JP2023110338A - 振動デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性の高い振動デバイスを提供する。【解決手段】振動デバイス１は、ベース２１と、振動素子７と、振動素子７を支持している支持基板４と、互いに間隔を有して支持基板４に配置されており、支持基板４とベース２１とを接合している少なくとも３つの接合部材３１と、を備え、支持基板４は、薄肉部４８を有し、薄肉部４８は、隣り合う接合部材３１の間隔が、隣り合う他の接合部材３１の間隔よりも小さい、２つの接合部材３１の間に配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、振動デバイスに関する。

特許文献１に記載されている振動デバイスは、振動素子をベースに固定する支持基板を備え、支持基板は、複数の接合部材を介してベースに固定される縁部と、振動素子を搭載する素子搭載部と、縁部と素子搭載部とを連結する梁部と、を有し、素子搭載部の上方に振動素子が配置されている。

特開２０２１－７１３７０号公報

しかしながら、特許文献１に記載された振動デバイスは、支持基板とベースとの熱膨張係数の違いにより、温度変化に応じて支持基板と接合部材との間や接合部材とベースとの間に大きな熱応力が生じ、支持基板又はベースから接合部材が剥離してしまう、という課題があった。

振動デバイスは、ベースと、振動素子と、前記振動素子を支持している支持基板と、互いに間隔を有して前記支持基板に配置されており、前記支持基板と前記ベースとを接合している少なくとも３つの接合部材と、を備え、前記支持基板は、薄肉部を有し、前記薄肉部は、隣り合う前記接合部材の間隔が、隣り合う他の前記接合部材の間隔よりも小さい、２つの前記接合部材の間に配置されている。

第１実施形態に係る振動デバイスの概略構造を示す平面図。 図１中のＡ－Ａ線における断面図。 第１実施形態に係る振動デバイスが備える支持基板の概略構造を示す平面図。 図３中のＢ－Ｂ線における断面図。 第２実施形態に係る振動デバイスが備える支持基板の概略構造を示す平面図。 第３実施形態に係る振動デバイスが備える支持基板の概略構造を示す平面図。 第４実施形態に係る振動デバイスが備える支持基板の概略構造を示す平面図。

１．第１実施形態
先ず、第１実施形態に係る振動デバイス１について、図１～図４を参照して説明する。

尚、振動デバイス１は、Ｚ軸まわりの角速度を検出するジャイロセンサーを一例として挙げ説明する。また、説明の便宜上、図１では、リッド３０を取り外した状態を図示している。また、図１及び図２では、ベース２１に設けられた端子間を電気的に接続する配線の図示と支持基板４及び振動素子７に設けられた端子及び配線の図示を省略している。また、図３及び図４では、支持基板４に設けられた端子及び配線の図示を省略している。

また、以降の平面図及び断面図には、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸を図示している。また、Ｘ軸に沿う方向を「Ｘ方向」、Ｙ軸に沿う方向を「Ｙ方向」、Ｚ軸に沿う方向を「Ｚ方向」と言い、各軸の矢印側を「プラス側」、矢印と反対側を「マイナス側」と言う。また、Ｚ軸のプラス側を「上」、マイナス側を「下」とも言う。また、支持基板４の厚さ方向即ちＺ方向からの平面視を、単に「平面視」とも言う。

本実施形態に係る振動デバイス１は、図１及び図２に示すように、パッケージ２を構成するベース２１と、パッケージ２に収納されている回路素子３、振動素子７を支持している支持基板４、振動素子７、及び互いに間隔を有して支持基板４に配置されており、支持基板４とベース２１とを接合している少なくとも３つの接合部材３１と、を備えている。尚、本実施形態では、６つの接合部材３１を有する振動デバイス１を一例として挙げ説明する。

パッケージ２は、上面に開口する凹部２２を備えるベース２１と、凹部２２の開口を塞ぐようにして、ベース２１の上面に接合部材２９を介して接合されているリッド３０と、を有する。パッケージ２の内側には、凹部２２によって内部空間Ｓが形成され、内部空間Ｓに回路素子３、支持基板４、及び振動素子７が収容されている。例えば、ベース２１は、アルミナ等のセラミックスで構成することができ、リッド３０は、コバール等の金属材料で構成することができる。ただし、ベース２１及びリッド３０の構成材料としては、それぞれ、特に限定されない。

