TW201817162A - 壓電元件 - Google Patents

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Abstract

一種壓電元件，具有：壓電振動片，外形形成為長方形狀，且具有形成在上表面及下表面這兩主面的激振電極、形成在一方的短邊的兩端的電極墊、及從激振電極引出至電極墊為止且電連接於電極墊的引出電極；封裝體，具備以與壓電振動片的下表面相對的方式來載置壓電振動片的載置面及形成於載置面的接著墊；以及導電性接著劑，將壓電振動片固定於封裝體，並且將接著墊與電極墊電連接。而且，在壓電振動片上，在導電性接著劑與激振電極之間且在壓電振動片的上表面塗布接著劑。

Description

壓電元件
本發明涉及一種壓電元件，具有塗布了接著劑的壓電振動片。
當使壓電基板上形成有激振電極的壓電振動片以規定的頻率振動時，會與主振動一同產生頻率不同於主振動的無用振動。為了防止此種無用振動的產生，例如在專利文獻1中揭示了：對壓電基板的主面上的未形成激振電極的區域塗布接著劑來進行配重，由此來降低壓電基板所產生的無用振動。
現有技術文獻 專利文獻 專利文獻1：日本專利特開2003-309446號公報
[發明所要解決的問題] 然而，在如專利文獻1所示般對壓電基板塗布接著劑的情況下，與未塗布此種接著劑的壓電元件相比，晶體阻抗（Crystal Impedance，CI）等溫度特性有可能發生惡化。而且，在使壓電元件高精度化的過程中，無用振動中尤其是頻率變化率為0.2 ppm以下的頻率的微小起伏便會造成問題。對壓電基板塗布接著劑的方法會如何影響所述頻率的微小起伏並不明確，此頻率的微小起伏是多個振動模式的複合系統，因此，通過模擬（simulation）也難以解決。
因此，本發明的目的在於提供一種壓電元件，不會使溫度特性惡化，而降低了無用振動。
[解決問題的技術手段] 第1觀點的壓電元件具有：壓電振動片，外形形成為長方形狀，且具有激振電極、電極墊及引出電極，所述激振電極形成在上表面及下表面這兩主面，所述電極墊形成在一方的短邊的兩端，所述引出電極從激振電極引出至電極墊為止，且電連接於電極墊；封裝體，具備載置面及接著墊，所述載置面以與壓電振動片的下表面相對的方式來載置壓電振動片，所述接著墊形成於載置面；以及導電性接著劑，將壓電振動片固定於封裝體，並且將接著墊與電極墊電連接。而且，在壓電振動片上，在導電性接著劑與激振電極之間且壓電振動片的上表面塗布接著劑。
第2觀點的壓電元件是根據第1觀點所述，接著劑與激振電極之間的距離為0.15 mm以上且0.25 mm以下。
第3觀點的壓電元件是根據第2觀點所述，接著劑與激振電極之間的距離為0.2 mm以上。
第4觀點的壓電元件是根據第1觀點至第3觀點中任一觀點所述，接著劑是塗布於在高度方向上與引出電極重合的位置。
第5觀點的壓電元件是根據第1觀點至第4觀點中任一觀點所述，還包含：積體電路（Integrated Circuit，IC）晶片，內置有振盪電路及溫度補償用功能。
[發明的效果] 根據本發明的壓電元件，不會使溫度特性惡化而能夠降低無用振動。
以下，基於附圖來詳細說明本發明的實施方式。另外，只要在以下的說明中無意圖特別限定本發明的記載，則本發明的範圍並不限於此這些形態。
（第1實施方式） ＜壓電元件100的結構＞ 圖1A是壓電元件100的立體圖。壓電元件100主要包含：封裝體110、蓋120、及以規定的頻率來振動的壓電振動片140（參照圖1B）。壓電元件100的外形，例如形成為大致長方體形狀。而且，壓電振動片140例如是AT切割的晶體振動片。AT切割的晶體是：主面（XZ面）相對於晶軸（XYZ）的Y軸，以X軸為中心而從Z軸朝-Y軸方向傾斜35度15分地形成。以下的說明中，是設AT切割的晶體的傾斜後的新軸表示為Y'軸及Z'軸，壓電元件100的長邊與X軸平行地伸展，短邊與Z'軸平行地伸展，且Y'軸是與X軸及Z'軸垂直地伸展來進行說明。
