JPH08111626A - 圧電部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】低背化が可能で、圧電素子に悪影響を与えず、
かつ熱衝撃等による封止性劣化を防止できる圧電部品を
提供する。 【構成】アルミナ製基板１０上に圧電素子２０を接着固
定し、圧電素子２０の電極２２，２３を基板上に形成さ
れた外部電極１１，１２に接続する。基板１０上に圧電
素子２０を覆う金属製キャップ３０を、キャップと基板
との熱膨張係数差を緩和する物性を有する接着剤２５に
より接着封止する。接着剤２５は硬化後の弾性率が１，
５００〜７，０００ＭＰａのエポキシ系接着剤である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧電部品、特に表面実装
型の圧電部品に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、圧電部品の一例として図１に示さ
れるような表面実装型の圧電発振子が知られている。表
面実装型の圧電発振子は、実装時に洗浄処理を行うた
め、製品に液密性が必要である。液密性確保のため、電
極２，３を形成したアルミナ製基板１上に発振子素子４
を搭載した後、その上からアルミナ製キャップ５を被
せ、接着剤６で封止している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、アルミ
ナ製キャップ５は成形，焼成コストがかかり、高価なう
え、加工面から肉厚が最低でも０．５ｍｍ程度必要にな
るという欠点がある。圧電発振子はＩＣと合わせて使用
することが多く、製品高さをＩＣの高さ以下にするのが
望ましい。ＩＣの高さは近年非常に低くなり（例えば
１．２ｍｍ程度）、アルミナ製キャップを用いた場合に
は要求される製品高さを満足できない場合があった。

【０００４】製品高さを低くするため、金属製キャップ
を用いることが考えられる。金属製キャップとアルミナ
製基板との封止方法としては、通常ガラス封止や半田封
止が考えられるが、これらの封止方法では工程数が多
く、加工コストが高くなる欠点がある。特にガラス封止
の場合には、加工時に高温となるため、圧電素子に対し
て悪影響（ディポール）を及ぼすという欠点がある。ま
た、金属とセラミックでは熱膨張係数が大きく異なるた
め、一般の接着剤で封止を行うと、熱衝撃が加わった時
に接着剤や基板に亀裂が発生する恐れがあり、封止性が
劣化する。

【０００５】そこで、本発明の目的は、低背化が可能
で、圧電素子に悪影響を与えず、かつ熱衝撃等による封
止性劣化を防止できる圧電部品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、本発明は、絶縁性材料よりなる基板上に圧電素子を
接着固定し、圧電素子の電極を基板上に形成された外部
電極に接続するとともに、基板上に上記圧電素子を覆う
金属製キャップを、キャップと基板との熱膨張係数差を
緩和する物性を有する接着剤により接着封止したもので
ある。

【０００７】上記接着剤としては、金属とセラミックと
の接着性に優れ、かつ圧電素子がディポールしない温度
で硬化させることができる点で、エポキシ系接着剤を使
用するのが望ましい。また、金属とセラミックとの熱膨
張係数差を十分に吸収するには、硬化後の弾性率が１，
５００〜７，０００ＭＰａの接着剤を使用するのが望ま
しい。また、金属製キャップとしてアルミニウムもしく
はその合金あるいは洋白製キャップを用いると、小型化
および加工が容易である。また、基板としては、強度お
よびコストの面でアルミナ製基板を用いるのが望まし
い。なお、絶縁性基板としては、アルミナ製基板のほ
か、ガラスエポキシ樹脂など他の絶縁材料よりなる基板
を用いてもよい。

【０００８】

【作用】絶縁性基板の上に金属製キャップを接着した場
合、周囲温度が上昇すると、基板およびキャップが共に
熱膨張を起こす。例えば、アルミナ製基板とアルミニウ
ム製キャップの組み合わせの場合、アルミニウムの熱膨
張係数がアルミナに比べて７〜８倍であるため、熱膨張
係数差による接着剤や基板の亀裂が発生しやすい。本発
明ではこの熱膨張係数差を接着剤により吸収または緩和
しているため、封止性劣化を解消できる。

