JP5941162B2

JP5941162B2 - 圧電部品

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Publication number: JP5941162B2
Application number: JP2014554500A
Authority: JP
Inventors: 慶明岩河
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2013-12-25
Publication date: 2016-06-29
Anticipated expiration: 2033-12-25
Also published as: US20150333728A1; US9837978B2; JPWO2014104110A1; CN104838589A; EP2940864A4; WO2014104110A1; EP2940864A1; EP2940864B1

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。

マイクロコンピュータ等のクロックパルス発振器用の小型共振子として、圧電素子を利用した圧電共振子が多用されている。例えば、図７に示すように、支持基板６１と、該支持基板６１上に両端が導電性接合材６２で固定された圧電素子６３とを備え、支持基板６１の上面に設けられた電極６４および下面に設けられた電極６５によって容量が形成され容量素子とされた圧電部品（圧電共振子）が知られている（特許文献１を参照）。

ここで、圧電素子は、圧電磁器を短冊状に形成した基板の両主面にそれぞれ長手方向の異なる向きに延びるように振動電極が形成された構成になっている。

特開２００５−２１０４０４号公報

上記の圧電素子を支持基板上に搭載した圧電部品は、より小型化が求められている。しかし、圧電素子における対向する振動電極によって形成され、閉じ込められている振動が、小型化によって近接した両端の導電性接合材６２を介して外部に向かって漏れて、振動エネルギーが低減し、振動特性が低下するおそれがある。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、振動の漏れが抑制された振動特性に優れた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、支持基板と、該支持基板上に搭載された圧電素子とを含み、該圧
電素子は、一方主面および他方主面に互いに対向する領域を有するように電極を備え、かつ該電極が対向する領域を除く前記一方主面および前記他方主面の両主面に幅方向に延びる凹み領域を備えており、それぞれの前記凹み領域における前記電極に近い側の前記幅方向に延びる角部の少なくとも一部が曲面になっていて、前記一方主面に設けられた前記凹み領域の曲面と前記他方主面に設けられた前記凹み領域の曲面とを前記一方主面および前記他方主面に垂直な縦断面で見たとき、それぞれの曲線の曲率半径が異なっていることを特徴とする。

本発明によれば、厚みが薄くなっている凹み領域では振動波の伝搬が抑制されるため、圧電素子の両端への振動の漏れが抑制される。さらに、凹み領域において電極に近い側の幅方向に延びる角部の少なくとも一部が曲面になっていることで、振動の反射によるリップルの発生を抑制することができる。したがって、振動特性に優れた圧電部品を実現できる。

（ａ）は本発明の圧電部品の実施の形態の一例を示す一部省略概略平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ線で切断した概略断面図、（ｃ）は（ａ）に示す圧電部品の要部の拡大斜視図である。（ａ）は本発明の圧電部品の実施の形態の他の例を示す一部省略概略平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ線で切断した概略断面図、（ｃ）は（ａ）に示す圧電部品の要部の拡大斜視図である。（ａ）〜（ｃ）は本発明の圧電部品の実施の形態の他の例の要部拡大斜視図である。（ａ）は本発明の圧電部品の実施の形態の他の例を示す一部拡大断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す領域Ｘの拡大図、（ｃ）は（ａ）に示す領域Ｙの拡大図である。（ａ）は本発明の圧電部品の実施の形態のさらに他の例を示す一部拡大断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す領域Ｘの拡大図、（ｃ）は（ａ）に示す領域Ｙの拡大図である。（ａ）は本発明の圧電部品の実施の形態の他の例を示す一部省略概略平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ線で切断した概略断面図、（ｃ）は（ａ）に示す圧電部品の要部の拡大斜視図である。（ａ）は従来の圧電部品の実施の形態の一例を示す一部省略概略平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ線で切断した概略断面図である。

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一部省略（蓋体省略）概略平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すＡ−Ａ線で切断した概略断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）に示す圧電部品の要部の拡大斜視図である。

図１に示す例の圧電部品は、支持基板１と、支持基板１上に搭載された圧電素子２とを含み、圧電素子２は、一方主面および他方主面に互いに対向する領域を有するように電極（振動電極２２、２３）を備え、かつ電極（振動電極２２、２３）が対向する領域を除く一方主面および他方主面のうちの少なくとも一方に幅方向に延びる凹み領域２４が設けられ、凹み領域２４における電極（振動電極２２、２３）に近い側の幅方向に延びる角部の少なくとも一部が曲面になっている。

