JP2019097112A

JP2019097112A - 圧電部品

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Publication number: JP2019097112A
Application number: JP2017226905A
Authority: JP
Inventors: 俊介毎原; Shunsuke Maibara
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2017-11-27
Filing date: 2017-11-27
Publication date: 2019-06-20

Abstract

【課題】発振周波数の変動を抑制した、高精度な圧電部品を提供する。【解決手段】本開示の圧電部品は、矩形板状の基板本体１１を含む容量基板１と、容量基板１の第１主面上に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、圧電素子２の両端部の下方に位置するように第１主面に設けられた一対の端子電極１２と、一対の端子電極１２から圧電素子２の中央部の真下に向かって延びるように第１主面に設けられた一対の容量電極１３とを有している。また、第１主面と対向する第２主面に一対の容量電極１３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と、少なくとも一対の容量電極１３におけるグランド電極１４と対向する領域を覆うように第１主面に設けられた絶縁性を有する保護層１７とを含んでいる。そして、保護層１７の外周部が中央部よりも薄い。【選択図】図２

Description

本開示は、例えば共振子として利用される圧電部品に関するものである。

従来から、マイコンのクロック用共振子として、容量基板と、容量基板の上に搭載された圧電素子とを備えた共振子が知られている。そして、共振子の発振周波数の安定性および高精度化のために、圧電素子の励振電極にイオンビームを照射して圧電素子の共振周波数を微調整する技術も知られている（例えば特許文献１を参照）。

なお、容量基板に形成された容量電極にイオンビームが照射されて容量が変動しないように、当該容量電極の表面には保護層が形成されている。

国際公開第２０１６／０８４４１７号

しかしながら、容量電極の表面に保護層を形成することで、容量基板の容量形成領域に応力が発生する。容量形成領域に応力がかかることにより負荷容量が変動するため、要求される発振周波数の精度を捉えることが出来ないおそれがある。

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、高精度な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、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ように前記第１主面に設けられた一対の容量電極と、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、少なくとも前記一対の容量電極における前記グランド電極と対向する領域を覆うように前記第１主面に設けられた絶縁性を有する保護層とを含み、前記保護層の外周部が中央部よりも薄いことを特徴とする。

本開示の圧電部品によれば、発振周波数の変動を抑制することができ、発振周波数の精度を向上させることができる。

圧電部品の実施形態の一例の一部省略概略平面図である。図１に示すＩＩ−ＩＩ線で切断した概略断面図である。図１に示す圧電部品の要部拡大平面透視図である。

圧電部品の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

本開示の圧電部品は、矩形板状の基板本体１１を含む容量基板１と、容量基板１の第１主面上に両端部が固定され、かつ振動可能に搭載された圧電素子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〜１．０ｍｍで、平面視したときの形状が矩形状の平板として形成された誘電体からなる基板本体１１を含んでいる。基板本体１１としては、チタン酸ジルコン酸鉛やチタン酸バリウム等の強誘電体であるセラミック材料を主成分とすることができる。特にチタン酸バリウムは、強誘電体材料の中でも比誘電率の温度変化を小さくできるため、容量基板１を構成する基板本体１１がチタン酸バリウムを主成分とする強誘電体材料で形成されている場合には、負荷容量の温度変化を低減でき、加えて発振周波数の温度変化を低減させるのに寄与することができる。なお、ここでいう主成分とは、基板本体１１を形成する原材料のうち一番多く含まれている原材料のことを意味している。

圧電素子２は、圧電体２２と、圧電体２２の両主面にそれぞれ互いに対向する領域（交差領域）を有するように設けられた振動電極２１とを備える長尺状の圧電素子である。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〜２．０ｍｍ、厚みが４０μｍ〜１．０ｍｍの平面視したときの形状が矩形状の平板である。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主成分とする圧電セラミックスや、ニオブ酸リチウムや水晶などの単結晶を用いて形成することができる。

