(57)【要約】【課題】  過酷な使用環境においても圧電部品と回路基板とを固定するハンダのクラック発生を抑制することのできる圧電部品を提供する。【解決手段】  ベース基板４、圧電基板１１及び天板２が順次積層された圧電部と、ベース基板４を介して圧電部が実装されるプリント基板と、を含み、圧電部とプリント基板とが線膨張係数について以下の式（１）の関係を満足するとともに、ベース基板４が、ビッカース硬度（Ｈｖ）が１３×１０8Ｐａ以下、最大ひずみεが２×１０-3以上であることを特徴とする圧電部品により前記課題を解決する。  −７０％≦（αｂ−αｍ）／αｍ≦７０％…式（１）  ただし、ベース基板４の線膨張係数：αｂ（−５５〜１５０℃）          圧電基板１１の線膨張係数：αｚ（−５５〜１５０℃）          プリント基板の線膨張係数：αｐ（−５５〜１５０℃）          αｍ＝（αｐ＋αｚ）／２【選択図】図１
2007089003.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース基板、圧電基板及び天板が順次積層された圧電部と、
前記ベース基板を介して前記圧電部が実装される回路基板と、を含み、
前記圧電部と前記回路基板とが線膨張係数について以下の式（１）の関係を満足するとともに、
前記ベース基板が、ビッカース硬度（Ｈｖ）が１３×１０8Ｐａ以下、最大ひずみεが２×１０-3以上であることを特徴とする圧電部品。
−７０％≦（αｂ−αｍ）／αｍ≦７０％…式（１）
ただし、前記ベース基板の線膨張係数：αｂ（−５５〜１５０℃）
前記圧電基板の線膨張係数：αｚ（−５５〜１５０℃）
前記回路基板の線膨張係数：αｐ（−５５〜１５０℃）
αｍ＝（αｐ＋αｚ）／２
【請求項２】
前記ベース基板と前記圧電基板とが略同一の表面積を有することを特徴とする請求項１に記載の圧電部品。
【請求項３】
前記圧電基板は、厚み滑りモードを用いた圧電セラミックス基板から構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電部品。
【請求項４】
前記ベース基板は、ステアタイトを主成分とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧電部品。                                                      
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層構造の圧電部品に関し、特に発振子、フィルタに用いられる圧電部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の圧電部品は、例えば、特許文献１に開示されるように、圧電素子を構成する圧電基板の一面にベース基板を接着し、圧電基板の他面に天板を接着した組立体となる。圧電基板は、圧電セラミックスから構成され、その一面に第１の電極（表電極）を有し、他面に第１の電極と対向する第２ の電極（裏電極）を有する。第１の電極及び第２の電極は、第１のリード電極及び第２のリード電極を有し、リード電極を介して、組立体の外部に導出される。
【０００３】
圧電基板とベース基板とを接着する接着層、及び、圧電基板と天板とを接着する接着層は、圧電基板に設けられた第１の電極及び第２の電極による振動を許容する密閉された振動空間を有する。ベース基板及び天板は、主として、振動空間を構成する接着層を保護するために備えられる。ベース基板は、更に、端子電極を、外部回路基板等にハンダ付けする際のハンダ付け部分として用いられる。
【０００４】
上述した圧電部品において、端子電極は、従来は、印刷等の厚膜技術を適用して形成していた。ところが、最近は、圧電部品の小型化、薄型化、量産性の向上及び電極品質の向上等の観点から、蒸着、スパッタ、めっきまたはこれらの技術を組み合わせた薄膜技術によって、薄膜の端子電極を形成する技術が主流になっている。
【０００５】
このため、圧電セラミックスで構成された圧電基板と、圧電基板の両面に配置されるベース基板及び天板との間の熱膨張係数の差に起因する熱ストレスが発生した場合、この熱ストレスのために、薄膜で形成された端子電極に断線故障が発生することがある。
従来、天板及びベース基板は、特許文献１に開示されるように、圧電基板を構成する圧電セラミック材料とは異なる材料、例えば、アルミナによって構成されている。このため、圧電基板と、天板及びベース基板と間の熱膨張係数差が大きくなり、この大きな熱膨張係数差に起因して発生する熱ストレスにより、 薄膜で形成された端子電極に断線故障が発生していた。
【０００６】