【０００９】

【実施例】図２は本発明の第１実施例である表面実装型
圧電発振子を示す。この圧電発振子は、基板１０と、発
振子素子２０と、キャップ３０とで構成されている。基
板１０はアルミナセラミックスをシート成形あるいはタ
ブレット成形した厚み０．３〜０．７ｍｍの薄板であ
り、この実施例では０．４ｍｍのものを使用した。基板
１０の両端部には２個の外部電極１１，１２が形成され
ている。これら電極１１，１２は、スパッタリング、蒸
着、印刷、溶射など公知の方法で形成されるが、この実
施例では、固着強度と半田付け性を考慮し、Ａｇ／Ｐｄ
系焼付けタイプの導電ペーストを５〜２０μｍの厚みに
印刷し、８５０℃／１時間で焼成した。上記電極１１，
１２の端部は、基板１０の両側縁部に形成された凹状の
スルーホール部１０ａまで引き出され、スルーホール部
１０ａの内面に形成された電極と導通している。なお、
図２には図示しないが、基板１０の下面にも上記電極１
１，１２と導通する帯状電極が鉢巻き状に形成されてい
る。

【００１０】上記電極１１，１２の上には、導電性接着
剤１３や半田のような導電性と接着性の機能を併せ持つ
材料によって発振子素子２０が接着固定されている。こ
の実施例の発振子素子２０は公知の厚みすべり振動モー
ド発振子であり、図３のように、圧電セラミックスまた
は圧電単結晶からなる圧電基板２１の表面の一端側から
約２／３の領域に渡って電極２２が形成され、裏面の他
端側から約２／３の領域に渡って電極２３が形成されて
いる。両電極２２，２３の一端部は圧電基板２１を間に
してその中間部位で対向し、振動部を構成しており、こ
の振動部は導電性接着剤１３の厚みによって基板１０と
接触しないように一定の空間が確保されている。上記電
極２２，２３の他端部２２ａ，２３ａは圧電基板２１の
端面を経て他面側まで回り込んでいる。上記のように導
電性接着剤１３で接着することにより、発振子素子２０
の電極２２，２３はそれぞれ電極１１，１２と電気的に
導通する。なお、発振子素子２０の電極パターンは上記
のものに限らず、図４のような電極パターンであっても
よい。図４において、図３と同一部分には同一符号を付
して説明を省略する。

【００１１】キャップ３０は、上記発振子素子２０を覆
うように基板１０上に接着剤２５によって接着されてい
る。キャップ３０は図５のようにハット型断面形状に形
成され、その開口部には外側に開いたフランジ３１が全
周に形成されている。平坦なフランジ部３１により基板
１０との接着面積を大きくすることができる。なお、こ
の実施例のキャップ３０は金属板を絞り成形したものを
用いたが、圧印加工，ダイキャスト加工などで形成して
もよい。

【００１２】図６はキャップ３０の強度試験結果を示
す。チップ部品の強度基準として、φ２ｍｍのピンで３
ｋｇｆの荷重をかけた時、キャップ３０は１０μｍ以上
変形しないことが必要である。０．２ｍｍ厚のアルミニ
ウム、Ａｌ合金（Ａ−５０００系）および洋白で図５の
ような形状に成形し、強度試験を行ったところ、Ａｌ合
金および洋白は基準を満足できた。なお、キャップ３０
の材質としては、強度のほかに成形性（小型化と寸法精
度），接着性の条件を満足すれば、Ａｌ合金および洋白
に限らず、他の材料（例えば鉄，４２アロイ等）でもよ
い。

【００１３】なお、上記のような０．２ｍｍ厚の金属製
キャップ３０を用いれば、基板１０の厚みが０．４ｍ
ｍ、振動空間が０．５５ｍｍとして、全体として製品高
さが１．１５ｍｍとなり、目標とする１．２ｍｍ以下の
低背型圧電発振子を得ることが可能となる。