内部空間Ｓは、気密であり、減圧状態、好ましくは、より真空に近い状態となっている。これにより、粘性抵抗が減って振動素子７の振動特性が向上する。ただし、内部空間Ｓの雰囲気は、特に限定されず、例えば、大気圧状態、加圧状態となっていてもよい。

また、凹部２２は、Ｚ方向に並んで配置されている複数の凹部２３，２４，２５で構成され、ベース２１の上面に開口している第１凹部２３と、第１凹部２３の底面に開口し、第１凹部２３よりも開口幅が小さい第２凹部２４と、第２凹部２４の底面に開口し、第２凹部２４よりも開口幅が小さい第３凹部２５と、を有する。そして、第１凹部２３の底面に、振動素子７を支持した状態で支持基板４が固定され、第３凹部２５の底面に回路素子３が固定されている。

また、内部空間Ｓにおいて、振動素子７、支持基板４、及び回路素子３は、平面視で互いに重なって配置されている。言い換えると、振動素子７、支持基板４、及び回路素子３は、Ｚ方向に並んで配置されている。これにより、パッケージ２のＸ方向及びＹ方向への平面的な広がりを抑制でき、振動デバイス１の小型化を図ることができる。また、支持基板４は、振動素子７と回路素子３との間に位置し、振動素子７を下側即ちＺ軸マイナス側から支えるように支持している。

また、図１及び図２に示すように、第１凹部２３の底面には複数の内部端子２６が配置され、第２凹部２４の底面には複数の内部端子２７が配置され、ベース２１の下面には複数の外部端子２８が配置されている。これら内部端子２６，２７及び外部端子２８は、回路設計に合わせて、ベース２１内に形成されている図示しない配線を介して電気的に接続されている。また、内部端子２６は、導電性の接合部材３１，３３及び支持基板４を介して振動素子７と電気的に接続され、内部端子２７は、ボンディングワイヤー３２を介して回路素子３と電気的に接続されている。

回路素子３は、第３凹部２５の底面に固定されている。回路素子３には、振動素子７を駆動し、振動素子７に加わった角速度ωｚを検出する駆動回路及び検出回路が含まれている。ただし、回路素子３としては、特に限定されず、例えば、温度補償回路等、他の回路が含まれていてもよい。

また、図２に示すように、支持基板４は、ベース２１と振動素子７との間に介在している。支持基板４は、主に、ベース２１の変形により生じる応力を吸収、緩和し、当該応力を振動素子７に伝わり難くする機能を有する。

支持基板４は、ジンバル構造となっている。図３及び図４に示すように、支持基板４は、Ｚ方向からの平面視で、振動素子７を支持する素子支持部４３と、素子支持部４３の外側に位置し、ベース２１に固定されているベース固定部４１と、Ｘ方向に並ぶ２つのベース固定部４１をそのＹ方向の両端で連結する２つの連結部４２と、素子支持部４３とベース固定部４１との間に位置し、素子支持部４３を囲む枠状をなし、連結部４２を介してベース固定部４１と素子支持部４３とを接続する梁部４４と、を有する。梁部４４は、素子支持部４３からＸ方向の両側に延伸し、素子支持部４３と枠部４６とを接続する一対の内側梁部４７と、素子支持部４３を囲む枠状の枠部４６と、枠部４６からＹ方向の両側に延伸し、枠部４６と２つのベース固定部４１を連結する連結部４２とを接続する一対の外側梁部４５と、を有する。

また、一対の内側梁部４７は、素子支持部４３のＸ方向両側に位置し、素子支持部４３を両持ち支持するように素子支持部４３と枠部４６とを接続している。
また、一対の外側梁部４５は、枠部４６のＹ方向両側に位置し、枠部４６を両持ち支持するように枠部４６と連結部４２とを接続している。

このように、内側梁部４７の延伸方向と外側梁部４５の延伸方向とを直交させることにより、支持基板４によって、より効果的にベース２１から伝わる応力を吸収、緩和することができる。

このような支持基板４は、素子支持部４３の上面に６つの金属バンプ等の導電性の接合部材３３を介して振動素子７の基部７０が固定され、ベース固定部４１が６つの接合部材３１を介して第１凹部２３の底面に固定されている。つまり、支持基板４とベース２１とは、導電性接合部材である接合部材３１を介して電気的に接合されている。より具体的には、Ｘ方向マイナス側に位置するベース固定部４１が３つの接合部材３１を介して第１凹部２３の底面に固定され、Ｘ方向プラス側に位置するベース固定部４１が３つの接合部材３１を介して第１凹部２３の底面に固定されている。このように、振動素子７とベース２１との間に支持基板４を介在させることにより、支持基板４によってベース２１から伝わる応力を吸収、緩和することができ、当該応力が振動素子７に伝わり難くなる。そのため、振動素子７の振動特性の低下や変動を効果的に抑制することができる。