以上のような課題に対して本出願人は、特許文献２において、天板及びベース基板は、圧電基板に対する熱膨張係数の差が、（−８ｐｐｍ／℃）〜（＋８ｐｐｍ／℃）の範囲内とすることを提案している。この提案により、蒸着、スパッタ、めっき、または、これらを組み合わせた薄膜技術によって、薄膜の端子電極を形成した場合でも、端子電極が熱ストレスによって断線するのを回避し得る。熱膨張係数の差を、上述した範囲内に納める具体的一例として、天板及びベース基板を、圧電基板と同一組成系の圧電セラミックス材料で構成することが開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開平５−１６７３８１号公報
【特許文献２】特開２００２−９５７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以上の圧電部品は、表面実装部品（ＳＭＤ）として用いられ、プリント基板等の回路基板に表面実装される。つまり、ベース基板に形成された端子電極を、回路基板上の導体パターンに合わせてハンダ付けによって固定される。
圧電部品の使用環境、特に使用環境の温度差が大きい場合には、圧電部品と回路基板とを固定するハンダにクラックが発生することがある。これは、圧電部品と回路基板との線膨張係数の差異に基づくものと解される。例えば、自動車に搭載される圧電部品は、例えば、−５５℃と１２５℃との間の熱衝撃試験が実施されるが、このような条件下において、ハンダにクラックが発生することを回避しなければならない。
そこで本発明は、過酷な使用環境においても圧電部品と回路基板とを固定するハンダのクラック発生を抑制することのできる圧電部品の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、ベース基板、圧電基板及び天板が順次積層された圧電部と、ベース基板を介して圧電部が実装される回路基板と、を含み、圧電部と回路基板とが線膨張係数について以下の式（１）の関係を満足するとともに、ベース基板が、ビッカース硬度（Ｈｖ）が１３×１０8Ｐａ以下、最大ひずみεが２×１０-3以上であることを特徴とする圧電部品により前記課題を解決する。
−７０％≦（αｂ−αｍ）／αｍ≦７０％…式（１）
ただし、前記ベース基板の線膨張係数：αｂ（−５５〜１５０℃）
前記圧電基板の線膨張係数：αｚ（−５５〜１５０℃）
前記回路基板の線膨張係数：αｐ（−５５〜１５０℃）
αｍ＝（αｐ＋αｚ）／２
【００１０】
本発明において、ベース基板と圧電基板とが略同一の表面積を有することが好ましい。生産効率を上げるために、マザー基板を用いて複数の圧電部を構成する前駆体を作製し、その後この前駆体を切断することにより個別の圧電部を得ることにより、ベース基板と圧電基板とが略同一の表面積を有する圧電部を作製することができる。
また本発明において、圧電基板は、厚み滑りモードを用いた圧電セラミックス基板から構成されることが好ましい。圧電基板の厚さによって適用される周波数が決定されるので、４〜２０ＭＨｚといった低周波数が適用されるデバイスでは低背化のために、厚み滑りモードが最も適している。
上記した本発明の条件を満足するためには、ベース基板をステアタイトを主成分とすることが好ましい。ステアタイトにその他の成分が添加または混合されていてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、温度差の激しい使用環境において、圧電部と回路基板とを固定するハンダのクラック発生を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は本発明に係る圧電部の分解斜視図、図２は図１に示した圧電部の組立状態を示す斜視図、図３は図２の３−３線に沿った断面図である。図示実施例は、共振子または発振子等として使用するのに適した圧電部の例を示している。図示された圧電部は、圧電素子１と、天板２と、ベース基板４と、第１乃至第３の端子電極４１〜４３を含み、更に、第１の空洞層２１、第１の封止層２２、第２の空洞層３１及び第２の封止層３２を含んでいる。
【００１３】
圧電素子１は、圧電基板１１と、第１の電極１２と、第２の電極１３とを含む。圧電基板１１の構成材料は、従来より周知のものを用いることができる。第１の電極１２は、第１のリード電極１４を有し、圧電基板１１の表面に設けられる。第１のリード電極１４は、第１の電極１２に導通し、端部が圧電基板１１の側端縁に導出される。図示実施例では、第１のリード電極１４は２つ設けられ、同一辺の両隅部に導かれている。
【００１４】
第２の電極１３は、圧電基板１１の裏面に設けられ、第１の電極１２と対向する。第１の電極１２及び第２の電極１３は振動部を構成する。
【００１５】
