JP2023119714A - 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、振動素子７と、振動素子７を支持する支持基板４と、支持基板４が固定される基体２１と、支持基板４と基体２１とを接合している複数の接合部材３１と、を備え、支持基板４は、平面視で、外縁の第１の辺４３の側に位置している第１領域５１と、平面視で、支持基板４の中心部に対して第１の辺４３とは反対側の第２の辺４４の側に位置している第２領域５２と、を有し、第１領域５１及び第２領域５２は、断面視で、第１面４１よりも第２面４２側にある第１底面４６、及び、第１面４１と第１底面４６との間を繋ぐ第１側面４７を含む第１凹部４５と、第２面４２よりも第１面４１側にある第２底面４９、及び、第２面４２と第２底面４９との間を繋ぐ第２側面５０を含む第２凹部４８と、を含み、第１凹部４５と第２凹部４８とが交互に配置されている。【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、振動素子と、前記振動素子を支持する支持基板と、前記支持基板が固定される基体と、前記支持基板と前記基体とを接合している複数の接合部材と、を備え、前記支持基板は、前記基体に対向した第１面と、前記第１面の裏側の第２面と、平面視で、外縁の第１の辺の側に位置している第１領域と、前記平面視で、前記支持基板の中心部に対して前記第１の辺とは反対側の第２の辺の側に位置している第２領域と、を有し、前記接合部材は、前記第１領域の前記第１の辺に沿った方向に並んで配置された複数の前記接合部材と、前記第２領域の前記第２の辺に沿った方向に並んで配置された複数の前記接合部材と、を含み、前記第１領域及び前記第２領域は、断面視で、前記第１面よりも前記第２面側にある第１底面、及び、前記第１面と前記第１底面との間を繋ぐ第１側面を含む第１凹部と、前記第２面よりも前記第１面側にある第２底面、及び、前記第２面と前記第２底面との間を繋ぐ第２側面を含む第２凹部と、を含み、前記第１凹部と前記第２凹部とが交互に配置されている。

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。 図５中のＣ－Ｃ線における断面図。 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。 図７中のＤ－Ｄ線における断面図。

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、基体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と、振動素子７に設けられた電極の図示と、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を構成し、支持基板４が固定されている基体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、及び支持基板４と基体２１とを接合している複数の接合部材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を備える基体２１と、凹部２２の開口を塞ぐようにして、基体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、基体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、基体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、基体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、基体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、基体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、基体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、基体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、図３及び図４に示すように、基体２１に対向した第１面４１と、第１面４１の裏側の第２面４２と、平面視で、外縁の第１の辺４３の側に位置している第１領域５１と、平面視で、支持基板４の中心部に対して第１の辺４３とは反対側の第２の辺４４の側に位置している第２領域５２と、を有する。

支持基板４の第１領域５１及び第２領域５２には、Ｙ方向からの断面視で、第１面４１よりも第２面４２側にある第１底面４６、及び、第１面４１と第１底面４６との間を繋ぐ第１側面４７を含む第１凹部４５と、第２面４２よりも第１面４１側にある第２底面４９、及び、第２面４２と第２底面４９との間を繋ぐ第２側面５０を含む第２凹部４８と、がそれぞれ複数設けられており、第１凹部４５と第２凹部４８とが交互に配置されている。尚、本実施形態では、第１領域５１及び第２領域５２のＸ方向両端部に第１凹部４５が配置されるように形成されている。

第１凹部４５の第１側面４７は、第１底面４６に向かって第１凹部４５の幅が狭くなるように傾斜している。つまり、第１凹部４５は、第１凹部４５の第１面４１側の幅Ｗ１１が第１凹部４５の第１底面４６側の幅Ｗ１２より広くなるように形成されている。
また、第２凹部４８の第２側面５０は、第２底面４９に向かって第２凹部４８の幅が狭くなるように傾斜している。つまり、第２凹部４８は、第２凹部４８の第２面４２側の幅Ｗ２１が第２凹部４８の第２底面４９側の幅Ｗ２２より広くなるように形成されている。

また、支持基板４は、第１領域５１の第１の辺４３に沿った方向に並び、支持基板４のＸ方向両端部に配置された２つの接合部材３１と、第２領域５２の第２の辺４４に沿った方向に並び、支持基板４のＸ方向両端部に配置された２つの接合部材３１と、第１領域５１と第２領域５２との中間に位置し、支持基板４のＸ方向両端部に配置された２つの接合部材３１と、で基体２１の第１凹部２３の底面に固定されている。つまり、第１領域５１及び第２領域５２においては、支持基板４のＸ方向両端部に設けられた第１凹部４５に接合部材３１が配置されている。尚、接合部材３１は、導電性接合部材であり、支持基板４と基体２１とを電気的に接合している。

第１領域５１及び第２領域５２に第１凹部４５と第２凹部４８とが交互に配置されている支持基板４は、第１領域５１及び第２領域５２のそれぞれにおいて、支持基板４のＸ方向両端部に配置された２つの接合部材３１間の交互に配置された第１凹部４５と第２凹部４８とにより、撓みや伸長することができるようになるため、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。そのため、２つの接合部材３１の間で生じる支持基板４と基体２１との熱膨張係数の違いによる熱応力を交互に配置された第１凹部４５と第２凹部４８との撓みや伸長によって低減することができ、支持基板４又は基体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。

また、支持基板４は、ジンバル構造となっている。支持基板４は、図３に示すように、平面視で、第１領域５１及び第２領域５２を含む枠状の第１部分４０１と、第１部分４０１の内側に配置されている枠状の第２部分４０２と、第２部分４０２の内側に配置され、振動素子７が固定されている第３部分４０３と、第１部分４０１と第２部分４０２とを接続する第１梁部４０４と、第２部分４０２と第３部分４０３とを接続する第２梁部４０５と、を備えている。

