JP2014127973A

JP2014127973A - 圧電部品

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Publication number: JP2014127973A
Application number: JP2012285334A
Authority: JP
Inventors: Shunsuke Maibara; 俊介毎原
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2014-07-07
Anticipated expiration: 2032-12-27
Also published as: JP6026883B2

Abstract

【課題】高コストとなるのを抑え、十分な絶縁耐圧で温度特性の良好な圧電部品を提供する。
【解決手段】本発明の圧電部品は、圧電部品は、誘電体１１の主面に電極１２が設けられてなる容量基板１と、容量基板１の主面上に搭載され、圧電体２１の表面に対向する電極２２（振動電極２２１、２２２）が設けられた圧電素子２とを含み、圧電素子２が温度上昇とともに発振周波数が下がる特性を有していて、容量基板１が温度上昇とともに容量値が下がる特性を有していることを特徴とするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、高信頼性および高精度な周波数特性が得られる圧電部品に関するものである。

レゾネータなどの圧電部品は、圧電素子と容量基板から構成されている（例えば特許文献１を参照）。ここで、一般的なレゾネータは、容量基板で形成される容量を大きくするために、例えばチタン酸ジルコン酸鉛のような温度が上がると誘電率が上がる材料が使用されている。

これに対し、高精度な発振周波数の圧電部品（レゾネータ）を作るには、発振周波数の温度特性がフラットである圧電素子と、容量の温度特性がフラットな容量基板を使用することが考えられる。

特開２０００−２８６６６５号公報

ここで、発振周波数の温度特性がフラットな圧電素子を構成する圧電体としては、例えばタンタル酸リチウム単結晶が挙げられ、容量の温度特性がフラットな容量基板を構成する誘電体としては、チタン酸マグネシウムに酸化カルシウム、炭酸ストロンチウムを添加した組成系が挙げられる。しかし、このような誘電体は誘電率が低いので、その容量を確保するために積層構造とする必要があることから、高コストで生産性に劣るという問題がある。また、容量基板を積層構造とすると絶縁耐圧が低くなるという問題もある。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、高コストとなるのを抑え、十分な絶縁耐圧で温度特性の良好な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、誘電体の主面に電極が設けられてなる容量基板と、該容量基板の主面上に搭載され、圧電体の表面に対向する電極が設けられた圧電素子とを含み、前記圧電素子が温度上昇とともに発振周波数が下がる特性を有していて、前記容量基板が温度上昇とともに容量値が下がる特性を有し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、前記誘電体が、主成分および当該主成分の相転移点を低温側にシフトさせるための添加成分を含んで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、前記主成分がチタン酸バリウムであ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、前記添加成分がアルカリ土類金属元素のうちの少なくとも一種および希土類元素のうちの少なくとも一種であ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、前記アルカリ土類金属元素のうちの少
なくとも一種がＭｇであり、前記希土類元素のうちの少なくとも一種がＹｂであ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、Ｂａの一部がＹで置換されているとともにＴｉの一部がＭｎで置換されており、ＢａとＹとの和１００ｍｏｌに対してＭｇが１〜１０ｍｏｌ含まれ、ＴｉとＭｎとの和１００ｍｏｌに対してＹｂが６〜１０ｍｏｌ含まれていることを特徴とする。

本発明によれば、容量基板が温度上昇とともに容量値が下がる特性を有していることによって、圧電素子自体は温度が上がると発振周波数が下がる特性を有するものの、容量基板の容量値が下がると圧電素子の発振周波数が上がるように作用することから、圧電部品として発振周波数の温度特性がフラットに近づくこととなる。すなわち、容量基板を積層構造としなくても所望の容量を確保できることから高コストとなるのを抑え、電極間距離が長いことから十分な絶縁耐圧で温度特性の良好な圧電部品を実現することができる。

（ａ）は本発明の圧電部品の実施の形態の一例を示す外観斜視図であり、（ｂ）は（ａ）に示す圧電部品の蓋体を取り除いた状態の外観斜視図である。図１に示すＡ−Ａ線で切断した断面図である。

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外観斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す圧電部品の蓋体を取り除いた状態の外観斜視図である。また、図２は図１（ａ）に示すＡ−Ａ線で切断した断面図である。

図１に示す例の圧電部品は、誘電体１１の主面に電極１２が設けられてなる容量基板１と、容量基板１の主面上に搭載され、圧電体２１の表面に対向する電極２２（振動電極２２１、２２２）が設けられた圧電素子２とを含み、圧電素子２が温度上昇とともに発振周波数が下がる特性を有していて、容量基板１が温度上昇とともに容量値が下がる特性を有している。

