JP2006208124A - 振動体デバイス及び振動体デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 パッケージの外側にゴム部材を配置して振動吸収を行う構造では小型化が困難である。また、温度変化によるパッケージとゴム部材とのずれによって振動状態が変化して、出力が不連続かつ不可逆的に変化してしまう。
【解決手段】 振動体とパッケージを構成するベース部材との間を、導電性粒状金属を介して結合するとともに、振動体とベース部材との間隙に粘弾性体を充填することによって振動吸収を行う構造とした。その結果、より小型化が可能になり、同時に、温度によって振動体の保持状態が変わらないので、出力が不連続かつ不可逆的に変化することがなくなった。

【選択図】 図２

Description

この発明は、振動ジャイロや水晶振動子のように、振動体をパッケージ内部に備えた振動体デバイスに関する。

近年、振動体を用いて角速度を検出する、いわゆる振動ジャイロがカーナビゲーションにおける位置検出機能やカメラの手ぶれ補正用として用いられている。

図７はこのような従来の振動ジャイロの内部構造を示す分解斜視図である（例えば、特許文献１参照）。図７において、角速度を検出する心臓部である振動体２はベース部材３と振動体２と封止カバー１９からなるパッケージ３７の内部に納められており、さらにパッケージ３７は振動吸収部材であるゴム部材３９で保持されている。ゴム部材３９で保持している目的は外部からの衝撃がパッケージ３７内の振動体に伝わって、振動体２が破壊されることがないようにするためである。図示しないが、ベース部材３の裏面には振動体の励振を行う駆動回路および角速度の検出を行う検出回路の機能を有するＩＣチップとチップ部品が実装されている。

これらの回路は配線部材４１によって蓋体４３に接続され、外部接続端子４５に導通されている。パッケージ３７、ゴム部材３９、配線部材４１はケース４７で覆われ、蓋体４３で封止されている。振動体２とベース部材３とはエポキシ系接着剤等により固く接合されている。図示しないが、振動体には振動体を励振するための励振電極および振動体に角速度が加わった時に発生する振動を検出する、検出電極があり、それぞれが、ワイヤーボンディングによって振動体２の各電極の引出端子と、ベース部材３上の導電路とを結合し導通している。

また、近年、振動体としていわゆる水晶のＡＴ板を用いた振動子や発振器が、様々な機器の周波数基準源として広く用いられている。図８はこのような従来の振動子の分解斜視図である（例えば、特許文献２参照）。図８において、ＡＴ板からなる振動体２は励振電極の引出端子５において導電性粒状金属９を介してベース部材３上の導電路７に熱圧着されている。また、ベース部材３の上からは封止カバー１９がかぶせられ、気密に封止されている。

特開２００４−２７１４７９号公報（４頁〜６頁、図１〜図３） 特開平８−８６８４号公報（４頁〜５頁、図１）

しかしながら、上述のような従来技術では、パッケージの外側にゴム部材を配置するため、全体の大きさが大きくなり、小型化に限界があるという課題があった。また、温度変化による膨張、収縮によってゴム部材とパッケージとの間にずれが生じるため、パッケージの支持状態が変化し、振動ジャイロの特性が変化してしまうという課題があった。

また、導電性粒状金属を介して熱圧着した振動体では、加わった衝撃が導電性粒状金属を介して減衰することなく振動体に伝わるため、耐衝撃性が充分でなく、振動体が破壊されてしまうことがあるという課題があった。

本発明の目的は、温度変化による出力特性の変化がなく、小型で耐衝撃性に優れた振動
体デバイスを提供することである。

上記の課題を解決するために本発明による振動体デバイスは、励振電極または検出電極を備えた振動体と、この振動体を取り付け固定し導電路を備えたベース部材とを有し、前記振動体と前記ベース部材とを電気的に接続した振動体デバイスにおいて、前記振動体と前記ベース部材とはそれぞれが対向して接合する接合部で、導電性金属を介して互いに接合されるとともに、前記導電性金属を除く領域に粘弾性体を充填したことを特徴とする。

