JP2005249428A - 振動子の支持構造、その製造方法および振動子用パッケージ - Google Patents

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Abstract

【課題】振動子を収容するパッケージを基板の取り付け面上に固定する際に、振動子の検出軸を所望方向に配向させる操作を、パッケージを取り付け面に対して傾斜させる必要性なしに行えるようにする。
【解決手段】パッケージ用基板5A、パッケージ用基板5Aの実装面2に固定されている支持基板6、支持基板6上に支持されており、所定の検出軸Zに対応する振動子8、および支持基板6と実装面2とを接着する接着部9A、9Bを備えている支持構造を製造する。実装面2上に未硬化接着剤を介して支持基板6を載置し、検出軸Zが所望方向に配向されるように実装面2上における未硬化接着剤の量を変化させる。次いで未硬化接着剤を硬化させることによって接着部9A、9Bを生成させる。
【選択図】 図3

Description

本発明は、振動型ジャイロスコープ等の振動子の支持構造および振動子用パッケージに関するものである。
特許文献1では、振動型ジャイロスコープを内蔵した角速度測定装置において、振動子をセンサーパッケージ内に内蔵し、センサーパッケージを基板上に設置している。この際、パッケージの底面から脚を複数本出し、各脚の長さを変えることによって、パッケージを基板の取り付け面に対して傾斜させる。例えば車両のダッシュボードは水平面に対して傾斜している。従って、振動型ジャイロスコープを内蔵したパッケージをダッシュボード上に設置する際には、特許文献1記載のように、パッケージを取り付け面に対してダッシュボード表面とは反対方向に傾斜させることによって、振動子の検出軸を垂直軸と一致させることができる。
特開2002−22452号公報
特許文献1記載の方法は、例えばダッシュボード上にセンサーパッケージを設置する場合のように、予め傾斜角度が決まっている場合には有効である。しかし、センサーパッケージを設置するべき基板取り付け面の傾斜角度が異なっている場合や、傾斜角度のバラツキが大きい場合には、センサーパッケージの脚部の長さを逐一変更して対応することは現実的ではない。更に、センサーパッケージを設置するべき取り付け面が水平であり、振動子の検出軸を垂直軸から動かしたい場合に、センサーパッケージの取り付け面への実装時に対応することは難しい。
更に、本発明者が検討したところ、次のような製造プロセス上の問題点が場合によっては存在することも判明してきた。例えば図1(a)に示すように、センサーパッケージ1を取り付け面20a上に、長さの異なる脚部3a、3bによって固定するものとする。この場合には、脚部3a、3bをパッケージ1の底面に付け、パッケージ1を治具4で挟み、取り付け面20aに向かって移動させ、脚部3a、3bを取り付け面20aに接触させ、ろう付けする。この際、パッケージ1を図1(b)に示すように取り付け面20aに対して傾斜させた状態で、パッケージ1を取り付け面20aに対して矢印Aのように押しつけるためには、治具4を矢印Bのように開く必要がある。しかしこの状態では治具4からの力がパッケージ1に対して有効に伝達されず、パッケージ1を所望角度に保持することが難しい。また、脚部3a、3bのうち一方が他方よりも先に取り付け面20aに対して接触し、この状態で矢印A方向に脚部に力が加わりやすく、脚部が変形するおそれがある。
本発明の課題は、振動子を収容するパッケージを基板の取り付け面上に固定する際に、振動子の検出軸を所望方向に配向させる操作を、パッケージを取り付け面に対して傾斜させる必要性なしに行えるようにすることである。
第一の態様に係る発明は、パッケージ用基板、このパッケージ用基板の実装面に固定されている支持基板、支持基板上に支持されており、所定の検出軸に対応する振動子、および支持基板と実装面とを接着する接着部を備えている支持構造を製造する方法であって、
実装面上に未硬化接着剤を介して支持基板を載置し、振動子の検出軸が所望方向に配向されるように実装面上における未硬化接着剤の量を変化させ、次いで未硬化接着剤を硬化させることによって接着部を生成させることを特徴とする。
