JP5329025B2 - 圧電デバイス - Google Patents

Description

本発明は、電子機器内に搭載される電子部品の一つである圧電デバイスに関する。

近年では、移動体通信機器等の機器類の著しい小型化に伴い、これら機器に基準信号発生のために用いられる圧電振動子や圧電発振器の圧電デバイスについても更なる小型化が求められている。現在では、２．５ｍｍ×２．０ｍｍの外形サイズの圧電振動子が主流になりつつあり、それ以下のサイズの圧電デバイスも随時開発されている。

圧電デバイス一つである圧電振動子を例示して説明すると、圧電振動子に使用される圧電振動素子は、圧電素板の表裏主面上に、圧電素板を励振させる励振電極と、圧電振動素子を搭載する絶縁性の容器体に形成される素子接続用電極パッドとの接続をとるための接続用電極と、励振電極と接続用電極とを導通接続する引き出し電極とを形成して構成されている。圧電振動素子形状として小型化に有利な短冊形状が主流となってきた。

図５は、従来技術の一例として、各種電極を形成した圧電振動素子５１を、絶縁性の容器体５６を主体とするパッケージに搭載し、導電性接着材により導通固着した状態を示した圧電振動子５０の長さ方向の断面図である。即ち、矩形状の圧電振動素子５１を構成する圧電素板５２の表裏主面上には、対向する励振用電極５３と、励振用電極５３から圧電素板５２の一方の短辺へ延設した引き出し電極（図示しない）と、引き出し電極と電気的に接続し、且つ後述する容器体５６側の素子接続用電極パッド５７との導通を取るための容器体接続用電極５５とが形成されている。

このように構成された圧電振動素子５１を、容器体５６に形成された凹部空間内に配置する。その際に、圧電振動素子５１の容器体接続用電極５５と、容器体５６の凹部空間内底面に金などの金属により形成されている素子接続用電極パッド５７との間を、銀等の導電性フィラーを含有した導電性接着材５８により導通接続を行っている。又、この導電性接着材５８を加熱固化することにより、圧電振動素子５１を容器５６内部で姿勢保持も行っている。

圧電振動素子５１を内部空間に搭載した容器体５６の内部空間開口部に、金属製の蓋５９を配置し、容器５６内の凹部空間を真空又は不活性ガスとして気密封止することで、圧電振動子６０が形成される。

又、他の圧電デバイスとしては、上述したような容器体内の凹部空間内に、圧電振動素子と、この圧電振動素子と電気的に接続した発振回路を内蔵した集積回路素子とを一緒に搭載した形態の圧電発振器や、内部に搭載する圧電振動素子をフィルタとして機能させた圧電フィルタ等が使用されている。

前述のような形態の圧電振動子を始めとする各種圧電デバイスについては、以下のような先行技術文献に開示されている。

特開２０００−１５９９９７号公報 特開平９−１０２７２４号公報 特開２０００−１３８５６１号公報 特開２０００−３３２５６１号公報

尚、出願人は前記した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を、本件出願時までに発見するに至らなかった。

上述したような圧電振動子等の圧電デバイスにおいて、通常、容器体に形成した素子接続用電極パッドに導電性接着材が塗布され、その導電性接着材に容器体接続用電極が接触する形態で圧電振動素子が配置され、必要であれば容器体接続用電極及び導電性接着材の上に更に導電性接着材を塗布した形態を成しているが、加熱固化前の導電性接着材は軟性且つ流動性のために、圧電振動素子の配置姿勢を保持することが難しく、最悪の場合、図５のように圧電振動素子の一部が容器体や蓋体に接触してしまい（特に圧電振動素子の自由端が凹部空間内底面に接触する場合が多い）、そのため圧電振動素子の振動特性に著しい不具合が生じてしまう場合がある。

従来では上記課題を解決するために、前記特許文献４に開示の技術のように、圧電振動素子の長手方向の一方端部で容器体と電気的且つ機械的な接続固着を行い、且つ他方の端部は自由端部としつつ、その自由端部を下から支持する形態の支持台（特許文献４では枕部と呼称）を形成して、圧電振動素子の自由端部を圧電振動素子搭載空間内底面に接触しないように支持する手段が講じられているが、このような支持台を容器体側に形成することは、容器体の製造工程の煩雑化、容器体のコストアップを招き、更に圧電デバイスの小型化が進むと圧電振動素子搭載空間も狭小化し、その搭載空間内に支持台を形成する作業が困難となる虞がある。

更に、圧電振動素子に形成した容器体接続用電極と素子接続用電極パッドとの直接の固着導通には、導電性接着剤が用いられている。これらの接合材で直接的な固着を行った場合、接合材に固着作用が生じさせるために接合材を固化させなければならないが、固化後の接合材は導電性を有するために含まれる金属成分のために硬度が高くなってしまい、接合した圧電振動素子の振動を抑圧してしまい、圧電振動素子の振動特性を悪化させる場合がある。又、金属により形成された素子接続用電極パッドの表面は非常に平滑であるため、接合材を付着させ固化した場合、素子接続用電極パッドと接合材間の接合力が弱くなってしまう懸念がある。