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支持基板本体１１を含んでいる。この支持基板本体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。

支持基板１を構成する支持基板本体１１の下面には、一対の信号端子１２１、１２２およびグランド端子１３が設けられていて、支持基板本体１１の上面から側面にかけて、一対の信号端子１２１、１２２と電気的に接続されるように配線導体１４１、１４２が設けられている。これらは、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含む導電性ペーストを印刷し、焼結させてなるものである。また、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。

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。

この圧電素子２は支持基板１の上に搭載されている。具体的には、圧電素子２の両端部が導電性接合材３によって支持基板１上に、振動電極（２２、２３）間で励起される振動が振動可能なように固定されている。

圧電素子２を構成する圧電体２１は、例えば、長さが１．０ｍｍ〜５．０ｍｍ、幅が０．２ｍｍ〜２ｍｍ、厚みが４０μｍ〜１ｍｍの長方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、長さ方向または厚み方向に分極処理したものや、水晶，タンタル酸リチウム，ニオブ酸リチウム等の圧電単結晶を用いる場合には適切な結晶方位を選択したもので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（振動電極２２、２３）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２２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２３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２２、２３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２２が配線導体１４１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２３が配線導体１４２と電気的に接続されている。

導電性接合材３は、支持基板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２２および振動電極２３間に電圧を印加したとき、振動電極２２と振動電極２３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。また、対向する電極の重さの為に振動の閉じ込めが起こるようになっているものである。

なお、支持基板１の上には圧電素子２を覆うように蓋体４が設けられている。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て、これにより、支持基板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、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。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。

そして、電極（振動電極２２または振動電極２３）が対向する領域を除く一方主面および他方主面のうちの少なくとも一方に幅方向に延びる凹み領域２４が設けられている。なお、図では、凹み領域２４が当該凹み領域２４と同一の主面に設けられた電極（振動電極２２または振動電極２３）とは間隔をおいて設けられている。

この凹み領域２４としては、例えば図１に示すように、電極（振動電極２２または振動電極２３）とは間隔をおいて端面までわたる凹み形状、言い換えると、電極（振動電極２２または振動電極２３）とは間隔をおいて段差が設けられた形状が挙げられる。凹み領域２４の深さとしては、例えば０．０１ｍｍ以上で圧電体２１の厚みの５０％以下までの深さであるのが、圧電素子２の強度を維持しつつ後述する効果を発現する点でよい。

また、幅方向に延びるとは、圧電素子２（圧電体２１）の幅方向の距離の少なくとも半分以上まで延びて形成されていることを意味し、特に幅方向の全域にわたって形成されているのが好ましい。

このような凹み領域２４を有することで、振動エネルギーの閉じ込めが効果的に発現し、凹み領域２４の外側（端面側）への振動波の伝搬が抑制されるため、更なる小型化によって振動電極２２、２３が設けられていない領域の端部との間隔が小さくなって端部に振動が伝達しやすくなる場合でも、圧電素子２の端部への振動の漏れが抑制される。したがって、振動エネルギーの低下が抑制され、振動特性に優れた更なる小型化が可能な圧電部品を実現できる。

そして、凹み領域２４における少なくとも電極（振動電極２２、２３）に近い側の幅方向に延びる角部２４１の少なくとも一部が曲面２４２（Ｒ面）になっている。

ここで、少なくとも一部とは、角部２４１の幅方向（圧電素子２の幅方向）の距離の少なくとも３分の１以上の領域であることを意味し、特に半分以上の領域であるのが好ましい。また、電極（振動電極２２、２３）に近い側の角部２４１とは、凹み領域２４における電極（振動電極２２、２３）に近い側であって開口部側の角部２４１および底面側の角部２４１の両方のことを意味するが、開口部側の方が振動しやすく曲面２４２とすることによる効果が高いことから、曲面２４２は開口部側の角部２４１に設けられるのがよい。

なお、開口部側の角部２４１の曲面を縦断面（圧電素子２の長手方向に沿った断面）で見たときの曲率半径は例えば０．００５〜０．０５ｍｍ、底面側の角部２４１の曲面を縦断面（圧電素子２の長手方向に沿った断面）で見たときの曲率半径は例えば０．００５〜０．５ｍｍに設定される。