また、圧電体２２の第１の主面に設けられた振動電極２１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、圧電体２２の第２の主面に設けられた振動電極２１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ており、それぞれ互いに対向する領域を有している。なお、圧電素子２の第１の主面は図２に示す上面であり、圧電素子２の第２の主面は図２に示す下面である。振動電極２１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２２の表面に例えば０．１μｍ〜３．０μｍの厚みに被着される。そして、圧電素子２の両端面には端面電極２３が設けられており、必要によりこの端面電極２３を介して、振動電極２１が容量基板１に設けられた一対の端子電極１２と電気的に接続されている。

このような圧電素子２は、振動電極２１間に電圧を印加したとき、振動電極２１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。

そして、容量基板１は、圧電素子２の両端部の下方に位置するように第１主面に設けられた一対の端子電極１２と、一対の端子電極１２から圧電素子２の中央部の真下に向かって延びるように第１主面に設けられた一対の容量電極１３とを含んでいる。なお、容量基板１の第１主面は、図２における容量基板１の上面である。

容量基板１の第１主面には、一対の端子電極１２としての第１端子電極１２１および第２端子電極１２２が設けられている。第１端子電極１２１および第２端子電極１２２は、圧電素子２の振動電極２１と電気的に接続されて信号を入出力するために設けられた電極であり、圧電素子２の両端部の下に位置している。圧電体２２の第１の主面に設けられた振動電極２１と容量基板１の第１端子電極１２１とが電気的に接続され、圧電体２２の第２の主面に設けられた振動電極２１と容量基板１の第２端子電極１２２とが電気的に接続されている。

また、容量基板１の上には、必要により第１支持部１８１および第２支持部１８２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、圧電素子２の長手方向の両端部が第１支持部１８１および第２支持部１８２によって支持されるようにして固定され、圧電素子２が振動可能に搭載されている。

第１支持部１８１および第２支持部１８２は、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突起状の部位である。例えば、縦方向、横方向の長さ（径）が０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ、高さ（厚み）が１０μｍ〜１００μｍで、角柱状、円柱状などの形状とされる。

また、第１支持部１８１および第２支持部１８２の上面と側面の周囲とに導電性接合材３が設けられていて、圧電素子２の両端部の少なくとも下面と第１支持部１８１および第２支持部１８２とが接合されている。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、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、例えば銀，銅，ニッケル等の導電性粒子を７５質量％〜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導電性樹脂を用いることができる。なお、第１支持部１８１および第２支持部１８２が導電性を有する材料で形成されているため、第１支持部１８１および第２支持部１８２の上に導電性接合材３が設けられた構成によっても、圧電素子２の一対の振動電極２１のうちの一方と第１端子電極１２１とが導通され、一対の振動電極２１のうちの他方と第２端子電極１２２とが導通されている。

また、容量基板１の第１主面には、一対の容量電極１３としての第１容量電極１３１および第２容量電極１３２が設けられている。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に設けられた電極である。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るように設けられ、第１端子電極１２１と第１容量電極１３１とが組み合わされて凸状の電極パターンとなるように形成されている。同様に、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るように設けられ、第２端子電極１２２と第２容量電極１３２とが組み合わされて凸状の電極パターンとなるように形成されている。図に示す例では、第１端子電極１２１および第１容量電極１３１の組合せと第２端子電極１２２および第２容量電極１３２の組合せとは、圧電素子２の中央を軸としてちょうど線対称となるように配置されている。

容量電極１３の幅は、圧電素子２の幅と同じ程度で、例えば０．２ｍｍ〜２．０ｍｍとされる。また、容量電極１３の厚さは、例えば３．０μｍ〜７．０μｍとされる。

また、容量基板１は、第２主面の一対の端子電極１２と対向するような位置に、一対の端子電極１２とそれぞれ電気的に接続している一対の入出力電極１５を含んでいる。この一対の入出力電極１５を介して入出力信号が入出力される。なお、容量基板１の第２主面は、図２における容量基板１の下面である。

