improve the adhesion to the substrate. A new Au plating layer is formed on the bonding surface of the PZT. The metallization of the Au layer 1 was carried out by constant current electrolysis of about 10 to 18 mA / cm ² for 10 to 30 minutes by an electrolytic plating method to obtain an Au layer 1 having a thickness of 1 to 5 μm. Next, Au metallization is performed on the bonding surface of the substrate 3. Here, aluminum having a thickness of 0.3 to 1 mm was used for the substrate. After washing the substrate 3, a zincate treatment was performed, and an Ni layer 4 having a thickness of about 500 mm was formed as an adhesion improving layer on the intermediate layer by an electroless plating method. The substrate 3 on which the Ni layer 4 was formed was heat-treated in an inert gas atmosphere such as Ar gas at 200 to 400 ° C. for 30 minutes to 1 hour. Next, a 1 to 3 μm Au layer 1 was formed by electrolytic plating.
[0022]
Next, the metallized substrate 3 and the piezoelectric body 2 are joined. When bonding, an external voltage is applied to the piezoelectric body 2 to generate an ultrasonic vibration of 30 to 50 kHz, and the vibration is used to bond to the substrate 3. The bonding conditions were a load of 5 to 15 kgf, a heating temperature of 150 to 300 ° C., and a pressure bonding time of 5 to 30 seconds. In order to generate vibration in the piezoelectric body 2, conduction is made from the pressure bonding head of the thermocompression bonding machine and the electrode portion of the piezoelectric body 2 so that vibration can propagate to the substrate 3 and the piezoelectric body 2 at the same time as being pressed and adhered. did. Since the effect of promoting the metal diffusion bonding between Au and Au can be obtained by utilizing the energy of vibration, the bonding can be performed at a temperature lower than that of normal diffusion bonding.
(Example 2)
A second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0023]
2 is a longitudinal sectional view of a piezoelectric device manufactured by the manufacturing method of Example 2. FIG. A piezoelectric body 2 in which a solder film is also metallized on the joint surface is provided on a substrate 3 that has been previously metallized with an Au layer 1 on the joint surface. The substrate 3 and the piezoelectric body 2 are bonded at the same time when a voltage is applied to the piezoelectric body to vibrate.
[0024]
Compared with the conventional piezoelectric device shown in FIG. 10, since the vibration energy is utilized for bonding by vibrating the piezoelectric body itself, it is heated at a lower temperature than brazing using a metal thin film as a brazing material. It is possible to press-weld with. In addition, since the release of H ₂ gas and moisture is promoted by vibration energy, problems such as separation of the joint surface and breakage of the piezoelectric body are reduced, and the reliability of the apparatus is improved. Further, since no adhesive is used between the substrate 3 and the piezoelectric body 2 and a metal film layer using the eutectic reaction of Au and Pb—Sn solder Au and Sn is interposed, There is little possibility that vibration will be disturbed. In addition, since the affinity of the metal material with the substrate is high, it has better adhesion than conventional adhesives.
[0025]
A method of manufacturing the piezoelectric device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a schematic diagram showing the steps of the method for manufacturing the piezoelectric device.
[0026]
First, metallization of Pb—Sn solder is performed on the surface of the piezoelectric body 2 made of PZT. Electrodes are previously formed on the piezoelectric body 2 by vapor deposition or sputtering. The electrode is made of Au having a thickness of about 1000 mm, and an Ni layer 4 and a Cr layer 5 having a thickness of about 500 mm are formed in the intermediate layer in order to improve adhesion to the substrate. A Pb—Sn solder plating layer is newly formed on the joint surface of the PZT. Pb—Sn solder metallization was carried out by electrolytic plating at a constant current of about 20 mA / cm ² for 10 to 30 minutes to obtain a Pb—Sn solder layer 7 having a thickness of 1 to 5 μm. Next, Au metallization is performed on the bonding surface of the substrate 3. Here, aluminum having a thickness of 0.3 to 1 mm was used for the substrate. After washing the substrate 3, a zincate treatment was performed, and an Ni layer 4 having a thickness of about 500 mm was formed as an adhesion improving layer on the intermediate layer by an electroless plating method. The substrate on which the Ni layer 4 was formed was heat-treated in an inert gas atmosphere at 200 to 400 ° C. for 30 minutes to 1 hour. Next, a 1 to 3 μm Au layer 1 was formed by electrolytic plating.
