フレキシブル回路基板、アクチュエータ素子およびフレキシブル回路基板の作製方法
【課題】はんだリフロー処理等の加熱処理にも適応可能な熱駆動タイプのアクチュエータ素子を備えたフレキシブル回路基板およびその作製方法と、この回路基板に用いることのできるアクチュエータ素子を提供する。
【解決手段】フレキシブル回路基板の絶縁性基板は、熱膨張係数が金属導体と略同一の第１の領域と、熱膨張係数が第１の領域と異なる第２の領域とを有する。第２の領域において、絶縁性基板に金属導体が設けられ、この金属導体と反対側の面に、発熱抵抗体層と、この発熱抵抗体層に通電する電極と、が設けられ、第２の領域は、その周囲が切り欠かれて形成された自由端を有する。第２の領域は、電極から発熱抵抗体層を通電して加熱することにより変形するアクチュエータ素子として動作する。第２の領域の熱膨張係数は、絶縁性基板を加熱することにより、第１の領域の絶縁性基板の熱膨張係数と異なるものとなっている。
【解決手段】フレキシブル回路基板の絶縁性基板は、熱膨張係数が金属導体と略同一の第１の領域と、熱膨張係数が第１の領域と異なる第２の領域とを有する。第２の領域において、絶縁性基板に金属導体が設けられ、この金属導体と反対側の面に、発熱抵抗体層と、この発熱抵抗体層に通電する電極と、が設けられ、第２の領域は、その周囲が切り欠かれて形成された自由端を有する。第２の領域は、電極から発熱抵抗体層を通電して加熱することにより変形するアクチュエータ素子として動作する。第２の領域の熱膨張係数は、絶縁性基板を加熱することにより、第１の領域の絶縁性基板の熱膨張係数と異なるものとなっている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同一の材料からなる絶縁性基板の一方の面の側に、部分的に金属導体が設けられるとともに、この金属導体を用いたアクチュエータ素子を備えたフレキシブル回路基板及びフレキシブル回路基板の作製方法と、このフレキシブル回路基板に用いるアクチュエータ素子と、に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、材料自身の変形により動作し、物を動かすアクチュエータ素子をフレキシブル回路基板(ＦＰＣ)に形成する方法が種々提案されている。アクチュエータ素子をＦＰＣ上に実装するには、フレキシブル回路基板とアクチュエータ素子を信頼性の高い方法で接続することが必要である。
【０００３】
下記非特許文献１では、耐熱性絶縁性基板の上に熱膨張係数が耐熱性絶縁性基板と大きく異なる電気抵抗体を形成し、この電気抵抗体を発熱させることにより、耐熱性絶縁性基板と電気抵抗体との熱膨張係数の違いによってアクチュエータ素子として動作する熱駆動タイプのアクチュエータ素子が提案されている。
具体的には、溶媒に溶かした樹脂に炭素微粒子を分散させた材料を、フィルム基板上に所定のパターンでスクリーン印刷し、このスクリーン印刷されたパターンの周囲のフィルムに切込みを入れて、あるいは切り欠いてユニモルフ構造の屈曲型アクチュエータ素子を作製する。
【０００４】
ところで、アクチュエータ素子をフレキシブル回路基板に作製する場合、回路基板に実装すべき構成部品をはんだリフロー処理を行って実装する。はんだリフロー処理では、具体的に、フレキシブル回路基板を２００℃以上のオーブンに入れて、はんだを溶融し、実装すべき構成部品を基板上ではんだで接着することにより実装する。
【０００５】
ところが、上記非特許文献１の熱駆動タイプのアクチュエータ素子では、熱膨張係数が異なるため、はんだリフロー処理のためにフレキシブル回路基板等を２００℃以上のオーブンに入れると、はんだリフロー中にアクチュエータ素子が動作して、基板のそりが発生し、構成部品の実装ができないといった問題が生じる。
【０００６】
【非特許文献１】「印刷で作製できる炭素微粒子コンポジットアクチュエータ」,Polymer Preprints, Japan 55(1), pp.1558 (2006)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明は、上記問題を解決するために、熱駆動タイプのアクチュエータ素子を備えたフレキシブル回路基板が、構成部品を実装するためのはんだリフロー処理等の加熱処理にも適応可能な、フレキシブル回路基板の作製方法およびフレキシブル回路基板と、この回路基板に好適に用いることのできるアクチュエータ素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、同一の材料からなる絶縁性基板の一方の面の側に、部分的に金属導体が設けられるとともに、この金属導体を用いたアクチュエータ素子を備えるフレキシブル回路基板であって、前記絶縁性基板は、熱膨張係数が前記金属導体と略同一の第１の領域と、熱膨張係数が前記第１の領域と異なる第２の領域とを有し、前記第２の領域の縁部の一部分は、前記第１の領域と接し、かつ、前記第２の領域の縁部の他の部分は、前記第２の領域から切り離された自由端を有し、前記第２の領域において、前記絶縁性基板の前記一方の面の側に前記金属導体が設けられ、さらに、前記絶縁性基板に設けられた前記金属導体の側と反対側の面に、発熱抵抗体層と、この発熱抵抗体層に通電する電極と、が設けられ、前記第２の領域は、前記電極から前記発熱抵抗体層に通電して前記第２の領域を加熱することによって、前記第２の領域が変形するアクチュエータ素子として動作することを特徴とするフレキシブル回路基板を提供する。
【０００９】
ここで、前記第２の領域に設けられる前記電極は、前記金属導体と接続されており、さらに、前記金属導体は、配線ラインとして、同一フレキシブル回路基板上の回路もしくは外部回路に接続されていることが好ましい。
【００１０】
又、前記第２の領域の絶縁性基板における熱膨張係数は、前記アクチュエータ素子として動作するときの、前記第２の領域の絶縁性基板の加熱温度に比べて高い温度で、前記第２の領域の絶縁性基板を加熱することにより、前記第１の領域の絶縁性基板における熱膨張係数から変化させたものであることが好ましい。その際、前記発熱抵抗体層を通電して前記第２の領域を加熱することにより、前記第２の領域の絶縁性基板における熱膨張係数を変化させることが好ましい。
又、前記絶縁性基板は、ポリエステル樹脂からなることが好ましい。
【００１１】
本発明は、さらに、絶縁性基板の一方の面の側に、金属導体が設けられ、前記絶縁性基板の他方の面の側に、電極を通して通電可能な発熱抵抗体層が設けられたアクチュエータ素子であって、前記絶縁性基板は、前記金属導体の熱膨張係数と略同一の熱膨張係数から、アクチュエータ素子として動作するときの、前記絶縁性基板の加熱温度に比べて高い温度で加熱することにより、熱膨張係数を変化させた基板であり、前記発熱抵抗体を通電して前記絶縁性基板及び前記金属導体を加熱することにより、前記絶縁性基板と前記金属導体との熱膨張係数の違いに基づいて動作することを特徴とするアクチュエータ素子を提供する。
【００１２】
ここで、前記電極は、前記金属導体と接続されており、さらに、前記金属導体は、配線ラインとして、前記絶縁性基板上の回路もしくは外部回路に接続されていることが好ましい。前記絶縁性基板は、前記発熱抵抗体層に通電して前記絶縁性基板を加熱することにより、前記絶縁性基板の熱膨張係数が変化した基板であることが好ましい。
又、前記絶縁性基板は、ポリエステル樹脂からなることが好ましい。
【００１３】
