JP6181904B1 - 圧電部品 - Google Patents
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Abstract
本開示の圧電部品１は、長手方向と幅方向とを有する矩形板状の基板２と、前記長手方向の中央部に間隔をあけて前記基板２の第１の面２ａ上に設けられた一対の電極３と、該一対の電極３に両端部がそれぞれ固定された圧電素子４とを備え、前記一対の電極３には、前記中央部側から前記長手方向に切欠き３１が設けられている。【選択図】 図２
Description
本開示は、例えばレゾネータとして好適に用いられる圧電部品に関するものである。
レゾネータとしての圧電部品は、一般的に支持基板と、圧電素子と、蓋体とから構成されている。一般的に支持基板には、外部回路基板と圧電素子とを電気的に接続するための入出力電極が支持基板長手方向の両端部近傍に、支持基板短手方向を横断するように設けられる。（例えば、特許文献１を参照。）
本開示の圧電部品は、長手方向と幅方向とを有する矩形板状の基板と、前記長手方向の中央部に間隔をあけて前記基板の第１の面上に設けられた一対の電極と、該一対の電極に両端部がそれぞれ固定された圧電素子とを備え、前記基板は、前記第１の面とは反対側の第２の面の中央部にグランド電極を備えており、前記一対の電極は、前記基板の幅方向に延びる第１領域と、該第１領域から前記中央部に向かって前記長手方向に延びるとともに、前記基板を挟んで前記グランド電極と対向する部分を有する第２領域とをそれぞれ有しており、それぞれの前記第１領域の前記中央部側から前記長手方向に切欠きが設けられていることを特徴とする。
以下、添付図面を参照して、本開示の圧電部品の実施形態の一例を詳細に説明する。図１等においては、圧電部品１に対して固定して定義した直交座標系ｘｙｚを付している。以下の説明では、この座標系を参照して方向を説明することがある。圧電部品１は、いずれの方向が鉛直方向乃至水平方向とされてもよく、また、ｚ軸方向を上下方向又は高さ方向あるいは厚み方向ということがある。また、圧電部品１について単に平面視という場合、ｚ軸方向に見ることを指すものとする。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
図１〜図３に示す例の圧電部品１は、長手方向と幅方向とを有する矩形板状の基板２と、長手方向の中央部に間隔をあけて基板２の第１の面２ａ上に設けられた一対の電極３と、一対の電極３に両端部がそれぞれ固定された圧電素子４とを備えている。図１に示す例では、圧電素子４を覆うように基板２の第１の面２ａ上に蓋体１０を設けている。
基板２は、例えば、長さが２．５ｍｍ〜７．５ｍｍ、幅が１．０ｍｍ〜３．０ｍｍ、厚みが０．１ｍｍ〜１ｍｍの長方形状の平板として形成された誘電体を含んでいる。誘電体としては、アルミナやチタン酸バリウム等のセラミック材料、及びガラスエポキシ等の樹脂系材料を用いることができる。
基板２を構成する誘電体の第１の面２ａ（本例では上面）には一対の電極３が設けられている。この一対の電極３は、圧電素子４の両端部を機械的に固定するとともに、圧電素子４の表面電極４２（振動電極）と電気的に接続するための電極である。電極３は基板２の幅方向の一方の端から他方の端にかけて設けられており、平面視の形状は矩形状である。また、一対の電極３は、基板２の第１の面２ａにおける長手方向の中央部に間隔をあけて配置されている。この間隔は圧電素子４の長さにより設定され、基板２の第１の面２ａの長さ方向の両端部側にそれぞれ電極３が配置される構成となる。これにより、圧電素子４の大きさに対して基板１が大きくなりすぎず、より小型の圧電部品１となる。
また、第１の面２ａとは反対側の第２の面２ｂには一対の外部電極７が設けられている。外部電極７は、圧電部品１を外部回路に電気的および機械的に接続するための電極である。外部電極７は基板２の幅方向の一方の端から他方の端にかけて設けられており、平面視の形状は矩形状である。一対の外部電極７は、電極３と基板２の側面に設けられた側面電極８によってそれぞれ電気的に接続されている。これにより、圧電素子４の表面電極４２（振動電極）と外部回路とが電気的に接続され、信号の入出力が行なわれる。すなわち、基板２に設けられた一対の電極３、一対の側面電極８、および一対の外部電極７によって入出力電極が構成されている。なお、本実施形態においては、基板２の幅方向に位置する両側面に側面電極８がそれぞれ設けられている。
