JP2017098887A - 圧電部品 - Google Patents

Abstract

【課題】 主振動の帯域内におけるリップルの発生を抑制し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に固定され、互いに対向する対向領域を有する第１の励振電極２１１および第２の励振電極２１２が設けられた圧電素子２とを備え、第１の励振電極２１１および第２の励振電極２１２の少なくとも一方において厚みの異なる部位を有している。これにより、主振動の帯域内におけるリップルの発生を抑制した圧電部品を実現できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、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、圧電素子を搭載する一対の支持部と、導電性接合材と、蓋体とから構成されている。圧電素子は、互いに対向する対向領域を有するようにそれぞれの主面に形成された、厚みの均一な励振電極を有している（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００６−６７４９６号公報

このような圧電部品では、帯域内（共振周波数と反共振周波数との間）に不要振動に起因するリップルを発生する場合があり、これが発振周波数の精度を低下させる原因となっていた。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、主振動の帯域内におけるリップルの発生を抑制し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、該支持基板上に固定され、互いに対向する対向領域を有する第１の励振電極および第２の励振電極が設けられた圧電素子とを備え、前記第１の励振電極および前記第２の励振電極の少なくとも一方において、厚みの異なる部位を有していることを特徴とする。

本発明の圧電部品によれば、低周波数領域に存在する振動モードの高調波、すなわち不要振動の共振周波数を変動させることができるため、発振に利用する厚み振動（主振動）の帯域外へリップルをシフトでき、主振動の帯域内におけるリップルの発生を抑制することができる。

（ａ）は本実施形態の圧電部品の一例の一部省略概略平面図、（ｂ）は（ａ）に示す圧電部品をＡ−Ａ線で切断した断面図、（ｃ）は（ａ）に示す圧電部品の底面図である。 本実施形態の圧電部品の他の例の要部拡大断面図である。 本実施形態の圧電部品の他の例の要部拡大断面図である。 本実施形態の圧電部品の他の例の要部拡大断面図である。 本実施形態の圧電部品の他の例の要部拡大断面図である。 本実施形態の圧電部品の他の例の要部拡大断面図である。

以下、添付図面を参照して、本実施形態の圧電部品の一例を詳細に説明する。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（ａ）は本実施形態の圧電部品の一例の一部省略概略平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す圧電部品をＡ−Ａ線で切断した断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）に示す圧電部品の底面図である。なお、図１（ａ）において一部省略とは、蓋体５を省略していることを意味している。図１に示す圧電部品は、支持基板１と、支持基板１に固定され、互いに対向する対向領域を有する第１の励振電極２１１および第２の励振電極２１２が設けられた圧電素子２とを備え、第１の励振電極２１１および第２の励振電極２１２の少なくとも一方において厚みの異なる部位を有している。

支持基板１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１１を含んでいる。誘電体１１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。

支持基板１を構成する誘電体１１の一方主面（本例では上面）には第１容量電極１２１および第２容量電極１２２が設けられている。この第１容量電極１２１および第２容量電極１２２は、圧電素子２の励振電極２１（第１の励振電極２１１、第２の励振電極２１２）と電気的に接続されるとともに、後述するグランド電極１２３との間で容量を形成するための電極である。この第１容量電極１２１は支持基板１の長軸方向の一方の端部側から中央部に向かって延びて配置され、第２容量電極１２２は支持基板１の長軸方向の他方の端部側から中央部に向かって延びて配置されている。

そして、支持基板１の他方主面（本例では下面）には、誘電体１１を挟んで第１容量電極１２１と第２容量電極１２２とにまたがって対向するグランド電極１２３と、信号入出力のための入出力電極１２４とが設けられている。

さらに、支持基板１の側面には、一方主面から他方主面にかけて、第１容量電極１２１または第２容量電極１２２と入出力電極とを電気的に接続する側面電極１２５が設けられている。