[0027]
Next, the metallized substrate and the piezoelectric body are bonded. When joining, an external voltage is applied to the piezoelectric body to generate ultrasonic vibration of 30 to 50 kHz, and the vibration is used to join the substrate 3. The bonding conditions were a load of 5 to 15 kgf, a heating temperature of 130 to 200 ° C., and a pressure bonding time of 5 to 30 seconds. In order to generate vibration in the piezoelectric body 2, conduction is made from the pressure bonding head of the thermocompression bonding machine and the electrode portion of the piezoelectric body 2 so that vibration can propagate to the substrate 3 and the piezoelectric body 2 at the same time as being pressed and adhered. did. Since the effect of promoting the eutectic reaction of Au and Sn of Au and Pb—Sn solder can be obtained by utilizing the energy of vibration, it was possible to join at a lower temperature than usual.
[0028]
In Example 1 and Example 2, an aluminum substrate was used. However, when Au metallization is performed on the bonding surface of a substrate other than aluminum (copper, brass, iron, stainless steel), the intermediate layer is also used as an adhesion improving layer. Then, an Ni layer 4 having a thickness of about 500 mm is formed, and then an Au layer 1 having a thickness of 1 to 3 μm is formed. The formation of the Ni layer 4 and the Au layer 1 is not limited to the plating method, and may be formed by a sputtering method or a vapor deposition method.
[0029]
Next, the piezoelectric device manufactured using the manufacturing method of Example 1 and Example 2 was used for the vibration part of the ultrasonic motor. The characteristics will be described.
[0030]
FIG. 11 shows the basic structure of an ultrasonic motor using the piezoelectric device according to the present invention for the vibrating portion. Further, FIG. 12 shows the structure of the vibration part produced in Example 1, and FIG. 13 shows the structure of the vibration part produced in Example 2. The vibrating body 8 provided with the piezoelectric body 2 through the metal film layer 17 bonded by the manufacturing method of the present invention is made of an elastic member made of metal or the like, and is supported on the central shaft 13 by driving or the like. Yes. Further, the movable body 9 is arranged such that the central shaft 13 is incorporated as a guide and is pressed against the vibrating body 8 by the pressure spring 12 located above. Here, by applying a signal having a temporal phase difference of approximately 90 ° to the two lead wires 14, the piezoelectric body 2 and the vibrating body 8 generate a mechanical traveling wave due to a bending motion, and are in pressure contact with the vibrating body 8. The movable body 9 is configured to rotate. An ultrasonic motor having the configuration of the piezoelectric device of the present invention was actually manufactured. The diameter of the motor was 4.5 mmφ, and the vibrating body 8 was made of aluminum. As for the shape of the vibrating body 8, the shape of the vibrating body 8 is formed by processing a round bar material with an NC lathe, and the sliding surface is also finished by cutting. The material of the friction material 10 was a composite plastic containing carbon fiber.
[0031]
The characteristics of the ultrasonic motor manufactured using the manufacturing method of Example 1 and Example 2 are shown below. FIG. 3 shows the admittance characteristics of the ultrasonic motor provided with the vibrator configured by the conventional joining method, and FIG. 4 shows the admittance characteristics of the ultrasonic motor manufactured by the manufacturing method of this embodiment. However, the admittance characteristics shown in these figures are measured with the moving body removed, that is, with the vibrating body free in the vertical direction. Table 1 below shows an outline of the target motor specifications.
[0032]
[Table 1]

[0033]
In FIG. 3, spurious vibrations other than the main resonance point are observed, whereas in FIG. 4, the mechanical Q value is high, and no spurious vibrations other than the main resonance point are observed.
[0034]
In these admittance characteristics, spurious vibration is a phenomenon caused by diffuse reflection of force at the boundary surface, and the Q value indicates the degree of attenuation when the force propagates. Therefore, the actuator according to the present invention is a conventional type. It turns out that the performance is greatly improved compared to the actuator.
[0035]
FIG. 5 is a chart showing frequency-rotational speed characteristics of a progressive ultrasonic motor manufactured by the manufacturing method according to the present invention. The driving voltage has a characteristic of a sinusoidal waveform of about 6 Vp-p, and the applied pressure of the moving body 9 to the vibrating body 8 is about 10 gf.
[0036]
According to the manufacturing method of the present invention, since the rotation frequency range is relatively wide and the maximum rotation speed is as high as 6000 rpm or higher, it is possible to apply an ultrasonic motor in a medium speed to high speed range. Is shown.
