JP2012054299A

JP2012054299A - 圧電電子部品

Info

Publication number: JP2012054299A
Application number: JP2010193905A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Kitada; 貴大北田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2012-03-15

Abstract

【課題】圧電素子の端面に引っ張り力がかかることが抑制されるような圧電電子部品を提供する。
【解決手段】圧電素子２と、主面に圧電素子２が設けられたシム材３と、圧電素子２およびシム材３の少なくとも一方を支持している支持部材４と、シム材３の主面で支持部材４に対し圧電素子２よりも離れた位置に設けられた錘５とを有している圧電積層部品１である。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電エキサイター，加速度センサ等の圧電電子部品に関するものである。

従来から、圧電電子部品は、圧電エキサイター，加速度センサ等の用途として利用されている。例えば、このような圧電電子部品として、特許文献１には、圧電素子と、この圧電素子が両主面に設けられたシム材と、圧電素子およびシム材の一端側を支持している支持部材と、圧電素子およびシム材の他端側の端面に設けられた錘とを有している構成のものが提案されている。

特開2001−133476号公報

このような圧電電子部品によれば、錘が、圧電素子およびシム材の他端側の端面に接着されている。つまり、シム材は、その端面でしか錘を支持できないので、圧電素子が振動した際の錘からの負荷は、シム材ではあまり支持することはできなかった。よって、素子が振動している場合、錘による引張り力の大部分は圧電素子の端面に作用してしまいやすく、例えば、この圧電電子部品を圧電エキサイターとして使用する場合には、共振周波数のずれが生じやすくなってしまう。

本発明の圧電電子部品は、圧電素子と、主面に前記圧電素子が設けられたシム材と、前記圧電素子および前記シム材の少なくとも一方を支持している支持部材と、前記シム材の主面で支持部材に対し前記圧電素子よりも離れた位置に接着された錘とを有していることを特徴とするものである。

本発明の圧電電子部品によれば、圧電素子と、主面に圧電素子が設けられたシム材と、圧電素子およびシム材の少なくとも一方を支持している支持部材と、シム材の主面で支持部材に対し圧電素子よりも離れた位置に設けられた錘とを有していることから、素子が振動する際の錘による負荷を、シム材の主面で支持できるようになる。よって、圧電素子の端面に引っ張り力がかかることを抑制できる。従って、この圧電電子部品を、例えば圧電エキサイターとして使用する場合には、共振周波数のずれを抑制することができる。

（ａ）は本発明の実施の形態にかかる圧電電子部品の側面図であり、（ｂ）は本発明の実施の形態にかかる圧電電子部品の上面図である。図１（ｂ）に示す圧電電子部品のＸ−Ｘ線における断面図である。本発明の実施の形態にかかる圧電電子部品の外観斜視図である。図３に示す圧電電子部品のＡ−Ａ線における断面図である。本発明の圧電電子部品の他の例の側面図である。縦軸が圧電電子部品の振動の変位の発生応力を示し、横軸が入力した信号の周波数を示すグラフである。（ａ）、（ｂ）ともに、本発明の実施の形態にかかる圧電電子部品の側面図である。（ａ）、（ｂ）ともに、本発明の実施の形態にかかる圧電電子部品の側面図である。

以下に、本発明の圧電電子部品の実施の形態の例について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１に示す例の圧電電子部品１は、圧電素子２と、主面に圧電素子２が設けられたシム材３と、圧電素子２およびシム材３の少なくとも一方を支持している支持部材４と、シム材３の主面で支持部材４に対し圧電素子２よりも離れた位置に設けられた錘５とを有している。

以上のような構成により、錘５は、その自重がシム材３の他端側の主面によって支持されることとなるので、圧電素子２の端面に引っ張り力がかかることを抑制することができる。よって、圧電素子２には、主に素子自体の振動方向の力が作用しやすくなる。従って、例えば、この圧電電子部品１を圧電エキサイターとして使用する場合には、共振周波数のずれを抑制することができる。また、例えば、この圧電電子部品１を加速度センサとして使用する場合には、素子が振動した際に、圧電素子２の端面に余分な引っ張り力が加わることが抑制されることから、素子の振動方向の加速度をより正確に検出することができる。

