JP2007235939A

JP2007235939A - 圧電共振部品

Info

Publication number: JP2007235939A
Application number: JP2007017582A
Authority: JP
Inventors: Seiichi Minami; 誠一南; Kazushi Horiuchi; 一志堀内
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-01-31
Filing date: 2007-01-29
Publication date: 2007-09-13

Abstract

【課題】静電容量の精度が高い誘電体基板による発振周波数精度の高い圧電共振部品を得ることを目的とする。
【解決手段】略矩形の誘電体基板１１上に導電性樹脂１２を介して搭載された圧電共振素子１３と、前記圧電共振素子１３を密閉するように誘電体基板１１上に封止樹脂１４を介して固定されたキャップ１５を備え、前記誘電体基板１１は、その内部において誘電体層１６を介して重なり合うように配置された複数の内部電極１７、１８と、この内部電極１７、１８のいずれかに電気的に接続された複数の外部電極１９、２０とを有し、前記複数の内部電極１７、１８が前記誘電体基板１１の厚み方向で重なり合う部分は、前記複数の外部電極１９、２０と厚み方向で重なり合わないように設けられており、かつ内部電極１７、１８に挟まれた誘電体層１６は１層であることを特徴とする圧電共振部品。
【選択図】図２

Description

本発明は、誘電体基板上に圧電共振素子を搭載し、例えばマイクロコンピュータのクロック発振回路の共振回路を構成するのに使用される圧電共振部品に関するものである。

圧電共振部品は、圧電発振子、セラミックフィルタ等の圧電デバイスに広く応用されているが、近年電子機器の小型化、高精度化、低価格化に伴い、電子機器に使用される圧電発振子などでは、小型化と低コスト化の要求に加えて、発振周波数の公差が小さく発振周波数精度の高い発振子への要求が高まっている。

このような圧電発振子ではその内部に誘電体基板を用いた容量成分を有するものが多く用いられている。

発振周波数の公差のもとになる発振周波数のばらつきは、主に初期の周波数ばらつきや使用環境における温度変化や使用中の経時変化で決定されるが、特に初期の周波数ばらつきには誘電体基板の静電容量ばらつきが大きく影響を与える。そのため、誘電体基板の静電容量の精度向上が重要であり、また圧電発振子の小型化にともなって、この誘電体基板も小型化することが必要であるが、小型化しても静電容量の確保とばらつきの低減が併せて求められる。

圧電発振子等の容量成分として用いられる誘電体基板としては、誘電体基板の内部において誘電体層を介して重なり合うように配置された複数の内部電極を有し、この内部電極はアース電位に接続される内部電極と、アース電位の内部電極と誘電体層を介して重なり合う誘電体基板の中央部において分割された一対の分割型内部電極とを有するものが下記特許文献１において提案されている。

そしてこの誘電体基板の主表裏面には帯状の外部電極が形成されており、更に帯状の外部電極は誘電体基板両端部で内部電極と電気的接続を得られるように形成され、圧電共振子の搭載及びプリント基板等への実装を実現している。
特開２０００−２８６６６５号公報

上記特許文献１に記載された誘電体基板の構成では、複数の内部電極のうち積層方向の最外側内部電極層が一対の分割型内部電極により構成されているので誘電体基板と圧電共振素子との間の浮遊容量を低減することができる。しかしながらこの構成では最外側内部電極層を分割型内部電極にする必要があり、アース電位に接続された内部電極を含めると少なくとも３層以上の内部電極が必要であり、層数が増えることにより各層ごとの静電容量ばらつきが累積されるため、誘電体基板の静電容量のばらつきが大きくなり、その結果圧電発振子の周波数精度が低くなるという課題があった。

そこで、本発明は上記課題を解決し、誘電体基板の静電容量精度が高く、従って発振周波数精度の高い圧電共振部品を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の圧電共振部品は、略矩形の誘電体基板と、この誘電体基板上に導電性樹脂を介して搭載された圧電共振素子と、この圧電共振素子を密閉するように前記誘電体基板上に封止樹脂を介して固定されたキャップを備え、前記誘電体基板は、その内部において誘電体層を介して重なり合うように配置された複数の内部電極と、この複数の内部電極のいずれかに電気的に接続されておりかつ誘電体基板の対向する一対の主面の少なくとも一方の面に形成された複数の外部電極とを有し、前記複数の内部電極が前記誘電体基板の厚み方向で重なり合う部分は、前記複数の外部電極と厚み方向で重なり合わないように設けられており、かつ前記内部電極に挟まれた前記誘電体層は１層であることを特徴とするものである。

