JP2003315047A - 振動子の電気的接続構造および振動型ジャイロスコープ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】振動子、電極端子、および振動子と電極端子と
を接続するボンディングワイヤを備えている接続構造に
おいて、電気的接続構造の共振に起因する振動子のゼロ
点温度ドリフトを低減する。 【解決手段】電気的接続構造４０は、振動子５、電極端
子６０、および振動子５と電極端子６０とを接続するボ
ンディングワイヤ５０を備えている。ボンディングワイ
ヤ５０が、振動子５の主面５ａに接続する第一の末端５
２と、電極端子６０に接続する第二の末端５４と、第一
の末端５２と第二の末端５４の間に設けられた湾曲部５
６とを備えている。第一の末端５２および第二の末端５
４を通る直線Ｂに対する湾曲部５６の高さＤ１と、振動
子５の主面５ａに対する湾曲部５６の高さＤ２との比率
Ｄ１／Ｄ２が３．０以上である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動子の電気的接
続構造および振動型ジャイロスコープに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】最近、振動型ジャイロスコープを自動車
に搭載し、自動車の車体の方向の制御に使用することが
検討されている。例えば自動車の車体回転速度フィード
バック式の車両制御方法に用いる回転速度センサーに振
動型ジャイロスコープを使用するときには、操舵輪の方
向自身は、ハンドルの回転角度によって検出する。これ
と同時に、実際に車体が回転している回転速度を振動ジ
ャイロスコープによって検出する。そして、操舵輪の方
向と実際の車体の回転速度を比較して差を求め、この差
に基づいて車輪トルク、操舵角に補正を加えることによ
って、安定した車体制御を実現する。

【０００３】車載用途においては、振動型ジャイロスコ
ープの使用温度範囲がきわめて広く、例えば、−４０℃
から＋８５℃の温度範囲において安定に動作することが
要求される。周囲温度が高温や低温に大きく変化したと
きには、ボンディングワイヤの固有振動数がその温度変
化に対してワイヤの材質および線径などの要因により変
化することがある。この結果、振動ジャイロの固有振動
数がボンディングワイヤと共振点を持ついわゆるゼロ点
温度ドリフトが発生する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本出願人は、振動型ジ
ャイロスコープのゼロ点温度ドリフトを低減するための
研究を続けてきた。この過程において、振動子の形態や
振動子からの電気信号の処理回路について種々検討して
きた（例えば２００２年１１月１４日出願の特願２００
１−３４８９９５号公報）。

【０００５】しかし、振動子の形態や電気信号の処理回
路を種々検討した後でも、振動子のパッケージへの実装
後には、例えば５０℃近辺において急峻なゼロ点温度ド
リフトが発生することがあった。このため、パッケージ
への実装構造の共振に起因してゼロ点温度ドリフトが発
生するものと考えられた。

【０００６】本発明の課題は、振動子、電極端子、およ
び振動子と電極端子とを接続するボンディングワイヤを
備えている電気的接続構造において、振動子からの電気
的出力信号のゼロ点温度ドリフトを低減することであ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、振動子、電極
端子、および振動子と電極端子とを接続するボンディン
グワイヤとを備えている電気的接続構造であって、ボン
ディングワイヤが、振動子の主面に接続する第一の末
端、電極端子に接続する第二の末端、および第一の末端
と第二の末端の間に設けられた湾曲部を備えており、第
一の末端および第二の末端を通る直線に対する湾曲部の
高さＤ１と、振動子の主面に対する湾曲部の高さＤ２と
の比率Ｄ１／Ｄ２が３．０以上であることを特徴とす
る。

【０００８】また、本発明は、この電気的接続構造を備
えている振動型ジャイロスコープに係るものである。

【０００９】本発明者は、振動子をパッケージ基盤に実
装した場合に、振動子に不規則に生じるゼロ点温度ドリ
フトの原因の究明を試みた。この結果、振動子にボンデ
ィングワイヤを接続した後の振動子において、所定の温
度範囲において不規則なゼロ点温度ドリフトが観測され
た。このことから、所定の温度範囲において不規則にゼ
ロ点温度ドリフトが生じるのは、ボンディングワイヤが
振動子の振動の周波数に近い帯域に、共振周波数を有し
ていることに起因していると推測した。

【００１０】ボンディングワイヤが張りつめている状態
での共振周波数は、ボンディングワイヤの張力、材質、
直径などによって定まる。しかし、振動子に接続されて
いるボンディングワイヤは、耐衝撃特性などの理由から
張りつめた状態になっていない。このようなボンディン
グワイヤは微妙なループ形状の違い、接合部強度の差違
により、複雑な振動を起こすので、共振周波数を一定に
検出するのは困難である。