さらに、本発明は、同一の材料からなる絶縁性基板の一方の面の側に、部分的に金属導体が設けられるとともに、この金属導体を用いたアクチュエータ素子を備えるフレキシブル回路基板の作製方法であって、絶縁性基板に設けられた、前記絶縁性基板の熱膨張係数と略同一の熱膨張係数を有する金属導体を所定のパターンに加工処理を行うとともに、アクチュエータ素子を形成すべき領域に発熱抵抗体層を設ける工程と、前記絶縁性基板に対して構成部品を実装するために前記絶縁性基板を加熱してはんだリフローの処理を行う工程と、はんだリフローの処理により構成部品が実装された後、はんだリフローの処理に用いた加熱温度より高い加熱温度で、前記アクチュエータ素子を形成すべき領域を局所的に加熱することにより、前記領域における前記絶縁性基板の熱膨張係数を、前記金属導体の熱膨張係数と略同一の熱膨張係数から、前記金属導体の熱膨張係数と異なる熱膨張係数に変化させる加熱処理の工程と、を有することを特徴とするフレキシブル回路基板の作製方法を提供する。
【００１４】
ここで、前記加熱処理の工程では、前記発熱抵抗体層に通電することにより、前記アクチュエータ素子を形成する領域を局所的に加熱することが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明では、アクチュエータ素子を形成すべき領域に発熱抵抗体層を設けた後、はんだリフローの処理を行って構成部品の実装を行い、この後、はんだリフローの処理に用いた加熱温度より高い加熱温度で、アクチュエータ素子を形成すべき領域を局所的に加熱する。これにより、金属導体と略同一の熱膨張係数を有する絶縁性基板を、金属導体の熱膨張係数と異なる熱膨張係数に変化させ、アクチュエータ素子として機能させる。このため、熱駆動タイプのアクチュエータ素子を備えたフレキシブル回路基板に、はんだリフロー処理等の加熱処理を適応することができる。
これによって、同一の材料からなる絶縁性基板の一方の面の側に、部分的に金属導体を設けるとともに、この金属導体を用いたアクチュエータ素子を備え、他の構成部品がはんだリフロー処理で実装されたフレキシブル回路基板を作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、本発明のフレキシブル回路基板の一実施形態であるフレキシブル回路基板（以下、ＦＰＣ：Flexible Printed Circuitという）１０の概略構成図である。
ＦＰＣ１０は、同一の材料からなる絶縁性基板の一方の面の側に、部分的に金属導体が設けられるとともに、この金属導体を用いたアクチュエータ素子を備える回路である。
ＦＰＣ１０は、熱型駆動タイプのアクチュエータ素子１２ａ〜１２ｆが設けられている。
ＦＰＣ１０は、その一部分が切り欠かれており、切り欠かれた領域に短冊状の領域が形成されている。この領域の先端は自由端となっている。この短冊状の領域のそれぞれに、アクチュエータ素子１２ａ〜１２ｆが設けられている。
図１では、アクチュエータ素子１２ａ〜１２ｆは、切り欠き部１４にアクチュエータ素子１２ａ，１２ｃ，１２ｅとアクチュエータ素子１２ｂ，１２ｄ，１２ｆとが対向するように２列に配置されているが、本発明では、これに限定されず、アクチュエータ素子が切り欠き部に１列に配置されてもよいし、切り欠き部に１つのアクチュエータ素子が設けられてもよい。
【００１７】
アクチュエータ素子１２ａ〜１２ｆは、後述するように、金属導体１６、絶縁性基板１８及び発熱抵抗体層２０が積層した３層構造であり、発熱抵抗体層２０の両側に、発熱抵抗体層２０の通電用の電極２２，２４が設けられている。なお、本発明では、アクチュエータ素子１２ａ〜１２ｆは、３層構造を基本構造とし、金属導体１６と絶縁性基板１８との間に、あるいは絶縁性基板１８と発熱抵抗体層２０との間に、あるいは金属導体１６の表面に積層するように、あるいは、発熱抵抗体層１８の表面に積層するように、絶縁層等の他の層を設けてもよい。
【００１８】
金属導体１６は、ＦＰＣ１０の裏面全体に箔として設けられたものを所定のパターンに加工したもので、アクチュエータ素子１２ａ〜１２ｆとその周辺の配線ラインとさらにその外側の領域１７の裏面に設けられている。
電極２２は、アクチュエータ素子の自由端を成している先端部に設けられている。この先端部は、銀ペースト塗布等によって電極２２が設けられ、この電極２２は、図１中のＦＰＣ１０の表面から、裏面に設けられている金属導体１６に接続されている。アクチュエータ素子の金属導体１６は、配線ライン２６として引き出され、ＦＰＣ１０の端部に設けられた電極端子２８に接続されている。一方、電極２４は、図１中のＦＰＣ１０の表面上で発熱抵抗体層２０から引き出され、ビアホール２５を介して裏面に設けられた配線ライン３０に接続し、この配線ライン３０がＦＰＣ１０の端部に設けられた電極端子３２に接続されている。電極端子２８，３２は、それぞれ外部の図示されない制御回路と接続され、この制御回路から、電極端子２８，３２に発熱抵抗体層２０の通電のための制御信号が供給される。又、配線ライン３０は、同一のＦＰＣ上の制御回路（図示されず）と接続され、発熱抵抗体層２０の通電のための制御信号が供給される構成であってもよい。
【００１９】
図２は、図１に示すアクチュエータ素子１２ｅのＡ−Ａ’矢視断面図である。
アクチュエータ素子１２ｅは、絶縁性基板１８の一方の面の側（図２では下側）に、金属導体１６が設けられ、絶縁性基板１８の他方の側（図２では上側）に、電極２２，２４を通して通電可能な発熱抵抗体層２０が設けられている。
絶縁性基板１８は、金属導体１６の熱膨張係数と略同一の熱膨張係数から、加熱処理により、熱膨張係数を変化させた基板である。アクチュエータ素子１２ｅは、発熱抵抗体層２０に通電して絶縁性基板１８及び金属導体１６を加熱することにより、絶縁性基板１８と金属導体１６との熱膨張係数の違いに基づいて変形して動作する。
なお、絶縁性基板１８の熱膨張係数を変化させるために行う上記加熱処理（アクチュエータ活性化処理）では、アクチュエータ素子として動作するときの、絶縁性基板の加熱温度に比べて高い温度で加熱する。
【００２０】
絶縁性基板１８は、絶縁性を有する他、可曲性を備えたものが好ましく、はんだリフロー処理等の加熱温度に耐え、かつ、アクチュエータ活性化処理の加熱温度に耐えるポリエステル樹脂、好ましくはポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）が用いられる。ポリエステル樹脂の他に、例えば、ポリアミド、ポリエーテルケトン、液晶ポリマー、ポリパラスルファイド、ポリエチレンテレフタレート等が用いられる。
一般に、高分子基材は、ガラス転移温度Ｔg以上あるいは軟化温度以上の温度で加熱すると、基材の延伸状態が崩れ熱膨張係数が変化する。従って、発熱抵抗体層２０を用いて絶縁性基板１８にガラス転移温度Ｔg以上あるいは軟化温度以上の温度で加熱することにより、絶縁性基板１８の熱膨張係数を、金属導体１６の熱膨張係数と略同一の値から変化させることができる。具体的には、絶縁性基板１８の熱膨張係数は増大する。特に、ガラス転移温度Ｔgあるいは軟化温度と、分解温度との温度差が広いポリエステル樹脂が好適に用いられる。
【００２１】
アクチュエータ活性化処理による加熱は、アクチュエータ素子の部分のみを加熱すればよく、この加熱は外部の加熱装置から熱が供給される形態でもよく、アクチュエータ素子の発熱抵抗体層２０による加熱であってもよい。特に、ＦＰＣ１０に発熱抵抗体層２０を形成後、発熱抵抗体層２０による加熱を行うことが、簡便であり好ましい。
【００２２】
