JP3570599B2 - 圧電素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＡＭ用フィルタなどに用いられる長さ方向振動モードを利用した圧電素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、長さ方向振動モードを利用した圧電素子として、圧電基板の一方の主面に長さ方向に延びる直線状の溝によって分割された入力電極および出力電極を設け、他方の主面に共通電極を設け、入力電極と出力電極のそれぞれに、一部に外部導体との電気的接触部となる等方性弾性導電材よりなる支持部を独立して設けたものが知られている（特開平２−２２４５１５号公報）。上記支持部は、溝を隔てて入力電極と出力電極の長手方向の同一部位に設けられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記のような圧電素子を、その入，出力電極を下向きにしてケースの端子などの外部導体に接続する場合、分割されている支持部間の距離が狭いため、外部導体も近接した位置に設ける必要がある。そのため、圧電素子のわずかな位置ずれによって、入，出力電極間がショートする恐れがあった。
【０００４】
上記圧電素子は、弾性を有する支持部をケースの端子に圧接させて接続するものであるが、導通性を高めるため、支持部を導電性接着剤などを用いて取付基板のパターン電極などに接続固定する場合もある。この場合には、入，出力電極の支持部間の距離が狭いことから、導電性接着剤が多少でも広がると、入，出力電極間がショートしてしまい、接続信頼性が低下する恐れがあった。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、圧電素子の分割電極間のショートを防止し、接続信頼性の高い圧電素子を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、長方形の圧電基板の一方の主面に長さ方向に延びる直線状の溝によって分割された第１、第２の電極を有するとともに、他方の主面に第３の電極を有し、第１の電極と第２の電極との間に信号が入力され、長さ方向振動モードの振動が励振される圧電素子であって、上記圧電素子のノード部分である上記第１、第２の電極の長さ方向中央部に、それぞれ導電性支持部材が圧電基板の長さ方向に間隔をあけて固定されるとともに、上記導電性支持部材と同一高さの絶縁性支持部材が、溝を隔てて導電性支持部材と対向する位置に固定されていることを特徴とする圧電素子を提供する。
【０００７】
圧電素子の第１，第２の電極を外部導体に接続する場合、各電極に固定された導電性支持部材が圧電基板の長さ方向に間隔をあけて設けられているので、外部導体も長手方向に離れた位置に設けることができる。そのため、圧電素子が多少位置ずれしても、第１と第２の電極間がショートする恐れが少ない。
また、第１と第２の電極に設けられた導電性支持部材は、圧電基板の幅方向に接近せず、絶縁距離を確保することができる。
【０００８】
導電性および絶縁性の支持部材を設ける部位は、圧電素子のノード部分つまり長手方向のほぼ中央部付近である。本発明でノード部分とは、完全な無振動部だけでなく、この部分を拘束しても振動特性上支障のない範囲を含む。第１，第２の電極上の導電性支持部材はできるだけ長さ方向に離間させる方が望ましいので、ノード部分と非ノード部分との境界部付近に導電性支持部材を固定するのが望ましい。一般に、長さ方向振動モード素子の場合、ノード領域は素子長の約１／４程度であるので、導電性支持部材はこの距離分だけ離すことができる。
【０００９】
上記導電性支持部材を外部導体に接続する方法としては、種々の方法がある。例えば、導電性支持部材を導電性ゴムで形成した場合には、導電性支持部材をバネ端子などを用いて外部導体に圧接させればよく、導電性支持部材が弾性を有しない場合には、導電性接着剤などによって接着すればよい。また、導電性支持部材自身を未硬化の導電性接着剤で形成した場合には、外部導体に直接接着できる。
【００１０】
圧電基板の一方の主面に２本の溝を設けて３個の電極に分割した場合、溝によって分割された中央の第１の電極上に固定された導電性の支持部材と、両側の第２の電極上に固定された導電性の支持部材とを、千鳥状に配列するのが望ましい。上記のように支持部材を千鳥状に配列すると、水平度が得やすく、安定性が増すという利点がある。
