JP2008008638A - 圧電デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】温度ドリフトを低減し、製造歩留まりを向上させることが可能な圧電デバイスを提供することを目的とする。
【解決手段】たとえば、中央基部７と、中央基部７から前後へ延出し、屈曲振動する１対の検出用振動アーム８ａ、８ｂと、検出用振動アーム８ａ、８ｂに直交して中央基部７から左右へ延出する１対の連結アーム９ａ、９ｂと、検出用振動アーム８ａ、８ｂに平行して連結アームの先端に設けられた基部から前後に延出し、屈曲振動する２対の駆動用振動アーム１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂと、電極を有する基板１３と、中央基部７を支持し、中央基部７に一端が固定され、基板１３の電極に他端が固定された金属タブテープ１４と、金属タブテープ１４に設けられた樹脂２１と、を備えた圧電振動ジャイロ。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電デバイスに関する。

圧電デバイスは、たとえば圧電振動ジャイロとして、船舶・航空機・自動車等の姿勢制御やナビゲーションシステム、ビデオカメラなどの手振れ防止及び検出などにおける回転角速度センサに、また３次元立体マウスなどの回転方向センサに、広く利用されている。このような圧電振動ジャイロにおいては、たとえば、基板と基板に支持されたワイヤを備え、振動片をワイヤによって支持し、かつ、ワイヤが電気的に接続される構成が用いられていた（特許文献１参照）。
特開２００３−２９４４５０

しかしながら、圧電振動ジャイロなどの圧電デバイスにおいては、温度変化によって振動の特性が変化してしまうもの（出力の温度ドリフトの生じるもの）が生じる。このため、この温度ドリフトの生じない圧電デバイスのみを使用することとすると、製造歩留まりが悪くなるという問題がった。
そこで、本発明は、温度ドリフトを低減し、製造歩留まりを向上させることが可能な圧電デバイスを提供することを目的とする。

本発明によれば、前記課題は、振動片と、電極を有する基板と、前記振動片に一端が固定され、前記基板の電極に他端が固定され、前記振動片を支持するリードと、前記リードに設けられた振動吸収部材と、を備えたことを特徴とする圧電デバイスにより、達成される。
本発明は、圧電デバイスに生じていた温度ドリフトが、ワイヤの製造ばらつきによって、ワイヤの固有共振モードが振動子の高調波と一致してしまうことに起因していることを見い出した。そこで、本発明は、振動片を支持するリードに振動吸収部材を設けることにより、このリードの振動を吸収することとし、圧電デバイスの温度ドリフトを低減することとした。本発明の構成によれば、リードの振動モードのＱ値を低減し、振動片の高調波振動とリードの振動との共振の影響を小さくしつつ、振動片の面内振動のＱ値を維持して、温度ドリフトの発生を抑制することが可能となる。

本発明の構成において、前記振動吸収部材は、前記基板の電極に固定されたリードの他端に設けられている、ことが好ましい。
このようにすれば、振動片の振動が振動吸収部材によって抑制されにくくなるため、温度ドリフトの発生を抑制するにあたり、振動片の面内振動のＱ値がより維持されることとなる。

本発明の構成において、前記振動吸収部材は、前記振動片に固定されたリードの一端に設けられている、ことが好ましい。
このようにすれば、振動片の振動が振動吸収部材によって抑制されにくくなるため、温度ドリフトの発生を抑制するにあたり、振動片の面内振動のＱ値がより維持されることとなる。

なお、本発明の構成において、前記振動吸収部材が、前記基板の電極に固定されたリードの他端と前記振動片に固定されたリードの一端とに設けられている場合は、複数の部分に振動吸収部材が存在することとなるため、リードのＱ値をより低減することができる。

本発明の構成において、前記振動吸収部材は、前記リードの一端から他端の間に設けられている、ことが好ましい。
このようにすれば、リード全体に振動吸収部材が存在することとなるため、リードのＱ値をより低減することができる。

