JP2014110449A

JP2014110449A - 圧電部品

Info

Publication number: JP2014110449A
Application number: JP2012262559A
Authority: JP
Inventors: Takashi Maeda; 隆前田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2014-06-12

Abstract

【課題】低コストで高精度に周波数調整され、長期間の使用によっても周波数の変動が抑制された圧電部品を提供する。
【解決手段】本発明の圧電部品は、支持基板１と、支持基板１上に搭載され両端が固定された圧電素子２と、支持基板２上に搭載され、圧電素子２に設けられた電極（励振電極２２、２３）と電気的に接続されたコンデンサ３１、３２とを含むことを特徴とする。これにより、低コストで高精度に周波数調整され、長期間の使用によっても周波数の変動が抑制された圧電部品が得られる。
【選択図】図２

Description

本発明は、高精度な周波数特性が求められる圧電部品に関するものである。

従来、図３に示すように、支持基板６１と、該支持基板６１上に両端が導電性接合材６２で固定された圧電素子６３と、支持基板６１の上面に設けられた電極６４および下面に設けられた電極６５によって容量の形成されたレゾネータが知られている（特許文献１を参照）。

特開２００５−２１０４０４号公報

近年、レゾネータなどの圧電部品には、周波数公差の高精度化（低減）が求められてきている。上記のレゾネータを多数個取りで製造しようとすると、多数個の状態で周波数調整する必要があることから、となりの個片の配線導体による影響を受けて浮遊容量をひろってしまい、個片にした時と容量のズレが発生し、周波数公差の高精度化（低減）を実現するための周波数調整が困難となってしまう。一方、多数個取りではなく一個ずつ圧電部品を製造しようとすると、コスト高になってしまう。

また、上記の圧電部品を過酷な環境で長期間使用すると、圧電素子を固定する導電性接合材（バンプ）が変形して、浮遊容量が変化することで周波数が変動してしまうおそれがある。本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、低コストで高精度に周波数調整され、長期間の使用によっても周波数の変動が抑制された圧電部品を提供することを目的とする。

本発明の圧電部品は、支持基板と、該支持基板上に両端が固定されるようにして搭載された圧電素子と、前記支持基板上に搭載され、前記圧電素子に設けられた電極と電気的に接続されたコンデンサとを含むことを特徴とする。

また本発明の圧電部品は、上記の構成において、前記支持基板の下面に端子電極を有し、前記励振電極および前記コンデンサが前記端子電極と電気的に接続されていることを特徴とする。

また本発明の圧電部品は、上記の構成において、前記励振電極および前記コンデンサがビアホール導体を介して前記端子電極と電気的に接続されていることを特徴とする。

また本発明の圧電部品は、上記の構成において、前記圧電素子が振動する領域の直下に位置する前記支持基板の上面には電極が設けられていないことを特徴とする。

また本発明の圧電部品は、上記の構成において、前記支持基板が多層構造であることを特徴とする。

また本発明の圧電部品は、前記励振電極と電気的に接続されたコンデンサが複数個ある
ことを特徴とする。

本発明によれば、個片にする前の多数個取りの状態で近接する配線導体からの影響による浮遊容量を抑え、個々の圧電部品の発振周波数を精度よく測定できるようになる。これにより、高精度な周波数公差を有する圧電部品が多数個取りで製造（量産）でき、低コストで高精度に周波数調整された圧電部品を得ることができる。また、支持基板上から容量形成用の配線導体を無くしたことで、圧電素子を固定する導電性接合材（バンプ）が変形したとしても、浮遊容量による変化が少なくなくなり、安定した発振周波数が得られるので、過酷な環境でも長期間周波数が安定する。

（ａ）は本発明の圧電部品の実施の形態の一例を示す一部省略概略平面図、（ｂ）は（ａ）に示す圧電部品の底面図である。（ａ）は図１に示すＡ−Ａ線概略断面図、（ｂ）は図１に示すＢ−Ｂ線概略断面図、（ｃ）は図１に示す圧電部品の概略側面図である。（ａ）は従来の圧電部品の一例を示す概略平面図、（ｂ）は（ａ）に示す圧電部品の概略断面図である。

