JP2001292049A

JP2001292049A - 圧電共振部品

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Publication number: JP2001292049A
Application number: JP2000107109A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Miki; 信之三木; Toshiyuki Suzuki; 利幸鈴木
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2000-04-07
Filing date: 2000-04-07
Publication date: 2001-10-19

Abstract

(57)【要約】【課題】振動エネルギーの減衰を最小限に抑えて、圧電
共振子を安定に支持し得る圧電共振部品を提供する。【解決手段】圧電共振子３は、厚み縦振動モードで動作
するものであって、側面電極１３、１５を有する。側面
電極１３、１５は相対向２側面に設けられ、それぞれが
振動電極１７、１９に導通している。基板５は表面に端
子電極２１、２３を有する。接続導体７は、金属ボール
３１、３３を含み、金属ボール３１、３３は圧電共振子
３の側面電極１３、１５と基板５の端子電極２１、２３
との間に介在し、両者を固定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発振回路などを構
成する際に用いられる圧電共振部品に係り、特に基本波
振動モードを利用する圧電共振部品に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、発振周波数を得る共振子とし
て、圧電振動子を利用した圧電共振部品が知られてい
る。圧電振動子は、圧電素体の一面及び他面に、１対の
対向電極を付与した構造を有する。この圧電振動子は、
発振回路を構成する２個の負荷容量を形成する容量素子
と、互いの厚み方向の一面が向い合う位置関係に積層さ
れる。更に、接続導体により、入力電極、出力電極およ
び接地電極がそれぞれ電気的機械的に接合され、また、
キャップで封止される。

【０００３】このような圧電共振部品は、例えば、特開
昭６０ー１２３１２０号公報、特開平１−２３６７１５
号公報、特開平８ー２３７０６６号公報または特開平１
０ー１３５２１５号公報等に開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】厚み縦振動モードを利
用する圧電共振部品には、基本波振動モードを利用する
ものと、高調波振動モード、特に、第三次高調波振動モ
ードを利用するものが知られている。

【０００５】第三次高調波振動モードを利用する圧電共
振部品の典型例は、エネルギー閉じ込め型である。この
タイプの圧電共振部品は、圧電基板内に非振動部分が存
在するため、その部分を支持固定することにより、特性
劣化のない圧電共振部品が得られ、多方面に利用されて
いる。

【０００６】厚み縦基本振動モードの圧電共振部品は、
基本波振動を利用するため、共振特性の高い（Ｑｍａｘ
大）ものが得られる。しかし、エネルギー閉じ込め型と
は異なって、非振動部分が得られにくい。特に小型化に
移行していく場合、圧電基板全体が振動していく状態で
あり、基板の支持固定が不可能となる。

【０００７】また、圧電共振部品の基本波振動モードを
利用するため、圧電基板の誘電基板上への搭載接続にお
いて、導電ペースト接続時の粘度変化による接着面積の
バラツキおよび滲み出し等により接続強度が不安定とな
り、圧電共振部品の振動エネルギーの抑制による特性劣
化、不要振動の抑圧不足による共振特性の劣化を発生
し、不安定な発振飛びなど発振不良を発生することがあ
る。

【０００８】本発明の課題は、振動エネルギーの減衰を
最小限に抑えて、圧電共振子を安定に支持し得る圧電共
振部品を提供することである。

【０００９】本発明のもう一つの課題は、小型化された
場合でも、振動エネルギーの減衰を最小限に抑えて、圧
電共振子を安定に支持し得る圧電共振部品を提供するこ
とである。

【００１０】本発明の更にもう一つの課題は、共振特性
の代表値であるＱｍａｘ値が高く、安定した共振特性を
発揮し得る圧電共振部品を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ため、本発明に係る圧電共振部品は、圧電共振子と、
基板と、接続導体とを含む。前記圧電共振子は、厚み縦
振動モードで動作するものであって、２つの側面電極を
有する。前記２つの側面電極は、厚み方向の面とは異な
る相対向２側面に設けられ、それぞれが振動電極に導通
する。

【００１２】前記基板は、表面に端子電極を有する。前
記接続導体は、金属ボールであって、圧電共振子の前記
側面電極と前記基板の前記端子電極との間に介在し、両
者を固定する。

