JP6117555B2 - Piezoelectric parts - Google Patents
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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。 The present invention relates to a piezoelectric component capable of obtaining highly reliable and highly accurate frequency characteristics.
従来、図8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て容量素子とされたレゾネータ(圧電部品)が知られている(特許文献1を参照)。
Conventionally, as shown in FIG. 8, a
このようなレゾネータ(圧電部品)は、支持基板61に容量を形成する領域を確保する必要があることから、小型化が難しい。また、多数個取りによって製造しようとすると、隣の個片の電極による浮遊容量を拾って精度よく周波数を測定し調整された圧電部品とするのが難しい。
Such a resonator (piezoelectric component) is difficult to reduce in size because it is necessary to secure a region for forming a capacity on the
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、小型化が可能で、多数個取りによっても精度よく周波数調整可能な圧電部品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 of the present invention is to provide a piezoelectric component that can be miniaturized and can be adjusted in frequency with high accuracy even by taking multiple pieces.
本発明の圧電部品は、支持基板と、該支持基板上に両端が固定されかつ振動可能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を備え、かつ前記一方主面および前記他方主面にそれぞれ前記電極とは間隔をおいて絶縁されるとともに反対側の主面に配置された前記電極との間で容量を形成するように配置された容量形成用電極を備えており、前記電極の形成材料と前記容量形成用電極の形成材料とが異なっていることを特徴とする。
The piezoelectric component of the present invention includes a support substrate and a piezoelectric element having both ends fixed on the support substrate and mounted so as to vibrate. The piezoelectric element opposes one main surface and the other main surface, respectively. An electrode disposed so as to have a region, and is insulated from the electrode on the one main surface and the other main surface at a distance from each other and between the electrodes disposed on the opposite main surface And a capacitor forming electrode arranged so as to form a capacitor , wherein the electrode forming material and the capacitor forming electrode forming material are different from each other.
また本発明の圧電部品は、前記電極の厚みと前記容量形成用電極の厚みとが異なっていることを特徴とする。 The piezoelectric component according to the present invention is characterized in that the thickness of the electrode is different from the thickness of the capacitor forming electrode.
また本発明の圧電部品は、前記容量形成用電極の表面が絶縁膜で覆われていることを特徴とする。 The piezoelectric component of the present invention is characterized in that the surface of the capacitance forming electrode is covered with an insulating film.
また本発明の圧電部品は、前記一方主面における前記電極と前記容量形成用電極との間隔が、前記他方主面における前記電極と前記容量形成用電極との間隔とは異なっていることを特徴とする。 In the piezoelectric component according to the present invention, the distance between the electrode on the one main surface and the capacitor forming electrode is different from the distance between the electrode on the other main surface and the capacitor forming electrode. And
また本発明の圧電部品は、平面視による前記一方主面に設けられた前記容量形成用電極の面積と前記他方主面に設けられた前記容量形成用電極の面積とが異なっていることを特
徴とする。
The piezoelectric component of the present invention is characterized in that the area of the capacitance forming electrode provided on the one main surface and the area of the capacitance forming electrode provided on the other main surface are different in plan view. And
本発明によれば、個片にする前の多数個取りの状態で近接する配線導体からの影響による浮遊容量を抑え、個々の圧電部品の発振周波数を精度よく測定できるようになる。これにより、高精度な周波数公差を有する圧電部品が多数個取りで製造(量産)でき、低コストで高精度に周波数調整された圧電部品を得ることができる。さらに、本発明によれば、支持基板に容量を形成する領域を確保する必要がないので、小型化が可能な圧電部品となる。 According to the present invention, stray capacitance due to the influence of adjacent wiring conductors can be suppressed in a multi-piece state before being divided into pieces, and the oscillation frequency of each piezoelectric component can be measured with high accuracy. Thereby, a large number of piezoelectric parts having high-accuracy frequency tolerance can be manufactured (mass produced), and a piezoelectric part whose frequency is adjusted with high precision at low cost can be obtained. Furthermore, according to the present invention, since it is not necessary to secure a region for forming a capacitance on the support substrate, the piezoelectric component can be miniaturized.
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。 An example of an embodiment of a piezoelectric component of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1(a)は本発明の圧電部品の実施の形態の一例を示す概略断面図であり、図1(b)は図1(a)に示す圧電素子の拡大図である。また、図2(a)は図1(a)の圧電部品の蓋体を取り外した状態の概略平面図であり、図2(b)は図2(a)に示す支持基板の平面図である。 FIG. 1A is a schematic sectional view showing an example of an embodiment of the piezoelectric component of the present invention, and FIG. 1B is an enlarged view of the piezoelectric element shown in FIG. FIG. 2A is a schematic plan view of the piezoelectric component of FIG. 1A with the lid removed, and FIG. 2B is a plan view of the support substrate shown in FIG. .