【００１１】そこで、本発明者は、ボンディング条件を
見直し、一定の接合強度を確立した上でボンディングワ
イヤの形状を種々変更し、振動子からの電気的信号に基
づくゼロ点温度ドリフトを低減することを試みた。この
結果、ボンディングワイヤの第一の末端および第二の末
端を通る直線に対する湾曲部の高さＤ１を、振動子の主
面に対する湾曲部の高さＤ２に比べて、ある程度以上大
きくすることによって、振動型ジャイロスコープの使用
温度範囲において、ボンディングワイヤとの共振に起因
すると推測されるゼロ点温度ドリフトのピークを低減す
ることに成功した。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施形態に係
る電気的接続構造４０を模式的に示す概略断面図であ
る。図１においては、ボンディングワイヤ５０をその真
横から見ている。

【００１３】接続構造４０が、振動子５と、電極端子６
０と、振動子５および電極端子６０を接続するボンディ
ングワイヤ５０とを備えている。ボンディングワイヤ５
０は、振動子５の主面５ａに接続する第一の末端５２
と、電極端子６０に接続する第二の末端５４と、第一の
末端５２と第二の末端５４の間に設けられた湾曲部５６
とを備えている。

【００１４】第一の末端５２および第二の末端５４を通
る直線Ｂに対する湾曲部５６の高さをＤ１とする。Ｄ１
は、ボンディング振幅とも呼ばれるものである。振動子
５の主面５ａに対する湾曲部５６の高さをＤ２とする。
Ｄ２は、ボンディング高さと呼ばれることがある。

【００１５】本発明においては、Ｄ１／Ｄ２を３．０以
上とする。言い換えると、Ｄ１がＤ２に比べてある程度
以上大きい形態を採用する。つまり、垂直方向の高さＤ
２を比較的に小さくし、斜め方向の高さＤ１が比較的に
大きくなるようにする。この結果として、ボンディング
ワイヤ５０は、例えば点線Ａで示す形態と比べて、垂直
高さＤ２が小さくなり、横に寝た形態となる。

【００１６】図２は、図１を参照して説明した接続構造
４０を含む振動型ジャイロスコープ１の一例の要部を模
式的に示す断面図である。振動子５は、パッケージ７０
の内部空間７２に収容されている。パッケージ７０は略
直方体形状をしている。このパッケージ７０は、いわゆ
る横置き型のパッケージであり、振動子５は、いわゆる
横置き型の振動子である。すなわち、パッケージ７０の
基盤７０ａは、角速度の検出を行うべき回転軸であるＺ
軸に略垂直な方向に延びている。また、振動子５は、回
転軸であるＺ軸に略垂直な平面に沿って延びている。

【００１７】パッケージ７０の底面７０ｂに金属製の支
持ピン１００が取り付けられており、支持棒１００と振
動子５とが、樹脂製の接着層１１０によって接着されて
いる。

【００１８】パッケージ７０の基盤７０ａには、複数の
貫通穴７０ｄが設けられている。電極端子６０の主面６
０ａが各貫通穴７０ｄにそれぞれ挿入され、図示しない
接着剤によって固定されている。

【００１９】ボンディングワイヤ５０が振動子５の主面
５ａから電極端子６０へと延びており、電極端子６０の
表面６０ａへと接続されている。そして、電極端子６０
は、図示しない配線を介して半導体部品へと電気的に接
続されている。図２においては、図１におけるボンディ
ングワイヤ５０を斜め方向から見ている。

【００２０】図３は、好適例の振動子５の概略平面図で
ある。振動子５は、所定平面（ＸＹ平面）に対して略垂
直なＺ軸を中心とする回転角速度を測定できるものであ
る。振動子５の固定部４Ｂは、振動子５の重心ＧＯを中
心として４回対称の正方形をしている。電極端子６０
は、ボンディングワイヤ５０を介して固定部４Ｂに接続
している。固定部４Ｂの周縁部から細長い支持部６が突
出している。各支持部６の先端から、支持部６に直交す
る方向に一対の駆動振動片２Ａ、２Ｂまたは２Ｃ、２Ｄ
が延びている。各駆動振動片の付け根部分３０は、各支
持部の先端から突出しており、付け根部分３０が各駆動
振動片の固定部として機能する。各駆動振動片には、そ
れぞれ駆動電極７が設けられている。

【００２１】固定部４Ｂの周縁部から、細長い検出振動
片１１Ａ、１１Ｂが突出している。各検出振動片１１
Ａ、１１Ｂには、それぞれ検出電極８が設けられてい
る。検出用の各振動片１１Ａ、１１Ｂの先端にはそれぞ
れ重量部１０が設けられている。

