JP3538709B2 - 圧電共振部品 - Google Patents

圧電共振部品

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JP3538709B2
JP3538709B2 JP2000177853A JP2000177853A JP3538709B2 JP 3538709 B2 JP3538709 B2 JP 3538709B2 JP 2000177853 A JP2000177853 A JP 2000177853A JP 2000177853 A JP2000177853 A JP 2000177853A JP 3538709 B2 JP3538709 B2 JP 3538709B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は発振子、ディスクリ
ミネータ、フィルタなどの圧電共振部品、特に長さ振動
を利用した圧電素子を基板に搭載した構造の圧電共振部
品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、長さ方向振動モードを利用した圧
電素子の下面電極の中央部（ノード部）に導電性支持体
を固定し、この支持体を基板のパターン電極に対して導
電性接着剤によって接続固定するとともに、圧電素子の
上面電極を基板の別のパターン電極にワイヤボンディン
グにより接続した圧電共振部品が提案されている（例え
ば特開平１０−２００３６６号公報参照）。導電性支持
体は、圧電素子の電極上に導電ペーストを所定の厚みで
塗布し、硬化させたものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記のような構造の圧
電共振部品の場合、その位相特性やインピーダンス波形
に図１に示すような乱れを生じるものがある。この波形
の乱れは、圧電素子と電気的接続および圧電素子を基板
から離して支持するために使用する導電性支持体および
導電性接着剤を介して、圧電素子の振動が基板側に伝わ
り、圧電素子と基板とが一体振動を起こすためであると
考えられる。図１の（Ａ）は圧電素子のみの波形、図１
の（Ｂ）は圧電素子を基板に搭載した後の波形である。
【０００４】このように圧電素子の振動が基板側に伝わ
るのは、振動伝播の経路である導電性支持体および導電
性接着剤によるものである。そこで、圧電素子の振動伝
播を抑制するために、次のような２つの方法が考えられ
る。第１は、導電性支持体の圧電素子の長さ方向の接着
面積を小さくし、圧電素子の振動伝播を抑制する方法で
ある。しかしながら、この方法では圧電素子の支持強度
が低下し、落下衝撃によって導電性支持体が基板あるい
は圧電素子から簡単に剥離してしまい、信頼性低下を招
く欠点がある。第２は、導電性支持体をウレタン樹脂な
どのゴム弾性材料で構成する方法である。しかしなが
ら、導電性支持体の中には導電性を付与するためにＡｇ
などの導電性フィラーが含有されており、この導電性フ
ィラーの含有量を少なくすると導電性が低下し、逆に導
電性フィラーの含有量を多くすると、弾性が劣化して振
動が伝播しやすくなるという結果を招く。
【０００５】そこで、本発明の目的は、導電性支持体の
組成を工夫することにより、圧電素子の振動が基板へ伝
播するのを抑制するとともに、導電性を確保し、かつ耐
落下衝撃性能を維持できる圧電共振部品を提供すること
にある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明は、上面にパターン電極が形
成された基板と、下面に電極を有する長さ振動を利用し
た圧電素子とを備え、上記圧電素子の下面電極の長さ方
向中央部に導電ペーストを塗布し硬化させて導電性支持
体を形成し、この導電性支持材と基板のパターン電極と
を導電性接着剤により接着固定してなる圧電共振部品に
おいて、上記導電性支持体は導電性フィラーを含有する
ウレタン樹脂よりなり、上記導電性フィラーの含有率を
７９〜８４ｗｔ％としたことを特徴とする圧電共振部品
を提供する。
【０００７】圧電素子の電極の中央部（ノード部）は、
基板のパターン電極に導電性支持体および導電性接着剤
を介して接続固定されている。導電性支持体は、ゴム弾