これによって、振動子の検出軸が所望方向に配向されるように、パッケージ用基板実装面上における接着部の厚さを変化させることができる。
第二の態様に係る発明は、パッケージ用基板、このパッケージ用基板の実装面に固定されている支持基板、支持基板上に支持されており、所定の検出軸に対応する振動子、および支持基板と実装面とを接着する接着部を備えている支持構造を製造する方法であって、
実装面上に未硬化接着剤を介して支持基板を載置し、治具を用いて振動子と支持基板との少なくとも一方に対して圧力を加えることによって、検出軸が所望方向に配向されるように未硬化接着剤を変形させ、次いで未硬化接着剤を硬化させることによって接着部を生成させることを特徴とする。
第三の態様に係る発明は、パッケージ用基板、このパッケージ用基板の実装面に固定されている支持基板、支持基板上に支持されており、所定の検出軸に対応する振動子、および支持基板と実装面とを接着する接着部を備えている支持構造を製造する方法であって、
実装面上に未硬化接着剤を介して支持基板を載置し、この際実装面に段差を設けることによって検出軸を所望方向に配向し、次いで未硬化接着剤を硬化させることによって接着部を生成させることを特徴とする。
第一の態様に係る発明によれば、パッケージ用基板実装面上に未硬化接着剤を介して支持基板を載置し、振動子の検出軸が所望方向に配向されるように実装面上における未硬化接着剤の量を変化させ、次いで未硬化接着剤を硬化させる。従って、振動子を収容するパッケージを別体の基板取り付け面上に固定する際に、パッケージを取り付け面に対して傾斜させる必要性なしに、振動子の検出軸を所望の方向に配向させることができる。
第二の態様に係る発明によれば、パッケージ用基板実装面上に未硬化接着剤を介して支持基板を載置し、治具を用いて振動子と支持基板との少なくとも一方に対して圧力を加えることによって、検出軸が所望方向に配向されるように未硬化接着剤を変形させ、次いで未硬化接着剤を硬化させることによって接着部を生成させる。従って、振動子を収容するパッケージを別体の基板取り付け面上に固定する際に、パッケージを取り付け面に対して傾斜させる必要性なしに、振動子の検出軸を所望の方向に配向させることができる。
第三の態様に係る発明によれば、パッケージ用基板実装面上に未硬化接着剤を介して支持基板を載置し、この際実装面に段差を設けることによって検出軸を所望方向に配向し、次いで未硬化接着剤を硬化させることによって接着部を生成させる。従って、振動子を収容するパッケージを別体の基板取り付け面上に固定する際に、パッケージを取り付け面に対して傾斜させる必要性なしに、振動子の検出軸を所望の方向に配向させることができる。
好適な実施形態においては、振動子が支持基板に対して接触しないように保持されている。これによって、パッケージに対して衝撃に加わったときに、振動子の振動状態の変化を最小限とし、また振動子の破損を防止できる。
また、好適な実施形態においては、振動子が支持基板上にボンディングワイヤによって支持されている。この場合には、振動子の振動状態が支持によって悪影響を受けにくい。特に好ましくは、ボンディングワイヤが振動子の端子に対して電力を供給するための電線を兼ねている。
本発明の振動子によって測定するべき対象は、例えば所定の検出軸についての回転速度、回転角速度である。また、好適な実施形態においては、振動子が振動型ジャイロスコープ用の振動子である。
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。
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。
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。
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。