図1および図2に示す例の圧電部品は、支持基板1と、支持基板1上に両端が固定されかつ振動可能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(励振電極22、23)を備え、かつ前記一方主面および前記他方主面にそれぞれ電極(励振電極22、23)とは間隔をおいて絶縁されるとともに反対側の主面に配置された電極(励振電極22、23)との間で容量を形成するように配置された容量形成用電極24、25を備えている。
The piezoelectric component of the example shown in FIGS. 1 and 2 includes a
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の四角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、グランド端子13と電気的に接続されるように配線導体143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。
A pair of
支持基板1の上には、圧電素子2が両端を固定されるようにして搭載されている。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上に振動可能に固定されている。
On the
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の四角形状の平板として形成され、長さ方向または厚み方向に分極処理されたものである。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や、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て形成することができる。
The
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(励振電極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励振電極22は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励振電極23は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。この励振電極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の励振電極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の励振電極23が配線導体142と電気的に接続されている。なお、配線導体141における導電性接合材3との接続部および配線導体142における導電性接合材3との接続部は、パッド形状のパターンになっていてもよく、図2においては配線導体142における導電性接合材3との接続部がパッド形状のパターンになっている。
In addition, the
ここで、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。
Here, the
このような圧電素子2は、両端部から励振電極22および励振電極23間に電圧を印加したとき、励振電極22と励振電極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。
In such a
そして、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電極(励振電極22、23)とは間隔をおいて絶縁されるとともに反対側の主面に配置された電極(励振電極22、23)との間で容量(容量素子)を形成するように配置された容量形成用電極24、25を備えている。そして、導電性接合材3を介して圧電素子2の容量形成用電極24および容量形成用電極25が配線導体143と電気的に接続されている。なお、配線導体143におけるそれぞれの導電性接合材3との接続部はパッド形状のパターンになっている。
The
圧電体21を挟んで反対側の主面に配置された電極(励振電極22、23)との間で容量(容量素子)を形成するように容量形成用電極24、25が配置されていることで、圧電体21が持つ誘電体特性を有効に利用することができる。
容量形成用電極24、25も励振電極22、23と同様の材料を用いることができる。また、励振電極22と容量形成用電極24との間および励振電極23と容量形成用電極25との間において得られる静電容量は、圧電素子2と接続されて形成される発振回路のICとのマッチングによって定められる。
The
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。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。
A
圧電素子2が一方主面および他方主面にそれぞれ配置された電極(励振電極22、23)とは間隔をおいて絶縁されるとともに、反対側の主面に配置された電極(励振電極22、23)との間で容量(容量素子)を形成するように配置された容量形成用電極24、25を備えていることで、個片にする前の多数個取りの状態で近接する配線導体からの浮遊容量の影響を抑え、個々の圧電部品の発振周波数を精度よく測定できるようになる。これにより、高精度な発振周波数公差を有する圧電部品が多数個取りで製造(量産)でき、低コストで高精度に周波数調整された圧電部品を得ることができる。
The
さらに、本発明によれば、支持基板1に容量を形成する領域を確保する必要がないので、小型化が可能な圧電部品となる。
Furthermore, according to the present invention, it is not necessary to secure a region for forming a capacitance on the
ここで、図3に示すように、電極(励振電極22、23)の厚みt1と容量形成用電極24、25の厚みt2とが異なっているのが好ましい。これにより、圧電素子2の厚みが不均一となるので、スプリアス特性が改善する。具体的には、容量形成用電極24、25の重さに関係して、容量形成用電極24、25による容量形成部の共振周波数がずれ、圧電素子2の振動周波数(共振周波数)で振動しないようになるため、リップルやスプリアスを抑制することができる。また、振動エネルギーの閉じ込めを保って(励振電極22、23の対向領域での振動を保って)、共振ピークのダンピング(減衰)を抑制することができる。
Here, as shown in FIG. 3, the thickness t1 of the electrodes (
なお、図3(a)は容量形成用電極24、25の厚みt2が励振電極22、23の厚みt1よりも厚い構成を示し、図3(b)は容量形成用電極24、25の厚みt2が励振電極22、23の厚みt1よりも薄い構成を示している。また、図4はスプリアス特性を評価したグラフであり、容量形成用電極24、25の厚みt2と励振電極22、23の厚みt1とが等しい構成よりも図3(a)の構成(t1<t2)のほうが、不要な周波数成分が減衰された良好なスプリアス特性であることを示している。
3A shows a configuration in which the thickness t2 of the
また、容量形成用電極24の厚みと容量形成用電極25の厚みとが異なっていてもよく、リップルやスプリアスの位置を分散させるので、さらにこれらを抑制する効果が高まる。
Further, the thickness of the
また、電極(励振電極22、23)の形成材料と容量形成用電極24、25の形成材料
とが異なっていてもよく、例えば励振電極22、23の形成材料が銀である場合に容量形成用電極24、25の形成材料が金である構成が挙げられる。これにより、圧電素子2上の振動周波数が位置(電極位置)により不均一になるので、スプリアス特性が改善する。すなわち、図3の構成と同様に、容量形成用電極24、25の重さに関係して、容量形成用電極24、25による容量形成部の共振周波数がずれ、圧電素子2の振動周波数(共振周波数)で振動しないようになるため、リップルやスプリアスを抑制することができる。また、振動エネルギーの閉じ込めを保って(励振電極22、23の対向領域での振動を保って)、共振ピークのダンピング(減衰)を抑制することができる。
