JP2006270944A - 圧電部品 - Google Patents

Abstract

【課題】高感度で変動が小さい圧電部品を提供する。
【解決手段】圧電素子３と、樹脂材からなり圧電素子３を収納する封止用ケース１と、封止用ケース１に取り付けられ圧電素子３と電気的に接続する複数のリード端子７と、から成る圧電部品において、リード端子７は、封止用ケース１の下面に配される下面部７ａと、下面部７ａ両端から延出されるとともに封止ケース１の側面に沿うように上方へ屈曲される屈曲部７ｂとを有し、リード端子７の下面部７ａの少なくとも一部を封止用ケース１に接合するとともに、リード端子７の屈曲部７ｂを封止用ケース１と非接合にする。
【選択図】図２

Description

本発明は振動検出素子等の圧電素子を用いた加速度センサ等の圧電部品に関するものである。

圧電部品は、従来から電気回路に幅広い用途で用いられており、封止用ケース内に圧電素子を収納した構造を有するものである。例えば加速度センサを例にすると、圧電素子として振動検出素子を用い、振動検出素子の一端を固定した構造のものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

上記圧電部品は、衝撃が加わった際には、振動検出素子が変形してその圧電効果により電荷が発生するので、衝撃を感知して電流をリード端子から外部に出力させる加速度センサとして機能する。
特開平７−２０２２８３号公報

しかしながら、上記従来の圧電部品においては、回路基板に実装した際等に、収納した圧電素子が変形して、特性が大きく変動しやすいという問題を抱えている。このような圧電素子の変形は、例えば、回路基板が外圧によりたわんだ場合などに、回路基板から曲げようとする力を受けることによるものである。また曲げようとする力は、回路基板の熱膨張・収縮によっても発生する。

特に加速度センサ等に適用した圧電部品は、圧電素子が封止用ケース内で一部だけが固定されているので、変形しようとする応力を受けると、圧電素子の固定力が弱まりやすく、感度が低下するという問題も抱えている。

本発明は上記欠点に鑑み案出されたもので、その目的は、高感度で変動が小さい圧電部品を提供することにある。

本発明の圧電部品は、圧電素子と、該圧電素子を収納する封止用ケースと、該封止用ケースに取り付けられ前記圧電素子と電気的に接続する複数のリード端子と、から成る圧電部品において、前記リード端子は、前記封止用ケースの下面に配される下面部と、該下面部両端から延出されるとともに前記封止用ケースの側面に沿うように上方へ屈曲される屈曲部とを有し、前記リード端子の下面部の少なくとも一部を前記封止用ケースに接合するとともに、前記リード端子の屈曲部を前記封止用ケースと非接合にしたことを特徴とするものである。

また本発明の圧電部品は、前記リード端子下面部の内側部分を前記封止用ケースに接合するとともに、外側部分を前記封止用ケースと非接合にしたことを特徴とするものである。

更に本発明の圧電部品は、前記リード端子下面部の内側部分を前記封止用ケースに埋設したことを特徴とするものである。

また更に本発明の圧電部品は、前記封止用ケースの下面に前記リード端子の下面部に対応する第１の凹部を設け、該第１の凹部に前記リード端子の下面部を収納したことを特徴とするものである。

更にまた本発明の圧電部品は、前記封止用ケースの側面に前記リード端子の屈曲部に対応する第２の凹部を設け、該第２の凹部に前記リード端子の屈曲部を収納したことを特徴とするものである。

また更に本発明の圧電部品は、前記リード端子の屈曲部の引張り強さが、４７０Ｎ／ｍｍ^２〜６１０Ｎ／ｍｍ^２であることを特徴とするものである。

また更に本発明の圧電部品は、前記圧電素子が振動検出素子であることを特徴とするものである。

本発明の圧電部品によれば、リード端子は、封止用ケースの下面に配される下面部と、下面部両端から延出されるとともに封止ケースの側面に沿うように上方へ屈曲される屈曲部とを有し、リード端子の下面部の少なくとも一部を前記封止用ケースに接合するとともに、リード端子の屈曲部を前記封止用ケースと非接合にしたことから、外部の回路基板に実装する際等に受ける応力に対し、リード端子の屈曲部が変形することにより前記応力を緩和し、封止用ケースの内部に収納されている圧電素子に対する応力の影響を小さくすることができる。