【００１４】基板１０とキャップ３０とを接着する接着
剤２５には、耐熱性や耐薬品性からエポキシ系，エポキ
シ−アクリレート系，シリコーン系の接着剤が考えられ
るが、金属製キャップ３０との接着性とコスト面からエ
ポキシ系接着剤が望ましい。また、圧電セラミック材料
よりなる発振子素子２０の場合、高温下でディポールす
る性質があるが、エポキシ系接着剤は通常２００℃以下
で硬化するため、発振子素子２０をディポールさせる恐
れはない。ここでは、１５０℃／１時間で硬化する接着
剤を用いた。また、接着剤２５には金属製キャップ３０
とアルミナ製基板１０とを接着するとともに、その熱膨
張係数差を吸収または緩和する機能が必要である。その
ため、接着剤２５の硬化後の弾性率を１，５００〜７，
０００ＭＰａ程度とした。今回は、弾性率５，０００Ｍ
Ｐａの接着剤を使用した。なお、接着剤２５の塗布方法
は、基板１０上への印刷，注入などがあるが、ここでは
接着剤２５を均一に延ばした槽にキャップ３０のフラン
ジ部３１を漬け、接着剤２５を転写する方法を採用し
た。

【００１５】以上の方法で圧電発振子を製作し、その封
止性を試験した結果を表１に示す。表１では、圧電発振
子をフロリナート（商品名）に浸漬し、３０秒間に接着
部から泡が出る個数を測定した。この中で、は２６０
℃で３０秒間加熱を２回繰り返した後、フロリナートに
浸漬したものであり、は−５５℃から８５℃まで冷却
−加熱を１００回繰り返した後、フロリナートに浸漬し
たものであり、は１０〜５５Ｈｚの振動を２時間加え
た後、フロリナートに浸漬したものであり、は６０
℃，湿度９５％の環境下で１０００時間放置した後、フ
ロリナートに浸漬したものである。

【００１６】

【表１】

【００１７】表１から明らかなように、弾性率５，００
０ＭＰａの接着剤を用いた場合、耐熱性，耐熱衝撃性，
耐振動性，耐湿性の何れの試験でもリーク不良はなく、
優れた封止性能を備えていることが実証された。

【００１８】図７は、弾性率の異なる種々の接着剤を用
いてグロスリークテストを行った結果を示す。横軸は接
着剤の弾性率、縦軸はリーク不良数（個）である。キャ
ップにはアルミニウム製キャップを用い、基板にはアル
ミナ基板（電極なし）を用いた。接着剤量は０．７ｍｇ
／個、加圧力は５０ｇとした。そして、フロリナートに
３０秒間浸漬し、気泡が発生した場合を不良とした。図
７から明らかなように、弾性率が１，５００ＭＰａ〜
７，０００ＭＰａの範囲の接着剤を用いた場合、良好な
封止性が得られた。

【００１９】ところで、最適な接着剤を選定するには、
まず接着力がある一定基準以上の接着剤を選び、次いで
添加剤を加えて可撓性を付与（弾性率を低下）する方法
がよい。通常、可撓性を付与すると、耐熱性，耐湿性が
劣化するため、両方の兼ね合いから弾性率（添加剤量）
を決定する必要があるからである。図８は、弾性率８０
００ＭＰａの接着剤に可撓性付与剤を添加した時の弾性
率の変化を示す。例えば、可撓性付与剤を２５重量％添
加した場合、弾性率は５０００ＭＰａまで低下した。可
撓性付与剤の添加量の増加に従い、図９，図１０のよう
に耐熱性および耐湿性も劣化するが、添加量が２５重量
％の場合、耐熱性および耐湿性は許容レベルに対して１
０％程度の余裕がある。なお、耐熱性はガラス転移点か
ら決定され、耐湿性は吸水率から決定した。

【００２０】図１１は本発明にかかる圧電部品の第２実
施例を示す。この実施例は、コルピッツ型発振回路に用
いられる１個の発振子素子Ｏと２個のコンデンサＣ₁ ，
Ｃ₂とを備えた負荷容量内蔵型発振子であり、その電気
回路は図１２のようになる。

