JP6994980B2

JP6994980B2 - 圧電部品

Info

Publication number: JP6994980B2
Application number: JP2018032131A
Authority: JP
Inventors: 龍章照峰
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2018-02-26
Filing date: 2018-02-26
Publication date: 2022-01-14
Anticipated expiration: 2038-02-26
Also published as: JP2019149620A

Description

本開示は、例えば車載用途等の発振子として好適に用いられる圧電部品に関するものである。

発振子は、例えば、長手方向および幅方向を有する矩形板状の基板本体を含む容量基板と、該容量基板の第１主面上に前記長手方向に沿って配置され、前記長手方向の両端部が固定された圧電素子とを備え、前記容量基板は、前記圧電素子の前記長手方向の両端部の下方に少なくとも一部が位置するように前記第１主面に設けられた一対の端子電極と、該一対の端子電極から前記圧電素子の中央部の真下に向かって延びる一対の容量電極と、前記第１主面と対向する第２主面に前記一対の容量電極と対向する領域を有するように設けられたグランド電極とを含む構成である（例えば、特許文献１を参照）。

国際公開第２０１６－０８４４１７号公報

例えば車載用途等における発振子では熱衝撃等を受けるが、この熱衝撃によっても発振周波数が変動しないことが求められている。

本開示は、上記事情に鑑みてなされたもので、発振周波数の変動を抑制した圧電部品を提供することを目的とする。

本開示の圧電部品は、長手方向および幅方向を有する矩形板状の基板本体を含む容量基板と、該容量基板の第１主面上に前記長手方向に沿って配置され、両端部が固定された圧電素子とを備え、前記容量基板は、前記圧電素子の前記長手方向の両端部の下方に少なくとも一部が位置するように前記第１主面に設けられた一対の端子電極と、該一対の端子電極から前記圧電素子の中央部の真下に向かって延びる一対の容量電極と、前記第１主面と対向する第２主面に前記一対の容量電極と対向する領域を有するように設けられたグランド電極とを含み、前記一対の容量電極は、前記幅方向の両端部が中央部よりも薄い。

本開示の圧電部品によれば、熱衝撃による発振周波数の変動を抑制することができる圧電部品を実現することができる。

圧電部品の実施形態の一例を示す概略斜視図である。図１に示す圧電部品の蓋体を省略した平面図である。図１に示す圧電部品のIII－III線で切断した断面の一例を示す図である。図１に示す圧電部品のIV－IV線で切断した断面の一例を示す図である。図１に示す圧電部品のIII－III線で切断した断面の他の例を示す図である。図１に示す圧電部品の要部を示す一部省略断面図である。図１に示す圧電部品の要部を示す一部省略平面図である。

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～図４に示す例の圧電部品は、長手方向および幅方向を有する矩形板状の基板本体を含む容量基板１と、容量基板１の第１主面上に長手方向に沿って配置され、両端部が固定された圧電素子２とを備えている。

容量基板１は、例えば、長さが２．５ｍｍ～７．５ｍｍ、幅が１．０ｍｍ～３．０ｍｍ、厚みが０．１ｍｍ～１ｍｍの長手方向および幅方向を有する長方形状の平板とされた基板本体１１を含んでいる。基板本体１１としては、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウム等の強誘電体を用いることができる。

容量基板１には各種電極が設けられているが、具体的構成については後述する。

容量基板１の第１主面上には、圧電素子２が搭載されている。この圧電素子２は、例えば直方体状である。そして、直方体状の圧電素子２の長手方向が、容量基板１の長手方向に沿うように配置されていて、圧電素子２の両端部が容量基板１の第１主面に固定されている。ここで、圧電素子２の両端部とは、圧電素子２の長手方向の両端部のことを意味する。

圧電素子２は、直方体状の圧電体２３を備えている。圧電素子２を構成する圧電体２３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２３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ることができる。

また、圧電素子２は、圧電体２３の上面および下面にそれぞれ互いに圧電体２３を介して対向する領域（交差領域）を有するように配置された励振電極（第１励振電極２１、第２励振電極２２）を備えている。具体的には、圧電素子２は、圧電体２３の上面に長手方向における一方の端部から他方の端部へ向けて延びるように設けられた第１励振電極２１と、圧電体２３の下面に長手方向における他方の端部から一方の端部へ向けて延びるように設けられた第２励振電極２２とを備え、それぞれが互いに対向する領域を有している。この第１励振電極２１および第２励振電極２２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２３の主面（上面または下面）に例えば０．１μｍ～３μｍの厚みに被着される。そして、圧電素子２の両端面には、それぞれ第１励振電極２１または第２励振電極２２と電気的に接続された端面電極２４が設けられている。この端面電極２４は、第１励振電極２１または第２励振電極２２と一対の端子電極１２（第１端子電極１２１または第２端子電極１２２）との電気的接続の補助的役割をもっている。

