JPH1188103A - 圧電素子およびこの圧電素子を用いた圧電部品 - Google Patents

圧電素子およびこの圧電素子を用いた圧電部品

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JPH1188103A
JPH1188103A JP9267961A JP26796197A JPH1188103A JP H1188103 A JPH1188103 A JP H1188103A JP 9267961 A JP9267961 A JP 9267961A JP 26796197 A JP26796197 A JP 26796197A JP H1188103 A JPH1188103 A JP H1188103A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】長さ振動が阻害されず、特性劣化の少ない圧電
素子を提供する。 【解決手段】長さ方向振動モードを利用した圧電素子１
であって、圧電基板の表裏主面にそれぞれ電極３〜５を
有し、一方の主面の電極３，４のノード部分に導電性の
支持部６，７を固定する。圧電素子１の厚みをＴ、その
長さをＬ、支持部６，７の厚みをＴ１，その長さをＬ１
とするとき、Ｔ１／Ｔ≦０．５でかつＬ１／Ｌ≦０．２
とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は発振子やフィルタな
どに用いられる長さ方向振動モードを利用した圧電素子
およびこの圧電素子を用いた圧電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
電素子として、圧電基板の一方の主面に長さ方向に延び
る直線状の溝によって分割された入力電極および出力電
極を設け、他方の主面に共通電極を設け、入力電極と出
力電極のそれぞれに、一部に外部導体との電気的接触部
となる導電ゴムよりなる支持部を設けたものが知られて
いる（特開平２−２２４５１５号公報）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のよう
な支持部を固定した圧電素子の場合、支持部の寸法や材
質によって長さ振動が阻害され、特性が劣化する場合が
あった。この問題について、本発明者は種々検討した結
果、支持部の厚み、支持部の長さ、さらに支持部の弾性
係数（ヤング率）が共振抵抗と密接に関係しており、こ
のことが特性劣化の原因であることを発見した。
【０００４】そこで、本発明の目的は、支持部の寸法お
よびヤング率を最適な値に設定することで、長さ振動が
阻害されず、特性劣化の少ない圧電素子を提供すること
にある。また、他の目的は、上記圧電素子を用いること
で、特性の優れた圧電部品を提供することにある。
【０００５】
【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、長さ方向振動モードを利
用した圧電素子であって、圧電基板の表裏主面にそれぞ
れ電極を有し、表裏一方の主面の電極のノード部分に導
電性の支持部が固定された圧電素子において、上記圧電
素子の厚みをＴ、支持部の厚みをＴ１とするとき、Ｔ１
／Ｔ≦０．５としたものである。
【０００６】また、請求項２に記載の発明は、長さ方向
振動モードを利用した圧電素子であって、圧電基板の表
裏主面にそれぞれ電極を有し、表裏一方の主面の電極の
ノード部分に導電性の支持部が固定された圧電素子にお
いて、上記圧電素子の長さをＬ、支持部の長さをＬ１と
するとき、Ｌ１／Ｌ≦０．２としたものである。
【０００７】さらに、請求項３に記載の発明は、長さ方
向振動モードを利用した圧電素子であって、圧電基板の
表裏主面にそれぞれ電極を有し、表裏一方の主面の電極
のノード部分に導電性の支持部が固定された圧電素子に
おいて、上記圧電素子の厚みをＴ、その長さをＬ、支持
部の厚みをＴ１，その長さをＬ１とするとき、Ｔ１／Ｔ
≦０．５でかつＬ１／Ｌ≦０．２としたものである。
【０００８】上記のように支持部の寸法を設定すること
で、共振抵抗を低く抑えることができ、長さ振動が阻害
されず、特性劣化の少ない圧電素子を得ることができ
る。なお、圧電素子を外部導体（例えば取付基板のパタ
ーン電極）などに接続固定する場合、上記支持部は、圧
電素子と外部導体との間に振動空間を設けるスペーサと
しての役割と、圧電素子の電極と外部導体とを電気的に