本例のように、第１容量電極１２１および第２容量電極１２２とグランド電極１２３とが誘電体１１を介して対向する場合は、第１容量電極１２１とグランド電極１２３とが対向する領域および第２容量電極１２２とグランド電極１２３とが対向する領域の面積が等しくなるように設定されることにより、それぞれの対向する領域で得られる静電容量が等しくなる。また、第１容量電極１２１および第２容量電極１２２とグランド電極１２３とが誘電体１１を介して対向する場合は、第１容量電極１２１とグランド電極１２３とが対向する領域および第２容量電極１２２とグランド電極１２３とが対向する領域を大きくすることができるので、容量を大きく形成することができる。なお、それぞれの対向する領域で得られる静電容量は、圧電部品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定められる。

なお、図では、外部回路基板へのはんだ接合などの関係で、支持基板１の側面において、グランド電極１２３に電気的に接続される部位にも側面電極１２６が設けられている。

第１容量電極１２１、第２容量電極１２２、グランド電極１２３、入出力電極１２４および側１２５，１２６面電極の材料としては、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た導電性樹脂（導電性ペースト）や、それら金属粉末にガラス等の添加物を加えて焼き付けた厚膜導体等を用いることができる。必要に応じてＮｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｓｎ等のめっきを形成したものでもよい。

支持基板１の上には第１の支持部３１および第２の支持部３２が設けられていて、これらの上に圧電素子２が振動可能に搭載されている。具体的には、第１の支持部３１および第２の支持部３２が圧電素子２の他方主面に接続され、第１の支持部３１および第２の支持部３２が圧電素子２の長軸方向の両端部を支持するようにして、圧電素子２が振動可能に搭載されている。第１の支持部３１および第２の支持部３２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、縦、横方向の長さ（径）が０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ、厚みが１０μｍ〜１００μｍで、角柱状、円柱状などに形成される。

また、図１では、第１の支持部３１および第２の支持部３２の上に導電性接合材４が設けられていて、圧電素子２の両端部の少なくとも他方主面と第１の支持部３１および第２の支持部３２とが接合され、固定されている。なお、第１の支持部３１および第２の支持部３２が導電性を有する材料で形成されているため、圧電素子２の励振電極２１（第１の励振電極２１１、第２の励振電極２１２）と第１容量電極１２１および第２容量電極１２２とは、導通されている。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。

支持基板１に固定された圧電素子２は、圧電体２２と、圧電体２２の両主面（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（対向領域）を有するように設けられた励振電極２１（第１の励振電極２１１、第２の励振電極２１２）とを備えている。

圧電素子２を構成する圧電体２２は、例えば、長さが１．０ｍｍ〜４．０ｍｍ、幅が０．２ｍｍ〜２ｍｍ、厚みが４０μｍ〜１ｍｍの長軸方向を有する直方形状ないし長尺状の平板とすることができる。この圧電体２２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。

また、圧電体２２の一方主面（上側の主面）に設けられた第１の励振電極２１１は、圧電体２２の長軸方向の一方の端部から他方の端部の側に向けて延びるように設けられている。また、圧電体２２の他方主面（下側の主面）に設けられた第２の励振電極２１２は、圧電体２２の長軸方向の他方の端部から一方の端部の側に向けて延びるように設けられている。そして、第１の励振電極２１１および第２の励振電極２１２は、圧電体２２の両端部（一方の端部と他方の端部）の間の中央部に、第１の励振電極２１１と第２の励振電極２１２とが互いに対向する対向領域をそれぞれ有している。この励振電極２１（第１の励振電極２１１、第２の励振電極２１２）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、それぞれ圧電体２２の主面に例えば０．１μｍ〜３μｍの厚みに被着される。そして、図に示すように、圧電体２２の両端面には端面電極２３が設けられており、この端面電極２３、導電性接合材４および第１の支持部３１を介して圧電素子２の第１の励振電極２１１が第１容量電極１２１と電気的に接続されているとともに、導電性接合材４および第２の支持部３２を介して圧電素子２の第２の励振電極２１２が第２容量電極１２２と電気的に接続されている。

このような圧電素子２は、第１の励振電極２１１と第２の励振電極２１２との間に電圧を印加したとき、第１の励振電極２１１と第２の励振電極２１２とが対向する対向領域において、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。

なお、図１（ｂ）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が設けられていてもよい。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とともに形成した内部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、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。