本発明の圧電部品の実施の形態の例について図面を参照して詳細に説明する。

図１（ａ）は本発明の圧電部品の実施の形態の一例を示す一部省略（蓋体省略）概略平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す圧電部品の底面図である。また、図２（ａ）は図１に示すＡ−Ａ線概略断面図、図２（ｂ）は図１に示すＢ−Ｂ線概略断面図、図２（ｃ）は図１に示す圧電部品の概略側面図である。

図１および図２に示す例の圧電部品は、支持基板１と、支持基板１上に搭載され両端が固定された圧電素子２と、支持基板１上に搭載され、圧電素子２に設けられた電極（励振電極２２、２３）と電気的に接続されたコンデンサ３１、３２とを含むことを特徴とする。

支持基板１は、誘電体層１１と、一対の信号端子１２１、１２２と、グランド端子１３と、配線導体１４１〜１４６、１５１〜１５３と、ビアホール導体１６１〜１６９とを含む構成になっている。

支持基板１を構成する誘電体層１１は、例えば、長さが２．５ｍｍ〜７．５ｍｍ、幅が１．０ｍｍ〜３．０ｍｍ、厚みが０．１ｍｍ〜１ｍｍの四角形状の平板として形成された層である。この誘電体層１１としては、アルミナ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事ができる。

本例では、支持基板１を構成する誘電体１１は２層の誘電体層１１１、１１２が積層された構成となっていて、下側の誘電体層１１２の下面から側面にかけて端子電極として一対の信号端子１２１、１２２およびグランド端子１３が設けられている。

また、上側の誘電体層１１１の上面には配線導体１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６が設けられていて、詳細には、圧電素子２の励振電極２２、２３がそれぞれ電気的に接続される配線導体１４１、１４２、コンデンサ３１の一方の電極３１１が電気的に接続される配線導体１４３、コンデンサ３１の他方の電極３１２が電気的に接続される配線導体１４４、コンデンサ３２の一方の電極３２１が電気的に接続される配線導体１
４５、コンデンサ３２の他方の電極３２２が電気的に接続される配線導体１４６が設けられている。

また、上側の誘電体層１１１と下側の誘電体層１１２との間に配線導体１５１、配線導体１５２、配線導体１５３が設けられているとともに、上側の誘電体層１１１を貫通するようにビアホール導体１６１、１６２、１６３、１６４、１６５、１６６が設けられ、下側の誘電体層１１２を貫通するようにビアホール導体１６７、１６８、１６９が設けられている。なお、図１において、配線導体１５１、１５２、１５３の透視による配置を破線で示している。

そして、配線導体１４１と配線導体１５１とがビアホール導体１６１を介して電気的に接続されている。また、配線導体１４３と配線導体１５１とがビアホール導体１６３を介して電気的に接続されている。さらに、配線導体１５１と信号端子１２１とがビアホール導体１６７を介して電気的に接続されている。

同様に、配線導体１４２と配線導体１５２とがビアホール導体１６２を介して電気的に接続されている。また、配線導体１４５と配線導体１５２とがビアホール導体１６５を介して電気的に接続されている。さらに、配線導体１５２と信号端子１２２とがビアホール導体１６８を介して電気的に接続されている。

また、配線導体１４４と配線導体１５３とがビアホール導体１６４を介して電気的に接続されているとともに、配線導体１４６と配線導体１５３とがビアホール導体１６６を介して電気的に接続されている。さらに、配線導体１５３とグランド端子１３とがビアホール導体１６９を介して電気的に接続されている。

なお、信号端子１２１、１２２、グランド端子１３、配線導体１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６、１５１、１５２、１５３およびビアホール導体１６１、１６２、１６３、１６４、１６５、１６６、１６７、１６８、１６９の材料としては、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含む導電性ペーストを印刷し、焼結させてなるものが挙げられる。また、部品の搭載を行う配線導体１４１、１４２，１４３，１４４，１４５，１４６、信号端子１２１，１２２、グランド端子１３は必要に応じてＮｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｓｎ等のめっきを形成する。