接続するための導電部材としての役割とを有する。この
場合、圧電素子の安定性を高め、振動不良や絶縁不良を
防止するには、支持部の厚みＴ１をできるだけ厚く、長
さＬ１をできるだけ長くするのがよいが、その反面、厚
みＴ１および長さＬ１には上記のような制約があるの
で、振動特性を阻害しない範囲で支持部の厚みＴ１をで
きるだけ厚く、長さＬ１をできるだけ長くするのが望ま
しい。
【０００９】また、支持部の寸法の他に、支持部の材
質、つまりヤング率も共振抵抗に大きく影響する。そこ
で、請求項４では支持部をヤング率が１０9 Ｎ／ｍ2 以
上の材料で形成している。このようにヤング率の大きな
材料を用いることで、支持部が圧電素子の振動にあわせ
て振動し、長さ振動を抑圧しないため、共振抵抗を小さ
くできる。
【００１０】上記圧電素子を、絶縁性の取付基板の上面
に形成されたパターン電極上に搭載することで、圧電部
品を得ることができる。すなわち、圧電素子の支持部が
固定された主面を取付基板のパターン電極が形成された
面と対向させ、支持部を取付基板の１つのパターン電極
と接続固定するとともに、上記圧電素子の他主面の電極
を上記取付基板の別のパターン電極と導電性ワイヤーを
介して接続すればよい。なお、圧電素子を覆うようにキ
ャップを取付基板に接着固定してもよい。この場合、取
付基板をヤング率が１０11Ｎ／ｍ2 以下の材料で形成す
るのが望ましい。すなわち、取付基板のヤング率≦１０
11Ｎ／ｍ2 とすれば、圧電素子の振動は支持部を介して
取付基板に伝わるが、取付基板による吸収効果が働いて
圧電素子に対して反射波を返しにくくするからである。
【００１１】
【発明の実施の形態】図１は長さ方向振動モードを利用
した圧電素子１の一例であり、短冊型の圧電セラミック
基板２の一主面には長さ方向に延びる直線状の溝３によ
って分割された第１と第２の電極４，５とが形成されて
おり、他方の主面には全面に第３の電極６が形成されて
いる。第１と第２の電極４，５のノード部分にはそれぞ
れ導電性の支持部７，８が固定されている。支持部７，
８の厚みＴ１および長さＬ１は互いに等しい。なお、こ
の実施例では溝３が圧電素子１の幅方向の中央からずれ
た位置に形成されているが、これは幅振動によるスプリ
アスおよび厚み振動によるスプリアスを抑制するためで
ある。
【００１２】上記圧電素子１において、その厚みＴ＝
０．３８ｍｍ、長さＬ＝４．１ｍｍ、幅Ｗ＝０．９ｍｍ
とし、支持部７，８の厚みをＴ１，その長さをＬ１とす
ると、Ｌ１／ＬおよびＴ１／Ｔによって共振抵抗が図２
および図３のように変化した。なお、図２ではＴ１／Ｔ
＝０．５、支持部７，８のヤング率＝１０9 Ｎ／ｍ2と
し、図３ではＬ１／Ｌ＝０．２、支持部７，８のヤング
率＝１０9 Ｎ／ｍ2 とした。図２，図３から明らかなよ
うに、Ｌ１／Ｌが０．２を越えると共振抵抗が急激に増
大すること、またＴ１／Ｔが０．５を越えると共振抵抗
が急激に増大することがわかる。そのため、長さ振動が
阻害され、特性が劣化する。したがって、次のような寸
法に設定するのが望ましい。 Ｔ１／Ｔ≦０．５ Ｌ１／Ｌ≦０．２
【００１３】また、支持部７，８のヤング率と共振抵抗
との関係についても調べたところ、図４のようにヤング
率が１０9 Ｎ／ｍ2 未満では共振抵抗が急激に増大し
た。図５は支持部７，８のヤング率≧１０9 Ｎ／ｍ2 の
場合の圧電素子１のインピーダンス特性、図６は支持部
７，８のヤング率＜１０9 Ｎ／ｍ2 の場合の圧電素子１
のインピーダンス特性を示す。図５のようにヤング率≧
１０9 Ｎ／ｍ2 の場合には、圧電素子１の長さ振動にあ
わせて支持部７，８が変位し、圧電素子１の振動が阻害
されにくく、望ましいインピーダンス特性が得られてい
るのに対し、ヤング率が１０9 Ｎ／ｍ2 より低くなる
と、、図６のように圧電素子１の長さ振動を支持部７，
８が吸収する形となり、単に質量負荷的な効果しか出て
いない。そのため、共振点および反共振点のインピーダ
ンス差、つまりレスポンスが悪化している。したがっ
て、支持部７，８をヤング率≧１０9 Ｎ／ｍ2 以上の材
料で形成するのが望ましい。この実施例では、１０9 Ｎ
／ｍ2 以上のエポキシ系導電性接着剤を用いている。
【００１４】図７は図１に示す圧電素子１を用いた表面
実装型の発振子の例を示す。この発振子は、圧電素子１
の他に、取付基板１０とキャップ２０とを備えている。