凹み領域２４において内側（電極側）に向かう反射波が発生するが、凹み領域２４における少なくとも電極（振動電極２２、２３）に近い側の幅方向に延びる角部２４１の少なくとも一部が曲面２４２になっていることで、反射面の角度が厚み方向で変化することにより、反射波が分散されてダンピングされるため、角部２４１による振動の反射によるリップル発生を抑制することができる。したがって、リップルの発生による振動の特性低下（共振特性低下）を抑制することができる。

このような効果は、凹み領域２４の厚みの薄くなっている部位が、電極（振動電極２２または振動電極２３）が対向する領域と導電性接合材３との間にあれば得られる。

ここで、一方主面のみに凹み領域２４が設けられていても効果はあるが、圧電素子２（圧電体２１）の一方主面および他方主面の両主面に凹み領域２４が設けられていることで、両主面において凹み領域２４の外側（端面側）への振動波の伝搬が抑制されるため、圧電素子２の両端部への振動の漏れが抑制される。そして、それぞれの凹み領域２４における電極（振動電極２２または振動電極２３）に近い側の幅方向に延びる角部２４１の少なくとも一部が曲面になっていることで、両主面において振動の反射によるリップルの発生を抑制することができる。したがって、さらに振動特性に優れた圧電部品を実現できる。

また、凹み領域２４としては、図２に示すように溝状であるのが好ましく、これにより、圧電素子２の両端部での厚みが確保できて圧電素子２の保持強度（接合強度）を従来通りに維持できる。

なお、図３（ａ）に示すように、幅方向に延びる凹み領域２４が二つ設けられ、それぞれの凹み領域２４における電極（振動電極２２または振動電極２３）に近い側の角部２４１が曲面になっていてもよい。また、図３（ｂ）に示すように、幅方向に延びる凹み領域２４における電極（振動電極２２または振動電極２３）に近い側の角部２４１の一部が曲面になっていてもよい。

さらに、図３（ｃ）に示すように、溝状の凹み領域２４が圧電素子２の幅方向の全域にわたって設けられていて、この凹み領域２４における電極（振動電極２２または振動電極２３）に近い側の角部２４１の全域が曲面になっていてもよい。曲面２４２が角部２４１の全域にわたって設けられていることで、より振動の反射を抑制し、更にリップルの発生をより抑制することができる。

また、図４に示すように、圧電素子２（圧電体２１）の一方主面および他方主面の両主面に凹み領域２４が設けられている場合に、一方主面に設けられた凹み領域２４の幅方向に延びる少なくとも電極側の角部２４１および他方主面に設けられた凹み領域２４の幅方向に延びる少なくとも電極側の角部２４１のそれぞれの少なくとも一部が曲面２４２になっているのが好ましい。図では、後述するように電極側および反対側の全ての角部２４１が曲面２４２になっている。一方主面および他方主面の両主面に設けられた凹み領域２４の幅方向に延びる角部２４１がそれぞれ曲面２４２になっていることで、両主面において振動の反射を抑制してリップルの発生を抑制することができる。

また、図４に示すように、一方主面および他方主面に垂直な縦断面（圧電素子２の長手方向に沿った断面）で、一方主面に設けられた凹み領域２４の曲面と他方主面に設けられた凹み領域２４の曲面とを見たとき、それぞれの曲線の曲率半径は異なっているのが好ましく、これにより、それぞれの曲面の間における反射によって発生する可能性のあるリップルの周波数を異なるものにして分散させることができ、リップルの大きさを小さくすることができる。なお、それぞれの曲率半径の差は０．０１ｍｍ以上であるのが効果的である。

また、図４および図５に示すように、凹み領域２４における凹み領域２４と同じ主面側に配置された電極（振動電極２２、２３）に近いほうの角部および遠いほうの角部のそれぞれに曲面が設けられているのが好ましく、これによりさらに振動の反射が抑制され、効果的にリップルの発生を抑制することができる。

そして、図５に示すように、一方主面および前記他方主面に垂直な縦断面（圧電素子２の長手方向に沿った断面）で、凹み領域２４における凹み領域２４と同じ主面側に配置された電極（振動電極２２、２３）に近いほうの曲面２４２と遠いほうの曲面２４２とを見たとき、それぞれの曲線の曲率半径が異なっているのが好ましく、これにより、それぞれの曲面の間における反射によって発生する可能性のあるリップルの周波数を異なるものにして分散させることができ、リップルの大きさを小さくすることができる。なお、それぞれの曲率半径の差は０．０１ｍｍ以上であるのが効果的である。また、近いほうの曲面２４２と遠いほうの曲面２４２のどちらの曲率半径が大きくてもよい。