在封裝體110的-Y'軸側的面且安裝壓電元件100的面即安裝面112a上，形成有安裝端子111。安裝端子111包含：熱端子（hot terminal）111a，是與壓電振動片140連接的端子；以及可作為接地用而使用的端子（以下暫稱為接地端子（grounding terminal））111b。封裝體110中，在安裝面112a的+X軸側的-Z'軸側的角、及-X軸側的+Z'軸側的角處，分別形成有熱端子111a；在安裝面112a的+X軸側的+Z'軸側的角、及-X軸側的-Z'軸側的角處，分別形成有接地端子111b。在封裝體110的+Y'軸側的面上，形成有載置壓電振動片140的空間即空腔（cavity）113（參照圖1B），空腔113經由密封材130而由蓋120予以密封。
圖1B是拆除了蓋120的壓電元件100的立體圖。在封裝體110的+Y'軸側的面上形成的空腔113是由載置面112b與側壁114予以包圍，所述載置面112b是安裝面112a的相反側的面且載置壓電振動片140，所述側壁114形成於載置面112b的周圍。而且，在載置面112b上，形成有與熱端子111a電連接的一對接著墊（adhesion pad）115。壓電振動片140通過導電性接著劑（conductive adhesive）151而載置於封裝體110的載置面112b。而且，在壓電振動片140的+Y'軸側的面上，塗布有多個接著劑152。
圖2A是壓電振動片140的平面圖。壓電振動片140形成為長邊沿X軸方向伸展、短邊沿Z'軸方向伸展的長方形狀，且+Y'軸側的面及-Y'軸側的面作為主面而形成。以下的說明中，設壓電振動片140的+Y'軸側的主面為上表面140a、壓電振動片140的-Y'軸側的主面為下表面140b來進行說明。在上表面140a及下表面140b上，分別形成有激振電極141。而且，在壓電振動片140的上表面140a及下表面140b的-X軸側的短邊的兩端，分別形成有電極墊142。電極墊142中，形成在上表面140a及下表面140b的-Z'軸側的電極墊142彼此經由壓電振動片140的側面而電連接，形成在上表面140a及下表面140b的+Z'軸側的電極墊142彼此經由壓電振動片140的側面而電連接。而且，形成在上表面140a的激振電極141與形成在上表面140a的-Z'軸側的電極墊142通過引出電極143而電連接，形成在下表面140b的激振電極141、與形成在下表面140b的+Z'軸側的電極墊142通過引出電極143（圖2A中以虛線所示）而電連接。壓電振動片140的長邊的長度為XA，短邊的長度形成為ZA。長度XA為3.2 mm，長度ZA為1.8 mm。
圖2B是拆除了蓋120的壓電元件100的平面圖。壓電振動片140通過導電性接著劑151而固定在空腔113內。而且，在壓電振動片140的上表面140a，在導電性接著劑151與激振電極141之間塗布有接著劑152。圖2B中，將塗布在壓電振動片140的-Z'軸側的導電性接著劑151設為導電性接著劑151a，將塗布在壓電振動片140的+Z'軸側的導電性接著劑151設為導電性接著劑151b。而且，將塗布在導電性接著劑151a與激振電極141之間的接著劑152設為接著劑152a，將塗布在導電性接著劑151b與激振電極141之間的接著劑152設為接著劑152b。
接著劑152a是以接觸至導電性接著劑151a，且從導電性接著劑151a伸展至激振電極141側的方式而形成。接著劑152a與激振電極141之間的距離為XB。而且，接著劑152b是以接觸至導電性接著劑151b，且從導電性接著劑151b伸展至激振電極141側的方式而形成，接著劑152b與激振電極141之間的距離為XB。接著劑152a是呈點狀地塗布於上表面140a上所形成的引出電極143上，接著劑152b是呈點狀地塗布於在Y'軸方向上與下表面140b上所形成的引出電極143重合的位置。接著劑152例如是由矽系的接著劑所形成。而且，接著劑152既可為導電性，也可為非導電性。