パッケージ用基板には電子部品を搭載することができる。電子部品の種類は特に限定されないが、抵抗器、コンデンサ、半導体集積回路チップを例示できる。チップの種類は特に限定されないが、角速度センサの出力信号を処理する半導体集積回路であることが好ましく、たとえばフィルタを構成するオペアンプやアナログ出力をデジタル化するアナログ/デジタル変換器や、デジタル化した信号を外部にシリアル通信で出力するシリアル通信ドライバが好ましい。角速度センサ外部から振動子に直接接続できる端子がある場合は、振動子の駆動信号および検出信号を制御する半導体集積回路チップであることが好ましく、例えばASIC(Application Specified
Integrated Circuit:特定用途向け集積回路)が好ましい。
振動子のパッケージへの封止方法は限定されず、例えば以下の方法がある。
(1)封止手段が半導体チップ用パッケージである。このようなパッケージとしては、QFP(Quad Flat Package) パッケージ、QFN(Quad Flat No −lead)パッケージを例示できる。
(2)封止手段が樹脂モールド材である。樹脂モールド材としては、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂、ウレタン樹脂を例示できる。
(3)封止手段が、セラミックパッケージである。カバーは、シーム溶接されているか、あるいは半田溶接または金ロウ溶接されていることが好ましい。
(4)封止手段が金属パッケージである。材料としては、コバールが例示できる。
(5)封止手段が金属折り曲げ筐体である。気密封止にはなっていないが、電磁気シールドとしての効果はある。材料としては亜鉛メッキ鋼板、ステンレスを例示できる。
図2、図3は第一の態様に係るものであり、図2は、支持基板6上に振動子8を固定した状態を模式的に示す正面図であり、図3は、図2の組み立て体40Aをパッケージ用基板5A内に収容した状態を模式的に示す断面図である。
図2においては、支持基板6の表面6a上に脚部7a、7bによって振動子8が支持されている。この際、脚部7aと7bとの高さを互いに異ならせることによって、振動子8の検出軸Zを、支持面6aの法線Pに対して角度θ傾斜させており、同時に、振動子8の平面を支持面6aに対して角度θ傾斜させている。
図3において、Eを所望方向とし、Fを、パッケージ取り付け面の法線とする。組み立て体40Aをパッケージ用基板の実装面に実装すると、実装面に対しても振動子8は角度θだけ傾斜することになる。しかし、本発明においては、例えば図3に示すように、パッケージ用基板5Aの実装面2上に接着部9A、9Bを介して支持基板6を接着するのに際して、接着部9Aの厚さを接着部9Bの厚さよりも大きくする。これによって、支持基板6を実装面2に対して角度θだけ傾斜させる。具体的には、実装面2上における未硬化接着剤の量を場所によって変化させ、未硬化接着剤上に載せた支持基板6が実装面2に対して角度θ傾斜するようにする。この結果、支持基板6の法線PはE、F方向に対して角度θ傾斜する。振動子8の検出軸Zは実装面2に対して略垂直に配向され、E、Fと平行となる。なお、5aは電子部品収容孔であり、11は電子部品である。
振動子8および支持基板6の実装面2に対する傾斜角度の測定方法は特に限定されず、例えばレーザー傾斜計を利用できる。また、好ましくは、振動子8の法線(本例では検出軸)Zをレーザー傾斜計によって測定し、この法線の方向が所望方向Eと一致するように、実装面2上における未硬化接着剤の高さを変化させる。
実装面2上での未硬化接着剤の高さを変化させ、支持基板6を実装面2に対して傾斜させる方法は特に限定されない。好ましくは実装面2上への未硬化接着剤の供給量(盛り量)を適宜変化させる。この場合には、接着部9Aの量を接着部9Bの量よりも多くする。なお、複数箇所で支持基板6と実装面2との間に未硬化接着剤を介在させ、硬化させる場合には、以下のパターンがある。
(1) 接着剤9Aを標準量とし、接着剤9Bの量を標準量よりも少なくする。
(2) 接着剤9Aを標準量よりも多くし、接着剤9Bの量を標準量とする。
(3) 接着剤9Aを標準量よりも多くし、接着剤9Bの量を標準量よりも少なくする。
たとえば以下のようにして調整することができた。
すなわち、図2、図3において、後述する図10〜14に示すような組み立て体を組み立て体40Aとして使用し、パッケージ用基板5Aの実装面2に実装する。この際、接着部9A、9Bの間隔は3.5mmとし、修正するべき傾きθを1°とすると、接着部9Aと9Bとの間で必要な段差は61μmとなる。