【００１３】上述したように、本発明に係る圧電共振部
品では、圧電共振子は２つの側面電極を有しており、２
つの側面電極は、厚み方向の面とは異なる相対向２側面
に設けられ、それぞれが振動電極に導通するから、側面
電極に電気エネルギーを供給して、圧電共振子を励振す
ることができる。

【００１４】圧電共振子は厚み縦振動モードで動作する
ものであって、２つの側面電極は、厚み方向の面とは異
なる相対向２側面に設けられている。従って、側面電極
は、振動変位の少ない位置に設けられることになる。

【００１５】更に、発明に係る圧電共振部品は、接続導
体を含んでおり、接続導体は圧電共振子の側面電極と基
板の端子電極との間に介在し、両者を固定する。従っ
て、接続導体は、振動変位の小さな側面において、圧電
共振子を基板上に接続固定することになる。また、接続
導体が圧電共振子の側面に位置することになるので、接
続導体による高さ増大を回避し、薄型化された圧電共振
部品を得ることができる。

【００１６】しかも、接続導体は金属ボールであるか
ら、圧電共振子の側面のうちでも、最も振動変位の小さ
な領域を狙って、金属ボールを側面電極に対して点接触
的に接触させ、かつ、接続固定することができる。この
ため、振動エネルギーの減衰を最小限に抑えて、圧電共
振子を安定に支持し得る。しかも、小型化された場合で
も、金属ボールの大きさを選択することにより、容易に
対応でき、振動エネルギーの減衰を最小限に抑えて、圧
電共振子を安定に支持し得る。

【００１７】上述した作用により、振動エネルギーの放
散、不要振動の抑圧不足、共振特性の劣化、及び、不安
定な発振飛びなどの発振不良を抑え、共振特性の代表値
であるＱｍａｘ値が高く、安定した共振特性を発揮し得
る圧電共振部品が実現される。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に係る圧電共振部
品の組立状態を示す破断面を含む斜視図、図２は図１に
図示された圧電共振部品の組立状態を示す破断面を含む
拡大側面図、図３は図１、２に図示された圧電共振部品
の分解斜視図である。図示の圧電共振部品は、圧電共振
子３と、基板５と、接続導体７とを含む。また、キャッ
プ９を有する。

【００１９】圧電共振子３は、圧電素体１１及び複数個
の側面電極１３、１５並びに複数個の振動電極１７、１
９を含んでいる。振動電極１７、１９は、圧電素体１１
を間に介して、対向するようにして圧電素体１１の厚み
方向の一面及び他面に形成する。側面電極１３、１５
は、圧電素体１１を間に介し、対向するようにして、圧
電素体１１の長さ方向の一側面及び他側面に形成してあ
る。側面電極１３は振動電極１７に導通し、側面電極１
５は振動電極１９に導通している。電気的及び機械的に
接続している。

【００２０】また、圧電素体１１は、燒結体を所定厚み
に研磨し、高電界で分極処理をしたものである。圧電素
体１１の材質は、公害を生じないように、Ｐｂｏを含ま
ない非鉛材料を用いる。

【００２１】振動電極１７、１９及び側面電極１３、１
５は、真空蒸着法又はスパッタ形成法などの薄膜形成技
術によって形成することができる。振動電極１７、１９
及び側面電極１３、１５の材質は、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｒな
どを用いる。

【００２２】基板５は、基体２７と、基体２７の表面に
成形した複数個の端子電極２１、２３、２５を有する。
端子電極２１、２３は、それぞれ、基体２７を一周して
巻かれている。端子電極２１及び端子電極２５との間並
びに端子電極２３及び端子電極２５の間には、それぞ
れ、容量が構成される。

【００２３】接続導体７は、金属ボール３１、３３と導
電接着剤３５、３７とを含んでいる。金属ボール３１、
３３は、大きさを一例として示すとφ０．３〜０．５ｍ
ｍであり、非鉛系のハンダボール、銅（Ｃｕ）ボール、
銅（Ｃｕ）核心としたスズ（Ｓｎ）メッキ処理ボールな
どから選んで用いる。また、非鉛系のハンダボールの材
質は、環境汚染防止の観点から、Ｓｎ−Ｓｂ、Ｓｎ−Ｓ
ｂ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ
−Ｃｕ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ、Ｓｎ−Ｚｎ、
Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉなどの内から一種類以上のものを選ん
で用いる。また、スズ（Ｓｎ）メッキ厚さは５μｍ〜３
０μｍである。用いられる金属ボール３１、３３の具
体例としては、メッキコートボール（Ｃｕ核十Ｓｎメッ
キ層：メッキ厚５〜３０μｍ）、ボール径φ０．３〜
０．５ｍｍあるいはＣｕボール（メッキなし）、ボール
径φ０．３〜０．５ｍｍを挙げることができる。