【００２２】駆動モードにおいては、各駆動振動片２
Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄが、付け根部分３０を中心とし
て、矢印Ａのように屈曲振動する。検出モードにおいて
は、各支持部６が、固定部４Ｂへの付け根を中心として
矢印Ｃのように周方向に屈曲振動する。これに対応し
て、各検出振動片１１Ａ、１１Ｂが、矢印Ｂのように屈
曲振動する。各検出振動片１１Ａ、１１Ｂに励起される
各検出振動を測定することによって、垂直軸Ｚの周りの
回転角速度を測定する。

【００２３】本発明の効果の観点からは、前記比率Ｄ１
／Ｄ２は３．０以上であることが好ましく、６．０以上
であることが更に好ましい。また、Ｄ１／Ｄ２が大きく
なりすぎると、衝撃が加えられた際接着層の部分より振
動子がパッケージに対して変位し、ボンディングワイヤ
へと振動子から加わる張力が大きくなり、ボンディング
ワイヤと振動子との接合状態を一定に保持することが困
難になる。このため、振動子ごとの性能差が大きくなる
可能性がある。こうした振動子ごとの性能のバラツキを
抑制するという観点からは、Ｄ１／Ｄ２は、１０．０以
下であることが好ましい。

【００２４】Ｄ１の大きさは特に限定されない。しか
し、本発明の作用効果の観点からは、０．２ｍｍ以上が
好ましく、０．３ｍｍ以上が更に好ましい。また、Ｄ１
が大きくなりすぎると、Ｄ２も大きくなり、かえって逆
効果となる傾向があるので、Ｄ１は０．４ｍｍ以下が好
ましい。

【００２５】Ｄ２の大きさは特に限定されない。しか
し、本発明の作用効果の観点からは、０．１ｍｍ以下が
好ましく、０．０５ｍｍ以下が更に好ましい。また、Ｄ
２が小さくなりすぎると、ボンディングワイヤへと振動
子から加わる張力が大きくなり、ボンディングワイヤと
振動子との接合状態を一定に保持することが困難にな
る。このため、振動子ごとの性能差が大きくなる可能性
がある。こうした振動子ごとの性能のバラツキを抑制す
るという観点からは、Ｄ２は０ｍｍ以上であることが好
ましく、０．０２ｍｍ以上であることが更に好ましい。

【００２６】ボンディングワイヤの材質は特に限定され
ないが、導電性材料である必要があり、また柔軟性ない
し可撓性を有する材料であることが好ましい。この観点
からは、金、金めっき付銅、金めっき付ニッケル、ニッ
ケル、アルミニウム、アルミニウム合金が好ましい。

【００２７】ボンディングワイヤの径は特に限定されな
いが、本発明の作用効果の観点からは、φ１５〜５０μ
ｍであることが好ましい。

【００２８】振動子を構成する材質は限定されないが、
水晶、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、ニオブ酸リチウム
−タンタル酸リチウム固溶体（Ｌｉ（Ｎｂ，Ｔａ）
Ｏ_３）単結晶、ホウ酸リチウム単結晶、ランガサイト単
結晶等からなる圧電単結晶を使用することが好ましい。

【００２９】基盤の種類は特に限定されないが、パッケ
ージ用基盤であることが好ましい。

【００３０】基盤の材質は特に限定されず、いわゆるパ
ッケージ用途に用いられている絶縁性材料、例えばセラ
ミックス、ガラス、樹脂を使用できる。

【００３１】ボンディングワイヤは、振動子の端子部に
対して接合されていてよい。また、ボンディングワイヤ
を、振動子の端子部以外の領域に対して接合し、ボンデ
ィングワイヤと振動子の端子部とを、例えば振動子上の
配線や振動子とは別体の電線を通して、電気的に接続す
ることができる。

【００３２】ボンディングワイヤの振動子への接合方法
は限定されないが、超音波ボンディング、スポット溶
接、導電性接着剤、半田付けが好ましい。

【００３３】好適な実施形態においては、振動子が、屈
曲振動片と、この屈曲振動片を固定する固定部とを備え
ており、この固定部がボンディングワイヤに対して接合
されている。これによって、振動片の屈曲振動に対する
支持構造の影響を最小限に抑えることができる。

【００３４】好適な実施形態においては、振動型ジャイ
ロスコープによって回転角速度を検出するべき回転軸に
対して振動子が略垂直方向に延びている。

【００３５】

【実施例】図１〜図３に示す振動型ジャイロスコープ用
の電気的接続構造を作製した。具体的には、厚さ０．１
ｍｍの水晶のＺ板のウエハーに、スパッタ法によって、
所定位置に、厚さ１００オングストロームのクロム膜
と、厚さ１５００オングストロームの金膜とを形成し
た。ウエハーの両面にレジストをコーティングした。

