JP2017152969A - Piezoelectric component - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a piezoelectric component that is suitably used as, for example, a resonator.
レゾネータとしての圧電部品は、一般的に、支持基板と、支持基板上に設けられた一対の支持部と、一対の支持部の上に搭載されて導電性接合材で両端部を固定された圧電素子と、蓋体とから構成されている。 A piezoelectric component as a resonator generally includes a supporting substrate, a pair of supporting portions provided on the supporting substrate, and a piezoelectric element mounted on the pair of supporting portions and fixed at both ends with a conductive bonding material. It is comprised from the element and the cover body.
支持基板の上面には、圧電素子と電気的に接続されるとともに、下面のグランド電極との間で容量を形成する一対の容量電極が設けられている。また、支持基板の下面には、それぞれ側面電極を介して一対の容量電極に電気的に接続される一対の入出力電極が設けられているとともに、一対の入出力電極の間に配置されてグランド電極が設けられている。そして、これらの電極として、導電性樹脂から成る構成のものが知られている(例えば、特許文献1を参照)。 On the upper surface of the support substrate, a pair of capacitive electrodes that are electrically connected to the piezoelectric element and form a capacitance with the ground electrode on the lower surface are provided. In addition, on the lower surface of the support substrate, a pair of input / output electrodes that are electrically connected to the pair of capacitance electrodes via the side electrodes are provided, and the ground is disposed between the pair of input / output electrodes. An electrode is provided. And the thing of the structure which consists of conductive resin is known as these electrodes (for example, refer patent document 1).
このようなレゾネータは、各電極が導電性樹脂から成るため、圧電素子と支持基板との間および圧電部品と外部回路基板との間に発生する熱応力や、機械的な衝撃などをこれらの電極が吸収するため、支持基板へのクラック等の発生を抑制することができ、機械的強度に対する信頼性が高い。 In such a resonator, since each electrode is made of a conductive resin, thermal stress generated between the piezoelectric element and the support substrate and between the piezoelectric component and the external circuit substrate, mechanical shock, etc. are applied to these electrodes. Therefore, the occurrence of cracks and the like in the support substrate can be suppressed, and the reliability with respect to mechanical strength is high.
一方近年、レゾネータには、機械的強度に対する信頼性に加え発振周波数偏差の小さい高精度な特性の要求が高まっている。 On the other hand, in recent years, there has been an increasing demand for resonators with high accuracy characteristics with small oscillation frequency deviation in addition to reliability with respect to mechanical strength.
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、機械的強度に対する高い信頼性を有しつつ、発振周波数偏差の小さい高精度なレゾネータを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a high-accuracy resonator having a small oscillation frequency deviation while having high reliability with respect to mechanical strength.
本発明の圧電部品は、平板状の誘電体、該誘電体の一方主面に設けた一対の容量電極、他方主面に設けた入出力電極およびグランド電極、ならびに対向する一対の側面に設けられた側面電極を含む支持基板と、該支持基板の一方主面上に搭載され、前記一方主面に設けられた一対の容量電極と電気的に接続された圧電素子とを備え、前記一対の容量電極、前記入出力電極、前記グランド電極および前記側面電極は導電性樹脂を含み、前記容量電極は、前記支持基板の幅方向に延びる第1領域と、該第1領域から前記支持基板の中央部に向かって長手方向に延びる第2領域と、を有しており、該第2領域および前記グランド電極のうち少なくとも一方は、前記誘電体と前記導電性樹脂との間の少なくとも一部に、金属膜を有していることを特徴とする。 The piezoelectric component of the present invention is provided on a flat dielectric, a pair of capacitive electrodes provided on one main surface of the dielectric, an input / output electrode and a ground electrode provided on the other main surface, and a pair of opposing side surfaces. A support substrate including a side electrode, and a piezoelectric element mounted on one main surface of the support substrate and electrically connected to a pair of capacitor electrodes provided on the one main surface. The electrode, the input / output electrode, the ground electrode, and the side electrode include a conductive resin. The capacitor electrode includes a first region extending in a width direction of the support substrate, and a central portion of the support substrate from the first region. A second region extending in a longitudinal direction toward the substrate, and at least one of the second region and the ground electrode is a metal in at least a part between the dielectric and the conductive resin. Characterized by having a membrane To.
本発明の圧電部品によれば、負荷容量を向上させることができ、かつ、負荷容量のばらつきも抑制できるため、機械的強度に対する高い信頼性を有しつつ、発振周波数偏差の小さい高精度なレゾネータを得ることができる。 According to the piezoelectric component of the present invention, since the load capacity can be improved and variation in the load capacity can be suppressed, a highly accurate resonator with a small oscillation frequency deviation while having high reliability with respect to mechanical strength. Can be obtained.
