JP2004309443A - 振動子の支持構造 - Google Patents

Abstract

【課題】電気的接続のための端子部を備える振動子を支持するための支持装置であって、振動子を小型化することが可能であり、かつかつ広い温度範囲にわたって駆動インピーダンスを一定とし、温度ドリフトを低減できる新規な支持装置を提供する。
【解決手段】本支持構造は、基板、および基板表面上に支持されており、振動子に対して接合されるべきボンディングワイヤ４５、４６を備えている。振動子をボンディングワイヤによって基板に接触しない状態で支持する。ボンディングワイヤが端子部に対して電気的に接続される。支持構造の共振周波数ｆｒ、振動子の駆動周波数ｆｄおよび離調Δｆが以下の関係を満足する（１．１・Δｆ≦ｆｒ≦０．９・ｆｄ）。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、振動子の支持構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】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ことが検討されている。こうしたシステムにおいては、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】車体制御システムにおいては、振動型ジャイロスコープおよびその振動子は、幅広い環境温度、即ち高温と低温とにさらされる。このような使用温度範囲は、通常は−４０℃−＋８５℃の範囲にわたっており、一層厳しい仕様では更に広い温度範囲にわたる場合もある。特に、振動子を圧電性単結晶によって形成した場合には、圧電性単結晶の有する温度特性の影響がある。本出願人は、特許文献１において、振動型ジャイロスコープの環境温度が変化した場合に、検出振動のＱ値の変動を抑制するために、振動子を支持部材へと接着する接着剤のｔａｎδを、使用温度範囲内において０．１以下とすることを開示した。
【特許文献１】
特開２００１−１２９５５号公報
【０００４】また、特許文献２には、振動型ジャイロスコープ用の振動子を支持部材によって支持するのに際して、支持部材を細長い棒状物とし、支持部材を複雑に曲折させ、振動子を支持している。支持部材を振動子上の電極に対して電気的に接続することも記載されている。
【特許文献２】
特開２００３−２８６４８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このような支持方法によっても、例えば高温領域において、かなり大きい温度ドリフトが発生することがあった。例えば、図７に示すように、低温〜室温領域で駆動インピーダンスが一定していても、６０℃〜７０℃から駆動インピーダンスが立ち上がり、温度ドリフトを生じさせることがあった。
【０００６】本発明の課題は、電気的接続のための端子部を備える振動子を支持するための支持構造であって、振動子を小型化することが可能であり、かつ広い温度範囲にわたって駆動インピーダンスを一定とし、温度ドリフトを低減できるようにすることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、電気的接続のための端子部を備える振動子を支持するための支持構造であって、基板、および基板表面上に支持されており、振動子に対して接合されるべきボンディングワイヤを備えており、振動子をボンディングワイヤによって基板に接触しない状態で支持し、かつボンディングワイヤが端子部に対して電気的に接続されるように構成されており、支持構造の共振周波数ｆｒ、振動子の駆動周波数ｆｄおよび離調Δｆが以下の関係を満足することを特徴とする。
１．１・Δｆ≦ｆｒ≦０．９・ｆｄ
【０００８】本発明者は、振動子の端子部に対して電気信号を供給したり、あるいは振動子の端子部から所定の電気信号をパッケージ基板に伝送するためのボンディングワイヤに着目した。そして、基板上に固定されたボンディングワイヤを振動子に対して接合し、振動子を基板から浮上した状態で支持することを想到した。振動子を小型化することによって、振動子を浮上状態で支持するのに必要な構造強度が、ボンディングワイヤによって得られる。