支持基板１の上には、圧電素子２が両端を固定されるようにして搭載されている。具体的には、図２に示すように、圧電素子２の両端部が導電性接合材４によって支持基板１上に振動可能に固定されている。圧電素子２は、圧電体２１と、圧電体２１の両主面にそれぞれ設けられた励振電極２２、２３とを備えるものであり、導電性接合材４を介して圧電素子２の励振電極２２と配線導体１４１とが電気的に接続されているとともに、導電性接合材４を介して圧電素子２の励振電極２３と配線導体１４２とが電気的に接続されている。

ここで、導電性接合材４は、支持基板１の上面と圧電素子２の下面との間に所定の空間（間隙）を確保する機能も有している。このような導電性接合材４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。

圧電素子２を構成する圧電体２１は、例えば、長さが１．０ｍｍ〜４．０ｍｍ、幅が０．２ｍｍ〜２ｍｍ、厚みが４０μｍ〜１ｍｍの四角形状の平板として形成され、長さ方向
または厚み方向に分極処理されたものである。この圧電体２１は、例えば、チタン酸鉛，チタン酸ジルコン酸鉛，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や、水晶，タンタル酸リチウム，ニオブ酸リチウム等の圧電単結晶を用いて形成することができる。

また、圧電体の２１の上側の主面に設けられた励振電極２２は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、圧電体の２１の下側の主面に設けられた励振電極２３は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、それぞれ互いに対向する領域を有している。この励振電極２２、２３は、例えば金，銀，銅，アルミニウム等の金属を用いることができ、それぞれ圧電体２１の表面に例えば０．１μｍ〜３μｍの厚みに被着される。

このような圧電素子２は、両端部から励振電極２２および励振電極２３間に電圧を印加したとき、励振電極２２と励振電極２３とが対向する領域において、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ようになっているものである。

そして、支持基板１の上には、圧電素子２に設けられた電極（励振電極２２、２３）と電気的に接続されたコンデンサ３（３１、３２）が搭載されている。具体的には、コンデンサ３１の一方の端部３１１が、配線導体１４３、ビアホール導体１６３、配線導体１５１、ビアホール導体１６１および配線導体１４１を介して励振電極２２と電気的に接続され、これらはビアホール導体１６７を介して信号端子１２１と電気的に接続されている。また、コンデンサ３２の一方の端部３２１が、配線導体１４５ビアホール導体１６５、配線導体１５２、ビアホール導体１６２および配線導体１４２を介して励振電極２３と電気的に接続され、これらはビアホール導体１６８を介して信号端子１２２と電気的に接続されている。なお、コンデンサ３１の他方の端部３１２とコンデンサ３２の他方の端部３２２とは、配線導体１４４、ビアホール導体１６４、配線導体１５３、ビアホール導体１６６および配線導体１４６を介して電気的に接続され、これらはビアホール導体１６９を介してグランド端子１３と電気的に接続されている。

このように本例では支持基板１上に２個のコンデンサ３（３１、３２）が平面視で圧電素子２の搭載位置とは離れた位置に搭載されていて、これにより搭載するコンデンサの容量値を任意に選択できる。また、圧電素子２の電極直下に容量形成電極が無いので、浮遊容量の発生を抑制でき、安定した発振周波数を得ることができる。

ここで、コンデンサ３としては、０４０２型（Ｌ０．４ｍｍＷ０．２ｍｍＴ０．２ｍｍ）、０６０３型（Ｌ０．６ｍｍＷ０．３ｍｍＴ０．３ｍｍ）等の大きさのコンデンサが使用できる。また、コンデンサを形成する使用材料としては、ＢａＯ、ＴｉＯ_２、ＭｇＯ、ＳｒＯ、ＣａＯ、Ｌａ_２Ｏ_３，Ｎｄ_２Ｏ_３等の少なくとも２種以上を含む組成系からなるものを用いることができる。

それぞれのコンデンサ３１、３２において得られる静電容量は、圧電素子２と接続されて形成される発振回路のＩＣとのマッチングによって定められる。

なお、図１では省略しているが、図２に示すように、支持基板１の上には圧電素子２を覆うように蓋体５が設けられている。この蓋体５は、支持基板１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、支持基板１とともに形成した空間に収容されている圧電素子２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、支持基板１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５の材料として、例えば、樹脂，ガラス，ＳＵＳなどの金属、アルミナなどのセラミック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支持基板１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。