一方、未硬化接着剤(例えば銀ペースト)の吐出条件と段差との関係は別途予め測定し、算出しておく。吐出条件による段差形成の例としては、例えば吐出条件を変更することによって、吐出直後の未硬化接着剤の直径を変更する。例えば、接着箇所を6箇所とし、吐出直後の銀ペーストの直径を0.4mm(標準値)とし、接着剤パッドの間隔を3.5mmとする。5箇所において銀ペーストの直径を0.4mm(標準値)とし、1箇所において銀ペーストの直径を0.25mmとすると、支持基板6において55μmの段差が形成されることを確認した。
接着剤の種類は特に限定されず、導電性接着剤、絶縁性接着剤であってよい。具体的には以下のものが特に好ましい。
Agペースト、フラックス付き半田ボール、エポキシ樹脂系接着剤
また、未硬化接着剤を供給する手段は特に限定されず、通常のディスペンサーを使用できる。また、未硬化接着剤の吐出量を調整する方法としては、吐出時間を変更する方法、吐出速度を変更する方法、吐出ノズルを複数設けて吐出に使用するノズルの本数を変更する方法がある。
図4〜図6は、第二の態様に係るものである。図4は、図2、図3の組み立て体40Aをパッケージ用基板5Aの実装面2上に未硬化接着剤15を介して設置した状態を模式的に示す断面図であり、治具13から荷重を加える前の状態を示す。図5は、図4において治具13から振動子8へと荷重を加えた後の状態を模式的に示す断面図である。
図4に示すように、組み立て体40Aを実装面2上に未硬化接着剤15を介して設置した段階では、支持基板6が実装面2上に水平に保持されており、支持基板6と振動子8とが角度θだけ傾斜している。この状態では、振動子8の検出軸(本例では法線)Zが、実装面2の法線P、所望方向Eに対して角度θだけ傾斜している。この場合には、振動子8の検出軸Zが所望方向Eから傾斜しているために検出精度が落ちる。
そこで、図5に示すように、治具13の圧着面13aによって振動子8を上側から矢印Cのように垂直方向に加圧する。すると、振動子8が圧着面13aにならって傾斜し、未硬化接着剤15が変形して9A、9Bのように厚さに変動が生ずる。この状態で、振動子8の法線(検出軸)Zは実装面2に対して略垂直となり、支持基板6の法線Pは垂直軸Zに対して角度θだけ傾斜する。この後に未硬化接着剤9A、9Bを硬化させる。これによって、振動子8による検出時のノイズの増大を防止できる。また、治具13の圧着面13aに対して振動子8の表面をならわせる方法であるので、振動子8を圧着面13aと同様に水平に保持することができ、この際振動子8や支持基板6の傾斜角度を測定する必要はない。
また、第二の態様に係る発明においては、図4の時点において、振動子8ではなく、支持基板6を加圧する。例えば、図6に示すように、治具14によって矢印Dのように垂直方向に圧力を加え、支持基板6を図5のように傾斜させることができる。ただし、この例では、図5の例とは異なり、振動子8、支持基板6の傾斜角度を別途レーザー傾斜計などによって測定することが必要である。
図3、図5に示すように、パッケージ用基板5A上に支持基板6および振動子8を固定すると、例えば図7に示すように蓋16をパッケージ用基板5A上に固定し、パッケージ1を作製する。
図8、図9は、第三の態様に係る例を示す。図8は、組み立て体40Aをパッケージ5B内に収容した状態を示す模式的断面図であり、図9は、組み立て体40Bを収容したパッケージを基板20の取り付け面20a上に実装した状態を模式的に示す断面図である。
図8の組み立て体40Aにおいては、振動子8の法線(検出軸)Zと、支持基板6の法線Pとが角度θだけ傾斜している。本例では、パッケージ用基板5Bの実装面2A、2Bにtの段差を設けておき、この実装面2A、2B上に同一の支持基板6を設置する。各接着部9の吐出量は同じとする。
この際、段差tを調節することによって、実装面2A、2B上に支持基板6を接合したときに、支持基板6が実装面2A、2Bに対して角度θだけ傾斜するように設定する。これによって、支持基板6上の振動子8は略水平に保持されることになり、振動子8の法線(検出軸)Zが所望方向Eと一致する。このパッケージ用基板5Aに蓋16を設け、パッケージ1を得る。