【０００９】しかし、このような支持方法によっても、前述したように、例えば高温領域において、かなり大きい温度ドリフトが発生することがあった。本発明者は、こうした一部温度範囲における温度ドリフトの原因について検討した結果、以下の知見を得た。例えば本発明者が設定したあるモデル系では、駆動周波数ｆｄが４０ｋＨｚ近辺であり、離調周波数Δｆが１ｋＨｚ近辺である。この場合、比較的リジッドに振動子を基板表面にボンディングワイヤで支持すると、支持構造全体の共振周波数ｆｒが上昇し、駆動周波数ｆｄに接近することがあった。この場合には、例えば高温領域や低温領域など一部温度領域において、駆動インピーダンスが上昇し、温度ドリフトが生ずることがある。
【００１０】一方、こうした駆動周波数ｆｄと支持構造との共振による駆動インピーダンスの上昇を防止するために、ボンディングワイヤに曲折部分を多くしたり、あるいはボンディングワイヤにおけるたるみや湾曲を大きくすることによって、振動子の支持状態を柔軟にすることも試みた。しかし、この場合には、いわゆる離調ノイズが生じ得ることを見いだした。離調とは、駆動周波数ｆｄと検出周波数との差である。離調と同じ周波数で交流的な角速度変化が印加されると、共鳴現象により検出感度が増大する。すると、角速度成分を所定値より大きな感度で検出することになるため、離調ノイズ分だけ真の値に比べて大きな角速度値を検出することになる。この感度の増大の度合いは、検出振動のＱ値と正相関があった。特に水晶振動子はＱ値が高いので、離調ノイズの影響が顕著であった。
【００１１】このような知見を踏まえ、支持構造の共振周波数ｆｒ、振動子の駆動周波数ｆｄおよび離調Δｆが以下の関係を満足するように振動子を基板表面上に支持することによって、前述した温度ドリフトを低減できることを見いだした。
１．１・Δｆ≦ｆｒ≦０．９ｆｄ
【００１２】ここで、支持構造の共振周波数ｆｒは、振動子の駆動周波数ｆｄの０．９倍以下とする。本発明の観点からは、ｆｒは、ｆｄの０．５倍以下とすることが一層好ましい。また、ｆｒとｆｄとの差は、４ｋＨｚ以上とすることが好ましく、２０ｋＨｚ以上とすることが一層好ましい。
【００１３】支持構造の共振周波数ｆｒは離調Δｆの１．１倍以上とする。本発明の観点からは、共振周波数ｆｒは離調Δｆの１．５倍以上とすることが好ましく、２倍以上とすることが最も好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。
【００１５】振動子の材質は限定されないが、圧電単結晶が好ましく、水晶、ニオブ酸リチウム単結晶、タンタル酸リチウム単結晶、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶、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が特に好ましい。
【００１６】振動子の寸法は限定されない。しかし、振動子の重量や寸法が大きいと、ボンディングワイヤに加わる重力が大きくなり、長期間経過時にボンディングワイヤが変形する可能性がある。このため、ボンディングワイヤの変形による振動への影響を抑制するという観点からは、振動子の幅を１０ｍｍ以下とすることが好ましく、５ｍｍ以下とすることがさらに好ましい。また、同様の観点からは、振動子の重量を５ｍｇ以下とすることが好ましく、１ｍｇ以下とすることが一層好ましい。また、振動子の厚さを０．３ｍｍ以下とすることが好ましく、０．２ｍｍ以下とすることが更に好ましい。
【００１７】基板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。
【００１８】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。
【００１９】ボンディングワイヤは、振動子の端子部に対して電気的に接続されている。ここで、好適な実施形態においては、ボンディングワイヤが振動子の端子部に対して接合されている。しかし、ボンディングワイヤは、端子部に対して直接接合されている必要はない。例えば、ボンディングワイヤの先端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の先端と端子部とを、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。