圖2C是圖2B的IIC-IIC剖面圖。壓電振動片140是以連接壓電振動片140的上表面140a及下表面140b的方式來塗布導電性接著劑151，而載置固定於載置面112b。壓電振動片140中，通過如此般塗布於壓電振動片140的上表面140a及下表面140b，從而壓電振動片140被牢固地固定於載置面112b上，作為壓電元件的耐衝擊性提高。而且，導電性接著劑151將形成在壓電振動片140的上表面140a及下表面140b的電極墊142、與形成於載置面112b的接著墊115電連接。
＜關於壓電元件100的效果＞ AT切割的晶體振動片的頻率的溫度特性，能夠以3次的近似曲線或更高次的近似曲線來近似。而且，使用AT切割的晶體振動片而構成的溫度補償型晶體振盪器（Temperature Compensate X'tal(crystal) Oscillator，TCXO），輸出對所述晶體振動片的溫度特性進行了補償的振盪輸出。溫度補償型晶體振盪器在寬泛的溫度範圍內呈現出高的頻率穩定性，但因壓電元件的高精度化，對於0.2 ppm以下的微小頻率的變動，也必須予以抑制。可推斷此種微小的頻率變動是因多個振動模式的複合而產生，因此難以通過模擬來解決。而且，對於以往的壓電元件的溫度特性而言，設計的堅韌（robust）性低，當在壓電振動片上塗布接著劑時，破壞壓電元件的溫度特性的可能性高。以下，一邊對以往的壓電元件與壓電元件100進行比較，一邊對壓電元件100的效果進行說明。
圖3A是以往的壓電元件的、在每個測定溫度下求出每個樣品的實測溫度特性、與根據此實測溫度特性而近似的4次近似特性之差（Δf，以下也稱作“與近似特性之差”），將這些差除以目標振盪頻率（f）而換算成ppm值（以下稱作Δf/f），並將其相對於溫度而描繪的圖表。振盪頻率（f）為38.4 MHz。樣品數為97個。橫軸為溫度(℃)，縱軸為Δf/f（ppm）。此處，所謂以往的壓電元件，是指：在壓電元件100中未塗布接著劑152。因而，圖3A表現了97個樣品的每個的實際Δf/f的溫度特性相對於所述近似特性的偏離。對高精度TCXO用晶體振子所要求的所述差的規格例如是：在-40℃～0℃時，Δf/f為±0.28 ppm以內，在0℃～85℃時，Δf/f為±0.09 ppm以內。圖3A表示了在-40℃至0℃的範圍內Δf/f呈+0.28 ppm的虛線161a、及呈-0.28 ppm的虛線161b，且表示了在高於0℃的溫度範圍內Δf/f呈+0.09 ppm的虛線162a、及呈-0.09 ppm的虛線162b。另外，採用4次近似的理由是因為考慮到近似精度的確保與近似作業的問題，來採用妥當的次數。因而，近似的次數並不限於此。
圖3A所示的以往的壓電元件中，在-30℃至0℃的溫度範圍內，Δf/f控制在±0.28 ppm以內，為規格範圍內。另一方面，在0℃以上的溫度範圍內，對於多個以往的壓電元件，在約0℃至約40℃、及約50℃至約85℃的溫度範圍內，Δf/f超過+0.09 ppm而變大，而且，在約0℃至約20℃、及約30℃至約70℃的溫度範圍內，超過-0.09 ppm而變小。因此，在以往的壓電元件中，即使頻率相對於溫度的整體傾向呈現出與4次的近似曲線相近的傾向，Δf/f仍會產生0.2 ppm以下的微小起伏，因此在0℃以上的溫度範圍內，Δf/f未控制在規格內。
圖3B是表示壓電元件100的溫度與Δf/f的關係的圖表。圖3B中，對於90個壓電元件100，表示了-30℃至90℃為止的溫度範圍的Δf/f。圖3B的橫軸表示溫度[℃]，縱軸表示Δf/f[ppm]。在圖3B中，也與圖3A同樣地，表示了在-40℃至0℃的範圍內Δf/f呈+0.28 ppm的虛線161a、及呈-0.28 ppm的虛線161b，且表示了在高於0℃的溫度範圍內Δf/f呈+0.09 ppm的虛線162a、及呈-0.09 ppm的虛線162b。