性材料であるウレタン樹脂で構成され、このウレタン樹
脂中に導電性を付与するためにＡｇなどの導電性フィラ
ーが含有されている。導電性フィラーの含有量を少なく
すると導電性が低下し、逆に導電性フィラーの含有量を
多くすると、振動が伝播しやすくなる。そこで、本発明
者らは、導電性フィラーの含有量について調査した結
果、その含有量に最適範囲があることを発見した。すな
わち、導電性フィラーの含有量は、８４ｗｔ％を超える
と、振動伝播による電気的特性の劣化が見られること、
ウレタン樹脂の強度劣化がみられることなどから、含有
量の上限値を８４ｗｔ％とした。また、導電性フィラー
の含有量が低い方がゴム弾性が向上し、振動伝播による
特性劣化を改善できるが、７９ｗｔ％未満では電気的導
通性に問題が発生した。そこで、導電性フィラーの含有
率を７９〜８４ｗｔ％としたものである。なお、導電性
フィラーとしては、Ａｇフィラー、Ｃｕフィラー（また
はＣｕ上にＡｇメッキしたフィラー）、Ａｕフィラーな
どがある。
【０００８】導電性支持体の材料としてウレタン樹脂に
代えてシリコーン樹脂を用いることも可能であるが、シ
リコーン樹脂の場合にはウレタン樹脂に比べて硬化収縮
が殆どないので、導電性を保つためにより多くの導電性
フィラーを必要とし、しかも加工性が悪いという欠点が
ある。これに対し、ウレタン樹脂の場合には、このよう
な問題がない。本発明の場合、圧電素子と基板とがウレ
タン樹脂を含む導電性支持体を介して固定されているの
で、落下衝撃が加わっても、その衝撃力を導電性支持体
の弾性によってある程度吸収することができ、圧電素子
へ衝撃力が集中するのを防止でき、圧電素子の割れなど
を防止できる。また、導電性支持体と圧電素子および基
板との接着面積を広くしても、導電性支持体の弾性によ
って圧電素子から基板への振動伝播が抑制されるので、
落下衝撃による圧電素子の剥離といった不具合を解消で
きる。導電性支持体と基板とを固定する導電性接着剤と
しては、導電性支持体と同様なウレタン系導電性接着剤
を用いることも可能であるが、接着強度が十分でなくな
る可能性がある。これに対し、エポキシ系導電性接着剤
の場合には、接着強度が大きく、しかもゴム弾性を必要
としないので、エポキシ系導電性接着剤を用いるのが望
ましい。
【０００９】本圧電共振部品に用いられる圧電素子とし
ては、請求項２のように、長さ方向に圧電体層と内部電
極とを積層した柱状の基体と、基体の１つの側面におい
て上記内部電極と交互に接続されるように形成される２
つの外部電極とを含み、圧電体層が基体の長さ方向に分
極されたものを使用することができる。このような積層
型の圧電素子の場合、分極方向、電界方向、振動方向の
一致した圧電縦効果を利用しているので、分極方向、電
界方向と振動方向とが異なる圧電横効果を利用した圧電
素子に比べて、電気機械結合係数を大きくすることがで
きる。このように積層型の圧電素子は振動する力が強い
（共振子のΔｆが大きい）ので、振動漏れを起こしやす
い。そこで、本発明の導電性支持体を用いることで、振
動漏れを抑制し、特性改善を行うことができる。また、
積層型の圧電素子の場合、１面に入出力電極を形成でき
るので、この入出力電極を導電性支持体を介して基板の
パターン電極に接続固定すれば、ワイヤボンディングな
どによって上面電極を基板のパターン電極に接続する作
業を省略できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】図２〜図４は本発明にかかる圧電
共振部品の一例を示す。この実施例の圧電共振部品は表
面実装型の発振子であり、１は圧電素子、２０は基板、
３０はキャップである。圧電素子１は長さ振動モードを
利用したものであり、図５に示すように直方体形状の基
体２を含む。基体２は圧電セラミック材料よりなる複数
の圧電体層３と複数の内部電極４とが交互に積層された
構造よりなり、図５に矢印Ｐで示すように、１つの内部
電極４の両側の圧電体層３の分極軸が互いに逆向きとな
るように基体２の長手方向に分極されている。但し、基
体２の両端部は分極されていない。
【００１１】基体２の一側面には、基体２の長手方向に
延びる溝５が形成され、この溝５によって基体２の一側
