JP2007333546A - 圧電単結晶振動子および圧電振動ジャイロ - Google Patents

Abstract

【課題】 小型、高機能で低コストな圧電単結晶振動子およびこの圧電単結晶振動子を用いて構成された圧電振動ジャイロを提供することにある。
【解決手段】 上面の基準電位電極１６ａは付加質量部に形成されたスルーホール１２ａを介して下面の基準電位電極１６ｂと電気的に接続され、また上面の検出電極２０ａはスルーホール１３ａを介して下面の検出電極２０ｃと電気的に接続することにより、配線する電極を削減すること、または回路基板との接続点数を削減することを可能にする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電単結晶材料を用いた圧電単結晶振動子およびそれを用いて構成された圧電振動ジャイロに関するもので、特に圧電単結晶振動子の構造および実装方法に関するものである。

圧電振動子は、センサ、発振器、表面弾性波フィルタ、超音波モータ、音響素子、トランスなど、幅広い分野に用いられている。圧電振動子に用いられる圧電材料の中でも、特に圧電単結晶材料は、一般に機械的品質係数（以下、Ｑｍと表す）が高く、温度変化に対する特性変化が小さく、材料が均一で信頼性が高く、材料の量産性が優れている等の特徴があり、特にセンサ、発振器、表面弾性波フィルタなど、電子部品向けの振動子としてよく用いられている。

これらの圧電単結晶材料を用いた圧電振動子を大量生産する場合の一例として、以下のような製法が用いられる。まず、圧電単結晶のウエハーに電極となる金属薄膜をスパッタや真空蒸着等で成膜し、いわゆるフォトリソグラフでレジストをパターニングした後、金属薄膜をエッチングして電極パターンを形成する。その後、再びフォトリソグラフでレジストをパターニングして、圧電単結晶をエッチング処理したり、またはサンドブラストで研削したりして所望の振動子形状に加工し、最後にダイシングソーで振動子を個片に切り分けることで、１枚のウエハーから多数の圧電単結晶振動子を得ている。

携帯電話、携帯オーディオ、デジタルカメラなどの携帯機器の市場が益々大きくなっていく中で、それに使用される電子部品の小型化、高機能化、低コスト化が強く要求されている。圧電単結晶振動子を用いた電子部品の場合、圧電単結晶振動子の振動を阻害することなく圧電単結晶振動子を回路基板上に固定し、かつ所望の機能を働かせるために圧電単結晶振動子と回路基板を電気的に接続する実装手段が必要となる。これらの圧電単結晶振動子を信号処理回路が配線された回路基板に実装する方法として、ワイヤーボンディング法、ＧＧＩ法（Gold to Gold Interconnection）、あるいは導電接着剤を用いた方法で実装配線し、最後に封止して製品としている。

特許文献１には、ワイヤーボンディング法により接続された圧電デバイスの例が開示されている。

また、特許文献２には、電極とＩＣチップとをＧＧＩ法により電気的に接続した磁気センサの例が開示されている。

また、特許文献３には、上下面のパターン電極と内層電極とをスルーホールにて導通させた表面実装型圧電振動子の例が開示されている。

特開２００５−０９４４６１号公報 特開２００５−００３４７７号公報 特開２００５−０６５１０４号公報

特許文献１に開示されているワイヤーボンディング法を使用する場合、圧電単結晶振動子を回路基板に接着剤で固定し、圧電単結晶振動子の電極と回路基板の電極とにワイヤーを引き回して電気的な接続を取る際、ワイヤーを引き回すための空間が必要となり、また圧電単結晶振動子の電極と回路基板の電極との距離がある程度必要といった問題があり、小型化に不利であった。また、実装が接着固定、配線と２段階の工程となるので製造コストが高くなってしまうという問題もあった。

特許文献２に開示しているＧＧＩ法を使用する場合、固定と電気的接続を同時にできるが、金（Ａｕ）を使用するために材料コストの高騰、さらにＧＧＩ法だけでは接続強度が不足するため、一般的に補強のためのシリコーン等によるアンダーフィル材が必要となり、そのために材料コスト、製造コストが高くなってしまうという問題があった。

一方、導電接着剤を用いた場合、固定と電気的接続を同時にできるので製造コストを抑えることができ、また金（Ａｕ）よりも価格的に安い銀（Ａｇ）を一般的に用いるので材料コストも抑えることができ、接着強度を確保しながら接着剤塗布面積を小さくすれば製品の小型化にも対応が可能となり、ワイヤーボンディング法やＧＧＩ法と比較して、導電接着剤を使用する方法はあらゆる面で有利な実装方法といえる。そこで、導電接着剤を用い、圧電単結晶振動子に複数もしくは高性能な機能を付与させるために、圧電単結晶振動子上に多数の電極を形成して実現させる手段がある。しかしながら、圧電単結晶振動子の小型化に伴って、形成できる電極には制約があり、圧電単結晶振動子上での配線が困難、もしくは不可となる問題があった。