あるいは、組み立て体40A内において、図9に示すように振動子を支持する脚部7の高さを均一にすると、振動子8は実装面2A、2Bに対して角度θだけ傾斜し、振動子8の検出軸(法線)Zは垂直軸Rに対して角度θ傾斜する。このパッケージ1を基板20の取り付け面20a上に固定する。この状態では、基板20の垂直軸Fに対して角度θだけ傾斜した所望方向Eが検出軸Zと一致する。従って、法線Fに対して所定角度θだけ傾斜した方向Eを振動子8の検出軸Zとすることができる。
第一−第三の発明において、支持基板上に枠体を介在させ、枠体上に振動子を支持することができる。
この枠体が絶縁性材料からなっていてよい。この場合には、各ボンディングワイヤを枠体に対して直接固定することができる。こうした枠体の材質は特に限定されないが、樹脂、絶縁性セラミックス、ガラスが好ましく、具体的にはポリイミド、石英ガラス、アルミナセラミックスが好ましい。また、ボンディングワイヤの枠体への接合方法は、例えば接着、嵌合、圧着、かしめがある。
この枠体を導電性材料によって形成することができる。この材料としては、金属、導電性プラスチック、金属メッキ樹脂を例示できる。特に枠体を金属によって構成した場合には、枠体の形状安定性が一層高くなり、これによって各ボンディングワイヤのアライメント時の精度が一層高くなる。この金属としては、ステンレス、銅、ニッケル、アルミニウム、真鍮を例示できる。
ただし、枠体を導電性材料によって形成した場合には、枠体と各ボンディングワイヤとの間には絶縁体を設け、ボンディングワイヤと枠体とを絶縁する必要がある。こうした絶縁体としては、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、シリコン樹脂が好ましい。絶縁体の形態は特に限定されないが、膜状、シート状であることが好ましい。
図10〜図14は、パッケージの内部に収容できる組み立て体の形態例を示すものである。
図10は、本例で使用する支持基板6を示す平面図である。支持基板6にはボンディングワイヤ用の貫通孔6bが設けられている。
図11は、本例で使用する枠体22を示す平面図である。図12は、本例で使用するボンディングワイヤ7を示す平面図である。各ボンディングワイヤ7の先端にはそれぞれ、振動子の端子に電気的に接続されるパッド24が形成されている。
図13は、振動子8、ボンディングワイヤ7、支持基板6および枠体22を積層し、一体化した状態を示す平面図であり、図14は、図13の組み立て体の断面図である。
支持基板6の裏面側に絶縁性の枠体22が接合され、枠体22の表面にボンディングワイヤ7の端部が接合されている。ボンディングワイヤ7は、折れ曲がり、貫通孔6bを通過しており、ボンディングワイヤ7の先端24が振動子8の端子28に対して接合されている。
本例では、振動子8は、中央の基部8a、基部8aから突出する一対の細長い支持片8b、各支持片8bの先端からそれぞれ突出する各一対の駆動振動片8c、および各駆動振動片の各先端に設けられた幅広部8dを備えている。更に基部8aの周縁から一対の細長い検出振動片8eが突出し、各検出振動片8eの各先端にそれぞれ幅広部8fが設けられている。各駆動振動片8cにはそれぞれ駆動電極26が設けられており、各検出振動片7にはそれぞれ検出電極27が設けられている。各電極26、27は、基部8a中の端子28に接続されている。
(a)、(b)は、パッケージ1を基板取り付け面20a上に固定する方法を説明するための模式図である。 振動子8が支持基板6に対して角度θ傾斜している組み立て体40Aを模式的に示す正面図である。 図2の組み立て体40Aをパッケージ用基板5Aの実装面2上に段差のある接着部9A、9Bを介して実装した状態を模式的に示す断面図である。 組み立て体40Aをパッケージ用基板5Aの実装面2上に未硬化接着剤15を介して載置した状態を模式的に示す断面図である。 図4の組み立て体40Aの振動子8を治具13によって加圧し、未硬化接着剤15を変形させた後の状態を模式的に示す断面図である。 図4の組み立て体40Aの支持基板6を治具14によって加圧し、未硬化接着剤15を変形させている状態を模式的に示す断面図である。 蓋16を取り付けたパッケージ1を模式的に示す断面図である。 段差のある実装面2A、2Bが設けられたパッケージ用基板5Bに組み立て体40Aを実装した状態を模式的に示す断面図である。 段差のある実装面2A、2Bが設けられたパッケージ用基板5Bに組み立て体40Bを取り付け、パッケージ用基板5Bを基板取り付け面20aに取り付けた状態を模式的に示す断面図である。 一実施形態に係る支持基板6を示す平面図である。 枠体22を示す平面図である。 脚部として使用するボンディングワイヤ7を示す平面図である。 組み立て体の平面図である。 図13の組み立て体の断面図である。