このような圧電素子２は、第１励振電極２１と第２励振電極２２との間に電圧を印加したとき、第１励振電極２１と第２励振電極２２とが対向する領域（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ようになっているものである。

容量基板１を構成する基板本体１１の第１主面（本例では上面）には、一対の端子電極１２（第１端子電極１２１および第２端子電極１２２）と、一対の容量電極（第１容量電極１３１および第２容量電極１３２）が設けられている。

一対の端子電極（第１端子電極１２１および第２端子電極１２２）は、圧電素子２の両端部の下方に少なくとも一部が位置するように、容量基板１を構成する基板本体１１の第１主面に設けられている。第１端子電極１２１は、基板本体１１の第１主面における長手方向の一方の端部側に配置され、基板本体１１の幅方向（短手方向）に延びている。第２端子電極１２２は、基板本体１１の第１主面における長手方向の他方の端部側に配置され、基板本体１１の幅方向（短手方向）に延びている。

第１端子電極１２１は圧電素子２の第１励振電極２１と電気的に接続され、第２端子電極１２２は圧電素子２の第２励振電極２２と電気的に接続されている。

第１容量電極１３１および第２容量電極１３２は、後述するグランド電極１４との間で容量を形成するための電極である。第１容量電極１３１は第１端子電極１２１から圧電素子２の中央部の真下に向かって延びており、第２容量電極１３２は第２端子電極１２２から圧電素子２の中央部の真下に向かって延びている。図に示す例では、第１容量電極１３１が第１端子電極１２１から容量基板１の中央部に向かって延びて配置され、第２容量電極１３２が第２端子電極１２２から容量基板１の中央部に向かって延びて配置されている。なお、第１容量電極１３１と第２容量電極１３２とは、基板本体１１の第１主面の長手方向の中央部に間隔をあけて配置されている。

容量基板１は、第１主面と対向する第２主面に、一対の容量電極（第１容量電極１３１および第２容量電極１３２）と対向する領域を有するように設けられたグランド電極１４を含んでいる。グランド電極１４は、基板本体１１の第２主面における長手方向の中央部に幅方向（短手方向）に延びて配置されていて、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、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。

また、容量基板１を構成する基板本体１１の第２主面（本例では下面）には、信号入出力のための入出力電極１５が設けられている。入出力電極１５は、基板本体１１の第２主面における第１端子電極１２１および第２端子電極１２２と対向する位置に幅方向（短手方向）に延びて配置されている。入出力電極１５は、外部回路基板等に電気的に接続されて入出力信号の入り口または出口となる。

さらに、容量基板１を構成する基板本体１１の側面には、一方主面から他方主面にかけて、第１端子電極１２１または第２端子電極１２２と入出力電極１５とを電気的に接続する側面電極１６が設けられている。また、容量基板１を構成する基板本体１１の側面には、グランド電極１４と電気的に接続された側面電極１６も設けられている。これは、外部回路基板への強固なはんだ接合に寄与する。

第１端子電極１２１，第２端子電極１２２，第１容量電極１３１，第２容量電極１３２，グランド電極１４，入出力電極１５および側面電極１６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。

容量基板１を構成する基板本体１１の上には、必要により第１支持部１７１および第２支持部１７２が設けられていて、これらの上に圧電素子２が振動可能に固定されている。具体的には、第１支持部１７１および第２支持部１７２が圧電素子２の長手方向の両端部の下面を支持して、導電性の第１接合材３１および第２接合材３２を用いて圧電素子２の長手方向の両端部が容量基板１に振動可能に固定されている。

第１支持部１７１および第２支持部１７２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。第１の支持部１７１および第２の支持部１７２はそれぞれ複数本ずつ設けられてもよい。