また本発明の圧電部品においては、リード端子下面部の内側部分を前記封止用ケースに接合するとともに、外側部分を封止用ケースと非接合にしておくことが好ましい。これにより、下面部の外側部分も外部からの応力を緩和し、圧電素子に働く応力の影響をより小さくすることができる。

また本発明の圧電部品においては、リード端子下面部の内側部分を封止用ケースに埋設しておくことが好ましい。これにより、リード端子に過度の応力が付加された場合でも、リード端子が脱離しにくくなる。

また本発明の圧電部品においては、封止用ケースの下面にリード端子の下面部に対応する第１の凹部を設けるとともに、第１の凹部にリード端子の下面部を収納することが好ましい。これにより、圧電部品を小型化することができる。また、リード端子下面部の外面と封止用ケースの下面とが略同一平面になることから、圧電部品を外部の回路基板に実装した際の安定性が増すという利点もある。

また本発明の圧電部品においては、封止用ケースの側面にリード端子の屈曲部に対応する第２の凹部を設けるとともに、第２の凹部にリード端子の屈曲部を収納することが好ましい。これによって、圧電部品を小型化することができる。

また本発明の圧電部品においては、リード端子の屈曲部の引張り強さが、４７０Ｎ／ｍｍ^２〜６１０Ｎ／ｍｍ^２に設定されていることが好ましい。屈曲部の引張り強さが４７０Ｎ／ｍｍ^２未満の場合、小さな応力で屈曲部が必要以上に広がりやすくなる。また、屈曲部の引張り強さが、６１０Ｎ／ｍｍ^２より大きい場合、実装時の外部からの応力を緩和する効果が小さくなる。従って、リード端子の屈曲部の引張り強さが、４７０Ｎ／ｍｍ^２〜６１０Ｎ／ｍｍ^２とすることによりリード端子が適正に変形し、圧電素子に働く応力を小さくできる。

また更に本発明の圧電部品によれば、圧電素子が、封止用ケース内で一部だけが固定されている振動検出素子としたときにおいても封止用ケースの内部にまで応力が働かないので、固定力が安定し、高感度の圧電部品とすることができる。

以下、本発明の加速度センサを添付した図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る圧電部品の外観斜視図、図２は図１のＡ−Ａ’線断面図、図３は、図１のＢ−Ｂ’線断面図である。同図に示す加速度センサは、圧電素子３を封止用ケース１内に収納したものとなっている。

図４は圧電素子３の外観斜視図である。同図に示す圧電素子３は、両主面に一対の信号電極（図示せず）が被着した短冊状の圧電基板３１，３２を、接着剤９を介し複数個貼り合わせた構造を有している。本実施形態における圧電素子は、圧電基板を２枚貼り合わせることによりバイモルフ型を構成した振動検出素子が適用されている。

圧電基板３１，３２は、厚み方向に分極されており、材質としては例えばチタン酸ジルコン酸鉛やチタン酸鉛等の圧電セラミック材料から成り、寸法は長さが０．５〜５．０ｍｍ、幅が０．２〜１．０ｍｍ、厚みが０．１〜１．０ｍｍの短冊状に設定される。

圧電基板３１，３２の製作には、原料粉末にバインダを加えてプレスする方法、或いは、原料粉末を水、分散剤と共にボールミルを用いて混合及び乾燥し、バインダ、溶剤、可塑剤等を加えてドクターブレード法により成型する方法などによってシート状と成す工程、１１００℃〜１４００℃のピーク温度で数１０分〜数時間焼成して基板を形成する工程、厚み方向に、例えば６０℃〜１５０℃の温度にて３ｋＶ／ｍｍ〜１５ｋＶ／ｍｍの電圧をかけ分極処理を施す工程を含む製造方法が採用される。このようにして得られた圧電素子３の形状としてはたとえば長さ３．０ｍｍ、幅０．５ｍｍ、厚み０．２５ｍｍ、自由長２．０ｍｍである。