そして、図１（ｂ）に示すように、圧電素子２は、第１の励振電極２１１および第２の励振電極２１２の少なくとも一方において、厚みの異なる部位を有している。なお、図１（ｂ）では、第１の励振電極２１１において、一方の端部側および他方の端部側に厚みの厚い部位２１１ｂを有し、一方の端部側の厚みの厚い部位２１１ｂと他方の端部側の厚みの厚い部位２１１ｂとの間に厚みの薄い部位２１１ａを有しており、これらは圧電素子２の長軸方向（第１の励振電極２１１の長さ方向）に沿って交互に設けられている。

このような構成とすることで、低周波数領域に存在する振動モードの高調波、すなわち不要振動の共振周波数を変動させることができるため、発振に利用する厚み振動（主振動）の帯域外へリップルをシフトできる。例えば、他の領域よりも厚みの薄い部位２１１ａを設けることでリップルを高周波側にシフトさせたり、他の領域よりも厚みの厚い部位２１１ｂを設けることでリップルを低周波側にシフトさせたりすることができる。したがって、主振動の帯域内のリップルを抑制することができる。

第１の励振電極２１１における厚みの厚い部位２１１ｂの厚みが例えば１μｍ〜２μｍである場合に、厚みの薄い部位２１１ａの厚みは例えば０．２μｍ〜０．８μｍとされ、この場合の厚みの厚い部位２１１ｂの厚みに対する厚みの薄い部位２１１ａの厚みの比率は１０〜８０％程度となる。

ここで、図２に示すように、第１の励振電極２１１および第２の励振電極２１２の少なくとも一方において、圧電体２２の一方の端部の側または圧電体２２の他方の端部の側に厚みの厚い部位２１１ｂを有し、圧電体２２の中央部の側に厚みの薄い部位２１１ａを有していてもよい。図２に示す例では、具体的には、圧電体２２の一方主面に設けられた第１の励振電極２１１が、一方の端部の側に厚みの厚い部位２１１ｂを有し、他方の端部の側に厚みの薄い部位２１１ａを有している。さらに、圧電体２２の中央部に設けられた厚みの薄い部位２１１ａのうち、他方の端部の側に最も薄い部位２１１ａ´が設けられている。なお、最も薄い部位２１１ａ´は少なくとも０．２μｍの厚みを有するように設定され、薄い部位２１１ａは例えば０．６〜０．８μｍの厚みに設定される。

このような構成とすることで、圧電素子２の端面で反射する反射波をダンピングできるとともに、第１の励振電極２１１と第２の励振電極２１２とが対向する対向領域からの漏れ振動をより抑制でき、主振動の帯域内のリップルをより抑制できる。なお、このような効果は、第１の励振電極２１１が一方の端部の側に厚みの厚い部位２１１ｂを有していればよく、図１に示す形態によっても得ることができる。

また、図３に示すように、厚みの厚い部位２１１ｂと厚みの薄い部位２１１ａとは、段差状のような明確な境界で仕切られておらず、徐々に厚みの厚い部位２１１ｂから厚みの薄い部位２１１ａへと移行する形態であってもよい。図示していないが、厚みの薄い部位２１１ａと最も薄い部位２１１ａ´との間においても徐々に厚みが変化するようになっていてもよい。

また、図４に示すように、第１の励振電極２１１および第２の励振電極２１２の少なくとも一方において、厚みの厚い部位が他方の励振電極と対向する領域以外の領域にあってもよい。言い換えると、第１の励振電極２１１および第２の励振電極２１２の少なくとも一方において、他方の励振電極と対向する領域の厚みよりも厚みの厚い部位が他方の励振電極と対向しない領域にあってもよい。ここで、図４に示す形態は、第１の励振電極２１１における厚みの厚い部位２１１ｂが第２の励振電極２１２と対向する領域以外の領域にあって、第１の励振電極２１１における第２の励振電極２１２と対向しない領域のほぼ全域にわたって厚みの厚い部位２１１ｂを有し、第１の励振電極２１１における第２の励振電極２１２と対向する領域のほぼ全域にわたって厚みの薄い部位２１１ａを有している。また、第２の励振電極２１２における厚みの厚い部位２１２ｂが第１の励振電極２１１と対向する領域以外の領域にあって、第２の励振電極２１２における第１の励振電極２１１と対向しない領域のほぼ全域にわたって厚みの厚い部位２１２ｂを有し、第２の励振電極２１２における第１の励振電極２１１と対向する領域のほぼ全域にわたって厚みの薄い部位２１２ａを有している。