第１接合材３１は第１端子電極１２１および第１励振電極２１を電気的に接続し、第２接合材３２は第２端子電極１２２および第２励振電極２２を電気的に接続している。

図に示す例では、第１接合材３１は、圧電素子２の一方の端部の下面から端面を経て上面まで設けられており、第１端子電極１２１と第１支持部１７１と端面電極２４と、第１励振電極２１とを接合し、これらを電気的に接続している。また、第２接合材３２は、圧電素子２の他方の端部の下面から端面を経て上面まで設けられており、第２端子電極１２２と第２支持部１７２と端面電極２４と第２励振電極２２とを接合し、これらを電気的に接続している。

導電性の第１接合材３１および第２接合材３２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。

そして、一対の容量電極（第１容量電極１３１および第２容量電極１３２）は、幅方向の両端部が中央部よりも薄い。

強誘電体である容量基板１の基板本体１１に応力がかかると、静電容量が変化して圧電部品の発振周波数が変動する傾向がある。これに対し、上記の構成によれば、第１容量電極１３１および第２容量電極１３２の幅方向の両端部の厚みが薄いことで、容量基板１の基板本体１１と一対の容量電極との熱膨張率差による応力を低減できるため、発振周波数の変動を小さくできる。

ここでいう第１容量電極１３１および第２容量電極１３２の幅方向の両端部とは、第１容量電極１３１および第２容量電極１３２を幅方向に沿って切断した断面で幅方向に２０等分したときの左端の領域と右端の領域のことである。また、第１容量電極１３１および第２容量電極１３２の幅方向の中央部とは、第１容量電極１３１および第２容量電極１３２を幅方向に沿って切断した断面で幅方向に２０等分したときの中央に位置する二つ分の領域（左端から九つ分と右端から九つ分を除いた領域）のことである。

両端部と中央部との厚みの対比は、両端部における平均厚みと中央部における平均厚みとを、例えば触針式表面粗さ測定機を用いて測定し、比較すればよい。例えば、中央部における平均厚みが２μｍ～１０μｍのとき、両端部における平均厚みは中央部の厚みの１０％～９０％の厚みとされる。

また、一対の容量電極（第１容量電極１３１および第２容量電極１３２）は、幅方向に垂直な長手方向の先端部も中央部より薄くてよい。ここでいう第１容量電極１３１および第２容量電極１３２の幅方向に垂直な長手方向の先端部とは、第１容量電極１３１および第２容量電極１３２を幅方向に垂直な長手方向に沿って切断した断面で長手方向に２０等分したときの先端の領域のことであり、第１端子電極１２１または第２端子電極１２２に接続している側とは反対側の端部のことである。また、第１容量電極１３１および第２容量電極１３２の幅方向に垂直な長手方向の中央部とは、第１容量電極１３１および第２容
量電極１３２を幅方向に垂直な長手方向に沿って切断した断面で長手方向に２０等分したときの中央に位置する二つ分の領域（先端から九つ分と後端から九つ分を除いた領域）のことである。

ここで、図５に示すように、一対の容量電極（第１容量電極１３１および第２容量電極１３２）は、幅方向に沿って切断した断面で見たとき、中央部から両端部に向かって徐々に薄くなっていてもよい。他の部位に応力が集中することなく、厚い中央部に向かって応力がかかりやすくなるようにすることで、両端部にかかる応力を分散し、より応力を低減でき、発振周波数の変動を小さくできる。

また、一対の容量電極（第１容量電極１３１および第２容量電極１３２）は、幅方向に加えて、幅方向に垂直な長手方向に沿って切断した断面で見たときも、中央部から先端部に向かって徐々に薄くなっていてもよい。

また、図６に示すように、一対の容量電極（第１容量電極１３１および第２容量電極１３２）は、幅方向に沿って切断した断面で見たとき、表面が波打った形状であってもよい。これにより、表面における厚い部分の応力を、隣接する薄い部分で緩和できるため、第１容量電極１３１または第２容量電極１３２のトータルの応力をより小さくでき、より周波数を安定させることができる。なお、表面が波打った形状（凹凸形状）における凹部の底から凸部の頂点までの高さは、例えば０．１μｍ～１０μｍとされる。

また、図７に示すように、一対の容量電極（第１容量電極１３１および第２容量電極１３２）は、平面視したときに幅方向の両端が波打った形状であってもよい。これにより、一対の容量電極（第１容量電極１３１および第２容量電極１３２）の幅方向の両端部に発生する応力をより分散でき、より周波数を安定させることができる。なお、平面視したときに幅方向の両端が波打った形状（凹凸形状）における凹部の底から凸部の頂点までの高さ（突出距離）は、例えば０．１μｍ～１００μｍとされる。