金属導体１６の材料は、ＦＰＣ１０として一般的に銅が用いられる。本発明では、この他に、ニッケル、銀、スズ、プラチナ、金、ロジウム、ビスマス、亜鉛、パラジウム、アルミニウム、鉄等を用いることができる。又、これらを含んだ合金、例えば、Ｎｉ−Ｔｉ，Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ，Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉを用いることもできる。メッキにより金属層を複合・表面コートしてもよい。これにより、熱駆動タイプのアクチュエータ素子の加熱終了後の放熱効果を高め、さらに、ＦＰＣにおける反発力を高めることもできる。金属導体１６を厚くすることでアクチュエータ素子として発揮する応力を高めることができるが、ＦＰＣ全体として厚くなるので、ＦＰＣ１０としてのフレキシブル性が低下する。このため、アクチュエータ素子１２ａ〜１２ｆの領域のみにメッキ等の処理により金属層を積層して厚さを増加させてもよい。金属導体１６は、フォトリソグラフィにより所定のパターン形成後、エッチングにより不要な金属導体部分を除去するが、本発明では、印刷、蒸着、スパッタ等を用いて、所定のパターンの金属導体１６を形成してもよい。また、所定のパターンを、エッチングによる金属導体の除去と、印刷、蒸着、スパッタ等による金属導体の形成とを組み合わせることにより、形成してもよい。
【００２３】
金属導体１６は、アクチュエータ素子として動作するために必要な層であるが、アクチュエータ素子の駆動をＯＦＦとしたとき、すなわち発熱抵抗体層２０への通電を止めたとき、金属導体１６の高い熱伝導特性に基づく放熱作用により、アクチュエータ素子の変形の戻り速度を向上する効果も有する。
【００２４】
発熱抵抗体層２０の材料は、金属酸化物、カーボン又は導電性高分子が用いられる。発熱抵抗体層２０は、バインダを含有してもよい。例えば、発熱抵抗体層２０にバインダ樹脂を用いる場合、可曲性を有し、耐熱性を有する点から、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂等が好適に用いられるが、これに限定されない。発熱抵抗体層２０として、熱により体積変動あるいは相転移する材料、例えば形状記憶合金を用いることもできる。
絶縁性基板と金属導体の好ましい組み合わせは、例えば、ＰＥＮと銅の組み合わせの他、ＰＥＮ／Ｎｉ，ＰＥＮ／Ａｕ，ＰＥＮ／Ａｇ，ＰＥＮ／Ｎｉ−Ｔｉの組み合わせが挙げられる。
このような発熱抵抗体層２０は、貼り付けや印刷法等が挙げられるが、印刷法により形成されることがプロセスの点から好ましい。しかし、この形成方法に特に限定されない。
【００２５】
このように、ＦＰＣ１０の絶縁性基板１８は、同一の材料で構成されるが、熱膨張係数が金属導体１６と略同一の領域（第１の領域）と、熱膨張係数がこの領域と異なる、アクチュエータ素子が形成される領域（第２の領域）とを有する。この第２の領域の縁部の一部分は、第１の領域と接し、かつ、第２の領域の縁部の他の部分は、切り欠き部１４によって第２の領域から切り離されて自由端を有する。この自由端が発熱抵抗体層２０の通電加熱により、変位することで、第２の領域が変形するアクチュエータ素子として動作する。
第２の領域において、絶縁性基板１８の金属導体が設けられた側と反対側の面に、発熱抵抗体層２０と、この発熱抵抗体層に通電する電極２２，２４と、が設けられる。
【００２６】
なお、ＦＰＣ１０は、少なくとも、アクチュエータ活性化処理の前において、金属導体１６と絶縁性基板１８との熱膨張係数が略同一であればよい。ここで、熱膨張係数が略同一とは、熱膨張係数の差が、絶縁性基板１８の熱膨張係数の値に対して２０％以下であることをいう。したがって、アクチュエータ活性化処理において、絶縁性基板１８の熱膨張係数を変えて金属導体の熱膨張係数と異ならせるとは、熱膨張係数の差が、絶縁性基板１８の熱膨張係数の値に対して２０％より大きいことをいう。特に、アクチュエータ素子が有効に動作するには、熱膨張係数の差が、絶縁性基板１８の熱膨張係数の値に対して５０％以上であることが好ましい。
【００２７】
図３は、ＦＰＣ１０の作製工程を説明するフローチャートである。
まず、絶縁性基板１８に設けられた、絶縁性基板１８の熱膨張係数と略同一の熱膨張係数を有する金属導体１６を所定のパターンに加工処理を行うとともに、アクチュエータ素子１２ａ〜１２ｆを形成すべき領域に発熱抵抗体層２０を設ける（ステップＳ１０）。
次に、絶縁性基板１８に対して構成部品（図示されず）を実装するために絶縁性基板１８を加熱してはんだリフローの処理を行う（ステップＳ２０）。はんだリフロー処理は、例えば、最大温度２４０℃、２００℃以上３０秒の条件で行われる。
【００２８】
次に、はんだリフローの処理により構成部品が実装された後、アクチュエータ素子を形成すべき領域を局所的に加熱する。これにより、絶縁性基板１８の熱膨張係数を、金属導体２０の熱膨張係数と略同一の熱膨張係数から、金属導体２０の熱膨張係数と異なる熱膨張係数に変化させる（ステップＳ３０）。この加熱は、少なくともはんだリフローの条件よりも高い温度で行われる。加熱時間は、絶縁性基板１８に用いる材料によって異なるが、ＰＥＮの場合、最高温度２５０℃で１２０秒程度加熱を行う。また、加熱温度が高いほど、加熱時間は短くて済む。勿論、アクチュエータ素子の駆動温度よりも高い温度で加熱される。
【００２９】
これにより、ＦＰＣ１０において、同一の材料からなる絶縁性基板１８の一方の面の側に、部分的に金属導体１６が設けられるとともに、この金属導体１６を用いたアクチュエータ素子１２ａ〜１２ｆを備えるフレキシブル回路基板１０が作製される。アクチュエータ素子１２ａ〜１２ｆの基板は、ＦＰＣ１０の絶縁性基板と共有するので、絶縁性基板からアクチュエータ素子が剥離することのない耐久上信頼性が高いアクチュエータ素子１２ａ〜１２ｆをＦＰＣ１０へ作製することができる。
【００３０】
以下、ＦＰＣ１０を作製し、ＦＰＣ１０の動作を確認した。
〔実施例〕
ＦＰＣ１０の基材となる基板として、金属導体が絶縁性基材に設けられたものを用いた。
金属導体は、厚さ２０μｍの銅箔を用いた。絶縁性基材として、ＰＥＮのフィルムを用いた。比較のために、ＰＩ（ポリイミド）を使用した例を示す。ＰＩは、東レ・ＤｕＰｏｎｔ社製の「カプトン」（登録商標）を用いた。ＰＩ又はＰＥＮのフィルムの厚さは２５μｍとした。
【００３１】
絶縁性基板を貫通するビアホール２５及び発熱抵抗体層と接続する電極２２，２４を、銀ペーストを塗布し６０℃３０分加熱することにより硬化させ、所定の形状に作製した。発熱抵抗体層２０として、スクリーン印刷によりパターン形成したカーボン抵抗体を用いた。カーボン抵抗体は、カーボン（炭素）フィラーとバインダー樹脂及び溶媒とを主成分とするカーボンペーストを用いた。このカーボンペーストは、必要な抵抗値が得られるようにカーボンフィラーとバインダー樹脂の比率が調整されたものである。以下に示すように、ポリエステル系とポリイミド系の２種類のバインダー樹脂を選択して発熱抵抗体層を作製した。具体的に、２種類のカーボンペーストをスクリーン印刷法を用いて塗布後、１３０℃、３０分間過熱することにより熱硬化させ、発熱抵抗体層２０を作製した。カーボンペーストを硬化して作製した発熱抵抗体層２０の厚さは２０μｍであった。
【００３２】
発熱抵抗体層２０を作製後、発熱抵抗体層２０の周りを切り欠いて、図１（ａ）に示すようなアクチュエータ素子をＦＰＣ１０の基板に短冊状（３ｍｍ×２５ｍｍ）に作製した。このアクチュエータ素子の厚さは約６５μｍ（金属導体２０μｍ、絶縁性基板２５μｍ、発熱抵抗体層２０μｍ）であった。
作製したアクチュエータ素子（サンプルａ〜ｄ）の各材料と、アクチュエータ活性化処理前のアクチュエータ素子（サンプルａ〜ｄ）の動作結果を、下記表１に示す。アクチュエータ素子の動作として、各アクチュエータ素子の自由端である先端の変形時の接線角度を調べた。動作電圧は、下記表１に示すように抵抗値に依存したが、５〜８Ｖであった。
下記表に示されるように、いずれのサンプルでも、接線角度は多くても５度程度であった。
【００３３】
【表１】
【００３４】