また、例えば、錘が圧電素子およびシム材の端面にのみ設けられている場合と比較して、錘５がシム材３の主面に設けられていることから、錘５はより広い面積で支持されることとなる。よって、圧電素子２が振動する場合であっても、錘５が外れてしまうことを抑制することができる。

図２に示すように、圧電素子２は、圧電基板２ａが５〜１５層程度積層され、これらの基板間に電極２ｂが介在され、一方の電位の電極２ｂは、端面電極２ｃに接続され、他方の電位の電極２ｂは、端面電極２ｄに接続されてなる。端面電極２ｃ、２ｄは、圧電基板２ａおよび電極２ｂからなる積層体の端面にそれぞれ設けられている。圧電基板２ａは、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒ_１−ｘＴｉ_ｘＯ_３），チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３），ニオブ酸ナトリウム・カリウム（Ｎａ_１−ｘＫ_ｘＮｂＯ_３），ビスマス層状化合物（例：ＭＢｉ_４Ｔｉ_４Ｏ_１５、Ｍ：２価のアルカリ土類金属元素）等を基材とする圧電セラミックス、または水晶，タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）等の圧電単結晶からなる。

なお、圧電基板２ａは、例えば、長さが10〜25ｍｍ、幅が3〜5ｍｍ、厚みが20〜50μｍの直方体形状とする。

さらに、圧電電子部品１を圧電エキサイターとして用いる際には、例えば、エキサイターが搭載された製品の厚みを薄くするという理由から、厚みを５ｍｍ以下とすることが好ましい。

圧電基板２ａがセラミック材料から成る場合は、原料粉末にバインダを加えてプレスする方法、あるいは原料粉末を水や分散剤とともにボールミルを用いて混合した後に乾燥し、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等によってグリーンシートとし、次に、1100〜1400℃のピーク温度で0.5〜８時間焼成して基板を形
成し、これに80〜200℃の温度にて、例えば、厚み方向に３〜６ｋＶ／ｍｍの電圧をかけ
て分極処理を施すことによって、所望の圧電特性を有した圧電基板２ａが得られる。

また、圧電基板２ａが圧電単結晶材料からなる場合は、圧電基板２ａとなる圧電単結晶材料のインゴット（母材）を所定の結晶方向となるように切断することによって、所望の圧電特性を有した圧電基板２ａが得られる。

電極２ｂおよび端面電極２ｃ、２ｄは、導電性の観点からは金，銀，銅またはアルミニウム等の金属膜からなることが好ましい。電極２ｂの厚みは0.1〜５μｍの範囲とするこ
とが好ましい。電極となる金属膜を0.1μｍよりも厚くすることにより、例えば、大気中
において高温にさらされた場合に、酸化によって導電性が低下することを抑制することができる。また、金属膜を５μｍよりも薄くすることにより、金属膜が応力で剥離するのを防ぐことができる。

このような電極２ｂとなる金属膜の被着には、真空蒸着法，ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相堆積）法またはスパッタリング法等が利用できる。

このとき、圧電基板２ａと電極２ｂとの密着性を高めるために、例えば、クロムのように、圧電基板２ａを構成するセラミック材料との密着性が高い金属からなる下地電極層を予め設け、その上に所望の金属膜を設けてもよい。

また、電極２ｂは、例えば、銀または銅等の金属フィラーを含有し、低温ガラスをバインダとする導電性ペーストを、所定の温度で焼き付けて形成することもできる。電極２ｃ、２ｄも同様に、ペーストの焼付けによって形成される。なお、電極２ｂの厚みは５〜30μｍの範囲とすることが好ましい。電極２ｂとなる電極膜を５μｍよりも厚くすることにより、金属フィラー間の接触不良による導通抵抗の増大を抑制することができる。また、30μｍよりも薄くすることにより、電極２ｂの質量効果による圧電基板２ａの振動特性の劣化を防ぐことができる。

電極２ｂの寸法は、圧電基板２ａの寸法によって適宜設定される。例えば、圧電基板２ａの寸法が、長さが２ｍｍ、幅が0.5ｍｍ、厚みが0.2ｍｍである場合は、電極２ｂの寸法は、圧電基板２ａの長さ方向の寸法が1.5ｍｍであり、圧電基板２ａの幅方向の寸法が0.5ｍｍであり、厚みが１μｍである。