取付基板１０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等からなる長方形の絶縁性薄板
であり、取付基板１０の上面には入力側と出力側の２個
のパターン電極１１，１２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
１１，１２は取付基板１０の側縁に設けた切欠１３を介
してそれぞれ裏面側へ延設されている。
【００１５】圧電素子１は、支持部７，８が取付基板１
０の上面に対面するよう搭載される。すなわち、支持部
７，８が入力側（または出力側）パターン電極１１の接
続部１１ａ上に導電性接着剤（図示せず）などよって接
着され、電極４，５がパターン電極１１と電気的に接続
される。このとき、圧電素子１の振動部である長手方向
両端部は、支持部７，８の厚みによって取付基板１０と
の間に所定の隙間が設けられるので、圧電素子１の振動
部が取付基板１０と接触して振動が阻害されたり、電極
４，５が異なる電位のパターン電極１２と接触して絶縁
不良をきたす恐れがない。
【００１６】圧電素子１の接着後、圧電素子１の第３の
電極６と出力側（または入力側）パターン電極１２の接
続部１２ａとを導電性ワイヤー１４によって接続する。
このワイヤー１４は公知のワイヤーボンディング法によ
って容易に接続できる。なお、圧電素子１の電極６と出
力側パターン電極１２とを導電性ワイヤー１４によって
接続する場合、図８のように、パターン電極１２の接続
部１２ａに導電性の台座３０を固定し、この台座３０と
圧電素子１の第３の電極６とを導電性ワイヤー１４で接
続してもよい。この場合には、台座３０の厚みを、圧電
素子１と支持部７，８との厚みの和とほぼ同等に設定す
ることで、台座３０の上面と圧電素子１の上面とをほぼ
同一高さとすることができ、ワイヤーボンディング作業
が容易となる。
【００１７】圧電素子１の接着およびワイヤー１４の接
続の後、取付基板１０上に圧電素子１を覆うキャップ２
０を絶縁性接着剤（図示せず）により接着し、圧電素子
１の周囲を封止する。これにより、表面実装型の発振子
を完成する。
【００１８】上記構成の発振子において、取付基板１０
の材質としてヤング率が１０11Ｎ／ｍ2 以下の材料を用
いるのがよい。すなわち、図９は取付基板１０のヤング
率≦１０11Ｎ／ｍ2 の場合の発振子のインピーダンス特
性、図１０は取付基板１０のヤング率＞１０11Ｎ／ｍ2
の場合の発振子のインピーダンス特性を示す。ヤング率
≦１０11Ｎ／ｍ2 の場合には、圧電素子１の振動が支持
部７，８を介して取付基板１０に伝わるが、取付基板１
０による吸収効果が働いて圧電素子１に対して反射波を
返しにくくしている。つまり、いわゆる振動漏れがなく
なり、図９のように良好なインピーダンス特性を有す
る。一方、ヤング率＞１０11Ｎ／ｍ2 の場合には、圧電
素子１の振動が支持部７，８を介して取付基板１０によ
って反射され、長さ振動に屈曲振動が重畳されるような
形で阻害される。そのため、図１０のようにインピーダ
ンス特性に波形歪みを生じさせる結果となる。
【００１９】本発明は上記実施例に限定されるものでは
ない。上記実施例では、スプリアスを抑制するため、圧
電素子の裏側電極に溝を設けて複数の電極に分割した例
を示したが、溝を設ける必要は必ずしもない。つまり、
表裏の電極はそれぞれ単一の電極であってもよい。ま
た、この圧電素子は発振子だけでなく、フィルタとして
用いることもできる。フィルタとして用いる場合には、
一方の主面の電極を溝によって互いに異なる電位の複数
の電極に分割すればよい。分割する溝の本数は１本に限
らず、２本以上であってもよい。また、支持部は各電極
に１個ずつ設けるものに限らず、圧電素子の長さ方向に
離れた複数の支持部で構成してもよい。この場合、支持
部の長さＬ１は圧電素子の長さ方向に離れた支持部の外
側面間の距離となる。さらに、支持部は全体を導電性材
料で形成することなく、一部のみを導電性材料で形成
し、残部を絶縁性材料で形成してもよい。支持部と外部
導体との接続方法は、上記実施例のように導電性接着剤
を用いて接続する方法のほかに、バネ端子などを用いて
支持部を外部導体に圧接させて接続してもよいが、安定
性と接触信頼性とを得るには、導電性接着剤などによっ
て接着するのが望ましい。また、支持部自身を未硬化の
導電性接着剤で形成した場合には、外部導体に直接接着
することもできる。
【００２０】