上記サンプルａ〜ｄに対して、はんだリフローの条件（最大温度２４０℃、２００℃以上３０秒）に設定したプログラマブルオーブンに入れて、耐はんだリフローテストを行った。この結果、いずれのサンプルも、加熱中基板の反りやアクチュエータ素子の反りの発生は見られず、はんだリフローが可能であることが確認できた。
【００３５】
次に、アクチュエータ活性化処理として発熱抵抗体素子に通電して発熱抵抗体層を発熱させ、略同一の供給エネルギーを与えた。サンプルａには８．０Ｖ、サンプルｂには９．０Ｖ，サンプルｃには１１．７Ｖ、サンプルｄには１１．０ｖの電圧を１２０秒印加して、絶縁性基板１８の加熱処理を行い、略２５０℃に加熱した。アクチュエータ活性化処理後、再度発熱抵抗層に通電し、アクチュエータ素子の自由端の接線角度を調べた。下記表２にその結果を示す。
なお、アクチュエータ活性化処理を行っても、ＰＩ（「カプトン」（登録商標））からなる絶縁性基板の熱膨張係数を、銅からなる金属導体の熱膨張係数に対して異ならせることはできない。一方、ＰＥＮからなる絶縁性基板の熱膨張係数を、銅からなる金属導体の熱膨張係数に対して異ならせることはできる。このため、サンプルａ，ｃは、本発明の実施例に相当し、サンプルｂ，ｄは、本発明に対する比較例に相当する。
【００３６】
【表２】
【００３７】
表２に示すように、サンプルａ（金属導体：銅、絶縁性基板：ＰＥＮ）は、接線角度が約９０度となり、アクチュエータ素子として有効に機能することがわかる。接線角度が約１０度のサンプルｃもアクチュエータ素子として機能する。一方、サンプルｂ、ｄは、接線角度が小さく、アクチュエータ素子として機能し難い。アクチュエータ素子として効果的に動作させるには、金属導体１６を銅で構成する場合、絶縁性基板１８をＰＥＮとすることが好ましい。この場合、発熱抵抗体層２０に含ませるバインダー樹脂として、絶縁性基板１８の熱膨張係数と略同じ材料を用いることが好ましい。絶縁性基板１８がＰＥＮの場合、バインダー樹脂としてポリエステル樹脂を用いることが、大きな変形を実現する点で特に好ましい。
【００３８】
以上、本発明のフレキシブル回路基板、アクチュエータ素子およびフレキシブル回路基板の作製方法について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。
例えば、上記実施例に対する比較のために、絶縁性基板に、ＰＩ（ポリイミド）である「カプトン」（登録商標）を用いた例を示したが、本発明においては、ＰＩ（ポリイミド）は絶縁性基板として除外されるものではなく、絶縁性基板の熱膨張係数がアクチュエータ活性化処理により金属導体の線膨張係数と略異なるものとなる限り、材料は限定されない。上記「カプトン」（登録商標）以外の構造を有するＰＩ（ポリイミド）であっても、絶縁性基板の熱膨張係数がアクチュエータ活性化処理により金属導体の線膨張係数と略異なる限り、ＰＩ（ポリイミド）も本発明における絶縁性基板の材料として用いることはできる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明のフレキシブル回路基板の一実施形態であるフレキシブル回路基板の概略構成図である。
【図２】本発明のアクチュエータ素子の一実施形態の構成を示す、図１中のＡ−Ａ’矢視断面図である。
【図３】本発明のフレキシブル回路基板の作製方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４０】
１０ フレキシブル回路基板
１２ａ〜１２ｆ アクチュエータ素子
１４ 切り欠き部
１６ 金属導体
１７ 領域
１８ 絶縁性基板
２０ 発熱抵抗体層
２２，２４ 電極
２５ ビアホール
２６，３０ 配線ライン
２８，３２ 電極端子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同一の材料からなる絶縁性基板の一方の面の側に、部分的に金属導体が設けられるとともに、この金属導体を用いたアクチュエータ素子を備えたフレキシブル回路基板及びフレキシブル回路基板の作製方法と、このフレキシブル回路基板に用いるアクチュエータ素子と、に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、材料自身の変形により動作し、物を動かすアクチュエータ素子をフレキシブル回路基板(ＦＰＣ)に形成する方法が種々提案されている。アクチュエータ素子をＦＰＣ上に実装するには、フレキシブル回路基板とアクチュエータ素子を信頼性の高い方法で接続することが必要である。
【０００３】
下記非特許文献１では、耐熱性絶縁性基板の上に熱膨張係数が耐熱性絶縁性基板と大きく異なる電気抵抗体を形成し、この電気抵抗体を発熱させることにより、耐熱性絶縁性基板と電気抵抗体との熱膨張係数の違いによってアクチュエータ素子として動作する熱駆動タイプのアクチュエータ素子が提案されている。
具体的には、溶媒に溶かした樹脂に炭素微粒子を分散させた材料を、フィルム基板上に所定のパターンでスクリーン印刷し、このスクリーン印刷されたパターンの周囲のフィルムに切込みを入れて、あるいは切り欠いてユニモルフ構造の屈曲型アクチュエータ素子を作製する。
【０００４】
ところで、アクチュエータ素子をフレキシブル回路基板に作製する場合、回路基板に実装すべき構成部品をはんだリフロー処理を行って実装する。はんだリフロー処理では、具体的に、フレキシブル回路基板を２００℃以上のオーブンに入れて、はんだを溶融し、実装すべき構成部品を基板上ではんだで接着することにより実装する。
【０００５】
ところが、上記非特許文献１の熱駆動タイプのアクチュエータ素子では、熱膨張係数が異なるため、はんだリフロー処理のためにフレキシブル回路基板等を２００℃以上のオーブンに入れると、はんだリフロー中にアクチュエータ素子が動作して、基板のそりが発生し、構成部品の実装ができないといった問題が生じる。
【０００６】
【非特許文献１】「印刷で作製できる炭素微粒子コンポジットアクチュエータ」,Polymer Preprints, Japan 55(1), pp.1558 (2006)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明は、上記問題を解決するために、熱駆動タイプのアクチュエータ素子を備えたフレキシブル回路基板が、構成部品を実装するためのはんだリフロー処理等の加熱処理にも適応可能な、フレキシブル回路基板の作製方法およびフレキシブル回路基板と、この回路基板に好適に用いることのできるアクチュエータ素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、同一の材料からなる絶縁性基板の一方の面の側に、部分的に金属導体が設けられるとともに、この金属導体を用いたアクチュエータ素子を備えるフレキシブル回路基板であって、前記絶縁性基板は、熱膨張係数が前記金属導体と略同一の第１の領域と、熱膨張係数が前記第１の領域と異なる第２の領域とを有し、前記第２の領域の縁部の一部分は、前記第１の領域と接し、かつ、前記第２の領域の縁部の他の部分は、前記第２の領域から切り離された自由端を有し、前記第２の領域において、前記絶縁性基板の前記一方の面の側に前記金属導体が設けられ、さらに、前記絶縁性基板に設けられた前記金属導体の側と反対側の面に、発熱抵抗体層と、この発熱抵抗体層に通電する電極と、が設けられ、前記第２の領域は、前記電極から前記発熱抵抗体層に通電して前記第２の領域を加熱することによって、前記第２の領域が変形するアクチュエータ素子として動作することを特徴とするフレキシブル回路基板を提供する。
【０００９】
ここで、前記第２の領域に設けられる前記電極は、前記金属導体と接続されており、さらに、前記金属導体は、配線ラインとして、同一フレキシブル回路基板上の回路もしくは外部回路に接続されていることが好ましい。
