JP2002094351A

JP2002094351A - 圧電共振部品

Info

Publication number: JP2002094351A
Application number: JP2000284197A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Suzuki; 利幸鈴木
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2000-09-19
Filing date: 2000-09-19
Publication date: 2002-03-29

Abstract

(57)【要約】【課題】基板及び圧電振動子を接続する接続部分に、熱
衝撃によるクラックを発生しない高信頼度の圧電共振部
品を提供する。【解決手段】圧電振動子３は、セラミックスでなる圧電
素体１１に振動電極１７、１９及びリード電極１３、１
５を備える。基板５は、表面に端子電極２１、２３を有
する。接続導体３１、３３は、核部分３０１と、核部分
３０１の表面に付着された導体膜３０２とを含み、圧電
振動子３のリード電極１３、１５と、基板５の端子電極
２１、２３との間に介在し、両者を電気的、機械的に接
続固定する。核部分３０１は圧電素体１１または基板５
と、線膨張係数が近似したセラミックスでなる。

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。この圧電共振部品は、接続導体を用いて、圧電振動
子を、基板の一面に接続固定した構造となっている。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】接続導体を用いて、圧電振動子を、基板の
一面に接続固定する構造の場合、接続導体と、基板及び
圧電振動子との間の線膨張係数の差に起因する熱ストレ
スにより、接続導体にクラックが発生し、信頼性を低下
させることがある。このような問題を解決する手段とし
て、特開平８ー２８８２９１号公報は、樹脂ボールを核
とし、その表面をハンダ膜で覆った接続導体を用い、樹
脂ボールの弾性によって、接続導体と、基板及び圧電振
動子との間の線膨張係数の差に起因する熱ストレスを緩
和する技術を開示している。

【０００４】しかし、ここで用いられている接続導体
は、樹脂ボールを核としているので、接続導体と、基板
及び圧電振動子との間の接着面積が変動し、接着強度が
低下し易い。しかも、樹脂ボールの成分が滲み出し、接
着強度が低下する等の問題も生じる。

【０００５】別の従来技術として、特開平１１ー３４０
７７６号公報は、Ｃｕ、Ａｇ、カーボン、ガラス、セラ
ミックスまたは樹脂等からなる核部分の表面に、導電膜
を形成した接続導体を開示している。

【０００６】しかしながら、上述した先行技術におい
て、核部分を構成する材料として開示された材料は、圧
電素体及び基板とは、線膨張係数が大きく異なり、接続
導体と、基板及び圧電振動子との間の線膨張係数の差に
起因する熱ストレスを緩和する技術を開示するものでは
ない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、基板
及び圧電振動子を接続する接続部分に、熱衝撃によるク
ラックを発生しない高信頼度の圧電共振部品を提供する
ことである。

【０００８】本発明のもう一つの課題は、基板及び圧電
振動子を接続する接続部分において、接着強度の低下等
を招くことのない圧電共振部品を提供することである。

【０００９】

【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、圧電振動子と、基
板と、接続導体とを含む。前記圧電振動子は、セラミッ
クスでなる圧電素体に振動電極及びリード電極を備えて
おり、前記基板は、表面に端子電極を有している。

【００１０】前記接続導体は、核部分と、前記核部分の
表面に付着された導体膜とを含み、前記圧電振動子の前
記リード電極と前記基板の前記端子電極との間に介在
し、両者を電気的、機械的に接続固定する。接続導体の
前記核部分は、前記圧電素体または前記基板と、線膨張
係数が近似したセラミックスでなる。

【００１１】上述したように、本発明に係る圧電共振部
品では、圧電振動子は、圧電素体に振動電極及びリード
電極を備えており、基板は、表面に端子電極を有してお
り、接続導体は圧電振動子のリード電極と基板の端子電
極との間に介在し、両者を電気的、機械的に接続固定す
るから、接続導体の形状を、例えば、ボール状にするこ
とにより、リード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、圧電振動子を安定に支持
し得る。しかも、小型化された場合でも、接続導体の大
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、圧電振動子を安定に支
持し得る。