本発明の圧電共振部品は、略矩形の誘電体基板と、前記誘電体基板上に導電性樹脂を介して搭載された圧電共振素子と、前記圧電共振素子を密閉するように前記誘電体基板上に封止樹脂を介して固定されたキャップを備え、前記誘電体基板はその内部において誘電体層を介して重なり合うように配置された複数の内部電極と、前記複数の内部電極のいずれかに電気的に接続されておりかつ誘電体基板の対向しあっている一対の主面の少なくとも一方に形成された複数の外部電極とを有し、前記複数の内部電極が前記誘電体基板の厚み方向で重なり合う部分が、前記複数の外部電極と厚み方向で重なり合わないように設けられており、かつ前記内部電極に挟まれた前記誘電体層は１層であることを特徴とするものであり、静電容量の精度が高い誘電体基板が得られ、発振周波数精度の高い圧電共振部品を得ることができるという効果を有する。

本発明の圧電共振部品は、略矩形の誘電体基板と、この誘電体基板上に導電性樹脂を介して搭載された圧電共振素子と、この圧電共振素子を密閉するように前記誘電体基板上に封止樹脂を介して固定されたキャップを備え、前記誘電体基板は、その内部において誘電体層を介して重なり合うように配置された複数の内部電極と、この複数の内部電極のいずれかに電気的に接続されておりかつ誘電体基板の対向する一対の主面の少なくとも一方の面に形成された複数の外部電極とを有し、前記複数の内部電極が前記誘電体基板の厚み方向で重なり合う部分は、前記複数の外部電極と厚み方向で重なり合わないように設けられており、かつ前記内部電極に挟まれた前記誘電体層は１層であることを特徴とするものであり、これにより内部電極と、誘電体基板の一対の主面に形成した外部電極の間に発生する浮遊容量発生の原因となる領域を小さくすることができる。

すなわち、内部電極が誘電体層を介して重なり合う容量形成部が、誘電体基板の厚み方向で外部電極と重なる部分をなくすことで、内部電極と外部電極間に発生する浮遊容量の影響を低減できる。その結果、静電容量の精度が高く、発振周波数精度に優れた圧電共振部品を得ることができる。

さらに内部電極に挟まれた静電容量に大きく寄与する誘電体層を１層とすることにより、誘電体層ごとの静電容量のばらつきが累積されないため、誘電体基板を小型化できるとともに、静電容量の精度を高めることができる。

ここで浮遊容量とは、一般に、意図して形成されたものではなく、配線のための電線やパターン、部品内部の端子間が持つ静電容量のことを示し、設計された目的の静電容量に対して付加的な静電容量となるものであり、容量ばらつきの原因となるものである。

また、誘電体基板の内部において誘電体層を介して重なり合うように配置された複数の内部電極は、アース電位に接続される内部電極と、このアース電位に接続される内部電極と前記誘電体層を介して重なり合うように配置されておりかつ前記誘電体基板の厚み方向での同一高さ位置において誘電体基板の中央部において分割された一対の分割型内部電極とからなることにより、圧電共振部品を例えばコルピッツ発振回路などに適用する場合に必要な２つの容量成分を精度よく同一誘電体基板内に形成することができる。

また、誘電体基板に用いる誘電体材料の主成分としてＣａＴｉＯ₃、ＭｇＴｉＯ₃、ＳｒＴｉＯ₃から選ばれた少なくとも一つを用いることにより、比較的誘電率が大きく温度による静電容量の変動や使用中の経時変化が少ない誘電体基板が得られるので、層数を少なくしたときの静電容量の減少を抑制でき、積層数を少なくすることによる小型化に適した誘電体基板が得られ、その結果、小型で周波数精度の高い圧電共振部品を得ることができる。