【００１１】
圧電素子をケースや取付基板などの外部部品に取り付ける場合、圧電素子が傾いて取り付けられると、第１，第２の電極のいずれかが外部部品と接触して振動特性が阻害されたり、ショートしたりする恐れがあるが、本発明では導電性支持部材の空白部を補完するように、導電性支持部材と同一高さの絶縁性支持部材が、溝を隔てて導電性支持部材と対向する位置に固定されている。そのため、導電性支持部材と絶縁性支持部材とによって圧電素子の支持間隔が増え、圧電素子の傾きを防止でき、圧電素子が外部部品などに接触して振動特性が阻害されるという問題を解消できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１，図２は本発明の前提となる長さ振動モードを利用した圧電素子の一例を示す。
この素子１は細長い長方形の圧電セラミック基板２を備えており、この圧電基板２の一方の主面には、図１のように長さ方向に延びる直線状の２本の溝３によって分割された３個の電極４および５ａ，５ｂが形成されている。このうち、中央部の幅広な電極４が入力電極、両側の幅狭な電極５ａ，５ｂが出力電極であり、入力電極４は出力電極５ａ，５ｂの約２倍の幅を有する。なお、中央の電極４を出力電極、両側の電極５ａ，５ｂを入力電極としてもよい。
【００１３】
入力電極４上および出力電極５ａ，５ｂ上であって、かつ素子１のノード部の端部には、それぞれ導電性の支持部材６ａ，６ｂ，６ｃが固定され、支持部材６ａ，６ｂ，６ｃは全体として千鳥状に配列されている。この実施例の支持部材６ａ，６ｂ，６ｃは、導電ペーストを電極４，５ａ，５ｂ上に例えば１００μｍ程度の厚みで塗布したうえ硬化させたものであるが、半田バンプ、金バンプなどで形成してもよい。図２のように、出力電極５ａ，５ｂ上の支持部材６ｂ，６ｃは長さ方向の同一位置に固定され、入力電極４上の支持部材６ａは支持部材６ｂ，６ｃに対して長さ方向に最短距離Ｓだけ離れた位置に形成されている。この距離Ｓは、当然ながら溝３の幅ｄより広く設定されている。支持部材６ａと支持部材６ｂ，６ｃの最長距離Ｌはノード領域（例えば素子長の約１／４）とほぼ等しく設定されている。なお、電極４，５ａ，５ｂ上に固定された支持部材６ａ，６ｂ，６ｃの幅は各電極４，５ａ，５ｂの幅と同一寸法に形成されている。
なお、圧電基板２の他方の主面には、共通電極（アース電極）７が全面に形成されている。
【００１４】
ここで、上記構造からなる圧電素子１の製造方法を図３にしたがって説明する。まず、図３の（Ａ）のような圧電マザー基板１０を準備する。このマザー基板１０には予め分極処理が施され、かつ表裏面にはほぼ全面に電極がスパッタリング等の公知の方法で形成されている。マザー基板１０は上記長方形の圧電素子１を複数個、縦方向及び横方向に配列するものである。このマザー基板１０を図示しない保持シートに仮固定する。次に、図３の（Ｂ）のようにマザー基板１０の一面であって、上記圧電素子１のノード部となる位置に導電ペースト１１を島状にかつ千鳥状に連続してのびるようにスクリーン印刷する。つまり導電ペースト１１は２列に配置され、千鳥状に連続して形成された一方の列にある導電ペースト１１は上記圧電素子１の支持部材６ｂ、６ｃ、他方の列にある導電ペースト１１は支持部材６ａを構成する。また、この２列からなる千鳥状に連続して形成された導電ペースト１１の列は所定の間隔、つまり上記圧電素子１の長辺の寸法に略相当する間隔をおいて平行に複数形成される。その後、導電ペースト１１は硬化処理される。次に、図３の（Ｃ）のように島状の各導電ペースト１１の両側面をスライサー等によって成形し、導電ペースト１１の両側部のバリや変形部を除去する。なお、導電ペースト１１の両側部だけでなく上面を平坦に成形してもよい。導電ペースト１１の成形と同時に、マザー基板１０を縦方向、つまり千鳥状の導電ペースト１１が連続してのびる方向と平行な複数のカットライン１２でカットする。カット幅は圧電素子１の長さに等しい。カットによって、マザー基板１０は複数の部材に分断されるが、保持シートに仮固定されているので、各部材が分離することはない。さらに、図３（Ｄ）のように、マザー基板１０の横方向、つまり千鳥状の導電ペースト１１がのびる方向と垂直な方向にダイサー等を用いて複数の直線状の溝３を形成する。この溝３は千鳥状に連続して形成された一方の列にある導電ペースト１１と他方の列にある導電ペースト１１の間を通るように形成され、電極を分割する。溝３の加工と同時に、千鳥状に連続して形成された一方の列にある導電ペースト１１が半分に分断されるように、溝３と平行なカットライン１３でマザー基板１０をカットする。上記のカットが終了した後、各素子を保持シートから分離すれば、圧電素子１を得ることができる。