そして、本実施形態の圧電部品１においては、一対の電極３には、基板２の第１の面２ａの中央部側から基板２の長手方向に沿った方向に向けて切欠き３１が設けられている。電極３の中央部側の辺に凹部があるともいえる。また、言い換えれば、一対の電極３の互いに向き合う部分に切欠き３１が設けられている。これにより、入出力電極の一部である一対の電極３間において、その間隔（距離）が長くなる部分が形成される。そのため、入出力電極間に発生する浮遊容量が低減され、浮遊容量に伴う発振周波数の変動の抑制が可能となるため、高精度なレゾネータとなる圧電部品１となる。
切欠き３１は、電極３において圧電素子４が搭載される部分、基板２の幅方向における中央部分より外側、基板２の側面側に設けられている。これにより、電極３と圧電素子４との接合面積を確保しつつ浮遊容量を低減させることができる。
図１〜図３に示した例に対して、図４〜図６に示す例においては、基板２は、第１の面２ａとは反対側の第２の面２ｂの中央部にグランド電極９を備えている。また、一対の電極３は、基板２の幅方向に延びる第１領域３２と、この第１領域３２から中央部に向かって長手方向に延びるとともに、基板２（誘電体）を挟んでグランド電極９と対向する部分を有する第２領域３３とをそれぞれ有している。そして、それぞれの第１領域３２の中央部側から長手方向に切欠き３１が設けられている。
グランド電極９は、基板２の第２の面２ｂにおける長手方向の中央部において、幅方向の一方の端から他方の端にかけて設けられており、平面視の形状は矩形状である。基板２の第１の面２ａ上の電極３の第２領域３３との間でコンデンサを形成するためのものであり、外部回路基板等のグランド電位に電気的に接続される。
なお、図４〜図６に示す例では、グランド電極９に電気的に接続される側面電極８が基板２の側面に設けられている。グランド電極９は基板２の第１の面２ａ上の電極等とは電気的に接続されないので必ずしも必要ではない。グランド電極９の側方にも側面電極８を設けると、圧電部品１を外部回路基板へ実装する際に、はんだ等の接合材を圧電部品１の下面から側面にかけて接合させることができるので、接合強度が向上し、電気的および機械的な接続信頼性の高いものとすることができる。なお、接合強度の向上のためであるので、グランド電極９との電気的な接続は必ずしも必要ではない。
第１領域３２は、図１〜図３に示した例における電極３と同様の部分である。すなわち、第１領域３２は、主に圧電素子４の両端部を機械的に固定するとともに、圧電素子４の表面電極４２（振動電極）と電気的に接続するための領域である。第１領域３２は、基板２の幅方向の一方の端（側面）から他方の端（側面）にかけて設けられており、平面視の形状は矩形状である。そして、第１領域３２は、基板２の側面に設けられた側面電極８を介して一対の外部電極７にそれぞれ電気的に接続されている。一対の電極３の第１領域３２、一対の側面電極８、および一対の外部電極７によって入出力電極が構成されている。
第２領域３３は、第１領域３２から基板２の中央部に向かって長手方向に延びる領域である。基板２の幅方向の中央部において、第１領域３２から、基板２の長手方向の中央部における、平面透視でグランド電極９と重なる位置まで設けられており、平面視の形状は矩形状である。このような第１領域３２と第２領域３３とを有する電極３の全体の形状はＴ字形となっている。
第２領域３３は、基板２を挟んでグランド電極９と対向する部分を有している。図６に示す例のように、第１領域３２から基板２の長手方向に延びた先端部分が、平面透視でグランド電極９と重なっている。誘電体である基板２をグランド電極９と電極３の第２領域３３で挟むことによってコンデンサが形成される。これにより、発振回路として必要な負荷容量が圧電部品１に内蔵されることになる。このような圧電部品１を用いると、別にチップコンデンサ等を外部回路基板等に搭載する必要がなくなるので、部品点数が少なくなり、圧電部品１を用いた発振回路モジュールを小型化することができる。