また、本発明による振動体デバイスは、前記振動体が前記励振電極または前記検出電極から引き出された引出端子を備え、この引出端子と前記導電路とは前記導電性金属を介して互いに接合されていることを特徴とする。

また、本発明による振動体デバイスは、前記導電性金属と前記引出端子とが熱圧着を伴う超音波接合により接合されたものであることを特徴とする。

また、本発明による振動体デバイスは、前記導電性金属と前記ベース部材とが熱圧着を伴う超音波接合により接合されたものであることを特徴とする。

また、本発明による振動体デバイスは、前記粘弾性体が加熱または紫外線を照射することにより硬化する物質であることを特徴とする。

また、本発明による振動体デバイスは、前記粘弾性体がゲル状物質であることを特徴とする。

また、本発明による振動体デバイスは、前記導電性金属が粒状の導電性粒状金属であることを特徴とする。

また、本発明による振動体デバイスは、前記導電性粒状金属がＡｕを含む材料からなることを特徴とする。

また、本発明による振動体デバイスは、前記振動体が基部と３本の振動脚とからなることを特徴とする。

本発明による振動体デバイスの製造方法は、励振電極または検出電極を備えた振動体と、この振動体を取り付け固定し導電路を備えたベース部材とを有し、前記振動体と前記ベース部材とがそれぞれ対向する接合部で、導電性粒状金属を介して接合する振動体デバイスの製造方法において、前記振動体の外形を形成する工程（外形形成工程）と、前記振動体の表面に前記励振電極または前記検出電極を形成する工程（電極形成工程）と、前記導電路と前記導電性粒状金属とを圧接して接合する工程（第１接合工程）と、前記励振電極または前記検出電極から引き出された引出端子と前記導電性粒状金属とを圧接して接合する工程（第２接合工程）と、前記接合部において、前記導電性粒状金属を除く領域に粘弾性体を形成する工程（粘弾性体形成工程）と、を有することを特徴とする。

また、本発明による振動体デバイスの製造方法は、前記粘弾性体を形成する工程が、前記ベース部材上に前記粘弾性体を形成した後に、前記導電性粒状金属を接合している前記振動体を前記ベース部材に接合するようにしたことを特徴とする。

また、本発明による振動体デバイスの製造方法は、前記粘弾性体が、加熱または紫外線を照射することにより硬化する物質であることを特徴とする。

本発明によれば、ベース部材内部に振動吸収部材となる粘弾性体を配することができるため、振動体デバイスを小型化できる。また、本発明によれば、導電性粒状金属によって振動体上の励振電極または検出電極の引出端子とベース部材の導電路とを接続することができるため、ベース部材内部にワイヤーボンディングのためのスペースを設ける必要がなく、振動体デバイスを小型化できる。

また、本発明によれば、粘弾性体による振動、衝撃の吸収が行われると同時に、振動体は導電性粒状金属を介してベース部材に支持されるため、温度変化によって粘弾性体が膨張収縮しても、振動体の支持状態に変化がなく振動体デバイスの特性が変化することがない。

本発明によれば、ベース部材の内部に振動吸収部材となる粘弾性体を配することができるため、振動体デバイスを小型化できるという効果がある。また、本発明によれば、粘弾性体による振動、衝撃の吸収が行われると同時に、振動体は導電性粒状金属を介してベース部材に支持されるため、温度変化によって粘弾性体が膨張収縮しても、振動体の支持状態に変化がなく振動体デバイスの特性が変化しないという効果がある。