【００１２】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。

【００１３】しかも、接続導体の核部分は、圧電素体ま
たは基板と、線膨張係数が近似したセラミックスでなる
から、基板及び圧電振動子を接続する接続導体に、熱衝
撃によるクラックを発生しない。また、従来の樹脂ボー
ルと異なって、接続導体と、基板及び圧電振動子との間
の接着面積が変動することもないし、ボール成分の滲み
出しもない。このため、接着強度の低下等を招くことが
ない。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係る圧電共振部品
の分解斜視図、図２は本発明に係る圧電共振部品の組立
状態における部分破断斜視図、図３は図１、２に図示さ
れた圧電共振部品の組立状態における拡大側面部分断面
図、図４は接続導体の拡大断面図である。図は、一実施
例として、厚み縦基本振動モードの基本波振動を利用す
る圧電共振部品を示しており、圧電振動子３と、基板５
と、接続導体３１、３３と、キャップ９とを有する。

【００１５】圧電振動子３は、セラミックスでなる圧電
素体１１、複数個のリード電極１３、１５及び複数個の
振動電極１７、１９を含んでいる。振動電極１７、１９
は、互いに対向するようにして、圧電素体１１の厚み方
向の両面に備えられている。リード電極１３、１５は、
圧電素体１１の長さ方向の一側面及び他側面に備えられ
ている。リード電極１３は振動電極１７に導通し、リー
ド電極１５は振動電極１９に導通している。

【００１６】圧電素体１１は、燒結体を所定の厚みに研
磨し、高電界で分極処理をしたものである。圧電素体１
１の材質は、環境への配慮から、ＰｂＯを含まない非鉛
材料を用いる。圧電素体１１は、実効ポアソン比が（１
／３）未満の圧電材料によって構成することができる。
実効ポアソン比が（１／３）未満の材料を用いても基本
波について良好な波形が得られる。

【００１７】実効ポアソン比が（１／３）未満の圧電材
料としては、例えば、タンタル酸化合物あるいはニオブ
酸化合物などのペロブスカイト構造を有する化合物およ
びその固溶体、イルメナイト構造を有する化合物および
固溶体、パイロクロア構造を有する化合物、ビスマスを
含む層状構造化合物、またはタングステンーブロンズ構
造を有する化合物などが挙げられる。この圧電素体１１
はこれらの圧電材料を最大含有成分である主成分として
含んでいる。

【００１８】タンタル酸化合物またはニオブ酸化合物と
しては、例えば、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム
（Ｋ）、およびリチウム（Ｌｉ）などからなる群のうち
の少なくとも１種の第１の元素と、タンタル（Ｔａ）お
よびニオブ（Ｎｂ）からなる群のうちの少なくとも１種
の第２の元素と、酸素とを含むものが挙げられる。これ
らは、第１の元素をＡとし、第２の元素をＢとすると、
一般式ＡＢＯ₃ で表される。また、ビスマスを含む層状構造化合物とし
ては、例えば、ビスマスと、ナトリウム、カリウム、バ
リウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、鉛（Ｐ
ｂ）、カルシウム（Ｃａ）、イットリウム（Ｙ）、およ
びランタノイド（Ｌｎ）およびビスマスなどからなる群
のうちの少なくとも１種の第１の元素と、バナジウム
（Ｖ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、アンチモン（Ｓｂ）、
チタン（Ｔｉ）、ニオブ、タンタル、タングステン
（Ｗ）およびモリブデン（Ｍｏ）などからなる群のうち
の少なくとも１種の第２の元素と、酸素とを含むものが
挙げられる。これらは、第１の元素をＣとし、第２の元
素をＤとすると、次の一般式（Ｂｉ₂Ｏ₂）²⁺（Ｃ_m-1Ｄ_mＯ_3m+1）^2- 但し、ｍ：１から８までの整数で表される。更に、ダングステンブロンズ化合物には一
般式はなく、例えば、ＮａＷ０₆ＢａＮａＮｂＯ₁₅ などがある。但し、ここで示した化学式はいずれも化学
量論組成で表したものであり、圧電素体１１を構成する
圧電材料としては化学量論組成でないものが用いられて
もよい。