【００２４】導電接着剤３５、３７は、フェノール樹脂
系、ウレタン樹脂及びエポキシ樹脂の混合系又はエポキ
シ樹脂系の内から選ばれた１種類及び銀（Ａｇ）を含ん
で構成する。導電ペースト硬化条件の一例を下に示す。

【００２５】フェノール系：１５０℃×３０ｍｉｎ（ｉｎＡｉｒ）ウレタン／エポキシ混合系：１７０℃×１０ｍｉｎ（ｉｎＡｉｒ）エポキシ系：２００℃×３０ｍｉｎ（ｉｎＡｉｒ）各構成部品の組み立てとして、圧電共振子３は基板５に
搭載されている。また、金属ボール３１、３３が基板５
と圧電共振子３との間に介在し、圧電共振子３を基板５
との間に隙間Ｇを有する状態に保持している。

【００２６】金属ボール３１、３３のそれぞれは、圧電
共振子３の側面電極１３、１５と点接触している。導電
接着剤３５は点接触部分の周辺に付着される。これによ
り、金属ボール３１、３３は、それぞれ、側面電極１
３、１５に固着され、機械的及び電気的に接続される。

【００２７】側面電極１３、１５との接着に使用する導
電接着剤３５は、可撓性を有するものを使用する方が圧
電共振子３の特性を出しやすいので、エポキシ樹脂系よ
りもウレタン樹脂とエポキシ樹脂の混合系又はフェノー
ル樹脂系の方がよい。

【００２８】また、金属ボール３１、３３のそれぞれ
は、基体２７を一周して巻かれている端子電極２１、２
３の圧電共振子３と向き合っている面のそれぞれに載置
され、点接触している。点接触部分の周辺を導電接着剤
３７で接着し、金属ボール３１、３３は、それぞれ、端
子電極２１、２３に固着され、機械的及び電気的に接続
される。

【００２９】端子電極２１、２３の接着に使用する導電
接着剤３７は、側面電極１３、１５に使用する場合ほど
可撓性を要求しないので、エポキシ樹脂系のものを使用
してもよい。

【００３０】圧電共振子３と基板５との組み付け手順
を、一例として示すと、次のようになる。

【００３１】先ず、圧電共振子３に設けられた端部電極
１３、１５に導電接着剤３５を塗布する。次に、塗布し
た導電接着剤３５の上に、金属ボール３１、３３を載置
する。次に、塗布した導電接着剤３５を乾燥硬化させ
る。

【００３２】次に、基板５表面に設けられた端子電極２
１、２３に導電接着剤３７を塗布する。

【００３３】次に、圧電振動子３を、固着している金属
ボール３１、３３が基板５上の導電接着剤３７を塗布し
た面に接する向きに、載置する。次に、端子電極２１、
２３に塗布した導電接着剤３７を乾燥硬化させる。

【００３４】導電接着剤３５、３７は乾燥硬化させる
が、処理条件を一例として示すと、フェノール樹脂系は
１５０℃で３０分、ウレタン樹脂及びエポキシ樹脂の混
合系は１７０℃で１０分、エポキシ樹脂系は２００℃で
３０分とする。

【００３５】キャップ９は、圧電共振子３を基板５に搭
載組み付けた後に、絶縁接着剤３９を介して、気密封止
構造で基板５に固着する。

【００３６】図４は圧電共振部品の等価回路図である。
圧電共振部品は、等価抵抗Ｒ、等価インダクタンスＬ、
等価キャパシタンスＣ１及び電極間容量Ｃｏを含む。

【００３７】図５は、圧電共振子単体の拡大斜視図であ
る。前に示したように、圧電共振子３は、圧電素体１１
及び側面電極１３、１５並びに振動電極１７、１９を含
んでいる。

【００３８】圧電共振子３のサイズを、一例として示す
と、図に矢印で示すＸ方向の幅Ｗは１ｍｍ〜１．２ｍ
ｍ、Ｚ方向の厚さＴは０．４ｍｍ〜０．５ｍｍ、Ｙ方向
の長さＫは１ｍｍ〜１．２ｍｍである。