このような構成とすることで、対向領域の質量負荷を減らして発振に利用する厚み振動（主振動）の振幅を向上させることができる。

なお、図４に示す例では、第１の励振電極２１１および第２の励振電極２１２の両方において、厚みの厚い部位が他方の励振電極と対向する領域以外の領域にある構成を示しているが、この形態に限られず、いずれか一方の励振電極において厚みの厚い部位が他方の励振電極と対向する領域以外の領域にある構成であってもよい。また、厚みの薄い部位にさらに最も薄い部位が設けられてもよい。

また、図５に示すように、第１の励振電極２１１および第２の励振電極２１２の少なくとも一方において、他方の励振電極と対向する対向領域の中央部が最も薄くなっていてもよい。ここで、図５に示す形態は、第１の励振電極２１１における第２の励振電極２１２と対向しない領域のほぼ全域にわたって厚みの厚い部位２１１ｂを有し、第１の励振電極２１１における第２の励振電極２１２と対向する対向領域のほぼ全域にわたって厚みの薄い部位２１１ａを有し、特に第１の励振電極２１１における第２の励振電極２１２と対向する対向領域の中央部に最も薄い部位２１１ａ´を有しているものである。なお、最も薄い部位２１１ａ´は少なくとも０．２μｍの厚みを有するように設定され、そのまわりの薄い部位２１１ａは例えば０．６〜０．８μｍの厚みに設定される。

この構成によれば、振動に最も影響する対向領域の中央部における質量負荷を減らして、発振に利用する厚み振動（主振動）の振幅を向上させることができ、発振の安定性が向上できる。

上述したように図５に示す形態は第１の励振電極２１１のみにおいて他方の励振電極（第２の励振電極２１２）と対向する領域の中央部が最も薄くなっているものであるが、図６に示すように、第１の励振電極２１１および第２の励振電極２１２の両方において他方の励振電極と対向する領域の中央部が最も薄くなっていてもよい。

このような場合において、さらに図６に示すように、他方の励振電極と対向する領域の中央部の厚みが、第１の励振電極２１１と第２の励振電極２１２とで異なっていてもよい。

ここで、図６に示す形態は、第１の励振電極２１１における第２の励振電極２１２と対向しない領域のほぼ全域にわたって厚みの厚い部位２１１ｂを有し、第１の励振電極２１
１における第２の励振電極２１２と対向する対向領域のほぼ全域にわたって厚みの薄い部位２１１ａを有し、特に第１の励振電極２１１における第２の励振電極２１２と対向する対向領域の中央部に最も薄い部位２１１ａ´を有している。また、第１の励振電極２１２における第１の励振電極２１１と対向しない領域のほぼ全域にわたって厚みの厚い部位２１２ｂを有し、第２の励振電極２１２における第１の励振電極２１１と対向する対向領域のほぼ全域にわたって厚みの薄い部位２１２ａを有し、特に第２の励振電極２１２における第１の励振電極２１１と対向する対向領域の中央部に最も薄い部位２１２ａ´を有している。そして、第１励振電極２１１における最も薄い部位２１１ａ´の厚みと第２の励振電極２１２における最も薄い部位２１２ａ´の厚みとが異なっているものである。

図６に示すような形態において、第１の励振電極２１１と第２の励振電極２１２とで最も薄い部位の厚みが異なっていることで、質量負荷を減らして発振に利用する厚み振動（主振動）の振幅を向上させることができるとともに、不要振動の共振周波数を分散させることができる。

次に、本実施形態の圧電部品の製造方法について説明する。

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、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウムなどの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、整粒する。このようにして得られた原料をプレス成型し、必要により孔加工を施した後、所定温度で脱脂後、例えば９００℃〜１６００℃のピーク温度で焼成し、所定の厚みに研磨加工を実施する。その後、例えば、銀、ニッケル等の金属粉末とガラスを含む導電性ペーストを印刷し、所定の温度で焼成し、第１容量電極１２１、第２容量電極１２２等を形成して支持基板１を得る。