また、支持基板４は、図３に示すように、薄肉部４８を有し、薄肉部４８は、隣り合う接合部材３１の間隔が、隣り合う他の接合部材３１の間隔よりも小さい、２つの接合部材３１の間に配置されている。具体的には、Ｘ方向マイナス側のベース固定部４１に配置された第１接合部材３１ａ及び第３接合部材３１ｃと、Ｘ方向プラス側のベース固定部４１に配置された第２接合部材３１ｂにおいて、薄肉部４８は、隣り合う第１接合部材３１ａと第３接合部材３１ｃとの間隔が、隣り合う第１接合部材３１ａと第２接合部材３１ｂとの間隔よりも小さい、第１接合部材３１ａと第３接合部材３１ｃとの間に配置されている。

薄肉部４８は、支持基板４の外形端から、支持基板４の内側に向かって形成されており、２つの接合部材３１の支持基板４の外形側とは反対側である内側の外形位置間を結ぶ第１仮想線Ｌ１を越えて形成されている。つまり、薄肉部４８は、第１仮想線Ｌ１を超え長さＷ１となるように支持基板４の内側に向かって形成されている。
また、薄肉部４８の板厚は、図４に示すように、Ｚ方向プラス側に凹み、支持基板４の梁部４４の板厚に比べ薄い。このように、隣り合う２つの接合部材３１の間に薄肉部４８を設けることで、２つの接合部材３１間の支持基板４の剛性を弱めることができる。

尚、本実施形態では、Ｘ方向マイナス側のベース固定部４１に配置された３つの接合部材３１の間に２つの薄肉部４８が設けられており、Ｘ方向プラス側のベース固定部４１に配置された３つの接合部材３１の間に２つの薄肉部４８が設けられている。

このように支持基板４のベース固定部４１に薄肉部４８が設けられているため、接合部材３１を介してベース２１に固定した場合、隣り合う２つの接合部材３１の間で生じる支持基板４とベース２１との熱膨張係数の違いによる熱応力を薄肉部４８の撓みや伸長によって低減することができ、支持基板４又はベース２１から接合部材３１が剥離してしまうのを抑制することができる。

このような支持基板４は、後述する振動素子７を構成するＺカット水晶基板で構成されている。このように、支持基板４を振動素子７と同様に水晶基板で構成することにより、支持基板４と振動素子７との熱膨張係数を等しくすることができる。そのため、支持基板４と振動素子７との間には、互いの熱膨張係数差に起因する熱応力が実質的に生じず、振動素子７がより応力を受け難くなる。そのため、振動素子７の振動特性の低下や変動をより効果的に抑制することができる。

尚、支持基板４としては、これに限定されず、例えば、振動素子７と同じカット角であるが、結晶軸の方向が振動素子７とは異なっていてもよい。また、支持基板４は、振動素子７と異なるカット角の水晶基板から形成されていてもよい。また、支持基板４は、水晶基板から形成されていなくてもよく、この場合は、例えば、シリコン基板、樹脂基板等から形成することができる。この場合、支持基板４の構成材料は、水晶との熱膨張係数の差が、水晶とベース２１の構成材料との熱膨張係数差よりも小さい材料であることが好ましい。

振動素子７は、図１に示すように、中心部分に位置する基部７０と、基部７０からＹ方向に延伸された一対の検出用振動腕７１，７２と、検出用振動腕７１，７２と直交するように、基部７０からＸ方向に延伸された一対の連結腕７３，７４と、検出用振動腕７１，７２と平行になるように、各連結腕７３，７４の先端側からＹ方向に延伸された各一対の駆動用振動腕７５，７６，７７，７８と、を有する。振動素子７は、基部７０において、導電性の接合部材３３を介して支持基板４の素子支持部４３の上面に電気的及び機械的に固定されている。