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の長方形状の平板として形成された誘電体１１を含んでいる。

容量基板１を構成する誘電体１１の主面には電極１２が設けられている。この電極１２は容量を形成するための電極であり、具体的には、誘電体１１の一方の主面（本例では上面）から側面を経て他方の主面（本例では下面）にかけて、電極１２（第１容量電極１２１）および電極１２（第２容量電極１２２）がそれぞれ設けられている。この第１容量電極１２１は誘電体１１の長手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は誘電体１１の長手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。なお、第１容量電極１２１は誘電体１１の他方主面に設けられた信号端子１２４と電気的に接続されているとともに、第２容量電極は誘電体１１の他方主面に設けられた信号端子１２５と電気的に接続されている。

そして、誘電体１１の他方の主面（本例では下面）に、誘電体１１を挟んで電極１２（第１容量電極１２１）と電極１２（第２容量電極１２２）とにまたがって対向する電極１
２（グランド電極１２３）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、グランド電極１２３は誘電体１１の側面に到達して厚み方向に伸びるように形成されている。

第１容量電極１２１，第２容量電極１２２，グランド電極１２３，信号端子１２４，１２５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てなる導電性樹脂や、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の上には、圧電素子２が搭載されている。具体的には、圧電素子２の両端部が導電性接合材３によって容量基板１上に振動可能に固定されている。

この圧電素子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電極（振動電極２２、２３）とを備えるものである。そして、この圧電素子２は、それ自体が温度上昇とともに発振周波数が下がる特性を有するものである。

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の四角形状の平板に形成されたものである。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を用いて形成することができる。

また、圧電素子２は、圧電体２１の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を有するように配置された電極２２（振動電極２２１、２２２）を備えている。圧電体の２１の上側の主面に設けられた振動電極２２１は長手方向の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振動電極２２２は長手方向の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。この振動電極２２１、２２２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。そして、導電性接合材３を介して圧電素子２の振動電極２２１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３を介して圧電素子２の振動電極２２２が第２容量電極１２２と電気的に接続されている。

導電性接合材３は、容量基板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３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。

このような圧電素子２は、両端部から振動電極２２１および振動電極２２２間に電圧を印加したとき、振動電極２２１と振動電極２２２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。

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が設けられている。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、ＳＵＳ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。

そして、誘電体１１の主面に電極１２が設けられてなる容量基板１と、容量基板１の主面上に搭載され、圧電体２１の表面に対向する電極２２（振動電極２２１、２２２）が設けられた圧電素子２とを含み、容量基板１が温度上昇とともに容量値が下がる特性を有している（誘電体１１が温度上昇とともに容量値が下がるものである）。

容量基板１が温度上昇とともに容量値が下がる特性を有するものであることによって、圧電素子２自体は温度が上がると発振周波数が下がる特性を有するものの、容量基板１の容量値が下がると圧電素子２の発振周波数が上がるように作用することから、当該発振周波数の温度特性がフラットに近づくこととなる。すなわち、容量基板１が温度上昇とともに容量値が下がる特性を有するために用いられる誘電体１１として、容量値の温度特性がフラットになる誘電体よりも誘電率の高い材料を用いることができることから、容量基板１を積層構造としなくても所望の容量を確保できる。したがって、高コストとなるのを抑え、電極間距離が長いことから十分な絶縁耐圧で温度特性の良好な圧電部品を実現することができる。

ここで、容量基板１が温度上昇とともに容量値が下がるようにするために用いられる誘電体１１としては、誘電率が高く、温度上昇とともに容量基板１の容量値が下がるように作用する材料、例えばチタン酸バリウム系、チタン酸鉛＋ランタン系などの材料が挙げられるが、これらを主成分とし、さらに当該主成分の相転移点を低温側にシフトさせるための添加成分を含んでいるのが好ましい。

これにより、温度が上がると容量値が下がり続ける容量基板１ができるため、低温側の発振周波数の温度特性を精度よく調整できる。

また、主成分としては、チタン酸バリウムであるのがよい。チタン酸バリウムの０℃付近の相転移点において温度が上がると容量値が下がるという特性を利用することで、発振周波数の温度特性をフラットに近づけることができるからである。