面を２分割している。さらに、溝５によって分割された
側面には、第１の絶縁膜６と第２の絶縁膜７とが形成さ
れる。基体２の溝５で分割された一方側には、内部電極
４の露出部が１つおきに第１の絶縁膜６で被覆され、基
体２の溝５で分割された他方側には、絶縁膜６で被覆さ
れていない内部電極４の露出部が１つおきに第２の絶縁
膜７で被覆されている。基体２の絶縁膜６，７が形成さ
れた部分、すなわち溝５の両側には外部電極８，９が形
成される。したがって、外部電極８には第１の絶縁膜６
で被覆されていない内部電極４が接続され、外部電極９
には第２の絶縁膜７で被覆されていない内部電極４が接
続される。つまり、内部電極４は交互に外部電極８，９
と接続される。
【００１２】上記圧電素子１では、外部電極８，９が
入，出力電極として使用される。このとき、基体２の両
端部を除く部分では、隣合う内部電極４間に電界が印加
されるため、圧電的に活性となるが、基体２の両端部で
は基体２が分極されず、しかも基体２の両端面に電極が
形成されていないので、電界が印加されず、圧電的に不
活性となる。したがって、外部電極８，９間に信号を与
えることにより、基体２の長手方向の交流電界が活性部
の各圧電体層３に印加され、各圧電体層３に伸縮駆動力
が発生し、全体として基体２に長さ振動モードの基本振
動が励振される。なお、基体２の両端部に不活性部を設
けたが、この不活性部は必須のものではなく、基体２全
体を活性部としてもよい。
【００１３】図５に示すように、圧電素子１の外部電極
８，９の長さ方向中央部（ノード部）には凸状の導電性
支持体１０，１１が固定されている。この導電性支持体
１０，１１は、圧電素子１の外部電極８，９を後述する
基板２０のパターン電極２１，２２に接続固定するため
のものであり、導電ペーストを外部電極８，９上に所定
厚みで塗布したうえ硬化させたものである。導電性支持
体１０，１１は、Ａｇフィラーを含有するウレタン樹脂
で構成され、Ａｇフィラーの含有率は７５〜８５ｗｔ％
に調整されている。
【００１４】圧電素子の構造は図５に示すものに限ら
ず、図６のような構造でもよい。この圧電素子１’の場
合には、図７に示すような２種類の圧電体層３ａ，３ｂ
を交互に積層し、基体２の１つの側面において、２列に
内部電極４を露出させる。そして、２列に内部電極４が
露出した部分に外部電極８，９を形成することにより、
内部電極４が１つおきに外部電極８，９と接続される。
この場合には、溝５を形成する必要がない。この場合
も、外部電極８，９の長さ方向中央部（ノード部）には
導電性支持体１０，１１が固定される。
【００１５】基板２０はアルミナセラミックス，ガラス
セラミック，ガラスエポキシ樹脂、耐熱性樹脂等からな
る長方形の絶縁性薄板であり、基板２０の上面には入力
側と出力側のパターン電極２１，２２がスパッタリン
グ，蒸着，印刷などの公知の手法で形成されている。各
パターン電極２１，２２の外部接続部は基板２０の側縁
を介して裏面側へ延設されている。パターン電極２１，
２２の内側端部には、圧電素子１の外部電極８，９の長
さ方向中央部（ノード部）に固定された導電性支持体１
０，１１が、導電性接着剤１２，１３を介して接着固定
されている。導電性接着剤１２，１３としては、例えば
Ａｇフィラーを７３ｗｔ％含有するエポキシ系接着剤を
用いた。これにより、圧電素子１の入，出力用の外部電
極８，９はそれぞれ基板２０のパターン電極２１，２２
に対して電気的に接続される。また、圧電素子１は、導
電性支持体１０，１１によって基板２０に対して水平に
取り付けられ、圧電素子１の両端部と基板２０との間に
は所定の隙間が設けられる。
【００１６】基板２０上には圧電素子１を覆うキャップ
３０が絶縁性の接着剤３１により接着され、圧電素子１
の周囲が封止されている。この実施例のキャップ３０は
金属板をプレス成形したものであるが、樹脂製キャップ
あるいはセラミック製キャップであってもよい。
【００１７】図８は、導電性支持体１０，１１として、
Ａｇフィラーとウレタン樹脂との含有比率をぞれぞれ８
５：１５、８１：１９、７５：２５とした３種類の圧電
共振部品（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）を用い、その位相特性