【００１５】
図４，図５は上記圧電素子１を用いた圧電フィルタの一例を示す。
取付基板２０はアルミナセラミックス，ガラスセラミック，ガラスエポキシ樹脂等からなる長方形の絶縁性薄板であり、取付基板２０の上面には図４のように入力側，出力側およびアース側の３個のパターン電極２１，２２，２３がスパッタリング，蒸着，印刷などの公知の手法で形成されている。各パターン電極２１，２２，２３は取付基板２０の側縁から裏面側へ延設されている。入力側と出力側のパターン電極２１，２２の内側端部にはそれぞれ導電ペースト２４，２５がスクリーン印刷などによって塗布されている。
【００１６】
上記圧電素子１は、入，出力電極４，５ａ，５ｂ側が取付基板２０の上面に対面するよう搭載される。すなわち、入力電極４上の支持部６ａが入力側パターン電極２１上に、出力電極５ａ，５ｂ上の支持部材６ｂ，６ｃが出力側パターン電極２２上にそれぞれ導電ペースト２４，２５によって接着される。このとき、支持部材６ａ，６ｂ，６ｃの高さは例えば１００μｍ程度と非常に小さいので、圧電素子１が僅かでも傾くと、圧電素子１の端部が取付基板２０の上面に接触して振動特性を阻害したり、あるいは入，出力電極４，５ａ，５ｂが異なる電位のパターン電極２１〜２３と接触して接続不良をきたす恐れがあるが、上記のように圧電素子１は３個の支持部材６ａ，６ｂ，６ｃで安定に支持されるので、水平安定性に優れ、振動特性の阻害や接続不良を防止できる。
圧電素子１の接着後、図５のように圧電素子１の共通電極７とアース側パターン電極２３とを導電性ワイヤ２６によって接続する。このワイヤ２６は公知のワイヤボンディング法によって容易に接続できる。
その後、取付基板２０上には圧電素子１を覆うキャップ２７が接着剤２８により接着され、圧電素子１の周囲が封止される。
【００１７】
図６は本発明にかかる圧電素子３０の第１実施例を示す。
この素子３０も図１の素子１と同様に細長い長方形の圧電セラミック基板３１を備えており、この圧電基板３１の一方の主面には、２本の溝３２によって分割された３個の電極３３および３４ａ，３４ｂが形成されている。このうち、中央部の幅広な電極３３が入力電極、両側の幅狭な電極３４ａ，３４ｂが出力電極である。圧電基板３１の他方の主面には共通電極３５が形成されている。
【００１８】
入力電極３３上および出力電極３４ａ，３４ｂ上であって、かつ素子３０のノード部には、縦長な支持部材３６，３７，３８が素子長さ方向の同一位置に並列に固定されている。この実施例の支持部材３６，３７，３８は、それぞれ導電部３６ａ，３７ａ，３８ａと絶縁部３６ｂ，３７ｂ，３８ｂとで構成されており、入力電極３３上の導電部３６ａと出力電極３４ａ，３４ｂ上の導電部３７ａ，３８ａは、支持部材３６，３７，３８の互いに反対側の端部に形成されている。そのため、導電部３６ａ，３７ａ，３８ａは素子長さ方向に間隔をあけて千鳥状に配置されている。この実施例の場合、支持部材３６，３７，３８は素子３０のノード領域のほぼ全域に亘って形成されており、支持部材の長さＬは素子３０の全長さの約１／４に設定されている。
【００１９】
ここで、上記構造からなる圧電素子３０の製造方法を図７にしたがって説明する。まず、図７の（Ａ）のような圧電マザー基板４０を準備する。
このマザー基板４０には予め分極処理が施され、かつ表裏面にはほぼ全面に電極がスパッタリング等の公知の方法で形成されている。マザー基板４０は上記長方形の圧電素子３０を複数個、縦方向及び横方向に配列するものである。このマザー基板４０を図示しない保持シートに仮固定する。次に、図７の（Ｂ）のようにマザー基板４０の一面であって、上記圧電素子３０のノード部となる位置に導電ペースト４１を島状にかつ千鳥状に連続してのびるようにスクリーン印刷する。つまり、導電ペースト４１は２列に配置され、千鳥状に連続して形成された一方の列にある導電ペースト４１は上記圧電素子３０の支持部材３６ｂ、３６ｃ、他方の列にある導電ペースト１１は支持部材３６ａを構成する。