以下、添付図面を参照して、本発明の圧電部品100の実施形態の一例を詳細に説明する。図1〜図5においては、圧電部品100に対して固定して定義した直交座標系xyzを付している。以下の説明では、この座標系を参照して方向を説明することがある。圧電部品100は、いずれの方向が鉛直方向乃至は水平方向とされてもよく、また、z軸方向を上下方向又は高さ方向あるいは厚み方向ということがある。また、圧電部品100について単に平面視という場合、z軸方向に見ることを指すものとする。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。
Hereinafter, an example of an embodiment of a
図1〜図4に示す例の圧電部品100は、支持基板1と、一方主面(本例では上面)および他方主面(本例では下面)に互いに対向するように振動電極22が設けられた長尺状の圧電素子2とを備えている。支持基板1上には支持部18が設けられており、支持部18で圧電素子2の長軸方向の両端部を支持されるとともに導電性接合材3で接合されることで、圧電素子2が支持基板1上に固定されている。
The
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。
The
支持基板1を構成する誘電体11の上面には2つの容量電極12が設けられている。この容量電極12は、圧電素子2の振動電極22と電気的に接続されるとともに、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。この容量電極12は支持基板1(誘電体11)の幅方向に延びる第1領域121と、第1領域121から支持基板1の中央部に向かって長手方向に延びる第2領域122とを有している。第1領域121は圧電素子2の端部を固定するとともに振動電極22と電気的に接続される領域であり、第2領域122はグランド電極14との間で容量を形成する領域である。
Two
また、誘電体11の下面には、長手方向の中央部にグランド電極14を有している。本実施形態では、グランド電極14は、誘電体11を挟んで2つの容量電極12のそれぞれの第2領域122にまたがって対向している。グランド電極14と容量電極12の第2領域122とは必ずしも対向していなくてもよい。より大きい容量を形成するためには、本実施形態のように、グランド電極14の一部と容量電極12の第2領域122の一部とが対向しているのがよい。また、誘電体11の下面には、グランド電極14を挟むように、詳細には誘電体11を挟んで2つの容量電極12の第1領域121のそれぞれと対向する位置に、信号入出力のための入出力電極13が設けられている。グランド電極14および入出力電極13は外部回路基板の電極とはんだや導電性接着剤で接合される。
The lower surface of the dielectric 11 has a
本例のように、容量電極12の第2領域122とグランド電極14とが誘電体11を介
して対向する場合は、2つ容量電極12のそれぞれの第2領域122とグランド電極14とが対向する部分の面積が互いに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。
When the
そして、支持基板1の側面には側面電極15が設けられ、容量電極12と入出力電極13とを電気的に接続している。これにより、圧電素子2の振動電極22と外部回路とが電気的に接続され、信号の入出力が行なわれる。なお、本実施形態においては、誘電体11の幅方向に位置する両側面に側面電極15がそれぞれ設けられている。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11の側面において、グランド電極14に電気的に接続される部位にも側面電極15が設けられている。
A
従来技術のように、容量電極12、入出力電極13、グランド電極14および側面電極15を比較的柔軟な導電性樹脂16から成るものとすることで、圧電素子2と支持基板1および圧電部品100と外部回路基板との接続の機械的強度に対する信頼性が高まる。しかしながら、容量電極12の第2領域122およびグランド電極14は、これらの間に誘電体11を挟んで負荷容量を形成する部分である。この部分が導電性樹脂16のみから成ると、形成される負荷容量を大きいものとすることができず、また、負荷容量がばらつくことがあった。これは、導電性樹脂16は、絶縁性の樹脂に導電性の粒子を分散させたものであるため、誘電体11に接する部分が全て導電性を有するものとならないためであると考えられる。すなわち、導電性樹脂16の誘電体11との接合面のうち、誘電体11とオーミック接合される部分は導電性粒子が存在する部分だけであり、各電極の面積のうち電極として機能する部分は一部だけになるためである。
As in the prior art, the
本実施形態の圧電部品100においては、図3〜図5に示す例のように、一対の容量電極12、入出力電極13、グランド電極14および側面電極15は導電性樹脂16を含み、容量電極12の第2領域122およびグランド電極14の少なくとも一方は、誘電体11と導電性樹脂16との間の少なくとも一部に、金属膜17を有している。言い換えれば、容量電極12、入出力電極13、グランド電極14および側面電極15は、主に導電性樹脂16から成り、容量電極12の第2領域122およびグランド電極14の少なくとも一方は、誘電体11上の金属膜17とその上の導電性樹脂16とが重なる二層構造を一部に有している。このような構成とすることで機械的強度を確保しつつ、容量を形成する部分に設けられた金属膜17が誘電体11とオーミック接合されることで、負荷容量を向上させることができ、かつ、負荷容量のばらつきも抑制できるため、発振周波数偏差の低減が可能となり発振周波数を高精度化できる。なお、図3(a)および図4(a)においては、グランド電極14を破線で示し、金属膜17を長破線で示している。
In the
金属膜17は、金属を主成分とするものである。具体的には、金属を95質量%以上含むものである。金属膜17の金属としては、金,銀,銅,ニッケル、アルミニウム,タングステンが挙げられる。これらの金属から成る金属膜17を蒸着やスッパタ、あるいはめっきで形成した場合には、金属膜17をほぼ100%金属から成るものとすることができる。また、これらの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で金属膜17を形成してもよい。この場合のガラス等の非金属成分の量は5質量%未満である。
The