本発明は前述した課題を解決するために成されたものであり、絶縁材により形成された容器体内には、この容器体の一方の主面に開口した凹部空間が形成されており、この凹部空間内には、少なくとも主面形状が概略四角形であり且つその表裏主面のそれぞれに励振用電極が、及びこの励振用電極から各主面の一辺縁部に延設された容器体接続用電極が形成されている圧電振動素子が、凹部空間内表面に形成された主面形状が概略四角形の一対の素子接続用電極パッドと、この素子接続用電極パッドに対応する圧電振動素子に形成された容器体接続用電極とを導電性接着材で機械的且つ電気的に接続することにより収納固着した形態を有する圧電デバイスにおいて、上記圧電振動素子の一方の主面に形成されている容器体接続用電極上に複数本のナノピラーが形成されており、圧電振動素子はこのナノピラーの頂部が素子接続用電極パッド上に位置する形態で凹部空間内に配置されており、各々のナノピラーを含む容器体接続用電極パッドと素子接続用電極パッドとが導電性接着材により機械的に接続固着されており、且つ少なくとも容器体接続用電極パッドと素子接続用電極パッドが導電性接着材により電気的に接続固着されていることを特徴とする圧電デバイスである。

又、上記圧電振動素子の一方の主面における、容器体接続用電極が形成されている一辺に対向する辺の辺縁部に複数本のナノピラーが形成されていることを特徴とする上記圧電デバイスでもある。

上記本発明の圧電デバイスおいて、圧電デバイス内に搭載されている圧電振動素子に形成された容器体接続用電極上、又は容器体接続用電極上及びこの容器体接続用電極が形成されている圧電振動素子主面の一辺と対向する辺縁部に、複数本のナノピラーが形成され、少なくとも容器体接続用電極上に形成した各ナノピラーの頂部が素子接続用電極パッド上に位置する形態で圧電振動素子が容器体の凹部空間内に配置され、各々のナノピラーを含む容器体接続用電極パッドと素子接続用電極パッドとが導電性接着材により機械的に、且つ少なくとも容器体接続用電極パッドと素子接続用電極パッドが電気的に接続固着されている形態をとることにより、軟性且つ流動性の導電性接着材を塗布した状態でも、圧電振動素子の所望する配置姿勢をナノピラーにより保持することができる。又、圧電振動素子の自由端に形成したナノピラーにより、圧電振動素子の自由端が凹部空間内底面に接触することを防止できる。このように容器体内での圧電振動素子の姿勢をナノピラーにより最良の状態で常時保持することができるので、圧電振動素子の姿勢不良に起因する振動特性の悪化を防止することが可能となる。

又、本発明では、圧電振動素子と容器体との導電性接着材による接続固着部分に、容器体接続用電極に形成したナノピラーが布置する形態であるため、各々の微細なナノピラーを介しての圧電振動素子と容器体との固着となり、圧電振動素子と容器体とか導電性接着材により直接に接合固着する面積が小さくなる。そのため導電性接着材の固着による圧電振動素子の振動特性の悪化を最小限に小さくすることが可能となる。特に形成するナノピラーの素材をカーボンと比べて軟性な樹脂にすることにより、ナノピラーが形成されたことによる圧電振動素子の振動特性の悪化をも小さくすることができる。尚、本発明における圧電振動素子と容器体との間の接合力は、導電性接着材が各ナノピラーの間に入り込んだ形態で接合するので、圧電振動素子と容器体とが導電性接着材により直接に接合固着する面積が小さくなった場合でも、従来の導電性接合材のみでの接合力に比べ低下することはない。

以上の作用により、安価であり且つ内部に搭載する圧電振動素子の振動特性が良好な圧電デバイスを提供できる効果を奏する。

以下に、本発明における圧電デバイスの実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る圧電デバイスを、圧電デバイスの一つである圧電振動子を例に示した概略分解外観図である。図２は、図１記載の圧電振動子を組み立てた後、同図記載の仮想切断線Ａ１−Ａ２で切断した場合の断面図である。図３は、圧電振動素子をナノピラー形成主面側から示した外観斜視図であり、（ａ）はナノピラーを形成した圧電振動素子の一実施形態であり、（ｂ）はナノピラーを形成した圧電振動素子の他の実施形態である。図４は、圧電振動素子に形成したナノピラー部分を拡大して示した斜視図である。尚、各図では、同じ符号は同じ部品を示し、又説明を明りょうにするため構造体の一部は図示していない。更に図示した寸法も一部誇張して示している。特に図１、図２及び図３における各ナノピラーは、複数本のナノピラーにより形成されたナノピラー集合体として説明図示している。