【００３６】このウエハーを、ヨウ素とヨウ化カリウム
との水溶液に浸漬し、余分な金膜をエッチングによって
除去し、更に硝酸セリウムアンモニウムと過塩素酸との
水溶液にウエハーを浸漬し、余分なクロム膜をエッチン
グして除去した。温度８０℃の重フッ化アンモニウムに
２０時間ウエハーを浸漬し、ウエハーをエッチングし、
振動子５の外形を形成した。メタルマスクを使用して、
厚さ１００オングストロームのクロム膜上に厚さ２００
０オングストロームの金膜を電極膜として形成した。振
動子５の寸法は、縦３．８ｍｍ、横４．５ｍｍ、厚さ
０．１ｍｍであり、重量は約０．８ｍｇであった。

【００３７】振動子５をパッケージに実装した。ただ
し、基盤はアルミナセラミックスによって形成し、接点
パッドは金によって形成した。振動子５の固定部４Ｂの
中央に０．７５ｍｍ×０．７５ｍｍの正方形の支持孔を
形成し、この支持孔に直径０．６ｍｍの金属ピンを通
し、金属ピンに対して振動子をシリコーン樹脂接着剤１
１０によって接着した。

【００３８】ボンディングワイヤは、アルミニウム合金
を使用した。ワイヤ径はφ２５μｍを使用した。ボンデ
ィングワイヤを基盤表面の電極端子、振動子５に対して
共に超音波ボンディングによって接合した。この振動型
ジャイロスコープに対して、−４０℃から８５℃におい
て回転角速度の値を測定した。

【００３９】図４および図５にそれぞれ、回転角速度の
温度変化の測定結果を示す。図４および図５に示すグラ
フの横軸は温度を示しており、縦軸は回転角速度の値を
示している。

【００４０】図４に示すように、Ｄ１／Ｄ２が２のとき
には、ボンディングワイヤの共振に起因すると推測され
る回転角速度のピークが４０〜５０℃付近で観測され
た。図５に示すように、Ｄ１／Ｄ２が３のときには、こ
のピークが観測されなかった。なお、図４、図５におい
て、−４０℃から８５℃まで回転角速度がほぼ直線的に
増大しているが、このような直線的変化は電気的処理に
よって容易に消去できる。

【００４１】このように、Ｄ１／Ｄ２を３．０以上とす
ることによって、ゼロ点温度ドリフトを抑制できる。

【００４２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、振動子、電極端子、および振動子と電極端子
とを接続するボンディングワイヤを備えている接続構造
において、ボンディングワイヤの共振に起因する振動子
のゼロ点温度ドリフトを低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】電気的接続構造４０を模式的に示す概略断面図
である。

【図２】振動型ジャイロスコープ１の要部を模式的に示
す断面図である。

【図３】好適例の振動子５を概略的に示す平面図であ
る。

【図４】Ｄ１／Ｄ２が２．０の場合の回転角速度の温度
変化を示すグラフである。

【図５】Ｄ１／Ｄ２が３．０の場合の回転角速度の温度
変化を示すグラフである。

【符号の説明】 １ 振動型ジャイロスコープ ２Ａ、２Ｂ、２
Ｃ、２Ｄ駆動振動片 ５ 振動子 ５ａ
振動子の主面 １１Ａ、１１Ｂ 検出振動片
４０ 電気的接続構造 ５０ ボン
ディングワイヤ ５２ ボンディングワイヤの
第一の末端 ５４ ボンディングワイヤの第二の末端 ５６
湾曲部 ６０ 電極端子 ６０ａ 電極端子の主面
７０ パッケージ ７０ａ 基盤 Ｂ 第一の末端および第二の末端
を通る直線 Ｄ１ 第一の末端および第二の末端を通る直線Ｂに対す
る湾曲部の高さ Ｄ２ 振動子の主面に対する湾曲部の高さ

フロントページの続き (72)発明者 菊池 尊行 愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号 日 本碍子株式会社内 Ｆターム(参考） 2F105 AA02 BB08 CC04 CD02 CD06

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】振動子、電極端子、および前記振動子と前
   記電極端子とを接続するボンディングワイヤとを備えて
   いる電気的接続構造であって、 前記ボンディングワイヤが、前記振動子の主面に接続す
   る第一の末端、前記電極端子に接続する第二の末端、お
   よび前記第一の末端と前記第二の末端の間に設けられた
   湾曲部を備えており、 前記第一の末端および前記第二の末端を通る直線に対す
   る前記湾曲部の高さＤ１と、前記振動子の前記主面に対
   する前記湾曲部の高さＤ２との比率Ｄ１／Ｄ２が３．０
   以上であることを特徴とする、振動子の電気的接続構
   造。
2. 【請求項２】請求項１記載の電気的接続構造を備えてい
   ることを特徴とする、振動型ジャイロスコープ。