【００３９】本発明に係る圧電共振部品は、厚み縦基本
振動モードの基本波振動を利用するものである。利用す
る振動変位の方向はＺ方向である。振動変位は、当然の
ことながら、振動電極１７、１９が形成されているＺ方
向の面の中央部が最も大きい。

【００４０】圧電共振子３は、図２に示したように、側
面電極１３、１５部分で金属ボール３１、３３により支
持されている。この支持されている側面電極１３、１５
は、Ｙ方向の１側面及び他側面に存在する。Ｙ方向の１
側面及び他側面は、利用する厚み縦振動変位の方向であ
るＺ方向にほぼ直交しており、振動変位が小さい。ま
た、圧電共振子の支持の方向が変位方向にほぼ直角であ
ることは、利用する厚み縦振動変位を妨げることが非常
に少ない。

【００４１】従って、圧電共振子３を側面電極１３、１
５部分で金属ボール３１、３３により支持する構造によ
れば、振動エネルギの減衰抑制、不要振動の抑圧、及び
共振特性の劣化を回避することができる。

【００４２】更に、圧電共振子３の支持は、点接触構造
を有していて、圧電共振子の振動を妨げることが更に少
なくなる。このような支持構造によれば、Ｑ値の高い圧
電共振部品を作ることができる。

【００４３】側面部において振動変位の少ない範囲は広
範囲な部分を占めるが、図において、２箇所のＳ領域
は、振動変位が特に小さい範囲である。このＳ領域は高
い共振特性が得られる可能範囲を示していて、金属ボー
ル３１、３３を接触させる支持点の位置として最適な部
分である。Ｓ領域は、参照符号Ｃ１で図示した厚みＴの
中間及び参照符号Ｃ２で図示した幅Ｗの４分線の交点を
ほぼ中心とする、高さが厚みＴのおおよそ２分１の範囲
で、幅が全体幅Ｗのおおよそ４分の１の範囲にある。た
だし、Ｓ領域以外は支持点の位置として不可ということ
ではなく、従来の幅方向の全長にわたり帯状に貼り合わ
されたせた構造と異なり、Ｓ領域以外に支持点の位置を
定めても実用的性能を得ることができる。

【００４４】図６は、圧電共振子側面の振動変位量の分
布図である。図はレーザを用いて、圧電共振子側面部分
の振動変位を実測し、分布図で表示したものである。厚
みＴは０．５ｍｍであり、幅Ｗは１．２ｍｍである。斜
線でハッチングしたＢ部分は変位量が２ｎｍ〜４ｎｍで
比較的振動が大である。その他ハッチングの無いＡ部分
は変位量が２ｎｍ以下である。この側面部分には、図５
で示したＺ方向の一面の中央部に見られるような、４ｎ
ｍを越す変位量の部分は存在しない。また、図５に示し
たＳ領域は概略変位量が２ｎｍ以下のＡ部分の範囲に含
まれている。

【００４５】図７は、図６の中心線Ｘ１上の振動変位量
の測定値グラフである。横軸は、図６に示す中心線Ｘ１
上の位置を示し、１目盛０．１ｍｍ、総幅１．２ｍｍで
ある。縦軸は振動変位量で１目盛１ｎｍである。最大変
位量は３．６ｎｍで、図６に示すＺ１の位置に存在す
る。図５に示した、Ｓ領域は変位量が概ね１ｎｍ以下の
範囲に含まれている。

【００４６】図８は、モデル解析による圧電共振子の振
動変位量の分布図である。コンピュータシュミレーショ
ンに使用したモデルのサイズは、図５に示した圧電共振
子単体のサイズの範囲内にあり、図示した、Ｘ、Ｙ及び
Ｚの各方向も図５に示した各方向に合わせてある。振動
変位量は５段階区分とし、白抜きＡ部分の変位量が最も
小さく、次に鎖線で示すＢ部分、縦実線で示すＣ部分、
横実線で示すＤ部分、斜実線で示すＥ部分の順で、ハッ
チングの線が重なった部分ほど振動変位量が大きい。Ｚ
方向上面の中心Ｅ部分が最大変位量を示している。ま
た、Ｚの方向上面に比較して、Ｘ及びＹ方向の側面部分
は振動変位が少ない。また、Ｘ及びＹ方向の側面部分に
はＺ方向上面の中心部の最大変位量に匹敵するような変
位量の部分は存在しない。