図１乃至図５に示す例は、凹み領域２４が当該凹み領域２４と同一の主面に設けられた電極（振動電極２２または振動電極２３）とは間隔をおいて設けられている構成のものであるが、これらの例に限定されず、電極（振動電極２２または振動電極２３）が対向する領域を除いた領域に設けられていればよい。

具体的には、図６に示すように、電極（振動電極２２または振動電極２３）が対向する領域を除く電極（振動電極２２または振動電極２３）が設けられた領域に凹み領域２４があってもよい。特に、図６に示すようにそれぞれの主面の両方の端部側（電極が設けられている一方の端部側および電極が設けられていない他方の端部側）に凹み領域２４があることによって、振動の漏れを抑制する効果が高くなる。

さらに、図６では、凹み領域２４がそれぞれの主面に平面視で重なる位置（長手方向に対して同じ位置）に設けられているが、圧電素子２の強度維持のためにずらして設けられていてもよい。

ただし、図１乃至図５に示す例のように、凹み領域２４が当該凹み領域２４と同一の主面に設けられた電極（振動電極２２または振動電極２３）とは間隔をおいて設けられている構成のほうが、電極形成後に凹み領域２４を形成できるとともに、凹み領域２４の内面や角部における電極厚みのむらなどを考慮しなくてもよいという効果がある。

次に、本実施の形態の圧電部品１の製造方法について説明する。

まず、支持基板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。

次に、圧電素子２を構成する圧電体２１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、整粒した。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。ここで、圧電素子２の凹み領域２４およびＲ面２４２は、レーザー加工またはサンドブラスト加工を用いたり、積層構造として表面側に配置する層に孔を設けたりすることで、形成することができる。
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２２および振動電極２３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配線導体１４１、１４２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の開口周縁面を支持基板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支持基板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を支持基板１の上面に載せる。しかる後に、蓋体４または支持基板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を支持基板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。

以上のような方法によれば、振動エネルギーの漏れや振動の反射が抑制されることによって特性劣化の少ない圧電部品を得ることができ、更なる小型化でも高性能の圧電部品を生産性よく製造することが可能となる。

１：支持基板
１１：支持基板本体
１２１、１２２：信号端子
１３：グランド端子
１４１、１４２：配線導体
２：圧電素子
２１：圧電体
２２、２３：振動電極
３：導電性接合材
４：蓋体

Claims

支持基板と、該支持基板上に搭載された圧電素子とを含み、該圧電素子は、一方主面および他方主面に互いに対向する領域を有するように電極を備え、かつ該電極が対向する領域を除く前記一方主面および前記他方主面の両主面に幅方向に延びる凹み領域を備えており、それぞれの前記凹み領域における前記電極に近い側の前記幅方向に延びる角部の少なくとも一部が曲面になっていて、前記一方主面に設けられた前記凹み領域の曲面と前記他方主面に設けられた前記凹み領域の曲面とを前記一方主面および前記他方主面に垂直な縦断面で見たとき、それぞれの曲線の曲率半径が異なっていることを特徴とする圧電部品。
前記凹み領域は溝状であることを特徴とする請求項１に記載の圧電部品。
支持基板と、該支持基板上に搭載された圧電素子とを含み、該圧電素子は、一方主面および他方主面に互いに対向する領域を有するように電極を備え、かつ該電極が対向する領域を除く前記一方主面および前記他方主面のうちの少なくとも一方に幅方向に延びる溝状の凹み領域を備えており、該凹み領域における当該凹み領域と同じ主面側に配置された前記電極に近い側の角部および遠い側の角部のそれぞれに曲面が設けられていて、前記凹み領域における当該凹み領域と同じ主面側に配置された前記電極に近い側の曲面と遠い側の曲面とを前記一方主面および前記他方主面に垂直な縦断面で見たとき、それぞれの曲線の曲率半径が異なっていることを特徴とする圧電部品。
前記凹み領域は、当該凹み領域と同一の主面に設けられた前記電極とは間隔をおいて設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちのいずれかに記載の圧電部品。
前記曲面が前記幅方向に延びる前記角部の全域にわたって設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちのいずれかに記載の圧電部品。