本発明の構成において、前記リードを複数有し、前記振動吸収部材は、前記複数のリードに跨って設けられている、ことが好ましい。
このようにすれば、リードのＱ値をより低減することができる。ここで、振動吸収部材は、リードの一端から他端の間に跨って設けられてもよいし、リードの他端または一端に跨って設けられてもよい。なお、リードの一端から他端の間に跨って振動吸収部材を設ける場合は、リードとリードの幅を狭くすることができ、リードのＱ値をより低減することができる。

本発明の構成において、前記振動吸収部材は、前記振動片の振動方向に対して直角方向に設けられている、ことが好ましい。
このようにすれば、振動片の振動方向には振動吸収部材が存在しないこととなるため、振動片の振動が振動吸収部材によって抑制されにくくなる。したがって、温度ドリフトの発生を抑制するにあたり、振動片の面内振動のＱ値がより維持されることとなる。

本発明の構成において、前記振動吸収部材は、限定されないが、例えばニッケル、アルミニウムあるいは金などの金属膜または金属多孔体、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂あるいはエポキシ樹脂などの合成樹脂、またはゴムなどの樹脂または樹脂の発泡体であることが好ましい。
振動吸収部材として粘性の高い樹脂を用いれば、リードの振動を好適に吸収できるため、リードのＱ値をより低減することができる。

以下に、添付した図面を参照しつつ、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る圧電振動ジャイロの概略を説明する図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は断面図である。ここで、圧電振動ジャイロは、圧電デバイスの一例である。
図１に示すように、第１の実施の形態に係る圧電振動ジャイロにおいては、パッケージ１の中に振動片２とこれを駆動制御するＩＣチップ３とが実装されている。パッケージ１は、複数のセラミック薄板を積層した矩形箱型構造をなしかつその中に画定される空所の底部にＩＣチップ３を固定したべース４と、その上端にシールリング５を介して気密に接合された金属製の蓋６とを有する。

振動片２は、図１（ａ）に示すように、中央基部７と、中央基部７から前後へ延出し、屈曲振動する１対の検出用振動アーム８ａ、８ｂと、検出用振動アーム８ａ、８ｂに直交して中央基部７から左右へ延出する１対の連結アーム９ａ、９ｂと、検出用振動アーム８ａ、８ｂに平行して連結アーム９ａ、９ｂの先端に設けられた基部１０ａ 、１０ｂから前後に延出し、屈曲振動する２対の駆動用振動アーム１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂと、を備えている。この振動片２は、その中央基部７に、リードの一例である金属タブテープ１４の一端が固定されている。金属タブテープ１４の他端は、基板１３の電極に固定されている。振動片２は、その中央基部７において、金属タブテープ１４によって支持されている。金属タブテープ１４には、振動吸収部材２１が設けられている。なお、各検出用振動アーム８ａ、８ｂ及び駆動用振動アーム１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂには、その上下主面及び側面に検出電極及び駆動電極（図示せず）がそれぞれ形成されている。

図２（ａ）は、第１の実施の形態に係る圧電振動ジャイロにおいて、金属タブテープ１４が中央基部７を支持する構成の概略を示す図である。
図２（ａ）に示すように、金属タブテープ１４は、一端が中央基部７に固定され、他端が基板１３の電極に固定されている。金属タブテープ１４は、基板１３の電極から、折曲されて斜め上方へ中央基部７に向けて延長し、中央基部７の下面と平行に折曲されている。これにより、振動片２は、基板１３の上方に水平に保持されている。金属タブテープ１４と中央基部７との固定は、中央基部７の金属膜１５を被着した下面に固定部材１６を設け、これを金属タブテープ１４に溶着させることにより、行う。金属タブテープ１４は、例えば各検出用振動アーム８ａ、８ｂに沿ってその下側に各２本、及び各連結アーム９ａ、９ｂに沿ってその下側に各１本設けられる。基板１３は、ＩＣチップ３の上方に水平に配置して、ベース４内に固定される。中央基部７の上面には、前記検出電極及び駆動電極に接続するための及び接地用の電極パッド１７が形成され、基板１３の中央に設けた大きな開口１８を通して、それぞれボンディングワイヤ１９でＩＣチップ３上面の電極パッド２０と電気的に接続されている。
ここで、振動吸収部材２１は、たとえば図２（ａ）に示すように、金属タブテープ１４の下面に設けられていることが好ましい。このようにすれば、検出用振動アーム８ａ、８ｂの振動方向に振動吸収部材２１が存在しないこととなるため、検出用振動アーム８ａ、８ｂの振動が振動吸収部材２１によって抑制されにくくなる。このため、温度ドリフトの発生を抑制するにあたり、検出用振動アーム８ａ、８ｂの面内振動のＱ値がより維持されることとなる。