第１梁部４０４は、第２部分４０２のＹ方向両側に位置し、第２部分４０２を両持ち支持するように第１部分４０１と第２部分４０２とを接続している。
また、第２梁部４０５は、第３部分４０３のＸ方向両側に位置し、第３部分４０３を両持ち支持するように第２部分４０２と第３部分４０３とを接続している。

このように、第１梁部４０４の延伸方向と第２梁部４０５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、より効果的に基体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、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、水晶と基体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の第３部分４０３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と基体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の第１領域５１及び第２領域５２に第１凹部４５と第２凹部４８とが交互に配置されている。そのため、第１領域５１及び第２領域５２のそれぞれの支持基板４のＸ方向両端部に配置された２つの接合部材３１の間で生じる支持基板４と基体２１との熱膨張係数の違いによる熱応力を交互に配置された第１凹部４５と第２凹部４８との撓みや伸長によって低減することができ、支持基板４又は基体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。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及び図６を参照して説明する。尚、図５及び図６では、支持基板４ａに設けられた端子や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及び図６に示すように、平面視で、支持基板４ａの第１の辺４３及び第２の辺４４に交差する第３の辺５５の側に位置している第３領域５３と、第１の辺４３及び第２の辺４４に交差し支持基板４の中心部に対して第３の辺５５とは反対側に位置する第４の辺５６の側に位置している第４領域５４とに、Ｘ方向からの断面視で、第１凹部４５と第２凹部４８とが交互に配置されている。そのため、第１領域５１と第２領域５２との中間に位置し、第３領域５３及び第４領域５４に配置される２つの接合部材３１を、第１凹部４５に配置することで、第３領域５３及び第４領域５４に配置されたそれぞれ３つの接合部材３１においてＹ方向に隣り合う２つの接合部材３１間に第２凹部４８が配置され、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。

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７及び図８を参照して説明する。尚、図７及び図８では、支持基板４ｂに設けられた端子や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７及び図８に示すように、支持基板４ｂの第１領域５１及び第２領域５２に、Ｙ方向からの断面視で、第１凹部４５と第２凹部４８とが交互に配置されている。また、第１領域５１及び第２領域５２のＸ方向両端部に第２凹部４８が配置されるように形成されている。従って、接合部材３１は、Ｘ方向両端部に設けられた第２凹部４８の反対側の第１面４１に配置される。

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…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…基体、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、３２…ボンディングワイヤー、３３…接合部材、４１…第１面、４２…第２面、４３…第１の辺、４４…第２の辺、４５…第１凹部、４６…第１底面、４７…第１側面、４８…第２凹部、４９…第２底面、５０…第２側面、５１…第１領域、５２…第２領域、５３…第３領域、５４…第４領域、５５…第３の辺、５６…第４の辺、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、４０１…第１部分、４０２…第２部分、４０３…第３部分、４０４…第１梁部、４０５…第２梁部、Ｓ…内部空間、Ｗ１１，Ｗ１２，Ｗ２１，Ｗ２２…幅。

Claims (7)

1. 振動素子と、
   前記振動素子を支持する支持基板と、
   前記支持基板が固定される基体と、
   前記支持基板と前記基体とを接合している複数の接合部材と、を備え、
   前記支持基板は、
   前記基体に対向した第１面と、
   前記第１面の裏側の第２面と、
   平面視で、外縁の第１の辺の側に位置している第１領域と、
   前記平面視で、前記支持基板の中心部に対して前記第１の辺とは反対側の第２の辺の側に位置している第２領域と、を有し、
   前記接合部材は、
   前記第１領域の前記第１の辺に沿った方向に並んで配置された複数の前記接合部材と、
   前記第２領域の前記第２の辺に沿った方向に並んで配置された複数の前記接合部材と、を含み、
   前記第１領域及び前記第２領域は、断面視で、
   前記第１面よりも前記第２面側にある第１底面、及び、前記第１面と前記第１底面との間を繋ぐ第１側面を含む第１凹部と、
   前記第２面よりも前記第１面側にある第２底面、及び、前記第２面と前記第２底面との間を繋ぐ第２側面を含む第２凹部と、を含み、
   前記第１凹部と前記第２凹部とが交互に配置されている、
   振動デバイス。
2. 前記接合部材は、前記第１凹部に配置されている、
   請求項１に記載の振動デバイス。
3. 前記第１凹部の前記第１側面は、前記第１底面に向かって前記第１凹部の幅が狭くなるように傾斜している、
   請求項１又は請求項２に記載の振動デバイス。
4. 前記第２凹部の前記第２側面は、前記第２底面に向かって前記第２凹部の幅が狭くなるように傾斜している、
   請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の振動デバイス。
5. 前記支持基板は、
   前記平面視で、前記第１の辺及び前記第２の辺に交差する第３の辺の側に位置している第３領域と、
   前記平面視で、前記第１の辺及び前記第２の辺に交差し前記支持基板の中心部に対して前記第３の辺とは反対側に位置する第４の辺の側に位置している第４領域と、を備え、
   前記第３領域及び前記第４領域は、前記断面視で、前記第１凹部と前記第２凹部とが交互に配置されている、
   請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の振動デバイス。
6. 前記支持基板は、前記平面視で、
   前記第１領域及び前記第２領域を含む枠状の第１部分と、
   前記第１部分の内側に配置されている枠状の第２部分と、
   前記第２部分の内側に配置され、前記振動素子が固定されている第３部分と、
   前記第１部分と前記第２部分とを接続する第１梁部と、
   前記第２部分と前記第３部分とを接続する第２梁部と、を備えている、
   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. 前記接合部材は、前記支持基板と前記基体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６の何れか一項に記載の振動デバイス。

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