【００１０】
又、前記第２の領域の絶縁性基板における熱膨張係数は、前記アクチュエータ素子として動作するときの、前記第２の領域の絶縁性基板の加熱温度に比べて高い温度で、前記第２の領域の絶縁性基板を加熱することにより、前記第１の領域の絶縁性基板における熱膨張係数から変化させたものであることが好ましい。その際、前記発熱抵抗体層を通電して前記第２の領域を加熱することにより、前記第２の領域の絶縁性基板における熱膨張係数を変化させることが好ましい。
又、前記絶縁性基板は、ポリエステル樹脂からなることが好ましい。
【００１１】
本発明は、さらに、絶縁性基板の一方の面の側に、金属導体が設けられ、前記絶縁性基板の他方の面の側に、電極を通して通電可能な発熱抵抗体層が設けられたアクチュエータ素子であって、前記絶縁性基板は、前記金属導体の熱膨張係数と略同一の熱膨張係数から、アクチュエータ素子として動作するときの、前記絶縁性基板の加熱温度に比べて高い温度で加熱することにより、熱膨張係数を変化させた基板であり、前記発熱抵抗体を通電して前記絶縁性基板及び前記金属導体を加熱することにより、前記絶縁性基板と前記金属導体との熱膨張係数の違いに基づいて動作することを特徴とするアクチュエータ素子を提供する。
【００１２】
ここで、前記電極は、前記金属導体と接続されており、さらに、前記金属導体は、配線ラインとして、前記絶縁性基板上の回路もしくは外部回路に接続されていることが好ましい。前記絶縁性基板は、前記発熱抵抗体層に通電して前記絶縁性基板を加熱することにより、前記絶縁性基板の熱膨張係数が変化した基板であることが好ましい。
又、前記絶縁性基板は、ポリエステル樹脂からなることが好ましい。
【００１３】
さらに、本発明は、同一の材料からなる絶縁性基板の一方の面の側に、部分的に金属導体が設けられるとともに、この金属導体を用いたアクチュエータ素子を備えるフレキシブル回路基板の作製方法であって、絶縁性基板に設けられた、前記絶縁性基板の熱膨張係数と略同一の熱膨張係数を有する金属導体を所定のパターンに加工処理を行うとともに、アクチュエータ素子を形成すべき領域に発熱抵抗体層を設ける工程と、前記絶縁性基板に対して構成部品を実装するために前記絶縁性基板を加熱してはんだリフローの処理を行う工程と、はんだリフローの処理により構成部品が実装された後、はんだリフローの処理に用いた加熱温度より高い加熱温度で、前記アクチュエータ素子を形成すべき領域を局所的に加熱することにより、前記領域における前記絶縁性基板の熱膨張係数を、前記金属導体の熱膨張係数と略同一の熱膨張係数から、前記金属導体の熱膨張係数と異なる熱膨張係数に変化させる加熱処理の工程と、を有することを特徴とするフレキシブル回路基板の作製方法を提供する。
【００１４】
ここで、前記加熱処理の工程では、前記発熱抵抗体層に通電することにより、前記アクチュエータ素子を形成する領域を局所的に加熱することが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明では、アクチュエータ素子を形成すべき領域に発熱抵抗体層を設けた後、はんだリフローの処理を行って構成部品の実装を行い、この後、はんだリフローの処理に用いた加熱温度より高い加熱温度で、アクチュエータ素子を形成すべき領域を局所的に加熱する。これにより、金属導体と略同一の熱膨張係数を有する絶縁性基板を、金属導体の熱膨張係数と異なる熱膨張係数に変化させ、アクチュエータ素子として機能させる。このため、熱駆動タイプのアクチュエータ素子を備えたフレキシブル回路基板に、はんだリフロー処理等の加熱処理を適応することができる。
これによって、同一の材料からなる絶縁性基板の一方の面の側に、部分的に金属導体を設けるとともに、この金属導体を用いたアクチュエータ素子を備え、他の構成部品がはんだリフロー処理で実装されたフレキシブル回路基板を作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、本発明のフレキシブル回路基板の一実施形態であるフレキシブル回路基板（以下、ＦＰＣ：Flexible Printed Circuitという）１０の概略構成図である。
ＦＰＣ１０は、同一の材料からなる絶縁性基板の一方の面の側に、部分的に金属導体が設けられるとともに、この金属導体を用いたアクチュエータ素子を備える回路である。
ＦＰＣ１０は、熱型駆動タイプのアクチュエータ素子１２ａ〜１２ｆが設けられている。
ＦＰＣ１０は、その一部分が切り欠かれており、切り欠かれた領域に短冊状の領域が形成されている。この領域の先端は自由端となっている。この短冊状の領域のそれぞれに、アクチュエータ素子１２ａ〜１２ｆが設けられている。
図１では、アクチュエータ素子１２ａ〜１２ｆは、切り欠き部１４にアクチュエータ素子１２ａ，１２ｃ，１２ｅとアクチュエータ素子１２ｂ，１２ｄ，１２ｆとが対向するように２列に配置されているが、本発明では、これに限定されず、アクチュエータ素子が切り欠き部に１列に配置されてもよいし、切り欠き部に１つのアクチュエータ素子が設けられてもよい。
【００１７】
アクチュエータ素子１２ａ〜１２ｆは、後述するように、金属導体１６、絶縁性基板１８及び発熱抵抗体層２０が積層した３層構造であり、発熱抵抗体層２０の両側に、発熱抵抗体層２０の通電用の電極２２，２４が設けられている。なお、本発明では、アクチュエータ素子１２ａ〜１２ｆは、３層構造を基本構造とし、金属導体１６と絶縁性基板１８との間に、あるいは絶縁性基板１８と発熱抵抗体層２０との間に、あるいは金属導体１６の表面に積層するように、あるいは、発熱抵抗体層１８の表面に積層するように、絶縁層等の他の層を設けてもよい。
【００１８】
金属導体１６は、ＦＰＣ１０の裏面全体に箔として設けられたものを所定のパターンに加工したもので、アクチュエータ素子１２ａ〜１２ｆとその周辺の配線ラインとさらにその外側の領域１７の裏面に設けられている。
電極２２は、アクチュエータ素子の自由端を成している先端部に設けられている。この先端部は、銀ペースト塗布等によって電極２２が設けられ、この電極２２は、図１中のＦＰＣ１０の表面から、裏面に設けられている金属導体１６に接続されている。アクチュエータ素子の金属導体１６は、配線ライン２６として引き出され、ＦＰＣ１０の端部に設けられた電極端子２８に接続されている。一方、電極２４は、図１中のＦＰＣ１０の表面上で発熱抵抗体層２０から引き出され、ビアホール２５を介して裏面に設けられた配線ライン３０に接続し、この配線ライン３０がＦＰＣ１０の端部に設けられた電極端子３２に接続されている。電極端子２８，３２は、それぞれ外部の図示されない制御回路と接続され、この制御回路から、電極端子２８，３２に発熱抵抗体層２０の通電のための制御信号が供給される。又、配線ライン３０は、同一のＦＰＣ上の制御回路（図示されず）と接続され、発熱抵抗体層２０の通電のための制御信号が供給される構成であってもよい。
【００１９】
図２は、図１に示すアクチュエータ素子１２ｅのＡ−Ａ’矢視断面図である。
アクチュエータ素子１２ｅは、絶縁性基板１８の一方の面の側（図２では下側）に、金属導体１６が設けられ、絶縁性基板１８の他方の側（図２では上側）に、電極２２，２４を通して通電可能な発熱抵抗体層２０が設けられている。
絶縁性基板１８は、金属導体１６の熱膨張係数と略同一の熱膨張係数から、加熱処理により、熱膨張係数を変化させた基板である。アクチュエータ素子１２ｅは、発熱抵抗体層２０に通電して絶縁性基板１８及び金属導体１６を加熱することにより、絶縁性基板１８と金属導体１６との熱膨張係数の違いに基づいて変形して動作する。
なお、絶縁性基板１８の熱膨張係数を変化させるために行う上記加熱処理（アクチュエータ活性化処理）では、アクチュエータ素子として動作するときの、絶縁性基板の加熱温度に比べて高い温度で加熱する。