以下に本発明を実施するための最良の形態を図面を用いて説明する。本発明の振動体デバイスを、振動ジャイロを用いて説明する。

図１、図２は、本発明を用いた振動ジャイロ１を示す図である。図１は振動ジャイロ１の分解斜視図、図２（ａ）は振動体２とベース部材３との接合部８を含む断面図である。図２（ｂ）は図２（ａ）における、接合部８付近の拡大図である。図１および図２に示すように、ベース部材３の上面において振動体２の各電極の引出端子５はベース部材３上の導電路７と導電性粒状金属９を介して接合されており、これによって振動体２は保持されるとともに、各電極とベース部材３上の導電路７とが導通されている。

導電性粒状金属９としては、Ａｕを含む材料が適当であるが、１００％Ａｕの他にＡｕを主成分としてＰｄ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｓｎのいずれか一つを含有する金属も用いることが出来る。Ａｕを主成分として用いる理由は、Ａｕは展延性に富む材料なので、振動体２とベース部材３との熱膨張の差を良く吸収することが出来るからである。また、振動体２とベース部材３との間隙には粘弾性体１１が充填されており、耐振動性、耐衝撃性の向上が図られている。粘弾性体１１としては、ゲル状高分子やシリコーン系接着剤等を用いることができる。

ベース部材上面１３と封止面１５を支持する上部側壁１７および封止カバー１９とで構成される空間は、その内部を真空または窒素などの不活性ガスで一定圧力になるように気密封止されている。ベース部材３上の導電路７はベース部材３の表面および内部を通り、ベース部材裏面２１に延伸され、ベース部材裏面２１に設置された発振回路および検出回路に接続されている。発振回路および検出回路はＩＣチップ２３と、抵抗や容量からなるチップ部品２５とから構成されている。

電力の供給および検出角速度の出力はベース部材底面２７よりなされる。このため、ベース部材裏面２１に配されたＩＣチップ２３とチップ部品２５から伸びる導電路は適宜、パッケージの表面および内部を引き回してベース部材底面２７に延伸されている。ベース部材裏面２１とベース部材底面２７を支持する下部側壁２９とが構成する空間には、樹脂３１が充填されており、ＩＣチップ２３およびチップ部品２５を外気から遮断し、耐環境性
を向上させている。

振動体２は基部と基部から伸びる３本の脚を有しており、２本を駆動脚３３として用い、他の一本を検出脚３５として用いている。駆動脚３３には駆動脚３３を励振するための励振電極４が形成され、検出脚３５には検出脚３５からの出力信号を検出するための検出電極６が形成されている。検出脚３５は駆動脚３３よりも細い。このため、検出脚３５の耐衝撃性が課題となるが、振動体２とベース部材３との間隙に充填された粘弾性体１１が衝撃を吸収する構造となっている。粘弾性体１１としては、検出脚３５の共振周波数において減衰率の大きいものを使用するのが望ましい。

次に、本実施例に示す振動ジャイロ１の製造方法について説明する。振動体２は水晶からなり、フォトリソグラフィの技術を用いて振動体２の外形をエッチング加工により形成する（外形形成工程）。振動体２の表面にはＣｒ、Ｔｉ、Ｎｉから選択される金属膜を下地として、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇから選択される金属膜が設けられ、電極が形成される（電極形成工程）。一方、ベース部材３はアルミナを主成分としたセラミックから成り、導電路７はＷ、Ｍｏなどの高融点金属を形成した上にＡｕメッキが施されている。振動体２とベース部材３との接続は次の様に行う。まず、振動体２とベース部材３とがそれぞれ対向する接合部８において、ベース部材３の導電路７上に、いわゆるボールボンディングの技術によって、Ａｕ線の先端に形成されたＡｕボールを圧接しながら超音波を印加して接合する（第１接合工程）。この際、２００℃〜３００℃にベース部材３を加熱しておくと結合が促進されるので好ましい。

次にＡｕ線を溶断すると、図３のような導電路７上にＡｕからなる導電性粒状金属９が形成される。続いて振動体２を超音波を印加するためのコレット１０の先端に真空吸着し、ベース部材３の上まで搬送した上、先に導電路７上に形成しておいた導電性粒状金属９に、該当する電極の引出端子５を圧接しながら超音波を印加して導電性粒状金属９と引出端子５を接合する（第２接合工程）。この際、２００℃〜３００℃にベース部材３を加熱しておくと結合が促進されるので望ましい。