そこで、スルーホール方法を用いて上下面のパターン電極と内層電極とをスルーホールにて導通させることにより、回路が簡単に形成され易くする方法がある。しかしながら、特許文献３に開示しているスルーホール方法では、現段階では、小型化には十分に対応しているとはいえなく、複雑な回路パターンの形成には問題があった。

本発明は、従来の課題を解決すべくなされたもので、小型、高機能で低コストな圧電単結晶振動子およびこの圧電単結晶振動子を用いて構成された圧電振動ジャイロを提供することにある。

本発明は、前記課題の解決のため、圧電単結晶材料から成る圧電単結晶板の表裏両面の主面上に電極が形成されており、導電接着剤によって、回路基板と電気的に導通し、かつ機械的に固定されてなる圧電単結晶振動子であって、圧電単結晶板の一部にスルーホールを形成し、一方の主面上に形成された電極と、残り他方の主面上に形成された電極とがスルーホールを介して電気的に接続されたことを特徴とする圧電単結晶振動子である。

さらに、圧電単結晶振動子を用いて構成されたことを特徴とする圧電振動ジャイロである。

従って、本発明によれば、小型、高機能で低コストな圧電単結晶振動子およびこの圧電単結晶振動子を用いて構成された圧電振動ジャイロを得ることができる。

図１は本発明の実施の形態に係わる圧電単結晶振動子のスルーホール部の説明図である。図１（ａ）はスルーホール部（付加質量部１１ａの近傍）の拡大図、図１（ｂ）はＡ−Ａ'断面図である。本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。上面の基準電位電極１６ａは付加質量部に形成されたスルーホール１２ａを介して下面の基準電位電極１６ｂと電気的に接続され、また上面の検出電極２０ａはスルーホール１３ａを介して下面の検出電極２０ｃと電気的に接続されている。

図２は本発明の実施の形態に係わる圧電単結晶振動子の外形を示した上面図である。図３は本発明の実施の形態に係わる圧電単結晶振動子の上面の電極配置図である。図４は本発明の実施の形態に係わる圧電単結晶振動子の下面の電極配置図である。本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。この圧電単結晶振動子は、２軸の角速度が検出可能な圧電振動ジャイロとなっている。以下説明の便宜上、図２、図３、図４に示した様に圧電単結晶振動子の厚み方向をＸ軸、図面上の縦方向をＹ軸、図面上の横方向をＺ軸とする。

図２の外形を示した上面図より、圧電単結晶振動子１は矩形状板に貫通加工をして、矩形状板の一部を打ち抜くことにより、内部にアーム１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄと振動部である４つの付加質量部１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを保持する構造体が一体物として形成されている。付加質量部には、各々スルーホール１２ａと１３ａ、１２ｂと１４ａ、１２ｃと１３ｂ、１２ｄと１４ｂが形成されている。また、圧電単結晶振動子１は圧電振動ジャイロとして機能させるための電極、および振動効率および検出効率を向上させるための電極が表裏両面に形成されている。図３の上面の電極配置図より、上面には駆動電極１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂ、検出電極２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂ、基準電位電極１６ａが形成されている。図４の下面の電極配置図より、下面には駆動電極１７ｃ、１７ｄ、１９ａ、１９ｂ、検出電極２０ｃ、２０ｄ、２１ｃ、２１ｄ、基準電位電極１６ｂが形成されている。

前述の様に、基準電位電極１６ａと１６ｂは、スルーホール１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを介して電気的に接続され、また上面の検出電極２０ａはスルーホール１３ａを介して下面の検出電極２０ｃと電気的に接続されている。同様に他の付加質量部においても、検出電極２１ａがスルーホール１４ａを介して検出電極２１ｄと、検出電極２０ｂがスルーホール１３ｂを介して検出電極２０ｄと、検出電極２１ｂがスルーホール１４ｂを介して検出電極２１ｃと電気的に接続されている。

この圧電単結晶振動子の製造プロセスの一例を簡単に説明する。圧電単結晶材料としては、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ランガサイト、酸化亜鉛のいずれかが用いられる。これらのウエハー上に、フォトリソグラフによりパターニングしたレジストをマスクとして、エッチングもしくはサンドブラストを行いスルーホールを形成する。次に電極としてＣｒを下地としてＡｕをスパッタもしくは真空蒸着により成膜する。このとき、スルーホールの内壁にも成膜されるので、上面と下面との導通が確保される。この後フォトリソグラフによりパターニングしたレジストをマスクとして、エッチングでＡｕおよびＣｒを除去して電極を形成する。次に再びフォトリソグラフによりパターニングしたレジストをマスクとしてエッチングもしくはサンドブラストによって貫通加工を行い、圧電単結晶振動子が得られる。こうして得られた圧電単結晶振動子１はパッケージに導電接着剤で固定かつ電気的接続をとって実装される。