とインピーダンス特性とを測定した結果を示す。ここで
は、図９に示すように、圧電素子１の長さ方向の寸法
Ｌ、支持体１０，１１の幅Ｗ１、支持体１０，１１の接
着面長さＷ２、支持体１０，１１の高さｔ１、導電性接
着剤１２，１３の厚みｔ２、および基板２０の寸法を次
のように設定した。 Ｌ＝４．３２ｍｍ Ｗ１＝１．０〜１．２ｍｍ Ｗ２＝０．６〜０．８ｍｍ ｔ１＝１４０〜１７０μｍ ｔ２＝３０〜４０μｍ 基板：アルミナ基板〔９．５×６．５×０．５ｍｍ〕
【００１８】図８から分かるように、含有比率が８５：
１５の場合には高域側に若干の位相の乱れが発生するこ
とがあるのに対し、含有比率が８１：１９の場合には殆
ど位相の乱れが発生しておらず、含有比率が７５：２５
の場合にはさらに位相の乱れが少ない。なお、位相の乱
れは、Ａｇフィラーとウレタン樹脂との含有比率が８
５：１５を超えると急激に増加する。したがって、Ａｇ
フィラーの含有率が小さくなるに従い、圧電素子１の振
動が基板２０に伝わるのが導電性支持体１０，１１によ
って抑制されたことがわかる。なお、インピーダンス特
性については、３種類の試料共に、良好な特性が得られ
た。
【００１９】図１０は、Ａｇフィラーのウレタン樹脂に
対する含有比率を８１〜８５ｗｔ％に変化させたとき
の、位相ひずみを測定したものである。なお、位相ひず
みは、図１１に示すように、位相カーブの頂点を結ぶ線
からの落ち込み量で測定した。図１０から明らかなよう
に、Ａｇ含有量が８４ｗｔ％までは、位相ひずみは低い
が、Ａｇ含有量が８５ｗｔ％になると、位相ひずみおよ
びそのばらつきが大きくなっていることがわかる。位相
ひずみは振動漏れと相関関係があり、インピーダンス回
路においてリップルスプリアスの影響を受けないように
するためには、Ａｇ含有量を８４ｗｔ％以下とするのが
望ましい。
【００２０】図１２は、導電性支持体１０，１１のＡｇ
フィラーの含有量を変化させた時の電気的導通性の変化
を示したものである。ここでは、２種類のウレタン樹脂
を用いるとともに、導電性支持体１０，１１の厚みを２
０μｍと２００μｍの２種類とし、合計４種類の試料を
作製し、Ａｇフィラーの含有量と比抵抗との関係を求め
た。図１２から明らかなように、導電性支持体１０，１
１の厚みが２００μｍの場合には、Ａｇフィラーの含有
量が７０ｗｔ％以上で、比抵抗は２０×１０-4Ω・ｃｍ
より小さくなり、良好な導電性を得ることができた。一
方、導電性支持体１０，１１の厚みが２０μｍの場合に
は、Ａｇフィラーの含有量が７９ｗｔ％以上で、比抵抗
は２０×１０-4Ω・ｃｍより小さくなり、良好な導電性
を得ることができた。したがって、Ａｇフィラーの含有
量が７９ｗｔ％以上とすれば、支持体の厚みに関係なく
安定した導電性を得ることができる。
【００２１】図１３は、導電性支持体１０，１１の温度
変化によるヤング率の変化を示す。図において、Ａｇフ
ィラーのウレタン樹脂に対する含有率を、（Ａ）では８
５ｗｔ％、（Ｂ）では８３ｗｔ％、（Ｃ）では８１％と
したものである。圧電共振部品としての特性上、−２０
℃においても所定の位相特性，インピーダンス特性が必
要となる。図１３から明らかなように、Ａｇフィラーの
含有率が８５％以下であれば、−２０℃でヤング率が約
１．００Ｅ＋０９（Ｐａ）以下となるので、ヤング率を
低く維持でき、圧電素子１から基板２０への振動伝播を
効果的に抑制できる。
【００２２】上記実施例では、圧電共振部品として表面
実装型の発振子の例を示したが、これに限るものではな
く、ラダーフィルタなどにも適用できる。上記実施例で
は、図５，図６に示すように、複数の圧電体層を積層す
ることにより、全体として長さ振動モード素子を構成し
た圧電素子１，１’について説明したが、これに限るも
のではなく、１枚の圧電基板の両主面に電極を形成した
長さ振動モード素子でもよい。また、圧電素子はその下
面にのみ電極を設けたものに限らず、上下面に電極を設
けたものでもよい。この場合には、上面電極と基板のパ
ターン電極とをワイヤボンディング等によって接続して
もよい。
【００２３】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、圧電素子の下面電極の長さ方向中央部を導電性