ベース部材３と振動体２の間に出来た隙間には硬化すると粘弾性体１１となる物質が充填され、加熱あるいは紫外線を照射することによって硬化が行われ、粘弾性体１１が形成される（粘弾性体形成工程）。その後、封止カバー１９が被せられ、真空中あるいは、一定の気圧に保たれた窒素などの不活性ガス雰囲気で気密封止した後、ベース部材裏面２１にＩＣチップ、チップ部品が実装され、樹脂３１で埋められて完成する。

図４は、振動体２とベース部材３との間隙に粘弾性体１１を充填した物としない物との耐衝撃性試験の結果を比較した図である。粘弾性体１１にはシリコーン系接着剤とシリコーン系ゲル状物質を用い、それぞれについて比較した。試験は立方体形状の錘に振動ジャイロを貼り付け、１８０ｃｍの高さからコンクリート板上に落下させ、角速度が加わらない場合の出力の変化を見たものである。錘に対する振動ジャイロの姿勢は６方向に対して行い、各方向で３回ずつ落下させ計１８回落下させた後に出力を測定し、変化を見た。試料数は各１０個である。

図４からわかるように、粘弾性体１１を充填しないものにおいては振動体が破損したものが見られ、また破損に至らなかったものでも出力が大きく変化した。これに対して、粘弾性体１１を充填したものでは、振動体が破損したものは1個も発生しなかった。また、出力変化も総じて小さくなった。粘弾性体１１の比較ではシリコーン系ゲル状物質の方がシリコーン系接着剤に比べて出力変化が小さく良好との結果を得た。

図５は角速度が加わらない場合の出力の温度変化を本発明を用いた振動ジャイロ１と従
来例とで比較した図である。従来例では温度変化によって、不連続に出力が変化する個所がある。図では現れていないが、この出力変化は不可逆的であり、温度上昇時の変化と温度下降時の変化は発生温度と大きさが異なるものである。これに対して、本発明ではそのような不連続な出力の変化は現れていない。

従来例では、温度変化による振動吸収部材であるゴム部材３９とパッケージ３７との膨張率の違いから、不連続にゴム部材３９とパッケージ３７とがすべり、振動状態が変化して出力が変化してしまうのに対し、本発明では振動体２とベース部材３は導電性粒状金属９によって接合されており、温度変化による振動体２とベース部材３との膨張の差は導電性粒状金属９によって吸収されると共に、粘弾性体１１の膨張、収縮は振動体２の保持に影響しないため、不連続な変化が現れないものと考えられる。

本実施例ではベース部材３の導電路７上に導電性粒状金属９を形成した後、振動体２をその上から接合する例を示したが、はじめに振動体２の引出端子５上に導電性粒状金属９を形成し、ベース部材３との接合を後から行っても良い。この場合、上記と同様に接合後に粘弾性体１１を充填しても良いが、図６に示すように予めベース部材３上に粘弾性体１１を形成しておき、その後、導電性粒状金属９を形成してある振動体２を接合する方法をとることが出来る。

この際、導電性粒状金属９が粘弾性体１１を突き破りパッケージ上の導電路７との接合が行われる。このようにすると、接合してから粘弾性体１１を注入する注入スペースを確保する必要がないため、より小型化できるという効果もある。

本実施の形態では、３本の脚を持つ振動体２を用いた振動ジャイロ１を例として説明したが、振動体２とベース部材３とを導電性粒状金属９を介して接合し、その間隙に粘弾性体１１を充填することが大事であり、他の振動体を用いた振動ジャイロにも本発明が適用できることは言うまでもないことである。また、導電性金属として粒状のものを用いて説明したが、粒状以外の形状でも構わない。また、他の振動体を用いた振動子や発振器にも本発明が適用できることは言うまでもないことである。