圧電基板３１，３２の両主面に被着される信号電極は、材質としては、例えば金、銀、銅、クロム、ニッケル、錫、鉛、アルミニウム等の良導電性の金属から成り、これらの金属材料を従来周知の真空蒸着やスパッタリング法等によって圧電基板３１，３２の両主面に被着・形成されるか、或いは、上述した金属材料を含む所定の導体ペーストを従来周知の印刷法等によって所定パターンに塗布し、高温で焼き付けることにより被着・形成される。

圧電基板３１，３２を貼り合わせる接着剤９は、材質としては、ガラス布基材エポキシ樹脂、無機質ガラス、エポキシ樹脂などの絶縁材料や、導電性接着材、金属シート等の導体材料が用いられる。ガラス布基材エポキシ樹脂による接合では、ガラス繊維の間にエポキシ樹脂を含浸させたプリプレーグ材を間に挟んで圧電基板を上下に重ね合わせ、加圧しながら加熱することによりエポキシ樹脂を所定の厚みに圧縮して硬化させる。無機質ガラスによる接合では、ガラスペーストを印刷塗布した後、重ね合わせ、荷重を加えながら焼成炉を用いて溶融一体化する。焼成炉では３００〜７００℃に加熱される。焼成の際は、真空炉の中で行っておけば、ガラス接合中間層中の気泡混入を抑制することができる。３００℃以上の高温度で接合した場合は圧電基板の分極が減極するので接合後の分極処理する必要がある。

圧電素子３を収納する直方体状の封止用ケース１は、材質としては例えば、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等の樹脂材が好適に用いられる。

封止用ケース１に設けられた圧電素子３を固定する固定部２は、封止用ケース１と同一材料であり、封止用ケース１の一部として設けられ、圧電素子３を圧入する固定用貫通孔が設けられている。

上記圧電素子３は、他端部側から固定部２の固定用貫通孔に挿入し、一端部を固定用貫通孔に圧入することにより固定される。圧電素子３の一端部には、圧電素子３を挟んで対向するように一対の保持用樹脂４ａ，４ｂが取着されており、工程での高い圧入性と、圧入後の強固な固定を実現させる。圧入された圧電素子３は、先に挿入された他端部が自由端となり、一端部が固定端となる。

保持用樹脂４ａ，４ｂは、材質としてはエポキシ系樹脂等が用いられ、厚みは２０〜１００μｍに設定される。保持用樹脂４ａ，４ｂの形成に際しては、先ず、圧電基板３１，３２となる２枚の圧電母基板が接合されたシートを準備し、シートの両主面の所定位置にスクリーン印刷で樹脂ペーストを印刷・硬化させる。必要に応じてスクリーン印刷を複数回重ねたり、厚み精度を出すために保持用樹脂の上面を研磨してもよい。そして、硬化した樹脂ペーストの位置を確認しながら所定の長さの保持用樹脂と自由長が得られる位置にダイシングソー等を用いて切断することで、保持用樹脂４ａ，４ｂが被着された圧電素子３を得ることができる。

固定された圧電素子３は、信号電極が、封止用ケース１に取着された複数のリード端子７から延出される接続導体（図示せず）と、固定端側で電気的に接続する。

固定された圧電素子３は、外部から物理的な衝撃が加わると固定部２を軸にして自由端側がたわみ、貼り合わされている圧電基板３１，３２の両主面に被着した一対の信号電極に電荷が発生するので、その衝撃を振動として検出する加速度センサとして機能するようになる。また本実施形態の圧電素子３は、水平方向に対して傾斜するように設定されており、その垂直方向のみならず横方向からの応力に対しても感知することが可能となっている。具体的には、封止用ケース１の実装面となる主面に対して垂直な面と振動検出素子３の主面とが成す角（鋭角になる側の角）が、用途に応じて２０〜５０°の範囲で設定される。

封止用ケース１に取り付けられるリード端子７は、ハンダ等を介して外部の回路配線基板との電気的な接続及び固定を行う。リード端子７は、材質としては例えばリン青銅等の軟性を有した金属材料が用いられ、その厚みは例えば０．１〜０．５ｍｍに設定される。