壓電元件100中，在-30℃至0℃的溫度範圍內，Δf/f控制在±0.10 ppm的範圍內，充分滿足Δf/f處於±0.28 ppm以內這一規格。而且，在0℃至85℃的溫度範圍內，也處於Δf/f為±0.09 ppm以內這一規格範圍內。因此，壓電元件100能夠滿足對高精度的TCXO規格的要求。
圖4A是表示以往的壓電元件的溫度與CI的關係的圖表。圖4A中，表示了關於圖3A所示的97個以往的壓電元件的、-30℃至90℃為止的溫度範圍的晶體阻抗（CI）。圖4A的橫軸表示溫度[℃]，縱軸表示晶體阻抗（CI）[Ω]。以往的壓電元件中，在-30℃時，CI為約12 Ω至約18 Ω，隨著使溫度上升而CI上升，在90℃時，為約15 Ω至約21 Ω的範圍。以往的壓電元件中，在所述30℃至90℃為止的溫度範圍內，從CI的最高值減去CI的最低值所得的值即ΔCI為約3 Ω。
圖4B是表示壓電元件100的溫度與CI的關係的圖表。圖4B中，表示了關於圖3B所示的90個壓電元件100的、-30℃至90℃為止的溫度範圍的晶體阻抗（CI）。圖4B的橫軸表示溫度[℃]，縱軸表示晶體阻抗（CI）[Ω]。圖4B所示的壓電元件100中，在-30℃時，CI處於約13 Ω至約50 Ω的範圍，在90℃時，CI處於約13 Ω至約30 Ω的範圍。
圖4B所示的壓電元件100中，距離XB取各種值。例如，圖4B所示的實施例164a及實施例164b所示的壓電元件100中，距離XB均為0 mm，實施例164c所示的壓電元件100中，距離XB為約0.1 mm。因此可認為，在圖4B中，CI高的範圍164所示的實施例中，距離XB變短。在除了所述範圍164的實施例以外的範圍中，在-30℃時，CI處於比約30 Ω小的範圍，在90℃時，CI處於比約22 Ω小的範圍。壓電元件100存在下述傾向，即，除了範圍164的實施例以外，CI均比以往的壓電元件稍高，但所述CI的上升範圍處於容許範圍內且在實用方面無問題，如圖3B所示般，能夠將與近似特性之差（Δf）抑制得微小（即，將Δf/f抑制得微小）的效果的優點大，因此，綜合而言，使用接著劑152的優點大。
圖5是表示壓電元件100的距離XB與ΔCI的關係的圖表。圖5中，橫軸表示距離XB[mm]，縱軸表示ΔCI[Ω]。圖5所示的實施例164a、實施例164b及實施例164c，表示了圖4B所示的實施例164a、實施例164b及實施例164c。而且，圖5中，繪出了虛線163，此虛線163表示與以往的壓電元件的ΔCI接近的值即3 Ω。
壓電元件100中，當距離XB為0 mm時，ΔCI取20 Ω前後的高值。當距離XB為約0.1 mm時，ΔCI變為13.4 Ω，與距離XB為0 mm時相比有所下降（即得到改善）。而且，當距離XB變大至0.14 mm時，ΔCI達到3.5 Ω，當距離XB較之進一步變大時，ΔCI進一步下降。圖5中表示了作為距離XB為最大的情況而距離XB達到0.23 mm的實施例，但若使距離XB再大，將接近以往的壓電元件的狀態，因此可認為，即使加寬距離XB，ΔCI仍將保持低的狀態。
在壓電元件100中，若要維持與以往的壓電元件為相同程度的ΔCI，則理想的是，取與虛線163所示的ΔCI相同或較之更小的值。圖5中，當距離XB為0.14 mm時，ΔCI為3.5 Ω，當距離XB進一步變大時，可認為ΔCI將進一步變小，因此當距離XB變得大於0.15 mm時，可認為至少可獲得與以往的壓電元件同等的ΔCI。而且，在距離XB為0.2 mm的附近，ΔCI變得比虛線163小的情況多，可認為更加優選。