【００２０】振動子は、基板に直接接触しない状態で支持する必要があり、これによって振動子の振動の阻害を防止する。好適な実施形態においては、振動子と基板との間隔は、０．１ｍｍ以上であり、更に好ましくは０．２ｍｍ以上である。
【００２１】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、金めっき付銅、金めっき付ニッケル、ニッケル、アルミニウムが好ましい。
【００２２】ボンディングワイヤの幅と厚さは特に限定されないが、振動子を長期間にわたって安定して支持するという観点からは、幅２５μｍ、厚さ１０μｍ以上であることが好ましく、幅５０μｍ、厚さ２０μｍ以上であることが更に好ましい。また、支持構造全体の小型化という観点からは、幅２００μｍ、厚さ８０μｍ以下であることが好ましく、幅１００μｍ、厚さ４０μｍ以下であることが更に好ましい。
【００２３】ボンディングワイヤによって振動子の上面を支持することができる。この場合は、振動子がボンディングワイヤの端部から下へと向かってつり下げられる。この形態は、支持構造全体の厚さを低減するという観点から好適である。
【００２４】あるいは、ボンディングワイヤによって振動子の下面を支持することができる。この形態は、振動子を長期間にわたって安定に支持するという観点からは好適である。
【００２５】基板の種類は特に限定されないが、パッケージ用基板であることが好ましい。
【００２６】好適な実施形態においては、複数の検出側信号電極用ボンディングワイヤを含み、駆動側信号電極用ボンディングワイヤの接続部と駆動側接地電極用ボンディングワイヤの接続部とを結ぶ直線に対して、複数の検出側信号電極用ボンディングワイヤが略線対称の位置に配置されている。さらに好適な実施形態においては、駆動側信号電極用ボンディングワイヤの接続部と駆動側接地電極用ボンディングワイヤの接続部とを結ぶ直線に対して、複数の検出側接地電極用ボンディングワイヤが略線対称の位置に配置されている。
【００２７】図１〜図５はこの実施形態に係るものである。図１には、絶縁性材料からなる枠体４０を示す。枠体４０には、振動子を配置することを意図した中央穴４２と、これを包囲する４つの貫通孔４１とが設けられている。４３はブリッジ部である。本例の枠体４０は導電性材料からなり、基板表面上に載置されている。
【００２８】図２においては、枠体４０上に絶縁体４４を載置した状態を示した。図３においては、絶縁体４４上に、駆動側信号電極用ボンディングワイヤ４５および駆動側接地電極用ボンディングワイヤ４６を載置した状態を示す。図４においては、さらに検出側信号電極用ボンディングワイヤ４７Ａ、４７Ｂを載置した状態を示す。図５には、さらに検出側接地電極用ボンディングワイヤ４８Ａ、４８Ｂを載置した状態を示す。
【００２９】例えば図３、４に示すように、駆動側信号電極用ボンディングワイヤ４５は、配線部４５ａ、および中央穴４２への突出部１を備えている。突出部１は、Ｙ軸方向へ延びる部分１ｂ、曲折部１ｃ、１ｄ、Ｘ軸方向に延びる部分１ｅおよび振動子の電極パッドへの接続部１ｆを備えている。このボンディングワイヤ４５は、振動子の駆動側の信号電極に対して接続されている。駆動側接地電極用ボンディングワイヤ４６は、配線部４６ａ、および中央穴４２への突出部２を備えている。突出部２は、Ｙ軸方向へ延びる部分２ｂ、曲折部２ｃ、２ｄ、Ｘ軸方向に延びる部分２ｅおよび振動子の電極パッドへの接続部２ｆを備えている。このボンディングワイヤ４６は、振動子の駆動側の接地電極に対して接続されている。本例では、ボンディングワイヤ４５の接続部１ｆとボンディングワイヤ４６の接続部２ｆとは対向している。Ｍは、接続部１ｆと２ｆとを結ぶ直線である。
【００３０】図４に示すように、検出側信号電極用ボンディングワイヤ４７Ａ、４７Ｂは、それぞれ配線部４７ａ、中央穴４２への突出部４７ｂ、曲折部４７ｃおよび振動子の電極パッドへの接続部４７ｄを備えている。
【００３１】図５に示すように、検出側接地電極用ボンディングワイヤ４８Ａ、４８Ｂは、それぞれ配線部４８ｄ、中央穴４２への突出部４８ａ、曲折部４８ｂ、振動子の電極パッドへの接続部４８ｃ、およびガード電極部４８ｅを備えている。これらのボンディングワイヤ４８Ａ、４８Ｂは、基板実装面に接地されている。
【００３２】本例では、駆動側信号電極用ボンディングワイヤの接続部１ｆと駆動側接地電極用ボンディングワイヤの接続部２ｆとを結ぶ直線Ｍに対して、検出側信号電極用ボンディングワイヤ４７Ａと４７Ｂが略線対称の位置に配置されている。さらに、直線Ｍに対して、複数の検出側接地電極用ボンディングワイヤ４８Ａと４８Ｂが略線対称の位置に配置されている。