また、誘電体材料の主成分は、ＣａＴｉＯ₃、ＭｇＴｉＯ₃、ＳｒＴｉＯ₃から選ばれた少なくとも一つを用いるとともに、添加物としてＬａ₂ＴｉＯ₅を含むものであり、これにより誘電体基板の強度を向上させることができるので誘電体基板の小型化、ひいては圧電共振部品の小型化を達成することができる。

以下、本発明の圧電共振部品について圧電共振部品の一つである圧電発振子を例に実施の形態について図を用いて説明する。

（実施の形態１）
実施の形態１を用いて、特に請求項１〜請求項３の発明について説明する。

図１は本発明の実施の形態１における圧電発振子の斜視図であり、図２は図１のａ−ａ’線で切断した時の断面図を示す。

図１、図２において、圧電発振子１０は、誘電体基板１１上に導電性樹脂１２を介して搭載された振動閉じ込め電極２２が形成された圧電共振素子１３と、この圧電共振素子１３を密閉するように誘電体基板１１上に封止樹脂１４を介して固定されたキャップ１５を備えている。

なお、図２においては、キャップ１５は誘電体基板１１上に形成された外部電極１９上に封止樹脂１４を介して固定されているが、外部電極１９上以外の誘電体基板１１上に固定されていてもよい。

図３は図１、図２に示した誘電体基板１１の斜視図である。

次に、本実施の形態１の圧電発振子の主な構成とその効果について説明する。

誘電体基板１１の一方の主面上には外部電極１９が形成されており、導電性樹脂１２を介して圧電共振素子１３と電気的に接続されている。さらにこの外部電極１９は誘電体基板１１の端面に形成された端面電極１９ａにより、誘電体基板１１の他方の主面上、即ち圧電共振素子１３が搭載される面と反対側の面に形成された外部電極１９と接続されている。

また、誘電体基板１１には、他方の主面（圧電共振素子が搭載される面と反対側の面）に外部電極２０が形成され、この外部電極２０は端面に形成された端面電極２０ａと電気的に接続されている。

そして誘電体基板１１は図２に示すようにその内部において誘電体層１６を介して重なり合うように複数の内部電極１７、１８が配置され、内部電極１８はその端部（図示せず）が端面電極２０ａに接続され、また内部電極１７はその端部（図示せず）が端面電極１９ａに接続されている。

このようにして、内部電極１７と内部電極１８の重なり部分（以下、容量形成部と記す）で静電容量が得られ、圧電発振子１０の容量成分を構成する。

内部電極１７は誘電体基板１１の中央部で分割された同一高さ位置にある分割型内部電極である。内部電極１７を分割型内部電極とすることにより、圧電共振部品を例えばコルピッツ発振回路などに適用する場合に必要な２つの容量成分を精度よく同一誘電体基板内に形成することができる。

そして、図２に示すように、誘電体基板１１内部の内部電極１７、１８が誘電体層を介して重なり合う部分である容量形成部は、誘電体基板１１の厚み方向で外部電極１９および外部電極２０と重なる部分を有しないように形成している。このように外部電極を形成することにより容量形成部と外部電極１９および外部電極２０間で発生する浮遊容量を小さくすることが出来る。その結果、静電容量の精度を高め、発振周波数の精度を高くすることができる。

さらに図２に示すように、誘電体基板１１の厚み方向で内部電極１７が外部電極２０と重なる部分を有しないように形成すること、また内部電極１８が外部電極１９と重なる部分を有しないように形成することも重要であり、このように内部電極１７、１８を形成することにより内部電極１７と外部電極２０間および内部電極１８と外部電極１９間で発生する浮遊容量を小さくすることが出来る。その結果、静電容量の精度を高め、発振周波数の精度を高くすることができる。

ここで、図２において内部電極１７は誘電体基板１１の厚み方向で外部電極１９と重なる領域を有するが、上記のように内部電極１７と外部電極１９とは同電位であるので、浮遊容量が発生することはない。また、内部電極１８と外部電極２０とも重なる部分を有するが、この場合も内部電極１８と外部電極２０は同電位であるため、やはり浮遊容量が発生することがない。