以上の構成によれば、支持基板１上にコンデンサ３（３１、３２）を配置して容量制御する構造としたことにより、個片にする前の多数個取りの状態で近接する配線導体からの浮遊容量の影響を抑え、個々の圧電部品の発振周波数を精度よく測定できるようになる。これにより、高精度な発振周波数公差を有する圧電部品が多数個取りで製造（量産）でき、低コストで高精度に周波数調整された圧電部品を得ることができる。

また、支持基板１上から容量形成用の配線導体を無くしたことで、圧電素子を固定する導電性接合材（バンプ）が変形したとしても、浮遊容量による変化が少なくなくなり、安定した発振周波数が得られるので、過酷な環境でも長期間周波数が安定する。

ここで、図２に示すように、支持基板１の下面に端子電極（信号端子１２１、１２２およびグランド端子１３）を有し、圧電素子２の励振電極２２、２３およびコンデンサ３１、３２が端子電極（信号端子１２１、１２２およびグランド端子１３）と電気的に接続されているのが好ましい。これにより、シート状態（多数個取りの状態）で発振周波数を測定しながら周波数調整ができる為、高精度の周波数公差を有する圧電部品が多数個取りで量産できるようになる。

また、図２に示すように、圧電素子２の励振電極２２、２３およびコンデンサ３１、３２と端子電極（一対の信号端子１２１、１２２およびグランド端子１３）とがビアホール導体１６１〜１６９を介して電気的に接続されているのが好ましく、この構成によれば、気密封止が可能となるので、過酷な環境でもより長期間周波数を安定させることができる。

また、図２に示すように、圧電素子２が振動する領域の直下に位置する支持基板１の上面には電極（配線導体）が設けられていないのが好ましく、この構成によれば、さらに浮遊容量をなくすことができ、さらに過酷な環境でも長期間周波数が安定するようになる。

特に、図２に示すように、支持基板１が多層構造であることで、支持基板１の上面に電極（配線導体）を形成せずに回路を形成でき、浮遊容量のない回路設計が可能となる。

また、圧電素子２に設けられた励振電極２２、２３と電気的に接続されたコンデンサ３が複数個あるのが好ましい。図１乃至図３では、励振電極２２と励振電極２３とのそれぞれに電気的に接続されたコンデンサ３が１個ずつ（コンデンサ３１、コンデンサ３２）で合計２個あるが、それぞれに２個ずつあるいはそれ以上接続されるようにしてもよい。この構成によれば、容量を細かく調整出来る。また、全ての圧電素子２を搭載した後にも、コンデンサ３を変えて周波数を自在に調整できる為、高精度の周波数公差を有する圧電部品が多数個取りで量産できるようになる。

なお、本発明は上述の実施形態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。

次に、本実施の形態の圧電部品の製造方法の例について説明する。

まず、支持基板１を作製するための多数個取り基板を作製する。例えば、原料粉末を水や分散剤と共にボールミルを用いて混合した後に、バインダ，溶剤，可塑剤等を加えてグリーンシートとする。このグリーンシートに孔加工を施した後、金，銀，銅，アルミニウム，タングステン等の金属粉末を含む導電性ペーストを印刷し、積層する。これを例えば
９００℃〜１６００℃のピーク温度で焼成する。

次に、圧電素子２を構成する圧電体２１は、例えば、原料粉末を水や分散剤と共にボールミルを用いて混合した後に、バインダ、可塑剤等を加え、乾燥、整粒した。このようにして得られた原料をプレス成型後、焼成し、圧電磁器を得る。得られた圧電磁器の端面に電極を形成し、例えば２５℃〜３００℃の温度にて厚み方向に例えば０．４ｋＶ／ｍｍ〜６ｋＶ／ｍｍの電圧をかけて分極処理を行う。

圧電体２１の上下面に形成される励振電極２２および励振電極２３は、得られた圧電磁器に、真空蒸着法，ＰＶＤ法，スパッタリング法等を用いて圧電体２１の上下面に金属膜を被着させ、厚みが１μｍ〜１０μｍ程度のフォトレジスト膜をそれぞれの金属膜上にスクリーン印刷等を用いて形成した後に、フォトエッチングによってパターニングすることによって、形成することができる。パターンニングされた圧電磁器を所定のサイズにダイシング等でカットすることにより圧電素子２が作製される。