第２のリード電極１５は、第２の電極１３に導通し、端部が圧電基板１１の側端縁に導出される。図示実施例では、第２のリード電極１５は２つ設けられ、第１のリード電極１４が導かれた辺とは、反対側にある辺の両隅部に導かれている。第１の電極１２、第２の電極１３、第１のリード電極１４及び第２のリード電極１５は、スパッタ等の薄膜技術または厚膜技術の適用によって形成できる。
第１のリード電極１４及び第２のリード電極１５は、圧電基板１１の側端縁に導出される端部に端部電極１６、１７を有し、膜厚が他の部分よりも厚くなっている。導通が確保できれば必ずしも他の部分よりも膜厚を厚くする必要はない。
【００１６】
天板２は、第１の空洞層２１及び第１の封止層２２を介して、 圧電基板１１の一面に接着されている。具体的には、第１の空洞層２１の一面が圧電基板１１の一面に接着され、第１の封止層２２の一面が第１の空洞層２１の他面に接着され、第１の封止層２２の他面に、天板２の一面が接着されている。この天板２により、第１の空洞層２１及び第１の封止層２２に対する保護及び補強作用が得られ、機械的強度及び信頼性の高い圧電部が得られる。接着に当っては、接着剤を用いてもよいし、第１の空洞層２１または第１の封止層２２の有する接着力を利用してもよい。
【００１７】
ベース基板４は、第２の空洞層３１及び第２の封止層３２を介して、圧電基板１１の一面に接着されている。具体的には、第２の空洞層３１の一面が圧電基板１１の一面に接着され、第２の封止層３２の一面が第２の空洞層３１の他面に接着され、第２の封止層３２の他面に、ベース基板４の一面が接着されている。接着に当っては、接着剤を用いてもよいし、第２の空洞層３１または第２の封止層３２の有する接着力を利用してもよい。このベース基板４は、その一面側で第２の封止層３２、第２の空洞層３１、圧電素子１、第１の空洞層２１、第１の封止層２２及び天板２を支持する。これにより、ベース基板４による補強作用が得られ、機械的強度の高い圧電部品が得られる。
【００１８】
第１乃至第３の端子電極４１〜４３は、ベース基板４、第２の封止層３２、第２の空洞層３１、圧電基板１１、第１の空洞層２１、第１の封止層２２及び天板２より構成される組立体の側面に、互いに所定間隔を隔てて、帯状に形成されている。
【００１９】
第１の端子電極４１は、組立体において、第１のリード電極１４の導出された側面に形成され、第１のリード電極１４に接続される。
第２の端子電極４２は、組立体において、第２のリード電極１５の導出された側面に形成され、第２のリード電極１５に接続される。第３の端子電極４３は、アース電極として用いられる。
【００２０】
第１乃至第３の端子電極４１〜４３は、蒸着、スパッタ、めっきまたはこれらの技術を組み合わせた薄膜技術によって形成することができる。このような薄膜形成技術を適用した場合、圧電部品の小型化、薄型化、量産性の向上及び電極品質の向上等の利益を得ることができる。
【００２１】
図４に示すように、図１〜図３に示した圧電部は、プリント基板５０上に実装される。具体的には、プリント基板５０上に形成された導体パターン５１〜５３に圧電素子１の端子電極４１〜４３が位置合わせされ、かつ導体パターン５１〜５３においてハンダＳにより固定される。従って、端子電極４１〜４３は、ハンダ付け性に優れた特性を有することが望ましい。
【００２２】
以上の構成を有する圧電部品において、ベース基板４、圧電基板１１及びプリント基板５０が以下の式（１）の関係を満足する。この関係を満足することにより、ハンダＳのクラック発生を低減できる。以下、具体的な実験例を示す。
−７０％≦（αｂ−αｍ）／αｍ≦７０％…式（１）
ただし、ベース基板４の線膨張係数：αｂ（−５５〜１５０℃）
圧電基板１１の線膨張係数：αｚ（−５５〜１５０℃）
プリント基板５０の線膨張係数：αｐ（−５５〜１５０℃）
αｍ＝（αｐ＋αｚ）／２
【００２３】
ベース基板４として、アルミナ、ステアタイト、フォルステライト、窒化アルミニウム及びムライト、さらに線膨張係数の異なる４種類（Ｚ１〜Ｚ４）のチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）からなる圧電基板１１を用意して、圧電部を作製した。なお、ベース基板４を構成するセラミックスの線膨張係数を表１に、圧電基板１１を構成するセラミックスの材質及び線膨張係数を表２に示している。また、圧電基板１１の分極は図５の白抜き矢印に示すように、厚み滑りモードとなるように、圧電基板１１の面内方向とした。また、線膨張係数は、図５の実線矢印の方向で特定した。
【００２４】
【表１】
2007089003.tif 000003
【００２５】
【表２】
2007089003.tif 000004
【００２６】