また、この２列からなる千鳥状に連続して形成された導電ペースト４１の列は所定の間隔、つまり上記圧電素子３０の長辺の寸法に略相当する間隔をおいて平行に複数形成される。この時、導電ペースト４１の厚みは、最終的な支持部材の厚みよりやや厚めとする。その後、導電ペースト４１は硬化処理される。次に、図７の（Ｃ）のように導電ペースト４１の隙間を埋めるように絶縁性ペースト４２を帯状に塗布し、硬化させる。この時、絶縁性ペースト４２は導電ペースト４１の隙間だけでなく、上面にも一部が塗布される。次に、図７の（Ｄ）のように、導電ペースト４１が露出するように、かつ導電ペースト４１と絶縁性ペースト４２の上面が同一高さになるように、例えば研削機などを用いて平坦に研削する。研削後、導電ペースト４１を含む絶縁性ペースト４２の両側面をスライサー等によって成形し、導電ペースト４１および絶縁性ペースト４２の両側部のバリや変形部を除去する。これと同時に、マザー基板４０を縦方向、つまり千鳥状の導電ペースト４１が連続してのびる方向と平行な複数のカットライン４３でカットする。カット幅は圧電素子１の素子長に等しい。さらに、図７（Ｅ）のように、マザー基板４０の横方向、つまり千鳥状の導電ペースト４１がのびる方向と垂直な方向にダイサー等を用いて複数の直線状の溝４４を形成する。この溝４４は千鳥状に連続して形成された一方の列にある導電ペースト４１と他方の列にある導電ペースト４１の間を通るように形成され、電極を分割する。溝４４の加工と同時に、千鳥状に連続して形成された一方の列にある導電ペースト４１が半分に分断されるように、溝４４と平行なカットライン４５でマザー基板４０をカットすることにより、圧電素子３０を得る。
【００２０】
上記圧電素子３０を取付基板２０に取り付ける場合には、図８のように、取付基板２０上の入力側および出力側のパターン電極２１，２２上に導電性接着剤２４，２５をスクリーン印刷などによって塗布するとともに、パターン電極２１，２２間に素子保持用の絶縁性接着剤２９をピン転写などによって塗布しておく。なお、絶縁性接着剤２９の厚みは、パターン電極２１，２２と導電性接着剤２４，２５との厚みの和より厚くしておくのがよい。
【００２１】
次に、取付基板２０の上面に圧電素子３０を、支持部材３７の導電部３７ａが入力側パターン電極２１上に、支持部材３６，３８の導電部３６ａ，３８ａが出力側パターン電極２２上にそれぞれ対応するよう接着する。このとき、パターン電極２１，２２間に塗布された絶縁性接着剤２９が支持部材３６〜３８の絶縁部３６ｂ〜３８ｂに付着し、取付基板２０と圧電素子３０とを接着固定する。
【００２２】
一般に、絶縁性接着剤２９は導電性接着剤２４，２５より接着力が大きいので、取付基板２０と圧電素子３０とを強固に接着できる。つまり、導電性接着剤２４，２５は支持部材３６〜３８の導電部３６ａ〜３８ａとパターン電極２１，２２との電気的導通を主目的として使用され、絶縁性接着剤２９は取付基板２０と圧電素子３０との機械的固定を目的として使用されるため、導電性接着剤２４，２５の接着力はさほど必要ではない。そのため、接着剤２４，２５，２９はそれぞれの目的のみに合致した材料を選択すればよく、選択の自由度が広がる。
【００２３】
導電部と絶縁部とを有する支持部材３６〜３８を設ける場合、図６のように長さ方向に連続的に形成する必要はなく、図９，図１０のように導電部３６ａ〜３８ａと絶縁部３６ｂ〜３８ｂとを分離してもよい。いずれの場合も、導電部３６ａ〜３８ａは素子長さ方向に間隔をあけて固定されている。なお、この例では導電部３６ａ〜３８ａと絶縁部３６ｂ〜３８ｂとの間に電極３３，３４ａ，３４ｂが露出しているが、薄肉な支持部材が覆っていてもよい。
【００２４】
本発明は上記実施例に限定されるものではない。
上記実施例では、圧電素子の入，出力電極を２本の溝によって３個に分割した例を示したが、１本の溝によって２個に分割したものでもよい。この場合には、各電極に固定される支持部材は千鳥状ではなく、素子長さ方向にずれた位置に設けられる。
また、圧電素子に入，出力電極を２本の溝によって３個に分割した場合、中央の電極の幅を両側の電極の幅より広くしたが、同一幅としてもよい。ただ、実施例のように中央の電極の幅を両側の電極の幅より広くした場合、中央の電極に固定される支持部材の幅も広くなるので、取付基板などに接着した際の安定性が増し、長手方向の傾きをより確実に防止できるという利点がある。