また、容量基板１の側面には、当該側面と第１の主面との境界となる稜部から当該側面と第２の主面との境界となる稜部にかけて側面電極１６が設けられており、一対の端子電極１２と一対の入出力電極１５とが側面電極１６を介して電気的に接続されている。この側面電極１６は、外部回路基板へのはんだ接合などに用いることもできる。

また、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１３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。言い換えると、グランド電極１４は、平面視したときに第１容量電極１３１の一部および第２容量電極１３２の一部と重なっていて、第１容量電極１３１および第２容量電極１３２にまたがって対向してい
る。

本例のように、第１容量電極１３１および第２容量電極１３２とグランド電極１４とが基板本体１１を介して対向する領域を有している場合は、静電容量を大きく形成することができる。

なお、第１容量電極１３１および第２容量電極１３２とグランド電極１４とが基板本体１１を介して対向する領域を有している場合において、第１容量電極１３１とグランド電極１４とが対向する領域および第２容量電極１３２とグランド電極１４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。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。

各種電極の形成材料としては、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。

そして、少なくとも一対の容量電極１３におけるグランド電極１４と対向する領域を覆うように、容量基板１の第１主面に絶縁性を有する保護層１７が設けられている。さらに、保護層１７の外周部１７ａは中央部１７ｂよりも薄い。

保護層１７の外周部１７ａは、収縮する割合が大きいことから、加わる応力が大きくなって、負荷容量の変動が大きくなる傾向がある。これに対し、容量基板１を断面視したときに、保護層１７の厚みは中央部１７ｂと比較して外周部１７ａが薄い構成とすることで、保護層１７を形成する際に保護層１７と容量基板１との熱膨張差によって発生する応力を、外周部１７ａで小さくすることができる。これにより、応力による負荷容量の変動を抑制でき、発振周波数の変動を抑制することができる。

イオンビームの照射から第１容量電極１３１および第２容量電極１３２を保護しつつ、上述の効果が得られる点で、保護層１７を一様に薄くするよりも効果的である。

ここで、保護層１７の厚みとは、容量電極１３の上面からの高さのこととする。したがって、保護層１７は容量電極１３の上面のみならず側面まで覆っていてもよいが、その場合の厚みとは容量電極１３の上面からの高さで判断する。この保護層１７の厚みは、例えば４．０μｍ〜１０．０μｍとされる。

そして、保護層１７の外周部１７ａとは、断面で見たときの端から全体の長さの１０％までの領域のことである。また、保護層１７の外周部１７ａが中央部１７ｂよりも薄いとは、断面で見たときの外周部１７ａの全ての領域が中央部１７ｂよりも薄いことを意味する。

なお、容量基板１が長手方向と幅方向とを有する形状であって、保護層１７の外周部１７ａの厚さがほぼ一定の場合は、幅方向に沿って切断した断面で見たときに、幅方向の端部が中央部１７ｂよりも薄いことで、保護層１７の外周部１７ａが中央部１７ｂよりも薄いことを判別できる。一方、保護層１７の外周部１７ａの厚さが一様でないときは、保護層１７を幅方向に沿って切断した断面および長手方向に沿って切断した断面のいずれもが中央部１７ｂよりも薄いとき、保護層１７の外周部１７ａが中央部１７ｂよりも薄いことと判断する。

ここで、図２に示すように、保護層１７が中央部から外周部に向かって徐々に薄くなっていてもよい。応力集中する箇所を減らすことで、より発振周波数の変動を抑制することができる。

また、容量基板１の基板本体１１がチタン酸バリウムを主成分とする（最も多く含む）強誘電体材料からなる構成でもよく、この場合は温度変化に伴う負荷容量の変動が小さくなり、発振周波数の変動を小さくできる。