図２（ｂ）は、図１（ｂ）に示す圧電振動ジャイロをＡ−Ａ面で切り、これをベース４側から蓋６の方向に向けて見た図である。
図２（ｂ）に示すように、第１の実施の形態においては、振動吸収部材２１が基板１３の電極に固定された金属タブテープ１４の他端に設けられている。このため、検出用振動アーム８ａ、８ｂの振動が振動吸収部材２１によって抑制されにくくなるため、温度ドリフトの発生を抑制するにあたり、検出用振動アームの面内振動のＱ値がより維持されることとなる。

このような圧電振動ジャイロにおいて、上記した駆動電極に交流電極を印加すると、駆動用振動アーム１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂは、その主面を含むＸＹ平面内で矢印で示すように屈曲振動し、この状態で振動片２がＸＹ平面内で即ちＺ軸周りに回転すると、駆動用振動アームの長手方向に沿ってコリオリ力が交互に左右逆向きに発生し、その作用によって連結アーム９ａ、９ｂが同じくＸＹ平面内で屈曲振動し、これが中央基部７を介して伝達されて、検出用振動アーム８ａ、８ｂを同じくＸＹ平面内で屈曲振動させる。検出用振動アームの屈曲振動による圧電材料の歪みを前記検出電極が検出して信号を発生し、これをＩＣチップ３が処理することによって、Ｚ軸周りの面内での回転及び角速度等が求められる。

以上説明した第１の実施の形態に係る圧電ジャイロによれば、中央基部７を支持する金属タブテープ１４に振動吸収部材２１が設けられているため、この金属タブテープ１４の振動が吸収され、振動片２の温度ドリフトが低減される。このため、第１の実施の形態に係る圧電振動ジャイロによれば、金属タブテープ１４の振動モードのＱ値を低減し、検出用振動アーム８ａ、８ｂの高調波振動と金属タブテープ１４の振動との共振の影響と小さくしつつ、検出用振動アーム８ａ、８ｂの面内振動のＱ値を維持して、温度ドリフトの発生を抑制することが可能となる。

図３（ａ）は、第１の実施の形態に係る圧電振動ジャイロの温度特性を示す図であり、図３（ｂ）は、比較例に係る圧電振動ジャイロの温度特性を示す図である。比較例に係る圧電振動ジャイロにおいては、金属タブテープ１４に振動吸収部材２１を設けていない。ここで、縦軸は、振動片の振動量を示す０点出力（°／Ｓ）であり、横軸は、振動片の周囲における温度（℃）である。ここで、振動吸収部材２１には樹脂を用いた。
図３に示すように、比較例においては、−４０度から−２０度の間で、０点出力（°／Ｓ）が高くなり、振動片の振動量が大きくなっている。これは、−４０度から−２０度の間で、金属タブテープ１４の固有共振モードが検出用振動アーム８ａ、８ｂの高調波（特に、３倍高調波）と一致してしまうことに起因しているものと考えられる。これに対し、第１の実施の形態においては、金属タブテープ１４に設けられた振動吸収部材２１が金属タブテープ１４の振動を吸収するため、−４０度から−２０度の間における０点出力（°／Ｓ）が低く抑えられている。
なお、金属タブテープ１４の固有共振モードが検出用振動アーム８ａ、８ｂの高調波（特に、３倍高調波）と一致してしまう原因の一つとしては、金属タブテープ１４の特性のばらつきに加え、金属タブテープ１４と中央基部７とを固定する固定部材１６の特性がばらついていることも影響していると考えられる。したがって、固定部材１６についても、その特性にばらつきが生じないようにすることが好ましい。たとえば、固定部材１６を、中央基部７から金属タブテープ１４に向けて、クロムスパッタ膜、金スパッタ膜、金バンプ、金メッキ膜、ニッケルメッキ膜、銅箔の順に構成した場合、ニッケルメッキ膜の厚みにはばらつきが生じやすく、このばらつきが、振動片の特性のばらつきに影響を与えていると考えられる。実際に、クロムスパッタ膜を０．０５μｍ、金スパッタ膜を０．０５μｍ、金バンプを２０μｍ、金メッキ膜を０．５μｍ、ニッケルメッキ膜を８μｍ、銅箔を１５μｍとして固定部材１６を形成した場合、ニッケルメッキ膜の標準偏差が２．５μｍとなった。他方で、ニッケルメッキ膜を使用しなくとも、銅はくと金メッキ膜との接合強度を維持できた。したがって、固定部材１６を形成するにあたっては、ニッケルメッキ膜を使用しない方が好ましい。