上面において、駆動電極１７ａおよび１７ｂと駆動電極１８ａおよび１８ｂとの間に交流電圧を印加し、下面では、前記駆動電極とは逆位相で、駆動電極１７ｃおよび１７ｄと駆動電極１９ａおよび１９ｂとの間に交流電圧を印加する。その結果、付加質量部１１ａおよび１１ｃがＸ軸方向に振動し、それとは逆位相に１１ｂおよび１１ｄがＸ軸方向に振動する。この振動状態でＹ軸まわりに回転角速度が印加されるとコリオリ力により、Ｚ軸方向の振動が励振され、それを検出電極２０ａおよび２０ｃと検出電極２０ｂおよび２０ｄとから電気的に検出することができる。Ｚ軸まわりに回転角速度が印加されるとコリオリ力によりＹ軸方向の振動が励振されるので、これを検出電極２１ａおよび２１ｄと検出電極２１ｂおよび２１ｃとから電気的に検出する。これらの検出信号を信号処理して出力することで、２軸の角速度が検出できる圧電振動ジャイロを得ることができる。

本発明の場合、駆動効率や検出効率を向上させるために両主面に電極を形成しつつ、検出電極、基準電位電極をスルーホールを介して配線することができるので、アーム１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄに配線する電極を削減することができ、また回路基板との接続点数を削減することができるので、小型化に対応しやすい。またさらに電極数が増えた場合でもスルーホールを増やして配線を簡略化することも可能である。スルーホールは付加質量部に形成されているので、スルーホールの体積相当分が軽くなるだけで振動状態そのものには影響を与えなく、振動子としての特性を得ることができる。スルーホールは付加質量部でなくとも、振動状態の影響のない外縁部など圧電効果もしくは逆圧電効果の発生しない部分に形成しても良い。

次に具体的な実施例を挙げ、本発明の圧電単結晶振動子および圧電振動ジャイロについて、さらに詳しく説明する。

圧電単結晶材料としてニオブ酸リチウムを用い、外形寸法が４ｍｍｘ４ｍｍｘ厚み０．２５ｍｍ、各付加質量部大きさを０．７５ｍｍｘ１ｍｍ、付加質量部に形成されたスルーホールは０．１ｍｍ×０．１ｍｍの大きさとなる図２で示した形状の圧電単結晶振動子を作製した。

この圧電単結晶振動子に１．５Ｖｐｐ（ピークトゥーピーク）で駆動した場合、Ｘ軸方向の振動の共振周波数はおよそ２０ｋＨｚとなり、圧電振動ジャイロとしての感度は、信号処理回路の増幅率が２００倍の時でＹ軸回りの回転角速度およびＺ軸回りの回転角速度共におよそ０．３ｍＶ／゜／秒が得られ、１つの圧電単結晶振動子で、２軸の角速度が検出可能となった。

本発明の実施の形態に係わる圧電単結晶振動子のスルーホール部の説明図。図１（ａ）はスルーホール部（付加質量部１１ａの近傍）の拡大図。図１（ｂ）はＡ−Ａ'断面図。 本発明の実施の形態に係わる圧電単結晶振動子の外形を示した上面図。 本発明の実施の形態に係わる圧電単結晶振動子の上面の電極配置図。 本発明の実施の形態に係わる圧電単結晶振動子の下面の電極配置図。

符号の説明

１ 圧電単結晶振動子
１０ 圧電単結晶
１１ａ〜１１ｄ 付加質量部
１２ａ〜１２ｄ スルーホール
１３ａ、１３ｂ スルーホール
１４ａ、１４ｂ スルーホール
１５ａ〜１５ｄ アーム
１６ａ、１６ｂ 基準電位電極
１７ａ〜１７ｄ 駆動電極
１８ａ、１８ｂ 駆動電極
１９ａ、１９ｂ 駆動電極
２０ａ〜２０ｄ 検出電極
２１ａ〜２１ｄ 検出電極

Claims (2)

1. 圧電単結晶材料から成る圧電単結晶板の表裏両面の主面上に電極が形成されており、導電接着剤によって、回路基板と電気的に導通し、かつ機械的に固定されてなる圧電単結晶振動子であって、前記圧電単結晶板の一部にスルーホールを形成し、一方の主面上に形成された前記電極と、残り他方の前記主面上に形成された前記電極とがスルーホールを介して電気的に接続されたことを特徴とする圧電単結晶振動子。
2. 前記請求項１に記載の圧電単結晶振動子を用いて構成されたことを特徴とする圧電振動ジャイロ。

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