即ち、図１、図２及び図３において、水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム或いは圧電セラミックス等の圧電素材から形成され、且つ短冊薄板状の外形形状の圧電素板１１の表裏主面上は、圧電素板１１のほぼ中央に略長方形の励振用電極１２が表裏主面で対向するように蒸着法により形成されており、この励振用電極１２から圧電素板１１の一方の短辺方向へ延設した引き出し電極１３と、引き出し電極１３と電気的に接続し、且つ後述する容器体１５に形成された素子接続用電極パッド１６との導通を取るための容器体接続用電極１４とが形成されて圧電振動素子１０を構成している。

このような形状の圧電振動素子１０を搭載するパッケージは、表面に導体パターンやビアホールを形成した平板形状や枠形状のセラミックス層を積層して形成された容器体１５を主体に構成されており、容器体１５には上方に開口した圧電振動素子１０が挿入搭載可能な凹部空間１７が形成されている。この凹部空間１７の底面には凹部空間１７の一方の短辺近傍に、この短辺と平行する形態で一対の素子接続用電極パッド１６が形成されている。この素子接続用電極パッド１６上には、導電性接着材１８が塗布形成されている。

この導電性接着材１８上には、前述した各種電極を表面に形成し、且つ一方の主面上の容器体接続用電極１４にそれぞれ複数本のナノピラー１９を形成した圧電振動素子１０が、ナノピラー１９の頂部が導電性接着材１８内を貫通し素子接続用電極パッド１６表面に接触する形態で配置される。この複数本のナノピラー１９により、圧電振動素子１０の搭載姿勢は、凹部空間１７内底面に圧電振動素子１０の主面がほぼ平行の姿勢で保持される。又、導電性接着材１８はナノピラー１９の間に入り込みナノピラー１９の根本の容器体接続用電極１４もに接触する。この様態で導電性接着材１８を加熱固化させることにより、素子接続用電極端子２０と圧電振動素子１０とがナノピラー１９を介して電気的及び機械的に強固に接続固着されている。

尚、このナノピラー１９は、容器体接続用電極１４上に、ナノインプリント手段により形成された複数本の樹脂製、カーボン製又は金属製の円柱形状のナノピラーにより構成されている。一本のナノピラーの外形寸法は径が約２５０ｎｍ、高さは５〜１０μｍである。尚、圧電振動素子１０の容器体接続用電極１４上にナノピラー１９を形成する際には、個々に形成した圧電振動素子１０にナノピラー１９を形成する形態の他に、複数個の圧電振動素子１０を配列集合して成る集合基板を用いて、集合基板内の個々の圧電振動素子部分に形成した容器体接続用電極上にナノピラーを形成する形態を用いても構わない。又、容器体接続用電極１４上に形成したナノピラー１９だけでは圧電振動素子１０の所望する姿勢保持ができない場合では、補助的に圧電振動素子１０の容器体接続用電極が形成されている辺（図１、図２及び図３における圧電振動素子１０の固定端短辺）に対して対向する辺（同図における圧電振動素子１０の自由端短辺）にナノピラー１９と同素材の第２のナノピラー２０を同じ手段で形成し、ナノピラー２０を新たな支持支点として加えて圧電振動素子１０の姿勢保持を行う形態でも構わない。

上述したような形態で、ナノピラー１９、又はナノピラー１９及びナノピラー２０を形成した圧電振動素子１０を内部空間１７に搭載した容器体１５の開口部に、金属製の蓋２１を配置し、容器体１５の内部空間１７を気密封止することで、圧電振動子が形成される。

上述した圧電振動子の形態を用いることにより、軟性且つ流動性の導電性接着材を塗布した状態でも、圧電振動素子１０の所望する配置姿勢をナノピラー１９或いはナノピラー１９とナノピラー２０により保持することができる。又、圧電振動素子１０の自由端である短辺に形成したナノピラー２０により、圧電振動素子の自由端が凹部空間内底面に接触することを確実に防止できる。このように容器体１５内での圧電振動素子１０の姿勢をナノピラー１９或いはナノピラー１９とナノピラー２０により最良の状態で常時保持することができるので、圧電振動素子１０の姿勢不良に起因する圧電振動子としての振動特性の悪化を防止することが可能となる。