また、圧電素子２と接続されて形成される発振回路のＩＣとのマッチングによって定められたコンデンサ３を用意する。ここで用いられるコンデンサ３は、例えば０４０２型（Ｌ０．４ｍｍ、Ｗ０．２ｍｍ、Ｔ０．２ｍｍ）、０６０３型（Ｌ０．６ｍｍ、Ｗ０．３ｍｍＴ０．２ｍｍ）の一般的なセラミックコンデンサである。

そして、導電性接合材４を用いて、圧電素子２およびコンデンサ３を多数個取り基板の上に搭載し、固定する。導電性接合材４が金属粉末を樹脂中に分散させてなる導電性接着剤の場合は、この導電性接着剤をディスペンサ等を用いて配線導体１４１〜１４６の上に塗布しておいて、圧電素子２およびコンデンサ３を載せ、加熱または紫外線照射により導電性接着剤の樹脂を硬化させればよい。または、コンデンサをはんだで実装した後に、圧電素子を前記方法で搭載し、固定する。

次に、多数個取り基板の上に圧電素子２が搭載された状態で周波数調整を行う。周波数調整は図２（ｂ）の圧電素子２表面に形成された励振電極２２を、イオンガン等によりエッチングし、厚みを変えることで実施する。ここで、イオンガンの照射は図１の破線で囲まれた領域Ｚ、断面から見た場合、圧電素子２表面に形成された励振電極２２と励振電極２３とが対向して交差している部分を含む領域、または交差している領域で行う。また発振周波数の調整は、イオンガン照射時に図２の信号端子１２１、１２２とグランド端子１３に発信周波数測定用の端子を接続し、発振周波数を測定しながら行い、所定の周波数になった時点でイオンガンの照射を停止する方法にて実施する。

そして、圧電素子２およびコンデンサ３を覆うようにして、蓋体５の開口周縁面を支持基板１の上面の周縁部に接合する。蓋体５としては複数の凹部有する多数個取りの集合蓋体シートを用いて、凹部が圧電素子２およびコンデンサ３を覆うようにして集合蓋体シートを多数個取り基板の上に乗せ、蓋体５の開口周縁面となる集合蓋体シートの凸部を支持基板１の上面の周縁部に接合する。例えば、準備しておいた蓋体５の開口周縁面となる集合蓋体シートの凸部に熱硬化性の絶縁性接着剤を塗布し、蓋体５を支持基板１の上面に載せる。しかる後に、蓋体５または支持基板１を加熱することにより絶縁性接着剤を１００〜１５０℃に温度上昇させて硬化させ、蓋体５を支持基板１の上面に接合する。

最後に、各圧電部品（個片）の境界にそってダイシング等で切断する。

以上の方法により、本発明の圧電部品が作製される。

以上のような方法により得られる本発明の構成によれば、所望の容量値のコンデンサを
搭載することで発振周波数の調整が可能な圧電部品を得ることができ、また、目標とする発振周波数に合わせ込むことが可能であるため、高精度の圧電部品を生産性よく製造することが可能となる。

１：支持基板
１１：誘電体
１１１、１１２：誘電体層
１２１、１２２：信号端子
１３：グランド端子
１４１〜１４６、１５１〜１５３：配線導体
１６１〜１６９：ビアホール導体
２：圧電素子
２１：圧電体
２２、２３：励振電極
３、３１、３２：コンデンサ
４：導電性接合材
５：蓋体

Claims

支持基板と、該支持基板上に両端が固定されるようにして搭載された圧電素子と、前記支持基板上に搭載され、前記圧電素子に設けられた励振電極と電気的に接続されたコンデンサとを含むことを特徴とする圧電部品。
前記支持基板の下面に端子電極を有し、前記励振電極および前記コンデンサが前記端子電極と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電部品。
前記励振電極および前記コンデンサがビアホール導体を介して前記端子電極と電気的に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の圧電部品。
前記圧電素子が振動する領域の直下に位置する前記支持基板の上面には電極が設けられていないことを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちのいずれかに記載の圧電部品。
前記支持基板が多層構造であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちのいずれかに記載の圧電部品。
前記励振電極と電気的に接続されたコンデンサは複数個あることを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちのいずれかに記載の圧電部品。