【００２０】
絶縁性基板１８は、絶縁性を有する他、可曲性を備えたものが好ましく、はんだリフロー処理等の加熱温度に耐え、かつ、アクチュエータ活性化処理の加熱温度に耐えるポリエステル樹脂、好ましくはポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）が用いられる。ポリエステル樹脂の他に、例えば、ポリアミド、ポリエーテルケトン、液晶ポリマー、ポリパラスルファイド、ポリエチレンテレフタレート等が用いられる。
一般に、高分子基材は、ガラス転移温度Ｔg以上あるいは軟化温度以上の温度で加熱すると、基材の延伸状態が崩れ熱膨張係数が変化する。従って、発熱抵抗体層２０を用いて絶縁性基板１８にガラス転移温度Ｔg以上あるいは軟化温度以上の温度で加熱することにより、絶縁性基板１８の熱膨張係数を、金属導体１６の熱膨張係数と略同一の値から変化させることができる。具体的には、絶縁性基板１８の熱膨張係数は増大する。特に、ガラス転移温度Ｔgあるいは軟化温度と、分解温度との温度差が広いポリエステル樹脂が好適に用いられる。
【００２１】
アクチュエータ活性化処理による加熱は、アクチュエータ素子の部分のみを加熱すればよく、この加熱は外部の加熱装置から熱が供給される形態でもよく、アクチュエータ素子の発熱抵抗体層２０による加熱であってもよい。特に、ＦＰＣ１０に発熱抵抗体層２０を形成後、発熱抵抗体層２０による加熱を行うことが、簡便であり好ましい。
【００２２】
金属導体１６の材料は、ＦＰＣ１０として一般的に銅が用いられる。本発明では、この他に、ニッケル、銀、スズ、プラチナ、金、ロジウム、ビスマス、亜鉛、パラジウム、アルミニウム、鉄等を用いることができる。又、これらを含んだ合金、例えば、Ｎｉ−Ｔｉ，Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ，Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉを用いることもできる。メッキにより金属層を複合・表面コートしてもよい。これにより、熱駆動タイプのアクチュエータ素子の加熱終了後の放熱効果を高め、さらに、ＦＰＣにおける反発力を高めることもできる。金属導体１６を厚くすることでアクチュエータ素子として発揮する応力を高めることができるが、ＦＰＣ全体として厚くなるので、ＦＰＣ１０としてのフレキシブル性が低下する。このため、アクチュエータ素子１２ａ〜１２ｆの領域のみにメッキ等の処理により金属層を積層して厚さを増加させてもよい。金属導体１６は、フォトリソグラフィにより所定のパターン形成後、エッチングにより不要な金属導体部分を除去するが、本発明では、印刷、蒸着、スパッタ等を用いて、所定のパターンの金属導体１６を形成してもよい。また、所定のパターンを、エッチングによる金属導体の除去と、印刷、蒸着、スパッタ等による金属導体の形成とを組み合わせることにより、形成してもよい。
【００２３】
金属導体１６は、アクチュエータ素子として動作するために必要な層であるが、アクチュエータ素子の駆動をＯＦＦとしたとき、すなわち発熱抵抗体層２０への通電を止めたとき、金属導体１６の高い熱伝導特性に基づく放熱作用により、アクチュエータ素子の変形の戻り速度を向上する効果も有する。
【００２４】
発熱抵抗体層２０の材料は、金属酸化物、カーボン又は導電性高分子が用いられる。発熱抵抗体層２０は、バインダを含有してもよい。例えば、発熱抵抗体層２０にバインダ樹脂を用いる場合、可曲性を有し、耐熱性を有する点から、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂等が好適に用いられるが、これに限定されない。発熱抵抗体層２０として、熱により体積変動あるいは相転移する材料、例えば形状記憶合金を用いることもできる。
絶縁性基板と金属導体の好ましい組み合わせは、例えば、ＰＥＮと銅の組み合わせの他、ＰＥＮ／Ｎｉ，ＰＥＮ／Ａｕ，ＰＥＮ／Ａｇ，ＰＥＮ／Ｎｉ−Ｔｉの組み合わせが挙げられる。
このような発熱抵抗体層２０は、貼り付けや印刷法等が挙げられるが、印刷法により形成されることがプロセスの点から好ましい。しかし、この形成方法に特に限定されない。
【００２５】
このように、ＦＰＣ１０の絶縁性基板１８は、同一の材料で構成されるが、熱膨張係数が金属導体１６と略同一の領域（第１の領域）と、熱膨張係数がこの領域と異なる、アクチュエータ素子が形成される領域（第２の領域）とを有する。この第２の領域の縁部の一部分は、第１の領域と接し、かつ、第２の領域の縁部の他の部分は、切り欠き部１４によって第２の領域から切り離されて自由端を有する。この自由端が発熱抵抗体層２０の通電加熱により、変位することで、第２の領域が変形するアクチュエータ素子として動作する。
第２の領域において、絶縁性基板１８の金属導体が設けられた側と反対側の面に、発熱抵抗体層２０と、この発熱抵抗体層に通電する電極２２，２４と、が設けられる。
【００２６】
なお、ＦＰＣ１０は、少なくとも、アクチュエータ活性化処理の前において、金属導体１６と絶縁性基板１８との熱膨張係数が略同一であればよい。ここで、熱膨張係数が略同一とは、熱膨張係数の差が、絶縁性基板１８の熱膨張係数の値に対して２０％以下であることをいう。したがって、アクチュエータ活性化処理において、絶縁性基板１８の熱膨張係数を変えて金属導体の熱膨張係数と異ならせるとは、熱膨張係数の差が、絶縁性基板１８の熱膨張係数の値に対して２０％より大きいことをいう。特に、アクチュエータ素子が有効に動作するには、熱膨張係数の差が、絶縁性基板１８の熱膨張係数の値に対して５０％以上であることが好ましい。
【００２７】
図３は、ＦＰＣ１０の作製工程を説明するフローチャートである。
まず、絶縁性基板１８に設けられた、絶縁性基板１８の熱膨張係数と略同一の熱膨張係数を有する金属導体１６を所定のパターンに加工処理を行うとともに、アクチュエータ素子１２ａ〜１２ｆを形成すべき領域に発熱抵抗体層２０を設ける（ステップＳ１０）。
次に、絶縁性基板１８に対して構成部品（図示されず）を実装するために絶縁性基板１８を加熱してはんだリフローの処理を行う（ステップＳ２０）。はんだリフロー処理は、例えば、最大温度２４０℃、２００℃以上３０秒の条件で行われる。
【００２８】
次に、はんだリフローの処理により構成部品が実装された後、アクチュエータ素子を形成すべき領域を局所的に加熱する。これにより、絶縁性基板１８の熱膨張係数を、金属導体２０の熱膨張係数と略同一の熱膨張係数から、金属導体２０の熱膨張係数と異なる熱膨張係数に変化させる（ステップＳ３０）。この加熱は、少なくともはんだリフローの条件よりも高い温度で行われる。加熱時間は、絶縁性基板１８に用いる材料によって異なるが、ＰＥＮの場合、最高温度２５０℃で１２０秒程度加熱を行う。また、加熱温度が高いほど、加熱時間は短くて済む。勿論、アクチュエータ素子の駆動温度よりも高い温度で加熱される。
【００２９】
これにより、ＦＰＣ１０において、同一の材料からなる絶縁性基板１８の一方の面の側に、部分的に金属導体１６が設けられるとともに、この金属導体１６を用いたアクチュエータ素子１２ａ〜１２ｆを備えるフレキシブル回路基板１０が作製される。アクチュエータ素子１２ａ〜１２ｆの基板は、ＦＰＣ１０の絶縁性基板と共有するので、絶縁性基板からアクチュエータ素子が剥離することのない耐久上信頼性が高いアクチュエータ素子１２ａ〜１２ｆをＦＰＣ１０へ作製することができる。
【００３０】
以下、ＦＰＣ１０を作製し、ＦＰＣ１０の動作を確認した。
〔実施例〕
ＦＰＣ１０の基材となる基板として、金属導体が絶縁性基材に設けられたものを用いた。