シム材３は、例えば42アロイ等のニッケル合金あるいはその他の金属からなる。また、このシム材３は、錘５が設けられている側の端部を自由端として振動する部材である。また、シム材３は、可撓性を有する。シム材３の寸法は、例えば長さが20〜40ｍｍ、幅が3.5〜5.5ｍｍ、厚みが0.2〜0.35ｍｍの短冊形状であることが好ましい。

圧電素子２は、シム３に接着される側の主面に、電極２ｂを覆うようにして、エポキシ系樹脂またはアクリル系樹脂等からなる絶縁性接着剤６が塗布され、この絶縁性接着剤６を介してシム材３の主面に貼り付けられている。圧電素子２の絶縁性接着剤６を介してのシム材３の主面への貼り付けは、例えば常温で約２分間加圧することによって行なわれる。

図１に示す例においては、シム材３の両主面に圧電素子２および錘５が設けられている。よって、圧電電子部品１を加速度センサとして使用した際には、圧電素子２の変位量を大きくすることができるので好ましい。また、圧電電子部品１を圧電エキサイターとして用いた場合には、少量の駆動電力で大きい変位量を発生させることができるので好ましい。

支持部材４は、エポキシ系、アクリル系、ポリカーボネート系等の樹脂材料が使用される。図１に示す例においては、支持部材４は、圧電素子２およびシム材３の両方を支持し
ている。これによって、振動する部材の全てを支持しているので、圧電素子２およびシム材３が圧電電子部品１から外れることを抑制することができるので好ましい。

また、図１に示すように、支持部材４は、圧電電子部品１を圧電エキサイターとして使用する場合には、圧電素子２を支持する部材であれば足りる。しかし、圧電電子部品１を加速度センサとして使用する場合には、図３および図４に示すように、圧電素子２を支持するとともに、圧電素子２の振動領域を密封していることが好ましい。この場合には、圧電素子２が外部の他の部材に接触することを防げるので、加速度センサとしての検出精度を向上させることができる。

なお、図３に示すように、外部端子７が、支持部材４の外表面に取り付けられている。この外部端子10は、半田等によって外部の回路配線基板との電気的な接続および機械的な固定を行なうものである。外部端子10は、材質として、例えばリン青銅等が用いられる。また、図４に示すように、支持部材４は、エポキシ樹脂等の適度な弾性率を有する接続樹脂９を介して圧電素子２を支持している。また、図３および図４に示すように、圧電素子２の端面への外部からの衝撃を防ぐための封止樹脂８が、支持部材４に設けられる。

錘５は、銅または鉛等の金属材料、エポキシ系またはアクリル系等の樹脂材料、あるいはセラミック材料等が使用される。この錘５は、エポキシ系やアクリル系等の樹脂材料によって、シム材３の他端側の主面に設けられる。また、シム材３がプリプレグ等の樹脂材料からなっている場合には、シム材３自体を高温で溶融させて、接着性を持たせた際に、錘５をこのシム材３に接着させるようにして設けることもできる。この錘５の寸法は、例えば、縦が３〜５ｍｍ程度であり、横が３〜５ｍｍ程度であり、高さが0.5ｍｍ程度であ
る。また、この錘５の質量は、３〜６ｇ程度である。

なお、この錘５は、圧電電子部品１を加速度センサとして使用する場合には、圧電素子２の振動を大きくするための役割を果たす。圧電素子２の振動を大きくすることにより、変位によって取り出せる電荷の量を増大させることができる。

また、この錘５は、圧電電子部品１を圧電エキサイターとして使用する場合には、共振周波数を低周波側に移動させる役割を果たす。これにより、例えば、圧電エキサイターをスピーカー等に使用した場合に、低周波域における出力を強めたいとの設計上の要求を満たすことができる。この現象を理解する上で、共振時の錘の振動を簡易的に単振動として表すと次式で表される。
Ｍａ=−ｋｘ
（Ｍ：錘の重量、ａ：錘の加速度、ｋ：錘振動の係数、ｘ：錘の変位）
この式より、
ａ=−（ｋ／Ｍ）ｘ=ｄ^２ｘ／ｄｔ^２
周期Ｔは
Ｔ=２π（Ｍ／ｋ）^0.5
共振周波数ｆは
ｆ＝１／Ｔ＝１／（２π）（ｋ／Ｍ）^0.5
以上より錘の重量Ｍを重くすればするほど共振周波数は低くなることが分かる。