なお、平面透視でグランド電極９と第２領域３３とが重なる面積によって負荷容量の大きさを設定することができる。この負荷容量の大きさは、圧電部品１が接続されてともに発振回路を構成する増幅回路素子の特性によって設定される。
このとき、一対の電極３は、それぞれの第１領域３２の基板２の中央部側から長手方向に切欠き３１が設けられている。上記と同様に、浮遊容量が低減され、浮遊容量に伴う発振周波数の変動の抑制が可能となるため、高精度なレゾネータとなる圧電部品１となる。また、入出力電極の一部である一対の外部電極８間にグランド電極９が配置されていることから、外部電極８間に発生する浮遊容量も低減することができ、より効果的である。
切欠き３１は、第１領域３２における、第２領域３３が接続されるとともに圧電素子４が搭載される部分、すなわち基板２の幅方向における中央部分より外側、基板２の側面側に設けられている。電極３と圧電素子４との接合面積を確保しつつ浮遊容量を低減させることができる。
切欠き３１の平面視の形状は、図２および図３に示す例では三角形状であり、図５および図６に示す例では矩形状である。入出力電極の一部である一対の電極３間において、その間隔（距離）をより長くして、浮遊容量をより低減するには切欠き３１の形状を矩形状とするとよい。また、図７に示す例のように、上底が基板２の中央部側に位置し、下底が中央部から遠い側に位置するような台形状、すなわち、中央部側から離れるに従って幅が大きくなる形状としてもよい。一方の電極３の切欠き３１の内側部分（長手方向にのびる部分）と他方の電極３との間において発生する浮遊容量を低減することができる。一方の電極３の切欠き３１の内側部分と他方の電極３との間の距離は、基板２の長手方向（図面のｘ軸方向）に対して傾斜した方向の距離であり、これを長くすることができるからである。
電極３の大きさは、図１〜図３に示す例の場合であれば、例えば、基板２の幅方向に沿った長さは基板２の幅と同じく１．０ｍｍ〜３．０ｍｍで、基板２の長さ方向に沿った長さは０．１ｍｍ〜１．５ｍｍである。図４〜図６に示す例の場合であれば、第１領域３２の大きさは、例えば、基板２の幅方向に沿った長さは基板２の幅と同じく１．０ｍｍ〜３．０ｍｍで、基板２の長さ方向に沿った長さは０．１ｍｍ〜１．５ｍｍである。第２領域３３の大きさは、例えば、基板２の幅方向に沿った長さは０．３ｍｍ〜１．２ｍｍで、基板２の長さ方向に沿った長さは０．５ｍｍ〜１．８ｍｍである。
切欠き３１の幅（基板２の幅方向の長さ）は、例えば、電極３の基板２の幅方向に沿った方向の長さの１０％以上にすればよい。上述したように、電極３の中央部分は圧電素子４が搭載される部分であるので、中央部分を挟む両外側部分に切欠き３１が形成されるが、この部分は信号の入出力経路である。入出力経路が細くなると抵抗が大きくなり、発振回路への影響が出る可能性があるので、中央部分の両外側のうち片側だけに切欠き３１を設けるのが好ましい。そのため、切欠き３１の幅（基板２の幅方向に沿った方向の長さ）は、例えば、電極３の基板２の幅方向の長さの１０〜３０％に設定される。基板２の幅方向の切欠き３１の幅は、電極３の基板２の中央部側の辺部における幅、言い換えると開口幅のことである。切欠き３１の長さ（基板２の長手方向に沿った方向の長さ）は、例えば、電極３の基板２の長手方向に沿った方向の長さの３０％以上にすればよい。
電極３、外部電極７、側面電極８およびグランド電極９は、例えば、金，銀，銅，アルミニウム，タングステン等の金属を主成分とするものである。例えば、基板２がセラミック材料から成る場合であれば、いわゆる厚膜導体を用いることができる。必要に応じて、表面にＮｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｓｎ等のめっき被膜を形成したものでもよい。