Further, the forming material of the electrodes (
また、図5に示すように、容量形成用電極24、25の表面が絶縁膜26で覆われているのが好ましく、絶縁膜26としては例えばエポキシやシリコーン等の樹脂材料などが挙げられる。これによっても、容量形成用電極24、25による容量形成部の共振周波数がずれ、圧電素子2の振動周波数(共振周波数)で振動しないようになるため、リップルやスプリアスを抑制することができる。また、振動エネルギーの反射を低減できる。
Further, as shown in FIG. 5, the surfaces of the
また、図6に示すように、圧電素子2の一方主面における電極(励振電極22)と容量形成用電極25との間隔d1が、他方主面における電極(励振電極23)と容量形成用電極24との間隔d2とは異なっているのが好ましく、圧電素子2の振動を左右非対称にすることで、振動エネルギーの漏れや反射を周波数領域で分散させるとともに、スプリアス発生周波数を調整でき、スプリアス特性が改善する。
Further, as shown in FIG. 6, the distance d1 between the electrode (excitation electrode 22) on one main surface of the
また、図7に示すように、励振電極22と容量形成用電極25との間(励振電極23と容量形成用電極24との間)のギャップ形状を曲線状にする、例えば励振電極22の端面形状および励振電極23の端面形状において幅方向中央部で凸となるような丸みを帯びた形状(ちょうど半円または半楕円を描くような形状)にすることで、振動の集中する圧電素子2中心部から放射状に広がる振動に対応した電極形状となるため、振動エネルギーの漏れや反射を抑制するとともに、共振特性(共振抵抗)が改善される。
Further, as shown in FIG. 7, the gap shape between the
また、図6に示すように、平面視による圧電素子2の一方主面に設けられた容量形成用電極24の面積と他方主面に設けられた容量形成用電極25の面積とが異なっているのが好ましく、これにより、圧電体21を挟んで対向する励振電極22と容量形成用電極24との間で形成される容量値C1、圧電体21を挟んで対向する励振電極23と容量形成用電極25との間で形成される容量値C2を異ならせることができるため、ICマッチングが最適化できる。
Further, as shown in FIG. 6, the area of the
なお、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。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various changes and improvements can be made without departing from the scope of the present invention.
次に、本実施の形態の圧電部品の製造方法の例について説明する。 Next, an example of a method for manufacturing a piezoelectric component according to the present embodiment will be described.
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。このグリーンシートに必要により孔加工を施した後、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、積層する。これを例えば900℃〜1600℃のピーク温度で焼成する。
First, a multi-piece substrate for producing the
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。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。
Next, for example, after the raw material powder was mixed with water and a dispersant using a ball mill, the
Polarization is performed by applying a voltage of 6 kV / mm.
圧電体21の上下面に形成される励振電極22および励振電極23、容量形成用電極24および容量形成用電極25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。
The
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。
Then, using the
次に、多数個取り基板の上に圧電素子2が搭載された状態で周波数調整を行う。周波数調整は圧電素子2表面に形成された励振電極22,23および容量形成用電極24,25を、イオンガン等によりエッチングし、長さや厚みを変えることや設計値を変えることでICにマッチングさせる。また発振周波数の調整は、イオンガン照射時に信号端子121、122とグランド端子13に発振周波数測定用の端子を接続し、発振周波数を測定しながら行い、所定の周波数になった時点でイオンガンの照射を停止する方法にて実施する。
Next, frequency adjustment is performed in a state where the
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。
Then, the opening peripheral surface of the
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。 Finally, it is cut by dicing or the like along the boundary of each piezoelectric component (piece).
以上の方法により、本発明の圧電部品が作製される。 The piezoelectric component of the present invention is manufactured by the above method.
以上のような方法によれば、容量を内蔵した圧電部品を得ることができ、小型で高精度の圧電部品を生産性よく製造することが可能となる。 According to the above method, a piezoelectric component with a built-in capacitor can be obtained, and a small and highly accurate piezoelectric component can be manufactured with high productivity.
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
141〜143:配線導体
2:圧電素子
21:圧電体
22、23:励振電極
24、25:容量形成用電極
26:絶縁膜
3:導電性接合材
4:蓋体
1: support substrate 11: support substrate body 121, 122: signal terminal 13: ground terminals 141-143: wiring conductor 2: piezoelectric element 21:
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