【００３３】この利点について述べる。本発明者は、振動型ジャイロスコープを小型の電子機器、例えば携帯電話に内蔵することを検討している。しかし、このためには振動子の寸法を著しく小さくする必要があり、振動子の寸法は例えば数ｍｍ程度となる。この大きさになると、従来の振動子では問題にならなかった静電結合が生じ、ノイズの原因になる。振動子上の各パッド間の間隔は、例えば５０μｍ程度しかとることができない。この水準の寸法になると、駆動側信号パッドと検出側パッドとの間での静電結合の寄与が大きくなる。この結果、振動子が静止しているときに２つの検出振動系からの検出値の差をとると、静電結合の寄与によって差が０にならず、ノイズを生ずる。また、環境温度が変化すると、零点温度ドリフトの原因となる。
【００３４】これに対して、直線Ｍに対して、検出側信号電極用ボンディングワイヤ４７Ａと４７Ｂとを略線対称の位置に配置することによって、同位相、同振幅のノイズを相殺でき、容量結合の影響を抑制してノイズを低減するのに有効である。さらに、直線Ｍに対して、複数の検出側接地電極用ボンディングワイヤ４８Ａと４８Ｂを略線対称の位置に配置することも有効である。
【００３５】好適な実施形態においては、複数の検出側信号電極用ボンディングワイヤ４７Ａと４７Ｂとが直線Ｍに対して略線対称の形状を有する。即ち、４７Ａと４７Ｂとが略合同形状を有する。ただし、４７Ａと４７Ｂとは合同である必要はない。
【００３６】振動子の形態は限定されない。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、支持構造の影響による振動子ごとの振動状態のバラツキを抑制できる。
【００３７】図６は、この実施形態に係る振動子１を示す。振動子１は、固定部２と、固定部２から突出する一対の検出振動片３と、固定部２から突出する一対の支持部５と、支持部５の先端に設けられている駆動振動片４とを備えている。駆動時には、各駆動振動片４が、支持部５への付け根を中心として屈曲振動する。この状態で振動子１に対して、振動子１に略垂直に延びる回転軸Ｚの周りに回転させる。すると、支持部５が固定部２への付け根を中心として屈曲振動し、各検出振動片３がその反作用によって固定部２への付け根を中心として屈曲振動する。各検出振動片３において発生した電気信号に基づいて、Ｚ軸を中心とする回転角速度を算出する。
【００３８】ここで、固定部２上には端子部６が設けられている。各端子部６と、駆動振動片、検出振動片上の電極とは、図示しない配線を通して電気的に接続されている。前述した各ボンディングワイヤが各端子に対して電気的に接続される。
【００３９】好適な実施形態においては、振動子が、回転角速度を検出するための振動型ジャイロスコープ用の振動子である。
【００４０】図８、図９、図１０は、図５と類似の形態を有する各支持構造を概略的に示す平面図である。図８、図９、図１０の各支持構造においては、いずれも、駆動側信号電極用ボンディングワイヤの接続部１ｆと駆動側接地電極用ボンディングワイヤの接続部２ｆとを結ぶ直線Ｍに対して、検出側信号電極用ボンディングワイヤ４７Ａと４７Ｂが略線対称の位置に配置されている。さらに、直線Ｍに対して、複数の検出側接地電極用ボンディングワイヤ４８Ａと４８Ｂが略線対称の位置に配置されている。
【００４１】
【実施例】図６に示す振動子を作製し、図１〜図５に示す支持構造に実装した。具体的には、厚さ０．１ｍｍ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。
【００４２】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１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２０００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１の寸法は、縦２ｍｍ、横２ｍｍ、厚さ０．１ｍｍであり、重量は約０．２ｍｇであった。