圧電素子４は、圧電部品１において特定の周波数で厚み縦振動もしくは厚みすべり振動の圧電振動を発生させるためのものである。圧電素子４は、例えば、長尺板状の圧電体４１と、圧電体４１の両主面（一方主面および他方主面）に設けられた表面電極４２と、圧電体４１の端面に設けられた端面電極４３とを備えている。圧電体４１は、例えば、長さが１．０ｍｍ〜４．０ｍｍ、幅が０．２ｍｍ〜２ｍｍ、厚みが４０μｍ〜１ｍｍの平板状とすることができる。この圧電体４１は、例えばチタン酸鉛，チタン酸ジルコン酸鉛，タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸ナトリウム，ニオブ酸カリウム，ビスマス層状化合物等を基材とする圧電セラミックスを用いて形成することができる。
表面電極４２は、圧電体４１に電圧を印加して振動させるための振動電極である。表面電極４２は、圧電体４１の一方主面および他方主面にそれぞれ互いに対向する領域（交差領域）を有するように配置されている。圧電体４１の一方主面（上面）において圧電体４１の長手方向の一方の端部から他方の端部側に向けて延びるように設けられ、圧電体４１の他方主面（下面）においては圧電体４１の長手方向の他方の端部から一方の端部側に向けて延びるように設けられ、それぞれが互いに圧電体４１を挟んで対向する領域を有している。この表面電極４２は、例えば、金，銀，銅，アルミニウム，クロム，ニッケル等の金属を用いることができ、０．１μｍ〜３μｍの厚みである。表面電極４２は圧電体４１の端部においてそれぞれ端面電極４３に接続されている。端面電極４３は、圧電素子４を基板２に実装する際の実装性、接合強度を向上させるために設けられる。端面電極４３は、表面電極４２と同様の材料、厚みで形成される。
このような圧電素子４は、表面電極４２（振動電極）間に電圧を印加したとき、表面電極４２（振動電極）が対向する領域（交差領域）において、特定の周波数で厚み縦振動もしくは厚みすべり振動の圧電振動を発生させる。圧電素子４に電圧を印加するために、圧電素子４の表面電極４２および端面電極４３と基板２上の電極３とが、導電性接合材６を介して電気的に接続されている。また、図２（ｂ）および図５（ｂ）に示す例のように、基板２の電極３の上にはそれぞれ支持部５が設けられている。支持部５の上に圧電素子４が振動可能に搭載されている。具体的には、一対の電極３の上に設けられた支持部５が、圧電素子４の長手方向の両端部をそれぞれ支持するようにして搭載されている。これにより、圧電素子４の中央部と基板２との間に空間が形成され、圧電素子４が振動可能に搭載される。支持部５は、例えば導電性を有しており、例えば金，銀，銅，アルミニウム，タングステン等の金属粉末を樹脂中に分散させてなる柱状体である。例えば、平面視での縦、横方向の長さ（径）が０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ、厚みが１０μｍ〜１００μｍで、角柱状、円柱状である。
電極３および支持部５の上に導電性接合材６が設けられ、圧電素子４の長手方向の両端部と電極３および支持部５とが機械的に接合されている。また、圧電素子４の表面電極４２（振動電極）および端面電極４３と電極３とが支持部５および導電性接合材６を介して電気的に接続されている。導電性接合材６としては、例えばはんだや導電性接着剤等が用いられ、はんだであれば、例えば銅，錫，銀からなる鉛を含まない材料等を用いることができ、導電性接着剤であれば、銀，銅，ニッケル等の導電性粒子を７５〜９５質量％含有したエポキシ系の導電性樹脂またはシリコーン系の樹脂を用いることができる。
なお、図２（ｂ）および図５（ｂ）に示す例のように、基板２の上には圧電素子４を覆うように蓋体１０が設けられていてもよい。この蓋体１０は、基板２の上面の周縁部に接着剤などで接合されていて、これにより、基板２とともに形成した内部空間に収容されている圧電素子４を外部からの物理的な影響や化学的な影響から保護する機能と、基板２とともに形成した空間内への水等の異物の浸入を防ぐための気密封止機能を有している。なお、蓋体１０の材料として、例えば、ステンレス鋼などの金属、アルミナなどのセラミックス，樹脂，ガラス等を用いることができる。また、エポキシ樹脂等の絶縁性樹脂材料に無機フィラーを２５〜８０質量％の割合で含有させて基板２との熱膨張係数の差を小さくするようにしたものでもよい。