図４は、本発明の第２の実施の形態に係る圧電振動ジャイロを、図１（ｂ）Ａ−Ａ面と同様の箇所で切り、これをベース４側から蓋６の方向に向けて見た図である。第２の実施の形態は、振動吸収部材２１を設ける箇所の点で、第１の実施の形態と異なっている。
図４に示すように、第２の実施の形態では、振動吸収部材２１は、中央基部７に設けられている。このようにすれば、振動吸収部材２１がＺ方向に設けられることとなるため、検出用振動アーム８ａ、８ｂの振動方向であるＸＹ方向には振動吸収部材２１が存在しないこととなり、検出用振動アーム８ａ、８ｂの振動が振動吸収部材２１によって抑制されにくくなる。このため、温度ドリフトの発生を抑制するにあたり、検出用振動アーム８ａ、８ｂの面内振動のＱ値がより維持されることとなる。

図５は、本発明の第３の実施の形態に係る圧電振動ジャイロを、図１（ｂ）Ａ−Ａ面と同様の箇所で切り、これをベース４側から蓋６の方向に向けて見た図である。第３の実施の形態は、振動吸収部材２１を設ける箇所の点で、第１の実施の形態と異なっている。
図５に示すように、第３の実施の形態では、振動吸収部材２１が、基板１３の電極に固定された金属タブテープ１４の他端と中央基部１４１４１４に設けられている。このようにすれば、複数の部分に振動吸収部材２１が存在することとなるため、リードのＱ値をより低減することができる。

図６は、本発明の第４の実施の形態に係る圧電振動ジャイロを、図１（ｂ）Ａ−Ａ面と同様の箇所で切り、これをベース４側から蓋６の方向に向けて見た図である。第４の実施の形態は、振動吸収部材２１を設ける箇所の点で、第１の実施の形態と異なっている。
図６に示すように、第４の実施の形態では、振動吸収部材２１は、金属タブテープ１４の一端から他端の間に設けられている。このようにすれば、金属タブテープ１４の全体に振動吸収部材２１が存在することとなるため、リードのＱ値をより低減することができる。

図７は、本発明の第５の実施の形態に係る圧電振動ジャイロを、図１（ｂ）Ａ−Ａ面と同様の箇所で切り、これをベース４側から蓋６の方向に向けて見た図である。第５の実施の形態は、振動吸収部材２１を設ける箇所の点で、第１の実施の形態と異なっている。
図７に示すように、第５の実施の形態では、金属タブテープ１４を複数有し、振動吸収部材２１が、金属タブテープの一端から他端の間において、複数の金属タブテープ１４に跨って設けられている。このようにすれば、金属タブテープ１４のＱ値をより低減することができる。ここで、金属タブテープ１４と金属タブテープ１４の幅を狭くすれば、金属タブテープ１４のＱ値をより低減することができる。

