JP2008076259A - 電気機械変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の電気機械変換器は、可動部周囲のリング部からカバー部材を接着するための接着部材が進入し、可動部の動作不良やカバー部材の気密不良などを引き起こしていた。
【解決手段】可動部にＸ方向とＹ方向とを定義したとき、その可動部を覆うカバー部材のＸ方向の幅は、枠部のＹ方向の幅よりも狭くする。そしてこのカバー部材は、Ｙ方向の枠部との間に第１の接着剤を介して接続しており、カバー部材のＸ方向側端面と枠部の上面または側端面とは、第２の接着剤を介して接続している。このように、カバー部材と枠部との接着部材を２箇所に分けてそれぞれ適する部分に分けることによって、可動部への接着部材の進入を防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、被測定体に加わる二次元または三次元方向の加速度や傾斜角を検出し、これを電気的信号に変換する電気機械変換器に関し、特に携帯型電子機器などに搭載が可能な小型の電気機械変換器に関する。

電子機器やロボットなどの技術革新に伴って、二次元または三次元方向の加速度を検出する電気機械変換器に対する需要が高まっている。従来は、一次元方向ごとの加速度を検出する電気機械変換器を複数用いていたが、昨今の技術革新に伴って、三次元方向の加速度成分を１つの電気機械変換器によって検出する構成が提案されている。
近年は、小型電子機器または携帯型電子機器へ電気機械変換器を搭載する場合が多く、このため、特にその形状を小型化した電気機械変換器が多く提供されており、そのための技術も多くの提案を見るものである（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１に示した従来技術の構成と機能について図面を用いて説明する。図３は特許文献１に示した従来技術を説明しやすいようにその趣旨を逸脱しない範囲で書き直した平面図である。
図３において、１０１は枠部、１０２は開口部、１０３は錘部、１０４は梁部、１０５はリング部、１０６は蓋部、１０７はパッド電極、１０８は配線部、１０９は外部端子、１１０は電気機械変換器である。

電気機械変換器１１０は、枠部１０１，開口部１０２，錘部１０３を有し、錘部１０３は、肉薄で可撓性の梁部１０４を介して開口部１０２中に懸架されている。梁部１０４は、錘部１０３が加速度などを受けると変形するので図示しないピエゾ抵抗などを梁部１０４上に設ければ、加速度などの物理量を電気量に変換して検出することができる。

枠部１０１，開口部１０２，錘部１０３，梁部１０４によって構成される可動部の外周にリング部１０５を設けて、その上部に蓋部１０６を固着している。つまり、可動部の上部を蓋部１０６で覆っている。
パッド電極１０７と配線部１０８と外部端子１０９とは、梁部１０４に設けるピエゾ抵抗などと外部回路を接続するために設けている。
このように構成することで、可動部を気密封止するとともに外部回路との接続が容易な電気機械変換器１１０を得ることができる。

特開２００６−７１４３２号公報（第３１頁、第１図）

特許文献１に示した従来技術は、可動する部分を有する素子でありながら、小型で平面実装が可能な構造を提供するものである。しかし、特許文献１に示した従来技術は、その構造に問題があることがわかった。
すなわち、電気機械変換器１１０の構造においては、リング部１０５の幅を細く形成する必要があるため、リング部１０５上に蓋部１０６を接着部材で固着する際に、その接着部材が可動部内部に進入して、錘部１０３や梁部１０４の動き阻害したり、リング部１０５近傍のパッド電極１０７に付着して電気接続不良が発生して、製造歩留まりを低下させるという問題である。

また、特許文献１に示した従来技術は、リング部１０５が細く、蓋部１０６との接合強度が不足するため、電気機械変換器１１０をマザーボード（基板）にリフローハンダ付けする際に、可動部内部の気体が膨張して蓋部１０６とリング部１０５との気密封止を破壊してしまい、電気機械変換機の実装信頼性を低下させてしまうという問題もある。

したがって、特許文献１に示した従来技術は、実際にその技術を使用すると、リング部１０５の形状により、可動部の動作不良や蓋部１０６との気密不良などを引き起こしてしまうため、実用的な技術ではないのであった。

そこで本発明の目的は、上記の課題を解決して製造歩留まりが良く、実装信頼性の高い電気機械変換器を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の電気機械変換器は、下記記載の構成を採用するものである。

枠部と、錘部と、枠部と錘部との間を接続する梁部と、を有する可動部と、可動部の上面を覆い平面的に重なるカバー部材とを有する電気機械変換器であって、
カバー部材と可動部とが平面的に重なる部分に仮想平面を想定し、仮想平面の略中心を点Ｐとし、点Ｐを通る一方向をＸ方向、Ｘ方向と直交する方向をＹ方向とするとき、
カバー部材のＸ方向の幅は、枠部のＹ方向の幅よりも狭く、
カバー部材は、枠部との間に第１の接着剤を介して接続しており、
カバー部材のＸ方向側端面と枠部の上面または側端面とは、第２の接着剤を介して接続しており、
第１の接着剤は、点Ｐを挟んでＹ方向に対向するように設け、第２の接着剤は、点Ｐを挟んでＸ方向に対向するように設けることを特徴とする。