導電性樹脂16としては、金,銀,銅,ニッケル,アルミニウム,タングステン等の金属粉末から成る導電性粒子を、エポキシ系、シリコーン系等の樹脂中に分散させたものを用いることができる。導電性樹脂16中の導電性粒子の含有量は、例えば、75質量%〜95質量%に設定することができる。
As the
入出力電極13、グランド電極14および側面電極15の表面には、必要に応じてNi/Au、Ni/Sn等の金属から成るめっき被膜を形成してもよい。
A plating film made of a metal such as Ni / Au or Ni / Sn may be formed on the surfaces of the input /
容量電極12の第2領域122およびグランド電極14の少なくとも一方が金属膜17を有していれば、負荷容量を形成する一対の電極のうちの一方がオーミック接合されるので上記の効果を奏するものとなるが、図3に示す例のように、第2領域122およびグランド電極14の両方が金属膜17を有すると、金属膜17が誘電体11とオーミック接合される領域が増加するので、より効果的である。
If at least one of the
金属膜17の位置は、より大きい容量を形成できるように設定するとよい。すなわち、金属膜17は、容量電極12の第2領域122におけるグランド電極14に近い部分、また、グランド電極14における第2領域122に近い部分に配置するのがよい。より具体的には、図3に示す例のように、第2領域122の誘電体11の長手方向の中央部側(先端側)、およびグランド電極14の幅方向の中央部に金属膜17を有していてもよい。このような構成とすることで、第2領域122の金属膜17とグランド電極14の金属膜17とが互いに近い配置となるので、より負荷容量を向上できるため、発振周波数偏差をより低減することが可能となり、発振周波数をさらに高精度化できる。
The position of the
また、図4に示す例のように、第2領域122は、中央部側から第1領域121まで金属膜17を有していてもよい。すなわち、容量電極12の第2領域122の導電性樹脂16と誘電体11との間のほぼ全面に、金属膜17を有していてもよい。第2領域122の第1領域121側の部分はグランド電極14から離れているので、この部分とグランド電極14との間で形成される負荷容量は、第2領域122の先端側とグランド電極14との間に形成される負荷容量に比較すると小さいものではあるが、負荷容量をさらに向上させることができる。そのため、負荷容量のばらつきもさらに抑制できるため、発振周波数偏差の低減が可能となり発振周波数をさらに高精度化できる。
Further, as in the example illustrated in FIG. 4, the
グランド電極14の金属膜17についても同様に、グランド電極14の導電性樹脂16と誘電体11との間のほぼ全面に、金属膜17を有していてもよい。この場合も、負荷容量をさらに向上させることができる。図4に示す例においては、グランド電極14の金属膜17は、誘電体11の側面と間をあけて設けている。すなわち、グランド電極14の金属膜の端部は導電性樹脂16だけで構成されている。これにより、グランド電極14に加わる熱応力が最も大きくなる端部における応力緩和がより効果的になされる。
Similarly, the
また、図5に示す例のように、容量電極12およびグランド電極14の導電性樹脂16と金属膜17とが重なる部分において、金属膜17は導電性樹脂16より薄くてもよい。このような構成とすることで、容量電極12およびグランド電極14の導電性樹脂16と金属膜17とが重なる部分において、より柔軟な導電性樹脂16の厚み割合が大きくなるので、温度変化の発生する環境下において、熱膨張差により容量電極12とグランド電極14に発生する応力を低減でき、応力に起因した静電容量の変動を抑制できるため、発振周波数をさらに高精度化できる。金属膜17の厚みは、例えば0.0001mm〜0.02mmに設定することができる。導電性樹脂16の厚みは、金属膜17と重なる部分では0.005mm〜0.03mmに、金属膜17と重ならない部分では0.005mm〜0.05mmに設定することができる。なお、金属膜17を有さない入出力電極13および側面電極15は、導電性樹脂16のみから成り、その厚みは、0.005mm〜0.2mmに設定することができる。
5, the
上述したように支持基板1の上には一対の支持部18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、一対の支持部18が圧電素子2の長軸方向の端部をそれぞれ支持して、圧電素子2は支持基板1との間に空間を設けて搭載されている。支持部18は、例えば導電性を有しており、例えば金,銀,銅,ニッケル、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ものである。支持部18
は、容量電極12の第1領域121上に接合されている。また、支持部18は、例えば、角柱状、円柱状など柱状体であり、その寸法は、例えば、縦、横方向の長さ(径)を0.1mm〜1.0mm、厚み(高さ)を10μm〜100μmに設定することができる。
As described above, the pair of
Is bonded onto the
また、図2(b)に示す例のように、支持部18の上に搭載された圧電素子2は、導電性接合材3によって支持基板1(容量電極12)上に固定され、電気的に接続されている。なお、支持部18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の振動電極22と容量電極12とは、支持部18でも電気的に接続されるので、支持部が絶縁性である場合に比べてより低抵抗な接続となる。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る。はんだであれば、例えば銅,錫,銀から成る鉛を含まない材料等を用いることができる。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またはシリコーン系の樹脂を用いることができる。
2B, the
圧電素子2は、例えば図2(b)に示す例のように、圧電体21と、圧電体21の両主面(一方主面および他方主面)に設けられた振動電極22と、圧電体21の端面に設けられた端面電極23とを備えている。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の長尺平板状とすることができる。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,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やこれらの単結晶材料を用いて形成することができる。