【００２１】基板４０は、第１実施例と同様に、アルミ
ナセラミックスなどの絶縁性基板よりなり、基板４０の
上面中央部には第１容量電極４１が形成され、上面両端
部には２個の外部電極４２，４３が形成されている。上
記電極４１〜４３の端子部４１ａ〜４３ａは、基板４０
の両側縁部に形成された凹状のスルーホール部４０ａま
で引き出され、スルーホール部４０ａの内面に形成され
た電極と導通している。なお、図１１には図示しない
が、基板４０の下面にも上記電極４１〜４３と導通する
帯状電極が鉢巻き状に形成されている。

【００２２】上記基板４０の第１容量電極４１上、およ
びキャップ接着部に相当する部位上には、ペースト状の
誘電体層４５が一定厚みにかつ同時に形成されている。
誘電体層４５の材料としては、樹脂ベースやガラスベー
スがあるが、この実施例では絶縁性，耐湿性等を考慮し
てガラスベースを用いた。誘電体層４５の形成方法とし
ては、印刷、転写、ディスペンスなどがあるが、層の厚
みを正確にコントロールできるパターン印刷方式を用い
るのが望ましい。誘電体層４５の厚みは、目的とする負
荷容量値によって異なるが、電極４１〜４３による凹凸
を緩和し、かつ後述するキャップ５５と電極４１〜４３
との間の十分な絶縁性が確保されるように、例えば４０
μｍ程度とした。印刷後、乾燥処理を行い、さらに８５
０℃／１時間で焼成し、硬化処理を行った。この実施例
の誘電体層４５は、第１容量電極４１を覆う容量部４５
ａとキャップ接着部に対応する枠状の接着部４５ｂとを
連続的に形成し、両端部近傍に外部電極４２，４３の一
部が露出する２個の窓穴４５ｃを形成したものである
が、容量部４５ａと接着部４５ｂとを分離したものでも
よい。この場合には、誘電体ペーストの使用量を節約で
きる。

【００２３】上記誘電体層４５の上には、２個の第２容
量電極４６，４７がスパッタリング、蒸着、印刷、溶射
など公知の方法で形成される。これら容量電極４６，４
７は、その主要部が容量部４５ａを間にして第１容量電
極４１と対向しており、一部がそれぞれ外部電極４２，
４３と窓穴４５ｃを介して導通する。

【００２４】第２容量電極４６，４７の上には、導電性
接着剤４８のような導電性と接着性の機能を併せ持つ材
料によって発振子素子５０が接着固定されている。この
実施例の発振子素子５０も、第１実施例（図３参照）と
同様の電極パターンを有する発振子素子である。即ち、
圧電基板５１の表面の一端側から約２／３の領域に渡っ
て電極５２が形成され、裏面の他端側から約２／３の領
域に渡って電極５３が形成されている。両電極５２，５
３の一端部は圧電基板５１を間にしてその中間部位で対
向し、振動部を構成しており、この振動部は導電性接着
剤４８の厚みによって第２容量電極４６，４７と接触し
ないように一定の空間が確保されている。上記電極５
２，５３の他端部５２ａ，５３ａは圧電基板５１の端面
を経て他面側まで回り込んでいる。上記のように導電性
接着剤４８で接着することにより、発振子素子５０の電
極５２，５３はそれぞれ第２容量電極４６，４７と電気
的に導通する。

【００２５】キャップ５５は、上記発振子素子５０を覆
うように基板４０上に接着剤５６によって接着される。
なお、キャップ５５の開口部にはフランジが形成されて
いない。キャップ５５の材料としては、第１実施例と同
様のものを用いた。接着剤５６には、第１実施例と同様
に、キャップ５５と基板４０との熱膨張係数差を十分に
吸収できる材料（例えばエポキシ系接着剤）を用い、キ
ャップ５５の開口部底面に転写により塗布した後、誘電
体層４５の接着部４５ｂ上に接着し、硬化させた。