可動部の一部に電気素子を設け、
枠部には、電気素子と外部とを接続するための電極を設け、
電極は、第２の接着剤で覆うことを特徴とする。

本発明の電気機械変換器は、枠部，錘部，梁部を有する可動部とこれを覆うカバー部材とが平面的に重なる部分に仮想平面を想定し、この仮想平面にＸ方向とＹ方向とを定義したとき、カバー部材のＸ方向の幅は、枠部のＹ方向の幅よりも狭くする。そしてこのカバー部材は、Ｙ方向の枠部との間に第１の接着剤を介して接続しており、カバー部材のＸ方向側端面と枠部の上面または側端面とは、第２の接着剤を介して接続している。
このように、カバー部材と枠部との接着部材を２箇所に分けてそれぞれ適する部分に分けることによって、可動部に接着部材が侵入することがなく、製造歩留まりが良く信頼性の高い電気機械変換器を提供することができる。

以下図面を参照しながら本発明の最適な実施の形態における電気機械変換器について詳細に説明する。

［構造の説明：図１，図２］
図１は、本発明の電気機械変換機の構造を説明するために模式的に示す図であって、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は切断線Ａ−Ａ’による断面図である。また、図２は枠部とカバー部材との固着を説明するため部分拡大図である。
図において、１は枠部、２は開口部、３は錘部、４は梁部、５は接合部、６は第１の接
着剤、７は第２の接着剤、８はカバー部材、９はパッド電極、１０は接続ワイヤー、１１は基板、１２は基板電極、１３はスルーホール、１４は外部端子、１５は封止体、２０は電気機械変換器である。

本発明の電気機械変換器２０は、枠部１，開口部２，錘部３を有し、錘部３は、肉薄で可撓性の梁部４を介して開口部２のほぼ中央に懸架されている。この枠部１，開口部２，錘部３，梁部４を可動部という。
梁部４は、錘部３が加速度などの物理量を受けると変形するので図示しない電気素子（例えば、ピエゾ抵抗）などを梁部１０４上に設ければ、加速度などの物理量を電気量に変換して検出することができる。

さらに、可動部の外周に接合部５を設け、その上にカバー部材８を固着している。カバー部材８は、いわゆる蓋部である。
図１（ｂ）に示すように、接合部５には適当な厚みを持たせており、カバー部材８を接合部５の上部に固着しても可動部とカバー部材８とが干渉しないようにしている。

次に、接合部５，カバー部材８の形状を説明する。
カバー部材８と可動部とが平面的に重なる部分に仮想平面を想定し、この仮想平面の略中心を点Ｐとし、さらに、この点Ｐを通る一方向をＸ方向、このＸ方向と直交する方向をＹ方向とする。図１（ａ）では、点Ｐは「＋」マークで示しており、図面の上下方向をＹ方向、このＹ方向と直交する方向をＸ方向と定義する。

電気機械変換器２０は、カバー部材８のＸ方向の幅がＹ方向の幅よりも狭く設けている。同様に、接合部５も可動部を囲むとともにそのＸ方向の幅がＹ方向の幅よりも狭く設けている。

接合部５は、Ｙ方向に幅広部５ａとＸ方向に幅狭部５ｂとを有している。幅広部５ａは第１の接着剤６が乗る部分であり、カバー部材８と固着する部分であるから、広い面積が必要である。この面積は、電気機械変換器２０の大きさに合わせて自由に変更できる。幅狭部５ｂは、この部分でカバー部材８と固着するものではないため、その幅は細くてもかまわない。

図１（ａ），図１（ｂ）に示すように、本発明の電気機械変換器２０は、可動部を挟んでＹ方向に離間した接合部５の幅広部５ａにおいて、カバー部材８と接合部５とを第１の接着剤６を介して固着している。第１の接着剤６は、点Ｐを挟んでＹ方向に対向するように設けている。図１（ａ）では、図面上下に幅広部５ａがあり、それぞれに第１の接着剤６を設けている。

さらに、可動部を挟んでＸ方向に離間したカバー部材８の側端面と枠部１の上面は、カバー部材８と接合部５とを第２の接着剤７で覆うように固着している。図１（ｂ）では、図面左右に枠部１があり、それぞれに第２の接着剤７を設けている。
図２は、枠部１の上部のカバー部材８との接合部分を拡大した図である。第２の接着剤７は、図２に示すように、枠部１の上面のみならず側端面も覆うようにしている。