另一方面，距離XB變大，也可以說是變得與以往的壓電元件的狀態接近，因此，若太過加大距離XB，則會產生圖3A中的Δf/f的微小起伏，因此可認為與近似特性之差（Δf）的微小起伏增加。圖3B中，主要表示了距離XB為0 mm至0.23 mm為止的壓電元件100的實施例，但在圖3B中，相對於在高精度TCXO中所要求的規格尚有餘裕，因此預想只要距離XB直至大致0.25 mm左右為止，皆可切實地將Δf/f控制在規格值的範圍內。即，在考慮到ΔCI及Δf/f的情況下，距離XB理想的是0.15 mm～0.25 mm，更優選為0.2 mm～0.25 mm。
而且，可認為最佳的距離XB多少也會關係到壓電振動片的大小。因此，對於距離XB，若取與壓電振動片140的長邊的長度XA之比，則為XB/XA=（0.15 mm～0.25 mm）/3.2 mm=4.7%～7.8%。可認為，即使壓電振動片的外形尺寸與壓電振動片140的外形尺寸稍有不同，只要長邊的長度XA與距離XB之比為4.7%～7.8%，便不會使CI及ΔCI惡化而可減少與近似特性之差（Δf）。
當在壓電振動片140上塗布接著劑152時，如圖4B及圖5所示，根據接著劑152的塗布位置，CI及ΔCI等的溫度特性有可能發生惡化。壓電元件100中，從被認為接著劑152的塗布影響最弱的激振電極141來看，通過在壓電振動片140的固定端即導電性接著劑151側塗布接著劑152，實現激振電極141與接著劑152之間的距離XB的適當化，從而使接著劑152的塗布對溫度特性的惡化影響變小。而且，壓電元件100中，並非是在壓電振動片140上形成新的固定端，因此推測也不會出現遲滯（hysteresis）的惡化。所述的測定是在振盪頻率（f）為38.4 MHz時進行，但也可適用於20 MHz、25.2 MHz、25 MHz等其他振盪頻率。
（第2實施方式） 接著劑152的塗布位置及塗布狀態，也可與第1實施方式的情況稍有變化。以下，對接著劑被塗布於各種位置或狀態時的變形例進行說明。
＜壓電元件200的結構＞ 圖6A是拆除了蓋120的壓電元件200的平面圖。壓電元件200包含：蓋120、封裝體110及壓電振動片140，接著劑152的塗布位置不同於壓電元件100。在壓電元件200中，塗布在壓電振動片140的上表面140a上的接著劑152不與導電性接著劑151接觸，所塗布的接著劑152僅塗布在激振電極141與導電性接著劑151a之間，而不塗布在激振電極141與導電性接著劑151b之間。而且，激振電極141與接著劑152之間的距離形成為XB。
當壓電元件200是以接著劑152形成在激振電極141與導電性接著劑151a之間，且距離XB為第1實施方式所示般的適當範圍的方式而形成時，不會使CI及ΔCI惡化而能夠使Δf/f減少（即，使與近似特性之差（Δf）減少）。
＜壓電元件300的結構＞ 圖6B是拆除了蓋120的壓電元件300的平面圖。壓電元件300包含：蓋120、封裝體110及壓電振動片140，接著劑152的塗布位置不同於壓電元件100。壓電元件300中，接著劑152塗布在壓電振動片140的-X軸側的短邊與激振電極141之間。
由於壓電振動片140的-X軸側的短邊的兩端通過導電性接著劑151而固定，因此可認為-X軸側的短邊自身成為固定端。當在所述成為固定端的-X軸側的短邊與激振電極141之間塗布接著劑152時，與壓電元件100同樣地，不會使CI及ΔCI惡化而能夠使與近似特性之差（Δf）降低。
以上，對本發明的最佳實施方式進行了詳細說明，但本領域技術人員當明確，本發明可在此技術範圍內對實施方式添加各種變更、變形來實施。而且，所述實施方式也可進行各種組合來實施。
而且，以上的說明中，作為壓電元件，表示了單個晶體振子的示例，但本發明對於如下所述的壓電元件（作為振盪器的壓電元件）也能夠適用，所述壓電元件在封裝體110的收納有壓電振動片的區域包含IC晶片，所述IC晶片具有使壓電振動片振盪的振盪電路與對壓電振動片的頻率溫度特性進行補償的功能。而且，本發明對於如下所述的作為H型振盪器的壓電元件也能夠適用，所述作為H型振盪器的壓電元件使用在封裝體110的外側底面具有凹部的所謂H型結構的封裝體，且在所述凹部內搭載有所述IC晶片。