一対の電極３のそれぞれに設けられた切欠き３１は、図８に示す例のように、基板２の中央部を挟んで互いに対向する位置に設けてもよい。このような構成とすることで入出力電極間に発生する浮遊容量がさらに低減され、浮遊容量に伴う発振周波数変動がさらに抑制できるため、高精度なレゾネータを提供できる。一方の電極３の切欠き３１を基板２の長手方向に平行移動させた場合に、両方の電極３の切欠き３１の開口部分が互いに重なる部分があればよいが、２つの開口部が一致するのがよりよい。
また、切欠き３１は、図９に示す例のように、電極３を基板２の幅方向に分断していてもよい。言い換えれば、切欠き３１の長さが、電極３（第１領域３２）の基板２の長手方向に沿った方向の長さと同じであってもよい。このような構成とすることで切欠き３１を設けた部分では、一対の電極３が基板２の中央部を挟んで対向しないので、この部分で発生する浮遊容量をなくすことができ、入出力電極間に発生する浮遊容量がさらに低減される。このとき、切欠き３１は、上述したように電極３の中央部分を挟む両側のうち片側だけに設けられているので、切欠き３１を設けていない側で側面電極８との接続がなされており、入出力電極としての機能が損なわれることはない。
このときの切欠き３１の幅は、図１０に示す例のように、電極３の中央部から基板２の幅方向の端部までとしても構わない。図１０に示す例は、電極３が第１領域３２と第２領域３３とを有している場合であり、電極３の平面視の形状はＬ字形となっている。これに対して、図９に示す例では、切欠き３１を基板２の幅方向の端部まで形成せずに、側面電極９に接続する部分を残している。これにより、特に、電極３および側面電極８が厚膜導体で形成される場合などは、側面電極８の基板２との接合強度を向上させることができる。図９に示す例では、この部分と同様のものを、グランド電極９に接続された側面電極８と接続している補強導体１１として設けている。
また、図１０に示す例では、切欠き３１の幅を電極３の中央部から基板２の幅方向の端部までとして、一対の電極３のそれぞれに設けた切欠き３１が基板２の中央部を挟んで互いに対向しないように配置している。２つのＬ字形の電極３が基板２の第１の面２ａの中心を対称点とする点対称の位置に配置している。このような構成とすると、それぞれの電極３の第１領域３ａ同士が互いに対向する部分がないので、入出力電極間に発生する浮遊容量がさらに低減される。
なお、図９および図１０に示すような形状のように、電極３（第１領域３２）の一部が分断されたり、基板２の幅方向の端部まで設けられなかったりする形状も、本願における切欠きに含まれる。
１：圧電部品
２：基板
２ａ：第１の面
２ｂ：第２の面
３：電極
３１：切欠き
３２：第１領域
３３：第２領域
４：圧電素子
４１：圧電体
４２：表面電極
４３：端面電極
５：支持部
６：導電性接合材
７：外部電極
８：側面電極
９：グランド電極
１０：蓋体
１１：補強導体
２：基板
２ａ：第１の面
２ｂ：第２の面
３：電極
３１：切欠き
３２：第１領域
３３：第２領域
４：圧電素子
４１：圧電体
４２：表面電極
４３：端面電極
５：支持部
６：導電性接合材
７：外部電極
８：側面電極
９：グランド電極
１０：蓋体
１１：補強導体
Claims (3)
- 長手方向と幅方向とを有する矩形板状の基板と、前記長手方向の中央部に間隔をあけて前記基板の第１の面上に設けられた一対の電極と、該一対の電極に両端部がそれぞれ固定された圧電素子とを備え、
前記基板は、前記第１の面とは反対側の第２の面の中央部にグランド電極を備えており、前記一対の電極は、前記基板の幅方向に延びる第１領域と、該第１領域から前記中央部に向かって前記長手方向に延びるとともに、前記基板を挟んで前記グランド電極と対向する部分を有する第２領域とをそれぞれ有しており、それぞれの前記第１領域の前記中央部側から前記長手方向に切欠きが設けられている圧電部品。 - 前記一対の電極に設けられた前記切欠きは、前記中央部を挟んで互いに対向する位置に設けられている請求項１に記載の圧電部品。
- 前記切欠きは、前記電極を前記幅方向に分断している請求項１または請求項２に記載の圧電部品。
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