【００１９】これらの中でも、ビスマスを含む層状構造
化合物は圧電素体１１を構成する圧電材料として好まし
い。機械的品質係数Ｑ_mおよびキュリー温度が大きく、
特にレゾネータとして優れた特性を得ることができるか
らである。例えば、ビスマスとストロンチウムとチタン
と酸素とを含む層状構造化合物が好ましく、特に、この
層状構造化合物にランタンを含むものはより好ましい。

【００２０】振動電極１７、１９及びリード電極１３、
１５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、１
９及びリード電極１３、１５の材質は、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃ
ｒなどを用いる。圧電振動子３のサイズは、一例として
示すと、幅１ｍｍ〜１．２ｍｍ、厚さ０．４ｍｍ〜０．
５ｍｍ、長さ１ｍｍ〜１．２ｍｍである。

【００２１】基板５は、セラミックスでなる基体２７
と、基体２７の表面に成形した複数個の端子電極２１、
２３、２５とを有する。端子電極２１、２３は、それぞ
れ、基体２７を一周している。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。基板５は、セ
ラミック主成分を、圧電素体１１を構成するセラミック
主成分に一致させることが好ましい。

【００２２】接続導体３１、３３は、図４に拡大して示
すように、核部分３０１と、核部分３０１の表面に付着
された導体膜３０２とを含む。この接続導体３１、３３
は、圧電振動子３のリード電極１３、１５と基板５の端
子電極２１、２３との間に介在し、両者を電気的、機械
的に接続固定するものであって、核部分３０１は圧電素
体１１または基板５と、線膨張係数が近似したセラミッ
クでなる。より具体的には、核部分３０１は、セラミッ
クス主成分を、圧電素体１１または基板５を構成するセ
ラミックス主成分に一致させる。

【００２３】実施例において、導体膜３０２の核部分３
０１は、ボール状である。ボール状の他、半ボール状、
または、多角形状等の他の形状とすることもできる。導
体膜３０２は導電性樹脂膜を含むことができる。このよ
うな導電性樹脂膜はＡｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、ＡｕまたはＰｄ
の群から選択された少なくとも１種を、導電成分として
含む導電性ペーストを、核部分３０１の表面に塗布し、
乾燥硬化させることによって形成することができる。

【００２４】また、導体膜３０２は、金属膜を含むこと
もできる。金属膜はＡｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、ＡｕまたはＰｄ
の群から選択された少なくとも１種を含む。このような
金属膜は、めっき等の手段によって形成することができ
る。導体膜３０２は、上述した金属膜の単層または複数
層によって構成することができる。また、導体膜３０２
の表面にはんだ付け性の良好な金属膜を付与することも
できる。更に、金属膜は導電性樹脂膜と組み合わせて用
いることもできる。接続導体３１、３３は、大きさを一
例として示すとφ０．３〜０．５ｍｍである。

【００２５】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。

【００２６】フェノール系：１５０℃×３０
min(in Air) ウレタン／エポキシ混合系：１７０℃×１０min(in Ai
r) エポキシ系：２００℃×３０min(in Air) 圧電振動子３は基板５に搭載されている。また、接続導
体３１、３３が基板５と圧電振動子３との間に介在し、
圧電振動子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。

【００２７】実施例の場合、接続導体３１、３３のそれ
ぞれは、ボール状であるので、圧電振動子３のリード電
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、接続導体３
１、３３は、それぞれ、リード電極１３、１５に固着さ
れ、機械的及び電気的に接続される。

【００２８】リード電極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
圧電振動子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。

【００２９】接続導体３１、３３のそれぞれは、端子電
極２１、２３に点接触している。点接触部分の周辺を導
電接着剤３７で接着し、接続導体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。

【００３０】端子電極２１、２３の接着に使用する導電
接着剤３７は、リード電極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。