符号の説明
1 パッケージ 2 段差のない実装面 2A、2B 段差のある実装面 5A、5B パッケージ用基板 6 支持基板 6a 支持基板の支持面 7 段差のない脚部 7a、7b 段差のある脚部 8 振動子 9 段差のない接着部 9A、9B 段差のある接着部 11 電子部品 13 振動子8を加圧する治具 14 支持基板6を加圧する治具 15 段差のない未硬化接着剤 40A,40B 組み立て体 E 所望方向 F 取り付け面20aの法線 P 支持面6aの法線 Z 振動子8の検出軸

Claims (7)

  1. パッケージ用基板、このパッケージ用基板の実装面に固定されている支持基板、この支持基板上に支持されており、所定の検出軸に対応する振動子、および前記支持基板と前記実装面とを接着する接着部を備えている支持構造を製造する方法であって、
    前記実装面上に未硬化接着剤を介して前記支持基板を載置し、前記検出軸が所望方向に配向されるように前記実装面上における前記未硬化接着剤の量を変化させ、次いで前記未硬化接着剤を硬化させることによって前記接着部を生成させることを特徴とする、振動子の支持構造の製造方法。
  2. パッケージ用基板、このパッケージ用基板の実装面に固定されている支持基板、この支持基板上に支持されており、所定の検出軸に対応する振動子、および前記支持基板と前記実装面とを接着する接着部を備えている支持構造を製造する方法であって、
    前記実装面上に未硬化接着剤を介して前記支持基板を載置し、治具を用いて前記振動子と前記支持基板との少なくとも一方に対して圧力を加えることによって、前記検出軸が所望方向に配向されるように前記未硬化接着剤を変形させ、次いで前記未硬化接着剤を硬化させることによって前記接着部を生成させることを特徴とする、振動子の支持構造の製造方法。
  3. パッケージ用基板、このパッケージ用基板の実装面に固定されている支持基板、この支持基板上に支持されており、所定の検出軸に対応する振動子、および前記支持基板と前記実装面とを接着する接着部を備えている支持構造を製造する方法であって、
    前記実装面上に未硬化接着剤を介して前記支持基板を載置し、この際前記実装面に段差を設けることによって前記検出軸を所望方向に配向し、次いで前記未硬化接着剤を硬化させることによって前記接着部を生成させることを特徴とする、振動子の支持構造の製造方法。
  4. パッケージ用基板、このパッケージ用基板の実装面に固定されている支持基板、この支持基板上に支持されており、所定の検出軸に対応する振動子、および前記支持基板と前記実装面とを接着する接着部を備えている支持構造であって、
    前記検出軸が所望方向に配向されるように前記実装面上における接着部の厚さが変化していることを特徴とする、振動子の支持構造。
  5. パッケージ用基板、このパッケージ用基板の実装面に固定されている支持基板、この支持基板上に支持されており、所定の検出軸に対応する振動子、および前記支持基板と前記実装面とを接着する接着部を備えている支持構造であって、
    前記検出軸が所望方向に配向されるように前記実装面に段差が設けられていることを特徴とする、振動子の支持構造。
  6. 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4または5記載の支持構造。
  7. 請求項4〜6のいずれか一つの請求項に記載の支持構造、および前記パッケージ用基板と組み合わされる蓋を備えていることを特徴とする、振動子用パッケージ。
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