【００２６】図１３は本発明にかかる圧電部品の第３実
施例を示す。この実施例も、第２実施例と同様にコルピ
ッツ型発振回路に用いられる負荷容量内蔵型発振子であ
る。第２実施例ではペースト状の誘電体層４５を用いて
コンデンサを形成したが、この実施例では別体のコンデ
ンサ素子を用いている。基板６０は、第１，第２実施例
と同様に、アルミナセラミックスなどの絶縁性基板より
なり、基板６０の中央部と両端部の表裏面には３個の外
部電極６１〜６３が形成されている。上記電極６１〜６
３の端部は、基板６０の両側縁部に形成された凹状のス
ルーホール部６１ａ〜６３ａまで引き出され、スルーホ
ール部６１ａ〜６３ａの内面に形成された電極を介して
表裏の外部電極６１〜６３が互いに導通している。上記
基板６０の上面でかつ上記電極６１〜６３の上側には、
キャップ接着部に相当する枠形の絶縁体層６４が一定厚
みに形成されている。絶縁体層６４の材料としては、樹
脂ベースやガラスベースなどがあり、その形成方法とし
ては、印刷、転写、ディスペンスなど公知の方法を用い
ればよい。

【００２７】上記基板６０上には、導電性接着剤のよう
な導電性と接着性の機能を併せ持つ材料６５〜６７によ
って、発振子素子７０とコンデンサ素子８０とを積層一
体化したものが接着固定されている。この実施例の発振
子素子７０も、第１，第２実施例と同様の厚みすべり振
動モードの発振子素子である。即ち、図１４に示すよう
に、圧電基板７１の表面の一端側から約２／３の領域に
渡って電極７２が形成され、裏面の他端側から約２／３
の領域に渡って電極７３が形成されている。両電極７
２，７３の一端部は圧電基板７１を間にしてその中間部
位で対向し、振動部を構成している。上記電極７２，７
３の他端部７２ａ，７３ａは圧電基板７１の両端面を経
て他面側まで回り込んでいる。

【００２８】また、コンデンサ素子８０は、図１５に示
すように、発振子素子７０と同長，同幅の誘電体基板
（例えばセラミックス基板）８１の表面に、両端から中
央に向かって延びる２個の個別電極８２，８３を形成
し、裏面には上記個別電極８２，８３と対向する１個の
共通電極８４を形成したものであり、個別電極８２，８
３と共通電極８４との対向部で２個の容量部が形成され
る。なお、個別電極８２，８３の端部８２ａ，８３ａ
は、誘電体基板８１の両端面を経て裏面側まで回り込ん
でいる。

【００２９】発振子素子７０の裏面とコンデンサ素子８
０の表面は、その両端部で導電性接着剤のような導電性
と接着性の機能を併せ持つ材料９０，９１によって、接
着固定されている。この時、発振子素子７０の振動部と
コンデンサ素子８０との間には、材料９０，９１の厚み
によって所定の振動空間が形成される。このようにし
て、発振子素子７０の一方の電極７３とコンデンサ素子
８０の一方の個別電極８２とが接続され、他方の電極７
２と他方の個別電極８３とが接続される。なお、発振子
素子７０の表面の両端部上には、樹脂などからなる周波
数調整用のダンピング材９２，９３が塗布されている。
発振子素子７０とコンデンサ素子８０とを接着一体化し
た後、コンデンサ素子８０の裏面側を材料６５〜６７に
よって基板６０に接着すると、コンデンサ素子８０の一
方の個別電極８２の端部８２ａが電極６１に、他方の個
別電極８３の端部８３ａが電極６３に、共通電極８４が
電極６２にそれぞれ接続される。

【００３０】キャップ１００は、上記発振子素子７０お
よびコンデンサ素子８０を覆うように基板６０上に接着
剤１０１によって接着される。なお、キャップ１００の
開口部にはフランジが形成されていない。キャップ１０
０の材料としては、第１実施例と同様の材料を用いた。
接着剤１０１には、第１実施例と同様に、キャップ１０
０と基板６０との熱膨張係数差を十分に吸収できる材料
（例えばエポキシ系接着剤）を用い、キャップ１００の
開口部底面に転写により塗布した後、絶縁体層６４の上
に接着し、硬化させた。