【００３１】本発明において、導電性接着剤３５、３７
は、必ずしも必須ではない。接続導体３１、３３の核表
面に形成されている導電膜３０２の種類によっては、超
音波接合、または、はんだ接合等を採用でき、この場合
には、導電性接着剤３５、３７を省略できる。

【００３２】上述したように、本発明に係る圧電共振部
品では、圧電振動子３は、圧電素体１１に振動電極及び
リード電極１３、１５を備えており、基板５は、表面に
端子電極２１、２３を有しており、接続導体３１、３３
は圧電振動子３のリード電極１３、１５と、基板５の端
子電極２１、２３との間に介在し、両者３ー５を電気
的、機械的に接続固定するから、接続導体３１、３３の
形状を、例えば、実施例に示したボール状にすることに
より、リード電極１３、１５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、圧電振動子３を安
定に支持し得る。しかも、小型化された場合でも、接続
導体３１、３３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
電振動子３を安定に支持し得る。

【００３３】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。

【００３４】しかも、接続導体３１、３３の核部分３０
１は、圧電素体１１または基板５と、線膨張係数が近似
したセラミックスでなるから、基板５及び圧電振動子３
を接続する接続導体３１、３３に、熱衝撃によるクラッ
クを発生しない。また、従来の樹脂ボールと異なって、
接続導体３１、３３と、基板５及び圧電振動子３との間
の接着面積が変動することもないし、ボール成分の滲み
出しもない。このため、接着強度の低下等を招くことが
ない。次にデータを挙げて本発明の効果を具体的に説明
する。

【００３５】実施例１図１〜図３に示した構造を持つ圧電共振部品の実施例サ
ンプル１０個を熱衝撃試験に供した。熱衝撃試験は、−
４０℃の温度で３０分間保持した後、８５℃の温度で３
０分間保持し、これを１サイクルとして、１００サイク
ルまで行った。各構成部分の材質、線膨張係数及び熱衝
撃試験結果を表１に示す。

【００３６】実施例２図１〜図３に示した構造を持つ圧電共振部品の実施例サ
ンプル１０個を熱衝撃試験に供した。熱衝撃試験は、−
４０℃の温度で３０分間保持した後、８５℃の温度で３
０分間保持し、これを１サイクルとして、１００サイク
ルまで行った。各構成部分の材質、線膨張係数及び熱衝
撃試験結果を表１に示す。実施例１との相違点は、セラ
ミック基板として、実施例１ではＳＬＢＴを用いている
のに対し、実施例２ではＵＳを用いている点である。Ｕ
ＳはSrTiO₃ーCaTiO₃系セラミックスを示し、ＳＬＢＴは
ビスマス層状化合物を示す。

【００３７】比較例１図１〜図３に示した構造を持つ圧電共振部品であるが、
接続導体３１、３３の核部分３０１を金属ボール（Ｃｕ
ボール）とした比較例サンプル１０個を、熱衝撃試験に
供した。熱衝撃試験は、−４０℃の温度で３０分間保持
した後、８５℃の温度で３０分間保持し、これを１サイ
クルとして、１００サイクルまで行った。各構成部分の
材質、線膨張係数及び熱衝撃試験結果を表１に示す。

【００３８】表１に示すように、核部分として、Ｃｕの
金属ボールを用いた比較例１において、１０個のサンプ
ルの何れにおいても、金属ボールと、導電接着剤（熱硬
化性樹脂）との間にクラックが発生した。これに対し
て、核部分として、セラミックボール（ＳＬＢＴ）を用
いた実施例１、２では、１０個のサンプルの何れにも、
導電接着剤（熱硬化性樹脂）にクラックが発生しなかっ
た。

【００３９】接続導体３１、３３は、圧電振動子３に対
して、振動変位の小さい領域で接続することが好まし
い。次にこの点について説明する。

【００４０】図５は図１〜３に示した圧電共振部品に含
まれる圧電振動子を、厚み縦振動モードで動作させた場
合のコンピュータシミュレーションによる振動変位量の
分布図である。図５において、振動変位量は、Ａ〜Ｅの
５段階区分として示してある。白抜きで示された領域Ａ
の変位量が最も小さく、次に鎖線で示す領域Ｂ、縦実線
で示す領域Ｃ、横実線で示す領域Ｄ、斜実線で示す領域
Ｅの順で振動変位量が大きくなっている。