即ち、異なる電位の内部電極と外部電極が重なり合わない電極構造であるため、内部電極と外部電極間で発生する浮遊容量の発生を防ぐことができるものである。

さらに、図２に示すように、誘電体層１６を介して重なり合うように配置された複数の内部電極１７、１８は、誘電体層１６を挟む一対の内部電極としている。

すなわち、静電容量に大きく寄与する内部電極１７、１８に挟まれた誘電体層１６を１層のみとすることにより、誘電体層ごとの静電容量のばらつきが累積されることがないため、誘電体基板１１の静電容量の精度を著しく向上させることができ、従って発振周波数精度に優れた圧電共振部品を得ることができる。

また、誘電体層１６が１層で、層数が少ないため、誘電体基板を小型化できるとともに、生産性を向上することができる。

この内部電極１７、１８は、誘電体層１６を挟んで互いに非対称の形状になるように設けられている。

以上のように構成された本発明の実施の形態１の誘電体基板１１の静電容量精度は、例えば１５ｐＦの中心容量値に対してそのばらつきは±４％以内であり、特許文献１に記載されたような従来の誘電体基板の静電容量ばらつきが±１０％以上であったのに対して優れた容量精度を得ることができた。

この容量精度によると、例えば圧電共振素子１３の結合係数Ｋ₁₅が０．４５である時、発振周波数ｆ₀のばらつきが±０．０４％以下と、発振周波数の高精度化を達成することができる。

なお、上記の従来の誘電体基板のように、静電容量ばらつきが±１０％以上の誘電体基板を用いた場合には、同じ圧電共振素子を用いたとしても発振周波数のばらつきは約１％以上と大きなものとなる。

（実施の形態２）
以下、実施の形態２を用いて、特に請求項４〜請求項５に記載の発明について図２とともに説明する。

本実施の形態２では、誘電体基板１１に用いる誘電体材料の主成分としてＣａＴｉＯ₃、ＭｇＴｉＯ₃、ＳｒＴｉＯ₃から選ばれた少なくとも一つと、添加物としてＬａ₂ＴｉＯ₅を用いている。

誘電体材料の主成分としてＣａＴｉＯ₃、ＭｇＴｉＯ₃、ＳｒＴｉＯ₃から選ばれた少なくとも一つを用いることにより、これらのペロブスカイト型化合物は温度による静電容量の変動および使用中の経時変化が少なく、従って周囲環境の温度が変化したとしても発振周波数の変動につながりにくい。またこれらの材料は比較的大きな誘電率を有しており、積層数が少ない場合でも所望の静電容量が得られるため、誘電体基板１１を小型化することが可能となり、従って圧電発振子の小型化に有利である。

特に、ＣａＴｉＯ₃を主成分として使用した場合には、ＣａＴｉＯ₃が常誘電体であるので、特に周囲の温度変化に対して安定であるとともに、比誘電率が１２６と高く、小型の誘電体基板であっても、少ない層数で必要な静電容量を得ることができ、圧電発振子として、周波数精度および小型化において有利になる。

さらに、ＣａＴｉＯ₃を主成分として使用した場合には、静電容量の温度係数が負となる。このため、発振子としての発振周波数の温度係数の制御を行う場合において、圧電共振子は共振周波数が静電容量の温度係数と同様に負の傾きの温度係数をもつ組成を選択することにより温度係数の制御が容易となる。

さらに負の傾きの温度係数を有する圧電セラミックの組成として経時変化が小さい正方晶系の組成を選択することができるため、圧電共振子の経時変化を小さくすることができ、圧電発振子の経時変化の安定性においても特に有利になる。

上記３種類のペロブスカイト型化合物はどれか一つを単独で主成分として用いても、また２種以上を組み合わせて主成分として用いてもよい。

誘電体基板１１の添加物としてＬａ₂ＴｉＯ₅を加えることにより、誘電体基板１１の機械的強度を高めることができるため、さらに誘電体基板の小型化に有用である。

ＣａＴｉＯ₃を主成分とし、Ｌａ₂ＴｉＯ₅の添加量を０（添加なし）、５、１０、２０、２５、３０ｗｔ％と変えて添加し、１２００〜１４００℃で焼成して作製した誘電体基板１１の試料各２０個について、その機械的強度として抗折強度を測定し、平均値を測定結果として（表１）に示す。