【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、圧電基板の一方の主面電極のノード部分に固定
される支持部の厚みＴ１を圧電素子の厚みＴの１／２以
下とすること、あるいは支持部の長さＬ１を圧電素子の
長さＬの１／５以下とすることで、共振抵抗を低く抑え
ることができる。そのため、長さ振動が阻害されず、特
性劣化の少ない圧電素子を得ることができる。また、支
持部のヤング率を１０9 Ｎ／ｍ2 以上とすることで、支
持部が圧電素子の長さ振動を抑圧せず、共振抵抗を小さ
くできる。さらに、取付基板の上面に形成されたパター
ン電極上に上記圧電素子を搭載した圧電部品の場合、取
付基板をヤング率が１０11Ｎ／ｍ2 以下の材料で形成す
れば、取付基板による振動吸収効果が働いて圧電素子に
対して反射波を返しにくくするため、良好な特性を有す
る圧電部品を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる圧電素子の一例の斜視図であ
る。
【図２】圧電素子の共振抵抗とＬ１／Ｌとの関係を示す
図である。
【図３】圧電素子の共振抵抗とＴ１／Ｔとの関係を示す
図である。
【図４】圧電素子の共振抵抗と支持部のヤング率との関
係を示す図である。
【図５】支持部のヤング率≧１０9 Ｎ／ｍ2 の場合のイ
ンピーダンス特性図である。
【図６】支持部のヤング率＜１０9 Ｎ／ｍ2 の場合のイ
ンピーダンス特性図である。
【図７】図１に示す圧電素子を用いた表面実装型の発振
子の一例の斜視図である。
【図８】表面実装型の発振子の他の例の斜視図である。
【図９】取付基板のヤング率≦１０11Ｎ／ｍ2 の場合の
インピーダンス特性図である。
【図１０】取付基板のヤング率＞１０11Ｎ／ｍ2 の場合
のインピーダンス特性図である。
【符号の説明】
１ 圧電素子 ２ 圧電セラミック基板 ３ 溝 ４，５ 電極 ６ 電極 ７，８ 支持部 １０ 取付基板 １１，１２ パターン電極 １４ 導電性ワイヤー

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】長さ方向振動モードを利用した圧電素子で
    あって、 圧電基板の表裏主面にそれぞれ電極を有し、表裏一方の
    主面の電極のノード部分に導電性の支持部が固定された
    圧電素子において、 上記圧電素子の厚みをＴ、支持部の厚みをＴ１とすると
    き、 Ｔ１／Ｔ≦０．５ としたことを特徴とする圧電素子。
  2. 【請求項２】長さ方向振動モードを利用した圧電素子で
    あって、 圧電基板の表裏主面にそれぞれ電極を有し、表裏一方の
    主面の電極のノード部分に導電性の支持部が固定された
    圧電素子において、 上記圧電素子の長さをＬ、支持部の長さをＬ１とすると
    き、 Ｌ１／Ｌ≦０．２ としたことを特徴とする圧電素子。
  3. 【請求項３】長さ方向振動モードを利用した圧電素子で
    あって、 圧電基板の表裏主面にそれぞれ電極を有し、表裏一方の
    主面の電極のノード部分に導電性の支持部が固定された
    圧電素子において、 上記圧電素子の厚みをＴ、その長さをＬ、支持部の厚み
    をＴ１，その長さをＬ１とするとき、 Ｔ１／Ｔ≦０．５ かつ Ｌ１／Ｌ≦０．２ としたことを特徴とする圧電素子。
  4. 【請求項４】請求項１ないし３のいずれかに記載の圧電
    素子において、 上記支持部は、ヤング率が１０9 Ｎ／ｍ2 以上の材料で
    形成されていることを特徴とする圧電素子。
  5. 【請求項５】絶縁性の取付基板の上面に形成されたパタ
    ーン電極上に、長さ方向振動モードを利用した圧電素子
    を搭載してなる圧電部品であって、 上記圧電素子は、請求項１ないし４のいずれかに記載の
    圧電素子であり、 上記圧電素子の支持部が固定された主面を上記取付基板
    のパターン電極が形成された面と対向させ、上記支持部
    を取付基板の１つのパターン電極と接続固定するととも
    に、 上記圧電素子の他主面の電極を上記取付基板の別のパタ
    ーン電極と導電性ワイヤーを介して接続してなり、 上記取付基板は、ヤング率が１０11Ｎ／ｍ2 以下の材料
    で形成されていることを特徴とする圧電部品。
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