また、一対の容量電極（第１容量電極１３１および第２容量電極１３２）は、幅方向に加えて、平面視したときに幅方向に垂直な長手方向の先端が波打った形状であってもよい。一対の容量電極（第１容量電極１３１および第２容量電極１３２）の波打った形状は、触針式表面粗さ測定機にて確認することができる。

なお、容量基板１の上には圧電素子２を覆うように蓋体４が設けられていてもよい。この蓋体４は、容量基板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、容量基板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、容量基板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４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容量基板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。

次に、本実施形態の圧電部品の製造方法の一例について説明する。

まず、容量基板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、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、各種電極を形成する
。成形方法は、テープ成形、押し出し成形等の方法でもかまわない。

ここで、一対の容量電極（第１容量電極１３１および第２容量電極１３２）が幅方向の両端部が中央部よりも薄い構成とするには、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両端部と中央部とで異なるメッシュを用いてスクリーン印刷してもよく、第１容量電極１３１および第２容量電極１３２の両端部に印刷する際に用いるメッシュの開口面積を、中央部に印刷する際に用いるメッシュの開口面積より小さいものとしたスクリーンを使用して印刷すればよい。

得られた容量基板１に、必要によりスクリーン印刷等を用いて導電性ペーストによる第１支持部１７１、第２支持部１７２を例えば厚み１０μｍ～１００μｍに形成する。具体的には、第１端子電極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支持部１７１を設けるとともに、第２端子電極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支持部１７２を設ける。

次に、圧電素子２を構成する圧電体２３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２３の上下の両主面（第１主面および第２主面）に形成される励振電極（第１励振電極２１、第２励振電極２２）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２２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得られる。パターンニングされた圧電体２３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、第１接合材３１および第２接合材３２を用いて、圧電素子２を容量基板１の第１支持部１７１および第２支持部１７２の上に搭載し、固定する。ここで、第１接合材３１および第２接合材３２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支持部１７１および第２支持部１７２の上に塗布しておいて、圧電素子２を第１支持部１７１および第２支持部１７２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。

次に、圧電体２３の第１主面に設けられた第１励振電極２１の一定のエッチング領域にのみ荷電粒子を含むイオンビームを衝突させて例えば０．１μｍ～３μｍのエッチング処理を行い、第１励振電極２１の質量（厚みや面積）を調整することで、所定の周波数まで調整を行う。

そして、圧電素子２を覆うようにして、蓋体４の開口周縁面を容量基板１の上面の周縁部に接合する。蓋体４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２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４の開口周縁面となる集合蓋体シートの凸部を容量基板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４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４を容量基板１の上面に載せる。しかる後に、蓋体４または容量基板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４を容量基板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、本実施形態の圧電部品が作製される。以上のような方法によれば、熱衝撃等を原因とする発振周波数の変動を抑制した、高精度な圧電部品を生産性よく製造することができる。

１：容量基板
１１：基板本体
１２１：第１端子電極
１２２：第２端子電極
１３１：第１容量電極
１３２：第２容量電極
１４：グランド電極
１５：入出力電極
１６：側面電極
１７１：第１支持部
１７２：第２支持部
２：圧電素子
２１：第１励振電極
２２：第２励振電極
２３：圧電体
２４：端面電極
３１：第１接合材
３２：第２接合材
４：蓋体

Claims

長手方向および幅方向を有する矩形板状の基板本体を含む容量基板と、該容量基板の第１主面上に前記長手方向に沿って配置され、両端部が固定された圧電素子とを備え、
前記容量基板は、前記圧電素子の両端部の下方に少なくとも一部が位置するように前記第１主面に設けられた一対の端子電極と、該一対の端子電極から前記圧電素子の中央部の真下に向かって延びる一対の容量電極と、前記第１主面と対向する第２主面に前記一対の容量電極と対向する領域を有するように設けられたグランド電極とを含み、前記一対の容量電極は、前記幅方向の両端部が中央部よりも薄いことを特徴とする圧電部品。
前記一対の容量電極は、前記幅方向に沿って切断した断面で見たとき、前記中央部から前記両端部に向かって徐々に薄くなっていることを特徴とする請求項１に記載の圧電部品。
前記一対の容量電極は、前記幅方向に沿って切断した断面で見たとき、表面が波打った形状であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電部品。
前記一対の容量電極は、平面視したときに前記幅方向の両端が波打った形状であることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の圧電部品。