JP2005233701A - 振動子部品および振動子の支持構造 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電性材料からなる振動子を支持基板上に支持する構造において、振動状態を安定化し、振動感度を向上させる。
【解決手段】振動子支持構造体３０は、圧電性単結晶からなり、振動部１、振動部と連続する支持アーム８、および支持アーム８と連続する枠部１０を備えている。そして枠部１０に振動子側端子１１が設けられており、振動子側端子１１が支持基板側端子に電気的に接続される。
【選択図】図２

Description

本発明は、振動子部品および振動子の支持構造に関するものである。

最近、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。

こうした振動子は、セラミックパッケージなどの収容部材に収容し、これを回路基板に実装し、さらに所定の筐体内に収容し、筐体を車体へと取り付け可能とする必要がある。
例えば振動型ジャイロスコープ用途の圧電性材料製振動子においては、振動子表面に電極を設け、回転角速度に対応する電気信号を発生させ、これを回路基板の電極へと伝送する必要がある。
本出願人は、特許文献１において、支持基板表面に支持ピンを設け、支持ピン上に振動子を接着すると共に、振動子の表面の電極端子からボンディングワイヤを延ばし、ボンディングワイヤを支持基板表面の電極に接続することを開示した。また、ボンディングワイヤの好適な形状を検討し、開示した。
特開２００３−３１５０４７

また、シリコン振動子を曲折したシリコンアームで支持することは特許文献２に記載されている。また、一体の水晶板から水晶振動子と振動子の支持部とを形成することは特許文献３に記載されている。
欧州特許０４６１７６１ 米国特許４５２４６１９

しかし、振動子側電極を基板側電極に接続するためのボンディングワイヤが、ゼロ点温度ドリフトの原因となる場合があることが分かった。このようなゼロ点温度ドリフトは、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考えられる。

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、共振周波数を検出するのは困難である。

本発明の課題は、圧電性材料からなる振動子を支持基板上に支持する構造において、振動状態を安定化し、振動感度を向上させ得るようにすることである。

本発明は、圧電性材料からなり、振動部、振動部と連続する支持アーム、および支持アームと連続する枠部を備えている振動子支持構造体、および枠部に設けられている振動子側端子を備えていることを特徴とする、振動子部品に係るものである。

また、本発明は、前記振動子部品、および基板側電極が設けられた支持基板を備えており、振動子側端子が基板側端子に対して電気的に接続されていることを特徴とする、振動子の支持構造に係るものである。

本発明によれば、圧電性材料からなる振動子を、その支持アームおよび枠部と一体に成形し、この枠部上の端子を支持基板側の端子に対して接続する。この結果、振動子側電極を基板側電極へと電気的に接続するボンディングワイヤを特に必要とせず、このためにボンディングワイヤの共振に起因する振動子の振動の変動を防止でき、例えばこれによるゼロ点温度ドリフトを防止できる。これと共に、圧電性材料からなるアームと枠部とを振動子本体部分と一体化することによって、振動部の振動の束縛を少なくし、振動感度を向上させることができる。

更に、振動子を銅箔によって支持し、銅箔を基板側端子に接合する方法も考えられる。しかし、この場合には、銅箔を基板側端子に対して接合する際に、基板側端子の振動子に対する相対位置が少しずれると、銅箔が微細に変形する。この結果、その振動子の振動状態が、温度変化の影響を受けて変化しやすくなり、温度ドリフトが増大する。これに対して、本発明によれば、枠部の振動子側端子を基板側の端子に対して電気的に接続しており、振動子を支持するための別体の銅箔は不要となっている。これによって上述の温度ドリフトを避けることができる。

図１は、本発明の一実施形態において使用する振動部１および支持アーム８を示す拡大斜視図であり、図２は、振動部１、支持アーム８および枠部１０を備える圧電性材料製の振動子支持構造体３０を示す斜視図である。

最初に振動部１の概略を説明する。振動部１の基部２は、本例では略正方形状をしている。基部２に振動部１の全体の重心Ｇ（振動子が振動していないときの重心）が存在する。基部２は、重心Ｇを中心として四回対称の形状をなしている。基部２の周縁部の対向辺から、径方向（重心Ｇから遠ざかる方向）に、細長い一対の連結部３がそれぞれ突出している。各連結部３の先端からは、連結部３の長手方向に直交する方向に向かって延びる各一対の駆動振動片４が設けられている。各駆動振動片４の各先端に幅広部５が設けられている。各検出振動片７は、それぞれ、基部２の対向辺から径方向に（重心Ｇから遠ざかる方向へと）突出する。各検出振動片７の先端には幅広部６が設けられている。