リード端子７は、封止用ケース１の下面に配される下面部７ａと、下面部７ａ両端から延出されるとともに封止ケース１の側面に沿うように上方へ屈曲される屈曲部７ｂとを有し、リード端子７の下面部７ａの少なくとも一部を封止用ケース１に接合するとともに、リード端子７の屈曲部７ｂを封止用ケース１と非接合にしている。このように、リード端子の屈曲部７ｂを封止用ケース１と非接合にしたことから、図５に示すように、外部の回路基板１００に実装する際等に受ける応力Ｆに対し、リード端子７の屈曲部７ｂが変形することにより応力Ｆを緩和し、封止用ケース１の内部に収納されている圧電素子３に対する応力Ｆの影響を小さくすることができる。

また、リード端子の下面部７ａのうち、内側部分７ａａを封止用ケース１に接合するとともに、外側部分７ａｂを封止用ケース１と非接合にしておくことが好ましい。これにより、下面部７ａの外側部分７ａｂも外部からの応力に併せて変形可能となり、前記応力を緩和し、圧電素子３に働く応力の影響をより小さくすることができる。

また、リード端子７の下面部７ａの一部を封止用ケース１に埋設しておくことが好ましい。特に、リード端子下面部７ａの内側部分７ａａを封止用ケース１に埋設することによって、リード端子７に過度の応力が付加された場合でも、リード端子７が封止用ケースから脱離しにくくなる。リード端子７の下面部７ａの一部を封止用ケース１に埋設する場合、封止用ケース１を樹脂材で形成することが好ましい。封止用ケース１を樹脂材で形成すれば、トランスファーモールド成型により、リード端子７の埋設を簡単に行うことができる。

更にリード端子７の屈曲部７ｂの引張り強さは、４７０Ｎ／ｍｍ^２〜６１０Ｎ／ｍｍ^２に設定しておくことが好ましい。屈曲部７ｂの引張り強さが４７０Ｎ／ｍｍ^２未満の場合、小さな応力で屈曲部７ｂが必要以上に広がりやすくなる。また、屈曲部７ｂの引張り強さが、６１０Ｎ／ｍｍ^２より大きい場合、実装時の外部からの応力を緩和する効果が小さくなる。従って、リード端子の屈曲部の引張り強さが、４７０Ｎ／ｍｍ^２〜６１０Ｎ／ｍｍ^２とすることによりリード端子が適正に変形し、圧電素子に働く応力を小さくできる。特に、半田により実装するときに、リード端子７の屈曲部７ｂの引張り強さを上記範囲に設定しておくとより効果的である。なお、上記引張り強さは、ＪＩＳ-Ｚ２２４１（金属材料引張試験方法）に準じて測定した値である。

また、リード端子７の屈曲部７ｂの内面７ｂiの半田濡れ性を、外面７ｂoの半田濡れ性より悪くしておいても良い。こうすることで、半田実装時に形成される半田フィレットはリード端子７の外面７ｂoのみに形成されるため、安定した半田実装が可能となる。なお、リード端子７としてリン青銅を用いた場合、メッキ処理を外面７ｂoのみに施すことで、内面７ｂiと外面７ｂoとで半田濡れ性を異ならせることができる。

図６は、本発明に係る圧電部品の他の実施形態を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＢ-Ｂ’線断面図である。同図に示すように、本実施形態においては、封止用ケース１の下面にリード端子７の下面部７ａの外側部分７ａｂに対応する第１の凹部１０を、封止用ケース１の側面にリード端子７の屈曲部７ｂに対応する第２の凹部１１をそれぞれ設けている。そして、第１の凹部１０にリード端子７の下面部７ａの外側部分７ａｂが、第２の凹部１１にリード端子７の屈曲部７ｂがそれぞれ収納されている。このような構造にすることによって、リード端子７の外面と封止用ケース１の外表面とが略同一平面になり、圧電部品の小型化を図ることができるとともに、外部の回路基板に実装した際の安定性が増すという利点もある。なお、第１の凹部１０は、リード端子７の下面部７ａの外側部分７ａｂを収納できるように、外側部分７ａｂと相似形状で若干大きくなるように形成される。第２の凹部１１についても同様に、リード端子７の屈曲部７ｂと相似形状で若干大きくなるように形成される。