【００４３】振動子１をパッケージに実装した。ただし、基板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、枠体４０はＳＵＳによって形成し、絶縁体４４はポリイミド樹脂によって形成した。各ボンディングワイヤは、銅膜線を金によってメッキすることで製造し、直線状（比較例）、あるいは曲折部あり（実施例）とした。各ボンディングワイヤを絶縁体４４に対して接着し、振動子１に対して超音波ボンディングによって接合した。
【００４４】ここで、実施例においては各ボンディングワイヤの形状を図３〜図５に示すようにし、その幅と厚さを調整することによって、支持構造の共振周波数ｆｒ、振動子の駆動周波数ｆｄおよび離調Δｆを以下のように調整した。比較例においては、各ボンディングワイヤに曲折部を設けず、かつ幅と厚さを調整することによって支持構造の共振周波数ｆｒ、振動子の駆動周波数ｆｄおよび離調Δｆを以下のように調整した。

【００４５】そして、各例について、−４０℃から＋８５℃の間の駆動インピーダンスの温度変化を測定し、図７に示す。比較例（上側のグラフ）においては、６０℃近辺から高温では駆動インピーダンスが著しく上昇したが、実施例（下側のグラフ）においては、全温度範囲について駆動インピーダンスはきわめて緩やかに直線的に変化しており、顕著な温度ドリフトは見られなかった。
【００４６】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、電気的接続のための端子部を備える振動子を支持するための支持構造であって、振動子を小型化することが可能であり、かつ広い温度範囲にわたって駆動インピーダンスを一定とし、温度ドリフトを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】導電性材料からなる枠体４０を示す平面図である。
【図２】枠体４０および絶縁体４４を示す平面図である。
【図３】枠体４０、絶縁体４４、駆動側信号電極用ボンディングワイヤ４５および駆動側接地電極用ボンディングワイヤ４６を示す平面図である。
【図４】枠体４０、絶縁体４４、駆動側信号電極用ボンディングワイヤ４５、駆動側接地電極用ボンディングワイヤ４６および検出側信号電極用ボンディングワイヤ４７Ａ、４７Ｂを示す平面図である。
【図５】支持構造の平面図を示す。
【図６】振動子１を示す平面図である。
【図７】駆動インピーダンスの温度変化を示すグラフである。
【図８】他の例の支持構造を概略的に示す平面図である。
【図９】更に他の例の支持構造を概略的に示す平面図である。
【図１０】更に他の例の支持構造を概略的に示す平面図である。
【符号の説明】１ 振動子 ２ 固定部 ３ 検出振動片（屈曲振動片） ４ 駆動振動片（屈曲振動片） ５ 支持部（屈曲振動片） ６ 端子部 ４０ 枠体 ４５ 駆動側信号電極用ボンディングワイヤ ４６ 駆動側接地電極用ボンディングワイヤ ４７Ａ，４７Ｂ 検出側信号電極用ボンディングワイヤ ４８Ａ、４８Ｂ検出側接地電極用ボンディングワイヤ

Claims (5)

1. 電気的接続のための端子部を備える振動子を支持するための支持構造であって、
   基板、および前記基板表面上に支持されており、前記振動子に対して接合されるべきボンディングワイヤを備えており、前記振動子を前記ボンディングワイヤによって前記基板に接触しない状態で支持し、かつ前記ボンディングワイヤが前記端子部に対して電気的に接続されるように構成されており、前記支持構造の共振周波数ｆｒ、前記振動子の駆動周波数ｆｄおよび離調Δｆが以下の関係を満足することを特徴とする、振動子の支持構造。
   １．１・Δｆ≦ｆｒ≦０．９・ｆｄ
2. 前記ボンディングワイヤが曲折していることを特徴とする、請求項１記載の支持構造。
3. 前記ボンディングワイヤが、前記基板表面上において二つの直交する軸方向に沿って延びる曲折部分を備えていることを特徴とする、請求項２記載の支持構造。
4. 前記基板がパッケージ用基板であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の支持構造。
5. 前記振動子が、回転角速度を検出するための振動型ジャイロスコープ用の振動子であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の支持構造。

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