又、圧電振動素子１０と容器体１５との導電性接着材１８による接続固着部分に、容器体接続用電極１４に形成したナノピラー１９が布置する形態であるため、各々の微細なナノピラー１９を介しての圧電振動素子１０と容器体１５との固着となり、圧電振動素子１０と容器体１５とか導電性接着材１８により直接に接合固着する面積が小さくなる。そのため導電性接着材１８の強固な固着による圧電振動素子１０の振動特性の悪化を最小限に小さくすることが可能となる。特に形成するナノピラーの素材を導電性のカーボンや金属と比べて軟性な樹脂にすることにより、ナノピラー１９が形成されたことによる圧電振動素子の振動特性の悪化をも小さくすることができる。尚、本発明における圧電振動素子１０と容器体１５との間の接合力は、導電性接着材１８が各ナノピラーの間に入り込んだ形態で接合するので、圧電振動素子１０と容器体１５とが導電性接着材１８により直接に接合固着する面積が小さくなった場合でも、従来の導電性接合材のみでの接合力に比べ低下することはない。

更に、平板状の圧電振動素子１０に、複数本のナノピラー１９、又は複数本のナノピラー１９と複数本のナノピラー２０とを形成する手段として、ナノインプリントを用いることにより、単体の圧電振動素子１０への各ナノピラーの形成は元より、複数個の圧電振動素子を配列集合させた形態（集合基板形態）のものに、それぞれの圧電振動素子部分へ同時に各ナノピラーを簡易に形成することが可能となる。因って、従来の容器体へ支持台を形成し圧電振動素子の姿勢支持をする形態の圧電デバイスに比べて、容器体及び圧電デバイスの製造工程の簡略化、及び容器体並びに圧電デバイスの低価格化、更に圧電デバイスの小型化が進み圧電振動素子搭載空間も狭小化した場合でも、圧電振動素子側に圧電振動素子の姿勢支持をする手段（ナノピラー）が形成されているため、容易に対応が可能である。

尚、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。例えば、上述した実施形態では、本発明を使用する圧電デバイスの一例として圧電振動子を例示して説明したが、他の圧電デバイスとして、上記実施形態で開示した容器体内の凹部空間内に、圧電振動素子と、この圧電振動素子と電気的に接続した発振回路を内蔵した集積回路素子とを一緒に搭載した形態の圧電発振器や、内部に搭載する圧電振動素子を周波数フィルタとして機能させた圧電フィルタ等の他の形態の圧電デバイスにおける、内部に搭載する圧電振動素子の電気的及び機械的接続固着形態に本発明を用いることは可能である。又、上述した実施形態では、ナノピラーの外形形状を円柱形として説明をしたが、円柱形の他に、角柱形、円錐形又は角錐形を外形形状とするナノピラーでも構わない。

図１は、本発明に係る圧電デバイスを、圧電デバイスの一つである圧電振動子を例に示した概略分解外観図である。 図２は、図１記載の圧電振動子を組み立てた後、同図記載の仮想切断線Ａ１−Ａ２で切断した場合の断面図である。 図３は、圧電振動素子をナノピラー形成主面側から示した外観斜視図であり、（ａ）はナノピラーを形成した圧電振動素子の一実施形態であり、（ｂ）はナノピラーを形成した圧電振動素子の他の実施形態である。 図４は、圧電振動素子に形成したナノピラー部分を拡大して示した斜視図である。 図５は、従来の圧電振動子の一形態を示す長辺方向の断面図である。

符号の説明

１０・・・圧電振動素子
１１・・・圧電素板
１２・・・励振用電極
１３・・・引出電極
１４・・・容器体接続用電極
１５・・・容器体
１６・・・素子接続用電極パッド
１７・・・凹部空間
１８・・・導電性接着材
１９，２０・・・ナノピラー
２１・・・蓋体

Claims (2)

1. 絶縁材により形成された容器体内には該容器体の一方の主面に開口した凹部空間が形成されており、該凹部空間内には少なくとも主面形状が概略四角形であり、且つその表裏主面のそれぞれに励振用電極が、及び該励振用電極から各主面の一辺縁部に延設された容器体接続用電極が形成されている圧電振動素子が、該凹部空間内表面に形成された主面形状が概略四角形の一対の素子接続用電極パッドと、該素子接続用電極パッドに対応する該圧電振動素子に形成された該容器体接続用電極とを導電性接着材で機械的且つ電気的に接続することにより収納固着した形態を有する圧電デバイスにおいて、
   該圧電振動素子の一方の主面に形成されている該容器体接続用電極上に複数本のナノピラーが形成されており、
   該圧電振動素子は、該ナノピラーの頂部が該素子接続用電極パッド上に位置する形態で該凹部空間内に配置されており、
   各々の該ナノピラーを含む該容器体接続用電極パッドと該素子接続用電極パッドとが、導電性接着材により機械的に接続固着され、且つ少なくとも該容器体接続用電極パッドと該素子接続用電極パッドとが該導電性接着材により電気的に接続固着されている
   ことを特徴とする圧電デバイス。
2. 該圧電振動素子の一方の主面における、該容器体接続用電極が形成されている一辺に対向する辺の辺縁部に複数本のナノピラーが形成されていることを特徴とする請求項１記載の圧電デバイス。

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