本発明による振動ジャイロの分解斜視図である。 本発明による振動ジャイロの接合部を含む断面図である。 本発明による振動ジャイロの製造方法を示す説明図である。 本発明と従来の振動ジャイロの耐衝撃性を比較した図である。 本発明と従来の振動ジャイロの温度変化における出力変化を比較した図である。 本発明による振動ジャイロの他の製造方法を示す図である。 従来の振動ジャイロの分解斜視図である。 従来の振動子の分解斜視図である。

符号の説明

１ 振動ジャイロ
２ 振動体
３ ベース部材
４ 励振電極
５ 引出端子
６ 検出電極
７ 導電路
８ 接合部
９ 導電性粒状金属
１０ コレット
１１ 粘弾性体
１３ ベース部材上面
１５ 封止面
１７ 上部側壁
１９ 封止カバー
２１ ベース部材裏面
２３ ＩＣチップ
２５ チップ部品
２７ ベース部材底面
２９ 下部側壁
３１ 樹脂
３３ 駆動脚
３５ 検出脚
３７ パッケージ
３９ ゴム部材
４１ 配線部材
４３ 蓋体
４５ 外部接続端子

Claims (12)

1. 励振電極または検出電極を備えた振動体と、この振動体を取り付け固定し導電路を備えたベース部材とを有し、
   前記振動体と前記ベース部材とを電気的に接続した振動体デバイスにおいて、
   前記振動体と前記ベース部材とはそれぞれが対向して接合する接合部で、導電性金属を介して互いに接合されるとともに、前記導電性金属を除く領域に粘弾性体を充填したことを特徴とする振動体デバイス。
2. 前記振動体は、前記励振電極または前記検出電極から引き出された引出端子を備え、この引出端子と前記導電路とは前記導電性金属を介して互いに接合されていることを特徴とする請求項１に記載の振動体デバイス。
3. 前記導電性金属と前記引出端子とは、熱圧着を伴う超音波接合により接合されることを特徴とする請求項２に記載の振動体デバイス。
4. 前記導電性金属と前記ベース部材とは、熱圧着を伴う超音波接合により接合されることを特徴とする請求項３に記載の振動体デバイス。
5. 前記粘弾性体は、加熱または紫外線を照射することにより硬化する物質であることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の振動体デバイス。
6. 前記粘弾性体はゲル状物質であることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の振動体デバイス。
7. 前記導電性金属は粒状の導電性粒状金属であることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の振動体デバイス。
8. 前記導電性粒状金属は、Ａｕを含む材料からなることを特徴とする請求項７に記載の振動体デバイス。
9. 前記振動体は、基部と３本の振動脚とからなることを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載の振動体デバイス。
10. 励振電極または検出電極を備えた振動体と、この振動体を取り付け固定し導電路を備えたベース部材とを有し、前記振動体と前記ベース部材とがそれぞれ対向する接合部で、導電性粒状金属を介して接合する振動体デバイスの製造方法において、
    前記振動体の外形を形成する工程と、
    前記振動体の表面に前記励振電極または前記検出電極を形成する工程と、
    前記導電路と前記導電性粒状金属とを圧接して接合する工程と、
    前記励振電極または前記検出電極から引き出された引出端子と前記導電性粒状金属とを圧接して接合する工程と、
    前記接合部において、前記導電性粒状金属を除く領域に粘弾性体を形成する工程と、
    を有することを特徴とする振動体デバイスの製造方法。
11. 前記粘弾性体を形成する工程は、前記ベース部材上に前記粘弾性体を形成した後に、前記導電性粒状金属を接合している前記振動体を前記ベース部材に接合するようにしたことを特徴とする請求項１０に記載の振動体デバイスの製造方法。
12. 前記粘弾性体は、加熱または紫外線を照射することにより硬化する物質であることを特徴とする請求項１０または１１に記載の振動体デバイスの製造方法。
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    

Images