金属導体は、厚さ２０μｍの銅箔を用いた。絶縁性基材として、ＰＥＮのフィルムを用いた。比較のために、ＰＩ（ポリイミド）を使用した例を示す。ＰＩは、東レ・ＤｕＰｏｎｔ社製の「カプトン」（登録商標）を用いた。ＰＩ又はＰＥＮのフィルムの厚さは２５μｍとした。
【００３１】
絶縁性基板を貫通するビアホール２５及び発熱抵抗体層と接続する電極２２，２４を、銀ペーストを塗布し６０℃３０分加熱することにより硬化させ、所定の形状に作製した。発熱抵抗体層２０として、スクリーン印刷によりパターン形成したカーボン抵抗体を用いた。カーボン抵抗体は、カーボン（炭素）フィラーとバインダー樹脂及び溶媒とを主成分とするカーボンペーストを用いた。このカーボンペーストは、必要な抵抗値が得られるようにカーボンフィラーとバインダー樹脂の比率が調整されたものである。以下に示すように、ポリエステル系とポリイミド系の２種類のバインダー樹脂を選択して発熱抵抗体層を作製した。具体的に、２種類のカーボンペーストをスクリーン印刷法を用いて塗布後、１３０℃、３０分間過熱することにより熱硬化させ、発熱抵抗体層２０を作製した。カーボンペーストを硬化して作製した発熱抵抗体層２０の厚さは２０μｍであった。
【００３２】
発熱抵抗体層２０を作製後、発熱抵抗体層２０の周りを切り欠いて、図１（ａ）に示すようなアクチュエータ素子をＦＰＣ１０の基板に短冊状（３ｍｍ×２５ｍｍ）に作製した。このアクチュエータ素子の厚さは約６５μｍ（金属導体２０μｍ、絶縁性基板２５μｍ、発熱抵抗体層２０μｍ）であった。
作製したアクチュエータ素子（サンプルａ〜ｄ）の各材料と、アクチュエータ活性化処理前のアクチュエータ素子（サンプルａ〜ｄ）の動作結果を、下記表１に示す。アクチュエータ素子の動作として、各アクチュエータ素子の自由端である先端の変形時の接線角度を調べた。動作電圧は、下記表１に示すように抵抗値に依存したが、５〜８Ｖであった。
下記表に示されるように、いずれのサンプルでも、接線角度は多くても５度程度であった。
【００３３】
【表１】
【００３４】
上記サンプルａ〜ｄに対して、はんだリフローの条件（最大温度２４０℃、２００℃以上３０秒）に設定したプログラマブルオーブンに入れて、耐はんだリフローテストを行った。この結果、いずれのサンプルも、加熱中基板の反りやアクチュエータ素子の反りの発生は見られず、はんだリフローが可能であることが確認できた。
【００３５】
次に、アクチュエータ活性化処理として発熱抵抗体素子に通電して発熱抵抗体層を発熱させ、略同一の供給エネルギーを与えた。サンプルａには８．０Ｖ、サンプルｂには９．０Ｖ，サンプルｃには１１．７Ｖ、サンプルｄには１１．０ｖの電圧を１２０秒印加して、絶縁性基板１８の加熱処理を行い、略２５０℃に加熱した。アクチュエータ活性化処理後、再度発熱抵抗層に通電し、アクチュエータ素子の自由端の接線角度を調べた。下記表２にその結果を示す。
なお、アクチュエータ活性化処理を行っても、ＰＩ（「カプトン」（登録商標））からなる絶縁性基板の熱膨張係数を、銅からなる金属導体の熱膨張係数に対して異ならせることはできない。一方、ＰＥＮからなる絶縁性基板の熱膨張係数を、銅からなる金属導体の熱膨張係数に対して異ならせることはできる。このため、サンプルａ，ｃは、本発明の実施例に相当し、サンプルｂ，ｄは、本発明に対する比較例に相当する。
【００３６】
【表２】
【００３７】
表２に示すように、サンプルａ（金属導体：銅、絶縁性基板：ＰＥＮ）は、接線角度が約９０度となり、アクチュエータ素子として有効に機能することがわかる。接線角度が約１０度のサンプルｃもアクチュエータ素子として機能する。一方、サンプルｂ、ｄは、接線角度が小さく、アクチュエータ素子として機能し難い。アクチュエータ素子として効果的に動作させるには、金属導体１６を銅で構成する場合、絶縁性基板１８をＰＥＮとすることが好ましい。この場合、発熱抵抗体層２０に含ませるバインダー樹脂として、絶縁性基板１８の熱膨張係数と略同じ材料を用いることが好ましい。絶縁性基板１８がＰＥＮの場合、バインダー樹脂としてポリエステル樹脂を用いることが、大きな変形を実現する点で特に好ましい。
【００３８】
以上、本発明のフレキシブル回路基板、アクチュエータ素子およびフレキシブル回路基板の作製方法について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。
例えば、上記実施例に対する比較のために、絶縁性基板に、ＰＩ（ポリイミド）である「カプトン」（登録商標）を用いた例を示したが、本発明においては、ＰＩ（ポリイミド）は絶縁性基板として除外されるものではなく、絶縁性基板の熱膨張係数がアクチュエータ活性化処理により金属導体の線膨張係数と略異なるものとなる限り、材料は限定されない。上記「カプトン」（登録商標）以外の構造を有するＰＩ（ポリイミド）であっても、絶縁性基板の熱膨張係数がアクチュエータ活性化処理により金属導体の線膨張係数と略異なる限り、ＰＩ（ポリイミド）も本発明における絶縁性基板の材料として用いることはできる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明のフレキシブル回路基板の一実施形態であるフレキシブル回路基板の概略構成図である。
【図２】本発明のアクチュエータ素子の一実施形態の構成を示す、図１中のＡ−Ａ’矢視断面図である。
【図３】本発明のフレキシブル回路基板の作製方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４０】
１０ フレキシブル回路基板
１２ａ〜１２ｆ アクチュエータ素子
１４ 切り欠き部
１６ 金属導体
１７ 領域
１８ 絶縁性基板
２０ 発熱抵抗体層
２２，２４ 電極
２５ ビアホール
２６，３０ 配線ライン
２８，３２ 電極端子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一の材料からなる絶縁性基板の一方の面の側に、部分的に金属導体が設けられるとともに、この金属導体を用いたアクチュエータ素子を備えるフレキシブル回路基板であって、
前記絶縁性基板は、熱膨張係数が前記金属導体と略同一の第１の領域と、熱膨張係数が前記第１の領域と異なる第２の領域とを有し、前記第２の領域の縁部の一部分は、前記第１の領域と接し、かつ、前記第２の領域の縁部の他の部分は、前記第２の領域から切り離された自由端を有し、
前記第２の領域において、前記絶縁性基板の前記一方の面の側に前記金属導体が設けられ、さらに、前記絶縁性基板に設けられた前記金属導体の側と反対側の面に、発熱抵抗体層と、この発熱抵抗体層に通電する電極と、が設けられ、
前記第２の領域は、前記電極から前記発熱抵抗体層に通電して前記第２の領域を加熱することによって、前記第２の領域が変形するアクチュエータ素子として動作することを特徴とするフレキシブル回路基板。
【請求項２】
前記第２の領域に設けられる前記電極は、前記金属導体と接続されており、さらに、前記金属導体は、配線ラインとして、同一フレキシブル回路基板上の回路もしくは外部回路に接続されている請求項１に記載のフレキシブル回路基板。
【請求項３】
前記第２の領域の絶縁性基板における熱膨張係数は、前記アクチュエータ素子として動作するときの、前記第２の領域の絶縁性基板の加熱温度に比べて高い温度で、前記第２の領域の絶縁性基板を加熱することにより、前記第１の領域の絶縁性基板における熱膨張係数から変化させたものである請求項１又は２に記載のフレキシブル回路基板。
【請求項４】
前記発熱抵抗体層に通電して前記第２の領域を加熱することにより、前記第２の領域の絶縁性基板における熱膨張係数を変化させる請求項３に記載のフレキシブル回路基板。
【請求項５】
前記絶縁性基板は、ポリエステル樹脂からなる請求項１〜４のいずれか１項に記載のフレキシブル回路基板。
【請求項６】