【００３１】なお、本発明は上記実施例のような発振子
や負荷容量内蔵型発振子のほか、フィルタ等の他のあら
ゆる圧電部品にも適用できることは勿論である。

【００３２】

【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、絶縁性材料よりなる基板上に圧電素子を接着固
定し、圧電素子の電極を基板上に形成された外部電極に
接続するとともに、基板上に上記圧電素子を覆う金属製
キャップを、キャップと基板との熱膨張係数差を緩和す
る物性を有する接着剤により接着封止したので、熱衝撃
を接着剤により吸収でき、割れによる封止不良を解消で
きる。また、加工容易で安価な金属製キャップを用いる
ことができるので、アルミナ製キャップを用いた従来品
に比べて安価に製造できるとともに、アルミナ製キャッ
プを用いた従来品では達成しえなかった低背化を実現で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の表面実装型圧電発振子の分解斜視図であ
る。

【図２】本発明の第１実施例の圧電発振子の分解斜視図
である。

【図３】図１に示された圧電発振子で用いられる発振子
素子の表裏面図である。

【図４】発振子素子の他の例の表裏面図である。

【図５】金属製キャップの一部断面側面図である。

【図６】素材の異なるキャップの強度試験結果である。

【図７】接着剤の弾性率とリーク不良数との関係を示す
図である。

【図８】接着剤への可撓性付与剤の添加量と弾性率との
関係を示す図である。

【図９】接着剤への可撓性付与剤の添加量と耐熱性との
関係を示す図である。

【図１０】接着剤への可撓性付与剤の添加量と耐湿性と
の関係を示す図である。

【図１１】本発明の第２実施例の負荷容量内蔵型発振子
の分解斜視図である。

【図１２】図１１に示された発振子の電気回路図であ
る。

【図１３】本発明の第３実施例の負荷容量内蔵型発振子
の分解斜視図である。

【図１４】図１３に示された発振子で用いられる発振子
素子の表裏面図である。

【図１５】図１３に示された発振子で用いられるコンデ
ンサ素子の表裏面図である。

【符号の説明】

１０ 基板 １１，１２ 外部電極 ２０ 発振子素子 ２２，２３ 電極 ２５ 接着剤 ３０ キャップ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】絶縁性材料よりなる基板上に圧電素子を接
   着固定し、圧電素子の電極を基板上に形成された外部電
   極に接続するとともに、 基板上に上記圧電素子を覆う金属製キャップを、キャッ
   プと基板との熱膨張係数差を緩和する物性を有する接着
   剤により接着封止したことを特徴とする圧電部品。
2. 【請求項２】請求項１に記載の圧電部品において、 上記接着剤はエポキシ系接着剤であることを特徴とする
   圧電部品。
3. 【請求項３】請求項２に記載の圧電部品において、 上記接着剤は、硬化後の弾性率が１，５００〜７，００
   ０ＭＰａであることを特徴とする圧電部品。
4. 【請求項４】請求項１ないし３のいずれかに記載の圧電
   部品において、 上記金属製キャップはアルミニウムもしくはその合金あ
   るいは洋白製キャップの何れかであり、基板はアルミナ
   製基板であることを特徴とする圧電部品。
5. 【請求項５】請求項１ないし４のいずれかに記載の圧電
   部品において、 上記基板上に形成された第１容量電極および２個の外部
   電極と、 第１容量電極上に一定厚みに形成されたペースト状誘電
   体層と、 誘電体層上に、主要部が誘電体層を間にして第１容量電
   極と対向し、かつ一部がそれぞれ外部電極と導通するよ
   うに形成された２個の第２容量電極とを備え、 上記第２容量電極上に、電極がそれぞれ第２容量電極と
   導通するように圧電素子が取り付けられていることを特
   徴とする圧電部品。
6. 【請求項６】請求項１ないし４のいずれかに記載の圧電
   部品において、 上記圧電素子には、一主面に２個の個別電極を有し、他
   主面に上記個別電極と対向する共通電極を有するコンデ
   ンサ素子が接着され、かつコンデンサ素子の個別電極と
   圧電素子の２個の電極とが互いに電気的に接続され、 上記基板には３つの外部電極が形成され、 基板の２個の外部電極にコンデンサ素子の個別電極と圧
   電素子の電極とが接続されるとともに、基板の残りの１
   個の外部電極にコンデンサ素子の共通電極が接続されて
   いることを特徴とする圧電部品。