本実施形態の圧電部品は、圧電素子３の固定端側を塞ぐようにして封止用樹脂５が形成されたものとなっている。封止用樹脂５の材質としては例えばエポキシ系樹脂等が用いられる。封止用ケース１の固定部２付近を凹部形状とし、封止用樹脂５を、圧電素子３を封止用ケース１内に収納して後述する固定部２に固定させた後、封止用ケース１の固定部２付近の凹部に流し込むようにして形成しておけば、圧電素子３の固定と封止が補助される。

以上述べた本発明に係る圧電部品は、特に加速度センサに適用しており、圧電素子が、封止用ケース内で一部だけが固定されている振動検出素子としたときにおいても封止用ケース１の内部にまで働く応力が小さくなるので、固定力が安定し、高感度の圧電部品とすることができる。

尚、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良が可能である。

例えば、上述した実施形態においては、振動検出素子３は、圧電基板を２枚貼り合わせた構造としているが、３枚以上重ねても良い。この場合、電荷の発生量を多くすることができるので、加速度センサとしての感度を高めることができる。

また上述した実施形態においては、リード端子７の材質としてリン青銅を用いた例を示したが、リード端子７としては屈曲させたときにばね弾性を有する材料により形成
また本実施形態においては、圧電素子３を振動検出素子に適用した加速度センサを例に示しているが、例えば、圧電共振素子を用いた圧電共振器や、圧電振動素子を用いた圧電バイブレータ等にも適用することが可能である。

本発明の一実施形態に係る圧電部品の外観斜視図である。 図１のＡ−Ａ’線断面図である。 図１のＢ−Ｂ’線断面図である。 本発明の一実施形態に係る圧電部品に用いる圧電素子の外観斜視図である。 図１に示す圧電部品を回路基板に実装したときの断面図である。 （ａ）は本発明の実施形態に係る圧電部品の外観斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。

符号の説明

１・・・ケース
２・・・固定部
３・・・圧電素子
４ａ、４ｂ・・・保持用樹脂
５・・・封止用樹脂
７・・・リード端子
７ａ・・・リード端子の下面部
７ａａ・・・リード端子の下面部の内側部分
７ａｂ・・・リード端子の下面部の外側部分
７ｂ・・・リード端子の屈曲部
９・・・接着剤
３１、３２・・・圧電基板

Claims (7)

1. 圧電素子と、
   該圧電素子を収納する封止用ケースと、
   該封止用ケースに取り付けられ前記圧電素子と電気的に接続する複数のリード端子と、から成る圧電部品において、
   前記リード端子は、前記封止用ケースの下面に配される下面部と、該下面部両端から延出されるとともに前記封止用ケースの側面に沿うように上方へ屈曲される屈曲部とを有し、前記リード端子の下面部の少なくとも一部を前記封止用ケースに接合するとともに、前記リード端子の屈曲部を前記封止用ケースと非接合にしたことを特徴とする圧電部品。
2. 前記リード端子下面部の内側部分を前記封止用ケースに接合するとともに、外側部分を前記封止用ケースと非接合にしたことを特徴とする請求項１に記載の圧電部品。
3. 前記リード端子下面部の内側部分を前記封止用ケースに埋設したことを特徴とする請求項２に記載の圧電部品。
4. 前記封止用ケースの下面に前記リード端子の下面部に対応する第１の凹部を設け、該第１の凹部に前記リード端子の下面部を収納したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の圧電部品。
5. 前記封止用ケースの側面に前記リード端子の屈曲部に対応する第２の凹部を設け、該第２の凹部に前記リード端子の屈曲部を収納したことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の圧電部品。
6. 前記リード端子の屈曲部の引張り強さが、４７０Ｎ／ｍｍ^２〜６１０Ｎ／ｍｍ^２であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の圧電部品。
7. 前記圧電素子が振動検出素子であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の圧電部品。

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