次に、作製した各圧電素子１を、ガラスエポキシ製のプリント基板５０上にハンダ付けした。プリント基板５０の線膨張係数は１３．０ｐｐｍ／℃（−５５〜１５０℃）である。この実験用試料を、−５５℃で３０分保持した後に１２５℃で３０分保持する熱衝撃付与を１０００回繰り返し、ハンダへのクラック発生状況を確認した。ハンダクラックの発生率が１０％を基準として、クラック発生率が１０％以下を合格（○）、１０％超を不合格（×）とした。その結果を表３に示す。また、表３には、（αｂ−αｍ）／αｍの値も併記している。
【００２７】
【表３】
2007089003.tif 000005
【００２８】
表３に示すように、（αｂ−αｍ）／αｍの値により、クラックの発生頻度が相違する。そこで本発明では、ハンダにクラックの発生を防止又は低減する条件とし、ベース基板４及びプリント基板５０の線膨張係数を、−７０％≦（αｂ−αｍ）／αｍ≦７０％の条件を満足することとする。なお、好ましくは、−５５％≦（αｂ−αｍ）／αｍ≦５５％、より好ましくは、−４５％≦（αｂ−αｍ）／αｍ≦４５％である。
【００２９】
本発明によるベース基板４（圧電基板１１及び天板２も同様）は、各々平板状の部材を作製した後に、所定寸法に切り出した後に、表面を研磨加工して作製される。したがって、ベース基板４としては、この研磨の効率も要求される。ここで、研磨効率とは一定の回転数で研磨したときの研磨量である。そこで、この研磨効率に関して検討を行った。図６は、圧電基板（Ｚ１）の研磨効率を１００としたときの、各ベース基板４の研磨効率と硬さ（Ｈｖ（ビッカース硬さ））の関係を示している。図６に示すように、ベース基板４を構成する材料の硬さと研磨効率に相関があり、Ｈｖ（ビッカース硬さ）が１３×１０8Ｐａ以下であることが好ましく、Ｈｖ（ビッカース硬さ）が１０×１０8Ｐａ以下であることがさらに好ましく、Ｈｖ（ビッカース硬さ）が７×１０8Ｐａ以下であることがより好ましい。
【００３０】
【表４】
2007089003.tif 000006
【００３１】
また、本発明によるベース基板４は、２×１０-3以上の最大ひずみ（εとする）を有していることが必要である。ここで、最大ひずみ（ε）は、両端支持されている曲げ試験片において以下の通り定義される。表５に、各ベース基板４の最大ひずみ（ε）を記載する。
【００３２】
ε＝σ／Ｅ
σ：曲げ強さ、Ｅ：曲げ弾性率
σ＝３ＰＬ／２ｗｔ2
Ｅ＝ＰＬ3／４８ＴＩ
Ｐ：荷重、Ｌ：支点間距離、Ｔ：最大たわみ、Ｉ：試験片断面二次モーメント、ｗ：試験片幅、ｔ：試験片厚さ
【００３３】
圧電部が搭載されたプリント基板５０に、直径２０ｍｍ、先端の曲率半径が２３０ｍｍの圧力ヘッドを０．２ｍｍ／ｓｅｃで押し当てた。プリント基板５０は、支点間距離９０ｍｍで支持されている。プリント基板５０のたわみが２ｍｍ未満で破壊音がした場合には、当該プリント基板５０は不合格（×）とし、２ｍｍ以上のたわみにおいて破壊音が発生した場合には合格（○）と判定した。ベース基板４毎に行った曲げ試験の結果を表５に併せて示すが、最大ひずみ（εb3）が２×１０-3以上で曲げ試験判定が合格となる。
【００３４】
【表５】
2007089003.tif 000007
【００３５】
以上の結果に基づいて、本発明は圧電部と回路基板とが線膨張係数について以下の式（１）の関係を満足するとともに、ベース基板４が、ビッカース硬度（Ｈｖ）が１３×１０8Ｐａ以下、最大ひずみεが２×１０-3以上とした。この特性を満足する材料としてステアタイトが掲げられる。
−７０％≦（αｂ−αｍ）／αｍ≦７０％…式（１）
ただし、ベース基板４の線膨張係数：αｂ（−５５〜１５０℃）
圧電基板１１の線膨張係数：αｚ（−５５〜１５０℃）
プリント基板５０の線膨張係数：αｐ（−５５〜１５０℃）
αｍ＝（αｐ＋αｚ）／２
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本実施の形態における圧電部を示す分解斜視図である。
【図２】本実施の形態における圧電部を示す分解斜視図である。
【図３】本実施の形態における圧電部を示す断面図である。
【図４】本実施の形態における圧電部が回路基板上に実装された状態を示す斜視図である。
【図５】本実施の形態における圧電基板の線膨張の方向及び分極方向を示す図である。
【図６】ベース基板の硬さと研磨効率の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３７】
１…圧電素子、２…天板、４…ベース基板、５０…プリント基板
【図１】
2007089003.tif 000008
【図２】
2007089003.tif 000009
【図３】
2007089003.tif 000010
【図４】
2007089003.tif 000011
【図５】
2007089003.tif 000012
【図６】
2007089003.tif 000013