また、添加成分としては、アルカリ土類金属元素のうちの少なくとも一種および希土類元素のうちの少なくとも一種とする構成が挙げられる。

これらの組み合わせによれば、添加成分の粒成長抑制効果と相転移点を低温側へ移動させる効果とが合わさって、高温側の誘電率を抑えることができる。これにより、温度が上
がると容量値は下がる容量基板１ができるため、発振周波数の温度特性をよりフラットに近づけることができる。

さらに、アルカリ土類金属元素のうちの少なくとも一種がＭｇであり、希土類元素のうちの少なくとも一種がＹｂであるのが好ましい。Ｙｂは希土類の中でも、イオン半径が小さく、粒成長を抑える効果がある。また、Ｍｇはデプレッサ効果とアルカリ土類金属の中でも相転移点を低温側へ移動させる効果が大きい。したがって、単独でＭｇを添加するよりも、Ｙｂを添加して粒成長を抑えるとともに、Ｍｇを添加することで相転移点をより低温側へ移動させるのが好ましく、これにより、発振周波数の温度特性をさらにフラットに近づけることができる。

特に、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）におけるＢａの一部がＹで置換されているとともにＴｉの一部がＭｎで置換されており、ＢａとＹとの和１００ｍｏｌに対してＭｇが１〜１０ｍｏｌ含まれ、ＴｉとＭｎとの和１００ｍｏｌに対してＹｂが６〜１０ｍｏｌ含まれているのが好ましく、これにより、温度が上がると容量値は下がる容量基板組成が出来るため、発振周波数の温度特性がフラットになる。

なお、誘電体１１の相転移点が−４０℃以下であり、また誘電体１１のキュリー点が１３０℃以上であるのが効果的である。

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、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。これを例えば９００℃〜１６００℃のピーク温度で焼成する。この基板に、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・焼付けを行う。なお、原料粉末としては、例えば炭酸バリウム９９ｍｏｌ、酸化チタン９８ｍｏｌ、酸化イットリウム１ｍｏｌ、酸化マンガン２ｍｏｌを調合する。調合総重量、溶媒、メディアを１：２：１５比で混合する。混合した原料で８００〜１１００℃のピークで仮焼を行う。これに炭酸マグネシウム１〜１０ｍｏｌ、酸化イッテリビウム６〜１０ｍｏｌを添加する。添加後の総重量、溶媒、メディアを１：２：１５の割合で粉砕を行う。このようにして得られた原料にバインダ、可塑剤等を加え、プレス成型後、１１００〜１４００℃のピーク温度で焼成し、誘電体磁器を得る。

次に、圧電素子２を構成する圧電体２１は、例えば、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛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振動電極２２１および振動電極２２２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。

そして、導電性接合材３を用いて、圧電素子２を多数個取り基板の上に搭載し、固定する。導電性接合材３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第１容量電極１２１、第２容量電極１２２の上に塗布しておいて、圧電素子２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。

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する。

以上の方法により、本発明の圧電部品が作製される。

１：容量基板
１１：誘電体
１２：電極
１２１：第１容量電極
１２２：第２容量電極
１２３：グランド電極
１２４、１２５：信号端子
２：圧電素子
２１：圧電体
２２：電極
２２１、２２２：振動電極
３：導電性接合材
４：蓋体

Claims

誘電体の主面に電極が設けられてなる容量基板と、該容量基板の主面上に搭載され、圧電体の表面に対向する電極が設けられた圧電素子とを含み、前記圧電素子が温度上昇とともに発振周波数が下がる特性を有していて、前記容量基板が温度上昇とともに容量値が下がる特性を有していることを特徴とする圧電部品。
前記誘電体が、主成分および当該主成分の相転移点を低温側にシフトさせるための添加成分を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の圧電部品。
前記主成分がチタン酸バリウムであることを特徴とする請求項２に記載の圧電部品。
前記添加成分がアルカリ土類金属元素のうちの少なくとも一種および希土類元素のうちの少なくとも一種であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の圧電部品。
前記アルカリ土類金属元素のうちの少なくとも一種がＭｇであり、前記希土類元素のうちの少なくとも一種がＹｂであることを特徴とする請求項４に記載の圧電部品。
Ｂａの一部がＹで置換されているとともにＴｉの一部がＭｎで置換されており、ＢａとＹとの和１００ｍｏｌに対してＭｇが１〜１０ｍｏｌ含まれ、ＴｉとＭｎとの和１００ｍｏｌに対してＹｂが６〜１０ｍｏｌ含まれていることを特徴とする請求項５に記載の圧電部品。