【００２５】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、圧電基板の一方の主面に長さ方向に延びる直線状の溝によって分割された第１、第２の電極を設け、圧電素子のノード部分である第１と第２の電極の長さ方向中央部にそれぞれ導電性の支持部材を圧電基板の長さ方向に間隔をあけて固定したので、各電極に設けられた導電性支持部材同士が接近せず、絶縁距離を確保することができる。そのため、圧電素子の第１、第２の電極を外部導体に接続する場合、圧電素子が多少位置ずれしても、第１と第２の電極間がショートする恐れが少なく、接続信頼性の高い圧電素子を得ることができる。また、支持部材が圧電素子を広い間隔で支持するため、圧電素子の傾きを防止できる。そのため、圧電素子の端部が外部導体などに接触して振動が阻害されるという不具合を解消もしくは抑制できる。
さらに、導電性支持部材の空白部を補完するように、導電性支持部材と同一高さの絶縁性支持部材が溝を隔てて導電性支持部材と対向する位置に固定されているので、導電性支持部材と絶縁性支持部材とによって圧電素子を広い面積で支持することになり、高強度で接着することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の前提となる圧電素子の斜視図である。
【図２】図１の圧電素子のノード部分の拡大図である。
【図３】図１の圧電素子の製造方法を示す工程図である。
【図４】図１の圧電素子を搭載した圧電部品の分解斜視図である。
【図５】図４の圧電部品の組み立て状態の斜視図である。
【図６】本発明にかかる圧電素子の第１実施例の斜視図である。
【図７】図６の圧電素子の製造方法を示す工程図である。
【図８】図６の圧電素子を取付基板に搭載する方法を示す拡大図である。
【図９】本発明にかかる圧電素子の第２実施例の斜視図である。
【図１０】本発明にかかる圧電素子の第３実施例の斜視図である。
【符号の説明】
３０ 圧電素子
３１ 圧電基板
３２ 溝
３３ 入力電極
３４ａ，３４ｂ 出力電極
３６ａ，３７ａ，３８ａ 導電性支持部材
３６ｂ，３７ｂ，３８ｂ 絶縁性支持部材
３５ 共通電極

Claims (3)

1. 長方形の圧電基板の一方の主面に長さ方向に延びる直線状の溝によって分割された第１、第２の電極を有するとともに、他方の主面に第３の電極を有し、
   第１の電極と第２の電極との間に信号が入力され、長さ方向振動モードの振動が励振される圧電素子であって、
   上記圧電素子のノード部分である上記第１、第２の電極の長さ方向中央部に、それぞれ導電性支持部材が圧電基板の長さ方向に間隔をあけて固定されるとともに、上記導電性支持部材と同一高さの絶縁性支持部材が、溝を隔てて導電性支持部材と対向する位置に固定されていることを特徴とする圧電素子。
2. 上記圧電基板の一方の主面には長さ方向に延びる直線状の２本の溝によって分割された３個の電極を有し、
   溝によって分割された中央の電極を第１の電極とし、両側の電極を第２の電極とし、
   第１の電極上に固定された上記導電性支持部材と、第２の電極上に固定された上記導電性支持部材とは、千鳥状に配列されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
3. 長さ方向振動モードを利用した圧電素子の製造方法であって、
   圧電マザー基板の両主面に電極を形成する工程と、
   圧電マザー基板の一方の主面であって、上記圧電素子のノード部となる部分に導電性材料を千鳥状に連続してのびるように形成する工程と、
   上記導電性材料の隙間を埋めるように絶縁性材料を帯状に形成する工程と、
   上記導電性材料が露出するように、かつ上記導電性材料と絶縁性材料の上面が同一高さになるように平坦に研磨する工程と、
   圧電マザー基板の一方の主面に、千鳥状の導電性材料が連続してのびる方向と垂直な方向に、千鳥状に連続して形成された一方の列にある導電性材料と他方の列にある導電性材料の間を通り、かつ電極を分割する深さの直線状の溝を形成する工程と、
   上記溝と平行なカットラインで圧電マザー基板を一定幅でカットし、圧電素子を得る工程と、を含む圧電素子の製造方法。

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