振動素子７は、一対の駆動用振動腕７５，７６及び一対の駆動用振動腕７７，７８が互いに逆相でＸ方向に屈曲振動をしている状態において、Ｚ軸まわりの角速度ωｚが加わると、一対の駆動用振動腕７５，７６、一対の駆動用振動腕７７，７８、及び連結腕７３，７４に、Ｙ方向のコリオリ力が働き、Ｙ方向に振動する。この振動により一対の検出用振動腕７１，７２がＸ方向に屈曲振動する。そのため、一対の検出用振動腕７１，７２に形成された検出電極が、振動により発生した水晶の歪を電気信号として検出することで角速度ωｚが求められる。

尚、振動素子７は、Ｚカット水晶基板から構成されている。Ｚカット水晶基板は、水晶の結晶軸である電気軸としてのＸ軸及び機械軸としてのＹ軸で規定されるＸ－Ｙ平面に広がりを有し、光軸としてのＺ軸に沿った方向に厚みを有している。

接合部材３１，３３としては、導電性接合部材で導電性と接合性とを兼ね備えていれば、特に限定されず、例えば、金バンプ、銀バンプ、銅バンプ、はんだバンプ等の各種金属バンプ、ポリイミド系、エポキシ系、シリコーン系、アクリル系の各種接着剤に銀フィラー等の導電性フィラーを分散させた導電性接着剤等を用いることができる。接合部材３１，３３として前者の金属バンプを用いると、接合部材３１，３３からのガスの発生を抑制でき、内部空間Ｓの環境変化、特に圧力の上昇を効果的に抑制することができる。一方、接合部材３１，３３として後者の導電性接着剤を用いると、接合部材３１，３３が比較的柔らかくなり、接合部材３１，３３においても前述の応力を吸収、緩和することができる。

本実施形態では、接合部材３１として導電性接着剤を用い、接合部材３３として金属バンプを用いている。異種の材料である支持基板４とベース２１とを接合する接合部材３１として導電性接着剤を用いることにより、これらの間の熱膨張係数の差に起因して生じる熱応力を接合部材３１によって効果的に吸収、緩和することができる。一方、支持基板４と振動素子７とは、比較的狭い領域に配置されている６つの接合部材３３で接合されているため、接合部材３３として金属バンプを用いることにより、導電性接着剤のような濡れ広がりが抑制され、接合部材３３同士の接触を効果的に抑制することができる。

以上述べたように、本実施形態の振動デバイス１は、支持基板４のベース固定部４１において、接合部材３１に加わる熱応力がとくに高くなる、隣り合う接合部材３１の間隔が、隣り合う他の接合部材３１の間隔よりも小さい、２つの接合部材３１の間に、薄肉部４８が配置されている。そのため、隣り合う２つの接合部材３１の間で生じる支持基板４とベース２１との熱膨張係数の違いによる熱応力を薄肉部４８の撓みや伸長によって効果的に低減することができ、支持基板４又はベース２１から接合部材３１が剥離してしまうのを効果的に抑制することができる。従って、信頼性に優れた振動デバイス１が得られる。

２．第２実施形態
次に、第２実施形態に係る振動デバイス１ａについて、図５を参照して説明する。尚、図５では、支持基板４ａに設けられた配線の図示を省略している。

本実施形態の振動デバイス１ａは、第１実施形態の振動デバイス１に比べ、支持基板４ａに設けられた薄肉部４８ａの形状が異なること以外は、第１実施形態の振動デバイス１と同様である。尚、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。

振動デバイス１ａは、図５に示すように、隣り合う２つの接合部材３１間に設けられた薄肉部４８ａが、厚さ方向に貫通している切り欠き部４９である。つまり、薄肉部４８ａは、支持基板４ａの厚さ方向であるＺ方向に貫通している。そのため、第１実施形態の薄肉部４８が薄板の場合に比べ、隣り合う２つの接合部材３１間の支持基板４ａの剛性をより弱めることができる。

このような構成とすることで、第１実施形態の振動デバイス１と同等の効果が得られる。

３．第３実施形態
次に、第３実施形態に係る振動デバイス１ｂについて、図６を参照して説明する。尚、図６では、支持基板４ｂに設けられた配線の図示を省略している。

本実施形態の振動デバイス１ｂは、第１実施形態の振動デバイス１に比べ、支持基板４ｂに設けられた薄肉部４８ｂの形状が異なること以外は、第１実施形態の振動デバイス１と同様である。尚、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。