抗折強度の測定としては、３点曲げ法により、長さが３．２ｍｍ、幅が１．３ｍｍ、厚みが０．３ｍｍの試料について、試料支持体間のスパンが１．９ｍｍで、支持体間の中央部で試料に抗折荷重を加えるための圧子の降下速度が１０ｍｍ／分の条件下で測定を行い、試料が破断した時の抗折荷重から下記の式により算出した。

δｆ＝３ＰＬ／（２ｗｔ²）
この式でδｆは３点曲げ機械強度（単位はＭＰａ）、Ｐは抗折荷重（単位はｋｇｆ）、Ｌはスパン（単位はｍｍ）、Ｗは試料の幅（１．３ｍｍ）、ｔは試料の厚み（０．３ｍｍ）を示す。

（表１）の結果から明らかなように、Ｌａ₂ＴｉＯ₅の添加量が０の（Ｌａ₂ＴｉＯ₅を含まない）誘電体基板１１の抗折強度が２１０ＭＰａであったのに対して、Ｌａ₂ＴｉＯ₅を５〜２０ｗｔ％添加した誘電体材料で作製した同じ形状の誘電体基板１１の抗折強度は３０１〜３７０ＭＰａと、約１．４倍〜１．８倍の強度になることが認められた。

（表１）に示すように、Ｌａ₂ＴｉＯ₅の添加により、誘電体基板１１の機械的強度を大きくすることができるが、Ｌａ₂ＴｉＯ₅の添加量が２５ｗｔ％以上になると、機械的強度が低下する傾向にある。

これは、Ｌａ₂ＴｉＯ₅の添加量が多くなりすぎると、Ｌａ₂ＴｉＯ₅が相分離を起こすためではないかと考えられる。

また、Ｌａ₂ＴｉＯ₅の添加量が多くなりすぎると、誘電率も低下する傾向にある。

従って、Ｌａ₂ＴｉＯ₅の添加量としては、５〜２０ｗｔ％の範囲が好ましい。

なお、圧電共振素子１３としては特に限定されるものではないが、例えばチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電セラミックが好適に用いられる。

本発明にかかる圧電共振部品は、誘電体基板の静電容量の精度を高め、発振周波数の精度を高くすることができ、例えばマイクロコンピュータのクロック発振回路の共振回路等の用途に有用である。

本発明の実施の形態１および２における圧電発振子の斜視図同圧電発振子の断面図同誘電体基板の斜視図

符号の説明

１０圧電発振子
１１誘電体基板
１２導電性樹脂
１３圧電共振素子
１４封止樹脂
１５キャップ
１６誘電体層
１７、１８内部電極
１９、２０外部電極
１９ａ、２０ａ端面電極
２２振動閉じ込め電極

Claims

略矩形の誘電体基板と、この誘電体基板上に導電性樹脂を介して搭載された圧電共振素子と、この圧電共振素子を密閉するように前記誘電体基板上に封止樹脂を介して固定されたキャップを備え、前記誘電体基板は、その内部において誘電体層を介して重なり合うように配置された複数の内部電極と、この複数の内部電極のいずれかに電気的に接続されておりかつ前記誘電体基板の対向する一対の主面の少なくとも一方の面に形成された複数の外部電極とを有し、前記複数の内部電極が前記誘電体基板の厚み方向で重なり合う部分は、前記複数の外部電極と厚み方向で重なり合わないように設けられており、かつ前記内部電極に挟まれた前記誘電体層は１層であることを特徴とする圧電共振部品。
誘電体基板の内部において誘電体層を介して重なり合うように配置された内部電極は、アース電位に接続される内部電極と、このアース電位に接続される内部電極と前記誘電体層を介して重なり合うように配置されておりかつ前記誘電体基板の厚み方向での同一高さ位置において誘電体基板の中央部において分割された一対の分割型内部電極とからなることを特徴とする請求項１に記載の圧電共振部品。
誘電体基板に用いる誘電体材料の主成分はＣａＴｉＯ₃、ＭｇＴｉＯ₃、ＳｒＴｉＯ₃から選ばれた少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電共振部品。
誘電体材料は添加物としてＬａ₂ＴｉＯ₅を含む請求項３に記載の圧電共振部品。