得られた支持基板１に、スクリーン印刷等を用いて導電性ペーストによる支持部を厚み１μｍ〜１００μｍ程度に形成する。具体的には、第１容量電極１２１の上に例えば金属粉末を樹脂中に分散させて固化させてなるバンプ状の第１の支持部３１を設けるとともに、第２容量電極１２２の上に例えば金属粉末を樹脂中に分散させて固化させてなるバンプ状の第２の支持部３２を設ける。

次に、圧電素子２を構成する圧電磁器（圧電体２２）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、整粒する。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℃の温度にて端面方向に例えば０．４ｋＶ／ｍｍ〜６ｋＶ／ｍｍの電圧をかけて分極処理を行う。

圧電体２２の上下面に形成される励振電極２１は、得られた圧電体２２に、真空蒸着法，ＰＶＤ法，スパッタリング法等を用いて圧電体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。ここで、励振電極２１の厚みを異ならせるには、部分的にレジスト印刷を行い、エッチングによって、励振電極２１の厚みを薄くすればよい。

パターンニングされた圧電体２２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。

そして、導電性接合材４を用いて、圧電素子２を支持基板１の第１の支持部３１および第２の支持部３２の上に搭載し固定する。ここで、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、ディスペンサ等を用いてこの導電性接着剤を第１
の支持部３１および第２の支持部３２の上に塗布しておいて、圧電素子２を第１の支持部３１および第２の支持部３２の上に載せ、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。

そして、圧電素子２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を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した後、個片となった圧電部品の側面にスクリーン印刷等を用いて導電性ペーストを印刷し、１００〜１５０℃に温度上昇させて硬化させることで圧電部品を得ることができる。

以上の方法により、本例の圧電部品が作製される。このような方法によれば、発振周波数の精度を低下させる原因となる主振動の帯域内のリップルを抑制した高精度なレゾネータを生産性よく製造することができる。

１：支持基板
１２１：第１端子電極
１２２：第２端子電極
１２１：第１容量電極
１２２：第２容量電極
１２３：グランド電極
１２４：入出力電極
１２５、１２６：側面電極
２：圧電素子
２１：励振電極
２１１：第１の励振電極
２１２：第２の励振電極
２１１ａ、２１２ａ：厚みの薄い部位
２１１ａ´２１２ａ´：最も薄い部位
２１１ｂ、２１２ｂ：厚みの厚い部位
２２：圧電体
２３：端面電極
３１：第１の支持部
３２：第２の支持部
４：導電性接合材
５：蓋体

Claims (5)

1. 支持基板と、該支持基板上に固定され、互いに対向する対向領域を有する第１の励振電極および第２の励振電極が設けられた圧電素子とを備え、前記第１の励振電極および前記第２の励振電極の少なくとも一方において、厚みの異なる部位を有していることを特徴とする圧電部品。
2. 前記圧電素子は、圧電体の一方主面に一方の端部から他方の端部の側に向かって前記第１の励振電極が設けられ、前記圧電体の他方主面に他方の端部から一方の端部の側に向かって前記第２の励振電極が設けられて、前記圧電体の両端部の間の中央部に前記第１の励振電極と前記第２の励振電極とが互いに対向する前記対向領域を有しており、
   前記第１の励振電極および前記第２の励振電極の少なくとも一方において、前記圧電体の一方の端部の側または前記圧電体の他方の端部の側に厚みの厚い部位を有し、前記中央部の側に厚みの薄い部位を有していることを特徴とする請求項１に記載の圧電部品。
3. 前記第１の励振電極および前記第２の励振電極の少なくとも一方において、前記厚みの厚い部位が前記対向領域以外の領域にあることを特徴とする請求項２に記載の圧電部品。
4. 前記第１の励振電極および前記第２の励振電極の少なくとも一方において、前記対向領域の中央部が最も薄くなっている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。
5. 前記対向領域の中央部の厚みが、前記第１の励振電極と前記第２の励振電極とで異なっていることを特徴とする請求項４に記載の圧電部品。