100、200、300‧‧‧壓電元件
110‧‧‧封裝體
111‧‧‧安裝端子
111a‧‧‧熱端子
111b‧‧‧接地端子
112a‧‧‧安裝面
112b‧‧‧載置面
113‧‧‧空腔
114‧‧‧側壁
115‧‧‧接著墊
120‧‧‧蓋
130‧‧‧密封材
140‧‧‧壓電振動片
140a‧‧‧上表面
140b‧‧‧下表面
141‧‧‧激振電極
142‧‧‧電極墊
143‧‧‧引出電極
151、151a、151b‧‧‧導電性接著劑
152、152a、152b‧‧‧接著劑
161a‧‧‧Δf/f呈+0.28 ppm的虛線
161b‧‧‧Δf/f呈-0.28 ppm的虛線
162a‧‧‧Δf/f呈+0.09 ppm的虛線
162b‧‧‧Δf/f呈-0.09 ppm的虛線
163‧‧‧CI為3 Ω的虛線
164‧‧‧CI變高的實施例的範圍
164a、164b、164c‧‧‧壓電元件100的實施例
XA‧‧‧壓電振動片140的長邊的長度
XB‧‧‧接著劑與激振電極之間的距離
ZA‧‧‧壓電振動片140的短邊的長度
圖1A是壓電元件100的立體圖。 圖1B是拆除了蓋120的壓電元件100的立體圖。 圖2A是壓電振動片140的平面圖。 圖2B是拆除了蓋120的壓電元件100的平面圖。 圖2C是圖2B的IIC-IIC剖面圖。 圖3A是以往的壓電元件的、在每個測定溫度下求出每個樣品的實測溫度特性、與根據此實測溫度特性而近似的4次近似特性之差（Δf，以下也稱作“與近似特性之差”），將這些差除以目標振盪頻率（f）而換算成ppm值（以下稱作Δf/f），並將其相對於溫度而描繪的圖表。 圖3B是表示壓電元件100的溫度與Δf/f的關係的圖表。 圖4A是表示以往的壓電元件的溫度與CI的關係的圖表。 圖4B是表示壓電元件100的溫度與CI的關係的圖表。 圖5是表示壓電元件100的距離XB與ΔCI的關係的圖表。 圖6A是拆除了蓋120的壓電元件200的平面圖。 圖6B是拆除了蓋120的壓電元件300的平面圖。

Claims (6)

  1. 一種壓電元件，其特徵在於包括： 壓電振動片，外形形成為長方形狀，且具有激振電極、電極墊及引出電極，所述激振電極形成在上表面及下表面這兩主面，所述電極墊形成在一方的短邊的兩端，所述引出電極從所述激振電極引出至所述電極墊為止且電連接於所述電極墊； 封裝體，具備載置面及接著墊，所述載置面以與所述壓電振動片的所述下表面相對的方式來載置所述壓電振動片，所述接著墊形成於所述載置面；以及 導電性接著劑，將所述壓電振動片固定於所述封裝體，並且將所述接著墊與所述電極墊電連接， 在所述壓電振動片上，在所述導電性接著劑與所述激振電極之間且所述壓電振動片的所述上表面塗布接著劑。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的壓電元件，其中，所述接著劑與所述激振電極之間的距離為0.15 mm以上且0.25 mm以下。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的壓電元件，其中，所述接著劑與所述激振電極之間的距離為0.2 mm以上。
  4. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述的壓電元件，其中，所述接著劑是塗布於在高度方向上與所述引出電極重合的位置。
  5. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述的壓電元件，更包括：積體電路晶片，內置有振盪電路及溫度補償用功能。
  6. 如申請專利範圍第4項所述的壓電元件，更包括：積體電路晶片，內置有振盪電路及溫度補償用功能。
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