さらに、本発明の電気機械変換器２０は、基板１１に枠部１を固着しており、カバー部材８と枠部１との固着と相まって、可動部周囲の気密封止が可能となっている。

梁部４に設けるピエゾ抵抗などと外部回路とを接続するためのパッド電極９と接続ワイヤー１０と基板電極１２とを有しており、基板１裏面には外部端子１４を設け、この外部端子１４と基板電極１２とはスルーホール１３を介して電気的に接続している。
このような構成によって、前述の可動構造体を気密封止するとともに外部回路との接続が容易な電気機械変換器２０を得ることができる。

さらに、図１（ｂ）に示すように、パッド電極９，接続ワイヤー１０，基板電極１２を絶縁保護するために、基板１１上面に封止体１５を設けている。この封止体１５は、特に限定しないが、例えば、知られているモールド樹脂を用いることができる。

本発明の電気機械変換器２０は、カバー部材８と接合部５とは、可動部を挟んでＹ方向に離間した幅広部５ａにて第１の接着剤６を用いて固着している。そして、可動部を挟んでＸ方向に離間したカバー部材８の側端面と枠部１の上面または側端面とを第２の接着剤７で覆うように固着している。
本発明の電気機械変換器２０は、第１の接着剤６と第２の接着剤７とに接着手段を分けている。幅広部５ａを用いた第１の接着剤６による固着がカバー部材８と枠部１とを強固に固定し、第２の接着剤７による固着がカバー部材８と枠部１との固着をより強固にする。第２の接着剤７は、カバー部材８の側端面と枠部１の上面または側端面とを覆うために、パッド電極９の保護を兼ねるとともに、この部分の気密封止をより強くする。

したがって、本発明の電気機械変換器２０は、可動部にカバー部材８を接着してもその中に接着剤が進入せず、錘部３や梁部４などの可動を阻害することがなく、本発明の電気機械変換器２０をマザーボードなどにリフローハンダ付けする際にも、気密封止構造が破壊されないのである。

［製造方法の説明］
次に、本発明の電気機械変換器２０の製造方法の一例を説明する。
電気機械変換器２０の材料は特に限定するものではないが、以下、シリコン単結晶基板を加工して電気機械変換器２０を形成する例を用いて説明する。

可動部を構成する枠部１，開口部２，錘部３，梁部４は、シリコン単結晶基板において、知られている半導体製造技術により所定の形状に形成することができる。例えば、シリコン単結晶基板の所定の領域に対シリコン単結晶用のエッチングマスクを用いて選択的にエッチングを行い、可動部を所定の形状で形成する。
エッチングは、異方性ドライエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ：ＲＩＥ）や当方性ウェットエッチングなどの加工技術を用いて行うことができる。

梁部４に形成する物理変化量を電気信号に変換するためのピエゾ抵抗などの変換素子の形成は、同じく知られている半導体製造技術により所定位置に選択的に形成することができる。例えば、シリコン単結晶基板の梁部４を形成する領域にフォトレジストなどのマスクを用いて選択的に不純物をイオン注入し、ピエゾ抵抗を所定の形状で形成する。所定の形状とは、短冊状の形状であっても、折り曲げられた形状でもよい。その形状は、ピエゾ抵抗の抵抗値などから自由に選択することができる。

さらに同様に、知られている半導体製造技術を用いて、このピエゾ抵抗と外部回路とを接続するための配線およびパッド電極９も形成する。

次に、接合部５の形成について説明する。接合部５は既に説明したようにＹ方向に幅広い部分である幅広部５ａを有している。この幅広部５ａを含み可動部を囲むようにパターン形成する。
このパターン形成では、特に限定しないが、金，スズ，ニッケル，ハンダなどの金属メッキによる金属パターンやスクリーン印刷による樹脂パターンなどの形成手段を用いることができる。

なお、もちろん可動部の形成は、この接合部５の形成の後に行ってもかまわない。大切なことは、接合部５は可動部を取り囲むように形成し、Ｙ方向に点Ｐを挟み対向するように幅広部５ａを設けることである。

次に、カバー部材８の固着工程を説明する。この工程は、Ｙ方向に離間した２箇所の幅広部５ａに第１の接着剤６を供給してカバー部材８を固着する工程である。
カバー部材８の材料としては、特に限定しないが、シリコン単結晶片，水晶片，ガラス片，セラミック片などを用いることができる。第１の接着剤６の材料としては、エポキシ，シリコン，ウレタンなどの樹脂組成物接着剤を用いることができる。

この工程では、幅広部５ａの広い接着面積を確保できるので、可動部内に第１の接着剤６を進入させることなく強固にカバー部材８を固着することができる。なお、当然この工程では、Ｘ方向に可動部を挟んで離間している幅の細い幅狭部５ｂには第１の接着剤６を供給しない。