The
また、振動電極22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(交差領域)を有するように配置されている。圧電体21の一方主面(上面)に設けられた振動電極22は、圧電体21の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21の他方主面(下面)に設けられた振動電極22は、圧電体21の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。そして、振動電極22は、圧電体21の長手方向の両端面に設けられた端面電極23にそれぞれ接続されている。この端面電極23、導電性接合材3および支持部18を介して圧電素子2の振動電極22が容量電極12と電気的に接続されている。振動電極22および端面電極23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、それぞれ例えば0.0001m〜0.003mの厚みに被着される。振動電極22および端面電極23は、例えば、真空蒸着法,PVD法,スパッタリング法等の薄膜形成法、あるいは金属ペーストを塗布して焼き付ける厚膜形成法を用いて形成することができる。
In addition, the
このような圧電素子2は、振動電極22間に電圧を印加したとき、振動電極22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。
Such a
なお、図1および図2(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4が設けられていてもよい。この蓋体4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る。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。
As shown in FIGS. 1 and 2B, a
1:支持基板
11:誘電体
12:容量電極
121:第1領域
122:第2領域
13:入出力電極
14:グランド電極
15:側面電極
16:導電性樹脂
17:金属膜
18:支持部
2:圧電素子
21:圧電体
22:振動電極
23:端面電極
3:導電性接合材
4:蓋体
100:圧電部品
1: Support substrate 11: Dielectric 12: Capacitance electrode 121: First region 122: Second region 13: Input / output electrode 14: Ground electrode 15: Side electrode 16: Conductive resin 17: Metal film 18: Support part 2: Piezoelectric element 21: Piezoelectric body 22: Vibration electrode 23: End face electrode 3: Conductive bonding material 4: Cover body 100: Piezoelectric component
Claims (4)
該支持基板の一方主面上に搭載され、前記一方主面に設けられた一対の容量電極と電気的に接続された圧電素子とを備え、
前記一対の容量電極、前記入出力電極、前記グランド電極および前記側面電極は導電性樹脂を含み、
前記容量電極は、前記誘電体の幅方向に延びる第1領域と、該第1領域から前記誘電体の中央部に向かって長手方向に延びる第2領域とを有しており、
該第2領域および前記グランド電極のうち少なくとも一方は、前記誘電体と前記導電性樹脂との間の少なくとも一部に、金属膜を有していることを特徴とする圧電部品。 A support substrate including a flat dielectric, a pair of capacitive electrodes provided on one main surface of the dielectric, an input / output electrode and a ground electrode provided on the other main surface, and side electrodes provided on a pair of opposing side surfaces When,
A piezoelectric element mounted on one main surface of the support substrate and electrically connected to a pair of capacitive electrodes provided on the one main surface;
The pair of capacitive electrodes, the input / output electrodes, the ground electrode, and the side electrodes include a conductive resin,
The capacitor electrode has a first region extending in the width direction of the dielectric, and a second region extending in the longitudinal direction from the first region toward the center of the dielectric,
At least one of the second region and the ground electrode has a metal film on at least a part between the dielectric and the conductive resin.
4. The piezoelectric component according to claim 1, wherein the metal film is thinner than the conductive resin in a portion where the conductive resin and the metal film overlap each other.
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