駆動電極３１に交流電圧を印加することによって、各駆動振動片４を、それぞれ矢印Ａのように屈曲振動させる。この状態で振動子をＺ軸の周りに回転させると、各連結部３が、それぞれ、基部２への付け根を中心として、矢印Ｂのように屈曲振動する。連結部３の屈曲振動Ｂに対応して、各検出振動片７が、その基部２への付け根を中心として矢印Ｃのように屈曲振動する。この検出振動による変位によって検出電極３２に生ずる信号を検出する。

例えば図１、図２の例のように支持アーム８を曲折させることによって、振動部１における振動感度を一層向上させることができる。

図２に示すように、枠部１０の内部空間９に、振動部１および支持アーム８が形成されている。振動部の基部２は、例えば４箇所で支持アーム８に連結されている。この支持アーム８は３箇所で折れ曲がっており、各片８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄからなっている。片８ａは基部２に連続しており、片８ｄは枠１０に連続している。枠部１０には所定箇所に振動子側端子１１が形成されている。

図３は、本例の支持基板１５を概略的に示す斜視図であり、図４は、支持基板１５に振動子支持構造体３０を固定して形成したパッケージを概略的に示す断面図である。支持基板１５は底板部１５ａ、側壁部１５ｂおよび突出部２１からなり、突出部２１内にビア導体２０が形成されている。ビア導体２０は、底板部１５ａの図示しない導体を通して外部に接続されている。また底板部１５ａ上にはチップＩＣ１８が金バンプ２５を介して設置されている。ビア導体２０上には導電性接合剤１６を介して振動子側端子１１が接合されている。側壁部１５ｂ上には例えばコバールリングを介して蓋２３が固定されている。本例では導電性接合材１６が基板側端子として作用する。

振動子を構成する圧電性材料は特に限定されず、ＰＺＴ等の圧電セラミックスを例示できるが、圧電性単結晶が特に好ましい。圧電性単結晶としては、水晶、ＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体（Ｌｉ（Ｎｂ，Ｔａ）Ｏ₃）単結晶、ホウ酸リチウム単結晶、ランガサイト単結晶を例示できる。

支持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く、あるいは、半導体集積回路チップを支持した回路基板であることが好ましい。後者の場合には、ＡＳＩＣ（Application Specified
Integrated Circuit：特定用途向け集積回路）が特に好ましい。

支持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。支持基板を更に別体の固定用基板上に固定し、支持することが可能である。この場合には、固定用基板の種類は限定されないが、例えばパッケージ用基板であることが好ましい。

導電性接合材の材質としては、以下が好ましい。
（１）導電性樹脂：例えばＡｇペースト、Ａｕペースト
（２）金属：例えば、金、ニッケル、アルミニウム
（３）半田
（４）複合材料：例えば絶縁性樹脂の表面を導電性物質によって被覆した導電性接合材。このような絶縁性樹脂としては、シリコーン、ポリイミド、エポキシ、ウレタン、アクリルを例示でき、導電性物質としては、金、銀、ニッケル、カーボンを例示できる。
（５）異方導電性接合材。異方導電性材料は、通常は、樹脂フィルム中に導電性粒子を分散させて製造する。

好適な実施形態においては、振動部の厚さと支持アームの厚さとが略同じである。こ例は図５に示した。このように振動子部品と支持アームとの厚さを等しくすることによって、振動部および支持アームの成形が容易になる。

また、他の好適な実施形態においては、支持アームの厚さが振動部の厚さよりも小さい。これによって振動子の振動に対する支持アームからの束縛を一層少なくでき、振動感度を向上させることができる。例えば、図６に示す例では、支持アーム２８の厚さが基部２の厚さよりも小さい。なお２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄの平面形状は、図１に示した支持アーム８と同じである。

また、好適な実施形態においては、支持アームの曲折部分に幅広部が設けられている。これによって、振動子の振動に対する支持アームからの束縛を一層少なくでき、振動感度を向上させることができる。例えば、図７に示す例では、支持アーム８Ａの片８ｃと８ｄとの間のコーナーに幅広部８ｅが設けられている。

また、図８に示す例では、支持アーム２８の厚さが基部２の厚さよりも小さくなっており、また、支持アーム２８Ａの片２８ｃと２８ｄとの間のコーナーに幅広部２８ｅが設けられている。

本発明において測定されるべき物理量は、特に限定はされない。振動子に駆動振動を励振し、駆動振動中の振動子に対する物理量の影響によって振動子の振動状態に変化が生じたときに、この振動状態の変化から検出回路を通して検出可能な物理量を対象とする。こうした物理量としては、振動子に印加される加速度、角速度、角加速度が特に好ましい。また、測定装置としては振動型ジャイロスコープ等の慣性センサーが好ましい。