次に、枠部１と基板１１とを固着する接着工程を説明する。基板１１には前もって基板電極１２，スルーホール１３，外部端子１４を形成しておく。
枠部１と基板１１とを固着する接着剤としては、エポキシ，シリコン，ウレタンなどの樹脂組成物接着剤を用いることができる。
また、もちろん、１枚の基板１１に電気機械変換器２０を多数個取るために、その分の基板電極１２，スルーホール１３，外部端子１４を設けておき、後の工程でそれらを同時に処理してもよい。

次に、パッド電極９と基板電極１２とを電気的に接続するためのワイヤーボンド工程を説明する。パッド電極９と基板電極１２との間を接続ワイヤー１０を介して電気的に接続する。この接続は、知られているワイヤーボンディング技術を用いることができる。この接続ワイヤー１０の材料として、金やアルミなどを用いることができる。

次に、第２の接着剤７を用いて可動部を気密封止する工程を説明する。可動部を挟んでＸ方向に離間したカバー部材８の側端面と枠部１の上面または側端面とを覆うように第２の接着剤７を供給して固着する。カバー部材８と接合部５との接着をより強固にするとともに、可動部を気密封止する。また、第２の接着剤７は、パッド電極９も覆うことで保護を行う。
第２の接着剤７の材料としては、エポキシ，シリコン，ウレタンなどの樹脂組成物接着剤を用いることができる。

カバー部材８と接合部５とは、既に第１の接着剤６で固着されているから、カバー部材８の側端面から第２の接着剤７が可動部に進入する隙間はない。
また、カバー部材８の側端面近傍の枠部１上にパッド電極９が設けられているが、既に接続ワイヤー１０によって基板電極１２と電気的接続が完了しているため、第２の接着剤７を多量に供給してパッド電極９を覆っても接続不良は発生しない。
この工程において第２の接着剤７が硬化することで可動部周囲の気密封止が完成する。

次に基板１上に封止体１５を形成する封止工程を説明する。封止体１５を形成する工程としては、知られているトランスファーモールド技術やポッティングモールド技術が知られている。また、前述のように１枚の基板１１に電気機械変換器２０を多数個取るために、その分の基板電極１２，スルーホール１３，外部端子１４を設けた場合は、多数個取りが可能な基板１１全体を被服するように封止体１５を形成して、その後にダイシングなどの分離加工技術を用いて電気機械変換器２０を単個化することができる。

以上の説明で明らかなように、本発明の電気機械変換器は、カバー部材と枠部との接着部材を２箇所に分けてそれぞれ適する部分に分けることによって、可動部への接着部材の進入がなく、製造歩留まりが低下することがない。これにより、信頼性の高い電気機械変換器を提供することができる。

本発明の電気機械変換器は、製造歩留まりがよく信頼性の高い。このため、小型電子機器または携帯型電子機器用の電気機械変換器として好適である。

本発明の電気機械変換器の構造を説明するための平面図および断面図である。 本発明の電気機械変換器の第２の接着剤での固着を説明するための断面図である。 特許文献１に示した従来技術の電気機械変換器の構造を説明するための平面図である。

符号の説明

１ 枠部
２ 開口部
３ 錘部
４ 梁部
５ 接合部
５ａ 幅広部
５ｂ 幅狭部
６ 第１の接着剤
７ 第２の接着剤
８ カバー部材
９ パッド電極
１０ 接続ワイヤー
１１ 基板
１２ 基板電極
１３ スルーホール
１４ 外部端子
１５ 封止体

Claims (2)

1. 枠部と、錘部と、該枠部と該錘部との間を接続する梁部と、を有する可動部と、前記可動部の上面を覆い平面的に重なるカバー部材とを有する電気機械変換器であって、
   前記カバー部材と前記可動部とが平面的に重なる部分に仮想平面を想定し、該仮想平面の略中心を点Ｐとし、該点Ｐを通る一方向をＸ方向、該Ｘ方向と直交する方向をＹ方向とするとき、
   前記カバー部材の前記Ｘ方向の幅は、前記枠部の前記Ｙ方向の幅よりも狭く、
   前記カバー部材は、前記枠部との間に第１の接着剤を介して接続しており、
   前記カバー部材の前記Ｘ方向側端面と前記枠部の上面または側端面とは、第２の接着剤を介して接続しており、
   前記第１の接着剤は、前記点Ｐを挟んで前記Ｙ方向に対向するように設け、前記第２の接着剤は、前記点Ｐを挟んで前記Ｘ方向に対向するように設けることを特徴とする電気機械変換器。
2. 前記可動部の一部に電気素子を設け、
   前記枠部には、前記電気素子と外部とを接続するための電極を設け、
   前記電極は、前記第２の接着剤で覆うことを特徴とする請求項１に記載の電気機械変換器。

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