図８は、本発明の第６の実施の形態に係る圧電振動ジャイロを、図１（ｂ）Ａ−Ａ面と同様の箇所で切り、これをベース４側から蓋６の方向に向けて見た図である。第６の実施の形態は、振動吸収部材２１を設ける箇所の点で、第１の実施の形態と異なっている。
図８に示すように、第６の実施の形態では、金属タブテープ１４を複数有し、振動吸収部材２１が、金属タブテープの他端において、複数の金属タブテープ１４に跨って設けられている。このようにすれば、金属タブテープ１４のＱ値をより低減することができる。ここで、金属タブテープ１４と金属タブテープ１４の幅を狭くすれば、金属タブテープ１４のＱ値をより低減することができる。

なお、上記した振動吸収部材２１として、粘性の高い物質が検出用振動アーム８ａ、８ｂの振動を吸収しやすく好ましく、特に、樹脂であることが好ましい。このようにすれば、金属タブテープ２１の振動を好適に吸収できるため、リードのＱ値をより低減することができる。なお、樹脂としては、たとえば、シリコン系のサブミクロン金ペーストなどが粘性が高く、好ましい。

本発明の第１の実施の形態に係る圧電振動ジャイロの概略を説明する図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は断面図である。 （ａ）は、第１の実施の形態に係る圧電振動ジャイロにおいて、金属タブテープ１４が中央基部７を支持する構成の概略を示す図であり、（ｂ）は、図１（ｂ）に示す圧電振動ジャイロ素子をＡ−Ａ面で切り、これをベース４側から蓋６の方向に向けて見た図である。 （ａ）は、第１の実施の形態に係る圧電振動ジャイロの温度特性を示す図であり、（ｂ）は、比較例に係る圧電振動ジャイロの温度特性を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る圧電振動ジャイロを、図１（ｂ）Ａ−Ａ面と同様の箇所で切り、これをベース４側から蓋６の方向に向けて見た図である。 本発明の第３の実施の形態に係る圧電振動ジャイロを、図１（ｂ）Ａ−Ａ面と同様の箇所で切り、これをベース４側から蓋６の方向に向けて見た図である。 本発明の第４の実施の形態に係る圧電振動ジャイロを、図１（ｂ）Ａ−Ａ面と同様の箇所で切り、これをベース４側から蓋６の方向に向けて見た図である。 本発明の第５の実施の形態に係る圧電振動ジャイロを、図１（ｂ）Ａ−Ａ面と同様の箇所で切り、これをベース４側から蓋６の方向に向けて見た図である。 本発明の第６の実施の形態に係る圧電振動ジャイロを、図１（ｂ）Ａ−Ａ面と同様の箇所で切り、これをベース４側から蓋６の方向に向けて見た図である。

符号の説明

１・・・パッケージ、２・・・ 振動片、３・・・ ＩＣチップ、４・・・べース、５・・・ シールリング、６ ・・・ 蓋、７・・・中央基部、８ａ、８ｂ・・・検出用振動アーム、９ａ、９ｂ・・・ 連結アーム、１０ａ、１０ｂ・・・基部、１１ａ、１１ｂ、１２ａ、 １２ｂ・・・駆動用振動アーム、１３・・・基板、１４・・・金属タブテープ、１５、・・・金属膜、１６・・・ 固定部材、１７・・・ 電極パッド、１８・・・ 開口、１９・・・ ボンディングワイヤ、２１・・・振動吸収部材

Claims (7)

1. 振動片と、
   電極を有する基板と、
   前記振動片に一端が固定され、前記基板の電極に他端が固定され、前記振動片を支持するリードと、
   前記リードに設けられた振動吸収部材と、
   を備えたことを特徴とする圧電デバイス。
2. 前記振動吸収部材は、前記基板の電極に固定されたリードの他端に設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス。
3. 前記振動吸収部材は、前記振動片に固定されたリードの一端に設けられている、ことを特徴とする請求項１又２に記載の圧電デバイス。
4. 前記振動吸収部材は、前記リードの一端から他端の間に設けられている、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
5. 前記リードを複数有し、
   前記振動吸収部材は、前記複数のリードに跨って設けられている、
   ことを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
6. 前記振動吸収部材は、前記振動片の振動方向に対して直角方向に設けられている、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
7. 前記振動吸収部材は、樹脂である、ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の圧電デバイス。

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