振動デバイス１ｂは、図６に示すように、薄肉部４８ｂが支持基板４ｂの外形端から、支持基板４ｂの内側に向かって形成されており、２つの接合部材３１の外形中心間を結ぶ第２仮想線Ｌ２を越えて形成されている。つまり、薄肉部４８ｂは、第２仮想線Ｌ２を超え長さＷ２となるように支持基板４ｂの内側に向かって形成されている。そのため、隣り合う２つの接合部材３１間の支持基板４ｂの剛性を弱めることができる。

このような構成とすることで、第１実施形態の振動デバイス１と同等の効果が得られる。

４．第４実施形態
次に、第４実施形態に係る振動デバイス１ｃについて、図７を参照して説明する。尚、図７では、支持基板４ｃに設けられた配線の図示を省略している。

本実施形態の振動デバイス１ｃは、第１実施形態の振動デバイス１に比べ、支持基板４ｃに設けられた薄肉部４８ｃの形状が異なること以外は、第１実施形態の振動デバイス１と同様である。尚、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。

振動デバイス１ｃは、図７に示すように、隣り合う２つの接合部材３１間に設けられた薄肉部４８ｃが、ベース固定部４１の内側端から支持基板４ｃの外形端に向かって形成されている。また、薄肉部４８ｃは、厚さ方向に貫通している切り欠き部４９ｃである。つまり、薄肉部４８ｃは、支持基板４ｃの厚さ方向であるＺ方向に貫通している。そのため、隣り合う２つの接合部材３１間の支持基板４ｃの剛性を弱めることができる。

このような構成とすることで、第１実施形態の振動デバイス１と同等の効果が得られる。

１，１ａ，１ｂ，１ｃ…振動デバイス、２…パッケージ、３…回路素子、４…支持基板、７…振動素子、２１…ベース、２２…凹部、２３…第１凹部、２４…第２凹部、２５…第３凹部、２６，２７…内部端子、２８…外部端子、２９…接合部材、３０…リッド、３１…接合部材、３１ａ…第１接合部材、３１ｂ…第２接合部材、３１ｃ…第３接合部材、３２…ボンディングワイヤー、３３…接合部材、４１…ベース固定部、４２…連結部、４３…素子支持部、４４…梁部、４５…外側梁部、４６…枠部、４７…内側梁部、４８…薄肉部、４９…切り欠き部、７０…基部、７１，７２…検出用振動腕、７３，７４…連結腕、７５，７６，７７，７８…駆動用振動腕、Ｌ１…第１仮想線、Ｌ２…第２仮想線、Ｓ…内部空間、Ｗ１，Ｗ２…長さ。

Claims (8)

1. ベースと、
   振動素子と、
   前記振動素子を支持している支持基板と、
   互いに間隔を有して前記支持基板に配置されており、前記支持基板と前記ベースとを接合している少なくとも３つの接合部材と、を備え、
   前記支持基板は、薄肉部を有し、前記薄肉部は、隣り合う前記接合部材の間隔が、隣り合う他の前記接合部材の間隔よりも小さい、２つの前記接合部材の間に配置されている、
   振動デバイス。
2. 前記薄肉部は、厚さ方向に貫通している切り欠き部である、
   請求項１に記載の振動デバイス。
3. 前記薄肉部は、前記支持基板の外形端から、前記支持基板の内側に向かって形成されている、
   請求項１又は請求項２に記載の振動デバイス。
4. 前記薄肉部は、前記２つの前記接合部材の前記支持基板の外形側とは反対側である内側の外形位置間を結ぶ第１仮想線を越えて形成されている、
   請求項３に記載の振動デバイス。
5. 前記薄肉部は、前記２つの前記接合部材の外形中心間を結ぶ第２仮想線を越えて形成されている、
   請求項３に記載の振動デバイス。
6. 前記支持基板は、
   前記接合部材が配置されたベース固定部と、
   前記振動素子を支持する素子支持部と、
   前記ベース固定部と前記素子支持部とを接続する梁部と、を有する、
   請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の振動デバイス。
7. 前記支持基板は、
   前記接合部材が配置されたベース固定部と、
   前記振動素子を支持する素子支持部と、
   前記ベース固定部と前記素子支持部とを接続する梁部と、を有し、
   前記薄肉部は、前記ベース固定部の内側端から前記支持基板の外形端に向かって形成されている、
   請求項１又は請求項２に記載の振動デバイス。
8. 前記接合部材は、前記支持基板と前記ベースとを電気的に接合する導電性接合部材である、
   請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載の振動デバイス。

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