[0037]
Next, the torque performance and durability when this ultrasonic motor was driven were investigated. FIG. 6 shows an efficiency measurement result showing the torque performance of the ultrasonic motor, and FIG. 7 shows a durability measurement result. (A) in a figure represents the measurement result of the ultrasonic motor which has the vibration part produced with the manufacturing method concerning this invention, (b) represents the measurement result of the ultrasonic motor which has the vibration part by a prior art example. . As is clear from these results, the ultrasonic motor having the structure of the vibrating portion according to the present invention is clearly superior to the conventional method in both efficiency and durability. That is, it can be said that the configuration of the vibrating portion manufactured by the manufacturing method according to the present invention can achieve high efficiency even in a small-diameter and thin ultrasonic motor.
[0038]
In the examples, the composition of the PZT piezoelectric material is a pure two-component system. However, in order to improve the piezoelectric characteristics, for example, a three-component system such as lead magnesium niobate-lead zirconate-lead titanate is used. In addition, an additive such as iron for improving the withstand voltage, chromium for the purpose of reducing the change over time, and antimony for improving the strength may be added.
[0039]
In addition, although the standing wave system and the traveling wave system can be considered about the ultrasonic motor using a piezoelectric vibrator, the structure of the vibration part concerning this invention can be utilized in any system.
[0040]
【The invention's effect】
According to the present invention, when a piezoelectric body having a metal film provided on the joint surface is pressure-welded while being heated in the same manner as the substrate having the metal film provided on the joint surface, a vibration is applied to the piezoelectric body by applying voltage to the piezoelectric body. Join using. For this reason, not only can the bonding be performed without using an adhesive made of a conventional organic polymer material, but the bonding can be performed at a lower temperature than when the metal thin film is brazed as a brazing material.
[0041]
With the manufacturing method according to the present invention, a piezoelectric device capable of reducing deterioration of piezoelectric characteristics due to an adhesive can be produced. In addition, stronger bonding can be achieved at a lower temperature than conventional diffusion bonding using Au—Au and Au—Pb—Sn solder bonding. By using the piezoelectric device manufactured by the manufacturing method according to the present invention for the vibration part of the ultrasonic motor, the efficiency and durability of the motor can be improved. In particular, electrical and mechanical performance can be improved as a driving source for a microstructure such as a micromachine, and reliability can be improved. In addition, by using an intermetallic bond, not only the adhesion to a substrate made of a metal material can be improved, but also the strength can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a piezoelectric device manufactured according to Example 1 of the present invention.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view of a piezoelectric device manufactured according to Example 2 of the present invention.
FIG. 3 is a chart showing characteristics of a conventional ultrasonic motor.
FIG. 4 is a chart showing characteristics of an ultrasonic motor according to the present invention.
FIG. 5 is a chart showing frequency-rotation characteristics of an ultrasonic motor according to the present invention.
FIG. 6 is a chart showing the efficiency of the ultrasonic motor according to the present invention.
FIG. 7 is a chart showing the durability of the ultrasonic motor according to the present invention.
FIG. 8 is a schematic diagram showing a manufacturing process according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic diagram showing a manufacturing process according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a schematic view showing the structure of a piezoelectric device according to a conventional manufacturing method.
FIG. 11 is a longitudinal sectional view of an ultrasonic motor manufactured by the manufacturing method of the present invention.
12 is a schematic view of a vibration part of an ultrasonic motor manufactured according to Example 1. FIG.
13 is a schematic view of a vibration part of an ultrasonic motor manufactured according to Example 2. FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Au layer 2 Piezoelectric body 3 Board | substrate 4 Ni layer 5 Cr layer 6 Upper electrode 7 Pb-Sn solder layer 8 Vibrating body 9 Moving body (rotor)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Friction material 11 Fixing base 12 Pressurization spring 13 Center axis 14 Lead wire 15 Stator 16 Conventional adhesive layer 17 Metal film joined by the joining method of the present invention

Claims

In a method for manufacturing a piezoelectric device in which a piezoelectric body is provided on a substrate, the substrate formed by forming metallized Au or a metal film mainly composed of Au on a bonding surface with the piezoelectric body, and bonding the substrate Release of hydrogen gas and moisture generated by heating the bonding surface of the substrate and the piezoelectric body when the piezoelectric body having a metal film mainly composed of solder metallized on the surface is press bonded. In order to promote this, a method of manufacturing a piezoelectric device is characterized in that a voltage is applied to the piezoelectric body to vibrate and join the piezoelectric body.