支持体を介して基板のパターン電極に接続固定してなる
圧電共振部品において、導電性支持体が導電性フィラー
を含有するウレタン樹脂よりなり、導電性フィラーの含
有率を７９〜８４ｗｔ％としたので、圧電素子の振動が
基板へ伝播するのを抑制でき、位相特性やインピーダン
ス波形に波形の乱れが発生するのを防止できるととも
に、十分な導電性を確保することができる。また、導電
性支持体がゴム弾性を有することから、落下衝撃が加わ
っても、その衝撃力を導電性支持体の弾性によってある
程度吸収することができ、圧電素子へ衝撃力が集中する
のを緩和できるとともに、落下衝撃による圧電素子の剥
離といった不具合を解消できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】圧電素子単体と基板への搭載後との位相特性お
よびインピーダンス波形図である。
【図２】本発明にかかる圧電共振部品の一例の断面図で
ある。
【図３】図２のＸ−Ｘ線断面図である。
【図４】図２に示す圧電共振部品の分解斜視図である。
【図５】図２の圧電共振部品に用いられる圧電素子の一
例の斜視図である。
【図６】図２の圧電共振部品に用いられる圧電素子の他
の例の斜視図である。
【図７】図６の圧電素子を構成する圧電体層の正面図で
ある。
【図８】導電性支持体の組成を変化させたときの圧電共
振部品の位相特性とインピーダンス特性とを示す図であ
る。
【図９】図８の特性を測定するための圧電共振部品の試
作モデル図である。
【図１０】Ａｇフィラーのウレタン樹脂に対する含有比
率を８１〜８５ｗｔ％に変化させたときの、位相ひずみ
の図である。
【図１１】位相ひずみの求め方を示す図である。
【図１２】導電性支持体のＡｇフィラーの含有量を変化
させた時の電気的導通性の変化を示す図である。
【図１３】導電性支持体の温度変化によるヤング率の変
化を示す図である。
【符号の説明】
１，１’ 圧電素子 ８，９ 電極 １０，１１ 導電性支持体 １２，１３ 導電性接着剤 ２０ 基板 ２１，２２ パターン電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平11−112277（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−8526（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−369909（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−212108（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H03H 9/00 - 9/215 H03H 9/54 - 9/60

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】上面にパターン電極が形成された基板と、
    下面に電極を有する長さ振動を利用した圧電素子とを備
    え、 上記圧電素子の下面電極の長さ方向中央部に導電ペース
    トを塗布し硬化させて導電性支持体を形成し、この導電
    性支持材と基板のパターン電極とを導電性接着剤により
    接着固定してなる圧電共振部品において、 上記導電性支持体は導電性フィラーを含有するウレタン
    樹脂よりなり、上記 導電性フィラーの含有率を７９〜８４ｗｔ％とした
    ことを特徴とする圧電共振部品。
  2. 【請求項２】上記圧電素子は、長さ方向に圧電体層と内
    部電極とを積層した柱状の基体と、基体の１つの側面に
    おいて上記内部電極と交互に接続されるように形成され
    る２つの外部電極とを含み、圧電体層は基体の長さ方向
    に分極されていることを特徴とする請求項１に記載の圧
    電共振部品。
JP2000177853A 2000-06-14 2000-06-14 圧電共振部品 Expired - Lifetime JP3538709B2 (ja)

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