（実施例１）
図１〜図５に示す形態の支持構造を作製した。具体的には、まず図１、図２、図５に示す振動子支持構造体３０を使用した。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。

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、振動子支持構造体３０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。ここで、図２において、Ｗ１は０．６ｍｍであり、Ｗ２は１．０ｍｍであり、Ｗ３は１５μｍであり、Ｗ４は０．１ｍｍであり、Ｗ５は３０μｍである。振動子側端子１１は金めっきによって形成した。

振動子支持構造体３０を、図４に示すようにパッケージ内に実装した。ただし、支持基板１５はセラミック基板によって形成し、導電性接合材１６として銀ペーストを使用し、銀ペーストの加熱温度は１５０℃とし、保持時間は１時間とした。コバールリング２２によってコバール蓋２３を固定した。ＩＣチップ１８は金バンプ２５によって支持基板上に固定した。蓋の厚さａは０．０８ｍｍであり、コバールリング２２の厚さｂは０．１１ｍｍであり、支持基板１５の高さｃは０．４ｍｍであり、幅は１．５ｍｍであり、長さは２．５ｍｍであった。

得られた振動型ジャイロスコープについて、Ｚ軸の周りの回転角速度に対する振動感度を測定したところ、０．１゜／秒／Ｇであった。また、この振動型ジャイロスコープについて、パッケージを静止させたときの振動子からの出力電圧を測定した。あらかじめ回転角速度に対するジャイロ感度を測定し、検量線を準備しておいた。そして、出力電圧を、予め測定しておいたジャイロ感度を用いて回転角速度に換算した。この結果、−４０℃〜＋８５℃における温度ドリフトは約５ｄｐｓであった。

（実施例２）
実施例１と同様にして振動子の支持構造を作製した。ただし、導電性接合材１６として金バンプを使用した。得られた振動型ジャイロスコープについて、Ｚ軸の周りの回転角速度に対する振動感度を測定したところ、０．２゜／秒／Ｇであった。また、実施例１と同様にして−４０℃〜＋８５℃における温度ドリフトを測定したところ、約７ｄｐｓであった。

振動部１および支持アーム８の拡大斜視図である。 振動部１、支持アーム８、枠部１０および振動子側端子１１を備える振動子支持構造体３０を示す斜視図である。 支持基板１５を示す斜視図である。 支持基板１５および蓋２３からなるパッケージ内に振動子支持構造体３０を収容した状態を示す概略断面図である。 振動子１と支持アーム８との厚さが略等しい形態の振動子支持構造体を示す部分斜視図である。 振動子１の厚さが支持アーム２８の厚さよりも大きい形態の振動子支持構造体を示す部分斜視図である。 振動子１と支持アーム８との厚さが略等しく、幅広部８ｅが設けられた形態の振動子支持構造体を示す部分斜視図である。 振動子１の厚さが支持アーム２８の厚さよりも大きく、幅広部２８ｅが設けられた形態の振動子支持構造体を示す部分斜視図である。

符号の説明

１ 振動部 ２ 基部 ４ 駆動振動片 ５ 検出振動片 ８、２８ 支持アーム １０ 枠部 １１ 振動子側端子 １５ 支持基板 １６ 基板側端子 １７ キャビティ １８ ＩＣチップ

Claims (9)

1. 圧電性材料からなり、振動部、前記振動部と連続する支持アーム、および前記支持アームと連続する枠部を備えている振動子支持構造体、および前記枠部に設けられている振動子側端子を備えていることを特徴とする、振動子部品。
2. 前記振動部が、前記支持アームに連結されている基部、駆動振動片および検出振動片を備えていることを特徴とする、請求項１記載の振動子部品。
3. 前記支持アームが曲折部を有することを特徴とする、請求項１または２記載の振動子部品。
4. 前記支持アームが幅広部を有す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振動子部品。
5. 前記振動部の厚さと前記支持アームの厚さとが略同じ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振動子部品。
6. 前記支持アームの厚さが前記振動部の厚さよりも小さいことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の振動子部品。
7. 請求項１〜６のいずれか一つの請求項に記載の振動子部品、および基板側電極が設けられた支持基板を備えており、前記振動子側端子が前記基板側端子に対して電気的に接続されていることを特徴とする、振動子の支持構造。
8. 前記支持基板が、半導体回路基板またはパッケージ用基板であることを特徴とする、請求項７記載の支持構造。
9. 前記振動子が物理量測定用の振動子であることを特徴とする、請求項７または８記載の支持構造。

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