また、図５に示すように、圧電素子２と錘５とはシム材３の主面に併設されており、圧電素子２および錘５間に介在されている接着材10によって接着されていることが好ましい。このような場合には、圧電素子２の振動と錘５の振動とが連動することとなるので、圧電素子２の振動モードと錘５の振動モードとが分離することを抑制することができる。この接着材10は、例えば、エポキシ系やアクリル系等の樹脂材料である。なお、この接着材10の樹脂材料中に金属やセラミック等の粒子を含有させることによって、接着材10を錘の
一部とする効果も期待できることから、さらに望ましい。また、接着材10は、前述した、錘５およびシム材３を接着している樹脂材料と比較してヤング率が高いことが好ましい。この場合には、圧電素子２と錘５とはヤング率が比較的高い接着材10によって接着されているので、両者は一体物として振動しやすく、振動モードにずれがなくなる。また、錘５とシム材３とはヤング率が比較的低い樹脂材料によって接着されているので、両者は強固に接着されることとなるので、錘５がシム材３から剥がれにくくなるので好ましい。

図６において、破線は、圧電素子２と錘５とが離間してシム材３の主面に設けられた構成の場合の振動モードであり、実線は、両者がエポキシ樹脂によって接着されている場合の振動モードである。なお、一点鎖線は、錘５が付いておらず、圧電素子２のみの場合の振動モードである。

破線の振動モードは、5000〜6000Ｈｚの周波数領域において、発生応力が大幅に低減されている。それに対して、実線の振動モードは、発生応力が低減されておらず、圧電素子２のみの振動モードを示す一点鎖線とほぼ同様の形状である。よって、圧電素子２と錘５とを接着させることによって、錘５による低周波域の出力を可能としつつ、錘５によって振動モードが変形してしまうことを抑制することができるので、好ましい。

次に、圧電電子部品１を、圧電発振子または圧電エキサイター等として使用した場合についてその駆動方法を以下に説明する。圧電素子２の端面電極２ｃ、２ｄにはそれぞれリード電極（不図示）が接続される。一端が端面電極２ｃに接続されているリード電極は、その他端が駆動電源（不図示）の一方の側に接続されている。また、一端が端面電極２ｄに接続されているリード電極は、その他端が駆動電源（不図示）の他方の側に接続されている。なお、この駆動電源は、所定の周波数の交流電流を供給する。

なお、本発明は上述した実施の形態の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，改良等が可能である。

図１においては、シム材３の両主面に圧電素子２および錘５が設けられた例を示したが、図７（ａ）に示すように、これらが設けられているのは、シム材３の一方の主面のみであってもよい。また、図７（ｂ）に示すように、圧電素子２がシム材３の一方の主面に設けられており、錘５がシム材３の他方の主面に設けられていてもよい。

また、図１および図７においては、圧電素子２およびシム材３の両方が支持部材４によって支持されているが、図８（ａ）に示すように、シム材３のみが支持部材４によって支持されていてもよい。また、図８（ｂ）に示すように、圧電素子２のみが支持部材４によって支持されていてもよい。

１：圧電電子部品
２：圧電素子
２ａ：圧電基板
２ｂ：電極
２ｃ、２ｄ：端面電極
３：シム材
４：支持部材
５：錘

Claims

圧電素子と、
主面に前記圧電素子が設けられたシム材と、
前記圧電素子および前記シム材の少なくとも一方を支持している支持部材と、
前記シム材の主面で支持部材に対し前記圧電素子よりも離れた位置に設けられた錘と
を有していることを特徴とする圧電電子部品。
前記シム材の両主面に前記圧電素子および前記錘が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の圧電電子部品。
前記支持部材は、前記圧電素子および前記錘の両方を支持していることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の圧電電子部品。
前記圧電素子と前記錘とは前記シム材の主面に併設されており、前記圧電素子および前記錘間に介在されている接着材によって接着されていることを特徴とする請求項１〜３に記載の圧電電子部品。