【００４１】図５に図示するように、六面体である圧電
素体１１を、厚み縦振動モードで動作させた場合、４つ
のコーナ部に、振動変位が最小になる領域Ａが生じる。

【００４２】図１〜図３に示す実施例では、接続導体３
１、３３は、振動変位が最小になる側面の領域Ａにおい
て、圧電振動子３に接続されている。このため、接続導
体３１、３３による振動エネルギーの減衰を最小限に抑
え、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値が大きく、安
定した共振特性を発揮し得る圧電共振子が実現される。

【００４３】図５に図示するように、振動変位が最小に
なる領域Ａは、圧電素体１１の厚み方向の両面の４つの
コーナにも生じる。従って、圧電素体１１の厚み方向の
両面の４つのコーナにおいて、振動変位が最小になる領
域Ａに、接続導体３１、３３を接続することによって
も、同様の効果を得ることができる。

【００４４】

【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）基板及び圧電振動子を接続する接続部分に、熱衝
撃によるクラックを発生しない高信頼度の圧電共振部品
を提供することができる。（ｂ）基板及び圧電振動子を接続する接続部分におい
て、接着強度の低下等を招くことのない圧電共振部品を
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分解斜視図であ
る。

【図２】本発明に係る圧電共振部品の組立状態における
部分破断斜視図である。

【図３】図１、２に図示された圧電共振部品の組立状態
における拡大側面部分断面図である。

【図４】接続導体の拡大断面図である。

【図５】図１〜３に示した圧電共振部品に含まれる圧電
振動子を、厚み縦振動モードで動作させた場合のコンピ
ュータシミュレーションによる振動変位量の分布図であ
る。

【符号の説明】

３圧電振動子５基板１１圧電素体１３、１５リード電極１７、１９振動電極２１、２３、２５端子電極３１、３３接続導体３０１核部分３０２導電膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 41/18 １０１Ｊ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電振動子と、基板と、接続導体とを含
む圧電共振部品であって、前記圧電振動子は、セラミックスでなる圧電素体に振動
電極及びリード電極を備えており、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、核部分と、前記核部分の表面に付着さ
れた導体膜とを含み、前記圧電振動子の前記リード電極
と前記基板の前記端子電極との間に介在し、両者を電気
的、機械的に接続固定するもであって、前記核部分は前
記圧電素体または前記基板と、線膨張係数が近似したセ
ラミックスを含む圧電共振部品。
【請求項２】請求項１に記載された圧電共振部品であ
って、前記接続導体の前記核部分は、ボール状である圧
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、前記接続導体は導電性樹脂膜を
含む圧電共振部品。
【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、前記接続導体は、金属膜を含む圧
電共振部品。
【請求項５】請求項４に記載された圧電共振部品であ
って、前記金属膜はＡｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、ＡｕまたはＰｄ
の群から選択された少なくとも１種を含む圧電共振部
品。
【請求項６】請求項１乃至５の何れかに記載された圧
電共振部品であって、前記圧電振動子は、厚み縦振動モードで動作する圧電共
振部品。
【請求項７】請求項６に記載された圧電共振部品であ
って、前記振動電極は、２つであって、それぞれは、前記圧電
素体の厚み方向の両面に備えられており、前記接続導体は、前記圧電振動子の振動最小点におい
て、前記圧電振動子の前記リード電極に接続されている
圧電共振部品。
【請求項８】請求項１乃至７の何れかに記載された圧
電共振部品であって、前記圧電振動子は、基本波振動を
利用する圧電共振部品。
【請求項９】請求項８に記載された圧電共振部品であ
って、前記圧電素体は、実効ポアソン比が（１／３）未
満である圧電共振部品。
【請求項１０】請求項１乃至９の何れかに記載された
圧電共振部品であって、前記圧電振動子は、圧電基板が
非鉛系圧電材料である圧電共振部品。