また、保護層１７は絶縁性樹脂を含んでいてもよい。また、保護層１７は、この絶縁性樹脂を主成分とする（最も多く含む）材料で構成されていてもよい。これにより、保護層１７を柔らかく、すなわち弾性率を小さくでき、容量基板１へ加えられる温度変化に伴う応力の変動が低減され、負荷容量値の温度変化を抑制できる。

また、保護層１７を構成する絶縁性樹脂がエポキシ樹脂であってもよい。これにより、保護層１７の耐熱性を高くでき、イオンビーム照射による保護層１７の熱劣化を低減できる。したがって、周波数調整のために長時間イオンビームを照射しても、保護層１７が破壊されにくく、イオンビームによる第１容量電極１３１および第２容量電極１３２のエッチングを抑制できる。

さらに、保護層１７は、例えばシリカ、ジルコニア、チタン、グラスファイバー等の無機物を主成分とするフィラーを含有した樹脂で構成してもよい。このようなフィラーを含有することにより、フィラーがイオンビームに対する壁となり、イオンビームが直接樹脂に照射される面積を抑制できる。したがって、保護層１７の耐熱性を更に高くでき、イオンビーム照射による保護層１７の熱劣化を更に低減できる。フィラーの含有量は、例えば質量比で０．５％〜５０％とされる。この含有量は、例えば、保護層１７を削り取って質量を測定した後、樹脂を溶剤で溶解させて濾過し、残渣（フィラーとなる無機物）の質量を測定し、この残渣の質量を保護層１７の質量で割ることで求めることができる。

なお、容量基板１の上には圧電素子２を収容するように蓋体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る。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。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を用いる場合に無機フィラーを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、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形し、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、各種電極を形成する。さらに、例えば、樹脂、ガラス等の絶縁物材料のペーストを、平面視において、第１容量電極１３１および第２容量電極１３２の先端部のうち、少なくともグランド電極１４と対向する領域が保護層１７にて覆われるように印刷し、所定の温度で硬化または焼成し、保護層１７を形成し、容量基板１を得る。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。

なお、保護層１７の厚み調整は、製版と容量基板１とのクリアランスを調整したり、印圧を調整したりすればよい。

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１８１，第２支持部１８２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１８１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１８２を設ける。

次に、圧電素子２を構成する圧電体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の上下の両主面（第１の主面および第２の主面）に形成される振動電極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３を用いて、圧電素子２を容量基板１の第１支持部１８１および第２支持部１８２の上に搭載し、固定する。ここで、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、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１８１および第２支持部１８２の上に塗布しておいて、圧電素子２を第１支持部１８１および第２支持部１８２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２２の第１の主面に設けられた振動電極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、振動電極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またはワイヤーカット等で切断する。

以上の方法により、本例の圧電部品が作製される。以上のような方法によれば、発振周波数の変動を抑制した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
１２：端子電極
１２１：第１端子電極
１２２：第２端子電極
１３：容量電極
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
１７：保護層
１７ａ：外周部
１７ｂ：中央部
１８１：第１支持部
１８２：第２支持部
２：圧電素子
２１：振動電極
２２：圧電体
２３：端面電極
３：導電性接合材
４：蓋体

Claims

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ように前記第１主面に設けられた一対の容量電極と、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、少なくとも前記一対の容量電極における前記グランド電極と対向する領域を覆うように前記第１主面に設けられた絶縁性を有する保護層とを含み、前記保護層の外周部が中央部よりも薄いことを特徴とする圧電部品。
前記保護層が前記中央部から前記外周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。
前記基板本体がチタン酸バリウムを最も多く含む強誘電体材料からな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。
前記保護層が絶縁性樹脂を含む請求項１乃至請求項３のうちのいずれかに記載の圧電部品。
前記絶縁性樹脂がエポキシ樹脂である請求項４に記載の圧電部品。
前記保護層が、さらに無機フィラーを含むことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の圧電部品。