絶縁性基板の一方の面の側に、金属導体が設けられ、前記絶縁性基板の他方の面の側に、電極を通して通電可能な発熱抵抗体層が設けられたアクチュエータ素子であって、
前記絶縁性基板は、前記金属導体の熱膨張係数と略同一の熱膨張係数から、アクチュエータ素子として動作するときの、前記絶縁性基板の加熱温度に比べて高い温度で加熱することにより、熱膨張係数を変化させた基板であり、
前記発熱抵抗体に通電して前記絶縁性基板及び前記金属導体を加熱することにより、前記絶縁性基板と前記金属導体との熱膨張係数の違いに基づいて動作することを特徴とするアクチュエータ素子。
【請求項７】
前記電極は、前記金属導体と接続されており、さらに、前記金属導体は、配線ラインとして、前記絶縁性基板上の回路もしくは外部回路に接続されている請求項６に記載のアクチュエータ素子。
【請求項８】
前記絶縁性基板は、前記発熱抵抗体層に通電して前記絶縁性基板を加熱することにより、前記絶縁性基板の熱膨張係数が変化した基板である請求項６又は７に記載のアクチュエータ素子。
【請求項９】
前記絶縁性基板は、ポリエステル樹脂からなる請求項６〜８のいずれか１項に記載のアクチュエータ素子。
【請求項１０】
同一の材料からなる絶縁性基板の一方の面の側に、部分的に金属導体が設けられるとともに、この金属導体を用いたアクチュエータ素子を備えるフレキシブル回路基板の作製方法であって、
絶縁性基板に設けられた、前記絶縁性基板の熱膨張係数と略同一の熱膨張係数を有する金属導体を所定のパターンに加工処理を行うとともに、アクチュエータ素子を形成すべき領域に発熱抵抗体層を設ける工程と、
前記絶縁性基板に対して構成部品を実装するために前記絶縁性基板を加熱してはんだリフローの処理を行う工程と、
はんだリフローの処理により構成部品が実装された後、はんだリフローの処理に用いた加熱温度より高い加熱温度で、前記アクチュエータ素子を形成すべき領域を局所的に加熱することにより、前記領域における前記絶縁性基板の熱膨張係数を、前記金属導体の熱膨張係数と略同一の熱膨張係数から、前記金属導体の熱膨張係数と異なる熱膨張係数に変化させる加熱処理の工程と、を有することを特徴とするフレキシブル回路基板の作製方法。
【請求項１１】
前記加熱処理の工程では、前記発熱抵抗体層に通電することにより、前記アクチュエータ素子を形成する領域を局所的に加熱する請求項１０に記載のフレキシブル回路基板の作製方法。
【請求項１】
同一の材料からなる絶縁性基板の一方の面の側に、部分的に金属導体が設けられるとともに、この金属導体を用いたアクチュエータ素子を備えるフレキシブル回路基板であって、
前記絶縁性基板は、熱膨張係数が前記金属導体と略同一の第１の領域と、熱膨張係数が前記第１の領域と異なる第２の領域とを有し、前記第２の領域の縁部の一部分は、前記第１の領域と接し、かつ、前記第２の領域の縁部の他の部分は、前記第２の領域から切り離された自由端を有し、
前記第２の領域において、前記絶縁性基板の前記一方の面の側に前記金属導体が設けられ、さらに、前記絶縁性基板に設けられた前記金属導体の側と反対側の面に、発熱抵抗体層と、この発熱抵抗体層に通電する電極と、が設けられ、
前記第２の領域は、前記電極から前記発熱抵抗体層に通電して前記第２の領域を加熱することによって、前記第２の領域が変形するアクチュエータ素子として動作することを特徴とするフレキシブル回路基板。
【請求項２】
前記第２の領域に設けられる前記電極は、前記金属導体と接続されており、さらに、前記金属導体は、配線ラインとして、同一フレキシブル回路基板上の回路もしくは外部回路に接続されている請求項１に記載のフレキシブル回路基板。
【請求項３】
前記第２の領域の絶縁性基板における熱膨張係数は、前記アクチュエータ素子として動作するときの、前記第２の領域の絶縁性基板の加熱温度に比べて高い温度で、前記第２の領域の絶縁性基板を加熱することにより、前記第１の領域の絶縁性基板における熱膨張係数から変化させたものである請求項１又は２に記載のフレキシブル回路基板。
【請求項４】
前記発熱抵抗体層に通電して前記第２の領域を加熱することにより、前記第２の領域の絶縁性基板における熱膨張係数を変化させる請求項３に記載のフレキシブル回路基板。
【請求項５】
前記絶縁性基板は、ポリエステル樹脂からなる請求項１〜４のいずれか１項に記載のフレキシブル回路基板。
【請求項６】
絶縁性基板の一方の面の側に、金属導体が設けられ、前記絶縁性基板の他方の面の側に、電極を通して通電可能な発熱抵抗体層が設けられたアクチュエータ素子であって、
前記絶縁性基板は、前記金属導体の熱膨張係数と略同一の熱膨張係数から、アクチュエータ素子として動作するときの、前記絶縁性基板の加熱温度に比べて高い温度で加熱することにより、熱膨張係数を変化させた基板であり、
前記発熱抵抗体に通電して前記絶縁性基板及び前記金属導体を加熱することにより、前記絶縁性基板と前記金属導体との熱膨張係数の違いに基づいて動作することを特徴とするアクチュエータ素子。
【請求項７】
前記電極は、前記金属導体と接続されており、さらに、前記金属導体は、配線ラインとして、前記絶縁性基板上の回路もしくは外部回路に接続されている請求項６に記載のアクチュエータ素子。
【請求項８】
前記絶縁性基板は、前記発熱抵抗体層に通電して前記絶縁性基板を加熱することにより、前記絶縁性基板の熱膨張係数が変化した基板である請求項６又は７に記載のアクチュエータ素子。
【請求項９】
前記絶縁性基板は、ポリエステル樹脂からなる請求項６〜８のいずれか１項に記載のアクチュエータ素子。
【請求項１０】
同一の材料からなる絶縁性基板の一方の面の側に、部分的に金属導体が設けられるとともに、この金属導体を用いたアクチュエータ素子を備えるフレキシブル回路基板の作製方法であって、
絶縁性基板に設けられた、前記絶縁性基板の熱膨張係数と略同一の熱膨張係数を有する金属導体を所定のパターンに加工処理を行うとともに、アクチュエータ素子を形成すべき領域に発熱抵抗体層を設ける工程と、
前記絶縁性基板に対して構成部品を実装するために前記絶縁性基板を加熱してはんだリフローの処理を行う工程と、
はんだリフローの処理により構成部品が実装された後、はんだリフローの処理に用いた加熱温度より高い加熱温度で、前記アクチュエータ素子を形成すべき領域を局所的に加熱することにより、前記領域における前記絶縁性基板の熱膨張係数を、前記金属導体の熱膨張係数と略同一の熱膨張係数から、前記金属導体の熱膨張係数と異なる熱膨張係数に変化させる加熱処理の工程と、を有することを特徴とするフレキシブル回路基板の作製方法。
【請求項１１】
前記加熱処理の工程では、前記発熱抵抗体層に通電することにより、前記アクチュエータ素子を形成する領域を局所的に加熱する請求項１０に記載のフレキシブル回路基板の作製方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００９−１５８５７８（Ｐ２００９−１５８５７８Ａ）
【公開日】平成２１年７月１６日（２００９．７．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３３２５０７（Ｐ２００７−３３２５０７）
【出願日】平成１９年１２月２５日（２００７．１２．２５）
【出願人】（０００２３１０７３）日本航空電子工業株式会社 (1,081)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月１６日（２００９．７．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月２５日（２００７．１２．２５）
【出願人】（０００２３１０７３）日本航空電子工業株式会社 (1,081)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]