【００４７】図５に示したＳ領域は、５段階区分の変位
量が最も小さい白抜きＡ部分と、次ぎに変動量の多い点
線ハッチングＢ部分に一部掛かって納まっている。

【００４８】図９は、プローブ接触位置による圧電共振
子の共振特性値の分布図である。圧電共振子の側面を、
その４分１の範囲においてプローブを当て、Ｑｍａｘ値
の変化を測定したものの分布図である。Ｑｍａｘ値の表
示は４段階に分れており、良い方から悪い方にハッチン
グを重ねて表示してある。Ａで示す白抜きが最も良く、
Ｑｍａｘ値が３０〜２５、次に、Ｂで示す点線ハッチン
グのみの部分が２５〜２０、Ｃで示す縦ハッチング追加
部分が２０〜１５、Ｄで示す横ハッチング追加部分が１
５〜１０の順である。

【００４９】図５に示したＳ領域は、４段階表示の内、
Ｑｍａｘ値が２５〜２０のＢで示す点線ハッチング部分
に納まっている。

【００５０】図６〜図９にかけて、圧電共振子の側面部
分の振動変位量及びＱｍａｘ値を検証したが、図５に示
したＳ領域は、振動変位量も小さく、Ｑｍａｘ値も高い
部分であるといえる。

【００５１】以上述べたように、圧電共振子３が、側面
電極１３、１５部分で、金属ボール３１、３３により、
点接触構造を有して支持されている構造によれば、厚み
縦基本振動モードを活用し得、かつ、振動エネルギの減
衰抑制、不要振動の抑圧、及び、共振特性の劣化を抑え
て、共振特性の良い圧電共振部品を得ることができる。

【００５２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、次
のような効果を得ることができる。（ａ）振動エネルギーの減衰を最小限に抑えて、圧電共
振子を安定に支持し得る圧電共振部品を提供することが
できる。（ｂ）小型化された場合でも、振動エネルギーの減衰を
最小限に抑えて、圧電共振子を安定に支持し得る圧電共
振部品を提供することができる。（ｃ）共振特性の代表値であるＱｍａｘ値が高く、安定
した共振特性を発揮し得る圧電共振部品を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る圧電共振部品の組立状態を示す破
断面を含む斜視図である。

【図２】図１に図示された圧電共振部品の組立状態を示
す破断面を含む拡大側面図である。

【図３】図１に図示された圧電共振部品の分解斜視図で
ある。

【図４】圧電共振子の等価回路図である。

【図５】圧電共振子単体の拡大斜視図である。

【図６】圧電共振子側面の振動変位量の分布図である。

【図７】図６の中心線Ｘ１上の振動変位量の測定値グラ
フである。

【図８】モデル解析による圧電共振子の振動変位量の分
布図である。

【図９】プローブ接触位置による圧電共振子の共振特性
値の分布図である。

【符号の説明】

３圧電共振子５基板７接続導体９キャップ１１圧電素体１３、１５側面電極１７、１９振動電極２１、２３、２５端子電極２７基体３１、３３金属ボール３５、３７導電接着剤

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電共振子と、基板と、接続導体とを含
む圧電共振部品であって、前記圧電共振子は、厚み縦振動モードで動作するもので
あって、２つの側面電極を有し、前記２つの側面電極
は、厚み方向の面とは異なる相対向２側面に設けられ、
それぞれが振動電極に導通しており、前記基板は、表面に端子電極を有しており、前記接続導体は、金属ボールであって、圧電共振子の前
記側面電極と前記基板の前記端子電極との間に介在し、
両者を固定する圧電共振部品。
【請求項２】請求項１に記載された圧電共振部品であ
って、前記金属ボールは、振動最小点において、前記圧電共振
子の前記側面電極に接続される圧電共振部品。
【請求項３】請求項１または２の何れかに記載された
圧電共振部品であって、前記圧電共振子は、基本波振動を利用する圧電共振部
品。
【請求項４】請求項１乃至３の何れかに記載された圧
電共振部品であって、前記圧電共振子は、圧電基板が非鉛系圧電材料である圧
電共振部品。
【請求項５】請求項１乃至４の何れかに記載された圧
電共振部品であって、前記金属ボールは、非鉛系材質で構成された導電性ボー
ルである圧電共振部品。